基于有機朗肯循環改善PEMFC系統性能研究

文_陳瑜 中國質量認證中心南京分中心

質子交換膜燃料電池(PEMFC)作為一種極具發展前景的新能源技術，具有相對較低的工作溫度、良好的啟動性能以及較高的功率密度。PEMFC 的核心是一種聚合物膜，電化學反應發生在電解質和膜的界面上，氫氣側為陽極，氧氣側為陰極，氫分裂成質子和電子，電子從陽極移動到陰極，質子在電解質內部從陽極轉移到陰極。在陰極，電子和氫離子與氧結合產生水，同時外部電路產生直流電，通常需要將大量電池串聯形成PEMFC堆產生所需電壓。PEMFC 將燃料的化學能直接轉化為直流電和水的同時，副產部分余熱，溫度約330 ～370K。穩態運行時，余熱量占據50%以上。為了維持整個系統的溫度均勻性，這部分余熱需要及時排出，目前主要通過熱電聯產、燃料重整、制冷等再利用，但由于余熱溫度相對較低，回收效率難以提高，如何高效利用這部分余熱對提高燃料電池內部的能量轉換效率具有重要意義。因此，本文提出了一種由PEMFC 堆和有機朗肯循環（ORC）組成的混合系統，利用其產生的余熱來提高能量轉換效率，并揭示混合系統的性能特點。

1 PEMFC-ORC混合系統

PEMFC-ORC 混合系統包括一個PEMFC 堆和ORC 兩個子系統。PEMFC 子系統由氫罐、空氣壓縮機、增濕器、壓力調節器和燃料電池堆組成。ORC 子系統除料電池堆（蒸發器）外，還包括膨脹機、冷凝器和工質泵。ORC 系統以低沸點有機物為循環工質，工質在蒸發器中受熱蒸發為飽和蒸汽，推動膨脹機做功，乏氣進入冷凝器，由工質泵再送至蒸發器完成循環。假設系統穩定運行、管道以及換熱設備中壓降為0、忽略熱損，通過分析可得：

其中，Qch為電化學釋放理論功率；Wfc為PEMFC 堆輸出電能；Wcomp為壓縮機耗功；We，act和Wp，act為膨脹機和工質泵實際輸出功；mwf為質量流量；Qev為吸熱量；ηe，is為膨脹機等熵效率；ηg為發電機機械效率；ηp，is為循環泵等熵效率。

2 ORC系統工質篩選

ORC 系統性能以及循環特性主要由循環工質控制，工質的選擇主要考慮物性參數與環境影響，比如較低的ODP、GWP 以及ALT，正常操作溫度范圍內不會分解，安全無毒等，初步篩選了6 種工質（表1），物性參數來自REFPROF 8.0。

表1 工質物性參數

3 結果分析

3.1 等效輸出功

圖1 所示為混合系統等效輸出功P*（P*=Wall/Ac）與PEMFC 堆電流密度i 的關系，以循環工質R245fa 為例，蒸發溫度分別為330K、340K、350K、冷凝溫度308K、環境溫度298K，燃料電池工作溫度為358.15K，操作壓力202.65kPa?？梢钥闯?，ORC 系統導致系統等效輸出功有較大提升，增幅在10%左右。隨著電流密度增大，ORC 系統輸出功和系統等效輸出功均逐漸增大，并且在電流密度接近1.28A/cm2（ip）時，系統等效輸出功達到最大值。同時，ORC 系統輸出功和系統等效輸出功均隨蒸發溫度的提高而增大。當電流密度超過ip時，雖然ORC 輸出功增大，但系統等效輸出功呈下降趨勢。因此，混合系統高效工作時的電流密度不應超過ip。另外，對于較低電流密度，蒸發溫度對于輸出功的影響較小。

圖1 混合系統無量綱輸出功與電流密度關系

3.2 混合系統效率

圖2 所示混合系統效率與電流密度的關系，系統參數與上述一致?？梢钥闯?，混合系統效率隨電流密度增大呈急速下降、緩慢下降，而后再次急速下降趨勢；蒸發溫度提高，效率有所增加，且較低電流密度時，對效率的影響較小，混合系統最大效率接近73%。這與電流密度對系統等效輸出功的影響完全不同，并不存在最大效率點，單從效率來看并不能找到合理的操作范圍，需要進一步分析。

圖3 所示為系統等效輸出功與混合系統效率的關系，可以明確看出，當輸出功取得最大值時，效率接近40%。當超過45%時，系統輸出功急劇減小，由此可從圖4 確定當前條件下的最佳操作范圍。

圖2 混合系統效率與電流密度的關系

圖3 等效輸出功與混合系統效率的關系

3.3 工作介質對混合系統效率的影響

圖4 所示為不同介質混合系統效率與工作壓力的關系，蒸發溫度為340K，冷凝溫度308K，環境溫度298K，燃料電池工作溫度為358.15K?？梢钥闯?，由于ORC 系統的引入，混合系統效率有了較為明顯的提升。隨著工作壓力的提升，系統效率先增大而后減小，在202kPa 時存在最大效率，且最大效率與工質介質無關，由此在本文條件下，混合系統的最佳工作壓力約為202kPa；同時在相同壓力時，不同介質的效率基本重合。主要原因在于，PEMFC 具有優異的低溫工作性能，而對于低溫ORC 系統來說，工作介質對于ORC系統性能的影響較小，此時介質的選擇主要考慮環境因素和經濟性指標。

圖4 不同介質混合系統效率與工作壓力的關系

4 結論

本文針對PEMFC 堆余熱再利用，提出了PEMFC-ORC 混合系統以提升電池性能，研究了系統等效輸出功、混合系統效率以及工作介質、電池工作壓力對混合系統效率的影響，主要結論如下：

ORC 系統引起混合系統等效輸出功有較大提升，在電流密度接近1.28A/cm2時，系統等效輸出功達到最大；對于較低電流密度，蒸發溫度對于輸出功的影響較小。

混合系統效率隨電流密度增大呈下降趨勢，最大效率接近73%，當系統輸出功最大時，效率為40%，最佳效率范圍不應超過45%。

混合系統效率在電池工作壓力為202kPa 時取得最大值，相比PEMFC 系統，混合系統效率提升4%，且最大效率與ORC介質種類無關。