[發明專利]固體氧化物燃料電池系統和固體氧化物燃料電池發電的方法

在審

• 申請號: 201910637710.8
• 申請日: 2019-07-15
• 公開（公告）號: CN112310437A
• 公開（公告）日: 2021-02-02
• 發明（設計）人: 閆學良;巴黎明;李萍萍;常彬杰;李軒;羅峰;姚金松;孫永偉;龍銀花;高星;矯衛東
• 申請（專利權）人: 國家能源投資集團有限責任公司;北京低碳清潔能源研究所
• 主分類號: H01M8/04014
• 分類號: H01M8/04014;H01M8/04089;H01M8/04111;H01M8/04746;H01M8/0662;H01M8/12;H01M8/1253
• 代理公司: 北京潤平知識產權代理有限公司 11283
• 代理人: 周坤;陳靜

本發明涉及固體氧化物燃料電池領域，具體涉及固體氧化物燃料電池系統和固體氧化物燃料電池發電的方法。所述系統包括：原料氣源(11)、混合罐(6)、電堆(8)和渦輪增壓裝置(3)，所述渦輪增壓裝置(3)連通所述原料氣源(11)與所述混合罐(6)并且連通所述電堆(8)與所述混合罐(6)。本發明的系統和方法能夠顯著提高電池的發電效率并降低排放氣體中污染氣體的含量。

技術領域

本發明涉及固體氧化物燃料電池領域，具體涉及固體氧化物燃料電池系統和固體氧化物燃料電池發電的方法。

背景技術

固體氧化物燃料電池(SolidOxideFuelCell，簡稱SOFC)是一種將碳氫化合物的化學能轉化成電能的發電裝置。SOFC電池主要由多孔陽極、電解質、多孔陰極組成。多孔陽極通入碳氫化合物，多孔陰極通入空氣，電解質為氧化釔穩定氧化鋯(YSZ)陶瓷。在高溫下，多孔陰極側中的氧離子通過陶瓷電解質轉移到多孔陽極側的碳氫化合物中，與氫氣、CO、CH₄等發生反應產生含有水、CO₂、氫氣、CO、CH₄等的陽極尾氣；陰陽兩極的電子遷移形成電流產生電能。

目前，SOFC燃料電池的電池效率普遍僅有40％左右，而且陽極尾氣中混雜有較多的污染氣體。

現有的對尾氣進行循環通常采用引射器的方式，在進料的同時將原料與尾氣混合。但是引射器引射范圍窄，尾氣混入的流量受限于原料的流量(產生的負壓)，因此使用引射器進行尾氣循環的系統難以進行尾氣流量、壓力調節、限制了循環效率，從而發電效率無法提高。另外，還可以采用尾氣循環泵(高溫循環加壓風機)進行循環，但是尾氣循環泵需要較大的動力消耗，以5kW SOFC裝置為例，高溫循環泵裝機大約400W，實際運行功率200-300W，消耗整個電池電量的4-6％，因此這種系統的發電效率也較低。

因此，進一步研究SOFC電池的陽極尾氣循環系統具有重要意義。

發明內容

本發明的目的是為了克服現有技術存在的單程轉化率較低和/或動力消耗較大的缺陷。本發明提供了一種固體氧化物燃料電池系統和固體氧化物燃料電池發電的方法。本發明的系統和方法能夠顯著提高電池的發電效率并降低排放氣體中污染氣體的含量。

本發明第一方面提供了一種固體氧化物燃料電池系統，該系統包括：原料氣源、混合罐、電堆和渦輪增壓裝置，所述渦輪增壓裝置連通所述原料氣源與所述混合罐并且連通所述電堆與所述混合罐。

本發明第二方面提供了一種固體氧化物燃料電池發電的方法，該方法在本發明第一方面所述的固體氧化物燃料電池系統中進行，包括：將來自原料氣源的原料氣通過渦輪增壓裝置，帶動所述渦輪增壓裝置中的同軸設置的渦輪和葉輪的轉動；所述葉輪的轉動產生負壓，將所述系統中的電堆產生的陽極尾氣吸入并旋轉壓縮；通過所述葉輪的陽極尾氣部分進入混合罐中與通過所述渦輪的原料氣相混合得到反應燃料；將所述反應燃料引入所述電堆的陽極側，將陰極反應氣體引入所述電堆的陰極側，進行發電。

通過上述技術方案，本發明至少具有以下優勢：

(1)實現了SOFC電堆發電過程中的陽極尾氣循環；

(2)采用渦輪增壓裝置代替引射器或高溫循環加壓風機，可實現尾氣壓力、流量的大范圍調節，同時使用原料氣的壓力來驅動尾氣加壓，沒有額外電力消耗，能夠顯著提高整個電池的發電效率；

(3)通過直接對尾氣進行加壓，尾氣中與原料氣直接混合換熱，換熱效率高于間接換熱器，能夠提高整個電池的發電效率；

(4)系統流程簡單，通過渦輪增壓裝置和混合罐代替了原技術的換熱器、冷凝器、蒸汽發生器、混合器等多種設備；