CN109860660B - 一种高效固体氧化物燃料电池系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高效固体氧化物燃料电池系统，包括原料供给单元、燃料重整单元、燃料换热器、电堆单元、尾气燃烧室、空气换热器和冷却单元。本发明通过所述高效固体氧化物燃料电池系统，将系统反应产生的尾气热量始终约束在系统内，使其充分循环利用，进而提高了系统整体效率；同时通过在燃料重整器中设置相互独立的燃料室和供热室，使燃料重整单元的温度更易于独立控制，进而降低了系统耦合度。

Description

一种高效固体氧化物燃料电池系统

技术领域

本发明涉及燃料电池领域，特别是一种高效固体氧化物燃料电池系统。

背景技术

目前，固体氧化物燃料电池(简称SOFC)是一种工作在600～800℃的绿色、高效能量转换装置，通过电化学反应能够直接将碳氢化合物中的化学能转化为电能，没有燃烧与机械传动，因而具有安静、清洁、高效等优点，被誉为21世纪最具前景的绿色发电技术之一。平板式SOFC因具有高能比、易组装等优点而成为SOFC技术应用的主流。

SOFC较高的工作温度为其带来了燃料广泛适应性、高品位尾气热能等优点，可使用天然气、煤气、沼气、生物质等燃料，并且可与涡轮机(GT)等部件形成混合发电系统或热电联供系统，系统效率可达80％以上。然而，高温也带来了极具挑战的控制问题。影响系统工作性能及寿命的约束条件主要有：电池片的最大温度梯度、电池片的最大工作温度、燃烧室温度、重整器温度以及电堆入口气体温差。其中电池片的最大温度梯度、最大工作温度和重整器温度是影响电池片性能及寿命的主要原因，而燃烧室温度过高能够导致BOP系统材料老化，缩减系统寿命。

独立SOFC系统应该包括SOFC电堆单元、空气供给单元、燃料供给单元、尾气回收单元、电管理单元和控制单元实现系统从启动到稳定最优运行的功能。美国专利US6608463B1、US7001682B2就公开了一种比较完整的SOFC系统，该系统具有电堆单元、空气供给单元、燃料供给单元、尾气回收单元，但该系统却存在如下缺陷：1.独立的启动燃烧室和尾气燃烧室，启动燃烧室为系统进行预热，这样的设计使得系统部件增加，体积增大，并且增加了成本与控制复杂度。2.该系统通过调节进入尾气燃烧室的电堆阴极入口气体流量来调节温度，这样使得系统必须提供能够耐800℃以上高温的调节阀来控制流量，因此系统需要昂贵的高温调节阀，增加了成本。而且由于电堆阴极尾气的温度较高、可调流量有限，对尾气燃烧室温度的控制效果欠佳。3.尾气燃烧室出来的烟气预热空气和重整器之后温度可能只有300～400℃，然后再通入电堆进行预热会导致两个问题，a.电堆工作温度一般在600～900℃，这样系统排出的尾气温度将可能非常高，b.预热电堆的尾气温度太低，会导致电堆工作温度下降。具体地，中国专利CN1685552A、CN1151575C、CN100342578C及美国专利US7056611B2中均未考虑完整的SOFC系统，系统中的尾气未能充分地循环利用，无法保证电堆高效、长寿命地运行。此外，中国专利CN201310104574虽然考虑了完整的SOFC结构，但是气体的流通方式明显增加了系统的耦合性。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种高效固体氧化物燃料电池系统，用于解决现有固体氧化物燃料电池系统中尾气热量未能充分循环利用且系统耦合度较高的问题。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种高效固体氧化物燃料电池系统包括原料供给单元、燃料重整单元、燃料换热器、电堆单元、尾气燃烧室、空气换热器和冷却单元；原料供给单元通过管道经燃料重整单元与燃料换热器连接，燃料换热器的燃料输出端与电堆单元的阳极输入端通过管道连接，燃料换热器的空气输出端与电堆单元的阴极输入端通过管道连接；电堆单元的阳极输出端与尾气燃烧室的第一输入端通过管道连接，电堆单元的阴极输出端和原料供给单元的空气输出端均与尾气燃烧室的第二输入端通过管道连接；空气换热器的空气输入端与原料供给单元的空气输出端通过管道连接，且空气换热器的空气输出端与燃料换热器的空气输入端通过管道连接，空气换热器的尾气输入端与尾气燃烧室的输出端通过管道连接，且空气换热器的尾气输出端与冷却单元通过管道连接。

