CN111525166A - 一种混合高温燃料电池发电系统和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种混合高温燃料电池发电系统和方法，包括天然气重整、固体氧化物燃料电池和熔融碳酸盐燃料电池串联组成，固体氧化物燃料电池尾气作为熔融碳酸盐燃料电池的燃料来源，二氧化碳经过多次循环参与熔融碳酸盐燃料电池的反应，实现混合发电系统最大燃料利用率和功率，降低了天然气二氧化碳的排放，实现清洁发电和综合利用。
Description
技术领域
本发明属于高温燃料电池发电技术领域，特别涉及一种混合高温燃料电池发电系统和方法。
背景技术
高温燃料电池(固体氧化物燃料电池SOFC和熔融碳酸盐燃料电池MCFC)作为一种发电效率高，二氧化碳排放低的发电装置，在未来可以取代传统的燃烧式发电机，高温燃料电池可以通过重整操作直接使用各种燃料，并且燃料来源在许多化工生产中容易获得。天然气需要在燃料电池内部(外部)进行重整得到富氢气体，进行发电。内重整过程中，为防止燃料电池积碳需通入过量的水蒸气，但会稀释氢气的浓度，阳极会形成氧化镍并降低电池的性能，在固体氧化物燃料电池的运行中采用中等的燃料利用率，此时固体氧化物燃料电池尾气中含有一定的氢气和一氧化碳，这些燃料也可以产生额外的电力，但是目前并没有较好的方案解决固体氧化物燃料电池存在燃料利用率的问题。
发明内容
为了解决现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供了一种混合高温燃料电池发电系统和方法，进一步提高燃料电池燃料利用率，降低二氧化碳的排放。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是，一种混合高温燃料电池发电系统，包括燃料电池，所述燃料电池为固体氧化物燃料电池和熔融碳酸盐燃料电池的混合串联，其中，天然气与水单元连接在重整器单元入口，重整器单元的出口连接在固体氧化物燃料电池的阳极进气口，固体氧化物燃料电池阳极尾气出口连接至熔融碳酸盐燃料电池的阳极进气口；空气单元出气口连接至固体氧化物燃料电池阴极单元的进气口，固体氧化物燃料电池的阴极尾气出口连接至熔融碳酸盐燃料电池的阴极进气口；熔融碳酸盐燃料电池的阳极尾气及阴极尾气均连接至催化燃烧单元的进气口，催化燃烧单元的二氧化碳出气口连接至熔融碳酸盐燃料电池的阴极进气口。
进一步的，所述天然气单元与重整器单元之间、以及水单元与重整器单元之间、以及空气单元与固体氧化物燃料电池的阴极之间均连接有预热单元。
进一步的，所述固体氧化物燃料电池阳极与熔融碳酸盐燃料电池的阳极之间、以及固体氧化物燃料电池阴极与熔融碳酸盐燃料电池的阴极之间、以及催化燃烧单元的二氧化碳出气口与熔融碳酸盐燃料电池的阴极之间均设置有换热单元。
进一步的，催化燃烧单元的废气出口进入下一单元。
进一步的，天然气重整温度为700℃，固体氧化物燃料电池反应温度为800℃，熔融碳酸盐燃料电池反应温度为650℃。
进一步的，熔融碳酸盐燃料电池的阴极进气口还连接有其他二氧化碳源。
本发明还提供了上述电池发电系统的发电方法，天然气与水经过预热进入重整器单元，重整后的气体进入预热单元，预热后的气体进入固体氧化物燃料电池阳极，空气经过压缩预热进入固体氧化物燃料电池阴极单元，固体氧化物燃料电池进行反应发电，发电过程中产生阳极尾气和阴极尾气，其中，固体氧化物燃料电池阳极尾气和阴极尾气分别经过换热器进入熔融碳酸盐燃料电池的阳极进气口和阴极进气口，熔融碳酸盐燃料电池进行反应发电，发电过程中产生的阳极尾气和阴极尾气均进入催化然绕单元进行催化燃烧，燃烧后得到的二氧化碳再循环进入熔融碳酸盐燃料电池阴极进气口，参与熔融碳酸盐燃料电池的反应发电。
进一步的，所述固体氧化物燃料电池的阳极尾气中含有未参与反应的氢气和一氧化碳，阴极尾气中含有空气。
