CN115411297A - 一种燃料电池发电系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种燃料电池发电系统，包括：固体氧化物燃料电池电堆：以热氢气和热空气为原料进行电化学发电、燃烧器：与固体氧化物燃料电池电堆相连接，将固体氧化物燃料电池电堆反应生成的尾气进行燃烧、第一换热器：分别与固体氧化物燃料电池电堆和燃烧器相连接、重整器：与第一换热器相连接，甲醇经过重整器分解生成氢气通入第一换热器中、第二换热器：分别与第一换热器和重整器相连接，利用第一换热器内加热氢气和空气后剩余的热量为重整器内的分解反应提供热量，与现有技术相比，本发明合理利用尾气产生的各级热能，提高尾气利用率，减小了输入端气压和背压，加快了系统整体启动速率，有效延长了电池使用寿命。

Description

一种燃料电池发电系统
技术领域
本发明涉及发电设备技术领域，具体而言，涉及一种燃料电池发电系统。
背景技术
固体氧化物燃料电池(SOFC)因不存在燃烧过程，极大地降低了燃料能量损失与大气污染物排放量，故有着传统发电装置所不具备的优势，在便携式发电装置、汽车辅助电源与分布式电站等领域有广泛的应用前景。
SOFC具有较高的能量转化效率，可以实现50％以上的电转化效率，余热品质非常高，可与燃气轮机或者蒸汽机等联用，使得燃料综合利用率达80％以上。在相同电负载下，远高于传统热机发电装置的电效率(小于等于30％)。SOFC的工作温度为650℃至850℃，可以避免CO对金属陶瓷电极(Ni-YSZ)的毒化，降低了SOFC对燃料质量的要求，因此具有较强的燃料适应性，能够以氢气、碳氢气体、柴油、煤油等作为燃料。尽管理论上SOFC可以直接使用碳氢化合物作为燃料进行发电，但是对于最常用的Ni-YSZ阳极，电极上发生的碳沉积与硫毒化将使其催化性能急剧下降，因此一般将碳氢燃料如甲烷(CH4)、甲醇等在外部重整为CO与H2，再通入SOFC电堆阳极侧进行发电，但上述结构仍存在尾气利用率低，工艺复杂，背压大等缺点。
发明内容
本发明的目的是提供一种燃料电池发电系统，合理利用尾气产生的各级热能，提高尾气利用率，减小了输入端气压和背压，加快了系统整体启动速率，有效延长了电池使用寿命。
为达到上述目的，本发明提供一种燃料电池发电系统，包括，
固体氧化物燃料电池电堆：以热氢气和热空气为原料进行电化学发电；
燃烧器：与固体氧化物燃料电池电堆相连接，将固体氧化物燃料电池电堆反应生成的尾气进行燃烧；
第一换热器：分别与固体氧化物燃料电池电堆和燃烧器相连接，利用燃烧器燃烧尾气生成的热气流对进入第一换热器的氢气和空气进行加热，并将加热后的热氢气和热空气传送到固体氧化物燃料电池电堆；
重整器：与第一换热器相连接，甲醇经过重整器分解生成氢气通入第一换热器中；
第二换热器：分别与第一换热器和重整器相连接，利用第一换热器内加热氢气和空气后剩余的热量为重整器内的分解反应提供热量。
作为优选，还包括燃料箱，分别与所述重整器和所述燃烧器相连接，在给重整器提供分解物的同时给燃烧器提供燃烧原料。
作为优选，所述燃料箱与所述燃烧器通过第一电控阀相连，所述燃料箱与所述重整器通过第二电控阀相连，当固体氧化物燃料电池电堆开始工作前，所述第一电控阀与所述第二电控阀均打开，燃料箱中的燃料分别进入燃烧器和重整器；当固体氧化物燃料电池电堆开始工作后，所述第一电控阀关闭，所述第二电控阀打开，燃料箱中的燃料进入重整器。
作为优选，所述燃料箱的出口处设置有可变流量泵和压力传感器。
作为优选，所述燃料箱与所述第一电控阀、所述第二电控阀之间设置有流量计。
作为优选，还包括热量分配装置，所述热量分配装置分别与燃烧器、第一换热器和第二换热器相连接，用于调节燃烧器燃烧尾气产生的热量在第一换热器和第二换热器之间的分配。
作为优选，所述热量分配装置包括风机和第三换热器，所述第三换热器分别与风机、燃烧器、第一换热器和第二换热器相连接，当风机没有工作时，第三换热器的热量均传送到第一换热器，用于给进入第一换热器内的氢气和空气进行加热；当风机打开时，空气进入第三换热器向着第二换热器的方向流通，并带走第三换热器内的部分热量传送到第二换热器内，第三换热器内的剩余热量传送到第一换热器内对氢气和空气进行加热。
