CN111453697A - 用于sofc的多燃料通用型重整制氢系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于SOFC的多燃料通用型重整制氢系统,储水罐经第零换热器连通至水气化器,燃料罐经第一换热器连通至燃料气化器;水气化器与燃料气化器排出的气流在管道内合并,然后依次通过第二换热器、重整器、第三换热器、第零换热器、变换分离器、氢储罐、第四换热器连接至燃料电池阳极;燃料电池阴极尾气顺次经过第四换热器、第三换热器、重整器、第二换热器,然后通过不同的管道分别与水气化器、燃料气化器连通,排出的气流在管道内合并后通过第一换热器排空。本发明通过该系统可以对多种重整燃料进行重整制氢,适用范围广,并且能够提高能源的利用率。
Description
技术领域
本发明涉及燃料重整技术领域,更具体的说是涉及一种用于固体氧化物燃料电池SOFC的多燃料通用型重整制氢系统及方法。
背景技术
固体氧化物燃料电池(SoliC OxiCe Fuel Cell,简称SOFC)是第四代燃料电池,与其他燃料电池相比,SOFC的工作温度最高,燃料能迅速氧化达到热力学平衡,因此可以不使用贵金属催化剂,与低温燃料电池磷酸盐燃料电池(PAFC)和质子交换膜燃料电池(PEMFC)相比,SOFC对燃料的适用范围广,可采用氢气、富氢合成气、天然气、水煤气等作为燃料,其中氢气和富氢合成气不是一次能源也不是二次能源,它们是由其他能源如天然气、煤及生物质和醇类等通过蒸汽重整、部分氢化、催化裂解等外部重整方式得到。鉴于以上原因,SOFC燃料内部重整逐渐成为国内研究的热点。
但是现有SOFC燃料内部重整装置仅针对某一种或者某一类燃料,不同类型的燃料重整系统不具有通用性,导致市场上重整装置类型较多且复杂,造成设备成本上的提高,并且燃料及能量的整体利用率较低。
因此,如何提供一种高效率的用于固体氧化物燃料电池SOFC的多燃料通用型重整制氢系统及方法是本领域技术人员亟需解决的问题。
发明内容
有鉴于此,本发明提供了一种用于固体氧化物燃料电池SOFC的多燃料通用型重整制氢系统及方法。
为了实现上述目的,本发明采用如下技术方案:
用于SOFC的多燃料通用型重整制氢系统,包括储水罐、燃料罐、水气化器、燃料气化器、重整器、变换分离器、氢储罐和多个换热器;
所述储水罐经第零换热器连通至所述水气化器,所述燃料罐经第一换热器(又称冷却器)连通至所述燃料气化器;所述水气化器与所述燃料气化器排出的气流在管道内合并,然后依次通过所述第二换热器、所述重整器、所述第三换热器、所述第零换热器、所述变换分离器、所述氢储罐、所述第四换热器连接至燃料电池阳极;
燃料电池阴极尾气顺次经过所述第四换热器、所述第三换热器、所述重整器、所述第二换热器,然后通过不同的管道分别与所述水气化器、所述燃料气化器连通,排出的气流在管道内合并后通过所述第一换热器排空。
其中燃料气化器主要是针对液体重整燃料,当重整燃料为天然气等气体重整燃料时,可以将燃料气化器视为换热器。
优选的,在上述用于SOFC的多燃料通用型重整制氢系统中,所述变换分离器排出的制氢尾气与燃料电池的阳极尾气混合形成供热燃气;
所述供热燃气通过管道分别与所述第一换热器、所述水气化器、所述燃料气化器、所述第二换热器、所述重整器、所述第三换热器、所述第四换热器连通,并最终并入阴极尾气气流。
上述技术方案的有益效果是:本发明中从燃料电池阴极排出的含有未反应的氧气的高温气体作为高温源和氧气源,并且变换分离器排出的制氢尾气和阳极尾气混合后形成的燃气气流既是高温源也是燃料源,有效解决重整制氢过程中所需的供热问题,降低燃料耗费。
优选的,在上述用于SOFC的多燃料通用型重整制氢系统中,多个所述换热器均为套管换热器,并且套管换热器为盘管型或者直管型。
优选的,在上述用于SOFC的多燃料通用型重整制氢系统中,所述水气化器、所述燃料气化器均为列管型,吸热介质走列管管内,加热介质走列管管外。
优选的,在上述用于SOFC的多燃料通用型重整制氢系统中,所述重整器为列管型,列管管内装填有颗粒型重整催化剂,并且重整燃料走列管管内,加热介质走列管管外。
优选的,在上述用于SOFC的多燃料通用型重整制氢系统中,所述变换分离器为列管型,列管的上游端封闭、下游端开放,并且列管内部中空,列管管壁主体为多孔陶瓷材质,列管外壁覆有钯合金膜;列管管外填充一氧化碳变换催化剂,列管外部空间在上游端开放、下游端封闭。
优选的,在上述用于SOFC的多燃料通用型重整制氢系统中,所述变换分离器的工作温度为350-450℃。
重整器的工作温度与重燃燃料有关,如天然气、柴油和汽油等重整大多在700℃以上,而甲醇重整则在200-300℃。故在甲醇重整条件下,重整气从重整器到变换分离器(350-450℃)需要升温,而在天然气、柴油和汽油等燃料重整时,重整气从重整器到变换分离器则需要降温。
进一步地,重整气从重整器到变换分离器进行降温的冷却剂为水,主要是考虑到水有更高的热容和气化潜热。在天然气、柴油和汽油等重整时,水需求量很大,一般情况下仅有用于重整的水量就可以完成冷却任务,而甲醇水蒸气重整时的水量需求相对较少,若单一的用于重整的水量不能完成冷却任务,则应考虑同时采用甲醇一块儿承担冷却任务。在实际操作中,甲醇水蒸气重整时,重整原料往往是甲醇溶液,此时仅需保留一个燃料气化器即可,并且在甲醇水蒸气重整中,第零换热器可以取消。
优选的,在上述用于SOFC的多燃料通用型重整制氢系统中,所述第三换热器、所述第四换热器、所述重整器的供热燃气进口均设置有燃气电子打火器。
上述技术方案的有益效果是:电子打火器仅在重整系统冷启动时使用。在重整过程冷启动时,阴极尾气由空气来代替,供热燃气由外部气源来提供,外部气源种类包括天然气、液化气、煤气和氢气等易燃气体,当供热燃气开始鼓入的瞬间开启电子打火器,在燃料电池开始正常排出阴极尾气和阳极尾气时,由它们代替外部燃料气源和空气源。
当需要重整燃料切换时,仅需更换重整器的重整催化剂即可,当催化剂数量和体积不同时,可通过增减列管数量来提供合适的装填空间。
优选的,在上述用于SOFC的多燃料通用型重整制氢系统中,所述储水罐、所述燃料罐、所述水气化器、所述燃料气化器、所述重整器、所述变换分离器、所述氢储罐和多个所述换热器中均设置有温度传感器、压力传感器和流量控制计量器,并且通过阀门决定有关管路的通断。
本发明还公开了一种将上述系统用于SOFC的多燃料通用型重整制氢的方法,包括以下步骤:
(1)在燃料泵的驱动下,燃料罐内的重整燃料先后通过第一换热器的内管和燃料气化器的列管管内,完成重整燃料的预热和气化;同时在水泵的推动下,储水罐内的水先后通过第零换热器的外管和水气化器的列管管内,完成水的预热和气化;
本发明适用的重整燃料包括天然气、甲醇、汽油、柴油及其他可在1000℃以下进行重整制氢的液体或气体碳氢燃料。重整燃料由燃料泵提供向下游进行输送的动力,根据燃料类型分别采取液泵或气泵(压缩机),在重整燃料为气体的情况下,若燃料罐内压力对向下游输送的要求来说足够高,则可以取消气泵;
(2)水和重整燃料气化后的气流排出后合并成一股气流,合并后的气流进入第二换热器的内管进行加热,待气流温度接近重整温度时进入重整器,重整燃料和水蒸气继续吸热并通过重整催化剂进行重整转化形成重整气,重整气含有重整产物及剩余燃料和水蒸气;
(3)重整气通过第三换热器的内管进行加热,然后通过第零换热器的内管进行冷却,待重整气的温度达到或者接近一氧化碳变换温度后,重整气进入变换分离器;
(4)从变换分离器分离出来的纯氢气流导入到小型氢储罐进行缓冲储存,从氢储罐排出的纯氢气流通过第四换热器的内管进行吸热增温后供给燃料电池阳极;
(5)燃料电池的阴极尾气顺序通过第四换热器的外管、第三换热器的外管、重整器的列管管外空间、第二换热器的外管,然后分为两股分别通过水气化器和燃料气化器的列管管外空间,两股气流排出后合并成一股,通过第一换热器的外管后进行排空。
水通过第零换热器外管的主要作用是对内管内的重整气进行冷却,同时自身也得到预热;重整燃料通过第一换热器的内管,主要作用是充分回收供热介质所携带的热量,尽可能多地榨取供热介质的剩余加热能力,同时自身也得到了进一步的预热。
