CN106356540B - 一种碟式聚光型的固体氧化物燃料电池发电系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种碟式聚光型的固体氧化物燃料电池发电系统，该系统利用旋转抛物面碟式聚光器对太阳能进行聚焦获得高温以补充固体氧化物燃料电池发电系统的燃料碳氢化合物的外部蒸汽重整和空气预热所需要的热量，本发明的有益效果是利用了固体氧化物燃料电池尾气中的能量和可再生能源太阳能，提高了固体氧化物燃料电池发电系统的发电效率，实现了节能减排。
Description
技术领域
本发明涉及固体氧化物燃料电池发电技术领域，具体涉及一种碟式聚光型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运行温度高(700～1000℃)，可以直接采用碳氢化合物作为燃料，这些碳氢化合物通常需要被重整为氢和一氧化碳，然后在电池堆阳极侧发生电化学氧化反应，同时产生电能和高温热能。然而，碳氢化合物外部蒸汽重整是一种吸热量很大的反应，会显著降低电池阳极侧入口燃料温度，影响电池发电量，同时空气进入电池堆阴极侧前至少要加热到500℃以避免热冲击，因此也对热量有所需求。
发明内容
针对上述现有技术的不足，本发明提供了一种碟式聚光型的固体氧化物燃料电池发电系统，能够解决固体氧化物燃料电池发电系统的燃料的外部蒸汽重整和空气预热对热量的需求的问题。
为实现上述目的，被发明采用如下技术方案：
一种碟式聚光型的固体氧化物燃料电池发电系统，包括外部重整室、第一换热器、第二换热器、阳极风机、固体氧化物燃料电池、阴极风机、第三换热器、甲烷气源、冷凝器、第四换热器、空气源、第五换热器、燃烧室、太阳能吸热器、旋转抛物面碟式聚光器；
所述外部重整室的出口与第一换热器的入口通过管道连通，所述第一换热器的出口与第二换热器的入口通过管道连通，所述第二换热器的出口与阳极风机的入口通过管道连通，所述阳极风机的出口与第一换热器的入口通过管道连通，所述第一换热器的出口与固体氧化物燃料电池的阳极入口通过管道连通，所述固体氧化物燃料电池的阳极出口分别与外部重整室的入口和第一换热器的入口通过管道连通，所述第一换热器的出口与冷凝器的入口通过管道连通，所述阴极风机的出口与第三换热器的入口通过管道连通，所述第三换热器的出口与固体氧化物燃料电池的阴极入口通过管道连通，所述固体氧化物燃料电池的阴极出口与第三换热器的入口通过管道连通；
所述甲烷气源的出口与冷凝器的入口通过管道连通，所述冷凝器的出口与第四换热器的入口通过管道连通，所述第四换热器的出口通过管道与固体氧化物燃料电池的阳极出口和外部重整室的入口之间的管道连通，所述空气源和第五换热器的入口通过管道连通，所述第五换热器的出口和阴极风机的入口通过管道连通，所述第三换热器的出口和燃烧室的入口通过管道连通，所述冷凝器的出口和燃烧室的入口通过管道连通，所述燃烧室的出口和位于旋转抛物面碟式聚光器焦点处的太阳能吸热器的入口通过管道连通，所述太阳能吸热器的出口和第四换热器的入口通过管道连通，所述第四换热器的出口和第五换热器的入口通过管道连通，所述第五换热器的出口作为废气排放出口。
进一步的，所述甲烷气源采用天然气管道来供气。
进一步的，所述第一换热器、第二换热器、第三换热器、冷凝器、第四换热器、第五换热器均为板式换热器。
进一步的，所述阳极风机采用旋涡风机。
进一步的，所述阴极风机采用离心风机。
进一步的，所述太阳能吸热器采用蜂窝状的陶瓷泡沫结构。
进一步的，所述旋转抛物面碟式聚光器的反射表面为涂层为铝或银的玻璃或涂层为铝或银的塑料。
进一步的，所述旋转抛物面碟式聚光器通过机械结构支撑并安装在地面附近，安装位置处的最大太阳直射辐射强度不低于800W/m2，同时聚光器采用双轴跟踪。
本发明的有益效果是：1、利用了固体氧化物燃料电池尾气中的能量；2、利用了可再生能源太阳能；3、提高了固体氧化物燃料电池发电系统的发电效率；4、实现了节能减排。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
其中：1、甲烷气源；2、冷凝器；3、换热器；4、外部重整室；5、换热器；6、换热器；7、阳极风机；8、固体氧化物燃料电池；9、空气源；10、换热器；11、阴极风机；12、换热器；13、燃烧室；14、太阳能吸热器；15、旋转抛物面碟式聚光器。
具体实施方式
如图1所示的一种碟式聚光型的固体氧化物燃料电池发电系统，包括外部重整室4、第一换热器5、第二换热器6、阳极风机7、固体氧化物燃料电池8、阴极风机11、第三换热器12、甲烷气源1、冷凝器2、第四换热器3、空气源9、第五换热器10、燃烧室13、太阳能吸热器14、旋转抛物面碟式聚光器15；所述外部重整室4的出口与第一换热器5的入口通过管道连通，所述第一换热器5的出口与第二换热器6的入口通过管道连通，所述第二换热器6的出口与阳极风机7的入口通过管道连通，所述阳极风机7的出口与第一换热器5的入口通过管道连通，所述第一换热器5的出口与固体氧化物燃料电池8的阳极入口通过管道连通，所述固体氧化物燃料电池8的阳极出口分别与外部重整室4的入口和第一换热器5的入口通过管道连通，所述第一换热器5的出口与冷凝器2的入口通过管道连通，所述阴极风机11的出口与第三换热器12的入口通过管道连通，所述第三换热器12的出口与固体氧化物燃料电池8的阴极入口通过管道连通，所述固体氧化物燃料电池8的阴极出口与第三换热器12的入口通过管道连通；
甲烷气源1的出口与冷凝器2的入口通过管道连通，所述冷凝器2的出口与第四换热器3的入口通过管道连通，所述第四换热器3的出口通过管道与固体氧化物燃料电池8的阳极出口和外部重整室4的入口之间的管道连通，所述空气源9的出口和第五换热器10的入口通过管道连通，所述第五换热器10的出口和阴极风机11的入口通过管道连通，所述第三换热器12的出口和燃烧室13的入口通过管道连通，所述冷凝器2的出口和燃烧室13的入口通过管道连通，所述燃烧室13的出口和位于旋转抛物面碟式聚光器15焦点处的太阳能吸热器14的入口通过管道连通，所述太阳能吸热器14的出口和第四换热器3的入口通过管道连通，所述第四换热器3的出口和第五换热器10的入口通过管道连通。第五换热器10的出口作为废气排放出口。
冷凝器2用于冷凝阳极尾气并除去其中的水使其易于燃烧，它是一种换热器，采用板式换热器，阳极尾气通过冷凝器2把热量传给甲烷气源1流出的常温甲烷以实现尾气热量回收。
第四换热器3采用板式换热器，用于把从太阳能吸热器14获得太阳能的高温混合气的热量传递给甲烷使其进一步升温。
外部重整室4用于为甲烷的蒸汽重整反应提供场所，它的外部进行保温绝热处理，里面的泡沫金属结构上安装贵金属重整催化剂如铂等。
第一换热器5采用板式换热器，用于将阳极尾气和外部重整室4出来的气体的热量传递给从阳极风机7出来即将进入固体氧化物燃料电池8的气体。
第二换热器6采用板式换热器，用于进一步冷却阳极入口气体，因为阳极风机7的入口气体有温度限制。
阳极风机7采用旋涡风机，用于提升从第二换热器6出来的气体压力，将其吹入固体氧化物燃料电池8的阳极。
固体氧化物燃料电池8用于将燃料的化学能转化为电能的装置，由阳极、电解质和阴极组成，阳极材料是镍-氧化锆混合物，电解质材料是氧化钇稳定的氧化锆，阴极材料是镧锶钴铁。
空气源9用于为固体氧化物燃料电池发电系统提供阴极氧化剂，可直接从周围环境的空气中获取。
第五换热器10采用板式换热器，用于预热空气源9输送来的常温空气的，所得的热量来自经过第四换热器3后气体中剩余的由太阳能转化得来的热能。
阴极风机11采用离心风机，用于提升从第五换热器10出来的气体压力，将其吹入第三换热器12。
第三换热器12采用板式换热器，用于在空气进入固体氧化物燃料电池8的阴极前进一步加热空气到至少500℃，以避免热冲击。
燃烧室13用于提供阳极尾气和阴极尾气燃烧的场所以进一步释放阳极尾气中残留的燃料的能量，由壳体、隔热层、点火装置等组成。
太阳能吸热器14用于吸收旋转抛物面碟式聚光器15聚集而来的太阳能并把它转化为从燃烧室13出来的混合气体的热能，采用蜂窝状的陶瓷泡沫结构。
旋转抛物面碟式聚光器15用于把太阳光线聚集到太阳能吸热器14上以获取高温热能，理想的形状是旋转抛物面，实际应用中也可以许多面镜子来近似得到一个旋转抛物面，反射表面采用铝或银沉积在玻璃或塑料上实现。
本发明具体工作流程为：甲烷气源1提供燃料，可以采用天然气管道来供气，但要对天然气进行脱硫以防止阳极和重整催化剂中毒。甲烷(温度25℃)以0.275摩尔/分钟的流量被输送到冷凝器2，通过换热除掉阳极尾气中的大部分水的同时甲烷气流被加热至300℃，压力不变，随后升温的甲烷被输送至第四换热器3获得来自太阳能吸热器14中的高温混合气传递来的热量并被加热至600℃得到高温甲烷，压力不变。然后高温甲烷加入高温阳极循环气中并被输送至外部重整室4，重整后的气流(温度557℃)进入第一换热器5降温至200℃，再经过第二换热器6进一步降温至145℃，然后进入阳极风机7，这一过程中压力提高约4kPa然后再进入第一换热器5后升温至543℃。升温后的气流进入固体氧化物燃料电池堆8的阳极侧，反应出来的气流(温度765℃)被分离为两股，一股是用于再循环并与甲烷燃料气流混合进入外部重整室4，所占比例为86％，另一股为阳极尾气，所占比例为14％。
阳极尾气随后进入第一换热器5降温至200℃，再通过冷凝器2除水后进一步降温至25℃，随后与阴极尾气在燃烧室13反应释放残留的化学能得到混合气(温度220℃)。混合气进入一个位于旋转抛物面碟式聚光器15焦点处的太阳能吸热器14并吸收太阳能升温至650℃，其中旋转抛物面碟式聚光器15通过机械结构支撑并安装在地面附近，安装位置处的最大太阳直射辐射强度不低于800W/m2，同时聚光器采用双轴跟踪。
随后太阳能吸热器14出来的高温混合气通过第四换热器3将热量传递给甲烷气流，然后再通过第五换热器10预热空气源9输送过来的常温空气，最终混合气变为废气并被排放。空气源9提供的空气气流通过第五换热器10被预热到90℃，随后进入阴极风机11，这一过程中压力提高约1.5kPa，温度提高到102℃，然后空气气流进入第三换热器12获得来自阴极出口气流的热量升温至727℃得到阴极入口气流，阴极入口气流随后进入固体氧化物燃料电池堆8的阴极，反应出来得到的阴极出口气流(温度750℃)通过第三换热器12将热量传给空气气流后得到阴极尾气(温度110℃)。随后阴极尾气进入燃烧室13与阳极尾气发生反应。
最终，本发明的总发电量为2562W，减去阳极风机7和阴极风机11的功耗后，净发电量为2135W，净效率达58.2％。
本发明具体实现该技术方案的方法和途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。
Claims (8)
1.一种碟式聚光型的固体氧化物燃料电池发电系统，包括甲烷气源(1)、冷凝器(2)、第四换热器(3)、外部重整室(4)、第一换热器(5)、第二换热器(6)、阳极风机(7)、固体氧化物燃料电池(8)、空气源(9)、第五换热器(10)、阴极风机(11)、第三换热器(12)、燃烧室(13)、太阳能吸热器(14)、旋转抛物面碟式聚光器(15)；
所述外部重整室(4)的出口与第一换热器(5)的入口通过管道连通，所述第一换热器(5)的出口与第二换热器(6)的入口通过管道连通，所述第二换热器(6)的出口与阳极风机(7)的入口通过管道连通，所述阳极风机(7)的出口与第一换热器(5)的入口通过管道连通，所述第一换热器(5)的出口与固体氧化物燃料电池(8)的阳极入口通过管道连通，所述固体氧化物燃料电池(8)的阳极出口分别与外部重整室(4)的入口和第一换热器(5)的入口通过管道连通，所述第一换热器(5)的出口与冷凝器(2)的入口通过管道连通，所述阴极风机(11)的出口与第三换热器(12)的入口通过管道连通，所述第三换热器(12)的出口与固体氧化物燃料电池(8)的阴极入口通过管道连通，所述固体氧化物燃料电池(8)的阴极出口与第三换热器(12)的入口通过管道连通；
其特征在于：所述甲烷气源(1)的出口与冷凝器(2)的入口通过管道连通，所述冷凝器(2)的出口与第四换热器(3)的入口通过管道连通，所述第四换热器(3)的出口通过管道与固体氧化物燃料电池(8)的阳极出口和外部重整室(4)的入口之间的管道连通，所述空气源(9)和第五换热器(10)的入口通过管道连通，所述第五换热器(10)的出口和阴极风机(11)的入口通过管道连通，所述第三换热器(12)的出口和燃烧室(13)的入口通过管道连通，所述冷凝器(2)的出口和燃烧室(13)的入口通过管道连通，所述燃烧室(13)的出口和位于旋转抛物面碟式聚光器(15)焦点处的太阳能吸热器(14)的入口通过管道连通，所述太阳能吸热器(14)的出口和第四换热器(3)的入口通过管道连通，所述第四换热器(3)的出口和第五换热器(10)的入口通过管道连通，所述第五换热器(10)的出口作为废气排放出口。
2.根据权利要求1所述的一种碟式聚光型的固体氧化物燃料电池发电系统，其特征在于，所述甲烷气源(1)采用天然气管道来供气。
3.根据权利要求1所述的一种碟式聚光型的固体氧化物燃料电池发电系统，其特征在于，所述第一换热器(5)、第二换热器(6)、第三换热器(12)、冷凝器(2)、第四换热器(3)、第五换热器(10)均为板式换热器。
4.根据权利要求1所述的一种碟式聚光型的固体氧化物燃料电池发电系统，其特征在于，所述阳极风机(7)采用旋涡风机。
5.根据权利要求1所述的一种碟式聚光型的固体氧化物燃料电池发电系统，其特征在于，所述阴极风机(11)采用离心风机。
6.根据权利要求1所述的一种碟式聚光型的固体氧化物燃料电池发电系统，其特征在于，所述太阳能吸热器(14)采用蜂窝状的陶瓷泡沫结构。
7.根据权利要求1所述的一种碟式聚光型的固体氧化物燃料电池发电系统，其特征在于，所述旋转抛物面碟式聚光器(15)的反射表面为涂层为铝或银的玻璃或涂层为铝或银的塑料。
8.根据权利要求1所述的一种碟式聚光型的固体氧化物燃料电池发电系统，其特征在于，所述旋转抛物面碟式聚光器(15)通过机械结构支撑并安装在地面附近，安装位置处的最大太阳直射辐射强度不低于800W/m2，同时聚光器采用双轴跟踪。
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