一種對電堆陽極尾氣進(jìn)行回收利用的固體氧化物燃料電池系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種對電堆陽極尾氣進(jìn)行回收利用的固體氧化物燃料電池系統(tǒng)。具體地，所述燃料電池系統(tǒng)將電堆所排放出來的部分或全部陽極尾氣回收進(jìn)入重整器并用于電堆的發(fā)電，從而大幅度提高了系統(tǒng)的燃料利用率和發(fā)電效率。
【專利說明】一種對電堆陽極尾氣進(jìn)行回收利用的固體氧化物燃料電池 系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種固體氧化物燃料電池（S0FC)發(fā)電系統(tǒng)，尤其涉及對電堆陽極尾氣 進(jìn)行回收利用的固體氧化物燃料電池發(fā)電系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 固體氧化物燃料電池（S0FC)是將燃料中的化學(xué)能轉(zhuǎn)換為電能的發(fā)電裝置。S0FC 可選擇的燃料較為廣泛，工業(yè)氫氣、天然氣、城市煤氣、甲醇、酒精、柴油和一些生物燃料等 都可以直接或經(jīng)過簡單處理后應(yīng)用于S0FC發(fā)電系統(tǒng)當(dāng)中，因而，S0FC被公認(rèn)為是搭接氫能 社會的橋梁。S0FC的另一突出優(yōu)點在于其效率較高，其電效率可達(dá)55%，若實現(xiàn)熱電聯(lián)產(chǎn)， 其效率可以達(dá)到80%以上，高于任何一種傳統(tǒng)的發(fā)電機或其它類型的燃料電池。
[0003] S0FC能否實現(xiàn)較高的發(fā)電效率與其燃料利用率（FU)的大小有直接關(guān)系，即其燃 料利用率的大小決定了其發(fā)電效率的高低。因此，高燃料利用率是評價S0FC商業(yè)化的重要 指標(biāo)之一。目前，用于提高S0FC系統(tǒng)的燃料利用率的方法主要為：①提高單電池或電堆的 性能；②降低電堆的供氣量。上述方法①在技術(shù)上實現(xiàn)的難度較大，而方法②會導(dǎo)致S0FC 單電池由于供氣不足，陽極局部出現(xiàn)氧化還原循環(huán)而發(fā)生失效行為。
[0004] 對S0FC系統(tǒng)中的熱量進(jìn)行有效的梯級利用進(jìn)而降低熱損耗，是提高其發(fā)電效率 的另一重要措施。目前主要采取的方法是，將燃燒器的一級煙氣加熱重整器；將燃燒器的 二、三級煙氣加熱陽極預(yù)熱器或汽化器；將陽極尾氣預(yù)熱陰極入口氣體；將陰極尾氣直接 排放在熱區(qū)中，以維持熱區(qū)溫度。然而，上述方法只利用了陽極尾氣的熱量，或?qū)㈥枠O尾氣 直接用于燃燒，利用效率不高。
[0005] 綜上所述，本領(lǐng)域尚缺乏一種能同時提高系統(tǒng)燃料利用率和有效利用S0FC系統(tǒng) 中熱量的方法。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0006] 本發(fā)明的目的在于提供一種具有較高的燃料利用率和發(fā)電效率的將陽極尾氣回 用的固體氧化物燃料電池發(fā)電系統(tǒng)。
[0007] 本發(fā)明的第一方面，提供了一種固體氧化物燃料電池系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括電堆、重 整器、燃燒器和陽極預(yù)熱器，還包括：
[0008] 將電堆產(chǎn)生的陽極尾氣的一部分輸送進(jìn)入陽極預(yù)熱器的陽極尾氣第一回收管道； 以及將電堆產(chǎn)生的陽極尾氣的其他部分輸送進(jìn)入燃燒器的陽極尾氣第二回收管道。
[0009] 在另一優(yōu)選例中，在所述第二回收管道還包括設(shè)置于所述管道上的風(fēng)機和/或流 量計。
[0010] 在另一優(yōu)選例中，在所述系統(tǒng)中，所述電堆用于發(fā)電。
[0011] 在另一優(yōu)選例中，在所述系統(tǒng)中，所述重整器用于進(jìn)行原料氣體重整。
[0012] 在另一優(yōu)選例中，所述陽極預(yù)熱器用于預(yù)熱進(jìn)入陽極預(yù)熱器的氣體，所述氣體包 括氫氣、一氧化碳、甲燒、空氣或氧氣。
[0013] 在另一優(yōu)選例中，所述第一回收管道包括設(shè)置于所述管道上的一個或多個陽極尾 氣回收泵，用于驅(qū)動陽極尾氣從電堆引流至陽極預(yù)熱器。
[0014] 在另一優(yōu)選例中，所述的陽極尾氣回收泵包括文丘里泵或文丘里管。
[0015] 在另一優(yōu)選例中，所述文丘里泵或文丘里管的第一入口與原料氣體、還原性氣體 或其混合氣體通路相連，且第二入口與陽極尾氣通路相連。
[0016] 在另一優(yōu)選例中，所述文丘里泵或文丘里管的出口與陽極預(yù)熱器相連。
[0017] 在另一優(yōu)選例中，所述原料氣體為經(jīng)過脫硫處理的天然氣；和/或
[0018] 所述還原性氣體是空氣或氧氣。
[0019] 在另一優(yōu)選例中，所述文丘里泵的第一入口與空氣通路相連；或所述文丘里泵的 第一入口與甲烷氣體通路相連；或所述文丘里泵的第一入口與甲烷一空氣混合氣體通路相 連。
[0020] 在另一優(yōu)選例中，所述系統(tǒng)通過調(diào)節(jié)從第一入口進(jìn)入文丘里泵的氣體的流量來調(diào) 節(jié)進(jìn)入重整器中的陽極尾氣的比例。
[0021] 在另一優(yōu)選例中，所述系統(tǒng)通過調(diào)節(jié)進(jìn)入文丘里泵中甲烷的流量來控制進(jìn)入重整 器中陽極尾氣的比例。
[0022] 在另一優(yōu)選例中，所述系統(tǒng)通過調(diào)節(jié)進(jìn)入文丘里泵中空氣的流量來控制進(jìn)入重整 器中陽極尾氣的比例。
[0023] 在另一優(yōu)選例中，所述系統(tǒng)通過調(diào)節(jié)進(jìn)入文丘里泵中甲烷與空氣的流量之和來控 制進(jìn)入重整器中陽極尾氣的比例。
[0024] 在另一優(yōu)選例中，在所述系統(tǒng)中，被輸送進(jìn)入陽極預(yù)熱器的陽極尾氣的比例為 20?90%，較佳地為40?90%，按陽極尾氣的總體積計。
[0025] 在另一優(yōu)選例中，所述系統(tǒng)中部分陽極尾氣從電堆流出后，通過所述陽極尾氣第 一回收管道進(jìn)入所述預(yù)熱器預(yù)熱，再進(jìn)入重整器進(jìn)行重整。
[0026] 在另一優(yōu)選例中，所述燃燒器通過燃燒可燃?xì)怏w用于產(chǎn)生維持熱區(qū)溫度的熱量 (即將所述重整器和所述電堆的溫度提高至目標(biāo)溫度，并維持恒溫)。
[0027] 在另一優(yōu)選例中，所述可燃?xì)怏w包括陽極尾氣和/或從系統(tǒng)外加入的可燃?xì)怏w。
[0028] 在另一優(yōu)選例中，陽極尾氣分為兩路，一路通過文丘里泵與重整器入口相連，一路 經(jīng)過熱交換器換熱和冷凝器冷凝后與燃燒器相連。
[0029] 在另一優(yōu)選例中，所述的換熱器兼具陽極氣體預(yù)熱和水蒸氣汽化的作用。
[0030] 在另一優(yōu)選例中，所述的重整器是水蒸氣重整器或自熱式重整器。
[0031] 在另一優(yōu)選例中，所述重整器內(nèi)發(fā)生水蒸氣重整反應(yīng)。
[0032] 在另一優(yōu)選例中，所述重整器內(nèi)同時發(fā)生水蒸氣重整反應(yīng)與部分氧化重整反應(yīng)， 并將重整后的氣體供給電堆發(fā)電。
[0033] 在另一優(yōu)選例中，所述重整器的第一入口與原料氣體入口相連，第二入口通過文 丘里泵與電堆陽極尾氣出口相連，且所述重整器的出口與電堆的陽極入口腔相連。
[0034] 在另一優(yōu)選例中，所述重整器的第二入口與陽極尾氣出口之間還設(shè)有一個或多個 氣泵，較佳地，所述的氣泵為文丘里泵。
[0035] 在另一優(yōu)選例中，所述系統(tǒng)通過文丘里泵將部分陽極尾氣吸入重整器內(nèi)，從而實 現(xiàn)陽極尾氣的部分回用。
[0036] 在另一優(yōu)選例中，所述系統(tǒng)還包括選自下組的一個或多個部件：
[0037] 汽化器，所述汽化器用于使水汽化為水蒸氣；
[0038] 陰極預(yù)熱器，所述預(yù)熱器用于預(yù)熱陰極氧化氣體；
[0039] 和用于實現(xiàn)陽極尾氣中的水氣分離的冷凝器。
[0040] 在另一優(yōu)選例中，所述陰極氣體預(yù)熱器用于將陽極尾氣中的余熱交換給陰極入口 氣體。
[0041] 在另一優(yōu)選例中，所述水蒸氣汽化器用于將燃燒器二級煙氣中的余熱交換給水， 并使其汽化進(jìn)入到重整器中進(jìn)行水蒸氣重整。
[0042] 在另一優(yōu)選例中，所述冷凝器用于冷凝陽極尾氣中水蒸氣。
[0043] 在另一優(yōu)選例中，所述的冷凝器將水蒸氣冷凝后，再由水泵將部分或全部冷凝水 輸送至汽化器入口處，從而循環(huán)利用冷凝水。
[0044] 在另一優(yōu)選例中，所述電堆包含一個或多個電池子堆。
[0045] 在另一優(yōu)選例中，每個所述子堆至少包含一片固體氧化物燃料電池。
[0046] 在另一優(yōu)選例中，所述電池子堆通過氣路和電路的串聯(lián)/并聯(lián)，構(gòu)成目標(biāo)功率的 電堆塔。
[0047] 在另一優(yōu)選例中，所述電堆塔至少有一個陽極入口和一個陽極出口，所有陽極入 口匯集于陽極入口腔，所有陽極出口匯集于陽極出口腔。
[0048] 在另一優(yōu)選例中，所述系統(tǒng)還包括余熱回收系統(tǒng)。
[0049] 在另一優(yōu)選例中，所述發(fā)電系統(tǒng)中的陰極尾氣連接至余熱回收系統(tǒng)。
[0050] 在另一優(yōu)選例中，所述余熱回收系統(tǒng)進(jìn)行余熱回收的方式包括：預(yù)熱陰極入口氣 體、預(yù)熱陽極入口氣體、加熱冷水等。
[0051] 在另一優(yōu)選例中，所述陽極預(yù)熱器用于將燃燒器二級煙氣中的余熱交換給陽極入 口氣體。
[0052] 應(yīng)理解，在本發(fā)明范圍內(nèi)中，本發(fā)明的上述各技術(shù)特征和在下文（如實施例）中具 體描述的各技術(shù)特征之間都可以互相組合，從而構(gòu)成新的或優(yōu)選的技術(shù)方案。限于篇幅，在 此不再一一累述。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0053] 圖1為本發(fā)明所提供的固體氧化物燃料電池系統(tǒng)1的結(jié)構(gòu)框圖。
[0054] 圖2為本發(fā)明所提供的固體氧化物燃料電池系統(tǒng)2的結(jié)構(gòu)框圖。
[0055] 圖3為本發(fā)明所提供的固體氧化物燃料電池系統(tǒng)3的結(jié)構(gòu)框圖。
[0056] 符號說明：
[0057] 1-電堆；
[0058] 2-重整器；
[0059] 3--燃燒器；
[0060] 4--汽化器；
[0061] 5--陽極氣體預(yù)熱器；
[0062] 6--陰極氣體預(yù)熱器；
[0063] 7-冷凝器；
[0064] 8--余熱回用系統(tǒng)；
[0065] 9--7jC 泵；
[0066] 10--文丘里泵；
[0067] 11--流量計；
[0068] 12-風(fēng)機。
【具體實施方式】
[0069] 本發(fā)明人經(jīng)過長期而深入的研究，設(shè)計了一種新型的陽極尾氣回收利用的固體氧 化物燃料電池系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠有效地將陽極尾氣引入重整系統(tǒng)中，經(jīng)過或不經(jīng)過重整后 二次用于電堆的發(fā)電，原料氣體利用率高，非常適合用于固體氧化物燃料電池系統(tǒng)的設(shè)計 和制造。
[0070] 術(shù)語
[0071 ] 如本文所用，術(shù)語"文丘里泵"是根據(jù)文丘里效應(yīng)，通過調(diào)節(jié)其入口氣體的流量(如 空氣和天然氣)，實現(xiàn)對電堆陽極尾氣回用流量或比例的控制的氣泵。
[0072] 術(shù)語"原料氣體"指從S0FC系統(tǒng)外加入的用于重整并進(jìn)行固體氧化物燃料電池反 應(yīng)的電化學(xué)反應(yīng)的氣體，如甲烷、氫氣、一氧化碳等。較佳地，在該系統(tǒng)中，原料氣體優(yōu)選甲 烷氣體。
[0073] 術(shù)語"燃料氣體"指經(jīng)過或不經(jīng)過重整之后，能夠被用于S0FC電化學(xué)反應(yīng)和供燃 燒器燃燒的還原性氣體，如甲烷，一氧化碳，氫氣等。在本發(fā)明的優(yōu)選例中，所述的燃料氣體 中還包括部分陽極尾氣。
[0074] 術(shù)語"氧化性氣體"指能夠與原料氣體和燃料氣體進(jìn)行燃燒反應(yīng)并用于氧化的氣 體，如空氣、氧氣等。所述的氧化性氣體參與原料氣體和燃料氣體的燃燒以及重整反應(yīng)。
[0075] 術(shù)語"固體氧化物燃料電池"指固體氧化物燃料電堆中最小的發(fā)電單元，是一種在 中高溫下直接將儲存在燃料和氧化劑中的化學(xué)能轉(zhuǎn)化成電能的全固態(tài)化學(xué)發(fā)電裝置。本發(fā) 明中，所述的固體氧化物燃料電池將通入陽極的燃料氣中的化學(xué)能通過電化學(xué)反應(yīng)轉(zhuǎn)化為 電能。
[0076] 術(shù)語"電池子堆"指包括至少一片固體氧化物燃料電池構(gòu)成的小型電堆，所述的電 池子堆可以通過串聯(lián)或并聯(lián)進(jìn)行連接并獲得所需要的電堆功率。
[0077] 術(shù)語"固體氧化物燃料電堆"、"電堆"、"電池堆"、"電堆塔"可互換使用，均指包括 至少一個電池子堆的電堆，所述的電池子堆通過氣路和電路的串、并聯(lián)，構(gòu)成具有所需功率 的固體氧化物燃料電堆。
[0078] 術(shù)語"陽極氣體"指進(jìn)入電堆的進(jìn)行電化學(xué)反應(yīng)的還原性氣體，所述的陽極氣體可 以是來源于系統(tǒng)外的氣體，如系統(tǒng)外加入的一氧化碳、氫氣，或其他原料氣體如甲烷經(jīng)過重 整而產(chǎn)生的氣體。優(yōu)選地，本發(fā)明的陽極氣體包括部分陽極尾氣和甲烷經(jīng)重整后的氣體。
[0079] 術(shù)語"陽極尾氣"指未被用于電池電化學(xué)反應(yīng)的剩余陽極氣體，主要成分為氫氣、 一氧化碳、二氧化碳、氮氣、水蒸氣、少量未重整完全的甲烷等。
[0080] 陽極尾氣
[0081] 陽極尾氣是指進(jìn)入電堆后，未反應(yīng)完全的氣體，也包含由于電堆陽極發(fā)生電化學(xué) 反應(yīng)而生成的氣體，其主要成分為氫氣、一氧化碳、二氧化碳、氮氣、水蒸氣、少量未反應(yīng)完 全的氣體、少量未重整完全的甲烷氣體。
[0082] 目前，固體氧化物燃料電池發(fā)電系統(tǒng)對陽極尾氣的利用主要有幾點：1)將陽極尾 氣進(jìn)行熱交換和冷凝后通入燃燒器；2)將陽極尾氣進(jìn)行熱交換和冷凝后排空。
[0083] 在本發(fā)明中，陽極尾氣被分為兩路，一路通過文丘里泵進(jìn)入重整器，另一路經(jīng)過換 熱器和冷凝器進(jìn)入燃燒器。本發(fā)明的S0FC系統(tǒng)中，所述的陽極尾氣可以通過第一回收管道 被通入重整器，經(jīng)過或不經(jīng)過重整后二次用于陽極反應(yīng)。優(yōu)選的S0FC系統(tǒng)中，陽極尾氣不 包括未重整完全的甲烷。
[0084] 重整器
[0085] 本發(fā)明所述的重整器用于進(jìn)行原料氣體重整。在所述重整器中發(fā)生重整反應(yīng)，并 將通入其中的甲烷轉(zhuǎn)化為H 2、C0、C02、H20與CH4的混合氣體，以供給電堆發(fā)電。在本發(fā)明設(shè) 備中，所述電堆的陽極入口腔與重整器出口相連，用于將重整完畢的氣體送至電堆用于發(fā) 電。
[0086] 在本發(fā)明中，重整器的一入口端為經(jīng)過脫硫處理的天然氣的進(jìn)口，另一入口與電 堆陽極尾氣出口相連，并通過文丘里泵將部分陽極尾氣吸入重整器內(nèi)，實現(xiàn)陽極尾氣的部 分回用，且重整器的出口端與電堆的陽極入口腔相連。
[0087] 本發(fā)明所用的重整器類型沒有特別限制，較佳地可以為水蒸氣重整器或自熱式重 整器。
[0088] 電堆
[0089] 本發(fā)明所提供的電堆包括至少一個電池子堆，其中每個子堆至少包含一片固體氧 化物燃料電池；上述電池子堆通過氣路和電路的串、并聯(lián)構(gòu)成目標(biāo)功率的電堆塔。
[0090] 所述的電堆塔至少有一個陽極入口和一個陽極出口，所有陽極入口匯集于陽極入 口腔，所有陽極出口匯集于陽極出口腔。陽極入口腔的一端與重整器出口相連，陽極出口腔 的另一端分為兩路，一路通過文丘里泵與重整器入口相連，一路經(jīng)過熱交換器換熱和冷凝 器冷凝后與燃燒器相連。
[0091] 燃燒器
[0092] 本發(fā)明所提供的燃燒器通過燃燒甲烷等可燃?xì)怏w，將固體氧化物燃料電池發(fā)電系 統(tǒng)的熱區(qū)（包括重整器和電堆）溫度由室溫提高至目標(biāo)溫度，并維持熱區(qū)的溫度在所需的 溫度范圍。其中，所述熱區(qū)的溫度范圍優(yōu)選為750?850°C。
[0093] 在本發(fā)明中，燃燒器所使用的可燃?xì)怏w全部或部分是未通入重整器的的陽極尾 氣。因而，當(dāng)上述固體氧化物燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的熱區(qū)達(dá)到目標(biāo)溫度，并啟動重整器和電堆 后，由于電堆所發(fā)生的電化學(xué)反應(yīng)為放熱反應(yīng)，重整器可自維持，兼具部分陽極尾氣經(jīng)冷凝 后回用至燃燒器，燃燒器燃燒純甲烷的量會大幅度降低，甚至在不需燃燒純ch 4，僅靠燃燒 陽極尾氣，熱區(qū)也可以實現(xiàn)自熱維持。
[0094] 氣泵
[0095] 本發(fā)明的固體氧化物燃料電池發(fā)電系統(tǒng)中，陽極尾氣至陽極預(yù)熱器的通路上可包 括一個或多個氣泵，用于加快氣體流動和擴(kuò)散的速率，或調(diào)整不同氣體的流量。在本發(fā)明 中，泵的種類并沒有特別的限制，考慮到氣體溫度較高的因素，較佳地，可以選用受熱不易 發(fā)生變形或膨脹的，結(jié)構(gòu)較為簡單的氣泵，優(yōu)選為文丘里泵。
[0096] 在所述文丘里泵中，進(jìn)入文丘里泵的原料氣體與陽極尾氣發(fā)生混合，并被送入陽 極預(yù)熱器，隨后被輸送至重整器。
[0097] 固體氧化物燃料電池發(fā)電系統(tǒng)
[0098] 本發(fā)明所提供的固體氧化物燃料電池發(fā)電系統(tǒng)可包括如下幾部分：
[0099] a、熱區(qū)：本發(fā)明所提供的熱區(qū)主要包括以下部分：
[0100] 固體氧化物燃料電堆、重整器、連接重整器和電堆的若干管路以及對電堆和重整 器起支撐和絕熱作用的外殼。
[0101] 熱區(qū)的升溫啟動依賴燃燒器，熱區(qū)的恒溫維持依賴燃燒器和電堆放熱。
[0102] b、燃燒器：本發(fā)明所提供的燃燒器的主要功能是通過燃燒甲烷等可燃?xì)怏w，將固 體氧化物燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的熱區(qū)溫度由室溫提高至目標(biāo)溫度(優(yōu)選750?850°C)。燃燒 器的另一功能是通過燃燒甲烷等可燃?xì)怏w，補償熱區(qū)維持在工作溫度范圍內(nèi)所需的熱量。 因而，當(dāng)上述固體氧化物燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的熱區(qū)達(dá)到目標(biāo)溫度，并啟動重整器和電堆后， 由于電堆所發(fā)生的電化學(xué)反應(yīng)為放熱反應(yīng)，重整器可自維持，兼具部分陽極尾氣經(jīng)冷凝后 回用至燃燒器，燃燒器燃燒純甲烷的量會大幅度降低，甚至在不需燃燒純CH 4，僅靠燃燒陽 極尾氣，熱區(qū)也可以實現(xiàn)自熱維持。
[0103] c、換熱器：本發(fā)明所提供的換熱器主要包括陰極氣體預(yù)熱器、陽極氣體預(yù)熱器、水 蒸氣汽化器和冷凝器。陰極氣體預(yù)熱器的主要功能是將陽極尾氣中的余熱交換給陰極入口 氣體；陽極氣體預(yù)熱器的主要功能是將燃燒器二級煙氣中的余熱交換給陽極入口氣體；水 蒸氣汽化器的主要功能是將燃燒器二級煙氣中的余熱交換給水，并使其汽化進(jìn)入到重整器 中進(jìn)行水蒸氣重整。
[0104] 另需說明的是，本發(fā)明也可將水蒸氣汽化器與陽極氣體預(yù)熱器合并成一種換熱 器，該換熱器兼具陽極氣體預(yù)熱和水蒸氣汽化的作用；冷凝器的主要功能實現(xiàn)陽極尾氣中 的水、氣分離，即將陽極尾氣中的水冷凝，冷凝器將水蒸氣冷凝后，再由水泵將部分或全部 冷凝水輸送至汽化器入口處，實現(xiàn)水的循環(huán)利用。
[0105] 除上述主要單元或部件外，本發(fā)明中還提供了部分附屬部件，如流量計、風(fēng)機、余 熱回收系統(tǒng)和管路等，此處不再對該類部件的功能進(jìn)行一一詳述。
[0106] 本發(fā)明通過燃燒器燃燒CH4所產(chǎn)生的一級煙氣提供熱量供熱區(qū)升溫啟動和恒溫維 持，燃燒器燃燒ch 4所產(chǎn)生的二級煙氣提供熱量供陽極預(yù)熱器和汽化器，使得陽極還原氣體 預(yù)熱以及水蒸氣汽化。自熱式重整器和電堆啟動后，通過文丘里泵調(diào)節(jié)自熱式重整器入口 甲烷或空氣的流量，對進(jìn)入重整器的陽極尾氣的流量控制，實現(xiàn)陽極尾氣的回收，大幅度提 高系統(tǒng)的燃料利用率。由于電堆尾氣中部分熱的回用，電堆本身所釋放的熱量，以及自熱式 重整器的自維持，熱區(qū)溫度可維持恒溫，燃燒器所需燃燒的CH 4的量也會大幅度下降。此外， 由于另一部分陽極尾氣經(jīng)冷凝器冷凝后回用至燃燒器，進(jìn)而導(dǎo)致燃燒器所需燃燒的純ch 4 的量會進(jìn)一步下降，甚至在不燃燒純甲烷的條件下，熱區(qū)也可以實現(xiàn)自熱維持。此外，該系 統(tǒng)將進(jìn)入燃燒器的部分陽極尾氣中的水冷凝，并由水泵全部或部分輸送至汽化器，從而實 現(xiàn)水的循環(huán)利用。
[0107] 實施例1固體氧化物燃料電池發(fā)電系統(tǒng)1
[0108] 如圖1所示，本發(fā)明所提供的固體氧化物燃料電池發(fā)電系統(tǒng)1的簡化框圖。該系 統(tǒng)采用文丘里泵將陽極尾氣回用至自熱式重整器或燃燒器，通過文丘里泵調(diào)節(jié)進(jìn)入自熱式 重整器中空氣的流量來控制陽極尾氣的回用比例。
[0109] 在本實施方式中，甲烷(天然氣）從天然氣管道中經(jīng)過脫硫處理直接進(jìn)入系統(tǒng)1中 的進(jìn)氣管路內(nèi)。進(jìn)入燃燒器甲烷的壓力和流量由壓力表和流量計來控制，進(jìn)入燃燒器的空 氣流量由風(fēng)機與流量計控制。燃燒器啟動后，燃料的化學(xué)能會持續(xù)的轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，并將其?級煙氣的熱量傳遞給熱區(qū)，使熱區(qū)溫度持續(xù)升至750?850°C。燃燒器的二級煙氣持續(xù)加熱 汽化器和陽極預(yù)熱器，使其溫度持續(xù)升至200?500°C。在熱區(qū)的升溫過程中，可根據(jù)實際 升溫速率與目標(biāo)溫度，調(diào)整通入燃燒器中的甲烷及空氣的流量。在熱區(qū)的升溫過程中，持續(xù) 的向重整器和電堆內(nèi)通入N 2，待熱區(qū)溫度達(dá)到目標(biāo)溫度后，將N2切換為H2，用以將重整器內(nèi) 催化劑和S0FC單電池的陽極中的氧化鎳還原為金屬Ni。待重整器內(nèi)催化劑和S0FC陽極的 氧化鎳被充分還原后，向汽化器內(nèi)通入一定量的水，水經(jīng)過汽化器轉(zhuǎn)化為水蒸氣，并進(jìn)入到 重整器內(nèi)。此時，向陽極預(yù)熱器中通入一定量的CH 4和空氣，并關(guān)閉氫氣。其中CH4、H20與 空氣的流量按如下比例：水碳比控制在〇?2之間，氧碳比控制在0?1之間。CH 4在重整 器內(nèi)與水蒸氣和氧氣發(fā)生重整反應(yīng)，生成H2、CO、C02。上述氣體與未反應(yīng)完全的CH 4、H20與 N2的混合氣組成陽極氣體，經(jīng)高溫管路達(dá)到電堆。電堆的陰極氣體(空氣）經(jīng)風(fēng)機和流量計 后進(jìn)入陰極預(yù)熱器，并被預(yù)熱至200?500°C后進(jìn)入電堆。待陰、陽極氣體均進(jìn)入電堆后，發(fā) 生電化學(xué)反應(yīng)，將化學(xué)能直接轉(zhuǎn)換為電能對用戶供電。經(jīng)過電堆的陰極尾氣進(jìn)入余熱回收 系統(tǒng)，用來預(yù)熱陰極入口氣體、預(yù)熱陽極入口氣體、加熱冷水等。
[0110] 電堆的陽極尾氣分為兩路：其中一路通過文丘里泵直接回用至自熱式重整器；另 一路經(jīng)過陰極預(yù)熱器，將熱量交換給陰極進(jìn)口氣體，再經(jīng)冷凝器冷凝，最后進(jìn)入燃燒器。該 實施例中，進(jìn)入自熱式重整器的空氣流量由文丘里泵控制，通過調(diào)節(jié)進(jìn)入文丘里泵中空氣 的流量來調(diào)節(jié)進(jìn)入自熱式重整器中的陽極尾氣的流量，從而實現(xiàn)對進(jìn)入重整器與燃燒器中 的陽極尾氣的比例控制。本實施例中進(jìn)入重整器和燃燒器的陽極尾氣的比例優(yōu)選30%? 90%。
[0111] 實施例2固體氧化物燃料電池發(fā)電系統(tǒng)2
[0112] 如圖2所示，本發(fā)明所提供的固體氧化物燃料電池發(fā)電系統(tǒng)2的簡化框圖。在該 實施例中，進(jìn)入自熱式重整器的空氣流量由風(fēng)機和流量計控制，進(jìn)入自熱式重整器的甲烷 流量由文丘里泵控制。其他構(gòu)成與圖1提供的實施例1相同。在該實施例中，主要通過調(diào) 節(jié)文丘里泵入口甲烷的流量來控制進(jìn)入自熱式重整器中的陽極尾氣的流量，從而實現(xiàn)對進(jìn) 入重整器與燃燒器中的陽極尾氣的比例控制。圖2還包含了另一種實施方式，即重整器的 類型為水蒸氣重整器。此時，不需向陽極預(yù)熱器與重整器內(nèi)通入空氣，因此該部分的工藝流 程用虛線表示。其他工藝流程與圖2所描述的重整器類型為自熱式重整器的工藝流程完全 相同。
[0113] 實施例3固體氧化物燃料電池發(fā)電系統(tǒng)3
[0114] 如圖3所示，本發(fā)明所提供的固體氧化物燃料電池發(fā)電系統(tǒng)3的簡化框圖。在該 實施例中，進(jìn)入自熱式重整器的甲烷流量與空氣流量均由文丘里泵控制。其他構(gòu)成與圖1 提供的實施例1相同。在該實施例中，主要通過調(diào)節(jié)文丘里泵入口甲烷與空氣的總流量來 控制進(jìn)入自熱式重整器中的陽極尾氣的流量，從而實現(xiàn)對進(jìn)入重整器與燃燒器中的陽極尾 氣的比例控制。
[0115] 實施例1?3的發(fā)電效率如表1所示。
[0116]
[0117] 本發(fā)明的主要優(yōu)點：
[0118] (1)本發(fā)明通過燃燒器燃燒可燃?xì)怏w所產(chǎn)生的一級煙氣提供熱量供熱區(qū)升溫和保 溫，燃燒器燃燒可燃?xì)怏w所產(chǎn)生的二級煙氣提供熱量供給陽極預(yù)熱器與汽化器，使得陽極 還原氣體預(yù)熱以及水蒸氣汽化。一定比例的陽極尾氣通過文丘里泵被回收，并進(jìn)入重整器， 從而系統(tǒng)的燃料利用率大幅度提高。
[0119] (2)由于電堆尾氣的中部分熱的回用以及電堆本身所釋放的熱量，燃燒器所需燃 燒的CH 4的量也會有所下降。此外，由于部分陽極尾氣經(jīng)冷凝后回用至燃燒器，進(jìn)而導(dǎo)致燃 燒器所需燃燒的純CH4的量會進(jìn)一步下降，甚至在不需提供純CH 4，僅靠陽極尾氣為燃料的 情況下，熱區(qū)也可以實現(xiàn)自熱維持，進(jìn)而大幅度提高系統(tǒng)的效率。
[0120] (3)將陽極尾氣中的熱量直接提供給重整器，進(jìn)而大幅度提高了系統(tǒng)的發(fā)電效率。
[0121] (4)該系統(tǒng)實施難度較低，便于工業(yè)化生產(chǎn)和大規(guī)模應(yīng)用。
