一种固体氧化物燃料电池系统的重整器测试装置与方法与流程

1.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：

2.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。
3.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。
4.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。
5.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。
6.目前对于固体氧化物燃料电池系统中电堆和阳极内重整研究较多，对于利用重整器的外部重整研究较少，而且在sofc系统中由于各部件的布置紧凑，各部件运行条件不同，传感器、采集系统等难以安装，实现成本较高等因素，无法实现在sofc系统中单独对重整器的重整特性进行测试，更重要的是目前对重整器没有一个标准化、程序化的测试装置与测试方法，而且部分氧化重整器和蒸汽重整器的原理不同，测试这两种重整器用到的测试装置和测试方法也不同，没有一种普遍适用的测试装置。


技术实现要素：

7.本公开为了解决上述问题，提出了一种固体氧化物燃料电池系统的重整器测试装置与方法，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；通过电加热器和蒸汽发生器设定重整前不同的入口温度可以测试重整器催化剂载体温度分布特性、不同入口温度的重整特性；通过改变入口燃气和空气/水蒸气的碳氧摩尔比可以测试不同氧/碳比、蒸汽/碳比时重整器的重整特性，如重整效率、甲烷转化率和氢气/一氧化碳选择性；此外，通过质量流量控制器设定不同的气体流速可以测试不同空速时重整器的重整特性。
8.为了实现上述目的，第一方面，本公开提供了一种固体氧化物燃料电池系统的重整器测试装置，采用如下技术方案：
9.一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；
10.所述重整器的空气入口连接所述电加热器的出口，所述重整器的燃气入口连接所述蒸汽发生器的出口；所述电加热器的入口与所述蒸汽发生器的出口连接，所述蒸汽发生器与所述电加热器和所述重整器之间均设置开关；
11.所述重整器的空气出口连接所述水冷装置的入口，所述重整器的燃气出口连接所述换热器的燃气入口；所述换热器的燃气出口连接所述燃烧器的燃气入口，所述燃烧器的出口连接所述水冷装置的入口；所述换热器的燃气出口还连接所述气相色谱仪。
12.进一步的，所述蒸汽发生器与所述重整器之间、所述电加热器与所述重整器之间、所述重整器与所述换热器之间、所述重整器与所述水冷装置之间、所述换热器与所燃烧器之间、所述燃烧器与所述水冷装置之间、以及所述水冷装置的排气口处，均设置热电偶。
13.进一步的，所述蒸汽发生器的入口分别连接甲烷气瓶、n2气瓶、空气压缩机和去离子水供给装置。
14.进一步的，所述甲烷气瓶、n2气瓶、空气压缩机和去离子水供给装置的出口均设置有质量流量控制器。
15.进一步的，所述甲烷气瓶还与所述重整器的燃气入口连接，所述甲烷气瓶与所述重整器之间，以及所述甲烷气瓶与所述蒸汽发生器之间均设置有开关。
16.进一步的，所述热换器的空气入口连接有第一风机，所述第一风机连接有第一变频器；所述第一风机和所述换热器之间设置有开关和流量计；所述换热器的空气出口连接所述水冷装置的入口。
17.进一步的，所述换热器与所述水冷装置之间设置有热电偶。
18.进一步的，所述第一风机还连接所述电加热器的空气入口；所述所述第一风机和
所述电加热器之间设置有开关和流量计。
19.进一步的，所述燃烧器的空气入口连接有第二风机，所述第二风机连接有第二变频器；所述第二风机和所述燃烧器之间设置有流量计。
20.为了实现上述目的，第二方面，本公开提供了一种固体氧化物燃料电池系统的重整器测试方法，采用如下技术方案：
21.一种固体氧化物燃料电池系统的重整器测试方法，采用了如第一方面所述的固体氧化物燃料电池系统的重整器测试装置，主要内容包括：
22.部分氧化重整器测试内容：
23.所述蒸汽发生器不通电，关闭所述甲烷气瓶和所述蒸汽发生器之间的开关，打开所述甲烷气瓶和所述重整器之间的开关，打开所述第一风机和所述换热器之间的开关，关闭所述第一风机和所述电加热器之间的开关，打开所述第二风机和所述燃烧器之间的开关；
