CN115084574B - 基于柴油重整的固体氧化物燃料电池热电联产系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了基于柴油重整的固体氧化物燃料电池热电联产系统，包括离心泵、混合器、换热器、柴油重整器、尾气燃烧室、SOFC电堆和鼓风机，空气经过换热器通入SOFC电堆阴极，SOFC电堆阴极尾气给换热器用于提高重整尾气的温度；重整尾气先经过冷凝再经过换热预热，克服了现有柴油重整制氢尾气含有大量水对电堆性能影响考虑不足的问题的同时，使得重整尾气中大部分的水能冷凝并被系统重新利用，减少系统对水的依赖；SOFC电堆阳极未被利用的燃料以及经重整尾气换热后的SOFC电堆阴极尾气均在尾气燃烧室中释放掉，尾气燃烧器产生的热量也用来对柴油和水蒸气的混合气进行预热，使其能满足重整反应温度，同时也给重整器反应过程提供热量，提升系统能量的多级利用。

Description

基于柴油重整的固体氧化物燃料电池热电联产系统
技术领域
本发明涉及燃料电池技术领域，尤其涉及基于柴油重整的固体氧化物燃料电池热电联产系统。
背景技术
分布式热电联产是固体氧化物燃料电池十分具有潜力的应用场景。固体氧化燃料电池工作温度高，更适合热量阶梯利用，并且具有更高的系统效率。分布式固体氧化物燃料电池热电联产系统可用于城市建筑、野外营地、医疗应急等，为用户同时提供电能与热能。
分布式固体氧化物燃料电池热电联产系统需要氢气或者合成气作为燃料进行产电供热。氢源主要以储氢技术为主，包括高压储氢、低温液态储氢以及金属固态储氢等。高压储氢具有设备简单，技术成熟度高等特点，但是其储氢密度较低，且存在一定的安全隐患，不能消除人们的安全担忧和满足燃料电池商业化应用需求；低温液态储氢具有较高的质量及体积储氢密度，但是其液化过程耗能较高，应用领域存在较大限制；金属固态储氢体积储氢密度高，安全性好，但是其合金材料成本较高。
基于柴油重整的制氢技术可以原位生产合成气供分布式固体氧化物燃料电池热电联产系统使用，不需要储存氢气。该技术具有能量密度高、基础设施完善、安全性好、成本低等优点。由于柴油重整制氢在实际运用中，需要通入过量的水来防止出现积碳的问题，因此会造成合成气中含有大量的水，在通入固体氧化物燃料电池电堆前需要对合成气中水分进行处理，避免对电堆性能造成影响。
公开号为CN204348818U的专利提出了一种柴油型固体氧化物燃料电池充电站系统。柴油从柴油油箱进入柴油催化重整室，同时水也进入柴油催化重整室，催化重整后产生的柴油重整气进入SOFC电池堆的阳极，预热后的空气进入SOFC电池堆的阴极，通过电化学反应的方式将储存在柴油重整气中的化学能转化为电能，由SOFC电池堆输出的为直流电，再经过增压器达到使用电压。
公开号为CN113440539A的专利提出了一种结合部分氧化重整装置和蒸汽重整装置的SOFC系统。CPOX装置不需要外来水供应即可产生电堆反应所需的气体组分；重整产物气在一级SOFC电堆内反应后，产生电堆阳极尾气再与天然气混合流入SR装置内，SR装置重整后的气体通入至二级SOFC电堆的阳极内，消除整个系统对外供水源的依赖，同时电堆阳极尾气中的高温尾气可以循环利用。
CN204348818U提出的方案的系统形式过于理想，且没有很好地考虑在实际生产环境下，柴油重整制氢反应需要吸收大量的热，而且由于为了避免柴油重整过程出现积碳现象，重整尾气中往往含有大量的水，直接将高温重整尾气通入电堆，会对电堆的发电性能造成严重影响，并且重整气中含有的大量水会造成电堆阳极镍催化剂的氧化进而导致电堆被破坏。
CN113440539A提出的方案主要依靠两个SOFC电堆来消除整个系统对外供水源的依赖以及实现多级电堆均衡串联运行，这大幅度增加了产品的制造时间成本与匹配设计成本。同时由于系统各部件对热量的品位和热量大小的需求不同，该系统没有对该需求做出考虑，仅直接用尾气燃烧器产生的高温尾气去预热空气和燃料，在实际运行过程中可能会出现尾气燃烧器工作温度超过安全运行范围或者热量不匹配问题。
发明内容
针对现有技术的缺陷和改进需求，本发明提供了一种基于柴油重整的固体氧化物燃料电池热电联产系统，优化系统稳态运行过程的能量匹配，使得系统对柴油的能量利用更加高效灵活，同时可以有效消除重整尾气中含有的大量水分对电堆性能影响的现象。
本发明的一种基于柴油重整的固体氧化物燃料电池热电联产系统，包括第一离心泵、混合器、第一换热器、柴油重整器、第二换热器、第三换热器、尾气燃烧室、SOFC电堆和鼓风机；
所述鼓风机鼓入空气并且通过管道与所述第二换热器相接，所述第二换热器与所述SOFC电堆阴极气入口连通，所述鼓风机鼓入的空气经第二换热器预热后通入SOFC电堆阴极；
所述离心泵用于压入柴油并且通过管道与所述混合器相接，所述混合器将利用离心泵通入的热水与柴油进行均匀混合形成阳极混合气体，所述混合器通过管道与所述第一换热器相通，所述阳极混合气体经所述第一换热器加热后，经管道通入所述柴油重整器中进行重整，所述柴油重整器与所述第二换热器相通，所述第二换热器与所述第三换热器相通，所述第三换热器分别与所述SOFC电堆阳极气入口、所述SOFC电堆阴极气出口连通，所述柴油重整器排出的重整尾气经所述第二换热器冷凝、所述第三换热器升温后，通入所述SOFC电堆阳极；
所述尾气燃烧室分别与所述柴油重整器、所述第三换热器以及所述SOFC电堆阳极气出口相通，所述SOFC电堆阴极尾气通入所述第三换热器用于对冷凝后的重整尾气进行换热升温，换热后的阴极尾气通入所述尾气燃烧室中，所述SOFC电堆阳极尾气将未被利用的燃料通入尾气燃烧室中与所述阴极尾气一起燃烧产生燃烧尾气，所述燃烧尾气通入所述柴油重整器用于给重整反应过程提供热量。
本发明的进一步技术方案是：所述鼓风机鼓入的空气经第二换热器预热的方式为利用柴油重整器排出的高温重整尾气对空气进行换热。
本发明的进一步技术方案是：所述系统还包括第二离心泵，所述离心泵用于将热水压入管道以带走SOFC电堆多余热量，同时与所述第二换热器冷凝收集的热水一同注入所述混合器中与通入的柴油进行均匀混合形成阳极混合气体。
本发明的进一步技术方案是：所述系统还包括第四换热器，所述第四换热器与所述第一换热器相通，为所述柴油重整器提供热量后的燃烧尾气通入所述第一换热器换热后再通入所述第四换热器，所述第四换热器将通入的燃烧尾气与冷水换热，用于为所述第二离心泵提供热水。
本发明的进一步技术方案是：所述柴油重整器中进行重整的水与碳比例为3.5。
本发明的进一步技术方案是：所述柴油重整器排出的重整尾气温度为650℃。
本发明的进一步技术方案是：所述第二换热器将重整尾气从650℃高温冷凝到80℃。
本发明的进一步技术方案是：所述SOFC电堆工作温度为750℃。
本发明所设计的基于柴油重整的固体氧化物燃料电池热电联产系统，优化系统稳态运行过程的能量匹配，使得系统对柴油的能量利用更加高效灵活，同时可以有效消除重整尾气中含有的大量水分对电堆性能影响的现象。具有如下有益的技术效果：
1、本发明系统，空气经过换热器通入SOFC电堆阴极，并且尾气燃烧器排放的高温尾气给重整器反应过程提供热量，SOFC电堆阴极尾气给换热器用于提高阳极重整尾气的温度；重整尾气先经过冷凝再经过换热预热，克服了现有柴油重整制氢尾气含有大量水对电堆性能影响考虑不足的问题的同时，使得尾气中大部分的水能冷凝并被系统重新利用，减少系统对水的依赖；SOFC电堆阴极阳极未被利用的燃料以及经重整尾气换热后的SOFC电堆阴极尾气均在尾气燃烧室中释放掉，尾气燃烧器产生的热量也用来对柴油和水蒸气的混合气进行预热，使其能满足重整反应温度，提升了系统对能量的多级利用；
2、本发明系统实现能量的多级适用，在仅需柴油输入的情况下，能实现系统的自给自足供给，减少对外界的依赖，可用于野外分布式场景，同时该联供系统能对能量进行梯级利用，温度品位较高的热能可用于系统自身预热，温度品位较低的热能可用于用户供热，能提高燃料利用率、减少二氧化碳与污染物排放。
附图说明
图1为本发明实施例中基于柴油重整的固体氧化物燃料电池热电联产系统的结构示意图；
图2为本发明实施例中系统各个环节换热过程的能量-品位图；
图3为本发明实施例中温度对重整器产物干气的影响示意图；
图4为本发明实施例中温度对重整器尾气的水的影响示意图；
图5为本发明实施例中水碳比对重整器产物干气的影响示意图；
图6为本发明实施例中水碳比对重整器尾气中水的影响示意图；
图7为本发明实施例中重整气组分下的电堆性能曲线。
其中附图标记说明：1、第一离心泵，2、混合器，3、第一换热器，4、柴油重整器，5、第二换热器，6、第三换热器，7、第四换热器，8、尾气燃烧室，9、SOFC电堆，10、第二离心泵，11、鼓风机。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
需要理解的是，术语“第一”、“第二”等可在本文中用于描述各种方向、动作、步骤或元件等，但这些方向、动作、步骤或元件不受这些术语限制。这些术语仅用于将第一个方向、动作、步骤或元件与另一个方向、动作、步骤或元件区分。举例来说，在不脱离本申请的范围的情况下，可以将第一离心泵称为第二离心泵，且类似地，可将第二离心泵称为第一离心泵。第一离心泵和第二离心泵两者都是离心泵，但其不是同一离心泵。术语“第一”、“第二”等不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。
本实施例用于说明基于柴油重整的固体氧化物燃料电池热电联产系统，如图1所示，包括第一离心泵1、混合器2、第一换热器3、柴油重整器4、第二换热器5、第三换热器6、尾气燃烧室8、SOFC电堆9和鼓风机11；
鼓风机11鼓入空气并且通过管道与第二换热器5相接，第二换热器5与SOFC电堆9阴极气入口连通，鼓风机11鼓入的空气经第二换热器5预热后通入SOFC电堆9阴极；
离心泵1用于压入柴油并且通过管道与混合器2相接，混合器2将利用离心泵通入的热水与柴油进行均匀混合形成阳极混合气体，混合器2通过管道与第一换热器3相通，阳极混合气体经第一换热器3加热后，经管道通入柴油重整器4中进行重整，柴油重整器4与第二换热器5相通，第二换热器5与第三换热器6相通，第三换热器6分别与SOFC电堆9阳极气入口、SOFC电堆9阴极气出口连通，柴油重整器4排出的重整尾气经第二换热器5冷凝、第三换热器6升温后，通入SOFC电堆9阳极；
尾气燃烧室8分别与柴油重整器4、第三换热器6以及SOFC电堆9阳极气出口相通，SOFC电堆9阴极尾气通入第三换热器6用于对冷凝后的重整尾气进行换热升温，换热后的阴极尾气通入所述尾气燃烧室8中，SOFC电堆9阳极尾气将未被利用的燃料通入尾气燃烧室8中与阴极尾气一起燃烧产生燃烧尾气，燃烧尾气通入所述柴油重整器4用于给重整反应过程提供热量。
进一步地，鼓风机11鼓入的空气经第二换热器5预热的方式为利用柴油重整器4排出的高温重整尾气对空气进行换热。
进一步地，如图1虚线所示，系统还包括第二离心泵10，离心泵10用于将热水压入管道以带走SOFC电堆9多余热量，同时与第二换热器5冷凝收集的热水一同注入混合器2中与通入的柴油进行均匀混合形成阳极混合气体。该管道的热水将SOFC产生的多余热量带走，用来维持SOFC电堆工作温度稳定，同时，可以回收利用重整尾气冷却过程释放的大部分热量，这样做的好处就是对水进行重复利用，减小对水的大量输入，同时对能量进行梯级利用，提供系统的效率。
进一步地，如图1所示，系统还包括第四换热器7，第四换热器7与第一换热器3相通，为柴油重整器4提供热量后的燃烧尾气通入第一换热器3换热后再通入第四换热器7，第四换热器7将通入的燃烧尾气与冷水换热，用于为第二离心泵10提供热水。
具体实施过程中，经第一换热器3作用，将混合器2输出的混合气体预热到重整温度，柴油重整器4内通入柴油和水蒸气反应，其反应式为
Figure BDA0003695941150000051
在实际生产中，为了避免蒸汽重整长时间运行出现积碳现象，需要通入过量的水蒸气，这就使得重整尾气的中含有大量的水蒸气，该水蒸气经过冷凝和预热，去除掉尾气中含有的大部分水；经第三换热器6的作用，将重整尾气预热到阳极参与电化学反应的温度，SOFC电堆内通入的氢气、一氧化碳、二氧化碳、少量水蒸气和空气进行反应，其反应式分别为：
Figure BDA0003695941150000052
具体实施过程中，根据图2系统各个环节换热过程的能量品位图，图中实线是系统运行过程中释放能量的过程，虚线为吸热过程，由此采用高品位的热源去给冷源进行热量匹配，从图示2中可得出，尾气燃烧器产生的热量给重整器反应过程提供热量，电堆阴极尾气所蕴含的能量品位高，但是热量少，可以用其来对空气预热的后半段进行预热，即空气的高品位段，同时空气的前部分温度预热，可采用高温重整尾气对其进行预热；高温重整尾气蕴含的能量高，但品位较低，所以可以利用该部分的热量去预热输入系统的电堆阴极空气。
进一步地，柴油重整器4中进行重整的水与碳比例为3.5。
进一步地，柴油重整器4排出的重整尾气温度为650℃。
进一步地，第二换热器5将重整尾气从650℃高温冷凝到80℃。
进一步地，SOFC电堆9工作温度为750℃。
一个优选实施例中，根据重整器关于温度和水碳比因素对产物干气影响的性能曲线，如图3至图6所示，选择重整器的工况为：工作温度为650℃，水碳比取3.5；根据SOFC电堆的测试结果，如图7所示，取电流为20A，电压为3V的工作条件。
由此得到系统：电堆发电功率1000W，同时产生的热量为1568W；重整器发生重整反应并产生650℃高温的尾气所需要的总能量为1359W；同时，尾气催化燃烧室将剩余燃料全部释放，产生的热量为4724W，同时尾气冷却至露点温度(60℃)，释放热量为3341W；第二换热器5将重整尾气从650℃高温冷凝到露点温度(80℃)释放3462W；第三换热器6将冷凝后的重整尾气进行加热，加热到电堆工作温度，即750℃，需要吸收789.4W；同时，输入系统的柴油和水假设均在25℃，第一换热器3将其分步预热到650℃，使混合气气化并通入重整器，需要吸收4566.7W的热量；空气预热到与电堆工作温度相等的温度，需要吸收1682W的热量。
因此，根据上述过程释放与吸收的热量，根据品位和热量进行匹配，得出该过程的品位能量图如图2，该曲线无相交并且热源品位比冷源高，证明该系统在实际运行过程中，在热力学方面是可行的。
因此，本发明系统相较于传统的热电联产系统，该系统在科学方法的验证下，是具有热力学方面的可行性。同时该系统采用了能量梯级利用的思想，能极大的减小对外界的输入能量的依赖和提高各个过程的能量利用，减小损耗。同时，本发明系统设计了重整尾气通入电堆的关键节点，采用了先冷凝再升温的思想。通过对重整尾气在物理过程的变化，使得尾气中蕴含的大部分水冷凝排放掉，减小水蒸气对SOFC电堆性能的影响。大大降低了系统对外界的依赖，使得其能够在相对恶劣的环境下稳定运行。
本发明实施例提供的基于柴油重整的固体氧化物燃料电池热电联产系统，优化系统稳态运行过程的能量匹配，使得系统对柴油的能量利用更加高效灵活，同时可以有效消除重整尾气中含有的大量水分对电堆性能影响的现象。具有如下有益的技术效果：本发明系统，空气经过换热器通入SOFC电堆阴极，并且尾气燃烧器排放的高温尾气给重整器反应过程提供热量，SOFC电堆阴极尾气给换热器用于提高阳极重整尾气的温度；重整尾气先经过冷凝再经过换热预热，克服了现有柴油重整制氢尾气含有大量水对电堆性能影响考虑不足的问题的同时，使得尾气中大部分的水能冷凝并被系统重新利用，减少系统对水的依赖；SOFC电堆阴极阳极未被利用的燃料以及经重整尾气换热后的SOFC电堆阴极尾气均在尾气燃烧室中释放掉，尾气燃烧器产生的热量也用来对柴油和水蒸气的混合气进行预热，使其能满足重整反应温度，提升了系统对能量的多级利用；本发明系统实现能量的多级适用，在仅需柴油输入的情况下，能实现系统的自给自足供给，减少对外界的依赖，可用于野外分布式场景，同时该联供系统能对能量进行梯级利用，温度品位较高的热能可用于系统自身预热，温度品位较低的热能可用于用户供热，能提高燃料利用率、减少二氧化碳与污染物排放。
