CN112259758A - 一种零排放船用冷热电联供机组及其使用方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种零排放船用冷热电联供机组及其使用方法，包括燃料电池电堆模组、燃烧室、重整室、空气预热室、空气鼓风机、蒸汽发生器、脱硫室、蓄电池、回热室、水箱、直流变换器等；空气预热室分别与空气过滤装置、重整室及电堆模组阴极入口连接；重整室分别与脱硫室及电堆模组阳极入口连接；燃烧室入口分别与电堆模组阴极与阳极出口、过滤装置、预混气化室连接；燃烧室出口与空气预热室连接；蒸汽发生器分别与预混气化室及回热室连接；还包括尾气气液分离器、尾气捕捉与封存舱、船舶充电储能装置及用电装置控制柜等；本发明的机组具有无碳排放、燃料多样性广、发电效率高、燃料冷热电联供能量综合利用率高、经济性好等优点。

Description

一种零排放船用冷热电联供机组及其使用方法
技术领域
本领域属于船舶清洁能源燃料电池技术节能减排领域，更具体地涉及一种高效零排放船用多燃料固体氧化物燃料电池冷热电联供机组，以及其使用方法。
背景技术
船舶传统发电机组主要为内燃机（如柴油机、燃气轮机等），具有发电效率低、污染大、维修繁琐、燃料经济性差等固有缺点，已然很难继续满足我国新时代船舶面向“高效、低碳、低排放、清洁燃料、智能化”的建设要求，急需开展船用新型高效、安静、清洁的发电技术。
固体氧化物燃料电池（SOFC）是一种通过电化学反应直接将存储在燃料中的化学能直接转换成电能的发电装置，具有燃料适应性广（氢气、氨气、碳氢液体/气体、燃油等）、发电效率高（50～65%）、振动噪声低（39～68dBA）、排放低、成本低（不使用贵金属Pt）、寿命长（可达100000h+）、全固态结构、模块灵活组合（kW至MW级）等固有特性，且尾气余热高、可与燃气轮机GT或蒸汽机联合发电实现能量综合利用率高达80～95%。同时，固体氧化物燃料电池系统可在不改变我国船舶现有燃料补给供应体系与基础设施前提下，实现我国船舶节能减排，有效提升我国绿色船舶建设与领域竞争力。
随着我国对新能源技术发展的大力扶持，常规实现船舶节能减排的技术有：太阳能/风能、锂离子储能系统、燃料电池发电系统等。
然而对于大型船舶（如运输船、LNG船、油船、集装箱船、散货运输船、国际邮轮、极地科考船、远洋船、起重船、海洋开发船、冷藏船等众多船型领域），太阳能/风能因效率低，不适合在船舶上大量应用；锂离子储能系统存在续航短、自身重量大等缺点，无法大规模应用。对于燃料电池技术，以质子交换膜燃料电池及固体氧化物燃料电池技术最为具有船舶应用潜力，并已在国外相关船舶行业实现了示范运行。但因质子交换膜燃料电池只能使用高纯氢气，在氢气制备、存储、运输等方面存在成本大、安全性差等问题；若使用碳氢燃料如甲醇、天然气等，质子交换膜燃料电池发电效率仅有35～40%，且余热利用低，导致经济性差、安全性亦有待提高。
而固体氧化物燃料电池燃料多样性广，可使用富氢气类（含纯氢、副产氢等）、碳氢气体/液体燃料类（如：沼气、液化天然气、液化石油气、醇类液体、燃油等）、氨类液体类（如氨水、氨气等）。不论使用何种燃料类型，其发电效率均达50～65%，余热品质高、能量综合利用率达80～95%，可直接利用现有船舶燃料供应体系实现节能减排达50～70%。
发明内容
