[发明专利]一种高效固体氧化物燃料电池系统

说明书

本发明公开了一种高效固体氧化物燃料电池系统，包括原料供给单元、燃料重整单元、燃料换热器、电堆单元、尾气燃烧室、空气换热器和冷却单元。本发明通过所述高效固体氧化物燃料电池系统，将系统反应产生的尾气热量始终约束在系统内，使其充分循环利用，进而提高了系统整体效率；同时通过在燃料重整器中设置相互独立的燃料室和供热室，使燃料重整单元的温度更易于独立控制，进而降低了系统耦合度。

技术领域

本发明涉及燃料电池领域，特别是一种高效固体氧化物燃料电池系统。

背景技术

目前，固体氧化物燃料电池(简称SOFC)是一种工作在600～800℃的绿色、高效能量转换装置，通过电化学反应能够直接将碳氢化合物中的化学能转化为电能，没有燃烧与机械传动，因而具有安静、清洁、高效等优点，被誉为21世纪最具前景的绿色发电技术之一。平板式SOFC因具有高能比、易组装等优点而成为SOFC技术应用的主流。

SOFC较高的工作温度为其带来了燃料广泛适应性、高品位尾气热能等优点，可使用天然气、煤气、沼气、生物质等燃料，并且可与涡轮机(GT)等部件形成混合发电系统或热电联供系统，系统效率可达80％以上。然而，高温也带来了极具挑战的控制问题。影响系统工作性能及寿命的约束条件主要有：电池片的最大温度梯度、电池片的最大工作温度、燃烧室温度、重整器温度以及电堆入口气体温差。其中电池片的最大温度梯度、最大工作温度和重整器温度是影响电池片性能及寿命的主要原因，而燃烧室温度过高能够导致BOP系统材料老化，缩减系统寿命。

独立SOFC系统应该包括SOFC电堆单元、空气供给单元、燃料供给单元、尾气回收单元、电管理单元和控制单元实现系统从启动到稳定最优运行的功能。美国专利US6608463B1、US7001682B2就公开了一种比较完整的SOFC系统，该系统具有电堆单元、空气供给单元、燃料供给单元、尾气回收单元，但该系统却存在如下缺陷：1.独立的启动燃烧室和尾气燃烧室，启动燃烧室为系统进行预热，这样的设计使得系统部件增加，体积增大，并且增加了成本与控制复杂度。2.该系统通过调节进入尾气燃烧室的电堆阴极入口气体流量来调节温度，这样使得系统必须提供能够耐800℃以上高温的调节阀来控制流量，因此系统需要昂贵的高温调节阀，增加了成本。而且由于电堆阴极尾气的温度较高、可调流量有限，对尾气燃烧室温度的控制效果欠佳。3.尾气燃烧室出来的烟气预热空气和重整器之后温度可能只有300～400℃，然后再通入电堆进行预热会导致两个问题，a.电堆工作温度一般在600～900℃，这样系统排出的尾气温度将可能非常高，b.预热电堆的尾气温度太低，会导致电堆工作温度下降。具体地，中国专利CN1685552A、CN1151575C、CN100342578C及美国专利US7056611B2中均未考虑完整的SOFC系统，系统中的尾气未能充分地循环利用，无法保证电堆高效、长寿命地运行。此外，中国专利CN201310104574虽然考虑了完整的SOFC结构，但是气体的流通方式明显增加了系统的耦合性。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种高效固体氧化物燃料电池系统，用于解决现有固体氧化物燃料电池系统中尾气热量未能充分循环利用且系统耦合度较高的问题。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种高效固体氧化物燃料电池系统包括原料供给单元、燃料重整单元、燃料换热器、电堆单元、尾气燃烧室、空气换热器和冷却单元；原料供给单元通过管道经燃料重整单元与燃料换热器连接，燃料换热器的燃料输出端与电堆单元的阳极输入端通过管道连接，燃料换热器的空气输出端与电堆单元的阴极输入端通过管道连接；电堆单元的阳极输出端与尾气燃烧室的第一输入端通过管道连接，电堆单元的阴极输出端和原料供给单元的空气输出端均与尾气燃烧室的第二输入端通过管道连接；空气换热器的空气输入端与原料供给单元的空气输出端通过管道连接，且空气换热器的空气输出端与燃料换热器的空气输入端通过管道连接，空气换热器的尾气输入端与尾气燃烧室的输出端通过管道连接，且空气换热器的尾气输出端与冷却单元通过管道连接。