CN107946616A - 一种快速启动的高温燃料电池动力系统及控制方法 - Google Patents

一种快速启动的高温燃料电池动力系统及控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种快速启动的高温燃料电池动力系统及控制方法。它包括压气机、燃料电池、燃烧室、氢源、增压涡轮、动力涡轮和发电机，压气机第一输出端连接燃料电池的阴极输入端、第二输出端连接燃烧室的第一输入端；燃料电池阳极输入端连接氢源、阴极输出端连接增压涡轮第一输入端、阳极输出端连接燃烧室的第二输入端；燃烧室第三输入端连接氢源、输出端连接增压涡轮第二输入端；增压涡轮输出端连接动力涡轮输入端，动力涡轮输出端连接发电机，压气机与燃烧室连通的管道上、压气机与燃料电池连通的管道上分别设置第一阀门和第二阀门。本发明的动力系统及控制方法结构简单，启动时间短，设计合理，实现了尾气的充分利用，避免浪费。

Description

一种快速启动的高温燃料电池动力系统及控制方法
技术领域
本发明属于船舶动力技术领域，具体涉及一种快速启动的高温燃料电池动力系统及控制方法。
背景技术
水面舰艇的动力系统一般采用高温燃料电池发电，而燃料电池由于升温比较慢，使得动力系统从开始启动到发电这一启动时间非常长，一般达到一小时，直接限制了舰艇的适应性和续航力。同时燃料电池反应后的尾气会直接排放，而尾气中含有未完全反应的可燃气体，会造成大量浪费。
发明内容
本发明的目的就是为了解决上述背景技术存在的不足，提供一种结构简单、启动时间短的快速启动的高温燃料电池动力系统及控制方法。
本发明采用的技术方案是：一种快速启动的高温燃料电池动力系统，包括压气机、燃料电池、燃烧室、氢源、增压涡轮、动力涡轮和发电机，
所述压气机输入端连通大气，压气机第一输出端通过管道连接燃料电池的阴极输入端，压气机第二输出端通过管道连接燃烧室的第一输入端；
所述燃料电池阳极输入端通过管道连接氢源，燃料电池的阴极输出端连接增压涡轮的第一输入端，燃料电池的阳极输出端连接燃烧室的第二输入端；
所述燃烧室第三输入端通过管道连接氢源，燃烧室输出端连接增压涡轮的第二输入端；所述增压涡轮的输出端连接动力涡轮的输入端，动力涡轮的输出端连接发电机，
所述压气机与燃料电池连通的管道上、压气机与燃烧室连通的管道上分别设置第一阀门和第二阀门，燃料电池与氢源连接的管道上、燃烧室与氢源连接的管道上分别设置第三阀门和第四阀门。
一种基于上述动力系统的控制方法，系统启动时，提升燃料电池温度，同时第一阀门关闭，第二阀门开启，第三阀门关闭、第四阀门开启，压气机压缩的空气全部进入燃烧室并与进入燃烧室的氢气燃烧，产生高温高压燃气进入增压涡轮，再进一步推动动力涡轮旋转进而带动发电机发电；
当燃料电池温度上升至工作温度后，开启第一阀门和第三阀门，关闭第四阀门，分别调整第一阀门与第二阀门的开度，使压气机压缩的空气分别进入燃料电池阴极和燃烧室，
燃料电池阴极的压缩空气与阳极的氢气发生电化学反应发电，同时产生高温燃气进入增压涡轮，再进一步推动动力涡轮旋转进而带动发电机发电；
燃料电池阳极的尾气进入燃烧室与燃烧室的压缩空气燃烧，产生高温高压燃气进入增压涡轮，再进一步推动动力涡轮旋转进而带动发电机发电。
本发明采用由压气机、燃烧室、增压涡轮和动力涡轮组成的燃气轮机与燃料电池组合成动力系统，燃气轮机启动速度快，在开始启动燃料电池升温过程中，由燃烧室空气与燃料混合燃烧产生高温高压的燃气推动涡轮对外做功并且发电，有效缩短系统启动时间，解决现有高温燃料电池启动过慢的问题。在燃料电池温度上至工作温度后，主要由燃料电池为所需供电，同时将燃料电池尾气中包含的未完全反应的燃气导入燃烧室中进行燃烧反应供电，实现了废气的再次利用，节省能源。本发明的动力系统及控制方法结构简单，启动时间短，设计合理，实现了尾气的充分利用，避免浪费。