发明内容
针对上述现有技术中的问题,本申请提出了一种固体氧化物燃料电池系统、尾气处理系统和尾气处理方法,解决煤制合成气为燃料的固体氧化物燃料电池燃料总体利用率低的问题,提高了固体氧化物燃料电池燃料利用率,并将固体氧化物燃料电池产生的热量进行有效的阶梯利用。
第一方面,本发明提供一种固体氧化物燃料电池阳极尾气处理系统,第一空气供应系统、分离过滤组件和质子交换膜燃料电池,所述第一空气供应系统用于为所述质子交换膜燃料电池提供空气,所述分离过滤组件用于将所述固体氧化物燃料电池的阳极尾气进行处理并将处理后的阳极尾气输送至所述质子交换膜燃料电池,所述第一空气供应系统提供的空气和所述分离过滤组件处理后的阳极尾气在所述质子交换膜燃料电池中发生反应并实现电力输出。
在一个实施方式中,所述分离过滤组件按照所述固体氧化物燃料电池的阳极尾气的流通方向依次包括:
水汽变换反应器,用于将所述固体氧化物燃料电池的阳极尾气中的CO转化为H2和CO2;
冷凝器,用于冷凝所述固体氧化物燃料电池的阳极尾气中的水蒸气;
真空变压吸附装置,用于分离所述固体氧化物燃料电池的阳极尾气中的H2和CO2;
三流换热器,其连接所述质子交换膜燃料电池,用于对所述固体氧化物燃料电池的阳极尾气中的H2和第一空气供应系统提供的空气进行预热。
采用上述实施方式的有益效果是:固体氧化物燃料电池的阳极尾气经过水汽变换后,CO2、H2O和H2的混合气体再依次通过冷凝器和真空变压吸附装置进行分离,获得纯度较高的H2作为燃料用于质子交换膜燃料电池发电,提高了燃料的利用率。
在一个实施方式中,还包括CO2存储系统,其与所述真空变压吸附装置连接,用于对所述固体氧化物燃料电池的阳极尾气中的CO2进行捕集。
采用上述实施方式的有益效果是:将CO2集中进行捕集,避免向大气中排放二氧化碳,从而实现清洁零碳排放发电。
在一个实施方式中,所述冷凝器与所述第一空气供应系统连通,用于加湿所述第一空气供应系统提供的空气。
采用上述实施方式的有益效果是:冷凝器分离出的水用于加湿通入质子交换膜燃料电池的空气。
在一个实施方式中,所述质子交换膜燃料电池的阳极开设有第一尾气出口,所述第一尾气出口与所述三流换热器连通,所述质子交换膜燃料电池的阳极尾气在经过所述三流换热器换热后再次输送至所述质子交换膜燃料电池的阳极。
采用上述实施方式的有益效果是:将未反应完的H2进行循环利用,提高燃料的利用率。
在一个实施方式中,所述质子交换膜燃料电池的阴极开设有第二尾气出口,所述第二尾气出口与所述三流换热器连通,所述质子交换膜燃料电池的阴极尾气在经过所述三流换热器换热后放空。
采用上述实施方式的有益效果是:质子交换膜燃料电池的阴极尾气通过三流换热器换热,回收质子交换膜燃料电池的阴极尾气的余热,减少热污染。
第二方面,本发明提供一种固体氧化物燃料电池系统,包括上述固体氧化物燃料电池阳极尾气处理系统、合成气供应系统、第二空气供应系统、预热换热系统和固体氧化物燃料电池,所述合成气供应系统用于提供输送至所述固体氧化物燃料电池的合成气,所述第二空气供应系统用于提供输送至所述固体氧化物燃料电池的空气,所述预热换热系统包括燃气预热换热系统和空气预热换热系统,所述燃气预热换热系统用于对将要进入所述固体氧化物燃料电池的合成气进行预热,所述空气预热换热系统用于对将要进入所述固体氧化物燃料电池的空气进行预热,预热后的所述合成气和预热后的所述空气在所述固体氧化物燃料电池中发生反应并实现电力输出。
在一个实施方式中,所述固体氧化物燃料电池的阳极开设有第三尾气出口,所述第三尾气出口与所述燃气预热换热系统连通,所述固体氧化物燃料电池的阳极尾气在所述燃气预热换热系统换热后输送至所述分离过滤组件。
