CN110077221A - 一种固体氧化物燃料电池和内燃机联合动力系统及其运行方法 - Google Patents

一种固体氧化物燃料电池和内燃机联合动力系统及其运行方法 Download PDF

Info

Publication number
CN110077221A
CN110077221A CN201910318202.3A CN201910318202A CN110077221A CN 110077221 A CN110077221 A CN 110077221A CN 201910318202 A CN201910318202 A CN 201910318202A CN 110077221 A CN110077221 A CN 110077221A
Authority
CN
China
Prior art keywords
combustion engine
internal combustion
heat exchanger
gas
sofc
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN201910318202.3A
Other languages
English (en)
Other versions
CN110077221B (zh
Inventor
吴震
朱鹏飞
张早校
尧兢
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Xian Jiaotong University
Original Assignee
Xian Jiaotong University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Xian Jiaotong University filed Critical Xian Jiaotong University
Priority to CN201910318202.3A priority Critical patent/CN110077221B/zh
Publication of CN110077221A publication Critical patent/CN110077221A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN110077221B publication Critical patent/CN110077221B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60K—ARRANGEMENT OR MOUNTING OF PROPULSION UNITS OR OF TRANSMISSIONS IN VEHICLES; ARRANGEMENT OR MOUNTING OF PLURAL DIVERSE PRIME-MOVERS IN VEHICLES; AUXILIARY DRIVES FOR VEHICLES; INSTRUMENTATION OR DASHBOARDS FOR VEHICLES; ARRANGEMENTS IN CONNECTION WITH COOLING, AIR INTAKE, GAS EXHAUST OR FUEL SUPPLY OF PROPULSION UNITS IN VEHICLES
    • B60K6/00—Arrangement or mounting of plural diverse prime-movers for mutual or common propulsion, e.g. hybrid propulsion systems comprising electric motors and internal combustion engines ; Control systems therefor, i.e. systems controlling two or more prime movers, or controlling one of these prime movers and any of the transmission, drive or drive units Informative references: mechanical gearings with secondary electric drive F16H3/72; arrangements for handling mechanical energy structurally associated with the dynamo-electric machine H02K7/00; machines comprising structurally interrelated motor and generator parts H02K51/00; dynamo-electric machines not otherwise provided for in H02K see H02K99/00
    • B60K6/20—Arrangement or mounting of plural diverse prime-movers for mutual or common propulsion, e.g. hybrid propulsion systems comprising electric motors and internal combustion engines ; Control systems therefor, i.e. systems controlling two or more prime movers, or controlling one of these prime movers and any of the transmission, drive or drive units Informative references: mechanical gearings with secondary electric drive F16H3/72; arrangements for handling mechanical energy structurally associated with the dynamo-electric machine H02K7/00; machines comprising structurally interrelated motor and generator parts H02K51/00; dynamo-electric machines not otherwise provided for in H02K see H02K99/00 the prime-movers consisting of electric motors and internal combustion engines, e.g. HEVs
    • B60K6/22—Arrangement or mounting of plural diverse prime-movers for mutual or common propulsion, e.g. hybrid propulsion systems comprising electric motors and internal combustion engines ; Control systems therefor, i.e. systems controlling two or more prime movers, or controlling one of these prime movers and any of the transmission, drive or drive units Informative references: mechanical gearings with secondary electric drive F16H3/72; arrangements for handling mechanical energy structurally associated with the dynamo-electric machine H02K7/00; machines comprising structurally interrelated motor and generator parts H02K51/00; dynamo-electric machines not otherwise provided for in H02K see H02K99/00 the prime-movers consisting of electric motors and internal combustion engines, e.g. HEVs characterised by apparatus, components or means specially adapted for HEVs
    • B60K6/24—Arrangement or mounting of plural diverse prime-movers for mutual or common propulsion, e.g. hybrid propulsion systems comprising electric motors and internal combustion engines ; Control systems therefor, i.e. systems controlling two or more prime movers, or controlling one of these prime movers and any of the transmission, drive or drive units Informative references: mechanical gearings with secondary electric drive F16H3/72; arrangements for handling mechanical energy structurally associated with the dynamo-electric machine H02K7/00; machines comprising structurally interrelated motor and generator parts H02K51/00; dynamo-electric machines not otherwise provided for in H02K see H02K99/00 the prime-movers consisting of electric motors and internal combustion engines, e.g. HEVs characterised by apparatus, components or means specially adapted for HEVs characterised by the combustion engines
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60K—ARRANGEMENT OR MOUNTING OF PROPULSION UNITS OR OF TRANSMISSIONS IN VEHICLES; ARRANGEMENT OR MOUNTING OF PLURAL DIVERSE PRIME-MOVERS IN VEHICLES; AUXILIARY DRIVES FOR VEHICLES; INSTRUMENTATION OR DASHBOARDS FOR VEHICLES; ARRANGEMENTS IN CONNECTION WITH COOLING, AIR INTAKE, GAS EXHAUST OR FUEL SUPPLY OF PROPULSION UNITS IN VEHICLES
    • B60K6/00—Arrangement or mounting of plural diverse prime-movers for mutual or common propulsion, e.g. hybrid propulsion systems comprising electric motors and internal combustion engines ; Control systems therefor, i.e. systems controlling two or more prime movers, or controlling one of these prime movers and any of the transmission, drive or drive units Informative references: mechanical gearings with secondary electric drive F16H3/72; arrangements for handling mechanical energy structurally associated with the dynamo-electric machine H02K7/00; machines comprising structurally interrelated motor and generator parts H02K51/00; dynamo-electric machines not otherwise provided for in H02K see H02K99/00
    • B60K6/20—Arrangement or mounting of plural diverse prime-movers for mutual or common propulsion, e.g. hybrid propulsion systems comprising electric motors and internal combustion engines ; Control systems therefor, i.e. systems controlling two or more prime movers, or controlling one of these prime movers and any of the transmission, drive or drive units Informative references: mechanical gearings with secondary electric drive F16H3/72; arrangements for handling mechanical energy structurally associated with the dynamo-electric machine H02K7/00; machines comprising structurally interrelated motor and generator parts H02K51/00; dynamo-electric machines not otherwise provided for in H02K see H02K99/00 the prime-movers consisting of electric motors and internal combustion engines, e.g. HEVs
    • B60K6/22—Arrangement or mounting of plural diverse prime-movers for mutual or common propulsion, e.g. hybrid propulsion systems comprising electric motors and internal combustion engines ; Control systems therefor, i.e. systems controlling two or more prime movers, or controlling one of these prime movers and any of the transmission, drive or drive units Informative references: mechanical gearings with secondary electric drive F16H3/72; arrangements for handling mechanical energy structurally associated with the dynamo-electric machine H02K7/00; machines comprising structurally interrelated motor and generator parts H02K51/00; dynamo-electric machines not otherwise provided for in H02K see H02K99/00 the prime-movers consisting of electric motors and internal combustion engines, e.g. HEVs characterised by apparatus, components or means specially adapted for HEVs
    • B60K6/32—Arrangement or mounting of plural diverse prime-movers for mutual or common propulsion, e.g. hybrid propulsion systems comprising electric motors and internal combustion engines ; Control systems therefor, i.e. systems controlling two or more prime movers, or controlling one of these prime movers and any of the transmission, drive or drive units Informative references: mechanical gearings with secondary electric drive F16H3/72; arrangements for handling mechanical energy structurally associated with the dynamo-electric machine H02K7/00; machines comprising structurally interrelated motor and generator parts H02K51/00; dynamo-electric machines not otherwise provided for in H02K see H02K99/00 the prime-movers consisting of electric motors and internal combustion engines, e.g. HEVs characterised by apparatus, components or means specially adapted for HEVs characterised by the fuel cells
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04007—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids related to heat exchange
    • H01M8/04067—Heat exchange or temperature measuring elements, thermal insulation, e.g. heat pipes, heat pumps, fins
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/06—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues
    • H01M8/0606—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues with means for production of gaseous reactants
    • H01M8/0612—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues with means for production of gaseous reactants from carbon-containing material
    • H01M8/0618—Reforming processes, e.g. autothermal, partial oxidation or steam reforming
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/60—Other road transportation technologies with climate change mitigation effect
    • Y02T10/62—Hybrid vehicles
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T90/00—Enabling technologies or technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02T90/40—Application of hydrogen technology to transportation, e.g. using fuel cells

