CN110676493B - 一种光伏耦合固体氧化物燃料电池冷热电***及供能方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种光伏耦合固体氧化物燃料电池冷热电***，包括太阳能光伏发电***、制氢***和电能生成***，太阳能光伏发电***与蓄电装置电连接，蓄电装置与制氢***连接，制氢***与电能生成***连接与气体重整装置连接，气体重整装置与空气预热装置连接，空气预热装置通过管道和吸收式制冷装置连接，吸收式制冷装置通过管道与烟气热水换热器连接，吸收式制冷装置和烟气热水换热器分别与水输送装置连接。还公开了一种供能方法。本发明将太阳能光伏发电***、制氢***与电能生成***相耦合，将光伏发电量转化为氢能存储起来并加以利用，解决了光伏发电就地消纳的问题，同时也可将部分地区弃光量转化为能量就地消纳。
Description
技术领域
本发明涉及一种冷热电***，特别是一种光伏耦合固体氧化物燃料电池冷热电***及其运行方法。
背景技术
目前国内固体氧化物燃料电池技术制造水平不高、***集成水平差，仅存在百kW-MW级的示范***，但这种百kW-MW级的示范***也处在实验验证阶段，还未有大型(MW级)固体氧化物燃料电池发电***，且配套的发电供能***并不十分完备，同时，随着可再生能源的大规模应用，对于利用固体氧化物燃料电池耦合可再生能源进行高效发电方面可行性方案不多，固体氧化物燃料电池***利用方式不够完全，利用领域亟需开拓。
发明内容
本发明的目的在于，提供了一种通过耦合光伏发电***、制氢***和电能生成***形成供能***完备、且能够有效利用可再生能源发电的光伏耦合固体氧化物燃料电池冷热电***及供能方法。
为解决上述技术问题，本发明采用如下的技术方案：一种光伏耦合固体氧化物燃料电池冷热电***，包括太阳能光伏发电***、制氢***和电能生成***，所述太阳能光伏发电***与蓄电装置电连接，所述蓄电装置与制氢***连接，所述制氢***与电能生成***连接与气体重整装置连接，所述气体重整装置与空气预热装置连接，空气预热装置通过管道和吸收式制冷装置连接，所述吸收式制冷装置通过管道与烟气热水换热器连接，所述吸收式制冷装置和烟气热水换热器分别与水输送装置连接。
前述的这种光伏耦合固体氧化物燃料电池冷热电***，所述电能生成***包括氢气储存装置、氧气储存装置、第一气体混合器、第二气体混合器、燃料电池装置、第一气体分流装置和内能发生装置，所述氢气储存装置通过管道与所述制氢***连接，氧气储存装置通过管道与所述制氢***连接，氧气储存装置通过管道与第二气体混合器连接，氢气储存装置通过第一管道与第一气体混合器连接，第一气体混合器与燃料电池装置连接，第一气体混合器与所述气体重整装置连接，燃料电池装置通过管道与第一气体分流装置连接，第一气体分流装置通过管道与内能发生装置连接，第一气体分流装置还通过管道与气体重整装置连接，内能发生装置通过管道也与所述气体重整装置连接；燃料电池装置和转换装置连接。燃料电池装置具体为固定氧化物燃料电池。
前述的这种光伏耦合固体氧化物燃料电池冷热电***，所述氢气储存装置和第一气体混合器之间的管道上设置有氢气调节阀。
前述的这种光伏耦合固体氧化物燃料电池冷热电***，所述第一管道上设置有氢气调节阀；所述氧气储存装置和第二气体混合器之间的管道上设置有氧气调节阀。
前述的这种光伏耦合固体氧化物燃料电池冷热电***，所述气体重整装置与脱硫装置通过管道连接；所述空气预热装置通过管道与风机连接。
前述的这种光伏耦合固体氧化物燃料电池冷热电***，所述水输送装置包括供水泵、第二气体分流装置、第一输送泵和第二输送泵，供水泵与第二气体分流装置连接，第二气体分流装置和第一输送泵连接，第一输送泵和所述烟气热水换热器连接，第二气体分流装置和第二输送泵连接，第二输送泵和所述吸收式制冷装置连接。供水泵与本发明光伏耦合固体氧化物燃料电池冷热电***的前段水处理工序的出水口连接。所述水输送装置处理的水源自前段水处理工序。
