固体氧化物燃料电池发电系统及其重整程度控制方法与流程

本发明属于固体氧化物燃料电池发电系统，尤指一种固体氧化物燃料电池发电系统及其重整程度控制方法。

背景技术：

1、固体氧化物燃料电池(solid oxide fuel cell，sofc)发电系统具有高燃料利用率、高发电效率、低衰减率等优点。当前，sofc发电系统的主要燃料为天然气，通过天然气部分预重整后产生的h2、co、co2、ch4、h2o等混合物经升温后进电堆发电。由于，目前开发的电堆主要是面向天然气的，电堆通常也特定要求使用天然气为燃料，对其他燃料的兼容性相对较差。除电堆结构适应不要其他燃料的流量、组分、热值外，重整器里催化剂的性质也较难满足不同燃料的预重整需求。因此，当燃料为非天然气如柴油、石油气等时，需重新配置重整器，以提升其他燃料(尤指长碳链燃料)的适用性。

2、内重整sofc对阳极进口物料及重整气的组成及范围有一定要求，通过控制重整温度和水碳比等参数控制重整程度，以满足电堆对重整气的物料要求，重整器设计及其重整程度控制能力是影响电堆性能的关键；也是sofc能否较好适应其他燃料特别是长碳链燃料如煤油、柴油的关键。以sofc使用煤油为例，重整器出口氢气浓度过高的会导致电堆内部产热过多，电堆温度超过上限引起材料蠕变性能衰减；而氢气浓度过低则会导致电堆内重整量过多，电堆内部温度降低过多，进而影响燃料利用率，导致发电效率降低。此外，对长碳链燃料的重整来说，还要关注c2及以上成分不能超限，否则易引起电堆及系统积碳。

技术实现思路

1、在一方面，本发明提供一种内重整固体氧化物燃料电池发电系统，能够较好的适应其他燃料特别是长碳链燃料如煤油、柴油，拓展了燃料电池的应用场景。

2、为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

3、一种内重整固体氧化物燃料电池发电系统，包括：

4、物料供应单元，所述物料供应单元包括燃料供应组件和水蒸气供应组件；

5、物料重整单元，所述物料重整单元包括依次连接的油水混合装置、一段重整器及二段重整器，所述油水混合装置分别与所述燃料供应组件和所述水蒸气供应组件连接，所述一段重整器用于将燃料转化为富甲烷气，所述二段重整器用于将所述富甲烷气转化为富氢气；

6、热管理单元，所述热管理单元包括重整气预热器，所述重整气预热器与所述二段重整器连接；

7、电堆，所述电堆的阳极气入口与所述重整器预热器连接。

8、一些技术方案中，所述热管理单元还包括水蒸发器和水蒸气过热器；

9、所述水蒸气供应组件包括去离子水箱和计量水泵，所述计量水泵的一端与所述去离子水箱连接，所述计量水泵的另一端与所述水蒸发器连接，所述水蒸发器、所述水蒸气过热器及所述油水混合装置依次通过管路和接头连接，以将预设温度的水蒸气输入至所述油水混合装置内。

10、一些技术方案中，所述热管理单元还包括燃料蒸发器，

11、所述燃料供应组件包括燃料储罐、计量油泵及除硫装置，所述燃料储罐依次通过所述计量油泵、所述除硫装置与所述燃料蒸发器连接，所述计量油泵抽出的燃油依次经所述除硫装置去除硫分、所述燃料蒸发器制备成燃油蒸气后输入至所述油水混合装置内。

12、一些技术方案中，所述一段重整器设有一段电加热器，以将高碳链的燃油转化为c1组分；所述二段重整器设有二段电加热器，以实现部分甲烷重整制氢，所述二段重整器出口的组分中的c2及以上成分低于电堆忍受值。

13、一些技术方案中，所述物料重整单元还包括温度检测组件，所述温度检测组件包括设于一段重整器出口位置的一段温度传感器；及设于二段重整器出口位置的二段温度传感器。

14、另一方面，本发明进一步提供一种内重整固体氧化物燃料电池发电系统的重整程度的控制方法，具有重整率可控、系统效率高、燃料适应性好等特点。

15、为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

16、一种内重整固体氧化物燃料电池发电系统的重整程度的控制方法，所述控制方法为在特定的燃料流量下，通过调节水流量改变输入至各重整器内的水碳比s/c，通过调节所述一段电加热器和所述二段电加热器的功率改变一段重整器出口温度t1和二段重整器出口温度t2，进而实现对重整程度的控制，以满足电堆对阳极气入口组分的需求。

17、一些技术方案中，所述的对重整程度的控制包括对重整程度进行预测的步骤，涉及式1～式5所给出的各重整器出口重整气各组分的摩尔浓度预测公式：

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20、

21、

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23、其中，燃料流量和燃料的额定流量的单位为ml/min，一段重整器出口温度t1、二段重整器出口温度t2、一段重整器反应温度t1c和二段重整器反应温度t2c的单位为℃，其他参数为无量纲参数。

24、一些技术方案中，式1～式5所给出的重整气各组分的摩尔浓度预测公式，其形式和具体公式中的数值是通过催化重整机理对各参数的敏感性分析以及重整参数标定试验获得，所述重整参数标定试验包含4个可变参数：燃料流量水碳比s/c、一段重整器出口温度t1及二段重整器出口温度t2，所述重整参数标定试验采用正交试验法，4个可变参数至少应有3个以上变量，式中各参数通过试验结果进行回归分析确定。

25、一些技术方案中，式1～式5中燃料的额定流量通过试验获得，在系统额定运行工况参数下，当燃料流量超过该流量时，燃料重整器出口的重整气中甲烷摩尔分数高于电堆可接受上限或重整气中c2及以上摩尔浓度超过1ppm；和/或，

26、式1～式5中燃料流量和水流量满足物料中水碳比s/c在1.8～3的范围内；和/或，

27、式1～式5中一段重整器反应温度t1c依据一段重整器选择的以裂解功能为主的催化剂的性质进行确定，二段重整器反应温度t2c依据二段重整器选择的以重整制氢功能为主的催化剂的性质进行确定。

28、一些技术方案中，所述的对重整程度的控制还包括基于重整程度的预测结果进行组分浓度调节的步骤，当重整气中的氢气浓度低于预期，则通过提高二段重整器出口温度t2、降低一段重整器出口温度t1和/或降低水碳比s/c进行调节；当重整气中甲烷浓度偏高，则通过提高一段重整器出口温度t1、二段重整器出口温度t2和/或提高水碳比s/c进行调节。

29、本发明采用以上技术方案至少具有如下的有益效果：

30、1.本发明提出一种内重整固体氧化物燃料电池发电系统，采用二段式重整反应，通过一段重整器将大部分燃料由高碳链裂解为甲烷及微量其它低碳链燃料，并通过二段重整器将一段重整器出口产物部分重整为氢气，进而满足电堆对进口阳极气的要求，该sofc能够较好适应其他燃料特别是长碳链燃料如煤油、柴油，拓展了燃料电池的应用场景；

31、2.本发明提供一种内重整固体氧化物燃料电池发电系统，该系统能够在原天然气sofc系统的基础上进行简单改进，无需重新设计电堆甚至系统框架，仅增加燃料储罐、计量油泵、燃料蒸发器、油水混合装置以及对重整器进行改进，增加燃料预转化功能段，即可实现长碳链燃料发电功能，其改动成本低廉；

32、3.本发明提供一种内重整固体氧化物燃料电池发电系统的重整程度的控制方法，其在特定的燃料流量下，通过调节水流量改变输入至各重整器内的水碳比s/c，通过调节一段电加热器和二段电加热器的功率改变一段重整器出口温度t1和二段重整器出口温度t2，进而实现对重整程度的控制，以满足电堆对阳极气入口组分的需求；

33、4.本发明提供一种内重整固体氧化物燃料电池发电系统的重整程度的控制方法，其依据催化重整机理对各参数的敏感性分析以及重整参数标定试验设计出重整器出口重整气各组分的摩尔分数的预测公式，能够实时显示当前工况下重整器出口重整气中各组分的浓度；

34、5.本发明提供一种内重整固体氧化物燃料电池发电系统的重整程度的控制方法，其基于重整程度的预测结果进行组分浓度调节，当重整气中的氢气浓度低于预期，则通过提高二段重整器出口温度t2、降低一段重整器出口温度t1和/或降低水碳比s/c进行调节；当重整气中甲烷浓度偏高，则通过提高一段重整器出口温度t1、二段重整器出口温度t2和/或提高水碳比s/c进行调节。