CN102881923B - 一种由阳极支撑管型固体氧化燃料电池构建的电站 - Google Patents

Abstract

本发明为一种采用阳极支撑管型固体氧化物燃料电池构建的电站，电站有多级燃料和空气的换热结构、与燃烧反应能量耦合的燃料重整反应器和空气换热器、燃料尾气燃烧腔、电池反应腔、辅助启动单元和余热回收利用单元。燃料经过燃料分配腔进入燃料流道管，经过预热，经过与尾气燃烧热能耦合的重整反应，经过进出的燃料热交换，最后进入电池发电。空气经一低温换热器与尾气换热，经高温热交换器的换热，经电池反应腔内的热交换管换热，最后通过在底部的公共空气流腔分配进入电池反应腔。本发明电站可以保证进出气体的高效换热，可以实现吸热的重整反应与燃料尾气燃烧的放热反应的吸放热耦合，可以保证进入电池反应的气体温度，提高电站的发电效率。

Description

一种由阳极支撑管型固体氧化燃料电池构建的电站

技术领域

本发明涉及阳极支撑管型固体氧化物燃料电池的发电系统，可以简化的固体氧化物燃料电池电站的结构，采用了气体预热、燃料重整和高温燃料电池等整体集成结构，提高了系统热稳定性，实现电池工况易于控制、启动和停车易于控制。

背景技术

固体氧化物燃料电池(SOFC)是一种采用固体氧化物作为电解质隔膜，通过电化学反应将燃料的化学能高效、清洁地转化为电能的发电装置。固体氧化物燃料电池除了具有能量利用率高、环境友好等其它燃料电池普遍具备的优点外，还有许多特殊的优点：它不仅可以用氢气作为燃料，还可以采用资源丰富而且廉价的天然气、液化气、煤气及生物质气等作为燃料。固体氧化物燃料电池本体发电效率可达50％以上，热电联供效率高于80％，可以大幅度地降低二氧化碳的排放。

按照核心部件-膜电极或者是单电池的构型不同，固体氧化物燃料电池可以分为管型电池、平板型电池和整体型电池。不同电池构型的电池在构建电池堆和电站系统的方式不同。

按照膜电极或电池的支撑体不同，固体氧化物燃料电池可以分为电解质支撑型、阴极支撑型和阳极支撑型。不同支撑电极的工作温度不同，构建电池堆和电站所采用的材料和电站结构也不同。

在各种类型的电池中，以美国西门子-西屋公司的阴极支撑管型固体氧化物燃料电池技术发展的技术和电解质支撑的电池技术比较成熟，二者电池的工作温度都在900℃以上。而阳极支撑电池技术是国内内外近些年来在研发的电池技术，电池的工作温度在650-800℃。

固体氧化物燃料电站是将由单体电池构建的固体氧化物燃料电池堆安装在保护和保温的外裹内，有空气和燃料的进出管路系统，有启动、维持和停止控制，使得固体氧化物燃料电池能够稳定发电的装置。如前所述，固体氧化物燃料电池电站因采用的电池构型和支撑体不同，其电池反应腔的温度不同。如，西门子公司的采用阴极支撑管型电池，其电池反应腔温度在950℃以上。美国Blooming Energy公司的电解质支撑固体氧化物燃料电池的电池反应腔温度也在850℃以上。这两种类型的电池都要求配套材料耐850℃以上的高温。采用阳极支撑结构固体氧化物燃料电池的工作温度较低，电池反应腔温度一般在650到800℃。

其次，进入燃料电池的空气(氧化剂)和燃料需要预热到电池的反应温度，不同类型的电池气体预热结构不同。空气或者氧化剂可以外部预热，如美国专利NO5413879所述。空气也可以通过内部预热，如美国专利NO5573867所述，即在空气在进入燃料电池之前先进入一个燃烧腔预热，而燃料气不能通过燃烧腔预热。美国专利NO46664986还提出了在燃烧腔内采用金属翅式结构强化热传导，可以使得流入的空气充分预热。美国专利NO7320836提出了一种利用电池内部来预热空气方法，并提出了采用电力的辅助启动预热系统。

在固体氧化物燃料电池电站中，一方面，固体氧化物燃料电池是陶瓷部件，其内部存在过大的温度梯度会引起带电池内部产生较大的应力，导致陶瓷电池破碎。同样，其它的金属和陶瓷部件也会因温度梯度过大产生应力过大而出现问题。另一方面，固体氧化物燃料电池稳定发电需要维持比较稳定工作温度，以便电化学进行。因此，进入固体氧化物燃料电池的空气和燃料气的温度要接近电池工作温度，而离开燃料电池的气体的温度也不能太高。

