CN114188562B - 一种电堆废气再循环sofc系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种电堆废气再循环SOFC系统，通过第一传感器和第二传感器分别用于测量电堆阳极入口和出口处的气体浓度；控制系统根据所述电堆阳极入口和出口处的气体浓度，基于电堆内部气动平衡原理，确定电堆阳极出口处的废气流量N1；并基于燃烧室能量守恒定律，确定维持燃烧室目标温度所需的废气流量N2；在N1＞N2，即废气过量时，将多余的废气导入废气再循环单元，在确保燃烧室的温度满足温度约束的条件下，将电堆阳极出口多余的废气进行再循环利用。该系统可以有效地减少燃料浪费，提高SOFC发电系统的效率。
Description
技术领域
本发明属于燃料电池技术领域，更具体地，涉及一种电堆废气再循环SOFC系统。
背景技术
固体氧化物燃料电池(Solid Oxide Fuel Cell,SOFC)是一种在中高温条件下将化石燃料中的化学能直接转换为电能的电化学发电装置。与以燃烧为基础的传统发电方式相比，SOFC发电技术省去了燃烧过程，不受卡诺循环的限制且没有机械运动，从而极大地减少了噪声污染、降低了对生态环境的破坏、提高了化石燃料的利用效率。
SOFC较高的工作温度为其内部的化学反应提供便利，但也使得SOFC对材料的要求极高。SOFC系统的燃烧室用于燃烧电堆残余的废气，产生高温烟气，给经过换热器中的空气和燃料预热。若燃烧室温度过高，则会导致BOP系统材料老化，缩减系统使用寿命；若燃烧室温度过低，则会导致换热器无法将燃料和空气加热到预定温度。为了控制燃烧室的温度，传统的SOFC系统在当电堆残余的废气不足时，燃料旁路向燃烧室添加燃料以避免燃烧室温度过低；当废气过量时，空气旁路向燃烧室通入冷空气，避免燃烧室温度过高。这种方式虽然能控制燃烧室温度，但显然会浪费部分燃料，限制系统效率的提高。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种电堆废气再循环SOFC系统，由此解决现有的SOFC系统为控制燃烧室温度造成的燃料浪费的技术问题。
为实现上述目的，按照本发明的第一方面，提供了一种电堆废气再循环SOFC系统，包括：蒸发器、重整器、换热器单元、电堆、燃烧室、第一传感器单元、第二传感器单元和控制系统；
所述蒸发器由重整器的燃烧腔室产生的高温尾气供热，将液态水汽化为水蒸气；重整器的重整腔室在高温下将甲烷和所述水蒸气重整为氢气和一氧化碳的混合燃料；所述换热器单元利用燃烧室产生的高温尾气将混合燃料和空气加热到预定温度后供电堆进行发电；
所述第一传感器单元和第二传感器单元分别用于测量电堆阳极入口和出口处的气体浓度；
所述控制系统根据所述电堆阳极入口和出口处的气体浓度，基于电堆内部气动平衡原理，确定电堆阳极出口处的废气流量N1；并基于燃烧室能量守恒定律，确定维持燃烧室目标温度所需的废气流量N2；若N1＞N2，则将多余的废气导入所述重整器进行循环利用。
优选地，所述电堆阳极入口和出口处的气体浓度与电堆阳极出口处的废气流量N1满足以下关系式：
其中，和/>分别为电堆阳极入口和出口处的H2的气体浓度，/>和分别为电堆阳极入口和出口处的CO的气体浓度，F为法拉第常数，I为电堆电流；
维持燃烧室温度所需的废气流量N2与所述燃烧室目标温度Ttar满足以下关系式：
N2＝αNF,in；