其中，燃料重整单元包括燃料预热器和燃料重整器；燃料重整器包括相互独立的燃料室和供热室，燃料室的输入端与燃料预热器的燃料输出端通过管道连接，且燃料室的输出端与燃料换热器的燃料输入端通过管道连接，原料供给单元中天然气和空气的输出端与供热室的输入端通过管道连接，且供热室的输出端与燃料预热器的供热输入端通过管道连接；燃料室用于供电堆单元所需的燃料发生反应，供热室用于为燃料室的反应提供热量和调整热量；原料供给单元中天然气和水的输出端与燃料预热器的燃料输入端通过管道连接，燃料预热器的供热输出端与冷却单元通过管道连接。

其中，原料供给单元包括：第一鼓风机、合成器瓶、储水箱、天然气瓶、第二鼓风机、第一阀门、第二阀门、第三阀门、第四阀门、第五阀门、第六阀门、第七阀门和混合器；第一鼓风机的输出端经第一阀门与空气换热器的空气输入端通过管道连接，合成器瓶的输出端经第二阀门与燃料预热器的燃料输入端通过管道连接；储水箱的输出端经第三阀门与混合器的输入端通过管道连接，天然气瓶的输出端经第四阀门与混合器的输入端通过管道连接，且混合器的输出端与燃料预热器的燃料输入端通过管道连接；天然气瓶的输出端经第五阀门与供热室的输入端通过管道连接，第二鼓风机的输出端经第六阀门与供热室的输入端通过管道连接，且第二鼓风机的输出端经第七阀门与尾气燃烧室的第二输入端通过管道连接。

其中，高温尾气由燃料预热器的供热输出端和空气换热器的尾气输出端导入冷却单元，经冷却单元冷却后排入大气。其中，高效固体氧化物燃料电池系统还包括监控单元，监控单元包括温度检测器和控制器，所述温度检测器的信号输入端与电堆单元连接，温度检测器的信号输出端与控制器的信号输入端电连接。

其中，温度检测器的信号输入端分别设置于电堆单元的阳极输入端、电堆单元的阴极输入端、电堆单元的中心、电堆单元的阳极输出端和电堆单元的阴极输出端。

其中，控制器的信号输出端分别连接并控制第一阀门、第二阀门、第三阀门、第四阀门、第五阀门、第六阀门和第七阀门。

本发明的有益效果是：区别于现有技术的情况，本发明提供一种高效固体氧化物燃料电池系统，将系统反应产生的尾气热量与空气交换后用于重整反应后的燃料预热，使尾气热量充分循环利用，进而提高了系统整体效率；同时通过在燃料重整器中设置相互独立的燃料室和供热室，使燃料重整单元的温度更易于独立控制，进而降低了系统耦合度。

附图说明

图1是本发明中高效固体氧化物燃料电池系统一实施方式的结构示意图；

图中：100：原料供给单元；101：第一鼓风机；102：合成器瓶；103：储水箱；104：天然气瓶；105：第二鼓风机；106：第一阀门；107：第二阀门；108：第三阀门；109：第四阀门；110：第五阀门；111：第六阀门；112：第七阀门；113：混合器；200：燃料重整单元；210：燃燃料预热器；220：燃料重整器；221：燃料室；222：供热室；300：燃料换热器；400：电堆单元；500：尾气燃烧室；600：空气换热器；700：冷却单元；800：监控单元；801：温度检测器；802：控制器；带箭头的实线表示气体流向，带箭头的虚线表示控制信号流向，双线箭头表示温度信号流向。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，均属于本发明保护的范围。

请参阅图1，图1是本发明中高效固体氧化物燃料电池系统一实施方式的结构示意图，其中100为原料供给单元，101为第一鼓风机，102为合成器瓶，103为储水箱，104为天然气瓶，105为第二鼓风机，106为第一阀门，107为第二阀门，108为第三阀门，109为第四阀门，110为第五阀门，111为第六阀门，112为第七阀门，113为混合器，200为燃料重整单元，210为燃料预热器，220为燃料重整器，221为燃料室，222为供热室，300为燃料换热器，400为电堆单元，500为尾气燃烧室，600为空气换热器，700为冷却单元，800为监控单元，801为温度检测器，802为控制器。本发明中高效固体氧化物燃料电池系统包括原料供给单元100、燃料重整单元200、燃料换热器300、电堆单元400、尾气燃烧室500、空气换热器600和冷却单元700；原料供给单元100通过管道经燃料重整单元200与燃料换热器300连接，燃料换热器的燃料输出端302与电堆单元的阳极输入端401通过管道连接，燃料换热器的空气输出端304与电堆单元的阴极输入端402通过管道连接；电堆单元的阳极输出端403与尾气燃烧室的第一输入端501通过管道连接，电堆单元的阴极输出端404和原料供给单元100的空气输出端均与尾气燃烧室的第二输入端502通过管道连接；空气换热器的空气输入端603与原料供给单元100的空气输出端通过管道连接，且空气换热器的空气输出端602与燃料换热器的空气输入端303通过管道连接，空气换热器的尾气输入端601与尾气燃烧室的输出端503通过管道连接，且空气换热器的尾气输出端604与冷却单元700通过管道连接。

本实施方式中，燃料重整单元200包括燃料预热器210和燃料重整器220；燃料重整器220包括相互独立的燃料室221和供热室222，燃料室的输入端223与燃料预热器的燃料输出端212通过管道连接，且燃料室的输出端224与燃料换热器的燃料输入端301通过管道连接，原料供给单元100中天然气和空气的输出端与供热室的输入端225通过管道连接，且供热室的输出端226与燃料预热器的尾气输入端213通过管道连接；经燃料预热器210预热后的燃料在燃料室221中发生重整反应，该重整反应包括天然气和空气反应后生成一氧化碳和氢气；而供热室222的作用一方面为燃料室221的反应提供热量和调整热量，另一方面供热室222产生的尾气流至燃料预热器210处换热以实现对燃料预热器210中燃料的预热；原料供给单元100中天然气和水的输出端与燃料预热器的燃料输入端211通过管道连接，燃料预热器的尾气输出端214与冷却单元700通过管道连接。

本实施方式中，原料供给单元100包括：第一鼓风机101、合成器瓶102、储水箱103、天然气瓶104、第二鼓风机105、第一阀门106、第二阀门107、第三阀门108、第四阀门109、第五阀门110、第六阀门111、第七阀门112和混合器113；第一鼓风机101的输出端经第一阀门106与空气换热器600的空气输入端通过管道连接，合成器瓶102的输出端经第二阀门107与燃料预热器210的燃料输入端通过管道连接；储水箱103的输出端经第三阀门108与混合器113的输入端通过管道连接，天然气瓶104的输出端经第四阀门109与混合器113的输入端通过管道连接，且混合器113的输出端与燃料预热器210的燃料输入端通过管道连接；天然气瓶104的输出端经第五阀门110与供热室222的输入端通过管道连接，第二鼓风机105的输出端经第六阀门111与供热室的输入端通过管道连接，且第二鼓风机105的输出端经第七阀门112与尾气燃烧室500的第二输入端通过管道连接，该第七阀门112可以实现对尾气燃烧室500的温度调节。其中，优选去离子水作为储水箱103中的水源，储水箱103中的水源和天然气瓶中的碳源作为燃烧反应的原料，是以一定的比例导入混合器113中混合并进行后续燃烧反应的，其混合比例可根据实际情况进行调节。

本实施方式中，所产生的高温尾气由燃料预热器的尾气输出端214和空气换热器的尾气输出端604导入冷却单元700，经冷却单元700冷却至75℃以下后排入大气，优选冷凝水箱作为冷却单元700的具体装置，在其他实施方式中还可以根据实际情况选择其他冷却装置，在此不作限定。

本实施方式中，高效固体氧化物燃料电池系统还包括监控单元800，监控单元800包括温度检测器801和控制器802，温度检测器801的信号输出端与控制器802的信号输入端电连接；温度检测器801的信号输入端为热电偶，该热电偶分别设置于电堆单元的阳极输入端401、电堆单元的阴极输入端402、电堆单元400的中心、电堆单元的阳极输出端403和电堆单元的阴极输出端404，且温度检测器801对上述五个热电偶处的温度进行检测，其目的在于确保在工作时电堆单元400的输入端与输出端温差维持在预设的正常范围内，使电堆单元400保持高工作效率并抑制加快老化；控制器802的信号输出端分别连接并控制第一阀门106、第二阀门107、第三阀门108、第四阀门109、第五阀门110、第六阀门111和第七阀门112，若电堆单元400的输入端与输出端温差超出了预设的正常范围，则要对该系统作出相应的调整，即通过控制器802对上述各个阀门所放出的原料流量进行合理调控。

具体地，本实施方式中高效固体氧化物燃料电池系统的工作流程分为启动阶段、稳定运行阶段和停机阶段，下面对上述高效固体氧化物燃料电池系统的各个工作阶段分别进行阐述：

1.启动阶段，打开第一阀门106和第四阀门109，由天然气瓶104提供燃料，由鼓风机101提供氧气，控制第一阀门106和第四阀门109的气体流速，让混合气体以1:7的C/O比经电堆单元点燃后于尾气燃烧室中燃烧，使系统温度逐渐升至电堆单元的正常工作温度，并进入稳定运行阶段。

2.稳定运行阶段，通过温度检测器801信号输入端的热电偶分别对电堆单元400的阳极输入端、电堆单元400的阴极输入端、电堆单元400的中心、电堆单元400的阳极输出端和电堆单元400的阴极输出端这五处进行温度检测，当这五处的温度均达到正常工作温度，则将信号传送给控制器802，由控制器802打开并控制第三阀门108、第五阀门110、第六阀门111和第七阀门112的开度，使电堆单元400输入端与输出端温差维持在预设的正常范围内并稳定工作。

当上述高效固体氧化物燃料电池系统处于稳定运行阶段，且电堆单元400输入端与输出端温差维持在预设的正常范围内时，从气流的流动路径进行对系统中各个单元的功能进行阐述。对于系统的燃料预热来说，控制第三阀门108和第四阀门109的开度使系统燃料按一定比例流动至混合器113中，经混合器113混合均匀后流动至燃料预热器210，燃料预热器210仅对燃料进行预热后便由燃料预热器的燃料输出端212流动至燃料室的燃料输入端223，在燃料室221中发生重整反应后便由燃料室的燃料输出端224流动至燃料换热器的输入端301；其中燃料预热器210和燃料室221的供热都是源于供热室222，而供热室的燃料流量由第五阀门110和第六阀门111单独控制，由此实现了燃料重整单元200的单独温控，提高的控制性以及温控精度，进而降低了关于温控的系统耦合度。对于系统产生的尾气来说，最初产生于尾气燃烧室500中且温度较高，通过管道由尾气燃烧室的输出端503流动至空气换热器的尾气输入端601，该尾气于空气换热器600处同流动至此的空气进行热交换，热交换后尾气温度下降并由空气换热器的尾气输出端604流动至冷却单元700，而热交换后空气的温度上升并由空气换热器的空气输出端602流动至燃料换热器的空气输入端303，在燃料换热器300中将空气热量同流动至此的重整反应后的燃料进行热交换，实现对重整反应后的燃料再次预热；该过程有效将高温尾气中的热量利用了起来，并用于反应燃料的再次预热，同时也一定程度上平衡了电堆单元400的输入端与输出端的温度。

当上述高效固体氧化物燃料电池系统处于稳定运行阶段，且电堆单元400输入端与输出端温差超出预设的正常范围内时，要对该系统作出相应的调整，以正常工作时电堆单元的输入端与输出端最大温度为限定值，会出现下列两种调整操作：

a.由温度检测器801检测到，电堆单元400的阳极输入端温度与阳极输出端温度大于限定值时，或者电堆单元400的阴极输入端温度与阴极输出端温度大于限定值时，温度检测器801向控制器802发送信号，并通过控制器802调节第一阀门106，增大进入空气换热器600的空气量；或者同时通过控制器801调节第五阀门110和第六阀门111，减小进入供热室222的天然气和空气的量；或者同时通过控制器802调节第七阀门112，增大进入尾气燃烧室500的空气量，使电堆单元400的输入端与输出端的温度差恢复到正常工作时的温度预定范围；

b.由温度检测器801检测到，电堆单元400的阳极输出端温度与阳极输入端温度小于限定值时，或者电堆单元400的阴极输出端温度与阴极输入端温度小于限定值时，温度检测器801向控制器802发送信号，并通过控制器802调节第一阀门106，减小进入空气换热器600的空气量；或者同时通过控制器801调节第五阀门110和第六阀门111，增大进入供热室222的天然气和空气的量；或者同时通过控制器802调节第七阀门112，减小进入尾气燃烧室500的空气量，使电堆单元400的输出端与输入端的温度差恢复到正常工作时的温度预定范围。

需要指出的是，此处仅列举了部分在电堆单元400输入端与输出端温差超出预设的正常范围内时的调整操作方式，使电堆单元400的输出端与输入端的温度差恢复到正常工作时的温差预定范围，在其他实施方式中还可以根据实际情况进行其他的适应性调整操作，在此不做一一列举。

3.停机阶段，打开第二阀门107让合成气瓶102中的合成气进出系统，并逐渐关闭除第一阀门106外的其他各个阀门，使电堆单元400的工作电流逐渐减小且系统中的燃料气体逐渐消耗殆尽，待整个系统的温度降至常温后再关闭第一阀门106和第二阀门107，由此完成系统的停机过程。其中，本实施方式中采用合成气为5％的H₂与95％的氮气配比的混合气体，用该合成气作为保护气体来抑制系统中的燃料进一步反应，并防止实验装置在停机过程中被氧化，已达到安全停机的作用，在其他实施方式中也可以选用具有相同保护功能的其他气体作为合成气，在此不作限定。

在一个更加具体的实施方式中，高效固体氧化物燃料电池系统的功率为3kW，以天然气为碳源燃料，于稳定运行阶段正常工作时，电堆单元的阴阳极输入端的温度分别为693℃和678℃，电堆单元400工作温度为750℃，尾气燃烧室500工作温度为750℃，燃料重整器220工作温度为600℃，碳源燃料和空气在电堆单元400中的利用率分别为80％和30％，系统工作压力为高于大气压0.3bar，电堆单元400中燃料电池单片电池尺寸为15*15cm，有效工作面积为13*13cm，27片电池，分别工作在0.60V电压，输出电流密度为0.17A/cm²，功率变换器的直流转交流效率为95％，尾气排出温度为70℃，燃料重整器220的重整效率为93％，重整后的气体成分为氢气80％，一氧化碳12％，二氧化碳7％，甲烷1％。系统消耗的燃料及空气流量分别为67.2L/min，787L/min，得到5kW的净功率输出，系统的发电效率为53％，电堆单元400的性能衰减为0.5％/10000h。上述一具体实施方式为本发明中高效固体氧化物燃料电池系统的优选方式，在其他实施例中可根据实际情况对有关参数或操作作适应性调整，在此不作限定。

区别于现有技术的情况，本发明提供一种高效固体氧化物燃料电池系统，将系统反应产生的尾气热量与空气交换后用于重整反应后的燃料预热，使尾气热量充分循环利用，进而提高了系统整体效率；同时通过在燃料重整器中设置相互独立的燃料室和供热室，使燃料重整单元的温度更易于独立控制，进而降低了系统耦合度。

以上所述实施例仅表达了本发明的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (6)

