千瓦級固體氧化物燃料電池發電系統的設計與研究 *

馬強強

(中國船舶重工集團公司第七一一研究所，上海 201108)

1 引言

固體氧化物燃料電池(Solid Oxide Fuel Cell，簡稱SOFC)屬于第三代燃料電池，工作溫度通常需高于700 ℃，在此溫度下燃料能迅速氧化并達到熱力平衡，將儲存在燃料和氧化劑中的化學能高效、環境友好地轉化為電能[1]。同時SOFC對燃料純度要求不高，“吃粗糧”即可正常工作，適應性廣，因此具有很好的市場前景。

目前市場上提供的SOFC發電系統裝置由于核心部件集成度低，出現燃燒器、重整器點火困難、易熄火、火焰燃燒不穩定等情況，造成系統能量分布不均勻，熱效率低，進而影響后續發電效率；同時未能有效利用陽極尾氣，降低能源利用率；系統多數采用催化氧化方式來進行啟動，不僅導致啟動時間過長，而且反應過程不受控制，影響系統的安全性與穩定性。

為了最大限度的降低生產成本，以實現產業化，本文主要以千瓦級固體氧化物燃料電池發電系統為研究對象，主要通過工作原理從結構上進行系統優化，本系統采用內置燃燒加熱方式，同時提出模塊化設計理念[2-3]，將具有一定功能的構件進行組合設計，實現各項既定功能的要求，不僅縮短設計周期，提高設計效率，而且進一步提高裝置的運行的可靠性。

2 總體結構設計

本文設計的SOFC發電系統裝置分為原料供應區、原料反應區、控制柜三部分，如下圖1所示。原料供應區為原料反應區提供反應介質，原料供應區為常溫區，原料反應區為高溫區，原料供應區與反應區上下分離，可以通過管路進行連接，有利于減少溫度交叉影響；原料反應區主要包括蒸氣發生器、重整器、空預器、均溫器、電堆爐[4-5]。其中重整器是發生重整反應的主要場所，采取底部燃氣直接燃燒，上部電堆陽極尾氣回流的間接燃燒方式為反應提供重整熱量，實現余熱梯級利用，提高固體氧化物燃料電池發電系統的綜合效率。電堆爐是進行發電反應的場所，內部設有電堆壓緊裝置，保證高溫環境下不會對電堆內部電極板造成破壞。

圖1 SOFC發電系統裝置Fig.1 SOFC power generation system device.

3 發電系統各模塊設計原理

3.1 原料供應區與反應區工作原理

原料供應區位于原料反應區的正下方，通過管路進行連接，原料供應區包括風機、質量流量計、余熱回收器、脫硫裝置、底板。風機底座固定在底板上，風機為整個系統提供反應所需的氧氣，風機出氣管分為兩路，一路與質量流量計連接，之后將空氣引入到啟動燃燒器中，為燃燒提供適量氧氣，保證天然氣能夠完全燃燒[6]；同時質量流量計用于監測與調節管路中氣體的流量與壓力。另一路空氣進入空預器中預熱。

如圖2所示，為SOFC發電系統原料反應區，主要包括蒸氣發生器、重整器、空預器、均溫器、電堆爐。蒸氣發生器利用煙氣熱量產生飽和蒸氣，為重整反應的發生提供原料，產生的飽和蒸氣進入重整器中參與重整反應。

圖2 SOFC發電系統原料反應區Fig.2 Raw material reaction zone of SOFC power generation system.

3.2 重整器與燃燒器工作原理

重整器采用雙熱源的加熱方式，保證熱量的高效利用，其中一部分熱量來自天然氣燃燒直接提供，另一部分熱量來自陽極尾氣回流燃燒提供，重整器采用套管式結構，可充分利用余熱提高熱量的利用率，重整器包含三個同軸心腔體，由內而外依次燃燒腔、重整腔與排煙腔，重整腔位于燃燒腔與排煙腔的中間，燃燒腔分為上下兩部分，上部中心位置設有尾氣燃燒器，尾氣燃燒器表面設有等間距小孔，下部中心位置設有啟動燃燒器[7]，如圖3所示。同時設置了輔助系統接口，包括重整腔溫度檢測接口、裝卸料接口、燃燒腔溫度檢測接口、卸爆閥接口，重整腔溫度檢測接口用于檢測重整腔溫度，裝卸料接口用于裝卸重整催化劑，燃燒腔溫度檢測接口用于檢測燃燒時的溫度，卸爆閥接口安裝壓力釋放閥防止腔體內壓力過高而產生危險。空預器位于均溫器的正下方，空預器內部布置多根換熱管，對管內的空氣進行預熱，達到設定的溫度后進入電池堆的陰極。

圖3 燃燒重整一體化設計圖Fig.3 Integrated design drawing of combustion reforming.

燃燒器采用電子打火的的方式，方便快捷，主要包括燃燒腔、空氣進口、熱電偶、燒嘴、陶瓷點火針、固定板、引射管、布風管、點火針引線管、燃燒器保護罩、并緊底座、燃氣進管。燃燒腔內布置有K型燃燒熱電偶溫度計，用來監測燃燒內腔的溫度，通過溫度的變化來反應燃燒情況；空氣進口與外界風機相連，為燃燒提供氧氣；燒嘴固定在固定板的中心，靠近燒嘴的四周均布2個陶瓷點火針，陶瓷點火針通過尖端放電產生電火花引燃預混好的燃料氣；固定板開有2個定位槽，定位槽與定位塊相互配合，確保能夠一次點火成功；設置擴散段可有效防止燃氣回火；同時陽極尾氣燃料進氣管與燃燒腔相通，可以將電堆陽極內未完全反應的燃料進行重新燃燒，提高燃料的利用率，進而提高系統整體發電效率[8]。

3.3 余熱回收器工作原理

余熱回收器包括換熱水箱、換熱管、冷凝水箱、水封管、給水泵、供水箱、溢流管。如下圖4所示，換熱水箱位于冷凝水箱的正上方，換熱水箱內布有換熱管，廢煙氣通過進煙管道進入換熱管中，將換熱水箱內的水加熱至沸騰，沸騰的水通過溢流管進入到冷凝箱內回收，有效地進行循環利用，另外煙氣冷凝下的水進入冷凝箱的水封管內，水封管呈U型管狀，隨著冷凝水的不斷增多，達到一定液位后冷凝水進入供水箱內，此時的冷凝水純度最高，有效減少雜質對后續反應的影響。給水泵安裝在供水箱的外側，給水泵將冷凝的純水輸送到蒸氣發生器內，可以為重整反應提供水蒸氣。

圖4 余熱回收器結構圖Fig.4 Structure diagram of waste heat recovery device.

啟動時，風機開始運轉，一部分空氣輸送到重整器中，為燃燒提供氧氣，另一部分空氣送到空預器中加熱，系統選擇天然氣作為原料，通過管路將天然氣引入到啟動燃燒器中燃燒，此時控制系統開始啟動電子打火器，天然氣被引燃后停止電子打火，重整器溫度開始慢慢上升，溫度達到750 ℃左右時，飽和蒸氣與天然氣發生重整反應，生成氫氣、一氧化碳等重整混合氣，進入電池堆陽極，同時加熱的空氣進入電池堆的陰極，在一定條件下，陰極與陽極氣體發生反應放出熱量，生成水，產生電，另外陽極產生的尾氣可以被引入到燃燒器中再次燃燒維持系統的穩定運行，提高熱量的利用率，具體工作流程如圖5所示。

圖5 固體氧化物燃料電池發電系統工作流程Fig.5 Workflow of solid oxide fuel cell power generation system.

4 模擬試驗

為驗證零部件的穩定性，對電堆的陰極、陽極溫度、燃燒室溫度進行測試，電堆的溫度設置在730～750 ℃之間設備運行穩定，其運行參數如下圖6所示。

圖6 系統運行溫度分布曲線Fig.6 Distribution curve of system operating temperature.

為進一步探究系統測試過程中的電壓，電流和功率之間關系,如圖7所示，該測試固定電流輸出40 A。電堆輸出電壓為23 V-24 V之間，不包括輸出電纜上的損失。每片的電壓大約為0.8 V，達到了設計目標。總功率輸出在940到960瓦之間波動，平均大約是950瓦,系統功率消耗小于100瓦。

圖7 電壓、電流和功率曲線關系圖Fig.7 Voltage,current and power curves.

5 結論

本文所設計的小型固體氧化物燃料電池發電系統裝置各部件采用模塊一體化設計理念，集成度高，結構穩定、布局合理，拆卸檢修方便。通過對電堆尾氣、燃燒室溫度的測算，在最大程度地有效利用余熱的同時，使系統電壓等工作參數基本保持自穩定，并未出現大幅衰減，電流穩定輸出，提高了系統的整體發電效率，加快產業化的進程。