CN211858807U - 一种基于多型燃料的通用型燃料电池系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于多型燃料的通用型燃料电池系统，包括氧化剂供应模块、燃料供应模块、换热模块、电堆模块、附属能量转换及输出模块和SOFC控制模块。氧化剂供应模块向换热模块供应氧化剂，燃料供应模块向换热模块供应燃料，换热模块对氧化剂和燃料加热后传输至电堆模块进行电堆反应，反应产物和热能传输至附属能量转换及输出模块，对反应产物进行处理输送至换热模块循环参与电堆反应，对热能进行热电转换产生电能并输出；SOFC控制模块电连接至氧化剂供应模块、燃料供应模块、换热模块、电堆模块和附属能量转换及输出模块，实现燃料电池反应供电的自动化控制管理。

Description

一种基于多型燃料的通用型燃料电池系统

技术领域

本实用新型涉及供电技术领域，更具体的说是涉及一种基于多型燃料的通用型燃料电池系统。

背景技术

目前，燃料电池是已被证明为在产生电力中具有相对高效率和低污染的潜能的电化学能转换装置。燃料电池大致提供可被经由例如变换器转换成的交流电(ac)或直流电(dc)。dc或ac电压可被用于为电机、灯、通讯设备以及任何数量的电气装置和系统供电。燃料电池可以以稳态、半稳态或便携式应用操作。比如为SOFC的某些燃料电池可以在提供电力以满足工业和市政需求的大型电力系统中运转。其他燃料电池也可以用于较小的便携式应用，比如，例如为汽车供电。

在现代社会生活和经济建设中，电力供应和保障的重要性越来越重要，同时对提高电力生产和使用效率及环境友好的要求程度不断提高。传统的燃料发电系统为分布式发电，需要实现远距离材料运输传输，和电能、热能的传送，考虑到使用便捷，接近用户，减少电力远距离输送，根据用电需求灵活调整的电力制造、传输需求越来越受到重视。

因此，如何实现固体氧化物燃料电池的集成化是本领域技术人员亟需解决的问题。

实用新型内容

有鉴于此，本实用新型提供了一种基于多型燃料的通用型燃料电池系统，包括：氧化剂供应模块、燃料供应模块、换热模块、电堆模块、附属能量转换及输出模块和SOFC控制模块。氧化剂供应模块向换热模块供应氧化剂，燃料供应模块向换热模块供应燃料；换热模块对氧化剂和燃料加热后传输至电堆模块进行电堆反应，反应产物和热能传输至附属能量转换及输出模块；附属能量转换及输出模块对反应产物进行处理输送至换热模块，经过换热模块热处理传输至燃料供应模块；附属能量转换及输出模块对热能进行热电转换产生电能并输出；SOFC控制模块电连接至氧化剂供应模块、燃料供应模块、换热模块、电堆模块和附属能量转换及输出模块，实现燃料电池反应供电的自动化控制管理。固体氧化物燃料电池集成系统可以实现电能、热能、中水、供暖用水和工业用水的供应，以及驱动设备和支持工业化肥制造，具有广泛的使用前景。

为了实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案：

一种基于多型燃料的通用型燃料电池系统，包括：氧化剂供应模块、燃料供应模块、换热模块、电堆模块、附属能量转换及输出模块、SOFC控制模块；所述氧化剂供应模块向所述换热模块供应氧化剂，所述燃料供应模块向所述换热模块供应燃料；所述换热模块对所述氧化剂和所述燃料加热后传输至所述电堆模块进行电堆反应；所述电堆模块进行电堆反应获得电能反应产物和热能，输出电能，并将反应产物和热能传输至所述附属能量转换及输出模块；所述附属能量转换及输出模块对所述反应产物进行处理并输送至所述换热模块，经过所述换热模块热处理传输至所述燃料供应模块；所述附属能量转换及输出模块对所述热能进行热电转换产生电能并输出；所述SOFC控制模块电连接至所述氧化剂供应模块、所述燃料供应模块、所述换热模块、所述电堆模块和所述附属能量转换及输出模块。

