CN208589494U - 基于太阳能甲醇重整制氢的固体氧化物燃料电池联合系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种基于太阳能甲醇重整制氢的固体氧化物燃料电池联合系统，甲醇重整制氢子系统至少包括第一换热器和甲醇重整反应器；固体氧化物燃料电池子系统至少包括多个固体氧化物燃料电池、燃料压缩机、第二换热器、后燃室和预重整器；湿空气透平循环子系统至少包括第一燃气透平以及能够将空气与水制成湿空气的湿空气产生装置；湿空气产生装置的湿空气出口经第二换热器与阴极入口连通，甲醇重整反应器的出口依次经第一换热器、燃料压缩机和预重整器与阳极入口连通，后燃室的出口与第一燃气透平的入口连通，第一燃气透平的出口与第二换热器的入口连通。该联合系统是一项能够输出更多电力的高效发电系统，并具有更好的节能性和经济性。

Description

基于太阳能甲醇重整制氢的固体氧化物燃料电池联合系统

技术领域

本实用新型涉及一种基于太阳能甲醇重整制氢的固体氧化物燃料电池联合系统，尤其涉及一种太阳能甲醇重整回收二氧化碳的SOFC-HAT高效燃料电池联合循环工艺系统。

背景技术

面对化石能源的不断枯竭和环境污染等问题，风能、生物质能和太阳能等可再生能源大有可为。我国太阳能资源丰富且开发潜力最大，是应对能源短缺和环境污染的有效途径，但由于存在能流密度低、分布不均和间歇性等缺点，制约了太阳能资源的应用。目前最现实且有效的方法，是对传统能源利用方式加以改进并与太阳能复合，以提高能量利用效率。

甲醇既可作为燃料气体直接供热力机械燃烧使用，亦可以吸收中低温太阳能制取氢气，能够解决太阳能可靠性差、不连续的问题。相比于煤或甲醇作为原料，甲醇重整制氢具有温度低、成本低、氢碳比高、便于储存运输等优点。来源丰富的液态甲醇可以直接用作阳极或重整制氢。甲醇重整燃料电池的实用是国内外较为新颖的技术。

固体氧化物燃料电池(Solid Oxide Fuel Cell，SOFC)是一种在中高温下直接将储存在燃料和氧化剂中的化学能高效、环境友好地转化成电能的全固态化学发电装置。固体氧化物燃料电池由阴极、阳极和电解质构成。工作状态下，氧化气在阴极发生还原反应放出电子，燃料气在阳极发生氧化反应得到电子。固体氧化物燃料电池的能量转换效率高，并具有环境友好、连续工作时间长、安全性高等优点，既可以作为小型家用和大型集中供电的固定电站，也可以用作移动电源。

SOFC最理想的燃料气是氢气，其燃烧产物只有H₂O，且具有化学能高、反应速率快、无不良反应、对电极材料要求低等优点。工业上氢气主要通过化石燃料的重整反应以及电解水而制备。电解水制氢虽然更加环保，但需要更高的能量消耗，其制氢成本比化石燃料重整制氢高3～6倍，因此难以推广。寻找来源丰富而且反应活性高的燃料是目前研究的重点之一。液态的甲醇容易运输和处理，而且原料价格低，来源丰富，可以用来重整制氢。