本发明针对固体氧化物燃料电池的优势，提供一种高效零排放船用多燃料固体氧化物燃料电池冷热电联供机组，以及其使用方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种零排放船用冷热电联供机组，包括固体氧化物燃料电池电堆模组和与燃料电池电堆模组连接的空气预热室、重整室、蓄电池以及燃烧室，还包括与燃烧室连接的空气过滤装置和预混气化室，以及与预混气化室连接的船用燃料舱、蒸汽发生器和脱硫室；所述空气预热室的空气侧出口和重整室的燃料侧出口分别与燃料电池电堆模组的阴极入口和阳极入口连接，所述燃料电池电堆模组的阴极出口和阳极出口分别与燃烧室的空气侧进口和燃料侧进口连接，所述燃烧室的旁路空气侧进口和旁路燃料侧进口分别与空气过滤装置的空气启动路和预混气化室的燃料启动路连接，所述预混气化室的燃料侧进口和燃料侧出口分别与蒸汽发生器和脱硫室的燃料侧进口连接，空气过滤装置上连接有空气鼓风机，所述蒸汽发生器分别与水箱和回热室连接；所述空气预热室和脱硫室分别与重整室连接，蓄电池分别与燃料电池电堆模组和燃烧室连接；所述回热室出口侧分别与制冷机组和船舱供暖装置连接，并于冷凝器处汇合，然后进入尾气气液分离器；所述尾气气液分离器与水箱连接循环利用，同时与尾气捕捉装置连接；所述尾气捕捉装置与尾气封存舱连接，实现零碳排放；所述的燃料电池电堆模组通过直流变换器连接有充电储能装置，所述充电储能装置连接船舶用电设备，所述的直流变换器、充电储能装置和船舶用电设备分别与船舶用电装置控制柜连接，用于不同工况智能控制管理。
所述的一种零排放船用冷热电联供机组，其船用燃料舱通过计量泵与预混气化室的燃料侧进口连接。
所述的一种零排放船用冷热电联供机组，其水箱通过水泵与蒸汽发生器连接。
所述的一种零排放船用冷热电联供机组，其燃料电池电堆模组为工作温度500～1000℃的阳极支撑型固体氧化物燃料电池电堆、金属支撑型固体氧化物燃料电池电堆或电解质支撑型固体氧化物燃料电池电堆。
所述的一种零排放船用冷热电联供机组，其船用燃料舱内为富氢气类、碳氢气体/液体燃料类或氨类液体类燃料。
所述的一种零排放船用冷热电联供机组，其脱硫室中脱硫催化剂为锌基化合物。
所述的一种零排放船用冷热电联供机组，其燃烧室为传统火焰燃烧、化学链燃烧或催化氧化燃烧。
所述的一种零排放船用冷热电联供机组，其蓄电池为铅酸蓄电池、锂离子蓄电池、镍氢蓄电池或超级电容器。
本发明提供的一种零排放船用冷热电联供机组使用方法，步骤如下：
蓄电池在机组启动时对燃烧室进行通电加热；当燃烧室温度达到设定温度（300℃及以上）时，空气鼓风机和船用燃料舱分别经空气过滤装置和预混气化室为燃烧室提供启动空气和启动燃料进行燃烧；燃烧室燃烧产生的高温尾气分别流经空气预热室给主路空气进行换热后，再经过重整室为燃料重整提供热量；预热后的重整气与空气通过重整室进入燃料电池电堆模组发生电化学反应产生电能与热能，产生的电能经过直流变换器储存于充电储能装置中，并经船舶用电装置控制柜提供给船舶用电设备；燃料电池电堆模组未反应完的燃料气与空气进入燃烧室进一步产生高温，所述高温尾气在流经空气预热室与重整室后，通过脱硫室接着流经预混气化室与蒸汽发生器，为船用燃料及水气化提供热量；然后流经回热室提供制冷与船舱供暖装置两种需求；最后经过冷凝器冷凝后分离为水和二氧化碳，水流入水箱，二氧化碳经过捕捉与封存，实现零排放；当无用电设备时，燃料电池电堆模组发出的电量充入充电储能装置中进行存储，或者降低燃料电池电堆模组输出的电能，实现待机状态。
所述的一种零排放船用冷热电联供机组使用方法，制冷机组、船舱供暖装置同时工作，或单独工作。
本发明的有益效果是：本发明利用了固体氧化物燃料电池燃料多样性广、发电效率高、余热品质高、振动噪声低、全固态结构、安全可靠等优点，形成具有零碳排放功能的船用多燃料固体氧化物燃料电池冷热电联供机组。
