CN113851671B - 一种净零排放的固体氧化物燃料电池系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种净零排放的固体氧化物燃料电池系统，包括鼓风机、自动空气调节阀、LNG冷能空分机、重整器、空气加热器、SOFC电堆、阳极尾气燃烧器；鼓风机的输出端分别与空气加热器和自动空气调节阀连通，空气加热器的输出端与阴极连通，自动空气调节阀的输出端与LNG冷能空分机连通，LNG冷能空分机包括纯氧输出端和气化输出端，气化输出端连通于重整器，重整器的输出端连通于阳极；LNG冷能空分机将液化天然气转换为气态天然气的同时，利用天然气气化时的冷能，将自动空气调节阀输入的空气分离为氮气和纯氧，纯氧输入阳极尾气燃烧器中与阳极中未参与电化学反应的重整气体一同燃烧，阳极尾气燃烧器的燃烧尾气仅存在H2O和CO2,方便CO2的提取和利用。

Description

一种净零排放的固体氧化物燃料电池系统
技术领域
本发明属于固体氧化物燃料电池系统领域，具体涉及一种净零排放的固体氧化物燃料电池系统。
背景技术
固体氧化物燃料电池(SOFC)是一种不经过燃烧过程直接以电化学反应方式将燃料(如天然气)的化学能直接转化为电能的高效发电装置。不同于太阳能发电、风力发电，SOFC发电技术不受季节、气候、地理位置、
时间间歇性等的限制，只要通入天然气、沼气等燃料，SOFC可以直接发电。另一方面，相对于传统发电技术，SOFC发电系统具有燃料来源广、发电效率高、发电过程几乎无NOx排放、且便于CO2捕集等优点。SOFC系统作为一种高效、环保的新型发电设备，在住宅、酒店、医院、学校、办公楼宇、小区、数据中心、通讯基站等民工商业用户分布式电源领域具有广泛应用前景，是进一步推动清洁能源天然气高效利用、实现“碳中和”、“碳达峰”的重要技术手段。
固体氧化物燃料电池系统通常由鼓风机、重整器、电堆、尾气燃烧器、换热器、水蒸气发生器、逆变器、电子负载等部件组成。尾气燃烧器的主要作用是燃烧阳极未参与电化学反应的重整气体,通常以阴极尾气为氧化剂。但是阴极尾气含有大量的N2，导致阳极燃烧尾气的主要组成为H2O、CO2和N2。虽然相比于相比于常规的化石能源发电，SOFC具有高效低污染的特点，但是如果阳极烟气不经过除N2处理，尾气当中CO2的浓度相对较低，较难实现储存与利用，这就意味着SOFC系统还是存在CO2的排放。如果采用变压吸附等方式提取CO2，会导致SOFC的系统复杂度增加，寄生功率增加，最终导致系统的发电效率降低。
另外，在不同的工况下，尾气燃烧器中燃料的组成有很大的差异，这就要求尾气燃烧器可以适用较大燃料浓度变化范围，对尾气燃烧器的设计提出了更高的要求。有些SOFC系统为了实现阳极尾气的稳定燃烧，采用多个燃烧器来克服阳极尾气燃料组分的变化，但相应的增加了系统的复杂程度和控制难度。
综上所述，阳极尾气和阴极尾气混合燃烧后产出的低浓度CO2难以储存利用和低热值燃烧困难，是目前本技术领域技术人员亟待解决的问题。
发明内容
因此，为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种净零排放的固体氧化物燃料电池系统，包括鼓风机、自动空气调节阀、LNG冷能空分机、重整器、空气加热器、SOFC电堆、阳极尾气燃烧器，所述SOFC电堆包括阳极和阴极；
所述鼓风机的输出端分别与空气加热器和自动空气调节阀连通，所述空气加热器的输出端与所述阴极连通，所述自动空气调节阀的输出端与所述LNG冷能空分机连通，所述LNG冷能空分机包括纯氧输出端和气化输出端，所述气化输出端连通于所述重整器，所述重整器的输出端连通于所述阳极；
所述阳极的输出端和所述纯氧输出端皆连通于所述阳极尾气燃烧器。
进一步地，还包括三合一换热器，所述阳极尾气燃烧器的输出端和所述阴极的输出端皆连通于所述三合一换热器，阳极尾气燃烧器产生的燃烧尾气和阴极产生的阴极尾气带有一定热量，三合一换热器将这些多余热量收集并将热量提供给相应的设备。
进一步地，还包括余热回收器，所述三合一换热器的热量输出端依次连接于所述重整器、所述空气加热器和所述余热回收器，所述重整器、所述空气加热器和所述余热回收器对温度高低需求不同，所以将这三者按照温度需求由高到低排序，再通过三合一换热器将热量按序输出，实现燃烧尾气和阴极尾气的梯级回收利用，提高本系统的能量利用效率。
进一步地，所述三合一换热器的尾气输出端连接有气水分离装置，燃烧尾气成分为H2O和CO2,所述三合一换热器将燃烧尾气的热量合理分配给相关设备后，将失去热量的H2O和CO2导入气水分离装置，通过气水分离装置提取高浓度的CO2，方便后续的储存和利用，而阴极尾气的成分为N2和O2，可直接排放入大气，实现本系统的零碳排放。
进一步地，所述LNG冷能空分机和所述自动空气调节阀皆电性连接于控制系统，所述控制系统能够控制LNG冷能空分机的开启和关闭并同时能够控制自动空气调节阀的开启程度。在本系统启动和升温阶段时，LNG冷能空分机关闭，燃烧器的温度可以控制在1000℃以下，避免纯氧与阳极尾气输出的CH4剧烈燃烧温度过高，进而省去需要针对阳极尾气燃烧器和受燃烧热量波及的区域进行适应高温环境的改进。
当本系统处于满负荷稳定运行状态时，LNG冷能空分机开启，自动空气调节阀也调节到一个合适的开度，LNG冷能空分机一方面将LNG气化，另一方面制取纯氧输入阳极尾气燃烧器，纯氧可作为氧化剂与阳极尾气进行燃烧反应，同时在满负荷运行时，阳极尾气的热值较低，纯氧可以提高低热值阳极尾气燃烧的稳定性。
本发明的有益效果是：
(1)LNG冷能空分机将液化天然气转换为气态天然气的同时，利用天然气气化时的冷能，将自动空气调节阀输入的空气分离为氮气和纯氧，纯氧输入阳极尾气燃烧器中与阳极中未参与电化学反应的重整气体一同燃烧，在完全燃烧的条件下，阳极尾气燃烧器的燃烧尾气仅存在H2O和CO2,方便CO2的提取和利用；
(2)纯氧作为阳极尾气燃烧器的氧化剂可以克服低热值阳极尾气燃烧困难的问题；
(3)整体系统结构复杂度低，控制难度低，发电效率高。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的结构示意图；
图2为三合一换热器的结构示意图；
具体实施方式
下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，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它实施例，都属于本发明保护的范围。
下面将结合附图来描述本发明的具体实施方式。
实施例：
图1-2示出本发明提供的一种净零排放的固体氧化物燃料电池系统，包括鼓风机、自动空气调节阀、LNG冷能空分机、重整器、空气加热器、SOFC电堆、阳极尾气燃烧器和三合一换热器，SOFC电堆包括阳极和阴极；
鼓风机的输出端分别与空气加热器和自动空气调节阀连通，空气加热器的输出端与阴极连通，自动空气调节阀的输出端与LNG冷能空分机连通，LNG冷能空分机包括纯氧输出端和气化输出端，气化输出端连通于重整器，重整器的输出端连通于阳极，阳极的输出端和纯氧输出端皆连通于阳极尾气燃烧器；
阳极尾气燃烧器的输出端和阴极的输出端皆连通于三合一换热器，还包括余热回收器，三合一换热器的热量输出端依次连接于重整器、空气加热器和余热回收器。三合一换热器充分利用燃烧尾气和阴极尾气热量，为重整气和空气加热器提供能量，使这两个部件能在正常的工作温度范围内工作。通常，空气加热器的出口处，燃烧尾气和阴极尾气还有200℃左右的温度，为了使这部分尾气的能量进一步得到利用，采用余热回收器对热量进行回收，余热回收器是固体氧化燃料电池系统产生热水的主要装置。此时，燃烧尾气和阴极尾气的温度可降低至100℃以下。
三合一换热器的尾气输出端连接有气水分离装置，燃烧尾气成分为H2O和CO2,三合一换热器将燃烧尾气的热量合理分配给相关设备后，将失去热量的H2O和CO2导入气水分离装置，通过气水分离装置提取高浓度的CO2，方便后续的储存和利用，而阴极尾气的成分为N2和O2，可直接排放入大气，实现本系统的零碳排放。
LNG冷能空分机和自动空气调节阀皆电性连接于控制系统，控制系统能够控制LNG冷能空分机的开启和关闭并同时能够控制自动空气调节阀的开启程度。本系统启动和升温阶段的目的是使SOFC电堆内的热区温度升高，在升温阶段开始时，重整器和阳极还未达到工作温度，阳极尾气成分为CH4，若LNG冷能空分机打开，意味着CH4在纯氧中燃烧，燃烧器内的局部温度可达2000℃，这对于燃烧器以及热区的设计提出非常大的考验。因此，此阶段LNG冷能空分机关闭，燃烧器的温度可以控制在1000℃以下，使热区的设计更加简单，该阶段燃料电池系统不进行CO2的存储利用；当本系统处于满负荷稳定运行状态时，LNG冷能空分机开启，自动空气调节阀也调节到一个合适的开度。