湿空气透平循环(humid air turbine cycle，HAT cycle)是以湿空气和燃气为工质的燃气-蒸汽联合循环，最早由日本的Mori教授于1983年提出，随后Nakamura和美国人RAO.A.D分别在1985和1989年申请了相关专利。在 1990年由EPRI、Flour Daniel、Texco和UT’s TPM等公司共同组织了湿空气透平研究计划，其研究对象主要是天然气或者煤气化集成的HAT循环。1998 年10月，瑞典LUND理工学院与瑞典皇家理工学院联合搭建了世界上首台以600kW微型燃气透平为基础的HAT循环实验台。意大利的Andrea Lazzaretto等学者在前人的HAT循环超流程结构基础上做了深入研究，采用了Aspen Plus仿真工具，得到了换热器的最优布局。在我国，HAT循环的研究始于1992年，中科院物理所首先对HAT循环的性能进行了分析研究，认为HAT循环能形成高效、高比功的新型热力循环，对其做出了高度评价。2014年，卫琛瑜基于HAT循环分轴燃气轮机试车试验对其总体性能进行了理论性研究，指出湿化器出口湿空气含湿量的变化对HAT循环燃气透平的比功有很大影响。朱华在HAT循环的基础上提出了热、电、冷联产的循环系统，详细分析了新型系统主要可控参数对系统性能的影响以及系统的经济可行性。

各国学者针对HAT循环的研究主要考虑解决压气机与透平流量不匹配、循环关键部件湿化器的研究和大湿度燃烧室的重新设计问题。与其他热力循环相比，虽然HAT循环的商业化发展及投资风险还有待评估，但是与HAT 循环相关的热经济性评价、HAT循环的优化以及小型HAT循环等相关的研究仍是目前动力循环领域的研究热点。

鉴于此，如何提供一种联合系统，有效合理的利用太阳能资源和甲醇原料，并提高能量利用效率以及发电效率，是目前要解决的主要问题。

实用新型内容

针对现有技术中的上述缺陷，本实用新型提供一种基于太阳能甲醇重整制氢的固体氧化物燃料电池联合系统，采用甲醇重整制氢为固体氧化物燃料电池的燃料，并结合湿空气透平循环，有效合理利用太阳能资源和甲醇原料，并具有能量利用率高和发电效率高的特点。

为实现上述目的，本实用新型提供的基于太阳能甲醇重整制氢的固体氧化物燃料电池联合系统，包括甲醇重整制氢子系统、固体氧化物燃料电池子系统和湿空气透平循环子系统：甲醇重整制氢子系统至少包括第一换热器和甲醇重整反应器；固体氧化物燃料电池子系统至少包括电池堆、燃料压缩机、第二换热器、后燃室和预重整器；电池堆包括多个固体氧化物燃料电池，固体氧化物燃料电池具有阴极入口、阴极出口、阳极入口和阳极出口；湿空气透平循环子系统至少包括第一燃气透平以及能够将空气与水制成湿空气的湿空气产生装置；其中，甲醇重整反应器的出口依次经第一换热器、燃料压缩机和预重整器与阳极入口连通；湿空气产生装置的湿空气出口经第二换热器与阴极入口连通；阳极出口和阴极出口均与后燃室的入口连通；后燃室的出口与第一燃气透平的入口连通；第一燃气透平的出口与第二换热器的入口连通。

进一步的，阳极出口还与预重整器的入口连通。

进一步的，固体氧化物燃料电池子系统还包括分离器和第一混合器，分离器具有入口和两个出口，分离器的入口与阳极出口连通，其中一个出口与后燃室的入口连通，另一个出口与混合器的入口连通；述第一混合器的入口还与燃料压缩机的出口连通，出口与预重整器的入口连通。

进一步的，湿空气产生装置包括低压压气机、高压压气机、间冷器、后冷器、湿化器、第二混合器、第三混合器和第三换热器，其中：湿化器具有高温热水入口、低温空气入口、低温水出口和上述湿空气出口；第二混合器具有供补充水进入的入口以及出口，第二混合器的出口分别通过间冷器和后冷器与第三混合器的入口连通；第三混合器的出口与湿化器的高温热水入口连通；低压压气机的出口经间冷器与高压压气机的入口连通；高压压气机的出口经后冷器与湿化器的低温空气入口连通；湿化器的低温水出口经第三换热器与第三混合器的入口连通，湿化器的低温水出口与第二混合器的入口连通；第一燃气透平的出口经第二换热器与第三换热器的入口连通。