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图中：1-压气机；2-燃料电池；3-燃烧室；4-氢源；5-增压涡轮；6-动力涡轮；7-发电机；8-第一阀门；9-第二阀门；10-第三阀门；11-第四阀门。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，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用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
如图1所示，本发明一种快速启动的高温燃料电池动力系统包括压气机1、燃料电池2、燃烧室3、氢源4、涡轮和发电机7，燃料电池2采用增压型固体氧化物燃料电池(SOFC)，氢源4作为燃气源，也可以采用甲烷或其他可燃气体代替。涡轮包括增压涡轮5和动力涡轮6。
压气机1输入端连通大气，压气机1第一输出端通过管道连接燃料电池2的阴极输入端，压气机1第二输出端通过管道连接燃烧室3的第一输入端。
所述燃料电池2阳极输入端通过管道连接氢源4，燃料电池2的阴极输出端连接增压涡轮5的第一输入端，燃料电池2的阳极输出端连接燃烧室3的第二输入端。
所述燃烧室3第三输入端通过管道连接氢源4，燃烧室3输出端连接增压接涡轮5的第二输入端；所述增压涡轮5的输出端连接动力涡轮6的输入端，动力涡轮6的输出端连接发电机7，发电机输出端连接配电网络，为所需设备供电。
所述压气机1与燃料电池2连通的管道上、压气机1与燃烧室3连通的管道上分别设置第一阀门8和第二阀门9，燃料电池2与氢源4连接的管道上、燃烧室3与氢源4连接的管道上分别设置第三阀门10和第四阀门11。
上述高温燃料电池动力系统的发电控制方法过程为：
系统启动时，提升燃料电池2温度，同时第一阀门8关闭，第二阀门9开启，第三阀门10关闭、第四阀门11开启，向所述压气机1通入空气，压气机1压缩的空气全部进入燃烧室3并与进入燃烧室3的氢气混合燃烧，产生高温高压燃气，高温高压燃气进入增压涡轮5增压，增压后推动动力涡轮6旋转，将高温高压的燃气热能转换为动力涡轮6的旋转机械能，再经发电机7将机械能转换为电能，经配电网络转换为所需供电，整个起启动时间在1分钟左右，大大缩短了启动时间，提高了舰艇动力系统的快速性和安全性。
当燃料电池温度上升至工作温度后，开启第一阀门8和第三阀门10，第二阀门9保持开启，关闭第四阀门11，分别调整第一阀门8与第二阀门9的开度，向所述压气机1通入空气，压气机1压缩的空气分别进入燃料电池2阴极和燃烧室3。
进入燃料电池2阴极的压缩空气与燃料电池2阳极的氢气发生电化学反应，反应后转换为所需设备供电；同时经固体氧化物燃料电池电化学反应后产生的高温燃气进入增压涡轮5增压，增压后推动动力涡轮6旋转，将高温燃气的热能转换为动力涡轮6旋转的机械能，再经过发电机7将机械能转换为电能，通过配电网络转换为所需的供电；而固体氧化物燃料电池阳极排出的尾气则进入燃烧室3与燃烧室3的压缩空气燃烧，产生高温高压燃气，高温高压燃气进入增压涡轮5增压，增压后推动动力涡轮6旋转，将高温高压的燃气热能转换为动力涡轮6的旋转机械能，再经发电机7将机械能转换为电能，经配电网络转换为所需供电。
上述第一阀门与第二阀门的开度根据燃料电池排出的尾气量以及系统的发电功率而定，可以根据实际需要进行调整。
本发明动力系统(SFGT)试验时，装置选用10KW级的微型燃气轮机和40kW级的SOFC。能够验证各工况时SFGT的综合效率。各工况条件下，测得的发电机功率及效率等试验数据，一定程度上能够反映出SFGT动力装置的工作特性。通过对各工况条件下试验数据的分析，对SFGT的运行可行性以及综合效率可作出初步的预判。
本发明动力系统在设计点工况，其设计有70％～90％功率来自燃料电池，30％～10％来自燃气轮机；在非设计点工况，燃料电池发电功率占系统总输出功率的比例随着系统输出功率的减少而增加，系统可在其输出功率不低于设计点80％的工况下运行。燃气轮机所占总功率的比例很小，本发明动力系统相对于传统动力系统，启动时间短，整体工作效率提高了近一倍，因此整体的功率或续航力得到了较大提升。
