CN106299425B - 智能燃烧器加热的可移动固体氧化物燃料电池发电装置 - Google Patents

智能燃烧器加热的可移动固体氧化物燃料电池发电装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了智能燃烧器加热的可移动固体氧化物燃料电池发电装置，包括空柱形燃烧腔；与所述空柱形燃烧腔相连的燃气通道；设置在所述空柱形燃烧腔内的SOFC电堆；微控制单元；连接所述SOFC电堆的不间断电源(UPS)；设置在所述空柱形燃烧腔内的温度传感器；和SOFC供气气路，所述SOFC供气气路连接所述燃气气路和SOFC电堆；其中所述空柱形燃烧腔外壁上设有热风回收通道，所述热风回收通道连接所述重整室，空柱形燃烧室和重整室之间的热风回收通道上设有热风回收通道电磁阀。与现有技术相比，本发明具有无需外接电源，方便移动、可回收废热风余热供燃气重整使用、智能控制、使用方便的优点。

Description

智能燃烧器加热的可移动固体氧化物燃料电池发电装置
技术领域
本发明涉及一种固体氧化物燃料电池发电装置，尤其涉及一智能燃烧器加热的可移动固体氧化物燃料电池发电装置。
背景技术
固体氧化物燃料电池(SOFC)是一个将碳氢燃料中的化学能转换为电能的发电装置。这里所谓的碳氢燃料包括：天然气、煤气、汽油或柴油等。利用SOFC进行能量转换没有燃烧和机械过程，从而极大地提高了能量转化效率，而且安静、可靠，对电力的质量有良好的保证。根据用电的需求，SOFC可以灵活地增加或减小电站的供电能力。SOFC是一个独立的发电系统，可以方便地应用于需要电力的地方，而不需配备昂贵的电力传输系统。这一特点对于电网所不能及的偏远地区、移动设施、野外勘探与施工、军事或警务行动等显得尤为重要。
气体燃烧器是将燃气与空气合理混合，使燃料稳定着火和完全燃烧的设备。自由火焰为特征的气体空间燃烧，火焰面附近温度梯度很陡而且分布不均。为了提高燃烧效率、扩展可燃极限、节约燃料，可在燃烧器设计上进行改进，使得火焰在流动范围内产生稳定燃烧。一般烷类燃烧器炉膛温度场可轻松达到约1000℃。该温度很容易满足中低温SOFC电堆工作温度(600℃-700℃)的需求。由于SOFC电堆对燃料气适应性广，一般气体燃烧器用燃气经简单改质后，可作为其燃料。因此，SOFC电堆和气体燃烧器两种技术在协同工作方面，有很强的耦合性。
根据现有技术记载，“CN 108155404，一种便携式固体氧化物燃料电池发电装置及其控制方法”发明人设计了一种装置包括电池堆子系统、气体供给子系统、电力变换子系统、负载子系统、监控子系统及控制子系统的便携式固体氧化物燃料电池发电装置。与“CN104393317 A可移动式固体氧化物燃料电池发电系统”发明人公开了一种可移动式固体氧化物燃料电池发电系统，该系统具有模块化设计、结构布局合理、燃料适应性广泛等特点。可这些装置及系统依然存在着不完善的地方，例如，燃料电池反应堆依旧采用了原始反应堆，在工作过程中易出现燃烧腔内温度不稳定、不均匀的情况，而且燃烧产生的大量余热未加以利用，效率较低；燃料消耗相对迅速，不能有的放矢控制燃料输入，燃料利用率低；电控系统供电较于繁琐，需要外接电源等缺点。而本技术方案不仅可保证反应时温度可控，而且能有效利用余热及方便携带等优点。
目前SOFC及燃烧器的燃料共用型的研究还处于实验室阶段，对于可移动、燃料便携式SOFC的设备研究更是鲜有提及。
发明内容
为无需外接电源条件下，提供一种智能燃烧器加热的可移动SOFC发电装置。本发明提出智能燃烧器加热的可移动固体氧化物燃料电池发电装置
本发明的技术方案是这样的，智能燃烧器加热的可移动固体氧化物燃料电池发电装置，包括
空柱形燃烧腔；
