CN116666719A - 固体氧化物燃料电池***及工作方法 - Google Patents

固体氧化物燃料电池***及工作方法 Download PDF

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Abstract

公开了一种固体氧化物燃料电池***及工作方法，固体氧化物燃料电池***中，包括风机、空气换热器、固体氧化物燃料电池电堆、燃烧重整换热器、第二换热器、冷凝器、蒸汽发生器、第一换热器以及连接管路。燃烧重整换热器的燃烧室含两个通路，均填充氧载体。将空气和阳极尾气分别通入两通路，空气将氧载体氧化，尾气将氧载体还原；尾气管路氧载体被还原殆尽时，空气管路氧载体也被氧化，此时将空气和尾气管路对调，尾气继续将氧载体还原，空气则将氧载体氧化；避免尾气与空气的直接接触，减少氮氧化物生成同时提升终产物中二氧化碳浓度便于捕集。本发明对固体氧化物燃料电池电堆尾气进行了处理，在流程中实现了二氧化碳的分离，便于进行碳捕集。

Description

固体氧化物燃料电池***及工作方法
技术领域
本发明属于固体氧化物燃料电池技术领域，特别是一种固体氧化物燃料电池***及工作方法。
背景技术
固体氧化物燃料电池(SOFC)是一种中高温型燃料电池，可将化学能转变为电能，可利用氢气、天然气等碳氢化物作为燃料，具有燃料纯度耐受性高、能源转换效率高以及材料成本低等优势，因此发展固体氧化物燃料电池技术有利于改善我国能源结构。
尽管固体氧化物燃料电池可接受的燃料范围较广，但实际参与反应的仍是氢气，因此对于碳氢燃料，通入SOFC前一般需要进行预重整，生成氢气和一氧化碳后再进行反应。重整反应是吸热反应，且其要求温度一般在800℃环境下，因此热量需求较大。预重整是在SOFC外部进行重整反应，但需额外供热。一般做法是利用阳极废气通入燃烧器燃烧，燃烧尾气再通入预重整器。该过程燃烧器和重整器是两个部件，燃烧放热利用不充分，***紧凑型低，且燃烧过程空气作为氧化剂，空气中的氮气一并通入燃烧器中，高温下容易生成氮氧化物污染物，带来一定的环境问题。此外，燃烧后排放的尾气含有多种气体，要想分离出二氧化碳则需要分离设备消耗能源进行分离，如此加剧能源消耗，降低***产出。
综上所述，当前SOFC***存在紧凑型低、尾气排放含有污染物以及不利于节能固碳等问题。
在背景技术部分中公开的上述信息仅仅用于增强对本发明背景的理解，因此可能包含不构成在本领域普通技术人员公知的现有技术的信息。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明提出一种固体氧化物燃料电池***及工作方法,基于化学链循环燃烧对固体氧化物燃料电池电堆尾气进行处理，合并燃烧反应和重整反应，提高了***效率，在流程中实现了二氧化碳的分离，便于进行固碳处理。
本发明的目的是通过以下技术方案予以实现，一种固体氧化物燃料电池***包括，
固体氧化物燃料电池电堆，其基于燃料与空气反应产生电能，所述固体氧化物燃料电池电堆包括阴极通道和阳极通道；
风机，其为固体氧化物燃料电池***提供空气；
空气换热器，其连通所述风机和阴极通道以利用来自阴极通道的尾气加热空气；
蒸汽发生器，其将来自供水装置的液态水变为水蒸气；
第一换热器，其连接所述蒸汽发生器和空气换热器以利用来自空气换热器的尾气加热所述水蒸气；
燃烧重整换热器，其利用化学链循环燃烧放热对重整通道进行加热，燃烧重整换热器包括发生吸热的重整反应的重整通道和填充氧载体且发生放热的化学链循环燃烧反应的燃烧通道，燃烧通道连接空气换热器和阳极通道以交替通入加热的空气和阳极尾气；
第二换热器，其连接所述重整通道、燃烧通道、燃料供应装置和第一换热器以加热来自燃料供应装置燃料和来自第一换热器的水蒸气并输入重整通道，所述燃料和水蒸气重整反应后的产物作为燃料进入所述阳极通道反应生成阳极尾气；
冷凝器，其连接第二换热器以分离二氧化碳和水。
所述的固体氧化物燃料电池***中，燃烧重整换热器的燃烧通道包括燃烧一通道和燃烧二通道，工作时，燃烧一通道和燃烧二通道中一个通入加热的空气，另一个通入阳极尾气，空气通入后将氧载体氧化，阳极尾气通过燃烧将氧载体还原且还原反应殆尽时将燃烧一通道和燃烧二通道的空气及阳极尾气对调以实现化学链循环燃烧。
所述的固体氧化物燃料电池***中，所述燃烧重整换热器包括位于内侧和外侧的重整通道以及位于内侧和外侧的重整通道之间的燃烧通道。
所述的固体氧化物燃料电池***中，所述燃烧重整换热器为圆筒状结构，内侧的重整通道位于轴心位置，外侧的重整通道位于圆筒状结构周缘，内侧的重整通道和外侧的重整通道之间设有均匀分布的燃烧一通道和燃烧二通道。
所述的固体氧化物燃料电池***中，第一三通阀F1连接空气换热器将被加热后的空气分为两路，一路去往固体氧化物燃料电池电堆的阴极通道，一路去往燃烧重整换热器的燃烧通道；第一三通换向阀F2为空气方向控制部件以控制去往燃烧重整换热器的空气的方向，使其同一时间只能通入燃烧一通道和燃烧二通道中的一个，第二三通换向阀F3连接阳极通道以控制阳极废气同一时间只能通入燃烧一通道和燃烧二通道中的一个。
