一种SOFC尾气余热多级利用系统的制作方法

本发明涉及燃料电池领域，更具体地说，涉及一种sofc尾气余热多级利用系统。

背景技术：

1、随着工业化的不断发展，石油、天然气等化石燃料被大规模开采和使用导致能源短缺和环境污染，迫使人们去寻找新的清洁能源来代替化石燃料。燃料电池以此为契机，进入各国视野。燃料电池是新能源电池的一种，可以把燃料所具有的化学能直接转换成电能，又称电化学发电器。固体氧化物燃料电池(solid oxide fuel cell，简称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，具有能量密度高、发电效率高、燃料适用范围广和绿色无污染等优势。

2、然而sofc系统排出的尾气温度较高，系统在稳定工作时，工作温度一般在800℃-1000℃，所排出的尾气温度也在800℃以上，高温尾气的随意排放不仅会使能量白白浪费，也会对环境造成热污染，同时过高的尾气温度也存在一定的安全隐患。

3、针对以上问题，实用新型专利cn218480930u提供了“一种sofc系统的余热回收系统”，该专利将sofc系统排出的高温尾气直接通入燃烧室进行燃烧，如此设计能够再次利用sofc系统内部电化学反应未完全反应的燃料，但是忽略了对sofc系统排出高温尾气能量的充分利用，造成了很大一部分的能量损失。

技术实现思路

1、本发明提供了一种sofc尾气余热多级利用系统，能够实现对sofc系统高温尾气能量充分利用。包括第一预热系统、涡轮机发电系统、第二预热系统、用户供暖系统，sofc电堆阴、阳两级排出的尾气依次通过以上系统，能够实现尾气余热的多级利用，减少废热污染，且适用于多种场景、应用范围广泛。

2、本发明提供的一种sofc尾气余热多级利用系统，sofc尾气余热多级利用系统将第一预热系统、涡轮机发电系统、第二预热系统、用户供暖系统四个子系统串联起来，由sofc电堆排出的高温尾气依次经过四个系统，进行多级降温和多级利用。

3、进一步地，还包括控制器，sofc电堆的阴、阳两极依次与第一预热系统、涡轮机发电系统、第二预热系统、用户供暖系统连接，且阴、阳两极的尾气排出管道上分别设置有实时检测阳极尾气的温度的第一温度传感器、控制阳极尾气流向的第一三通阀和实时检测阴极尾气的温度的第二温度传感器、控制阴极尾气流向的第二三通阀，且第一三通阀与第二三通阀均和涡轮机发电系统管道连接，第一温度传感器和第二温度传感器、第一三通阀和第二三通阀均与控制器连接。

4、第一温度传感器实时检测阳极尾气的温度，将检测得到的温度值定义为第一测试值，并将检测数值发送给控制器；所述控制器接收第一温度传感器检测的数值并与预存的第一预设值与第二预设值比较，若第一测试值在两者之间则控制器控制第一三通阀第一端、第三端打开，阳极尾气进入第一预热系统。若第一测试值不在两者之间，则控制器向系统发出故障警报，并将第一测试值与第三预设值比较，大于第三预设值控制器控制第一三通阀第一端、第三端打开，阳极尾气进入第一预热系统，小于第三预设值控制器控制第一三通阀第一端、第二端打开，阳极尾气进入涡轮机发电系统。

5、第二温度传感器实时检测阴极尾气的温度，将检测得到的温度值定义第二测试值，并将检测数值发送给控制器；所述控制器接收第二温度传感器检测的数值并与预存的第一预设值与第二预设值比较，若第二测试值在两者之间则控制器控制第二三通阀第一端、第三端打开，阴极尾气进入第一预热系统。若第一测试值不在两者之间，则控制器向系统发出故障警报，并将第二测试值与第三预设值比较，大于第三预设值控制器控制第二三通阀第一端、第三端打开，阴极尾气进入第一预热系统，小于第三预设值控制器控制第二三通阀第一端、第二端打开，阴极尾气进入进入涡轮机发电系统。

6、进一步地，所述第一预热系统包括第一预热器、第一风机、重整器，第一预热器与阴、阳两极的尾气排出管道均连接，且第一三通阀、第二三通阀与第一预热器均管道连接，重整器的出气端与第一预热器连接，重整器中能够通入天燃气和水，且第一预热器与涡轮发电系统连接。sofc电堆阴、阳极排出的高温尾气分别经过第一温度传感器、第二温度传感器通入第一预热器中，并在第一预热器中释放热量用于加热参与sofc电堆反应的气体，此为高温尾气的第一级利用，换热后的高温尾气通入涡轮机发电系统再次利用。

7、进一步的，所述涡轮机发电系统包括涡轮机、发电机、燃烧室、压缩机、电控阀门、第一风机、第二风机、储氢罐，所述第一预热器的出口端分别与第一压缩机入口端和燃烧室入口端相连，且第一压缩机、燃烧室、涡轮机、发电机依次连接，储氢罐通过第一电控阀门与第一压缩机连接，第二风机通过第二电控阀门与第一压缩机连接，第一电控阀门和第二电控阀门均与控制器连接。经过第一预热器的阳极尾气在第一压缩机中进行压缩并与经过第一预热器的阴极尾气进入燃烧室中充分燃烧，从而推动涡轮机高速旋转，高速旋转的涡轮机带动发电机发电，实现尾气的第二级利用。

8、所述第一预热器与第一压缩机之间、第一预热器与燃烧室之间设置有第一氢气测量仪、第一氧气测量仪，用于测定两支路氢气流量与氧气流量，且第一氢气流量测量仪、第一氧气流量测量仪均与控制器连接。第一氢气测量仪、第一氧气测量仪将测定的数据传输给控制器，控制器比较两支路氢气流量与氧气流量的相对大小，为使尾气充分利用，在燃烧时若氧气缺少则第二电控阀门打开，第二风机将外部空气输送至燃烧室补充氧气；若氢气缺少，则第一电控阀门打开，储氢罐中的氢气进入压缩机，补充燃料。

9、进一步的，所述第二预热系统包括第二预热器，涡轮发电机的尾气出口端与第二预热器相连，带动涡轮机做功后的尾气进入第二预热器中；天燃气和水经过重整器之后产生sofc电堆阳极反应所需的气体，与空气一起通入第二预热器中，利用尾气余热进行预热，预热后的反应气体进入sofc电堆中参与相应的电极反应，此为sofc尾气的第三级利用，放热后的尾气进入第一换热器中继续放热。

10、进一步的，所述用户供暖系统包括第一换热器和用户单元，所述第二预热器尾气出口端与第一换热器入口端相连，尾气进入第一换热器中进行热量交换，释放出的热量用于为用户单元供暖或提供热水，当sofc停止工作时，第一换热器作为热泵系统的蒸发器吸收空气中的热量进行供暖循环。

11、所述用户供暖系统还包括第二换热器、第二压缩机、气液分离器、膨胀阀、第三风机、电控阀门。预热器的尾气出口与第一换热器的入口端相连，在预热器中放热后的尾气进入第一换热器中继续放热，释放的热量用于为用户单元供暖或提供热水。

12、所述第一换热器同属于热泵系统的一部分，当sofc停止工作时，控制器响应，位于第一风机与第一换热器之间的电控阀门打开，第一风机将外界空气吹入第一换热器中。

13、第一换热器作为热泵系统的蒸发器吸收空气中的热量，将第一换热器中的制冷剂蒸发为低温低压的气体，而后在压缩机中进行压缩成为高温高压的气态制冷剂，最后进入第二换热器中放热，从而保证用户日常的供暖需求。

14、所述第一换热器出口端还连接有尾气处理器，将放热冷却后的尾气进行集中处理。

15、本发明与现有技术相比的优点在于：

16、1、本发明涉及的一种sofc尾气余热多级利用系统，通过将sofc电堆工作时所产生的尾气进行多级充分利用，极大地提高了尾气利用效率，减少了废热污染，消除了安全隐患、实用性强；

17、2、本发明涉及的一种sofc尾气余热多级利用系统包括第一预热系统、涡轮机发电系统、第二预热系统、用户供暖系统四个子系统，涉及生产、生活等多种场景、应用范围广泛；

18、3、sofc电堆阳极排放的气体中含有部分未反应的氢气，将阳极尾气通入燃烧室中燃烧不仅避免了燃料的浪费，而且能高效带动涡轮机做功，实现热电联供，提高燃料利用率；

19、4、sofc电堆尾气在第一、三级利用时可以对sofc反应气体进行预热，预热后的气体进入sofc电堆参与电极反应，在一定程度上实现了能量的循环利用。