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Transportation (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

本发明公开了一种固体氧化物燃料电池和内燃机联合动力系统及其运行方法，该系统将SOFC装置和HCCI内燃机结合在一起形成联合动力系统，HCCI内燃机能够利用SOFC装置的尾气进行发电，充分利用燃料中的能量，减少尾气热废热排放，是一种理想的能量综合利用方式。该系统将均质压燃型内燃机(HCCI)与固体氧化物燃料电池(SOFC)结合起来。在SOFC燃料电池装置之前放置预重整反应器，能够使燃气提前进行重整反应，能够提高燃料的利用率，使SOFC装置内部的电化学反应更加完全。该系统对燃料进行综合利用，能够满足各种大型动力设备的需求；相比于传统供能设备，效率更高，排放更少，具有更高的经济价值。

Description

一种固体氧化物燃料电池和内燃机联合动力系统及其运行 方法
【技术领域】
本发明属于能源系统设计优化技术领域，具体涉及一种固体氧化物燃料电池和内燃机联合动力系统及其运行方法。
【背景技术】
固体氧化物燃料电池(SOFC装置)作为高温燃料电池的一种，与其他系统组成的混合动力系统也在不断的研究和发展。如今大多数电力是由传统的发电技术提供的，这些技术在很大程度上依赖化石燃料的燃烧。然而这将使本已较为严重的全球变暖和空气污染等环境问题更加雪上加霜。为了改善这种传统发电方式，许多学者提出了SOFC-GT(燃气轮机)、SOFC-内燃机等联产发电方式。这种SOFC联产发电方式技术利用SOFC发电效率高、排放低等优点，不仅能减少排放，有利于环保，而且可以对燃料能量进行综合、梯级利用，缓解了能源短缺的问题。
目前，关于SOFC-燃气轮机联合系统已经有了成熟的商业示范项目。1988年Siemens-Westinghouse研发的100KW常压管式SOFC系统，利用天然气作为燃料可以提供108KW的交流电，其发电效率为47％，同时可以向当地提供85KW的热水。Siemens公司也建立了一个250KW的商业示范性工程，目前运行了上千小时，系统效率可达到57％。上述成功的示范项目，充分说明以SOFC为核心的多联产系统能够提升系统效率，节约能源，降低能耗。(International Journal of Hydrogen Energy,2014,39:1799-1810)。同时关于SOFC联合系统也有学者在不断改进和完善。如Denver F提出了一种SOFC与运行效率为30％的10MW级燃气轮机电厂耦合系统，并通过建立该系统的热经济模型对其进行了研究。结果表明，由于该电厂耦合了SOFC，使得电厂的热效率从30％提高到了48.5％，发电成本由原来的5.46$/kW·h降低到4.54$/kW·h。(International Journal of Hydrogen Energy,2016,36:1702-1709)
SOFC的发电能力是低于兆瓦级别，通常SOFC所能产生的功量在千瓦级别。在千瓦级别的发电能量上，内燃机通常比燃气轮机更加高效，经济。同时作为重型运载工具的动力装置SOFC-内燃机联合系统比SOFC-燃气轮机联合系统更加灵活，移动性更强，更适用于移动设备。此外，以往报道的SOFC-燃气轮机系统由于部件大，输出功率大，启停性不好，动态特性差。
【发明内容】
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种固体氧化物燃料电池和内燃机联合动力系统及其运行方法；该系统能量利用率高，热排放低，对环境影响小，适用于船舶、潜艇等大中型需要供能集成化装置。
为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
一种固体氧化物燃料电池和内燃机联合动力系统，包括：天然气源、天然气源连通至预重整反应器，预重整反应器连通至SOFC装置的阳极输入端；天然气源和预重整反应器之间设置有气体混合器，气体混合器内同时输入有水蒸气；SOFC装置的阴极输入端输入有压缩空气，SOFC装置输出的阳极尾气和阴极尾气共同输入至HCCI内燃机；SOFC装置的电能输出端和HCCI内燃机的电能输出端均连通至用电设备。
本发明的进一步改进在于：
优选的，SOFC装置和HCCI内燃机之间设置有混合装置，SOFC装置输出的阳极尾气和阴极尾气在混合装置内混合，混合装置内同时输入有氢气，氢气由储氢反应器提供。
优选的，储氢反应器为固态储氢反应器。
优选的，预重整反应器和SOFC装置之间设置有第二热交换器；第二热交换器的输入端一和预重整反应器的输出端连通，第二热交换器的输入端二和SOFC装置的阳极尾气输出端连通；第二热交换器的输出端一和SOFC装置的阳极输入端连通，第二热交换器的输出端二和混合装置连通。