24.设置所述重整器的空气入口流量，按照预设工况设置所述重整器的空气入口温度；首先通入压缩空气，再通入n2，经电加热器加热后，通入所述重整器；
25.设置所述燃烧器的空气流量，待所述重整器的入口和所述重整器的出口温度稳定后，所述燃烧器的火花塞点火，通入甲烷，通入甲烷后停止氮气的通入；待监测到所述燃烧器点火成功且温度较稳定时关闭火花塞，调节所述燃烧器的空气流量；待所述重整器的空气入口以及所述重整器的空气出口温度稳定10分钟以上，由所述气相色谱仪取样检测，测试所述重整后的气体成分与含量；
26.或，水蒸气重整器测试内容：
27.所述蒸汽发生器通电，打开所述甲烷气瓶和所述蒸汽发生器之间的开关，关闭所述甲烷气瓶和所述重整器之间的开关，关闭所述第一风机和所述换热器之间的开关，打开所述第一风机和所述电加热器之间的开关，打开所述第二风机和所述燃烧器之间的开关；
28.设置所述重整器的空气入口流量，按照预设工况设置所述重整器的空气入口温度；
29.设置所述燃烧器的空气流量，待所述重整器的入口和所述重整器的出口温度稳定后，所述燃烧器的火花塞点火，通入甲烷，通入甲烷后停止氮气的通入；通入甲烷，通入甲烷后停止氮气的通入；待监测到所述燃烧器点火成功且温度较稳定时关闭火花塞，调节所述燃烧器的空气流量；待所述重整器的空气入口以及所述重整器的空气出口温度稳定10分钟以上，由所述气相色谱仪取样检测，测试所述重整后的气体成分与含量。
30.与现有技术相比，本公开的有益效果为：
31.1.公开具有普适性与通用性，可以测试部分氧化重整器和水蒸气重整器；
32.2.本公开能够模拟固体氧化物燃料电池实际的重整过程，利用电加热器和蒸汽发生器模拟重整过程进气的高温状态；
33.3.本公开测试装置中的燃烧器可以燃烧重整后的气体与未反应的气体，降低排放，使测试系统更加合理；
34.4.本公开采用换热器可以降低部分氧化重整器的重整气温度，对测试系统的可靠性和耐久性有利；
35.5.本公开在通入燃气前通入氮气吹扫，防止原料气在进入重整器前的管路中发生
反应；
36.6.本公开测试蒸汽重整器时，蒸汽发生器在产生水蒸气的同时预热进气。
附图说明
37.构成本实施例的一部分的说明书附图用来提供对本实施例的进一步理解，本实施例的示意性实施例及其说明用于解释本实施例，并不构成对本实施例的不当限定。
38.图1为本公开实施例1的结构示意图；
39.其中：1、甲烷气瓶，2、n2气瓶，3、空气压缩机，4、去离子水供给装置，5、蒸汽发生器，6、热电偶，7、电加热器，8、流量计，9、第一变频器，10、第一风机，11、换热器，12、气相色谱仪，13、第二变频器，14、第二风机，15、燃烧器，16、水冷装置，17、重整器，18、质量流量控制器。
具体实施方式：
40.下面结合附图与实施例对本公开作进一步说明。
41.实施例1：
42.如图1所示，本实施例提供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17、蒸汽发生器5、电加热器7、换热器11、燃烧器15、水冷装置16和气相色谱仪12；
43.所述重整器17的空气入口连接所述电加热器7的出口，所述重整器17的燃气入口连接所述蒸汽发生器5的出口；所述电加热器7的入口与所述蒸汽发生器5的出口连接，所述蒸汽发生器5与所述电加热器7和所述重整器17之间均设置开关；
44.所述重整器17的空气出口连接所述水冷装置16的入口，所述重整器17的燃气出口连接所述换热器11的燃气入口；所述换热器11的燃气出口连接所述燃烧器15的燃气入口，所述燃烧器15的出口连接所述水冷装置16的入口；所述换热器11的燃气出口还连接所述气相色谱仪12。
45.在本实施例中，所述蒸汽发生器5与所述重整器17之间、所述电加热器7与所述重整器17之间、所述重整器17与所述换热器11之间、所述重整器17与所述水冷装置16之间、所述换热器11与所燃烧器15之间、所述燃烧器15与所述水冷装置16之间、以及所述水冷装置16的排气口处，均设置热电偶6。
46.在本实施例中，所述蒸汽发生器5的入口分别连接甲烷气瓶、n2气瓶2、空气压缩机3和去离子水供给装置4；所述甲烷气瓶1、所述n2气瓶2、所述空气压缩机3和所述去离子水供给装置4的出口均设置有质量流量控制器18；所述甲烷气瓶1还与所述重整器17的燃气入口连接，所述甲烷气瓶1与所述重整器17之间，以及所述甲烷气瓶1与所述蒸汽发生器5之间均设置有开关。
47.在本实施例中，所述热换器11的空气入口连接有第一风机10，所述第一风机10连接有第一变频器9；所述第一风机10和所述换热器11之间设置有开关和流量计8；所述换热器11的空气出口连接所述水冷装置16的入口；所述换热器11与所述水冷装置16之间设置有热电偶6；所述第一风机10还连接所述电加热器7的空气入口；所述所述第一风机0和所述电加热器7之间设置有开关和流量计8。
48.在本实施例中，所述燃烧器15的空气入口连接有第二风机14，所述第二风机14连
接有第二变频器13；所述第二风机4和所述燃烧器15之间设置有流量计8。
49.在本实施例中，固体氧化物燃料电池系统的重整器测试装置还包括数据处理/显示系统和采集单元(未在图中显示)，不难理解的，所述数据处理/显示系统连接所述采集单元以及装置中所有部件，所述数据处理/显示系统具有数据接收、数据处理和控制等功能；所述采集单元用于采集装置中热电偶等部件的测量信息，所述显示系统用于显示测试过程及测试结果中的相关数据。
50.实施例2：
51.本实施例公开了一种固体氧化物燃料电池系统的重整器测试方法，采用了如实施例中所述的固体氧化物燃料电池系统的重整器测试装置，可实现部分氧化重整器的测试，主要内容包括：
52.1.部分氧化重整器测试装置的设置：所述蒸汽发生器5不通电，关闭所述甲烷气瓶1和所述蒸汽发生器5之间的开关，打开所述甲烷气瓶1和所述重整器17之间的开关，打开所述第一风机0和所述换热器11之间的开关，关闭所述第一风机10和所述电加热器7之间的开关，打开所述第二风机14和所述燃烧器15之间的开关。
53.虽然甲烷催化部分氧化反应是放热反应，但也要对重整器催化剂载体进行预热使其处于最佳工作温度，此处采用的是电加热的方式；在进行部分氧化重整器的测试时，所述蒸汽发生器5不通电使用，只是作为一个通路，用于流经气体；所述重整器17的燃气出口连接所述换热器11，用于换热降温，防止部分的部分氧化重整器重整后温度过高；所述换热器11的燃气出口连接所述燃烧器15，用于燃烧多余甲烷和重整后气体；因此，部分氧化重整器的测试装置包括以下几个方面：
54.空气/n2进：所述空气压缩机3和所述n2气瓶2连接到所述电加热器7，所述电加热器7出口连接到所述重整器17的空气入口。
55.燃气进：甲烷(ch4)气瓶连接到所述重整器17的燃气入口。
56.换热器热进：所述重整器17的燃气出口连接到所述换热器11的燃气入口；换热器热出：所述换热器11的燃气出口连接到所述燃烧器15的燃气入口；换热器冷进：所述第一风机10连接到所述换热器11的空气入口；换热器冷出：所述换热器11的空气出口连接到所述水冷装置16(由于所述重整器17经过预热，部分氧化重整反应又为放热反应，反应后温度进一步升高，为防止排气温度过高，需要经过所述换热器11冷却)。
57.燃烧器热进：所述换热器11的燃气出口连接到所述燃烧器15的燃气入口；燃烧器冷进：所述第二风机14连接到所述燃烧器15的空气入口；燃烧器出：所述燃烧器15的出口连接到所述水冷装置16(所述燃烧器15将未反应的甲烷和反应出的氢气和一氧化碳燃烧掉)。
58.2.部分氧化重整器测试装置控制方法：
59.预热重整器：设置所述重整器17空气侧流量，按照预设工况设置所述重整器17的空气进口温度；所述空气压缩机3和所述n2气瓶2由所述质量流量控制器18控制流量，首先通入压缩空气，再通入n2，经所述电加热器7加热后，通入所述重整器；通n2吹扫约三分钟后停止；所述重整器17的空气入口气体温度和所述重整器17的空气出口温度由所述热电偶6监测；所述第一风机10由所述第一变频器9控制，流量由所述流量计8监测，只经过所述换热器11路径，通入所述换热器11用于冷却；所述换热器11的燃气出口(热侧出口)和所述换热器11的空气出口(冷侧出口)温度都由各自后的热电偶监测；所述第二风机14由所述第二变
频器13控制，流量由所述流量计8监测，通入所述燃烧器15。
60.测试重整器：设置所述燃烧器15的空气流量，所述燃烧器15侧的空气流量由所述第二风机14提供，并由所述第二变频器13控制，由所述燃烧器15前的流量计8监测；待所述重整器17的入口和所述重整器17的出口温度稳定后(包括所述重整器17的空气入口、所述重整器17的空气出口、所述重整器17的燃气入口和所述重整器17的燃气出口)，所述燃烧器15火花塞点火，通入甲烷，流量由所述质量流量控制器18控制，不经过所述蒸汽发生器5，直接通入所述重整器17，通入甲烷后关闭氮气气瓶；待监测到所述燃烧器15点火成功且温度较稳定时关闭火花塞，通过所述第二风机4调节所述燃烧器15空气流量，使所述燃烧器15温度处于可控范围内，所述燃烧器15燃烧温度由所述燃烧器15后的热电偶8监测；甲烷与空气发生部分氧化重整反应，反应时催化剂载体温度由热电偶监测；待所述重整器17的空气入口以及所述重整器17的出口温度稳定10分钟以上，由所述气相色谱仪12取样检测，测试所述重整17后的气体成分与含量；之后气体通入所述燃烧器15完全燃烧，再经过所述水冷装置16排入大气；排气温度由所述水冷装置16后的热电偶监测。
