本實(shí)用新型涉及電力技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種耦合發(fā)電系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

隨著化石能源(煤炭、石油、天然氣)的大量開(kāi)采與利用造成的能源枯竭和環(huán)境污染等問(wèn)題備受人類的關(guān)注，開(kāi)發(fā)新型、清潔、高效的能量轉(zhuǎn)換裝置已經(jīng)成為廣大科技工作者的主要研究?jī)?nèi)容。近些年，技術(shù)相對(duì)成熟的風(fēng)力發(fā)電在全球范圍內(nèi)得到了快速的發(fā)展。然而風(fēng)能的自身特點(diǎn)決定了風(fēng)電具有不穩(wěn)定性和不連續(xù)性,是一種典型的間歇性電源。由于風(fēng)能難以預(yù)測(cè)，在照實(shí)際電力負(fù)荷需求調(diào)整電力供應(yīng)方面比較困難。為了解決風(fēng)能發(fā)電的間歇性，可以將風(fēng)能以化學(xué)能的形式先儲(chǔ)存起來(lái)，如風(fēng)力發(fā)電電解水制氫，將風(fēng)能以化學(xué)能的形式儲(chǔ)存在氫氣中，最后在經(jīng)過(guò)燃料電池將氫能轉(zhuǎn)化成容易整合的穩(wěn)定電能。但是這種風(fēng)力發(fā)電方式比較復(fù)雜，并且經(jīng)過(guò)多次能量轉(zhuǎn)換，增加了發(fā)電成本，并且降低了風(fēng)能的利用率。固體氧化物燃料電池(Solid Oxide Fuel Cell，簡(jiǎn)稱為SOFC)是一種新型全固態(tài)發(fā)電裝置，屬于第三代燃料電池，是一種在中高溫下直接將儲(chǔ)存在燃料和氧化劑中的化學(xué)能高效、環(huán)境友好地轉(zhuǎn)化成電能的發(fā)電裝置。

針對(duì)相關(guān)技術(shù)中，由于天氣的不穩(wěn)定性導(dǎo)致風(fēng)力發(fā)電的電力輸出不穩(wěn)定的問(wèn)題，還未提出有效的解決方案。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型提供了一種耦合發(fā)電系統(tǒng)，以至少解決現(xiàn)有技術(shù)中由于天氣的不穩(wěn)定性導(dǎo)致風(fēng)力發(fā)電的電力輸出不穩(wěn)定的問(wèn)題。

根據(jù)本實(shí)用新型的一個(gè)方面，提供了一種耦合發(fā)電系統(tǒng)，包括：風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)、固體氧化物燃料電池SOFC發(fā)電系統(tǒng)和控制系統(tǒng)；其中，所述風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)和所述SOFC發(fā)電系統(tǒng)分別連接至所述控制系統(tǒng)；所述控制系統(tǒng)用于控制通過(guò)所述風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行發(fā)電和/或通過(guò)所述SOFC發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行發(fā)電。

可選地，所述SOFC發(fā)電系統(tǒng)包括重整層、陽(yáng)極、陰極和電解質(zhì)；其中，所述重整層包括用于重整制氫的催化劑。

可選地，所述重整層為多孔結(jié)構(gòu)，SOFC單片電池中的重整層的體積與所述SOFC單片電池的體積的比例大于預(yù)定閾值。

可選地，所述重整層包括以下至少之一的催化劑：Ni/ZrO₂CeO₂，Ni/ZrO₂，Ni/YSZ，Cu/CeO₂/YSZ。

可選地，所述SOFC發(fā)電系統(tǒng)的所述陽(yáng)極的催化劑層和所述陰極的催化層為致密層。

可選地，所述耦合發(fā)電系統(tǒng)還包括：燃料供應(yīng)系統(tǒng)，連接至所述SOFC發(fā)電系統(tǒng)，用于為所述SOFC發(fā)電系統(tǒng)提供燃料。

