一种集成透氧膜的零碳排放固体氧化物燃料电池发电系统

1.本发明属于零碳排放固体氧化物燃料电池领域，特别涉及一种集成透氧膜的零碳排放固体氧化物燃料电池发电系统。具体来说，是一种利用透氧膜制备氧气通入固体氧化物燃料电池，实现零碳排放的固体氧化物燃料电池发电系统。


背景技术：

2.随着世界范围内工业的高速发展，全世界对能源的需求日益增加。另外，能源的使用以化石燃料为主，排放了大量co2、n2o及硫化物等污染物，造成了环境污染，严重危害人民健康，因此，采用清洁、高效的能源利用方式，积极开发新能源，有利于国家和社会经济的可持续发展；固体氧化物燃料电池是一种直接将化学能转化为电能的能量转化装置，在650-850c高温下运行，不需要贵金属催化剂提高催化活性，系统效率高，其发电是化学能到电能的直接转化过程，因此其发电效率不受卡诺循环限制。
3.固体氧化物燃料电池由诸如氧化钇稳定氧化锆陶瓷制成的固体氧化物电解质构成，这种陶瓷材料可以使氧原子在其多孔阴极表面获得电子还原为氧离子，氧离子通过陶瓷电解质转移到燃料气充足的多孔阳极侧，与燃料发生反应，并向外电路释放出电子；由于其燃料不与空气直接混合的工作机理，避免了n2对co2的掺混，为降低排放提供了便利条件。而透氧膜可以制备高纯度氧气，在两侧压力差的作用下，通过其内部的lscf等材料，实现对氧气的选择性渗透；其工作温度通常在800-1000c。
4.2012年6月27日公布的发明专利cn 102518482 a中，涉及一种集成otm的co2零排放sofc/at/st复合动力系统，该系统包括固体氧化物燃料电池系统、氧离子传输膜系统、余热锅炉系统和co2回收液化系统等多个系统；其后燃室所需氧气由空气经氧离子传输膜系统分离生产提供，所得产物的主要成分为co2和h2o，燃烧尾气由冷凝器析出水后压缩冷却得到co2液体，系统既可以捕集co2又拥有较高的效率，但电池的性能未能得到进一步优化。
5.2018年9月87日公布的发明专利cn 108604697 a中，涉及一种从燃料电池捕集co2的系统，该系统包括固体氧化物燃料电池、净化器和阳极气体氧化器等设备；在该系统中，包含二氧化碳、水和未反应的氢气的电池阳极排气分为两股流，一股直接送入阳极气体氧化器，另一股送入净化器且其中一部分与燃料流混合，净化器排气通入阳极气体氧化器；净化器能够内部重整和净化来自燃料的氢气且产生氧气，通入阳极气体氧化器后发生反应，氧化器排气主要包括co2和h2o以及少量的h2和o2；阳极气体氧化器排气流被去除时，首先经冷却使水冷凝出来，最终获得高浓度的二氧化碳。
6.2021年5月28日公布的发明专利cn 112864438 a中，涉及一种能够实现二氧化碳捕集的高温燃料电池耦合发电系统及方法，系统中包括固体氧化物燃料电池和熔融盐酸盐燃料电池等设备；在该系统中，直接将氧气投入燃烧器与固体氧化物燃料电池阳极排气反应，燃烧尾气经换热后通入熔融碳酸盐燃料电池阴极，其阴极出口排气与通入电池的燃料换热后得到co2气体；该系统提高了熔融电解质燃料电池中的燃料利用率、耦合发电系统的发电效率以及热量的综合利用率，但该系统投入较大。
7.2021年12月28日公布的发明专利cn 113851671 a中，涉及一种净零排放的固体氧化物燃料电池系统；该系统中用了lng冷能空分机，在将液化天然气转化为天然气的同时，通入适量的空气并分离出其中的氧气制取纯氧，进而通入阳极尾气燃烧器使其出口组分为水和二氧化碳，尾气经换热器换热后通过汽水分离装置得到的高纯度二氧化碳最终被储存利用，但该系统的系统效率还存在提升的空间。
8.针对现有技术的缺点，本发明提出一种集成透氧膜的零碳排放固体氧化物燃料电池发电系统，将固体氧化物燃料电池系统与透氧膜技术进行合理耦合，改善电池工作环境，提高工作寿命；提高系统燃料利用率，提高系统效率；液化捕集co2，实现系统零排放。


技术实现要素：

9.为了解决现有技术中的缺陷，本发明公开一种集成透氧膜的零碳排放固体氧化物燃料电池发电系统，其技术方案如下：
10.一种集成透氧膜的零碳排放固体氧化物燃料电池发电系统，其特征在于，包括氧气富集模块、燃料气制备模块、电堆模块、电堆尾气处理模块、燃烧室尾气处理及再循环模块；该发电系统模式一下氧气富集模块与电堆模块相连，为其提供纯氧；模式二下氧气富集模块与电堆模块和燃烧室尾气处理及再循环模块相连，分别提供贫氧空气和纯氧；燃料气制备模块与电堆模块相连，为其提供燃料气；电堆模块分别与电堆尾气处理模块、燃烧室尾气处理及再循环模块连接，处理电堆出口的尾气。
11.本发明还公开一种集成透氧膜的零碳排放固体氧化物燃料电池发电控制方法，包括上述的集成透氧膜的零碳排放固体氧化物燃料电池发电系统，其特征为：所述控制方法通过该系统建立电堆尾气再循环提高系统燃料利用率，提高系统效率；建立燃烧室尾气再循环，控制燃烧室出口尾气温度；液化捕集尾气中的co2，实现系统零排放。
12.有益效果
13.本发明所阐述的固体氧化物燃料电池发电系统既具有高效率，又解决了co2的排放问题，具有以下特点：
14.(1)采用透氧膜装置对空气进行分离，模式一下得到纯氧后送入电堆阴极，可有效降低固体氧化物燃料电池运行中的浓度过电势，提高了电池的电化学性能；模式二下得到纯氧后送入燃烧室，经过透氧膜装置的贫氧空气经处理后送入电堆阴极，提升对电堆的冷却能力，降低系统所需空气量，降低投资成本；降低系统内部件总耗功，提高系统效率。
15.(2)模式一下电堆阴极与阳极出口气体通过气体循环控制进入燃烧器的流量，模式二下直接控制进入燃烧器的氧气的流量，在燃烧器内实现可燃气体与氧气的完全反应，燃烧产物仅为co2和h2o，经冷却与汽水分离后可直接得到高纯度co2，大大降低co2捕集能耗。
16.(3)模式一下通过循环电堆阴极出口氧气，可有效提高进入电堆阴极的氧气量，提升对电堆的冷却能力；可有效减小氧气分离单元的容量，降低投资成本；可以用于控制进入燃烧器的氧气流量，实现燃烧器内可燃气体与氧气按化学计量比完全反应。
17.(4)通过循环电堆阳极出口气体，将部分未反应的燃料处理后再次通入电堆阳极，在系统总燃料利用率不变的情况下，可提高电堆内反应物浓度，改善电堆局部运行环境，提高电堆寿命；亦可以通过该循环，在不导致电堆局部运行环境恶化的前提下，可适当提高系
统总燃料利用率，提高系统整体能效。
18.(5)燃烧后尾气经多个换热器冷却后，部分尾气(co2+h2o)循环回燃烧器，以便控制燃烧温度，使燃烧室出口温度维持在850-950℃范围内。
附图说明
19.图1为集成透氧膜的零碳排放固体氧化物燃料电池发电系统模式一示意图。
20.图2为集成透氧膜的零碳排放固体氧化物燃料电池发电系统模式二示意图。
21.图中：1-给水泵，2-低温给水换热器，3-高温给水换热器，4-燃料压缩机，5-燃料混合器，6-外重整换热器，7-外重整器，8-高燃料换热器，，9-阳极循环换热器，10-空气压缩机，11-空气混合器，12-中温空气换热器，13-高温空气换热器，14-透氧膜装置，15-空气透平，16-氧气混合器，17-电堆，18-直流/交流逆变器，19-阴极循环高温换热器，20-阴极循环低温换热器，21-阴极循环压缩机，22-阳极循环压缩机，23-燃烧室，24-冷凝器，25-二氧化碳压缩机，201-贫氧空气降温换热器，202-贫氧空气压缩机，203-贫氧空气中温换热器，204-贫氧空气高温换热器。
具体实施方式
22.本发明提出了集成透氧膜的零碳排放固体氧化物燃料电池发电系统，下面结合附图予以说明。
23.如图1所示的模式一下集成透氧膜的零碳排放固体氧化物燃料电池发电系统，给水经过给水泵1后由低温给水换热器2和高温给水换热器3加热，通入燃料混合器5；燃料由燃料压缩机4压缩后通入燃料混合器5；二者与进行循环的燃料经燃料混合器5混合，出口燃料经过外重整换热器6加热后通入外重整器7，经高温燃料换热器8加热后通入电堆17阳极；空气由空气压缩机10压缩后分为两路，一路经阴极循环低温换热器20后通入空气混合器11，另一路直接通入空气混合器11，空气混合器11出口经中温空气换热器12和高温空气换热器13加热后通入透氧膜装置14的原料侧入口，透氧膜装置14渗透测出口的氧气与进行循环的氧气经氧气混合器16混合后再通入电堆17阴极，透氧膜装置14滞留侧出口的贫氧氧气经中温空气换热器12和空气透平15后排出；电堆17阴极氧气排气分为两路：一路通入燃烧室23燃烧，另一路进行循环，通过阴极循环高温换热器19和阴极循环低温换热器20降温后由阴极循环压缩机21加压，再通过阴极循环高温换热器19升温后通入氧气混合器16混合；电堆17阳极燃料排气分为两路：一路接通入燃烧室23燃烧，另一路进行循环，通过阳极循环换热器9和低温给水换热器2降温后由阳极循环压缩机22进行加压，出口燃料通入燃料混合器5进行混合；电堆17输出端与直流/交流逆变器18连接输出电能；燃烧室出口气体经高温空气换热器13、高温燃料换热器8、外重整器7、外重整换热器6、高温给水换热器3换热后分为两路：一路返回燃烧室23保证其合适的出口温度，另一路通入冷凝器24析出水，得到高纯度co2气体，再通入二氧化碳压缩机25压缩液化，得到co2液体并储存。
24.如图2所示的模式二下集成透氧膜的零碳排放固体氧化物燃料电池发电系统，给水经过给水泵1后由低温给水换热器2和高温给水换热器3加热，通入燃料混合器5；燃料由燃料压缩机4压缩后通入燃料混合器5；二者与进行循环的燃料经燃料混合器5混合，出口燃料经过外重整换热器6加热后通入外重整器7，经电堆换热器8加热后通入电堆17阳极；空气
由空气压缩机10压缩后经高温空气换热器13加热后通入透氧膜装置14的原料侧入口，透氧膜装置14滞留侧出口的贫氧空气经贫氧空气降温换热器201降温后由贫氧空气压缩机202降压，再通过贫氧空气降温换热器201、贫氧空气中温换热器203、贫氧空气高温换热器204加热后通入电堆17阴极；透氧膜装置14渗透测出口的氧气通入燃烧室23；电堆17阳极燃料排气分为两路：一路接通入燃烧室23燃烧，另一路进行循环，通过阳极循环换热器9和低温给水换热器2降温后由阳极循环压缩机22进行加压，出口燃料通入燃料混合器5进行混合；电堆17阴极排气与贫氧空气中温换热器203、高温空气换热器13换热后排出；电堆17输出端与直流/交流逆变器18连接输出电能；燃烧室出口气体经贫氧空气高温换热器204、电堆换热器8、外重整器7、外重整换热器6、高温给水换热器3换热后分为两路：一路返回燃烧室23保证其合适的出口温度，另一路通入冷凝器24析出水，得到高纯度co2气体，再通入二氧化碳压缩机25压缩液化，得到co2液体并储存。
