一种基于固体氧化物燃料电池和内燃机的联合发电系统

1.本发明涉及电能产生装置技术领域，特别是涉及一种基于固体氧化物燃料电池和内燃机的联合发电系统。


背景技术：

2.固体氧化物燃料电池是一种将化学能直接转化为电能和热能的装置，由于其具有发电效率高、低污染、工作噪声小、燃料适应性强等优点，成为各发电系统中的热门研究方案。固体氧化物燃料电池工作时，需要维持在600～1000℃，以维持氢气电化学反应的发生。在工作时，其燃料通道的尾气中存在大量的热能及未反应燃料的部分化学能，当燃料电池输出功率在上百千瓦级至兆瓦级时，其尾气适合燃气轮机工作。固体氧化物燃料电池功率低于百千瓦时，由于燃料通道的尾气中含有大量水蒸气及二氧化碳等不可燃气体，尾气能量的重复利用比较困难，使得固体氧化物燃料电池的效率降低，难以应用于分布式发电场景。


技术实现要素：

3.本发明的目的是提供一种基于固体氧化物燃料电池和内燃机的联合发电系统，能够提高固体氧化物燃料电池的原料利用率。
4.为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
5.一种基于固体氧化物燃料电池和内燃机的联合发电系统，包括：
6.第一换热重整反应器、固体氧化物燃料电池、冷凝器和内燃机；
7.所述第一换热重整反应器的第一入口用于输入燃料和水；所述第一换热重整反应器的第一出口与所述固体氧化物燃料电池的阳极入口连接；所述固体氧化物燃料电池的阳极出口与所述第一换热重整反应器的第二入口连接；所述第一换热重整反应器的第二出口与所述冷凝器的入口连接；所述冷凝器的出口与所述内燃机的入口连接；
8.燃料和水在所述第一换热重整反应器处吸热发生重整反应，得到重整混合物；所述重整混合物包括燃料、水和氢气；所述重整混合物中的氢气在所述固体氧化物燃料电池的阳极发生氧化反应，产生氢离子和阳极废气，阳极废气为所述第一换热重整反应器处的重整反应供热后进入冷凝器去除水后进入内燃机燃烧发电，生成内燃机废气由所述内燃机的出口排出；
9.所述固体氧化物燃料电池的阴极入口用于输入空气；所述氢离子使所述空气中的氧气在所述固体氧化物燃料电池的阴极处发生还原反应，生成阴极废气由所述固体氧化物燃料电池的阴极出口排出。
10.可选的，所述系统还包括：
11.第二换热重整反应器；
12.所述第二换热重整反应器的第一入口用于输入燃料和水；所述第二换热重整反应器的第一出口与所述所述第一换热重整反应器的第一入口连接；所述第二换热重整反应器
的第二入口与所述内燃机的出口连接；
13.燃料和水在所述第二换热重整反应器处吸热发生第一次重整反应，生成重整混合物进入所述第一换热重整反应器；所述重整混合物中的燃料在所述第一换热重整反应器处吸热发生第二次重整反应，生成重整混合物进入固体氧化物燃料电池；所述内燃机废气为所述第二换热重整反应器处的重整反应供热后由所述第二换热重整反应器的第二出口排出。
14.可选的，所述系统还包括：
15.第一换热器；
16.所述第一换热器的第一入口用于输入空气；所述第一换热器的第一出口与所述固体氧化物燃料电池的阴极入口连接；所述第一换热器的第二入口与所述固体氧化物燃料电池的阴极出口连接；
17.所述第一换热器用于利用所述阴极废气对进入所述固体氧化物燃料电池的空气进行余热处理；换热后的阴极废气由所述第一换热器的第二出口排出。
18.可选的，所述系统还包括：
19.第二换热器和合流三通阀；
20.所述合流三通阀的第一入口与所述第二换热重整反应器的第二出口连接；所述合流三通阀的第二入口与所述第一换热器的第二出口连接；所述合流三通阀的出口与所述第二换热器的第一入口连接；
21.所述第二换热器的第二入口用于输入燃料和水；所述第二换热器的第二出口与所述第二换热重整反应器的第一入口连接；
22.所述第二换热器用于利用混合废气对燃料和水进入预加热处理；预加热处理后的燃料和水进入所述第二换热重整反应器，换热后的混合废气由所述第二换热器的第一出口排出。
23.可选的，所述第一换热重整反应器具体包括：
24.第一重整器、第三换热器和第一外壳；
25.所述第一重整器和所述第三换热器均设置于所述第一外壳内；
26.所述第一重整器的入口作为所述第一换热重整反应器的第一入口与所述第二换热重整反应器的第一出口连接；所述第一重整器的出口作为所述第一换热重整反应器的第一出口与所述固体氧化物燃料电池的阳极入口连接；
27.所述第三换热器的入口作为所述第一换热重整反应器的第二入口与所述固体氧化物燃料电池的阳极出口连接；所述第三换热器的出口作为所述第一换热重整反应器的第二出口与所述冷凝器的入口连接；所述第三换热器用于向所述第一重整器传递热量。
28.可选的，所述第二换热重整反应器具体包括：
29.第二重整器、第四换热器和第二外壳；
30.所述第二重整器和所述第四换热器均设置于所述第二外壳内；
31.所述第二重整器的入口作为所述第二换热重整反应器的第一入口与所述第二换热器的第二出口连接；所述第二重整器的出口作为所述第二换热重整反应器的第一出口与第二重整器的入口连接；
32.所述第四换热器的入口作为所述第二换热重整反应器的第二入口与所述内燃机
的出口连接；所述第四换热器的出口作为所述第二换热重整反应器的第二出口与所述合流三通阀的第一入口连接；所述第四换热器用于向所述第二重整器传递热量。
33.可选的，所述燃料为天然气。
34.根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
35.本发明提供了一种基于固体氧化物燃料电池和内燃机的联合发电系统包括：第一换热重整反应器、固体氧化物燃料电池、冷凝器和内燃机；第一换热重整反应器的第一入口用于输入燃料和水；第一换热重整反应器的第一出口与固体氧化物燃料电池的阳极入口连接；固体氧化物燃料电池的阳极出口与第一换热重整反应器的第二入口连接；第一换热重整反应器的第二出口与冷凝器的入口连接，通过设置冷凝器将去除阳极废气中的水后进入内燃机燃烧发电，提高了固体氧化物燃料电池阳极废气的利用率。
附图说明
36.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
37.图1为本发明实施例中基于固体氧化物燃料电池和内燃机的联合发电系统结构示意图；
38.图2为本发明实施例中功率分配策略的示意图。
39.附图说明：第二热交换器-1；第二重整器-2；第四热交换器-3；第一重整器-4；第三热交换器-5；固体氧化物燃料电池阳极-6；冷凝器-7；内燃机-8；固体氧化物燃料电池阴极-9；第一热交换器-10；固体氧化物燃料电池阴极尾气通道-11。
具体实施方式
40.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
41.本发明的目的是提供一种基于固体氧化物燃料电池和内燃机的联合发电系统，能够提高固体氧化物燃料电池的原料利用率。
42.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
43.如图1，本发明提供了一种基于固体氧化物燃料电池和内燃机的联合发电系统，包括：
44.第一换热重整反应器、固体氧化物燃料电池、冷凝器7和内燃机8；
45.第一换热重整反应器的第一入口用于输入燃料和水；第一换热重整反应器的第一出口与固体氧化物燃料电池的阳极入口连接；固体氧化物燃料电池的阳极出口与第一换热重整反应器的第二入口连接；第一换热重整反应器的第二出口与冷凝器的入口连接；冷凝器的出口与内燃机的入口连接；
46.燃料和水在第一换热重整反应器处吸热发生重整反应，得到重整混合物；重整混合物包括燃料、水和氢气；重整混合物中的氢气在固体氧化物燃料电池的阳极发生氧化反应，产生氢离子和阳极废气，阳极废气为第一换热重整反应器处的重整反应供热后进入冷凝器去除水后进入内燃机燃烧发电，生成内燃机废气由内燃机的出口排出；
47.固体氧化物燃料电池的阴极入口用于输入空气；氢离子使空气中的氧气在固体氧化物燃料电池的阴极处发生还原反应，生成阴极废气由固体氧化物燃料电池的阴极出口排出。
48.此外，本发明提供的一种基于固体氧化物燃料电池和内燃机的联合发电系统，还包括：
49.第二换热重整反应器；
50.第二换热重整反应器的第一入口用于输入燃料和水；第二换热重整反应器的第一出口与第一换热重整反应器的第一入口连接；第二换热重整反应器的第二入口与内燃机的出口连接；
51.燃料和水在第二换热重整反应器处吸热发生第一次重整反应，生成重整混合物进入第一换热重整反应器；重整混合物中的燃料在第一换热重整反应器处吸热发生第二次重整反应，生成重整混合物进入固体氧化物燃料电池；内燃机废气为第二换热重整反应器处的重整反应供热后由第二换热重整反应器的第二出口排出。
52.此外，本发明提供的一种基于固体氧化物燃料电池和内燃机的联合发电系统，还包括：
53.第一换热器10；
54.第一换热器的第一入口用于输入空气；第一换热器的第一出口与固体氧化物燃料电池的阴极入口连接；第一换热器的第二入口与固体氧化物燃料电池的阴极出口连接；
55.第一换热器用于利用阴极废气对进入固体氧化物燃料电池的空气进行余热处理；换热后的阴极废气由第一换热器的第二出口排出。
56.本发明提供的一种基于固体氧化物燃料电池和内燃机的联合发电系统，还包括：
57.第二换热器1和合流三通阀3；
58.合流三通阀的第一入口与第二换热重整反应器的第二出口连接；合流三通阀的第二入口与第一换热器的第二出口连接；合流三通阀的出口与第二换热器的第一入口连接；
59.第二换热器的第二入口用于输入燃料和水；第二换热器的第二出口与第二换热重整反应器的第一入口连接；
60.第二换热器用于利用混合废气对燃料和水进入预加热处理；预加热处理后的燃料和水进入第二换热重整反应器，换热后的混合废气由第二换热器的第一出口排出。
61.优选的，第一换热重整反应器具体包括：
62.第一重整器4、第三换热器5和第一外壳(图中未示出)；
63.第一重整器和第三换热器均设置于第一外壳内；
64.第一重整器的入口作为第一换热重整反应器的第一入口与第二换热重整反应器的第一出口连接；第一重整器的出口作为第一换热重整反应器的第一出口与固体氧化物燃料电池的阳极入口连接；
65.第三换热器的入口作为第一换热重整反应器的第二入口与固体氧化物燃料电池
的阳极出口连接；第三换热器的出口作为第一换热重整反应器的第二出口与冷凝器的入口连接；第三换热器用于向第一重整器传递热量。
66.具体的，第二换热重整反应器具体包括：
67.第二重整器2、第四换热器3和第二外壳(图中未示出)；
68.第二重整器和第四换热器均设置于第二外壳内；
69.第二重整器的入口作为第二换热重整反应器的第一入口与第二换热器的第二出口连接；第二重整器的出口作为第二换热重整反应器的第一出口与第二重整器的入口连接；
70.第四换热器的入口作为第二换热重整反应器的第二入口与内燃机的出口连接；第四换热器的出口作为第二换热重整反应器的第二出口与合流三通阀的第一入口连接；第四换热器用于向第二重整器传递热量。
71.进一步的，燃料为天然气。
72.本发明提供的联合发电系统包括固体氧化物燃料电池、内燃机、四个热交换器、两个重整器、冷凝器、水泵、空气压缩机。固体氧化物燃料电池与内燃机同时发电，可以随用户变化的需求功率进行能量管理。其特点是利用燃料电池尾气及内燃机尾气中的热能，通过热交换器对燃料电池的进气通道加热，燃料在通道上两个重整器内的蒸汽重整过程中实现能量二次利用，在提高系统效率的同时延长电池的使用寿命。如图2，在需求功率变化时，系统的热能随之变化，重整器产生的氢气量随温度同时变化。氢气量决定固体氧化物燃料电池的输出功率，此时可以计算整体效率最优的功率分配方式，由燃料电池与内燃机同步改变负载，优化燃料经济性。
73.其中，,内燃机承担部分用户负载，利用固体氧化物燃料电池阳极尾气做功。固体氧化物燃料电池阳极使氢气在高温下与阳离子发生电化学反应。固体氧化物燃料电池阴极使氧气在高温下与电解质发生电化学反应。固体氧化物燃料电池设置有保温外壳。固体氧化物燃料电池的电化学反应所需氢气，由甲烷在外部重整器中的蒸汽重整反应提供。与直接使用氢燃料相比，天然气使用成本低。同时，现有的天然气站可以为用户直接提供天然气。
74.重整器中发生的甲烷蒸汽重整反应属于可逆反应，虽然在催化剂作用下，反应速度大大增加，而反应进行的程度主要与温度相关。随着温度的上升，甲烷的重整率同步上升。在重整率高时，氢气产生量同步上升，电池的发电功率上限更高。固体氧化物燃料电池在工作状态下产生的热能，超出维持工作温度的需求。通过阴极通道的空气流量调整，维持燃料电池的温度恒定。热交换器使用对流换热器，根据两种流体的流量、比热容、进口温度，可以实时地计算两者的出口温度，并以燃料通道的出口温度作为重整反应的参考温度，进行估算。根据重整器温度确定甲烷的具体重整率，进一步得到当前供给燃料电池的氢气量，换算出燃料电池当前的最大输出功率。固体氧化物燃料电池当前的功率上限及发电效率，可以结合内燃机的功率与效率变化表进行计算，得到整体效率更优的功率分配方案。并设计能量管理单元实时控制燃料电池的功率输出及燃料消耗量。联合发电系统中包括闭环控制单元，通过接收并处理重整器的温度传感器信号及用户当前的需求功率，对燃料及水的流量进行控制。在燃料电池未启动时，仅通入燃料由内燃机发电加热固体氧化物燃料电池。在燃料电池刚启动时，控制水通入燃料通道，估算氢气发生量，并调节燃料电池与内燃机的
负载。
75.甲烷的蒸汽重整是吸热反应，反应温度在300℃即可发生，利用内燃机尾气与电堆阳极尾气的热能为反应供热。在电堆的阳极尾气中含有大量热能。为充分利用电堆废热，在电池阳极尾气出口与冷凝器之间设置第三热交换器，将热能传递给重整器4；热交换器1的高温侧包含固体氧化物燃料电池阴极尾气与内燃机尾气，两者由三通阀通入热交换器。第一热交换器的低温侧包含液体水，其流量远小于高温侧流量，可以有效地汽化液态水。内燃机尾气的温度可以达到500-800℃，其流量大于燃料通道起始处的流量，可以使燃料在换热后发生蒸汽重整反应。在内燃机尾气与废气排放口之间额外设置两个换热器分别为两次蒸汽重整反应的燃料进行预热。固体氧化物燃料电池在升温至600℃前无法工作。在燃料电池工作前，利用内燃机产生的电能进行电加热，直至燃料电池升温至工作温度。
76.固体氧化物燃料电池在不同温度下，同样的输出功率有着不同的发电效率。为了维持电池较高的效率，需要使电池的工作温度维持在700-850℃之间。固体氧化物燃料电池在工作状态下产生的热能，超出维持工作温度的需求。通过阴极通道的空气流量调整，维持燃料电池的温度恒定。在固体氧化物燃料电池阴极尾气通道与进气通道之间，设置热交换器预热空气，可以减少电堆内的热应力。在燃料电池升温完成后，系统开始工作。根据温度确定重整器内，在不同温度下甲烷的具体重整率。进一步得到当前供给燃料电池的氢气量，可以换算出燃料电池当前的最大输出功率。
77.重整器内发生甲烷蒸汽重整反应和水煤气变换反应，计算两者产生氢气量的计算公式如下：
[0078][0079]
其中，
[0080][0081][0082]
u＝[1 α α
2 α
3 β β
2 β
3 αβ α2β αβ2]
t
；
[0083][0084][0085]
式中，p0，p1都是一维常数向量，t
f,o
为重整器出口处温度，为重整器入口处水蒸气流量，为重整器入口处甲烷流量，为重整器入口处甲烷流量，n
co
分别为重整器出口处甲烷、水蒸气、氢气、二氧化碳、一氧化碳的流量。δn0和δn1分别表示蒸汽重整反应和水气反应消耗的水的摩尔量，u表示一个拟合方程的各项系数，其中，α表示温度对反应的影响系数，β表示水碳比对反应的影响系数，c表示甲烷的流量，即水炭比中的炭代指的因素；s表示水流量。
[0086]
通过以上公式确定温度稳定条件下的氢气产生量到达氢气产生量阈值时说所需的甲烷量进而控制输入系统中天然气的量。
[0087]
能量管理单元由联合发电系统包括氢气估算和功率-效率估算。其中，功率-效率的确定原理如下：结合内燃机的功率与效率变化确定固体氧化物燃料电池当前的功率上限，得到整体效率更优的功率分配方案以确定燃料的输入量，进而提高本方案的经济性能。
[0088]
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。