[發明專利]一種固體氧化物燃料電池系統的重整器測試裝置與方法

有效

• 申請號: 202110871964.3
• 申請日: 2021-07-30
• 公開（公告）號: CN113607841B
• 公開（公告）日: 2022-06-10
• 發明（設計）人: 李文聰;白書戰;李國祥;王桂華;李思遠;瞿遙;馬孔融;湯宇君
• 申請（專利權）人: 山東大學
• 主分類號: G01N30/02
• 分類號: G01N30/02;G01N30/16;H01M8/0612;H01M8/12
• 代理公司: 濟南圣達知識產權代理有限公司 37221
• 代理人: 黃海麗

本公開公開了一種固體氧化物燃料電池系統的重整器測試裝置，包括重整器、蒸汽發生器、電加熱器、換熱器、燃燒器、水冷裝置和氣相色譜儀；重整器的空氣入口連接電加熱器的出口，重整器的燃氣入口連接蒸汽發生器的出口；電加熱器的入口與蒸汽發生器的出口連接，蒸汽發生器與電加熱器和重整器之間均設置開關；重整器的空氣出口連接水冷裝置的入口，重整器的燃氣出口連接換熱器的燃氣入口；換熱器的燃氣出口連接燃燒器的燃氣入口，燃燒器的出口連接水冷裝置的入口；換熱器的燃氣出口還連接氣相色譜儀；本公開普遍適用于固體氧化物燃料電池系統重整器的測試，可以測試部分氧化重整器和蒸汽重整器的重整特性、可靠性等方面。

技術領域

本公開屬于固體氧化物燃料電池技術領域，尤其涉及一種固體氧化物燃料電池系統的重整器測試裝置與方法。

背景技術

固體氧化物燃料電池(SOFC)是第三代高溫燃料電池，可利用電化學過程將燃料中的化學能直接轉化為電能，減少中間的能量損耗，是一種清潔高效的發電設備，其工作溫度在600-1000℃，具有效率高、可靠性強、模塊化、燃料適應性強、低排放和噪音低等優點；SOFC系統應用的關鍵是使用一種合適的燃料，使SOFC長期穩定高效的運行；氫氣(H₂)是最適合SOFC系統的燃料，可以使固體氧化物燃料電池系統效率最高，但目前氫氣在制備、儲存與運輸中都存在困難，而且采用其他燃料會降低SOFC系統的效率，因此在SOFC系統中采用重整器對天然氣、水煤氣等燃料進行預重整使其轉換為氫氣，提高效率。

燃料電池燃料的重整分為發生在燃料電池內部，具體是在陽極催化劑的表面的內部重整和通過重整器利用熱量，結合催化劑和水蒸氣將氫載體燃料分解成氫氣的外部重整；固體氧化物燃料電池最適宜的燃料是氫氣，但內部重整會占用催化劑反應位點，降低陽極的電化學速率，因此外部重整對于提高燃料電池的效率更加有利；固體氧化物燃料電池系統中常用的重整方法是催化部分氧化重整(CPOX)和水蒸汽重整(SR)；水蒸氣重整反應活性強，添加水蒸氣使催化劑積碳較少，但其為強吸熱反應，額外的熱量補給導致較高的能耗和成本，且系統中要添加蒸汽發生裝置供給水蒸氣，增加了系統的能耗和復雜程度；催化部分氧化重整是在催化劑的作用下進行的部分氧化反應，反應溫度為500-900℃，反應是弱放熱反應，反應條件相對溫和，可以實現啟動后熱量的自維持運行，能耗和成本費用相對較低，系統復雜程度較低。部分氧化重整可以使用多種碳氫燃料作為反應原料氣，但其催化劑的積碳程度比水蒸氣重整嚴重，長期穩定性受到影響。

重整器是SOFC燃料處理系統的關鍵部件，安裝在SOFC電堆之前，預熱后通入燃料、空氣或水蒸汽進行反應產生重整氣通入電堆；以甲烷(甲烷)作燃料為例，部分氧化重整器通常采用電加熱的方式進行預熱，經N₂吹掃后甲烷和空氣經過混合在催化劑載體上進行重整，產生H₂和CO等氣體，由于催化部分氧化是放熱反應，所以需要對重整器的氣體進行換熱降溫。蒸汽重整器需要接入蒸汽發生器來提供水蒸氣并加熱原料氣，在重整器中進行水蒸氣重整反應，反應時吸熱反應，不需要換熱降溫；水蒸氣重整器也需要N₂吹掃，防止原料氣在管路中提前發生反應。

重整器作為固體氧化物燃料電池系統的燃料預處理裝置，決定了燃料處理的質量和效率，SOFC是能量轉換裝置，決定了系統的輸出功率和發電效率，重整器和固體氧化物燃料電池系統相互耦合，相互影響；目前對于重整器的研究已經取得很多進展，但距離廣泛應用還有較大距離，一方面在于成本較高，另一方面即是性能上的不足，所以對于固體氧化物燃料電池系統的重整器來說，重整器的特性、可靠性、重整效率以及匹配性都是必不可少的研究內容，如不同入口溫度下、不同入口氧/碳比下重整器的重整效率、氫氣、CO選擇性等。