25.所述的一种集成透氧膜的零碳排放固体氧化物燃料电池发电系统的工作原理如下：给水经过给水泵后由低温给水换热器和高温积水换热器加热，通入燃料混合器；燃料由燃料压缩机压缩后通入燃料混合器；二者与进行循环的燃料经燃料混合器混合，出口燃料经过外重整换热器加热后通入外重整器，重整后的燃料再经高温燃料换热器加热后通入电堆阳极；模式一下空气由空气压缩机压缩后后分为两路，一路经阴极循环低温换热器换热后通入空气混合器，另一路直接通入空气混合器，空气混合器出口经经阴极循环低温换热器、中温空气换热器和高温空气换热器加热后通入透氧膜装置的原料侧入口，透氧膜装置渗透测出口的氧气与进行循环的氧气经氧气混合器混合后再通入电堆阴极，透氧膜装置滞留侧出口的贫氧氧气经中温空气换热器换热和空气透平做功后排出；电堆阴极氧气排气分为两路：一路通入燃烧室燃烧，另一路进行循环，通过阴极循环高温换热器和阴极循环低温换热器降温后由阴极循环压缩机加压，再通过阴极循环高温换热器升温后通入氧气混合器混合，提高进入电堆的总氧气量，对电堆起到更好的冷却作用；电堆阳极燃料排气分为两路：一路接通入燃烧室燃烧，另一路进行循环，通过阳极循环换热器和低温给水换热器降温后由阳极循环压缩机进行加压，出口燃料通入燃料混合器进行混合，提高总燃料利用率；电堆输出端与直流/交流逆变器连接输出电能；燃烧室出口气体经高温空气换热器、高温燃料换热器、外重整器、外重整换热器、高温给水换热器换热后分为两路：一路返回燃烧室保证其合适的出口温度，另一路通入冷凝器析出水，得到高纯度co2气体，再通入二氧化碳压缩机压缩液化，得到co2液体并储存；模式二下空气由空气压缩机压缩后经空气换热器加热后通入透氧膜装置的原料侧入口，透氧膜装置滞留侧出口的贫氧空气经贫氧空气降温换热器降温后由贫氧空气压缩机降压，再通过贫氧空气降温换热器、贫氧空气中温换热器、贫氧空气高温换热器加热后通入电堆阴极；透氧膜装置渗透测出口的氧气通入燃烧室；电堆阳极燃料排气分为两路：一路接通入燃烧室燃烧，另一路进行循环，通过阳极循环换热器和低温给水换热器降温后由阳极循环压缩机进行加压，出口燃料通入燃料混合器进行混合，提高总燃料利用率；电堆阴极排气与贫氧空气中温换热器和空气换热器换热后排出；电堆输出端与直流/交流逆变器连接输出电能；燃烧室出口气体经贫氧空气高温换热器、电堆换热器、外重整器、外重整换热器、高温给水换热器换热后分为两路：一路返回燃烧室保证其合适的出口温度，另一路通入冷凝器析出水，得到高纯度co2气体，再通入二氧化碳压缩机压缩液化，得到co2液体并储存。透氧膜装置的原料侧与渗透侧之间采用氧离子传输膜，透氧
膜装置的工作温度约为700-900℃。
26.实施例1
27.本实施例中使用上述的固体氧化物燃料电池发电系统，其中燃料的成分为天然气，电堆阳极尾气循环比例为0.2。
28.如图1所示，给水经加压、升温后在燃料混合器中与天然气、再循环的电堆阳极尾气混合，出口燃料经加热后在外重整器中进行重整制氢，重整后的燃料气经加热后投入电堆；空气经加压、升温后利用透氧膜装置富集处氧气，与再循环的电堆阴极尾气在氧气混合器中混合后投入电堆，透氧膜装置出口的贫氧空气与入口空气换热后排出；电堆尾气分为两部分，一部分以合适比例投入燃烧室燃烧，另一部分进行再循环，经换热、压缩后重新投入电堆；燃烧室尾气经换热后分为两部分，一部分重新投入燃烧室来控制尾气出口温度，另一部分经过冷凝器凝结出尾气中的水，其余二氧化碳气体通过二氧化碳压缩机加压液化实现存储。
29.本实施例的发电系统参数设定如表1所示：
30.表1
[0031][0032]
本实施例的发电系统结果如表2所示：
[0033]
表2
[0034][0035]
由表2可知，集成透氧膜的零碳排放固体氧化物燃料电池发电系统效率为41.69％，相比传统系统来看系统效率略低，显示出透氧膜装置富集氧气和液化回收二氧化碳的过程对系统效率的影响。
[0036]
以上详细描述了本发明的实施方式及有益效果，利用透氧膜装置富集氧气投入电堆，提高了电池的电化学性能；电堆尾气再循环控制了通入燃烧室的流量，实现可燃气体与氧气的完全反应，燃烧产物仅为co2和h2o，降低co2的捕集能耗；阴极尾气循环可以提升对电堆的冷却能力，又能降低富集氧气的成本；阳极尾气循环提高了系统燃料利用率，提高系统效率；燃烧室尾气循环控制燃烧室出口温度保持在合适范围内；利用冷凝器分离尾气中的水后，通过加压液化二氧化碳气体，实现系统零排放。
[0037]
实施例2
[0038]
本实施例中使用上述的固体氧化物燃料电池发电系统，其中燃料的成分为天然气，电堆阳极尾气循环比例为0.2。
[0039]
如图2所示，给水经加压、升温后在燃料混合器中与天然气、再循环的电堆阳极尾气混合，出口燃料经加热后在外重整器中进行重整制氢，重整后的燃料气经加热后投入电堆；空气经加压、升温后利用透氧膜装置富集氧气投入燃烧室，透氧膜装置出口的贫氧空气经处理后通入电堆阴极；电堆阳极尾气分为两部分，一部分以合适比例投入燃烧室燃烧，另一部分进行再循环，经换热、压缩后重新投入电堆；电堆阴极尾气经换热后排出；燃烧室尾气经换热后分为两部分，一部分重新投入燃烧室来控制尾气出口温度，另一部分经过冷凝器凝结出尾气中的水，其余二氧化碳气体通过二氧化碳压缩机加压液化实现存储。
[0040]
本实施例的发电系统参数设定如表1所示；本实施例的发电系统结果如表3所示。
[0041]
表3
[0042][0043]
由表3可知，集成透氧膜的零碳排放固体氧化物燃料电池发电系统效率为48.12％，在系统利用透氧膜装置富集氧气和液化回收二氧化碳的情况下仍然保持较好的系统效率。
[0044]
以上详细描述了本发明的实施方式及有益效果，利用透氧膜装置富集氧气投入燃烧室，实现可燃气体与氧气的完全反应，燃烧产物仅为co2和h2o，降低co2的捕集能耗；经处理的贫氧空气通入电堆阴极可以提升对电堆的冷却能力，又能降低系统空气流量，提高系统效率；阳极尾气循环提高了系统燃料利用率，提高系统效率；燃烧室尾气循环控制燃烧室出口温度保持在合适范围内；利用冷凝器分离尾气中的水后，通过加压液化二氧化碳气体，实现系统零排放。
[0045]
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明的范围内。本发明要求的保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。