CN117167097A - 一种耦合sofc和工质回收利用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和工质回收利用的循环发电系统及方法。该系统包括：固体氧化物燃料电池，包括阴极和阳极；阳极气体供给单元，用于向阳极供给燃料气；阴极气体供给单元，用于向阴极供给空气；余热利用单元，包括第一分离器、燃烧室、第一混合器、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，燃烧室的出口与第一混合器的第一入口连接，第一混合器的第二入口与工质回收单元连接，第一混合器的出口与透平的入口连接，透平与发电机连接；工质回收单元，分别与透平的出口和入口连接，用于回收透平出口的排气并将回收的排气回流至透平的入口。
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和工质回收利用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和工质回收利用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和工质回收利用的循环发电系统，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空气；
余热利用单元，包括第一分离器、燃烧室、第一混合器、透平和发电机，所述阴极的出口与所述燃烧室的入口连接，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第一混合器的第一入口连接，所述第一混合器的第二入口与工质回收单元连接，所述第一混合器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；
所述工质回收单元，分别与所述透平的出口和入口连接，用于回收所述透平出口的排气并将回收的部分排气回流至所述透平的入口。
第二方面，本发明实施例提供了一种耦合SOFC和工质回收利用的循环发电方法，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空气；
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；
利用所述工质回收单元回收所述透平出口的排气并将回收的部分排气回流至所述透平的入口。
由上述方案可知，本发明提供的耦合SOFC和工质回收利用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；通过设置工质回收单元来回收透平出口的排气并将回收的部分排气回流至透平的入口，可以增加透平的入口工质流量，从而增加了透平的膨胀做功，提高了循环发电系统的发电效率。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和工质回收利用的循环发电系统的结构示意图。
附图标记：
10-逆变器；
1-固体氧化物燃料电池；
2-阳极气体供给单元；
21-第一水泵；
22-第一换热器；
23-第一压气机；
24-第二混合器；
25-第二换热器；
26-预重整器；
27-第三换热器；
28-第二压气机；
3-阴极气体供给单元；
31-第三压气机；
32-第四换热器；
4-余热利用单元；
41-第一分离器；
42-燃烧室；
43-第一混合器；
44-透平；
45-发电机；
5-工质回收单元；
51-换热组件；
511-第五换热器；
512-第六换热器；
513-第七换热器；
52-冷凝器；
53-第二水泵；
54-第二分离器；
55-储水罐；
56-气液分离器；
57-第四压气机。
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和工质回收利用的循环发电系统，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10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，用于向阴极供给空气；
余热利用单元4，包括第一分离器41、燃烧室42、第一混合器43、透平44和发电机45，阴极的出口与燃烧室42的入口连接，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的出口与第一混合器43的第一入口连接，第一混合器43的第二入口与工质回收单元5连接，第一混合器43的出口与透平44的入口连接，透平44与发电机45连接；
工质回收单元5，分别与透平44的出口和入口连接，用于回收透平44出口的排气并将回收的部分排气回流至透平44的入口。
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；通过设置工质回收单元5来回收透平44出口的排气并将回收的部分排气回流至透平44的入口，可以增加透平44的入口工质流量，从而增加了透平44的膨胀做功，提高了循环发电系统的发电效率。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。
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将通入系统的空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空气发生电化学反应，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10将直流电转化为交流电进行发电。
