一种基于沼气的固体氧化物燃料电池系统技术方案

本实用新型专利技术公开了一种基于沼气的固体氧化物燃料电池系统，包括燃料电池、沼气组件、烟气组件、水组件和空气组件，沼气组件包括依次连接的沼气源、沼气换热器和沼气重整器，沼气重整器的出料口连接燃料电池的阳极；空气组件包括依次连接的空气源和空气换热器；空气换热器的出料口连接燃料电池的阴极；水组件包括依次连接的烟气冷凝器和水换热器；水换热器的出料口连接沼气重整器的进料口；烟气组件包括燃烧器；燃料电池、沼气源和空气源均连接燃烧器的进料口，燃烧器的出料口分别连接沼气重整器、沼气换热器、空气换热器、水换热器和烟气冷凝器。该发电系统，将烟气中的水回用，还将燃料电池的排气燃烧以供热，节约了资源。

A Solid Oxide Fuel Cell System Based on Biogas

The utility model discloses a solid oxide fuel cell system based on biogas, which includes fuel cell, biogas component, flue gas component, water component and air component. The biogas component includes successively connected biogas source, biogas heat exchanger and biogas reformer, and the outlet of the biogas reformer connects the anode of the fuel cell; the air component includes successively connected air source and air. Heat exchanger; the outlet of air heat exchanger is connected with the cathode of fuel cell; water module includes flue gas condenser and water heat exchanger connected in turn; the outlet of water heat exchanger is connected with the inlet and outlet of methane reformer; flue gas module includes burner; fuel cell, methane source and air source are connected with the inlet and outlet of burner, respectively, with methane reformer and methane outlet. Heat exchanger, air heat exchanger, water heat exchanger and flue gas condenser. The power generation system can reuse the water in flue gas and burn the exhaust gas of fuel cell for heating, thus saving resources.

