基于丙烷催化部分氧化的微管式固体氧化物燃料电池系统特性研究

doi:10.12096/j.2096-4528.pgt.23166

发电技术 ›› 2024, Vol. 45 ›› Issue (3): 486-493.DOI: 10.12096/j.2096-4528.pgt.23166

基于丙烷催化部分氧化的微管式固体氧化物燃料电池系统特性研究

张瑞宇¹, 王雨晴¹, 任佳伟¹^,²

^1.机电动态控制重点实验室(北京理工大学), 北京市海淀区 100081
^2.中国电科网络通信研究院, 河北省石家庄市 050081

收稿日期:2023-12-26 修回日期:2024-01-10 出版日期:2024-06-30 发布日期:2024-07-01
通讯作者: 王雨晴
作者简介:张瑞宇(1998)，男，博士研究生，主要研究方向为燃料电池电堆集成及电堆多物理场模拟，3120235427@bit.edu.cn；
王雨晴(1990)，女，博士，副教授，主要研究方向为燃料电池及分布式供能系统，本文通信作者，wangyq@bit.edu.cn。
基金资助:
国家重点研发计划项目(2021YFB4001404)

Characteristics Research of a Micro-Tubular Solid Oxide Fuel Cell System Based on Catalytic Partial Oxidation of Propane

Ruiyu ZHANG¹, Yuqing WANG¹, Jiawei REN¹^,²

^1.National Key Laboratory on Electromechanical Dynamic Control (Beijing Institute of Technology), Haidian District, Beijing 100081, China
^2.Network Communication Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation, Shijiazhuang 050081, Hebei Province, China

Received:2023-12-26 Revised:2024-01-10 Published:2024-06-30 Online:2024-07-01
Contact: Yuqing WANG
Supported by:
National Key Research and Development Program of China(2021YFB4001404)

摘要/Abstract

摘要：

目的便携式固体氧化物燃料电池(solid oxide fuel cell，SOFC)系统包含气体供给模块、燃料处理模块、SOFC发电模块、热管理模块、尾气处理模块和控制模块等，其中，燃料处理模块与SOFC发电模块之间存在复杂的耦合匹配关系，明确模块间的耦合特性对提升系统性能以及运行寿命十分关键。方法分析了温度、碳氧比等因素对以Rh为催化剂的丙烷催化部分氧化(catalytic partial oxidation，CPOx)性能的影响，并进一步测试了CPOx与SOFC电堆的耦合性能。结果随着体积空速的升高，CPOx重整效率先升高后下降，100、150 mL/min是较为合适的体积空速；而温度的升高则能一直提升重整效率，但是高温度下相同温度增幅带来的重整效率提升逐渐减小；实验得到的最优碳氧比为1.0；在CPOx的最优工况下，SOFC电堆的性能达到了8.38 W。结论在丙烷体积空速150 min^-1，碳、氧摩尔分数比1.0，工作温度800 ℃的条件下，SOFC电堆与CPOx的耦合性能最佳，丙烷便携式发电系统在体积为12 L时发电功率达到150 W。

关键词: 便携式发电设备, 固体氧化物燃料电池(SOFC), 催化部分氧化(CPOx), 丙烷, 耦合特性

Abstract:

Objectives A portable solid oxide fuel cell (SOFC) system includes a gas supply module, a fuel processing module, an SOFC power generation module, a thermal management module, an exhaust treatment module and a control module. There is a complex coupling relationship between the fuel processing module and the SOFC power generation module. Clarifying the coupling characteristics between them is crucial for improving system performance and operating time. Methods The effects of temperature, the carbon-to-oxygen ratio and other factors on the performance of catalytic partial oxidation (CPOx) of propane with Rh as catalyst were analyzed, and the coupling performance of CPOx and SOFC stack was further tested. Results With the increasing of fuel flow rate, the reforming efficiency first increases and then decreases. The most suitable flow rate is 100 or 150 mL/min. An increase in temperature can continuously improve the reforming efficiency, but the improvement in reforming efficiency at high temperatures caused by an increase in temperature gradually decreases. The optimal C/O ratio obtained from the experiment is 1.0. Under the optimal operating conditions, the output power of SOFC stack reaches 8.38 W. Conclusions Under the conditions of propane flow rate of 150 min^-1, carbon and oxygen mole fraction ratio of 1.0, and operating temperature of 800 ℃, the coupling performance between SOFC stack and CPOx is the best, the portable propane power generation system can generate 150 W of power with a volume of 12 L.

Key words: portable power generation equipment, solid oxide fuel cell (SOFC), catalytic partial oxidation (CPOx), propane, coupling characteristics

中图分类号:

TK 02

张瑞宇, 王雨晴, 任佳伟. 基于丙烷催化部分氧化的微管式固体氧化物燃料电池系统特性研究[J]. 发电技术, 2024, 45(3): 486-493.

Ruiyu ZHANG, Yuqing WANG, Jiawei REN. Characteristics Research of a Micro-Tubular Solid Oxide Fuel Cell System Based on Catalytic Partial Oxidation of Propane[J]. Power Generation Technology, 2024, 45(3): 486-493.

图/表 11

图1 催化部分氧化重整实验测试系统示意图

Fig. 1 Schematic diagram of CPOx experimental testing system

表1 反应器中主反应及部分副反应

Tab. 1 Main reaction and some side reactions in the reactor

反应名称	反应方程
催化部分氧化	$C 3 H 8 + 32 O 2 → 3 C O + 4 H 2$
完全氧化反应	$C 3 H 8 + 5 O 2 → 3 C O 2 + 4 H 2 O$
水蒸气重整	$C 3 H 8 + 3 H 2 O → 3 C O + 7 H 2$
二氧化碳重整	$C 3 H 8 + 3 C O 2 → 6 C O + 4 H 2$
水汽变换	$C O + H 2 O → C O 2 + H 2$

表1 反应器中主反应及部分副反应

Tab. 1 Main reaction and some side reactions in the reactor

反应名称	反应方程
催化部分氧化	$C 3 H 8 + 32 O 2 → 3 C O + 4 H 2$
完全氧化反应	$C 3 H 8 + 5 O 2 → 3 C O 2 + 4 H 2 O$
水蒸气重整	$C 3 H 8 + 3 H 2 O → 3 C O + 7 H 2$
二氧化碳重整	$C 3 H 8 + 3 C O 2 → 6 C O + 4 H 2$
水汽变换	$C O + H 2 O → C O 2 + H 2$

表2 CPOx测试操作条件

Tab. 2 Operating conditions of CPOx

参数	操作条件
炉温/℃	700、800、900
入口气体	丙烷、合成空气
C、O摩尔分数比	0.6、0.8、1.0、1.2
体积空速/min^-1	20、50、75、100、150、200

图2 CPOx-SOFC实验测试系统示意图

Fig. 2 Schematic diagram of CPOx-SOFC experimental testing system

图3 不同体积空速下丙烷CPOx实验结果

Fig. 3 Experimental results under different fuel flow rates of propane CPOx

图4 不同温度下丙烷CPOx实验结果

Fig. 4 Experimental results under different temperatures of propane CPOx

图5 不同碳氧比下丙烷CPOx实验结果

Fig. 5 Experimental results under different C/O ratios of propane CPOx

图6 不同体积空速下CPOx-SOFC模块中单根电池性能

Fig. 6 Performance of single cell in CPOx-SOFC module under different flow rates

图7 CPOx-SOFC系统电堆的极化曲线

Fig. 7 Polarization curve of the fuel cell stack in the CPOx-SOFC system

表3 CPOx-SOFC系统的效率

Tab. 3 Efficiency of CPOx-SOFC system

重整效率/%	燃料利用率/%	SOFC发电效率/%	系统总效率/%
79.50	26.93	64.19	13.74

图8 150 W级SOFC便携电源示意图

Fig. 8 Schematic diagram of 150 W level SOFC portable power system

参考文献 16

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基于丙烷催化部分氧化的微管式固体氧化物燃料电池系统特性研究

Characteristics Research of a Micro-Tubular Solid Oxide Fuel Cell System Based on Catalytic Partial Oxidation of Propane

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参考文献 16

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