CN116722186A - 一种高温燃料电池运行系统及其应急电热管理方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高温燃料电池运行系统及其应急电热管理方法，属于固体氧化物燃料电池技术领域，其中固体氧化物燃料电池电堆的阳极尾气供固体氧化物电解池的阴极进行反应，使得固体氧化物燃料电池电堆产生的CO₂作为固体氧化物电解池的反应物被利用，减少了碳排放；而储气罐和储热罐分别与固体氧化物电解池连通，保温装置产生的高温水蒸气分别供给固体氧化物电解池进行反应和储热罐进行储存，使得系统产生的能量被储存后再次投入系统中使用，节约能源。

Description

一种高温燃料电池运行系统及其应急电热管理方法

技术领域

本发明涉及固体氧化物燃料电池技术领域，尤其是一种高温燃料电池运行系统及其应急电热管理方法。

背景技术

固体氧化物燃料电池(SOFC)发电技术是一种能够直接将燃料中的化学能转化电能的绿色高效的新能源技术，具有综合效率高、无污染、无噪声等优点。

作为新兴的清洁能源，固体氧化物燃料电池具有能量密度高、转换效率高和环境友好等优点，因此具有非常广阔的应用前景。对于燃料电池来说，热管理辅助系统是不可或缺的关键组成部分，其主要实现系统的高温设备预热，余热回收及热失控下的应急热管理，保证整个电源系统的稳定性，延长电源系统的使用寿命，提高电源系统的能效等目的。

目前，大部分固体氧化物燃料电池采用的燃料气体多为碳基燃料，如甲烷(CH₄)、一氧化碳(CO)、氢气(H₂)或天然气等，其反应尾气主要成份为高温CO₂和水蒸气，同时伴有部分未反应的燃料气。通常情况下，固体氧化物燃料电池的尾气处理方法为：采用尾气催化燃料器，将尾气中未反应的燃料气体直接催化燃烧为CO₂，除去有害气体后排入大气中。这样的处理方式虽然降低了污染物的排放量，但是同时将大量的CO₂排入大气，且大量的热量被浪费，无法实现环境友好发展，达到节能减排的目标。

发明内容

为了解决上述的问题，本发明提供了一种高温燃料电池运行系统及其应急电热管理方法。

为了实现以上目的，本发明的第一目的在于提供一种高温燃料电池运行系统，包括控制整个系统运行的控制系统以及固体氧化物燃料电池电堆、固体氧化物电解池、储气罐、储热罐、保温装置；所述固体氧化物燃料电池电堆与用电负载连接，且燃料供给系统的燃料、外部水源、外部空气通过预热后供所述固体氧化物燃料电池电堆进行反应；所述固体氧化物电解池分别与所述固体氧化物燃料电池电堆和低谷电/调峰电供电装置连接，且所述外部空气通过所述固体氧化物电解池的阳极后再供所述固体氧化物燃料电池电堆的阴极进行反应，所述固体氧化物燃料电池电堆的阳极尾气供所述固体氧化物电解池的阴极进行反应；所述储气罐和所述储热罐分别与所述固体氧化物电解池连通；所述保温装置安装在所述固体氧化物燃料电池电堆上，所述保温装置与所述外部水源连通，且所述保温装置产生的高温水蒸气分别供给所述固体氧化物电解池进行反应和所述储热罐进行储存。

进一步的，所述燃料供给系统依次连接第一压缩机、燃料预热器、混合器、燃料重整器、所述固体氧化物燃料电池电堆的阳极，所述混合器与所述外部水源连通。

进一步的，所述外部水源通过一号三通阀分别与蒸汽发生器和所述保温装置连通。

进一步的，所述外部空气依次连通第二压缩机、空气预热器、所述固体氧化物电解池的阳极，所述固体氧化物燃料电池电堆的阴极与所述第二压缩机连接。

进一步的，所述固体氧化物电解池的阴极通过四通阀分别与所述储气罐、燃烧器、与所述固体氧化物燃料电池电堆连接的燃料重整器连接，所述燃烧器依次通过与所述燃料连通的燃料预热器、与所述外部水源连通的蒸汽发生器、与所述外部空气连通的空气预热器与所述储热罐连通。

