一种基于化学制氢的SOFC电源集成装置及其控制方法与流程

一种基于化学制氢的sofc电源集成装置及其控制方法
技术领域
1.本发明涉及燃料电池技术领域，具体是一种基于化学制氢的sofc电源集成装置及其控制方法。


背景技术：

2.固体氧化物燃料电池(solid oxide fuel cell,sofc)是一类典型的高温燃料电池，可在高温下直接将燃料中的化学能转化为电能，是一种清洁、高效的能量转换装置。相较其他四种常见的燃料电池，包括质子交换膜燃料电池(pemfc)、碱性燃料电池(afc)、磷酸燃料电池(pafc)和熔融碳酸盐燃料电池(mcfc)，其中pemfc和sofc两种电池相对体积较小，便携式设备中基本均使用这两种电池。其中sofc的反应温度最高，达到600-1000℃，因此无需采用贵金属催化剂作为电极材料，可以显著降低燃料电池成本；在高温下sofc阳极具有催化活性，可催化大分子燃料进行重整，因此sofc不仅可使用氢气作为燃料，还可使用合成气、天然气、乙醇、柴油等多种含碳燃料，具有燃料适应性广的特点；可以直接使用柴油等高能量密度的燃料，也保证了sofc具有实现高能量密度输出的特性；发电效率高，可达50～70％，并且发电过程中产生的污染小、排放低；同时，由于装置不含旋转部件，因此还具有噪音小的优点。在大、中、小型固定式/分布式发电站，移动式电站，应急电源和便携式发电装置等领域具有广阔的应用前景。
3.目前应对偏远地区或者野外大量用氢困难，有若干解决方案，如电解水制氢、甲醇重整制氢、水解制氢等。而水解制氢以功耗小、结构简单、补给方便成为野外用氢最合适方案。目前水解制氢包括金属/水制氢、硅铁粉制氢、硼氢化物制氢等常用的几类。硅铁粉制氢采用强碱，对设备和操作人员极不友好；硼氢化物制氢成本太高，且对于安全性的要求较高，所以目前的硼氢化物制氢设备普遍结构复杂，不适合野外用氢。金属/水制氢便携式的燃料电池技术不需要储氢设备，可以实时按需产氢，可以省去氢气使用过程中的氢气储存和运输的难题，常用的金属/水制氢设备中，大都采用铝镁等活泼金属作为反应原料，因在各原料中铝相对较为稳定，最为安全，铝水制氢方案应用更为常见。相比于其他化学制氢方式，铝水制氢具有明显的优点：系统储氢质量密度适中；使用的原料价格低廉，因此制氢成本较低；制取的氢气纯度高，可直接满足燃料电池使用；制氢原料铝和水均对人体无害。而铝水制氢由于属于放热反应，过程中产生大量热量，产生的氢气的温度在100℃以上，对于pemfc来说，其工作温度为60℃～80℃之间，若采用铝水制氢作为氢源，存在氢气降温和过滤、及热能无法有效利用等多项问题。但是采用sofc燃料电池发电的方式，由于sofc反应的温度在600～1000℃，一般的碳氢燃料都可以作为其反应原料，因此铝水制氢装置可以作为氢气源，与sofc进行完美耦合发电。
4.而现有的基于化学制氢的sofc便携式电源，大都利用重整制氢设备提供富含氢气的合成气体，这种电源设备技术相对较为成熟，且重整制氢是一个吸热过程，通常需要300℃～800℃才能保证反应的正常进行，因此开机时需要外界向重整制氢设备提供大量热量以启动反应。


技术实现要素：

5.本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种基于化学制氢的sofc电源集成装置及其控制方法，保证装置整体便携性能的同时，将铝水制氢设备与sofc电池进行高效联用，借助固态金属铝粉的易携带性和反应水补充的广泛性，实现了便携式电源产品在极端恶劣环境下的正常使用。
6.为实现上述技术效果，本发明采用下述技术方案：
