利用熔盐蓄热快速启动固体燃料电池的系统及方法与流程

1.本发明涉及固体燃料电池领域，提出利用熔盐蓄热快速启动固体燃料电池的系统及方法。


背景技术：

2.固定燃料电池(solid oxide fuel cell：sofc)，其反应温度在650℃～950℃，能量转换是通过电极上的电化学过程来进行的，其工作原理见附图1；
3.sofc由阴极、阳极和电解质组成，致密的电解质将多孔的阴极和阳极分隔开，形成三明治结构；在阳极一侧通入燃料气体(h2、co)，阴极一侧通入氧化剂(如02、空气)，若外电路连通，则会有电流流过负载；在阴极，氧分子得电子还原为氧离子，氧离子在电解质两侧电位差和浓度差的共同作用下，通过电解质中的氧空位传递到阳极一侧；在阳极，氢分子失去电子被氧化为氢离子，电子通过外电路向阴极转移，氢离子与晶格氧结合生成水；
4.在固体燃料电池本身的运行中存在一些问题制约其产业化的发展，sofc的操作温度范围在600℃至1000℃之间，故导致sofc启动时间过长；目前sofc一般采用电加热的方式预热，启动时间为6小时以上，严重制约了固体燃料电池的发展；同时，国内外对固体燃料电池能量回收多聚焦于提高效率的问题上，如利用联合循环发电系统对固体燃料电池进行能量回收，但都未考虑固体燃料电池启动时间问题。


