CN115939470B - 阳极尾气双回流的固体氧化物燃料电池系统及其运行方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种阳极尾气双回流的固体氧化物燃料电池系统及其运行方法。该系统包括固体氧化物燃料电池、重整器、热交换器、水分离器、CO2分离器、分流器、合流器、增压设备、压气机和水泵。该系统将电池的阳极尾气分成两路，一路回流到重整器入口，阳极尾气中含有大量水蒸气，参与碳氢燃料重整反应可节省液态水蒸发潜热需求量，提高系统综合能源效率。另一路经过水分离器、CO2分离器去除尾气中的部分水、部分CO2等组分，再回流至固体氧化物燃料电池的阳极进口，使阳极中的燃料气回流率达到100%，系统燃料利用率大幅提升至100%，显著提高系统发电效率。经过调节回流气的组分可提高尾气CO2富集程度，降低CO2分离耗功。
Description
技术领域
本发明属于燃料电池技术领域，尤其涉及一种阳极尾气双回流的固体氧化物燃料电池系统及其运行方法。
背景技术
燃料电池可通过电化学反应将燃料化学能直接转化为电能，伴随产生热能，不受卡诺循环限制，具有能量转换效率高、低碳无污染等优点，被广泛认为是支撑能源体系实现零碳排放的关键能源技术之一。其中，固体氧化物燃料电池（Solid Oxide Fuel Cell，SOFC）是我国当前正经历技术转化与产业化的一种燃料电池技术，工作温度为700-1000℃，余热利用价值高，可用于热电联供，提高能源利用效率至90%以上。固体氧化物燃料电池可以与柴油、甲醇、甲烷等碳氢燃料重整制氢相结合，构建现场重整制氢直接利用的燃料电池系统，燃料来源广泛灵活，可有力保障系统持续运行。固体氧化物燃料电池可作为分布式能源，为各类民用与工业建筑、海岛边防、应急抢险等场景供电，具有很好的发展前景和应用价值。
然而，目前固体氧化物燃料电池系统的应用受到技术发展的限制。首先，碳氢燃料中含有碳原子，因而固体氧化物燃料电池排放的尾气中含有CO2，不符合发展低碳能源系统要求。其次，碳氢燃料重整反应中需要大量水蒸气参与反应，液态水蒸发转化为水蒸气需要吸收大量汽化潜热，降低系统综合能源效率。然后，固体氧化物燃料电池可通过提高燃料利用率来提高系统发电效率，但是过高的燃料利用率会使阳极镍催化剂氧化从而损坏电堆寿命，未能在电堆中反应的剩余气体通常在尾气燃烧器中烧尽。固体氧化物燃料电池的燃料利用率一般为60-80%，如何提高固体氧化物燃料电池燃料利用率一直是技术难题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种阳极尾气双回流的固体氧化物燃料电池系统及其运行方法，其可以提高固体氧化物燃料电池燃料利用率。
本发明是这样实现的，一种阳极尾气双回流的固体氧化物燃料电池系统，包括固体氧化物燃料电池、重整器、第一热交换器、第二热交换器、第三热交换器、第四热交换器、水分离器、CO2分离器、分流器、合流器、增压设备、第一压气机、第二压气机和水泵。
所述增压设备连接所述第二热交换器的低温流体入口，所述第二热交换器的低温流体出口连接所述重整器的入口，所述重整器的出口连接所述合流器的第一入口；
所述水泵连接所述第三热交换器的低温流体入口，所述第三热交换器的低温流体出口连接所述重整器的入口；
所述第一压气机连接所述第四热交换器的低温流体入口，所述第四热交换器的低温流体出口连接所述固体氧化物燃料的电池阴极入口；
所述固体氧化物燃料的电池阴极出口连接所述第四热交换器的高温流体入口，所述第四热交换器的高温流体出口连通外界环境；
所述固体氧化物燃料的电池阳极出口连接所述第二压气机的流体入口，所述压气机的流体出口连接所述第一热交换器的高温流体入口，所述第一热交换器的高温流体出口连接所述第二热交换器的高温流体入口，所述第二热交换器的高温流体出口连接所述第三热交换器的高温流体入口，所述第三热交换器的高温流体出口连接所述分流器的流体入口，所述分流器的第一流体出口连接所述重整器的入口，所述分流器的第二出口连接所述水分离器的流体入口，所述水分离器的气出口连接所述CO2分离器的流体入口，所述CO2分离器的流体出口连接所述第一热交换器的低温流体入口，所述第一热交换器的低温流体出口连接所述合流器第二流体入口；
所述固体氧化物燃料电池的产电出口连接电用户，其产热出口连接热用户；
