CN115441009B - 一种菲涅尔聚光集热的固体氧化物燃料电池发电*** - Google Patents

一种菲涅尔聚光集热的固体氧化物燃料电池发电*** Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种菲涅尔聚光集热的固体氧化物燃料电池发电***，包括依次连接的燃料供给***、三号换热器、二号换热器、菲涅尔聚光集热器、重整器、固体氧化物燃料电池，固体氧化物燃料电池还依次连接有一号换热器、四号换热器、风机、空气源；燃烧室依次连通一号换热器、二号换热器、三号换热器、四号换热器，利用了固体氧化物燃料电池及燃烧室排出高温尾气中的能量，用于预热参与反应的燃料气和空气，实现能量的梯级利用；设有菲涅尔聚光集热器并利用可再生能源太阳能为燃料气进行预热，避免重整器因温度不高而导致重整反应不充分，提高了固体氧化物燃料电池发电效率，实现了节能。

Description

一种菲涅尔聚光集热的固体氧化物燃料电池发电***
技术领域
本发明涉及固体氧化物燃料电池技术领域，尤其是一种菲涅尔聚光集热的固体氧化物燃料电池发电***。
背景技术
固体氧化物燃料电池是一种新型的全固态结构发电装置，能将燃料中的化学能转换为电能，发电效率高，对燃料的适应性强，燃料利用率高，且能提供高质余热，是一种清洁高效的能源***。通过对碳氢化合物进行重整得到氢气和一氧化碳，并将输送至SOFC电池堆反应发电，有效避免了运输燃气等安全成本问题。燃料选择可再生的乙醇可减少化石燃料的损耗并且对环境无污染，但乙醇水蒸汽重整过程中对热量需求量大，容易出现乙醇水蒸汽预热不足而导致反应不充分，显著降低发电效率。同时电池堆排出的高温尾气若不处理直接排出***会造成环境污染和能源浪费，因此预热气体和回收余热显得格外重要。
发明内容
为了解决上述的问题，本发明提供了一种菲涅尔聚光集热的固体氧化物燃料电池发电***。
为了实现以上目的，本发明是通过如下技术方案来实现：
一种菲涅尔聚光集热的固体氧化物燃料电池发电***，包括依次连接的燃料供给***、三号换热器、二号换热器、菲涅尔聚光集热器、重整器、固体氧化物燃料电池，所述固体氧化物燃料电池还依次连接有一号换热器、四号换热器、风机、空气源；其中，所述固体氧化物燃料电池的输出口与燃烧室的一号输入口连接，所述燃烧室依次连通所述一号换热器、所述二号换热器、所述三号换热器、所述四号换热器；所述一号换热器的一号输出口与所述燃烧室的二号输入口连接。
进一步的，所述菲涅尔聚光集热器包括太阳能追踪器、安装在所述太阳能追踪器上的菲涅尔透镜、位于所述菲涅尔透镜下方焦点处的倒锥形腔体吸收器、与所述倒锥形腔体吸收器连接的六号换热器。
更进一步的，所述倒锥形腔体吸收器包括壳体、安装在所述壳体内壁的集热器、安装在所述壳体内底部的反射锥、密封所述壳体上端面的透明玻璃板，所述反射锥的表面涂有高反射率材料。
更进一步的，所述壳体与所述集热器之间填充有硅酸铝纤维隔热材料。
更进一步的，所述集热器为盘绕在所述壳体的内壁上的铜管，所述铜管的内部设有流动的吸热介质。
更进一步的，所述铜管的外表涂有选择性吸收黑铬涂层。
进一步的，所述二号换热器的一号排气口与第一管道的一端连接，所述第一管道的另一端与一号三通的进口端连接，所述一号三通的第一出口端与所述菲涅尔聚光集热器的进口端通过第二管道连接，所述菲涅尔聚光集热器的第一出口端与二号三通的第一输入口通过第三管道连接，所述二号三通的输出口与所述重整器通过第四管道连接；所述一号三通的第二出口端与五号换热器的第一进口端通过第五管道连接，所述五号换热器的第一出口端与所述二号三通的第二输入口通过第六管道连接，所述五号换热器与所述燃烧室通过第七管道连接；所述第二管道、所述第三管道、所述第五管道、所述第六管道、所述第七管道上分别设有第二电磁阀、第三电磁阀、第五电磁阀、第六电磁阀、第七电磁阀；所述菲涅尔聚光集热器、所述五号换热器和所述二号换热器上都分别设有温度传感器。
更进一步的，所述菲涅尔聚光集热器与所述五号换热器之间设有第八管道，所述第八管道上安装有第八电磁阀。
更进一步的，所述菲涅尔聚光集热器与所述五号换热器之间设有第九管道，所述第九管道上安装有第九电磁阀。
进一步的，所述燃料供给***包括依次连接的乙醇源、一号泵、混合器，所述混合器还依次接有二号泵、水源。
本发明的有益效果是：
1、设有的一号换热器、二号换热器、三号换热器和四号换热器能够利用固体氧化物燃料电池及燃烧室排出的高温尾气中的能量来预热参与反应的燃料气和空气，实现能量的梯级利用；
2、设有的菲涅尔聚光集热器并能够利用可再生能源太阳能为燃料气进行预热，避免重整器因温度不高而导致重整反应不充分，提高了固体氧化物燃料电池发电效率，实现了节能。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明中倒锥形腔体吸收器的结构示意图；
图中：1、乙醇源；2、水源；3、一号泵；4、二号泵；5、混合器；6、三号换热器；7、二号换热器；8、菲涅尔透镜；9、倒锥形腔体吸收器；10、重整器；11、固体氧化物燃料电池；12、空气源；13、风机；14、四号换热器；15、一号换热器；16、燃烧室；17、五号换热器；18、第五电磁阀；19、第六电磁阀；20、第三电磁阀；21、第七电磁阀；22、第九电磁阀；23、第八电磁阀；24、第二电磁阀；25、壳体；26、透明玻璃板；27、铜管；28、反射锥；29、六号换热器。
具体实施方式
为更进一步阐述本发明为实现预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明的具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如后。
如图1所示，一种菲涅尔聚光集热的固体氧化物燃料电池发电***，包括依次连接的燃料供给***、三号换热器6、二号换热器7、菲涅尔聚光集热器、重整器10、固体氧化物燃料电池11，固体氧化物燃料电池11还依次连接有一号换热器15、四号换热器14、风机13、空气源12；其中，燃料供给***包括依次连接的乙醇源1、一号泵3、混合器5，混合器5还依次接有二号泵4、水源2，使得乙醇和水在混合器5中混合均匀，为***提供燃料；其中，一号泵3选用气动隔膜泵，二号泵4选用离心泵，风机13选用离心风机，一号至五号换热器为板式换热器；固体氧化物燃料电池11的输出口与燃烧室16的一号输入口连接，燃烧室16依次连通一号换热器15、二号换热器7、三号换热器6、四号换热器14，利用了固体氧化物燃料电池11及燃烧室16排出高温尾气中的能量，用于预热参与反应的燃料气和空气，实现能量的梯级利用；一号换热器15的一号输出口与燃烧室16的二号输入口连接，为燃烧室16提供空气助燃；而且其中设有菲涅尔聚光集热器并利用可再生能源太阳能为燃料气进行预热，避免重整器10因温度不高而导致重整反应不充分，提高了固体氧化物燃料电池11发电效率，实现了节能。
具体的，菲涅尔聚光集热器包括太阳能追踪器、安装在太阳能追踪器上的菲涅尔透镜8、位于菲涅尔透镜8下方焦点处的倒锥形腔体吸收器9、与倒锥形腔体吸收器9连接的六号换热器29，其中太阳能追踪器为现有技术，在此不多赘言；而菲涅尔透镜8在太阳能追踪器的带动下，使得太阳光一直垂直照射在菲涅尔透镜8上，从而使得太阳能的利用率得到最大化，从而使得倒锥形腔体吸收器9获得更多的热量；
如图2所示，倒锥形腔体吸收器9包括壳体25、安装在壳体25内壁的集热器、安装在壳体25内底部的反射锥28、密封壳体25上端面的透明玻璃板26；具体的，集热器为盘绕在壳体25的内壁上的铜管27，铜管27的内部设有流动的吸热介质，其吸热介质包括油，即铜管27的一端与油源连接，在壳体25的内壁上盘绕后，其另一端与六号换热器29连接，就是说油从铜管27的一端进入壳体25的内部获得热量后再进入六号换热器29中为其提供换热能量；其中，倒锥形的壳体25为倒圆锥体，其上端大下端小的内部结构使得太阳光从上往下照射更多的铜管27面，而涂有高反射率材料的反射锥28则可以高效的反射太阳光，使得铜管27的下端面也能被照射，解决太阳能吸收死区的问题，提高了太阳能的利用率；这里的高反射率材料可以是一些纳米高漫反射涂料或添加钛白粉的纯丙树脂等的一种或两种；而且壳体25与集热器之间填充有硅酸铝纤维隔热材料，避免集热器的热量流失；而铜管27的外表涂有选择性吸收黑铬涂层，以减少对流和辐射热损失，高效利用太阳能。
如图1所示，二号换热器7的一号排气口与第一管道的一端连接，第一管道的另一端与一号三通的进口端连接，一号三通的第一出口端与菲涅尔聚光集热器的进口端通过第二管道连接，菲涅尔聚光集热器的第一出口端与二号三通的第一输入口通过第三管道连接，二号三通的输出口与重整器10通过第四管道连接；一号三通的第二出口端与五号换热器17的第一进口端通过第五管道连接，五号换热器17的第一出口端与二号三通的第二输入口通过第六管道连接，五号换热器17与燃烧室16通过第七管道连接；第二管道、第三管道、第五管道、第六管道、第七管道上分别设有第二电磁阀24、第三电磁阀20、第五电磁阀18、第六电磁阀19、第七电磁阀21；菲涅尔聚光集热器、五号换热器17和二号换热器7上都分别设有温度传感器；当在阴雨天气或在黑夜或六号换热器29的温度低于二号换热器7时，菲涅尔聚光集热器无法为***提供换热作业，此时闭合菲涅尔聚光集热器的换热管线，打开五号换热器17的管线，使得经过二号换热器7的燃料气再次经过五号换热器17的换热后进入重整器10中进行作业，使得燃料气在什么时候都可以经过三次换热来升温，避免重整器10因温度不高而导致重整反应不充分，提高了固体氧化物燃料电池11发电效率；而六号换热器29还可以与二号换热器7或三号换热器6或四号换热器14连通，具有根据实际情况中六号换热器29在进行换热后其尾气的温度，其尾气高于哪个换热器就与哪个换热器连接，为其提供换热能量；当五号换热器17和六号换热器29的温度相同时，闭合五号换热器17的换热管线，使得从而二号换热器7出来的燃料气经过六号换热器29后进入重整器10中进行反应，利用可再生能源太阳能为燃料气进行预热，节能环保；
其中，菲涅尔聚光集热器与五号换热器17之间设有第八管道，第八管道上安装有第八电磁阀23，菲涅尔聚光集热器与五号换热器17之间设有第九管道，第九管道上安装有第九电磁阀22；当五号换热器17的温度低于六号换热器29的温度时，从二号换热器7出来的燃料气依次经过五号换热器17、六号换热器29后再进入重整器10进行作业，而当五号换热器17的温度高于六号换热器29的温度，而六号换热器29的温度高于二号换热器7时，从二号换热器7出来的燃料气依次经过六号换热器29、五号换热器17后再进入重整器10进行作业；如此使得燃料气经过四次的换热升温，提高每次的换热质量，使得燃料气在重整器10中充分反应。
本发明的工作原理为：
如图1、2所示，本***是在控制器的控制下进行作业的，而且***中的传感器和电磁阀等都与控制器连接；而乙醇源1和水源2在分别经过一号泵3和二号泵4的增压输送后进入混合器5中进行混匀作业，之后依次经过三号换热器6、二号换热器7进行换热作业；
当在阴雨天气或在黑夜或六号换热器29的温度低于二号换热器7时，第二电磁阀24、第三电磁阀20、第八电磁阀23、第九电磁阀22关闭，第五电磁阀18、第六电磁阀19、第七电磁阀21打开，使得从二号换热器7出来的燃料气经过五号换热器17的换热后进入重整器10进行反应；当五号换热器17和六号换热器29的温度相同时，打开第二电磁阀24和第三电磁阀20，而关闭第五电磁阀18、第六电磁阀19、第七电磁阀21、第八电磁阀23、第九电磁阀22，使得从二号换热器7出来的燃料气经过六号换热器29的换热后进入重整器10进行反应；当五号换热器17的温度低于六号换热器29的温度时，打开第五电磁阀18、第八电磁阀23、第三电磁阀20、第七电磁阀21，而关闭第二电磁阀24、第六电磁阀19、第九电磁阀22，使得从二号换热器7出来的燃料气依次经过五号换热器17、六号换热器29后进入重整器10进行反应；当六号换热器29的温度低于五号换热器17的温度而高于二号换热器7的温度时，打开第二电磁阀24、第九电磁阀22、第六电磁阀19、第七电磁阀21，而关闭第三电磁阀20、第五电磁阀18、第八电磁阀23，使得从二号换热器7出来的燃料气依次经过六号换热器29、五号换热器17后进入重整器10进行反应；
经过重整器10后的燃料气进入固体氧化物燃料电池11的阳极进行作业，而同时，空气从空气源12依次经过风机13、四号换热器14、一号换热器15后一部分进入固体氧化物燃料电池11的阴极进行作业，一部分进入燃烧室16参加燃烧作业；之后固体氧化物燃料电池11的尾气从其输出口进入燃烧室16中进行燃烧作业，接着燃烧室16的尾气一部分依次经过一号换热器15、二号换热器7、三号换热器6、四号换热器14进行换热作业，而另一部分进入五号换热器17中进行换热作业，之后经过处理后排出。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限定本发明，任何本领域技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简介修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (9)

1.一种菲涅尔聚光集热的固体氧化物燃料电池发电***，其特征在于，包括依次连接的燃料供给***、三号换热器（6）、二号换热器（7）、菲涅尔聚光集热器、重整器（10）、固体氧化物燃料电池（11），所述固体氧化物燃料电池（11）还依次连接有一号换热器（15）、四号换热器（14）、风机（13）、空气源（12）；其中，所述固体氧化物燃料电池（11）的输出口与燃烧室（16）的一号输入口连接，所述燃烧室（16）依次连通所述一号换热器（15）、所述二号换热器（7）、所述三号换热器（6）、所述四号换热器（14）；所述一号换热器（15）的一号输出口与所述燃烧室（16）的二号输入口连接；所述二号换热器（7）的一号排气口与第一管道的一端连接，所述第一管道的另一端与一号三通的进口端连接，所述一号三通的第一出口端与所述菲涅尔聚光集热器的进口端通过第二管道连接，所述菲涅尔聚光集热器的第一出口端与二号三通的第一输入口通过第三管道连接，所述二号三通的输出口与所述重整器（10）通过第四管道连接；所述一号三通的第二出口端与五号换热器（17）的第一进口端通过第五管道连接，所述五号换热器（17）的第一出口端与所述二号三通的第二输入口通过第六管道连接，所述五号换热器（17）与所述燃烧室（16）通过第七管道连接；所述第二管道、所述第三管道、所述第五管道、所述第六管道、所述第七管道上分别设有第二电磁阀（24）、第三电磁阀（20）、第五电磁阀（18）、第六电磁阀（19）、第七电磁阀（21）；所述菲涅尔聚光集热器、所述五号换热器（17）和所述二号换热器（7）上都分别设有温度传感器。
2.根据权利要求1所述的菲涅尔聚光集热的固体氧化物燃料电池发电***，其特征在于，所述菲涅尔聚光集热器包括太阳能追踪器、安装在所述太阳能追踪器上的菲涅尔透镜（8）、位于所述菲涅尔透镜（8）下方焦点处的倒锥形腔体吸收器（9）、与所述倒锥形腔体吸收器（9）连接的六号换热器。
3.根据权利要求2所述的菲涅尔聚光集热的固体氧化物燃料电池发电***，其特征在于，所述倒锥形腔体吸收器（9）包括壳体（25）、安装在所述壳体（25）内壁的集热器、安装在所述壳体（25）内底部的反射锥（28）、密封所述壳体（25）上端面的透明玻璃板（26），所述反射锥（28）的表面涂有高反射率材料。
4.根据权利要求3所述的菲涅尔聚光集热的固体氧化物燃料电池发电***，其特征在于，所述壳体（25）与所述集热器之间填充有硅酸铝纤维隔热材料。
5.根据权利要求3所述的菲涅尔聚光集热的固体氧化物燃料电池发电***，其特征在于，所述集热器为盘绕在所述壳体（25）的内壁上的铜管（27），所述铜管（27）的内部设有流动的吸热介质。
6.根据权利要求5所述的菲涅尔聚光集热的固体氧化物燃料电池发电***，其特征在于，所述铜管（27）的外表涂有选择性吸收黑铬涂层。
7.根据权利要求1所述的菲涅尔聚光集热的固体氧化物燃料电池发电***，其特征在于，所述菲涅尔聚光集热器与所述五号换热器（17）之间设有第八管道，所述第八管道上安装有第八电磁阀（23）。
8.根据权利要求1所述的菲涅尔聚光集热的固体氧化物燃料电池发电***，其特征在于，所述菲涅尔聚光集热器与所述五号换热器（17）之间设有第九管道，所述第九管道上安装有第九电磁阀（22）。
9.根据权利要求1-8任一项所述的菲涅尔聚光集热的固体氧化物燃料电池发电***，其特征在于，所述燃料供给***包括依次连接的乙醇源（1）、一号泵（3）、混合器（5），所述混合器（5）还依次接有二号泵（4）、水源（2）。
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