一种燃料电池热电联供系统[发明专利]

(12)发明专利申请

(10)申请公布号 CN 110676482 A(43)申请公布日 2020.01.10

(21)申请号 201910848370.3(22)申请日 2019.09.09

(71)申请人 全球能源互联网研究院有限公司

地址 102209 北京市昌平区未来科技城滨

河大道18号

申请人 国网辽宁省电力有限公司电力科学

研究院　

国家电网有限公司(72)发明人 刘少名　田博元　宋洁　康伟　

梁丹曦　李璐　许可　王乐　蔡林海　徐桂芝　邓占锋　韩月　段方维　(74)专利代理机构 北京三聚阳光知识产权代理

有限公司 11250

代理人 李博洋

权利要求书1页 说明书4页 附图1页

(51)Int.Cl.

H01M 8/04007(2016.01)H01M 8/04014(2016.01)H01M 8/04223(2016.01)H01M 8/04225(2016.01)H01M 8/04302(2016.01)H01M 8/04701(2016.01)H01M 8/0662(2016.01)F28D 20/00(2006.01)

CN 110676482 A(54)发明名称

一种燃料电池热电联供系统(57)摘要

本发明公开了一种燃料电池热电联供系统，该系统包括电池单元、燃烧反应室、高温储热装置和原料供给单元；原料供给单元分别与电池单元和燃烧反应室连接，用于为电池单元和燃烧反应室提供原料；燃烧反应室分别与原料供给单元和高温储热装置连接，用于将原料供给单元提供的原料和/或电池单元未用尽的原料燃烧反应产生高温尾气，并输送给原料供给单元和高温储热装置；高温储热装置与电池单元连接，用于将储存的热量输送给电池单元；电池单元用于将原料的化学能转换为电能输出。通过实施本发明，高温储热装置储存燃烧反应室产生的热量，并将热量输送给电池单元，使电池单元迅速升高到工作温度，从而能够解决燃料电池启动时间长的问题。

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权　利　要　求　书

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1.一种燃料电池热电联供系统，其特征在于，包括电池单元、燃烧反应室、高温储热装置和原料供给单元；

所述原料供给单元分别与所述电池单元和燃烧反应室连接，用于为所述电池单元和燃烧反应室提供原料；

所述燃烧反应室分别与所述原料供给单元和高温储热装置连接，用于将所述原料供给单元提供的原料和/或所述电池单元未用尽的原料燃烧反应产生高温尾气，并输送给所述原料供给单元和高温储热装置；

所述高温储热装置与所述电池单元连接，用于将储存的热量输送给所述电池单元；所述电池单元用于将所述原料的化学能转换为电能输出。2.根据权利要求1所述的燃料电池热电联供系统，其特征在于，还包括：循环泵；所述循环泵分别与所述高温储热装置和电池单元连接，所述循环泵、高温储热装置和电池单元形成闭合回路。

3.根据权利要求1所述的燃料电池热电联供系统，其特征在于，所述原料供给单元包括：风机、水泵、预热器、蒸发器以及重整器；

所述预热器分别与所述风机、电池单元连接，用于将所述风机输入的空气预热后输送至所述电池单元；

所述蒸发器分别与所述水泵和重整器连接，用于将所述水泵输入的水蒸发后与燃料气体进行混合，并将混合气体输送至所述重整器；

所述重整器与所述电池单元连接，用于将所述混合气体催化重整后输送至所述电池单元。

4.根据权利要求3所述的燃料电池热电联供系统，其特征在于，还包括：第一阀门、第二阀门以及三相阀；

所述燃烧反应室的输出端分别与所述第一阀门和第二阀门的输入端连接，所述第一阀门的输出端与所述高温储热装置的输入端连接；

所述三相阀的输入端分别与所述第二阀门和高温储热装置的输出端连接，所述三相阀的第一输出端与所述预热器的输入端连接，所述三相阀的第二输出端与所述重整器的输入端连接。

5.根据所述权利要求4所述的燃料电池热电联供系统，其特征在于，所述预热器的输出端与所述蒸发器的输入端连接。

6.根据所述权利要求5所述的燃料电池热电联供系统，其特征在于，还包括：换热器；所述换热器的输入端分别与所述蒸发器和重整器的输出端连接，所述换热器的进水口及出水口分别与供水装置连接，用于加热通入所述换热器的液体。

7.根据权利要求1-6任一项所述的燃料电池热电联供系统，其特征在于，还包括：直流交流转换器；

所述直流交流转换器与所述电池单元连接，用于将所述电池单元输出的直流电流转换为交流电流输出。

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一种燃料电池热电联供系统

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技术领域

[0001]本发明涉及燃料电池技术领域，具体涉及一种燃料电池热电联供系统。

背景技术

[0002]固体氧化物燃料电池(Solid Oxide Fuel Cell，简称SOFC)热电联供系统是一种燃料电池供热供电的装置，主要包括固体氧化物燃料电池电堆及辅助装置，辅助装置用于提供固体氧化物燃料电池运行所需要的条件。固体氧化物燃料电池是一种可在高温下(600～1000℃)直接将燃料和氧化剂中的化学能转化为电能的装置，同时还具有高能量转化率、零污染、对燃料适应性广、应用领域广泛等优点，其燃料可以是天然气、煤气、甲醇、沼气等碳基燃料，也可以是氢气。

[0003]由于固体氧化物燃料电池的工作温度比较高，需要几小时至十几小时或更久才能将固体氧化物燃料电池的温度升高到工作温度，会导致热电联供系统启动时间长，并且固体氧化物燃料电池的温度多次冷热循环启停后，还会导致固体氧化物燃料电池的密封失效问题。

发明内容

[0004]有鉴于此，本发明实施例提供了一种燃料电池热电联供系统，以解决燃料电池热电联供系统启动时间长以及多次冷热循环启停后导致物燃料电池的密封失效的问题。[0005]根据第一方面，本发明实施例提供了一种燃料电池热电联供系统，包括电池单元、燃烧反应室、高温储热装置和原料供给单元；所述原料供给单元分别与所述电池单元和燃烧反应室连接，用于为所述电池单元和燃烧反应室提供原料；所述燃烧反应室分别与所述原料供给单元和高温储热装置连接，用于将所述原料供给单元提供的原料和/或所述电池单元未用尽的原料燃烧反应产生高温尾气，并输送给所述原料供给单元和高温储热装置；所述高温储热装置与所述电池单元连接，用于将储存的热量输送给所述电池单元；所述电池单元用于将所述原料的化学能转换为电能输出。[0006]结合第一方面，在第一方面第一实施方式中，该系统还包括：循环泵；所述循环泵分别与所述高温储热装置和电池单元连接，所述循环泵、高温储热装置和电池单元形成闭合回路。

[0007]结合第一方面，在第一方面第二实施方式中，所述原料供给单元包括：风机、水泵、预热器、蒸发器以及重整器；所述预热器分别与所述风机、电池单元连接，用于将所述风机输入的空气预热后输送至所述电池单元；所述蒸发器分别与所述水泵和重整器连接，用于将所述水泵输入的水蒸发后与燃料气体进行混合，并将混合气体输送至所述重整器；所述重整器与所述电池单元连接，用于将所述混合气体催化重整后输送至所述电池单元。[0008]结合第一方面第二实施方式，在第一方面第三实施方式中，该系统还包括：第一阀门、第二阀门以及三相阀；所述燃烧反应室的输出端分别与所述第一阀门和第二阀门的输入端连接，所述第一阀门的输出端与所述高温储热装置的输入端连接；所述三相阀的输入

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端分别与所述第二阀门和高温储热装置的输出端连接，所述三相阀的第一输出端与所述预热器的输入端连接，所述三相阀的第二输出端与所述重整器的输入端连接。[0009]结合第一方面第三实施方式，在第一方面第四实施方式中，所述预热器的输出端与所述蒸发器的输入端连接。

[0010]结合第一方面第四实施方式，在第一方面第五实施方式中，该系统还包括：换热器；所述换热器的输入端分别与所述蒸发器和重整器的输出端连接，所述换热器的进水口及出水口分别与供水装置连接，用于加热通入所述换热器的液体。[0011]结合第一方面或第一方面任意一个实施方式，在第一方面第六实施方式中，该系统还包括：直流交流转换器；所述直流交流转换器与所述电池单元连接，用于将所述电池单元输出的直流电流转换为交流电流输出。[0012]与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：通过高温储热装置吸收燃料电池热电联供系统产生高温尾气中的热量，并将热量提供电池单元，能够使电池单元温度迅速达到工作温度，从而降低燃料电池热电联供系统的启动时间；并且在燃料电池热电联供系统不工作的时候，高温储热装置依旧维持电池单元的温度，避免了燃料电池由于多次冷热循环启停导致电池密封失效定位问题，同时也解决了燃料电池热电联供系统需要连续工作的问题。

附图说明

[0013]通过参考附图会更加清楚的理解本发明的特征和优点，附图是示意性的而不应理解为对本发明进行任何限制，在附图中：

[0014]图1示出了本发明实施例中的燃料电池热电联供系统的结构示意图；[0015]图2示出了本发明另一实施例中的燃料电池热电联供系统的结构示意图。具体实施方式

[0016]为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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，本领域技术人员在没有作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。[0017]在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。[0018]在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。[0019]此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构

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成冲突就可以相互结合。

[0020]本发明实施例提供了一种燃料电池热电联供系统，如图1所示，该系统包：电池单元2、燃烧反应室3、高温储热装置4和原料供给单元1；原料供给单元1分别与电池单元2和燃烧反应室3连接，用于为电池单元2和燃烧反应室3提供原料；燃烧反应室3分别与原料供给单元1和高温储热装置4连接，用于将原料供给单元1提供的原料和/或电池单元未用尽的原料燃烧反应产生高温尾气，并输送给原料供给单元1和高温储热装置4；高温储热装置4与电池单元2连接，用于将储存的热量输送给电池单元2；电池单元2用于将原料的化学能转换为电能输出。

[0021]在实际应用中，电池单元2可以是固体氧化物燃料电池堆，原料供给单元1提供固体氧化物燃料电池堆工作所需要的燃料气体以及空气，燃料电池热电联供系统在初始启动时，电池单元2的温度没有达到工作温度，原料供给单元1提供的原料(即燃料气体和空气)可以经过管道输送给燃烧反应室3进行反应，产生的高温尾气经过管道输送给高温储热装置4，高温储热装置4可以通过相变材料或者其他方式吸收高温尾气中的热量，并将一部分热量输送给电池单元2，使电池单元2迅速升温达到工作温度，高温储热装置将另外一部分热量输送给原料供给单元1，提供原料供给单元1所需要的热量，当电池单元2的温度达到工作温度后，电池单元2开始工作将原料的化学能转换成电能输出，而电池单元2未反应的原料输送至燃烧反应室3进行反应；在燃料电池热电联供系统不需要工作时，高温储热装置4通过输送热量维持电池单元2的温度，燃料电池热电联供系统再次启动时，高温储热装置4提供原料供给单元1和电池单元2所需要的工作温度，该高温储热装置的储热容量根据燃料电池热电联供系统停机时间所需要补给的热量设置。

[0022]通过实施本发明实施列中的燃料电池热电联供系统，利用高温储热装置4吸收燃料电池热电联供系统产生高温尾气中热量，并将热量给电池单元2和原料供给单元1，能够使电池单元2迅速升温到工作温度，并可在电池单元不工作时维持电池单元2的温度，降低燃料电池热电联供系统的启动时间，同时避免了燃料电池热电联供系统需要连续工作的问题，从而解决燃料电池热电联供系统启动时间长以及多次冷热循环启停后导致物燃料电池的密封失效的问题。[0023]可选地，在本发明一些实施例中，如图2所示，上述实施例中的燃料电池热电联供系统还包括：循环泵5，循环泵5分别与高温储热装置4和电池单元2连接，循环泵5、高温储热装置4和电池单元2形成闭合回路；在实际应用中，循环泵5通过管道与高温储热装置4和电池单元2连接，并构成闭路循环，闭路循环介质可以采用液体和/气体，将高温储热装置4储存的热量输送给电池单元2。[0024]可选地，在本发明一些实施例中，上述实施例中的原料供给单元1包括：风机101、水泵102、预热器103、蒸发器104以及重整器105；预热器103分别与风机101、电池单元2连接，用于将风机101输入的空气预热后输送至电池单元2；蒸发器104分别与水泵102和重整器105连接，用于将水泵102输入的水蒸发后与燃料气体进行混合，并将混合气体输送至重整器105；重整器105与电池单元2连接，用于将混合气体催化重整后输送至电池单元2；在实际应用中，通过风机101将空气经过管道输送给预热器103进行预热后输送至电池单元2，作为电池单元2反应所需要的原料之一；通过水泵102将水输送至蒸发器104，经过蒸发器104加热后形成水蒸气后与输送至蒸发器104的燃料气体(氢气、一氧化碳、甲烷等单质气体或

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者混合气体)进行混合后输送至重整器105，经过重整器105重整催化后作为电池单元2反应所需要的另一部分原料。[0025]可选地，在本发明一些实施例中，上述实施例中的燃料电池热电联供系统还包括：第一阀门6、第二阀门7以及三相阀8；燃烧反应室3的输出端分别与第一阀门6和第二阀门7的输入端连接，第一阀门6的输出端与高温储热装置4的输入端连接；三相阀8的输入端分别与第二阀门7和高温储热装置4的输出端连接，三相阀8的第一输出端与预热器103的输入端连接，三相阀的第二输出端与重整器105的输入端连接。在实际应用中，燃烧反应室3产生的高温尾气一部分通过第一阀门6连接到高温储热装置4，通过高温储热装置4换热(吸收热量)后，与另一部分高温尾气汇合后通过三相阀8再次分成两部分尾气，一部分连接尾气预热器103，提供预热器103所需要热量，另一部分尾气连接重整器105，提供重整器105所需要的热量。可以通过调整第一阀门6和第二阀门7控制流向高温储热装置4的高温气体流量。[0026]可选地，在本发明一些实施例中，上述实施例中的预热器103的输出端与蒸发器104的输入端连接，在实际应用中，上述实施例中的一部分的高温尾气经过管道通入预热器103后，再通入蒸发器104中，提供蒸发器104所需要的热量。[0027]可选地，在本发明一些实施例中，上述实施例中的燃料电池热电联供系统还包括：换热器9，换热器9的输入端分别与蒸发器104和重整器105的输出端连接，换热器9的进水口及出水口分别与供水装置连接，用于加热通入换热器的液体。在实际应用中，上述实施例中通过三相阀8分流成两部分的高温尾气，在一部分尾气依次通入预热器103和蒸发器104，另一部分尾气通入重整器105后，最后汇流到换热器9中，提供换热器9加热液体所需要的热量，该液体可以为水，通过换热器9输出热水，实现该燃料电池热电联供系统的供热功能。[0028]可选地，在本发明一些实施中，上述实施例中燃料电池热电联供系统还包括：直流交流转换器10；直流交流转换器10与电池单元2连接，用于将电池单元2输出的直流电流转换为交流电流输出。在实际应用中，由于电池单元2输出的是直流电流，在需要交流电流的场景时，需要通过直流交流转换器10将直流信号转换为交流电流。[0029]虽然结合附图描述了本发明的实施例，但是本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下作出各种修改和变型，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。

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说　明　书　附　图

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图1

图2

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