CN109336206A - 一种支持燃料电池废水回收和海水淡化的水热电联产系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种支持燃料电池废水回收和海水淡化的水热电联产系统，包括燃料电池组、改进的多级闪蒸（Multi‑Stage Flash“MSF”）装置、热水储存罐、热交换器，所述的燃料电池组设有配套的液体冷却装置，所述的燃料电池组通过一个热交换器与所述的MSF装置连接，所述的MSF装置可进行海水的淡化，排放出废气、高浓度盐水及淡水，所述的燃料电池组产生的废气一部分作为所述的MSF装置的输入，一部分通过配套的液体冷却装置进行冷却，所述的液体冷却装置采用所述的MSF装置产生的淡水作为冷却液，通过所述液体冷却装置的热水经过一个热交换器进入热水储存箱。本发明结构简单，具有很强的实用性，可以有效解决近海居民用水、用电、供暖等问题。
Description
技术领域
本发明涉及环保节能领域，尤其涉及一种水热电联产设备组合燃料电池废水回收与海水蒸馏淡化装置的集成系统。
背景技术
基于燃料电池的热电联产系统(Combined Heat and Power“CHP”)在提供电力和热量的同时，只需要排放少量的污染物，因此他们在解决全球能源危机领域受到广泛关注。同时，据估计在寒冷极端天气条件下，家庭和工业用房中超过50％的电力消耗是用于取暖，因此在发电的同时提供热量用于取暖是一种降低电力消耗的绝佳办法。但是，通常在CHP使用过程中产生的一些热量会用于热源的冷却系统，例如吸收式冷却器。因此组合冷却、加热和电力的系统(Combined Cooling，Heat and Power“CCHP”)就产生了。CHP/CCHP系统普遍采用天然气，光伏，太阳能和燃料电池等作为系统的能源基础。
实际上，燃料电池是CHP/CCHP应用的最佳对象。因为它们不仅通过化学能源发电，而且还能产生大量的热量。在大多数案例中，通常会从燃料电池的两个位置提取热量。首先是通过主动冷却系统提取热量，因为通常需要将燃料电池的工作温度维持在规定范围内。第二个是通过燃料电池堆的排气产物提取热量。2002年日本的Enefarm产品实现基于燃料电池的热电联产系统的商业化。然而，基于燃料电池的热电联产系统目前仍然面临许多技术挑战。
最常见的CHP应用燃料电池类型包括质子交换膜燃料电池(Proton-exchangemembrane fuel cells“PEMFC”)，熔融碳酸盐燃料电池(Molten carbonate fuel cells“MCFC”)和固体氧化物燃料电池(Solid oxide fuel cells“SOFC”)。其中，PEMFC很受青睐，因为它们的工作温度相对较低，启动时间更短，热应力问题更不明显。高温质子交换膜燃料电池(HT-PEMFC)由于其更高的工作温度更受青睐。另一方面，MSFC和SOFC在CHP/CCHP系统中的使用也非常普遍。因为它们在更高的温度下工作，因此排气产物和主动冷却系统都会产生更多的热量。而且，在燃料电池排气口和排热装置之间，通过热电元件在排气流中提取额外的电力的做法也十分普遍。这是因为MSFC和SOFC所需的极高温度会导致更高的卡诺效率，这意味着理论可提取的能量会远高于从PEMFC提取的能量。
除热电外，优质淡水是另一项重要的日常生活资源。因为人口增长而造成的人均淡水量不足正成为全球性的挑战。目前，最合适的长期淡水来源是海水脱盐淡化。脱盐技术一般分为基于热工艺或基于膜工艺的技术。热工艺技术包括多级闪蒸(Multi-Stage Flash“MSF”)和多效蒸馏(Multi-Effect Distillation“MED”)。膜工艺技术包括反渗透(Reverseosmosis“RO”)和电渗析。正如名字所示，热处理是以水的蒸发和冷凝为基础，将其与杂质分离的方法。而热源是其运行的首要条件。另一方面，膜工艺涉及通过使用膜将杂质产物中的水分离。膜工艺过程需要施加机械压力以迫使淡水与其盐杂质分离，该过程通常通过电动压缩机来实现。尽管膜工艺技术目前在本领域中被认为是更节能和更经济的，但是它们的缺点在于污染水质量较低的情况下，膜材料可能发生快速降解。另一方面，热工艺具有更大的未来竞争力，因为它们的能源利用率可以通过与发电厂、太阳能热系统以及基于燃料电池的CHP/CCHP系统中使用的其他热工艺整合而显着提高。