本发明可直接利用现有船舶燃料供给基础设施，燃料取材方便且保障体系成熟；余热品质高、实现制冷/供暖，燃料能量利用率高。
本发明冷热电联供机组的单位里程内消耗的燃料减少、经济性提升，无机械转动部件，且可保持燃料随地补给，具有长续航、振动噪声低、固态结构安全可靠等优点，非常适合在船舶领域实现节能减排，船舶环境舒适性提高；通过碳捕捉与封存技术，可实现CO2温室气体零排放，实现绿色船舶建设。
附图说明
图1是本发明的系统结构示意图。
各附图标记为：1—船用燃料舱，2—水箱，3—计量泵，4—水泵，5—预混气化室，6—蒸汽发生器，7—空气鼓风机，8—空气过滤装置，9—脱硫室，10—空气预热室，11—重整室，12—蓄电池，13—燃料电池电堆模组，14—燃烧室，15—回热室，16—制冷机组，17—船舱供暖装置，18—冷凝器，19—尾气气液分离器，20—尾气捕捉装置，21—尾气封存舱，22—直流变换器，23—充电储能装置，24—船舶用电设备，25—船舶用电装置控制柜。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
参考图1所示，本发明提供的一种高效零排放船用多燃料固体氧化物燃料电池冷热电联供机组，包括燃料电池电堆模组13、燃烧室14、重整室11、空气预热室10、空气鼓风机7、蒸汽发生器6、脱硫室9、蓄电池12、回热室15、水箱2、直流变换器22、尾气气液分离器19等。本发明的固体氧化物燃料电池电堆模组13中涉及的固体氧化物燃料电池电堆类型包含阳极支撑型固体氧化物燃料电池电堆、金属支撑型固体氧化物燃料电池电堆、电解质支撑型固体氧化物燃料电池电堆；固体氧化物燃料电池电堆模组13工作温度为500～1000℃。其中脱硫室9中涉及脱硫催化剂可为锌基化合物，并具有将燃料中硫含量降低至1ppm及以下的功能要求；燃烧室14类型可为传统火焰燃烧、化学链燃烧、催化氧化燃烧等。
所述空气预热室10空气侧出口、重整室11燃料侧出口分别与所述燃料电池电堆模组13阴极、阳极入口连接，重整气与空气在固体氧化物燃料电池内部通过电化学反应方式转化为电能。
所述燃料电池电堆模组13阴极、阳极出口分别与所述燃烧室14空气侧进口、燃料侧进口连接；所述燃烧室14旁路空气侧进口与旁路燃料侧进口分别与空气过滤装置8启动空气路、预混气化室5启动燃料路连接，提供启动热量。
所述预混气化室5燃料侧进口分别计量泵3及蒸汽发生器6连接、预混气化室5燃料侧出口与脱硫室9燃料侧进口连接；所述蒸汽发生器6分别与水泵4、回热室15连接；所述计量泵3与水泵4分别与船用燃料舱1、水箱2连接；所述回热室15出口侧分别与制冷机组16、船舱供暖装置17连接，并于冷凝器18处汇合，进入尾气气液分离器19，实现高品质热能的梯级高效利用。
所述的水箱2通过水泵4与蒸汽发生器6连接，所述尾气气液分离器19与水箱2连接，尾气成分主要为H2O与CO2，在经过尾气气液分离器19后，H2O冷却为液态水进入水箱2循环利用，剩下的高浓度CO2则被尾气捕捉装置20与尾气封存舱21，实现零排放。
所述的燃料电池电堆模组13通过直流变换器22连接有充电储能装置23；充电储能装置23用于连接船舶用电设备24；所述的直流变换器22、充电储能装置23、船舶用电设备24分别与船舶用电装置控制柜25连接，用于不同工况智能控制管理。
本发明的高效零排放船用多燃料固体氧化物燃料电池冷热电联供机组，工作方法为：在机组启动时，首先蓄电池12对燃烧室14进行通电加热；当燃烧室14温度达到设定温度300℃及以上时，空气鼓风机7和船用燃料舱1分别经空气过滤装置8和预混气化室5为燃烧室14提供启动空气和启动燃料进行燃烧；燃烧室14燃烧产生的高温尾气分别流经空气预热室10给主路空气进行换热后，再经过重整室11为燃料重整提供热量。
