CN114725468A - 一种可扩展的固体氧化物燃料电池分布式电站 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种可扩展的固体氧化物燃料电池分布式电站，其特征在于，包括多个发电模块，发电模块内设置的装置进行发电操作，通过储能器进行存储电能，升压器对于电能进行升压，进行使用。这种可扩展的固体氧化物燃料电池分布式电站，在使用的时候可以方便进行扩展，同时便于维修，运行可靠，能量管理策略简单有效，电站运行效率高，发电系统独立，占地面积小，不受外界影响；可以使用与内燃机相同的烃燃料可以提供有用的热能，比现有的发电系统的效率高同时排放低，污染小，环境友好；采用管道天然气作为发电燃料，燃料易于获得。

Description

一种可扩展的固体氧化物燃料电池分布式电站
技术领域
本发明涉及固体氧化物燃料电池分布式发电技术领域，具体是指一种可扩展的固体氧化物燃料电池分布式电站。
背景技术
燃料电池是一种电化学电池，它通过氧化还原反应将燃料(通常是氢气)和氧化剂，通常是氧气的化学能转换为电能。与大多数电池所不同的是，燃料电池需要连续的燃料和氧气源(通常来自空气)来维持化学反应，而在电池中，化学能通常来自已经存在于电池中的金属及其离子或氧化物(液流电池除外)。只要有燃料和氧气供应，燃料电池就能连续发电。
燃料电池有很多种类型，但是它们都由阳极、阴极和电解质组成。电解质允许离子(通常是带正电的氢离子(质子))，在燃料电池的两侧之间移动。在阳极，催化剂使燃料发生氧化反应，产生离子(通常是带正电的氢离子)和电子。离子通过电解质从阳极移动到阴极。同时，电子通过外部电路从阳极流向阴极，产生直流电。在阴极，另一种催化剂引起离子、电子和氧气反应，形成水和其他的可能产物。燃料电池根据它们使用的电解质类型和启动时间的差异进行分类，启动时间从质子交换膜燃料电池(质子交换膜燃料电池，或PEMFC)的1秒到固体氧化物燃料电池(SOFC)的10分钟不等。作为相关技术，液流电池中的燃料可以通过充电再生。单个燃料电池产生相对较小的电势，约为0.7伏，因此电池被“堆叠”或串联放置，以产生足够的电压来满足应用的要求。[4]除了电以外，燃料电池还会产生水、热，根据燃料来源，燃料电池还会产生极少量的二氧化氮和其他排放物。燃料电池的能量效率通常在40-60％之间；然而，如果废热在热电联产方案中被捕获，可以获得高达85％的效率。
燃料电池可以将化学能直接转化为电能，是一种先进的能量转换技术，它具有高效率、低排放、噪音小等显著优点。根据电解质材料类型的不同，燃料电池有很多种。其中，固体氧化物燃料电池(SOFC)是一种新兴的能源系统，被称为第三代燃料电池，其采用陶瓷电解质，具有燃料适用范围广、余热利用高，成本低等独特的优势，其中固体电解质作为SOFC的关键部件，起着非常重要的作用。
固体氧化物燃料电池是一种可直接将储存在燃料和氧化剂中的化学能高效、环境友好地转化为电能的能量转化装置。因其整个发电过程为电化学反应，无需经过燃料燃烧，因此无卡诺循环的限制，理论上转化效率可以达到85％-90％以上。与其他燃料电池相比，SOFC还具有功率密度高、燃料适应性强、全固态结构、设备简单等优点，被普遍认为是在未来会与质子交换膜燃料电池一样得到广泛普及应用的一种燃料电池。
发明内容
以解决上述背景技术中提出的问题，本发明的目的在于提供一种可扩展的固体氧化物燃料电池分布式电站，分布式电站容量需满足负载功率，固体氧化物燃料电池单堆发电功率受限，现有电堆模块进行容量扩充，开发满足负载功率的热电联供电站。
为解决上述技术问题，本发明提供的技术方案为：一种可扩展的固体氧化物燃料电池分布式电站，其特征在于，包括多个发电模块，发电模块内设置的装置进行发电操作，通过储能器进行存储电能，升压器对于电能进行升压，进行使用。
作为改进，所述发电模块内通过天然气输送，以天然气为燃料进入到常压运行的发电系统内，空气经过压缩器压缩，克服系统阻力后进入换热器预热，然后通入电池的阴极；
天然气经过压缩机压缩后，经过脱硫等处理，克服系统阻力进入改质器，与过热蒸汽混合，混合后的燃料气体进入燃料电池阳极，阴阳极气体在电池内发生电化学反应，电池发出电能的同时产生热能，电化学反应产生的热量将未反应完全的阴阳极气体加热；
阳极未反应完全的气体和阴极剩余氧化剂通入燃烧器进行燃烧，燃烧产生的高温气体除了用来预热燃料和空气之外，也提供蒸汽发生器所需的热量；
经过蒸汽发生器后的燃烧产物，其热能仍有利用价值，可以通过余热回收蒸提供热水或用来供暖而进一步加以利用。
作为改进，所述余热回收装置在对于废气内的热量回收完之后，通过管道把产生的废气排放出去。
作为改进，所述天然气与空气之间重量比为1:5。
作为改进，所述换热器内的反应温度在500-900之间。
