CN111908423A - 一种温差发电耦合甲醇水重整制氢发电系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种温差发电耦合甲醇水重整制氢发电系统，属于重整制氢发电技术领域，包括机柜、燃料箱、燃料泵、制氢机、第一换热器、燃料电池、排烟器，排烟管上套设有甲醇水夹套，排烟管与甲醇水夹套之间设置有温差发电片，燃料箱连接燃料泵入口，燃料泵出口连接第一换热器的冷流体入口，第一换热器的冷流体出口连接甲醇水夹套入口，甲醇水夹套出口连接制氢机燃料入口，并且连通至第二换热器冷流体入口，提纯器氢气出口连接第二换热器热流体入口，第二换热器热流体出口连接制氢机出氢口，并且连通至第一换热器冷流体入口，通过多级热交换，利用温差发电技术，实现电力自供给，避免高温烟气排放影响周围环境，提高能源利用率。
Description
技术领域
本发明涉及重整制氢发电技术领域，特别涉及一种温差发电耦合甲醇水重整制氢发电系统。
背景技术
由于燃料电池的绿色环保、环境适应性较好、使用寿命长等优点，燃料电池在通信基站等领域已开始应用推广。目前技术最为成熟的氢气钢瓶+氢燃料电池作为备电系统，邮电部业已提出并正式颁布相应标准作为行业标准，包括《通信用氢燃料电池供电系统YD/B051-2010》、《YD/T 3425-2018通信用氢燃料电池供电系统维护技术要求》等。
而氢燃料电池供电系统在国外已经有大量的实际应用，截至目前为止，已经使用了数千套，考虑到氢气使用的安全性，目前产品是以室外型为主，美国移动通信基站后备电源，主要客户有AT&T、Sprint 等电信运营商及美国防部、FAA-联邦航空管理委会、CUSTOMS-海关等重要政府部门。
甲醇水重整制氢作为一种传统的制氢方式在化工工业上得到广泛的应用，小型甲醇水制氢机作为燃料电池的氢源有着广泛的应用前景。甲醇水重整制氢属于强吸热反应，一般采用燃烧驰放气作为热源进行供热，燃烧后的气体为烟气主要成分为过量的空气、CO2和水蒸气，排放至大气当中，烟气经过甲醇水重整反应吸热后，仍有400℃以上的高温，若直接排放易造成能量的损失和提升环境温度等问题。
发明内容
本发明提供一种温差发电耦合甲醇水重整制氢发电系统，避免高温烟气排放影响周围环境，克服制氢机需要外部电力维持运行的缺陷，提高能源利用率。
为了解决上述技术问题，本发明的技术方案为：
一种温差发电耦合甲醇水重整制氢发电系统，包括机柜、燃料箱、燃料泵、制氢机、第一换热器、燃料电池、控制箱、DC-DC变换器、蓄电池、排烟器；
所述制氢机包括第二换热器、汽化器、重整反应器、提纯器和燃烧室；
所述排烟器包括排烟管、温差发电片、甲醇水夹套，所述甲醇水夹套套设在排烟管上，所述温差发电片设置在排烟管与甲醇水夹套之间；
所述燃料箱连接燃料泵入口，所述燃料泵出口连接第一换热器的冷流体入口，所述第一换热器的冷流体出口连接甲醇水夹套入口，所述甲醇水夹套出口连接制氢机燃料入口，并且连通至第二换热器冷流体入口，所述第二换热器冷流体出口依次连接汽化器、重整反应器及提纯器，所述提纯器氢气出口连接第二换热器热流体入口，所述第二换热器热流体出口连接制氢机出氢口，并且连通至第一换热器冷流体入口，所述第一换热器热流体出口连接燃料电池，所述提纯器的驰放气出口连接至燃烧室，所述燃烧室与排烟器的排烟管连接，所述温差发电片设置在排烟器内部，并且依次连接DC-DC变换器、蓄电池、控制箱、制氢机。
