CN114566675A - 一种中温固体氧化物燃料电池热管理***及方法 - Google Patents
一种中温固体氧化物燃料电池热管理***及方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN114566675A CN114566675A CN202210158774.1A CN202210158774A CN114566675A CN 114566675 A CN114566675 A CN 114566675A CN 202210158774 A CN202210158774 A CN 202210158774A CN 114566675 A CN114566675 A CN 114566675A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- control valve
- inlet
- fuel cell
- solid oxide
- oxide fuel
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
- 239000000446 fuel Substances 0.000 title claims abstract description 113
- 239000007787 solid Substances 0.000 title claims abstract description 64
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 13
- VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N methane Chemical compound C VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 92
- 238000002407 reforming Methods 0.000 claims abstract description 76
- 239000007789 gas Substances 0.000 claims abstract description 73
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 claims abstract description 73
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 claims abstract description 73
- 239000002912 waste gas Substances 0.000 claims abstract description 48
- 239000003345 natural gas Substances 0.000 claims abstract description 46
- 238000006057 reforming reaction Methods 0.000 claims abstract description 37
- 238000007726 management method Methods 0.000 claims description 26
- 230000001590 oxidative effect Effects 0.000 claims description 7
- 238000003487 electrochemical reaction Methods 0.000 claims description 6
- 238000004891 communication Methods 0.000 claims description 5
- 239000002918 waste heat Substances 0.000 claims description 5
- 230000009471 action Effects 0.000 claims description 4
- 239000007800 oxidant agent Substances 0.000 claims description 4
- 239000010812 mixed waste Substances 0.000 claims description 3
- 230000007935 neutral effect Effects 0.000 claims description 3
- 230000000153 supplemental effect Effects 0.000 claims description 2
- 230000007704 transition Effects 0.000 abstract description 12
- 230000017525 heat dissipation Effects 0.000 abstract description 7
- 238000000629 steam reforming Methods 0.000 description 9
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- 229910010293 ceramic material Inorganic materials 0.000 description 5
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 description 5
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 description 5
- 230000008569 process Effects 0.000 description 5
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 4
- OKKJLVBELUTLKV-UHFFFAOYSA-N Methanol Chemical compound OC OKKJLVBELUTLKV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 230000002093 peripheral effect Effects 0.000 description 3
- CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N Carbon dioxide Chemical compound O=C=O CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N Nickel Chemical compound [Ni] PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 2
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000003054 catalyst Substances 0.000 description 2
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 2
- 238000002485 combustion reaction Methods 0.000 description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 2
- 239000012530 fluid Substances 0.000 description 2
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 2
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 2
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 2
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 2
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 2
- 238000005457 optimization Methods 0.000 description 2
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 2
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000010248 power generation Methods 0.000 description 2
- 238000011160 research Methods 0.000 description 2
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 2
- 230000008646 thermal stress Effects 0.000 description 2
- 239000002028 Biomass Substances 0.000 description 1
- UGFAIRIUMAVXCW-UHFFFAOYSA-N Carbon monoxide Chemical compound [O+]#[C-] UGFAIRIUMAVXCW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000013459 approach Methods 0.000 description 1
- 229910002092 carbon dioxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000001569 carbon dioxide Substances 0.000 description 1
- 229910002091 carbon monoxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000008878 coupling Effects 0.000 description 1
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 description 1
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 description 1
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 1
- 239000002737 fuel gas Substances 0.000 description 1
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 1
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 1
- 239000000463 material Substances 0.000 description 1
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 1
- 238000004021 metal welding Methods 0.000 description 1
- VUZPPFZMUPKLLV-UHFFFAOYSA-N methane;hydrate Chemical compound C.O VUZPPFZMUPKLLV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910000510 noble metal Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000010791 quenching Methods 0.000 description 1
- 238000011084 recovery Methods 0.000 description 1
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 1
- 238000007789 sealing Methods 0.000 description 1
- 230000035939 shock Effects 0.000 description 1
