CN109494391A - 实用移动固体氧化物燃料电池系统 - Google Patents

实用移动固体氧化物燃料电池系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种实用移动固体氧化物燃料电池系统，包括：固体氧化物燃料电池以及煤气生成装置组成，煤气生成装置包括：木炭存储器、加热机构以及水蒸气形成机构，木炭存储器用于存放木炭，在木炭存储器旁设置有加热机构与水蒸气形成机构，水蒸气形成机构内装有水，木炭存储器内装有木炭，加热机构为木炭存储器内木炭加热以及水蒸气形成机构内水加热，水蒸气形成机构形成的水蒸气连通至木炭存储器内木炭，木炭存储器中生成的CO以及H2连通至固体氧化物燃料电池，实现利用木炭资源为固体氧化物燃料电池提供燃料源的问题，且本系统采用木炭和水为原料，木炭为可再生资源，发电过后产生的是二氧化碳和水，可广泛应用于移动设备。

Description

实用移动固体氧化物燃料电池系统
技术领域
本发明涉及高温燃料电池系统，具体涉及一种实用移动固体氧化物燃料电池系统。
背景技术
固体氧化物燃料电池属于第三代燃料电池，是一种在中高温下直接将储存在燃料和氧化剂中的化学能高效转化成电能的全固态化学发电装置，具有转化效率高、燃料适用性强(天然气、沼气、煤气、甲烷等)、运行寿命长、无需使用贵金属等优势，效率高达60％，进行热电联产效率可达80％以上。
因其工作温度高(600—800℃)，必须对余热(排出的高温气体)加以利用，才能提高效率。目前实际的应用是将天然气经重整后送入固体氧化物燃料电池发电，为了提高效率，需再将高温尾气进行：热→蒸汽→机械能→电能转换，但由于需要对高温尾气进行再利用，则必须增设一套更复杂多的汽轮机组，造成系统操作复杂，且成本高的问题。由于装备复杂也不便应用到移动设备上；且消耗的燃料大多为不可再生能源，不能实现利用木炭资源为固体氧化物燃料电池提供燃料源的问题，也有利用乙醇重整后给固体氧化物燃料电池发电的实验报告，但由于重整反应结果的成分复杂，且可控性差，会严重影响固体氧化物燃料电池使用寿命，所以目前还未达到实用阶段。
发明内容
本发明要提供一种实用移动固体氧化物燃料电池系统，解决现有技术中不能实现利用木炭资源为固体氧化物燃料电池提供燃料源的问题。
为实现上述目的，本发明采用了如下的技术方案：
实用移动固体氧化物燃料电池系统，包括：固体氧化物燃料电池以及煤气生成装置组成，煤气生成装置包括：木炭存储器、加热机构(以乙醇燃烧作为热源)以及水蒸气形成机构，木炭存储器用于存放燃料，在木炭存储器旁设置有加热机构与水蒸气形成机构，水蒸气形成机构内装有水，木炭存储器内装有木炭，加热机构为木炭存储器内木炭加热以及水蒸气形成机构内水加热，水蒸气形成机构形成的水蒸气连通至木炭存储器内的木炭中，在木炭存储器中生成的CO以及H2连通至固体氧化物燃料电池。
相比于现有技术，本发明具有如下有益效果：
加热机构(以乙醇燃烧作为热源)通过将木炭储存器内的木炭加热，以及加热机构将水蒸气形成机构的水加热，形成水蒸气，将水蒸气通入到木炭存储器，使得水蒸气与木炭存储器内高温木炭反应生成一氧化碳(CO)和氢气(H2)，然后一氧化碳(CO)和氢气(H2)通入到固体氧化物燃料电池，生成后的一氧化碳(CO)和氢气(H2)进入到固体氧化物燃料电池，实现为固体氧化物燃料电池发电提供燃料，发电产生的热气通过加热机构回到煤气生成装置，用于对木炭存储器内的木炭加热，实现对发电产生的热量回收利用，从而提高了资源的利用率，使得整个系统不需要额外的增加汽轮机组来对高温的尾气进行回收利用，在保证资源利用率的同时也使得系统大大简化，方便携带，更方便的应用到移动设备上，且本系统采用乙醇燃烧作为热源，木炭和水为原料，乙醇和木炭均为可再生资源，不消耗化石能源，且发电过后产生的是二氧化碳(CO2)以及水使得本系统更加环保，不污染环境，可广泛应用于移动设备。
