CN111706431B - 一种基于外部重整的sofc功冷联供系统 - Google Patents

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Abstract

本发明属于功冷联供领域，提供了一种基于外部重整的SOFC功冷联供系统，包括：包括固体氧化物燃料电池系统和高斯瓦米循环回收系统；固体氧化物燃料电池系统输出的热源依次进入高斯瓦米循环系统的锅炉和过热器并与工质进行换热；所述高斯瓦米循环回收系统中的分流器将其所获得氨蒸气分为两部分，一部分与过热器换热做功，另一部分进入引射器制冷循环。

Description

一种基于外部重整的SOFC功冷联供系统
技术领域
本发明属于功冷联供领域，尤其涉及一种基于外部重整的SOFC功冷联供系统。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
SOFC：Solid Oxide Fuel Cell，固体氧化物燃料电池。是一种在中高温下直接将储存在燃料和氧化剂中的化学能高效、环境友好地转化成电能的全固态化学发电装置。
发明人发现，传统的氨水动力循环或氨水制冷循环只能获取单一需求，即使同时采用两种循环作为低温余热利用也会造成设备过多而造成投资成本升高。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供一种基于外部重整的SOFC功冷联供系统，其在设备投资增加不多的情况下，能够满足功冷两种需求。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于外部重整的SOFC功冷联供系统，包括固体氧化物燃料电池系统和高斯瓦米循环回收系统；
固体氧化物燃料电池系统输出的热源依次进入高斯瓦米循环系统的锅炉和过热器并与工质进行换热；
所述高斯瓦米循环回收系统中的分流器将其所获得氨蒸气分为两部分，一部分与过热器换热做功，另一部分进入引射器制冷循环。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明利用高斯瓦米循环系统回收固体氧化物燃料电池系统排气余热，通过高斯瓦米循环系统的分流器和引射器将传统的氨水动力循环加以改进，分流器将所获得高浓度氨蒸气分为两部分，一部分与过热器换热做功，另一部分进入引射器制冷循环；这样既获得了功量，也获得了冷量，在设备投资增加不多的情况下，轻松满足了功冷两种需求。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1是本发明实施例1的种基于外部重整的SOFC功冷联供系统示意图；
图2是本发明实施例2的种基于外部重整的SOFC功冷联供系统示意图；
图3是本发明实施例3的种基于外部重整的SOFC功冷联供系统示意图；
图4是本发明实施例4的种基于外部重整的SOFC功冷联供系统示意图；
图5是本发明实施例5的种基于外部重整的SOFC功冷联供系统示意图。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
在本发明中，术语如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“侧”、“底”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，只是为了便于叙述本发明各部件或元件结构关系而确定的关系词，并非特指本发明中任一部件或元件，不能理解为对本发明的限制。
本发明中，术语如“固接”、“相连”、“连接”等应做广义理解，表示可以是固定连接，也可以是一体地连接或可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的相关科研或技术人员，可以根据具体情况确定上述术语在本发明中的具体含义，不能理解为对本发明的限制。
