[发明专利]用于液体含硫原料的固体氧化物燃料电池系统、方法、电源

说明书

本发明属于燃料电池技术领域，公开了一种用于液体含硫原料的固体氧化物燃料电池系统、方法、电源，包括：第一换热器原料油与原位供氢剂的混合物与SOFC尾气换热；吸附脱硫器进行临氢吸附脱硫；第二换热器进行储水罐中存储的水与SOFC尾气换热；混合器将加热得到的水蒸汽与低硫原料油混合；第三换热器低硫原料油和水蒸气的混合物与SOFC尾气换热；重整装置对低硫原料油和水蒸气的混合物进行重整得到富氢气体；富氢气体可经由变换器提高氢气浓度；第四换热器将富氧气体与SOFC尾气换热；SOFC将富氢气体作为燃料，与第四换热器出口的富氧气体一起发电。本发明采用原位供氢技术无需外界氢气供应，对燃料电池的原料进行脱硫预处理。

技术领域

本发明属于燃料电池技术领域，尤其涉及一种用于液体含硫原料的固体氧化物燃料电池系统、方法、电源。

背景技术

目前，燃料电池技术清洁、高效，是未来应用于车载和分布式发电的潜在的供能装置。目前，由于氢气的储存和运输存在困难，燃料电池的瓶颈在于氢能的供应。燃料电池主要有质子交换膜燃料电池（PEMFC）和固体氧化物燃料电池（SOFC），其中，PEMFC被广泛应用在示范移动电源中，但是其对氢气的纯度要求极高，因而对氢气的生产、储存、运输都提出了极高的要求，给燃料电池的应用带来了更高的成本。

固体氧化物燃料电池（SOFC）对氢气的纯度要求不高，气体中所含的CO₂对发电过程几乎没有影响，而CO、CH₄等低碳烷烃进入SOFC中，在长期使用中可能会产生少量积碳，但其影响也可以忽略。因此，SOFC可采用更广泛的原料进行原位供氢。汽油、柴油、航空煤油等液体燃料作为目前车载的原料，已有成熟的基础设施（如加油站等），石油气（主要为C3、C4烷烃）可较容易地储存，天然气管道入户，以上原料都具有方便、易获取的特点。

采用以上方便、易获取的原料，通过SOFC前端串联的重整装置，将其转化为富氢气体，应用于燃料电池，可解决高纯氢气生产成本昂贵、氢气储运困难等的问题。然而，以上原料中都不可避免含有硫，其对重整过程有负面影响。研究表明，在汽油重整过程，即使含有10ppm的硫（国VI标准汽油），都会严重加剧重整反应中的积碳；经过30h的汽油重整反应，催化剂颜色由浅灰色变为灰色，反应过程所产生的的积碳会覆盖催化剂的活性位点，降低催化剂活性和寿命，并在重整管路中生成碳粉、碳管、碳片等碳材料，分布在催化剂空隙之间，严重堵塞管路。为了降低积碳对重整装置的影响，需在重整装置前对原料进行脱硫处理，将原料中的硫含量脱除至1ppm以下。

CN 102959782 A、CN 102414890 B、CN 105594045 B、CN 104508888 B公布了几种燃料电池系统，这几种方案中均是将燃料首先通过重整转化为富氢气体，再进入燃料电池进行发电，但这几种方案并未考虑含硫原料的预处理过程。含硫原料如果未经脱硫处理直接进入重整器，即使微量的硫也会导致重整催化剂快速失活、系统性能迅速衰减。为了避免这种现象，容易想到的技术方案是：在重整器前加上脱硫单元。

工业常见的脱硫工艺主要有：加氢脱硫、吸附脱硫、氧化脱硫等。其中加氢脱硫的氢耗高，且反应需在高压（4MPa）下进行；氧化脱硫需引入氧气，给整个系统带来了不安全因素；吸附脱硫装置简单，流程便捷，适用于燃料电池系统的原料预脱硫处理过程。吸附脱硫又分为反应吸附脱硫和非反应吸附脱硫，反应吸附脱硫在临氢环境下进行，其效果优于非反应吸附脱硫，且吸附剂价格低廉、使用寿命长、再生过程简单。

在燃料电池系统中，若采用常规技术（如加氢脱硫、反应吸附脱硫）对含硫原料进行预处理，需额外为脱硫单元提供氢气供应管路与氢气供应储罐。二者会给燃料电池系统带来额外的经济成本，并降低系统安全性。

CN103999277B公布了一种为SOFC提供燃料的系统，其对原料的脱硫处理采用加氢脱硫的技术方案，氢气由氢气压缩和储存单元提供，亦或从水煤气变换器和氢气纯化系统提供，二者成本均较高。