本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。
附图说明
图1为本发明实用移动固体氧化物燃料电池系统的结构示意图。
图2为煤气生成装置的结构示意图。
附图标记说明：木炭存储器1、木炭2、固体氧化物燃料电池3、燃烧室4、热交换器5、燃气出口6、喷嘴7、输送管路8蒸汽发生器9、连接管10、水蒸气输送管11、第一通道12、第一风机13、第二通道14、第三通道15、第二风机16、氧气入口17、燃料箱18、加压泵19、膨胀阀20、蒸发器21、电磁阀22、电加热器23、点火器24、第一支管25、第二支管26、水泵27、水箱28、水位传感器29、余气出口30、热气出口31、余气输送导管32、传输管33、下筒体34、上筒体35、废渣收集箱36、出灰口37、38控制器、输送管道39、燃气入口40。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与作用更加清楚及易于了解，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步阐述：
如图1和图2所示，本发明提出了一种实用移动固体氧化物燃料电池系统，包括：固体氧化物燃料电池3以及煤气生成装置组成，煤气生成装置包括：木炭存储器1、加热机构以及水蒸气形成机构，木炭存储器1用于存放木炭，在木炭存储器1旁设置有加热机构与水蒸气形成机构，水蒸气形成机构内装有水，木炭存储器1内装有木炭2，加热机构为木炭存储器1内木炭2加热以及水蒸气形成机构内水加热，水蒸气形成机构形成的水蒸气连通至木炭存储器1内木炭2，木炭存储器1内生成的CO以及H2连通至固体氧化物燃料电池3。加热机构通过将内储存器内的木炭2加热，以及加热机构将水蒸气形成机构的水加热，形成水蒸气，将水蒸气通入到木炭存储器1，使得水蒸气与木炭存储器1内高温的木炭2反应形成一氧化碳(CO)和氢气(H2)，然后一氧化碳(CO)和氢气(H2)通入到固体氧化物燃料电池3，使得固体燃料发电，发电后产生的热气通过加热机构回到煤气生成装置，用于对木炭存储器1内的木炭2加热，实现对发电产生的热量回收利用，从而提高了资源的利用率，使得整个系统不需要额外的增加汽轮机组来对高温的尾气进行回收利用，在保证资源利用率的同时也使得系统大大简化，方便携带，更方便的应用到移动设备上，且本系统采用乙醇燃烧作为热源，木炭2和水为原料，乙醇和木炭2为可再生资源，不消耗化石能源，且发电过后产生的是二氧化碳(CO2)使得本系统更加环保，不污染环境，可广泛应用于移动设备。
加热机构(以乙醇燃烧作为热源)包括：燃烧室4、燃料输送组件、输送管道39、热交换器5以及点火器24，所述燃烧室4内安装有木炭存储器1，木炭存储器1的上端开设有一用于连通至固体氧化物燃料电池3的燃气出口6，输送管道39的一端连接到燃气出口6，输送管道39的另一端连通到固体氧化物燃料电池3，燃烧室4的底部安装有至少两组喷嘴7，所有喷嘴7通过输送管路连通燃料输送组件，在每一喷嘴7处均安装有一用于对所在喷嘴7内燃料点火的点火器24；
水蒸气形成机构包括：用于存储水的蒸汽发生器，燃烧室4顶部连通至一连接管10的一端，连接管10中部穿过蒸汽发生器内的水，蒸汽发生器顶部安装有一用于连通至木炭存储器1内木炭2的水蒸气输送管11，连接管10另一端连通至热交换器5内的第一通道12进口，在第一通道12内设置有第一风机13，热交换器5内形成有环绕在第一通道12外的第二通道14，第二通道14进口连通至外界大气压，第二通道14旁连接有一第三通道15的一端，第三通道15内设置有第二风机16，第三通道15的另一端连接到固体氧化物燃料电池3的氧气入口17，第二通道14出口连通至燃烧室4底部。