61.实施例3：
62.本实施例公开了一种固体氧化物燃料电池系统的重整器测试方法，采用了如实施例1中所述的固体氧化物燃料电池系统的重整器测试装置，可实现水蒸气重整器的测试，主要内容包括：
63.1.水蒸气重整器测试装置的设置：所述蒸汽发生器5通电，打开所述甲烷气瓶1和所述蒸汽发生器5之间的开关，关闭所述甲烷气瓶1和所述重整器17之间的开关，关闭所述第一风机10和所述换热器17之间的开关，打开所述10第一风机和所述电加热器7之间的开关，打开所述第二风机14和所述燃烧器15之间的开关；
64.水蒸气重整反应需要用到所述蒸汽发生器5，所述蒸汽发生器5同时预热甲烷、氮气和压缩空气，并蒸发去离子水产生水蒸气；由于蒸汽重整反应是吸热反应，因此要使用所述电加热器7通入热空气以维持所述重整器17温度，使催化剂处于最佳工作状态，模拟sofc系统实际应用的重整过程；蒸汽重整是吸热反应所以不需换热器冷却，测试蒸汽重整器时所述换热器11不工作，只作为一个通路；蒸汽重整器分为空气侧和燃气侧，二者管路分开；蒸汽重整器的测试装置包括以下几个方面：
65.空气进：所述第一风机10连接到所述电加热器7的入口，再连接到所述重整器17的空气入口；空气出：所述重整器17的空气出口连接到所述水冷装置16(图1中虚线)。
66.燃气进：所述甲烷气瓶1和、所述n2气瓶2和所述去离子水供给装置4连接到所述蒸汽发生器5的入口，再连接到所述重整器17的燃气入口；燃气出：所述重整器17的燃气出口连接到所述换热器11(不使用)，再连接到所述燃烧器15的燃气入口。
67.燃烧器热进：所述重整器17的燃气出口连接到所述燃烧器15的燃气入口；燃烧器冷进：所述第二风机14连接到所述燃烧器15的空气入口；燃烧器出：所述燃烧器15的出口连接到所述水冷装置16。
68.2.水蒸气重整器测试装置控制方法：
69.预热重整器：首先设置所述重整器17热侧空气流量，按照预设工况设置所述重整器17空气侧进口温度；所述第一风机10的流量由所述第一变频器9控制，经过所述电加热器7加热后通入所述重整器17，热空气流量由所述电加热器7前的流量计8监测，热空气温度由
所述重整器7前的热电偶6监测；通过所述质量流量控制器18设置去离子水流量和压缩空气流量，通入所述蒸汽发生器5，去离子水加热蒸发为水蒸气，根据预设工况设置所述蒸汽发生器5混合气温度，待所述重整器17的燃气、空入口温度和所述重整器17的出口温度稳定后，通过所述质量流量控制器18设置氮气流量，并关闭压缩空气流量，进行吹扫。
70.测试重整器：设置所述燃烧器15空气流量，所述燃烧器15侧的空气流量由所述第二风机14提供，并由所述第二变频器13控制，由所述燃烧器15前的流量计8监测；待所述重整器17的入口和出口(包括所述重整器17的空气入口、所述重整器17的空气出口、所述重整器17的燃气入口和所述重整器17的燃气出口)温度稳定后，火花塞点火后由质量流量控制器18调节甲烷流量，将甲烷通入所述蒸汽发生器5，再通入所述重整器7，通入甲烷后关闭氮气气瓶；所述燃烧器15燃烧温度由所述燃烧器15后的热电偶6监测，待监测到所述燃烧器15点火成功且温度较稳定后关闭火花塞，通过调节所述第二风机4的空气流量使所述燃烧器15温度处于可控范围内；所述重整器17的空气出口温度由热电偶监测；甲烷与水蒸气在所述重整器17内发生蒸汽重整反应，重整器载体温度和出口温度由热电偶监测；待所述重整器17的燃气入口、所述重整器17的空气入口以及出口温度稳定10分钟以上时，使用所述气相色谱仪12进行重整后气体成分及含量检测；之后气体通入所述燃烧器15完全燃烧，再经过所述水冷装置16排入大气；排气温度由所述水冷装置16后的热电偶监测。
71.以上所述仅为本实施例的优选实施例而已，并不用于限制本实施例，对于本领域的技术人员来说，本实施例可以有各种更改和变化。凡在本实施例的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实施例的保护范围之内。