前述的这种光伏耦合固体氧化物燃料电池冷热电***，还包括控制器和电气柜，所述控制器与所述蓄电装置连接，所述电气柜和所述制氢***连接。
前述的这种光伏耦合固体氧化物燃料电池冷热电***，所述电能生成***还包括电加热装置，电加热装置和所述第二气体混合器连接，电加热装置还与所述空气预热装置连接。
一种利用前述这种光伏耦合固体氧化物燃料电池冷热电***的供能方法，包括如下步骤：
步骤S01：通过太阳能光伏发电***获取电解水的用电，通过所述用电进行电解水并获取氢气和氧气；
步骤S02：将所述氢气输送至燃料电池的阳极入口端，将所述氧气输送至燃料电池的阴极入口端；
步骤S03：将燃料电池阴极出口端所排气体和一部分燃料电池阳极出口端所排气体混合并燃烧，产生高温气体；
步骤S04：将另一部分燃料电池阳极出口端所排气体和经脱硫后的天然气进行混合重整，所述高温气体为混合重整提供热量；
步骤S05:利用重整后的混合气与上述氢气混合进入燃料电池的阳极入口端；
步骤S06:利用供热后的高温气体为吸收制冷装置和/或烟气热水换热器提供换热源；
步骤S07:通过吸收制冷装置和/或烟气热水换热器为用户提供冷源或热源。
与现有技术相比，本发明提出了一种光伏耦合固体氧化物燃料电池冷热电***和供能方法，将太阳能光伏发电***、制氢***与电能生成***相耦合，将光伏发电量转化为氢能存储起来并加以利用，解决了光伏发电就地消纳的问题，同时也可将部分地区(如甘肃、新疆、宁夏等光伏发电量较大的地区)弃光量转化为能量就地消纳；
与常规冷热电***中采用燃气透平装置的***相比，本发明***采用直接耦合吸收制冷装置和烟气热水换热器的方式，更适宜小型固体氧化物燃料电池冷热电***运行；本发明***通过在空气预热装置和第二气体混合器之间设置用于加热空气的电加热装置，通过采用电加热空气的方式对进入燃料电池装置阴极入口端的气体进行预热，从而达到预热燃料电池装置的目的，同时使得燃料电池装置的在预热温度下启动，能够至少缩短燃料电池的启动时间达50％；本发明通过向燃料电池装置的阴极入口端通入氧气和空气的混合气，较单纯通入空气的方式降低了供气量，减小了空气的通入量，降低了***密封流通风量，从而能够有效降低***的密封难度，提高了燃料电池装置的使用寿命；且通入相同单位的供气量时，较之单纯通入空气的方式本发明***通入燃料电池装置阴极入口混合气中的氧气含量提高了50％左右，降低了燃料电池装置的浓差极化，提高了燃料电池装置的效率0.5％～1％。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限制。在附图中：带箭头线表示管道连接，不带箭头的线表示电连接；
图1是本发明的一种实施例的结构示意图；
图2是本发明的另一种实施例的结构示意图。
附图标记：1-太阳能光伏发电***，2-蓄电装置，3-控制器，4-制氢***，5-电气柜，6-氢气储存装置，7-氧气储存装置，8-氢气调节阀，9-第一气体混合器，10-氧气调节阀，11-第二气体混合器，12-燃料电池装置，13-转换装置，14-电用户，15-第一气体分流装置，16-内能发生装置，17-脱硫装置，18-气体重整装置，19-风机，20-空气预热装置，21-电加热装置，22-吸收式制冷装置，23-烟气热水换热器，24-供水泵，25-第二气体分流装置，26-第一输送泵，27-第二输送泵，28-生活热水用户，29-冷/暖用户，30-水输送装置，31-电能生成***，32-第一管道，33-水处理装置。
