CN112234234B - 一种充电供暖照明一体的应急能源系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种充电供暖照明一体的应急能源系统，包括燃料供给系统、制氢系统、发电系统、电力转换系统和余热利用系统，燃料供给系统包括燃料储箱和燃料泵，制氢系统包括燃料预热器、制氢模块、混合器和分流管路，制氢模块包括蒸汽重整器、催化燃烧室和钯管纯化器，钯管纯化器设有入口、氢气出口和废气出口，蒸汽重整器设置在催化燃烧室的外部，钯管纯化器设置在催化燃烧室的内部，发电系统包括质子交换膜燃料电池，电力转换系统包括功率调节器、蓄电池、充电接口和照明灯，余热利用系统包括散热器。本发明结构紧凑，可持续工作时间长，安静清洁，满足照明、供暖、充电多种能源形式的补给，在紧急情况下为家庭、医院等提供较长时间的应急能源。
Description
技术领域
本发明属于应急能源技术领域，尤其是涉及一种充电供暖照明一体的应急能源系统。
背景技术
随着社会高度信息化的发展，人们对电能的依赖度越来越大。电力在现代社会为照明、供暖、充电等各种能源形式的需求提供了重要途径。一旦因故障、灾害等发生电力中断，将极大影响人类社会的正常生活。现有的可用于家庭的应急电源系统可持续供电时间较短，且大多仅可提供充电这一种功能，而在面对因灾害发生长期断电的情况下，其难以满足家庭对正常生存的需求。
燃料电池是一种直接将燃料的化学能转化为电能的装置，具有50％以上的效率，不受卡诺循环的限制，且工作安静，不排放污染气体。将其作为家庭在长期断电下提供应急电源的装置具有极大的匹配度。因此有必要设计一种小型化的充电供暖照明一体的应急能源系统。
发明内容
有鉴于此，本发明旨在提出一种充电供暖照明一体的应急能源系统，解决在电力长期中断的情况下而带来能源需求紧缺的问题，充分利用产生的电能和尾气的能量，满足基本生存对光、热的需求。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种充电供暖照明一体的应急能源系统，包括燃料供给系统、制氢系统、发电系统、电力转换系统和余热利用系统，所述的燃料供给系统包括燃料储箱和燃料泵，所述的制氢系统包括燃料预热器、制氢模块、混合器和分流管路，所述的制氢模块包括蒸汽重整器、催化燃烧室和钯管纯化器，钯管纯化器设有入口、氢气出口和废气出口，所述的蒸汽重整器设置在催化燃烧室的外部，所述的钯管纯化器设置在催化燃烧室的内部，所述的发电系统包括质子交换膜燃料电池和燃料电池控制器，所述的电力转换系统包括功率调节器、蓄电池、充电接口和照明灯，所述余热利用系统包括散热器；
燃料储箱经燃料管路与燃料泵连接，燃料泵的出口与燃料预热器的入口连通，燃料预热器出口与蒸汽重整器的入口连通，蒸汽重整器的出口与钯管纯化器的入口连通，钯管纯化器的氢气出口经输氢管路与质子交换膜燃料电池的阳极连通，质子交换膜燃料电池的阴极与外部环境连通，质子交换膜燃料电池的阴极吸入环境中的空气，质子交换膜燃料电池的尾气出口及钯管纯化器的废气出口分别经管路与混合器连通，所述的混合器经分流管路与催化燃烧室的入口连通，催化燃烧室的出口与散热器连通；
所述质子交换膜燃料电池输出直流电，经功率调节器转换后为照明灯、蓄电池和充电接口供电。
进一步的，所述催化燃烧室和钯管纯化器均为圆柱体结构，所述催化燃烧室和钯管纯化器同轴布置，所述催化燃烧室包括相互连接的外套筒和内套筒，所述蒸汽重整器以螺旋管的形式缠绕于催化燃烧室的外套筒的外壁面上。
