CN109585878A - 一种联合发电装置热能再利用装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种联合发电装置热能再利用装置,包括计量泵、一级预热器、二级预热器、脱氢反应器、冷却器、汽水分离器、过滤器、储氢罐、质子交换膜燃料电池、调节阀、温度传感器等主要零部件;首先利用温度较高的质子交换膜燃料电池出口循环水预热富氢有机液体,然后利用脱氢反应器出口的高温脱氢有机液体和氢气的混合物预热富氢有机液体,最后利用温度较低的质子交换膜燃料电池进口循环水冷却脱氢反应后的脱氢有机液体和氢气的混合物;本发明装置利用燃料电池和脱氢反应器产生的余热来加热富氢有机液体,可有效提高系统能量利用率;同时燃料电池循环水还用于脱氢有机液体和氢气混合物的冷却,节省了外部冷却水的供应,简化了系统。

Description

一种联合发电装置热能再利用装置
技术领域
本发明属于能量再利用技术领域,特别涉及一种提高有机液体脱氢设备与质子交换膜燃料电池联合发电装置热能利用率的装置。
背景技术
氢燃料电池动力系统具有效率高、振动噪声小、红外特征低、零排放、模块化设计、安装维护方便等优点,是未来绿色能源的理想方案,虽然在现阶段其开发运维成本还高于传统柴油机与燃气轮机系统,但是由于该系统仍然处于高速发展阶段,其附带效益是当前其它动力体统所无法比拟的。
氢源装置占燃料电池系统总重约一半以上,因此提高燃料电池系统储能密度的关键在于提高氢源装置的储氢密度。目前常见氢源技术有:高压气态储氢技术、有机液体储氢技术、甲醇重整制氢技术、合金储氢技术和水解制氢技术。经对比分析,相对其他氢源技术而言,有机液体储氢技术储氢密度高、无废气排放、工作温度和耗能适中、燃料补给方便、技术成熟度较高,被公认为解决燃料电池系统氢源技术瓶颈的有效途径。
燃料电池模块工作时会产生大量的热量,同时有机液体脱氢需要提供一定热量。为了满足上述装置的换热需求,一般都要设计循环水装置来传递热量。优化设计合理的循环水装置可以有效提高整个燃料电池系统的能量利用率。
发明内容
本发明的目的是:充分利用燃料电池模块放热和有机液体储氢装置吸热的特性,提供一种联合发电装置热能再利用装置。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:一种联合发电装置热能再利用装置,基于脱氢反应器和质子交换膜燃料电池组成的联合发电装置,包括分别连接质子交换膜燃料电池出口和进口的一级预热器和冷却器,连接脱氢反应器出口的二级预热器,以及与冷却器连接的汽水分离器,所述的汽水分离器通过过滤器连接储氢罐,同时输出脱氢有机液体;所述质子交换膜燃料电池出口与一级预热器的介质入口连接,一级预热器的介质出口与循环水出口连接,循环水进口与冷却器的介质入口连接,冷却器的介质出口与质子交换膜燃料电池进口连接,冷却器的冷侧出口通过温度传感器与汽水分离器连接,用于输送冷却后的脱氢有机液体和氢气的混合物,脱氢反应器出口与二级预热器的介质入口连接,用于输送高温脱氢有机液体和氢气的混合物,二级预热器的介质出口与冷却器的热侧入口连接,一级预热器的冷侧入口连接有计量泵,用于输入富氢有机液体,热侧出口通过温度传感器连接二级预热器的冷侧入口,二级预热器的冷侧入口输入富氢有机液体,二级预热器的热侧出口通过温度传感器连接脱氢反应器。
所述的一种联合发电装置热能再利用装置,所述的循环水进口与质子交换膜燃料电池进口之间设置有旁路,旁路上设有调节阀。通过调节阀改变质子交换膜燃料电池进口侧循环水流量,以调控冷却器的换热量。
进一步,所述的循环水进口与调节阀之间设置有温度传感器。