因此，固体氧化物燃料电池电站需要解决以下五个问题：(1)进入电池的气体必需预热到接近燃料电池工作温度后才进入电池，以防造成电池上产生较大的温度梯度；(2)在气体预热器或系统中也要防止温差过大引起的应力过大而导致结构破坏；(3)进出电池的气体要有良好的热交换，以实现系统的热稳定；(3)尽量采用低成本的部件材料用于气体预热；(4)电站需要有辅助启动单元，使得电站不需要外接电力加热而热启动。就此而言，美国西门子公司(美国专利NO 7320836和7485386)较好地解决了空气预热问题，而燃料的余热通过新进入燃料与燃料尾气混合实现较好的预热，其系统因热耦合不好而比较难控制系统的热稳定性。

美国的专利(NO 5573867，7320836和7485386)中针对阴极支撑的固体氧化物燃料电池应用的电站系统结构，采用空气和燃料气分开预热，需要分别控制。这存在三个方面的问题。第一，空气和燃料预热分别控制，过程控制比较难。第二，燃料除了预热外，其水蒸气重整反应需要大量热，其系统结构中保证重整反应所需要的热量供给较难。第三，空气和燃料不仅是吸收热量、预热到温度进入电池反应腔，而且也是系统工况改变时从系统中带走热量的媒介。只有保证进入系统的空气和燃料都与流出电站的尾气有很好的热交换时，才容易实现系统的工况改变。

本专利申请针对固体氧化物燃料电池电站所存在的问题，提出了采用阳极支撑管型电池构建电站，提出了解决了上面所述问题的方法，可以比较好地解决这些问题，主要有以下几个特点：(1)针对阳极支撑管型氧化物燃料电池的特点，提出了合理的气体流动、换热和反应器(腔)的结构，提出了进入系统的空气和燃料进行多级预热，保证了进出系统气体更好的换热效果，解决进出燃料电池的气体预热和冷却的问题，提高了系统的热稳定性。(2)提出了需要大量热的流向电池的空气和燃料重整反应器，与流出电池堆的尾气催化燃烧整体集成，强化了空气、燃料气的高温预热、重整反应与尾气燃烧的高度热耦合，可以更好控制系统中的热流动，使得系统中的热流动合理，也使电站各个部位的温度稳定性更容易控制，同时也防止了部件上温度差别而产生较大的应力；(3)可以在不同温区，采用不同耐热性能的材料，降低了造价；(4)针对电站用燃料的特点，建立了辅助启动单元，可以保证电站的独立启动和停车保护，可以实现电站内部在室温下催化燃烧加热启动，同时可以保护电站停车安全。

发明内容

本发明构建了一个固体氧化物燃料电池电站，实现热-电耦合和热-热耦合，从而建立一个稳定易控的系统结构。

本发明由阳极支撑管型固体氧化物燃料电池构建电站，电站系统结构包括：保温外裹、燃料气的多级预热结构、空气的多级预热结构、在燃料流道管内的燃料重整反应器、燃料尾气的燃烧腔、电池反应腔、辅助启动单元、尾气余热回收单元等。为了强化流入电池的空气和燃料与流出电池的尾气热交换，本发明将流入电池的空气和燃料在三个不同温区内与流出电池的气体进行热交换。具体的方案是：燃料经过一个位于顶部燃料分配腔进入燃料流道管，经过尾气预热段、尾气燃烧和重整反应的热耦合段、进出电池的燃料气热交换段进入电池发电，然后流出电池。空气首先经过一个金属换热器与流出的低温尾气进行热交换预热，然后经过置在顶部尾气燃烧腔的热交换器的进行热交换预热，然后经过置于电池反应发电腔内的热交换管进行热交换，最后通过在底部的空气公共流腔分配进入电池反应的空气腔。启动辅助单元主要是利用燃料燃烧启动一个燃料重整器，燃料(天然气)水蒸气重整产生重整气(富氢燃料气体)，重整气进入电站系统燃料气路到达电站内部的燃烧腔后与空气发生催化燃烧并释放热量，从而加热系统的各个部分特别是分布在燃料分配管内的主重整器。当主重整器达到工作温度，系统就可以启动。同时，启动辅助单元在电站系统停车时为系统提供保护气，以便控制电池降温。

