[發明專利]一種高效能量耦合的固體氧化物燃料電池發電系統

有效

• 申請號: 202210052453.3
• 申請日: 2022-01-18
• 公開（公告）號: CN114361538B
• 公開（公告）日: 2023-10-24
• 發明（設計）人: 涂寶峰;蘇新;尹燕霞;戚惠穎;張福俊;張同環;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;H01M8/0662;H01M8/04014;H01M8/04029;H01M8/12
• 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

本發明公開了一種高效能量耦合的固體氧化物燃料電池發電系統，包括熱交換過程、燃料電池發電過程和余熱回收過程，熱交換過程中產生的重整氣作為燃料氣，在發電后產生高溫尾氣返回到熱交換部分，催化燃燒剩余的燃料氣為燃料氣重整反應提供熱量；熱交換過程中的熱空氣作為氧化氣體在燃料電池發電后，剩余的高溫空氣返回到熱交換部分中與剩余的燃料氣發生催化燃燒反應；尾氣催化燃燒后則進入余熱回收部分，通過冷水進一步吸收尾氣的熱量，實現余熱充分利用。本發明既可以在固體氧化物燃料電池高溫運行時保證其可靠穩定運行，還可以實現自熱啟動及安全停機；大大提高能量利用效率，實現固體氧化物燃料電池的高效、穩定運行及安全可靠重復啟動。

技術領域

本發明涉及燃料電池技術領域，尤其涉及一種高效能量耦合的固體氧化物燃料電池發電系統。

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，熱電聯供效率可達80％以上，是降低二氧化碳排放的新型發電裝置。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、燃油及生物質氣等含碳化合物作為燃料。

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。但是，直接將天然氣等含碳化合物通入固體氧化物燃料電池，容易導致陽極積碳，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，在固體氧化物燃料電池發電系統中，天然氣等含碳化合物燃料通常要先經過催化重整后，再進入燃料電池發電系統，進行電化學反應。SOFC工作時因電壓效率和電流效率不是100％而產生一部分熱，電池堆放電產生的熱量需要及時移走，防止局部溫度過高。固體氧化物燃料電池通常其燃料利用率為60-90％，有10-40％的燃料氣作為尾氣不能被燃料電池完全利用，如果這部分燃料氣直接排出，則會造成很大的浪費，同時電池發電系統的效率也會因此而大大降低。

另外，固體氧化物燃料電池采用的天然氣等含碳化合物燃料的催化重整過程是一個在高溫下(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。因此在固體氧化物燃料電池部分中如何將放熱反應和吸熱反應很好的耦合對提高系統的總能量利用效率非常重要。

在固體氧化物燃料電池發電系統中，系統的整體設計需要解決以下問題：(1)系統安全可靠的重復啟動和穩定運行；(2)重整反應放置在高溫熱區，以便達到重整反應進行溫度；(3)重整反應吸收尾氣燃燒產生熱量，降低尾氣溫度，實現系統熱量集成；(4)流出電池的燃料尾氣要完全轉化，以便實現余熱高效利用。

發明內容

為解決以上技術問題，本發明公開了一種高效能量耦合的固體氧化物燃料電池發電系統，該發電系統可大大提高固體氧化物燃料電池的能量利用效率，實現固體氧化物燃料電池的高效、穩定運行及安全可靠重復啟動。

為實現上述目的，本發明采用下述技術方案：

一種高效能量耦合的固體氧化物燃料電池發電系統，該發電系統包括熱交換過程、燃料電池發電過程和余熱回收過程，其中：

熱交換過程在熱交換部分中進行，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，燃料氣在燃料重整管內發生重整反應，重整后得到的重整氣先進入重整氣腔，再經重整氣出口排出；空氣通過第一空氣進氣口進入進氣空氣腔中，再分配到各個空氣換熱管內進行預熱，經預熱后的空氣進入出氣空氣腔，再經下方的空氣出口排出；