CN219497848U - 一种模块化高效sofc系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种模块化高效SOFC系统，包括集成换热模块和SOFC发电模块；其中，所述集成换热模块包括尾气燃烧器、重整器和热交换器；所述SOFC发电模块包括第一组电堆和第二组电堆；该模块化高效SOFC系统通过优化SOFC系统中各部件的连接和排布方式，并进行模块化布置，从而简化了SOFC系统的结构，SOFC系统对燃料的利用率更高，制造成本更低，更有利于SOFC系统的大规模推广和应用。
Description
技术领域
本实用新型涉及SOFC系统领域，特别涉及一种模块化高效SOFC系统。
背景技术
固体氧化物燃料电池（Solid Oxide Fuel Cell，简称SOFC）是一种以电化学反应的方式将燃料的化学能直接转化为电能的新型电池技术，工作温度在650℃-800℃之间。
SOFC系统主要由蒸发器、重整器、电堆、燃烧器、热交换器、余热回收系统、逆变器等部件组件。蒸发器主要是将去离子水加热蒸发变成水蒸气；重整器主要是将进入系统的天然气、醇类等碳氢燃料和水蒸气进行水汽重整转化为以氢气、一氧化碳、二氧化碳为主的混合气，从而更有利于电堆中的电化学反应；燃烧器主要将阳极尾气中未反应完全的燃料转化为热量，并为系统提供热能；热交换器进行热能的交换，利用高温热源加热低温介质。
SOFC系统电堆阳极的尾气中含有剩余的CO、H2，因此，电堆阳极的尾气是具有循环再利用可行性的；尤其是尾气中含有的高温水蒸气，完全可以不经过公知的冷却分离再利用（现有技术中阳极尾气中的水蒸气冷却再循环利用至蒸发器的过程），而直接以高温蒸气的形式不经过蒸发器进行循环再利用，从而降低了水蒸气循环过程的能量损失。
现有技术中已经有将阳极尾气循环至重整器的相关技术，但现有的SOFC系统并未进行模块化设计，且结构复杂，导致SOFC系统难以小型化，且制造成本高、燃料利用率低，也不利于SOFC系统的大规模推广应用。
实用新型内容
本实用新型的目的在于克服现有尾气重复利用SOFC系统存在结构复杂、难以模块化的缺陷，提出了一种模块化高效SOFC系统，通过优化SOFC系统中各部件的连接和排布方式，并进行模块化布置，从而简化了SOFC系统的结构，SOFC系统对燃料的利用率更高，制造成本更低，更有利于SOFC系统的大规模推广和应用。
为了实现上述实用新型目的，本实用新型提供了一种模块化高效SOFC系统，包括集成换热模块和SOFC发电模块；其中，所述集成换热模块包括尾气燃烧器、重整器和热交换器；所述SOFC发电模块包括第一组电堆和第二组电堆；
所述重整器输出端分别与第一组电堆和第二组电堆阳极输入端连接，所述重整器输出端与第一组电堆和第二组电堆的阳极输入端之间设置有开闭装置，且可通过所述开闭装置控制所述第一组电堆和/或第二组电堆的阳极输入端是否与重整器输出端连通，以及控制重整器输入第一电堆和第二电堆的气体流量大小；
所述第一组电堆和第二组电堆的阴极输出端与尾气燃烧器输入端连接；
所述第一组电堆和第二组电堆的阳极输出端同时与尾气燃烧器输入端和重整器输入端连接，所述第一组电堆和第二组电堆的阳极输出端与重整器输入端、尾气燃烧器输入端之间均设置有开闭装置，且可通过所述开闭装置控制所述第一组电堆和/或第二组电堆的阳极输出端进入重整器和尾气燃烧器的尾气量；
所述尾气燃烧器的输出端与热交换器的热输入端连接；所述热交换器用于预热进入重整器的燃料气和/或进入第一组电堆和第二组电堆的阴极空气，和/或用于为重整器等吸热或低温部件提供热量，和/或用于启动时为第二电堆提供热量。
本实用新型一种模块化高效SOFC系统，不仅通过模块化的设计减少了热散失和占用的空间，有利于SOFC系统的小型化；还通过优化SOFC系统中各部件的连接和排布方式，从而能通过控制电堆的启动顺序来完成整个SOFC系统的启动和稳定运行，使SOFC系统电堆分批启动，不仅能在更少的启动能量下完成启动，还能将电堆产生的部分尾气循环利用，从而显著提高了SOFC系统对燃料的利用率，简化了启动系统、降低了成本；同时，循环完全实现系统的水蒸汽平衡，降低了能耗（避免了现有技术中将尾气冷凝得到水，然后将水利用热交换再次生成水蒸气导致的循环过程中的能量损失）；该模块化SOFC系统既提高了燃料的利用率和电堆单位燃料的发电量，又通过模块化设计，使系统结构更简单，也更有利于SOFC系统的小型化和大规模推广应用。
其中，所述模块化高效SOFC系统还包括蒸发器，所述蒸发器输出端与重整器输入端连接；所述蒸发器用于电堆启动时将水加热为水蒸气，为重整器提供水蒸气，保证电堆的正常运转，电堆正常运行后蒸发器关闭，水蒸气直接由阳极尾气提供。
其中，所述第一组电堆是作为SOFC系统的启动电堆，SOFC系统正常运行后，第一组电堆和第二组电堆均作为SOFC系统的常规电堆运行；所述的第一组和第二组电堆中的电堆数量可根据实际的情况进行调整，在不影响整体设计思路和原理的情况下，每组电堆中的电堆数量可根据需要进行任意设置。为了减小电堆启动系统以及启动时所需要的能源，可以根据本发明，进一步分为多组电堆，实行多级启动。
其中，所述SOFC系统中的热交换器用于预热进入重整器的燃料气和/或进入第一组电堆和第二组电堆的阴极空气的同时，热交换器还可以为系统其它需要维持特定温度的装置提供供热或散热功能，例如辅助尾气燃烧器散热、为重整器、第二组电堆的启动供热等，从而保证电堆的正常运转，并最大程度的利用热能，提高系统的热效率；所述蒸发器用于电堆启动时将水加热为水蒸气，为重整器提供水蒸气，保证电堆的正常运转，电堆正常运行后蒸发器关闭，水蒸气直接由阳极尾气提供；所述重整器能将输入的水蒸气、燃料和阳极尾气进行重整，使重整器输出的混合气中各成分符合最佳比例，从而有利于电堆高效发电，提高燃料转化效率；所述尾气燃烧器能将电堆阳极产生的不需要循环的尾气通过燃烧转换为热能，并进一步通过热交换器回收利用产生的热能，从而最大程度的提高燃料能量利用率。
其中，优选的，所述的开闭装置为可以调节流量大小的高温阀门，如高温气体流量阀。
其中，优选的，所述尾气燃烧器为催化燃烧器，能完全燃烧尾气中未反应的燃料，最大程度的释放燃料中的热能，进而被充分的利用。
其中，优选的，所述第一组电堆和第二组电堆的阳极输出端与重整器输入端之间还设置有气体循环辅助装置；所述气体循环辅助装置能辅助将第一组电堆和/或第二组电堆的阳极输出端的尾气和新的燃料导入重整器，进而利用重整器以及尾气中的水蒸气对燃料进行重整，重整产生的合成气与尾气中的燃料一起进入电堆进行电化学反应，更好的实现尾气的循环利用；更优选的，所述气体循环辅助装置为引射器或高温风机；最优选的，所述气体循环辅助装置为引射器；引射器的输出口与重整器输入端连接，引射器的高压输入口输入燃料气，引射器的低压输入口与第一组电堆和第二组电堆的阳极输出端连接，输入第一组电堆和第二组电堆的阳极尾气，且燃料气的压力高于阳极尾气；通过引射器的设置，能更好的将阳极尾气导入重整器中，实现SOFC系统的自循环。
其中，优选的，所述热交换器的输出端还与余热回收装置连接；通过余热回收装置可以回收经过热交换器交换后尾气中的热量，可以进一步提高SOFC系统的热效率。
其中，优选的，所述重整器的输入端还与脱硫器连接；燃料可以通过脱硫器处理后进入重整器，能减少含硫气体对SOFC系统的影响，提高SOFC系统的使用寿命。
与现有技术相比，本实用新型的有益效果：
1、本实用新型SOFC系统通过模块化的设计，能减少热散失和占用空间，更利于SOFC系统的小型化。
2、本实用新型SOFC系统优化了SOFC系统中各部件的连接和排布方式，从而能通过控制电堆的启动顺序来完成整个SOFC系统的启动并稳定运行，显著简化了启动系统的结构以及降低了SOFC系统对起动能量的需求，启动与设备成本显著降低。
