基于有機(jī)朗肯循環(huán)改善PEMFC系統(tǒng)性能研究

文_陳瑜 中國(guó)質(zhì)量認(rèn)證中心南京分中心

質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)作為一種極具發(fā)展前景的新能源技術(shù)，具有相對(duì)較低的工作溫度、良好的啟動(dòng)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(xué)反應(yīng)發(fā)生在電解質(zhì)和膜的界面上，氫氣側(cè)為陽(yáng)極，氧氣側(cè)為陰極，氫分裂成質(zhì)子和電子，電子從陽(yáng)極移動(dòng)到陰極，質(zhì)子在電解質(zhì)內(nèi)部從陽(yáng)極轉(zhuǎn)移到陰極。在陰極，電子和氫離子與氧結(jié)合產(chǎn)生水，同時(shí)外部電路產(chǎn)生直流電，通常需要將大量電池串聯(lián)形成PEMFC堆產(chǎn)生所需電壓。PEMFC 將燃料的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為直流電和水的同時(shí)，副產(chǎn)部分余熱，溫度約330 ～370K。穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，余熱量占據(jù)50%以上。為了維持整個(gè)系統(tǒng)的溫度均勻性，這部分余熱需要及時(shí)排出，目前主要通過(guò)熱電聯(lián)產(chǎn)、燃料重整、制冷等再利用，但由于余熱溫度相對(duì)較低，回收效率難以提高，如何高效利用這部分余熱對(duì)提高燃料電池內(nèi)部的能量轉(zhuǎn)換效率具有重要意義。因此，本文提出了一種由PEMFC 堆和有機(jī)朗肯循環(huán)（ORC）組成的混合系統(tǒng)，利用其產(chǎn)生的余熱來(lái)提高能量轉(zhuǎn)換效率，并揭示混合系統(tǒng)的性能特點(diǎn)。

1 PEMFC-ORC混合系統(tǒng)

PEMFC-ORC 混合系統(tǒng)包括一個(gè)PEMFC 堆和ORC 兩個(gè)子系統(tǒng)。PEMFC 子系統(tǒng)由氫罐、空氣壓縮機(jī)、增濕器、壓力調(diào)節(jié)器和燃料電池堆組成。ORC 子系統(tǒng)除料電池堆（蒸發(fā)器）外，還包括膨脹機(jī)、冷凝器和工質(zhì)泵。ORC 系統(tǒng)以低沸點(diǎn)有機(jī)物為循環(huán)工質(zhì)，工質(zhì)在蒸發(fā)器中受熱蒸發(fā)為飽和蒸汽，推動(dòng)膨脹機(jī)做功，乏氣進(jìn)入冷凝器，由工質(zhì)泵再送至蒸發(fā)器完成循環(huán)。假設(shè)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行、管道以及換熱設(shè)備中壓降為0、忽略熱損，通過(guò)分析可得：

其中，Qch為電化學(xué)釋放理論功率；Wfc為PEMFC 堆輸出電能；Wcomp為壓縮機(jī)耗功；We，act和Wp，act為膨脹機(jī)和工質(zhì)泵實(shí)際輸出功；mwf為質(zhì)量流量；Qev為吸熱量；ηe，is為膨脹機(jī)等熵效率；ηg為發(fā)電機(jī)機(jī)械效率；ηp，is為循環(huán)泵等熵效率。

2 ORC系統(tǒng)工質(zhì)篩選

ORC 系統(tǒng)性能以及循環(huán)特性主要由循環(huán)工質(zhì)控制，工質(zhì)的選擇主要考慮物性參數(shù)與環(huán)境影響，比如較低的ODP、GWP 以及ALT，正常操作溫度范圍內(nèi)不會(huì)分解，安全無(wú)毒等，初步篩選了6 種工質(zhì)（表1），物性參數(shù)來(lái)自REFPROF 8.0。

表1 工質(zhì)物性參數(shù)

