CN115020768A - 一种甲醇制氢燃料电池热电联供系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种甲醇制氢燃料电池热电联供系统，包括原料储存模块、甲醇水制氢重整模块、电池模块、碳吸附模块、余热利用模块、气体储存模块和可编程控制模块；原料储存模块为甲醇水制氢重整模块提供制氢原料，制备的氢气用于电池模块发电，电池模块还能进行储能，并用于外部设备供电；余热利用模块收集重整制氢模块、电池模块的热量，对废气进行二次燃烧并用于重整制氢，提高制氢效率和原料利用率。本发明有效提高甲醇水制氢的效率，保证输出稳定的电压。
Description
技术领域
本发明属于新能源技术领域，特别涉及一种甲醇制氢燃料电池热电联供系统。
背景技术
氢能作为一种清洁能源，其广阔的应用及发展前景已引起国内外广大学者们的关注。全球对氢能的研究热度越来越高，而氢气不易储存、运输的特点是阻碍其继续发展的关键因素。因此，许多现场制氢技术应运而生。除电解水制氢以外，低碳有机物的重整制氢也是近年来研究的热点之一。甲醇催化制氢又因其原料低成本、低毒性、易于运输处理的特点而被广泛应用。甲醇催化制氢的四种途径中，又以甲醇水蒸气重整制氢应用较为广泛。
发明专利CN202111052501.0公开了一种MW级热电联功燃料电池电站，包括燃料电池系统、氢气系统、空气系统、并网系统和监控系统，氢气系统采用重整制氢技术、为燃料电池系统提供高纯度氢气；空气系统为燃料电池系统和氢气系统提供空气或氧气；并网系统用于将电能输送至电网，监控系统用于对电站的运行参数进行监测和控制。电站还包括余热利用系统，用于回收利用燃料电池系统、空气系统、氢气系统产生的余热，并向空气系统、氢气系统提供加热功能，向热水用户提供热水；还包括水处理系统，用于回收利用冷凝水或者反应水，并向燃料电池系统、氢气系统、空气系统和余热利用系统提供去离子水。优化了工艺流程、提高了能源利用率，运行时可实现零耗水。
甲醇催化重整制氢是利用甲醇和水在高温和催化剂条件下裂解为H2和CO2的原理来制备氢气，是一种较为成熟的制氢技术；但是还存在以下技术问题：1、储能量低，无法满足电池的用气需求；2、气压、液压平衡度差，无法保持氢燃料电池长时间稳定运行，输出稳定的电压。
发明内容
针对现有甲醇水重整制氢在燃料电池应用中存在的供气不稳定，输出电能不够的缺陷，本发明提供一种甲醇制氢燃料电池热电联供系统，有效提高甲醇水制氢的效率，保证输出稳定的电压。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种甲醇制氢燃料电池热电联供系统，包括原料储存模块、甲醇水制氢重整模块、电池模块、碳吸附模块、余热利用模块、气体储存模块和可编程控制模块；
所述的原料储存模块包括甲醇储料罐和原水储料罐，为甲醇水制氢重整模块提供甲醇和水原料进行制氢；
所述的甲醇水制氢重整模块为甲醇制氢重整器，通过管道分别与甲醇储料罐、原水储料罐及电池模块连接；
所述的电池模块包括氢燃料电池组和锂离子电池组；所述的氢燃料电池组与甲醇水制氢重整器连接；所述的锂离子电池组与氢燃料电池组连接；
所述的碳吸附模块包括吸附塔，与甲醇水制氢重整模连接；
所述的余热利用模块包括燃烧室和加热器；所述的燃烧室与甲醇水制氢重整模块连接，利用甲醇水重整模块的废气进行燃烧，并将热量输送至加热器，所述的加热器设置于甲醇水制氢重整模块内；
