固体氧化物燃料电池系统、功冷联供系统及其方法技术方案

本发明专利技术属于能动循环领域，提供了一种固体氧化物燃料电池系统、功冷联供系统及其方法。其中，固体氧化物燃料电池系统包括固体氧化物燃料电池、燃烧室、燃气轮机、第一混合器、第二混合器和预重整器；固体氧化物燃料电池的阴极和阳极均与燃烧室相连，燃烧室输出的热能为燃气轮机提供能量，燃气轮机排出的气体作为热源用于预热空气、甲烷和水；第一混合器用于混合从固体氧化物燃料电池的阴极输出端抽取的气体及预热后的空气，之后再输送至固体氧化物燃料电池的阴极输入端；第二混合器用于从固体氧化物燃料电池的阳极输出端抽取的气体以及预热后的甲烷和水，之后再经预重整器输送至固体氧化物燃料电池的阳极输入端。

【技术实现步骤摘要】
固体氧化物燃料电池系统、功冷联供系统及其方法
本专利技术属于能动循环领域，尤其涉及一种固体氧化物燃料电池系统、功冷联供系统及其方法。
技术介绍
本部分的陈述仅仅是提供了与本专利技术相关的
技术介绍
信息，不必然构成在先技术。固体氧化物燃料电池(SolidOxideFuelCell，简称SOFC)属于第三代燃料电池，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。被普遍认为是在未来会与质子交换膜燃料电池(PEMFC)一样得到广泛普及应用的一种燃料电池。一般的SOFC发电系统包括燃料处理单元、燃料电池发电单元以及能量回收单元。通常空气经过压缩器压缩，克服系统阻力后进入预热器预热，然后通入电池的阴极。天然气经过压缩机压缩后，克服系统阻力进入混合器，与蒸汽发生器中产生的过热蒸汽混合，蒸汽和燃料的比例为，混合后的燃料气体进入加热器提升温度后通入燃料电池阳极。阴阳极气体在电池内发生电化学反应，电池发出电能的同时，电化学反应产生的热量将未反应完全的阴阳极气体加热。阳极未反应完全的气体和阴极剩余氧化剂通入燃烧器进行燃烧，燃烧产生的高温气体除了用来预热燃料和空气之外，也提供蒸汽发生器所需的热量。经过蒸汽发生器后的燃烧产物，其热能仍有利用价值，可以通过余热回收装置提供热水或用来供暖而进一步加以利用。专利技术人发现，采用内部重整的SOFC(固体氧化物燃料电池)电堆会造成电堆内部温度分布很不均匀，温度梯度很大，会使电堆材料应力不均而破裂；未采用抽气回流方式的SOFC燃料利用率低，使得空气与燃料等质量流量会较大，造成压缩机耗功较大，同时会增大预热器的火用损；这就会造成用于底循环的排气温度降低，底循环可利用的比火用降低。专利技术人还发现，传统的氨水动力循环或氨水制冷循环只能获取单一需求，且即使同时采用两种循环作为低温余热利用也会造成设备增多而造成投资成本升高；不采用回收超临界CO2的冷凝器排热，要获取较大热效率时，会使冷凝器排除大量热而造成大量火用损，经济性不高。
技术实现思路
为了解决上述问题，本专利技术的第一个方面提供一种固体氧化物燃料电池系统，其采用抽气回流方式，能够提高固体氧化物燃料电池燃料和氧利用率高，降低空气与燃料质量流量，减少压缩机耗功。为了实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：一种固体氧化物燃料电池系统，包括固体氧化物燃料电池、燃烧室、燃气轮机、第一混合器、第二混合器和预重整器；固体氧化物燃料电池的阴极和阳极均与燃烧室相连，燃烧室输出的热能为燃气轮机提供能量，燃气轮机排出的气体作为热源用于预热空气、甲烷和水；第一混合器用于混合从固体氧化物燃料电池的阴极输出端抽取的气体及预热后的空气，之后再输送至固体氧化物燃料电池的阴极输入端；第二混合器用于从固体氧化物燃料电池的阳极输出端抽取的气体以及预热后的甲烷和水，之后再经预重整器输送至固体氧化物燃料电池的阳极输入端。作为一种实施方式，所述第二混合器与预重整器之间还串联有回热器，固体氧化物燃料电池的阳极输出端抽取的气体还经回热器传送至第二混合器。本实施例利用回热器能够提高从固体氧化物燃料电池的阳极输出端抽取的气体的温度，从而提高第二混合器内混合气体的温度，最终经固体氧化物燃料电池的阳极输入端进入燃烧室，提高燃料利用率。作为一种实施方式，所述回热器还与分流器相连，所述分流器用于将固体氧化物燃料电池的阳极输出端抽取的气体经回热器换热后分成两部分，一部分传送至第二混合器，另一部分传送至燃烧室内。