3、本实用新型SOFC系统在运行时，能将电堆产生的部分尾气直接循环利用，从而显著提高了系统中参与到电堆发电的燃料利用率，运行成本降低。
4、本实用新型SOFC系统在正常运转后，通过对尾气的循环利用，实现了系统自身高温水蒸气的循环平衡，从而简化了水蒸气的产生与循环部件，运行成本更低，能耗也显著降低。
5、本实用新型SOFC系统能够有效提高对热量的利用效率，提高系统整体的热电联供效率的同时，也能够减少进入尾气燃烧器中的水蒸气量，有利于提高尾气燃烧器中催化剂的耐久性以及SOFC系统的可靠性。
附图说明：
图1为本实用新型实施例1中集成换热模块示意图（换热器3与尾气燃烧器5、重整器4采用共壁面的形式，升温后的高温尾气按比例进入到换热器后为燃料、空气等升温和为重整器升温）；
图2为本实用新型实施例1中SOFC发电模块示意图；
图3为本实用新型实施例1中SOFC系统示意图；
图4为本实用新型实施例2中集成换热模块示意图（尾气燃烧器5与换热器3、重整器4之间有缓冲介质或者分离开，便于更好的控制需要的温度）；
附图标记：1-第二组电堆；2-第一组电堆；3-热交换器；4-重整器；5-尾气燃烧器；6-蒸发器；7-脱硫器；8-余热回收器；9-气体循环辅助装置；10-开闭装置；11-电堆。
具体实施方式
下面结合试验例及具体实施方式对本实用新型作进一步的详细描述。但不应将此理解为本实用新型上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本实用新型内容所实现的技术均属于本实用新型的范围。
实施例1：
一种模块化高效SOFC系统（附图3）：包括集成换热模块（图1）、SOFC发电模块（图2）以及蒸发器6；其中，所述集成换热模块主要由尾气燃烧器5、重整器4和热交换器3组成；所述SOFC发电模块主要由第一组电堆2（由1个电堆11组成）和第二组电堆1（由2个电堆11组成）组成；其中，第一组电堆2和第二组电堆1并联；蒸发器6输出端与重整器4输入端连接；重整器4输出端分别与第一组电堆2和第二组电堆1阳极输入端连接，重整器4输出端与第一组电堆2和第二组电堆1阳极输入端之间分别设置有开闭装置10（气体流量阀），且可通过开闭装置（10）控制第一组电堆2和/或第二组电堆1的阳极输入端是否与重整器4输出端连通，以及控制重整器4输入第一电堆2和第二电堆1的气体流量大小；第一组电堆2和第二组电堆1的阴极输出端与尾气燃烧器5输入端连接；第一组电堆2和第二组电堆1的阳极输出端同时与尾气燃烧器5输入端和重整器4输入端连接，第一组电堆2和第二组电堆1的阳极输出端与重整器4输入端、尾气燃烧器5输入端之间均设置有开闭装置10（气体流量阀），且可通过开闭装置控制所述第一组电堆2和/或第二组电堆1的阳极输出端进入重整器4和尾气燃烧器5的尾气量；尾气燃烧器5的输出端与热交换器3的热输入端连接；热交换器3用于预热进入重整器4的燃料气和/或进入第一组电堆2和第二组电堆1的阴极空气，或用于为重整器4、第二组电堆1的启动提供热量；热交换器3的输出端还与余热回收装置8连接；重整器4的输入端还与脱硫器7连接；第一组电堆2和第二组电堆1的阳极输出端与重整器4输入端的开闭装置10（气体流量阀）之间还设置有气体循环辅助装置9（引射器），引射器的输出口与重整器4输入端连接，引射器的高压输入口为高温燃料气，引射器的低压输入口为阳极输出端尾气。
SOFC系统启动方法：
S1：启动阶段：通过开闭装置10连通第一组电堆2与重整器4，断开第二组电堆1与重整器4的开关（开闭装置10），关闭气体循环辅助装置9（引射器）；预热蒸发器6、重整器4和第一组电堆2，待第一组电堆2达到启动温度（500℃）后，导入预热的空气、燃料和水蒸气，启动第一组电堆2；将第一组电堆2的阳极尾气全部导入尾气燃烧器5；尾气燃烧器5燃烧产生的高温气体进入热交换器3，并通过热交换器3预热第二组电堆1；
S2：过渡阶段：当第一组电堆2正常启动，且第二电堆1达到启动温度（500℃）后，通过调整开闭装置10和气体循环辅助装置9，将第一组电堆2的阳极尾气逐渐导入重整器4；同时，连通第二组电堆1与重整器4，增加系统燃料和空气的导入量，减少注入蒸发器6中水的量，启动第二组电堆1；将第二组电堆1的全部或部分阳极尾气导入尾气燃烧器3，使第一组电堆2和第二组电堆1同时安全运行；
S3：正常工作阶段：停用蒸发器6，动态调整气体循环辅助装置9、重整器4以及燃料、空气供给装置，控制系统的燃料、空气输入量、第一组电堆2和第二组电堆1的阳极尾气进入重整器4与尾气燃烧器5的比例，实现系统进出气的物料平衡以及温度、压力的平衡，使第一组电堆2和第二组电堆1所需的水蒸气完全由循环的阳极尾气提供，当系统达到稳定状态后，完成尾气循环利用的SOFC系统的启动，实现系统正常工作。
SOFC系统运行路线：
阴极：外部空气通过空气供给装置进入到热交换器3中进行预热，热交换器3通过与尾气燃烧器5连接供热；加热后的空气可根据分配分别进入第一组电堆2和第二组电堆1；第一组电堆2和第二组电堆1的阴极尾气排出后全部导入尾气燃烧器5或热交换器3。
阳极：天然气、甲烷等燃料通过燃料供给装置进入到脱硫器7中，经过脱硫器7脱硫处理后的燃料进入到重整器4进行重整，重整后的燃料可分别进入到第一组电堆和第二组电堆；重整器4通过热交换器3的供热，提供重整燃料需要的热量；在启动阶段，第一组电堆2产生的阳极尾气全部导入尾气燃烧器5进行燃烧，燃烧产生的高温气体导入热交换器3，为重整器、预热空气、预热第二电堆等需要热量的地方提供热量；在过渡阶段，第一组电堆2产生的阳极尾气部分导入尾气燃烧器5进行燃烧，部分通过气体循环辅助装置9导入重整器4；在正常工作阶段，第一组电堆2和第二组电堆1产生的阳极尾气部分导入尾气燃烧器5进行燃烧，部分通过气体循环辅助装置9导入重整器4；通过热交换器3换热后的尾气可根据需要进入到各种余热回收装置8中。
水分：在启动阶段，供水装置提供去离子水给蒸发器6，蒸发器6产生的蒸气提供给重整器4进行碳氢燃料重整；在过渡阶段，逐渐减少供水装置供给蒸发器6的水分，重整器4所需水分逐渐由电堆阳极尾气中的水分供给；在正常工作阶段，停止供水装置和蒸发器6，重整器4所需水分完全由电堆阳极尾气中的水分供给。
理论效率测算：
第一组电堆2 （由1个功率为1 kW的电堆11组成）和第二组电堆1（由2个功率为0.5kW的电堆11组成）功率相同，功率均为1 kW；
第一组电堆2的尾气全部循环利用，相当于整个系统的50%尾气被循环利用，按第一电堆与第二电堆燃料利用率70%，发电效率60%，1 Nm3天然气热值10 kW.h电量计算，系统燃料消耗量减少15%。
每小时天然气消耗量：
第一组电堆2独立运行时，进入天然气量0.24 Nm3，剩余0.24*（1-70%）=0.072 Nm3；
整个循环系统2 kW功率，每小时燃料消耗量：0.24*2-0.072=0.408 Nm3；
常规2 kW功率系统，每小时燃料消耗量：0.24+0.24=0.48 Nm3；
燃料减少/节约量：每小时减少（0.48-0.408）/0.48=15%；
电堆中燃料利用率：（0.408-0.072）/0.408=82.35%
可见，该SOFC系统的尾气循环比50%，电堆燃料利用率82.35%。
实施例2：
一种模块化高效SOFC系统：与实施例1不同之处仅在于：集成换热模块的设置方式（图4）；第二组电堆1仅由1个电堆11组成，但第二组电堆1（由1个功率为1kW的电堆11组成）和第一组电堆2（由1个功率为1kW的电堆11组成）的功率总和与实施例1相同。
SOFC系统运行路线和启动方法与实施例1相同。
经测算，该SOFC系统的尾气循环比50%，电堆燃料利用率82.35%。
实施例3：
一种模块化高效SOFC系统：系统结构组成与实施例2相同；
SOFC系统运行路线和启动方法与实施例2不同之处仅在于：
S1：启动阶段：通过开闭装置10连通第一组电堆2与重整器4，断开第二组电堆1与重整器4的开关（开闭装置10），关闭气体循环辅助装置9（引射器）；预热蒸发器6、重整器4和第一组电堆2，待第一组电堆2达到启动温度（500℃）后，导入预热的空气、燃料和水蒸气，启动第一组电堆2；将第一组电堆2的阳极尾气全部导入尾气燃烧器5；尾气燃烧器5燃烧产生的高温气体进入热交换器3，并通过热交换器3预热第二组电堆1；
S2：过渡阶段：当第一组电堆2正常启动后，且第二电堆1达到启动温度（500℃）后，增加注入蒸发器6中水的量及系统燃料和空气的导入量，启动第二电堆1；第二电堆正常启动后，通过调整开闭装置10和气体循环辅助装置9，将第一组电堆2的阳极尾气逐渐导入重整器4，减少注入蒸发器6中水的量及系统燃料，使第一组电堆2和第二组电堆1同时安全运行；
S3：正常工作阶段：停用蒸发器6，动态调整气体循环辅助装置9、重整器4以及燃料、空气供给装置，控制系统的燃料、空气输入量、第一组电堆2和第二组电堆1的阳极尾气进入重整器4与尾气燃烧器5的比例，实现系统进出气的物料平衡以及温度、压力的平衡，使第一组电堆2和第二组电堆1所需的水蒸气完全由循环的阳极尾气提供，当系统达到稳定状态后，完成尾气循环利用的SOFC系统的启动，实现系统正常工作。
经测算，该SOFC系统的尾气循环比50%，电堆燃料利用率82.35%。
以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种模块化高效SOFC系统，其特征在于，包括集成换热模块和SOFC发电模块；其中，所述集成换热模块包括尾气燃烧器（5）、重整器（4）和热交换器（3）；所述SOFC发电模块包括第一组电堆（2）和第二组电堆（1）；
所述重整器（4）输出端分别与第一组电堆（2）和第二组电堆（1）阳极输入端连接，所述重整器（4）输出端与第一组电堆（2）和第二组电堆（1）的阳极输入端之间设置有开闭装置（10），且可通过所述开闭装置（10）控制所述第一组电堆（2）和/或第二组电堆（1）的阳极输入端是否与重整器（4）输出端连通，以及控制重整器（4）输入第一组电堆（2）和第二组电堆（1）的气体流量大小；
所述第一组电堆（2）和第二组电堆（1）的阴极输出端与尾气燃烧器（5）输入端连接；
所述第一组电堆（2）和第二组电堆（1）的阳极输出端同时与尾气燃烧器（5）输入端和重整器（4）输入端连接，所述第一组电堆（2）和第二组电堆（1）的阳极输出端与重整器（4）输入端、尾气燃烧器（5）输入端之间均设置有开闭装置（10），且可通过所述开闭装置（10）控制所述第一组电堆（2）和/或第二组电堆（1）的阳极输出端进入重整器（4）和尾气燃烧器（5）的尾气量；
所述尾气燃烧器（5）的输出端与热交换器（3）的热输入端连接。
2.根据权利要求1所述的SOFC系统，其特征在于，还包括蒸发器（6）；所述蒸发器（6）输出端与重整器（4）输入端连接。
3.根据权利要求1所述的SOFC系统，其特征在于，所述第一组电堆（2）和第二组电堆（1）的阳极输出端与重整器（4）输入端之间还设置有气体循环辅助装置（9）；所述气体循环辅助装置（9）为引射器或高温风机。
4.根据权利要求3所述的SOFC系统，其特征在于，所述气体循环辅助装置（9）为引射器；引射器的输出口与重整器（4）输入端连接，引射器的高压输入口输入燃料气，引射器的低压输入口与第一组电堆（2）和第二组电堆（1）的阳极输出端连接，输入第一组电堆（2）和第二组电堆（1）的阳极尾气，且燃料气的压力高于阳极尾气。
5.根据权利要求1-4任一项所述的SOFC系统，其特征在于，所述尾气燃烧器（5）的输出端还与余热回收装置（8）连接。
6.根据权利要求1-4任一项所述的SOFC系统，其特征在于，所述重整器（4）的输入端还与脱硫器（7）连接。
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