一种基于沼气的固体氧化物燃料电池系统的制作方法

本实用新型涉及领域燃料电池领域，尤其涉及一种基于沼气的固体氧化物燃料电池系统。

背景技术：

沼气为有机物在厌氧条件下由微生物发酵而制备的一种富含甲烷的燃料气体，经过净化脱碳等处理后可得到高纯甲烷的生物天然气。沼气具有多种用途，可以用于化工合成、燃烧发电、居民用气等。近来，研究人员提出将其经过净化、重整等处理后作为燃料电池的燃料，构建基于沼气燃料的燃料电池分布式发电系统。沼气作为质子交换膜燃料电池的燃料需要经过复杂的燃料净化、脱碳、重整、变换反应制备纯氢的工艺，会使得整体工艺较为复杂。而固体氧化燃料电池(SOFC)可以直接采用经过净化后的沼气作为燃料，从而简化了燃料气体的处理工艺。目前以沼气为燃料的固体氧化物燃料电池系统存在发电效率及能量利用效率较低、整体系统工艺复杂、系统配置不甚合理和系统模型的研究及构建仍然相对欠缺等问题。

专利CN2017382059.5公开了一种基于能源互联网的沼气燃料电池系统及其运行策略，但该专利中的电池系统的水资源由外部接入，使得系统工艺复杂化、耗能并浪费水资源。此外，现有的基于沼气的SOFC中还存在以下以下问题：重整器只依靠沼气及水蒸气预热后携带的能量是不能实现自热维持的，需要外加能量来维持强吸热的重整反应；无脱碳单元会提高燃料气的C/H、 C/O比值，从而提高积碳风险；水蒸气无过热处理会降低重整反应器的温度及水蒸气在管线中的温度迅速降低及潜在的冷凝问题。

因此亟需一种新型的沼气燃料的固体氧化物燃料电池系统。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于提供一种基于沼气的固体氧化物燃料电池系统，来解决以上问题。

为达此目的，本实用新型采用以下技术方案：

一种基于沼气的固体氧化物燃料电池系统，包括燃料电池、沼气组件、烟气组件、水组件和空气组件，所述沼气组件包括沼气源、沼气换热器和用于将沼气和水进行重整反应的沼气重整器，所述沼气源的出气口连接所述沼气换热器的沼气进口，所述沼气换热器的沼气出口连接所述沼气重整器的沼气进口，所述沼气重整器的重整气出口连接所述燃料电池的阳极；

所述空气组件包括空气源和空气换热器；所述空气源的出气口连接所述空气换热器的空气进口，所述空气换热器的空气出口连接所述燃料电池的阴极；

所述水组件包括用于将烟气中的气态水冷凝为液态水的烟气冷凝器，和水换热器；所述烟气冷凝器的冷凝水出口连接所述水换热器的水进口，所述水换热器的水出口连接所述沼气重整器的水进口；

所述烟气组件包括用于燃烧可燃气体产生烟气的燃烧器；所述燃料电池、沼气源和空气源的出气口均连接所述燃烧器的进气口，所述燃烧器的烟气出口分别连接所述沼气重整器、沼气换热器、空气换热器、水换热器和烟气冷凝器的烟气进口。

可选的，所述沼气组件还包括沼气处理单元、沼气流量计和沼气三通阀；所述沼气源的排气口连接所述沼气处理单元的沼气进口，所述沼气处理单元的沼气出口通过所述沼气流量计连接所述沼气三通阀的沼气进口；

所述沼气三通阀的第一沼气出口连接所述沼气换热器的沼气进口，所述沼气三通阀的第二沼气出口连接所述燃烧器的进气口；

所述燃烧器的烟气出口连接所述沼气重整器的烟气进口，所述沼气重整器的烟气出口连接所述沼气换热器的烟气进口。

可选的，所述空气组件还包括空气处理单元、空气流量计和空气三通阀；所述空气源的排气口连接所述空气处理单元的空气进口，所述空气处理单元的空气出口通过所述空气流量计连接所述空气三通阀的空气进口；

