CN109244512B - 一种带有增压功能的固体氧化物燃料电池发电系统 - Google Patents

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Abstract

本发明实施例公开了一种带有增压功能的固体氧化物燃料电池发电系统，用于解决现有的SOFC发电系统中的增压装置，导致发电系统变得异常复杂，且压缩工质需要消耗一定的电能的技术问题。本发明实施例包括燃料电池；燃料电池的阴极通过管道连接有用于对空气进行压缩的空气压缩机；空气压缩机与燃料电池之间通过管道依次连接有用于储存压缩后的空气的第一储气罐和对空气进行预热的热交换器；第一储气罐包括第一出口和第二出口；本系统中还包括用于对去离子水增压的第一自增压装置和对天然气增压的第二自增压装置；第一储气罐的第二出口通过管道将空气输送到第一自增压装置和第二自增压装置，以驱动所述第一自增压装置和所述第二自增压装置工作。

Description

一种带有增压功能的固体氧化物燃料电池发电系统
技术领域
本发明涉及电池系统研究技术领域，尤其涉及一种带有增压功能的固体氧化物燃料电池发电系统。
背景技术
固体氧化物燃料电池(SOFC)具有燃料选择性广、运行温度高、发电效率高、无污染物排放等优点，可广泛应用于分布式发电、大型固定电站、便携式发电等。
现有技术中的SOFC发电系统中，为提高整个燃料电池系统的热效率，燃料电池将未反应的气体排出并通过燃烧器燃烧产热，将高温的烟气带回系统的前端，上述的设计虽然使整个系统有机串联耦合提高了热效率，但是却引发另一个技术问题，就是必须提升燃料电池的进口端压力，以确保反应以后的尾气能够正常排出，现有的做法是将燃料(甲烷或甲醇)、去离子水和空气都必须需经过增压后才可通入系统，这样的做法导致发电系统变得异常复杂，且压缩工质需要消耗一定的电能，给整个发电系统的控制带来一定的困难。
因此，为解决上述的技术问题，寻找一种更加简单且能耗低的带有增压功能的固体氧化物燃料电池发电系统。
发明内容
本发明实施例公开了一种带有增压功能的固体氧化物燃料电池发电系统，用于解决现有的SOFC发电系统中的增压装置，导致发电系统变得异常复杂，且压缩工质需要消耗一定的电能的技术问题。
本发明实施例提供了一种带有增压功能的固体氧化物燃料电池发电系统，包括燃料电池；
所述燃料电池的阴极通过管道连接有用于对空气进行压缩的空气压缩机；所述空气压缩机与所述燃料电池之间通过管道依次连接有用于储存压缩后的空气的第一储气罐和对空气进行预热的热交换器；所述第一储气罐包括第一出口和第二出口；所述第一出口通过管道与所述热交换器进行连接；空气经所述热交换器预热后通过管道进入到所述燃料电池的阴极；
所述燃料电池的阳极通过管道连接有重整反应器；所述重整反应器通过管道分别连接有第一自增压装置和第二自增压装置；所述第一自增压装置通过管道连接有用于储存去离子水的第一储液罐；所述第二自增压装置通过管道连接有用于储存天然气的第二储气罐；所述第一储气罐的第二出口通过管道与所述第一自增压装置和所述第二自增压装置进行连接；所述第一储气罐的第二出口通过管道将空气输送到所述第一自增压装置和所述第二自增压装置，以驱动所述第一自增压装置和所述第二自增压装置工作；增压后的天然气和增压后的去离子水通过所述重整反应器进行重整反应，并生成含氢混合气体，所述含氢混合气体通过管道进入到所述燃料电池的阳极。
可选地，所述燃料电池还连接有燃烧器；所述燃烧器用于将所述燃料电池内未利用的含氢混合气体进行燃烧，从而产生高温的烟气。
可选地，所述燃烧器包括有烟气排放端；所述烟气排放端连接有第一三通分流阀；所述第一三通分流阀用于将所述烟气的流动路径分为第一流动路径和第二流动路径；
所述第一流动路径与所述热交换器进行连接；所述空气通过所述热交换器与所述第一流动路径内的烟气进行换热；
所述第二流动路径与所述重整反应器进行连接；所述第二流动路径内的烟气对所述重整单元进行供热。
