CN116364970A - 一种燃料电池系统及快速启动方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种燃料电池系统及快速启动方法，涉及燃料电池技术领域。燃料电池系统中，第一燃油泵用于输入系统燃料并通过管道与启动燃烧器连接，启动燃烧器同时接入第二空气支路的输出管路输入的冷空气，启动燃烧器的输出管路与第一换热器连接，第一换热器用于加热一路第三空气支路输入的冷空气，并将加热后的冷空气接入SOFC电堆的阴极入口，SOFC电堆的阴极出口连接尾气燃烧器。本发明通过设置启动燃烧器和第一换热器装置，不需要提供额外电能加热系统，利用系统燃料既可以实现燃料电池系统SOFC电堆的预热，解决了现有燃料电池系统启动速度慢，启动能耗高的问题。
Description
技术领域
本发明涉及燃料电池技术领域，更具体的说是涉及一种燃料电池系统及快速启动方法。
背景技术
固体氧化物燃料电池(SOFC)电堆升温启动的方式，主要有两种：第一种方式为电炉加热，即在炉膛内先将外表面加热至工作所需温度，通过热传导将整个电堆加热至工作温度，此方法启动时间慢，且内外温差大，容易导致由燃料电池各部件热膨胀系数不同引起的部件之间的连接破坏。第二种方式为直接加热阳极侧的还原性气体或阴极测的氧化性气体进行预热。
SOFC系统一般需要在中高温下(600-800℃)工作，因此启动时间比较长(一般在30分钟以上)。其中机械强度好，热循环性能高，易于组装和管理的阴极支撑管式固体氧化物燃料电池由于支撑管管壁较厚，启动时间更长，一般达数小时，严重影响了其实际应用，尤其将其作为备用电源时，启动时间慢是其重要的障碍。因此，将SOFC系统启动时间缩短一直是研究的重点内容之一。
现有技术通过结构设计可以加快启动时间，但其规模化应用困难。采用金属支撑方式同样可以加快启动时间，但其制备工艺困难，成本高。固体氧化物燃料电池自身材料包括锰酸锶镧基电极材料、氧化钇稳定氧化锆电解质材料或铬酸镧基连接体材料等。现有技术是通过电加热再通过换热或者热辐射使物体升温，传热效率低下，升温及启动时间长。
因此，如何解决燃料电池系统启动速度慢，启动能耗高的问题是本领域技术人员亟需的。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种燃料电池系统及快速启动方法，用以解决现有技术中的缺陷，能够相对迅速的将固体氧化物燃料电池的电堆加热到合适的工作温度，同时还可以对重整器进行预热，使重整器快速达到重整工作温度。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
本发明一方面公开了一种燃料电池系统，包括：
第一燃油泵、启动燃烧器、第一换热器、重整器、SOFC电堆、再循环压缩机、第一混合器、尾气燃烧器、第二换热器和空气进气系统；
所述空气进气系统用于提供冷空气，所述空气进气系统的输出管路包括第一空气支路、第二空气支路和第三空气支路，所述第三空气支路分为两路；
所述SOFC电堆的阳极出口同时连接所述再循环压缩机和所述尾气燃烧器，
所述再循环压缩机的输出管路与所述第一空气支路的输出管路同时接入第一混合器，所述第一混合器的输出管路与所述重整器连接，所述重整器同时接入系统燃料输入管路，所述重整器的输出管路接入所述SOFC电堆的阳极入口，
所述尾气燃烧器同时接入所述第三空气支路的输出管路，所述尾气燃烧器的输出管路与所述第二换热器连接，所述第二换热器用于加热一路第三空气支路输入的冷空气，并将加热后的冷空气接入SOFC电堆的阴极入口；
所述第一燃油泵用于输入系统燃料并通过管道与启动燃烧器连接，所述启动燃烧器同时接入所述第二空气支路的输出管路，所述启动燃烧器的输出管路与所述第一换热器连接，所述第一换热器用于加热另一路第三空气支路输入的冷空气，并将加热后的冷空气接入SOFC电堆的阴极入口，所述SOFC电堆的阴极出口连接所述尾气燃烧器。
优选的，所述空气进气系统包括空气压缩机，和与所述空气压缩机连接的空气分气装置。
