一种SOFC-SOEC多能源联储联供系统及方法技术方案

一种SOFC

【技术实现步骤摘要】
一种SOFC
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SOEC多能源联储联供系统及方法


[0001]本专利技术属于燃料电池的能源回收及利用
，具体涉及一种SOFC
‑
SOEC多能源联储联供系统及方法。

技术介绍

[0002]在日常电网供电中经常会因为季节性用电负荷的差异而出现用电供需不平衡的问题，尤其是近些年极端天气的频繁出现、季节更替的不可控性，以及一些常年需电量较大但由于条件和技术限制使得可再生能源被大量废弃的地区，形成了能源利用率低、发电储电供电无法满足需求的局面。
[0003]高温固体氧化物燃料电池(SOFC)由于其较高的工作温度而不必使用贵金属作为催化剂，电池成本相对低，电极反应迅速，燃料使用范围广，发电技术用于多种场合。此外，高温固体氧化物燃料电池尾气余热具有较高能级，占整个系统能量的37％～43％，增加燃料电池的余热回收以提高发电效率必要且重要。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于针对上述现有技术中的问题，提供一种SOFC
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SOEC多能源联储联供系统及方法，结合高温固体氧化物燃料电池(SOFC)与固体氧化物电解电池(SOEC)的优势，分别进行SOFC、SOEC能量的回收，有效增加系统总发电量、提高发电效率和能量转化效率，同时满足高效发电、余热回收以及可再生能源储能供能的需求。
[0005]为了实现上述目的，本专利技术有如下的技术方案：
[0006]一种SOFC
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SOEC多能源联储联供系统，包括：
[0007]燃料电池发电子系统，包括SOFC电池与燃气轮机组，分别通过所述SOFC电池内部化学反应进行发电，以及将所述SOFC电池的工作蒸汽在燃烧室燃烧后得到的高温气体通入燃气轮机组，通过燃气轮机组做功进行发电；
[0008]电解池储能子系统，包括SOEC电解池，所述SOFC电池的工作蒸汽燃烧后得到的废料及携带余热作为SOEC电解池的电解原料；
[0009]太阳能充电子系统，用于对太阳能进行电能的转化，为SOEC电解池提供电解反应所需电能；SOEC电解池连接氧气罐，电解反应时由氧气罐进行输氧，SOEC电解池内部发生二氧化碳及水的电解，SOEC电解池输出的碳氧化合物进入甲烷反应器经液化得到天然气，输出的氧气重新进入氧气罐。
[0010]作为一种优选方案，所述的燃料电池发电子系统连接燃料供应子系统、空气供应子系统以及水供应子系统；所述的燃料供应子系统包括与SOFC电池的阳极依次相连的燃料压缩机、燃料预热器、第一混合器与重整器，空气供应子系统包括与SOFC电池的阴极依次相连的空压机与空气预热器，水供应子系统包括与第一混合器相连的供水管路以及设置在供水管路上的第二水泵。
[0011]作为一种优选方案，所述燃气轮机组包括与燃烧室相连的第一透平机，第一透平
机做功驱动发电机进行发电；第一透平机做功后的气体通入空气预热器与燃料预热器作为热源。
[0012]作为一种优选方案，所述与第一混合器相连的供水管路上设置第一换热器，燃料预热器经过第一换热器连接第一ORC子系统，第一ORC子系统由第一蒸发器、第一膨胀机、冷凝器及第一工质泵相连形成回路，且第一换热器与第一蒸发器相连；所述SOFC电池的工作蒸汽燃烧后得到的废料包括CO2，第一蒸发器经过CO2换热器对的CO2进行预热，预热后的CO2通入SOEC电解池。
[0013]作为一种优选方案，所述SOFC电池的工作蒸汽燃烧后得到的废料还作为热源通入第二换热器，第二换热器连接供水管路，第二换热器换热得到的水蒸汽与CO2换热器预热后的CO2在第三混合器中进行混合，混合之后通入SOEC电解池的燃料极。
[0014]作为一种优选方案，所述甲烷反应器设置在第二ORC子系统中，第二ORC子系统由甲烷反应器、第二工质泵、第二蒸发器及第二膨胀机相连形成回路。
[0015]作为一种优选方案，所述CO2换热器与第二换热器还通过第二混合器相连，第二混合器与供水管路通过第三换热器相连，第三换热器与所述第二蒸发器相连。
[0016]作为一种优选方案，所述甲烷反应器输出的CO气体通入水分离器除水，再通过第二透平机做功液化输出。
[0017]作为一种优选方案，所述太阳能充电子系统通过抛物面式太阳能集热槽对太阳能进行电能的转化。
[0018]一种SOFC
‑
SOEC多能源联储联供方法，包括以下步骤：
[0019]将常温常压的空气经空压机压缩达到SOFC电池的阴极所需压力，通过第一透平机的出口工质对空气进行预热使其达到SOFC电池设计的入口温度值，输入到SOFC电池的阴极入口；水经第二水泵以及第一透平机出口工质的预热温度和压力作用达到SOFC电池的入口设计值；由液化天然气管网提供燃料，液化天然气经燃料压缩机压缩，使燃料压力达到SOFC电池的入口压力值，在与水混合后重整，将碳氢化合物重整为CO和H2后通入SOFC电池的阳极作为燃料；
[0020]将SOFC电池的产物分为两路，其中一路经第一透平机发电后作为布雷顿循环工质，为输入的空气及燃料提供预热作用的热源，再通过第一ORC子系统进行余热回收，最终经过热处理并混合水作为SOEC电解池燃料极原料进行利用；另一路经燃烧后直接作为水和SOEC电解池燃料极原料预热的热源进行换热；