优选的，SOFC装置的阴极输入端连通至压缩机，SOFC装置的阴极输入端和压缩机之间设置有第三热交换器；第三热交换器的输入端一和压缩机的出口连通，第三热交换器输入端二和SOFC装置的阴极尾气输出端连通，第三热交换器输出端一连通至SOFC装置的阴极输入端，第三热交换器输出端二连通至混合装置。
优选的，HCCI内燃机的尾气输出端连通至尾气收集装置，HCCI内燃机和尾气收集装置之间设置有第一热交换器；第一热交换器的输入端一和HCCI内燃机的尾气输出端连通，第一热交换器的输入端二为水输入端；第一热交换器的输出端一和气体混合器连通，第一热交换器的输出端二和尾气收集装置连通。
优选的，第一热交换器的输入端二连通至水箱，水箱和第一热交换器之间设置有水泵。
优选的，第一热交换器和HCCI内燃机之间设置有第四热交换器，第四热交换器设置有分支和预重整反应器连通。
优选的，SOFC装置的电能输出端和用电设备之间设置有DC/AC转换器。
一种上述的固体氧化物燃料电池和内燃机联合动力系统的运行方法，水蒸气和由天然气源输出的天然气在气体混合器混合后，形成混合气体，混合气体输出至预重整反应器，混合气体在预重整反应器内反应生成预重整气体，预重整气体进入SOFC装置；预重整气体在SOFC装置内和压缩空气发生电化学反应后，形成SOFC装置的阳极尾气和阴极尾气，阳极尾气和阴极尾气共同输入至HCCI内燃机，HCCI内燃机内利用SOFC装置的阳极尾气和阴极发电，将电能输出至用电设备；同时，SOFC装置因电化学反应产生的电能也输入至用电设备。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：本发明公开了一种固体氧化物燃料电池和内燃机联合动力系统，该系统将SOFC装置和HCCI内燃机结合在一起形成联合动力系统，HCCI内燃机能够利用SOFC装置的尾气进行发电，充分利用燃料中的能量，减少尾气热废热排放，是一种理想的能量综合利用方式。该系统将均质压燃型内燃机(HCCI)与固体氧化物燃料电池(SOFC)结合起来，SOFC阳极尾气属于稀薄燃料，一般内燃机的点火方式难以利用SOFC阳极尾气，但是采用HCCI型内燃机可以很好的利用，解决了SOFC燃料电池阳极尾气由于稀薄不能用于内燃机燃料的缺点。在SOFC燃料电池装置之前放置预重整反应器，能够使燃气提前进行重整反应，能够提高燃料的利用率，使SOFC装置内部的电化学反应更加完全。本发明选取输出功率较低的内燃机代替传统的燃气轮机，用于SOFC阳极尾气的二次发电装置。由于设备较为轻便，输出功率较小，能够较为方便的完成启动和停止操作，动态性较好，能够满足于大型运载装置便于启停的使用要求。该系统对燃料进行综合利用，能够满足各种大型动力设备的需求；相比于传统供能设备，效率更高，排放更少，具有更高的经济价值。
进一步的，SOFC装置输出的尾气在输入HCCI内燃机前和氢气混合，氢气与SOFC尾气混合，能够改善SOFC尾气燃气质量，提高尾气在HCCI内燃机的燃烧效率。
进一步的，储氢反应器选用固态储氢装置，固态储氢反应器相比于传统的高压、液态储氢方式具有能量密度大、体积小、生成的化合物安全稳定的特点；利用固态储氢反应器为SOFC尾气提供氢气，能够充分利用系统排出的热量，提升能量利用效率，同时移动性好使得该动力系统用途更加广泛。总之，采用固态储氢方式能够很好的提升系统热效率，并且安全性也能进一步提高。
进一步的，预重整反应器和SOFC装置之间设置有第二热交换器，第二热交换器利用SOFC装置排出的阳极尾气加热预重整气体；SOFC装置和压缩机之间设置有第三热交换器，第三热交换器利用SOFC装置排出的阴极尾气加热压缩空气；HCCI内燃机的尾气被第一热交换器利用，用于加热水，使水变为水蒸气，HCCI内燃机中的部分尾气用于加热预重整反应器；该部分中，SOFC阳极尾气可以用来预热预重整器排出的重整气，SOFC阴极尾气用来预热经过压缩机通入SOFC的阴极新鲜空气，HCCI尾气加热预重整器之后可以用来产生水蒸气，整个系统热量经过梯级综合利用，既对燃料进行综合利用，又对燃料尾气携带热量进行换热用于系统其它设备，提高了整体系统的热效率，降低了热排放量。
进一步的，DC/AC转换器能够将SOFC装置产生的电能变换后供给用电设备。
本发明还公开了一种固体氧化物燃料电池和内燃机联合动力系统的运行方法，该方法在将天然气重整反应后，输入至SOFC装置中发生电化学反应，SOFC发出的电能能够提供给用电设备，与此同时，SOFC装置排出的尾气能够输入到HCCI内燃机中，作为内燃机的燃料使用，内燃机进行发电，能够同时给用电设备供电。该方法能够使得SOFC装置和内燃机同时为用电设备供电，同时充分的利用了SOFC装置排出的尾气，相比于传统供能发电方法，效率更高，排放更少，具有更高的经济价值。
【附图说明】
图1为本发明的联合动力系统结构示意图；