可選地，所述燃料系統(tǒng)提供的燃料包括以下至少之一：甲烷、生物質(zhì)氣體。

通過(guò)本實(shí)用新型，采用一種耦合發(fā)電系統(tǒng)，包括：風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)、固體氧化物燃料電池SOFC發(fā)電系統(tǒng)和控制系統(tǒng)；其中，風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)和SOFC發(fā)電系統(tǒng)分別連接至控制系統(tǒng)；控制系統(tǒng)用于控制通過(guò)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行發(fā)電和/或通過(guò)SOFC發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行發(fā)電，解決了現(xiàn)有技術(shù)中由于天氣的不穩(wěn)定性導(dǎo)致風(fēng)力發(fā)電的電力輸出不穩(wěn)定的問(wèn)題，當(dāng)風(fēng)機(jī)發(fā)電出現(xiàn)波動(dòng)時(shí)，控制系統(tǒng)會(huì)用SOFC發(fā)電來(lái)填補(bǔ)風(fēng)機(jī)發(fā)電低谷，保證整個(gè)系統(tǒng)為終端用戶和并網(wǎng)提供穩(wěn)定的電力供應(yīng)。

附圖說(shuō)明

為了更清楚地說(shuō)明本實(shí)用新型具體實(shí)施方式或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對(duì)具體實(shí)施方式或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡(jiǎn)單地介紹，顯而易見(jiàn)地，下面描述中的附圖是本實(shí)用新型的一些實(shí)施方式，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來(lái)講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。

圖1是根據(jù)本實(shí)用新型實(shí)施例的耦合發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是根據(jù)本實(shí)用新型實(shí)施例的SOFC發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3是根據(jù)本實(shí)用新型實(shí)施例的發(fā)電系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式

下面將結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例是本實(shí)用新型一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒緦?shí)用新型中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒(méi)有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本實(shí)用新型保護(hù)的范圍。

在本實(shí)用新型的描述中，需要說(shuō)明的是，術(shù)語(yǔ)“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“豎直”、“水平”、“內(nèi)”、“外”等指示的方位或位置關(guān)系為基于附圖所示的方位或位置關(guān)系，僅是為了便于描述本實(shí)用新型和簡(jiǎn)化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構(gòu)造和操作，因此不能理解為對(duì)本實(shí)用新型的限制。此外，術(shù)語(yǔ)“第一”、“第二”、“第三”僅用于描述目的，而不能理解為指示或暗示相對(duì)重要性。

在本實(shí)用新型的描述中，需要說(shuō)明的是，除非另有明確的規(guī)定和限定，術(shù)語(yǔ)“安裝”、“相連”、“連接”應(yīng)做廣義理解，例如，可以是固定連接，也可以是可拆卸連接，或一體地連接；可以是機(jī)械連接，也可以是電連接；可以是直接相連，也可以通過(guò)中間媒介間接相連，還可以是兩個(gè)元件內(nèi)部的連通，可以是無(wú)線連接，也可以是有線連接。對(duì)于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員而言，可以具體情況理解上述術(shù)語(yǔ)在本實(shí)用新型中的具體含義。

此外，下面所描述的本實(shí)用新型不同實(shí)施方式中所涉及的技術(shù)特征只要彼此之間未構(gòu)成沖突就可以相互結(jié)合。

實(shí)施例1

在本實(shí)施例中提供了一種耦合發(fā)電系統(tǒng)，圖1是根據(jù)本實(shí)用新型實(shí)施例的耦合發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖，如圖1所示，該耦合發(fā)電系統(tǒng)包括：風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)11、固體氧化物燃料電池SOFC發(fā)電系統(tǒng)12和控制系統(tǒng)13；其中，風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)11和SOFC發(fā)電系統(tǒng)12分別連接至控制系統(tǒng)13；控制系統(tǒng)13用于控制通過(guò)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)11進(jìn)行發(fā)電和/或通過(guò)SOFC發(fā)電系統(tǒng)12進(jìn)行發(fā)電。

風(fēng)能作為一種可靠的可再生能源來(lái)自于大自然，取之不盡用之不竭，資源也比較豐富，在可再生能源領(lǐng)域內(nèi)風(fēng)力發(fā)電技術(shù)已經(jīng)比較成熟，已經(jīng)具備大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的條件。風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)運(yùn)行是風(fēng)電產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的最終選擇，它既適合于地域遼闊的平原地帶，又適合于地勢(shì)險(xiǎn)惡的高原地區(qū)。通過(guò)上述耦合發(fā)電系統(tǒng)中的控制系統(tǒng)控制通過(guò)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行發(fā)電還是通過(guò)SOFC發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行發(fā)電。當(dāng)風(fēng)機(jī)發(fā)電出現(xiàn)波動(dòng)時(shí)，控制系統(tǒng)會(huì)用SOFC發(fā)電來(lái)填補(bǔ)風(fēng)機(jī)發(fā)電低谷，保證整個(gè)系統(tǒng)為終端用戶和并網(wǎng)提供穩(wěn)定的電力供應(yīng)。風(fēng)機(jī)所產(chǎn)生的電力無(wú)需任何能量形式的轉(zhuǎn)換和儲(chǔ)存全部直接并網(wǎng)，有效的避免了電能在轉(zhuǎn)換過(guò)程中的損失，提高了風(fēng)能的利用率。SOFC發(fā)電系統(tǒng)用于平衡風(fēng)機(jī)發(fā)電，能有效解決風(fēng)力發(fā)電的不確定性和波動(dòng)性，將風(fēng)電變成可靠、穩(wěn)定的可再生能源。

