基于燃料电池的附属排气生态农业利用系统的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于燃料电池的附属排气生态农业利用系统，包括CO2压缩贮存罐、蔬菜暖棚、居民楼或办公楼配备的家用燃料电池系统和CO2控制系统，所述居民楼或办公楼配备的家用燃料电池系统通过CO2导出管与CO2压缩贮存罐连接，CO2压缩贮存罐通过CO2输送管同时连接于蔬菜暖棚；所述CO2控制系统包括CO2浓度传感器和便于CO2释放控制的流量控制阀。本发明大规模普及后将会对我国的节能减排，应对气候变暖，大气污染及国民经济的可持续发展产生重大影响。
【专利说明】基于燃料电池的附属排气生态农业利用系统
【技术领域】
[0001]本发明属于新型、环保农业设施，具体涉及一种基于燃料电池的附属排气生态农业利用系统。
【背景技术】
[0002]石油资源的日渐枯竭，以及温室气体CO2等的大量排放所带来的全球变暖效应和环境压力对世界政治、经济的影响愈来愈大。在此，以H2及其替代的或可转换的物质，如天然气、城市煤气、甲醇、二甲醚(DME)等为燃料的燃料电池，如PEMFC(聚合物电解质膜燃料电池)、DMFC(直接甲醇燃料电池)等在手提式电脑等便携式机器，家庭或小型办公楼等的热电并用系统，以及大功率电动或混合动力车领域都展示了巨大的应用前景。
[0003]在国内，国家十五期间启动^一五期间重点支持了大功率电动或混合动力车用燃料电池技术的开发项目。在质子交换膜型燃料电池堆等关键部件的研发方面已取得了一系列的进展，形成和锻炼了一批具有自主创新能力的研发团队，据报道目前几款燃料电池汽车正处於试验运行阶段，在这方面缩短了与国外研发的差距，取得了长足的进展。但是，国家在家庭或小型办公楼等的热电并用系统方面的投入却严重不足，重视不够。相对于电动车燃料电池系统，家庭或小型办公楼等的热电并用燃料电池系统，在中国这样一个人口和能源消费大国，特别是在节能减排正成为世界趋势且各国为此正面临巨大挑战和压力的今天，就更具有现实的必要 性和紧迫性。
[0004]作为碳氢有机物质的各种形式燃烧反应的终极产物，由于二氧化碳的分散排放，化学惰性，难于收集和利用的特点，虽然它是自然界最大的碳源之一，但一直被作为废物看待。特别是近二百年来，由于工业化发展，石油煤炭等化石燃料的大规模利用，碳的生态循环圈被打破，植物固碳少于人类二氧化碳排放速度，导致空气中含量急剧增加，全球变暖，正在演变成一场生态灾难。二氧化碳减排正在成为国家之间竞争的一个武器，谁先期掌握减排技术，谁就会占据道德的至高点，取得发言权以遏制其他国家的发展。
[0005]事物都有其两面性，作为人和动物能源消费终极产物的二氧化碳，同时也是植物的“食物”，其合成碳水化合物的原料。事实上，减排二氧化碳的最经济，最有效手段就是通过植物光合作用的所谓植物固碳。除通过退耕还林，种草种树，扩大植被覆盖等量的扩张外，提高单位植物的碳吸收量，在地球，国土的空间及面积不是无限的情况下，将成为减排的另一个方向。
[0006]然而，二氧化碳在空气中的平均含量为0.037%，远远低于植物光合作用所需的浓度。因此，提高农作物生长环境的二氧化碳浓度是提高农产品产量，促进作物早熟的手段之一。从这个意义来说，二氧化碳可以称为“气体化肥”。但是，由于二氧化碳分散排放，难于收集和利用，从空气中分离成本较高，不适于大规模应用。
【发明内容】
[0007]为了使“燃料电池”这一高科技成果更好的转化为生态农业上的生产力，本发明提供一种基于燃料电池的附属排气生态农业利用系统，旨在解决现有技术二氧化碳难于收集和利用于农作物生长环境的问题。
[0008]由于燃料电池的排气为纯净，高浓度的二氧化碳和水，特别是固定式燃料电池发电系统具有排气容易收集的特点，如果在家庭和公共办公楼等用电用热设施上普及，这就为以提高农作物生长环境的二氧化碳浓度为增产手段的生态农业利用系统的建设提供了可能，实现了二氧化碳的变废为宝，显著的经济效益会大大增强人们的利用意愿，客观上，将有助于二氧化碳的减排，迟滞全球变暖灾难的发生。
[0009]家庭或小型办公楼等的热电并用燃料电池系统不仅与电动车系统一样可高效率，无污染，实现石油，煤气等初级能源的转换和利用，而且较之更具有优势，实现真正意义上的无污染排放，这就是本发明与之相配套的附属排气生态农业利用系统。
[0010]本发明是这样实现的，基于燃料电池的附属排气生态农业利用系统，其特殊之处在于，包括CO2压缩贮存罐、蔬菜暖棚、居民楼或办公楼配备的家用燃料电池系统和CO2控制系统，所述居民楼或办公楼配备的家用燃料电池系统通过C02导出管与CO2压缩贮存罐连接，CO2压缩贮存罐通过CO2输送管同时连接于蔬菜暖棚；所述CO2控制系统包括CO2浓度传感器和便于CO2释放控制的流量控制阀。
[0011]进一步，所述家用燃料电池系统是以小分子碳氢化合物为燃料的燃料电池发电系统，小分子碳氢化合物燃料为天然气、人工煤气、液化石油气、沼气、甲醇、乙醇或二甲醚等清洁能源。
[0012]进一步，所述家用燃料电池系统为固定式燃料电池发电系统。
[0013]进一步，所述固定式燃料电池发电系统可采用聚合物电解质质子交换膜燃料电池、磷酸型燃料电池、熔融碳酸盐型燃料电池及固体氧化物型燃料电池构成。
[0014]进一步，所述CO2导出管为胶质导管，CO2导出管将所收集的家用燃料电池系统排气中的CO2导出后与CO2压缩贮存罐连接。
[0015]进一步，所述CO2输送管为胶质导管，CO2压缩贮存罐通过CO2输送管与蔬菜暖棚连接。
[0016]进一步，所述CO2控制系统的流量控制阀设置于CO2压缩贮存罐与蔬菜暖棚之间的CO2输送管上；co2浓度传感器设置于蔬菜暖棚内中心偏下的位置。
[0017]本发明将“燃料电池”这一高科技成果应用到生态农业上，转化为生产力，提供了一种基于燃料电池的附属排气生态农业利用系统，解决了二氧化碳难于收集和利用于农作物生长环境的问题。本发明的基于燃料电池的附属排气生态农业利用系统，大规模普及后将会对我国的节能减排，应对气候变暖，大气污染及国民经济的可持续发展产生重大影响。与燃料电池电动车等移动式装置不同，由于排气易于集中回收，脱硫脱氮去除大部分水分的洁净无污染，廉价的二氧化碳排气可以用于周边的生态农业利用系统，如蔬菜塑料大棚等，会产生巨大的生态与经济效益，利国利民。
【专利附图】
【附图说明】
[0018]图1是本发明的结构示意图；
[0019]其中，1-家用燃料电池系统；2-C02导出管；3-C02压缩贮存罐；4_C02输送管；5-流量控制阀；6-C02浓度 传感器；7_蔬菜暖棚。【具体实施方式】
[0020]为了使本发明的目的、技术方案及优点和效果更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0021]下面结合附图及具体实施例对本发明的应用原理及效果作进一步描述。
[0022]实施例1
[0023]如图1所示，本发明实施例提供的基于燃料电池的附属排气生态农业利用系统，包括CO2压缩贮存罐3、蔬菜暖棚7、居民楼或办公楼配备的家用燃料电池系统I和CO2控制系统，居民楼或办公楼配备的家用燃料电池系统I通过CO2导出管2与CO2压缩贮存罐3连接，CO2压缩贮存罐3通过CO2输送管4同时连接于蔬菜暖棚7 ;所述CO2控制系统包括CO2浓度传感器6和便于CO2释放控制的流量控制阀5。
[0024]家用燃料电池系统I是以小分子碳氢化合物为燃料的燃料电池发电系统，为固定式燃料电池发电系统，固定式燃料电池发电系统可采用聚合物电解质质子交换膜燃料电池、磷酸型燃料电池、熔融碳酸盐型燃料电池或固体氧化物型燃料电池构成，小分子碳氢化合物燃料为天然气、沼气、甲醇、乙醇或二甲醚等清洁能源。
[0025]CO2导出管2和CO2输送管4为胶质导管，CO2导出管2将所收集的家用燃料电池系统I排气中的CO2导出后与CO2压缩贮存罐3连接，CO2压缩贮存罐3通过CO2输送管4与蔬菜暖棚7连接。
[0026]CO2控制系统的流量控制阀5设置于CO2压缩贮存罐3与蔬菜暖棚7之间的CO2输送管4上；C02浓度传感器6设置于蔬菜暖棚7内中心偏下的位置。
[0027]本发明的基于燃料电池的附属排气生态农业利用系统，从居民楼或办公楼配备的家用燃料电池系统I收集的二氧化碳排气被压缩储存在CO2压缩贮存罐3中，通过CO2浓度传感器6实时监测并控制二氧化碳的排放量，根据阴、晴天，昼、夜，温度及植物的种类等控制环境的二氧化碳浓度，保持其最佳生长状态，提高二氧化碳的利用率，并最大限度地减少向大气的排放。
[0028]本发明所述的燃料电池附属排气生态农业利用系统利用家庭及办公楼燃料电池发电系统排气中的CO2,由于燃料进入燃料电池前已经过脱硫、重整改质除去CO等步骤，因此，不同于工业废气中CO2的利用，具有CO2含量丰富，洁净、不含CO和SO2的特点，用于居民区楼宇间空地或楼顶的蔬菜暖棚的植物生长促进，环境友好、且蔬菜暖棚内的工作人员不必采取额外的防护措施。
[0029]实施例2
[0030]为显示本发明所提供的基于燃料电池的附属排气生态农业利用系统对植物生长的促进效果，采用对比试验箱，选取C3作物西红柿、草莓、白菜及红蔓菁进行对比试验。
[0031]对比试验箱由CO2气氛箱及空气氛对比箱两个相同规格的温室构成。在气体进口分别安装流量计来调节气体流速确保两温室气体流速相同。通过空气压缩机向空气氛对比箱通入1000mL.min—1流量的空气，本发明的燃料电池系统排出的CO2通过二氧化碳卧式循环压缩机收集到60atm4L的钢瓶中，经测定，排气中CO2含量约为7.1%左右。通过燃料电池排气收集压缩钢瓶及空气 压缩机分别向CO2气氛箱通入7mL.min-1流量的二氧化碳混合气体及993mL.mirT1流量的空气。计算表明，CO2气氛箱及空气氛对比箱中的CO2气体含量分别为380ppm及880ppm。作物生长期间，使用相同的水箱向各自温室加水灌溉，确保每次灌溉水量、灌溉部位、操作时间、操作间歇及操作手法保持相同。同时调整两温室的阳光朝向，确保植物所接受的光照一致。以此在确保其他环境相同的条件下控制二氧化碳的相对含量来研究两温室之间作物的长势，作物重量、所含糖分等方面的差别。
[0032]通过对比试验观察生长中期西红柿及草莓在CO2气氛箱及空气氛对比箱中的生长状况发现，在燃料电池排气模拟的880ppm CO2气氛箱中西红柿及草莓生长旺盛,植株硕大；而在380ppm空气氛中，生长迟缓，植株瘦小。特别地，在某一生长中期进行观测时发现，CO2气氛箱中的草莓已结果、变红，而空气氛中尚未结果。
[0033]通过对比试验观察生长中期白菜及红蔓菁在CO2气氛箱及空气氛对比箱中的生长状况发现，在燃料电池排气模拟的880ppm CO2气氛箱中白菜及红蔓菁生长旺盛，植株硕大；而在380ppm空气氛中，生长迟缓,植株瘦小。
[0034]表1为收获期白菜及红蔓菁在CO2气氛箱及空气氛对比箱中的产量情况。
[0035]表1收获白菜、红蔓菁的重量称量如下(单位:g)
[0036]
【权利要求】
1.基于燃料电池的附属排气生态农业利用系统，其特征在于，包括CO2压缩贮存罐(3)、蔬菜暖棚、居民楼或办公楼配备的家用燃料电池系统(I)和CO2控制系统，所述居民楼或办公楼配备的家用燃料电池系统通过CO2导出管(2)与CO2压缩贮存罐(3)连接，CO2压缩贮存罐(3)通过CO2输送管(4)同时连接于蔬菜暖棚(7);所述CO2控制系统包括CO2浓度传感器(6)和便于CO2释放控制的流量控制阀(5)。
2.根据权利要求1所述的基于燃料电池的附属排气生态农业利用系统，其特征在于，所述家用燃料电池系统(I)是以小分子碳氢化合物为燃料的燃料电池发电系统，小分子碳氢化合物燃料为天然气、沼气、甲醇、乙醇或二甲醚等清洁能源。
3.根据权利要求2所述的基于燃料电池的附属排气生态农业利用系统，其特征在于，所述家用燃料电池系统(I)为固定式燃料电池发电系统。
4.根据权利要求3所述的基于燃料电池的附属排气生态农业利用系统，其特征在于，所述固定式燃料电池发电系统(I)可采用聚合物电解质质子交换膜燃料电池、磷酸型燃料电池、熔融碳酸盐型燃料电池及固体氧化物型燃料电池构成。
5.根据权利要求1所述的基于燃料电池的附属排气生态农业利用系统，其特征在于，所述CO2导出管(2)为胶质导管，CO2导出管(2)将所收集的家用燃料电池系统排气中的CO2导出后与CO2压缩贮存罐(3)连接。
6.根据权利要求1所述的基于燃料电池的附属排气生态农业利用系统，其特征在于，所述CO2输送管(4)为胶质导管，CO2压缩贮存罐(3)通过CO2输送管(4)与蔬菜暖棚连接。
7.根据权利要求1所述的基于燃料电池的附属排气生态农业利用系统，其特征在于，所述CO2控制系统的流量控制阀(5)设置于CO2压缩贮存罐(3)与蔬菜暖棚(7)之间的CO2输送管(4)上；C02浓度传`感器(6)设置于蔬菜暖棚(7)内中心偏下的位置。
【文档编号】A01G9/18GK103858705SQ201410088535
【公开日】2014年6月18日 申请日期:2014年3月12日 优先权日:2014年3月12日
【发明者】马树华 申请人:济南大学