1.一种高效固体氧化物燃料电池系统，其特征在于，包括原料供给单元、燃料重整单元、燃料换热器、电堆单元、尾气燃烧室、空气换热器和冷却单元；

所述原料供给单元通过管道经所述燃料重整单元与所述燃料换热器连接，所述燃料换热器的燃料输出端与所述电堆单元的阳极输入端通过管道连接，所述燃料换热器的空气输出端与所述电堆单元的阴极输入端通过管道连接；

所述电堆单元的阳极输出端与所述尾气燃烧室的第一输入端通过管道连接，所述电堆单元的阴极输出端和所述原料供给单元的空气输出端均与所述尾气燃烧室的第二输入端通过管道连接；

所述空气换热器的空气输入端与所述原料供给单元的空气输出端通过管道连接，且所述空气换热器的空气输出端与所述燃料换热器的空气输入端通过管道连接，所述空气换热器的尾气输入端与所述尾气燃烧室的输出端通过管道连接，且所述空气换热器的尾气输出端与所述冷却单元通过管道连接；

所述燃料重整单元包括燃料预热器和燃料重整器；所述燃料重整器包括相互独立的燃料室和供热室，所述燃料室的输入端与所述燃料预热器的燃料输出端通过管道连接，且所述燃料室的输出端与所述燃料换热器的燃料输入端通过管道连接，所述原料供给单元中天然气和空气的输出端与所述供热室的输入端通过管道连接，且所述供热室的输出端与所述燃料预热器的供热输入端通过管道连接；

所述燃料室用于供所述电堆单元所需的燃料发生反应，所述供热室用于为所述燃料室的反应提供热量和调整热量；

所述原料供给单元中天然气和水的输出端与所述燃料预热器的燃料输入端通过管道连接，所述燃料预热器的供热输出端与所述冷却单元通过管道连接。

2.根据权利要求1所述的高效固体氧化物燃料电池系统，其特征在于，所述原料供给单元包括：第一鼓风机、合成器瓶、储水箱、天然气瓶、第二鼓风机、第一阀门、第二阀门、第三阀门、第四阀门、第五阀门、第六阀门、第七阀门和混合器；

所述第一鼓风机的输出端经所述第一阀门与所述空气换热器的空气输入端通过管道连接，所述合成器瓶的输出端经所述第二阀门与所述燃料预热器的燃料输入端通过管道连接；

所述储水箱的输出端经所述第三阀门与所述混合器的输入端通过管道连接，所述天然气瓶的输出端经所述第四阀门与所述混合器的输入端通过管道连接，且所述混合器的输出端与所述燃料预热器的燃料输入端通过管道连接；

所述天然气瓶的输出端经所述第五阀门与所述供热室的输入端通过管道连接，所述第二鼓风机的输出端经所述第六阀门与所述供热室的输入端通过管道连接，且所述第二鼓风机的输出端经所述第七阀门与所述尾气燃烧室的第二输入端通过管道连接。

3.根据权利要求1所述的高效固体氧化物燃料电池系统，其特征在于，高温尾气由所述燃料预热器的供热输出端和所述空气换热器的尾气输出端导入所述冷却单元，经所述冷却单元冷却后排入大气。

4.根据权利要求2所述的高效固体氧化物燃料电池系统，其特征在于，所述高效固体氧化物燃料电池系统还包括监控单元，所述监控单元包括温度检测器和控制器，所述温度检测器的信号输入端与电堆单元连接，所述温度检测器的信号输出端与所述控制器的信号输入端电连接。

5.根据权利要求4所述的高效固体氧化物燃料电池系统，其特征在于，所述温度检测器的信号输入端分别设置于所述电堆单元的阳极输入端、所述电堆单元的阴极输入端、所述电堆单元的中心、所述电堆单元的阳极输出端和所述电堆单元的阴极输出端。

6.根据权利要求4所述的高效固体氧化物燃料电池系统，其特征在于，所述控制器的信号输出端分别连接并控制所述第一阀门、第二阀门、第三阀门、第四阀门、第五阀门、第六阀门和第七阀门。

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