- 230000001502 supplementing effect Effects 0.000 description 1
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
- H01M8/04007—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids related to heat exchange
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
- H01M8/04007—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids related to heat exchange
- H01M8/04014—Heat exchange using gaseous fluids; Heat exchange by combustion of reactants
- H01M8/04022—Heating by combustion
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Combustion & Propulsion (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Sustainable Development (AREA)
- Sustainable Energy (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Electrochemistry (AREA)
- General Chemical & Material Sciences (AREA)
- Fuel Cell (AREA)
Abstract
本发明提出了一种中温固体氧化物燃料电池热管理***及方法，本发明通过第一控制阀、第二控制阀、预燃烧器、第一混合阀、氧化重整***和后燃烧器之间的连接结构；可以通过设置的后燃烧器，将POX的气体管路由阴极废气切换到后燃烧器尾气，解决对POX由散热到供热的过渡问题；通过设置的第一控制阀，将小部分天然气作为补充燃料直接引入后燃烧器，实现进入POX的新鲜燃料与空气不再进行预热，保证了高AOGR率下重整反应的能量供应；在上述措施下，为实现低AOGR率时***的稳定运行以便完成AOGR率由低到高的切换，设置预燃烧器以此维持POX燃料入口所需的最低温度。
Description
技术领域
本发明属于电池热管技术领域，尤其涉及一种中温固体氧化物燃料电池热管理***及方法。
背景技术
当前，固体氧化物燃料电池(Solid Oxide Fuel Cell，SOFC)的应用还主要集中在固定式发电模块，其向车载或便携式移动电源方面的应用依然受电堆特性与******两个因素的制约；其中，针对******因素的制约问题，则只能依赖于热管理***(Balance ofPlant，BOP)的不断优化来解决；一种可行的方式是使用部分氧化重整(PartialOxidation，POX)代替水蒸气重整(Steam Reforming，SR)，构成POX-AOGR(Anode off GasRecycle)***，以此消除复杂的水蒸气产生及过热装置，简化热管理***结构；但相对于水蒸气重整来说，氧化重整较低的氢产率会导致***电效率降低，因此需要耦合大比例阳极废气循环(AOGR)来减轻此种效应。
发明人发现，POX-AOGR***的应用存在以下问题，随着阳极废气循环率的提高，POX内的重整反应将由放热逐步过渡至吸热，现有BOP***不能很好的实现对POX由散热到供热的过渡；随着阳极废气循环率的提高，流入后燃烧器内的阳极废气减少，后燃烧器尾气温度降低，无法为重整反应提供足够的热量，与此同时，POX入口处的燃料温度升高，与后燃烧器尾气之间的温差减小，POX内的换热更为困难，因此，POX-AOGR***应用存在如何保证高AOGR率下重整反应的能量供应；降低POX燃料入口温度的措施，例如进入POX的新鲜空气与燃料不进行预热，有利于拓展高AOGR率下SOFC***的运行范围，提高***效率，但此类措施会引起低AOGR率下POX入口温度过低，甚至导致重整反应逐步熄灭。
发明内容
本发明为了解决上述问题，提出了一种中温固体氧化物燃料电池热管理***及方法，本发明为解决对POX由散热到供热的过渡问题，POX的气体管路将由阴极废气切换到后燃烧器尾气；为保证高AOGR率下重整反应的能量供应，小部分天然气将被作为补充燃料直接引入后燃烧器，且进入POX的新鲜燃料与空气不再进行预热；在上述措施下，为实现低AOGR率时***的稳定运行以便完成AOGR率由低到高的切换，设置预燃烧器以此维持POX燃料入口所需的最低温度400℃。
为了实现上述目的，第一方面，本发明提供了一种中温固体氧化物燃料电池热管理***，采用如下技术方案：
一种中温固体氧化物燃料电池热管理***，包括第一控制阀、第二控制阀、预燃烧器、第一混合阀、氧化重整***和后燃烧器；
所述第一控制阀包括两个出口，分别连通所述后燃烧器的第一入口，以及所述第二控制阀的入口；所述第一控制阀被配置为，将接收的天然气中的至少一部分输送给所述后燃烧器；
所述第二控制阀包括两个出口，分别连通所述预燃烧器的天然气入口，以及所述第一混合阀的第一入口；所述第二控制阀被配置为将接收所述第一控制阀中提供天然气的至少一部分输送给所述预燃烧器，将其他部分天然气输送给所述第一混合阀；所述预燃烧器被配置为将天然气进行燃烧加热；
所述第一混合阀还包括第二入口，所述预燃烧器的出口连通所述第一混合阀的第二入口；所述第一混合阀的出口连通所述氧化重整***的第一入口；所述第一混合阀被配置为，将来自所述第二控制阀的天然气与来自所述预燃烧器加热后的流体进行混合，并将混合后的气体输入所述氧化重整***；
所述后燃烧器还包括第二入口和第三入口；所述后燃烧器的第二入口被配置为接收待管理中温固体氧化物燃料电池的阳极废气，所述后燃烧器的第三入口被配置为接收待管理中温固体氧化物燃料电池的阴极废气；
所述氧化重整***还包括第二入口和第三入口，分别与所述后燃烧器的出口以及待管理中温固体氧化物燃料电池阴极连通。
进一步的，所述第二控制阀和所述第一混合阀之间还设置有引射器。
进一步的，待管理中温固体氧化物燃料电池的阳极与所述后燃烧器的第二入口之间设置有第三控制阀；所述第三控制阀有两个出口，分别连通所述后燃烧器的第二入口以及所述引射器的入口。