作为优选，所述机柜包括上舱、中舱、下舱，所述燃料箱及燃料泵设置在下舱中，所述制氢机及第一换热器设置在中舱中，所述控制箱、DC-DC变换器、蓄电池设置在下舱中，所述排烟器设置在机柜背面的外侧。
作为优选，所述排烟器还包括第一导热材料、第二导热材料，所述第一导热材料设置在排烟管与温差发电片之间，所述第二导热材料设置在温差发电片于甲醇水夹套之间。
作为优选，所述排烟器的外形为圆柱型、正方体、长方体、树杈型的其中一种。
作为优选，所述排烟器的外形为长方体。
具体的，甲醇水燃料存储于下舱底部的燃料箱中，常温的甲醇水燃料在燃料泵的泵送下，输送到第一换热器中，进而将制氢机出氢口的氢气降至常温，继而低温甲醇水进入到排烟器的甲醇水夹套中，排烟器排烟管内部的高温烟气与甲醇水夹套内的低温甲醇水燃料间形成温差，热量经第一导热材料传导至温差发电片，再经第二导热材料传导至甲醇水夹套，温差发电片产生的电能经DC-DC变换器转换至蓄电池的充电电压，将电能存储于蓄电池当中，根据控制箱的指令将电能分配给控制箱与制氢机。甲醇水燃料在甲醇水夹套当中获取到高温烟气中的热量，升温后进入制氢机内部的第二换热器，利用高温纯氢气的热量进一步升温，进入汽化器中汽化为甲醇水蒸汽，继而进入重整反应器。在重整反应器当中，甲醇水蒸汽在高温高压和重整催化剂的作用下转变为H2、CO2、少量CO和其他极少量杂质气体，称为重整气。重整气在提纯器的作用下，一部分的H2分离出来经提纯器的纯氢气出口输送至第二换热器。因之前甲醇水经过甲醇水夹套的加热提升了一定的温度，燃料电池使用的H2要求必须小于50℃，故设置第一换热器，使燃料箱中的室温甲醇水再进行一次换热，将纯氢气降至室温，然后进入燃料电池发电。余下的H2和CO2、少量CO、其他极少量杂质气体，称为驰放气，经驰放气出口输送至燃烧室进行燃烧，为重整反应器供热，燃烧产生的高温烟气进入排烟器的排烟管，与甲醇水进行换热降温后排放至外部。
本发明采用上述技术方案，具有的有益效果：
1、温差发电是一种先进的发电技术，可直接将热能转化为电能，温度差越大发电量越大，甲醇水重整制氢过程中产生的烟气温度高，若直接排放易导致周围环境温度升高等问题，利用好则是优质热源。当化学能转变为电能的燃料电池系统发电量已经固定时，利用烟气的热能转变为电能则是对燃料电池发电系统的一种补充，提高能源的利用率。燃料电池发电过程中，控制箱和制氢机内部的电控元器件需要电能维持自身运转，利用温差发电技术产生的电能优先供给甲醇水重整制氢发电系统使用，当系统低功耗运行时多余的电能可存储于蓄电池当中，当系统高功耗运行时，可利用蓄电池内部的电能进行供能。
2、本发明使用的排烟器优选为长方体，相较于传统的圆柱形排烟管拥有更大的热交换器面积和安装温差发电片的位置，且温差发电片通常为片状更易于安装调试。
3、甲醇水重整制氢反应为强吸热反应，使用原料甲醇水将烟气的热量吸走，提高原料的温度，提高了热能的利用率，更有利于反应进行，提高重整反应的转化率。
4、常规的温差发电技术的冷媒多为空气，使用空气冷却会使周围环境温度上升，本发明使用的冷媒为原料甲醇水，拥有更大的比热容的，升温后的甲醇水燃料直接进入制氢机利用，从而能减少因为排放烟气而造成的周围环境温度提升等问题。
附图说明
图1为本发明实施例中发电系统的主视结构示意图；
图2为本发明实施例中发电系统的侧视结构示意图；
图3为本发明实施例中排烟器的俯视剖面示意图；
图4为本发明实施例中制氢机的内部连接示意图。
图中，1、机柜，11、下舱，12、中舱，13、上舱，2、燃料泵， 3、第一换热器，4、制氢机，41、第二换热器，42、汽化器，43、重整反应器，44、提纯器，45、燃烧室，46、制氢机出氢口，5、控制箱，6、蓄电池，7、DC-DC变换器，8、燃料电池，9、排烟器，91、甲醇水夹套，92、第二导热材料，93、温差发电片，94、第一导热材料，95、排烟管，96、甲醇水夹套入口，97、甲醇水夹套出口，10、燃料箱。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。在此需要说明的是，对于这些实施方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
如图1-4所示，本发明提供的一种温差发电耦合甲醇水重整制氢发电系统，包括机柜1、燃料箱10、燃料泵2、制氢机4、第一换热器3、燃料电池8、控制箱5、DC-DC变换器7、蓄电池6、排烟器9；
制氢机4包括第二换热器41、汽化器42、重整反应器43、提纯器44和燃烧室45；
排烟器9包括排烟管95、温差发电片93、甲醇水夹套91，甲醇水夹套91套设在排烟管95上，温差发电片93设置在排烟管95与甲醇水夹套91之间；
燃料箱10连接燃料泵2入口，燃料泵2出口连接第一换热器3 的冷流体入口，第一换热器3的冷流体出口连接甲醇水夹套入口96，甲醇水夹套出口97连接制氢机4燃料入口，并且连通至第二换热器 41冷流体入口，第二换热器41冷流体出口依次连接汽化器42、重整反应器43及提纯器44，提纯器44氢气出口连接第二换热器41热流体入口，第二换热器41热流体出口连接制氢机出氢口46，并且连通至第一换热器3冷流体入口，第一换热器3热流体出口连接燃料电池 8，提纯器44的驰放气出口连接至燃烧室45，燃烧室45与排烟器9 的排烟管95连接，温差发电片93设置在排烟器9内部，并且依次连接DC-DC变换器7、蓄电池6、控制箱5、制氢机4。
进一步的，机柜1包括上舱13、中舱12、下舱11，燃料箱10 及燃料泵2设置在下舱11中，制氢机4及第一换热器3设置在中舱 12中，控制箱5、DC-DC变换器7、蓄电池6设置在下舱11中，排烟器9设置在机柜1背面的外侧，控制箱5分别与蓄电池6、制氢机 4电性连接。
进一步的，排烟器9还包括第一导热材料94、第二导热材料92，第一导热材料94设置在排烟管95与温差发电片93之间，第二导热材料92设置在温差发电片93于甲醇水夹套91之间。
进一步的，排烟器9的外形为长方体。
具体的，甲醇水燃料存储于下舱11底部的燃料箱10中，常温的甲醇水燃料在燃料泵2的泵送下，输送到第一换热器3中，进而将制氢机出氢口46的氢气降至常温，继而低温甲醇水进入到排烟器9的甲醇水夹套91中，排烟器9排烟管95内部的高温烟气与甲醇水夹套91内的低温甲醇水燃料间形成温差，热量经第一导热材料94传导至温差发电片93，再经第二导热材料92传导至甲醇水夹套91，温差发电片93产生的电能经DC-DC变换器7转换至蓄电池6的充电电压，将电能存储于蓄电池6当中，根据控制箱5的指令将电能分配给控制箱5与制氢机4。甲醇水燃料在甲醇水夹套91当中获取到高温烟气中的热量，升温后进入制氢机4内部的第二换热器41，利用高温纯氢气的热量进一步升温，进入汽化器42中汽化为甲醇水蒸汽，继而进入重整反应器43。在重整反应器43当中，甲醇水蒸汽在高温高压和重整催化剂的作用下转变为H2、CO2、少量CO和其他极少量杂质气体，称为重整气。重整气在提纯器44的作用下，一部分的H2分离出来经提纯器44的纯氢气出口输送至第二换热器41。因之前甲醇水经过甲醇水夹套91的加热提升了一定的温度，燃料电池8使用的H2要求必须小于50℃，故设置第一换热器3，使燃料箱10中的室温甲醇水再进行一次换热，将纯氢气降至室温，然后进入燃料电池8发电。余下的H2和CO2、少量CO、其他极少量杂质气体，称为驰放气，经驰放气出口输送至燃烧室45进行燃烧，为重整反应器43供热，燃烧产生的高温烟气进入排烟器9的排烟管95，与甲醇水进行换热降温后排放至外部。
