CN110875711B - 基于光伏与固体氧化物燃料电池的燃料制备系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于光伏与固体氧化物燃料电池的燃料制备系统及方法。燃料制备系统包括用于制备燃料的第一反应系统、燃料电池系统、第一送气系统、第二送气系统以及第一收集系统；所述第一送气系统的进气口与用于制备第一气体的第二反应系统连通，所述第二反应系统包括电解池以及用于向所述电解池提供电能的光伏电站。本发明利用光伏电站过剩的电量电解水，氢气供给固体氧化物燃料电池发电。同时，利用固体氧化物燃料电池发电过程中产生的热量及尾气中的氢气制备甲醇。本发明解决了光伏电池夜晚不能供电的问题，制备生成了广泛使用的、便于储运的甲醇及氧气。
Description
技术领域
本发明涉及光伏制氢、氢燃料电池发电和甲醇制备装置，特别涉及基于光伏与固体氧化物燃料电池的燃料制备系统及方法。
背景技术
近年来，随着经济社会科技的高速发展，能源枯竭和环境压力的持续加重，人们急切的寻求一种环境友好、高效的能源。基于这种情况，太阳能由于其具有丰富、清洁、可再生等优点，近年来受到了国内外的广泛关注，被视为未来能源的主力军。随着光伏产业的规模急剧扩大，光伏电站产生的能量过剩已成基本事实。而太阳能作为一种间隙性，波动性的能源，解决其存储问题是解决光伏电站能量过剩问题必要的环节。关于储能，主要包括有蓄电池储能、超导储能、飞轮储能、超级电容储能等多种方式，但目前主要使用的光伏发电储能的方式还是蓄电池储能。若采用蓄电池储能方式将光伏电站过剩的能量储存，不仅需要的蓄电池数量较大，而且2～3年蓄电池报废后的回收处理更是一大难题。因此，需要另辟蹊径，找到一种能量密度高、体积小、重量轻、寿命长的新型储能方式。
近年来，由于氢能领域中制氢技术和储氢技术的进展和固体氧化物燃料电池技术的突破，这种突破为解决光伏发电系统对蓄电池的依赖和光伏发电系统的不稳定性提供了新途径，因此研发太阳能制氢–固体氧化物燃料电池供电集成系统已成为可能。这个系统以制氢储能代替当前常用的蓄电池储能环节，消除了光伏发电对蓄电池的依赖和电池对环境的污染，同时通过燃料电池提供稳定的电源，克服了光伏发电系统的不稳定性。
燃料电池作为一种将燃料的化学能转化成为电能的电化学装置，相较于传统的火力发电而言，具有效率高、排放出的有害气体极少和没有噪声污染等优点。而固体氧化物燃料电池(SOFC)属于第三代的燃料电池，具有较高的能量转换效率。在所有燃料电池中，SOFC的工作温度较高，一般可达600～800℃，充分利用SOFC的余热，对提高能量利用效率非常重要。在工作过程中，燃料电池的燃料利用率约为60-70％，这就意味着燃料电池的尾气中包含大量的残余氢气，充分使用这部分残余燃料，是提高系统能源利用率的有效途径。
近年来，苏黎世联邦理工学院的科学家发明了一种新型的催化剂：氧化铟，使充分利用固体氧化物燃料电池尾气中的残余氢气和余热成为可能。氧化铟作为一种新型催化剂，可以有效的将二氧化碳和氢气在300℃的温度下转化为甲醇，一种新型的甲醇制备装置也因此被提出。这种装置通过回收固体氧化物燃料电池中的残余氢气，在利用燃料电池在发电过程中产生的热量的条件下，与二氧化碳反应的方式生成甲醇，从而进一步的提高装置的能源利用率，增加装置的经济效率。
公开号CN 207009561 U的专利，是一种基于太阳能光伏制氢的氢燃料电池系统，能够根据不同的光照情况选择对应的工作模式，克服了系统对常规能源的依赖，将光伏发电技术和燃料电池技术有机结合，互为补充并互相依赖，不仅实现了光伏-电池联合供电，而且保证了能源的可靠性。但该系统燃料电池尾气中残余的燃料和发电过程中产生的热量未能妥善利用，系统的成本相对较高，能源利用率较差，一定程度上造成了能源浪费。
公开号为CN 203608136 A的专利，是一种新型的热电联供系统，构建了一种基于光伏电池和固体氧化物燃料电池的，能够孤网运行的新能源结构的能源系统。但是该系统同样未妥善利用尾气中残余的燃料和发电中产生的热量，依旧存在系统的能源利用率较低、成本较低等缺陷。此外，这种系统实现光伏电池和固体氧化物燃料电池结合的方式对蓄电池依赖较大，这将在一定程度上增加系统经济成本和带来蓄电池报废后难以处理的问题。
发明内容
发明目的：本发明提供了一种充分利用光伏电站剩余能量、回收利用固体氧化物燃料电池尾气和热量的燃料制备系统。本发明还提供了该制备系统的工作方法。