优选的,在上述用于SOFC的多燃料通用型重整制氢方法中,步骤(4)中,从变换分离器分离出来的制氢尾气与燃料电池的阳极尾气相混合,形成供热燃气气流对重整制氢系统进行供热。
优选的,在上述用于SOFC的多燃料通用型重整制氢方法中,步骤(5)中,当阴极尾气不能满足供热要求时,将供热燃气对第一换热器、水气化器、燃料气化器、第二换热器、重整器、第三换热器、第四换热器进行按需分散配给,供热燃气最终全部并入阴极尾气气流,供热燃气中的所有燃料全部转化为二氧化碳和水。
上述技术方案的有益效果是:通过配给的供热燃气所携带的热能及燃气与阴极尾气中的氧气进行化合所释放的化合反应热来对供热缺口进行补充。
优选的,在上述用于SOFC的多燃料通用型重整制氢方法中,步骤(3)中借助变换分离器列管外部的变换催化剂,重整气中的一氧化碳转化为氢气和二氧化碳,变换后的气流中大部分氢气及微量杂质气体透过钯合金膜进入列管管内并形成纯氢气流,未透过钯合金膜的氢气及其他气体形成制氢尾气。
上述技术方案的有益效果是:纯氢气流中氢气的浓度大约为99.9%。一氧化碳的催化变换工作温度与钯合金膜分离工作温度有较大的重合区间,因此本发明将一氧化碳变换和氢气提纯集成在一起进行,一氧化碳变换为弱放热反应,所释放热量可支持氢气提纯耦合进行,故在做好隔热保温的条件下,一氧化碳的变换和氢气的纯化无需外部供热。
优选的,在上述用于SOFC的多燃料通用型重整制氢方法中,任意所述换热器、所述水气化器、所述燃料气化器、所述重整器内,吸热介质和放热介质之间均为逆流换热。
本发明用于SOFC的多燃料通用型重整制氢系统可根据燃料性质的不同进行简化。
第三换热器的升温和第零换热器的降温的联合使用更便于对重整气的温度控制,但依据重整燃料性质的不同,重整气从重整器到变换分离器的温度变化也可仅通过保留其中的一个来完成。对天然气、柴油和汽油等需要在高温条件下才能完成重整的燃料而言,可以去掉第三换热器,仅保留第零换热器。对甲醇等需要在较低温度下就可以完成重整的燃料而言,可以去掉第零换热器,仅保留第三换热器。
在天然气等气态燃料重整的条件下,可以去掉燃料气化器。
在甲醇水蒸气重整时,可以甲醇溶液作为燃料,因而可以去掉储水罐、水泵、第零换热器和水气化器。
第一换热器排出的阴极尾气若温度较高,则可以引入另一个换热器,用其对电池的阴极进料气体进行预热。
经由上述的技术方案可知,与现有技术相比,本发明公开提供了一种用于SOFC的多燃料通用型重整制氢系统及方法,具有以下特点:
(1)引入变换分离器可提高氢气纯度,可有效缓解燃料电池积碳问题,并提高电池伏安性能,变换分离器同时集成了一氧化碳变化和氢气提纯功能,变换分离过程无需与外界进行热量交换,可以自热进行;
(2)以燃料电池阳极尾气和变换分离器排出的制氢尾气作为重整制氢的供热燃料和高温气源,以阴极尾气作为重整制氢的高温气源和氧气源,既有效解决了重整制氢所需的供热问题,也降低了燃料耗费;
(3)供热燃气按需分散供应,既能充分满足供热的需要,也可以有效防止供热燃料一次性集中投放到阴极尾气中将导致飞温,在供热的同时出现局部过热的现象;
(4)在重整过程及供氢过程中,热需求和热供给全程采用逆流方式,充分榨取燃料电池阳极尾气及变换分离器制氢尾气所具有的热能,提高系统的能量效率;
(5)以水作为将重整气从重整器到变换分离器进行降温的冷却剂,实现了升温和降温的耦合匹配,有效降低了能耗。
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简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1附图为本发明提供的系统结构示意图。
具体实施方式