圖2是根據(jù)本實(shí)用新型實(shí)施例的SOFC發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖，如圖2所示，SOFC發(fā)電系統(tǒng)包括重整層、陽(yáng)極、陰極和電解質(zhì)；其中，上述重整層包括用于重整制氫的催化劑。

SOFC為高溫固體氧化物燃料電池(≥800℃)，有多個(gè)電池堆疊，具有能夠重整天然氣和生物質(zhì)氣以及利用自身重整氣作為燃料的固體氧化物燃料電池。天然氣和生物質(zhì)氣在通入SOFC重整之前需要在SOFC電池外部進(jìn)行充分的預(yù)混和預(yù)熱，與外重整器相比，重整層的運(yùn)行溫度與SOFC工作過(guò)溫度相近，不需要單獨(dú)的燃料重整加熱裝置，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)的設(shè)計(jì),并且降低了對(duì)電池堆冷卻的要求。

在一個(gè)可選實(shí)施例中，重整層為多孔結(jié)構(gòu)，SOFC單片電池中的重整層的體積與所述SOFC單片電池的體積的比例大于預(yù)定閾值。高溫SOFC的工作溫度與燃料重整溫度相近(800℃以上)，SOFC為重整層支撐結(jié)構(gòu)，重整層為多孔結(jié)構(gòu)且占SOFC總體積的90％，旨在增大燃料與重整層催化劑的反應(yīng)界面，提高燃料的重整效率。

重整制氫的催化劑層可以包括多種催化劑材料，在一個(gè)可選實(shí)施例中，重整層可以包括Ni/ZrO₂CeO₂，Ni/ZrO₂，Ni/YSZ或者Cu/CeO₂/YSZ。在催化劑和高溫的作用下燃料氣(甲烷、生物質(zhì)氣體)發(fā)生重整并生成氫氣：

C_xH_y+xH₂O→(y/2+x)H₂+xCO (1)

CO+H₂O→CO₂+H₂ (2)

重整后的氣體需要經(jīng)過(guò)變壓吸附(SPA)法脫除CO2、CH4和其他雜質(zhì)氣體，最終可以得到純凈的氫氣。

在一個(gè)可選實(shí)施例中，SOFC發(fā)電系統(tǒng)的該陽(yáng)極的催化劑層和該陰極的催化層為致密層。陰極和陽(yáng)極為致密圖層，旨在減少三相反應(yīng)界面而降低燃料的利用率，提高制氫效率。多孔重整層支撐的陰陽(yáng)級(jí)催化劑為致密層的SOFC對(duì)自身重整氣消耗較低(僅為10％)，90％以上的重整氣經(jīng)過(guò)SOFC出口被收集。預(yù)混的燃料其首先經(jīng)過(guò)多空重整層，在高溫和催化劑的作用下重整產(chǎn)生大量的合成氣體。重整氣擴(kuò)散至陽(yáng)極側(cè)，發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生電能，通過(guò)控制系統(tǒng)來(lái)填補(bǔ)風(fēng)機(jī)發(fā)電低谷，達(dá)到維持系統(tǒng)發(fā)電平衡的目的。重整層蒸氣重整的反應(yīng)速率比燃料氣在電池負(fù)極的電化學(xué)反應(yīng)要快得多，同時(shí)所述陽(yáng)極側(cè)為致密層，所以燃料利用率比較低，大部分的重整氣通過(guò)燃料電池的出口流向儲(chǔ)能單元，因此達(dá)到重整制氫儲(chǔ)能的目的。與風(fēng)機(jī)耦合的高溫固體氧化物燃料電池必須要保證較低的燃料利用率，不可以大量的消耗重整氣(氫氣)，因此低的燃料利用率可使電池內(nèi)部更多的氫氣殘余下來(lái)，提高產(chǎn)氫效率，如降低陰極側(cè)空氣的流量，增大陽(yáng)極測(cè)氣體流量等。