所述的气体储存模块包括氢气储存罐；所述的氢气储存罐分别与氢燃料电池组和甲醇水制氢重整器连接；
所述的可编程控制模块分别与原料储存模块、甲醇水制氢重整模块、电池模块、二氧化碳吸收模块、余热利用模块、气体储存模块电性连接。
本发明的热电联供系统，利用甲醇水重整制氢，用于氢燃料电池进行反应发电，氢燃料电池产生的电能由锂离子电池组进行储能，通过锂离子电池组反向甲醇水重整制氢进行功能，提高制氢效率。同时本发明通过余热利用模块，有效的对甲醇水重整制氢模块、电池组模块进行降温，避免高温对整个系统的影响，产生的余热用于废气燃烧，提高了整个制氢的效率和转化率。重整制备的氢气一部分储存于氢气储存罐中作为氢燃料电池的储备用气，避免重整制氢产能不足时影响燃料电池的发电效率。采用吸附塔作为重整制氢的碳吸附设备，可以有效的除去尾气，避免造成空气污染，吸附的碳通过余热利用模块进一步进行燃烧，产生的热能返用于重整制氢，提高了原料的利用率。采用可编程控制模块对各个设备进行控制，自动化程度高。
作为本发明的进一步改进，所述的吸附塔内由上而下设有甲烷吸附床层、二氧化碳吸附床层和水蒸气脱落床层，每个床层上设有半导体制冷片；所述的半导体制冷片与外部电源电性连接。利用半导体制冷片对高温蒸气进行冷凝，从而提高碳吸附效率，快速分离甲醇和水，再进行回收利用，提高系统运行的流畅度。
作为本发明的进一步改进，所述的锂离子电池组还与可编程模块连接，作为可编程模块的二级电源。
作为本发明的进一步改进，所述的余热利用模块为夹套式换热器，设置于甲醇水制氢重整器、氢燃料电池组的外壁。
作为本发明的进一步改进，所述的甲醇水制氢重整器具有废气入口、废气出口、原料入口和重整器出口四个通路；
所述的甲醇储料罐、原水储料罐通过流量计和泵机与原料入口连通；
所述的重整气出口与吸附塔的气体入口连通；
所述的废气出口与燃烧室连接；
所述的废气进口与吸附塔的出气口连接。
作为本发明的进一步改进，所述的电池模块为外部设备进行供电；其中所锂电池组用于储存氢燃料电池的电能，同时为可编程模块供电。
作为本发明的进一步改进，所述的系统还包括检测模块，所述的监测模块由温度传感器、气体流量传感器、气体压力传感器，电压计组成；
所述的温度传感器设置于甲醇水制氢重整器内、氢燃料电池组内和锂离子电池组内；
所述的气体流量传感器设置于原料储存模块的输送管道上；
所述的气体压力传感器设置于氢气储存罐中；
所述的电压计分别设置于氢燃料电池组和锂离子电池组中。
作为本发明的进一步改进，所述的氢气储存罐固定连接有罐体，所述的罐体右侧固定连接有氢燃料电池组，所述的氢燃料电池组右侧面连接外部用电设备；
所述的罐体的内部固定安装有过滤器、氧气传感器，并开设有导气槽，所述过滤器的内部固定安装有吸氧过滤管，所述过滤器的内部设置有纤维过滤层，所述过滤器的内部开设有进气孔；
所述的氢气储存罐和氢燃料电池的顶部固定连接有第一输气管，所述罐体的顶部固定连接有第二输气管，且第二输气管与第一输气管连通；所述的氢气储存罐和罐体的底部固定连接有第三输气管，所述罐体的正面固定安装有控制面板。
作为本发明的进一步改进，所述第二输气管和第三输气管与罐体的连接处分别安装有第一单向阀和第二单向阀；所述第一输气管和第三输气管的管体上安装有阀门；第一输气管与燃料电池的连接处还设有第三单向阀。
作为本发明的进一步改进，所述的阀门、第一单向阀、第二单向阀和第三单向阀均与控制面板通过导线电连接；控制面板通过可编程控制模块进行编码控制。
