[发明专利]一种基于化学制氢的SOFC电源集成装置及其控制方法

说明书

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。

技术领域

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

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。

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。

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。

发明内容

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。

为实现上述技术效果，本发明采用下述技术方案：