[发明专利]一种固体氧化物燃料电池热电联供系统及其运行方法

说明书

本发明提供了一种固体氧化物燃料电池热电联供系统及其运行方法，包括SOFC电堆、燃料供给系统、空气供给系统、阳极尾气循环系统；该系统采用了阳极尾气循环，搭配燃料预热器，降低了阳极再循环气体的温度，降低了阳极尾气循环泵的选材要求，同时提高了系统发电效率，还省去了水处理系统和水蒸气发生器，避免了给水故障导致的降负荷、停机，提高系统可靠性的同时提高了系统电效率和热效率，省去了燃料预转化反应前的预热器、降低了系统复杂程度和体积。

技术领域

本发明涉及固体氧化物燃料电池技术领域，尤其是一种固体氧化物燃料电池热电联供系统及其运行方法。

背景技术

固体氧化物燃料电池（Solid Oxide Fuel Cell，简称SOFC）是一种不经过燃烧过程直接以电化学反应方式将燃料（如天然气、H₂、合成气、沼气、甲醇等）的化学能直接转化为电能的高效发电装置。相对于传统发电技术，SOFC发电系统具有燃料来源广、发电效率高、无NOx排放、可实现CO₂集中排放等优点。SOFC系统作为一种高效、环保的新型发电设备，在住宅、酒店、医院、学校、办公楼宇、小区、数据中心、通讯基站等民工商业用户分布式电源领域具有广泛应用前景。

常规的以天然气为燃料的SOFC发电系统主要工艺部件包括SOFC电堆、燃料处理系统、空气供应系统、去离子水系统、尾气燃烧系统、换热器系统等。常规的SOFC发电系统采用外重整的SOFC电堆，工作过程中，给水通过去离子水系统和蒸气发生器与脱硫后的燃料混合，经过换热器升温后与进入重整器发生重整反应生成CO和H₂等气体，然后进入电堆的阳极侧发生电化学反应，电堆阳极出口未反应完全的阳极尾气进入到燃烧器中，与电堆阴极出口的空气在燃烧器中混合燃烧，产生的高温烟气主要用于为重整反应提供热量、加热进入系统的常温空气、加热去离子水产生水蒸气、加热燃料等。

根据燃料发生重整反应位置的不同，可以将SOFC电堆分成内重整SOFC电堆和外重整SOFC电堆：燃料混合一定比例的水蒸气在700-800℃条件下经外部重整生成CO和H₂然后进入电堆参与电化学反应，这种电堆为外重整电堆；而对于内重整电堆，燃料只需混合一定量的水蒸气在400-500℃条件下进行预转化反应，将C2、C3等多碳组分转化成C1和H₂，大部分CH₄进入电堆在电堆内部发生重整反应生成CO、H₂并发生电化学反应。这两种SOFC电堆的发电系统都需要一定比例的水蒸气参与重整反应、预转化反应，为防止燃料反应过程中出现积碳影响反应催化剂、电堆的性能，燃气中要混入过量的水蒸气。水蒸气的参与对给水的稳定性、去离子水系统的稳定性、蒸气发生器的性能均提出了较高的要求，不仅增加了系统的复杂程度、系统体积，也使得系统存在给水中断导致负荷下降、停机等风险。

阳极尾气再循环指的是将SOFC电堆阳极尾气中的一部分混入新鲜的燃料，重新进入SOFC电堆参与电化学反应。阳极尾气再循环的优点是：①充分利用了电堆阳极尾气中未完全反应的可燃气体，有助于提高了系统的发电效率；②充分利用阳极尾气中的水蒸气，参与重整反应或者预转化反应，省去了去离子水系统和蒸气发生器，使系统摆脱了对给水的依赖，提高了系统热效率、降低了系统复杂程度和体积。但由于电堆阳极尾气温度较高，现有的气体循环泵很难满足要求，且系统在启动阶段无法利用阳极尾气中的水蒸气。

SOFC因其高效的发电效率和热效率受到了关注，但受限于关键技术发电效率和热效率仍未能达到预期，系统负载、体积较大，系统的可靠性也有待提高。阳极尾气再循环的应用将有效改善这些问题，是SOFC发电技术的发展方向。

发明内容

为解决常规固体氧化物燃料电池热电联供系统对给水依赖性强、系统复杂、体积大等技术问题，本发明提供如下技术方案：

为了实现以上目的，本发明是通过如下技术方案来实现：

本发明的第一目的在于提供一种固体氧化物燃料电池热电联供系统，包括SOFC电堆、燃料供给系统、空气供给系统、阳极尾气循环系统；