CN115241507A - 一种sofc-aice联合循环系统、控制方法及其应用 - Google Patents

一种sofc-aice联合循环系统、控制方法及其应用 Download PDF

Info

Publication number
CN115241507A
CN115241507A CN202210722450.6A CN202210722450A CN115241507A CN 115241507 A CN115241507 A CN 115241507A CN 202210722450 A CN202210722450 A CN 202210722450A CN 115241507 A CN115241507 A CN 115241507A
Authority
CN
China
Prior art keywords
sofc
gas
flow path
anode
ammonia
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN202210722450.6A
Other languages
English (en)
Inventor
邬斌扬
罗银幂
朱超沂
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Tianjin University
Original Assignee
Tianjin University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Tianjin University filed Critical Tianjin University
Priority to CN202210722450.6A priority Critical patent/CN115241507A/zh
Publication of CN115241507A publication Critical patent/CN115241507A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04007—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids related to heat exchange
    • H01M8/04014—Heat exchange using gaseous fluids; Heat exchange by combustion of reactants
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01N—GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINES
    • F01N5/00—Exhaust or silencing apparatus combined or associated with devices profiting by exhaust energy
    • F01N5/02—Exhaust or silencing apparatus combined or associated with devices profiting by exhaust energy the devices using heat
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01N—GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINES
    • F01N5/00—Exhaust or silencing apparatus combined or associated with devices profiting by exhaust energy
    • F01N5/04—Exhaust or silencing apparatus combined or associated with devices profiting by exhaust energy the devices using kinetic energy
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B69/00—Internal-combustion engines convertible into other combustion-engine type, not provided for in F02B11/00; Internal-combustion engines of different types characterised by constructions facilitating use of same main engine-parts in different types
    • F02B69/02—Internal-combustion engines convertible into other combustion-engine type, not provided for in F02B11/00; Internal-combustion engines of different types characterised by constructions facilitating use of same main engine-parts in different types for different fuel types, other than engines indifferent to fuel consumed, e.g. convertible from light to heavy fuel
    • F02B69/04—Internal-combustion engines convertible into other combustion-engine type, not provided for in F02B11/00; Internal-combustion engines of different types characterised by constructions facilitating use of same main engine-parts in different types for different fuel types, other than engines indifferent to fuel consumed, e.g. convertible from light to heavy fuel for gaseous and non-gaseous fuels
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02D—CONTROLLING COMBUSTION ENGINES
    • F02D19/00—Controlling engines characterised by their use of non-liquid fuels, pluralities of fuels, or non-fuel substances added to the combustible mixtures
    • F02D19/06—Controlling engines characterised by their use of non-liquid fuels, pluralities of fuels, or non-fuel substances added to the combustible mixtures peculiar to engines working with pluralities of fuels, e.g. alternatively with light and heavy fuel oil, other than engines indifferent to the fuel consumed
    • F02D19/0639—Controlling engines characterised by their use of non-liquid fuels, pluralities of fuels, or non-fuel substances added to the combustible mixtures peculiar to engines working with pluralities of fuels, e.g. alternatively with light and heavy fuel oil, other than engines indifferent to the fuel consumed characterised by the type of fuels
    • F02D19/0642—Controlling engines characterised by their use of non-liquid fuels, pluralities of fuels, or non-fuel substances added to the combustible mixtures peculiar to engines working with pluralities of fuels, e.g. alternatively with light and heavy fuel oil, other than engines indifferent to the fuel consumed characterised by the type of fuels at least one fuel being gaseous, the other fuels being gaseous or liquid at standard conditions
    • F02D19/0644—Controlling engines characterised by their use of non-liquid fuels, pluralities of fuels, or non-fuel substances added to the combustible mixtures peculiar to engines working with pluralities of fuels, e.g. alternatively with light and heavy fuel oil, other than engines indifferent to the fuel consumed characterised by the type of fuels at least one fuel being gaseous, the other fuels being gaseous or liquid at standard conditions the gaseous fuel being hydrogen, ammonia or carbon monoxide
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04007—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids related to heat exchange
    • H01M8/04067—Heat exchange or temperature measuring elements, thermal insulation, e.g. heat pipes, heat pumps, fins
    • H01M8/04074—Heat exchange unit structures specially adapted for fuel cell
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04223—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids during start-up or shut-down; Depolarisation or activation, e.g. purging; Means for short-circuiting defective fuel cells
    • H01M8/04268—Heating of fuel cells during the start-up of the fuel cells
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/06—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues
    • H01M8/0606—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues with means for production of gaseous reactants
    • H01M8/0612—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues with means for production of gaseous reactants from carbon-containing material
    • H01M8/0618—Reforming processes, e.g. autothermal, partial oxidation or steam reforming
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/06—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues
    • H01M8/0662—Treatment of gaseous reactants or gaseous residues, e.g. cleaning
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M8/12—Fuel cells with solid electrolytes operating at high temperature, e.g. with stabilised ZrO2 electrolyte
    • H01M8/124—Fuel cells with solid electrolytes operating at high temperature, e.g. with stabilised ZrO2 electrolyte characterised by the process of manufacturing or by the material of the electrolyte
    • H01M8/1246—Fuel cells with solid electrolytes operating at high temperature, e.g. with stabilised ZrO2 electrolyte characterised by the process of manufacturing or by the material of the electrolyte the electrolyte consisting of oxides
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M8/12—Fuel cells with solid electrolytes operating at high temperature, e.g. with stabilised ZrO2 electrolyte
    • H01M2008/1293—Fuel cells with solid oxide electrolytes
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Oil, Petroleum & Natural Gas (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