【技术实现步骤摘要】
一种基于沼气的固体氧化物燃料电池系统
本技术涉及领域燃料电池领域，尤其涉及一种基于沼气的固体氧化物燃料电池系统。
技术介绍
沼气为有机物在厌氧条件下由微生物发酵而制备的一种富含甲烷的燃料气体，经过净化脱碳等处理后可得到高纯甲烷的生物天然气。沼气具有多种用途，可以用于化工合成、燃烧发电、居民用气等。近来，研究人员提出将其经过净化、重整等处理后作为燃料电池的燃料，构建基于沼气燃料的燃料电池分布式发电系统。沼气作为质子交换膜燃料电池的燃料需要经过复杂的燃料净化、脱碳、重整、变换反应制备纯氢的工艺，会使得整体工艺较为复杂。而固体氧化燃料电池(SOFC)可以直接采用经过净化后的沼气作为燃料，从而简化了燃料气体的处理工艺。目前以沼气为燃料的固体氧化物燃料电池系统存在发电效率及能量利用效率较低、整体系统工艺复杂、系统配置不甚合理和系统模型的研究及构建仍然相对欠缺等问题。专利CN2017382059.5公开了一种基于能源互联网的沼气燃料电池系统及其运行策略，但该专利中的电池系统的水资源由外部接入，使得系统工艺复杂化、耗能并浪费水资源。此外，现有的基于沼气的SOFC中还存在以下以下问题：重整器只依靠沼气及水蒸气预热后携带的能量是不能实现自热维持的，需要外加能量来维持强吸热的重整反应；无脱碳单元会提高燃料气的C/H、C/O比值，从而提高积碳风险；水蒸气无过热处理会降低重整反应器的温度及水蒸气在管线中的温度迅速降低及潜在的冷凝问题。因此亟需一种新型的沼气燃料的固体氧化物燃料电池系统。
技术实现思路
本技术的目的在于提供一种基于沼气的固体氧化物燃料电池系统，来解决以上问题。为达此目的，本技术采用以下技术方案：一种基于沼气的固体氧化物燃料电池系统，包括燃料电池、沼气组件、烟气组件、水组件和空气组件，所述沼气组件包括沼气源、沼气换热器和用于将沼气和水进行重整反应的沼气重整器，所述沼气源的出气口连接所述沼气换热器的沼气进口，所述沼气换热器的沼气出口连接所述沼气重整器的沼气进口，所述沼气重整器的重整气出口连接所述燃料电池的阳极；所述空气组件包括空气源和空气换热器；所述空气源的出气口连接所述空气换热器的空气进口，所述空气换热器的空气出口连接所述燃料电池的阴极；所述水组件包括用于将烟气中的气态水冷凝为液态水的烟气冷凝器，和水换热器；所述烟气冷凝器的冷凝水出口连接所述水换热器的水进口，所述水换热器的水出口连接所述沼气重整器的水进口；所述烟气组件包括用于燃烧可燃气体产生烟气的燃烧器；所述燃料电池、沼气源和空气源的出气口均连接所述燃烧器的进气口，所述燃烧器的烟气出口分别连接所述沼气重整器、沼气换热器、空气换热器、水换热器和烟气冷凝器的烟气进口。可选的，所述沼气组件还包括沼气处理单元、沼气流量计和沼气三通阀；所述沼气源的排气口连接所述沼气处理单元的沼气进口，所述沼气处理单元的沼气出口通过所述沼气流量计连接所述沼气三通阀的沼气进口；所述沼气三通阀的第一沼气出口连接所述沼气换热器的沼气进口，所述沼气三通阀的第二沼气出口连接所述燃烧器的进气口；所述燃烧器的烟气出口连接所述沼气重整器的烟气进口，所述沼气重整器的烟气出口连接所述沼气换热器的烟气进口。可选的，所述空气组件还包括空气处理单元、空气流量计和空气三通阀；所述空气源的排气口连接所述空气处理单元的空气进口，所述空气处理单元的空气出口通过所述空气流量计连接所述空气三通阀的空气进口；所述空气三通阀的第一空气出口连接所述空气换热器的空气进口，所述空气三通阀的第二空气出口连接所述燃烧器的进气口。可选的，所述水组件还包括水处理单元和水流量计；所述烟气冷凝器的冷凝水出口连接所述水处理单元的水进口，所述水处理单元的水出口通过所述水流量计连接所述水换热器的水进口；所述沼气换热器和所述空气换热器的烟气出口连接所述水换热器的烟气进口，所述水换热器的烟气出口连接所述烟气冷凝器的烟气进口。可选的，所述沼气换热器包括互相毗邻的沼气预热流道和沼气烟气流道，所述沼气预热流道和所述沼气烟气流道之间发生热量交换；所述沼气重整器包括互相毗邻的重整反应流道和重整烟气流道，所述重整反应流道和所述重整烟气流道之间发生热量交换；所述沼气三通阀的第一沼气出口连接所述沼气预热流道的沼气进口，所述沼气预热流道的沼气出口连接所述重整反应流道的沼气进口，所述重整反应流道的重整气出口连接所述燃料电池的阳极；所述燃烧器的烟气出口连接所述重整烟气流道的烟气进口，所述重整烟气流道的烟气出口连接所述沼气烟气流道的烟气进口。可选的，所述空气换热器包括互相毗邻的空气预热流道和空气烟气流道，所述空气预热流道和所述空气烟气流道之间发生热量交换；所述空气三通阀的第一空气出口连接所述空气预热流道的空气进口，所述空气预热流道的空气出口连接所述燃料电池的阴极；所述燃烧器的烟气出口连接所述空气烟气流道的烟气进口。可选的，所述烟气冷凝器包括互相毗邻的烟气冷凝流道和生活用水流道，所述烟气冷凝流道和所述生活用水流道之间发生热量交换；所述水换热器包括互相毗邻水预热流道和水烟气流道，所述水预热流道和所述水烟气流道之间发生热量交换；所述空气烟气流道和所述沼气烟气流道的烟气出口均连接所述水烟气流道的烟气进口，所述水烟气流道的烟气出口连接所述烟气冷凝流道的烟气进口；所述烟气冷凝流道的冷凝水出口连接所述水预热流道的水进口，所述水预热流道的水出口连接所述重整反应流道的水进口；所述烟气冷凝流道的烟气出口排空。可选的，所述烟气组件还包括烟气四通阀，所述烟气四通阀的烟气进口连接所述燃烧器的烟气出口；所述烟气四通阀的第一烟气出口通过第一烟气流量计连接所述重整烟气流道的烟气进口；所述烟气四通阀的第二烟气出口通过第二烟气流量计连接所述空气烟气流道的烟气进口；所述烟气四通阀的第三烟气出口通过备用烟气流道排空。可选的，所述沼气处理单元包括依次连接的净化器、脱碳器和压缩机；所述空气处理单元包括依次连接的过滤器和空压机；所述水处理单元包括水泵。可选的，所述燃料电池电连接所述压缩机、水泵和空压机。与现有技术相比，本技术具有以下有益效果：本技术提供的基于沼气的固体氧化物燃料电池系统，将燃料电池的排气再次燃烧生成烟气，利用烟气冷凝器将烟气中的气态水转化为液态水进行回用，节约了水资源；利用烟气为沼气换热器、沼气重整器、空气换热器、水换热器提供热量，节约了能源。附图说明为了更清楚地说明本技术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技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。图1为本技术实施例提供的的固体氧化物燃料电池系统的基本结构示意图。图2为本技术实施例提供的的固体氧化物燃料电池系统的结构示意图。图示说明：10、燃料电池；11、阳极；12、阴极；21、沼气源；22、沼气换热器；221、沼气预热流道；222、沼气烟气流道；23、沼气重整器；231、重整反应流道；232、重整烟气流道；24、净化器；25、脱碳器；26、压缩机；27、沼气流量计；28、沼气三通阀；31、烟气冷凝器；311、烟气冷凝流道；312、生活用水流道；32、水换本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于沼气的固体氧化物燃料电池系统，包括燃料电池、沼气组件、烟气组件、水组件和空气组件，其特征在于，所述沼气组件包括沼气源、沼气换热器和用于将沼气和水进行重整反应的沼气重整器，所述沼气源的出气口连接所述沼气换热器的沼气进口，所述沼气换热器的沼气出口连接所述沼气重整器的沼气进口，所述沼气重整器的重整气出口连接所述燃料电池的阳极；所述空气组件包括空气源和空气换热器；所述空气源的出气口连接所述空气换热器的空气进口，所述空气换热器的空气出口连接所述燃料电池的阴极；所述水组件包括用于将烟气中的气态水冷凝为液态水的烟气冷凝器，和水换热器；所述烟气冷凝器的冷凝水出口连接所述水换热器的水进口，所述水换热器的水出口连接所述沼气重整器的水进口；所述烟气组件包括用于燃烧可燃气体产生烟气的燃烧器；所述燃料电池、沼气源和空气源的出气口均连接所述燃烧器的进气口，所述燃烧器的烟气出口分别连接所述沼气重整器、沼气换热器、空气换热器、水换热器和烟气冷凝器的烟气进口。

