[發明專利]一種快速啟動的高溫燃料電池動力系統及控制方法

在審

• 申請號: 201711295621.7
• 申請日: 2017-12-08
• 公開（公告）號: CN107946616A
• 公開（公告）日: 2018-04-20
• 發明（設計）人: 梁前超
• 申請（專利權）人: 中國人民解放軍海軍工程大學
• 主分類號: H01M8/04223
• 分類號: H01M8/04223;H01M8/04225;H01M8/04302
• 代理公司: 武漢開元知識產權代理有限公司42104
• 代理人: 黃行軍

技術領域

本發明屬于船舶動力技術領域，具體涉及一種快速啟動的高溫燃料電池動力系統及控制方法。

背景技術

水面艦艇的動力系統一般采用高溫燃料電池發電，而燃料電池由于升溫比較慢，使得動力系統從開始啟動到發電這一啟動時間非常長，一般達到一小時，直接限制了艦艇的適應性和續航力。同時燃料電池反應后的尾氣會直接排放，而尾氣中含有未完全反應的可燃氣體，會造成大量浪費。

發明內容

本發明的目的就是為了解決上述背景技術存在的不足，提供一種結構簡單、啟動時間短的快速啟動的高溫燃料電池動力系統及控制方法。

本發明采用的技術方案是：一種快速啟動的高溫燃料電池動力系統，包括壓氣機、燃料電池、燃燒室、氫源、增壓渦輪、動力渦輪和發電機，

所述壓氣機輸入端連通大氣，壓氣機第一輸出端通過管道連接燃料電池的陰極輸入端，壓氣機第二輸出端通過管道連接燃燒室的第一輸入端；

所述燃料電池陽極輸入端通過管道連接氫源，燃料電池的陰極輸出端連接增壓渦輪的第一輸入端，燃料電池的陽極輸出端連接燃燒室的第二輸入端；

所述燃燒室第三輸入端通過管道連接氫源，燃燒室輸出端連接增壓渦輪的第二輸入端；所述增壓渦輪的輸出端連接動力渦輪的輸入端，動力渦輪的輸出端連接發電機，

所述壓氣機與燃料電池連通的管道上、壓氣機與燃燒室連通的管道上分別設置第一閥門和第二閥門，燃料電池與氫源連接的管道上、燃燒室與氫源連接的管道上分別設置第三閥門和第四閥門。

一種基于上述動力系統的控制方法，系統啟動時，提升燃料電池溫度，同時第一閥門關閉，第二閥門開啟，第三閥門關閉、第四閥門開啟，壓氣機壓縮的空氣全部進入燃燒室并與進入燃燒室的氫氣燃燒，產生高溫高壓燃氣進入增壓渦輪，再進一步推動動力渦輪旋轉進而帶動發電機發電；

當燃料電池溫度上升至工作溫度后，開啟第一閥門和第三閥門，關閉第四閥門，分別調整第一閥門與第二閥門的開度，使壓氣機壓縮的空氣分別進入燃料電池陰極和燃燒室，

燃料電池陰極的壓縮空氣與陽極的氫氣發生電化學反應發電，同時產生高溫燃氣進入增壓渦輪，再進一步推動動力渦輪旋轉進而帶動發電機發電；

燃料電池陽極的尾氣進入燃燒室與燃燒室的壓縮空氣燃燒，產生高溫高壓燃氣進入增壓渦輪，再進一步推動動力渦輪旋轉進而帶動發電機發電。

本發明采用由壓氣機、燃燒室、增壓渦輪和動力渦輪組成的燃氣輪機與燃料電池組合成動力系統，燃氣輪機啟動速度快，在開始啟動燃料電池升溫過程中，由燃燒室空氣與燃料混合燃燒產生高溫高壓的燃氣推動渦輪對外做功并且發電，有效縮短系統啟動時間，解決現有高溫燃料電池啟動過慢的問題。在燃料電池溫度上至工作溫度后，主要由燃料電池為所需供電，同時將燃料電池尾氣中包含的未完全反應的燃氣導入燃燒室中進行燃燒反應供電，實現了廢氣的再次利用，節省能源。本發明的動力系統及控制方法結構簡單，啟動時間短，設計合理，實現了尾氣的充分利用，避免浪費。

附圖說明

圖1為本發明的結構示意圖。

圖中：1-壓氣機；2-燃料電池；3-燃燒室；4-氫源；5-增壓渦輪；6-動力渦輪；7-發電機；8-第一閥門；9-第二閥門；10-第三閥門；11-第四閥門。

具體實施方式

為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅用以解釋本發明，并不用于限定本發明。此外，下面所描述的本發明各個實施方式中所涉及到的技術特征只要彼此之間未構成沖突就可以相互組合。

如圖1所示，本發明一種快速啟動的高溫燃料電池動力系統包括壓氣機1、燃料電池2、燃燒室3、氫源4、渦輪和發電機7，燃料電池2采用增壓型固體氧化物燃料電池(SOFC)，氫源4作為燃氣源，也可以采用甲烷或其他可燃氣體代替。渦輪包括增壓渦輪5和動力渦輪6。

壓氣機1輸入端連通大氣，壓氣機1第一輸出端通過管道連接燃料電池2的陰極輸入端，壓氣機1第二輸出端通過管道連接燃燒室3的第一輸入端。

所述燃料電池2陽極輸入端通過管道連接氫源4，燃料電池2的陰極輸出端連接增壓渦輪5的第一輸入端，燃料電池2的陽極輸出端連接燃燒室3的第二輸入端。

所述燃燒室3第三輸入端通過管道連接氫源4，燃燒室3輸出端連接增壓接渦輪5的第二輸入端；所述增壓渦輪5的輸出端連接動力渦輪6的輸入端，動力渦輪6的輸出端連接發電機7，發電機輸出端連接配電網絡，為所需設備供電。