一种由阳极支撑管型固体氧化燃料电池构建的电站，包括壳体和电池堆：

位于壳体顶端的公共燃料分配腔，它含有一个燃料进气口，含有与分配腔密封连接的、二个以上的燃料分配和流出管；

位于壳体中部一个流出电池的燃料尾气与空气尾气的催化燃烧反应腔；

位于壳体下部一个安装电池的反应腔，腔内并列安置有由二个以上的电池组装成的电池堆，所述电池为一端开口、另一端封闭的阳极支撑管型固体氧化物燃料电池，其为U字形结构；

壳体底部设置有一个空气进气口；

二个以上的燃料分配和流出管均穿过催化燃烧反应腔分别伸入二个以上的燃料电池的U字形内部，其下端开口；催化燃烧反应腔与电池的反应腔相连通；

催化燃烧反应腔中设置有催化燃烧催化剂，处于催化燃烧反应腔和/或电池的反应腔内的燃料分配和流出管内设置有燃料重整催化剂；

壳体中上部设置有一个反应气出口。

所述电池为核心的发电部件，其为阳极支撑管型固体氧化物燃料电池，其一端开口，一端封闭；阳极支撑管型固体氧化燃料电池的开口端向上，垂直排列在电池反应腔中；每一个阳极支撑管型电池都有陶瓷连接体，用于管型电池的串联。

公共燃料分配腔位于电站系统的顶部，连接于该腔流向电池的燃料气体分配和流出管，分配和流出管采用耐高温的陶瓷管或耐高温合金钢管制成，燃料在该分配管内由上向下经过与尾气换热、燃料重整反应和催化燃烧的热耦合、进出电池管的燃料和燃料尾气换热、最后燃料到达管型电池底部；每一个燃料气体分配和流出管，处于催化燃烧反应腔和/或电池的反应腔内的至少一段内部含有燃料重整催化剂，处于催化燃烧反应腔处的燃料气体分配和流出管外部含有催化燃烧催化剂，该段处于催化燃烧腔的区域，以便于燃烧反应与重整反应的吸放热耦合。

其中的催化燃烧反应腔内含有催化燃烧催化剂，它至少有一部分位于燃料分配管的外壁，其余部份位于壳体内腔壁材料上，用于催化从电池中流出的空气和未反应的燃料的尾气燃烧反应，释放出热量，加热流向电池反应腔的空气和/或燃料，加热燃料重整反应。

壳体底部设有空气公共流腔，使用至少承受800℃的耐高温材料制备，这些材料包括耐高温陶瓷或耐热钢；空气公共流腔通往电池反应腔的一侧设有均匀分布的开孔，保证空气均匀分配进入电池反应腔。

于公共燃料分配腔下部的催化燃烧反应腔内设置有空气的热交换器、和/或于壳体内竖向设置有空气的热交换器；用于空气流向电池阴极前的预热；

且用于空气流向电池阴极前预热的空气的热交换器至少有一个置于尾气燃烧腔、一个置于电池反应腔内，或空气的热交换器的一部分催化燃烧反应腔、一部分置于电池反应腔内。

于壳体内或外设置至少一个用于空气预热的低温换热器，低温换热器以催化燃烧反应腔流出的低温尾气作为换热的热介质；低温换热器为金属换热器，位于催化燃烧反应腔的空气的热交换器为高温热交换器，位于电池反应腔内的空气的热交换器为高温陶瓷换热管；

室温下的空气首先通过至少一个金属换热器与流出的低温尾气进行换热，然后通过至少一个置在催化燃烧反应腔的高温热交换器与尾气燃烧所释放热的交换，然后通过置于电池反应腔内的高温陶瓷换热管进行热换，最后预热的空气通过一个位于底部的空气公共流腔、均匀分配进入电池反应腔。

于壳体外设置有一个电站启动和停止用的辅助启动单元；它为一天燃气加热、重整反应器，其上设有天燃气进口和重整气出口，重整气出口与公共燃料分配腔相连，可以产生富氢气体，用于电站的启动和停车过程。

一个电站尾气的余热回收产生热水的单元；它为一个气-水换热器，用于从尾气中回收余热来产生热水。

本发明的电站，通过更为合理的电站结构实现了电站系统内的合理热流动，特别是将大量释放热量的催化燃烧反应与大量吸收热量的燃料重整反应和空预热集成到催化燃烧反应腔，该电站具有以下三个特点：1)实现了催化燃烧反应与催化重整反应热的吸放热耦合，实现了空气的高效预热过程；2)有利于尾气的降温，防止了催化燃烧腔会温度过高，便于系统控制；3)电站的独特的内部结构方便了电站的独立启动和停车，通过一个辅助单元产生重整气就可以实现电站的独立启动和停车。4)合理的系统热流动特性便于电站的智能化管理。5)避免了高温区使用转动部件循环尾气与新流入燃料混合，提高了整个系统的可靠性。

