CN115224318A - 一种sofc发电系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种SOFC发电系统，通入燃料气体与空气进行反应发电，包括预热机构和SOFC模块，所述SOFC模块具有安装有若干独立发电仓的空腔，所述预热机构与SOFC模块的空腔连通；通过外部管路同时连通预热机构与SOFC模块进行供气，预热机构具有燃烧室和鼓风机，向燃烧室内通入燃料气体和氧气进行燃烧发热，并由鼓风机将空气从燃烧室吹出并向SOFC模块的空腔内注入热空气进行预热。

Description

一种SOFC发电系统
技术领域
本发明属于燃料电池技术领域，具体涉及一种SOFC发电系统。
背景技术
固体氧化物燃料电池(Solid Oxide Fuel Cell，即SOFC)属于第三代燃料电池，是一种在中高温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，是几种燃料电池中，理论能量密度最高的一种。被普遍认为是在未来会与质子交换膜燃料电池(PEMFC)一样得到广泛普及应用的一种燃料电池。
一般的SOFC发电系统包括燃料处理单元、燃料电池发电单元以及能量回收单元。图1是一个以天然气为燃料、常压运行的发电系统。空气经过压缩器压缩，克服系统阻力后进入预热器预热，然后通入电池的阴极。天然气经过压缩机压缩后，克服系统阻力进入混合器，与蒸汽发生器中产生的过热蒸汽混合，蒸汽和燃料的比例为，混合后的燃料气体进入加热器提升温度后通入燃料电池阳极。阴阳极气体在电池内发生电化学反应，电池发出电能的同时，电化学反应产生的热量将未反应完全的阴阳极气体加热。阳极未反应完全的气体和阴极剩余氧化剂通入燃烧器进行燃烧，燃烧产生的高温气体除了用来预热燃料和空气之外，也提供蒸汽发生器所需的热量。经过蒸汽发生器后的燃烧产物，其热能仍有利用价值，可以通过余热回收装置提供热水或用来供暖而进一步加以利用。
但由于蒸汽发生器本身启动较慢，且需要将其温度加热至反应温度所需时间较长。且多数SOFC发电系统本身采用燃料气体进行反应发电，而后续反应产生的热能能够对气体进行预热，或维持反应器内的温度，同时热量还能剩余给其他设备供暖，此时蒸汽预热器也无需工作。故现有的蒸汽预热方式效率较低，不满足于一些低温环境的设备启动和运转。
发明内容
为了解决现有技术存在的问题，本发明提供一种SOFC发电系统，通过设置的通过燃料气体直接燃烧加热的预热结构能够在极端环境条件下快速加热 SOFC模块，使其内部若干个发电仓的温度快速升高至适合的温度，从而提高效率。
本发明所采用的技术方案为：
第一方面，本发明公开一种SOFC发电系统，通入燃料气体与空气进行反应发电，包括预热机构和SOFC模块，所述SOFC模块具有安装有若干独立发电仓的空腔，所述预热机构与SOFC模块的空腔连通；
通过外部管路同时连通预热机构与SOFC模块进行供气，预热机构具有燃烧室和鼓风机，向燃烧室内通入燃料气体和氧气进行燃烧发热，并由鼓风机将空气从燃烧室吹出并向SOFC模块的空腔内注入热空气进行预热；
所述发电仓内设有温度传感器，当发电仓内的温度高于设定第一阈值后便通过外部管路通入燃料气体和空气进行反应；
当超过一半的发电仓内温度升至第二阈值并在设定时间内保持超过第二阈值的温度则关闭预热机构的燃烧室；
当超过一半的发电仓内温度升至第三阈值并在设定时间内保持超过第三阈值的温度则开启鼓风机向SOFC模块的空腔内注入空气，并将通过SOFC模块的空腔内的热空气通入外部设置的燃气轮机或LOHC电堆中。
结合第一方面，本发明提供第一方面的第一种实施方式，所述SOFC模块包括电堆壳和覆盖在电堆壳外部的隔热瓦；
所述电堆壳为具有两个相互平行开口的贯穿式壳体结构，在电堆壳内设有用于滑动安装若干发电仓的滑轨。
结合第一方面的第一种实施方式，本发明提供第一方面的第二种实施方式，所述电堆壳内壁上设有若干凸条，所述凸条端部从四周抵住进入电堆壳内的发电仓外表面。