所述空气三通阀的第一空气出口连接所述空气换热器的空气进口，所述空气三通阀的第二空气出口连接所述燃烧器的进气口。

可选的，所述水组件还包括水处理单元和水流量计；所述烟气冷凝器的冷凝水出口连接所述水处理单元的水进口，所述水处理单元的水出口通过所述水流量计连接所述水换热器的水进口；

所述沼气换热器和所述空气换热器的烟气出口连接所述水换热器的烟气进口，所述水换热器的烟气出口连接所述烟气冷凝器的烟气进口。

可选的，所述沼气换热器包括互相毗邻的沼气预热流道和沼气烟气流道，所述沼气预热流道和所述沼气烟气流道之间发生热量交换；所述沼气重整器包括互相毗邻的重整反应流道和重整烟气流道，所述重整反应流道和所述重整烟气流道之间发生热量交换；

所述沼气三通阀的第一沼气出口连接所述沼气预热流道的沼气进口，所述沼气预热流道的沼气出口连接所述重整反应流道的沼气进口，所述重整反应流道的重整气出口连接所述燃料电池的阳极；

所述燃烧器的烟气出口连接所述重整烟气流道的烟气进口，所述重整烟气流道的烟气出口连接所述沼气烟气流道的烟气进口。

可选的，所述空气换热器包括互相毗邻的空气预热流道和空气烟气流道，所述空气预热流道和所述空气烟气流道之间发生热量交换；

所述空气三通阀的第一空气出口连接所述空气预热流道的空气进口，所述空气预热流道的空气出口连接所述燃料电池的阴极；所述燃烧器的烟气出口连接所述空气烟气流道的烟气进口。

可选的，所述烟气冷凝器包括互相毗邻的烟气冷凝流道和生活用水流道，所述烟气冷凝流道和所述生活用水流道之间发生热量交换；所述水换热器包括互相毗邻水预热流道和水烟气流道，所述水预热流道和所述水烟气流道之间发生热量交换；

所述空气烟气流道和所述沼气烟气流道的烟气出口均连接所述水烟气流道的烟气进口，所述水烟气流道的烟气出口连接所述烟气冷凝流道的烟气进口；所述烟气冷凝流道的冷凝水出口连接所述水预热流道的水进口，所述水预热流道的水出口连接所述重整反应流道的水进口；所述烟气冷凝流道的烟气出口排空。

可选的，所述烟气组件还包括烟气四通阀，所述烟气四通阀的烟气进口连接所述燃烧器的烟气出口；

所述烟气四通阀的第一烟气出口通过第一烟气流量计连接所述重整烟气流道的烟气进口；所述烟气四通阀的第二烟气出口通过第二烟气流量计连接所述空气烟气流道的烟气进口；所述烟气四通阀的第三烟气出口通过备用烟气流道排空。

可选的，所述沼气处理单元包括依次连接的净化器、脱碳器和压缩机；所述空气处理单元包括依次连接的过滤器和空压机；所述水处理单元包括水泵。

可选的，所述燃料电池电连接所述压缩机、水泵和空压机。

与现有技术相比，本实用新型具有以下有益效果：

本实用新型提供的基于沼气的固体氧化物燃料电池系统，将燃料电池的排气再次燃烧生成烟气，利用烟气冷凝器将烟气中的气态水转化为液态水进行回用，节约了水资源；利用烟气为沼气换热器、沼气重整器、空气换热器、水换热器提供热量，节约了能源。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为本实用新型实施例提供的的固体氧化物燃料电池系统的基本结构示意图。

图2为本实用新型实施例提供的的固体氧化物燃料电池系统的结构示意图。

图示说明：10、燃料电池；11、阳极；12、阴极；21、沼气源；22、沼气换热器；221、沼气预热流道；222、沼气烟气流道；23、沼气重整器；231、重整反应流道；232、重整烟气流道；24、净化器；25、脱碳器；26、压缩机； 27、沼气流量计；28、沼气三通阀；31、烟气冷凝器；311、烟气冷凝流道； 312、生活用水流道；32、水换热器；321、水预热流道；322、水烟气流道；33、水泵；34、水流量计；41、空气源；42、空气换热器；421、空气预热流道；422、空气烟气流道；43、过滤器；44、空压机；45、空气流量计；46、空气三通阀；51、燃烧器；52、烟气四通阀；53、第一烟气流量计；54、第二烟气流量计。

具体实施方式

为使得本实用新型的实用新型目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，下面所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而非全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本实用新型保护的范围。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。需要说明的是，当一个组件被认为是“连接”另一个组件，它可以是直接连接到另一个组件或者可能同时存在居中设置的组件。

下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本实用新型的技术方案。

请参考图1，一种基于沼气的固体氧化物燃料电池系统，包括燃料电池 10、沼气组件、烟气组件、水组件和空气组件。图中的实线表示沼气或者沼气经过重整反应生成的重整气，短线“——”表示烟气，点线“···”表示水，点短线“·—·—”表示空气。

沼气组件包括沼气源21、沼气换热器22和用于将沼气和水进行重整反应的沼气重整器23，沼气源21的排气口连接沼气换热器22的沼气进口，沼气换热器22的沼气出口连接沼气重整器23的沼气进口，沼气重整器23的重整气出口连接燃料电池10的阳极11。沼气和水经过重整反应转变为富含一氧化碳和氢气的燃料气，燃料气进入燃料电池10的阳极11。

空气组件包括空气源41和空气换热器42，空气源41的排气口连接空气换热器42的空气进口，空气换热器42的空气出口连接燃料电池10的阴极12。空气经过空气换热器42预热后进入燃料电池10的阴极12。

水组件包括用于将烟气中的气态水冷凝为液态水的烟气冷凝器31，和水换热器32。烟气冷凝器31的冷凝水出口连接水换热器32的水进口，水换热器32的水出口连接沼气重整器23的水进口。水换热器32用于使水气化为水蒸气并过热，过热的水蒸气进入沼气重整器23和沼气进行重整反应。

烟气组件包括用于燃烧可燃气体产生烟气的燃烧器51。燃料电池10、沼气源21和空气源41的出气口均连接燃烧器51的进气口，燃烧器51的烟气出口分别连接沼气重整器23、沼气换热器22、空气换热器42、水换热器32 和烟气冷凝器31的烟气进口。

沼气经过重整处理后进入燃料电池10的阳极11，空气经过预热后进入燃料电池10的阴极12。空气和沼气在燃烧器51中燃烧获得烟气，烟气为沼气重整器23、沼气换热器22、空气换热器42和水换热器32提供热量。燃料电池10中未反应的气体也进入燃烧器51进行燃烧。烟气冷凝器31用于将烟气冷凝获得循环水，循环水进入水换热器32后转化为水蒸气，水蒸气和沼气在沼气重整器23中发生重整反应。

请参考图2，在本实施例中，沼气组件具体包括依次连接沼气源21、净化器24、脱碳器25、压缩机26、沼气流量计27、沼气三通阀28、沼气换热器22和沼气重整器23。其中，沼气三通阀28的第一沼气出口连接沼气换热器22的沼气进口，沼气三通阀28的第二沼气出口连接燃烧器51的进气口。

净化器24用于对沼气进行脱水、除尘、脱硫、脱除NOX等工艺，获取组成为甲烷+二氧化碳+微量氮气的沼气。脱碳器25用于进一步脱除净化后的沼气中的二氧化碳，从而降低燃料气中碳的含量，以降低积碳风险。脱碳器25 选用物理吸附脱碳器25、化学反应吸附脱碳器25和变压吸附脱碳器25中的一种。