本发明的有益效果是：这种可扩展的固体氧化物燃料电池分布式电站，在使用的时候可以方便进行扩展，同时便于维修，运行可靠，能量管理策略简单有效，电站运行效率高，发电系统独立它的占地面积小，不受外界影响；可以使用与内燃机相同的烃燃料可以提供有用的热能，比现有的发电系统的效率高同时排放低，污染小，环境友好；采用管道天然气作为发电燃料，燃料易于获得；燃料进行前级重整，提高了燃料的利用率和电池堆的寿命；系统产生的热能被梯次利用，能源利用率很高；启动时间短；系统结构简单，成本相对较低，适合固体氧化物燃料电池分布式热电联产系统上应用。
附图说明
图1为一种可扩展的固体氧化物燃料电池分布式电站结构框图；
图2为一种可扩展的固体氧化物燃料电池分布式电站发电系统结构图。
具体实施方式
下面用具体实施例说明本发明，并不是对本发明的限制。
实施例一
一种可扩展的固体氧化物燃料电池分布式电站，发电模块内通过天然气输送，以天然气为燃料进入到常压运行的发电系统内，空气经过压缩器压缩，克服系统阻力后进入换热器预热，天然气与空气之间重量比为1:5，然后通入电池的阴极；天然气经过压缩机压缩后，经过脱硫等处理，克服系统阻力进入改质器，与过热蒸汽混合，换热器内的反应温度在500-900之间，混合后的燃料气体进入燃料电池阳极，阴阳极气体在电池内发生电化学反应，电池发出电能的同时产生热能，电化学反应产生的热量将未反应完全的阴阳极气体加热。
固体氧化物燃料电池的工作原理与其他燃料电池相同，在原理上相当于水电解的“逆”装置。其单电池主要由阴极、阳极和致密电解质构成。阳极为燃料发生氧化的场所，阴极为氧化剂还原的场所，两极都含有加速电极电化学反应的催化剂。工作时相当于一直流电源，其阳极即电源负极，阴极为电源正极，在阴极(空气电极)上，氧分子得到电子，被还原成氧离子，氧离子在电池两侧氧浓度差驱动力的作用下，通过电解质中的氧空位迁移到阳极(燃料电极)上与燃料进行氧化反应，阳极反应放出的电子通过外电路回到阴极并对外做功。
生成的产物从阳极排出固体氧化物燃料电池的阳极一侧持续通入燃料气，例如：氢气、甲烷、城市煤气等，具有催化作用的阳极表面吸附燃料气体，并通过阳极的多孔结构扩散到阳极与电解质的界面。在阴极一侧持续通入氧气或空气，具有多孔结构的阴极表面吸附氧，由于阴极本身的催化作用，使得O2得到电子变为O2-。通常以固体氧化物作为电解质，在较高温度下才具有传递氧离子的能力，在化学势的作用下，O2-进入起电解质作用的固体氧离子导体，由于浓度梯度引起扩散，最终到达固体电解质与阳极的界面，与燃料气体发生反应，失去的电子通过外电路回到阴极。
阳极未反应完全的气体和阴极剩余氧化剂通入燃烧器进行燃烧，燃烧产生的高温气体除了用来预热燃料和空气之外，也提供蒸汽发生器所需的热量；经过蒸汽发生器后的燃烧产物，其热能仍有利用价值，可以通过余热回收蒸提供热水或用来供暖而进一步加以利用，余热回收装置在对于废气内的热量回收完之后，通过管道把产生的废气排放出去。
多个发电模块，发电模块内设置的装置进行发电操作，通过储能器进行存储电能，升压器对于电能进行升压，进行使用。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种可扩展的固体氧化物燃料电池分布式电站，其特征在于，包括多个发电模块，发电模块内设置的装置进行发电操作，通过储能器进行存储电能，升压器对于电能进行升压，进行使用。
2.根据权利要求1所述的一种可扩展的固体氧化物燃料电池分布式电站，其特征在于，所述发电模块内通过天然气输送，以天然气为燃料进入到常压运行的发电系统内，空气经过压缩器压缩，克服系统阻力后进入换热器预热，然后通入电池的阴极；
天然气经过压缩机压缩后，经过脱硫等处理，克服系统阻力进入改质器，与过热蒸汽混合，混合后的燃料气体进入燃料电池阳极，阴阳极气体在电池内发生电化学反应，电池发出电能的同时产生热能，电化学反应产生的热量将未反应完全的阴阳极气体加热；
阳极未反应完全的气体和阴极剩余氧化剂通入燃烧器进行燃烧，燃烧产生的高温气体除了用来预热燃料和空气之外，也提供蒸汽发生器所需的热量；
经过蒸汽发生器后的燃烧产物，其热能仍有利用价值，可以通过余热回收蒸提供热水或用来供暖而进一步加以利用。
3.根据权利要求2所述的一种可扩展的固体氧化物燃料电池分布式电站，其特征在于，所述余热回收装置在对于废气内的热量回收完之后，通过管道把产生的废气排放出去。
4.根据权利要求2所述的一种可扩展的固体氧化物燃料电池分布式电站，其特征在于，所述天然气与空气之间重量比为1:5。
5.根据权利要求2所述的一种可扩展的固体氧化物燃料电池分布式电站，其特征在于，所述换热器内的反应温度在500-900之间。
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