[发明专利]固体氧化物燃料电池发电系统及其电池堆

说明书

技术领域

本发明涉及电池发电系统技术领域，尤其涉及一种结构较为简单的固体氧化物燃料电池发电系统的电池堆。本发明还涉及一种具有上述电池堆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是一种新型发电装置，其属于第三代燃料电池，是一种在中、高温下直接将储存在燃料和氧化剂中的化学能高效、环保地转化为电能的全固态化学发电装置。随着固体氧化物燃料电池的技术不断成熟，其被普遍认为是一种将得到广泛普及和应用的燃料电池。

固体氧化物燃料电池主要由阳极、阴极和固体氧化物电解质组成，阳极为燃料发生氧化的场所，阴极为氧化剂被还原的场所，两极均含有加速电极电化学反应的催化剂。固体氧化物燃烧电池工作时相当于直流电源，其阳极即电源负极，阴极为电源正极。在固体氧化物燃料电池的阳极一侧持续通入燃料气，例如氢气(H₂)、甲烷(CH₄)等，具有催化作用的阳极表面吸附燃料气，燃料气通过阳极的多孔结构扩散到阳极与电解质的界面。在阴极一侧持续通入氧气或空气，具有多孔结构的阴极表面吸附氧，由于阴极本身的催化作用，使得氧原子得到电子变为氧离子，在化学势的作用下，氧离子进入起电解质作用的固体氧离子导体中，由于浓度梯度引起扩散，最终到达固体电解质与阳极的界面，与燃料气体发生反应，失去的电子通过外电路回到阴极，从而形成电流。

利用上述原理发电时，空气经过压缩器压缩，克服系统阻力后进入预热器预热，然后通入固体氧化物燃料电池的阴极，而天然气经过压缩机压缩后，克服系统阻力进入混合器，与蒸汽发生器中产生的过热蒸汽混合，混合后的气体进入加热器提升温度后通入燃料电池阳极，阴、阳极气体在电池内发生电化学反应，最后输出电能，产物气体是水蒸气和未用完的氢气和废空气。

在具体的发电系统中，固体氧化物燃料电池通常集成为堆结构，即固体氧化物燃料电池堆。为了提高固体氧化物燃料电池堆的综合发电效率，通常需要利用电池堆发电过程中内部电阻损耗产生的热量及剩余的燃料燃烧产生的热量给制氢系统和进堆空气预热系统提供所需热量，即利用固体氧化物燃料电池堆发电系统的余热将热值较低的天然气转化成热值较高的电池可直接利用的燃料--氢气，并预热进堆前的空气。

固体氧化物燃料电池堆目前主要有平板式、管式两大类基本模式，其中平板式功率密度高，体积小，应用较为广泛。随着美国Bloom Energy公司开发出以标准化、模块化、无压两孔式的固体氧化物燃料电池堆为基本单元的100千瓦级天然气高温固体氧化物燃料电池堆热区发电系统，高温固体氧化物燃料电池堆发电技术正式进入市场化阶段。Bloom Energy公司的无压两孔式、模块化的电池堆为双孔结构，即具有燃料气进口和燃料气出口，空气通过敞开式结构进入该电池堆。Bloom Energy公司以两孔模块化固体氧化物燃料电池堆为基础开发了集成式热区发电系统，有一拖二(一块布气板同时给上下两个电池堆供气)的三明治夹层结构的布气板，与八个电池堆纵向排成一列，每八列电池堆再呈环形排布在重整制氢管道周围，中间是燃料气管路，呈多层套筒状分布，最外夹层是套筒式空气预热层。该固体氧化物燃料电池堆的燃料尾气需要用导管导出发电热区后再进入专门的尾气燃烧器燃烧，同时固体氧化物燃料电池堆内部电路损耗产生的余热也要利用在天然气重整制氢、空气预热过程中。目前固体氧化物燃料电池堆发电系统多采用外置尾气燃烧器，外置启动燃烧器的方法启动电池堆发电系统和维持其正常运行，或者采用一个由复杂控制系统控制，并将启动燃烧、尾气燃烧合二为一的燃烧器，进堆的空气预热则采用各种热交换方式。

上述固体氧化物燃料电池堆具有两个孔，分别为燃料气进口和燃料气出口，即尾气需要导出到热区系统外燃烧后再导入热区加热系统，造成固体氧化物燃料电池发电系统管路复杂，进而导致天然气进气阻力较大，若用普通城市管道入户天然气则需用增压泵增压，管路散热损耗大。

另一方面，上述固体氧化物燃料电池堆还存在以下问题：第一，尾气热交换紧贴热区，热交换效率不高，余热利用率较低；第二，电池堆热区结构复杂，可纵向拓展，但横向拓展较为有限且困难；第三，固体氧化物燃料电池堆阵列为串联结构，电池堆串联后并联，一个电池堆损坏(通常的损坏会使得此堆内部断路)，即可导致与之串联的一串堆不能输出电流，可靠度不高；第四，电池堆纵向阵列在从低温到高温的升温过程中高度会发生变化，气体管路需随之伸缩，而纵向布气板间的现有管路采用波纹金属管连接，实际制作、安装繁琐，可靠度较低。

综上所述，如何简化固体氧化物燃料电池发电系统的结构，已成为本领域技术人员亟待解决的技术难题。