[发明专利]一种固体氧化物燃料电池和内燃机联合动力系统及其运行方法

说明书

本发明公开了一种固体氧化物燃料电池和内燃机联合动力系统及其运行方法，该系统将SOFC装置和HCCI内燃机结合在一起形成联合动力系统，HCCI内燃机能够利用SOFC装置的尾气进行发电，充分利用燃料中的能量，减少尾气热废热排放，是一种理想的能量综合利用方式。该系统将均质压燃型内燃机(HCCI)与固体氧化物燃料电池(SOFC)结合起来。在SOFC燃料电池装置之前放置预重整反应器，能够使燃气提前进行重整反应，能够提高燃料的利用率，使SOFC装置内部的电化学反应更加完全。该系统对燃料进行综合利用，能够满足各种大型动力设备的需求；相比于传统供能设备，效率更高，排放更少，具有更高的经济价值。

【技术领域】

本发明属于能源系统设计优化技术领域，具体涉及一种固体氧化物燃料电池和内燃机联合动力系统及其运行方法。

【背景技术】

固体氧化物燃料电池(SOFC装置)作为高温燃料电池的一种，与其他系统组成的混合动力系统也在不断的研究和发展。如今大多数电力是由传统的发电技术提供的，这些技术在很大程度上依赖化石燃料的燃烧。然而这将使本已较为严重的全球变暖和空气污染等环境问题更加雪上加霜。为了改善这种传统发电方式，许多学者提出了SOFC-GT(燃气轮机)、SOFC-内燃机等联产发电方式。这种SOFC联产发电方式技术利用SOFC发电效率高、排放低等优点，不仅能减少排放，有利于环保，而且可以对燃料能量进行综合、梯级利用，缓解了能源短缺的问题。

目前，关于SOFC-燃气轮机联合系统已经有了成熟的商业示范项目。1988年Siemens-Westinghouse研发的100KW常压管式SOFC系统，利用天然气作为燃料可以提供108KW的交流电，其发电效率为47％，同时可以向当地提供85KW的热水。Siemens公司也建立了一个250KW的商业示范性工程，目前运行了上千小时，系统效率可达到57％。上述成功的示范项目，充分说明以SOFC为核心的多联产系统能够提升系统效率，节约能源，降低能耗。(International Journal of Hydrogen Energy,2014,39:1799-1810)。同时关于SOFC联合系统也有学者在不断改进和完善。如Denver F提出了一种SOFC与运行效率为30％的10MW级燃气轮机电厂耦合系统，并通过建立该系统的热经济模型对其进行了研究。结果表明，由于该电厂耦合了SOFC，使得电厂的热效率从30％提高到了48.5％，发电成本由原来的5.46$/kW·h降低到4.54$/kW·h。(International Journal of Hydrogen Energy,2016,36:1702-1709)

SOFC的发电能力是低于兆瓦级别，通常SOFC所能产生的功量在千瓦级别。在千瓦级别的发电能量上，内燃机通常比燃气轮机更加高效，经济。同时作为重型运载工具的动力装置SOFC-内燃机联合系统比SOFC-燃气轮机联合系统更加灵活，移动性更强，更适用于移动设备。此外，以往报道的SOFC-燃气轮机系统由于部件大，输出功率大，启停性不好，动态特性差。

【发明内容】

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种固体氧化物燃料电池和内燃机联合动力系统及其运行方法；该系统能量利用率高，热排放低，对环境影响小，适用于船舶、潜艇等大中型需要供能集成化装置。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

一种固体氧化物燃料电池和内燃机联合动力系统，包括：天然气源、天然气源连通至预重整反应器，预重整反应器连通至SOFC装置的阳极输入端；天然气源和预重整反应器之间设置有气体混合器，气体混合器内同时输入有水蒸气；SOFC装置的阴极输入端输入有压缩空气，SOFC装置输出的阳极尾气和阴极尾气共同输入至HCCI内燃机；SOFC装置的电能输出端和HCCI内燃机的电能输出端均连通至用电设备。

本发明的进一步改进在于：

优选的，SOFC装置和HCCI内燃机之间设置有混合装置，SOFC装置输出的阳极尾气和阴极尾气在混合装置内混合，混合装置内同时输入有氢气，氢气由储氢反应器提供。