优选的，所述氧化剂供应模块设置有压缩机一，通过所述压缩机一将所述氧化剂输送至所述换热模块。

优选的，所述燃料供应模块包括依次连接设置的通用型重整/裂解装置、脱硫装置、干燥装置、压缩机二和混合器；所述通用型重整/裂解装置将所述燃料进行重整或裂解，再经过所述脱硫装置的脱硫处理和所述干燥装置的干燥处理通过所述压缩机二输送至所述混合器，经过所述混合器将处理后所述燃料输送至所述换热模块。

优选的，所述换热模块包括预热器一、预热器二、预热器三、加热器一、加热器二、温控阀门和蒸汽发生器；所述压缩机一连接所述预热器一，向所述预热器一输送所述氧化剂；所述混合器连接所述预热器二，向所述预热器二输送处理后的所述燃料；所述预热器一连接所述加热器一，所述预热器二连接所述加热器二；所述温控阀门连接所述预热器二；所述预热器三连接所述附属能量转换及输出模块和所述蒸汽发生器；所述蒸汽发生器连接所述混合器；所述加热器一、所述加热器二和所述温控阀门连接所述电堆模块。

优选的，所述附属能量转换及输出模块包括热电转换模块、内燃机二、内燃气驱动设备、工业化肥制造设备、尾气分流器和净化器；所述电堆模块分别连接所述热电转换模块、所述内燃机二和所述尾气分流器；所述内燃机二连接所述内燃气驱动设备；所述尾气分流器连接所述工业化肥制造设备、所述净化器和所述干燥装置；所述净化器连接所述预热器三。

优选的，所述SOFC控制模块包括进料控制模块、热管理模块和电堆控制模块；所述进料控制模块连接控制所述氧化剂供应模块和所述燃料供应模块；所述热管理模块连接控制所述换热模块；所述电堆控制模块连接控制所述电堆模块和所述附属能量转换及输出模块。

优选的，所述热电转换模块包括依次连接的内燃机一、发电机和整流器；所述内燃机连接所述电堆模块；所述发电机输出交流电能，所述整流器输出直流电能。

优选的，所述电堆模块为SOFC电池堆，所述电堆模块连接整流/逆变装置，所述燃料和所述氧化剂传输至所述电堆模块经过电堆反应产生电能、热能及反应产物，所述电能经过所述整流/逆变装置的转换传输至电能输出模块，用于日常生产、生活和交通。

经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本实用新型公开提供了一种基于多型燃料的通用型燃料电池系统，实现了燃料电池的材料输送、处理，电能、热能的生成和处理，以及产物的循环利用，提高了燃料利用率，并且对环境友好。SOFC控制模块控制氧化剂供应模块对如空气或氧气等的氧化剂通过压缩机输送至换热模块的预热器，控制燃料供应模块对燃料进行处理并输送至换热模块的预热器，控制换热模块对氧化剂和燃料进行加热处理并输送至电堆模块，控制电堆模块进行电堆反应生成电能、热能和反应产物，控制电能、热能在附属能量转换及输出模块进行加工处理供应日常生活，以及反应产物的加工处理和循环利用，实现的燃料电池的产能、功能集成化设置和管理。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型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实用新型的实施例，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附图为本实用新型提供的通用型燃料电池系统连接关系示意图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。

本实用新型实施例公开了一种基于多型燃料的通用型燃料电池系统，包括：氧化剂供应模块、燃料供应模块、换热模块、电堆模块、附属能量转换及输出模块、SOFC控制模块；氧化剂供应模块向换热模块供应氧化剂，燃料供应模块向换热模块供应燃料；换热模块对氧化剂和燃料加热后传输至电堆模块进行电堆反应，反应产物和热能传输至附属能量转换及输出模块；附属能量转换及输出模块对反应产物进行处理并输送至换热模块，经过换热模块热处理传输至燃料供应模块；附属能量转换及输出模块对热能进行热电转换产生电能并输出；SOFC控制模块电连接至氧化剂供应模块、燃料供应模块、换热模块、电堆模块和附属能量转换及输出模块。

为了进一步优化上述技术方案，氧化剂供应模块设置有压缩机一，通过压缩机一将氧化剂输送至换热模块。

为了进一步优化上述技术方案，燃料供应模块包括依次连接设置的通用型重整/裂解装置、脱硫装置、干燥装置、压缩机二和混合器；通用型重整/ 裂解装置将燃料进行重整或裂解，再经过脱硫装置的脱硫处理和干燥装置的干燥处理通过压缩机二输送至混合器，经过混合器将处理后燃料输送至换热模块。

为了进一步优化上述技术方案，换热模块包括预热器一、预热器二、预热器三、加热器一、加热器二、温控阀门和蒸汽发生器；压缩机一连接预热器一，向预热器一输送氧化剂；混合器连接预热器二，向预热器二输送处理后的燃料；预热器一连接加热器一，预热器二连接加热器二；温控阀门连接预热器二；预热器三连接附属能量转换及输出模块和蒸汽发生器；蒸汽发生器连接混合器；加热器一、加热器二和温控阀门连接电堆模块。温控阀门连接电堆模块的SOFC电池堆，感受电堆模块温度变化，并传输电堆反应产生的热能至预热器一和预热器二。

为了进一步优化上述技术方案，附属能量转换及输出模块包括热电转换模块、内燃机二、内燃气驱动设备、工业化肥制造设备、尾气分流器和净化器；电堆模块分别连接热电转换模块、内燃机二和尾气分流器；内燃机二连接内燃气驱动设备；尾气分流器连接工业化肥制造设备、净化器和干燥装置；净化器连接预热器三。尾气分流器接收电堆模块输送的反应产物，分流出二氧化碳传输至工业化肥制造设备进行工业化肥生产；分流出剩余燃料反应物质传输至燃料供应模块的干燥装置再次参与电堆反应产生电能和热能，实现燃料的充分利用；分流出水经过净化器进行净化，依次回传经过预热器三和蒸汽发生器最终传输至混合器，参与燃料的预热和电堆反应，或者经过净化生成中水、供暖用水和工业用水等供日常生活使用。

为了进一步优化上述技术方案，SOFC控制模块包括进料控制模块、热管理模块和电堆控制模块；进料控制模块连接控制氧化剂供应模块和燃料供应模块；热管理模块连接控制换热模块；电堆控制模块连接控制电堆模块和附属能量转换及输出模块。

为了进一步优化上述技术方案，换热模块的加热器一、加热器二、温控阀门和蒸汽发生器均安装有温度传感器，加热器一、加热器二、温控阀门、蒸汽发生器和温度传感器均与热管理模块电连接，向热管理模块发送温度信息，热管理模块根据温度信息控制加热器一、加热器二、温控阀门和蒸汽发生器的开启、关闭和调节。

为了进一步优化上述技术方案，氧化剂供应模块的压缩机一上设置有压力传感器，压缩机一和压力传感器均电连接进料控制模块，向进料控制模块发送压力信息，并由进料控制模块根据压力信息控制压缩机一的开启、关闭和调节。

为了进一步优化上述技术方案，燃料供应模块的多燃料存储装置和压缩机二上安装有压力传感器，脱硫装置出口处安装有成分检测装置；压缩机二、压力传感器和成分检测装置均电连接进料控制模块，压力传感器和成分检测装置向进料控制模块发送压力信息和成分检测结果，进料控制模块根据压力信息调节多然料存储装置的储存燃料量和压缩机二向混合器二输送燃料的量，进料控制模块根据成分检测结果控制燃料在脱硫装置中的处理时间，保证燃料脱硫效果。

为了进一步优化上述技术方案，热电转换模块包括依次连接的内燃机一、发电机和整流器；内燃机连接电堆模块；发电机输出交流电能，整流器输出直流电能。内燃机将电堆模块提供的热能转换成动能驱动发电机进行发电，产生交流电用于日常生产和生活；发电机可以将产生的交流电传输至整流器，整流形成直流电，输出用于日常生产和生活。

为了进一步优化上述技术方案，电堆模块为SOFC电池堆，电堆模块连接整流/逆变装置，燃料和氧化剂传输至电堆模块经过电堆反应产生电能、热能及反应产物，电能经过整流/逆变装置的转换传输至电能输出模块，用于日常生产、生活和交通。SOFC电池堆上设置有压力传感器，与电堆控制模块电连接，传输SOFC电池堆压力信息，控制氧化剂和燃料的输入量，控制电堆反应进度。

为了进一步优化上述技术方案，附属能量转换及输出模块的尾气分流器安装有成分检测装置，用于不同成分的检测和分流；其中内燃机一和内燃机二电连接电堆控制模块，由电堆控制模块控制工作，从而控制电堆模块向内燃机一和内燃机二传输的热量进行能量转化处理。

为了进一步优化上述技术方案，附属能量转换及输出模块输出直流和交流电能至电能输出模块，用于日常生活、汽车动力和工厂生产制造等。

为了进一步优化上述技术方案，电堆模块产生电能可直接用于日常生活、交通动力和工厂生产制造等供能。

为了进一步优化上述技术方案，净化器利用反应产物经过尾气分流器处理输出的水进行进一步净化处理，形成中水、供暖用水和工业用水，用于日常生活和生产。

实施例

电池系统工作过程如下：

S1：天然气、氢气和甲醇等类型燃料经通用型重整/裂解装置进行重整或裂解，再进入脱硫装置进行脱硫处理(可使用碱性物质作为脱硫剂，利用中和反应去除燃料中的含硫物质)，脱硫可避免SOFC阳极出现硫中毒的现象；

脱硫后燃料需进入干燥装置去除中和反应产生的水，获得干燥后燃料，避免对后续非反应用机械装置的腐蚀和热换模块反应温度的影响；

进入干燥装置前的燃料，除原始燃料脱硫后的一级燃料(没有经过电堆反应的燃料)外，还包括由附属能量转换及输出模块传输的二级燃料(经过电堆反应后还可以进入电堆发生二次氧化还原反应的尾气成分)

S2：干燥后燃料经过压缩机二压缩进入混合器，同时与附属能量转换及输出模块经过净化的水经过换热模块的预热器三进行预热，再经过蒸汽发生器变成水蒸气(蒸汽发生器生成的水蒸气温度通常低于电堆反应的理想温度，所以还需要再进行加热，由于直接采用加热器加热时需要额外的能量，因此电池系统利用自身电堆反应产生的热能进行预热)，水蒸气与混合器内的燃料混合进入换热模块的预热器二，进行预热(预热的能量来自于电堆模块的电堆反应产生的附加热量)；

S3：经过预热后的燃料进入加热器二加热到预设温度后，进入电堆模块的SOFC电池阳极；

S4：氧化剂供应模块中空气或其它氧化剂经过压缩机一压缩进入换热模式的预热器一，再经过加热器一加热到合适温度后，进入电堆模块的SOFC 电池阴极；参与电堆反应的氧化剂和燃料必须达到一定的理想温度，因此需要对氧化剂进行加热，其中进行一级预热的预热器一的热能来自电池系统自身的电堆反应产生的热能，实现了能量的二次利用；

