CN106058287A - 一种带天然气重整制氢的sofc独立发电系统 - Google Patents

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Abstract

一种带天然气重整制氢的SOFC独立发电系统，包括燃料供应子系统、空气供应子系统、SOFC电堆子系统、尾气回收子系统和电能利用子系统，所述燃料供应子系统与SOFC电堆子系统相连接，所述尾气回收子系统与SOFC电堆子系统和空气供应子系统分别连接，所述SOFC电堆子系统与电能利用子系统相连接。SOFC电堆子系统通过与尾气燃烧系统连接，从而随着尾气一起排出的未被利用的氢气和一氧化碳合成气就能够在尾气回收子系统中被充分的燃烧，形成二氧化碳和水蒸气后被排出，从而避免了对环境造成污染。由于，该种带重整的SOFC独立发电系统具有燃料取材便利，且污染少等特点，因此，适合于家庭、公司等各种场所。

Description

一种带天然气重整制氢的SOFC独立发电系统
技术领域
本发明涉及燃料电池领域，特别涉及一种带有重整的SOFC独立发电系统。
背景技术
固体氧化物燃料电池(Solid Oxide Fuel Cell，简称SOFC)属于第三代燃料电池，是一种在中高温下直接将储存在燃料和氧化剂中的化学能高效、环境友好地转化成电能的全固态化学发电装置。被普遍认为是在未来会与质子交换膜燃料电池(PEMFC)一样得到广泛普及应用的一种燃料电池。
而这种燃料电池一般情况下都需要外界直接提供氢气来作为燃料，而现有技术中由于氢气的运输储存存在着诸多不便，因此，也就大大限制了该种燃料电池的使用范围。为此，部分企业设计了带有重整器的SOFC发电系统，如申请号为201110353046.8的中国专利《一种 SOFC系统用耦合型重整反应器及发电系统》，公开了一种应用了 SOFC系统用耦合重整反应器的发电系统。
虽然，该种系统利用天然气和水蒸气来进行重整得到氢气和一氧化碳的合成气，解决了直接利用氢气来作为原料的局限性，所以得到了有效的推广。
但是，由于重整后的氢气和一氧化碳的合成气进入SOFC系统中往往都不可能被完全的利用，从而就会随着尾气一起从SOFC系统中排出，进而不仅会造成对大气的污染，同时也会造成能源的浪费。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能效利用率高的带重整的SOFC独立发电系统。
本发明的上述目的是通过以下技术方案得以实现的：一种带天然气重整制氢的SOFC独立发电系统，包括燃料供应子系统、空气供应子系统、SOFC电堆子系统、尾气回收子系统和电能利用子系统，所述燃料供应子系统与SOFC电堆子系统相连接，所述尾气回收子系统与SOFC电堆子系统和空气供应子系统分别连接，所述SOFC电堆子系统与电能利用子系统相连接。
SOFC电堆子系统通过与尾气燃烧系统连接，从而随着尾气一起排出的未被利用的氢气和一氧化碳合成气就能够在尾气回收子系统中被充分的燃烧，形成二氧化碳和水蒸气后被排出，从而避免了对环境造成污染。由于，该种带重整的SOFC独立发电系统具有燃料取材便利，且污染少等特点，因此，适合于家庭、公司等各种场所。
作为优选，所述燃料供应子系统包括天然气重整器，所述天然气重整器与SOFC电堆子系统相连接。
通过天然气重整器重整后能够有效地将天热气和水转化为氢气和一氧化碳的合成气，由于天然气输送和储存都比较的便捷，所以有效地解决了氢气无法长途运输和存储的麻烦。
作为优选，所述尾气回收子系统包括蒸发器、热交换室和燃烧室，所述SOFC电堆子系统与所述燃烧室相连接，所述燃烧室依次与热交换室和蒸发器相连接，并且燃烧室的出烟管穿过天然气重整器。
作为优选，所述燃料供应子系统的进料管经过所述蒸发器，所述进料管与进水管和燃料管分别连通，所述燃料管还与燃烧室相连通。
燃烧室通过催化燃烧电堆未反应完全的燃料气体得到温度更高的烟气，然后进入多级热交换室预热空气，最后进入蒸发器预热甲烷和水，得到较高温度的水蒸气和甲烷，从而较高温度的甲烷和水蒸气能够比较快速的在天然气重整器中发生重整，生成氢气和一氧化碳。并且燃烧室的出烟管首先还穿过了天然气重整器，这样其为天然气重整器的重整过程提供了热量，从而提高了烟气热能的利用率。
作为优选，所述空气供应子系统包括鼓风机，所述鼓风机通过出风管一和出风管二分别与燃烧室和SOFC电堆子系统相连接。
作为优选，所述出风管二经过热交换室。
由于出风管二是与SOFC电堆子系统相连接的，所以其可以有效地提高进入到SOFC电堆子系统中空气的温度，这样有助于提高空气与氢气和一氧化碳合成气在SOFC电堆子系统中的反应速率，并且进一步提高了烟气热量的利用效率。
作为优选，所述热交换室与所述SOFC电堆子系统之间设有混合器，所述出风管一的冷空气旁路管道与出风管二通过混合器相连接，所述出风管一的冷空气旁路管道上设有调节阀。
经过冷空气旁路管道进入混合器和从热交换室出来的换热后的空气混合，这样做的目的更为直接地调节进入电堆空气的温度，使得对系统温度的调节手段更为灵活。为了保证电堆温度在安全范围内，而一般鼓入的空气都是过量的，过量比AR一般取值为6～12。
作为优选，还包括热能回收利用子系统，所述热能回收利用子系统与所述蒸发器相连接。
作为优选，所述热能回收利用子系统包括换热器和热水存储水箱，所述蒸发器依次连接换热器和热水存储水箱。
从蒸发器出来的气体仍然具有较高温度，热能回收子系统通过对尾气的热量回收与存储达到提高系统整体热电效率的目的。热能回收利用子系统利用常温自来水循环回收烟气的热量，得到较高温度的热水作为用户日常热水消耗。
作为优选，所述电能利用子系统包括功率变换器和储能单元。
由于SOFC发出的直流电具有低电压大电流的特性，不能够直接使用，必须经过DC/DC转换、DC/AC转换得到220V交流电才能提供给外部负载使用。
综上所述，本发明具有以下有益效果：
1.将SOFC电堆子系统燃烧完后的尾气通入到尾气回收子系统中，从而就可以充分的对尾气进行燃烧，使得最终排出的尾气为水蒸气和二氧化碳，进而不利于对大气造成污染；
2.未燃烧气体在尾气回收子系统中还经过了天热气重整器、热交换室、和蒸发器，这样尾气中所携带的热量能够重新被回收，从而提供了整个系统的能源利用的效率；
3.尾气在最后排出前还会经过热能回收利用子系统，这样便将尾气的余温进行了最后一步的回收，从而整个系统的热量回收率可以高到90%～95%。
附图说明
图1是带天然气重整制氢的SOFC独立发电系统的结构示意图。
图中，1、燃料供应子系统；11、天然气重整器；12、进料管；13、进水管；14、燃料管；2、空气供应子系统；21、鼓风机；22、出风管一；23、出风管二；24、混合器；25、调节阀；3、SOFC电堆子系统；4、尾气回收子系统；41、蒸发器；42、热交换室；43、燃烧室；44、出烟管；5、电能利用子系统；51、功率变换器；52、储能单元；6、热能回收利用子系统；61；换热器；62、热水存储水箱。
具体实施方式
以下结合附图1对本发明作进一步详细说明。
一种带天然气重整制氢的SOFC独立发电系统，包括燃料供应子系统1、空气供应子系统2、SOFC电堆子系统 3、尾气回收子系统4、电能利用子系统5和热能回收利用子系统6。
燃料供应子系统1包括天然气重整器11，天然气重整器11与进料管12相连通，进料管12分别与进水管13和燃料管14相连通，天然气重整器11的出气管与SOFC电堆子系统 3相连接。
尾气回收子系统4包括蒸发器41、热交换室42和燃烧室43，其中此处的热交换室42为多级型的，SOFC电堆子系统 3的未燃烧气体管道与燃烧室43相连通，燃料供应子系统1中的燃料管14的旁路与燃烧室43相连通，用于为燃烧室43提供燃料，从而便于未燃烧气体在燃烧室43中发生催化氧化的反应。并且，燃烧室43的出烟管44穿过燃料供应子系统1的天然气重整器11后还依次与热交换室42及蒸发器41相连通。而燃料供应子系统1中的进料管12穿过蒸发器41，从而利用烟气的热量能够对水和甲烷进行预热，得到较高温度的水蒸气和甲烷。
空气供应子系统2包括鼓风机21，鼓风机21的出风管一22和燃烧室43直接相连接，鼓风机21的出风管二23穿过热交换室42后与SOFC电堆子系统 3相连接，由于空气和氢气以及一氧化碳在SOFC电堆子系统 3中发生电极反应，需要有较高的温度，而烟气的热量刚好为他们提供了热能，从而有效地回收了烟气的部分热量，又有利于提高SOFC电堆子系统 3的反应效率。
另外，出风管一22的冷空气旁路管道与出风管二23通过混合器24相连通，并且出风管一22的冷空气旁路管道上设有调节阀25。
经过冷空气旁路管道进入混合器24和从热交换室42出来的换热后的空气混合，这样做的目的更为直接地调节进入电堆空气的温度，使得对系统温度的调节手段更为灵活。为了保证电堆温度在安全范围内，而一般鼓入的空气都是过量的，过量比AR一般取值为6～12。
而电能利用子系统5内包括了功率变换器51和储能单元52， SOFC电堆子系统 3通过线路与功率变换器51相连接，由于SOFC发出的直流电具有低电压大电流的特性，不能够直接使用，必须经过DC/DC转换、DC/AC转换得到220V交流电才能提供给外部负载使用。
由于经过蒸发器41后的烟气还有比较高的温度，所以蒸发器41还与热能回收利用子系统6中的换热器61相连通用于加热常温的水，之后最终的尾气会被排至空气中，而被加热的常温的水会被输送至热水存储水箱62储存起来，以便供家庭人员的生活起居所使用。
整个重整的SOFC独立发电系统是在隔热的状态下进行工作。
实施例一、
进料管12中水的流量为0.72m3/h，甲烷的流量为224m3/h,从SOFC电堆子系统3中出来的未燃烧气体所携带的热量与其在常温状态下的差值为5.0336×107J/h,而最终排出的尾气携带的热量与其在常温状态下的差值为3.52352×106J/h，热量的回收率为93%。
实施例二、
进料管12中水的流量为0.54 m3/h，甲烷的流量为224 m3/h,从SOFC电堆子系统3中出来的未燃烧气体所携带的热量与其在常温状态下的差值为3.7752×107J/h,而最终排出的尾气携带的热量与其在常温状态下的差值为3.02016×106J/h，热量的回收率为92%。
实施例三、
进料管12中水的流量为0.81 m3/h，甲烷的流量为224 m3/h,从SOFC电堆子系统3中出来的未燃烧气体所携带的热量与其在常温状态下的差值为5.09652×107J/h,而最终排出的尾气携带的热量与其在常温状态下的差值为3.05791×106J/h，热量的回收率为94%。
实施例四、
进料管12中水的流量为0.9 m3/h，甲烷的流量为224 m3/h,从SOFC电堆子系统3中出来的未燃烧气体所携带的热量与其在常温状态下的差值为6.292×107J/h,而最终排出的尾气携带的热量与其在常温状态下的差值为6.292×106J/h，热量的回收率为90%。
实施例五、
进料管12中水的流量为0.846 m3/h，甲烷的流量为224 m3/h,从SOFC电堆子系统3中出来的未燃烧气体所携带的热量与其在常温状态下的差值为5.4112×107J/h,而最终排出的尾气携带的热量与其在常温状态下的差值为4.8700×106J/h，热量的回收率为91%。
实施例六、
进料管12中水的流量为0.63 m3/h，甲烷的流量为224 m3/h,从SOFC电堆子系统3中出来的未燃烧气体所携带的热量与其在常温状态下的差值为5.22236×107J/h,而最终排出的尾气携带的热量与其在常温状态下的差值为2.6112×106J/h，热量的回收率为95%。
从上述实施例一至实施例六可得，整个系统的热量回收率为90%～95%。
本具体实施例仅仅是对本发明的解释，其并不是对本发明的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。

Claims (10)

1.一种带天然气重整制氢的SOFC独立发电系统，其特征在于：包括燃料供应子系统（1）、空气供应子系统（2）、SOFC电堆子系统（3）、尾气回收子系统（4）和电能利用子系统（5），所述燃料供应子系统（1）与SOFC电堆子系统（3）相连接，所述尾气回收子系统（4）与SOFC电堆子系统（3）和空气供应子系统（2）分别连接，所述SOFC电堆子系统（3）与电能利用子系统（5）相连接。
2.根据权利要求1所述的一种带天然气重整制氢的SOFC独立发电系统，其特征在于：所述燃料供应子系统（1）包括天然气重整器（11），所述天然气重整器（11）与SOFC电堆子系统（3）相连接。
3.根据权利要求2所述一种带天然气重整制氢的SOFC独立发电系统，其特征在于：所述尾气回收子系统（4）包括蒸发器（41）、热交换室（42）和燃烧室（43），所述SOFC电堆子系统（3）与所述燃烧室（43）相连接，所述燃烧室（43）依次与热交换室（42）和蒸发器（41）相连接，并且燃烧室（43）的出烟管（44）穿过天然气重整器（11）。
4.根据权利要求3所述的一种带天然气重整制氢的SOFC独立发电系统，其特征在于：所述燃料供应子系统（1）的进料管（12）经过所述蒸发器（41），所述进料管（12）与进水管（13）和燃料管（14）分别连通，所述燃料管（14）还与燃烧室（43）相连通。
5.根据权利要求4所述的一种带天然气重整制氢的SOFC独立发电系统，其特征在于：所述空气供应子系统（2）包括鼓风机（21），所述鼓风机（21）通过出风管一（22）和出风管二（23）分别与燃烧室（43）和SOFC电堆子系统（3）相连接。
6.根据权利要求5所述的一种带天然气重整制氢的SOFC独立发电系统，其特征在于：所述出风管二（23）经过热交换室（42）。
7.根据权利要求6所述的一种带天然气重整制氢的SOFC独立发电系统，其特征在于：所述热交换室（42）与所述SOFC电堆子系统（3）之间设有混合器（24），所述出风管一（22）的冷空气旁路管道与出风管二（23）通过混合器（24）相连接，所述出风管一（22）的冷空气旁路管道上设有调节阀（25）。
8.根据权利要求7所述的一种带天然气重整制氢的SOFC独立发电系统，其特征在于：还包括热能回收利用子系统（6），所述热能回收利用子系统（6）与所述蒸发器（41）相连接。
9.根据权利要求8所述的一种带天然气重整制氢的SOFC独立发电系统，其特征在于：所述热能回收利用子系统（6）包括换热器（61）和热水存储水箱（62），所述蒸发器（41）依次连接换热器（61）和热水存储水箱（62）。
10.根据权利要求9所述的一种带天然气重整制氢的SOFC独立发电系统，其特征在于：所述电能利用子系统（5）包括功率变换器（51）和储能单元（52）。
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