[发明专利]一种固体氧化物燃料电池系统的重整器测试装置与方法

说明书

本公开公开了一种固体氧化物燃料电池系统的重整器测试装置，包括重整器、蒸汽发生器、电加热器、换热器、燃烧器、水冷装置和气相色谱仪；重整器的空气入口连接电加热器的出口，重整器的燃气入口连接蒸汽发生器的出口；电加热器的入口与蒸汽发生器的出口连接，蒸汽发生器与电加热器和重整器之间均设置开关；重整器的空气出口连接水冷装置的入口，重整器的燃气出口连接换热器的燃气入口；换热器的燃气出口连接燃烧器的燃气入口，燃烧器的出口连接水冷装置的入口；换热器的燃气出口还连接气相色谱仪；本公开普遍适用于固体氧化物燃料电池系统重整器的测试，可以测试部分氧化重整器和蒸汽重整器的重整特性、可靠性等方面。

技术领域

本公开属于固体氧化物燃料电池技术领域，尤其涉及一种固体氧化物燃料电池系统的重整器测试装置与方法。

背景技术

固体氧化物燃料电池(SOFC)是第三代高温燃料电池，可利用电化学过程将燃料中的化学能直接转化为电能，减少中间的能量损耗，是一种清洁高效的发电设备，其工作温度在600-1000℃，具有效率高、可靠性强、模块化、燃料适应性强、低排放和噪音低等优点；SOFC系统应用的关键是使用一种合适的燃料，使SOFC长期稳定高效的运行；氢气(H₂)是最适合SOFC系统的燃料，可以使固体氧化物燃料电池系统效率最高，但目前氢气在制备、储存与运输中都存在困难，而且采用其他燃料会降低SOFC系统的效率，因此在SOFC系统中采用重整器对天然气、水煤气等燃料进行预重整使其转换为氢气，提高效率。

燃料电池燃料的重整分为发生在燃料电池内部，具体是在阳极催化剂的表面的内部重整和通过重整器利用热量，结合催化剂和水蒸气将氢载体燃料分解成氢气的外部重整；固体氧化物燃料电池最适宜的燃料是氢气，但内部重整会占用催化剂反应位点，降低阳极的电化学速率，因此外部重整对于提高燃料电池的效率更加有利；固体氧化物燃料电池系统中常用的重整方法是催化部分氧化重整(CPOX)和水蒸汽重整(SR)；水蒸气重整反应活性强，添加水蒸气使催化剂积碳较少，但其为强吸热反应，额外的热量补给导致较高的能耗和成本，且系统中要添加蒸汽发生装置供给水蒸气，增加了系统的能耗和复杂程度；催化部分氧化重整是在催化剂的作用下进行的部分氧化反应，反应温度为500-900℃，反应是弱放热反应，反应条件相对温和，可以实现启动后热量的自维持运行，能耗和成本费用相对较低，系统复杂程度较低。部分氧化重整可以使用多种碳氢燃料作为反应原料气，但其催化剂的积碳程度比水蒸气重整严重，长期稳定性受到影响。

重整器是SOFC燃料处理系统的关键部件，安装在SOFC电堆之前，预热后通入燃料、空气或水蒸汽进行反应产生重整气通入电堆；以甲烷(甲烷)作燃料为例，部分氧化重整器通常采用电加热的方式进行预热，经N₂吹扫后甲烷和空气经过混合在催化剂载体上进行重整，产生H₂和CO等气体，由于催化部分氧化是放热反应，所以需要对重整器的气体进行换热降温。蒸汽重整器需要接入蒸汽发生器来提供水蒸气并加热原料气，在重整器中进行水蒸气重整反应，反应时吸热反应，不需要换热降温；水蒸气重整器也需要N₂吹扫，防止原料气在管路中提前发生反应。

重整器作为固体氧化物燃料电池系统的燃料预处理装置，决定了燃料处理的质量和效率，SOFC是能量转换装置，决定了系统的输出功率和发电效率，重整器和固体氧化物燃料电池系统相互耦合，相互影响；目前对于重整器的研究已经取得很多进展，但距离广泛应用还有较大距离，一方面在于成本较高，另一方面即是性能上的不足，所以对于固体氧化物燃料电池系统的重整器来说，重整器的特性、可靠性、重整效率以及匹配性都是必不可少的研究内容，如不同入口温度下、不同入口氧/碳比下重整器的重整效率、氢气、CO选择性等。