其中：1为天然气源；2为水箱；3为水泵；4为第一热交换器；5为气体混合器；6为预重整反应器；7为SOFC装置；8为压缩机；9为HCCI内燃机；10为尾气收集装置；11为DC/AC转换器；12为用电设备；13为储氢反应器；14为第二热交换器；15为第三热交换器；16为第四热交换器；17为混合装置。
【具体实施方式】
下面结合附图对本发明做进一步详细描述；本发明公开了一种固体氧化物燃料电池和内燃机联合动力系统及其运行方法；该系统主要包括天然气源1、预重整反应器6、SOFC装置7和储氢反应器13；该系统还包括水箱2、水泵3、第一热交换器4、气体混合器5、压缩机8、HCCI内燃机9、尾气收集装置10、DC/AC转换器11、用电设备12、第二热交换器14、第三热交换器15、第四热交换器16和混合装置17。
第一热交换器4设置有两个输入端和两个输出端，两个输入端分别为输入端一和输入端二，两个输出端分别为输出端一和输出端二；输入端一和第四热交换器16连通，第四热交换器16能够将HCCI内燃机9输出的高温尾气输入至输入端一，输入端二和水泵3连通，水泵3将水箱2中的水输入至输入端二，进入第一热交换器4；输出端一为蒸汽输出端，将蒸汽输入至气体混合器5，输出端二和尾气收集装置10连通；工作过程为：水泵3输入的水在第一热交换器4内被HCCI内燃机9输出的热蒸汽加热后，形成高温水蒸气，输入至气体混合器5。
第二热交换器14设置有两个输入端和两个输出端，两个输入端分别为输入端一和输入端二，两个输出端分别为输出端一和输出端二；输入端一和预重整反应器6的输出端连通，用于输入预重整反应器6处理后的气体，输入端二和SOFC装置7的阳极尾气输出端连接，用于输入从SOFC装置7阳极输入的尾气；输出端一和SOFC装置7的阳极输入端连通，用于将加热后的预重整气体输入至SOFC装置7的阳极，输出端二和混合装置17连通，输出端二将换热后的阳极尾气输入至混合装置17；该热交换器的工作过程，从预重整反应器6输出的预重整气体在第二热交换器14内被SPFC装置7排出的高温阳极尾气加热，然后输入至SOFC装置7的阳极输入端，在SOFC装置7内发生电化学反应，降温后阳极尾气输入至混合装置17中。
第三热交换器15设置两个输入端和两个输出端；两个输入端分别为输入端一和输入端二，两个输出端分别为输出端一和输出端二；输入端一和压缩机8的出口连通，用于输入压缩空气，输入端二和SOFC装置7的阴极尾气输出端连通，用于将温度较高的阴极尾气输入至第三热交换器15，输出端一连通至SOFC装置7，将被加热压缩空气输入至SOFC装置7，输出端二连通至混合装置17；工作过程，压缩空气在第三热交换器15内被从SOFC装置7输出的阴极尾气加热后，输入至SOFC装置7的阴极，降温后的阴极尾气输入至混合装置17中。
SOFC装置7设置有两个输入端和三个输出端，两个输入端分别为阳极输入端和和阴极输入端，阳极输入端和第二热交换器14的输出端一连通，用于输入预重整气体，阴极输入端和第三热交换器15的输出端一连通，用于输入压缩空气；SOFC装置7包括阳极尾气输出端、阴极尾气输出端和电能输出端，阳极尾气输出端和第二热交换器14的输入端二连通，阴极尾气输出端和第三热交换器的输入端二连通，电能输出端连通至DC/AC转换器11。
天然气源1和预重整反应器6之间设置有气体混合器5，气体混合器5设置有天然气接入口和蒸汽接入口，蒸汽接入口和第一热交换器4连通，气体混合器5的出口连通至预重整反应器6，预重整反应器6的出口连通至第二热交换器14的输入端一，第二热交换器14的输出端二将被加热后的预重整气体输入至SOFC装置7；空气经过压缩机8成为压缩空气，压缩机8的出气端连通至第三热交换器15，压缩空气在第三热交换器15内部被加热后，从SOFC装置7阴极输入端进入SOFC装置7；预重整后的天然气和被加热后的空气在SOFC装置7内发生电化学反应后产生电能，SOFC装置7的电能输出端和DC/AC变换器11输入端连通，DC/AC变换器11的输出端和用电设备12连通。
水箱2的输出端和水泵3连通，水泵3的输出端和第一热交换器4的输入端一连通，第一热交换器4的输出端二和尾气收集装置10连通，尾气收集装置10的热量输出端和储氢反应器13连通，储氢反应器13的输出端和混合装置17连通；混合装置17内，氢气、SOFC装置7的阳极尾气以及SOFC装置7的阴极尾气混合后，共同通过混合装置17的输出端输入至HCCI内燃机9，HCCI内燃机9的尾气输出端连通至第四热交换器16，第三热交换器15的输出端一和第一热交换器4的输入端二连通，第三热交换器15的输出端二和预重整反应器6连通；HCCI内燃机9的电能输出端和用电设备12连通；在HCCI内燃机9内，SOFC装置7的阳极尾气作为主要燃料，混合的氢气用于提高阳极尾气的质量，增加燃烧效率，SOFC装置7的阴极尾气在混合气体中作为助燃气，帮助阳极尾气在HCCI内燃机内燃烧。
上述装置中的SOFC装置7的燃料电池和HCCI内燃机9的功率以及型号可以根据用电设备的功率进行确定。如用电设备功率在千瓦级别，可以选择千瓦级别的燃料电池和内燃机。同时SOFC燃料电池阳极所需加氢流量，可以根据具体HCCI内燃机9所需燃料品质进行确定。SOFC装置7作为整个系统的核心设备，其主要作用是通过使预重整气体发生电化学反应，产生大量的电能。目前SOFC装置7的工作温度主要在800℃以上，从SOFC装置7排出的尾气中也带有大量的热量，对热量的综合利用能够进一步提高系统效率。
储氢反应器13优选为固态储氢反应器，固态储氢反应器作为SOFC尾气加氢氢源，采取的是固体储氢方式。其主要储氢原理是，选择一定合适的储氢材料后，(可以根据最终排出尾气温度进行选择，如尾气温度在100℃左右，可以选择镧镍系储氢材料，尾气温度在300℃左右可以选择镁基储氢材料，总之可以根据具体排气温度选择合适储氢材料)在系统使用前让储氢材料在一定温度下发生吸氢反应。当系统需要氢气时，系统排气温度通过换热使储氢反应器温度升高，放出氢气，用于SOFC装置7的尾气加氢。相比于传统高压储氢、低温液态储氢等方式，固态储氢氢源具有安全性高、便于移动、储氢密度大等优点。这样可以充分提高SOFC联合动力系统的效率和安全性。鉴于氢气的易燃易爆等高危险性特征，在储氢反应器压力传感器管路中设有压力测量分路和安全阀分路，除了实时在线测量反应器内氢压之外，还通过安全阀分路，与室外环境相连通，根据氢压高低，供紧急情况下泄压用。
SOFC联合动力系统选择均质压燃型内燃机(HCCI)，其主要原因由SOFC尾气所决定。SOFC阳极尾气属于稀薄燃料，一般内燃机的点火方式难以利用SOFC阳极尾气，故采用HCCI型内燃机。将SOFC阳极尾气进行加氢处理，使其含氢量提高，能够作为内燃机的燃料进一步燃烧发电。HCCI内燃机也应该根据SOFC阳极尾气的成分进行选择。
该系统共包括六中物质和能量流量，包括燃气流量、水流量、蒸汽流量、热流量、电流量和氢气流量；下面根据能量流动方式，阐述本系统的工作原理：
(1)燃气流量，天然气源1释放出天然气，天然气和水蒸气在气体混合器5中进行混合通入预重整器6进行预重整反应，预重整反应器6同时被HCCI内燃机9排出的尾气加热，以提供预重整反应需要的热量；反应后形成的预重整气体经过第二热交换器14，在第二热交换器14内被SOFC装置7排出的阳极尾气加热后，进入SOFC装置7；新鲜空气经过压缩机8成为压缩空气，压缩空气在第三热交换器15内被SOFC装置7的阴极尾气加热后进行SOFC的阴极输入端；预重整气体和被加热的压缩空气在SOFC装置7内发生电化学反应产生电能。
另一方面，从SOFC装置7的阳极尾气输出端输出的阳极尾气在第二热交换器14内加热预重整气体后，进入混合装置17；从SOFC装置的阴极尾气输出端输出的阴极尾气在第三热交换器15内加热压缩空气后，进入混合装置17；从储氢反应器13输出的氢气输入至混合装置17；因此阳极尾气、阴极尾气和氢气在混合装置17内混合后输出至HCCI内燃机9，SOFC阳极尾气属于稀薄燃料，一般内燃机的点火方式难以利用SOFC装置阳极尾气，故采用HCCI型内燃机；将SOFC装置7阳极尾气进行加氢处理，使其含氢量提高，能够作为内燃机的燃料在HCCI内燃机9内发电。HCCI内燃机9排出的尾气经过第四热交换器16，在第四热交换器16内分流部分热量流向预重整反应器6，为预重整反应提供热量，其余的尾气流向第一热交换器4，在第一热交换器4内加热水后，流入尾气收集装置10。
(2)水流量，该系统中水箱2中储存的水在水泵3的作用下进入第一热交换器4，在第一热交换器4内形成水蒸气。
(3)蒸汽流量，该系统中水在第一热交换器4内被HCCI内燃机9排出的尾气加热后形成水蒸气，水蒸气直接输入至气体混合器5，在气体混合器5内和天然气混合输入至预重整反应器6内。
(4)热流量，尾气收集装置10内收集的为HCCI内燃机9排出的尾气，尾气从尾气收集装置10内流向用于加热储氢反应器13；HCCI内燃机9排出的另一部分尾气从第四热交换器16流向预重整反应器6，在预重整反应器6内加热预重整气体。
(5)电流量，从SOFC装置7输出的电能经过DC/AC转换器11后流向用电设备12；HCCI内燃机发出的电能同样用于输出至用电设备12。
(6)氢气流量，从储氢反应器13释放的氢气与SOFC装置7的尾气混合，用于改善SOFC尾气燃气质量。
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、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种固体氧化物燃料电池和内燃机联合动力系统，其特征在于，包括：天然气源(1)、天然气源(1)连通至预重整反应器(6)，预重整反应器(6)连通至SOFC装置(7)的阳极输入端；天然气源(1)和预重整反应器(6)之间设置有气体混合器(5)，气体混合器(5)内同时输入有水蒸气；SOFC装置(7)的阴极输入端输入有压缩空气，SOFC装置(7)输出的阳极尾气和阴极尾气共同输入至HCCI内燃机(9)；SOFC装置(7)的电能输出端和HCCI内燃机(9)的电能输出端均连通至用电设备(12)。