燃料电池和海水淡化系统的整合是一种很有潜力的节能方案。因为燃料电池运行时的废热会被重新利用于海水脱盐过程。为了废热可以被有效地再循环利用，燃料电池通常用热工艺来实现海水的脱盐。而在基于膜工艺的脱盐设备中，通常需要使用燃料电池或其设备的电力，增加能量转换步骤会降低能量利用效率。但是，膜工艺的蒸馏效率可以通过升高温度提高，因此来自燃料电池的废热在膜工艺中仍然是有用的。尽管如此，还是需要单独的电源为脱盐过程提供额外电力。
水热电联产设施(Combined Heat，Power and Water“CHPW”)的研究是一个相对冷门的话题，大多数现有技术通常只考虑CHP/CCHP系统。但是作为能够支持这三种基本日常资源生产的组合设施，与采用多个独立设施来提供每种资源的传统方法相比，它可以降低运营成本，降低维护要求和提高生产效率，并且可实现各个资源生产过程之间的废物再循环。因此，需要设计一个比采用多个独立系统更有效和可靠的CHPW组合系统。
现有技术系统中大多数燃料电池的排气产物通常通过燃气轮机和热交换器以回收额外的能量，但是产物最终将被排放到外界中。然而燃料电池的主要产物是水，并且在一些现有技术中已经表明，在家用规模的燃料电池上产生的水量通常足以满足家庭自身的需求。但是，实际的燃料电池的废气通常含有杂质，例如由膜材料或未使用的反应物产生的杂质。这是燃料电池的废气中的水通常不再循环使用的主要原因。尽管如此，燃料电池对生产用水的回收利用肯定有助于解决全球对淡水的需求，降低用户的总体成本。
目前，已经有多篇已申请专利试图回收燃料电池产生的废水。专利US20100055508和WO2010024954使用吸水干燥剂作为从废气中回收水的方式。然而，本发明所要求的干燥剂通常是有毒物质，因此对于大众来说大规模生产淡水具有很高的风险。专利US8367256B2提出了一种两级冷却系统，用于冷凝来自废气的水，其中第一级涉及喷水淬火冷却器，第二级涉及热交换室。专利US20100047634提出了另一种两级冷却系统，第一级涉及透水膜并且第二级是主动冷却冷凝器。尽管这两项专利可以有效回收废水，但是专利US8367256B2和US20100047634中提出的系统不能利用废气中携带的废热，能量利用效率较低。同时所提出的设计也是高度定制的，因此结构非常复杂。最后，上面所提出的系统也仅针对从燃料电池中回收水，但没有现有技术可以将回收技术与蒸馏海水的方法结合在一起。
因此，需要一种结构简单，不需要任何有毒材料，能有效利用废气中携带的废热，最大化废水回收过程中能量利用效率，还能够有效集成海水蒸馏设备，实现将燃料电池废气和海水净化成淡水，并且提高系统生产水的效率的燃料电池CHPW系统。
发明内容
有鉴于此，本发明一方面提供了一种改进的海水蒸馏淡化多级闪蒸装置(MSF)。
一种改进的MSF装置，包括高压混合室、多级蒸馏室和控制泵，海水通过控制泵进入所述的多级蒸馏室，其后与燃料电池产生的气体经过控制泵进入所述的高压混合室进行混合。所述的MSF装置，不像常规MSF一样使用热交换器作为主要热源来实现海水蒸发脱盐，而是将燃料电池的排气产物与海水在高压容器内混合，并将混合物输送到MSF的各级低压蒸发室，达到蒸发脱盐的效果。采用这种设计有两个主要的好处。首先是MSF蒸馏过程所需要的热能已经由燃料电池排气产物中携带的废热提供，减少了对外部热源的需求。然后是现在蒸馏过程对海水和燃料电池的废气都起作用，所以除海水淡化外，燃料电池废气中的水也能以淡水的形式成功回收。
本发明的另一方面还提供了一种支持燃料电池废水回收和海水淡化的水热电联产系统。系统的主要工作原理是通过将生产一种资源产生的废物再循环到另一种资源的生产中的方式，将三种基本的日常资源(热量，电力和水)的生产结合在一起。在许多以前的设施设计中并没有考虑过这种的结构，设计的输出组合一般为CHP(热电)/CCHP(冷却、热电)系统或水电生产系统的形式。
一种热电水联产设备组合燃料电池废水回收与海水蒸馏淡化装置的集成系统，包括燃料电池组、如上所述的改进的MSF装置、热水储存罐、热交换器，所述的燃料电池组设有配套的液体冷却装置，所述的燃料电池组通过一个热交换器与所述的MSF装置连接，所述的MSF装置可进行海水的淡化，排放出废气、高浓度盐水及淡水，所述的燃料电池组产生的废气一部分作为所述的MSF装置的输入，一部分通过配套的液体冷却装置进行冷却，所述的液体冷却装置采用所述的MSF装置产生的淡水作为冷却液，通过所述液体冷却装置的热水经过一个热交换器进入热水储存箱。
为了满足不同的需求，该集成系统还可以包括锅炉设备，与所述的热水储存罐连接，可对所述的热水储存罐的水进行加热。
为了满足不同的需求，该集成系统还可以包括涡轮装置和外部冷却系统，所述的涡轮装置与所述的热水储存罐连接，所述的外部冷却系统与所述的涡轮装置及淡水管道连接。
当然，增加了锅炉设备或者增加了涡轮装置和外部冷却系统的集成系统，可以单独使用，也可以组成一个更完善的系统进行使用。
为了进一步的节约能源和扩展集成系统的功能，所述的集成系统可以设置DC电压公共节点，用于连接所述的燃料电池、设备负载和供应以及输出负载等各种组件，实现连接到所述的DC电压公共节点的各个组件之间传输电力。
本发明结构简单，具有很强的实用性，可以有效解决近海居民用水、用电、供暖等问题。本申请不需要额外增加任何材料，可以有效利用废气中携带的废热，最大化实现淡水回收过程中能量的利用，同时有效的提高水生产的效率。
附图说明
图1为本发明水热电联产系统(CHPW)的结构示意图；
图2为本发明的应用CHPW的电子微电网示意图；
图3为本发明改进的MSF蒸馏设备的详细示意图。
具体实施方式
以下结合附图，通过具体实施例对本申请做进一步阐述。
本发明具有很强的实用价值，可以有效解决近海居民用水、用电、供暖等问题。下面将给出整个水、热、电联产系统的具体布置。并且，将对系统的构成方式进行详细介绍。
图1显示了提出的水热电联产系统(CHPW)的总体结构。该系统包括作为能源装置的燃料电池组，改造后的MSF蒸馏装置，热水储存罐，脱盐水储罐、冷却系统、涡轮装置、锅炉设备和各级管道。在图1中，氢气1和氧气2作为燃料输入系统，系统输出产物为电力5、热力3和淡水6，其中输入电力4、外部供热9和海水10作为流入系统的能源，高浓度盐水7和废气8为系统废弃副产物，热交换器12和热交换器13用于热量交换。流入的能量被系统所消耗，流出的能量正在由系统产生，并供应给外部使用。
系统的电力供应主要是通过燃料电池中的氢和氧的电化学反应产生。电化学反应的产物是水，产生的水应从燃料电池堆中排出，以防止水积聚后影响燃料电池组的正常工作。同时，燃料电池工作时会产生热量，通过两条主路径输出热量。第一条路径是通过燃料电池的排气产物，后面将作为MSF蒸馏设备的输入。第二条路径是通过液体冷却系统，将燃料电池的工作温度保持在规定的范围内。为了最大限度地减少从其他外部来源供应物料的需求，在该液体冷却系统中使用的流体直接由作为改进的MSF蒸馏装置的输出的脱盐水供应。在冷却系统中，通过泵11的作用，调节水流速度，达到燃料电池堆正常工作的温度控制要求。冷却水从燃料电池输送废热后，热水储存在储热水箱中，可以用来供暖，同时也可以用来发电。
燃料电池组的反应物1、2应该被预热到接近燃料电池的正常工作温度的值，以使它们对燃料电池的工作具有最小的热力学影响。因此，如图1所示，反应物在被供应到燃料电池堆之前，首先需要通过两个热交换器12和13。热交换器12使用从燃料电池堆中获得废热的液体冷却系统的脱盐水。热交换器13使用燃料电池废气产物来进行热量交换。这时需要注意选择通过热交换器12和热交换器13的反应物的排列顺序，以便在热交换器13处为燃料电池排气产物交换更少的热量。如本发明所示，反应物先在热交换器12处得到加热再与燃料电池废气产物在热交换器13处发生热交换，这是因为燃料电池废气产物将会提供给MSF设备，这样可以使废气温度保持在较高的水平。此外，由于主动冷却液体系统提取的热量通常大于排气产品所携带的热量，因此上述布置是更合理的选择。
在热水储罐中，除了由于燃料电池冷却而加热的脱盐水之外，还包括两个辅助部件可进一步支持系统热电生产和淡水生产的过程。第一种是辅助锅炉，如果其温度低于热电输出的标准要求(标称温度通常接近100摄氏度)，可为热水提供进一步的加热。第二部分是通过一个涡轮机和一个外部冷却系统(为了简洁起见，这将被命名为涡轮/冷却管道)的附加管道。这两个组件主要用于将淡水和热量的需求量与设施的生产量进行匹配。例如，如果热、电需求量相对较高，而淡水需求量较低，那么应该完全堵塞涡轮/冷却管路，并且应该控制辅助锅炉加热以符合规定的热量需求。相反，如果淡水需求量相对较高，但热、电需求量较低，则应将辅助锅炉设置为休息模式以避免浪费能量，并且应运行涡轮/冷却管路来回收所用的淡水。
从脱盐水箱到热水储罐的管路连接通过燃料电池堆和泵11然后通过涡轮机和冷却系统返回到脱盐水箱可形成标准化的朗肯热力循环。所提出的架构在某种意义上是提供了一种切换开关操作，热水是通过作为热能输送还是作为电能输送，或者作为淡水输送都可以由操作者控制。另一个重要的特点是在整个朗肯热力循环(淡水生产过程)中，水不与任何其他气体和杂质直接接触，只与热交换器中的无毒固体物质相互作用。因此，这些水可以返回到淡水网络，对输出水质没有显着的影响。
虽然各种类型的燃料电池，例如LT-PEMFC，HT-PEMFC，SOFC，MSFC和其它类型的可以在所提出的CHPW设施中使用，但每种类型的燃料电池都具有不同的特性，因此，将具有不同的输出性能。在图1提出的架构的背景下，HT-PEMFC是最推荐的解决方案，因为它的工作温度范围一般从150到180℃。这样的温度对于在初级MSF蒸馏阶段中生产混合物(用海水)是最为合适的。与HT-PEMFC不同，LT-PEMFC具有较低的操作温度，其范围在60-90℃，对于MSF蒸馏过程来说的确太低。而且，HT-PEMFC与LT-PEMFC相比具有许多其他优点，包括消除了对膜中水分管理的要求，增加了对一氧化碳杂质的抗腐蚀性以及略高的平均电转换效率。
与PEMFC不同，在SOFC和MSFC中，水是在阳极产生的，这意味着它将与未使用的氢燃料混合。在运行过程中未被充分利用的原燃料也将被带入蒸汽混合物中。这样的杂质是高度易燃的，如果它们在排气产品中大量存在，则在蒸汽进入MSF蒸馏设备之前需要将它们分离。通常未被使用的原燃料应该被回收，以优化SOFC或MSFC的运行效率。除了氢气和原燃料的杂质问题之外，排气产品也会存在温度过高的问题，650-750℃对于MSF蒸馏装置来说是非常高的。因此需要在MSF蒸馏设备的燃料电池阳极和混合室之间设置冷却系统，这样整个系统的复杂性将会增加。总之，由于HT-PEMFC的热特性与MSF蒸馏装置的要求和典型的热功率输出特性最为一致，所以HT-PEMFC是结构中最推荐的解决方案。
图2显示了一个微电网的实施方案，可以用来将图1系统的输出与本地客的电网进行连接。燃料电池，电池，设备负载和供应以及输出负载等各种组件连接到被设置为任意DC电压的公共节点。公共DC节点实质上充当核心接口，以允许在连接到它的各个组件之间传输电力。直流电压应该是一个相对较大的值(1000V)，以使流入和流出微电网的电流最小，从而降低功率损耗。每个组件应有一个转换器，用于产生一个与规定的公共直流电路电压兼容的直流输出。
实际上，图1所示的系统具有许多耗电部件，例如水泵和辅助锅炉，并且这些部件可以与图2的微电网(标记为“设施负载或发电机”)连接，提供电力。同时，在图1的涡轮机也可以用来发电。能量回收的可能性，例如在图1中的各个热点位置采用热电发电机是另一种发电方式，属于设备负荷或发电设备的范畴。
此外，还可以将其他可再生能源系统纳入微电网，例如光伏发电，风力发电或水力发电厂。这些设备的添加仅涉及将设备连接到公共DC节点。这些系统将作为额外的电力发电系统，既可以协助向设施负荷供电，也可以协助输出负荷。
输出负荷包括当地客户，其中包括生产设施附近的家庭和地区，其中电网实质上是国家电网。如果需求高于生产设施的可用电能，则可能从电网中提取电力。相反，如果有可用电能过剩，电力也可以作为“售电”输送到电网。
图3显示了所提出的改进的MSF蒸馏装置的示意图，其中主要改进在于没有使用在常规MSF装置中采用的换热器。燃料电池堆的废弃产物14直接与海水10混合。于是图3的两个泵15和11一起工作以确保海水不会流入燃料电池。此外，两台泵需要控制来自两个进口的流量，因为进入混合室的流量将对进入蒸馏设备闪蒸阶段的混合产物的温度造成影响。另一方面，由于燃料电池排气产物的产生速度会影响其产生电力的性能，所以需要将海水的流量控制在要求范围内。
燃料电池堆气体产物中的水具有较多的杂质(如未使用的氧气或膜杂质)，因此需要将水从杂质中蒸馏出来。本发明提出的改进不仅可从燃料电池产物中回收水，而且还可将燃料电池产物中的废热用于加热排气产物/海水混合物，使其达到进入MSF蒸馏装置闪蒸阶段的温度要求。在图3中，如果气体产物温度非常低(例如在燃料电池启动阶段期间)，则可以通过电力或燃烧的方式将外部热量供应给混合室以提供额外的热量。通常在正常操作期间，通过设计燃料电池废气流量和海水流量的比例来维持温度，一般不需要使用外部供热。
改进MSF蒸馏装置的闪蒸阶段与常规装置采用相同的工作方式。例如，通过将加热的盐水混合物排入一级蒸馏室，蒸馏室中的低压引起水和不可冷凝的液体蒸发，从而将其与固体颗粒分离。蒸发的水然后在热交换器中与管道内海水进行热量交换，在这里也预热了管道内海水。将未蒸发的混合物通过后续阶段，其真空度比前一阶段略高(气压更低)，然后重复蒸发/浓缩过程。泵16负责控制MSF内部的真空环境，同时还具有从淡水中去除不可冷凝气体的作用。
燃料电池气体废物中的不可冷凝气体包括未参与反应的空气中的氧气和氮气，或者是未经使用的氢气和可能渗透燃料电池堆的膜层的烃类。同时，来自海水的不可冷凝气体可以包括氧气，二氧化碳或氯化物气体，其通常由水中的盐和存在于海水提取点附近的生物体产生。这些气体中的氧气、未使用的氢气或碳氢化合物可以循环用作燃料电池中的反应物(图3未示出)，这样有助于降低整个动力装置的运行成本。
图3显示了三级MSF蒸馏装置的图。然而，图3仅仅是为了说明而提供的，通常MSF蒸馏设备可以由任何数量的阶段组成。商业MSF蒸馏装置的阶段数量通常可以在10到30的范围内，其中实际数量是基于较高的生产效率和系统复杂性之间折中选择的。
MSF蒸馏系统的效率可以通过已经提出的其他现有创新技术进一步提高。例如，通常排回海洋的未经蒸发的盐水可能被再循环到脱盐海水管道中。另一种选择可以是包括额外的热交换器以在燃料电池的中间阶段提供额外的热量。虽然这样的创新设计超出了本专利的范围，但是可以将其视为将来改善所提出的设计性能的未来工作。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (5)
1.一种改进的多级闪蒸MSF装置，其特征在于，包括高压混合室、多级蒸馏室和控制泵，海水通过控制泵进入所述的多级蒸馏室，其后与燃料电池产生的气体经过控制泵进入所述的高压混合室进行混合。
2.一种支持燃料电池废水回收和海水淡化的水热电联产系统，其特征在于，包括燃料电池组、如权利要求1所述的MSF装置、热水储存罐、热交换器、热交换器，所述的燃料电池组设有配套的液体冷却装置，所述的燃料电池组通过两个热交换器与所述的MSF装置连接，所述的MSF装置可进行海水的淡化，排放出废气、高浓度盐水及淡水，所述的燃料电池组产生的废气一部分作为所述的MSF装置的输入，一部分通过配套的液体冷却装置进行冷却，所述的液体冷却装置采用所述的MSF装置产生的淡水作为冷却液，通过所述液体冷却装置的热水经过一个热交换器进入热水储存箱。
3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述的系统还包括锅炉设备，与所述的热水储存罐连接，可对所述的热水储存罐的水进行外部加热。
4.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述的系统还包括涡轮装置和外部冷却系统，所述的涡轮装置与所述的热水储存罐连接，所述的外部冷却系统与所述的涡轮装置及淡水管道连接。
5.根据权利要求2至4任一项权利要求所述的系统，其特征在于，所述的系统设置DC电压公共节点，用于连接所述的燃料电池、设备负载和供应以及输出负载等各种组件，实现连接到所述的DC电压公共节点的各个组件之间传输电力。
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