CN114744261A - 一种固体氧化物燃料电池发电*** - Google Patents

一种固体氧化物燃料电池发电*** Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种固体氧化物燃料电池发电***，包括阴极纯氧回路、阳极原料气回路、燃烧回路；通入纯氧的阴极纯氧回路依次与第一换热器、固体氧化物燃料电池的阴极连接；通入纯水、天然气的阳极原料气回路与还原气体回路相互连接后、再依次与第二换热器、重整器、固体氧化物燃料电池的阳极连接；固体氧化物燃料电池的阴极、阳极排出的气体均与燃烧器连接；通入天然气、纯氧的燃烧回路依次与燃烧器、第一换热器、重整器、第二换热器连接，并排出二氧化碳气体。本一种固体氧化物燃料电池发电***，结构简单，不仅实现对天然气水蒸气的充分利用，而且对固体氧化物燃料电池尾气进行处理，保障其排出的二氧化碳浓度更高，更加环保。

Description

一种固体氧化物燃料电池发电***
技术领域
本发明涉及能源技术领域，具体涉及一种固体氧化物燃料电池发电***。
背景技术
目前以石化能源为主的能源体系将会对环境造成一定的污染，为解决环境污染问题，急需一种环境友好的新能源技术。
新能源技术中固体氧化物燃料电池(SOFC)是一种可以将燃料中的化学能转化为电能的装置，其工作温度为500～1000℃。由于工作温度高，SOFC可以把化石能源、生物质能源转化的碳氢化合物直接作为燃料，经过外部或内部重整反应，及电极内的电化学反应，把化学能高效地转化成电能。与其他燃料电池相比，SOFC燃料灵活、不需要昂贵的催化剂、环境友好、转化率高等优点，但也存在一些新挑战。
现有SOFC发电***技术中，天然气水蒸气重整过程中水蒸气未得到充分利用，同时燃烧的烟气及固体氧化物燃料电池尾气二氧化碳纯度低且成分庞杂，回收经济价值低，大多直接排放，无法满足当经社会对碳排放的要求。
发明内容
本发明提供一种固体氧化物燃料电池发电***，结构简单，不仅实现对天然气水蒸气的充分利用，而且对固体氧化物燃料电池尾气进行处理，保障其排出的二氧化碳浓度更高，更加环保。
为实现上述目的，本一种固体氧化物燃料电池发电***，包括阴极纯氧回路、阳极原料气回路、燃烧回路以及还原气体回路；
通入纯氧的阴极纯氧回路依次与第一换热器、固体氧化物燃料电池的阴极连接；
通入纯水、天然气的阳极原料气回路与还原气体回路相互连接后、再依次与第二换热器、重整器、固体氧化物燃料电池的阳极连接；
固体氧化物燃料电池的阴极排出的气体通过阴极支路与燃烧器连接、阳极排出的气体通过阳极支路与燃烧器连接；
通入天然气、纯氧的燃烧回路依次与燃烧器、第一换热器、重整器、第二换热器连接，并排出二氧化碳气体。
进一步的，所述阳极原料气回路包括水蒸气发生支路、天然气重整支路；
通入纯水的水蒸气发生支路先与第四换热器连接，再分别作为低温水蒸气输出、与第三换热器连接作为高温水蒸气输出；
通入天然气的天然气重整支路与高温水蒸气管路、还原气体回路相互连接混合后、再与第二换热器连接；
燃烧回路与第二换热器连接后、再与第三换热器、第四换热器连接。
进一步的，所述还原气体回路包括通入氮气的氮气供应支路、通入氢气的氢气供应支路；
所述氮气供应支路、氢气供应支路上分别从气体进入方向依次设有第一压力变送器、第一电磁阀、第一流量控制器、第一单向阀。
进一步的，所述燃烧回路包括天然气供应支路、纯氧供应支路；
天然气供应支路、纯氧供应支路上分别从气体进入方向依次设有第二压力变送器、第二电磁阀、第二流量控制器、第二单向阀、回火阀。
进一步的，所述水蒸气发生支路上从气体进入方向依次设有发生压力变送器、发生脱硫器、发生过滤器、发生电磁阀、发生流量控制器、发生单向阀；
天然气重整支路上从气体进入方向依次设有重整水泵、重整电磁阀、重整流量控制器、重整单向阀。
进一步的，所述阴极纯氧回路上从气体进入方向依次设有第三压力变送器、第三电磁阀、第三流量控制器、第三单向阀。
进一步的，还包括通入冷却水的冷却水回路，冷却水回路连接第五换热器后、以热水进行输出；
燃烧回路与第四换热器连接后、再与第五换热器连接。
进一步的，所述阴极支路、阳极支路上分别设有第四压力变送器、温度变送器。
与现有技术相比，本一种固体氧化物燃料电池发电***由于将纯水、天然气通入阳极原料气回路、并与还原气体回路相互连接后、再经过第二换热器、重整器，使得纯水可转化为低温、高温水蒸气，使得纯水、天然气在重整器重整过程中得到充分利用；另外设有通入冷却水的冷却水回路，冷却水回路连接第五换热器后、以热水进行输出，因此满足不同输出需求；
由于将固体氧化物燃料电池的阴极与阳极排出的气体分别通入燃烧器，并且将天然气、纯氧通过燃烧回路进入燃烧器、与阴极、阳极排出的气体充分燃烧，燃烧器中燃料燃烧的烟气依次经过第一换热器、重整器、第二换热器、第三换热器、第四换热器以及第五换热器进行依次换热，最终向外提供高浓度二氧化碳烟气，因此保障排出的二氧化碳浓度更高，更加环保，满足碳排放的要求。
附图说明
图1是本发明的整体连接结构示意图；
图2是本发明的还原气体回路与天然气重整支路连接结构示意图；
图3是本发明的燃烧回路连接结构示意图；
图4是本发明的冷却水回路、水蒸气发生支路连接结构示意图；
图中：1、阴极纯氧回路，2、阳极原料气回路，21、天然气重整支路，22、水蒸气发生支路；3、燃烧回路，31、天然气供应支路，32、纯氧供应支路；
4、冷却水回路，5、还原气体回路，51、氮气供应支路，52、氢气供应支路；
61、燃烧器，62、第一换热器，63、重整器，64、第二换热器，65、第三换热器，66、第四换热器，67、第五换热器。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
如图1所示，本一种固体氧化物燃料电池发电***，包括阴极纯氧回路1、阳极原料气回路2、燃烧回路3以及还原气体回路5；
通入纯氧的阴极纯氧回路1依次与第一换热器62、固体氧化物燃料电池的阴极连接；
通入纯水、天然气的阳极原料气回路2与还原气体回路5相互连接后、再依次与第二换热器64、重整器63、固体氧化物燃料电池的阳极连接；
固体氧化物燃料电池的阴极排出的气体通过阴极支路与燃烧器61连接、阳极排出的气体通过阳极支路与燃烧器61连接；
通入天然气、纯氧的燃烧回路3依次与燃烧器61、第一换热器62、重整器63、第二换热器64连接，并排出二氧化碳气体。
示例性的，所述阳极原料气回路2包括水蒸气发生支路22、天然气重整支路21；
通入纯水的水蒸气发生支路22先与第四换热器66连接，再分别作为低温水蒸气输出、与第三换热器65连接作为高温水蒸气输出；
通入天然气的天然气重整支路21与高温水蒸气管路、还原气体回路5相互连接混合后、再与第二换热器64连接；
燃烧回路3与第二换热器64连接后、再与第三换热器65、第四换热器66连接。
示例性的，如图2所示，所述还原气体回路5包括通入氮气的氮气供应支路51、通入氢气的氢气供应支路52；
所述氮气供应支路51、氢气供应支路52上分别从气体进入方向依次设有第一压力变送器、第一电磁阀、第一流量控制器、第一单向阀。
示例性的，如图3所示，所述燃烧回路3包括天然气供应支路31、纯氧供应支路32；
