本發(fā)明涉及燃料電池發(fā)電領(lǐng)域，具體地涉及一種利用殘余燃料自加熱的固體氧化物燃料電池發(fā)電系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

在過去一個世紀(jì)里，電能的廣泛利用提高了人們的生活水平，促進(jìn)了空前的經(jīng)濟(jì)繁榮。在未來，隨著全球人口的增加，電力的需求量也將節(jié)節(jié)攀升。2050年時，全球人口預(yù)計(jì)將達(dá)到120億，能源需求量將是現(xiàn)在的兩倍。

傳統(tǒng)的發(fā)電過程為基于郎肯循環(huán)的氣體輪機(jī)或基于布雷頓循環(huán)的燃?xì)廨啓C(jī)，最大熱效率限于卡諾循環(huán)熱效率之下，且排放的廢氣造成了一系列環(huán)境問題。因此，探索一種高效清潔、可持續(xù)的發(fā)電方式，對人類未來發(fā)展和地球環(huán)境保護(hù)將顯得至關(guān)重要。

燃料電池是一種將化學(xué)能直接轉(zhuǎn)換為電能的裝置，與傳統(tǒng)的基于燃燒的熱力循環(huán)發(fā)電裝置相比，更加高效清潔，是一種新興的發(fā)電方式。而燃料電池中的固體氧化物燃料電池(SOFC)相比于其他燃料電池還具有轉(zhuǎn)換效率高、結(jié)構(gòu)全固態(tài)、可適應(yīng)多種燃料等優(yōu)勢，已成為燃料電池領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。

固體氧化物燃料電池的工作溫度在400℃到1000℃之間，現(xiàn)在主要通過電爐提供固體氧化物燃料電池的工作溫度，然而這種方式浪費(fèi)了大量的優(yōu)質(zhì)的電能，同時嚴(yán)重降低了固體氧化物燃料電池系統(tǒng)的發(fā)電效率。另一方面固體氧化物燃料電池的燃料利用率在40％-70％之間，殘余的燃料主要排放到空氣中，不僅浪費(fèi)了燃料，也存在安全隱患。這兩大問題是本領(lǐng)域技術(shù)人員亟待解決的關(guān)鍵技術(shù)問題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

1.要解決的技術(shù)問題

本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種利用殘余燃料自加熱的固體氧化物燃料電池發(fā)電系統(tǒng)。

2.技術(shù)方案

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采取以下技術(shù)方案：

一種利用殘余燃料自加熱的固體氧化物燃料電池發(fā)電系統(tǒng)，包括帶有燃料罐、燃?xì)膺M(jìn)氣管道和氧化劑進(jìn)氣管道的固體氧化物燃料電池系統(tǒng)，其特征在于,所述燃料電池發(fā)電系統(tǒng)還包括電堆加熱爐，所述電堆加熱爐從下至上依次包括保溫層、底座、殘余燃?xì)馀艢夤艿篮蜌堄嘌趸瘎怏w排氣管道、隔板、低溫氣體排氣管道、電堆及包圍在電堆周邊的加熱管道，其中所述電堆的進(jìn)口與上述燃?xì)膺M(jìn)氣管道和氧化劑進(jìn)氣管道連接，電堆的出口與殘余燃?xì)馀艢夤艿篮蜌堄嘌趸瘎怏w排氣管道連接；所述燃料電池發(fā)電系統(tǒng)還包括鍋爐和氣體循環(huán)泵，所述鍋爐從下向上依次包括底座、燃燒室、燃燒器、主進(jìn)氣管道、氣體管道、控制器、高溫氣體管道、上頂板及排煙管，其中、燃燒室通過燃燒器與殘余燃?xì)馀艢夤艿篮蜌堄嘌趸瘎怏w排氣管道連接；所述主進(jìn)氣管道通過氣體循環(huán)泵與上述低溫氣體排氣管道連接，所述高溫氣體管道與上述加熱管道連接。

進(jìn)一步地，還包括輔助結(jié)構(gòu)，所述輔助結(jié)構(gòu)包括控制柜、過渡凸臺、置物臺、下保溫隔板、上保溫隔板。

進(jìn)一步地，所述電堆加熱爐呈立方體結(jié)構(gòu)，其中的加熱管道呈螺旋下降方式排布。

進(jìn)一步地,所述電堆加熱爐呈圓柱型結(jié)構(gòu)，其中的加熱管道呈螺旋下降方式排布，所述電堆加熱爐從下至上依次包括控制柜、殘余燃?xì)馀艢夤艿篮蜌堄嘌趸瘎怏w排氣管道、過渡凸臺、保溫層、置物臺、低溫氣體排氣管道、電堆及加熱管道，其中所述控制柜、過渡凸臺、置物臺及電堆依次層疊。