所述的一种联合发电装置热能再利用装置,所述的质子交换膜燃料电池出口与循环水出口与之间设置有旁路,旁路上设有调节阀。通过调节阀改变质子交换膜燃料电池出口侧循环水流量,以调控一级预热器的换热量。
进一步,所述的质子交换膜燃料电池出口与调节阀之间设置有温度传感器。
更进一步,所述的脱氢反应器上设置有温度传感器。所述的二级预热器与冷却器之间连接有温度传感器。
本发明的有益效果在于:
1,利用燃料电池和脱氢反应器产生的余热来加热富氢有机液体,可有效提高系统能量利用率;
2,利用燃料电池循环水冷却脱氢有机液体和氢气的混合物,节省了外部冷却水的供应,简化了系统;
3,燃料电池循环水侧均装有旁路管道,而且旁路管道上设有调节阀,方便通过调节阀改变循环水流量,进而调控相应换热器的换热量。
附图说明
图1是本发明的系统结构示意图。
图中标记对应的构件名称为:1-计量泵,2-一级预热器,3-二级预热器,4-脱氢反应器,5-冷却器,6-汽水分离器,7-过滤器,8-储氢罐,9-质子交换膜燃料电池,10~11-调节阀,12~18-温度传感器。
具体实施方式
结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明如下:
实施例1
参照图1所示,一种联合发电装置热能再利用装置,基于脱氢反应器4和质子交换膜燃料电池9组成的联合发电装置,包括分别连接质子交换膜燃料电池9出口和进口的一级预热器2和冷却器5,连接脱氢反应器4出口的二级预热器3,以及与冷却器5连接的汽水分离器6,所述的汽水分离器6通过过滤器7连接储氢罐8,同时输出脱氢有机液体;所述质子交换膜燃料电池9出口与一级预热器2的介质入口连接,一级预热器2的介质出口与循环水出口连接,循环水进口与冷却器5的介质入口连接,冷却器5的介质出口与质子交换膜燃料电池9进口连接,冷却器5的冷侧出口通过温度传感器16与汽水分离器6连接,用于输送冷却后的脱氢有机液体和氢气的混合物,脱氢反应器4出口与二级预热器3的介质入口连接,用于输送高温脱氢有机液体和氢气的混合物,二级预热器3的介质出口与冷却器5的热侧入口连接,一级预热器2的冷侧入口连接有计量泵1,用于输入富氢有机液体,热侧出口通过温度传感器12连接二级预热器3的冷侧入口,二级预热器3的冷侧入口输入富氢有机液体,二级预热器3的热侧出口通过温度传感器13连接脱氢反应器4。
工作时,富氢有机液体通过计量泵1提供动力,流经一级预热器2,被质子交换膜燃料电池9出口的循环水预热,再流经二级预热器3,被脱氢反应器4出口的高温脱氢有机液体和氢气的混合物预热,然后进入脱氢反应器4,吸收外部提供的热量进行脱氢反应,产生高温脱氢有机液体和氢气,并通过二级预热器3预热后续的富氢有机液体,脱氢有机液体和氢气经过冷却器5,利用质子交换膜燃料电池9进口的循环水进一步冷却,并通过汽水分离器6分离为脱氢有机液体和氢气,最后流经过滤器7汇集到储氢罐8。
以45kW级有机液体脱氢设备与质子交换膜燃料电池联合发电装置为例,再结合本发明结构、技术原理对本发明显著效果作进一步说明如下:
45kW满负荷运行时,富氢有机液体通过计量泵1提供动力,流量约0.7L/min,温度约5℃;流经一级预热器2加热后温度约60℃,热侧质子交换膜燃料电池9出口的循环水由70℃降至约65℃,换热量约0.83kW;再流经二级预热器3,温度由60℃提高至140℃,热侧高温脱氢有机液体和氢气的混合物由180℃降至106℃,换热量约1.43kW;然后进入脱氢反应器4,吸收外部提供的热量进行脱氢反应,产生高温脱氢有机液体和氢气,温度约180℃,并通过二级预热器3预热后续的富氢有机液体,降温后约106℃;经过冷却后的脱氢有机液体和氢气经过冷却器5,利用质子交换膜燃料电池9进口的循环水进一步冷却,其中热侧脱氢有机液体和氢气由106℃降至约65℃,冷侧质子交换膜燃料电池9进口的循环水由62℃升至约66℃,换热量约1.12kW;最后通过汽水分离器6分离为脱氢有机液体和氢气,流经过滤器7汇集到储氢罐8。
