一種車用燃料電池熱電聯產系統及其工作方法
【專利摘要】本發明公開了一種車用燃料電池熱電聯產系統，它主要包括，天然氣罐(1)、天然氣壓縮機(2)、空氣壓縮機(3)、空氣預熱器(4)、天然氣重整器(5)、固體氧化物燃料電池堆(6)、燃燒器(9)、水蒸發器(10)、水箱(11)。本發明還提供了一種基于該車用燃料電池熱電聯產系統的工作方法，采用天然氣重整器(5)將天然氣中氫離子分離出來形成氫氣，與經過空氣預熱器(4)的高溫空氣在固體氧化物燃料電池堆(6)中產生電化學反應，未產生電化學反應的氫氣和氧氣經過燃燒器(9)產生熱氣。這樣天然氣不僅能用于天然氣發動機給車輛提供動力，而且在天然氣發動機不工作時也能產生電能和熱能，滿足某些特殊用途。
【專利說明】
一種車用燃料電池熱電聯產系統及其工作方法
技術領域
[0001]本發明涉及燃料電池技術領域，尤其是涉及一種天然氣發動機車輛用燃料電池熱電聯產系統及其工作方法。
【背景技術】
[0002]供電和供熱用天然氣發動機在燃燒時會產生C02、C0、和NOx等，其中NOx是形成酸雨的主要污染物，NO濃度越大，毒性越強，N02的毒性更大，它很易與人體和動物血液中的血色素混合奪取氧分，使血液缺氧，引起中樞神經麻痹癥，NO2還強烈刺激呼吸器管粘膜，引起肺部疾病，還對入體的心、肝、腎臟及造血組織有損害，嚴重時會導致死亡。電廠常針對NOx提出很多脫硝方案，但是這些方法不能應用于車用天然氣機上。
[0003]大氣中的⑶2含量近年來急劇增加還導致了溫室效應。專利(CN201210159875)給出了燃料電池系統及其控制方法，但是沒有與天然氣汽車聯系起來，沒有與天然氣發動機形成整體方案，針對車用設計還不充分，實際應用性還需進一步研究。
[0004]本發明將對天然氣汽車用燃料電池進行系統研究，提出更具有可行性的新型天然氣發動機不燃燒就能供熱、電的整體方案，進而為天然氣汽車超低排放提供能源設計方案。
【發明內容】
[0005]本發明提供了一種車用燃料電池熱電聯產系統及其工作方法，實現了車用天然氣發動機在不燃燒時也能進行熱電聯產，并實現了天然氣發動機的超低排放，符合現在中國目前節能減排的改革現狀。
[0006]本發明提供了一種車用燃料電池熱電聯產系統，主要包括天然氣罐、天然氣壓縮機、空氣壓縮機、空氣預熱器、天然氣重整器、固體氧化物燃料電池堆、燃燒器、水蒸發器、水箱；
[0007]天然氣重整器具有外殼，該外殼左部設置有天然氣和水蒸汽入口，外殼右部設置有重整好的氣體出口；
[0008]天然氣罐經管道連接天然氣壓縮機，天然氣壓縮機經管道連接天然氣重整器的天然氣入口；
[0009]水箱經管道連接水蒸發器，水蒸發器的水蒸氣出口經管道連接天然氣重整器的水蒸氣入口；
[0010]空氣壓縮機的氣體出口經管道連接空氣預熱器，空氣預熱器的氣體出口連接固體氧化物燃料電池堆；
[0011 ]固體氧化物燃料電池堆的廢氣出口經管道連接燃燒器。
[0012]作為優選，系統還包括用電設備和用熱設備，用電設備與固體氧化物燃料電池堆電連接，用熱設備與燃燒器的熱氣出口連接。
[0013]作為優選，燃燒器的熱氣出口經管道連接空氣預熱器、天然氣重整器、水蒸發器。
[0014]本發明還提供了所述車用燃料電池熱電聯產系統的工作方法:天然氣從天然氣罐中進入天然氣壓縮機加壓接近3bar后進入天然氣重整器；
[0015]水從水箱進入水蒸發器，在水蒸發器中加熱到IlOtC后成為水蒸氣進入天然氣重整器；
[0016]加壓后的天然氣和水蒸氣在天然氣重整器中裂解生成高溫H2、C0和HC混合氣體，混合氣體進入固體氧化物燃料電池堆的陽極；
[0017]空氣進入空氣壓縮機加壓升溫，進入空氣預熱器繼續加熱升溫，然后進入固體氧化物燃料電池堆的陰極；
[0018]高溫H2和空氣在固體氧化物燃料電池堆中發生電化學反應生成電能；
[0019]CO和HC不參與發生電化學反應，與未反應的H2—起經由固體氧化物燃料電池堆進入燃燒器中燃燒。
[0020]本發明利用天然氣重整得到H2,在固體氧化物燃料電池堆中和高溫空氣產生電化學反應，多余H2燃燒產生熱能，使得天然氣發動機在不燃燒時就能產生熱電。
[0021]采用本發明可以使天然氣發動機實現超低排放，消除了CO2的生成，并且氫氣在燃燒后只生成水和少量NOx，燃料電池的發電效率遠高于天然氣發動機燃燒發電效率，并且實現了車用天然氣發動機的超低排放。
【附圖說明】
[0022]圖1是本發明車用燃料電池熱電聯產系統的總體方案流程圖。
[0023]圖中:1-天然氣罐，2-天然氣壓縮機，3-空氣壓縮機，4-空氣預熱器，5-天然氣重整器，6-固體氧化物燃料電池堆，7-用電設備，8-用熱設備，9-燃燒器，10-水蒸發器，11-水箱。
【具體實施方式】
[0024]下面結合附圖對本發明作進一步詳細描述:
[0025]如圖1所示，本發明的一種車用燃料電池熱電聯產系統，主要包括天然氣罐1、天然氣壓縮機2、空氣壓縮機3、空氣預熱器4、天然氣重整器5、固體氧化物燃料電池堆6、用電設備7、用熱設備8、燃燒器9、水蒸發器1、水箱11。
[0026]本發明的天然氣重整器5具有外殼，該外殼左部設置有天然氣和水蒸汽入口，外殼右部設置有重整好的氣體出口。
[0027]天然氣罐I經管道連接天然氣壓縮機2，天然氣壓縮機2經管道連接天然氣重整器5的天然氣入口。
[0028]水箱11經管道連接水蒸發器10，水蒸發器10的水蒸氣出口經管道連接天然氣重整器5的水蒸氣入口。
[0029]空氣壓縮機3的氣體出口經管道連接空氣預熱器4，空氣預熱器4的氣體出口連接固體氧化物燃料電池堆6。
[0030]固體氧化物燃料電池堆6的廢氣出口經管道連接燃燒器9。
[0031]燃燒器9的熱氣出口經管道連接空氣預熱器4、天然氣重整器5、水蒸發器10。燃燒器9的熱氣僅用作對空氣預熱器4、天然氣重整器5、水蒸發器10的加熱手段，不作為空氣預熱器4、天然氣重整器5、水蒸發器10的工作介質，如通入空氣預熱器4、天然氣重整器5、水蒸發器10的外殼夾層，或經空氣預熱器4、天然氣重整器5、水蒸發器10內部管道對工作介質進行加熱。
[0032]本發明還提供了前述車用燃料電池熱電聯產系統的工作方法，具體描述如下。
[0033]根據流程圖1，天然氣從天然氣罐I中進入天然氣壓縮機2加壓接近3bar后進入天然氣重整器5;水從水箱11進入水蒸發器10，在水蒸發器10中加熱到110°C后成為水蒸氣進入天然氣重整器5;加壓后的天然氣和水蒸氣在天然氣重整器5中裂解生成高溫H2、C0和HC混合氣體，混合氣體進入固體氧化物燃料電池堆6的陽極；空氣進入空氣壓縮機3加壓升溫至150°C，進入空氣預熱器4繼續加熱升溫至850°C，然后進入固體氧化物燃料電池堆6的陰極;高溫H2和空氣在固體氧化物燃料電池堆6中發生電化學反應生成電能，輸出到用電設備7;C0和HC不參與發生電化學反應，與未反應的出一起由固體氧化物燃料電池堆6進入燃燒器9中燃燒，燃燒器9產生熱氣供給用熱設備8，同時熱氣也能用作空氣預熱器4、天然氣重整器5和水蒸發器10加熱手段。
[0034]本發明系統可用于野外烹飪的天然氣汽車，同時，該系統可用于家庭天然氣的分布式發電、供熱取暖等。
[0035]本發明不限于以上對實施例的描述，本領域技術人員根據本發明揭示的內容，在本發明基礎上不必經過創造性勞動所進行的改進和修改，比如空氣預熱器和燃燒器的選擇設置等，都應該在本發明的保護范圍之內。
【主權項】
1.一種車用燃料電池熱電聯產系統，主要包括天然氣罐(I)、天然氣壓縮機(2)、空氣壓縮機(3)、空氣預熱器(4)、天然氣重整器(5)、固體氧化物燃料電池堆(6)、燃燒器(9)、水蒸發器(10)、水箱(11);其特征在于: 天然氣重整器(5)具有外殼，該外殼左部設置有天然氣入口和水蒸汽入口，外殼右部設置有重整好的氣體出口； 天然氣罐(I)經管道連接天然氣壓縮機(2)，天然氣壓縮機(2)經管道連接天然氣重整器(5)的天然氣入口； 水箱(11)經管道連接水蒸發器(10)，水蒸發器(10)的水蒸氣出口經管道連接天然氣重整器(5)的水蒸氣入口 ； 空氣壓縮機(3)的氣體出口經管道連接空氣預熱器(4)，空氣預熱器(4)的氣體出口連接固體氧化物燃料電池堆(6); 固體氧化物燃料電池堆(6)的廢氣出口經管道連接燃燒器(9)。2.如權利要求1所述的系統，其特征在于:系統還包括用電設備(7)和用熱設備(8)，用電設備(7)與固體氧化物燃料電池堆(6)電連接，用熱設備(8)與燃燒器(9)的熱氣出口連接。3.如權利要求1或2所述的系統，其特征在于:燃燒器(9)的熱氣出口經管道連接空氣預熱器(4)、天然氣重整器(5)、水蒸發器(10)。4.基于權利要求1至3之一所述的一種車用燃料電池熱電聯產系統的工作方法，其特征在于: 天然氣從天然氣罐(I)中進入天然氣壓縮機(2)加壓接近3bar后進入天然氣重整器(5)； 水從水箱(11)進入水蒸發器(10)，在水蒸發器(10)中加熱到110°C后成為水蒸氣進入天然氣重整器(5)； 加壓后的天然氣和水蒸氣在天然氣重整器(5)中裂解生成高溫H2、CO和HC混合氣體，混合氣體進入固體氧化物燃料電池堆(6)的陽極； 空氣進入空氣壓縮機(3)加壓升溫，進入空氣預熱器(4)繼續加熱升溫，然后進入固體氧化物燃料電池堆(6)的陰極； 高溫H2和空氣在固體氧化物燃料電池堆(6)中發生電化學反應生成電能； CO和HC不參與發生電化學反應，與未反應的H2—起經由固體氧化物燃料電池堆(6)進入燃燒器(9)中燃燒。
【文檔編號】H01M8/0612GK105826583SQ201610214610
【公開日】2016年8月3日
【申請日】2016年4月7日
【發明人】劉永峰, 王娜, 姚圣卓, 秦建軍, 裴普成, 金濤濤
【申請人】北京建筑大學