2.根据权利要求1所述的一种固体氧化物燃料电池和内燃机联合动力系统，其特征在于，SOFC装置(7)和HCCI内燃机(9)之间设置有混合装置(17)，SOFC装置(7)输出的阳极尾气和阴极尾气在混合装置(17)内混合，混合装置(17)内同时输入有氢气，氢气由储氢反应器(13)提供。
3.根据权利要求2所述的一种固体氧化物燃料电池和内燃机联合动力系统，其特征在于，储氢反应器(13)为固态储氢反应器。
4.根据权利要求2所述的一种固体氧化物燃料电池和内燃机联合动力系统，其特征在于，预重整反应器(6)和SOFC装置(7)之间设置有第二热交换器(14)；第二热交换器(14)的输入端一和预重整反应器(6)的输出端连通，第二热交换器(14)的输入端二和SOFC装置(7)的阳极尾气输出端连通；第二热交换器(14)的输出端一和SOFC装置(7)的阳极输入端连通，第二热交换器(14)的输出端二和混合装置(17)连通。
5.根据权利要求2所述的一种固体氧化物燃料电池和内燃机联合动力系统，其特征在于，SOFC装置(7)的阴极输入端连通至压缩机(8)，SOFC装置(7)的阴极输入端和压缩机(8)之间设置有第三热交换器(15)；第三热交换器(15)的输入端一和压缩机(8)的出口连通，第三热交换器(15)输入端二和SOFC装置(7)的阴极尾气输出端连通，第三热交换器(15)输出端一连通至SOFC装置(7)的阴极输入端，第三热交换器(15)输出端二连通至混合装置(17)。
6.根据权利要求1-5任意一项所述的固体氧化物燃料电池和内燃机联合动力系统，其特征在于，HCCI内燃机(9)的尾气输出端连通至尾气收集装置(10)，HCCI内燃机(9)和尾气收集装置(10)之间设置有第一热交换器(4)；第一热交换器(4)的输入端一和HCCI内燃机(9)的尾气输出端连通，第一热交换器(4)的输入端二为水输入端；第一热交换器(4)的输出端一和气体混合器(5)连通，第一热交换器(4)的输出端二和尾气收集装置(10)连通。
7.根据权利要求6所述的一种固体氧化物燃料电池和内燃机联合动力系统，其特征在于，第一热交换器(4)的输入端二连通至水箱(2)，水箱(2)和第一热交换器(4)之间设置有水泵(3)。
8.根据权利要求6所述的一种固体氧化物燃料电池和内燃机联合动力系统，其特征在于，第一热交换器(4)和HCCI内燃机(9)之间设置有第四热交换器(16)，第四热交换器(16)设置有分支和预重整反应器(6)连通。
9.根据权利要求1所述的一种固体氧化物燃料电池和内燃机联合动力系统，其特征在于，SOFC装置(7)的电能输出端和用电设备(12)之间设置有DC/AC转换器(11)。
10.一种权利要求1所述的固体氧化物燃料电池和内燃机联合动力系统的运行方法，其特征在于：水蒸气和由天然气源(1)输出的天然气在气体混合器(5)混合后，形成混合气体，混合气体输出至预重整反应器(6)，混合气体在预重整反应器(6)内反应生成预重整气体，预重整气体进入SOFC装置(7)；预重整气体在SOFC装置(7)内和压缩空气发生电化学反应后，形成SOFC装置(7)的阳极尾气和阴极尾气，阳极尾气和阴极尾气共同输入至HCCI内燃机(9)，HCCI内燃机(9)内利用SOFC装置(7)的阳极尾气和阴极发电，将电能输出至用电设备(12)；同时，SOFC装置(7)因电化学反应产生的电能也输入至用电设备(12)。
CN201910318202.3A 2019-04-19 2019-04-19 一种固体氧化物燃料电池和内燃机联合动力系统及其运行方法 Active CN110077221B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201910318202.3A CN110077221B (zh) 2019-04-19 2019-04-19 一种固体氧化物燃料电池和内燃机联合动力系统及其运行方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201910318202.3A CN110077221B (zh) 2019-04-19 2019-04-19 一种固体氧化物燃料电池和内燃机联合动力系统及其运行方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN110077221A true CN110077221A (zh) 2019-08-02
CN110077221B CN110077221B (zh) 2021-05-28