结合第一方面或第一方面的第一至二种实施方式，本发明提供第一方面的第三种实施方式，所述发电仓包括相互扣合的两个外壳，外壳通过螺栓进行连接固定，并在其接缝处设有密封槽结构和耐高温堵料。
结合第一方面的第三种实施方式，本发明提供第一方面的第四种实施方式，所述发电仓的外壳内壁具有沉槽，并在沉槽内设置有陶瓷镂空件；
所述陶瓷镂空件为蜂窝状结构，进入发电仓的燃料气体或空气进入陶瓷镂空件内并扩散。
结合第一方面的第四种实施方式，本发明提供第一方面的第五种实施方式，所述发电仓的外壳为氮化硅陶瓷材料制成的一体式结构，通过在外壳内壁上加厚形成扩散部，并在扩散部中掏设有若干相互连通并贯穿整个扩散部的孔洞从而形成陶瓷镂空件。
结合第一方面的第五种实施方式，本发明提供第一方面的第六种实施方式，所述发电仓外壁上设有向外凸起且与外壳一体成型的进气管和排气管，通过设置在电堆壳内的管路与进气管和排气管连通，并在连通处通过耐高温堵料进行封堵。
结合第一方面的第六种实施方式，本发明提供第一方面的第七种实施方式，所述进气管与排气管均与陶瓷镂空件连通；
在两个外壳相互扣合时，发电仓中部在外壳扣合处设有板状的电解质，在电解质两侧设有贴合在陶瓷镂空件表面的电极板。
需要说明的是，现有的SOFC电堆结构中，均具有若干个单电池体，每个电池体本身电压较低，则需要串联若干个电池体进行同时发电，即为本发明中的发电仓。而每个发电仓均会采用的疏松多孔或具有若干定向通道的陶瓷连接体结构作为耐热结构固定。但这种耐热结构本身仅在内部导热，从而在单个区域内形成稳定的温度环境，有利于气体在对应电极处发生相应反应。
本申请中是将作为连接体的陶瓷镂空件与发电仓的外壳一体成型设置，并采用氮化硅这种具有较高导热系数和耐高温性能的材料制成，能够使其内部的热量快速传导至整个外壳表面，同时也使得外壳外部的热量能够迅速传导至内部，有利于外部的预热机构快速升温，也有利于后期将多余的反应热量传导至外部，通过鼓风机将热风传递至对应结构中。
本发明的有益效果为：
(1)本发明通过一体式的SOFC模块结构，能够在电堆壳内形成一个导热风道，通过燃料气体燃烧产生的热空气进行预热，相较于通过蒸汽预热设备对每个进气管道的气体进行混合后预热的方式，其制热效率更高，温升更快，且结构更加简单，且无需处理因加热产生水垢堵塞管道的问题，维护成本更低；
(2)本发明通过设有的多温度阈值控制方式，能够针对每个发电仓的温度情况进行热量传导控制，不仅能够自动调整预热器的工作时间，减少人工控制步骤，同时配合其他设备能够将余热进行利用，从而增加效益；
(3)本发明通过设有的一体式发电仓外壳结构与陶瓷镂空件结构，通过其高导热率的材料特性能够使发电仓外部与内部进行快速和充分的热交换，从而形成适用于这种整体式的预热方式，也能够在正常运行过程中将内部过多的热量快速向外排出进行对应处置；
(4)本发明通过将发电仓的不同热能传递至不同设备中，能够达到更好的运行效果，通过鼓风机将外壳传递出的相对较低温度的热空气传递至lohc系统中供有机液体释放氢气时维持其环境温度，同时将较高温度和气压的内部排出气体输送至燃气轮机中进行发电，从而形成综合的余热利用系统，具有更好的整合度和利用效率。
附图说明
图1是本发明实施例中通过氢燃烧器对SOFC模块进行预热时的平面示意图；
图2是本发明实施例中通过氢燃烧器对SOFC模块进行预热时的轴测示意图；
图3是本发明实施例中SOFC模块将外部隔热瓦取下后的侧视图；
图4是本发明实施例中SOFC模块将外部隔热瓦取下后的轴测图；
图5是本发明实施例中单个发电仓的正视图；
图6是本发明实施例中单个发电仓的侧视图；
图7是本发明实施例中单个发电仓的轴测图；
图8是本发明实施例中单个发电仓外壳拆分后的内部部件轴测示意图。
图中：1-电堆壳，2-隔热瓦，3-发电仓，4-进气管，5-排气管，6-陶瓷镂空件，7-电极板，8-电解质；
A-氢燃烧器，B-SOFC模块。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步阐释。
为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请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申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
在本申请的描述中，需要说明的是，若出现术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该申请产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。此外，本申请的描述中若出现术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
此外，本申请的描述中若出现术语“水平”、“竖直”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。
在本申请的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，若出现术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
实施例1：
本实施例公开一种SOFC发电系统，通入燃料气体与空气进行反应发电。
其中，本实施例中的燃料气体为氢气，该系统包括预热机构和SOFC模块 B。
其中，预热机构为氢燃烧器A，而SOFC模块B具有安装有若干独立发电仓3的空腔，预热机构与SOFC模块B的空腔连通；通过外部管路同时连通预热机构与SOFC模块B进行供气，预热机构具有燃烧室和鼓风机，向燃烧室内通入燃料气体和氧气进行燃烧发热，并由鼓风机将空气从燃烧室吹出并向SOFC 模块B的空腔内注入热空气进行预热。
其中，SOFC模块B就是聚合物燃料电池的一种，其中最高效率的是固体氧化物燃料电池(SOFC)，也称作陶瓷燃料电池，效率可以达到65％～80％。但是工作温度比较高，650-1000℃左右，所以反应活性极高。
SOFC是一种在中高温下将各种燃料气的化学能高效地转化为电能的全固态燃料电池。从SOFC的结构来看，它由电解质8、阳/阴极、连接体构成单电池，再由多个单电池构成电堆。SOFC工作温度高，一般在650度以上才能实现满负荷运转。需要说明的是，整个系统层面还需要燃料供应系统、供气系统(加热器、压缩机)、控制系统(电压调节器、逆变器)及其他部件如换热器等保证整个系统的稳定运行，本发明仅用于提供该SOFC发电的核心部件，其他相对应的子系统为外部结构。SOFC工作温度较高，相较于PEMFC可允许电极温升大，其水、热管理也相对简单。
其中，在发电仓3内设有温度传感器，当发电仓3内的温度高于设定第一阈值后便通过外部管路通入燃料气体和空气进行反应。
当超过一半的发电仓3内温度升至第二阈值并在设定时间内保持超过第二阈值的温度则关闭预热机构的燃烧室；
当超过一半的发电仓3内温度升至第三阈值并在设定时间内保持超过第三阈值的温度则开启鼓风机向SOFC模块的空腔内注入空气，并将通过SOFC模块的空腔内的热空气通入外部设置的燃气轮机或LOHC电堆中。
进一步地，SOFC模块包括电堆壳1和覆盖在电堆壳1外部的隔热瓦2；所述电堆壳1为具有两个相互平行开口的贯穿式壳体结构，在电堆壳1内设有用于滑动安装若干发电仓3的滑轨。
进一步地，电堆壳1内壁上设有若干凸条，所述凸条端部从四周抵住进入电堆壳1内的发电仓3外表面。
而发电仓3包括相互扣合的两个外壳，外壳通过螺栓进行连接固定，并在其接缝处设有密封槽结构和耐高温堵料。发电仓3的外壳内壁具有沉槽，并在沉槽内设置有陶瓷镂空件6；所述陶瓷镂空件6为蜂窝状结构，进入发电仓3的燃料气体或空气进入陶瓷镂空件6内并扩散。
进一步地，发电仓3的外壳为氮化硅陶瓷材料制成的一体式结构，通过在外壳内壁上加厚形成扩散部，并在扩散部中掏设有若干相互连通并贯穿整个扩散部的孔洞从而形成陶瓷镂空件6。发电仓3外壁上设有向外凸起且与外壳一体成型的进气管4和排气管5，通过设置在电堆壳1内的管路与进气管4和排气管5连通，并在连通处通过耐高温堵料进行封堵。
进气管4与排气管5均与陶瓷镂空件6连通；在两个外壳相互扣合时，发电仓3中部在外壳扣合处设有板状的电解质8，在电解质8两侧设有贴合在陶瓷镂空件6表面的电极板7。
进一步地，本实施例中的电解质8与发电仓3的外壳以及陶瓷镂空件6同位一体式结构设计，在陶瓷镂空件6与电解质8之间设有电极板7结构。而电解质8采用多孔疏松的结构，与陶瓷镂空件6同样将热量传递至外壳上进行热交换。
本实施例中，为了进一步利用该SOFC发电系统中的余热，会将鼓风机带出的外壳热量的热空气通过管道传输至LOHC氢气释放反应器内，用于对其内部储氢有机液体进行加热，保持其反应温度，通过调节鼓风机风量和相对应的 LOHC反应器大小、液体容量，使其反应温度保持在30-50°之间。
同时，每个发电仓3内的高压气体也会随着单独的排气管5道进入设置在附近的燃气轮机中进行发电。
本发明不局限于上述可选的实施方式，任何人在本发明的启示下都可得出其他各种形式的产品。上述具体实施方式不应理解成对本发明的保护范围的限制，本发明的保护范围应当以权利要求书中界定的为准，并且说明书可以用于解释权利要求书。

Claims (8)

1.一种SOFC发电系统，通入燃料气体与空气进行反应发电，其特征在于：包括预热机构和SOFC模块，所述SOFC模块具有安装有若干独立发电仓(3)的空腔，所述预热机构与SOFC模块的空腔连通；
通过外部管路同时连通预热机构与SOFC模块进行供气，预热机构具有燃烧室和鼓风机，向燃烧室内通入燃料气体和氧气进行燃烧发热，并由鼓风机将空气从燃烧室吹出并向SOFC模块的空腔内注入热空气进行预热；
所述发电仓(3)内设有温度传感器，当发电仓(3)内的温度高于设定第一阈值后便通过外部管路通入燃料气体和空气进行反应；
当超过一半的发电仓(3)内温度升至第二阈值并在设定时间内保持超过第二阈值的温度则关闭预热机构的燃烧室；
当超过一半的发电仓(3)内温度升至第三阈值并在设定时间内保持超过第三阈值的温度则开启鼓风机向SOFC模块的空腔内注入空气，并将通过SOFC模块的空腔内的热空气通入外部设置的燃气轮机或LOHC电堆中。
2.根据权利要求1所述的一种SOFC发电系统，其特征在于：所述SOFC模块包括电堆壳(1)和覆盖在电堆壳(1)外部的隔热瓦(2)；
所述电堆壳(1)为具有两个相互平行开口的贯穿式壳体结构，在电堆壳(1)内设有用于滑动安装若干发电仓(3)的滑轨。
3.根据权利要求2所述的一种SOFC发电系统，其特征在于：所述电堆壳(1)内壁上设有若干凸条，所述凸条端部从四周抵住进入电堆壳(1)内的发电仓(3)外表面。
4.根据权利要求1-3任一项所述的一种SOFC发电系统，其特征在于：所述发电仓(3)包括相互扣合的两个外壳，外壳通过螺栓进行连接固定，并在其接缝处设有密封槽结构和耐高温堵料。
5.根据权利要求4所述的一种SOFC发电系统，其特征在于：所述发电仓(3)的外壳内壁具有沉槽，并在沉槽内设置有陶瓷镂空件(6)；
所述陶瓷镂空件(6)为蜂窝状结构，进入发电仓(3)的燃料气体或空气进入陶瓷镂空件(6)内并扩散。
6.根据权利要求5所述的一种SOFC发电系统，其特征在于：所述发电仓(3)的外壳为氮化硅陶瓷材料制成的一体式结构，通过在外壳内壁上加厚形成扩散部，并在扩散部中掏设有若干相互连通并贯穿整个扩散部的孔洞从而形成陶瓷镂空件(6)。
7.根据权利要求6所述的一种SOFC发电系统，其特征在于：所述发电仓(3)外壁上设有向外凸起且与外壳一体成型的进气管(4)和排气管(5)，通过设置在电堆壳(1)内的管路与进气管(4)和排气管(5)连通，并在连通处通过耐高温堵料进行封堵。
8.根据权利要求7所述的一种SOFC发电系统，其特征在于：所述进气管(4)与排气管(5)均与陶瓷镂空件(6)连通；
在两个外壳相互扣合时，发电仓(3)中部在外壳扣合处设有板状的电解质(8)，在电解质(8)两侧设有贴合在陶瓷镂空件(6)表面的电极板(7)。
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