一种固体氧化物燃料电池发电系统技术方案

一种固体氧化物燃料电池发电系统，包括热区、重整器、启动燃烧器、阳极尾气燃烧器、混合器和换热部件，热区包括电池堆阵列与相应的布气管路，重整器、换热部件与热区分立设置，彼此通过管路连接，换热部件包括重整进料预热器、空气一级预热器、空气二级预热器、气化器和冷凝器，混合器上设置有重整预留空气进口。本发明专利技术将各主要部件分立设置，而不是集中于热区中，降低了各部件组合的难度，便于整体布局，同时降低相互交叉影响的可能性，便于各部件稳定的发挥其功能；具有结构布局合理、装配方便，具有便于拆卸、适宜布局、功能稳定、换热合理等优点，适用于单体百千瓦级的固体氧化物燃料电池发电系统的组建。

Solid oxide fuel cell power generation system

A solid oxide fuel cell power generation system, including hot, reformer, burner, burner, mixer and anode exhaust heat exchangers, including hot cell stack array and the corresponding gas distribution pipeline, reformer, heat and hot parts are respectively arranged, each other through the pipeline connection, heat exchanger components include reforming feed the air preheater, an air preheater, two stage preheater, gasifier and condenser, the mixer is arranged on the air inlet for reforming. The invention will be the main parts of the discrete setting, rather than focusing on hot spots, reduce the difficulty of each component, to facilitate the overall layout, and reduce the possibility of cross effect, for each component stable function; with reasonable structure, convenient assembly, convenient disassembly, has advantages of stable function, layout, suitable the heat exchanger is reasonable, the formation of solid oxide fuel cell power generation system for single hundred kilowatt.

【技术实现步骤摘要】
一种固体氧化物燃料电池发电系统
本专利技术涉及一种固体氧化物燃料电池发电系统，特别涉及发电系统的流程与器件布局。
技术介绍
固体氧化物燃料电池(SolidOxideFuelCell，SOFC)发电系统是一种清洁、高效的能量转换系统，以天然气等气态烃类或氢气、一氧化碳等为原料，能将燃料中的化学能转换为电能。依托分布广泛的天然气管网，SOFC发电系统可以规模集成为以天然气为原料的分布式发电站，供应楼宇、厂房、社区等的用电需求，具有良好的商业前景。SOFC发电系统的基本运行过程为：天然气首先经过重整，产生氢、一氧化碳气等气体，进入电池堆阳极，阴极空气进入电池堆的阴极，在一定的条件下，阳极气体与阴极气体发生反应，生成水，产生电。为了完成这些过程，需要各种配套器件如重整器、启动燃烧器、阳极尾气燃烧器、换热器等部件。各部件需要很好的组合起来，形成一个有机整体，这样才能进行物质流与能量流的流动。在美国专利US2012/0178003A1提供了一种SOFC发电系统的流程与热区构架，该系统存在如下问题：1)SOFC发电系统热区构架中，将空气预热器、重整进料预热器、气化器等换热器集成在热区中，这种结构对于单体小型系统比如几十千瓦级别的SOFC发电系统的设计是合适的，但当单体系统规模达到百千瓦级以上时，SOFC发电系统热区的布置就不能这么布置了，因换热需要以及体积问题，各种换热器不适合全部集成到热区中。2)该专利技术提供的热区流程中，阳极尾气经过重整燃料预热器后通过分离器分成两路，一路直接进入阳极尾气燃烧器，另一路则经过空气一级预热器之后进入重整燃料管路，作为重整原料回收使用。此种方法的弊端之一为，高温下燃料的流量受压力、温度等影响，难以对其进行准确的分流控制，影响系统的稳定运行。另外还有一个弊端，回收使用的重整尾气影响重整器中的化学平衡，从而影响重整器的重整效果，进而影响SOFC发电系统的发电运行。3)系统启动问题。该专利中，启动是靠催化部分氧化反应来启动，这个反应不易控制，而且有爆炸危险；还有，启动该反应需要额外的热源以及催化剂，催化剂在高温下易产生热点等问题；另外，启动时间也会很长。针对以上问题，本专利技术提供了一种SOFC发电系统新流程以及器件布置的新方法,对于SOFC发电系统流程(启动流程及运行流程)、器件布局以及重整器功能等作了改进。
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布局合理、装配方便且换热合理的固体氧化物燃料电池发电系统。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，包括热区、重整器、启动燃烧器、阳极尾气燃烧器、混合器和换热部件，其特征在于：所述热区包括电池堆阵列与相应的布气管路，重整器、换热部件与热区分立设置，彼此通过管路连接；换热部件包括重整进料预热器、空气一级预热器、空气二级预热器、气化器和冷凝器，混合器上设置有重整预留空气进口和燃料进口，混合器上设有出料口与重整进料预热器相连接，重整进料预热器与重整器相连接；发电系统的阳极气路流向和管路连接为：重整进料进入重整进料预热器预热后，进入重整器进行重整反应，重整尾气进入热区电池堆阵列的阳极，进行发电，热区排放的阳极尾气依次通过重整进料预热器、空气一级预热器进入冷凝器，冷凝产生的水经过净化器净化后重新进入混合器进行重整进料水循环，冷凝后的阳极尾气进入阳极尾气燃烧器，燃烧后的烟气依次通过空气二级预热器和气化器之后排放；阴极气路流向和管路连接为：阴极空气依次经过空气一级预热器和空气二级预热器之后，进入热区电池堆阵列的阴极，发电后的阴极尾气进入阳极尾气燃烧器，与冷凝后进入阳极尾气燃烧器的阳极尾气进行混合燃烧，燃烧后的烟气依次进入空气二级预热器和气化器之后排放。作为改进，所述热区的电池堆阵列采用层状盘式结构，热区的电池堆数量不限，电池堆阵列外围设有用于阳极气体进出的通气管路和废气管路，通气管路和废气管路通过各层上的通气法兰和对应的通气支管和废气支管连接各层上的单个电池堆的阳极气体进孔和阳极废气出孔，电池堆阵列外围上有用于将电池堆阵列所发的电进行导出的导电柱，逆变器与导电柱相连接。优选，所述重整器采用列管式或蜂窝整体式，重整器上设有重整尾气出口与热区的阳极气体进口的通气管路相连接，热区设有阳极尾气出口与重整进料预热器相连接。作为改进，所述阳极尾气燃烧器位于重整器的中间位置，阳极尾气燃烧器通过法兰与重整器连接固定。再改进，所述启动燃烧器为以天然气为原料的明火燃烧器，启动燃烧器上设有启动天然气进料口和启动空气进口。再改进，所述气化器采用列管式结构，冷凝器分别与净化器、空气一级预热器和阳极尾气燃烧器相连接。进一步改进，所述混合器的燃料进口进入的燃料为天然气，氢气，合成气或沼气。进一步改进，所述燃料为天然气。再进一步改进，所述发电系统还包括控制柜、将热区发出的直流电转换成交流电的逆变器和给水系统，最后，所述重整器在温度升至400℃时进行重整进料，当重整器温度达到750～850℃，热区电池堆阵列的稳定工作温度为700～800℃时，系统稳定运行2～3小时即可放电。与现有技术相比，本专利技术的优点在于：1)将各主要部件分立设置，而不是集中于热区中，这样就降低了各部件组合的难度，便于系统在现场因地制宜进行整体布局，同时降低了各部件之间相互交叉影响的可能性，便于各部件稳定的发挥其功能。2)将阳极尾气进行冷凝，使气水分离，便于水的回收纯化与循环使用，同时也便于阳极尾气燃烧器的稳定燃烧，并且阳极尾气不回收循环至重整器，避免了对重整反应化学平衡的影响。3)混合器上预留了重整空气入口，便于在重整器中添加适量空气，进行自热重整反应，有利于系统换热。本专利技术结构布局合理，装配方便，具有便于拆卸、适宜布局、功能稳定、换热合理等优点，适用于单体百千瓦级的固体氧化物燃料电池发电系统的组建。附图说明图1是本专利技术的固体氧化物燃料电池发电系统的整体流程图；图2是本专利技术的固体氧化物燃料电池发电系统的整体布局图；图3是本专利技术实施例1中的200kW系统中的电池堆阵列结构示意图；图4是本专利技术实施例1中的160kW系统中的电池堆阵列结构示意图。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。一种固体氧化物燃料电池发电系统，包括热区1、重整器2，启动燃烧器10，阳极尾气燃烧器3、混合器4、换热部件、逆变器13、净化器11、给水系统14和控制柜12，热区1包括电池堆阵列与相应的布气管路，电池堆阵列是进行发电反应的场所，热区1的电池堆阵列采用层状盘式结构，参见我们在先授权的专利技术，专利号为201310212920.5的中国专利，热区1的电池堆1.1数量不限，电池堆阵列外围设有用于阳极气体进出的通气管路1.2和废气管路1.2a，通气管路1.2和废气管路1.2a通过各层上的通气法兰1.4和对应的通气支管1.5和废气支管1.6连接各层上的单个电池堆的阳极气体进孔和阳极废气出孔，电池堆阵列外围上有用于将电池堆阵列所发的电进行导出的导电柱1.3；逆变器13是将电池堆阵列发出的直流电转换成交流电供日常生产生活使用，逆变器13与导电柱1.3相连接。重整器2、换热部件与热区1分立设置，这样就降低了各部件组合的难度，便于整体布局，同时又降低了各部件之间的交叉影响，便于各部件稳定的发挥作用；重整器本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种固体氧化物燃料电池发电系统，包括热区、重整器、启动燃烧器、阳极尾气燃烧器、混合器和换热部件，其特征在于：所述热区包括电池堆阵列与相应的布气管路，重整器、换热部件与热区分立设置，彼此通过管路连接；换热部件包括重整进料预热器、空气一级预热器、空气二级预热器、气化器和冷凝器，混合器上设置有重整预留空气进口和燃料进口，混合器上设有出料口与重整进料预热器相连接，重整进料预热器与重整器相连接；发电系统的阳极气路流向和管路连接为：重整进料进入重整进料预热器预热后，进入重整器进行重整反应，重整尾气进入热区电池堆阵列的阳极，进行发电，热区排放的阳极尾气依次通过重整进料预热器、空气一级预热器进入冷凝器，冷凝产生的水经过净化器净化后重新进入混合器进行重整进料水循环，冷凝后的阳极尾气进入阳极尾气燃烧器，燃烧后的烟气依次通过空气二级预热器和气化器之后排放；阴极气路流向和管路连接为：阴极空气依次经过空气一级预热器和空气二级预热器之后，进入热区电池堆阵列的阴极，发电后的阴极尾气进入阳极尾气燃烧器，与冷凝后进入阳极尾气燃烧器的阳极尾气进行混合燃烧，燃烧后的烟气依次进入空气二级预热器和气化器之后排放。

【技术特征摘要】
1.一种固体氧化物燃料电池发电系统，包括热区、重整器、启动燃烧器、阳极尾气燃烧器、混合器和换热部件，其特征在于：所述热区包括电池堆阵列与相应的布气管路，重整器、换热部件与热区分立设置，彼此通过管路连接；换热部件包括重整进料预热器、空气一级预热器、空气二级预热器、气化器和冷凝器，混合器上设置有重整预留空气进口和燃料进口，混合器上设有出料口与重整进料预热器相连接，重整进料预热器与重整器相连接；发电系统的阳极气路流向和管路连接为：重整进料进入重整进料预热器预热后，进入重整器进行重整反应，重整尾气进入热区电池堆阵列的阳极，进行发电，热区排放的阳极尾气依次通过重整进料预热器、空气一级预热器进入冷凝器，冷凝产生的水经过净化器净化后重新进入混合器进行重整进料水循环，冷凝后的阳极尾气进入阳极尾气燃烧器，燃烧后的烟气依次通过空气二级预热器和气化器之后排放；阴极气路流向和管路连接为：阴极空气依次经过空气一级预热器和空气二级预热器之后，进入热区电池堆阵列的阴极，发电后的阴极尾气进入阳极尾气燃烧器，与冷凝后进入阳极尾气燃烧器的阳极尾气进行混合燃烧，燃烧后的烟气依次进入空气二级预热器和气化器之后排放。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：所述热区的电池堆阵列采用层状盘式结构，热区的电池堆数量不限，电池堆阵列外围设有用于阳极气体进出的通气管路和废气管路，通气管路和废气管路通过各层上的通气法兰和对应的通气支管和废气支管连接各层上的单个电池堆的阳极气体进孔和阳极废气出孔，电池堆阵列外围上有用于将电池堆阵列所发的电进行导...

【专利技术属性】
技术研发人员：王蔚国，彭军，陈涛，何长荣，牛金奇，陈赛虎，赵青，姜松林，郭旻，
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