本发明的有益效果如下：
1、本发明利用重整制氢、氢燃料电池组和锂离子构成热电联供系统，循环利用重整制氢过程产生的废气进一步燃烧为重整制氢提供热能，提高制氢的效率，提高氢燃料电池的发电效率，利用锂离子电池进行电能储存并用于外部设备供电，大大提高了甲醇水制氢的转化率，使能量得到最大的转化。
2、本发明的系统有效的对甲醇制氢重整器、电池组产生的热量进行回收利用，提高了系统的安全性；同时对制氢产生的二氧化碳进行有效的回收利用，通过在燃烧为甲醇制氢重整器提供热能，提高制氢效率，降低污染。
附图说明
图1为本发明系统的结构框架图。
图2为氢电联供装置的结构示意图。
图3为罐体正视剖视图。
图4为过滤器结构示意图。
附图标记：1-燃料电池，2-罐体，201-氧气传感器，202-导气槽，203-过滤器，2031-吸氧过滤管，2032-纤维过滤层，2033-进气孔，3-储氢罐，4-家用电设备，5-家用热设备，6-第一输气管，7-第二输气管，8-第三输气管，9-阀门，10-第一单向阀，11-第二单向阀，12-第三单向阀，13-第四输气管。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
实施例1
如图1所示的一种甲醇制氢燃料电池热电联供系统，包括原料储存模块、甲醇水制氢重整模块、电池模块、碳吸附模块、余热利用模块、气体储存模块和可编程控制模块。
所述的原料储存模块包括甲醇储料罐和原水储料罐，为甲醇水制氢重整模块提供甲醇和水原料进行制氢。
所述的甲醇水制氢重整模块为甲醇制氢重整器，通过管道分别与甲醇储料罐、原水储料罐及电池模块连接。
所述的电池模块包括氢燃料电池组和锂离子电池组；所述的氢燃料电池组与甲醇水制氢重整器连接；所述的锂离子电池组与氢燃料电池组连接。
所述的碳吸附模块包括吸附塔，与甲醇水制氢重整模连接。
所述的余热利用模块包括燃烧室和加热器；所述的燃烧室与甲醇水制氢重整模块连接，利用甲醇水重整模块的废气进行燃烧，并将热量输送至加热器，所述的加热器设置于甲醇水制氢重整模块内。
所述的气体储存模块包括氢气储存罐；所述的氢气储存罐分别与氢燃料电池组和甲醇水制氢重整器连接。
所述的可编程控制模块分别与原料储存模块、甲醇水制氢重整模块、电池模块、二氧化碳吸收模块、余热利用模块、气体储存模块电性连接。
本实施例的系统利用甲醇水重整制氢，用于氢燃料电池进行反应发电，氢燃料电池产生的电能由锂离子电池组进行储能，通过锂离子电池组反向甲醇水重整制氢进行功能，提高制氢效率。同时本发明通过余热利用模块，有效的对甲醇水重整制氢模块、电池组模块进行降温，避免高温对整个系统的影响，产生的余热用于废气燃烧，提高了整个制氢的效率和转化率。重整制备的氢气一部分储存于氢气储存罐中作为氢燃料电池的储备用气，避免重整制氢产能不足时影响燃料电池的发电效率。采用吸附塔作为重整制氢的碳吸附设备，可以有效的除去尾气，避免造成空气污染，吸附的碳通过余热利用模块进一步进行燃烧，产生的热能返用于重整制氢，提高了原料的利用率。采用可编程控制模块对各个设备进行控制，自动化程度高。
所述的锂离子电池组还与可编程模块连接，作为可编程模块的二级电源。
实施例2
本实施例是在实施例1的基础上做出的进一步改进，具体为：
所述的吸附塔内由上而下设有甲烷吸附床层、二氧化碳吸附床层和水蒸气脱落床层，每个床层上设有半导体制冷片；所述的半导体制冷片与外部电源电性连接。