与所述空柱形燃烧腔相连的燃气通道，所述燃气通道连接有助燃风气路、燃气气路和调温风气路，所述燃气通道内设有燃气喷头及点火装置，所述燃气气路上设有流量控制阀；
设置在所述空柱形燃烧腔内的SOFC电堆；
微控制单元，所述微控制单元包括MCU控制单元、用于测量SOFC电堆功率的输出功率采样器、用于测量负载运行变量的负载运行变量采样器、连接所述输出功率采样器和负载运行变量采样器的第一比较器、用于测量燃气流量的燃气流量采样器、连接所述流量采样器和MCU控制单元的第二比较器、连接所述第二比较器的数模转换器及驱动模块，所述数模转换器及驱动模块连接所述燃气气路的燃气流量控制阀；
连接所述SOFC电堆的不间断电源(UPS)；
设置在所述空柱形燃烧腔内的温度传感器；和
SOFC供气气路，所述SOFC供气气路连接所述燃气气路和SOFC电堆，且依次设有欠氧化重整流量控制阀、除硫装置和重整室；
其中所述空柱形燃烧腔外壁上设有热风回收通道，所述热风回收通道连接所述重整室，空柱形燃烧室和重整室之间的热风回收通道上设有热风回收通道电磁阀。
进一步地，所述MCU控制单元连接有报警器和时钟发生器。
进一步地，所述空柱形燃烧腔内壁上设有密集热风微孔。
更进一步地，所述空柱形燃烧腔外壁上设有均风轴，所述燃气通道通过所述均风轴连接所述空柱形燃烧腔。
进一步地，所述燃气气路上依次设置有燃气气路手动阀、燃料流量控制阀、过滤器、空燃比例阀、热电偶和火焰传感器。
进一步地，所述助燃风气路上依次设有助燃风手动阀、助燃风电磁阀和助燃风鼓风机。
进一步地，所述燃气通道和空柱形燃烧腔之间设置有燃气通道电磁阀。
进一步地，所述燃气气路中的燃气为甲烷、乙烷和丙烷中的一种或其混合物。
进一步地，所述重整室设有冷风出口，用于排出低温废气。
进一步地，所述热风回收通道电磁阀与空柱形燃烧室之间的热风回收通道上设有热风回收通道手动阀。
本发明的有益效果在于，与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1、本发明自带的UPS电源可为电控系统供电，无需外接电源，方便移动；
2、空柱形型燃烧腔内壁开有规则排布微型热风入口，其外壁设有均风轴，且柱形轴附近开有热风回收口，均风轴和大量微型热风入口，可保证燃烧腔恒温区稳定，温度可控，柱形轴附近热风回收口通过有隔热层的不锈管与重整室相连通，可回收废热风余热供燃气重整使用；
3、维持空柱型燃烧器恒温区较高工作温度(600℃-700℃)，燃气通路中燃气消耗极大，通过微控制单元及其连带的第一比较器和第二比较器，采集分析负载需求﹑功率输出，并反馈给燃气的流量控制阀，调整燃气流量乃至燃烧腔恒温区温度。由于SOFC电堆输出功率对工作功率非常敏感，本设计通过负载智能反馈与分析方式，成功控制本系统消耗能量最大组件-燃烧腔用燃气消耗，节约燃料，因此本发明设备智能控制、使用方便。
附图说明
图1是本发明智能燃烧器加热的可移动固体氧化物燃料电池发电装置结构示意图。
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，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参见图1，本发明智能燃烧器加热的可移动固体氧化物燃料电池发电装置，包括空柱形燃烧腔1；与所述空柱形燃烧腔1相连的燃气通道2，所述燃气通道连接助燃风气路3、燃气气路4和调温风气路5，所述燃气通道2内设有燃气喷头及点火装置7，所述燃气气路3上设有燃气流量控制阀6；设置在所述空柱形燃烧腔1内的SOFC电堆；微控制单元，所述微控制单元包括MCU控制单元、用于测量SOFC电堆功率的输出功率采样器154、用于测量负载运行变量的负载运行变量采样器155、连接所述输出功率采样器154和负载运行变量采样器的155第一比较器151、用于测量燃气流量的燃