作为优选，所述风机与所述第三换热器之间通过止回阀连接。
作为优选，所述风机的入口处设置有过滤器，用于过滤进入的空气。
作为优选，所述第一换热器选自以下其中一种：板式换热器、管式换热器、浮头式换热器。
作为优选，所述第二换热器为板式换热器，且所述第二换热器中的介质选自油、乙二醇、水与乙二醇的混合物中的其中一种。
作为优选，所述第三换热器选自以下其中一种：板式换热器、管式换热器、浮头式换热器。
作为优选，所述重整器与所述第一换热器之间设置有缓冲罐。缓冲罐可用于短暂储存重整器分解燃料而产生的氢气。
与现有技术相比，本发明合理利用尾气产生的各级热能，提高尾气利用率，减小了输入端气压和背压，加快了系统整体启动速率，有效延长了电池使用寿命。
附图说明
图1为本发明实施例1中的燃料电池发电系统的原理图；
图2为本发明实施例2中的燃料电池发电系统的原理图。
附图标记说明：
1-固体氧化物燃料电池电堆；2-燃烧器；3-第一换热器；4-重整器；41-缓冲罐；5-第二换热器；6-燃料箱；61-第一电控阀；62-第二电控阀；63-可变流量泵；64-压力传感器；65-流量计；7-热量分配装置；71-风机；72-第三换热器；73-止回阀；74-过滤器。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。
实施例1
如图1所示，一种燃料电池发电系统，包括，
固体氧化物燃料电池电堆1：以热氢气和热空气为原料进行电化学发电；
燃烧器2：与固体氧化物燃料电池电堆1相连接，将固体氧化物燃料电池电堆1反应生成的尾气进行燃烧；
第一换热器3：分别与固体氧化物燃料电池电堆1和燃烧器2相连接，利用燃烧器2燃烧尾气生成的热气流对进入第一换热器3的氢气和空气进行加热，并将加热后的热氢气和热空气传送到固体氧化物燃料电池电堆1；
重整器4：与第一换热器3相连接，甲醇经过重整器4分解生成氢气通入第一换热器3中；
第二换热器5：分别与第一换热器3和重整器4相连接，利用第一换热器3内加热氢气和空气后剩余的热量为重整器4内的分解反应提供热量。
第一换热器3上设置有低温氢气入口、低温空气入口、高温氢气出口、高温空气出口，且第一换热器3上的低温氢气入口与重整器4的氢气出口相连，第一换热器3上的低温空气入口与空气管道相连，第一换热器3上的高温氢气出口与固体氧化物燃料电池电堆1的阳极相连，第一换热器3上的高温空气出口与固体氧化物燃料电池电堆1的阴极相连，且第一换热器3的热气入口与燃烧器2的尾气出口相连，第一换热器3的热气出口与第二换热器5的热气进口相连。
第二换热器5上设置有热气进口、废气出口、热介质出口、冷介质入口，第二换热器5上的热气进口与第一换热器3的热气出口相连、第二换热器5上的废气出口排出至外部空气中，第二换热器5上的热介质出口、冷介质入口均与重整器4相连，用于供给重整器4中分解燃料所需的热量，冷却后的介质通过冷介质入口回到第二换热器5中。
参阅图1，本实施例的燃料电池发电系统的工作原理如下：固体氧化物燃料电池电堆1以热氢气和热空气为原料，进行电化学发电，同时固体氧化物燃料电池电堆1发电产生的尾气通过燃烧器2进行燃烧，燃烧得到的热气流通入第一换热器3中，其中第一换热器3能利用燃烧器2燃烧尾气生成的热气流对进入第一换热器3的氢气和空气进行加热，并将加热后的热氢气和热空气传送到固体氧化物燃料电池电堆1，第一换热器3中的氢气来源为重整器4，甲醇通入重整器4中，经过分解将得到的氢气流入第一换热器3中，在第一换热器3中，当用于加热氢气和空气的热量过剩时，剩余的热量通入第二换热器5中，第二换热器5与重整器4相连接，将热气流通过第二换热器5与重整器4进行换热，从而提供重整器4分解甲醇所需的温度，完成循环。
实施例2
如图2所示，本实施例中的燃料电池发电系统，包括，
固体氧化物燃料电池电堆1：以热氢气和热空气为原料进行电化学发电；
燃烧器2：与固体氧化物燃料电池电堆1相连接，将固体氧化物燃料电池电堆1反应生成的尾气进行燃烧；
第一换热器3：分别与固体氧化物燃料电池电堆1和燃烧器2相连接，利用燃烧器2燃烧尾气生成的热气流对进入第一换热器3的氢气和空气进行加热，并将加热后的热氢气和热空气传送到固体氧化物燃料电池电堆1；
