一种固体氧化物燃料电池热电联供系统及其运行方法技术方案

本发明专利技术提供了一种固体氧化物燃料电池热电联供系统及其运行方法，包括SOFC电堆、燃料供给系统、空气供给系统、阳极尾气循环系统、尾气燃烧系统；该系统采用了阳极尾气循环，搭配燃料预热器，降低了阳极再循环气体的温度，降低了阳极尾气循环泵的选材要求，同时提高了系统发电效率，还省去了水处理系统和水蒸气发生器，避免了给水故障导致的降负荷、停机，提高系统可靠性的同时提高了系统电效率和热效率，省去了燃料预转化反应前的预热器、降低了系统复杂程度和体积。杂程度和体积。杂程度和体积。

【技术实现步骤摘要】
一种固体氧化物燃料电池热电联供系统及其运行方法


[0001]本专利技术涉及固体氧化物燃料电池
，尤其是一种固体氧化物燃料电池热电联供系统及其运行方法。

技术介绍

[0002]固体氧化物燃料电池(Solid Oxide Fuel Cell，简称SOFC)是一种不经过燃烧过程直接以电化学反应方式将燃料(如天然气、H2、合成气、沼气、甲醇等)的化学能直接转化为电能的高效发电装置。相对于传统发电技术，SOFC发电系统具有燃料来源广、发电效率高、无NOx排放、可实现CO2集中排放等优点。SOFC系统作为一种高效、环保的新型发电设备，在住宅、酒店、医院、学校、办公楼宇、小区、数据中心、通讯基站等民工商业用户分布式电源领域具有广泛应用前景，是实现“碳中和”、“碳达峰”的重要技术手段。
[0003]常规的以天然气为燃料的SOFC发电系统主要工艺部件包括SOFC电堆、燃料处理系统、空气供应系统、去离子水系统、尾气燃烧系统、换热器系统等。常规的SOFC发电系统采用外重整的SOFC电堆，工作过程中，给水通过去离子水系统和蒸气发生器与脱硫后的燃料混合，经过换热器升温后与进入重整器发生重整反应生成CO和H2等气体，然后进入电堆的阳极侧发生电化学反应，电堆阳极出口未反应完全的阳极尾气进入到燃烧器中，与电堆阴极出口的空气在燃烧器中混合燃烧，产生的高温烟气主要用于为重整反应提供热量、加热进入系统的常温空气、加热去离子水产生水蒸气、加热燃料等。
[0004]根据燃料发生重整反应位置的不同，可以将SOFC电堆分成内重整SOFC电堆和外重整SOFC电堆：燃料混合一定比例的水蒸气在700
‑
800℃条件下经外部重整生成CO和H2然后进入电堆参与电化学反应，这种电堆为外重整电堆；而对于内重整电堆，燃料只需混合一定量的水蒸气在400
‑
500℃条件下进行预转化反应，将C2、C3等多碳组分转化成C1和H2，大部分CH4进入电堆在电堆内部发生重整反应生成CO、H2并发生电化学反应。这两种SOFC电堆的发电系统都需要一定比例的水蒸气参与重整反应、预转化反应，为防止燃料反应过程中出现积碳影响反应催化剂、电堆的性能，燃气中要混入过量的水蒸气。水蒸气的参与对给水的稳定性、去离子水系统的稳定性、蒸气发生器的性能均提出了较高的要求，不仅增加了系统的复杂程度、系统体积，也使得系统存在给水中断导致负荷下降、停机等风险。
[0005]阳极尾气再循环指的是将SOFC电堆阳极尾气中的一部分混入新鲜的燃料，重新进入SOFC电堆参与电化学反应。阳极尾气再循环的优点是：
①
充分利用了电堆阳极尾气中未完全反应的可燃气体，有助于提高了系统的发电效率；
②
充分利用阳极尾气中的水蒸气，参与重整反应或者预转化反应，省去了去离子水系统和蒸气发生器，使系统摆脱了对给水的依赖，提高了系统热效率、降低了系统复杂程度和体积。但由于电堆阳极尾气温度较高，现有的气体循环泵很难满足要求，且系统在启动阶段无法利用阳极尾气中的水蒸气。
[0006]SOFC因其高效的发电效率和热效率受到了关注，但受限于关键技术发电效率和热效率仍未能达到预期，系统负载、体积较大，系统的可靠性也有待提高。阳极尾气再循环的应用将有效改善这些问题，是SOFC发电技术的发展方向。

技术实现思路

[0007]为解决常规固体氧化物燃料电池热电联供系统对给水依赖性强、系统复杂、体积大等技术问题，本专利技术提供如下技术方案：
[0008]为了实现以上目的，本专利技术是通过如下技术方案来实现：
[0009]本专利技术的第一目的在于提供一种固体氧化物燃料电池热电联供系统，包括SOFC电堆、燃料供给系统、空气供给系统、阳极尾气循环系统、尾气燃烧系统；
[0010]所述燃料供给系统包括脱硫器、启动加湿系统、预转化器、燃料预热器，其中，燃料输入管道与所述脱硫器的入口连接，所述脱硫器的出口经所述启动加湿系统后连接于所述预转化器的入口，所述预转化器的出口与所述燃料预热器的燃料入口连接，所述燃料预热器的燃料出口与所述SOFC电堆的电堆阳极的入口连接；
[0011]所述空气供给系统包括鼓风机和空气预热器，所述鼓风机的出口经所述空气预热器后连接于所述SOFC电堆的电堆阴极的入口；
[0012]所述阳极尾气循环系统包括阳极尾气循环泵和所述尾气处理系统，所述电堆阳极的尾气经所述燃料预热器换热后分两支管，一支管与所述阳极尾气循环泵的入口连接，所述阳极尾气循环泵的出口与所述脱硫器的出口连接，另一支管与所述尾气处理系统连接；
[0013]所述尾气处理系统包括燃烧器、余热回收换热器，所述电堆阳极的尾气的另一支管经所述燃烧器后又分两支路，一支路经所述预转化器后与所述余热回收换热器的入口连接，另一支路经所述空气预热器后与所述余热回收换热器的入口连接。
[0014]进一步的，所述启动加湿系统包括设置在连通所述脱硫器和所述预转化器的燃料直通管道上的第一阀门、与所述第一阀门并联的启动加湿旁路。
[0015]更进一步的，所述启动加湿旁路包括启动加湿器、第一旁路管道、第二旁路管道、第二阀门、第三阀门，所述第一旁路管道上设有所述第二阀门，所述第一旁路管道的一端与所述第一阀门前端的所述燃料直通管道连接，另一端与所述启动加湿器的入口连接，所述第二旁路管道上设有所述第三阀门，所述第二旁路管道的一端与所述启动加湿器的出口连接，另一端与所述第一阀门后端的所述燃料直通管道连接。
[0016]进一步的，所述鼓风机的出口还与所述燃烧器的入口通过空气旁路管道连通，所述空气旁路管道上设有空气旁路阀门。
[0017]进一步的，所述预转化器为管壳式预转化器，其管内填充有用于发生预转化反应的催化剂。
[0018]进一步的，所述预转化器的出口端设有烟气流量调节阀。
[0019]进一步的，所述脱硫器中设有脱硫剂，所述脱硫剂为常温脱硫剂。
[0020]本专利技术的第二目的在于提供一种固体氧化物燃料电池热电联供系统的运行方法，其特征在于，包括如下内容：
[0021]步骤一：所述固体氧化物燃料电池热电联供系统启动时，关闭所述阳极尾气循环泵、打开所述第二阀门和所述第三阀门、关闭所述第一阀门、调小所述烟气流量调节阀的开度，通入燃料和空气；其中，燃料经所述脱硫器后通过所述启动加湿器混入适量水蒸气，然后经所述预转化器、所述燃料预热器进入所述电堆阳极，而空气在所述鼓风机作用下经所述空气预热器进入所述电堆阴极；所述电堆阳极出口的燃料气体经所述燃料预热器之后全部与所述电堆阴极出口的空气混合，然后进入所述燃烧器燃烧；而所述燃烧器的高温烟气
分成两部分，一部分进入所述空气预热器中加热空气，加热后的空气进入所述电堆阴极加热电堆，另一部分进入所述预转化器，为预转化反应提供热量，且两部分烟气最终混合后经所述余热回收换热器排出系统；
[0022]步骤二：所述固体氧化物燃料电池热电联供系统升温阶段，空气与高温烟气换热后进入所述SOFC电堆，所述SOFC电堆的温度逐渐升本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种固体氧化物燃料电池热电联供系统，其特征在于，包括SOFC电堆、燃料供给系统、空气供给系统、阳极尾气循环系统、尾气燃烧系统；所述燃料供给系统包括脱硫器、启动加湿系统、预转化器、燃料预热器，其中，燃料输入管道与所述脱硫器的入口连接，所述脱硫器的出口经所述启动加湿系统后连接于所述预转化器的入口，所述预转化器的出口与所述燃料预热器的燃料入口连接，所述燃料预热器的燃料出口与所述SOFC电堆的电堆阳极的入口连接；所述空气供给系统包括鼓风机和空气预热器，所述鼓风机的出口经所述空气预热器后连接于所述SOFC电堆的电堆阴极的入口；所述阳极尾气循环系统包括阳极尾气循环泵和所述尾气处理系统，所述电堆阳极的尾气经所述燃料预热器换热后分两支管，一支管与所述阳极尾气循环泵的入口连接，所述阳极尾气循环泵的出口与所述脱硫器的出口连接，另一支管与所述尾气处理系统连接；所述尾气处理系统包括燃烧器、余热回收换热器，所述电堆阳极的尾气的另一支管经所述燃烧器后又分两支路，一支路经所述预转化器后与所述余热回收换热器的入口连接，另一支路经所述空气预热器后与所述余热回收换热器的入口连接。2.根据权利要求1所述的固体氧化物燃料电池热电联供系统，其特征在于，所述启动加湿系统包括设置在连通所述脱硫器和所述预转化器的燃料直通管道上的第一阀门、与所述第一阀门并联的启动加湿旁路。3.根据权利要求2所述的固体氧化物燃料电池热电联供系统，其特征在于，所述启动加湿旁路包括启动加湿器、第一旁路管道、第二旁路管道、第二阀门、第三阀门，所述第一旁路管道上设有所述第二阀门，所述第一旁路管道的一端与所述第一阀门前端的所述燃料直通管道连接，另一端与所述启动加湿器的入口连接，所述第二旁路管道上设有所述第三阀门，所述第二旁路管道的一端与所述启动加湿器的出口连接，另一端与所述第一阀门后端的所述燃料直通管道连接。4.根据权利要求1所述的固体氧化物燃料电池热电联供系统，其特征在于，所述鼓风机的出口还与所述燃烧器的入口通过空气旁路管道连通，所述空气旁路管道上设有空气旁路阀门。5.根据权利要求1所述的固体氧化物燃料电池热电联供系统，其特征在于，所述预转化器为管壳式预转化器，其管内填充有用于发生预转化反应的催化剂。6.根据权利要求1所述的固体氧化物燃料电池热电联供系统，其特征在于，所述预转化器的出口端设有烟气流量...

【专利技术属性】
技术研发人员：白帆飞，林梓荣，陈锦芳，刘洋，凌宏达，
申请(专利权)人：广东佛燃科技有限公司，
类型：发明
国别省市：