一种船用高温质子交换膜燃料电池冷热电联供系统

本发明涉及船用高温质子交换膜燃料电池应用，具体而言是一种船用高温质子交换膜燃料电池冷热电联供系统。

背景技术：

1、在众多燃料电池中，质子交换膜燃料电池(pemfc)技术是目前世界上最成熟的燃料电池技术。pemfc能将氢气与空气中的氧气化合成洁净水并释放出电能，被称为电动汽车和分散型电站的首选能源设备。质子交换膜燃料电池根据温度不同可分为低温pemfc(lt-pemfc)和高温pemfc(ht-pemfc)。

2、有关ht-pemfc的研究主要集中在材料制备(如电极和膜)、单个电池系统、电池堆和组件降解问题等。除发电之外，ht-pemfc还可产生大量高品质的废热，且与lt-pemfc相比ht-pemfc的余热因其更高的品质而更容易通过冷热电联产系统回收利用，实现加热、冷却或发电等目的。

3、船用高温质子交换膜燃料电池系统是一种适用于船舶的燃料电池系统。与传统的低温质子交换膜燃料电池系统相比，ht-pemfc系统在较高的工作温度下运行，具有更大的功率密度和更好的耐久性。

4、船用ht-pemfc系统及其控制方法的背景技术主要包括以下几个方面：

5、高温质子交换膜：在高温下工作，需要开发和应用耐高温的质子交换膜，以保证系统的稳定性和长寿命。

6、燃料供应系统：船用ht-pemfc系统需要提供稳定的燃料供应，通常使用氢气作为燃料。因此，需要设计燃料储存和输送系统，包括氢气储罐、压力调节器、气体管道等，以确保燃料的供应安全可靠。

7、气体处理系统：船用环境中可能存在杂质和湿度等问题，因此需要设计适当的气体处理系统，如过滤器和干燥器，以清除杂质和控制湿度，以确保燃料电池系统的正常运行。

8、散热系统：高温工作条件下，船用ht-pemfc系统需要设计有效的散热系统来排出电池产生的热量，保证系统的稳定运行。

9、控制方法：船用ht-pemfc系统需要开发相应的控制算法和方法，以实现对系统各个组件的协调和优化控制，以及对整个系统的监控和诊断。这些控制方法包括电压、温度和湿度的控制、气体流量的调节等。

10、总体来说，船用ht-pemfc系统及其控制方法的背景技术主要集中在高温质子交换膜材料、燃料供应和处理系统、散热系统以及系统控制方法等方面。这些技术的发展和应用可以提高船舶燃料电池系统的性能和可靠性，推动其在航海业的应用。

11、用碳氢燃料重整制氢的方式，典型的有甲醇水蒸气重整制氢、甲醇部分氧化制氢和甲醇自热重整制氢三种方式。水蒸气重整反应制得的气体中氢的体积分数高，但该反应为强吸热反应，反应速度慢，需要外部供给大量的热，这个问题一直困扰着该技术的实际应用；部分氧化反应为放热反应，反应速度快，但由于空气中的氮气降低了制得气体中氢的体积分数，且一氧化碳的浓度过高，不利于燃料电池的正常工作；所以现在采用甲醇氧化反应耦合甲醇水蒸气重整的方法，即甲醇自热重整制氢。甲醇自热重整制氢包括甲醇催化燃烧反应以及甲醇蒸汽重整反应两个部分，其中甲醇催化燃烧反应是由甲醇和空气燃烧产生水合二氧化碳，同时释放大量的热量，热量提供给甲醇和水蒸汽进行重整反应，从而产生氢气；其中，甲醇蒸汽重整反应包括甲醇水蒸汽重整反应(msr)、甲醇裂解反应(md)以及水汽变换反应(wgs)。

12、溴化锂吸收式制冷机只要80℃的热水就能驱动制冷循环，而高温质子交换膜燃料电池余热回收的热水温度在80℃以上，可以作为溴化锂吸收式制冷机的热源。利用溴化锂吸收式制冷机为船舱供冷可以高效利用燃料电池余热，提高能源利用效率，具有高效、节能、安全、环保等众多优点。

13、对于中小型船舶来说，由于空间小，无法携带大量的氢气作为燃料电池的燃料，同时需要大量的淡水资源，需要克服的困难较多。因此，陆用燃料电池冷热电联供系统设计比较多，而船用燃料电池冷热电联供系统设计较少。经过对现有技术的文献检索发现，中国实用新型专利cn 21579717 u公开了一种船用甲醇水重整制氢质子交换膜燃料电池系统的专利。该系统通过将海水利用反渗透法进行净化，使海水作为甲醇水重整制氢反应中的水来源，解决了船舶载水储水和载氢储氢带来的安全、成本和空间的问题，对原料进行了充分的利用。这个系统只考虑了燃料电池供氢问题，未能进一步考虑到将燃料电池系统的余热利用与船舶上生活人员的需求问题相结合，既满足船舶用电需求，也满足船舶工作人员的生活需求，从而提高燃料电池总的转换效率。

