CN110098418B - 一种多燃料自适应的燃料电池集成系统与集成方法 - Google Patents

一种多燃料自适应的燃料电池集成系统与集成方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种多燃料自适应的燃料电池集成系统与集成方法，主要应用于商业中心、医院、机场和数据中心等分布式供能场所，以及生物质资源丰富的地区作为分布式能源的场所。本发明中的所述天然气输入模块、沼气输入模块和氢气输入模块均与燃料自动识别燃烧器模块连接，所述燃料自动识别燃烧器模块与燃料切换装置连接，所述燃料切换装置与重整器连接，所述空气输入模块与阴极预热器连接，所述燃料切换装置、重整器和阴极预热器均与电池堆连接，所述电池堆与并网模块连接，所述天然气输入模块、沼气输入模块、氢气输入模块、燃料自动识别燃烧器模块、燃料切换装置、重整器、电池堆、空气输入模块、阴极预热器和并网模块均与燃料电池控制模块连接。

Description

一种多燃料自适应的燃料电池集成系统与集成方法
技术领域
本发明涉及一种多燃料自适应的燃料电池集成系统与集成方法，主要应用于商业中心、医院、机场和数据中心等分布式供能场所，以及生物质资源丰富的地区作为分布式能源的场所。
背景技术
燃气分布式能源是指利用天然气为主要燃料，通过冷、热、电三联供等方式实现能源的梯级利用，综合能源利用效率在70%以上，并在负荷中心就近实现能源供应的现代能源供应方式，是天然气高效利用的重要方式。而固体氧化物燃料电池（简称SOFC），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、环境友好地转化成电能的全固态化学发电装置。
有鉴于此，在申请号为201711464985.3的专利文献中公开了一种自适应燃料电池系统及控制方法。
在所有的燃料电池中，SOFC的工作温度最高，属于高温燃料电池。由于SOFC发电的排气有很高的温度，具有较高的利用价值，可以提供天然气重整所需热量，也可以用来生产蒸汽，更可以和燃气轮机组成联合循环，非常适用于分布式发电。
燃料电池和燃气轮机、蒸汽轮机等组成的联合发电系统不但具有较高的发电效率，同时也具有低污染的环境效益。但是常规的燃料电池采用一种燃料输入设计，比如天然气、沼气、氢气等，无法实现燃料的自动识别与自动控制。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中存在的上述不足，而提供一种结构设计合理，可以根据外部不同燃料自动识别，并根据相应的燃料进行自动控制运行的多燃料自适应的燃料电池集成系统与集成方法。
本发明解决上述问题所采用的技术方案是：该多燃料自适应的燃料电池集成系统，包括燃料输入模块，其结构特点在于：还包括燃料自动识别燃烧器模块、燃料切换装置、重整器、电池堆、空气输入模块、阴极预热器、燃料电池控制模块和并网模块，所述燃料输入模块包括天然气输入模块、沼气输入模块和氢气输入模块；所述天然气输入模块、沼气输入模块和氢气输入模块均与燃料自动识别燃烧器模块连接，所述燃料自动识别燃烧器模块与燃料切换装置连接，所述燃料切换装置与重整器连接，所述空气输入模块与阴极预热器连接，所述燃料切换装置、重整器和阴极预热器均与电池堆连接，所述电池堆与并网模块连接，所述天然气输入模块、沼气输入模块、氢气输入模块、燃料自动识别燃烧器模块、燃料切换装置、重整器、电池堆、空气输入模块、阴极预热器和并网模块均与燃料电池控制模块连接。通过燃料电池控制模块、燃料切换装置和燃料自动识别燃烧器模块，对电池堆和重整器进行加热，实现了对燃料燃烧烟气的高效利用，并为燃料电池启动提供了必备条件。该系统可以适应天然气、沼气、氢气不同燃料，为用户提供更可靠、更环保、更安静的分布式能源。
