燃料电池发电系统及燃料电池发电方法与流程

1.本发明涉及燃料电池技术领域，具体地涉及一种燃料电池发电系统及其控制方法。


背景技术：

2.现有的燃料电池在工作过程中会产生阳极尾气，阳极尾气具有未充分燃烧的燃料气和反应后的水蒸气等组分，但现有的燃料电池未对阳极尾气进行充分回收利用，例如阳极尾气中的水蒸气被作为废水被排出，这导致燃料电池的燃料利用率很低，并且除了需要向燃料电池输送燃料气和空气以外，还需要将通过其它装置产生的水蒸气输送至燃料电池。


技术实现要素：

3.本发明实施例的目的是提供一种燃料电池发电系统及其控制方法，用于解决上述技术问题中的一者或多者。
4.为了实现上述目的，本发明实施例提供一种燃料电池发电方法，该方法包括：将燃料气供应给阳极；将含氧气体供应给阴极；以及将阳极尾气的一部分与所述燃料气混合以得到混合气，将所述混合气供应给所述阳极。
5.可选的，所述阳极尾气的循环比为0.3至2.2。
6.可选的，所述方法还包括：将所述阳极尾气的另一部分与所述混合气进行换热，换热后的所述混合气供应给所述阳极。
7.可选的，所述方法还包括：将所述阳极尾气的另一部分与阴极尾气进行燃烧得到燃烧尾气。
8.可选的，所述方法还包括：将所述燃烧尾气与所述含氧气体换热，换热后的所述含氧气体供应给阴极。
9.可选的，所述方法还包括：利用所述燃烧尾气得到水蒸气；以及将所述水蒸气与所述阳极尾气和所述燃料气混合以得到所述混合气，将所述混合气供应给所述阳极。
10.可选的，所述水蒸气的量与所述燃料气的碳流量的比值为1～2：1。
11.可选的，所述方法还包括：对所述混合气进行重整，将重整后的所述混合气供应给所述阳极。
12.可选的，所述燃料电池的工作温度为500℃至900℃；所述燃料电池的工作压力为0.05mpa至0.25mpa。
13.另一方面，本发明实施例提供一种燃料电池发电系统，所述燃料电池发电系统包括：电堆，包括阳极和阴极；泵送装置，用于将燃料气和所述阳极的阳极尾气混合成混合气，并将所述混合气供应给所述阳极；以及调节单元，与所述泵送装置相连接，用于调节所述混合气中的燃料气和阳极尾气的比例。
14.可选的，所述燃料电池发电系统还包括：第一换热器，设置在所述泵送装置和所述
阳极之间，用于将所述阳极尾气的另一部分与所述混合气进行换热，并将换热后的混合气供应给所述阳极。
15.可选的，所述燃料电池发电系统还包括：燃烧器，与所述第一换热器和所述阴极相连接，用于将所述阳极尾气的另一部分与阴极尾气进行燃烧得到燃烧尾气。
16.可选的，所述燃烧器内通有调温气体，所述调温气体用于调节所述燃烧尾气的温度。
17.可选的，所述燃料电池发电系统还包括：第二换热器，设置在所述燃烧器和所述阴极之间，用于将所述燃烧尾气与所述含氧气体换热，并将换热后的所述含氧气体供应给阴极。
18.可选的，所述燃料电池发电系统还包括：余热回收单元，设置在所述燃烧器和所述泵送装置之间，用于利用所述燃烧尾气得到水蒸气，并将所述水蒸气输送至所述泵送装置，所述泵送装置用于将所述水蒸气与所述阳极尾气和所述燃料气混合以得到所述混合气，并将所述混合气供应给所述阳极。
19.可选的，所述燃料电池发电系统还包括：重整单元，设置在所述泵送装置和所述阳极之间，用于对所述混合气进行重整，并将重整后的所述混合气供应给所述阳极。
20.可选的，所述泵送装置为引射泵。
21.通过上述技术方案，调整燃料电池发电系统内部的气路，能够充分回收利用电堆产生的尾气，并且还可以提高燃料电池发电系统的运行效率。
22.本发明实施例的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
23.附图是用来提供对本发明实施例的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明实施例，但并不构成对本发明实施例的限制。在附图中：
24.图1是本发明实施例提供的燃料电池发电系统的结构示意图；
25.图2是本发明实施例提供的燃料电池发电方法的流程示意图。
26.附图标记说明：
[0027]1ꢀꢀꢀ
引射泵
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调节阀
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重整单元