气流量采样器153、连接所述流量采样器153和MCU控制单元的第二比较器152、连接所述第二比较器152的数模转换器及驱动模块15，所述数模转换器及驱动模块15连接所述燃气气路2的燃料流量控制阀6；连接所述SOFC电堆的不间断电源(UPS)；设置在所述空柱形燃烧腔内的温度传感器17；和SOFC供气气路，所述SOFC供气气路连接所述燃气气路和SOFC电堆，且依次设有欠氧化重整流量控制阀12、除硫装置13和重整室14；其中所述空柱形燃烧腔2外壁上设有热风回收通道，所述热风回收通道连接所述重整室14，空柱形燃烧室和重整室之间的热风回收通道上设有热风回收通道电磁阀19。
其中，所述空柱形燃烧腔内壁上设有密集热风微孔11。所述空柱形燃烧腔外壁上设有均风轴10，所述燃气通道2通过所述均风轴10连接所述空柱形燃烧腔1。所述燃气气路4上依次设置有燃气气路手动阀41、燃料流量控制阀6、过滤器42、空燃比例阀43、热电偶9和火焰传感器。所述助燃风气路3上依次设有助燃风手动阀31、助燃风电磁阀32和助燃风鼓风机。所述燃气通道和空柱形燃烧腔之间设置有燃气通道电磁阀8。所述燃气气路中的燃气为甲烷、乙烷和丙烷中的一种或其混合物。所述重整室14设有冷风出口20，用于排出低温废气。所述热风回收通道电磁阀与空柱形燃烧室之间的热风回收通道上设有热风回收通道手动阀18，热风回收通道手动阀18通过两个热风回收口16连接所述空柱形燃烧腔1。
在SOFC电堆启动前，需要关闭欠氧化重整流量控制阀12﹑热风回收通道电磁阀19，并打开热风回收通道手动阀18，通过调节燃气﹑调温风流量使燃烧腔达到预设温度。待SOFC电堆预热一段时间打开欠氧化重整流量控制阀12并关闭热风回收通道手动阀18(如市售JLZ15W-16R)，开启热风回收通道电磁阀19，启动整个气路系统。当重整室内温度传感器感应到重整的温度未能升至某个值时；重整后燃气经热风回收通道电磁阀21外排。当重整室内温度传感器感应到重整的温度升至某个值时，SOFC电堆开始工作。输出功率采样器154采样SOFC电堆的输出功率，负载运行变量采样器155采样负载所需功率。第一比较器151分别接收到输出功率采样器154采样电堆的输出功率及负载运行变量采样器155采样负载所需功率，经第一比较器151比较的结果输送至MCU控制单元，MCU控制单元将差异结果转换成为控制参数通过数模转换器及驱动模块15至燃料通道中燃料流量控制阀6，燃料控制阀调整燃气气道5的燃料流量控制阀6的输出量，以达到调整空柱形燃烧腔1中温度或SOFC电堆的工作温度，为负载实际所需值。如输出功率低于负载所需实际功率时，输出功率采样器154与负载运行变量采样器155感应到的负载所需实际功率经第一比较器151比较产生一个负偏离值，该数值送至控制单元，经分析转换为偏离控制增量，经由第二比较器152所采集的燃料流量对比，计算调增燃料供给变量，MCU控制单元将所计算的燃料供给变量依次通过数模转换器及驱动模块15后输入燃料流量控制阀6。如输出功率高于负载所需实际功率时，输出功率采样器154与负载运行变量采样器155感应到的负载所需实际功率经第一比较器151比较产生一个正偏离值，该数值送至控制单元，经分析转换为偏离控制减量，经由第二比较器152所采集的燃料流量对比，计算调减燃料供给变量，MCU控制单元将所计算的燃料供给变量依次通过数模转换器及驱动模块15后输入至燃料流量控制阀6。
实施例一，当燃料为甲烷，本发明的工作原理是：
确保设备正常工作，关闭欠氧化重整流量控制阀12﹑热风回收通道电磁阀19，并打开热风回收通道手动阀18，通过调节甲烷﹑调温风流量使燃烧腔达到预设温度650±10℃。