[0021]太阳能充电子系统对太阳能进行电能的转化，为SOEC电解池提供电解反应所需电能，当电压值高于SOEC电解池的开路电压时，开启SOEC电解池储能，使SOFC电池出口的CO2和入口的水压缩达到SOEC电解池设计压力，并经SOFC电池燃烧器出口工质温度进行阶梯换热后达到SOEC电解池设计温度，通入SOEC电解池燃料极；SOEC电解池燃料极出口工质在甲烷化反应器中反应生成甲烷，通入水分离器除水，再通过第二透平机做功液化后输出；通过第二ORC子系统进行余热回收，使甲烷反应器的温度和压力达到可排放标准。
[0022]相较于现有技术，本专利技术至少具有如下的有益效果：
[0023]为了增加高温固体氧化物燃料电池(SOFC)的余热回收以提高发电效率，对固体氧化物电解电池(SOEC)加以利用，固体氧化物电解电池(SOEC)可以很好的利用电解过程储能将可再生能源产生的电能稳定地储存，从而协调可再生能源与负荷侧能量需求，起到削峰
填谷的作用，以满足负荷侧对供能质量的要求。本专利技术SOFC
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SOEC多能源联储联供系统结合高温固体氧化物燃料电池(SOFC)与固体氧化物电解电池(SOEC)的优势，分别进行SOFC、SOEC能量的回收，燃料电池发电子系统发电后产生的废料以及剩余能量，通过与水混合并处理后作为SOEC电解池燃料极的电解原料，进而有效增加了系统总发电量、提高了发电效率和能量转化效率，同时满足高效发电、余热回收以及可再生能源储能供能的需求。
[0024]进一步的，本专利技术利用利用两个有机朗肯循环子系统分别进行SOFC、SOEC能量的回收，结合多级换热器实现余热的阶梯利用，使SO本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种SOFC
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SOEC多能源联储联供系统，其特征在于，包括：燃料电池发电子系统(201)，包括SOFC电池(7)与燃气轮机组，分别通过所述SOFC电池(7)内部化学反应进行发电，以及将所述SOFC电池(7)的工作蒸汽在燃烧室(8)燃烧后得到的高温气体通入燃气轮机组，通过燃气轮机组做功进行发电；电解池储能子系统(202)，包括SOEC电解池(21)，所述SOFC电池(7)的工作蒸汽燃烧后得到的废料及携带余热作为SOEC电解池(21)的电解原料；太阳能充电子系统(203)，用于对太阳能进行电能的转化，为SOEC电解池(21)提供电解反应所需电能；SOEC电解池(21)连接氧气罐(22)，电解反应时由氧气罐(22)进行输氧，SOEC电解池(21)内部发生二氧化碳及水的电解，SOEC电解池(21)输出的碳氧化合物进入甲烷反应器(24)经液化得到天然气，输出的氧气重新进入氧气罐(22)。2.根据权利要求1所述的SOFC
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SOEC多能源联储联供系统，其特征在于，所述的燃料电池发电子系统(201)连接燃料供应子系统(101)、空气供应子系统(102)以及水供应子系统(103)；所述的燃料供应子系统(101)包括与SOFC电池(7)的阳极依次相连的燃料压缩机(2)、燃料预热器(4)、第一混合器(5)与重整器(6)，空气供应子系统(102)包括与SOFC电池(7)的阴极依次相连的空压机(1)与空气预热器(3)，水供应子系统(103)包括与第一混合器(5)相连的供水管路以及设置在供水管路上的第二水泵(30)。3.根据权利要求2所述的SOFC
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SOEC多能源联储联供系统，其特征在于，所述燃气轮机组包括与燃烧室(8)相连的第一透平机(9)，第一透平机(9)做功驱动发电机进行发电；第一透平机(9)做功后的气体通入空气预热器(3)与燃料预热器(4)作为热源。4.根据权利要求3所述的SOFC
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SOEC多能源联储联供系统，其特征在于，所述与第一混合器(5)相连的供水管路上设置第一换热器(10)，燃料预热器(4)经过第一换热器(10)连接第一ORC子系统(301)，第一ORC子系统(301)由第一蒸发器(11)、第一膨胀机(12)、冷凝器(13)及第一工质泵(14)相连形成回路，且第一换热器(10)与第一蒸发器(11)相连；所述SOFC电池(7)的工作蒸汽燃烧后得到的废料包括CO2，第一蒸发器(11)经过CO2换热器(15)对的CO2进行预热，预热后的CO2通入SOEC电解池(21)。5.根据权利要求4所述的SOFC
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SOEC多能源联储联供系统，其特征在于，所述SOFC电池(7)的工作蒸汽燃烧后得到的废料还作为热源通入第二换热器(16)，第二换热器(16)连接供水管路，第二换热器(16)换热得到的水蒸汽与CO2换热器(15)预热后的CO2在第三混合器(19)中进行混合，混合之后通入...

【专利技术属性】
技术研发人员：姬蓝天，何志龙，王潇，马凯，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：