进一步的，所述氧化重整***包括第一出口和第二出口，所述氧化重整***的第一出口与待管理中温固体氧化物燃料电池的阳极入口连通。
进一步的，所述氧化重整***的第一出口与待管理中温固体氧化物燃料电池的阳极入口之间设置有第一换热器。
进一步的，所述氧化重整***的第二出口依次连通有第三换热器、所述第一换换热器和第二换热器。
进一步的，所述氧化重整***的第二出口与所述第三换热器之间依次设置有第二混合阀和第三混合阀，所述第二混合阀和所述第三混合阀均设置有两个入口；所述后燃烧器与所述氧化重整***之间设置有第四控制阀，所述第四控制阀的两个出口分别连通所述氧化重整***的第二入口以及所述第二混合阀的一个入口，所述第二混合阀另一入口与所述氧化重整***的第二出口连通；
所述氧化重整***的第三入口与待管理中温固体氧化物燃料电池阴极之间设置有第六控制阀；所述第六控制阀包括两个出口，分别连通所述后燃烧器的第三入口以及所述氧化重整***的第三入口；所述第六控制阀和所述氧化重整***的第三入口之间还设置有第七控制阀；所述第七控制阀包括两个出口，分别连通所述氧化重整***的第三入口以及所述第三混合阀的一个入口。
进一步的，还包括空压机，所述空压机的出口连通有第五控制阀，所述第五控制阀包括两个出口，一个出口与待管理中温固体氧化物燃料电池阴极入口连通；所述第五控制阀与待管理中温固体氧化物燃料电池阴极入口之间的连通管道，依次通过所述第二换热器和所述第三换热器。
进一步的，所述第五控制阀的另一个出口与所述预燃烧器的空气入口连通；所述第五控制阀与所述预燃烧器之间设置有第八控制阀；
所述所述第八控制阀包括两个出口，一个出口与所述预燃烧器的空气入口连通；所述第一混合阀的第二入口与所述预燃烧器之间还设置有第四混合阀，所述第四混合阀包括两个入口，分别与所述预燃烧器的出口以及所述第八控制阀的另一个出口连通。
为了实现上述目的，第二方面，本发明还提供了一种中温固体氧化物燃料电池热管理方法，采用如下技术方案：
一种中温固体氧化物燃料电池热管理方法，采用了如第一方面中所述的中温固体氧化物燃料电池热管理***，包括：
阳极废气循环率为第一值时：
常温天然气在第二控制阀的作用下，至少一部分进入预燃烧器内燃烧，燃烧后的尾气经第四混合阀后进入第一混合阀；另一部分天然气逐次与引射器处的再循环阳极废气、第一混合阀处的预燃烧器尾气汇合后，进入氧化重整***的燃料通道进行重整反应；重整气体经第一换热器进入待管理中温固体氧化物燃料电池阳极通道进行电化学反应；阳极废气经第三控制阀分为两路，一路进入引射器，另一路直接进入后燃烧器；后燃烧器尾气经第四控制阀直接旁通至第二混合阀，与氧化重整***散热的阴极废气汇合；混合后的废气流经第三混合阀后逐次进入第三换热器、第一换热器和第二换热器进行余热利用，最后排出***；
常温空气经空压机后进入第五控制阀，并在第五控制阀处分为两路，一路作为氧化剂进入第八控制阀，另一路逐次经第二换热器、第三换热器后进入待管理中温固体氧化物燃料电池阴极通道；进入第八控制阀的空气分为两路，一路进入预燃烧器，另一路进入第四混合阀；阴极废气经第六控制阀分为两路，一路进入后燃烧器，另一路经第七控制阀流向氧化重整***，为重整反应进行散热；
阳极废气循环率值由低向高过渡时：
氧化重整***燃料入口处的温度不断上升时，第二控制阀处流向预燃烧器的天然气量不断减少，至氧化重整***燃料入口温度超过预设值后，天然气量减少至零；重整反应热中性时，后燃烧器的尾气继续由第四控制阀直接旁通至第二混合阀，而阴极废气则由第七控制阀直接旁通至第三混合阀；重整反应吸热时，后燃烧器的尾气则全部经第四控制阀流入氧化重整***的气体通道，而阴极废气则继续由第七控制阀直接旁通至第三混合阀；
阳极废气循环率为第二值时，所述第二值大于所述第一值，重整反应吸热、后燃烧器能量不足时：
第一控制阀直接向后燃烧器提供部分天然气作为补充燃料。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明中，为解决对POX由散热到供热的过渡问题，设置了后燃烧器并且将POX的气体管路由阴极废气切换到后燃烧器尾气；为保证高AOGR率下重整反应的能量供应，通过第一控制阀的作用，小部分天然气可以被作为补充燃料直接引入后燃烧器，且进入POX的新鲜燃料与空气不再进行预热；在上述措施下，为实现低AOGR率时***的稳定运行以便完成AOGR率由低到高的切换，设置预燃烧器以此维持POX燃料入口所需的最低温度。
附图说明
构成本实施例的一部分的说明书附图用来提供对本实施例的进一步理解，本实施例的示意性实施例及其说明用于解释本实施例，并不构成对本实施例的不当限定。
图1为本发明实施例1的结构示意图；
其中，1、天然气供气端，2、第一控制阀，3、第二控制阀，4、引射器，5、第一混合阀，6、氧化重整***，7、第一换热器，8、待管理中温固体氧化物燃料电池，9、第三控制阀，10、后燃烧器，11、第四控制阀，12、第二混合阀，13、第三混合阀，14、空气供气端；15、空压机，16、第五控制阀，17、预燃烧器，18、第二换热器，19、第三换热器，20、第六控制阀，21、第七控制阀，22、第八控制阀，23、第四混合阀。
具体实施方式：
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
本发明中的“第一”“第二”、以及类似的词语，不表示任何顺序、数量或重要性，只是用来表示不同的组成部分。
实施例1：
燃料电池作为一种新型的能源利用方式，可通过电化学反应将燃料中的化学能直接转化为电能。由于不受卡诺循环限制、不存在高温燃烧的现象，具有能量转化率高、有害排放物少、噪音低的优点。在燃料电池的众多类型中，固体氧化物燃料电池(SOFC)由于工作温度高、不使用贵金属催化剂的特点，具有一些其他类型燃料电池无可比拟的优势。首先，SOFC工作在600～1000℃之间，较高的工作温度使得废气具有高品位热能，因而有利于余热回收。若将SOFC与热设备耦合进行热电联产，效率可以高达90％。其次，镍基催化剂的使用一方面降低了SOFC的生产和制造成本；另一方面，提高了对燃料不纯净度的容忍性，使得SOFC的燃料利用形式更为灵活，像天然气、生物质气、甲醇等均可以作为燃料。因此，SOFC具有良好的发展前景。