所述的固体氧化物燃料电池***中，四通换向阀F4连接燃烧重整换热器以控制燃烧通道的尾气方向，贫氧空气管路一端连接四通换向阀F4，另一端连接于空气换热器与第一换热器之间，二氧化碳/水管路一端连接四通换向阀F4，另一端连接第二换热器，四通换向阀F4与第一三通换向阀F2、第二三通换向阀F3同时动作换向，使经过燃烧一通道或燃烧二通道后的空气只能在贫氧空气管路中通过，阳极尾气燃烧后的产物只能在二氧化碳/水管路中通过。
所述的固体氧化物燃料电池***中，所述风机的出口与所述空气换热器的冷流体进口通过管路相连接，所述空气换热器的冷流体出口与所述固体氧化物燃料电池电堆的阴极通道的进口、所述燃烧重整换热器的燃烧通道进口通过管路相连接，所述空气换热器的热流体进口与所述固体氧化物燃料电池电堆的阴极通道的出口通过管路相连接，所述空气换热器的热流体出口与所述第一换热器的热流体进口通过管路相连接。
所述的固体氧化物燃料电池***中，所述固体氧化物燃料电池电堆的阳极通道的进口与所述燃烧重整换热器的重整通道的出口通过管路相连接，所述固体氧化物燃料电池电堆的阳极通道的出口与所述燃烧重整换热器的燃烧通道的进口通过管路及三通换向阀相连接。
所述的固体氧化物燃料电池***中，所述燃烧重整换热器的重整通道的进口与所述第二换热器的冷流体出口通过管路相连接，所述燃烧重整换热器的燃烧通道的出口与所述第一换热器的热流体进口、所述第二换热器的热流体进口通过管路和四通换向阀F4相连接，所述第二换热器的热流体出口与所述冷凝器的进口通过管路相连接，所述第二换热器的冷流体进口与燃料供应的出口、所述第一换热器的冷流体出口通过管路相连接，所述第一换热器的热流体出口与所述蒸汽发生器的热流体进口通过管路相连接，所述第一换热器的冷流体进口与所述蒸汽发生器的冷流体出口通过管路相连接，所述蒸汽发生器的热流体出口与大气连通，所述蒸汽发生器的冷流体进口与供水装置的出口相连接，所述冷凝器冷凝水出口与供水装置的进口相连接。
所述的固体氧化物燃料电池***的工作方法包括以下步骤；
风机提供的空气经过空气换热器加热后，分为空气一路和空气二路，空气一路连接固体氧化物燃料电池电堆的阴极通道的进口，空气二路经第一三通换向阀再次分为空气二一路和空气二二路，其中空气二一路连接燃烧一通道，空气二二路连接燃烧二通道，燃烧重整换热器的燃烧通道进口与固体氧化物燃料电池电堆的阳极通道出口相连接，阳极废气排出后经第二三通换向阀分为尾气一路和尾气二路，尾气一路和燃烧一通道连接，尾气二路和燃烧二通道连接，燃烧一、二通道出口经四通换向阀与贫氧空气管路和二氧化碳/水管路连接；
工作时，第一三通换向阀控制空气经空气二一路流入燃烧一通道，第二三通换向阀控制尾气经尾气二路流入燃烧二通道，四通换向阀使燃烧一通道出口与贫氧空气管路连接，燃烧二通道与二氧化碳/水管路连接，在氧载体的氧化利用率或还原利用率达到预定阈值时，第一三通换向阀、第二三通换向阀和四通换向阀同时动作换向，使第二三通换向阀控制尾气经尾气一路流入燃烧一通道，第一三通换向阀控制空气经空气二二路流入燃烧二通道，四通换向阀控制燃烧一通道出口与二氧化碳/水管路连接、燃烧二通道出口与贫氧空气管路连接，同样在检测到氧载体的氧化利用率或还原利用率达到预定阈值时，第一三通换向阀、第二三通换向阀和四通换向阀同时动作换向，如此交替，控制空气和尾气在燃烧一通道、燃烧二通道内交替循环通过，而尾气燃烧后的产物始终能经二氧化碳/水管路到达第二换热器为水蒸气和燃料加热，之后通入到冷凝器分离水和二氧化碳，水被冷凝后经过冷凝水管路重新回到供水装置，被分离出的二氧化碳则去往碳捕集装置进行后续的处理；
空气经过与氧载体反应后的贫氧空气始终能经过贫氧空气管路流向第一换热器和蒸汽发生器，固体氧化物燃料电池电堆的阴极通道尾气流向空气换热器为空气加热，之后的阴极尾气与贫氧空气管路混合，通入第一换热器为水蒸气加热，之后的混合气再通入蒸汽发生器对液态水加热，使其蒸发为水蒸气，离开蒸汽发生器后的混合气排入大气，液态水经蒸汽发生器加热蒸发后经第一换热器进一步加热，之后与燃料一起通入第二换热器一起被加热，混合后通入燃烧重整换热器的重整通道进行重整反应，反应后的产物作为燃料经过管路进入固体氧化物燃料电池电堆的阳极通道进一步反应，输出电能，反应后的阳极尾气继续参与***的能量利用。
和现有技术相比，本发明具有以下优点：本发明能量利用率较高，将尾气燃烧反应和燃料重整反应在一起，提高了***紧凑度，可减少因管路向环境散热带来的能量损失，提升***总体能量利用率。便于进行碳捕集，将化学链燃烧技术应用到燃烧管路，实现对阳极废气的综合处理和利用，基于化学链燃烧技术和阀门协同开闭，可使燃烧后的尾气管路中二氧化碳浓度大幅提高，可节省二氧化碳分离设备，节约分离所需能量，同时避免燃料与空气的直接接触，降低高温环境下氮氧化物的生成。可实现***内水的闭式循环，利用冷凝的方式分离最终废气中的水蒸气后，水蒸气变为冷凝水，可重新引入供水装置，不必补充额外的水源。
