[发明专利]一种高效能量耦合的固体氧化物燃料电池发电系统

说明书

本发明公开了一种高效能量耦合的固体氧化物燃料电池发电系统，包括热交换过程、燃料电池发电过程和余热回收过程，热交换过程中产生的重整气作为燃料气，在发电后产生高温尾气返回到热交换部分，催化燃烧剩余的燃料气为燃料气重整反应提供热量；热交换过程中的热空气作为氧化气体在燃料电池发电后，剩余的高温空气返回到热交换部分中与剩余的燃料气发生催化燃烧反应；尾气催化燃烧后则进入余热回收部分，通过冷水进一步吸收尾气的热量，实现余热充分利用。本发明既可以在固体氧化物燃料电池高温运行时保证其可靠稳定运行，还可以实现自热启动及安全停机；大大提高能量利用效率，实现固体氧化物燃料电池的高效、稳定运行及安全可靠重复启动。

技术领域

本发明涉及燃料电池技术领域，尤其涉及一种高效能量耦合的固体氧化物燃料电池发电系统。

背景技术

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，其发电效率可达50％以上，热电联供效率可达80％以上，是降低二氧化碳排放的新型发电装置。固体氧化物燃料电池不仅可以使用氢气燃料，还可以采用资源丰富而且廉价的天然气、液化石油气、燃油及生物质气等含碳化合物作为燃料。

直接采用天然气等含碳化合物作为固体氧化物燃料电池的燃料，其利用效率可得到大大提高。但是，直接将天然气等含碳化合物通入固体氧化物燃料电池，容易导致阳极积碳，降低电催化剂的性能，影响电极内的气体传质，降低电池寿命。因此，在固体氧化物燃料电池发电系统中，天然气等含碳化合物燃料通常要先经过催化重整后，再进入燃料电池发电系统，进行电化学反应。SOFC工作时因电压效率和电流效率不是100％而产生一部分热，电池堆放电产生的热量需要及时移走，防止局部温度过高。固体氧化物燃料电池通常其燃料利用率为60-90％，有10-40％的燃料气作为尾气不能被燃料电池完全利用，如果这部分燃料气直接排出，则会造成很大的浪费，同时电池发电系统的效率也会因此而大大降低。

另外，固体氧化物燃料电池采用的天然气等含碳化合物燃料的催化重整过程是一个在高温下(600-900℃)进行的强吸热反应：CH₄+H₂O→3H₂+CO，ΔH_1073k＝225.7kJ mol^-1，该反应进行需要提供大量的热。因此在固体氧化物燃料电池部分中如何将放热反应和吸热反应很好的耦合对提高系统的总能量利用效率非常重要。

在固体氧化物燃料电池发电系统中，系统的整体设计需要解决以下问题：(1)系统安全可靠的重复启动和稳定运行；(2)重整反应放置在高温热区，以便达到重整反应进行温度；(3)重整反应吸收尾气燃烧产生热量，降低尾气温度，实现系统热量集成；(4)流出电池的燃料尾气要完全转化，以便实现余热高效利用。

发明内容

为解决以上技术问题，本发明公开了一种高效能量耦合的固体氧化物燃料电池发电系统，该发电系统可大大提高固体氧化物燃料电池的能量利用效率，实现固体氧化物燃料电池的高效、稳定运行及安全可靠重复启动。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种高效能量耦合的固体氧化物燃料电池发电系统，该发电系统包括热交换过程、燃料电池发电过程和余热回收过程，其中：

热交换过程在热交换部分中进行，燃料气通过重整燃料进气口进入燃料腔中，再分配到各个燃料重整管，燃料气在燃料重整管内发生重整反应，重整后得到的重整气先进入重整气腔，再经重整气出口排出；空气通过第一空气进气口进入进气空气腔中，再分配到各个空气换热管内进行预热，经预热后的空气进入出气空气腔，再经下方的空气出口排出；