CN117558952A - 一种对主机尾气重复利用的燃料电池系统以及船舶 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及燃料电池技术领域，具体涉及一种对主机尾气重复利用的燃料电池系统以及船舶，主机包括排气管，所述燃料电池系统包括电堆以及辅助组件；所述电堆包括空气侧入口；所述辅助组件包括依次连通的第一空压机、进气通道、第一换热器、加热器、透氧膜装置以及三通阀，所述三通阀还与氧气存储装置、空气侧入口连通，所述排气管与第一换热器连通；本发明通过将主机产生的尾气热量通过第一换热器对空气进行加热，加热器进一步将空气加热到透氧膜工作温度温度，使进入到电堆的气体为高浓度氧气，通过三通阀，能够将部分的高纯度氧气送入氧气存储装置中，可以用于船上医护以及潜水作业；高浓度氧气能够提高发电效率，为船舶用电设备供电。

Description

一种对主机尾气重复利用的燃料电池系统以及船舶
技术领域
本发明涉及燃料电池技术领域，具体涉及一种对主机尾气重复利用的燃料电池系统以及船舶。
背景技术
燃料电池是一种将氢气与氧气发生电化学反应生成水的同时输出电能的装置，具有发电效率高、环境污染小、比能量高、噪音低等优点，在新能源领域受到广泛关注，在船舶领域具有良好的应用前景。
船舶通常有两种发动机，一种用于动力输出(主机)，另一种用于系统供电。动力输出发动机尾气达到在400℃以上，甚至可以超过500℃，该部分的能量都是直接排入大气的，且这部分能量能够占到燃油热量的三分之一，造成能源的浪费；如果能够对这部分能量进行利用，能够降低船舶油耗。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种能够对船舶主机的高温尾气进行利用进而发电满足部分或全部船舶用电同时实现对氧气进行收集满足船上医护以及潜水作业的主机尾气重复利用的燃料电池系统以及船舶。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
一种对主机尾气重复利用的燃料电池系统，主机包括排气管，所述燃料电池系统包括电堆以及辅助组件；
所述电堆包括空气侧入口；
所述辅助组件包括第一空压机、进气通道、第一换热器、加热器、三通阀、氧气存储装置以及透氧膜装置，所述排气管与第一换热器连通；
所述第一空压机通过进气通道穿过第一换热器、加热器、透氧膜装置、三通阀后与空气侧入口连通；
所述三通阀还与氧气存储装置连通。
优选地，所述辅助组件还包括涡轮、发电机以及蓄电池，所述涡轮设置在透氧膜装置、空气侧入口之间的进气通道上；
所述蓄电池与发电机、电堆电性连接；所述涡轮带动发电机转动。
优选地，所述辅助组件还包括第二换热器；
所述燃料电池系统还包括船舶冷却系统，所述第二换热器设置于三通阀与空气侧入口之间的进气通道上。
优选地，所述电堆还包括冷却侧入口和冷却侧出口；
所述船舶冷却系统包括冷却通道和水阀，所述冷却通道与冷却侧入口、冷却侧出口以及第二换热器连通，所述水阀设置在冷却通道上。
优选地，所述辅助组件还包括第二空压机、节流阀以及管道，所述第二空压机通过管道连接在第二换热器前方的进气通道上；
所述节流阀连接在进气通道上。
优选地，所述第一空压机上连接有第一空滤，所述第二空压机上连接有第二空滤。
优选地，所述管道上设置有第一流量计；
所述第二换热器前方的进气通道上还设置有第二流量计。
优选地，所述加热器前后的进气通道上分别设置有第一温度传感器和第二温度传感器；
所述第二换热器前后的进气通道上分别设置有第三温度传感器和第四温度传感器。
优选地，所述主机尾气再利用系统还包括尾排，所述排气管与尾排连通；
所述电堆还包括空气侧出口，所述空气侧出口与尾排连通；
所述透氧膜装置还包括废气出口，所述废气出口与尾排连通。
为了解决上述技术问题，本发明采用的另一技术方案为：
一种船舶，包括上述的对主机尾气重复利用的燃料电池系统。
本发明的有益效果在于：通过将主机产生的尾气热量通过第一换热器对空气进行加热，并通过加热器进一步将空气加热到透氧膜工作温度温度(700℃左右)，通过透氧膜装置，将空气中的氧气进行透过，使得进入到电堆的气体为高浓度氧气，同时通过三通阀，能够将部分的高纯度氧气送入氧气存储装置中，可以用于船上医护以及潜水作业；高浓度氧气能够提高发电效率，为船舶用电设备供电。
附图说明
图1为本发明具体实施方式的一种对主机尾气重复利用的燃料电池系统的系统框图；