Family

ID=67415727

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201910318202.3A Active CN110077221B (zh) 2019-04-19 2019-04-19 一种固体氧化物燃料电池和内燃机联合动力系统及其运行方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN110077221B (zh)

Cited By (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111933977A (zh) * 2020-05-11 2020-11-13 哈尔滨工业大学 一种燃料电池-涡轮增压内燃机混合发电系统
CN112125368A (zh) * 2020-08-26 2020-12-25 哈尔滨工业大学 一种船舶燃料电池内燃机余热海水淡化系统
CN112290055A (zh) * 2020-10-28 2021-01-29 中国科学技术大学 一种燃料电池系统的自加湿阳极燃料循环系统及方法
CN113036178A (zh) * 2021-03-03 2021-06-25 江苏大学 一种发动机和固体氧化物燃料电池联合动力系统
CN113948736A (zh) * 2021-08-26 2022-01-18 上海空间电源研究所 一种液体燃料电池与内燃机混合能源系统及工作方法
CN114122460A (zh) * 2021-11-25 2022-03-01 广东电网有限责任公司广州供电局 一种sofc能源系统
CN114586205A (zh) * 2019-10-24 2022-06-03 美科电力有限公司 混合发电系统
CN115036529A (zh) * 2022-07-26 2022-09-09 重庆科技学院 一种固态氧化物燃料电池热能利用与管理系统及工作方法

Citations (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2007113507A1 (en) * 2006-03-31 2007-10-11 The University Of Sussex Power supply system
CN101249940A (zh) * 2008-03-27 2008-08-27 华南理工大学 一种氢气的制备方法
CN101251228A (zh) * 2008-03-21 2008-08-27 济南三和绿能科技有限公司 一种固体储氢输送装置
US20090155648A1 (en) * 2007-12-13 2009-06-18 Hyundai Motor Company Hydrogen storage system for fuel cell vehicle
JP2011171217A (ja) * 2010-02-22 2011-09-01 Mazda Motor Corp 燃料電池システム
US20120285162A1 (en) * 2011-05-11 2012-11-15 Korea Institute Of Machinery & Materials Fuel cell-engine hybrid system
WO2014056660A1 (de) * 2012-10-12 2014-04-17 Robert Bosch Gmbh Brennstoffzellensystem auf der basis von festoxid-brennstoffzellen
CN106948941A (zh) * 2017-05-09 2017-07-14 哈尔滨工业大学 一种飞机用碳氢燃料内重整燃料电池燃气轮机联合发电系统
US20180191006A1 (en) * 2015-06-29 2018-07-05 Kyungdong Navien Co., Ltd. Solid oxide fuel cell system with improved thermal efficiency, and solid oxide fuel cell system heated by high-temperature gas
CN108426169A (zh) * 2018-03-08 2018-08-21 西安交通大学 一种基于热量自平衡型固态氢源反应器的氢动力系统
CN109252959A (zh) * 2018-09-27 2019-01-22 武汉理工大学 船用固体氧化物燃料电池与注蒸汽燃气轮机联合发电系统及方法
CN109326805A (zh) * 2018-09-04 2019-02-12 新地能源工程技术有限公司 一种固体氧化物燃料电池发电系统及工艺

Patent Citations (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2007113507A1 (en) * 2006-03-31 2007-10-11 The University Of Sussex Power supply system
US20090155648A1 (en) * 2007-12-13 2009-06-18 Hyundai Motor Company Hydrogen storage system for fuel cell vehicle
CN101251228A (zh) * 2008-03-21 2008-08-27 济南三和绿能科技有限公司 一种固体储氢输送装置
CN101249940A (zh) * 2008-03-27 2008-08-27 华南理工大学 一种氢气的制备方法
JP2011171217A (ja) * 2010-02-22 2011-09-01 Mazda Motor Corp 燃料電池システム
US20120285162A1 (en) * 2011-05-11 2012-11-15 Korea Institute Of Machinery & Materials Fuel cell-engine hybrid system
WO2014056660A1 (de) * 2012-10-12 2014-04-17 Robert Bosch Gmbh Brennstoffzellensystem auf der basis von festoxid-brennstoffzellen
US20180191006A1 (en) * 2015-06-29 2018-07-05 Kyungdong Navien Co., Ltd. Solid oxide fuel cell system with improved thermal efficiency, and solid oxide fuel cell system heated by high-temperature gas
CN106948941A (zh) * 2017-05-09 2017-07-14 哈尔滨工业大学 一种飞机用碳氢燃料内重整燃料电池燃气轮机联合发电系统
CN108426169A (zh) * 2018-03-08 2018-08-21 西安交通大学 一种基于热量自平衡型固态氢源反应器的氢动力系统
CN109326805A (zh) * 2018-09-04 2019-02-12 新地能源工程技术有限公司 一种固体氧化物燃料电池发电系统及工艺
CN109252959A (zh) * 2018-09-27 2019-01-22 武汉理工大学 船用固体氧化物燃料电池与注蒸汽燃气轮机联合发电系统及方法

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
窦筱欣: "《固体氧化物燃料电池/燃气轮机混合模式的统计综述》", 《燃气轮机技术》 *

Cited By (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114586205A (zh) * 2019-10-24 2022-06-03 美科电力有限公司 混合发电系统
CN114586205B (zh) * 2019-10-24 2024-03-15 美科电力有限公司 混合发电系统
CN111933977A (zh) * 2020-05-11 2020-11-13 哈尔滨工业大学 一种燃料电池-涡轮增压内燃机混合发电系统
CN112125368A (zh) * 2020-08-26 2020-12-25 哈尔滨工业大学 一种船舶燃料电池内燃机余热海水淡化系统
CN112125368B (zh) * 2020-08-26 2024-01-12 哈尔滨工业大学 一种船舶燃料电池内燃机余热海水淡化系统
CN112290055A (zh) * 2020-10-28 2021-01-29 中国科学技术大学 一种燃料电池系统的自加湿阳极燃料循环系统及方法
CN112290055B (zh) * 2020-10-28 2021-12-10 中国科学技术大学 一种燃料电池系统的自加湿阳极燃料循环系统及方法
CN113036178A (zh) * 2021-03-03 2021-06-25 江苏大学 一种发动机和固体氧化物燃料电池联合动力系统
CN113948736A (zh) * 2021-08-26 2022-01-18 上海空间电源研究所 一种液体燃料电池与内燃机混合能源系统及工作方法
CN114122460A (zh) * 2021-11-25 2022-03-01 广东电网有限责任公司广州供电局 一种sofc能源系统
CN115036529A (zh) * 2022-07-26 2022-09-09 重庆科技学院 一种固态氧化物燃料电池热能利用与管理系统及工作方法
CN115036529B (zh) * 2022-07-26 2023-11-10 重庆科技学院 一种固态氧化物燃料电池热能利用与管理系统及工作方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN110077221B (zh) 2021-05-28

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN110077221A (zh) 一种固体氧化物燃料电池和内燃机联合动力系统及其运行方法
CN113540541B (zh) 采用氨水作为燃料的sofc及其级联发电系统和操作方法
CN106817067A (zh) 一种基于燃料电池的多能互补热电联产系统和工作方法
US9991536B2 (en) Self-supplied hydrogen fuel cell system and working method thereof
CN109707992B (zh) 一种多功能充电加氢站
CN102544549A (zh) 一种基于燃料电池的热电联供系统
CN214411264U (zh) 一种基于光伏制氢的燃料电池热电联产智能系统
CN112993347A (zh) 一种基于固态氧化物电池的能源装置及发电系统
CN107146900A (zh) 一种基于能源互联网的沼气燃料电池系统及其运行策略
CN109585879A (zh) 一种lohc储氢和高温燃料电池的集成系统
CN106058287A (zh) 一种带天然气重整制氢的sofc独立发电系统
Pan et al. Application of hydrogen energy and review of current conditions
Ding et al. Effect of operating parameters on performance and safety evaluation of a biogas-fueled SOFC/GT hybrid system
CN106086923A (zh) 一种耦合co2资源化利用的制氢储能装置
CN115395047A (zh) 共用系统部件甲烷-电-氢可逆固体氧化物燃料电池系统
CN114725428A (zh) 一种以氨气为载体的零碳排放固体氧化物燃料电池与可再生能源联合发电系统
CN208062172U (zh) 一种移动式甲醇sofc发电系统
CN207227003U (zh) 一种利用lng接收站蒸发气实现站内气冷热电联供的装置
CN209655011U (zh) 一种多功能充电加氢站
CN110410289B (zh) 利用太阳能供热和高温热化学储热的sofc-gt联合发电系统
CN114718771B (zh) 氨燃料混合动力发动机的余热处理系统及船舶
CN110701827A (zh) 一种紧凑型百kW-MW级SOFC冷热电系统及其运行方法
CN110093618A (zh) 基于分布式光热电解水制氢装置及氢燃料电池系统以及工作方法
CN115441013A (zh) 一种基于有机液体储氢的综合储供能系统及运行方法
CN106523157A (zh) 一种车用燃料电池复合动力发电系统

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant