CN113224363A - 一种熔融碳酸盐燃料电池发电系统及其工作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种熔融碳酸盐燃料电池发电系统及其工作方法，属于发电技术领域。空气在变压吸附制氧装置内将氧气与氮气分离，产生90％以上浓度的氧气，直接参与熔融碳酸盐燃料电池堆的烧结与电化学反应。熔融碳酸盐燃料电池堆阳极尾气在催化燃烧器内与氧气发生催化燃烧反应除去H2，形成阳极CO2循环利用。电池堆阴极尾气中未反应的O2和CO2，在催化燃烧器内重新进行配比成符合电池堆阴极入口条件的气体比例，循环进入电池堆阴极反应，形成阴极CO2循环利用。本发明系统通过提高阴极的氧浓度来提高熔融碳酸盐燃料电池的性能，通过阳极尾气催化燃烧充分进行能量回收，从而提高系统整体效率。

Description

一种熔融碳酸盐燃料电池发电系统及其工作方法
技术领域
本发明属于发电技术领域，涉及一种熔融碳酸盐燃料电池发电系统及其工作方法。
背景技术
熔融碳酸盐燃料电池的发电过程涉及电化学反应，其中在阴极主要发生氧气吸收电子转化为阳离子并与二氧化碳发生电化学反应生成碳酸根，碳酸根通过电解质层输送到阳极，在阳极碳酸根与氢气发生电化学反应生成水和二氧化碳，并释放出电子由外电路输送到阴极参与生成碳酸根的电化学反应，电子在外电路的迁移过程中生成电流，产生电能。熔融碳酸盐燃料电池的阴极整个反应过程仅仅是氧气与二氧化碳的反应，阴极通入的空气中的氮气并未发生反应。空气中的约79％的氮气大大稀释了氧气的浓度，并且因吸热而带走了电池堆内部的一部分热量，影响了反应的速率和熔融碳酸盐燃料电池的性能。熔融碳酸盐燃料电池的阳极产物包含一部分未反应的氢气具有较高能量，通过催化燃烧后排烟温度也高达800～1000℃左右，直接排走会造成极大的能源浪费。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术中，熔融碳酸盐燃料电池能源利用率较低的缺点，提供一种熔融碳酸盐燃料电池发电系统及其工作方法。
为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
一种熔融碳酸盐燃料电池发电系统，包括变压吸附制氧单元、燃料电池堆和催化燃烧器；
燃料电池堆包括阴极部、阳极部和电解质层；
阳极部的入口与富氢气体连接；
催化燃烧器设有三个入口，一个入口与阴极部的出口连接，另一个入口与变压吸附制氧单元的出口连接，还有一个入口与阳极部的出口连接；催化燃烧器的出口与阴极部的入口连接。
优选地，阳极部的入口连接有第一换热器；
第一换热器设有两个出口，一个出口与阳极部的入口连接，另一个出口与催化燃烧器的入口连接。
优选地，燃料电池堆连接有转换器。
优选地，催化燃烧器与阴极部之间安装有第二换热器；
第二换热器设有两个入口，一个入口与催化燃烧器的出口连接，另一个入口为水入口，与外接的水源连接；
第二换热器设有两个出口，一个出口与阴极部的入口连接，另一个出口为蒸汽热水出口。
优选地，变压吸附制氧装置设有两个。
优选地，转换器为DC/AC转换器。
一种基于所述熔融碳酸盐燃料电池发电系统的工作方法，包括：
富氢气体首先进入燃料电池堆内，与电解质层中的碳酸根发生电化学反应生成阳极尾气，阳极尾气进入催化燃烧器中进行催化燃烧反应；
空气经过变压吸附制氧装置后得到高浓度的氧气，氧气进入催化燃烧器，与阳极尾气中的H2在催化燃烧器中发生反应，去除其中的H2，得到催化燃烧产物，催化燃烧产物进入阴极部，形成CO2的循环。
优选地，催化燃烧产物由O2、CO2、H2O和N2组成；
阳极尾气包括CO2、H2、和H2O。
优选地，富氢气体进入阳极部前要进行换热升温，升温后富氢气体的温度为500～550℃。
优选地，催化燃烧产物进入阴极部前要进行换热降温，降温后催化燃烧产物的温度为500～550℃。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明公开了一种熔融碳酸盐燃料电池发电系统，空气在变压吸附制氧装置内将氧气与氮气分离，产生90％以上浓度的氧气，直接参与熔融碳酸盐燃料电池堆的烧结与电化学反应，能够降低阴极气体升温需要的热量，并能进一步提高电池堆隔膜的烧结性能和电池堆的放电性能。熔融碳酸盐燃料电池堆阳极尾气在催化燃烧器内与氧气发生催化燃烧反应除去H2，形成阳极CO2循环利用。电池堆阴极尾气中未反应的O2和CO2，在催化燃烧器内重新进行配比成符合电池堆阴极入口条件的气体比例，循环进入电池堆阴极反应，形成阴极CO2循环利用。即本发明系统通过提高阴极的氧浓度来提高熔融碳酸盐燃料电池的性能，通过阳极尾气催化燃烧充分进行能量回收，从而提高系统整体效率。通过本发明的系统，通过CO2循环保证了电池堆阴极反应所需的CO2量，通过阴极尾气的排放进一步大大降低了CO2对环境的排放。
