CN106784924B - 一种固体氧化物燃料电池发电系统的热区结构 - Google Patents

Abstract

一种固体氧化物燃料电池发电系统的热区结构，包括外壳、电池堆阵列、燃烧器、重整器、气化预热器和底板，电池堆阵列外围布设有通气管路，重整器位于电池堆阵列的中央，燃烧器位于底板中部，气化预热器位于重整器上方，外壳上设有上排烟管、下排烟管和阴极空气进气口，外壳的壁面具有用于烟气和阴极空气换热的三层夹层腔体，热区启动升温时，燃烧器产生的烟气直接通过电池堆阵列阴极孔道给电池堆阵列升温。本发明对热区中各部件进行合理布局，同时改进了热区内部的换热，使热区启动以及稳定运行过程的换热更加科学合理；并且进一步改善了热区启动升温过程，热区启动升温时烟气直接通过电池堆阵列的阴极，使热区升温速率更快，同时结构也便于安装拆卸。

Description

一种固体氧化物燃料电池发电系统的热区结构

技术领域

本发明属于固体氧化物燃料电池技术领域，尤其涉及一种固体氧化物燃料电池发电系统的热区结构。

背景技术

固体氧化物燃料电池(Solid Oxide Fuel Cell，SOFC)发电系统能将燃料中的化学能转化为电能，是一种清洁、高效的能源转换方式，发电效率可达60％以上。因为其在高温下运行，可用燃料的来源广泛，如天然气、合成气、液化气、氢气等都可以作为其燃料，便于推广使用，具有广阔的应用前景。

热区是SOFC发电系统实施发电功能的主要场所，一般包括电池堆阵列、重整器、气化预热器、换热器以及燃烧器等部件。燃料在重整器里面被重整处理后进入电池堆阵列发电。原料如天然气、空气等的预热以及水的气化等热交换步骤都在热区里面实现。热区中各部件的组合方式直接决定着系统的发电效率，因此热区的设计显得尤为重要。

热区的升温速率是SOFC发电系统的一个重要参数，在实际应用过程中，升温速率要适当的高，以使系统能较为快速的升温，便于现场应用。在美国专利US7659022B2和US2012/0178003A1中，电池堆阵列的升温是靠预热后的阴极空气对其进行预热升温，具体过程为：阳极尾气催化燃烧后的烟气以及阴极尾气混合组成的尾气首先预热阴极空气，然后阴极空气再去预热电池堆阵列，使电池堆阵列升温。此种预热方式的弊端就是电池堆阵列的升温时间较长，不利于系统的快速的启动。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种结构合理、热区启动升温速率快且换热效果好的固体氧化物燃料电池发电系统的热区结构。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种固体氧化物燃料电池发电系统的热区结构，包括外壳、电池堆阵列、燃烧器、重整器、气化预热器和底板，其特征在于：所述外壳为底部开口的筒状结构，底板对合于外壳的底部，电池堆阵列位于外壳内，电池堆阵列外围布设有用于电池堆阳极气体进出的通气管路，重整器位于电池堆阵列的中央，燃烧器位于底板的中部、重整器的下方，气化预热器位于重整器的上方，外壳上设有上排烟管、下排烟管和阴极空气进气口，外壳的壁面具有用于烟气和阴极空气换热的三层夹层腔体，其中上排烟管与外壳夹层内腔相通，下排烟管与外壳夹层中腔相通，阴极空气进气口与外壳夹层外腔相通，外壳夹层外腔与外壳夹层内腔通过外管路相通，外壳夹层内腔的下部有孔与热区内部相通，热区启动升温时，燃烧器产生的烟气直接通过电池堆阵列的阴极孔道给电池堆阵列升温，再穿过外壳夹层内腔经过上排烟管排放。

