冷凝條件對PEMFC混合工質(zhì)ORC系統(tǒng)性能的影響

李青山，汪春梅，汪陳芳，時禮寧，諸葛偉林，張揚軍

（1.合肥工業(yè)大學 汽車與交通工程學院，合肥 230009，中國；2.汽車安全與節(jié)能國家重點實驗室，清華大學，北京 100084，中國）

有機Rankin循環(huán)（organic rankine cycle, ORC）作為余熱回收的有效裝置，因其結(jié)構(gòu)簡單、靈活安全、工作穩(wěn)定、技術成熟等特點，逐漸被應用于地熱能[1]、太陽能[2]、工業(yè)余熱回收[3]等領域。工質(zhì)作為系統(tǒng)重要組成對系統(tǒng)性能有重要影響。不同工質(zhì)因為物性不同，即使在相同工況下，熱力循環(huán)性能也存在較大的差異[4]。如何選擇一種與工況合理匹配的工質(zhì)，對ORC系統(tǒng)性能最大化有重要意義?，F(xiàn)存的純組分工質(zhì)在某些特定條件下無法充分提升ORC的性能，越來越多的學者將目光轉(zhuǎn)向非共沸混合工質(zhì)。

FANG Yuwen等[5]對比了采用不同臨界溫度的純工質(zhì)及非共沸混合工質(zhì)的ORC在柴油機余熱回收中的熱力學性能和經(jīng)濟性能。LI Jian 等[6]將非共沸混合物作為工質(zhì)應用到雙壓蒸發(fā)ORC中，系統(tǒng)的輸出功率顯著提高。HAN Jing等[7]提出一種采用非共沸混合物作為工質(zhì)的發(fā)電和制氫混合系統(tǒng)，提高了能源效率和?效率。陳超男等[8]研究了一種組分可調(diào)的非共沸混合工質(zhì)ORC系統(tǒng)，提高了系統(tǒng)的經(jīng)濟性和工況的適應性。DONG Bensi等[9]對比了常規(guī)有機工質(zhì)及非共沸混合工質(zhì)在ORC中的熱力學性能。上述研究表明，在一定的操作工況及邊界條件，非共沸混合物有機工質(zhì)在ORC系統(tǒng)中性能比純工質(zhì)要好。

質(zhì)子交換膜燃料電池（proton exchange membrane fuel cell，PEMFC）因其工作溫度低、啟動快、功率密度大、效率高且產(chǎn)物無污染等特點成為能量轉(zhuǎn)換的理想裝置。在能量轉(zhuǎn)化方面，PEMFC能量利用率約40% ～60%[10]，仍有近一半的化學能以產(chǎn)熱的方式散耗。有機Rankine循環(huán)因其在低溫余熱回收方面具有良好的熱性能，逐漸被應用到PEMFC系統(tǒng)中。ZHAO Pan等[11]提出了一種用于質(zhì)子交換膜燃料電池電堆的ORC余熱回收系統(tǒng)，系統(tǒng)整體效率提高約5 %。LIU Guokun 等[12]研究了不同工況、不同有機工質(zhì)的PEMFC的ORC余熱回收系統(tǒng)性能。上述關于ORC系統(tǒng)在PEMFC上的研究，選用的工質(zhì)都是當前應用較為廣泛的純組分工質(zhì)。I. Fakhari等[13]將非共沸混合工質(zhì)應用到PEMFC和ORC混合系統(tǒng)中，通過遺傳算法對比分析了20余種混合工質(zhì)，篩選出最優(yōu)混合工質(zhì)。WANG Chenfang等[14]從物性角度分析了不同混合比的R245fa/R123混合工質(zhì)在PEMFC-ORC系統(tǒng)中的性能。

本文通過Aspen Plus軟件及其內(nèi)置FORTAN模塊建立ORC模型，以R123、R245fa及其不同質(zhì)量比混合物為工質(zhì)，以冷凝器為研究目標, 分別通過固定冷凝器冷凝溫度、冷凝器冷凝壓力即渦輪出口壓力，以及變冷凝器熱側(cè)工質(zhì)出口溫度，研究以非共沸混合物為工質(zhì)的ORC系統(tǒng)回收PEMFC余熱時，不同冷凝工況下工質(zhì)對ORC系統(tǒng)性能的影響。

1 系統(tǒng)描述

有機Rankine循環(huán)(ORC)系統(tǒng)回收PEMFC余熱如圖1所示，其中ORC系統(tǒng)主要由蒸發(fā)器、膨脹機、冷凝器和增壓泵組成。其中蒸發(fā)器集成到燃料電池電堆極板，一方面對電堆進行降溫，另一方面又作為ORC系統(tǒng)的蒸發(fā)器。

電堆工作時，隨著電流密度增加，PEMFC凈輸出功率雖然也會隨之增加，但熱損耗增加更為明顯。本文基于電堆穩(wěn)定工作工況，電堆模型參考文獻[14]，產(chǎn)熱為60 kW。為防止電堆溫度過高，通過ORC系統(tǒng)對其降溫同時回收余熱。受電堆結(jié)構(gòu)和裝配預緊力限制[15]，ORC系統(tǒng)工作壓力不宜過大，設定ORC系統(tǒng)工作最高壓力為5 atm（1 atm ≈ 1.013×105Pa）。本研究中，不同工質(zhì)均在70℃ 蒸發(fā)，當工質(zhì)蒸發(fā)壓力高于5 atm時，調(diào)整工質(zhì)流量使其在5 atm壓力下過熱到70 ℃（如圖4a中a、b、c 這3點分別為3種工質(zhì)蒸發(fā)對應的沸點和壓力）。

冷凝器通過控制冷卻液進出口溫度、流量使ORC工質(zhì)冷凝到研究狀態(tài)。由于R123、R245fa及其混合物均為干工質(zhì)，渦輪做工過程中并不會出現(xiàn)液化，本文渦輪出口壓力設置最低為1.001 atm。

1.1 ORC系統(tǒng)模型

對于ORC系統(tǒng)，本文基于以下假設：1） 系統(tǒng)運行過程為穩(wěn)態(tài)；2） 忽略系統(tǒng)中壓力損失；3） 泵和渦輪工作為等熵過程；4） 泵和渦輪的機械效率為100 %；5） 空氣壓縮機效率、泵效率和渦輪的絕熱效率分別為78 %、85 %，85 %[12]；6） 忽略ORC系統(tǒng)與環(huán)境之間的傳熱；7） 非共沸混合物作為工質(zhì)時，系統(tǒng)各處質(zhì)量比不變。

圖2 所示為ORC過程（1—6），工質(zhì)直接作為電堆的冷卻劑，在電堆中蒸發(fā)吸熱變?yōu)檎羝?—1），然后進入渦輪機做功（1—2s），做功的乏汽進入冷凝器，通過冷卻水降溫冷凝為液態(tài)（2—4），然后經(jīng)泵增壓后繼續(xù)循環(huán) （4—5）。由于R123、 R245fa及其混合物均為干工質(zhì)，所以渦輪做工過程中并不會出現(xiàn)液化。

工質(zhì)在電堆中吸收的熱量為

渦輪做功為

冷凝器冷凝放熱為

泵耗功為

其中，m為ORC系統(tǒng)中工質(zhì)的質(zhì)量流量，h1～h6為圖2中工質(zhì)不同工作狀態(tài)的焓值，下標s表示絕熱，ηtur、ηtpum分別為渦輪和泵效率。

本文從ORC凈輸出功率、ORC熱效率、總效率提升幾個方面評估系統(tǒng)的性能情況。

ORC凈輸出功率為

ORC熱效率為

1.2 工質(zhì)選擇

當前，對于非共沸混合工質(zhì)在ORC系統(tǒng)中應用的選擇標準的研究越來越多。本文基于文獻[16-17]中的選擇原則，結(jié)合電堆工作時的工況，通過對比當前ORC常用有機工質(zhì)，篩選出沸點對應壓力在電堆工作壓力范圍內(nèi)的工質(zhì)，然后對比分析各工質(zhì)相變潛熱等熱物性,以及安全性、環(huán)保性, 最終確定以R123、R245fa及其不同質(zhì)量比的混合物作為研究對象。R123、R245fa物性參數(shù)調(diào)用Aspen軟件物性庫，狀態(tài)方程選擇NRTL方程。表1為2種工質(zhì)的基本物性參數(shù)。

表1 R123、R245fa工質(zhì)的物理性質(zhì)

2 結(jié)果與分析

2.1 固定冷凝溫度

本節(jié)選取冬季、常溫、夏季3種季節(jié)工況。固定冷凝器熱側(cè)出口溫度，冷熱兩側(cè)進出口溫差為10 ℃，冷卻水出口溫度（θC2）比入口溫度（θC1）高8 ℃，調(diào)整渦輪出口壓力，使冷凝器熱側(cè)工質(zhì)出口狀態(tài)為液態(tài)，對比分析不同質(zhì)量分數(shù)的混合工質(zhì)對ORC系統(tǒng)性能的影響。3種季節(jié)工況冷熱側(cè)進出口溫度如表2所示，其中：θS1、θS4分別為冷凝器熱側(cè)工質(zhì)進出口溫度，θtur為渦輪機出口溫度。

表2 冷凝器進出口溫度

圖3 為不同工況下ORC功率（WORC）及效率（ηORC）隨R245fa質(zhì)量分數(shù)（ωR245fa）的變化。冬季工況，ωR245fa= 0.6的混合工質(zhì)ORC系統(tǒng)性能最優(yōu)，WORC和ηORC分別為6.54 kW和10.90 %，ORC輸出功率最大，比夏季提升60.92 %。常溫和夏季工況，R123為工質(zhì)時系統(tǒng)功率和熱效率最大，WORC和ηORC分別為5.00 kW和8.34 %，4.36 kW和7.27 %。其中3個季節(jié)工況均在ωR245fa= 0.6處有明顯的轉(zhuǎn)折，冬季工況該點ORC性能最大，在常溫和夏季工況，該處ORC性能驟降。工質(zhì)的最佳混合比受環(huán)境溫度影響，ωR245fa不宜超過0.6。

圖4 a為3種工況下純工質(zhì)和ωR245fa= 0.6的混合工質(zhì)（圖中0.6/0.4）露點、沸點曲線（圖中a、b、c 點分別為3種工質(zhì)蒸發(fā)對應的沸點和壓力），由于非混合工質(zhì)溫度滑移的原因，其露點和沸點曲線并不重合。，隨ωR245fa增加，混合工質(zhì)的露點和沸點曲線由R123逐漸逼近R245fa，即相同壓力下，混合工質(zhì)露點和沸點逐漸減小。圖4b為3種工況下渦輪出口壓力隨不同混合質(zhì)量分數(shù)工質(zhì)的變化。冬季工況，由于工質(zhì)冷凝溫度為20℃，混合工質(zhì)ωR245fa＜ 0.6時，冷凝壓力 ＜ 1.001patm，渦輪出口壓力為系統(tǒng)最小壓力1.001patm；當ωR245fa＞ 0.6時，冷凝壓力 ＞ 1.001patm，渦輪出口壓力增加。

通過圖4可以很好地解釋上述3種工況ORC性能曲線的差異。常溫和夏季工況下，隨ωR245fa增加，渦輪出口壓力增加，WORC和ηORC呈現(xiàn)下降趨勢；當ωR245fa＞ 0.6時，受限于系統(tǒng)最高工作壓力，工質(zhì)蒸發(fā)溫度下降，與渦輪出口壓力增加雙重作用導致ORC性能曲線驟降。冬季工況下，ωR245fa＜ 0.6時，系統(tǒng)冷凝壓力不變，隨ωR245fa增加，蒸發(fā)壓力增加，ORC系統(tǒng)性能增加；當ωR245fa＞ 0.6時，由于冷凝壓力的增加，ORC系統(tǒng)性能下降。

2.2 固定冷凝壓力

本節(jié)中分別設定冷凝壓力（pcold）1.001、1.500、2.000patm3個壓力工況，冷熱兩側(cè)進出口溫差為10 ℃，冷卻水溫升為8℃。其中熱側(cè)工質(zhì)出口溫度為該壓力下露點溫度（該溫度指混合工質(zhì)完全冷凝為液態(tài)的溫度）。圖5為不同冷凝壓力條件下，ORC系統(tǒng)輸出功率（WORC）和熱效率（ηORC）隨R245fa質(zhì)量分數(shù)（ωR245fa）變化。

由圖5可以看出，冷凝壓力越小，系統(tǒng)做功能力越強。隨ωR245fa增加，系統(tǒng)性能先增加后減小，ωR245fa= 0.6時，系統(tǒng)性能最佳。3個冷凝壓力工況WORC分別為6.65、5.35、4.31 kW，3個冷凝壓力工況ηORC分別為11.08 %、8.92 %、7.19 %。

主要原因與3.1節(jié)類似，隨ωR245fa增加，混合工質(zhì)蒸發(fā)壓力增加，ORC系統(tǒng)做功能量提升，但當ωR245fa＞0.6時，受限于系統(tǒng)最高工作壓力，工質(zhì)蒸發(fā)溫度降低，性能下降。

2.3 冷凝器出口溫度對系統(tǒng)影響

圖6 為不同質(zhì)量分數(shù)R245fa（ωR245fa）工質(zhì)下ORC功率（WORC）和效率（ηORC）隨冷凝器出口溫度（θext）變化。

隨冷凝器熱側(cè)工質(zhì)出口溫度增加，ORC系統(tǒng)功率和效率先增后降。不同質(zhì)量分數(shù)的混合工質(zhì)其ORC性能最大值和對應冷凝器工質(zhì)出口溫度不同，隨ωR245fa增加，混合工質(zhì)的ORC性能曲線由R123向R245fa靠近，工質(zhì)對應最佳冷凝溫度越低，即不同工況對應不同的最佳混合比。隨冷凝器熱側(cè)出口溫度升高，混合工質(zhì)出口狀態(tài)由液態(tài)過冷逐漸成為飽和狀態(tài)，而工質(zhì)出口狀態(tài)變?yōu)轱柡蜖顟B(tài)后冷凝壓力隨之升高，膨脹機做功能力降低，因此ORC系統(tǒng)性能曲線呈現(xiàn)先升后降的趨勢。而混合工質(zhì)中ωR245fa增加，露點降低，轉(zhuǎn)折點向左移動。

圖6 標記的冬季、常溫、夏季即為上述3.1節(jié)中對應的3個季節(jié)工況。當θS1＜ 15 ℃時，純組分R245fa作為工質(zhì)，系統(tǒng)性能最高；當θS1＞ 27 ℃時，純組分R123作為工質(zhì)，系統(tǒng)性能最佳。θS1介于15～27 ℃時，ωR245fa= 0.6的混合工質(zhì)性能最好。這也可以很好地解釋3.1節(jié)中冬季工況與常溫和夏季工況存在的差異。

3 結(jié) 論

本文利用Aspen Plus軟件建立了PEMFC-ORC系統(tǒng)，對比分析了固定冷凝溫度、固定冷凝壓力、固定工質(zhì)出口溫度3個限制條件下，R123、R245fa純工質(zhì)及不同混合比(R245fa / R123)非共沸混合工質(zhì)對ORC功率和效率的影響。通過以上分析，可得出如下結(jié)論：

1） 固定冷凝溫度條件下，工質(zhì)最佳混合比主要受環(huán)境溫度影響。常溫和夏季為R123純工質(zhì)性能最優(yōu)，冬季R245fa / R123 = 0.6/0.4的混合比最佳。當前研究工況，R245fa質(zhì)量分數(shù)不宜超過0.6。

2） 固定冷凝壓力條件下，質(zhì)量分數(shù)為0.6的R245fa混合工質(zhì)ORC系統(tǒng)功率和效率最大， 分別為6.65 kW和11.08 %。

3） 不同工質(zhì)存在不同的最佳冷凝器冷凝溫度，R245fa質(zhì)量分數(shù)越大，工質(zhì)對應最佳冷凝溫度越低。