本發(fā)明涉及一種固體氧化物燃料電池發(fā)電系統(tǒng)，特別涉及發(fā)電系統(tǒng)的流程與器件布局。

背景技術(shù)：

固體氧化物燃料電池(Solid Oxide Fuel Cell，SOFC)發(fā)電系統(tǒng)是一種清潔、高效的能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，以天然氣等氣態(tài)烴類(lèi)或氫氣、一氧化碳等為原料，能將燃料中的化學(xué)能轉(zhuǎn)換為電能。依托分布廣泛的天然氣管網(wǎng)，SOFC發(fā)電系統(tǒng)可以規(guī)模集成為以天然氣為原料的分布式發(fā)電站，供應(yīng)樓宇、廠房、社區(qū)等的用電需求，具有良好的商業(yè)前景。

SOFC發(fā)電系統(tǒng)的基本運(yùn)行過(guò)程為：天然氣首先經(jīng)過(guò)重整，產(chǎn)生氫、一氧化碳?xì)獾葰怏w，進(jìn)入電池堆陽(yáng)極，陰極空氣進(jìn)入電池堆的陰極，在一定的條件下，陽(yáng)極氣體與陰極氣體發(fā)生反應(yīng)，生成水，產(chǎn)生電。為了完成這些過(guò)程，需要各種配套器件如重整器、啟動(dòng)燃燒器、陽(yáng)極尾氣燃燒器、換熱器等部件。各部件需要很好的組合起來(lái)，形成一個(gè)有機(jī)整體，這樣才能進(jìn)行物質(zhì)流與能量流的流動(dòng)。

在美國(guó)專(zhuān)利US2012/0178003A1提供了一種SOFC發(fā)電系統(tǒng)的流程與熱區(qū)構(gòu)架，該系統(tǒng)存在如下問(wèn)題：1)SOFC發(fā)電系統(tǒng)熱區(qū)構(gòu)架中，將空氣預(yù)熱器、重整進(jìn)料預(yù)熱器、氣化器等換熱器集成在熱區(qū)中，這種結(jié)構(gòu)對(duì)于單體小型系統(tǒng)比如幾十千瓦級(jí)別的SOFC發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是合適的，但當(dāng)單體系統(tǒng)規(guī)模達(dá)到百千瓦級(jí)以上時(shí)，SOFC發(fā)電系統(tǒng)熱區(qū)的布置就不能這么布置了，因換熱需要以及體積問(wèn)題，各種換熱器不適合全部集成到熱區(qū)中。2)該發(fā)明提供的熱區(qū)流程中，陽(yáng)極尾氣經(jīng)過(guò)重整燃料預(yù)熱器后通過(guò)分離器分成兩路，一路直接進(jìn)入陽(yáng)極尾氣燃燒器，另一路則經(jīng)過(guò)空氣一級(jí)預(yù)熱器之后進(jìn)入重整燃料管路，作為重整原料回收使用。此種方法的弊端之一為，高溫下燃料的流量受壓力、溫度等影響，難以對(duì)其進(jìn)行準(zhǔn)確的分流控制，影響系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。另外還有一個(gè)弊端，回收使用的重整尾氣影響重整器中的化學(xué)平衡，從而影響重整器的重整效果，進(jìn)而影響SOFC發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電運(yùn)行。3)系統(tǒng)啟動(dòng)問(wèn)題。該專(zhuān)利中，啟動(dòng)是靠催化部分氧化反應(yīng)來(lái)啟動(dòng)，這個(gè)反應(yīng)不易控制，而且有爆炸危險(xiǎn)；還有，啟動(dòng)該反應(yīng)需要額外的熱源以及催化劑，催化劑在高溫下易產(chǎn)生熱點(diǎn)等問(wèn)題；另外，啟動(dòng)時(shí)間也會(huì)很長(zhǎng)。