重整器4：与第一换热器3相连接，甲醇经过重整器4分解生成氢气通入第一换热器3中；
第二换热器5：分别与第一换热器3和重整器4相连接，利用第一换热器3内加热氢气和空气后剩余的热量为重整器4内的分解反应提供热量；
燃料箱6：分别与重整器4和燃烧器2相连接，在给重整器4提供分解物的同时给燃烧器2提供燃烧原料。
热量分配装置7，包括风机71和第三换热器72，第三换热器72分别与风机71、燃烧器2、第一换热器3和第二换热器5相连接，当风机71没有工作时，第三换热器72的热量均传送到第一换热器3，用于给进入第一换热器3内的氢气和空气进行加热；当风机71打开时，空气进入第三换热器72向着第二换热器5的方向流通，并带走第三换热器72内的部分热量传送到第二换热器5内，第三换热器72内的剩余热量传送到第一换热器3内对氢气和空气进行加热。
第三换热器72上设置有热气进口、热气出口、热空气出口和冷空气入口，第三换热器72上的热气进口与燃烧器2的尾气出口相连，第三换热器72上的热气出口与第一换热器3相连，第三换热器72上的热空气出口与第二换热器5相连，第三换热器72上的冷空气入口与风机71的出口相连。
第一换热器3上设置有低温氢气入口、低温空气入口、高温氢气出口、高温空气出口，且第一换热器3上的低温氢气入口与重整器4的氢气出口相连，第一换热器3上的低温空气入口与空气管道相连，第一换热器3上的高温氢气出口与固体氧化物燃料电池电堆1的阳极相连，第一换热器3上的高温空气出口与固体氧化物燃料电池电堆1的阴极相连，且第一换热器3的热气入口与第三换热器72的尾气出口相连，第一换热器3的热气出口与第二换热器5的热气进口相连。
第二换热器5上设置有热空气进口、热气进口、废气出口、热介质出口、冷介质入口，其中，第二换热器5上的热空气进口与第三换热器72的热空气出口相连，第二换热器5上热气进口与第一换热器3的热气出口相连，第二换热器5上废气出口排出至外部空气中，第二换热器5上的热介质出口、冷介质入口均与重整器4相连，用于供给重整器4中分解燃料所需的热量，冷却后的介质通过第二换热器5上的冷介质入口回到第二换热器5中。
本实施例中，燃料箱6与燃烧器2通过第一电控阀61相连，燃料箱6与重整器4通过第二电控阀62相连，当固体氧化物燃料电池电堆1开始工作前，第一电控阀61与第二电控阀62均打开，燃料箱6中的燃料分别进入燃烧器2和重整器4；当固体氧化物燃料电池电堆1开始工作后，第一电控阀61关闭，第二电控阀62打开，燃料箱6中的燃料进入重整器4。
本实施例中，风机71与第三换热器72之间通过止回阀73连接。
本实施例中，第一换热器3为板式换热器，第二换热器5为板式换热器，且第二换热器5中的介质选自油，第三换热器72为管式换热器。
本实施例中，风机71的入口处设置有过滤器74。
本实施例中，燃料箱6的出口处设置有可变流量泵63和压力传感器64。
本实施例中，燃料箱6与第一电控阀61、第二电控阀62之间设置有流量计65，重整器4与第一换热器3之间设置有缓冲罐41。
参阅图2，本实施例的燃料电池发电系统的工作原理如下：在固体氧化物燃料电池电堆1没有正常工作前，第一电控阀61和第二电控阀62均打开，燃料箱6中的燃料分别进入燃烧器2和重整器4，进入燃烧器2的燃料在燃烧器2中燃烧放热，经过第三换热器72将燃料燃烧产生的热气流传送给第一换热器3，此时，燃料箱6中的燃料进入重整器4，重整器4将燃料分解得到的氢气也通入第一换热器3中，经过第一换热器3对氢气和空气进行加热后，将热空气和热氢气传送到固体氧化物燃料电池电堆1中，此时固体氧化物燃料电池电堆1正常工作，第二电控阀62打开，第一电控阀61关闭，燃料箱6中的燃料不再进入燃烧器2中，固体氧化物燃料电池电堆1电化学发电以后产生的尾气通入燃烧器2中，燃烧器2通过燃烧尾气得到热量。
