一种固体氧化物燃料电池发电系统的制作方法

本发明涉及一种固体氧化物燃料电池发电系统，特别涉及发电系统的流程与器件布局。

背景技术：

固体氧化物燃料电池(Solid Oxide Fuel Cell，SOFC)发电系统是一种清洁、高效的能量转换系统，以天然气等气态烃类或氢气、一氧化碳等为原料，能将燃料中的化学能转换为电能。依托分布广泛的天然气管网，SOFC发电系统可以规模集成为以天然气为原料的分布式发电站，供应楼宇、厂房、社区等的用电需求，具有良好的商业前景。

SOFC发电系统的基本运行过程为：天然气首先经过重整，产生氢、一氧化碳气等气体，进入电池堆阳极，阴极空气进入电池堆的阴极，在一定的条件下，阳极气体与阴极气体发生反应，生成水，产生电。为了完成这些过程，需要各种配套器件如重整器、启动燃烧器、阳极尾气燃烧器、换热器等部件。各部件需要很好的组合起来，形成一个有机整体，这样才能进行物质流与能量流的流动。

在美国专利US2012/0178003A1提供了一种SOFC发电系统的流程与热区构架，该系统存在如下问题：1)SOFC发电系统热区构架中，将空气预热器、重整进料预热器、气化器等换热器集成在热区中，这种结构对于单体小型系统比如几十千瓦级别的SOFC发电系统的设计是合适的，但当单体系统规模达到百千瓦级以上时，SOFC发电系统热区的布置就不能这么布置了，因换热需要以及体积问题，各种换热器不适合全部集成到热区中。2)该发明提供的热区流程中，阳极尾气经过重整燃料预热器后通过分离器分成两路，一路直接进入阳极尾气燃烧器，另一路则经过空气一级预热器之后进入重整燃料管路，作为重整原料回收使用。此种方法的弊端之一为，高温下燃料的流量受压力、温度等影响，难以对其进行准确的分流控制，影响系统的稳定运行。另外还有一个弊端，回收使用的重整尾气影响重整器中的化学平衡，从而影响重整器的重整效果，进而影响SOFC发电系统的发电运行。3)系统启动问题。该专利中，启动是靠催化部分氧化反应来启动，这个反应不易控制，而且有爆炸危险；还有，启动该反应需要额外的热源以及催化剂，催化剂在高温下易产生热点等问题；另外，启动时间也会很长。

针对以上问题，本发明提供了一种SOFC发电系统新流程以及器件布置的新方法,对于SOFC发电系统流程(启动流程及运行流程)、器件布局以及重整器功能等作了改进。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是提供一种结构布局合理、装配方便且换热合理的固体氧化物燃料电池发电系统。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种固体氧化物燃料电池发电系统，包括热区、重整器、启动燃烧器、阳极尾气燃烧器、混合器和换热部件，其特征在于：所述热区包括电池堆阵列与相应的布气管路，重整器、换热部件与热区分立设置，彼此通过管路连接；换热部件包括重整进料预热器、空气一级预热器、空气二级预热器、气化器和冷凝器，混合器上设置有重整预留空气进口和燃料进口，混合器上设有出料口与重整进料预热器相连接，重整进料预热器与重整器相连接；发电系统的阳极气路流向和管路连接为：重整进料进入重整进料预热器预热后，进入重整器进行重整反应，重整尾气进入热区电池堆阵列的阳极，进行发电，热区排放的阳极尾气依次通过重整进料预热器、空气一级预热器进入冷凝器，冷凝产生的水经过净化器净化后重新进入混合器进行重整进料水循环，冷凝后的阳极尾气进入阳极尾气燃烧器，燃烧后的烟气依次通过空气二级预热器和气化器之后排放；阴极气路流向和管路连接为：阴极空气依次经过空气一级预热器和空气二级预热器之后，进入热区电池堆阵列的阴极，发电后的阴极尾气进入阳极尾气燃烧器，与冷凝后进入阳极尾气燃烧器的阳极尾气进行混合燃烧，燃烧后的烟气依次进入空气二级预热器和气化器之后排放。

作为改进，所述热区的电池堆阵列采用层状盘式结构，热区的电池堆数量不限，电池堆阵列外围设有用于阳极气体进出的通气管路和废气管路，通气管路和废气管路通过各层上的通气法兰和对应的通气支管和废气支管连接各层上的单个电池堆的阳极气体进孔和阳极废气出孔，电池堆阵列外围上有用于将电池堆阵列所发的电进行导出的导电柱，逆变器与导电柱相连接。

优选，所述重整器采用列管式或蜂窝整体式，重整器上设有重整尾气出口与热区的阳极气体进口的通气管路相连接，热区设有阳极尾气出口与重整进料预热器相连接。

作为改进，所述阳极尾气燃烧器位于重整器的中间位置，阳极尾气燃烧器通过法兰与重整器连接固定。

再改进，所述启动燃烧器为以天然气为原料的明火燃烧器，启动燃烧器上设有启动天然气进料口和启动空气进口。

再改进，所述气化器采用列管式结构，冷凝器分别与净化器、空气一级预热器和阳极尾气燃烧器相连接。

进一步改进，所述混合器的燃料进口进入的燃料为天然气，氢气，合成气或沼气。

进一步改进，所述燃料为天然气。

再进一步改进，所述发电系统还包括控制柜、将热区发出的直流电转换成交流电的逆变器和给水系统，

最后，所述重整器在温度升至400℃时进行重整进料，当重整器温度达到750～850℃，热区电池堆阵列的稳定工作温度为700～800℃时，系统稳定运行2～3小时即可放电。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1)将各主要部件分立设置，而不是集中于热区中，这样就降低了各部件组合的难度，便于系统在现场因地制宜进行整体布局，同时降低了各部件之间相互交叉影响的可能性，便于各部件稳定的发挥其功能。

2)将阳极尾气进行冷凝，使气水分离，便于水的回收纯化与循环使用，同时也便于阳极尾气燃烧器的稳定燃烧，并且阳极尾气不回收循环至重整器，避免了对重整反应化学平衡的影响。

3)混合器上预留了重整空气入口，便于在重整器中添加适量空气，进行自热重整反应，有利于系统换热。

本发明结构布局合理，装配方便，具有便于拆卸、适宜布局、功能稳定、换热合理等优点，适用于单体百千瓦级的固体氧化物燃料电池发电系统的组建。

附图说明

图1是本发明的固体氧化物燃料电池发电系统的整体流程图；

图2是本发明的固体氧化物燃料电池发电系统的整体布局图；

图3是本发明实施例1中的200kW系统中的电池堆阵列结构示意图；

图4是本发明实施例1中的160kW系统中的电池堆阵列结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。

一种固体氧化物燃料电池发电系统，包括热区1、重整器2，启动燃烧器10，阳极尾气燃烧器3、混合器4、换热部件、逆变器13、净化器11、给水系统14和控制柜12，热区1包括电池堆阵列与相应的布气管路，电池堆阵列是进行发电反应的场所，热区1的电池堆阵列采用层状盘式结构，参见我们在先授权的专利技术，专利号为201310212920.5的中国专利，热区1的电池堆1.1数量不限，电池堆阵列外围设有用于阳极气体进出的通气管路1.2和废气管路1.2a，通气管路1.2和废气管路1.2a通过各层上的通气法兰1.4和对应的通气支管1.5和废气支管1.6连接各层上的单个电池堆的阳极气体进孔和阳极废气出孔，电池堆阵列外围上有用于将电池堆阵列所发的电进行导出的导电柱1.3；逆变器13是将电池堆阵列发出的直流电转换成交流电供日常生产生活使用，逆变器13与导电柱1.3相连接。

重整器2、换热部件与热区1分立设置，这样就降低了各部件组合的难度，便于整体布局，同时又降低了各部件之间的交叉影响，便于各部件稳定的发挥作用；重整器2是燃料进行重整的场所，重整器2采用列管式或蜂窝整体式，重整器2上设有重整尾气出口与热区1的阳极气体进口的通气管路1.2相连接，热区1设有阳极尾气出口与重整进料预热器5相连接，阳极尾气燃烧器3位于重整器2的中间位置，用于燃烧从电池堆阵列排出的阳极尾气，给重整器2供热，阳极尾气燃烧器3通过法兰与重整器2连接固定；换热部件包括重整进料预热器5、空气一级预热器6、空气二级预热器7、气化器8和冷凝器9，混合器4、重整进料预热器5、空气一级预热器6和空气二级预热器7通过管路依次连接，冷凝器9分别与净化器11、空气一级预热器6和阳极尾气燃烧器3相连接。

上述部件中混合器4用来混合重整进料即燃料和水蒸气，使混合均匀，混合器4上设置有重整预留空气进口和燃料进口，燃料采用天然气，设置重整预留空气进口便于在重整器2中添加适量空气，进行自热重整反应，有利于系统换热；混合器4上设有出料口与重整进料预热器5相连接，重整进料预热器5与重整器2相连接，重整进料预热器5用来预热重整进料，其热源来自从电池堆阵列排放的阳极尾气；空气一级预热器6用来对空气进行第一次预热，热源来自从电池堆阵列排放的阳极尾气，空气二级预热器7用来对空气进行第二次预热，热源来自从阳极尾气燃烧器3排放的烟气，气化器8用来使水气化，以便和燃料一起作为重整进料进入重整器2反应；冷凝器9用来冷凝从空气一级预热器出来的阳极尾气，使其中的水冷凝下来回收，以便循环使用，冷凝后的气体则进入阳极尾气燃烧器3使用；启动燃烧器10为以天然气为原料的明火燃烧器，启动燃烧器10上设有启动天然气进料口和启动空气进口，启动燃烧器10用于系统的启动升温；净化器11用来净化冷凝器9冷凝出来的水。

发电系统的阳极气路流向为：重整进料进入重整进料预热器5预热后，进入重整器2进行重整反应，重整尾气进入热区1电池堆阵列的阳极气体进口的通气管路1.2，进行发电，热区1排放的阳极尾气依次通过重整进料预热器5、空气一级预热器6进入冷凝器9，冷凝产生的水经过净化器11净化后重新进入混合器4进行重整进料水循环，冷凝后的阳极尾气进入阳极尾气燃烧器3，燃烧后的烟气依次通过空气二级预热器7和气化器8之后排放。

阴极气路流向为：阴极空气依次经过空气一级预热器6和空气二级预热器7之后，进入热区1电池堆阵列的阴极，发电后的阴极尾气进入阳极尾气燃烧器3，与冷凝后进入阳极尾气燃烧器3的阳极尾气进行混合燃烧，燃烧后的烟气依次进入空气二级预热器7和气化器8之后排放。阴极空气由风机供应。

本发明的固体氧化物燃料电池发电系统的流程如图1所示，系统具体运行相关情况如下：

1)启动。以天然气为原料，点燃启动燃烧器10，烟气进入热区1，穿过电池堆阵列，对整个热区1进行加热。烟气通过热区1后，进入阳极尾气燃烧器3以及重整器2，对这两个器件进行预热。然后，烟气依次经过空气二级预热器7、气化器8之后排放。

待重整器2温度升至400℃时，即可往重整器2中通入重整进料，继续升温，使重整器2温度达到750～850℃，热区1电池堆阵列稳定工作的温度为700～800℃，系统在稳定运行时，热区1维持在此温度。待重整器2和电池堆阵列被还原后(一般需要2～3小时)，即可进行系统放电。

2)放电。根据放电的功率事先确定所需的重整进料，待重整进料调节到位，通入系统后，即可进行放电。电池堆阵列发出来的电为直流电，通过逆变器13转换成交流电后可供日常生产生活使用。系统的燃料利用率可达80％以上，发电效率可达50％以上。

3)物料补充。系统发电过程中产生的水可以循环使用。系统发电产生的水在冷凝器9中冷凝后，进入净化器11被净化后进入系统给水系统，循环使用。

4)换热。电池堆阵列的正常运行温度靠启动燃烧器10以及电池堆自身放热来维持。重整器2的温度在升温过程中靠启动燃烧器10给予，在稳定运行是则靠阳极尾气燃烧器3来维持。阴极空气经过2次预热，其一级预热的热源来自电池堆阵列的阳极尾气，其二级预热的热源来自阳极尾气燃烧器燃烧产生的烟气。重整进料预热的热源来自电池堆阵列的阳极尾气。

5)功率。该系统的设计功率由电池堆阵列中电池堆的数量来决定。根据功率需要，调整系统热区中电池堆的数量，设计不同功率的系统。

应用例1

本实施例为200kW SOFC发电系统。包括热区1，重整器2，阳极尾气燃烧器3，混合器4，重整进料预热器5，空气一级预热器6，空气二级预热器7，气化器8，冷凝器9，启动燃烧器10，净化器11，控制柜12，逆变器13，给水系统14，风机15等主要部件。

本实施例的热区1的电池堆阵列如图3所示，电池堆阵列包括192个140mm×140mm电池堆1.1，层状盘式结构，共8层，每层24个电池堆1.1，电池堆阵列外围有通气管路1.2，用于阳极气体的进出，电池堆阵列外围上有导电柱1.3，用于导出电池堆阵列所发的电。

重整器2采用列管式，气化器8采用列管式。混合器4用于水蒸气和天然气的混合，混合之后进入重整器2。阳极尾气燃烧器3位于重整器1的中间，通过法兰固定。

电池堆阵列发出的直流电经过逆变器13转换成交流电之后即可供日常生产生活使用。该系统稳定运行功率为200kW。

应用例2

本实施例为160kW SOFC发电系统。包括热区1，重整器2，阳极尾气燃烧器3，混合器4，重整进料预热器5，空气一级预热器6，空气二级预热器7，气化器8，冷凝器9，启动燃烧器10，净化器11，控制柜12，逆变器13，给水系统14，风机15等主要部件。

本实施例的热区1的电池堆阵列如图4所示，包括160个140mm×140mm电池堆1.1，层状盘式结构，共8层，每层20个电池堆1.1，电池堆阵列外围有通气管路1.2，用于阳极气体的进出，电池堆阵列外围上有导电柱1.3，用于导出电池堆阵列所发的电。

重整器2采用列管式，气化器8采用列管式。混合器4用于水蒸气和天然气的混合，混合之后进入重整器2。阳极尾气燃烧器3位于重整器2的中间，通过法兰固定。

电池堆阵列发出的直流电经过逆变器13转换成交流电之后即可供日常生产生活使用。该系统稳定运行功率为160kW。

以上所述的实施例对本发明的技术方案进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的具体实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充或类似方式替代等，均应包含在本发明的保护范围之内。