技术方案：本发明所述的一种基于光伏与固体氧化物燃料电池的燃料制备系统，包括用于制备燃料的第一反应系统、用于给第一反应系统输送热能的燃料电池系统、用于向燃料电池系统输送第一气体的第一送气系统、与所述第一反应系统连通的用于向所述第一反应系统输送第二气体的第二送气系统以及与所述第一反应系统连通的用于燃料储存的第一收集系统；所述第一送气系统的进气口与用于制备第一气体的第二反应系统连通，所述第二反应系统包括电解池以及用于向所述电解池提供电能的光伏电站。
所述第二反应系统设置有用于第三气体收集的第二收集系统。
所述第一反应系统包括用于气体混合的混合腔以及反应腔；所述混合腔包括混合外腔以及混合内腔，所述反应腔包括反应外腔以及反应内腔，所述燃料电池系统位于所述反应内腔。
所述燃料电池系统的尾气出口与混合内腔连通，尾气从所述混合内腔送入所述混合外腔；所述第二送气系统的气体出口与所述混合外腔连通。
所述第二送气系统的包括第二送气管道，所述第二送气管道环绕于所述燃料电池系统周围，第二送气管道的出口位于所述混合外腔内。
所述第一反应系统的反应外腔设置有反应器，所述反应器分布于所述燃料电池系统四周，所述混合外腔与所述反应器的气体进口连通。
所述反应外腔设置有隔热外壳，所述反应外腔填充有用于热量传递的相变材料。
混合外腔中设置有孔位错开的若干平行间隔分布的隔板。
所述燃料电池系统为管式燃料电池或者为板式燃料电池。
本发明所述的基于光伏与固体氧化物燃料电池的燃料制备系统的工作方法，包括以下步骤：
(a)第二反应系统的电解池利用光伏电站提供的电能将电解池中的原料电解，生成第一气体以及第三气体，第一气体通过第一送气系统送入燃料电池系统，第三气体送入第二收集系统；
(b)送入燃料电池系统的第一气体在燃料电池中转化，转化后形成的尾气送入第一反应系统的混合内腔，同时通过第二送气系统向混合外腔中送入第二气体，第一气体与第二气体在混合外腔中混合后，送入反应器；
(c)第一气体与第二气体在反应器内合成燃料，合成的燃料从反应器的出口送入第一收集系统。
有益效果：(1)本发明通过光伏电站提供过剩的电量用于电解池电解，提供原料气体，回避了太阳能存储不易、成本过高的问题，减小了对蓄电池的依赖，提高了能源利用率；(2)本发明有效的回收利用了SOFC发电后的尾气和废热，制备了广泛使用的甲醇，促进了能源利用率的提高；(3)本发明可以实现全天候的供电，弥补了光伏电站间歇性、波动性供电的缺陷。
附图说明
图1是本发明实施例1基于光伏与固体氧化物燃料电池的燃料制备系统的结构示意图；
图2是本发明燃料电池系统的结构示意图；
图3是本发明第一反应系统的结构示意图；
图4是本发明管道反应器的结构示意图；
图5是本发明的第一收集系统的结构示意图；
图6是本发明实施例2中第一反应系统的结构示意图；
图7是本发明实施例2中第一管道反应器的结构示意图；
图8是本发明实施例2中第二管道反应器的结构示意图；
图9是本发明实施例2中基于光伏与固体氧化物燃料电池的燃料制备系统的结构示意图。
具体实施方式
实施例1：如图1所示，本发明所述的一种基于光伏与固体氧化物燃料电池的燃料制备系统，包括用于制备燃料第一反应系统1、用于给第一反应系统1输送热能的燃料电池系统2、用于向燃料电池系统2输送第一气体的第一送气系统3、与第一反应系统1连通的用于向第一反应系统1输送第二气体的第二送气系统4、与第一反应系统1连通的用于燃料储存的第一收集系统5，第一送气系统2的进气口与用于制备第一气体的第二反应系统6连通，第二反应系统6包括电解池601以及用于向电解池601提供电能的光伏电站602，第二反应系统6设置有用于第三气体收集的第二收集系统603。
本实施例中，电解池601通过导线604与光伏电站602相连，电解水产生的气体从电解池601中送出。电解池601的阴极与用于收集第三气体(氧气)的第二收集系统603连通，第二收集系统603由与电解池601阴极连通的第二出气管道605以及与第二气体管道605连通的若干个并联设置的第三气体储存罐606组成，每个第三气体储存罐606的进气口设置有第二阀门607用于控制送入第三气体储存罐606的氧气流量以及每个氧气输送通路的启闭。电解池601的阳极设有用于收集第一气体(氢气)的第三收集系统608，第三收集系统608由与电解池601阳极连通的第三出气管道609以及与第三出气管道609连通的若干个并联设置的第一气体储存罐610组成，每个第一气体储存罐610的进气口设置有第三阀门611用于控制送入第一气体储存罐610的氢气流量以及每个氢气输送通路的启闭。