技术实现要素：

5.本发明提出利用熔盐蓄热快速启动固体燃料电池的系统及方法，通过使用熔盐储能系统，充分利用燃料电池组自身产生的热量、带有热量的尾气，以及利用过量氧气与燃料气体余料在后燃室中燃烧产生的带有热量的尾气对固态熔盐预热箱及固态熔盐保温箱内的固态熔盐进行热量置换，对空气和燃料气体进行预热、对燃料电池组进行保温，从而有效缩减了固体燃料电池(sofc)的启动时间；同时充分利用了燃料气体的余热，提高了固体燃料电池组的效率。
6.为了实现上述目的，本发明提出了利用熔盐蓄热快速启动固体燃料电池的系统及方法，其中利用熔盐蓄热快速启动固体燃料电池的系统包括：熔盐储能系统、燃料电池组及燃气轮机系统；
7.所述熔盐储能系统与所述燃料电池组连通，所述燃料电池组与所述燃气轮机系统连通；
8.所述燃料电池组包括空气极与燃料极，所述空气极通入空气，所述燃料极通入燃料；
9.所述燃料电池组连接有逆变器，所述逆变器连接电网，所述燃料电池组通过所述逆变器将直流电变为交流电供给所述电网；
10.还包括能够缩减燃料电池组启动时间及带动所述燃气轮机系统工作的尾料回收利用装置，所述尾料回收利用装置同时与所述燃料电池组、燃气轮机系统及熔盐储能系统
连通；
11.所述熔盐储能系统同时对所述燃料电池组进行保温。
12.进一步，所述尾料回收利用装置包括后燃室；
13.所述空气极排放有过量氧气，所述燃料电池组内有未反应的燃料气体余料，所述过量氧气与所述燃料气体余料同时通入所述后燃室；
14.所述过量氧气与所述燃料气体余料在所述后燃室内充分燃烧并产生高温高压尾气；
15.所述高温高压尾气分为两路流出，一路流入所述燃气轮机系统带动所述燃气轮机系统工作，另一路流回熔盐储能系统对通入所述空气极的空气、通入燃料极的燃料及燃料电池组进行保温。
16.进一步，所述熔盐储能系统包括固态熔盐预热箱及固态熔盐保温箱，所述固态熔盐预热箱与所述燃料电池组连通，所述固态熔盐保温箱设置于所述燃料电池组外周侧，所述后燃室同时与所述固态熔盐预热箱及固态熔盐保温箱连通；
17.通入所述空气极的空气以及通入所述燃料极的燃料均穿过所述固态熔盐预热箱后进入所述空气极与燃料极。
18.进一步，所述固态熔盐预热箱包括预热箱、空气管路、燃气管路、自来水管路及蒸发器；
19.所述空气管路与所述燃气管路均穿过所述预热箱；
20.所述空气管路的进气端连通有空气压缩机，所述空气管路的出气端与所述空气极连通；
21.所述燃气管路的进气端连通有燃气压缩机；
22.所述蒸发器设置于所述预热箱内，所述自来水管路的进水端连通有水泵，所述自来水管路的出水端与所述蒸发器连通；
23.所述蒸发器与所述燃气管路并流后连通有一混合器，所述混合器与所述燃料极连通。
24.进一步，所述蒸发器产生水蒸气，所述燃料气体与所述水蒸气同时通入所述混合器，并在所述混合器内形成富氢重整气，所述富氢重整气进入所述燃料极的电极板。
25.进一步，所述燃气轮机系统包括燃气透平及发电机，所述燃气透平与所述发电机连接；
26.所述高温高压尾气的其中一路流入所述燃气透平。
27.进一步，所述燃气透平的尾端连通有高温烟气管路，所述高温烟气管路同时与所述固态熔盐保温箱连通。
28.进一步，所述预热部及固态熔盐保温箱内均设置有固态熔盐。
29.进一步，所述预热部及固态熔盐保温箱同时连通有尾气回收装置。
30.更进一步，一种利用熔盐蓄热快速启动固体燃料电池组的方法，利用所述的利用熔盐蓄热快速启动固体燃料电池的系统的所述后燃室燃烧产生的高温高压尾气及燃料电池组自身的热量与所述熔盐储能系统内的固态熔盐进行换热以对所述燃料电池组进行保温、预热来缩短燃料电池组的启动时间。
31.本发明通过使用熔盐储能系统，充分利用燃料电池组自身产生的热量、带有热量
的尾气，以及利用过量氧气与燃料气体余料在后燃室中燃烧产生的带有热量的尾气对固态熔盐预热箱及固态熔盐保温箱内的固态熔盐进行热量置换，对空气和燃料气体进行预热、对燃料电池组进行保温，从而有效缩减了固体燃料电池组(sofc)的启动时间；同时充分利用了燃料气体的余热，提高了固体燃料电池组的效率。
附图说明
32.为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式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，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，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，还可以根据这些附图获得其他的附图。
33.图1为现有技术中的固体染料电池的通过电化学过程来进行的电极上的能量转换示意图；
34.图2为三级联合发电系统的结构图；
35.图3为本发明具体实施例中的利用熔盐蓄热快速启动固体燃料电池的系统的整体结构示意图；
36.附图标记说明：1熔盐储能系统；11固态熔盐预热箱；111预热箱；111预热箱；112空气管路；1121空气压缩机；113燃气管路；1131燃气压缩机；114自来水管路；1141水泵；115蒸发器；12固态熔盐保温箱；3燃料电池组；31空气极；32燃料极；5燃气轮机系统；51燃气透平；52发电机；6逆变器；7电网；8尾气回收装置。
具体实施方式
37.下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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。
38.在本发明的具体实施例中，见图3，利用熔盐蓄热快速启动固体燃料电池的系统，包括：熔盐储能系统1、燃料电池组3及燃气轮机系统5；
39.所述熔盐储能系统1与所述燃料电池组3连通，所述燃料电池组3与所述燃气轮机系统5连通；
