一种燃料电池系统的自加湿阳极燃料循环系统及方法技术方案

本发明专利技术涉及一种燃料电池系统的自加湿阳极燃料循环系统及方法，包括分流器、燃烧器、燃气换热器、混合器、预重整器和空气换热器；从燃料电池阳极和阴极各分出一股物流，阳极分出的进入分流器，阴极分出的进入燃烧器；物流进入分流器后分成两股物流，分别进入燃烧器和燃气换热器，从燃烧器流出的物流经过空气换热器排出到大气中，从分流器分出的另一股物流经过燃气换热器进入到混合器，天然气从外界通入到混合器，经混合器混合后进入到预重整器，从预重整器流出的物流，经燃气换热器进入到燃料电池阳极，从外界经过空气换热器，流入到燃料电池阴极。本发明专利技术提高了系统直流电效率和系统燃料利用率，且使用换热设备少，节省系统成本。节省系统成本。节省系统成本。

【技术实现步骤摘要】
一种燃料电池系统的自加湿阳极燃料循环系统及方法


[0001]本专利技术涉及一种燃料电池系统的自加湿阳极燃料循环系统及方法，属于一种中温固体氧化物燃料电池系统领域。

技术介绍

[0002]专利201922098087.1，一种带阳极循环燃料电池燃气涡轮复合推进发电系统。该专利中的阳极尾气一部分经过冷却器和高温泵重新进入重整器与新鲜燃气混合，实现阳极尾气再次循环利用。该专利不足之处在于：1、阳极高温尾气经过冷却器进行冷却，浪费了一部分热量，降低了系统热效率，同时在与新鲜燃气混合后未加热，混合气直接进入燃料电池，可能造成燃料电池内部较大的温度梯度，影响电池使用寿命；2、该装置使用外部供应的水，加热蒸发、压缩后通入重整器进行燃气重整，这使得系统一部分能量分配给外部水的升温，降低系统整体热效率。
[0003]专利US20090208784A1，一种包含阳极尾气氧化器和混合换热重整的燃料电池系统。该专利燃料电池的阳极尾气经过重整器换热和空气换热后分成两部分，一部分进入氧化器进行燃烧，另一部分与水蒸气、新鲜燃气混合，再次进入到燃料电池阳极，实现阳极循环利用。该系统的不足之处在于，1、使用了外部水经过水蒸气发生器与燃气混合、重整，水蒸气在升温和汽化过程中需要大量的热，这降低了系统热效率；2、该系统运行中使用三个换热器和一个水蒸气发生器，同时使用外部水源供应，需要水处理系统等附属装置，连接设备多，系统较为复杂，同时多次换热增加了换热损失，降低了系统热效率。