电解池601的阳极输出的氢气同时通过第一送气系统3送入向燃料电池系统2，第一送气系统3由与电解池601阳极的出气口连通的第一送气管道301，根据实际需要，第一送气管道301上同样可设置有控制送入燃料电池系统2中氢气流量的第一阀门302；第一送气管道301同时与第三出气管道609连通，在夜间，将第一气体储存罐610中的氢气供给燃料电池系统2发电。
如图2所示，本实施例中采用了管式固体氧化物燃料电池作为燃料电池系统2，燃料电池系统2的一端与第一送气管道301连通，第一送气管道301连通将氢气送入燃料电池系统2，燃料电池系统2的另一端设置有第一尾气管道201，燃料电池尾气经由第一尾气管道201送入第一反应系统1。
燃料电池系统2同时与用于送入空气的第三送气管道202连通，同时燃料电池系统2设置有用于送出氧气的第四送气管道203。燃料电池系统2反应所需空气经用于空气进气的第三送气管道202送入位于反应内腔122的燃料电池系统2，反应后剩余的空气尾气经由第四送气管道203流出。
如图3所示，第一反应系统1包括用于气体混合的混合腔110以及反应腔120以及用于合成燃料的反应器103，本实施例中的反应器103为管道反应器，管道反应器内填充有催化剂104氧化铟和钯，如图4所示。反应腔120包括反应外腔121以及位于反应外腔121内部的反应内腔122，燃料电池系统2位于反应内腔122，管道反应器位于反应外腔121，分布于燃料电池系统2四周，在管道反应器周围(反应外腔121)包裹着熔点为300℃的相变材料(本实施例中选择为KOH固体)，相变材料吸收反应内腔122散发出的热量并传递给管道反应器，保证管道反应器的温度在300℃左右。反应外腔121外周设置有隔热外壳123。
混合腔110包括混合外腔111以及位于混合外腔111内部的混合内腔112，混合外腔111以及混合内腔112通过设置于混合内腔112外壁的通孔113连通；燃料电池系统2的尾气出口与混合内腔112连通，第一尾气管道201位于混合内腔112，尾气从混合内腔112经过通孔113进入混合外腔111，第二送气系统4的气体出口与混合外腔111连通。
第二送气系统4包括第二气体储气罐401以及将第二气体储气罐401与混合外腔111连通的第二送气管道402，第二送气管道402上设置有控制从第二气体储气罐401送出的第二气体(二氧化碳)流量以及输送通路的启闭的第四阀门403。作为一种可选择的方式，第二送气系统4的第二送气管道402环绕于燃料电池系统2周围，用于给第二气体预热。
从第二气体储气罐401中送出的第二气体进入混合外腔111，与从混合内腔112送出的混合外腔中的尾气(含有氢气)混合，在混合外腔111内设置有孔位错开的三块隔板114以增加流动阻力，使二氧化碳和氢气充分混合。混合外腔111与反应器103的气体进口连通，混合气由混合外腔111进入管道反应器发生反应，生成了燃料(甲醇)。
管道反应器合成的燃料与第一收集系统5连通，第一收集系统可以采用可实现本发明目的的收集系统即可，作为一种可选择的方式，本实施例中的第一收集系统5包括收集罐501以及将收集罐501与管道反应器气体出口连通的收集管502。
如图5所示，第一收集系统5包括多条甲醇干燥管道支路503，且每条支路上接有多个装有5A分子筛的干燥球504，完成干燥后的气体沿着甲醇干燥管道进入换热腔505，换热腔505的两腔壁开有通风口，冷却形成甲醇液体汇聚于下方的收集罐501中。
实施例2：本实施例采用了实施例1的主体结构，区别点在于第一反应系统1的结构差别。本实施例中采用了与第一反应体系1功能相同的第三反应系统7实现本发明目的。
如图6所示，第三反应系统7采用了平板式固体氧化物燃料电池710作为燃料电池系统。第三反应系统7内部包括内腔720和外腔730两个部分。内腔720中包含用于合成燃料(甲醇)的第二管道反应器740。如图7和图8所示，本实施例中的第二管道反应器740以第一管道反应器741和第二管道反应器742上下交替排列置于平板式固体氧化物燃料电池710周围，从而充分利用固体氧化物燃料电池各侧面的热量。燃料电池所需的空气和氢气分别经由第三送气管道202和第一送气管道301通入燃料电池710，其生成的尾气经由第四送气管道203通入混合器750中，再与由第二送气管道402进入的二氧化碳混合。混合后的混合气经混合气出气管道760进入内腔720中的第二管道反应器740发生反应，并最终通过甲醇收集管502排出至收集罐501，组成的系统如图9所示。
本发明的一种基于光伏与固体氧化物燃料电池的燃料制备系统的工作方法，包括以下步骤：
(a)第二反应系统6的电解池601利用光伏电站602提供的电能将电解池中的原料电解，生成第一气体(氢气)以及第三气体(氧气)，第一气体通过第一送气系统3送入燃料电池系统2，第三气体送入第二收集系统603；
(b)送入燃料电池系统2的第一气体在燃料电池中转化，转化后含有氢气的尾气送入第一反应系统1的混合内腔112，同时通过第二送气系统4向混合外腔111中送入第二气体(二氧化碳)，第一气体与第二气体在混合外腔111中混合后，送入反应器103；
(c)第一气体与第二气体在反应器103在催化剂的作用下内合成燃料，燃料电池系统2通过相变材料向反应器传动合成所需要的热量，合成的燃料从反应器103的出口送入第一收集系统5。
Claims (8)
1.一种基于光伏与固体氧化物燃料电池的燃料制备系统，其特征在于，包括用于制备燃料的第一反应系统(1)、用于给第一反应系统(1)输送热能的燃料电池系统(2)、用于向燃料电池系统(2)输送第一气体的第一送气系统(3)、与所述第一反应系统(1)连通的用于向所述第一反应系统(1)输送第二气体的第二送气系统(4)以及与所述第一反应系统(1)连通的用于燃料储存的第一收集系统(5)；所述第一送气系统(3)的进气口与用于制备第一气体的第二反应系统(6)连通，所述第二反应系统(6)包括电解池(601)以及用于向所述电解池(601)提供电能的光伏电站(602)；
所述第一反应系统(1)包括用于气体混合的混合腔(110)以及反应腔(120)；所述混合腔(110)包括混合外腔(111)以及混合内腔(112)，所述反应腔(120)包括反应外腔(121)以及反应内腔(122)，所述燃料电池系统(2)位于所述反应内腔(122)；所述第一反应系统(1)的反应外腔(121)设置有反应器(103)，所述反应器(103)分布于所述燃料电池系统(2)四周，所述混合外腔(111)与所述反应器(103)的气体进口连通。
2.根据权利要求1所述的基于光伏与固体氧化物燃料电池的燃料制备系统，其特征在于，第二反应系统(6)设置有用于第三气体收集的第二收集系统(603)。
3.根据权利要求1所述的基于光伏与固体氧化物燃料电池的燃料制备系统，其特征在于，所述燃料电池系统(2)的尾气出口与混合内腔(112)连通，尾气从所述混合内腔(112)送入所述混合外腔(111)；所述第二送气系统(4)的气体出口与所述混合外腔(111)连通。
4.根据权利要求1所述的基于光伏与固体氧化物燃料电池的燃料制备系统，其特征在于，所述第二送气系统(4)的包括第二送气管道，所述第二送气管道环绕于所述燃料电池系统(2)周围，第二送气管道的出口位于所述混合外腔(111)内。
5.根据权利要求1所述的基于光伏与固体氧化物燃料电池的燃料制备系统，其特征在于，所述反应外腔(121)设置有隔热外壳，所述反应外腔(121)内填充有用于热量传递的相变材料。
6.根据权利要求1所述的基于光伏与固体氧化物燃料电池的燃料制备系统，其特征在于，混合外腔(111)中设置有孔位错开的若干平行间隔分布的隔板。
7.根据权利要求1所述的基于光伏与固体氧化物燃料电池的燃料制备系统，其特征在于，所述燃料电池系统(2)为管式燃料电池或者为板式燃料电池。
8.一种基于光伏与固体氧化物燃料电池的燃料制备系统的工作方法，其特征在于，包括以下步骤：
(a)第二反应系统(6)的电解池(601)利用光伏电站(602)提供的电能将电解池中的原料电解，生成第一气体以及第三气体，第一气体通过第一送气系统(3)送入燃料电池系统(2)，第三气体送入第二收集系统(603)；
(b)送入燃料电池系统(2)的第一气体在燃料电池中转化，转化后形成的尾气送入第一反应系统(1)的混合内腔(112)，同时通过第二送气系统(4)向混合外腔(111)中送入第二气体，第一气体与第二气体在混合外腔(111)中混合后，送入反应器(103)；
(c)第一气体与第二气体在反应器(103)内合成燃料，合成的燃料从反应器(103)的出口送入第一收集系统(5)。
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