CN118065994A - 一种应用于sofc发电的低温液态二氧化碳电池系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种应用于SOFC发电的低温液态二氧化碳电池系统，涉及二氧化碳储能技术领域，系统包括固体氧化物燃料电池‑燃气轮机模块，用于基于空气、天然气和水，使固体氧化物燃料电池进行电化学反应，产生电能，并排出尾气；余热回收模块，与固体氧化物燃料电池‑燃气轮机模块连接，用于通过两个循环回路吸收固体氧化物燃料电池‑燃气轮机模块排出尾气中的余热，并回收电能；低温液态二氧化碳电池模块，与余热回收模块连接，用于存储余热回收模块的电能和热能，并为用电设备供电。本发明实现了模块之间的优势互补，从而增加了整体系统的运行效率，满足中小规模削峰填谷的用电场景需求，实现区域内的供电稳定。

Description

一种应用于SOFC发电的低温液态二氧化碳电池系统

技术领域

本发明涉及二氧化碳储能技术领域，特别是涉及一种应用于固体氧化物燃料电池(Solid Oxide Fuel Cell，SOFC)发电的低温液态二氧化碳电池系统。

背景技术

随着当代工业文明的进步，环境污染与能源短缺已经成为了人类未来发展的重要障碍。如今世界各国都积极投身于减碳零碳的技术改革之中。目前全球的能源结构仍然是以煤和石油等化石燃料为基础，为实现零碳目标各国需要改善能源结构，提高可再生能源的占比。但是可再生能源如风能和太阳能存在时间上的间歇性和空间上的区域性的特点，因此大规模可再生能源的储能技术迫切需要得到发展；此外，大电网集中式远距离供电的输送损耗大、效率低，还存在很大的安全隐患，然而分布式发电技术能够避免上述问题，将会成为未来发展新趋势。

目前的新型能源中，氢能作为一种清洁高效并且可持续的二次能源，可以在包括交通运输、工业生产和发电等多个领域发挥作用。开发氢能可以实现由传统化石能源向可再生能源的平稳过渡。燃料电池以其高效、低排放、24小时不间断运行等优点，成为21世纪最重要的新能源技术之一。在所有燃料电池中，固体氧化物燃料电池是目前转化效率最高的技术，因为它可以有效和可持续地将燃料和氧化剂中的化学能转化为电能。固体氧化物燃料电池也是一种价格低廉且具有广泛燃料适应性的电池，可以以常见的碳氢化合物作为燃料，如甲烷、氢气和天然气。而且结合碳捕集利用与封存技术可以实现近零碳排放。上述优点意味着固体氧化物燃料电池将对未来的分布式发电系统产生重大影响。

分布式发电系统一般额定功率不超过10MW，因此在匹配固体氧化物燃料电池分布式微电站时需要一种中小规模、长时储能的储能技术。固体氧化物燃料电池系统发电功率恒定，需要储能技术用来根据用电负荷需求灵活调配电能。常规的电化学储能技术如储能电站储能时长较短，成本较高且系统热管理条件严苛，具有一定安全隐患。而机械储能方式，如压缩气体储能虽然运行安全，成本较低也具备长时储能能力，但储能密度较低，占地面积较大，也不是一个最佳选项。

因此，需要一种能够解决分布式固体氧化物燃料电池微电站灵活调配电能削峰填谷的需求问题的储能系统。

发明内容

本发明的目的是提供一种应用于SOFC发电的低温液态二氧化碳电池系统，可灵活调配电能削峰填谷的用电场景需求，实现稳定供电。

为实现上述目的，本发明提供了一种应用于SOFC发电的低温液态二氧化碳电池系统，包括：

固体氧化物燃料电池-燃气轮机模块，用于基于空气、天然气和水，使固体氧化物燃料电池进行电化学反应，产生电能，并排出尾气；

余热回收模块，与所述固体氧化物燃料电池-燃气轮机模块连接，用于通过两个循环回路吸收所述固体氧化物燃料电池-燃气轮机模块排出尾气中的余热，并回收电能；

低温液态二氧化碳电池模块，与所述余热回收模块连接，用于存储所述余热回收模块的电能和热能，并为用电设备供电。

可选地，所述固体氧化物燃料电池-燃气轮机模块包括：空气压缩机、天然气压缩机、第一泵体、预热装置、重整器、电堆、燃烧室及燃气轮机；

所述空气压缩机通过所述预热装置与所述电堆的阴极入口连接；所述天然气压缩机及所述第一泵体均通过所述预热装置与所述重整器的入口连接；所述重整器的出口与所述电堆的阳极入口连接；所述电堆的阳极出口及所述电堆的阴极出口均与所述燃烧室的入口连接；所述燃烧室的出口与所述燃气轮机的入口连接；所述燃气轮机的出口与所述预热装置连接；所述预热装置还与所述余热回收模块连接；

