一种强化传热的固体氧化物燃料电池发电系统的制作方法

本发明涉及固体氧化物燃料电池发电领域，具体地说是一种强化传热的固体氧化物燃料电池发电系统。

背景技术：

固体氧化物燃料电池(solidoxidefuelcell：以下简称为“sofc”)是采用氧化物离子导体作为电解质，在其两侧安置电极，在一侧供给燃料气体，在另一侧供给氧化剂(空气、氧气等)，在较高的温度下进行发电的一种燃料电池技术。在sofc中，氧离子经过具有离子导电性的固体电解质与燃料反应生成水蒸气或二氧化碳，同时产生电和热。输出的电能，用于各种电气用途。另一方面，热能用于加热燃料、重整器、水及氧化剂等。

由于固体氧化物燃料电池需要在600℃至800℃的高温下才能发电，因此固体氧化物燃料电池如果要得到实际应用需要在离墙状态、自热达到运行温度，而对于千瓦以下的可移动便携系统而言更是需要可以快速的使电池堆温度达到600℃以上，满足电池运行的要求，目前针对该过程都是采用氧化剂通过简单换热甚至不换热的模式，，未经充分换热的氧化剂进入电堆会导致电堆温差大，升温到600℃需要时间长，要50min。本发明目的在于减少升温时间，可以在20min达到600℃，减少升温时间的同时保证系统内部的电池堆在一个更加一致的温度范围。

技术实现要素：

针对现有技术的不足，本发明提供一种强化传热的固体氧化物燃料电池发电系统。

本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：

一种强化传热的固体氧化物燃料电池发电系统，包括：电池堆模块、燃料供给流道和燃料分配腔、氧化剂输入流道和输出流道、尾气混合腔；其中，

燃料分配腔连接电池堆模块的进料口，用于向电池堆模块供给燃料；

尾气混合腔使燃料废气与氧化剂废气混合燃烧，放出热量；

氧化剂输入流道用于向电池堆模块供给氧化剂；

所述电池堆模块包括燃料电池模块和燃料重整单元，在燃料重整单元和固体氧化物燃料电池单电池的燃料入口之间设置燃料分配腔；

燃料重整单元设置在固体氧化物燃料电池单电池的燃料入口端，且直接连通电池堆模块的出料口，用于通过燃料和氧化剂进行cpox反应，对燃料进行部分氧化重整的重整反应；

燃料电池模块包括多个固体氧化物燃料电池单电池；

燃料分配腔，用于将燃料和氧化剂均匀的分配到每个固体氧化物燃料电池单电池内；

固体氧化物燃料电池单电池设置于燃料电池腔，从电池堆模块的出料口通入新鲜氧化剂经过同燃烧后的尾气换热到达燃料电池腔，燃料电池腔用于利用燃料和氧化剂进行发电反应，放出电能。

所述电池堆模块还包括尾气燃烧单元，设置于固体氧化物燃料电池单电池的燃料出口端，用于使燃烧不完全的燃料充分燃烧。

所述电池堆模块的外侧设置电池堆外壳，形成密闭空间。

所述电池堆外壳的外层为绝热材料。

所述启动模式为：在预先确定的温度范围内，在燃料重整单元内发生cpox重整反应，并使固体氧化物燃料电池单电池升温至可从燃料电池模块输出电力的发电温度。

所述发电模式包括到达发电温度时的发电模式和预发电模式，

所述达到发电温度时的发电模式为在超过发电温度时结束启动模式，从燃料电池模块取出电力，在燃料电池单电池中产生发电热量，并使燃料电池单电池升温，放出电能；

所述氧化剂包括空气。

本发明具有以下效果及优点：

本发明可使燃料电池系统通过自热过程启动到电池的运行温度，使固体氧化物燃料电池堆不借助外部热源的状况下上升至可发电温度；并可保持系统热量自足而稳定地运行。系统20min达到600℃，而且在减少升温时间的同时保证系统内部的电池堆在一个更加一致的温度范围，该发明缩短了从起动到开始发电的时间，并在充分稳定的状态下开始发电。

附图说明

图1是本发明的系统结构图；

其中，1为氧化剂进气、2为电堆尾气出气、3为电堆燃料进气、4为尾气出气流道、5为氧化剂进入流道、6为燃料出气腔、7为尾气燃烧单元、8燃料电池模块、9为燃料重整单元、10为燃料分配腔、11为燃料电池腔、12为系统燃料入口。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步的详细说明。

如图1所示是本发明的系统结构图。

燃料电池发电系统外侧具有壳体形成有密封空间，在该壳体的外部隔着绝热材料。首先燃料和重整空气或水蒸气混合进入燃料重整单元(9)发生燃料重整反应，例如由丙烷和空气混合进入燃料重整单元，通过点火使燃料部分氧化反应快速发生，燃料重整单元的温度快速达到燃料重整的温度(例如600℃)。重整后的燃料进入燃料分配腔(10)，分配燃料给各sofc单电池，电池发电用空气从流道(1)引入输送进来，经过与高温尾气换热到达燃料电池腔，燃料电池模块利用分配腔分配来的燃料气体和氧化剂(空气)进行发电反应，通过燃料电池使燃料和空气反应放出电能。

本发明包括具有多个固体氧化物燃料电池单电池的电池堆模块；燃料从燃料入口(12)进入系统，通过向燃料重整单元(9)供给燃料，将由重整单元重整的燃料送入燃料电池单电池；燃料重整单元，通过燃料和氧化剂进行化学反应，对燃料进行部分氧化重整的重整反应，即cpox反应生成氢和一氧化碳等小分子燃料；氧化剂由氧化剂进入流道(5)进入系统，首先经过与尾气出气流道(4)换热，达到一定温度后，向燃料电池电池堆供给发电用氧化剂气体；尾气燃烧单元(7)，在燃料电池堆的尾部，使发电中未使用的燃料和未反应的氧化剂燃烧。在起动模式下，在预先确定的温度范围内，首先在重整器内发生cpox重整反应，并使固体氧化物燃料电池单电池升温至可从燃料电池模块输出电力的发电温度，另一方面，执行如下发电模式运行，在超过发电开始温度的时刻结束启动模式运行，并从燃料电池模块取出电力，在达到发电开始温度之前的启动模式运行中，执行通过从燃料电池模块取出比发电模式运行中的从燃料电池模块取出的电力小的微弱电力，而在燃料电池单电池中产生发电热量，并使固体电解质型燃料电池单电池升温的起动时发电。开始发电后，根据发电量控制燃料供给，使发电开始后的电堆温度稳定。

燃料电池堆可以选用管型电池，亦可以选用平板型电池等电池结构，根据设计的电堆功率来选择电池数量，可以串联也可以并联连接。

实施例：

本发明实例选用28支管型电池串联结构来进行电池堆排布，系统首先通过图1上部的燃料入口端的燃料部分氧化重整单元使进入该单元的燃料(乙醇)和重整剂(空气)发生部分氧化反应，放出热量的使该部位的温度快速上升同时使含有2个碳原子的乙醇重整为小分子的氢气和一氧化碳进入燃料分配腔，经过燃料分配腔把重整后的燃料分配到各个单电池中；同时从氧化剂进入流道输入电池堆发电用空气进入电池堆，未反应的燃料在尾部同空气混合点燃，尾部也快速达到sofc运行需要的温度，从而达到强化换热，使sofc电池堆温度快速上升。加热sofc单元，当达到sofc反应需要的温度后，该sofc即可以正常发出电能供用户使用。

技术特征：

1.一种固体氧化物燃料电池发电系统，其特征在于，包括：电池堆模块、燃料供给流道和燃料分配腔、氧化剂输入流道和输出流道、尾气混合腔；其中，

燃料供给流道和燃料分配腔连接电池堆模块的进料口，用于向电池堆模块供给燃料；

尾气混合腔使燃料废气与氧化剂废气混合燃烧，放出热量，作为电堆尾气出气经氧化剂输出流道流出；

氧化剂输入流道，用于向电池堆模块供给氧化剂；

所述电池堆模块包括燃料电池模块和燃料重整单元，在燃料重整单元和固体氧化物燃料电池单电池的燃料入口之间设置燃料分配腔；

燃料重整单元设置在固体氧化物燃料电池单电池的燃料入口端，且经燃料分配腔直接连通电池堆模块的进料口，用于通过燃料和氧化剂进行氧化重整(cpox)反应，对燃料进行部分氧化重整的重整反应；

燃料电池模块包括多个固体氧化物燃料电池单电池；

燃料分配腔，用于将燃料和氧化剂均匀的分配到每个固体氧化物燃料电池单电池内；

固体氧化物燃料电池单电池设置于一燃料电池腔内，电池发电系统的外侧设置有密闭电池发电系统的电池堆外壳，于发电系统外壳内靠近外壳内壁面的最外侧设置氧化剂流道，用于把氧化剂引入电池堆模块，氧化剂通过流道在电池堆的尾气出气口处进入电池堆，于远离外壳的氧化剂流道一侧设有氧化剂输出流道；氧化剂流道内的氧化剂在流入电池堆过程中通过与氧化剂输出流道换热，达到强化换热，减少启动时间，提高氧化剂进入电堆的温度，燃料电池腔用于利用燃料和氧化剂进行发电反应，放出电能。

2.根据权利要求1所述的固体氧化物燃料电池发电系统，其特征在于：所述电池堆模块还包括尾气燃烧单元，设置于固体氧化物燃料电池单电池的燃料出口端，用于使燃烧不完全的燃料充分燃烧，燃料废气与氧化剂废气经尾气混合腔进入尾气燃烧单元，再经氧化剂输出流道流出电池发电系统。

3.根据权利要求1所述的固体氧化物燃料电池发电系统，其特征在于：所述电池发电系统的外壳外部设有为绝热材料外层。

4.根据权利要求1-3任一所述的固体氧化物燃料电池发电系统，其特征在于：所述启动模式为：在预先确定的温度范围内，在燃料重整单元内发生cpox重整反应，并使固体氧化物燃料电池单电池升温至可从燃料电池模块输出电力的发电温度。

5.根据权利要求1或4所述的固体氧化物燃料电池发电系统，其特征在于：所述发电模式包括到达发电温度时的发电模式和预发电模式，

所述达发电温度时的发电模式为在超过发电温度时结束启动模式，从燃料电池模块取出电力，在燃料电池单电池中产生发电热量，并使燃料电池单电池升温，放出电能。

6.根据权利要求1或2所述的固体氧化物燃料电池发电系统，其特征在于：所述氧化剂包括空气。

技术总结
本发明涉及一种强化传热的固体氧化物燃料电池发电系统，包括：电池堆模块、燃料供给流道和燃料分配腔、氧化剂输入流道和输出流道、尾气混合腔、电堆控制模块；其中，燃料分配腔连接电池堆模块的进料口，用于向电池堆模块供给燃料；氧化剂输入流道用于向电池堆模块供给氧化剂。本发明可使燃料电池系统更加快速的通过自热过程启动到高温电池的运行温度，使固体氧化物燃料电池堆不借助外部热源的状况下上升至可发电温度；并可保持系统热量自足而稳定地运行，缩短了从起动到开始发电的时间，并在充分稳定的状态下开始发电。

技术研发人员：崔大安;程谟杰
受保护的技术使用者：中国科学院大连化学物理研究所
技术研发日：2018.11.30
技术公布日：2020.06.09