附图说明
通过阅读下文优选的具体实施方式中的详细描述，本发明各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。说明书附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。显而易见地，下面描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，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。而且在整个附图中，用相同的附图标记表示相同的部件。
在附图中：
图1是根据本发明一个实施例的固体氧化物燃料电池***的结构示意图；
图2是根据本发明一个实施例的固体氧化物燃料电池***的燃烧重整换热器的结构示意图。
以下结合附图和实施例对本发明作进一步的解释。
具体实施方式
下面将参照附图1至图2更详细地描述本发明的具体实施例。虽然附图中显示了本发明的具体实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。
需要说明的是，在说明书及权利要求当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可以理解，技术人员可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求并不以名词的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求当中所提及的“包含”或“包括”为一开放式用语，故应解释成“包含但不限定于”。说明书后续描述为实施本发明的较佳实施方式，然所述描述乃以说明书的一般原则为目的，并非用以限定本发明的范围。本发明的保护范围当视所附权利要求所界定者为准。
为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个附图并不构成对本发明实施例的限定。
为了更好地理解，在一个实施例中，如图1至图2所示，一种固体氧化物燃料电池***包括，
固体氧化物燃料电池电堆3，其基于燃料与空气反应产生电能，所述固体氧化物燃料电池电堆3包括阴极通道301和阳极通道302，
风机1，其为固体氧化物燃料电池***提供空气；
空气换热器2，其连通所述风机1和阴极通道301以利用来自阴极通道301的尾气加热空气；
蒸汽发生器9，其将来自供水装置8的液态水变为水蒸气；
第一换热器10，其连接所述蒸汽发生器9和空气换热器2以利用来自空气换热器2的尾气加热所述水蒸气；
燃烧重整换热器4，其利用化学链循环燃烧放热对重整通道401进行加热，燃烧重整换热器4包括发生吸热的重整反应的重整通道401和填充氧载体且发生放热的化学链循环燃烧反应的燃烧通道，燃烧通道连接空气换热器2和阳极通道302以交替通入加热的空气和阳极尾气；
第二换热器5，其连接所述重整通道401、燃烧通道、燃料供应装置7和第一换热器10以加热来自燃料供应装置7燃料和来自第一换热器10的水蒸气并输入重整通道401，所述燃料和水蒸气重整反应后的产物作为燃料进入所述阳极通道302反应生成阳极尾气；
冷凝器6，其连接第二换热器5以分离二氧化碳和水，所述被分离后的冷凝水通过管路重新回到供水装置。
所述的固体氧化物燃料电池***的优选实施例中，燃烧重整换热器4的燃烧通道包括燃烧一通道403和燃烧二通道402，工作时，燃烧一通道403和燃烧二通道402中一个通入加热的空气，另一个通入阳极尾气，空气通入后将氧载体氧化，阳极尾气通过燃烧将氧载体还原且还原反应殆尽时将燃烧一通道403和燃烧二通道402的空气及阳极尾气对调以实现化学链循环燃烧。
所述的固体氧化物燃料电池***的优选实施例中，所述燃烧重整换热器4包括位于内侧和外侧的重整通道401以及位于内侧和外侧的重整通道401之间的燃烧通道。
所述的固体氧化物燃料电池***的优选实施例中，所述燃烧重整换热器4为圆筒状结构，内侧的重整通道401位于轴心位置，外侧的重整通道401位于圆筒状结构周缘，内侧的重整通道401和外侧的重整通道401之间设有均匀分布的燃烧一通道403和燃烧二通道402。
所述的固体氧化物燃料电池***的优选实施例中，第一三通阀F1连接空气换热器2将被加热后的空气分为两路，一路去往固体氧化物燃料电池电堆3的阴极通道301，一路去往燃烧重整换热器4的燃烧通道；第一三通换向阀F2为空气方向控制部件以控制去往燃烧重整换热器4的空气的方向，使其同一时间只能通入燃烧一通道403和燃烧二通道402中的一个，第二三通换向阀F3连接阳极通道302以控制阳极废气同一时间只能通入燃烧一通道403和燃烧二通道402中的一个。
