一种SOFC尾气利用研究实验系统技术方案

本发明专利技术涉及一种SOFC尾气利用研究实验系统，包括依次连接的供气装置、加热装置、燃烧装置和测量装置，所述供气装置用于产生压缩空气和组分含量不同的SOFC尾气；所述加热装置用于加热所述压缩空气和SOFC尾气；所述燃烧装置用于使SOFC尾气和压缩空气混合并进行燃烧反应；所述测量装置用于测量SOFC尾气燃烧反应过程的工艺参数。与现有技术相比，本发明专利技术可以模拟SOFC电堆不同的工况，具有参数易调、控制精确、可以高效配置SOFC尾气组分等优点。

An experimental system of SOFC tail gas utilization

【技术实现步骤摘要】
一种SOFC尾气利用研究实验系统
本专利技术涉及SOFC尾气利用
，尤其是涉及一种SOFC尾气利用研究实验系统。
技术介绍
燃料电池是一种直接将燃料的化学能转化为电能的装置，已被誉为是继水力、火力，核电之后的第四代发电技术。固体氧化物燃料电池(SOFC)是继磷酸燃料电池(PAFC)、熔融碳酸燃料电池(MCFC)之后的能量转换效率最高的第三代燃料电池系统，其具有对燃料的适应性强、余热温度高、可直接利用进行热电联供、燃料综合利用率高等优点。SOFC在未来的发电市场更具发展潜力，SOFC的开发研究以及商业化，是解决世界节能和环保的重要手段。SOFC排放的尾气即乏气中含有氢气、水蒸气、一氧化碳、二氧化碳等气体，其温度在700℃以上，其中氢气与一氧化碳为易燃气体，可进一步利用。此外，一氧化碳为有毒气体，直接排放存在安全问题，合理的尾气处理方式对SOFC的推广应用至关重要。但目前对尾气的有效利用形式及尾气的燃烧特性研究较为缺乏，成熟的技术应用需要大量尾气进行实验测试，但SOFC尾气这种高温、高水蒸气组分的低浓度可燃气体的获取较为困难，最理想的方式是利用燃料电池自身尾气进行研究，但需要购置SOFC电堆，价格昂贵且使用寿命短(2-3年)，不适宜进行大量重复性试验，因此不利于SOFC排放的尾气的再利用研究。目前，现有专利“一种三极共烧的SOFC及其制备方法(CN110137551A)”，该方法通过在电解质中掺杂适量的氧化铁，和冷烧技术相结合，从而降低烧结温度，实现阳极、电解质、阴极在1150℃下三极共烧，但并未讨论SOFC的尾气利用问题。又如专利“SOFC燃料电池尾气循环利用装置(CN107195936A)”，该装置将燃料电池尾气中的可燃组分燃烧利用于发电、化工原料生产，但未涉及尾气组分变化时的可行性分析。
技术实现思路
本专利技术的目的就是为了克服上述现有技术存在的SOFC系统尾气高温、无法有效利用、获得比较困难等缺陷而提供一种SOFC尾气利用研究实验系统。本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现：一种SOFC尾气利用研究实验系统，包括依次连接的供气装置、加热装置、燃烧装置和测量装置，所述供气装置用于产生压缩空气和组分含量不同的SOFC尾气；所述加热装置用于加热所述压缩空气和SOFC尾气；所述燃烧装置用于使SOFC尾气和压缩空气混合并进行燃烧反应；所述测量装置用于测量SOFC尾气燃烧反应过程的工艺参数。所述的供气装置包括燃气供气机构、水蒸气供气机构、空气供气机构、以及与所述燃气供气机构和水蒸气供气机构的气体出口管路连接的引射器；所述引射器的气体出口的气体为所述SOFC尾气；所述空气供气机构产生压缩空气。所述的燃气供气机构包括与天然气气源连接的天然气管道、高精度实时配气仪(MFC)、以及与所述高精度实时配气仪连接的氢气储气瓶、一氧化碳储气瓶和二氧化碳储气瓶；所述水蒸气供气机构包括蒸汽发生器以及与所述蒸汽发生器连接的蒸汽管道；所述空气供气机构包括空压机以及与所述空压机连接的空气管道。所述的天然气管道上设有压力表、膜式燃气流量表和截止阀；所述蒸汽管道上设有压力表、孔板流量计、减压阀；所述空气管道上设有稳压阀、压力表、转子流量计。本专利技术中根据不同气体介质的特性，分别匹配的不同结构的流量计，分别为燃气的膜式燃气表、计量水蒸气的孔板流量计、计量空气的转子流量计；氢气、一氧化碳流量由高精度实时配气仪测量。通过这套测量机构，可以实现对各个原料气体完成精确的测量，从而保证实验数据的准确。所述加热装置包括与所述引射器连接的SOFC尾气加热机构和与所述空气供气机构连接的空气加热机构；所述SOFC尾气加热机构包括第一天然气全预混燃烧器和与所述第一天然气全预混燃烧器连接的第一换热器，所述引射器的气体出口与所述第一换热器管道连接；所述空气加热机构均包括第二天然气全预混燃烧器和与所述第二天然气全预混燃烧器连接的第二换热器，所述空气供气机构与所述第二换热器管道连接。所述的加热装置还包括与所述第一天然气全预混燃烧器、第二天然气全预混燃烧器和引射器信号连接的燃烧器功率控制器。所述燃烧装置包括燃烧器，该燃烧器包括预混段和燃烧段；所述SOFC尾气和压缩空气在所述预混段混合后进入燃烧段进行燃烧。所述预混段包括预混室和设于所述预混室内的金属纤维板，该预混室上设有SOFC尾气进口和压缩空气进口；所述燃烧段包括燃烧室、以及设于所述燃烧室内的泡沫多孔陶瓷板和点火器，所述燃烧室上设有供烟气排出的气体出口。所述测量装置包括用于测量所述燃烧室和预混室内气体温度的热电偶、用于测量所述燃烧室内压力的压力传感器，用于测量所述烟气成分的烟气分析仪。用于测量气体流量的流量计分别安装于对应的气体管道上。所述热电偶为K型热电偶。本专利技术为一套配气试验装置，可以实现对SOFC系统不同工况下的尾气进行模拟及试验，进而可对尾气的回收利用进行研究，有利于SOFC发电系统的长远性发展。本专利技术的供气装置利用氢气H2、一氧化碳CO、二氧化碳CO2、水蒸气和空气等气体按照不同比例混合，以模拟燃料电池不同工况下的出口尾气组分。其中氢气、一氧化碳、二氧化碳由气体钢瓶提供，并通过高精度实时配气系统控制流量大小；水蒸气由水蒸气发生器生成，通过阀门开关和高精度孔板流量计调节流量；空气由空气压缩机和转子流量计控制调节。可依据SOFC的工况变化，实时调整配气比例。本专利技术的加热装置可以还原燃料电池SOFC出口尾气的温度，燃料电池SOFC出口尾气为700℃以上高温，为较好还原其工况性质，模拟燃料电池出口尾气的高温特性，本套实验装置采用两台天然气全预混燃烧器进行加热，其中一台加热压缩空气，另一台加热混合后的燃气和水蒸气，加热后的气体通入燃烧器预混并燃烧。相较于高温电加热技术耗费过多的高品位电能、加热速度慢、加热温度一般不超过600℃等不足；燃气全预混燃烧加热技术，具有加热速度快、温度高(可轻易达到1000℃以上高温)、成本低等优点。引射装置可实现不同比例的H2与水蒸气组分的配比调节，实现SOFC电堆在不同转化率时尾气组分的变化，引射器与全预混燃烧器之间连有燃烧器功率控制器，可根据混合气的需要温度调节全预混燃烧装置的加热功率，保证可控的温度水平，同时亦可实现对电堆不同工作状态时温度的控制。本专利技术对SOFC尾气再利用研究的原理为：如若在本实验中燃烧器在一定范围的尾气组分下能够稳定燃烧，则保证燃料电池尾气的混合比例，并设置控制系统，随燃料电池的工作工况和燃烧器后压力变化进行燃烧器供气调节，保证燃烧的可持续，针对大型燃料电池电堆，可考虑加大燃烧器尺寸或采用多燃烧器形式，利用燃烧放出的热量来对燃料电池的重整装置进行加热，可以提高燃料电池装置的整体效率，实现低热值气体的洁净处理，实现能源的清洁有效利用，将具有重要意义，有利于为燃烧装置的设计提供设计参数。采用本专利技术可以预先获得燃料电池尾气的物性参数和燃烧器的选择和设计之间的规律关系，从而实现SOFC尾气更高效的利用。与现有技术相比，本专利技术具有以下优点；本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种SOFC尾气利用研究实验系统，其特征在于，包括依次连接的供气装置(1)、加热装置(2)、燃烧装置(3)和测量装置(4)，所述供气装置(1)用于产生压缩空气和组分含量不同的SOFC尾气；所述加热装置(2)用于加热所述压缩空气和SOFC尾气；所述燃烧装置(3)用于使SOFC尾气和压缩空气混合并进行燃烧反应；所述测量装置(4)用于测量SOFC尾气燃烧反应过程的工艺参数。/n

【技术特征摘要】
1.一种SOFC尾气利用研究实验系统，其特征在于，包括依次连接的供气装置(1)、加热装置(2)、燃烧装置(3)和测量装置(4)，所述供气装置(1)用于产生压缩空气和组分含量不同的SOFC尾气；所述加热装置(2)用于加热所述压缩空气和SOFC尾气；所述燃烧装置(3)用于使SOFC尾气和压缩空气混合并进行燃烧反应；所述测量装置(4)用于测量SOFC尾气燃烧反应过程的工艺参数。


2.根据权利要求1所述的一种SOFC尾气利用研究实验系统，其特征在于，所述的供气装置(1)包括燃气供气机构、水蒸气供气机构、空气供气机构、以及与所述燃气供气机构和水蒸气供气机构的气体出口管路连接的引射器(113)；所述引射器(113)的气体出口的气体为所述SOFC尾气；所述空气供气机构产生压缩空气。


3.根据权利要求2所述的一种SOFC尾气利用研究实验系统，其特征在于，所述的燃气供气机构包括与天然气气源(15)连接的天然气管道、高精度实时配气仪(18)、以及与所述高精度实时配气仪(18)连接的氢气储气瓶(13)、一氧化碳储气瓶(12)和二氧化碳储气瓶(11)；所述水蒸气供气机构包括蒸汽发生器(14)以及与所述蒸汽发生器(14)连接的蒸汽管道；所述空气供气机构包括空压机(115)以及与所述空压机(115)连接的空气管道。


4.根据权利要求3所述的一种SOFC尾气利用研究实验系统，其特征在于，所述的天然气管道上设有压力表(115)、膜式燃气流量表(16)和截止阀(17)；所述蒸汽管道上设有孔板流量计(111)；所述空气管道上设有稳压阀(114)、压力表(115)、转子流量计(117)。


5.根据权利要求2所述的一种SOFC尾气利用研究实验系统，其特征在于，所述加热装置(2)包括与所述引射器(113)连接的SOFC尾气加热机构和与所述空气供气机...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈志光，秦朝葵，郭双乾，谢依桐，
申请(专利权)人：同济大学，
类型：发明
国别省市：上海;31