CN115172801B - 固体氧化物燃料电池与光热利用一体化系统及方法 - Google Patents

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Abstract

公开了一种固体氧化物燃料电池与光热利用一体化系统及方法，所述系统由发电单元、储热单元与SOFC热电联供单元组成，发电单元包括氨气罐、冷凝器、蒸汽轮机、水泵，储热单元包括熔融盐储热罐、熔融盐泵、太阳能集热器。氨气作为冷凝器的冷却气，并作为燃料电池的燃料，熔融盐储热罐用作发电循环的热源，实现物料和能量充分利用；热管用于电池热管理以降低电池失效概率，并将SOFC余热导至储热罐储存；运用催化燃烧换热一体化装置、内重整技术、单罐储热技术，减小系统占地面积并提高系统紧凑性。所述系统有启动、SOFC供热发电和联合发电三种运行模式，利用太阳能和燃料电池余热发电，系统效率高。

Description

固体氧化物燃料电池与光热利用一体化系统及方法
技术领域
本发明属于固体氧化物燃料电池与太阳能光热利用技术领域，特别是一种固体氧化物燃料电池与光热利用一体化系统。
背景技术
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。固体氧化物燃料电池(SOFC)是一种在600-1000℃温度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。它无需铂等贵金属作为催化剂，降低了生产成本；对燃料适应性广，可使用氢气、天然气、氨气等气体以及甲醇、乙醇等液体作为燃料；其较高的工作温度一方面提高了化学反应速率、降低了活化电极电势，另一方面可通过搭建余热利用系统实现热电联供，目前已实现国内商业化。
但是，SOFC热管理困难，高温工作时经常会因为整体温度分布不均、局部温度过高而使电池失效。目前常用的散热方式是通过调节空气流量带走多余热量，这种方式传热效率低且耗能高。另外，目前商用的SOFC热电联供系统装置众多，包括蒸发器、重整器、燃烧器、换热器等，占地面积大。太阳能作为人类最大的可再生资源，已成为解决能源与环境问题双重危机的重要方向。但是，由于太阳光不稳定，导致系统运行稳定性受限。因此，设计新型高效稳定紧凑的SOFC-太阳能光热利用系统变得非常重要。
在背景技术部分中公开的上述信息仅仅用于增强对本发明背景的理解，因此可能包含不构成在本国中本领域普通技术人员公知的现有技术的信息。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明提出一种固体氧化物燃料电池与光热利用一体化系统及方法，利用热管实现对SOFC高效热管理的同时，结合发电单元与储能单元，实现对SOFC余热和太阳能的利用；使用SOFC内重整技术、催化燃烧换热一体化装置、单罐熔融盐储热技术，减小系统体积，增加系统紧凑性。
本发明的目的是通过以下技术方案予以实现，一种固体氧化物燃料电池与光热利用一体化系统，其特征在于，其包括发电单元、储热单元与固体氧化物燃料电池热电联供单元，其中，
发电单元包括；
蒸汽轮机，其利用高压蒸汽膨胀做功以排出低压高温蒸汽；
发电机，其经由蒸汽轮机带动以输出电能；
冷凝器，其连接所述蒸汽轮机以用氨气冷却所述蒸汽轮机排出的低压高温蒸汽为低压低温液态水；
水泵，其连接所述冷凝器将低温低压的液体水加压变为低温高压的水，为蒸汽轮机循环提供动力；
熔融盐储热罐，其连接所述水泵和蒸汽轮机；
熔融盐储热罐、蒸汽轮机、冷凝器和水泵通过管路依次连接形成发电单元回路；
所述储热单元包括：
熔融盐泵，其连接所述熔融盐储热罐以给熔融盐储热罐中的熔融盐流动提供能量；
太阳能集热器，其吸收太阳光能量，所述太阳能集热器经由第一阀门可通断地连通熔融盐泵；
第一换热器，其经由第二阀门可通断地连通熔融盐泵；
熔融盐储热罐、熔融盐泵、第一阀门、太阳能集热器通过管路依次连接形成储热第一循环回路，所述熔融盐储热罐、熔融盐泵、第二阀门、第一换热器通过管路依次连接形成储热第二循环回路；
所述固体氧化物燃料电池热电联供单元包括：
氨气罐，其储存氨气；
第一固体氧化物燃料电池，其燃料为氨气，发电的同时产生高温尾气，第一固体氧化物燃料电池经由第一热管连接所述第一换热器；
