CN107785599B - 一种串联式熔融碳酸盐燃料电池发电系统和方法 - Google Patents

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Abstract

一种串联式熔融碳酸盐燃料电池发电系统和方法，该系统包括熔融碳酸盐燃料电池堆、催化燃烧器、换热器、风机、混合器、分离器、DC/AC转换器等部件，该系统将两个熔融碳酸盐燃料电池堆进行串联工作，一次燃料在第一燃料电池堆阳极进行电化学反应，第一电池堆尾气与二次燃料混合后通入到第二电池堆的阳极，通过第二电池堆充分将燃料的化学能转化为电能，提高燃料利用率。本发明还公开了该系统的发电方法；本发明进一步提高MCFC发电系统的发电效率和燃料适应性。

Description

一种串联式熔融碳酸盐燃料电池发电系统和方法
技术领域
本发明属于发电技术领域，尤其涉及一种串联式熔融碳酸盐燃料电池发电系统和方法。
背景技术
随着国民经济的迅速增长，对能源的需求日益旺盛，能源短缺以及化石能源所产生的环境污染问题日益尖锐。熔融碳酸盐燃料电池(Molten Carbonate Fuel Cell，MCFC)是一种清洁高效的发电技术，它能够将天然气、煤制合成气、生物质气等燃料的化学能通过电化学反应直接转化为电能，因无热力学循环从而超越了热机的卡诺循环效率限制，发电效率可以达到50％～60％，热电转化效率可达85％～90％，而且MCFC的发电效率与系统容量不直接相关，具有小型高效的突出优点。在环保方面，与内燃机和燃气轮机相比，MCFC工作温度低(650℃左右)，在反应过程中燃料与空气分别在两个腔室中进行反应，反应产生的NOx大大降低，仅为同等容量内燃机的1/100；对燃料进行前处理，去除燃料中的硫份，大大降低了SOx的排放浓度。
清洁高效的MCFC技术的发展能够有力推动分布式能源发电技术在城镇中的应用，同时大大降低对环境的影响，节约有限的化石能源，对保障国家能源安全、促进低碳社会发展具有重要作用。
发明内容
为了克服上述现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供了一种串联式熔融碳酸盐燃料电池发电系统和方法，进一步提高MCFC发电系统的发电效率和燃料适应性。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种串联式熔融碳酸盐燃料电池发电系统，一次燃料通入到第一气体混合器1的第一入口中，二次燃料通入到第二气体混合器6的第一入口中；去离子水通入到第一换热器2中，转化为水蒸气；第一换热器2的水蒸气出口连接第一气体混合器1的第二入口，第一气体混合器1的出口连接第二换热器3的冷端入口，第二换热器3的冷端出口连接第一MCFC 4的阳极入口，第一MCFC 4的阳极出口连接第三换热器5的热端入口，第三换热器5的热端出口连接第二气体混合器6的第二入口，第二气体混合器6的出口连接第四换热器7的冷端入口，第四换热器7的冷端出口连接第二MCFC 8的阳极入口，第二MCFC8的阳极出口连接第三气体混合器9的第一入口；一次空气通入到第一风机10中；第一风机10的出口连接第五换热器11的冷端入口，第五换热器11的冷端出口连接第六换热器12的冷端入口，第六换热器12的冷端出口连接到第三气体混合器9的第二入口；二次空气通入到第二风机13中，第二风机13的出口连接第三换热器5的冷端入口，第三换热器5的冷端出口连接到第四气体混合器14的第一入口；第三气体混合器9的出口连接催化燃烧器15的入口，催化燃烧器15的出口连接到第六换热器12的热端入口；第六换热器12的热端出口连接到第四换热器7的热端入口；第四换热器7的热端出口连接到第二MCFC 8的阴极入口，MCFC 8的阴极出口连接第四气体混合器14的第二入口；第四气体混合器14的出口连接第一MCFC 4的阴极，第一MCFC 4的阴极连接第二换热器3的热端入口，换热器3的热端出口连接第五换热器11的热端入口，第五换热器11的热端出口连接第一换热器2的热端入口，第一换热器2的热端出口排出废气；第一MCFC 4输出电能输出端连接到第一DC/AC转换器16上，第一DC/AC转换器16对用户输出交流电能；第二MCFC 8输出电能输出端连接到第二DC/AC转换器17上，第二DC/AC转换器17对用户输出交流电能。
所述气体混合器1、气体混合器6、气体混合器9和气体混合器14具有两个以上气体入口，通入的气体在绝热的混合器内进行充分混合，实现温度和组分的均一。
所述第一换热器2、第二换热器3、第三换热器5、第四换热器7、第五换热器11和第六换热器12包括被换热片隔开的热气体流道和冷气体流道，热气体和冷气体被换热片隔开并通过换热片交换热量。
所述第一MCFC 4和第二MCFC 8由阳极、阴极和电解质隔膜组成，阴极和阳极分别在电解质隔膜两侧，燃料和氧化剂分别通入到阳极和阴极腔室中，并发生电化学反应，产生电能和热量；第一MCFC 4和第二MCFC 8工作温度在650℃左右；第一MCFC 4和第二MCFC 8的规模通过多个电池堆串并联实现。
所述第一风机10和第二风机13采用离心式风机或轴流式风机，提高空气的压力。
所述催化燃烧器15通过催化剂使得气体中的CH4、H2和CO与O2发生化学反应生成H2O和CO2并释放热量。
所述第一DC/AC转换器16和第二DC/AC转换器17采用电力电子设备将直流电转化为交流电。
所述串联式熔融碳酸盐燃料电池发电系统的工作方法，一次燃料通入到第一气体混合器1的第一入口中，二次燃料通入到第二气体混合器6的第一入口中；去离子水通入到第一换热器2中，转化为水蒸气；第一换热器2输出的水蒸气与一次燃料在第一气体混合器1内进行充分混合后，经过第二换热器3加热到500℃以上，然后通入到第一MCFC 4的阳极入口；燃料在第一MCFC4阳极发生电化学反应，并产生电能；第一MCFC 4的阳极出口气体经过第三换热器5后降温至600℃以下，然后进入第二气体混合器6第二入口与二次燃料进行充分混合，混合后的气体经过第四换热器7后进入第二MCFC 8的阳极入口；进入第二MCFC 8阳极中燃料发生电化学反应产生电能；一次空气通入到第一风机10中；第一风机10的出口的空气压力在1.2atm以上，经过第五换热器11后升温至100℃以上，然后进一步经过第六换热器12，升温至200℃以上，并进入第三气体混合器9的第二入口与第二MCFC 8的阳极出口气体进行充分混合后通入到催化燃烧器15的入口，在催化燃烧器15中未反应的燃料与O2发生充分反应；催化燃烧器15出口气体通入到第六换热器12和第四换热器7后，降温到600℃以下，然后通入到第二MCFC 8的阴极入口中；在第二MCFC 8的阴极中O2与CO2发生电化学反应；二次空气通入到第二风机13中；第二风机13的出口空气压力在1.2atm以上，经过第三换热器5升温到100℃以上，然后通入到第四气体混合器14的第一入口；第二MCFC 8的阴极出口气体通入到第四气体混合器14的第二入口，与二次空气进行充分混合后通入到第一MCFC 4的阴极；在第一MCFC 4的阴极中O2与CO2发生电化学反应；第一MCFC 4的阴极出口气体经过第二换热器3、第五换热器11和第六换热器12降温到300℃左右后排放到大气中；第一MCFC4输出电能，通过第一DC/AC转换器16对用户输出交流电能；第二MCFC 8输出电能，通过第二DC/AC转换器17对用户输出交流电能。
本发明所提出的串联式熔融碳酸盐燃料电池发电系统具有以下优点：
(1)通过两个MCFC电池堆进行串联，可提高燃料电池中的燃料利用率，提高系统的发电效率，发电效率可以达到55％到65％LHV。
(2)通过对系统中换热器的布置，实现对热能的充分利用，提高系统的发电效率和综合能量利用效率。
(3)系统采用二次燃料和二次空气作为补充，可以提高系统的燃料适应特性，不仅可以利用天然气、煤制气等燃料，还可以采用低热值的煤层气、生物质气等燃料。