热量先通过第三换热器72，然后通入第一换热器3中，其中第一换热器3能利用燃烧器2燃烧尾气生成的热气流对进入第一换热器3的氢气和空气进行加热，并将加热后的热氢气和热空气传送到固体氧化物燃料电池电堆1，形成循环；当通入第一换热器3中的热量足够维持加热氢气和空气所需的热量时，打开风机71和止回阀73，使空气流入第三换热器72中，空气进入第三换热器72向着第二换热器5的方向流通，并带走第三换热器72内的部分热量传送到第二换热器5内，第三换热器72内的剩余热量传送到第一换热器3内对氢气和空气进行加热，由此，发明人通过调节进入的空气流量，可以精确调节热量在第一换热器3和第二换热器5之间的比例分配，第二换热器5得到的热量与重整器4进行换热，从而提供重整器分4解甲醇所需的温度，完成循环。
虽然本公开披露如上，但本公开的保护范围并非仅限于此。本领域技术人员，在不脱离本公开的精神和范围的前提下，可进行各种变更与修改，这些变更与修改均将落入本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种燃料电池发电系统，其特征在于，包括，
固体氧化物燃料电池电堆(1)：以热氢气和热空气为原料进行电化学发电；燃烧器(2)：与固体氧化物燃料电池电堆(1)相连接，将固体氧化物燃料电池电堆(1)反应生成的尾气进行燃烧；
第一换热器(3)：分别与固体氧化物燃料电池电堆(1)和燃烧器(2)相连接，利用燃烧器(2)燃烧尾气生成的热气流对进入第一换热器(3)的氢气和空气进行加热，并将加热后的热氢气和热空气传送到固体氧化物燃料电池电堆(1)；
重整器(4)：与第一换热器(3)相连接，甲醇经过重整器(4)分解生成氢气通入第一换热器(3)中；
第二换热器(5)：分别与第一换热器(3)和重整器(4)相连接，利用第一换热器(3)内加热氢气和空气后剩余的热量为重整器(4)内的分解反应提供热量。
2.如权利要求1所述的燃料电池发电系统，其特征在于，还包括燃料箱(6)，分别与所述重整器(4)和所述燃烧器(2)相连接，在给重整器(4)提供分解物的同时给燃烧器(2)提供燃烧原料。
3.如权利要求2所述的燃料电池发电系统，其特征在于，所述燃料箱(6)与所述燃烧器(2)通过第一电控阀(61)相连，所述燃料箱(6)与所述重整器(4)通过第二电控阀(62)相连，当固体氧化物燃料电池电堆(1)开始工作前，所述第一电控阀(61)与所述第二电控阀(62)均打开，燃料箱(6)中的燃料分别进入燃烧器(2)和重整器(4)；当固体氧化物燃料电池电堆(1)开始工作后，所述第一电控阀(61)关闭，所述第二电控阀(62)打开，燃料箱(6)中的燃料进入重整器(4)。
4.如权利要求2所述的燃料电池发电系统，其特征在于，所述燃料箱(6)的出口处设置有可变流量泵(63)和压力传感器(64)。
5.如权利要求1所述的燃料电池发电系统，其特征在于，还包括热量分配装置(7)，所述热量分配装置(7)分别与燃烧器(2)、第一换热器(3)和第二换热器(5)相连接，用于调节燃烧器(2)燃烧尾气产生的热量在第一换热器(3)和第二换热器(5)之间的分配。
6.如权利要求5所述的燃料电池发电系统，其特征在于，所述热量分配装置(7)包括风机(71)和第三换热器(72)，所述第三换热器(72)分别与风机(71)、燃烧器(2)、第一换热器(3)和第二换热器(5)相连接，当风机71没有工作时，第三换热器(72)的热量均传送到第一换热器(3)，用于给进入第一换热器(3)内的氢气和空气进行加热；当风机(71)打开时，空气进入第三换热器(72)向着第二换热器(5)的方向流通，并带走第三换热器(72)内的部分热量传送到第二换热器(5)内，第三换热器(72)内的剩余热量传送到第一换热器(3)内对氢气和空气进行加热。
7.如权利要求6所述的燃料电池发电系统，其特征在于，所述风机(71)与所述第三换热器(72)之间通过止回阀(73)连接。
8.如权利要求6所述的燃料电池发电系统，其特征在于，所述第一换热器(3)选自以下其中一种：板式换热器、管式换热器、浮头式换热器。
9.如权利要求6所述的燃料电池发电系统，其特征在于，所述第二换热器(5)为板式换热器，且所述第二换热器(5)中的介质选自油、乙二醇、水与乙二醇的混合物中的其中一种。
10.如权利要求6所述的燃料电池发电系统，其特征在于，所述第三换热器(72)选自以下其中一种：板式换热器、管式换热器、浮头式换热器。
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