本发明公开一种SOFC‑AICE联合循环系统、控制方法及其应用，所述系统包括氨气发动机和SOFC系统；所述SOFC阳极出口能够产生含有未燃氢、温度为700℃～900℃的阳极废气，且流向过热器、第二预热器和混合器，为其提供热量和部分废气用于参与重整反应；所述SOFC阴极的入口接收空气，其出口排出温度为700℃～900℃的阴极废气；还包括蒸汽流路、燃料流路、氨气流路、SOFC阳极废气循环流路、发动机尾气余热流路。所述控制方法在发动机启动阶段在喷油器引燃阶段使柴油热值替代比达到50％；SOFC启动阶段利用发动机尾气余热流路预热SOFC系统；在系统稳定运行阶段使喷油量降至柴油热值替代比为10％～30％。

Description

一种SOFC-AICE联合循环系统、控制方法及其应用
技术领域
本发明属于发动机动力系统集成领域，尤其涉及一种SOFC-AICE联合循环系统、控制方法及其应用。
背景技术
随着能源危机和环境污染的日益严峻，新能源低碳化、零碳化成为了社会发展的重要方向，特别是航运业，它承载全球90％的贸易，也占据全球2.7％的CO2排放。鉴于此，拥有零污染，高效率优势的氢能将是海洋清洁绿色能源的重要发展方向。但是受限于低体积能量密度，纯氢气难以存储运输，无法满足海上交通运输需要。而氨气和甲烷作为一种低碳零碳燃料，能量密度大，而且常压下即可液化，便于存储运输，作为化石能源的替代清洁燃料也具备深厚的潜力，研究者对其技术发展都给予较高关注。船舶制造公司MAN EnergySolution预计在2024年前建成商用的二冲程氨发动机，在2050年改造现有船舶使其以氨作为燃料。但氨气作为内燃机燃料时，存在可燃极限窄、火焰传播速度慢等缺点，故在发动机中利用纯氨气有所难度，而添加适量的氢气则能有效解决该问题。法国奥尔良大学利用快速压缩机(RCM)研究了掺氢比对于氨气发动机(Ammonia Internal Combustion Engine，以下简称AICE)点火延迟特性的影响，结果表明，当氢气的掺混比大于10％vol，对于氨气的点火延迟促进很大。
而高温固体氧化物燃料电池(Solid Oxide Fuel Cell,以下简称SOFC)由于其效率高、燃料适应性强，也得到了学者们的青睐，特别是以天然气为燃料的高温固体氧化物，其技术已经十分成熟，但其动态响应性能差、余热损失大，故多用于大型发电厂。天然气进入SOFC中进行反应前，需要先进行重整生成氢气，因此在SOFC当中进行的主要为氢-氧反应，然而氢气未能在SOFC中完全利用，尚有30％左右的氢气存在于阳极废气中，且废气当中的高温余热也需要回收以进一步提高效率。近年来，许多研究人员将SOFC与燃气轮机相结合，将燃气轮机作为底部循环，利用SOFC的高温余热以提高发电装置的效率，如图1所示。但SOFC与燃气轮机结合时其系统热耦合复杂程度高，且部分负荷时效率低、动态响应能力差，而当其与往复活塞式内燃机联合时则恰好能弥补这些缺点，且相关研究较少。
为此，需要一种将氨气发动机与高温固体氧化物燃料电池耦合，使系统热效率最大化的适用于船用的高效低碳动力系统。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺陷，将高效率的高温固体氧化物燃料电池SOFC与往复活塞式内燃机耦合循环，综合考虑天然气SOFC技术成熟的现实基础与实现系统低碳排放的目标，提供一种SOFC-AICE联合循环系统、控制方法及其应用。本发明中SOFC与发动机分别以天然气与氨气作为燃料，SOFC阳极侧排出的废气当中的未燃氢能改善氨气发动机的燃烧，废气余热用于预热燃料与空气、为重整反应提供热量；此外，当SOFC启动时，氨气发动机可仅由柴油引燃，其尾气用于预热SOFC，可缩短其启动时间，稳定运行时发动机尾气用于驱动涡轮带动压气机进行工作。氨气发动机的低排放与良好的瞬态响应能力耦合高效率的燃料电池，具备构建高效低碳船用动力系统的潜力。