所述的固体氧化物燃料电池***的优选实施例中，四通换向阀F4连接燃烧重整换热器4以控制燃烧通道的尾气方向，贫氧空气管路一端连接四通换向阀F4，另一端连接于空气换热器2与第一换热器10之间，二氧化碳/水管路一端连接四通换向阀F4，另一端连接第二换热器5，四通换向阀F4与第一三通换向阀F2、第二三通换向阀F3同时动作换向，使经过燃烧通道后的空气只能在贫氧空气管路中通过，阳极尾气燃烧后的产物只能在二氧化碳/水管路中通过。
所述的固体氧化物燃料电池***的优选实施例中，所述风机1的出口与所述空气换热器2的冷流体进口通过管路相连接，所述空气换热器2的冷流体出口与所述固体氧化物燃料电池电堆3的阴极通道301的进口、所述燃烧重整换热器4的燃烧通道进口通过管路相连接，所述空气换热器2的热流体进口与所述固体氧化物燃料电池电堆3的阴极通道301的出口通过管路相连接，所述空气换热器2的热流体出口与所述第一换热器10的热流体进口通过管路相连接。
所述的固体氧化物燃料电池***的优选实施例中，所述固体氧化物燃料电池电堆3的阳极通道302的进口与所述燃烧重整换热器4的重整通道401的出口通过管路相连接，所述固体氧化物燃料电池电堆3的阳极通道302的出口与所述燃烧重整换热器4的燃烧通道的进口通过管路及三通换向阀相连接。
所述的固体氧化物燃料电池***的优选实施例中，所述燃烧重整换热器4的重整通道401的进口与所述第二换热器5的冷流体出口通过管路相连接，所述燃烧重整换热器4的燃烧通道的出口与所述第一换热器10的热流体进口、所述第二换热器5的热流体进口通过管路和四通换向阀F4相连接，所述第二换热器5的热流体出口与所述冷凝器6的进口通过管路相连接，所述第二换热器5的冷流体进口与燃料供应的出口、所述第一换热器10的冷流体出口通过管路相连接，所述第一换热器10的热流体出口与所述蒸汽发生器9的热流体进口通过管路相连接，所述第一换热器10的冷流体进口与所述蒸汽发生器9的冷流体出口通过管路相连接，所述蒸汽发生器9的热流体出口与大气连通，所述蒸汽发生器9的冷流体进口与供水装置8的出口相连接，所述冷凝器冷凝水出口与供水装置的进口相连接。
在一个实施例中，固体氧化物燃料电池***包括风机1、空气换热器2、固体氧化物燃料电池电堆3(SOFCs)、燃烧重整换热器4、第二换热器5、冷凝器6、蒸汽发生器9、第一换热器10以及连接管路。其中，
风机1，其为***提供新鲜空气；
空气换热器2，其为空气与阴极尾气换热器，为空气进行加热；
固体氧化物燃料电池电堆3(SOFCs)，其为燃料与空气反应产生电能的场所；
燃烧重整换热器4，其为基于化学链循环燃烧设计的阳极废气燃烧和甲烷水蒸气重整的场所，包括燃烧通道和重整通道401；燃烧通道填充氧载体(MeyOx)，通道内交替通入新鲜热空气和阳极尾气，通入阳极尾气时发生以下反应：
4MeyOx+CH4→4MeyOx-1+2H2O+CO2
MeyOx+CO→MeyOx-1+CO2
MeyOx+H2→MeyOx-1+H2O
通入新鲜热热空气时发生以下反应：
4MeyOx-1+2O2→4MeyOx
重整通道401内发生燃料甲烷和水蒸气的重整反应，包括：
以上反应中，重整反应为吸热反应，而燃烧为放热反应，可充分利用燃烧反应放热对重整通道401进行加热；
第二换热器5，其为燃料和水蒸气进行加热；
冷凝器6，其为分离二氧化碳和水蒸气的场所；
蒸汽发生器9，其为液态水加热器，将液态水变为水蒸气的场所；
第一换热器10，其为水蒸气加热场所，提高水蒸气温度；
连接管路，其为连接***各部件的管路；
为了便于理解，以下所述中，热流体是指提供热量的高温一侧流体通路，冷流体是被加热低温一侧的流体通路。所述风机1出口与所述空气换热器2冷流体进口通过管路相连接，所述空气换热器2冷流体出口与所述SOFCs阴极通道进口和所述燃烧重整换热器4燃烧管路进口通过管路相连接，所述空气换热器2热流体进口与所述SOFCs阴极通道出口通过管路相连接，所述空气换热器2热流体出口与所述第一换热器10热流体进口通过管路相连接，所述SOFCs阴极通道进口与所述空气换热器2冷流体出口通过管路相连接，所述SOFCs阳极通道进口与所述燃烧重整换热器4重整通道401出口通过管路相连接，所述SOFCs阳极通道出口与所述燃烧重整换热器4燃烧通道进口通过管路和三通换向阀相连接，所述燃烧重整换热器4重整通道401进口与所述第二换热器5冷流体出口通过管路和三通阀相连接，所述燃烧重整换热器4燃烧通道出口与所述第一换热器10热流体进口、所述第二换热器5热流体进口通过管路和四通换向阀相连接，所述第二换热器5热流体出口与所述冷凝器6进口通过管路相连接，所述第二换热器5冷流体进口与燃料供应管道、所述第一换热器10冷流体出口通过管路相连接，所述冷凝器6冷凝水出口与供水装置8连接，所述冷凝器6气体出口与碳捕集装置连接，所述第一换热器10热流体出口与所述蒸汽发生器9热流体进口通过管路相连接，所述第一换热器10冷流体进口与所述蒸汽发生器9冷流体出口通过管路相连接，所述蒸汽发生器9热流体出口为大气环境，所述蒸汽发生器9冷流体进口与供水装置8相连接，所述燃烧重整换热器4分为重整通道401和燃烧通道，重整通道401布置在燃烧通道内外两侧，燃烧通道分为两部分，均填充氧载体。
