基于吸附氢循环的熔融碳酸盐燃料电池系统及其工作方法技术方案

本发明专利技术公开了一种基于吸附氢循环的熔融碳酸盐燃料电池系统及其工作方法，属于高温燃料电池技术领域，IGCC系统气化炉的煤气合成气在中温变压吸附制氢装置内直接转化为H

【技术实现步骤摘要】
基于吸附氢循环的熔融碳酸盐燃料电池系统及其工作方法
本专利技术属于高温燃料电池
，涉及一种基于吸附氢循环的熔融碳酸盐燃料电池系统及其工作方法。
技术介绍
熔融碳酸盐燃料电池((MoltenCarbonateFuelCell，MCFC)是一种工作于650℃的高温燃料电池，具有不需要贵金属作催化剂、燃料来源广、噪音低、污染物基本达到近零排放、发电效率高、可实现热电联供等优点，适合于百千瓦级至兆瓦级分布式电站或固定电站，具有良好的发展前景。熔融碳酸盐燃料电池的发电过程涉及电化学反应，其中在阴极主要发生氧气吸收电子转化为阳离子，并与二氧化碳发生电化学反应生成碳酸根，碳酸根通过电解质层输送到阳极，在阳极碳酸根与氢气发生电化学反应生成水和二氧化碳，并释放出电子，释放的电子由外电路输送到阴极参与生成碳酸根的电化学反应，电子在外电路的迁移会生成电流，从而产生电能。熔融碳酸盐燃料电池的燃料适应性好，可以用甲醇、天然气、煤气、富氢气体等作为燃料，但在阳极的电化学反应实质是氢与碳酸根的反应，因此无论哪一种燃料都需要转化为氢气后才能够在阳极发生电化学反应产生电能和热。传统的煤气转化制氢技术均采用固定床反应器的反应方式，即燃料在预热后在固定床反应器中，在催化剂的作用下转化为含氢的混合气体，再经过变压吸附或者湿法脱碳的方法得到较高纯度的氢气。传统燃料处理方法工艺复杂，为避免固定床超温，往往采用多温度段多浓度段的转化方法逐步将燃料完全转化为氢气，在制氢过程中还存在反应升温提纯氢气降温的过程，造成总成系统复杂、能量转化效率低的问题；另外熔融碳酸盐燃料电池的阳极反应并不是完全反应，少部分氢气未参与电化学反应而流出阳极，传统的方法是将未反应的氢气与阴极尾气混合催化燃烧以利用氢气的能量，这种方法比较简单，但会导致氢燃料的利用率不高。
技术实现思路
为了克服上述现有技术中，熔融碳酸盐燃料电池系统复杂、能量转化效率低、氢燃料利用率不高的缺点，本专利技术的目的在于提供一种基于吸附氢循环的熔融碳酸盐燃料电池系统及其工作方法。为了达到上述目的，本专利技术采用以下技术方案予以实现：一种基于吸附氢循环的熔融碳酸盐燃料电池系统，包括中温变压吸附制氢装置、燃料电池反应堆和催化燃烧器；燃料电池反应堆包括位于两端的阴极部和阳极部，阴极部和阳极部中间设有电解质层；中温变压吸附制氢装置上设有富氢气体出口、排放气体出口和原料气入口，富氢气体出口与阳极部的入口连接；阳极部的出口连接有第一换热器；第一换热器内设有两条通道，一条通道的入口与外接的IGCC系统气化炉的煤气出口连接，通道的出口与原料气入口连接；另一条通道的入口与阳极部的出口连接，通道的出口与原料气入口连接；排放气体出口经过催化燃烧器与阴极部的入口连接。优选地，阳极部的入口与富氢气体出口之间连接有第二换热器。优选地，催化燃烧器上设有空气入口和含氢气体入口，空气入口连接至大气，含氢气体入口与排放气体出口连接。优选地，催化燃烧器的出口与阴极部的入口之间安装有第三换热器。进一步优选地，第三换热器上设有脱盐水入口和催化燃烧气体入口；催化燃烧气体入口与催化燃烧器的出口连接，脱盐水入口与外接的脱盐水连接；第三换热器上设有蒸汽出口和换热气出口；蒸汽出口连接至大气，换热气出口与阴极部的入口连接。优选地，第二换热器设有两个出口和两个入口；一个入口与富氢气体出口连接，另一个入口和阴极部的出口连接；一个出口与阳极部的入口连接；另一个为出口为尾气出口，尾气出口连接至大气。优选地，第一换热器上与阳极部的出口连接的通道上，通道的出口上安装有增压机，增压机的出口与原料气入口连接。一种基于吸附氢循环的熔融碳酸盐燃料电池系统的工作方法，具体过程为：IGCC系统气化炉中的煤气经过燃料电池反应堆的阳极部后进入中温变压吸附制氢装置，在中温变压吸附制氢装置内发生水汽变换反应、氢气与CO2分离，得到纯氢气体和少量含H2气体，纯氢气体经过催化燃烧器脱氢后进入燃料电池反应堆的阳极部，与电解质层的碳酸根发生电化学反应生成原料气，原料气再次进入中温变压吸附制氢装置中进行H2与CO2的分离，形成H2和CO2的再循环；含少量H2的排放气体经过催化燃烧器脱氢后进入燃料电池反应堆中的阴极部，与来自空气中的氧气在阴极反应生成碳酸根，通过电解质层传递到阳极部，与阳极部的H2反应生成CO2和H2O，形成CO2的循环利用。优选地，尾气包括未反应的H2和反应生成的CO2和H2O；进入燃料电池反应堆之前首先对气体进行换热，阴极部入口和阳极部入口的气体温度均为500℃；中温变压吸附制氢装置原料气入口的气体温度为270℃。与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：本专利技术公开了一种基于吸附氢循环的熔融碳酸盐燃料电池系统，IGCC系统气化炉的煤气合成气中的CO和CH4等成分在中温变压吸附制氢装置内直接转化为H2和CO2，H2和CO2气体在中温变压吸附制氢装置中分离成90％以上的富氢气体，分离得到的CO2气体中含有少量H2，在催化燃烧器内将H2全部脱除，脱除H2后的催化燃烧后的O2与CO2配比能够达到电池堆阴极的气体成分要求。阳极尾气中的CO2和未反应的H2通过增压送至中温变压吸附装置入口，再次分离并循环至电池堆发生电化学反应，形成H2和CO2的循环。本专利技术简化了熔融碳酸盐燃料电池燃料处理工艺流程，并且将阳极尾气循环至中温变压吸附装置回收CO2和未反应的氢气，进一步提高熔融碳酸盐燃料电池的系统效率和性能。即本专利技术旨在通过提高中温变压吸附的方法将煤气燃料转化为富氢气体，并通过阳极氢循环的方法充分利用氢气，从而提高系统的整体效率。进一步地，第一换热器通过热量交换降低阳极尾气的温度到200～300℃，在较低温度条件下能够送至压缩机增压，并且将煤气预热到270℃；第二换热器能够将中温变压吸附产生的富氢气体的温度进一步升高到500℃后进入电池堆阳极参与反应；第三换热器能够将催化燃烧后温度为800～1000℃的高温气体通过水冷降温至500℃，并产生一定量的热水或蒸汽，从而能够充分提高本专利技术系统的综合效率。本专利技术还公开了一种基于吸附氢循环的熔融碳酸盐燃料电池系统的工作方法，是基于上述系统完成的，IGCC系统气化炉中的煤气经过燃料电池反应堆的阳极部后进入中温变压吸附制氢装置，在中温变压吸附制氢装置内发生水汽变换反应、氢气与CO2的分离，得到纯氢气体和少量含H2气体，纯氢气体经换热升温后进入电池堆阳极，与电解质层的碳酸根发生电化学反应生成尾气，尾气经过换热增压后再次进入中温变压吸附制氢装置内进行H2与CO2的分离，形成H2和CO2的再循环；含少量H2气体经过催化燃烧器脱氢后进入燃料电池反应堆的阴极部，与来自空气中的氧气在阴极反应生成碳酸根，通过电解质层传递到阳极，与阳极的H2反应生成CO2和H2O，形成CO2的循环利用。本专利技术方法流程工艺简单，且装置结构易于搭建，易于实施，实用性较强。附图说明图1为本本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于吸附氢循环的熔融碳酸盐燃料电池系统，其特征在于，包括中温变压吸附制氢装置(2)、燃料电池反应堆(4)和催化燃烧器(6)；/n燃料电池反应堆(4)包括位于两端的阴极部(43)和阳极部(41)，阴极部(43)和阳极部(41)中间设有电解质层(42)；/n中温变压吸附制氢装置(2)上设有富氢气体出口、排放气体出口和原料气入口，富氢气体出口与阳极部(41)的入口连接；/n阳极部(41)的出口连接有第一换热器(1)；/n第一换热器(1)内设有两条通道，一条通道的入口与外接的IGCC系统气化炉的煤气出口连接，通道的出口与原料气入口连接；另一条通道的入口与阳极部(41)的出口连接，通道的出口与原料气入口连接；/n排放气体出口经过催化燃烧器(6)与阴极部(43)的入口连接。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于吸附氢循环的熔融碳酸盐燃料电池系统，其特征在于，包括中温变压吸附制氢装置(2)、燃料电池反应堆(4)和催化燃烧器(6)；
燃料电池反应堆(4)包括位于两端的阴极部(43)和阳极部(41)，阴极部(43)和阳极部(41)中间设有电解质层(42)；
中温变压吸附制氢装置(2)上设有富氢气体出口、排放气体出口和原料气入口，富氢气体出口与阳极部(41)的入口连接；
阳极部(41)的出口连接有第一换热器(1)；
第一换热器(1)内设有两条通道，一条通道的入口与外接的IGCC系统气化炉的煤气出口连接，通道的出口与原料气入口连接；另一条通道的入口与阳极部(41)的出口连接，通道的出口与原料气入口连接；
排放气体出口经过催化燃烧器(6)与阴极部(43)的入口连接。


