燃料电池发电系统

1.本技术涉及燃料电池发电技术领域，具体的是一种燃料电池发电系统。


背景技术：

2.燃料电池是将燃料具有的化学能直接变为电能的发电装置，该发电装置通常包括电解质、阳极、阴极和连接体或双极板，阳极一侧会连续通入燃料(例如氢气、一氧化碳、甲烷等)，该燃料会被具有催化作用的阳极表面吸附住，并通过阳极的多孔结构使燃料扩散到阳极和电解质的界面，阴极一侧连续通入氧化剂(例如空气)，氧化剂也会被多孔结构的阴极表面吸附，使其得到电子，得到电子的氧化剂由于浓度梯度所引起的扩散使其达到电解质和阳极的界面，与燃料发生反应，失去的电子通过外电路回到阴极，形成电流。
3.然而，阳极中的燃料含有大量热量，同时包含大量未充分反应的燃料，直接燃烧会造成了燃料和热量损失。


技术实现要素：

4.本技术提供了一种燃料电池发电系统，能够有效的利用阳极中未充分反应的燃料以及热量来提供发电系统的系统净效率。
5.本技术实施例提供了一种燃料电池发电系统，包括：
6.燃料电池电堆，包括阳极和阴极；
7.阳极循环回路，包括燃料重整器和循环装置，循环装置连接在燃料重整器和阳极之间以形成阳极循环回路，循环装置能够将阳极中含有燃料和水蒸气的尾气输送至燃料重整器内，其中，阳极尾气中的水蒸气被输送至燃料重整器内参与重整反应，阳极尾气中的燃料与燃料重整器中生成的气体混合后被输送至阳极内；
8.燃烧器，与燃料电池电堆连接，用于燃烧燃料电池电堆产生的尾气以生成热能；
9.阴极气体供应单元，分别与阴极和燃烧器连接以使阴极气体供应单元向阴极提供已加热的气体。
10.本技术实施例提供的燃料电池发电系统中，通过阳极循环回路不仅能够将阳极中未反应的燃料循环回流至燃料重整器内来实现提供燃料的利用率，而且还能将带有热量的水蒸气引入至燃料重整器内参与反应来简化发电系统的结构和提高系统净效率。
11.在本技术的一些实施例中，还包括供气单元，供气单元与燃料重整器连接。
12.在本技术的一些实施例中，燃烧器与供气单元热交换连接以使供气单元向燃料重整器提供已加热的气体。
13.在本技术的一些实施例中，供气单元包括第一气体流量计和第一换热器，气体流量计连接在第一换热器和燃料重整器之间。
14.在本技术的一些实施例中，阴极气体供应单元包括送风机、与送风机连接的第二换热器及连接第二换热器的第二气体流量计，第二换热器还分别与阴极和燃烧器连接。
15.在本技术的一些实施例中，还包括：
16.流量泵，具有泵入口和泵出口，用于输送含碳氢化合物的原料；
17.预热器，分别与泵出口和燃料重整器连接，用于向燃料重整器提供加热的原料。
18.在本技术的一些实施例中，还包括：
19.建模仿真单元，用于根据燃料重整器内的氧碳比和循环装置内的循环比计算得到燃料电池发电系统的系统净效率。通过建模仿真单元可以实时得到燃料电池发电系统的系统净效率，并且及时调整氧碳比和循环比来提高系统净效率。
20.在本技术的一些实施例中，还包括：
21.控制单元，分别与循环装置和流量泵连接，用于控制循环装置和流量泵的开度。
22.在本技术的一些实施例中，燃料电池电堆为高温燃料电池电堆。该高温燃料电池具有简化水热管理系统、催化剂抗毒能力强、反应动力学速度快、燃料选择范围宽等优势。
23.在本技术的一些实施例中，高温燃料电池电堆为固体氧化物型燃料电池电堆。该固体氧化物型燃料电池具有高效率、无污染、全固态结构和对多种燃料气体的广泛适应性等优异性能，使其得到广泛的应用。
附图说明
24.此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本技术的实施例，并与说明书一起用于解释本技术的原理。
25.图1为本技术一些实施例提供的燃料电池发电系统的结构示意图；
26.图2为本技术一些实施例提供的燃料电池发电系统中电堆燃料利用率与系统净效率、电堆效率和尾气排出温度的曲线变化图；
27.图3为本技术一些实施例提供的燃料电池发电系统中空气预热温度与系统净效率、电堆效率和尾气排出温度的曲线变化图；
28.图4为本技术一些实施例提供的燃料电池发电系统中电堆空气利用率与系统净效率、电堆效率和尾气排出温度的曲线变化图；
