CN117108367A - 一种耦合sofc和co2富集的循环发电系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及固体氧化物燃料电池技术领域，特别涉及一种耦合SOFC和CO2富集的循环发电系统及方法。该系统包括固体氧化物燃料电池、阳极气体供给单元、阴极气体供给单元、余热利用单元、回热器和CO2富集单元，余热利用单元包括第一分离器、燃烧室、透平和发电机，第一分离器的入口与阳极的出口连接，第一分离器的两个出口分别与阳极气体供给单元和燃烧室的入口连接，燃烧室的出口与透平的入口连接，透平与发电机连接；回热器具有依次连接的一个放热段、第一吸热段、第二吸热段、第三吸热段和第四吸热段；CO2富集单元的入口与放热段的出口连接，一个出口的CO2经第四吸热段加热后通入阴极气体供给单元的入口，另一个出口的CO2用于储存。
Description
技术领域
本发明涉及固体氧化物燃料电池技术领域，尤其涉及一种耦合SOFC和CO2富集的循环发电系统及方法。
背景技术
燃料电池是燃料通过电化学反应，将化学能直接转化为电能的一种发电装置。其中，固体氧化物燃料电池(Solid Oxide Fuel Cell，SOFC)的工作温度为600～1000℃，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。
发明内容
本发明提供了一种耦合SOFC和CO2富集的循环发电系统及方法，能够有效利用固体氧化物燃料电池的高温排气的余热。
第一方面，本发明实施例提供了一种耦合SOFC和CO2富集的循环发电系统，包括：
固体氧化物燃料电池，包括阴极和阳极，用于与外部的逆变器连接；
阳极气体供给单元，与所述阳极连接，用于向所述阳极供给燃料气；
阴极气体供给单元，与所述阴极连接，用于向所述阴极供给氧气；
余热利用单元，包括第一分离器、燃烧室、透平和发电机，所述第一分离器的入口与所述阳极的出口连接，所述第一分离器的两个出口分别与所述阳极气体供给单元和所述燃烧室的入口连接，所述燃烧室的出口与所述透平的入口连接，所述透平与所述发电机连接；
回热器，具有依次连接的一个放热段、第一吸热段、第二吸热段、第三吸热段和第四吸热段，所述放热段、所述第一吸热段、所述第二吸热段、所述第三吸热段和所述第四吸热段的温度依次降低，所述放热段的入口与所述透平的出口连接，所述第一吸热段和所述第三吸热段均与所述阳极气体供给单元连接，所述第二吸热段与所述阴极气体供给单元连接；
CO2富集单元，入口与所述放热段的出口连接，一个出口的CO2经所述第四吸热段加热后通入所述阴极气体供给单元的入口，另一个出口的CO2用于储存。
第二方面，本发明实施例提供了一种耦合SOFC和CO2富集的循环发电方法，应用于上述任一项实施例所述的循环发电系统，包括：
利用所述固体氧化物燃料电池产生电能；
利用所述阳极气体供给单元向所述阳极供给燃料气；
利用所述阴极气体供给单元向所述阴极供给氧气；
利用所述余热利用单元吸收所述固体氧化物燃料电池的排气热量；
利用所述回热器吸收所述透平的排气热量，并将吸收的热量传递至所述阴极气体供给单元和所述阳极气体供给单元；
利用所述CO2富集单元对所述透平排出的一部分CO2进行富集和将所述透平排出的另一部分CO2经所述第四吸热段加热后通入所述阴极气体供给单元的入口。
由上述方案可知，本发明提供的耦合SOFC和CO2富集的循环发电系统及方法，通过设置余热利用单元，可以将固体氧化物燃料电池的排气热量进行有效利用来发电；通过将第一分离器的一个出口与阳极气体供给单元连接，可以提高固体氧化物燃料电池的燃料利用率；通过设置回热器，可以有效利用透平的排气余热；通过设置CO2富集单元，既可以实现碳富集，又可以实现对SOFC在发电过程中产生的热量进行降温；此外，由于阴极气体供给单元只向阴极供给氧气，因此可以避免对SOFC产生杂质干扰，从而可以降低碳富集成本。因此，上述技术方案能够有效利用固体氧化物燃料电池的高温排气的余热。
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，还可以基于这些附图获得其它的附图。
图1为本发明实施例提供的耦合SOFC和CO2富集的循环发电系统的结构示意图；
图2为图1所示循环发电系统的凝水在一种应用场景下的示意图。
附图标记：
1-固体氧化物燃料电池；
2-阳极气体供给单元；
21-水泵；
22-第一压气机；
23-第一混合器；
24-预重整器；
3-阴极气体供给单元；
31-第三压气机；
32-第二混合器；
4-余热利用单元；
41-第一分离器；
42-燃烧室；
43-透平；
44-第二压气机；
5-回热器；
6-CO2富集单元；
61-冷凝器；
62-气液分离器；
63-第二分离器；
64-第四压气机；
65-第五压气机；
66-储存罐。
具体实施方式
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在没有做出创造性劳动的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。
请参阅图1，本发明一个实施例提供了一种耦合SOFC和CO2富集的循环发电系统，该系统包括：
固体氧化物燃料电池1，包括阴极和阳极，用于与外部的逆变器(图中未示出)连接；
阳极气体供给单元2，与阳极连接，用于向阳极供给燃料气；
阴极气体供给单元3，与阴极连接，用于向阴极供给氧气；
余热利用单元4，包括第一分离器41、燃烧室42、透平43和发电机，第一分离器41的入口与阳极的出口连接，第一分离器41的两个出口分别与阳极气体供给单元2和燃烧室42的入口连接，燃烧室42的出口与透平43的入口连接，透平43与发电机(图中未示出)连接；
回热器5，具有依次连接的一个放热段、第一吸热段(即AB段)、第二吸热段(即CD段)、第三吸热段(即EF段)和第四吸热段，放热段、第一吸热段、第二吸热段、第三吸热段和第四吸热段的温度依次降低，放热段的入口与透平43的出口连接，第一吸热段和第三吸热段均与阳极气体供给单元2连接，第二吸热段与阴极气体供给单元3连接；
CO2富集单元6，入口与放热段的出口连接，一个出口的CO2经第四吸热段加热后通入阴极气体供给单元3的入口，另一个出口的CO2用于储存。
在本实施例中，通过设置余热利用单元4，可以将固体氧化物燃料电池1的排气热量进行有效利用来发电；通过将第一分离器41的一个出口与阳极气体供给单元2连接，可以提高固体氧化物燃料电池1的燃料利用率；通过设置回热器5，可以有效利用透平43的排气余热；通过设置CO2富集单元6，既可以实现碳富集，又可以实现对SOFC在发电过程中产生的热量进行降温；此外，由于阴极气体供给单元3只向阴极供给氧气，因此可以避免对SOFC产生杂质干扰，从而可以降低碳富集成本。因此，上述技术方案能够有效利用固体氧化物燃料电池的高温排气的余热。
需要说明的是，发明人在研发中创造性地发现：要想低成本地实现CO2的富集，可以降低脱氮成本(即以空气作为SOFC的氧化剂时，氮气是实现脱碳的杂质气体)，因此可以考虑将空气替换为氧气。然而，当氧气作为SOFC的氧化剂时，电堆散热的问题就不能得到有效解决。为此，发明人考虑可以将富集后的部分CO2(具体是下文的汽水分离后的部分CO2)通入阴极气体供给单元3的入口，如此既可以实现碳富集，又可以实现对SOFC在发电过程中产生的热量进行降温。
此外，将放热段、第一吸热段、第二吸热段、第三吸热段和第四吸热段集成在一个回热器5中，相比于分体设置的换热器而言，前者的换热损失更少，结构更加紧凑，节省循环发电系统的占地面积。
阳极气体供给单元2将通入系统的燃料、给水经压缩、换热后与再循环的阳极尾气混合后加热，再进行预重整，将预重整后的燃料气输入至固体氧化物燃料电池1的阳极；阴极气体供给单元3将通入系统的氧气经过加压换热后输入至固体氧化物燃料电池1的阴极。固体氧化物燃料电池1利用通入的燃料气与氧气发生电化学反应，从而将化学能转换成电能并输出，固体氧化物燃料电池1阳极的一部分排气被送入到燃烧室42内继续进行燃烧反应，另一部分排气则被输入到阳极气体供给单元2中。
需要说明的是，将阳极的部分排气进行再循环(即被输入到阳极气体供给单元2中)，还可以调节SOFC入口的水碳摩尔流量比(水即碳氢燃料气中的水蒸气含量，碳即碳氢燃料中的碳含量)。在一些实施方式中，SOFC入口的水碳摩尔流量比可以处于2～3的范围，如此可以有效避免SOFC中的碳沉积问题的发生。
固体氧化物燃料电池1阴极中的氧气得到电子后转换为氧离子后由电解质输送到阳极，之后便与阳极中的燃料反应形成了H2O和CO2；电流则通过电池外部电路的电子的移动而产生，之后通过逆变器将直流电能转化为交流电能进行发电。
在本发明一个实施例中，阳极气体供给单元2包括水泵21、第一压气机22、第一混合器23和预重整器24，水泵21、第三吸热段、第一混合器23的第一入口、第一吸热段、预重整器24和阳极依次连接，第一压气机22与第一混合器23的第二入口连接，第一分离器41的一个出口通过第二压气机44与第一混合器23的第三入口连接。
在本发明一个实施例中，阴极气体供给单元3包括第三压气机31和第二混合器32，第三压气机31的出口和第二混合器32的第一入口连接，CO2富集单元6的一个出口与第二混合器32的第二入口连接；
第二混合器32的出口、第二吸热段和阴极依次连接。
在本实施例中，考虑到氧气、给水和混合气体的吸热温度，可以基于不同吸热段的温度来进行吸热段和不同功能单元的具体位置的吸热设置，例如按照吸热温度的需求，混合气的吸热温度最高，氧气的吸热温度次之，给水的吸热温度最低，从而实现了透平43的排气余热的梯级利用。
在本发明一个实施例中，CO2富集单元6包括冷凝器61、气液分离器62、第二分离器63、第四压气机64和第五压气机65，冷凝器61、气液分离器62的气路和第二分离器63的入口依次连接，第二分离器63的两个出口分别与第四压气机64和第五压气机65连接，第四压气机64与第四吸热段连接，第五压气机65的出口连接有用于储存CO2的储存罐66。
在本实施例中，由于SOFC的氧化剂为氧气(但进入SOFC的阴极的气体为氧气和CO2的混合气)，因此透平43的排气中理论上只含有二氧化碳和水蒸气，为了实现碳富集，需要先利用冷凝器61和气液分离器62对水蒸气进行分离；然后，通过设置第二分离器63、第四压气机64和第五压气机65，既可以实现碳富集，又可以实现对SOFC在发电过程中产生的热量进行降温。
在本发明一个实施例中，气液分离器62的水路与水泵21的入口连接。如此设置，可以对气液分离器62产生的凝水(即冷凝水)进行循环利用。
如图2所示，在本发明一个实施例中，气液分离器62的水路还可以连接图1所示的EF段的下游(即温度更低的段)，这样可以进一步吸收回热器5的热量。例如，EF段的下游可以包括依次连接的三个温度逐渐降低的放热段(即在图2中以文字示出的“高”、“中”、“低”三个温度逐渐降低的换热器)。
在图2中，加压后的凝水(例如通过压缩机压机后的凝水)依次流经温度最低的放热段、温度居中的放热段和温度最高的放热段，然后进入一混合器的入口，并与燃烧室42产生的排气一起混合后进入透平43中。这种方式可以增加透平43的入口工质流量，从而增加了透平43的膨胀做功，提高了循环发电系统的发电效率。
在本实施例中，凝水进入温度最低的放热段，在温度最低的放热段中将凝水初步预热至接近饱和温度，温度最低的放热段出口的热水进入温度居中的放热段，在温度居中的放热段中变为饱和蒸汽，温度居中的放热段出口的饱和蒸汽进入温度最高的放热段进一步加热得到110℃的过热蒸汽。蒸汽发生过程分为预热、蒸发和过热，如此可以充分利用透平43的排气余热，从而可以降低下游冷凝部分的入口工质温度，减少冷凝过程的冷却水耗量。
需要说明的是，如果上述换热部分仅为一个放热段(或换热器)，相比于上述“温度最低的放热段、温度居中的放热段和温度最高的放热段”的放热段组合而言，前者不具有明显的预热、蒸发和过热过程，因此前者不能充分利用透平43的排气余热。
在本发明一个实施例中，燃料气包括如下中的至少一种：天然气、液化气、合成气、一氧化碳、煤气、生物质气、甲醇。
综上，本发明实施例提供的循环发电系统有效降低了发电系统尾气排放对环境的污染，达到了节能减排的效果，实现了电池发电效率的提高；而且，阳极排气的循环利用以及燃烧室的使用充分利用提高了集成系统的燃料利用率，适应了固体氧化物燃料电池发电系统的发展趋势，具有广阔的应用前景。
此外，本发明一个实施例还提供了一种耦合SOFC和CO2富集的循环发电方法，基于如上述任一项实施例提及的循环发电系统，包括：
利用固体氧化物燃料电池1产生电能；
利用阳极气体供给单元2向阳极供给燃料气；
利用阴极气体供给单元3向阴极供给氧气；
利用余热利用单元4吸收固体氧化物燃料电池1的排气热量；
利用回热器5吸收透平43的排气热量，并将吸收的热量传递至阴极气体供给单元3和阳极气体供给单元2；
利用CO2富集单元6对透平43排出的一部分CO2进行富集和将透平43排出的另一部分CO2经第四吸热段加热后通入阴极气体供给单元3的入口。
需要说明的是，本发明提供的方法实施例与上述系统实施例同属于相同的发明构思，二者具有相同的有益效果，在此对方法实施例的效果不进行赘述。
需要说明的是，在本发明中，诸如第一和第二之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其它变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其它要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
最后需要说明的是：以上所述仅为本发明的较佳实施例，仅用于说明本发明的技术方案，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所做的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。
Claims (7)
1.一种耦合SOFC和CO2富集的循环发电系统，其特征在于，包括：
固体氧化物燃料电池(1)，包括阴极和阳极，用于与外部的逆变器连接；
阳极气体供给单元(2)，与所述阳极连接，用于向所述阳极供给燃料气；
阴极气体供给单元(3)，与所述阴极连接，用于向所述阴极供给氧气；
余热利用单元(4)，包括第一分离器(41)、燃烧室(42)、透平(43)和发电机，所述第一分离器(41)的入口与所述阳极的出口连接，所述第一分离器(41)的两个出口分别与所述阳极气体供给单元(2)和所述燃烧室(42)的入口连接，所述燃烧室(42)的出口与所述透平(43)的入口连接，所述透平(43)与所述发电机连接；
回热器(5)，具有依次连接的一个放热段、第一吸热段、第二吸热段、第三吸热段和第四吸热段，所述放热段、所述第一吸热段、所述第二吸热段、所述第三吸热段和所述第四吸热段的温度依次降低，所述放热段的入口与所述透平(43)的出口连接，所述第一吸热段和所述第三吸热段均与所述阳极气体供给单元(2)连接，所述第二吸热段与所述阴极气体供给单元(3)连接；
CO2富集单元(6)，入口与所述放热段的出口连接，一个出口的CO2经所述第四吸热段加热后通入所述阴极气体供给单元(3)的入口，另一个出口的CO2用于储存。
2.根据权利要求1所述的循环发电系统，其特征在于，所述阳极气体供给单元(2)包括水泵(21)、第一压气机(22)、第一混合器(23)和预重整器(24)，所述水泵(21)、所述第三吸热段、所述第一混合器(23)的第一入口、所述第一吸热段、所述预重整器(24)和所述阳极依次连接，所述第一压气机(22)与所述第一混合器(23)的第二入口连接，所述第一分离器(41)的一个出口通过第二压气机(44)与所述第一混合器(23)的第三入口连接。
3.根据权利要求2所述的循环发电系统，其特征在于，所述阴极气体供给单元(3)包括第三压气机(31)和第二混合器(32)，所述第三压气机(31)的出口和所述第二混合器(32)的第一入口连接，所述CO2富集单元(6)的一个出口与所述第二混合器(32)的第二入口连接；
所述第二混合器(32)的出口、所述第二吸热段和所述阴极依次连接。
4.根据权利要求3所述的循环发电系统，其特征在于，所述CO2富集单元(6)包括冷凝器(61)、气液分离器(62)、第二分离器(63)、第四压气机(64)和第五压气机(65)，所述冷凝器(61)、所述气液分离器(62)的气路和所述第二分离器(63)的入口依次连接，所述第二分离器(63)的两个出口分别与所述第四压气机(64)和所述第五压气机(65)连接，所述第四压气机(64)与所述第四吸热段连接，所述第五压气机(65)的出口连接有用于储存CO2的储存罐(66)。
5.根据权利要求4所述的循环发电系统，其特征在于，所述气液分离器(62)的水路与所述水泵(21)的入口连接。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的循环发电系统，其特征在于，所述燃料气包括如下中的至少一种：天然气、液化气、合成气、一氧化碳、煤气、生物质气、甲醇。
7.一种耦合SOFC和CO2富集的循环发电方法，其特征在于，基于权利要求1-6中任一项所述的循环发电系统，包括：
利用所述固体氧化物燃料电池(1)产生电能；
利用所述阳极气体供给单元(2)向所述阳极供给燃料气；
利用所述阴极气体供给单元(3)向所述阴极供给氧气；
利用所述余热利用单元(4)吸收所述固体氧化物燃料电池(1)的排气热量；
利用所述回热器(5)吸收所述透平(43)的排气热量，并将吸收的热量传递至所述阴极气体供给单元(3)和所述阳极气体供给单元(2)；
利用所述CO2富集单元(6)对所述透平(43)排出的一部分CO2进行富集和将所述透平(43)排出的另一部分CO2经所述第四吸热段加热后通入所述阴极气体供给单元(3)的入口。
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