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的说明。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面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的实施例，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，都应当属于本发明保护的范围。
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、***、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
本发明的实施例1：一种光伏耦合固体氧化物燃料电池冷热电***，包括太阳能光伏发电***1、制氢***4和电能生成***31，所述太阳能光伏发电***1与蓄电装置2电连接，所述蓄电装置2与制氢***4连接，所述制氢***4与电能生成***31连接与气体重整装置18连接，所述气体重整装置18与空气预热装置20连接，空气预热装置20通过管道和吸收式制冷装置22连接，所述吸收式制冷装置22通过管道与烟气热水换热器23连接，所述吸收式制冷装置22和烟气热水换热器23分别与水输送装置30连接。本例中所述蓄电装置2为蓄电池，所述制氢***4为电解水制氢***。
本发明的实施例2：一种光伏耦合固体氧化物燃料电池冷热电***，包括太阳能光伏发电***1、制氢***4和电能生成***31，所述太阳能光伏发电***1与蓄电装置2电连接，所述蓄电装置2与制氢***4连接，所述制氢***4与电能生成***31连接与气体重整装置18连接，所述气体重整装置18与空气预热装置20连接，空气预热装置20通过管道和吸收式制冷装置22连接，所述吸收式制冷装置22通过管道与烟气热水换热器23连接，所述吸收式制冷装置22和烟气热水换热器23分别与水输送装置30连接。电能生成***31包括氢气储存装置6、氧气储存装置7、第一气体混合器9、第二气体混合器11、燃料电池装置12、第一气体分流装置15和内能发生装置16，所述氢气储存装置6通过管道与所述制氢***4连接，氧气储存装置7通过管道与所述制氢***4连接，氧气储存装置7通过管道与第二气体混合器11连接，氢气储存装置6通过第一管道32与第一气体混合器9连接，第一气体混合器9与燃料电池装置12连接，第一气体混合器9与所述气体重整装置18连接，燃料电池装置12通过管道与第一气体分流装置15连接，第一气体分流装置15通过管道与内能发生装置16连接，第一气体分流装置15还通过管道与气体重整装置18连接，内能发生装置16通过管道也与所述气体重整装置18连接；燃料电池装置12和转换装置13连接。氢气储存装置6和第一气体混合器9之间的管道上设置有氢气调节阀8。进一步的，第一管道32上设置有氢气调节阀8；氧气储存装置7和第二气体混合器11之间的管道上设置有氧气调节阀10。气体重整装置18与脱硫装置17通过管道连接；空气预热装置20通过管道与风机19连接。具体的，水输送装置30包括供水泵24、第二气体分流装置25、第一输送泵26和第二输送泵27，供水泵24与第二气体分流装置25连接，第二气体分流装置25和第一输送泵26连接，第一输送泵26和所述烟气热水换热器23连接，第二气体分流装置25和第二输送泵27连接，第二输送泵27和所述吸收式制冷装置22连接。供水泵与本发明光伏耦合固体氧化物燃料电池冷热电***的前段水处理工序的出水口连接。所述水输送装置处理的水源自前段水处理工序。