进一步的，所述蒸汽重整器的内径为毫米量级，在蒸汽重整器的内壁涂覆重整催化剂，蒸汽重整器的重整反应的热量来源于缠绕的催化燃烧室。
进一步的，所述钯管纯化器包括钯膜，钯管纯化器的工作的热量源于钯管纯化器外侧的催化燃烧室。
进一步的，所述催化燃烧室的外套筒和内套筒之间通过若干连接筋连接，且若干连接筋将催化燃烧室平分为三个区域，每个区域中都放置同量的催化剂，质子交换膜燃料电池的尾气和钯管纯化器的废气出口排出的废气通过混合器混合后经分流管路平分为三股流路进入催化燃烧室中的三个区域进行催化燃烧；其中催化燃烧室的内套筒壁厚度薄于外套筒壁厚布置。
进一步的，所述燃料预热器为两级预热器，分别为第一级预热器和第二级预热器，两级预热器均包括冷端流体入口、冷端流体出口、热端流体入口和热端流体出口，第一级预热器的冷流体入口与燃料泵相连，第一级预热器的热流体入口与钯管纯化器的氢气出口相连，第一级预热器热流体出口与质子交换膜燃料电池的阳极相连，第一级预热器的冷流体出口与第二级预热器的冷流体入口相连，第二级预热器的冷流体出口与蒸汽重整器的入口相连，第二级预热器的热流体入口与催化燃烧室的出口相连，第二级预热器的热流体出口与散热器相连。
进一步的，所述发电系统还包括燃料电池控制器，所述质子交换膜燃料电池与燃料电池控制器电连接。
进一步的，所述散热器为板翅式散热器，且布置在应急能源系统的最外侧，与环境相接触。
进一步的，所述燃料供给系统还包括第一开关阀，所述余热利用系统还包括第二开关阀，所述第一开关阀设置在燃料储箱和燃料泵之间，所述第二开关阀设在第二预热器的热流体出口端与散热器之间。
进一步的，燃料储箱中的燃料为甲醇水溶液。
相对于现有技术，本发明所述的一种充电供暖照明一体的应急能源系统具有以下优势：
1、本申请的主要部件为燃料电池，其具有较高的效率，并且本系统对燃料电池的尾气进行再燃烧、对制氢模块出口的高温高纯度氢气和燃烧室出口的高温尾气进行多级预热燃料，充分利用了尾气的能量，实现了能量的梯级利用。系统具有较高的能量利用率及发电效率。
2、本申请中的制氢模块集成了燃料重整、氢气提纯、热量供应的功能。结合了螺旋管和直管的构型，同时该构型可以通过调节燃烧室内壁面和外壁面的厚度与材料从而改变进入重整器和纯化器的热量，因此具有较广泛的适用条件。模块整体有较高的集成度和紧凑性，有利于提高系统的能量密度和功率密度。
3、本申请满足了电能、光能、热能三种能量形式的需求，并且以甲醇作为燃料，可持续工作时间长，较好解决了长时间的能量需求。
4、本申请不受环境的影响，工作安静可靠，系统集成度较高，体积紧凑，可在人口密集度高的场所使用。
5、本申请适合于家庭、医院、商场等对电能、热能、光能依赖程度极大的场所，相比目前的热机应急能源装置，具有安静和节能的突出优点。
附图说明
构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明实施例所述的一种充电供暖照明一体的应急能源系统的结构示意图；
图2为本发明实施例所述的制氢模块的结构示意图。
附图标记说明：
1-燃料储箱，2-第一开关阀，3-燃料泵，4-第一级预热器，5-第二级预热器，6-制氢模块，7-混合器，8-分流管路，9-质子交换膜燃料电池，10-燃料电池控制器，11-功率调节器，12-蓄电池，13-充电接口，14-照明灯，15-第二开关阀，16-散热器，17-蒸汽重整器，18-催化燃烧室，19-钯管纯化器。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