标号说明：1、发动机；201、第一空滤；202、第二空滤；301、第一空压机；302、第二空压机；4、节流阀；501、第一流量计；502、第二流量计；601、第一换热器；602、第二换热器；701、第一温度传感器；702、第二温度传感器；703、第三温度传感器；704、第四温度传感器；8、电加热器；9、透氧膜装置；10、涡轮；11、发电机；12、蓄电池；13、电堆；14、尾排；15、水阀；16、三通阀；17、氧气存储装置。
具体实施方式
为详细说明本发明的技术内容、所实现目的及效果，以下结合实施方式并配合附图予以说明。
请参照图1，一种对主机尾气重复利用的燃料电池系统，主机包括排气管，所述燃料电池系统包括电堆13以及辅助组件；
所述电堆13包括空气侧入口；
所述辅助组件包括第一空压机301、进气通道、第一换热器601、加热器、三通阀16、氧气存储装置17以及透氧膜装置9，所述排气管与第一换热器601连通；
所述第一空压机301通过进气通道穿过第一换热器601、加热器、透氧膜装置9、三通阀16后与空气侧入口连通；
所述三通阀16还与氧气存储装置17连通。
本发明的有益效果在于：通过将主机产生的尾气热量通过第一换热器601对空气进行加热，并通过加热器进一步将空气加热到透氧膜工作温度(700℃左右)，通过透氧膜装置9，将空气中的氧气进行透过，使得进入到电堆13的气体为高浓度氧气，同时通过三通阀16，能够将部分的高纯度氧气送入氧气存储装置17中，可以用于船上医护以及潜水作业；高浓度氧气能够提高发电效率，为船舶用电设备供电。
进一步的，所述辅助组件还包括涡轮10、发电机11以及蓄电池12，所述涡轮10设置在透氧膜装置9、空气侧入口之间的进气通道上；
所述蓄电池12与发电机11、电堆13电性连接；所述涡轮10带动发电机11转动。
进一步的，所述辅助组件还包括第二换热器602；
所述燃料电池系统还包括船舶冷却系统，所述第二换热器602设置于三通阀16与空气侧入口之间的进气通道上。
进一步的，所述电堆13还包括冷却侧入口和冷却侧出口；
所述船舶冷却系统包括冷却通道和水阀15，所述冷却通道与冷却侧入口、冷却侧出口以及第二换热器602连通，所述水阀15设置在冷却通道上。
从上述描述可知，通过采用船舶的冷却系统与电堆13共用，能够减低系统的复杂度，无需设计独立的燃料电池冷却系统；通过第二换热器602，能够对高温氧气进行降温，避免电堆13损坏。
进一步的，所述辅助组件还包括第二空压机302、节流阀4以及管道，所述第二空压机302通过管道连接在第二换热器602前方的进气通道上；
所述节流阀4连接在进气通道上。
从上述描述可知，通过第一空压机301和第二空压机302的设置，第一空压机301实现氧气的分离，第二空压机302用于电堆13气体补充。
进一步的，所述第一空压机301上连接有第一空滤201，所述第二空压机302上连接有第二空滤202。
进一步的，所述管道上设置有第一流量计501；
所述第二换热器602前方的进气通道上还设置有第二流量计502。
从上述描述可知，通过第一流量计501和第二流量计502的设置，系统能够根据流量计的反馈对进堆气体的比例进行控制。
进一步的，所述加热器前后的进气通道上分别设置有第一温度传感器701和第二温度传感器702；
所述第二换热器602前后的进气通道上分别设置有第三温度传感器703和第四温度传感器704。
从上述描述可知，通过第一温度传感器701和第二温度传感器702能够根据需要控制加热器的功率；通过第三温度传感器703和第四温度传感器704，能够控制船舶冷却系统对第二换热器602的冷却，保证入堆气体的温度。
进一步的，所述主机尾气再利用系统还包括尾排14，所述排气管与尾排14连通；
所述电堆13还包括空气侧出口，所述空气侧出口与尾排14连通；
所述透氧膜装置9还包括废气出口，所述废气出口与尾排14连通。
所述透氧膜装置含有透氧膜，所述透氧膜为钡钙钛矿材质的透氧膜，含有钡钙钛矿材质的透氧膜原理为高温富氧条件下，含钡(Ba)材料表面析出的BaO/BaO2纳米粒子对氧活化具有超高的活性，是氧交换反应的活性位点，因此含Ba钙钛矿氧化物表面高温氧活化和输运机制具有重要意义。本申请的透氧膜装置也可以是其他种类的透氧膜装置或采用其他种类的透氧膜。
一种船舶，包括上述的对主机尾气重复利用的燃料电池系统。
实施例一
一种对主机尾气重复利用的燃料电池系统，主机包括排气管，所述燃料电池系统包括电堆以及辅助组件；
所述电堆包括空气侧入口；
