CN110171553A - 一种氢燃料电池动力船余热综合利用系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种氢燃料电池动力船余热综合利用系统，系统利用燃料电池产出的冷却水和反应水作为热源，供给制冷模块、制淡模块和制热模块，热源经工作水分配器传递给相关模块，制冷模块通过发生器吸收热量将制冷剂汽化产生冷量，制热模块通过水暖暖风机中的热交换器换热产生暖风，制淡模块通过发生器吸收热量使海水沸腾制得淡水。本发明将制淡装置产生的蒸馏水供给质子交换膜氢氧燃料电池，对质子交换膜电池进行增湿和冷却，满足燃料电池的稳定运行，同时吸收式制冷所产生的冷量可供给舱室制冷，制热模块所产生的热能供给船舶舱室制热，制淡装置所制得淡水可用于船舶生产和生活，可充分利用燃料电池船舶的余热，实现船舶绿色动力的同时提升能效。

Description

一种氢燃料电池动力船余热综合利用系统
技术领域
本发明涉及热能运用技术领域，具体涉及一种氢燃料电池动力船余热综合利用系统。
背景技术
研究表明，全球温室气体总排放量4％来自于全球航运业的CO2排放，此外，全球航运工具每年产生的NOx和SOx占人类总污染源15％和10％，因此研究以绿色高效清洁能源为主动力的绿色船舶是大势所趋。
燃料电池是把燃料所具有的化学能直接转换成电能的发电技术。其效率高、没有机械传动部件，故没有噪声污染，排放出的有害气体极少，因此，燃料电池应用受到了各行业的重视。目前，已应用于汽车和轨道等交通工具，船舶行业正在设计开发以氢氧燃料电池为动力的船舶，如何解决氢氧燃料电池在船舶高效利用是必须面对的问题。本专利以此为出发点，发明了一套完善的船用燃料电池余热综合利用系统。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于针对上述现有技术空白，提供一种氢燃料电池动力船余热综合利用系统，它利用氢氧燃料电池产生的余热，结合船舶这一交通运输工具，通过制冷、发电和制热装置实现综合利用，并可实现燃料电池的自冷却和自增湿，加湿和冷却采用交叉型流道，优化燃料电池的外部结构，降低燃料电池水淹的风险。
本发明为解决上述提出的技术问题所采用的技术方案为：
一种氢燃料电池动力船余热综合利用系统，包括氢氧燃料电池、制冷模块、制热模块、制淡模块和工作水分配器，所述工作水分配器的输入端与所述氢氧燃料电池连接，输出端分别通过三条输出管路与所述制冷模块、制热模块和制淡模块连接，工作水分配器吸收来自氢氧燃料电池的余热并输送至各个模块进行利用；
所述制冷模块包括通过管路依次连接并形成回路的溴化锂-水混合溶液发生装置、冷凝装置、膨胀阀、蒸发装置和第一运送泵，所述工作水分配器的工作水经输出管路Ⅳ输送至所述溴化锂-水混合溶液发生装置进行换热；
所述制热模块包括温控阀和热交换盘管，所述工作水分配器的工作水经输出管路Ⅴ输送至所述热交换盘管，输出管路Ⅴ上设置所述温控阀；
所述制淡模块包括制淡装置和淡水柜，所述制淡装置部分抽真空使海水沸点降低到65～70℃，所述工作水分配器的工作水经输出管路Ⅷ输送至所述制淡装置对海水进行蒸馏，制得的淡水输送至所述淡水柜。
上述方案中，该系统还包括低温水柜，所述低温水柜分别与所述溴化锂-水混合溶液发生装置、热交换盘管、制淡装置连接，来自工作水分配器的工作水分别在溴化锂-水混合溶液发生装置、热交换盘管、制淡装置实现热交换后流入所述低温水柜。
上述方案中，该系统还包括由氢氧燃料电池、热交换器、冷却水柜依次相连组成的氢氧燃料电池闭式冷却循环管路，所述低温水柜的出水口与所述热交换器连接，低温水柜的低温水在所述热交换器内与来自氢氧燃料电池的高温冷却水实现热交换后通过管路Ⅱ流入所述工作水分配器。
上述方案中，所述制淡装置包括依次相连的海水控制阀、海水滤器、第二运送泵和蒸发室，所述蒸发室安装有真空压缩装置，所述蒸发室的一个出水口与蒸发热水交换装置连接，所述蒸发热水交换装置与所述蒸发室连接，所述蒸发室的另一个出水口与所述淡水柜连接。
上述方案中，所述蒸发室的真空度设定为0.069～0.075MPa。
