阅读说明：本技术 一种基于油类燃料的固体氧化物燃料电池发电系统 (Solid oxide fuel cell power generation system based on oil fuel ) 是由 蒲健 郭群威 杨佳军 贾礼超 颜冬 池波 李箭 于 2019-11-06 设计创作，主要内容包括：本发明属于清洁可再生能源相关技术领域,其公开了一种基于油类燃料的固体氧化物燃料电池发电系统,发电系统包括固体氧化物燃料电池电堆、空气换热器、燃烧室、燃料重整器、水蒸气蒸发器及预混器,空气换热器连接于固体氧化物燃料电池电堆的阴极,燃料重整器连接于固体氧化物燃料电池电堆的阳极,燃烧室连接于固体氧化物燃料电池电堆的尾气出口；燃烧室分别与空气换热器、燃料重整器及预混器相连通；水蒸气蒸发器连接于预混器；固体氧化物燃料电池电堆所产生的尾气进入燃烧室,并在燃烧室内发生催化燃烧以得到热气流,热气流按照预定体积比分别进入空气换热器、燃料重整器及预混器。本发明提高了能量利用效率,同时简化了系统。(The invention belongs to the technical field related to clean renewable energy sources, and discloses a solid oxide fuel cell power generation system based on oil fuel, which comprises a solid oxide fuel cell stack, an air heat exchanger, a combustion chamber, a fuel reformer, a steam evaporator and a premixer, wherein the air heat exchanger is connected to the cathode of the solid oxide fuel cell stack, the fuel reformer is connected to the anode of the solid oxide fuel cell stack, and the combustion chamber is connected to a tail gas outlet of the solid oxide fuel cell stack; the combustion chamber is respectively communicated with the air heat exchanger, the fuel reformer and the premixer; the steam evaporator is connected with the premixer; tail gas generated by the solid oxide fuel cell stack enters a combustion chamber, catalytic combustion is carried out in the combustion chamber to obtain hot air flow, and the hot air flow respectively enters an air heat exchanger, a fuel reformer and a premixer according to a preset volume ratio. The invention improves the energy utilization efficiency and simplifies the system.)

一种基于油类燃料的固体氧化物燃料电池发电系统

技术领域

本发明属于清洁可再生能源相关技术领域，更具体地，涉及一种基于油类燃料的固体氧化物燃料电池发电系统。

背景技术

固体氧化物燃料电池(SOFC)因不存在燃烧过程，极大地降低了燃料能量损失与大气污染物排放量，故有着传统发电装置所不具备的优势，在便携式发电装置、汽车辅助电源与分布式电站等领域有广泛的应用前景。

SOFC具有较高的能量转化效率，可以实现50％以上的电转化效率，余热品质非常高，可与燃气轮机或者蒸汽机等联用，使得燃料综合利用率达80％以上。在相同电负载下，远高于传统热机发电装置的电效率(小于等于30％)。SOFC的工作温度为650℃至850℃，可以避免CO对金属陶瓷电极(Ni-YSZ)的毒化，降低了SOFC对燃料质量的要求，因此具有较强的燃料适应性，能够以氢气、碳氢气体、柴油、煤油等作为燃料。尽管理论上SOFC可以直接使用碳氢化合物作为燃料进行发电，但是对于最常用的Ni-YSZ阳极，电极上发生的碳沉积与硫毒化将使其催化性能急剧下降，因此一般将碳氢燃料如甲烷(CH₄)、甲醇等在外部重整为CO与H₂，再通入SOFC电堆阳极侧进行发电。然而，气态燃料在储运与使用方面均存在一定局限性，其体积能量密度远远小于油类燃料。

由于油类燃料中含有较多长碳链烷烃类成分，SOFC阳极对气化碳氢燃料中C-C键断裂具有很强的催化活性，若长碳烷烃的裂解与重整反应均发生于阳极功能层，则会导致阳极功能层产生严重的积碳毒化，从而使阳极失去电化学催化活性。长链烃的催化重整较小分子气体碳氢化合物更加复杂，因此一般采用外部重整方式完成，根据重整时通入反应气体的不同，油类燃料主要有以下三种重整方式：1、水蒸气重整(SR)，碳氢化合物与水蒸气发生反应并生成CO和H₂；2、部分氧化重整(POX)，碳氢化合物与氧气发生不完全氧化反应，生成小分子，同时生成水，小分子继续与水蒸气发生反应并生成CO和H₂；3、自热重整(ATR)，同时有氧气和水蒸气参与反应，是SR和POX的一种综合重整方式，同时发生部分氧化反应和水蒸气重整反应，同时，氧化反应会为水蒸气重整反应提供热量，其反应过程如下：

部分氧化重整：

C_nH_m+aO₂→bH₂+cCO+dCO₂+eH₂O(ΔH<0) (1)

水蒸气重整：

C_nH_m+aH₂O→bH₂+cCO+dCO₂+eH₂O(ΔH>0) (2)

自热重整：

水蒸气重整在三种重整方式中可以获得最大的产氢率，同时可以有效地抑制催化剂积碳，因此受到广泛关注。然而，水蒸气重整时吸热反应，而且对于油类燃料的催化重整一般需要在高水碳比下进行，水蒸气的供给也需要消耗大量的热能，因此水蒸气重整油类燃料设备一般比较复杂。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于油类燃料的固体氧化物燃料电池发电系统，其基于现有发电系统的工作特点，研究及设计了一种基于油类燃料的固体氧化物燃料电池发电系统，所述发电系统依据柴油/煤油等油类燃料选择水蒸气重整方式，因为具有温度可控，氢气选择性好和产率高等优点，但是水蒸气重整反应是吸热反应，且需要在较高温度下进行，对水蒸气重整的实用化带来了许多困难；基于此，本发明将油类燃料催化重整装置与SOFC发电装置进行一体化设计，可以将SOFC在工作时产生的余热作为油类燃料催化重整以及油类燃料与水气化的热源，从而提高了燃料电池的整体能量利用效率，同时了简化了系统。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种基于油类燃料的固体氧化物燃料电池发电系统，所述发电系统包括固体氧化物燃料电池电堆、空气换热器、燃烧室、燃料重整器、水蒸气蒸发器及预混器，所述空气换热器连接于所述固体氧化物燃料电池电堆的阴极，所述燃料重整器连接于所述固体氧化物燃料电池电堆的阳极，所述燃烧室连接于所述固体氧化物燃料电池电堆的尾气出口；所述燃烧室分别与所述空气换热器、所述燃料重整器及所述预混器相连通；所述水蒸气蒸发器连接于所述预混器；

所述固体氧化物燃料电池电堆所产生的尾气进入所述燃烧室，并在所述燃烧室内发生催化燃烧以得到热气流，所述热气流按照预定体积比分别进入所述空气换热器、所述燃料重整器及所述预混器；进入所述空气换热器的热气流对进入所述空气换热器的空气进行加热，所述空气换热器将加热后的空气传送给所述固体氧化物燃料电池电堆的阴极；所述水蒸气蒸发器用于将液态水转化成水蒸气，并将所述水蒸气传送给所述预混器；进入所述预混器的水蒸气及热气流对进入所述预混器的雾化燃料进行加热以得到燃料气体与水蒸气的混合气，所述预混器将所述混合气传送给所述燃料重整器；进入所述燃料重整器的混合气与进入所述燃料重整器的热气流的流向相反，所述燃料重整器对所述混合气进行分步重整，并将得到的重整气传送给所述固体氧化物燃料电池电堆的阳极，进而所述固体氧化物燃料电池电堆进行电化学发电。

进一步地，所述燃料重整器的温度沿所述混合气的流动方向逐渐递增；所述燃料重整器内的温度为450℃～750℃。

进一步地，所述燃料重整器形成有收容腔，所述收容腔内设置有波纹片，所述波纹片将所述收容腔分隔成多层，且使得进入所述燃料重整器的混合气与热气流在不同的层间流动，且两者的流动方向相反。

进一步地，在所述混合气流动的层间填充有催化剂。

进一步地，所述空气换热器的尾气出口、所述燃料重整器的尾气出口及所述预混器的尾气出口相连通，且分别设置有背压阀。

进一步地，所述预混器还设置有雾化燃料入口及混合气出口，所述混合气出口与所述预混器的热气流入口分别位于所述预混器相背的两端；所述混合气出口通过管道与所述燃料重整器相连通；燃料经雾化器雾化后通过所述雾化燃料入口进入所述预混器。

进一步地，所述水蒸气蒸发器设置在所述预混器的热气流入口处，其缠绕在连接于所述预混器的热气流入口的管道上；所述水蒸气蒸发器连接于所述预混器的一端邻近所述雾化燃料入口设置。

进一步地，所述混合气流经的管道上包覆有保温层。

进一步地，通过调控所述固体氧化物燃料电池电堆的发电效率来调节所述燃烧室产生的热量。

进一步地，所述燃料重整器的热气流入口所连接的管道直径大于所述空气换热器的热气流入口所连接的管道的直径；所述燃烧室位于所述空气换热器与所述燃料重整器之间，所述预混器与所述燃烧室分别位于所述燃料重整器相背的两侧。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，本发明提供的基于油类燃料的固体氧化物燃料电池发电系统主要具有以下有益效果：

1.所述固体氧化物燃料电池电堆所产生的尾气进入所述燃烧室，并在所述燃烧室内发生催化燃烧以得到热气流，所述热气流按照预定体积比分别进入所述空气换热器、所述燃料重整器及所述预混器，将SOFC在工作时产生的余热以及催化尾气中稀薄可燃气体燃烧释放出的热量作为油类燃料催化重整、以及油类燃料与水气化的热源，从而提高燃料电池整体能量利用效率，同时简化系统，且有效避免碳氢燃料在重整过程中的催化剂积碳行为。

2.燃烧室作为SOFC余热集中的部分，采用催化燃烧模式以适应稀薄燃料的燃烧，从而调控液态燃料重整系统的热量供给，操作简单。

3.进入所述燃料重整器的混合气与进入所述燃料重整器的热气流的流向相反，形成温度梯度，如此可以将针对不同燃料和催化温度的重整催化剂放置在重整器的不同温度段，灵活性较好，适用性较强。

4.在热气流进口处进行水蒸发可以在一定程度上降低热气流的温度，避免所述预混器内温度过高，造成燃料气体的高温裂解，产生积碳；通入雾化后的油类燃料，雾化燃料与高温水蒸气混合，在高温水蒸气与热气流的共同作用下气化，这样可以使水蒸气与燃料之间更加均匀地混合，同时水蒸气的存在也在一定程度上避免了燃料高温裂解与积碳，混合之后的气体通入所述燃料重整器中进行重整反应。

5.对于整体热量的调控，通过降低或升高SOFC电堆发电效率，从而提高或降低尾气中的稀薄可燃气体的含量来提高或降低所述燃烧室中产生的热量，从而实现SOFC发电效率与所述燃料重整器的重整效率之间的最优平衡。

6.热气流所经管路均设有保温层，以避免气态燃料在通入燃料重整器之前发生燃料冷凝与液化。

附图说明

图1是本发明提供的基于油类燃料的固体氧化物燃料电池发电系统的局部示意图；

图2是图1中的基于油类燃料的固体氧化物燃料电池发电系统的燃料重整器的局部示意图；

图3是图2中的燃料重整器的剖视图；

图4是燃料重整器沿图2中的A-A方向的剖视图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1-空气换热器，1-1-高温空气出口，1-2-低温空气入口，2-燃烧室，2-1-低温尾气出口，2-2-SOFC高温尾气进口，3-燃料重整器，3-1-高温重整气出口，3-2-混合气进口，4-水蒸气蒸发器，4-1-液态水入口，5-预混器，5-1-雾化燃料入口，5-2-混合气出口，6-混合气，7-热气流，8-催化剂，a-第一测温点，b-第二测温点，c-第三测温点。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

请参阅图1，本发明提供的基于油类燃料的固体氧化物燃料电池发电系统，所述固体氧化物燃料电池发电系统通过将SOFC电堆在工作过程中产生的部分热量按照一定比例分配至空气换热器、燃料重整器及预混器，按照比例进行分配，一部分热量可以将油类燃料转化为气态燃料，并与水蒸气进行预混合；另一部分进入燃料重整器的热量将使所述燃料重整器在燃料入口与出口的位置形成450℃至750℃的温度梯度，可以针对不同燃料和催化温度进行重整催化剂的设置；预混的油类燃料与水蒸气经过燃料重整器时逐步转化为CO和H₂，这一设置可以充分利用SOFC自身的热量使油类燃料气化，并保证水蒸气重整反应顺利进行；燃料重整器的一体化设计所形成的温度梯度，可以有效避免碳氢燃料在重整过程中的催化剂积碳行为，从而提高了基于油类燃料的SOFC整体的燃料利用率与电效率。

所述固体氧化物燃料电池发电系统包括固体氧化物燃料电池电堆、多个背压阀、空气换热器1、燃烧室2、燃料重整器3、水蒸气蒸发器4及预混器5，所述燃烧室2的一端分别与所述空气换热器1、所述燃料重整器3及所述预混器5相连通，所述水蒸气蒸发器4设置在连接于所述预混器5的管道上，且其与所述预混器5相连通。所述燃料重整器3与所述预混器5相连通。

所述空气换热器1设置有高温空气出口1-1及低温空气入口1-2，所述高温空气出口1-1连接于固体氧化物燃料电池电堆的阴极，所述低温空气入口1-2用于供低温空气通过以进入所述空气换热器1。所述空气换热器1的尾气出口处设置有所述背压阀，所述背压阀所在的管道与设置在所述燃烧室2上的低温尾气出口2-1相连通。所述空气换热器1还通过管道连接于所述燃烧室2。

所述燃烧室2上设置有低温尾气出口2-1及SOFC高温尾气进口2-2，所述低温尾气出口2-1分别与所述空气换热器1的尾气出口、所述燃料重整器3的尾气出口及所述预混器5的尾气出口相连通。所述SOFC高温尾气进口2-2与所述固体氧化物燃料电池电堆的尾气出口相连通，以供所述固体氧化物燃料电池电堆的高温尾气进入所述燃烧室2，进而在所述燃烧室2内进行催化燃烧而产生热气流。本实施方式中，所述燃烧室2采用催化燃烧模式以适应稀薄燃料的燃烧，从而调控液态燃料的热量供给。

所述燃烧室2的热气流出口分别与所述空气换热器1的热气流入口所述燃料重整器3的热气流入口及所述预混器5的热气流入口相连通，由此所述热气流按照比例分别进入所述空气换热器1、所述燃料重整器3及所述预混器5。其中，进入所述空气换热器1的热气流对空气进行加热，加热的空气进入所述固体氧化物燃料电池电堆的阴极。

请参阅图2、图3及图4，所述燃料重整器3上设置有高温重整气出口3-1及混合气进口3-2，所述高温重整气出口3-1连接于所述固体氧化物燃料电池电堆的阳极，所述混合气进口3-2连接于所述预混器5的混合气出口5-2。所述燃料重整器3的尾气出口处设置有背压阀，所述背压阀所在的管道与所述低温尾气出口2-1相连通。

所述燃料重整器3内设置有层状结构，具体地，所述重整器3形成有收容腔，所述收容腔内设置有波纹片，所述波纹片将所述收容腔分隔成多层，且使得进入所述燃料重整器3的混合气与热气流在不同的层间流动，且两者的流动方向相反，所述混合气自低温区至高温区分布重整。此外，所述波纹片还用于增大接触面积与气体流动的相对阻力，以便更有效地实现热量传递。在所述混合气流动的层间设置有催化剂8，所述催化剂8的颗粒大小能够保证充分反应，同时不会造成气体流动的阻力过大。其中，催化剂颗粒粒径应当不阻塞气体流动，同时，在一定程度上减缓气体的流动速度，增加气体之间的反应时间；应根据实际实验结果，采取合适的催化剂粒径与波纹片间距比值。

本实施方式中，所述燃料重整器3利用热气流与混合气的逆向流动，实现其温度在混合气流动方向呈梯度分布，混合气在不同温度区间实现分布催化重整反应；可以根据不同温度段的气体成分的差异，填充不同类型与数量的重整催化剂，从而提高重整催化的效率与选择性，并降低贵金属催化剂的用量。

所述燃料重整器3沿所述混合气流动方向间隔设置有第一测温点a、第二测温点b及第三测温点c，所述混合气在所述第一测温点a与第二测温点b之间时，绝大部分燃料发生转化，因为所述第一测温点a至第二测温点b段是所述燃料重整器3的主要吸热段，温度较低，在500℃左右，产物为C1～C3等碳氢化合物以及CO、H₂，碳氢化合物以CH₄为主，少量的C2以及C3碳氢化合物，以及极少量的未发生催化转化的长链烃以及长链烃裂解后形成的产物，芳香烃等。在所述第二测温点b与第三测温点c之间的混合气将基本实现全催化转化，温度较高，在700℃左右，产物中应仅包含CO、CO₂以及H₂和未反应的水蒸气。

本实施方式中，所述燃料重整器3在混合气进口3-2处对混合气进行预热，将所述混合气预热到450℃左右，之后才进入所述燃料重整器3；所述燃料重整器3内由于热气流的定向流动加热，使得温度自所述混合气进口3-2至所述燃料重整器3的热气流入口依次递增，所述混合气在不同温度区间内逐渐发生重整催化转化，在所述高温重整气出口3-1处完全转化为CO和H₂，可以直接进入所述固体氧化物燃料电池电堆的阳极进行电化学发电。

所述预混器5的尾气出口处设置有背压阀，所述背压阀所在的管道与所述低温尾气出口2-1相连通。所述预混器5还设置有雾化燃料入口5-1及混合气出口5-2，所述混合气出口5-2与所述预混器5的热气流入口分别位于所述预混器5相背的两端。所述混合气出口5-2与所述混合气进口3-2相连通。燃料经雾化器雾化后通过所述雾化燃料入口5-1进入所述预混器5。本实施方式中，燃料为柴油、煤油或者汽油。

所述水蒸气蒸发器4缠绕在所述预混器5的热气流入口所连接的管道上且与所述预混器5相连通，液态的水进入所述水蒸气蒸发器4并通过管道外温度加热后形成水蒸气。所述水蒸气蒸发器4设置有液态水入口4-1，液态水经所述液态水入口4-1进入所述水蒸气蒸发器4。本实施方式中，所述水蒸气蒸发器4与所述预混器5相连接的一端邻近所述雾化燃料入口5-1设置，且均位于所述预混器5的一端。

进入所述预混器5内的雾化燃料在所述预混器5内气化，并与水蒸气在气态混合，被热气流7加热至一定温度后形成混合气6，所述混合气6经由所述混合气出口5-2进入所述混合气进口3-2，进而进入所述燃料重整器3。

本实方式中，基于气体压力的计算，选择不同直径的通气管道与背压阀进行气体通量的可控调节，对SOFC余热进行比例分配，一部分热量提供给燃料重整器，并使重整后的CO和H2气体温度达到SOFC电堆反应温度(650℃以上)；一部分热量提供给油类燃料进行蒸发，同时，液态水通过置于高温管道的金属盘管完成气化过程，并在预混器5内与气化后的燃料进行均匀混合；所经管路均设有保温层以避免气态燃料在通入所述燃料重整器3之前发生燃料冷凝与液化。

工作时，在SOFC电堆启动阶段，通过外部管道向所述固体氧化物燃料电池电堆通入氢气，所述固体氧化物燃料电池电堆的尾气进入所述燃烧室2，并在所述燃烧室2内进行催化燃烧，从而产生热量，产生的热气流分别进入所述空气换热器1、所述燃料重整器3及所述预混器5中。进入所述空气换热器1的热气流加热空气，并将加热后的空气传送给所述固体氧化物燃料电池电堆的阴极侧，使空气中的氧气发生还原反应，形成氧离子；进入所述燃料重整器3的热气流加热混合气，并将产生的高温重整气传输给所述固体氧化物燃料电池电堆的阳极，使高温重整气(主要成分为氢气与一氧化碳)发生氧化反应，形成水与二氧化碳，并产生电能与热能。

随着所述固体氧化物燃料电池电堆的电化学反应进行而产生大量的反应热，这部分热量除了可以维持固体氧化物燃料电池电堆自身所需的热量之外，还可以通过所述空气换热器1预热空气及混合气。但所述固体氧化物燃料电池电堆处于工作温度状态时，可以将燃料从H₂切换为油类燃料进行电化学发电。此外，由于通入所述固体氧化物燃料电池电堆的燃料不可能全部被利用，因而在所述固体氧化物燃料电池电堆出口的尾气中含有稀薄的可燃气体，所述燃烧室2可以利用这些稀薄的可燃气体进行催化燃烧，所产生的热量可以提高空气与混合气的温度。

在所述空气换热器1部分，所述燃烧室2内产生的热气流与冷空气逆向流动，从而将空气加热。在所述预混器5部分，可以将水蒸气与气化的油类燃料进行混合。其中，将通水的管道缠绕在所述预混器5的热气流管道的进口处，借助此管道的热量可以形成高温水蒸气，然后再通入所述预混器5中。在热气流进口处进行水蒸发可以在一定程度上降低热气流的温度，避免所述预混器5内温度过高，造成燃料气体的高温裂解，产生积碳。通入雾化后的油类燃料，雾化燃料与高温水蒸气混合，在高温水蒸气与热气流的共同作用下气化，这样可以使水蒸气与燃料之间更加均匀地混合，同时水蒸气的存在也在一定程度上避免了燃料高温裂解与积碳，混合之后的气体通入所述燃料重整器3中进行重整反应。

因为所述空气换热器1、所述燃料重整器3以及所述预混器5在工作时需要的热量各不相同，对此有三种调节方案：(1)在各部件热气流进口处使用不同内径的通气管，这样可以使热量需求更多的部件获取更大的气体流量，属于粗略调节；(2)在各部件热气流出口处安装背压阀，使用背压阀对气体流量进行进一步的精确控制；(3)对于整体热量的调控，通过降低或升高SOFC电堆发电效率，从而提高或降低尾气中的稀薄可燃气体的含量来提高或降低所述燃烧室2中产生的热量，从而实现SOFC发电效率与所述燃料重整器3的重整效率之间的最优平衡。

所述燃料重整器3作为重整反应发生的部分，需热量最大，因此距离所述燃烧室2最近，而且其热气流进口处的管径最大；其次是所述空气换热器1需要把空气加热至SOFC工作温度范围(700℃)左右，最后是所述预混器5，其对热量的需求也比较大，但是对热气流的温度要求不高，只需要把水蒸气最后加热到400℃左右即可，因此所述预混器5及所述空气换热器2的热气流进口管径大致相当，但是分布位置不同；

调节时，所述燃料重整器3需要热量比较大时，可以通过调节背压阀来降低背压阀所在位置的气压，从而使所述燃料重整器3的尾气出口与其热气流进口之间的压力差变大，气流量增大。当整体需热量比较大时，可以通过调控固体氧化物燃料电池电堆气体供给比例(空气、燃料)，降低发电效率，使燃料电池尾气中的可燃气体成分增加，通过所述燃烧室2催化燃烧，提供更多热量。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。