CN113782767A - 一种重整制氢氧燃料电池船舶余热综合利用系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种重整制氢氧燃料电池船舶余热综合利用系统，包括燃烧反应室、电堆、重整反应发生室和换热集热仓；燃烧反应室、电堆、重整反应发生室依次通过管道相连形成闭合循环。本发明采用三级换热方案，即：通过一级、二级以及三级换热盘管分别对重整制氢氧燃料电池的燃烧反应室、电堆以及重整反应发生室进行余热回收，并对换热集热仓产生的回流水进行逐级加热，在保证重整制氢氧燃料电池的正常运行的同时，能充分利用重整制氢氧燃料电池运行过程中产生的余热，并提高重整制氢氧燃料电池的工作效率。此外，重整反应产生的氢气以及未反应的水蒸气、氧气可以通过第三轴流风机重新回到燃烧反应室内，继续用于燃烧反应室内加热和电堆内发电。
Description
技术领域
本发明属于热能运用技术领域，具体涉及一种重整制氢氧燃料电池船舶余热综合利用系统。
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分别占人类总污染源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，且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，燃料电池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，提出了一套完善的船用燃料电池余热综合利用系统。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种重整制氢氧燃料电池船舶余热综合利用系统，使船用氢氧燃料电池的余热得到高效利用。
本发明所采用的技术方案如下：
一种重整制氢氧燃料电池船舶余热综合利用系统，包括：燃烧反应室、电堆、重整反应发生室和换热集热仓；其中，燃烧反应室、电堆、重整反应发生室依次通过管道相连形成闭合循环，并通过第一、第二以及第三轴流风机推动循环内混合气体流动；
燃烧反应室设有甲醇水溶液进口、空气进口、重整反应产物回流口、燃烧产物出口以及一级换热盘管；燃烧反应室以甲醇泵控制甲醇水溶液通过甲醇水溶液进口进入燃烧反应室，以第一离心风机控制空气通过空气进口进入燃烧反应室，以第一轴流风机控制燃烧反应室内物质进入电堆反应；一级换热盘管与换热集热仓相连，由一级换热盘管控制燃烧反应室温度以防止温度过高，并将热量吸收到制换热集热仓；
电堆设有反应物进口、空气进口、增湿口、尾气出口以及二级换热盘管；燃烧反应室内物质通过反应物进口进入电堆，电堆以第二离心风机控制空气通过空气进口进入电堆，通过增湿口对电堆进行加湿保证电堆湿度在燃料电池运行的最佳湿度范围内，以第二轴流风机控制电堆反应后尾气通过尾气出口排出电堆；二级换热盘管与换热集热仓相连，由二级换热盘管控制电堆的温度在燃料电池运行的最佳温度范围内，并将多余热量传递到换热集热仓；
重整反应发生室设有尾气进口、重整反应产物出口以及三级换热盘管；电堆反应后尾气通过尾气进口进入重整反应发生室，重整反应发生室以第三轴流风机控制重整反应产物先后经重整反应产物出口、重整反应产物回流口进入燃烧反应室；三级换热盘管与换热集热仓相连，由三级换热盘管控制控制重整反应发生室的温度，并将多余热量传递到换热集热仓。
进一步地，换热集热仓设有海水进水口、循环水进水口和循环水出水口；海水进水口与海水相连，将海水作为循环水介质；换热集热仓通过吸收的余热对循环水进行加热，并通过循环水进水口和循环水出水口实现循环水的水循环。
进一步地，该系统还包括流量分配阀、制冷装置、制热装置和制淡装置；换热集热仓内的循环水通过流量分配阀分别与制冷装置、制热装置和低制淡装置相连，以将换热集热仓内的热量输送至制冷装置、制热装置和低制淡装置。
进一步地，制冷装置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，流量分配阀经输出管将循环水输送至溴化锂-水混合溶液发生装置进行换热。