本发明的实施例3：一种光伏耦合固体氧化物燃料电池冷热电***，包括太阳能光伏发电***1、制氢***4和电能生成***31，所述太阳能光伏发电***1与蓄电装置2电连接，所述蓄电装置2与制氢***4连接，所述制氢***4与电能生成***31连接与气体重整装置18连接，所述气体重整装置18与空气预热装置20连接，空气预热装置20通过管道和吸收式制冷装置22连接，所述吸收式制冷装置22通过管道与烟气热水换热器23连接，所述吸收式制冷装置22和烟气热水换热器23分别与水输送装置30连接。电能生成***31包括氢气储存装置6、氧气储存装置7、第一气体混合器9、第二气体混合器11、燃料电池装置12、第一气体分流装置15和内能发生装置16，所述氢气储存装置6通过管道与所述制氢***4连接，氧气储存装置7通过管道与所述制氢***4连接，氧气储存装置7通过管道与第二气体混合器11连接，氢气储存装置6通过第一管道32与第一气体混合器9连接，第一气体混合器9与燃料电池装置12连接，第一气体混合器9与所述气体重整装置18连接，燃料电池装置12通过管道与第一气体分流装置15连接，第一气体分流装置15通过管道与内能发生装置16连接，第一气体分流装置15还通过管道与气体重整装置18连接，内能发生装置16通过管道也与所述气体重整装置18连接；燃料电池装置12和转换装置13连接。氢气储存装置6和第一气体混合器9之间的管道上设置有氢气调节阀8。第一管道32上设置有氢气调节阀8；氧气储存装置7和第二气体混合器11之间的管道上设置有氧气调节阀10。气体重整装置18与脱硫装置17通过管道连接；空气预热装置20通过管道与风机19连接。水输送装置30包括供水泵24、第二气体分流装置25、第一输送泵26和第二输送泵27，供水泵24与第二气体分流装置25连接，第二气体分流装置25和第一输送泵26连接，第一输送泵26和所述烟气热水换热器23连接，第二气体分流装置25和第二输送泵27连接，第二输送泵27和所述吸收式制冷装置22连接。供水泵24与本发明光伏耦合固体氧化物燃料电池冷热电***的前段水处理装置33的出水口连接。所述水输送装置处理的水源自前段水处理工序。进一步的，本发明***还包括控制器3和电气柜5，所述控制器3与所述蓄电装置2连接，所述电气柜5和所述制氢***4连接。电能生成***31还包括电加热装置21，电加热装置21和所述第二气体混合器11连接，电加热装置21还与所述空气预热装置20连接。
本发明的实施例4：一种利用光伏耦合固体氧化物燃料电池冷热电***的供能方法，包括如下步骤：步骤S01：通过太阳能光伏发电***获取电解水的用电，通过所述用电进行电解水并获取氢气和氧气；步骤S02：将所述氢气输送至燃料电池的阳极入口端，将所述氧气输送至燃料电池的阴极入口端；步骤S03：将燃料电池阴极出口端所排气体和一部分燃料电池阳极出口端所排气体混合并燃烧，产生高温气体；步骤S04：将另一部分燃料电池阳极出口端所排气体和经脱硫后的天然气进行混合重整，所述高温气体为混合重整提供热量。步骤S05:利用重整后的混合气与上述氢气混合进入燃料电池的阳极入口端；步骤S06:利用供热后的高温气体为吸收制冷装置和/或烟气热水换热器提供换热源；步骤S07:通过吸收制冷装置和/或烟气热水换热器为用户提供冷源或热源。
本发明***工作原理：
利用太阳能光伏发电***1将发电存储到蓄电装置2中，通过蓄电装置2将太阳能光伏发电***1所发的电传输至制氢***4，通过制氢***4电解出氢气和氧气，将通过制氢***4电解得到的氢气存储在氢气储存装置6中，将通过制氢***4电解得到氧气存储在氧气储存装置7中，制氢***4可采用碱性电解水***或质子交换膜电解水***。
来自氢气储存装置6中的氢气与来自气体重整装置18的燃料气(主要成份为CO和H2)在第一气体混合器9中混合后被输送至燃料电池装置12的阳极入口端，来自氧气储存装置7中的氧气与经过空气预热装置20换热后的空气在第二气体混合器11中混合，混合后被输送至燃料电池装置12的阴极入口端，此时的电加热装置21为停止运行状态，利用被输送至燃料电池装置12的氢气、燃料气、空气、氧气的混合燃料气，燃料电池装置12内部会发生电化学反应，利用燃料电池装置12内所发生电化学反应将混合燃料气的化学能转化为电能，转化的电能通过转换装置13转换为交流电供至电用户14使用。