[0122] (5)本發(fā)明的系統(tǒng)不會導(dǎo)致S0FC陽極因供氣不足而發(fā)生失效行為，且完全能夠與 其他熱量的梯級利用方式并行，熱量利用效果顯著。
[0123] 在本發(fā)明提及的所有文獻(xiàn)都在本申請中引用作為參考，就如同每一篇文獻(xiàn)被單獨 引用作為參考那樣。此外應(yīng)理解，在閱讀了本發(fā)明的上述講授內(nèi)容之后，本領(lǐng)域技術(shù)人員可 以對本發(fā)明作各種改動或修改，這些等價形式同樣落于本申請所附權(quán)利要求書所限定的范 圍。
【權(quán)利要求】
1. 一種固體氧化物燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，所述系統(tǒng)包括電堆、重整器、燃燒器和 陽極預(yù)熱器，還包括： 將電堆產(chǎn)生的陽極尾氣的一部分輸送進(jìn)入陽極預(yù)熱器的陽極尾氣第一回收管道；以及 將電堆產(chǎn)生的陽極尾氣的其他部分輸送進(jìn)入燃燒器的陽極尾氣第二回收管道。
2. 如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述第一回收管道包括設(shè)置于所述管道上 的一個或多個陽極尾氣回收泵，用于驅(qū)動陽極尾氣從電堆引流至陽極預(yù)熱器。
3. 如權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述的陽極尾氣回收泵包括文丘里泵或文 丘里管。
4. 如權(quán)利要求3所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述文丘里泵或文丘里管的第一入口與原 料氣體、還原性氣體或其混合氣體通路相連，且第二入口與陽極尾氣通路相連。
5. 如權(quán)利要求4所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述原料氣體為經(jīng)過脫硫處理的天然氣；和 /或 所述還原性氣體是空氣或氧氣。
6. 如權(quán)利要求4所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述文丘里泵的第一入口與空氣通路相連； 或所述文丘里泵的第一入口與甲烷氣體通路相連；或所述文丘里泵的第一入口與甲烷一空 氣混合氣體通路相連。
7. 如權(quán)利要求4所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述系統(tǒng)通過調(diào)節(jié)從第一入口進(jìn)入文丘里 泵的氣體的流量來調(diào)節(jié)進(jìn)入重整器中的陽極尾氣的比例。
8. 如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，在所述系統(tǒng)中，被輸送進(jìn)入陽極預(yù)熱器的陽 極尾氣的比例為20?90%，較佳地為40?90%，按陽極尾氣的總體積計。
9. 如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述的重整器是水蒸氣重整器或自熱式重 整器。
10. 如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述系統(tǒng)還包括選自下組的一個或多個部 件： 汽化器，所述汽化器用于使水汽化為水蒸氣； 陰極預(yù)熱器，所述預(yù)熱器用于預(yù)熱陰極氧化氣體； 和用于實現(xiàn)陽極尾氣中的水氣分離的冷凝器。
【文檔編號】H01M8/04GK104124462SQ201310148917
【公開日】2014年10月29日 申請日期:2013年4月25日 優(yōu)先權(quán)日:2013年4月25日
【發(fā)明者】苗鶴, 葉爽, 王蔚國, 楊成銳 申請人:中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所