CN104393317A - 可移动式固体氧化物燃料电池发电系统 - Google Patents

可移动式固体氧化物燃料电池发电系统 Download PDF

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张秀成
孙再洪
程凌志
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Abstract

本发明公开了一种可移动式固体氧化物燃料电池发电系统，包括：电堆单元；电气单元；燃烧系统；燃料气体供应系统，以及对应所述燃料气体供应系统的燃料气体处理系统；蒸汽发生系统；空气供应系统，以及空气处理系统；尾气循环利用系统；排空系统；机架组件及面板组件；多重安全保障和自动安全报警系统；连接所述电堆单元的用于连接负载的接口，以及设置在所述面板组件上的I/O接口。该发明提供的可移动式SOFC发电系统，采用模块化设计，各系统高度集成，降低了成本，提高了发电效率，能够适用多种类型的燃料气体，提高了易用性。

Description

可移动式固体氧化物燃料电池发电系统
技术领域
本发明涉及燃料电池发电技术领域，特别涉及一种可移动式固体氧化物燃料电池发电系统。
背景技术
由于卓越的电性能和燃料的灵活性，SOFC发电系统可以实现从数瓦到数兆瓦的广泛应用，既可以做大型发电系统、分布式热电联供系统，也可以做便携式发电系统和机载辅助动力装置，是国内外广泛发展的新兴产业。
固体氧化物燃料电池具有燃料适应性广、能量转换效率高、全固态、模块化组装、零污染等优点，可以直接使用氢气、一氧化碳、天然气、液化气、煤气及生物质气等多种碳氢燃料。在大型集中供电、中型分电和小型家用热电联供等民用领域作为固定电站，以及作为船舶动力电源、交通车辆动力电源等移动电源，都有广阔的应用前景。
针对如海岛、边防哨所、深山、草原等供电网络不能到达的地方，或者如远洋船舶、火车等移动的场合，如何使固体氧化物燃料电池发电系统具有更适合、更优异的使用，成为研发的重点，因此，一种可移动式的SOFC发电系统应运而生。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供了一种可移动式固体氧化物燃料电池发电系统，以满足特殊场合的供电需求。
为达到上述目的，本发明的技术方案如下：
一种可移动式固体氧化物燃料电池发电系统，包括：
电堆单元，用作发电系统的核心反应单元；
电气单元，用作发电系统的电力单元；
燃烧系统，用于提供加热能源及汽化能源；
燃料气体供应系统，以及对应所述燃料气体供应系统的燃料气体处理系统，利用来自于所述燃烧系统的热量以用于所述燃烧室及所述电堆单元阳极燃料气体的供应，以及燃料气体的净化处理；
蒸汽发生系统，利用来自于所述燃烧系统的热量以用于所述电堆单元阳极的燃料气体的加湿；
空气供应系统，以及空气处理系统，利用来自于所述燃烧系统的热量以用于所述燃烧室及所述电堆单元阴极空气的供应，以及用于对进入所述电堆单元阴极的阴极空气进行预热；
尾气循环利用系统，用于所述电堆单元的未完全反应尾气引导至所述燃烧系统以回收利用；
排空系统，用于将所述燃烧系统的尾气排空处理；
机架组件及面板组件，所述电堆单元、电气单元、燃烧系统、燃料气体处理系统、蒸汽发生系统、空气处理系统及尾气循环利用系统均布局在所述机架组件上并设置在所述面板组件内部；
多重安全保障和自动安全报警系统，用于连接所述面板组件的操控面板与内部所述电堆单元、电气单元、燃烧系统、燃料气体处理系统、蒸汽发生系统、空气处理系统及尾气循环利用系统，用于多重安全保障及自动安全报警；
连接所述电堆单元的用于连接负载的接口，以及设置在所述面板组件上的I/O接口。
其中，所述燃料气体供应系统包括氢气钢瓶及氮氢混合气钢瓶，所述氢气钢瓶的气体分别连通至所述燃烧系统及所述电堆单元的阳极；所述氮氢混合气钢瓶的气体与连通至所述电堆单元的阳极的氢气混合后，并经所述燃料气体处理系统重整后进入所述所述电堆单元的阳极。
其中，所述蒸汽发生系统包括去离子水瓶，以及用于所述去离子水汽化的蒸汽发生器，且生产的蒸汽引入至氢气与氮氢混合气的混合气体管道进行加湿。
其中，所述空气供应系统包括燃烧空气钢瓶及阴极空气钢瓶，所述燃烧空气钢瓶的燃烧空气直接进入燃烧系统，所述阴极空气钢瓶的阴极空气经所述空气处理系统预热后进入所述电堆单元的阴极。
其中，所述燃烧系统的燃烧混合热气经管道引入所述空气处理系统、蒸汽发生器及空气处理系统后进入所述排空系统，同时经所述燃料气体处理系统、蒸汽发生器及空气处理系统后进入所述排空系统。
其中，所述电堆单元阴极的阴极空气引入燃烧空气管道混合后进入所述燃烧系统；所述电堆单元阳极的氢气与氮氢混合气的混合气体引入所述燃烧系统的氢气管道混合后进入所述燃烧系统。
通过上述技术方案，本发明提供的可移动式固体氧化物燃料电池(SOFC)发电系统，采用模块化设计，各系统高度集成，降低了成本，提高了发电效率，能够适用多种类型的燃料气体，提高了易用性；丰富的I/O接口提高了发电系统的可扩展性，其总体具有如下优点：
①高效能、低排放；
②模块化设计，易于安装和系列化；
③模块化设计及合理的结构布局：电堆单元及换热系统放到了整个设备的右侧，钢瓶等部件设置在左侧，其横向布局重心低，具有占地少、无噪音、环境适应性强的优点，是理想的分布式发电设备；
④选装的CO2回收系统减少了温室气体的排放，降低了对环境的影响；
⑤与余热利用系统完美结合；
⑥系统衰减率低、寿命长；
⑦使用维护成本低；
⑧燃料的适应性广泛，可广泛应用于易于供应各种燃料气体的场合，如甲烷气体、氢气及煤气等燃料气体均可使用。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍。
图1为本发明实施例所公开的可移动式固体氧化物燃料电池发电系统的连接结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
参考图1，本发明提供的可移动式固体氧化物燃料电池发电系统，包括：
电堆单元，用作发电系统的核心反应单元；
电气单元，用作发电系统的电力单元；
燃烧系统，用于提供加热能源及汽化能源；
燃料气体供应系统，以及对应燃料气体供应系统的燃料气体处理系统，利用来自于燃烧系统的热量以用于燃烧室及电堆单元阳极燃料气体的供应，以及燃料气体的净化处理；
蒸汽发生系统，利用来自于燃烧系统的热量以用于电堆单元阳极的燃料气体的加湿；
空气供应系统，以及空气处理系统(换热器)，利用来自于燃烧系统的热量以用于燃烧室及电堆单元阴极空气的供应，以及用于对进入电堆单元阴极的阴极空气进行预热；
尾气循环利用系统，用于电堆单元的未完全反应尾气引导至燃烧系统以回收利用；
排空系统，用于将燃烧系统的尾气排空处理；
机架组件及面板组件，电堆单元、电气单元、燃烧系统、燃料气体处理系统、蒸汽发生系统、空气处理系统及尾气循环利用系统均布局在机架组件上并设置在面板组件内部；
多重安全保障和自动安全报警系统，用于连接面板组件的操控面板与内部电堆单元、电气单元、燃烧系统、燃料气体处理系统、蒸汽发生系统、空气处理系统及尾气循环利用系统，用于多重安全保障及自动安全报警；
连接电堆单元的用于连接负载的接口，以及设置在面板组件上的I/O接口。
其中，燃料气体供应系统包括氢气钢瓶及氮氢混合气钢瓶，氢气钢瓶的气体分别连通至燃烧系统及电堆单元的阳极；氮氢混合气钢瓶的气体与连通至电堆单元的阳极的氢气混合后，并经燃料气体处理系统(重整器)重整后进入电堆单元的阳极。
其中，蒸汽发生系统包括去离子水瓶，以及用于去离子水汽化的蒸汽发生器，且生产的蒸汽引入至氢气与氮氢混合气的混合气体管道进行加湿。
其中，空气供应系统包括燃烧空气钢瓶及阴极空气钢瓶，燃烧空气钢瓶的燃烧空气直接进入燃烧系统，阴极空气钢瓶的阴极空气经空气处理系统预热后进入电堆单元的阴极。
其中，燃烧系统的燃烧混合热气经管道引入空气处理系统、蒸汽发生器及空气处理系统后进入排空系统，同时经燃料气体处理系统、蒸汽发生器及空气处理系统后进入排空系统。
其中，电堆单元阴极的阴极空气引入燃烧空气管道混合后进入燃烧系统；电堆单元阳极的氢气与氮氢混合气的混合气体引入燃烧系统的氢气管道混合后进入燃烧系统。
本发明的基本工作原理：
系统需要在一定温度下才能启动运行，为此需对系统中的电堆单元进行预热，预热的方式为燃气预热，氢气与燃烧空气在燃烧室中燃烧产生热量，通过换热器利用该热量对电堆单元中的阴极空气进行预热，以此来带动电堆单元升温，逐步达到系统工作温度；
系统开始正常工作后，系统会产生热量，通过换热器，利用此热量可以加热进入电堆中的阴极空气及阳极氢气与氮氢混合气的混合气，以此工作下去。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对上述实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (6)

1.一种可移动式固体氧化物燃料电池发电系统，其特征在于，包括：
电堆单元，用作发电系统的核心反应单元；
电气单元，用作发电系统的电力单元；
燃烧系统，用于提供加热能源及汽化能源；
燃料气体供应系统，以及对应所述燃料气体供应系统的燃料气体处理系统，利用来自于所述燃烧系统的热量以用于所述燃烧室及所述电堆单元阳极燃料气体的供应，以及燃料气体的净化处理；
蒸汽发生系统，利用来自于所述燃烧系统的热量以用于所述电堆单元阳极的燃料气体的加湿；
空气供应系统，以及空气处理系统，利用来自于所述燃烧系统的热量以用于所述燃烧室及所述电堆单元阴极空气的供应，以及用于对进入所述电堆单元阴极的阴极空气进行预热；
尾气循环利用系统，用于所述电堆单元的未完全反应尾气引导至所述燃烧系统以回收利用；
排空系统，用于将所述燃烧系统的尾气排空处理；
机架组件及面板组件，所述电堆单元、电气单元、燃烧系统、燃料气体处理系统、蒸汽发生系统、空气处理系统及尾气循环利用系统均布局在所述机架组件上并设置在所述面板组件内部；
多重安全保障和自动安全报警系统，用于连接所述面板组件的操控面板与内部所述电堆单元、电气单元、燃烧系统、燃料气体处理系统、蒸汽发生系统、空气处理系统及尾气循环利用系统，用于多重安全保障及自动安全报警；
连接所述电堆单元的用于连接负载的接口，以及设置在所述面板组件上的I/O接口。
2.根据权利要求1所述的可移动式固体氧化物燃料电池发电系统，其特征在于，所述燃料气体供应系统包括氢气钢瓶及氮氢混合气钢瓶，所述氢气钢瓶的气体分别连通至所述燃烧系统及所述电堆单元的阳极；所述氮氢混合气钢瓶的气体与连通至所述电堆单元的阳极的氢气混合后，并经所述燃料气体处理系统重整后进入所述所述电堆单元的阳极。
3.根据权利要求1所述的可移动式固体氧化物燃料电池发电系统，其特征在于，所述蒸汽发生系统包括去离子水瓶，以及用于所述去离子水汽化的蒸汽发生器，且生产的蒸汽引入至氢气与氮氢混合气的混合气体管道进行加湿。
4.根据权利要求1所述的可移动式固体氧化物燃料电池发电系统，其特征在于，所述空气供应系统包括燃烧空气钢瓶及阴极空气钢瓶，所述燃烧空气钢瓶的燃烧空气直接进入燃烧系统，所述阴极空气钢瓶的阴极空气经所述空气处理系统预热后进入所述电堆单元的阴极。
5.根据权利要求1至4任一项所述的可移动式固体氧化物燃料电池发电系统，其特征在于，所述燃烧系统的燃烧混合热气经管道引入所述空气处理系统、蒸汽发生器及空气处理系统后进入所述排空系统，同时经所述燃料气体处理系统、蒸汽发生器及空气处理系统后进入所述排空系统。
6.根据权利要求5所述的可移动式固体氧化物燃料电池发电系统，其特征在于，所述电堆单元阴极的阴极空气引入燃烧空气管道混合后进入所述燃烧系统；所述电堆单元阳极的氢气与氮氢混合气的混合气体引入所述燃烧系统的氢气管道混合后进入所述燃烧系统。
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