CN115101781A - 一种基于扁管式sofc热电联供系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种基于扁管式SOFC热电联供系统，包括SOFC电堆、第一燃料供给系统、加热系统、尾气燃烧系统、降温系统；所述第一燃料供给系统的输出与所述SOFC电堆的阳极入口连接；所述加热系统为所述第一燃料供给系统和所述SOFC电堆供热；所述尾气燃烧系统与所述SOFC电堆的阳极出口和阴极出口连接，并输出高温热量；所述降温系统与所述SOFC电堆的冷端连接，并输出低温热量，实现了高低温热量输出，适用于不同的热量需求场合，提高了整个系统的综合效率。

Description

一种基于扁管式SOFC热电联供系统和方法
技术领域
本发明涉及SOFC热电联供技术领域，具体而言，涉及一种基于扁管式SOFC热电联供系统和方法。
背景技术
固体氧化物燃料电池(SOFC)，工作温度高，在600～1000℃，可以将储存在燃料和氧化剂中的化学能转化为电能，具有发电效率高、燃料多元化、废热品质高、结构紧凑、应用场景广等优势，被认为是热电联供系统原动机的最佳选择。现有SOFC热电联供系统以平板式、管式为主，基于冷端密封的扁管式SOFC鲜有涉及。
有鉴于此，本说明书提供了一种基于扁管式SOFC热电联供系统和方法，以实现高低热量输出，提高整个系统的燃料综合利用效率。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于扁管式SOFC热电联供系统，包括SOFC电堆、第一燃料供给系统、加热系统、尾气燃烧系统、降温系统；所述第一燃料供给系统的输出与所述SOFC电堆的阳极入口连接；所述加热系统为所述第一燃料供给系统和所述SOFC电堆供热；所述尾气燃烧系统与所述SOFC电堆的阳极出口和阴极出口连接，并输出高温热量；所述降温系统与所述SOFC电堆的冷端连接，并输出低温热量。
进一步的，所述第一燃料供给系统包括气化模块和重整器；第一燃料的输入管道与所述气化模块的入口连接，所述气化模块的出口与所述重整器的入口连接，所述重整器的出口与所述SOFC电堆的阳极连接。
进一步的，所述加热系统包括第二燃料供给模块、空气供给模块、混合器和燃烧式加热器；所述第二燃料供给模块和所述空气供给模块的输出管道将第二燃料和空气输入所述混合器混合后，输入所述燃烧式加热器的入口，所述燃烧式加热器的出口与所述第一燃料供给系统的气化模块、重整器和所述SOFC电堆连接。
进一步的，还包括控制系统，所述控制系统至少包括燃烧控制子系统；所述第二燃料供给模块至少包括通断电磁阀和流量检测控制器；所述空气供给模块至少包括压力温度传感器、空气泵入单元和流量传感器；所述燃烧控制子系统与所述通断电磁阀、所述流量检测控制器、所述压力温度传感器、所述空气泵入单元、所述流量传感器和所述燃烧式加热器连接。
进一步的，所述尾气燃烧系统包括阳极尾气冷凝模块、阴极尾气换热模块、混合器和催化燃烧器；所述阳极尾气冷凝模块和所述阴极尾气换热模块的输出经尾气输送管道输入所述混合器混合后输入所述催化燃烧器。
进一步的，第二燃料与第一燃料的成分相同，其中，所述第一燃料用于所述SOFC电堆的阳极进行电化学反应；所述第二燃料用于燃烧产生热量，以气化重整所述第一燃料，并加热所述SOFC电堆；所述阳极尾气冷凝模块包括冷凝器和储水箱，所述储水箱的入口至少与所述阳极尾气冷凝模块的冷凝器的出口连接，所述储水箱的出口至少与气化模块连接。
进一步的，所述阴极尾气换热模块包括换热器；所述SOFC电堆反应后产生的阴极尾气经管道输入所述换热器的入口，所述换热器的出口与所述混合器连接。
进一步的，所述降温系统包括循环泵、膨胀罐和冷凝器；冷凝介质从所述SOFC电堆的冷端输出后经管道输入所述降温系统的冷凝器的入口，所述降温系统的冷凝器的出口与所述膨胀罐的入口连接，所述膨胀罐的出口与所述循环泵的入口连接，所述循环泵的出口与所述SOFC电堆的冷端连接。
本发明的目的在于提供一种基于扁管式SOFC热电联供方法，包括，对第一燃料进行气化重整后输入SOFC电堆的阳极进行反应；通入第二燃料和空气，使其进行燃烧反应，以为所述第一燃料的气化重整和所述SOFC电堆供热；将所述燃烧反应后的气体输入所述SOFC电堆的阴极进行反应；将所述SOFC电堆的阳极输出的阳极尾气和阴极输出的阴极尾气处理后混合，并将混合后的气体输入催化燃烧器进行反应，以输出高温热量；通过冷凝介质为所述SOFC电堆的冷端降温，并输出低温热量。
进一步的，所述第一燃料和所述第二燃料的成分相同，处理阳极尾气为对阳极尾气进行冷凝，以除去所述阳极尾气中的水分；所述方法还包括：将冷凝阳极尾气得到的冷凝水输入气化模块，以对所述第一燃料进行气化。
本发明实施例的技术方案至少具有如下优点和有益效果：
基于扁管式SOFC特殊的结构，充分利用了冷端热量和电堆尾气热量，实现了高低温热量输出，适用于不同的热量需求场合，提高了整个系统的综合效率。
附图说明
图1为本发明一些实施例提供的一种基于扁管式SOFC热电联供系统的结构示意图；
图2为本发明一些实施例提供的使用新型催化剂的尾气燃烧系统的结构示意图；
图3为本发明一些实施例提供的使用单燃料的第一燃料供给系统及加热系统的结构示意图；
图4为本发明一些实施例提供的一种基于扁管式SOFC热电联供方法的示例性流程图；
图标：1-控制系统、2-第一燃料、3-配量泵、4-流量传感器、5-气化模块、6-重整器、7-负载、8-其他输入、9-冷凝器、10-储水箱、11-水过滤器、12-动力水源、13-压力传感器、14-换热器、15-单向阀、16-混合器、17-第二燃料、18-减压阀、19-通断电磁阀、20-流量检测控制器、21-SOFC电堆、22-空气过滤器、23-压力温度传感器、24-气泵、25-燃烧式加热器、26-循环泵、27-动力风冷式冷凝器、28-催化燃烧器、29-燃烧后的尾气、30-热水、31-燃烧控制子系统、32-水泵、33-膨胀罐。
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。
图1为本发明一些实施例提供的一种基于扁管式SOFC热电联供系统的结构示意图。其中，基于扁管式SOFC热电联供系统可以包括SOFC电堆21、第一燃料供给系统、加热系统、尾气燃烧系统、降温系统。
第一燃料供给系统的输出与SOFC电堆21的阳极入口连接，以发生电化学反应，对外输出电能，供给用电设备使用。如图1所示，第一燃料供给系统可以包括第一燃料2、配量泵3、流量传感器4、气化模块5和重整器6。具体的，第一燃料2经管道输入配量泵3的入口，配量泵3的出口与流量传感器4的入口连接，流量传感器4的出口与气化模块5的入口连接，气化模块5的出口与重整器6的入口连接，重整器6的出口与SOFC电堆的阳极连接。
其中，第一燃料2可以包括甲醇水、乙醇水，乙二醇水溶液等中的一种或多种。配量泵3可以对输入SOFC电堆的第一燃料进行配量。流量传感器4可以检测泵入的第一燃料的流量。气化模块5可以用于将第一燃料进行气化，输出气体第一燃料。重整器6可以对气化后的第一燃料进行重整，在催化剂的作用下得到富氢气体。然后将富氢气体输入SOFC电堆的阳极进行电化学反应。
在一些实施例中，第一燃料供给系统中的第一燃料2、配量泵3和流量传感器4可以与控制系统1通信连接。控制系统1可以基于流量传感器4传回的第一燃料的流量调整配量泵3的配量。控制系统1还可以获取盛装第一燃料的容器中第一燃料的剩余量，以及时提醒添加第一燃料。
加热系统为第一燃料供给系统和SOFC电堆21供热。加热系统可以包括第二燃料供给模块、空气供给模块、混合器16和燃烧式加热器25。第二燃料供给模块和空气供给模块的输出管道将第二燃料17和空气输入混合器16混合后，输入燃烧式加热器25的入口，第二燃料17在燃烧式加热器25中进行燃烧，为气化模块5、重整器6和电堆SOFC供热。
如图1所示，第二燃料供给模块可以供给第二燃料17。例如，第二燃料17可以通过减压阀18、通断电磁阀19和流量检测控制器20输入混合器16。在一些实施例中，减压阀18、通断电磁阀19和流量检测控制器20与控制系统1通信连接，以控制第二燃料17的输入情况。例如，当控制系统1检测到第二燃料供给出问题时，可以通过关断通断电磁阀19，以停止第二燃料的供给。又例如，控制模块可以基于流量检测控制器20检测第二燃料的供量，并通过减压阀18控制第二燃料的供量。在一些实施例中，第二燃料可以包括煤气、天然气等。
如图1所示，空气供给模块可以向加热系统供给空气，具体的，空气经空气过滤器22过滤后通过压力温度传感器23、气泵24和流量传感器4输入混合器16。在一些实施例中，控制系统1可以与压力温度传感器23、气泵24、和流量传感器4通信连接，以检测空气的压力和温度以及泵入空气的量。
混合器16可以对第二燃料和空气进行混合，管道可以将混合后的第一燃料输入燃烧式加热器25进行燃烧反应生成热量，一部分热供给气化模块5和重整器6，供第一燃料气化重整；一部分热供给SOFC电堆，为电化学反应供热。在一些实施例中，燃烧式加热器25可以通过红外燃烧的方式进行燃烧反应，由于红外燃烧时生成大量氧气，因此，可以将燃烧后的高温气体输入SOFC电堆的阴极进行反应。其中，燃烧式加热器25可以包括但不限于金属纤维式红外燃烧炉、陶瓷炉头式红外燃烧炉、催化红外燃烧炉等红外燃烧炉中的一种或多种。在一些实施例中，燃烧式加热器25可以与控制系统1通信连接，控制系统1通过控制第二燃料和空气的供量，控制燃烧式加热器25中的燃烧反应。
尾气燃烧系统与SOCF电堆的阳极出口和阴极出口连接，并输出高温热量。尾气燃烧系统包括阳极尾气冷凝模块、阴极尾气换热模块、混合器16和催化燃烧器28。阳极反应生成阳极尾气，阳极尾气可以包括水、氢气、二氧化碳等气体。阴极反应生成阴极尾气，阴极尾气可以包括氧气、二氧化碳、氮气等气体。阳极尾气冷凝模块和阴极尾气换热模块的输出经尾气输送管道输入混合器16混合后输入催化燃烧器28。
如图1所示，阳极尾气冷凝模块可以包括冷凝器9。从SOFC电堆出来的阳极尾气可以通过冷凝器9除去气体中的水分，脱水后的阳极尾气可以通过单向阀15输入混合器16。在一些实施例中，阳极尾气冷凝模块还可以包括储水箱10，以存储冷凝水。
如图1所示，阴极尾气换热模块可以包括水过滤器11，动力水源12、压力传感器13和换热器14。具体的，从SOFC电堆出来的阴极尾气通过换热器14换热后输入混合器16。冷水通过换热器14将阴极尾气降温至150℃以下。例如，冷水通过水过滤器11过滤后，加压为动力水源12后泵入换热器14，阴极尾气经换热器14与冷水换热。通过动力水源12自动供水，可以保持换热通道充满液态水。压力传感器13用于检测泵入换热器14的动力水源12的水压。
混合器16混合经过脱水的阳极尾气和降温后的阴极尾气，并将混合后的气体输入套管式催化燃烧器，使用常规型催化燃烧催化剂进行催化燃烧，通过催化燃烧放热，加热换热器14输出的温水得到热水30。在一些实施例中，温水进入套管式催化燃烧器换热通道进行加热，可以使得热水30的水温在50-60℃之间。热水30可以用于日常用水。在一些实施例中，套管式催化燃烧器换热通道设置有排气安全阀，当不需要热水30时，可以将燃烧后的尾气29排出，其中，排出的尾气可以在100℃左右。在一些实施例中，系统可以设置压力阈值，当压力大于阈值时自动排气。
降温系统与SOFC电堆的冷端连接，并输出低温热量。降温系统包括循环泵26和冷凝器。降温系统通过循环泵26循环冷却介质，使得电池冷端与冷却介质换热，以维持SOFC电堆的冷端电池在一定温度范围内工作。由于经过换热的冷却介质，温度会有所升高，因此使用冷凝器为冷却介质降温，使得冷却介质可以维持在设定值。例如，冷凝介质从SOFC电堆的冷端输出后经管道输入降温系统的冷凝器的入口，降温系统的冷凝器的出口与循环泵26的入口连接，循环泵26的出口与SOFC电堆的冷端连接。在一些实施例中，冷凝器可以为动力风冷式冷凝器27，通过冷却介质与冷空气换热，可以得到热风，热风可以用于供暖。冷却介质可以包括但不限于水、亲水物质(如，冷却液)、油性物质(如，导热油)等。
在一些实施例中，循环泵26和动力风冷式冷凝器27的中间设置有膨胀罐33，膨胀罐33的入口与冷凝器的出口连接，膨胀罐33的出口与循环泵连接。例如，膨胀罐33可以为水箱。通过在循环泵前设置膨胀罐33可以对循环泵起到包括作用，增加降温系统的可靠性。
在一些实施例中，控制系统1可以与降温系统通信连接，检测输入电池冷端和输出电池冷端的冷却介质的温度和冷却介质的循环压力，并基于温度和压力调节循环泵26和冷凝器。例如，系统可以通过加快冷空气的流动，降低输入温度。
本说明书中的一些实施例通过使用恒定温度的冷却介质与电池冷端换热，使得电池能在一定的温度范围内工作，以保持扁管式SOFC冷端密封长期稳定工作，防止温度过高对冷端密封造成破坏。
在一些实施例中，还包括控制系统1，控制系统1可以根据负载7和SOFC电堆状态的反馈，红外燃烧的状态，甲醇水的液位情况，热水30的使用情况，电池冷端的进出口温度等，相应调节红外燃烧供气流量，发出液位提醒，控制热水30供应量，调节循环介质或空气流量等。控制系统1包括燃烧控制子系统31。燃烧控制子系统31可以控制加热系统中红外燃烧的空气供给模块。通过控制系统1与加热系统进行数据交换，可以维持整个系统的温度稳定。燃烧控制子系统31与通断电磁阀19、流量检测控制器20、压力温度传感器23、空气泵入单元、流量传感器4和燃烧式加热器25通信连接。
图2为本发明一些实施例提供的使用新型催化剂的尾气燃烧系统的结构示意图。
在一些实施例中，催化燃烧器28可以使用新型催化剂催化阳极尾气和阴极尾气进行燃烧。在使用新型催化剂进行燃烧时，可以不使用换热器14。
图3为本发明一些实施例提供的使用单燃料的第一燃料供给系统及加热系统的结构示意图。
在一些实施例中，第二燃料与第一燃料的成分可以相同。相同成分的第二燃料和第一燃料可以包括天然气、煤气等。如图3所示，当第二燃料与第一燃料的成分相同时，可以将第二燃料供给模块中的减压阀18的输出管道与气化模块5连接，减压阀18和气化模块5的中间管道上设置有通断电池阀和流量检测控制器20，以供控制系统1控制第一燃料的供给。其中，通断电池阀与减压阀18的输出管道连接，通断电池阀的输出与流量检测控制器20的输入连接，流量检测控制器20的输出与气化模块5连接。
在一些实施例中，阳极尾气冷凝模块中储水箱10中的冷凝水可以提供给气化模块5。例如，利用水泵32将冷凝水泵入气化模块5。在一些实施例中，水泵32与气化模块5之间设置有流量传感器4，以供控制系统1检测泵入气化模块5的水量，并基于水量调整水泵大小。
本说明书中的一些实施例通过单第一燃料热电联供系统，在简化系统的同时扩展了系统的应用场合。
图4为本发明一些实施例提供的一种基于扁管式SOFC热电联供方法的示例性流程图。如图4所示，基于扁管式SOFC热电联供方法的流程包括以下步骤：
步骤410，对第一燃料进行气化重整后输入SOFC电堆的阳极进行反应。关于对第一燃料进行气化重整的更多内容，参见图1。
步骤420，通入第二燃料和空气，使其进行燃烧反应，以为第一燃料的气化重整和SOFC电堆供热。关于燃烧反应的更多内容，参见图1。
步骤430，将燃烧反应后的气体输入SOFC电堆的阴极进行反应。
步骤440，将SOFC电堆的阳极输出的阳极尾气和阴极输出的阴极尾气处理后混合，并将混合后的气体输入催化燃烧器28进行反应，以输出高温热量。在一些实施例中，高温热量可以通过热水30的形式输出。关于阳极尾气、阴极尾气和高温热量的更多内容，参见图1。
步骤450，通过冷凝介质为SOFC电堆的冷端降温，并输出低温热量。在一些实施例中，低温热量可以通过热风的形式输出。关于冷凝介质、为SOFC电堆的冷端降温和低温热量的更多内容，参见图1。
在一些实施例中，第一燃料和第二燃料的成分可以相同，处理阳极尾气为对阳极尾气进行冷凝，以除去阳极尾气中的水分；上述流程还可以包括：将冷凝阳极尾气得到的冷凝水输入气化模块5，以对第一燃料进行气化。关于气化第一燃料的更多内容，参见图1。
以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于扁管式SOFC热电联供系统，其特征在于，包括SOFC电堆、第一燃料供给系统、加热系统、尾气燃烧系统、降温系统；
所述第一燃料供给系统的输出与所述SOFC电堆的阳极入口连接；
所述加热系统为所述第一燃料供给系统和所述SOFC电堆供热；
所述尾气燃烧系统与所述SOFC电堆的阳极出口和阴极出口连接，并输出高温热量；
所述降温系统与所述SOFC电堆的冷端连接，并输出低温热量。
2.根据权利要求1所述的基于扁管式SOFC热电联供系统，其特征在于，所述第一燃料供给系统包括气化模块和重整器；
第一燃料的输入管道与所述气化模块的入口连接，所述气化模块的出口与所述重整器的入口连接，所述重整器的出口与所述SOFC电堆的阳极连接。
3.根据权利要求2所述的基于扁管式SOFC热电联供系统，其特征在于，所述加热系统包括第二燃料供给模块、空气供给模块、混合器和燃烧式加热器；
所述第二燃料供给模块和所述空气供给模块的输出管道将第二燃料和空气输入所述混合器混合后，输入所述燃烧式加热器的入口，所述燃烧式加热器的出口与所述第一燃料供给系统的气化模块、重整器和所述SOFC电堆连接。
4.根据权利要求3所述的基于扁管式SOFC热电联供系统，其特征在于，还包括控制系统，所述控制系统至少包括燃烧控制子系统；
所述第二燃料供给模块至少包括通断电磁阀和流量检测控制器；所述空气供给模块至少包括压力温度传感器、空气泵入单元和流量传感器；
所述燃烧控制子系统与所述通断电磁阀、所述流量检测控制器、所述压力温度传感器、所述空气泵入单元、所述流量传感器和所述燃烧式加热器连接。
5.根据权利要求1所述的基于扁管式SOFC热电联供系统，其特征在于，所述尾气燃烧系统包括阳极尾气冷凝模块、阴极尾气换热模块、混合器和催化燃烧器；
所述阳极尾气冷凝模块和所述阴极尾气换热模块的输出经尾气输送管道输入所述混合器混合后输入所述催化燃烧器。
6.根据权利要求5所述的基于扁管式SOFC热电联供系统，其特征在于，第二燃料与第一燃料的成分相同，其中，所述第一燃料用于所述SOFC电堆的阳极进行电化学反应；所述第二燃料用于燃烧产生热量，以气化重整所述第一燃料，并加热所述SOFC电堆；
所述阳极尾气冷凝模块包括冷凝器和储水箱，所述储水箱的入口至少与所述阳极尾气冷凝模块的冷凝器的出口连接，所述储水箱的出口至少与气化模块连接。
7.根据权利要求5所述的基于扁管式SOFC热电联供系统，其特征在于，所述阴极尾气换热模块包括换热器；
所述SOFC电堆反应后产生的阴极尾气经管道输入所述换热器的入口，所述换热器的出口与所述混合器连接。
8.根据权利要求1所述的基于扁管式SOFC热电联供系统，其特征在于，所述降温系统包括循环泵、膨胀罐和冷凝器；
冷凝介质从所述SOFC电堆的冷端输出后经管道输入所述降温系统的冷凝器的入口，所述降温系统的冷凝器的出口与所述膨胀罐的入口连接，所述膨胀罐的出口与所述循环泵的入口连接，所述循环泵的出口与所述SOFC电堆的冷端连接。
9.一种基于扁管式SOFC热电联供方法，其特征在于，包括，
对第一燃料进行气化重整后输入SOFC电堆的阳极进行反应；
通入第二燃料和空气，使其进行燃烧反应，以为所述第一燃料的气化重整和所述SOFC电堆供热；
将所述燃烧反应后的气体输入所述SOFC电堆的阴极进行反应；
将所述SOFC电堆的阳极输出的阳极尾气和阴极输出的阴极尾气处理后混合，并将混合后的气体输入催化燃烧器进行反应，以输出高温热量；
通过冷凝介质为所述SOFC电堆的冷端降温，并输出低温热量。
10.根据权利要求9所述的基于扁管式SOFC热电联供方法，其特征在于，所述第一燃料和所述第二燃料的成分相同，处理阳极尾气为对阳极尾气进行冷凝，以除去所述阳极尾气中的水分；
所述方法还包括：
将冷凝阳极尾气得到的冷凝水输入气化模块，以对所述第一燃料进行气化。
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