当前，SOFC的应用还主要集中在固定式发电模块，其向车载或便携式移动电源方面的应用依然受电堆特性与******两个因素的制约。传统的电解质支撑型和阳极支撑型SOFC，使用陶瓷材料作为基质。由于陶瓷材料自身特有的脆性，导致其机械强度低；由于陶瓷材料较低的导热系数，又导致电堆在预热过程中温度分布不均、极易产生热应力。因此，传统SOFC在预热过程中对温升速率和预热气体与电堆之间的温差、电堆内部的温差都有严格的限值，无法实现快速启动。此外，陶瓷材料之间的密封问题则进一步削弱了SOFC在冷热冲击下的可靠性。金属支撑型SOFC的出现有效解决了上述问题，由于金属基质较高的导热系数，电堆预热过程中受热均匀、热应力小，此外金属焊接的应用可以保证冷热循环下电堆良好的密封性，因此启动时间大大缩短。而针对第二个问题，则只能依赖于热管理***(BOP)的不断优化来解决。一种可行的方式是使用部分氧化重整(POX)代替水蒸气重整(SR)，以此消除复杂的水蒸气产生及过热装置，简化BOP结构。但相对于SR来说，POX较低的氢产率会导致***电效率降低，因此需要耦合大比例阳极废气循环(AOGR)来减轻此种效应。
在AOGR的应用过程中，一方面阳极废气中的氢气和一氧化碳可以被电化学反应直接利用；另一方面废气热能可以提高POX的燃料入口温度；此外，随着二氧化碳与水的大量引入，氧气的需求量减少，POX中的重整反应逐步从放热过渡到吸热。因此，POX-AOGR***应用需要解决的第一个问题是，如何实现对POX由散热到供热的过渡。其次，随着AOGR率的提高，流入后燃烧器内的阳极废气减少，后燃烧器尾气温度降低，无法为重整反应提供足够的热量；与此同时，POX入口处的燃料温度升高，与后燃烧器尾气之间的温差减小，POX内的换热更为困难。因此，POX-AOGR***应用需要解决的第二个问题是，如何保证高AOGR率下重整反应的能量供应。最后，降低POX燃料入口温度的措施，例如进入POX的新鲜空气与燃料不进行预热，有利于拓展高AOGR率下SOFC***的运行范围，提高***效率。但此类措施会引起低AOGR率下POX入口温度过低，甚至导致重整反应逐步熄灭。因此，POX-AOGR***应用需要解决的第三个问题是，如何在确保***高效的同时实现AOGR率由低到高的平稳过渡。
目前针对SOFC的研究集中在热电联产方面，一般选用SR耦合***以获取较高的氢气浓度。但对只考虑电效率的车载或便携式移动电源来说，结构简单、体积紧凑的POX-AOGR***显然更为适合。当前关于POX-AOGR的研究仍较为少见，一方面具有此类结构的***能量流更为复杂、控制更为困难，另一方面对POX由散热到供热的过渡、高AOGR率下重整反应的能量供应、不同AOGR率下的平稳过渡，这三个问题仍未能解决。
为了解决上述问题，本实施例提供了一种中温固体氧化物燃料电池热管理***，包括第一控制阀2、第二控制阀3、预燃烧器17、第一混合阀5、氧化重整***6和后燃烧器10；
所述第一控制阀2包括两个出口，分别连通所述后燃烧器10的第一入口，以及所述第二控制阀3的入口；所述第一控制阀2可以被配置为，将接收的天然气中的至少一部分输送给所述后燃烧器；本实施例中，所述第一控制阀2可以连接有天然气供气端1，所述天然气供气端1和所述后燃烧器10可以通过现有的燃烧器设备或常规设置实现，但是不限制其具体结构；
所述第二控制阀3包括两个出口，分别连通所述预燃烧器17的天然气入口，以及所述第一混合阀5的第一入口；所述第二控制阀3被配置为将接收所述第一控制阀2中提供天然气的至少一部分输送给所述预燃烧器17，将其他部分天然气输送给所述第一混合阀5；所述预燃烧器17被配置为将天然气进行燃烧加热；所述预燃烧器17可以通过现有的燃烧器设备或常规设置实现，但是不限制其具体结构；
所述第一混合阀5还包括第二入口，所述预燃烧器17的出口连通所述第一混合阀5的第二入口；所述第一混合阀5的出口连通所述氧化重整***6的第一入口；所述第一混合阀5被配置为，将来自所述第二控制阀3的天然气与来自所述预燃烧器17加热后的流体进行混，并将混合后的气体输入所述氧化重整***6；所述氧化重整***6可以通过现有的燃烧器设备或常规设置实现，但是不限制其具体结构；
所述后燃烧器10还包括第二入口和第三入口；所述后燃烧器10的第二入口被配置为接收待管理中温固体氧化物燃料电池8的阳极废气，所述后燃烧器10的第三入口被配置为接收待管理中温固体氧化物燃料电池8的阴极废气；
所述氧化重整***6还包括第二入口和第三入口，分别与所述后燃烧器10的出口以及待管理中温固体氧化物燃料电池8阴极连通；
通过本实施例中提供的中温固体氧化物燃料电池热管理***，以及其中第一控制阀2、第二控制阀3、预燃烧器17、第一混合阀5、氧化重整***6和后燃烧器10之间的连接结构；可以通过设置的后燃烧器，将POX的气体管路由阴极废气切换到后燃烧器尾气，解决对POX由散热到供热的过渡问题；通过设置的第一控制阀，将小部分天然气作为补充燃料直接引入后燃烧器，实现进入POX的新鲜燃料与空气不再进行预热，保证了高AOGR率下重整反应的能量供应；在上述措施下，为实现低AOGR率时***的稳定运行以便完成AOGR率由低到高的切换，设置预燃烧器以此维持POX燃料入口所需的最低温度。
在本实施例中，所述第二控制阀2和所述第一混合阀5之间还设置有引射器4；所述引射器；引射器利用一股高速高能流(液流、气流或其他物质流)引射另一股低速低能流的装置，射流经收缩形喷嘴迸入混合室，其周围是被引射流。
在本实施例中，待管理中温固体氧化物燃料电池8的阳极与所述后燃烧器10的第二入口之间设置有第三控制阀9；所述第三控制阀9有两个出口，分别连通所述后燃烧器10的第二入口以及所述引射器4的入口。
在本实施例中，所述氧化重整***6包括第一出口和第二出口，所述氧化重整***6的第一出口与待管理中温固体氧化物燃料电池8的阳极入口连通；具体的，所述氧化重整***6的第一出口与待管理中温固体氧化物燃料电池8的阳极入口之间可以设置有第一换热器7；所述氧化重整***6的第二出口依次连通有第三换热器19、所述第一换换热器7和第二换热器18；换热器可以通过现有的燃烧器设备或常规设置实现，但是不限制其具体结构。
在本实施例中，所述氧化重整***6的第二出口与所述第三换热器19之间依次设置有第二混合阀12和第三混合阀13，所述第二混合阀12和所述第三混合阀13均设置有两个入口；所述后燃烧器10与所述氧化重整***6之间设置有第四控制阀11，所述第四控制阀11的两个出口分别连通所述氧化重整***6的第二入口以及所述第二混合阀12的一个入口，所述第二混合阀12另一入口与所述氧化重整***6的第二出口连通；
所述氧化重整***6的第三入口与待管理中温固体氧化物燃料电池8阴极之间设置有第六控制阀20；所述第六控制阀20包括两个出口，分别连通所述后燃烧器10的第三入口以及所述氧化重整***6的第三入口；所述第六控制阀20和所述氧化重整***6的第三入口之间还设置有第七控制阀21；所述第七控制阀21包括两个出口，分别连通所述氧化重整***6的第三入口以及所述第三混合阀13的一个入口。
在本实施例中，还包括空压机15，所述空压机15的出口连通有第五控制阀16，所述第五控制阀16包括两个出口，一个出口与待管理中温固体氧化物燃料电池8阴极入口连通；所述第五控制阀16与待管理中温固体氧化物燃料电池8阴极入口之间的连通管道，依次通过所述第二换热器18和所述第三换热器19；所述空压机15的入口连通有空气供气端14，所述空气供气端14可以通过现有的燃烧器设备或常规设置实现，但是不限制其具体结构。
在本实施例中，所述第五控制阀16的另一个出口与所述预燃烧器17的空气入口连通；所述第五控制阀16与所述预燃烧器17之间设置有第八控制阀22；
所述所述第八控制阀22包括两个出口，一个出口与所述预燃烧器17的空气入口连通；所述第一混合阀5的第二入口与所述预燃烧器17之间还设置有第四混合阀23，所述第四混合阀23包括两个入口，分别与所述预燃烧器17的出口以及所述第八控制阀22的另一个出口连通。
本实施例的工作过程或原理为：
低AOGR率下，重整反应放热、POX入口温度低于400℃时：
天然气供气端中的常温天然气经所述第一控制阀2流向所述第二控制阀3，并在所述第二控制阀3处分为两路；小部分天然气在所述预燃烧器17内燃烧，其高温尾气经所述第四混合阀23与所述第一混合阀5汇入燃料主流管线，以此维持POX燃料入口温度稳定在400℃；多数天然气逐次与所述引射器4处的再循环阳极废气、所述第一混合阀5处的预燃烧器尾气汇合后，进入所述氧化重整***6的燃料通道进行重整反应；重整气体经所述第一换热器7控制温度500℃后，进入待管理中温固体氧化物燃料电池8的阳极通道进行电化学反应；待管理中温固体氧化物燃料电池8工作温度600℃，因此阳极废气出口温度也为600℃；阳极废气经所述第三控制阀9分为两路，一路进行AOGR循环进入所述引射器4，另一路直接进入所述后燃烧器10，后燃烧器尾气经所述第四控制阀11直接旁通至所述第二混合阀12(图中虚线部分)，并和参与POX散热的阴极废气汇合；混合后的废气流经所述第三混合阀13后逐次进入所述第三换热器19、所述第一换热器7与所述第二换热器18进行余热利用，最后排出***。
空气供气端14中的常温空气经所述空压机15提高压力后进入所述第五控制阀16，并在所述第五控制阀16处分为两路，一路作为氧化剂进入所述第八控制阀22，另一路逐次经所述第二换热器18预热至300℃、经所述第三换热器19预热至500℃后进入待管理中温固体氧化物燃料电池8的阴极通道；所述第八控制阀22处也分为两路，一路进入所述预燃烧器17，以保证预燃烧器过量空气系数3.5，另一路进入所述第四混合阀23，以满足重整反应的氧气需求；阴极废气出口温度600℃，经所述第六控制阀20分为两路，一路进入所述后燃烧器10以保证后燃烧器过量空气系数12，另一路经所述第七控制阀21流向所述氧化重整***6(图中虚线部分)，为重整反应进行散热以保证重整气体出口温度700℃。
低AOGR率向高AOGR率过渡时：
随着AOGR率提高，两种过渡工况逐步出现；第一，POX燃料入口处的温度不断上升，此时，所述第二控制阀3处流向所述预燃烧器17的天然气量应不断减少，至POX燃料入口温度超过400℃后，天然气量应减少至零；第二，重整反应由放热逐步过渡至热中性直至转变为吸热，重整反应热中性时，所述后燃烧器10的尾气继续由所述第四控制阀11直接旁通至所述第二混合阀12，而阴极废气则由所述第七控制阀21直接旁通至所述第三混合阀13；重整反应吸热时，所述后燃烧器10的尾气则全部经所述第四控制阀11流入所述氧化重整***6的气体通道，而阴极废气则继续由所述第七控制阀21直接旁通至所述第三混合阀13。
高AOGR率下，重整反应吸热、后燃烧器能量不足时：
由所述第一控制阀2直接向所述后燃烧器10提供部分天然气作为补充燃料，以此应对流入所述后燃烧器10内的阳极废气过少、所述氧化重整***6内燃料与废气之间温差过小换热困难的现象，解决后燃烧器尾气能量不足无法维持吸热重整反应的问题。
本实施例的优点在于：使用POX代替SR，简化了BOP***结构，有利于SOFC向车载或便携式移动电源方向的应用；BOP***耦合了AOGR循环，可以消除POX氢产率较低带来的负面影响，维持较高的***电效率；进入POX的新鲜燃料与空气未进行预热，低AOGR率下，以预燃烧器内小部分天然气的燃烧为代价，能够维持POX的最低燃料入口温度，保证***向高AOGR率的过渡，高AOGR率下，有利于扩大POX内燃料与废气之间的温差，促进废气热能向燃料化学能的转化；设计后燃烧器的补充燃料路线，可以有效解决高AOGR率下后燃烧器能量不足的问题，拓展AOGR率的应用上限，一定范围内提高***电效率。
实施例2：
本实施例提供了一种中温固体氧化物燃料电池热管理方法，采用了如实施例1中所述的中温固体氧化物燃料电池热管理***，包括：
阳极废气循环率为第一值时：
常温天然气在第二控制阀3的作用下，至少一部分进入预燃烧器17内燃烧，燃烧后的尾气经第四混合阀23后进入第一混合阀5；另一部分天然气逐次与引射器4处的再循环阳极废气、第一混合阀5处的预燃烧器尾气汇合后，进入氧化重整***6的燃料通道进行重整反应；重整气体经第一换热器7进入待管理中温固体氧化物燃料电池8阳极通道进行电化学反应；阳极废气经第三控制阀9分为两路，一路进入引射器4，另一路直接进入后燃烧器10；后燃烧器尾气经第四控制阀11直接旁通至第二混合阀12，与氧化重整***6散热的阴极废气汇合；混合后的废气流经第三混合阀13后逐次进入第三换热器19、第一换热器7和第二换热器18进行余热利用，最后排出***；
常温空气经空压机15后进入第五控制阀16，并在第五控制阀16处分为两路，一路作为氧化剂进入第八控制阀22，另一路逐次经第二换热器18、第三换热器19后进入待管理中温固体氧化物燃料电池8阴极通道；进入第八控制阀22的空气分为两路，一路进入预燃烧器17，另一路进入第四混合阀23；阴极废气经第六控制阀20分为两路，一路进入后燃烧器10，另一路经第七控制阀21流向氧化重整***，为重整反应进行散热；
阳极废气循环率值由低向高过渡时：
