CN109962261A - 一种固体氧化物燃料电池发电*** - Google Patents

一种固体氧化物燃料电池发电*** Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种固体氧化物燃料电池发电***，包括：电池堆模块、燃料供给设备、氧化剂供给设备和控制模块；其中，燃料供给设备连接电池堆模块的进料口，用于向电池堆模块供给燃料；氧化剂供给设备，用于向电池堆模块供给氧化剂；控制模块连接燃料供给设备和氧化剂供给设备，用于控制燃料供给设备和氧化剂供给设备的供给配比，并执行启动模式和发电模式。本发明可使燃料电池***通过自热过程启动到电池的运行温度，使固体氧化物燃料电池堆不借助外部热源的状况下上升至可发电温度；并可保持***热量自足而稳定地运行，缩短了从起动到开始发电的时间，并在充分稳定的状态下开始发电。

Description

一种固体氧化物燃料电池发电***
技术领域
本发明涉及固体氧化物燃料电池发电领域，具体地说是一种固体氧化物燃料电池发电***。
背景技术
固体氧化物燃料电池(Solid Oxide Fuel Cell：以下简称为“SOFC”)是采用氧化物离子导体作为电解质，在其两侧制备电极，在一侧供给燃料气体，在另一侧供给氧化剂(空气、氧气等)，在较高的温度下进行发电的燃料电池。在该SOFC中，氧离子经过具有离子导电性的固体电解质与燃料反应生成水蒸气或二氧化碳，同时产生电和热。输出电能，用于各种电气用途。另一方面，热能用于加热燃料、重整器、水及氧化剂等。
固体氧化物燃料电池需要在600oC至800oC的高温才能发电，因此固体氧化物燃料电池如果要得到实际应用必须可以在离墙状态、自热达到运行温度，而对于1000W以下的可移动便携***而言更是需要可以快速的使电池堆温度达到600oC以上，满足电池运行的要求，目前针对该过程都是采用在***尾气点火燃烧来加热电池堆，该过程的问题是电堆温差大，升温到600oC需要时间长，要60min。本发明目的在于减少升温时间，可以在25min达到600oC，减少升温时间的同时保证***内部的电池堆在一个更加一致的温度范围。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种固体氧化物燃料电池发电***。
本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：
一种固体氧化物燃料电池发电***，包括：电池堆模块、燃料供给设备、氧化剂供给设备和控制模块；其中，
燃料供给设备连接电池堆模块的进料口，用于向电池堆模块供给燃料；
氧化剂供给设备，用于向电池堆模块供给氧化剂；
控制模块连接燃料供给设备和氧化剂供给设备，用于控制燃料供给设备和氧化剂供给设备的供给配比，并执行启动模式和发电模式。
所述电池堆模块包括燃料电池模块和燃料重整单元，在燃料重整单元和固体氧化物燃料电池单电池的燃料入口之间设置燃料分配腔；
燃料重整单元设置在固体氧化物燃料电池单电池的燃料入口端，且直接连通电池堆模块的出料口，用于通过燃料和氧化剂进行CPOX反应，对燃料进行部分氧化重整的重整反应；
燃料电池模块包括多个固体氧化物燃料电池单电池；
燃料分配腔，用于将燃料和氧化剂均匀的分配到每个固体氧化物燃料电池单电池内；
固体氧化物燃料电池单电池设置于燃料电池腔，电池堆模块的出料口通入氧化剂经过换热到达燃料电池腔，燃料电池腔用于利用燃料和氧化剂进行发电反应，放出电能。
所述电池堆模块还包括尾气燃烧单元，设置于固体氧化物燃料电池单电池的燃料出口端，用于使燃烧不完全的燃料充分燃烧。
所述电池堆模块的外侧设置电池堆外壳，形成密闭空间。
所述电池堆外壳的外层为绝热材料。
所述启动模式为：在预先确定的温度范围内，在燃料重整单元内发生CPOX重整反应，并使固体氧化物燃料电池单电池升温至可从燃料电池模块输出电力的发电温度。
所述发电模式包括到达发电温度时的发电模式和预发电模式，
所述达发电温度时的发电模式为在超过发电温度时结束启动模式，从燃料电池模块取出电力，在燃料电池单电池中产生发电热量，并使燃料电池单电池升温，放出电能；
所述预发电模式为在达到发电开始温度之前，通过燃料电池单电池中的微弱电力，在燃料电池单电池中产生发电热量，使燃料电池单电池升温。
所述氧化剂包括空气。
本发明具有以下有益效果及优点：
本发明可使燃料电池***通过自热过程启动到电池的运行温度，使固体氧化物燃料电池堆不借助外部热源的状况下上升至可发电温度；并可保持***热量自足而稳定地运行。***25min达到600oC，而且在减少升温时间的同时保证***内部的电池堆在一个更加一致的温度范围，该发明缩短了从起动到开始发电的时间，并在充分稳定的状态下开始发电。
附图说明
图1是本发明的***结构图；
其中，1为电池堆外壳、2为燃料重整单元、3为燃料电池模块、4为尾气燃烧单元、5为燃料电池腔、6为燃料分配腔。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明做进一步的详细说明。
如图1所示是本发明的***结构图。
燃料电池模块外侧具有壳体形成有密封空间，在该壳体的外部隔着绝热材料。首先燃料和重整空气或水蒸气混合进入燃料重整单元发生燃料重整反应，例如由丙烷和空气混合进入燃料重整单元，通过点火使燃料部分氧化反应快速发生，燃料重整单元的温度快速达到燃料重整的温度(例如600oC)。重整后的燃料进入燃料分配腔，分配燃料给各SOFC单电池，电池发电用空气在另一端输送进来，经过换热达到燃料电池腔，燃料电池模块利用分配腔分配来的燃料气体和氧化剂(空气)进行发电反应，通过燃料电池使燃料和空气反应放出电能。
本发明包括具有多个固体氧化物燃料电池单电池的电池堆模块；燃料供给部件，通过向重整器供给燃料，将由重整单元重整的燃料送入燃料电池单电池；燃料重整单元，通过燃料和氧化剂进行化学反应，对燃料进行部分氧化重整的重整反应，即CPOX反应生成氢和一氧化碳等小分子燃料；氧化剂供给，向燃料电池电池堆供给发电用氧化剂气体；尾气燃烧单元，在燃料电池堆的尾部，使发电中未使用的燃料和未反应的氧化剂燃烧；控制部件，控制燃料供给部件、重整用氧化剂气体供给部件及发电用氧化剂气体供给部件，控制部件构成为，执行如下起动模式运行，在预先确定的温度范围内，在重整器内发生CPOX重整反应，并使固体氧化物燃料电池单电池升温至可从燃料电池模块输出电力的发电温度，另一方面，执行如下发电模式运行，在超过发电开始温度的时刻结束启动模式运行，并从燃料电池模块取出电力，而且控制部件构成为，在达到发电开始温度之前的启动模式运行中，执行通过从燃料电池模块取出比发电模式运行中的从燃料电池模块取出的电力小的微弱电力，而在燃料电池单电池中产生发电热量，并使固体电解质型燃料电池单电池升温的起动时发电。控制燃料供给部件及空气部件，使在重整器内发生燃料重整反应的温度可以调节，开始发电后，根据发电量控制燃料供给，使发电开始后的电堆温度稳定。
燃料电池堆可以选用管型电池，亦可以选用平板型电池等电池结构，根据设计的电堆功率来选择电池数量，可以串联也可以并联连接。
实施例：
本发明实例选用20支管型电池串联结构来进行电池堆排布，***首先通过图1上部的燃料入口端的燃料部分氧化重整单元使进入该单元的燃料(丙烷)和重整剂(空气)发生部分氧化反应，放出热量的使该部位的温度快速上升同时使含有3个碳原子的丙烷重整为小分子的氢气和一氧化碳进入燃料分配腔，经过燃料分配腔把重整后的燃料分配到各个单电池中；同时在燃料出口部位输入电池堆发电用空气进入电池堆，未反应的燃料在尾部同空气混合点燃，尾部也快速达到SOFC运行需要的温度，从而达到从两端加热SOFC电池堆，使***快速升温。加热SOFC单元，当达到SOFC反应需要的温度后，该SOFC即可以正常发出电能供用户使用。

Claims (8)

1.一种固体氧化物燃料电池发电***，其特征在于，包括：电池堆模块、燃料供给设备、氧化剂供给设备和控制模块；其中，
燃料供给设备连接电池堆模块的进料口，用于向电池堆模块供给燃料；
氧化剂供给设备，用于向电池堆模块供给氧化剂；
控制模块连接燃料供给设备和氧化剂供给设备，用于控制燃料供给设备和氧化剂供给设备的供给配比，并执行启动模式和发电模式。
2.根据权利要求1所述的一种配电变压器远程监测装置，其特征在于：所述电池堆模块包括燃料电池模块和燃料重整单元，在燃料重整单元和固体氧化物燃料电池单电池的燃料入口之间设置燃料分配腔；
燃料重整单元设置在固体氧化物燃料电池单电池的燃料入口端，且直接连通电池堆模块的出料口，用于通过燃料和氧化剂进行CPOX反应，对燃料进行部分氧化重整的重整反应；
燃料电池模块包括多个固体氧化物燃料电池单电池；
燃料分配腔，用于将燃料和氧化剂均匀的分配到每个固体氧化物燃料电池单电池内；
固体氧化物燃料电池单电池设置于燃料电池腔，电池堆模块的出料口通入氧化剂经过换热到达燃料电池腔，燃料电池腔用于利用燃料和氧化剂进行发电反应，放出电能。
3.根据权利要求1所述的固体氧化物燃料电池发电***，其特征在于：所述电池堆模块还包括尾气燃烧单元，设置于固体氧化物燃料电池单电池的燃料出口端，用于使燃烧不完全的燃料充分燃烧。
4.根据权利要求1所述的固体氧化物燃料电池发电***，其特征在于：所述电池堆模块的外侧设置电池堆外壳，形成密闭空间。
5.根据权利要求4所述的固体氧化物燃料电池发电***，其特征在于：所述电池堆外壳的外层为绝热材料。
6.根据权利要求1所述的固体氧化物燃料电池发电***，其特征在于：所述启动模式为：在预先确定的温度范围内，在燃料重整单元内发生CPOX重整反应，并使固体氧化物燃料电池单电池升温至可从燃料电池模块输出电力的发电温度。
7.根据权利要求1所述的固体氧化物燃料电池发电***，其特征在于：所述发电模式包括到达发电温度时的发电模式和预发电模式，
所述达发电温度时的发电模式为在超过发电温度时结束启动模式，从燃料电池模块取出电力，在燃料电池单电池中产生发电热量，并使燃料电池单电池升温，放出电能；
所述预发电模式为在达到发电开始温度之前，通过燃料电池单电池中的微弱电力，在燃料电池单电池中产生发电热量，使燃料电池单电池升温。
8.根据权利要求1或2所述的固体氧化物燃料电池发电***，其特征在于：所述氧化剂包括空气。
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