进一步的，上述基于太阳能甲醇重整制氢的固体氧化物燃料电池联合系统还包括第一发电装置和第二发电装置，第一发电装置与固体氧化物燃料电池连接，第二发电装置与第一燃气透平连接。

进一步的，上述基于太阳能甲醇重整制氢的固体氧化物燃料电池联合系统还包括二氧化碳吸收子系统，二氧化碳吸收子系统至少包括第一气固分离器，预重整器为内置有二氧化碳吸收剂的预重整器；第一气固分离器的入口与预重整器的出口连通，第一气固分离器的气体出口与阳极入口连通。

进一步的，二氧化碳吸收子系统还包括煅烧室和第二气固分离器，其中，煅烧室的入口与第一气固分离器的固体出口连通，煅烧室的出口与第二气固分离器的入口连通；第二气固分离器的固体出口与预重整器的入口连通。

进一步的，上述基于太阳能甲醇重整制氢的固体氧化物燃料电池联合系统还包括二氧化碳燃气透平发电子系统，二氧化碳燃气透平发电子系统至少包括与第二气固分离器连通的第二燃气透平。

进一步的，还包括与第二燃气透平连通的二氧化碳捕集装置。

进一步的，还包括与第二燃气透平连接的第三发电装置。

本实用新型提供的基于太阳能甲醇重整制氢的固体氧化物燃料电池联合系统，是以氢能的制备存储与利用以及固体氧化物燃料电池为核心的、结合湿空气透平循环发电技术的新型高效热力循环系统。该联合系统具有以下优点、特点或积极效果：

①该联合系统实现了甲醇原料的合理、高效、清洁利用，通过吸收中低温太阳能实现热分解，与阳极未反应完全的气体进行水气重整，得到75％的氢收率，不仅有效地利用了中低温太阳能，而且作为重要化工原料的甲醇也可以根据不同情况调节生产达到利益最大化，从而对以SOFC和燃气轮机为核心的联合系统进行燃料供应。

②该联合系统基于甲醇重整制氢收率高的特点和固体氧化物燃料电池的用氢特性，结合湿空气透平循环发电效率高的特点，使该联合系统具有更好的节能性和经济性等特性，也是一项能够输出更多电力的高效发电系统。

③该联合系统的循环方式能够有效结合湿空气透平循环系统，提高发电效率，并具有灵活控制，结构紧凑及可以耦合不同工业生产供能耗能的要求特点，能够满足如煤基甲醇多联产、化工产品制备等工艺复杂、种类繁多的能源工业的多想要求与发展需要。

④该联合系统的循环方式能够有效结合CO₂吸收子系统，根本上解决了由于含碳燃料热解堆积形成的燃料电池阳极积碳问题，提高了燃料能量密度，并且能够有效延长电极材料的使用寿命。

⑤该联合系统的循环方式能够有效CO₂燃气透平发电子系统，实现分布式供能的用户需求。

附图说明

图1为本实用新型实施例提供的基于太阳能甲醇重整制氢的固体氧化物燃料电池联合系统的结构示意图；

图2为本实用新型对比例提供的联合系统的结构示意图。

附图标记说明：

110-第一换热器； 120-甲醇重整反应器；

210-燃料压缩机； 220-第二换热器；

230-后燃室； 240-固体氧化物燃料电池；

241-阳极； 242-阴极；

243-电解质； 250-预重整器；

260-分离器； 270-第一混合器；

280-第一发电装置； 310-第一燃气透平；

321-低压压气机； 322-高压压气机；

331-间冷器； 332-后冷器；

340-湿化器； 351-第二混合器；

352-第三混合器； 360-第三换热器；

370-第二发电装置； 380-水泵；

410-第一气固分离器； 420-煅烧室；

430-第二气固分离器； 510-第二燃气透平；

520-第三发电装置。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。

基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。在不冲突的情况下，下述的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

实施例一

图1是本实施例所提供的基于太阳能甲醇重整制氢的固体氧化物燃料电池联合系统的结构示意图。如图1所示，本实施例提供一种基于太阳能甲醇重整制氢的固体氧化物燃料电池联合系统，包括甲醇重整制氢子系统、固体氧化物燃料电池子系统和湿空气透平循环子系统：

甲醇重整制氢子系统至少包括第一换热器110和甲醇重整反应器120；

固体氧化物燃料电池子系统至少包括电池堆(未图示)、燃料压缩机210、第二换热器220、后燃室230和预重整器250；电池堆包括多个固体氧化物燃料电池240，固体氧化物燃料电池240具有阴极入口、阴极出口、阳极入口和阳极出口；

湿空气透平循环子系统至少包括第一燃气透平310以及能够将空气与水制成湿空气的湿空气产生装置(未图示)；

其中，甲醇重整反应器120的出口依次经第一换热器110、燃料压缩机210和预重整器240与阳极入口连通；湿空气产生装置的湿空气出口经第二换热器220与阴极入口连通；阳极出口和阴极出口均与后燃室230的入口连通；后燃室230的出口与第一燃气透平310的入口连通；第一燃气透平310的出口与第二换热器220的入口连通。

具体的，上述甲醇重整制氢子系统、固体氧化物燃料电池子系统和湿空气透平循环子系统中所用的装置和设备，均可以为本领域常规的装置和设备。

其中，在甲醇重整制氢子系统中，甲醇原料首先进入第一换热器110 中吸收热量，吸热后的甲醇随后进入甲醇重整反应器120，吸收中低温太阳能，并可通过甲醇蒸汽重整制氢，得到含有二氧化碳、一氧化碳、氢气以及水等的合成气。该合成气首先进入第一换热器110中，与甲醇原料发生热交换，放热后的合成气依次进入燃料压缩机210中压缩以及进入预重整器250中预重整后供给固体氧化物燃料电池240。

在上述过程中，甲醇原料具体可以是工业甲醇，其可以来自煤基等化石燃料制取的甲醇，也可使用天然气、雾化燃油等多种类型的适应燃料，因此具有原料清洁、来源广泛和成本低廉的优势；并且由于甲醇吸收中低温太阳能制取氢气，因此整个联合系统的运转也几乎不会受到太阳能可靠性差和不连续等问题的影响。

并且，作为化工原料的甲醇也可以有效调节各种产品的生产，与太阳能甲醇重整相结合的联合系统，实现了太阳能资源利用和煤炭清洁高效利用及其废热回收的多重好处。

同时，甲醇原料在供给甲醇重整反应器120之前首先进行预热，进一步保证了甲醇重整制氢效率；而合成气在供给燃料压缩机210之前首先进行放热降温，则进一步节约了燃料压缩机210的压缩功耗，提高了固体氧化物燃料电池240的发电效率。

在固体氧化物燃料电池子系统中，电池堆，通常也被称为固体氧化物燃料电池堆，是由多个固体氧化物燃料电池240(简称单电池)通过连接体(未图示)以各种方式(串联、并联、混联)组装而成。如图1所示，每个固体氧化物燃料电池240均包括阳极241、阴极242和电解质243，其中阳极241和阴极242位于电解质243的相对表面上，且固体氧化物燃料电池240具有供燃料气(比如氢气、一氧化碳、天然气等碳氢化合物) 通入的阳极入口、供氧化气(比如氧气、空气)通入的阴极入口、供阴极尾气排出的阴极出口、供阳极尾气排出的阳极出口。

本实施例中，甲醇重整制氢子系统产生的合成气作为燃料气，首先在燃料压缩机210中压缩，得到的加压燃料气随后在预重整器250中进行预重整，得到的预重整气供给固体氧化物燃料电池240的阳极241。同时，来自于湿空气透平循环子系统的湿空气在第二换热器220吸热后作为氧化气供给固体氧化物燃料电池240的阴极242，二者在固体氧化物燃料电池 240中发生电化学反应而产生电流。

固体氧化物燃料电池240的阳极尾气主要是未完全反应的燃料气(预重整气)，其与阴极出口排出的阴极尾气进入到后燃室230中混合燃烧，得到的高温燃气进入第一燃气透平310中，输出机械能并得到透平排气，透平排气则进入第二换热器220中，用于预热湿空气以作为氧化气。

本实施例所提供的基于太阳能甲醇重整制氢的固体氧化物燃料电池联合系统，通过将甲醇重整制氢子系统、固体氧化物燃料电池子系统和湿空气透平循环子系统进行耦合，具有如下优势：

①通过采用太阳能甲醇重整产物作为固体氧化物燃料电池240耗用燃料气以及后燃室230补燃燃料，不仅实现了甲醇的合理、高效、清洁利用，而且将低品位的热能转化为了高品位的化学能，从而实现了中低温太阳能的有效和高质化利用。

②实现了甲醇重整制氢温度低、成本低、氢碳比高、便于储存运输的特点与SOFC用氢特性的有效结合，使得在甲醇合理、高附加值利用的条件下，进一步满足SOFC的氢能有效利用以及第一燃气透平310的顶层循环。

③通过有效结合湿空气透平循环子系统，提高了整个联合系统的总发电效率，尤其是第一燃气透平310的发电量有了显著提升。

④该联合系统还具有灵活控制，结构紧凑及可以耦合不同工业生产供能耗能的要求特点，能够满足诸如煤基甲醇多联产、化工产品制备等工艺复杂、种类繁多的能源工业的多项要求与发展需要。

具体的，在上述甲醇重整制氢子系统中，第一换热器110具体可以是本领域常规的热交换设备，亦可称为热交换器

本实施例中，甲醇通过管线进入联合系统中，通过甲醇蒸汽重整得到的合成气供给固体氧化物燃料电池240重整制氢发电，以及对后燃室230以进行补燃发电。可以理解，第一燃气透平310(或称为燃气轮机)与固体氧化物燃料电池240的补燃方式可以采用但不局限于顶层循环、后燃、补燃式，也可采用基于底层循环模式的循环方式。燃气轮机的补燃燃料可以使用但不局限于甲醇重整氢气，也可使用天然气、雾化燃油等多种类型的适应燃料。

进一步参考图1，上述固体氧化物燃料电池240的阳极出口还可以与预重整器410的入口连通。

通过将部分阳极尾气与加压燃料气混合，不仅可以提高预重整温度，而且可以提供更多参与预重整反应的水蒸气，从而能够得到更多的氢气，提高固体氧化物燃料电池240的发电效率。

相应的，请参考图1，该固体氧化物燃料电池子系统还包括分离器260 和第一混合器270，分离器260具有入口和两个出口，分离器260的入口与固体氧化物燃料电池240的阳极出口连通，其中一个出口与后燃室230的入口连通，另一个出口与第一混合器270的入口连通；第一混合器270的入口还与燃料压缩机210的出口连通，出口与预重整器250的入口连通。

通过设置分离器260，实现了阳极尾气的可控分离，因此可根据实际情况调整去向预重整器250以及后燃室230中阳极尾气的比例；通过设置第一混合器270，使部分阳极尾气与部分加压燃料气能够首先在第一混合器270 中充分混合，从而有利于后续预重整反应的进行。

本实施例中，湿空气产生装置是由多个设备按一定的工艺流程，用工艺管线连接起来，以达到一定生产目的的综合。本实施例对于湿空气透平循环子系统中湿空气产生装置的具体形式不做特别限定，只要能够完成将水和空气制成湿空气并配合第一燃气透平310完成能量转化即可。

进一步参考图1，本实施例对于现有HAT循环系统进行了改进，其中湿空气产生装置具体可以包括低压压气机321、高压压气机322、间冷器331(又被称为中冷器)、后冷器332、湿化器340、第二混合器351、第三混合器352 和第三换热器360，其中：

湿化器340具体可以采用现有HAT循环系统中常用的湿化器，其具有高温热水入口、低温空气入口、低温水出口和上述湿空气出口；

第二混合器351具有供补充水进入的入口以及出口，第二混合器351的出口分别通过间冷器331和后冷器332与第三混合器352的入口连通；

第三混合器352的出口与湿化器340的高温热水入口连通；

低压压气机321的出口经间冷器331与高压压气机322的入口连通；高压压气机322的出口经后冷器332与湿化器340的低温空气入口连通；

湿化器340的低温水出口经第三换热器360与第三混合器352的入口连通，湿化器340的低温水出口还与第二混合器351的入口连通；

第一燃气透平310的出口经第二换热器220与第三换热器360的入口连通。

具体的，空气经低压压气机321压缩后升温升压，然后进入间冷器331 进行冷却降温，其次进入高压压气机322中继续升温升压后，再进入后冷器 332中冷却降温，得到低温空气。

补充水首先进入第二混合器351中，比如通过水泵380加压后供给第二混合器351，然后一部分水进入间冷器331中吸收压缩空气中的热量后进入第三混合器352，另一部分水进入后冷器332中吸收压缩空气中的热量后也进入第三混合器352，混合得到高温热水。

低温空气从湿化器340下部的低温空气入口进入，高温热水从湿化器340 上部的高温热水入口进入，二者在湿化器340内部充分逆流接触，进行热量和质量的交换，低温空气被加热加湿，得到的湿空气从湿化器340顶部的湿空气出口排出，得到的低温水则从湿化器340底部的低温水出口排出。

从湿化器340底部排出的一部分低温水返回到第二混合器351中，与补充水混合并循环利用；另一部分低温水则进入第三换热器360中，与来自于第二换热器220的透平排气发生换热，吸收热量后返回到第三混合器352中循环利用。

从湿化器340顶部排出的湿空气则首先进入第二换热器220，与来自于第一燃气透平310的透平排气发生换热，然后供给固体氧化物燃料电池240 的阴极242。

上述湿空气透平循环子系统较目前常规HAT循环系统更为简单，从而使整个联合系统的结构更为简单，降低了设备安装和投入成本。并且，该湿空气透平循环子系统能够与甲醇重整制氢子系统以及固体氧化物燃料电池子系统实现更好的耦合，不仅有利于实际生产过程中整个联合系统设备的组装和配合，而且该设备布局方式还实现了所有装置及设备的充分、有效利用，因而能够维持整体的能量利用效率。

进一步参考图1，上述固体氧化物燃料电池子系统还可以包括第一发电装置280，第一发电装置280与固体氧化物燃料电池240连接。第一发电装置280比如可以是直流交流转换器(DC-AC转换器)，以将固体氧化物燃料电池240(或电池堆)所产生的直流电转换为交流电。

进一步参考图1，该湿空气透平循环子系统还可以包括第二发电装置370，该第二发电装置370与第一燃气透平310连接。该第二发电装置370具体可以是发电机组，以向外输出电能。

具体的，通常将第一燃气透平310与高压压气机322同轴布置，以使第一燃气透平310所输出的部分机械能用于带动高压压气机322运转，而其余的机械能则用于转化为电能输出。

进一步参考图1，本实施例所提供的联合系统，还可以包括二氧化碳吸收子系统，二氧化碳吸收子系统至少包括第一气固分离器410；预重整器250 为内置有二氧化碳吸收剂的预重整器250；第一气固分离器410的入口与预重整器250的出口连通，第一气固分离器410的气体出口与阳极入口连通。

如上所述，预重整反应，是合成气或合成气与阳极尾气的混合气体中的一氧化碳与水反应生成二氧化碳和氢气的过程。本实施例中，由于预重整器 250中内置有二氧化碳吸收剂，因此能够吸收所生成的二氧化碳，而氢气和水蒸气则供给固体氧化物燃料电池240的阳极241。

脱除了二氧化碳的燃料气从根本上解决了由于含碳燃料热解堆积形成的固体氧化物燃料电池240阳极积碳问题，提高了燃料能量密度，并且能够有效延长电极材料的使用寿命。

具体的，上述二氧化碳吸收剂可以是能够与二氧化碳反应的化合物，比如CaO，其与二氧化碳反应生成碳酸钙，实现二氧化碳的“吸收”。

进一步参考图1，上述二氧化碳吸收子系统还可以包括煅烧室420和第二气固分离器430，其中煅烧室420的入口与第一气固分离器410的固体出口连通，煅烧室420的出口与第二气固分离器430的入口连通；第二气固分离器430的固体出口与预重整器410的入口连通。

这样，在预重整器410中所生成的碳酸钙送入煅烧室420中煅烧，分解得到的氧化钙和二氧化碳在第二气固分离器430中分离，其中氧化钙则可以返回到预重整器410中作为二氧化碳吸收剂循环使用，从第二气固分离器430 气体出口排出的二氧化碳气体则可以作为纯碱、尿素和汽水等的工业原料。

具体的，上述第一气固分离器410和第二气固分离器430均可以是常规的旋风分离器，或者也可以是能够实现气体和固体分离的其它分离设备，不做特别限定。

进一步参考图1，上述联合系统还可以包括二氧化碳燃气透平发电子系统，该二氧化碳燃气透平发电子系统至少包括与第二气固分离器430连通的第二燃气透平510。

具体的，第二燃气透平510的入口与第二气固分离器430的气体出口连通，使从第二气固分离器430中排出的二氧化碳进入第二燃气透平510中产生机械能；而得到的透平排气则为较为纯净的二氧化碳，可以作为纯碱、尿素和汽水等的工业原料。

相应的，可以在第二燃气透平510上连接二氧化碳捕集装置(未图示)，从而实现二氧化碳捕集，将二氧化碳作为资源利用的同时还减少了温室气体排放。

具体的，上述二氧化碳燃气透平发电子系统还可以包括第三发电装置520，其与第二燃气透平510连接，具体可以是发电机组，以向外输出电能。

实施例二

采用实施例一中的联合系统进行能源利用，该联合系统的结构示意图如图1所示，该联合系统在特定工况下的主要模拟条件如表1所示，相应的能量平衡表如表2所示。

表1联合系统的主要工艺条件

表2系统能量平衡表

表2中，SOFC发电量指的是固体氧化物燃料电池的发电量；GT净发电量是第一燃气透平和第二燃气透平的净发电量之和；相应的，SOFC发电量发电效率是固体氧化物燃料电池的发电效率；GT发电效率指的是第一燃气透平和第二燃气透平的总体发电效率。

对比例

本对比例提供一种联合系统(MR-SOFC-GT系统)，其具体的结构可参考图2。如图2所示，MR-SOFC-GT系统的结构与实施例一基本相似，区别在于：

该MR-SOFC-GT系统不包括湿空气产生装置，空气经高压压气机322压缩后进入第二换热器220，吸热后供给固体氧化物燃料电池240；后燃室230 排出的气体进入第一燃气透平310中做功并通过第二发电装置370转化为电能，第一燃气透平310的透平尾气进入第二换热器220中，与压缩空气发生换热后排空。

在与实施例二完全一致的工况条件(参考表1)下，相应的能量平衡表如表2所示。

根据表2的对比结果可知，在常规工艺条件下，采用本实用新型所提供的联合系统，燃气透平的发电量和发电效率均具有非常突出的优势，从而使整个联合系统的总发电量和发电效率有了显著提高；同时，排烟热量明显下降，说明该联合系统实现了能量的充分、有效利用。因此，本实用新型所提供的联合系统，是一项能够实现能量充分利用并输出更多电力的高效发电系统。

需要说明的是，在本实用新型的描述中，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于方便描述不同的部件、装置或设备，而不能理解为指示或暗示顺序关系、相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种基于太阳能甲醇重整制氢的固体氧化物燃料电池联合系统，其特征在于，包括甲醇重整制氢子系统、固体氧化物燃料电池子系统和湿空气透平循环子系统：

所述甲醇重整制氢子系统至少包括第一换热器和甲醇重整反应器；

所述固体氧化物燃料电池子系统至少包括电池堆、燃料压缩机、第二换热器、后燃室和预重整器；所述电池堆包括多个固体氧化物燃料电池，所述固体氧化物燃料电池具有阴极入口、阴极出口、阳极入口和阳极出口；

所述湿空气透平循环子系统至少包括第一燃气透平以及能够将空气与水制成湿空气的湿空气产生装置；

其中，所述甲醇重整反应器的出口依次经第一换热器、燃料压缩机和预重整器与所述阳极入口连通；所述湿空气产生装置的湿空气出口经第二换热器与所述阴极入口连通；所述阳极出口和阴极出口均与后燃室的入口连通；所述后燃室的出口与所述第一燃气透平的入口连通；所述第一燃气透平的出口与第二换热器的入口连通。

2.根据权利要求1所述的联合系统，其特征在于，所述阳极出口还与所述预重整器的入口连通。

3.根据权利要求2所述的联合系统，其特征在于，所述固体氧化物燃料电池子系统还包括分离器和第一混合器，

所述分离器具有入口和两个出口，所述分离器的入口与所述阳极出口连通，其中一个出口与后燃室的入口连通，另一个出口与混合器的入口连通；

所述第一混合器的入口还与燃料压缩机的出口连通，出口与预重整器的入口连通。

4.根据权利要求1所述的联合系统，其特征在于，所述湿空气产生装置包括低压压气机、高压压气机、间冷器、后冷器、湿化器、第二混合器、第三混合器和第三换热器，其中：

所述湿化器具有高温热水入口、低温空气入口、低温水出口和所述湿空气出口；

所述第二混合器具有供补充水进入的入口以及出口，所述第二混合器的出口分别通过间冷器和后冷器与第三混合器的入口连通；

所述第三混合器的出口与所述湿化器的高温热水入口连通；

所述低压压气机的出口经间冷器与高压压气机的入口连通；所述高压压气机的出口经后冷器与湿化器的低温空气入口连通；

所述湿化器的低温水出口经第三换热器与第三混合器的入口连通，所述湿化器的低温水出口与第二混合器的入口连通；

所述第一燃气透平的出口经第二换热器与第三换热器的入口连通。

5.根据权利要求1所述的联合系统，其特征在于，还包括第一发电装置和第二发电装置，所述第一发电装置与固体氧化物燃料电池连接，第二发电装置与第一燃气透平连接。

6.根据权利要求1-5任一项所述的联合系统，其特征在于，还包括二氧化碳吸收子系统，所述二氧化碳吸收子系统至少包括第一气固分离器，

所述预重整器为内置有二氧化碳吸收剂的预重整器；

所述第一气固分离器的入口与所述预重整器的出口连通，所述第一气固分离器的气体出口与所述阳极入口连通。

7.根据权利要求6所述的联合系统，其特征在于，所述二氧化碳吸收子系统还包括煅烧室和第二气固分离器，其中，

所述煅烧室的入口与第一气固分离器的固体出口连通，所述煅烧室的出口与第二气固分离器的入口连通；

所述第二气固分离器的固体出口与预重整器的入口连通。

8.根据权利要求7所述的联合系统，其特征在于，还包括二氧化碳燃气透平发电子系统，所述二氧化碳燃气透平发电子系统至少包括与第二气固分离器连通的第二燃气透平。

9.根据权利要求8所述的联合系统，其特征在于，还包括与所述第二燃气透平连通的二氧化碳捕集装置。

10.根据权利要求8所述的联合系统，其特征在于，还包括与所述第二燃气透平连接的第三发电装置。