该技术方案产生的效果为：分流器的加入也能很好地根据SOFC工作温度变化对燃料和水质量产生影响时，依然可以调节分流器分流比使得在进入换热器和重整器之前的气体有个很好的温度匹配，不至于发生没加分流比时温度线性增加过多或过少地情况发生。作为一种实施方式，所述燃气轮机出口还依次与第一预热器、第二预热器和第三预热器串联连接，使得燃气轮机出口排出的气体作为相应预热器的热源，用于分别预热加压后的空气、加压后的甲烷和水。该技术方案产生的效果为：预热也可以降低进入燃料和水的混合气入口的温度，这就减少了预热器的换热量，使得用于底循环的排气温度升高，提高底循环的火用可用比。本专利技术的第二方面提供一种固体氧化物燃料电池系统的工作方法，其包括：固体氧化物燃料电池的阴极排出的气体一部分送入燃烧室，另一部分传送至第一混合器；固体氧化物燃料电池的阳极输出端排出的气体一部分送入燃烧室，另一部分传送至第二混合器；燃烧室输出的热能为燃气轮机提供能量，燃气轮机出口排出的气体作为热源分别用于预热加压后的空气、加压后的甲烷和水；利用第一混合器混合预热的空气及从固体氧化物燃料电池的阴极输出端抽取的气体，并将混合后的气体输送至固体氧化物燃料电池的阴极输入端；利用第二混合器混合预热的甲烷、预热的水以及从固体氧化物燃料电池的阳极输出端抽取的气体，并将混合后的气体经预重整器输送至固体氧化物燃料电池的阳极输入端。本专利技术的第三方面提供一种功冷联供系统，其包括超临界CO2循环系统、高斯瓦米循环系统、LNG(liquefiednaturalgas)冷能回收和燃料供应系统和上述所述的固体氧化物燃料电池系统；所述LNG冷能回收和燃料供应系统用于输出的甲烷且供给至固体氧化物燃料电池系统；所述固体氧化物燃料电池系统中燃气轮机出口排出的气体还作为超临界CO2循环系统中换热器的热源；超临界CO2循环系统中换热器输出的热源依次进入高斯瓦米循环系统的锅炉和过热器并与工质进行换热，使得换热后的气体在大气压下排出高斯瓦米循环系统系统。作为一种实施方式，所述高斯瓦米循环系统包括吸收器，所述吸收器与泵相连；吸收器内的基础工作液经泵加压后，依次进入回热换热器和锅炉分别进行换热和加热；锅炉的输入端与超临界CO2循环系统中换热器输出的热源相连，锅炉的输出端还与过热器相连；换热后的基础工作液经锅炉加热产生饱和蒸汽传输至精馏塔进行蒸馏，在塔顶得到饱和蒸汽；所述吸收器还分别与蒸发器以及制冷热交换器相连通，吸收器内的液体还吸收来自蒸发器以及制冷热交换器传送来的蒸汽；精馏塔的塔顶分别与过热器和喷射器相连通，从精馏塔的塔顶排出的一部分饱和蒸汽传输至过热器进行过热，过热后再进入透平进行膨胀做功得到乏汽，最后乏汽进入制冷热交换器吸热制冷；另一部分饱和蒸汽进入喷射器进行吸收—喷射制冷，喷射器出口的液体进入冷凝器进行定压冷凝成饱和溶液，然后经第一节流阀节流后进入蒸发器内蒸发制冷；蒸发器出口的一部分饱和蒸汽被喷射器引射，另一部分饱和蒸汽反馈输送至吸收器。上述技术方案的优点在于，采用吸收-喷射式耦合制冷循环，将Goswami(高斯瓦米)循环和喷射式制冷循环进行耦合集成，增加循环制冷量，既可以保证单效式吸收式制冷机流程、设备简单的优点，又可以提高其制冷系数，从而使系统的整体性能得到改善。作为一种实施方式，所述锅炉的底部还通过第一管道与回热换热器相连通，用于将锅炉内的一部分液体送至回热换热器进行换热；回热换热器通过第二管道与本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种固体氧化物燃料电池系统，其特征在于，包括固体氧化物燃料电池、燃烧室、燃气轮机、第一混合器、第二混合器和预重整器；/n固体氧化物燃料电池的阴极和阳极均与燃烧室相连，燃烧室输出的热能为燃气轮机提供能量，燃气轮机排出的气体作为热源用于预热空气、甲烷和水；/n第一混合器用于混合从固体氧化物燃料电池的阴极输出端抽取的气体及预热后的空气，之后再输送至固体氧化物燃料电池的阴极输入端；/n第二混合器用于从固体氧化物燃料电池的阳极输出端抽取的气体以及预热后的甲烷和水，之后再经预重整器输送至固体氧化物燃料电池的阳极输入端。/n