第二固体氧化物燃料电池，其燃料为天然气，发电的同时产生高温尾气，第二固体氧化物燃料电池经由第二热管连接所述第一换热器；
催化燃烧换热一体化装置，氨气与天然气在不点燃的情况下发生燃烧反应，产生热量的同时加热冷空气；
第三换热器，其一端连接所述催化燃烧换热一体化装置以利用其尾气余热加热天然气，使其达到发生蒸汽催化重整的温度，另一端连接所述第二固体氧化物燃料电池；
第二换热器，其连接所述第三换热器以利用其余热加热氨气，使其达到发生催化重整的温度，另一端连接所述第一固体氧化物燃料电池；
第四换热器，其连接所述第二换热器以利用其余热加热生活用水。
第一压气机，其为氨气流动提供能量，所述第一压气机一端连接冷凝器，另一端经由第三阀门可通断连接氨气罐；
第二压气机，其为天然气流动提供能量，所述第二压气机一端连接所述第二换热器，另一端经由第四阀门可通断连接天然气的天然气罐；
第三压气机，其吸入空气并提供流动所需能量，所述第三压气机连接所述催化燃烧换热一体化装置；
所述氨气罐、第三阀门、第一压气机、冷凝器、第二换热器、第一固体氧化物燃料电池、第二固体氧化物燃料电池、催化燃烧换热一体化装置、第二换热器、第三换热器依次连接形成开式管路；所述天然气罐、第四阀门、第二压气机、第二换热器、第二固体氧化物燃料电池依次连接形成管路；所述第三压气机、催化燃烧换热一体化装置、第一固体氧化物燃料电池、第二固体氧化物燃料电池依次连接形成管路，第一固体氧化物燃料电池、第二固体氧化物燃料电池与催化燃烧换热一体化装置为并联关系；生活用水通过第四换热器形成开式管路。
所述的固体氧化物燃料电池与光热利用一体化系统中，所述熔融盐储热罐包括，
罐底，其从上到下依次设有耐火砖层、砂垫层、泡沫玻璃、混凝土和水泥层；
罐壁，其自所述罐底向上延伸，所述罐壁从内到外依次设有自所述耐火砖层一体延伸的耐火砖、不锈钢和保温层；
罐顶，其围合所述罐壁以构成封闭的罐体，所述罐顶设有与所述罐壁一体延伸的保温层；
冷盐出口，其设于所述罐壁底部；
热盐进口，其设于所述罐壁顶部。
所述的固体氧化物燃料电池与光热利用一体化系统中，所述熔融盐储热罐为圆柱形拱顶，其内设有熔融盐，所述熔融盐和罐顶之间充有保护气，蒸汽盘管置于熔融盐储热罐内。
所述的固体氧化物燃料电池与光热利用一体化系统中，所述高温熔融盐为不低于565℃，低温熔融盐为不高于288℃。当低温熔融盐吸收热量变为高温熔融盐从热盐进口注入熔融盐储热罐时，位于储罐底部的温度低密度高的低温熔融盐从冷盐出口排出，直至蓄热完成，需要取出热量时，蒸汽从盘管进口进入，通过对流换热的方式导出熔融盐的热量，从盘管出口流出，用于蒸汽轮机的运作。
所述的固体氧化物燃料电池与光热利用一体化系统中，所述第一热管由半圆形热管上添加翅片构成，半圆形热管直径为2mm，流线型翅片长度50mm，高度距圆心2.5mm，宽度为0.2mm，两个翅片中心之间的夹角为45°。
所述的固体氧化物燃料电池与光热利用一体化系统中，所述翅片为波纹板，通过周期性变换流动方向破坏流动边界层。
所述的固体氧化物燃料电池与光热利用一体化系统中，催化燃烧换热一体化装置包括横卧式圆柱形容器，其外部由保温材料包裹；
冷空气进口，其设于所述圆柱形容器一端；
热空气出口，其设于所述圆柱形容器相反于所述冷空气进口的另一端；
混合气进口，其设于所述圆柱形容器的上端，所述混合气进口连接所述第一固体氧化物燃料电池和第二固体氧化物燃料电池；
混合气出口，其设于所述圆柱形容器的下端；
冷流道进口汇管，其设于所述圆柱形容器内且连通冷空气进口；
冷流道出口汇管，其设于所述圆柱形容器内且连通热空气出口，冷流道进口汇管和冷流道出口汇管之间设有冷流道；
热流道进口汇管，其设于所述圆柱形容器内且连通混合气进口；
热流道出口汇管，其设于所述圆柱形容器内且连通混合气出口，在热流道进口汇管和热流道出口汇管之间的流道为热流道，所述热流道和冷流道平行间隔布置且互不相通。
所述的固体氧化物燃料电池与光热利用一体化系统中，热流道表面涂有镍基催化剂。
所述的固体氧化物燃料电池与光热利用一体化系统中，所述冷流道、热流道体积流量比为0.86。
所述的固体氧化物燃料电池与光热利用一体化系统的使用方法，其特征在于，其包括以下步骤，