所述水分离器的产热出口连接热用户，其水出口连接到所述水泵的进口处回收利用，或者连通到水用户，或者连通外界环境。
进一步的，所述水分离器替换为冷凝器、水硅胶吸附器、水钙基吸附器或活性氧化铝吸附器。
进一步的，所述CO2分离器替换为钙基吸附器或胺基吸附器。
进一步的，根据碳氢燃料的物质状态，所述增压设备采用泵或压气机。
为实现上述发明目的，本发明还提供了一种上述固体氧化物燃料电池系统的运行方法，包括以下处理流程：
空气流路处理流程：空气经过第一压气机后变为高压空气，高压空气进入第一热交换器被来自燃料电池的阴极尾气预热后转化为预热空气，预热空气进入固体氧化物燃料电池的阴极参与电化学反应转化为阴极尾气，阴极尾气流经第四热交换器将热量传递给空气后排入环境中；
碳氢燃料流路处理流程：碳氢燃料经增压设备进入第二热交换器被加热转化为热碳氢燃料，热碳氢燃料进入重整器参与碳氢燃料重整反应；重整反应生成的重整气进入合流器中与经过第一热交换器、第二热交换器、第三热交换器加热的第十阳极尾气合流为阳极燃料气，阳极燃料气进入固体氧化物燃料的电池阳极参与电化学反应；
水流路处理流程：水经水泵进入第三热交换器被加热蒸发转化为水蒸气，水蒸气进入重整器参与碳氢燃料重整反应；
燃料电池阳极尾气流路处理流程：固体氧化物燃料电池排出的第一阳极尾气经第二压气机增压后转为第二阳极尾气，第二阳极尾气进入第一热交换器，获得热量后转为第三阳极尾气进入第二热交换器，第三阳极尾气从第二热交换器内获得热量后转为第四阳极尾气，第四阳极尾气进入第三热交换器获得热量后转为第五阳极尾气，第五阳极尾气进入分流器分为第六阳极尾气与第七阳极尾气，第六阳极尾气回流进入到重整器参与碳氢燃料重整反应，第七阳极尾气进入水分离器分离出部分水分后转为第八阳极尾气，第八阳极尾气进入CO2分离器分离出部分CO2转为第九阳极尾气，第九阳极尾气进入第一热交换器加热转为第十阳极尾气，第十阳极尾气进入合流器，与重整气合流为阳极燃料气回流到固体氧化物燃料电池的阳极入口。
进一步的，所述碳氢燃料为柴油、甲醇、甲烷、乙醇、甲酸或生物质。
进一步的，所述重整器中的化学反应包括：
碳氢燃料蒸汽重整反应：
；
碳氢燃料干重整反应：
；
逆水气反应：
；
甲烷化反应：
；
甲烷化反应：
。
本发明提出的阳极尾气双回流的固体氧化物电池系统，与现有技术相比，有益效果在于：
1.固体氧化物燃料电池的阳极尾气分成两个支流，支流一回流到重整器入口，阳极尾气中含有大量水蒸气，尾气参与碳氢燃料重整反应可节省液态水蒸发潜热需求量，从而提高系统综合能源效率。
2. 支流二经过水分离器、CO2分离器去除尾气中的水、CO2等组分，支流二再回流至固体氧化物燃料电池的阳极进口，使阳极中的H2、CO等燃料气回流率达到100%，无需尾气燃烧器，固体氧化物燃料电池整体的燃料利用率大幅提升至100%，从而显著提高系统发电效率。
3.支流二经过水分离器、CO2分离器等调节回流气的组分，如H2、CO、CO2、H2O的比例，从而提高尾气CO2富集程度，进而降低CO2分离耗功。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种阳极尾气双回流的固体氧化物燃料电池系统的结构框图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“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；术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性；此外，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个部件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
请参看图1，示出了本实施例提供的一种阳极尾气双回流的固体氧化物燃料电池系统，包括固体氧化物燃料电池、重整器、第一热交换器、第二热交换器、第三热交换器、第四热交换器、水分离器、CO2分离器、分流器、合流器、增压设备、第一压气机、第二压气机和水泵。
上述增压设备连接第二热交换器的低温流体入口，第二热交换器的低温流体出口连接重整器的入口，重整器的出口连接合流器的第一入口。
水泵连接第三热交换器的低温流体入口，第三热交换器的低温流体出口连接重整器的入口。
第一压气机连接第四热交换器的低温流体入口，第四热交换器的低温流体出口连接固体氧化物燃料的电池阴极入口。
固体氧化物燃料的电池阴极出口连接第四热交换器的高温流体入口，第四热交换器的高温流体出口连通外界环境。
固体氧化物燃料的电池阳极出口连接第二压气机的流体入口，压气机的流体出口连接第一热交换器的高温流体入口，第一热交换器的高温流体出口连接第二热交换器的高温流体入口，第二热交换器的高温流体出口连接第三热交换器的高温流体入口，第三热交换器的高温流体出口连接分流器的流体入口，分流器的第一流体出口连接重整器的入口，分流器的第二出口连接水分离器的流体入口，水分离器的气出口连接CO2分离器的流体入口，CO2分离器的流体出口连接第一热交换器的低温流体入口，第一热交换器的低温流体出口连接合流器第二流体入口。
固体氧化物燃料电池的产电出口连接电用户，其产热出口连接热用户。
水分离器的产热出口连接热用户，其水出口连接到泵的进口处回收利用，或者连通到水用户，或者连通外界环境。
可选的，上述水分离器可替换为冷凝器、水硅胶吸附器、水钙基吸附器或活性氧化铝吸附器；CO2分离器可替换为钙基吸附器或胺基吸附器；可根据碳氢燃料的物质状态，将增压设备替换为泵或压气机。
本实施例还提供了上述固体氧化物燃料电池系统的运行方法，包括以下处理流程：
空气流路处理流程：空气1经过第一压气机后变为高压空气2，高压空气2进入第一热交换器，被来自燃料电池的阴极尾气预热后转化为预热空气3，预热空气3进入固体氧化物燃料电池的阴极参与电化学反应转化为第一阴极尾气4，第一阴极尾气4流经第四热交换器将热量传递给高压空气2后转为第二阴极尾气5排入环境中；
碳氢燃料流路处理流程：碳氢燃料6经增压设备增压后，转化高压碳氢燃料7，高压碳氢燃料7进入第二热交换器被加热转化为热碳氢燃料8，热碳氢燃料8进入重整器参与碳氢燃料重整反应；重整反应生成的重整气9进入合流器中与经过第一热交换器、第二热交换器、第三热交换器加热的第十阳极尾气10合流为阳极燃料气11，阳极燃料气11进入固体氧化物燃料的电池阳极参与电化学反应；
水流路处理流程：水12经水泵进入第三热交换器被加热蒸发转化为热水13，热水13进入重整器参与碳氢燃料重整反应；
燃料电池阳极尾气流路处理流程：固体氧化物燃料电池排出的第一阳极尾气14经第二压气机增压后转为第二阳极尾气15，第二阳极尾气15进入第一热交换器，获得热量后转为第三阳极尾气16进入第二热交换器，第三阳极尾气16从第二热交换器内获得热量后转为第四阳极尾气17，第四阳极尾气17进入第三热交换器获得热量后转为第五阳极尾气18，第五阳极尾气18进入分流器分为第六阳极尾气19与第七阳极尾气20，第六阳极尾气19回流进入到重整器参与碳氢燃料重整反应，第七阳极尾气20进入水分离器分离出部分水分后转为第八阳极尾气21，第八阳极尾气21进入CO2分离器分离出部分CO2转为第九阳极尾气22，第九阳极尾气22进入第一热交换器加热转为第十阳极尾气10，第十阳极尾气10进入合流器，与重整气9合流后回流到固体氧化物燃料电池的阳极入口。
可选的，上述碳氢燃料7可以是柴油、甲醇、甲烷、乙醇、甲酸或生物质。
上述重整器中的化学反应包括：
碳氢燃料蒸汽重整反应：
；
碳氢燃料干重整反应：
；
逆水气反应：
；
甲烷化反应：
；
甲烷化反应：
。
本实施例提供的固体氧化物燃料电池系统具有以下优点：
1.固体氧化物燃料电池的阳极尾气分成两个支流，支流一回流到重整器入口，阳极尾气10中含有大量水蒸气，尾气参与碳氢燃料重整反应可节省液态水蒸发潜热需求量，从而提高系统综合能源效率。
2. 支流二经过水分离器、CO2分离器去除尾气中的水、CO2等组分，支流二再回流至固体氧化物燃料电池的阳极进口，使阳极中的H2、CO等燃料气回流率达到100%，无需尾气燃烧器，固体氧化物燃料电池整体的燃料利用率大幅提升至100%，从而显著提高系统发电效率。
3.支流二经过水分离器、CO2分离器等调节回流气的组分，如H2、CO、CO2、H2O的比例，从而提高尾气CO2富集程度，进而降低CO2分离耗功。
本实施例的固体氧化物燃料电池系统可实现集中式或分布式热电联产，可应用在产业园区、酒店、医院、社区、写字楼、海岛边防等场所，为用户提供电能。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种阳极尾气双回流的固体氧化物燃料电池系统，其特征在于，包括固体氧化物燃料电池、重整器、第一热交换器、第二热交换器、第三热交换器、第四热交换器、水分离器、CO2分离器、分流器、合流器、增压设备、第一压气机、第二压气机和水泵；
所述增压设备连接所述第二热交换器的低温流体入口，所述第二热交换器的低温流体出口连接所述重整器的入口，所述重整器的出口连接所述合流器的第一入口；
所述水泵连接所述第三热交换器的低温流体入口，所述第三热交换器的低温流体出口连接所述重整器的入口；
所述第一压气机连接所述第四热交换器的低温流体入口，所述第四热交换器的低温流体出口连接所述固体氧化物燃料的电池阴极入口；
所述固体氧化物燃料的电池阴极出口连接所述第四热交换器的高温流体入口，所述第四热交换器的高温流体出口连通外界环境；
所述固体氧化物燃料的电池阳极出口连接所述第二压气机的流体入口，所述第二压气机的流体出口连接所述第一热交换器的高温流体入口，所述第一热交换器的高温流体出口连接所述第二热交换器的高温流体入口，所述第二热交换器的高温流体出口连接所述第三热交换器的高温流体入口，所述第三热交换器的高温流体出口连接所述分流器的流体入口，所述分流器的第一流体出口连接所述重整器的入口，所述分流器的第二出口连接所述水分离器的流体入口，所述水分离器的气出口连接所述CO2分离器的流体入口，所述CO2分离器的流体出口连接所述第一热交换器的低温流体入口，所述第一热交换器的低温流体出口连接所述合流器第二流体入口；
所述固体氧化物燃料电池的产电出口连接电用户，其产热出口连接热用户；
所述水分离器的产热出口连接热用户，其水出口连接到所述水泵的进口处回收利用，或者连通到水用户，或者连通外界环境。
2.如权利要求1所述的固体氧化物燃料电池系统，其特征在于，所述水分离器替换为冷凝器、水硅胶吸附器、水钙基吸附器或活性氧化铝吸附器。
3.如权利要求1所述的固体氧化物燃料电池系统，其特征在于，所述CO2分离器替换为钙基吸附器或胺基吸附器。
4.如权利要求1所述的固体氧化物燃料电池系统，其特征在于，根据碳氢燃料的物质状态，所述增压设备采用泵或压气机。
5.如权利要求1所述的固体氧化物燃料电池系统的运行方法，其特征在于，包括以下处理流程：
空气流路处理流程：空气经过第一压气机后变为高压空气，高压空气进入第四热交换器被来自燃料电池的阴极尾气预热后转化为预热空气，预热空气进入固体氧化物燃料电池的阴极参与电化学反应转化为阴极尾气，阴极尾气流经第四热交换器将热量传递给空气后排入环境中；
碳氢燃料流路处理流程：碳氢燃料经增压设备进入第二热交换器被加热转化为热碳氢燃料，热碳氢燃料进入重整器参与碳氢燃料重整反应；重整反应生成的重整气进入合流器中与经过第一热交换器、第二热交换器、第三热交换器加热的第十阳极尾气合流为阳极燃料气，阳极燃料气进入固体氧化物燃料的电池阳极参与电化学反应；
水流路处理流程：水经水泵进入第三热交换器被加热蒸发转化为水蒸气，水蒸气进入重整器参与碳氢燃料重整反应；
燃料电池阳极尾气流路处理流程：固体氧化物燃料电池排出的第一阳极尾气经第二压气机增压后转为第二阳极尾气，第二阳极尾气进入第一热交换器，获得热量后转为第三阳极尾气进入第二热交换器，第三阳极尾气从第二热交换器内获得热量后转为第四阳极尾气，第四阳极尾气进入第三热交换器获得热量后转为第五阳极尾气，第五阳极尾气进入分流器分为第六阳极尾气与第七阳极尾气，第六阳极尾气回流进入到重整器参与碳氢燃料重整反应，第七阳极尾气进入水分离器分离出部分水分后转为第八阳极尾气，第八阳极尾气进入CO2分离器分离出部分CO2转为第九阳极尾气，第九阳极尾气进入第一热交换器加热转为第十阳极尾气，第十阳极尾气进入合流器，与重整气合流为阳极燃料气回流到固体氧化物燃料电池的阳极入口。
6.如权利要求5所述的运行方法，其特征在于，所述碳氢燃料为柴油、甲醇、甲烷、乙醇、甲酸或生物质。
7.如权利要求5所述的运行方法，其特征在于，所述重整器中的化学反应包括：
碳氢燃料蒸汽重整反应：
碳氢燃料干重整反应：
；
逆水气反应：
；
甲烷化反应：
；
甲烷化反应：
。
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