进一步地，所述天然气输入模块、沼气输入模块和氢气输入模块均与燃料自动识别燃烧器模块通过管道连接，所述燃料自动识别燃烧器模块与燃料切换装置通过管道连接，所述燃料切换装置与重整器通过管道连接，所述空气输入模块与阴极预热器通过管道连接，所述燃料切换装置、重整器和阴极预热器均与电池堆通过管道连接，所述电池堆与并网模块通过电缆连接。
进一步地，所述天然气输入模块、沼气输入模块、氢气输入模块、燃料自动识别燃烧器模块、燃料切换装置、重整器、电池堆、空气输入模块、阴极预热器和并网模块均与燃料电池控制模块通过通信电缆连接。
进一步地，本发明的另一个技术目的在于提供一种多燃料自适应的燃料电池集成系统的集成方法。
本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的。
一种多燃料自适应的燃料电池集成系统的集成方法，其特点在于：所述集成方法如下：
不同燃料输入至燃料自动识别燃烧器模块，自动识别燃料种类后进行燃烧，燃烧产生的热源通过燃料切换装置先对重整器和电池堆加热，待重整器和电池堆温度达到定值后自动切换输入至重整器，重整后燃料输入电池堆，作为电池堆阳极反应原料，空气经过空气输入模块和阴极预热器输入至电池堆，作为电池堆阴极反应原料，电池堆产生的直流电经过并网模块进行发电，天然气输入模块、沼气输入模块、氢气输入模块、燃料自动识别燃烧器模块、燃料切换装置、重整器、电池堆、空气输入模块、阴极预热器和并网模块均与燃料电池控制模块通过通信电缆连接，燃料电池控制模块对所有设备进行集中控制和调节。
进一步地，多种燃料输入管理；具有天然气输入模块、沼气输入模块、氢气输入模块，实现多种燃料的输入。包含天然气输入模块、沼气输入模块、氢气输入模块、燃料自动识别燃烧器模块、燃料切换装置、重整器、电池堆、空气输入模块、阴极预热器、燃料电池控制模块和并网模块。
进一步地，多种燃料自动启动燃烧；通过燃料自动识别燃烧器模块对天然气燃料、沼气燃料、氢气燃料进行自动启动燃烧。多燃料输入功能，支持天然气燃料、沼气燃料、氢气燃料输入，并可以自动识别燃料种类，并进行自动切换。
进一步地，燃料电池冷启动自动加热；燃料自动识别燃烧器模块加热后对电池堆和重整器进行自动加热，实现了燃料电池冷机状态下的自动热启动。燃料自动预热功能，不同燃料输入后，通过燃料自动识别燃烧器模块加热后对电池堆和重整器进行自动加热，实现了燃料电池冷机状态下的自动热启动功能。
进一步地，燃料燃烧余热高效利用，通过燃料电池控制模块、燃料切换装置和燃料自动识别燃烧器模块，对电池堆和重整器进行加热，实现了对燃料燃烧烟气的高效利用。燃料电池全自动启动和并网，燃料电池控制模块与天然气输入模块、沼气输入模块、氢气输入模块、燃料自动识别燃烧器模块、燃料切换装置、重整器、电池堆、空气输入模块、阴极预热器、并网模块实现通信与控制，可以实现燃料电池全自动启动和并网。
进一步地，燃料电池全过程启动和控制；通过燃料电池控制模块对天然气输入模块、沼气输入模块、氢气输入模块、燃料自动识别燃烧器模块、燃料切换装置、重整器、电池堆、空气输入模块、阴极预热器、并网模块的实时数据采集和控制，根据电池堆和重整器温度设定值实时控制天然气输入模块、沼气输入模块、氢气输入模块、燃料自动识别燃烧器模块和燃料切换装置，并根据设定的并网输出功率实时调节空气输入模块，通过控制并网模块实现燃料电池的并网运行。燃料燃烧余热高效利用，通过燃料电池控制模块、燃料切换装置和燃料自动识别燃烧器模块，对电池堆和重整器进行加热，实现了对燃料燃烧烟气的高效利用，并为燃料电池启动提供了必备条件。
相比现有技术，本发明具有以下优点：（1）燃料电池模块化管理。（2）多燃料输入功能，支持天然气燃料、沼气燃料、氢气燃料输入，并进行自动切换。（3）燃料自动预热功能，通过燃料自动识别燃烧器模块加热后对电池堆和重整器进行自动加热，实现了燃料电池冷机状态下的自动热启动功能。（4）燃料电池全自动启动和并网。（5）燃料燃烧余热高效利用。
附图说明
图1是本发明实施例的多燃料自适应的燃料电池集成系统的连接关系示意图。
图中：天然气输入模块1、沼气输入模块2、氢气输入模块3、燃料自动识别燃烧器模块4、燃料切换装置5、重整器6、电池堆7、空气输入模块8、阴极预热器9、燃料电池控制模块10、并网模块11。
具体实施方式
下面结合附图并通过实施例对本发明作进一步的详细说明，以下实施例是对本发明的解释而本发明并不局限于以下实施例。
实施例
参见图1所示，须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容能涵盖的范围内。同时，本说明书中若用引用如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。
本实施例中的多燃料自适应的燃料电池集成系统，包括燃料输入模块、燃料自动识别燃烧器模块4、燃料切换装置5、重整器6、电池堆7、空气输入模块8、阴极预热器9、燃料电池控制模块10和并网模块11，燃料输入模块包括天然气输入模块1、沼气输入模块2和氢气输入模块3。
本实施例中的天然气输入模块1、沼气输入模块2和氢气输入模块3均与燃料自动识别燃烧器模块4连接，燃料自动识别燃烧器模块4与燃料切换装置5连接，燃料切换装置5与重整器6连接，空气输入模块8与阴极预热器9连接，燃料切换装置5、重整器6和阴极预热器9均与电池堆7连接，电池堆7与并网模块11连接，天然气输入模块1、沼气输入模块2、氢气输入模块3、燃料自动识别燃烧器模块4、燃料切换装置5、重整器6、电池堆7、空气输入模块8、阴极预热器9和并网模块11均与燃料电池控制模块10连接。
作为优选，天然气输入模块1、沼气输入模块2和氢气输入模块3均与燃料自动识别燃烧器模块4通过管道连接，燃料自动识别燃烧器模块4与燃料切换装置5通过管道连接，燃料切换装置5与重整器6通过管道连接，空气输入模块8与阴极预热器9通过管道连接，燃料切换装置5、重整器6和阴极预热器9均与电池堆7通过管道连接，电池堆7与并网模块11通过电缆连接。
作为优选，天然气输入模块1、沼气输入模块2、氢气输入模块3、燃料自动识别燃烧器模块4、燃料切换装置5、重整器6、电池堆7、空气输入模块8、阴极预热器9和并网模块11均与燃料电池控制模块10通过通信电缆连接。
本实施例中的多燃料自适应的燃料电池集成系统的集成方法，如下：
不同燃料输入至燃料自动识别燃烧器模块4，自动识别燃料种类后进行燃烧，燃烧产生的热源通过燃料切换装置5先对重整器6和电池堆7加热，待重整器6和电池堆7温度达到定值后自动切换输入至重整器6，重整后燃料输入电池堆7，作为电池堆7阳极反应原料，空气经过空气输入模块8和阴极预热器9输入至电池堆7，作为电池堆7阴极反应原料，电池堆7产生的直流电经过并网模块11进行发电，天然气输入模块1、沼气输入模块2、氢气输入模块3、燃料自动识别燃烧器模块4、燃料切换装置5、重整器6、电池堆7、空气输入模块8、阴极预热器9和并网模块11均与燃料电池控制模块10通过通信电缆连接，燃料电池控制模块10对所有设备进行集中控制和调节。
具体的说，多种燃料输入管理；具有天然气输入模块1、沼气输入模块2、氢气输入模块3，实现多种燃料的输入。包含天然气输入模块1、沼气输入模块2、氢气输入模块3、燃料自动识别燃烧器模块4、燃料切换装置5、重整器6、电池堆7、空气输入模块8、阴极预热器9、燃料电池控制模块10和并网模块11。
具体的说，多种燃料自动启动燃烧；通过燃料自动识别燃烧器模块4对天然气燃料、沼气燃料、氢气燃料进行自动启动燃烧。多燃料输入功能，支持天然气燃料、沼气燃料、氢气燃料输入，并可以自动识别燃料种类，并进行自动切换。
具体的说，燃料电池冷启动自动加热；燃料自动识别燃烧器模块4加热后对电池堆7和重整器6进行自动加热，实现了燃料电池冷机状态下的自动热启动。燃料自动预热功能，不同燃料输入后，通过燃料自动识别燃烧器模块4加热后对电池堆7和重整器6进行自动加热，实现了燃料电池冷机状态下的自动热启动功能。
具体的说，燃料燃烧余热高效利用，通过燃料电池控制模块10、燃料切换装置5和燃料自动识别燃烧器模块4，对电池堆7和重整器6进行加热，实现了对燃料燃烧烟气的高效利用。燃料电池全自动启动和并网，燃料电池控制模块10与天然气输入模块1、沼气输入模块2、氢气输入模块3、燃料自动识别燃烧器模块4、燃料切换装置5、重整器6、电池堆7、空气输入模块8、阴极预热器9、并网模块11实现通信与控制，可以实现燃料电池全自动启动和并网。
具体的说，燃料电池全过程启动和控制；通过燃料电池控制模块10对天然气输入模块1、沼气输入模块2、氢气输入模块3、燃料自动识别燃烧器模块4、燃料切换装置5、重整器6、电池堆7、空气输入模块8、阴极预热器9、并网模块11的实时数据采集和控制，根据电池堆7和重整器6温度设定值实时控制天然气输入模块1、沼气输入模块2、氢气输入模块3、燃料自动识别燃烧器模块4和燃料切换装置5，并根据设定的并网输出功率实时调节空气输入模块8，通过控制并网模块11实现燃料电池的并网运行。燃料燃烧余热高效利用，通过燃料电池控制模块10、燃料切换装置5和燃料自动识别燃烧器模块4，对电池堆7和重整器6进行加热，实现了对燃料燃烧烟气的高效利用，并为燃料电池启动提供了必备条件。
此外，需要说明的是，本说明书中所描述的具体实施例，其零、部件的形状、所取名称等可以不同，本说明书中所描述的以上内容仅仅是对本发明结构所作的举例说明。凡依据本发明专利构思所述的构造、特征及原理所做的等效变化或者简单变化，均包括于本发明专利的保护范围内。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离本发明的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种多燃料自适应的燃料电池集成系统，包括燃料输入模块，其特征在于：还包括燃料自动识别燃烧器模块（4）、燃料切换装置（5）、重整器（6）、电池堆（7）、空气输入模块（8）、阴极预热器（9）、燃料电池控制模块（10）和并网模块（11），所述燃料输入模块包括天然气输入模块（1）、沼气输入模块（2）和氢气输入模块（3）；所述天然气输入模块（1）、沼气输入模块（2）和氢气输入模块（3）均与燃料自动识别燃烧器模块（4）连接，所述燃料自动识别燃烧器模块（4）与燃料切换装置（5）连接，所述燃料切换装置（5）与重整器（6）连接，所述空气输入模块（8）与阴极预热器（9）连接，所述燃料切换装置（5）、重整器（6）和阴极预热器（9）均与电池堆（7）连接，所述电池堆（7）与并网模块（11）连接，所述天然气输入模块（1）、沼气输入模块（2）、氢气输入模块（3）、燃料自动识别燃烧器模块（4）、燃料切换装置（5）、重整器（6）、电池堆（7）、空气输入模块（8）、阴极预热器（9）和并网模块（11）均与燃料电池控制模块（10）连接。
2.根据权利要求1所述的多燃料自适应的燃料电池集成系统，其特征在于：所述天然气输入模块（1）、沼气输入模块（2）和氢气输入模块（3）均与燃料自动识别燃烧器模块（4）通过管道连接，所述燃料自动识别燃烧器模块（4）与燃料切换装置（5）通过管道连接，所述燃料切换装置（5）与重整器（6）通过管道连接，所述空气输入模块（8）与阴极预热器（9）通过管道连接，所述燃料切换装置（5）、重整器（6）和阴极预热器（9）均与电池堆（7）通过管道连接，所述电池堆（7）与并网模块（11）通过电缆连接。
3.根据权利要求1所述的多燃料自适应的燃料电池集成系统，其特征在于：所述天然气输入模块（1）、沼气输入模块（2）、氢气输入模块（3）、燃料自动识别燃烧器模块（4）、燃料切换装置（5）、重整器（6）、电池堆（7）、空气输入模块（8）、阴极预热器（9）和并网模块（11）均与燃料电池控制模块（10）通过通信电缆连接。
4.一种如权利要求1-3中任一所述的多燃料自适应的燃料电池集成系统的集成方法，其特征在于：所述集成方法如下：
不同燃料输入至燃料自动识别燃烧器模块（4），自动识别燃料种类后进行燃烧，燃烧产生的热源通过燃料切换装置（5）先对重整器（6）和电池堆（7）加热，待重整器（6）和电池堆（7）温度达到定值后自动切换输入至重整器（6），重整后燃料输入电池堆（7），作为电池堆（7）阳极反应原料，空气经过空气输入模块（8）和阴极预热器（9）输入至电池堆（7），作为电池堆（7）阴极反应原料，电池堆（7）产生的直流电经过并网模块（11）进行发电，天然气输入模块（1）、沼气输入模块（2）、氢气输入模块（3）、燃料自动识别燃烧器模块（4）、燃料切换装置（5）、重整器（6）、电池堆（7）、空气输入模块（8）、阴极预热器（9）和并网模块（11）均与燃料电池控制模块（10）通过通信电缆连接，燃料电池控制模块（10）对所有设备进行集中控制和调节。
5.根据权利要求4所述的多燃料自适应的燃料电池集成系统的集成方法，其特征在于：多种燃料输入管理；具有天然气输入模块（1）、沼气输入模块（2）、氢气输入模块（3），实现多种燃料的输入。
6.根据权利要求4所述的多燃料自适应的燃料电池集成系统的集成方法，其特征在于：多种燃料自动启动燃烧；通过燃料自动识别燃烧器模块（4）对天然气燃料、沼气燃料、氢气燃料进行自动启动燃烧。
7.根据权利要求4所述的多燃料自适应的燃料电池集成系统的集成方法，其特征在于：燃料电池冷启动自动加热；燃料自动识别燃烧器模块（4）加热后对电池堆（7）和重整器（6）进行自动加热，实现了燃料电池冷机状态下的自动热启动。
8.根据权利要求4所述的多燃料自适应的燃料电池集成系统的集成方法，其特征在于：燃料燃烧余热高效利用，通过燃料电池控制模块（10）、燃料切换装置（5）和燃料自动识别燃烧器模块（4），对电池堆（7）和重整器（6）进行加热，实现了对燃料燃烧烟气的高效利用。
9.根据权利要求4所述的多燃料自适应的燃料电池集成系统的集成方法，其特征在于：燃料电池全过程启动和控制；通过燃料电池控制模块（10）对天然气输入模块（1）、沼气输入模块（2）、氢气输入模块（3）、燃料自动识别燃烧器模块（4）、燃料切换装置（5）、重整器（6）、电池堆（7）、空气输入模块（8）、阴极预热器（9）、并网模块（11）的实时数据采集和控制，根据电池堆（7）和重整器（6）温度设定值实时控制天然气输入模块（1）、沼气输入模块（2）、氢气输入模块（3）、燃料自动识别燃烧器模块（4）和燃料切换装置（5），并根据设定的并网输出功率实时调节空气输入模块（8），通过控制并网模块（11）实现燃料电池的并网运行。
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