实施例1
为了解决背景技术中提及到的传统的氨水动力循环或氨水制冷循环只能获取单一需求，且即使同时采用两种循环作为低温余热利用也会造成设备过多而造成投资成本升高的问题，本发明实施例提供了一种基于外部重整的SOFC功冷联供系统。
如图1所示，实施例1所示的基于外部重整的SOFC功冷联供系统，包括固体氧化物燃料电池系统和高斯瓦米循环回收系统；
固体氧化物燃料电池系统输出的热源依次进入高斯瓦米循环系统的锅炉和过热器并与工质进行换热；
所述高斯瓦米循环回收系统中的分流器将其所获得氨蒸气分为两部分，一部分与过热器换热做功，另一部分进入引射器制冷循环。
在图1中，固体氧化物燃料电池系统包括固体氧化物燃料电池、燃烧室、燃气轮机和混合器；固体氧化物燃料电池的阴极和阳极均与燃烧室相连，燃烧室输出的热能为燃气轮机提供能量，燃气轮机排出的气体作为热源用于预热空气、甲烷和水；混合器用于混合预热后的甲烷和水，之后输入至固体氧化物燃料电池的阳极输入端。
所述燃气轮机出口还依次与第一预热器、第二预热器和第三预热器串联连接，使得燃气轮机出口排出的气体作为相应预热器的热源，用于分别预热加压后的空气、加压后的甲烷和水。
高斯瓦米循环回收系统包括锅炉、回热器、精馏器、引射器、吸收器和蒸发器；吸收器出口的基本工作溶液经加压后进入回热器进行换热，升温后的工质溶液和精馏器出口浓度较低的氨蒸气一同进入锅炉与热源气体进行换热产生较高浓度的氨蒸气，浓度较高的氨蒸气进入精馏器进行精馏得到一部分高浓度的氨蒸气和另一部分较低浓度氨蒸气；精馏器出口较低浓度氨蒸气返回锅炉，而高浓度氨蒸气用于做功和制冷。锅炉出口中浓度较低的氨蒸气进入回热器换热，降温后进入节流阀降压，最后进入吸收器。从精馏器出来的高浓度氨蒸气，分为两股，一股进入过热器被再次加热后进入透平中做功，再进入制冷换热器中作为制冷工质吸收空调冷冻水等的排热，最后进入吸收器；另一股则进入引射器引射蒸发器出口的氨蒸气后，进入冷凝器降温，经节流阀降压后进入蒸发器进行换热制冷，之后一部分被引射，另一部分则进入吸收器；制冷、做功后的高浓度氨蒸气和来自锅炉的氨溶液在吸收器中混合形成基本工作溶液，完成循环。
本实施例利用高斯瓦米循环系统回收固体氧化物燃料电池系统排气余热，通过高斯瓦米循环系统的分流器和引射器将传统的氨水动力循环加以改进，分流器将所获得高浓度氨蒸气分为两部分，一部分与过热器换热做功，另一部分进入引射器制冷循环；这样既获得了功量，也获得了冷量，在设备投资增加不多的情况下，轻松满足了功冷两种需求。
实施例2
进入锅炉的余热烟气温度对于高斯瓦米循环热源要求来说，可能会过高，造成锅炉很大的火用损。为了解决该问题，实施例2给出了另一种基于外部重整的SOFC功冷联供系统。
本实施例在实施例1的基础上，如图2所示，在高斯瓦米循环系统的锅炉前端设置有机朗肯循环，固体氧化物燃料电池系统中的燃气燃气轮机输出的热源依次为有机朗肯循环和高斯瓦米循环系统供热。
有机朗肯循环：被废气加热后的高温高压有机工质在透平做功后，作为高斯瓦米循环系统的一部分热源进行换热，之后经过冷凝后经泵加压送入换热器完成循环。
本实施例在锅炉前加入一个有机朗肯循环，固体氧化物燃料电池系统的排气依次给有机朗肯循环和高斯瓦米循环系统供热，这就保证了能量能够梯级利用，同时有机朗肯循环的透平的排气余热还可以作为高斯瓦米循环系统的热源，既保证了能量梯级利用，同时还提高了能源利用效率，减少了冷凝器的火用损，提高了经济性。
实施例3
由于采用内部重整的SOFC(固体氧化物燃料电池)电堆会造成电堆内部温度分布很不均匀，温度梯度很大，会使电堆材料应力不均而破裂，实施例3给出了一种基于外部重整的SOFC功冷联供系统。