其中，Tmax、Tmin分别为燃烧室工作时的最高温度和最低温度，NA,in为进入燃烧室的空气流量，Tin和TB分别为气体进出燃烧室时的温度，Twall为燃烧室钢壁温度，和为燃烧室入口和出口的气体浓度，hsp(T)为气体在温度T下的摩尔比焓，Sarea为燃烧室钢壁面积，kG为热传递系数。
优选地，还包括：第一质量流量控制器；
所述多余的废气经由所述第一质量流量控制器进入所述重整器进行循环利用；
优选地，还包括：第二质量流量控制器；
部分多余的废气在所述第二质量流量控制器的控制下进入所述重整器的重整腔室；剩余部分进入所述重整器的燃烧腔室。
按照本发明的第二方面，提供了一种SOFC系统的电堆废气再循环控制方法，包括：
S1，分别测量SOFC系统的电堆阳极入口和出口处的气体浓度；
S2，根据所述气体浓度，基于电堆内部气动平衡原理，确定电堆阳极出口处的废气流量N1；并基于燃烧室能量守恒定律，确定维持燃烧室目标温度所需的废气流量N2；
S3，在N1＞N2的情况下，将多余的废气导入重整器进行循环利用。
按照本发明的第三方面，提供了一种SOFC系统的电堆废气再循环控制系统，包括：
测量模块，分用于别测量SOFC系统的电堆阳极入口和出口处的气体浓度；
处理模块，用于根据所述气体浓度，基于电堆内部气动平衡原理，确定电堆阳极出口处的废气流量N1；并基于燃烧室能量守恒定律，确定维持燃烧室目标温度所需的废气流量N2；
循环利用模块，用于在N1＞N2的情况下，将多余的废气导入重整器进行循环利用。
按照本发明的第四方面，提供了一种电堆废气再循环SOFC系统，包括：氢气供应单元、冷凝分离装置、换热器单元、电堆、燃烧室、第一传感器单元、第二传感器单元和控制系统；
所述换热器单元利用燃烧室产生的高温尾气将空气与氢气供应单元供应的氢气加热到预定温度后供电堆进行发电；
所述第一传感器单元和第二传感器单元分别用于测量电堆阳极入口和出口处的气体浓度；
所述控制系统根据所述电堆阳极入口和出口处的气体浓度，基于电堆内部气动平衡原理，确定电堆阳极出口处的废气流量N1；并基于燃烧室能量守恒定律，确定维持燃烧室目标温度所需的废气流量N2；若N1＞N2，则将多余的废气导入所述冷凝分离装置去除水蒸气后送至所述氢气供应单元进行循环利用。
优选地，所述电堆阳极入口和出口处的气体浓度与电堆阳极出口处的废气流量N1满足以下关系式：
其中，和/>分别为电堆阳极入口和出口处的H2的气体浓度，F为法拉第常数，I为电堆电流；
维持燃烧室温度所需的废气流量N2与所述燃烧室目标温度Ttar满足以下关系式：
N2＝αNF,in；
其中，Tmax、Tmin分别为燃烧室工作时的最高温度和最低温度，NA,in为进入燃烧室的空气流量，Tin和TB分别为气体进出燃烧室时的温度，Twall为燃烧室钢壁温度，和为燃烧室入口和出口的气体浓度，hsp(T)为气体在温度T下的摩尔比焓，Sarea为燃烧室钢壁面积，kG为热传递系数。
按照本发明的第五方面，提供了一种SOFC系统的电堆废气再循环控制方法，包括：
S1，分别测量SOFC系统的电堆阳极入口和出口处的气体浓度；
S2，根据所述气体浓度，基于电堆内部气动平衡原理，确定电堆阳极出口处的废气流量N1；并基于燃烧室能量守恒定律，确定维持燃烧室目标温度所需的废气流量N2；
S3，在N1＞N2的情况下，将多余的废气去除水蒸气后送至氢气供应单元进行循环利用。
按照本发明的第六方面，提供了一种SOFC系统的电堆废气再循环控制系统，包括：
测量模块，分用于别测量SOFC系统的电堆阳极入口和出口处的气体浓度；
处理模块，用于根据所述气体浓度，基于电堆内部气动平衡原理，确定电堆阳极出口处的废气流量N1；并基于燃烧室能量守恒定律，确定维持燃烧室目标温度所需的废气流量N2；
循环利用模块，用于在N1＞N2的情况下，将多余的废气去除水蒸气后送至氢气供应单元进行循环利用。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
本发明提供的电堆废气再循环SOFC系统，通过第一传感器单元和第二传感器单元分别测量电堆阳极入口和出口处的气体浓度；控制系统根据所述电堆阳极入口和出口处的气体浓度，基于电堆内部气动平衡原理确定电堆阳极出口处的废气流量N1；并基于燃烧室能量守恒定律，确定维持燃烧室目标温度所需的废气流量N2；在电堆阳极出口处的废气流量N1大于维持燃烧室目标温度所需的废气流量N2，即废气过量时，将多余的废气导入废气再循环单元，从而在确保燃烧室的温度满足温度约束的条件下进行废气的再循环使用，从而能够减少浪费，节约燃料，提高SOFC系统的效率。
附图说明
图1为本发明提供的电堆废气再循环SOFC系统结构示意图之一；
图2为本发明提供的电堆废气再循环SOFC系统结构示意图之二。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本发明实施例提供一种电堆废气再循环SOFC系统，如图1所示，包括：
蒸发器1、重整器2、换热器单元、电堆5、燃烧室6、第一传感器12、第二传感器13和控制系统；
所述蒸发器由重整器的燃烧腔室产生的高温尾气供热，将液态水汽化为水蒸气；重整器的重整腔室在高温下将甲烷和所述水蒸气重整为氢气和一氧化碳的混合燃料；所述第一换热器第二换热器利用燃烧室产生的高温尾气将混合燃料和空气加热到预定温度后供电堆进行发电；
所述第一传感器单元12和第二传感器单元13分别用于测量电堆阳极入口和出口处的气体浓度；
所述控制系统根据所述电堆阳极入口和出口处的气体浓度，基于电堆内部气动平衡确定电堆阳极出口处的废气流量N1；并基于燃烧室能量守恒定律，确定维持燃烧室目标温度所需的废气流量N2；若N1＞N2，则将多余的废气导入所述重整器进行循环利用。
优选地，所述系统还包括：第一质量流量控制器10，所述多余的废气经由所述第一质量流量控制器进入所述重整器进行循环利用。
优选地，所述系统还包括：第二质量流量控制器11，部分多余的废气在所述第二质量流量控制器的控制下进入所述重整器的重整腔室；剩余部分进入所述重整器的燃烧腔室。
具体地，换热器单元包括第一换热器3和第二换热器4。
蒸发器1利用重整器燃烧腔室产生的高温烟气将水汽化为水蒸气，其入口分别为液态水和天然气(根据实际情况可能会包含部分再循环废气)，出口为高温混合气体。重整器2分为燃烧腔室和重整腔室，燃烧腔室的入口分别为天然气和空气，其内部燃烧为重整器创造一个高温环境，用于重整腔室内部的重整反应，而出口的高温烟气则会经过蒸发器，用于水的汽化。重整器的重整腔室入口为蒸发器出口的高温混合气体，其可以在高温条件和催化剂的作用下，将甲烷和水蒸气重整为氢气和CO，这也是SOFC电堆的燃料。第一换热器3和第二换热器4利用燃烧室6产生的高温尾气将混合气体燃料和空气加热到预定温度，以确保电堆的温度要求。SOFC电堆5阳极和阴极入口分别为混合气体燃料和空气，在高温条件下产生能斯特电压。燃烧室6通过燃烧处理SOFC产生的废气，同时为第一换热器3和第二换热器4提供高温烟气。
