[發明專利]固體氧化物燃料電池燃料重整與尾氣燃燒耦合換熱方法

在審

• 申請號: 202210052434.0
• 申請日: 2022-01-18
• 公開（公告）號: CN114430058A
• 公開（公告）日: 2022-05-03
• 發明（設計）人: 涂寶峰;戚惠穎;蘇新;張?？?/a>;張同環;尹燕霞;劉迪;邱鵬
• 申請（專利權）人: 山東科技大學
• 主分類號: H01M8/0612
• 分類號: H01M8/0612;H01M8/04014;H01M8/0662
• 代理公司: 青島潤集專利代理事務所(普通合伙) 37327
• 代理人: 趙以芳

本發明公開了一種固體氧化物燃料電池燃料重整與尾氣燃燒耦合換熱方法，換熱過程為：燃料氣通過重整燃料進氣口進入燃料腔中，再分配到各個燃料重整管中在燃料重整催化劑上發生反應，吸收熱量，重整后即可得到重整氣；陰極尾氣經陰極尾氣進氣口進入空氣腔中，先與燃料重整管進行初步換熱，再經空氣導管分配到尾氣燃燒催化劑上，與經陽極尾氣進氣口進入的陽極尾氣發生催化燃燒反應，放出熱量，該部分熱量為吸熱的燃料重整反應提供熱量。本發明的有益效果是，陽極尾氣燃燒釋放的熱量經熱交換供給燃料催化重整反應，實現了重整反應與尾氣燃燒反應的熱量耦合，大大提高了固體氧化物燃料電池發電系統的能量利用效率。

技術領域

本發明涉及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燃料重整與尾氣燃燒耦合換熱方法。

背景技術

固體氧化物燃料電池(SOFC)是一種采用固體氧化物作為電解質隔膜，通過電化學反應將燃料的化學能高效、清潔地轉化為電能的發電裝置，其發電效率可達50％以上，熱電聯供效率高于80％，是降低二氧化碳排放的高效發電裝置。固體氧化物燃料電池不僅可以使用氫氣燃料，還可以采用資源豐富而且廉價的天然氣、液化石油氣、甲醇、乙醇及生物質氣等作為燃料。

固體氧化物燃料電池為避免陽極氧化和高的濃差極化現象，通常其燃料利用率不易過高，一般為60-90％，因此有約10-40％的燃料氣進入尾氣不能被電池用來進行發電，如果這部分燃料氣被直接排出，則會造成很大的浪費，同時電池發電系統的能量利用效率也會因此而大大降低。而電池所采用的天然氣、液化石油氣、甲醇、乙醇等燃料氣，通常需要經過重整后才能直接作為固體氧化物燃料電池的燃料氣，其中含碳化合物燃料的重整反應過程是吸熱過程。

直接采用天然氣等含碳化合物作為固體氧化物燃料電池的燃料，其利用效率可得到大大提高，但直接將天然氣等含碳化合物通入固體氧化物燃料電池陽極，會引起陽極積炭，進而破壞電流傳導的界面，降低電催化劑的性能，影響電極內的氣體傳質，降低電池壽命。因此，在發電系統中，天然氣等含碳化合物燃料一般先經過水蒸汽等催化重整為合成氣，再在電池陽極上進行電化學反應。燃料重整反應是一個在高溫下(600-900℃)進行的強吸熱反應：CH₄+H₂O→3H₂+CO，ΔH_1073K＝225.7kJ mol^-1，該反應進行需要提供大量的熱能。電池工作時因電壓效率和電流效率不是100％而產生一部分熱；燃料尾氣的催化燃燒是一個強放熱反應：H₂+0.5O₂→H₂O，ΔH_1073K＝-248.3kJ mol^-1，電池堆和尾氣催化燃燒產生的熱量需要及時移走，防止產生局部高溫，破壞電池堆。對于強吸放熱反應，如何促進熱的傳遞是催化劑和反應器設計需要考慮的一個重要因素。

因此，在固體氧化燃料電池發電系統中如果設計一個將尾氣燃燒和燃料重整高效耦合換熱系統，這樣可大大提高固體氧化物燃料電池發電系統的能量利用效率。

在固體氧化物燃料電池發電系統中，將尾氣燃燒和燃料重整高效耦合換熱系統的設計需要解決以下問題：(1)重整反應放置在高溫熱區，以便達到重整反應進行溫度；(2)重整反應最好吸收尾氣燃燒產生熱量，降低尾氣溫度，實現系統熱量耦合；(3)流出電池的燃料尾氣要完全轉化，以便實現利用余熱。

發明內容

為解決上述各種反應熱-熱耦合過程中，存在的難于建立穩定易控、高度集成系統結構等技術問題，公開了一種固體氧化物燃料電池燃料重整與尾氣燃燒耦合換熱方法。

為實現上述目的，本發明采用下述技術方案：固體氧化物燃料電池燃料重整與尾氣燃燒耦合換熱方法，采用耦合換熱裝置，換熱過程為：

燃料氣通過重整燃料進氣口進入燃料腔中，再分配到各個燃料重整管中的燃料重整催化劑上發生反應，吸收熱量，重整后即可得到重整氣，重整氣直接作為固體氧化物燃料電池燃料；