附图说明
附图1是本发明一种串联式熔融碳酸盐燃料电池发电系统的示意图。
1‐第一气体混合器；2‐第一换热器；3‐第二换热器；4‐第一MCFC；5‐第三换热器；6‐第二气体混合器；7‐第四换热器；8‐第二MCFC；9‐第三气体混合器；10‐第一风机；11‐第五换热器；12‐第六换热器；13‐第二风机；14‐第四气体混合器；15‐催化燃烧器；16–第一DC/AC转换器；17–第二DC/AC转换器。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细说明。
实施案例1
一次燃料(CH4)通入到第一气体混合器1的第一入口中，不采用二次燃料。去离子水通入到第一换热器2中，转化为水蒸气；第一换热器2输出的水蒸气与一次燃料(CH4)在第一气体混合器1内进行充分混合后，经过第二换热器3加热到500℃以上，然后通入到第一MCFC 4的阳极入口，CH4与H2O的摩尔比为1:2.5。CH4在第一MCFC 4内发生重整反应生成H2、CO和CO2，H2和CO在第一MCFC4阳极发生电化学反应生成H2O和CO2，并产生电能。第一MCFC 4阳极反应后的产物为CH4、H2、CO、H2O和CO2，其中CH4、H2和CO的摩尔占比在20％以下。第一MCFC 4的阳极出口气体经过第三换热器5后降温至600℃以下，然后经过第二气体混合器6和第四换热器7后进入第二MCFC 8的阳极入口。进入第二MCFC 8阳极中的CH4与H2O发生重整反应，生成H2、CO、CO2；在第二MCFC 8的阳极中的H2和CO发生电化学反应生成H2O和CO2，并产生电能。第二MCFC 8阳极反应后的产物为CH4、H2、CO、H2O和CO2，其中CH4、H2和CO的摩尔占比在5％以下。
一次空气通入到第一风机10中；第一风机10的出口的空气压力在1.2atm以上，经过第五换热器11后升温至100℃以上，然后进一步经过第六换热器12，升温至200℃以上，并进入第三气体混合器9的第二入口与第二MCFC 8的阳极出口气体进行充分混合后通入到催化燃烧器15的入口，在催化燃烧器15中CH4、H2和CO与O2发生充分反应，生成H2O和CO2。催化燃烧器15出口气体通入到第六换热器12和第四换热器7后，降温到600℃以下，然后通入到第二MCFC 8的阴极入口中。在第二MCFC 8的阴极中O2与CO2发生电化学反应。二次空气通入道第二风机13中；第二风机13的出口空气压力在1.2atm以上，经过第三换热器5升温到100℃以上，然后通入到第四气体混合器14的第一入口。第二MCFC 8的阴极出口气体通入到第四气体混合器14的第二入口，与二次空气进行充分混合后通入到第一MCFC 4的阴极。在第一MCFC 4的阴极中O2与CO2发生电化学反应。第一MCFC 4的阴极出口气体经过第二换热器3、第五换热器11和第六换热器12降温到300℃左右后排放到大气中。第一MCFC 4输出电能，通过第一DC/AC转换器16对用户输出交流电能。第二MCFC 8输出电能，通过第二DC/AC转换器17对用户输出交流电能。
实施案例2
一次燃料(煤制净化合成气)，主要成份为CO、H2、H2O和N2，其中CO和H2摩尔含量达到80％以上，通入到第一气体混合器1的第一入口中，二次燃料(煤制净化合成气)主要成份为CO、H2、H2O和N2，其中CO和H2摩尔含量达到80％以上，通入到第二气体混合器6的第一入口中。去离子水通入到第一换热器2中，转化为水蒸气；第一换热器2输出的水蒸气与一次燃料(煤制净化合成气)在第一气体混合器1内进行充分混合后，经过第二换热器3加热到500℃以上，然后通入到第一MCFC 4的阳极入口，CO摩尔量与H2O的摩尔比为1:1。H2和CO在第一MCFC4阳极发生电化学反应生成H2O和CO2，并产生电能。第一MCFC 4阳极反应后的产物为H2、CO、H2O和CO2，其中H2和CO的摩尔占比在20％以下。第一MCFC 4的阳极出口气体经过第三换热器5后降温至600℃以下，然后进入第二气体混合器6第二入口与二次燃料(煤制净化合成气)进行充分混合，混合后的气体经过第四换热器7后进入第二MCFC 8的阳极入口。进入第二MCFC 8阳极中的H2和CO发生电化学反应生成H2O和CO2，并产生电能。第二MCFC 8阳极反应后的产物为H2、CO、H2O和CO2，其中H2和CO的摩尔占比在5％以下。
一次空气通入到第一风机10中；第一风机10的出口的空气压力在1.2atm以上，经过第五换热器11后升温至100℃以上，然后进一步经过第六换热器12，升温至200℃以上，并进入第三气体混合器9的第二入口与第二MCFC 8的阳极出口气体进行充分混合后通入到催化燃烧器15的入口，在催化燃烧器15中H2和CO与O2发生充分反应，生成H2O和CO2。催化燃烧器15出口气体通入到换热器12和换热器7后，降温到600℃以下，然后通入到第二MCFC 8的阴极入口中。在第二MCFC 8的阴极中O2与CO2发生电化学反应。二次空气通入到第二风机13中；第二风机13的出口空气压力在1.2atm以上，经过第三换热器5升温到100℃以上，然后通入到第四气体混合器14的第一入口。第二MCFC 8的阴极出口气体通入到第四气体混合器14的第二入口，与二次空气进行充分混合后通入到第一MCFC 4的阴极。在第一MCFC 4的阴极中O2与CO2发生电化学反应。第一MCFC 4的阴极出口气体经过第二换热器3、第五换热器11和第六换热器12降温到300℃左右后排放到大气中。第一MCFC 4输出电能，通过第一DC/AC转换器16对用户输出交流电能。第二MCFC 8输出电能，通过第二DC/AC转换器17对用户输出交流电能。

Claims (6)

1.一种串联式熔融碳酸盐燃料电池发电系统，其特征在于：一次燃料通入到第一气体混合器(1)的第一入口中，二次燃料通入到第二气体混合器(6)的第一入口中；去离子水通入到第一换热器(2)中，转化为水蒸气；第一换热器(2)的水蒸气出口连接第一气体混合器(1)的第二入口，第一气体混合器(1)的出口连接第二换热器(3)的冷端入口，第二换热器(3)的冷端出口连接第一MCFC(4)的阳极入口，第一MCFC(4)的阳极出口连接第三换热器(5)的热端入口，第三换热器(5)的热端出口连接第二气体混合器(6)的第二入口，第二气体混合器(6)的出口连接第四换热器(7)的冷端入口，第四换热器(7)的冷端出口连接第二MCFC(8)的阳极入口，第二MCFC(8)的阳极出口连接第三气体混合器(9)的第一入口；一次空气通入到第一风机(10)中；第一风机(10)的出口连接第五换热器(11)的冷端入口，第五换热器(11)的冷端出口连接第六换热器(12)的冷端入口，第六换热器(12)的冷端出口连接到第三气体混合器(9)的第二入口；二次空气通入到第二风机(13)中，第二风机(13)的出口连接第三换热器(5)的冷端入口，第三换热器(5)的冷端出口连接到第四气体混合器(14)的第一入口；第三气体混合器(9)的出口连接催化燃烧器(15)的入口，催化燃烧器(15)的出口连接到第六换热器(12)的热端入口；第六换热器(12)的热端出口连接到第四换热器(7)的热端入口；第四换热器(7)的热端出口连接到第二MCFC(8)的阴极入口，MCFC(8)的阴极出口连接第四气体混合器(14)的第二入口；第四气体混合器(14)的出口连接第一MCFC(4)的阴极，第一MCFC(4)的阴极连接第二换热器(3)的热端入口，第二换热器(3)的热端出口连接第五换热器(11)的热端入口，第五换热器(11)的热端出口连接第一换热器(2)的热端入口，第一换热器(2)的热端出口排出废气；第一MCFC(4)输出电能输出端连接到第一DC/AC转换器(16)上，第一DC/AC转换器(16)对用户输出交流电能；第二MCFC(8)输出电能输出端连接到第二DC/AC转换器(17)上，第二DC/AC转换器(17)对用户输出交流电能；
所述第一气体混合器(1)、第二气体混合器(6)、第三气体混合器(9)和第四气体混合器(14)具有两个以上气体入口，通入的气体在绝热的混合器内进行充分混合，实现温度和组分的均一；
所述第一换热器(2)、第二换热器(3)、第三换热器(5)、第四换热器(7)、第五换热器(11)和第六换热器(12)包括被换热片隔开的热气体流道和冷气体流道，热气体和冷气体被换热片隔开并通过换热片交换热量。
2.根据权利要求1所述的一种串联式熔融碳酸盐燃料电池发电系统，其特征在于：所述第一MCFC(4)和第二MCFC(8)由阳极、阴极和电解质隔膜组成，阴极和阳极分别在电解质隔膜两侧，燃料和氧化剂分别通入到阳极和阴极腔室中，并发生电化学反应，产生电能和热量；第一MCFC(4)和第二MCFC(8)工作温度在600℃-700℃；第一MCFC(4)和第二MCFC(8)的规模通过多个电池堆串并联实现。
3.根据权利要求1所述的一种串联式熔融碳酸盐燃料电池发电系统，其特征在于：所述第一风机(10)和第二风机(13)采用离心式风机或轴流式风机，提高空气的压力。
4.根据权利要求1所述的一种串联式熔融碳酸盐燃料电池发电系统，其特征在于：所述催化燃烧器(15)通过催化剂使得气体中的CH4、H2和CO与O2发生化学反应生成H2O和CO2并释放热量。
5.根据权利要求1所述的一种串联式熔融碳酸盐燃料电池发电系统，其特征在于：所述第一DC/AC转换器(16)和第二DC/AC转换器(17)采用电力电子设备将直流电转化为交流电。
6.权利要求1至5任一项所述的串联式熔融碳酸盐燃料电池发电系统的工作方法，其特征在于：一次燃料通入到第一气体混合器(1)的第一入口中，二次燃料通入到第二气体混合器(6)的第一入口中；去离子水通入到第一换热器(2)中，转化为水蒸气；第一换热器(2)输出的水蒸气与一次燃料在第一气体混合器(1)内进行充分混合后，经过第二换热器(3)加热到500℃以上，然后通入到第一MCFC(4)的阳极入口；燃料在第一MCFC(4)阳极发生电化学反应，并产生电能；第一MCFC(4)的阳极出口气体经过第三换热器(5)后降温至600℃以下，然后进入第二气体混合器(6)第二入口与二次燃料进行充分混合，混合后的气体经过第四换热器(7)后进入第二MCFC(8)的阳极入口；进入第二MCFC(8)阳极中燃料发生电化学反应产生电能；一次空气通入到第一风机(10)中；第一风机(10)的出口的空气压力在1.2atm以上，经过第五换热器(11)后升温至100℃以上，然后进一步经过第六换热器(12)，升温至200℃以上，并进入第三气体混合器(9)的第二入口与第二MCFC(8)的阳极出口气体进行充分混合后通入到催化燃烧器(15)的入口，在催化燃烧器(15)中未反应的燃料与O2发生充分反应；催化燃烧器(15)出口气体通入到第六换热器(12)和第四换热器(7)后，降温到600℃以下，然后通入到第二MCFC(8)的阴极入口中；在第二MCFC(8)的阴极中O2与CO2发生电化学反应；二次空气通入到第二风机(13)中；第二风机(13)的出口空气压力在1.2atm以上，经过第三换热器(5)升温到100℃以上，然后通入到第四气体混合器(14)的第一入口；第二MCFC(8)的阴极出口气体通入到第四气体混合器(14)的第二入口，与二次空气进行充分混合后通入到第一MCFC(4)的阴极；在第一MCFC(4)的阴极中O2与CO2发生电化学反应；第一MCFC(4)的阴极出口气体经过第二换热器(3)、第五换热器(11)和第一换热器(2)降温到300℃后排放到大气中；
第一MCFC(4)输出电能，通过第一DC/AC转换器(16)对用户输出交流电能；第二MCFC(8)输出电能，通过第二DC/AC转换器(17)对用户输出交流电能。
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