所述空气压缩机用于对空气加压，并将加压后的空气通入所述预热装置加热，为所述电堆提供阴极气体；

所述天然气压缩机用于对天然气进行加压，并将加压后的天然气通入所述预热装置加热；所述第一泵体用于对水进行加压，并将加压后的水通入所述预热装置加热；所述重整器用于对加热后的天然气及加热后的水进行重整反应，为所述电堆提供阳极气体；

所述电堆的内部在所述阴极气体及所述阳极气体的作用下发生电化学反应产生电能，并通过阳极出口及阴极出口排出气流；所述电堆排出的气流经所述燃烧室燃烧后进入所述燃气轮机膨胀做功产生电能；所述燃气轮机出口处的尾气通入所述预热装置；所述预热装置排出尾气。

可选地，所述预热装置包括：第一预热器、第二预热器及第三预热器；所述第一预热器位于所述空气压缩机与所述电堆的阴极入口之间；所述第二预热器位于所述天然气压缩机与所述重整器之间；所述第三预热器位于所述第一泵体与所述重整器之间；所述第一预热器、所述第二预热器及所述第三预热器均与所述余热回收模块连接；所述燃气轮机的出口分别与所述第一预热器、所述第二预热器及所述第三预热器的换热室连接。

可选地，所述余热回收模块包括：蒸发器、第一膨胀机、第二膨胀机、第一回热器、第二回热器、多相流换热器、二氧化碳储罐及第二泵体；

所述二氧化碳储罐的出口、所述第二泵体、所述第一回热器的一换热室、所述蒸发器的一换热室、所述第一膨胀机、所述第二回热器的一换热室、所述多相流换热器的一换热室及所述二氧化碳储罐的入口依次连接，形成第一循环回路；

所述二氧化碳储罐的出口、所述第二泵体、所述第二回热器的另一换热室、所述第二膨胀机、所述第一回热器的另一换热室、所述多相流换热器的一换热室及所述二氧化碳储罐的入口依次连接，形成第二循环回路；

所述多相流换热器还与所述低温液态二氧化碳电池模块连接；

所述二氧化碳储罐流出的二氧化碳进入所述第二泵体被加压后分成两股二氧化碳流体；其中，第一股二氧化碳流体进入所述第一回热器的一换热室被加热后，进入所述蒸发器的一换热室，从所述固体氧化物燃料电池-燃气轮机模块排出的尾气中吸收热量后，通入所述第一膨胀机膨胀做功产生电能，之后通入所述第二回热器的一换热室释放热量降温后，进入所述多相流换热器的一换热室进行冷却降温后，进入所述二氧化碳储罐；

第二股二氧化碳流体进入所述第二回热器的另一换热室吸收热量升温后，通入所述第二膨胀机膨胀做功产生电能，之后通入所述第一回热器的另一换热室释放热量降温后，进入所述多相流换热器的一换热室进行冷却降温后，进入所述二氧化碳储罐。

可选地，所述低温液态二氧化碳电池模块包括：第一液态二氧化碳储罐、第二液态二氧化碳储罐、膨胀阀、第三泵体、第一换热器、第二换热器、第三换热器、低温涡轮、气液分离器、储能装置、释能装置、冷却装置、加热装置、散热器、甲醇储冷装置及第一透平；

所述第一液态二氧化碳储罐的出口、所述膨胀阀、所述第一换热器的一换热室、所述余热回收模块、所述储能装置、所述冷却装置、所述甲醇储冷装置、所述低温涡轮及所述气液分离器的入口依次连接；所述气液分离器的气体出口与所述余热回收模块连接，所述气液分离器的液体出口与所述第二液态二氧化碳储罐的入口连接；

所述第二液态二氧化碳储罐的出口、所述第三泵体、所述第二换热器的一换热室、所述加热装置、所述释能装置、所述散热器、所述第三换热器的一换热室、所述第一透平、所述第一换热器的一换热室及所述第一液态二氧化碳储罐的入口依次连接；

所述第一液态二氧化碳储罐出口流出的二氧化碳进入所述膨胀阀降压升温后，进入所述第一换热器的一换热室吸热达到饱和气态，流入所述余热回收模块吸收热量，之后进入所述储能装置加压消耗电能，再进入所述冷却装置冷却降温，之后进入所述甲醇储冷装置中吸收甲醇中的冷能降温，再进入所述低温涡轮中膨胀降压产生气液混合的二氧化碳流入所述气液分离器；气态二氧化碳从所述气液分离器的气体出口进入所述余热回收模块进行储能循环；液态二氧化碳从所述气液分离器的液态出口进入所述第二液态二氧化碳储罐进行储存；