針對(duì)以上問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種SOFC發(fā)電系統(tǒng)新流程以及器件布置的新方法,對(duì)于SOFC發(fā)電系統(tǒng)流程(啟動(dòng)流程及運(yùn)行流程)、器件布局以及重整器功能等作了改進(jìn)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種結(jié)構(gòu)布局合理、裝配方便且換熱合理的固體氧化物燃料電池發(fā)電系統(tǒng)。

本發(fā)明解決上述技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案為：一種固體氧化物燃料電池發(fā)電系統(tǒng)，包括熱區(qū)、重整器、啟動(dòng)燃燒器、陽(yáng)極尾氣燃燒器、混合器和換熱部件，其特征在于：所述熱區(qū)包括電池堆陣列與相應(yīng)的布?xì)夤苈罚卣?、換熱部件與熱區(qū)分立設(shè)置，彼此通過(guò)管路連接；換熱部件包括重整進(jìn)料預(yù)熱器、空氣一級(jí)預(yù)熱器、空氣二級(jí)預(yù)熱器、氣化器和冷凝器，混合器上設(shè)置有重整預(yù)留空氣進(jìn)口和燃料進(jìn)口，混合器上設(shè)有出料口與重整進(jìn)料預(yù)熱器相連接，重整進(jìn)料預(yù)熱器與重整器相連接；發(fā)電系統(tǒng)的陽(yáng)極氣路流向和管路連接為：重整進(jìn)料進(jìn)入重整進(jìn)料預(yù)熱器預(yù)熱后，進(jìn)入重整器進(jìn)行重整反應(yīng)，重整尾氣進(jìn)入熱區(qū)電池堆陣列的陽(yáng)極，進(jìn)行發(fā)電，熱區(qū)排放的陽(yáng)極尾氣依次通過(guò)重整進(jìn)料預(yù)熱器、空氣一級(jí)預(yù)熱器進(jìn)入冷凝器，冷凝產(chǎn)生的水經(jīng)過(guò)凈化器凈化后重新進(jìn)入混合器進(jìn)行重整進(jìn)料水循環(huán)，冷凝后的陽(yáng)極尾氣進(jìn)入陽(yáng)極尾氣燃燒器，燃燒后的煙氣依次通過(guò)空氣二級(jí)預(yù)熱器和氣化器之后排放；陰極氣路流向和管路連接為：陰極空氣依次經(jīng)過(guò)空氣一級(jí)預(yù)熱器和空氣二級(jí)預(yù)熱器之后，進(jìn)入熱區(qū)電池堆陣列的陰極，發(fā)電后的陰極尾氣進(jìn)入陽(yáng)極尾氣燃燒器，與冷凝后進(jìn)入陽(yáng)極尾氣燃燒器的陽(yáng)極尾氣進(jìn)行混合燃燒，燃燒后的煙氣依次進(jìn)入空氣二級(jí)預(yù)熱器和氣化器之后排放。

作為改進(jìn)，所述熱區(qū)的電池堆陣列采用層狀盤(pán)式結(jié)構(gòu)，熱區(qū)的電池堆數(shù)量不限，電池堆陣列外圍設(shè)有用于陽(yáng)極氣體進(jìn)出的通氣管路和廢氣管路，通氣管路和廢氣管路通過(guò)各層上的通氣法蘭和對(duì)應(yīng)的通氣支管和廢氣支管連接各層上的單個(gè)電池堆的陽(yáng)極氣體進(jìn)孔和陽(yáng)極廢氣出孔，電池堆陣列外圍上有用于將電池堆陣列所發(fā)的電進(jìn)行導(dǎo)出的導(dǎo)電柱，逆變器與導(dǎo)電柱相連接。

優(yōu)選，所述重整器采用列管式或蜂窩整體式，重整器上設(shè)有重整尾氣出口與熱區(qū)的陽(yáng)極氣體進(jìn)口的通氣管路相連接，熱區(qū)設(shè)有陽(yáng)極尾氣出口與重整進(jìn)料預(yù)熱器相連接。

作為改進(jìn)，所述陽(yáng)極尾氣燃燒器位于重整器的中間位置，陽(yáng)極尾氣燃燒器通過(guò)法蘭與重整器連接固定。

再改進(jìn)，所述啟動(dòng)燃燒器為以天然氣為原料的明火燃燒器，啟動(dòng)燃燒器上設(shè)有啟動(dòng)天然氣進(jìn)料口和啟動(dòng)空氣進(jìn)口。

再改進(jìn)，所述氣化器采用列管式結(jié)構(gòu)，冷凝器分別與凈化器、空氣一級(jí)預(yù)熱器和陽(yáng)極尾氣燃燒器相連接。

進(jìn)一步改進(jìn)，所述混合器的燃料進(jìn)口進(jìn)入的燃料為天然氣，氫氣，合成氣或沼氣。

進(jìn)一步改進(jìn)，所述燃料為天然氣。

再進(jìn)一步改進(jìn)，所述發(fā)電系統(tǒng)還包括控制柜、將熱區(qū)發(fā)出的直流電轉(zhuǎn)換成交流電的逆變器和給水系統(tǒng)，

最后，所述重整器在溫度升至400℃時(shí)進(jìn)行重整進(jìn)料，當(dāng)重整器溫度達(dá)到750～850℃，熱區(qū)電池堆陣列的穩(wěn)定工作溫度為700～800℃時(shí)，系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行2～3小時(shí)即可放電。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于：

1)將各主要部件分立設(shè)置，而不是集中于熱區(qū)中，這樣就降低了各部件組合的難度，便于系統(tǒng)在現(xiàn)場(chǎng)因地制宜進(jìn)行整體布局，同時(shí)降低了各部件之間相互交叉影響的可能性，便于各部件穩(wěn)定的發(fā)揮其功能。

2)將陽(yáng)極尾氣進(jìn)行冷凝，使氣水分離，便于水的回收純化與循環(huán)使用，同時(shí)也便于陽(yáng)極尾氣燃燒器的穩(wěn)定燃燒，并且陽(yáng)極尾氣不回收循環(huán)至重整器，避免了對(duì)重整反應(yīng)化學(xué)平衡的影響。

3)混合器上預(yù)留了重整空氣入口，便于在重整器中添加適量空氣，進(jìn)行自熱重整反應(yīng)，有利于系統(tǒng)換熱。

本發(fā)明結(jié)構(gòu)布局合理，裝配方便，具有便于拆卸、適宜布局、功能穩(wěn)定、換熱合理等優(yōu)點(diǎn)，適用于單體百千瓦級(jí)的固體氧化物燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的組建。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明的固體氧化物燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的整體流程圖；

圖2是本發(fā)明的固體氧化物燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的整體布局圖；

圖3是本發(fā)明實(shí)施例1中的200kW系統(tǒng)中的電池堆陣列結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4是本發(fā)明實(shí)施例1中的160kW系統(tǒng)中的電池堆陣列結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述。

一種固體氧化物燃料電池發(fā)電系統(tǒng)，包括熱區(qū)1、重整器2，啟動(dòng)燃燒器10，陽(yáng)極尾氣燃燒器3、混合器4、換熱部件、逆變器13、凈化器11、給水系統(tǒng)14和控制柜12，熱區(qū)1包括電池堆陣列與相應(yīng)的布?xì)夤苈罚姵囟殃嚵惺沁M(jìn)行發(fā)電反應(yīng)的場(chǎng)所，熱區(qū)1的電池堆陣列采用層狀盤(pán)式結(jié)構(gòu)，參見(jiàn)我們?cè)谙仁跈?quán)的專(zhuān)利技術(shù)，專(zhuān)利號(hào)為201310212920.5的中國(guó)專(zhuān)利，熱區(qū)1的電池堆1.1數(shù)量不限，電池堆陣列外圍設(shè)有用于陽(yáng)極氣體進(jìn)出的通氣管路1.2和廢氣管路1.2a，通氣管路1.2和廢氣管路1.2a通過(guò)各層上的通氣法蘭1.4和對(duì)應(yīng)的通氣支管1.5和廢氣支管1.6連接各層上的單個(gè)電池堆的陽(yáng)極氣體進(jìn)孔和陽(yáng)極廢氣出孔，電池堆陣列外圍上有用于將電池堆陣列所發(fā)的電進(jìn)行導(dǎo)出的導(dǎo)電柱1.3；逆變器13是將電池堆陣列發(fā)出的直流電轉(zhuǎn)換成交流電供日常生產(chǎn)生活使用，逆變器13與導(dǎo)電柱1.3相連接。