开启第四阀门、第二压气机、第三压气机和催化燃烧换热一体化装置，第二固体氧化物燃料电池不运行,待催化燃烧产生的热量满足第二换热器、第三换热器工作负荷时，开启第三阀门、第一压气机、第二换热器、第三换热器、第一固体氧化物燃料电池和第二固体氧化物燃料电池；
待第一热管和第二热管导出的热量满足第一换热器的热负荷时，开启第一换热器、熔融盐泵、第一阀门、第二阀门和太阳能集热器，将热量储存于熔融盐储热罐中，最后开启蒸汽轮机、发电机、冷凝器和水泵；
太阳能不足时，固体氧化物燃料电池供热发电，其中，关闭第一阀门，开启第二阀门和第三阀门，氨气罐内的氨气通过第一压气机加压，通过冷凝器和第二换热器后，进入第一固体氧化物燃料电池的阳极发生重整和电化学反应，生成物水和甲烷进入第二固体氧化物燃料电池阳极，其中未反应完的氨气和甲烷与空气充分混合后，在催化燃烧换热一体化装置中进行催化燃烧，反应后的余热加热空气、经第三换热器加热天然气、经第二换热器加热氨气、经第四换热器加热生活用水。第一固体氧化物燃料电池与第二固体氧化物燃料电池经第一热管和第二热管将热量传递至第一换热器中，并通过储热第二循环回路将热量储存于熔融盐储热罐中，再通过发电循环回路进行发电，太阳能稳定或波动的联合发电模式中，打开第一阀门，太阳能通过太阳能集热器加热低温熔融盐，将热量储存于熔融盐储热罐中，再通过发电循环回路进行发电。
和现有技术相比，本发明具有以下优点：
1)系统耦合性强。本发明通过冷凝器、第一换热器和熔融盐储热罐将三个单元耦合起来。氨气既作为发电单元中冷凝器的冷却介质，同时也是SOFC热电联供单元中的燃料气之一；第一换热器吸收由热管传导出来的热量，并通过熔融盐储存于储罐中。
2)物料和能量利用率高。使用2个SOFC串联连接方式，充分利用第一SOFC反应产物，作为第二SOFC的反应物之一；SOFC的热量不仅能够通过热管传递给储热单元进行储存与利用，还能够通过SOFC热电联供单元进行能量阶梯利用。
3)系统紧凑性高。本发明使用了催化燃烧换热一体化装置、SOFC内重整技术、单罐熔融盐储热，使系统功能不变的情况下大大减小占地面积。
4)SOFC热管理效率高。相比于通过调节空气流量带走多余热量的传统方法，热管传热效率高且耗能低，同时避免高温工作时发生整体温度分布不均、局部温度过高的情况，降低了电池失效风险。
附图说明
通过阅读下文优选的具体实施方式中的详细描述，本发明各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。说明书附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。显而易见地，下面描述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。而且在整个附图中，用相同的附图标记表示相同的部件。
在附图中：
图1是根据本发明一个实施例的固体氧化物燃料电池与光热利用一体化系统的整体系统示意图；
图2是根据本发明一个实施例的熔融盐储热罐的结构示意图；
图3是根据本发明一个实施例的第一热管及第一换热器结构的示意图；
图4是根据本发明一个实施例的催化燃烧换热一体化装置结构的示意图；
其中，1-氨气罐；2-第三阀门；3-第一压气机；4-冷凝器；5-第二换热器；6-第一固体氧化物燃料电池；7-第二固体氧化物燃料电池；8-催化燃烧换热一体化装置；9-第三换热器；10-第四换热器；11-天然气罐；12-第四阀门；13-第二压气机；14-第三压气机；15-第一热管；16-第二热管；17-第一换热器；18-熔融盐储热罐；19-熔融盐泵；20-第一阀门；21-太阳能集热器；22-第二阀门；23-蒸汽轮机；24-发电机；25-水泵；26-保护气；27-保温层；28-不锈钢；29-耐火砖层；30-热盐进口；31-盘管进口；32-熔融盐；33-砂垫层；34-盘管出口；35-冷盐出口；36-混凝土；37-泡沫玻璃；38-水泥；39-水管；40-阳极集流板；41-阳极流道；42-阳极；43-电解质；44-阴极；45-阴极流道；46-阴极集流板；47-半圆形热管；48-翅片；49-保温材料；50-冷空气进口；51-热空气出口；52-混合气进口；53-混合气出口；54-冷流道进口汇管；55-冷流道出口汇管；56-热流道进口汇管；57-热流道出口汇管；58-热流道；59-冷流道。
以下结合附图和实施例对本发明作进一步的解释。
具体实施方式
下面将参照附图1至图4更详细地描述本发明的具体实施例。虽然附图中显示了本发明的具体实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。
需要说明的是，在说明书及权利要求当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可以理解，技术人员可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求并不以名词的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求当中所提及的“包含”或“包括”为一开放式用语，故应解释成“包含但不限定于”。说明书后续描述为实施本发明的较佳实施方式，然所述描述乃以说明书的一般原则为目的，并非用以限定本发明的范围。本发明的保护范围当视所附权利要求所界定者为准。
为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个附图并不构成对本发明实施例的限定。
为了更好地理解，图1是根据本发明一个实施例的紧凑式固体氧化物燃料电池与光热利用一体化系统的结构示意图。如图1所示，一种紧凑式固体氧化物燃料电池与光热利用一体化系统包括发电单元、储热单元与SOFC热电联供单元。
所述发电单元包括：
熔融盐储热罐18，用于储存由热管导出的热量和太阳能光热。其结构如图2所示，是一个由罐顶、罐壁和罐底组成的密闭圆柱形拱顶储罐罐体，
蒸汽轮机23，利用高压蒸汽膨胀做功带动发电机发电，
发电机24，由蒸汽轮机带动，对外输出电能，
冷凝器4，用氨气冷却蒸汽轮机排出的低压高温蒸汽，使低压高温蒸汽变为液态水，
水泵25，将低温低压的水加压变为低温高压的水，为蒸汽轮机循环提供动力，
熔融盐储热罐18、蒸汽轮机23、冷凝器4和水泵25通过管路依次连接形成发电单元回路；
所述储热单元包括：
熔融盐储热罐18，即发电单元的熔融盐储热罐，是耦合储热单元于发电单元的装置，
熔融盐泵19，给熔融盐流动提供能量，
太阳能集热器21，用于吸收太阳光能量并加热熔融盐，
第一阀门20，控制从熔融盐泵到太阳能集热器的通断，
第二阀门22，控制从熔融盐泵到第一换热器的通断，
第一换热器17，结构示意图见图3，能将热管导出的热传递给熔融盐，
熔融盐储热罐18、熔融盐泵19、第一阀门20、太阳能集热器21通过管路依次连接形成储热第一循环回路，所述熔融盐储热罐18、熔融盐泵19、第二阀门22、第一换热器17通过管路依次连接形成储热第二循环回路；
所述SOFC热电联供单元包括：
氨气罐1，用于储存氨气，
冷凝器4，即发电单元中的冷凝器，是耦合SOFC热电联供单元与发电单元的装置，
第一SOFC6，即固体氧化物燃料电池，燃料使用的是氨气，发电的同时可产生高温尾气，
第二SOFC7，即固体氧化物燃料电池，燃料使用的是天然气，发电的同时可产生高温尾气，
催化燃烧换热一体化装置8,其结构示意图见图4，其结构为一个横卧式圆柱形容器。它可使未发生反应的氨气与天然气在不点燃的情况下发生燃烧反应，产生热量的同时加热冷空气，
第一换热器17，耦合SOFC热电联供单元与储热单元的装置，
第二换热器5，利用第三换热器的尾气余热加热燃料氨气，使其达到发生催化重整的温度，
第三换热器9，利用催化燃烧换热一体化装置的尾气余热加热燃料天然气，使其达到发生蒸汽催化重整的温度，
第四换热器10，利用第二换热器的尾气余热加热生活用水，使其出口达到90℃热水温度，
第一热管15，用于导出第一SOFC的热量并传递给第一换热器，
第二热管16，用于导出第二SOFC的热量并传递给第一换热器，
天然气罐11，用于储存天然气，
第一压气机3，为氨气流动提供能量，
第二压气机13，为天然气流动提供能量，
第三压气机14，吸入空气并提供流动所需能量，
第三阀门2，控制氨气进料，
第四阀门12，控制天然气进料，
所述氨气罐1、第三阀门2、第一压气机3、冷凝器4、第二换热器5、第一SOFC6、第二SOFC7、催化燃烧换热一体化装置8、第二换热器5、第三换热器9依次连接形成开式管路；所述天然气罐11、第四阀门12、第二压气机13、第二换热器5、第二SOFC7依次连接形成管路；所述第三压气机14、催化燃烧换热一体化装置8、第一SOFC6、第二SOFC7依次连接形成管路，其中第一SOFC6与第二SOFC7与催化燃烧换热一体化装置8为并联关系；生活用水通过第四换热器10形成开式管路；第一热管15连接第一SOFC6与第一换热器17，第二热管16连接第二SOFC7与第一换热器17。
所述的紧凑式固体氧化物燃料电池与光热利用一体化系统工作方法包括启动模式、太阳能不足时的SOFC供热发电模式以及太阳能稳定或波动时的联合发电模式，具体如下：
所述启动模式时，开启第四阀门12、第二压气机13、第三压气机14和催化燃烧换热一体化装置8，第二SOFC7不运行。待催化燃烧产生的热量满足第二换热器5、第三换热器9工作负荷时，开启第三阀门2、第一压气机3、第二换热器5、第三换热器9、第一SOFC6和第二SOFC7。待第一热管15和第二热管16导出的热量满足第一换热器17的热负荷时，开启第一换热器17、熔融盐泵19、第一阀门20、第二阀门22和太阳能集热器21，将热量储存于熔融盐储热罐18中，最后开启蒸汽轮机23、发电机24、冷凝器4和水泵25，从而实现系统的稳定运行。
所述太阳能不足时的SOFC供热发电模式，即遇到多云或连续阴雨天等情况无法使太阳能集热器稳定工作时，关闭第一阀门20，开启第二阀门22和第三阀门2，氨气罐1内的氨气通过第一压气机3获得流动能量，通过冷凝器4和第二换热器5后，进入第一SOFC6的阳极。第一SOFC6的阳极表面涂有镍基催化剂。在800-850℃、常压下，氨气在镍基催化剂表面发生重整反应，分解成氮气和氢气，其化学反应式如下
空气经催化燃烧换热一体化装置8加热后，其中的氧气在阴极得到电子发生还原反应变为O2-，并通过电解质传导至阳极，与H2在阳极表面发生反应生成水，即
阴极：O2+4e-→2O2-
阳极：2O2-+2H2-4e-→2H2O
生成的水与其他剩余气体通入第二SOFC7的阳极，水与从天然气罐11来的天然气发生蒸汽重整反应，其化学反应式如下
除了发生氢气与氧离子结合生成水的反应以外，在阳极，一氧化碳也会与氧离子发生反应，其化学反应式如下
O2-+CO-2e-→CO2
其中未反应完的氨气、甲烷与空气充分混合后，在催化燃烧换热一体化装置8中进行催化燃烧，反应后的余热加热空气、经第三换热器9加热天然气、经第二换热器5加热氨气、经第四换热器10加热生活用水。第一SOFC6与第二SOFC7经第一热管15和第二热管16将热量传递至第一换热器17中，并通过储热第二循环回路将热量储存于熔融盐储热罐18中，再通过发电循环回路进行发电。
太阳能稳定或波动时的联合发电模式，在所述SOFC供热发电模式基础上，打开第一阀门20，太阳能通过太阳能集热器21加热低温熔融盐，将热量储存于熔融盐储热罐18中，再通过发电循环回路进行发电。
图2是根据本发明一个实施例的熔融盐储热罐的结构示意图。其结构是一个由罐顶、罐壁和罐底组成的密闭圆柱形拱顶储罐罐体。罐顶内填充岩棉等陶瓷绝热材料构成保温层27，罐壁从内到外依次是耐火砖层29、不锈钢28和保温层27，罐底从上到下依次是耐火砖层29、砂垫层33、泡沫玻璃37、混凝土36(内含水管39)和水泥38，罐顶与熔融盐之间充入保护气26。罐壁底部有一冷盐出口35，罐壁顶部有一热盐进口30。储热单元工作时，高温熔融盐为565℃，低温熔融盐为288℃。当低温熔融盐吸收热量变为高温熔融盐从顶部热盐进口30注入熔融盐储热罐时，由于温度低密度高的低温熔融盐位于储罐底部，就从冷盐出口35排出，直至蓄热完成。需要取出热量时，另引一条蒸汽盘管置于熔融盐储热罐18内，蒸汽从盘管进口31进入，通过对流换热的方式导出熔融盐的热量，从盘管出口34流出，用于发电单元蒸汽轮机的运作。熔融盐32使用的是由60％硝酸钠与40％硝酸钾构成的太阳盐。
图3是本发明采用的热管及第一换热器结构图。该热管与SOFC流道匹配，首先介绍SOFC结构与尺寸。SOFC流道单元包括阳极集流板40、阳极流道41、阳极42、电解质43、阴极44、阴极流道45和阴极集流板46。整个流道单元总长6mm，总高度10mm；流道长度4mm，高度3mm。
半圆形热管47上添加翅片48构成本发明所使用的第一热管15和第二热管16。热管两端封死，蒸发段位于SOFC阴阳极流道中，其中半圆形热管直径为2mm，翅片长度50mm，高度距圆心2.5mm，宽度为0.2mm，两个翅片中心之间的夹角为45°。冷凝段置于第一换热器中，第一换热器是一种交叉流式管翅式换热器，翅片使用的是波纹板，有利于增大换热面积和周期性变换流动方向从而强化换热。第一换热器流动方式为交叉流动，即热管内的介质流动方向沿着管长方向，翅片间的熔融盐流动方向为平行于翅片方向，两者呈垂直关系。
接下来通过传热分析说明蒸发段和冷凝段强化换热的重要性。由传热学知识可知，热管传热过程中的热阻由7部分组成，分别是从流体到蒸发段外壁的传热热阻R1、从蒸发段外壁到内壁的导热热阻R2、蒸发段传热热阻R3、从蒸发段到冷凝段蒸汽流动的压降所引起的热阻R4、冷凝段传热热阻R5、冷凝段固体壁面导热热阻R6和冷凝段外管壁与冷流体间的传热热阻R7，其中R2-R6是热管内部的热阻，与热管的材料、长度、管径等有关，是热管本身的性质决定的。假设热管外径do＝25mm，内径di＝21mm。蒸发段长度le和冷凝段lc均为1m，碳钢导热系数且＝43.2W·m-1·K-1。由于空气强迫对流换热系数在20-100W·m-2·K-1不等，取其平均值60W·m-2·K-1作为热管蒸发段和冷凝段外表面总传热系数ho，e和ho，c。对于该热管7部分的热阻计算如下。
设蒸发传热表面传热系数hi，e＝5000W·m-2·K-1，则
蒸汽的的压降导致饱和温度下降，这等价于存在一个热阻。但实际上由于压降很小，因而所引起的相应的温差也很小，所以R4≈0
设凝结传热表面传热系数hi，c＝6000W·m-2·K-1，则
R6＝R2＝6.4×10-4K/W
R7＝R1＝0.2122K/W
热管内部热阻R2-R6之和为6.78×10-3K/W，而R1和R7远大于这个值，因此要想强化热管换热必须从外表面热阻入手。于是在蒸发段外表面添加了流线型翅片，在强化蒸发段换热的同时尽可能地减小流动阻力；在冷凝段增加了波纹板。这种结合翅片、热管与波纹板的换热形式能极大地强化换热，保证SOFC不会因为温度过高或温度梯度过大而失效。
图4是根据本发明一个实施例的催化燃烧换热一体化装置结构的示意图。其结构为一个横卧式圆柱形容器，外部由保温材料49包裹。圆柱左端面为冷空气进口50，右端面为热空气出口51，圆柱侧面上端为SOFC阴阳极的混合气进口52，下端为催化燃烧后的混合气出口53。催化燃烧换热一体化装置内部包含四根汇管与多个平行流道，与冷空气进口50相连的是冷流道进口汇管54，与热空气出口51相连的是冷流道出口汇管55，与SOFC阴阳极的混合气进口52相连的是热流道进口汇管56，与催化燃烧后的混合气出口53相连的是热流道出口汇管57，在冷流道进口汇管54和冷流道出口汇管55之间的流道为冷流道59，在热流道进口汇管56和热流道出口汇管57之间的流道为热流道58。相邻两个平行流道互不相通，相间两个平行流道以汇管相连。在热流道58表面涂有镍基催化剂，在850℃以上的情况下可使甲烷和氨气在不点燃的情况下发生催化燃烧反应，转化为水蒸气和二氧化碳，完成燃烧过程。
根据电化学守恒与质量守恒，对催化燃烧换热一体化装置8的冷、热流道的气体体积流量比α进行设计。针对第一SOFC6、第二SOFC7和催化燃烧换热一体化装置8构成的系统，物料进口包括氨气、天然气和空气，出口气体为氮气、二氧化碳、水蒸气和空气。假设氨气和天然气的体积流量均为2m3/s，则根据化学方程式
4NH3+3O2＝2N2+6H2O
CH4+2O2＝CO2+2H2O
可知，氨气的氧化反应中氧气总消耗量为1.5m3/s，天然气的氧化反应中氧气总消耗量为4m3/s，生成1m3/sN2、7m3/sH2O、2m3/s CO2。假设空气中氧气占比20％，则所需空气的量为27.5m3/s，未反应空气22m3/s。因此，冷、热流道的气体体积流量比α为
根据能量守恒，对冷、热流道的气体流量比进行校核。已知甲烷低热值LHVCH4为35.8MJ/Nm3，氨气低热值LHVNH3为14.76MJ/Nm3，假设氨气在第一SOFC6中的转化率为80％，天然气在第二SOFC7中的转化率为80％，进入装置前的氨气、甲烷和空气混合均匀，且刚进入催化燃烧换热一体化装置8后立即完全转化为燃烧生成物。假设冷流道空气进口温度为25℃，出口温度为775℃，热流道进口温度850℃，出口温度950℃。则冷流道空气平均温度为400℃，热流道流体平均温度为900℃，其平均温度下的定压比热与密度如下表所示。
根据能量守恒可知
Q燃烧＝Q冷+Q热+Q其他
其中，Q燃烧为催化燃烧反应热流量，Q冷为冷流道流体吸收热流量，Q热为热流道流体吸收热流量，Q其他为维持反应温度或耗散等热流量。
根据进口流量与SOFC转化率可知，进入催化燃烧换热一体化装置8的氨气与天然气的体积流量均为0.4m3/s，则
Q燃烧＝LHVCH4×VCH4+LHVNH3×VNH3
＝(35.8+14.76)MJ/m3×0.4m3/s＝20.224MW＝20224kW冷流道流体吸收热流量Q冷为
热流道流体吸收热流量Q热为
所以
Q其他＝Q燃烧-Q热-Q冷＝20224-11542.4-1243.3＝7438.3kW＞0还有能量剩余用于其他用途。因此该冷、热流道流量体积比是合理且使物料使用率最高。
尽管以上结合附图对本发明的实施方案进行了描述，但本发明并不局限于上述的具体实施方案和应用领域，上述的具体实施方案仅仅是示意性的、指导性的，而不是限制性的。本领域的普通技术人员在本说明书的启示下和在不脱离本发明权利要求所保护的范围的情况下，还可以做出很多种的形式，这些均属于本发明保护之列。

Claims (10)

1.一种固体氧化物燃料电池与光热利用一体化系统，其特征在于，其包括发电单元、储热单元与固体氧化物燃料电池热电联供单元，其中，
发电单元包括，
蒸汽轮机，其利用高压蒸汽膨胀做功以排出低压高温蒸汽；
发电机，其经由蒸汽轮机带动以输出电能；
冷凝器，其连接所述蒸汽轮机以用氨气冷却所述蒸汽轮机排出的低压高温蒸汽为低压低温液态水；
水泵，其连接所述冷凝器将低温低压的液体水加压变为低温高压的水，为蒸汽轮机循环提供动力；
熔融盐储热罐，其连接所述水泵和蒸汽轮机；
熔融盐储热罐、蒸汽轮机、冷凝器和水泵通过管路依次连接形成发电单元回路；
所述储热单元包括：
熔融盐泵，其连接所述熔融盐储热罐以给熔融盐储热罐中的熔融盐流动提供能量；
太阳能集热器，其吸收太阳光能量，所述太阳能集热器经由第一阀门可通断地连通熔融盐泵；
第一换热器，其经由第二阀门可通断地连通熔融盐泵；
熔融盐储热罐、熔融盐泵、第一阀门、太阳能集热器通过管路依次连接形成储热第一循环回路，所述熔融盐储热罐、熔融盐泵、第二阀门、第一换热器通过管路依次连接形成储热第二循环回路；
所述固体氧化物燃料电池热电联供单元包括：
氨气罐，其储存氨气；
第一固体氧化物燃料电池，其燃料为氨气，发电的同时产生高温尾气，第一固体氧化物燃料电池经由第一热管连接所述第一换热器；
第二固体氧化物燃料电池，其燃料为天然气，发电的同时产生高温尾气，第二固体氧化物燃料电池经由第二热管连接所述第一换热器；
催化燃烧换热一体化装置，氨气与天然气在不点燃的情况下发生燃烧反应，产生热量的同时加热冷空气；
第三换热器，其一端连接所述催化燃烧换热一体化装置以利用其尾气余热加热天然气，使其达到发生蒸汽催化重整的温度，另一端连接所述第二固体氧化物燃料电池；
第二换热器，其连接所述第三换热器以利用其余热加热氨气，使其达到发生催化重整的温度，另一端连接所述第一固体氧化物燃料电池；
第四换热器，其连接所述第二换热器以利用其余热加热生活用水；
第一压气机，其为氨气流动提供能量，所述第一压气机一端连接冷凝器，另一端经由第三阀门可通断连接氨气罐；
第二压气机，其为天然气流动提供能量，所述第二压气机一端连接所述第二换热器，另一端经由第四阀门可通断连接天然气的天然气罐；
第三压气机，其吸入空气并提供流动所需能量，所述第三压气机连接所述催化燃烧换热一体化装置；
所述氨气罐、第三阀门、第一压气机、冷凝器、第二换热器、第一固体氧化物燃料电池、第二固体氧化物燃料电池、催化燃烧换热一体化装置、第二换热器、第三换热器依次连接形成开式管路；所述天然气罐、第四阀门、第二压气机、第二换热器、第二固体氧化物燃料电池依次连接形成管路；所述第三压气机、催化燃烧换热一体化装置、第一固体氧化物燃料电池、第二固体氧化物燃料电池依次连接形成管路，第一固体氧化物燃料电池、第二固体氧化物燃料电池与催化燃烧换热一体化装置为并联关系；生活用水通过第四换热器形成开式管路。
2.根据权利要求1所述的固体氧化物燃料电池与光热利用一体化系统，其中，优选的，所述熔融盐储热罐包括，