整个过程利用质子交换膜燃料电池9余热约0.83kW,利用脱氢反应器4余热约1.43kW,系统能量利用率由60%提高至63%;此外,还利用质子交换膜燃料电池9循环水冷却约1.12kW,精简系统设计,综合利用热能。
而且,上述燃料电池余热利用量可通过调节一级预热器2热侧调节阀11来实现,上述燃料电池冷却量可通过调节冷却器5冷侧的调节阀10来实现。
本发明的权利要求保护范围不限于上述实施例。

Claims (10)

1.一种联合发电装置热能再利用装置,其特征在于:包括分别连接质子交换膜燃料电池(9)出口和进口的一级预热器(2)和冷却器(5),连接脱氢反应器(4)出口的二级预热器(3),以及与冷却器(5)连接的汽水分离器(6),所述的汽水分离器(6)通过过滤器(7)连接储氢罐(8),同时输出脱氢有机液体;所述质子交换膜燃料电池(9)出口与一级预热器(2)的介质入口连接,一级预热器(2)的介质出口与循环水出口连接,循环水进口与冷却器(5)的介质入口连接,冷却器(5)的介质出口与质子交换膜燃料电池(9)进口连接,冷却器(5)的冷侧出口与汽水分离器(6)连接,用于输送冷却后的脱氢有机液体和氢气的混合物,脱氢反应器(4)出口与二级预热器(3)的介质入口连接,用于输送高温脱氢有机液体和氢气的混合物,二级预热器(3)的介质出口与冷却器(5)的热侧入口连接,一级预热器(2)的冷侧入口连接有计量泵(1),用于输入富氢有机液体,热侧出口连接二级预热器(3)的冷侧入口,二级预热器(3)的冷侧入口输入富氢有机液体,二级预热器(3)的热侧出口连接脱氢反应器(4)。
2.根据权利要求1所述的一种联合发电装置热能再利用装置,其特征在于,所述的循环水进口与质子交换膜燃料电池(9)进口之间设置有调节阀(10)。
3.根据权利要求2所述的一种联合发电装置热能再利用装置,其特征在于,所述的循环水进口与调节阀(10)之间设置有温度传感器(17)。
4.根据权利要求1所述的一种联合发电装置热能再利用装置,其特征在于,所述的质子交换膜燃料电池(9)出口与循环水出口与之间设置有调节阀(11)。
5.根据权利要求4所述的一种联合发电装置热能再利用装置,其特征在于,所述的质子交换膜燃料电池(9)出口与调节阀(11)之间设置有温度传感器(18)。
6.根据权利要求1或2或3或4或5所述的一种联合发电装置热能再利用装置,其特征在于,所述的一级预热器(2)与二级预热器(3)之间连接有温度传感器(12)。
7.根据权利要求1或2或3或4或5所述的一种联合发电装置热能再利用装置,其特征在于,所述二级预热器(3)与脱氢反应器(4)之间连接有温度传感器(13)。
8.根据权利要求1或2或3或4或5所述的一种联合发电装置热能再利用装置,其特征在于,所述的脱氢反应器(4)上设置有温度传感器(14)。
9.根据权利要求1或2或3或4或5所述的一种联合发电装置热能再利用装置,其特征在于,所述的二级预热器(3)与冷却器(5)之间连接有温度传感器(15)。
10.根据权利要求1或2或3或4或5所述的一种联合发电装置热能再利用装置,其特征在于,所述的冷却器(5)与汽水分离器(6)之间连接有温度传感器(16)。
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