在一个实施例中，固体氧化物燃料电池***包括，
风机1，其为***提供新鲜空气；
空气换热器2，其为空气与阴极尾气换热器，为空气进行加热；
固体氧化物燃料电池电堆(SOFCs)3，其为燃料与空气反应产生电能的场所；
燃烧重整换热器4，其为基于化学链循环燃烧设计的阳极废气燃烧和甲烷水蒸气重整的场所，利用燃烧反应放热对重整通道进行加热，提高***利用率；
第二换热器5，其为燃料和水蒸气进行加热，提升温度便于后续重整反应的场所；
冷凝器6，其为分离二氧化碳和水蒸气的场所；
蒸汽发生器9，其为液态水加热器，将液态水变为水蒸气的场所；
第一换热器10，其为水蒸气加热场所，提高水蒸气温度；
第一三通阀F1，将空气分为两路，一路去往SOFCs3阴极，一路去往燃烧重整换热器4的燃烧管路；
第一三通换向阀F2，其为空气方向控制部件，负责控制去往燃烧重整换热器4的空气的方向，使其同一时间只能通入燃烧一通道403和燃烧二通道402中的一个通路；
第二三通换向阀F3，其为阳极废气方向控制部件，负责控制阳极废气同一时间只能通入燃烧一通道403和燃烧二通道402中的一个通路；
四通换向阀F4，其为燃烧通道尾气方向控制部件，在与三通换向阀F2、F3同时动作换向，使空气只能在贫氧空气管路中通过，阳极尾气燃烧后的产物只能在二氧化碳/水管路中通过；
连接管路，其为连接***各部件的管路。
所述风机1出口与所述空气换热器2冷流体进口通过管路相连接；
所述空气换热器2冷流体出口与所述SOFCs 3阴极通道进口、所述燃烧重整换热器4的燃烧一通道403和燃烧二通道402进口通过管路相连接；
所述空气换热器2热流体进口与所述SOFCs 3阴极通道出口通过管路相连接；
所述空气换热器2热流体出口与所述第一换热器10热流体进口通过管路相连接；
所述SOFCs3阴极通道301进口与所述空气换热器2冷流体出口通过管路相连接，所述SOFCs3阴极通道301出口与所述空气换热器2热流体进口通过管路相连接，所述SOFCs3阳极通道302进口与所述燃烧重整换热器4重整通道401出口通过管路相连接，所述SOFCs3阳极通道302出口与所述燃烧重整换热器4的燃烧一通道403和燃烧二通道402进口通过管路和三通换向阀相连接；
所述燃烧重整换热器4重整通道401进口与所述第二换热器5冷流体出口通过管路相连接；
所述燃烧重整换热器4的燃烧一通道403和燃烧二通道402出口与所述第一换热器10热流体进口、所述第二换热器5热流体进口通过管路和四通换向阀F4相连接；
所述第二换热器5热流体出口与所述冷凝器6进口通过管路相连接；
所述第二换热器5冷流体进口与燃料供应装置7出口、所述第一换热器10冷流体出口通过管路相连接；
所述第一换热器10热流体出口与所述蒸汽发生器9热流体进口通过管路相连接，所述第一换热器10冷流体进口与所述蒸汽发生器9冷流体出口通过管路相连接；
所述蒸汽发生器9热流体出口与大气连通，所述蒸汽发生器9冷流体进口与供水装置8出口相连接；
所述燃烧重整换热器4分为重整通道401和燃烧通道，重整通道布置在燃烧通道内外两侧，燃烧通道分为两部分402和403，均填充氧载体；
所述一种基于化学链燃烧技术的固体氧化物燃料电池***及方法，其工作过程为，风机1输出的空气经过空气换热器加热后，分为两路(A1和A2)，A1管路连接SOFCs3阴极通道301进口，在阴极通道内空气中的氧气变为氧离子并透过氧透膜，反应如下：
0.5O2+2e-→O2-
与此同时，SOFCs3阳极通道302内含有CH4、H2、CO、CO2、H2O等成分，来源见下文描述，其中的H2、CO可与氧离子结合生成水、二氧化碳，并释放热量，此过程发生了电子转移，对外电路而言便产生了电能。阳极通道302内的反应如下：
H2+O2-→H2O+2e-
CO+O2-→CO2-2e-
此外，CO和H2O还会继续发生重整反应生成二氧化碳和水，反应如下：
A2管路连接燃烧重整换热器4燃烧通道，其中A2管路通过第一三通换向阀F2再次分为两路(A21和A22)，A21与燃烧一通道403相连接，A22与燃烧二通道402相连接，工作时，由第一三通换向阀F2控制A2中的空气同一时间只能通过A21和A22中的其中一条，即空气同一时间只能通过燃烧一通道403和燃烧二通道402中的其中一个，首先将空气沿A21通入403通道，A22空气通路关闭，此时空气中的氧气被氧载体活性组分(MeyOx-1)捕获，发生如下反应：
4MeyOx-1+2O2→4MeyOx
与此同时，阳极尾气AOG也由第二三通换向阀F3被分为两路，AOG1和AOG2，AOG1与燃烧一通道403相连接，AOG2与燃烧二通道402相连接，阳极尾气同一时间也只能通过AOG1和AOG2中的一条管路，当A21连接燃烧一通道403时，第二三通换向阀F3控制AOG2连接燃烧二通道402，AOG1管路关闭，阳极尾气含有CH4、H2、CO、CO2、H2O等成分，与捕获了空气中氧气的氧载体发生燃烧反应放出热量，其反应过程如下：
4MeyOx+CH4→4MeyOx-1+2H2O+CO2
MeyOx+CO→MeyOx-1+CO2
MeyOx+H2→MeyOx-1+H2O
当监测到燃烧一通道403通道氧载体还原利用率达到98％或燃烧二通道402通道氧载体氧化利用率达到98％时，三通换向阀F2和F3同时动作换向，改变空气和阳极尾气的流向，变为A21管路关闭，空气经A22流向燃烧二通道402，AOG2管路关闭，阳极废气经AOG1流向燃烧一通道403，重复以上过程，即可实现化学链循环燃烧。该方法可避免空气与阳极尾气直接接触，因此避免了高温下氮氧化物的生成。
由于燃烧重整换热器燃烧通路有两部分，且工作时两部分通入的是不同的气体，因此在尾部增设四通换向阀F4，当第一、二三通换向阀F2和F3动作换向时，四通换向阀F4同时动作换向，改变气体流向，如此将能保证进入贫氧空气管路的始终是经过燃烧通道后失去氧气的贫氧空气，而进入二氧化碳/水路的始终是阳极尾气经燃烧通道燃烧后的二氧化碳和水蒸气。
SOFCs3阴极通道301出口的废气同样为高温的贫氧空气，将其通入空气换热器2热流体通道，可为由风机1输出的空气加热，提升空气温度，之后与燃烧通道出来的贫氧空气混合，再次通入第一换热器10，为蒸发后的水蒸气进行加热，最后利用气体余温通入蒸汽发生器9后为液态水加热使其蒸发为水蒸气。
由燃烧一通道403和燃烧二通道402排出的燃烧产物为高温的二氧化碳和水蒸气，将其通入第二换热器5，为甲烷燃料和水蒸气加热，回收热能，便于后续重整反应的进行；最后通入冷凝器6，由于该管路二氧化碳和水蒸气为主要气体，只需进行冷凝便可将二氧化碳和水蒸气分离，分离后的二氧化碳重新去往碳捕集装置，同时冷凝后的水蒸气变为液态水，可继续作为水源回流到供水装置8并供给***。
甲烷作为燃料，要想参与反应，需要混合水蒸气后进行重整反应生成氢气，方可作为SOFCs阳极反应产物。水蒸气来源为液态水，液态水经过蒸汽发生器9后，吸收贫氧空气余热后蒸发为水蒸气，并经由第一换热器10、第二换热器5进一步被加热，与由第二换热器5加热后的甲烷混合，通入燃烧重整换热器4的重整通道401，发生重整反应，其反应如下：
重整反应后的产物通入SOFCs3的阳极通道302，其反应见前文表述，反应后的阳极尾气则如前所述继续参与***的能量利用，最终由SOFCs3输出电能。如此，整个***循环便建立完成。
所述的固体氧化物燃料电池***的工作方法包括以下步骤，
风机1提供的空气经过空气换热器2加热后，分为空气一路和空气二路，空气一路连接固体氧化物燃料电池电堆3的阴极通道301的进口，空气二路经第一三通换向阀再次分为空气二一路和空气二二路，其中空气二一路连接燃烧一通道403，空气二二路连接燃烧二通道402，燃烧重整换热器4的燃烧通道进口与固体氧化物燃料电池电堆3的阳极通道302出口相连接，阳极废气排出后经第二三通换向阀分为尾气一路和尾气二路，尾气一路和燃烧一通道403连接，尾气二路和燃烧二通道402连接，燃烧一、二通道出口经四通换向阀与贫氧空气管路和二氧化碳/水管路连接；
工作时，第一三通换向阀控制空气经空气二一路流入燃烧一通道403，第二三通换向阀控制尾气经尾气二路流入燃烧二通道402，四通换向阀使燃烧一通道403出口与贫氧空气管路连接，燃烧二通道402与二氧化碳/水管路连接，在氧载体的氧化利用率或还原利用率达到预定阈值时，第一三通换向阀、第二三通换向阀和四通换向阀同时动作换向，使第二三通换向阀控制尾气经尾气一路流入燃烧一通道403，第一三通换向阀控制空气经空气二二路流入燃烧二通道402，四通换向阀控制燃烧一通道403出口与二氧化碳/水管路连接、燃烧二通道402出口与贫氧空气管路连接，同样在检测到氧载体的氧化利用率或还原利用率达到预定阈值时，第一三通换向阀、第二三通换向阀和四通换向阀同时动作换向，如此交替，控制空气和尾气在燃烧一通道403、燃烧二通道402内交替循环通过，而尾气燃烧后的产物始终能经二氧化碳/水管路到达第二换热器5为水蒸气和燃料加热，之后通入到冷凝器6分离水和二氧化碳，水被冷凝后经过冷凝水管路重新回到供水装置8，被分离出的二氧化碳则去往碳捕集装置进行后续的处理；
空气经过与氧载体反应后的贫氧空气始终能经过贫氧空气管路流向第一换热器10和蒸汽发生器9，固体氧化物燃料电池电堆3的阴极通道301尾气流向空气换热器2为空气加热，之后的阴极尾气与贫氧空气管路混合，通入第一换热器10为水蒸气加热，之后的混合气再通入蒸汽发生器9对液态水加热，使其蒸发为水蒸气，离开蒸汽发生器9后的混合气排入大气，液态水经蒸汽发生器9加热蒸发后经第一换热器10进一步加热，之后与燃料一起通入第二换热器5一起被加热，混合后通入燃烧重整换热器4的重整通道401进行重整反应，反应后的产物作为燃料经过管路进入固体氧化物燃料电池电堆3的阳极通道302进一步反应，输出电能，反应后的阳极尾气继续参与***的能量利用。