进一步地，制热装置包括温控阀和热交换盘管，循环水经输出管路输送至热交换盘管，输出管路上设有温控阀。
进一步地，制淡装置包括造水机、真空泵和淡水箱；造水机通过真空泵抽真空使海水沸点降低到65～70℃，流量分配阀的循环水经输出管路输送至造水机对海水进行蒸馏，制得的淡水输送至淡水箱。
进一步地，淡水箱中的淡水用于船舶生活用水或电堆的增湿。
进一步地，该系统还包括多个热电偶和一个PLC控制器；多个热电偶分别位于燃烧反应室、电堆、重整反应发生室、换热集热仓、制冷装置、制热装置和制淡装置，实时进行温度采样，并将数据传输至PLC控制器，PLC控制器控制甲醇泵，第一、第二离心风机，第一、第二、第三轴流风机，以及流量分配阀的开闭和开闭比例。
进一步地，PLC控制器保证电堆温度保持在70-75℃范围内，并确保燃烧反应室、重整反应发生室的温度低于50℃。
进一步地，重整反应发生室采用变压吸附分离法将重整反应产生的尾气中的CO2分离出来。
本发明的有益效果为：
本发明采用三级换热方案，即：通过一级、二级以及三级换热盘管分别对重整制氢氧燃料电池的燃烧反应室、电堆以及重整反应发生室进行余热回收，并对换热集热仓产生的回流水进行逐级加热，在保证重整制氢氧燃料电池的正常运行的同时，能充分利用重整制氢氧燃料电池运行过程中产生的余热，并提高重整制氢氧燃料电池的工作效率。此外，重整反应产生的氢气以及未反应的水蒸气、氧气可以通过第三轴流风机重新回到燃烧反应室内，继续用于燃烧反应室内加热和电堆内发电。
附图说明
图1为本发明重整制氢氧燃料电池结构部分主要物质流向图；
图2为本发明余热综合利用系统主要结构示意图；
图3为本发明制冷装置结构示意图；
图4为本发明制热装置结构示意图；
图5为本发明制淡装置结构示意图。
图中：1-燃烧反应室，2-电堆，3-重整反应发生室，4-换热集热仓，5-流量分配阀，6-制冷装置，7-制热装置，8-造水机，9-淡水箱，10-真空泵，11-增湿器，12-轴流风机，13-离心风机，14-冷热循环泵，15-甲醇泵，16-送水泵，17-循环泵，18-蒸发装置，19-膨胀阀，20-冷凝装置，21-溴化锂-水发生装置，22-控温阀，23-冷凝器，24-蒸发热水交换装置，25-海水滤器，26-海水控制阀。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明作进一步的说明：
本发明公开了一种重整制氢氧燃料电池船舶余热综合利用系统，它利用重整制氢氧燃料电池产生的余热，结合船舶这一交通运输工具，通过对船舶上制冷、制淡、制暖设备改进实现余热的综合利用。该系统包括燃烧反应室、电堆、重整反应发生室、换热集热仓、增湿器、溴化锂吸收式制冷机、暖风盘管、造水机、淡水箱、真空泵、PLC控制模块、风机、轴流风机、离心风机、流量分配阀、循环泵等，本发明通过分别吸收燃料电池尾气余热、电堆余热以及重整反应产生的余热，按需供应给溴化锂吸收式制冷机、造水机和暖风盘管，制冷机通过发生器吸收热量将制冷剂汽化产生冷量，暖风盘管通过风机产生暖风，造水机通过发生器吸收热量使海水沸腾制得淡水。本发明将装置产生的蒸馏水用于对质子交换膜进行增湿和冷却以及船舶生产生活用水，保证重整制氢燃料电池高效运行的同时提高船舶生活使用的便利，充分利用重整制燃料电池的余热，实现船舶绿色动力的同时提升能效。
本发明实施例的重整制氢氧燃料电池船舶余热综合利用系统，如图2所示，包括燃烧反应室1、电堆2、重整反应发生室3、换热集热仓4、增湿器11、制冷装置6、制热装置7、制淡装置、PLC控制模块、风机、轴流风机12、离心风机13、流量分配阀5、循环泵等。其中，燃烧反应室1、电堆2、重整反应发生室3依次通过管道相连形成闭合循环，并通过轴流风机12推动循环内混合气体。
燃烧反应室1设有甲醇水溶液进口、空气进口、重整反应产物回流口、燃烧产物出口以及一级换热盘管，通过甲醇泵15控制甲醇水溶液进入燃烧反应室1，离心风机控制空气进入燃烧反应室1，轴流风机控制重整反应产物进入燃烧室和控制燃烧室内物质进入电堆2反应。