一种SOFC-AICE联合循环系统，包括氨气发动机和SOFC系统；
所述SOFC系统，能够产生电力并具有SOFC阳极、SOFC阴极和重整器；所述SOFC阳极出口能够产生含有未燃氢、温度为700℃～900℃的阳极废气，且流向过热器、第二预热器和混合器，为其提供热量和部分废气用于参与重整反应；所述SOFC阴极的入口接收空气，其出口排出温度为700℃～900℃的阴极废气；
所述重整器用于进行重整反应，其入口能够接收水蒸汽及处理后的天然气，其出口流向SOFC阳极；所述重整反应包括甲烷水蒸气重整反应和水煤气变换反应；
所述系统还包括：
蒸汽流路，用于形成水蒸汽并流入重整器参与重整反应；包括相互连接的过热器和增压器，水流入所述过热器的入口，在此被来自SOFC阳极的废气加热形成水蒸汽后从其出口经过管道进入增压器后流入所述SOFC系统的重整器进行重整反应；
燃料流路，使预热的燃料流入重整器中参与重整反应；所述燃料流入第二预热器，在此被来自SOFC阳极的废气加热，之后加热的燃料流入所述SOFC系统的重整器进行重整反应；
氨气流路，使氨气进入进气歧管，并与去除水分的阳极废气混合后流入氨气发动机中；
SOFC阳极废气循环流路，使来自SOFC阳极的700℃～900℃的阳极废气依次流经蒸汽流路、天然气流路和氨气流路，加热过热器和第二预热器、去除其中水分以及利用阳极废气中的水分与燃料混合后进行重整反应；所述SOFC阳极废气循环流路如下：所述SOFC阳极的废气经其出口进入气阀，经气阀后分两路，一路直接通向混合器用于与加热的燃料进行混合，用于利用废气中的水分与燃料混合后进行重整反应；另一路流经过热器、第二预热器、冷凝器后流入进气歧管；其中废气经过过热器加热流经的水为蒸汽，经过第二预热器加热其中的燃料，经过冷凝器去除废气中的水分；
发动机尾气余热流路，使来自氨气发动机尾气的余热加热所述SOFC系统为重整反应提供热量，并驱动涡轮机从而带动空压机、第一压气机、第二压气机工作。
进一步的，所述系统还包括SOFC阴极过剩空气循环流路，用于将新鲜空气利用SOFC阴极排出的废气进行预热；所述新鲜空气在第一预热器中被来自SOFC阴极的废气加热。
进一步的，所述燃料流路中，第二预热器和所述SOFC系统的重整器之间连接一混合器，使经过第二预热器的加热的燃料流入混合器中，与来自阳极废气循环流路的部分阳极废气进行混合后，进入重整器中。
进一步的，所述燃料和氨气首先经过压气机压缩压力后再分别进入燃料流路和氨气流路。
进一步的，所述新鲜空气经空压机后流入第一预热器。
进一步的，所述燃料流路中的燃料为天然气。
利用上述SOFC-AICE联合循环系统的控制方法：
发动机启动阶段，氨气发动机启动时利用喷油器直喷柴油引燃，在该阶段氨气发动机单独工作带动负载，且由于没有氢气的助燃作用，需要加大柴油热值替代比至50％以稳定其燃烧过程；
SOFC启动阶段，将氨气发动机在发动机启动阶段工作时排出的高温尾气沿发动机尾气余热流路流入SOFC系统中进行预热，为其重整反应提供能量，缩短所述SOFC系统冷启动时间；
系统稳定运行阶段，SOFC系统稳定运行之后，所述SOFC阳极的废气热量沿SOFC阳极废气循环流路经过热器、第二预热器后，再通入到冷凝器冷凝除水之后，进入到氨气发动机当中，利用其未燃氢促进氨气发动机的燃烧，提高火焰传播速度，此时减少喷油器喷油量至柴油热值替代比为10％～30％，柴油仅起引燃作用，所述氨气发动机的尾气经发动机尾气余热流路用于驱动涡轮机4带动空压机、第一压气机、第二压气机工作。
进一步的，在系统稳定运行阶段，当动力系统负荷变化时，改变氨气发动机中氨气的流量与柴油热值替代比至30％～50％用于改变系统的工况。
进一步的，所述SOFC-AICE联合循环系统在船用动力系统中的应用。
与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：