罐底，其从上到下依次设有耐火砖层、砂垫层、泡沫玻璃、混凝土和水泥层；
罐壁，其自所述罐底向上延伸，所述罐壁从内到外依次设有自所述耐火砖层一体延伸的耐火砖、不锈钢和保温层；
罐顶，其围合所述罐壁以构成封闭的罐体，所述罐顶设有与所述罐壁一体延伸的保温层；
冷盐出口，其设于所述罐壁底部；
热盐进口，其设于所述罐壁顶部。
3.根据权利要求2所述的固体氧化物燃料电池与光热利用一体化系统，其中，所述熔融盐储热罐为圆柱形拱顶，其内设有熔融盐，所述熔融盐和罐顶之间充有保护气，蒸汽盘管置于熔融盐储热罐内。
4.根据权利要求2所述的固体氧化物燃料电池与光热利用一体化系统，其中，所述高温熔融盐为不低于565℃，低温熔融盐为不高于288℃，当低温熔融盐吸收热量变为高温熔融盐从热盐进口注入熔融盐储热罐时，位于储罐底部的温度低密度高的低温熔融盐从冷盐出口排出，直至蓄热完成，需要取出热量时，蒸汽从盘管进口进入，通过对流换热的方式导出熔融盐的热量，从盘管出口流出，用于蒸汽轮机的运作。
5.如权利要求1所述的固体氧化物燃料电池与光热利用一体化系统，其中，所述第一热管由半圆形热管上添加翅片构成，半圆形热管直径为2mm，流线型翅片长度50mm，高度距圆心2.5mm，宽度为0.2mm，两个翅片中心之间的夹角为45°。
6.如权利要求1所述的固体氧化物燃料电池与光热利用一体化系统，其中，所述翅片为波纹板，通过周期性变换流动方向破坏流动边界层。
7.根据权利要求1所述的固体氧化物燃料电池与光热利用一体化系统，其中，催化燃烧换热一体化装置包括横卧式圆柱形容器，其外部由保温材料包裹；
冷空气进口，其设于所述圆柱形容器一端；
热空气出口，其设于所述圆柱形容器相反于所述冷空气进口的另一端；
混合气进口，其设于所述圆柱形容器的上端，所述混合气进口连接所述第一固体氧化物燃料电池和第二固体氧化物燃料电池；
混合气出口，其设于所述圆柱形容器的下端；
冷流道进口汇管，其设于所述圆柱形容器内且连通冷空气进口；
冷流道出口汇管，其设于所述圆柱形容器内且连通热空气出口，冷流道进口汇管和冷流道出口汇管之间设有冷流道；
热流道进口汇管，其设于所述圆柱形容器内且连通混合气进口；
热流道出口汇管，其设于所述圆柱形容器内且连通混合气出口，在热流道进口汇管和热流道出口汇管之间的流道为热流道，所述热流道和冷流道平行间隔布置且互不相通。
8.根据权利要求7所述的固体氧化物燃料电池与光热利用一体化系统，其中，热流道表面涂有镍基催化剂。
9.根据权利要求7所述的固体氧化物燃料电池与光热利用一体化系统，其中，所述冷流道、热流道体积流量比为0.86。
10.权利要求1-9任一项所述的固体氧化物燃料电池与光热利用一体化系统的使用方法，其特征在于，其包括以下步骤，
开启第四阀门、第二压气机、第三压气机和催化燃烧换热一体化装置，第二固体氧化物燃料电池不运行,待催化燃烧产生的热量满足第二换热器、第三换热器工作负荷时，开启第三阀门、第一压气机、第二换热器、第三换热器、第一固体氧化物燃料电池和第二固体氧化物燃料电池；
待第一热管和第二热管导出的热量满足第一换热器的热负荷时，开启第一换热器、熔融盐泵、第一阀门、第二阀门和太阳能集热器，将热量储存于熔融盐储热罐中，最后开启蒸汽轮机、发电机、冷凝器和水泵；
太阳能不足时，固体氧化物燃料电池供热发电，其中，关闭第一阀门，开启第二阀门和第三阀门，氨气罐内的氨气通过第一压气机加压，通过冷凝器和第二换热器后，进入第一固体氧化物燃料电池的阳极发生重整和电化学反应，生成物水和甲烷进入第二固体氧化物燃料电池阳极，其中未反应完的氨气和甲烷与空气充分混合后，在催化燃烧换热一体化装置中进行催化燃烧，反应后的余热加热空气、经第三换热器加热天然气、经第二换热器加热氨气、经第四换热器加热生活用水，第一固体氧化物燃料电池与第二固体氧化物燃料电池经第一热管和第二热管将热量传递至第一换热器中，并通过储热第二循环回路将热量储存于熔融盐储热罐中，再通过发电循环回路进行发电，太阳能稳定或波动的联合发电模式中，打开第一阀门，太阳能通过太阳能集热器加热低温熔融盐，将热量储存于熔融盐储热罐中，再通过发电循环回路进行发电。
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