CN111384419A - 一种热电联产装置 - Google Patents
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Abstract
本发明属于小型甲醇或甲烷重整制氢发电技术领域，具体是通过小型重整器将甲醇或甲烷重整制成氢气，并用此氢气输入水冷型燃料电池发电，同时将在此过程中产生的热量以热水的形式储存利用。由于本发明将主要的热源都用换热器进行了热量回收，并以热水的形式储存于热水储存罐；而重整器、燃料电池、电气元件散发到机箱内的热量，都以热空气的形式集中于机箱顶部，该热空气经通风管道的上端口被助燃空气泵吸入并被吹送至重整器的燃烧室助燃；整机只有燃烧尾气排放口、阴极废气排放口两个热量损失源，由于燃烧尾气、阴极废气已被换热器降温，其排放温度仅略高于环境温度，因而整机的能量利用率极高。
Description
技术领域
本发明属于小型甲醇或甲烷重整制氢发电技术领域，具体是通过小型重整器将甲醇或甲烷重整制成氢气，并用此氢气输入水冷型燃料电池发电，同时将在此过程中产生的热量以热水的形式储存利用。
背景技术
由于在热电联产装置中，集成了重整器、水冷燃料电池，在工作过程中上述重整器、水冷燃料电池在发电的同时还会产生热量，该热量的当量功率达到整机能耗的50%左右；另外，为维持重整器、水冷燃料电池正常工作，还需水泵、风机、电磁阀等电气元件，这些电气元件的功耗达到整机发电功率的20%左右，并且最终以热量的形式散入机箱内；如果将上述热量直接排入大气中，则整机的能量利用率将大幅度降低。
发明内容
本发明的目的是：提供一种高效节能的设计方案，不但能发电供用户使用，还能将重整制氢及燃料电池发电过程中产生的热量以热水的形式回收利用，从而大幅度提高整机能量利用率。
一种热电联产装置，包括机箱、重整器、燃料电池、空气加湿器、热水储存罐；
所述重整器包括助燃空气入口、合成气出口、燃烧尾气出口、阳极废气回燃口、燃料输入口、原料输入口，将助燃风机与助燃空气入口连接；
所述燃料电池包括反应空气入口、阴极废气出口、氢气入口、阳极废气出口、冷却水入口、冷却水出口；将热水循环泵的出口与冷却水入口连接；
所述空气加湿器包括鲜冷空气入口、鲜热空气出口、废热空气入口、废冷空气出口；将反应空气风机的出口与鲜冷空气入口连接，将鲜热空气出口与反应空气入口连接，将废热空气入口与阴极废气出口连接；
其特征是：
在燃烧尾气出口与燃烧尾气排放口之间，串联燃烧尾气换热器的热侧；
在合成气出口与氢气入口之间，串联合成气换热器的热侧；
在阳极废气出口与阳极废气回燃口之间，串联阳极废气换热器的热侧；
在冷却水出口与热水循环泵的入口之间，串联电堆冷却水换热器的热侧；
在废冷空气出口与阴极废气排放口之间，串联阴极废气换热器的热侧；
在机箱内还设置有集热水泵、自来水箱，将集热水泵的吸水口连接至自来水箱，在集热水泵的出水口与热水储存罐之间，依次串联阴极废气换热器的冷侧、阳极废气换热器的冷侧、电堆冷却水换热器的冷侧、合成气换热器的冷侧、燃烧尾气换热器的冷侧；
在助燃风机的吸气口连接有通风管道，将通风管道上端口设置在机箱的顶部；
机箱的上部呈封闭状态，机箱顶部的热空气不能散入外界空气中，外界空气可以从机箱下部或底部的机箱进气孔进入机箱内。
采用本方案后，由于将主要的热源都用换热器进行了热量回收，并以热水的形式储存于热水储存罐；而重整器、燃料电池、电气元件散发到机箱内的热量，都以热空气的形式集中于机箱顶部，该热空气经通风管道的上端口被助燃空气泵吸入并被吹送至重整器的燃烧室助燃；整机只有燃烧尾气排放口、阴极废气排放口两个热量损失源，由于燃烧尾气、阴极废气已被换热器降温，其排放温度仅略高于环境温度，因而整机的能量利用率极高。
附图说明
图1是本发明的示意图；