技术实现思路

[0004]本专利技术技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种燃料电池系统的自加湿阳极燃料循环系统及方法，通过控制阳极尾气循环比例进而控制系统加湿情况，实现了正常运行状态下自我加湿的功能，不需要外部水源供应；同时本专利技术的水蒸气持续在高温环境下循环利用，避免了液态水的升温、汽化等吸热过程，高效的循环利用高温热能，提高了系统热效率；
[0005]本专利技术技术解决方案：一种燃料电池系统的自加湿阳极燃料循环系统，利用燃料电池的阳极尾气，将其一部分再循环利用，与新鲜燃气混合进行预重整，然后通入到电池阳极，通过模拟计算，明确阳极循环比例与混合燃气水碳比(S/C)的关系，实现了通过控制循环比例进而控制系统加湿比例的功能。系统正常运行时不需要外部水源供应，实现了自加湿的功能，同时，重整所需的水蒸气持续在高温环境下循环利用，避免了换热损失，提高了系统循环热效率。
[0006]本专利技术的一种燃料电池系统的自加湿阳极燃料循环系统，包括：分流器、燃烧器、燃气换热器、混合器、预重整器和空气换热器；从燃料电池阳极和阴极各分出一股物流，阳极分出的进入分流器，阴极分出的进入燃烧器；物流进入分流器后分成两股物流，分别进入燃烧器和燃气换热器，从燃烧器流出的物流经过空气换热器排出到大气中，从分流器分出
的另一股物流经过燃气换热器进入到混合器，燃气从外界通入到混合器，经混合器混合后进入到预重整器，从预重整器流出的物流，经燃气换热器进入到燃料电池阳极，从外界经过空气换热器，流入到燃料电池阴极。
[0007]本专利技术的燃料电池系统的自加湿阳极燃料循环方法，通过燃气换热器进行阳极尾气与预重整后的燃气的换热过程，实现了阳极尾气混合前降温以及重整后燃气加热的功能；通过分流器控制阳极尾气循环比例，进而控制系统加湿情况，实现正常运行状态下自我加湿的功能，不需要外部水源供应；利用空气换热器直接连接新鲜空气和燃烧器尾气，将系统燃烧热最大限度的加热空气，提高系统热效率。
[0008]本专利技术与现有技术相比的优点在于：
[0009](1)本专利技术通过控制阳极尾气循环比例进而控制系统加湿情况，实现了正常运行状态下自我加湿的功能，不需要外部水源供应；同时本系统的水蒸气持续在高温环境下循环利用，避免了液态水的升温、汽化等吸热过程，高效的循环利用高温热能，提高了系统整体热效率。
[0010](2)阳极循环系统的燃料利用率可以达到82％以上，直流电效率可以达到70％以上，大大提高了燃料电池系统燃料利用率和发电效率。
[0011](3)本专利技术使用换热设备少，节省系统成本。
附图说明
[0012]图1为本专利技术的系统组成框架图；
[0013]1-燃料电池，2-分流器，3-燃烧器，4-燃气换热器，5-混合器，6-预重整器，7-空气换热器
[0014]图2为不同水碳比下的系统开路电压(OCV)对比；
[0015]图3为不同水碳比下的系统工作电压(V)对比；
[0016]图4为不同阳极循环比例时的燃料电池水碳比情况；
[0017]图5为阳极循环系统燃烧尾气温度、直流电效率、燃料利用率随循环比例的变化。
具体实施方式
[0018]下面结合附图及实施例对本专利技术进行详细说明。
[0019]图1中1代表燃料电池，上半部分(Anode)代表燃料电池阳极，下半部分(Cathode)代表燃料电池阴极。
[0020]燃料电池1是利用通入的混合天然气和空气，通过电化学反应对外输出电能的装置，分为阳极和阴极。燃料电池阳极通入的是经过燃气换热器4换热的高温燃气，在燃料电池内部发生电化学反应，反应后的气体通入到分流器2。分流器2是可以根据不同需要分配不同比例物流的装置。分流器2将燃料电池阳极高温尾气分成两部分，一部分进入到燃烧器3，另一部分进入到燃气换热器4。燃料电池阴极通入的是经过空气换热器7换热的高温空气，在燃料电池内发生电化学反应，反应后的气体进入到燃烧器3。两股物流在燃烧器3进行充分燃烧，燃烧后高温尾气通入到空气换热器7中进行换热，换热后气体排出到大气中。混合器5混合NG天然气和经过燃气换热器4后的气体，混合后的气体进入到预重整器6，进行预重整反应。预重整反应后的气体经过燃气换热器4换热，进入燃料电池阳极。
[0021]本专利技术的一种燃料电池系统的自加湿阳极燃料循环方法，步骤如下：
[0022](1)根据化工过程模拟软件按照图1搭建燃料电池系统。燃料电池部分利用平衡反应器和转化率反应器表示。在平衡反应器中定义甲烷重整反应和水汽重整反应，反应平衡常数与温度有关。反应方程式如下：
[0023]甲烷重整反应CH4+H2O＝CO+3H2[0024]置换重整反应CO+H2O＝CO2+H2[0025]在转化率反应器中，定义电化学反应的反应方程式，一氧化碳和氢气分别与氧气的反应，设定反应转化率为65％。同时设定物流进出口温度相等，且出口温度的目标值为750℃。在转化率反应器中，反应方程式如下：
[0026]2CO+O2＝2CO2[0027]2H2+O2＝2H2O
[0028]空气换热器和燃气换热器均采用简单加权模型，定义换热器特征参数为最小值逼近类型，数值为50℃。
[0029]燃烧器和预重整器均选用吉布斯自由能反应器，反应器类型为仅有吉布斯反应。
[0030](2)建立系统电化学计算模型。根据孟辉《IGCC-SOFC复合动力系统研究》中的第二章节建立系统电化学反应模型。
[0031]V＝E-本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种燃料电池系统的自加湿阳极燃料循环系统，其特征在于，包括：分流器、燃烧器、燃气换热器、混合器、预重整器和空气换热器；从燃料电池阳极和阴极各分出一股物流，阳极分出的进入分流器，阴极分出的进入燃烧器；物流进入分流器后分成两股物流，分别进入燃烧器和燃气换热器，从燃烧器流出的物流经过空气换热器排出到大气中，从分流器分出的另一股物流经过燃气换热器进入到混合器，燃气从外界通入到混合器，经混合器混合后进入到预重整器，从预重整器流出的物流，经燃气换热器进入到燃料电池阳极，从外界经过空气换热器，流...

【专利技术属性】
技术研发人员：马龙，林子敬，
申请(专利权)人：中国科学技术大学，
类型：发明
国别省市：