本发明涉及固体氧化物燃料电池，尤其涉及一种基于固体氧化物燃料电池的联合发电设备及发电方法。
背景技术：
1、固体氧化物燃料电池(solid oxide fuel cell，sofc)是一种以固体氧化物为电解质的燃料电池，其工作温度一般在600℃至1000℃之间，通过高温环境下的电化学反应将化学能直接转化为电能，在过去几十年中取得了显著的发展。与传统的内燃机和燃气轮机相比，sofc具有更高的能量转化效率(一次发电效率50％-60％)和更低的污染物排放，且其成本低、长期稳定性好，尤其是可以直接使用多种含碳类燃料，如以化石燃料为代表的天然气(ch4)、煤气(地下气化煤气、焦炉煤气、煤层气等)等气体燃料，还可以进一步拓宽至沼气和生物质气等可再生的生物质燃料，来源广泛，与现有能源资源供应系统兼容和发展前景可观。
2、发明cn104025356b中公开一种具有二氧化碳废气利用的零排放发电站，该发明利用co2废气的清洁能源系统、可再生能源系统或零排放能源系统(zees)。所述能源系统可以包括燃料处理器、能源催化反应器和发电机。所述燃料处理器可以将天然气、生物气或合成气中的ch4组分催化转化为包含h2、co、co2和h2o物质的重整产品。所述能源反应器可以将气体形式的重整产品转化为液体燃料。所述发电机可以使用燃料处理器的输出和/或能源反应器的输出发电。该发明提供了多种具体的清洁能源系统及发电方法，包括利用sofc发电及对产生的co2进行了回收利用的方案，但该发明提出的清洁能源系统并未明确公开具体的系统设备及连接方式，且工作温度高，对高温尾气、燃烧余热等能源利用不够充分，导致整体发电成本较高。
3、发明cn110257106b中公开了一种采用水煤浆气化的整体煤气化燃料电池发电系统及方法，包括备煤单元、气化炉、废热锅炉、除尘单元、第一气气加热器、脱硫装置、引射器、燃料电池、纯氧燃烧器、燃气透平、阴极空气压缩机、第一余热回收换热器、阴极回热器、空气透平、汽轮机、余热锅炉和深冷空分单元。该发明通过工艺结构及方法的优化避免了水汽变换过程带来的能量损失，但由于sofc的启动时间较长，第一余热回收换热器和阴极回热器等单元需要在sofc启动后才能开始工作，会显著影响系统的热效率。
4、因此，如何利用固体氧化物燃料电池的发电优势，对其上游和下游设备实现联动，在联合发电设备内部实现多级能量回收，提高能量利用率，同时降低工作温度、加快固体氧化物燃料电池的启动速度、扩展设备多功率选择适用性，是本领域技术人员亟待解决的问题。
技术实现思路
1、针对上述现有技术中存在的缺陷，本发明提供了一种基于固体氧化物燃料电池的联合发电设备及发电方法，整合固体氧化物燃料电池系统、燃料轮机发电系统以及可选的煤气化系统和合成气净化系统，在联合发电设备内部实现多级能量回收，提高能量利用率，并且利用电池组外部高频感应加热线圈，在高温原料气对电池组预热的同时，对电池组快速升温，加快固体氧化物燃料电池的启动速度。
2、第一方面，本发明提供一种基于固体氧化物燃料电池的联合发电设备，包括：
3、固体氧化物燃料电池系统和燃料轮机发电系统；
4、固体氧化物燃料电池系统包括柱状电池箱，以及容置于所述柱状电池箱中的具有多个固体氧化物燃料电池单元的电池组、原料气进气管道、空气进气管道、第一分流器、第二分流器、阳极集流器、阳极排气管道、阴极集流器和阴极排气管道；
5、原料气进气管道通过第一分流器将原料气分别通入电池单元的阳极，空气进气管道通过第二分流器将空气分别通入电池单元的阴极；
6、电池单元的阳极排气通过阳极集流器通入阳极排气管道，阴极排气通过阴极集流器通入阴极排气管道，阳极排气管道与原料气进气管道进行换热连接，阴极排气管道与空气进气管道进行换热连接；
7、燃气轮机发电系统包括进气口、燃烧室、汽轮机及发电机；
8、所述燃烧室包括第一入气口、第二入气口、第三入气口和蒸汽出口，第一入气口连通进气口，第二入气口连通固体氧化物燃料电池系统的所述阳极排气管道，第三入气口连通所述阴极排气管道，蒸汽出口连通汽轮机，汽轮机与发电机之间通过传动轴连接。
9、sofc在运行过程中，会产生高温阳极尾气和阴极尾气，本发明的联合发电设备中，将sofc的高温尾气首先用于对进入sofc的原料气和空气换热升温，提高sofc的发电效率，换热降温的尾气进一步通入燃料轮机燃气轮机的燃烧室中，未反应完原料气与进气口通入的空气在燃烧室燃烧获得高温蒸汽，高温蒸汽从蒸汽出口进入汽轮机，带动汽轮机转动，经传动轴带动发电机输出交流电，达到高温尾气的充分利用。
10、优选的，燃气轮机发电系统还包括空气分流器，将进气口进入的空气分流为第一空气流和第二空气流，第一空气流从第一入气口进入燃烧室，第二空气流与汽轮机的出气管换热后连通固体氧化物燃料电池系统的空气进气管道。汽轮机出气管排出的高温废气温度通常在450℃-550℃间，将空气分流器分流的第二空气流与上述高温废气进行换热升温，并将废气降温以便后续收集或处理，实现燃气轮机发电系统内的热能利用；另一方面，初步预热的第二空气流进入柱状电池箱后不会由于过度温差影响电池堆运行，也有利于后续与高温的阴极排气进一步换热升温。
11、优选的，原料气进气管道沿电池箱中心轴线延伸，原料气进气管道的进气端向上穿出电池箱顶部，出气端与电池箱底部的第一分流器连通；
12、阳极排气管道层叠于原料气进气管道外周，原料气进气管道的进气端与电池箱底部的阳极集流器连通，出气端由电池箱壁的排气口穿出电池箱；
13、阴极排气管道和空气进气管道层叠的设置于电池箱内壁面，阴极排气管道由所述排气口穿出电池箱。
14、采用柱状电池箱，并将原料气进气管道、阳极排气管道沿中心轴线延伸，形成圆周方向均匀的供气、集气结构。将阴极排气管道和空气进气管道层叠的设置于电池箱内壁面，从而在原料气进气管道和阳极排气管道形成的中心轴与阴极排气管道和空气进气管道层叠的壁面之间，形成供电池组容置的空间，能够形成紧凑的固体氧化物燃料电池系统排列方式，降低系统占地体积。其中，在电池箱内壁面，优选将相对低温的空气进气管道设置靠外，而高温的阴极排气管道设置在空气进气管道内侧，使得系统对外热辐射影响较低。
15、更为优选的，阳极排气管道与原料气进气管道的层叠面、阴极排气管道与空气进气管道的层叠面均为波纹换热结构，波纹换热结构包括金属波纹板，金属波纹板厚度50-500μm，优选100-200μm，在保证基本力学强度下增强热传递效率。波纹换热结构相对于平面的换热结构更有利于增大换热面积，提高换热效率。同时，波纹换热结构也有助于降低管道内部的流动阻力，减少不必要的能量损耗。此外，该结构还具备优良的力学支撑性能，确保了管道的稳定运行和较长的使用寿命。
16、优选的，在原料气进气管道周围空间布置多个所述电池组，每个电池组由多个电池单元层叠形成柱状结构；
17、电池单元包括层叠的阳极侧连接板、阳极功能层、电解质层、阴极功能层和阴极侧连接板；
18、围绕各电池组的柱状结构分别布置感应加热线圈，所述感应加热线圈与燃气轮机发电系统的发电机连接。
19、对于板式的电池单元来说，通常一个电池单元可以产生0.5-1v的电压，为了产生足够高的电压，需要将若干电池单元堆叠起来形成串联结构即电池组或电池堆。并且电池组或电池堆的功率要尽量高，才能实现大规模大功率的发电系统。目前单电池组或电池堆的功率都比较小，约为1-10kw，有报道三菱重工提供了实验阶段功率15kw电池组，为了实现更大功率发电系统，例如构建数十千瓦、百千瓦或更大功率的发电系统，将多个电池组联合工作是目前主要手段。本发明将多个电池组联合起来形成环形分布的紧凑型固体氧化物燃料电池系统，并配合燃料轮机发电系统等，能够提供从数十千瓦至百千瓦级联合发电系统，在基于sofc的大功率发电系统中具有很大的应用优势。
20、优选的，所述感应加热线圈为耐热金属材料制成的空心管，空心管外表面包覆金属氧化物阻隔层。感应加热线圈通过电磁感应加热原理，通过产生的涡流和磁滞损耗，利用磁滞损耗加热组件。当电流施加到感应加热线圈上，由于导电材料的设置而产生感应涡流，这些涡流导致磁滞损耗，这会在导电材料部分以热形式反映出来，能够在短时间内将电池组升温至工作温度，确保sofc快速启动并进入正常工作状态，例如可在10min内，优选8min内，即将电池组升温至600℃至750℃。感应加热线圈大幅缩短了sofc的启动时间，从而提高了系统的响应速度和实用性。同时，通过感应加热可以实现精确的温度控制，提高了系统的可靠性。
21、感应加热线圈为良导体，即使在高温和氧化气氛的环境下也能够表现出良好的导电性，优选耐热钢、耐热铜或耐热铜合金。感应加热线圈被布置为围绕柱状电池箱，虽然其快速加热作用主要用于电池的快速启动，但其暴露于与电池组相同的高温、氧化气氛的操作环境中，为了抑制氧化并提高线圈寿命，采用涂覆金属氧化物阻隔层的方式避免其直接与大气或废气接触，金属氧化物阻隔层优选具有低磁导率并且低厚度的特点，例如包括氧化铝、氧化铬和二氧化钛。其次，将感应加热线圈设置为空心管，在正常操作期间不使用感应加热线圈时，利用冷却流体(例如冷却水)流经空心管来冷却线圈，此设计不仅有利于控制线圈加热过程，也有利于对感应加热线圈形成防过热保护，延长线圈使用寿命，降低了维护和更换成本。
22、优选的，所述电池单元还包括以下至少一项：
23、(1)阳极侧连接板至少在面对阳极的一侧具有第一凸肋部和第一流体槽，且至少在第一凸肋部的表面设有防cr挥发涂层；
24、(2)阴极侧连接板至少在面对阴极的一侧具有第二凸肋部和第二流体槽，且至少在第二凸肋部的表面设有防cr挥发涂层；
25、(3)电解质层包括bcscuo/sdc/psdc三层结构，bcscuo与阳极功能层相接，psdc与阴极功能层相接；
26、(4)阳极功能层包含nio-bcscuo；
27、(5)阴极功能层包含lsm-sdc或lscf-sdc。
28、设置在两个电池单元之间时，阳极侧连接板和阴极侧连接板可实际上为一个连接板集成体，在连接板集成体的两侧分别设置凸肋部和流体槽，此时，连接板集成体的两侧分为阳极侧和阴极侧。
29、阳极侧连接板、阴极侧连接板及前述连接板集成体，可以选用铁素体不锈钢(fss)或fe-cr合金(例如crofer-22 apu或者crofer-22hcr)。防cr挥发涂层的材料可选稀土金属(y，la，ce，hf等)氧化物材料、钙钛矿氧化物材料(lacoo3、lacacoo3、la1-xsrxcoo3、la1-xsrxmno3等)、尖晶石氧化物((mnco)3o4、(mnni)3o4、mncr2o4、nife2o4等)，以提高其抗氧化能力。其中，更优选使用sus430铁素体不锈钢制造前述连接板，并利用磁控溅射法在其表面沉积1-3h得到厚度约0.5-4mmnife2涂层，该涂层在800±20℃氧化环境中烧结为三层结构，从上到下fe2o3-nife2o4-nio，该涂层为具有伴随封闭孔隙的致密涂层。更优选的，为了阻止前述涂层与连接板基体之间的元素扩散，更优选预先在sus430铁素体不锈钢上制备一层crn防扩散层，再沉积nife2，经800±20℃氧化烧结得到fe2o3-nife2o4-nio-crn，涂层展现出更好的抗氧化和阻cr效果，还有利于减小面比电阻asr。
30、对于电解质层的材料和结构。首先，在工作温度范围为600-750℃的中温固体氧化物燃料电池中，使用sdc作为固体电解质层，其氧离子电导率相对现有常见的ysz提高了约一个数量级。此外，为了防止或减少sdc固体电解质层在还原条件下发生电子传导，导致电子漏电流的出现，进而导致整个设备的燃料效率和能源效率下降，本发明在阳极侧形成bcscuo阳极阻挡层，阻挡电解质中的电子电流。相比在sdc层上形成ysz阻挡层，bcscuo/sdc组合具有更致密的结构和更相适配的热膨胀系数。
31、具体制作过程包括：基于ce0.8sm0.2o1.9(sdc)的二氧化铈的支撑用电解质层。一侧形成连续致密的阳极阻挡层，另一侧形成连续致密的阴极改性层。其中，阳极阻挡层由以铈酸钡为基础的材料制成，掺杂有钐和铜的bace0.8sm0.19cu0.1o3(bcscuo)，通过电泳沉积施加到sdc电解质层上，并在1500-1550℃的温度下烧结4-6小时。阴极改性层由基于掺杂钐和镨的二氧化铈材料制成，其成分为ce0.8(sm0.5pr0.5)0.2o1.9(psdc)，通过电泳沉积到sdc电解质层上，并在1400-1550℃的温度下烧结4-6小时。
32、基于上述电解质层的设计，本发明设置相应的阳极功能层和阴极功能层。优选阳极功能层包括厚度为10-30μm的nio-bace0.8sm0.19cu0.1o3，nio与bace0.8sm0.19cu0.1o3质量比为(50-55)：(45-50)。优选阴极功能层包括厚度为10-30μm的(la0.8sr0.2)0.98mno3(lsm)-sdc或la0.6sr0.4fe0.8co0.2o3(lscf)-sdc，其中lsm或lscf与sdc的质量比为(55-65)：(35-45)。
33、优选的，所述联合发电设备还包括煤气化系统和合成气净化系统；
34、煤气化系统包括水煤浆备料单元和气化炉，制得合成气；
35、合成气净化系统包括除尘单元和脱硫单元，将合成气净化成原料气，原料气与所述合成气换热升温后进入所述原料气进气管道。
36、所述联合发电设备还包括空分装置，空气经过空分装置后得到的氧气分别通入煤气化系统的气化炉和固体氧化物燃料电池系统的空气进气管道，以及可选的燃气轮机发电系统的进气口。所述空分装置引入气化炉的氧气的量为每吨干煤对应300-1000nm3氧气，进入气化炉的氧气与进入燃烧室换热的氧气的比例范围是1：(10-30)，进入阳极的原料气与进入阴极的氧气体积比是1：(5-15)。
37、优选的，联合发电设备还包括控制系统，控制系统通过温度传感器检测至少一个电池堆的温度和感应加热线圈的温度，并控制固体氧化物燃料电池系统、燃料轮机发电系统、煤气化系统和合成气净化系统的工作。
38、第二方面，发明还提供一种利用所述联合发电设备的联合发电方法，包括如下步骤：
39、s1、原料气通过原料气进气管道、第一分流器分别通入固体氧化物燃料电池单元的阳极，空气通过空气进气管道、第二分流器分别通入固体氧化物燃料电池单元的阴极，原料气和空气在固体氧化物燃料电池单元内发生化学反应，输出电能；
40、s2、高温阳极排气通过阳极集流器通入阳极排气管道，并与原料气进气管道进行换热；高温阴极排气通过阴极集流器通入阴极排气管道，并与空气进气管道进行换热；
41、s3、换热完毕的阳极排气和阴极排气进入燃气轮机发电系统的燃烧室，与进气口通入的空气在燃烧室燃烧获得高温蒸汽，高温蒸汽从蒸汽出口进入汽轮机，带动汽轮机转动，经传动轴带动发电机输出交流电。
42、优选的，所述原料气通过如下步骤制得：
43、所述原料气通过如下步骤制得：
44、(1)煤气化过程：原煤与水在水煤浆备料单元中磨煤、制浆后进入气化炉，气化反应得到高温合成气；
45、(2)合成气净化过程：合成气在除尘单元脱除颗粒物，在脱硫单元降低硫浓度，得到原料气；
46、(3)换热升温过程：原料气与步骤(1)得到的高温合成气换热升温后进入原料气进气管道，换热后的合成气进入步骤(2)的合成气净化过程。
47、优选的，利用围绕各电池组布置的感应加热线圈对电池组快速升温启动，包括如下步骤：
48、步骤一、高温原料气通过原料气进气管道对电池组预热，之后由阳极排气管道进入燃气轮机发电系统的燃烧室，与进气口通入的空气在燃烧室燃烧获得高温蒸汽，高温蒸汽从蒸汽出口进入汽轮机，带动汽轮机转动，经传动轴带动发电机输出交流电；
49、步骤二、所述发电机向与其连接的感应加热线圈供电，对电池组进行感应加热，在10min内将电池组升温至600℃至750℃；
50、步骤三、通过空气进气管道向固体氧化物燃料电池单元的阴极供给空气，进入前述步骤s1。
51、在联合发电设备启动初期，经与高温合成气换热升温的原料气先预热电池组，未反应的原料气再在燃气轮机发电系统中直接燃烧产生交流电以快速启动感应加热线圈，对电池组内导电材料进行感应加热，迅速将电池组升温到基础的工作温度。为了更为快速的启动，感应加热线圈的启动也可采用其它的外部交流电供给设备或电网，但更优选采用本联合发电设备燃气轮机发电系统的发电机供应。步骤三中，当电池组温度进入正常工作温度后，发电机停止向感应加热线圈输出交流电，发电机产生的交流电可切换到联合发电设备其他耗电部件，也可向外输送电能。感应加热线圈的空心管中通入冷却水降温防止感应加热线圈损坏，换热的水可输出或在系统中循环使用。
52、本发明至少包括如下有益效果：
53、(1)本发明的固体氧化物燃料电池系统和燃料轮机发电系统联合发电设备，融合了两种发电技术的核心优势，实现了能源的高效利用，显著提升了系统能量利用效率。该系统不仅利用了固体氧化物燃料电池的高效、清洁发电特性，还通过回收其产生的热量，为燃气轮机提供热能，进一步提升了整体能源利用效率。同时，系统还通过优化热管理技术，确保在各种工况下热量都能被合理高效利用，实现能源利用的最大化。并且柱状电池箱的紧凑结构设计有利于缩小占地空间，且便于维护和替换电池组，燃气轮机系统的独立性也使其能够灵活适应不同的热源。
54、(2)本发明特别利用燃料轮机发电系统的发电机向感应加热线圈提供交流电，在高温原料气预热的同时，将电池组温度快速提升至工作温度，克服了固体氧化物燃料电池启动慢、耗能大的问题。
55、(3)本发明采用高效的换热系统设计方式，特别是将固体氧化物燃料电池的进气管道与排气管道设置为波纹互嵌结构，有效增加了换热面积，提高了高温尾气与进气的换热效率，并且有利于提高柱状电池箱整体的力学性能，延长联合发电设备使用寿命。
56、(4)设备的模块化设计及整体联合运行，固体氧化物燃料电池系统、燃料轮机发电系统、煤气化系统和合成气净化系统等，共同构成了整体煤气化燃料电池发电系统(igfc)，系统可以根据不同的应用需求进行调整和扩展，并得到比传统技术更高的净电气效率，净电气效率＞70％，优选＞75％，大幅提高煤电效率，易于实现污染物及二氧化碳近零排放，是洁净煤发电技术运用的一大重要发展方向。
1.一种基于固体氧化物燃料电池的联合发电设备，其特征在于，包括：
2.如权利要求1所述的联合发电设备，其特征在于，燃气轮机发电系统还包括空气分流器，将进气口进入的空气分流为第一空气流和第二空气流，第一空气流从第一入气口进入燃烧室，第二空气流与汽轮机的出气管换热后连通固体氧化物燃料电池系统的空气进气管道。
3.如权利要求1或2所述的联合发电设备，其特征在于，原料气进气管道沿电池箱中心轴线延伸，原料气进气管道的进气端向上穿出电池箱顶部，出气端与电池箱底部的第一分流器连通；
4.如权利要求3所述的联合发电设备，其特征在于，在原料气进气管道周围空间布置多个所述电池组，每个电池组由多个电池单元层叠形成柱状结构；
5.如权利要求4所述的联合发电设备，其特征在于，所述电池单元还包括以下至少一项：
6.如权利要求4所述的联合发电设备，其特征在于，所述感应加热线圈为耐热金属材料制成的空心管，空心管外表面包覆金属氧化物阻隔层。
7.如权利要求4-6任一项所述的联合发电设备，其特征在于，所述联合发电设备还包括煤气化系统和合成气净化系统；
8.一种利用权利要求1-7任一项所述联合发电设备的联合发电方法，其特征在于，包括如下步骤：
9.如权利要求8所述的联合发电方法，其特征在于，所述原料气通过如下步骤制得：
10.如权利要求9所述的联合发电方法，其特征在于，利用围绕各电池组布置的感应加热线圈对电池组快速升温启动，包括如下步骤：