为了更好地理解本发明的电站，本发明给出了部分设计图，其图注如下。

附图说明

图1.电站的结构框架和燃料气、水和空气流动图。

图2.一个电站的断面结构图；图中标号：1、空气，2、鼓风机或扇风机，3、空气管道，4、低温换热器，6、燃料气，7、空气管道，8、电站启动和停用单元，9、尾气余热回收产生热水单元，10、尾气出口，11、水蒸汽汽化器，12、燃料管道，13、外壳，14、保温外裹，15、燃料气公共流腔，16、高温燃料管，17、催化燃烧腔，18、高温空气热交换器，19、流道管，20、耐高温隔板，21、燃料收集腔；22、耐高温隔板，23、空气尾气收集腔，24、空气换热器，25、阳极支撑管型电池，26、空气分配孔道，27、空气公共分配腔，28、空气公共流腔，29、催化燃烧催化剂，30、电池反应腔。

图3.另一个电站的断面结构图；图中标号：31、低温空气热交换器，32、热交换管，33、惰性陶瓷管，34、空气，35、燃料，36、尾气出口。

具体实施方式

本发明的阳极支撑管型固体氧化物燃料电池电站包括：1)1个低温燃料分配腔及其与之连接的燃料分配管，2)空气源，3)燃料源，4)空气供应泵，5)电池反应腔，其内部装有一端开口的阳极支撑管型电池，其管内侧为燃料发生氧化反应的燃料腔室，管外侧为空气发生还原反应的空气腔室，中间为电解质隔膜；在各个管型电池内部有一支燃料导入管，其上端连接于燃料分配腔，向下依次经过预热段、处于燃烧腔的催化重整段、电池内进出燃料的热交换段，下端接近管型电池的底部；电池反应腔内有空气换热管，经过电池反应腔内换热的空气通过底部的公共气腔进入电池反应腔，并向上流动。6)尾气燃烧腔，包括腔内壁的催化燃烧催化剂、空气换热管、燃料管的重整段，从电池反应腔内流出的没有反应的燃料与空气在该腔内催化燃烧反应，反应释放出热，加热各个燃料分配管内的燃料重整反应和空气换热管内的空气。7)燃料流出收集腔，主要收集流出电池管的燃料尾气，并使之均匀流向催化燃烧腔。8)流出的空气收集腔，它收集流出电池反应腔的空气，并使之通过另一侧的流出气道流均匀流向尾气燃烧腔。9)空气分配腔，位于电池反应腔的下面，主要是分配空气进入在电池反应腔内的换热管进行换热，收集换热管流回的空气，并再分配空气流入电池反应的空气腔。11)低温空气热交换器，主要利用从燃烧腔流入的尾气对流入的室温空气进行预热，其尾气流向余热回收单元。12)余热回收单元，包括余热回收器(气-水热交换器)、热水储罐和水循环泵等，主要利用尾气的余热产生热水。13)启动辅助单元，包括燃料器、燃料重整器等，主要通过燃料燃烧加热燃料(天然气)水蒸气重整器工作，产生重整气(富氢气体)，用于系统启动。同时，在电站系统停车时为系统提供保护气。

电站工作时，空气首先通过低温空气热交换器进行预热，然后进入置于燃烧腔内的热交换器进行预热，再经过在电池反应腔内的热交换器进行热交换，最后通过在底部的公共空气流腔来分配进入电池反应腔。没有电化学反应的空气，流到空气收集腔，然后通过空气收集腔的流出流道均匀地流向催化燃烧腔。在催化燃料腔，燃料尾气与空气尾气发生燃烧反应，并释放出热量，热量传递给重整反应器、流入的空气热交换器，加热流入的空气和燃料。

燃料首先通过位于顶部的燃料分配腔，并通过燃料分配管流向电池。分配管的燃料经过与燃烧的尾气的热交换、重整反应与催化燃烧反应的热耦合、与流出电池的尾气的热交换，然后在电池上的进行电化学氧化反应，随后流出电池。

电站有一个启动辅助单元，它包含一个燃料器和燃料重整器，通过燃烧器给重整器加热，使得燃料重整气并进入电站中，重整燃料和空气在电站内部的催化燃烧可以将电站内部的重整器加热到工作温度，然后可以启动电池的主燃料系统。

本发明的电站是由阳极支撑管型电池构建的电站。首先通过阳极支撑管型电池的并联和串联形成一个管型电池排和管型电池束，然后由管型电池束构成电池堆。电池堆安装在电池反应腔内，其产生的电力通过导电连接板收集并导出。每一个管型电池的燃料和空气按照前面所述的方式流入电池反应和反应后流出电池。

