CN117293353A - 一种sofc系统及催化剂重生方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种SOFC系统及催化剂重生方法，系统包括燃料电池，燃料电池用于产生电能供用电设备使用；重整器，重整器用于产生燃料电池运行所需的阳极气体；空气供应单元，空气供应单元包括空气泵，空气泵用于通入空气，空气泵连接有气路分配阀，气路分配阀连接有第一支路和第二支路，第一支路用于提供燃料电池运行所需的阴极气体，第二支路用于对重整器提供氧化剂；其中，阴极气体和氧化剂均为空气，本申请具有可燃烧附着在催化剂表面的杂质、提高了重整器使用寿命的优点。

Description

一种SOFC系统及催化剂重生方法

技术领域

本申请涉及燃料电池技术领域，尤其涉及一种SOFC系统及催化剂重生方法。

背景技术

固体氧化物燃料电池（SOFC）具备发电效率高、热电联供效率高、节约水资源、绿色环保、易于模块化组装、燃料选用范围广等优点，且不需要贵金属催化剂，适应性强，是一种具有很高应用前景的燃料电池。

目前SOFC系统在催化重整过程中，部分杂质会附着在催化剂表面，杂质的不断增加会增加催化剂的流动阻力，损害重整器的功能，进而影响整个SOFC系统。

发明内容

本申请的主要目的在于提供一种SOFC系统及催化剂重生方法，旨在解决现有SOFC系统在催化重整过程中会导致部分杂质颗粒附着在催化剂表面而损害重整器的功能的技术问题。

为实现上述目的，本申请提供一种SOFC系统，包括燃料电池，燃料电池用于产生电能供用电设备使用；重整器，重整器用于产生燃料电池运行所需的阳极气体；空气供应单元，空气供应单元包括空气泵，空气泵用于通入空气，空气泵连接有气路分配阀，气路分配阀连接有第一支路和第二支路，第一支路用于提供燃料电池运行所需的阴极气体，第二支路用于对重整器提供氧化剂；其中，阴极气体和氧化剂均为空气。

可选地，还包括第一温度传感器，第一温度传感器设置于燃料电池的阳极出口处。

可选地，还包括第二温度传感器，第二温度传感器设置于重整器的出口处；第三温度传感器，第三温度传感器设置于重整器的入口处；点火器，点火器设置于重整器内。

可选地，重整器包括混合物生成模组，混合物生成模组连接第二支路，混合物生成模组用于将得到的第一燃料和氧化剂进行混合与雾化，以制得混合气体，点火器设置于混合物生成模组内；其中，第一燃料通过第一燃料泵提供；催化剂模组，催化剂模组用于将混合气体生成含氢的阳极气体并将阳极气体输入燃料电池，第二温度传感器和第三温度传感器分别设置于催化剂模组的出口处和入口处。

可选地，还包括启动燃烧器，启动燃烧器与气路分配阀之间连接有第三支路；第二燃料泵，第二燃料泵用于向启动燃烧器提供第二燃料；第一热交换器，第一热交换器与启动燃烧器连接，且第一热交换器连接第一支路，第一热交换器用于将加热后的空气通过管路输入燃料电池的阴极。

可选地，还包括尾气燃烧器，尾气燃烧器与气路分配阀之间连接有第四支路，尾气燃烧器用于燃烧燃料电池工作时产生的尾气；第二热交换器，第二热交换器与气路分配阀之间连接有第五支路，第二热交换器用于将尾气燃烧器产生的热量与来自第五支路的空气进行热交换以获得热空气，并将热空气通过管路输入燃料电池的阴极。

可选地，还包括第三热交换器，第三热交换器用于储存第一热交换器和第二热交换器剩余的热量。

可选地，尾气燃烧器内设置有第四温度传感器，第四温度传感器电性连接有控制器，控制器还电性连接第一温度传感器、第二温度传感器、第三温度传感器、空气泵、气路分配阀、启动燃烧器和第二燃料泵。

可选地，还包括隔热装置，燃料电池、重整器、启动燃烧器、第一热交换器、尾气燃烧器、第二热交换器和点火器均设置于隔热装置中。

一种催化剂重生方法，基于上述的一种SOFC系统，包括以下步骤：

使燃料电池停止运行，检测燃料电池的当前温度；

当燃料电池的当前温度低于上限温度时，通过第二支路向重整器提供氧化剂，以使重整器中催化剂上附着的颗粒燃烧；其中，上限温度为燃料电池的极限温度；

重新检测燃料电池的当前温度；

当重新检测的燃料电池的当前温度达到上限温度时，减少或中断向重整器的氧化剂供应，以使燃料电池的温度降低；

当燃料电池的温度降低到下限温度时，又通过第二支路向重整器提供氧化剂；

返回至重新检测燃料电池的当前温度的步骤，以完成重整器中催化剂的重生。

本申请所能实现的有益效果如下：

本申请中的燃料电池可通过第一支路输入的阴极气体（即空气）和重整器产生的阳极气体进行化学反应，以产生电能供用电设备使用，当燃料电池在停止运行时，可通过第二支路对重整器提供氧化剂（即空气），此时燃料电池刚停止工作，重整器的温度也相对较高，此时直接提供氧化剂即可导致重整器中催化剂上附着的杂质颗粒进行燃烧，从而清除掉杂质颗粒，以实现催化剂的重生，达到再次使用条件，提高了重整器使用寿命，从而保证整个SOFC系统可长期有效运行。

附图说明

为了更清楚地说明本申请具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。

图1为本申请的实施例中一种SOFC系统的框架结构示意图；

图2为本申请的实施例中一种催化剂重生方法的流程示意图。

附图标记：

1-用电设备，2-第一热交换器，3-启动燃烧器，4-燃料电池，5-尾气燃烧器，6-第二热交换器，7-重整器，7.1-混合物生成模组，7.2-催化剂模组，8-第三热交换器，9-气路分配阀，10-空气泵，11-空气，12-第二燃料泵，13-第二燃料，14-第一燃料泵，15-第一燃料，16-控制器，17-第一温度传感器，18-第四温度传感器，19-第二温度传感器，20-第三温度传感器，21-点火器，22-隔热装置，23-第一支路，24-第二支路，25-第三支路，26-第四支路，27-第五支路。

本申请目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请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申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。

需要说明的是，本申请实施例中所有方向性指示（诸如上、下、左、右、前、后……）仅用于解释在某一特定姿态下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

在本申请中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

另外，若本申请实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其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至少一个该特征。另外，全文中出现的“和/或”的含义，包括三个并列的方案，以“A和/或B”为例，包括A方案、或B方案、或A和B同时满足的方案。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本申请要求的保护范围之内。

实施例1

参照图1，本实施例提供一种SOFC系统，包括燃料电池4，燃料电池4用于产生电能供用电设备1使用；重整器7，重整器7用于产生燃料电池4运行所需的阳极气体；空气供应单元，空气供应单元包括空气泵10，空气泵10用于通入空气11，空气泵10连接有气路分配阀9，气路分配阀9连接有第一支路23和第二支路24，第一支路23用于提供燃料电池4运行所需的阴极气体，第二支路24用于对重整器7提供氧化剂；其中，阴极气体和氧化剂均为空气11。

在本实施例中，燃料电池4可通过第一支路23输入的阴极气体（即空气11）和重整器7产生的阳极气体进行化学反应，以产生电能供用电设备1使用，当燃料电池4在停止运行时，可通过第二支路24对重整器7提供氧化剂（即空气11），此时燃料电池4刚停止工作，重整器7的温度也相对较高，此时直接提供氧化剂即可导致重整器7中催化剂上附着的杂质颗粒进行燃烧，从而清除掉杂质颗粒，以实现催化剂的重生，达到再次使用条件，提高了重整器7使用寿命，从而保证整个SOFC系统可长期有效运行。

需要说明的是，本实施例中的SOFC系统可适用于机动车辆，用电设备1优先选择车辆正常行驶时不需要工作的设备，可以是空调系统、电视机、冰箱、微波炉或SOFC系统本身。

作为一种可选的实施方式，还包括第一温度传感器17，第一温度传感器17设置于燃料电池4的阳极出口处。

在本实施方式中，当采用燃烧的方式去除附着在重整器7中催化剂表面的杂质颗粒时，燃烧的过程中产生的高温又会破坏燃料电池4的阳极侧，因此需要根据燃料电池4的温度控制对催化剂的燃烧过程，因此这里通过第一温度传感器17可实时检测燃料电池4的阳极侧的温度，当检测温度过高时，应当减少或中断向重整器7的氧化剂供应（可通过气路分配阀9控制），以使燃料电池4的温度降低，降低到合适温度时，又可通过第二支路24增加向重整器7供应氧化剂的方式来加快催化剂的重生，如此循环，即可实现在不损坏燃料电池4的前提条件下的催化剂重生效率最大化。

作为一种可选的实施方式，还包括第二温度传感器19，第二温度传感器19设置于重整器7的出口处；第三温度传感器20，第三温度传感器20设置于重整器7的入口处；点火器21，点火器21设置于重整器7内。

在本实施方式中，通过第二温度传感器19和第三温度传感器20可实时检测重整器7在出口处和入口处的温度，根据出口处和入口处的温差情况可判断重整器7内部的温度，如果重整器7内部的温度不足以使杂质颗粒燃烧，此时可通过重整器7中的点火器21把重整器7作为燃烧器运行来对杂质颗粒进行燃烧，从而保证催化剂重生过程的顺利进行。

作为一种可选的实施方式，重整器7包括混合物生成模组7.1，混合物生成模组7.1连接第二支路24，混合物生成模组7.1用于将得到的第一燃料15和氧化剂进行混合与雾化，以制得混合气体，点火器21设置于混合物生成模组7.1内；其中，第一燃料15通过第一燃料泵14提供；催化剂模组7.2，催化剂模组7.2用于将混合气体生成含氢的阳极气体并将阳极气体输入燃料电池4，第二温度传感器19和第三温度传感器20分别设置于催化剂模组7.2的出口处和入口处。

在本实施方式中，重整器7运行时，通过混合物生成模组7.1将得到的第一燃料15和氧化剂进行充分混合、雾化，从而制得混合气体，然后通过催化剂模组7.2产生含氢的重整气体，从而将重整气体作为阳极气体输入到燃料电池44的阳极侧。

作为一种可选的实施方式，还包括启动燃烧器3，启动燃烧器3与气路分配阀9之间连接有第三支路25；第二燃料泵12，第二燃料泵12用于向启动燃烧器3提供第二燃料13；第一热交换器2，第一热交换器2与启动燃烧器3连接，且第一热交换器2连接第一支路23，第一热交换器2用于将加热后的空气11通过管路输入燃料电池4的阴极。

在本实施方式中，由于SOFC属于高温燃料电池4，因此在运行时，需首先对燃料电池4进行预热，在本系统中，设计了启动燃烧器3和第一热交换器2来实现此功能，空气11经过空气泵10后通过气路分配阀9以及第三支路25供给至启动燃烧器3，同时第二燃料13通过第二燃料泵12供给至启动燃烧器3，启动燃烧器3燃烧产生的热尾气与气路分配阀9的第一支路23的冷空气11通过第一热交换器2进行热交换，以得到加热后的空气11并输入燃料电池4阴极，从而实现系统启动时加热燃料电池4，以对燃料电池4进行预热。

作为一种可选的实施方式，还包括尾气燃烧器5，尾气燃烧器5与气路分配阀9之间连接有第四支路26，尾气燃烧器5用于燃烧燃料电池4工作时产生的尾气；第二热交换器6，第二热交换器6与气路分配阀9之间连接有第五支路27，第二热交换器6用于将尾气燃烧器5产生的热量与来自第五支路27的空气11进行热交换以获得热空气，并将热空气通过管路输入燃料电池4的阴极。

在本实施方式中，当燃料电池4预热完成，燃料电池4开始工作后，启动燃烧器3将停止工作，在系统运行过程中，则由尾气燃烧器5和第二热交换器6来维持燃料电池4温度。燃料电池4正常工作时，剩余的阴极尾气和阳极尾气会通过尾气燃烧器5来进行燃烧，来自第四支路26的空气11则为尾气燃烧器5提供燃烧条件，从而降低排放的污染，同时燃烧产生的热量通过第二热交换器6与来自气路分配阀9的第五支路27的冷空气进行热交换，加热后的热空气又可作为燃料电池4运行期间的阴极气体源，提高了热量利用率。

需要说明的是，上述第一燃料15和第二燃料13应优先选择装备该SOFC系统的车辆内燃机所使用的燃料。

作为一种可选的实施方式，还包括第三热交换器8，第三热交换器8用于储存第一热交换器2和第二热交换器6剩余的热量。

在本实施方式中，启动燃烧器3和尾气燃烧器5燃烧生成的尾气，在分别经过第一热交换器2和第二热交换器6的换热后，若还存在一定热量，可通过第三热交换器8进一步储存并利用这部分热量，例如将此部分热量提供给车内的暖气系统，从而进一步提高热量利用率，利用效率高。

作为一种可选的实施方式，尾气燃烧器5内设置有第四温度传感器18，第四温度传感器18电性连接有控制器16，控制器16还电性连接第一温度传感器17、第二温度传感器19、第三温度传感器20、空气泵10、气路分配阀9、启动燃烧器3、第一燃料泵14和第二燃料泵12。

在本实施方式中，通过控制器16可分别对启动燃烧器3、气路分配阀9、空气泵10、第一燃料泵14、第二燃料泵12以及点火器21进行控制，同时该控制器16可实时采集第一温度传感器17、第二温度传感器19、第三温度传感器20、第四温度传感器18的温度，该控制器16可利用这些温度数据，从而对SOFC系统进行实时控制，包括燃料电池4运行控制、催化剂重生过程控制等，实现全自动化运行，无需人为管理，智能程度高。

作为一种可选的实施方式，还包括隔热装置22，燃料电池4、重整器7、启动燃烧器3、第一热交换器2、尾气燃烧器5、第二热交换器6和点火器21均设置于隔热装置22中。

在本实施方式中，通过隔热装置22（即隔热外壳体）可将上述热量大的组件集成在内部，减少热量外泄。

实施例2

参照图1-图2，本实施例提供一种催化剂重生方法，基于上述实施例1的一种SOFC系统，包括以下步骤：

使燃料电池4停止运行，检测燃料电池4的当前温度；

当燃料电池4的当前温度低于上限温度时，通过第二支路24向重整器7提供氧化剂，以使重整器7中催化剂上附着的颗粒燃烧；其中，上限温度为燃料电池4的极限温度；

重新检测燃料电池4的当前温度；

当重新检测的燃料电池4的当前温度达到上限温度时，减少或中断向重整器7的氧化剂供应，以使燃料电池4的温度降低；

当燃料电池4的温度降低到下限温度时，又通过第二支路24向重整器7提供氧化剂；

返回至重新检测燃料电池4的当前温度的步骤，以完成重整器7中催化剂的重生。

在本实施例中，为了解决附着在催化剂表面的杂质，可以采用燃烧的方式将其去除，但是在SOFC系统被运行期间是无法实现该操作的，因为燃烧的过程中产生的高温会破坏燃料电池4的阳极侧，因此在燃料电池4停止运行时（即SOFC系统关闭时）执行重整催化剂的操作，且只有当燃料电池4的温度低于预设的燃料电池4的极限温度时才启动，是因为当燃料电池4的温度高于预设的燃料电池4的极限温度时，燃料电池4阳极侧对催化剂重生过程中形成的重生产物非常敏感，例如，燃料电池4在极限温度以上时，重生产物中含有的氧气会导致阳极上的镍发生再氧化，从而导致阳极被破坏，并最终损坏燃料电池4，只有当燃料电池4冷却到上述极限温度以下时，重生过程的产物对燃料电池4阳极侧才几乎无害，因此重生过程应等到燃料电池4充分冷却后进行，这样会大大降低重生过程中产生的反应物对燃料电池4阳极侧造成损害的风险。

因此，本实施例中重生过程即为了催化剂的重生，向重整器7提供氧化剂气体，通常情况下，当燃料电池4刚停止工作时，重整器7的温度也相对很高，此时直接提供氧化剂就可以导致催化剂上附着的颗粒的燃烧，如果重整器7内部的温度不足以使颗粒燃烧，也可以通过设置在混合物生成模组7.1中的点火器21把重整器7作为燃烧器运行来实现重生过程。重生过程中，固体颗粒物的燃烧会导致催化剂温度升高，从而导致重整器7的温度升高，在该过程中产生的热燃烧产物也会导致燃料电池4的温度持续升高，为避免燃料电池4的温度在重生过程中超过其极限温度，可通过控制器16对燃料电池4的温度进行闭环控制，通过减少或中断向重整器7供应氧化剂的方式来对燃料电池4的温度进行降温，当燃料电池4温度下降到下限温度（根据实际情况设置即可）后又可以通过增加向重整器7供应氧化剂的方式来加快催化剂的重生，从而实现在不损坏燃料电池4的前提条件下的催化剂重生效率最大化。

需要说明的是，重生过程可以在每次开关过程中自动启动，也可以在满足限制条件的情况下手动启动。

以上仅为本申请的优选实施例，并非因此限制本申请的专利范围，凡是利用本申请说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本申请的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种SOFC系统，其特征在于，包括：