S5：电堆模块的SOFC电池的阳极和阴极发生电堆反应输出电能，经过整流/逆变装置进行转换后传输至电能输出模块做家庭供电、交通供电或者工业生产；

电堆反应输出的热能传输至附属能量转换及输出模块，可作用内燃机二然后转换为机械能作用于内燃气驱动设备，如传统汽车、轮船等；或者进行热电转换模块，经过内燃机一转换为机械能，然后经过发电机产生电能，发电机端产生的交流电可输出到电能输出模块，供交流用电设备正常运行；生成的交流电也可经过整流器整流后转变为直流电后输出到电能输出模块；

S6：电堆模块的SOFC电池发生电堆反应获得的反应产物经过附属能量转换及输出模块的尾气分流器，分流获得二氧化碳进行工业化肥制造，分流的剩余反应物质进入S1与燃料混合再次进行电堆反应，分流的水经过净化器处理用于S2中水蒸气混合或用于生产、生活用水。

SOFC控制模块作为整个集成系统的主控器，主要包括进料控制模块、热管理模块和电堆控制模块；

进料控制模块：主要包括检测燃料存储装置内的压力传感器，判断燃料存储量是否充足；通过成分检测装置检测脱硫装置中硫成分是否在限定值以下；通过压力传感器检测压缩机一和压缩机二的压力值是否大于设定最低值，如果小于或等于设定最低值则判定压缩机损坏；

换热模块：主要包括燃料两级加热、(水)蒸汽两级加热和温度调控；

电堆反应生成的水，经过净化后伴随着热量和反应物循环与燃料混合后进入热换模块，附属能量及转换模块输出的净化的水通过蒸汽发生器生成水蒸气，水蒸气的温度通常低于电堆反应的理想温度，所以需要进行加热，通过预热器进行一级预热，预热器的能量来自电堆反应生成的热量，实现能量的二次利用，避免了采用加热器直接加热时需要输入额外的能量，节省能源，同时为避免过度预热增加了温控阀门，来调节电堆模块向预热器传递的热量；然后再经过加热器实现混合后的燃料和水蒸气的二次加热，达到电堆反应的所需温度；

电堆控制模块：主要包括通过压力传感器检测的电池阴极入口处空气的分布密度判断，监督空气可以均匀的到达个单体；

进行热电分配，根据用电需求功率判断电堆的工作模式，当需求比较小时，可提前停止电堆反应，电堆生成的电能输出到电能输出模块的用户端，剩下需求电能可利用电堆反应生成的附属热能通过热电转换模式生成电能辅助实现需求电能供应；当需求功率较大时，在电堆持续工作的同时在附属能量转换及输出模块利用电堆反应产生的热能进行热电转换模块工作，增大电能输出功率。

附属能量转换及输出模块的热电转换模块：

1)避免能源浪费：提高电堆反应附属输出热能的再利用，电堆反应生成的热量可以通过热电转换装置直接转换为用户端所需的电能，包括直流电和交流电；

2)提高电能输出能力：电堆的输出能量与电堆系统本身容量有关，需求的输出能量越高，对电堆的容量需求越大，成本越高。当电堆设备的成本确定以后，基本电能的输出能量也就确定了，为了节约成本实现一定范围内的电能输出变化，采用热电转换模块实现电能供应变化；

当用户端用电需求大于电堆额定输出功率时，热电转换模块可以凭借电堆反应产生的热能辅助发电，热能驱动热电转换模块的内燃机工作产生机械能，机械能带动发电机转动产生交流电作用于用户端交流用电设备，同时也可以将交流电经过整流器整流为直流电作用于用户端直流用电设备；

3)可根据用户端直流/交流用电需求，调整对热电转换模块的热能供应，以及发电机和整流器的工作状态，从而调节直流电和交流电的输出量。

SOFC电池堆的电堆反应工作原理：在SOFC阳极一侧持续通入燃料气体，具有催化作用的阳极表面吸附燃料气体，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化剂，具有多孔结构的阴极表面，吸附氧，使O₂得到电子变为O^2-，在化学势的作用下，O^2-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，形成电流。

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实用新型。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实用新型的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本实用新型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)

1.一种基于多型燃料的通用型燃料电池系统，其特征在于，包括：氧化剂供应模块、燃料供应模块、换热模块、电堆模块、附属能量转换及输出模块、SOFC控制模块；

所述氧化剂供应模块向所述换热模块供应氧化剂，所述燃料供应模块向所述换热模块供应燃料；所述换热模块对所述氧化剂和所述燃料加热后传输至所述电堆模块进行电堆反应，生成的反应产物和热能传输至所述附属能量转换及输出模块；

所述附属能量转换及输出模块对所述反应产物进行处理并输送至所述换热模块，经过所述换热模块热处理传输至所述燃料供应模块；所述附属能量转换及输出模块对所述热能进行热电转换产生电能并输出；

所述SOFC控制模块电连接所述氧化剂供应模块、所述燃料供应模块、所述换热模块、所述电堆模块和所述附属能量转换及输出模块。

2.根据权利要求1所述的一种基于多型燃料的通用型燃料电池系统，其特征在于，所述氧化剂供应模块设置有压缩机一，通过所述压缩机一将所述氧化剂输送至所述换热模块。

3.根据权利要求2所述的一种基于多型燃料的通用型燃料电池系统，其特征在于，所述燃料供应模块包括依次连接设置的通用型重整/裂解装置、脱硫装置、干燥装置、压缩机二和混合器；所述通用型重整/裂解装置将所述燃料进行重整或裂解，再经过所述脱硫装置的脱硫处理和所述干燥装置的干燥处理通过所述压缩机二输送至所述混合器，经过所述混合器将处理后所述燃料输送至所述换热模块。

4.根据权利要求3所述的一种基于多型燃料的通用型燃料电池系统，其特征在于，所述换热模块包括预热器一、预热器二、预热器三、加热器一、加热器二、温控阀门和蒸汽发生器；

所述压缩机一连接所述预热器一，向所述预热器一输送所述氧化剂；

所述混合器连接所述预热器二，向所述预热器二输送处理后的所述燃料；

所述预热器一连接所述加热器一，所述预热器二连接所述加热器二；

所述温控阀门连接所述预热器二；

所述预热器三连接所述附属能量转换及输出模块和所述蒸汽发生器；所述蒸汽发生器连接所述混合器；

所述加热器一、所述加热器二和所述温控阀门连接所述电堆模块。

5.根据权利要求4所述的一种基于多型燃料的通用型燃料电池系统，其特征在于，所述附属能量转换及输出模块包括热电转换模块、内燃机二、内燃气驱动设备、工业化肥制造设备、尾气分流器和净化器；

所述电堆模块分别连接所述热电转换模块、所述内燃机二和所述尾气分流器；所述内燃机二连接所述内燃气驱动设备；所述尾气分流器连接所述工业化肥制造设备、所述净化器和所述干燥装置；所述净化器连接所述预热器三。

6.根据权利要求1所述的一种基于多型燃料的通用型燃料电池系统，其特征在于，所述SOFC控制模块包括进料控制模块、热管理模块和电堆控制模块；

所述进料控制模块连接控制所述氧化剂供应模块和所述燃料供应模块；

所述热管理模块连接控制所述换热模块；

所述电堆控制模块连接控制所述电堆模块和所述附属能量转换及输出模块。

7.根据权利要求5所述的一种基于多型燃料的通用型燃料电池系统，其特征在于，所述热电转换模块包括依次连接的内燃机一、发电机和整流器；所述内燃机连接所述电堆模块；所述发电机输出交流电能，所述整流器输出直流电能。

8.根据权利要求1所述的一种基于多型燃料的通用型燃料电池系统，其特征在于，所述电堆模块为SOFC电池堆，连接整流/逆变装置，通过所述整流/逆变装置输出电能至电能输出模块。

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