进一步的，所述保温装置通过二号三通阀分别与所述固体氧化物电解池的阴极和所述储热罐连通。

进一步的，所述保温装置包括包裹所述固体氧化物燃料电池电堆的内层结构和与所述内层结构连接的外层结构，所述内层结构和所述外层结构中空设置且所述内层结构与所述外部水源连通。

更进一步的，所述外层结构包括中空隔板，所述内层结构包括若干与所述中空隔板连接的三角形封闭中空管束。

进一步的，所述储热罐为HTS熔盐储热罐。

本发明的第二目的在于提供一种高温燃料电池运行系统的应急电热管理方法，应用于上述所述的高温燃料电池运行系统，包括以下两个方案：

方案一：所述高温燃料电池运行系统在高峰电和平峰电时段运行，且所述固体氧化物燃料电池电堆的温度大于其最大反应温度时，首先切断所述用电负载的开关，之后控制一号三通阀，使得所述外部水源只流向所述保温装置，最后控制二号三通阀，使得所述保温装置只与所述储热罐连通；

方案二：所述高温燃料电池运行系统在低谷电时段运行，且所述固体氧化物燃料电池电堆的温度大于其最大反应温度时，首先切断所述用电负载的开关，之后控制所述一号三通阀，使得所述外部水源只流向所述保温装置，然后控制所述二号三通阀，使得所述保温装置只与所述固体氧化物电解池的阴极连通，最后控制四通阀，使得所述固体氧化物电解池的阴极只与所述储气罐连通。

本发明的有益效果是：固体氧化物燃料电池电堆的阳极尾气供固体氧化物电解池的阴极进行反应，使得固体氧化物燃料电池电堆产生的CO₂作为固体氧化物电解池的反应物被利用，减少了碳排放；而储气罐和储热罐分别与固体氧化物电解池连通，保温装置产生的高温水蒸气分别供给固体氧化物电解池进行反应和储热罐进行储存，使得系统产生的能量被储存后再次投入系统中使用，节约能源。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明中保温装置的壁面直观图；

图3为本发明中保温装置的壁面截面图。

具体实施方式

为更进一步阐述本发明为实现预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明的具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如下。

如图1-3所示，一种高温燃料电池运行系统，包括控制整个系统运行的控制系统以及固体氧化物燃料电池电堆、固体氧化物电解池、储气罐、储热罐、保温装置；

其中所述固体氧化物燃料电池电堆与用电负载连接，且燃料供给系统的燃料、外部水源、外部空气通过预热后供所述固体氧化物燃料电池电堆进行反应；具体的，所述燃料供给系统依次连接第一压缩机、燃料预热器、混合器、燃料重整器、所述固体氧化物燃料电池电堆的阳极，所述混合器与所述外部水源连通，即燃料经过脱硫、加压、预热及混合高温水蒸气进行重整后通入固体氧化物燃料电池电堆的阳极进行反应；所述外部水源通过一号三通阀分别与蒸汽发生器和所述保温装置连通，即外部水源通过蒸汽发生器产生的高温水蒸气进入混合器中参加反应，或在保温装置用于给固体氧化物燃料电池电堆降温时，外部水源流向保温装置并与电堆进行热量交换使电堆降温；所述外部空气依次连通第二压缩机、空气预热器、所述固体氧化物电解池的阳极，即外部空气通过所述固体氧化物电解池的阳极后再供所述固体氧化物燃料电池电堆的阴极进行反应，外部空气将电解池阳极的产物H₂，CO带入电堆里面参与反应，而且所述固体氧化物燃料电池电堆的阴极与所述第二压缩机连接，能源循环利用，节能；

所述固体氧化物电解池分别与所述固体氧化物燃料电池电堆和低谷电/调峰电供电装置连接；其中固体氧化物电解池中，阴极材料使用氢电极：多孔金属陶瓷(Ni-YSZ)，而阳极材料使用氧电极：掺锶亚锰酸镧(LSM)；而电解质材料使用掺钇氧化锆(YSZ)；而所述固体氧化物燃料电池电堆的阳极尾气供所述固体氧化物电解池的阴极进行反应，使得固体氧化物燃料电池电堆产生的CO₂作为固体氧化物电解池的反应物被利用，减少了碳排放；而固体氧化物电解池与低谷电/调峰电供电装置连接，在夜间低谷电时间段时，固体氧化物电解池通电作业，使用固体氧化物燃料电池电堆与固体氧化物电解池联合工作系统，将为整个系统节约燃料并最终达到节能减排的效果，而在高峰和平峰时段，固体氧化物电解池断电停止作业，或在固体氧化物燃料电池电堆的温度大于其最大反应温度，且保温装置产生高温水蒸气时，固体氧化物电解池通电作业，把高温水蒸气作为反应物进行反应，之后把反应产物氢气收集在储气罐中备用；

所述储气罐和所述储热罐分别与所述固体氧化物电解池连通，使得系统产生的能量被储存后再次投入系统中使用，节约能源；具体的，所述固体氧化物电解池的阴极通过四通阀分别与所述储气罐、燃烧器、与所述固体氧化物燃料电池电堆连接的燃料重整器连接，即通过四通阀的控制，根据需求把经过固体氧化物电解池的相关能源分配给相应的设备；而所述燃烧器依次通过与所述燃料连通的燃料预热器、与所述外部水源连通的蒸汽发生器、与所述外部空气连通的空气预热器与所述储热罐连通，即燃烧器在接收外部空气和经过固体氧化物电解池的相关能源进行燃烧后的热量依次给予燃料预热器、蒸汽发生器、空气预热器等进行换热或反应，而最后的能量在被储热罐进行热交换后被排放出系统，充分利用能源，减少能源的排放损耗；

所述保温装置安装在所述固体氧化物燃料电池电堆上，所述保温装置与所述外部水源连通，具体的，保温装置上设有检测电堆温度的温度传感器，且所述保温装置包括包裹所述固体氧化物燃料电池电堆的内层结构和与所述内层结构连接的外层结构，所述内层结构和所述外层结构中空设置且所述内层结构与所述外部水源连通，外层结构和内层结构中空设置，增加热阻具有保温作用，即在系统正常运行时，保温装置保持电堆的温度，而在系统过热或热失控时，外部水源流经内层结构中与高温电堆进行热交换，给电堆降温；而所述外层结构包括中空隔板，可为多个中空隔板相互连接包围固体氧化物燃料电池电堆的设置，也可为一体成型包围固体氧化物燃料电池电堆的中空隔板，所述内层结构包括若干与所述中空隔板连接的三角形封闭中空管束，三角形封闭中空管束有较大的换热面积，提高了换热效率；而所述保温装置产生的高温水蒸气分别供给所述固体氧化物电解池进行反应和所述储热罐进行储存，具体的，所述保温装置通过二号三通阀分别与所述固体氧化物电解池的阴极和所述储热罐连通，即通过控制二号三通阀即可对这些高温水蒸气进行反应或能量储存等；而储热罐为HTS熔盐储热罐，采用的材料为53％KNO₃、40％NaNO₂、7％NaNO₃，简称HTS盐，熔点142.2℃，沸点680℃，工作温度范围约在150℃～600℃之间。

因此，高温燃料电池运行系统的运行方式为：

第一：在低谷电时间段，固体氧化物电解池通电作业，而燃料供给系统中的天然气在经脱硫环节后进入第一压缩机，推动燃料向下游管道输送至燃料预热器，将燃料预热至燃料重整器反应温度后，进入混合器；同时外部水源在泵的作用下，将外部水源输送至管道下游，经过一号三通阀进入蒸汽发生器，在蒸汽发生器中进行高温热交换，产生温度达到反应温度的高温水蒸气，进入混合器；而高温水蒸气与高温燃料在混合器混合后，将混合物通入燃料重整器中发生重整反应，生成CO、H₂，与未反应的高温水蒸气、燃料气体形成混合物进入固体氧化物燃料电池电堆的阳极；而外部空气在第二压缩机的驱动下，通入空气预热器，产生温度达到固体氧化物电解池的阳极入口温度的空气，之后预热的空气先经过固体氧化物电解池的阳极，对固体氧化物电解池的阳极反应产物进行吹气后，与固体氧化物电解池的阳极尾气一起通入固体氧化物燃料电池电堆的阴极；其中固体氧化物电解池的阳极进行如下反应：

2O^2-→O₂+2e^-

显然，产物生成的氧气提高了管道下游气体中的氧气含量，有利于固体氧化物燃料电池电堆的阴极反应；而固体氧化物燃料电池电堆的阴极尾气(其主要成分为空气)经回收管道通向第二压缩机，与常温空气混合后重新进入空气预热器，循环供给；而固体氧化物燃料电池电堆的阳极尾气(主要成分为高温水蒸气、CO₂以及CO、燃料气体)经回收管道通入固体氧化物电解池的阴极，发生以下反应：

H₂O+2e^-→H₂+O^2-

CO₂+2e^-→CO+O^2-

反应产生的阴极反应产物CO、H₂同未参与的CO、H₂一起通向燃料重整器继续供给固体氧化物燃料电池电堆的阳极反应，能源充分利用；此时四通阀只连通电解池和燃料重整器，而四通阀与燃烧器和储气罐的连接端都闭合；

第二：在高峰电和平峰电时段中，固体氧化物电解池断电停止作业，即固体氧化物电解池连接的低谷电/调峰电供电装置将断开，使得固体氧化物电解池的反应终止，流经过固体氧化物电解池两级的气体将不参与反应，这里包括进入固体氧化物燃料电池电堆的阴极的外部空气和固体氧化物燃料电池电堆的阳极尾气；而固体氧化物燃料电池电堆的阳极产物将经过管道流经固体氧化物电解池的阴极但不参与反应，直接再从固体氧化物电解池的阴极出口经管道到达燃烧器，此时四通阀连通电解池和燃烧器，而四通阀与储气罐和燃料重整器的连接端闭合；同时外部空气经管道向燃烧器提供燃烧所需的空气，固体氧化物燃料电池电堆的尾气中的燃料气体在燃烧器中燃烧产生更高热量且高品质的高温气体，依次与燃料预热器、蒸汽发生器、空气预热器进行热交换，最终通入储热罐进行热交换后，排出系统外，储热罐内的热量可用于供给系统再次启动时的储备热源。

而在固体氧化物燃料电池电堆的温度大于其最大反应温度时，高温燃料电池运行系统将进行相应的应急电热管理方法，从而保障高温燃料电池运行系统的性能、寿命及安全性，该应急电热管理方法包括以下两个方案：

方案一：所述高温燃料电池运行系统在高峰电和平峰电时段运行，且所述固体氧化物燃料电池电堆的温度大于其最大反应温度时，首先切断所述用电负载的开关，之后控制一号三通阀，使得所述外部水源只流向所述保温装置，最后控制二号三通阀，使得所述保温装置只与所述储热罐连通，使得保温装置产生的高温水蒸气与储热罐进行热交换，而储热罐的热量将作为下次系统启动时的预热热源；

方案二：所述高温燃料电池运行系统在低谷电时段运行，且所述固体氧化物燃料电池电堆的温度大于其最大反应温度时，首先切断所述用电负载的开关，之后控制所述一号三通阀，使得所述外部水源只流向所述保温装置，然后控制所述二号三通阀，使得所述保温装置只与所述固体氧化物电解池的阴极连通，使得保温装置产生的高温水蒸气进入固体氧化物电解池的阴极进行以下反应：

H₂O+2e^-→H₂+O^2-

最后控制四通阀，使得所述固体氧化物电解池的阴极只与所述储气罐连通，使得产生的氢气被储存在储气罐，作为系统下一次运行启动时的燃料供给。

以上，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限定本发明，任何本领域技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简介修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (10)

1.一种高温燃料电池运行系统，其特征在于，包括控制整个系统运行的控制系统以及固体氧化物燃料电池电堆、固体氧化物电解池、储气罐、储热罐、保温装置；所述固体氧化物燃料电池电堆与用电负载连接，且燃料供给系统的燃料、外部水源、外部空气通过预热后供所述固体氧化物燃料电池电堆进行反应；所述固体氧化物电解池分别与所述固体氧化物燃料电池电堆和低谷电/调峰电供电装置连接，且所述外部空气通过所述固体氧化物电解池的阳极后再供所述固体氧化物燃料电池电堆的阴极进行反应，所述固体氧化物燃料电池电堆的阳极尾气供所述固体氧化物电解池的阴极进行反应；所述储气罐和所述储热罐分别与所述固体氧化物电解池连通；所述保温装置安装在所述固体氧化物燃料电池电堆上，所述保温装置与所述外部水源连通，且所述保温装置产生的高温水蒸气分别供给所述固体氧化物电解池进行反应和所述储热罐进行储存。

2.根据权利要求1所述的高温燃料电池运行系统，其特征在于，所述燃料供给系统依次连接第一压缩机、燃料预热器、混合器、燃料重整器、所述固体氧化物燃料电池电堆的阳极，所述混合器与所述外部水源连通。

3.根据权利要求1所述的高温燃料电池运行系统，其特征在于，所述外部水源通过一号三通阀分别与蒸汽发生器和所述保温装置连通。

4.根据权利要求1所述的高温燃料电池运行系统，其特征在于，所述外部空气依次连通第二压缩机、空气预热器、所述固体氧化物电解池的阳极，所述固体氧化物燃料电池电堆的阴极与所述第二压缩机连接。

5.根据权利要求1所述的高温燃料电池运行系统，其特征在于，所述固体氧化物电解池的阴极通过四通阀分别与所述储气罐、燃烧器、与所述固体氧化物燃料电池电堆连接的燃料重整器连接，所述燃烧器依次通过与所述燃料连通的燃料预热器、与所述外部水源连通的蒸汽发生器、与所述外部空气连通的空气预热器与所述储热罐连通。

6.根据权利要求1所述的高温燃料电池运行系统，其特征在于，所述保温装置通过二号三通阀分别与所述固体氧化物电解池的阴极和所述储热罐连通。

7.根据权利要求1所述的高温燃料电池运行系统，其特征在于，所述保温装置包括包裹所述固体氧化物燃料电池电堆的内层结构和与所述内层结构连接的外层结构，所述内层结构和所述外层结构中空设置且所述内层结构与所述外部水源连通。

8.根据权利要求7所述的高温燃料电池运行系统，其特征在于，所述外层结构包括中空隔板，所述内层结构包括若干与所述中空隔板连接的三角形封闭中空管束。

9.根据权利要求1-8任一项所述的高温燃料电池运行系统，其特征在于，所述储热罐为HTS熔盐储热罐。

10.一种高温燃料电池运行系统的应急电热管理方法，其特征在于，应用于如权利要求1所述的高温燃料电池运行系统，包括以下两个方案：

方案一：所述高温燃料电池运行系统在高峰电和平峰电时段运行，且所述固体氧化物燃料电池电堆的温度大于其最大反应温度时，首先切断所述用电负载的开关，之后控制一号三通阀，使得所述外部水源只流向所述保温装置，最后控制二号三通阀，使得所述保温装置只与所述储热罐连通；

方案二：所述高温燃料电池运行系统在低谷电时段运行，且所述固体氧化物燃料电池电堆的温度大于其最大反应温度时，首先切断所述用电负载的开关，之后控制所述一号三通阀，使得所述外部水源只流向所述保温装置，然后控制所述二号三通阀，使得所述保温装置只与所述固体氧化物电解池的阴极连通，最后控制四通阀，使得所述固体氧化物电解池的阴极只与所述储气罐连通。