燃料电池装置12阳极出口端所排的气体(阳极出口端所排气体主要成分为CO2、水蒸气、CO和H2)被输送至第一气体分流装置15。通过第一气体分流装置15的气体一部分被输送至气体重整装置18，而另一部分被输送至内能发生装置16，并在内能发生装置16中与来自燃料电池装置12阴极出口端的气体(主要为O2和N2)混合燃烧，燃烧后内能发生装置16所排出的气体(CO2、水蒸气、N2和O2)进入气体重整装置18，为气体重整装置18提供热量。通过内能发生装置16充分利用在燃料电池装置12中未充分反应的燃料(如CO和H2)，通过燃烧的方式在内能发生装置16中将未充分反应的燃料的化学能转化为内能，进而通过内能发生装置16所排高热气体为气体重整装置18内的气体重整提供热量。
在气体重整装置18进行重整的气体还包括经脱硫装置17脱硫后的天然气，在气体重整装置18中经脱硫装置17脱硫后的天然气与来自燃料电池装置12阳极出口端的部分气体发生重整反应，重整反应后的气体全部进入第一气体混合器9，在第一气体混合器9中与来自氢气储存装置6的氢气混合，内能发生装置16排出的气体为重整反应提供热源(内能发生装置16排出的气体本身不参与重整反应)，换热后进入空气预热装置20与经风机19升压后的空气进行换热。
空气经风机19升压后经过空气预热装置20进行换热，换热后经管道输送至第二气体混合器11。该空气预热装置20和第二气体混合器11之间的管道上布置有电加热装置21，该电加热装置21具有自动调节功能，可以在燃料电池装置12启动阶段进行预热，通过加热通入第二气体混合器11的空气，提高通入阴极入口端的混合气温度，由此可将启动阶段的燃料电池装置12预热到600-800℃，同时可在燃料电池装置12停止运行时对其进行保温，进而缩短燃料电池装置12的启动时间50％左右。
经过前段工序的水处理装置33处理的水经供水泵24增压后进入第二气体分流装置25进行分流，一部分水通过第一输送泵26分流至烟气热水换热器23换热后供至生活热水用户28，另一部分水通过第二输送泵27分流至吸收式制冷装置22，经吸收式制冷装置22夏季供冷、冬季供暖给冷/暖用户29。
脱硫装置17脱硫后的天然气、燃料电池装置12阳极出口端排出的气体两者在气体重整装置18内发生重整反应，主要反应为CH4+H2O→CO+3H2，此重整过程为吸热反应，因此，内能发生装置16排出的气体用来为重整反应提供热量，以使重整反应尽量完全，内能发生装置16所排气体本身并不参与反应。
重整反应将CH4(甲烷)重整成CO(一氧化碳)和H2(氢气)，在从燃料电池装置12阳极入口端进入后，使得燃料电池装置12内的电化学反应更完全，减少燃料电池装置12的碳沉积，提高电池使用寿命，同时可以吸收内能发生装置16所排气体的热量，充分利用本发明***内部能量，有助于提升***效率。
Claims (7)
1.一种光伏耦合固体氧化物燃料电池冷热电***，其特征在于，包括太阳能光伏发电***(1)、制氢***(4)和电能生成***(31)，所述太阳能光伏发电***(1)与蓄电装置(2)电连接，所述蓄电装置(2)与制氢***(4)连接，所述制氢***(4)与电能生成***(31)连接，电能生成***(31)与气体重整装置(18)连接，所述气体重整装置(18)与空气预热装置(20)连接，空气预热装置(20)通过管道和吸收式制冷装置(22)连接，所述吸收式制冷装置(22)通过管道与烟气热水换热器(23)连接，所述吸收式制冷装置(22)和烟气热水换热器(23)分别与水输送装置(30)连接，所述制氢***(4)电解出氢气和氧气；所述电能生成***