一种结合阳极尾气催化燃烧器和部分氧化重整装置的SOFC系统制造方法及图纸

本发明专利技术公开一种结合阳极尾气催化燃烧器和部分氧化重整装置的SOFC系统，包括鼓风机、燃气比例阀，所述鼓风机与空气比例阀相连，所述空气比例阀分别与启动电加热器和部分催化氧化器，所述启动电加热器与空气换热器相连，所述空气换热器与SOFC电堆阴极相连。所述燃气比例阀分别与部分催化氧化器和预重整器相连，所述部分催化氧化器与预重整器相连，所述预重整器与SOFC阳极相连，所述SOFC电堆(含阴极和阳极)与催化燃烧器相连，所述催化燃烧器与所述空气换热器相连，所述空气换热器与所述预重整器相连，本发明专利技术最大优点是可以在多工况、变工况和极大过量空气系数的情况下稳定燃烧，达到保证SOFC系统在升温、拉载、满负荷、降载等模式下的稳定运行的性能表现。式下的稳定运行的性能表现。式下的稳定运行的性能表现。

【技术实现步骤摘要】
一种结合阳极尾气催化燃烧器和部分氧化重整装置的SOFC系统


[0001]本专利技术涉及固体氧化物燃烧电池领域，具体涉及一种结合阳极尾气催化燃烧器和部分氧化重整装置的SOFC系统。

技术介绍

[0002]固体氧化物燃料电池(以下简称“SOFC”)具有发电效率高、综合热效率高、可热电联供、且环境友好的优点，是未来分布式发电站的重要组成部分，应用前景广阔。2016年发布的《中国制造2025—能源装备实施方案》提到要加强对固体氧化物燃料电池技术攻关；科技部重点研发计划和可再生能源专项计划中也针对SOFC发电技术、大规模电解制氢技术进行了战略规划。固体氧化物燃料电池可以直接以天然气为燃料，对用户进行供热、供电。在美国、日本等发达国家，SOFC产业已步入商业化阶段。
[0003]以天然气为燃料的SOFC系统，通常包含鼓风机、启动电加热器、空气加热器、预重整器、SOFC电堆、燃烧器，在SOFC系统启动阶段，通过启动电加热器对空气进行加热，然后采用热空气对系统进行逐步加热，加热至系统可稳定运行温度约700℃左右。由于需要使用电加热器将系统从室温加热至700℃，这对电加热器的尺寸和功率提出了巨大的要求，尤其是对于几十千瓦级的大系统而言，采用电加热的方式对系统整个升温过程进行升温，电加热器的功率需要达到几百千瓦，且电加热时间需要24小时左右，严重的限制了SOFC系统的应用于推广，而且大功率的和大体积的电加热器意味着更高的系统成本。若不采用电加热器对系统进行升温，也可采用火焰燃烧器燃烧天然气的方式对系统升温，但是由于SOFC系统运行的工况非常复杂，燃烧器中过量空气系数极高，火焰燃烧器需要长时间的定制开发，同时需要进行补充燃料和补充空气来维持燃烧器的稳定运行，增加了系统运行的控制复杂难度和系统运行的稳定性，最后加大系统的开发难度。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的是设计一种结合阳极尾气催化燃烧器和部分氧化重整装置(SOFC)系统，以解决上述
技术介绍
中提出的问题。
[0005]为实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：
[0006]一种结合阳极尾气催化燃烧器和SOFC系统，包含鼓风机和燃气比例阀，所述鼓风机与空气比例阀相连，所述空气比例阀分别与启动电加热器和部分催化氧化器相连，所述启动电加热器与空气换热器相连，所述空气换热器与SOFC电堆阴极相连。所述燃气比例阀分别与部分催化氧化器和预重整器相连，所述部分催化氧化器与预重整器相连，所述预重整器与SOFC阳极相连。所述SOFC电堆与催化燃烧器相连，所述催化燃烧器与所述空气换热器相连，所述空气换热器与所述预重整器相连。
[0007]进一步，还包括阴极尾气和阳极尾气直接进入催化燃烧器(ATO)进行燃烧，ATO是采用催化燃烧的方式对可燃物进行处理，由于采用了ATO对电堆尾气处理过程中，通过改变
催化剂来改变反应速率，所以当可燃气体与氧化剂混合后，即使可燃物的浓度极低，也可以连续不断的发生化学反应；此外，由于反应速率和反应活性的增强，即使可燃混合物的流量波动很大时，反应物也可以充分被反应，达到了使电堆尾气组分、流量在较大波动情况下得到有效处理，系统可以在不同工况下稳定运行的目的，这是传统的火焰式燃烧不具备的优势，ATO对天然气的起燃温度为400℃左右，处理尾气的过量空气系数为1—100范围。
[0008]进一步，还包括空气比例阀和燃气比例阀，上述比例阀可实现反馈自动控制，并且可以自动控制和分配不同气路的气体流量，其中当系统达到ATO对天然气的起燃温度时，启动空气和启动天然气阀门关闭，所有的空气进入启动电加热器，所有的天然气进入预重整器中。
[0009]进一步，还包含CPOX和ATO，当系统预热至200℃左右时，CPOX起作用，CPOX出口组分仅为CO、H2、CO2和N2混合气，混合气通过预重整器然后再经过电堆阳极，最后进入到ATO中发生反应，ATO可以在200℃左右对CO和H2起作用，放出热量，为系统的升温提供热源。当ATO起作用的时候，电加热器退出工作。
[0010]进一步，还包括温度监测反馈调节系统，所述温度监测反馈系统包括温度传感器子系统、电开关控制器子系统和信号处理器，所述温度传感器子系统包括第一温度传感器组和第二温度传感器组，所述第一温度传感器组用来检测系统内空气的温度，由多组温度传感器组成，安装布置在系统内各个装置以及管道壁面上，当各个温度传感器显示的温度数值在170
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230℃，证明系统内的总体温度基本达到200℃；所述第二温度传感器组用来监测ATO内的温度，为了更加全面监测ATO内的温度，第二温度传感器组由多个温度传感器布置在ATO周围区域，当各个温度传感器显示的温度数值在370
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430℃，证明ATO的总体温度基本达到400℃；所述电开关控制器子系统包括电加热器电开关、空气比例阀电开关和燃气比例阀电开关，所述电加热器电开关控制电加热器的启动关闭，所述空气比例阀电开关和燃气比例阀电开关分别控制空气比例阀和燃气比例阀的启停；所述信号处理器，用来处理温度传感器子系统的温度信号，并根据信号反馈调节来控制电开关控制子系统的电源开关，当接收到第一传感器组的温度全部处于170
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230℃时，信号处理器控制电加热电开关关闭电加热器，当接收到第二传感器组的温度全部处于370
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430℃时，信号处理器控制空气比例阀电开关、空气阀门和燃气比例阀电开关关闭空气比例阀和燃气比例阀。
[0011]进一步，还包括CPOX的O/C(氧碳比例1:1)比需要被精确控制，O/C比在1—1.5范围内，可以保证所有的C都被转化为CO和CO2，同时混合气中不含O2。
[0012]进一步还包括ATO在400℃左右可以开始对天然气起作用，当系统通过ATO+COPX使系统从200℃升温至400℃后，COPX退出工作，系统仅仅通过ATO进行升温。
[0013]本专利技术的有益效果：与现有技术相比，首先采用ATO代替了火焰燃烧器，相比于火焰燃烧器，ATO可以实现在多工况、变工况和极大过量空气系数的情况下稳定燃烧，保证了SOFC系统在升温、拉载、满负荷、降载等模式下的稳定运行；其次，采用了ATO+CPOX的方式，使启动电加热器的目标预热温度由700℃降低至200℃，可以显著的降低电加热器的尺寸以及电加热器的功率。由于CPOX可以在200℃下产生H2和CO气体，这部分气体不仅可以在ATO进行燃烧，而且在电堆升温过程中作为保护气体对电堆进行保护，防止电堆阳极被氧化。常规方法是采用天然气对电堆进行保护，因此这部分天然气需进行放散燃烧，因此采用ATO+CPOX的方式还可以减少系统在升温过程中天然气的放散量。
附图说明
[0014]为了更清楚地说明本专利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专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种结合阳极尾气催化燃烧器和部分氧化重整装置的SOFC系统，其特征在于：包含鼓风机和燃气比例阀，所述鼓风机与空气比例阀相连，所述空气比例阀分别与启动电加热器和部分催化氧化器，所述启动电加热器与空气换热器相连，所述空气换热器与SOFC电堆阴极相连，所述燃气比例阀分别与部分催化氧化器和预重整器相连，所述部分催化氧化器与预重整器相连，所述预重整器与SOFC阳极相连，所述SOFC电堆(含阴极和阳极)与催化燃烧器相连，所述催化燃烧器与所述空气换热器相连，所述空气换热器与所述预重整器相连。2.根据权利要求1所述的一种结合阳极尾气催化燃烧器和部分氧化重整装置的SOFC系统，其特征在于：阴极尾气和阳极尾气直接进入催化燃烧器(ATO)进行燃烧，由于采用了ATO对电堆尾气进行处理，可以使电堆尾气组分、流量在较大波动情况下得到有效处理，系统可以在不同工况下稳定运行，ATO对天然气的起燃温度为400℃左右，处理尾气的过量空气系数为1—100范围。3.根据权利要求1所述的一种结合阳极尾气催化燃烧器和部分氧化重整装置的SOFC系统，其特征在于：包含空气比例阀和燃气比例阀，上述比例阀可实现反馈自动控制，并且可以自动控制和分配不同气路的...

【专利技术属性】
技术研发人员：阮鹏，林梓荣，刘洋，
申请(专利权)人：广东佛燃科技有限公司，
类型：发明
国别省市：