14、基于此需要一种新的技术利用船用高温质子交换膜燃料电池为用户负载进行供电、供热和供冷。

技术实现思路

1、根据上述技术问题，而提供一种船用高温质子交换膜燃料电池冷热电联供系统。

2、本发明采用的技术手段如下：

3、一种船用高温质子交换膜燃料电池冷热电联供系统，包括：甲醇自热重整制氢系统、燃料电池发电系统、余热利用热供系统、溴化锂吸收式制冷机系统；

4、所述甲醇自热重整制氢系统包括依次连接的外部造水系统、甲醇自热重整制氢反应器和氢气管路单元，所述外部造水系统用于将海水转换为水，并供给给所述甲醇自热重整制氢反应器，所述甲醇自热重整制氢反应器制备出氢气，并将氢气传输给所述氢气管路单元；

5、所述燃料电池发电系统包括高温质子交换膜燃料电池，所述氢气管路单元与所述高温质子交换膜燃料电池的阳极连接，所述高温质子交换膜燃料电池的阴极通过第一空气压缩机与大气连接；所述高温质子交换膜燃料电池的输电端与用户负载连接，为所述用户负载供电；

6、所述余热利用供热系统包括储热水箱，所述高温质子交换膜燃料电池的第一水出口通过换热器降温后进入所述储热水箱内；所述储热水箱的第一水出口与用户负载连接，为所述用户负载供热；

7、所述溴化锂吸收式制冷机系统包括溴化锂吸收式制冷机，所述溴化锂吸收式制冷机的热源端与所述储热水箱的第二水出口连接，所述溴化锂吸收式制冷机的冷源端与自来水源连接，所述溴化锂吸收式制冷机的制冷出口与所述用户负载连接，为所述用户负载供冷。

8、优选地，所述甲醇自热重整制氢系统还包括氢气纯化装置、氢气缓冲储存装置，所述甲醇自热重整制氢反应器的氢气出口依次通过所述氢气纯化装置和氢气缓冲储存装置进入所述氢气管路单元内。

9、优选地，所述氢气管路单元上设置有减压阀和电磁阀，所述氢气管路单元内的氢气经过所述减压阀减压到设定值后，所述电磁阀打开。

10、优选地，所述余热利用供热系统还包括回热器，所述氢气管路单元和所述第一空气压缩机分别通过所述回热器与所述高温质子交换膜燃料电池的阳极和阴极连接，且所述回热器的进水口通过阀门与所述高温质子交换膜燃料电池的第二出水口连接，利用所述高温质子交换膜燃料电池生成的水对进入所述高温质子交换膜燃料电池的空气和氢气进行加热，换热后的水直接排走。

11、优选地，所述高温质子交换膜燃料电池的输出端通过dc/ac转换器与所述用户负载连接，所述dc/ac转换器用于将所述高温质子交换膜燃料电池产生的直流电转换为所述用户负载所需的交流电。

12、优选地，所述储热水箱的第一水出口通过温度控制器与所述用户负载连接，所述温度控制器用于调整进入所述用户负载的水温，且所述高温质子交换膜燃料电池的输出端通过dc/ac转换器与所述温度控制器连接。

13、较现有技术相比，本发明具有以下优点：

14、1、该系统中的以海水和甲醇为原料的甲醇自热重整制氢系统将海水利用反渗透法进行净化，为甲醇自热重整制氢系统提供水源；甲醇自热重整制氢系统中将甲醇分为两部分，一部分用于燃烧以提供重整所需热量，一部分用于重整制氢，为高温质子交换膜燃料电池提供氢气，解决了船舶载水储水和载氢储氢所带来的安全、成本和空间的问题。该系统只需甲醇、水和空气作为原料，无需其他辅助热源就可以给燃料电池提供氢源。

15、2、高温质子交换膜燃料产生的水一部分用于供给给用户负载，一部分通过回热器对高温质子交换膜燃料进口处的空气和氢气进行预热，提高了能源利用率。

16、3、该系统耦合了溴化锂吸收式制冷机系统，溴化锂吸收式制冷机系统以热能为动力，无需消耗大量电能，只要80℃的热水即可驱动制冷循环，可以对高温质子交换膜燃料电池的高品质废热进行二次利用，以满足船舶用户的制冷需求。

17、基于上述理由本发明可在船用高温质子交换膜燃料电池等领域广泛推广。