重整器2、換熱部件與熱區(qū)1分立設(shè)置，這樣就降低了各部件組合的難度，便于整體布局，同時(shí)又降低了各部件之間的交叉影響，便于各部件穩(wěn)定的發(fā)揮作用；重整器2是燃料進(jìn)行重整的場(chǎng)所，重整器2采用列管式或蜂窩整體式，重整器2上設(shè)有重整尾氣出口與熱區(qū)1的陽(yáng)極氣體進(jìn)口的通氣管路1.2相連接，熱區(qū)1設(shè)有陽(yáng)極尾氣出口與重整進(jìn)料預(yù)熱器5相連接，陽(yáng)極尾氣燃燒器3位于重整器2的中間位置，用于燃燒從電池堆陣列排出的陽(yáng)極尾氣，給重整器2供熱，陽(yáng)極尾氣燃燒器3通過(guò)法蘭與重整器2連接固定；換熱部件包括重整進(jìn)料預(yù)熱器5、空氣一級(jí)預(yù)熱器6、空氣二級(jí)預(yù)熱器7、氣化器8和冷凝器9，混合器4、重整進(jìn)料預(yù)熱器5、空氣一級(jí)預(yù)熱器6和空氣二級(jí)預(yù)熱器7通過(guò)管路依次連接，冷凝器9分別與凈化器11、空氣一級(jí)預(yù)熱器6和陽(yáng)極尾氣燃燒器3相連接。

上述部件中混合器4用來(lái)混合重整進(jìn)料即燃料和水蒸氣，使混合均勻，混合器4上設(shè)置有重整預(yù)留空氣進(jìn)口和燃料進(jìn)口，燃料采用天然氣，設(shè)置重整預(yù)留空氣進(jìn)口便于在重整器2中添加適量空氣，進(jìn)行自熱重整反應(yīng)，有利于系統(tǒng)換熱；混合器4上設(shè)有出料口與重整進(jìn)料預(yù)熱器5相連接，重整進(jìn)料預(yù)熱器5與重整器2相連接，重整進(jìn)料預(yù)熱器5用來(lái)預(yù)熱重整進(jìn)料，其熱源來(lái)自從電池堆陣列排放的陽(yáng)極尾氣；空氣一級(jí)預(yù)熱器6用來(lái)對(duì)空氣進(jìn)行第一次預(yù)熱，熱源來(lái)自從電池堆陣列排放的陽(yáng)極尾氣，空氣二級(jí)預(yù)熱器7用來(lái)對(duì)空氣進(jìn)行第二次預(yù)熱，熱源來(lái)自從陽(yáng)極尾氣燃燒器3排放的煙氣，氣化器8用來(lái)使水氣化，以便和燃料一起作為重整進(jìn)料進(jìn)入重整器2反應(yīng)；冷凝器9用來(lái)冷凝從空氣一級(jí)預(yù)熱器出來(lái)的陽(yáng)極尾氣，使其中的水冷凝下來(lái)回收，以便循環(huán)使用，冷凝后的氣體則進(jìn)入陽(yáng)極尾氣燃燒器3使用；啟動(dòng)燃燒器10為以天然氣為原料的明火燃燒器，啟動(dòng)燃燒器10上設(shè)有啟動(dòng)天然氣進(jìn)料口和啟動(dòng)空氣進(jìn)口，啟動(dòng)燃燒器10用于系統(tǒng)的啟動(dòng)升溫；凈化器11用來(lái)凈化冷凝器9冷凝出來(lái)的水。