采用上述实施方式的有益效果是:固体氧化物燃料电池的工作温度为700-1000℃,所发生的电化学反应为放热反应,尾气温度较高,通过燃气预热换热系统回收高热量,从而对进入固体氧化物燃料电池阳极的合成气进行预热并使其达到工作温度。
在一个实施方式中,所述固体氧化物燃料电池的阴极开设有第四尾气出口,所述第四尾气出口与所述空气预热换热系统连通,所述固体氧化物燃料电池的阴极尾气在所述空气预热换热系统换热后输送至所述三流换热器二次换热,并在所述三流换热器二次换热后放空。
采用上述实施方式的有益效果是:固体氧化物燃料电池的工作温度为700-1000℃,所发生的电化学反应为放热反应,尾气温度较高,通过空气预热换热系统和三流换热器回收高热量,从而对进入固体氧化物燃料电池阴极的空气以及分别进入质子交换膜燃料电池阳极和阴极的H2和加湿的空气进行预热并使其达到工作温度,回收固体氧化物燃料电池阴极尾气的余热,减少热污染。
第三方面,本发明提供一种固体氧化物燃料电池尾气处理方法,适用于上述所述的固体氧化物燃料电池阳极尾气处理系统。
与现有技术相比,本发明的优点在于:
(1)将固体氧化物燃料电池和质子交换膜燃料电池进行有效结合,提高了固体氧化物燃料电池系统的燃料利用率和发电效率。
(2)将尾气中的CO2进行集中捕集并存储,可以有效降低碳排放。
(3)将氢气进行回收重复利用,减少了氢燃料的损失。
(4)充分利用固体氧化物燃料电池产生的热量,降低了热污染。
(5)固体氧化物燃料电池阳极产生的水,经水汽变换,剩余的水通过分离后用于加湿质子交换膜燃料电池的燃料,或经过部分循环用于加湿固体氧化物燃料电池的燃料,便于水的回收纯化和循环使用。
上述技术特征可以各种适合的方式组合或由等效的技术特征来替代,只要能够达到本发明的目的。
具体实施方式
为了便于理解本发明,下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳的实施例。但是,本发明可以以许多不同的形式来实现,并不限于本文所描述的实施例。
实施例1:
如图1所示,一种固体氧化物燃料电池阳极尾气处理系统,包括分离过滤组件、第一空气供应系统11和质子交换膜燃料电池13。
第一空气供应系统11用于为质子交换膜燃料电池13提供空气,分离过滤组件用于将固体氧化物燃料电池15的阳极尾气进行处理并将处理后的固体氧化物燃料电池15的阳极尾气输送至质子交换膜燃料电池13,第一空气供应系统11提供的空气和分离过滤组件处理后的固体氧化物燃料电池15的阳极尾气在质子交换膜燃料电池13中发生电化学反应并实现电力输出。
其中,固体氧化物燃料电池15的阳极尾气为CO、CO2、水蒸气(H2O)和H2的混合气体。
分离过滤组件按照固体氧化物燃料电池15的阳极尾气的流通方向依次包括水汽变换反应器17、冷凝器19、真空变压吸附装置21和三流换热器23,水汽变换反应器17、冷凝器19、真空变压吸附装置21和三流换热器23之间依次通过管路连接,固体氧化物燃料电池15的阳极尾气依次通过水汽变换反应器17、冷凝器19、真空变压吸附装置21和三流换热器23后进入质子交换膜燃料电池13。第一空气供应系统11和三流换热器23之间通过管路连通,第一空气供应系统11提供的空气在通过三流换热器23后进入质子交换膜燃料电池13。
水汽变换反应器17用于将固体氧化物燃料电池15的阳极尾气中的CO转化为H2和CO2,CO和H2O的水汽变换反应如下:CO+H2O→H2+CO2,利用水汽变换将固体氧化物燃料电池15的阳极尾气中的CO转化成H2和CO2,从而提高了固体氧化物燃料电池15的阳极尾气中H2的含量。
冷凝器19用于冷凝固体氧化物燃料电池15的阳极尾气中的水蒸气,真空变压吸附装置21用于分离固体氧化物燃料电池15的阳极尾气中的H2和CO2,三流换热器23连接质子交换膜燃料电池13,用于对固体氧化物燃料电池15的阳极尾气中的H2和第一空气供应系统11提供的空气进行预热。
固体氧化物燃料电池15的阳极尾气在经过水汽变换反应器17后主要包括H2、CO2和水蒸气,H2、CO2和水蒸气在经过冷凝器19后,水蒸气在冷凝器19中冷凝与H2和CO2分离,H2和CO2的混合气体在经过真空变压吸附装置21后分离分别形成纯度较高的H2与CO2,纯度较高的H2经过三流换热器23预热后进入质子交换膜燃料电池13的阳极,第一空气供应系统11提供的空气经过三流换热器23预热后进入质子交换膜燃料电池13的阴极。经过三流换热器23预热后的H2和空气在质子交换膜燃料电池13中发生电化学反应,并向外电路释放电子,实现电力输出。具体如下:2H2+O2→2H2O,其中,质子交换膜燃料电池13的阳极:2H2→4H++4e-,质子交换膜燃料电池13的阴极:O2+4e-+4H+→2H2O。
其中,真空变压吸附装置21和CO2存储系统25之间通过管路连接,固体氧化物燃料电池15的阳极尾气通过真空变压吸附装置21后获得的纯度较高的CO2通过CO2存储系统25集中进行捕集,避免向大气中排放CO2,从而实现清洁零碳排放发电。
冷凝器19与第一空气供应系统11通过管路连通,冷凝器19分离出的水用于加湿第一空气供应系统11提供的通入质子交换膜燃料电池13内的空气。
其中,在质子交换膜燃料电池13的阳极上开设有第一尾气出口,第一尾气出口通过第一管路27与三流换热器23连通,质子交换膜燃料电池13的阳极尾气(主要包括:质子交换膜燃料电池13未反应的H2)在经过三流换热器23换热后再次输送至质子交换膜燃料电池13的阳极参加反应,将未反应的H2进行循环利用,提高燃料的利用率。
在质子交换膜燃料电池13的阴极上开设有第二尾气出口,第二尾气出口通过第二管路29与三流换热器23连通,质子交换膜燃料电池13的阴极尾气(主要包括空气中的N2和未反应的O2以及反应生成的H2O,其中H2O为水蒸气)在经过三流换热器23换热后放空,回收质子交换膜燃料电池13的阴极尾气的余热,对经过三流换热器23进入质子交换膜燃料电池13的H2和空气进行预热并使其达到工作温度,同时也减少了热污染。
实施例2:
如图1所示,本发明公开了一种固体氧化物燃料电池系统10,包括上述实施例1中的固体氧化物燃料电池阳极尾气处理系统、合成气供应系统31、第二空气供应系统33、预热换热系统和固体氧化物燃料电池15。
其中,预热换热系统包括燃气预热换热系统35和空气预热换热系统37。合成气供应系统31用于提供输送至固体氧化物燃料电池15的合成气,第二空气供应系统33用于提供输送至固体氧化物燃料电池15的空气,燃气预热换热系统35用于对将要进入固体氧化物燃料电池15内的合成气进行预热,空气预热换热系统37用于对将要进入固体氧化物燃料电池15内的空气进行预热,预热后的合成气和预热后的空气在固体氧化物燃料电池15中发生电化学反应并实现电力输出。
本实施例中,合成气供应系统31提供的合成气包括CO和H2。合成气供应系统31、燃气预热换热系统35和固体氧化物燃料电池15的阳极之间依次通过管路连通,合成气供应系统31提供的合成气通过燃气预热换热系统35预热后进入固体氧化物燃料电池15的阳极。第二空气供应系统33、空气预热换热系统37和固体氧化物燃料电池15之间依次通过管路连通,第二空气供应系统33提供的空气通过空气预热换热系统37预热后进入固体氧化物燃料电池15的阴极。
预热后的合成气和空气在固体氧化物燃料电池15内发生电化学反应,空气中的氧气还原为氧离子通过电解质进入固体氧化物燃料电池15的阳极,H2与透过的氧离子结合生成H2O,CO与透过的氧离子结合生成CO2,并向外电路释放电子,实现电力输出,同时释放大量的热量。具体如下:2CO/H2+O2→2CO2/H2O,其中固体氧化物燃料电池15的阳极:2CO/H2+2O2-→2CO2/H2O+4e-;固体氧化物燃料电池15的阴极:O2+4e-→2O2-。
其中,在固体氧化物燃料电池15的阳极开设有第三尾气出口,第三尾气出口通过第三管路39与燃气预热换热系统35连通,固体氧化物燃料电池15的阳极尾气(主要包括:CO、CO2、H2O和H2,其中H2O为水蒸气)在燃气预热换热系统35换热后输送至分离过滤组件,进行实施例1中的尾气处理过程。
在固体氧化物燃料电池15的阴极开设有第四尾气出口,第四尾气出口通过第四管路41与空气预热换热系统37连通,空气预热换热系统37和三流换热器23之间通过管路连通,固体氧化物燃料电池15的阴极尾气(主要包括空气中N2和未反应的O2)在空气预热换热系统37换热后输送至三流换热器23二次换热,并在三流换热器23二次换热后放空。
合成气和空气在固体氧化物燃料电池15中发生电化学反应会释放大量的热量,固体氧化物燃料电池15的阳极尾气携带反应后生成的热量在燃气预热换热系统35中进行换热,燃气预热换热系统35回收的热量对经过燃气预热换热系统35进入固体氧化物燃料电池15阳极的合成气进行预热,并使其达到工作温度。固体氧化物燃料电池15的阴极尾气携带反应后生成的热量在空气预热换热系统37中进行换热,空气预热换热系统37回收的热量对经过空气预热换热系统37进入固体氧化物燃料电池15阴极的合成气进行预热,并使其达到工作温度。固体氧化物燃料电池15的阴极尾气携带反应后生成的热量在三流换热器23二次换热,进一步回收固体氧化物燃料电池15的阴极尾气的余热,三流换热器23回收的热量对经过三流换热器23进入质子交换膜燃料电池13的H2和空气进行预热并使其达到工作温度,同时也减少了热污染。
其中,第一空气供应系统11和第二空气供应系统33还可以为一个空气供应系统的两个供气支路。
除此之外,本发明还提供了部分附属部件,如循环风机、阀门、压力表、流量计、管道保温伴热系统、温度传感器和压力传感器等。
本发明还公开了一种固体氧化物燃料电池尾气处理方法,包括如下步骤:
合成气供应系统31提供的合成气和水蒸气形成的混合气体通过燃气预热换热系统35的预热后输送至固体氧化物燃料电池15的阳极;
第二空气供应系统33提供的空气通过空气预热换热系统37的预热后输送至固体氧化物燃料电池15的阴极;
合成气和空气在固体氧化物燃料电池15内发生电化学反应,在固体氧化物燃料电池15的阴极和阳极分别形成固体氧化物燃料电池15的阴极尾气和体氧化物燃料电池13的阳极尾气;
固体氧化物燃料电池15的阳极尾气经过分离过滤组件处理后进入质子交换膜燃料电池13的阳极;
第一空气供应系统11提供的空气通过三流换热器23后进入质子交换膜燃料电池13的阴极;
分离过滤组件处理后的固体氧化物燃料电池15的阳极尾气和空气在质子交换膜燃料电池13内发生电化学反应,质子交换膜燃料电池13的阴极和阳极分别形成质子交换膜燃料电池13的阴极尾气和质子交换膜燃料电池13的阳极尾气;
固体氧化物燃料电池15的阴极尾气依次通过空气预热换热系统37和三流换热器23的两次换热后放空;
质子交换膜燃料电池13的阳极尾气再次通过三流换热器23后进入质子交换膜燃料电池13的阳极参加反应;