進(jìn)一步地,所述電堆加熱爐呈立方體結(jié)構(gòu)，其中的加熱管道為從上到下平行排布，所述電堆加熱爐從下至上依次包括保溫層、殘余燃?xì)馀艢夤艿篮蜌堄嘌趸瘎怏w排氣管道、低溫氣體排氣管道、下保溫隔板、加熱管道、過渡凸臺、電堆及上保溫隔板，其中所述下保溫隔板和上保溫隔板將電堆加熱爐的內(nèi)腔分隔成三個密閉空間，上部密閉空間與所述高溫氣體管道連接，下部密閉空間與所述低溫氣體排氣管道連接，且下保溫隔板和上保溫隔板上均設(shè)有多個用來安裝加熱管道的通孔。

進(jìn)一步地，所述固體氧化物燃料電池系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如下：所述燃?xì)膺M(jìn)氣管道進(jìn)口端與燃料罐連接，所述氧化劑進(jìn)氣管道進(jìn)口端懸空，所述燃?xì)膺M(jìn)氣管道和氧化劑進(jìn)氣管道的出口端均與電堆連接，且氧化劑進(jìn)氣管道上設(shè)有壓縮機(jī)一。

進(jìn)一步地，所述殘余燃?xì)馀艢夤艿篮蜌堄嘌趸瘎怏w排氣管道的進(jìn)口端均與電堆連接，出口端均與燃燒器連接，且殘余燃?xì)馀艢夤艿篮蜌堄嘌趸瘎怏w排氣管道上共同設(shè)有壓縮機(jī)二。

進(jìn)一步地，所述鍋爐的結(jié)構(gòu)如下：所述燃燒器與燃燒室接通，所述燃燒室與排煙管相通；所述氣體管道為圓柱螺旋式，且靠近燃燒室并位于燃燒室正上方，氣體管道進(jìn)口端與主進(jìn)氣管道出口端連接，氣體管道出口端與高溫氣體管道進(jìn)口端連接。

進(jìn)一步地，所述電堆加熱爐的結(jié)構(gòu)如下：所述加熱管道圍在電堆四周，加熱管道進(jìn)口端與高溫氣體管道出口連接，加熱管道出口端與低溫氣體排氣管道進(jìn)口端連接；所述低溫氣體排氣管道出口端與氣體循環(huán)泵進(jìn)口連接，所述氣體循環(huán)泵出口與主進(jìn)氣管道進(jìn)口端連接。

3.有益效果

燃料流程系統(tǒng)的過程為：燃料氣體從燃料罐出來，通過燃?xì)膺M(jìn)氣管道進(jìn)入電堆，同時，氧化劑氣體通過氧化劑進(jìn)氣管道和壓縮機(jī)一進(jìn)入電堆，兩者進(jìn)行反應(yīng)產(chǎn)生電能；殘余的燃?xì)馔ㄟ^殘余燃?xì)馀艢夤艿琅懦鲭姸眩?jīng)壓縮機(jī)二加壓后，進(jìn)入燃燒器，同時殘余的氧化劑氣體通過殘余氧化劑氣體排氣管道排出電堆，經(jīng)壓縮機(jī)二加壓后，進(jìn)入燃燒器；所述燃燒器內(nèi)的殘余燃料和殘余氧化劑混合，在燃燒室中被點(diǎn)燃，釋放熱量，燃燒產(chǎn)物通過排煙管排出鍋爐。

氣體循環(huán)系統(tǒng)的過程為：氣體通過氣體循環(huán)泵加壓進(jìn)入主進(jìn)氣管道，然后在鍋爐氣體管道中被加熱，成為高溫氣體，再通過高溫氣體管道進(jìn)入電堆加熱爐中的加熱管道，為電堆工作提供所需的工作溫度，高溫氣體變?yōu)榈蜏貧怏w后進(jìn)入低溫氣體排氣管道，之后進(jìn)入氣體循環(huán)泵處理后進(jìn)入主進(jìn)氣管道，之后再次進(jìn)入氣體管道被加熱，進(jìn)入下一次循環(huán)。

本發(fā)明利用鍋爐將原本浪費(fèi)掉的30％-60％的燃料回收起來充分燃燒產(chǎn)生熱量，然后將熱量通過自加熱系統(tǒng)給燃料電池電堆提供合適的工作溫度，從而節(jié)省了傳統(tǒng)加熱電爐的電能消耗，提高了固體氧化物燃料電池總的發(fā)電效率。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的整體結(jié)構(gòu)示意主視圖；

圖2為本發(fā)明的仰視圖；

圖3為本發(fā)明的右視圖；

圖4為實(shí)施例2中電堆加熱爐3的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5為實(shí)施例3中電堆加熱爐3的結(jié)構(gòu)示意圖。

其中，1-鍋爐，2-氣體循環(huán)泵，3-電堆加熱爐，4-固體氧化物燃料電池系統(tǒng)，5-電堆，6-殘余燃?xì)馀艢夤艿溃?-殘余氧化劑氣體排氣管道，8-壓縮機(jī)一，9-壓縮機(jī)二，10-控制柜，11-過渡凸臺，12-置物臺，13-下保溫隔板，14-上保溫隔板。101-排煙管，102-上頂板，103-氣體管道，104-燃燒室，105-底座，106-控制器、107-燃燒器108-主進(jìn)氣管道，109-高溫氣體管道，301-保溫層，302-低溫氣體排氣管道，303-加熱管道，304-隔板，305-底座，401-燃?xì)膺M(jìn)氣管道，402-氧化劑進(jìn)氣管道，403-燃料罐。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說明：

實(shí)施例1

如圖1、圖2及圖3所示的一種利用殘余燃料自加熱的固體氧化物燃料電池發(fā)電系統(tǒng)，包括帶有燃料罐403、燃?xì)膺M(jìn)氣管道401和氧化劑進(jìn)氣管道402的固體氧化物燃料電池系統(tǒng)4，其特征在于,所述燃料電池發(fā)電系統(tǒng)還包括電堆加熱爐3，所述電堆加熱爐3從下至上依次包括保溫層301、底座305、殘余燃?xì)馀艢夤艿?和殘余氧化劑氣體排氣管道7、隔板304、低溫氣體排氣管道302、電堆5及包圍在電堆5周邊的加熱管道303，其中所述電堆5的進(jìn)口與上述燃?xì)膺M(jìn)氣管道401和氧化劑進(jìn)氣管道402連接，電堆5的出口與殘余燃?xì)馀艢夤艿?和殘余氧化劑氣體排氣管道7連接；所述燃料電池發(fā)電系統(tǒng)還包括鍋爐1和氣體循環(huán)泵2，所述鍋爐1從下向上依次包括底座105、燃燒室104、燃燒器107、主進(jìn)氣管道108、氣體管道103、控制器106、高溫氣體管道109、上頂板102及排煙管101，其中、燃燒室104通過燃燒器107與殘余燃?xì)馀艢夤艿?和殘余氧化劑氣體排氣管道7連接；所述主進(jìn)氣管道108通過和氣體循環(huán)泵2與上述低溫氣體排氣管道302連接，所述高溫氣體管道109與上述加熱管道303連接。

在本實(shí)施例中,還包括輔助結(jié)構(gòu)，所述輔助結(jié)構(gòu)包括控制柜10、過渡凸臺11、置物臺12、下保溫隔板13、上保溫隔板14。

在本實(shí)施例中,所述電堆加熱爐3呈立方體結(jié)構(gòu)，其中的加熱管道303呈螺旋下降方式排布。

在本實(shí)施例中,所述固體氧化物燃料電池系統(tǒng)4的結(jié)構(gòu)如下：所述燃?xì)膺M(jìn)氣管道401進(jìn)口端與燃料罐403連接，所述氧化劑進(jìn)氣管道402進(jìn)口端懸空，所述燃?xì)膺M(jìn)氣管道401和氧化劑進(jìn)氣管道402的出口端均與電堆5連接，且氧化劑進(jìn)氣管道402上設(shè)有壓縮機(jī)一8。

在本實(shí)施例中,所述殘余燃?xì)馀艢夤艿?和殘余氧化劑氣體排氣管道7的進(jìn)口端均與電堆5連接，出口端均與燃燒器107連接，且殘余燃?xì)馀艢夤艿?和殘余氧化劑氣體排氣管道7上共同設(shè)有壓縮機(jī)二9。

