CN113903949A - 一种mw级固体氧化物燃料电池发电系统的热区结构及其运行方法 - Google Patents

一种mw级固体氧化物燃料电池发电系统的热区结构及其运行方法 Download PDF

Info

Publication number
CN113903949A
CN113903949A CN202111198364.1A CN202111198364A CN113903949A CN 113903949 A CN113903949 A CN 113903949A CN 202111198364 A CN202111198364 A CN 202111198364A CN 113903949 A CN113903949 A CN 113903949A
Authority
CN
China
Prior art keywords
air
communicated
inlet
fuel
temperature
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN202111198364.1A
Other languages
English (en)
Other versions
CN113903949B (zh
Inventor
白帆飞
林梓荣
陈锦芳
刘洋
陈雄兵
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Guangdong Foran Technology Co ltd
Original Assignee
Guangdong Foran Technology Co ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Guangdong Foran Technology Co ltd filed Critical Guangdong Foran Technology Co ltd
Priority to CN202111198364.1A priority Critical patent/CN113903949B/zh
Publication of CN113903949A publication Critical patent/CN113903949A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN113903949B publication Critical patent/CN113903949B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04089—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
    • H01M8/04097—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with recycling of the reactants
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04007—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids related to heat exchange
    • H01M8/04014—Heat exchange using gaseous fluids; Heat exchange by combustion of reactants
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/06—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues
    • H01M8/0606—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues with means for production of gaseous reactants
    • H01M8/0612—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues with means for production of gaseous reactants from carbon-containing material
    • H01M8/0618—Reforming processes, e.g. autothermal, partial oxidation or steam reforming
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Abstract

本发明涉及一种MW级固体氧化物燃料电池发电系统的热区结构，包括隔热壳体、两段式空气预热器、脱硫器、蒸汽发生器、预转化器、重整器、燃烧器及相应的气体管道。该热区结构的燃料处理量大、热区空间小，内部装置布置紧凑，同时实现了燃料的处理、空气的预热、尾气的处理和余热利用，可满足以天然气、甲烷、沼气等为燃料的MW级固体氧化物燃料电池发电系统的需求；采用阳极尾气再循环工艺，提高了燃料利用率、降低了水碳比，有助于提高SOFC发电系统的电效率和热效率；采用两段式空气预热器充分利用烟气的空气预热器高温段和空气预热器低温段，有效降低排烟温度、保证SOFC电堆阴极入口空气达到适宜温度。

Description

一种MW级固体氧化物燃料电池发电系统的热区结构及其运行 方法
技术领域
本发明涉及固体氧化物燃料电池技术领域，具体涉及一种MW级固体氧化物燃料电池发电系统的热区结构及其运行方法。
背景技术
固体氧化物燃料电池(Solid Oxide Fuel Cell，简称SOFC)是一种不经过燃烧过程直接以电化学反应方式将燃料(如天然气、H2、合成气、沼气、甲醇等) 的化学能直接转化为电能的高效发电装置。相对于传统发电技术，SOFC发电系统具有燃料来源广、发电效率高、无NOx排放、可实现CO2集中排放等优点。 SOFC系统作为一种高效、环保的新型发电设备，在住宅、酒店、医院、学校、办公楼宇、小区、数据中心、通讯基站等民工商业用户分布式电源领域具有广泛应用前景。
SOFC发电系统主要包括SOFC电堆、燃料系统、空气系统、水处理系统、尾气处理系统、电力传输系统、控制系统等子系统。SOFC发电系统工作过程中，燃料经处理后产生的CO、H2等气体进入电堆的阳极侧、空气进入电堆的阴极侧，燃料和空气在电堆中进行反应，然后分别从电堆的阳极出口和阴极出口排出，由于SOFC电堆工作温度在600-900℃之间，且电堆对燃料气组分有一定的要求，燃料进入电堆前必须经过脱硫、加湿、催化重整等处理，并提升至接近电堆工作温度才能进入电堆；空气在SOFC电堆中承担参与反应、为电堆散热的功能，进入电堆前温度也需预热至接近电堆工作温度；此外，电堆出口的阳极尾气、阴极空气温度也略高于电堆工作温度，阳极尾气燃烧产生的热、高温空气均可用于燃料进入电堆前的处理和新鲜空气的预热。因此，燃料和空气进出电堆前后的升温和热利用均在高于环境温度的条件下进行，相关设备集中在一个隔热空间内组成所谓的热区，热区的合理设计是保证SOFC系统正常工作、提高系统热效率的关键。
国外SOFC产业化相对成熟的企业主要集中在美国、欧洲和日韩。产品主要是kW级、百kW级，部分公司正在测试的实验装置可达250kW级。BE公司作为SOFC的产业化巨头，典型配置发电功率250kW。英国Ceres Power公司的主要业务包括家用Micro-CHP系统(1～5kW)、固定式发电系统(5～10kW) 及电动车用增程器(30kW)。意大利的Solid Power主营产品是安装超过1000 台1.5kW Blue GEN发电系统。日本的小型家用SOFC热电联供系统最大功率输出约为700W。Fuel Cell Energy公司和三菱重工也分别开发了250kW级大型 SOFC发电系统。我国在SOFC电堆技术方面发展较快，但系统集成方面与国外存在较大差距。国内继上海硅酸盐研究所、华中科技大学开发示范5kW级热电联供系统以来，新奥生态控股股份有限公司、潍柴动力股份有限公司和宁波索福人能源技术有限公司也相继开发出系统样机。
SOFC因其高效的发电效率和热效率，单机功率也将向MW级发展，这对热区的燃料处理量、占地面积和整体热利用也提出了更高的要求。
发明内容
为解决常规固体氧化物燃料电池发电系统热区燃料处理量小、功能部件不够紧凑、空间大、热效率低的技术问题，本发明提供如下技术方案：
本发明的第一目的在于提供一种MW级固体氧化物燃料电池发电系统的热区结构，包括密闭的隔热壳体，两段式空气预热器、燃烧器、重整器、预转化器、蒸汽发生器和脱硫器，所述两段式空气预热器包括通过空气通道连通的空气预热器高温段和空气预热器低温段；所述隔热壳体的内部自左向右依次布设所述有空气预热器高温段、所述燃烧器、所述重整器、所述预转化器、所述蒸汽发生器、所述脱硫器、所述空气预热器低温段及相应管道；所述隔热壳体设有空气入口、燃料入口、脱硫燃料出口、去离子水入口、水蒸气出口、混合气入口、阳极尾气循环气入口、燃料出口、高温空气出口、高温空气回流口、烟气出口和燃烧器燃料入口；所述空气入口与所述空气预热器低温段的空气输入通道连通，所述燃料入口与所述脱硫器的燃料输入通道连通，所述脱硫燃料出口与所述脱硫器的燃料输出通道；所述去离子水入口与所述蒸汽发生器的进水通道连通，所述水蒸气出口与所述蒸汽发生器的蒸汽输出通道连通、所述脱硫燃料出口和所述水蒸气出口通过管道与所述混合气入口连通，所述混合气入口与所述预转化器的气体输入通道连通；所述燃料出口的一端连通所述预转化器内部的气体输出通道，另一端连通SOFC电堆的阳极入口；所述高温空气出口的一端连通所述空气预热器高温段的空气输出通道，另一端连通SOFC电堆的阴极入口；所述阳极尾气循环气入口一端连通所述预转化器的内盘管，另一端连通SOFC电堆的阳极尾气的一个支路；所述燃烧器燃料入口的一端连通所述燃烧器，另一端连通SOFC电堆的阳极尾气的另一个支路；所述高温空气回流口位于空气预热器高温段，高温空气回流口的一端连通SOFC电堆的阴极出口，另一端与所述隔热壳体的内腔连通；所述燃烧器的烧嘴位于所述隔热壳体的内腔中，所述烟气出口位于所述空气预热器低温段并与所述隔热壳体的内腔连通。
热区工作时，常温空气先后进入两段式空气换热器的空气预热器低温段、空气预热器高温段与烟气换热升温，最终通过高温空气出口进入SOFC电堆阴极入口，SOFC电堆阴极出口的高温空气从高温空气回流口进入热区，先后加热空气预热器的空气预热器高温段、在燃烧器助燃，然后与烟气混合先后加热下游各个部件最终从烟气出口排出；燃料进入热区后经预热、脱硫后与水蒸气混合，然后进入预转化器、重整器生成高温重整气，与阳极尾气循环气入口流入的阳极循环尾气混合、换热后，经燃料出口进入SOFC电堆阳极入口发电；SOFC 电堆阳极尾气中的一部分经燃烧器燃料入口进入燃烧器燃烧、与回流的SOFC 电堆阴极出口高温空气混合、加热下游各个部件最终从烟气出口排出；该热区可满足以天然气、甲烷、沼气等为燃料的MW级固体氧化物燃料电池发电系统的需求。
所述热区燃料处理量大、内部装置布置紧凑、功能齐全，同时实现了燃料的处理、空气的预热、尾气的处理和余热利用，可满足以天然气、甲烷、沼气等为燃料的MW级固体氧化物燃料电池发电系统的需求。
所述热区采用阳极尾气再循环，将SOFC电堆阳极出口的部分尾气与重整后的重整气混合、换热后再进入电堆，提高了燃料利用率、降低了水碳比，有助于提高SOFC发电系统的电效率和热效率。
所述空气预热器采用两段式，空气先后经过空气预热器后的空气预热器低温段和空气预热器高温段，分别与热区尾部烟气和燃烧器附近的高温烟气换热，充分利用烟气的空气预热器低温段和空气预热器高温段，有效降低排烟温度、保证SOFC电堆阴极入口空气达到适宜温度。所述空气预热器空气预热器高温段和重整器分别布置在燃烧器两侧，充分利用阳极尾气燃烧的高温烟气，保证燃料的充分重整、电堆入口空气达到适宜温度。
所述热区包含预转化器和重整器，燃料脱硫、预热后再与水蒸气混合，先后经过预转化器和重整器，降低水碳比、提高热效率的同时有效避免了积碳对催化剂、SOFC电堆的损害。
优选的，所述预转化器的包括预转化器本体，所述预转化器本体的旁侧设有管式换热器，所述预转化器本体的内外分别布置了内盘管和外盘管，预预转化器本体的内腔填充有预转化催化剂，所述气体输入通道穿过所述管式换热器通过第一上横管与所述预转化器本体的内腔连通，所述预转化器本体的内腔通过竖直弯管与缠绕在所述预转化器本体外的所述外盘管连通，所述外盘管的出口与所述第二上横管连通，所述第二上横管与所述重整器的输入管连通，所述重整器的输出管通过第三上横管与所述内盘管连通，所述内盘管穿过所述预转化器本体的内腔下部通过第一下横管与所述管式换热器的内腔连通。所述预转化器旁设置管式换热器、预转化器内外分别采用盘管，预转化器本体的内腔填充预转化催化剂，重整后的高温重整气与阳极循环尾气混合后进入预转化器内盘管加热预转化催化剂，然后进入管式换热器加热预转化的燃料；燃料与水蒸气混合后从预转化器顶部进入，与催化剂接触反应，从转化器底部流出进入转化器外盘管继续升温，然后进入预转化器旁的管式换热器与重整气、阳极循环尾气换热升温。
优选的，所述重整器包括两列并排的重整器本体，每列所述重整器本体包括两个填充有重整催化剂的U型管，远离所述预转化器的一列重整器本体的两个U型管的一端分别与所述第二上横管连通，两个U型管的另一端分别与另一列重整器本体的两个U型管的入口连通，另一列重整器本体的两个U型管的出口与所述第三上横管连通。所述重整器采用U型管造型，内部填充重整催化剂，预转化后的燃料经预热先后进入两段U型管重整器实现燃料的重整，U型管的造型增加了燃料与重整催化剂的接触时间、提高了管内催化剂温度的均匀性，保证了大流量燃料的重整效果，同时有效减小了重整器所占空间。
优选的，所述脱硫器内填充有高温脱硫剂，所述燃料输入通道与布置在所述脱硫器下端的盘管换热器的一端连通，所述盘管换热器的另一端通过气体流出通道与第四上横管的一端连通，所述第四上横管的另一端与所述脱硫器内腔连通，所述脱硫器内腔的下端通过第二下横管连通。更为优选的，所述脱硫器包括四个线性排布的脱硫器本体，所述高温脱硫剂填充在所述脱硫器本体的内腔中；按照线性次序的前两个所述脱硫器本体的内腔上部与所述第四上横管连通，其下端与所述第二下横管连通；后两个所述脱硫器本体的内腔下端与所述第二下横管连通，其上端通过第五上横管与所述燃料输出通道连通。在所述脱硫器内填充高温脱硫剂、脱硫器下布置盘管换热器，燃料进入盘管换热器吸热升温，燃料自上而下流经脱硫器，完成脱硫过程。
优选的，所述蒸汽发生器内盘绕有流通管道；所述流通管道的一端与所述进水通道连通，另一端与所述蒸汽输出通道连通。
优选的，所述两段式空气预热器本体空气预热器低温段的一侧设有所述空气输入通道，另一侧设有第一空气流动通道和所述空气通道，所述两段式空气预热器本体空气预热器低温段上设有与所述空气输入通道垂直的多条空气流通管，且多个所述空气流通管与所述空气输入通道和所述第一空气流动通道或所述空气通道连通；所述两段式空气预热器本体空气预热器高温段的一侧设有所述空气输出通道，另一侧设有第二空气流动通道和所述空气通道，所述两段式空气预热器本体空气预热器高温段上设有与所述空气输入通道垂直的多条空气流通管，且多个所述空气流通管与所述空气输出通道和所述第二空气流动通道或所述空气通道连通；所述两段式空气预热器本体空气预热器低温段的上端与所述烟气出口连通；所述空气输入通道和所述空气输出通道中间均设有与其密封连接的挡板。
优选的，所述空气入口连接有鼓风机或空气压缩机。
优选的，与所述阳极尾气循环气入口连通的阳极出口尾气的支路通过高温循环泵或通过引射器与SOFC电堆的阳极出口连通。
本发明的第二目的在于提供一种MW级固体氧化物燃料电池发电系统的热区结构的运行方法，该方法包括如下步骤：热区空气入口接鼓风机或空气压缩机、热区高温空气出口接SOFC电堆阴极入口、热区高温空气回流口接SOFC 电堆阴极出口，去离子水入口接去离子水源，热区燃料入口接燃料气源、燃料出口接SOFC电堆阳极入口，热区阳极尾气循环气入口接高温循环泵或通过引射器与SOFC电堆阳极出口相连、热区燃烧器燃料入口与SOFC电堆阳极出口相连、热区烟气出口与排烟管道相连，正常运行时SOFC电堆阳极出口尾气分成两股，一股通过阳极尾气循环气口进入热区与重整后的重整气混合、换热后从热区燃料出口流出然后进入电堆发电，另一股进入热区燃烧器燃烧为热区提供热源；热区启动前燃料入口、去离子水入口、空气入口通N2吹扫，然后关闭阳极尾气循环气入口，燃料入口通入H2含量70％和N2含量30％的混合气体、空气入口通入空气，启动燃烧器逐渐对电堆和热区加热，催化剂活化、升高到指定温度后通入去离子水，然后燃料入口逐渐通入燃料，然后调控去离子水、空气、燃料的流量，待电堆温度逐渐达到指定温度，然后逐渐开启阳极尾气循环气入口实现阳极尾气循环，最终达到热区额定工作状态。
与现有技术相比，本发明的优点在于：MW级固体氧化物燃料电池发电系统的热区结构，①燃料处理量大、热区空间小，内部装置布置紧凑，同时实现了燃料的处理、空气的预热、尾气的处理和余热利用，可满足以天然气、甲烷、沼气等为燃料的MW级固体氧化物燃料电池发电系统的需求；②采用阳极尾气再循环工艺，提高了燃料利用率、降低了水碳比，有助于提高SOFC发电系统的电效率和热效率；③采用两段式空气预热器充分利用烟气的空气预热器高温段和空气预热器低温段，有效降低排烟温度、保证SOFC电堆阴极入口空气达到适宜温度；④燃料先后采用水蒸气预转化和水蒸气重整，降低水碳比、提高热效率的同时有效避免了积碳对催化剂、SOFC电堆的损害；⑤预转化器内外分别采用盘管，同时实现燃料气的充分预转化、预转化气的升温、高温重整气与阳极再循环尾气的适当冷却，提高了SOFC发电系统热效率；⑥重整器采用U 型管造型，提高了燃料重整效果的同时减小了重整器所占空间；⑦脱硫器下布置盘管换热器，将燃料预热至脱硫剂工作温度，保证脱硫效果。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明热区结构的主视结构示意图；
图2为本发明热区结构的俯视结构示意图；
图3为两段式空气预热器的俯视结构示意图；
图4为两段式空气预热器的空气预热器低温段结构示意图；
图5为两段式空气预热器的空气预热器高温段结构示意图；
图6为预转化器和重整器的俯视结构示意图；
图7为预转化器和重整器的前视结构示意图；
图8为预转化器的右视结构示意图；
图9为重整器的的右视结构示意图；
图10为脱硫器的右视结构示意图；
图11为蒸汽发生器的前视结构示意图；
图12为本发明热区结构和电堆配合的气体流向原理示意图。
其中：1、隔热壳体；2、空气预热器低温段；3、脱硫器；4、蒸汽发生器； 5、预转化器；6、重整器；7、燃烧器；8、空气预热器高温段；9、空气入口； 10、高温空气出口；11、高温空气回流口；12、燃料入口；13、去离子水入口； 14、燃料出口；15、阳极尾气循环气入口；16、燃烧器燃料入口；17、烟气出口；18、管式换热器；19、内盘管；20、外盘管；21、盘管换热器；22、空气通道；23、脱硫燃料出口；24、水蒸气出口；25、混合气入口；26、空气输入通道；27、燃料输入通道；28、燃料输出通道；29、进水通道；30、蒸汽输出通道；31、气体输入通道；33、空气输出通道；34、第一上横管；35、竖直弯管；36、第二上横管；37、第三上横管；38、第一下横管；39、气体流出通道； 40、第四上横管；41、第二下横管；42、第五上横管；43、流通管道；44、第一空气流动通道；45、空气流通管；46、第二空气流动通道；47、挡板。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述。显然，所描述的实施例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的前提下所得到的所有其它实施例，都属于本发明所保护的范围。
下面将结合附图来描述本发明的具体实施方式：
如图1-12所示，一种MW级固体氧化物燃料电池发电系统的热区结构，包括密闭的隔热壳体1，两段式空气预热器、燃烧器7、重整器6、预转化器5、蒸汽发生器4和脱硫器3，两段式空气预热器包括通过空气通道22连通的空气预热器高温段8和空气预热器低温段2；隔热壳体1的内部自左向右依次布设有空气预热器高温段8、燃烧器7、重整器6、预转化器5、蒸汽发生器4、脱硫器 3、空气预热器低温段2及相应管道；隔热壳体1设有空气入口9、燃料入口12、脱硫燃料出口23、去离子水入口13、水蒸气出口24、混合气入口25、阳极尾气循环气入口15、燃料出口14、高温空气出口10、高温空气回流口11、烟气出口17和燃烧器燃料入口16；
空气入口9与空气预热器低温段2的空气输入通道26连通，燃料入口12 与脱硫器3的燃料输入通道27连通，脱硫燃料出口23与脱硫器3的燃料输出通道28连通；去离子水入口13与蒸汽发生器4的进水通道29连通，水蒸气出口24与蒸汽发生器4的蒸汽输出通道30连通、脱硫燃料出口23和水蒸气出口 24通过管道与混合气入口25连通，混合气入口25与预转化器5的气体输入通道31连通；燃料出口14的一端连通预转化器5内部的气体输出通道32，另一端连通SOFC电堆的阳极入口；高温空气出口10的一端连通空气预热器高温段 8的空气输出通道33，另一端连通SOFC电堆的阴极入口；阳极尾气循环气入口15一端连通预转化器5的内盘管19，另一端连通SOFC电堆的阳极尾气的一个支路；燃烧器燃料入口16的一端连通燃烧器7，另一端连通SOFC电堆的阳极尾气的另一个支路；高温空气回流口11位于空气预热器高温段8，且高温空气回流口11的一端连通SOFC电堆的阴极出口；，另一端与隔热壳体1的内腔连通；燃烧器7的烧嘴位于隔热壳体1的内腔中，烟气出口17位于空气预热器低温段2并与隔热壳体1的内腔连通。空气入口9连接有鼓风机或空气压缩机。与阳极尾气循环气入口15连通的阳极出口尾气的支路通过高温循环泵或通过引射器与SOFC电堆的阳极出口连通。
热区工作时，常温空气先后进入两段式空气换热器的空气预热器低温段2、空气预热器高温段8与烟气换热升温，最终通过高温空气出口10进入SOFC电堆阴极入口，SOFC电堆阴极出口的高温空气从高温空气回流口11进入热区，先后加热空气预热器的空气预热器高温段8、在燃烧器7助燃，然后与烟气混合先后加热下游各个部件最终从烟气出口17排出；燃料进入热区后经预热、脱硫后与水蒸气混合，然后进入预转化器5、重整器6生成高温重整气，与阳极尾气循环气入口15流入的阳极循环尾气混合、换热后，经燃料出口14进入SOFC电堆阳极入口发电；SOFC电堆阳极尾气中的一部分经燃烧器燃料入口16进入燃烧器7燃烧、与回流的SOFC电堆阴极出口高温空气混合、加热下游各个部件最终从烟气出口17排出；该热区可满足以天然气、甲烷、沼气等为燃料的 MW级固体氧化物燃料电池发电系统的需求。
热区燃料处理量大、内部装置布置紧凑、功能齐全，同时实现了燃料的处理、空气的预热、尾气的处理和余热利用，可满足以天然气、甲烷、沼气等为燃料的MW级固体氧化物燃料电池发电系统的需求。
热区采用阳极尾气再循环，将SOFC电堆阳极出口的部分尾气与重整后的重整气混合、换热后再进入电堆，提高了燃料利用率、降低了水碳比，有助于提高SOFC发电系统的电效率和热效率。
热区包含预转化器5和重整器6，燃料脱硫、预热后再与水蒸气混合，先后经过预转化器5和重整器6，降低水碳比、提高热效率的同时有效避免了积碳对催化剂、SOFC电堆的损害。
该热区工作时，具体的气体流向(见图12)：常温(或冷)空气经由空气入口9从低温段的空气输入通道26流入空气预热器低温段2，经空气预热器低温段2处理后流经空气通道22进入空气预热器高温段8，加热后从空气输出通道33流入SOFC电堆的阴极入口进入SOFC电堆阴极并参与反应；反应后的高温空气从SOFC电堆的阴极出口经高温空气回流口11进入空气预热器的高温段并填充隔热壳体1并逐步流向位于空气预热器低温段2的烟气出口17，同时，高温空气可进入燃烧器7的烧嘴；天然气、甲烷、沼气等燃料经由燃料入口12 从燃料输入通道27进入脱硫器3反应后经由从脱硫燃料出口23汇入与混合气入口25连通的管道，同时，去离子水经由去离子水入口13从进水通道29进入蒸汽发生器4形成蒸汽，蒸汽经由蒸汽输出通道30从水蒸气出口24汇入与混合气入口25连通的管道，水蒸气和脱硫燃料混合后经由混合气入口25流入气体输入通道31进入预转化器5，再从预转化器5流入重整器6处理后，与经由阳极尾气循环气入口15进入的部分阳极尾气混合后再流入预转化器5，之后流经气体输出通道、燃料出口14、SOFC电堆的阳极入口进入SOFC电堆的阳极并参与反应；反应后的阳极尾气分成两个支路，另一个支路的阳极尾气经由燃烧器燃料入口16通入燃烧器7并与汇入燃烧器7烧嘴中高温空气混合燃烧，燃烧后的烟气填充隔热壳体1并逐步流向位于空气预热器低温段2的烟气出口17 并排出。燃烧起产生的烟气和高温空气回流口11通入的高温空气的温度均较高温，在其流向烟气出口17过程中依次会对隔热壳体1内布设的空气预热器高温段8、燃烧器7、重整器6、预转化器5、蒸汽发生器4、脱硫器3和空气预热器低温段2发生热交换，能够充分高效利用热能。
空气预热器采用两段式，空气先后经过空气预热器后的空气预热器低温段2 和空气预热器高温段8，分别与热区尾部烟气和燃烧器7附近的高温烟气换热，充分利用烟气的空气预热器低温段2和空气预热器高温段8，有效降低排烟温度、保证SOFC电堆阴极入口空气达到适宜温度。空气预热器高温段8和重整器6 分别布置在燃烧器7两侧，充分利用阳极尾气燃烧的高温烟气，保证燃料的充分重整、电堆入口空气达到适宜温度。
预转化器5的包括预转化器5本体，预转化器5本体的旁侧设有管式换热器18，预转化器5内外分别采用盘管，具体是预转化器5本体的内外分别布置了内盘管19和外盘管20，预转化器5本体的内腔填充有预转化催化剂，气体输入通道31穿过管式换热器18通过第一上横管34与预转化器5本体的内腔连通，预转化器5本体的内腔通过竖直弯管35与缠绕在预转化器5本体外的外盘管20 连通，外盘管20的出口与第二上横管36连通，第二上横管36与重整器6的输入管连通，重整器6的输出管通过第三上横管37与内盘管19连通，内盘管19 穿过预转化器5本体的内腔下部通过第一下横管38与管式换热器18的内腔连通。
脱硫燃料与水蒸气混合后经由混合气入口25流入气体输入通道31和第一上横管34进入预转化器5本体内腔中，与本体内腔催化剂接触反应，从转化器底部经由竖直弯管35进入转化器外盘管20继续升温，然后经由第二上横管36、重整器6的输入管进入重整器6，经重整器6内部的重整催化剂处理后，流入第三上横管37，与经由阳极尾气循环气入口15进入的部分阳极尾气混合后，进入内盘管19反应后流经第一下横管38经管式换热器18后从管式换热器18的气体输出通道流到燃料出口14。重整后的高温重整气与阳极循环尾气混合后进入预转化器5内盘管19加热预转化催化剂，然后进入管式换热器18加热预转化的燃料。
重整器6包括两列并排的重整器6本体，每列重整器6本体包括两个填充有重整催化剂的U型管，远离预转化器5的一列重整器6本体的两个U型管的一端分别与第二上横管36连通，两个U型管的另一端分别与另一列重整器6本体的两个U型管的入口连通，另一列重整器6本体的两个U型管的出口与第三上横管37连通。经预转化器5初步处理的混合气(脱硫燃料和水蒸气)经第二上横管36从远离预转化器5的一列重整器6本体的两个U型管的一端(入口) 流入U型管，之后从其另一端(出口)流入靠近预转化器5的一列重整器6本体的两个U型管的入口，流经U型管后，再从其出口进入第三上横管37。重整器6采用U型管造型，内部填充重整催化剂，预转化后的燃料经预热先后进入两段U型管重整器6实现燃料的重整，U型管的造型增加了燃料与重整催化剂的接触时间、提高了管内催化剂温度的均匀性，保证了大流量燃料的重整效果，同时有效减小了重整器6所占空间。
脱硫器3内填充有高温脱硫剂，燃料输入通道27与布置在脱硫器3下端的盘管换热器21的一端连通，盘管换热器21的另一端通过气体流出通道39与第四上横管40的一端连通，第四上横管40的另一端与脱硫器3内腔连通，脱硫器3内腔的下端通过第二下横管41连通。更为优选的，脱硫器3包括四个线性排布的脱硫器3本体，高温脱硫剂填充在脱硫器3本体的内腔中；按照线性次序的前两个脱硫器3本体的内腔上部与第四上横管40连通，其下端与第二下横管41连通；后两个脱硫器3本体的内腔下端与第二下横管41连通，其上端通过第五上横管42与燃料输出通道28连通。在脱硫器3内填充高温脱硫剂、脱硫器3下布置盘管换热器21，燃料进入盘管换热器21吸热升温，燃料自上而下流经脱硫器3，完成脱硫过程。天然气、甲烷、沼气等燃料经由燃料入口12流入，依次流经燃料输入通道27、盘管换热器21、气体流出通道39、第四上横管 40、脱硫器3内腔、第二下横管41、脱硫器3内腔、第五上横管42、燃料输出通道28和脱硫燃料出口23汇入与混合气入口25连通的管道。
蒸汽发生器4内盘绕有流通管道43；流通管道43的一端与进水通道29连通，另一端与蒸汽输出通道30连通。去离子水经由进水通道29进入蒸汽发生器4内盘绕的流通管道43，经处理后的水蒸气经由蒸汽输出通道30从水蒸气出口24汇入与混合气入口25连通的管道。
两段式空气预热器本体的空气预热器低温段2一侧设有空气输入通道26，另一侧设有第一空气流动通道44和空气通道22，两段式空气预热器本体的空气预热器低温段2上设有与空气输入通道26垂直的多条空气流通管45，且多个空气流通管45与空气输入通道26和第一空气流动通道44或空气通道22连通；两段式空气预热器本体空气预热器高温段8的一侧设有空气输出通道33，另一侧设有第二空气流动通道46和空气通道22，空气预热器高温段8的两段式空气预热器本体上设有与空气输入通道26垂直的多条空气流通管45，且多个空气流通管45与空气输出通道33和第二空气流动通道46或空气通道22连通；两段式空气预热器本体空气预热器低温段2的上端与烟气出口17连通；空气输入通道26和空气输出通道33中间均设有与其密封连接的挡板47。
常温(冷)空气流入空气输入通道26的上段后，被挡板47阻挡后依次流经第一空气流通管45(为低温段空气预热器本体部分)、第一空气流动通道44、第一空气流通管45、空气输入通道26的下段、第一空气流通管45、空气通道 22、第二空气流通管45(为高温温段空气预热器本体部分)、空气输出通道33 的下段，被挡板47阻挡后，继续经由第二空气流通管45、第二空气流动通道 46、第二空气流通管45、空气输出通道33的下段、高温空气出口10进入SOFC 电堆的阴极入口。
MW级固体氧化物燃料电池发电系统的热区结构的运行方法，该方法包括如下步骤：热区空气入口9接鼓风机或空气压缩机、热区高温空气出口10接 SOFC电堆阴极入口、热区高温空气回流口11接SOFC电堆阴极出口，去离子水入口13接去离子水源，热区燃料入口12接燃料气源、燃料出口14接SOFC 电堆阳极入口，热区阳极尾气循环气入口15接高温循环泵或通过引射器与SOFC 电堆阳极出口相连、热区燃烧器燃料入口16与SOFC电堆阳极出口相连、热区烟气出口17与排烟管道相连，正常运行时SOFC电堆阳极出口尾气分成两股，一股通过阳极尾气循环气口进入热区与重整后的重整气混合、换热后从热区燃料出口14流出然后进入电堆发电，另一股进入热区燃烧器7燃烧为热区提供热源；热区启动前燃料入口12、去离子水入口13、空气入口9通N2吹扫，然后关闭阳极尾气循环气入口15，燃料入口12通入H2含量70％和N2含量30％的混合气体、空气入口9通入空气，启动燃烧器7逐渐对电堆和热区加热，催化剂活化、升高到指定温度后通入去离子水，然后燃料入口12逐渐通入燃料，然后调控去离子水、空气、燃料的流量，待电堆温度逐渐达到指定温度，然后逐渐开启阳极尾气循环气入口15实现阳极尾气循环，最终达到热区额定工作状态。
以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种MW级固体氧化物燃料电池发电系统的热区结构，包括密闭的隔热壳体，其特征在于，还包括两段式空气预热器、燃烧器、重整器、预转化器、蒸汽发生器和脱硫器，所述两段式空气预热器包括通过空气通道连通的空气预热器高温段和空气预热器低温段；所述隔热壳体的内部自左向右依次布设所述空气预热器高温段、所述燃烧器、所述重整器、所述预转化器、所述蒸汽发生器、所述脱硫器和所述空气预热器低温段；所述隔热壳体设有空气入口、燃料入口、脱硫燃料出口、去离子水入口、水蒸气出口、混合气入口、阳极尾气循环气入口、燃料出口、高温空气出口、高温空气回流口、烟气出口和燃烧器燃料入口；
所述空气入口与所述空气预热器低温段的空气输入通道连通，所述燃料入口与所述脱硫器的燃料输入通道连通，所述脱硫燃料出口与所述脱硫器的燃料输出通道连通；所述去离子水入口与所述蒸汽发生器的进水通道连通，所述水蒸气出口与所述蒸汽发生器的蒸汽输出通道连通；所述脱硫燃料出口和所述水蒸气出口通过管道与所述混合气入口连通，所述混合气入口与所述预转化器的气体输入通道连通；所述燃料出口的一端连通所述预转化器内部的气体输出通道，另一端连通SOFC电堆的阳极入口；所述高温空气出口的一端连通所述空气预热器高温段的空气输出通道，另一端连通SOFC电堆的阴极入口；所述阳极尾气循环气入口一端连通所述预转化器的内盘管，另一端连通SOFC电堆的阳极尾气的一个支路；所述燃烧器燃料入口的一端连通所述燃烧器，另一端连通SOFC电堆的阳极尾气的另一个支路；所述高温空气回流口位于空气预热器高温段，高温空气回流口的一端连通SOFC电堆的阴极出口，另一端与所述隔热壳体的内腔连通；所述燃烧器的烧嘴位于所述隔热壳体的内腔中，所述烟气出口位于所述空气预热器低温段并与所述隔热壳体的内腔连通。
2.根据权利要求1所述的MW级固体氧化物燃料电池发电系统的热区结构，其特征在于，所述预转化器包括预转化器本体，所述预转化器本体的旁侧设有管式换热器，所述预转化器本体的内外分别布置了内盘管和外盘管，且所述预转化器本体的内腔填充有预转化催化剂，所述气体输入通道穿过所述管式换热器，通过第一上横管与所述预转化器本体的内腔连通，所述预转化器本体的内腔通过竖直弯管与缠绕在所述预转化器本体外的所述外盘管连通，所述外盘管的出口与所述第二上横管连通，所述第二上横管与所述重整器的输入管连通，所述重整器的输出管通过第三上横管与所述内盘管连通，所述内盘管穿过所述预转化器本体的内腔下部通过第一下横管与所述管式换热器的内腔连通。
3.根据权利要求2所述的MW级固体氧化物燃料电池发电系统的热区结构，其特征在于，所述重整器包括两列并排的重整器本体，每列所述重整器本体包括两个填充有重整催化剂的U型管，远离所述预转化器的一列重整器本体的两个U型管的一端分别与所述第二上横管连通，两个U型管的另一端分别与另一列重整器本体的两个U型管的入口连通，另一列重整器本体的两个U型管的出口与所述第三上横管连通。
4.根据权利要求1所述的MW级固体氧化物燃料电池发电系统的热区结构，其特征在于，所述脱硫器内填充有高温脱硫剂，所述燃料输入通道与布置在所述脱硫器下端的盘管换热器的一端连通，所述盘管换热器的另一端通过气体流出通道与第四上横管的一端连通，所述第四上横管的另一端与所述脱硫器内腔连通，所述脱硫器内腔的下端通过第二下横管连通。
5.根据权利要求4所述的MW级固体氧化物燃料电池发电系统的热区结构，其特征在于，所述脱硫器包括四个线性排布的脱硫器本体，所述高温脱硫剂填充在所述脱硫器本体的内腔中；按照线性次序的前两个所述脱硫器本体的内腔上部与所述第四上横管连通，其下端与所述第二下横管连通；后两个所述脱硫器本体的内腔下端与所述第二下横管连通，其上端通过第五上横管与所述燃料输出通道连通。
6.根据权利要求1所述的MW级固体氧化物燃料电池发电系统的热区结构，其特征在于，所述蒸汽发生器内盘绕有流通管道；所述流通管道的一端与所述进水通道连通，另一端与所述蒸汽输出通道连通。
7.根据权利要求1所述的MW级固体氧化物燃料电池发电系统的热区结构，其特征在于，所述两段式空气预热器本体空气预热器低温段的一侧设有所述空气输入通道，另一侧设有第一空气流动通道和所述空气通道，所述两段式空气预热器本体空气预热器低温段上设有与所述空气输入通道垂直的多条空气流通管，且多个所述空气流通管与所述空气输入通道和所述第一空气流动通道或所述空气通道连通；所述两段式空气预热器本体空气预热器高温段的的一侧设有所述空气输出通道，另一侧设有第二空气流动通道和所述空气通道，所述两段式空气预热器本体空气预热器高温段上设有与所述空气输入通道垂直的多条空气流通管，且多个所述空气流通管与所述空气输出通道和所述第二空气流动通道或所述空气通道连通；所述两段式空气预热器本体空气预热器低温段的上端与所述烟气出口连通；所述空气输入通道和所述空气输出通道中间均设有与其密封连接的挡板。
8.根据权利要求1所述的MW级固体氧化物燃料电池发电系统的热区结构，其特征在于，所述空气入口连接有鼓风机或空气压缩机。
9.根据权利要求1所述的MW级固体氧化物燃料电池发电系统的热区结构，其特征在于，与所述阳极尾气循环气入口连通的阳极出口尾气的支路通过高温循环泵或通过引射器与SOFC电堆的阳极出口连通。
10.权利要求1-9任一项所述的MW级固体氧化物燃料电池发电系统的热区结构的运行方法，其特征在于，包括如下步骤：热区空气入口接鼓风机或空气压缩机、热区高温空气出口接SOFC电堆阴极入口、热区高温空气回流口接SOFC电堆阴极出口，去离子水入口接去离子水源，热区燃料入口接燃料气源、燃料出口接SOFC电堆阳极入口，热区阳极尾气循环气入口接高温循环泵或通过引射器与SOFC电堆阳极出口相连、热区燃烧器燃料入口与SOFC电堆阳极出口相连、热区烟气出口与排烟管道相连，正常运行时SOFC电堆阳极出口尾气分成两股，一股通过阳极尾气循环气口进入热区与重整后的重整气混合、换热后从热区燃料出口流出然后进入电堆发电，另一股进入热区燃烧器燃烧为热区提供热源；热区启动前燃料入口、去离子水入口、空气入口通N2吹扫，然后关闭阳极尾气循环气入口，燃料入口通入H2含量70％和N2含量30％的混合气体、空气入口通入空气，启动燃烧器逐渐对电堆和热区加热，催化剂活化、升高到指定温度后通入去离子水，然后燃料入口逐渐通入燃料，然后调控去离子水、空气、燃料的流量，待电堆温度逐渐达到指定温度，然后逐渐开启阳极尾气循环气入口实现阳极尾气循环，最终达到热区额定工作状态。
CN202111198364.1A 2021-10-14 2021-10-14 一种mw级固体氧化物燃料电池发电系统的热区结构及其运行方法 Active CN113903949B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202111198364.1A CN113903949B (zh) 2021-10-14 2021-10-14 一种mw级固体氧化物燃料电池发电系统的热区结构及其运行方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202111198364.1A CN113903949B (zh) 2021-10-14 2021-10-14 一种mw级固体氧化物燃料电池发电系统的热区结构及其运行方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN113903949A true CN113903949A (zh) 2022-01-07
CN113903949B CN113903949B (zh) 2023-08-29

Family

ID=79192160

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202111198364.1A Active CN113903949B (zh) 2021-10-14 2021-10-14 一种mw级固体氧化物燃料电池发电系统的热区结构及其运行方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN113903949B (zh)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115000460A (zh) * 2022-05-25 2022-09-02 天津大学 基于sofc-gt联合热电联供系统的运行方法及系统
CN115570993A (zh) * 2022-12-08 2023-01-06 中国重汽集团济南动力有限公司 一种车用燃料电池热电联增程器、车辆及方法

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN214203758U (zh) * 2021-01-11 2021-09-14 上海齐耀重工有限公司 一种固体氧化物燃料电池发电系统

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN214203758U (zh) * 2021-01-11 2021-09-14 上海齐耀重工有限公司 一种固体氧化物燃料电池发电系统

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
隋智通，隋升，罗冬梅: "《燃料电池及其应用》", 冶金工业出版社, pages: 14 - 17 *

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115000460A (zh) * 2022-05-25 2022-09-02 天津大学 基于sofc-gt联合热电联供系统的运行方法及系统
CN115000460B (zh) * 2022-05-25 2023-12-26 天津大学 基于sofc-gt联合热电联供系统的运行方法及系统
CN115570993A (zh) * 2022-12-08 2023-01-06 中国重汽集团济南动力有限公司 一种车用燃料电池热电联增程器、车辆及方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN113903949B (zh) 2023-08-29

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN101499534B (zh) 一种固体氧化物燃料电池分布式热电联产系统
CN113851673B (zh) 一种固体氧化物燃料电池热电联供系统及其运行方法
CN110077221B (zh) 一种固体氧化物燃料电池和内燃机联合动力系统及其运行方法
TWI502801B (zh) 固態氧化物燃料電池熱工元件整合裝置
JP2004207241A (ja) 空気及び燃料の流れを再循環させる燃料電池一体型ハイブリッド発電装置
CN111525166B (zh) 一种混合高温燃料电池发电系统和方法
CN113903949B (zh) 一种mw级固体氧化物燃料电池发电系统的热区结构及其运行方法
US10381665B2 (en) Device and method for heating fuel cell stack and fuel cell system having the device
CN110676493B (zh) 一种光伏耦合固体氧化物燃料电池冷热电系统及供能方法
KR101897500B1 (ko) 연료극 가스 또는 연료극 배가스를 이용한 열교환기를 포함하는 연료전지 시스템
CN212011147U (zh) 一种混合高温燃料电池发电系统
CN114024009A (zh) 燃料电池发电系统
CN111649328A (zh) 一种应用于熔融碳酸盐燃料电池的天然气加热炉系统和方法
US20190148743A1 (en) Fuel cell system including heat exchanger using burner off-gas
CN114765266A (zh) 一种提高热效率并优化水管理的sofc热电联供系统
CN217589003U (zh) 一种低温运行的固体氧化物燃料电池系统
EP2930774B1 (en) A compact design of Solid Oxide Fuel Cell power generation system
CN212298989U (zh) 一种应用于熔融碳酸盐燃料电池的天然气加热炉系统
CN212559456U (zh) 一种温差发电自供电式的甲醇水重整制氢机
CN219203212U (zh) 固体氧化物燃料电池系统
CN109638331A (zh) 一种基于甲醇的燃料电池混合发电系统
CN220796812U (zh) 一种用于油田开采的燃料电池热电联供系统
CN219892210U (zh) 一种燃料电池堆
CN220585263U (zh) 一种采用四合一换热器的sofc系统
CN218004932U (zh) 一种带引射的柴油预重整sofc发电系统

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant