一种模块化高效SOFC系统的制作方法

本技术涉及sofc系统领域，特别涉及一种模块化高效sofc系统。

背景技术：

1、固体氧化物燃料电池（solid oxide fuel cell，简称sofc）是一种以电化学反应的方式将燃料的化学能直接转化为电能的新型电池技术，工作温度在650℃-800℃之间。

2、sofc系统主要由蒸发器、重整器、电堆、燃烧器、热交换器、余热回收系统、逆变器等部件组件。蒸发器主要是将去离子水加热蒸发变成水蒸气；重整器主要是将进入系统的天然气、醇类等碳氢燃料和水蒸气进行水汽重整转化为以氢气、一氧化碳、二氧化碳为主的混合气，从而更有利于电堆中的电化学反应；燃烧器主要将阳极尾气中未反应完全的燃料转化为热量，并为系统提供热能；热交换器进行热能的交换，利用高温热源加热低温介质。

3、sofc系统电堆阳极的尾气中含有剩余的co、h2，因此，电堆阳极的尾气是具有循环再利用可行性的；尤其是尾气中含有的高温水蒸气，完全可以不经过公知的冷却分离再利用（现有技术中阳极尾气中的水蒸气冷却再循环利用至蒸发器的过程），而直接以高温蒸气的形式不经过蒸发器进行循环再利用，从而降低了水蒸气循环过程的能量损失。

4、现有技术中已经有将阳极尾气循环至重整器的相关技术，但现有的sofc系统并未进行模块化设计，且结构复杂，导致sofc系统难以小型化，且制造成本高、燃料利用率低，也不利于sofc系统的大规模推广应用。

技术实现思路

1、本实用新型的目的在于克服现有尾气重复利用sofc系统存在结构复杂、难以模块化的缺陷，提出了一种模块化高效sofc系统，通过优化sofc系统中各部件的连接和排布方式，并进行模块化布置，从而简化了sofc系统的结构，sofc系统对燃料的利用率更高，制造成本更低，更有利于sofc系统的大规模推广和应用。

2、为了实现上述实用新型目的，本实用新型提供了一种模块化高效sofc系统，包括集成换热模块和sofc发电模块；其中，所述集成换热模块包括尾气燃烧器、重整器和热交换器；所述sofc发电模块包括第一组电堆和第二组电堆；

3、所述重整器输出端分别与第一组电堆和第二组电堆阳极输入端连接，所述重整器输出端与第一组电堆和第二组电堆的阳极输入端之间设置有开闭装置，且可通过所述开闭装置控制所述第一组电堆和/或第二组电堆的阳极输入端是否与重整器输出端连通，以及控制重整器输入第一电堆和第二电堆的气体流量大小；

4、所述第一组电堆和第二组电堆的阴极输出端与尾气燃烧器输入端连接；

5、所述第一组电堆和第二组电堆的阳极输出端同时与尾气燃烧器输入端和重整器输入端连接，所述第一组电堆和第二组电堆的阳极输出端与重整器输入端、尾气燃烧器输入端之间均设置有开闭装置，且可通过所述开闭装置控制所述第一组电堆和/或第二组电堆的阳极输出端进入重整器和尾气燃烧器的尾气量；

6、所述尾气燃烧器的输出端与热交换器的热输入端连接；所述热交换器用于预热进入重整器的燃料气和/或进入第一组电堆和第二组电堆的阴极空气，和/或用于为重整器等吸热或低温部件提供热量，和/或用于启动时为第二电堆提供热量。

7、本实用新型一种模块化高效sofc系统，不仅通过模块化的设计减少了热散失和占用的空间，有利于sofc系统的小型化；还通过优化sofc系统中各部件的连接和排布方式，从而能通过控制电堆的启动顺序来完成整个sofc系统的启动和稳定运行，使sofc系统电堆分批启动，不仅能在更少的启动能量下完成启动，还能将电堆产生的部分尾气循环利用，从而显著提高了sofc系统对燃料的利用率，简化了启动系统、降低了成本；同时，循环完全实现系统的水蒸汽平衡，降低了能耗（避免了现有技术中将尾气冷凝得到水，然后将水利用热交换再次生成水蒸气导致的循环过程中的能量损失）；该模块化sofc系统既提高了燃料的利用率和电堆单位燃料的发电量，又通过模块化设计，使系统结构更简单，也更有利于sofc系统的小型化和大规模推广应用。

8、其中，所述模块化高效sofc系统还包括蒸发器，所述蒸发器输出端与重整器输入端连接；所述蒸发器用于电堆启动时将水加热为水蒸气，为重整器提供水蒸气，保证电堆的正常运转，电堆正常运行后蒸发器关闭，水蒸气直接由阳极尾气提供。

9、其中，所述第一组电堆是作为sofc系统的启动电堆，sofc系统正常运行后，第一组电堆和第二组电堆均作为sofc系统的常规电堆运行；所述的第一组和第二组电堆中的电堆数量可根据实际的情况进行调整，在不影响整体设计思路和原理的情况下，每组电堆中的电堆数量可根据需要进行任意设置。为了减小电堆启动系统以及启动时所需要的能源，可以根据本发明，进一步分为多组电堆，实行多级启动。

10、其中，所述sofc系统中的热交换器用于预热进入重整器的燃料气和/或进入第一组电堆和第二组电堆的阴极空气的同时，热交换器还可以为系统其它需要维持特定温度的装置提供供热或散热功能，例如辅助尾气燃烧器散热、为重整器、第二组电堆的启动供热等，从而保证电堆的正常运转，并最大程度的利用热能，提高系统的热效率；所述蒸发器用于电堆启动时将水加热为水蒸气，为重整器提供水蒸气，保证电堆的正常运转，电堆正常运行后蒸发器关闭，水蒸气直接由阳极尾气提供；所述重整器能将输入的水蒸气、燃料和阳极尾气进行重整，使重整器输出的混合气中各成分符合最佳比例，从而有利于电堆高效发电，提高燃料转化效率；所述尾气燃烧器能将电堆阳极产生的不需要循环的尾气通过燃烧转换为热能，并进一步通过热交换器回收利用产生的热能，从而最大程度的提高燃料能量利用率。

11、其中，优选的，所述的开闭装置为可以调节流量大小的高温阀门，如高温气体流量阀。

12、其中，优选的，所述尾气燃烧器为催化燃烧器，能完全燃烧尾气中未反应的燃料，最大程度的释放燃料中的热能，进而被充分的利用。

13、其中，优选的，所述第一组电堆和第二组电堆的阳极输出端与重整器输入端之间还设置有气体循环辅助装置；所述气体循环辅助装置能辅助将第一组电堆和/或第二组电堆的阳极输出端的尾气和新的燃料导入重整器，进而利用重整器以及尾气中的水蒸气对燃料进行重整，重整产生的合成气与尾气中的燃料一起进入电堆进行电化学反应，更好的实现尾气的循环利用；更优选的，所述气体循环辅助装置为引射器或高温风机；最优选的，所述气体循环辅助装置为引射器；引射器的输出口与重整器输入端连接，引射器的高压输入口输入燃料气，引射器的低压输入口与第一组电堆和第二组电堆的阳极输出端连接，输入第一组电堆和第二组电堆的阳极尾气，且燃料气的压力高于阳极尾气；通过引射器的设置，能更好的将阳极尾气导入重整器中，实现sofc系统的自循环。

14、其中，优选的，所述热交换器的输出端还与余热回收装置连接；通过余热回收装置可以回收经过热交换器交换后尾气中的热量，可以进一步提高sofc系统的热效率。

15、其中，优选的，所述重整器的输入端还与脱硫器连接；燃料可以通过脱硫器处理后进入重整器，能减少含硫气体对sofc系统的影响，提高sofc系统的使用寿命。

16、与现有技术相比，本实用新型的有益效果：

17、1、本实用新型sofc系统通过模块化的设计，能减少热散失和占用空间，更利于sofc系统的小型化。

18、2、本实用新型sofc系统优化了sofc系统中各部件的连接和排布方式，从而能通过控制电堆的启动顺序来完成整个sofc系统的启动并稳定运行，显著简化了启动系统的结构以及降低了sofc系统对起动能量的需求，启动与设备成本显著降低。

19、3、本实用新型sofc系统在运行时，能将电堆产生的部分尾气直接循环利用，从而显著提高了系统中参与到电堆发电的燃料利用率，运行成本降低。

20、4、本实用新型sofc系统在正常运转后，通过对尾气的循环利用，实现了系统自身高温水蒸气的循环平衡，从而简化了水蒸气的产生与循环部件，运行成本更低，能耗也显著降低。

21、5、本实用新型sofc系统能够有效提高对热量的利用效率，提高系统整体的热电联供效率的同时，也能够减少进入尾气燃烧器中的水蒸气量，有利于提高尾气燃烧器中催化剂的耐久性以及sofc系统的可靠性。