一般固体氧化物燃料电池的电池启动时间为1-4小时，而快速启动的高温燃料电池技术的应用可以使得这种燃料电池的启动时间大大缩短到一分钟左右。这极大地提高了舰艇动力系统的快速性和安全性。按照燃料电池功率为100％计算,系统包括一套化学高温燃料电池系统(功率占比100％)和一套快速启动的辅助燃气轮机(功率占比25％)及其控制系统等。
1、在启动工作状态(功率范围10％～25％，可以快速启动燃气轮机装置)下，气源先后经压气机升压，进入燃烧室与燃料混合后点火燃烧而产生高温高压的燃气；高温高压燃气进入第一个高压涡轮做功，第一个高压涡轮只带动压气机工作；工作后的燃气再进入第二个低压涡轮(也称动力涡轮)做功从而推动燃气轮机动力涡轮旋转；这二级能量的转换就将高温高压的燃气热能转换为动力涡轮的旋转机械能，再经电力转换器将机械能转换为电能，经配电网络转换为所需供电；
2、在正常工作状态下(功率范围25％～125％，燃气轮机工作的同时高温燃料电池工作)，气源先经压气机升压，高压空气直接就进入高温燃料电池阴极(顶循环)并且产生高温高压的热空气(温度可以达到780-1100度)；热空气进入第一和第二个动力涡轮做功从而推动动力涡轮的旋转机械能，再经发电机将机械能转换为电能，经配电网络转换为所需供电。实施本发明可解决特殊要求条件下的快速启动高温燃料电池应用的问题，比一般的启动时间缩短了60倍。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (2)

1.一种快速启动的高温燃料电池动力系统，其特征在于：包括压气机(1)、燃料电池(2)、燃烧室(3)、氢源(4)、增压涡轮(5)、动力涡轮(6)和发电机(7)，
所述压气机(1)输入端连通大气，压气机(1)第一输出端通过管道连接燃料电池(2)的阴极输入端，压气机(1)第二输出端通过管道连接燃烧室(3)的第一输入端；
所述燃料电池(2)阳极输入端通过管道连接氢源，燃料电池(2)的阴极输出端连接增压涡轮(5)的第一输入端，燃料电池(2)的阳极输出端连接燃烧室(3)的第二输入端；
所述燃烧室(3)第三输入端通过管道连接氢源(4)，燃烧室(3)输出端连接增压涡轮(5)的第二输入端；所述增压涡轮(5)的输出端连接动力涡轮(6)的输入端，动力涡轮(6)的输出端连接发电机(7)；
所述压气机(1)与燃料电池(2)连通的管道上、压气机(1)与燃烧室(3)连通的管道上分别设置第一阀门(8)和第二阀门(8)，燃料电池(2)与氢源连(4)接的管道上、燃烧室(3)与氢源(4)连接的管道上分别设置第三阀门(10)和第四阀门(11)。
2.一种基于权利要求1所述的动力系统的控制方法，其特征在于：系统启动时，提升燃料电池(2)温度，同时第一阀门(8)关闭，第二阀门(9)开启，第三阀门(10)关闭、第四阀门(11)开启，压气机(1)压缩的空气全部进入燃烧室(3)并与进入燃烧室(3)的氢气燃烧，产生高温高压燃气进入增压涡轮(5)，再进一步推动动力涡轮(6)旋转进而带动发电机(7)发电；
当燃料电池(2)温度上升至工作温度后，开启第一阀门(8)和第三阀门(10)，关闭第四阀门(11)，分别调整第一阀门(8)与第二阀门(9)的开度，使压气机压缩的空气分别进入燃料电池(2)阴极和燃烧室(3)，
燃料电池(2)阴极的压缩空气与阳极的氢气发生电化学反应发电，同时产生高温燃气进入增压涡轮(5)，再进一步推动动力涡轮(6)旋转进而带动发电机(7)发电；
燃料电池(2)阳极的尾气进入燃烧室(3)与燃烧室(3)的压缩空气燃烧，产生高温高压燃气进入增压涡轮(5)，再进一步推动动力涡轮(6)旋转进而带动发电机发电。
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