1、将高温固体氧化物燃料电池与往复活塞式发动机耦合后，使用阳极废气中的未燃氢解决氨发动机火焰传播速度慢、可燃极限窄、性能差等问题，有效提高动态相应能力，使系统具有高瞬态响应特性；
2、在SOFC启动时，氨气发动机尾气余热将用于为重整反应提供热量，缩短其冷启动时间；
3、在系统负荷发生变化时，通过改善氨发动机进气流量与柴油替代比，快速转变系统工况。
附图说明
图1是现有技术SOFC与燃气轮机联合发电结构示意图；
图2是本发明的SOFC-AICE联合循环系统结构示意图。
其中，
1：空压机 2：第一压气机
3：第二压气机 4：涡轮机
5：第一预热器 6：过热器
7：第二预热器 8：冷凝器
9：进气歧管 10：氨气发动机
11：喷油器 12：混合器
13：增压器 14：气阀
15：重整器 16：SOFC系统
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案作进一步详细描述，所描述的具体的实施例仅对本发明进行解释说明，并不用以限制本发明。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”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，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
如图2所示，一种应用于船用动力系统的SOFC-AICE联合循环系统，包括氨气发动机10和SOFC系统16；所述氨气发动机10的废气通过管道连接至所述SOFC系统用于为SOFC系统的重整反应提供废气余热；
所述SOFC系统16，能够产生电力并具有SOFC阳极、SOFC阴极和重整器；所述SOFC阳极出口能够产生含有未燃氢、温度为700℃～900℃的高温阳极废气，且流向过热器6与第二预热器7，为其提供热量，预热天然气与生成重整反应所需要的水蒸汽，以及流向混合器12使所述SOFC阳极的废气中的水分与天然气进行混合；所述SOFC阴极的入口接收空气，其出口排出温度为700℃～900℃的阴极废气，即多余的高温空气；
所述重整器15用于进行重整反应，其入口能够接收蒸汽及处理后的天然气，其出口流向SOFC阳极；所述重整反应包括甲烷水蒸气重整反应和水煤气变换反应；
所述系统还包括：
SOFC阴极过剩空气循环流路，用于将新鲜空气利用SOFC阴极排出的废气进行预热；所述新鲜空气经空压机1后流入第一预热器5，在此被来自SOFC阴极的废气加热；
蒸汽流路，用于形成水蒸汽并流入重整器参与重整反应；包括相互连接的过热器6和增压器13，H2O流入所述过热器6的入口，在此被来自SOFC阳极的废气加热形成蒸汽后从其出口经过管道进入增压器13后流入所述SOFC系统的重整器进行重整反应；
燃料流路，使预热的燃料流入重整器中参与重整反应；本实施例中为天然气CH4作为SOFC燃料，天然气从第一压气机2的入口流入，将天然气在其中压缩到一定压力后，从所述第一压气机2的出口流入连接第二预热器7，在此被来自SOFC阳极的废气加热，之后加热的天然气经管道流入混合器12中，混合器中的所述SOFC阳极的废气中的水分与天然气进行混合后，进入重整器15中；但是由于废气中水蒸气含量不足，故另有H2O经过热器6与增压器13后旁通到重整器15当中参与反应；由于电池在极高温度下运行，通入电极内部的碳氢燃料在高温下可以发生内部重整反应，但在图中将重整器单独画出以方便理解。
氨气流路，使氨气从第二压气机3的入口流入，在其中压缩到一定压力后，进入氨气发动机的进气歧管9，并与经过自来冷凝器8的阳极废气混合后流入氨气发动机10中。由于SOFC阳极废气当中含有未反应完的氢气，为进一步利用这部分氢气以提高氨燃烧时火焰传播速度，将废气经过冷凝器8进行冷凝除去水分后，与进气歧管9喷射的氨气进行混合，进入到氨气发动机当中进行燃烧，带动发电机发电；