29.图5为本技术一些实施例提供的燃料电池发电系统的氧碳比与系统净效率、电堆效率和尾气排出温度的曲线变化图；
30.图6为本技术一些实施例提供的燃料电池发电系统的循环比与系统净效率、电堆效率和尾气排出温度的曲线变化图；
31.图7为本技术实施例1中燃料电池发电系统与对比例1中发电系统的重整效率、电堆效率和系统净效率的柱状图。
32.附图标记说明：
33.10-燃料电池发电系统；
34.11-燃烧电池堆；
35.12-阳极循环回路；
36.121-燃料重整器；
37.122-循环装置；
38.123-第一换热器；
39.13-燃烧器；
40.14-阴极气体供应单元；
41.15-流量泵；
42.16-预热器；
43.17-送风机；
44.18-引风机；
45.19-散热器；
46.20-散热风扇。
47.通过上述附图，已示出本技术明确的实施例，后文中将有更详细的描述。这些附图和文字描述并不是为了通过任何方式限制本技术构思的范围，而是通过参考特定实施例为本领域技术人员说明本技术的概念。
具体实施方式
48.本说明书中各实施例或实施方案采用递进的方案描述，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件分相互参见即可。
49.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合实施方式或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本技术的至少一个实施方式或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施方式或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施方式或示例中以合适的方案结合。
50.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本技术的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
51.燃料电池包括电解质、阳极、阴极和连接体或双极板，阳极一侧会连续通入燃料(例如氢气、一氧化碳、甲烷等)，该燃料会被具有催化作用的阳极表面吸附，并通过阳极的多孔结构使燃料扩散到阳极和电解质的界面，阴极一侧连续通入氧化剂(例如空气)，氧化剂也会被多孔结构的阴极表面吸附住，使其得到电子，得到电子的氧化剂由于浓度梯度所引起的扩散使其达到电解质和阳极的界面，与燃料发生反应，失去的电子通过外电路回到空气极，形成电流。然而，阳极中的燃料含有大量热量，同时包含大量未充分反应的燃料，直接燃烧会造成了燃料和热量损失。
52.为解决上述技术问题，本技术实施例提供了一种燃料电池发电系统，通过阳极循环回路不仅能够将阳极中未反应的燃料循环回流至燃料重整器内来实现提供燃料的利用率，而且还能将带有热量的水蒸气引入至燃料重整器内参与反应来简化发电系统的结构和提高系统净效率。
53.参照图1，本技术实施例提供的燃料电池发电系统10，包括燃料电池电堆11、阳极循环回路12、燃烧器13和阴极气体供应单元14。燃料电池电堆11包括阳极和阴极，燃料和氧化剂分别由燃料电池电堆的阳极和阴极通入，燃料在阳极上放出电子，电子经外电路传导到阴极并与氧化剂结合生成离子，离子在电场作用下，通过电解质迁移到阳极上与燃料反应，构成回路产生电流，从而实现发电。阳极循环回路12包括燃料重整器121和循环装置122，循环装置122连接在燃料重整器121和阳极之间以形成阳极循环回路12，循环装置122
能够将阳极中含有燃料的尾气输送至燃料重整器121内，并且阳极尾气中的燃料与燃料重整器121中生成的气体混合后被输送至阳极内。燃烧器13与燃料电池电堆11连接用于燃烧燃料电池电堆11产生的尾气以生成热能。阴极气体供应单元14分别与阴极和燃烧器13连接以使阴极气体供应单元14向阴极提供加热气体。