發(fā)電系統(tǒng)的陽(yáng)極氣路流向?yàn)椋褐卣M(jìn)料進(jìn)入重整進(jìn)料預(yù)熱器5預(yù)熱后，進(jìn)入重整器2進(jìn)行重整反應(yīng)，重整尾氣進(jìn)入熱區(qū)1電池堆陣列的陽(yáng)極氣體進(jìn)口的通氣管路1.2，進(jìn)行發(fā)電，熱區(qū)1排放的陽(yáng)極尾氣依次通過(guò)重整進(jìn)料預(yù)熱器5、空氣一級(jí)預(yù)熱器6進(jìn)入冷凝器9，冷凝產(chǎn)生的水經(jīng)過(guò)凈化器11凈化后重新進(jìn)入混合器4進(jìn)行重整進(jìn)料水循環(huán)，冷凝后的陽(yáng)極尾氣進(jìn)入陽(yáng)極尾氣燃燒器3，燃燒后的煙氣依次通過(guò)空氣二級(jí)預(yù)熱器7和氣化器8之后排放。

陰極氣路流向?yàn)椋宏帢O空氣依次經(jīng)過(guò)空氣一級(jí)預(yù)熱器6和空氣二級(jí)預(yù)熱器7之后，進(jìn)入熱區(qū)1電池堆陣列的陰極，發(fā)電后的陰極尾氣進(jìn)入陽(yáng)極尾氣燃燒器3，與冷凝后進(jìn)入陽(yáng)極尾氣燃燒器3的陽(yáng)極尾氣進(jìn)行混合燃燒，燃燒后的煙氣依次進(jìn)入空氣二級(jí)預(yù)熱器7和氣化器8之后排放。陰極空氣由風(fēng)機(jī)供應(yīng)。

本發(fā)明的固體氧化物燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的流程如圖1所示，系統(tǒng)具體運(yùn)行相關(guān)情況如下：

1)啟動(dòng)。以天然氣為原料，點(diǎn)燃啟動(dòng)燃燒器10，煙氣進(jìn)入熱區(qū)1，穿過(guò)電池堆陣列，對(duì)整個(gè)熱區(qū)1進(jìn)行加熱。煙氣通過(guò)熱區(qū)1后，進(jìn)入陽(yáng)極尾氣燃燒器3以及重整器2，對(duì)這兩個(gè)器件進(jìn)行預(yù)熱。然后，煙氣依次經(jīng)過(guò)空氣二級(jí)預(yù)熱器7、氣化器8之后排放。

待重整器2溫度升至400℃時(shí)，即可往重整器2中通入重整進(jìn)料，繼續(xù)升溫，使重整器2溫度達(dá)到750～850℃，熱區(qū)1電池堆陣列穩(wěn)定工作的溫度為700～800℃，系統(tǒng)在穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，熱區(qū)1維持在此溫度。待重整器2和電池堆陣列被還原后(一般需要2～3小時(shí))，即可進(jìn)行系統(tǒng)放電。

2)放電。根據(jù)放電的功率事先確定所需的重整進(jìn)料，待重整進(jìn)料調(diào)節(jié)到位，通入系統(tǒng)后，即可進(jìn)行放電。電池堆陣列發(fā)出來(lái)的電為直流電，通過(guò)逆變器13轉(zhuǎn)換成交流電后可供日常生產(chǎn)生活使用。系統(tǒng)的燃料利用率可達(dá)80％以上，發(fā)電效率可達(dá)50％以上。

3)物料補(bǔ)充。系統(tǒng)發(fā)電過(guò)程中產(chǎn)生的水可以循環(huán)使用。系統(tǒng)發(fā)電產(chǎn)生的水在冷凝器9中冷凝后，進(jìn)入凈化器11被凈化后進(jìn)入系統(tǒng)給水系統(tǒng)，循環(huán)使用。

4)換熱。電池堆陣列的正常運(yùn)行溫度靠啟動(dòng)燃燒器10以及電池堆自身放熱來(lái)維持。重整器2的溫度在升溫過(guò)程中靠啟動(dòng)燃燒器10給予，在穩(wěn)定運(yùn)行是則靠陽(yáng)極尾氣燃燒器3來(lái)維持。陰極空氣經(jīng)過(guò)2次預(yù)熱，其一級(jí)預(yù)熱的熱源來(lái)自電池堆陣列的陽(yáng)極尾氣，其二級(jí)預(yù)熱的熱源來(lái)自陽(yáng)極尾氣燃燒器燃燒產(chǎn)生的煙氣。重整進(jìn)料預(yù)熱的熱源來(lái)自電池堆陣列的陽(yáng)極尾氣。

5)功率。該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)功率由電池堆陣列中電池堆的數(shù)量來(lái)決定。根據(jù)功率需要，調(diào)整系統(tǒng)熱區(qū)中電池堆的數(shù)量，設(shè)計(jì)不同功率的系統(tǒng)。

應(yīng)用例1

本實(shí)施例為200kW SOFC發(fā)電系統(tǒng)。包括熱區(qū)1，重整器2，陽(yáng)極尾氣燃燒器3，混合器4，重整進(jìn)料預(yù)熱器5，空氣一級(jí)預(yù)熱器6，空氣二級(jí)預(yù)熱器7，氣化器8，冷凝器9，啟動(dòng)燃燒器10，凈化器11，控制柜12，逆變器13，給水系統(tǒng)14，風(fēng)機(jī)15等主要部件。

本實(shí)施例的熱區(qū)1的電池堆陣列如圖3所示，電池堆陣列包括192個(gè)140mm×140mm電池堆1.1，層狀盤(pán)式結(jié)構(gòu)，共8層，每層24個(gè)電池堆1.1，電池堆陣列外圍有通氣管路1.2，用于陽(yáng)極氣體的進(jìn)出，電池堆陣列外圍上有導(dǎo)電柱1.3，用于導(dǎo)出電池堆陣列所發(fā)的電。

重整器2采用列管式，氣化器8采用列管式?；旌掀?用于水蒸氣和天然氣的混合，混合之后進(jìn)入重整器2。陽(yáng)極尾氣燃燒器3位于重整器1的中間，通過(guò)法蘭固定。

電池堆陣列發(fā)出的直流電經(jīng)過(guò)逆變器13轉(zhuǎn)換成交流電之后即可供日常生產(chǎn)生活使用。該系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行功率為200kW。

應(yīng)用例2

本實(shí)施例為160kW SOFC發(fā)電系統(tǒng)。包括熱區(qū)1，重整器2，陽(yáng)極尾氣燃燒器3，混合器4，重整進(jìn)料預(yù)熱器5，空氣一級(jí)預(yù)熱器6，空氣二級(jí)預(yù)熱器7，氣化器8，冷凝器9，啟動(dòng)燃燒器10，凈化器11，控制柜12，逆變器13，給水系統(tǒng)14，風(fēng)機(jī)15等主要部件。

本實(shí)施例的熱區(qū)1的電池堆陣列如圖4所示，包括160個(gè)140mm×140mm電池堆1.1，層狀盤(pán)式結(jié)構(gòu)，共8層，每層20個(gè)電池堆1.1，電池堆陣列外圍有通氣管路1.2，用于陽(yáng)極氣體的進(jìn)出，電池堆陣列外圍上有導(dǎo)電柱1.3，用于導(dǎo)出電池堆陣列所發(fā)的電。

重整器2采用列管式，氣化器8采用列管式?；旌掀?用于水蒸氣和天然氣的混合，混合之后進(jìn)入重整器2。陽(yáng)極尾氣燃燒器3位于重整器2的中間，通過(guò)法蘭固定。

電池堆陣列發(fā)出的直流電經(jīng)過(guò)逆變器13轉(zhuǎn)換成交流電之后即可供日常生產(chǎn)生活使用。該系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行功率為160kW。

以上所述的實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行了詳細(xì)說(shuō)明，應(yīng)理解的是以上所述僅為本發(fā)明的具體實(shí)施例，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的原則范圍內(nèi)所做的任何修改、補(bǔ)充或類(lèi)似方式替代等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。