所述第二液态二氧化碳储罐出口流出的二氧化碳进入所述第三泵体升压，分成两股二氧化碳；其中，第一股二氧化碳进入所述第二换热器的一换热室升温，第二股二氧化碳进入所述第三换热器升温，两股二氧化碳升温后汇合进入所述加热装置升温，之后进入所述释能装置产生电能，再进入所述散热器降温，然后流入所述第三换热器的一换热室冷却后，经所述第一透平进入所述第一换热器的一换热室吸收内部相变材料携带的冷能变成液态二氧化碳，最后流入所述第一液态二氧化碳储罐储存。

可选地，所述储能装置还与所述固体氧化物燃料电池-燃气轮机模块连接，以储存所述固体氧化物燃料电池-燃气轮机模块产生的电能。

可选地，所述储能装置包括第一压缩机和第二压缩机；所述冷却装置包括第一中冷器和第二中冷器；所述第一压缩机的入口与所述余热回收模块连接，所述第一压缩机的出口与所述第一中冷器的入口连接；所述第一中冷器的出口与所述第二压缩机的入口连接；所述第二压缩机的出口与所述第二中冷器的入口连接；所述第二中冷器的出口与所述甲醇储冷装置连接。

可选地，所述加热装置包括第四预热器和第五预热器；所述释能装置包括第二透平和第三透平；所述第四预热器的入口分别与所述第二换热器的一换热室及所述第三换热器的一换热室连接，所述第四预热器的出口与所述第二透平的入口连接；所述第二透平的出口与所述第五预热器的入口连接；所述第五预热器的出口与所述第三透平的入口连接；所述第三透平的出口与所述散热器连接。

可选地，所述甲醇储冷装置包括：第四换热器、甲醇热储罐及甲醇冷储罐；所述第四换热器的入口分别与所述冷却装置及所述甲醇热储罐的出口连接；所述第四换热器的出口分别与所述低温涡轮及所述甲醇冷储罐的入口连接；所述甲醇冷储罐的出口及所述甲醇热储罐的入口均与所述第二换热器连接。

可选地，所述低温液态二氧化碳电池模块还包括储热装置；所述储热装置分别与所述冷却装置及所述加热装置连接。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：基于分布式固体氧化物燃料电池-燃气轮机耦合余热回收模块的微电站建立液态二氧化碳电池，利用余热回收模块的二氧化碳余热为低温液态二氧化碳电池模块提供充足的热量，实现模块之间的优势互补，从而增加了整体的运行效率。通过低温液态二氧化碳电池模块存储固体氧化物燃料电池-燃气轮机模块和余热回收模块的电能和热能，满足中小规模“削峰填谷”的用电场景需求，实现区域内的供电稳定。

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，下面描述中的附图仅仅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为本发明提供的应用于SOFC发电的低温液态二氧化碳电池系统的结构示意图。

符号说明：1、空气压缩机；2、天然气压缩机；3、第一泵体；4、第一预热器；5、第二预热器；6、第三预热器；7、重整器；8、电堆；9、燃烧室；10、燃气轮机；11、第一发电机；12、二氧化碳储罐；13、第二泵体；14、第一回热器；15、第二回热器；16、第二膨胀机；17、第三发电机；18、蒸发器；19、第一膨胀机；20、第二发电机；21、多相流换热器；22、第一液态二氧化碳储罐；23、膨胀阀；24、第一换热器；25第一压缩机；26、第二压缩机；27、第四换热器；28、低温涡轮；29、第四发电机；30、气液分离器；31、第二液态二氧化碳储罐；32、第三泵体；33、第二换热器；34、第三换热器；35、第二透平；36、第五发电机；37、第三透平；38、第六发电机；39、散热器；40、第一透平；41、第七发电机；42、低温储热罐；43、第一中冷器；44、第二中冷器；45、高温储热罐；46、第四预热器；47、第五预热器；48、甲醇热储罐；49、甲醇冷储罐。

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。

本发明的目的是解决现有技术中分布式微电站长期面临的电力时间上和地域上不匹配的问题，提供一种应用于SOFC发电的低温液态二氧化碳电池系统，利用低温液态二氧化碳电池来搭配分布式固体氧化物燃料电池微电站灵活向用户端输出电能。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