在实施例2的基础上，所述混合器与固体氧化物燃料电池的阳极输入端之间还依次串接有回热器和预重整器；燃烧室输出的热能还经回热器输出后为一透平提供能量。
本实施例从燃烧室后面抽出一股进入预重整器之前对混合器进行预热，使得混合气体预重整能达到相应重整温度，之后在预重整器中燃料进行一部分重整，减少了内部重整的燃料量，使得内部电池温度相对均匀，材料应力合理变化。
实施例4
实施例3的基于外部重整的SOFC功冷联供系统，存在以下问题：从燃烧室后方抽出一股流体时，分流比可调范围相对较小，否则预重整后的燃料气体温升过高，同时透平出口温度依然不低，可以作为低温循环的热源，未得到利用。
为了解决上述问题，实施例4提供的基于外部重整的SOFC功冷联供系统结构如图4所示，本实施例在实施例3的基础上，燃烧室输出的热能还经回热器输出后为一透平提供能量。透平输出的热量进入高斯瓦米循环系统的过热器进行换热。
这样从阳极出口抽出一股流体对预重整气体进行预热，再进入底循环的过热器进行换热，可以使得分流比再相对较大的范围可调，而且，所抽取的质量流量会使得过热器进出口的温升增大，可以较好的回收废气中的水。
实施例5
本实施例与实施例4不同的是，固体氧化物燃料电池系统包括固体氧化物燃料电池、燃烧室、燃气轮机、第一混合器、第二混合器和预重整器R；
固体氧化物燃料电池的阴极和阳极均与燃烧室相连，燃烧室输出的热能为燃气轮机提供能量，燃气轮机排出的气体作为热源用于预热空气、甲烷和水；
第一混合器用于混合从固体氧化物燃料电池的阴极输出端抽取的气体及预热后的空气，之后再输送至固体氧化物燃料电池的阴极输入端；
第二混合器用于从固体氧化物燃料电池的阳极输出端抽取的气体以及预热后的甲烷和水，之后再经预重整器R输送至固体氧化物燃料电池的阳极输入端。
其中，所述燃气轮机出口还依次与第一预热器、第二预热器和第三预热器串联连接，使得燃气轮机出口排出的气体作为相应预热器的热源，用于分别预热加压后的空气、加压后的甲烷和水。
具体地，所述第二混合器与预重整器之间还串联有回热器，燃烧室输出的热能还经回热器输出后为一透平提供能量。透平输出的热量进入高斯瓦米循环系统的过热器进行换热。
具体地，在固体氧化物燃料电池系统中，甲烷和废气中分离的燃料气、水和废气中回收的水以及空气经加压后被燃气轮机出口气体预热，之后空气进入混合器与燃料电池阴极抽气混合，一起进入燃料电池阴极；而燃料混合气和水进入混合器与燃料电池的一部分抽气换热后，进入预重整器进行预重整，产生燃料混合气。阴极排气分为两部分，一部分进入燃烧室，一部分抽气回流至混合器。阳极排气也分为两部分，一部分进入燃烧室，一部分抽气回流至换热器，给燃料混合气体进行重整预热，预热后的气体经过透平做功后进入Goswami(高斯瓦米)循环的过热器中给Goswami循环的做功的工质进行换热，换热降温后的燃料混合气进入水分离器，将水分离出来补充供水路，其余气体作为燃料气供给燃料路。从燃烧室出来的混合器废气在透平中做功后给空气、燃料混合气以及水进行预热，预热后的废气作为ORC(有机朗肯循环)的热源进行换热，换热后的废气用于加热居民生活用水，之后的废气再通过水分离器将水分离后用于补充水供应路，其余废气排走。
ORC(有机朗肯循环)：被废气加热后的高温高压有机工质在透平做功后，作为Gosiwami循环的一部分热源进行换热，之后经过冷凝后经泵加压送入换热器完成循环。
Goswami循环：吸收器出口的基本工作溶液经加压后进入回热器进行换热，升温后的工质溶液和精馏器出口浓度较低的氨蒸气一同进入锅炉与热源气体进行换热产生较高浓度的氨蒸气，浓度较高的氨蒸气进入精馏器进行精馏得到一部分高浓度的氨蒸气和另一部分较低浓度氨蒸气；精馏器出口较低浓度氨蒸气返回锅炉，而高浓度氨蒸气用于做功和制冷。锅炉出口中浓度较低的氨蒸气进入回热器换热，降温后进入节流阀降压，最后进入吸收器。从精馏器出来的高浓度氨蒸气，分为两股，一股进入过热器被再次加热后进入透平中做功，再进入制冷换热器中作为制冷工质吸收空调冷冻水等的排热，最后进入吸收器；另一股则进入引射器引射蒸发器出口的氨蒸气后，进入冷凝器降温，经节流阀降压后进入蒸发器进行换热制冷，之后一部分被引射，另一部分则进入吸收器；制冷、做功后的高浓度氨蒸气和来自锅炉的氨溶液在吸收器中混合形成基本工作溶液，完成循环。