待SOFC电堆预热10分钟，打开欠氧化重整流量控制阀12并关闭，关闭热风回收通道手动阀18，并开启热风回收通道电磁阀19，启动整个气路系统。重整室14内的一氧化碳和氢气通过燃气通道向电堆提供发电所需的一氧化碳和氢气，SOFC电堆发电产生输出的电功率输送给电负载。
所述输出功率采样器154采样电堆的输出功率，所述负载运行变量采样器155采样负载所需功率，所述第一比较器151分别接收到输出功率采样器154采样电堆的输出功率及负载运行变量采样器155采样负载所需功率，经第一比较器151比较的结果输送至微控制单元，微控制单元将差异结果转换成为控制参数，通过第二比较器152和采集的甲烷流量对比﹑数模转换器及驱动模块15至燃料流量控制阀6，流量控制阀6调整输出量，以达到调整电堆输出功率为负载实际所需。
当输出功率低于负载所需实际功率，输出功率采样器154与负载运行变量采样器155感应到的负载所需实际功率经第一比较器151比较产生一个负偏离值，该数值送至MCU控制单元，经分析转换为偏离控制增量，计算调增燃烧腔燃料供给变量，通过对比第二比较器152数模采集甲烷流量，每次按原有甲烷燃气流量1％增量，经转换器及驱动模块15后输入至燃料流量控制阀6，以提高电堆工作温度及电堆输出功率，经过数次比较及流量递增，达到负载需求。
当输出功率高于负载所需实际功率，输出功率采样器154与负载运行变量采样器155感应到的负载所需实际功率经第一比较器151比较产生一个正偏离值，该数值送至MCU控制单元，经分析转换为偏离控制减量，计算调增燃烧腔燃料供给变量，通过对比第二比较器152数模采集甲烷流量，每次按原有甲烷燃气流量1％减量，经转换器及驱动模块15后输入至燃料流量控制阀6，以降低电堆工作温度及电堆输出功率，经过数次比较及流量递减，达到负载需求。
当燃料腔温度传感器温度低于600℃，或者高于700℃，控制单元对报警器22输出报警信号，报警器22发出报警信号，并通过时钟发生器23记录时间，如果报警时间累积超过30分钟，MCU控制单元向SOFC电堆负载采集处发送切断信号，断开SOFC电堆功率输出。
实施例二，当燃料为丙烷，本发明的工作原理是：
确保设备正常工作，关闭欠氧化重整流量控制阀12﹑热风回收通道电磁阀19，并打开热风回收通道手动阀18，通过调节丙烷﹑调温风流量使燃烧腔达到预设温度650±10℃。
待SOFC电堆预热10分钟，打开欠氧化重整流量控制阀12并关闭，关闭热风回收通道手动阀18，并开启热风回收通道电磁阀19，启动整个气路系统。重整室14内的一氧化碳和氢气通过燃气通道向电堆提供发电所需的一氧化碳和氢气，SOFC电堆发电产生输出的电功率输送给电负载。
所述输出功率采样器154采样电堆的输出功率，所述负载运行变量采样器155采样负载所需功率，所述第一比较器151分别接收到输出功率采样器154采样电堆的输出功率及负载运行变量采样器155采样负载所需功率，经第一比较器151比较的结果输送至微控制单元，微控制单元将差异结果转换成为控制参数，通过第二比较器152和采集的丙烷流量对比﹑数模转换器及驱动模块15至燃料流量控制阀6，流量控制阀6调整输出量，以达到调整电堆输出功率为负载实际所需。
当输出功率低于负载所需实际功率，输出功率采样器154与负载运行变量采样器155感应到的负载所需实际功率经第一比较器151比较产生一个负偏离值，该数值送至MCU控制单元，经分析转换为偏离控制增量，计算调增燃烧腔燃料供给变量，通过对比第二比较器152数模采集丙烷流量，每次按原有丙烷燃气流量1％增量，经转换器及驱动模块15后输入至燃料流量控制阀6，以提高电堆工作温度及电堆输出功率，经过数次比较及流量递增，达到负载需求。
当输出功率高于负载所需实际功率，输出功率采样器154与负载运行变量采样器155感应到的负载所需实际功率经第一比较器151比较产生一个正偏离值，该数值送至MCU控制单元，经分析转换为偏离控制减量，计算调增燃烧腔燃料供给变量，通过对比第二比较器152数模采集丙烷流量，每次按原有丙烷燃气流量1％减量，经转换器及驱动模块15后输入至燃料流量控制阀6，以降低电堆工作温度及电堆输出功率，经过数次比较及流量递减，达到负载需求。