在一个优选实施方式中，工作方法包括，
空气经过空气换热器加热后，分为空气一路(A1)和空气二路(A2)，A1连接SOFCs阴极通道301进口，A2通过第一三通换向阀F2再次分为两路，空气二一路(A21)和空气二二路(A22)，其中A21连接燃烧重整换热器燃烧通道的燃烧一通道403，A22连接燃烧重整换热器燃烧通道的燃烧二通道402，SOFCs阳极通道302出口的阳极废气排出后经第二三通换向阀F3分为两路(尾气一路AOG1和尾气二路AOG2)，尾气一路AOG1和燃烧一通道403连接，尾气二路AOG2和燃烧二通道402连接，燃烧一、二通道出口经四通换向阀F4与贫氧空气管路和二氧化碳/水管路连接，工作时，第一三通换向阀F2控制空气经空气二一路A21流入燃烧一通道403，第二三通换向阀F3控制尾气经尾气二路AOG2流入燃烧二通道402，四通换向阀使燃烧一通道403出口与贫氧空气管路连接，燃烧二通道402与二氧化碳/水管路连接，在氧载体的氧化利用率或还原利用率达到98％时，第一、第二三通换向阀(F2和F3)和四通换向阀F4同时动作换向，使第二三通换向阀F3控制尾气经尾气一路AOG1流入燃烧一通道403，第一三通换向阀F2控制空气经空气二二路A22流入燃烧二通道，四通换向阀控制燃烧一通道403出口与二氧化碳/水管路连接、燃烧二通道402出口与贫氧空气管路连接，同样在氧载体的氧化利用率或还原利用率达到98％时，F2、F3和F4再次同时动作换向，如此交替，控制空气和尾气在燃烧一、二通道内交替循环通过，而尾气燃烧后的产物始终能经二氧化碳/水管路到达第二换热器5为水蒸气和甲烷加热，之后通入到冷凝器6分离水和二氧化碳，水被冷凝重新回到液态水供水装置8中，被分离出的二氧化碳则去往碳捕集装置进行后续的处理，空气经过与氧载体反应后的贫氧空气始终能经过贫氧空气管路流向第一换热器10和蒸汽发生器9，SOFCs阴极尾气流向空气换热器2，为空气加热，之后的阴极尾气与贫氧空气管路混合，通入第一换热器10为水蒸气加热，之后再通入蒸汽发生器9对液态水加热，使其蒸发为水蒸气，离开蒸汽发生器9后的混合气排入大气，液态水经蒸汽发生器9加热蒸发后经第一换热器10进一步加热，之后与甲烷一起通入第二换热器5一起被加热，混合后经三通阀F5通入燃烧重整换热器4的重整通道401进行重整反应，反应后的产物作为燃料经过管路进入SOFCs阳极通道302进一步反应，输出电能，反应后的阳极尾气则如前所述继续参与***的能量利用。
尽管以上结合附图对本发明的实施方案进行了描述，但本发明并不局限于上述的具体实施方案和应用领域，上述的具体实施方案仅仅是示意性的、指导性的，而不是限制性的。本领域的普通技术人员在本说明书的启示下和在不脱离本发明权利要求所保护的范围的情况下，还可以做出很多种的形式，这些均属于本发明保护之列。

Claims (10)

1.一种固体氧化物燃料电池***，其特征在于，其包括，
固体氧化物燃料电池电堆，其基于燃料与空气反应产生电能，所述固体氧化物燃料电池电堆包括阴极通道和阳极通道；
风机，其为固体氧化物燃料电池***提供空气；
空气换热器，其连通所述风机和阴极通道以利用来自阴极通道的尾气加热空气；
蒸汽发生器，其将来自供水装置的液态水变为水蒸气；
第一换热器，其连接所述蒸汽发生器和空气换热器以利用来自空气换热器的尾气加热所述水蒸气；
燃烧重整换热器，其利用化学链循环燃烧放热对重整通道进行加热，燃烧重整换热器包括发生吸热的重整反应的重整通道和填充氧载体且发生放热的化学链循环燃烧反应的燃烧通道，燃烧通道连接空气换热器和阳极通道以交替通入加热的空气和阳极尾气；
第二换热器，其连接所述重整通道、燃烧通道、燃料供应装置和第一换热器以加热来自燃料供应装置燃料和来自第一换热器的水蒸气并输入重整通道，所述燃料和水蒸气重整反应后的产物作为燃料进入所述阳极通道反应生成阳极尾气；
冷凝器，其连接第二换热器以分离二氧化碳和水。
2.根据权利要求1所述的固体氧化物燃料电池***，其特征在于，优选的，燃烧重整换热器的燃烧通道包括燃烧一通道和燃烧二通道，工作时，燃烧一通道和燃烧二通道中一个通入加热的空气，另一个通入阳极尾气，空气通入后将氧载体氧化，阳极尾气通过燃烧将氧载体还原且还原反应殆尽时将燃烧一通道和燃烧二通道的空气及阳极尾气对调以实现化学链循环燃烧。
3.根据权利要求2所述的固体氧化物燃料电池***，其特征在于，所述燃烧重整换热器包括位于内侧和外侧的重整通道以及位于内侧和外侧的重整通道之间的燃烧通道。
4.根据权利要求2所述的固体氧化物燃料电池***，其特征在于，所述燃烧重整换热器为圆筒状结构，内侧的重整通道位于轴心位置，外侧的重整通道位于圆筒状结构周缘，内侧的重整通道和外侧的重整通道之间设有均匀分布的燃烧一通道和燃烧二通道。
5.根据权利要求2所述的固体氧化物燃料电池***，其特征在于，第一三通阀F1连接空气换热器将被加热后的空气分为两路，一路去往固体氧化物燃料电池电堆的阴极通道，一路去往燃烧重整换热器的燃烧通道；第一三通换向阀F2为空气方向控制部件以控制去往燃烧重整换热器的空气的方向，使其同一时间只能通入燃烧一通道和燃烧二通道中的一个，第二三通换向阀F3连接阳极通道以控制阳极废气同一时间只能通入燃烧一通道和燃烧二通道中的一个。
6.根据权利要求5所述的固体氧化物燃料电池***，其特征在于，
四通换向阀F4连接燃烧重整换热器以控制燃烧通道的尾气方向，贫氧空气管路一端连接四通换向阀F4，另一端连接于空气换热器与第一换热器之间，二氧化碳/水管路一端连接四通换向阀F4，另一端连接第二换热器，四通换向阀F4与第一三通换向阀F2、第二三通换向阀F3同时动作换向，使经过燃烧一通道或燃烧二通道后的空气只能在贫氧空气管路中通过，阳极尾气燃烧后的产物只能在二氧化碳/水管路中通过。
7.根据权利要求1所述的固体氧化物燃料电池***，其特征在于，所述风机的出口与所述空气换热器的冷流体进口通过管路相连接，所述空气换热器的冷流体出口与所述固体氧化物燃料电池电堆的阴极通道的进口、所述燃烧重整换热器的燃烧通道进口通过管路相连接，所述空气换热器的热流体进口与所述固体氧化物燃料电池电堆的阴极通道的出口通过管路相连接，所述空气换热器的热流体出口与所述第一换热器的热流体进口通过管路相连接。
8.根据权利要求1所述的固体氧化物燃料电池***，其特征在于，所述固体氧化物燃料电池电堆的阳极通道的进口与所述燃烧重整换热器的重整通道的出口通过管路相连接，所述固体氧化物燃料电池电堆的阳极通道的出口与所述燃烧重整换热器的燃烧通道的进口通过管路及三通换向阀相连接。
9.根据权利要求1所述的固体氧化物燃料电池***，其特征在于，所述燃烧重整换热器的重整通道的进口与所述第二换热器的冷流体出口通过管路相连接，所述燃烧重整换热器的燃烧通道的出口与所述第一换热器的热流体进口、所述第二换热器的热流体进口通过管路和四通换向阀F4相连接，所述第二换热器的热流体出口与所述冷凝器的进口通过管路相连接，所述第二换热器的冷流体进口与燃料供应的出口、所述第一换热器的冷流体出口通过管路相连接，所述第一换热器的热流体出口与所述蒸汽发生器的热流体进口通过管路相连接，所述第一换热器的冷流体进口与所述蒸汽发生器的冷流体出口通过管路相连接，所述蒸汽发生器的热流体出口与大气连通，所述蒸汽发生器的冷流体进口与供水装置的出口相连接，所述冷凝器冷凝水出口与供水装置的进口相连接。
10.根据权利要求1-9中任一项所述的固体氧化物燃料电池***的工作方法，其特征在于，其包括以下步骤，
风机提供的空气经过空气换热器加热后，分为空气一路和空气二路，空气一路连接固体氧化物燃料电池电堆的阴极通道的进口，空气二路经第一三通换向阀再次分为空气二一路和空气二二路，其中空气二一路连接燃烧一通道，空气二二路连接燃烧二通道，燃烧重整换热器的燃烧通道进口与固体氧化物燃料电池电堆的阳极通道出口相连接，阳极废气排出后经第二三通换向阀分为尾气一路和尾气二路，尾气一路和燃烧一通道连接，尾气二路和燃烧二通道连接，燃烧一、二通道出口经四通换向阀与贫氧空气管路和二氧化碳/水管路连接；
工作时，第一三通换向阀控制空气经空气二一路流入燃烧一通道，第二三通换向阀控制尾气经尾气二路流入燃烧二通道，四通换向阀使燃烧一通道出口与贫氧空气管路连接，燃烧二通道与二氧化碳/水管路连接，在氧载体的氧化利用率或还原利用率达到预定阈值时，第一三通换向阀、第二三通换向阀和四通换向阀同时动作换向，使第二三通换向阀控制尾气经尾气一路流入燃烧一通道，第一三通换向阀控制空气经空气二二路流入燃烧二通道，四通换向阀控制燃烧一通道出口与二氧化碳/水管路连接、燃烧二通道出口与贫氧空气管路连接，同样在检测到氧载体的氧化利用率或还原利用率达到预定阈值时，第一三通换向阀、第二三通换向阀和四通换向阀同时动作换向，如此交替，控制空气和尾气在燃烧一通道、燃烧二通道内交替循环通过，而尾气燃烧后的产物始终能经二氧化碳/水管路到达第二换热器为水蒸气和燃料加热，之后通入到冷凝器分离水和二氧化碳，水被冷凝后经过冷凝水管路重新回到供水装置，被分离出的二氧化碳则去往碳捕集装置进行后续的处理；
空气经过与氧载体反应后的贫氧空气始终能经过贫氧空气管路流向第一换热器和蒸汽发生器，固体氧化物燃料电池电堆的阴极通道尾气流向空气换热器为空气加热，之后的阴极尾气与贫氧空气管路混合，通入第一换热器为水蒸气加热，之后的混合气再通入蒸汽发生器对液态水加热，使其蒸发为水蒸气，离开蒸汽发生器后的混合气排入大气，液态水经蒸汽发生器加热蒸发后经第一换热器进一步加热，之后与燃料一起通入第二换热器一起被加热，混合后通入燃烧重整换热器的重整通道进行重整反应，反应后的产物作为燃料经过管路进入固体氧化物燃料电池电堆的阳极通道进一步反应，输出电能，反应后的阳极尾气继续参与***的能量利用。
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