本发明提供的应用于SOFC发电的低温液态二氧化碳电池系统包括：固体氧化物燃料电池-燃气轮机模块、余热回收模块及低温液态二氧化碳电池模块。

固体氧化物燃料电池-燃气轮机模块用于基于空气、天然气和水，使固体氧化物燃料电池进行电化学反应，产生电能，并排出尾气。即固体氧化物燃料电池-燃气轮机模块利用甲烷、水和空气的化学能转化电能，并产生高温尾气。

余热回收模块与所述固体氧化物燃料电池-燃气轮机模块连接，余热回收模块用于通过两个循环回路吸收所述固体氧化物燃料电池-燃气轮机模块排出尾气中的余热，并回收电能。余热回收模块通过吸收高温尾气中的余热，来提高跨临界二氧化碳发电循环中的效率，进一步提高能量利用率。

低温液态二氧化碳电池模块与所述余热回收模块连接，低温液态二氧化碳电池模块用于存储所述余热回收模块的电能和热能，并为用电设备供电。

下面结合图1具体介绍三个模块的结构及连接关系。

(1)固体氧化物燃料电池-燃气轮机模块包括：空气压缩机1、天然气压缩机2、第一泵体3、预热装置、重整器7、电堆8、燃烧室9及燃气轮机10。

所述空气压缩机1通过所述预热装置与所述电堆8的阴极入口连接。所述天然气压缩机2及所述第一泵体3均通过所述预热装置与所述重整器7的入口连接。所述重整器7的出口与所述电堆8的阳极入口连接。所述电堆8的阳极出口及所述电堆8的阴极出口均与所述燃烧室9的入口连接。所述燃烧室9的出口与所述燃气轮机10的入口连接。所述燃气轮机10的出口与所述预热装置连接。燃气轮机10还与第一发电机11连接。所述预热装置还与所述余热回收模块连接。

所述预热装置包括第一预热器4、第二预热器5及第三预热器6。所述第一预热器4位于所述空气压缩机1与所述电堆8的阴极入口之间。所述第二预热器5位于所述天然气压缩机2与所述重整器7之间。所述第三预热器6位于所述第一泵体3与所述重整器7之间。所述第一预热器4、所述第二预热器5及所述第三预热器6均与所述余热回收模块连接。所述燃气轮机10的出口分别与所述第一预热器4、所述第二预热器5及所述第三预热器6的换热室连接。

所述空气压缩机1用于对空气加压，并将加压后的空气通入所述预热装置加热，为所述电堆8提供阴极气体。

所述天然气压缩机2用于对天然气进行加压，并将加压后的天然气通入所述预热装置加热。所述第一泵体3用于对水进行加压，并将加压后的水通入所述预热装置加热。所述重整器7用于对加热后的天然气及加热后的水进行重整反应，为所述电堆8提供阳极气体。

所述电堆8的内部在所述阴极气体及所述阳极气体的作用下发生电化学反应产生电能，并通过阳极出口及阴极出口排出气流。所述电堆8排出的气流经所述燃烧室9燃烧后进入所述燃气轮机10膨胀做功产生电能。高温高压尾气推动燃气轮机10的涡轮回收部分电能。所述燃气轮机10出口处的尾气通入所述预热装置。所述预热装置排出尾气。

具体地，空气通入空气压缩机1被加压然后通入第一预热器4一换热室被加热，然后通入电堆8的阴极为电化学反应提供阴极气体；天然气通入天然气压缩机2被加压然后通入第二预热器5一换热室被加热，水通入第一泵体3被加压然后通入第三换热器34的一换热室被加热，加热后的水与加热后的天然气进入重整室进行重整反应，重整室的出口连接至电堆8的阳极为电化学反应提供阳极气体。电堆8内部发生电化学反应产生电能，电堆8的阳极出口与阴极出口的气流进入燃烧室9，形成高温高压燃气，燃烧室9出口的高温高压燃气进入燃气轮机10膨胀做功进一步产生电能，燃气轮机10出口的高温低压尾气分三股分别进入第一预热器4、第二预热器5和第三预热器6的一换热室加热工质，使得化学反应顺利进行。工质中的化学能被顺利转化成电能。

(2)余热回收模块包括：蒸发器18、第一膨胀机19、第二膨胀机16、第一回热器14、第二回热器15、多相流换热器21、二氧化碳储罐12及第二泵体13。

所述二氧化碳储罐12的出口、所述第二泵体13、所述第一回热器14的一换热室、所述蒸发器18的一换热室、所述第一膨胀机19、所述第二回热器15的一换热室、所述多相流换热器21的一换热室及所述二氧化碳储罐12的入口依次连接，形成第一循环回路。