当燃料腔温度传感器温度低于600℃，或者高于700℃，控制单元对报警器22输出报警信号，报警器22发出报警信号，并通过时钟发生器23记录时间，如果报警时间累积超过30分钟，MCU控制单元向SOFC电堆负载采集处发送切断信号，断开SOFC电堆功率输出。
所述燃气经MCU及转换器及驱动模块15可调燃气流量的变化量，甲烷CH4为±1％或±绝对值1以下，乙烷C2H6为±0.5％或或±绝对值0.5以下，丙烷C3H8为±0.2％或或±绝对值0.2以下。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.智能燃烧器加热的可移动固体氧化物燃料电池发电装置，其特征在于，包括
空柱形燃烧腔；
与所述空柱形燃烧腔相连的燃气通道，所述燃气通道连接有助燃风气路、燃气气路和调温风气路，所述燃气通道内设有燃气喷头及点火装置，所述燃气气路上设有流量控制阀；
设置在所述空柱形燃烧腔内的SOFC电堆；
微控制单元，所述微控制单元包括MCU控制单元、用于测量SOFC电堆功率的输出功率采样器、用于测量负载运行变量的负载运行变量采样器、连接所述输出功率采样器和负载运行变量采样器的第一比较器、用于测量燃气流量的燃气流量采样器、连接所述流量采样器和MCU控制单元的第二比较器、连接所述第二比较器的数模转换器及驱动模块，所述数模转换器及驱动模块连接所述燃气气路的燃气流量控制阀；
连接所述SOFC电堆的不间断电源(UPS)；
设置在所述空柱形燃烧腔内的温度传感器；和
SOFC供气气路，所述SOFC供气气路连接所述燃气气路和SOFC电堆，且依次设有欠氧化重整流量控制阀、除硫装置和重整室；
其中所述空柱形燃烧腔外壁上设有热风回收通道，所述热风回收通道连接所述重整室，空柱形燃烧室和重整室之间的热风回收通道上设有热风回收通道电磁阀。
2.如权利要求1所述的智能燃烧器加热的可移动固体氧化物燃料电池发电装置，其特征在于，所述MCU控制单元连接有报警器和时钟发生器。
3.如权利要求1所述的智能燃烧器加热的可移动固体氧化物燃料电池发电装置，其特征在于，所述空柱形燃烧腔内壁上设有密集热风微孔。
4.如权利要求1或3所述的智能燃烧器加热的可移动固体氧化物燃料电池发电装置，其特征在于，所述空柱形燃烧腔外壁上设有均风轴，所述燃气通道通过所述均风轴连接所述空柱形燃烧腔。
5.如权利要求1所述的智能燃烧器加热的可移动固体氧化物燃料电池发电装置，其特征在于，所述燃气气路上依次设置有燃气气路手动阀、燃料流量控制阀、过滤器、空燃比例阀、热电偶和火焰传感器。
6.如权利要求1所述的智能燃烧器加热的可移动固体氧化物燃料电池发电装置，其特征在于，所述助燃风气路上依次设有助燃风手动阀、助燃风电磁阀和助燃风鼓风机。
7.如权利要求1所述的智能燃烧器加热的可移动固体氧化物燃料电池发电装置，其特征在于，所述燃气通道和空柱形燃烧腔之间设置有燃气通道电磁阀。
8.如权利要求1所述的智能燃烧器加热的可移动固体氧化物燃料电池发电装置，其特征在于，所述燃气气路中的燃气为甲烷、乙烷和丙烷中的一种或其混合物。
9.如权利要求1所述的智能燃烧器加热的可移动固体氧化物燃料电池发电装置，其特征在于，所述重整室设有冷风出口，用于排出低温废气。
10.如权利要求1所述的智能燃烧器加热的可移动固体氧化物燃料电池发电装置，其特征在于，所述热风回收通道电磁阀与空柱形燃烧室之间的热风回收通道上设有热风回收通道手动阀。
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