在本发明一个实施例中，阳极气体供给单元2包括第一水泵21、第一换热器22、第一压气机23、第二混合器24、第二换热器25、预重整器26、第三换热器27和第二压气机28，第一水泵21、第一换热器22、第二混合器24的第一入口、第二换热器25、预重整器26、第三换热器27和阳极依次连接，第一压气机23与第二混合器24的第二入口连接，第二压气机28的出口与第二混合器24的第三入口连接，第一分离器41的一个出口、第三换热器27和第二压气机28的入口依次连接；
透平44的出口、第一换热器22、第二换热器25、工质回收单元5和透平44的入口依次连接。
在本实施例中，通过将透平44的出口、第一换热器22、第二换热器25、工质回收单元5和透平44的入口依次连接，可以对透平44的排气热量进行有效利用，如先后用于阳极气体供给单元2的给水(以形成蒸汽，因此先用排气热量对给水进行加热)和燃料气的加热。
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和第四换热器32，第三压气机31的出口、第四换热器32和阴极依次连接；
透平44的出口、第四换热器32、第一换热器22、第二换热器25、工质回收单元5和透平44的入口依次连接。
在本实施例中，通过将透平44的出口、第四换热器32、第一换热器22、第二换热器25、工质回收单元5和透平44的入口依次连接，可以进一步对透平44的排气热量进行有效利用，如用于在对阳极气体供给单元2之前先对阴极气体供给单元3供给的气体进行加热，以提高氧气的活性。
在本发明一个实施例中，工质回收单元5包括依次连接的换热组件51、冷凝器52和气液分离器56，换热组件51与第二换热器25连接，气液分离器56的水路出口通过管路经换热组件51与第一混合器43的第二入口连接。
在本实施例中，通过冷凝器52和气液分离器56，可以将透平44的排气中的水蒸气进行冷凝和气液分离，得到冷凝水；通过设置换热组件51，可以利用透平44对阳极气体供给单元2加热后剩余的热量来加热气液分离器56排出的水，形成过热蒸汽，从而进一步通过管路与第一混合器43的第二入口连接来增加透平44的入口工质流量，进而增加了透平44的膨胀做功，提高了循环发电系统的发电效率。
在本发明一个实施例中，工质回收单元5还包括依次连接的第二水泵53、第二分离器54和储水罐55，第二水泵53的入口与气液分离器56的水路出口连接，第二分离器54的一个出口通过管路经换热组件51与第一混合器43的第二入口连接，第二分离器54的另一个出口与第一水泵21的入口连接。
在本实施例中，通过设置第二水泵53，可以将冷凝后的水进行加压；通过设置第二分离器54，可以将部分冷凝水储存至储水罐55中，另一部分冷凝水通过换热组件51形成过热蒸汽。
在本发明一个实施例中，换热组件51包括依次连接的第五换热器511、第六换热器512和第七换热器513，第五换热器511与第二换热器25连接，第七换热器513与冷凝器52连接，第二分离器54的一个出口通过管路依次经第七换热器513、第六换热器512和第五换热器511与第一混合器43的第二入口连接；
第七换热器513用于将第二分离器54排出的冷凝水初步预热至饱和温度，第六换热器512用于将第七换热器513排出的水加热形成饱和蒸汽，第五换热器511用于将第六换热器512排出的饱和蒸汽进一步加热形成过热蒸汽。
在本实施例中，冷凝水经过第二分离器54后，部分冷凝水进入第七换热器513，在第七换热器513中将冷凝水初步预热至接近饱和温度，第七换热器513出口的热水进入第六换热器512，在第六换热器512中变为饱和蒸汽，第六换热器512出口的饱和蒸汽进入第五换热器511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44的排气余热，从而可以降低冷凝器52入口的工质温度，减少冷凝过程的冷却水耗量。
需要说明的是，如果换热组件51仅为一个换热器，相比于上述“第五换热器511、第六换热器512和第七换热器513”的换热器组合而言，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44的排气余热。
在本发明一个实施例中，工质回收单元5还包括第四压气机57，气液分离器56的气路出口与第四压气机57的入口连接，第四压气机57的出口与第一混合器43的第三入口连接。
在本实施例中，冷凝器52冷凝后的工质经过气液分离器56分离后水路出口与第二水泵53入口连接，以达到第一混合器43的入口压力条件。一部分析出的冷凝水经过换热组件51转化为过热蒸汽，另一部分冷凝水则可以回流至第一水泵21的入口进行回收利用或利用储水罐55进行储存。而气路出口中的二氧化碳和氮气的混合气经过第四压气机57的加压后可以输出到第一混合器43的第三入口，第四压气机57的设置可以提高透平44膨胀所需的膨胀比，使得透平44可以在常压下膨胀做功。此外，由于气液分离器56将全部水量析出，如此可以降低第四压气机57的入口工质流量，从而减少了第四压气机57的压缩耗功，有助于提高循环发电系统的发电性能。
需要说明的是，当工质回收单元5产生的过热蒸汽以及二氧化碳和氮气的混合气共同输出至透平44的入口时，需要将部分混合气进行输出，而不能是全部的混合气，否则会导致透平44产生的排气余热无法满足系统的换热需求。
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和工质回收利用的循环发电方法，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向阴极供给空气；
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；
利用工质回收单元5回收透平44出口的排气并将回收的部分排气回流至透平44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 (9)
1.一种耦合SOFC和工质回收利用的循环发电系统，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(10)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空气；
余热利用单元(4)，包括第一分离器(41)、燃烧室(42)、第一混合器(43)、透平(44)和发电机(45)，所述阴极的出口与所述燃烧室(42)的入口连接，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)的出口与所述第一混合器(43)的第一入口连接，所述第一混合器(43)的第二入口与工质回收单元(5)连接，所述第一混合器(43)的出口与所述透平(44)的入口连接，所述透平(44)与所述发电机(45)连接；
所述工质回收单元(5)，分别与所述透平(44)的出口和入口连接，用于回收所述透平(44)出口的排气并将回收的部分排气回流至所述透平(44)的入口。
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)包括第一水泵(21)、第一换热器(22)、第一压气机(23)、第二混合器(24)、第二换热器(25)、预重整器(26)、第三换热器(27)和第二压气机(28)，所述第一水泵(21)、所述第一换热器(22)、所述第二混合器(24)的第一入口、所述第二换热器(25)、所述预重整器(26)、所述第三换热器(27)和所述阳极依次连接，所述第一压气机(23)与所述第二混合器(24)的第二入口连接，所述第二压气机(28)的出口与所述第二混合器(24)的第三入口连接，所述第一分离器(41)的一个出口、所述第三换热器(27)和所述第二压气机(28)的入口依次连接；
所述透平(44)的出口、所述第一换热器(22)、所述第二换热器(25)、所述工质回收单元(5)和所述透平(44)的入口依次连接。
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)和第四换热器(32)，所述第三压气机(31)的出口、所述第四换热器(32)和所述阴极依次连接；
所述透平(44)的出口、所述第四换热器(32)、所述第一换热器(22)、所述第二换热器(25)、所述工质回收单元(5)和所述透平(44)的入口依次连接。
4.根据权利要求3所述的循环发电系统，其特征在于，所述工质回收单元(5)包括依次连接的换热组件(51)、冷凝器(52)和气液分离器(56)，所述换热组件(51)与所述第二换热器(25)连接，所述气液分离器(56)的水路出口通过管路经所述换热组件(51)与所述第一混合器(43)的第二入口连接。
5.根据权利要求4所述的循环发电系统，其特征在于，所述工质回收单元(5)还包括依次连接的第二水泵(53)、第二分离器(54)和储水罐(55)，所述第二水泵(53)的入口与所述气液分离器(56)的水路出口连接，所述第二分离器(54)的一个出口通过管路经所述换热组件(51)与所述第一混合器(43)的第二入口连接，所述第二分离器(54)的另一个出口与所述第一水泵(21)的入口连接。
6.根据权利要求5所述的循环发电系统，其特征在于，所述换热组件(51)包括依次连接的第五换热器(511)、第六换热器(512)和第七换热器(513)，所述第五换热器(511)与所述第二换热器(25)连接，所述第七换热器(513)与所述冷凝器(52)连接，所述第二分离器(54)的一个出口通过管路依次经所述第七换热器(513)、所述第六换热器(512)和所述第五换热器(511)与所述第一混合器(43)的第二入口连接；
所述第七换热器(513)用于将所述第二分离器(54)排出的冷凝水初步预热至饱和温度，所述第六换热器(512)用于将所述第七换热器(513)排出的水加热形成饱和蒸汽，所述第五换热器(511)用于将所述第六换热器(512)排出的饱和蒸汽进一步加热形成过热蒸汽。
7.根据权利要求4所述的循环发电系统，其特征在于，所述工质回收单元(5)还包括第四压气机(57)，所述气液分离器(56)的气路出口与所述第四压气机(57)的入口连接，所述第四压气机(57)的出口与所述第一混合器(43)的第三入口连接。
8.根据权利要求1-7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。
9.一种耦合SOFC和工质回收利用的循环发电方法，其特征在于，基于权利要求1-8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)向所述阴极供给空气；
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；
利用所述工质回收单元(5)回收所述透平(44)出口的排气并将回收的部分排气回流至所述透平(44)的入口。
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| CN202311056863.6A CN117167097A (zh) | 2023-08-22 | 2023-08-22 | 一种耦合sofc和工质回收利用的循环发电系统及方法 |
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