(31)包括氢气储存装置(6)、氧气储存装置(7)、第一气体混合器(9)、第二气体混合器(11)、燃料电池装置(12)、第一气体分流装置(15)和内能发生装置(16)，所述氢气储存装置(6)通过管道与所述制氢***(4)连接，氧气储存装置(7)通过管道与所述制氢***(4)连接，氧气储存装置(7)通过管道与第二气体混合器(11)连接，氢气储存装置(6)通过第一管道(32)与第一气体混合器(9)连接，第一气体混合器(9)与燃料电池装置(12)连接，第一气体混合器(9)与所述气体重整装置(18)连接，燃料电池装置(12)的阴极出口端与内能发生装置(16)连接，燃料电池装置(12)的阳极出口端通过管道与第一气体分流装置(15)连接，第一气体分流装置(15)通过管道与内能发生装置(16)连接，第一气体分流装置(15)还通过管道与气体重整装置(18)连接，内能发生装置(16)通过管道也与所述气体重整装置(18)连接；燃料电池装置(12)和转换装置(13)连接，所述燃料电池装置(12)的阴极出口端所排气体和一部分燃料电池阳极出口端所排气体在内能发生装置(16)混合并燃烧；所述电能生成***(31)还包括电加热装置(21)，电加热装置(21)和所述第二气体混合器(11)连接，电加热装置(21)还与所述空气预热装置(20)连接。
2.根据权利要求1所述的一种光伏耦合固体氧化物燃料电池冷热电***，其特征在于，所述氢气储存装置(6)和第一气体混合器(9)之间的管道上设置有氢气调节阀(8)。
3.根据权利要求1所述的一种光伏耦合固体氧化物燃料电池冷热电***，其特征在于，所述第一管道(32)上设置有氢气调节阀(8)；所述氧气储存装置(7)和第二气体混合器(11)之间的管道上设置有氧气调节阀(10)。
4.根据权利要求2所述的一种光伏耦合固体氧化物燃料电池冷热电***，其特征在于，所述气体重整装置(18)与脱硫装置(17)通过管道连接；所述空气预热装置(20)通过管道与风机(19)连接。
5.根据权利要求3所述的一种光伏耦合固体氧化物燃料电池冷热电***，其特征在于，所述水输送装置(30)包括供水泵(24)、第二气体分流装置(25)、第一输送泵(26)和第二输送泵(27)，供水泵(24)与第二气体分流装置(25)连接，第二气体分流装置(25)和第一输送泵(26)连接，第一输送泵(26)和所述烟气热水换热器(23)连接，第二气体分流装置(25)和第二输送泵(27)连接，第二输送泵(27)和所述吸收式制冷装置(22)连接。
6.根据权利要求4所述的一种光伏耦合固体氧化物燃料电池冷热电***，其特征在于，所述光伏耦合固体氧化物燃料电池冷热电***还包括控制器(3)和电气柜(5)，所述控制器(3)与所述蓄电装置(2)连接，所述电气柜(5)和所述制氢***(4)连接。
7.利用权利要求1～6中任一权利要求所述的一种光伏耦合固体氧化物燃料电池冷热电***的供能方法，其特征在于，所述供能方法包括如下步骤：
步骤S01：通过太阳能光伏发电***获取电解水的用电，通过所述用电进行电解水并获取氢气和氧气；
步骤S02：将所述氢气输送至燃料电池的阳极入口端，将所述氧气输送至燃料电池的阴极入口端；
步骤S03：将燃料电池阴极出口端所排气体和一部分燃料电池阳极出口端所排气体混合并燃烧，产生高温气体；
步骤S04：将另一部分燃料电池阳极出口端所排气体和经脱硫后的天然气进行混合重整，所述高温气体为混合重整提供热量；
步骤S05:利用重整后的混合气与上述氢气混合进入燃料电池的阳极入口端；
步骤S06:利用供热后的高温气体为吸收制冷装置和/或烟气热水换热器提供换热源；
步骤S07:通过吸收制冷装置和/或烟气热水换热器为用户提供冷源或热源。
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