在本實(shí)施例中,所述鍋爐1的結(jié)構(gòu)如下：燃燒器107與燃燒室104接通，所述燃燒室104與排煙管101相通；所述氣體管道103為圓柱螺旋式，且靠近燃燒室104并位于燃燒室104正上方，氣體管道103進(jìn)口端與主進(jìn)氣管道108出口端連接，氣體管道103出口端與高溫氣體管道109進(jìn)口端連接。

在本實(shí)施例中,所述電堆加熱爐3的結(jié)構(gòu)如下：所述加熱管道303圍在電堆5四周，加熱管道303進(jìn)口端與高溫氣體管道109出口連接，加熱管道303出口端與低溫氣體排氣管道302進(jìn)口端連接；所述氣體循環(huán)泵2進(jìn)口與低溫氣體排氣管道302出口端連接，氣體循環(huán)泵2出口與主進(jìn)氣管道108進(jìn)口端連接。

上述一種利用殘余燃料自加熱的固體氧化物燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的工作流程如下：

a.燃料氣體從燃料罐403出來，通過燃?xì)膺M(jìn)氣管道401進(jìn)入電堆5，同時，氧化劑氣體通過氧化劑進(jìn)氣管道402和壓縮機(jī)一8進(jìn)入電堆5，兩者進(jìn)行反應(yīng)產(chǎn)生電能；

b.殘余的燃?xì)馔ㄟ^殘余燃?xì)馀艢夤艿?排出電堆5，經(jīng)壓縮機(jī)二9加壓后，進(jìn)入燃燒器107，同時殘余的氧化劑氣體通過殘余氧化劑氣體排氣管道7排出電堆5，經(jīng)壓縮機(jī)二9加壓后，進(jìn)入燃燒器107；

c.所述燃燒器107內(nèi)的殘余燃料和殘余氧化劑混合，在燃燒室104中被點(diǎn)燃，釋放熱量，燃燒產(chǎn)物通過排煙管101排出鍋爐1，氣體管道103中的氣體在上行過程中不斷被加熱，然后進(jìn)入高溫氣體管道109從而進(jìn)入電堆加熱爐3中的加熱管道303，為電堆5提供工作溫度；

d.高溫氣體變?yōu)榈蜏貧怏w后進(jìn)入低溫氣體排氣管道302，之后進(jìn)入氣體循環(huán)泵2處理后進(jìn)入主進(jìn)氣管道108，之后再次進(jìn)入氣體管道103被加熱，進(jìn)入下一次循環(huán)。

實(shí)施例2

一種利用殘余燃料自加熱的固體氧化物燃料電池發(fā)電系統(tǒng)，其與實(shí)施例1的不同之處在于：如圖4所示，所述電堆加熱爐3呈圓柱型結(jié)構(gòu)，其中的加熱管道303呈螺旋下降方式排布。

在本實(shí)施例中，所述電堆加熱爐3從下至上依次包括控制柜10、殘余燃?xì)馀艢夤艿?和殘余氧化劑氣體排氣管道7、過渡凸臺11、保溫層301、置物臺12、低溫氣體排氣管道302、電堆5及加熱管道303，其中所述控制柜10、過渡凸臺11、置物臺12及電堆5依次層疊。

其他同實(shí)施例1。

實(shí)施例3

一種利用殘余燃料自加熱的固體氧化物燃料電池發(fā)電系統(tǒng)，其與實(shí)施例1的不同之處在于：如圖5所示，所述電堆加熱爐3呈立方體結(jié)構(gòu)，其中的加熱管道303為從上到下平行排布。

在本地實(shí)施例中,所述電堆加熱爐3從下至上依次包括保溫層301、殘余燃?xì)馀艢夤艿?和殘余氧化劑氣體排氣管道7、低溫氣體排氣管道302、下保溫隔板13、加熱管道303、過渡凸臺11、電堆5及上保溫隔板14，其中所述下保溫隔板13和上保溫隔板14將電堆加熱爐3的內(nèi)腔分隔成三個密閉空間，上部密閉空間與所述高溫氣體管道109連接，下部密閉空間與所述低溫氣體排氣管道302連接，且下保溫隔板13和上保溫隔板14上均設(shè)有多個用來安裝加熱管道303的通孔。

其他同實(shí)施例1。

本技術(shù)領(lǐng)域中的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)認(rèn)識到，以上的實(shí)施例僅是用來說明本發(fā)明，而并非用作為對本發(fā)明的限定，只要在本發(fā)明的實(shí)質(zhì)精神范圍內(nèi)，對以上所述實(shí)施例的變化、變型都將落在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍內(nèi)。