一种以甲醇为燃料的固体氧化物燃料电池发电系统的制作方法

本实用新型涉及电池系统研究技术领域，尤其涉及一种以甲醇为燃料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(SOFC)具有燃料选择性广、运行温度高、发电效率高、无污染物排放等优点，可广泛应用于分布式发电、大型固定电站、便携式发电等。

现有技术中的SOFC发电系统中，重整的温度(300-400℃)要高于质子膜燃料电池的反应温度，低于SOFC的反应温度(700-1000℃)，系统中并未对重整后燃料气进行冷却或预热处理，SOFC一般要求电堆内温度梯度范围<10K/cm，如果不对重整后燃料气进行预热处理会导致电堆温差较大，电堆内有较大的热应力使得电池碎裂，电堆失效。

因此，为解决上述的技术问题，寻找一种新型的以甲醇为燃料的固体氧化物燃料电池发电系统成为本领域技术人员所研究的重要课题。

技术实现要素：

本实用新型实施例公开了一种以甲醇为燃料的固体氧化物燃料电池发电系统，用于解决现有技术中没有对重整后的燃料气进行预热处理，从而导致电堆温差较大，使得电堆产生较大的热应力使得电池碎裂技术问题。

本实用新型实施例提供了一种以甲醇为燃料的固体氧化物燃料电池发电系统，包括燃料电池；所述燃料电池通过管道连接有储液罐和空气供应单元；所述空气供应单元用于将空气进行预热后，并将其输送到所述燃料电池的阴极；

所述储液罐内储存有甲醇水溶液；所述储液罐与所述燃料电池之间还依次连接有用于将甲醇水溶液进行气化后并将其进行预热的气化单元、对气态甲醇进行重整反应并使其产生含氢混合气体的重整单元、将含氢混合气体进行升温的过热单元；升温后的所述含氢混合气体通过管道进入到所述燃料电池的阳极。

可选地，所述燃料电池还连接有燃烧室；所述燃烧室用于将所述燃料电池内未利用的含氢混合气体进行燃烧，从而产生高温的烟气；

所述燃烧室还连接有烟气分流单元；所述烟气分流单元用于将所述烟气的流动路径分为第一流动路径和第二流动路径；所述第一流动路径与所述空气供应单元进行连接；所述第二流动路径依次连接所述过热单元、所述重整单元以及所述气化单元。

可选地，所述空气供应单元内设置有第一换热器，所述空气通过所述第一换热器与所述第一流动路径内的烟气进行换热。

可选地，所述第一流动路径通过所述空气供应单元后，还连接有生活用水单元；

所述生活用水单元内设置有第二换热器；所述生活用水通过第二换热器与所述第一流动路径内的烟气进行换热。

可选地，所述过热单元内设置有第三换热器；

所述含氢混合气体通过所述第三换热器与所述第二流动路径内的烟气进行换热。

可选地，所述第二流动路径与所述重整单元连接；所述第二流动路径内的烟气对所述重整单元进行供热。

可选地，所述第二流动路径与所述气化单元连接；所述第二流动路径内的烟气对所述气化单元进行供热。

可选地，所述第二流动路径通过所述气化单元后，还连接所述生活用水单元；

所述生活用水通过第二换热器与所述第二流动路径内的烟气进行换热。

可选地，所述第一流动路径和所述第二流动路径内的烟气通过所述生活用水单元后均排放到空气中。

可选地，还包括循环水供应单元；

所述循环水供应单元设置于所述生活用水单元与所述储液罐之间，并且与所述生活用水单元和所述储液罐进行连接。

从以上技术方案可以看出，本实用新型实施例具有以下优点：

本实用新型实施例提供了一种以甲醇为燃料的固体氧化物燃料电池发电系统，包括燃料电池、储液罐、气化单元、重整单元、过热单元、燃烧室、以及烟气分流单元，本实施例中，气态甲醇在重整单元内进行重整反应，产生含氢混合气体，含氢混合气体并不是直接通入燃料电池的阳极，而是需要通入到过热单元进行升温，使其温度上升达到600℃至800℃的范围内，从而减少燃料电池内的温差，避免了燃料电池内部温差较大，使得燃料电池内部产生较大的热应力导致电池碎裂的情况发生，大大提高了整个发电系统的稳定性。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为本实用新型实施例中提供的一种以甲醇为燃料的固体氧化物燃料电池发电系统的结构示意图；

图示说明：储液罐1；气化单元2；重整单元3；过热单元4；燃料电池5；燃烧室6；烟气分流单元7；空气供应单元8；生活用水单元9；第二流动路径10；第一流动路径11；循环水供应单元12；泵13。

具体实施方式

本实用新型实施例公开了一种以甲醇为燃料的固体氧化物燃料电池发电系统，用于解决现有技术中没有对重整后的燃料气进行预热处理，从而导致电堆温差较大，使得电堆产生较大的热应力使得电池碎裂技术问题。

为了使本技术领域的人员更好地理解本实用新型方案，下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步的详细说明。显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

请参阅图1，本实用新型实施例中提供的一种以甲醇为燃料的固体氧化物燃料电池发电系统的一个实施例包括：

燃料电池5；燃料电池5通过管道连接有储液罐1和空气供应单元8；

其中，空气供应单元8用于将空气进行预热后，并将预热后的空气输送到电池的阴极；

储液罐1内储存有甲醇水溶液；储液罐1与燃料电池5之间还依次连接有气化单元2、重整单元3、过热单元4；

需要说明的是，甲醇水溶液的配制：甲醇及水分别在泵13及质量流量计的控制下调节流量。甲醇水溶液制备完成后借助泵13将其泵入气化单元2，该过程泵13的压力<1MPa。

储液罐1内的甲醇水溶液经管道进入到气化单元2，气化单元2对甲醇水溶液进行气化，使甲醇水溶液变为气态甲醇，除此之外，当甲醇水溶液转变为气态甲醇后，气化单元2还需对气态的甲醇进行预热；预热后气态甲醇进入到重整单元3内进行重整反应，气态甲醇重整反应后产生含氢混合气体；含氢混合气体进入到过热单元4进行升温，升温后的含氢混合气体通过管道进入到燃料电池5的阳极；

燃料电池5通过电极反应将含氢混合气体和空气中的化学能转化为电能。

需要说明的是，本实施例中，气态甲醇在重整单元3内进行重整反应，产生含氢混合气体，含氢混合气体并不是直接通入燃料电池5的阳极，而是需要通入到过热单元4进行升温，使其温度上升到600℃至800℃的范围内，从而减少燃料电池5内的温差，避免了燃料电池5内部温差较大，使得燃料电池5内部产生较大的热应力导致电池碎裂的情况发生，大大提高了整个发电系统的稳定性。

请参阅图1，本实施例中的燃料电池5还连接有燃烧室6，该燃烧室6用于将燃料电池5内未利用的含氢混合气体进行燃烧，从而产生高温的烟气；

需要说明的是，燃烧室6较高的反应温度可以保证燃料气(含氢混合气体)经过过热单元4后及空气经过预热后的温度要求，从燃烧室6中排放的烟气的温度在900℃至1000℃之间；

进一步地，燃烧室6还连接有烟气分流单元7，烟气分流单元7用于将燃烧室6排放出高温的烟气进行分流，具体地，烟气的流动路径分为第一流动路径11和第二流动路径10；

需要说明的是，本实施例中的烟气分流单元7包括烟气三通阀、两个烟气流量计以及相关的管线配置；从燃烧室6内排出的高温烟气通过烟气三通阀分为第一流动路径11和第二流动路径10，第一流动路径11和第二流动路径10内的烟气的流量比值是通过烟气三通阀及烟气流量计进行调节的。

现有技术中由燃烧室6排出的烟气通常不经过分流直接与燃料气(含氢混合气体)、空气、重整单元3等进行换热，由于燃料气(含氢混合气体)及空气在进入燃料电池5前对温度要求较高，如果依次换热会导致其中某一路径的气体进入燃料电池5之前无法满足温度要求，因此本实施例中将高温烟气进行分流，可以使得进入燃料电池5前的含氢混合气体和空气都能够满足预设的温度需求。

请参阅图1，第一流动路径11依次通过空气供应单元8和生活用水单元9；

本实施例中的空气供应单元8内包括鼓风机、第一换热器、质量流量计，其中，鼓风机用于将空气带入到管道中，并由质量流量计控制空气的流量，然后空气通过上述的第一换热器与第一流动路径11内的烟气进行换热，此时，空气吸收烟气的热量后，温度上升，从而完成预热过程，预热后空气的温度在600℃至800℃之间。

需要说明的是，本实施例中的第一换热器具体为板式换热器。

进一步地，第一流动路径11通过空气供应单元8后，还连接有生活用水单元9；

生活用水单元9内包括第二换热器，生活用水通过第二换热器与第一流动路径11内的烟气进行换热，生活用水吸收烟气的热量后，温度得以提升。

需要说明的是，第二换热器为板式换热器。

进一步地，通过生活用水单元9后的第一流动路径11内的烟气的温度下降到低于100℃。当第一流动路径11内的烟气通过生活用水单元9后，烟气最后被排放到空气中。具体地，第一流动路径11内的烟气中带有二氧化碳和水蒸气，并且水蒸气在生活用水单元9内进行冷凝，形成液态水储存于生活用水单元9内，多余的二氧化碳和水蒸气被排放到空气中。

请参阅图1，本实施例中的第二流动路径10依次通过过热单元4、重整单元3、气化单元2以及生活用水单元9；

第二流动路径10内的烟气首先通过过热单元4；过热单元4内包括有第三换热器；含氢混合气体通过第三换热器与第二流动路径10内的烟气进行换热，含氢混合气体获得高温烟气的热量，自身的温度得以提升，从而完成升温过程，含氢混合气体从过热单元4流出时的温度在600℃至800℃之间。

需要说明的是，第三换热器为板式换热器。

进一步地，第二流动路径10通过过热单元4后，到达重整单元3；

本实施例中的重整单元3为列管式换热重整反应器或板式换热重整反应器；由于甲醇发生重整反应的温度在300℃至500℃范围内，第二流动路径10内的烟气对该重整单元3进行供热，使得气态甲醇能够在重整单元3内完成重整反应，从而产生含氢混合气体。

进一步地，第二流动路径10通过重整单元3后，到达气化单元2；

甲醇水溶液经管道进入到气化单元2后转变为气态甲醇，第二流动路径10内的烟气对气化单元2进行供热，使得气态甲醇完成预热过程，预热后的气态甲醇温度为150℃至300℃。

进一步地，第二流动路径10通过气化单元2后，到达生活用水单元9；

生活用水通过第二换热器与第二流动路径10内的烟气进行换热，从而获取烟气的热量。

进一步地，通过生活用水单元9后的第二流动路径10内的烟气的温度下降到低于100℃。当第二流动路径10内的烟气通过生活用水单元9后，烟气最后被排放到空气中。具体地，第二流动路径10内的烟气中带有二氧化碳和水蒸气，并且水蒸气在生活用水单元9内进行冷凝，形成液态水储存于生活用水单元9内，多余的二氧化碳和水蒸气被排放到空气中。

请参阅图1，储液罐1与气化单元2之间还设置有雾化装置；

该雾化装置用于将储液罐1流出的甲醇水溶液进行雾化；

需要说明的是，本实施例中的雾化装置为雾化喷嘴，进入气化单元2之前甲醇水溶液首先经过雾化喷嘴将溶液进行雾化处理，雾化喷嘴使用压力<1MPa，甲醇水溶液经过雾化后从而有利于甲醇水溶液的气化。

请参阅图1，本实施例中的发电系统，还包括循环水供应单元12；

所述循环水供应单元12设置于所述生活用水单元9与所述储液罐1之间，并且与所述生活用水单元9和所述储液罐1进行连接。

需要说明的是，上述提及到第一流动路径11和第二流动路径10的烟气中带有水蒸气，并在生活用水单元9内进行冷凝，形成液态水储存生活用水单元9内，生活用水单元9向该循环水供应单元12输送水，该循环水供应单元12并通过管道将水注入到储液罐1内，以配制所需的甲醇水溶液。甲醇水溶液中的水来源于冷凝后烟气中的循环水，不需外部水资源的供应。

综上所述，本实施例中的发电系统还具有以下优点：

甲醇燃料便于存储及运输，重整过程采用SOFC排出的高温烟气提供能量，可降低能耗。甲醇作为SOFC的燃料进行重整时的反应温度较低，可降低重整设备的加工制造成本；甲醇水重整过程采用的水资源中来自于甲醇自身的氢电化学氧化制得的，不需要外部水资源的供应。

以上对本实用新型所提供的一种以甲醇为燃料的固体氧化物燃料电池发电系统进行了详细介绍，对于本领域的一般技术人员，依据本实用新型实施例的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本实用新型的限制。