优选的，所述第一空气支路、第二空气支路和第三空气支路的输出管路上，均配置有电磁阀和流量计。
优选的，所述第二空气支路的输出管路输出的冷空气作为系统燃料燃烧所需的空气。
优选的，所述第一换热器还通过输出管路与所述重整器连接。
优选的，所述第一燃油泵中输入的系统燃料，包括柴油。
本发明另一方面公开了一种燃料电池系统快速启动方法，包括以下步骤：
将系统燃料和冷空气同时输入启动燃烧器进行燃烧；
将启动燃烧器燃烧产生的高温尾气输入第一换热器，通过第一换热器对输入的冷空气进行加热；
加热后的冷空气通入SOFC电堆的阴极入口，实现快速对SOFC电堆的预热。
优选的，上述方法还包括，
所述第一换热器加热后的冷空气通入重整器，实现对重整器内催化反应区的预热。
经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种一种燃料电池系统及快速启动方法，具有以下有益效果：
本发明通过设置启动燃烧器和第一换热器装置，直接燃烧系统燃料迅速产生高温气体，不需要提供额外电能加热系统，利用系统燃料即可实现燃料电池系统SOFC电堆的预热，解决了现有燃料电池系统采用电加热预热方式时启动速度慢，启动能耗高的问题。
本发明设置的启动燃烧器不仅在系统启动过程中可以使用，在SOFC电堆或者系统温度降低波动时，还可通过启动燃烧器补燃作用，维持燃料电池系统的温度在合理范围内，保障燃料电池系统的安全稳定运行。
本发明利用空气分气装置，实现系统内多个组件的空气供应需求，降低了系统的复杂程度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1附图为本发明提供的结构示意图；
图中，1-空气压缩机；2-再循环压缩机；3-第二燃油泵、4-第一燃油泵；5-重整器；6-SOFC电堆；601-SOFC电堆阳极；602-SOFC电堆阴极；7-尾气燃烧器；8-启动燃烧器；9-空气分气装置；10、11-可调电磁阀；12、13、14、15-质量流量计；16-第一混合器；17-第二混合器；18-第三混合器；19-第四混合器、20-第五混合器；21-第二换热器；22-第一换热器；23-第三换热器。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例一方面公开了一种燃料电池系统，如图1所示，包括：
第一燃油泵4、启动燃烧器8、第一换热器22、重整器5、SOFC电堆6、再循环压缩机2、第一混合器16、尾气燃烧器7、第二换热器21和空气进气系统100；
空气进气系统100用于提供冷空气，所述空气进气系统100的输出管路包括第一空气支路、第二空气支路和第三空气支路，所述第三空气支路分为两路；
SOFC电堆6的阳极601出口同时连接再循环压缩机2和尾气燃烧器7，
再循环压缩机2的输出管路与所述第一空气支路的输出管路同时接入第一混合器16，第一混合器16的输出管路与所述重整器5连接，重整器5同时接入系统燃料输入管路，所述重整器5的输出管路接入SOFC电堆6的阳极601入口，
尾气燃烧器7的输出管路与第二换热器21连接，所述第二换热器21用于加热一路第三空气支路输入的冷空气，并将加热后的冷空气接入SOFC电堆6的阴极602入口；
第一燃油泵4用于输入系统燃料并通过管道与启动燃烧器8连接，启动燃烧器8同时接入第二空气支路的输出管路，启动燃烧器8的输出管路与第一换热器22连接，第一换热器22用于加热另一路第三空气支路输入的冷空气，并将加热后的冷空气接入SOFC电堆6的阴极602入口，SOFC电堆6的阴极602出口连接所述尾气燃烧器7。
进一步地，空气进气系统100包括一个空气压缩机1和空气分气装置9，空气压缩机1出口连接空气分气装置9，环境空气经空气压缩机1压缩后产生的冷空气经过空气分气装置9分气后分成三个空气支路，分别为第一空气支路、第二空气支路和第三空气支路，其中，第三空气支路又分为两路。
在空气进气系统中，第一空气支路的冷空气送入第一混合器16，同时SOFC电堆阳极601出口的一部分尾气经过再循环压缩机2压缩提高压力后也送入第一混合器16，提高压力的尾气与冷空气支路1的冷空气混合后送入重整器5与重整器5中的系统燃料进行重整反应；
本实施例中，系统燃料采用柴油，柴油通过第二燃油泵3输入重整器5并在重整器5中将柴油重整形成H2和CO为主要燃料气体的重整气。
第二空气支路的输出管路输出的冷空气作为启动燃烧器系统燃料燃烧所需的空气。
第三空气支路分为两路，在本实施例中，第三空气支路通过第二混合器17分为两路，其中一路冷空气与尾气燃烧器7燃烧后产生的高温尾气经过第二换热器21进行换热，另一路冷空气与启动燃烧器8燃烧后产生的高温尾气经过第一换热器22进行换热，两路换热后的冷空气共同作为SOFC电堆的阴极602入口气体。
进一步地，第一空气支路和第二空气支路均配置有电磁阀和质量流量计，可实现对空气分气装置分开的第一空气支路、第二空气支路和第三空气支路中冷空气进行精确控制；此外在空气进气系统100的总进气管路上设置有在1前端设置有质量流量计15，该质量流量计15用于测量进气系统中输入空气的总质量流量。
在一个具体实施例中，空气分气装置9分出的第一空气支路上依次连接有可调电磁阀10和质量流量计12，质量流量计12的输出端接入第一混合器16；
空气分气装置9分出的第二空气支路上依次连接有可调电磁阀11和质量流量计13，质量流量计13的输出端接入启动燃烧器8；
空气分气装置9分出的第三空气支路上连接有第二混合器17，第二混合器17的输出管路分为两路，一路依次与质量流量计14、第二换热器21连接，另一路与第一换热器22连接。
本发明实施例中，尾气燃烧器7通过管道与第二换热器21连接，主要用于将燃料电池阳极未反应完的燃料进行燃烧处理，实现热量回收利用，尾气燃烧器产生的高温尾气将第三空气支路中的一路冷空气加热到SOFC电堆所需要的正常工作温度(例如，650℃)，正常工作时，加热后的空气进入SOFC电堆的阴极参与电极反应。
启动燃烧器8经过第一换热器22换热后的尾气与尾气燃烧器7经过第二换热器21换热后的尾气汇合后排出，可以选择在汇合的后端增加第三换热器23，对尾气进行余热利用，实现热电联产，提高能量利用效率。
本实施例中，如图1所示，第三混合器18作为第二换热器21和第一换热器22加热后的空气汇流区，加热后的冷空气汇流后通入SOFC电堆6的阴极602入口。
在系统启动过程中，启动燃烧器8经过第一换热器22进行换热后的尾气通过第五混合器20的分流作用，进入重整器5，对重整器5进行预热。
第四混合器19作为启动燃烧器8产生的尾气和尾气燃烧器7产生的尾气的汇合区，将尾气汇合排出系统，或通过第三换热器23对对尾气进行余热利用。
本发明实施例中，燃料电池阳极601出口分为两路，一路连接尾气燃烧器7；一路经过再循环压缩机2(在其他具体实施方式中，再循环压缩机可以设计为热气压缩机，鼓风机、电动涡轮增压器、引射器或者泵等多种形式)后与第一空气支路中的冷空气混合，混合后通入重整器5中，为重整器5提供重整所需的空气和水蒸气。系统正常工作时，重整器内部空气中的氧气和系统燃料(柴油)发生催化反应产生氢气和CO，SOFC电堆阳极601的尾气中的水蒸气可以与CO经过水气变换后提高产氢率，同时将CO转化为CO2，降低重整气中CO含量。
本发明实施例中，空气压缩机1和再循环压缩机2以及对应的阀门优选为温控的或温度调节的装置。
例如，空气压缩机1、第一空气支路中的电磁阀、以及再循环压缩机2的控制取决于重整器5内部重整区域的温度，再循环压缩机2的控制可以作为重整区域温度的函数进行精准控制或系统工艺参数；
第二空气支路中的电磁阀和空气压缩机1可以根据启动燃烧器7的温度来控制；
本发明实施例中，重整器再循环气系统包括，SOFC电堆阳极601出口的一部分尾气经过再循环压缩机2压缩提高压力后与第一空气支路的冷空气混合后送入重整器5进行重整反应，电堆阳极尾气的再循环比例由再循环压缩机2决定，本实施例中阳极尾气(主要成分包括H2、CO、N2、H2O、CO2等)再循环到重整器的气体占阳极尾气总体的比例为φ＝0.35，在其他实施例中也可根据重整器的工作情况在一定比例范围内进行调节：例如比例范围0.2～0.5。
