[发明专利]一种MW级固体氧化物燃料电池发电系统的热区结构及其运行方法

说明书

本发明涉及一种MW级固体氧化物燃料电池发电系统的热区结构，包括隔热壳体、两段式空气预热器、脱硫器、蒸汽发生器、预转化器、重整器、燃烧器及相应的气体管道。该热区结构的燃料处理量大、热区空间小，内部装置布置紧凑，同时实现了燃料的处理、空气的预热、尾气的处理和余热利用，可满足以天然气、甲烷、沼气等为燃料的MW级固体氧化物燃料电池发电系统的需求；采用阳极尾气再循环工艺，提高了燃料利用率、降低了水碳比，有助于提高SOFC发电系统的电效率和热效率；采用两段式空气预热器充分利用烟气的空气预热器高温段和空气预热器低温段，有效降低排烟温度、保证SOFC电堆阴极入口空气达到适宜温度。

技术领域

本发明涉及固体氧化物燃料电池技术领域，具体涉及一种MW级固体氧化物燃料电池发电系统的热区结构及其运行方法。

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。

SOFC发电系统主要包括SOFC电堆、燃料系统、空气系统、水处理系统、尾气处理系统、电力传输系统、控制系统等子系统。SOFC发电系统工作过程中，燃料经处理后产生的CO、H₂等气体进入电堆的阳极侧、空气进入电堆的阴极侧，燃料和空气在电堆中进行反应，然后分别从电堆的阳极出口和阴极出口排出，由于SOFC电堆工作温度在600-900℃之间，且电堆对燃料气组分有一定的要求，燃料进入电堆前必须经过脱硫、加湿、催化重整等处理，并提升至接近电堆工作温度才能进入电堆；空气在SOFC电堆中承担参与反应、为电堆散热的功能，进入电堆前温度也需预热至接近电堆工作温度；此外，电堆出口的阳极尾气、阴极空气温度也略高于电堆工作温度，阳极尾气燃烧产生的热、高温空气均可用于燃料进入电堆前的处理和新鲜空气的预热。因此，燃料和空气进出电堆前后的升温和热利用均在高于环境温度的条件下进行，相关设备集中在一个隔热空间内组成所谓的热区，热区的合理设计是保证SOFC系统正常工作、提高系统热效率的关键。

国外SOFC产业化相对成熟的企业主要集中在美国、欧洲和日韩。产品主要是kW级、百kW级，部分公司正在测试的实验装置可达250kW级。BE公司作为SOFC的产业化巨头，典型配置发电功率250kW。英国Ceres Power公司的主要业务包括家用Micro-CHP系统(1～5kW)、固定式发电系统(5～10kW) 及电动车用增程器(30kW)。意大利的Solid Power主营产品是安装超过1000 台1.5kW Blue GEN发电系统。日本的小型家用SOFC热电联供系统最大功率输出约为700W。Fuel Cell Energy公司和三菱重工也分别开发了250kW级大型 SOFC发电系统。我国在SOFC电堆技术方面发展较快，但系统集成方面与国外存在较大差距。国内继上海硅酸盐研究所、华中科技大学开发示范5kW级热电联供系统以来，新奥生态控股股份有限公司、潍柴动力股份有限公司和宁波索福人能源技术有限公司也相继开发出系统样机。

SOFC因其高效的发电效率和热效率，单机功率也将向MW级发展，这对热区的燃料处理量、占地面积和整体热利用也提出了更高的要求。

发明内容

为解决常规固体氧化物燃料电池发电系统热区燃料处理量小、功能部件不够紧凑、空间大、热效率低的技术问题，本发明提供如下技术方案：