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第一换热器
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阳极
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阴极
[0030]7ꢀꢀꢀ
燃烧器
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第二换热器
[0031]9ꢀꢀꢀ
余热回收单元
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10
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空气输送端
[0032]
11调节阀
具体实施方式
[0033]
以下结合附图对本发明实施例的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明实施例，并不用于限制本发明实施例。
[0034]
首先需要说明的是，本发明实施例中的术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，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，并且在需要的情况下，这些技术特征所能达到的效果基本相同。
[0035]
普通的燃料电池的工作过程如下所示：燃料气进入燃料电池的电堆阳极，空气进入燃料电池的电堆阴极，燃料气与空气发生反应后，产生的阳极尾气通过电堆阳极的出气端被排出燃料电池，未完全反应的空气会通过电堆阴极的出气端被排出燃料电池。
[0036]
在此基础上，本发明实施例提供的方案对燃料电池发电系统内的气路进行改进，以提高燃料电池发电系统的运行效率。
[0037]
具体的，本发明实施例提供的燃料电池发电系统在常规结构基础上加装了互相连接的泵送装置和调节单元。
[0038]
本发明该实施例提供的燃料电池发电系统的工作过程如下：
[0039]
在燃料电池发电系统处于启动工况时，不启用泵送装置和调节单元的调节功能，燃料气经过泵送装置和调节单元直接进入至电堆阳极，此时空气也直接进入电堆阴极，燃料电池发电系统开始工作；
[0040]
在燃料电池发电系统稳定工作过程中，电堆阳极排出的阳极尾气中含有未充分反应的燃料气且阳极尾气温度较高，在此基础上，将从阳极出来的阳极尾气导入泵送装置，由泵送装置将燃料气和阳极尾气混合成混合气后再将其供应给阳极。
[0041]
其中，在将燃料气与阳极尾气混合的同时，还可以利用阳极尾气提升燃料气的温度。
[0042]
考虑到如果将阳极尾气全部与燃料气混合，可能会导致混合气中的燃料气成分比例低，影响电堆内的反应效率，因此可以考虑仅将部分阳极尾气送至泵送装置和调节单元。例如，可以通过调节单元控制尾气循环比为0.3至2.2之间，优选可以为0.5-2之间。
[0043]
阳极尾气中除了被送至泵送装置的部分以外，剩余的尾气气体温度较高，因此本发明实施例还提供了一种能够对剩余阳极尾气进一步利用的燃料电池发电系统，该系统还可以在泵送装置与阳极之间设置一第一换热器，利用剩余的高温阳极尾气与混合气进行换热，可以进一步进入阳极的混合气的温度以提高其在电堆内的反应效率，换热后的剩余阳极尾气可以作为尾气被排出。
[0044]
在一些可选的实施例中，还可以在燃料电池发电系统中设置有尾气处理部件。
[0045]
具体的，换热后的剩余阳极尾气中包含为充分反应的燃料气，因此可以在燃料电池发电系统中设置与所述第一换热器相连通的燃烧器，换热后的剩余阳极尾气可以被送至燃烧器进行燃烧，再将燃料气燃烧反应后的尾气排出。
[0046]
本发明该实施例提供的燃烧器采用高温的阴极空气助燃，使得低热值阳极尾气能够稳定燃烧。
[0047]
其中，在所述燃烧器内部的燃烧反应中还需要氧气，所述氧气可以来自单独供给的管道或者也可以来自阴极排出的阴极尾气。
[0048]
进一步的，燃烧器排出的尾气温度较高，而进入阴极的空气也需要大到一定的温度才能够保证在电堆内的反应效率，因此，本发明可选实施例中还可以考虑在燃料电池发电系统内设置一与燃烧器相连通的第二换热器，燃烧器排出的尾气与被即将输送至阴极的含氧气体进行换热，再将缓和后的含氧气体供应给阴极。这样的结构设置可以进一步提高燃料电池发电系统的工作效率。
