基于阳极循环回收利用的固体氧化物燃料电池

关有明 叶爽 王蔚国

【摘要】本篇介绍了提高固体氧化物燃料电池的发电效率的方法，通过回收阳极尾气，使尾气中的氢进入重整持续发电，从而提高燃料利用率，提高发电效率。本篇从阳极尾气的回用比例，水平衡，热量平衡三个方面分别进行了详细的分析。

【关键词】燃料电池 阳极尾气 回收利用 发电效率 水平衡 水碳比

1 概述

在固体氧化物燃料电池（SOFC）中，因电堆单次发电效率低，大概在20%左右，使得大量的氢随阳极尾气排出，从而影响总效率。考虑将阳极尾气回收利用，一部分进重整持续发电，一部分燃烧给重整供热，从而极大地提高了总体的发电效率。以下将从阳极尾气的回用比例，水平衡，热量平衡三个方面分别验证该方案的可行性。

2 详细分析

SOFC是在富氢的环境下工作，因此通入的燃料甲烷需经重整为氢后才能通入电堆，而甲烷重整反应时，需要通入过量的水蒸气。另一方面，氢通过SOFC发电后，产生水蒸气。因此，在SOFC阳极尾气中含有大量的水蒸气，同时含有未能参加放电反应的氢，少量的一氧化碳，部分二氧化碳。在甲烷重整反应中，需要在水蒸气过量的环境中，因此水的回用意义重大，只要控制合适的水碳比，就能促进甲烷重整反应，并能防止催化剂中毒。而氢的回用是要综合发电效率和重整吸热来考虑，做到热量平衡的同时，又能提高整体的综合效率。

图1为阳极尾气回用流程图。高压的甲烷流经引射器（又叫喷射器）进入重整器，经重整后的氢通入电堆的阳极进行发电，经发电后，没参加反应的氢随阳极尾气排出。对阳极尾气进行回收，经比例阀调节，使部分阳极尾气接通引射器，由于高压的甲烷在引射器的流速较高，从而使阳极尾气被吸入重整器，尾气中的氢重新进入电堆进行发电；另一部分阳极尾气进入燃烧器燃烧，燃烧释放的热量供重整使用。

SOFC中，放电反应过程同时也是放热过程，而甲烷水蒸气重整反应为吸热反应，为防止电堆温升过程，同时防止热区温差过大，因此整体的热量平衡至关重要。

热量分配图是基于以下方法确定的：首先，能量守恒是一个普遍的定律，能量的收支应保持平衡。将系统划分多个块，每个块的能量守恒；对于不发生化学反应的过程，温度升高，内能增加，内能增加值等于吸收的热量；对于发生化学反应的过程，吸热的反应，其生成物的化学能必然增加，且增加值等于吸收的热量；相互换热的两介质，升温介质能量的增加等于降温介质能量的减少。其次，燃料电池热电系统是一种建立在能量的梯级利用基础上的，能量的品质有高有低，高品质的能量应优先供应给需要高温的过程。对于本系统，为保证甲烷转化率，重整反应温度为650～800℃，因此热量应优先供应给重整，接着供给阴极空气预热，水汽化，甲烷过热等。以上详细计算过程略。

3 现状

基于以上过程的分析，对原有的SOFC流程进行了改造，将阳极尾气回收利用，一部分进入重整后重新发电，一部分燃烧对重整供热。以我们所现有的1KW商业化SOFC系统为例，阳极尾气循环回用前，总发电效率约20%，阳极尾气循环利用后，总发电效率提升到33%以上，在效率上有了极大的提高。

4 结语

在当前提倡节能减排的背景下，能效的提高尤为重要。阳极循环的固体氧化物燃料电池即是通过对阳极尾气的回收利用，使尾气中未使用的化学能充分释放，从而提升总效率。从近期改造SOFC系统的结果表明，总发电效率从20%提升到了33%，能效提高了13%，这在实际工程上的意义重大。

参考文献

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作者简介

关有明（1985-），男，籍贯：安徽省，学历：本科，工作单位：中国科学院宁波材料技术与工程研究所，职务：机械工程师，职称：中级职称，研究方向：机械工程。