专利名称：一种固体氧化物燃料电池分布式热电联产系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种分布式发电系统，尤其涉及一种以天然气为燃料的固体氧化物燃料 电池(简称SOFC)分布式热电联产系统。
背景技术：
目前，电能生产、输送和分配的主要方式是大容量高参数机组的中心电站、超高压 远距离输电、大电网互联集中供电方式。但是它在适应负荷变化的灵活性与供电安全性 方面都存在一些弊端。在近年来屡屡发生的能源危机、电力危机与大面积停电事故中， 己暴露出现有的庞大电力系统存在"笨拙"而又"脆弱"的缺点。
由于严峻的环境问题(例如温室效应、SCb、 NOx的排放)、未来能源的安全供应 (能源资源的匮乏)和电力体制的改革(电力放松管制等)等等，促使人们追求高效的 能量转换、降低有害物质的排放、寻找替代燃料和就地采用能实施能源梯级利用的小规 模的分布式发电系统来适应上述要求。经济与科学技术的发展，自动化和电力电子技术 的高度发达， 一些新型、清洁、高效的发电装置问世与新型储能装置的发展，使得这些 要求得以实现，这就是分布式发电产生的背景。
分布式发电是将发电机组按需要安装在用户的一旁就近供电，最大的优点是不需远 距离配电设备，显著减少输电损失，可按需要方便地利用排气热量实现热电联供，提高 能量利用率。当今的分布式供电主要包括内燃机、微型燃气轮机以及燃料电池三种方案。 其中，燃料电池因其高效、环保的能源利用方式，具有十分广阔的发展前景。
燃料电池是一种将储存在燃料和氧化剂中的化学能，直接转化为电能的发电装置。 燃料电池的能量转换过程不受卡诺循环的限制，因此能量的利用率非常高。其中，固体 氧化物燃料电池因其较高的电流密度和功率密度、广泛的燃料适应性、没有融盐腐蚀以 及无需使用贵金属催化剂等优点，极大地受到人们关注。
目前，己经公布了一些固体氧化物燃料电池发电系统的专利，如CN1379494A， CN1674335A， CN101053105A， CN1708872A， CN1685552A， CN2819489Y等，其中 大部分专利针对大功率场合下的混合应用系统。针对小功率的分布式热电联供系统，唯 一发现的相关专利是CN101005144A，但两者具有明显不同的特征。与CN101005144A 相比，本系统的优势在于本系统以天然气作为燃料，对燃料进行外部重整，提高了燃料的利用率和电池堆的寿命；设计了启动系统；设计了余热回收系统，回收热量优先提
供重整器进行重整，剩余热量梯次利用，分别加热重整气、空气及冷水，最大限度提高 了热量的利用率。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对现有大电网集中供电的缺点及能量利用率低等 问题，提供一种实用的固体氧化物燃料电池分布式热电联产系统，该系统能为独立用户 供电供热，能量利用率高，具有十分广阔的经济前景。
本实发明解决上述技术问题所采用的技术方案为一种固体氧化物燃料电池分布式 热电联产系统，其包括固体氧化物燃料电池、燃料供给系统、空气供给系统、余热回收 系统、控制系统和电能输出系统，在控制系统控制下，燃料供给系统和空气供给系统至 少需要输送连接到固体氧化物燃料电池进行发电，固体氧化物燃料电池产生电能连接输 送到电能输出系统对外供电，同时，余热系统连接固定氧化物燃料电池对废热进行回收 利用，其特征在于燃料系统分出一路燃料管路与蒸汽发生器通过管路输送过来的水蒸 汽在汽水混合室混合合流后，再一起输送连接到催化重整器进行重整，从重整器出来的 混合气连接输送到固体氧化物燃料的电池堆阳极。
所述的燃料系统分出另一路与空气供给系统分出的第三路通过各自的管路输送连 接到启动燃烧室进行燃烧，燃烧后的气体通过管道输送连接到催化重整器对催化重整器 进行供热。
所述的余热回收系统包括有尾气燃烧室，经过燃料电池堆阳极的尾气作为一路，经 过固体氧化物燃料电池中电池堆的阴极后剩余空气作为另一路，空气供给系统分出的第 一路，及经过启动燃烧室、催化重整器的高温混合气体，输送连接到尾气燃烧室进行燃 烧，燃烧后尾气通过管路依次连接催化重整器、燃料系统分出一路上的换热器、空气共 给系统中的第三路和第二路上的换热器、和水箱循环水管路过来一路上的热交换器，对 它们进行加热，逐级利用废气中的能量，进行余热回收。
所述的重整器采用板式换热器的结构， 一面涂有一层薄的催化剂膜，用于通过水蒸 汽与天然气的混合气体，另一面不涂有催化剂膜，用于通过加热气体，通过对流换热和 热传导，提供给重整反应所需热量进行催化重整，使水蒸汽与天然气的混合气体在水蒸 汽与天然气的摩尔比为1到5之间条件下，通入重整器中，通过控制反应温度500~800
度之间，得到CO与H2的摩尔比为1.5到2.5之间的混合气。
所述的燃料系统分出一路上的换热器、空气共给系统中的第三路和第二路上的换热 器与各自的电磁阀并联，通过电磁阀的开关来调节通过换热器的流量大小。
所述的汽水混合室的底部通过管道和阀门连接积水器，然后再与供水系统的管路连 接在一起。与现有技术相比，本发明的优点在于发电系统独立，占地面积小，不受外界影响； 污染小，环境友好；采用管道天然气作为发电燃料，燃料易于获得；燃料进行前级重整， 提高了燃料的利用率和电池堆的寿命；系统产生的热能被梯次利用，能源利用率很高； 系统启动采用燃烧预热的方式，启动时间短；系统结构简单，成本相对较低，特别适合 在KW级固体氧化物燃料电池分布式热电联产系统上应用。
图1为KW级固体氧化物燃料电池分布式热电联产系统结构示意图。 图中图号是卜杂质过滤器，2-手动阀，3-流量计，4-消音器，5-空气泵，6-压力 计，7-质量流量控制计，8-质量流量控制计，9-质量流量控制计，10-电磁阀，11-换热 器，12-温度计，13-空气预热器，14-温度计，15-电磁阀，16-换热器，17-温度计，18-除硫装置，19-手动阀，20-流量计，21-消音器，22-燃料泵，23-压力计，24-质量流量 控制计，25-电磁阀，26-换热器，27-温度计，28-点火装置，29-启动燃烧室，30-质量 流量控制计，31-水箱，32-手动阀，33-水泵，34-杂质过滤器，35-离子过滤器，36_质 量流量控制计，37-水汽发生器，38-流量计，39-汽水混合室，40-手动阀，41-手动阀， 42-积水器，43-重整器，44-温度计，45-止回阀，46-除氧装置，47-电池堆，48_温度 计，49-温度计，50-除氧装置，51-止回阀，52-点火装置，53-尾气燃烧室，54-温度计， 55-温度计，56-温度计，57-温度计，58-热交换器，59-手动阀，60-水泵，61_杂质过 滤器，62-水箱，63-手动阀，64-手动阀，65-空气，66-天然气，67_排空，68-排空， 69-冷水，70-热水，71-加压空气，72-空气，73-空气，74-空气，75-空气，76-空气， 77-空气，78-空气，79-反应剩余气体，80-天然气，81-天然气，82-混合气体，83-混 合气体，84-水蒸气，85-天然气，86-重整气，87-尾气，88-高温废气，89_废气，90-废气，91-逆变器。
具体实施例方式
以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。
如图所示意， 一种KW级固体氧化物燃料电池分布式热电联产系统，其包括固体氧 化物燃料电池、燃料供给系统、空气供给系统、余热回收系统、控制系统和电能输出系 统，在控制系统控制下，燃料供给系统和空气供给系统至少需要输送连接到固体氧化物 燃料电池进行发电，固体氧化物燃料电池产生电能连接输送到电能输出系统对外供电，同时，余热系统连接固定氧化物燃料电池对废热进行回收利用，这些与传统的是类似的。 以下对本发明进行深入地描述，其中空气供给系统，空气输入管路依次经过杂质过 滤器l、手动阀2、气体流量计3接空气泵5，然后连接管路上的压力计6，使空气泵5 对输入空气65进行加压，加压空气通过杂质过滤器1除尘后，依次通过手动阀2，气体 流量计3与气体消声器4。压力计6测量此时加压空气71的压力。