燃烧室的温度需要控制在一定范围内，如果燃烧室温度过高，则会导致BOP系统材料老化，缩减系统使用寿命；而燃烧室温度过低，则会导致换热器无法将燃料和空气加热到预定温度，影响电堆的发电效率和使用寿命。
对此，本发明提供的电堆废气再循环SOFC系统中，设计了一个电堆废气再循环单元，该单元包括主管路7、第一分支管路8、第二分支管路9、第一质量流量控制器10、第二质量流量控制器11、第一气体传感器12、第二气体传感器13和控制系统。第一气体传感器12和第二气体传感器13检测电堆阳极入口和出口的气体浓度，检测结果输入到控制系统中，根据流量控制器和传感器的数据就可以确定电堆阳极出口处的废气流量N1，然后基于燃烧室能量守恒定律，可以确定维持燃烧室目标温度所需的废气流量N2，最后将N1与N2进行比较就可以燃烧室所需的废气是否过量，以及过量多少，如果废气过量，则控制器通过控制第一质量流量控制器10将多余的废气导入到废气再循环系统的主管路7中，然后部分再循环废气在第二质量流量控制器11的控制下进入重整管路，其余的再循环废气则全部进入重整器的燃烧腔室，即一部分重整为电堆燃料，剩余的则用于重整器燃烧供热。由于废气的再循环使用，相应地减少了重整器和燃烧腔室和重整腔室所需的天然气用量，第五质量流量控制器18和第六质量流量控制器19也会相应地减少天然气的流量，从而能够达到减少浪费，节约燃料，提高SOFC系统效率的目的。
进一步地，电堆阳极出口处的废气流量N1与维持燃烧室目标温度所需的废气流量N2的计算过程如下：
基于气动平衡原理，有：
其中，Nfuel,in和Nfuel,out为电堆阳极入口和出口的气体流量，I为电堆电流，和/>为电堆阳极入口和出口的气体浓度，gas∈{H2,CO}。
由于燃料通道分子数不会发生改变，所以电堆的燃料出口气体流量Nfuel,out＝Nfuel,in，因此电堆燃料出口的废气流量为：
基于燃烧室能量守恒定律，有：
燃烧室工作时的温度在一定的温度范围内(Tmin≤TB≤Tmax)，若要保持燃烧室温度不变，则有：
其中，Nin＝NF,in+NA,in，NF,in和NA,in为进入燃烧室的废气流量和空气流量，由于空气通道不存在再循环，因此NA,in即为电堆空气出口气体流量，满足/>Nair,in为电堆空气入口气体流量，可以由系统流量控制器确定；Tin和TB为气体进出燃烧室时的温度，Twall为燃烧室钢壁温度，/>和/>为燃烧室入口和出口的气体浓度，Sarea为燃烧室钢壁面积，kG为热传递系数，hsp(T)为气体在温度T下的摩尔比焓。
由上式可得燃烧室所需废气流量：
由于受检测精度和环境的影响，燃烧室温度很难保持不变，如果仅仅以上式的计算结果作为燃烧室的废气流量输入，假设燃烧室温度会由于各种因素的影响使其产生小幅度的增大或较小，则长期下来很可能导致其温度超出限定范围。因此，为了维持燃烧室温度处于Ttar(目标温度)附近，对燃烧室所需的废气流量进行再处理，定义NF,in,re＝αNF,in，其中这样，当燃烧室当前温度高于Ttar，会在原有计算的废气流量NF,in基础上减少燃烧室的废气流量；当燃烧室当前温度低于Ttar，就会在原有计算的废气流量NF,in基础上增加燃烧室的废气流量，使得燃烧室温度稳定在Ttar附近。
定义电堆出口废气流量N1＝Nfuel，燃烧室所需废气流量N2＝NF,in,re。当N1>N2时，废气过量。
如图1所示，SOFC电堆的燃料输入端、空气输入端分别接第二换热器4的燃料输出端和空气输出端；SOFC电堆的空气输出端接燃烧室的空气输入端，燃料输出端接三通管，将燃料废气一分为二，一部分在控制系统的控制下进入废气再循环单元，剩余的则进入燃烧室单元。
所述废气再循环单元，在控制系统和质量流量控制器的作用下，导入多余的废气，废气再循环量由第一质量流量控制器控制，然后经过三通管一分为二，其中，一部分循环废气经第二质量流量控制器进入天然气重整管路，余下的则进入重整器的燃烧腔室用于燃烧产热。由于废气的再循环使用，相同条件下系统天然气的消耗量会有所降低，从而提高系统效率。
优选地，由于所述电堆燃料为CO和H2的混合气体，相应地，所述第一传感器单元和第二传感器单元均包括：氢气浓度传感器、一氧化碳浓度传感器和二氧化碳浓度传感器
优选地，所述系统还包括：第三质量流量控制器17，在SOFC系统的启动阶段，冷空气在所述第三质量流量控制器的控制下进入燃烧室。
优选地，所述系统还包括：第四质量流量控制器15，在SOFC系统的启动阶段，甲烷经在所述第四质量流量控制器的控制下进入燃烧室。
具体地，在SOFC系统的启动阶段，冷空气在所述第三质量流量控制器的控制下，经过燃烧室空气供给旁路16进入燃烧室，所述旁路可以直接将冷空气传输到燃烧室6，传输量由第三质量流量控制器17控制，该旁路可在SOFC系统启动阶段为燃烧室提供氧气；同时，在传统SOFC系统的正常工作阶段，该旁路可以在电堆出口的废气过量时，将冷空气传输到燃烧室降低燃烧室的温度，避免燃烧室温度过高。
在SOFC系统启动阶段，甲烷经在所述第四质量流量控制器15的控制下经燃烧室燃料供给旁路14进入燃烧室，为燃烧室提供燃料。
相应地，本发明实施例提供一种SOFC系统的电堆废气再循环控制方法，包括：
S1，分别测量SOFC系统的电堆阳极入口和出口处的气体浓度；
S2，根据所述气体浓度，基于电堆内部气动平衡原理，确定电堆阳极出口处的废气流量N1；并基于燃烧室能量守恒定律，确定维持燃烧室目标温度所需的废气流量N2；
S3，在N1＞N2的情况下，则将多余的废气导入所述重整器进行循环利用。
优选地，所述则将多余的废气导入所述重整器进行循环利用，包括：
部分多余的废气进入所述重整器的重整腔室进行循环利用，剩余部分进入所述重整器的燃烧腔室进行循环利用。
优选地，在SOFC系统的启动阶段，将冷空气通入燃烧室。
优选地，在SOFC系统的启动阶段，将甲烷通入燃烧室。
下面对本发明提供的SOFC系统的电堆废气再循环控制系统进行描述，下文描述的SOFC系统的电堆废气再循环控制系统与上文描述的SOFC系统的电堆废气再循环控制方法可相互对应参照。
本发明实施例提供一种SOFC系统的电堆废气再循环控制系统，包括：
测量模块，分用于别测量SOFC系统的电堆阳极入口和出口处的气体浓度；
处理模块，用于根据所述气体浓度，基于电堆内部气动平衡原理，确定电堆阳极出口处的流量N1；并基于燃烧室能量守恒定律，确定维持燃烧室目标温度所需的废气流量N2；
循环利用模块，用于在N1＞N2的情况下，将多余的废气导入所述重整器进行循环利用。
本发明实施例提供一种电堆废气再循环SOFC系统，如图2所示，包括：氢气供应单元、冷凝分离装置、换热器单元、电堆、燃烧室、第一传感器单元、第二传感器单元和控制系统；
所述换热器单元利用燃烧室产生的高温尾气将空气与氢气供应单元供应的氢气加热到预定温度后供电堆进行发电；
所述第一传感器单元和第二传感器单元分别用于测量电堆阳极入口和出口处的气体浓度；
所述控制系统根据所述电堆阳极入口和出口处的气体浓度，基于电堆内部气动平衡原理，确定电堆阳极出口处的废气流量N1；并基于燃烧室能量守恒定律，确定维持燃烧室目标温度所需的废气流量N2；若N1＞N2，则将多余的废气导入所述冷凝分离装置去除水蒸气后送至所述氢气供应单元进行循环利用。
进一步地，所述电堆阳极入口和出口处的气体浓度与电堆阳极出口处的废气流量N1满足以下关系式：
其中，和/>分别为电堆阳极入口和出口处的H2的气体浓度，F为法拉第常数，I为电堆电流；
维持燃烧室温度所需的废气流量N2与所述燃烧室目标温度Ttar满足以下关系式：
N2＝αNF,in；
其中，Tmax、Tmin分别为燃烧室工作时的最高温度和最低温度，NA,in为进入燃烧室的空气流量，Tin和TB分别为气体进出燃烧室时的温度，Twall为燃烧室钢壁温度，和为燃烧室入口和出口的气体浓度，hsp(T)为气体在温度T下的摩尔比焓，Sarea为燃烧室钢壁面积，kG为热传递系数。
具体地，基于气动平衡，有：
其中，Nfuel,in和Nfuel,out为电堆阳极入口和出口的气体流量，I为电堆电流，和/>为电堆阳极入口和出口的H2气体浓度。
由于燃料通道分子数不会发生改变，所以电堆的燃料出口气体流量Nfuel,out＝Nfuel,in，因此电堆燃料出口的废气流量为：
基于燃烧室能量守恒定律，有：
燃烧室工作时的温度在一定的温度范围内(Tmin≤TB≤Tmax)，若想保持燃烧室温度不变，则有：
其中，Nin＝NF,in+NA,in，NF,in和NA,in为进入燃烧室的废气流量和空气流量，由于空气通道不存在再循环，因此NA,in即为电堆空气出口气体流量，满足/>Nair,in为电堆空气入口气体流量，可以由系统流量控制器确定；Tin和TB为气体进出燃烧室时的温度，Twall为燃烧室钢壁温度，/>和/>为燃烧室入口和出口的气体浓度，hsp(T)为气体在温度T下的摩尔比焓，Sarea为燃烧室钢壁面积，kG为热传递系数。
由上式可得燃烧室所需废气流量：
由于受检测精度和环境的影响，燃烧室温度很难保持不变，如果仅仅以上式的计算结果作为燃烧室的废气流量输入，假设燃烧室温度会由于各种因素的影响使其产生小幅度的增大或较小，则长期下来很可能导致其温度超出限定范围。因此，为了维持燃烧室温度处于Ttar(目标温度)附近，对燃烧室所需的废气流量进行再处理，定义NF,in,re＝αNF,in，其中这样，当燃烧室当前温度高于Ttar，会在原有计算的废气流量NF,in基础上减少燃烧室的废气流量；当燃烧室当前温度低于Ttar，就会在原有计算的废气流量NF,in基础上增加燃烧室的废气流量，使得燃烧室温度稳定在Ttar附近。
定义电堆出口废气流量N1＝Nfuel，燃烧室所需废气流量N2＝NF,in,re。当N1>N2时，废气过量。
如图2所示，所述系统还包括质量流量控制器，在质量流量控制器的控制下，多余废气经过冷凝分离装置除去水蒸气后，然后送到氢气瓶中，随后氢气瓶可以为系统提供氢气燃料，从而减少了系统燃料的浪费。
优选地，由于所述电堆燃料为纯氢气，相应地，所述第一传感器单元和第二传感器单元均包括：氢气浓度传感器。
本发明实施例提供一种SOFC系统的电堆废气再循环控制方法，包括：
S1，分别测量SOFC系统的电堆阳极入口和出口处的气体浓度；
S2，根据所述气体浓度，基于电堆内部气动平衡原理，确定电堆阳极出口处的废气流量N1；并基于燃烧室能量守恒定律，确定维持燃烧室目标温度所需的废气流量N2；
S3，在N1＞N2的情况下，将多余的废气去除水蒸气后送至氢气供应单元进行循环利用。
本发明实施例提供一种SOFC系统的电堆废气再循环控制系统，包括：
测量模块，分用于别测量SOFC系统的电堆阳极入口和出口处的气体浓度；
处理模块，用于根据所述气体浓度，基于电堆内部气动平衡原理，确定电堆阳极出口处的废气流量N1；并基于燃烧室能量守恒定律，确定维持燃烧室目标温度所需的废气流量N2；
循环利用模块，用于在N1＞N2的情况下，将多余的废气去除水蒸气后送至氢气供应单元进行循环利用。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种电堆废气再循环SOFC系统，其特征在于，包括：蒸发器、重整器、换热器单元、电堆、燃烧室、第一传感器单元、第二传感器单元和控制系统；
所述蒸发器由重整器的燃烧腔室产生的高温尾气供热，将液态水汽化为水蒸气；重整器的重整腔室在高温下将甲烷和所述水蒸气重整为氢气和一氧化碳的混合燃料；所述换热器单元利用燃烧室产生的高温尾气将混合燃料和空气加热到预定温度后供电堆进行发电；
所述第一传感器单元和第二传感器单元分别用于测量电堆阳极入口和出口处的气体浓度；
所述控制系统根据所述电堆阳极入口和出口处的气体浓度，基于电堆内部气动平衡原理，确定电堆阳极出口处的废气流量N1；并基于燃烧室能量守恒定律，确定维持燃烧室目标温度所需的废气流量N2；若N1＞N2，则将多余的废气导入所述重整器进行循环利用；
所述电堆阳极入口和出口处的气体浓度与电堆阳极出口处的废气流量N1满足以下关系式：
其中，和/>分别为电堆阳极入口和出口处的H2的气体浓度，/>和分别为电堆阳极入口和出口处的CO的气体浓度，F为法拉第常数，I为电堆电流；
维持燃烧室温度所需的废气流量N2与所述燃烧室目标温度Ttar满足以下关系式：
其中，Tmax、Tmin分别为燃烧室工作时的最高温度和最低温度，NA,in为进入燃烧室的空气流量，Tin和TB分别为气体进出燃烧室时的温度，Twall为燃烧室钢壁温度，和为燃烧室入口和出口的气体浓度，fsp(T)为气体在温度T下的摩尔比焓，Sarea为燃烧室钢壁面积，kG为热传递系数。
2.如权利要求1所述的电堆废气再循环SOFC系统，其特征在于，还包括：第一质量流量控制器；
所述多余的废气经由所述第一质量流量控制器进入所述重整器进行循环利用。
3.如权利要求2所述的电堆废气再循环SOFC系统，其特征在于，还包括：第二质量流量控制器；
部分多余的废气在所述第二质量流量控制器的控制下进入所述重整器的重整腔室；剩余部分进入所述重整器的燃烧腔室。
4.一种应用于如权利要求1-3任一项所述的SOFC系统的电堆废气再循环控制方法，其特征在于，包括：
S1，分别测量SOFC系统的电堆阳极入口和出口处的气体浓度；
S2，根据所述气体浓度，基于电堆内部气动平衡原理，确定电堆阳极出口处的废气流量N1；并基于燃烧室能量守恒定律，确定维持燃烧室目标温度所需的废气流量N2；
S3，在N1＞N2的情况下，将多余的废气导入重整器进行循环利用。
5.一种应用于如权利要求1-3任一项所述的SOFC系统的电堆废气再循环控制系统，其特征在于，包括：
测量模块，分用于别测量SOFC系统的电堆阳极入口和出口处的气体浓度；
处理模块，用于根据所述气体浓度，基于电堆内部气动平衡原理，确定电堆阳极出口处的废气流量N1；并基于燃烧室能量守恒定律，确定维持燃烧室目标温度所需的废气流量N2；
循环利用模块，用于在N1＞N2的情况下，将多余的废气导入重整器进行循环利用。
6.一种电堆废气再循环SOFC系统，其特征在于，包括：氢气供应单元、冷凝分离装置、换热器单元、电堆、燃烧室、第一传感器单元、第二传感器单元和控制系统；
所述换热器单元利用燃烧室产生的高温尾气将空气与氢气供应单元供应的氢气加热到预定温度后供电堆进行发电；
所述第一传感器单元和第二传感器单元分别用于测量电堆阳极入口和出口处的气体浓度；
所述控制系统根据所述电堆阳极入口和出口处的气体浓度，基于电堆内部气动平衡原理，确定电堆阳极出口处的废气流量N1；并基于燃烧室能量守恒定律，确定维持燃烧室目标温度所需的废气流量N2；若N1＞N2，则将多余的废气导入所述冷凝分离装置去除水蒸气后送至所述氢气供应单元进行循环利用；
所述电堆阳极入口和出口处的气体浓度与电堆阳极出口处的废气流量N1满足以下关系式：
其中，和/>分别为电堆阳极入口和出口处的H2的气体浓度，F为法拉第常数，I为电堆电流；
维持燃烧室温度所需的废气流量N2与所述燃烧室目标温度Ttar满足以下关系式：
N2＝αNF,in；
其中，Tmax、Tmin分别为燃烧室工作时的最高温度和最低温度，NA,in为进入燃烧室的空气流量，Tin和TB分别为气体进出燃烧室时的温度，Twall为燃烧室钢壁温度，和为燃烧室入口和出口的气体浓度，fsp(T)为气体在温度T下的摩尔比焓，Sarea为燃烧室钢壁面积，kG为热传递系数。
7.一种应用于如权利要求6所述的SOFC系统的电堆废气再循环控制方法，其特征在于，包括：
S1，分别测量SOFC系统的电堆阳极入口和出口处的气体浓度；
S2，根据所述气体浓度，基于电堆内部气动平衡原理，确定电堆阳极出口处的废气流量N1；并基于燃烧室能量守恒定律，确定维持燃烧室目标温度所需的废气流量N2；
S3，在N1＞N2的情况下，将多余的废气去除水蒸气后送至氢气供应单元进行循环利用。
8.一种应用于如权利要求6所述的SOFC系统的电堆废气再循环控制系统，其特征在于，包括：
测量模块，分用于别测量SOFC系统的电堆阳极入口和出口处的气体浓度；
处理模块，用于根据所述气体浓度，基于电堆内部气动平衡原理，确定电堆阳极出口处的废气流量N1；并基于燃烧室能量守恒定律，确定维持燃烧室目标温度所需的废气流量N2；
循环利用模块，用于在N1＞N2的情况下，将多余的废气去除水蒸气后送至氢气供应单元进行循环利用。
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| CN104124462A (zh) * | 2013-04-25 | 2014-10-29 | 中国科学院宁波材料技术与工程研究所 | 一种对电堆阳极尾气进行回收利用的固体氧化物燃料电池系统 |
| CN105261771A (zh) * | 2015-10-20 | 2016-01-20 | 华中科技大学 | 一种固体氧化物燃料电池系统 |
| CN110890572A (zh) * | 2019-11-06 | 2020-03-17 | 华中科技大学 | 一种基于油类燃料的固体氧化物燃料电池发电系统 |
| CN111180749A (zh) * | 2020-01-03 | 2020-05-19 | 华中科技大学 | 一种金属空气电池空气电极及其制备方法 |
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