[發(fā)明專利]一種用于固體氧化物燃料電池系統(tǒng)的重整器設計及其運行方法

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• 申請日: 2022-07-25
• 公開（公告）號: CN114988363A
• 公開（公告）日: 2022-09-02
• 發(fā)明（設計）人: 林梓榮;白帆飛;王梅;楊潤農;謝輝
• 申請（專利權）人: 廣東佛燃科技有限公司
• 主分類號: C01B3/40
• 分類號: C01B3/40;H01M8/0612;H01M8/0662
• 代理公司: 廣州浩泰知識產權代理有限公司 44476
• 代理人: 李巍

本發(fā)明涉及一種用于固體氧化物燃料電池(Solid Oxide Fuel cell，簡稱“SOFC”)系統(tǒng)的重整器設計及其運行方法，包括殼體、保溫層、燃料入口管、空氣入口管及其閥門、燃料出口管、高溫氣體入口管、高溫氣體出口管、高溫氣體盤管、甲烷催化部分氧化(Catalytic Partial Oxidatio，簡稱“CPOX”)催化劑、甲烷水蒸氣重整(Steam Reforming，簡稱“SR”)催化劑、入口柵欄、出口柵欄、中間柵欄；還包括CPOX催化劑的填料口、SR催化劑的填料口，本發(fā)明用于SOFC系統(tǒng)可以省去水處理系統(tǒng)、蒸汽發(fā)生器等，簡化了工藝流程、提升了系統(tǒng)可靠性。

技術領域

本發(fā)明涉及燃料電池系統(tǒng)技術領域，具體涉及一種用于固體氧化物燃料燃料電池系統(tǒng)用重整器設計及其運行方法。

背景技術

固體氧化物燃料電池(Solid Oxide Fuel Cell，簡稱“SOFC”)是一種不經過燃燒過程直接以電化學反應方式將燃料(如天然氣、H₂、合成氣、沼氣、甲醇等)的化學能直接轉化為電能的高效發(fā)電裝置。相對于傳統(tǒng)發(fā)電技術，SOFC發(fā)電系統(tǒng)具有燃料來源廣、發(fā)電效率高、無NOx排放、可實現(xiàn)CO₂集中排放等優(yōu)點。SOFC系統(tǒng)作為一種高效、環(huán)保的新型發(fā)電設備，在住宅、酒店、醫(yī)院、學校、辦公樓宇、小區(qū)、數(shù)據中心、通訊基站等民工商業(yè)用戶分布式電源領域具有廣泛應用前景，是實現(xiàn)“碳中和”、“碳達峰”的重要技術手段。

在以天然氣為燃料的SOFC系統(tǒng)中，重整器和SOFC電堆是系統(tǒng)的核心，作為燃料處理-能量轉化核心部件，對整個系統(tǒng)的效率有很大的影響。雖然SOFC電堆陽極表面可以直接進行內重整，具有很強的燃料適應性，可以使用多種燃料作為原料，但是化學反應和電化學反應的速度都很快，導致重整效果不佳。如果長期直接使用天然氣為原料，容易在SOFC陽極上產生積碳，影響SOFC的長期穩(wěn)定性和使用壽命。因此以天然氣為燃料的SOFC系統(tǒng)通常需要一個燃料預處理裝置即重整器進行燃料的預處理。燃料預處理的作用將燃料通過化學方法轉化為SOFC更理想的反應原料如H₂和CO等。

SOFC系統(tǒng)中，燃料預處理通常是通過一個重整器發(fā)揮作用的。重整器的主要作用是在高溫下通過一個化學反應，將碳氫燃料(通常為天然氣)轉化為SOFC理想的反應原料合成氣(包括H₂和CO)，再通入SOFC陽極進行電化學反應。以減輕碳氫燃料長期直接在SOFC陽極表面發(fā)生直接裂解和電化學反應導致的積碳和對SOFC反應性能造成的影響。傳統(tǒng)的重整方法包括水蒸氣重整、二氧化碳重整以及部分氧化重整，其中：

水蒸氣重整反應，

部分氧化重整反應，CH₄+0.5O₂→CO+2H₂

水蒸氣重整是一種化學催化反應，是其中最為成熟的重整技術，也是工業(yè)上應用最多的重整方法。其優(yōu)勢在于反應活性強、水蒸氣的添加使得催化劑積碳較少。但是缺點在于其為強吸熱反應，持續(xù)的額外熱量補給導致較高的能耗和成本；水蒸氣的添加使得反應器中需要添加蒸汽發(fā)生裝置，進一步增加了系統(tǒng)的能耗和反應器的復雜度。部分氧化重整通常是一個非催化的化學反應，主要通過富燃火焰進行重整反應，需要較高的反應溫度(1000-1500℃)。但是由于富燃火焰難以控制，部分反應物發(fā)生完全燃燒反應轉化為H₂O和CO₂，因此重整反應生成H₂和CO的反應速率較低，重整效果較差。近些年來，催化部分氧化重整逐漸進入研究者的視野。催化部分氧化是在催化劑的作用下進行的部分氧化反應，其反應溫度為500-900℃。由于催化劑的加入，相比于非催化部分氧化重整反應溫度大大降低但反應活性大大提高。該反應是弱放熱反應，相比于強吸熱的水蒸氣重整和二氧化碳重整反應，反應條件相對溫和，可以實現(xiàn)啟動后熱量的自維持運行。常壓下即可發(fā)生反應，并且反應無需添加水蒸氣，反應器復雜度降低。該反應啟動速度快且燃料適應性廣，可使用多種碳氫燃料；缺點主要在于催化劑的積碳程度比水蒸氣重整嚴重，長期穩(wěn)定性受到影響。因此CPOX催化劑配合SR催化劑可有效提高重整器的使用效果。