电堆2设有反应物进口、空气进口、增湿口、尾气出口以及二级换热盘管，通过离心风机控制空气进入电堆，轴流风机推动反应物质进入电堆和反应后尾气排出电堆，增湿器11利用造水机8低压蒸馏产生的水对电堆进行加湿保证电堆湿度在燃料电池运行的最佳湿度范围内，二级换热盘管控制电堆的温度在燃料电池运行的最佳温度范围内，并将热量传递到换热集热仓4内。
重整反应发生室3设有尾气进口、重整反应产物出口以及三级换热盘管，通过轴流风机控制重整反应发生室3内物质的进出，三级换热盘管控制重整反应发生室3的温度，并将多余热量传递到换热集热仓4内。
换热集热仓4通过分别吸收燃料电池尾气余热、电堆余热以及重整反应产生的余热对循环水进行加热，换热集热仓4设有进水口、循环水进水口和循环水出水口，进水口与海水相连，将海水作为循环水介质。循环水加热后根据流量分配阀5分配比例分别进入制冷装置、制热装置、低制淡装置，将循环水的热量用于船舶各指定部分进行制冷、制热以及海水蒸馏。
其中，制冷装置主要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，流量分配阀经输出管输送至溴化锂-水混合溶液发生装置进行换热。制热装置主要包括温控阀和热交换盘管，循环水经输出管路输送至热交换盘管，输出管路上设有温控阀。制淡装置主要包括真空泵10、淡水箱9、造水机，制淡装置部分抽真空使海水沸点降低到65～70℃，流量分配阀5的循环水经输出管路输送至制淡装置对海水进行蒸馏，制得的淡水输送至淡水箱，淡水箱中的淡水被用于船舶生活用水和电堆的增湿。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。
此外，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，避免了传统增湿器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增湿器中，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，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。
PLC控制电路根据采样点温度控制三级换热的冷热循环泵14的功率和换热量，保证电堆温度保持在70-75℃范围内，并确保燃烧反应室、重整反应发生室的温度低于50℃，所述造水机进水温度高于75℃。优选地，PLC控制模块通过热电偶对燃烧反应室、电堆、重整反应发生室、换热集热仓、增湿器、溴化锂吸收式制冷机、暖风盘管、造水机、流量分配阀进行温度取样并记录，通过人工设置制冷、制热、制淡需求，进行控制流量分配阀分配循环水以及进行控制冷热循环泵14的换热量。
在本实施例中，重整制氢氧燃料电池为甲醇重整制氢质子交换膜氢氧燃料电池。
如图1所示，燃烧反应室1内由甲醇泵15将甲醇水溶液导入燃烧反应室1，离心风机13将氧气送入燃烧反应室1内，装置启动时由燃烧反应室1内火花塞点火燃烧甲醇蒸气加热燃烧室，促进燃烧反应室内的甲醇蒸气和水蒸气挥发，再由一级换热盘管控制燃烧室温度防止温度过高并将热量吸收制换热集热仓4，当装置正常运行时，将重整反应产生的氢气燃烧为燃烧反应室1提供热量促进甲醇蒸气和水蒸气挥发，通过轴流风机12推动甲醇蒸气、水蒸气、氧气、氢气进入电堆2。
如图1所示，电堆2中质子交换膜上发生如下反应：
阳极：CH3OH+H2O＝＝CO2+6H++6e-
阴极：1.5O2+6H++6e-＝＝3H2O
总电极反应：CH3OH+1.5O2＝＝CO2+2H2O
为船舶的正常运行和推进提供电能，并释放大量的余热，通过电堆2内二级换热盘管吸收其产生的大量余热并传递给换热集热仓4内用于加热回流水，并维持电堆在最佳工作温度范围内。电堆内未反应的甲醇蒸气、氧气、水蒸气，以及反应产生的水蒸气和二氧化碳通过轴流风机进入重整反应发生室。
如图1所示，重整反应发生室3将电堆2排除气体中的甲醇蒸气进行重整制氢，在催化剂的作用下，甲醇蒸气和水蒸气发生如下反应：
CH3OH＝＝CO+2H2
H2O+CO＝＝CO2+H2
CH3OH+H2O＝＝CO2+3H2
反应产生氢气、一氧化碳以及二氧化碳，并放出大量的热。其中反应产生的大部分二氧化碳在重整反应发生室3内通过变压吸附法分离并储存，反应产生的大部分热量由三级换热盘管吸收并传递至换热集热仓，重整反应室的温度控制在一定范围内确保重甲醇蒸气的重整反应能够充分进行，重整反应产生的氢气以及未反应的水蒸气、氧气通过轴流风机回到燃烧反应室内，用于燃烧反应室1内加热和电堆2内发电。
如图2所示，经过三级换热盘管分别对燃料电池尾气余热、电堆余热以及重整反应产生余热的吸收加热换热集热仓内回流水至70℃-80℃，由循环泵17带动加热后的回流水根据流量分配阀的分配分别进入制冷装置、制热装置以及制淡装置。
如图3所示，制冷装置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20、膨胀阀19、蒸发装置18和循环泵17。制冷工况时，加热后的回流水经输出管路输送至溴化锂-水混合溶液发生装置21进行换热后作为回流水流入换热集热仓，同时溴化锂-水溶液通过循环泵在制冷装置中封闭循环。在运行制冷装置时，通过流量分配阀5将换热集热仓4内收集到的余热送到溴化锂-水混合溶液发生装置21，采用溴化锂-水混合溶液作为冷剂，冷剂受热变成气态制冷剂，通过冷凝装置放出其中汽化潜热，凝结成高压低温液态冷剂，通过膨胀阀19节流降压后，进入蒸发装置，经过汽化吸热使工质水温度降低，达到制冷效果，再由离心风机吹出的风将热量输送至船舶指定部位。
如图4所示，制热装置包括温控阀、热交换盘管和离心风机，流量分配阀5将换热集热仓4内收集到的余热，经输出管路输送至热交换盘管，换热后作为回流水流入换热集热仓4，再由离心风机吹出的风将热量输送至船舶指定部位。输出管路上设置温控阀22，用于调节热流量大小，防止热量浪费，达到较高热传递效率。
如图5所示，制淡装置包括造水机、淡水箱9、真空泵10，造水机包括依次相连的蒸发热水交换装置24、海水控制阀26、海水滤器25、送水泵16和冷凝器23，冷凝器23的一个出水口与蒸发热水交换装置24连接，蒸发热水交换装置24与换热集热仓4连接，蒸发室的另一个出水口与淡水箱9连接。蒸发热水交换装置24与真空泵10连接，通过真空泵将蒸发热水交换装置部分抽真空使海水沸点降低到65～70℃，通过流量分配阀5将换热集热仓4收集的余热用于加热蒸发热水交换装置中的海水，回流水加热后温度在70～75℃，热水进入蒸发室对海水进行蒸馏，造水机制得的淡水输送至淡水箱9，用于船舶生产生活用水和电堆增湿器；换热后的较低温水(50℃左右)流入换热集热仓。
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，因此将蒸发室的真空度设定为0.069～0.075MPa。
系统的各项温度采集由热电偶分别对位于燃烧反应室、电堆、重整反应发生室、换热集热仓、增湿器、溴化锂吸收式制冷机、暖风盘管、造水机、流量分配阀等采样点进行温度监控，将数据传输至PLC控制模块，根据设置好的控制程序控制冷热循环泵、回流泵、送水泵、甲醇泵、轴流风机、真空泵的功率大小以及控制三个流量分配阀的开闭大小和比例。
本发明提供一种重整制氢氧燃料电池船舶余热综合利用系统，在没有污染的情况下，为船舶提供多样化的生产生活所需能量，提高了船舶舒适性。该系统通过分别吸收并利用重整制氢氧燃料电池尾气余热、电堆余热以及重整反应余热，在保证重整制氢氧燃料电池高效运行的同时，充分利用重整制氢氧燃料电池运行过程中产生的余热，并提高重整制氢氧燃料电池的工作效率，为船舶生产生活提供所需能量和船舶淡水。
本领域的技术人员容易理解，以上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、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种重整制氢氧燃料电池船舶余热综合利用系统，其特征在于，包括：燃烧反应室、电堆、重整反应发生室和换热集热仓；其中，燃烧反应室、电堆、重整反应发生室依次通过管道相连形成闭合循环，并通过第一、第二以及第三轴流风机推动循环内混合气体流动；
燃烧反应室设有甲醇水溶液进口、空气进口、重整反应产物回流口、燃烧产物出口以及一级换热盘管；燃烧反应室以甲醇泵控制甲醇水溶液通过甲醇水溶液进口进入燃烧反应室，以第一离心风机控制空气通过空气进口进入燃烧反应室，以第一轴流风机控制燃烧反应室内物质进入电堆反应；一级换热盘管与换热集热仓相连，由一级换热盘管控制燃烧反应室温度以防止温度过高，并将热量吸收到制换热集热仓；
电堆设有反应物进口、空气进口、增湿口、尾气出口以及二级换热盘管；燃烧反应室内物质通过反应物进口进入电堆，电堆以第二离心风机控制空气通过空气进口进入电堆，通过增湿口对电堆进行加湿保证电堆湿度在燃料电池运行的最佳湿度范围内，以第二轴流风机控制电堆反应后尾气通过尾气出口排出电堆；二级换热盘管与换热集热仓相连，由二级换热盘管控制电堆的温度在燃料电池运行的最佳温度范围内，并将多余热量传递到换热集热仓；
重整反应发生室设有尾气进口、重整反应产物出口以及三级换热盘管；电堆反应后尾气通过尾气进口进入重整反应发生室，重整反应发生室以第三轴流风机控制重整反应产物先后经重整反应产物出口、重整反应产物回流口进入燃烧反应室；三级换热盘管与换热集热仓相连，由三级换热盘管控制控制重整反应发生室的温度，并将多余热量传递到换热集热仓。
2.根据权利要求1所述的重整制氢氧燃料电池船舶余热综合利用系统，其特征在于，换热集热仓设有海水进水口、循环水进水口和循环水出水口；海水进水口与海水相连，将海水作为循环水介质；换热集热仓通过吸收的余热对循环水进行加热，并通过循环水进水口和循环水出水口实现循环水的水循环。
3.根据权利要求2所述的重整制氢氧燃料电池船舶余热综合利用系统，其特征在于，该系统还包括流量分配阀、制冷装置、制热装置和制淡装置；换热集热仓内的循环水通过流量分配阀分别与制冷装置、制热装置和低制淡装置相连，以将换热集热仓内的热量输送至制冷装置、制热装置和低制淡装置。
4.根据权利要求3所述的重整制氢氧燃料电池船舶余热综合利用系统，其特征在于，制冷装置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，流量分配阀经输出管将循环水输送至溴化锂-水混合溶液发生装置进行换热。
5.根据权利要求3所述的重整制氢氧燃料电池船舶余热综合利用系统，其特征在于，制热装置包括温控阀和热交换盘管，循环水经输出管路输送至热交换盘管，输出管路上设有温控阀。
6.根据权利要求3所述的重整制氢氧燃料电池船舶余热综合利用系统，其特征在于，制淡装置包括造水机、真空泵和淡水箱；造水机通过真空泵抽真空使海水沸点降低到65～70℃，流量分配阀的循环水经输出管路输送至造水机对海水进行蒸馏，制得的淡水输送至淡水箱。
7.根据权利要求6所述的重整制氢氧燃料电池船舶余热综合利用系统，其特征在于，淡水箱中的淡水用于船舶生活用水或电堆的增湿。
8.根据权利要求3所述的重整制氢氧燃料电池船舶余热综合利用系统，其特征在于，该系统还包括多个热电偶和一个PLC控制器；多个热电偶分别位于燃烧反应室、电堆、重整反应发生室、换热集热仓、制冷装置、制热装置和制淡装置，实时进行温度采样，并将数据传输至PLC控制器，PLC控制器控制甲醇泵，第一、第二离心风机，第一、第二、第三轴流风机，以及流量分配阀的开闭和开闭比例。
9.根据权利要求8所述的重整制氢氧燃料电池船舶余热综合利用系统，其特征在于，PLC控制器保证电堆温度保持在70-75℃范围内，并确保燃烧反应室、重整反应发生室的温度低于50℃。
10.根据权利要求1所述的重整制氢氧燃料电池船舶余热综合利用系统，其特征在于，重整反应发生室采用变压吸附分离法将重整反应产生的尾气中的CO2分离出来。
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