燃料电池，所述燃料电池用于产生电能供用电设备使用；

重整器，所述重整器用于产生所述燃料电池运行所需的阳极气体；

空气供应单元，所述空气供应单元包括空气泵，所述空气泵用于通入空气，所述空气泵连接有气路分配阀，所述气路分配阀连接有第一支路和第二支路，所述第一支路用于提供所述燃料电池运行所需的阴极气体，所述第二支路用于对所述重整器提供氧化剂；其中，所述阴极气体和所述氧化剂均为空气。

2.如权利要求1所述的一种SOFC系统，其特征在于，还包括第一温度传感器，所述第一温度传感器设置于所述燃料电池的阳极出口处。

3.如权利要求2所述的一种SOFC系统，其特征在于，还包括：

第二温度传感器，所述第二温度传感器设置于所述重整器的出口处；

第三温度传感器，所述第三温度传感器设置于所述重整器的入口处；

点火器，所述点火器设置于所述重整器内。

4.如权利要求3所述的一种SOFC系统，其特征在于，所述重整器包括：

混合物生成模组，所述混合物生成模组连接所述第二支路，所述混合物生成模组用于将得到的第一燃料和所述氧化剂进行混合与雾化，以制得混合气体，所述点火器设置于所述混合物生成模组内；其中，所述第一燃料通过第一燃料泵提供；

催化剂模组，所述催化剂模组用于将所述混合气体生成含氢的阳极气体并将所述阳极气体输入所述燃料电池，所述第二温度传感器和所述第三温度传感器分别设置于所述催化剂模组的出口处和入口处。

5.如权利要求3或4所述的一种SOFC系统，其特征在于，还包括：

启动燃烧器，所述启动燃烧器与所述气路分配阀之间连接有第三支路；

第二燃料泵，所述第二燃料泵用于向所述启动燃烧器提供第二燃料；

第一热交换器，所述第一热交换器与所述启动燃烧器连接，且所述第一热交换器连接所述第一支路，所述第一热交换器用于将加热后的空气通过管路输入所述燃料电池的阴极。

6.如权利要求5所述的一种SOFC系统，其特征在于，还包括：

尾气燃烧器，所述尾气燃烧器与所述气路分配阀之间连接有第四支路，所述尾气燃烧器用于燃烧所述燃料电池工作时产生的尾气；

第二热交换器，所述第二热交换器与所述气路分配阀之间连接有第五支路，所述第二热交换器用于将所述尾气燃烧器产生的热量与来自所述第五支路的空气进行热交换以获得热空气，并将所述热空气通过管路输入所述燃料电池的阴极。

7.如权利要求6所述的一种SOFC系统，其特征在于，还包括第三热交换器，所述第三热交换器用于储存所述第一热交换器和所述第二热交换器剩余的热量。

8.如权利要求6所述的一种SOFC系统，其特征在于，所述尾气燃烧器内设置有第四温度传感器，所述第四温度传感器电性连接有控制器，所述控制器还电性连接所述第一温度传感器、所述第二温度传感器、所述第三温度传感器、所述空气泵、所述气路分配阀、所述启动燃烧器和所述第二燃料泵。

9.如权利要求6所述的一种SOFC系统，其特征在于，还包括隔热装置，所述燃料电池、所述重整器、所述启动燃烧器、所述第一热交换器、所述尾气燃烧器、所述第二热交换器和所述点火器均设置于所述隔热装置中。

10.一种催化剂重生方法，其特征在于，基于权利要求1-9中任一项所述的一种SOFC系统，包括以下步骤：

使所述燃料电池停止运行，检测所述燃料电池的当前温度；

当所述燃料电池的当前温度低于上限温度时，通过所述第二支路向所述重整器提供氧化剂，以使所述重整器中催化剂上附着的颗粒燃烧；其中，所述上限温度为所述燃料电池的极限温度；

重新检测所述燃料电池的当前温度；

当重新检测的所述燃料电池的当前温度达到所述上限温度时，减少或中断向所述重整器的氧化剂供应，以使所述燃料电池的温度降低；

当所述燃料电池的温度降低到下限温度时，又通过所述第二支路向所述重整器提供氧化剂；

返回至所述重新检测所述燃料电池的当前温度的步骤，以完成所述重整器中催化剂的重生。