利用半导体制冷片对高温蒸气进行冷凝，从而提高碳吸附效率，快速分离甲醇和水，再进行回收利用，提高系统运行的流畅度。
实施例3
本实施例是在实施例2的基础上做出的进一步改进，具体为：
所述的余热利用模块为夹套式换热器，设置于甲醇水制氢重整器、氢燃料电池组的外壁。
所述的甲醇水制氢重整器具有废气入口、废气出口、原料入口和重整器出口四个通路；
所述的甲醇储料罐、原水储料罐通过流量计和泵机与原料入口连通；
所述的重整气出口与吸附塔的气体入口连通；
所述的废气出口与燃烧室连接；
所述的废气进口与吸附塔的出气口连接。
实施例4
本实施例是在实施例3的基础上做出的进一步改进，具体为：
所述的电池模块为外部设备进行供电；其中所锂电池组用于储存氢燃料电池的电能，同时为可编程模块供电。
所述的系统还包括检测模块，所述的监测模块由温度传感器、气体流量传感器、气体压力传感器，电压计组成；
所述的温度传感器设置于甲醇水制氢重整器内、氢燃料电池组内和锂离子电池组内；
所述的气体流量传感器设置于原料储存模块的输送管道上；
所述的气体压力传感器设置于氢气储存罐中；
所述的电压计分别设置于氢燃料电池组和锂离子电池组中。
实施例5
本实施例为实施例1系统的具体结构，如图2所示，氢气储存罐1固定连接有罐体2，所述的罐体2右侧固定连接有氢燃料电池组3，所述的氢燃料电池组3右侧面连接外部用电设备；
所述的罐体2如图3所示，内部固定安装有过滤器203、氧气传感器201，并开设有导气槽202，所述过滤器203如图4所示，内部固定安装有吸氧过滤管2031，所述过滤器203的内部设置有纤维过滤层2032，所述过滤器203的内部开设有进气孔2033；
所述的氢气储存罐1和氢燃料电池3的顶部固定连接有第一输气管6，所述罐体2的顶部固定连接有第二输气管7，且第二输气管7与第一输气管6连通；所述的氢气储存罐1和罐体2的底部固定连接有第三输气管8，所述罐体2的正面固定安装有控制面板。
所述第二输气管7和第三输气管8与罐体2的连接处分别安装有第一单向阀10和第二单向阀11；所述第一输气管6和第三输气管8的管体上安装有阀门9；第一输气管6与燃料电池3的连接处还设有第三单向阀12。
所述的阀门9、第一单向阀10、第二单向阀11和第三单向阀12均与控制面板通过导线电连接；
控制面板通过可编程控制模块进行编码控制。
以上实施例仅为本发明的示例性实施例，不用于限制本发明，本发明的保护范围由权利要求书限定。本领域人员可以在本发明的实质和保护范围内，对本发明做出各种修改或等同替换，这种修改或等同替换也应视为落在本发明的保护范围内。
Claims (10)
1.一种甲醇制氢燃料电池热电联供系统，其特征在于：包括原料储存模块、甲醇水制氢重整模块、电池模块、碳吸附模块、余热利用模块、气体储存模块和可编程控制模块；
所述的原料储存模块包括甲醇储料罐和原水储料罐，为甲醇水制氢重整模块提供甲醇和水原料进行制氢；
所述的甲醇水制氢重整模块为甲醇制氢重整器，通过管道分别与甲醇储料罐、原水储料罐及电池模块连接；
所述的电池模块包括氢燃料电池（3）组和锂离子电池组；所述的氢燃料电池组与甲醇水制氢重整器连接；所述的锂离子电池组与氢燃料电池组连接；
所述的碳吸附模块包括吸附塔，与甲醇水制氢重整模连接；
所述的余热利用模块包括燃烧室和加热器；所述的燃烧室与甲醇水制氢重整模块连接，利用甲醇水重整模块的废气进行燃烧，并将热量输送至加热器，所述的加热器设置于甲醇水制氢重整模块内；
所述的气体储存模块包括氢气储存罐（1）；所述的氢气储存罐分别与氢燃料电池组和甲醇水制氢重整器连接；
所述的可编程控制模块分别与原料储存模块、甲醇水制氢重整模块、电池模块、碳吸附模块、余热利用模块、气体储存模块电性连接。
2.根据权利要求1所述的甲醇制氢燃料电池热电联供系统，其特征在于：所述的吸附塔内由上而下设有甲烷吸附床层、二氧化碳吸附床层和水蒸气脱落床层，每个床层上设有半导体制冷片；所述的半导体制冷片与外部电源电性连接。
3.根据权利要求1所述的甲醇制氢燃料电池热电联供系统，其特征在于：所述的锂离子电池组还与可编程模块连接，作为可编程模块的二级电源。
4.根据权利要求1所述的甲醇制氢燃料电池热电联供系统，其特征在于：所述的余热利用模块为夹套式换热器，设置于甲醇水制氢重整器、氢燃料电池组的外壁。
5.根据权利要求1所述的甲醇制氢燃料电池热电联供系统，其特征在于：所述的甲醇水制氢重整器具有废气入口、废气出口、原料入口和重整器出口四个通路；
所述的甲醇储料罐、原水储料罐通过流量计和泵机与原料入口连通；
所述的重整气出口与吸附塔的气体入口连通；
所述的废气出口与燃烧室连接；
所述的废气进口与吸附塔的出气口连接。
6.根据权利要求1所述的甲醇制氢燃料电池热电联供系统，其特征在于：所述的电池模块为外部设备进行供电；其中所锂电池组用于储存氢燃料电池的电能，同时为可编程模块供电。
7.根据权利要求1所述的甲醇制氢燃料电池热电联供系统，其特征在于：所述的系统还包括检测模块，所述的监测模块由温度传感器、气体流量传感器、气体压力传感器，电压计组成；
所述的温度传感器设置于甲醇水制氢重整器内、氢燃料电池组内和锂离子电池组内；
所述的气体流量传感器设置于原料储存模块的输送管道上；
所述的气体压力传感器设置于氢气储存罐中；
所述的电压计分别设置于氢燃料电池组和锂离子电池组中。
8.根据权利要求1所述的甲醇制氢燃料电池热电联供系统，其特征在于：所述的氢气储存罐（1）固定连接有罐体（2），所述的罐体（2）右侧固定连接有氢燃料电池组（3），所述的氢燃料电池组（3）右侧面连接外部用电设备；
所述的罐体（2）的内部固定安装有过滤器（203）、氧气传感器（201），并开设有导气槽（202），所述过滤器（203）的内部固定安装有吸氧过滤管（2031），所述过滤器（203）的内部设置有纤维过滤层（2032），所述过滤器（203）的内部开设有进气孔（2033）；
所述的氢气储存罐（1）和氢燃料电池（3）的顶部固定连接有第一输气管（6），所述罐体（2）的顶部固定连接有第二输气管（7），且第二输气管（7）与第一输气管（6）连通；所述的氢气储存罐（1）和罐体（2）的底部固定连接有第三输气管（8），所述罐体（2）的正面固定安装有控制面板。
9.根据权利要求8所述的甲醇制氢燃料电池热电联供系统，其特征在于：所述第二输气管（7）和第三输气管（8）与罐体2的连接处分别安装有第一单向阀（10）和第二单向阀（11）；所述第一输气管（6）和第三输气管（8）的管体上安装有阀门（9）；第一输气管（6）与燃料电池（3）的连接处还设有第三单向阀（12）。
10.根据权利要求9所述的甲醇制氢燃料电池热电联供系统，其特征在于：所述的阀门（9）、第一单向阀（10）、第二单向阀（11）和第三单向阀（12）均与控制面板通过导线电连接；
控制面板通过可编程控制模块进行编码控制。
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