本发明实施例另一方面公开了一种燃料电池系统快速启动方法，包括以下步骤：
将系统燃料和冷空气同时输入启动燃烧器8进行燃烧；
将启动燃烧器8燃烧产生的高温尾气输入第一换热器22，通过第一换热器22对输入的冷空气进行加热；
加热后的冷空气通入SOFC电堆的阴极602入口，实现对SOFC电堆的预热。
作为优选，上述方法还包括，
所述第一换热器22加热后的冷空气通入重整器5，实现对重整器5内催化反应区的预热，快速提高重整器的温度。
通过上述启动燃烧器快速预热系统能够分别对重整器5和SOFC电堆进行快速预热，使系统快速达到工作温度，同时系统的能量得到了多级利用，提高了电池燃料系统的能量利用率。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (8)
1.一种燃料电池系统，其特征在于，包括：
第一燃油泵(4)、启动燃烧器(8)、第一换热器(22)、重整器(5)、SOFC电堆(6)、再循环压缩机(2)、第一混合器(16)、尾气燃烧器(7)、第二换热器(21)和空气进气系统(100)；
所述空气进气系统(100)用于提供冷空气，所述空气进气系统的输出管路包括第一空气支路、第二空气支路和第三空气支路，所述第三空气支路分为两路；
SOFC电堆的阳极(601)出口同时连接所述再循环压缩机(2)和所述尾气燃烧器(7)，
所述再循环压缩机(2)的输出管路与所述第一空气支路的输出管路同时接入第一混合器(16)，所述第一混合器(16)的输出管路与所述重整器(5)连接，所述重整器(5)同时接入系统燃料输入管路，所述重整器(5)的输出管路接入SOFC电堆的阳极(601)入口，
所述尾气燃烧器(7)的输出管路与所述第二换热器(21)连接，所述第二换热器(21)用于加热一路第三空气支路输入的冷空气，并将加热后的冷空气接入SOFC电堆的阴极(602)入口；
所述第一燃油泵(4)用于输入系统燃料并通过管道与启动燃烧器(8)连接，所述启动燃烧器(8)同时接入所述第二空气支路的输出管路，所述启动燃烧器(8)的输出管路与所述第一换热器(22)连接，所述第一换热器(22)用于加热另一路第三空气支路输入的冷空气，并将加热后的冷空气接入SOFC电堆的阴极(602)入口，所述SOFC电堆的阴极(602)出口连接所述尾气燃烧器(7)。
2.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，所述空气进气系统包括空气压缩机(1)，和与所述空气压缩机连接的空气分气装置(9)。
3.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，所述第一空气支路、第二空气支路和第三空气支路的输出管路上，均配置有电磁阀和流量计。
4.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，所述第二空气支路的输出管路输出的冷空气作为启动燃烧器(8)中系统燃料燃烧所需的空气。
5.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，所述第一换热器(22)还通过输出管路与所述重整器(5)连接。
6.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，所述第一燃油泵(4)中输入的系统燃料，包括柴油。
7.一种燃料电池系统快速启动方法，其特征在于，包括以下步骤：
将系统燃料和冷空气同时输入启动燃烧器进行燃烧；
将启动燃烧器燃烧产生的高温尾气输入第一换热器，通过第一换热器对输入的冷空气进行加热；
加热后的冷空气通入SOFC电堆的阴极，实现快速对SOFC电堆的预热。
8.根据权利要求7所述的燃料电池系统快速启动方法，其特征在于，还包括：
所述第一换热器加热后的冷空气通入重整器，实现对重整器内催化反应区的预热。
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