【技术特征摘要】
1.一种固体氧化物燃料电池系统，其特征在于，包括固体氧化物燃料电池、燃烧室、燃气轮机、第一混合器、第二混合器和预重整器；
固体氧化物燃料电池的阴极和阳极均与燃烧室相连，燃烧室输出的热能为燃气轮机提供能量，燃气轮机排出的气体作为热源用于预热空气、甲烷和水；
第一混合器用于混合从固体氧化物燃料电池的阴极输出端抽取的气体及预热后的空气，之后再输送至固体氧化物燃料电池的阴极输入端；
第二混合器用于从固体氧化物燃料电池的阳极输出端抽取的气体以及预热后的甲烷和水，之后再经预重整器输送至固体氧化物燃料电池的阳极输入端。


2.如权利要求1所述的固体氧化物燃料电池系统，其特征在于，所述第二混合器与预重整器之间还串联有回热器，固体氧化物燃料电池的阳极输出端抽取的气体还经回热器传送至第二混合器。


3.如权利要求2所述的固体氧化物燃料电池系统，其特征在于，所述回热器还与分流器相连，所述分流器用于将固体氧化物燃料电池的阳极输出端抽取的气体经回热器换热后分成两部分，一部分传送至第二混合器，另一部分传送至燃烧室内。


4.如权利要求1所述的固体氧化物燃料电池系统，其特征在于，所述燃气轮机出口还依次与第一预热器、第二预热器和第三预热器串联连接，使得燃气轮机出口排出的气体作为相应预热器的热源，用于分别预热加压后的空气、加压后的甲烷和水。


5.一种如权利要求1-4中任一项所述的固体氧化物燃料电池系统的工作方法，其特征在于，包括：
固体氧化物燃料电池的阴极排出的气体一部分送入燃烧室，另一部分传送至第一混合器；固体氧化物燃料电池的阳极输出端排出的气体一部分送入燃烧室，另一部分传送至第二混合器；
燃烧室输出的热能为燃气轮机提供能量，燃气轮机出口排出的气体作为热源分别用于预热加压后的空气、加压后的甲烷和水；
利用第一混合器混合预热的空气及从固体氧化物燃料电池的阴极输出端抽取的气体，并将混合后的气体输送至固体氧化物燃料电池的阴极输入端；
利用第二混合器混合预热的甲烷、预热的水以及从固体氧化物燃料电池的阳极输出端抽取的气体，并将混合后的气体经预重整器输送至固体氧化物燃料电池的阳极输入端。


6.一种功冷联供系统，其特征在于，包括超临界CO2循环系统、高斯瓦米循环系统、LNG冷能回收和燃料供应系统和如权利要求1-4中任一项所述的固体氧化物燃料电池系统；
所述LNG冷能回收和燃料供应系统用于输出的甲烷且供给至固体氧化物燃料电池系统；所述固体氧化物燃料电池系统中燃气轮机出口排出的气体还作为超临界CO2循环系统中换热器的热源；超临界...

【专利技术属性】
技术研发人员：于泽庭，王寒冰，
申请(专利权)人：山东大学，
类型：发明
国别省市：山东;37