40.所述燃料电池组3包括空气极31与燃料极32，所述空气极31通入空气，所述燃料极32通入燃料；
41.所述燃料电池组3连接有逆变器6，所述逆变器6连接电网7，所述燃料电池组3通过所述逆变器6将直流电变为交流电供给所述电网6；
42.还包括能够缩减燃料电池组启动时间及带动所述燃气轮机系统工作的尾料回收利用装置，所述尾料回收利用装置同时与所述燃料电池组3、燃气轮机系统5及熔盐储能系统1连通；
43.所述熔盐储能系统1同时对所述燃料电池组3进行保温。
44.在本发明的具体实施例中，见图3，所述尾料回收利用装置包括后燃室4；
45.所述空气极31排放有过量氧气，所述燃料电池组3内有未反应的燃料气体余料，所述过量氧气与所述燃料气体余料同时通入所述后燃室4；
46.所述过量氧气与所述燃料气体余料在所述后燃室4内充分燃烧并产生高温高压尾气；
47.所述高温高压尾气分为两路流出，一路流入所述燃气轮机系统5带动所述燃气轮机系统5工作，另一路流回熔盐储能系统1对通入所述空气极的空气、通入燃料极的燃料及燃料电池组3进行预热保温。
48.在本发明的具体实施例中，见图3，所述熔盐储能系统1包括固态熔盐预热箱11及固态熔盐保温箱12，所述固态熔盐预热箱11与所述燃料电池组3连通，所述固态熔盐保温箱12设置于所述燃料电池组3外周侧，所述后燃室4同时与所述固态熔盐预热箱11及固态熔盐保温箱12连通；
49.通入所述空气极31的空气以及通入所述燃料极32的燃料均穿过所述固态熔盐预热箱11后进入所述空气极31与燃料极32。
50.在本发明的具体实施例中，见图3，所述固态熔盐预热箱11包括预热箱111、空气管路112、燃气管路113、自来水管路114及蒸发器115；
51.所述空气管路112与所述燃气管路113均穿过所述预热箱111；
52.所述空气管路112的进气端连通有空气压缩机1121，所述空气管路112的出气端与所述空气极31连通；
53.所述燃气管路113的进气端连通有燃气压缩机1131；
54.所述蒸发器115设置于所述预热箱111内，所述自来水管路114的进水端连通有水泵1141，所述自来水管路114的出水端与所述蒸发器115连通；
55.所述蒸发器115与所述燃气管路113并流后连通有一混合器2，所述混合器2与所述燃料极32连通。
56.在本发明的具体实施例中，见图3，所述蒸发器115产生水蒸气，所述燃料气体与所述水蒸气同时通入所述混合器2，并在所述混合器2内形成富氢重整气，所述富氢重整气进入所述燃料极32的电极板。
57.在本发明的具体实施例中，见图3，所述燃气轮机系统5包括燃气透平51及发电机52，所述燃气透平51与所述发电机52连接；
58.所述高温高压尾气的其中一路流入所述燃气透平51。
59.在本发明的具体实施例中，见图3，所述燃气透平51的尾端连通有高温烟气管路511，所述高温烟气管路511同时与所述固态熔盐保温箱12连通。
60.在本发明的具体实施例中，见图3，所述预热部111及固态熔盐保温箱12内均设置有固态熔盐。
61.在本发明的具体实施例中，见图3，所述预热部111及固态熔盐保温箱12同时连通有尾气回收装置8。
62.在本发明的具体实施例中，见图3，开始工作时，首先空气压缩机、燃气压缩机及水泵开始工作，以向燃料电池组的空气极通入空气、向燃料电池组的燃料极通入燃料气体、向蒸发器内通入清水；
63.在通入清水的过程中，水蒸气发生开始工作产生水蒸气，水蒸气与燃料气体混合后进入混合器；
64.在混合器内，燃料气体与水蒸气在形成富氢重整气，富氢重整气进入燃料电池组
的燃料极的电极板；
65.然后启动燃料电池组，燃料电池组连接有逆变器，逆变器将燃料电池组产生的直流电变为交流电，同时逆变器将交流电供给电网；
66.在燃料电池组工作的过程中，空气极会产生大量氧气，除去燃烧需求，还有大量氧气富余，为了节约资源，将富余的过量氧气进行回收，同时还会有部分燃料气体没有完全燃烧，有剩余，剩余的燃料气体也进行回收，回收的过量氧气与燃料气体余料同时进入后燃室内进行燃烧；
67.在后燃室内，燃烧过程中产生高温高压尾气，高温高压尾气一部分通入燃气透平内做功，一部分通入预热部，对后续进入的空气和燃料气体进行预热保温，一部分通入固态熔盐保温部对进入燃料电池组的空气和燃料气体进行保温，即对燃料电池组进行保温；
68.由于燃料电池组一直处于保温状态，因此在启动燃料电池组的过程中，升温过程有效缩短，从而能够快速启动燃料电池组工作，且一直循环工作，能够大大缩短启动时间；
69.同时在燃气透平内，高温高压尾气做功过程中会产生二次尾气，烟气也具有一定的温度，因此将烟气回流进固态熔盐保温箱内，将温度置换给固态熔盐保温箱内的固态熔盐，以对燃料电池组进行保温；
70.同时，在高温高压尾气通入预热部、固态熔盐保温部及燃气透平的烟气通入固态熔盐保温部后，预热部与固态熔盐保温部会产生烟气，为了环保，设置尾气回收装置进行烟气处理；
71.其中固态熔盐的换热过程为：固态熔盐吸收后燃室高温高压尾气的热量使得温度上升，到达一定温度后固态熔盐产生相变，相变过程中可吸收大量热(潜热高)，此时温度基本不变，当相变完成后持续吸热温度继续上升，此过程熔盐可充分吸收尾气中热量。同时熔盐储存在高保温性能的预热部及固态熔盐保温箱中，温度波动极小(储、放热过程近似等温)，起到预热及保温作用，从而有效降低固体燃料电池的启动时间。
72.在本发明的具体实施例中，利用如图1-2所示的利用熔盐蓄热快速启动固体燃料电池组的系统的所述后燃室燃烧产生的高温高压尾气及燃料电池组自身的热量与所述熔盐储能系统内的固态熔盐进行换热以对所述燃料电池组进行保温、预热来缩短燃料电池组的启动时间。
73.实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此领域技术的人士能够了解本发明内容并加以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。