SOFC阳极废气循环流路，使来自SOFC阳极的700℃～900℃的高温阳极废气依次流经蒸汽流路、天然气流路和氨气流路，加热上述流路中的元件提高SOFC的燃料利用率以及利用废气中的水分与燃料混合后进行重整反应；所述SOFC阳极废气循环流路如下：所述SOFC阳极的废气经其出口进入气阀14，经气阀14调控流量后分两路，一路直接通向混合器12用于与加热的天然气进行混合，用于利用废气中的水分与燃料混合后进行重整反应；另一路流经过热器6、第二预热器7、冷凝器8后流入进气歧管9；其中废气经过过热器6加热流经的H2O，经过第二预热器7加热其中的燃料，经过冷凝器8去除废气中的水分；图2中气阀14不流向混合器12，直接流向过热器6。所述气阀14用于控制进入两路流路的流量分配及控制阳极废气的回流率。
发动机尾气余热流路，使来自氨气发动机10尾气的余热加热所述SOFC系统16为重整反应提供热量，并驱动涡轮机4从而带动空压机1、第一压气机2、第二压气机3工作。
其中，SOFC系统16中的重整反应分为甲烷水蒸气重整反应(MSRR)和水煤气变换反应(WGSR)：
甲烷水蒸气重整反应(MSRR)：
Figure BDA0003712063180000061
水煤气变换反应(WGSR)：
Figure BDA0003712063180000062
反应产物进入到SOFC阳极，与阴极空气进行氧化还原反应。为反应气体一部分的CO虽然可以参与电化学反应，但是在SOFC电化学反应中氢氧反应占据主要作用，所以CO的作用被忽略。碳氢燃料在阳极氧化产生的电子通过外部电路进入电池阴极，接受氧还原，阴极产生的离子则通过电解质层内部电路进入阳极，完成整个电路循环。
整体反应：
Figure BDA0003712063180000063
阴极反应：
Figure BDA0003712063180000064
阳极反应：
Figure BDA0003712063180000065
固体氧化物燃料电池(SOFC)整体工作温度很高(700℃-1000℃)，故阴极与阳极废气温度都很高。SOFC阴极产物(主要为高温空气)用于预热新鲜空气，阳极废气用于给过热器6与第二预热器7提供热量，预热天然气与生成重整反应所需要的水蒸气。此外，阳极废气当中含有未反应完的氢气，为进一步利用这部分氢气以提高氨燃烧时火焰传播速度，将废气进行冷凝除去水分后，与气道喷射的氨气进行混合，进入到氨气发动机当中进行燃烧，带动发电机发电。
由于SOFC存在启动时间长的问题，为了提高其启动性能，本系统与氨气发动机进行联合，在氨气发动机启动时，柴油直喷进入发动机缸内引燃氨气，此时由于没有未燃氢改善氨气发动机燃烧过程，需要加大柴油替代比；发动机尾气废热用于预热SOFC，为重整反应提供热量，缩短其冷启动时间；在系统稳定运行时，发动机尾气用于驱动涡轮，以带动压气机工作。下面结合图2进一步说明利用上述SOFC-AICE联合循环系统的控制方法：
发动机启动阶段，氨气发动机10启动时利用喷油器11直喷柴油引燃，在该阶段氨气发动机10单独工作带动负载，且由于没有氢气的助燃作用，需要加大柴油热值替代比至50％以稳定其燃烧过程；
SOFC启动阶段，将氨气发动机10在发动机启动阶段工作时排出的高温尾气沿发动机尾气余热流路流入SOFC系统16中进行预热，为其重整反应提供能量，缩短所述SOFC系统冷启动时间；
系统稳定运行阶段，SOFC系统16稳定运行之后，所述SOFC阳极的废气热量沿SOFC阳极废气循环流路经过热器6、第二预热器7后，再通入到冷凝器8冷凝除水之后，进入到氨气发动机10当中，利用其未燃氢促进氨气发动机10的燃烧，提高火焰传播速度，此时减少喷油器11喷射柴油热值替代比为10％～30％)，柴油仅起引燃作用，所述氨气发动机10的尾气经发动机尾气余热流路用于驱动涡轮机4带动空压机1、第一压气机2、第二压气机3工作。
