CN115566237B - 一种固体氧化物燃料电池与co2超-跨临界动力循环的联合发电系统 - Google Patents

一种固体氧化物燃料电池与co2超-跨临界动力循环的联合发电系统 Download PDF

Info

Publication number
CN115566237B
CN115566237B CN202211295982.2A CN202211295982A CN115566237B CN 115566237 B CN115566237 B CN 115566237B CN 202211295982 A CN202211295982 A CN 202211295982A CN 115566237 B CN115566237 B CN 115566237B
Authority
CN
China
Prior art keywords
outlet
inlet
low
fuel cell
temperature
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.)
Active
Application number
CN202211295982.2A
Other languages
English (en)
Other versions
CN115566237A (zh
Inventor
王哲
马悦
姜悦茂
韩凤翚
纪玉龙
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.)
Dalian Maritime University
Original Assignee
Dalian Maritime 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 Dalian Maritime University filed Critical Dalian Maritime University
Priority to CN202211295982.2A priority Critical patent/CN115566237B/zh
Publication of CN115566237A publication Critical patent/CN115566237A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN115566237B publication Critical patent/CN115566237B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

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
    • H01M8/06—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
    • H01M8/04—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
    • 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
    • H01M8/0668—Removal of carbon monoxide or carbon dioxide
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M2220/00—Batteries for particular applications
    • H01M2220/20—Batteries in motive systems, e.g. vehicle, ship, plane
    • 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)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

本发明提供一种固体氧化物燃料电池与CO2超‑跨临界动力循环的联合发电系统，包括固体氧化物燃料电池系统、超临界CO2动力循环系统和跨临界CO2动力循环系统；所述固体氧化物燃料电池系统包括预热器、重整器、空气预热器、固体氧化物燃料电池、分离器、逆变器和燃烧室；所述超临界CO2动力循环系统包括高温加热器、低温加热器、透平Ⅰ、发电机Ⅰ、回热器Ⅰ、中间换热器、气体冷却器和压缩机Ⅰ；所述跨临界CO2动力循环系统包括透平Ⅱ、冷凝器、工质泵和发电机Ⅱ。本发明的技术方案解决了低碳零碳燃料绿色发电与余热回收综合能源利用问题。

Description

一种固体氧化物燃料电池与CO2超-跨临界动力循环的联合发 电系统
技术领域
本发明涉及固体氧化物燃料电池与动力循环联合发电技术领域，具体而言，尤其涉及一种固体氧化物燃料电池与CO2超-跨临界动力循环的联合发电系统。
背景技术
燃料电池是一种将气体的或者气化的燃料的化学能直接转化为电能和热能的能量转换装置。由于反应过程中不涉及到燃烧，使其能量转换效率不受卡诺循环的限制，能量转换率高达60％-80％。在各种燃料电池中，固体氧化物燃料电池(SOFC)以其全固态结构、更高的能量效率、噪音小、低碳环保和对多种燃料气体广泛适应性等突出特点而有着很大的发展潜力。欧洲主要研究固体氧化物燃料电池，技术相对成熟；国内对于SOFC的研究相对较晚。中科院上海硅酸盐研究所早在1971年开始研究SOFC,工作侧重于SOFC电极和电解质材料的制备；中科院大连化物所1995年开始La0.8Sr0.2MnO3/YSZ电极氧化还原动力学和氧空位生成动力学等基础研究，目前正进行薄膜型(10～20μm)固体电解质制备工艺的开发；中国科学技术大学起步于固体电解质和混合导体的研究，目前研究基于多孔陶瓷支撑体的新一代SOFC。
SOFC的燃料一般需要在电池内部(外部)重整成富氢气体进而发电，而重整需要热量。SOFC在放电的同时也会放出几乎1:1的热量。例如：CN112864432A公开了一种合成气高温燃料电池发电系统及其方法，该系统中固体氧化物燃料电池的阴极、阳极尾气温度高达700-800℃，燃烧尾气的温度达800-900℃；CN208336390U公开了一种高温燃料电池耦合发电系统，该系统中固体氧化物燃料电池阳极产物温度高于800℃，阴极尾气温度达800℃。因此固体氧化物燃料电池的余热品味非常高，这使得固体氧化物燃料电池急需通过多种余热回收技术进一步提高效率。目前已知的关于对固体氧化物燃料电池余热回收的系统有许多。例如，CN108005742A公开了一种可部分回收利用的固体氧化物燃料电池驱动冷热电联供系统，该系统由有机朗肯动力循环与氨吸收式制冷循环回收余热；CN111706431A公开了一种基于外部重整的SOFC功冷连供系统，该系统由高斯瓦米循环系统回收余热；CN214043731U公开了一种热电比可调的固体氧化物燃料电池热电联供系统，该系统由吸收式热泵回收余热。
在过去十年中，全球对自然工质CO2超-跨动力循环这一能量转换技术的关注持续升温。CO2的临界温度低，为31.1℃，临界压力为7.38MPa,其超临界状态较易实现。将超临界状态CO2作为循环工质应用于自然工质CO2超-跨动力循环，有诸多优点。CO2是天然工质，无毒无害，对环境友好；与蒸气朗肯循环相比，当热源温度高于820K时具有更高的热效率；系统紧凑，结构简单。相较于有机朗肯循环、卡琳娜循环等较多应用于余热回收的底层循环，自然工质CO2超-跨动力循环主要集中在核能、火电、太阳能光热等热源温度为中高温的应用场景。在对固体氧化物燃料电池余热回收的系统，将自然工质CO2超-跨动力循环与燃料电池进行耦合应用的研究较少，已有研究集中在超临界CO2动力循环与熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)的耦合系统。自然工质CO2超-跨动力循环与固体氧化物燃料电池非常匹配，可以组成联合发电系统，在船舶等空间有限的场合有非常大的应用前景。
目前国内外机构对固体氧化物燃料电池的研究主要集中在固体氧化物燃料电池本体(阴阳极材料、电池制备、电池大型化等)，固体氧化物燃料电池与传统的燃气轮机或者其他余热回收技术合理联合相对较少，而固体氧化物燃料电池的余热品味非常高，这使得固体氧化物燃料电池急需通过多种余热回收技术进一步提高效率；传统的回热式超临界CO2动力循环，由于回热器的使用使得压缩机出口的CO2流体温度升高，直接进入气体冷却器造成大量损失，余热未被利用；固体氧化物燃料电池及其联合系统在船舶领域的应用较少。
发明内容
为了解决低碳零碳燃料绿色发电与余热回收综合能源利用问题，本发明通过高温加热器和中间换热器将固体氧化物燃料电池系统、超临界CO2动力循环系统和跨临界CO2动力循环系统耦合，充分利用固体氧化物燃料电池系统、超临界CO2系统的余热，组成一种固体氧化物燃料电池与CO2超-跨临界动力循环的联合发电系统。
本发明采用的技术手段如下：
一种固体氧化物燃料电池与CO2超-跨临界动力循环的联合发电系统，包括固体氧化物燃料电池系统、超临界CO2动力循环系统和跨临界CO2动力循环系统；
所述固体氧化物燃料电池系统包括预热器、重整器、空气预热器、固体氧化物燃料电池、分离器、逆变器和燃烧室；