3 結(jié)果分析

3.1 等效輸出功

圖1 所示為混合系統(tǒng)等效輸出功P*（P*=Wall/Ac）與PEMFC 堆電流密度i 的關(guān)系，以循環(huán)工質(zhì)R245fa 為例，蒸發(fā)溫度分別為330K、340K、350K、冷凝溫度308K、環(huán)境溫度298K，燃料電池工作溫度為358.15K，操作壓力202.65kPa。可以看出，ORC 系統(tǒng)導(dǎo)致系統(tǒng)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(tǒng)輸出功和系統(tǒng)等效輸出功均逐漸增大，并且在電流密度接近1.28A/cm2（ip）時(shí)，系統(tǒng)等效輸出功達(dá)到最大值。同時(shí)，ORC 系統(tǒng)輸出功和系統(tǒng)等效輸出功均隨蒸發(fā)溫度的提高而增大。當(dāng)電流密度超過(guò)ip時(shí)，雖然ORC 輸出功增大，但系統(tǒng)等效輸出功呈下降趨勢(shì)。因此，混合系統(tǒng)高效工作時(shí)的電流密度不應(yīng)超過(guò)ip。另外，對(duì)于較低電流密度，蒸發(fā)溫度對(duì)于輸出功的影響較小。

圖1 混合系統(tǒng)無(wú)量綱輸出功與電流密度關(guān)系

3.2 混合系統(tǒng)效率

圖2 所示混合系統(tǒng)效率與電流密度的關(guān)系，系統(tǒng)參數(shù)與上述一致?？梢钥闯觯旌舷到y(tǒng)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(shì)；蒸發(fā)溫度提高，效率有所增加，且較低電流密度時(shí)，對(duì)效率的影響較小，混合系統(tǒng)最大效率接近73%。這與電流密度對(duì)系統(tǒng)等效輸出功的影響完全不同，并不存在最大效率點(diǎn)，單從效率來(lái)看并不能找到合理的操作范圍，需要進(jìn)一步分析。

圖3 所示為系統(tǒng)等效輸出功與混合系統(tǒng)效率的關(guān)系，可以明確看出，當(dāng)輸出功取得最大值時(shí)，效率接近40%。當(dāng)超過(guò)45%時(shí)，系統(tǒng)輸出功急劇減小，由此可從圖4 確定當(dāng)前條件下的最佳操作范圍。

圖2 混合系統(tǒng)效率與電流密度的關(guān)系

圖3 等效輸出功與混合系統(tǒng)效率的關(guān)系

3.3 工作介質(zhì)對(duì)混合系統(tǒng)效率的影響

圖4 所示為不同介質(zhì)混合系統(tǒng)效率與工作壓力的關(guān)系，蒸發(fā)溫度為340K，冷凝溫度308K，環(huán)境溫度298K，燃料電池工作溫度為358.15K?？梢钥闯?，由于ORC 系統(tǒng)的引入，混合系統(tǒng)效率有了較為明顯的提升。隨著工作壓力的提升，系統(tǒng)效率先增大而后減小，在202kPa 時(shí)存在最大效率，且最大效率與工質(zhì)介質(zhì)無(wú)關(guān)，由此在本文條件下，混合系統(tǒng)的最佳工作壓力約為202kPa；同時(shí)在相同壓力時(shí)，不同介質(zhì)的效率基本重合。主要原因在于，PEMFC 具有優(yōu)異的低溫工作性能，而對(duì)于低溫ORC 系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，工作介質(zhì)對(duì)于ORC系統(tǒng)性能的影響較小，此時(shí)介質(zhì)的選擇主要考慮環(huán)境因素和經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)。

圖4 不同介質(zhì)混合系統(tǒng)效率與工作壓力的關(guān)系

4 結(jié)論

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

ORC 系統(tǒng)引起混合系統(tǒng)等效輸出功有較大提升，在電流密度接近1.28A/cm2時(shí)，系統(tǒng)等效輸出功達(dá)到最大；對(duì)于較低電流密度，蒸發(fā)溫度對(duì)于輸出功的影響較小。

混合系統(tǒng)效率隨電流密度增大呈下降趨勢(shì)，最大效率接近73%，當(dāng)系統(tǒng)輸出功最大時(shí)，效率為40%，最佳效率范圍不應(yīng)超過(guò)45%。

混合系統(tǒng)效率在電池工作壓力為202kPa 時(shí)取得最大值，相比PEMFC 系統(tǒng)，混合系統(tǒng)效率提升4%，且最大效率與ORC介質(zhì)種類(lèi)無(wú)關(guān)。