CN107112560A - Sofc系统和操作sofc系统的方法 - Google Patents

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Abstract

所述SOFC系统(1)包括：‑用于将气态烃流(100)和蒸汽(404)重整成富氢气体(103)的燃料重整器(102)，‑包括阳极(4)和阴极(3)的固体氧化物燃料电池堆(2)，其用于使富氢气体(103)和阴极空气流(204)进行电化学反应以产生电、阳极废气流(104)和阴极贫化空气流(205)，其中阳极废气流(104)和阴极贫化空气流(205)保持分离，‑用于燃烧阳极废气流(104)和新鲜空气流(300)的混合物以完成燃烧和产生用于重整器(102)的热的燃烧器(105)，‑控制单元(601)和鼓风机(302)，控制单元(601)控制鼓风机(302)以控制新鲜空气流(300)的质量流速从而向重整器(102)提供热来重整气态烃流(100)和产生燃烧器废气流(106)，‑和热交换器(107)，其中来自阳极废气流(104)或燃烧器废气流(106)的冷凝水(403)被加热以产生蒸汽(404)。

Description

SOFC系统和操作SOFC系统的方法
发明领域
本发明的领域涉及一种固体氧化物燃料电池(Solid Oxide Fuel Cell,SOFC)系统。本发明的领域还涉及一种操作固体氧化物燃料电池系统的方法。
发明背景
固体氧化物燃料电池(SOFC)是用于将燃料的化学能直接转化为电能的装置。文献US4,943,493公开了一种燃料电池发电厂，其中烃燃料在重整器中被重整以提供富氢燃料流，并且所述富氢燃料流在燃料电池中被氧化。阳极废气流和包含阴极废气和空气的氧化剂流在燃烧器中燃烧。燃料电池发电厂采用以下方式允许间接控制燃烧器火焰温度：控制氧化剂流的组成，以将燃烧器废气流的氧含量保持在预定范围，且因此将燃烧混合物的火焰温度保持在优选范围。
该燃料电池发电厂的一个缺点在于，鉴于贫化空气以非常高的流速从堆中排出使得完全燃烧(其意味着燃烧所有燃料)的可控性具有挑战性，尤其是当系统在调制负荷下运行时，控制燃烧器中的燃烧是困难的。另一个缺点是在系统中相对大的燃烧器是必需的。又一个缺点是运行系统必需外部水管线和用于产生蒸汽的装置。
解决的技术问题
因此，本发明的目的是提供一种不需要外部水管线的固体氧化物燃料电池(SOFC)系统，其更可靠，经济上更有利且更容易控制，特别是在燃烧器及其控制方面。
发明概述
通过包括权利要求1的特征的SOFC系统，更特别地通过包括权利要求2至10的特征的系统来解决上述目的。通过包括权利要求11的特征的用于操作SOFC系统的方法，更特别地通过包括权利要求12至20的特征的方法进一步解决上述目的。
该目的特别通过一种SOFC系统来解决，该系统包括：
-用于将气态烃流和蒸汽重整成富氢气体的燃料重整器，
-包括阳极和阴极的固体氧化物燃料电池堆，其用于使富氢气体和阴极空气流进行电化学反应以产生电、阳极废气流(anode exhaust stream)和阴极贫化空气流，其中阳极废气流和阴极贫化空气流保持分离，
-用于燃烧阳极废气流和新鲜空气流的混合物以完成燃烧和产生用于重整器的热的燃烧器，
-和控制单元和鼓风机，所述控制单元控制所述鼓风机，以控制所述新鲜空气流的质量流速从而产生燃烧器废气流(burner exhaust stream)和向所述重整器提供热来重整所述气态烃流。
该目的进一步特别地通过一种SOFC系统来解决，该系统包括：
-用于将气态烃流和蒸汽重整成富氢气体的燃料重整器，
-包括阳极和阴极的固体氧化物燃料电池堆，其用于使富氢气体和阴极空气流进行电化学反应以产生电、阳极废气流和阴极贫化空气流，其中阳极废气流和阴极贫化空气流保持分离，
-用于燃烧阳极废气流和新鲜空气流的混合物以完成燃烧和产生用于重整器的热的燃烧器，
-和控制单元和鼓风机，所述控制单元控制所述鼓风机以控制所述新鲜空气流的质量流速从而向所述重整器提供热来重整所述气态烃流和产生具有用于产生蒸汽的足够的热的燃烧器废气流，其中在所述燃烧器之后设置至少一个热交换器—蒸发器，以冷却所述燃烧器废气流和加热所述冷凝水来产生蒸汽，其中所述蒸汽被进料至所述燃料重整器，并且其中所述阳极废气流和燃烧器废气流之一被冷却以产生冷凝水，从而不需要外部水管线。
该目的进一步特别地通过一种用于操作SOFC系统的方法来解决，所述方法包括：将气态烃流和蒸汽重整成富氢气体，使富氢气体和阴极空气流在固体氧化物燃料电池堆中进行电化学反应以产生电、阳极废气流和阴极贫化空气流，将阳极废气流和阴极贫化空气流保持为分离的物流，将阳极废气流供应到燃烧器，向燃烧器供应新鲜空气流以提供用于燃烧器中的完全燃烧的足够的空气，和燃烧阳极废气流和新鲜空气流的燃烧混合物，以向重整器提供热来预重整气态烃流和产生燃烧器废气流。
该目的进一步特别地通过一种用于操作SOFC系统的方法来解决，所述方法包括：
将气态烃流和蒸汽重整成富氢气体，使富氢气体和阴极空气流在固体氧化物燃料电池堆中进行电化学反应以产生电、阳极废气流和阴极贫化空气流，将阳极废气流和阴极贫化空气流保持为分离的物流，将阳极废气流供应到燃烧器，向燃烧器供应新鲜空气流以提供用于燃烧器中的完全燃烧的足够的空气，燃烧阳极废气流和新鲜空气流的燃烧混合物，以向重整器提供热来预重整气态烃流和产生具有用于产生蒸汽的足够热的燃烧器废气流，冷却阳极废气流或燃烧器废气流以产生冷凝水，和借助燃烧器废气流加热冷凝水以产生蒸汽，从而不需要外部水管线。
本发明的一个优点是提供了一种更简单、更强大的控制和经济上更有利的固体氧化物燃料电池(SOFC)系统。由于阳极废气流和阴极贫化空气流保持分离的事实，阳极废气流和燃烧器废气流的流量被保持为低的。因此，在阳极或燃烧器之后需要小的冷凝热交换器，以从阳极废气流或燃烧器废气流的剩余部分中分离和冷凝水。在根据本发明的SOFC系统中，将分离的水反馈到系统中并用于蒸汽重整单元中。控制燃烧器使得燃烧器废气流向蒸发器提供足够的热，用于从冷凝水中产生蒸汽，从而对于燃料重整器而言，具有足够的蒸汽，并且不需要外部水管线。
鉴于现有技术情况，本发明的独特区别是燃料电池的阳极出口和阴极出口不混合在一起，以及此外，向燃料电池的阴极侧提供空气的第一空气鼓风机和向燃烧器提供受控的空气流的第二空气鼓风机。因此，燃料电池的阳极废气流不会被来自燃料电池的阴极废气流的空气稀释，反而阳极废气流与第二鼓风机所提供的新鲜空气一起在燃烧器中被氧化。包含燃料电池的未燃烧燃料的剩余部分的阳极废气流与用第二鼓风机提供的一些新鲜空气一起被引导到燃烧器中。因此，与诸如US4,943,493、WO2014/171265A1或US2003224231A1的常规方法(其中阴极出口流和阳极出口流被混合用于后燃烧)相比，燃烧器中的流体流量的总量保持较低。因此，根据本发明的实施方案的优点是需要相对小的燃烧器来燃烧阳极废气流。
另一优点是，用另外的鼓风机将新鲜空气进料至燃烧器中使得更容易控制燃烧器中的火焰温度，因为可以更容易地调节燃烧所需的氧量。此外，在优选实施方案中，在燃烧器下游或阳极下游需要特别是具有低压降的相对小的热交换器或冷凝器，以在燃烧器之后从燃烧器废气流或在阳极之后从阳极废气流冷凝水。
优选地，燃烧器之后的流具有高的露点—开始冷凝的温度，从而可以在冷凝器处保证充分冷凝。该物流完全独立于阴极流速。
在燃烧器中完成燃烧所需的新鲜空气的流速独立且显著低于堆的阴极侧的空气的流速。因此，冷凝器中冷凝的水的量主要与冷凝器中使用的冷却介质的温度相关，而与阴极流速无关。在下面的段落中示出了一些数值实例用于说明。例如，对于所提出的具体实例，阴极侧的空气的流速为约3.4×10-2[kg/s]，而用于燃烧器的新鲜空气的流速为约6.2×10-4[kg/s]。因此，保持阳极废气流和阴极贫化空气流分离允许改善对燃烧器的控制，并且改善了水的冷凝并改善了蒸汽的产生。
另一个要考虑的重要优点是，在SOFC系统经过长时间的操作后，系统开始退化，并且堆内产生的热增加，因此阴极侧空气的流速可能增加，以克服堆中的温度升高。对于US4,943,493和WO2014/171265A1中提出的配置，其将降低物流的露点，这将限制蒸发器冷凝的水量。
长期的实验证据表明，冷凝水中存在一些杂质，特别是在堆后立即混合阴极物流和阳极物流的结构中，例如WO2014/171265A1中。这些杂质主要来自堆本身和电厂SOFC配套设施中所使用的材料，这些材料具有负面影响并增加了堆的退化速率。因此，在将其送回蒸发器之前，必须将其过滤出来并净化冷凝水。在WO2014/171265A1的情况下，冷凝水在没有任何过滤器情况下返回到蒸发器，然而，本发明的优点是冷凝水可以被过滤，然后被送回蒸发器。这又消除了对用于系统的外部水源的需要。
在根据本发明的另一个实施方案中，来自堆的阳极废气不直接被送到燃烧器，而在系统内回收热，并且物流被直接送到冷凝器。之后，将被反馈进入系统中的冷凝水用于蒸发器。可以称为干燥气体的剩余的气体被进料至燃烧器以完成燃烧。已经通过实验发现，为了保证完全燃烧，燃烧有一些蒸汽或其它介质的燃料更困难。然而，这种方法的优点是去除大部分来自阳极废气的蒸汽，并使干燥气体中的水量最小化。这又和使用用于燃烧器的新鲜空气一起有助于在燃烧器处进行平稳和完全的燃烧。
将水与燃烧器废气流分离的优点是可以将水反馈进入重整器中。因此，可以消除对用于系统的外部水源的需要。
在US4,943,493中公开的实施方案中，将燃料电池的阴极出口的贫化空气流与一些新鲜空气一起送至燃烧器以完成燃烧。提示阴极出口的贫化空气流中的氧，这意味着阴极废气流用于完成燃烧器中的燃烧。然而，这种方法的一些缺点是需要例如通过使用调节阀来分流或产生阴极管线上的反压力，以便正确地划分流量。这使得控制SOFC系统甚至更复杂或更具挑战性，特别是如果在SOFC系统中存在连续的负荷调制时。负荷调制改变施加到燃料电池的电负荷量，并且其改变流量，并且在改变燃料利用率的情况下，改变阳极废气流中的未燃烧燃料的量，因此改变燃烧器中所需的空气量。根据本发明的系统和方法的一个优点是可以容易地控制负荷调制，因为通过简单地控制第二鼓风机可以容易地调节被提供至燃烧器的空气量。
本发明的另一个优点是，根据本发明的实施方案可以在具有不同布局的SOFC系统中实现，例如，以最小的成本和改造实现阳极再循环。根据本发明的实施方案具有的优点是可以避免有毒或可燃气体的排出，因为阳极废气流的所有有毒或可燃气体都不得不通过燃烧器。在本发明的一个实施方案中，将阳极废气流直接送至燃烧器。在本发明的第二个实施方案中，从阳极废气流中排除水，之后将水贫化的阳极废气流送至燃烧器。同样在该第二实施方案中，阳极废气流的所有有毒或可燃气体不得不通过燃烧器。
从下面对本发明的优选实施方案的详细描述以及附图中，本发明的各种目的、特征、方面和优点将变得更加明显，其中相同的附图标记表示相同的部件。
附图简述
图1示出了根据本发明的一种SOFC系统的示意图。
图2示出了根据本发明的另一SOFC系统的示意图；
图3示出了根据本发明的又一SOFC系统的示意图；
图4示出了根据本发明的又一SOFC系统的示意图；
图5示出了根据本发明的又一SOFC系统的示意图。
优选实施方案的描述
图1是根据本发明的SOFC系统1的第一实施方案的示意图。将气态烃流100和蒸汽流404进料至重整器102中，其中将气态烃流100和蒸汽转化为含有氢和一氧化碳气体的重整燃料以产生富氢气体。富氢气体流103从重整器102被引导至固体氧化物燃料电池堆2的阳极4。由第一空气鼓风机207提供的预热的阴极空气流204被引导至固体氧化物燃料电池堆2的阴极3。富氢气体103的氢在固体氧化物燃料电池堆2中被氧化以产生电、离开燃料电池2的阳极4的氢贫化阳极废气流104和离开燃料电池2的阴极3的氧贫化阴极废气流205。不混合阳极废气流104和阴极废气流(cathode exhaust stream)205，而是将其保持分离。阳极废气流104被引导至燃烧器105。由第二空气鼓风机302提供的新鲜空气流300也被进料至燃烧器105。燃烧器105燃烧阳极废气流104和新鲜空气流300的混合物，以产生用于重整器102的热和燃烧废气。燃烧器废气以燃烧器废气流106的形式离开燃烧器105。废气流106在至少一个热交换器107、109、111中被冷却以冷凝水。在分离器113中，冷凝水403被分离，使得留下废气112。燃烧器废气流106加热是蒸发器的热交换器107中的冷凝水403，使得产生蒸汽404。提供氧传感器600以感测燃烧器废气流106的氧含量，在一个实施方案中特别用以确保燃烧器废气流106具有足够的热以产生蒸汽404。在优选实施方案中，可设置过滤器122以过滤冷凝水403除去杂质，特别是除去来自堆本身和电厂的SOFC配套设施中使用的材料的杂质。在另一优选实施方案中，SOFC系统1没有过滤器122，因此在分离器113和蒸发器107之间不设置过滤器122。
根据第一实施方案的SOFC系统的操作包括以下步骤：
-将气态烃流100和蒸汽404重整为富氢气体103，
-使富氢气体103和阴极空气流204在固体氧化物燃料电池堆2中进行电化学反应以产生电、阳极废气流104和阴极贫化空气流205，
-将阳极废气流104和阴极贫化空气流205保持为分离的流，
-将阳极废气流104或水贫化阳极废气流104供应到燃烧器105，
-将新鲜空气流300供应到燃烧器105以提供用于燃烧器105中的完全燃烧的足够的空气，
-和燃烧阳极废气流104和新鲜空气流300的燃烧混合物，以向重整器102提供热来预重整气态烃流100和产生燃烧器废气流106，
-将阳极废气流104或燃烧器废气流106冷却以冷凝水403，和
-使用燃烧器废气流106蒸发冷凝水403以产生蒸汽404。
SOFC系统1中的温度可以例如如下：燃烧器废气流106可以具有范围为900℃至1000℃的温度。冷凝水403可以具有范围为50℃至60℃的温度。蒸汽404可以具有范围为300℃至500℃的温度。
在图1中公开的实施方案中，燃烧器废气流106的氧含量由氧传感器600感测，并且提供了指示燃烧器废气流106的氧含量的信号。用于控制新鲜空气流300的质量流速的鼓风机302由控制器601基于氧传感器600所提供的信号来控制，以将燃烧器废气流106的氧含量保持在预选范围。
在优选实施方案中，也可以控制重整器102中的温度。在诸如图1中描绘的SOFC系统的SOFC系统1的操作中起重要作用的重要参数是重整器102内的燃料重整率。这通常被称为预重整率。
SOFC系统1中的预重整率可以变化，并且其主要取决于系统布局，堆设计和开发者的期望，并且最重要地取决于重整器102中的温度。例如，在图1中讨论的实施方案中，假定预重整率为50％。有众所周知的标准热力学表和图表，其示出了用于不同重整率的平衡温度。例如，对于蒸汽-碳(s/c)比为2，其意味着重整器中的蒸汽与碳的摩尔比为2，在重整器102中的360℃温度下，预重整率为10％，并且在640℃下，可以达到78％的预重整率。在重整器102中的温度与重整率之间存在直接相关性，并且因此明显的是，通过降低温度，重整率也将降低。
为了给重整器102提供最佳的操作条件，重要的是适当地控制燃烧器105的火焰温度和控制燃烧器废气流106的组成。
可以通过直接或间接测量燃烧器105中的火焰温度和通过控制氧化剂的提供量来实现燃烧器105中的完全燃烧。太低温的火焰温度会导致不完全燃烧，因此，痕量的一些有毒气体，特别是CO可能残留在燃烧器废气流106中，并且也不会为重整器102提供足够的热。另一方面，太高温的火焰温度可能引起对燃烧器衬套材料，特别是金属和催化剂的一些热和机械应力。
因此，优选将火焰的温度和燃烧器105的衬套材料，特别是金属的温度保持在优选为1100℃至1400℃的期望范围。然而，几个因素影响燃烧器的温度和可控性，特别是火焰的温度。
此外，在燃烧器105中产生并被转移到重整器102中的热量决定了重整器102中的预重整率，因此决定了重整器出口，富氢气体103的温度。图2示出了另一实施方案，其中富氢气体103的温度由在系统运行期间连续测量富氢气体103的温度的在管线上执行的温度传感器700测量。温度传感器700通过控制电缆606连接到控制器601。
在燃烧器105中产生并被转移到重整器102的热量取决于在燃烧器105中燃烧的燃料量。在根据图2的实施方案中，存在两个燃料源，阳极废气流104和补充管线500。阳极废气流104包含在燃料电池2内未被消耗的燃料剩余部分，其可以基于燃料电池2内的燃料利用率变化。补充管线500通过可控阀502连接到新鲜甲烷源503。
燃料电池系统通常被设计为热自给自足的，并且被设计为消除对任何外部燃料的需要。然而，如果需要额外的燃料，例如在燃料电池系统启动期间，则可以使用补充管线500。否则，如果没有提供足够的燃料和热，则燃烧器105和重整器102的温度将降低，这又会降低预定的预重整率。图1和2中公开的燃料电池系统在标称操作期间不必然需要如公开的补充管线500，仅在系统从室温启动期间使用补充管线500。
为了具有对系统的完全可控性，在根据图2的实施方案中，通过温度传感器700在系统操作期间测量富氢气体103的温度。从阳极废气流104和可选地从补充管线500进入燃烧器105的燃料的量由位于重整产品出口的温度传感器700以及控制单元601控制。温度传感器700向控制单元601发送信号，并且控制单元设置阀502的参数，以便增加或减少补充管线500中流到燃烧器的燃料流量。重要的是要提到，通过增加管线500中的燃料流量，完成燃烧所需要的空气的量也将增加。以与前述说明相似的方式，完成燃烧所需要的新鲜空气的量由氧传感器600和新鲜空气流300的流速来控制。图3示出了使用如图1所描述的氧传感器600和使用如图2所描述的温度传感器700的实施方案。
为了将火焰温度保持在期望的范围，描述了使用图1中公开的实施方案的第一方法。在该第一方法中，阳极废气流104和阴极废气流205保持分离，并且将阳极废气流104与由第二空气鼓风机302提供的新鲜空气流300混合。氧传感器600用于测量燃烧器废气流106的氧。
用于感测燃烧器废气流106的氧含量的传感器600感测氧浓度。控制单元601经由控制电缆603连接到传感器600。致动器602经由控制电缆604连接至控制单元601。鼓风机302由致动器602驱动。控制单元601响应传感器600并且控制鼓风机302以控制新鲜空气流300的质量流速，从而将燃烧器废气流106的氧含量保持在预选范围。鼓风机302由致动器602驱动。空气303通过鼓风机302，使得新鲜空气流300在新鲜空气流入口301处被进料至燃烧器105中。
燃烧器105中的火焰温度可以通过建模工具在理论上进行评估。根据图1的实施方案用于理论上计算火焰温度。
可以操作图1中公开的实施方案，使得重整器102用于对50％的燃料100进行预重整，并且其余的燃料通过内部重整在SOFC堆2内被转化。为了达到50％的预重整率，富氢气体103(这意味着重整产品出口)的温度需要是556℃。这用监控热电偶700处的温度的控制单元601来实现。
阳极废气流104包括蒸汽、二氧化碳和在堆2内未被消耗的剩余氢。堆2的燃料利用率在70-80％变化，这影响了燃烧器中产生的热和在燃烧器105中所需要的用于氧化的空气的量。
由于前面解释的原因，因此重要的是在燃烧器废气流106中有一定量的空气。这通常与被进料至燃烧器105中的新鲜空气流300的空气的量相关。在进行理论计算时，好的做法是保持空气的化学计量值，该化学计量值通常为λ＝1.2-1.4。这意味着被进料至燃烧器105的空气300的量通常大于理论计算值；因此，在出口处燃烧器废气流106中的一些氧将尚未使用。对于该操作条件，已经发现火焰温度可以在1100-1400℃变化。然而，通过取正好λ＝1的化学计量值，在燃烧器105的出口处不再有氧，并且这可能导致不完全燃烧，并且燃烧器的温度可能超过燃烧器衬套的耐热性。
在使用氧传感器600的情况下，在燃烧器出口处优选将燃烧器废气流106中的氧的量优选保持在某些值之间。在实验上并且在理论上已经发现，值在1.1-2.2％摩尔的范围的情况下，可以保证完全燃烧。燃烧器废气流106中的氧含量大于2.2％的上限将导致燃烧器中的温度降低，并且氧含量小于1.1％的下限将升高燃烧器的温度。在任一情况下，火焰温度可能不在期望范围，并且不能保证完全燃烧。
测量燃烧器中实际的火焰温度可能是一个非常有挑战性和乏味的任务。燃烧器的热惯性以及热电偶在燃烧器内的定位可以容易影响该测量。为了确保火焰温度落在上述范围，并且还确保燃烧器的出口处的最小氧量，直接调节新鲜空气300的流速。也就是说，由传感器600测量氧含量，并且用致动器602调节空气流速。
针对各种操作条件对图1中公开的实施方案的操作进行了建模。公开了两组结果以获取更多细节。在表1中所示的第一种情况下，燃料电池堆2中的燃料利用率为80％，并且在表2中所示的第二种情况下，燃料电池堆2中的燃料利用率为70％。显然，也可以考虑其他操作条件，诸如在部分负荷下的操作，但是这里不再赘述。
表1
表2
在这两种情况下，呈现了新鲜空气300的流速、计算的化学计量值和火焰温度。通过调节新鲜空气流300，将氧的摩尔分数保持在1.1-2.8％，这又将燃烧器105中的火焰温度保持在1217-1410℃的预定范围。基于这些结果，用于控制火焰温度的方法是，燃烧器废气流106的氧含量由传感器600测量，并且新鲜空气流300的空气流速由致动器602调节，使得氧的摩尔分数保持在1.2-2.7％。通过使用该方法，燃烧器105中的火焰温度保持在1217-1410℃的范围。
此外，针对每种情况呈现了燃烧器出口废气流106的露点。如前所述，将阳极和阴极废气流104、205彼此分离的主要优点之一是阳极出口处的物流的露点高，并且管线中的蒸汽可以用较小的冷凝器冷凝。在SOFC系统中，增强的冷凝和水回收是重要的方面，因为可以消除对外部水源的需求。另一方面，组合阳极物流和阴极物流将降低混合物的露点和在燃烧器出口处可被冷凝的水的量。对于所有情况，呈现了在燃烧器出口处的气体混合物的露点，并且显然在约80℃的温度下开始冷凝。
接下来的段落详细解释第二方法。第二方法的实施方案如图2中所示。在燃烧器出口处没有氧传感器，然而，温度传感器700和控制器601保持为如前所述。如前所述，通过一些理论计算来评估燃烧器105中所需要的空气量。以下两个表逐步详述了输入至相同的燃料电池系统实施方案的气体的转化，并在最后一列评估完成燃烧所需要的新鲜空气的量。
基于可得自研发者的设计和实验数据，需要考虑用于这些计算的一些假设；其中一些概述在表4和表5中。蒸汽重整和水-煤气变换反应如下所示：
表3
双头箭头表示水-煤气变换反应处于平衡。这意味着在反应结束时，反应物和产物两者都保持在平衡点。平衡时气体的组成取决于反应物的初始组成和最终的反应温度和压力。有理论方法可以用来评估平衡组成，这超出了本文的范围，并且这里不再对其进行讨论。这里给出的用于计算的值是从一些实验结果收集的，并且对于不同的设备可能会不同。例如，一些堆受到内部重整量的限制，或者在重整器或堆中，水-煤气变换反应并不总是处于平衡；因此，这些值需要根据实验数据相应地进行调整。
在燃料重整器102中，假定对于两者而言，预重整和水-变换反应比为50％。然而，在堆2中，假定存在完全的内部重整，并且水-变换为75％。
在下表4和5中评估了系统中不同阶段气体的组成。就是输入到燃料重整器中的气体，即甲烷和水。总气体输入为约5kW。如前面所说明的，在燃料重整器内，可以通过实施蒸汽重整和水-煤气变换反应评估出口气体的组成。由于假设在堆内存在完整的内部重整，所以在堆的入口处考虑另外的步骤，其中在重整器102中未被重整的甲烷的剩余部分被完全转化。基于燃料利用率、内部重整和水-煤气变换反应评估堆的出口处的气体的组成。最后，在出口处，基于标准λ燃烧器计算燃烧燃料的剩余部分所需要的空气300的量。
表4堆燃料利用率80％
表5堆燃料利用率80％
根据图2的实施方案通过一种方法操作，其中离开重整器102的富氢气体103具有温度Th，其中由传感器700感测富氢气体103的温度Th，其中基于温度Th和标准表确定重整器102的预重整率，并且基于关于固体氧化物燃料电池堆2中的燃料利用率的信息计算离开堆2的燃料量，基于反映系统的不同阶段的评估表计算燃烧器105中的完全燃烧所需要的空气量，和控制鼓风机302以控制新鲜空气流300的质量流速，以将燃烧器废气流106的氧含量保持在预选范围。例如，表4显示了水-变换反应率为75％情况下的系统的阶段。表4中公开的堆出口公开了阳极废气流104的组成。为了实现阳极废气流104的完全燃烧(这意味着燃烧阳极废气流104中的所有燃料的燃烧)需要燃烧阳极废气流104的0.1一氧化碳(CO)和6.6氢(H2)，如表4所示。可以计算燃烧阳极废气流104的一氧化碳和氢所需要的空气量，并且可以控制致动器602使得所需量的氧或新鲜空气300被进料至燃烧器105。
对于两种情况，根据图1以及图2的实施方案，呈现了完成燃烧所需要的总新鲜空气300。
用于燃烧器105的新鲜空气300的量以图1和图2中公开的两种不同的方法进行了评估，并且表明这两种方法是健全的并且可用于各种燃料电池系统。此外，图1和2中公开的两种技术的组合可以如图3中所示一起实现，例如，可以在燃烧器105的出口处使用氧传感器600，以测量氧的浓度并测量富氢气体103的温度，并且同时可以使用完全燃烧燃烧器废气流106所需要的空气量和预重整率的理论计算作为校正因子。这通常有助于研究系统的鲁棒控制逻辑。然而，本领域技术人员可以判断哪种方法将适合于其应用。
在优选方法中，进料至燃烧器105的组合物流的氧含量保持在1.1至1.4的空气-燃料当量比λ(λ)，且最优选为约1.2。进料至燃烧器105的组合物流至少包括阳极废气流140，且优选地还包括第二空气流300和/或补充气体500。
图1至图3示出了串联的热交换器107、109和111的组合，使得燃烧器废气流106、108被冷却，冷凝水403被分离并且废气112离开SOFC系统1。冷凝水403在热交换器107中被加热，并以蒸汽404的形式被进料至燃料重整器102。燃烧器废气流106可以以图1至图3中所公开的各种其它方式进料，最终成为废气112。在图1至图3中，如果空气流200通过第一空气鼓风机207在阴极空气入口201处被进料至热交换器109，则之后空气流200在加热的阴极空气202、204进入SOFC堆2的阴极3之前被进料至到阴极热交换器203。阴极废气流205在阴极废气流出口206处离开系统之前被进料至阴极热交换器203。冷却介质400在冷却介质入口111处进入作为冷凝器的热交换器111，并且在冷却介质出口402处离开。空气流200和/或冷却介质400可以以各种其他方式被进料通过SOFC系统1，因此图1至图3仅示出实例。
图4示出另一实施方案。为了简化图1中公开的SOFC系统，还可以去除鼓风机207，并且使用仅一个单独的鼓风机，用于两个空气流202、300的鼓风机302。如图4所公开的，系统需要的新鲜空气200的总量仅由鼓风机302提供。通过控制线605连接到控制单元601的调节阀800设置在空气鼓风机302之后，以便将新鲜空气200的流分成两个单独的管线，用于堆的阴极3的一个空气流202和用于燃烧器105的另外的空气流300。燃烧器105需要的新鲜空气的量将通过调节阀800的位置来调节。如果燃烧器105需要更多空气，则鼓风机302增加新鲜空气的量，并且相应地调整调节阀800的位置，以便向燃烧器105和阴极3提供所需量的空气。显然，与图1中公开的系统相比，这种结构的可控性更复杂，特别是对于具有连续负荷调制的系统。
图5示出另一实施方案。图5示出了串联的热交换器109、111和121的组合，使得阳极废气流104被冷却，冷凝水403在分离器113中被分离，并且水贫化的阳极废气流104a被进料至燃烧器105。冷凝水403在热交换器107中被加热，并以蒸汽404的形式被进料至燃料重整器102中。燃烧器废气流106被进料至热交换器—蒸发器，以从冷凝水403产生蒸汽404。燃烧器废气流106在热交换器107中冷却后，结果成为废气112。空气流200的处理方式类似于图1中已经公开的方式。水贫化的阳极废气流104a在热交换器121中被加热成加热的水贫化的阳极废气流104b，然后被进料至燃烧器105中。如图1中已经描述的，燃烧器废气流106的氧含量可由传感器600感测并由鼓风机302控制。另外，补充管线500可用来添加额外的燃料。传感器600和鼓风机302和/或补充管线500可用来管理废气流管理，以完成燃烧器中的燃烧，并且确保在热交换器107—蒸发器中有足够的热来从冷凝水403中产生足够的蒸汽404。在另一实施方案中，过滤器122可以用来过滤冷凝水403，如图1中所公开的。

Claims (20)

1.SOFC系统(1)，包括：
-用于将气态烃流(100)和蒸汽(404)重整成富氢气体(103)的燃料重整器(102)，
-包括阳极(4)和阴极(3)的固体氧化物燃料电池堆(2)，其用于使富氢气体(103)和阴极空气流(204)进行电化学反应以产生电、阳极废气流(104)和阴极贫化空气流(205)，其中阳极废气流(104)和阴极贫化空气流(205)保持分离，
-用于燃烧阳极废气流(104)和新鲜空气流(300)的混合物以完成燃烧和产生用于重整器(102)的热的燃烧器(105)，
-和控制单元(601)和鼓风机(302)，所述控制单元(601)控制所述鼓风机(302)以控制新鲜空气流(300)的质量流速从而向所述重整器(102)提供热来重整所述气态烃流(100)和产生具有用于产生蒸汽(404)的足够的热的燃烧器废气流(106)，
其中在所述燃烧器(105)之后设置有至少一个热交换器(107)—蒸发器，以冷却所述燃烧器废气流(106)和加热冷凝水(403)来产生蒸汽(404)，
其中将所述蒸汽(404)进料至所述燃料重整器(102)，
和其中阳极废气流(104)和燃烧器废气流(106)之一被冷却以产生冷凝水(403)，从而不需要外部水管线。
2.根据权利要求1所述的SOFC系统，其中传感器(600)被设置用于感测燃烧器废气流(106)的氧浓度，其中控制单元(601)响应传感器(600)，以控制鼓风机(302)将燃烧器废气流(106)的氧含量保持在预选范围。
3.根据权利要求1或2所述的SOFC系统，其中所述阳极废气流(104)被进料到至少一个另外的热交换器(109、111、121)以冷却和冷凝所述阳极废气流(104)来产生包含冷凝水(403)的冷却的阳极废气流(115)，并且其中冷却的阳极废气流(115)被进料至分离器(113)以将冷凝水(403)与冷却的阳极废气流(115)分离，并且将冷却的、水贫化的阳极废气流(104a)进料至燃烧器(105)。
4.根据权利要求1或2所述的SOFC系统，其中所述燃烧器废气流(106)在通过所述蒸发器(107)之后被进料到至少一个另外的热交换器(109、111)以冷却和冷凝燃烧器废气流(106)来产生包含冷凝水(403)的冷却的燃烧器废气流(114)，并且其中冷却的燃烧器废气流(114)被进料至分离器(113)，以将冷却的燃烧器废气流(114)分离成冷凝水(403)和残余废气(112)。
5.根据权利要求1至5中除权利要求2之外的一项所述的SOFC系统，
其中温度传感器(700)被设置用于感测富氢气体(103)的温度，其中控制单元(601)响应温度传感器(700)以控制鼓风机(302)将燃烧器废气流(106)的氧含量保持在预选范围，以便向重整器(102)提供足够的热。
6.根据权利要求1至5中的一项所述的SOFC系统，其中所述燃料处理器(102)和所述燃烧器(105)为紧凑性、更好的热整合和更少的热损失的目的被集成在同一单元中。
7.根据前述权利要求中的一项所述的SOFC系统，还包括第二气态烃流(500)，其与所述燃烧器(105)连接以在所述系统的加热阶段期间提供额外的热。
8.根据前述权利要求中的一项所述的SOFC系统，其中所述另外的热交换器(109、111)之一与阴极空气入口(201)连接以预热所述阴极空气流(204)。
9.根据前述权利要求中的一项所述的SOFC系统，其中在鼓风机(302)之后设置有阀(800)，其中阀(800)由控制单元(601)控制，并且其中阀(800)将空气流(200)分成阴极空气流(202)和新鲜空气流(300)。
10.根据前述权利要求中的一项所述的SOFC系统，其中过滤器(122)被设置成过滤冷凝水(403)。
11.一种用于操作SOFC系统(1)的方法，包括：
将气态烃流(100)和蒸汽(404)重整成富氢气体(103)，使富氢气体(103)和阴极空气流(204)在固体氧化物燃料电池堆(2)中进行电化学反应以产生电、阳极废气流(104)和阴极贫化空气流(205)，将阳极废气流(104)和阴极贫化空气流(205)保持为分离的物流，将阳极废气流(104)供应到燃烧器(105)，向燃烧器(105)供应新鲜空气流(300)以提供用于燃烧器(105)中的完全燃烧的足够的空气，燃烧阳极废气流(104)和新鲜空气流(300)的燃烧混合物，以向重整器(102)提供热来预重整气态烃流(100)和产生具有用于产生蒸汽(404)的足够的热的燃烧器废气流(106)，
冷却阳极废气流(104)和燃烧器废气流(106)之一以产生冷凝水(403)，并通过燃烧器废气流(106)加热冷凝水(403)以产生蒸汽(404)，从而不需要外部水管线。
12.权利要求11所述的方法，其中所述燃烧器废气流(106)具有氧含量，感测燃烧器废气流(106)的氧含量，提供指示燃烧器废气流(106)的氧含量的信号，和控制鼓风机(302)以控制新鲜空气流(300)的质量流速从而将火焰温度和燃烧器废气流(106)的氧含量中的至少一个保持在预选范围。
13.权利要求11或12所述的方法，其中所述阳极废气流(104)被冷却以产生包含冷凝水(403)的冷却的阳极废气流(115)，将冷凝水(403)与冷却的阳极废气流(115)分离，和将冷却的、水贫化的阳极废气流(104a)进料至燃烧器(105)。
14.权利要求11或12所述的方法，其中所述燃烧器废气流(106)通过蒸发器(107)，使得从所述冷凝水(403)产生蒸汽(404)，其中在通过所述蒸发器(107)之后，所述燃烧器废气流(106)被冷却以产生冷却的燃烧器废气流(114)和冷凝水(403)，和将冷却的燃烧器废气流(114)分离成冷凝水(403)和残余废气(112)。
15.权利要求11至14中除权利要求12之外的一项所述的方法，其中离开重整器(102)的富氢气体(103)具有温度(Th)，感测富氢气体(103)的温度(Th)，基于温度(Th)和标准表确定重整器(102)的预重整率，基于关于固体氧化物燃料电池堆(2)中的燃料利用率的信息计算离开堆(2)的燃料的量，计算燃烧器(105)中的完全燃烧所需的空气的量，和控制鼓风机(302)以控制新鲜空气流(300)的质量流速从而将火焰温度和燃烧器废气流(106)的氧含量中的至少一个保持在预选范围。
16.权利要求12或15所述的方法，其中，进料至燃烧器(105)的合并物流的氧含量保持在1.1至1.4，且最优选约1.2的空气-燃料当量比λ。
17.权利要求12至16中的一项所述的方法，其中所述燃烧器废气流(106)预热阴极空气流(200)以冷却燃烧器废气流(108)。
18.权利要求12至17中的一项所述的方法，其中所述蒸汽(404)被进料至所述燃料处理器(102)中。
19.权利要求12至18中的一项所述的方法，其中空气流(200)被调节阀(800)分流为阴极空气流(204)和新鲜空气(300)。
20.权利要求12至19中的一项所述的方法，其中在进入所述蒸发器(107)之前，过滤冷凝水(403)除去杂质。
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