CN113839073B - 一种尾气利用的固体氧化物燃料电池系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种尾气利用的固体氧化物燃料电池系统，包括鼓风机、重整器、空气加热器、SOFC电堆、比例阀、阳极尾气燃烧器、阳极尾气燃烧室；阳极的输出端连通于阳极尾气燃烧器，阴极的输出端连通于比例阀，比例阀包括输出端A，输出端A连通于阳极尾气燃烧器；设置比例阀，阴极尾气经过比例阀后，分为阴极尾气A和阴极尾气B，阴极尾气A输入阳极尾气燃烧器为阳极尾气燃烧器提供燃烧所需的氧气，通过比例阀可降低直接进入燃烧器的空气，避免了燃烧器在启动的时候火焰被吹熄；阴极尾气B吸收阳极尾气燃烧室的热量为阳极尾气燃烧室降温，从而避免阳极尾气燃烧过程中产生的局部高温对燃烧室造成损害，避免使用更高耐温的材料。

Description

一种尾气利用的固体氧化物燃料电池系统

技术领域

本发明属于固体氧化物燃料电池领域，具体涉及一种尾气利用的固体氧化物燃料电池系统。

背景技术

随着全球经济与社会的快速发展，能源需求的日益增长与环境恶化之间的矛盾日益突出。现阶段，我国碳排放量高、PM2.5污染等问题尤为突出。各种因燃烧产生的硫氧化物和氮氧化物造成的系列环境污染问题也较为严重。因此，促进化石能源高效、清洁利用，是我国面临的重大战略问题。其中，固体氧化物燃料电池作为一种能通过高温电化学反应，直接将化学能转化成电能的新型发电技术，是实现我国能源清洁利用的有效途径，具有良好的发展前景。

固体氧化物燃料电池系统通常由鼓风机、重整器、电堆、尾气燃烧器、换热器、水蒸气发生器、逆变器、电子负载等部件组成。尾气燃烧器的主要作用是燃烧阳极未参与电化学反应的重整气体。阳极尾气中主要包含有CO、CO₂、H₂O、H₂，其中CO和H₂为可燃气体，CO₂和H₂O是不可燃气体，当电堆当中燃料利用率(参与电化学反应的燃料比例)较高时，阳极尾气中可燃气体比例非常低，造成阳极尾气热值非常低，燃烧困难。与此同时，阳极尾气燃烧所需的氧气的以合适的比例提供也是一个问题，通常直接采用阴极的尾气作为阳极尾气燃烧的氧化剂，但是会使得固体氧化物燃料电池在启动的时候，燃烧器过量空气系数非常高而导致熄火。为了避免燃烧器在启动时候熄火，可以安装一个启动燃烧器用于固体氧化物燃料电池系统的启动，或者采用扩散式燃烧使燃烧器能够稳定燃烧，这两种解决方案通常都会存在一定的问题。对于增加启动燃烧器的方案，这样会增加系统的复杂程度，增加系统的制造和控制成本；对于采用扩散燃烧的方案，会使燃烧室非常大，不利于系统的紧凑性。

另外，燃烧器在燃烧过程中，燃烧火焰主要在燃烧室当中，燃烧过程是伴随着温度的急剧增加，通常会有一个局部的较高温度区域，和较大的热应力。如果对燃烧室冷却不佳，那就需要温度耐受性更强的材料制作燃烧室，增加了固体氧化物燃料电池热区的制造难度和制造成本。

综上所述，在满足系统复杂程度低的情况下，燃烧器启动时容易熄灭是目前本技术领域技术人员需要解决的问题。

发明内容

因此，为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种尾气利用的固体氧化物燃料电池系统，包括鼓风机、重整器、空气加热器、SOFC电堆、比例阀、阳极尾气燃烧器、阳极尾气燃烧室；所述阳极尾气燃烧器的输出端连通所述阳极尾气燃烧室，所述SOFC电堆包括阳极和阴极；所述鼓风机的输出端连通于所述空气加热器，所述重整器的输出端连通于所述阳极，所述阳极的输出端连通所述阳极尾气燃烧器，所述阴极的输出端连通于所述比例阀，所述比例阀包括输出端A，所述输出端A连通于所述阳极尾气燃烧器。

进一步地，所述阳极尾气燃烧器中包括预混室和多孔介质燃烧器，所述阳极的输出端和所述输出端A皆连通于所述预混室，所述预混室的输出端连通于所述多孔介质燃烧器，所述阳极输出阳极尾气，所述输出端A输出一定量的阴极尾气A，阳极尾气与阴极尾气A先通过预混室进行充分混合后，再通过燃多孔介质燃烧器进行燃烧，以便阳极尾气在多孔介质燃烧器中为预混燃烧。采用预混燃烧的方式可以降低燃烧室的尺寸，使固体氧化物燃料电池的热区更为紧凑；采用多孔介质燃烧器可以使阳极尾气在燃烧过程中更为稳定，并可以适用极低热值的燃料进行燃烧，特别适用于高燃料利用率的固体氧化物燃料电池系统。

进一步地，所述阳极尾气燃烧室的外壁集成有燃烧室尾气换热器，所述燃烧室尾气换热器通过盘管的形式盘绕在所述阳极尾气燃烧室的外壁上，所述比例阀还包括输出端B，所述输出端B连通于所述尾气燃烧室换热器并向所述尾气燃烧室换热器输出阴极尾气B，使系统整体结构更加紧凑，燃烧室尾气换热器将燃烧室内的热量转换为阴极尾气B的热量，充分降低燃烧室燃烧产生的高温，避免了高温耐久材料的使用，并达到回收燃烧热量的效果。

进一步地，还包括高温尾气换热器，所述阳极尾气燃烧室的输出端和所述燃烧室尾气换热器的输出端皆连通所述高温尾气换热器，所述高温尾气换热器的热量输出端连接于所述空气加热器和所述重整器，经过燃烧室换热器换热后的阴极尾气B与阳极尾气燃烧室输出的燃烧尾气进行混合并进入高温尾气换热器，充分利用两种高温尾气的热量为空气加热器、重整器等装置提供热量，提高能量利用效率，降低了管道的复杂性，进一步的增强了固体氧化物燃料电池的紧凑性。

本发明的有益效果是：

设置比例阀，阴极尾气经过比例阀后，分为阴极尾气A和阴极尾气B，阴极尾气A输入阳极尾气燃烧器为阳极尾气燃烧器提供燃烧所需的氧气，通过比例阀可降低直接进入燃烧器的空气的量，在不使用启动燃烧器的情况下，也能避免燃烧器在启动的时候火焰被空气吹熄。

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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的结构示意图；

图2为阳极尾气燃烧器的结构示意图；

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，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，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它实施例，都属于本发明保护的范围。

下面将结合附图来描述本发明的具体实施方式。

实施例：

图1-2示出本发明提供的一种尾气利用的固体氧化物燃料电池系统，包括鼓风机、重整器、空气加热器、SOFC电堆、比例阀、阳极尾气燃烧器、阳极尾气燃烧室和高温尾气换热器；SOFC电堆包括阳极和阴极；鼓风机的输出端连通于空气加热器，重整器的输出端连通于阳极，阳极的输出端连通于阳极尾气燃烧器，阴极的输出端连通于比例阀，比例阀包括输出端A和输出端B，输出端A连通阳极尾气燃烧器，阳极尾气燃烧器的输出端位于阳极尾气燃烧室中，阳极尾气和阴极尾气A燃烧后进入阳极尾气燃烧室。

在固体氧化物燃料电池系统启动过程中，主要目的是使燃料电池系统升温。为了使系统控制简单，通常在系统升温至系统稳定运行过程中，需要保持系统的空气量不变，仅仅通过调节燃料流量来调节升温速率和运行负荷。在阳极尾气燃烧器点火的时刻，如果完全通入阴极尾气，点燃的火容易被大量涌入的阴极尾气吹熄灭，而在比例阀的作用下，将阴极尾气分为两股，其中阴极尾气A输入阳极尾气燃烧器，少量输入的阴极尾气A，避免了火焰的吹熄，进而避免了启动燃烧器的使用。阴极尾气A和阴极尾气B的比例可以在1—0.02区间内变化

阳极尾气燃烧器中包括预混室和多孔介质燃烧器，阳极的输出端和输出端A皆连通于预混室，预混室的输出端连通于多孔介质燃烧器。在本系统稳定运行状态下，当燃料利用率达到80％以上，阳极尾气当中CO和H₂的总含量将低于20％，绝大部分是不能燃烧的CO₂和H₂O，虽然稳定运行时阳极尾气和阴极尾气都有较高的温度，但是阳极尾气的热值非常低，采用常规的燃烧器较难稳定燃烧，而使用预混室配合多孔介质燃烧器，不仅可以使阳极尾气在高燃料利用率下稳定燃烧，而且可以降低燃烧室的尺寸，使系统结构更加紧凑。

阳极尾气燃烧室的外壁集成有燃烧室尾气换热器，燃烧室尾气换热器通过盘管的形式盘绕在阳极尾气燃烧室的外壁上，输出端B连通于尾气燃烧室换热器，阳极尾气燃烧室的输出端和燃烧室尾气换热器的输出端皆连通高温尾气换热器。

阴极尾气B输入尾气燃烧室换热器，阴极尾气B可以为阳极尾气燃烧室降温，从而避免固体氧化物燃料电池系统阳极尾气燃烧过程中产生的局部高温对燃烧室造成损害，避免了更高耐温材料的使用。

阴极尾气B的温度低于燃烧尾气的温度，如果直接将阴极尾气B与燃烧尾气混合通入高温尾气换热器会发生热膨胀，影响设备的正常使用，所以需要对阴极尾气B进行升温处理再与燃烧尾气混合，又或者直接将阴极尾气B导入其他的尾气利用设备中回收利用，上述两种做法都会使尾气输送管道复杂化，导致整个系统的体积增大，占用空间资源大。而本实施例合理利用燃烧室尾气换热器的功能，使阴极尾气B在避免燃烧室产生局部高温的同时，阴极尾气B能够提高温度且趋近于燃烧尾气的温度，此时无需再调整阴极尾气B的温度。换热后的阴极尾气B可直接与燃烧尾气混合通入高温尾气换热器，且不会发生热膨胀，进而无需再增设处理阴极尾气B的设备，同时也简化了尾气输送管道，缩小了本系统的整体体积，占用空间资源小。

比例阀不需要进行电动调节，其调节比例可以根据系统设计方案进行提前固定，使得本系统在启动和稳定运作时都不需要调整比例阀的调节比例，避免了高温气体电子控制阀的使用，降低了整个系统的制造和控制成本。

工作原理：

鼓风机鼓出空气输入空气加热器，经过空气加热器加热后空气通入阴极为SOFC电堆提供氧离子，重整器将燃料转换为重整气后输入阳极；阳极输出的尾气进入阳极尾气燃烧器，阴极输出的阴极尾气先进入比例阀，比例阀将阴极尾气分为阴极尾气A和阴极尾气B；阴极尾气A进入阳极尾气燃烧器中与阳极尾气在预混室充分混合再进入多孔介质燃烧器中燃烧，采用预混燃烧的方式可以降低燃烧室的尺寸，而多孔介质燃烧器可以使阳极尾气在燃烧过程中更为稳定，阴极尾气B通入尾气燃烧室换热器吸收阳极尾气燃烧室中的过多热量；阳极尾气燃烧室排出的燃烧尾气和经过换热后升温的阴极尾气B混合并输入高温尾气燃烧室，高温尾气燃烧室将两者的热能提供给重整器和空气加热器，提高整个系统的能量利用效率。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“上”、“下”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。

Claims (2)

1.一种尾气利用的固体氧化物燃料电池系统，其特征在于，包括鼓风机、重整器、空气加热器、SOFC电堆、比例阀、阳极尾气燃烧器；所述SOFC电堆包括阳极和阴极;所述鼓风机的输出端连通于所述空气加热器，所述重整器的输出端连通于所述阳极，所述阳极的输出端连通于所述阳极尾气燃烧器，所述阴极的输出端连通于所述比例阀，所述比例阀包括输出端A，所述输出端A连通所述阳极尾气燃烧器；还包括阳极尾气燃烧室，所述阳极尾气燃烧室的外壁集成有燃烧室尾气换热器，所述燃烧室尾气换热器通过盘管的形式盘绕在所述阳极尾气燃烧室的外壁上，所述比例阀还包括输出端B，所述输出端B连通于所述尾气燃烧室换热器；所述阳极尾气燃烧器中包括预混室和多孔介质燃烧器，所述阳极的输出端和所述输出端A皆连通于所述预混室，所述预混室的输出端连通于所述多孔介质燃烧器。

2.根据权利要求1所述的尾气利用的固体氧化物燃料电池系统，其特征在于，还包括高温尾气换热器，所述阳极尾气燃烧室的输出端和所述燃烧室尾气换热器的输出端皆连通所述高温尾气换热器。