这样解决了“空气中氧气的利用率不高，增加空气量，就增加了压缩机负荷和预热器热源温；从阳极出口抽气做功换热后直接排出，会使得排气中依然有燃料气体未得到利用，造成浪费，经济型降低；燃烧室后抽气质量一般较大，使得与底循环所需的热负荷难以匹配；SOFC-GT的排气与ORC工质换热后工质温度依然不太低，未得以利用，热效率和经济性都降低。且排气中含有大量水气直接排走造成浪费”这些问题，本实施例增加了阴极抽气回流，提高了氧气利用率，减少了空气流量，降低了压缩机负荷等从阳极出口抽气换热做功后，进入Goswami循环的过热器，给做功工质过热，增加做功量。之后将排气分为两股，一股为凝结水用于补充供水源，减少水用量，提高经济性。SOFC-GT的排气与ORC工质换热后，用于加热居民用水，提高能源利用率，且之后的尾气分为两股，冷凝水进行回收，补充供水源。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于外部重整的SOFC功冷联供系统，其特征在于，包括固体氧化物燃料电池系统和高斯瓦米循环回收系统；
固体氧化物燃料电池系统输出的热源依次进入高斯瓦米循环系统的锅炉和过热器并与工质进行换热；
所述高斯瓦米循环回收系统中的分流器将其所获得氨蒸气分为两部分，一部分与过热器换热做功，另一部分进入引射器制冷循环；
在高斯瓦米循环系统的锅炉前端设置有机朗肯循环，固体氧化物燃料电池系统中的燃气轮机输出的热源依次为有机朗肯循环和高斯瓦米循环系统供热；
固体氧化物燃料电池的阴极和阳极均与燃烧室相连，燃烧室输出的热能为燃气轮机提供能量，燃气轮机排出的气体作为热源用于预热空气、甲烷和水；
第一混合器用于混合从固体氧化物燃料电池的阴极输出端抽取的气体及预热后的空气，之后再输送至固体氧化物燃料电池的阴极输入端；
第二混合器用于从固体氧化物燃料电池的阳极输出端抽取的气体以及预热后的甲烷和水，之后再经预重整器输送至固体氧化物燃料电池的阳极输入端；
所述固体氧化物燃料电池系统，包括固体氧化物燃料电池、燃烧室、燃气轮机、第一混合器、第二混合器和预重整器；
所述第二混合器与预重整器之间还串联有回热器，燃烧室输出的热能还经回热器输出后为一透平提供能量。
2.如权利要求1所述的基于外部重整的SOFC功冷联供系统，其特征在于，所述固体氧化物燃料电池系统包括固体氧化物燃料电池、燃烧室、燃气轮机、第一混合器和第二混合器；
固体氧化物燃料电池的阴极和阳极均与燃烧室相连，燃烧室输出的热能为燃气轮机提供能量，燃气轮机排出的气体作为热源用于预热空气、甲烷和水；
第二混合器用于混合预热后的甲烷和水，之后输入至固体氧化物燃料电池的阳极输入端。
3.如权利要求2所述的基于外部重整的SOFC功冷联供系统，其特征在于，所述燃气轮机出口还依次与第一预热器、第二预热器和第三预热器串联连接，使得燃气轮机出口排出的气体作为相应预热器的热源，用于分别预热加压后的空气、加压后的甲烷和水。
4.如权利要求2所述的基于外部重整的SOFC功冷联供系统，其特征在于，所述第二混合器与固体氧化物燃料电池的阳极输入端之间还依次串接有回热器和预重整器；燃烧室输出的热能还经回热器输出后为一透平提供能量。
5.如权利要求4所述的基于外部重整的SOFC功冷联供系统，其特征在于，透平输出的热量进入高斯瓦米循环系统的过热器进行换热。
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