上述方案中，该系统还包括自增湿自冷却装置，所述自增湿自冷却装置包括渐扩型流道、渐缩型流道、减压阀和二级换热器，二级换热器设置于冷却水柜外层，淡水柜内的淡水经管路Ⅵ流入自增湿自冷却装置内，经流道分配，一部分水经渐缩型流道流入氢氧燃料电池，一部分水经渐扩型流道流入二级换热器，减压阀设置于流道的分流处。
上述方案中，所述氢氧燃料电池为质子交换膜氢氧燃料电池，其内部反应温度稳定在70～75℃。
上述方案中，所述工作水分配器外部设有辅助加热电热层，当所述氢氧燃料电池产出热量不满足各模块需求时，电加热层辅助工作。
上述方案中，所述制热模块输入端设置有温控阀18，用于调节热流量大小，防止热量浪费，使整个系统达到较高热传递效率。
上述方案中，所述制冷模块的管路表面覆盖有硅超细玻璃棉，防止在传递过程中热量损失。
本发明的有益效果在于：
1、本发明以氢氧燃料燃料电池产生的的余热为热源，无需较多消耗其他形式能量，可完成制冷模块、制热模块、制淡模块的工作，有利于热能的综合利用，运转费用低。
2、船用氢氧燃料电池余热综合利用系统，相比油动机的船舶循环系统，没有附加较多运动部件，振动小、噪声低，运行安静，符合营运要求。
3、制冷工况时采用溴化锂-水混合工质，无毒、无爆炸危险，安全可靠，是一种较绿色的制冷剂。
4、本发明设计了自增湿自冷却装置，一方面，可以利用制淡装置所制得的蒸馏水对氢氧燃料电池进行增湿，自增湿法区别于内部加湿法，自增湿法的水来源于制淡装置制得的蒸馏水，避免了传统增湿系统在尾气冷凝时水量不足问题，质子交换膜燃料电池阴极反应生成水，阴极质子膜保持一定湿度，而阳极质子膜则干燥的多，将制淡装置制得淡水注入加湿系统，能够有效对燃料电池阳极加湿；另一方面，质子交换膜氢氧燃料电池最适温度在70～80℃，电池反应为放热反应，可以利用制淡装置所产生的蒸馏水对氢氧燃料电池进行冷却，即当低温水柜冷却不足时，部分淡水对低温水柜进行冷却，制得的蒸馏水有较少杂质，避免了换热装置中结垢和堵塞风险。
5、质子交换膜氢氧燃料电池可实现自冷却、自增湿功能，优化氢氧燃料电池结构，减小燃料电池体积，船舶单位经济性得以提高。
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是本发明氢燃料电池动力船余热综合利用系统的整体示意图；
图2是本发明船用氢氧燃料电池余热综合利用系统中制冷模块示意图；
图3是本发明船用氢氧燃料电池余热综合利用系统中制热模块示意图；
图4是本发明船用氢氧燃料电池余热综合利用系统中制淡模块示意图；
图5是本发明船用氢氧燃料电池余热综合利用系统中自增湿自冷却装置示意图。
图中：10、氢氧燃料电池；20、制冷模块；21、溴化锂-水混合溶液发生装置；22、冷凝装置；23、膨胀阀；24、蒸发装置；25、第一运送泵；30、制热模块；31、温控阀；32、热交换盘管；40、制淡模块；41、海水控制阀；42、海水滤器；43、第二运送泵；44、蒸发室；45、真空压缩装置；46、蒸发热水交换装置；47、淡水柜；50、工作水分配器；60、低温水柜；71、热交换器；72、冷却水柜；80、自增湿自冷却装置；81、渐扩型流道；82、渐缩型流道；83、减压阀；84、二级换热器。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。
如图1所示，为本发明实施例的氢燃料电池动力船余热综合利用系统，包括氢氧燃料电池10、制冷模块20、制热模块30、制淡模块40和工作水分配器50。氢氧燃料电池10为质子交换膜氢氧燃料电池，为整个系统提供热能。工作水分配器50的输入端(管路Ⅲ)与氢氧燃料电池10连接，输出端分别通过三条输出管路(管路Ⅳ、Ⅴ、Ⅷ)与制冷模块20、制热模块30和制淡模块40连接，工作水分配器50吸收来自氢氧燃料电池10的余热并输送至各个模块进行利用。
参照图1、图2，制冷模块20包括通过管路依次连接并形成回路的溴化锂-水混合溶液发生装置21、冷凝装置22、膨胀阀23、蒸发装置24和第一运送泵25。制冷工况时，工作水分配器50的工作水经输出管路Ⅳ输送至溴化锂-水混合溶液发生装置21进行换热后流入低温水柜60，同时溴化锂-水溶液通过第一运送泵25在制冷模块20中封闭循环。在运行制冷模块20时，通过工作水分配器50将氢氧燃料电池10产生的的余热收集，采用溴化锂-水混合溶液作为冷剂，冷剂受热变成冷剂蒸气，通过冷凝装置22放出其中汽化潜热，凝结成高压低温液态冷剂，通过膨胀阀23节流降压后，进入蒸发装置24，经过汽化吸热使工质水温度降低，达到制冷效果。
进一步优化，本实施例中，制冷模块20的管路表面覆盖有硅超细玻璃棉，防止在传递过程中热量损失。具体的，膨胀阀23采用平衡式膨胀阀，蒸发装置24采用中央循环管式蒸发器。
参照图1、图3，制热模块30包括温控阀31和热交换盘管32，工作水分配器50将氢氧燃料电池10产生的余热收集，经输出管路Ⅴ输送至热交换盘管32，换流后流入低温水柜60。输出管路Ⅴ上设置温控阀31，用于调节热流量大小，防止热量浪费，达到较高热传递效率。
参照图1、图4，制淡模块40包括制淡装置和淡水柜47，制淡装置包括依次相连的海水控制阀41、海水滤器42、第二运送泵43和蒸发室44，蒸发室44的一个出水口与蒸发热水交换装置46连接，蒸发热水交换装置46与低温水柜60连接，蒸发室44的另一个出水口与淡水柜47连接。蒸发室44安装有真空压缩装置45，通过真空压缩装置45将蒸发室44部分抽真空使海水沸点降低到65～70℃，通过工作水分配器50将氢氧燃料电池10产生的余热收集，质子交换膜氢氧燃料电池10所产的工作水温度在70～75℃，工作水分配器50的工作水经输出管路Ⅷ输送至蒸发热水交换装置46进行换热，热水进入蒸发室44对海水进行蒸馏，制淡装置制得的淡水输送至淡水柜47，用于船舶生产和生活；换热后的较低温水(50℃左右)流入低温水柜60。
进一步优化，本实施例中，由于真空度过高时，装置结构不稳定；真空度过低时，产生淡水量不足，因此将蒸发室44的真空度设定为0.069～0.075MPa。
参照图1，管路Ⅰ为氢氧燃料电池10闭式冷却循环管路，由氢氧燃料电池10、热交换器71、冷却水柜72依次相连组成，低温水柜60的出水口与热交换器71连接，低温水柜60的低温水在热交换器71内与来自氢氧燃料电池10的高温水实现热交换后通过管路Ⅱ流入工作水分配器50。冷却水柜72用于储存冷却水，同时对系统管路起到缓冲作用，防止压力脉动。氢氧燃料电池10闭式冷却循环管路的内部冷却水作为定量参与循环，不参与工作水分配器50的工作。
参照图5，该系统还包括自增湿自冷却装置80，自增湿自冷却装置80包括渐扩型流道81、渐缩型流道82、减压阀83和二级换热器84，二级换热器84设置于冷却水柜72外层。淡水柜47内的淡水经管路Ⅵ流入自增湿自冷却装置80内，经流道分配，一部分水经渐缩型流道82流入氢氧燃料电池10，用于氢氧燃料电池10的增湿；一部分水经渐扩型流道81流入二级换热器84，当冷却水柜72热负荷增加时，用于冷却燃料电池。减压阀83设置于流道的分流处，当自增湿自冷却装置80中压力达到安全阀预定压力时，安全阀打开。
自增湿自冷却装置80采用交织型流道，冷却流道采用渐扩型流道81，增湿流道采用渐缩型流道82，通过结构改变来控制两端流量，从而防止质子交换膜内部水淹，增加了燃料电池工作稳定性。
本发明中，氢氧燃料电池10的冷却形式包括一级冷却形式和二级冷却形式。一级冷却形式是由热交换器71、冷却水柜72组成的闭式冷却循环管路，冷却水柜72中的高温冷却水经换热器换热后成为低温水经管路Ⅰ继续参与氢氧燃料电池10冷却，低温水柜60的水经换热器换热后，成为较高温水，作为热源供给工作水分配器50。二级冷却形式由淡水柜47、渐扩型流道81、二级换热器84组成，当冷却水柜72热负荷增加时，来自淡水柜47的低温水与冷却水柜72中的高温水在二级换热器84中进行热交换，防止冷却水温度过高对燃料电池造成不可逆影响。一级冷却形式，其内部冷却水作为定量参与循环，换热器用于冷却水柜72和低温水柜60的热交换。二级冷却形式，仅在冷却水柜72热负荷过大时使用，氢氧燃料电池10冷却的顺序应当为先一级冷却，后二级冷却。
进一步优化，本实施例中，工作水分配器50外部设有辅助加热电热层，当氢氧燃料电池10产出热量不满足各模块需求时，电加热层辅助工作。
为验证本发明的可行性，对选型的氢氧燃料电池10进行冷却水量计算、出口温度计算和实际工况运行时具体参数计算。氢氧燃料电池10选型仅用于解释，不用于限定本发明专利。
根据氢氧燃料电池10产出的冷却水量满足其利用要求，其计算过程如下：
以功率为100kW的燃料电池为例，每秒输入的化学能为298kJ，去除用于发电的能量和未参与反应的H2所含有的化学能，约有120kJ能量以热量形式散失，冷却水带走的热量占产生热量的95％，则冷却水每秒吸收的热量为114kJ。氢氧燃料电池10冷却水进口温度为70℃，出口温度为76℃，进出口温差为6℃。此状态下定压比热为4.189kJ/(kg·K)，计算得冷却水的质量流量：
每小时可以产出约16.3吨冷却水，产生冷却水量满足设计使用要求。
根据氢氧燃料电池10冷却水和反应水的热量满足其利用要求，其计算过程如下：
选用内径D＝65mm，外径d＝75mm铸铁水管，流动距离L＝20m，管外保温材料选用超细玻璃棉，厚度δ＝5mm，导热系数：
λ＝0.033+0.00023{t}＝0.033+0.0023×76＝0.11327W/(m·K) (2)
由于舱室内空气流动较慢，取保温层外表面对周围介质对流放热系数α＝11.6W/℃,管道保温层外表面空气的热阻：
保温材料热阻：
取春季秋季外界温度为20℃，冬季、夏季外界平均温度分别为5℃和30℃，管道损失附加系数β＝0.15,计算得各个季节冷却水运输管道出入口温差：
考虑管道运输及管道附件的热损失，夏季冷却水进入各模块的温度为78.85℃，其他季节冷却水进入各模块的温度为78.8℃，满足各模块正常工作最低要求。
制冷模块20运行，通过工作水分配器50将氢氧燃料电池10产生的余热收集，采用溴化锂-水混合溶液作为冷剂，冷剂受热变成冷剂蒸气，经冷凝器放出汽化潜热，凝结成高压低温的液态冷剂水，通过膨胀阀23节流降压后，进入蒸发器内，经过汽化吸热使工质水的温度降低，达到制冷的效果。
制热模块30运行，燃料电池的冷却水和反应水经流量分配器到中央空调机组水暖暖风模块。冷却水流经散热管，通过对流把热量传递到基管内壁，内壁再通过热传导将热量传递到外壁和翅片，外壁和翅片通过强制对流和辐射的方式加热舱室空气制热。冷却水流经空调器进入设备循环水柜，经调温和调压后用于燃料电池冷却。当制热模块30不工作时，冷却水进入自循环水箱冷却，经调温和调压后重新进入燃料电池。
制淡模块40运行，通过工作水分配器50将氢氧燃料电池10产生的余热收集。质子交换膜氢氧燃料电池10内部所产的工作水温度为70～75℃，将制淡装置蒸发室44抽真空，使海水沸点降低到65～70℃，制得淡水贮存在淡水柜47中，用于船舶生产和生活。
根据船舶季节性具体工作需求，对制淡工况、制冷-制淡工况、制热-制淡工况进行计算，其过程如下：
在春季及秋季，仅制淡模块40工作，制淡模块40选用的真空沸腾式造水机参数为：热源水入口温度75.8℃，出口温度70.5℃，内部压力为0.015MPa，在54℃时水达到沸腾状态，汽化潜热r＝2372.3kJ/kg，淡水机效率η制淡＝80％，从热源水吸收的热流量：
P1＝η制淡CPqmΔt＝0.8×4.174×4.53×(75.8-70.5)＝80.17kW (11)取此时舷外水温为20℃，CP＝4.174kJ/kg，此时每秒产水量：
理论日产水量2.755吨。
在冬季制热模块30和制淡模块40同时运行。经调查计算，为保证舱室温度恒定，单位热负荷为500W/m2，整个舱室输入热量为37.5kW。热源水进口温度75.8℃，出口温度70.5℃。取水暖装置的换热效率η热为85％，从热源水吸收热流量:
此时流经制热模块30的质量流量:
剩余冷却水进入制淡模块40，流量为2.54kg/s，取冬季舷外水温10℃，CP＝4.172kJ/kg，理论日产水量1.648吨。