首先燃料输送组件通过输送管路将燃料输送到各个喷嘴7中，然后启动点火器24对每一喷嘴7进行点火，将喷嘴7喷出的燃料进行点燃，以此来将燃烧室4内的空气以及木炭存储器1内木炭2加热，燃烧室4内的高温空气通过连接管10输送到热交换器5的第一通道12进口，由于连接管10的中部是穿过蒸汽发生器内的水的，高温空气加热蒸汽发生器内的水，将水形成水蒸气，通过水蒸气输送管11将水蒸气输送到木炭存储器1内的底部，使得水蒸气与高温的木炭2反应生成CO以及H2，通过输送管道39将CO以及H2输送到固体氧化物燃料电池3内进行发电；在经过蒸汽发生器内的水降温过后的低温空气被送入热交换器5，之后经过第一通道12内的第一风机13排出，由于燃烧室4内喷嘴7处燃料的燃烧需要氧气，外界大气压的空气通过第二通道14进入热交换器5内，被加热后送到燃烧室4内，第三通道15内的第二风机16能将第二通道14内的一部分空气(氧气)泵入到固体氧化物燃料电池3中用于发电，在第一风机13、第二风机16、第一通道12、第二通道14以及第三通道15的共同作用下，能实现燃烧室4与外界大气压的空气进行热交换，所述燃料输送组件包括：燃料箱18、加压泵19、膨胀阀20、蒸发器21、电磁阀22、电加热器23、主管、第一支管25以及第二支管26，所述燃料箱18安装在燃烧室4旁，燃料箱18用于储存乙醇，主管的一端与燃料箱18连通，主管的另一端通过加压泵19连通至第一支管25和第二支管26，在第一支管25上安装有用于开闭第一支管25的膨胀阀20，第一支管25连通至蒸发器21一端，蒸发器21另一端连通至输送管路远离喷嘴7的端部，在第二支管26上安装有一用于开闭第二支管26的电磁阀22，第二支管26连通至电加热器23一端，电加热器23另一端连通至输送管路远离喷嘴7的端部。当要使用本系统进行发电时，首先启动加压泵19将主管内的乙醇输送到第一支管25和第二支管26中，启动电加热器23，打开电磁阀22使得乙醇进入到电加热器23中，电加热器23将乙醇加热形成乙醇蒸汽，然后利用点火器24对喷嘴7内的乙醇蒸汽进行点火，开始燃烧。当燃烧室4内的空气被加热到一定程度上时，位于燃烧室4内的膨胀阀20打开，使得乙醇进入到位于燃烧室4内的蒸发器21中，燃烧室4内的高温气体将蒸发器21中的乙醇加热形成乙醇蒸气，乙醇蒸气通过输送管路输送到喷嘴7中，此时关闭电磁阀22以及电加热器23，利用燃烧室4内的热量将乙醇气化，实现了对资源的合理利用，减少电磁阀22以及电加热器23工作消耗的能源为燃烧室4内提供充足的氧气。
所述蒸汽发生器的底部连通至水泵27输出端，水泵27输入端连通至水箱28，水箱28用于存放纯水，所述蒸汽发生器内还安装有一水位传感器29，水位传感器29用于检测蒸汽发生器内的水位。通过水泵27向蒸汽发生器内加水，水位传感器29对蒸汽发生器内的水位进行实时监测，防止因加入的水过多或者过少而使得装置损坏。所述加压泵19、膨胀阀20、电磁阀22、电加热器23、水泵27、第二风机16、废气排出风扇以及水位传感器29均与控制器38连接。
所述固体氧化物燃料电池3上设置有余气出口30以及热气出口31，余气出口30通过余气输送导管32将固体氧化物燃料电池3内未充分利用的的CO以及H2输送到喷嘴7内，固体氧化物燃料电池3的热气出口31通过传输管33将热气传输到燃烧室4内。通过余气输送导管32将固体氧化物燃料电池3内没有充分燃烧的CO以及H2通入到喷嘴7内，通过喷嘴7点燃，在即减少了空气污染的同时，也提高了资源的利用率，通过传输管33将固体氧化物燃料电池3工作产生的热气通入到燃烧室4内进行再利用，从而实现对固体氧化物燃料电池3产生的高温尾气进行再利用，解决了现有技术中由于需要提高资源的利用率，而需增设一套复杂的汽轮机组来对高温尾气进行利用，使得本系统在保证资源利用率的同时也大大简化了本系统的结构。
所述木炭存储器1包括：上筒体35以及若干下筒体34，上筒体35下方设置有若干下筒体34，每一下筒体34均与上筒体35连通，每相邻两下筒体34之间有距离，每一相邻两下筒体34之间设置有喷嘴7，，每一下筒体34均连通至废渣收集箱36，废渣收集箱36位于燃烧室4下方，在废渣收集箱36上开设有一出灰口37，出灰口37由密封盖封闭，密封盖与废渣收集箱36可拆卸连接。木炭2与水蒸气反应过后形成的灰渣通过下筒体34排入到废渣收集箱36中，然后在本系统没有工作的时候打开密封盖将废渣收集箱36中的灰渣取出。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (7)

1.实用移动固体氧化物燃料电池系统，其特征在于，包括：固体氧化物燃料电池以及煤气生成装置组成，煤气生成装置包括：原料存储器、加热机构(以乙醇燃烧作为热源)以及水蒸气形成机构，原料存储器用于存放木炭，在原料存储器旁设置有加热机构与水蒸气形成机构，水蒸气形成机构内装有水，原料存储器内装有木炭，加热机构为原料存储器内木炭加热以及水蒸气形成机构内水加热，水蒸气形成机构形成的水蒸气连通至原料存储器内木炭，原料存储器生成的CO以及氢气连通至固体氧化物燃料电池。
2.根据权利要求2所述的实用移动固体氧化物燃料电池系统，其特征在于，加热机构包括：燃烧室、燃料输送组件以及热交换器，所述燃烧室内安装有原料存储器，原料存储器的上端开设有一用于连通至固体氧化物燃料电池的燃气出口，燃烧室的底部安装有至少两组喷嘴，所有喷嘴通过输送管路连通燃料输送组件；
水蒸气形成机构包括：用于存储水的蒸汽发生器，燃烧室顶部连通至一连接管的一端，连接管中部穿过蒸汽发生器内的水，蒸汽发生器顶部安装有一用于连通至原料存储器内木炭的水蒸气输送管，连接管另一端连通至热交换器内的第一通道进口，在第一通道内设置有第一风机，热交换器内形成有环绕在第一通道外的第二通道，第二通道进口连通至外界大气压，第二通道旁连接有一第三通道的一端，第三通道内设置有第二风机，第三通道的另一端连接到固体氧化物燃料电池的氧气入口，第二通道出口连通至燃烧室底部。
3.根据权利要求2所述的实用移动固体氧化物燃料电池系统，其特征在于，所述燃料输送组件包括：燃料箱、加压泵、膨胀阀、蒸发器、电磁阀、电加热器、点火器、主管、第一支管以及第二支管，所述燃料箱安装在燃烧室旁，燃料箱用于储存乙醇，主管的一端与燃料箱连通，主管的另一端通过加压泵连通至第一支管和第二支管，在第一支管上安装有用于开闭第一支管的膨胀阀，第一支管连通至蒸发器一端，蒸发器另一端连通至输送管路远离喷嘴的端部，在第二支管上安装有一用于开闭第二支管的电磁阀，第二支管连通至电加热器一端，电加热器另一端连通至输送管路远离喷嘴的端部，在每一喷嘴处均安装有一用于对所在喷嘴内乙醇气体点火的点火器。
4.根据权利要求3所述的实用移动固体氧化物燃料电池系统，其特征在于，所述蒸汽发生器的底部连通至水泵输出端，水泵输入端连通至水箱，水箱用于存放纯水，所述蒸汽发生器内还安装有一水位传感器，水位传感器用于检测蒸汽发生器内的水位。
5.根据权利要求4所述的实用移动固体氧化物燃料电池系统，其特征在于，所述加压泵、膨胀阀、电磁阀、电加热器、水泵、第二风机、废气排出风扇以及水位传感器均与一控制器连接。
6.根据权利要求5所述的实用移动固体氧化物燃料电池系统，其特征在于，所述固体氧化物燃料电池上设置有余气出口以及热气出口，余气出口通过余气输送导管将固体氧化物燃料电池内的未充分利用的CO以及H2输送到喷嘴内，固体氧化物燃料电池的热气出口通过传输管将热气传输到燃烧室内。
7.根据权利要求6所述的实用移动固体氧化物燃料电池系统，其特征在于，所述原料存储器包括：上筒体以及若干下筒体，上筒体下方设置有若干下筒体，每一下筒体均与上筒体连通，每相邻两下筒体之间有距离，每一相邻两下筒体之间设置有喷嘴，，每一下筒体均连通至废渣收集箱，废渣收集箱位于燃烧室下方，在废渣收集箱上开设有一出灰口，出灰口由密封盖封闭，密封盖与废渣收集箱可拆卸连接。
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