可靠性和耐久性同步提升的SOFC热电联供系统技术方案

本发明专利技术属于燃料电池技术领域。公开了一种可靠性和耐久性同步提升的SOFC热电联供系统，包括电堆、辅助装备及热管理模块。电堆结构设计上，引入重整与均温一体化冷却通道和交替叠加流道结构；电堆材料设计上，采用梯度孔电极材料、双极板表面引入涂层及密封层采用蠕变强度小的材料；电堆制造工艺上，采用多次递进式连续冲压方法制备柔性连接体。辅助装备设计上，设置串联的固定床脱硫器和H2S脱除器，采用并联的重整制氢反应器，引入水汽变换装置和PSA装置。热管理模块方面，设定多个热平衡管理路线，将电堆后端产生的高温热量与前端需要的热量联系起来。本发明专利技术有利于同步提升SOFC热电联供系统的可靠性与耐久性。联供系统的可靠性与耐久性。联供系统的可靠性与耐久性。

【技术实现步骤摘要】
可靠性和耐久性同步提升的SOFC热电联供系统


[0001]本专利技术属于燃料电池
，尤其涉及一种可靠性和耐久性同步提升的SOFC热电联供系统。

技术介绍

[0002]以H2、甲烷、甲醇及各种有机废弃物为燃料的燃料电池，是未来发展的理想能源转换装置。燃料电池直接把化学能转化成电能，不受卡诺循环的约束，是绿色能源的最佳首选。在所有的燃料电池当中，固体氧化物燃料电池理论发电效率最高，电堆排放的尾气温度高、无污染，可作为热源供给热电联供系统的其他部分使用，能更有效提升整个系统的能量利用率。
[0003]热电联供系统能有效地缓解能源消耗和环境恶化等问题，它根据能源梯级利用原理，先利用发电技术将石油、煤、天然气等一次能源转化为电能，再将发电后的余热用于供热的先进能源利用形式。相比于热电分产，热电联供具有节能减排、占地面积小、供热质量高等优点，在要求高效率长寿命而无需频繁启动的发电领域占有优势地位。此外，在住宅、公共设施分散电源及移动电源等领域也能发挥其潜在的作用。
[0004]影响SOFC热电联供系统的耐久性的关键性能是系统的连续运行时间、系统寿命和冷热循环次数，而决定系统寿命的主要是系统稳态运行衰减率，决定冷热循环次数的是系统冷热循环衰减率。保证SOFC热电联供系统可靠性的指标主要是系统发电功率、发电效率和热电联供效率。要同步提升SOFC热电联供系统的可靠性和耐久性，关键就是要保证SOFC热电联供系统既要有较低的衰减率，也要有更高的输出功率和能量利用效率。
[0005]SOFC热电联供系统包含的装备、部件众多，各个装备部件的设计、结构及性能均对整个系统的可靠性和耐久性产生影响，各部件模块之间相辅相成，且各个部件模块性能的调节对系统整体的可靠性和耐久性不一致。因此，需要找到影响SOFC热电联供系统性能的关键模块及对应的技术因素，通过各个模块技术工艺的优化设计，以实现系统耐久性和可靠性的同步提升。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的在于提供一种可靠性和耐久性同步提升的SOFC热电联供系统，有效解决当前SOFC热电联供系统的可靠性和耐久性差的问题。
[0007]为解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案是：
[0008]一种可靠性和耐久性同步提升的SOFC热电联供系统，所述SOFC热电联供系统包括SOFC电堆、辅助装备及热管理模块。
[0009]所述SOFC电堆为多层重叠部件，包括多个单电池、柔性连接体、密封层以及双极板，所述单电池的阳极层与所述柔性连接体之间构成阳极燃料通道，所述单电池的阴极层与所述柔性连接体之间构成阴极空气通道，所述单电池的阳极层为采用相转化流延法制备的梯度孔结构，相邻的单电池之间引入重整与均温一体化冷却通道，所述阳极燃料通道和
所述阴极空气通道采用交叉流道和逆向流道交替叠加的结构形式，所述冷却通道的流向与相邻的阳极燃料通道的流向相反，并且在所述冷却通道的表面浸渍有重整催化材料。
[0010]所述柔性连接体采用多次递进式连续冲压方法制备，所述密封层采用蠕变强度系数和蠕变失效应变比双极板小的材料，所述双极板的表面引入复合尖晶石涂层。
[0011]所述辅助装备包括脱硫单元、重整制氢单元、催化燃烧器、多个预热器和多个换热器，所述脱硫单元包括串联的固定床脱硫器和H2S脱除器，所述重整制氢单元包括水汽变换装置、PSA装置以及并联的两个重整制氢反应器，所述并联的两个重整制氢反应器其中之一处于工作状态，另一个处于待机状态，当某一个重整制氢反应器重整效率降低，则立即启动另一个重整制氢反应器进入工作状态；
[0012]所述预热器包括第一预热器和第二预热器，所述换热器包括第一换热器、第二换热器和第三换热器；
[0013]空气经第一预热器进入SOFC电堆的阴极，液态水经第三换热器变成高温水蒸气后进入所述重整制氢反应器用于重整反应，燃料依次经第一换热器、第二换热器和第二预热器之后，进入所述脱硫单元，脱除燃料中的硫杂质后进入所述重整制氢反应器制得氢气，所述氢气依次经第三换热器和第二换热器后进入所述水汽变换装置，而后经过第一换热器后进入PSA装置，最后进入SOFC电堆的阳极；
[0014]SOFC电堆出来的一部分阳极尾气经第一预热器和第二预热器后进入所述重整制氢反应器用于重整反应；
[0015]SOFC电堆出来的另一部分阳极尾气与阴极尾气进入所述催化燃烧器燃烧，燃烧后产生的水蒸汽进入第二预热器，预热燃料，最后进入所述重整制氢反应器用于重整反应；
[0016]所述热管理模块设定有如下几个热平衡管理路线：
[0017](1)将SOFC电堆出来的一部分阳极尾气重新用于SOFC电堆的前端的蒸汽重整反应；
[0018](2)将SOFC电堆出来的另一部分阳极尾气与阴极尾气混合燃烧，为SOFC电堆的前端提供热能和水蒸气，其中一部分水蒸气用于加热氢气，另一部分水蒸气用于给前端燃料重整提供热量；
[0019](3)燃料经三级换热后进入脱硫装置，首先与经水汽变换装置后的气体进行第一级换热，而后与经重整制氢反应器后的气体进行第二级换热，最后与经催化燃烧器燃烧后产生的水蒸气进行第三级换热；
[0020](4)对水汽变换后的热量进行回收供热。
[0021]进一步地，所述换热器和所述预热器均为紧凑型微通道扩散焊换热器。
[0022]进一步地，所述催化燃烧器为1～2个。
[0023]进一步地，进入SOFC电堆的阳极的氢气纯度达95％以上。
[0024]进一步地，所述空气经第一预热器后温度达到600℃以上。
[0025]进一步地，所述燃料经第二预热器后温度升高到400～500℃，再依次进入固定床脱硫器和H2S脱除器，脱除燃料中的硫杂质。
[0026]本专利技术的有益技术效果是：
[0027](1)本专利技术通过对SOFC电堆设计、辅助装备设计以及热管理模块设计，有利于同步提升SOFC热电联供系统的可靠性与耐久性。
[0028](2)本专利技术通过在热管理模块设定的多个热平衡管理路线，有利于将SOFC电堆后端所产生的高温热量与前端需要的热量联系起来，有利于减少空气的需求量和空压机的功耗，提升系统净电效率和热电联供效率，同时避免催化燃烧器的出口温度过高，降低SOFC热电联供系统对设备材料的要求，提高SOFC热电联供系统的寿命和安全系数。
附图说明
[0029]图1是本专利技术的技术路线图；
[0030]图2是本专利技术SOFC热电联供系统的工艺流程图；
[0031]图3是本专利技术实施例和对比例的单电池I
‑
V
‑
P曲线图；
[0032]图4是本专利技术实施例和对比例的电堆预期稳态运行衰减率试验结果示意图；
[0033]图5是本专利技术实施例和对比例的50次电堆冷热循环衰减试验结果示意图。
具体实施方式
[0034]本专利技术通过大量长时间的系统连续运行和冷热循环试验，以及大量的数值模拟及理论分析，揭示了影响系统耐久性和本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种可靠性和耐久性同步提升的SOFC热电联供系统，其特征在于，所述SOFC热电联供系统包括SOFC电堆、辅助装备及热管理模块；所述SOFC电堆为多层重叠部件，包括多个单电池、柔性连接体、密封层以及双极板，所述单电池的阳极层与所述柔性连接体之间构成阳极燃料通道，所述单电池的阴极层与所述柔性连接体之间构成阴极空气通道，所述单电池的阳极层为采用相转化流延法制备的梯度孔结构，相邻的单电池之间引入重整与均温一体化冷却通道，所述阳极燃料通道和所述阴极空气通道采用交叉流道和逆向流道交替叠加的结构形式，所述冷却通道的流向与相邻的阳极燃料通道的流向相反，并且在所述冷却通道的表面浸渍有重整催化材料；所述柔性连接体采用多次递进式连续冲压方法制备，所述密封层采用蠕变强度系数和蠕变失效应变比双极板小的材料，所述双极板的表面引入复合尖晶石涂层；所述辅助装备包括脱硫单元、重整制氢单元、催化燃烧器、多个预热器和多个换热器，所述脱硫单元包括串联的固定床脱硫器和H2S脱除器，所述重整制氢单元包括水汽变换装置、PSA装置以及并联的两个重整制氢反应器，所述并联的两个重整制氢反应器其中之一处于工作状态，另一个处于待机状态，当某一个重整制氢反应器重整效率降低，则立即启动另一个重整制氢反应器进入工作状态；所述预热器包括第一预热器和第二预热器，所述换热器包括第一换热器、第二换热器和第三换热器；空气经第一预热器进入SOFC电堆的阴极，液态水经第三换热器变成高温水蒸气后进入所述重整制氢反应器用于重整反应，燃料依次经第一换热器、第二换热器和第二预热器之后，进入所述脱硫单元，脱除燃料中的硫杂质后进入所述重整制氢反应器制得氢气，所述氢气依次经第三换热器和第二换热器后进入所述水汽变换装置，而后经过第一换热器后进入PSA装置，最后进...

【专利技术属性】
技术研发人员：蒋文春，罗云，宋明，张玉财，李少华，钮瑞艳，郑红祥，张春雪，张秀成，王世学，岑岭山，陈敬凯，陈小博，柴永明，涂善东，
申请(专利权)人：中国石油大学华东，
类型：发明
国别省市：