基于陽極循環(huán)回收利用的固體氧化物燃料電池

關有明 葉爽 王蔚國

【摘要】本篇介紹了提高固體氧化物燃料電池的發(fā)電效率的方法，通過回收陽極尾氣，使尾氣中的氫進入重整持續(xù)發(fā)電，從而提高燃料利用率，提高發(fā)電效率。本篇從陽極尾氣的回用比例，水平衡，熱量平衡三個方面分別進行了詳細的分析。

【關鍵詞】燃料電池 陽極尾氣 回收利用 發(fā)電效率 水平衡 水碳比

1 概述

在固體氧化物燃料電池（SOFC）中，因電堆單次發(fā)電效率低，大概在20%左右，使得大量的氫隨陽極尾氣排出，從而影響總效率?？紤]將陽極尾氣回收利用，一部分進重整持續(xù)發(fā)電，一部分燃燒給重整供熱，從而極大地提高了總體的發(fā)電效率。以下將從陽極尾氣的回用比例，水平衡，熱量平衡三個方面分別驗證該方案的可行性。

2 詳細分析

SOFC是在富氫的環(huán)境下工作，因此通入的燃料甲烷需經重整為氫后才能通入電堆，而甲烷重整反應時，需要通入過量的水蒸氣。另一方面，氫通過SOFC發(fā)電后，產生水蒸氣。因此，在SOFC陽極尾氣中含有大量的水蒸氣，同時含有未能參加放電反應的氫，少量的一氧化碳，部分二氧化碳。在甲烷重整反應中，需要在水蒸氣過量的環(huán)境中，因此水的回用意義重大，只要控制合適的水碳比，就能促進甲烷重整反應，并能防止催化劑中毒。而氫的回用是要綜合發(fā)電效率和重整吸熱來考慮，做到熱量平衡的同時，又能提高整體的綜合效率。

圖1為陽極尾氣回用流程圖。高壓的甲烷流經引射器（又叫噴射器）進入重整器，經重整后的氫通入電堆的陽極進行發(fā)電，經發(fā)電后，沒參加反應的氫隨陽極尾氣排出。對陽極尾氣進行回收，經比例閥調節(jié)，使部分陽極尾氣接通引射器，由于高壓的甲烷在引射器的流速較高，從而使陽極尾氣被吸入重整器，尾氣中的氫重新進入電堆進行發(fā)電；另一部分陽極尾氣進入燃燒器燃燒，燃燒釋放的熱量供重整使用。

SOFC中，放電反應過程同時也是放熱過程，而甲烷水蒸氣重整反應為吸熱反應，為防止電堆溫升過程，同時防止熱區(qū)溫差過大，因此整體的熱量平衡至關重要。

熱量分配圖是基于以下方法確定的：首先，能量守恒是一個普遍的定律，能量的收支應保持平衡。將系統(tǒng)劃分多個塊，每個塊的能量守恒；對于不發(fā)生化學反應的過程，溫度升高，內能增加，內能增加值等于吸收的熱量；對于發(fā)生化學反應的過程，吸熱的反應，其生成物的化學能必然增加，且增加值等于吸收的熱量；相互換熱的兩介質，升溫介質能量的增加等于降溫介質能量的減少。其次，燃料電池熱電系統(tǒng)是一種建立在能量的梯級利用基礎上的，能量的品質有高有低，高品質的能量應優(yōu)先供應給需要高溫的過程。對于本系統(tǒng)，為保證甲烷轉化率，重整反應溫度為650～800℃，因此熱量應優(yōu)先供應給重整，接著供給陰極空氣預熱，水汽化，甲烷過熱等。以上詳細計算過程略。

3 現狀

基于以上過程的分析，對原有的SOFC流程進行了改造，將陽極尾氣回收利用，一部分進入重整后重新發(fā)電，一部分燃燒對重整供熱。以我們所現有的1KW商業(yè)化SOFC系統(tǒng)為例，陽極尾氣循環(huán)回用前，總發(fā)電效率約20%，陽極尾氣循環(huán)利用后，總發(fā)電效率提升到33%以上，在效率上有了極大的提高。

4 結語

在當前提倡節(jié)能減排的背景下，能效的提高尤為重要。陽極循環(huán)的固體氧化物燃料電池即是通過對陽極尾氣的回收利用，使尾氣中未使用的化學能充分釋放，從而提升總效率。從近期改造SOFC系統(tǒng)的結果表明，總發(fā)電效率從20%提升到了33%，能效提高了13%，這在實際工程上的意義重大。

參考文獻

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作者簡介

關有明（1985-），男，籍貫：安徽省，學歷：本科，工作單位：中國科學院寧波材料技術與工程研究所，職務：機械工程師，職稱：中級職稱，研究方向：機械工程。