质子交换膜燃料电池13的阴极尾气通过三流换热器23换热后放空。
实施例3:
如图1所示,本实施例与实施例2的区别在于,水汽变换反应器17和冷凝器19之间的管路与合成气供应系统31和燃气预热换热系统35之间的管路连通。经过水汽变换反应器17后的H2、CO2和水蒸气的混合气体分为两路,第一路通过高温循环风机将部分H2、CO2和水蒸气循环至合成气供应系统31和燃气预热换热系统35之间的管路中与合成气供应系统31新提供的合成气混合后进入燃气预热换热系统35;第二路按照实施例1的方式进入冷凝器19中。其中,第一路混合气体流量占经过水汽变换反应器17后的H2、CO2和水蒸气的总流量的20%。
除此之外,本实施例的其余结构和方法与实施例2相同。
实施例4:
本实施例与实施例3的区别在于,第一路混合气体流量占经过水汽变换反应器17后的H2、CO2和水蒸气的总流量的40%。
除此之外,本实施例的其余结构和方法与实施例3相同。
固体氧化物燃料电池系统性能评估如下表:
|
发电效率 |
燃料利用率 |
实施例2 |
55.3% |
63.5% |
实施例3 |
54.8% |
77.2% |
实施例4 |
53.4% |
83.7% |
本发明的优点在于,将固体氧化物燃料电池15阳极未反应完的CO通过水汽变换进行充分利用,产生的CO2和H2经过分离后,H2用于质子交换膜燃料电池13发电,该系统有效结合了固体氧化物燃料电池15和质子交换膜燃料电池13,系统的燃料利用率和发电效率高。
本发明的优点还在于,可以将CO2集中进行捕集,减少了污染物的排放。
本发明的优点还在于,充分利用固体氧化物燃料电池15产生的热量,减少了热污染。固体氧化物燃料电池15的工作温度为700-1000℃,所发生的电化学反应为放热反应,尾气温度较高,通过燃气预热换热器35和空气预热换热器37回收高水平热量,分别对进入固体氧化物燃料电池15的合成气和空气进行加热,并使其加热至工作温度;经过换热后的固体氧化物燃料电池15的阴极尾气再通过三流换热器23给进入质子交换膜燃料电池13的H2和空气加热,并使其加热至工作温度。
本发明的优点还在于,固体氧化物燃料电池15阳极产生的水,经水汽变换,剩余的水通过分离后用于加湿质子交换膜燃料电池13的燃料,或经过部分循环用于加湿固体氧化物燃料电池15的燃料,便于水的回收纯化和循环使用。
(注:本领域技术人员公知燃料电池的阳极称为负极,燃料电池的阴极称为正极)
在本发明的描述中,需要理解的是,术语“上”、“下”、“底”、“顶”、“前”、“后”、“内”、“外”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系,仅是为了便于描述本发明和简化描述,而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作,因此不能理解为对本发明的限制。
虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明,但是应该理解的是,这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是,可以对示例性的实施例进行许多修改,并且可以设计出其他的布置,只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是,可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是,结合单独实施例所描述的特征可以使用在其他所述实施例中。