所述预热器的出口连接至所述重整器的第一入口，所述重整器的出口连接至所述固体氧化物燃料电池的阳极入口，所述固体氧化物燃料电池的阳极出口连接至所述分离器的入口，所述分离器的出口分别连接至所述重整器的第二入口和所述燃烧室的第一入口；所述空气预热器的出口连接至所述固体氧化物燃料电池的阴极入口，所述固体氧化物燃料电池的阴极出口连接至所述燃烧室的第二入口；所述固体氧化物燃料电池的阳极电极和阴极电极与所述逆变器电连接，所述预热器和所述空气预热器分别与所述逆变器电连接；
所述超临界CO2动力循环系统包括高温加热器、低温加热器、透平Ⅰ、发电机Ⅰ、回热器Ⅰ、中间换热器、气体冷却器和压缩机；所述燃烧室的出口连接至所述高温加热器的高温端入口，所述高温加热器的高温端出口连接至所述低温加热器的高温端入口，所述低温加热器的高温端出口连接至大气；所述压缩机的出口依次连接至所述低温加热器的低温端、所述高温加热器的低温端和所述透平Ⅰ的入口；所述透平Ⅰ的输出轴连接所述发电机Ⅰ；所述透平Ⅰ的出口依次连通所述回热器Ⅰ的高温端、所述中间换热器的高温端和所述气体冷却器，所述气体冷却器的出口连接至所述压缩机的入口；
所述跨临界CO2动力循环系统包括透平Ⅱ、冷凝器、工质泵和发电机Ⅱ；所述透平Ⅱ的出口连接至所述冷凝器的入口，所述冷凝器的出口连接至所述工质泵的入口，所述工质泵的出口连接至所述中间换热器的低温端入口，所述中间换热器的低温端出口连接至所述透平Ⅱ的入口，所述透平Ⅱ的输出轴连接至所述发电机Ⅱ。
进一步地，所述固体氧化物燃料电池产生的热能用于供给所述重整器进行燃料分解；所述固体氧化物燃料电池产生的直流电通过所述逆变器转变成交流电供给所述预热器和所述空气预热器运行使用。
进一步地，所述气体冷却器和所述冷凝器的冷却介质均为循环冷却水。
进一步地，所述固体氧化物燃料电池的阳极尾气通过所述分离器和所述燃烧室输送至所述高温加热器作为热源，热源通过所述高温加热器热源管路为所述超临界CO2动力循环系统内的CO2循环介质提供热能；所述中间换热器由来自所述回热器Ⅰ的低温超临界CO2作为热源，热源通过所述中间换热器热源管路为所述超临界CO2动力循环系统内的CO2循环介质提供热能。
进一步地，所述超临界CO2动力循环系统还包括低温回热器20和压缩机Ⅱ。
进一步地，所述回热器Ⅰ的高温端出口连接至所述低温回热器20的高温端入口，所述低温回热器20的高温端出口连接至所述所述中间换热器的高温端入口，所述中间换热器的高温端出口分别连接至所述气体冷却器的入口和所述压缩机Ⅱ的入口，所述气体冷却器的出口连接至所述压缩机的入口，所述压缩机的出口连接至所述低温回热器20的低温端入口，所述压缩机Ⅱ的出口和所述低温回热器20的低温端出口均连接至所述回热器Ⅰ的低温端入口，所述压缩机Ⅱ的出口还连接至所述低温加热器的低温端，所述回热器Ⅰ的低温端出口连接至所述高温加热器的低温端。
进一步地，所述超临界CO2动力循环系统还包括压缩机Ⅱ和中间冷却器；所述跨临界CO2动力循环系统还包括回热器Ⅱ。
进一步地，所述压缩机的出口与所述中间冷却器的入口相连，所述中间冷却器的出口连接至所述压缩机Ⅱ的入口，所述压缩机Ⅱ的出口分别连接至所述回热器Ⅰ的低温端入口和所述低温加热器的低温端入口；所述工质泵的出口连接至所述回热器Ⅱ的高温端入口，所述回热器Ⅱ的高温端出口连接至所述中间换热器的低温端入口，所述透平Ⅱ的出口连接至所述回热器Ⅱ的低温端入口，所述回热器Ⅱ的低温端出口连接至所述冷凝器的入口。
较现有技术相比，本发明具有以下优点：
1、本发明提供的固体氧化物燃料电池与CO2超-跨临界动力循环的联合发电系统，充分利用固体氧化物燃料电池的余热来高效重整燃料，提高燃料转化为氢气的能量转化效率，同时利用未燃烧完全的燃料作为超临界二CO2循环的高温热源，进一步回收余热。
2、本发明提供的固体氧化物燃料电池与CO2超-跨临界动力循环的联合发电系统，通过中间换热器将超临界CO2动力循环与跨临界CO2动力循环耦合，使得系统更紧凑的的同时进一步回收超临界CO2动力循环中进入气体冷却器前的CO2流体余热。
3、本发明提供的固体氧化物燃料电池与CO2超-跨临界动力循环的联合发电系统，在回热式超临界CO2循环的基础上增加一个换热器，能够在减少回热器不可逆损失的基础上充分利用低温尾气余热。
基于上述理由本发明可在载车船、邮轮、潜艇等空间有限的船舶或海上平台领域广泛推广。
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做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例1所述联合发电系统结构框图。
