CN117577874A - 一种固体氧化物燃料电池热电联产***及其联产方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种固体氧化物燃料电池热电联产***及其联产方法。包括空气管道、燃料管道、电热加热器、固体氧化物燃料电池、燃料重整器、燃烧器、一级换热器、二级换热器和液体汽化制冷器；该固体氧化物燃料电池热电联产***主要包括燃料电池的快速预热、燃料电池启动前的燃料重整，以及两级尾气的利用。本发明通过太阳能板为电热加热器供能，由电热加热器加热空气，由高温空气对固体氧化物燃料电池进行预热，余热则通过换热器产生水蒸气进入燃料重整器与燃料重整，燃料与空气的高温反应废气可再次通过换热器进行换热及热点联产，实现能源的高效利用。
Description
技术领域
本发明属于燃料电池技术领域，具体涉及一种固体氧化物燃料电池热电联产***及其联产方法。
背景技术
固体氧化物燃料电池，简称SOFC，是一种采用电化学反应发电的装置，无卡诺循环，其效率远高于其他发电设备，主要产物是CO2和水。SOFC具备发电效率高（自身发电效率接近60%，与热气轮机联用效率可达80%以上）、热电联供效率高（余热温度高400°C-600°C、热电联供效率90%以上）、节约水资源（传统发电用水量的2%）、绿色环保、易于模块化组装、燃料选用范围广（可使用天然气、煤制气、生物质气、甲醇等），且不需要贵金属催化剂，适应性强，是一种具有很高应用前景的燃料电池。SOFC应用广泛，主要应用在便携式电源、分布式发电/热电联供***、高性能动力电源、大型发电站等领域。近些年来，分布式电站由于其成本低、可维护性高等优点，已经渐渐成为世界能源供应的重要组成部分。SOFC发电的排气温度很高，具有较高利用价值，不仅可提供天然气体重整所需热量，而且可以用来生产蒸汽，更可以和燃气轮机组成联合循环，非常适用于分布式发电，且呈现发电效率高，低污染的环境效益。
高温固体氧化物燃料电池的一个主要问题就在于启动速度过慢，需要较长的启动时间，这对于一些应用非常不方便。同时，每次使固体氧化物燃料电池再次工作都需要消耗电能或燃烧燃料，多次累积对于燃料的利用率也有很大的影响，造成经济损失和零部件的加速老化而损坏。固体氧化物燃料电池反应温度高达600-900℃，而环境温度仅几十摄氏度，启动过程中温度提升幅度巨大，过大温度梯度易造成设备损坏与老化；目前燃料电池电堆加热启动的方式主要是采用电炉加热，该加热方式主要是通过炉膛辐射热量将热量辐射到电池外表面，然后通过热传导将热量传递至电池内部。
上述方式预热过程中的热量主要来源于电炉对电池组表面的辐射热量，电池内部的温升需经过一个很长的热传导过程，使得电池内部会存在一个较大的温度梯度；由于SOFC各部分材料的热膨胀系数不同，存在温度梯度时，加热的不均匀会破坏SOFC各部件之间的连接，进而破坏整个电池甚至电池堆。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供一种固体氧化物燃料电池热电联产***及其联产方法，通过太阳能板为电热加热器供能，由电热加热器加热空气，由高温空气对固体氧化物燃料电池进行预热，余热则通过换热器产生水蒸气进入燃料重整器与燃料重整，燃料与空气的高温反应废气可再次通过换热器进行换热及热点联产，实现能源的高效利用。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种固体氧化物燃料电池热电联产***，包括空气管道、燃料管道、电热加热器、固体氧化物燃料电池、燃料重整器、燃烧器、一级换热器、二级换热器、第一阀门、第二阀门、第三阀门、第四阀门、第五阀门和第六阀门；
所述空气管道与电热加热器的入口连接，所述电热加热器与太阳能板连接，所述太阳能板用于提供电热加热器电能；所述电热加热器的出口与固体氧化物燃料电池的阴极入口连接，所述燃料管道与燃料重整器的第一入口连接，所述燃料重整器的出口与固体氧化物燃料电池的阳极入口连接，所述固体氧化物燃料电池的阳极出口及阴极出口分别与燃烧器连接，所述燃烧器、一级换热器和二级换热器依次连接，所述一级换热器的第一水蒸气出口与燃料重整器的第二入口连接，所述二级换热器的第二水蒸气出口与液体汽化制冷器连接。
所述第一阀门设置在空气管道和电热加热器之间，所述第二阀门设置在阳极出口与燃烧器之间，所述第三阀门设置在阴极出口与燃烧器之间，所述第四阀门设置在燃料管道与燃料重整器的第一入口之间，所述第五阀门设置在燃料重整器与阳极入口之间，所第六阀门设置在第一水蒸气出口与燃料重整器的第二入口之间。
进一步的，还包括供暖出口、第七阀门和第八阀门，所述述二级换热器的第二水蒸气出口与供暖出口连接，所述第七阀门设置在二级换热器的第二水蒸气出口与液体汽化制冷器之间，所述第八阀门设置在二级换热器的第二水蒸气出口与供暖出口之间。
本发明还提供一种固体氧化物燃料电池热电联产***的联产方法，包括以下步骤：
S1：在该***工作前，首先对固体氧化物燃料电池进行升温。使用太阳能板产生的电力驱动电热加热器进行工作，电热加热器完成加热后从空气管道通入空气，对空气进行加热，加热后打开第一阀门和第三阀门，加热后的空气通入固体氧化物燃料电池进行预热启动；
S2：当高温空气对固体氧化物燃料电池加热后，带有余热的空气从阴极出口流出，进入一级换热器进行换热，打开第六阀门，一级换热器换热后产生的水蒸气进入燃料重整器的第二入口，打开第四阀门，燃料从燃料管道进入燃料重整器的第一入口，水蒸气对燃料进行重整；
S3：当固体氧化物燃料电池加热到启动温度时，关闭电热加热器，启动燃料电池，同时打开第五阀门，使完成重整的燃料通过阳极入口通入固体氧化物燃料电池，电池堆开始运行；
S4：固体氧化物燃料电池开始运行后产生尾气，打开第二阀门，高温尾气通过第二阀门和第三阀门进入到燃烧器内，对未反应完全的气体进行燃烧，从而使尾气的温度进一步提升，燃烧完全的高温尾气经过一级换热器进行换热，一级换热器的第一水蒸气出口与燃料重整器的第二入口连接，换热后产生的水蒸气进入燃料重整器对燃料进行重整；
S5：从一级换热器出口出来的余热尾气通入二级换热器进行换热，打开第七阀门，换热后的水蒸气通过第二水蒸气出口进入液体汽化制冷器，通过热能驱动液态制冷剂气化实现制冷。
S6：从一级换热器出口出来的余热尾气通入二级换热器进行换热，打开第八阀门，换热后的水蒸气通过第二水蒸气出口进入供暖出口，所述供暖出口与外界连通。
与现有技术相比，本发明的优点在于：该固体氧化物燃料电池热电联产***主要包括燃料电池的快速预热、燃料电池启动前的燃料重整，以及两级尾气的利用。对燃料电池进行加热预热后的高温空气，通入一级换热器，利用余热在一级换热器产生高温水蒸气进入燃料重整器，对燃料进行预重整，从而使进入燃料电池的燃料始终为重整后的燃料。进入二级换热器的高温尾气，通过液体汽化制冷器和供暖出口，可以同时满足家庭在夏季制冷和冬季供暖的需求，减少了能源的消耗，从而使整个***实现了热电联产和能源的多级利用。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的热电联产***示意图；
图2为本发明的热电联产***流程图。
其中：1、空气管道；2、燃料管道；3、电热加热器；31、太阳能板；4、固体氧化物燃料电池；41、阳极入口；42、阴极入口；43、阳极出口；44、阴极出口；5、燃料重整器；6、燃烧器；7、一级换热器；71、第一水蒸气出口；8、二级换热器；81、第二水蒸气出口；9、液体汽化制冷器；11、第一阀门；12、第二阀门；13、第三阀门；14、第四阀门；15、第五阀门；16、第六阀门；17、第七阀门；18、第八阀门；19、供暖出口。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述。显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施例，都属于本发明所保护的范围。
下面将结合附图来描述本发明的具体实施方式：
如图1-2所示，一种固体氧化物燃料电池热电联产***，包括空气管道1、燃料管道2、电热加热器3、固体氧化物燃料电池4、燃料重整器5、燃烧器6、一级换热器7、二级换热器8、第一阀门11、第二阀门12、第三阀门13、第四阀门14、第五阀门15和第六阀门16；