预热后的重整气与空气通过重整室11进入燃料电池电堆模组13发生电化学反应产生电能与热能，系统发电效率50%～65%，产生的电能经过直流变换器22储存与充电储能装置23中，并经船舶用电装置控制柜25提供给船舶用电设备24；燃料电池电堆模组13未反应完的燃料气与空气进入燃烧室14进一步产生高温，所述高温尾气在流经空气预热室10与重整室11后，通过脱硫室9接着流经预混气化室5与蒸汽发生器6，为船用燃料及水气化提供热量；然后流经回热室15提供制冷与船舱供暖装置两种需求；最后经过冷凝器18冷凝后分离为水和二氧化碳，水流入水箱2，二氧化碳经过捕捉与封存，实现零排放，燃料能量综合利用率80%～95%。
本发明的回热室15与制冷机组16、船舱供暖装置17两种需求冷/热可以同时提供，亦可以单独提供其中一种功能。
当无用电设备时，燃料电池电堆模组13发出的电量充入充电储能装置23中进行存储，或者降低燃料电池电堆模组13输出的电能，实现待机状态。
本发明应用领域出船舶应用外，可扩展至码头补给站、城市分布式冷热电联供电站、大型固定式电站、边防/孤岛/极地等环境电站，可以直接利用当地的传统加油气站实现高效、清洁发电。使用的燃料类型有富氢气类含纯氢、副产氢等、碳氢气体/液体燃料类如液化天然气、液化石油气、醇类液体、燃油等、氨类液体类如氨水、氨气等，提供合适的催化剂即可。蓄电池12可为铅酸蓄电池、锂离子蓄电池、镍氢蓄电池、超级电容器及其他可存储和释放电量的装置。
通过上述技术方案，本发明的高效零排放船用多燃料固体氧化物燃料电池冷热电联供机组及使用方法，利用固体氧化物燃料电池燃料多样性广、发电效率高、余热品质高、振动噪声低、全固态结构、安全可靠等优点，形成具有零碳排放功能的船用多燃料固体氧化物燃料电池冷热电联供机组；可直接利用现有船舶燃料供给基础设施，燃料取材方便且保障体系成熟；余热品质高、实现制冷/供暖，燃料能量利用率高；单位里程内消耗的燃料减少、经济性提升，无机械转动部件、振动噪声低，船舶环境舒适性提高；通过碳捕捉与封存技术，可实现CO2温室气体零排放，实现绿色船舶建设。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对上述实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显得易见，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种零排放船用冷热电联供机组，其特征在于：包括固体氧化物燃料电池电堆模组（13）和与燃料电池电堆模组（13）连接的空气预热室（10）、重整室（11）、蓄电池（12）以及燃烧室（14），还包括与燃烧室（14）连接的空气过滤装置（8）和预混气化室（5），以及与预混气化室（5）连接的船用燃料舱（1）、蒸汽发生器（6）和脱硫室（9）；
所述空气预热室（10）的空气侧出口和重整室（11）的燃料侧出口分别与燃料电池电堆模组（13）的阴极入口和阳极入口连接，所述燃料电池电堆模组（13）的阴极出口和阳极出口分别与燃烧室（14）的空气侧进口和燃料侧进口连接，所述燃烧室（14）的旁路空气侧进口和旁路燃料侧进口分别与空气过滤装置（8）的空气启动路和预混气化室（5）的燃料启动路连接，所述预混气化室（5）的燃料侧进口和燃料侧出口分别与蒸汽发生器（6）和脱硫室（9）的燃料侧进口连接，空气过滤装置（8）上连接有空气鼓风机（7），所述蒸汽发生器（6）分别与水箱（2）和回热室（15）连接；