进一步的，固体氧化物燃料电池的阳极尾气和阴极尾气经换热器换热达到650℃后进入熔融碳酸盐燃料电池。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
本发明天然气与水单元经过预热进入重整器单元，重整后的气体进入预热单元，预热后的气体进入固体氧化物燃料电池阳极，空气经过压缩预热进入固体氧化物燃料电池阴极单元；固体氧化物燃料电池阳极和阴极尾气分别经过换热器进入熔融碳酸盐燃料电池的阳极和阴极进气口；反应后的气体经过催化燃烧，二氧化碳再循环进入熔融碳酸盐燃料电池阴极进气口，其余尾气进入下一单元，采用固体氧化物燃料电池和熔融碳酸盐燃料电池串联混合发电方式，能够充分提高天然气燃料的利用率，实现二氧化碳的循环利用，增加燃料电池发电系统的应用形式。
进一步的，本发明选用熔融碳酸盐燃料电池不仅燃料来源广，而且可以利用二氧化碳进行循环，与固体氧化物燃料电池的耦合，可以利用天然气重整的二氧化碳和尾气进行发电，实现燃料利用率和功率的提高，具体来说，熔融碳酸盐燃料电池阴极进气二氧化碳的来源为阳极尾气的循环，经多次循环系统达到最佳效率，即在循环过程中，经过阳极尾气后的催化燃烧分离进入阴极的循环参与阴极的反应，经过多次的循环，熔融碳酸盐燃料电池电极气体达到合适的反应比例，实现了电池发电效率最大，充分利用了染料，提升了染料利用率，并且有效较低和减少了发电系统尾气排放对环境的污染。
附图说明
图1是固体氧化物燃料电池与熔融碳酸盐燃料电池混合发电系统。
具体实施方式
下面结合附图对本发明提出的一种混合高温燃料电池发电系统和方法进行详细叙述，本发明提供的一种混合高温燃料电池发电系统，包括燃料电池，燃料电池为固体氧化物燃料电池和熔融碳酸盐燃料电池的混合串联，其中，天然气与水单元连接在重整器单元入口，重整器单元的出口连接在固体氧化物燃料电池的阳极进气口，固体氧化物燃料电池阳极尾气出口连接至熔融碳酸盐燃料电池的阳极进气口；空气单元出气口连接至固体氧化物燃料电池阴极单元的进气口，固体氧化物燃料电池的阴极尾气出口连接至熔融碳酸盐燃料电池的阴极进气口；熔融碳酸盐燃料电池的阳极尾气及阴极尾气均连接至催化燃烧单元的进气口，催化燃烧单元的二氧化碳出气口连接至熔融碳酸盐燃料电池的阴极进气口，催化燃烧单元的废气出口进入下一单元；熔融碳酸盐燃料电池的阴极进气口还连接有其他二氧化碳源。
在本发明中天然气单元与重整器单元之间、以及水单元与重整器单元之间、以及空气单元与固体氧化物燃料电池的阴极之间均连接有预热单元；在固体氧化物燃料电池阳极与熔融碳酸盐燃料电池的阳极之间、以及固体氧化物燃料电池阴极与熔融碳酸盐燃料电池的阴极之间、以及催化燃烧单元的二氧化碳出气口与熔融碳酸盐燃料电池的阴极之间均设置有换热单元。
本发明还提供了一种混合高温燃料电池发电系统的发电方法，天然气与水经过预热进入重整器单元，重整后的气体进入预热单元，预热后的气体进入固体氧化物燃料电池阳极，空气经过压缩预热进入固体氧化物燃料电池阴极单元，固体氧化物燃料电池进行反应发电，发电过程中产生阳极尾气和阴极尾气，其中，固体氧化物燃料电池阳极尾气含有未参与反应的氢气和一氧化碳，阴极尾气中含有空气，固体氧化物燃料电池的阳极尾气和阴极尾气分别经换热器换热达到650℃后进入熔融碳酸盐燃料电池的阳极进气口和阴极进气口，熔融碳酸盐燃料电池进行反应发电，发电过程中产生的阳极尾气和阴极尾气均进入催化然绕单元进行催化燃烧，燃烧后得到的二氧化碳再循环进入熔融碳酸盐燃料电池阴极进气口，参与熔融碳酸盐燃料电池的反应发电。
如附图1所示，本实施例中具体发电方法如下：
本实施例中天然气重整温度为700℃，固体氧化物燃料电池反应温度为800℃，熔融碳酸盐燃料电池反应温度为650℃：
天然气与水经过加热进入重整器进行制氢，加热温度为700℃，压力2atm，重整器单元内此时发生的反应为：
此时，重整后的主要气体为氢气和一氧化碳，经过预热器单元，加热到800℃，然后进入固体氧化物燃料电池的阳极，空气经过压缩机和预热单元进入阴极进气口，此时固体氧化物燃料电池发生的反应为，
阳极：H2+O2-→H2+2e