7.一种基于化学制氢的sofc电源集成装置，包括壳体，所述壳体内设有铝水制氢单元、sofc电池、换热组件和温度检测模块，所述铝水制氢单元和所述sofc电池之间连接有用于输送氢气的第一管路和用于输送空气的第二管路；
8.所述铝水制氢单元用于向sofc电池提供氢气和空气；
9.所述换热组件利用所述sofc电池产生的尾气对氢气和空气加热；
10.所述温度检测模块用于检测sofc电池、铝水制氢单元、第一管路和第二管路的温度。
11.本发明提供的装置中，sofc电池燃烧过程中产生的高温尾气，通过换热组件对氢气和空气进行加热，同时铝水制氢单元也利用其内部的换热系统对空气进行初步加热，使进入sofc电池的燃料温度满足反应要求，通过铝水制氢与sofc的耦合联用，有效提高装置的发电效率。
12.优选的，所述壳体内部设有第一保温罩和第二保温罩，所述第二保温罩套设在所述第一保温罩外，所述sofc电池和所述换热组件设置在所述第一保温罩内，所述铝水制氢单元设置在所述第二保温罩和所述第一保温罩之间，所述第一管路和第二管路均贯穿所述第一保温罩。
13.优选的，所述换热组件包括尾气燃烧器、气体分配器和换热器组，所述sofc电池连接至尾气燃烧器的入口端，所述尾气燃烧器的出口端连接至所述换热器组，所述换热器组包括氢气换热器和空气换热器，所述氢气换热器设于所述第一管路上，所述空气换热器设于所述第二管路上，sofc电池的阳极还通过气体分配器连接至铝水制氢单元。
14.sofc电池设置在第一保温罩内部，第一保温罩内因sofc电池燃烧氢气反应产热为高温区，第一保温罩和第二保温罩之间为中温区，中温区内的温度能保持在200℃以上，铝水制氢过程中，不同温度会发生不同反应，
15.2al+6h2o＝2al(oh)3+3h2↑
(1)
16.2al+4h2o＝2alo(oh)+3h2↑
(2)
17.2al+3h2o＝2al2o3+3h2↑
(3)
18.从室温到280℃时，铝水反应，主要按反应(1)进行，生成氢气和氢氧化铝；从280℃到480℃，主要进行反应(2)，生成氢气和羟基氧化铝；如果反应温度高于480℃，主要进行反应(3)，生成氢气和三氧化二铝，上述三种反应的理论储氢密度分别为3.7wt％(反应(1))、4.2wt％(反应(2))和5.3wt％(反应(3))。在一般情况下，铝水反应的副产物主要是氢氧化铝，其材料基理论储氢密度为3.7wt％。若不考虑水的用量，则储氢密度可达11.1wt％，正好相当于水的储氢密度。因此，保障铝水反应的温度将有利于提高其储氢密度。本产品的铝水反应装置放置在中温区，并进行隔热保温处理，使中温区环境温度在200℃以上，减小环境温度与铝水制氢单元之间的温差，保证铝水制氢单元能够以反应(3)持续进行，维持高水平
的储氢密度。加上sofc阳极尾气通过气体分布器连接至铝水制氢单元，将阳极尾气进行循环回收利用(阳极尾气的温度在500℃以上)，可以提升整体反应温度，并回收部分sofc电池反应产生的水蒸气，进一步提升整体铝水反应的储氢密度。
19.优选的，所述sofc电池使用管式电堆；进一步优选的，所述管式电堆包括阳极管和阴极管，所述阳极管为nio/(zro2)
0.89
(sc2o3)
0.1
(ceo2)
0.01
(scsz)多孔阳极支撑管，所述阴极管为la
0.6
sr
0.4
co
0.2
fe
0.8o3-δ/gdc多孔阴极支撑管。
20.优选的，所述sofc电池还包括电力输出单元，所述电力输出单元用于将sofc电池产生的电力向外界输出。
21.优选的，所述集成装置还包括引风机，所述引风机用于将壳体外部的空气引入铝水制氢单元。
22.本发明还提供了一种上述集成装置的控制方法，包括开机温控模式和工作状态温控模式。
23.优选的，所述开机温控模式如下：
24.集成装置开机启动时，启动铝水制氢单元，调节生产氢气的速率，利用铝水制氢单元产生的热量加热空气，启动尾气燃烧器，提升第一管路、第二管路和sofc电池的温度；
25.同时监测经第二管路进入阴极的空气温度，若温度达到500℃，集成装置进入工作状态温控模式，结束开机温控模式；若温度未达到500℃，持续进行铝水制氢单元和尾气燃烧器的耦合工作直至温度达到500℃。
26.常温或低温状态开机时，sofc电池温度不满足正常工作，因此先行启动能产热的铝水制氢单元，制得氢气温度随反应产热的加热，很容易就能达到500℃，但进入铝水制氢单元中加热的空气则需要监测其温度；氢气和温度较低的空气进入sofc电池后不进行反应，而是直接通往尾气燃烧器进行燃烧，对空气再次进行加热，当空气温度同样也到达500℃时，sofc电池开始启动工作。
27.优选的，所述工作状态温控模式如下：
28.集成装置运行过程中，调节气体分配器，使部分阳极尾气直接进入铝水制氢单元为铝水制氢单元加热，使铝水制氢单元反应温度达到并保持500℃。
29.本发明的有益效果是：
30.1.本发明提供的集成装置，实现了sofc电池与铝水制氢单元的高效联用，铝水制氢单元为sofc电池所需空气加热，同时sofc电池的尾气也对铝水制氢单元和sofc电池的进气进行加热，使整体的热能得到充分利用，提升了铝水制氢单元的储氢密度，同时也提升了集成装置的发电效率；同时，利用整体耦合设计原理及化学制氢工作优点等结构特征，实现了集成装置整体的紧凑性，实现了装置整体的便携效果。
31.2.本发明提供的控制方法，通过对装置内部的温度控制，实现了开机后快速进入工作状态，工作过程中通过对气体分配器的调节，实现铝水制氢单元高效运转，有效保障sofc电池的氢气供应，延长装置使用时长。
附图说明
32.图1是实施例1提供的基于化学制氢的sofc电源集成装置的结构示意图；
33.图2是实施例2提供的基于化学制氢的sofc电源集成装置的控温流程图，其中图2
(a)为开机温控模式流程图，图2(b)为工作状态温控模式流程图；
34.其中，1.壳体；2.第一保温罩；3.第二保温罩；101.电力输出单元；201.铝水制氢单元；202.引风机；301.气体分配器；302.sofc电池；303.尾气燃烧器；304.氢气换热器；305.空气换热器；306.第一管路；307.第二管路。
具体实施方式
35.下面结合附图及实施例对本发明进行进一步说明。
36.实施例1：
37.一种基于化学制氢的sofc电源集成装置，如图1所示，包括壳体1，所述壳体1内设有铝水制氢单元201、sofc电池302、换热组件、引风机202和温度检测模块，所述sofc电池302使用管式电堆；本实施例中，所述管式电堆包括阳极管和阴极管，所述阳极管为nio/(zro2)
0.89
(sc2o3)
0.1
(ceo2)
0.01
(scsz)多孔阳极支撑管，所述阴极管为la
0.6
sr
0.4
co
0.2
fe
0.8o3-δ/gdc多孔阴极支撑管，所述sofc电池302上还设有电力输出单元101，所述电力输出单元101用于将sofc电池302产生的电力向外界输出；所述铝水制氢单元201和所述sofc电池302之间连接有用于输送氢气的第一管路306和用于输送空气的第二管路307；
38.所述铝水制氢单元201用于向sofc电池302提供氢气和空气；
39.所述换热组件利用所述sofc电池302产生的尾气对氢气和空气加热；
40.所述温度检测模块用于检测sofc电池302、铝水制氢单元201、第一管路306和第二管路307的温度；
41.所述引风机202用于将壳体1外部的空气引入铝水制氢单元201内。
42.所述壳体1内部设有第一保温罩2和第二保温罩3，所述第二保温罩3套设在所述第一保温罩2外，所述sofc电池302和所述换热组件设置在所述第一保温罩2内，所述铝水制氢单元201设置在所述第二保温罩3和所述第一保温罩2之间，所述第一管路306和第二管路307均贯穿所述第一保温罩2。本实施例中，所述引风机202和所述电力输出单元101均设在壳体1和第二保温罩3之间，第二保温罩3内温度因铝水制氢单元201持续反应释放热量，温度会维持在200℃以上，因此将引风机202和电力输出单元101设置在第二保温罩3外部，避免二者因高温导致损坏。
43.所述换热组件包括尾气燃烧器303、气体分配器301和换热器组，所述sofc电池302连接至尾气燃烧器303的入口端，所述尾气燃烧器303的出口端连接至所述换热器组，所述换热器组包括氢气换热器304和空气换热器305，所述氢气换热器304设于所述第一管路306上，所述空气换热器305设于所述第二管路307上，sofc电池302的阳极还通过气体分配器301连接至铝水制氢单元201。
44.实施例2：
45.一种实施例1提供的集成装置的控制方法，为开机温控模式，如图2(a)所示，具体控制过程如下：
46.集成装置开机启动时，启动铝水制氢单元201，调节生产氢气的速率，利用铝水制氢单元201产生的热量加热空气，启动尾气燃烧器303，提升第一管路306、第二管路307和sofc电池302的温度；
47.同时监测经第二管路307进入阴极的空气温度，若温度达到500℃，集成装置进入
工作状态温控模式，结束开机温控模式；若温度未达到500℃，持续进行铝水制氢单元201和尾气燃烧器303的耦合工作直至温度达到500℃。
48.常温或低温状态开机时，sofc电池302温度不满足正常工作，因此先行启动能产热的铝水制氢单元201，制得氢气温度随反应产热的加热，很容易就能达到500℃，但进入铝水制氢单元201中加热的空气则需要监测其温度；氢气和温度较低的空气进入sofc电池302后不进行反应，而是直接通往尾气燃烧器303进行燃烧，对空气再次进行加热，当空气温度同样也到达500℃时，sofc电池302开始启动工作。
49.实施例3：
50.一种实施例1提供的集成装置的控制方法，为工作状态温控模式，如图2(b)所示，具体控制过程如下：
51.集成装置运行过程中，调节气体分配器301，使部分阳极尾气直接进入铝水制氢单元201为铝水制氢单元201加热，使铝水制氢单元201反应温度达到并保持500℃。

技术特征：
1.一种基于化学制氢的sofc电源集成装置，其特征在于，包括壳体(1)，所述壳体(1)内设有铝水制氢单元(201)、sofc电池(302)、换热组件和温度检测模块，所述铝水制氢单元(201)和所述sofc电池(302)之间连接有用于输送氢气的第一管路(306)和用于输送空气的第二管路(307)；所述铝水制氢单元(201)用于向sofc电池(302)提供氢气和空气；所述换热组件利用所述sofc电池(302)产生的尾气对氢气和空气加热；所述温度检测模块用于检测sofc电池(302)、铝水制氢单元(201)、第一管路(306)和第二管路(307)的温度。2.如权利要求1所述的sofc电源集成装置，其特征在于，所述壳体(1)内部设有第一保温罩(2)和第二保温罩(3)，所述第二保温罩(3)套设在所述第一保温罩(2)外，所述sofc电池(302)和所述换热组件设置在所述第一保温罩(2)内，所述铝水制氢单元(201)设置在所述第二保温罩(3)和所述第一保温罩(2)之间，所述第一管路(306)和第二管路(307)均贯穿所述第一保温罩(2)。3.如权利要求1所述的sofc电源集成装置，其特征在于，所述换热组件包括尾气燃烧器(303)、气体分配器(301)和换热器组，所述sofc电池(302)连接至尾气燃烧器(303)的入口端，所述尾气燃烧器(303)的出口端连接至所述换热器组，所述换热器组包括氢气换热器(304)和空气换热器(305)，所述氢气换热器(304)设于所述第一管路(306)上，所述空气换热器(305)设于所述第二管路(307)上，sofc电池(302)的阳极还通过气体分配器(301)连接至铝水制氢单元(201)。4.如权利要求1所述的sofc电源集成装置，其特征在于，所述sofc电池(302)使用管式电堆。5.如权利要求4所述的sofc电源集成装置，其特征在于，所述管式电堆包括阳极管和阴极管，所述阳极管为nio/(zro2)
0.89
(sc2o3)
0.1
(ceo2)
0.01
(scsz)多孔阳极支撑管，所述阴极管为la
0.6
sr
0.4
co
0.2
fe
0.8
o
3-δ/gdc多孔阴极支撑管。6.如权利要求1所述的sofc电源集成装置，其特征在于，所述sofc电池(302)还包括电力输出单元(101)，所述电力输出单元(101)用于将sofc电池(302)产生的电力向外界输出。7.如权利要求1所述的sofc电源集成装置，其特征在于，所述集成装置还包括引风机(202)，所述引风机(202)用于将壳体(1)外部的空气引入铝水制氢单元(201)进行预加热。8.一种如权利要求3-7任一项所述的sofc电源集成装置的控制方法，其特征在于，包括开机温控模式和工作状态温控模式。9.如权利要求8所述的控制方法，其特征在于，所述开机温控模式如下：集成装置开机启动时，启动铝水制氢单元(201)，调节生产氢气的速率，利用铝水制氢单元(201)产生的热量加热空气，启动尾气燃烧器(303)，提升第一管路(306)、第二管路(307)和sofc电池(302)的温度；同时监测经第二管路(307)进入阴极的空气温度：若温度达到500℃，则集成装置进入工作状态温控模式，结束开机温控模式；若温度未达到500℃，则持续进行铝水制氢单元(201)和尾气燃烧器(303)的耦合工作直至温度达到500℃。10.如权利要求8所述的控制方法，其特征在于，所述工作状态温控模式如下：
集成装置运行过程中，调节气体分配器(301)，使阳极尾气直接进入铝水制氢单元(201)为铝水制氢单元(201)加热，使铝水制氢单元(201)反应温度达到并保持500℃。

技术总结
本发明涉及燃料电池技术领域，具体是一种基于化学制氢的SOFC电源集成装置，包括壳体，壳体内设有铝水制氢单元、SOFC电池、换热组件和温度检测模块，铝水制氢单元和SOFC电池之间连接有用于输送氢气的第一管路和用于输送空气的第二管路；铝水制氢单元用于向SOFC电池提供氢气和空气；换热组件利用SOFC电池产生的尾气对氢气和空气加热；温度检测模块用于检测温度。本发明提供的装置中，SOFC电池产生的高温尾气，通过换热组件对氢气和空气进行加热，同时铝水制氢单元也利用其内部的换热系统对空气进行初步加热，使进入SOFC电池的燃料温度满足反应要求，通过铝水制氢与SOFC的耦合联用，有效提高装置的发电效率。有效提高装置的发电效率。有效提高装置的发电效率。


技术研发人员：王江涛 王江锋 李江南 李发家
受保护的技术使用者：北京京豚科技有限公司
技术研发日：2023.04.04
技术公布日：2023/8/5