可选地，还包括第二三通分流阀；所述第一路径通过所述热交换器后与所述第二三通分流阀的第一端进行连接；所述第二路径通过所述重整反应器后与所述第二三通分流阀的第二端进行连接；所述第二三通分流阀的第三端将所述第一流动路径和所述流动路径内的剩余烟气排放到大气中。
可选地，所述第一自增压装置包括第一增压器和第二储液罐；
所述第一增压器的入口端通过管道与第一储液罐进行连接；所述第一储液罐与所述第一增压器之间还连接有第一过滤器；
所述第一增压器的出口端通过管道与第二储液罐进行连接。
可选地，所述第二自增压装置包括第二增压器和第三储气罐；
所述第二增压器的入口端通过管道与第二储气罐进行连接；所述第二储气罐与所述第二增压器之间还连接有第二过滤器；
所述第二增压器的出口端通过管道与所述第三储气罐进行连接。
可选地，所述第一自增压装置与所述重整反应器之间还依次连接有第一质量流量计、第一止回阀以及雾化器；
所述雾化器用于将所述去离子水进行雾化。
可选地，所述第二自增压装置与所述重整反应器之间还依次连接有第二质量流量计和第二止回阀。
可选地，所述第一储气罐的第一出口与所述热交换器之间还依次连接有第三质量流量计和第三止回阀。
可选地，所述热交换器为板翅式热交换器。
从以上技术方案可以看出，本发明实施例具有以下优点：
本实施例中，本实施例中，利用空气压缩机对空气进行压缩后，将一部分空气输送到燃料电池的阴极，另一部分的空气作为工作气输送至用于对去离子水增压的第一自增压器和用于对天然气进行增压的第二自增压器，以驱动第一自增压装置和第二自增压装置工作，通过上述的设计，可简化整个发电系统，减少了整个发电系统的因需压缩工质而产生的能源消耗。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1为本发明提供的一种带有增压功能的固体氧化物燃料电池发电系统的结构示意图；
图2为本发明提供的一种带有增压功能的固体氧化物燃料电池发电系统的另一个实施例的结构示意图；
图3为本发明提供的一种带有增压功能的固体氧化物燃料电池发电系统中的第一自增压装置的结构示意图；
图4为本发明提供的一种带有增压功能的固体氧化物燃料电池发电系统中的第二自增压装置的结构示意图；
图示说明：燃料电池1；重整反应器2；燃烧器3；空气压缩机4；第一储气罐5；第一出口6；第二出口7；第一储液罐8；第一自增压装置9；第二自增压装置10；第一三通分流阀11；第二三通分流阀12；热交换器13；第二流动路径14；第一流动路径15；第三自增压装置16；混合装置17；第一过滤器18；第一增压器19；第二储液罐20；第二过滤器21；第二增压器22；第三储气罐23。
具体实施方式
本发明实施例公开了一种带有增压功能的固体氧化物燃料电池发电系统，用于解决现有的SOFC发电系统中的增压装置，导致发电系统变得异常复杂，且压缩工质需要消耗一定的电能的技术问题。
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。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做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。
请参阅图1、图3和图4，本发明实施例中提供的一种带有增压功能的固体氧化物燃料电池发电系统的一个实施例包括：
燃料电池1；燃料电池1的阴极通过管道连接有空气压缩机4；空气压缩机4用于对空气进行压缩；空气压缩机4与燃料电池1之间通过管道依次连接有储存压缩后的空气的第一储气罐5和对压缩后的空气进行预热的热交换器13；第一储气罐5上设置有第一出口6和第二出口7；第一出口6通过管道与热交换器13进行连接，空气经热交换器13预热后通过管道进入到燃料电池1的阴极；
需要说明的是，本实施例中的热交换器13为板翅式热交换器13。
