CN104979570A - 一种紧凑型固体氧化物燃料电池系统 - Google Patents

一种紧凑型固体氧化物燃料电池系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种紧凑型固体氧化物燃料电池系统，由上至下依次包括燃料预热器、空气预热器、电堆和重整器，在电堆的上方位于空气预热器的下方设有燃烧器，电堆一侧设有空气分配管，空气分配管末端靠近电堆出口处，且穿过空气预热器，燃料预热器内部安装有脱硫器，燃料预热器与天然气进气管相连，燃烧的废热通过烟囱进行排放，烟囱根部安装有蒸汽发生器。本发明的有益效果是：电堆与其它系统部件之间的距离非常短，既节约能量又节约管道材料；加工容易，成本可控，能够实现标准化和批量化；同时金属导热性好；采用鼓风机或者气泵进气，成本低，能耗小；蒸汽发生器兼具尾气冷却器的功能，废热能量得到有效利用；占地少，适合于家庭用热电联供。

Description

一种紧凑型固体氧化物燃料电池系统
技术领域
本发明涉及一种燃料电池系统，尤其涉及一种紧凑型固体氧化物燃料电池系统。
背景技术
固体氧化物燃料电池是一种高效率的能量转化装置，具有燃料适应性广，不使用贵金属催化剂，全固态结构，寿命长、无污染等优点。目前SOFC系统产品在国外已经得到实际应用，主要用于分布式发电和家庭用热电联供等领域。在中国由于开发起步晚，技术相对落后，还没有成熟的系统产品。SOFC的最大优点在于其发电效率高、对燃料不挑剔，可以使用天然气等传统燃料。在系统设计中，风机等辅助部件会消耗一部分电力，称为寄生负载，为了降低辅助部件的电能消耗，需要优化电堆的气阻。另一方面，天然气等含碳燃料在进入电堆之前需要进行重整，使其转化为H2、CO等活性分子。在重整过程以及燃料和空气的预热过程中都涉及到换热。因此、系统越紧凑换热路径越短，热效率越高；同时系统整体表面积越小，热散失越少。二者的结合产生更高的热回收效率。系统的紧凑设计的另一个显著效果是节约材料，由于系统部件在高温下运行，考虑到其必要的耐热性能，一般采用价格较高的耐热不锈钢。材料的节约意味着成本的节约，对降低SOFC系统成本十分有利。
查找中国发明专利发现涉及系统设计的专利屈指可数，且多为国外公司所申请。其中英国劳斯莱斯公司申请的CN100342578C和日本京瓷公司申请的CN100547842C均只是描述了系统的流程图，并未涉及系统部件的具体构型和空间布局。美国纳米动力公司申请的CN101053105A、CN101821884A描述了一种具有改善的气体导向和热交换的固体氧化物燃料电池系统，主要涉及气流的改善，并未具体论述电堆，显得非常笼统。三洋电机株式会社申请的CN1574438A针对管式电池提出了一种组堆方案，未涉及燃料的重整、脱硫等内容；
因此提供一种新的技术方案，不仅提供流程，而且考虑了电堆构型和各部件空间布局，发明了一种紧凑型固体氧化物燃料电池系统。
发明内容
本发明提供一种紧凑型固体氧化物燃料电池系统。
本发明采用的技术方案是：
一种紧凑型固体氧化物燃料电池系统，由上至下依次包括燃料预热器、空气预热器、电堆和重整器，在电堆的上方位于空气预热器的下方设有燃烧器，在燃料预热器、空气预热器、电堆和重整器的外部包裹有保温材料，所述电堆一侧设有空气分配管，所述空气分配管末端靠近电堆出口处，且穿过空气预热器，所述燃料预热器内部安装有脱硫器，所述燃料预热器与天然气进气管相连，燃烧的废热通过烟囱进行排放，所述烟囱根部安装有蒸汽发生器。
优选地，所述燃料预热器为盘管式结构。
优选地，所述电堆为一体化结构，其包括多个电池重复单元、负极端板、正极端板、隔热板和燃料分配板，所述负极端板与正极端板安装在底座上，之间设有多个电池重复单元，在多个电池重复单元底端设有燃料分配板，所述燃料分配板与底座之间形成气体通道，多个电池重复单元上方设有隔热板。
优选地，所述底座与燃料分配板、负极端板和正极端板的接触处通过密封体进行绝缘。
优选地，所述空气预热器采用板翘结构。
优选地，所述空气分配管顶端通过鼓风机或气泵相连。
优选地，所述燃烧器中采用莫来石、氧化铝和堇青石组成的多孔陶瓷作为载体，担载MgO-AL2O3系列的燃烧催化剂，所述重整器中采用镍基和钴基系列的重整催化剂。
优选地，所述脱硫器中采用过渡金属氧化物的中温脱硫剂。
优选地，所述蒸汽发生器安装于保温材料外部。
本发明的有益效果是：
结构紧凑，散热少，热效率高；
采用积木式结构，组装容易；
电堆与其它系统部件之间的距离非常短，既节约能量又节约管道材料；
绝大多数部件采用金属件，加工容易，成本可控，能够实现标准化和批量化；同时金属导热性好，可缩小其它系统部件体积；
采用鼓风机或者气泵进气，成本低，能耗小；
蒸汽发生器兼具尾气冷却器的功能，废热能量得到有效利用，同时废气符合排放的温度标准，降低高温灼伤风险；
体积小，占地少，适合于家庭用热电联供等对于设置空间有很高要求目的。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细描述。
图1是本发明的结构示意图。
图2是图1中电堆的结构示意图。
图3是本发明的工作过程图。
其中：1、烟囱，2、蒸汽发生器，3、保温材料，4、天然气进气管，5、燃料预热器，6、脱硫器，7、空气预热器，8、鼓风机，9、燃烧器，10、隔热板，11、电堆，12、燃料分配板，13、重整器，14、空气分配管，15、电池重复单元，16、负极端板，17、正极端板，18、底座，19、气体通道，20、密封体。
具体实施方式
为了加深对本发明的理解，下面将结合实施例和附图对本发明作进一步详述，该实施例仅用于解释本发明，并不构成对本发明的保护范围的限定。
如图1所示的一种紧凑型固体氧化物燃料电池系统，由上至下依次包括燃料预热器5、空气预热器7、电堆11和重整器13，在电堆11的上方位于空气预热器7的下方设有燃烧器9，电堆11中燃料气自下而上，空气在水平方向上流动，在电堆11的下部组合进重整器，在电堆11的上部出口处燃料与空气交汇燃烧，取得燃烧器的功能，在燃料预热器5、空气预热器7、电堆11和重整器13的外部包裹有保温材料3，电堆11一侧设有空气分配管14，空气分配管14末端靠近电堆11出口处，且穿过空气预热器7，燃料预热器5内部安装有脱硫器6，燃料预热器5与天然气进气管4相连，燃烧的废热通过烟囱1进行排放，烟囱1根部安装有蒸汽发生器2，蒸汽发生器2安装于保温材料外部，既回收热能，又得到有用的蒸汽进行天然气的重整，同时，排放的烟气温度显著降低，不至于产生排放危险。
保温材料3与燃料预热器5、空气预热器7、电堆11和重整器13之间留有空隙。
燃料预热器5为盘管式结构。
如图2所示，电堆11为一体化结构，其包括多个电池重复单元15、负极端板16、正极端板17、隔热板10和燃料分配板12，负极端板16与正极端板17安装在底座18上，之间设有多个电池重复单元15，在多个电池重复单元15底端设有燃料分配板12，燃料分配板12与底座18之间形成气体通道19，多个电池重复单元15上方设有隔热板10，底座18与燃料分配板12、负极端板16和正极端板17的接触处通过密封体20进行绝缘。
空气预热器7采用板翘结构，气阻小。
空气分配管14顶端通过鼓风机或气泵相连，流动气阻小，利用鼓风机或者气泵即可进气。
燃烧器9中采用莫来石、氧化铝和堇青石组成的多孔陶瓷作为载体，担载MgO-AL2O3系列的燃烧催化剂，重整器中采用镍基和钴基系列的重整催化剂。
脱硫器6中采用过渡金属氧化物的中温脱硫剂。
本发明的有益效果是：
结构紧凑，散热少，热效率高；
采用积木式结构，组装容易；
电堆与其它系统部件之间的距离非常短，既节约能量又节约管道材料；
绝大多数部件采用金属件，加工容易，成本可控，能够实现标准化和批量化；同时金属导热性好，可缩小其它系统部件体积；
采用鼓风机或者气泵进气，成本低，能耗小；
蒸汽发生器兼具尾气冷却器的功能，废热能量得到有效利用，同时废气符合排放的温度标准，降低高温灼伤风险；
体积小，占地少，适合于家庭用热电联供等对于设置空间有很高要求目的。
本发明的启动和工作流程：
如图3所示，当系统启动时，鼓风机开始工作，天然气开始通气，空气和天然气二者在电堆出口的燃烧催化剂附近被点燃，产生热能。该热能依次预热空气和燃料气。经预热后的空气和燃料气进入重整器和电堆，将重整器和电堆升温。整个过程持续进行，直到电堆和各系统部件均达到预定工作温度。
最先达到工作温度的是脱硫器（400度）；其开始工作后，进入重整器和电堆的燃料气体已经过脱硫，不会对重整器和电堆造成危害；其次达到工作温度的是重整器（600度），其开始工作后，进入电堆的气体氢气含量显著增加，甲烷含量显著减少，不会危害阳极。在重整器工作之前的短时间高温内，电堆可能少量积碳，但温度升高后会逐渐使积碳得到转化。最后达到工作温度的是电堆（750度），此时其它系统部件完全正常工作，电堆可以进入工作状态。
随着工作电流的增加，电堆本身和各系统部件的温度可能发生变化，因此采用针对气体流量和空燃比的跟踪控制是必要的。对于电堆和各系统的温度也需要进行跟踪和监控。因此，控制系统是该紧凑型燃料电池系统正常工作的必要保证。
为了在冷态给鼓风机和控制系统供电，本系统需要配置必要的储能电池，当燃料电池系统工作时，给该储能电池充电。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作任何其他形式的限制，而依据本发明的技术实质所作的任何修改或等同变化，仍属于本发明所要求保护的范围。

Claims (9)

1.一种紧凑型固体氧化物燃料电池系统，其特征在于：由上至下依次包括燃料预热器、空气预热器、电堆和重整器，在电堆的上方位于空气预热器的下方设有燃烧器，在燃料预热器、空气预热器、电堆和重整器的外部包裹有保温材料，所述电堆一侧设有空气分配管，所述空气分配管末端靠近电堆出口处，且穿过空气预热器，所述燃料预热器内部安装有脱硫器，所述燃料预热器与天然气进气管相连，燃烧的废热通过烟囱进行排放，所述烟囱根部安装有蒸汽发生器。
2.根据权利要求1所述的一种紧凑型固体氧化物燃料电池系统，其特征在于：所述燃料预热器为盘管式结构。
3.根据权利要求1所述的一种紧凑型固体氧化物燃料电池系统，其特征在于：所述电堆为一体化结构，其包括多个电池重复单元、负极端板、正极端板、隔热板和燃料分配板，所述负极端板与正极端板安装在底座上，之间设有多个电池重复单元，在多个电池重复单元底端设有燃料分配板，所述燃料分配板与底座之间形成气体通道，多个电池重复单元上方设有隔热板。
4.根据权利要求3所述的一种紧凑型固体氧化物燃料电池系统，其特征在于：所述底座与燃料分配板、负极端板和正极端板的接触处通过密封体进行绝缘。
5.根据权利要求1所述的一种紧凑型固体氧化物燃料电池系统，其特征在于：所述空气预热器采用板翘结构。
6.根据权利要求1所述的一种紧凑型固体氧化物燃料电池系统，其特征在于：所述空气分配管顶端通过鼓风机或气泵相连。
7.根据权利要求1所述的一种紧凑型固体氧化物燃料电池系统，其特征在于：所述燃烧器中采用莫来石、氧化铝和堇青石组成的多孔陶瓷作为载体，担载MgO-AL2O3系列的燃烧催化剂，所述重整器中采用镍基和钴基系列的重整催化剂。
8.根据权利要求1所述的一种紧凑型固体氧化物燃料电池系统，其特征在于：所述脱硫器中采用过渡金属氧化物的中温脱硫剂。
9.根据权利要求1所述的一种紧凑型固体氧化物燃料电池系统，其特征在于：所述蒸汽发生器安装于保温材料外部。
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