CN116344883A - 一种sofc-soec多能源联储联供系统及方法 - Google Patents
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Abstract
一种SOFC‑SOEC多能源联储联供系统及方法，系统包括燃料电池发电子系统、电解池储能子系统及太阳能充电子系统，燃料电池发电子系统包括SOFC电池与燃气轮机组，分别通过电池内部化学反应发电，以及将电池的工作蒸汽在燃烧室燃烧后得到高温气体通入燃气轮机组，通过燃气轮机组做功进行发电；电解池储能子系统包括SOEC电解池，电池的工作蒸汽燃烧后得到的废料及携带余热作为电解池的电解原料；太阳能充电子系统对太阳能进行电能的转化，为电解池提供电解反应所需电能；电解池连接氧气罐，电解反应时由氧气罐进行输氧，电解池输出的碳氧化合物进入甲烷反应器经液化得到天然气。本发明能增加系统总发电量、提高发电和能量转化效率。
Description
技术领域
本发明属于燃料电池的能源回收及利用技术领域，具体涉及一种SOFC-SOEC多能源联储联供系统及方法。
背景技术
在日常电网供电中经常会因为季节性用电负荷的差异而出现用电供需不平衡的问题，尤其是近些年极端天气的频繁出现、季节更替的不可控性，以及一些常年需电量较大但由于条件和技术限制使得可再生能源被大量废弃的地区，形成了能源利用率低、发电储电供电无法满足需求的局面。
高温固体氧化物燃料电池(SOFC)由于其较高的工作温度而不必使用贵金属作为催化剂，电池成本相对低，电极反应迅速，燃料使用范围广，发电技术用于多种场合。此外，高温固体氧化物燃料电池尾气余热具有较高能级，占整个系统能量的37％～43％，增加燃料电池的余热回收以提高发电效率必要且重要。
发明内容
本发明的目的在于针对上述现有技术中的问题，提供一种SOFC-SOEC多能源联储联供系统及方法，结合高温固体氧化物燃料电池(SOFC)与固体氧化物电解电池(SOEC)的优势，分别进行SOFC、SOEC能量的回收，有效增加系统总发电量、提高发电效率和能量转化效率，同时满足高效发电、余热回收以及可再生能源储能供能的需求。
为了实现上述目的，本发明有如下的技术方案：
一种SOFC-SOEC多能源联储联供系统，包括：
燃料电池发电子系统，包括SOFC电池与燃气轮机组，分别通过所述SOFC电池内部化学反应进行发电，以及将所述SOFC电池的工作蒸汽在燃烧室燃烧后得到的高温气体通入燃气轮机组，通过燃气轮机组做功进行发电；
电解池储能子系统，包括SOEC电解池，所述SOFC电池的工作蒸汽燃烧后得到的废料及携带余热作为SOEC电解池的电解原料；
太阳能充电子系统，用于对太阳能进行电能的转化，为SOEC电解池提供电解反应所需电能；SOEC电解池连接氧气罐，电解反应时由氧气罐进行输氧，SOEC电解池内部发生二氧化碳及水的电解，SOEC电解池输出的碳氧化合物进入甲烷反应器经液化得到天然气，输出的氧气重新进入氧气罐。
作为一种优选方案，所述的燃料电池发电子系统连接燃料供应子系统、空气供应子系统以及水供应子系统；所述的燃料供应子系统包括与SOFC电池的阳极依次相连的燃料压缩机、燃料预热器、第一混合器与重整器，空气供应子系统包括与SOFC电池的阴极依次相连的空压机与空气预热器，水供应子系统包括与第一混合器相连的供水管路以及设置在供水管路上的第二水泵。
作为一种优选方案，所述燃气轮机组包括与燃烧室相连的第一透平机，第一透平机做功驱动发电机进行发电；第一透平机做功后的气体通入空气预热器与燃料预热器作为热源。
作为一种优选方案，所述与第一混合器相连的供水管路上设置第一换热器，燃料预热器经过第一换热器连接第一ORC子系统，第一ORC子系统由第一蒸发器、第一膨胀机、冷凝器及第一工质泵相连形成回路，且第一换热器与第一蒸发器相连；所述SOFC电池的工作蒸汽燃烧后得到的废料包括CO2，第一蒸发器经过CO2换热器对的CO2进行预热，预热后的CO2通入SOEC电解池。
作为一种优选方案，所述SOFC电池的工作蒸汽燃烧后得到的废料还作为热源通入第二换热器，第二换热器连接供水管路，第二换热器换热得到的水蒸汽与CO2换热器预热后的CO2在第三混合器中进行混合，混合之后通入SOEC电解池的燃料极。
