固体氧化物燃料电池系统、功冷联供系统及其方法与流程

本发明属于能动循环领域，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。

背景技术：

本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，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。

发明人发现，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。发明人还发现，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。

技术实现要素：

为了解决上述问题，本发明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，本发明采用如下技术方案：

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。

本发明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。

本发明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吸收器相连通，精馏塔的塔底通过第三管道与第二管道相连通，所述第二管道用于将换热后的液体与第三管道内的液体混合后送至吸收器。

作为一种实施方式，所述超临界co2循环系统包括超临界co2换热器、超临界co2透平和超临界co2回热器；超临界co2换热器用于利用sofc系统中燃气轮机出口排出的气体对co2流体进行换热，换热后产生高温高压co2流体在超临界co2透平中做功后，进入超临界co2回热器对高压低温的co2流体进行加热；从超临界co2回热器出来的流体在经过lng冷能回收和燃料供应系统的冷凝器冷凝后进入泵，加压送至超临界co2回热器加热，最后进入超临界co2换热器与热源进行换热，完成循环。

本发明的第四方面提供一种功冷联供系统的工作方法，其包括：

lng冷能回收和燃料供应系统输出的甲烷且供给至固体氧化物燃料电池系统；

固体氧化物燃料电池系统中燃气轮机出口排出的气体作为超临界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。

本发明的有益效果是：

(1)本发明的固体氧化物燃料电池系统采用外部重整的电堆内部温度分布较均匀，避免了温度分布不均造成电堆材料应力不均而破裂。

(2)本发明的固体氧化物燃料电池系统采用抽气回流方式的sofc燃料和氧利用率高，降低了空气与燃料等质量流量，减少了压缩机耗功，同时减少了预热器的火用损。

(3)本发明的固体氧化物燃料电池系统阳极抽气对外部重整器前的混合气进行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，这时底循环的可用比火用也提高了；并且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。

(4)本发明的功冷联供系统同时使得用于底循环的排气温度升高，底循环可利用的比火用升高，可以产生更大的比功。

(5)本发明的功冷联供系统中的高斯瓦米循环不仅可以做功而且可以同时制冷，比例也可以根据实际情况调节，而且采用引射器进行引射而不是循环泵等的系统结构也使得设备投资相比较小。

(6)本发明的功冷联供系统中采用lng回收超临界co2的冷凝器排热，不仅可以回收lng的冷能、循环获得大的热效率，而且也可以降低冷凝器火用损，提高循环经济性。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1是本发明实施例的sofc系统结构示意图。

图2是本发明实施例的基于外部重整的sofc功冷联供系统结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

在本发明中，术语如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“侧”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，只是为了便于叙述本发明各部件或元件结构关系而确定的关系词，并非特指本发明中任一部件或元件，不能理解为对本发明的限制。

本发明中，术语如“固接”、“相连”、“连接”等应做广义理解，表示可以是固定连接，也可以是一体地连接或可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的相关科研或技术人员，可以根据具体情况确定上述术语在本发明中的具体含义，不能理解为对本发明的限制。

如图1所示，本实施例的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；

第一混合器用于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；

第二混合器用于混合预热的甲烷、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。

如图1所示，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。

在具体实施中，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。

作为一种具体实施方式，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。

本实施例的一种sofc系统的工作方法，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。

本实施例的sofc系统采用外部重整的电堆内部温度分布较均匀，避免了温度分布不均造成电堆材料应力不均而破裂。

本实施例的sofc系统采用抽气回流方式的sofc燃料和氧利用率高，降低了空气与燃料等质量流量，减少了压缩机耗功，同时减少了预热器的火用损。

本实施例的sofc系统阳极抽气对外部重整器前的混合气进行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，这时底循环的可用比火用也提高了；并且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。

实施例二

如图2所示，本实施例的基于外部重整的sofc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冷能回收和燃料供应系统和实施例一所述的sofc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sofc系统；所述sofc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。

在具体实施中，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。

作为一种具体实施方式，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吸收器相连通，精馏塔的塔底通过第三管道与第二管道相连通，所述第二管道用于将换热后的液体与第三管道内的液体混合后送至吸收器。

如图2所示，所述超临界co2循环系统包括超临界co2换热器、超临界co2透平和超临界co2回热器；超临界co2换热器用于利用sofc系统中燃气轮机出口排出的气体对co2流体进行换热，换热后产生高温高压co2流体在超临界co2透平中做功后，进入超临界co2回热器对高压低温的co2流体进行加热；从超临界co2回热器出来的流体在经过lng冷能回收和燃料供应系统的冷凝器冷凝后进入泵，加压送至超临界co2回热器加热，最后进入超临界co2换热器与热源进行换热，完成循环。

在具体实施中，所述第三管道上设置有第二节流阀。通过控制设置在第三管道上的第二节流阀的开度来调节传送至吸收器内液体的流量大小。

具体地，所述吸收器内还设置有压力传感器，所述压力传感器与控制器相连，所述控制器与泵相连。利用压力传感器检测吸收器内压力大小并传送至控制器，控制根据接收到压力大小来控制泵的运行频率。

在本实施例中，所述第一节流阀为电磁阀，所述第一节流阀与控制器相连。这样避免了手动调节，能够通过控制器准确调节第一节流阀的开度大小。所述第二节流阀为电磁阀，所述第二节流阀与控制器相连。这样避免了手动调节，能够通过控制器准确调节第二节流阀的开度大小。

本实施例的基于外部重整的sofc功冷联供系统的工作方法，包括：

lng冷能回收和燃料供应系统输出的甲烷且供给至sofc系统；

sofc系统中燃气轮机出口排出的气体作为超临界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。

本实施例基于外部重整的sofc功冷联供系统同时使得用于底循环的排气温度升高，底循环可利用的比火用升高，可以产生更大的比功。

本实施例的基于外部重整的sofc功冷联供系统中的高斯瓦米循环不仅可以做功而且可以同时制冷，比例也可以根据实际情况调节，而且采用引射器进行引射而不是循环泵等的系统结构也使得设备投资相比较小。

本实施例的基于外部重整的sofc功冷联供系统中采用lng回收超临界co2的冷凝器排热，不仅可以回收lng的冷能、循环获得大的热效率，而且也可以降低冷凝器火用损，提高循环经济性。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。