基于太阳能甲醇重整制氢的固体氧化物燃料电池联合系统技术方案

本实用新型专利技术提供一种基于太阳能甲醇重整制氢的固体氧化物燃料电池联合系统，甲醇重整制氢子系统至少包括第一换热器和甲醇重整反应器；固体氧化物燃料电池子系统至少包括多个固体氧化物燃料电池、燃料压缩机、第二换热器、后燃室和预重整器；湿空气透平循环子系统至少包括第一燃气透平以及能够将空气与水制成湿空气的湿空气产生装置；湿空气产生装置的湿空气出口经第二换热器与阴极入口连通，甲醇重整反应器的出口依次经第一换热器、燃料压缩机和预重整器与阳极入口连通，后燃室的出口与第一燃气透平的入口连通，第一燃气透平的出口与第二换热器的入口连通。该联合系统是一项能够输出更多电力的高效发电系统，并具有更好的节能性和经济性。

Solid oxide fuel cell combined system based on solar methanol reforming for hydrogen production

The utility model provides a combined system of solid oxide fuel cells based on solar energy methanol reforming for hydrogen production. The subsystem of methanol reforming for hydrogen production includes at least a first heat exchanger and a methanol reforming reactor; the subsystem of solid oxide fuel cells includes at least a plurality of solid oxide fuel cells, fuel compressors, second heat exchangers, rear combustion chambers and pre-reformers; and the wet air turbine. The circulating subsystem includes at least the first gas turbine and the wet air generating device capable of making wet air from air and water; the wet air outlet of the wet air generating device is connected with the cathode inlet through the second heat exchanger; the outlet of the methanol reforming reactor is connected with the anode inlet through the first heat exchanger, the fuel compressor and the pre-reformer in turn; and the outlet of the rear combustion chamber is connected with the first gas turbine. The inlet is connected, and the outlet of the first gas turbine is connected with the inlet of the second heat exchanger. The combined system is an efficient power generation system that can output more electricity, and has better energy saving and economy.

【技术实现步骤摘要】
基于太阳能甲醇重整制氢的固体氧化物燃料电池联合系统
本技术涉及一种基于太阳能甲醇重整制氢的固体氧化物燃料电池联合系统，尤其涉及一种太阳能甲醇重整回收二氧化碳的SOFC-HAT高效燃料电池联合循环工艺系统。
技术介绍
面对化石能源的不断枯竭和环境污染等问题，风能、生物质能和太阳能等可再生能源大有可为。我国太阳能资源丰富且开发潜力最大，是应对能源短缺和环境污染的有效途径，但由于存在能流密度低、分布不均和间歇性等缺点，制约了太阳能资源的应用。目前最现实且有效的方法，是对传统能源利用方式加以改进并与太阳能复合，以提高能量利用效率。甲醇既可作为燃料气体直接供热力机械燃烧使用，亦可以吸收中低温太阳能制取氢气，能够解决太阳能可靠性差、不连续的问题。相比于煤或甲醇作为原料，甲醇重整制氢具有温度低、成本低、氢碳比高、便于储存运输等优点。来源丰富的液态甲醇可以直接用作阳极或重整制氢。甲醇重整燃料电池的实用是国内外较为新颖的技术。固体氧化物燃料电池(SolidOxideFuelCell，SOFC)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。固体氧化物燃料电池由阴极、阳极和电解质构成。工作状态下，氧化气在阴极发生还原反应放出电子，燃料气在阳极发生氧化反应得到电子。固体氧化物燃料电池的能量转换效率高，并具有环境友好、连续工作时间长、安全性高等优点，既可以作为小型家用和大型集中供电的固定电站，也可以用作移动电源。SOFC最理想的燃料气是氢气，其燃烧产物只有H2O，且具有化学能高、反应速率快、无不良反应、对电极材料要求低等优点。工业上氢气主要通过化石燃料的重整反应以及电解水而制备。电解水制氢虽然更加环保，但需要更高的能量消耗，其制氢成本比化石燃料重整制氢高3～6倍，因此难以推广。寻找来源丰富而且反应活性高的燃料是目前研究的重点之一。液态的甲醇容易运输和处理，而且原料价格低，来源丰富，可以用来重整制氢。湿空气透平循环(humidairturbinecycle，HATcycle)是以湿空气和燃气为工质的燃气-蒸汽联合循环，最早由日本的Mori教授于1983年提出，随后Nakamura和美国人RAO.A.D分别在1985和1989年申请了相关专利。在1990年由EPRI、FlourDaniel、Texco和UT’sTPM等公司共同组织了湿空气透平研究计划，其研究对象主要是天然气或者煤气化集成的HAT循环。1998年10月，瑞典LUND理工学院与瑞典皇家理工学院联合搭建了世界上首台以600kW微型燃气透平为基础的HAT循环实验台。意大利的AndreaLazzaretto等学者在前人的HAT循环超流程结构基础上做了深入研究，采用了AspenPlus仿真工具，得到了换热器的最优布局。在我国，HAT循环的研究始于1992年，中科院物理所首先对HAT循环的性能进行了分析研究，认为HAT循环能形成高效、高比功的新型热力循环，对其做出了高度评价。2014年，卫琛瑜基于HAT循环分轴燃气轮机试车试验对其总体性能进行了理论性研究，指出湿化器出口湿空气含湿量的变化对HAT循环燃气透平的比功有很大影响。朱华在HAT循环的基础上提出了热、电、冷联产的循环系统，详细分析了新型系统主要可控参数对系统性能的影响以及系统的经济可行性。各国学者针对HAT循环的研究主要考虑解决压气机与透平流量不匹配、循环关键部件湿化器的研究和大湿度燃烧室的重新设计问题。与其他热力循环相比，虽然HAT循环的商业化发展及投资风险还有待评估，但是与HAT循环相关的热经济性评价、HAT循环的优化以及小型HAT循环等相关的研究仍是目前动力循环领域的研究热点。鉴于此，如何提供一种联合系统，有效合理的利用太阳能资源和甲醇原料，并提高能量利用效率以及发电效率，是目前要解决的主要问题。
技术实现思路
针对现有技术中的上述缺陷，本技术提供一种基于太阳能甲醇重整制氢的固体氧化物燃料电池联合系统，采用甲醇重整制氢为固体氧化物燃料电池的燃料，并结合湿空气透平循环，有效合理利用太阳能资源和甲醇原料，并具有能量利用率高和发电效率高的特点。为实现上述目的，本技术提供的基于太阳能甲醇重整制氢的固体氧化物燃料电池联合系统，包括甲醇重整制氢子系统、固体氧化物燃料电池子系统和湿空气透平循环子系统：甲醇重整制氢子系统至少包括第一换热器和甲醇重整反应器；固体氧化物燃料电池子系统至少包括电池堆、燃料压缩机、第二换热器、后燃室和预重整器；电池堆包括多个固体氧化物燃料电池，固体氧化物燃料电池具有阴极入口、阴极出口、阳极入口和阳极出口；湿空气透平循环子系统至少包括第一燃气透平以及能够将空气与水制成湿空气的湿空气产生装置；其中，甲醇重整反应器的出口依次经第一换热器、燃料压缩机和预重整器与阳极入口连通；湿空气产生装置的湿空气出口经第二换热器与阴极入口连通；阳极出口和阴极出口均与后燃室的入口连通；后燃室的出口与第一燃气透平的入口连通；第一燃气透平的出口与第二换热器的入口连通。进一步的，阳极出口还与预重整器的入口连通。进一步的，固体氧化物燃料电池子系统还包括分离器和第一混合器，分离器具有入口和两个出口，分离器的入口与阳极出口连通，其中一个出口与后燃室的入口连通，另一个出口与混合器的入口连通；述第一混合器的入口还与燃料压缩机的出口连通，出口与预重整器的入口连通。进一步的，湿空气产生装置包括低压压气机、高压压气机、间冷器、后冷器、湿化器、第二混合器、第三混合器和第三换热器，其中：湿化器具有高温热水入口、低温空气入口、低温水出口和上述湿空气出口；第二混合器具有供补充水进入的入口以及出口，第二混合器的出口分别通过间冷器和后冷器与第三混合器的入口连通；第三混合器的出口与湿化器的高温热水入口连通；低压压气机的出口经间冷器与高压压气机的入口连通；高压压气机的出口经后冷器与湿化器的低温空气入口连通；湿化器的低温水出口经第三换热器与第三混合器的入口连通，湿化器的低温水出口与第二混合器的入口连通；第一燃气透平的出口经第二换热器与第三换热器的入口连通。进一步的，上述基于太阳能甲醇重整制氢的固体氧化物燃料电池联合系统还包括第一发电装置和第二发电装置，第一发电装置与固体氧化物燃料电池连接，第二发电装置与第一燃气透平连接。进一步的，上述基于太阳能甲醇重整制氢的固体氧化物燃料电池联合系统还包括二氧化碳吸收子系统，二氧化碳吸收子系统至少包括第一气固分离器，预重整器为内置有二氧化碳吸收剂的预重整器；第一气固分离器的入口与预重整器的出口连通，第一气固分离器的气体出口与阳极入口连通。进一步的，二氧化碳吸收子系统还包括煅烧室和第二气固分离器，其中，煅烧室的入口与第一气固分离器的固体出口连通，煅烧室的出口与第二气固分离器的入口连通；第二气固分离器的固体出口与预重整器的入口连通。进一步的，上述基于太阳能甲醇重整制氢的固体氧化物燃料电池联合系统还包括二氧化碳燃气透平发电子系统，二氧化碳燃气透平发电子系统至少包括与第二气固分离器连通的第二燃气透平。进一步的，还包括与第二燃气透平连通的二氧化碳捕集装置。进一步的，还包括与第二燃气透平连接的第三发电装置。本技术提供的基于太阳能甲醇重整制氢的固体氧化物燃料电池联合系统本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于太阳能甲醇重整制氢的固体氧化物燃料电池联合系统，其特征在于，包括甲醇重整制氢子系统、固体氧化物燃料电池子系统和湿空气透平循环子系统：所述甲醇重整制氢子系统至少包括第一换热器和甲醇重整反应器；所述固体氧化物燃料电池子系统至少包括电池堆、燃料压缩机、第二换热器、后燃室和预重整器；所述电池堆包括多个固体氧化物燃料电池，所述固体氧化物燃料电池具有阴极入口、阴极出口、阳极入口和阳极出口；所述湿空气透平循环子系统至少包括第一燃气透平以及能够将空气与水制成湿空气的湿空气产生装置；其中，所述甲醇重整反应器的出口依次经第一换热器、燃料压缩机和预重整器与所述阳极入口连通；所述湿空气产生装置的湿空气出口经第二换热器与所述阴极入口连通；所述阳极出口和阴极出口均与后燃室的入口连通；所述后燃室的出口与所述第一燃气透平的入口连通；所述第一燃气透平的出口与第二换热器的入口连通。

