CN113346117B - 一种固体氧化物燃料电池分布式供能系统 - Google Patents

一种固体氧化物燃料电池分布式供能系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种固体氧化物燃料电池分布式供能系统，属于固体氧化物燃料电池、分布式能源的技术领域，该供能系统中空气预热器和燃气预热器分别连接于燃料电池发电子系统，且燃料电池发电子系统中未反应完全的阴阳极气体排放至燃烧器；通过空气供应子系统供应压缩空气至空气预热器和燃烧器，通过天然气供应单元供应天然气至合成气生成单元和燃烧器，由合成气生成单元产生合成气并供应至燃气预热器；其中，所述燃烧器燃烧产生的高温烟气分别进入至空气预热器和燃气预热器，由空气预热器和燃气预热器排放至合成气生成单元并辅助合成气生成单元生成合成气，以达到广泛应用于中小型热电联供的固定电站及数据中心、医院、机场等分布式能源的目的。

Description

一种固体氧化物燃料电池分布式供能系统
技术领域
本发明属于固体氧化物燃料电池、分布式能源的技术领域，具体而言，涉及一种固体氧化物燃料电池分布式供能系统。
背景技术
近几十年来，随着经济的快速发展，我国已经成为一个能源生产和消费大国，随之引起的资源消耗和环境问题日益凸显，寻求和发展高效、清洁的新能源技术是解决上述问题的关键。燃料电池是一种通过电极反应直接将燃料的化学能转化为电能的电化学装置，燃料电池技术是继水力、火力和核能之后的新一代发电技术。根据电解质的不同，燃料电池可分为多种类型，其中，固体氧化物燃料电池因具有能量转化效率高(热电联供的转化效率可达80％以上)、对环境友好、良好的安全性与适应性等优点而备受关注。
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。除了燃料电池的一般优点外，SOFC还具有以下特点：对燃料的适应性强，能在多种燃料包括碳基燃料的情况下运行；不需要使用贵金属催化剂；使用全固态组件，不存在对漏液、腐蚀的管理问题；积木性强，规模和安装地点灵活等。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。
近些年来，分布式电站由于其成本低、可维护性高等优点已经渐渐成为世界能源供应的重要组成部分。由于SOFC发电的排气有很高的温度，具有较高的利用价值，可以提供天然气重整所需热量，也可以用来生产蒸汽，更可以和燃气轮机组成联合循环，非常适用于分布式发电。因此，固体氧化物燃料电池在大型集中供电、中型分电和小型家用热电联供等民用领域作为固定电站，以及作为船舶动力电源、交通车辆动力电源等移动电源，都有广阔的应用前景。
发明内容
鉴于此，为了解决现有技术存在的上述问题，本发明的目的在于提供一种固体氧化物燃料电池分布式供能系统以达到广泛应用于中小型热电联供的固定电站及数据中心、医院、机场等分布式能源的目的。
本发明所采用的技术方案为：一种固体氧化物燃料电池分布式供能系统，该供能系统至少包括：
燃料电池发电子系统；
能量回收子系统，所述能量回收子系统至少包括空气预热器、燃气预热器和燃烧器，所述空气预热器和燃气预热器分别连接于燃料电池发电子系统，且燃料电池发电子系统中未反应完全的阴阳极气体排放至燃烧器，采用燃烧器对固体氧化物燃料电池的未反应尾气进行燃尽利用；
空气供应子系统，通过空气供应子系统供应压缩空气至空气预热器和燃烧器；
燃料供应子系统，所述燃料供应子系统包括天然气供应单元和合成气生成单元，通过天然气供应单元供应天然气至合成气生成单元和燃烧器，由合成气生成单元产生合成气并供应至燃气预热器；
其中，所述燃烧器燃烧产生的高温烟气分别进入至空气预热器和燃气预热器，由空气预热器和燃气预热器排放至合成气生成单元并辅助合成气生成单元生成合成气。
进一步地，该供能系统还包括：氮气供应子系统，所述氮气供应子系统分别与空气供应子系统和燃料供应子系统相连接，为系统启停阶段提供管道及设备吹扫的作用。
进一步地，所述氮气供应子系统包括氮气储罐，所述氮气储罐连接有氮气母管，氮气母管上设有快关阀且氮气母管分别连接至空气供应子系统和燃料供应子系统。
进一步地，所述空气供应子系统与燃烧器之间的支路、空气供应子系统与空气预热器之间的支路、天然气供应单元与合成气生成单元之间的支路、天然气供应单元与燃烧器之间的支路、氮气供应子系统与空气供应子系统之间的支路以及氮气供应子系统与燃料供应子系统之间的支路上均设有调节阀和流量计。
进一步地，所述燃料电池发电子系统包括固体氧化物燃料电池，采用固体氧化物燃料电池作为能量转化单元，所述固体氧化物燃料电池的阴极和阳极分别与空气预热器和燃气预热器相连接，并通过固体氧化物燃料电池对外输出电能，以利用燃烧器的尾气余热对进入SOFC电池组的空气及合成气进行预热。
进一步地，所述合成气生成单元包括：重整反应器和蒸汽发生器，所述重整反应器的天然气进口与天然气供应单元连接，重整反应器的蒸汽进口与蒸汽发生器的蒸汽出口连接，且蒸汽发生器的进水口连接有给水泵，给水泵连接有水箱；采用天然气重整为固体氧化物燃料电池提供合成气；
所述重整反应器的换热进口分别连接至空气预热器和燃气预热器，重整反应器的换热出口与蒸汽发生器的换热进口连接，以利用燃烧器的尾气余热对天然气的重整及蒸汽的发生进行供能。
进一步地，所述给水泵与蒸汽发生器的进水口之间设有流量计。
进一步地，所述能量回收子系统还包括：余热回收装置，所述余热回收装置与蒸汽发生器的换热出口连接，并通过余热回收装置供应热水和/或暖气，以采用余热回收装置对尾气余热进行进一步利用并提供热水和/或暖气。
进一步地，所述天然气供应单元包括：天然气储罐或管道煤气，所述天然气储罐或管道煤气连接有天然气母管，天然气母管上设有快关阀且天然气母管连接有脱硫器，脱硫器的出口分别连接至合成气生产单元和燃烧器。
进一步地，所述空气供应子系统包括：空压机、缓冲罐和干燥机，所述空压机与缓冲罐连接，缓冲罐与干燥机连接，干燥机的出口连接有压缩空气母管，压缩空气母管分别与燃烧器和空气预热器连接。
本发明的有益效果为：
1.采用本发明所提供的固体氧化物燃料电池分布式供能系统，其可用于中小型热电联供的固定电站及数据中心、医院、机场等分布式能源领域，增加区域供能的可靠性。
2.采用本发明所提供的固体氧化物燃料电池分布式供能系统，其固体氧化物燃料电池中未反应完全的阴阳极气体排放至燃烧器进一步燃烧利用，同时，燃烧产生的高温烟气经空气预热器和燃气预热器后进入至重整反应器、蒸汽发生器，最后，由余热回收装置回收利用后作为尾气排放，其实现了热电联产，燃料利用率高，且能量利用效率高达80％。
3.采用本发明所提供的固体氧化物燃料电池分布式供能系统，其通过燃料供应子系统供应天然气，并由天然气和蒸汽共同生成合成气，再经过燃气预热器输入至固体氧化物燃料电池作为燃料，该系统直接使用天然气作为燃料，其燃料的适应性强。
4.采用本发明所提供的固体氧化物燃料电池分布式供能系统，其燃料电池发电子系统采用固体氧化物燃料电池，固体氧化物燃料电池工作温度高，能有效提升电极反应活性，不必使用贵金属做催化剂。
5.采用本发明所提供的固体氧化物燃料电池分布式供能系统，其燃料通过电化学反应实现能量转化，几乎没有颗粒物、NOx、SOx的排放，环保优势强。
附图说明
图1是本发明所提供的固体氧化物燃料电池分布式供能系统的整体系统连接图；
附图中标注如下：
1-空气压缩机，2-缓冲罐，3-干燥机，4-氮气储罐，5-天然气储罐，6-脱硫器，7-水箱，8-给水泵，9-蒸汽发生器，10-重整反应器，11-燃气预热器，12-空气预热器，13-固体氧化物燃料电池，14-燃烧器，15-余热回收装置，16-管道煤气。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
在本发明实施例的描述中，需要说明的是，指示方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，或者是本领域技术人员惯常理解的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明实施例的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接连接，也可以通过中间媒介间接连接。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义；实施例中的附图用以对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
实施例1
在本实施例中具体提供了一种固体氧化物燃料电池分布式供能系统，该供能系统采用天然气作为原料，可用于中小型热电联供的固定电站及数据中心、医院、机场等分布式能源领域，对于该分布式供能系统，如图1所示，其主要包括：空气供应子系统、氮气供应子系统、燃料供应子系统、燃料电池发电子系统以及能量回收子系统。
①燃料电池发电子系统
以燃料电池发电子系统作为本分布式供能系统的能量转化单元，燃料电池发电子系统包括固体氧化物燃料电池13(或固体氧化物燃料电池13组)，以固体氧化物燃料电池13，所述固体氧化物燃料电池13的阴极与空气预热器12的热压缩空气出口相连，固体氧化物燃料电池13的阳极与燃气预热器11的热合成气出口相连接，阴、阳极气体在电池内发生电化学反应并通过固体氧化物燃料电池13对外输出电能。同时，固体氧化物燃料电池13中未反应完全的阴、阳极气体分别通过阴、阳极气体排放口排入至燃烧器14中作进一步利用。
②空气供应子系统
通过空气供应子系统分两路分别供应压缩空气至空气预热器12和燃烧器14，空气供应子系统包括空压机、缓冲罐2和干燥机3，空气经过空压机压缩，且空压机与缓冲罐2连接，压缩后的空气进入缓冲罐2起到稳压的作用，缓冲罐2与干燥机3连接，通过干燥机3对压缩空气进行干燥，干燥机3的出口连接有压缩空气母管，压缩空气母管经两路分别与燃烧器14和空气预热器12连接。以将干燥后的压缩空气一路进入空气预热器12预热，然后通入固体氧化物燃料电池13的阴极；另一路则进入燃烧器14，为尾气燃尽及燃气燃烧供风，在两路支路管道上均设置有流量调节阀及流量计，以对流量进行实时调节并对流量情况进行收集统计。
③燃料供应子系统
为对燃料供应子系统的功能更加清楚，将燃料供应子系统分为天然气供应单元和合成气生成单元两部分，通过天然气供应单元供应天然气至合成气生成单元和燃烧器14，由合成气生成单元产生合成气并供应至燃气预热器11。
对于天然气供应单元，其包括天然气储罐5或管道煤气16，通过天然气储罐5或管道煤气16连接有天然气母管，天然气母管上设有快关阀且天然气母管连接有脱硫器6，以将天然气经过天然气储罐5或带压的管道煤气16减压至0.2MPa，克服系统阻力后进入脱硫器6进行脱硫。在脱硫器6的出口设有两个支路分别连接至合成气生产单元和燃烧器14，以将脱硫器6后的天然气分两路，一路进入合成气生产单元的重整反应器10，另一路进入燃烧器14进行补燃，在两路管道上均设置有流量调节阀及流量计，以对流量进行实时调节并对流量情况进行收集统计。
对于合成气生成单元，其包括：重整反应器10和蒸汽发生器9，所述重整反应器10的天然气进口与脱硫器6的一支路连接，重整反应器10的蒸汽进口与蒸汽发生器9的蒸汽出口连接，且蒸汽发生器9的进水口连接有给水泵8且在给水泵8与蒸汽发生器9的进水口之间设有流量计，给水泵8连接有水箱7；以将水箱7中的去离子水经给给水泵8加压后进入蒸汽发生器9中产生过热蒸汽，蒸汽和天然气以一定比例进入重整反应器10进行重整反应产生合成气，合成气进入燃气预热器11提升温度后通入固体氧化物燃料电池13的阳极。
将重整反应器10的换热进口分别连接至空气预热器12和燃气预热器11，重整反应器10的换热出口与蒸汽发生器9的换热进口连接，以将固体氧化物燃料电池13燃烧产生的高温烟气首先进入至燃气预热器11和空气预热器12并分别对燃料和空气进行预热，经过一级降温的烟气进入重整反应器10并提供天然气重整所需的热量，经过重整反应器10作二级降温的烟气进入蒸汽发生器9对给水进行加热，经过蒸汽发生器9作三级减温后的烟气进入余热回收装置15，对其热能进一步利用可提供热水或用来供暖。
④氮气供应子系统
氮气供应子系统分别与空气供应子系统和燃料供应子系统相连接，为系统启停阶段提供管道及设备吹扫的作用。氮气供应子系统包括氮气储罐4，所述氮气储罐4连接有氮气母管，氮气母管上设有快关阀且氮气母管分别连接至空气供应子系统的干燥机3出口处和燃料供应子系统的脱硫器6进口处。
具体的，氮气母管连接有两支路，两支路上均设置有流量调节阀及流量计，以对流量进行实时调节并对流量情况进行收集统计，经氮气储罐4减压后的氮气通过一支路与干燥机3出口处的压缩空气母管连接，另一支路与脱硫器6进口处的天然气母管相连接。
②能量回收子系统
能量回收子系统的主要作用在于对能量的回收，能量回收子系统包括空气预热器12、燃气预热器11、燃烧器14以及余热回收装置15，其具有设计如下：
能量回收子系统中核心部件燃烧器14的燃料一部分来自于固体氧化物燃料电池13中未反应完全的高温燃气，另一部分来自于脱硫器6后的天然气，阳极未反应完全的可燃气体和阴极剩余氧化剂通入燃烧器14进行燃烧，为了保证燃烧器14的着火稳定性及热负荷的调整，从脱硫器6后引一路天然气管至燃烧器14作为燃料补充，同时从干燥机3后引一路压缩空气管至燃烧器14提供燃烧所需要的空气。
空气预热器12的进气口连接至干燥机3的热压缩空气出口，空气预热器12的出气口连接至固体氧化物燃料电池13的阴极，空气预热器12的换热进口连接至燃烧器14，空气预热器12的换热出口连接至重整反应器10的换热进口。
燃气预热器11的进气口连接至重整反应器10的出气口，燃气预热器11的出气口连接至固体氧化物燃料电池13的阳极极，燃气预热器11的换热进口连接至燃烧器14，燃气预热器11的换热出口连接至重整反应器10的换热进口。
基于上述，能够实现将燃烧器14燃烧产生的高温烟气分别进入至空气预热器12和燃气预热器11，由空气预热器12和燃气预热器11一级降温后排放至重整反应器10和蒸汽发生器9，经过一级降温的烟气进入重整反应器10并提供天然气重整所需的热量，经过重整反应器10作二级降温的烟气进入蒸汽发生器9对给水进行加热，蒸汽发生器9中产生过热蒸汽，由蒸汽和天然气以一定比例进入重整反应器10进行重整反应产生合成气，合成气进入燃气预热器11提升温度后通入固体氧化物燃料电池13的阳极。
将余热回收装置15与蒸汽发生器9的换热出口连接，并通过余热回收装置15对热能进一步利用以辅助供应热水和/或暖气。
基于本实施例所提供的固体氧化物燃料电池分布式供能系统，具有燃料适应性广、能量转换效率高、全固态、模块化组装、零污染等优点，具有其广泛应用的基础，在大型集中供电、中型分电和小型家用热电联供等民用领域作为固定电站，以及作为船舶动力电源、交通车辆动力电源等移动电源，都有广阔的应用前景。
本发明不局限于上述可选实施方式，任何人在本发明的启示下都可得出其他各种形式的产品，但不论在其形状或结构上作任何变化，凡是落入本发明权利要求界定范围内的技术方案，均落在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种固体氧化物燃料电池分布式供能系统，其特征在于，该供能系统至少包括：
燃料电池发电子系统；
能量回收子系统，所述能量回收子系统至少包括空气预热器、燃气预热器和燃烧器，所述空气预热器和燃气预热器分别连接于燃料电池发电子系统，且燃料电池发电子系统中未反应完全的阴阳极气体排放至燃烧器；
空气供应子系统，通过空气供应子系统供应压缩空气至空气预热器和燃烧器；
燃料供应子系统，所述燃料供应子系统包括天然气供应单元和合成气生成单元，通过天然气供应单元供应天然气至合成气生成单元和燃烧器，由合成气生成单元产生合成气并供应至燃气预热器；
其中，所述燃烧器燃烧产生的高温烟气分别进入至空气预热器和燃气预热器，由空气预热器和燃气预热器排放至合成气生成单元并辅助合成气生成单元生成合成气；
该供能系统还包括：氮气供应子系统，所述氮气供应子系统分别与空气供应子系统和燃料供应子系统相连接；
所述空气供应子系统与燃烧器之间的支路、空气供应子系统与空气预热器之间的支路、天然气供应单元与合成气生成单元之间的支路、天然气供应单元与燃烧器之间的支路、氮气供应子系统与空气供应子系统之间的支路以及氮气供应子系统与燃料供应子系统之间的支路上均设有调节阀和流量计；
所述合成气生成单元包括：重整反应器和蒸汽发生器，所述重整反应器的天然气进口与天然气供应单元连接，重整反应器的蒸汽进口与蒸汽发生器的蒸汽出口连接，且蒸汽发生器的进水口连接有给水泵，给水泵连接有水箱；
所述重整反应器的换热进口分别连接至空气预热器和燃气预热器，重整反应器的换热出口与蒸汽发生器的换热进口连接。
2.根据权利要求1所述的固体氧化物燃料电池分布式供能系统，其特征在于，所述氮气供应子系统包括氮气储罐，所述氮气储罐连接有氮气母管，氮气母管上设有快关阀且氮气母管分别连接至空气供应子系统和燃料供应子系统。
3.根据权利要求1所述的固体氧化物燃料电池分布式供能系统，其特征在于，所述燃料电池发电子系统包括固体氧化物燃料电池，所述固体氧化物燃料电池的阴极和阳极分别与空气预热器和燃气预热器相连接，并通过固体氧化物燃料电池对外输出电能。
4.根据权利要求1所述的固体氧化物燃料电池分布式供能系统，其特征在于，所述给水泵与蒸汽发生器的进水口之间设有流量计。
5.根据权利要求1所述的固体氧化物燃料电池分布式供能系统，其特征在于，所述能量回收子系统还包括：余热回收装置，所述余热回收装置与蒸汽发生器的换热出口连接，并通过余热回收装置供应热水和/或暖气。
6.根据权利要求1所述的固体氧化物燃料电池分布式供能系统，其特征在于，所述天然气供应单元包括：天然气储罐或管道煤气，所述天然气储罐或管道煤气连接有天然气母管，天然气母管上设有快关阀且天然气母管连接有脱硫器，脱硫器的出口分别连接至合成气生产单元和燃烧器。
7.根据权利要求1所述的固体氧化物燃料电池分布式供能系统，其特征在于，所述空气供应子系统包括：空压机、缓冲罐和干燥机，所述空压机与缓冲罐连接，缓冲罐与干燥机连接，干燥机的出口连接有压缩空气母管，压缩空气母管分别与燃烧器和空气预热器连接。
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