所述空气预热室（10）和脱硫室（9）分别与重整室（11）连接，蓄电池（12）分别与燃料电池电堆模组（13）和燃烧室（14）连接；
所述回热室（15）出口侧分别与制冷机组（16）和船舱供暖装置（17）连接，并于冷凝器（18）处汇合，然后进入尾气气液分离器（19）；所述尾气气液分离器（19）与水箱（2）连接循环利用，同时与尾气2捕捉装置（20）连接；所述尾气捕捉装置（20）与尾气封存舱（21）连接，实现零碳排放；
所述的燃料电池电堆模组（13）通过直流变换器（22）连接有充电储能装置（23），所述充电储能装置（23）连接船舶用电设备（24），所述的直流变换器（22）、充电储能装置（23）和船舶用电设备（24）分别与船舶用电装置控制柜（25）连接，用于不同工况智能控制管理。
2.根据权利要求1所述的一种零排放船用冷热电联供机组，其特征在于，所述的船用燃料舱（1）通过计量泵（3）与预混气化室（5）的燃料侧进口连接。
3.根据权利要求1所述的一种零排放船用冷热电联供机组，其特征在于，所述的水箱（2）通过水泵（4）与蒸汽发生器（6）连接。
4.根据权利要求1所述的一种零排放船用冷热电联供机组，其特征在于，所述的燃料电池电堆模组（13）为工作温度500～1000℃的阳极支撑型固体氧化物燃料电池电堆、金属支撑型固体氧化物燃料电池电堆或电解质支撑型固体氧化物燃料电池电堆。
5.根据权利要求1所述的一种零排放船用冷热电联供机组，其特征在于，所述的船用燃料舱（1）内使用富氢气类、碳氢气体/液体燃料类或氨类液体类燃料。
6.根据权利要求1所述的一种零排放船用冷热电联供机组，其特征在于，所述的脱硫室（9）中脱硫催化剂为锌基化合物。
7.根据权利要求1所述的一种零排放船用冷热电联供机组，其特征在于，所述的燃烧室（14）为传统火焰燃烧、化学链燃烧或催化氧化燃烧。
8.根据权利要求1所述的一种零排放船用冷热电联供机组，其特征在于，所述的蓄电池（12）为铅酸蓄电池、锂离子蓄电池、镍氢蓄电池或超级电容器。
9.一种如权利要求1所述船用冷热电联供机组的使用方法，其特征在于，步骤如下：
蓄电池（12）在机组启动时对燃烧室（14）进行通电加热；
当燃烧室（14）温度达到设定温度时，空气鼓风机（7）和船用燃料舱（1）分别经空气过滤装置（8）和预混气化室（5）为燃烧室（14）提供启动空气和启动燃料进行燃烧；
燃烧室（14）产生的高温尾气流经空气预热室（10）给主路空气进行换热后，再经过重整室（11）为燃料重整提供热量；
预热后的重整气与空气通过重整室（11）进入燃料电池电堆模组（13）发生电化学反应产生电能与热能，电能经过直流变换器（22）储存于充电储能装置（23）中，并经船舶用电装置控制柜（25）提供给船舶用电设备（24）；
未反应完的燃料气与空气进入燃烧室（14），流经空气预热室（10）与重整室（11）后，通过脱硫室（9）接着流经预混气化室（5）与蒸汽发生器（6），为船用燃料及水气化提供热量；
然后流经回热室（15）提供制冷与供暖两种需求；
最后经过冷凝器（18）冷凝后分离为水和二氧化碳，水流入水箱（2），二氧化碳经过捕捉与封存，实现零排放；
当无用电设备时，燃料电池电堆模组（13）发出的电量充入充电储能装置（23）中进行存储，或者降低燃料电池电堆模组（13）输出的电能，实现待机状态。
10.根据权利要求9所述的一种零排放船用冷热电联供机组使用方法，其特征在于，所述的制冷机组（16）、船舱供暖装置（17）同时工作，或单独工作。
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