如图1-图2所示，一种充电供暖照明一体的应急能源系统，包括燃料供给系统、制氢系统、发电系统、电力转换系统和余热利用系统，所述的燃料供给系统包括燃料储箱1和燃料泵3，所述的制氢系统包括燃料预热器、制氢模块6、混合器7和分流管路8，所述的制氢模块6包括蒸汽重整器17、催化燃烧室18和钯管纯化器19，钯管纯化器19设有入口、氢气出口和废气出口，所述的蒸汽重整器17设置在催化燃烧室18的外部，所述的钯管纯化器19设置在催化燃烧室18的内部，所述的发电系统包括质子交换膜燃料电池9，所述的电力转换系统包括功率调节器11、蓄电池12、充电接口13和照明灯14，所述余热利用系统包括散热器16；燃料储箱1中的燃料为已按比例配好的甲醇水溶液；
燃料储箱1经燃料管路与燃料泵3连接，燃料泵3的出口与燃料预热器的入口连通，燃料预热器出口与蒸汽重整器17的入口连通，蒸汽重整器17的出口与钯管纯化器19的入口连通，钯管纯化器19的氢气出口经输氢管路与质子交换膜燃料电池9的阳极连通，质子交换膜燃料电池9的阴极与外部环境连通，质子交换膜燃料电池9的阴极吸入环境中的空气，质子交换膜燃料电池9的尾气出口及钯管纯化器19的废气出口分别经管路与混合器7连通，所述的混合器7经分流管路8与催化燃烧室18的入口连通，催化燃烧室18的出口与散热器16连通；
所述质子交换膜燃料电池9输出直流电，经功率调节器11转换后为照明灯14、蓄电池12和充电接口13供电。功率调节器11包括DC-DC转换器、DC-AC转换器等，可根据具体的场景需求而改变。在不需要对外供电时，系统将为蓄电池12充电；需要对外充电时，充电接口13将被打开，同时照明灯14在系统工作时可随时打开。
催化燃烧室18和钯管纯化器19均为圆柱体结构，所述催化燃烧室18和钯管纯化器19同轴布置，所述催化燃烧室包括相互连接的外套筒和内套筒，所述蒸汽重整器17以螺旋管的形式缠绕于催化燃烧室18的外套筒的外壁面上。
蒸汽重整器17的内径为毫米量级，在蒸汽重整器17的内壁涂覆重整催化剂，蒸汽重整器17的重整反应的热量来源于缠绕的催化燃烧室。钯管纯化器19包括钯膜，钯管纯化器19的工作的热量源于钯管纯化器19外侧的催化燃烧室18。
催化燃烧室18的外套筒和内套筒之间通过若干连接筋连接，且若干连接筋将催化燃烧室平分为三个区域，每个区域中都放置同量的催化剂，质子交换膜燃料电池9的尾气和钯管纯化器19的废气出口排出的废气通过混合器7混合后经分流管路8平分为三股流路进入催化燃烧室18中的三个区域进行催化燃烧；由于蒸汽重整器17和钯管纯化器19对热量需求不同，通过调节催化燃烧室18的管壁厚度来实现，其中催化燃烧室18的内套筒壁厚度薄于外套筒壁厚布置。
燃料预热器为两级预热器，分别为第一级预热器4和第二级预热器5，两级预热器均包括冷端流体入口、冷端流体出口、热端流体入口和热端流体出口，第一级预热器的冷流体入口与燃料泵相连，第一级预热器的热流体入口与钯管纯化器的氢气出口相连，第一级预热器热流体出口与质子交换膜燃料电池的阳极相连，第一级预热器的冷流体出口与第二级预热器的冷流体入口相连，第二级预热器的冷流体出口与蒸汽重整器的入口相连，第二级预热器的热流体入口与催化燃烧室的出口相连，第二级预热器的热流体出口与散热器相连。
发电系统还包括燃料电池控制器10，所述质子交换膜燃料电池9与燃料电池控制器10电连接。质子交换膜燃料电池9的具体工况调节依靠燃料电池控制器10实现。
散热器16为板翅式散热器，且布置在应急能源系统的最外侧，与环境相接触，为外界环境供暖。
燃料供给系统还包括第一开关阀2，所述余热利用系统还包括第二开关阀15，所述第一开关阀2设置在燃料储箱1和燃料泵3之间，所述第二开关阀15设在第二预热器的热流体出口端与散热器16之间。
本发明所述的一种充电供暖照明一体的应急能源系统具体操作过程以及工作原理为：
来自燃料储箱1中的甲醇水溶液作为系统的能量输入源，经第一开关阀2、燃料泵3后进燃料预热器以达到适宜的温度，之后再进入制氢模块6中的蒸汽重整器17，经蒸汽重整器17重整反应过后，生成以氢气为主的小分子气体，气体中含有氢气、一氧化碳等其他物质，再将其通入制氢模块6中钯管纯化器19，出口为高纯度的氢气，其中蒸汽重整器17和钯管纯化器19正常工作均需要吸热，因此由制氢模块6中的催化燃烧室18提供热量，制氢模块6输出的高纯度氢气和催化燃烧尾气均具有较高的温度，因此将其作为燃料预热器的热流体输入，并按照温度的高低分为第一级预热器4、第二级预热器5；经第一级预热器4出口的降温氢气通入质子交换膜燃料电池9的阳极端，质子交换膜燃料电池9的阴极端吸入环境中的空气，质子交换膜燃料电池9的具体工况调节依靠燃料电池控制器10实现；质子交换膜燃料电池9输出直流电，通过功率调节器11转化为额定电压的电流输出，输出的电力主要通过三种方式利用：当系统日常不使用时，可让系统运行一段时间将蓄电池12充满，以备及时之需；当系统需要提供长时间能源需求时，可通过充电接口13为家用电器等供电；除此之外，系统自带的照明灯14可随时开关，满足用户在紧急情况下对光能的需求，而经第二级预热器5出口的燃气依旧具有较高的能量，将其经第二开关阀15后通入散热器16，以满足在紧急情况下用户对热量的需求；若使用时环境温度较高，不需要供暖，则可将第二开关阀15关闭，散热器16的出口的气体排入环境中。
本应急能源系统通过将甲醇进行燃料变换为氢气后，利用燃料电池产生电能，利用尾气供暖。其中电能输出通过三种途径，一是直接通过系统充电接口与需要电能的设备相连，二是为需要电能的设备提供满电蓄电池，三是为照明灯工作提供电能。该系统结构紧凑，可持续工作时间长，安静清洁，满足照明、供暖、充电多种能源形式的补给，可在紧急情况下为家庭、医院等提供较长时间的应急能源。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种充电供暖照明一体的应急能源系统，其特征在于：包括燃料供给系统、制氢系统、发电系统、电力转换系统和余热利用系统，所述的燃料供给系统包括燃料储箱（1）和燃料泵（3），所述的制氢系统包括燃料预热器、制氢模块（6）、混合器（7）和分流管路（8），所述的制氢模块（6）包括蒸汽重整器（17）、催化燃烧室（18）和钯管纯化器（19），钯管纯化器（19）设有入口、氢气出口和废气出口，所述的蒸汽重整器（17）设置在催化燃烧室（18）的外部，所述的钯管纯化器（19）设置在催化燃烧室（18）的内部，所述的发电系统包括质子交换膜燃料电池（9），所述的电力转换系统包括功率调节器（11）、蓄电池（12）、充电接口（13）和照明灯（14），所述余热利用系统包括散热器（16）；
燃料储箱（1）经燃料管路与燃料泵（3）连接，燃料泵（3）的出口与燃料预热器的入口连通，燃料预热器出口与蒸汽重整器（17）的入口连通，蒸汽重整器（17）的出口与钯管纯化器（19）的入口连通，钯管纯化器（19）的氢气出口经输氢管路与质子交换膜燃料电池（9）的阳极连通，质子交换膜燃料电池（9）的阴极与外部环境连通，质子交换膜燃料电池（9）的阴极吸入环境中的空气，质子交换膜燃料电池（9）的尾气出口及钯管纯化器（19）的废气出口分别经管路与混合器（7）连通，所述的混合器（7）经分流管路（8）与催化燃烧室（18）的入口连通，催化燃烧室（18）的出口与散热器（16）连通；
所述质子交换膜燃料电池（9）输出直流电，经功率调节器（11）转换后为照明灯（14）、蓄电池（12）和充电接口（13）供电；
所述催化燃烧室（18）和钯管纯化器（19）均为圆柱体结构，所述催化燃烧室（18）和钯管纯化器（19）同轴布置，所述催化燃烧室包括相互连接的外套筒和内套筒，所述蒸汽重整器（17）以螺旋管的形式缠绕于催化燃烧室（18）的外套筒的外壁面上；
蒸汽重整器（17）的重整反应的热量来源于缠绕的催化燃烧室，钯管纯化器（19）的工作的热量源于钯管纯化器（19）外侧的催化燃烧室（18）；
所述燃料预热器为两级预热器，分别为第一级预热器（4）和第二级预热器（5），两级预热器均包括冷端流体入口、冷端流体出口、热端流体入口和热端流体出口，第一级预热器的冷流体入口与燃料泵相连，第一级预热器的热流体入口与钯管纯化器的氢气出口相连，第一级预热器热流体出口与质子交换膜燃料电池的阳极相连，第一级预热器的冷流体出口与第二级预热器的冷流体入口相连，第二级预热器的冷流体出口与蒸汽重整器的入口相连，第二级预热器的热流体入口与催化燃烧室的出口相连，第二级预热器的热流体出口与散热器相连。
2.根据权利要求1所述的一种充电供暖照明一体的应急能源系统，其特征在于：所述蒸汽重整器（17）的内径为毫米量级，在蒸汽重整器（17）的内壁涂覆重整催化剂。
3.根据权利要求1所述的一种充电供暖照明一体的应急能源系统，其特征在于：所述钯管纯化器（19）包括钯膜。
4.根据权利要求1所述的一种充电供暖照明一体的应急能源系统，其特征在于：所述催化燃烧室（18）的外套筒和内套筒之间通过若干连接筋连接，且若干连接筋将催化燃烧室平分为三个区域，每个区域中都放置同量的催化剂，质子交换膜燃料电池（9）的尾气和钯管纯化器（19）的废气出口排出的废气通过混合器（7）混合后经分流管路（8）平分为三股流路进入催化燃烧室（18）中的三个区域进行催化燃烧；其中催化燃烧室（18）的内套筒壁厚度薄于外套筒壁厚布置。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的一种充电供暖照明一体的应急能源系统，其特征在于：所述发电系统还包括燃料电池控制器（10），所述质子交换膜燃料电池（9）与燃料电池控制器（10）电连接。
6.根据权利要求5所述的一种充电供暖照明一体的应急能源系统，其特征在于：所述散热器（16）为板翅式散热器，且布置在应急能源系统的最外侧，与环境相接触。
7.根据权利要求6所述的一种充电供暖照明一体的应急能源系统，其特征在于：所述燃料供给系统还包括第一开关阀（2），所述余热利用系统还包括第二开关阀（15），所述第一开关阀（2）设置在燃料储箱（1）和燃料泵（3）之间，所述第二开关阀（15）设在第二预热器的热流体出口端与散热器（16）之间。
8.根据权利要求7所述的一种充电供暖照明一体的应急能源系统，其特征在于：燃料储箱（1）中的燃料为甲醇水溶液。
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