图2为本发明实施例2所述联合发电系统结构框图。
图3为本发明实施例3所述联合发电系统结构框图。
图中：1、预热器；2、重整器；3、空气预热器；4、固体氧化物燃料电池；5、分离器；6、逆变器；7、燃烧室；8、高温加热器；9、低温加热器；10、透平Ⅰ；11、发电机Ⅰ；12、回热器Ⅰ；13、中间换热器；14、气体冷却器；15、压缩机；16、透平Ⅱ；17、冷凝器；18、工质泵；19、发电机；20、低温回热器；21、压缩机Ⅱ；22、中间冷却器；23、回热器Ⅱ。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。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，都属于本发明保护的范围。
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。
除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当清楚，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员己知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任向具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是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，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制：方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。
为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其位器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。
此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。
实施例1
如图1所示，本发明提供了一种固体氧化物燃料电池与CO2超-跨临界动力循环的联合发电系统，利用固体氧化物燃料电池发电系统残余燃料作为超临界CO2动力循环系统的高温热源，以超临界CO2循环回热器出口的CO2流体作为跨临界CO2动力循环系统的高温热源；
包括固体氧化物燃料电池系统、超临界CO2动力循环系统和跨临界CO2动力循环系统；
所述固体氧化物燃料电池系统包括预热器1、重整器2、空气预热器3、固体氧化物燃料电池4、分离器5、逆变器6和燃烧室7；所述预热器1的出口连接至所述重整器2的第一入口，所述重整器2的出口连接至所述固体氧化物燃料电池4的阳极入口，所述固体氧化物燃料电池4的阳极出口连接至所述分离器5的入口，所述分离器5的出口分别连接至所述重整器2的第二入口和所述燃烧室7的第一入口；所述空气预热器3的出口连接至所述固体氧化物燃料电池4的阴极入口，所述固体氧化物燃料电池4的阴极出口连接至所述燃烧室7的第二入口；所述固体氧化物燃料电池4的阳极电极和阴极电极与所述逆变器6电连接，所述预热器1和所述空气预热器3分别与所述逆变器6电连接；
在固体氧化物燃料电池系统中，燃料经预热器1预热后，在重整器2中分解成含有氢气的混合气，然后混合气作为固体氧化物燃料电池4的燃料气体进入固体氧化物燃料电池4的阳极；同时空气经空气预热器3预热后作为氧化剂进入固体氧化物燃料电池4的阴极；氢气与空气中的氧气通过电解质膜发生电化学反应，在固体氧化物燃料电池4中发生反应产生热能和电能，产生的热能可以供燃料重整使用，产生的电能可以供预热器1和空气预热器3运行使用。固体氧化物燃料电池4阳极的氢气未能反应完全，同时阳极尾气含有微量未分解，所以阳极剩余气体分为两部分，一部分为含微量燃料的混合物，送入重整器2再次分解；另一部分为高纯氢气，与阴极剩余的氧气进入燃烧室7完全燃烧产生高温尾气；高温尾气作为超临界CO2动力循环系统的高温热源，流经高温加热器8高温端加热低温端的CO2；
所述超临界CO2动力循环系统包括高温加热器8、低温加热器9、透平Ⅰ10、发电机Ⅰ11、回热器Ⅰ12、中间换热器13、气体冷却器14和压缩机15；所述燃烧室7的出口连接至所述高温加热器8的高温端入口，所述高温加热器8的高温端出口连接至所述低温加热器9的高温端入口，所述低温加热器9的高温端出口连接至大气；所述压缩机15的出口依次连接至所述低温加热器9的低温端、所述高温加热器8的低温端和所述透平Ⅰ10的入口；所述压缩机15的出口连接至所述低温加热器9的低温端入口，所述低温加热器9的低温端出口连接至所述高温加热器8的低温端入口，所述高温加热器8的低温端出口连接至所述透平Ⅰ10的入口；所述透平Ⅰ10的输出轴连接所述发电机Ⅰ11；所述透平Ⅰ10的出口依次连通所述回热器Ⅰ12的高温端、所述中间换热器13的高温端和所述气体冷却器14，所述气体冷却器14的出口连接至所述压缩机15的入口；
在超临界CO2动力循环系统中，S-CO2(低温超临界CO2)在高温加热器8中被热源加热到高温高压的状态后，进入透平Ⅰ10做功并带动发电机Ⅰ11进行发电，接着透平Ⅰ10出来的高温低压S-CO2进入回热器Ⅰ12的高温端入口，被低温S-CO2冷却后，进入中间换热器13与跨临界CO2动力循环系统换热，接着S-CO2进入气体冷却器14被冷源冷却至临界区域(～>31℃)后，进入压缩机15升压，从压缩机15出来的高压低温S-CO2分成两部分，一部分S-CO2进入回热器Ⅰ12加热，吸收来自透平Ⅰ10的高温S-CO2的热量，一部分S-CO2进入低温加热器9加热到相同温度，两部分S-CO2混合后进入高温加热器8，完成循环；
所述跨临界CO2动力循环系统包括透平Ⅱ16、冷凝器17、工质泵18和发电机19；所述透平Ⅱ16的出口连接至所述冷凝器17的入口，所述冷凝器17的出口连接至所述工质泵18的入口，所述工质泵18的出口连接至所述中间换热器13的低温端入口，所述中间换热器13的低温端出口连接至所述透平Ⅱ16的入口，所述透平Ⅱ16的输出轴连接至所述发电机19；
对于跨临界CO2动力循环系统，从工质泵18出来的高压CO2首先进入中间换热器13的低温端入口，被超临界CO2动力循环系统中的高温CO2加热，接着中间换热器13低温端出口的CO2进入透平Ⅱ16做功并带动发电机19进行发电后，流入冷凝器17被冷却水冷却成液态，液态的CO2进入工质泵18升压，完成循环。
进一步地，所述固体氧化物燃料电池4产生的热能用于供给所述重整器2进行燃料分解；所述固体氧化物燃料电池4产生的直流电通过所述逆变器6转变成交流电供给所述预热器1和所述空气预热器3运行使用。
进一步地，所述气体冷却器14和所述冷凝器17的冷却介质均为循环冷却水。
进一步地，所述固体氧化物燃料电池4的阳极尾气通过所述分离器5和所述燃烧室7输送至所述高温加热器8作为热源，热源通过所述高温加热器8热源管路为所述超临界CO2动力循环系统内的CO2循环介质提供热能；所述中间换热器13由来自所述回热器Ⅰ12的低温超临界CO2作为热源，热源通过所述中间换热器13热源管路为所述超临界CO2动力循环系统内的CO2循环介质提供热能。
进一步地，所述透平Ⅰ10和所述透平Ⅱ16分别能够通过联轴器带动所述发电机Ⅰ11和所述发电机19旋转进行发电；所述压缩机15、所述压缩机Ⅱ21、所述透平Ⅰ10按系统的具体空间布局，可以选择同轴布置或不同轴布置。
本申请提供的联合发电系统结构紧凑，可用于载车船、邮轮、潜艇等空间有限的船舶或海上平台；在回热式超临界CO2循环中增加一个换热器，可提高系统的余热利用效率，进一步保证回热器的工作效率。
实施例2
如图2所示，本实施例提供的固体氧化物燃料电池与CO2超-跨临界动力循环的联合发电系统与实施例1的区别在于：所述超临界CO2动力循环系统还包括低温回热器20和压缩机Ⅱ21；
所述回热器Ⅰ12的高温端出口连接至所述低温回热器20的高温端入口，所述低温回热器20的高温端出口连接至所述所述中间换热器13的高温端入口，所述中间换热器13的高温端出口分别连接至所述气体冷却器14的入口和所述压缩机Ⅱ21的入口，所述气体冷却器14的出口连接至所述压缩机15的入口，所述压缩机15的出口连接至所述低温回热器20的低温端入口，所述压缩机Ⅱ21的出口和所述低温回热器20的低温端出口均连接至所述回热器Ⅰ12的低温端入口，所述压缩机Ⅱ21的出口还连接至所述低温加热器9的低温端，所述回热器Ⅰ12的低温端出口连接至所述高温加热器8的低温端。
进一步地，所述高温加热器8的高温端介质为所述固体氧化物燃料电池4的阳极尾气，低温端介质为所述超临界CO2动力循环系统内的CO2循环介质；
CO2循环介质由所述透平Ⅰ10输送至所述回热器Ⅰ12，在所述回热器Ⅰ12内冷却后得到低温超临界CO2；
所述中间换热器13的高温端介质为来自所述回热器Ⅰ12的所述超临界CO2动力循环系统内的CO2循环介质，低温端介质为所述跨临界CO2动力循环系统内的CO2循环介质。
