CN111082105A - 以天然气为原料的熔融碳酸盐燃料电池试验模型及设计方法 - Google Patents

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Abstract

一种以天然气为原料的熔融碳酸盐燃料电池试验模型及设计方法，包括阳极气体混合器、阴极气体混合器、阳极气体加热器、阳极气体重整器、阳极反应器、阴极气体加热器、阴极反应器以及分离器，阳极气体混合器与阳极气体加热器连通，阳极气体加热器与阳极气体重整器连通，阳极气体重整器与阳极反应器连通，阴极气体混合器与阴极气体加热器连通，阴极气体加热器与阴极反应器连通，阳极反应器和阴极反应器与分离器连接。本发明能够准确的构建熔融碳酸盐燃料电池模型，能够实现对熔融碳酸盐燃料电池的使用的准确模拟试验，从而能够得到精准的数据，能够根据模拟试验的数据来进行熔融碳酸盐燃料电池设计，确保设计出的熔融碳酸盐燃料电池的长期稳定使用。

Description

以天然气为原料的熔融碳酸盐燃料电池试验模型及设计方法
技术领域
本发明属于熔融碳酸盐燃料电池性能试验领域，具体地说是一种以天然气为原料的熔融碳酸盐燃料电池试验模型。
背景技术
燃料电池发电技术作为一种清洁高效的新型发电技术，可以将储存在化石燃料中的化学能直接转化为电能，有效避免了传统发电技术在发电过程中由于卡诺热机理论所带来的能量损失，很大程度上提高了发电效率。
目前主流的燃料电池分为低温燃料电池和高温燃料电池，低温燃料电池主要包括质子交换膜燃料电池(PEMFC)、直接甲醇燃料电池(DMFC)等，高温燃料电池主要包括熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)、固体氧化物燃料电池(SOFC)等。高温燃料电池具有不依赖贵金属催化剂，不依赖氢气作为燃料，电极催化剂不会发生CO中毒等优点，因此，具有广阔的发展前景。
熔融碳酸盐燃料电池作为一种高温燃料电池，建立模型进行模拟计算可以在设计燃料电池、获取有效设计参数、运行参数等方面具有重要意义。但在模拟时，熔融碳酸盐燃料电池模型如何能准确且有效的的建立，从而使得模拟结果更加准确，是一直在研究的问题。
发明内容
本发明提供一种以天然气为原料的熔融碳酸盐燃料电池试验模型及设计方法，用以解决现有技术中的缺陷。
本发明通过以下技术方案予以实现：
一种以天然气为原料的熔融碳酸盐燃料电池试验模型，包括阳极气体混合器、阴极气体混合器、阳极气体加热器、阳极气体重整器、阳极反应器、阴极气体加热器、阴极反应器以及分离器，所述的阳极气体混合器与阳极气体加热器连通，所述的阳极气体加热器与阳极气体重整器连通，所述的阳极气体重整器与阳极反应器连通，所述的阴极气体混合器与阴极气体加热器连通，所述的阴极气体加热器与阴极反应器连通，所述的阳极反应器和阴极反应器与分离器连接；阳极气体混合器的两个输入端分别连接天然气输入管道和水蒸气输入管道；阴极气体混合器的两个输入端分别连接空气输入管道和二氧化碳输入管道。
进一步的，所述的熔融碳酸盐燃料电池试验模型按照如下操作进行试验操作：
阴极运行操作：向阴极气体混合器中注入空气和二氧化碳，充分混合，空气和二氧化碳的混合气体送入阴极气体加热器内进行预加热并进行保温，预热后的空气和二氧化碳的混合气体送入阴极反应器内进行阴极反应生成熔融碳酸根离子，熔融碳酸根离子通过分离器分离出阴极废气并排出，熔融碳酸根离子送入阳极反应器；
阳极运行操作：向所述的阳极气体混合器内注入天然气与水蒸汽，充分混合，天然气与水蒸汽的混合气体送入阳极气体加热器内进行预加热并进行保温，预热完成后的天然气与水蒸汽的混合气体送入阳极气体重整器内进行重整操作，从而完成天然气中的主要成分甲烷与水蒸汽生成二氧化碳和氢气的重整反应，重整之后的气体送入阳极反应器与阴极反应器产生的熔融碳酸根离子反应并将产生的阳极废气排出。
进一步的，所述的天然气与水蒸汽的体积比为1:2。
进一步的，所述的天然气与水蒸汽在阳极气体加热器内的加热温度在400-650℃。
进一步的，所述的空气与二氧化碳的体积比为5：2。
进一步的，所述的空气与二氧化碳在阴极气体加热器内的加热温度在400-650℃。
进一步的，所述的阳极废气包括阳极反应生成的二氧化碳和水蒸汽、以及未完全反应的天然气和水蒸汽。
进一步的，所述的阴极废气包括未完全反应的空气和二氧化碳。
进一步的，所述的阳极气体混合器内的混合温度为400-650℃所述的阴极气体混合器内的混合温度为400-650℃。
一种以天然气为原料的熔融碳酸盐燃料电池试验模型的设计方法，包括：搭建以天然气为原料的熔融碳酸盐燃料电池试验模型；所述的熔融碳酸盐燃料电池试验模型按照如下操作进行试验操作：
阴极运行操作：向阴极气体混合器中注入空气和二氧化碳，充分混合，空气和二氧化碳的混合气体送入阴极气体加热器内进行预加热并进行保温，预热后的空气和二氧化碳的混合气体送入阴极反应器内进行阴极反应生成熔融碳酸根离子，熔融碳酸根离子通过分离器分离出阴极废气并排出，熔融碳酸根离子送入阳极反应器；
阳极运行操作：向所述的阳极气体混合器内注入天然气与水蒸汽，充分混合，天然气与水蒸汽的混合气体送入阳极气体加热器内进行预加热并进行保温，预热完成后的天然气与水蒸汽的混合气体送入阳极气体重整器内进行重整操作，从而完成天然气中的主要成分甲烷与水蒸汽生成二氧化碳和氢气的重整反应，重整之后的气体送入阳极反应器与阴极反应器产生的熔融碳酸根离子反应并将产生的阳极废气排出
相对于现有技术，本发明的优点是：
本发明能够准确的构建熔融碳酸盐燃料电池模型，从而能够实现对熔融碳酸盐燃料电池的实际使用的准确模拟试验，从而能够得到精准的设计参数、运行参数等参数，从而能够根据模拟试验的数据来进行熔融碳酸盐燃料电池的设计，确保设计出的熔融碳酸盐燃料电池的长期稳定使用。本发明中阳极气体混合器实现天然气与水蒸汽的充分混合，从使后续重整反应进行的更加彻底；阴极气体混合器实现空气和二氧化碳的充分混合，从使后续阴极反应进行的更加彻底；阳极气体加热器能够对天然气与水蒸汽的混合气体进行预热和保温，避免反应时因温度上升过大导致气体极速膨胀发生爆炸等意外现象，同时预加热也有利于下一步反应的进行；阴极气体加热器能够对空气和二氧化碳的混合气体进行预热和保温，避免反应时因温度上升过大导致气体极速膨胀发生爆炸等意外现象，同时预加热也有利于下一步反应的进行；阳极气体重整器实现天然气中甲烷和水蒸气生成二氧化碳和氢气的重整反应，便于进行下一步操作；阳极反应器与阴极反应器分别实现燃料电池阳极反应和阴极反应，作用相当于熔融燃料电池堆的电极，从而能够实现准确的对熔融碳酸盐燃料电池的试验分析；分离器实现阳极反应器与阴极反应器之间熔融碳酸根离子的传导，作用相当于熔融碳酸盐燃料电池的隔膜，从而能够实现准确的对熔融碳酸盐燃料电池的试验分析。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明结构示意图。
附图标记：1、阳极气体混合器；2、阴极气体混合器；3、阳极气体加热器；4、阳极气体重整器；5、阳极反应器；6、阴极气体加热器；7、阴极反应器；8、分离器。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
一种以天然气为原料的熔融碳酸盐燃料电池试验模型，包括阳极气体混合器1、阴极气体混合器2、阳极气体加热器3、阳极气体重整器4、阳极反应器5、阴极气体加热器6、阴极反应器7以及分离器8，所述的阳极气体混合器1与阳极气体加热器3连通，所述的阳极气体加热器3与阳极气体重整器4连通，所述的阳极气体重整器4与阳极反应器5连通，所述的阴极气体混合器2与阴极气体加热器6连通，所述的阴极气体加热器6与阴极反应器7连通，所述的阳极反应器5和阴极反应器7与分离器8连接。
优选的，本实施例所述的熔融碳酸盐燃料电池试验模型按照如下操作进行试验操作：
阴极运行操作：向阴极气体混合器2中注入空气和二氧化碳，充分混合，空气和二氧化碳的混合气体送入阴极气体加热器6内进行预加热并进行保温，预热后的空气和二氧化碳的混合气体送入阴极反应器7内650℃进行阴极反应生成熔融碳酸根离子，熔融碳酸根离子通过分离器8分离出阴极废气并排出，熔融碳酸根离子送入阳极反应器5；
阳极运行操作：向所述的阳极气体混合器1内注入天然气与水蒸汽，充分混合，天然气与水蒸汽的混合气体送入阳极气体加热器3内进行预加热并进行保温，预热完成后的天然气与水蒸汽的混合气体送入阳极气体重整器4内进行重整操作，从而完成天然气中的主要成分甲烷与水蒸汽生成二氧化碳和氢气的重整反应，重整之后的气体送入阳极反应器5与阴极反应器7产生的熔融碳酸根离子650℃反应并将产生的阳极废气排出。
优选的，本实施例所述的所述的天然气与水蒸汽的体积比为1:2。
优选的，本实施例所述的所述的天然气与水蒸汽在阳极气体加热器3内的加热温度在400-650℃。
优选的，本实施例所述的所述的空气与二氧化碳的体积比为5:2。
优选的，本实施例所述的所述的空气与二氧化碳在阴极气体加热器6内的加热温度在400-650℃。
优选的，本实施例所述的所述的阳极废气包括阳极反应生成的二氧化碳和水蒸汽、以及未完全反应的天然气和水蒸汽。
优选的，本实施例所述的所述的阴极废气包括未完全反应的空气和二氧化碳。
优选的，本实施例所述的所述的阳极气体混合器1内的混合温度为400-650℃。
优选的，本实施例所述的所述的阴极气体混合器2内的混合温度为400-650℃。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种以天然气为原料的熔融碳酸盐燃料电池试验模型，其特征在于：包括阳极气体混合器(1)、阴极气体混合器(2)、阳极气体加热器(3)、阳极气体重整器(4)、阳极反应器(5)、阴极气体加热器(6)、阴极反应器(7)以及分离器(8)，所述的阳极气体混合器(1)与阳极气体加热器(3)连通，所述的阳极气体加热器(3)与阳极气体重整器(4)连通，所述的阳极气体重整器(4)与阳极反应器(5)连通，所述的阴极气体混合器(2)与阴极气体加热器(6)连通，所述的阴极气体加热器(6)与阴极反应器(7)连通，所述的阳极反应器(5)和阴极反应器(7)与分离器(8)连接；
阳极气体混合器(1)的两个输入端分别连接天然气输入管道和水蒸气输入管道；
阴极气体混合器(2)的两个输入端分别连接空气输入管道和二氧化碳输入管道。
2.根据权利要求1所述的一种以天然气为原料的熔融碳酸盐燃料电池试验模型，其特征在于：所述的熔融碳酸盐燃料电池试验模型按照如下操作进行试验操作：
阴极运行操作：向阴极气体混合器(2)中注入空气和二氧化碳，充分混合，空气和二氧化碳的混合气体送入阴极气体加热器(6)内进行预加热并进行保温，预热后的空气和二氧化碳的混合气体送入阴极反应器(7)内进行阴极反应生成熔融碳酸根离子，熔融碳酸根离子通过分离器(8)分离出阴极废气并排出，熔融碳酸根离子送入阳极反应器(5)；
阳极运行操作：向所述的阳极气体混合器(1)内注入天然气与水蒸汽，充分混合，天然气与水蒸汽的混合气体送入阳极气体加热器(3)内进行预加热并进行保温，预热完成后的天然气与水蒸汽的混合气体送入阳极气体重整器(4)内进行重整操作，从而完成天然气中的主要成分甲烷与水蒸汽生成二氧化碳和氢气的重整反应，重整之后的气体送入阳极反应器(5)与阴极反应器(7)产生的熔融碳酸根离子反应并将产生的阳极废气排出。
3.根据权利要求2所述的一种以天然气为原料的熔融碳酸盐燃料电池试验模型，其特征在于：所述的天然气与水蒸汽的体积比为1:2。
4.根据权利要求2所述的一种以天然气为原料的熔融碳酸盐燃料电池试验模型，其特征在于：所述的天然气与水蒸汽在阳极气体加热器(3)内的加热温度在400-650℃。
5.根据权利要求2所述的一种以天然气为原料的熔融碳酸盐燃料电池试验模型，其特征在于：所述的空气与二氧化碳的体积比为5：2。
6.根据权利要求2所述的一种以天然气为原料的熔融碳酸盐燃料电池试验模型，其特征在于：所述的空气与二氧化碳在阴极气体加热器(6)内的加热温度在400-650℃。
7.根据权利要求2所述的一种以天然气为原料的熔融碳酸盐燃料电池试验模型，其特征在于：所述的阳极废气包括阳极反应生成的二氧化碳和水蒸汽、以及未完全反应的天然气和水蒸汽。
8.根据权利要求2所述的一种以天然气为原料的熔融碳酸盐燃料电池试验模型，其特征在于：所述的阴极废气包括未完全反应的空气和二氧化碳。
9.根据权利要求2所述的一种以天然气为原料的熔融碳酸盐燃料电池试验模型，其特征在于：所述的阳极气体混合器(1)内的混合温度为400-650℃；所述的阴极气体混合器(2)内的混合温度为400-650℃。
10.一种以天然气为原料的熔融碳酸盐燃料电池试验模型的设计方法，其特征在于，包括：搭建权利要求1所述以天然气为原料的熔融碳酸盐燃料电池试验模型；所述的熔融碳酸盐燃料电池试验模型按照如下操作进行试验操作：
阴极运行操作：向阴极气体混合器(2)中注入空气和二氧化碳，充分混合，空气和二氧化碳的混合气体送入阴极气体加热器(6)内进行预加热并进行保温，预热后的空气和二氧化碳的混合气体送入阴极反应器(7)内进行阴极反应生成熔融碳酸根离子，熔融碳酸根离子通过分离器(8)分离出阴极废气并排出，熔融碳酸根离子送入阳极反应器(5)；
阳极运行操作：向所述的阳极气体混合器(1)内注入天然气与水蒸汽，充分混合，天然气与水蒸汽的混合气体送入阳极气体加热器(3)内进行预加热并进行保温，预热完成后的天然气与水蒸汽的混合气体送入阳极气体重整器(4)内进行重整操作，从而完成天然气中的主要成分甲烷与水蒸汽生成二氧化碳和氢气的重整反应，重整之后的气体送入阳极反应器(5)与阴极反应器(7)产生的熔融碳酸根离子反应并将产生的阳极废气排出。
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