[发明专利]使用氨气为燃料的固体氧化物燃料电池与质子交换膜燃料电池混合系统

说明书

本发明提供一种使用氨气为燃料的固体氧化物燃料电池与质子交换膜燃料电池混合系统。本发明包括固体氧化物电池堆模块(SOFC)，质子膜电池模块(PEMFC)，重整氨气模块，控制模块，用电模块，氨气重整模块将氨气裂解为氮气和氢气，并将其供给固体氧化物电池模块，然后剩余的氢气再供给给质子膜电池模块，其过程通过控制模块来调节，用电模块来消耗产生的电能。本发明可以把固体氧化物电池与质子交换膜电池结合起来，最大化两种燃料电池的优势，解决了碳排放问题。该设计方案可以更高效的利用SOFC与PEMFC的各自优势，充分利用SOFC的余热来高效重整氨气，提高氨气转化为氢气的能量转化效率，并且可以利用PEMFC的高体积能量密度，来提高发电系统的综合能量密度。

技术领域

本发明涉及燃料电池技术领域，尤其涉及一种使用氨气为燃料的固体氧化物燃料电池与质子交换膜燃料电池混合系统。

背景技术

燃料电池是一种由电化学原理控制的能量转换装置，即原电池的工作原理，直接地将储存在燃料和氧化剂中的化学能量等温地转化为电能，从而使其实际过程还是安静的氧化还原反应。从理论上讲，使得燃料电池在国际市场上得到广泛关注的原因是它们的运行过程中甚至可以达到近100％的热效率。目前能够在实际中所运用的各种类燃料电池，因为被氢气运输、储运能耗等因素限制，并且考虑到装置或整个系统的耗能，所以一般燃料电池系统总的转换效率多在40％～60％范围内，但是如果要考虑排热利用的话，经过不同的优化处理可以使其总的转换效率可以达80％以上。

固体氧化物燃料电池：Solid oxide fuel cell，简称SOFC，是一种在高温下直接将储存在燃料和氧化剂中的化学能高效、环境友好地转化成电能的全固态化学发电装置，是目前几种燃料电池中，理论发电效率最高的一种能源转换装置。SOFC采用具有离子传导特性的氧化物作为电解质，并在电解质两侧装备阴阳两电极，阳极供应燃料，阴极供应氧化剂，在高温下燃料与氧化剂进行电化学反应并安静高效发电。在该系统中，重整后的氨气分解成氮气和氢气，氧离子经过具有离子导电性的电解质与氢气反应生成水蒸气，产生电能和热。其中热能还可以收集起来用于燃料的重整和电池的启动，但是大部分的热能都被浪费掉。

质子交换膜燃料电池：Proton exchange membrane fuel cell，简称PEMFC，它是由阴极、阳极和质子交换膜组成，它的发电原理与SOFC类似，它的发电过程也不涉及氢氧的燃烧，所以不受到卡诺循环的限制，能量转化率高，质子交换膜燃料电池工作温度要比固体氧化物燃料电池低的多，且排放物为水和水蒸气，基本是零污染，发电单元模块化，可靠性高，组装和维修都很方便，且无机械振动，低噪声低热辐射，是一种清洁高效的绿色能源，所以是发展前景很好的燃料电池。由于没有复杂的燃料处理系统，并且直接使用高纯度的氢气，PEMFC的体积和重量能量密度都较高，目前可以达到4kw/l，但是只能使用高纯度的氢气亦是PEMFC发展的局限。

发明内容

根据上述提出的技术问题，而提供一种使用氨气为燃料的固体氧化物燃料电池(SOFC)与质子交换膜燃料电池(PEMFC)混合系统，对于SOFC来说，由于工作温度很高，长时间运行会产生很大的热量，目前都是通过风冷将这部分热量散去，造成了很大程度的能量浪费，所以此部分热量的运用就成了关键；另外就是对于氢燃料电池来说，氢气的运输成本很高，而如何降低成本也是一个非常重要的话题。所以此系统可较好地弥补SOFC和PEMFC两种电池的缺陷，也结合了二者的优点，从而提高了系统整体的效率。本发明采用的技术手段如下：