CN113471492B - 使用固废合成气的燃料电池发电系统及发电方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种使用固废合成气的燃料电池发电系统及发电方法，该燃料电池发电系统包括：燃烧器、蒸汽发生器、混合器、重整器及固体氧化物燃料电池。该使用固废合成气的燃料电池发电系统通过利用燃烧器燃烧固废合成气启动燃料电池发电系统，能够充分利用固废合成气的能量，避免了使用高热值燃气作为燃料燃烧或者电力启动燃料电池发电系统；固废合成气还可作为燃料电池的燃料，能够一定程度地利用固废合成气作为燃料电池发电原料，上述使用固废合成气的燃料电池发电系统的能量利用率高，降低系统运行成本。

Description

使用固废合成气的燃料电池发电系统及发电方法

技术领域

本发明涉及固体氧化物燃料电池技术领域，具体涉及一种使用固废合成气的燃料电池发电系统及发电方法。

背景技术

固体氧化物燃料电池(Solid Oxide Fuel Cell，简称SOFC)，属于第三代燃料电池，是一种实现燃料化学能和电能两种能量载体间高效转换的技术。SOFC的燃料适应性广，能够适用于甲烷(CH₄)、丙烷(C₃H₈)、氢气(H₂)、一氧化碳(CO)、人工煤气、沼气、乙醇等常规燃气。固体氧化物燃料电池单体主要由电解质、阳极、阴极和连接体组成。与其他燃料电池相同，固体氧化物燃料电池的工作原理相当于水水解的“逆”装置。其单电池由阳极、阴极和固体氧化物电解质组成，阳极为燃料发生氧化的场所，阴极为氧化剂还原的场所，两极都含有加速电极电化学反应的催化剂。工作时相当于一个直流电源，其阳极即电源负极，阴极为电源正极。在固体氧化物燃料电池的阳极一侧持续通入燃料气，例如：氢气(H₂)、甲烷(CH₄)、城市煤气等，具有催化作用的阳极表面吸附燃料气体，并通过阳极的多孔结构扩散到阳极与电解质的界面。在阴极一侧持续通入氧气或空气，具有多孔结构的阴极表面吸附氧，由于阴极本身的催化作用，使得O₂得到电子变为O^2-，在化学势的作用下，O^2-进入起电解质作用的固体氧离子导体，由于浓度梯度引起扩散，最终到达固体电解质与阳极的界面，与燃料气体发生反应，失去的电子通过外电路回到阴极。常规的发电技术因受卡诺循环限制，发电效率一般在30％～40％之间，而SOFC的发电效率能达到60％，可以显著地提高能源的利用率。同时，SOFC又是一种清洁、低碳的发电技术，氮氧化物和烟尘排放接近于零。

固体废弃物，是指人类在生产、消费、生活和其他活动中产生的固态、半固态废弃物，通俗地说，就是“垃圾”。固体废弃物主要包括固体颗粒、垃圾、炉渣、污泥、废弃的制品、破损器皿、残次品、动物尸体、变质食品、人畜粪便等。随着科技的进步以及环保意识的增强，人们逐渐意识到“垃圾是放错地方的资源”。一些技术通过将固体废弃物制备为固废合成气，使固体废弃物的能源转化利用，实现“变废为宝”。然而，固废合成气通常具有低热值的特性，单位质量(或体积)的固废合成气完全燃烧时所放出的热量较少；因而难以利用固废合成气进行高效发电，采用传统的燃气锅炉或燃气轮机发电效率不足35％。

发明内容

基于此，有必要提供一种优化资源利用的固废合成气的燃料电池发电系统及发电方法。

本发明的一个方面，提供了一种使用固废合成气的燃料电池发电系统，包括：

燃烧器，所述燃烧器的第一进气口用于连接固废合成气源，以利用固废合成气燃烧产热；

蒸汽发生器，所述蒸汽发生器用于提供水蒸气；

混合器，所述混合器的原料气进气口用于连接燃气源及所述蒸汽发生器，以使燃气与所述水蒸气混合，得到混合气；

重整器，所述重整器的混合气进气口与所述混合器的混合气出气口连接，以使所述混合气重整反应，得到重整气，所述重整器的尾气进气口与所述燃烧器的尾气出气口连接以利用固废合成气燃烧产热启动所述重整反应；以及

固体氧化物燃料电池，所述固体氧化物燃料电池的阳极与所述重整器的重整气出气口连接，以在阳极利用所述重整气作为燃料与空气阴极反应发电。

在其中一些实施例中，所述重整器的尾气出气口与所述蒸汽发生器的尾气进气口连接，以利用所述固废合成气燃烧的余热给所述蒸汽发生器提供热源。

在其中一些实施例中，所述重整器的尾气出气口与所述蒸汽发生器的尾气进气口连接，以利用所述固废合成气燃烧的余热给所述蒸汽发生器提供热源；

所述蒸汽发生器的尾气出气口与所述混合器的尾气进气口连接，以利用所述固废合成气燃烧的余热预热所述混合气。

在其中一些实施例中，所述使用固废合成气的燃料电池发电系统还包括：

第一尾气换热器，所述第一尾气换热器的进水口用于与冷却水连接，所述第一尾气换热器的尾气进气口与所述混合器的尾气出气口连接，以利用所述冷却水吸收所述燃烧器燃烧的余热。

在其中一些实施例中，所述使用固废合成气的燃料电池发电系统还包括：

储水箱，所述储水箱的进水口与所述第一尾气换热器的出水口连接，以用于贮存经所述第一尾气换热器换热的所述冷却水；所述储水箱的出水口用于连接热水用户。

在其中一些实施例中，所述储水箱的出水口与所述第一尾气换热器的进水口连接，以用于进一步加热所述储水箱中的所述冷却水。

在其中一些实施例中，所述阳极与所述燃烧器的第一进气口连接，以向所述燃烧器通入所述阳极反应产生的阳极废气，所述阳极尾气在所述燃烧器中完全燃烧产热。

在其中一些实施例中，所述使用固废合成气的燃料电池发电系统还包括：

空气预热组件，所述空气预热组件用于与大气连通，向所述固体氧化物燃料电池的空气阴极及所述燃烧器提供预热空气。

在其中一些实施例中，所述燃烧器的尾气出气口与所述空气预热组件的尾气进气口连接，以利用所述固废合成气燃烧产热对空气预热。

在其中一些实施例中，所述使用固废合成气的燃料电池发电系统还包括：

第二尾气换热器，所述第二尾气换热器的进水口用于与冷却水连接，所述第二尾气换热器的尾气进气口与所述空气预热组件的尾气出气口连接，以利用所述冷却水吸收所述燃烧器燃烧的余热。

在其中一些实施例中，所述使用固废合成气的燃料电池发电系统还包括：

储水箱，所述储水箱的进水口与所述第二尾气换热器的出水口连接，以用于贮存经所述第二尾气换热器换热的所述冷却水；所述储水箱的出水口用于连接热水用户。

在其中一些实施例中，所述储水箱的出水口与所述第二尾气换热器的进水口连接，以用于进一步加热所述储水箱中的所述冷却水。

在其中一些实施例中，所述混合器的原料气进气口用于连接氮气源，以在停机状态通入氮气保护；

在其中一些实施例中，所述固体氧化物燃料电池的阳极连接所述氮气源，以在停机状态通入氮气保护。

本发明的另一方面，还提供了利用上述的使用固废合成气的燃料电池发电系统的发电方法，包括以下步骤：

将固废合成气通入燃烧器燃烧产热；

使用蒸汽发生器提供水蒸气；

所述水蒸气和燃气在混合器中混合均匀，得到混合气；

所述混合气在重整器中发生重整反应，得到重整气，所述重整反应由所述固废合成气燃烧产热启动；

所述重整气通入固体氧化物燃料电池的阳极作为燃料，与空气阴极反应发电。

在其中一些实施例中，所述燃气中掺有固废合成气。

上述使用固废合成气的燃料电池发电系统通过利用燃烧器燃烧固废合成气启动燃料电池发电系统，能够充分利用固废合成气的能量，避免了使用高热值燃气作为燃料燃烧或者电力启动燃料电池发电系统；固废合成气还可作为燃料电池的燃料，能够一定程度地利用固废合成气作为燃料电池发电原料，上述使用固废合成气的燃料电池发电系统的能量利用率高，降低系统运行成本。

附图说明

图1为本发明一实施方式的使用固废合成气的燃料电池发电系统的结构示意图；燃烧器100，蒸汽发生器200，混合器300，重整器400，固体氧化物燃料电池500，第一尾气换热器610，第二尾气换热器620，空气预热组件700，第一空气加热器710，第二空气加热器720，储水箱800，鼓风机900。

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。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

参阅图1，本发明一实施方式提供了一种使用固废合成气的燃料电池发电系统，包括：燃烧器100、蒸汽发生器200、混合器300、重整器400及固体氧化物燃料电池500。

燃烧器100的第一进气口用于连接固废合成气源，以利用固废合成气燃烧产热，启动燃料电池发电系统。

蒸汽发生器200用于向混合器300提供水蒸气。

混合器300的原料气进气口用于连接燃气源及蒸汽发生器200，以使燃气与水蒸气混合，得到混合气。在其中一些实施例中，燃气进入混合器300前，还经过除硫器进行除硫。

重整器400的混合气进气口与混合器300的混合气出气口连接，以使混合气重整反应，以除去高碳链分子，得到重整气。重整器400为双层筒状结构，具有换热功能，重整器400的尾气进气口与燃烧器100的尾气出气口连接以利用固废合成气燃烧产热启动重整反应。

固体氧化物燃料电池500的阳极与重整器400的重整气出气口连接，以利用阳极的重整气作为燃料与空气阴极反应发电。

上述使用固废合成气的燃料电池发电系统通过利用燃烧器100燃烧固废合成气启动燃料电池发电系统，能够充分利用固废合成气的能量，避免了使用高热值燃气作为燃料燃烧或者电力启动燃料电池发电系统；固废合成气还可作为燃料电池的燃料，能够一定程度地利用固废合成气作为燃料电池发电原料，上述使用固废合成气的燃料电池发电系统的能量利用率高，降低系统运行成本。

重整器400兼具重整及换热功能，因而减少了设备投入，降低系统造价、成本，同时可进一步减少热量的散失，提高能量利用率。

在其中一些实施例中，蒸汽发生器200产生水蒸气的水源可以来自于市政自来水，通过纯化水机，纯化自来水后可用于产生水蒸气。纯化水机可以是内置的，也可以依赖外部纯水机。

在其中一些实施例中，使用固废合成气的燃料电池发电系统中包括至少一个固体氧化物燃料电池500。可以理解，根据供电需求，可以设置一个或多个固体氧化物燃料电池500以提供所需用电。

在其中一些实施例中，重整器400的尾气出气口与蒸汽发生器200的尾气进气口连接，以利用固废合成气燃烧的余热用于提供蒸汽发生器200的热源。

进一步地，蒸汽发生器200的尾气出气口与混合器300的尾气进气口连接，以利用固废合成气燃烧的余热预热混合气。混合器300为管道状的双层筒状结构，具备换热功能，在混合燃气与水蒸气的同时对其加热。混合器300兼具混合气体及换热功能，因而减少了设备投入，降低系统造价、成本，可进一步减少热量的散失，提高能量利用率。

在其中一些实施例中，使用固废合成气的燃料电池发电系统还包括：第一尾气换热器610。第一尾气换热器610的进水口用于与冷却水连接，第一尾气换热器610的尾气进气口与混合器300的尾气出气口连接，以利用冷却水吸收燃烧器100燃烧的余热。

在其中一些实施例中，固体氧化物燃料电池500的阳极与燃烧器100的第一进气口连接，以向燃烧器通入固体氧化物燃料电池500的阳极反应产生的阳极废气，阳极尾气在燃烧器100中完全燃烧产热。

在其中一些实施例中，使用固废合成气的燃料电池发电系统还包括：空气预热组件700。空气预热组件700与大气连通，用于向固体氧化物燃料电池500的空气阴极及燃烧器100提供预热空气。

在其中一些实施例中，大气经过鼓风机900增压后进入空气预热组件700。在其中一些实施例中，增压大气在进入空气预热组件700前，还经过过滤器纯化，以除去空气中杂质颗粒。

在其中一些实施例中，燃烧器100的尾气出气口与空气预热组件700的尾气进气口连接，以利用固废合成气燃烧产热对空气预热。

在其中一些实施例中，空气预热组件700包括至少一个空气加热器。在其中一些实施例中，空气预热组件700包括第一空气加热器710和第二空气加热器720。燃烧器100的尾气出气口与第一空气加热器710的尾气进气口连接，第一空气加热器710的尾气出气口与第二空气加热器720的尾气进气口连接。在其中一些实施例中，第一空气加热器710的空气出气口与固体氧化物燃料电池500的阴极连接，以提供固体氧化物燃料电池500的阴极所需空气；固体氧化物燃料电池500阴极与燃烧器100的第二进气口连接，以向燃烧器100提供固体氧化物燃料电池500中未充分利用的空气。在其中一些实施例中，第二空气加热器720的空气出气口与燃烧器100的第二进气口连接，以向燃烧器100提供燃烧所需空气。

在其中一些实施例中，使用固废合成气的燃料电池发电系统还包括：第二尾气换热器620。第二尾气换热器620的进水口用于与冷却水连接，第二尾气换热器620的尾气进气口与空气预热组件700的尾气出气口连接，以利用冷却水吸收燃烧器100燃烧的余热。

在其中一些实施例中，使用固废合成气的燃料电池发电系统还包括：储水箱800。储水箱800的进水口与第一尾气换热器610的出水口和/或第二尾气换热器620的出水口连接，以用于贮存经第一尾气换热器610和/或第二尾气换热器620换热的冷却水；储水箱800的出水口用于连接热水用户，从而可以满足用户的供热需求，由于搭载了热水供应系统，可以进一步提升能源利用率。

在其中一些实施例中，储水箱800的出水口与第一尾气换热器610的进水口和/或第二尾气换热器620的进水口连接，以进一步加热储水箱800中的冷却水。

在其中一些实施例中，第一尾气换热器610的尾气出气口和/或第二尾气换热器620的尾气出气口用于连接大气，以排放换热的燃烧尾气。

在其中一些实施例中，混合器300的原料气进气口用于连接氮气源，以在停机状态通入氮气保护。在其中一些实施例中，固体氧化物燃料电池500的阳极连接氮气源，以在停机状态通入氮气保护。在停机状态时，依赖保护性气体氮气可以控制系统降温，可以防止固体氧化物燃料电池500的阳极被意外氧化，提高系统的容错能力和稳定性能。

固体氧化物燃料电池500在发电的同时产生高温余气，燃烧器100中的燃烧反应也会产生大量的热。上述使用固废合成气的燃料电池发电系统秉承能量梯级利用原则，通过合理设置蒸汽发生器200、混合器300、重整器400、第一尾气换热器610、第二尾气换热器620及空气预热组件700的连接关系，可以充分利用高温的燃烧尾气的热量，为燃料电池发电系统中的物料提供热量，能够进一步提高能源利用率，理论能量利用率可达95％以上。

本发明另一实施方式还提供了利用上述的使用固废合成气的燃料电池发电系统的发电方法，包括以下步骤：

将固废合成气通入燃烧器燃烧产热；

水蒸气和燃气在混合器中混合均匀，得到混合气；水蒸气由蒸汽发生器提供；

混合气在重整器中发生重整反应，得到重整气；重整反应由固废合成气燃烧产热启动；

重整气通入固体氧化物燃料电池的阳极作为燃料，与空气阴极反应发电。

在其中一些实施例中，燃气中掺有固废合成气。用户可以根据固废合成气的热值在燃气中掺杂固废合成气以调制燃气的热值，因而能够合理利用固废合成气作为固体氧化物燃料电池的燃料用于发电，充分高效地利用固废合成气的能量。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，便于具体和详细地理解本发明的技术方案，但并不能因此而理解为对发明专利保护范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。应当理解，本领域技术人员在本发明提供的技术方案的基础上，通过合乎逻辑的分析、推理或者有限的试验得到的技术方案，均在本发明所述附权利要求的保护范围内。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求的内容为准，说明书及附图可以用于解释权利要求的内容。

Claims (13)

1.一种使用固废合成气的燃料电池发电系统，其特征在于，包括：

燃烧器，所述燃烧器的第一进气口用于连接固废合成气源，以利用固废合成气燃烧产热；

蒸汽发生器，所述蒸汽发生器用于提供水蒸气；

混合器，所述混合器的原料气进气口用于连接燃气源及所述蒸汽发生器，以使燃气与所述水蒸气混合，得到混合气；

重整器，所述重整器的混合气进气口与所述混合器的混合气出气口连接，以使所述混合气重整反应，得到重整气，所述重整器的尾气进气口与所述燃烧器的尾气出气口连接以利用固废合成气燃烧产热启动所述重整反应；