下面通过对本发明作进一步详细和具体的阐述。

本发明电站是采用阳极支撑管型固体氧化物燃料电池构建的电站。阳极支撑固体氧化物燃料电池一般采用5-20微米厚的电解质隔膜，电池的工作温度在650-800℃。本发明的电站可以采用净化煤气、天然气、液化石油气、沼气和生物质气化气中的一种为燃料，可以高效的将燃料的化学能转化为电能，同时回收尾气余热供应热水。本发明的电站可以应用于城市小区、办公楼宇、工厂、医院的热电联供，也可以应用于偏远村庄的分散供电，发电效率高，能源利用效率高。

本发明采用的阳极支撑管型固体氧化物燃料电池，其阳极一般为金属镍与钇稳定的氧化锆组成的金属陶瓷阳极，也可以为添加其它元素改进的镍与钇稳定氧化锆构成的阳极，其形状为管型。管型阳极的主要作用包括，一方面是催化氧化燃料分子(氢气、一氧化碳等)，另一方面是支撑整个电池。在管型阳极的外表面，有一致密的氧化钇稳定氧化锆薄膜的条带，其厚度一般在5-20微米之间，它具有传到氧离子的能力，可以将阴极(空气电极)上氧气还原得到的氧离子传导到阳极(燃料电极)；还有一致密的陶瓷连接体薄膜的条带，与氧化钇稳定氧化锆条带致密连接，它由具有钙钛矿型结构的铬酸盐、钛酸盐等材料制备，陶瓷连接体薄膜作用是电子导电，用于不同电池间的连接，构成电池的串并联。在致密的电解质膜上有薄层阴极，一般由亚锰酸锶镧、钴铁酸锶镧等材料制备，厚度为10-1000微米，其主要作用为催化还原氧分子为氧离子。

在电池工作时，空气经过多次换热预热后，其温度与电池反应温度接近，然后通过在电池反应腔下面的公共空气流腔进入电池的空气反应腔，其中空气中的部分氧气在阴极上的发生氧的还原反应，即氧分子还原为氧离子。燃料气通过位于电站顶部的燃料分配腔进入燃料分配管。在燃料管内，燃料气经过预热、燃料分子与水分子重整反应生成氢和一氧化碳等，最后流到电池管的底部，然后通过燃料管和电池内侧(阳极)的间隙，一边发生电化学氧化反应，一边流出电池管。

为了实现阳极支撑管型固体氧化物燃料电池的发电应用，单管电池通过串联和并联连接到一起，形成电池管束。单管电池并联可以增大输出电流，同时也提高管束的可靠性。单管电池的串联可以提高电池的输出电压，便于电流的收集和引出。

电池在发电同时，也会产生一部分热量。不同的电池部位因其燃料浓度、氧气浓度、电流密度、电流收集等不同而发电的功率密度不同，产生的热量也有差别，因此控制每一个电池管上的温度比较均匀，或者说控制温度差别在一定的范围内，才可以保障电池长期稳定发电工作。在电池管的阳极测(电池管内)，插入电池管内的燃料管可以保证进出燃料间的热交换，控制阳极侧的温度分布较为均匀。在电池管的外侧流动的为空气，为了控制空气侧的温度，在每一电池管束周围，布设有空气热交换管，流入电池反应腔的空气可以与电池反应腔的空气发生热交换，控制空气反应腔的空气的温度稳定在一定的范围内。因此，将电池管束与布设在其周围的空气换热管一同构成了电池-换热管束，它是发电的基本单元。电池-换热管束可以进一步串联或者并联，构成电站发电的次级模块，其大小主要根据电站规模而设计，串联和并联的作用如同前面管束所述。

电站的发电模块是由次级模的串联或并联构成，是电站发电的核心。

图1是本发明电站的结构框架和燃料气、水和空气流动图。空气通过一个低温热交换器1预热，流入热交换器2与燃烧尾气进行热交换，然后进入热交换器3交换后在电池上发生电化学反应。空气尾气流出电池后，与燃料尾气发生催化燃烧反应，然后通过空气、燃料的热交换器2将一部份热传递给空气和燃料，然后经过热交换器1加热传递给刚流入的空气。燃料经过热交换器1加热，在经过高温热交换的同时发生重整反应，然后经过热交换器3进一步加热后，进入电池反应。电池反应后的燃料尾气流向燃烧器，与空气发生催化燃烧反应。另外，图1中还显示了用于电站的启动辅助单元，用于余热回收产生热水单元。

实施例1

如图2所示，图2是本发明电站的一种类型电站的断面结构图。电站的主体在外壳13和保温外裹14内。在主体外壳外有鼓风机或扇风机2、空气-尾气的低温换热器4、电站启动和停用单元8、尾气余热回收产生热水单元9、水蒸汽发生并燃料气混合单元11。

