[發明專利]基于柴油重整的固體氧化物燃料電池熱電聯產系統

有效

• 申請號: 202210674547.4
• 申請日: 2022-06-15
• 公開（公告）號: CN115084574B
• 公開（公告）日: 2023-03-24
• 發明（設計）人: 徐心海;仲政;李黨江;王靜貽
• 申請（專利權）人: 哈爾濱工業大學（深圳）
• 主分類號: H01M8/04007
• 分類號: H01M8/04007;H01M8/04014;H01M8/04119;H01M8/0612
• 代理公司: 深圳市添源創鑫知識產權代理有限公司 44855
• 代理人: 覃迎峰

本發明公開了基于柴油重整的固體氧化物燃料電池熱電聯產系統，包括離心泵、混合器、換熱器、柴油重整器、尾氣燃燒室、SOFC電堆和鼓風機，空氣經過換熱器通入SOFC電堆陰極，SOFC電堆陰極尾氣給換熱器用于提高重整尾氣的溫度；重整尾氣先經過冷凝再經過換熱預熱，克服了現有柴油重整制氫尾氣含有大量水對電堆性能影響考慮不足的問題的同時，使得重整尾氣中大部分的水能冷凝并被系統重新利用，減少系統對水的依賴；SOFC電堆陽極未被利用的燃料以及經重整尾氣換熱后的SOFC電堆陰極尾氣均在尾氣燃燒室中釋放掉，尾氣燃燒器產生的熱量也用來對柴油和水蒸氣的混合氣進行預熱，使其能滿足重整反應溫度，同時也給重整器反應過程提供熱量，提升系統能量的多級利用。

技術領域

本發明涉及燃料電池技術領域，尤其涉及基于柴油重整的固體氧化物燃料電池熱電聯產系統。

背景技術

分布式熱電聯產是固體氧化物燃料電池十分具有潛力的應用場景。固體氧化燃料電池工作溫度高，更適合熱量階梯利用，并且具有更高的系統效率。分布式固體氧化物燃料電池熱電聯產系統可用于城市建筑、野外營地、醫療應急等，為用戶同時提供電能與熱能。

分布式固體氧化物燃料電池熱電聯產系統需要氫氣或者合成氣作為燃料進行產電供熱。氫源主要以儲氫技術為主，包括高壓儲氫、低溫液態儲氫以及金屬固態儲氫等。高壓儲氫具有設備簡單，技術成熟度高等特點，但是其儲氫密度較低，且存在一定的安全隱患，不能消除人們的安全擔憂和滿足燃料電池商業化應用需求；低溫液態儲氫具有較高的質量及體積儲氫密度，但是其液化過程耗能較高，應用領域存在較大限制；金屬固態儲氫體積儲氫密度高，安全性好，但是其合金材料成本較高。

基于柴油重整的制氫技術可以原位生產合成氣供分布式固體氧化物燃料電池熱電聯產系統使用，不需要儲存氫氣。該技術具有能量密度高、基礎設施完善、安全性好、成本低等優點。由于柴油重整制氫在實際運用中，需要通入過量的水來防止出現積碳的問題，因此會造成合成氣中含有大量的水，在通入固體氧化物燃料電池電堆前需要對合成氣中水分進行處理，避免對電堆性能造成影響。

公開號為CN204348818U的專利提出了一種柴油型固體氧化物燃料電池充電站系統。柴油從柴油油箱進入柴油催化重整室，同時水也進入柴油催化重整室，催化重整后產生的柴油重整氣進入SOFC電池堆的陽極，預熱后的空氣進入SOFC電池堆的陰極，通過電化學反應的方式將儲存在柴油重整氣中的化學能轉化為電能，由SOFC電池堆輸出的為直流電，再經過增壓器達到使用電壓。

公開號為CN113440539A的專利提出了一種結合部分氧化重整裝置和蒸汽重整裝置的SOFC系統。CPOX裝置不需要外來水供應即可產生電堆反應所需的氣體組分；重整產物氣在一級SOFC電堆內反應后，產生電堆陽極尾氣再與天然氣混合流入SR裝置內，SR裝置重整后的氣體通入至二級SOFC電堆的陽極內，消除整個系統對外供水源的依賴，同時電堆陽極尾氣中的高溫尾氣可以循環利用。

CN204348818U提出的方案的系統形式過于理想，且沒有很好地考慮在實際生產環境下，柴油重整制氫反應需要吸收大量的熱，而且由于為了避免柴油重整過程出現積碳現象，重整尾氣中往往含有大量的水，直接將高溫重整尾氣通入電堆，會對電堆的發電性能造成嚴重影響，并且重整氣中含有的大量水會造成電堆陽極鎳催化劑的氧化進而導致電堆被破壞。

CN113440539A提出的方案主要依靠兩個SOFC電堆來消除整個系統對外供水源的依賴以及實現多級電堆均衡串聯運行，這大幅度增加了產品的制造時間成本與匹配設計成本。同時由于系統各部件對熱量的品位和熱量大小的需求不同，該系統沒有對該需求做出考慮，僅直接用尾氣燃燒器產生的高溫尾氣去預熱空氣和燃料，在實際運行過程中可能會出現尾氣燃燒器工作溫度超過安全運行范圍或者熱量不匹配問題。

發明內容

針對現有技術的缺陷和改進需求，本發明提供了一種基于柴油重整的固體氧化物燃料電池熱電聯產系統，優化系統穩態運行過程的能量匹配，使得系統對柴油的能量利用更加高效靈活，同時可以有效消除重整尾氣中含有的大量水分對電堆性能影響的現象。