固体氧化物燃料电池热电联产装置

技术领域

本发明涉及固体氧化物燃料电池热电联产装置。

背景技术

SOFC不仅能以氢气作燃料气，而且还适用于石油液化气、天然气及煤气等多种气体（目前已知的页岩气储量中国居世界第一），甚至一些液态烃类（甲烷、丙烷等）也可以作为燃料。在矿物资源日趋贫乏和保护生态环境日益受到重视的今天，SOFC已备受关注并成为国内外竞相研究开发的热门技术。

根据燃料电池应用要求 (如能量密度、安全等 )的不同，燃料电池系统可以选择包括氢气在内的各种燃料（如甲醇等）。 虽然甲醇燃料电池也在研究之列 , 但将一次燃料经燃料重整过程转换为氢气供燃料电池所用仍为人们研究的重点。最初只是在低功率（如＜100 w）的燃料电池上采用微尺度重整器制氢，在大功率燃料电池的应用方面，借鉴工业填料床反应器模型，研究实验室规模下 燃料重整制氢反应器。但发现重整过程受“冷点”或“热点”的影响，且对启停和变工况响应较慢，满足不了燃料电池系统所要求的运行条件，原因是反应器填料床中传热传质速率受到限制，不能及时平衡反应所需热量和组分，反应在低于 其本征动力学速率下进行。

如以甲烷水蒸气重整为例，甲烷蒸汽重整( SteamＲeforming of Methane) 是目前技术较为成熟、 工业应用最多的方法，其化学反应式为：

CH

ΔH 为化学反应焓变，“+” 为吸热反应，“-” 为放热反应。这个反应为强吸热反应，要求提供额外的热源，通常在高温 800 ℃ 以上进行， 反应压力为 1.5～3. 1MPa。反应除了生成 H2 之外，还有CO，H2和CO的物质的量之比为3。

蒸汽重整是从碳氢燃料中得到氢气最常用的方法，重整合成气产物氢气含量高，是固体氧化物燃料电池一种比较理想的燃料供应方式，但其缺点就是反应过程是一个具有强吸热的反应。吸热的蒸汽重整过程通常受到从边界到催化剂热量传输速率的限制，导致反应器的体积很大。 如果传热问题能解决, 蒸汽重整将是更具优势的制氢方式。采用碳氢类燃料，实现燃料电池系统的在线重整制氢工艺， 此时液体碳氢燃料重整制氢明显比其储氢方式更有优势。

与此同时，目前利用碳氢化合物为燃料的固体氧化物燃料电池发电，SOFC电堆尾气具有高附加值余热的尾气。如何将SOFC电堆中尾气中余热回收并加以合理利用，式目前亟待解决的一个难题。如能解决好SOFC电堆尾气回收的问题，在会进一步大大提高燃料的有效利用率，减少我国能源的浪费。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足而提供固体氧化物燃料电池热电联产装置，本发明以气态碳氢化合物为燃料，利用SOFC电堆产生电能的同时，对SOFC电堆发电时产生的余热通过热交换回收，使燃料的能量的充分的利用，提高了燃料能量的有效利用率。

为了达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的，其是固体氧化物燃料电池热电联产装置，其特征在于包括热电联产启动系统、重整系统、燃料电池系统、余热回收系统及除硫装置；所述除硫装置的进气口与天然气连通，除硫装置的出气口分别与热电联产启动系统的进气口及重整系统的进气口连通；

所述热电联产启动系统包括：鼓风机、第一空气流量计、启动燃烧室、两催化燃烧室、第一阀门及第一质量流量计，在两所述催化燃烧室中设有换热夹层，所述第一阀门的进口与除硫装置的出气口连通，第一阀门的出气口通过第一质量流量计与启动燃烧室的b口连通，所述鼓风机的出气口通过第一空气流量计与启动燃烧室的a口连通，所述启动燃烧室的c口分别与催化燃烧室的换热夹层进气口连通，两换热夹层的出气口与外界连通；

所述重整系统包括：催化重整器、第二阀门、第二质量流量计及混合腔，所述第二阀门的进气口与除硫装置的出气口连通，第二阀门的出气口依次通过第二质量流量计及混合腔的a口后，经混合腔的c口与催化重整器的a口连通，两催化燃烧室的燃烧尾气出气口与催化重整器的b口连通，所述催化重整器为列管式重整反应器，两所述催化燃烧室及启动燃烧室分别位于催化重整器的侧边从而与催化重整器进行热交换；

所述燃料电池系统包括：空气泵、第二空气流量计及SOFC电堆，所述空气泵的进气口与阴极空气连通，空气泵的出气口通过第二空气流量计后与电堆的b口连通，SOFC电堆阳极燃料接口a与催化重整合成气从催化重整器合成气出口d相通，所述SOFC电堆阳极尾气出口d及SOFC电堆阴极尾气出口c均分别与两催化燃烧室的进气口连通；

所述余热回收系统包括：第一热交换器、杂质过滤器、离子过滤器、第三阀门、计量水泵、水蒸汽发生器、第二热交换器、循环水泵、热水箱及第四阀门，所述第一热交换器设在第二空气流量计与SOFC电堆的b口连通的管上，所述杂质过滤器的进口与水连通，杂质过滤器的出水口分别与离子过滤器的进水口及第四阀门的进水口连通，所述离子过滤器的出水口依次通过第三阀门、计量水泵后与水蒸汽发生器的c口连通，所述第四阀门的出口与热水箱的a口连通，所述催化重整器的c口与水蒸汽发生器的b口连通，且催化重整器的c口与水蒸汽发生器的b口连通的管道经过第一热交换器从而进行热交换，所述混合腔的b口与水蒸汽发生器的a口连通，所述第二热交换器的c口与a口相通，第二热交换器的b口与d口相通，所述第二热交换器的c口与水蒸汽发生器的d口连通，第二热交换器的d口与循环水泵的出水口连通，第二热交换器的b口与热水箱的c口连通，热水箱的b口与循环水泵的进水口连通，第二热交换器的a口与外界大气连通。

在本技术方案中，所述热水箱的d口与第五阀门的进口连通，第五阀门的出口与外界连通。

在本技术方案中，在所述热水箱中设有电加热器。

在本技术方案中，还包括控制板；所述控制板与SOFC电堆电连接。

本发明与现有技术相比的优点为：以气态碳氢化合物为燃料，利用SOFC电堆产生电能的同时，对SOFC电堆发电时产生的余热通过热交换回收，使燃料的能量的充分的利用，提高了燃料能量的有效利用率。

附图说明

图1是本发明装置示意图的左侧部；

图2是本发明装置示意图的右侧部。

实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。在此需要说明的是，对于这些实施方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以互相结合。

在本发明描述中,术语 “上”及“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明而不是要求本发明必须以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

如图1及图2所示，其是一种固体氧化物燃料电池热电联产装置，包括：热电联产启动系统、重整系统、燃料电池系统、余热回收系统及除硫装置10；所述除硫装置10的进气口与天然气连通，除硫装置10的出气口分别与热电联产启动系统的进气口及重整系统的进气口连通；

所述热电联产启动系统包括：鼓风机1、第一空气流量计2、启动燃烧室3、两催化燃烧室4、第一阀门11及第一质量流量计12，在两所述催化燃烧室4中设有换热夹层41，所述第一阀门11的进口与除硫装置10的出气口连通，第一阀门11的出气口通过第一质量流量计12与启动燃烧室3的b口连通，所述鼓风机1的出气口通过第一空气流量计2与启动燃烧室3的a口连通，所述启动燃烧室3的c口分别与催化燃烧室4的换热夹层41进气口连通，两换热夹层41的出气口与通过管路汇合到尾气口处排出；

所述重整系统包括：催化重整器5、第二阀门13、第二质量流量计14及混合腔15，所述第二阀门13的进气口与除硫装置10的出气口连通，第二阀门13的出气口依次通过第二质量流量计14及混合腔15的a口后，经混合腔15的c口与催化重整器5的a口连通，两催化燃烧室4的燃烧尾气出气口与催化重整器5的b口连通，所述催化重整器5为列管式重整反应器，两所述催化燃烧室4及启动燃烧室3分别位于催化重整器5的侧边从而与催化重整器5进行热交换；

所述燃料电池系统包括：空气泵16、第二空气流量计18及SOFC电堆9，所述空气泵16的进气口与阴极空气连通，空气泵16的出气口通过第二空气流量计18后与电堆9的b口连通，SOFC电堆9阳极燃料接口a与催化重整合成气从催化重整器5合成气出口d相通，所述SOFC电堆9阳极尾气出口d及SOFC电堆9阴极尾气出口c均分别与两催化燃烧室4的进气口连通；

所述余热回收系统包括：第一热交换器7、杂质过滤器17、离子过滤器19、第三阀门20、计量水泵21、水蒸汽发生器22、第二热交换器23、循环水泵24、热水箱25及第四阀门28，所述第一热交换器7设在第二空气流量计18与SOFC电堆9的b口连通的管上，所述杂质过滤器17的进口与水连通，杂质过滤器17的出水口分别与离子过滤器19的进水口及第四阀门28的进水口连通，所述离子过滤器19的出水口依次通过第三阀门20、计量水泵21后与水蒸汽发生器22的c口连通，所述第四阀门28的出口与热水箱25的a口连通，所述催化重整器5的c口与水蒸汽发生器22的b口连通，且催化重整器5的c口与水蒸汽发生器22的b口连通的管道经过第一热交换器7从而进行热交换，所述混合腔15的b口与水蒸汽发生器22的a口连通，所述第二热交换器23的c口与a口相通，第二热交换器23的b口与d口相通，所述第二热交换器23的c口与水蒸汽发生器22的d口连通，第二热交换器23的d口与循环水泵24的出水口连通，第二热交换器23的b口与热水箱25的c口连通，热水箱25的b口与循环水泵24的进水口连通，第二热交换器23的a口与外界大气连通，即系统第二路尾气由c口进入第二热交换器23进行热交换，从a口排出。

工作时，天然气经过除硫之后，分成两路燃料供应，第一路进入热电联产启动系统，第二路进入重整系统，水经过杂质过滤后，分成两路，第一路通过离子过滤器19、第三阀门20、计量水泵21、蒸汽发生器22，然后进入重整系统，第二路通过第四阀门28，进入到热水箱25；

在热电联产启动系统中，天然气及空气通入启动燃烧室3后点火燃烧，对催化重整器5的底部加热，燃烧的尾气通入重整器两侧的催化燃烧室4的换热夹层41，利用燃烧尾气余热分别对催化燃烧室4加热，热电联产启动系统的燃烧空气是通过鼓风机1来提供的，在鼓风机1后有一个第一流量计2，可检测鼓风机1后进入热电联产启动系统的空气流量；

在重整系统中，SOFC电堆9的阴极和阳极的尾气分别进入到两催化燃烧室4进行催化燃烧，产生的热量可对催化重整器5加热，所述催化重整器5为列管式重整反应器，催化燃烧尾气高温余热可与列管式催化重整器进行热交换，维持重整反应物温度，并保持温场的均匀性，催化重整器5的b口进入催化燃的尾气，与列管式反应器的列管进行热交换后，从催化重整器5的c口排出，天然气与水蒸气混合反应原料从催化重整器5的a口进入反应器，反应生成合成气从d口排出；

在燃料电池系统中，阴极空气经空气泵16、第二流量计18、第一热交换器7，然后进入到SOFC电堆阴极进气b口，SOFC电堆的阴极尾气出d口及阳极尾气c口分别独立进入重整系统中两侧的催化燃烧室4中，利用残余的阳极燃料和阴极氧气进行催化燃烧，为重整系统提供热源；

在余热回收系统中，SOFC电堆9尾气经过催化燃烧室4催化燃烧后，高温余热尾气先后分别与催化重整器5及阴极空气进行热交换，为列管式反应器和电堆提供热源，催化重整器5的尾气经过阴极空气的热交换器后进入水蒸气发生器22，在水蒸气发生器22中尾气进行热交换，为甲烷重整提供水蒸气反应原料，尾气经过蒸汽发生器22之后，进入第二热交换器23，热水箱25中的水通过循环泵24不断进入热交换器23，与尾气进行热交换而产生热水。

第一种具体操作方法：在催化重整器5中装上天然气水蒸气重整催化剂，选择一个功率为350W的SOFC电堆9装在燃料电池系统里，连接好管路，检测气密性，打开第五阀门28，往热水箱25加满水，开启热水循环泵24，开启启动燃烧器3的鼓风机1和燃料电池阴极空气的空气泵16，向启动燃烧器3中通入天然气，马上点火，点燃启动燃烧器3中的天然气，随着启动燃烧器3燃烧，催化重整器5和催化燃烧室4的温度会逐渐上升，与此同时，在预热后的阴极空气提供热源的条件下，SOFC电堆9的温度会上升，待催化重整器5温度提高到大于700℃，SOFC电堆9温度大于500℃时，向催化重整器5通入水蒸气和天然气，此时SOFC电堆9温度迅速上升到700℃，然后通过控制天然气、水蒸气和阴极空气的流量，维持催化重整器5温度在750℃，SOFC电堆9的温度在700℃，待整个系统稳定之后，测得开路电压为54.0V，平稳输出功率350W，半小时后热水箱热水温度大于50℃。

第二种具体操作方法：在催化重整器5中装上丙烷水蒸气重整催化剂，选择一个功率为350W的SOFC电堆9装在燃料电池系统里，连接好管路，检测气密性，打开第五阀门28，往热水箱25加满水，开启热水循环泵24，开启启动燃烧器3的鼓风机1和燃料电池阴极空气的空气泵16，向启动燃烧器3中通入天然气，马上点火，点燃启动燃烧器3中的天然气，随着启动燃烧器3燃烧，催化重整器5和催化燃烧室4的温度会逐渐上升，与此同时，在预热后的阴极空气提供热源的条件下，SOFC电堆9的温度会上升，待催化重整器5温度提高到大于700℃，SOFC电堆9温度大于500℃时，向催化重整器5通入，向催化重整器5通入水蒸气和丙烷，此时SOFC电堆9温度迅速上升到700℃，然后通过控制丙烷、水蒸气和阴极空气的流量，维持催化重整器5温度在750℃，SOFC电堆9的温度在700℃，带整个系统稳定之后，测得开路电压为54.5V，平稳输出功率350W，半小时后热水箱热水温度大于50℃。

在本实施例中，所述热水箱的d口与第五阀门26的进口连通，第五阀门26的出口与外界连通。

在本实施例中，在所述热水箱25中设有电加热器27。

在本实施例中，还包括控制板8；所述控制板8与SOFC电堆9电连接。

以上结合附图对本发明的实施方式作出详细说明，但本发明不局限于所描述的实施方式。对于本领域的普通技术人员而言，在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下对这些实施方式进行多种变化、修改、替换及变形仍落入在本发明的保护范围内。