由于此时沼气为常压，需要通过压缩机26对其进行增压处理。由压缩机 26压缩后的沼气压力1-3bar，压缩机26耗功W1。在本实施例中，燃料电池10电连接压缩机26。压缩机26耗功W1由燃料电池10发电W提供。

沼气三通阀28将经过增压处理的沼气分为两路，一路经过沼气换热器22 和沼气重整器23，最后流通至燃料电池10的阳极11进行发电。另一路流通至燃烧器51进行燃烧反应生产烟气，再利用烟气对各换热器等提供热量。

具体的，沼气换热器22包括互相毗邻的沼气预热流道221和沼气烟气流道222，沼气预热流道221和沼气烟气流道222之间发生热量交换。沼气重整器23包括互相毗邻的重整反应流道231和重整烟气流道232，重整反应流道 231和重整烟气流道232之间发生热量交换。

沼气三通阀28的第一沼气出口的连接沼气预热流道221的沼气进口，沼气预热流道221的沼气出口连接重整反应流道231的沼气进口，重整反应流道231的沼气出口连接燃料电池10的阳极11。沼气预热流道221用于流通沼气，重整反应流道231用于进行沼气和水的重整反应。

烟气组件还包括烟气四通阀52，烟气四通阀52的烟气进口连接燃烧器 51的烟气出口。

烟气四通阀52的第一烟气出口通过第一烟气流量计53连接重整烟气流道232的烟气进口，重整烟气流道232的烟气出口连接沼气烟气流道222的烟气进口。重整反应为吸热反应，需要外加热量促使反应进行，烟气在重整烟气流道232内流通时，对重整反应进行供热。烟气在沼气烟气流道222内流通时，对沼气进行预热，以加快重整反应的效率。

在本实施例中，空气组件具体包括依次连接的空气源41、过滤器43、空压机44、空气流量计45、空气三通阀46和空气换热器42。空气三通阀46的第一空气出口连接空气换热器42的空气进口，空气三通阀46的第二空气出口连接燃烧器51的进气口。

过滤器43用于对空气进行除尘，空压机44用于对空气增压至1-3bar。空气三通阀46将空气分为两路，一路经过空气换热器42，流通至燃料电池10 的阴极12进行发电。另一路流通至燃烧器51为沼气的燃烧提供氧气。其中，空压机44电连接燃料电池10，空压机44的功耗W3由燃料电池10发电W 提供。

具体的，空气换热器42包括互相毗邻的空气预热流道421和空气烟气流道422，空气预热流道421和空气烟气流道422之间发生热量交换。

空气三通阀46的第一空气出口连接空气预热流道421的空气进口，空气预热流道421的空气出口连接燃料电池10的阴极12。烟气四通阀52的第二烟气出口通过第二烟气流量计54连接空气烟气流道422的烟气进口。空气预热流道421用于流通空气，空气烟气流道422用于流通对空气供热的烟气。

在本实施例中，水组件具体包括依次连接的烟气冷凝器31、水泵33、水流量计34和水换热器32。烟气冷凝器31包括互相毗邻的烟气冷凝流道311 和生活用水流道312，烟气冷凝流道311和生活用水流道312之间发生热量交换。水换热器32包括互相毗邻水预热流道321和水烟气流道322，水预热流道321和水烟气流道322之间发生热量交换。

空气烟气流道422和沼气烟气流道222的烟气出口连接水烟气流道322 的烟气进口，水烟气流道322的烟气出口连接烟气冷凝流道311的烟气进口。烟气冷凝流道311的冷凝水出料口连接水预热流道321的水进口，水预热流道321的水出口连接重整反应流道231的水进口。烟气冷凝流道311的烟气出口排空。