54.在本技术提供的实施例中，燃料电池电堆11中的阳极尾气中含有大量未充分反应的燃料和大量热量，循环装置122可以将部分未充分反应的燃烧及其携带的热量和水蒸气输送至燃料重整器121内，这样不仅能够维持燃料重整器121内反应的温度，而且还能够在不使用冷凝器、水泵等设备的前提下使水以水蒸气的形式回到燃料重整器121内，进而降低发电系统的制造成本和简化发电系统的结构。此外，阳极尾气中另一部分未充分燃烧的燃料会流入燃烧器13内进行燃烧以产生热量为燃料重整器121和燃料电池电堆11所需的空气进行加热，进而充分利用了尾气中燃料的热量使发电系统中的热管理系统简化，从而进一步简化了发电系统的结构。
55.综上所述，阳极循环回路12中的循环装置122将阳极尾气中部分未反应的燃料及携带的热量和水蒸气输送至燃料重整器121内，不仅能够提高燃料的产出率，并将产生的燃料与阳极尾气中的部分燃料混合后再次输入阳极中进行反应，使得电堆燃料利用率得到较大的提升。
56.参照图2，系统净效率和电堆效率都随着电堆燃料利用率的增大而提高。在保持系统进口燃料流量不变的条件下，电堆燃料利用率提升，意味着电堆的输出功率增大，因此系统净效率和电堆效率均增大。随着电堆燃料利用率的提升，尾气温度降低，这是由于电堆燃料利用率提升之后，电堆出口的燃料气体分压减少，使得非循环的阳极尾气中，燃料气体减少，因此燃烧的燃料大大减少，尾气温度大大减低。这也表明了阳极尾气中携带的能量大大减少，可以促进系统净效率提升。其中，重整效率、电堆效率和系统净效率的计算公式如式(1)、(2)和(3)所示。
57.1)重整效率：进入电堆阳极的燃料与系统燃料的低热值之比；
[0058][0059]
其中，η
atr
表示重整效率，单位为％；m
h2
表示在阳极燃料中氢气的质量流量，单位为kg/s，lhv
h2
表示氢气的低位热值，单位为kj/kg；m
ch4
表示在阳极燃料中甲烷的质量流量，单位为kg/s，lhv
ch4
表示甲烷的低位热值，单位为kj/kg；m
co
表示在阳极燃料中一氧化碳的质量流量，单位为kg/s，lhv
co
表示一氧化碳的低位热值，单位为kj/kg；m
fuel
表示系统燃料的质量流量，单位为kg/s，lhv
fuel
表示系统燃料的低位热值，单位为kj/kg。
[0060]
2)电堆效率：电堆的输出电能与进入电堆阳极燃料气的低热值之比；
[0061][0062]
其中，η
sofc
表示电堆效率，单位为％；w
elec
表示电堆输出的电功率，单位为kw；m
h2
表示在阳极燃料中氢气的质量流量，单位为kg/s，lhv
h2
表示氢气的低位热值，单位为kj/kg；m
ch4
表示在阳极燃料中甲烷的质量流量，单位为kg/s，lhv
ch4
表示甲烷的低位热值，单位为kj/kg；m
co
表示在阳极燃料中一氧化碳的质量流量，单位为kg/s，lhv
co
表示一氧化碳的低位热值，单位为kj/kg；
[0063]
3)系统净效率η
system
：系统输出的净电功率w
elec，net
与进入系统的燃料的低热值之比，系统净电功率是电堆总功率减去寄生功率和dc/dc转化损耗功率后的净输出功率，此处将二者对输出电能的损耗折算为损耗因子，寄生功率和dc/dc的损耗因子分别为η
parasitic
＝89％和η
dc/dc
＝92％；寄生功率包括流量泵等损耗外，还包括了寄生电阻的损耗。
[0064][0065]
η
parasitic
η
dc/dc
≈82％
[0066]
在此需要说明的是，本技术实施例中燃料电池发电系统10的原料可以是本领域技术人员所熟知的化石能源，例如天然气、煤气、汽油或柴油，也可以是甲醇等，还可以是天然气、煤气、汽油、柴油、等混合原料。在本技术提供的实施例中，燃料电池发电系统10所使用的原料就是柴油。
[0067]
在本技术的一些实施例中，燃料电池发电系统10还包括供气单元，该供气单元与燃料重整器121连接，以向燃料重整器121提供反应气体。
[0068]