进一步地，采用变压吸附制氧装置产生高浓度的氧气，将不参与反应的氮气直接排空，高浓度的氧气一方面可以促进电池堆隔膜内的有机材料的分解，提高电池堆性能，一方面没有氮气的阴极气体需要的升温热量大大减小，提高了反应的速率和熔融碳酸盐燃料电池的性能。
进一步地，第一换热器能够将阴极部尾气的热量充分利用，将富氢气体的温度升高到500～550℃；催化燃烧器能够将通过催化燃烧将阳极尾气中的H2完全除去，第二换热器通过水与高温的催化燃烧产物换热，将催化燃烧气体温度降低到500～550℃，并产生蒸汽或热水，实现供热的功能。
本发明还公开一种熔融碳酸盐燃料电池发电系统的工作方法，是基于上述装置进行的，含有CO2的富氢气体首先进入燃料电池堆内，与电解质层的碳酸根发生电化学反应生成阳极尾气，阳极尾气进入催化燃烧器中进行燃烧反应；空气经过变压吸附制氧装置后得到高浓度的氧气，氧气进入燃烧反应器，与燃烧反应器中的阳极尾气发生反应，去除其中的H2，催化燃烧产物进入燃料电池堆的阴极部，形成CO2的循环。阳极尾气通过催化燃烧过程除去H2后进入电池堆阴极，形成CO2循环，阴极尾气中的气体成分主要为氧气和二氧化碳，进入催化燃烧器后进入电池堆阴极，形成氧气和CO2循环，阳极产物包含一部分未反应的氢气具有较高能量，通过催化燃烧方式进行热量的回收利用。
附图说明
图1为本发明的一种富氧反应的熔融碳酸盐燃料电池发电系统流程示意图；
其中：1-第一换热器；2-燃料电池堆；21-阳极部；22-电解质层；23-阴极部；3-催化燃烧器；4-变压吸附制氧单元；5-第二换热器；6-转换器。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
实施例1
如图1所示，一种熔融碳酸盐燃料电池发电系统，包括变压吸附制氧单元4、燃料电池堆2和催化燃烧器3；燃料电池堆2包括阴极部23、阳极部21和电解质层22；阳极部21的入口与富氢气体连接；催化燃烧器3设有三个入口，一个入口与阴极部23的出口连接，另一个入口与变压吸附制氧单元4的出口连接，还有一个入口与阳极部21的出口连接；催化燃烧器3的出口与第二换热器5的入口连接。
实施例2
除以下内容外，其余内容均与实施例1相同。
一种熔融碳酸盐燃料电池发电系统，包括：熔融碳酸盐燃料电池阴极尾气换热器1、熔融碳酸盐燃料电池堆2、催化燃烧器3、变压吸附制氧装置4、换热器5、DC/AC转换器6。
阳极部21的入口连接有第一换热器1；换热器1设有两个出口，一个出口与阳极部21的入口连接，另一个出口直接与催化燃烧器3的入口连接。
催化燃烧器3与阴极部23之间设有第二换热器5；第二换热器5设有两个入口，一个入口与催化燃烧器3的出口连接，另一个入口为水入口，与外接的水源连接；第二换热器5设有两个出口，一个出口与阴极部23的入口连接，另一个出口为蒸汽热水出口。
实施例3
除以下内容外，其余内容均与实施例1相同。
阳极部21设有两个出口，一个出口与催化燃烧器3的入口连接，另一个出口连接有转换器6。
需要说明的是，DC/AC转换器是燃料电池系统必备的设备，燃料电池正常工作后发出的电为直流电，要想上网必须经过转换器将直流电转换为交流电才可进行实际应用。
实施例4
一种基于熔融碳酸盐燃料电池发电系统的工作方法，包括：
含有CO2的富氢气体首先进入燃料电池堆2内，与电解质层22的碳酸根发生电化学反应生成阳极尾气，阳极尾气进入催化燃烧器3中进行燃烧反应；
空气经过变压吸附制氧装置4后得到高浓度的氧气，氧气进入燃烧反应器3，与燃烧反应器中的阳极尾气发生反应，去除其中的H2，催化燃烧产物进入燃料电池堆2的阴极部23，形成CO2的循环。
实施例5
一种基于熔融碳酸盐燃料电池发电系统的工作方法，包括：