电站包括壳体和电池堆，位于壳体顶端的公共燃料分配腔，它含有一个燃料进气口，含有与分配腔密封连接的、二个以上的燃料分配和流出管；位于壳体中部一个流出电池的燃料尾气与空气尾气的催化燃烧反应腔；位于壳体下部一个安装电池的反应腔，腔内垂直排列安置有由二个以上的电池组装成的电池堆，所述电池为一端开口、另一端封闭的阳极支撑管型固体氧化物燃料电池，其为U字形结构，开口端向上；每一个阳极支撑管型电池都有陶瓷连接体，用于管型电池的串联；壳体底部设置有一个空气进气口；二个以上的燃料分配和流出管均穿过催化燃烧反应腔分别伸入二个以上的燃料电池的U字形内部，其下端开口；催化燃烧反应腔与电池的反应腔相连通；催化燃烧反应腔中设置有催化燃烧催化剂，处于催化燃烧反应腔和/或电池的反应腔内的燃料分配和流出管内设置有燃料重整催化剂；壳体中上部设置有一个反应气出口。

公共燃料分配腔位于电站系统的顶部，连接于该腔流向电池的燃料气体分配和流出管，分配和流出管采用耐高温的陶瓷管或耐高温合金钢管制成，燃料在该分配管内由上向下经过与尾气换热、燃料重整反应和催化燃烧的热耦合、进出电池管的燃料和燃料尾气换热、最后燃料到达管型电池底部；每一个燃料气体分配和流出管，处于催化燃烧反应腔和/或电池的反应腔内的至少一段内部含有燃料重整催化剂，处于催化燃烧反应腔处的燃料气体分配和流出管外部含有催化燃烧催化剂，该段处于催化燃烧腔的区域，以便于燃烧反应与重整反应的吸放热耦合。

其中的催化燃烧反应腔内含有催化燃烧催化剂，它至少有一部分位于燃料分配管的外壁，其余部份位于壳体内腔壁材料上，用于催化从电池中流出的空气和未反应的燃料的尾气燃烧反应，释放出热量，加热流向电池反应腔的空气和/或燃料，加热燃料重整反应。

壳体底部设有空气公共流腔，使用至少承受800℃的耐高温材料制备，这些材料包括耐高温陶瓷或耐热钢；空气公共流腔通往电池反应腔的一侧设有均匀分布的开孔，保证空气均匀分配进入电池反应腔。

于公共燃料分配腔下部的催化燃烧反应腔内设置有空气的热交换器、并于壳体内竖向设置有位于电池反应腔内空气的热交换器；用于空气流向电池阴极前的预热；

于壳体外设置至少一个用于空气预热的低温换热器，低温换热器以催化燃烧反应腔流出的低温尾气作为换热的热介质；低温换热器为金属换热器，位于催化燃烧反应腔的空气的热交换器为高温热交换器，位于电池反应腔内的空气的热交换器为高温陶瓷换热管；

室温下的空气首先通过至少一个金属换热器与流出的低温尾气进行换热，然后通过至少一个置在催化燃烧反应腔的高温热交换器与尾气燃烧所释放热的交换，然后通过置于电池反应腔内的高温陶瓷换热管进行热换，最后预热的空气通过一个位于底部的空气公共流腔、均匀分配进入电池反应腔。

于壳体外设置有一个电站启动和停止用的辅助启动单元；它为一天燃气加热、重整反应器，其上设有天燃气进口和重整气出口，重整气出口与公共燃料分配腔相连，可以产生富氢气体，用于电站的启动和停车过程。

启动后：空气1通过鼓风机或扇风机2进入空气管道3，然后空气经过低温换热器4与流出的尾气换热，然后进入位于催化燃烧腔17内的高温换热器18进行高温换热，然后进入位于底部的空气公共流腔28，通过分配管进入位于电池反应腔30内的换热管换热，然后回到空气公共分配腔27，通过空气分配孔道26进入电池反应腔，空气中的部分氧气在阳极支撑管型电池25的阴极发生电化学还原反应生成氧离子，氧离子通过电解质膜流向阳极。没有反应的空气通过电池管带缝隙的隔板进入空气尾气收集腔23，然后通过流道管19流到催化燃烧腔17，并与燃料尾气在催化燃烧催化剂29的作用下发生燃烧反应，释放出热量。置于燃烧腔的高温空气热交换器18和燃料管16吸收高温尾气的热量，用于加热流向电池的空气和燃料，也为吸热和燃料的重整反应提供热量。燃料尾气经过热交换释放大量热后，经过管道30流出催化燃烧腔17，然后进入低温空气热交换器4，将热量传递给来自鼓风机或扇风机2室温空气，然后进入水蒸汽汽化器11以汽化水。最后，经过尾气余热产生热水单元9回收余热生成热水，最后尾气排放大气中。