在本实施例所述的超临界CO2动力循环系统中，S-CO2在高温加热器8中被热源加热到高温高压的状态后，进入透平Ⅰ10做功并带动发电机Ⅰ11进行发电，接着透平Ⅰ10出来的高温低压S-CO2依次进入高温回热器Ⅰ12的高温端、低温回热器20的高温端，从低温回热器20低温端出口的S-CO2进入中间换热器13高温端入口与跨临界CO2动力循环系统换热，接着中间换热器13高温端出口的S-CO2分成两部分，一部分S-CO2进入气体冷却器14被冷源冷却至临界区域(～>31℃)，另一部分S-CO2直接进入第二级压缩机Ⅱ21升压，气体冷却器14出口的S-CO2进入压缩机15中升压后进入低温回热器20的低温端入口，与从高温端入口进入的高温低压CO2进行换热，第二级压缩机Ⅱ21出口的高压低温S-CO2分为两部分，一部分S-CO2与低温换热器20出口的S-CO2混合后进入回热器Ⅰ12加热，吸收来自透平Ⅰ10的高温S-CO2的热量，另一部分S-CO2进入低温加热器9加热到相同温度，两部分S-CO2混合后进入高温加热器8，完成循环。
对于跨临界CO2动力循环系统，从工质泵18出来的高压CO2首先进入中间换热器13的低温端入口，被超临界CO2动力循环系统中的高温CO2加热，接着中间换热器13低温端出口的CO2进入透平Ⅱ16做功并带动发电机19进行发电后，流入冷凝器17被冷却水冷却成液态，液态的CO2进入工质泵18升压，完成循环。
本实施例所述的联合发电系统中，透平Ⅰ10与压缩机15、第二级压缩机22同轴，即透平Ⅰ10做功时会带动同轴压缩机15和第二级压缩机Ⅱ21对CO2进行压缩。
本实施例所述的联合发电系统结构紧凑，可用于载车船、邮轮、潜艇等空间有限的船舶或海上平台；在超临界CO2动力循环中采用的第二级压缩机Ⅱ21，可提高系统热效率，保证低温回热器冷热端流体充分换热。
实施例3
如图3所示，本实施例提供的固体氧化物燃料电池与CO2超-跨临界动力循环的联合发电系统与实施例1和实施例2的区别在于，所述超临界CO2动力循环系统还包括压缩机Ⅱ21和中间冷却器22；所述跨临界CO2动力循环系统还包括回热器Ⅱ23。
进一步地，所述压缩机15的出口与所述中间冷却器22的入口相连，所述中间冷却器22的出口连接至所述压缩机Ⅱ21的入口，所述压缩机Ⅱ21的出口分别连接至所述回热器Ⅰ12的低温端入口和所述低温加热器9的低温端入口；所述工质泵18的出口连接至所述回热器Ⅱ23的高温端入口，所述回热器Ⅱ23的高温端出口连接至所述中间换热器13的低温端入口，所述透平Ⅱ16的出口连接至所述回热器Ⅱ23的低温端入口，所述回热器Ⅱ23的低温端出口连接至所述冷凝器17的入口。
在超临界CO2动力循环系统中，S-CO2在高温加热器8中被热源加热到高温高压的状态后，进入透平Ⅰ10做功并带动发电机Ⅰ11进行发电，接着透平Ⅰ10出来的高温低压S-CO2进入回热器Ⅰ12的高温端入口，回热器Ⅰ12高温端出口的S-CO2进入中间换热器13与跨临界CO2动力循环系统换热，接着中间换热器13高温端出口的S-CO2流入气体冷却器14被冷源冷却至临界区域(～>31℃)后，进入压缩机15成为低温高压S-CO2，低温高压S-CO2进入中间冷却器22进一步冷却，进一步冷却的S-CO2流入第二级压缩机Ⅱ21再次升压，第二级压缩机Ⅱ21出口的高压低温S-CO2分为两部分，一部分S-CO2进入回热器Ⅰ12加热，吸收来自透平Ⅰ10的高温S-CO2的热量，一部分S-CO2进入低温加热器9加热到相同温度，两部分S-CO2混合后进入高温加热器8，完成循环。
对于跨临界CO2动力循环系统，从工质泵18出来的高压CO2首先进入回热器Ⅱ23的高温端入口，回热器Ⅱ23的高温端出口的CO2进入中间换热器13，被超临界CO2动力循环系统中的高温CO2加热，接着中间换热器13低温端出口的CO2进入透平Ⅱ16做功并带动发电机19进行发电后，进入回热器Ⅱ23，并与来自工质泵18的低温高压CO2进行换热，高温低压CO2流入冷凝器17被冷却水冷却成液态，液态的CO2进入工质泵18升压，完成循环。
本实施例所述的联合发电系统中，透平Ⅰ10与压缩机15、第二级压缩机22同轴，即透平Ⅰ10做功时会带动同轴压缩机15和第二级压缩机Ⅱ21对CO2进行压缩。本实施例所述的联合发电系统，在超临界CO2动力循环中采用的中间冷却器22、第二级压缩机Ⅱ21，可显著降低实施例1中的压缩机功耗，在跨临界CO2动力循环系统中采用的回热器，可提高系统热效率和净输出功率，降低系统的最高工作压力。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (7)