氧化重整***燃料入口处的温度不断上升时，第二控制阀3处流向预燃烧器的天然气量不断减少，至氧化重整***6燃料入口温度超过预设值后，天然气量减少至零；重整反应热中性时，后燃烧器的尾气继续由第四控制阀11直接旁通至第二混合阀12，而阴极废气则由第七控制阀21直接旁通至第三混合阀13；重整反应吸热时，后燃烧器10的尾气则全部经第四控制阀11流入氧化重整***6的气体通道，而阴极废气则继续由第七控制阀21直接旁通至第三混合阀13；
阳极废气循环率为第二值时，所述第二值大于所述第一值，重整反应吸热、后燃烧器10能量不足时：
第一控制阀2直接向后燃烧器10提供部分天然气作为补充燃料。
以上所述仅为本实施例的优选实施例而已，并不用于限制本实施例，对于本领域的技术人员来说，本实施例可以有各种更改和变化。凡在本实施例的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实施例的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种中温固体氧化物燃料电池热管理***，其特征在于，包括第一控制阀、第二控制阀、预燃烧器、第一混合阀、氧化重整***和后燃烧器；
所述第一控制阀包括两个出口，分别连通所述后燃烧器的第一入口，以及所述第二控制阀的入口；
所述第二控制阀包括两个出口，分别连通所述预燃烧器的天然气入口，以及所述第一混合阀的第一入口；所述第一混合阀还包括第二入口，所述预燃烧器的出口连通所述第一混合阀的第二入口；所述第一混合阀的出口连通所述氧化重整***的第一入口；
所述后燃烧器还包括第二入口和第三入口；所述后燃烧器的第二入口被配置为接收待管理中温固体氧化物燃料电池的阳极废气，所述后燃烧器的第三入口被配置为接收待管理中温固体氧化物燃料电池的阴极废气；
所述氧化重整***还包括第二入口和第三入口，分别与所述后燃烧器的出口以及待管理中温固体氧化物燃料电池阴极连通。
2.如权利要求1所述的一种中温固体氧化物燃料电池热管理***，其特征在于，所述第二控制阀和所述第一混合阀之间还设置有引射器。
3.如权利要求2所述的一种中温固体氧化物燃料电池热管理***，其特征在于，待管理中温固体氧化物燃料电池的阳极与所述后燃烧器的第二入口之间设置有第三控制阀；所述第三控制阀有两个出口，分别连通所述后燃烧器的第二入口以及所述引射器的入口。
4.如权利要求1所述的一种中温固体氧化物燃料电池热管理***，其特征在于，所述氧化重整***包括第一出口和第二出口，所述氧化重整***的第一出口与待管理中温固体氧化物燃料电池的阳极入口连通。
5.如权利要求4所述的一种中温固体氧化物燃料电池热管理***，其特征在于，所述氧化重整***的第一出口与待管理中温固体氧化物燃料电池的阳极入口之间设置有第一换热器。
6.如权利要求5所述的一种中温固体氧化物燃料电池热管理***，其特征在于，所述氧化重整***的第二出口依次连通有第三换热器、所述第一换换热器和第二换热器。
7.如权利要求6所述的一种中温固体氧化物燃料电池热管理***，其特征在于，所述氧化重整***的第二出口与所述第三换热器之间依次设置有第二混合阀和第三混合阀，所述第二混合阀和所述第三混合阀均设置有两个入口；所述后燃烧器与所述氧化重整***之间设置有第四控制阀，所述第四控制阀的两个出口分别连通所述氧化重整***的第二入口以及所述第二混合阀的一个入口，所述第二混合阀另一入口与所述氧化重整***的第二出口连通；
所述氧化重整***的第三入口与待管理中温固体氧化物燃料电池阴极之间设置有第六控制阀；所述第六控制阀包括两个出口，分别连通所述后燃烧器的第三入口以及所述氧化重整***的第三入口；所述第六控制阀和所述氧化重整***的第三入口之间还设置有第七控制阀；所述第七控制阀包括两个出口，分别连通所述氧化重整***的第三入口以及所述第三混合阀的一个入口。
8.如权利要求6所述的一种中温固体氧化物燃料电池热管理***，其特征在于，还包括空压机，所述空压机的出口连通有第五控制阀，所述第五控制阀包括两个出口，一个出口与待管理中温固体氧化物燃料电池阴极入口连通；所述第五控制阀与待管理中温固体氧化物燃料电池阴极入口之间的连通管道，依次通过所述第二换热器和所述第三换热器。
9.如权利要求8所述的一种中温固体氧化物燃料电池热管理***，其特征在于，所述第五控制阀的另一个出口与所述预燃烧器的空气入口连通；所述第五控制阀与所述预燃烧器之间设置有第八控制阀；
所述所述第八控制阀包括两个出口，一个出口与所述预燃烧器的空气入口连通；所述第一混合阀的第二入口与所述预燃烧器之间还设置有第四混合阀，所述第四混合阀包括两个入口，分别与所述预燃烧器的出口以及所述第八控制阀的另一个出口连通。
10.一种中温固体氧化物燃料电池热管理方法，其特征在于，采用了如权利要求1-9任一项所述的中温固体氧化物燃料电池热管理***，包括：
阳极废气循环率为第一值时：
常温天然气在第二控制阀的作用下，至少一部分进入预燃烧器内燃烧，燃烧后的尾气经第四混合阀后进入第一混合阀；另一部分天然气逐次与引射器处的再循环阳极废气、第一混合阀处的预燃烧器尾气汇合后，进入氧化重整***的燃料通道进行重整反应；重整气体经第一换热器进入待管理中温固体氧化物燃料电池阳极通道进行电化学反应；阳极废气经第三控制阀分为两路，一路进入引射器，另一路直接进入后燃烧器；后燃烧器尾气经第四控制阀直接旁通至第二混合阀，与氧化重整***散热的阴极废气汇合；混合后的废气流经第三混合阀后逐次进入第三换热器、第一换热器和第二换热器进行余热利用，最后排出***；
常温空气经空压机后进入第五控制阀，并在第五控制阀处分为两路，一路作为氧化剂进入第八控制阀，另一路逐次经第二换热器、第三换热器后进入待管理中温固体氧化物燃料电池阴极通道；进入第八控制阀的空气分为两路，一路进入预燃烧器，另一路进入第四混合阀；阴极废气经第六控制阀分为两路，一路进入后燃烧器，另一路经第七控制阀流向氧化重整***，为重整反应进行散热；
阳极废气循环率值由低向高过渡时：
氧化重整***燃料入口处的温度不断上升时，第二控制阀处流向预燃烧器的天然气量不断减少，至氧化重整***燃料入口温度超过预设值后，天然气量减少至零；重整反应热中性时，后燃烧器的尾气继续由第四控制阀直接旁通至第二混合阀，而阴极废气则由第七控制阀直接旁通至第三混合阀；重整反应吸热时，后燃烧器的尾气则全部经第四控制阀流入氧化重整***的气体通道，而阴极废气则继续由第七控制阀直接旁通至第三混合阀；
阳极废气循环率为第二值时，所述第二值大于所述第一值，重整反应吸热、后燃烧器能量不足时：
