基于有机朗肯循环的PEMFC余热回收系统性能分析

作     者：何天琪 

作者单位：清华大学 

学位级别：硕士

导师姓名：彭杰

授予年度：2016年

学科分类：0808[工学-电气工程] 08[工学] 

主      题：质子交换膜燃料电池 余热回收 有机朗肯循环 热泵 

摘      要：质子交换膜电池由于其高效、产物无污染,是清洁能源中一个重要发展方向。质子交换膜电池对于工作温度有着严格要求,一般为60～80℃。化学反应中约一半的能量以热的形式散失到环境中。这意味着质子交换膜燃料电池有很大的热回收潜力,同时需要冷却效果和均温效果很好的冷却系统。质子交换膜燃料电池的工作温度较低,余热的低品位给其回收造成了很大困难。本文设计了基于有机朗肯循环的余热回收系统(ORC)和热泵耦合的有机朗肯循环余热回收系统(HPORC),将质子交换膜燃料电池余热转化为机械能,并分析了两种方案直接作为质子交换膜燃料电池冷却系统的可能性。通过对ORC和HPORC的热力循环过程进行理论分析和仿真计算,比较了两种余热利用方案的热效率及输出功,研究了余热回收系统的优化参数。本课题重点考察余热回收系统中蒸发器和冷凝器温度对热回收性能的影响。根据燃料电池的运行温度,选择了几种工质(R123,R245fa,R134a,水,乙醇)分别进行仿真计算,得到了不同工质的最佳蒸发器和冷凝器温度,以及对应工况下的热效率及输出功。由于ORC和HPORC中的蒸发过程有很强的吸热能力,本文研究了将余热回收系统直接作为质子交换膜燃料电池的冷却系统的冷却性能。相较于传统的水冷等冷却方式,此方式冷却能力和均温能力都更强。通过系统层面的仿真得到了余热回收系统作为燃料电池冷却系统时燃料电池的工作温度及余热回收效率等性能参数。在此基础上通过CFD仿真对燃料电池冷却板不同流道布局时的换热性能进行了模拟,并根据结果对原有冷却板进行了改进。