CN219203212U - 固体氧化物燃料电池*** - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种固体氧化物燃料电池***，包括SOFC电堆、燃烧换热转化模块以及第一空气预热器。SOFC电堆具有阳极室和阴极室，燃烧换热转化模块包括燃烧装置和重整转化装置，燃烧装置提供的烟气为重整转化装置提供转化反应所需的热量，重整转化装置输出的转化气作为阳极室的燃料气体。第一空气预热器被构造成使空气与从燃烧换热转化模块排出的烟气进行热交换以输出预热后的第一分支空气和第二分支空气，第一分支空气作为所述燃烧装置的助燃气体，所述第二分支空气作为所述阴极室的含氧反应气体。本实用新型能够降低SOFC电堆阳极产生的积碳现象，还能提高SOFC的发电效率，满足更大负荷的用电需求场景。

Description

固体氧化物燃料电池***

技术领域

本实用新型涉及燃料电池领域，特别涉及一种以天然气为原料的固体氧化物燃料电池***。

背景技术

SOFC(固体氧化物燃料电池)技术广泛应用于兆瓦级分布式发电、热电联供、便携式供电等多个领域。SOFC的燃料种类十分丰富，对燃料的适应性广，从原理上讲，固体氧化物离子导体是最理想的传递氧的电解质材料，所以，SOFC适用于多种可以燃烧的燃料，可以使用氢气、一氧化碳、天然气、液化气、煤气、甲醇和乙醇等含氢氧化合物。

其中天然气储量大、运输方便，对于家庭热电联供、分布式电站和数据中心备用供电而言，是潜力较大的燃料。天然气中的主要成分甲烷(CH4)在SOFC的高温工作环境下，可以通过外重整或者内重整转化为H2和CO，这两种产物均可用作SOFC的燃料。但由于传统的阳极材料对甲烷的裂解作用很强，容易产生积碳，因此需要开发一套基于天然气的外重整发电的SOFC***。

实用新型内容

本实用新型提供了一种固体氧化物燃料电池***，以解决上述的技术问题。

一种固体氧化物燃料电池***，包括SOFC电堆、燃烧换热转化模块和第一空气预热器。SOFC电堆具有阳极室和阴极室。燃烧换热转化模块包括燃烧装置和重整转化装置，燃烧装置提供的烟气为重整转化装置提供转化反应所需的热量，重整转化装置输出的转化气作为阳极室的燃料气体。第一空气预热器被构造成使空气与从燃烧换热转化模块排出的烟气进行热交换以输出预热后的第一分支空气和第二分支空气，第一分支空气作为燃烧装置的助燃气体，第二空气分支作为阴极室的含氧反应气体。

进一步地，燃烧换热转化模块还包括蒸汽发生器和第一换热装置，蒸汽发生器和第一换热装置均被构造成适于从燃烧装置提供的烟气获得热量。其中，在烟气的流动方向上，蒸汽发生器位于重整转化装置的上游，第一换热装置位于重整转化装置的下游。在蒸汽的流动方向上，蒸汽发生器位于第一换热装置的上游，重整转化装置位于第一换热装置的下游。进一步地，燃烧换热转化模块还包括第二换热装置，第二换热装置被构造成适于从燃烧装置提供的烟气获得热量。在烟气的流动方向上，第二换热装置位于第一换热装置的下游。优选地，燃烧装置、重整转化装置、蒸汽发生器、第一换热装置和第二换热装置被设置于相同的热箱内。

在一些实施方式中，上述的燃料电池***还包括原料天然气预热器，原料天然气预热器被构造成适于使原料天然气与从阳极室流出的阳极尾气进行热交换。其中，在原料天然气的流动方向上，原料天然气预热器位于第二换热装置的上游。进一步地，天然气预热器包括阳极尾气输出端，阳极尾气输出端连通至燃烧装置的燃料天然气输入端。

在一些实施方式中，上述的燃料电池***还包括第二空气预热器，第二空气预热器被构造成使第二分支空气与从阴极室排出的阴极尾气进行热交换。其中，在第二分支空气的流动方向上，第二空气预热器位于第一空气预热器的下游，SOFC的阴极室的输入口位于第二空气预热器的下游。

进一步地，本实用新型的燃料电池***还包括脱硫单元，在原料天然气的流动方向上，脱硫单元位于第二换热装置的下游。

本实用新型的固体氧化物燃料电池***，通过外重整的转化装置为SOFC电堆提供阳极所需的燃料气体，降低了SOFC电堆阳极产生积碳的现象；并且，重整反应获得的转化气中的氢气和一氧化碳的含量较高，可以提高SOFC的发电效率，满足更大负荷的用电需求场景。另外，通过第一空气预热器对空气进行预热，既有效地利用了重整转化反应完成之后的烟气余热，提高了烟气的热量利用率，又降低了后续的为满足SOFC阴极输入气体温度的进一步加热空气所需的热量负担，进而例如可以降低后续的空气加热装置的体积从而减小整个***的体积。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例中的技术方案，下面将对实施例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实用新型的一些实施例，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示出了本实用新型的一种以天然气为原料的固体氧化物燃料电池***。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

参考图1，本实用新型提供一种以天然气为原料的固体氧化物燃料电池***100。燃料电池***100包括SOFC电堆10、燃烧换热转化模块20和第一空气预热器50。在一些实施例中，燃烧换热转化模块20包括燃烧装置21和重整转化装置22，其中，燃烧装置21产生的高温烟气2a为重整转化装置22提供转化反应所需的热量。燃烧换热转化模块20的重整转化装置22对原料天然气和水蒸气的混合气进行重整转化反应获得富含氢气和一氧化碳的转化气，该转化气作为SOFC电堆10的阳极室的燃料气体。第一空气预热器50对空气进行预热，预热后的空气的一部分作为燃烧换热转化模块所需的助燃气体，预热后的空气的另一部分作为SOFC电堆10的阴极室所需的含氧反应气体。

在一些优选的实施方式中，燃烧换热转化模块20中设置燃烧装置21、重整转化装置22、蒸汽发生器25、第一换热装置23和第二换热装置24。其中，燃烧装置21产生的高温烟气2a为蒸汽发生器25、重整转化装置22、第一换热装置23和第二换热装置24提供所需的热量。蒸汽发生器25被构造成使水源(例如脱盐水)5a与燃烧装置21提供的高温烟气2a进行热交换，第一换热装置23被构造成使天然气蒸汽混合气7a与燃烧装置21提供的高温烟气2a进行热交换，第二换热装置24被构造成使原料天然气6a与燃烧装置21提供的高温烟气2a进行热交换。蒸汽发生器25使水源(例如脱盐水)5a升温汽化以提供水蒸气5b，第二换热装置24使原料天然气6a升温后达到下一步脱硫所需的温度，第一换热装置23使天然气蒸汽混合气7a升温后满足重整转化反应所需的温度，重整转化装置22使预热后的混合气7b发生重整转化反应以提供富含氢气和一氧化碳的转化气9a。

在燃烧换热转化模块20中，燃烧装置21通过在预热后的空气环境中燃烧燃料天然气6b产生高温烟气2a。高温烟气2a依次为蒸汽发生器25、重整转化装置22、第一换热装置23和第二换热装置24提供热量。从燃烧换热转化模块20流出的次高温烟气2b进入第一空气预热器50，次高温烟气2b与空气8a进行热交换。从第一空气预热器50流出的低温烟气2c排出到大气。

在一些实施方式中，参考图1，重整转化装置22、第一换热装置23和第二换热装置24设置在第二热箱内；蒸汽发生器25、重整转化装置22设置在第二热箱外的第一热箱内；其中，第二热箱可位于第一热箱内部。优选地，在另一些实施方式中，燃烧换热转化模块20中的蒸汽发生器25、重整转化装置22、第一换热装置23和第二换热装置24设置在相同的热箱内，以提高整个***的紧凑性并提高烟气热量的利用效率。

继续参考图1，固体氧化物燃料电池***100还包括设置在燃烧换热转化模块20***的脱硫单元40，脱硫单元40用于提供脱硫后的原料天然气6d。其中，脱硫单元40输入的天然气来自于第二换热装置24输出的升温后的原料天然气(大约360℃)。脱硫单元40输出的脱硫后的原料天然气6d与水蒸气5b混合后形成天然气蒸汽混合气7a，天然气蒸汽混合气7a通过第一换热装置23换热后形成预热后的混合气7b。

在一些实施方式中，第一空气预热器50也设置在燃烧换热转化模块20的***。第一空气预热器50利用从燃烧换热转化模块20排出的烟气(次高温烟气)2b使空气8a加热后升温至100～150℃，升温后的空气分为第一分支空气8b和第二分支空气8c。第一分支空气8b输入至燃烧换热转化模块20中的燃烧装置21，第一分支空气8b用于为燃烧装置21提供助燃气体；第二空气分支8c作为SOFC电堆10的阴极室的含氧反应气体的输入来源，下文详述。

SOFC电堆10设置于燃烧换热转化模块20的***，其具有阳极室12和阴极室11。阴极室11的输入端的空气温度大约为600℃，阴极室11的输出端的阴极尾气的温度大约为700℃。在一些优选的实施方式中，阴极室11的输出端设有第二空气预热器60，第二空气预热器60被构造成使第二分支空气8c与从阴极室11排出的阴极尾气进行热交换，第二空气预热器60利用高温的阴极尾气对第二分支空气8c进一步加热获得满足阴极反应温度的空气8d，高温的阴极尾气通过第二空气预热器60降温后流出到大气8e。

在一些优选的实施方式中，固体氧化物燃料电池***100还包括设置在燃烧换热转化模块20的***的原料天然气预热器30。原料天然气预热器30被构造成使原料天然气6a与从阳极室12排出的阳极尾气9b进行热交换，原料天然气预热器30利用SOFC电堆10的阳极尾气9b的热量对原料天然气6a进行初步的预热得到预热后的原料天然气6c，预热后的原料天然气6c流入燃烧换热转化模块20中的第二换热装置24。天然气预热器30具有阳极尾气输出端，阳极尾气输出端连通至燃烧装置21的燃料天然气输入端。从原料天然气预热器30降温后流出的阳极尾气并入到燃料天然气6b气流中，一起作为燃烧装置21的燃料输入。

本实用新型的固体氧化物燃料电池***，通过外重整的转化装置为SOFC电堆提供阳极所需的燃料气体，降低了SOFC电堆阳极产生积碳的现象；并且，重整反应获得的转化气中的氢气和一氧化碳的含量较高，一般情况下转化气中的氢气的占比在25％以上，一氧化碳的占比在5％以上，可以提高SOFC的发电效率，满足更大负荷的用电需求场景。

本实用新型的固体氧化物燃料电池***，无需借助***外部的热源，通过合理的设计布局，综合地、统筹地利用了燃烧装置产生的烟气、SOFC电堆的阳极尾气和阴极尾气的热量，在合适的位置为***中的空气、原料天然气、蒸汽发生器、天然气蒸汽混合气等的温度提升分配所需的热量，有效地减少了热能的损失，提高了***的热量利用率。

以上所述仅为本实用新型的几个实施例，本领域的技术人员依据申请文件实用新型的内容可以对本实用新型实施例进行各种改动或变型而不脱离本实用新型的精神和范围。

Claims (8)

1.一种固体氧化物燃料电池***，其特征在于，所述燃料电池***包括：

SOFC电堆，其具有阳极室和阴极室；

燃烧换热转化模块，其包括燃烧装置和重整转化装置，所述燃烧装置提供的烟气为所述重整转化装置提供转化反应所需的热量，所述重整转化装置输出的转化气作为所述阳极室的燃料气体；以及

第一空气预热器，被构造成使空气与从所述燃烧换热转化模块排出的烟气进行热交换以输出预热后的第一分支空气和第二分支空气，所述第一分支空气作为所述燃烧装置的助燃气体，所述第二分支空气作为所述阴极室的含氧反应气体。

2.根据权利要求1所述的燃料电池***，其特征在于，所述燃烧换热转化模块还包括蒸汽发生器和第一换热装置，所述蒸汽发生器和第一换热装置均被构造成适于从所述燃烧装置提供的烟气获得热量；

其中，在烟气的流动方向上，所述蒸汽发生器位于所述重整转化装置的上游，所述第一换热装置位于所述重整转化装置的下游；

其中，在蒸汽的流动方向上，所述蒸汽发生器位于所述第一换热装置的上游，所述重整转化装置位于所述第一换热装置的下游。

3.根据权利要求2所述的燃料电池***，其特征在于，所述燃烧换热转化模块还包括第二换热装置，所述第二换热装置被构造成适于从所述燃烧装置提供的烟气获得热量；

其中，在烟气的流动方向上，所述第二换热装置位于所述第一换热装置的下游。

4.根据权利要求3所述的燃料电池***，其特征在于，所述燃烧装置、重整转化装置、蒸汽发生器、第一换热装置和第二换热装置被设置于相同的热箱内。

5.根据权利要求4所述的燃料电池***，其特征在于，所述燃料电池***还包括原料天然气预热器，所述原料天然气预热器被构造成适于使原料天然气与从所述阳极室流出的阳极尾气进行热交换；

其中，在原料天然气的流动方向上，所述原料天然气预热器位于所述第二换热装置的上游。

6.根据权利要求5所述的燃料电池***，其特征在于，所述天然气预热器包括阳极尾气输出端，所述阳极尾气输出端连通至所述燃烧装置的燃料天然气输入端。

7.根据权利要求4所述的燃料电池***，其特征在于，所述燃料电池***还包括第二空气预热器，所述第二空气预热器被构造成使第二分支空气与从所述阴极室排出的阴极尾气进行热交换；

其中，在所述第二分支空气的流动方向上，所述第二空气预热器位于所述第一空气预热器的下游，所述阴极室的输入口位于所述第二空气预热器的下游。

8.根据权利要求4所述的燃料电池***，其特征在于，所述燃料电池***还包括脱硫单元，其中，在原料天然气的流动方向上，所述脱硫单元位于所述第二换热装置的下游。

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