一種帶天然氣重整制氫的sofc獨立發電系統的制作方法
【專利摘要】一種帶天然氣重整制氫的SOFC獨立發電系統，包括燃料供應子系統、空氣供應子系統、SOFC電堆子系統、尾氣回收子系統和電能利用子系統，所述燃料供應子系統與SOFC電堆子系統相連接，所述尾氣回收子系統與SOFC電堆子系統和空氣供應子系統分別連接，所述SOFC電堆子系統與電能利用子系統相連接。SOFC電堆子系統通過與尾氣燃燒系統連接，從而隨著尾氣一起排出的未被利用的氫氣和一氧化碳合成氣就能夠在尾氣回收子系統中被充分的燃燒，形成二氧化碳和水蒸氣后被排出，從而避免了對環境造成污染。由于，該種帶重整的SOFC獨立發電系統具有燃料取材便利，且污染少等特點，因此，適合于家庭、公司等各種場所。
【專利說明】
一種帶天然氣重整制氫的SOFC獨立發電系統
技術領域
[0001]本發明涉及燃料電池領域，特別涉及一種帶有重整的SOFC獨立發電系統。
【背景技術】
[0002]固體氧化物燃料電池(SolidOxide Fuel Cell，簡稱S0FC)屬于第三代燃料電池，是一種在中高溫下直接將儲存在燃料和氧化劑中的化學能高效、環境友好地轉化成電能的全固態化學發電裝置。被普遍認為是在未來會與質子交換膜燃料電池(PEMFC)—樣得到廣泛普及應用的一種燃料電池。
[0003]而這種燃料電池一般情況下都需要外界直接提供氫氣來作為燃料，而現有技術中由于氫氣的運輸儲存存在著諸多不便，因此，也就大大限制了該種燃料電池的使用范圍。為此，部分企業設計了帶有重整器的SOFC發電系統，如申請號為201110353046.8的中國專利《一種SOFC系統用耦合型重整反應器及發電系統》，公開了一種應用了 SOFC系統用耦合重整反應器的發電系統。
[0004]雖然，該種系統利用天然氣和水蒸氣來進行重整得到氫氣和一氧化碳的合成氣，解決了直接利用氫氣來作為原料的局限性，所以得到了有效的推廣。
[0005]但是，由于重整后的氫氣和一氧化碳的合成氣進入SOFC系統中往往都不可能被完全的利用，從而就會隨著尾氣一起從SOFC系統中排出，進而不僅會造成對大氣的污染，同時也會造成能源的浪費。
【發明內容】
[0006]本發明的目的在于提供一種能效利用率高的帶重整的SOFC獨立發電系統。
[0007]本發明的上述目的是通過以下技術方案得以實現的:一種帶天然氣重整制氫的SOFC獨立發電系統，包括燃料供應子系統、空氣供應子系統、SOFC電堆子系統、尾氣回收子系統和電能利用子系統，所述燃料供應子系統與SOFC電堆子系統相連接，所述尾氣回收子系統與SOFC電堆子系統和空氣供應子系統分別連接，所述SOFC電堆子系統與電能利用子系統相連接。
[0008]SOFC電堆子系統通過與尾氣燃燒系統連接，從而隨著尾氣一起排出的未被利用的氫氣和一氧化碳合成氣就能夠在尾氣回收子系統中被充分的燃燒，形成二氧化碳和水蒸氣后被排出，從而避免了對環境造成污染。由于，該種帶重整的SOFC獨立發電系統具有燃料取材便利，且污染少等特點，因此，適合于家庭、公司等各種場所。
[0009]作為優選，所述燃料供應子系統包括天然氣重整器，所述天然氣重整器與SOFC電堆子系統相連接。
[0010]通過天然氣重整器重整后能夠有效地將天熱氣和水轉化為氫氣和一氧化碳的合成氣，由于天然氣輸送和儲存都比較的便捷，所以有效地解決了氫氣無法長途運輸和存儲的麻煩。
[0011]作為優選，所述尾氣回收子系統包括蒸發器、熱交換室和燃燒室，所述SOFC電堆子系統與所述燃燒室相連接，所述燃燒室依次與熱交換室和蒸發器相連接，并且燃燒室的出煙管穿過天然氣重整器。
[0012]作為優選，所述燃料供應子系統的進料管經過所述蒸發器，所述進料管與進水管和燃料管分別連通，所述燃料管還與燃燒室相連通。
[0013]燃燒室通過催化燃燒電堆未反應完全的燃料氣體得到溫度更高的煙氣，然后進入多級熱交換室預熱空氣，最后進入蒸發器預熱甲烷和水，得到較高溫度的水蒸氣和甲烷，從而較高溫度的甲烷和水蒸氣能夠比較快速的在天然氣重整器中發生重整，生成氫氣和一氧化碳。并且燃燒室的出煙管首先還穿過了天然氣重整器，這樣其為天然氣重整器的重整過程提供了熱量，從而提高了煙氣熱能的利用率。
[0014]作為優選，所述空氣供應子系統包括鼓風機，所述鼓風機通過出風管一和出風管二分別與燃燒室和SOFC電堆子系統相連接。
[0015]作為優選，所述出風管二經過熱交換室。
[0016]由于出風管二是與SOFC電堆子系統相連接的，所以其可以有效地提高進入到SOFC電堆子系統中空氣的溫度，這樣有助于提高空氣與氫氣和一氧化碳合成氣在SOFC電堆子系統中的反應速率，并且進一步提高了煙氣熱量的利用效率。
[0017]作為優選，所述熱交換室與所述SOFC電堆子系統之間設有混合器，所述出風管一的冷空氣旁路管道與出風管二通過混合器相連接，所述出風管一的冷空氣旁路管道上設有調節閥。
[0018]經過冷空氣旁路管道進入混合器和從熱交換室出來的換熱后的空氣混合，這樣做的目的更為直接地調節進入電堆空氣的溫度，使得對系統溫度的調節手段更為靈活。為了保證電堆溫度在安全范圍內，而一般鼓入的空氣都是過量的，過量比AR—般取值為6?12。
[0019]作為優選，還包括熱能回收利用子系統，所述熱能回收利用子系統與所述蒸發器相連接。
[0020]作為優選，所述熱能回收利用子系統包括換熱器和熱水存儲水箱，所述蒸發器依次連接換熱器和熱水存儲水箱。
[0021]從蒸發器出來的氣體仍然具有較高溫度，熱能回收子系統通過對尾氣的熱量回收與存儲達到提高系統整體熱電效率的目的。熱能回收利用子系統利用常溫自來水循環回收煙氣的熱量，得到較高溫度的熱水作為用戶日常熱水消耗。
[0022]作為優選，所述電能利用子系統包括功率變換器和儲能單元。
[0023]由于SOFC發出的直流電具有低電壓大電流的特性，不能夠直接使用，必須經過DC/DC轉換、DC/AC轉換得到220V交流電才能提供給外部負載使用。
[0024]綜上所述，本發明具有以下有益效果:
1.將SOFC電堆子系統燃燒完后的尾氣通入到尾氣回收子系統中，從而就可以充分的對尾氣進行燃燒，使得最終排出的尾氣為水蒸氣和二氧化碳，進而不利于對大氣造成污染；
2.未燃燒氣體在尾氣回收子系統中還經過了天熱氣重整器、熱交換室、和蒸發器，這樣尾氣中所攜帶的熱量能夠重新被回收，從而提供了整個系統的能源利用的效率；
3.尾氣在最后排出前還會經過熱能回收利用子系統，這樣便將尾氣的余溫進行了最后一步的回收，從而整個系統的熱量回收率可以高到90%?95%。
【附圖說明】
[0025]圖1是帶天然氣重整制氫的SOFC獨立發電系統的結構示意圖。
[0026]圖中，1、燃料供應子系統；11、天然氣重整器；12、進料管；13、進水管；14、燃料管；
2、空氣供應子系統;21、鼓風機;22、出風管一;23、出風管二; 24、混合器;25、調節閥；3、SOFC電堆子系統;4、尾氣回收子系統;41、蒸發器;42、熱交換室;43、燃燒室;44、出煙管;5、電能利用子系統;51、功率變換器;52、儲能單元;6、熱能回收利用子系統;61;換熱器;62、熱水存儲水箱。
【具體實施方式】
[0027]以下結合附圖1對本發明作進一步詳細說明。
[0028]一種帶天然氣重整制氫的SOFC獨立發電系統，包括燃料供應子系統1、空氣供應子系統2、S0FC電堆子系統3、尾氣回收子系統4、電能利用子系統5和熱能回收利用子系統6。
[0029]燃料供應子系統I包括天然氣重整器11，天然氣重整器11與進料管12相連通，進料管12分別與進水管13和燃料管14相連通，天然氣重整器11的出氣管與SOFC電堆子系統3相連接。
[0030]尾氣回收子系統4包括蒸發器41、熱交換室42和燃燒室43，其中此處的熱交換室42為多級型的，SOFC電堆子系統3的未燃燒氣體管道與燃燒室43相連通，燃料供應子系統I中的燃料管14的旁路與燃燒室43相連通，用于為燃燒室43提供燃料，從而便于未燃燒氣體在燃燒室43中發生催化氧化的反應。并且，燃燒室43的出煙管44穿過燃料供應子系統I的天然氣重整器11后還依次與熱交換室42及蒸發器41相連通。而燃料供應子系統I中的進料管12穿過蒸發器41，從而利用煙氣的熱量能夠對水和甲烷進行預熱，得到較高溫度的水蒸氣和甲烷。
[0031]空氣供應子系統2包括鼓風機21，鼓風機21的出風管一22和燃燒室43直接相連接，鼓風機21的出風管二23穿過熱交換室42后與SOFC電堆子系統3相連接，由于空氣和氫氣以及一氧化碳在SOFC電堆子系統3中發生電極反應，需要有較高的溫度，而煙氣的熱量剛好為他們提供了熱能，從而有效地回收了煙氣的部分熱量，又有利于提高SOFC電堆子系統3的反應效率。
[0032]另外，出風管一22的冷空氣旁路管道與出風管二23通過混合器24相連通，并且出風管一 22的冷空氣旁路管道上設有調節閥25。
[0033]經過冷空氣旁路管道進入混合器24和從熱交換室42出來的換熱后的空氣混合，這樣做的目的更為直接地調節進入電堆空氣的溫度，使得對系統溫度的調節手段更為靈活。為了保證電堆溫度在安全范圍內，而一般鼓入的空氣都是過量的，過量比AR—般取值為6?
12ο
[0034]而電能利用子系統5內包括了功率變換器51和儲能單元52，SOFC電堆子系統3通過線路與功率變換器51相連接，由于SOFC發出的直流電具有低電壓大電流的特性，不能夠直接使用，必須經過DC/DC轉換、DC/AC轉換得到220V交流電才能提供給外部負載使用。
[0035]由于經過蒸發器41后的煙氣還有比較高的溫度，所以蒸發器41還與熱能回收利用子系統6中的換熱器61相連通用于加熱常溫的水，之后最終的尾氣會被排至空氣中，而被加熱的常溫的水會被輸送至熱水存儲水箱62儲存起來，以便供家庭人員的生活起居所使用。
[0036]整個重整的SOFC獨立發電系統是在隔熱的狀態下進行工作。
[0037]實施例一、
進料管12中水的流量為0.7 2m3/h，甲烷的流量為224m3/h，從SOFC電堆子系統3中出來的未燃燒氣體所攜帶的熱量與其在常溫狀態下的差值為5.0336 X 107J/h，而最終排出的尾氣攜帶的熱量與其在常溫狀態下的差值為3.52352 X 106J/h，熱量的回收率為93%。
[0038]實施例二、
進料管12中水的流量為0.54 m3/h，甲烷的流量為224 m3/h，從SOFC電堆子系統3中出來的未燃燒氣體所攜帶的熱量與其在常溫狀態下的差值為3.7752 X 17JA，而最終排出的尾氣攜帶的熱量與其在常溫狀態下的差值為3.02016 X 106J/h，熱量的回收率為92%。
[0039]實施例三、
進料管12中水的流量為0.81 m3/h，甲烷的流量為224 m3/h，從SOFC電堆子系統3中出來的未燃燒氣體所攜帶的熱量與其在常溫狀態下的差值為5.09652 X 107J/h，而最終排出的尾氣攜帶的熱量與其在常溫狀態下的差值為3.05791 X 106J/h，熱量的回收率為94%。
[0040]實施例四、
進料管12中水的流量為0.9 m3/h，甲烷的流量為224 m3/h，從SOFC電堆子系統3中出來的未燃燒氣體所攜帶的熱量與其在常溫狀態下的差值為6.292 X 107J/h，而最終排出的尾氣攜帶的熱量與其在常溫狀態下的差值為6.292 X 106J/h，熱量的回收率為90%。
[0041 ] 實施例五、
進料管12中水的流量為0.846 m3/h，甲烷的流量為224 m3/h，從SOFC電堆子系統3中出來的未燃燒氣體所攜帶的熱量與其在常溫狀態下的差值為5.4112 X 107J/h，而最終排出的尾氣攜帶的熱量與其在常溫狀態下的差值為4.8700 X 106J/h，熱量的回收率為91%。
[0042]實施例六、
進料管12中水的流量為0.63 m3/h，甲烷的流量為224 m3/h，從SOFC電堆子系統3中出來的未燃燒氣體所攜帶的熱量與其在常溫狀態下的差值為5.22236 X 107J/h，而最終排出的尾氣攜帶的熱量與其在常溫狀態下的差值為2.6112 X 106J/h，熱量的回收率為95%。
[0043]從上述實施例一至實施例六可得，整個系統的熱量回收率為90%?95%。
[0044]本具體實施例僅僅是對本發明的解釋，其并不是對本發明的限制，本領域技術人員在閱讀完本說明書后可以根據需要對本實施例做出沒有創造性貢獻的修改，但只要在本發明的權利要求范圍內都受到專利法的保護。
【主權項】
1.一種帶天然氣重整制氫的SOFC獨立發電系統，其特征在于:包括燃料供應子系統(I)、空氣供應子系統(2)、S0FC電堆子系統(3)、尾氣回收子系統(4)和電能利用子系統(5)，所述燃料供應子系統(I)與SOFC電堆子系統(3)相連接，所述尾氣回收子系統(4)與SOFC電堆子系統(3)和空氣供應子系統(2)分別連接，所述SOFC電堆子系統(3)與電能利用子系統(5)相連接。2.根據權利要求1所述的一種帶天然氣重整制氫的SOFC獨立發電系統，其特征在于:所述燃料供應子系統(I)包括天然氣重整器(11 )，所述天然氣重整器(11)與SOFC電堆子系統(3)相連接。3.根據權利要求2所述一種帶天然氣重整制氫的SOFC獨立發電系統，其特征在于:所述尾氣回收子系統(4)包括蒸發器(41)、熱交換室(42)和燃燒室(43)，所述SOFC電堆子系統(3)與所述燃燒室(43)相連接，所述燃燒室(43)依次與熱交換室(42)和蒸發器(41)相連接，并且燃燒室(43)的出煙管(44)穿過天然氣重整器(11)。4.根據權利要求3所述的一種帶天然氣重整制氫的SOFC獨立發電系統，其特征在于:所述燃料供應子系統(I)的進料管(12)經過所述蒸發器(41)，所述進料管(12)與進水管(13)和燃料管(14)分別連通，所述燃料管(14)還與燃燒室(43)相連通。5.根據權利要求4所述的一種帶天然氣重整制氫的SOFC獨立發電系統，其特征在于:所述空氣供應子系統(2)包括鼓風機(21)，所述鼓風機(21)通過出風管一(22)和出風管二(23)分別與燃燒室(43)和SOFC電堆子系統(3)相連接。6.根據權利要求5所述的一種帶天然氣重整制氫的SOFC獨立發電系統，其特征在于:所述出風管二 (23)經過熱交換室(42)。7.根據權利要求6所述的一種帶天然氣重整制氫的SOFC獨立發電系統，其特征在于:所述熱交換室(42)與所述SOFC電堆子系統(3)之間設有混合器(24)，所述出風管一(22)的冷空氣旁路管道與出風管二 (23)通過混合器(24)相連接，所述出風管一 (22)的冷空氣旁路管道上設有調節閥(25)。8.根據權利要求7所述的一種帶天然氣重整制氫的SOFC獨立發電系統，其特征在于:還包括熱能回收利用子系統(6)，所述熱能回收利用子系統(6)與所述蒸發器(41)相連接。9.根據權利要求8所述的一種帶天然氣重整制氫的SOFC獨立發電系統，其特征在于:所述熱能回收利用子系統(6)包括換熱器(61)和熱水存儲水箱(62)，所述蒸發器(41)依次連接換熱器(61)和熱水存儲水箱(62 )。10.根據權利要求9所述的一種帶天然氣重整制氫的SOFC獨立發電系統，其特征在于:所述電能利用子系統(5)包括功率變換器(51)和儲能單元(52)。
【文檔編號】H01M8/06GK106058287SQ201610485724
【公開日】2016年10月26日
【申請日】2016年6月27日
【發明人】劉昌利, 李曦
【申請人】南京特億達新能源科技有限公司