所述二氧化碳储罐12的出口、所述第二泵体13、所述第二回热器15的另一换热室、所述第二膨胀机16、所述第一回热器14的另一换热室、所述多相流换热器21的一换热室及所述二氧化碳储罐12的入口依次连接，形成第二循环回路。

第一膨胀机19还与第二发电机20连接，第二膨胀机16还与第三发电机17连接。

通过两个循环回路进一步吸收高温尾气余热，回收部分电能。

所述多相流换热器21还与所述低温液态二氧化碳电池模块连接。

所述二氧化碳储罐12流出的二氧化碳进入所述第二泵体13被加压后分成两股二氧化碳流体；其中，第一股二氧化碳流体进入所述第一回热器14的一换热室被加热后，进入所述蒸发器18的一换热室，从所述固体氧化物燃料电池-燃气轮机模块排出的尾气中吸收热量后，通入所述第一膨胀机19膨胀做功产生电能，之后通入所述第二回热器15的一换热室释放热量降温后，进入所述多相流换热器21的一换热室进行冷却降温后，进入所述二氧化碳储罐12。

第二股二氧化碳流体进入所述第二回热器15的另一换热室吸收热量升温后，通入所述第二膨胀机16膨胀做功产生电能，之后通入所述第一回热器14的另一换热室释放热量降温后，进入所述多相流换热器21的一换热室进行冷却降温后，进入所述二氧化碳储罐12。

其中，降温后的两股二氧化碳流体汇合后进入多相流换热器21的一换热室进一步被冷却水冷却降温。

(3)低温液态二氧化碳电池模块包括：第一液态二氧化碳储罐22、第二液态二氧化碳储罐31、膨胀阀23、第三泵体32、第一换热器24、第二换热器33、第三换热器34、低温涡轮28、气液分离器30、储能装置、释能装置、冷却装置、加热装置、散热器39、甲醇储冷装置及第一透平40。

所述第一液态二氧化碳储罐22的出口、所述膨胀阀23、所述第一换热器24的一换热室、所述余热回收模块中多相流换热器21的一换热室、所述储能装置、所述冷却装置、所述甲醇储冷装置、所述低温涡轮28及所述气液分离器30的入口依次连接。所述低温涡轮28还与第四发电机29连接。所述气液分离器30的气体出口与所述余热回收模块中多相流换热器21的一换热室连接，所述气液分离器30的液体出口与所述第二液态二氧化碳储罐31的入口连接。

所述第二液态二氧化碳储罐31的出口、所述第三泵体32、所述第二换热器33的一换热室、所述加热装置、所述释能装置、所述散热器39、所述第三换热器34的一换热室、所述第一透平40、所述第一换热器24的一换热室及所述第一液态二氧化碳储罐22的入口依次连接。第一透平40还与第七发电机41连接。

第二换热器33和第三换热器34并联连接，置于第三泵体32出口与加热装置之间。

所述储能装置还与所述固体氧化物燃料电池-燃气轮机模块连接，以储存所述固体氧化物燃料电池-燃气轮机模块产生的电能。

所述储能装置包括第一压缩机25和第二压缩机26。所述冷却装置包括第一中冷器43和第二中冷器44。所述第一压缩机25的入口与所述余热回收模块连接，所述第一压缩机25的出口与所述第一中冷器43的入口连接。所述第一中冷器43的出口与所述第二压缩机26的入口连接。所述第二压缩机26的出口与所述第二中冷器44的入口连接。所述第二中冷器44的出口与所述甲醇储冷装置连接。

所述加热装置包括第四预热器46和第五预热器47。所述释能装置包括第二透平35和第三透平37。所述第四预热器46的入口分别与所述第二换热器33的一换热室及所述第三换热器34的一换热室连接，所述第四预热器46的出口与所述第二透平35的入口连接。所述第二透平35的出口与所述第五预热器47的入口连接。所述第五预热器47的出口与所述第三透平37的入口连接。所述第三透平37的出口与所述散热器39连接。第二透平35还与第五发电机36连接，第三透平37还与第六发电机38连接。第二透平35和第三透平37还与用电设备连接，为用电设备提供电能。

释能装置用于与用户用电设备电连接，以对所述用户用电设备供电。

所述甲醇储冷装置包括：第四换热器27、甲醇热储罐48及甲醇冷储罐49。所述第四换热器27的入口分别与所述冷却装置及所述甲醇热储罐48的出口连接。所述第四换热器27的出口分别与所述低温涡轮28及所述甲醇冷储罐49的入口连接。所述甲醇冷储罐49的出口及所述甲醇热储罐48的入口均与所述第二换热器33连接。

即甲醇热储罐48的出口、第四换热器27的一换热室、甲醇冷储罐49的入口、第二换热器33的一换热室和甲醇热储罐48的入口依次连接。

所述低温液态二氧化碳电池模块还包括储热装置。所述储热装置分别与所述冷却装置及所述加热装置连接。储热装置包括高温储热罐45和低温储热罐42。高温储热罐45的入口分别与第一中冷器43和第二中冷器44连接，高温储热罐45的出口分别与第四预热器46和第五预热器47连接。低温储热罐42的入口分别与第四预热器46和第五预热器47连接，低温储热罐42的出口分别与第一中冷器43和第二中冷器44连接。

冷却装置位于储热装置与所述储能装置之间，降低第一压缩机25和第二压缩机26出口温度，以减少功率损耗。

加热装置位于储热装置与释能装置之间，用于提高第二透平35和第三透平37的入口温度，以提高输出功率。

所述第一液态二氧化碳储罐22出口流出的二氧化碳进入所述膨胀阀23降压升温后，进入所述第一换热器24的一换热室吸热达到饱和气态，流入所述余热回收模块中多相流换热器21的另一换热室吸收热量，之后进入所述储能装置的第一压缩机25加压消耗电能，再进入所述冷却装置的第一中冷器43冷却降温，再进入储能装置的第二压缩机26加压，然后再进入冷却装置的第二中冷器44冷却降温，之后进入所述甲醇储冷装置中第四换热器27的一换热室中吸收甲醇中的冷能降温，再进入所述低温涡轮28中膨胀降压产生气液混合的二氧化碳流入所述气液分离器30。气态二氧化碳从所述气液分离器30的气体出口进入所述余热回收模块中多相流换热器21的一换热室进行储能循环。液态二氧化碳从所述气液分离器30的液态出口进入所述第二液态二氧化碳储罐31进行储存。

所述第二液态二氧化碳储罐31出口流出的二氧化碳进入所述第三泵体32升压，分成两股二氧化碳。其中，第一股二氧化碳进入所述第二换热器33的一换热室升温，第二股二氧化碳进入所述第三换热器34升温，两股二氧化碳升温后汇合进入所述加热装置的第四预热器46升温，之后进入所述释能装置的第二透平35膨胀驱动发电机产生电能，再进入加热装置的第五预热器47加热升温，然后进入释能装置的第三透平37膨胀驱动发电机产生电能，再进入所述散热器39降温，然后流入所述第三换热器34的一换热室冷却后，经所述第一透平40进入所述第一换热器24的一换热室吸收内部相变材料携带的冷能变成液态二氧化碳，最后流入所述第一液态二氧化碳储罐22储存。

其中，二氧化碳在进入第一透平40之前通过膨胀装置进一步降压，为液化做准备。

低温液态二氧化碳电池模块通过多相流换热器21吸收余热回收模块中的热量，以加热二氧化碳，提高储能功率。储电过程中，富余电能推动压缩机以热能形式进行存储，放电过程中，高温高压二氧化碳推动涡轮产生电能。

本发明一方面，通过低温液态二氧化碳电池模块可以存储固体氧化物燃料电池-燃气轮机模块和余热回收模块的电能和热能，满足中小规模“削峰填谷”的用电场景需求，实现一片区域的供电稳定；另一方面低温液态二氧化碳电池模块内的液化循环使得最终二氧化碳工质以液态形式存储在储液罐内，缩小了储能系统的占地面积，实现了储能密度的大幅度提高，相较于压缩空气储能有较大的技术进步。

固体氧化物燃料电池-燃气轮机模块发电过程中，天然气、空气和水加压进入燃料电池电堆中进行电化学反应产生电能，并且尾气经过燃烧室9燃烧会带有极高的热能，经过燃气轮机10进一步产生电能。但是排出的高温尾气经过三个预热器之后仍然携带大量可用的热能。余热回收模块能够利用上这部分热能，使得进入双级膨胀机前高压二氧化碳吸热，然后膨胀带动发电机旋转输出电能。固体氧化物燃料电池-燃气轮机模块与余热回收模块一经启动便能恒定产生电能，一般需要搭配二次储能电池实现电能的存储与利用。这样才能灵活调节对外输出电能的功率，应对用户端的峰值与谷值的电能需求。但是大规模储能电站具有极大安全隐患，并且成本较高，寿命较短，不适合作为分布式电站的储能手段。机械储能则是更为安全可靠、成本低廉的选择。本发明基于分布式固体氧化物燃料电池-燃气轮机耦合余热回收模块的微电站建立液态二氧化碳电池，利用余热回收模块的二氧化碳余热为储能系统提供充足的热量，实现模块之间的优势互补，从而增加整体的运行效率。

以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种应用于SOFC发电的低温液态二氧化碳电池系统，其特征在于，所述应用于SOFC发电的低温液态二氧化碳电池系统包括：

固体氧化物燃料电池-燃气轮机模块，用于基于空气、天然气和水，使固体氧化物燃料电池进行电化学反应，产生电能，并排出尾气；

余热回收模块，与所述固体氧化物燃料电池-燃气轮机模块连接，用于通过两个循环回路吸收所述固体氧化物燃料电池-燃气轮机模块排出尾气中的余热，并回收电能；

低温液态二氧化碳电池模块，与所述余热回收模块连接，用于存储所述余热回收模块的电能和热能，并为用电设备供电。

2.根据权利要求1所述的应用于SOFC发电的低温液态二氧化碳电池系统，其特征在于，所述固体氧化物燃料电池-燃气轮机模块包括：空气压缩机、天然气压缩机、第一泵体、预热装置、重整器、电堆、燃烧室及燃气轮机；

所述空气压缩机通过所述预热装置与所述电堆的阴极入口连接；所述天然气压缩机及所述第一泵体均通过所述预热装置与所述重整器的入口连接；所述重整器的出口与所述电堆的阳极入口连接；所述电堆的阳极出口及所述电堆的阴极出口均与所述燃烧室的入口连接；所述燃烧室的出口与所述燃气轮机的入口连接；所述燃气轮机的出口与所述预热装置连接；所述预热装置还与所述余热回收模块连接；

所述空气压缩机用于对空气加压，并将加压后的空气通入所述预热装置加热，为所述电堆提供阴极气体；

所述天然气压缩机用于对天然气进行加压，并将加压后的天然气通入所述预热装置加热；所述第一泵体用于对水进行加压，并将加压后的水通入所述预热装置加热；所述重整器用于对加热后的天然气及加热后的水进行重整反应，为所述电堆提供阳极气体；

所述电堆的内部在所述阴极气体及所述阳极气体的作用下发生电化学反应产生电能，并通过阳极出口及阴极出口排出气流；所述电堆排出的气流经所述燃烧室燃烧后进入所述燃气轮机膨胀做功产生电能；所述燃气轮机出口处的尾气通入所述预热装置；所述预热装置排出尾气。

3.根据权利要求2所述的应用于SOFC发电的低温液态二氧化碳电池系统，其特征在于，所述预热装置包括：第一预热器、第二预热器及第三预热器；

所述第一预热器位于所述空气压缩机与所述电堆的阴极入口之间；所述第二预热器位于所述天然气压缩机与所述重整器之间；所述第三预热器位于所述第一泵体与所述重整器之间；所述第一预热器、所述第二预热器及所述第三预热器均与所述余热回收模块连接；

所述燃气轮机的出口分别与所述第一预热器、所述第二预热器及所述第三预热器的换热室连接。

4.根据权利要求1所述的应用于SOFC发电的低温液态二氧化碳电池系统，其特征在于，所述余热回收模块包括：蒸发器、第一膨胀机、第二膨胀机、第一回热器、第二回热器、多相流换热器、二氧化碳储罐及第二泵体；

所述二氧化碳储罐的出口、所述第二泵体、所述第一回热器的一换热室、所述蒸发器的一换热室、所述第一膨胀机、所述第二回热器的一换热室、所述多相流换热器的一换热室及所述二氧化碳储罐的入口依次连接，形成第一循环回路；

所述二氧化碳储罐的出口、所述第二泵体、所述第二回热器的另一换热室、所述第二膨胀机、所述第一回热器的另一换热室、所述多相流换热器的一换热室及所述二氧化碳储罐的入口依次连接，形成第二循环回路；

所述多相流换热器还与所述低温液态二氧化碳电池模块连接；

所述二氧化碳储罐流出的二氧化碳进入所述第二泵体被加压后分成两股二氧化碳流体；其中，第一股二氧化碳流体进入所述第一回热器的一换热室被加热后，进入所述蒸发器的一换热室，从所述固体氧化物燃料电池-燃气轮机模块排出的尾气中吸收热量后，通入所述第一膨胀机膨胀做功产生电能，之后通入所述第二回热器的一换热室释放热量降温后，进入所述多相流换热器的一换热室进行冷却降温后，进入所述二氧化碳储罐；

第二股二氧化碳流体进入所述第二回热器的另一换热室吸收热量升温后，通入所述第二膨胀机膨胀做功产生电能，之后通入所述第一回热器的另一换热室释放热量降温后，进入所述多相流换热器的一换热室进行冷却降温后，进入所述二氧化碳储罐。

5.根据权利要求1所述的应用于SOFC发电的低温液态二氧化碳电池系统，其特征在于，所述低温液态二氧化碳电池模块包括：第一液态二氧化碳储罐、第二液态二氧化碳储罐、膨胀阀、第三泵体、第一换热器、第二换热器、第三换热器、低温涡轮、气液分离器、储能装置、释能装置、冷却装置、加热装置、散热器、甲醇储冷装置及第一透平；

所述第一液态二氧化碳储罐的出口、所述膨胀阀、所述第一换热器的一换热室、所述余热回收模块、所述储能装置、所述冷却装置、所述甲醇储冷装置、所述低温涡轮及所述气液分离器的入口依次连接；所述气液分离器的气体出口与所述余热回收模块连接，所述气液分离器的液体出口与所述第二液态二氧化碳储罐的入口连接；

所述第二液态二氧化碳储罐的出口、所述第三泵体、所述第二换热器的一换热室、所述加热装置、所述释能装置、所述散热器、所述第三换热器的一换热室、所述第一透平、所述第一换热器的一换热室及所述第一液态二氧化碳储罐的入口依次连接；

所述第一液态二氧化碳储罐出口流出的二氧化碳进入所述膨胀阀降压升温后，进入所述第一换热器的一换热室吸热达到饱和气态，流入所述余热回收模块吸收热量，之后进入所述储能装置加压消耗电能，再进入所述冷却装置冷却降温，之后进入所述甲醇储冷装置中吸收甲醇中的冷能降温，再进入所述低温涡轮中膨胀降压产生气液混合的二氧化碳流入所述气液分离器；气态二氧化碳从所述气液分离器的气体出口进入所述余热回收模块进行储能循环；液态二氧化碳从所述气液分离器的液态出口进入所述第二液态二氧化碳储罐进行储存；

所述第二液态二氧化碳储罐出口流出的二氧化碳进入所述第三泵体升压，分成两股二氧化碳；其中，第一股二氧化碳进入所述第二换热器的一换热室升温，第二股二氧化碳进入所述第三换热器升温，两股二氧化碳升温后汇合进入所述加热装置升温，之后进入所述释能装置产生电能，再进入所述散热器降温，然后流入所述第三换热器的一换热室冷却后，经所述第一透平进入所述第一换热器的一换热室吸收内部相变材料携带的冷能变成液态二氧化碳，最后流入所述第一液态二氧化碳储罐储存。

6.根据权利要求5所述的应用于SOFC发电的低温液态二氧化碳电池系统，其特征在于，所述储能装置还与所述固体氧化物燃料电池-燃气轮机模块连接，以储存所述固体氧化物燃料电池-燃气轮机模块产生的电能。

7.根据权利要求5所述的应用于SOFC发电的低温液态二氧化碳电池系统，其特征在于，所述储能装置包括第一压缩机和第二压缩机；所述冷却装置包括第一中冷器和第二中冷器；

所述第一压缩机的入口与所述余热回收模块连接，所述第一压缩机的出口与所述第一中冷器的入口连接；所述第一中冷器的出口与所述第二压缩机的入口连接；所述第二压缩机的出口与所述第二中冷器的入口连接；所述第二中冷器的出口与所述甲醇储冷装置连接。

8.根据权利要求5所述的应用于SOFC发电的低温液态二氧化碳电池系统，其特征在于，所述加热装置包括第四预热器和第五预热器；所述释能装置包括第二透平和第三透平；

所述第四预热器的入口分别与所述第二换热器的一换热室及所述第三换热器的一换热室连接，所述第四预热器的出口与所述第二透平的入口连接；所述第二透平的出口与所述第五预热器的入口连接；所述第五预热器的出口与所述第三透平的入口连接；所述第三透平的出口与所述散热器连接。

9.根据权利要求5所述的应用于SOFC发电的低温液态二氧化碳电池系统，其特征在于，所述甲醇储冷装置包括：第四换热器、甲醇热储罐及甲醇冷储罐；

所述第四换热器的入口分别与所述冷却装置及所述甲醇热储罐的出口连接；所述第四换热器的出口分别与所述低温涡轮及所述甲醇冷储罐的入口连接；所述甲醇冷储罐的出口及所述甲醇热储罐的入口均与所述第二换热器连接。

10.根据权利要求5所述的应用于SOFC发电的低温液态二氧化碳电池系统，其特征在于，所述低温液态二氧化碳电池模块还包括储热装置；所述储热装置分别与所述冷却装置及所述加热装置连接。