馬強(qiáng)強(qiáng)

(中國船舶重工集團(tuán)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(dá)到熱力平衡，將儲存在燃料和氧化劑中的化學(xué)能高效、環(huán)境友好地轉(zhuǎn)化為電能[1]。同時(shí)SOFC對燃料純度要求不高，“吃粗糧”即可正常工作，適應(yīng)性廣，因此具有很好的市場前景。

目前市場上提供的SOFC發(fā)電系統(tǒng)裝置由于核心部件集成度低，出現(xiàn)燃燒器、重整器點(diǎn)火困難、易熄火、火焰燃燒不穩(wěn)定等情況，造成系統(tǒng)能量分布不均勻，熱效率低，進(jìn)而影響后續(xù)發(fā)電效率；同時(shí)未能有效利用陽極尾氣，降低能源利用率；系統(tǒng)多數(shù)采用催化氧化方式來進(jìn)行啟動(dòng)，不僅導(dǎo)致啟動(dòng)時(shí)間過長，而且反應(yīng)過程不受控制，影響系統(tǒng)的安全性與穩(wěn)定性。

為了最大限度的降低生產(chǎn)成本，以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，本文主要以千瓦級固體氧化物燃料電池發(fā)電系統(tǒng)為研究對象，主要通過工作原理從結(jié)構(gòu)上進(jìn)行系統(tǒng)優(yōu)化，本系統(tǒng)采用內(nèi)置燃燒加熱方式，同時(shí)提出模塊化設(shè)計(jì)理念[2-3]，將具有一定功能的構(gòu)件進(jìn)行組合設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)既定功能的要求，不僅縮短設(shè)計(jì)周期，提高設(shè)計(jì)效率，而且進(jìn)一步提高裝置的運(yùn)行的可靠性。

2 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的SOFC發(fā)電系統(tǒng)裝置分為原料供應(yīng)區(qū)、原料反應(yīng)區(qū)、控制柜三部分，如下圖1所示。原料供應(yīng)區(qū)為原料反應(yīng)區(qū)提供反應(yīng)介質(zhì)，原料供應(yīng)區(qū)為常溫區(qū)，原料反應(yīng)區(qū)為高溫區(qū)，原料供應(yīng)區(qū)與反應(yīng)區(qū)上下分離，可以通過管路進(jìn)行連接，有利于減少溫度交叉影響；原料反應(yīng)區(qū)主要包括蒸氣發(fā)生器、重整器、空預(yù)器、均溫器、電堆爐[4-5]。其中重整器是發(fā)生重整反應(yīng)的主要場所，采取底部燃?xì)庵苯尤紵?，上部電堆陽極尾氣回流的間接燃燒方式為反應(yīng)提供重整熱量，實(shí)現(xiàn)余熱梯級利用，提高固體氧化物燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的綜合效率。電堆爐是進(jìn)行發(fā)電反應(yīng)的場所，內(nèi)部設(shè)有電堆壓緊裝置，保證高溫環(huán)境下不會對電堆內(nèi)部電極板造成破壞。

圖1 SOFC發(fā)電系統(tǒng)裝置Fig.1 SOFC power generation system device.

3 發(fā)電系統(tǒng)各模塊設(shè)計(jì)原理

3.1 原料供應(yīng)區(qū)與反應(yīng)區(qū)工作原理

原料供應(yīng)區(qū)位于原料反應(yīng)區(qū)的正下方，通過管路進(jìn)行連接，原料供應(yīng)區(qū)包括風(fēng)機(jī)、質(zhì)量流量計(jì)、余熱回收器、脫硫裝置、底板。風(fēng)機(jī)底座固定在底板上，風(fēng)機(jī)為整個(gè)系統(tǒng)提供反應(yīng)所需的氧氣，風(fēng)機(jī)出氣管分為兩路，一路與質(zhì)量流量計(jì)連接，之后將空氣引入到啟動(dòng)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(shí)質(zhì)量流量計(jì)用于監(jiān)測與調(diào)節(jié)管路中氣體的流量與壓力。另一路空氣進(jìn)入空預(yù)器中預(yù)熱。

如圖2所示，為SOFC發(fā)電系統(tǒng)原料反應(yīng)區(qū)，主要包括蒸氣發(fā)生器、重整器、空預(yù)器、均溫器、電堆爐。蒸氣發(fā)生器利用煙氣熱量產(chǎn)生飽和蒸氣，為重整反應(yīng)的發(fā)生提供原料，產(chǎn)生的飽和蒸氣進(jìn)入重整器中參與重整反應(yīng)。

圖2 SOFC發(fā)電系統(tǒng)原料反應(yīng)區(qū)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(jié)構(gòu)，可充分利用余熱提高熱量的利用率，重整器包含三個(gè)同軸心腔體，由內(nèi)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(shè)有尾氣燃燒器，尾氣燃燒器表面設(shè)有等間距小孔，下部中心位置設(shè)有啟動(dòng)燃燒器[7]，如圖3所示。同時(shí)設(shè)置了輔助系統(tǒng)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(shí)的溫度，卸爆閥接口安裝壓力釋放閥防止腔體內(nèi)壓力過高而產(chǎn)生危險(xiǎn)?？疹A(yù)器位于均溫器的正下方，空預(yù)器內(nèi)部布置多根換熱管，對管內(nèi)的空氣進(jìn)行預(yù)熱，達(dá)到設(shè)定的溫度后進(jìn)入電池堆的陰極。

圖3 燃燒重整一體化設(shè)計(jì)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(jìn)口、熱電偶、燒嘴、陶瓷點(diǎn)火針、固定板、引射管、布風(fēng)管、點(diǎn)火針引線管、燃燒器保護(hù)罩、并緊底座、燃?xì)膺M(jìn)管。燃燒腔內(nèi)布置有K型燃燒熱電偶溫度計(jì)，用來監(jiān)測燃燒內(nèi)腔的溫度，通過溫度的變化來反應(yīng)燃燒情況；空氣進(jìn)口與外界風(fēng)機(jī)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(gè)陶瓷點(diǎn)火針，陶瓷點(diǎn)火針通過尖端放電產(chǎn)生電火花引燃預(yù)混好的燃料氣；固定板開有2個(gè)定位槽，定位槽與定位塊相互配合，確保能夠一次點(diǎn)火成功；設(shè)置擴(kuò)散段可有效防止燃?xì)饣鼗?；同時(shí)陽極尾氣燃料進(jìn)氣管與燃燒腔相通，可以將電堆陽極內(nèi)未完全反應(yīng)的燃料進(jìn)行重新燃燒，提高燃料的利用率，進(jìn)而提高系統(tǒng)整體發(fā)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(nèi)布有換熱管，廢煙氣通過進(jìn)煙管道進(jìn)入換熱管中，將換熱水箱內(nèi)的水加熱至沸騰，沸騰的水通過溢流管進(jìn)入到冷凝箱內(nèi)回收，有效地進(jìn)行循環(huán)利用，另外煙氣冷凝下的水進(jìn)入冷凝箱的水封管內(nèi)，水封管呈U型管狀，隨著冷凝水的不斷增多，達(dá)到一定液位后冷凝水進(jìn)入供水箱內(nèi)，此時(shí)的冷凝水純度最高，有效減少雜質(zhì)對后續(xù)反應(yīng)的影響。給水泵安裝在供水箱的外側(cè)，給水泵將冷凝的純水輸送到蒸氣發(fā)生器內(nèi)，可以為重整反應(yīng)提供水蒸氣。

圖4 余熱回收器結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Structure diagram of waste heat recovery device.

啟動(dòng)時(shí)，風(fēng)機(jī)開始運(yùn)轉(zhuǎn)，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(yù)器中加熱，系統(tǒng)選擇天然氣作為原料，通過管路將天然氣引入到啟動(dòng)燃燒器中燃燒，此時(shí)控制系統(tǒng)開始啟動(dòng)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(dá)到750 ℃左右時(shí)，飽和蒸氣與天然氣發(fā)生重整反應(yīng)，生成氫氣、一氧化碳等重整混合氣，進(jìn)入電池堆陽極，同時(shí)加熱的空氣進(jìn)入電池堆的陰極，在一定條件下，陰極與陽極氣體發(fā)生反應(yīng)放出熱量，生成水，產(chǎn)生電，另外陽極產(chǎn)生的尾氣可以被引入到燃燒器中再次燃燒維持系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)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(fā)電系統(tǒng)工作流程Fig.5 Workflow of solid oxide fuel cell power generation system.

4 模擬試驗(yàn)

為驗(yàn)證零部件的穩(wěn)定性，對電堆的陰極、陽極溫度、燃燒室溫度進(jìn)行測試，電堆的溫度設(shè)置在730～750 ℃之間設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定，其運(yùn)行參數(shù)如下圖6所示。

圖6 系統(tǒng)運(yùn)行溫度分布曲線Fig.6 Distribution curve of system operating temperature.

為進(jìn)一步探究系統(tǒng)測試過程中的電壓，電流和功率之間關(guān)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(dá)到了設(shè)計(jì)目標(biāo)?？偣β瘦敵鲈?40到960瓦之間波動(dòng)，平均大約是950瓦,系統(tǒng)功率消耗小于100瓦。

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

5 結(jié)論

本文所設(shè)計(jì)的小型固體氧化物燃料電池發(fā)電系統(tǒng)裝置各部件采用模塊一體化設(shè)計(jì)理念，集成度高，結(jié)構(gòu)穩(wěn)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(shí)，使系統(tǒng)電壓等工作參數(shù)基本保持自穩(wěn)定，并未出現(xiàn)大幅衰減，電流穩(wěn)定輸出，提高了系統(tǒng)的整體發(fā)電效率，加快產(chǎn)業(yè)化的進(jìn)程。