进一步的，在本技术的一些实施例中，燃烧器13与供气单元热交换连接以使供气单元向燃料重整器121提供加热气体。具体的，燃料电池电堆11中尾气流入燃烧器13内进行燃烧，在燃烧过程中产生的热量流入供气单元内加热其内的反应气体，加热后的反应气体具有一定的温度，被输送至燃料重整器121中与含碳氢化合物反应，从而能够提高燃料重整器121内反应速率。
[0069]
在本技术的一些实施例中，供气单元可以包括气体流量计和第一换热器123，其中，气体流量计连接在第一换热器123和燃料重整器121之间，以控制加热气体流入至燃料重整器121中流量来调整氧碳比，进一步改善发电系统的系统净效率。
[0070]
在本技术的一些实施例中，阴极气体供应单元14包括第二换热器，第二换热器分别与阴极和燃烧器13连接，以通过燃烧器13内产生的热能为第二换热器中的阴极气体加热，加热后阴极气体被输送至阴极中进行反应。
[0071]
参照图3，随着进入燃料重整器121的空气预热温度的增大，系统净效率和电堆效率都线性增大。首先，由于空气预热温度增大，进入重整的空气温度增大，使得氢产率增大，电堆的输出功率增大；其次，燃料电池电堆的空气温度增大，则燃料重整器121和燃料电池电堆的保温损耗的能量减小，因此系统净效率和电堆效率都增大。而且燃料电池电堆的尾气温度随空气预热温度的增大而减小，因为预热空气的能量是从上述尾气中回收的。
[0072]
在本技术的一些实施例中，燃料电池发电系统还包括送风机17，该送风机分别与第一换热器123的入气口和第二换热器的入气口连接，以快速将空气输入至二者内。
[0073]
参照图4，电堆效率和系统净效率随着电堆空气利用率的提升而增大。首先，电堆空气利用率的增大可以理解为进入燃料电池发电系统10的空气量的减小，因此送风机所需的功率减小，损耗的电能减小。其次，空气预热到700℃进入燃料电池电堆，而燃料电池电堆在850℃下工作，电堆空气利用率增大还可以理解为用于冷却电堆的空气量减小，电堆可以保持更高的温度，而不需要损耗更多输出的能量来保温。燃料电池发电系统10的排气温度随着空气利用率的增大而降低，这是因为大部分的尾气是未利用的空气，燃料利用率增大，未利用的空气减少，尾气的质量流量随之减小，经过换热后，温度下降幅度较大。
[0074]
在本技术的一些实施例中，燃料电池发电系统还包括流量泵15和预热器16，该流
量泵15具有泵入口和泵出口，用于输送含碳氢化合物的原料。预热器16分别与泵出口和燃料重整器121连接，用于向燃料重整器提供加热的原料。
[0075]
在本技术的一些实施例中，还包括建模仿真单元，用于根据燃料重整器121内的氧碳比和/或循环装置122内的循环比计算得到燃料电池发电系统的系统净效率。通过建模仿真单元可以实时得到燃料电池发电系统的系统净效率，并且及时调整氧碳比和循环比来提高系统净效率。在此处的氧碳比是指燃料重整器内氧气分子与含碳化合物含碳总量的物质的量之比，循环比是指循环装置中回收的尾气与阳极尾气的质量比。
[0076]
在本技术的一些具体实施例中，建模仿真单元采用aspen plus软件进行仿真计算。
[0077]
参照图5，随着氧碳比的增大，系统净效率增大，电堆效率几乎不变。这主要是由于氧气增大，燃料重整器121内的部分氧化和完全氧化的比例增大，放出更多热量支持下游的蒸汽重整，使得氢产率增大，重整效率增大，因此，系统净效率增大。此外，随着氧碳比的增大，尾气温度增大，主要是由于氧化反应比例增大，生成了更多的co2和h2o，而这两个的热容较大，因此导致了尾气温度有所上升，但尾气温度仍处于较低水平。
[0078]
在本技术的一些实施例中，燃料重整器11内的氧碳比控制在0.05～0.2范围内，可以有利于提高系统净效率。
[0079]
参照图6，随着循环比的增大，电堆效率增大。这是因为循环比的增大，回收了阳极尾气中的燃料和热量，使得电堆输出功率增大，损耗的保温功率减小，从而使得电堆效率增大。但当循环比超过0.68之后，电堆效率随循环比的增大而减小，这是因为回收的阳极尾气中含有大量co2，循环比尽管再增大，燃料流量的增大并不明显，而co2明显增大，因此造成了电堆进口的燃料气分压降低，co2分压增大，使得电堆输出功率减小，整个电堆性能下降。此时，系统净效率随着循环比的增大先是缓慢增大然后又缓慢衰减。系统净效率的增大主要是因为燃料的增加使得电堆效率增大。但是当循环比超过0.68后，随着电堆效率的减小，系统净效率并未有明显的下降，这主要是因为随着循环比的增大，重整效率增大的原因。
[0080]
在本技术的一些实施例中，循环装置122中的循环比在0.65～0.75范围内，可以保证发电系统的系统净效率在47％以上。
[0081]
在本技术的一些具体实施例中，流量泵15控制原料的流量为0.63kg/h，气体流量计控制空气流量为0.77kg/h，循环装置122中的循环比为0.69，此时，本技术提供的发电系统的系统净效率可以达到48％左右。
[0082]
在本技术的一些实施例中，燃料电池发电系统还包括控制单元，分别与循环装置122和流量泵15连接，用于控制循环装置122和流量泵15的开度。
[0083]
在本技术提供的实施例中，循环装置122可以调控阳极循环回路12中的燃料流入燃料重整器121的流量，以进一步改善发电系统的系统净效率。
[0084]
在本技术的一些实施例中，循环装置122可以为风机或泵。当原料采用柴油时，其在燃料重整器121中反应温度较高，并且阳极中未充分反应的燃料温度也有800℃左右，因此，循环装置122需要使用耐高温泵或风机。
[0085]
在本技术的一些实施例中，燃料电池电堆为高温燃料电池电堆。该高温燃料电池具有简化水热管理系统、催化剂抗毒能力强、反应动力学速度快、燃料选择范围宽等优势。
[0086]
在本技术的一些实施例中，高温燃料电池电堆为固体氧化物型燃料电池电堆。该
固体氧化物型燃料电池具有高效率、无污染、全固态结构和对多种燃料气体的广泛适应性等优异性能，使其得到广泛的应用。
[0087]
在本技术的一些实施例中，燃烧器13还与阴极的尾气口连接，进一步充分利用阴极尾气的热量。
[0088]
在本技术的一些实施例中，燃料电池发电系统还包括引风机18，该引风机18分别与第一换热器123的出气口和第二换热器的出气口连接，以快速将多余空气排出去。
[0089]
进一步的，在本技术的一些实施例中，引风机18与第一换热器123和第二换热器之间安装有散热器19。更进一步的，散热器19还连接有散热风扇，进一步加快尾气温度降低的速率。
[0090]
实施例1
[0091]
柴油经过泵升压至200kpa，与阳极尾气换热后汽化并进入燃料重整器内；进入燃料电池发电系统的空气压缩至120kpa后分为两股，一股用于燃料重整器内的重整反应，一股用于电堆和燃烧器中，空气进入燃料重整器、电堆和燃烧器前均通过换热器加热至700℃。进料物质在燃料重整器发生反应生成重整产物，重整产物进入电堆阳极。反应后的阳极尾气通过分离器分成两部分，一部分直接进入燃烧器，另一部分经过循环装置后返回燃料重整器。加热后的空气一部分直接进入电堆反应，另一部分通过分离器直接进入燃烧器作为氧化剂，燃烧后的尾气通过三级换热后排出。
[0092]
对比例1
[0093]
柴油经过泵升压至200kpa，与阳极尾气换热后汽化并进入燃料重整器；进入系统的空气压缩至120kpa后分为两股，一股用于重整，一股用于电堆和燃烧器，空气进入反应器前都用燃烧尾气加热至700℃；水经过燃烧尾气换热到300℃后进入重整器。进料物质在重整器发生反应生成重整产物，重整产物进入电堆阳极。加热后的空气一部分直接进入电堆反应，另一部分通过分离器直接进入燃烧器作为氧化剂，燃烧后的尾气通过三级换热后排出。
[0094]
参照图7，实施例1中燃料电池发电系统的重整效率、电堆效率和系统净效率明显优于对比例1。
[0095]
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本技术的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本技术进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本技术各实施例技术方案的范围。