CN114759239A - 一种固体氧化物燃料电池发电系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种固体氧化物燃料电池发电系统，包括发电柜、高温区子系统和常温区子系统。高温区子系统位于发电柜的上部，且包括燃气预热器、重整器、电池堆、空气预热器和蒸汽发生器；重整器分别连接至燃气预热器、蒸汽发生器和电池堆的阳极进气口；电池堆的阴极进气口和阴极出气口分别连接至空气预热器和燃气预热器；常温区子系统位于发电柜的下部，且包括连接至燃气预热器的燃气供气装置、连接至空气预热器的阴极供气装置和连接至蒸汽发生器的供水装置。根据本发明的固体氧化物燃料电池发电系统，将高温区子系统和常温区子系统分别采用模块化设计，然后进行分区布置，有利于提升系统的集成度、稳定性、燃料利用率和发电效率。

Description

一种固体氧化物燃料电池发电系统

技术领域

本发明涉及燃料电池技术领域，具体的涉及一种固体氧化物燃料电池发电系统。

背景技术

SOFC(Solid Oxide Fuel Cell，固体氧化物燃料电池)能够将储存在燃料中的化学能转变成电能，是一种电效率高、废热品质好、节能环保的发电技术。同时SOFC对燃料纯度要求不高，适应性广，具有很好的市场前景。SOFC发电系统的设计是目前重点攻关技术。

SOFC的工作温度较高，有高温运行零部件，也有常温运行零部件。而目前的SOFC发电系统由于结构的原因，发电系统集成度较低，易导致系统能量分布不均匀。且存在燃料利用率低的问题，不利于系统热效率的提升，进而影响发电效率。此外，目前的SOFC发电系统的结构不利于系统的安装检修，对系统的安全性与稳定性也存在一定的影响。

为此，需要提供一种固体氧化物燃料电池发电系统，以至少部分地解决相关技术中的问题。

发明内容

在发明内容部分中引入了一系列简化形式的概念，这将在具体实施方式部分中进一步详细说明。本发明的发明内容部分并不意味着要试图限定出所要求保护的技术方案的关键特征和必要技术特征，更不意味着试图确定所要求保护的技术方案的保护范围。

为了至少部分地解决上述问题，本发明提供了一种固体氧化物燃料电池发电系统，所述固体氧化物燃料电池发电系统包括：

发电柜；

高温区子系统，所述高温区子系统位于所述发电柜的上部，所述高温区子系统包括：

燃气预热器；

重整器，所述重整器连接至所述燃气预热器；

电池堆，所述电池堆与所述重整器相邻设置，所述电池堆包括阳极进气口、阴极进气口和阴极出气口，所述阳极进气口连接至所述重整器，所述阴极出气口连接至所述燃气预热器；

空气预热器，所述空气预热器连接至所述阴极进气口；

蒸汽发生器，所述蒸汽发生器连接至所述重整器；

常温区子系统，所述常温区子系统位于所述发电柜的下部，所述常温区子系统包括：

燃气供气装置，所述燃气供气装置设置在所述重整器的下方，并连接至所述燃气预热器；

阴极供气装置，所述阴极供气装置设置在所述空气预热器的下方，并连接至所述空气预热器；

供水装置，所述供水装置连接至所述蒸汽发生器。

根据本发明的固体氧化物燃料电池发电系统，将高温区子系统和常温区子系统分别采用模块化设计，将燃气预热器、重整器、电池堆、空气预热器和蒸汽发生器等工作温度较高的部件集中设置在高温区子系统，将燃气供气装置、阴极供气装置和供水系统装置等工作温度较低的部件集中布置在常温区子系统，然后将高温区子系统和常温区子系统进行分区布置，分别设置在发电柜的上部和下部，有利于提升发电系统的集成度，便于发电系统的装配、调节与检修，能够提升发电系统的稳定性。且便于对高温区子系统进行保温设计，能够有效提升发电系统的燃料利用率和发电效率。

可选地，所述高温区子系统还包括蒸汽过热器，所述蒸汽过热器连接在所述蒸汽发生器和所述重整器之间，所述阴极出气口连接至所述蒸汽过热器。

可选地，所述重整器包括燃烧器和换热流道，所述电池堆还包括阳极出气口，所述阳极出气口和所述燃气供气装置均连接至所述燃烧器，所述燃烧器的排气依次流经所述换热流道、所述空气预热器和所述蒸汽发生器。

可选地，所述常温区子系统还包括冷却水箱，所述冷却水箱连接至所述供水装置，所述燃烧器的排气流经所述换热流道、所述空气预热器、所述蒸汽发生器和所述冷却水箱。

可选地，所述常温区子系统还包括空气过滤器，所述空气过滤器连接在所述阴极供气装置和所述空气预热器之间。

可选地，所述电池堆还包括电力引出接口，所述电力引出接口用于连接外部电负载。

可选地，所述固体氧化物燃料电池发电系统还包括控制装置，所述控制装置设置在所述发电柜的门板的下部，所述控制系统配置为控制所述高温区子系统和所述常温区子系统的运行。

可选地，所述固体氧化物燃料电池发电系统还包括电池堆压紧装置，所述电池堆压紧装置连接至所述电池堆，用于根据所述电池堆的温度变化调节对所述电池堆的压力。

可选地，所述常温区子系统还包括脱硫装置，所述脱硫装置连接至所述燃气供气装置和所述燃气预热器之间。

可选地，所述高温区子系统还包括框架结构，所述燃气预热器、所述重整器、所述电池堆、所述空气预热器和所述蒸汽发生器均设置在所述框架结构内，所述框架结构内还设置有保温层，所述框架结构的周围设置有封板。

附图说明

本发明实施方式的下列附图在此作为本发明的一部分用于理解本发明。附图中示出了本发明的实施方式及其描述，用来解释本发明的原理。

附图中：

图1为根据本发明的优选实施方式的固体氧化物燃料电池发电系统的立体结构示意图；

图2为根据本发明的实施方式的固体氧化物燃料电池发电系统的高温区子系统的结构示意图；以及

图3为根据本发明的实施方式的固体氧化物燃料电池发电系统的常温区子系统的结构示意图。

附图标记说明：

100：固体氧化物燃料电池发电系统 110：发电柜

111：门板 120：高温区子系统

121：燃气预热器 122：重整器

123：电池堆 124：空气预热器

125：蒸汽发生器 126：蒸汽过热器

127：框架结构 130：常温区子系统

131：燃气供气装置 132：阴极供气装置

133：供水装置 134：冷却水箱

135：仪器仪表 136：脱硫装置

140：控制装置 150：电池堆压紧装置

具体实施方式

在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本发明更为彻底的理解。然而，对于本领域技术人员来说显而易见的是，本发明实施方式可以无需一个或多个这些细节而得以实施。在其他的例子中，为了避免与本发明实施方式发生混淆，对于本领域公知的一些技术特征未进行描述。

为了彻底理解本发明，将在下列的描述中提出详细的描述，以说明本发明的固体氧化物燃料电池发电系统100。显然，本发明的施行并不限于固体氧化物燃料电池发电系统100领域的技术人员所熟习的特殊细节。本发明的较佳实施方式详细描述如下，然而除了这些详细描述外，本发明还可以具有其他实施方式。

本发明中所引用的诸如“第一”和“第二”的序数词仅仅是标识，而不具有任何其它含义，例如特定的顺序等。而且，例如，术语“第一部件”其本身不暗示“第二部件”的存在，术语“第二部件”本身不暗示“第一部件”的存在。本发明中所使用的术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明清楚，并非限制。

以下，将参照附图对本发明的具体实施方式进行更详细地说明，这些附图示出了本发明的代表实施方式，并不是限定本发明。

参考图1，根据本发明的优选实施方式的固体氧化物燃料电池发电系统100包括发电柜110、高温区子系统120和常温区子系统130。高温区子系统120设置在发电柜110的上部，且包括燃气预热器121、重整器122、电池堆123、空气预热器124和蒸汽发生器125等工作温度较高的部件。常温区子系统130位于发电柜110的下部，也就是设置在高温区子系统120的下方。常温区子系统130包括燃气供气装置131、阴极供气装置132和供水装置133等工作温度较低的部件。

需要说明的是，本发明中的高温区子系统120的运行温度大概在700℃左右，常温区子系统130的运行温度不超过60℃。

根据本发明的固体氧化物燃料电池发电系统100，将高温区子系统120和常温区子系统130分别采用模块化设计，然后将高温区子系统120和常温区子系统130进行分区布置，分别设置在发电柜110的上部和下部，有利于提升发电系统的集成度，便于固体氧化物燃料电池发电系统100的装配、调节与检修，能够提升固体氧化物燃料电池发电系统100的稳定性。且便于对高温区子系统120进行保温设计，能够有效提升固体氧化物燃料电池发电系统100的燃料利用率和发电效率。

具体的，参考图2和图3，重整器122安装于高温区子系统120的大致中心的位置。重整器122优选地采用多层套管结构，其内部包括燃烧器(未示出)和换热流道(未示出)。天然气等燃料由设置在常温区子系统130的燃气供气装置131输送给重整器122，以在重整器122内进行重整反应，产生富氢气体，为电池堆123进行电化学反应产生电能提供所需的气体。燃烧器设置于重整器122的下部，如设置在套管结构的下部，用于为重整器122的重整反应提供所需的热量。

燃烧器的燃料一部分来自常温区子系统130的燃气供气装置131，天然气等燃料由燃气供气装置131进入燃烧器进行燃烧，以在固体氧化物燃料电池发电系统100的启动阶段为重整器122的重整反应提供热量。

为了有效缩短燃气的输送路径，燃气供气装置131优选地设置在常温区子系统130的对应重整器122的位置，也就是将燃气供气装置131设置在重整器122的下方。

为了提高进入重整器122的天然气等燃料发生重整反应的效率，在高温区子系统120内优选地还设置有燃气预热器121。燃气预热器121的进气端连接至燃气供气装置131，燃气预热器121的出气端连接至重整器122的燃气进口，以适当提高进入重整器122的天然气等燃料的温度。

为了保证对重整器122燃气供应的稳定性与安全性，也就是保证固体氧化物燃料电池发电系统100运行的稳定性与安全性，在燃气供气装置131、燃气预热器121和重整器122之间的供气管路上分别设置有控制阀、流量计、温度传感器和压力传感器等部件，以有效控制进入重整器122的燃气量，并实时监测进入重整器122的燃气的温度和压力。

为了去除进入重整器122的燃气中的杂质硫，保证进入重整器122的燃气的纯净度，在常温区子系统130内优选地设置有脱硫装置136，脱硫装置136连接在燃气供气装置131和燃气预热器121之间，以净化进入燃气预热器121和重整器122的燃气。

重整器122内发生重整反应所需要的水蒸汽来自设置在高温区子系统120的蒸汽发生器125。蒸汽发生器125所需要的水来自设置在常温区子系统130的供水装置133。蒸汽发生器125的进口连接至供水装置133的出口，蒸汽发生器125的出口连接至重整器122的蒸汽进口，以为重整器122提供适宜温度的蒸汽。

为了保证进入重整器122的蒸汽的温度，有效提升重整反应的效率，在高温区子系统120内优选地还设置有蒸汽过热器126，蒸汽过热器126的进口连接至蒸汽发生器125，蒸汽过热器126的出口连接至重整器122的蒸汽进口，以为重整器122提供适宜温度的过热蒸汽。

电池堆123安装于高温区子系统120的大致中心的位置，与重整器122相邻的设置。电池堆123包括阳极、阴极和电力引出接口。其中，电力引出接口用于连接外部电负载，以输出电池堆123产生的电能。阳极具有阳极进气口和阳极出气口。阴极具有阴极进气口和阴极出气口。阳极进气口连接至重整器122的富氢气体的出口，以接收富氢气体进行电化学反应。阳极出气口连接至燃烧器的进口，以进一步燃烧阳极排气中的可燃气体，为重整器122内的重整反应提供热量，并进一步提高燃料的利用率。

在固体氧化物燃料电池发电系统100启动至达到稳定运行状态的过程中，逐渐减小并关闭燃气供气装置131对燃烧器燃料的供应，重整器122内重整反应所需的热量主要由阳极排气进入燃烧器内燃烧提供，以在保证固体氧化物燃料电池发电系统100稳定运行的同时节省燃料，并提升燃料的利用率。

为了充分利用燃烧器产生的排气的余热，燃烧器产生的排气先流经重整器122的换热流道，以为重整器122提供重整反应所需的热量；然后再依次流经空气预热器124和蒸汽发生器125，用于加热由空气预热器124进入阴极的空气和由蒸汽发生器125进入重整器122的蒸汽，以充分利用燃烧器排气的余热，并实现余热的梯级利用。

电池堆123的阴极所需要的空气由设置在常温区的阴极供气装置132提供。为了进一步提高电池堆123的电化学反应的效率，在高温区子系统120内优选地设置有空气预热器124。阴极供气装置132提供的空气经空气预热器124加热升温至合适的温度后，由阴极进气口进入电池堆123的阴极以进行电化学反应。

为了有效缩短空气的输送路径，阴极供气装置132优选地设置在常温区子系统130的对应空气预热器124的位置，也就是将阴极供气装置132设置在空气预热器124的下方。

为了保证对阴极供气的稳定性与安全性，也就是保证固体氧化物燃料电池发电系统100运行的稳定性与安全性，在阴极供气装置132、空气预热器124和电池堆123之间的供气管路上设置有高压风机、控制阀、流量计、温度传感器和压力传感器等部件，以有效控制由阴极供气装置132进入电池堆123的阴极的空气的量，并实时监测进入阴极的空气的温度和压力。

阴极的排气经由阴极出气口排出。其中的一部分排气经由阴极出气口进入燃烧器，以为燃烧器中的燃烧反应提供一定的氧气。排气中的另一部分则依次进入蒸汽过热器126和燃气预热器121，用于加热由蒸汽过热器126进入重整器122的蒸汽和由燃气预热器121进入重整器122的燃气，以充分利用阴极排气的余热，并实现余热的梯级利用。

为了去除进入阴极的空气中的杂质，保证进入阴极的空气的纯净度，在常温区子系统130内优选地设置有空气过滤器(未示出)，空气过滤器连接在阴极供气装置132和空气预热器124之间，以净化进入阴极的空气。

在常温区子系统130内优选地还设置有冷却水箱134，冷却水箱134连接至供水装置，以为供水装置提供水源。冷却水箱134优选地设置在常温区子系统130的对应重整器122的附近的位置，并邻近供水装置133设置，以有效缩短供水路径。冷却水箱134的内部优选地布置有换热盘管，燃烧器产生的排气在流经蒸汽发生器125后进入冷却水箱134内的换热盘管，以加热冷却水箱134内的水，达到进一步充分利用燃烧器排气的余热并实现余热梯级利用的效果。

冷却水箱134在对供水装置133提供水源以保证固体氧化物燃料电池发电系统100运行的同时，也向外部提供诸如生活使用的热水。

为了保证对重整器122蒸汽供应的稳定性与安全性，也就是保证固体氧化物燃料电池发电系统100运行的稳定性与安全性，在冷却水箱134、供水装置133和蒸汽发生器125之间的供水管路上设置有水泵、控制阀、流量计、温度传感器和压力传感器等仪器仪表135，以有效控制由冷却水箱134进入供水装置133和蒸汽发生器125的水量，并实时监测进入供水装置133和蒸汽发生器125的水的温度和压力；在蒸汽发生器125、蒸汽过热器126和重整器122之间的供汽管路上设置有控制阀、流量计、温度传感器和压力传感器等部件，以有效控制进入重整器122的过热蒸汽的量，并实时监测进入重整器122的过热蒸汽的温度和压力。

固体氧化物燃料电池发电系统100优选地还包括控制装置140，控制装置140设置在发电柜110的门板111的下部，靠近常温区子系统130，具体的参考图1，以保证控制装置140的正常运行，避免控制装置140超温。控制装置140可以与固体氧化物燃料电池发电系统100中的水泵、高压风机、控制阀、流量计、温度传感器和压力传感器等部件相连接，以实现对高温区子系统120和常温区子系统130运行的控制。

为了能够实现对高温区子系统120各个部件的整体拆装，高温区子系统120优选地还包括框架结构127，具体的参考图1。燃气预热器121、重整器122、电池堆123、空气预热器124和蒸汽发生器125均设置在框架结构127内，框架结构127的底部可以通过螺接等的可拆卸连接的方式固定至发电柜110的上部。将高温区子系统120和常温区子系统130连接的管路断开后，通过拆卸框架结构127，就能将高温区子系统120内的各个部件随框架结构127一起拆下，以便于对各个部件进行检修与更换。

优选地，框架结构127的周围设置有封板(未示出)，以形成一个相对封闭的空间，便于实现对高温区子系统120的保温。

更优选地，在框架结构127内部填充有保温材料以形成保温层，也就是在封板与高温区子系统120的各个部件之间填充保温材料，以进一步提升高温区子系统120的保温效果。保温材料可以选用常见的保温材料。

在封板处可以设置温度与压力测点安装孔，以便于检测高温区子系统120的运行温度与压力。

为了保证电池堆123的安全运行，固体氧化物燃料电池发电系统100优选地还包括电池堆压紧装置150，具体的参考图2。电池堆压紧装置150连接至电池堆123，能够对电池堆123施加初始压紧力，并且对电池堆123的压力能够随电池堆123的温度变化而自动调节，以有效避免固体氧化物燃料电池发电系统100运行的过程中电池堆123产生结构变形，防止电池堆123的结构破裂，进而保证固体氧化物燃料电池发电系统100的安全运行。

在图2所示实施方式中，电池堆压紧装置150的可操作部分超出高温区子系统120的框架结构127的顶部，并能够穿出封板，以便于操作人员进行相关的操作。

除非另有定义，本文中所使用的技术和科学术语与本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中使用的术语只是为了描述具体的实施目的，不是旨在限制本发明。本文中出现的诸如“设置”等术语既可以表示一个部件直接附接至另一个部件，也可以表示一个部件通过中间件附接至另一个部件。本文中在一个实施方式中描述的特征可以单独地或与其它特征结合地应用于另一个实施方式，除非该特征在该另一个实施方式中不适用或是另有说明。

本发明已经通过上述实施方式进行了说明，但应当理解的是，上述实施方式只是用于举例和说明的目的，而非意在将本发明限制于所描述的实施方式范围内。本领域技术人员可以理解的是，根据本发明的教导还可以做出更多种的变型和修改，这些变型和修改均落在本发明所要求保护的范围以内。

Claims (10)

1.一种固体氧化物燃料电池发电系统，其特征在于，所述固体氧化物燃料电池发电系统包括：

发电柜；

高温区子系统，所述高温区子系统位于所述发电柜的上部，所述高温区子系统包括：

燃气预热器；

重整器，所述重整器连接至所述燃气预热器；

电池堆，所述电池堆与所述重整器相邻设置，所述电池堆包括阳极进气口、阴极进气口和阴极出气口，所述阳极进气口连接至所述重整器，所述阴极出气口连接至所述燃气预热器；

空气预热器，所述空气预热器连接至所述阴极进气口；

蒸汽发生器，所述蒸汽发生器连接至所述重整器；

常温区子系统，所述常温区子系统位于所述发电柜的下部，所述常温区子系统包括：

燃气供气装置，所述燃气供气装置设置在所述重整器的下方，并连接至所述燃气预热器；

阴极供气装置，所述阴极供气装置设置在所述空气预热器的下方，并连接至所述空气预热器；

供水装置，所述供水装置连接至所述蒸汽发生器。

2.根据权利要求1所述的固体氧化物燃料电池发电系统，其特征在于，所述高温区子系统还包括蒸汽过热器，所述蒸汽过热器连接在所述蒸汽发生器和所述重整器之间，所述阴极出气口连接至所述蒸汽过热器。

3.根据权利要求1所述的固体氧化物燃料电池发电系统，其特征在于，所述重整器包括燃烧器和换热流道，所述电池堆还包括阳极出气口，所述阳极出气口和所述燃气供气装置均连接至所述燃烧器，所述燃烧器的排气依次流经所述换热流道、所述空气预热器和所述蒸汽发生器。

4.根据权利要求3所述的固体氧化物燃料电池发电系统，其特征在于，所述常温区子系统还包括冷却水箱，所述冷却水箱连接至所述供水装置，所述燃烧器的排气流经所述换热流道、所述空气预热器、所述蒸汽发生器和所述冷却水箱。

5.根据权利要求1所述的固体氧化物燃料电池发电系统，其特征在于，所述常温区子系统还包括空气过滤器，所述空气过滤器连接在所述阴极供气装置和所述空气预热器之间。

6.根据权利要求1所述的固体氧化物燃料电池发电系统，其特征在于，所述电池堆还包括电力引出接口，所述电力引出接口用于连接外部电负载。

7.根据权利要求1所述的固体氧化物燃料电池发电系统，其特征在于，所述固体氧化物燃料电池发电系统还包括控制装置，所述控制装置设置在所述发电柜的门板的下部，所述控制装置配置为控制所述高温区子系统和所述常温区子系统的运行。

8.根据权利要求1所述的固体氧化物燃料电池发电系统，其特征在于，所述固体氧化物燃料电池发电系统还包括电池堆压紧装置，所述电池堆压紧装置连接至所述电池堆，用于根据所述电池堆的温度变化调节对所述电池堆的压力。

9.根据权利要求1所述的固体氧化物燃料电池发电系统，其特征在于，所述常温区子系统还包括脱硫装置，所述脱硫装置连接至所述燃气供气装置和所述燃气预热器之间。

10.根据权利要求1所述的固体氧化物燃料电池发电系统，其特征在于，所述高温区子系统还包括框架结构，所述燃气预热器、所述重整器、所述电池堆、所述空气预热器和所述蒸汽发生器均设置在所述框架结构内，所述框架结构内还设置有保温层，所述框架结构的周围设置有封板。

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