一種車用燃料電池?zé)犭娐?lián)產(chǎn)系統(tǒng)及其工作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種車用燃料電池?zé)犭娐?lián)產(chǎn)系統(tǒng)，它主要包括，天然氣罐(1)、天然氣壓縮機(jī)(2)、空氣壓縮機(jī)(3)、空氣預(yù)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(fā)器(10)、水箱(11)。本發(fā)明還提供了一種基于該車用燃料電池?zé)犭娐?lián)產(chǎn)系統(tǒng)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(jīng)過空氣預(yù)熱器(4)的高溫空氣在固體氧化物燃料電池堆(6)中產(chǎn)生電化學(xué)反應(yīng)，未產(chǎn)生電化學(xué)反應(yīng)的氫氣和氧氣經(jīng)過燃燒器(9)產(chǎn)生熱氣。這樣天然氣不僅能用于天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)給車輛提供動(dòng)力，而且在天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)不工作時(shí)也能產(chǎn)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?zé)犭娐?lián)產(chǎn)系統(tǒng)及其工作方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及燃料電池技術(shù)領(lǐng)域，尤其是涉及一種天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)車輛用燃料電池?zé)犭娐?lián)產(chǎn)系統(tǒng)及其工作方法。
【背景技術(shù)】
[0002]供電和供熱用天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)在燃燒時(shí)會(huì)產(chǎn)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(qiáng)，N02的毒性更大，它很易與人體和動(dòng)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(jīng)麻痹癥，NO2還強(qiáng)烈刺激呼吸器管粘膜，引起肺部疾病，還對(duì)入體的心、肝、腎臟及造血組織有損害，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致死亡。電廠常針對(duì)NOx提出很多脫硝方案，但是這些方法不能應(yīng)用于車用天然氣機(jī)上。
[0003]大氣中的⑶2含量近年來急劇增加還導(dǎo)致了溫室效應(yīng)。專利(CN201210159875)給出了燃料電池系統(tǒng)及其控制方法，但是沒有與天然氣汽車聯(lián)系起來，沒有與天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)形成整體方案，針對(duì)車用設(shè)計(jì)還不充分，實(shí)際應(yīng)用性還需進(jìn)一步研究。
[0004]本發(fā)明將對(duì)天然氣汽車用燃料電池進(jìn)行系統(tǒng)研究，提出更具有可行性的新型天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)不燃燒就能供熱、電的整體方案，進(jìn)而為天然氣汽車超低排放提供能源設(shè)計(jì)方案。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明提供了一種車用燃料電池?zé)犭娐?lián)產(chǎn)系統(tǒng)及其工作方法，實(shí)現(xiàn)了車用天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)在不燃燒時(shí)也能進(jìn)行熱電聯(lián)產(chǎn)，并實(shí)現(xiàn)了天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的超低排放，符合現(xiàn)在中國目前節(jié)能減排的改革現(xiàn)狀。
[0006]本發(fā)明提供了一種車用燃料電池?zé)犭娐?lián)產(chǎn)系統(tǒng)，主要包括天然氣罐、天然氣壓縮機(jī)、空氣壓縮機(jī)、空氣預(yù)熱器、天然氣重整器、固體氧化物燃料電池堆、燃燒器、水蒸發(fā)器、水箱；
[0007]天然氣重整器具有外殼，該外殼左部設(shè)置有天然氣和水蒸汽入口，外殼右部設(shè)置有重整好的氣體出口；
[0008]天然氣罐經(jīng)管道連接天然氣壓縮機(jī)，天然氣壓縮機(jī)經(jīng)管道連接天然氣重整器的天然氣入口；
[0009]水箱經(jīng)管道連接水蒸發(fā)器，水蒸發(fā)器的水蒸氣出口經(jīng)管道連接天然氣重整器的水蒸氣入口；
[0010]空氣壓縮機(jī)的氣體出口經(jīng)管道連接空氣預(yù)熱器，空氣預(yù)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(jīng)管道連接燃燒器。
[0012]作為優(yōu)選，系統(tǒng)還包括用電設(shè)備和用熱設(shè)備，用電設(shè)備與固體氧化物燃料電池堆電連接，用熱設(shè)備與燃燒器的熱氣出口連接。
[0013]作為優(yōu)選，燃燒器的熱氣出口經(jīng)管道連接空氣預(yù)熱器、天然氣重整器、水蒸發(fā)器。
[0014]本發(fā)明還提供了所述車用燃料電池?zé)犭娐?lián)產(chǎn)系統(tǒng)的工作方法:天然氣從天然氣罐中進(jìn)入天然氣壓縮機(jī)加壓接近3bar后進(jìn)入天然氣重整器；
[0015]水從水箱進(jìn)入水蒸發(fā)器，在水蒸發(fā)器中加熱到IlOtC后成為水蒸氣進(jìn)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(jìn)入固體氧化物燃料電池堆的陽極；
[0017]空氣進(jìn)入空氣壓縮機(jī)加壓升溫，進(jìn)入空氣預(yù)熱器繼續(xù)加熱升溫，然后進(jìn)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(fā)生電化學(xué)反應(yīng)生成電能；
[0019]CO和HC不參與發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，與未反應(yīng)的H2—起經(jīng)由固體氧化物燃料電池堆進(jìn)入燃燒器中燃燒。
[0020]本發(fā)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(chǎn)生電化學(xué)反應(yīng)，多余H2燃燒產(chǎn)生熱能，使得天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)在不燃燒時(shí)就能產(chǎn)生熱電。
[0021]采用本發(fā)明可以使天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)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(fā)電效率遠(yuǎn)高于天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒發(fā)電效率，并且實(shí)現(xiàn)了車用天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的超低排放。
【附圖說明】
[0022]圖1是本發(fā)明車用燃料電池?zé)犭娐?lián)產(chǎn)系統(tǒng)的總體方案流程圖。
[0023]圖中:1-天然氣罐，2-天然氣壓縮機(jī)，3-空氣壓縮機(jī)，4-空氣預(yù)熱器，5-天然氣重整器，6-固體氧化物燃料電池堆，7-用電設(shè)備，8-用熱設(shè)備，9-燃燒器，10-水蒸發(fā)器，11-水箱。
【具體實(shí)施方式】
[0024]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述:
[0025]如圖1所示，本發(fā)明的一種車用燃料電池?zé)犭娐?lián)產(chǎn)系統(tǒng)，主要包括天然氣罐1、天然氣壓縮機(jī)2、空氣壓縮機(jī)3、空氣預(yù)熱器4、天然氣重整器5、固體氧化物燃料電池堆6、用電設(shè)備7、用熱設(shè)備8、燃燒器9、水蒸發(fā)器1、水箱11。
[0026]本發(fā)明的天然氣重整器5具有外殼，該外殼左部設(shè)置有天然氣和水蒸汽入口，外殼右部設(shè)置有重整好的氣體出口。
[0027]天然氣罐I經(jīng)管道連接天然氣壓縮機(jī)2，天然氣壓縮機(jī)2經(jīng)管道連接天然氣重整器5的天然氣入口。
[0028]水箱11經(jīng)管道連接水蒸發(fā)器10，水蒸發(fā)器10的水蒸氣出口經(jīng)管道連接天然氣重整器5的水蒸氣入口。
[0029]空氣壓縮機(jī)3的氣體出口經(jīng)管道連接空氣預(yù)熱器4，空氣預(yù)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(jīng)管道連接燃燒器9。
[0031]燃燒器9的熱氣出口經(jīng)管道連接空氣預(yù)熱器4、天然氣重整器5、水蒸發(fā)器10。燃燒器9的熱氣僅用作對(duì)空氣預(yù)熱器4、天然氣重整器5、水蒸發(fā)器10的加熱手段，不作為空氣預(yù)熱器4、天然氣重整器5、水蒸發(fā)器10的工作介質(zhì)，如通入空氣預(yù)熱器4、天然氣重整器5、水蒸發(fā)器10的外殼夾層，或經(jīng)空氣預(yù)熱器4、天然氣重整器5、水蒸發(fā)器10內(nèi)部管道對(duì)工作介質(zhì)進(jìn)行加熱。
[0032]本發(fā)明還提供了前述車用燃料電池?zé)犭娐?lián)產(chǎn)系統(tǒng)的工作方法，具體描述如下。
[0033]根據(jù)流程圖1，天然氣從天然氣罐I中進(jìn)入天然氣壓縮機(jī)2加壓接近3bar后進(jìn)入天然氣重整器5;水從水箱11進(jìn)入水蒸發(fā)器10，在水蒸發(fā)器10中加熱到110°C后成為水蒸氣進(jìn)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(jìn)入固體氧化物燃料電池堆6的陽極；空氣進(jìn)入空氣壓縮機(jī)3加壓升溫至150°C，進(jìn)入空氣預(yù)熱器4繼續(xù)加熱升溫至850°C，然后進(jìn)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(fā)生電化學(xué)反應(yīng)生成電能，輸出到用電設(shè)備7;C0和HC不參與發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，與未反應(yīng)的出一起由固體氧化物燃料電池堆6進(jìn)入燃燒器9中燃燒，燃燒器9產(chǎn)生熱氣供給用熱設(shè)備8，同時(shí)熱氣也能用作空氣預(yù)熱器4、天然氣重整器5和水蒸發(fā)器10加熱手段。
[0034]本發(fā)明系統(tǒng)可用于野外烹飪的天然氣汽車，同時(shí)，該系統(tǒng)可用于家庭天然氣的分布式發(fā)電、供熱取暖等。
[0035]本發(fā)明不限于以上對(duì)實(shí)施例的描述，本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)本發(fā)明揭示的內(nèi)容，在本發(fā)明基礎(chǔ)上不必經(jīng)過創(chuàng)造性勞動(dòng)所進(jìn)行的改進(jìn)和修改，比如空氣預(yù)熱器和燃燒器的選擇設(shè)置等，都應(yīng)該在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種車用燃料電池?zé)犭娐?lián)產(chǎn)系統(tǒng)，主要包括天然氣罐(I)、天然氣壓縮機(jī)(2)、空氣壓縮機(jī)(3)、空氣預(yù)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(fā)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(shè)置有天然氣入口和水蒸汽入口，外殼右部設(shè)置有重整好的氣體出口； 天然氣罐(I)經(jīng)管道連接天然氣壓縮機(jī)(2)，天然氣壓縮機(jī)(2)經(jīng)管道連接天然氣重整器(5)的天然氣入口； 水箱(11)經(jīng)管道連接水蒸發(fā)器(10)，水蒸發(fā)器(10)的水蒸氣出口經(jīng)管道連接天然氣重整器(5)的水蒸氣入口 ； 空氣壓縮機(jī)(3)的氣體出口經(jīng)管道連接空氣預(yù)熱器(4)，空氣預(yù)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(jīng)管道連接燃燒器(9)。2.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于:系統(tǒng)還包括用電設(shè)備(7)和用熱設(shè)備(8)，用電設(shè)備(7)與固體氧化物燃料電池堆(6)電連接，用熱設(shè)備(8)與燃燒器(9)的熱氣出口連接。3.如權(quán)利要求1或2所述的系統(tǒng)，其特征在于:燃燒器(9)的熱氣出口經(jīng)管道連接空氣預(yù)熱器(4)、天然氣重整器(5)、水蒸發(fā)器(10)。4.基于權(quán)利要求1至3之一所述的一種車用燃料電池?zé)犭娐?lián)產(chǎn)系統(tǒng)的工作方法，其特征在于: 天然氣從天然氣罐(I)中進(jìn)入天然氣壓縮機(jī)(2)加壓接近3bar后進(jìn)入天然氣重整器(5)； 水從水箱(11)進(jìn)入水蒸發(fā)器(10)，在水蒸發(fā)器(10)中加熱到110°C后成為水蒸氣進(jìn)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(jìn)入固體氧化物燃料電池堆(6)的陽極； 空氣進(jìn)入空氣壓縮機(jī)(3)加壓升溫，進(jìn)入空氣預(yù)熱器(4)繼續(xù)加熱升溫，然后進(jìn)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(fā)生電化學(xué)反應(yīng)生成電能； CO和HC不參與發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，與未反應(yīng)的H2—起經(jīng)由固體氧化物燃料電池堆(6)進(jìn)入燃燒器(9)中燃燒。
【文檔編號(hào)】H01M8/0612GK105826583SQ201610214610
【公開日】2016年8月3日
【申請(qǐng)日】2016年4月7日
【發(fā)明人】劉永峰, 王娜, 姚圣卓, 秦建軍, 裴普成, 金濤濤
【申請(qǐng)人】北京建筑大學(xué)