CN112864432A - 合成气高温燃料电池发电***及其方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及电池发电领域，公开了一种合成气燃料电池发电***，所述***包括合成气源、换热装置、燃料电池、燃烧装置，其中，所述合成气源用于提供合成气；所述换热装置包括换热变换装置、第一换热装置和第二换热装置；所述换热变换装置经第一换热装置与所述燃料电池的阳极相连接；所述燃料电池的阴极与所述燃烧装置相连接；所述燃烧装置经第二换热装置与所述燃料电池的阴极相连接。本发明所提供的合成气燃料电池发电***流程简单，采用该***进行发电时，提高了氢气分压，降低合成气燃料电池发电过程发热量，合理利用***热量，提高燃料电池发电效率。

Description

合成气高温燃料电池发电***及其方法
技术领域
本发明涉及电池发电领域，具体涉及一种合成气高温燃料电池发电***及其方法。
背景技术
固体氧化物燃料电池(Solid Oxide Fuel Cell，SOFC)发电***是一种清洁、高效的能量转换***，以天然气等气态烃类或氢气、一氧化碳等为原料，能将燃料中的化学能转换为电能。依托分布广泛的天然气管网，SOFC发电***可以规模集成为以天然气为原料的分布式发电站，供应楼宇、厂房、社区等的用电需求，具有良好的商业前景。
现有技术中，固体氧化物燃料电池通常以天然气为原料，经过重整，产生氢、一氧化碳气等气体，进入电池堆阳极，阴极空气进入电池堆的阴极，在一定的条件下，阳极气体与阴极气体发生反应，生成水，产生电。为了完成这些过程，需要各种配套器件如重整器、启动燃烧器、阳极尾气燃烧器、换热器等部件。各部件需要很好的组合起来，形成一个有机整体，这样才能进行物质流与能量流的流动。例如，CN106784940A公开了一种固体氧化物燃料电池发电***，包括热区、重整器、启动燃烧器、阳极尾气燃烧器、混合器和换热部件，热区包括电池堆阵列与相应的布气管路，重整器、换热部件与热区分立设置，彼此通过管路连接，换热部件包括重整进料预热器、空气一级预热器、空气二级预热器、气化器和冷凝器，混合器上设置有重整预留空气进口。本发明将各主要部件分立设置，而不是集中于热区中，降低了各部件组合的难度，便于整体布局，同时降低相互交叉影响的可能性，便于各部件稳定的发挥其功能；具有结构布局合理、装配方便，具有便于拆卸、适宜布局、功能稳定、换热合理等优点，适用于单体百千瓦级的固体氧化物燃料电池发电***的组建。
然而，由于现有技术中的固体氧化物燃料电池发电***主要以天然气为原料，需要设置甲烷重整器等，不能适用于廉价的合成气。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术存在中的固体氧化物燃料电池发电***用于合成气时发电效率低的问题，提供一种合成气燃料电池发电***以及合成气燃料电池发电方法，该***流程简单，采用该***进行发电时，提高了氢气分压，降低合成气燃料电池发电过程发热量，合理利用***热量，提高燃料电池发电效率。
为了实现上述目的，本发明第一方面提供一种合成气燃料电池发电***，所述***包括合成气源、换热装置、燃料电池、燃烧装置，其中，所述合成气源用于提供合成气；所述换热装置包括换热变换装置、第一换热装置和第二换热装置；所述换热变换装置经第一换热装置与所述燃料电池的阳极相连接；所述燃料电池的阴极与所述燃烧装置相连接；所述燃烧装置经第一换热装置与所述燃料电池的阴极相连接。
本发明第二方面提供一种合成气燃料电池发电方法，其中，所述方法包括以下步骤：
将由合成气源提供的合成气与水蒸气混合后经换热变换装置预热至第一温度，然后进行水煤气变换反应，制得包含氢气和一氧化碳的混合燃料气体；
所述混合燃料气体经第一换热装置加热至第二温度后，进入燃料电池的阳极，与经第二换热装置加热并进入燃料电池的阴极的空气发生反应，进行发电，分别产生阳极尾气和阴极尾气；
所述阴极尾气进入燃烧装置中进行燃烧，产生燃烧尾气。
通过上述技术方案，本发明所提供的合成气燃料电池发电***以及发电方法获得以下有益的效果：
本发明所提供的电池发电***中无需降温冷凝除水，在较高温度下与高温阴极空气直接混合燃烧，保证燃烧稳定性，同时不需要另外设置启动燃烧器，简化了***流程。
为了实现合成气高效发电。本发明通过水煤气变换反应将合成气中CO转换为H2，同时将二氧化碳分离，然后再送入高温燃料电池发电，提高了合成气燃料电池发电过程氢气分压，降低合成气燃料电池发电过程发热量，合理利用***热量，提高燃料电池发电效率。
附图说明
图1是本发明所述合成气燃料电池发电***。
具体实施方式
在本文中所披露的范围的端点和任何值都不限于该精确的范围或值，这些范围或值应当理解为包含接近这些范围或值的值。对于数值范围来说，各个范围的端点值之间、各个范围的端点值和单独的点值之间，以及单独的点值之间可以彼此组合而得到一个或多个新的数值范围，这些数值范围应被视为在本文中具体公开。
本发明第一方面提供一种合成气燃料电池发电***，所述***包括合成气源、换热装置、燃料电池、燃烧装置，其中，所述合成气源用于提供合成气；所述换热装置包括换热变换装置、第一换热装置和第二换热装置；所述换热变换装置经第一换热装置与所述燃料电池的阳极相连接；所述燃料电池的阴极与所述燃烧装置相连接；所述燃烧装置经第二换热装置与所述燃料电池的阴极相连接。
本发明中，发明人研究发现，由于合成气中的碳氢比远大于天然气，在固体氧化物燃料电池发电过程中产生的热量比天然气产生的热量高50％以上，导致以天然气为原料气的固体氧化物燃料电池***直接适用于合成气时发电效率低。
本发明以合成气为原料气，对固体氧化物燃料电池***进行了改进，提供一种适用于合成气的固体氧化物燃料电池***。本发明所提供的固体氧化物燃料电池***中，无需格外设置启动燃烧器，极大地简化了***的流程。
根据本发明，所述换热装置还包括第三换热装置，分别与第二换热装置和换热变换装置相连接，用以提供低压蒸汽供给换热变换装置。
根据本发明，所述换热变换装置内装有变换反应催化剂，用于将合成气中的一氧化碳转化为氢气。
由于合成气的变换反应能够产生大量的热量，本发明中，在合成气进入燃料电池的阳极前，在换热变换装置中进行变换反应，将合成气的变化反应产生的热量在燃料电池外提前释放，这样能够显著降低燃料电池的放热量，同时减少燃料电池阴极的空气通入量，显著提高燃料电池的发电功率。
本发明中，合成气发生水煤气变化反应，以实现将合成气中的CO转化为H2，同时利用反应产生的热量进一步实现了对气体的加热处理，与现有技术相比，合成气燃料电池发电***中换热装置的负荷和成本降低。
根据本发明，所述***还包括CO2分离器，分别与换热变换装置与第一换热装置相连，用于降低阳极进料气中CO2的含量。
根据本发明，所述第三换热装置为蒸汽发生器。
本发明第二方面提供一种合成气燃料电池发电方法，其中，所述方法包括以下步骤：
将由合成气源提供的合成气与水蒸气混合后经换热变换装置预热至第一温度后，进行水煤气变换反应，制得包含氢气和一氧化碳的混合燃料气体；
所述混合燃料气体经第一换热装置加热至第二温度后，进入燃料电池的阳极，与经第二换热装置加热并进入燃料电池的阴极的空气发生反应，进行发电，分别产生阳极尾气和阴极尾气；
所述阴极尾气进入燃烧装置中进行燃烧，产生燃烧尾气。
本发明中，在燃料电池中，由混合燃料气体与空气发生化学反应而在燃料电池阳极产生的阳极尾气无需经过降温冷凝除水等步骤，在较高温度下即可以与高温阴极空气直接混合燃烧，保证燃烧稳定性，极大地简化了***流程。
本发明中，合成气进行水煤气变换反应，将合成气中的CO转化为H2，显著提高了进入燃料电池阳极气体中氢气的分压，相对于现有技术，能够提高燃料电池的发电效率，与此同时降低了燃料电池积碳的风险，进而延长了燃料电池的使用寿命。
根据本发明，所述阳极尾气依次进入第一换热装置和换热变换装置用于加热混合燃料气体和合成气后，进入所述燃烧装置中进行燃烧。
根据本发明，所述燃烧尾气依次进入第二换热装置和第三换热装置用于加热空气和水，以获得高温空气和水蒸气。
根据本发明，所述水蒸气与所述合成气混合后进入换热变换装置。
根据本发明，所述混合燃料气体中还包含二氧化碳。
根据本发明，所述方法还包括所述混合燃料气体经过CO2分离器，以除去混合燃料气体中的二氧化碳。
本发明中，通过除去混合燃料气体中二氧化碳的步骤，严格控制进入燃料电池阳极的二氧化碳的量，并且经研究发现，当混合燃料气体中，二氧化碳的摩尔含量小于30％时，能够显著降低二氧化碳对燃料电池的发电效率并且显著降低燃料电池积碳的风险，延长了燃料电池的使用寿命。
更进一步地，所述混合燃料气体中，二氧化碳的摩尔含量小于15％。
根据本发明，所述第一温度为100-400℃，优选为200-300℃；
根据本发明，所述第二温度为500-800℃，优选为600-700℃；
根据本发明，所述阳极尾气的温度为600-900℃，优选为700-800℃；
根据本发明，所述阴极尾气的温度为600-900℃，优选为700-800℃；
根据本发明，所述燃料电池的工作温度为500-900℃，优选为600-800℃；
根据本发明，所述燃料电池的工作压力为0.05-0.5MPa，优选为0.1-0.2MPa。
根据本发明，所述合成气中氢气与一氧化碳的摩尔比为0.2-6，优选为0.5-4。
根据本发明，水蒸气与CO的摩尔比为0.2-2.5，优选为0.5-1.5。
根据本发明，所述燃烧尾气的温度为700-1000℃，优选为800-900℃。
根据本发明，所述燃烧尾气经第二换热装置后，降温至100-400℃，优选为200-300℃。
本发明的一个具体实施例方式
由合成气源提供的合成气与水蒸气混合后经换热变换装置预热至第一温度后，进行水煤气变换反应，制得包含氢气和一氧化碳的混合燃料气体；
所述混合燃料气体经第一换热装置加热至第二温度后，进入燃料电池的阳极，与经第二换热装置加热并进入燃料电池阴极的空气发生化学反应，分别产生包含二氧化碳和水的阳极尾气和包含氮气和氧气的阴极尾气；
所述阳极尾气依次经过第一换热装置和换热变换装置用于加热混合燃料气体和合成气后，尾气进入所述燃烧装置与来自燃料电池阴极的阴极尾气混合中进行燃烧；
燃烧产生的燃烧尾气依次经过第二换热装置和第三换热装置用于加热空气和水，以获得高温空气和水蒸气；
所述高温空气进入所述燃料电池的阴极；
所述水蒸气与所述合成气混合后进入所述换热变换装置。
以下将通过实施例对本发明进行详细描述。以下实施例中，
电池发电功率参数通过电池的电压，电池的电流方法测得；
燃料利用率参数通过燃料流量和电池电流方法测得，具体计算公式如下：
燃料利用率，％＝[电流(A)*3600*电堆电池片数]/[96485*2*电堆入口燃料流量(Nm3/h)/0.0224]×100％。
实施例以及对比例所用原料均为市售品。
实施例1
以一套MWth级合成气燃料电池发电***为例：
290Nm3/h的合成气(H2与CO的摩尔比为1.68)与103Nm3/h水蒸汽混合，水蒸气与CO的摩尔比为1:1。经过换热变换装置预热至220℃后，进行水煤气变换反应，70％的CO转化为H2，出口温度达到400℃，得到包含氢气和一氧化碳的混合燃料气体，其中，混合燃料气体中二氧化碳的含量为20％，混合燃料气体经过第一换热装置进一步预热至700℃，进入固体氧化物燃料电池阳极反应，燃料利用率85％，发电功率为550kW，阳极出口尾气温度800℃，依次经过第一换热装置和换热变换装置用于加热阳极进料的混合物燃料气体和合成气后温度降至450℃，送入燃气器与阴极尾气(800℃)混合燃烧，通过新鲜空气控制燃烧尾气温度850℃，加热阴极进料空气(流量5700Nm3/h，加热至700℃)后降至300℃，通过蒸汽发生器产生0.5MPa水蒸汽供给阳极使用，降至200℃后排出。
实施例2
按照实施例1的方法进行，不同的是：合成气中，氢气与一氧化碳的摩尔比为0.5。燃料电池的燃料利用率为80％，发电功率为500kW。
实施例3
按照实施例1的方法进行，不同的是：合成气中，氢气与一氧化碳的摩尔比为3。燃料电池的燃料利用率为90％，发电功率为600kW。
实施例4
按照实施例1的方法进行，不同的是：合成气中，氢气与一氧化碳的摩尔比为0.2。燃料电池的燃料利用率为70％，发电功率为450kW。
实施例5
按照实施例1的方法进行，不同的是：水蒸气与CO的摩尔比为1.5。燃料电池的燃料利用率为85％，发电功率为530kW。
实施例6
按照实施例1的方法进行，不同的是：水蒸气与CO的摩尔比为0.5，燃料电池的燃料利用率为83％，发电功率为520kW。
实施例7
按照实施例1的方法进行，不同的是：水蒸气与CO的摩尔比为2.5。燃料电池的燃料利用率为85％，发电功率为520kW。
实施例8
按照实施例1的方法进行，不同的是：燃料混合气体中二氧化碳的含量为45％。燃料电池的燃料利用率为65％，发电功率为400kW。
实施例9
按照实施例1的方法进行，不同的是：在第一预热装置中，经过水煤气变换反应制得的包含氢气和一氧化碳的混合燃料气体，经过CO2分离器，以除去混合燃料气体中的二氧化碳。经分离处理后，混合燃料气体中二氧化碳的含量为5％。燃料电池的燃料利用率为90％，发电功率为600kW。
对比例1
按照实施例1的方法进行，不同的是：合成气经过二次加热后直接进入燃料电池的阳极，不进行水煤气变化反应。燃料混合气体中二氧化碳的含量为45％。燃料电池的燃料利用率为65％，发电功率为400kW。
以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于此。在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，包括各个技术特征以任何其它的合适方式进行组合，这些简单变型和组合同样应当视为本发明所公开的内容，均属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种合成气燃料电池发电***，所述***包括合成气源、换热装置、燃料电池、燃烧装置，其中，所述合成气源用于提供合成气；所述换热装置包括换热变换装置、第一换热装置和第二换热装置；所述换热变换装置经第一换热装置与所述燃料电池的阳极相连接；所述燃料电池的阴极与所述燃烧装置相连接；所述燃烧装置经第二换热装置与所述燃料电池的阴极相连接。
2.根据权利要求1所述的合成气燃料电池发电***，其中，所述换热装置还包括第三换热装置，分别与第二换热装置和换热变换装置相连接，用以提供低压蒸汽供给换热变换装置。
3.根据权利要求1或2所述的合成气燃料电池发电***，其中，所述换热变换装置内装有变换反应催化剂，用于将合成气中的一氧化碳转换为氢气；
所述***还包括CO2分离器，分别与换热变换装置与第一换热装置相连，用于降低阳极进料气中CO2的含量；
所述第三换热装置为蒸汽发生器。
4.一种合成气燃料电池发电方法，其中，所述方法包括以下步骤：
将由合成气源提供的合成气与水蒸气混合后经换热变换装置预热至第一温度，然后进行水煤气变换反应，制得包含氢气和一氧化碳的混合燃料气体；
所述混合燃料气体经第一换热装置加热至第二温度后，进入燃料电池的阳极，与经第二换热装置加热并进入燃料电池的阴极的空气发生反应，进行发电，分别产生阳极尾气和阴极尾气；
所述阴极尾气进入燃烧装置中进行燃烧，产生燃烧尾气。
5.根据权利要求4所述的方法，其中，所述阳极尾气依次进入第一换热装置和换热变换装置用于加热混合燃料气体和合成气后，进入所述燃烧装置中进行燃烧。
6.根据权利要求4或5所述的方法，其中，燃烧产生的燃烧尾气依次进入第二换热装置和第三换热装置用于加热空气和水，以获得高温空气和水蒸气；
优选地，所述水蒸气与所述合成气混合后进入换热变换装置。
7.根据权利要求4-6中任意一项所述的方法，其中，所述混合燃料气体中还包含二氧化碳；
优选地，所述方法还包括所述混合燃料气体经过CO2分离器，以除去混合燃料气体中的二氧化碳；
优选地，所述混合燃料气体中，二氧化碳的摩尔含量小于30％，优选小于15％。
8.根据权利要求4-7中任意一项所述的方法，其中，所述第一温度为100-400℃，优选为200-300℃；
优选地，所述第二温度为500-800℃，优选为600-700℃；
优选地，所述阳极尾气的温度为600-900℃，优选为700-800℃；
优选地，所述阴极尾气的温度为600-900℃，优选为700-800℃；
优选地，所述燃料电池的工作温度为500-900℃，优选为600-800℃；
优选地，所述燃料电池的工作压力为0.05-0.5MPa，优选为0.1-0.2MPa。
9.根据权利要求4-8中任意一项所述的方法，其中，所述合成气中氢气与一氧化碳的摩尔比为0.2-6，优选为0.5-4；
优选地，水蒸气与CO的摩尔比为0.2-2.5，优选为0.5-1.5。
10.根据权利要求4-9中任意一项所述的方法，其中，所述燃烧尾气的温度为700-1000℃，优选为800-900℃；
优选地，所述燃烧尾气经第二换热装置后，降温至100-400℃，优选为200-300℃。
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