所述空气管道1与电热加热器3的入口连接，所述电热加热器3与太阳能板31连接，所述太阳能板31用于提供电热加热器3电能；所述电热加热器3的出口与固体氧化物燃料电池4的阴极入口42连接，所述燃料管道2与燃料重整器5的第一入口连接，所述燃料重整器5的出口与固体氧化物燃料电池4的阳极入口41连接，所述固体氧化物燃料电池4的阳极出口43及阴极出口44分别与燃烧器6连接，所述燃烧器6、一级换热器7和二级换热器8依次连接，所述一级换热器7的第一水蒸气出口71与燃料重整器5的第二入口连接，所述二级换热器8的第二水蒸气出口81与液体汽化制冷器9连接。
所述第一阀门11设置在空气管道1和电热加热器3之间，所述第二阀门12设置在阳极出口43与燃烧器6之间，所述第三阀门13设置在阴极出口44与燃烧器6之间，所述第四阀门14设置在燃料管道2与燃料重整器5的第一入口之间，所述第五阀门15设置在燃料重整器5与阳极入口41之间，所第六阀门16设置在第一水蒸气出口71与燃料重整器5的第二入口之间。
进一步的，还包括供暖出口19、第七阀门17和第八阀门18，所述述二级换热器8的第二水蒸气出口81与供暖出口19连接，所述第七阀门17设置在二级换热器8的第二水蒸气出口81与液体汽化制冷器9之间，所述第八阀门18设置在二级换热器8的第二水蒸气出口81与供暖出口19之间。
进一步的，液体汽化制冷器9主要由制冷剂循环和吸收式循环组成，通过热能驱动液态制冷剂气化实现制冷。液体汽化制冷器9包括发生器、溶液泵、吸收器、减压阀、蒸发器、膨胀阀和冷凝器。其中发生器、溶液泵、吸收器和减压阀代替传统的蒸气压缩制冷循环中的压缩机。
本发明固体氧化物燃料电池热电联产***的联产方法及步骤：
S1：在该***工作前，首先对固体氧化物燃料电池4进行升温。使用太阳能板31产生的电力驱动电热加热器3进行工作，电热加热器3完成加热后从空气管道1通入空气，对空气进行加热，加热后打开第一阀门11和第三阀门13，加热后的空气通入固体氧化物燃料电池4进行预热启动；
S2：当高温空气对固体氧化物燃料电池4加热后，带有余热的空气从阴极出口44流出，进入一级换热器7进行换热，打开第六阀门16，一级换热器7换热后产生的水蒸气进入燃料重整器5的第二入口，打开第四阀门14，燃料从燃料管道2进入燃料重整器5的第一入口，水蒸气对燃料进行重整，以达到在固体氧化物燃料电池4启动前提前对燃料进行重整的目的；
S3：当固体氧化物燃料电池4加热到启动温度时，关闭电热加热器3，启动燃料电池，同时打开第五阀门15，使完成重整的燃料通过阳极入口41通入固体氧化物燃料电池4，电池堆开始运行；
S4：固体氧化物燃料电池4开始运行后产生的尾气，主要包括未反应完全的氢气、甲烷、反应后的二氧化碳、水蒸气等，打开第二阀门12，高温尾气通过第二阀门12和第三阀门13进入到燃烧器6内，启动燃烧器6对未反应完全的气体进行燃烧，从而使尾气的温度进一步提升，燃烧完全的高温尾气经过一级换热器7进行换热，一级换热器7的第一水蒸气出口71与燃料重整器5的第二入口连接，换热后产生的水蒸气进入燃料重整器5对燃料进行重整；
S5：从一级换热器7出口出来的余热尾气通入二级换热器8进行换热，打开第七阀门17，换热后的水蒸气通过第二水蒸气出口81进入液体汽化制冷器9，通过热能驱动液态制冷剂气化实现制冷，在夏季时，换热后的水蒸气可通过液体汽化制冷器9为家庭提供制冷。
S6：从一级换热器7出口出来的余热尾气水蒸气通过第二水蒸气出口81进入供暖出口19，所述供暖通入二级换热器8进行换热，打开第八阀门18，换热后的出口与外界连通，在冬季时，二级换热器8进行换热后热水可以通过供暖出口19为家庭供暖。
本发明的有益效果在于：该固体氧化物燃料电池4热电联产***主要包括燃料电池的快速预热、燃料电池启动前的燃料重整，以及两级尾气的利用。为了使燃料电池堆达到快速稳定的启动，通过电加热的方式对阴极入口42的空气加热并预热燃料电池，电热加热器3所使用的电能由太阳能提供，从而达到节能的目的。
对燃料电池进行加热预热后的高温空气，通入一级换热器7，利用余热在一级换热器7产生高温水蒸气进入燃料重整器5，对燃料进行预重整，从而使进入燃料电池的燃料始终为重整后的燃料，降低了燃料电池堆积碳的可能性，延长了电池堆的使用寿命，也避免了用于电池启动的高温尾气的损失。
进入二级换热器8的高温尾气，通过液体汽化制冷器9和供暖出口19，可以同时满足家庭在夏季制冷和冬季供暖的需求，减少了能源的消耗，从而使整个***实现了热电联产和能源的多级利用。
以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (7)
1.一种固体氧化物燃料电池热电联产***，其特征在于：包括空气管道、燃料管道、电热加热器、固体氧化物燃料电池、燃料重整器、燃烧器、一级换热器、二级换热器和液体汽化制冷器；
所述空气管道与电热加热器的入口连接，所述电热加热器的出口与固体氧化物燃料电池的阴极入口连接，所述燃料管道与燃料重整器的第一入口连接，所述燃料重整器的出口与固体氧化物燃料电池的阳极入口连接，所述固体氧化物燃料电池的阳极出口及阴极出口分别与燃烧器连接，所述燃烧器、一级换热器和二级换热器依次连接，所述一级换热器的第一水蒸气出口与燃料重整器的第二入口连接，所述二级换热器的第二水蒸气出口与液体汽化制冷器连接。
2.根据权利要求1所述的固体氧化物燃料电池热电联产***，其特征在于：还包括第一阀门、第二阀门、第三阀门、第四阀门、第五阀门和第六阀门，所述第一阀门设置在空气管道和电热加热器之间，所述第二阀门设置在阳极出口与燃烧器之间，所述第三阀门设置在阴极出口与燃烧器之间，所述第四阀门设置在燃料管道与燃料重整器的第一入口之间，所述第五阀门设置在燃料重整器与阳极入口之间，所第六阀门设置在第一水蒸气出口与燃料重整器的第二入口之间。
3.根据权利要求1所述的固体氧化物燃料电池热电联产***，其特征在于：所述电热加热器与太阳能板连接，所述太阳能板用于提供电热加热器电能。
4.根据权利要求1所述的固体氧化物燃料电池热电联产***，其特征在于：还包括供暖出口，所述述二级换热器的第二水蒸气出口与供暖出口连接。
5.根据权利要求4所述的固体氧化物燃料电池热电联产***，其特征在于：还包括第七阀门和第八阀门，所述第七阀门设置在二级换热器的第二水蒸气出口与液体汽化制冷器之间，所述第八阀门设置在二级换热器的第二水蒸气出口与供暖出口之间。
6.基于如权利要求1至5中任意一项所述的固体氧化物燃料电池热电联产***的联产方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1：在该***工作前，首先对固体氧化物燃料电池进行升温。使用太阳能板产生的电力驱动电热加热器进行工作，电热加热器完成加热后从空气管道通入空气，对空气进行加热，加热后打开第一阀门和第三阀门，加热后的空气通入固体氧化物燃料电池进行预热启动；
S2：当高温空气对固体氧化物燃料电池加热后，带有余热的空气从阴极出口流出，进入一级换热器进行换热，打开第六阀门，一级换热器换热后产生的水蒸气进入燃料重整器的第二入口，打开第四阀门，燃料从燃料管道进入燃料重整器的第一入口，水蒸气对燃料进行重整；
S3：当固体氧化物燃料电池加热到启动温度时，关闭电热加热器，启动燃料电池，同时打开第五阀门，使完成重整的燃料通过阳极入口通入固体氧化物燃料电池，电池堆开始运行；
S4：固体氧化物燃料电池开始运行后产生尾气，打开第二阀门，高温尾气通过第二阀门和第三阀门进入到燃烧器内，对未反应完全的气体进行燃烧，从而使尾气的温度进一步提升，燃烧完全的高温尾气经过一级换热器进行换热，一级换热器的第一水蒸气出口与燃料重整器的第二入口连接，换热后产生的水蒸气进入燃料重整器对燃料进行重整；
S5：从一级换热器出口出来的余热尾气通入二级换热器进行换热，打开第七阀门，换热后的水蒸气通过第二水蒸气出口进入液体汽化制冷器，通过热能驱动液态制冷剂气化实现制冷。
7.根据权利要求6所述的固体氧化物燃料电池热电联产***的联产方法，其特征在于：还包括S6，从一级换热器出口出来的余热尾气通入二级换热器进行换热，打开第八阀门，换热后的水蒸气通过第二水蒸气出口进入供暖出口，所述供暖出口与外界连通。
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