[發明專利]一種中溫固體氧化物燃料電池熱管理系統及方法

在審

• 申請號: 202210158774.1
• 申請日: 2022-02-21
• 公開（公告）號: CN114566675A
• 公開（公告）日: 2022-05-31
• 發明（設計）人: 李思遠;瞿遙;馬孔融;李文聰;白書戰;李國祥
• 申請（專利權）人: 山東大學
• 主分類號: H01M8/04007
• 分類號: H01M8/04007;H01M8/04014
• 代理公司: 濟南圣達知識產權代理有限公司 37221
• 代理人: 楊琪

本發明提出了一種中溫固體氧化物燃料電池熱管理系統及方法，本發明通過第一控制閥、第二控制閥、預燃燒器、第一混合閥、氧化重整系統和后燃燒器之間的連接結構；可以通過設置的后燃燒器，將POX的氣體管路由陰極廢氣切換到后燃燒器尾氣，解決對POX由散熱到供熱的過渡問題；通過設置的第一控制閥，將小部分天然氣作為補充燃料直接引入后燃燒器，實現進入POX的新鮮燃料與空氣不再進行預熱，保證了高AOGR率下重整反應的能量供應；在上述措施下，為實現低AOGR率時系統的穩定運行以便完成AOGR率由低到高的切換，設置預燃燒器以此維持POX燃料入口所需的最低溫度。

技術領域

本發明屬于電池熱管技術領域，尤其涉及一種中溫固體氧化物燃料電池熱管理系統及方法。

背景技術

當前，固體氧化物燃料電池(Solid Oxide Fuel Cell，SOFC)的應用還主要集中在固定式發電模塊，其向車載或便攜式移動電源方面的應用依然受電堆特性與外圍系統兩個因素的制約；其中，針對外圍系統因素的制約問題，則只能依賴于熱管理系統(Balance ofPlant，BOP)的不斷優化來解決；一種可行的方式是使用部分氧化重整(PartialOxidation，POX)代替水蒸氣重整(Steam Reforming，SR)，構成POX-AOGR(Anode off GasRecycle)系統，以此消除復雜的水蒸氣產生及過熱裝置，簡化熱管理系統結構；但相對于水蒸氣重整來說，氧化重整較低的氫產率會導致系統電效率降低，因此需要耦合大比例陽極廢氣循環(AOGR)來減輕此種效應。

發明人發現，POX-AOGR系統的應用存在以下問題，隨著陽極廢氣循環率的提高，POX內的重整反應將由放熱逐步過渡至吸熱，現有BOP系統不能很好的實現對POX由散熱到供熱的過渡；隨著陽極廢氣循環率的提高，流入后燃燒器內的陽極廢氣減少，后燃燒器尾氣溫度降低，無法為重整反應提供足夠的熱量，與此同時，POX入口處的燃料溫度升高，與后燃燒器尾氣之間的溫差減小，POX內的換熱更為困難，因此，POX-AOGR系統應用存在如何保證高AOGR率下重整反應的能量供應；降低POX燃料入口溫度的措施，例如進入POX的新鮮空氣與燃料不進行預熱，有利于拓展高AOGR率下SOFC系統的運行范圍，提高系統效率，但此類措施會引起低AOGR率下POX入口溫度過低，甚至導致重整反應逐步熄滅。

發明內容

本發明為了解決上述問題，提出了一種中溫固體氧化物燃料電池熱管理系統及方法，本發明為解決對POX由散熱到供熱的過渡問題，POX的氣體管路將由陰極廢氣切換到后燃燒器尾氣；為保證高AOGR率下重整反應的能量供應，小部分天然氣將被作為補充燃料直接引入后燃燒器，且進入POX的新鮮燃料與空氣不再進行預熱；在上述措施下，為實現低AOGR率時系統的穩定運行以便完成AOGR率由低到高的切換，設置預燃燒器以此維持POX燃料入口所需的最低溫度400℃。

為了實現上述目的，第一方面，本發明提供了一種中溫固體氧化物燃料電池熱管理系統，采用如下技術方案：

一種中溫固體氧化物燃料電池熱管理系統，包括第一控制閥、第二控制閥、預燃燒器、第一混合閥、氧化重整系統和后燃燒器；

所述第一控制閥包括兩個出口，分別連通所述后燃燒器的第一入口，以及所述第二控制閥的入口；所述第一控制閥被配置為，將接收的天然氣中的至少一部分輸送給所述后燃燒器；

所述第二控制閥包括兩個出口，分別連通所述預燃燒器的天然氣入口，以及所述第一混合閥的第一入口；所述第二控制閥被配置為將接收所述第一控制閥中提供天然氣的至少一部分輸送給所述預燃燒器，將其他部分天然氣輸送給所述第一混合閥；所述預燃燒器被配置為將天然氣進行燃燒加熱；

所述第一混合閥還包括第二入口，所述預燃燒器的出口連通所述第一混合閥的第二入口；所述第一混合閥的出口連通所述氧化重整系統的第一入口；所述第一混合閥被配置為，將來自所述第二控制閥的天然氣與來自所述預燃燒器加熱后的流體進行混合，并將混合后的氣體輸入所述氧化重整系統；