对空气和沼气进行预热后的烟气，进入水烟气流道322，对水进行预热，使水转化为过热的水蒸气。完成对水的预热后的烟气进入烟气冷凝流道311，烟气包括二氧化碳和水，其中部分气态水在烟气冷凝流道311中冷凝成为液态水，循环至水预热器使用，剩余烟气排空。采用生活用水和烟气进行热量交换，既使烟气冷凝，又加热了生活用水，节约能源。

水泵33电连接燃料电池10，水泵33用于对水进行增压至压力为1-6bar。水泵33的功耗W3由燃料电池10发电W供应。

综上，压缩机26、水泵33和空压机44的功耗均由燃料电池10进行供应，无需额外的能源。则燃料电池10的净发电量为W-W1-W2-W3。

烟气四通阀52的第三烟气出口连接备用烟气流道的烟气进口，烟气通过备用烟气流道排空。由此，便于对烟气的流量进行控制，以调节控制由烟气预热的各个部件的升温速率及最终温度。

固体氧化物燃料电池系统的具体工作流程如下：

1、启动：将沼气三通阀28的第一沼气出口关闭，第二沼气出口打开；空气三通阀46的第一空气出口关闭，第二空气出口打开。沼气经过净化器24、脱碳器25、压缩机26和沼气流量计27后进入燃烧器51，同时空气经过空气流量计45后进入燃烧器51。通过沼气流量计27和空气流量计45控制空气当量比≤3。沼气和空气燃烧后产生烟气，烟气四通阀52的第一烟气出口、第二烟气出口和第三烟气出口均打开。烟气对重整反应器、沼气换热器22、空气换热器42、水换热器32和烟气冷凝器31供热，此时所有烟气均排空。待重整反应器温度达到750-850℃、沼气换热器22温度达到400-850℃、空气换热器42达到750-850℃和水换热器32温度达到400-850℃时，将沼气三通阀 28的第一沼气出口打开，第二沼气出口关闭；空气三通阀46的第一空气出口打开，第二空气出口关闭。沼气预热后进入重整反应器产生富含一氧化碳和氢气的燃料气，燃料气进入燃料电池10的阳极11，空气预热后进入燃料电池 10的阴极12。

2、燃料电池10的升温：由阴极12和阳极11的进入的气体开始使燃料电池10进行升温，通过控制进入燃料电池10的气体的温度及流量来控制燃料电池10的升温速率，使燃料电池10的升温速率≤10℃/min。升温过程中燃料气：空气≤1:3(体积比)，此时空气过量系数≤3待燃料电池10温度达到设定温度时开始测试燃料电池10的开路电压。

3、燃料电池10的稳定运行：燃料电池10的开路电压稳定之后，根据功率的要求调节燃料电池10的阴极12和阳极11进气量及恒流放电时电流的大小。燃料电池10排气及进气温度差≤100℃，通过第一烟气流量计53、第二烟气流量计54和备用烟气流道控制燃料电池10的进气温度与排气温度的差值。此时空气过量系数≤3，燃料气：空气≤1:3(体积比)。经过燃料电池 10之后未反应的燃料气和空气经过燃烧器51燃烧，烟气用于对各单元进行加热。

本实施例提供的基于沼气的固体氧化物燃料电池系统，通过烟气冷凝器 31将烟气中的气态水转化为液态水进行回用，节约了水资源；还将燃料电池的排气再次燃烧，为沼气换热器22、沼气重整器23、空气换热器42、水换热器32和烟气冷凝器31提供热量，节约了能源；通过脱碳器25，脱除沼气中的二氧化碳，降低了进入燃料电池10中的燃料气的C/H、C/O比值，从而降低积碳风险；通过烟气流量计等控制各个换热器的温度，使水转化为过热的水蒸气，避免了水蒸气不过热导致的沼气重整器23温度降低以及水蒸气在管路中的冷凝；在燃料电池10的运行前先向各个换热器通入烟气，避免了对氮气保护气的需求，继而避免了单独配制氮气管路使得系统复杂化的问题。

以上所述，以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的精神和范围。