在夏季制冷模块20和制淡模块40同时运行。计算船型舱室面积约为75m2，船舶舱室热负荷为300W/m2，则需总制冷量为22.5kW。热源水进口温度75.85℃，出口温度70.5℃，热力系数(吸收式制冷机中获得的制冷量与消耗热量之比)为0.35。选用25kW二级溴化锂吸收式制冷机，当空调全功率运行时，考虑热损失和发生器的换热效率，取η热＝0.9，从热源吸收的热流量:
此时流经制冷模块20的质量流量:
剩余冷却水进入制淡模块40，流量为0.99kg/s，取夏季舷外水温25℃，CP＝4.174kJ/kg，计算得理论日产水量0.615吨。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (10)

1.一种氢燃料电池动力船余热综合利用系统，其特征在于，包括氢氧燃料电池、制冷模块、制热模块、制淡模块和工作水分配器，所述工作水分配器的输入端与所述氢氧燃料电池连接，输出端分别通过三条输出管路与所述制冷模块、制热模块和制淡模块连接，工作水分配器吸收来自氢氧燃料电池的余热并输送至各个模块进行利用；
所述制冷模块包括通过管路依次连接并形成回路的溴化锂-水混合溶液发生装置、冷凝装置、膨胀阀、蒸发装置和第一运送泵，所述工作水分配器的工作水经输出管路Ⅳ输送至所述溴化锂-水混合溶液发生装置进行换热；
所述制热模块包括温控阀和热交换盘管，所述工作水分配器的工作水经输出管路Ⅴ输送至所述热交换盘管，输出管路Ⅴ上设置所述温控阀；
所述制淡模块包括制淡装置和淡水柜，所述制淡装置部分抽真空使海水沸点降低到65～70℃，所述工作水分配器的工作水经输出管路Ⅷ输送至所述制淡装置对海水进行蒸馏，制得的淡水输送至所述淡水柜。
2.如权利要求1所述的氢燃料电池动力船余热综合利用系统，其特征在于，该系统还包括低温水柜，所述低温水柜分别与所述溴化锂-水混合溶液发生装置、热交换盘管、制淡装置连接，来自工作水分配器的工作水分别在溴化锂-水混合溶液发生装置、热交换盘管、制淡装置实现热交换后流入所述低温水柜。
3.如权利要求2所述的氢燃料电池动力船余热综合利用系统，其特征在于，该系统还包括由氢氧燃料电池、热交换器、冷却水柜依次相连组成的氢氧燃料电池闭式冷却循环管路，所述低温水柜的出水口与所述热交换器连接，低温水柜的低温水在所述热交换器内与来自氢氧燃料电池的高温冷却水实现热交换后通过管路Ⅱ流入所述工作水分配器。
4.如权利要求1所述的氢燃料电池动力船余热综合利用系统，其特征在于，所述制淡装置包括依次相连的海水控制阀、海水滤器、第二运送泵和蒸发室，所述蒸发室安装有真空压缩装置，所述蒸发室的一个出水口与蒸发热水交换装置连接，所述蒸发热水交换装置与所述蒸发室连接，所述蒸发室的另一个出水口与所述淡水柜连接。
5.如权利要求1所述的氢燃料电池动力船余热综合利用系统，其特征在于，所述蒸发室的真空度设定为0.069～0.075MPa。
6.如权利要求1所述的氢燃料电池动力船余热综合利用系统，其特征在于，该系统还包括自增湿自冷却装置，所述自增湿自冷却装置包括渐扩型流道、渐缩型流道、减压阀和二级换热器，二级换热器设置于冷却水柜外层，淡水柜内的淡水经管路Ⅵ流入自增湿自冷却装置内，经流道分配，一部分水经渐缩型流道流入氢氧燃料电池，一部分水经渐扩型流道流入二级换热器，减压阀设置于流道的分流处。
7.如权利要求1所述的氢燃料电池动力船余热综合利用系统，其特征在于，所述氢氧燃料电池为质子交换膜氢氧燃料电池，其内部反应温度稳定在70～75℃。
8.如权利要求1所述的氢燃料电池动力船余热综合利用系统，其特征在于，所述工作水分配器外部设有辅助加热电热层，当所述氢氧燃料电池产出热量不满足各模块需求时，电加热层辅助工作。
9.如权利要求1所述的氢燃料电池动力船余热综合利用系统，其特征在于，所述制热模块输入端设置有温控阀18，用于调节热流量大小，防止热量浪费，使整个系统达到较高热传递效率。
10.如权利要求1所述的氢燃料电池动力船余热综合利用系统，其特征在于，所述制冷模块的管路表面覆盖有硅超细玻璃棉，防止在传递过程中热量损失。
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