所述辅助组件包括第一空压机、进气通道、第一换热器、加热器、三通阀、氧气存储装置以及透氧膜装置，所述排气管与第一换热器连通；
所述第一空压机通过进气通道穿过第一换热器、加热器、透氧膜装置、三通阀后与空气侧入口连通；
所述三通阀还与氧气存储装置连通。
所述辅助组件还包括涡轮、发电机以及蓄电池，所述涡轮设置在透氧膜装置、空气侧入口之间的进气通道上；
所述蓄电池与发电机、电堆电性连接；所述涡轮带动发电机转动。
所述辅助组件还包括第二换热器；
所述燃料电池系统还包括船舶冷却系统，所述第二换热器设置于三通阀与空气侧入口之间的进气通道上。
所述电堆还包括冷却侧入口和冷却侧出口；
所述船舶冷却系统包括冷却通道和水阀，所述冷却通道与冷却侧入口、冷却侧出口以及第二换热器连通，所述水阀设置在冷却通道上。
所述辅助组件还包括第二空压机、节流阀以及管道，所述第二空压机通过管道连接在第二换热器前方的进气通道上；
所述节流阀连接在进气通道上。
所述第一空压机上连接有第一空滤，所述第二空压机上连接有第二空滤。
所述管道上设置有第一流量计；
所述第二换热器前方的进气通道上还设置有第二流量计。
所述加热器前后的进气通道上分别设置有第一温度传感器和第二温度传感器；
所述第二换热器前后的进气通道上分别设置有第三温度传感器和第四温度传感器。
所述主机尾气再利用系统还包括尾排，所述排气管与尾排连通；
所述电堆还包括空气侧出口，所述空气侧出口与尾排连通；
所述透氧膜装置还包括空气入口、氧气出口以及废气出口，所述废气出口与尾排连通。连接时进气通道连接在空气入口上再从氧气出口连出。
实施例二
一种船舶，包括实施例一所述的对主机尾气重复利用的燃料电池系统。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等同变换，或直接或间接运用在相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种对主机尾气重复利用的燃料电池系统，主机包括排气管，其特征在于，所述燃料电池系统包括电堆以及辅助组件；
所述电堆包括空气侧入口；
所述辅助组件包括第一空压机、进气通道、第一换热器、加热器、三通阀、氧气存储装置以及透氧膜装置，所述排气管与第一换热器连通；
所述第一空压机通过进气通道穿过第一换热器、加热器、透氧膜装置、三通阀后与空气侧入口连通；
所述三通阀还与氧气存储装置连通。
2.根据权利要求1所述的对主机尾气重复利用的燃料电池系统，其特征在于，所述辅助组件还包括涡轮、发电机以及蓄电池，所述涡轮设置在透氧膜装置、空气侧入口之间的进气通道上；
所述蓄电池与发电机、电堆电性连接；所述涡轮带动发电机转动。
3.根据权利要求1所述的对主机尾气重复利用的燃料电池系统，其特征在于，所述辅助组件还包括第二换热器；
所述燃料电池系统还包括船舶冷却系统，所述第二换热器设置于三通阀与空气侧入口之间的进气通道上。
4.根据权利要求3所述的对主机尾气重复利用的燃料电池系统，其特征在于，所述电堆还包括冷却侧入口和冷却侧出口；
所述船舶冷却系统包括冷却通道和水阀，所述冷却通道与冷却侧入口、冷却侧出口以及第二换热器连通，所述水阀设置在冷却通道上。
5.根据权利要求3所述的对主机尾气重复利用的燃料电池系统，其特征在于，所述辅助组件还包括第二空压机、节流阀以及管道，所述第二空压机通过管道连接在第二换热器前方的进气通道上；
所述节流阀连接在进气通道上。
6.根据权利要求5所述的对主机尾气重复利用的燃料电池系统，其特征在于，所述第一空压机上连接有第一空滤，所述第二空压机上连接有第二空滤。
7.根据权利要求5所述的对主机尾气重复利用的燃料电池系统，其特征在于，所述管道上设置有第一流量计；
所述第二换热器前方的进气通道上还设置有第二流量计。
8.根据权利要求3所述的对主机尾气重复利用的燃料电池系统，其特征在于，所述加热器前后的进气通道上分别设置有第一温度传感器和第二温度传感器；
所述第二换热器前后的进气通道上分别设置有第三温度传感器和第四温度传感器。
9.根据权利要求1所述的对主机尾气重复利用的燃料电池系统，其特征在于，所述主机尾气再利用系统还包括尾排，所述排气管与尾排连通；
所述电堆还包括空气侧出口，所述空气侧出口与尾排连通；
所述透氧膜装置还包括废气出口，所述废气出口与尾排连通。
10.一种船舶，其特征在于，包括权利要求1-9任意一项所述的对主机尾气重复利用的燃料电池系统。
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