以上结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但本发明不限于所描述的实施方式。对于本领域的技术人员而言，在不脱离本发明原理和精神的情况下，对这些实施方式进行多种变化、修改、替换和变型，仍落入本发明的保护范围内。
Claims (5)
1.一种温差发电耦合甲醇水重整制氢发电系统，其特征在于，包括机柜(1)、燃料箱(10)、燃料泵(2)、制氢机(4)、第一换热器(3)、燃料电池(8)、控制箱(5)、DC-DC变换器(7)、蓄电池(6)、排烟器(9)；
所述制氢机(4)包括第二换热器(41)、汽化器(42)、重整反应器(43)、提纯器(44)和燃烧室(45)；
所述排烟器(9)包括排烟管(95)、温差发电片(93)、甲醇水夹套(91)，所述甲醇水夹套(91)套设在排烟管(95)上，所述温差发电片(93)设置在排烟管(95)与甲醇水夹套(91)之间；
所述燃料箱(10)连接燃料泵(2)入口，所述燃料泵(2)出口连接第一换热器(3)的冷流体入口，所述第一换热器(3)的冷流体出口连接甲醇水夹套入口(96)，所述甲醇水夹套出口(97)连接制氢机(4)燃料入口，并且连通至第二换热器(41)冷流体入口，所述第二换热器(41)冷流体出口依次连接汽化器(42)、重整反应器(43)及提纯器(44)，所述提纯器(44)氢气出口连接第二换热器(41)热流体入口，所述第二换热器(41)热流体出口连接制氢机出氢口(46)，并且连通至第一换热器(3)冷流体入口，所述第一换热器(3)热流体出口连接燃料电池(8)，所述提纯器(44)的驰放气出口连接至燃烧室(45)，所述燃烧室(45)与排烟器(9)的排烟管(95)连接，所述温差发电片(93)设置在排烟器(9)内部，并且依次连接DC-DC变换器(7)、蓄电池(6)、控制箱(5)、制氢机(4)。
2.根据权利要求1所述的温差发电耦合甲醇水重整制氢发电系统，其特征在于，所述机柜(1)包括上舱(13)、中舱(12)、下舱(11)，所述燃料箱(10)及燃料泵(2)设置在下舱(11)中，所述制氢机(4)及第一换热器(3)设置在中舱(12)中，所述控制箱(5)、DC-DC变换器(7)、蓄电池(6)设置在下舱(11)中，所述排烟器(9)设置在机柜(1)背面的外侧。
3.根据权利要求1所述的温差发电耦合甲醇水重整制氢发电系统，其特征在于，所述排烟器(9)还包括第一导热材料(94)、第二导热材料(92)，所述第一导热材料(94)设置在排烟管(95)与温差发电片(93)之间，所述第二导热材料(92)设置在温差发电片(93)于甲醇水夹套(91)之间。
4.根据权利要求1所述的温差发电耦合甲醇水重整制氢发电系统，其特征在于，所述排烟器(9)的外形为圆柱型、正方体、长方体、树杈型的其中一种。
5.根据权利要求4所述的温差发电耦合甲醇水重整制氢发电系统，其特征在于，所述排烟器(9)的外形为长方体。
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