燃料电池1的阳极通过管道连接有重整反应器2；重整反应器2通过管道分别连接有第一自增压装置9和第二自增压装置10；第一自增压装置9通过管道连接有用于储存去离子水的第一储液罐8，第一自增压装置9用于对去离子水进行增压；第二自增压装置10通过管道连接有储存天然气的第二储气罐，第二自增压装置10用于对天然气进行增压；上述的第一储气罐5的第二出口7通过管道与第一自增压装置9和第二自增压装置10进行连接，第一储气罐5内的空气从第二出口7通过管道输入到第一自增压装置9和第二第二自增压装置10，以驱动第一自增压装置9和第二自增压装置10工作，需要说明的是，从第二出口7输出的空气是作为第一自增压装置9和第二自增压装置10的工作气体；增压后的天然气和增压后的去离子水通过重整反应器2进行重整反应，并生成含氢混合气体通过管道进入到燃料电池1的阳极。
需要说明的是，本实施例中的空气压缩机4采用小型无油静音活塞式压缩机，压缩机自带水循环系统，压缩机出口压力可调，空气压缩后采用第一储气罐5储存主要有如下原因：(1)保证出口压力的稳定，对下游的设备不产生冲击；本系统选择第一储气罐5压力为0.25Mpa，(2)压缩机长时间运行会导致部件温度升高，效率降低，需要间歇停机以保证压缩机有冷却时间；(3)本系统燃料需求的响应时间可以延迟并不影响燃料电池1发电系统的稳定性，因此采用0.25Mpa的低出口压力。
从以上技术方案可以看出，本发明实施例具有以下优点：
本实施例中，利用空气压缩机4对空气进行压缩后，将一部分空气输送到燃料电池1的阴极，另一部分的空气作为工作气输送至用于对去离子水增压的第一自增压器和用于对天然气进行增压的第二自增压器，以驱动第一自增压装置9和第二自增压装置10工作，通过上述的设计，可简化整个发电系统，减少了整个发电系统的因需压缩工质而产生的能源消耗。
请参阅图1和图3，本实施例中的第一自增压装置9包括第一增压器19和第二储液罐20；
第一储液罐8的入口端通过管道与第一储液罐8进行连接；所述第一储液罐8与第一增压器19之间还连接有第一过滤器18，第一过滤器18用于对去离子水进行过滤，以免杂质进入到系统中；第一增压器19的出口端通过管道与第二储液罐20进行连接；增压后的去离子水会存放于第二储液罐20内；
本实施例中的第二自增压装置10包括第二增压器22和第三储气罐23；
第二增压器22的入口端通过管道与第二储气罐进行连接；第二增压器22与第二储气罐之间还连接有第二过滤器21，第二过滤器21用于对天然气内混有的一些颗粒物或其它杂质进行去除；第二增压器22的出口端通过管道与第三储气罐23进行连接；增压后的的天然气同样地会存放于第三储气罐23内，第三储气罐23的作用在于保证增压后的天然气的出口压力的稳定，对系统其余的设备不产生冲击。
需要说明的是，本实施例中的第一增压器19和第二增压器22为现有技术中的增压泵，其工作原理为：利用大面积的活塞在小面积活塞上产生较高的压力，工作时，气动活塞向高压柱塞端反向运动，吸入口处的单向阀打开，出口处单向阀关闭，将介质(气体或液体)吸入腔内。当活塞反向运动时，在介质的一侧会形成一定压力，压力会将进口单向阀关闭，出口处单向阀打开，将高压介质输出。增压泵通过一个两位四通气控滑阀和一个两位两通先导阀实现连续运行，两位两通先导阀控制滑阀。先导阀由调节空气驱动的活塞来控制，先导阀不断的填充和排空气控滑阀室，使驱动气体交替作用于活塞的底部表面和顶部表面，从而实现了增压泵的连续工作。
进一步地，本实施例中的第一增压器19可根据空气进入时的压力，从而控制去离子水从第一增压器19出来时的流量。本实施例中的第二增压器22可根据空气进入时的压力，从而控制天然气从第二增压器22出来时的流量，请参阅表1。
表1：供应燃料量和调节气的压力关系
请参阅图1，本实施例中的发电系统还包括有燃烧器3，燃烧器3用于将上述燃料电池1内未完全燃烧的含氢混合气体进行燃烧，从而产生高温的烟气。
燃烧器3包括有烟气排放端；烟气排放端连接有第一三通分流阀11，第一三通分流阀11的作用在于将燃烧器3的烟气流动路径分为第一流动路径15和第二流动路径14；
其中，第一流动路径15与热交换器13进行连接；从第一出口6流出的空气通过热交换器13与第一流动路径15内的烟气进行换热；
第二流动路径14与重整反应器2进行连接，第二流动路径14内的烟气对上述的重整单元进行供热。
进一步地，本实施例中的发电系统还包括有第二三通分流阀12；第一流动路径15通过热交器后与第二三通分流阀12的第一端进行连接；第二流动路径14通过通过重整反应器2后与第二三通分流阀12的第二端进行连接；第二三通分流阀12的第三端将第一流动路径15和第二流动路径14剩余的烟气(主要成分：二氧化碳和水)排放到的空气中。
需要说明的是，将燃烧器3排放的烟气流动路径通过第一三通分流阀11分为第一流动路径15和第二流动路径14，充分利用高温烟气中的热量为重整反应器2供热和为进入到燃料电池1阴极的空气进行预热，提高整个燃料电池1发电系统的热效率。
请参阅图1，本实施例中的第一自增压装置9与重整反应器2之间还依次连接有第一质量流量计、第一止回阀以及雾化器；
需要说明的是，第一质量流量计用于测量去离子水的流量；第一止回阀用于防止去离子水发生倒流的情况；雾化器用于将去离子水进行雾化。
进一步地，本实施例中的第二自增压装置10与重整反应器2之间还依次连接有第二质量流量计和第二止回阀；
需要说明的是，第二质量流量计用于测量天然气的流量；第二止回阀用于防止天然气发生倒流的情况；
进一步地，本实施例中的第一储气罐5的第一出口6与热交换器13之间还依次连接有第三质量流量计和第三止回阀；
需要说明的是，第三质量流量计用于测量空气的流量；第三止回阀用于防止空气发生倒流的情况。
上述是对本发明实施例中提供的一种带有增压功能的固体氧化物燃料电池发电系统的具体结构进行详细的描述，下面将以另一个实施例进一步对本系统进行详细的描述，本发明实施例中的一种带有增压功能的固体氧化物燃料电池发电系统的另一个实施例包括：
请参阅图2，本发电系统，除了以天然气(CH4)为燃料外，还可以使用甲醇作为该发电系统的燃料，当燃料选择为甲醇时，本发电系统的结构为：
燃料电池1；燃料电池1的阴极通过管道连接有用于对空气进行压缩的空气压缩机4；空气压缩机4与燃料电池1之间通过管道依次连接有用于储存压缩后的空气的第一储气罐5和对空气进行预热的热交换器13；第一储气罐5包括第一出口6和第二出口7；第一出口6通过管道与热交换器13进行连接；空气经热交换器13预热后通过管道进入到燃料电池1的阴极；
燃料电池1的阳极通过管道连接有重整反应器2；重整反应器2连接有第三自增压装置16；第三自增压装置16通过管道连接有混合装置17，该混合装置17内储存有按比例进行混合的甲醇水溶液；第一储气罐5的第二出口7通过管道将空气输送到第三自增压装置16，以驱动第三自增压装置16工作，第三自增压装置16将甲醇水溶液进行增压，增压后的甲醇水溶液经过雾化器进行雾化后，进入到重整反应器2进行重整反应，并生成含氢混合气体，含氢混合气体进入到燃料电池1的阳极。
需要说明的是，上述的第三自增压装置16的结构与第一自增压装置9的结构相同。
使用甲醇为燃料的燃料电池1发电系统与上述使用天然气为燃料的燃料电池1发电系统除了在前端存在差异外，系统的后端部分均为一致。
本实施例中，同样地，利用空气压缩机4对空气进行压缩后，将一部分空气输送到燃料电池1的阴极，另一部分的空气作为工作气输送至用于对甲醇水溶液进行增压的第三自增压器，以驱第三自增压器工作，通过上述的设计，可简化整个发电系统，减少了整个发电系统的因需压缩工质而产生的能源消耗。