含有5％～25％的CO2的富氢气体在第一换热器1内与燃料电池堆2的阴极尾气换热升温到500℃送入燃料电池堆2的阳极内，70％～80％的H2与来自电解质层22的碳酸根CO3 2-发生电化学反应生成CO2和H2O。空气在变压吸附制氧装置4内被分离为90％以上浓度的氧气，计算电池堆阴极反应所需的氧量和催化燃烧阳极尾气所需的氧气量，用流量计控制进入催化燃烧器3内的氧气量，在催化燃烧器3内的氧气与来自燃料电池堆2的阳极尾气在催化燃烧器3内发生反应，完全除去电池堆阳极尾气中的H2，催化燃烧产物中仅含O2、CO2和H2O和少量N2，不含有H2，经过换热降温到500℃进入电池堆2的阴极内形成CO2的循环。燃料电池堆2的阴极反应过程中O2和CO2的气体利用率约为70％～75％，尾气中也含有一定量的为反应的O2和CO2，为回收和补充电池堆阴极入口CO2的不足，经过换热降温的一部分阴极尾气循环至催化燃烧器3的入口，与来自变压吸附制氧装置4的O2一起进入催化燃烧器3，催化燃烧产物进入燃料电池堆2阴极形成O2和CO2循环。
综上所述，一种提高熔融碳酸盐燃料电池阴极氧气进气浓度的方法，减少阴极进气流量和进气预热吸热，提高阴极电化学反应速率，通过阳极尾气催化燃烧充分进行能量回收，进一步提高熔融碳酸盐燃料电池的系统性能。阳极尾气通过催化燃烧过程除去H2后进入电池堆阴极，形成CO2循环。阴极尾气中的气体成分主要为氧气和二氧化碳，进入催化燃烧器后进入电池堆阴极，形成氧气和CO2循环。熔融碳酸盐燃料电池的阳极产物包含一部分未反应的氢气具有较高能量，通过催化燃烧方式进行热量的回收利用。
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种熔融碳酸盐燃料电池发电系统，其特征在于，包括变压吸附制氧单元(4)、燃料电池堆(2)和催化燃烧器(3)；
燃料电池堆(2)包括阴极部(23)、阳极部(21)和电解质层(22)；
阳极部(21)的入口与富氢气体连接；
催化燃烧器(3)设有三个入口，一个入口与阴极部(23)的出口连接，另一个入口与变压吸附制氧单元(4)的出口连接，还有一个入口与阳极部(21)的出口连接；催化燃烧器(3)的出口与阴极部(23)的入口连接。
2.根据权利要求1所述的熔融碳酸盐燃料电池发电系统，其特征在于，阳极部(21)的入口连接有第一换热器(1)；
第一换热器(1)设有两个出口，一个出口与阳极部(21)的入口连接，另一个出口与催化燃烧器(3)的入口连接。
3.根据权利要求1所述的熔融碳酸盐燃料电池发电系统，其特征在于，燃料电池堆(2)连接有转换器(6)。
4.根据权利要求1所述的熔融碳酸盐燃料电池发电系统，其特征在于，催化燃烧器(3)与阴极部(23)之间安装有第二换热器(5)；
第二换热器(5)设有两个入口，一个入口与催化燃烧器(3)的出口连接，另一个入口为水入口，与外接的水源连接；
第二换热器(5)设有两个出口，一个出口与阴极部(23)的入口连接，另一个出口为蒸汽热水出口。
5.根据权利要求1所述的熔融碳酸盐燃料电池发电系统，其特征在于，变压吸附制氧装置(4)设有两个。
6.根据权利要求3所述的熔融碳酸盐燃料电池发电系统，其特征在于，转换器(6)为DC/AC转换器。
7.一种基于权利要求1～6任一项所述熔融碳酸盐燃料电池发电系统的工作方法，其特征在于，包括：
富氢气体首先进入燃料电池堆(2)内，与电解质层(22)中的碳酸根发生电化学反应生成阳极尾气，阳极尾气进入催化燃烧器(3)中进行催化燃烧反应；
空气经过变压吸附制氧装置(4)后得到高浓度的氧气，氧气进入催化燃烧器(3)，与阳极尾气中的H2在催化燃烧器(3)中发生反应，去除其中的H2，得到催化燃烧产物，催化燃烧产物进入阴极部(23)，形成CO2的循环。
8.根据权利要求7所述的基于熔融碳酸盐燃料电池发电系统的工作方法，其特征在于，催化燃烧产物由O2、CO2、H2O和N2组成；
阳极尾气包括CO2、H2、和H2O。
9.根据权利要求7所述的基于熔融碳酸盐燃料电池发电系统的工作方法，其特征在于，富氢气体进入阳极部(21)前要进行换热升温，升温后富氢气体的温度为500～550℃。
10.根据权利要求7所述的基于熔融碳酸盐燃料电池发电系统的工作方法，其特征在于，催化燃烧产物进入阴极部(23)前要进行换热降温，降温后催化燃烧产物的温度为500～550℃。
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