阴极：0.5O2+2e→O2-
总反应：H2+0.5O2→H2O
考虑此时固体氧化物燃料电池中等燃料利用率，阳极尾气中含有未参与反应的氢气和一氧化碳，阴极尾气中含有一定的空气，此时经过换热器换热到650℃分别进入熔融碳酸盐燃料电池的阳极和阴极进气口，此时过程中二氧化碳的循环，经过催化燃烧分离后的阳极尾气进入阴极的循环参与阴极的反应，经过多次的循环，熔融碳酸盐燃料电池电极气体达到合适的反应比例，电池发电效率最大，此时电池的反应为：
阳极：
阴极：
总反应：H2+0.5O2+CO2(阴极)→H2O+CO2(阳极)。
需要说明的是，本发明中的熔融碳酸盐燃料电池阴极进气二氧化碳的来源为阳极尾气的循环，经多次循环系统达到最佳效率，即在循环过程中，经过阳极尾气后的催化燃烧分离进入阴极的循环参与阴极的反应，经过多次的循环，熔融碳酸盐燃料电池电极气体达到合适的反应比例，实现了电池发电效率最大，充分利用了染料，提升了染料利用率，并且有效较低和减少了发电系统尾气排放对环境的污染。
Claims (9)
1.一种混合高温燃料电池发电系统，其特征在于，包括燃料电池，所述燃料电池为固体氧化物燃料电池和熔融碳酸盐燃料电池的混合串联，其中，天然气与水单元连接在重整器单元入口，重整器单元的出口连接在固体氧化物燃料电池的阳极进气口，固体氧化物燃料电池阳极尾气出口连接至熔融碳酸盐燃料电池的阳极进气口；空气单元出气口连接至固体氧化物燃料电池阴极单元的进气口，固体氧化物燃料电池的阴极尾气出口连接至熔融碳酸盐燃料电池的阴极进气口；熔融碳酸盐燃料电池的阳极尾气及阴极尾气均连接至催化燃烧单元的进气口，催化燃烧单元的二氧化碳出气口连接至熔融碳酸盐燃料电池的阴极进气口。
2.根据权利要求1所述的一种混合高温燃料电池发电系统，其特征在于，所述天然气单元与重整器单元之间、以及水单元与重整器单元之间、以及空气单元与固体氧化物燃料电池的阴极之间均连接有预热单元。
3.根据权利要求1所述的一种混合高温燃料电池发电系统，其特征在于，所述固体氧化物燃料电池阳极与熔融碳酸盐燃料电池的阳极之间、以及固体氧化物燃料电池阴极与熔融碳酸盐燃料电池的阴极之间、以及催化燃烧单元的二氧化碳出气口与熔融碳酸盐燃料电池的阴极之间均设置有换热单元。
4.根据权利要求1所述的一种混合高温燃料电池发电系统，其特征在于，催化燃烧单元的废气出口进入下一单元。
5.根据权利要求1所述的一种混合高温燃料电池发电系统，其特征在于，天然气重整温度为700℃，固体氧化物燃料电池反应温度为800℃，熔融碳酸盐燃料电池反应温度为650℃。
6.根据权利要求1所述的一种混合高温燃料电池发电系统，其特征在于，熔融碳酸盐燃料电池的阴极进气口还连接有其他二氧化碳源。
7.根据权利要求1-6任一项所述的电池发电系统的发电方法，其特征在于，天然气与水经过预热进入重整器单元，重整后的气体进入预热单元，预热后的气体进入固体氧化物燃料电池阳极，空气经过压缩预热进入固体氧化物燃料电池阴极单元，固体氧化物燃料电池进行反应发电，发电过程中产生阳极尾气和阴极尾气，其中，固体氧化物燃料电池阳极尾气和阴极尾气分别经过换热器进入熔融碳酸盐燃料电池的阳极进气口和阴极进气口，熔融碳酸盐燃料电池进行反应发电，发电过程中产生的阳极尾气和阴极尾气均进入催化然绕单元进行催化燃烧，燃烧后得到的二氧化碳再循环进入熔融碳酸盐燃料电池阴极进气口，参与熔融碳酸盐燃料电池的反应发电。
8.根据权利要求7所述的发电方法，其特征在于，所述固体氧化物燃料电池的阳极尾气中含有未参与反应的氢气和一氧化碳，阴极尾气中含有空气。
9.根据权利要求7所述的发电方法，其特征在于，固体氧化物燃料电池的阳极尾气和阴极尾气经换热器换热达到650℃后进入熔融碳酸盐燃料电池。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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