CN1971996B - 利用生物垃圾的质子交换膜燃料电池电热联产系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种利用生物垃圾的质子交换膜燃料电池电热联产系统，由生物垃圾收集消毒池、沼气生成池、储气罐、燃料极压缩机、重整器、脱二氧化碳器、质子交换膜燃料电池、空气极压缩机、空气预热换热器、脱水器、空气极余热利用换热器、燃料极余热利用换热器、热水箱等设备构成。系统燃料为生物垃圾，利用生物垃圾制得的氢气和空气发生电化学反应，产生电能，未完全反应的氢气在重整器中完全燃烧提供重整反应、空气预热和加热热水所需的热量。本发明具有电热联供功能，不仅能高效、无污染的处理生物垃圾，而且能提供电力和热水。

Description

利用生物垃圾的质子交换膜燃料电池电热联产系统
技术领域
本发明涉及一种利用生物垃圾的质子交换膜燃料电池电热联产系统，是一种小型电热联产系统，属于能源利用技术领域。
背景技术
农业、食品工业、饲料工业、养殖业、医疗行业及家庭生活中产生的各种生物垃圾通常占垃圾的40％，如何处理生物垃圾对垃圾处理工业来说是一个严峻的挑战。
为了保护环境和节约资源，实现可持续发展，世界各国急需发展新型的发电系统。燃料电池发电技术是将燃料的化学能直接转化为电能，而不受卡诺循环的限制。其中，质子交换膜燃料电池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell；PEMFC)具有环境友好、寿命长、运行温度低、比功率高、能量效率高、冷启动快、结构紧凑、易维护等优点，越来越受到人们的关注(Djilali N，Lu D M.Influence of heat transfer on gas and water transport in fuel cells.International JournalThermal Sciences，2002，41(1)：29-40.)。沼气主要由60-70％的甲烷和30-40％的二氧化碳组成，同时还有少量的硫化氢、氢气、氮气、氧气等，经重整和脱二氧化碳处理后特别适合作为PEMFC的燃料。
目前，处理生物垃圾的主要方式是填埋与燃烧。生物垃圾填埋的费用是高昂的，处理1吨生物垃圾的费用约为200-300元人民币，同时也占用了大量的土地；生物垃圾焚烧虽然可以减少对土地的占用，但其投资巨大，而且焚烧过程中会产生剧毒致癌物质——二恶英及温室气体——二氧化碳。此外，无论填埋还是焚烧，都是对有限地球资源的无谓浪费。
发明内容
本发明的目的在于针对目前常规的生物垃圾处理方式的弊端，提供一种利用生物垃圾的质子交换膜燃料电池电热联产系统，在高效、无污染的处理生物垃圾的同时，为用户提供电力和热水，从而实现生物垃圾的有效利用与电热联产，减少二次污染物的排放。
为实现这样的目的，本发明的利用生物垃圾的质子交换膜燃料电池电热联产系统，由生物垃圾收集消毒池、沼气生成池、储气罐、燃料极压缩机、重整器、脱二氧化碳器、质子交换膜燃料电池、空气极压缩机、空气预热换热器、脱水器、空气极余热利用换热器、燃料极余热利用换热器、热水箱等设备构成.生物垃圾收集消毒池的出口端连接沼气生成池的入口端，沼气生成池的肥料出口端连接农业肥料用户，沼气生成池的气体出口端连接储气罐的入口端，储气罐的出口端连接燃料极压缩机的入口端，燃料极压缩机的出口端连接重整器的管程入口端，重整器的管程出口端连接脱二氧化碳器的入口端，脱二氧化碳器的出口端连接燃料电池的燃料极入口端，空气极压缩机的入口端连接空气，空气极压缩机的出口端连接空气预热换热器的管内入口端，空气预热换热器的管内出口端连接燃料电池的空气极入口端，燃料电池的电力输出端连接电用户，燃料电池的燃料极出口端连接重整器的壳程入口端，重整器的壳程出口端连接空气预热换热器的管外入口端，空气预热换热器的管外出口端连接燃料极余热利用换热器的管内入口端，燃料极余热利用换热器的管内出口端排空，燃料电池的空气极出口端连接脱水器的入口端，脱水器的热水输出端连接重整器的管程入口端，脱水器的出口端连接空气极余热利用换热器的管内入口端，空气极余热利用换热器的管内出口端排空，热水箱的出口端分别连接燃料极余热利用换热器及空气极余热利用换热器的管外入口端，热水箱的入口端分别连接燃料极余热利用换热器及空气极余热利用换热器的管外出口端，热水箱的热水输出端连接热水用户.
系统工作时，经生物垃圾收集、消毒池收集和消毒过的生物垃圾进入沼气生成池以生成沼气，生成的沼气储存于储气罐中，剩余的残渣供给农业肥料用户，储气罐中的沼气经燃料极压缩机进入重整器的管程以重整成富氢气体，富氢气体经脱二氧化碳器除去二氧化碳后进入燃料电池的燃料极，空气经空气极压缩机进入空气预热换热器预热后进入燃料电池的空气极，氢和空气中的氧在燃料电池中发生电化学反应生成电能供给电用户，燃料电池的燃料极未完全反应的氢气进入重整器的壳程完全燃烧以提供甲烷重整所需要的热量，氢气燃烧所生成的排烟余热用于预热空气和加热热水，燃料电池的空气极未完全反应的空气和电化学反应生成的水进入脱水器，分离出的热水进入重整器的管程以提供重整所需的水，脱水后的燃料电池的空气极排气的热量用于加热热水，加热后的热水供给热水用户。
本发明与现有技术相比，具有明显的进步和有益效果。本发明可以减少填埋垃圾所必需的费用和土地占用；减少焚烧垃圾的费用和二次污染的产生；同时把生物垃圾当作一种能源来利用，且不排放微粒、二恶英和氮氧化物等有害物质，无CO2排放，实现生物垃圾的高效、无污染利用，同时为用户提供电力，供应热水，实现电热联产。本发明在燃料电池的空气极进口端加装空气预热换热器，通过对空气的预热，节约能源；未被燃料电池利用的部分燃料进入甲烷重整器的壳程完全燃烧，为甲烷重整反应提供热量；重整器的壳程所产生的烟气的余热依次进入空气预热换热器和燃料极余热利用换热器加以利用；电化学反应产生的水进入重整器的管程提供甲烷重整所需的水。这些特点都有利于提高系统的效率，本发明的电热综合效率可以达到50％以上。
附图说明
图1为本发明的系统结构示意图。
图1中，1为生物垃圾收集消毒池，2为沼气生成池，3为农业肥料用户，4为储气罐，5为燃料极压缩机，6为重整器，7为脱二氧化碳器，8为质子交换膜燃料电池，9为空气极压缩机，10为空气预热换热器，11为电用户，12为脱水器，13为空气极余热利用换热器，14为燃料极余热利用换热器，15为热水箱，16为热水用户。
具体实施方式
为更好地理解本发明的技术方案，以下结合附图作进一步描述。
本发明的系统结构如图1所示，由生物垃圾收集消毒池1、沼气生成池2、储气罐4、燃料极压缩机5、重整器6、脱二氧化碳器7、质子交换膜燃料电池8、空气极压缩机9、空气预热换热器10、脱水器12、空气极余热利用换热器13、燃料极余热利用换热器14、热水箱15等设备构成.生物垃圾收集消毒池1的出口端连接沼气生成池2的入口端，沼气生成池2的肥料出口端连接农业肥料用户3，沼气生成池2的气体出口端连接储气罐4的入口端，储气罐4的出口端连接燃料极压缩机5的入口端，燃料极压缩机5的出口端连接重整器6的管程入口端，重整器6的管程出口端连接脱二氧化碳器7的入口端，脱二氧化碳器7的出口端连接燃料电池8的燃料极入口端，空气极压缩机9的入口端连接空气，空气极压缩机9的出口端连接空气预热换热器10的管内入口端，空气预热换热器10的管内出口端连接燃料电池8的空气极入口端，燃料电池8的电力输出端连接电用户11，燃料电池8的燃料极出口端连接重整器6的壳程入口端，重整器6的壳程出口端连接空气预热换热器10的管外入口端，空气预热换热器10的管外出口端连接燃料极余热利用换热器14的管内入口端，燃料极余热利用换热器14的管内出口端排空，燃料电池8的空气极出口端连接脱水器12的入口端，脱水器12的热水输出端连接重整器6的管程入口端，脱水器12的出口端连接空气极余热利用换热器13的管内入口端，空气极余热利用换热器13的管内出口端排空，热水箱15的出口端分别连接燃料极余热利用换热器14及空气极余热利用换热器13的管外入口端，热水箱15的入口端分别连接燃料极余热利用换热器14及空气极余热利用换热器13的管外出口端，热水箱15的热水输出端连接热水用户16.
系统工作时，经生物垃圾收集消毒池1收集和消毒过的生物垃圾进入沼气生成池2以生成沼气，生成的沼气储存于储气罐4中，剩余的残渣供给农业肥料用户3，储气罐4中的沼气经燃料极压缩机5进入重整器6的管程以重整成富氢气体，富氢气体经脱二氧化碳器7除去二氧化碳后进入燃料电池8的燃料极，空气经空气极压缩机9进入空气预热换热器10预热后进入燃料电池8的空气极，氢和空气中的氧在燃料电池8中发生电化学反应生成电能供给电用户11，燃料电池8的燃料极未完全反应的氢气进入重整器6的壳程完全燃烧以提供甲烷重整所需要的热量，氢气燃烧所生成的排烟余热依次通过空气预热换热器10和燃料极余热利用换热器14预热空气和加热热水，燃料电池的空气极未完全反应的空气和电化学反应生成的水进入脱水器12，分离出的热水进入重整器6的管程以提供重整所需的水，脱水后的燃料电池的空气极排气进入空气极余热利用换热器13用于加热热水，热水箱15中加热后的热水供给热水用户16。

Claims (1)

1.一种利用生物垃圾的质子交换膜燃料电池电热联产系统，其特征在于包括生物垃圾收集消毒池(1)、沼气生成池(2)、储气罐(4)、燃料极压缩机(5)、重整器(6)、脱二氧化碳器(7)、质子交换膜燃料电池(8)、空气极压缩机(9)、空气预热换热器(10)、脱水器(12)、空气极余热利用换热器(13)、燃料极余热利用换热器(14)及热水箱(15)；生物垃圾收集消毒池(1)的出口端连接沼气生成池(2)的入口端，沼气生成池(2)的肥料出口端连接农业肥料用户(3)，沼气生成池(2)的气体出口端连接储气罐(4)的入口端，储气罐(4)的出口端连接燃料极压缩机(5)的入口端，燃料极压缩机(5)的出口端连接重整器(6)的管程入口端，重整器(6)的管程出口端连接脱二氧化碳器(7)的入口端，脱二氧化碳器(7)的出口端连接燃料电池(8)的燃料极入口端，空气极压缩机(9)的入口端连接空气，空气极压缩机(9)的出口端连接空气预热换热器(10)的管内入口端，空气预热换热器(10)的管内出口端连接燃料电池(8)的空气极入口端，燃料电池(8)的电力输出端连接电用户(11)，燃料电池(8)的燃料极出口端连接重整器(6)的壳程入口端，重整器(6)的壳程出口端连接空气预热换热器(10)的管外入口端，空气预热换热器(10)的管外出口端连接燃料极余热利用换热器(14)的管内入口端，燃料极余热利用换热器(14)的管内出口端排空，燃料电池(8)的空气极出口端连接脱水器(12)的入口端，脱水器(12)的热水输出端连接重整器(6)的管程入口端，脱水器(12)的出口端连接空气极余热利用换热器(13)的管内入口端，空气极余热利用换热器(13)的管内出口端排空，热水箱(15)的出口端分别连接燃料极余热利用换热器(14)及空气极余热利用换热器(13)的管外入口端，热水箱(15)的入口端分别连接燃料极余热利用换热器(14)及空气极余热利用换热器(13)的管外出口端，热水箱(15)的热水输出端连接热水用户(16)。
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