[0049]
考虑到燃烧器直接排出的尾气温度过高，不利于后续的尾气处理和换热操作等，因此可以在燃烧器内部进行一下温度调整处理，即使得燃烧器排出的尾气温度处在可控温度范围内。具体的，可以向燃烧器内通入调温气体，由所述调温气体调节燃烧尾气的温度。
[0050]
其中，燃烧器排出的尾气温度范围可以根据实际需求自行设定，且通过调节通入燃烧器内的调温气体的量即可实现排出尾气温度调节。
[0051]
可选的，所述调温气体可以单独供给，也可以从用于供给至阴极的含氧气体中抽出部分供给至燃烧器用于调节燃烧尾气温度。
[0052]
对于燃料电池发电系统来说，在进入阳极的气体中增加水蒸气成本，可以使得阳极膜保持湿润以增加离子导电率。
[0053]
基于本发明任意实施例提供的技术方案中，在燃料电池发电系统处于启动工况时，直接进入阳极的燃料气以及阳极排出的阳极尾气中均没有水蒸气，因此本发明该实施例提出可以设置一单独的水蒸气回路以将水蒸气输送至泵送装置，由泵送装置将水蒸气、燃料气和阳极尾气混合后输送至电堆阳极。
[0054]
例如，可以设置一预热回收单元，其可以利用高温的尾气得到水蒸气。其中，用于使得所述预热回收单元能够产生水蒸气的高温尾气可以是阳极尾气、阴极尾气或者由燃烧器排出的燃烧尾气等。
[0055]
在燃料电池发电系统处于稳定工作状态时，阳极尾气中的水蒸气就可以满足需求，此时停止预热回收单元将利用高温尾气产生的水蒸气输送至泵送装置。该实施例中，可以充分利用阳极尾气而无需外加水蒸气，并且也不需要排出废水。
[0056]
本发明该实施例提供的燃料电池发电系统，在燃料电池发电系统处于启动工况时将引入泵送装置，不仅可以提高燃料电池发电系统工作效率，还可以基于负压原理有效防止管路和泵送装置内部出现积碳堵塞的情况。此外还可以充分回收利用阳极尾气、阴极尾气和燃烧尾气等的热量。
[0057]
本发明上述任意实施例提供的燃料电池发电系统中，还可以根据需求设置重整单元，将泵送装置混合后的混合气进行重整变换后再输送至阳极。
[0058]
该实施例提供的重整单元的具体功能取决于燃料电池发电系统具体种类，例如在燃料气中的甲烷成分占比较多的情况下，可以经重整单元，将部分甲烷催化重整以获得氢气并降低二氧化碳的排放率。
[0059]
图1是本发明实施例提供的燃料电池发电系统的结构示意图。现结合图1来详细介绍本发明实施例提供的燃料电池发电系统。在该实施例中，采用引射泵作为泵送装置，调节阀作为调节单元。
[0060]
具体的，燃料气经引射泵1、重整单元3和第一换热器4进入至阳极5，经阳极5产生的阳极尾气中的一部分流入引射泵1以产生混合气后再输送至阳极5，另一部分流入换热器4以与混合气进行换热，换热后的阳极尾气再流入燃烧器7燃烧，产生的尾气可以直接排出或者再流入第二换热器8以与空气换热后再被排出，空气经空气输送端10和第二换热器8进入至阴极6，阴极6排出的阴极尾气可以进入燃烧器7以为阳极尾气的燃烧处理提供氧气。
[0061]
其中，引射泵1处设置一具有调节阀2的旁路，基于负压原理，通过调节阀2的开度来调整流经进入引射泵1的燃料气的量，以实现阳极尾气循环比的控制。
[0062]
其中，还可以在空气输送端10与燃烧器7之间设置有空气能够流动的管路，并在管
路上设置调节阀11，通过调整调节阀11的开度以实现对燃烧器7排出的燃烧尾气温度的调整。
[0063]
在该实施例提供的燃料电池发电系统中，还可以在引射泵1与第二换热器8之间设置一余热回收单元9，在燃料电池发电系统处于初启动工况时，燃烧器7排出的高温燃烧尾气可以经第二换热器8后进入余热回收单元9，通过加热的方式产生水蒸气，并将所述水蒸气送入至引射泵1。
[0064]
在本发明该实施例提供的燃料电池发电系统中，新鲜燃料气与高温阳极尾气经过引射泵混合，经过重整或者变换处理，与高温阳极尾气换热后进入燃料电池阳极；阴极空气与燃烧尾气换热后进入燃料电池阴极，从阴极出来的尾气直接进入燃烧器助燃，将低热值阳极尾气燃烧尽。
[0065]
所述燃料电池的工作温度范围可以为500℃至900℃，优选范围为600℃至800℃；所述燃料电池的工作压力范围可以为0.05mpa至0.25mpa，优选范围为0.1mpa至0.2mpa。
[0066]
所述引射泵设置调节阀旁路，用于调节高温尾气循环量，尾气循环比控制在0.3至2.2，优选范围为0.5-2。
[0067]
所述燃烧器出口温度通过冷空气控制在700℃至900℃左右，与阴极进口空气换热后可以降温至100℃-300℃左右，然后进入余热回收单元。
[0068]
在燃料电池发电系统处于启动工况时，利用燃烧尾气余热产生的水蒸汽加入引射泵，防止积碳堵塞，其中水蒸汽加入量为1-2倍新鲜燃料气碳流量。
[0069]
图2是本发明实施例提供的燃料电池发电方法的流程示意图，其示出的燃料电池发电方法适用于本发明上述任意实施例提供的燃料电池发电系统。如图2所示，该实施例提供的燃料电池发电方法包括步骤s110至s130。
[0070]
在步骤s110，将燃料气供应给阳极。
[0071]
在步骤s120，将含氧气体供应给阴极。
[0072]
在步骤s130，将阳极尾气的一部分与燃料气起混合以得到混合气，并将混合气供应给阳极。
[0073]
通过上述技术方案，可以充分利用阳极尾气中未完全燃烧的燃料气且温度较高，因此这样的循环方式能够有效减少燃料电池尾气排放并提高燃料电池工作效率。此外，由于阳极尾气中的包含有水蒸气，因此无需额外提供用于供给水蒸气的支路，这样的循环方式也可以有效防止发生积碳堵塞
[0074]
其中，所述阳极尾气的循环比为0.3至2.2。优选范围为0.5至2。
[0075]
在一些可选实施例中，还可以将所述阳极尾气的另一部分与所述混合气进行换热，换热后的所述混合气供应给所述阳极。
[0076]
在一些可选实施例中，还可以将所述阳极尾气的另一部分与阴极尾气进行燃烧得到燃烧尾气。
[0077]
在一些可选实施例中，还可以将所述燃烧尾气与所述含氧气体换热，换热后的所述含氧气体供应给阴极。
[0078]
在燃料电池处于初启动工况时，由于阳极尾气温度虽然较高但是其还不包含水蒸气，因此可以通过以下方式向供应给阳极的气体中添加水蒸气：利用所述燃烧尾气得到水蒸气；以及将所述水蒸气与所述阳极尾气和所述燃料气混合以得到所述混合气，将所述混
合气供应给所述阳极。
[0079]
其中，所述水蒸气的量与所述燃料气的碳流量的比值为1～2：1。
[0080]
在一些可选实施例中，可以根据实际需求和燃料气成分对所述混合气进行重整，再将重整后的所述混合气供应给所述阳极。
[0081]
在一些可选实施例中，所述燃料电池的工作温度为500℃至900℃，所述燃料电池的工作压力为0.05mpa至0.25mpa。
[0082]
有关本发明上述实施例提供的燃料电池发电方法的具体细节和益处，可参阅上述针对本发明提供的燃料电池发电系统的具体细节和益处，于此不再赘述。
[0083]
现以一套20kw级合成气燃料电池发电系统解释本发明提供的技术方案。
[0084]
该燃料电池发电系统中，10nm3/h的合成气(h2占62％，co占37％)与尾气(约10nm3/h)混合预热至400℃左右，经过与阳极尾气换热至700℃左右，进入固体氧化物燃料电池阳极反应，燃料利用率能够达到80％，发电功率为20kw，阳极出口尾气温度约为800℃，一部分循环(10nm3/h)与新鲜气混合，剩余部分与进料气换热后进入燃烧器，控制燃烧尾气温度约为830℃，尾气经阴极空气(流量200nm3/h)后降至温度为150℃左右排出；与燃烧尾气换热后的阴极空气温度约为700℃并进入燃料电池，阴极出口尾气温度约为800℃。
[0085]
以上结合附图详细描述了本发明实施例的可选实施方式，但是，本发明实施例并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明实施例的技术构思范围内，可以对本发明实施例的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明实施例的保护范围。
[0086]
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明实施例对各种可能的组合方式不再另行说明。
[0087]
还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。
[0088]
以上仅为本技术的实施例而已，并不用于限制本技术。对于本领域技术人员来说，本技术可以有各种更改和变化。凡在本技术的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本技术的权利要求范围之内。