一种固体氧化物燃料电池发电系统的热区结构技术方案

一种固体氧化物燃料电池发电系统的热区结构，包括外壳、电池堆阵列、燃烧器、重整器、气化预热器和底板，电池堆阵列外围布设有通气管路，重整器位于电池堆阵列的中央，燃烧器位于底板中部，气化预热器位于重整器上方，外壳上设有上排烟管、下排烟管和阴极空气进气口，外壳的壁面具有用于烟气和阴极空气换热的三层夹层腔体，热区启动升温时，燃烧器产生的烟气直接通过电池堆阵列阴极孔道给电池堆阵列升温。本发明专利技术对热区中各部件进行合理布局，同时改进了热区内部的换热，使热区启动以及稳定运行过程的换热更加科学合理；并且进一步改善了热区启动升温过程，热区启动升温时烟气直接通过电池堆阵列的阴极，使热区升温速率更快，同时结构也便于安装拆卸。

Hot zone structure of solid oxide fuel cell power generation system

Thermal structure of a solid oxide fuel cell power generation system, including shell, stack array, burner, reformer, gasification preheater and the bottom of the stack is provided with a ventilation pipe array periphery cloth, reformer cell stack array is located in the central, located in the middle of the bottom plate gasification burner, preheater reformer located above the shell is provided with an upper exhaust pipe, exhaust pipe and the cathode air inlet, the shell wall has a three interlayer cavity and the cathode flue gas air heat, hot start temperature, flue gas generated by the burner directly through the stack to the stack array cathode channel array heating. The reasonable arrangement of the components in hot spots, while improving the heat exchanging zone inside the heat exchanging zone start and stable operation process more scientific and reasonable; and further improve the hot start temperature, hot start heating flue gas directly through the stack array cathode, the hot heating rate faster, at the same time structure convenient installation and disassembly.

【技术实现步骤摘要】
一种固体氧化物燃料电池发电系统的热区结构
本专利技术属于固体氧化物燃料电池
，尤其涉及一种固体氧化物燃料电池发电系统的热区结构。
技术介绍
固体氧化物燃料电池(SolidOxideFuelCell，SOFC)发电系统能将燃料中的化学能转化为电能，是一种清洁、高效的能源转换方式，发电效率可达60％以上。因为其在高温下运行，可用燃料的来源广泛，如天然气、合成气、液化气、氢气等都可以作为其燃料，便于推广使用，具有广阔的应用前景。热区是SOFC发电系统实施发电功能的主要场所，一般包括电池堆阵列、重整器、气化预热器、换热器以及燃烧器等部件。燃料在重整器里面被重整处理后进入电池堆阵列发电。原料如天然气、空气等的预热以及水的气化等热交换步骤都在热区里面实现。热区中各部件的组合方式直接决定着系统的发电效率，因此热区的设计显得尤为重要。热区的升温速率是SOFC发电系统的一个重要参数，在实际应用过程中，升温速率要适当的高，以使系统能较为快速的升温，便于现场应用。在美国专利US7659022B2和US2012/0178003A1中，电池堆阵列的升温是靠预热后的阴极空气对其进行预热升温，具体过程为：阳极尾气催化燃烧后的烟气以及阴极尾气混合组成的尾气首先预热阴极空气，然后阴极空气再去预热电池堆阵列，使电池堆阵列升温。此种预热方式的弊端就是电池堆阵列的升温时间较长，不利于系统的快速的启动。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是提供一种结构合理、热区启动升温速率快且换热效果好的固体氧化物燃料电池发电系统的热区结构。本专利技术解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种固体氧化物燃料电池发电系统的热区结构，包括外壳、电池堆阵列、燃烧器、重整器、气化预热器和底板，其特征在于：所述外壳为底部开口的筒状结构，底板对合于外壳的底部，电池堆阵列位于外壳内，电池堆阵列外围布设有用于电池堆阳极气体进出的通气管路，重整器位于电池堆阵列的中央，燃烧器位于底板的中部、重整器的下方，气化预热器位于重整器的上方，外壳上设有上排烟管、下排烟管和阴极空气进气口，外壳的壁面具有用于烟气和阴极空气换热的三层夹层腔体，其中上排烟管与外壳夹层内腔相通，下排烟管与外壳夹层中腔相通，阴极空气进气口与外壳夹层外腔相通，外壳夹层外腔与外壳夹层内腔通过外管路相通，外壳夹层内腔的下部有孔与热区内部相通，热区启动升温时，燃烧器产生的烟气直接通过电池堆阵列的阴极孔道给电池堆阵列升温，再穿过外壳夹层内腔经过上排烟管排放。作为改进，所述气化预热器上设有供天然气和水进入的重整进料口，重整器的底部设有重整尾气出口，重整尾气出口通过重整尾气布气管与电池堆阵列的阳极相连接。作为改进，所述电池堆阵列外围的通气管路包括用于给电池堆分配重整尾气的阳极气体布气主管、阳极气体布气支管以及用于收集电池堆阵列发电后产生的阳极尾气的阳极尾气收集支管和阳极尾气收集主管，上述管路通过布气法兰与电池堆阵列的阳极相连接，并通过底板的通气法兰与底板相连接，其中阳极气体布气主管与重整尾气布气管相连通，重整尾气通过重整尾气布气管进入阳极气体布气主管中，并通过与阳极气体布气主管相连的阳极气体布气支管进入电池堆阵列中的各个电池堆中。作为改进，所述重整尾气布气管设置在底板内部或底板的下面。再改进，所述燃烧器上设有天然气入口、空气入口以及与阳极尾气收集主管相连通的阳极尾气入口，电池堆阵列发电后产生的阳极尾气通过阳极尾气收集支管、阳极尾气收集主管进入燃烧器中燃烧。再改进，所述外壳的上方设有烟气连接管路，烟气连接管路的一端与电池堆阵列的燃烧腔相连通，另一端与外壳夹层中腔相连通。系统稳态运行时，从外壳夹层外腔进入的阴极空气经过外管路进入外壳夹层内腔，再通过外壳夹层内腔下部的孔进入电池堆阵列外围，并穿过电池堆阴极通气孔，进入电池堆阵列内侧的燃烧腔，在燃烧腔中与电池堆阵列发电后产生的阳极尾气混合燃烧，产生的烟气通过排烟连接管路进入外壳夹层中腔，与经过外壳夹层外腔及内腔的阴极空气换热后，从下排烟管排放。再改进，所述电池堆阵列采用多个电池堆叠加而成，其形状为竖直叠放式的或者层状盘式，电池堆阵列外围设有用于将电池堆阵列所发的电进行导出的导电杆。进一步改进，所述电池堆阵列外围的通气管路采用不锈钢硬管或耐高温波纹管，或者是不锈钢硬管与耐高温波纹管的组合。再进一步改进，所述重整管为列管式或蜂窝整体式。最后，所述气化预热器为列管形式或盘管形式。与现有技术相比，本专利技术的优点在于：对热区中各部件进行合理布局，同时改进了热区内部的换热，使启动以及稳定运行过程的换热更加科学合理；并且进一步改善了热区启动升温过程，热区升温时烟气直接通过电池堆阵列的阴极，使热区升温速率更快。本专利技术结构合理、布局科学，使得燃料的能量分布与利用更加合理，能使热区快速升温，同时也便于安装拆卸。附图说明图1是本专利技术的热区结构的基本组成示意图；图2是本专利技术的重整尾气布气管在底板内部的热区结构示意图；图3是重整尾气布气管在底板下面的热区结构示意图；图4是热区中阴极空气流动路线示意图；图5是热区中阳极气体流动路线示意图；图6是竖直叠放的电池堆阵列的结构示意图；图7是层状盘式电池堆阵列的结构示意图；图8是电池堆阵列外围通气管路的结构示意图；图9是本专利技术应用例中的12kWSOFC热区的电池堆阵列及其外围管路的结构示意图；图10是本专利技术应用例中的12kWSOFC热区的外壳结构示意图；图11是本专利技术应用例中的12kWSOFC热区的底板结构示意图。具体实施方式以下结合附图实施例对本专利技术作进一步详细描述。如图1～8所示，一种固体氧化物燃料电池发电系统的热区结构，包括外壳1、电池堆阵列2、燃烧器3、重整器4、气化预热器5和底板6等主要部件，外壳1为底部开口的筒状结构，底板6对合于外壳1的底部，电池堆阵列2位于外壳1内，重整器4位于电池堆阵列2的中央，用于燃料的重整反应，燃烧器3位于底板6的中部、重整器4的下方，用于维持热区温度，气化预热器5位于重整器4的上方，用于反应原料的预热与气化，外壳1的壁面具有三层夹层腔体，分别为外壳夹层外腔11、外壳夹层中腔12和外壳夹层内腔13，外壳1上设有上排烟管8、下排烟管10和阴极空气进气口9，其中上排烟管8与外壳夹层内腔13相通，下排烟管10与外壳夹层中腔12相通，阴极空气进气口9与外壳夹层外腔11相通，外壳夹层外腔11与外壳夹层内腔13通过外管路相通，外壳夹层内腔13的下部有孔与热区内部相通，该孔作为阴极空气15的通道，还作为热区启动升温时燃烧产生的烟气16的过道；气化预热器5为列管形式或盘管形式，气化预热器5上设有供天然气和水进入的重整进料口，重整器4为列管式或蜂窝整体式，重整器4的底部设有重整尾气出口，通过重整尾气布气管14与电池堆阵列2的阳极相连接，重整尾气布气管14可设置在底板6内部(如图2)或底板6的下面(如图3)；电池堆阵列2采用多个电池堆26叠加而成，其形状为竖直叠放式，如图6所示，或者为层状盘式，如图7所示，电池堆阵列2的外围布设有用于将电池堆阵列2所发的电进行导出的导电杆30以及用于电池堆阳极气体进出的通气管路，通气管路包括用于给电池堆分配重整尾气23的阳极气体布气主管21、阳极气体布气支管22以及用于收集电池堆阵列2发电后产生的阳极尾气20的阳极本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种固体氧化物燃料电池发电系统的热区结构，包括外壳、电池堆阵列、燃烧器、重整器、气化预热器和底板，其特征在于：所述外壳为底部开口的筒状结构，底板对合于外壳的底部，电池堆阵列位于外壳内，电池堆阵列外围布设有用于电池堆阳极气体进出的通气管路，重整器位于电池堆阵列的中央，燃烧器位于底板的中部、重整器的下方，气化预热器位于重整器的上方，外壳上设有上排烟管、下排烟管和阴极空气进气口，外壳的壁面具有用于烟气和阴极空气换热的三层夹层腔体，其中上排烟管与外壳夹层内腔相通，下排烟管与外壳夹层中腔相通，阴极空气进气口与外壳夹层外腔相通，外壳夹层外腔与外壳夹层内腔通过外管路相通，外壳夹层内腔的下部有孔与热区内部相通，热区启动升温时，燃烧器产生的烟气直接通过电池堆阵列的阴极孔道给电池堆阵列升温，再穿过外壳夹层内腔经过上排烟管排放。

【技术特征摘要】
1.一种固体氧化物燃料电池发电系统的热区结构，包括外壳、电池堆阵列、燃烧器、重整器、气化预热器和底板，其特征在于：所述外壳为底部开口的筒状结构，底板对合于外壳的底部，电池堆阵列位于外壳内，电池堆阵列外围布设有用于电池堆阳极气体进出的通气管路，重整器位于电池堆阵列的中央，燃烧器位于底板的中部、重整器的下方，气化预热器位于重整器的上方，外壳上设有上排烟管、下排烟管和阴极空气进气口，外壳的壁面具有用于烟气和阴极空气换热的三层夹层腔体，其中上排烟管与外壳夹层内腔相通，下排烟管与外壳夹层中腔相通，阴极空气进气口与外壳夹层外腔相通，外壳夹层外腔与外壳夹层内腔通过外管路相通，外壳夹层内腔的下部有孔与热区内部相通，热区启动升温时，燃烧器产生的烟气直接通过电池堆阵列的阴极孔道给电池堆阵列升温，再穿过外壳夹层内腔经过上排烟管排放。2.根据权利要求1所述的热区结构，其特征在于：所述气化预热器上设有供天然气和水进入的重整进料口，重整器的底部设有重整尾气出口，重整尾气出口通过重整尾气布气管与电池堆阵列的阳极相连接。3.根据权利要求2所述的热区结构，其特征在于：所述电池堆阵列外围的通气管路包括用于给电池堆分配重整尾气的阳极气体布气主管、阳极气体布气支管以及用于收集电池堆阵列发电后产生的阳极尾气的阳极尾气收集支管和阳极尾气收集主管，上述管路通过布气法兰与电池堆阵列的阳极相连接，并通过底板的通气法兰与底板相连接，其中阳极气体布气主管与重整尾气布气管相连通，重整尾气通过重整尾气布气管进入阳极气体布气主管中，并通过与阳极气体布气主管相连的阳极气体布气支管进入电池...

【专利技术属性】
技术研发人员：彭军，赵青，王蔚国，牛金奇，陈涛，何长荣，
申请(专利权)人：宁波索福人能源技术有限公司，
类型：发明
国别省市：浙江,33