[發明專利]一種緊湊型SOFC動力系統

在審

• 申請號: 202210493507.X
• 申請日: 2022-05-07
• 公開（公告）號: CN115000451A
• 公開（公告）日: 2022-09-02
• 發明（設計）人: 徐義書;涂林楠;黃俊;朱芷璇;肖一楊;岳曉穎;馬瑞;成曉北;劉一民
• 申請（專利權）人: 華中科技大學
• 主分類號: H01M8/04007
• 分類號: H01M8/04007;H01M8/04014;H01M8/0432;H01M8/04701;H01M8/0662
• 代理公司: 武漢華之喻知識產權代理有限公司 42267
• 代理人: 石夢雅;張彩錦

本發明提供了一種緊湊型SOFC動力系統，屬于燃料電池領域，其包括預熱單元、反應電堆和集成式燃?電一體加熱單元，其中：預熱單元用于對液體燃料和空氣進行初步氣化、預熱和二次加熱并送入反應電堆進行氧化還原反應，產生的電堆尾氣被送入集成式燃?電一體加熱單元進行燃燒，燃燒產生的廢氣作為熱源送入一級換熱器，同時產生的熱量分別穿過外殼傳遞給二級換熱器和反應電堆。本發明利用廢氣余熱對液體燃料和空氣進行初步預熱，能夠避免過多熱量輸入導致浪費，同時通過將二級換熱器、反應電堆和集成式燃?電一體加熱單元置于同一封閉保溫腔體內，在實現緊湊設計的同時能夠將燃燒產生的熱量直接傳遞給二級換熱器和反應電堆，保證充足的能量供應。

技術領域

本發明屬于燃料電池領域，更具體地，涉及一種緊湊型SOFC動力系統。

背景技術

重載卡車的動力需求高、能源消耗量大，采用蓄電池的新能源電動卡車難以勝任。固體氧化物燃料電池(SOFC)是一種高效環保的先進動力技術，具有能量效率高、污染物排放低、動力持續里程大的優點。因此，使用氫燃料、氨燃料等低碳、零碳燃料SOFC在重載貨運車輛領域進行電動化替代是交通領域減少CO₂排放、實現“雙碳”目標的重要方式。

SOFC單電池由陽極、陰極和固體氧化物電解質組成，其中陽極為燃料發生氧化的場所，陰極為氧化劑還原的場所，兩極都使用薄的陶瓷膜用作催化劑，應用中由多個單電池組成更大功率的電堆。SOFC運行溫度較高(500℃)，啟動或運行過程中需要保持電堆高溫運行環境并預熱進入的燃料和空氣，所以傳統SOFC電堆存在電堆預熱時間長、預熱器件組成復雜且效率低、電堆尾氣溫度高、可燃物排放量大等一系列問題，以致輔助加熱或換熱部件眾多、體積龐大、可靠性差、能量利用率低，嚴重制約了SOFC在交通動力領域的大規模推廣和應用。如何實現電堆尾氣中殘余可燃物的處置和有效利用、如何獲得體積緊湊、穩定可靠、高效節能的尾氣處理裝置與燃料-空氣預熱裝置是交通SOFC動力系統的關鍵問題之一。

CN113921856A提出了一種固體氧化物燃料電池外部熱管理系統，通過設置一個具有高溫相變材料的蓄熱罐，在電堆工作時，高溫尾氣通入蓄熱罐與高溫相變材料進行熱交換，將熱量以相變熱的形式儲存在蓄熱罐中，熱交換后的低溫尾氣進入余熱回收系統進行進一步的余熱回收；在電堆停止工作時，用電堆排放尾氣作熱載體，將蓄熱罐內的熱量重新帶入電堆，使維持電堆處于高溫狀態，實現燃料電池的快速啟動和電堆工作溫度的穩定，但該設計對蓄熱罐的設計容量和相變材料要求很高，蓄熱罐的空間占用率很大，僅可利用尾氣余熱而未能回收利用尾氣中剩余燃料的化學能，故該方法很難在實際中得到應用。CN108758660A提出了一種用于固體氧化物燃料電池系統的尾氣燃燒室，通過在一級燃燒室腔室內設置一個鈍體火焰穩定器，對尾氣進行明火燃燒控制，使得燃燒保持穩定，在二級燃燒室腔室內設置一個熱電偶測溫裝置，實現點火器的自動開啟與關閉，但該設計需要在電堆裝置外單獨設置一個燃燒室，布局分散，空間占用率大，且無法對尾氣中的能量進行直接利用、效率較低，故該方法很難在實際中得到應用。CN110854419A提出了一種利用殘余燃料的直接火焰燃料電池發電裝置。通過以至少一個固體氧化物燃料電池配合一個直接火焰燃料電池，充分利用了固體氧化物燃料電池未完全利用的燃料，同時，直接火焰燃料電池產生的熱量也為固體氧化燃料電池提供了合適的工作溫度。但是該設計需要額外增加一個直接火焰燃料電池，且還需向直接火焰燃料電池中通入燃料，燃料消耗量大，能效低，故該方法很難在實際中得到應用。CN113903949A提出了一種MW級固體氧化物燃料電池發電系統的熱區結構，陽極尾氣通過采用再循環工藝，部分與重整后的燃料重整氣混合、換熱后再進入電堆，部分在燃燒器中燃燒形成高溫煙氣，與陰極尾氣混合和通過兩段式換熱對空氣進行高溫預熱和低溫預熱，提高了燃料利用率和尾氣余熱，但該設計需要將陽極尾氣和陰極尾氣分別進行處理，管道設計復雜，熱區結構未能與電堆緊密集成，能量傳遞方式單一、利用率低，故該方法很難在實際中得到應用。CN110600774A提出了一種固體氧化物燃料電池一體化集成BOP系統，通過將燃燒室、空氣換熱室、高溫煙氣通道和燃料重整室依次層層設置，取代管道連接，整體熱量通過層層傳遞形成了高效的換熱體系，熱量利用率高。但是該設計不能按各個腔室的需熱量不同來分配燃燒室中產生的熱量，且燃燒室布置在中心位置，其整體尺寸限制了燃燒室的尺寸，從而限制了SOFC的功率，以及整個裝置太過一體化，不利于后期的維護，可靠性較低，故該方法很難在實際中得到應用。