天然气供应支路31、纯氧供应支路32上分别从气体进入方向依次设有第二压力变送器、第二电磁阀、第二流量控制器、第二单向阀、回火阀；
其中回火阀有效防止天然气、纯氧的泄露。
示例性的，如图2、图4所示，所述水蒸气发生支路22上从气体进入方向依次设有发生压力变送器、发生脱硫器、发生过滤器、发生电磁阀、发生流量控制器、发生单向阀；
天然气重整支路21上从气体进入方向依次设有重整水泵、重整电磁阀、重整流量控制器、重整单向阀。
示例性的，所述阴极纯氧回路1上从气体进入方向依次设有第三压力变送器、第三电磁阀、第三流量控制器、第三单向阀；
示例性的，本装置还包括通入冷却水的冷却水回路4，冷却水回路4连接第五换热器67后、以热水进行输出；
燃烧回路3与第四换热器66连接后、再与第五换热器67连接；
示例性的，所述阴极支路、阳极支路上分别设有第四压力变送器、温度变送器；
温度变送器主要是将阴极支路、阳极支路通过气体所产生的温度转化为电流信号，并对应进行温度显示，方便操作人员查看到阴极支路、阳极支路上的温度。
本一种固体氧化物燃料电池发电***使用时，将纯水、天然气通入阳极原料气回路2、并与还原气体回路5相互连接后、再经过第二换热器64、重整器63，使得纯水可转化为低温、高温水蒸气，并且纯水、天然气在重整器63重整过程中得到充分利用；
将固体氧化物燃料电池的阴极与阳极排出的气体分别通入燃烧器61，并且将天然气、纯氧通过燃烧回路3进入燃烧器61、与阴极、阳极排出的气体充分燃烧，再通过第一换热器62、重整器63、第二换热器64，最终排出高纯度的二氧化碳，因此实现回收利用，提高燃料利用，满足碳排放的要求；
具体的为：阳极原料气回路2包括水蒸气发生支路22、天然气重整支路21，即纯水通过水蒸气发生支路22进入第四换热器66中，一方面可作为低温水蒸气输出，另一方面低温水蒸气的管路再连接第三换热器65进行温度调节，作为高温水蒸气输出；
天然气通过天然气重整支路21、与还原气体回路5、高温水蒸气管路混合进入第二换热器64中，并经过重整器63进行调节重整，最后进入固体氧化物燃料电池(SOFC)阳极；
还原气体回路5包括氮气供应支路51和氢气供应支路52，即根据使用环境，氮气通过氮气供应支路51进入第二换热器64内，氢气通过氢气供应支路52进入第二换热器64内；
纯氧通过阴极纯氧回路1先进入至第一换热器62、再进入固体氧化物燃料电池的阴极，因此固体氧化物燃料电池进行氧化还原反应实现电能输送；而且阳极、阴极产生的废气相应从阳极支路、阴极支路进入燃烧器61内；
燃烧回路3包括天然气供应支路31、纯氧供应支路32，即天然气通入天然气供应支路31进入燃烧器61、纯氧通入纯氧供应支路32进入燃烧器61中，其与燃烧器61内的废气充分燃烧，燃烧后气体经过第一换热器62，再为重整器63内进行的重整反应提供热量，使得从固体氧化物燃料电池排出的废气能够充分利用，然后通过第二换热器64、第三换热器65、第四换热器66、第五换热器67转化为高浓度二氧化碳，因此方便进行收集利用；
另外，阴极纯氧回路1、阳极原料气回路2、冷却水回路4、还原气体回路5、燃烧回路3上相应的压力变送器主要是将通过的气体、液体等物理压力参数转变成标准的电信号，并方便对相应管路进行监测、控制；电磁阀主要对相应管路通过气体或液体进行开闭；流量控制器主要对相应管路通过气体或液体的流量控制，单向阀主要保障相应管路中通过气体或液体的单向传输；
当本***处于启动阶段和应急状态下，通入还原气体回路5的氮气可单独工作进行本***吹扫，保障整体***的安全；
当本***处于升降温等工作状态下，还原气体回路5通入的氮气和氢气可同时工作，不仅对重整器63中作为重整催化剂进行保护，而且对固体氧化物燃料电池阳极进行保护。
另外，当本***处于启动阶段和应急状态下，天然气、纯氧通过燃烧回路3进入燃烧器61中，作为燃烧器61燃料；当本***处于稳定运行状态下，固体氧化物燃料电池阴阳两极反应后气体进入燃烧器61中，作为燃烧器61的燃料，在***启动或稳定运行的不同阶段，燃烧器61中燃料燃烧的烟气依次经过第一换热器62、重整器63、第二换热器64、第三换热器65、第四换热器66以及第五换热器67进行依次换热，最终向外提供高浓度二氧化碳烟气。

Claims (8)

1.一种固体氧化物燃料电池发电***，其特征在于，包括阴极纯氧回路(1)、阳极原料气回路(2)、燃烧回路(3)以及还原气体回路(5)；
通入纯氧的阴极纯氧回路(1)依次与第一换热器(62)、固体氧化物燃料电池的阴极连接；
通入纯水、天然气的阳极原料气回路(2)与还原气体回路(5)相互连接后、再依次与第二换热器(64)、重整器(63)、固体氧化物燃料电池的阳极连接；
固体氧化物燃料电池的阴极排出的气体通过阴极支路与燃烧器(61)连接、阳极排出的气体通过阳极支路与燃烧器(61)连接；
通入天然气、纯氧的燃烧回路(3)依次与燃烧器(61)、第一换热器(62)、重整器(63)、第二换热器(64)连接，并排出二氧化碳气体。
2.根据权利要求1所述的一种固体氧化物燃料电池发电***，其特征在于，所述阳极原料气回路(2)包括水蒸气发生支路(22)、天然气重整支路(21)；
通入纯水的水蒸气发生支路(22)先与第四换热器(66)连接，再分别作为低温水蒸气输出、与第三换热器(65)连接作为高温水蒸气输出；
通入天然气的天然气重整支路(21)与高温水蒸气管路、还原气体回路(5)相互连接混合后、再与第二换热器(64)连接；
燃烧回路(3)与第二换热器(64)连接后、再与第三换热器(65)、第四换热器(66)连接。
3.根据权利要求2所述的一种固体氧化物燃料电池发电***，其特征在于，所述还原气体回路(5)包括通入氮气的氮气供应支路(51)、通入氢气的氢气供应支路(52)；
所述氮气供应支路(51)、氢气供应支路(52)上分别从气体进入方向依次设有第一压力变送器、第一电磁阀、第一流量控制器、第一单向阀。
4.根据权利要求2所述的一种固体氧化物燃料电池发电***，其特征在于，所述燃烧回路(3)包括天然气供应支路(31)、纯氧供应支路(32)；
天然气供应支路(31)、纯氧供应支路(32)上分别从气体进入方向依次设有第二压力变送器、第二电磁阀、第二流量控制器、第二单向阀、回火阀。
5.根据权利要求2所述的一种固体氧化物燃料电池发电***，其特征在于，所述水蒸气发生支路(22)上从气体进入方向依次设有发生压力变送器、发生脱硫器、发生过滤器、发生电磁阀、发生流量控制器、发生单向阀；
天然气重整支路(21)上从气体进入方向依次设有重整水泵、重整电磁阀、重整流量控制器、重整单向阀。
6.根据权利要求2所述的一种固体氧化物燃料电池发电***，其特征在于，所述阴极纯氧回路(1)上从气体进入方向依次设有第三压力变送器、第三电磁阀、第三流量控制器、第三单向阀。
7.根据权利要求2至6任意一项所述的一种固体氧化物燃料电池发电***，其特征在于，还包括通入冷却水的冷却水回路(4)，冷却水回路(4)连接第五换热器(67)后、以热水进行输出；
燃烧回路(3)与第四换热器(66)连接后、再与第五换热器(67)连接。
8.根据权利要求7所述的一种固体氧化物燃料电池发电***，其特征在于，所述阴极支路、阳极支路上分别设有第四压力变送器、温度变送器。
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