图中：机箱10、机箱进气孔11、重整器20、助燃空气入口21、合成气出口22、燃烧尾气出口23、阳极废气回燃口24、合成气换热器25、燃烧尾气换热器26、燃烧尾气排放口27、助燃风机28、燃料电池30、反应空气入口31、阴极废气出口32、氢气入口33、阳极废气出口34、冷却水入口35、冷却水出口36、热水循环泵37、电堆冷却水换热器38、阳极废气换热器39、空气加湿器40、鲜冷空气入口41、鲜热空气出口42、废热空气入口43、废冷空气出口44、反应空气风机45、热水储存罐50、通风管道60、通风管道上端口61、自来水箱70、集热水泵80、阴极废气换热器90、阴极废气排放口91。
具体实施方式
图1为本发明的实施例，图中虚线箭头代表气体流动方向，细实线箭头代表液体流动方向，粗实线代表零部件及管路；换热器的热侧与冷侧是相互导热但不导通两个流体通道，热侧的流体温度高于冷侧的流体温度，冷侧的流体吸收热侧流体的热量。
本实施例热电联产装置，包括机箱10、重整器20、燃料电池30、空气加湿器40、热水储存罐50。
所述重整器20包括助燃空气入口21、合成气出口22、燃烧尾气出口23、阳极废气回燃口24、燃料输入口、原料输入口（为简化图面，未将燃料输入口及原料输入口在图中示出），在所述助燃空气入口21连接有助燃风机28；在助燃风机28的吸气口连接有通风管道60，将通风管道上端口61设置在机箱10的顶部；所述通风管道60可以采用金属管或塑料管，也可以采用光壁管或波纹管。
将燃烧尾气换热器26的热侧，串联在重整器20的燃烧尾气出口23与燃烧尾气排放口27之间。
从重整器20的合成气出口22输出的气体中，包含氢气、CO2等气体，统称为合成气，其中的氢气可供燃料电池发电；将合成气换热器25的热侧，串联在重整器20的合成气出口22与燃料电池30的氢气入口33之间。
所述燃料电池30包括反应空气入口31、阴极废气出口32、氢气入口33、阳极废气出口34、冷却水入口35、冷却水出口36；将冷却水入口35连接热水循环泵37的出口，将电堆冷却水换热器38的热侧，串联在燃料电池30的冷却水出口36与热水循环泵37的入口之间，形成冷却水路。
将所述阳极废气换热器39的热侧，串联在燃料电池30的阳极废气出口34与重整器20的阳极废气回燃口24之间。
所述空气加湿器40包括鲜冷空气入口41、鲜热空气出口42、废热空气入口43、废冷空气出口44；鲜冷空气入口41连接反应空气风机45，鲜热空气出口42连接至燃料电池30的反应空气入口31，废热空气入口43连接至燃料电池30的阴极废气出口32，将阴极废气换热器90的热侧串联在加湿器40的废冷空气出口44与阴极废气排放口91之间。
集热水泵80的吸水口连接至自来水箱70，在集热水泵80的出水口与热水储存罐50之间，依次串联阴极废气换热器90的冷侧、阳极废气换热器39的冷侧、电堆冷却水换热器38的冷侧、合成气换热器25的冷侧、燃烧尾气换热器26的冷侧。
机箱10的上部呈封闭状态，机箱顶部的热空气不能散入外界空气中，外界空气可以从机箱下部或底部的机箱进气孔11进入机箱内。
工作时，助燃风机28将位于机箱10顶部的热空气送入重整器20的燃烧室，并与燃料燃烧产生热量，为甲烷或甲醇重整成氢气提供所需热量，燃烧后的废气被燃烧尾气换热器26冷却后，从燃烧尾气排放口27排出机外，外界空气则从机箱进气孔11进入机箱内补充消耗掉的空气。
反应原料进入重整器20的重整室，在高温及催化剂的作用下，甲烷或甲醇被重整成含有氢气、CO2的合成气，该合成气被合成气换热器25冷却后，从氢气入口33进入燃料电池30发电，未完全反应的气体从阳极废气出口34进入阳极废气换热器39的热侧，被冷却脱水后从阳极废气回燃口24返回重整器20的燃烧室烧掉。
反应空气风机45，将从机箱进气孔11进入机箱内新鲜空气送入
空气加湿器40的鲜冷空气入口41，在吸收从废热空气入口43流入的燃料电池30的阴极废气中的水分并升温后，从鲜热空气入口42进入燃料电池30的反应空气入口31，与从燃料电池30阳极侧渗透过来的氢离子发生反应，生成水并发电；未完全反应的空气从阴极废气出口32输出，并进入空气加湿器40的废热空气入口43，被鲜冷空气吸热吸水后从废冷空气出口44进入阴极废气换热器90，降温后从阴极废气排放口91排出机外。
热水循环泵37将冷却水从冷却水入口35输入燃料电池30，冷却水吸收燃料电池30发电时产生的热量并升温后，从冷却水出口36进入电堆冷却水换热器38，冷却水被电堆冷却水换热器38冷却降温后，再次进入热水循环泵37，从而形成循环。
集热水泵80连接自来水箱70，为采集热量供应自来水；集热水泵80的出水口首先连接至阴极废气换热器90的冷侧，在吸收阴极废气的热量后，进入阳极废气换热器39的冷侧，在吸收阳极废气的热量后，进入电堆冷却水换热器38的冷侧，在吸收电堆冷却水的热量后，进入合成气换热器25的冷侧，在吸收合成气的热量后，进入燃烧尾气换热器26的冷侧，在吸收燃烧尾气的热量后，进入热水储存罐50，最终在热水储存罐50内储存的热水温度在60～70℃，可作为生活热水使用。
采用本方案后，由于将主要的热源都用换热器进行了热量回收，并以热水的形式储存于热水储存罐；而重整器、燃料电池、电气元件散发到机箱内的热量，都以热空气的形式集中于机箱顶部，该热空气经通风管道的上端口被助燃空气泵吸入并被吹送至重整器的燃烧室助燃；整机只有燃烧尾气排放口、阴极废气排放口两个热量损失源，由于燃烧尾气、阴极废气的热量已在换热器内被自来水吸收，燃烧尾气、阴极废气的排放温度略高于环境温度，因而整机的能量利用率极高。
本发明并不仅限于上述实施例，还可根据上述实施例的原理进行各种变化组合。
Claims (1)
1.一种热电联产装置，包括机箱(10)、重整器(20)、燃料电池(30)、空气加湿器(40)、热水储存罐(50)；
所述重整器(20)包括助燃空气入口(21)、合成气出口(22)、燃烧尾气出口(23)、阳极废气回燃口(24)、燃料输入口、原料输入口，将助燃风机(28)与助燃空气入口(21)连接；
所述燃料电池(30)包括反应空气入口(31)、阴极废气出口(32)、氢气入口(33)、阳极废气出口(34)、冷却水入口(35)、冷却水出口(36)；将热水循环泵(37)的出口与冷却水入口(35)连接；
所述空气加湿器(40)包括鲜冷空气入口(41)、鲜热空气出口(42)、废热空气入口(43)、废冷空气出口(44)；将反应空气风机(45)与鲜冷空气入口(41)连接，将鲜热空气出口(42)与反应空气入口(31)连接，将废热空气入口(43)与阴极废气出口(32)连接；
其特征是：
在燃烧尾气出口(23)与燃烧尾气排放口(27)之间，串联燃烧尾气换热器(26)的热侧；
在合成气出口(22)与氢气入口(33)之间，串联合成气换热器(25)的热侧；
在阳极废气出口(34)与阳极废气回燃口(24)之间，串联阳极废气换热器(39)的热侧；
在冷却水出口(36)与热水循环泵(37)的入口之间，串联电堆冷却水换热器(38)的热侧；
在废冷空气出口(44)与阴极废气排放口(91)之间，串联阴极废气换热器(90)的热侧；
在机箱(10)内还设置有集热水泵(80)、自来水箱(70)，将集热水泵(80)的吸水口连接至自来水箱(70)，在集热水泵(80)的出水口与热水储存罐(50)之间，依次串联阴极废气换热器(90)的冷侧、阳极废气换热器(39)的冷侧、电堆冷却水换热器(38)的冷侧、合成气换热器(25)的冷侧、燃烧尾气换热器(26)的冷侧；
在助燃风机(28)的吸气口连接有通风管道(60)，将通风管道上端口(61)设置在机箱(10)的顶部；
机箱(10)的上部呈封闭状态，机箱顶部的热空气不能散入外界空气中，外界空气可以从机箱下部或底部的机箱进气孔(11)进入机箱内。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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