第一控制阀直接向后燃烧器提供部分天然气作为补充燃料。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202210158774.1A CN114566675B (zh) | 2022-02-21 | 2022-02-21 | 一种中温固体氧化物燃料电池热管理***及方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202210158774.1A CN114566675B (zh) | 2022-02-21 | 2022-02-21 | 一种中温固体氧化物燃料电池热管理***及方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN114566675A true CN114566675A (zh) | 2022-05-31 |
| CN114566675B CN114566675B (zh) | 2024-03-15 |
Family
ID=81714421
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202210158774.1A Active CN114566675B (zh) | 2022-02-21 | 2022-02-21 | 一种中温固体氧化物燃料电池热管理***及方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN114566675B (zh) |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN102473948A (zh) * | 2009-07-30 | 2012-05-23 | 日产自动车株式会社 | 燃料电池***及其控制方法 |
| CN102593547A (zh) * | 2011-01-18 | 2012-07-18 | 上海鼎研智能科技有限公司 | 二次电池组低温充电加热及保护方法 |
| KR20150035268A (ko) * | 2013-09-27 | 2015-04-06 | 주식회사 엘지화학 | 이차전지의 내부압력 측정장치 및 이를 사용하는 이차전지의 내부압력 측정방법 |
-
2022
- 2022-02-21 CN CN202210158774.1A patent/CN114566675B/zh active Active
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN102473948A (zh) * | 2009-07-30 | 2012-05-23 | 日产自动车株式会社 | 燃料电池***及其控制方法 |
| CN102593547A (zh) * | 2011-01-18 | 2012-07-18 | 上海鼎研智能科技有限公司 | 二次电池组低温充电加热及保护方法 |
| KR20150035268A (ko) * | 2013-09-27 | 2015-04-06 | 주식회사 엘지화학 | 이차전지의 내부압력 측정장치 및 이를 사용하는 이차전지의 내부압력 측정방법 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN114566675B (zh) | 2024-03-15 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN109326805B (zh) | 一种固体氧化物燃料电池发电***及工艺 | |
| US7595124B2 (en) | Integrated fuel cell hybrid power plant with controlled oxidant flow for combustion of spent fuel | |
| JP4666910B2 (ja) | 冷却タービン一体型燃料電池ハイブリッド発電装置 | |
| CN113851673B (zh) | 一种固体氧化物燃料电池热电联供***及其运行方法 | |
| TWI502801B (zh) | 固態氧化物燃料電池熱工元件整合裝置 | |
| CN100459263C (zh) | 燃料电池*** | |
| JP2004207241A (ja) | 空気及び燃料の流れを再循環させる燃料電池一体型ハイブリッド発電装置 | |
| CN109860660B (zh) | 一种高效固体氧化物燃料电池*** | |
| KR20060044624A (ko) | 통합형 연료 전지-가스 터빈 시스템 | |
| CN111525166B (zh) | 一种混合高温燃料电池发电***和方法 | |
| CN113903949B (zh) | 一种mw级固体氧化物燃料电池发电***的热区结构及其运行方法 | |
| CN108539225A (zh) | 固体氧化物燃料电池的启动方法及固体氧化物燃料电池 | |
| KR101032974B1 (ko) | 연료전지를 이용한 복합 발전 시스템 | |
| KR20170085179A (ko) | 고효율 고온 연료전지 시스템 | |
| CN212011147U (zh) | 一种混合高温燃料电池发电*** | |
| CN114024009A (zh) | 燃料电池发电*** | |
| CN113314755A (zh) | 一种级联高温燃料电池*** | |
| CN111649328A (zh) | 一种应用于熔融碳酸盐燃料电池的天然气加热炉***和方法 | |
| KR100405142B1 (ko) | 연료전지 발전시스템 | |
| CN114566675B (zh) | 一种中温固体氧化物燃料电池热管理***及方法 | |
| CN212298989U (zh) | 一种应用于熔融碳酸盐燃料电池的天然气加热炉*** | |
| KR101336670B1 (ko) | 터보차저 방식의 애노드 오프 가스 재순환 연료전지 시스템 | |
| KR100623942B1 (ko) | 용융탄산염 연료 전지 시스템 | |
| KR102548739B1 (ko) | 열효율이 우수한 연료전지 시스템 | |
| CN115275287B (zh) | 一种用于sofc***的反应器及其运行方法 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |