一种固体氧化物燃料电池发电系统及工艺的制作方法

本发明属于固体氧化物燃料电池领域，具体涉及一种固体氧化物燃料电池发电系统及工艺。

背景技术：

固体氧化物燃料电池是将化学能转化为电能的发电装置，在已知的固体氧化物燃料电池系统中，对于余热回收系统，在阴极：从阴极出来的气体预热阴极入口空气后，一部分用于催化燃烧，一部分需要被循环水冷却后排放。

在阴极，需要将冷却后的阴极尾气排放而不能达到“零排放”；从节能角度考虑，对于阴极进口，阴极废气预热大量阴极入口气体后，温度已经很低，不能产生高位热被重新利用，只能使用循环水将其冷却后排放，使热量不能合理利用，而且消耗大量循环水，本身就是一种资源浪费，不利于“节能”。

技术实现要素：

针对现有技术中固体氧化物燃料电池的阴极尾气热能浪费的问题，本发明提供一种固体氧化物燃料电池的尾气处理系统，实现固体氧化物燃料电池的阴极尾气热能的充分利用，并且达到零排放的要求。

本发明的一种固体氧化物燃料电池发电系统，其包括固体氧化物燃料电池、燃料供给系统、空气供给系统、余热回收系统。

所述燃料供给系统包括第一换热器、第二换热器和预重整器，其中，燃料输入管道与第一换热器的燃料通道的入口连接，第一换热器的燃料通道的出口经第二换热器的燃料通道后连接于预重整器的燃料入口，预重整器的出口通过管道经第三换热器的燃料通道后连接于固体氧化物燃料电池的阳极入口。

所述空气供给系统包括与固体氧化物燃料电池阴极入口连接的空气输入管道及设置在空气输入管道上的第四换热器。

所述余热回收系统包括催化氧化燃烧器、第一蒸汽发生器、第二蒸汽发生器、第五换热器、第六换热器、循环压缩机及气液分离器，固体氧化物燃料电池的阴极尾气输出管道经第四换热器之后连接于第二蒸汽发生器的阴极尾气入口，第二蒸汽发生器的阴极尾气输出管道经循环压缩机后与空气供给系统的空气输入管道汇合，固体氧化物燃料电池的阳极尾气输出管道依次经过第三换热器、第二换热器、第一换热器的尾气通道之后与一路空气输入管道汇合后连接催化氧化燃烧器的入口，催化氧化燃烧器的气体出口经管道连接于预重整器的阳极尾气入口，预重整器的阳极尾气输出管道经第一蒸汽发生器的气体入口进入第一蒸汽发生器，出第一蒸汽发生器后分为两个支管，一个支管先后连接第五换热器和第六换热器各自的一个换热通道，然后连接于气液分离器入口，气液分离器的气体出口管道与第一蒸汽发生器的另一支管汇合成总尾气输出管道或单独作为尾气输出管道，气液分离器的液体输出管道经第五换热器的另一换热通道之后分为两个支管，一个支管经第一蒸汽发生器之后连接于第一、第二换热器之间的管道，另一支管连接于第二蒸汽发生器的液体进口，第二蒸汽发生器的蒸汽输出管道为外供蒸汽管道。

优选地，所述气液分离器的液体输出管道上设有为液体提供动力的离心泵。

优选地，所述循环压缩机为迷宫压缩机。

优选地，所述第六换热器的另一换热通道与冷水管连接，该换热通道的出口与热水输出管道连接。

优选地，还包括用于控制整个发电系统运行的控制系统和将电能输出至下游的电能输出系统。

本发明还提供一种固体氧化物燃料电池发电工艺，其流程如下：

(1)燃料通过在第一、第二换热器通过与来自固体氧化物燃料电池阳极的阳极尾气换热被加热200-450℃，优选约300-400℃后进入预重整器反应，预重整后的气体在第三换热器与直接从固体氧化物燃料电池阳极出来的阳极尾气换热而升温至600-750℃，优选650-720℃，然后进入固体氧化物燃料电池的阳极，空气通过空气输入管道经第四换热器通过与来自固体氧化物燃料电池阴极的阴极尾气换热而升温至600-750℃，优选650-720℃后进入固体氧化物燃料电池的阴极，燃料和空气中的氧气在固体氧化物燃料电池内发生氧化还原反应产生电能，其中，来自固体氧化物燃料电池的阳极尾气依次进入第三换热器、第二换热器和第一换热器用于供热，出第一换热器后与空气混合进入催化氧化燃烧器燃烧，催化燃烧后的尾气(温度为约800-900℃的高温气体)加热预重整器(至例如200‐450℃，优选300-400℃)；

(2)固体氧化物燃料电池产生的阴极尾气(温度一般为700-900℃，优选750-850℃)，通过阴极尾气输出管道进入第四换热器与空气换热后(将其加热至例如约600-750℃)，然后进入第二蒸汽发生器，在第二蒸汽发生器中加热低温液体产生饱和蒸汽(自身温度降低至150-400℃，通常200-300℃)，降温后的阴极尾气进入循环压缩机加压(至例如150-400kpa，进一步200-300kpa)后与空气汇合，进入第四换热器如上所述与固体氧化物燃料电池产生的阴极尾气换热升温至600-750℃，优选650-720℃后共同进入固体氧化物燃料电池的阴极。

上述加热预重整器后的催化燃烧后的尾气(通常温度降低至300-500℃，优选350-450℃)进入第一蒸汽发生器，加热第一蒸汽发生器中的低温液体产生饱和蒸汽(自身温度降低至150-300℃，优选200-250℃，产120-200℃，进一步约150℃的蒸汽)，出第一蒸汽发生器的气体分为两路，一路先后进入第五、第六换热器换热(通常降温至50-100℃)后进入气液分离器，气液分离器内分离出的气体经气液分离器的气体输出管道与出第一蒸汽发生器的另一路气体汇合后排出系统或分别排出系统(其中一路和另一路的气体体积比根据需要可以为例如1:0.2-10)，气液分离器内分离得到的水从液体输出管道排出，并经泵加压后进入第五换热器(与出第一蒸汽发生器的气体换热)升温后分为两个支路，第一支路路进入第一蒸汽发生器，产生的饱和蒸汽与第一、第二换热器之间的燃料汇合，第二支路进入第二蒸汽发生器(其中第一支路和第二支路的液体体积比根据需要可以为例如1:0.2-10)，由出第四换热器的阴极尾气加热升温成为饱和蒸汽，由饱和蒸汽输出管道外送(例如作为外供蒸汽)。其中第六换热器引入循环水(例如20-40℃，进一步约32℃)与气体进行换热，将进入第六换热器的上述气体降温至优选45℃以下，例如30-45℃，进一步约40℃。

一般，固体氧化物燃料电池产生的阳极尾气温度为700-900℃，优选750-850℃，通过阳极尾气输出管道进入第三换热器，经第三换热器与预重整器输出的混合气体换热降温至300-500℃，再依次经过第二、第一换热器逐级预热供给的燃料，温度降低至60-200℃，优选约60-100℃，然后与一路空气混合后共同进入催化氧化燃烧器，使阳极尾气充分燃烧。

其中，步骤(1)中所述燃料为管道气，其组成为co21-2v％、ch490-95v％、n21-3v％、c2h63-5v％、c3h80.8-2v％、c3h60.2-0.5v％。

其中，步骤(1)中所述混合气的组成为h2、co、co2和h2o，水碳比为1-5：1，优选为2-4：1。

其中，步骤(2)中所述阴极尾气经循环压缩机加压后，压力增加至150-400kpa，优选180-300kpa。

其中，步骤(2)第一、第二蒸汽发生器中产生的饱和蒸汽温度为120-250℃，优选140-200℃，压强为300-600kpa，优选400-500kpa。

本发明的有益效果：本发明利用换热器、蒸汽发生器回收固体氧化物燃料电池尾气中的热能，实现尾气中热能的二次利用，同时将降温后的阴极尾气与空气混合重新进入固体氧化物燃料电池，同时降低了循环水的使用量，使工艺简化，降低了工艺成本，节省阴极循环水冷却工序，增加副产的饱和蒸汽，从而提高产饱和蒸汽的量，降低循环水消耗量，提高综合效率。

附图说明

图1为现有技术固体氧化物燃料电池发电系统的工艺流程示意图。

图2为本发明的一种固体氧化物燃料电池发电系统的工艺流程示意图。

附图标记说明：

e101、e102、e103、e105、e107、e108、e109：换热器；

e106：第一蒸汽发生器，e104：第二蒸汽发生器；

f101：催化氧化燃烧器，r101：预重整器，v101：气液分离器，c101：压缩机，p101：泵，sofc：固体氧化物燃料电池。

具体实施方式

下面结合附图和实施例进一步说明本发明。

如图2所示，本发明提供一种固体氧化物燃料电池发电系统，其包括固体氧化物燃料电池、燃料供给系统、空气供给系统、余热回收系统，

所述燃料供给系统包括第一换热器e101、第二换热器e102和预重整器r101，其中，燃料输入管道与第一换热器e101的燃料通道入口连接，第一换热器e101的燃料通道的出口经第二换热器e102的燃料通道后连接于预重整器r101的燃料入口，预重整器r101的燃料出口通过管道经第三换热器e103的燃料通道后连接于固体氧化物燃料电池的阳极入口，

所述空气供给系统包括与固体氧化物燃料电池阴极入口连接的空气输入管道及设置在空气输入管道上的第四换热器e105，

所述余热回收系统包括催化氧化燃烧器f101、第一蒸汽发生器e106、第二蒸汽发生器e104、第五换热器e107、第六换热器e108、循环压缩机c101及气液分离器v101，固体氧化物燃料电池的阴极尾气输出管道经第四换热器e105之后连接于第二蒸汽发生器e104的阴极尾气入口，第二蒸汽发生器e104的阴极尾气输出管道经循环压缩机c101后与空气供给系统的空气输入管道汇合，固体氧化物燃料电池的阳极尾气输出管道依次经过第三换热器e103、第二换热器e102、第一换热器e101的尾气通道之后与一路空气输入管道汇合连接催化氧化燃烧器f101的入口，催化氧化燃烧器f101的气体出口经管道连接于预重整器r101的阳极尾气入口，预重整器r101的阳极尾气输出管道经第一蒸汽发生器e106的气体入口进入第一蒸汽发生器e106，出第一蒸汽发生器e106后分为两个支管，一个支管先后连接第五换热器e107和第六换热器e108各自的一个换热通道，然后连接于气液分离器v101入口，气液分离器v101的气体出口管道与第一蒸汽发生器e106的另一支管汇合成总尾气输出管道或单独作为尾气输出管道，气液分离器v101的液体输出管道经第五换热器e107的另一换热通道之后分为两个支管，一个支管经第一蒸汽发生器e106之后连接于第一、第二换热器之间的管道，另一支管连接于第二蒸汽发生器e104的液体进口，第二蒸汽发生器e104的蒸汽输出管道为外供蒸汽管道。

所述气液分离器v101的液体输出管道上优选设有为液体提供动力的离心泵p101。

所述循环压缩机优选为迷宫压缩机。

所述第六换热器的另一换热通道与冷水管连接，该换热通道的出口与热水输出管道连接。

本系统还包括用于控制整个发电系统运行的控制系统和将电能输出至下游的电能输出系统。

本发明还提供一种固体氧化物燃料电池发电工艺，其流程如下：

(1)燃料通过在第一、第二换热器通过与来自固体氧化物燃料电池阳极的阳极尾气换热被加热200-450℃，优选约300-400℃后进入预重整器反应，预重整后的气体在第三换热器与直接从固体氧化物燃料电池阳极出来的阳极尾气换热而升温至600-750℃，优选650-720℃，然后进入固体氧化物燃料电池的阳极，空气通过空气输入管道经第四换热器通过与来自固体氧化物燃料电池阴极的阴极尾气换热而升温至600-750℃，优选650-720℃后进入固体氧化物燃料电池的阴极，燃料和空气中的氧气在固体氧化物燃料电池内发生氧化还原反应产生电能，其中，来自固体氧化物燃料电池的阳极尾气依次进入第三换热器、第二换热器和第一换热器用于供热，出第一换热器后与空气混合进入催化氧化燃烧器燃烧，催化燃烧后的尾气(温度为约800-900℃的高温气体)加热预重整器(至内部温度例如200‐450℃，优选300-400℃)；

(2)固体氧化物燃料电池产生的阴极尾气(温度一般为700-900℃，优选750-850℃)，通过阴极尾气输出管道进入第四换热器与空气换热后(将其加热至例如约600-750℃)，然后进入第二蒸汽发生器，在第二蒸汽发生器中加热低温液体产生饱和蒸汽(自身温度降低至150-400℃，通常200-300℃)，降温后的阴极尾气进入循环压缩机加压(至例如150-400kpa，进一步200-300kpa)后与空气汇合，进入第四换热器如上所述与固体氧化物燃料电池产生的阴极尾气换热升温至600-750℃，优选650-720℃后共同进入固体氧化物燃料电池的阴极。

上述加热预重整器后的催化燃烧后的尾气(通常温度降低至300-500℃，优选350-450℃)进入第一蒸汽发生器，加热第一蒸汽发生器中的低温液体产生饱和蒸汽(自身温度降低至150-300℃，优选200-250℃，产120-200℃，进一步约150℃的蒸汽)，出第一蒸汽发生器的气体分为两路，一路先后进入第五、第六换热器换热(通常降温至50-100℃)后进入气液分离器，气液分离器内分离出的气体经气液分离器的气体输出管道与出第一蒸汽发生器的另一路气体汇合后排出系统或分别排出系统，气液分离器内分离得到的水从液体输出管道排出，并经泵加压后进入第五换热器(与出第一蒸汽发生器的气体换热)升温后分为两个支路，第一支路进入第一蒸汽发生器，产生的饱和蒸汽与第一、第二换热器之间的燃料汇合，第二支路进入第二蒸汽发生器，由出第四换热器的阴极尾气加热升温成为饱和蒸汽，由饱和蒸汽输出管道外送(例如作为外供蒸汽)。其中第六换热器引入循环水(例如20-40℃，进一步约32℃)与气体进行换热，将进入第六换热器的上述气体降温至优选45℃以下，例如30-45℃，进一步约40℃。

一般，固体氧化物燃料电池产生的阳极尾气温度为700-900℃，优选750-850℃，通过阳极尾气输出管道进入第三换热器，经第三换热器与预重整器输出的混合气体换热降温至300-500℃，再依次经过第二、第一换热器逐级预热供给的燃料，温度降低至60-200℃，优选约60-100℃，然后与一路空气混合后共同进入催化氧化燃烧器，使阳极尾气充分燃烧。

其中，步骤(1)中所述燃料为管道气，其组成为co21-2v％、ch490-95v％、n21-3v％、c2h63-5v％、c3h80.8-2v％、c3h60.2-0.5v％。

其中，步骤(1)中所述混合气的组成为h2、co、co2和h2o，水碳比为1-5：1，优选为2-4：1。

其中，步骤(2)中所述阴极尾气经循环压缩机加压后，压力增加至150-400kpa，优选180-300kpa。

其中，步骤(2)第一、第二蒸汽发生器中产生的饱和蒸汽温度为120-250℃，优选140-200℃，压强为300-600kpa，优选400-500kpa。

实施例1

如图2所示，一个25kw的固体氧化物燃料电池系统，电堆工作温度750℃，发电效率60％，系统工作压力为200kpa。

(1)燃料通过输气管道(组成为co21.52v％、ch490.11v％、n22.09v％、c2h64.70v％、c3h81.09v％、c3h60.49v％，输气量为3.26kg/h，压力为200kpa)经第一、第二换热器e101、e102加热后进入预重整器r101，预重整器r101输出温度为350℃的混合气，混合气组成为h2、co、co2和h2o，水碳比3.37:1，混合气经第三换热器e103换热升温至700℃，然后进入固体氧化物燃料电池sofc的阳极，空气通过空气输入管道(空气中氧气流速为10.24kg/h，压力为200kpa)经第四换热器e105换热升温至700℃后进入固体氧化物燃料电池sofc的阴极，燃料和空气中的氧气在固体氧化物燃料电池内发生氧化还原反应产生电能；

(2)固体氧化物燃料电池sofc产生的阴极尾气温度为800℃，流速686.49kg/h，通过阴极尾气输出管道进入第四换热器e105，将空气换预热至约700℃，然后进入第二蒸汽发生器，在第二蒸汽发生器中加热低温液体产生饱和蒸汽(蒸汽产量为31.01kg/h，饱和蒸汽温度为120℃，压强为188.94kpa)，自身温度降低至250℃，降温后的阴极尾气进入循环压缩机加压至195kpa后与空气汇合，经第四换热器换e105热升温至700℃后共同进入固体氧化物燃料电池的阴极，

固体氧化物燃料电池产生的阳极尾气通过阳极尾气输出管道进入第三换热器e103，将预重整后的气体预热至约700℃，再依次经过第二、第一换热器e102、e101逐级预热供给的燃料，然后与一路空气(输气量为7.71kg/h)混合后共同进入催化氧化燃烧器f103，使阳极尾气充分燃烧，从催化氧化燃烧器输出温度约850℃的高温气体，经管道进入预重整器r102加热预重整器r102至350℃，进入第一蒸汽发生器e106，加热第一蒸汽发生器中的低温液体产生饱和蒸汽(蒸汽产量为10.64kg/h，饱和蒸汽温度为150℃，压强为468kpa)，出第一蒸汽发生器的气体分为两路，一路先后在第五、第六换热器e107、e108分别与来自气液分离器v101的液体水和循环水换热降温至100℃以下后进入气液分离器v101，气液分离器内分离出的气体经气液分离器的气体输出管道与出第一蒸汽发生器e106的另一路气体汇合后排出系统，气液分离器内分离得到的热水经液体输出管道并经泵p101加压后经过第五换热器e107升温后分为两路，一路进入第一蒸汽发生器e106，产生的饱和蒸汽与第一、第二换热器之间的燃料汇合，另一路进入第二蒸汽发生器e104，由出第四换热器e105的阴极尾气加热升温成为饱和蒸汽，由饱和蒸汽输出管道外送。

对比例1

如图1所示，一个25kw的固体氧化物燃料电池系统，电堆工作温度750℃，发电效率60％，系统工作压力为200kpa。

(1)燃料通过输气管道(组成为co21.52v％、ch490.11v％、n22.09v％、c2h64.70v％、c3h81.09v％、c3h60.49v％，输气量为3.26kg/h，压力为200kpa)经换热器加热后进入预重整器，预重整器输出温度为350℃的混合气，混合气组成为h2、co、co2和h2o，水碳比3.37:1，混合气经第三换热器换热升温至700℃，然后进入固体氧化物燃料电池的阳极，空气通过空气输入管道(空气中氧气流速为10.24kg/h，压力为200kpa)经循环压缩机、换热器换热升温至700℃后进入固体氧化物燃料电池的阴极，燃料和空气中的氧气在固体氧化物燃料电池内发生氧化还原反应产生电能；

(2)固体氧化物燃料电池输出的阴极尾气经换热器之后与降温后的阳极尾气混合共同进入催化燃烧器，经催化燃烧后的尾气加热预重整器至350℃后，经过换热器预热阴极供给单元提供的空气，之后被送往蒸汽发生器产生饱和蒸汽10.63kg/h，通过产蒸汽、预热被送往蒸汽发生器的冷却水后，被32℃循环水冷却至40℃经由管路离开系统而被排放，其中，所需循环水量为1346.07kg/h。来自固体氧化物燃料电池阴极的气体经换热器预热阴极入口气体至700℃后而被冷却至79℃后，一部分进入催化燃烧室燃烧，一部分被32℃循环水冷却至40℃经由管路离开系统而被排放，所需循环水的量为730.83kg/h。

在现有技术中，对于一个25kw的sofc系统，管道气消耗量均为3.26kg/h，产150℃(468kpa)饱和蒸汽10.63kg/h，消耗循环水总量为2076.90kg/h，系统综合效率为60.20％。本发明提供的系统中，管道气消耗量相同，只需增加补氧量10.24kg/h，可产生饱和蒸汽41.65kg/h，是现有技术的3.92倍；本发明需消耗循环水1345.92kg/h，仅仅是现有技术耗水量的64.80％；本发明的总效率是78.86％，提高了18.66％。通过以上数据，可以明显发现：本发明大大提高了系统的综合效率，提高了饱和蒸汽的量，大幅度降低了循环水消耗量，达到能源的合理利用，实现了“节能”的目的。

在本发明中，固体氧化物燃料电池阴极侧补充的氧化剂是来自工厂压缩系统的氧气，对阴极出来的气体循环使用，实现了阴极侧的“零排放”；循环压缩机使用迷宫压缩机，使循环温度可以高达200℃～300℃，比普通压缩机温度高了100℃～200℃，从而减少了进一步的循环水降温冷却与大幅度的升温过程，降低了循环水的使用量，使工艺简化，降低了工艺成本；由于发电量不变，发电效率是定值，在不考虑任何损失的理想情况下，电堆放热量是固定的，节省了阴极循环水冷却工序，必将增加副产的饱和蒸汽，从而提高产饱和蒸汽的量，降低循环水消耗量，提高综合效率。