本发明专利技术为一种采用阳极支撑管型固体氧化物燃料电池构建的电站，电站有多级燃料和空气的换热结构、与燃烧反应能量耦合的燃料重整反应器和空气换热器、燃料尾气燃烧腔、电池反应腔、辅助启动单元和余热回收利用单元。燃料经过燃料分配腔进入燃料流道管，经过预热，经过与尾气燃烧热能耦合的重整反应，经过进出的燃料热交换，最后进入电池发电。空气经一低温换热器与尾气换热，经高温热交换器的换热，经电池反应腔内的热交换管换热，最后通过在底部的公共空气流腔分配进入电池反应腔。本发明专利技术电站可以保证进出气体的高效换热，可以实现吸热的重整反应与燃料尾气燃烧的放热反应的吸放热耦合，可以保证进入电池反应的气体温度，提高电站的发电效率。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及阳极支撑管型固体氧化物燃料电池的发电系统，可以简化的固体氧化物燃料电池电站的结构，采用了气体预热、燃料重整和高温燃料电池等整体集成结构，提高了系统热稳定性，实现电池工况易于控制、启动和停车易于控制。
技术介绍
固体氧化物燃料电池(SOFC)是一种采用固体氧化物作为电解质隔膜，通过电化学反应将燃料的化学能高效、清洁地转化为电能的发电装置。固体氧化物燃料电池除了具有能量利用率高、环境友好等其它燃料电池普遍具备的优点外，还有许多特殊的优点它不仅可以用氢气作为燃料，还可以采用资源丰富而且廉价的天然气、液化气、煤气及生物质气 等作为燃料。固体氧化物燃料电池本体发电效率可达50%以上，热电联供效率高于80%，可以大幅度地降低二氧化碳的排放。按照核心部件-膜电极或者是单电池的构型不同，固体氧化物燃料电池可以分为管型电池、平板型电池和整体型电池。不同电池构型的电池在构建电池堆和电站系统的方式不同。按照膜电极或电池的支撑体不同，固体氧化物燃料电池可以分为电解质支撑型、阴极支撑型和阳极支撑型。不同支撑电极的工作温度不同，构建电池堆和电站所采用的材料和电站结构也不同。在各种类型的电池中，以美国西门子-西屋公司的阴极支撑管型固体氧化物燃料电池技术发展的技术和电解质支撑的电池技术比较成熟，二者电池的工作温度都在900°C以上。而阳极支撑电池技术是国内内外近些年来在研发的电池技术，电池的工作温度在650-800。。。固体氧化物燃料电站是将由单体电池构建的固体氧化物燃料电池堆安装在保护和保温的外裹内，有空气和燃料的进出管路系统，有启动、维持和停止控制，使得固体氧化物燃料电池能够稳定发电的装置。如前所述，固体氧化物燃料电池电站因采用的电池构型和支撑体不同，其电池反应腔的温度不同。如，西门子公司的采用阴极支撑管型电池，其电池反应腔温度在950°C以上。美国Blooming Energy公司的电解质支撑固体氧化物燃料电池的电池反应腔温度也在850°C以上。这两种类型的电池都要求配套材料耐850°C以上的高温。采用阳极支撑结构固体氧化物燃料电池的工作温度较低，电池反应腔温度一般在650到 800。。。其次，进入燃料电池的空气(氧化剂)和燃料需要预热到电池的反应温度，不同类型的电池气体预热结构不同。空气或者氧化剂可以外部预热，如美国专利N05413879所述。空气也可以通过内部预热，如美国专利N05573867所述，即在空气在进入燃料电池之前先进入一个燃烧腔预热，而燃料气不能通过燃烧腔预热。美国专利N046664986还提出了在燃烧腔内采用金属翅式结构强化热传导，可以使得流入的空气充分预热。美国专利N07320836提出了一种利用电池内部来预热空气方法，并提出了采用电力的辅助启动预热系统。在固体氧化物燃料电池电站中，一方面，固体氧化物燃料电池是陶瓷部件，其内部存在过大的温度梯度会弓I起带电池内部产生较大的应力，导致陶瓷电池破碎。同样，其它的金属和陶瓷部件也会因温度梯度过大产生应力过大而出现问题。另一方面，固体氧化物燃料电池稳定发电需要维持比较稳定工作温度，以便电化学进行。因此，进入固体氧化物燃料电池的空气和燃料气的温度要接近电池工作温度，而离开燃料电池的气体的温度也不能太闻。因此，固体氧化物燃料电池电站需要解决以下五个问题(1)进入电池的气体必需预热到接近燃料电池工作温度后才进入电池，以防造成电池上产生较大的温度梯度；(2)在气体预热器或系统中也要防止温差过大引起的应力过大而导致结构破坏；(3)进出电池的气体要有良好的热交换，以实现系统的热稳定；(3)尽量采用低成本的部件材料用于气体预热；(4)电站需要有辅助启动单元，使得电站不需要外接电力加热而热启动。就此而言，美国西门子公司(美国专利NO 7320836和7485386)较好地解决了空气预热问题，而燃料的余热通过新进入燃料与燃料尾气混合实现较好的预热，其系统因热耦合不好而比较难控制系统的热稳定性。 美国的专利(NO 5573867，7320836和7485386)中针对阴极支撑的固体氧化物燃料电池应用的电站系统结构，采用空气和燃料气分开预热，需要分别控制。这存在三个方面的问题。第一，空气和燃料预热分别控制，过程控制比较难。第二，燃料除了预热外，其水蒸气重整反应需要大量热，其系统结构中保证重整反应所需要的热量供给较难。第三，空气和燃料不仅是吸收热量、预热到温度进入电池反应腔，而且也是系统工况改变时从系统中带走热量的媒介。只有保证进入系统的空气和燃料都与流出电站的尾气有很好的热交换时，才容易实现系统的工况改变。本专利申请针对固体氧化物燃料电池电站所存在的问题，提出了采用阳极支撑管型电池构建电站，提出了解决了上面所述问题的方法，可以比较好地解决这些问题，主要有以下几个特点(I)针对阳极支撑管型氧化物燃料电池的特点，提出了合理的气体流动、换热和反应器(腔)的结构，提出了进入系统的空气和燃料进行多级预热，保证了进出系统气体更好的换热效果，解决进出燃料电池的气体预热和冷却的问题，提高了系统的热稳定性。(2)提出了需要大量热的流向电池的空气和燃料重整反应器，与流出电池堆的尾气催化燃烧整体集成，强化了空气、燃料气的高温预热、重整反应与尾气燃烧的高度热耦合，可以更好控制系统中的热流动，使得系统中的热流动合理，也使电站各个部位的温度稳定性更容易控制，同时也防止了部件上温度差别而产生较大的应力；(3)可以在不同温区，采用不同耐热性能的材料，降低了造价；(4)针对电站用燃料的特点，建立了辅助启动单元，可以保证电站的独立启动和停车保护，可以实现电站内部在室温下催化燃烧加热启动，同时可以保护电站停车安全。
技术实现思路
本专利技术构建了一个固体氧化物燃料电池电站，实现热-电耦合和热-热耦合，从而建立一个稳定易控的系统结构。本专利技术由阳极支撑管型固体氧化物燃料电池构建电站，电站系统结构包括保温外裹、燃料气的多级预热结构、空气的多级预热结构、在燃料流道管内的燃料重整反应器、燃料尾气的燃烧腔、电池反应腔、辅助启动单元、尾气余热回收单元等。为了强化流入电池的空气和燃料与流出电池的尾气热交换，本专利技术将流入电池的空气和燃料在三个不同温区内与流出电池的气体进行热交换。具体的方案是燃料经过一个位于顶部燃料分配腔进入燃料流道管，经过尾气预热段、尾气燃烧和重整反应的热耦合段、进出电池的燃料气热交换段进入电池发电，然后流出电池。空气首先经过一个金属换热器与流出的低温尾气进行热交换预热，然后经过置在顶部尾气燃烧腔的热交换器的进行热交换预热，然后经过置于电池反应发电腔内的热交换管进行热交换，最后通过在底部的空气公共流腔分配进入电池反应的空气腔。启动辅助单元主要是利用燃料燃烧启动一个燃料重整器，燃料(天然气)水蒸气重整产生重整气(富氢燃料气体)，重整气进入电站系统燃料气路到达电站内部的燃烧腔后与空气发生催化燃烧并释放热量，从而加热系统的各个部分特别是分布在燃料分配管内的主重整器。当主重整器达到工作温度，系统就可以启动。同时，启动辅助单元在电站系统停车时为系统提供保护气，以便控制电池降温。 一种由阳极支撑管型固体氧化燃料电池构建的电站，包括壳体和电池堆位于壳体顶端的公共燃料分配腔，它含有一个燃料进气口，含有与分配腔密封连接的、二本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种由阳极支撑管型固体氧化燃料电池构建的电站，包括壳体和电池堆，其特征在于：位于壳体顶端的公共燃料分配腔，它含有一个燃料进气口，含有与分配腔密封连接的、二个以上的燃料分配和流出管；位于壳体中部一个流出电池的燃料尾气与空气尾气的催化燃烧反应腔；位于壳体下部一个安装电池的反应腔，腔内并列安置有由二个以上的电池组装成的电池堆，所述电池为一端开口、另一端封闭的阳极支撑管型固体氧化物燃料电池，其为U字形结构；壳体底部设置有一个空气进气口；二个以上的燃料分配和流出管均穿过催化燃烧反应腔分别伸入二个以上的燃料电池的U字形内部，其下端开口；催化燃烧反应腔与电池的反应腔相连通；催化燃烧反应腔中设置有催化燃烧催化剂，处于催化燃烧反应腔和/或电池的反应腔内的燃料分配和流出管内设置有燃料重整催化剂；壳体中上部设置有一个反应气出口。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：程谟杰，涂宝峰，艾军，
申请(专利权)人：中国科学院大连化学物理研究所，
类型：发明
国别省市：
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