1.一种固体氧化物燃料电池与CO2超-跨临界动力循环的联合发电系统，其特征在于，包括固体氧化物燃料电池系统、超临界CO2动力循环系统和跨临界CO2动力循环系统；
所述固体氧化物燃料电池系统包括预热器(1)、重整器(2)、空气预热器(3)、固体氧化物燃料电池(4)、分离器(5)、逆变器(6)和燃烧室(7)；
所述预热器(1)的出口连接至所述重整器(2)的第一入口，所述重整器(2)的出口连接至所述固体氧化物燃料电池(4)的阳极入口，所述固体氧化物燃料电池(4)的阳极出口连接至所述分离器(5)的入口，所述分离器(5)的出口分别连接至所述重整器(2)的第二入口和所述燃烧室(7)的第一入口；所述空气预热器(3)的出口连接至所述固体氧化物燃料电池(4)的阴极入口，所述固体氧化物燃料电池(4)的阴极出口连接至所述燃烧室(7)的第二入口；所述固体氧化物燃料电池(4)的阳极电极和阴极电极与所述逆变器(6)电连接，所述预热器(1)和所述空气预热器(3)分别与所述逆变器(6)电连接；
所述超临界CO2动力循环系统包括高温加热器(8)、低温加热器(9)、透平Ⅰ(10)、发电机Ⅰ(11)、回热器Ⅰ(12)、中间换热器(13)、气体冷却器(14)和压缩机(15)；所述燃烧室(7)的出口连接至所述高温加热器(8)的高温端入口，所述高温加热器(8)的高温端出口连接至所述低温加热器(9)的高温端入口，所述低温加热器(9)的高温端出口连接至大气；所述压缩机(15)的出口依次连接至所述低温加热器(9)的低温端、所述高温加热器(8)的低温端和所述透平Ⅰ(10)的入口；所述透平Ⅰ(10)的输出轴连接所述发电机Ⅰ(11)；所述透平Ⅰ(10)的出口依次连通所述回热器Ⅰ(12)的高温端、所述中间换热器(13)的高温端和所述气体冷却器(14)，所述气体冷却器(14)的出口连接至所述压缩机(15)的入口；
所述跨临界CO2动力循环系统包括透平Ⅱ(16)、冷凝器(17)、工质泵(18)和发电机Ⅱ(19)；所述透平Ⅱ(16)的出口连接至所述冷凝器(17)的入口，所述冷凝器(17)的出口连接至所述工质泵(18)的入口，所述工质泵(18)的出口连接至所述中间换热器(13)的低温端入口，所述中间换热器(13)的低温端出口连接至所述透平Ⅱ(16)的入口，所述透平Ⅱ(16)的输出轴连接至所述发电机Ⅱ(19)；
所述固体氧化物燃料电池(4)的阳极尾气通过所述分离器(5)和所述燃烧室(7)输送至所述高温加热器(8)作为热源，热源通过所述高温加热器(8)热源管路为所述超临界CO2动力循环系统内的CO2循环介质提供热能；所述中间换热器(13)由来自所述回热器Ⅰ(12)的低温超临界CO2作为热源，热源通过所述中间换热器(13)热源管路为所述超临界CO2动力循环系统内的CO2循环介质提供热能。
2.根据权利要求1所述的固体氧化物燃料电池与CO2超-跨临界动力循环的联合发电系统，其特征在于，所述固体氧化物燃料电池(4)产生的热能用于供给所述重整器(2)进行燃料分解；所述固体氧化物燃料电池(4)产生的直流电通过所述逆变器(6)转变成交流电供给所述预热器(1)和所述空气预热器(3)运行使用。
3.根据权利要求1所述的固体氧化物燃料电池与CO2超-跨临界动力循环的联合发电系统，其特征在于，所述气体冷却器(14)和所述冷凝器(17)的冷却介质均为循环冷却水。
4.根据权利要求1所述的固体氧化物燃料电池与CO2超-跨临界动力循环的联合发电系统，其特征在于，所述超临界CO2动力循环系统还包括低温回热器(20)和压缩机Ⅱ(21)。
5.根据权利要求4所述的固体氧化物燃料电池与CO2超-跨临界动力循环的联合发电系统，其特征在于，所述回热器Ⅰ(12)的高温端出口连接至所述低温回热器(20)的高温端入口，所述低温回热器(20)的高温端出口连接至所述所述中间换热器(13)的高温端入口，所述中间换热器(13)的高温端出口分别连接至所述气体冷却器(14)的入口和所述压缩机Ⅱ(21)的入口，所述气体冷却器(14)的出口连接至所述压缩机(15)的入口，所述压缩机(15)的出口连接至所述低温回热器(20)的低温端入口，所述压缩机Ⅱ(21)的出口和所述低温回热器(20)的低温端出口均连接至所述回热器Ⅰ(12)的低温端入口，所述压缩机Ⅱ(21)的出口还连接至所述低温加热器(9)的低温端，所述回热器Ⅰ(12)的低温端出口连接至所述高温加热器(8)的低温端。
6.根据权利要求1所述的固体氧化物燃料电池与CO2超-跨临界动力循环的联合发电系统，其特征在于，所述超临界CO2动力循环系统还包括压缩机Ⅱ(21)和中间冷却器(22)；所述跨临界CO2动力循环系统还包括回热器Ⅱ(23)。
7.根据权利要求6所述的所述的固体氧化物燃料电池与CO2超-跨临界动力循环的联合发电系统，其特征在于，所述压缩机(15)的出口与所述中间冷却器(22)的入口相连，所述中间冷却器(22)的出口连接至所述压缩机Ⅱ(21)的入口，所述压缩机Ⅱ(21)的出口分别连接至所述回热器Ⅰ(12)的低温端入口和所述低温加热器(9)的低温端入口；所述工质泵(18)的出口连接至所述回热器Ⅱ(23)的高温端入口，所述回热器Ⅱ(23)的高温端出口连接至所述中间换热器(13)的低温端入口，所述透平Ⅱ(16)的出口连接至所述回热器Ⅱ(23)的低温端入口，所述回热器Ⅱ(23)的低温端出口连接至所述冷凝器(17)的入口。
CN202211295982.2A 2022-10-21 2022-10-21 一种固体氧化物燃料电池与co2超-跨临界动力循环的联合发电系统 Active CN115566237B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202211295982.2A CN115566237B (zh) 2022-10-21 2022-10-21 一种固体氧化物燃料电池与co2超-跨临界动力循环的联合发电系统

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202211295982.2A CN115566237B (zh) 2022-10-21 2022-10-21 一种固体氧化物燃料电池与co2超-跨临界动力循环的联合发电系统

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN115566237A CN115566237A (zh) 2023-01-03
CN115566237B true CN115566237B (zh) 2023-09-08

Family

ID=84767680

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202211295982.2A Active CN115566237B (zh) 2022-10-21 2022-10-21 一种固体氧化物燃料电池与co2超-跨临界动力循环的联合发电系统

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN115566237B (zh)

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109346744A (zh) * 2018-11-15 2019-02-15 中国华能集团清洁能源技术研究院有限公司 一种采用超临界co2底循环的天然气燃料电池发电系统及方法
CN109915220A (zh) * 2019-01-29 2019-06-21 西安交通大学 集成燃料电池与超临界二氧化碳循环的分布式供能系统及方法
KR20200041066A (ko) * 2018-10-11 2020-04-21 한국과학기술원 초월임계 이산화탄소 발전 시스템
CN114300707A (zh) * 2021-12-15 2022-04-08 山东大学 一种集成生物质气化和燃料电池的综合能源系统

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8778545B2 (en) * 2011-03-31 2014-07-15 General Electric Company Recirculation complex for increasing yield from fuel cell with CO2 capture

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20200041066A (ko) * 2018-10-11 2020-04-21 한국과학기술원 초월임계 이산화탄소 발전 시스템
CN109346744A (zh) * 2018-11-15 2019-02-15 中国华能集团清洁能源技术研究院有限公司 一种采用超临界co2底循环的天然气燃料电池发电系统及方法
CN109915220A (zh) * 2019-01-29 2019-06-21 西安交通大学 集成燃料电池与超临界二氧化碳循环的分布式供能系统及方法
CN114300707A (zh) * 2021-12-15 2022-04-08 山东大学 一种集成生物质气化和燃料电池的综合能源系统

Also Published As

Publication number Publication date
CN115566237A (zh) 2023-01-03

Similar Documents

Publication Publication Date Title
WO2019165807A1 (zh) 一种冷热电联供系统
CN108005742B (zh) 可部分回收利用的固体氧化物燃料电池驱动冷热电联供系统
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
CN108979769B (zh) 基于双级orc和lng冷能利用的燃料电池联供发电系统
CN106703918A (zh) 集成燃料电池与二氧化碳循环的热电联供系统及其方法
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
CN109346744B (zh) 一种采用超临界co2底循环的天然气燃料电池发电系统及方法
CN109915220B (zh) 集成燃料电池与超临界二氧化碳循环的分布式供能系统及方法
CN206468386U (zh) 集成燃料电池与二氧化碳循环的热电联供系统
CN115084575A (zh) 一种lng燃料电池供能及冷能利用零碳排系统及方法
CN114215617A (zh) 一种高温气冷堆核能发电、制氢和供暖三联产系统及方法
CN212011147U (zh) 一种混合高温燃料电池发电系统
CN115566237B (zh) 一种固体氧化物燃料电池与co2超-跨临界动力循环的联合发电系统
CN109723557B (zh) 集成太阳能甲烷干式重整的富氧燃烧二氧化碳发电系统
CN206397600U (zh) 基于燃气轮机和固体氧化物燃料电池的混合供能系统
KR102602831B1 (ko) 연료 전지 하이브리드 시스템
CN115354345A (zh) 光伏光热耦合共电解结合垃圾发电的综合能源系统及其工艺方法
CN212356525U (zh) 一种温差发电耦合甲醇水重整制氢发电机
CN210123782U (zh) 一种超临界co2底循环的天然气燃料电池发电系统
CN108301924A (zh) 基于燃气轮机和固体氧化物燃料电池的混合供能系统
CN111908423A (zh) 一种温差发电耦合甲醇水重整制氢发电系统
CN219610494U (zh) 一种适用于水下环境的sofc发电系统
JP2001076750A (ja) 高温燃料電池設備
CN114738062B (zh) 耦合sofc和燃气轮机的铝燃料储能系统及工作方法
CN115172803B (zh) 一种新型可控温氨气燃料电池-转子发动机混动装置

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
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant