CN108773954A - 极地船燃料电池蒸馏水供给系统 - Google Patents

极地船燃料电池蒸馏水供给系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种极地船燃料电池蒸馏水供给系统，其包括通过在高位海水区、低位海水区设置多空隔离堰板，在低位海水区设换热器，换热器的冷却水管与压载水舱相连通；压载水舱的水对极地船的设备进行冷却，冷却后的水经热冷却水管流回换热器；蒸馏水供给系统包括蒸馏过滤系统、燃料电池系统；蒸馏过滤系统包括依次连接的离子交换过滤器、蒸馏设备、水流量电磁阀、蒸发器，离子交换过滤器与燃料电池海水进水管连接；燃料电池系统包括甲烷储存罐、甲烷流量电磁阀、脱硫器、甲烷加热器、重整器、燃料电池组、空压机、空气加热器、UPS系统。本发明不仅能实现极地船辅助设备的冷却，而且对能将海水转化为蒸馏水，为燃料电池提供纯净水蒸汽。

Description

极地船燃料电池蒸馏水供给系统
技术领域
本发明涉及一种供给系统，具体涉及一种极地船燃料电池蒸馏水供给系统。
背景技术
固体氧化物燃料电池是一种采用电化学反应的发电装置，其工作环境一般在600℃～1000℃，余热温度也通常超过600℃，属于中高温燃料电池。相比其他的能量发生装置而言，固体氧化物燃料电池有以下几个优点：(1)它的排气温度高，且能量转换效率高，若充分利用其余热，直流发电效率可高达70％以上，交流发电效率可高达65％。(2)它可以直接利用氢气、甲烷、甲醇等作为燃料，而无需使用贵金属作为催化剂。(3)电池组件均为固态，可以避免由于液体电解质所带来的腐蚀、泄漏等常见问题。(4)积木性强，具有多种规模，并可根据需要安装在不同的地点。由于燃料电池具有以上优点，并且清洁环保，有些船舶已经开始尝试用燃料电池部分替代内燃机，这样不仅低碳环保，同时也能解决船舶主机工作过程中产生的振动噪声问题。
固体氧化物燃料电池在工作过程中，需要水的供给，为了保证SOFC的供水通道及燃料电池阴极不受氯化钠及其他离子的腐蚀和影响，提高燃料电池的效率，就必须保证进入燃料电池阴极的水是蒸馏水。这样既能保证燃料电池系统的稳定运行，又延长了使用寿命。
UPS是不间断电源的英文简写，通过蓄电池与主机相连。船用UPS电源是为了满足海上平台、轮船以及相关特殊环境电力保障要求而专用的UPS。船用UPS的供电对象包括紧急照明系统、救生系统、IT设备、通讯系统以及导航系统，对供电稳定性要求很高。
极地船舶在航行过程中，海水中含有许多冰晶，在严重冰况下海水箱会发生冰堵，在这种情况下，极地船舶会利用独立压载水舱内的压载海水临时参与冷却。这样海水冷却系统就从开式外循环转变为闭式内循环。
目前，根据加拿大北极水域和俄罗斯北极水域航行规范要求设计的海水冷却系统，海水箱在吸入口处极易发生冰堵，且参与冷却的海水中包含有大量冰晶，从而容易导致冷却管道发生冰堵，低温情况下也容易造成管道的低温脆性，更难满足船舶在低温下航行环境温度要求。由于压载水舱中压载水有限，若无法及时融化海水箱冰块，压载水耗尽时，主机就有停机的危险。
发明内容
本发明的目的在于提供一种极地船燃料电池蒸馏水供给系统，该系统不仅能实现极地船的冷却，而且对能将海水转化为蒸馏水，为燃料电池提供纯净水蒸汽；还能利用燃料电池为UPS系统供电，解决船用UPS的供电问题。
本发明所采用的技术方案是：
一种极地船燃料电池蒸馏水供给系统，其包括冷却系统和蒸馏水供给系统；
所述冷却系统包括海水箱、压载水舱、换热器，所述海水箱包括从上往下依次设置的冰晶集聚区、高位海水区、低位海水区；所述高位海水区的高处设有带高位海水阀的高位海水口，所述高位海水区的低位设有带低位海水阀的低位海水口，高位海水区与燃料电池海水进水管相连通；所述高位海水区、低位海水区之间设有多孔隔离堰板；所述换热器置于低位海水区，其上设有热冷却水管和冷却水管，且所述冷却水管与压载水舱相连通；压载水舱的水对极地船的设备进行冷却，冷却后的水经热冷却水管流回换热器；
所述蒸馏水供给系统包括蒸馏过滤系统、燃料电池系统；所述蒸馏过滤系统包括依次连接的离子交换过滤器、蒸馏设备、水流量电磁阀、蒸发器，所述离子交换过滤器与燃料电池海水进水管连接；所述燃料电池系统包括甲烷储存罐、甲烷流量电磁阀、脱硫器、甲烷加热器、重整器、燃料电池组、空压机、空气加热器、UPS系统，所述甲烷储存罐、甲烷流量电磁阀、脱硫器、甲烷加热器、重整器依次连接；所述重整器与蒸发器连接，甲烷与水蒸气在重整器中进行重整反应；所述重整器与燃料电池组的阳极连接，所述空压机通过空气加热器与燃料电池组的阴极连接，所述燃料电池组与UPS系统连接，UPS系统通过变压器与负载连接。
从海水箱中引出海水来为燃料电池提供水。海水出口的位置(高位海水区与燃料电池海水进水管连接处)位于冰晶集聚区下方，海水经过离子交换过滤器以及蒸馏设备转化为蒸馏水后，再蒸发为水蒸气，与甲烷一同进入重整器中进行重整，从而得到氢气，进而进入燃料电池阳极参加反应。利用燃料电池为UPS系统供电，在断电的情况下，UPS系统再经过变压器转化为交流电输出，从而确保紧急照明系统、通讯系统等设备在断电的情况下也能正常运行。
按上述方案，所述蒸馏水供给系统还包括余热利用系统，所述余热利用系统包括依次连接的燃烧室、燃气轮机；所述燃烧室与燃料电池组的阴阳极废气口连接；所述燃气轮机通过变压器与负载连接，燃气轮机利用废气发电，为负载供电；从燃气轮机出来的废气依次为空气加热器、甲烷加热器、蒸发器、蒸馏设备提供热量。燃料电池系统产生的废气进入燃烧室进行燃烧，燃烧产生的余热通余热依次通过燃气轮机、空压机、空气加热器、甲烷加热器、水蒸发器、蒸馏设备，使余热得到充分的利用。
按上述方案，所述冰晶集聚区上设有透气管，以调节压强从而控制海水箱水位。
按上述方案，所述海水箱与主甲板的人孔盖相连接，若浮冰过多无法在海水箱中融化则可以通过主甲板的人孔盖进行人工捞出，以免海水箱堆积过多的冰晶，影响其冷却性能和为燃料电池提供纯净水蒸汽。，
按上述方案，在高位海水区内，高位海水区与燃料电池海水进水管连接处设有蒸汽盘管，在低位海水区内设有蒸汽盘管。设置蒸汽盘管的目的是保证燃料电池海水进水口和换热器周围海水的流动性，防止冰堵现象的产生，当检测到结冰时，蒸汽盘管加热，融化冰块。
按上述方案，在低位海水口处设有隔离栅板，所述隔离栅板的孔径为20mm，以减少冰晶吸入海水箱。
按上述方案，所述换热器为箱式换热器。采用箱式换热器的优点：1压载水舱的海水不与船外海水交换，从而防止压载海水中携带的微生物进入别的海域，造成物种入侵。2、箱式换热器安装在压载水舱(海水总管)附近，回流的冷却水冷却后直接进入压载水舱中，这就从根本上避免了极地海水作为冷却水流入，防止管道因此而产生的腐蚀和低温脆性。3、箱式换热器相比常用的海水板、壳换热器而言，温差限制小，板壳式换热器的使用一方面可能造成换热器管道堵塞，另一方面温差大会导致换热器的性能受到影响，同时管路容易产生积垢。
本发明的有益效果在于：
通过在高位海水区、低位海水区之间设多孔隔离堰板，以改变海水箱内水的流向，将大块冰晶隔离在高位海水区，减少冰晶吸入低位海水区；
在低位海水区和高位海水区加装蒸汽盘管，以防止在极端低温情况下海水箱和海水阀处发生冰堵从而影响到主机的工作；
通过将海水箱分成三个部分，以及在高位海水区、低位海水区之间设多孔隔离堰板，在低位海水区内设换热器等以更好的实现极地船的冷却；避免冰晶影响冷却效果，确保极地船正常运行；
通过设置蒸馏过滤系统、燃料电池系统，以确保将海水转化为蒸馏水，为燃料电池提供纯净水蒸汽，确保燃料电池正常工作；进而解决船用UPS的供电问题。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是极地船燃料电池蒸馏水供给系统中冷却系统的结构示意图；
图2是极地船燃料电池蒸馏水供给系统中蒸馏水供给系统的结构示意图；
其中：1-1、高位海水阀，1-2、低位海水阀，1-3、多孔隔离堰板，1-5、压载水舱，1-6、冷却水管，1-7、箱式换热器，1-8、燃料电池海水进水管，1-9、冰晶集聚区，1-10、透气管，1-11、热冷却水管，1-12、蒸汽盘管，1-13、高位海水区，1-14、低位海水区，2-1、甲烷贮存罐，2-2、甲烷流量电池阀，2-3、脱硫器，2-4、水流量电池阀，2-5、空压机，2-6、重整器，2-7、燃料电池组，2-8、UPS系统，2-9、变压器，2-10、重要设备供电，3-1、离子交换过滤器，3-2、蒸馏设备，4-1、燃烧室，4-2、燃气轮机，4-3、空气加热器，4-4、甲烷加热器，4-5蒸发器。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
参见图1和图2，一种极地船燃料电池蒸馏水供给系统，其包括冷却系统和蒸馏水供给系统。冷却系统包括海水箱、压载水舱1-5、箱式换热器1-7、蒸汽盘管1-12，其中，海水箱包括从上往下依次设置的冰晶集聚区1-9、高位海水区1-13、低位海水区1-14。冰晶集聚区1-9上设有透气管1-10，以使海水箱更好的排出气体。冰晶集聚区1-9与主甲板的人孔盖相连接，若浮冰过多无法在海水箱中融化则可以通过主甲板的人孔盖进行人工捞出，以免海水箱堆积过多的冰晶。高位海水区1-13的高处设有带高位海水阀1-1的高位海水口，高位海水区1-13的低位设有带低位海水阀1-2的低位海水口，高位海水区1-13与燃料电池海水进水管1-8相连通；为了防止冰晶堵塞燃料电池海水进水管1-8入口，在高位海水区1-13与燃料电池海水进水管1-8连接处设有蒸汽盘管1-12。在低位海水口处设有孔径为20mm的隔离栅板，以减少冰晶吸入海水箱。高位海水区1-13、低位海水区1-14之间设有多孔隔离堰板1-3，以防止大冰晶流入低位海水区1-14。箱式换热器1-7置于低位海水区1-14，其上设有热冷却水管1-11和冷却水管1-6，该冷却水管1-6通过冷却水阀与压载水舱1-5相连通；压载水舱1-5的水对极地船的设备进行冷却，冷却后的水经热冷却水管1-11流回箱式换热器1-7。在低位海水区1-14内设有蒸汽盘管1-12，以确保箱式换热器1-7周围海水的流动性，防止冰堵现象的产生，当检测到结冰时，蒸汽盘管加热，融化冰块。蒸馏水供给系统包括蒸馏过滤系统、燃料电池系统和余热利用系统；蒸馏过滤系统包括依次连接的离子交换过滤器3-1、蒸馏设备3-2、水流量电磁阀2-4、蒸发器4-5，离子交换过滤器3-1与燃料电池海水进水管1-8连接；燃料电池系统包括甲烷储存罐2-1、甲烷流量电磁阀2-2、脱硫器2-3、甲烷加热器4-4、重整器2-6、燃料电池组2-7、空压机2-5、空气加热器4-3、UPS系统2-8；甲烷储存罐2-1、甲烷流量电磁阀2-2、脱硫器2-3、甲烷加热器4-4、重整器2-6依次连接；重整器2-6与蒸发器4-5连接，甲烷与水蒸气在重整器2-6中进行重整反应；重整器2-6与燃料电池组2-7的阳极连接；空压机2-5通过空气加热器4-3与燃料电池组2-7的阴极连接，燃料电池组2-7与UPS系统2-8连接，UPS系统2-8通过变压器2-9与负载2-10连接；余热利用系统包括依次连接的燃烧室4-1、燃气轮机4-2；燃烧室4-1与燃料电池组2-7的阴阳极废气口连接；燃气轮机4-2通过变压器2-9与负载2-10连接，燃气轮机4-2发电，为负载2-10供电；从燃气轮机4-2出来的废气依次为空气加热器4-3、甲烷加热器4-4、蒸发器4-5、蒸馏设备3-2提供热量，进行余热利用。
极地船在极地深水区航行过程中，紧闭高位海水口，打开低位海水口，让含有少量冰晶的海水吸入海水箱。多孔隔离堰板1-3起到阻挡大颗粒冰晶的作用，使冰晶上浮，直至冰晶集聚区，细小的冰晶在重力作用下被多孔隔离堰板1-3阻挡从而防止其进入箱式换热器1-7周围。由于极地海水中含有冰晶，因此海水冷却系统采用闭式循环，利用压载水舱1-5中的压载水对船舶辅机进行冷却，冷却后的热冷却水经热冷却水管1-11回注入箱式换热器1-7中，箱式换热器1-7将热冷却水冷却后经过冷却水管1-6流入压载水舱1-5，实现压载水舱-设备冷却-箱式换热器-压载水舱的闭式循环。
本发明将海水出口的位置(高位海水区与燃料电池海水进水管连接处)置于海水箱水位以下，利用连通器原理，海水经燃料电池海水进水管1-8进入，经过离子交换过滤器3-1除去海水中含有的部分离子，(离子交换过滤器中的主要成分是离子交换树脂，其作用是过滤掉海水中所含有的Fe3+、Al3+、Ca2+、Mg2+、K+、Na+等金属离子)，过滤后的海水再经过蒸馏设备3-2转化为蒸馏水后进入蒸发器4-5蒸发为水蒸气，水蒸气进入重整器2-6；甲烷储存罐2-1中的甲烷经过甲烷流量电池阀2-2调整流量后通过脱硫器脱去其中的硫化物，再经过甲烷加热器4-4进入重整器2-6中；甲烷与水蒸气在重整器2-6中进行重整反应和水汽置换反应得到氢气进入燃料电池2-7阳极；空压机2-4将空气压入后经过空气加热器4-3加热后进入燃料电池组2-7的阴极，燃料电池组2-7发生反应产生电流。燃料电池组2-7产生的电流进入UPS系统2-8。燃料电池组2-7的废气进入燃烧室4-1进行燃烧，将燃烧后的废气传入燃气轮机4-2，燃气轮机4-2发电，之后废气又经过空气加热器4-3、甲烷加热器4-4、蒸发器4-5，最后经过蒸馏设备3-2进行余热利用，充分利用废气的余热后排出。正常情况下，负载2-10的供电一方面由燃气轮机提供，另一方面由船舶电网提供，燃料电池组2-7为UPS系统2-8充电；在船舶电网故障的情况下，负载2-10(重要设备)的供电由UPS系统2-8经过变压器2-9转化为需要的电压来提供。
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (9)

1.一种极地船燃料电池蒸馏水供给系统，其特征在于：包括冷却系统和蒸馏水供给系统；
所述冷却系统包括海水箱、压载水舱、换热器，所述海水箱包括从上往下依次设置的冰晶集聚区、高位海水区、低位海水区；所述高位海水区的高处设有带高位海水阀的高位海水口，所述高位海水区的低位设有带低位海水阀的低位海水口，高位海水区与燃料电池海水进水管相连通；所述高位海水区、低位海水区之间设有多孔隔离堰板；所述换热器置于低位海水区，其上设有热冷却水管和冷却水管，且所述冷却水管与压载水舱相连通；压载水舱的水对极地船的设备进行冷却，冷却后的水经热冷却水管流回换热器；
所述蒸馏水供给系统包括蒸馏过滤系统、燃料电池系统；所述蒸馏过滤系统包括依次连接的离子交换过滤器、蒸馏设备、水流量电磁阀、蒸发器，所述离子交换过滤器与燃料电池海水进水管连接；所述燃料电池系统包括甲烷储存罐、甲烷流量电磁阀、脱硫器、甲烷加热器、重整器、燃料电池组、空压机、空气加热器、UPS系统，所述甲烷储存罐、甲烷流量电磁阀、脱硫器、甲烷加热器、重整器依次连接；所述重整器与蒸发器连接，甲烷与水蒸气在重整器中进行重整反应；所述重整器与燃料电池组的阳极连接，所述空压机通过空气加热器与燃料电池组的阴极连接，所述燃料电池组与UPS系统连接，UPS系统通过变压器与负载连接。
2.根据权利要求1所述的极地船燃料电池蒸馏水供给系统，其特征在于：所述蒸馏水供给系统还包括余热利用系统，所述余热利用系统包括依次连接的燃烧室、燃气轮机；所述燃烧室与燃料电池组的阴阳极废气口连接；所述燃气轮机通过变压器与负载连接；从燃气轮机出来的废气依次为空气加热器、甲烷加热器、蒸发器、蒸馏设备提供热量。
3.根据权利要求1所述的极地船燃料电池蒸馏水供给系统，其特征在于：所述冰晶集聚区上设有透气管。
4.根据权利要求1或3所述的极地船燃料电池蒸馏水供给系统，其特征在于：所述海水箱与主甲板的人孔盖相连接，通过主甲板的人孔盖将冰晶集聚区内的冰晶取出。
5.根据权利要求1所述的极地船燃料电池蒸馏水供给系统，其特征在于：在高位海水区内，高位海水区与燃料电池海水进水管连接处设有蒸汽盘管。
6.根据权利要求1或5所述的极地船燃料电池蒸馏水供给系统，其特征在于：在低位海水区内设有蒸汽盘管。
7.根据权利要求1所述的极地船燃料电池蒸馏水供给系统，其特征在于：在低位海水口处设有隔离栅板。
8.根据权利要求7所述的极地船燃料电池蒸馏水供给系统，其特征在于：所述隔离栅板的孔径为20mm。
9.根据权利要求1所述的极地船燃料电池蒸馏水供给系统，其特征在于：所述换热器为箱式换热器。
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