在系统稳定运行阶段，当动力系统负荷变化时，即改变工况情况下，通过改变氨气发动机10中氨气流量与柴油热值替代比至30％～50％来迅速改变系统的工况，提高系统动态响应性能。
参考文献
[1]Elizabeth Lindstad,Benjamin Lagemann,Agathe Rialland,etal.Reduction of maritime GHG emissions and the potential role of E-fuels,
Transportation Research Part D:Transport and Environment,Volume 101,2021,103075,ISSN1361-9209.
[2]黄维和,韩景宽,王玉生,沈珏新,程蕾.我国能源安全战略与对策探讨[J].中国工程科学,2021,23(01):112-117.
[3]MAN Energy Solution.The case for two-stroke ammonia engines.NilsLindstrand.
[4]Maxime Pochet,Véronique Dias,Bruno Moreau,Fabrice Foucher,HervéJeanmart,Francesco Contino,Experimental and numerical study,under LTCconditions,of ammonia ignition delay with and without hydrogen addition,Proceedings of the Combustion Institute,Volume 37,Issue 1,2019,Pages 621-629,ISSN 1540-7489.
[5]McPhail SJ,Aarva A,Devianto H,Bove R,Moreno A.SOFC and MCFC:Commonalities and opportunities for integrated research.Int J HydrogenEnergy2011；36:10337–45.
尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以作出很多形式，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种SOFC-AICE联合循环系统，包括氨气发动机(10)和SOFC系统(16)；其特征在于，
所述SOFC系统(16)，能够产生电力并具有SOFC阳极、SOFC阴极和重整器(15)；所述SOFC阳极出口能够产生含有未燃氢、温度为700℃～900℃的阳极废气，且流向过热器(6)、第二预热器(7)和混合器(12)，为其提供热量和部分废气用于参与重整反应；所述SOFC阴极的入口接收空气，其出口排出温度为700℃～900℃的阴极废气；
所述重整器(15)用于进行重整反应，其入口能够接收水蒸汽及处理后的天然气，其出口流向SOFC阳极；所述重整反应包括甲烷水蒸气重整反应和水煤气变换反应；
所述系统还包括：
蒸汽流路，用于形成水蒸汽并流入重整器参与重整反应；包括相互连接的过热器(6)和增压器(13)，水流入所述过热器(6)的入口，在此被来自SOFC阳极的废气加热形成水蒸汽后从其出口经过管道进入增压器(13)后流入所述SOFC系统的重整器(15)进行重整反应；
燃料流路，使预热的燃料流入重整器(15)中参与重整反应；所述燃料流入第二预热器(7)，在此被来自SOFC阳极的废气加热，之后加热的燃料流入所述SOFC系统的重整器(15)进行重整反应；
氨气流路，使氨气进入进气歧管(9)，并与去除水分的阳极废气混合后流入氨气发动机(10)中；
SOFC阳极废气循环流路，使来自SOFC阳极的700℃～900℃的阳极废气依次流经蒸汽流路、天然气流路和氨气流路，加热过热器(6)和第二预热器(7)、去除其中水分以及利用阳极废气中的水分与燃料混合后进行重整反应；所述SOFC阳极废气循环流路如下：所述SOFC阳极的废气经其出口进入气阀(14)，经气阀14后分两路，一路直接通向混合器(12)用于与加热的燃料进行混合，用于利用废气中的水分与燃料混合后进行重整反应；另一路流经过热器(6)、第二预热器(7)、冷凝器(8)后流入进气歧管(9)；其中废气经过过热器(6)加热流经的水为水蒸汽，经过第二预热器(7)加热其中的燃料，经过冷凝器(8)去除废气中的水分；
发动机尾气余热流路，使来自氨气发动机(10)尾气的余热加热所述SOFC系统(16)为重整反应提供热量，并驱动涡轮机(4)从而带动空压机(1)、第一压气机(2)、第二压气机(3)工作。
2.根据权利要求1所述的SOFC-AICE联合循环系统，其特征在于，所述系统还包括SOFC阴极过剩空气循环流路，用于将新鲜空气利用SOFC阴极排出的废气进行预热；所述新鲜空气在第一预热器(5)中被来自SOFC阴极的废气加热。
3.根据权利要求1所述的SOFC-AICE联合循环系统，其特征在于，所述燃料流路中，第二预热器(7)和所述SOFC系统的重整器(15)之间连接一混合器(12)，使经过第二预热器(7)的加热的燃料流入混合器(12)中，与来自阳极废气循环流路的部分阳极废气进行混合后，进入重整器(15)中。
4.根据权利要求1所述的SOFC-AICE联合循环系统，其特征在于，所述燃料和氨气首先经过压气机压缩压力后再分别进入燃料流路和氨气流路。
5.根据权利要求1所述的SOFC-AICE联合循环系统，其特征在于，所述新鲜空气经空压机(1)后流入第一预热器(5)。
6.根据权利要求1所述的SOFC-AICE联合循环系统，其特征在于，所述燃料流路中的燃料为天然气。
7.利用权利要求1所述的SOFC-AICE联合循环系统的控制方法，包括：
发动机启动阶段，氨气发动机(10)启动时利用喷油器(11)直喷柴油引燃，在该阶段氨气发动机(10)单独工作带动负载，且由于没有氢气的助燃作用，需要加大柴油热值替代比至50％以稳定其燃烧过程；
SOFC启动阶段，将氨气发动机(10)在发动机启动阶段工作时排出的高温尾气沿发动机尾气余热流路流入SOFC系统(16)中进行预热，为其重整反应提供能量，缩短所述SOFC系统冷启动时间；
系统稳定运行阶段，SOFC系统(16)稳定运行之后，所述SOFC阳极的废气热量沿SOFC阳极废气循环流路经过热器(6)、第二预热器(7)后，再通入到冷凝器(8)冷凝除水之后，进入到氨气发动机(10)当中，利用其未燃氢促进氨气发动机(10)的燃烧，提高火焰传播速度，此时减少喷油器(11)喷油量至柴油热值替代比为10％～30％，柴油仅起引燃作用，所述氨气发动机(10)的尾气经发动机尾气余热流路用于驱动涡轮机(4)带动空压机(1)、第一压气机(2)、第二压气机(3)工作。
8.根据权利要求7所述的控制方法，其特征在于，在系统稳定运行阶段，当动力系统负荷变化时，改变氨气发动机(10)中氨气的流量与柴油热值替代比至30％～50％用于改变系统的工况。
9.利用权利要求1所述的SOFC-AICE联合循环系统在船用动力系统中的应用。
CN202210722450.6A 2022-06-24 2022-06-24 一种sofc-aice联合循环系统、控制方法及其应用 Pending CN115241507A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202210722450.6A CN115241507A (zh) 2022-06-24 2022-06-24 一种sofc-aice联合循环系统、控制方法及其应用

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202210722450.6A CN115241507A (zh) 2022-06-24 2022-06-24 一种sofc-aice联合循环系统、控制方法及其应用

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN115241507A true CN115241507A (zh) 2022-10-25

Family

ID=83669128

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202210722450.6A Pending CN115241507A (zh) 2022-06-24 2022-06-24 一种sofc-aice联合循环系统、控制方法及其应用

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN115241507A (zh)

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2006318882A (ja) * 2005-05-10 2006-11-24 Masaya Kuno 燃料電池搭載型エンジンその２、
CN111706431A (zh) * 2020-06-16 2020-09-25 山东晟卓信息技术有限公司 一种基于外部重整的sofc功冷联供系统
CN111933977A (zh) * 2020-05-11 2020-11-13 哈尔滨工业大学 一种燃料电池-涡轮增压内燃机混合发电系统
CN113363545A (zh) * 2021-06-07 2021-09-07 江苏大学 一种发动机和固体氧化物燃料电池联合动力系统
CN113650768A (zh) * 2021-09-14 2021-11-16 哈尔滨工程大学 一种基于氨-氢驱动的复合型船舶混合动力系统
CN114407686A (zh) * 2022-02-14 2022-04-29 吉林大学 一种基于氢氨发动机和氨燃料电池的多元动力系统

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2006318882A (ja) * 2005-05-10 2006-11-24 Masaya Kuno 燃料電池搭載型エンジンその２、
CN111933977A (zh) * 2020-05-11 2020-11-13 哈尔滨工业大学 一种燃料电池-涡轮增压内燃机混合发电系统
CN111706431A (zh) * 2020-06-16 2020-09-25 山东晟卓信息技术有限公司 一种基于外部重整的sofc功冷联供系统
CN113363545A (zh) * 2021-06-07 2021-09-07 江苏大学 一种发动机和固体氧化物燃料电池联合动力系统
CN113650768A (zh) * 2021-09-14 2021-11-16 哈尔滨工程大学 一种基于氨-氢驱动的复合型船舶混合动力系统
CN114407686A (zh) * 2022-02-14 2022-04-29 吉林大学 一种基于氢氨发动机和氨燃料电池的多元动力系统

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US6502533B1 (en) Internal combustion fuel reforming
CN113540541B (zh) 采用氨水作为燃料的sofc及其级联发电系统和操作方法
CN109098892B (zh) 一种基于替代燃料的发动机混合动力系统
CN110077221B (zh) 一种固体氧化物燃料电池和内燃机联合动力系统及其运行方法
CN106450389B (zh) 一种co2零排放的固体氧化物燃料电池冷热电联供系统
US9991536B2 (en) Self-supplied hydrogen fuel cell system and working method thereof
US20050048345A1 (en) Hybrid fuel cell system with internal combustion reforming
CN115370469A (zh) 氨氢一体式多源能量混合动力系统
CN112031935B (zh) 基于等离子催化的多级回热燃料电池燃气轮机混合发电系统
CN112012854B (zh) 面向可再生储氢燃料的发动机燃烧系统
CN212766780U (zh) 一种高效lng船舶动力供应系统
CN114718771B (zh) 氨燃料混合动力发动机的余热处理系统及船舶
CN115241507A (zh) 一种sofc-aice联合循环系统、控制方法及其应用
CN115013207A (zh) 一种基于高低温重整制氢的混合动力系统及控制方法
CN112125368B (zh) 一种船舶燃料电池内燃机余热海水淡化系统
CN115172798B (zh) 一种sofc-pdc联合循环系统及其控制方法
CN112796886A (zh) 燃料电池化学回热燃气轮机再热式联合循环系统
Qu et al. Design and Optimization of an Integrated Power System of Solid Oxide Fuel Cell and Marine Low-Speed Dual-Fuel Engine
CN215220773U (zh) 一种醇氢燃料动力系统及发电装置
CN115234370B (zh) 一种小型车载甲醇重整制氢联合内燃机的系统与方法
CN218934567U (zh) 一种基于间冷循环及化学回热的氨燃料燃气轮机发电系统
CN115788709B (zh) 一种基于分缸式内燃机两阶段燃料重整的混合动力系统与方法
CN112240258B (zh) 一种应用于汽油机的燃料改质系统及汽油机动力系统
CN118774997A (zh) 基于尾气和阳极排气耦合利用的氨燃料船舶sofc/gt/sco2/orc/kc混合动力系统
CN118442179A (zh) 一种风力发电制氨-CaO/Ca(OH)2化学储能-氨燃料化学回热循环燃气轮机发电系统

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination