CN116864736A - 一种固体氧化物燃料电池热电联供系统及其运行方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种固体氧化物燃料电池热电联供系统及其运行方法，包括：电堆、燃料处理装置、空气供给装置、热管理装置、阳极废气再循环回路和阴极废气再循环回路；热管理装置包括燃烧器和热电联产单元，电堆阳极和电堆阴极均连接至燃烧器，燃烧器的出口分为两路分别连接至燃料处理装置和空气供给装置；阳极废气再循环回路中，电堆阳极通过第一分流阀连接阳极废气再循环泵，阳极废气再循环泵连接第一混合器；阴极废气再循环回路中，电堆阴极通过第二分流阀连接阴极废气再循环泵，阴极废气再循环泵连接第二混合器。同时使用阳极废气再循环和阴极废气再循环，合理高效利用电堆废气能量，提高能量利用率和系统性能。

Description

一种固体氧化物燃料电池热电联供系统及其运行方法
技术领域
本发明涉及固体氧化物燃料电池技术领域，特别是涉及一种固体氧化物燃料电池热电联供系统及其运行方法。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
固体氧化物燃料电池(Solid Oxide Fuel Cell，SOFC)是第三代高温燃料电池，可利用电化学过程将燃料中的化学能直接转化为电能，减少中间的能量损耗，是一种清洁高效的发电设备，其工作温度在600-1000℃，具有效率高、可靠性强、模块化、燃料适应性强、低排放和噪音低等优点。
SOFC通常需要一些附属部件来组成燃料供给以及热管理系统，从而维持SOFC电堆的正常运行。以天然气为燃料的SOFC系统主要包括SOFC电堆、燃料处理系统、空气供应系统、热管理系统、电子电力系统等。燃料经蒸汽重整器转化为氢气后进入电堆发生电化学反应，电堆阳极和阴极废气进入燃烧器燃烧释放能量，为系统的换热部件提供热量，废气中的热量很有可能还有剩余，在SOFC系统中加入热电联供单元可以回收系统中废气的能量，产电的同时产生热能，用于生产热水或循环供暖。因此SOFC的特点使其非常适合用于热电联供系统(Combined Heat and Power system,CHP)，组成固体氧化物燃料电池热电联供(SOFC-CHP)系统。
SOFC-CHP系统具有很高的实用价值，但制约其进一步商业化的主要因素是系统性能、电堆耐久及实际应用中用户侧的需求。电堆耐久问题主要依赖电堆材料以及技术的进步。不同地区、不同时间的用户对系统的需求不同，夏季用户制冷要求高，需要系统具有更好的发电性能，而冬季用户供暖要求高，需要系统具有更好的产热性能，但不论何种需求都需要尽可能高的系统效率，因此提高系统效率是促进固体氧化物燃料电池热电联供系统商业化和进一步发展应用的有效手段。
提高SOFC-CHP系统性能可以通过改进系统结构的热管理手段实现。SOFC系统中，电堆中发生电化学反应释放大量的热，因此电堆的阳极废气和阴极废气含有大量热量，此外阳极废气中还包含部分未反应燃料，将这两部分能量在系统中循环利用可以节省系统输入能量从而提高系统效率。
大量研究表明，使用阳极废气再循环可以提升系统燃料利用率，从而提高系统电效率，但会降低系统热效率；而阴极废气再循环可以提升系统热效率，但会对系统电效率造成不良影响。已有研究表明，在SOFC-CHP系统中同时使用阳极废气再循环和阴极废气再循环能够同时提升系统电效率和热效率，从而大幅提升系统总效率，使系统性能最佳。
目前，关于单独使用阳极废气再循环或阴极废气再循环的SOFC-CHP系统设计较多，但关于同时使用阳极废气再循环和阴极废气再循环的SOFC-CHP系统设计较少，主要是因为两个再循环回路增加了系统的复杂程度，而两个再循环间的交互作用使得系统的耦合性增强、解耦控制难度提高。由此，需要在不显著增加系统复杂度的基础上，研发一种同时使用阳极废气再循环和阴极废气再循环的SOFC-CHP系统。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提出了一种固体氧化物燃料电池热电联供系统及其运行方法，提出了同时使用阳极废气再循环和阴极废气再循环的热管理措施，设计启动和过渡到工作阶段的控制策略，合理高效利用电堆废气能量，提高能量利用率和系统性能。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
第一方面，本发明提供一种固体氧化物燃料电池热电联供系统，包括：电堆、燃料处理装置、空气供给装置、热管理装置、阳极废气再循环回路和阴极废气再循环回路；
燃料处理装置包括依次连接的燃料预热器、第一混合器和蒸汽重整器，蒸汽重整器的冷侧出口连接电堆阳极的入口；
空气供给装置包括依次连接的空气压缩机、一级空气预热器、第二混合器和二级空气预热器，二级空气预热器的出口连接电堆阴极的入口；
热管理装置包括燃烧器和热电联产单元，电堆阳极和电堆阴极的出口均连接至燃烧器的入口，燃烧器的出口分为两路分别连接至蒸汽重整器和一级空气预热器，一级空气预热器的出口连接热电联产单元；
阳极废气再循环回路包括阳极废气再循环泵，电堆阳极的出口通过第一分流阀连接阳极废气再循环泵的入口，阳极废气再循环泵的出口连接第一混合器；
阴极废气再循环回路包括阴极废气再循环泵，电堆阴极的出口通过第二分流阀连接阴极废气再循环泵的入口，阴极废气再循环泵的出口连接第二混合器。
作为可选择的实施方式，在燃料处理装置中，所述燃料预热器的冷侧出口连接第一混合器的入口，第一混合器的出口连接蒸汽重整器的冷侧入口，蒸汽重整器的冷侧出口连接电堆阳极的入口。
作为可选择的实施方式，在空气供给装置中，所述空气压缩机的出口连接一级空气预热器的冷侧入口，一级空气预热器的冷侧出口连接第二混合器的入口，第二混合器的出口连接二级空气预热器的冷侧入口，二级空气预热器的冷侧出口连接电堆阴极的入口。
作为可选择的实施方式，在热管理装置中，电堆阳极的出口连接第一分流阀的入口，第一分流阀的出口连接燃烧器的入口，电堆阴极的出口连接第二分流阀的入口，第二分流阀的出口连接第三分流阀的入口，第三分流阀的出口连接燃烧器的入口。
作为可选择的实施方式，所述第三分流阀的出口还连接到二级空气预热器的热侧入口，二级空气预热器的热侧出口连接到第三混合器的入口，第三混合器的出口连接到一级空气预热器的热侧入口，一级空气预热器的热侧出口连接到热电联供单元的入口，热电联供单元的出口用于排出废气。
作为可选择的实施方式，所述燃烧器的出口一路连接至蒸汽重整器，具体包括：燃烧器的出口连接第四分流阀的入口，第四分流阀的出口连接到第一混合器的入口，第一混合器的出口连接到蒸汽重整器的冷侧入口。
作为可选择的实施方式，所述燃烧器的出口一路连接至一级空气预热器，具体包括：燃烧器的出口连接第四分流阀的入口，第四分流阀的出口连接蒸汽重整器的热侧入口，蒸汽重整器的热侧出口连接燃料预热器的热侧入口，燃料预热器的热侧出口连接第三混合器的入口，第三混合器的出口连接到一级空气预热器的热侧入口。
第二方面，本发明提供一种固体氧化物燃料电池热电联供系统的运行方法，采用第一方面所述的固体氧化物燃料电池热电联供系统，包括：
在启动阶段，蒸汽重整器和电堆未达到工作所需温度时，关闭第一分流阀、第二分流阀和第三分流阀，打开第四分流阀；
燃料和空气分别经燃料处理装置和空气供给装置进入燃烧器中，燃烧器的输出分为两路分别进入蒸汽重整器和一级空气预热器；
直至蒸汽重整器和电堆达到工作所需温度时，打开第一分流阀、第二分流阀和第三分流阀，关闭第四分流阀；
电堆阳极排出的阳极废气通过阳极废气再循环泵再循环回第一混合器中，电堆阴极排出的阴极废气通过阴极废气再循环泵再循环回第二混合器，没有再循环的阳极废气和阴极废气进入燃烧器，没有再循环且没有进入燃烧器的阴极废气经第三分流阀作用于二级空气预热器，所有废气在第三混合器中混合，为一级空气预热器供热，最终由热电联供单元释放剩余的热量。
作为可选择的实施方式，燃烧器的输出一路经第一混合器进入蒸汽重整器，以用于为启动阶段蒸汽重整器的重整反应提供水蒸气并预热电堆，一路经蒸汽重整器的换热侧进入一级空气预热器，以用于预热蒸汽重整器和空气。
作为可选择的实施方式，没有再循环的阳极废气经第一分流阀进入燃烧器，没有再循环的阴极废气经第二分流阀和第三分流阀进入燃烧器，在燃烧器中产生热量为蒸汽重整器的蒸汽重整反应供热。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明提出一种固体氧化物燃料电池热电联供系统及其运行方法，创新性提出了同时使用阳极废气再循环和阴极废气再循环的热管理措施，提出改进的启动和过渡到工作阶段的控制策略，合理高效利用电堆废气能量，提高能量利用率和系统性能，降低对给水的强依赖性，对家用到工业应用的功率范围都具有广泛适用性。
本发明提出一种固体氧化物燃料电池热电联供系统及其运行方法，取消蒸汽发生装置，降低附属部件耗功，避免给水故障导致的降负荷、停机等问题，并降低系统的复杂程度。
本发明附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1为本发明实施例1提供的固体氧化物燃料电池热电联供系统结构示意图；
其中，1、电堆阳极，2、电堆阴极，3、燃烧器，4、蒸汽重整器，5、燃料预热器，6、二级空气预热器，7、一级空气预热器，8、空气压缩机，9、热电联产单元，10、第一混合器，11、第二混合器，12、第三混合器，13、第一分流阀，14、第二分流阀，15、第三分流阀，16、第四分流阀，17、阳极废气再循环泵，18、阴极废气再循环泵。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明做进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
实施例1
如图1所示，本实施例提出一种固体氧化物燃料电池热电联供系统，包括：电堆、燃料处理装置、空气供给装置、热管理装置、阳极废气再循环回路和阴极废气再循环回路；
燃料处理装置包括依次连接的燃料预热器5、第一混合器10和蒸汽重整器4，蒸汽重整器4的冷侧出口连接电堆阳极1的入口；
空气供给装置包括依次连接的空气压缩机8、一级空气预热器7、第二混合器11和二级空气预热器6，二级空气预热器6的出口连接电堆阴极2的入口；
热管理装置包括燃烧器3和热电联产单元9，电堆阳极1和电堆阴极2的出口均连接至燃烧器3的入口，燃烧器3的出口分为两路分别连接至蒸汽重整器4和一级空气预热器7，一级空气预热器7的出口连接热电联产单元9；
阳极废气再循环回路包括阳极废气再循环泵17，电堆阳极1的出口通过第一分流阀13连接阳极废气再循环泵17的入口，阳极废气再循环泵17的出口连接第一混合器10；
阴极废气再循环回路包括阴极废气再循环泵18，电堆阴极2的出口通过第二分流阀14连接阴极废气再循环泵18的入口，阴极废气再循环泵18的出口连接第二混合器11。
在本实施例中，所述燃料预热器5的冷侧入口连接燃料气瓶，燃料预热器5的冷侧出口连接第一混合器10的入口，第一混合器10的出口连接蒸汽重整器4的冷侧入口，蒸汽重整器4的冷侧出口连接电堆阳极1的入口。
作为可选择的一种实施方式，所述燃料气瓶内填充天然气。
作为可选择的一种实施方式，所述电堆为SOFC电堆。
在本实施例中，所述空气压缩机8的入口接入外界空气，空气压缩机8的出口连接一级空气预热器7的冷侧入口，一级空气预热器7的冷侧出口连接第二混合器11的入口，第二混合器11的出口连接二级空气预热器6的冷侧入口，二级空气预热器6的冷侧出口连接电堆阴极2的入口。
在本实施例中，阳极废气再循环回路中，电堆阳极1的出口连接第一分流阀13的入口，第一分流阀13的出口连接阳极废气再循环泵17的入口，阳极废气再循环泵17的出口连接第一混合器10的入口；
阴极废气再循环回路中，电堆阴极2的出口连接第二分流阀14的入口，第二分流阀14的出口连接阴极废气再循环泵18的入口，阴极废气再循环泵18的出口连接第二混合器11的入口。
在本实施例中，电堆阳极1的出口连接第一分流阀13的入口，第一分流阀13的出口连接燃烧器3的入口；
电堆阴极2的出口连接第二分流阀14的入口，第二分流阀14的出口连接第三分流阀15的入口，第三分流阀15的出口连接燃烧器3的入口。
在本实施例中，燃烧器3的出口分为两路，一路连接至蒸汽重整器4，具体为：燃烧器3的出口连接第四分流阀16的入口，第四分流阀16的出口连接到第一混合器10的入口，第一混合器10的出口连接到蒸汽重整器4的冷侧入口，蒸汽重整器4的冷侧出口连接电堆阳极1的入口；
一路连接至一级空气预热器7，具体为：燃烧器3的出口连接第四分流阀16的入口，第四分流阀16的出口连接蒸汽重整器4的热侧入口，蒸汽重整器4的热侧出口连接燃料预热器5的热侧入口，燃料预热器5的热侧出口连接第三混合器12的入口，第三混合器12的出口连接到一级空气预热器7的热侧入口。
在本实施例中，第三分流阀15的出口还直接连接到二级空气预热器6的热侧入口，二级空气预热器6的热侧出口连接到第三混合器12的入口，第三混合器12的出口连接到一级空气预热器7的热侧入口，一级空气预热器7的热侧出口连接到热电联供单元9的入口，热电联供单元9的出口用于排出废气。
在本实施例中，上述固体氧化物燃料电池热电联供系统的运行方法包括：
(1)启动阶段：蒸汽重整器4和电堆达不到工作所需温度时，关闭第一分流阀13、第二分流阀14和第三分流阀15，打开第四分流阀16；
具体的，在启动阶段，仅关闭第一分流阀13至阳极废气再循环泵17方向的流通、第二分流阀14至阴极废气再循环泵18方向的流通、第三分流阀15至二级空气预热器6方向的流通。
因此，燃料流通路径为5-10-4-1-13-3；空气流通路径为8-7-11-6-2-14-15-3；废气流通路径为3-16-4-5-12-7-9(加热阴极空气用于预热电堆)与3-16-10-4-1(为启动阶段的重整反应提供水蒸气，预热电堆)。
故，燃料依次经过燃料预热器5、第一混合器10、蒸汽重整器4和电堆阳极后，全部进入燃烧器3；空气经空气压缩机8加压后，依次经过一级空气预热器7、第二混合器11、二级空气预热器6和电堆阴极后，全部进入燃烧器3；
过量的燃料和空气在燃烧器3中燃烧产生高温废气和大量水蒸气后，经第四分流阀16分为两部分：
一部分，进入第一混合器10后进入蒸汽重整器4(图1中虚线部分)，为启动阶段的重整反应提供水蒸气并预热SOFC电堆，且其中过量燃料的不完全燃烧用于维持高温尾气的惰性氛围，防止蒸汽重整器和电堆催化剂被氧化，提高使用寿命；
另一部分，进入蒸汽重整器4的换热侧，依次经过蒸汽重整器4的热侧出口、燃料预热器5的热侧入口、燃料预热器5的热侧出口、第三混合器12、一级空气预热器7和热电联产单元9，用于预热蒸汽重整器4和进入系统的空气；
然后，当蒸汽重整器和电堆都达到发生反应所需的温度后，关闭第四分流阀16，启动阶段结束。
(2)运行阶段：当电堆开始反应后，打开第一分流阀13、第二分流阀14和第三分流阀15，关闭第四分流阀16，且将第一分流阀13和第二分流阀14设置到合适的开度后固定不变，系统开始稳定运行。
电堆阳极排出的部分阳极废气通过第一分流阀13和阳极废气再循环泵17再循环回第一混合器10中，与燃料混合；因为阳极废气中含有大量热量和水蒸气，水蒸气提供给蒸汽重整器4用于进行蒸汽重整反应，缩减蒸汽发生装置，取消蒸汽发生装置耗功；大量热量降低了为达到蒸汽重整器4入口设定温度时燃料预热器5所需的能量，使得燃料预热器5的热负荷降低，此外H2和CO的再循环减少了燃料需求，在这两种作用下同时提升了系统电效率和热效率；
电堆阴极排出的部分阴极废气通过第二分流阀14和阴极废气再循环泵18再循环回第二混合器11；由于阴极废气中包含大量氧气与热量，一方面减少了系统对空气的需求量，另一方面提升第二混合器11出口的混合空气温度，使得二级空气预热器6的热负荷降低，混合空气达到电堆阴极2设定温度所需的外部能量减少，系统热效率大幅提高；
没有再循环的阳极废气经第一分流阀13进入燃烧器3，没有再循环的阴极废气经第二分流阀14和第三分流阀15进入燃烧器3，在燃烧器3中燃烧产生热量为蒸汽重整器4的蒸汽重整反应供热；部分阴极废气经第三分流阀15直接作用于二级空气预热器6，所有废气在第三混合器12中混合，再为一级空气预热器7供热，最终进入热电联供单元9释放剩余的热量。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

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：电堆、燃料处理装置、空气供给装置、热管理装置、阳极废气再循环回路和阴极废气再循环回路；
燃料处理装置包括依次连接的燃料预热器、第一混合器和蒸汽重整器，蒸汽重整器的冷侧出口连接电堆阳极的入口；
空气供给装置包括依次连接的空气压缩机、一级空气预热器、第二混合器和二级空气预热器，二级空气预热器的出口连接电堆阴极的入口；
热管理装置包括燃烧器和热电联产单元，电堆阳极和电堆阴极的出口均连接至燃烧器的入口，燃烧器的出口分为两路分别连接至蒸汽重整器和一级空气预热器，一级空气预热器的出口连接热电联产单元；
阳极废气再循环回路包括阳极废气再循环泵，电堆阳极的出口通过第一分流阀连接阳极废气再循环泵的入口，阳极废气再循环泵的出口连接第一混合器；
阴极废气再循环回路包括阴极废气再循环泵，电堆阴极的出口通过第二分流阀连接阴极废气再循环泵的入口，阴极废气再循环泵的出口连接第二混合器。
2.如权利要求1所述的一种固体氧化物燃料电池热电联供系统，其特征在于，在燃料处理装置中，所述燃料预热器的冷侧出口连接第一混合器的入口，第一混合器的出口连接蒸汽重整器的冷侧入口，蒸汽重整器的冷侧出口连接电堆阳极的入口。
3.如权利要求1所述的一种固体氧化物燃料电池热电联供系统，其特征在于，在空气供给装置中，所述空气压缩机的出口连接一级空气预热器的冷侧入口，一级空气预热器的冷侧出口连接第二混合器的入口，第二混合器的出口连接二级空气预热器的冷侧入口，二级空气预热器的冷侧出口连接电堆阴极的入口。
4.如权利要求1所述的一种固体氧化物燃料电池热电联供系统，其特征在于，在热管理装置中，电堆阳极的出口连接第一分流阀的入口，第一分流阀的出口连接燃烧器的入口，电堆阴极的出口连接第二分流阀的入口，第二分流阀的出口连接第三分流阀的入口，第三分流阀的出口连接燃烧器的入口。
5.如权利要求4所述的一种固体氧化物燃料电池热电联供系统，其特征在于，所述第三分流阀的出口还连接到二级空气预热器的热侧入口，二级空气预热器的热侧出口连接到第三混合器的入口，第三混合器的出口连接到一级空气预热器的热侧入口，一级空气预热器的热侧出口连接到热电联供单元的入口，热电联供单元的出口用于排出废气。
6.如权利要求1所述的一种固体氧化物燃料电池热电联供系统，其特征在于，所述燃烧器的出口一路连接至蒸汽重整器，具体包括：燃烧器的出口连接第四分流阀的入口，第四分流阀的出口连接到第一混合器的入口，第一混合器的出口连接到蒸汽重整器的冷侧入口。
7.如权利要求1所述的一种固体氧化物燃料电池热电联供系统，其特征在于，所述燃烧器的出口一路连接至一级空气预热器，具体包括：燃烧器的出口连接第四分流阀的入口，第四分流阀的出口连接蒸汽重整器的热侧入口，蒸汽重整器的热侧出口连接燃料预热器的热侧入口，燃料预热器的热侧出口连接第三混合器的入口，第三混合器的出口连接到一级空气预热器的热侧入口。
8.一种固体氧化物燃料电池热电联供系统的运行方法，其特征在于，采用权利要求1-7任一项所述的固体氧化物燃料电池热电联供系统，包括：
在启动阶段，蒸汽重整器和电堆未达到工作所需温度时，关闭第一分流阀、第二分流阀和第三分流阀，打开第四分流阀；
燃料和空气分别经燃料处理装置和空气供给装置进入燃烧器中，燃烧器的输出分为两路分别进入蒸汽重整器和一级空气预热器；
直至蒸汽重整器和电堆达到工作所需温度时，打开第一分流阀、第二分流阀和第三分流阀，关闭第四分流阀；
电堆阳极排出的阳极废气通过阳极废气再循环泵再循环回第一混合器中，电堆阴极排出的阴极废气通过阴极废气再循环泵再循环回第二混合器，没有再循环的阳极废气和阴极废气进入燃烧器，没有再循环且没有进入燃烧器的阴极废气经第三分流阀作用于二级空气预热器，所有废气在第三混合器中混合，为一级空气预热器供热，最终由热电联供单元释放剩余的热量。
9.如权利要求8所述的一种固体氧化物燃料电池热电联供系统的运行方法，其特征在于，燃烧器的输出一路经第一混合器进入蒸汽重整器，以用于为启动阶段蒸汽重整器的重整反应提供水蒸气并预热电堆，一路经蒸汽重整器的换热侧进入一级空气预热器，以用于预热蒸汽重整器和空气。
10.如权利要求8所述的一种固体氧化物燃料电池热电联供系统的运行方法，其特征在于，没有再循环的阳极废气经第一分流阀进入燃烧器，没有再循环的阴极废气经第二分流阀和第三分流阀进入燃烧器，在燃烧器中产生热量为蒸汽重整器的蒸汽重整反应供热。
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