2.根据权利要求1所述的基于吸附氢循环的熔融碳酸盐燃料电池系统，其特征在于，阳极部(41)的入口与富氢气体出口之间连接有第二换热器(3)。


3.根据权利要求1所述的基于吸附氢循环的熔融碳酸盐燃料电池系统，其特征在于，催化燃烧器(6)上设有空气入口和含氢气体入口，空气入口连接至大气，含氢气体入口与排放气体出口连接。


4.根据权利要求1所述的基于吸附氢循环的熔融碳酸盐燃料电池系统，其特征在于，催化燃烧器(6)的出口与阴极部(43)的入口之间安装有第三换热器(7)。


5.根据权利要求4所述的基于吸附氢循环的熔融碳酸盐燃料电池系统，其特征在于，第三换热器(7)上设有脱盐水入口和催化燃烧气体入口；
催化燃烧气体入口与催化燃烧器(6)的出口连接，脱盐水入口与外接的脱盐水连接；
第三换热器(7)上设有蒸汽出口和换热气出口；
蒸汽出口连接至大气，换热气出口与阴极部(43)的入口连接。


6.根据权利要求2所述的基于吸附氢循环的熔融碳酸盐燃料电池...

【专利技术属性】
技术研发人员：程健，张瑞云，许世森，卢成壮，白发琪，
申请(专利权)人：华能国际电力股份有限公司，中国华能集团清洁能源技术研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：北京;11