固体氧化物燃料电池，所述固体氧化物燃料电池的阳极与所述重整器的重整气出气口连接，以在阳极利用所述重整气作为燃料与空气阴极反应发电；

所述重整器的尾气出气口与所述蒸汽发生器的尾气进气口连接，以利用所述固废合成气燃烧的余热给所述蒸汽发生器提供热源；

所述蒸汽发生器的尾气出气口与所述混合器的尾气进气口连接，以利用所述固废合成气燃烧的余热预热所述混合气；以及

第一尾气换热器，所述第一尾气换热器的进水口用于与冷却水连接，所述第一尾气换热器的尾气进气口与所述混合器的尾气出气口连接，以利用所述冷却水吸收所述燃烧器燃烧的余热。

2.根据权利要求1所述的使用固废合成气的燃料电池发电系统，其特征在于，还包括：

储水箱，所述储水箱的进水口与所述第一尾气换热器的出水口连接，以用于贮存经所述第一尾气换热器换热的所述冷却水；所述储水箱的出水口用于连接热水用户。

3.根据权利要求2所述的使用固废合成气的燃料电池发电系统，其特征在于，所述储水箱的出水口与所述第一尾气换热器的进水口连接，以用于进一步加热所述储水箱中的所述冷却水。

4.根据权利要求1所述的使用固废合成气的燃料电池发电系统，其特征在于，所述阳极与所述燃烧器的第一进气口连接，以向所述燃烧器通入所述阳极反应产生的阳极废气，所述阳极尾气在所述燃烧器中完全燃烧产热。

5.根据权利要求1所述的使用固废合成气的燃料电池发电系统，其特征在于，还包括：

空气预热组件，所述空气预热组件用于与大气连通，向所述固体氧化物燃料电池的空气阴极及所述燃烧器提供预热空气。

6.根据权利要求5所述的使用固废合成气的燃料电池发电系统，其特征在于，所述燃烧器的尾气出气口与所述空气预热组件的尾气进气口连接，以利用所述固废合成气燃烧产热对空气预热。

7.根据权利要求6所述的使用固废合成气的燃料电池发电系统，其特征在于，还包括：

第二尾气换热器，所述第二尾气换热器的进水口用于与冷却水连接，所述第二尾气换热器的尾气进气口与所述空气预热组件的尾气出气口连接，以利用所述冷却水吸收所述燃烧器燃烧的余热。

8.根据权利要求7所述的使用固废合成气的燃料电池发电系统，其特征在于，还包括：

储水箱，所述储水箱的进水口与所述第二尾气换热器的出水口连接，以用于贮存经所述第二尾气换热器换热的所述冷却水；所述储水箱的出水口用于连接热水用户。

9.根据权利要求8所述的使用固废合成气的燃料电池发电系统，其特征在于，所述储水箱的出水口与所述第二尾气换热器的进水口连接，以用于进一步加热所述储水箱中的所述冷却水。

10.根据权利要求1至9任意一项所述的使用固废合成气的燃料电池发电系统，其特征在于，所述重整器为双层筒状结构。

11.根据权利要求1至9任意一项所述的使用固废合成气的燃料电池发电系统，其特征在于，所述混合器的原料气进气口用于连接氮气源，以在停机状态通入氮气保护；

及/或，所述固体氧化物燃料电池的阳极连接所述氮气源，以在停机状态通入氮气保护。

12.利用权利要求1至11任意一项所述的使用固废合成气的燃料电池发电系统的发电方法，其特征在于，包括以下步骤：

将固废合成气通入燃烧器燃烧产热；

使用蒸汽发生器提供水蒸气；

所述水蒸气和燃气在混合器中混合均匀，得到混合气；

所述混合气在重整器中发生重整反应，得到重整气，所述重整反应由所述固废合成气燃烧产热启动；

所述重整气通入固体氧化物燃料电池的阳极作为燃料，与空气阴极反应发电。

13.根据权利要求12所述的发电方法，其特征在于，所述燃气中掺有固废合成气。

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