一种多级燃料电池系统及其能量转换方法与流程

1.本发明涉及燃料电池，特别涉及一种多级燃料电池系统及其能量转换方法。


背景技术：

2.燃料电池可以将储存在燃料中的化学能直接转化为电能，从而不受卡诺循环的限制，避免了中间环节的能量损失，具有能量转换效率高、洁净、噪声低、燃料多样性等优点。
3.目前，燃料电池技术有质子交换膜燃料电池、高温固体氧化物燃料电池、熔融盐燃料电池等技术。其中，熔融碳酸盐燃料电池技术不仅可以高效的产生电力，相比其他燃料电池技术还可以作为co2捕集的一种方式。
4.cn107690722a公开了一种高效燃料电池系统，包含顶部燃料电池组件和底部燃料电池组件，其中顶部燃料电池组件具有数量更多的燃料电池。该系统将顶部燃料电池阳极排气混合后通入底部燃料电池组件，从而充分利用烟道气中氧气产生电力的同时，分离出高浓度co2。其技术缺陷在于：顶部燃料电池组件具有数量更多的燃料电池，将顶部燃料电池阳极排气混合后通入底部燃料电池组件，这会导致：
5.(1)流经底部燃料电池阳极的流量显著增大；
6.(2)流经底部燃料电池阳极的燃料混合气体中，燃料含量过低，进而导致底部燃料电池的燃料利用率显著降低，燃料电池系统整体效率降低；
7.(3)流经底部燃料电池阳极混合气体的进口温度显著升高(因为吸收了顶部燃料电池的过程热)，这会导致底部燃料电池运行温度高于顶部燃料电池运行温度，底部燃料电池或顶部燃料电池偏离燃料电池系统的最佳运行温度，从而导致1)燃料电池系统内不同燃料电池(即顶部燃料电池和底部燃料电池)之间温度分布不均匀；2)底部燃料电池进出口温差增大，降低电堆耐久性、加速电堆性能衰减，进而降低燃料电池系统寿命。


技术实现要素：

8.为了克服现有技术的上述缺点与不足，本发明的目的在于提供一种多级燃料电池系统，提升了多级燃料电池系统的整体燃料利用率和能量转换效率，并且提高了多级燃料电池系统的整体寿命。
9.本发明的另一目的在于提供上述多级燃料电池系统的能量转换方法。
10.本发明的目的通过以下技术方案实现：
11.一种多级燃料电池系统，包括顶部燃料电池、底部燃料电池、烟气预热器、中间再热器、燃料预转换器、燃料预热器、中间冷却器、冷却器和co2捕集装置；
12.所述顶部燃料电池包括顶部燃料电池阳极和顶部燃料电池阴极；
13.所述底部燃料电池包括底部燃料电池阳极和底部燃料电池阴极；
14.所述烟气预热器、顶部燃料电池阴极、中间再热器、底部燃料电池阴极通过管道依次连接；
15.所述烟气预热器分别通过管道与燃料预转换器、底部燃料电池阴极连接；
16.所述燃料预转换器、顶部燃料电池阳极入口、顶部燃料电池阳极出口分别与所述燃料预热器连接；
17.所述燃料预热器、中间冷却器、中间再热器、底部燃料电池阳极、冷却器、co2捕集装置通过管道依次连接。
18.优选的，所述co2捕集装置与燃料预热器通过管道连接。
19.优选的，所述冷却器、中间冷却器的冷凝水管道均与燃料预转换器连接。
20.优选的，所述co2捕集装置通过管道与底部燃料电池阴极连接。
21.优选的，所述燃料预热器通过管道与底部燃料电池阳极连接。
22.优选的，所述燃料预热器连接有外部冷水补充管道。
23.优选的，所述顶部燃料电池包括多个顶部燃料电池单元；每个顶部燃料电池单元的阴极分别与所述烟气预热器、中间再热器通过管道连接；
24.每个顶部燃料电池单元的阳极入口和阳极出口分别与所述燃料预热器连接。
25.优选的，所述底部燃料电池包括多个底部燃料电池单元；
26.所述烟气预热器、中间再热器分别通过管道与每个底部燃料电池单元的阴极连接；
27.所述中间再热器和冷却器分别与每个底部燃料电池单元的阳极连接。
28.优选的，每个底部燃料电池单元的阴极与所述co2捕集装置通过管道连接；
29.每个底部燃料电池单元的阳极与所述燃料预热器通过管道连接。
30.所述多级燃料电池系统的能量转换方法，包括：
31.将一次烟道废气通入烟气预热器，将一次燃料通入燃料预转换器；
32.一次烟道废气在烟气预热器预热后进入顶部燃料电池阳极进行反应，反应得到的二次烟道废气通入中间再热器进行冷却，同时再热从中间冷却器流出的燃料混合气体；
33.从中间再热器流出的二次烟道废气温度得到降低，满足底部燃料电池进口温度，进一步通入底部燃料电池阴极进行反应；
34.二次烟道废气通过底部燃料电池的阴极后，通入烟气预热器，对一次烟道废气进行预热；然后进一步通入燃料预转换器中，为碳氢燃料的预转换提供热源；从燃料预转换器出来的尾气排进大气中；
35.一次燃料在燃料预转换器进行预转换，随后进入燃料预热器中进行预热，从燃料预热器出来的一次燃料通入顶部燃料电池阳极进行反应；从顶部燃料电池阳极出来的二次燃料混合气体通入燃料预热器进行预热，随后通入中间冷却器进行冷却；
36.二次燃料混合气体经过中间冷却器之后，进入中间再热器，利用顶部燃料电池阴极的二次烟道废气对其进行加热；
37.二次燃料混合气体经过中间再热器之后，通入底部燃料电池阳极进行反应；从底部燃料电池阳极出来的三次燃料混合气体通入冷却器中进行冷却；从冷却器中出来的三次燃料混合气体通入co2捕集装置，分离出co2；从co2捕集装置出来的三次燃料混合气体，通过再循环回路进入燃料预转换器，与预转换后的一次燃料进行混合。
38.与现有技术相比，本发明具有以下优点和有益效果：
39.(1)本发明的多级燃料电池系统，采用中间冷却器，使得二次燃料进入底部燃料电池前移除水蒸气，从而避免流经底部燃料电池阳极的流量显著增大，同时提高二次燃料中
的燃料含量(百分比)，以进一步提高二次燃料利用率(即提高底部燃料电池的燃料利用率和能量转换效率)，进而提升多级燃料电池系统的整体燃料利用率和能量转换效率。
40.(2)本发明的多级燃料电池系统，采用中间再热器，其热源为顶部燃料电池阴极排出的二次烟道废气，它可以为顶部燃料电池阳极排出的二次燃料混合气体提供再热热量的同时，降低自身温度，从而保证进入底部燃料电池阴极的二次烟道废气温度不会过高，从而不会拉大底部燃料电池进出口温差的同时，保持底部燃料电池运行在系统最佳运行温度范围内，进而提高底部燃料电池的运行效率和耐久性；此外，避免多级燃料电池系统内不同燃料电池(即顶部燃料电池和底部燃料电池)之间温度分布不均匀，提高了多级燃料电池系统的整体寿命。
41.(3)本发明的多级燃料电池系统，顶部燃料电池和底部燃料电池燃的阳极采用串联的级联方式，充分利用燃料、提高多级燃料电池系统燃料利用率的同时，逐步提高了燃料混合气体中的co2浓度，从而使得最终三次燃料混合气体中可以分离出高纯度的co2浓度，实现高效输出电能的同时从烟道废气中捕集co2。
42.(4)本发明的多级燃料电池系统，顶部燃料电池和底部燃料电池的阴极采用串联的级联方式，充分利用了一次烟道废气中的o2作为反应物，同时尽可能的捕集了烟道废气中的co2，使得烟气侧最终尾气的co2浓度达到了最低；此外，阴极的级联方式还充分利用了二次烟道废气中的余热，使得二次烟道废气进入底部燃料电池前不再需要加热环节，实现了能量的回收利用。
43.(5)本发明的多级燃料电池系统，对冷凝水进行循环利用，将冷却器中移除的水分和中间冷却器中移除的水分回收，在燃料预转换器中进行利用(用于重整)，降低了需要外部补给水的需求量，提高了多级燃料电池系统的整体水利用率。
44.(6)本发明的多级燃料电池系统，设置了再循环回路，充分利用了三次燃料混合气体中剩余的燃料，提高了多级燃料电池系统的整体燃料利用率。
45.(7)本发明的多级燃料电池系统，燃料预转换器、烟气预热器、燃料预热器、中间再热器，均遵循能量等级/品质的合理利用，进而实现了多级燃料电池系统的能量梯级利用，进而提高了多级燃料电池系统的整体能量转换效率。
附图说明
46.图1为本发明的实施例的多级燃料电池系统烟气侧的工作回路的结构示意图。
47.图2为本发明的实施例的多级燃料电池系统燃料侧的工作回路的结构示意图。
具体实施方式
48.下面结合实施例，对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。
49.本发明的实施例的多级燃料电池系统，包括顶部燃料电池、底部燃料电池、烟气预热器、中间再热器、燃料预转换器、燃料预热器、中间冷却器、冷却器和co2捕集装置；
50.所述顶部燃料电池包括顶部燃料电池阳极和顶部燃料电池阴极；
51.所述底部燃料电池包括底部燃料电池阳极和底部燃料电池阴极；
52.所述烟气预热器、顶部燃料电池阴极、中间再热器、底部燃料电池阴极通过管道依次连接；
53.所述烟气预热器分别通过管道与燃料预转换器、底部燃料电池阴极连接；
54.所述燃料预转换器、顶部燃料电池阳极入口、顶部燃料电池阳极出口分别与所述燃料预热器连接；
55.所述燃料预热器、中间冷却器、中间再热器、底部燃料电池阳极、冷却器、co2捕集装置通过管道依次连接。
56.本实施例中，所述co2捕集装置与燃料预热器通过管道连接。
57.本实施例中，所述冷却器、中间冷却器的冷凝水管道均与燃料预转换器连接。
58.本实施例中，所述co2捕集装置通过管道与底部燃料电池阴极连接。
59.本实施例中，所述燃料预热器通过管道与底部燃料电池阳极连接。
60.本实施例中，所述燃料预热器连接有外部冷水补充管道。
61.本实施例中，所述顶部燃料电池包括多个顶部燃料电池单元；每个顶部燃料电池单元的阴极分别与所述烟气预热器、中间再热器通过管道连接；
62.每个顶部燃料电池单元的阳极入口和阳极出口分别与所述燃料预热器连接。
63.本实施例中，所述底部燃料电池可以包括多个底部燃料电池单元；
64.所述烟气预热器、中间再热器分别通过管道与每个底部燃料电池单元的阴极连接；
65.所述中间再热器和冷却器分别与每个底部燃料电池单元的阳极连接。
66.本实施例中，每个底部燃料电池单元的阴极与所述co2捕集装置通过管道连接；
67.每个底部燃料电池单元的阳极与所述燃料预热器通过管道连接。
68.本实施例中的所述多级燃料电池系统的能量转换方法，包括：
69.将一次烟道废气通入烟气预热器，将一次燃料通入燃料预转换器；
70.一次烟道废气在烟气预热器预热后进入顶部燃料电池阳极进行反应，反应得到的二次烟道废气通入中间再热器进行冷却，同时再热从中间冷却器流出的燃料混合气体；
71.从中间再热器流出的二次烟道废气温度得到降低，满足底部燃料电池进口温度，进一步通入底部燃料电池阴极进行反应；
72.二次烟道废气通过底部燃料电池的阴极后，通入烟气预热器，对一次烟道废气进行预热；然后进一步通入燃料预转换器中，为碳氢燃料的预转换提供热源；从燃料预转换器出来的尾气排进大气中；
73.一次燃料在燃料预转换器进行预转换，随后进入燃料预热器中进行预热，从燃料预热器出来的一次燃料通入顶部燃料电池阳极进行反应；从顶部燃料电池阳极出来的二次燃料混合气体通入燃料预热器进行预热，随后通入中间冷却器进行冷却；
74.二次燃料混合气体经过中间冷却器之后，进入中间再热器，利用顶部燃料电池阴极的二次烟道废气对其进行加热；
75.二次燃料混合气体经过中间再热器之后，通入底部燃料电池阳极进行反应；从底部燃料电池阳极出来的三次燃料混合气体通入冷却器中进行冷却；从冷却器中出来的三次燃料混合气体通入co2捕集装置，分离出co2；从co2捕集装置出来的三次燃料混合气体，通过再循环回路进入燃料预转换器，与预转换后的一次燃料进行混合。
76.下面从多级燃料电池系统的烟气侧(阴极)、多级燃料电池系统的燃料侧(阳极)及冷凝水循环三方面对本实施例的多级燃料电池系统进行更具体的说明：
77.1、多级燃料电池系统的烟气侧
78.图1为本实施例的多级燃料电池系统烟气侧的工作回路的结构示意图。烟气侧的气体可以为来自电厂或者工厂的一次烟道废气(未经过co2捕集的烟道废气，含有一定浓度的co2)，利用烟道废气中的o2进行反应发电，并捕集一次烟道废气中的co2。
79.自电厂或者工厂的一次烟道废气首先经过烟气预热器预热，随后进入顶部燃料电池烟气侧(阴极)进行反应。以h2为燃料作为实例，阴极反应式如方程(1)所示。其中，一次烟道废气主要是提供o2和co2参与反应，其次带走顶部燃料电池反应产生的过程热。
80.co2+1/2o2+2e-＝＝＝＝co
32-ꢀꢀ
(1)
81.经过顶部燃料电池后的一次烟道废气变成二次烟道废气，其温度升高约100℃左右，如果不进行冷却直接通入底部燃料电池中进行再次利用，将会引起底部燃料电池运行温度过高、进出口温差增大等问题。为了确保底部燃料电池进口温度维持在所需温度区间，将二次烟道废气通入中间再热器进行冷却，同时再热从中间冷却器流出的燃料混合气体，以充分利用顶部燃料电池反应的过程热。
82.从中间再热器流出的二次烟道废气温度得到降低，满足底部燃料电池进口温度，进一步通入底部燃料电池阴极进行反应，以充分利用二次烟道废气的余热的同时，进一步利用二次烟道废气中的o2并捕集其中的co2。
83.由于一次烟道废气经过顶部燃料电池后变成二次烟道废气，co2浓度降低，因此底部燃料电池效率不高。如果希望进一步提高底部燃料电池效率，可以添加一条co2补给回路(可选)，从co2捕集装置中抽取极小部分收集的高浓度co2与二次烟道废气进行混合，通入底部燃料电池，以提高底部燃料电池效率，并充分利用烟气中的o2。
84.二次烟道废气通过底部燃料电池后进一步分离co2，使得最终排出系统尾气中co2含量达到最低。此外，二次烟道废气通过底部燃料电池经过底部燃料电池之后，由于带走了底部燃料电池反应的过程热，温度升高，为了充分利用其余热，将烟气侧尾气通入烟气预热器，以预热燃料电池系统烟气侧进口的一次烟道废气。经过烟气预热器后，烟气侧尾气还有200℃左右的余热，可以进一步通入燃料预转换器中，为碳氢燃料的预转换提供热源。经过燃料预转换器中的烟气侧尾气形成烟气侧最终尾气。由于其经过多级燃料电池，其中的o2已经充分利用完，而co2浓度也达到了最低，因此可以直接排进大气中。
85.2、多级燃料电池系统的燃料侧
86.图2为本实施例的多级燃料电池系统燃料侧的工作回路的结构示意图。燃料侧的一次燃料进入多级燃料电池系统后，首先在燃料预转换器进行预转换，随后进入燃料预热器中进行预热，温度得到进一步提高。从燃料预热器出来的一次燃料通入顶部燃料电池燃料侧(阳极)进行反应，以h2为燃料作为实例，阳极反应式和总体反应式如方程(2)和(3)所示。其中，h2反应生产水蒸气h2o，并释放出co2。
87.h2+co
32-＝＝＝＝h2o+co2+2e-ꢀꢀ
(2)
88.h2+1/2o2+co2(阴极)＝＝＝＝h2o+co2(阳极)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
89.从顶部燃料电池阳极出来的二次燃料混合气体中，含有大量的反应物h2o和co2，同时由于带走了部分顶部燃料电池反应产生的过程热，二次燃料混合气体温度升高。为了除去二次燃料混合气体中的h2o，同时充分利用这部分余热，在二次燃料混合气体通入底部燃料电池前，将其通入燃料预热器对预转换后的燃料进行预热，随后通入中间冷却器以进行
进一步冷却，以分离二次燃料混合气体中的水分，降低进入底部燃料电池阳极的二次燃料混合气体流量的同时提供二次燃料混合气体中的燃料含量百分比。
90.二次燃料混合气体经过中间冷却器之后，利用顶部燃料电池阴极的二次烟道废气对其进行加热(中间再热器)。由于二次烟道废气流量远大于二次燃料混合气体流量，且经过顶部燃料电池后二次烟道废气相比一次烟道废气温度升高，故而经过中间再热器后，二次烟道废气温度可以降低至约为一次烟道废气进口温度；于此同时，将二次燃料混合气体加热至底部燃料电池运行所需进口温度。
