一种低浓度瓦斯固体氧化物燃料电池及其热电联供系统技术方案

本发明专利技术公开了一种低浓度瓦斯固体氧化物燃料电池及其热电联供系统。通过构建固体氧化物燃料电池，以阳极流道中通入低浓度瓦斯为燃料的混合气体，阴极流道中直接通入空气的方式实现发电进而形成低浓度瓦斯的高效环保利用。本发明专利技术中阳极低浓度瓦斯燃料采用浓度0.001％

【技术实现步骤摘要】
一种低浓度瓦斯固体氧化物燃料电池及其热电联供系统


[0001]本专利技术涉及固体氧化物燃料电池领域，具体为低浓度瓦斯
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二氧化碳干重整直接发电及热电联供应用。

技术介绍

[0002]随着全球减排目标的日益提高，各国政府都在探索新的绿色能源解决方案。当前，各国正处于能源技术转型升级的关键阶段，对低碳清洁能源发电的需求日益高涨。双碳政策，是我国为应对气候变化、推进绿色低碳发展而提出的重大战略目标，实现双碳目标需要优化能源结构、提高能源效率、增加清洁能源比重、减少高碳能源消耗等。其中，发展以低浓度瓦斯为燃料的固体氧化物燃料电池(SOFC)有着重要的意义。
[0003]低浓度瓦斯(LCG)是指含甲烷(CH4)浓度较低(一般小于30％)的混合气体，主要来源于煤层开采过程中释放的煤层气、垃圾填埋场产生的沼气、农业废弃物厌氧消化产生的沼气等。煤矿排放的煤层气是最主要的低浓度瓦斯来源，据统计全球正在运行的煤矿每年排放的瓦斯高达5230万吨，而其中低浓度瓦斯占据了约95％的含量，但有效利用率远不及50％，低浓度瓦斯绝大部分是被直接排放的，这造成了巨大的能源浪费。同时甲烷作为一种温室气体，其全球变暖潜势比二氧化碳高出28倍以上，这些低浓度瓦斯直接排放到大气中，不仅造成资源浪费，还造成了严重的气候变暖问题。
[0004]固体氧化物燃料电池是一种优秀的能量转换器件，可以将燃料气体中的化学能转换为电能，除了具备一般燃料电池优点外还具备全固态、易安装、燃料适应广泛性、发电效率高、热电联供、无需贵金属催化剂等不可比拟的优势。利用固体氧化物燃料电池技术可以将低浓度瓦斯转化为电能和热能，并同时降低温室气体排放。主要特点一方面是高效，固体氧化物燃料电池可以直接利用甲烷等多种含碳混合气体作为原料，在高温下进行直接内重整生成一氧化碳和氢气供给阳极反应，这样既降低了系统复杂性和成本又提高了原料利用率和系统效率，此外还可以与其他设备如汽轮机、吸收式制冷机等组成联合循环或三联供系统，进一步提升综合效率。另一方面是清洁，固体氧化物燃料电池在高温下运行时以甲烷和二氧化碳为燃料实现干重整，近乎完全的甲烷转化率，以及二氧化碳的消耗，避免了两大温室气体的直接排放。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于，针对现有技术的不足，提出一种低浓度瓦斯固体氧化物燃料电池及其热电联供系统，该方法利用固体氧化物燃料电池阳极内部低浓度甲烷
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二氧化碳直接干重整方式产生合成气，消耗低浓度瓦斯和二氧化碳，实现发电及余热的利用并减轻碳沉积的发生。
[0006]一种低浓度瓦斯固体氧化物燃料电池及其热电联供系统，其特征在于：首先，0.001％
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50％浓度的低浓度瓦斯气体经过脱硫处理和去除氧气装置处理后进入低浓度瓦斯储气罐，并经由低浓度瓦斯进气阀门调整进气流量。
[0007]进一步的，利用二氧化碳进气阀门调整二氧化碳进气流量，将二氧化碳和上述步骤处理后的低浓度瓦斯进行混气，混气比例按照n:1(n为3到0之间的任何数值)的比例进行。
[0008]进一步的，利用载气进气阀门调整载气进气流量，通入氮气或者氦气作为二氧化碳和低浓度瓦斯的载气，以调整各组成气体比例。
[0009]进一步的，重整方式采用甲烷
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二氧化碳干重整方式产生氢气和一氧化碳。
[0010]进一步的，阴极利用空气进气阀门调整空气进气流量。
[0011]进一步的，利用冷水进水阀门调整冷水流量。
[0012]进一步的，固体氧化物燃料电池结构构型采用平板形状或者管式形状。
[0013]进一步的，固体氧化物燃料电池阳极采用Ni/3YSZ或Ni/8YSZ，电解质采用3YSZ或8YSZ或GDC，阴极采用Ni/LSM。
[0014]进一步的，固体氧化物燃料电池工作温度为650℃到850℃以保证快速的重整反应速率和高的功率密度输出。
[0015]进一步的，固体氧化物燃料电池工作电压为0.6V
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0.8V，合理的工作电压能实现电池内部均衡的温度梯度。
[0016]进一步的，固体氧化物燃料电池阳极厚度为100μm
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1000μm之间，合理的阳极厚度可以节约成本，提高功率输出。
附图说明
[0017]图1为平板构型的阳极支撑的对称固体氧化物燃料电池结构示意图。
[0018]图2为管式构型的阳极支撑的对称固体氧化物燃料电池结构示意图。
[0019]图3为实例6中电池在不同温度下的性能曲线示意图。横坐标为电流密度，左纵坐标为电压，右纵坐标为功率密度。
[0020]图4为低浓度瓦斯固体氧化物燃料电池及其热电联供系统运行图。
[0021]图1中，1为阴极流道，2为LSM多孔阴极，3为致密YSZ电解质，4为为Ni基多孔阳极，5为阳极流道，6为集流体，7为阳极流道入口，8为阴极流道入口。
[0022]图2中，1为阴极流道，2为LSM多孔阴极，3为致密YSZ电解质，4为Ni基多孔阳极，5为阳极流道，6为集流体。
[0023]图4中V1为冷水储水罐，V2为空气储气罐，V3为低浓度瓦斯储气罐，V4为二氧化碳储气罐，V5为载气储气罐，V6为混合气体储气罐，V7为热水储水罐。F1为冷水进水阀门，F2为阴极空气进气阀门，F3为低浓度瓦斯进气阀门，F4为二氧化碳进气阀门，F5为载气阀门，F6为阳极混合气体进气阀门，C1是低浓度瓦斯脱硫和去氧处理装置。实施方式
[0024]以下是本专利技术的具体实施例并结合附图，对本专利技术的技术方案作进一步的描述，但本专利技术并不限于这些实施例。实施例1
[0025]一种低浓度瓦斯固体氧化物燃料电池及其热电联供系统，方法如下：如图1，在阳极入口7处通入10％浓度的低浓度瓦斯(甲烷)和10％浓度的二氧化碳，甲烷二氧化碳比例为1:1，阳极燃料气体流速设置为1m/s。在阴极入口8处通入空气，阴
极空气流速设置为3m/s。阳极4厚度设置为500μm，工作电压为0
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开路电压(OCV)，运行工作温度为800℃。实施例2
[0026]一种低浓度瓦斯固体氧化物燃料电池及其热电联供系统，方法如下：如图1，在阳极入口7处通入20％浓度的低浓度瓦斯(甲烷)和20％浓度的二氧化碳，甲烷二氧化碳比例为1:1，阳极燃料气体流速设置为1m/s。在阴极入口8处通入空气，阴极空气流速设置为3m/s。阳极4厚度设置为500μm，工作电压为0
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开路电压(OCV)，运行工作温度为800℃。实施例3
[0027]一种低浓度瓦斯固体氧化物燃料电池及其热电联供系统，方法如下：如图1，在阳极入口7处通入30％浓度的低浓度瓦斯(甲烷)和30％浓度的二氧化碳，甲烷二氧化碳比例为1:1，阳极燃料气体流速设置为1m/s。在阴极入口8处通入空气，阴极空气流速设置为3m/s。阳极4厚度设置为500μm，工作电压为0
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开路电压(OCV)，运行工作温度为800℃。实施例4<本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种低浓度瓦斯固体氧化物燃料电池及其热电联供系统，其特征在于：(1)固体氧化物燃料电池的结构包括平板型和管式型。(2)阳极流道中低浓度瓦斯含量为0.001％
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50％。(3)阳极流道中载气为氮气或氦气等。2.根据权利要求1所述的低浓度瓦斯的固体氧化物燃料电池发电方法，其特征在...

【专利技术属性】
技术研发人员：林彬，王思远，李自强，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：