燃料气6进入水蒸汽发生单元11与水蒸汽混合后，通过管道12流到燃料气公共流腔15，并分配到各个燃料管16。燃料气在燃料管16内经过与尾气的热交换预热升温，在燃烧腔内的燃料管16有重整催化剂，在该段燃料混合气发生催化重整反应，该反应可以吸收部分尾气催化燃烧所释放的部分热量来进行，并生成氢气和一氧化碳等气体。重整后的燃料气沿燃料管16流到阳极支撑管型电池25的底部(封闭一端)，然后通过燃料管和管型电池的中间空隙向上流动，同时大部分燃料(氢气、一氧化碳、甲烷)在阳极支撑管型电池的阳极上与氧离子发生氧化反应生成水而二氧化碳。燃料尾气通过燃料收集腔21的孔隙流向催化燃烧腔17。

在阳极支撑管型电池上电化学反应生成的电流，通过导流板流出电站，直接流出的为直流电。在使用交流电的场合，直流电可以经过逆变器转化为交流电，供各种电器使用。

本发明的电站，在正常工作条件下，燃料的化学能有约45％转化为电能，有约40％转化为热水中的热能。

实施例2

如图3所示，图3给出了一种电站主体的断面结构。在这一结构中，低温空气热交换器31置于主体结构内，以便缩短尾气的通道长度。为了实现尾气的催化燃烧、空气余热、燃料余热和重整、以及燃料电池发电的整体集成，置于燃料电池周边的热交换管32延长至燃烧部位。为了防止空气流动进入电池阳极部位，燃料进入阴极部位，阳极支撑电池管添加一段惰性陶瓷管33。空气34进入低温换热器31换热，然后流入高温区换热，在到电池区换热，然后参加电池上的反应。燃料35通过燃料分配管的预热段、高温催化重整段、电池内换热端流到电池中反应。

与图2的结构相比，这一结构相对简化，但是同样保持了整体集成结构。与实施例1不同之处在于，于壳体内竖向设置有空气的热交换器；用于空气流向电池阴极前的预热；空气的热交换器的一部分催化燃烧反应腔、一部分置于电池反应腔内。同时，于壳体内设置有一个用于空气预热的低温换热器，低温换热器以催化燃烧反应腔流出的低温尾气作为换热的热介质；低温换热器为金属换热器，位于催化燃烧反应腔的空气的热交换器为高温热交换器，位于电池反应腔内的空气的热交换器为高温陶瓷换热管；

室温下的空气首先通过至少一个金属换热器与流出的低温尾气进行换热，然后通过至少一个置在催化燃烧反应腔的高温热交换器与尾气燃烧所释放热的交换，然后通过置于电池反应腔内的高温陶瓷换热管进行热换，最后预热的空气通过一个位于底部的空气公共流腔、均匀分配进入电池反应腔。

本发明为一种采用阳极支撑管型固体氧化物燃料电池构建的电站，其发电的核心部件为阳极支撑管型固体氧化燃料电池。电站有多级的燃料和空气的换热结构、与燃烧反应能量耦合的燃料重整反应器和空气换热器、燃料尾气燃烧腔、电池反应腔、辅助启动单元和余热回收利用单元。其中，燃料经过位于电站顶部的一个燃料分配腔进入燃料流道管，经过预热，经过与尾气燃烧热能耦合的重整反应，经过进出的燃料热交换，最后进入电池发电。空气首先经过一个低温换热器与尾气换热，经过在置于顶部燃烧腔的高温热交换器的换热，经过在电池反应腔内的热交换管换热，最后通过在底部的公共空气流腔分配进入电池反应腔。本发明电站的换热过程和反应器结构，可以保证进出气体的高效换热，可以实现吸热的重整反应与燃料尾气燃烧的放热反应的吸放热耦合，可以保证进入电池反应的气体温度，提高电站的发电效率。另外，本发明的电站还包括余热回收利用单元，它可以通过气-水热交换器回收尾气的余热，用于产生热水。电站系统还包括一个辅助启动单元，它可根据需要量产生含氢燃料气，提供电站启动和停止用富氢气体。本发明的电站系统将空气和燃料预热、燃料重整、尾气燃烧、启动预热和高温燃料电池发电整体集成，充分利用尾气及其燃烧产生的热，实现较高的发电效率，其发电效率可以达到50-60％，热电联供的能量利用效率可以达到80％以上。本发明的电站结构，可以保证系统运行容易控制，可以独立地启动和停止。本发明的电站是可以天然气、液化石油气、物质气和沼气为燃料，用作分散电站、分布式热电联供系统，应用于楼宇、工厂等的独立供电和供热。