进入系统的加压清洁空气71分为三路:第一路空气72通过质量流量控制计7控制， 通过连接管道进入尾气燃烧室53中，既可作为尾气燃烧的助燃剂，又可作为尾气冷却 气体，用于调节尾气混合气温度。
第二路空气73由质量流量控制计8控制，通过并联的电动阀10和换热器11，接温 度计12，再经过空气预热器13，接温度计14，连接通往到电池堆47的阴极。通过控制 电动阔10控制通过换热器11的加热空气74的流量，达到控制空气75温度的目的。加 热空气75通过空气预热器13 二次加热，进入电池堆47的阴极。温度计12测量二次加 热前的空气75温度，温度计14测量进堆空气76的温度。电池堆47阴极侧反应剩余气 体79通过管路直接通入尾气燃烧室53，温度计48用于测量剩余气体79的温度。
第三路空气77由质量流量控制计9控制，通过并联的电动阀15和换热器16，接温 度计17，连接通往启动燃烧室29，作为启动燃烧的助燃剂。与电动阀10和换热器11 作用类似，电动阀15和换热器16用于控制进启动燃烧室空气78的温度，温度计17用 于测量空气78的温度值。
燃料供给系统中，燃料管路经过除硫装置18，接手动阀19，经过气体流量计20和 气体消声器21,接燃料气体泵22。使燃料气体泵22对输入天然气66进行加压，加压 天然气通过除硫装置18除去天然气中的含硫化合物，然后依次通过手动阀19，气体流 量计20,气体消声器21，压力计23测量此时加压天然气79的压力。
进入系统的加压天然气80分为两路第一路天然气由质量流量控制计24控制，通 过并联的电动阀25和换热器26，接温度计17，然后连接通入启动燃烧室29中，作为 燃烧的燃料。与前面类似，电动阀25和换热器26用于控制进启动燃烧室天然气81的 温度。空气78与天然气81在启动燃烧室29中混合，由点火装置28点燃。携带高温的 混合气体82通过重整器43,气体热量用于加热重整器，热交换后的混合气体83通入尾 气燃烧室53中。温度计54用于测量混合气体83的温度。
第二路天然气由质量流量控制计30控制，用于进行重整，然后连接到汽水混合室 39，水箱31经过手动阀32接水泵33，然后经过杂质过滤器34和离子过滤器35，接质 量流量控制器36，分成两路， 一路接水汽发生器37，经过水汽发生器37后接汽水混合 器39，然后输送连接到催化重整器39，汽水混合器39的下部经过手动阀40接积水器 42，接水器42再与另一路合流。使水泵33抽取水箱31中的水，经过杂质过滤器34和 离子过滤器35过滤后，送入水汽发生器37中。水汽发生器37产生水蒸汽84，通过流量计38测量流量。水蒸汽84与天然气85送入汽水混合室39中，进行混合，混合气体 送入催化重整器43中进行催化重整。汽水混合室39中的多余水蒸气通过手动阀40控 制进入积水器42中，当水量超过上限时进行排空67。
本发明的关键之处重整器43的结构类似于板式换热器， 一面涂有一层薄的催化剂 膜，用于通过水蒸汽84与天然气85的混合气体；另一面不涂有催化剂膜，用于通过高 温混合气体82与高温废气88。通过对流换热和热传导，提供给重整反应所需热量进行 催化重整。蒸汽84与天然气85的混合气体(水蒸汽与天然气的摩尔比为1到5之间， 优选3.5)通入重整器中，通过控制反应温度500 800度之间，得到CO与H2的摩尔比 为1.5到2.5之间的混合气86。重整反应后的重整气86依次通过单向阀45与除氧装置 46,连接送入到电池堆47的阳极中。
余热回收系统中，阳极反应后，尾气87依次通过除氧装置50与单向阀51，连接送 入尾气燃烧室53中。温度计44与温度计49分别测量入堆重整气86与出堆尾气87的 温度。尾气燃烧室53中的尾气混合气由点火装置52点燃，高温废气88依次连接和通 过催化重整器43，换热器26，换热器16，换热器ll，用于重整器、燃料、空气的加热。 温度计55和温度计57用于测量高温废气88与废气89的温度。废气89最后通过热交 换器58，加热水泵60从水箱62抽取的循环水。加热的热水被送往用户70，废气90被 排空68。
电能输出系统，燃料电池发出的直流电通过逆变器91转变为工频交流电输出。
权利要求
1、一种固体氧化物燃料电池分布式热电联产系统，其包括固体氧化物燃料电池、燃料供给系统、空气供给系统、余热回收系统、控制系统和电能输出系统，在控制系统控制下，燃料供给系统和空气供给系统至少需要输送连接到固体氧化物燃料电池进行发电，固体氧化物燃料电池产生电能连接输送到电能输出系统对外供电，同时，余热系统连接固定氧化物燃料电池对废热进行回收利用，其特征在于燃料系统分出一路燃料管路与蒸汽发生器通过管路输送过来的水蒸汽在汽水混合室混合合流后，再一起输送连接到催化重整器进行重整，从重整器出来的混合气连接输送到固体氧化物燃料的电池堆阳极。
2、 根据权利要求l所述的固体氧化物燃料电池分布式热电联产系统，其特征在于 所述的燃料系统分出另一路与空气供给系统分出的第三路通过各自的管路输送连接到 启动燃烧室进行燃烧，燃烧后的气体通过管道输送连接到催化重整器对催化重整器进行 供热。
3、 根据权利要求1或2所述的固体氧化物燃料电池分布式热电联产系统，其特征在于所述的余热回收系统包括有尾气燃烧室，经过燃料电池堆阳极的尾气作为一路，经 过固体氧化物燃料电池中电池堆的阴极后剩余空气作为另一路，空气供给系统分出的第 一路，及经过启动燃烧室、催化重整器的高温混合气体，输送连接到尾气燃烧室进行燃 烧，燃烧后尾气通过管路依次连接催化重整器、燃料系统分出一路上的换热器、空气共 给系统中的第三路和第二路上的换热器、和水箱循环水管路过来一路上的热交换器，对 它们进行加热，逐级利用废气中的能量，进行余热回收。
4、 根据权利要求3所述的固体氧化物燃料电池分布式热电联产系统，其特征在于 所述的重整器采用板式换热器的结构， 一面涂有一层薄的催化剂膜，用于通过水蒸汽与 天然气的混合气体，另一面不涂有催化剂膜，用于通过加热气体，通过对流换热和热传 导，提供给重整反应所需热量进行催化重整，使水蒸汽与天然气的混合气体在水蒸汽与 天然气的摩尔比为1到5之间条件下，通入重整器中，通过控制反应温度500~800度之 间，得到CO与H2的摩尔比为1.5到2.5之间的混合气。
5、 根据权利要求4所述的固体氧化物燃料电池分布式热电联产系统，其特征在于 所述的燃料系统分出一路上的换热器、空气共给系统中的第三路和第二路上的换热器与 各自的电磁阀并联，通过电磁阀的开关来调节通过换热器的流量大小。
6、 根据权利要求5所述的固体氧化物燃料电池分布式热电联产系统，其特征在于 所述的汽水混合室的底部通过管道和阀门连接积水器，然后再与供水系统的管路连接在 一起。
全文摘要
一种固体氧化物燃料电池分布式热电联产系统，其包括固体氧化物燃料电池、燃料供给系统、空气供给系统、余热回收系统、控制系统和电能输出系统，其特征在于燃料系统分出一路燃料管路与蒸汽发生器通过管路输送过来的水蒸汽在汽水混合室混合合流后，再一起输送连接到催化重整器进行重整，从重整器出来的混合气连接输送到固体氧化物燃料的电池堆阳极。该实用的系统能为独立用户供电供热，能量利用率高，具有十分广阔的经济前景。
文档编号H01M8/10GK101499534SQ20081005938
公开日2009年8月5日 申请日期2008年1月31日 优先权日2008年1月31日
发明者凯 刘, 王蔚国, 程宏辉, 媛 黄 申请人:中国科学院宁波材料技术与工程研究所