91.由于二次燃料混合气体中仍然含有顶部燃料电池的反应产物co2，如果希望进一步提高二次燃料混合气体中燃料含量以进一步提高底部燃料电池利用率和能量转换效率，可以增加一条燃料补给管路(可选)，即给再热后的二次燃料混合气体适当补充一次燃料以提高混合气体中燃料的含量，进而提高底部燃料电池的燃料利用率和能量转换效率。
92.二次燃料混合气体经过中间冷却和中间再热之后，通入底部燃料电池进行反应。从底部燃料电池阳极出来的三次燃料混合气体中，含有大量co2、h2o和少量的燃料。将三次燃料混合气体通入冷却器中进行冷却，以分离三次燃料混合气体中的水分。将从冷却器中出来的三次燃料混合气体进一步通入co2捕集装置，由于三次燃料混合气体已经经过多级燃料电池反应和冷却器，可以分离出高浓度co2。从co2捕集装置出来的三次燃料混合气体经过去除水分和co2分离后，通过再循环回路与预转换后的一次燃料进行混合，以进一步提高多级燃料电池系统的整体燃料利用率。
93.3、冷凝水循环
94.多级燃料电池系统中，在中间冷却器和冷却器的冷却中，会从燃料混合气体中分离出大部分的冷凝水，为了充分利用这部分冷凝水，提高多级燃料电池系统的整体水利用率，如图2中所示，将冷却器的冷凝水1和中间冷却器的冷凝水2汇集成冷凝水3，送至燃料预转换器进行反应，从而提高系统水的利用率。如果冷凝水3的水流量不满足燃料预转换器的需求，则通过多级燃料电池系统外部进行补充。
95.本发明的多级燃料电池系统，采用中间冷却器，使得二次燃料进入底部燃料电池前移除水蒸气，从而避免流经底部燃料电池阳极的流量显著增大，同时提高二次燃料中的燃料含量(百分比)，以进一步提高二次燃料利用率(即提高底部燃料电池的燃料利用率和能量转换效率)，进而提升多级燃料电池系统的整体燃料利用率和能量转换效率。
96.本发明的多级燃料电池系统，采用中间再热器，其热源为顶部燃料电池阴极排出的二次烟道废气，它可以为顶部燃料电池阳极排出的二次燃料混合气体提供再热热量的同时，降低自身温度，从而保证进入底部燃料电池阴极的二次烟道废气温度不会过高，从而不会拉大底部燃料电池进出口温差的同时，保持底部燃料电池运行在系统最佳运行温度范围内，进而提高底部燃料电池的运行效率和耐久性；此外，避免多级燃料电池系统内不同燃料电池(即顶部燃料电池和底部燃料电池)之间温度分布不均匀，提高了多级燃料电池系统的整体寿命。
97.本实施例的多级燃料电池系统，顶部燃料电池和底部燃料电池燃的阳极采用串联的级联方式，充分利用燃料、提高多级燃料电池系统燃料利用率的同时，逐步提高了燃料混合气体中的co2浓度，从而使得最终三次燃料混合气体中可以分离出高纯度的co2浓度，实现高效输出电能的同时从烟道废气中捕集co2。
98.本实施例的多级燃料电池系统，顶部燃料电池和底部燃料电池的阴极采用串联的级联方式，充分利用了一次烟道废气中的o2作为反应物，同时尽可能的捕集了烟道废气中的co2，使得烟气侧最终尾气的co2浓度达到了最低；此外，阴极的级联方式还充分利用了二次烟道废气中的余热，使得二次烟道废气进入底部燃料电池前不再需要加热环节，实现了能量的回收利用。
99.本实施例的多级燃料电池系统，对冷凝水进行循环利用，将冷却器中移除的水分(冷凝水1)和中间冷却器中移除的水分(冷凝水2)回收，在燃料预转换器中进行利用(用于重整)，降低了需要外部补给水的需求量，提高了多级燃料电池系统的整体水利用率。
100.本实施例的多级燃料电池系统，设置了再循环回路，充分利用了三次燃料混合气体中剩余的燃料，提高了多级燃料电池系统的整体燃料利用率。
101.本实施例的多级燃料电池系统，燃料预转换器、烟气预热器、燃料预热器、中间再热器，均遵循能量等级/品质的合理利用，实现了多级燃料电池系统的能量梯级利用，进而提高了多级燃料电池系统的整体能量转换效率。
102.上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受所述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。