SOFC發(fā)電的主要功能是為了平衡風(fēng)電，方便實(shí)現(xiàn)風(fēng)電的并網(wǎng)運(yùn)行，在滿足供電需求的前提下，可以通過(guò)降低SOFC效率(降低燃料利用率)，減少自身對(duì)氫氣的消耗，提高SOFC系統(tǒng)的制氫效率。

在一個(gè)可選實(shí)施例中，耦合發(fā)電系統(tǒng)還包括：燃料供應(yīng)系統(tǒng)，連接至該SOFC發(fā)電系統(tǒng)，用于為該SOFC發(fā)電系統(tǒng)提供燃料。

燃料系統(tǒng)提供的燃料可以是甲烷也可以是生物質(zhì)氣體。

SOFC燃料內(nèi)重整系統(tǒng)不需要單獨(dú)的燃料重整裝置和加熱裝置，具有結(jié)構(gòu)緊湊、效率高等特點(diǎn)。燃料(天然氣和生物質(zhì)氣)經(jīng)過(guò)SOFC的內(nèi)部重整后產(chǎn)生氫，經(jīng)過(guò)出氣口流向氫氣的儲(chǔ)存系統(tǒng)。

高溫SOFC所產(chǎn)生的余熱可進(jìn)行二次利用，大量的余熱可用于天然氣和生物質(zhì)氣內(nèi)重整、制氫，多余的熱量(400℃)可供給附近的生活區(qū)或工業(yè)區(qū)，以實(shí)現(xiàn)能源梯級(jí)利用，系統(tǒng)效率高達(dá)90％。

上述特定結(jié)構(gòu)的SOFC旨在避免由風(fēng)機(jī)發(fā)電的間歇性而導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)的電力輸出不穩(wěn)定等問(wèn)題，對(duì)系統(tǒng)的電力穩(wěn)定輸出起著至關(guān)重要的作用。SOFC為內(nèi)重整結(jié)構(gòu)，在高溫工作狀態(tài)下燃料被重整成合成氣，經(jīng)SOFC尾氣輸出端流向儲(chǔ)能系統(tǒng)，為質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)汽車、輪船、航天等交通工具、便捷式電源提供便利的氫燃料，有望解決目前燃料電池汽車推廣應(yīng)用加氫站基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的瓶頸。

圖3是根據(jù)本實(shí)用新型實(shí)施例的發(fā)電系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)示意圖，如圖3所示，控制系統(tǒng)控制通過(guò)風(fēng)力進(jìn)行發(fā)電或者通過(guò)SOFC系統(tǒng)進(jìn)行發(fā)電，同時(shí)可以通過(guò)SOFC系統(tǒng)重整制氫，經(jīng)SOFC尾氣輸出端流向儲(chǔ)能系統(tǒng)，為質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)汽車、輪船、航天等交通工具、便捷式電源提供便利的氫燃料，高溫余熱可以用于生物質(zhì)氣和天然氣的內(nèi)重整制氫，剩余的的余熱(≥400℃)可供給附近的生活區(qū)或者工業(yè)區(qū)，以實(shí)現(xiàn)能源梯級(jí)利用。

通過(guò)本實(shí)用新型，若實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)和SOFC的耦合發(fā)電可以有效避免風(fēng)能的間歇性。同時(shí)，SOFC內(nèi)部重整可以制備高品質(zhì)的氫氣，可為質(zhì)子交換膜燃料電池(proton exchange membrane fuel cell，簡(jiǎn)稱為PEMFC)汽車、輪船、航空等交通工具、以及便捷式電源提供便利的氫燃料，有望解決目前燃料電池汽車推廣應(yīng)用加氫站基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的瓶頸問(wèn)題，為SOFC提供了一個(gè)更大的市場(chǎng)，并降低SOFC的成本。

顯然，上述實(shí)施例僅僅是為清楚地說(shuō)明所作的舉例，而并非對(duì)實(shí)施方式的限定。對(duì)于所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在上述說(shuō)明的基礎(chǔ)上還可以做出其它不同形式的變化或變動(dòng)。這里無(wú)需也無(wú)法對(duì)所有的實(shí)施方式予以窮舉。而由此所引伸出的顯而易見(jiàn)的變化或變動(dòng)仍處于本實(shí)用新型創(chuàng)造的保護(hù)范圍之中。