CN115172800A - 一种固体氧化物燃料电池热电联供系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种固体氧化物燃料电池热电联供系统，包括气体供给单元、燃料处理单元、电堆保温单元和SOFC电堆；气体供给单元用于向燃料处理单元提供燃料和空气；燃料处理单元包括燃烧器和换热装置，燃烧器用于点燃燃料并产生热烟气；电堆保温单元包括中空电堆保温箱，中空电堆保温箱包括外壳、金属内衬和隔热层，金属内衬位于外壳内部，隔热层位于外壳和金属内衬之间，SOFC电堆设置于金属内衬内部，热烟气被引导进入金属内衬内部对SOFC电堆加热后排出，排出的烟气进入换热器用于对燃料和空气预热，通过独特的中空电堆保温箱和控制策略，使得进入金属内衬的烟气为电堆提供热量，换热后的反应气体在内部为电堆提供热量，可实现电堆温度的快速、精准调控。

Description

一种固体氧化物燃料电池热电联供系统

技术领域

本发明涉及固体氧化物燃料电池技术领域，具体涉及一种固体氧化物燃料电池热电联供系统。

背景技术

作为第四代发电技术，固体氧化物燃料电池(SOFC)具有全固态、低噪音、和燃料广等优点，通过电化学反应将燃料化学能直接转化为电能，效率高且清洁无污染。SOFC的工作温度在500～800℃之间，独立于电网，其实际工作时需将电堆与外围系统(balance ofplant，BOP)集成为独立发电系统。BOP主要包括储能单元(为启动阶段供电)、控制单元(对系统各部件进行控制并做出反馈)、气体供给单元(鼓风机、流量计、截止阀、连接管道等)、热工部件(燃烧室、空气换热器、燃料换热器、重整器)等。

目前，SOFC系统启动时，先需要将预热后的空气和燃料通入电堆的阴极和阳极，使电堆慢慢升温至工作温度。在预热过程中空气和燃料在电堆内部并不发生电化学反应，在流经电堆后通入燃烧室燃烧产生高温烟气，高温烟气再分别通入空气和燃料换热器，用于预热常温空气和燃料。当电堆达到工作温度后即可开始放电，此阶段会消耗部分空气和燃料，未反应完成的尾气将进入燃烧室燃烧。

以上热管理思路是利用电堆尾气的热量对电堆反应气体初步预热，然后调节电堆入口气体流量与温度，从而控制电堆的温度。上述设计使得独立系统工作时存在如下问题：在启动预热阶段，仅通过预热的阴阳极气体所携带的热量要使SOFC电堆达到工作温度速度很慢，响应时间长；另外由于此时电堆四周的环境温度远低于堆芯工作温度，电堆在升温过程会有大量热散失，同样会导致堆芯升温过慢。

发明内容

基于上述表述，本发明提供了一种固体氧化物燃料电池热电联供系统，以解决现有技术中利用电堆中未反应的尾气的热量对电堆反应气体初步预热，然后调节电堆入口气体流量与温度，从而控制电堆的温度导致系统工作存在的上述技术问题。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：

一种固体氧化物燃料电池热电联供系统，包括气体供给单元、燃料处理单元、电堆保温单元和SOFC电堆；

所述气体供给单元用于向所述燃料处理单元提供燃料和空气；

所述燃料处理单元包括燃烧器和换热装置，所述燃烧器用于点燃燃料并产生热烟气；

所述电堆保温单元包括中空电堆保温箱，所述中空电堆保温箱包括外壳、金属内衬和隔热层，所述金属内衬位于所述外壳内部，所述隔热层位于所述外壳和所述金属内衬之间，所述SOFC电堆设置于所述金属内衬内部，所述热烟气被引导进入所述金属内衬内部对所述SOFC电堆加热后排出，排出的烟气进入所述换热器用于对燃料和空气预热。

与现有技术相比，本申请的技术方案具有以下有益技术效果：

本发明提供的固体氧化物燃料电池热电联供系统，通过独特的中空电堆保温箱和控制策略，使得进入金属内衬的烟气为电堆提供热量，换热后的反应气体同时在内部为电堆提供热量，通过内外协同换热，可实现电堆温度的快速、精准调控，防止堆芯过热和热应力问题并改善堆芯的密封问题；燃烧器既为堆芯提供高温的热烟气，又为空气预热和燃料提供预热热能，还能利用阴阳极尾气能量，在梯级利用热能的基础上，充分利用阴阳极尾气残余能量，提高能量利用率；各热工元件可集成化，降低外围系统体积同时减小热损，进一步提升能量密度和体积功率密度。

在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。

进一步的，所述系统还包括流量控制模块，所述气体供给单元包括空气压缩机和燃料罐，所述换热装置包括第一换热器和第二换热器，从所述空气压缩机输出的空气被分为两部分分别输送至燃烧器和第一换热器，从所述燃料罐输出的燃料被分为两部分分别输送至所述燃烧器和所述第二换热器，从所述金属内衬排出的烟气被分为分别输送至所述第一换热器和第二换热器的至少两部分；所述流量控制模块可控制每一部分的空气、燃料和烟气的流量。

在一种技术方案中，所述第一换热器和第二换热器位于所述中空电堆保温箱的外部。

进一步的，所述系统还包括余热回收装置，从所述金属内衬排出的部分烟气输出至所述余热回收装置，所述流量控制模块可控制输出至所述余热回收装置的烟气的流量。

进一步的，所述余热回收装置包括余热回收水箱和回流泵，所述余热回收水箱可接收从所述金属内衬排出的部分烟气，所述回流泵可将所述余热回收水箱内的热水输送至所述第二换热器换热，所述流量控制模块可控制输出至所述第二换热器的热水的流量。

在另一种技术方案中，所述第一换热器和所述第二换热器集成与所述中空电堆保温箱的内部。

其中，所述隔热层包括绝热陶瓷填充材料。

附图说明

图1为本发明实施例一提供的一种固体氧化物燃料电池热电联供系统的结构示意图；

图2为图1中中空电堆保温箱的结构示意图；

图3为本发明实施例二提供的一种固体氧化物燃料电池热电联供系统的结构示意图；

图4为图3中中空电堆保温箱的结构示意图。

具体实施方式

为了便于理解本申请，下面将参照相关附图对本申请进行更全面的描述。附图中给出了本申请的实施例。但是，本申请可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使本申请的公开内容更加透彻全面。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本申请。

可以理解，空间关系术语例如“在……下”、“在……下面”、“下面的”、“在……之下”、“在……之上”、“上面的”等，在这里可以用于描述图中所示的一个元件或特征与其它元件或特征的关系。应当明白，除了图中所示的取向以外，空间关系术语还包括使用和操作中的器件的不同取向。例如，如果附图中的器件翻转，描述为“在其它元件下面”或“在其之下”或“在其下”元件或特征将取向为在其它元件或特征“上”。因此，示例性术语“在……下面”和“在……下”可包括上和下两个取向。此外，器件也可以包括另外地取向(譬如，旋转90度或其它取向)，并且在此使用的空间描述语相应地被解释。

需要说明的是，当一个元件被认为是“连接”另一个元件时，它可以是直接连接到另一个元件，或者通过居中元件连接另一个元件。以下实施例中的“连接”，如果被连接的电路、模块、单元等相互之间具有电信号或数据的传递，则应理解为“电连接”、“通信连接”等。

在此使用时，单数形式的“一”、“一个”和“所述/该”也可以包括复数形式，除非上下文清楚指出另外的方式。还应当理解的是，术语“包括/包含”或“具有”等指定所陈述的特征、整体、步骤、操作、组件、部分或它们的组合的存在，但是不排除存在或添加一个或更多个其他特征、整体、步骤、操作、组件、部分或它们的组合的可能性。

实施例一

如图1所示，本实施例提供了一种固体氧化物燃料电池热电联供系统，包括气体供给单元10、燃料处理单元20、电堆保温单元30、SOFC电堆40和流量控制模块。

其中，所述气体供给单元10用于向所述燃料处理单元20提供燃料和空气；在本实施例中，所述气体供给单元10包括空气压缩机11和燃料罐12，其中空气压缩机11用于将空气压缩后输出至后续装置中，燃料罐12用于储存和输出燃料，本实施例中燃料可以为碳氢化合物，也可以为氢气。

所述燃料处理单元20包括燃烧器21和换热装置，所述燃烧器21用于点燃燃料并产生热烟气，此处产生的热烟气为高温烟气；

所述电堆保温单元30包括中空电堆保温箱，如图2所示，所述中空电堆保温箱包括外壳31、金属内衬32和隔热层33，所述金属内衬32位于所述外壳31内部，所述隔热层33位于所述外壳31和所述金属内衬32之间，外壳31为整个保温箱提供结构支撑，金属内衬32为SOFC电堆40四周的高温烟气提供流动空间，隔热层33为金属内衬32提供保温，可以理解的是，隔热层33应优选为绝热材料结构，在本实施例中，隔热层33包括绝热陶瓷填充材料，

所述SOFC电堆40设置于所述金属内衬32内部，SOFC电堆40用于进行电化学反应并产生未完全反应的阴阳极尾气。

燃烧器21燃烧燃料产生的热烟气被引导进入所述金属内衬32内部对所述SOFC电堆40加热后排出，排出的烟气夹带未完全反应的尾气进入所述换热装置用于对燃料和空气预热。

现有温度调节手段无法快速准确和有效地控制堆芯温度。当系统处于负载动态跟踪过程中，连续高负载工作使得堆芯温度和系统的环境温度均超过了最佳工作温度，甚至超过最高工作温度，影响系统的稳定与安全，为了降低温度，只有增大空气流量带走电化学反应产生的多余热量，然而，由于系统环境温度也超过了最佳工作温度，致使堆芯降温过程中会吸收大量热，降温速度慢且系统温度只能自适应达到稳态，无法快速准确有效地控制。

为了解决上述技术问题，所述换热装置包括第一换热器22和第二换热器23，从所述空气压缩机11输出的空气被分为两部分分别输送至燃烧器21和第一换热器22，从所述燃料罐12输出的燃料被分为两部分分别输送至所述燃烧器21和所述第二换热器23，从所述金属内衬32排出的烟气夹带未完全反应的尾气被分为分别输送至所述第一换热器22和第二换热器23的至少两部分，其中，所述流量控制模块可控制每一部分的空气、燃料和烟气的流量。

在本实施例，所述流量控制模块包括第一流量控制器51、第二流量控制器52、第三流量控制器53、第四流量控制器54、第五流量控制器55和第六流量控制器56，其中，第一流量控制器51用于控制空气压缩机11输出至第一换热器22的空气流量，第二流量控制器52用于控制空气压缩机11输出值至燃烧器21的空气流量；第三流量控制器53用于控制燃料罐12输出至第二换热器23的燃料流量，第四流量控制器54用于控制燃料罐12输出至燃烧器21的燃料流量；第五流量控制器55用于控制金属内衬32输出至第一换热器22的烟气和尾气的混合气体流量，第六流量控制器56用于控制金属内衬32输出至第二换热器23的烟气和尾气的混合气体流量，流量控制器对对应流体的流量控制已是较成熟的技术方案，一般采用带有反馈调节功能的流量计和控制阀设置在需要调节的流体管道上协作实现，在此不做赘述。

当燃料为碳氢化合物时，所述第一换热器22和第二换热器23位于所述中空电堆保温箱的外部，第一换热器22具体为空气换热器，第二换热器23具体为重整换热器。

该系统还包括预热回收装置60，从金属内衬32排出的部分烟气夹带未完全反应的尾气输出至所述余热回收装置60，所述流量控制模块可控制输出至所述余热回收装置60的混合气体的流量。

在本实施例中，所述余热回收装置60包括余热回收水箱61和回流泵62，所述余热回收水箱61可接收从所述金属内衬32排出的部分烟气，所述回流泵62可将所述余热回收水箱61内的热水输送至所述第二换热器23换热，所述流量控制模块可控制输出至所述第二换热器23的热水的流量，具体的，流量控制模块还包括第七流量控制器57，第七流量控制器57用于控制金属内衬32排出至余热回收水箱61的混合气体的流量，回流泵62用于可控制余热回收水箱61输出至第二换热器23的热水的流量。

本实施例提供的固体氧化物燃料电池热电联供系统在具体使用时，一般包括如下步骤或阶段：

(1)快速启动阶段

在快速启动阶段中系统还不具备发电的工作温度，此阶段主要是将堆芯加热至工作温度。

打开第二流量控制器52和第三流量控制器53，打开第一流量控制器51和第五流量控制器55，打开第四流量控制器54和第六流量控制器56，第七流量控制器57和回流泵62保持关闭；

调大第二流量控制器52和第三流量控制器53，空气和燃料均以较大流量流入所述燃烧器21，所述燃烧器21混合燃烧空气与燃料产生高温烟气并通入中空电堆保温箱，再分别流入所述空气换热器和重整换热器中，烟气最后流入所述余热回收水箱61中进行余热回收；

调节流量控制器第一流量控制器51，将较小流量的空气通入空气换热器预热，后通入SOFC电堆40的阴极预热堆芯，随后空气流入燃烧器21燃烧产生高温烟气并通入空电堆保温箱，再分别流入所述空气换热器和重整换热器中，最后进行余热回收；

调节第四流量控制器54，将较小流量的燃料通入重整换热器预热，后再通入SOFC电堆的40阳极预热堆芯，随后燃料流入燃烧器21燃烧产生高温烟气并通入中空电堆保温箱，再分别流入所述空气换热器和重整换热器中，最后进行余热回收；

在如上的工艺流程和调控方法下，高温烟气的热量在外围系统和SOFC电堆40之间循环，所述预热后的空气和燃料与所述中空电堆保温箱中的高温烟气分别从内外同时预热堆芯，使堆芯温度快速升高至工作温度，并且没有产生太大温度梯度；

(2)稳定过渡阶段

当堆芯升至工作温度使系统趋于稳定过渡状态，为确保所述SOFC电堆40有充足燃料及时进行电化学反应并稳定输出，调节方法如下：

调大第一流量控制器51，所述空气压缩机11将空气以较大流量通入空气换热器进行预热，再流入SOFC电堆40的阴极参与电化学反应，未完全反应的阴极尾气流入燃烧器21燃烧，产生高温烟气通入中空电堆保温箱，再分别流入所述空气换热器、重整换热器和余热回收水箱61；

调大第四流量控制器54，燃料以较大流量通入重整换热器，所述回流泵62将水压入所述重整换热器，燃料和水预混后流经所述重整换热器进行重整反应，重整产物预热后再通入SOFC电堆40的阳极参与电化学反应，未完全反应的阳极尾气流入燃烧器21燃烧产生高温烟气并通入中空电堆保温箱中，再分别流入所述空气换热器和所述重整换热器中，最后进行余热回收；

由于电化学反应的放热和保温箱的高温环境，为维持系统在最佳工作温度区间运行并确保系统具有充足的供热能力，调小第二流量控制器52和第三流量控制器53，降低通入燃烧器的空气和燃料流量，有效降低产生的高温烟气温度；打开并调节第七流量控制器57，将适量高温烟气通入所述余热回收水箱中，利用高温循环水将回收的热能输送到外部进行利用。

通过以上调控方法，将系统维持在最佳工作温度区间内，实现系统的稳定高效地输出电能和热能。

(3)动态负载阶段

当系统处于负载动态阶段时，由于电化学反应持续放热和中空电堆保温箱提供的高温环境，所述SOFC电堆40的温度将超出最高工作温度，影响系统稳定与安全，为维持系统最佳工作温度并防止SOFC电堆进出气口的温差过大，需要调节各旁路地进气量和出气量：

调大第一流量控制器51，所述空气压缩机11将空气以更大流量和更高流速通入所述空气换热器预热，换热时间缩短，携带热量减少，再流入SOFC电堆40的阴极参与电化学反应，未完全反应的阴极尾气流入燃烧器21燃烧，产生高温烟气通入中空电堆保温箱，再分别流入所述空气换热器、重整换热器和余热回收水箱61中；

调节第二流量控制器52和第三流量控制器53，减小燃烧旁路进气流量同时增大进气流速，同时降低所述燃烧器21产生的高温烟气的温度，将略低于最佳工作温度的高温烟气通入中空电堆保温箱，再分别流入所述空气换热器和重整换热器中；

调大第七流量控制器57，增大高温烟气通入余热回收水箱的流量，将较多的高温烟气通入所述余热回收水箱61中，利用高温循环水将回收的热能输送到外部进行利用；

调小第五流量控制器55，减小高温烟气通入所述空气换热器的流量，减小空气预热后携带的热量；以此防止SOFC电堆40过热；

通过以上调控方法，处于负载动态跟踪工作阶段的系统，实现了快速准确地控制堆芯工作温度，及时排出堆芯中的多余热量，确保系统恒定于最佳工作温度上，并未造成较大的温度梯度，实现了安全、稳定和连续地高效运行。

实施例二

本实施例表现当燃料为氢气该热联电供系统的工作情况，如图3和图4并结合图1和图2所示，由于氢气无需预混和重整，此时第一换热器21仍为空气换热器，第二换热器23可更换为燃料换热器，并将空气换热器和燃料换热器集成于中空电堆保温箱内部，直接将空气和燃料通入中空电堆保温箱中换热，减少换热装置和管道的热损失，系统结构更紧凑。此外，可去掉上述实施例中的回流泵及其对原重整换热器输送回流热水的管道。

在该实施方式下，系统的工艺流程不变，快速启动阶段和稳定过渡阶段的调控方法不变，负载跟踪阶段的调控方法在上述实施例基础上，调大第四流量控制器54，将燃料以更大流量和更高流速通入燃料换热器，流入SOFC电堆40的阳极。

在该实施方式中，由于以纯氢气作为燃料，无需预混、重整和换热，无需考虑燃料重整效果给电堆带来的影响，故燃料换热器可直接置于中空保温箱中，进一步提高换热效率，减小管道连接中的热损失。

在该实施方式中，为了达到快速响应的目的，空气和燃料在作为电化学反应气体基础上，还具备传热介质的作用；在快速启动阶段时，空气和燃料将高温烟气的热量带入电堆内部，同时中空保温箱提供的高温环境从外部预热电堆，使堆芯温度快速升高至工作温度，并且没有产生太大温度梯度；在动态负载阶段，空气和燃料将电堆过多的热量带离电堆内部，确保工作温度在安全区间内；

以上系统的改进保证了该系统保留快速响应的优点的同时，将热工元件集成到中空保温箱，系统结构更紧凑，减少管道连接中的热损失。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，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 (7)

1.一种固体氧化物燃料电池热电联供系统，其特征在于，包括气体供给单元、燃料处理单元、电堆保温单元和SOFC电堆；

所述气体供给单元用于向所述燃料处理单元提供燃料和空气；

所述燃料处理单元包括燃烧器和换热装置，所述燃烧器用于点燃燃料并产生热烟气；

所述电堆保温单元包括中空电堆保温箱，所述中空电堆保温箱包括外壳、金属内衬和隔热层，所述金属内衬位于所述外壳内部，所述隔热层位于所述外壳和所述金属内衬之间，所述SOFC电堆设置于所述金属内衬内部，所述热烟气被引导进入所述金属内衬内部对所述SOFC电堆加热后排出，排出的烟气进入所述换热器用于对燃料和空气预热。

2.根据权利要求1所述的固体氧化物燃料电池热电联供系统，其特征在于，所述系统还包括流量控制模块，所述气体供给单元包括空气压缩机和燃料罐，所述换热装置包括第一换热器和第二换热器，从所述空气压缩机输出的空气被分为两部分分别输送至燃烧器和第一换热器，从所述燃料罐输出的燃料被分为两部分分别输送至所述燃烧器和所述第二换热器，从所述金属内衬排出的烟气被分为分别输送至所述第一换热器和第二换热器的至少两部分；所述流量控制模块可控制每一部分的空气、燃料和烟气的流量。

3.根据权利要求2所述的固体氧化物燃料电池热电联供系统，其特征在于，所述第一换热器和第二换热器位于所述中空电堆保温箱的外部。

4.根据权利要求3所述的固体氧化物燃料电池热电联供系统，其特征在于，所述系统还包括余热回收装置，从所述金属内衬排出的部分烟气输出至所述余热回收装置，所述流量控制模块可控制输出至所述余热回收装置的烟气的流量。

5.根据权利要求4所述的固体氧化物燃料电池热电联供系统，其特征在于，所述余热回收装置包括余热回收水箱和回流泵，所述余热回收水箱可接收从所述金属内衬排出的部分烟气，所述回流泵可将所述余热回收水箱内的热水输送至所述第二换热器换热，所述流量控制模块可控制输出至所述第二换热器的热水的流量。

6.根据权利要求2所述的固体氧化物燃料电池热电联供系统，其特征在于，所述第一换热器和所述第二换热器集成与所述中空电堆保温箱的内部。

7.根据权利要求1-6任一项所述的固体氧化物燃料电池热电联供系统，其特征在于，所述隔热层包括绝热陶瓷填充材料。

Images