以上对本发明所提供的一种带有增压功能的固体氧化物燃料电池发电系统进行了详细介绍，对于本领域的一般技术人员，依据本发明实施例的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种带有增压功能的固体氧化物燃料电池发电系统，其特征在于，包括燃料电池；
所述燃料电池的阴极通过管道连接有用于对空气进行压缩的空气压缩机；所述空气压缩机与所述燃料电池之间通过管道依次连接有用于储存压缩后的空气的第一储气罐和对空气进行预热的热交换器；所述第一储气罐包括第一出口和第二出口；所述第一出口通过管道与所述热交换器进行连接；空气经所述热交换器预热后通过管道进入到所述燃料电池的阴极；
所述燃料电池的阳极通过管道连接有重整反应器；所述重整反应器通过管道分别连接有第一自增压装置和第二自增压装置；所述第一自增压装置通过管道连接有用于储存去离子水的第一储液罐；所述第二自增压装置通过管道连接有用于储存天然气的第二储气罐；所述第一储气罐的第二出口通过管道与所述第一自增压装置和所述第二自增压装置进行连接；所述第一储气罐的第二出口通过管道将空气输送到所述第一自增压装置和所述第二自增压装置，以驱动所述第一自增压装置和所述第二自增压装置工作；增压后的天然气和增压后的去离子水通过所述重整反应器进行重整反应，并生成含氢混合气体，所述含氢混合气体通过管道进入到所述燃料电池的阳极。
2.根据权利要求1所述的带有增压功能的固体氧化物燃料电池发电系统，其特征在于，所述燃料电池还连接有燃烧器；所述燃烧器用于将所述燃料电池内未利用的含氢混合气体进行燃烧，从而产生高温的烟气。
3.根据权利要求2所述的带有增压功能的固体氧化物燃料电池发电系统，其特征在于，所述燃烧器包括有烟气排放端；所述烟气排放端连接有第一三通分流阀；所述第一三通分流阀用于将所述烟气的流动路径分为第一流动路径和第二流动路径；
所述第一流动路径与所述热交换器进行连接；所述空气通过所述热交换器与所述第一流动路径内的烟气进行换热；
所述第二流动路径与所述重整反应器进行连接；所述第二流动路径内的烟气对所述重整单元进行供热。
4.根据权利要求3所述的带有增压功能的固体氧化物燃料电池发电系统，其特征在于，还包括第二三通分流阀；所述第一流动路径通过所述热交换器后与所述第二三通分流阀的第一端进行连接；所述第二流动路径通过所述重整反应器后与所述第二三通分流阀的第二端进行连接；所述第二三通分流阀的第三端将所述第一流动路径和所述流动路径内的剩余烟气排放到大气中。
5.根据权利要求1所述的带有增压功能的固体氧化物燃料电池发电系统，其特征在于，所述第一自增压装置包括第一增压器和第二储液罐；
所述第一增压器的入口端通过管道与第一储液罐进行连接；所述第一储液罐与所述第一增压器之间还连接有第一过滤器；
所述第一增压器的出口端通过管道与第二储液罐进行连接。
6.根据权利要求1所述的带有增压功能的固体氧化物燃料电池发电系统，其特征在于，所述第二自增压装置包括第二增压器和第三储气罐；
所述第二增压器的入口端通过管道与第二储气罐进行连接；所述第二储气罐与所述第二增压器之间还连接有第二过滤器；
所述第二增压器的出口端通过管道与所述第三储气罐进行连接。
7.根据权利要求1所述的带有增压功能的固体氧化物燃料电池发电系统，其特征在于，所述第一自增压装置与所述重整反应器之间还依次连接有第一质量流量计、第一止回阀以及雾化器；
所述雾化器用于将所述去离子水进行雾化。
8.根据权利要求1所述的带有增压功能的固体氧化物燃料电池发电系统，其特征在于，所述第二自增压装置与所述重整反应器之间还依次连接有第二质量流量计和第二止回阀。
9.根据权利要求1所述的带有增压功能的固体氧化物燃料电池发电系统，其特征在于，所述第一储气罐的第一出口与所述热交换器之间还依次连接有第三质量流量计和第三止回阀。
10.根据权利要求1所述的带有增压功能的固体氧化物燃料电池发电系统，其特征在于，所述热交换器为板翅式热交换器。
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