【技术特征摘要】
1.一种基于太阳能甲醇重整制氢的固体氧化物燃料电池联合系统，其特征在于，包括甲醇重整制氢子系统、固体氧化物燃料电池子系统和湿空气透平循环子系统：所述甲醇重整制氢子系统至少包括第一换热器和甲醇重整反应器；所述固体氧化物燃料电池子系统至少包括电池堆、燃料压缩机、第二换热器、后燃室和预重整器；所述电池堆包括多个固体氧化物燃料电池，所述固体氧化物燃料电池具有阴极入口、阴极出口、阳极入口和阳极出口；所述湿空气透平循环子系统至少包括第一燃气透平以及能够将空气与水制成湿空气的湿空气产生装置；其中，所述甲醇重整反应器的出口依次经第一换热器、燃料压缩机和预重整器与所述阳极入口连通；所述湿空气产生装置的湿空气出口经第二换热器与所述阴极入口连通；所述阳极出口和阴极出口均与后燃室的入口连通；所述后燃室的出口与所述第一燃气透平的入口连通；所述第一燃气透平的出口与第二换热器的入口连通。2.根据权利要求1所述的联合系统，其特征在于，所述阳极出口还与所述预重整器的入口连通。3.根据权利要求2所述的联合系统，其特征在于，所述固体氧化物燃料电池子系统还包括分离器和第一混合器，所述分离器具有入口和两个出口，所述分离器的入口与所述阳极出口连通，其中一个出口与后燃室的入口连通，另一个出口与混合器的入口连通；所述第一混合器的入口还与燃料压缩机的出口连通，出口与预重整器的入口连通。4.根据权利要求1所述的联合系统，其特征在于，所述湿空气产生装置包括低压压气机、高压压气机、间冷器、后冷器、湿化器、第二混合器、第三混合器和第三换热器，其中：所述湿化器具有高温热水入口、低温空气入口、低温水出口和所述湿空气出口；所述第二混合器具有供补充水进入的...

【专利技术属性】
技术研发人员：侯秦龙，赵洪滨，杨晓宇，
申请(专利权)人：中国石油大学北京，
类型：新型
国别省市：北京,11