作为改进，所述气化预热器上设有供天然气和水进入的重整进料口，重整器的底部设有重整尾气出口，重整尾气出口通过重整尾气布气管与电池堆阵列的阳极相连接。

作为改进，所述电池堆阵列外围的通气管路包括用于给电池堆分配重整尾气的阳极气体布气主管、阳极气体布气支管以及用于收集电池堆阵列发电后产生的阳极尾气的阳极尾气收集支管和阳极尾气收集主管，上述管路通过布气法兰与电池堆阵列的阳极相连接，并通过底板的通气法兰与底板相连接，其中阳极气体布气主管与重整尾气布气管相连通，重整尾气通过重整尾气布气管进入阳极气体布气主管中，并通过与阳极气体布气主管相连的阳极气体布气支管进入电池堆阵列中的各个电池堆中。

作为改进，所述重整尾气布气管设置在底板内部或底板的下面。

再改进，所述燃烧器上设有天然气入口、空气入口以及与阳极尾气收集主管相连通的阳极尾气入口，电池堆阵列发电后产生的阳极尾气通过阳极尾气收集支管、阳极尾气收集主管进入燃烧器中燃烧。

再改进，所述外壳的上方设有烟气连接管路，烟气连接管路的一端与电池堆阵列的燃烧腔相连通，另一端与外壳夹层中腔相连通。系统稳态运行时，从外壳夹层外腔进入的阴极空气经过外管路进入外壳夹层内腔，再通过外壳夹层内腔下部的孔进入电池堆阵列外围，并穿过电池堆阴极通气孔，进入电池堆阵列内侧的燃烧腔，在燃烧腔中与电池堆阵列发电后产生的阳极尾气混合燃烧，产生的烟气通过排烟连接管路进入外壳夹层中腔，与经过外壳夹层外腔及内腔的阴极空气换热后，从下排烟管排放。

再改进，所述电池堆阵列采用多个电池堆叠加而成，其形状为竖直叠放式的或者层状盘式，电池堆阵列外围设有用于将电池堆阵列所发的电进行导出的导电杆。

进一步改进，所述电池堆阵列外围的通气管路采用不锈钢硬管或耐高温波纹管，或者是不锈钢硬管与耐高温波纹管的组合。

再进一步改进，所述重整管为列管式或蜂窝整体式。

最后，所述气化预热器为列管形式或盘管形式。

与现有技术相比，本发明的优点在于：对热区中各部件进行合理布局，同时改进了热区内部的换热，使启动以及稳定运行过程的换热更加科学合理；并且进一步改善了热区启动升温过程，热区升温时烟气直接通过电池堆阵列的阴极，使热区升温速率更快。本发明结构合理、布局科学，使得燃料的能量分布与利用更加合理，能使热区快速升温，同时也便于安装拆卸。

附图说明

图1是本发明的热区结构的基本组成示意图；

图2是本发明的重整尾气布气管在底板内部的热区结构示意图；

图3是重整尾气布气管在底板下面的热区结构示意图；

图4是热区中阴极空气流动路线示意图；

图5是热区中阳极气体流动路线示意图；

图6是竖直叠放的电池堆阵列的结构示意图；

图7是层状盘式电池堆阵列的结构示意图；

图8是电池堆阵列外围通气管路的结构示意图；

图9是本发明应用例中的12kW SOFC热区的电池堆阵列及其外围管路的结构示意图；

图10是本发明应用例中的12kW SOFC热区的外壳结构示意图；

图11是本发明应用例中的12kW SOFC热区的底板结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。

如图1～8所示，一种固体氧化物燃料电池发电系统的热区结构，包括外壳1、电池堆阵列2、燃烧器3、重整器4、气化预热器5和底板6等主要部件，外壳1为底部开口的筒状结构，底板6对合于外壳1的底部，电池堆阵列2位于外壳1内，重整器4位于电池堆阵列2的中央，用于燃料的重整反应，燃烧器3位于底板6的中部、重整器4的下方，用于维持热区温度，气化预热器5位于重整器4的上方，用于反应原料的预热与气化，外壳1的壁面具有三层夹层腔体，分别为外壳夹层外腔11、外壳夹层中腔12和外壳夹层内腔13，外壳1上设有上排烟管8、下排烟管10和阴极空气进气口9，其中上排烟管8与外壳夹层内腔13相通，下排烟管10与外壳夹层中腔12相通，阴极空气进气口9与外壳夹层外腔11相通，外壳夹层外腔11与外壳夹层内腔13通过外管路相通，外壳夹层内腔13的下部有孔与热区内部相通，该孔作为阴极空气15的通道，还作为热区启动升温时燃烧产生的烟气16的过道；气化预热器5为列管形式或盘管形式，气化预热器5上设有供天然气和水进入的重整进料口，重整器4为列管式或蜂窝整体式，重整器4的底部设有重整尾气出口，通过重整尾气布气管14与电池堆阵列2的阳极相连接，重整尾气布气管14可设置在底板6内部(如图2)或底板6的下面(如图3)；电池堆阵列2采用多个电池堆26叠加而成，其形状为竖直叠放式，如图6所示，或者为层状盘式，如图7所示，电池堆阵列2的外围布设有用于将电池堆阵列2所发的电进行导出的导电杆30以及用于电池堆阳极气体进出的通气管路，通气管路包括用于给电池堆分配重整尾气23的阳极气体布气主管21、阳极气体布气支管22以及用于收集电池堆阵列2发电后产生的阳极尾气20的阳极尾气收集支管24和阳极尾气收集主管25，上述管路采用不锈钢硬管或耐高温波纹管，或者是不锈钢硬管与耐高温波纹管的组合，上述管路通过布气法兰27与电池堆阵列2的阳极相连接，并通过底板6的通气法兰28与底板6相连接，其中阳极气体布气主管21与重整尾气布气管14相连通，重整尾气23通过重整尾气布气管14进入阳极气体布气主管21中，并通过与阳极气体布气主管21相连的阳极气体布气支管22进入电池堆阵列2中的各个电池堆中，供应电池堆发电所用。燃烧器3上设有天然气入口、空气入口以及与阳极尾气收集主管25相连通的阳极尾气入口，系统稳态运行时，电池堆阵列2发电后产生的阳极尾气20通过阳极尾气收集支管24、阳极尾气收集主管25进入燃烧器3进行燃烧，燃烧器3产生的烟气16依次通过重整器4外围、气化预热器5外围、烟气连接管路7以及外壳夹层中腔12，从下排烟管10进行排放。

外壳1的上方设有烟气连接管路7，烟气连接管路7的一端与电池堆阵列2的燃烧腔相连通，另一端与外壳夹层中腔12相连通，从外壳夹层外腔11进入的阴极空气15经过外管路进入外壳夹层内腔13，再通过外壳夹层内腔13下部的孔进入电池堆阵列2外围，并穿过电池堆阴极通气孔，阳极气体则通过阳极气体布气支管22进入电池堆阵列2，阴、阳极气体在电池堆阵列2中进行发电反应，产生的烟气16通过排烟连接管路7进入外壳夹层中腔12，从下排烟管10排放。

本发明的热区结构中阳极气体流动路线(如图5所示)：重整进料19(天然气和水)从气化预热器5进入，经过气化预热后进入重整器4，在重整器中进行重整反应，重整尾气23从重整器4底部出来，进入底板6中的重整尾气布气管14，再进入阳极气体布气主管21，最后通过与阳极气体布气主管21相连的阳极气体布气支管22进入电池堆阵列2中的各个电池堆，供应电池堆发电所用。发电后的阳极尾气20进入燃烧器3燃烧，为热区供热(此过程中逐渐减小并关闭燃烧天然气17的供应)。

阴极空气流动路线(图4所示)：空气15从外壳夹层外腔11经过外置连接管进入外壳夹层内腔13，此过程中与外壳夹层中腔12中的烟气16换热，然后进入热区内腔的电池堆阵列2外围，穿过电池堆阴极通气孔，进入电池堆阵列2内侧的燃烧腔，阴极尾气在燃烧腔中与阳极尾气混合燃烧，烟气16通过排烟连接管道7进入外壳夹层中腔12，从下排烟管10进行排放。

该热区运行过程具体如下：

1)关闭上排烟管8，开启下排烟管10；

2)通入燃烧天然气17以及燃烧空气18，启动燃烧器3，烟气16由下排烟管10排放；

3)待燃烧稳定后，开启上排烟管8，然后关闭下排烟管10，使烟气16改道为：穿过电池堆阵列2中的阴极通气孔，再穿过外壳夹层内腔13之后经过上排烟管8排放；

4)温度升到450℃，启动重整器4，继续升温，重整尾气23经过重整尾气布气管14进入电池堆阵列2；

5)温度升至700℃，达到热区运行温度，继续保持温度，等待重整器4以及电池堆阵列2还原，还原过程一般共需要3～4小时；

6)开启下排烟管10，然后关闭上排烟管8，使烟气16改道，从下排烟管10中排放，为放电过程做准备；

7)从阴极空气进气口9通入阴极空气15，阴极空气15通过外置专门管道进入外壳夹层内腔13，达到电池堆阵列2的外围，随后进入电池堆阵列2的阴极通气孔，进入电池堆阵列2内侧的燃烧腔；

8)放电。

采用以上方法，热区启动升温速率大大加快，启动升温时间缩短至3～6小时。

应用例：

本实施例为12kW热区，包括外壳1，电池堆阵列2，燃烧器3，重整器4，气化预热器5，底板6等主要部件。

本实施例的电池堆阵列如图9所示。电池堆阵列2为层状盘式结构，包括12个140mm×140mm电池堆26，每层4个电池堆26，3层共12个电池堆26，每层电池堆26之间设有托盘29，通过贯穿紧固螺杆33连接起来，相邻的托盘之间设有若干支撑柱32，支撑柱32通过紧固施力螺杆31与电池堆26连接固定，在电池堆26的侧面还,设有挡板34，电池堆阵列2外围有通气管路，用于阳极气体的进出，电池堆阵列2外围有2根导电杆30，用于导出电池堆阵列2所发的电。

重整器4采用列管式，气化预热器5采用盘管式。

阳极气体流动路线为：重整尾气23从底板通气法兰28进入阳极气体布气主管21，再通过阳极气体布气支管22进入布气法兰27，然后进入各个电池堆26。电池堆26发电反应之后的阳极尾气通过布气法兰27进入阳极尾气收集支管24，再进入阳极尾气收集主管25，最后进入燃烧器3燃烧。

外壳分3层，包括外壳夹层外腔11，外壳夹层中腔12，外壳夹层内腔13。外壳上有上排烟管8，阴极空气进气口9以及下排烟管10。外壳夹层内腔13下部有孔与热区内部相通，该孔作为阴极空气15的通道，还作为热区启动升温时燃烧产生的烟气16的过道。上排烟管8与外壳夹层内腔13相通，下排烟管10与外壳夹层中腔12相通，阴极空气进气口9与外壳夹层外腔11相通。外壳夹层外腔11与外壳夹层内腔13通过外管路相通。

阴极空气流动路线：阴极空气15从外壳夹层外腔11经过外置连接管进入外壳夹层内腔13，此过程中与外壳夹层中腔12中的烟气16换热，然后进入热区内腔的电池堆阵列2外围，穿过电池堆阴极通气孔，进行阴极反应。剩余的气体进入电池堆阵列2内侧的燃烧腔。阴极尾气在燃烧腔中与阳极尾气混合燃烧，烟气16通过排烟连接管道7进入外壳夹层中腔12，从下排烟管10进行排放。

该热区的物质流与能量流匹配合理，能高效换热，发电功率为12kW。采用以上方法，热区启动升温速率大大加快，启动升温时间缩短至4小时。

以上所述的实施例对本发明的技术方案进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的具体实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充或类似方式替代等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种固体氧化物燃料电池发电系统的热区结构，包括外壳、电池堆阵列、燃烧器、重整器、气化预热器和底板，其特征在于：所述外壳为底部开口的筒状结构，底板对合于外壳的底部，电池堆阵列位于外壳内，电池堆阵列外围布设有用于电池堆阳极气体进出的通气管路，重整器位于电池堆阵列的中央，燃烧器位于底板的中部、重整器的下方，气化预热器位于重整器的上方，外壳上设有上排烟管、下排烟管和阴极空气进气口，外壳的壁面具有用于烟气和阴极空气换热的三层夹层腔体，其中上排烟管与外壳夹层内腔相通，下排烟管与外壳夹层中腔相通，阴极空气进气口与外壳夹层外腔相通，外壳夹层外腔与外壳夹层内腔通过外管路相通，外壳夹层内腔的下部有孔与热区内部相通，热区启动升温时，燃烧器产生的烟气直接通过电池堆阵列的阴极孔道给电池堆阵列升温，再穿过外壳夹层内腔经过上排烟管排放；

所述外壳的上方设有烟气连接管路，烟气连接管路的一端与电池堆阵列的燃烧腔相连通，另一端与外壳夹层中腔相连通；系统稳态运行时，从外壳夹层外腔进入的阴极空气经过外管路进入外壳夹层内腔，再通过外壳夹层内腔下部的孔进入电池堆阵列外围，并穿过电池堆阴极通气孔，进入电池堆阵列内侧的燃烧腔，在燃烧腔中与电池堆阵列发电后产生的阳极尾气混合燃烧，产生的烟气通过排烟连接管路进入外壳夹层中腔，与经过外壳夹层外腔及内腔的阴极空气换热后，从下排烟管排放。

2.根据权利要求1所述的热区结构，其特征在于：所述气化预热器上设有供天然气和水进入的重整进料口，重整器的底部设有重整尾气出口，重整尾气出口通过重整尾气布气管与电池堆阵列的阳极相连接。

3.根据权利要求2所述的热区结构，其特征在于：所述电池堆阵列外围的通气管路包括用于给电池堆分配重整尾气的阳极气体布气主管、阳极气体布气支管以及用于收集电池堆阵列发电后产生的阳极尾气的阳极尾气收集支管和阳极尾气收集主管，上述管路通过布气法兰与电池堆阵列的阳极相连接，并通过底板的通气法兰与底板相连接，其中阳极气体布气主管与重整尾气布气管相连通，重整尾气通过重整尾气布气管进入阳极气体布气主管中，并通过与阳极气体布气主管相连的阳极气体布气支管进入电池堆阵列中的各个电池堆中。

4.根据权利要求3所述的热区结构，其特征在于：所述重整尾气布气管设置在底板内部或底板的下面。

5.根据权利要求3所述的热区结构，其特征在于：所述燃烧器上设有天然气入口、空气入口以及与阳极尾气收集主管相连通的阳极尾气入口，电池堆阵列发电后产生的阳极尾气通过阳极尾气收集支管、阳极尾气收集主管进入燃烧器中燃烧。

6.根据权利要求1至5任一权利要求所述的热区结构，其特征在于：所述电池堆阵列采用多个电池堆叠加而成，其形状为竖直叠放式的或者层状盘式，电池堆阵列外围设有用于将电池堆阵列所发的电进行导出的导电杆。

7.根据权利要求1至5任一权利要求所述的热区结构，其特征在于：所述电池堆阵列外围的通气管路采用不锈钢硬管或耐高温波纹管，或者是不锈钢硬管与耐高温波纹管的组合。

8.根据权利要求1至5任一权利要求所述的热区结构，其特征在于：所述重整器为列管式或蜂窝整体式。

9.根据权利要求1至5任一权利要求所述的热区结构，其特征在于：所述气化预热器为列管形式或盘管形式。