一种尾气循环利用的SOFC系统及启动方法技术方案

本发明专利技术公开了一种尾气循环利用的SOFC系统及启动方法，该SOFC系统包括：第一组电堆、第二组电堆、热交换器、重整器、蒸发器和尾气燃烧器；该系统不仅优化了SOFC系统中各部件的连接和排布方式，还将电堆根据功能和作用进行了针对性的区分，并限定了启动顺序，从而能更充分的循环利用SOFC系统中电堆阳极尾气中的燃料，使燃料在电堆中的利用率得到显著的提高，且电堆正常运转后，直接通过高温阳极尾气提供燃料重整需要的水蒸气，不需要将尾气中的水冷却、分离、再蒸发的循环过程以及换热系统，显著降低了能耗、系统复杂性和产品制造成本，更有利于SOFC系统的大规模推广和应用。于SOFC系统的大规模推广和应用。于SOFC系统的大规模推广和应用。

【技术实现步骤摘要】
一种尾气循环利用的SOFC系统及启动方法


[0001]本专利技术涉及SOFC系统领域，特别涉及一种尾气循环利用的SOFC系统及启动方法。

技术介绍

[0002]固体氧化物燃料电池（Solid Oxide Fuel Cell，简称SOFC）是一种以电化学反应的方式将燃料的化学能直接转化为电能的新型发电技术，工作温度在500℃
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800℃之间。
[0003]SOFC系统主要由蒸发器、重整器、电堆、尾气燃烧器、热交换器、余热回收系统、逆变器等部件组成。蒸发器主要是将去离子水加热蒸发变成水蒸气；重整器主要是将进入系统的天然气、醇类等碳氢燃料和水蒸气进行水汽重整转化为以氢气、一氧化碳、二氧化碳为主的混合气，从而更有利于电堆中的电化学反应；燃烧器主要将阳极尾气中未反应完全的燃料转化为热量，并为系统提供热能；热交换器进行热能的交换，利用高温热源加热低温介质。
[0004]SOFC系统电堆阳极的尾气中含有剩余的CO、H2，因此，电堆阳极的尾气是具有循环再利用可行性的；尤其是尾气中含有的高温水蒸气，完全可以不经过公知的冷却分离再利用（现有技术中阳极尾气中的水蒸气冷却再循环利用至蒸发器的过程），而直接以高温蒸气的形式不经过蒸发器进行循环再利用，从而降低了水蒸气循环过程的能量损失。
[0005]现有技术中已经有将阳极尾气循环至重整器和下一级电堆的相关技术，如专利CN113540539A公开了一种结合部分氧化重整装置和蒸汽重整装置的SOFC系统，该系统通过电堆、重整器的串联，将前一级电堆阳极的尾气与天然气进行混合重整，成为下一级电堆的进气，从而实现了电堆尾气的重复利用，既提高了天然气的利用率，又有效利用了高温水蒸气，降低了能耗；然而，该系统中由于各部件连接和排布方式较复杂，从而需要多个重整器才能实现SOFC系统的运行，导致SOFC系统的结构复杂、制造成本高、燃料利用率提升小，且在电堆正常运行时，需要保留部分氧化反应CPOX装置来保证电堆的正常运行，不利于SOFC系统的商业化和小型化并影响了电效率的提升。
[0006]甲烷水蒸气重整后的气体组成取决于水碳比、反应温度、催化剂等多种因素。根据方程式(1)
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(3) 的甲烷重整以及氧化的方程式可知，CH4+ 2H2O = CO2+ 4H2ꢀꢀꢀꢀ
(1)4H2+ 2O2= 4H2O
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(2)CH4+ 2O2= CO2+ 2H2O
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(3)在单纯甲烷水汽重整中，CO2占比25%，而在无限多的多级循环中，CO2的占比将主要由甲烷的碳氢比决定，约为33%。根据公知理论，高浓度CO2可以稀释燃料，并对燃料氧化动力学以及镍阳极的稳定性可能造成影响，因此多级循环存在潜在风险。为了降低尾气中水的含量，尽量提升燃料含量，理论上，下一级电堆需要使用两倍的甲烷量，即下级电堆的功率最优为上级电堆功率的2倍。考虑包含上级电堆的总功率，在两级电堆情况下，相当于只有约33%的尾气被循环利用。随着电堆级数增加，尾气循环利用率增加，但造成系统复杂，成本高。

技术实现思路

[0007]本专利技术的目的在于克服现有尾气循环利用SOFC系统存在燃料利用率较低、部件多、结构复杂的缺陷，提出了一种尾气循环利用的SOFC系统及启动方法，本专利技术不仅优化了SOFC系统中各部件的连接和排布方式，还将电堆根据功能和作用进行了针对性的区分，并限定了启动顺序，从而能更充分的回收利用SOFC系统中电堆的阳极尾气，使电堆燃料利用率得到显著的提高，且电堆正常运转后，也不需要再添加冷水，省略了与蒸发器相关的换热部件，简化了结构，降低制造成本，降低了能耗，更有利于SOFC系统的大规模推广和应用。
[0008]为了实现上述专利技术目的，本专利技术提供了一种尾气循环利用的SOFC系统，包括：第一组电堆、第二组电堆、热交换器、重整器、蒸发器和尾气燃烧器；所述蒸发器输出端与重整器输入端连接；所述重整器输出端分别与第一组电堆和第二组电堆阳极输入端连接，所述重整器输出端与第一组电堆和第二组电堆的阳极输入端之间设置有开闭装置，且可通过所述开闭装置控制所述第一组电堆和/或第二组电堆的阳极输入端是否与重整器输出端连通，以及控制重整器输入第一组电堆和第二组电堆的气体流量大小；所述第一组电堆和第二组电堆的阴极输出端与尾气燃烧器输入端连接；所述第一组电堆和第二组电堆的阳极输出端同时与尾气燃烧器输入端和重整器输入端连接，所述第一组电堆和第二组电堆的阳极输出端与重整器输入端、尾气燃烧器输入端之间均设置有开闭装置，且可通过所述开闭装置控制所述第一组电堆和/或第二组电堆的阳极输出端进入重整器和尾气燃烧器的尾气量；所述尾气燃烧器的输出端与热交换器的热输入端连接；所述热交换器用于预热进入重整器的燃料气和/或进入第一组电堆和第二组电堆的阴极空气，和/或用于为重整器等吸热或低温部件提供热量，和/或用于启动时为第二电堆提供热量。
[0009]本专利技术一种尾气循环利用的SOFC系统，通过优化SOFC系统中各部件的连接和排布方式，从而能通过控制电堆的启动顺序来完成整个SOFC系统的启动和稳定运行，使SOFC系统电堆分批启动，不仅能在更少的启动能量下完成启动，还能将电堆产生的部分尾气循环利用，从而显著提高了SOFC系统对燃料的利用率，简化了启动系统、降低了成本；并且，循环完全实现系统的水蒸汽平衡，降低了能耗（避免了现有技术中将尾气冷凝得到水，然后将水利用热交换再次生成水蒸气导致的循环过程中的能量损失）；该SOFC系统能在正常运行后，最大程度的回收利用阳极尾气，实现水平衡并减小能量损失，更有利于SOFC系统的大规模推广和应用。
[0010]其中，所述第一组电堆是作为SOFC系统的启动电堆，SOFC系统正常运行后，第一组电堆和第二组电堆均作为SOFC系统的常规电堆运行；所述的第一组和第二组电堆中的电堆数量可根据实际的情况进行调整，在不影响整体设计思路和原理的情况下，每组电堆中的电堆数量可根据需要进行任意设置。为了减小电堆启动系统以及启动时所需要的能源，可以根据本专利技术，进一步分为多组电堆，实行多级启动。
[0011]其中，所述SOFC系统中的热交换器用于预热进入重整器的燃料气和/或进入第一组电堆和第二组电堆的阴极空气的同时，热交换器还可以为系统其它需要维持特定温度的装置提供供热或散热功能，例如辅助尾气燃烧器散热、为重整器、第二组电堆的启动供热等，从而保证电堆的正常运转，并最大程度的利用热能，提高系统的热效率；所述蒸发器用
于电堆启动时将水加热为水蒸气，为重整器提供水蒸气，保证电堆的正常运转，电堆正常运行后蒸发器关闭，水蒸气直接由阳极尾气提供；所述重整器能将输入的水蒸气、燃料和阳极尾气进行重整，使重整器输出的混合气中各成分符合最佳比例，从而有利于电堆高效发电，提高燃料转化效率；所述尾气燃烧器能将电堆阳极产生的不需要循环的尾气通过燃烧转换为热能，并进一步通过热交换器回收利用产生的热能，从而最大程度的提高燃料能量利用率。
[0012]其中，优选的，所述的开闭装置为可以调节本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种尾气循环利用的SOFC系统，其特征在于，包括：第一组电堆、第二组电堆、热交换器、重整器、蒸发器和尾气燃烧器；所述蒸发器输出端与重整器输入端连接；所述重整器输出端分别与第一组电堆和第二组电堆阳极输入端连接，所述重整器输出端与第一组电堆和第二组电堆的阳极输入端之间设置有开闭装置，且可通过所述开闭装置控制所述第一组电堆和/或第二组电堆的阳极输入端是否与重整器输出端连通，以及控制重整器输入第一组电堆和第二组电堆的气体流量大小；所述第一组电堆和第二组电堆的阴极输出端与尾气燃烧器输入端连接；所述第一组电堆和第二组电堆的阳极输出端同时与尾气燃烧器输入端和重整器输入端连接，所述第一组电堆和第二组电堆的阳极输出端与重整器输入端、尾气燃烧器输入端之间均设置有开闭装置，且可通过所述开闭装置控制所述第一组电堆和/或第二组电堆的阳极输出端进入重整器和尾气燃烧器的尾气量；所述尾气燃烧器的输出端与热交换器的热输入端连接。2.根据权利要求1所述的尾气循环利用的SOFC系统，其特征在于，所述尾气燃烧器、重整器和热交换器共同构成集成换热模块。3.根据权利要求1所述的尾气循环利用的SOFC系统，其特征在于，所述第一组电堆和第二组电堆共同构成SOFC发电模块。4.根据权利要求1
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3任一项所述的尾气循环利用的SOFC系统，其特征在于，所述第一组电堆和第二组电堆的阳极输出端与重整器输入端之间还设置有气体循环辅助装置。5.根据权利要求4所述的尾气循环利用的SOFC系统，其特征在于，所述气体循环辅助装置为引射器或高温风机。6.根据权利要求5所述的尾气循环利用的SOFC系统，其特征在于，所述气体循环辅助装置为引射器；所述引射器的输出口与重整器输入端连接，所述引射器的高压输入口输入燃料气，所述引射器的低压输入口与第一组电堆和第二组电堆的阳极输出端连接，输入第一组电堆和第二组电堆的阳极尾气，且燃料气的压力高...

【专利技术属性】
技术研发人员：王世忠，舒正龙，张亚鹏，张华森，侯建钟，陈鹏燕，王云，陈罗倩雯，陈翠容，李云，陈启章，
申请(专利权)人：中自环保科技股份有限公司，
类型：发明
国别省市：