作为一种优选方案，所述甲烷反应器设置在第二ORC子系统中，第二ORC子系统由甲烷反应器、第二工质泵、第二蒸发器及第二膨胀机相连形成回路。
作为一种优选方案，所述CO2换热器与第二换热器还通过第二混合器相连，第二混合器与供水管路通过第三换热器相连，第三换热器与所述第二蒸发器相连。
作为一种优选方案，所述甲烷反应器输出的CO气体通入水分离器除水，再通过第二透平机做功液化输出。
作为一种优选方案，所述太阳能充电子系统通过抛物面式太阳能集热槽对太阳能进行电能的转化。
一种SOFC-SOEC多能源联储联供方法，包括以下步骤：
将常温常压的空气经空压机压缩达到SOFC电池的阴极所需压力，通过第一透平机的出口工质对空气进行预热使其达到SOFC电池设计的入口温度值，输入到SOFC电池的阴极入口；水经第二水泵以及第一透平机出口工质的预热温度和压力作用达到SOFC电池的入口设计值；由液化天然气管网提供燃料，液化天然气经燃料压缩机压缩，使燃料压力达到SOFC电池的入口压力值，在与水混合后重整，将碳氢化合物重整为CO和H2后通入SOFC电池的阳极作为燃料；
将SOFC电池的产物分为两路，其中一路经第一透平机发电后作为布雷顿循环工质，为输入的空气及燃料提供预热作用的热源，再通过第一ORC子系统进行余热回收，最终经过热处理并混合水作为SOEC电解池燃料极原料进行利用；另一路经燃烧后直接作为水和SOEC电解池燃料极原料预热的热源进行换热；
太阳能充电子系统对太阳能进行电能的转化，为SOEC电解池提供电解反应所需电能，当电压值高于SOEC电解池的开路电压时，开启SOEC电解池储能，使SOFC电池出口的CO2和入口的水压缩达到SOEC电解池设计压力，并经SOFC电池燃烧器出口工质温度进行阶梯换热后达到SOEC电解池设计温度，通入SOEC电解池燃料极；SOEC电解池燃料极出口工质在甲烷化反应器中反应生成甲烷，通入水分离器除水，再通过第二透平机做功液化后输出；通过第二ORC子系统进行余热回收，使甲烷反应器的温度和压力达到可排放标准。
相较于现有技术，本发明至少具有如下的有益效果：
为了增加高温固体氧化物燃料电池(SOFC)的余热回收以提高发电效率，对固体氧化物电解电池(SOEC)加以利用，固体氧化物电解电池(SOEC)可以很好的利用电解过程储能将可再生能源产生的电能稳定地储存，从而协调可再生能源与负荷侧能量需求，起到削峰填谷的作用，以满足负荷侧对供能质量的要求。本发明SOFC-SOEC多能源联储联供系统结合高温固体氧化物燃料电池(SOFC)与固体氧化物电解电池(SOEC)的优势，分别进行SOFC、SOEC能量的回收，燃料电池发电子系统发电后产生的废料以及剩余能量，通过与水混合并处理后作为SOEC电解池燃料极的电解原料，进而有效增加了系统总发电量、提高了发电效率和能量转化效率，同时满足高效发电、余热回收以及可再生能源储能供能的需求。
进一步的，本发明利用利用两个有机朗肯循环子系统分别进行SOFC、SOEC能量的回收，结合多级换热器实现余热的阶梯利用，使SOFC最终产物温度和压力达到可排放标准。
附图说明
为了更加清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作以简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明部分实施例，对于本领域普通技术人员而言，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相关的附图。
图1本发明实施例SOFC-SOEC多能源联储联供系统原理框图；
图2本发明实施例SOFC-SOEC多能源联储联供系统实现结构示意图；
附图中：101-燃料供应子系统；102-空气供应子系统；103-水供应子系统；201-燃料电池发电子系统；202-电解池储能子系统；203-太阳能充电子系统；301-第一ORC子系统；302-第二ORC子系统；1-空压机；2-燃料压缩机；3-空气预热器；4-燃料预热器；5-第一混合器；6-重整器；7-SOFC电池；8-燃烧室；9-第一透平机；10-第一换热器；11-第一蒸发器；12-第一膨胀机；13-冷凝器；14-第一工质泵；15-CO2换热器；16-第二换热器；17-第二混合器；18-第三换热器；19-第三混合器；20-第一水泵；21-SOEC电解池；22-氧气罐；23-抛物面式太阳能集热槽；24-甲烷反应器；25-第二工质泵；26-第二蒸发器；27-第二膨胀机；28-水分离器；29-第二透平机；30-第二水泵。
具体实施方式
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。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员还可以在没有做出创造性劳动的前提下获得其他实施例。
参见图1，本发明实施例SOFC-SOEC多能源联储联供系统包括燃料供应子系统101、空气供应子系统102、水供应子系统103、燃料电池发电子系统201、第一ORC子系统301、第二ORC子系统302、电解池储能子系统202以及太阳能充电子系统203。
燃料电池发电子系统201是为系统提供电能的部件，实施例采用SOFC-GT混合发电系统，包括SOFC(固体碳燃料电池电堆)以及GT(燃气轮机)，该子系统分别通过燃料电池内部化学反应发电以及燃料电池工作蒸汽引入燃烧室燃烧后得到出口高温气体，再进入透平机做功带动发电机发电，SOFC作为GT前级燃烧器，该子系统提高了蒸汽的做工能力。
电解池储能子系统202包括SOEC(固体氧化物电解池)、甲烷化反应器24、水分离装置28以及第二透平机29。燃料电池发电子系统201发电后的废料以及余热通过与水混合并进行前处理后作为SOEC燃料极的电解原料。在白天，太阳能充电子系统203会将太阳能利用光伏电池进行电能转化，当开启SOEC进行储能，利用外部的氧气罐22为SOEC氧化极进行输氧，使得SOEC内部发生二氧化碳及水的电解，产生的碳氧化合物产物进入甲烷化反应器24进行反应，产生的氧气经过处理重新进入氧气罐22进行重复利用。
燃料供应子系统101用于天然气燃料进入SOFC(固体碳燃料电池电堆)前的供气并重整预热，包括燃料供应管路、燃料压缩机2、第一混合器5及重整器6。
空气供应子系统102为SOFC(固体碳燃料电池电堆)提供空气并使其达到一定压力温度条件，为SOFC阴极提供氧化剂，包括空压机1、空气换热器。
水供应子系统103主要对SOEC电解池提供水，并在多个换热器通过燃烧器的余热进行升温，包括水泵以及节流阀。
第一ORC子系统301包括第一蒸发器11、第一工质泵14、冷凝器13及第一膨胀机12。
第二ORC子系统302包括甲烷化反应器24、第二工质泵25、第二蒸发器26以及第二膨胀机27，该子系统利用甲烷化反应24为吸热反应，温度降低幅度大能够使工质进行相变的特点，将其作为原系统蒸发器作用，该特点更好的利用了化学反应的特点，能够节省系统材料成本，并能够提升能量转化效率。
太阳能充电子系统203包括抛物面式太阳能集热槽23、光伏电池及对应电路。电路设有电压传感器及控制开关，当整个系统运行时，光伏电池电压大于电路开路电压时，自动打开电路开关，光伏电池为SOEC提供电解能量，系统开始储能功能，当电压低于开路电压时，电路断开，电解过程停止。该子系统将太阳能作为能量源进行使用，降低了系统能量成本，起到环保、节能的特点。
参见图2，在一种具体的系统结构中，燃料电池发电子系统201连接燃料供应子系统101、空气供应子系统102以及水供应子系统103；燃料供应子系统101包括与SOFC电池7的阳极依次相连的燃料压缩机2、燃料预热器4、第一混合器5与重整器6，空气供应子系统102包括与SOFC电池7的阴极依次相连的空压机1与空气预热器3，水供应子系统103包括与第一混合器5相连的供水管路以及设置在供水管路上的第二水泵30。燃气轮机组包括与燃烧室8相连的第一透平机9，第一透平机9做功驱动发电机进行发电；第一透平机9做功后的气体通入空气预热器3与燃料预热器4作为热源。与第一混合器5相连的供水管路上设置第一换热器10，燃料预热器4经过第一换热器10连接第一ORC子系统301，第一ORC子系统301由第一蒸发器11、第一膨胀机12、冷凝器13及第一工质泵14相连形成回路，且第一换热器10与第一蒸发器11相连；SOFC电池7的工作蒸汽燃烧后得到的废料包括CO2，第一蒸发器11经过CO2换热器15对的CO2进行预热，预热后的CO2通入SOEC电解池21。SOFC电池7的工作蒸汽燃烧后得到的废料还作为热源通入第二换热器16，第二换热器16连接供水管路，第二换热器16换热得到的水蒸汽与CO2换热器15预热后的CO2在第三混合器19中进行混合，混合之后通入SOEC电解池21的燃料极。CO2换热器15与第二换热器16还通过第二混合器17相连，第二混合器17与供水管路通过第三换热器18相连，第三换热器18与第二蒸发器26相连。甲烷反应器24设置在第二ORC子系统302中，第二ORC子系统302由甲烷反应器24、第二工质泵25、第二蒸发器26及第二膨胀机27相连形成回路。甲烷反应器24输出的CO气体通入水分离器28除水，再通过第二透平机29做功液化输出。
本发明实施例还提出一种SOFC-SOEC多能源联储联供方法，包括以下步骤：
将常温常压的空气经空压机1压缩达到SOFC电池7的阴极所需压力，通过第一透平机9的出口工质对空气进行预热使其达到SOFC电池7设计的入口温度值，输入到SOFC电池7的阴极入口；水经第二水泵30以及第一透平机9出口工质的预热温度和压力作用达到SOFC电池7的入口设计值；由液化天然气管网提供燃料，液化天然气经燃料压缩机2压缩，使燃料压力达到SOFC电池7的入口压力值，在与水混合后重整，将碳氢化合物重整为CO和H2后通入SOFC电池7的阳极作为燃料。
将SOFC电池7的产物分为两路，其中一路经第一透平机9发电后作为布雷顿循环工质，为输入的空气及燃料提供预热作用的热源，再通过第一ORC子系统301进行余热回收，最终经过热处理并混合水作为SOEC电解池21燃料极原料进行利用；另一路经燃烧后直接作为水和SOEC电解池21燃料极原料预热的热源进行换热，最终通过换热器和节流阀达到排放标准后排出。整个废气余热为阶梯次换热，能够充分的利用每一阶段的余热过程，并且将最终废弃产物降低至标准的压力和温度下进行排放，提高了节能环保的作用。
通过太阳能充电子系统203对太阳能进行电能的转化，进而为SOEC电解池21提供电解反应所需电能，当电压值高于SOEC电解池21的开路电压时，开启SOEC电解池21储能，使SOFC电池7出口的CO2和入口的水压缩达到SOEC电解池21设计压力，并经SOFC电池7燃烧器出口工质温度进行三步换热后达到SOEC电解池21设计温度，通入SOEC电解池21燃料极；SOEC电解池21燃料极出口工质在甲烷化反应器24中反应生成甲烷、水、一氧化碳等，主要为甲烷，通入水分离器28除水，再通过第二透平机29做功液化后输出，也可以通给天然气管网使用终端；SOEC氧气极产物储存在氧气罐22中售卖或使用。通过第二ORC子系统302进行余热回收，使甲烷反应器24的温度和压力达到可排放标准。
以上所述的仅仅是本发明的较佳实施例，并不用以对本发明的技术方案进行任何限制，本领域技术人员应当理解的是，在不脱离本发明精神和原则的前提下，该技术方案还可以进行若干简单的修改和替换，这些修改和替换也均属于权利要求书所涵盖的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种SOFC-SOEC多能源联储联供系统，其特征在于，包括：
燃料电池发电子系统(201)，包括SOFC电池(7)与燃气轮机组，分别通过所述SOFC电池(7)内部化学反应进行发电，以及将所述SOFC电池(7)的工作蒸汽在燃烧室(8)燃烧后得到的高温气体通入燃气轮机组，通过燃气轮机组做功进行发电；
电解池储能子系统(202)，包括SOEC电解池(21)，所述SOFC电池(7)的工作蒸汽燃烧后得到的废料及携带余热作为SOEC电解池(21)的电解原料；
太阳能充电子系统(203)，用于对太阳能进行电能的转化，为SOEC电解池(21)提供电解反应所需电能；SOEC电解池(21)连接氧气罐(22)，电解反应时由氧气罐(22)进行输氧，SOEC电解池(21)内部发生二氧化碳及水的电解，SOEC电解池(21)输出的碳氧化合物进入甲烷反应器(24)经液化得到天然气，输出的氧气重新进入氧气罐(22)。
2.根据权利要求1所述的SOFC-SOEC多能源联储联供系统，其特征在于，所述的燃料电池发电子系统(201)连接燃料供应子系统(101)、空气供应子系统(102)以及水供应子系统(103)；所述的燃料供应子系统(101)包括与SOFC电池(7)的阳极依次相连的燃料压缩机(2)、燃料预热器(4)、第一混合器(5)与重整器(6)，空气供应子系统(102)包括与SOFC电池(7)的阴极依次相连的空压机(1)与空气预热器(3)，水供应子系统(103)包括与第一混合器(5)相连的供水管路以及设置在供水管路上的第二水泵(30)。
3.根据权利要求2所述的SOFC-SOEC多能源联储联供系统，其特征在于，所述燃气轮机组包括与燃烧室(8)相连的第一透平机(9)，第一透平机(9)做功驱动发电机进行发电；第一透平机(9)做功后的气体通入空气预热器(3)与燃料预热器(4)作为热源。
4.根据权利要求3所述的SOFC-SOEC多能源联储联供系统，其特征在于，所述与第一混合器(5)相连的供水管路上设置第一换热器(10)，燃料预热器(4)经过第一换热器(10)连接第一ORC子系统(301)，第一ORC子系统(301)由第一蒸发器(11)、第一膨胀机(12)、冷凝器(13)及第一工质泵(14)相连形成回路，且第一换热器(10)与第一蒸发器(11)相连；所述SOFC电池(7)的工作蒸汽燃烧后得到的废料包括CO2，第一蒸发器(11)经过CO2换热器(15)对的CO2进行预热，预热后的CO2通入SOEC电解池(21)。
5.根据权利要求4所述的SOFC-SOEC多能源联储联供系统，其特征在于，所述SOFC电池(7)的工作蒸汽燃烧后得到的废料还作为热源通入第二换热器(16)，第二换热器(16)连接供水管路，第二换热器(16)换热得到的水蒸汽与CO2换热器(15)预热后的CO2在第三混合器(19)中进行混合，混合之后通入SOEC电解池(21)的燃料极。
6.根据权利要求5所述的SOFC-SOEC多能源联储联供系统，其特征在于，所述甲烷反应器(24)设置在第二ORC子系统(302)中，第二ORC子系统(302)由甲烷反应器(24)、第二工质泵(25)、第二蒸发器(26)及第二膨胀机(27)相连形成回路。
7.根据权利要求6所述的SOFC-SOEC多能源联储联供系统，其特征在于，所述CO2换热器(15)与第二换热器(16)还通过第二混合器(17)相连，第二混合器(17)与供水管路通过第三换热器(18)相连，第三换热器(18)与所述第二蒸发器(26)相连。
8.根据权利要求6所述的SOFC-SOEC多能源联储联供系统，其特征在于，所述甲烷反应器(24)输出的CO气体通入水分离器(28)除水，再通过第二透平机(29)做功液化输出。
9.根据权利要求1所述的SOFC-SOEC多能源联储联供系统，其特征在于，所述太阳能充电子系统(203)通过抛物面式太阳能集热槽(23)对太阳能进行电能的转化。
10.一种SOFC-SOEC多能源联储联供方法，其特征在于，包括以下步骤：
将常温常压的空气经空压机(1)压缩达到SOFC电池(7)的阴极所需压力，通过第一透平机(9)的出口工质对空气进行预热使其达到SOFC电池(7)设计的入口温度值，输入到SOFC电池(7)的阴极入口；水经第二水泵(30)以及第一透平机(9)出口工质的预热温度和压力作用达到SOFC电池(7)的入口设计值；由液化天然气管网提供燃料，液化天然气经燃料压缩机(2)压缩，使燃料压力达到SOFC电池(7)的入口压力值，在与水混合后重整，将碳氢化合物重整为CO和H2后通入SOFC电池(7)的阳极作为燃料；
将SOFC电池(7)的产物分为两路，其中一路经第一透平机(9)发电后作为布雷顿循环工质，为输入的空气及燃料提供预热作用的热源，再通过第一ORC子系统(301)进行余热回收，最终经过热处理并混合水作为SOEC电解池(21)燃料极原料进行利用；另一路经燃烧后直接作为水和SOEC电解池(21)燃料极原料预热的热源进行换热；
太阳能充电子系统(203)对太阳能进行电能的转化，为SOEC电解池(21)提供电解反应所需电能，当电压值高于SOEC电解池(21)的开路电压时，开启SOEC电解池(21)储能，使SOFC电池(7)出口的CO2和入口的水压缩达到SOEC电解池(21)设计压力，并经SOFC电池(7)燃烧器出口工质温度进行阶梯换热后达到SOEC电解池(21)设计温度，通入SOEC电解池(21)燃料极；SOEC电解池(21)燃料极出口工质在甲烷化反应器(24)中反应生成甲烷，通入水分离器(28)除水，再通过第二透平机(29)做功液化后输出；通过第二ORC子系统(302)进行余热回收，使甲烷反应器(24)的温度和压力达到可排放标准。
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