下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅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做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。
本发明提供的重整制氢系统可适用于多种燃料,仅通过更换重整催化剂即可实现,更重要的是还可以提高燃料及能量的整体利用效率。整体能量效率至少可提高到70%以上,其中整体能量效率指的是重整制氢与燃料电池供电的总和。
本发明实施例提供了一种用于SOFC的多燃料通用型重整制氢系统,包括储水罐、燃料罐、水气化器、燃料气化器、重整器、变换分离器、氢储罐和多个换热器;
所述储水罐经第零换热器连通至所述水气化器,所述燃料罐经第一换热器连通至所述燃料气化器;所述水气化器与所述燃料气化器排出的气流在管道内合并,然后依次通过所述第二换热器、所述重整器、所述第三换热器、所述第零换热器、所述变换分离器、所述氢储罐、所述第四换热器连接至燃料电池阳极;
燃料电池阴极尾气顺次经过所述第四换热器、所述第三换热器、所述重整器、所述第二换热器,然后通过不同的管道分别与所述水气化器、所述燃料气化器连通,排出的气流在管道内合并后通过所述第一换热器排空。
为了进一步优化上述技术方案,所述变换分离器排出的制氢尾气与燃料电池的阳极尾气混合形成供热燃气;
所述供热燃气通过管道分别与所述第一换热器、所述水气化器、所述燃料气化器、所述第二换热器、所述重整器、所述第三换热器、所述第四换热器连通,并最终并入阴极尾气气流。
为了进一步优化上述技术方案,多个所述换热器均为套管换热器,并且套管换热器为盘管型或者直管型。
为了进一步优化上述技术方案,所述水气化器、所述燃料气化器均为列管型,吸热介质走列管管内,加热介质走列管管外。
为了进一步优化上述技术方案,所述重整器为列管型,列管管内装填有颗粒型重整催化剂,并且重整燃料走列管管内,加热介质走列管管外。
为了进一步优化上述技术方案,所述变换分离器为列管型,列管的上游端封闭、下游端开放,并且列管内部中空,列管管壁主体为多孔陶瓷材质,列管外壁覆有钯合金膜;列管管外填充一氧化碳变换催化剂,列管外部空间在上游端开放、下游端封闭。
为了进一步优化上述技术方案,所述变换分离器的工作温度为350-450℃。
为了进一步优化上述技术方案,所述第三换热器、所述第四换热器、所述重整器的供热燃气进口均设置有燃气电子打火器。
还提供了一种用于SOFC的多燃料通用型重整制氢的方法,包括以下步骤:
(1)在燃料泵的驱动下,燃料罐内的重整燃料先后通过第一换热器的内管和燃料气化器的列管管内,完成重整燃料的预热和气化;同时在水泵的推动下,储水罐内的水先后通过第零换热器的外管和水气化器的列管管内,完成水的预热和气化;
(2)水和重整燃料气化后的气流排出后合并成一股气流,合并后的气流进入第二换热器的内管进行加热,待气流温度接近重整温度时进入重整器,重整燃料和水蒸气继续吸热并通过重整催化剂进行重整转化形成重整气;
(3)重整气通过第三换热器的内管进行加热,然后通过第零换热器的内管进行冷却,待重整气的温度达到或者接近一氧化碳变换温度后,重整气进入变换分离器;
(4)从变换分离器分离出来的纯氢气流导入到小型氢储罐进行缓冲储存,从氢储罐排出的纯氢气流通过第四换热器的内管进行吸热增温后供给燃料电池阳极;
(5)燃料电池的阴极尾气顺序通过第四换热器的外管、第三换热器的外管、重整器的列管管外空间、第二换热器的外管,然后分为两股分别通过水气化器和燃料气化器的列管管外空间,两股气流排出后合并成一股,通过第一换热器的外管后进行排空。
为了进一步优化上述技术方案,步骤(4)中,从变换分离器分离出来的制氢尾气与燃料电池的阳极尾气相混合,形成供热燃气气流对重整制氢系统进行供热。
为了进一步优化上述技术方案,步骤(5)中,当阴极尾气不能满足供热要求时,将供热燃气对第一换热器、水气化器、燃料气化器、第二换热器、重整器、第三换热器、第四换热器进行按需分散配给,供热燃气最终全部并入阴极尾气气流,供热燃气中的所有燃料全部转化为二氧化碳和水。
为了进一步优化上述技术方案,步骤(3)中借助变换分离器列管外部的变换催化剂,重整气中的一氧化碳转化为氢气和二氧化碳,变换后的气流中大部分氢气及微量杂质气体透过钯合金膜进入列管管内并形成纯氢气流,未透过钯合金膜的氢气及其他气体形成制氢尾气。
为了进一步优化上述技术方案,任意所述换热器、所述水气化器、所述燃料气化器、所述重整器内,吸热介质和放热介质之间均为逆流换热。
实施例1
当对天然气等气态燃料进行重整时,用于SOFC的多燃料通用型重整制氢系统,包括储水罐、燃料罐、水气化器、重整器、变换分离器、氢储罐和多个换热器;
所述储水罐经第零换热器连通至所述水气化器,所述燃料罐中的燃料经过所述第一换热器;所述水气化器与所述第一换热器排出的气流在管道内合并,然后依次通过所述第二换热器、所述重整器、所述第零换热器、所述变换分离器、所述氢储罐、所述第四换热器连接至燃料电池阳极;
燃料电池阴极尾气顺次经过所述第四换热器、所述重整器、所述第二换热器,然后通过管道与所述水气化器连通,排出的气流在管道内合并后通过所述第一换热器排空。
所述变换分离器排出的制氢尾气与燃料电池的阳极尾气混合形成供热燃气;所述供热燃气通过管道分别与所述第一换热器、所述水气化器、所述第二换热器、所述重整器、所述第四换热器连通,并最终并入阴极尾气气流。
用于SOFC的多燃料通用型重整制氢的方法,包括以下步骤:
(1)在燃料泵的驱动下,燃料罐内的重整燃料通过第一换热器的内管,完成重整燃料的预热;同时在水泵的推动下,储水罐内的水先后通过第零换热器的外管和水气化器的列管管内,完成水的预热和气化;
(2)水和重整燃料气化后的气流排出后合并成一股气流,合并后的气流进入第二换热器的内管进行加热,待气流温度接近重整温度时进入重整器,重整燃料和水蒸气继续吸热并通过重整催化剂进行重整转化形成重整气;
(3)重整气通过第零换热器的内管进行冷却,待重整气的温度达到或者接近一氧化碳变换温度后,重整气进入变换分离器;
(4)从变换分离器分离出来的纯氢气流导入到小型氢储罐进行缓冲储存,从氢储罐排出的纯氢气流通过第四换热器的内管进行吸热增温后供给燃料电池阳极;
(5)燃料电池的阴极尾气顺序通过第四换热器的外管、重整器的列管管外空间、第二换热器的外管,然后通过水气化器的列管管外空间,通过第一换热器的外管后进行排空。
实施例2
当对甲醇水蒸气进行重整时,用于SOFC的多燃料通用型重整制氢系统,包括燃料罐、燃料气化器、重整器、变换分离器、氢储罐和多个换热器;
所述燃料罐经第一换热器连通至所述燃料气化器,然后依次通过所述第二换热器、所述重整器、所述第三换热器、所述变换分离器、所述氢储罐、所述第四换热器连接至燃料电池阳极;
燃料电池阴极尾气顺次经过所述第四换热器、所述第三换热器、所述重整器、所述第二换热器,然后通过管道与所述燃料气化器连通,排出的气流通过所述第一换热器排空。
所述变换分离器排出的制氢尾气与燃料电池的阳极尾气混合形成供热燃气;所述供热燃气通过管道分别与所述第一换热器、所述燃料气化器、所述第二换热器、所述重整器、所述第三换热器、所述第四换热器连通,并最终并入阴极尾气气流。
需要说明的是,本实施例中还可以保留第零换热器。
用于SOFC的多燃料通用型重整制氢的方法,包括以下步骤:
(1)在燃料泵的驱动下,燃料罐内的重整燃料先后通过第一换热器的内管和燃料气化器的列管管内,完成重整燃料的预热;
(2)重整燃料气化后的气流进入第二换热器的内管进行加热,待气流温度接近重整温度时进入重整器,重整燃料继续吸热并通过重整催化剂进行重整转化形成重整气;
(3)重整气通过第三换热器的内管进行加热,待重整气的温度达到或者接近一氧化碳变换温度后,重整气进入变换分离器;
(4)从变换分离器分离出来的纯氢气流导入到小型氢储罐进行缓冲储存,从氢储罐排出的纯氢气流通过第四换热器的内管进行吸热增温后供给燃料电池阳极;
(5)燃料电池的阴极尾气顺序通过第四换热器的外管、第三换热器的外管、重整器的列管管外空间、第二换热器的外管,然后通过燃料气化器的列管管外空间,通过第一换热器的外管后进行排空。
实施例3
当对柴油、汽油等高温条件下才能完成重整的燃料进行重整时,用于SOFC的多燃料通用型重整制氢系统,包括储水罐、燃料罐、水气化器、燃料气化器、重整器、变换分离器、氢储罐和多个换热器;
所述储水罐经第零换热器连通至所述水气化器,所述燃料罐经第一换热器连通至所述燃料气化器;所述水气化器与所述燃料气化器排出的气流在管道内合并,然后依次通过所述第二换热器、所述重整器、所述第零换热器、所述变换分离器、所述氢储罐、所述第四换热器连接至燃料电池阳极;
燃料电池阴极尾气顺次经过所述第四换热器、所述重整器、所述第二换热器,然后通过不同的管道分别与所述水气化器、所述燃料气化器连通,排出的气流在管道内合并后通过所述第一换热器排空。
所述变换分离器排出的制氢尾气与燃料电池的阳极尾气混合形成供热燃气;所述供热燃气通过管道分别与所述第一换热器、所述水气化器、所述燃料气化器、所述第二换热器、所述重整器、所述第四换热器连通,并最终并入阴极尾气气流。
用于SOFC的多燃料通用型重整制氢的方法,包括以下步骤:
(1)在燃料泵的驱动下,燃料罐内的重整燃料先后通过第一换热器的内管和燃料气化器的列管管内,完成重整燃料的预热;同时在水泵的推动下,储水罐内的水先后通过第零换热器的外管和水气化器的列管管内,完成水的预热和气化;
(2)水和重整燃料气化后的气流排出后合并成一股气流,合并后的气流进入第二换热器的内管进行加热,待气流温度接近重整温度时进入重整器,重整燃料和水蒸气继续吸热并通过重整催化剂进行重整转化形成重整气;
(3)重整气通过第零换热器的内管进行冷却,待重整气的温度达到或者接近一氧化碳变换温度后,重整气进入变换分离器;
(4)从变换分离器分离出来的纯氢气流导入到小型氢储罐进行缓冲储存,从氢储罐排出的纯氢气流通过第四换热器的内管进行吸热增温后供给燃料电池阳极;
(5)燃料电池的阴极尾气顺序通过第四换热器的外管、重整器的列管管外空间、第二换热器的外管,然后分为两股分别通过水气化器和燃料气化器的列管管外空间,两股气流排出后合并成一股,通过第一换热器的外管后进行排空。
需要说明的是,实施例1-3中对个别装置的省略既可以通过不同的独立系统实现,也可以通过阀门之间的闭合实现,可以根据具体情况进行调整。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述,每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处,各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言,由于其与实施例公开的方法相对应,所以描述的比较简单,相关之处参见方法部分说明即可。
对所公开的实施例的上述说明,使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的,本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下,在其它实施例中实现。因此,本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例,而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (10)
1.用于SOFC的多燃料通用型重整制氢系统,其特征在于,包括储水罐、燃料罐、水气化器、燃料气化器、重整器、变换分离器、氢储罐和多个换热器;
所述储水罐经第零换热器连通至所述水气化器,所述燃料罐经第一换热器连通至所述燃料气化器;所述水气化器与所述燃料气化器排出的气流在管道内合并,然后依次通过所述第二换热器、所述重整器、所述第三换热器、所述第零换热器、所述变换分离器、所述氢储罐、所述第四换热器连接至燃料电池阳极;
燃料电池阴极尾气顺次经过所述第四换热器、所述第三换热器、所述重整器、所述第二换热器,然后通过不同的管道分别与所述水气化器、所述燃料气化器连通,排出的气流在管道内合并后通过所述第一换热器排空。
2.根据权利要求1所述的用于SOFC的多燃料通用型重整制氢系统,其特征在于,所述变换分离器排出的制氢尾气与燃料电池的阳极尾气混合形成供热燃气;
所述供热燃气通过管道分别与所述第一换热器、所述水气化器、所述燃料气化器、所述第二换热器、所述重整器、所述第三换热器、所述第四换热器连通,并最终并入阴极尾气气流。
3.根据权利要求1所述的用于SOFC的多燃料通用型重整制氢系统,其特征在于,多个所述换热器均为套管换热器,并且套管换热器为盘管型或者直管型。
所述水气化器、所述燃料气化器均为列管型,吸热介质走列管管内,加热介质走列管管外。
所述重整器为列管型,列管管内装填有颗粒型重整催化剂,并且重整燃料走列管管内,加热介质走列管管外。
所述变换分离器为列管型,列管的上游端封闭、下游端开放,并且列管内部中空,列管管壁主体为多孔陶瓷材质,列管外壁覆有钯合金膜;列管管外填充一氧化碳变换催化剂,列管外部空间在上游端开放、下游端封闭。
4.根据权利要求1所述的用于SOFC的多燃料通用型重整制氢系统,其特征在于,所述变换分离器的工作温度为350-450℃。
5.根据权利要求1所述的用于SOFC的多燃料通用型重整制氢系统,其特征在于,所述第三换热器、所述第四换热器、所述重整器的供热燃气进口均设置有燃气电子打火器。
6.一种权利要求1-5任一项所述的系统用于SOFC的多燃料通用型重整制氢的方法,其特征在于,包括以下步骤:
(1)在燃料泵的驱动下,燃料罐内的重整燃料先后通过第一换热器的内管和燃料气化器的列管管内,完成重整燃料的预热和气化;同时在水泵的推动下,储水罐内的水先后通过第零换热器的外管和水气化器的列管管内,完成水的预热和气化;
(2)水和重整燃料气化后的气流排出后合并成一股气流,合并后的气流进入第二换热器的内管进行加热,待气流温度接近重整温度时进入重整器,重整燃料和水蒸气继续吸热并通过重整催化剂进行重整转化形成重整气;
(3)重整气通过第三换热器的内管进行加热,然后通过第零换热器的内管进行冷却,待重整气的温度达到或者接近一氧化碳变换温度后,重整气进入变换分离器;
(4)从变换分离器分离出来的纯氢气流导入到小型氢储罐进行缓冲储存,从氢储罐排出的纯氢气流通过第四换热器的内管进行吸热增温后供给燃料电池阳极;
(5)燃料电池的阴极尾气顺序通过第四换热器的外管、第三换热器的外管、重整器的列管管外空间、第二换热器的外管,然后分为两股分别通过水气化器和燃料气化器的列管管外空间,两股气流排出后合并成一股,通过第一换热器的外管后进行排空。
7.根据权利要求6所述的用于SOFC的多燃料通用型重整制氢方法,其特征在于,步骤(4)中,从变换分离器分离出来的制氢尾气与燃料电池的阳极尾气相混合,形成供热燃气气流对重整制氢系统进行供热。
8.根据权利要求6所述的用于SOFC的多燃料通用型重整制氢方法,其特征在于,步骤(5)中,当阴极尾气不能满足供热要求时,将供热燃气对第一换热器、水气化器、燃料气化器、第二换热器、重整器、第三换热器、第四换热器进行按需分散配给,供热燃气最终全部并入阴极尾气气流,供热燃气中的所有燃料全部转化为二氧化碳和水。
9.根据权利要求6所述的用于SOFC的多燃料通用型重整制氢方法,其特征在于,步骤(3)中借助变换分离器列管外部的变换催化剂,重整气中的一氧化碳转化为氢气和二氧化碳,变换后的气流中大部分氢气及微量杂质气体透过钯合金膜进入列管管内并形成纯氢气流,未透过钯合金膜的氢气及其他气体形成制氢尾气。
10.根据权利要求6-9任一项所述的用于SOFC的多燃料通用型重整制氢方法,其特征在于,任意所述换热器、所述水气化器、所述燃料气化器、所述重整器内,吸热介质和放热介质之间均为逆流换热。
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GR01 | Patent grant | ||
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