在此工况下，LNG冷能空分机一方面将LNG气化，另一方面将空气分离，使纯氧进入尾气燃烧器中，由于在稳定运行工况下，阳极燃料利用率较高，通常可达到80％以上，此时阳极尾气当中有大量的CO2和H2O，而可燃气体CO和H2会降低至20％以下，较低的CO和H2浓度意味着极低的燃料热值，此时纯氧作为尾气燃烧器的氧化剂可以克服低热值阳极尾气燃烧困难的问题。由于自动空气调节阀精确的控制了进入尾气燃烧器中纯氧的量，因此燃烧尾气当中仅含CO2和H2O，CO2的提取非常方便。最后燃烧尾气当中的CO2和H2O经过气水分离装置后，CO2浓度可达95％以上(其中还含有少量的H2O)，高浓度的CO2最后被存储利用，实现固体氧化物燃料电池系统的净零排放。由于固体氧化物燃料电池系统大部分时间都处于满负荷运行，因此本发明系统绝大部分时间可实现CO2净零排放。
工作原理：
鼓风机将空气鼓出并分为两路分别进入空气加热器和LNG冷能空分机，空气器加热器对进入阴极前的空气进行加热防止冷空气进入阴极造成SOFC电堆系统温度不均匀，自动空气调节阀根据需求向LNG冷能空分机输入空气，LNG冷能空分机充分利用液化天然气的冷能，液化天然气进入LNG冷能空分机后气化为天然气，天然气进入重整器转换为重整气，重整气进入阳极进行电化学反应；阳极会排出未参与电化学反应的重整气即阳极尾气，阳极尾气进入阳极尾气燃烧器，同时LNG冷能空分机制取的纯氧也进入阳极尾气燃烧器作为氧化剂与阳极尾气进行燃烧，纯氧燃烧相比于空气燃烧，纯氧燃烧不含N2，在完全燃烧条件下，阳极尾气燃烧器产生的燃烧尾气中的成分仅仅为H2O和CO2，便于CO2的分离与提取；燃烧尾气和阴极尾气中仍有大量热量未被利用，所以燃烧尾气与阴极尾气都导入三合一换热器中，通过三合一换热器运作将热量分配给重整器、空气加热器和余热回收器，三合一换热器将燃烧尾气和阴极尾气的热量回收利用后排出燃烧尾气和阴极尾气，燃烧尾气进入气水分离装置，H2O和CO2分离，高浓度的CO2最后被储存利用，实现CO2净零排放，而阴极尾气的成分为N2和O2可直接排放入大气。
需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“上”、“下”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。

Claims (3)

1.一种净零排放的固体氧化物燃料电池系统，其特征在于，包括鼓风机、自动空气调节阀、LNG冷能空分机、重整器、空气加热器、SOFC电堆、阳极尾气燃烧器，所述SOFC电堆包括阳极和阴极；
所述鼓风机的输出端分别与空气加热器和自动空气调节阀连通，所述空气加热器的输出端与所述阴极连通，所述自动空气调节阀的输出端与所述LNG冷能空分机连通，所述LNG冷能空分机包括纯氧输出端和气化输出端，所述气化输出端连通于所述重整器，所述重整器的输出端连通于所述阳极；
所述阳极的输出端和所述纯氧输出端皆连通于所述阳极尾气燃烧器；
还包括三合一换热器，所述阳极尾气燃烧器的输出端和所述阴极的输出端皆连通于所述三合一换热器；
还包括余热回收器，所述三合一换热器的热量输出端依次连接于所述重整器、所述空气加热器和所述余热回收器；
还包括净零排放的固体氧化物燃料电池系统的运行方法：在所述净零排放的固体氧化物燃料电池系统的启动和升温阶段，所述LNG冷能空分机关闭，所述LNG冷能空分机不能利用所述鼓风机输送的空气制备纯氧参加所述阳极尾气燃烧器的燃烧反应；在所述净零排放的固体氧化物燃料电池系统的稳定运行阶段，所述LNG冷能空分机开启，所述LNG冷能空分机利用所述鼓风机输送的空气制备纯氧参加所述阳极尾气燃烧器的燃烧反应。
2.根据权利要求1所述的净零排放的固体氧化物燃料电池系统，其特征在于，所述三合一换热器的燃烧物质输出端连接有气水分离装置。
3.根据权利要求1所述的净零排放的固体氧化物燃料电池系统，其特征在于，所述LNG冷能空分机和所述自动空气调节阀皆电性连接于控制系统，所述控制系统能够控制LNG冷能空分机的开启和关闭并同时能够控制自动空气调节阀的开启程度。
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SE01 Entry into force of request for substantive examination
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GR01 Patent grant
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