Claims (8)

1.一种由阳极支撑管型固体氧化燃料电池构建的电站，包括壳体和电池堆，其特征在于： 

位于壳体顶端的公共燃料分配腔，它含有一个燃料进气口，含有与分配腔密封连接的、二个以上的燃料分配和流出管；

位于壳体中部一个流出电池的燃料尾气与空气尾气的催化燃烧反应腔；

位于壳体下部一个安装电池的反应腔，腔内并列安置有由二个以上的电池组装成的电池堆，所述电池为一端开口、另一端封闭的阳极支撑管型固体氧化物燃料电池，其为U字形结构；

壳体底部设置有一个空气进气口；

二个以上的燃料分配和流出管均穿过催化燃烧反应腔分别伸入二个以上的燃料电池的U字形内部，燃料分配和流出管的下端开口；催化燃烧反应腔与电池的反应腔相连通；

催化燃烧反应腔中设置有催化燃烧催化剂，处于催化燃烧反应腔和/或电池的反应腔内的燃料分配和流出管内设置有燃料重整催化剂；

壳体中上部设置有一个反应气出口；

公共燃料分配腔位于电站系统的顶部，连接于公共燃料分配腔流向电池的燃料气体分配和流出管，分配和流出管采用耐高温的陶瓷管或耐高温合金钢管制成，燃料在该分配管内由上向下经过与尾气换热、燃料重整反应和催化燃烧的热耦合、进出电池管的燃料和燃料尾气换热、最后燃料到达管型电池底部；每一个燃料气体分配和流出管，处于催化燃烧反应腔和/或电池的反应腔内的至少一段内部含有燃料重整催化剂，处于催化燃烧反应腔处的燃料气体分配和流出管外部含有催化燃烧催化剂，位于催化燃烧反应腔处的一段燃料气体分配和流出管处于催化燃烧腔的区域，以便于燃烧反应与重整反应的吸放热耦合。

2.按照权利要求1所述的电站，其特征在于：

所述电池为核心的发电部件，其为阳极支撑管型固体氧化物燃料电池，其一端开口，一端封闭；阳极支撑管型固体氧化燃料电池的开口端向上，垂直排列在电池反应腔中；每一个阳极支撑管型电池都有陶瓷连接体，用于管型电池的串联。

3.按照权利要求1所述的电站，其特征在于：

其中的催化燃烧反应腔内含有催化燃烧催化剂，它至少有一部分位于燃料分配管的外壁，其余部份位于壳体内腔壁材料上，用于催化从电池中流出的空气和未反应的燃料的尾气燃烧反应，释放出热量，加热流向电池反应腔的空气和/或燃料，加热燃料重整反应。

4.按照权利要求1所述的电站，其特征在于：

壳体底部设有空气公共流腔，使用至少承受800oC的耐高温材料制备，这些材料包括耐高温陶瓷或耐热钢；空气公共流腔通往电池反应腔的一侧设有均匀分布的开孔，保证空气均匀分配进入电池反应腔。

5.按照权利要求1所述的电站，其特征在于：

于公共燃料分配腔下部的催化燃烧反应腔内设置有空气的热交换器、和/或于壳体内竖向设置有空气的热交换器；用于空气流向电池阴极前的预热；

且用于空气流向电池阴极前预热的空气的热交换器至少有一个置于尾气燃烧腔、一个置于电池反应腔内，或空气的热交换器的一部分催化燃烧反应腔、一部分置于电池反应腔内。

6.按照权利要求5所述的电站，其特征在于：

于壳体内或外设置至少一个用于空气预热的低温换热器，低温换热器以催化燃烧反应腔流出的低温尾气作为换热的热介质；低温换热器为金属换热器，位于催化燃烧反应腔的空气的热交换器为高温热交换器，位于电池反应腔内的空气的热交换器为高温陶瓷换热管；

室温下的空气首先通过至少一个金属换热器与流出的低温尾气进行换热，然后通过至少一个置在催化燃烧反应腔的高温热交换器与尾气燃烧所释放热的交换，然后通过置于电池反应腔内的高温陶瓷换热管进行热换，最后预热的空气通过一个位于底部的空气公共流腔、均匀分配进入电池反应腔。

7.按照权利要求1所述的电站，其特征在于：

于壳体外设置有一个电站启动和停止用的辅助启动单元；它为燃料加热、重整反应器，其上设有燃气进口和重整气出口，重整气出口与公共燃料分配腔相连，可以产生富氢气体，用于电站的启动和停车过程。

8.按照权利要求1或6所述的电站，其特征在于：

一个电站尾气的余热回收产生热水的单元；它为一个气-水换热器，用于从尾气中回收余热来产生热水。