在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的步骤、方法不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种步骤、方法所固有的要素。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种基于柴油重整的固体氧化物燃料电池热电联产系统，其特征在于，所述基于柴油重整的固体氧化物燃料电池热电联产系统包括第一离心泵(1)、混合器(2)、第一换热器(3)、柴油重整器(4)、第二换热器(5)、第三换热器(6)、尾气燃烧室(8)、SOFC电堆(9)和鼓风机(11)；
所述鼓风机(11)鼓入空气并且通过管道与所述第二换热器(5)相接，所述第二换热器(5)与所述SOFC电堆(9)阴极气入口连通，所述鼓风机(11)鼓入的空气经所述第二换热器(5)预热后通入所述SOFC电堆(9)阴极；
所述离心泵(1)用于压入柴油并且通过管道与所述混合器(2)相接，所述混合器(2)将利用离心泵通入的热水与柴油进行均匀混合形成阳极混合气体，所述混合器(2)通过管道与所述第一换热器(3)相通，所述阳极混合气体经所述第一换热器(3)加热后，经管道通入所述柴油重整器(4)中进行重整，所述柴油重整器(4)与所述第二换热器(5)相通，所述第二换热器(5)与所述第三换热器(6)相通，所述第三换热器(6)分别与所述SOFC电堆(9)阳极气入口、所述SOFC电堆(9)阴极气出口连通，所述柴油重整器(4)排出的重整尾气经所述第二换热器(5)冷凝、所述第三换热器(6)升温后，通入所述SOFC电堆(9)阳极；
所述尾气燃烧室(8)分别与所述柴油重整器(4)、所述第三换热器(6)以及所述SOFC电堆(9)阳极气出口相通，所述SOFC电堆(9)阴极尾气通入所述第三换热器(6)用于对冷凝后的重整尾气进行换热升温，换热后的阴极尾气通入所述尾气燃烧室(8)中，所述SOFC电堆(9)阳极尾气将未被利用的燃料通入尾气燃烧室(8)中与所述阴极尾气一起燃烧产生燃烧尾气，所述燃烧尾气通入所述柴油重整器(4)用于给重整反应过程提供热量。
2.根据权利要求1所述的基于柴油重整的固体氧化物燃料电池热电联产系统，其特征在于，所述鼓风机(11)鼓入的空气经第二换热器(5)预热的方式为利用柴油重整器(4)排出的重整尾气对空气进行换热。
3.根据权利要求1所述的基于柴油重整的固体氧化物燃料电池热电联产系统，其特征在于，所述系统还包括第二离心泵(10)，所述离心泵(10)用于将热水压入管道以带走SOFC电堆(9)多余热量，同时与所述第二换热器(5)冷凝收集的热水一同注入所述混合器(2)中与通入的柴油进行均匀混合形成阳极混合气体。
4.根据权利要求3所述的基于柴油重整的固体氧化物燃料电池热电联产系统，其特征在于，所述系统还包括第四换热器(7)，所述第四换热器(7)与所述第一换热器(3)相通，为所述柴油重整器(4)提供热量后的燃烧尾气通入所述第一换热器(3)换热后再通入所述第四换热器(7)，所述第四换热器(7)将通入的燃烧尾气与冷水换热，用于为所述第二离心泵(10)提供热水。
5.根据权利要求1所述的基于柴油重整的固体氧化物燃料电池热电联产系统，其特征在于，所述柴油重整器(4)中进行重整的水与碳比例为3.5。
6.根据权利要求1所述的基于柴油重整的固体氧化物燃料电池热电联产系统，其特征在于，所述柴油重整器(4)排出的重整尾气温度为650℃。
7.根据权利要求6所述的基于柴油重整的固体氧化物燃料电池热电联产系统，其特征在于，所述第二换热器(5)将重整尾气从650℃冷凝到80℃。
8.根据权利要求1所述的基于柴油重整的固体氧化物燃料电池热电联产系统，其特征在于，所述SOFC电堆(9)工作温度为750℃。
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