【技术特征摘要】
1.一种基于沼气的固体氧化物燃料电池系统，包括燃料电池、沼气组件、烟气组件、水组件和空气组件，其特征在于，所述沼气组件包括沼气源、沼气换热器和用于将沼气和水进行重整反应的沼气重整器，所述沼气源的出气口连接所述沼气换热器的沼气进口，所述沼气换热器的沼气出口连接所述沼气重整器的沼气进口，所述沼气重整器的重整气出口连接所述燃料电池的阳极；所述空气组件包括空气源和空气换热器；所述空气源的出气口连接所述空气换热器的空气进口，所述空气换热器的空气出口连接所述燃料电池的阴极；所述水组件包括用于将烟气中的气态水冷凝为液态水的烟气冷凝器，和水换热器；所述烟气冷凝器的冷凝水出口连接所述水换热器的水进口，所述水换热器的水出口连接所述沼气重整器的水进口；所述烟气组件包括用于燃烧可燃气体产生烟气的燃烧器；所述燃料电池、沼气源和空气源的出气口均连接所述燃烧器的进气口，所述燃烧器的烟气出口分别连接所述沼气重整器、沼气换热器、空气换热器、水换热器和烟气冷凝器的烟气进口。2.根据权利要求1所述的固体氧化物燃料电池系统，其特征在于，所述沼气组件还包括沼气处理单元、沼气流量计和沼气三通阀；所述沼气源的排气口连接所述沼气处理单元的沼气进口，所述沼气处理单元的沼气出口通过所述沼气流量计连接所述沼气三通阀的沼气进口；所述沼气三通阀的第一沼气出口连接所述沼气换热器的沼气进口，所述沼气三通阀的第二沼气出口连接所述燃烧器的进气口；所述燃烧器的烟气出口连接所述沼气重整器的烟气进口，所述沼气重整器的烟气出口连接所述沼气换热器的烟气进口。3.根据权利要求2所述的固体氧化物燃料电池系统，其特征在于，所述空气组件还包括空气处理单元、空气流量计和空气三通阀；所述空气源的排气口连接所述空气处理单元的空气进口，所述空气处理单元的空气出口通过所述空气流量计连接所述空气三通阀的空气进口；所述空气三通阀的第一空气出口连接所述空气换热器的空气进口，所述空气三通阀的第二空气出口连接所述燃烧器的进气口。4.根据权利要求3所述的固体氧化物燃料电池系统，其特征在于，所述水组件还包括水处理单元和水流量计；所述烟气冷凝器的冷凝水出口连接所述水处理单元的水进口，所述水处理单元的水出口通过所述水流量计连接所述水换热器的水进口；所述沼气换热器和所述空气换热器的烟气出口连接所述水换热器的烟气进口，所述水换热器的烟气出口连接所述烟气冷凝器的烟气进口。5.根据权利要求4所述的固体氧化物...

【专利技术属性】
技术研发人员：李海宾，宋文婉，康磊，韩敏芳，夏云峰，
申请(专利权)人：广东索特能源科技有限公司，东莞深圳清华大学研究院创新中心，
类型：新型
国别省市：广东,44