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可部分 回收利用的固体 氧化物 燃料 电池驱动冷热电联供系统

阅读：194发布：2024-01-03

专利汇可以提供可部分回收利用的固体氧化物燃料电池驱动冷热电联供系统专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明公开了一种可部分回收利用的固体氧化物燃料电池驱动冷热电联供系统，该系统由燃料电池系统、有机朗肯动力子循环系统及氨吸收式制冷子循环系统构成，燃料电池系统发电后排烟先经余热锅炉释放热量驱动有机朗肯动力循环发电和供热，再驱动氨吸收制冷子循环系统及逆行制冷，以实现对燃料的充分高效利用。，下面是可部分回收利用的固体氧化物燃料电池驱动冷热电联供系统专利的具体信息内容。

权利要求

1.可部分回收利用的固体氧化物燃料电池驱动冷热电联供系统，其特征在于：包括SOFC系统、有机朗肯循环系统和氨吸收式制冷系统，所述SOFC系统进行电化学反应，对外输出电能，所述SOFC系统电化学反应完成后，其燃料电池阳极的部分排气经回收加热后重新进入燃料电池阳极进行电化学反应，其燃料电池阴极的排气通过余热锅炉换热驱动有机朗肯循环系统对外做功，所述换热后的排气通过蒸汽发生器驱动氨吸收式制冷循环系统进行制冷。
2.如权利要求1所述的可部分回收利用的固体氧化物燃料电池驱动冷热电联供系统，其特征在于，所述SOFC系统中，燃料经燃料压缩机压缩后，经换热器V预热；水经泵I加压后，经换热器I预热；加压预热后的水和燃料与回收的部分燃料电池阳极排出的气态工质进行混合，混合后的工质经换热器II加热后进入重整器发生重整反应，重整后的混合气体通入燃料电池阳极。
3.如权利要求1所述的可部分回收利用的固体氧化物燃料电池驱动冷热电联供系统，其特征在于，所述SOFC系统中，空气经空气压缩机压缩后，依次流经换热器IV和换热器III进行预热，预热后的高压空气通入燃料电池阴极。
4.如权利要求2或3所述的可部分回收利用的固体氧化物燃料电池驱动冷热电联供系统，其特征在于，所述通入燃料电池阳极的混合气体与通入燃料电池阴极的空气在燃料电池内部发生电化学反应，对外输出电能。
5.如权利要求1所述的可部分回收利用的固体氧化物燃料电池驱动冷热电联供系统，其特征在于，所述电化学反应完成后，燃料电池阴极的排气经透平I膨胀做功后变成低压乏气，所述低压乏气进入换热器IV中对空气进行预热，随后通入余热锅炉，在余热锅炉内进行热交换用以驱动有机朗肯循环系统对外做功。
6.如权利要求1所述的可部分回收利用的固体氧化物燃料电池驱动冷热电联供系统，其特征在于，所述电化学反应完成后，燃料电池阳极的排气先通过换热器II预热重整之前的混合工质，后分为两路，一路与加压预热后的燃料和加压预热后的水混合，一路进入燃烧器与氧气充分混合后完全燃烧。
7.如权利要求6所述的可部分回收利用的固体氧化物燃料电池驱动冷热电联供系统，其特征在于，所述燃烧器中完全燃烧后的气体产物依次通过换热器III对空气进行预热、换热器V对加压后的燃料进行预热以及换热器I对加压后的水进行预热后进入CO2分离回收系统。
8.如权利要求7所述的可部分回收利用的固体氧化物燃料电池驱动冷热电联供系统，其特征在于，所述CO2分离回收系统对进入的气体产物进行降温压缩处理，用以回收产物中的水和CO2，所述回收产物水通过泵I重新进入SOFC系统。
9.如权利要求1所述的可部分回收利用的固体氧化物燃料电池驱动冷热电联供系统，其特征在于，所述有机朗肯循环系统中，有机工质气体进入透平II内膨胀做功后经回热器I换热，然后流入冷凝器I中，并在冷凝器I中冷凝成饱和溶液，同时通过冷凝器I对外界供热；
冷凝后的液态工质经泵II加压后进入回热器I进行预热，预热后的有机工质进入余热锅炉中被燃料电池阴极排气重新从液态有机工质加热为过热的有机工质气体，之后进入透平II膨胀做功，进行下一个工作循环。
10.如权利要求1所述的可部分回收利用的固体氧化物燃料电池驱动冷热电联供系统，其特征在于，所述氨吸收式制冷循环系统中，从吸收器出来的基础工作液经泵III加压后先进入回热器II进行预热，然后在蒸汽发生器中被加热；经蒸汽发生器加热所产生的饱和蒸汽进入精馏塔内进行精馏，塔顶得到高浓度的氨饱和蒸汽，塔底得到稀饱和溶液；精馏塔塔底的稀饱和溶液回流进蒸汽发生器后从发生器底部排出，随后流经回热换热器II进行换热，然后经节流阀I节流后重新进入吸收器内；精馏塔塔顶的高浓度氨饱和蒸汽进入冷凝器II被冷凝成饱和溶液，然后经节流阀II节流后进入蒸发器内蒸发制冷；蒸发器出口的氨蒸汽进入吸收器内被稀溶液吸收，从而完成一个循环过程。

说明书全文

可部分回收利用的固体 氧化物 燃料 电池驱动冷热电联供系统

技术领域

[0001] 本发明涉及冷热电联供系统，尤其涉及一种可部分回收利用的固体氧化物燃料电池驱动冷热电联供系统。

背景技术

[0002] 能源是人类赖以生存和发展的重要物质基础，在当代社会的高速发展中，正大量的消耗煤炭、石油等化石能源。但是，化石能源不可再生，且随着消耗量的不断增加，化石能源已逐渐成为一种稀缺能源，开发和使用化石能源的成本日益飞涨。因此，寻求可持续、清洁能源成为世界各国迫切需求解决的重大课题。固体氧化物燃料电池(Solid Oxide Fuel
Cell，SOFC)是一种将燃料具有的化学能直接转变为电能的高效发电装置，由于其不受卡诺循环的限制，能源转化效率达70％左右，且其反应的产物主要为水和二氧化碳(CO2)，而水无污染，CO2的排放也比一般方法低很多，因此是一种真正意义上的清洁能源。且在能源紧缺和环境污染严重的严峻形势下，燃料电池因其能量转化效率高、环境友好、噪声低且可连续工作等优势，应用在不断拓展。

[0003] 固体氧化物燃料电池，由于其独特的内部结构，使得在转功的同时实现CO2的富集，更有利于CO2的低能耗回收。并且SOFC的废气温度较高，可以与其他循环整合成复合系统，回收废气能量，提升系统效率。一般的SOFC复合循环是将在电池堆中反应完之后从阴极和阳极出来的气体进行混合燃烧，进一步提升燃料电池的效率。但是在电池堆中完成电化
学反应之后，阳极的CO2浓度很高，有利于CO2的回收，若将其与阴极的排气进行混合燃烧，虽然燃料电池的效率会提高，但是氧气、氮气、水和二氧化碳等多种气体进行混合，不利于CO2回收。有研究采用SOFC的阴极和阳极不接触的办法，阳极排气未反应完全的混合气体通入
一个后燃室，与纯氧进行混合燃烧。燃烧的产物只有CO2和水，水通过降温分离，CO2的浓度可以达到99％。而阴极只有氧气和氮气，完全不会对环境造成影响。这种办法能很好地回收
CO2，但相比一般的SOFC复合效率会低，而且后燃室进行纯氧燃烧，温度很高，对燃烧器的负荷较大。在此基础上，本文提出对阳极排气进行部分回收，与燃料混合后再次进入SOFC电池堆，以保证在较好的回收CO2的基础上，不降低SOFC的复合效率。

[0004] 有机朗肯循环系统(organic Rankine cycle,ORC)采用低沸点有机物作为运行工质，其较传统的动力循环在与中低温热源匹配方面更具优势，故已成为余热利用的有效方
式之一。在不同的热源条件下，选用不同的有机朗肯循环结构以及运行工质对提升系统的
热力性能有着重要意义。

[0005] 鉴于从燃料电池出来的排气温度很高，为进一步提升燃料利用效率、热效率及效率，可将有机朗肯循环与燃料电池进行耦合，即排气通过余热锅炉驱动有机朗肯循环发
电及供热，此后，由于排气温度仍然较高，为进一步回收烟气余热，可将从余热锅炉出来的烟气引入氨吸收式制冷循环系统中，从而实现冷热电联供，为燃料电池的高效运行提供新
的解决途径。

发明内容

[0006] 为了解决现有技术的不足，本发明提供了一种可部分回收利用的固体氧化物燃料电池驱动的冷热电联供系统，该系统由燃料电池系统、有机朗肯动力子循环系统及氨吸收
式制冷子循环系统构成，燃料电池系统发电后排烟先经余热锅炉(HRVG)释放热量驱动有机
朗肯动力循环发电和供热，再驱动氨吸收制冷子循环进行制冷，以实现对燃料的充分高效
利用。

[0007] 为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：

[0008] 可部分回收利用的固体氧化物燃料电池驱动冷热电联供系统，包括SOFC系统、有机朗肯循环系统和氨吸收式制冷循环系统，所述SOFC系统进行电化学反应，对外输出电能，所述SOFC系统电化学反应完成后，其燃料电池阳极的部分排气经回收加热后重新进入燃料
电池阳极进行电化学反应，其燃料电池阴极的排气通过余热锅炉换热驱动有机朗肯循环系
统对外做功，所述换热后的排气通过蒸汽发生器驱动氨吸收式制冷循环系统进行制冷。

[0009] 进一步的，所述SOFC系统中，燃料经燃料压缩机压缩后，经换热器V预热；水经泵I加压后，经换热器I预热；加压预热后的水和燃料与回收的部分燃料电池阳极排出的气态工质进行混合，混合后的工质经换热器II加热后进入重整器发生重整反应，重整后的混合气体通入燃料电池阳极。

[0010] 进一步的，所述SOFC系统中，空气经空气压缩机压缩后，依次流经换热器IV和换热器III进行预热，预热后的高压空气通入燃料电池阴极。

[0011] 进一步的，所述通入燃料电池阳极的混合气体与通入燃料电池阴极的空气在燃料电池内部发生电化学反应，对外输出电能。

[0012] 进一步的，所述电化学反应完成后，燃料电池阴极的排气经透平I膨胀做功后变成低压乏气，所述低压乏气进入换热器IV中对空气进行预热，随后通入余热锅炉，在余热锅炉内进行热交换用以驱动有机朗肯循环系统对外做功。

[0013] 进一步的，所述电化学反应完成后，燃料电池阳极的排气先通过换热器II预热重整之前的混合工质，后分为两路，一路与加压预热后的燃料和加压预热后的水混合，一路进入燃烧器与氧气充分混合后完全燃烧。

[0014] 进一步的，所述燃烧器中完全燃烧后的高温排气依次通过换热器III对空气进行预热、换热器V对加压后的燃料进行预热以及换热器I对加压后的水进行预热后进入CO2分
离回收系统。

[0015] 进一步的，所述CO2分离回收系统对进入的气体产物进行降温压缩处理，用以回收产物中的水和CO2，所述回收产物水通过泵I重新进入SOFC系统。

[0016] 进一步的，所述有机朗肯循环系统中，有机工质气体进入透平II内膨胀做功后经回热器I换热，然后流入冷凝器I中，并在冷凝器I中冷凝成饱和溶液，同时通过冷凝器I对外界供热；冷凝后的液态工质经泵II加压后进入回热器I进行预热，预热后的有机工质进入余热锅炉中被燃料电池阴极排气重新从液态有机工质加热为过热的有机工质气体，之后进入
透平II膨胀做功，进行下一个工作循环。

[0017] 进一步的，所述氨吸收式制冷系统中，从吸收器出来的基础工作液经泵III加压后先进入回热器II进行预热，然后在蒸汽发生器中被加热；经蒸汽发生器加热所产生的饱和
蒸汽进入精馏塔内进行精馏，塔顶得到高浓度的氨饱和蒸汽，塔底得到稀饱和溶液；精馏塔塔底的稀饱和溶液回流进蒸汽发生器后从发生器底部排出，随后流经回热换热器II进行换
热，然后经节流阀I节流后重新进入吸收器内；精馏塔塔顶的高浓度氨饱和蒸汽进入冷凝器II被冷凝成饱和溶液，然后经节流阀II节流后进入蒸发器内蒸发制冷；蒸发器出口的氨蒸
汽进入吸收器内被稀溶液吸收，从而完成一个循环过程。

[0018] 与现有技术相比，本发明的有益效果是：

[0019] (1)燃料电池通过电化学反应进行发电，清洁无污染，并且阴极和阳极产物不接触，便于回收阳极废气中的二氧化碳，阴极工质只有氧气和氮气便于利用，且不会污染大气环境。

[0020] (2)SOFC燃料电池阴极只有氧气和氮气，排气温度高，且相比阳极数量多，本文联供系统将SOFC系统与有机朗肯循环及制冷循环进行集成耦合，增加循环做功量和制冷量，
并回收部分热量进行供热，提升联供系统热效率和效率。

[0021] (3)有机朗肯循环采用回热式，工质采用甲苯作为循环工质，甲苯性质稳定，并与系统匹配性较好，有利于燃料电池阴极余热的回收；制冷循环采用氨吸收式制冷循环系统，氨吸收式制冷技术比较成熟、制冷效果好且元件简单，体积小，便于集成系统的实际应用。

[0022] (4)燃料电池阳极出口排气可进行部分回收且回收比例可调，可调范围为0～0.3。从阳极出来的排气包括CO、CO2、H2和H2O，进行部分回收，能够提升燃料利用率及燃料电池的发电量，并降低燃烧器及重整器的负荷，延长其使用寿命。在水蒸汽碳比一定的情况下，进行部分回收还可以减少对外界水的需求量，能够降低成本。
附图说明

[0023] 构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

[0024] 图1为本发明基于SOFC驱动的冷热电联供系统。

[0025] 其中，T1-透平I；T2-透平II；HE1-换热器I；HE2-换热器II；HE3-换热器III；HE4-换热器IV；HE5-换热器V；R-预重整器；R1-回热器I；B-燃烧器；R2-回热器II；Con1-冷凝器I；Con2-冷凝器II；P1-泵I；P2-泵II；P3-泵III；HRVG-余热锅炉；C1-燃料压缩机；C2-空气压缩机；C3-CO2压缩机；V1-膨胀阀I；V2-膨胀阀II；Rec-精馏塔；G-蒸汽发生器；Abs-吸收器；
Eva-蒸发器；SOFC-燃料电池。

具体实施方式

[0026] 下面结合附图与具体实施例对本发明做进一步的说明。

[0027] 应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

[0028] 需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

[0029] 在本发明中，术语如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“侧”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，只是为了便于叙述本发明各部件或元件结构关系而确定的关系词，并非特指本发明中任一部件或元件，不能理解为对本发明的限制。

[0030] 本发明中，术语如“固接”、“相连”、“连接”等应做广义理解，表示可以是固定连接，也可以是一体地连接或可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的相关科研或技术人员，可以根据具体情况确定上述术语在本发明中的具体含义，不能理解为对本发明的限制。

[0031] 正如背景技术所介绍的，现有技术中还存在能源紧缺和能源使用造成环境污染的问题，为了解决如上的技术问题，本申请提供了一种可部分回收利用的固体氧化物燃料电
池驱动冷热电联供系统，该系统由燃料电池系统、有机朗肯动力子循环系统及氨吸收式制
冷子循环系统构成，燃料电池系统发电后阴极排烟先经余热锅炉释放热量驱动有机朗肯动
力循环发电和供热，再驱动氨吸收制冷子循环，同时燃料电池阳极部分排气回收利用，以实现对燃料的充分高效利用。

[0032] 如图1所示，一种可部分回收利用的固体氧化物燃料电池驱动冷热电联供系统，包括SOFC系统、有机朗肯循环(ORC)系统和氨吸收式制冷循环系统，所述SOFC系统进行电化学反应，对外输出电能，所述SOFC系统电化学反应完成后，其燃料电池阳极的部分排气经回收加热后重新进入燃料电池阳极进行电化学反应，其燃料电池阴极的排气通过余热锅炉
(HRVG)换热驱动有机朗肯循环(ORC)系统对外做功，所述换热后的排气通过蒸汽发生器驱
动氨吸收式制冷系统进行制冷。

[0033] 所述SOFC系统包括燃料电池(SOFC)、泵I(P1)、燃料压缩机(C1)、重整器(R)、燃烧器(B)、空气压缩机(C2)、透平I(T1)、换热器I(HE1)、换热器II(HE2)、换热器III(HE3)、换热器IV(HE4)和换热器V(HE5)。

[0034] 所述SOFC系统中，燃料(1)经燃料压缩机(C1)压缩后(2)，经换热器V(HE5)预热(3)；水(15)经泵I(P1)加压后(16)，经换热器I(HE1)预热(17)；加压预热后的水(17)与加压预热后的燃料(3)与回收的部分燃料电池阳极排出的气态工质(8f)进行混合，混合后的工
质(4)经换热器II(HE2)加热后(5)进入重整器(R)发生重整反应，水和燃料，如甲烷，经重整后生成一氧化碳和氢气，重整后的混合气体(6)进入燃料电池的阳极；空气(18)先经空气压缩机(C2)压缩(19)，后经换热器IV(HE4)预热(20)，再经换热器III(HE3)预热后进入燃料电池的阴极；进入燃料电池阳极的混合气体与进入燃料电池的阴极的空气在燃料电池内部发
生电化学反应，对外输出电能。

[0035] 燃料电池电化学反应完成后，从阴极出来的排气(22)先经透平I(T1)膨胀做功后变成低压乏气(23)，低压乏气(23)通过换热器IV(HE4)预热空气(24)后，通入余热锅炉
(HRVG)内驱动有机朗肯循环对外做功；燃料电池电化学反应完成后，从阳极出来的排气(7)先通过换热器II(HE2)预热重整之前的混合工质，后分为两路，一路(8f)与加压预热后的燃料(3)和加压预热后的水(17)混合，一路(9)进入燃烧器(B)与氧气(10)混合充分完全燃烧。

[0036] 从燃烧器中出来的完全燃烧后的气体产物(11)依次通过换热器III(HE3)对空气进行预热(12)、换热器V(HE5)对加压后的燃料进行预热(13)以及换热器I(HE1)对加压后的
水进行预热(14)后进入CO2分离回收系统。

[0037] CO2分离回收系统对进入的气体产物进行降温压缩处理，用以回收产物中的水和CO2，所述回收产物水通过泵I重新进入SOFC系统。

[0038] 所述有机朗肯循环系统包括余热锅炉(HRVG)、透平II(T2)、回热器I(R1)、冷凝器I(Con1)和泵II(P2)。系统工作时，有机工质气体(27)进入透平II(T2)内膨胀做功，做功出来的低压乏气(28)先经回热器I(R1)换热(29)，然后流入冷凝器I(Con1)，并在冷凝器I(Con1)冷凝成饱和溶液(30)，同时通过冷凝器I(Con1)对外界供热；冷凝后的液态工质经泵II(P2)加压后(31)进入回热器I(R1)进行预热，预热后的有机工质(32)进入余热锅炉(HRVG)中被燃料电池阴极排气重新从液态有机工质加热为过热的有机工质气体，之后进入透平膨胀做
功，进行下一个工作循环。

[0039] 从余热锅炉出来的高温气体作为驱动热源驱动氨吸收式制冷循环系统，进行制冷。

[0040] 所述氨吸收式制冷循环系统包括蒸汽发生器(G)、精馏塔(Rec)、冷凝器II(Con2)、节流阀I(V1)、节流阀II(V2)、回热器II(R2)、蒸发器(Eva)、吸收器(Abs)和泵III(P3)。该制冷循环系统中，从吸收器出来的基础工作液(33)经泵III(P3)加压后(34)先进入回热器II(R2)换热(35)，然后在蒸汽发生器(G)中被排气加热；经蒸汽发生器(G)加热所产生的饱和
蒸气(39)进入精馏塔(Rec)内进行精馏，塔顶得到高浓度的氨饱和蒸气，塔底得到稀饱和溶液(40)；精馏塔塔底的稀饱和溶液(40)回流进蒸汽发生器后从发生器底部排出(36)，随后
流经回热换热器II(R2)进行换热(37)，然后经节流阀I(V1)节流后(38)进入吸收器(Abs)
内；精馏塔塔顶的高浓度氨饱和蒸气(41)进入冷凝器II(Con2)被冷凝成饱和溶液(42)，然
后经节流阀II(V2)节流后(43)进入蒸发器(Eva)内蒸发制冷；蒸发器出口的氨蒸气(44)进
入吸收器内被稀溶液(19)吸收，从而完成一个循环过程。

[0041] 在具体实施中，本发明运用EES 软件建立了冷热电联供系统的热力学模型。为了方便分析与讨论，本文选定燃料甲烷的摩尔流量为0.0616mol·s-1，有机朗肯动力子循环的有机循环工质为甲苯，联供系统其他输入参数值如表1所示。

[0042] 表1系统输入参数

[0043]

[0044]

[0045] 根据建立的热力学模型和工质的物性参数，计算得出系统各状态点的热力学参数值，如表2所示。该新型冷热电联供系统的性能计算结果如表3所示，计算结果表明，在设计工况下，本文所提出的冷热电联供系统联供热效率为72.27％，联供效率为56.81％，有机朗肯动力子循环效率为21.03％，氨吸收式制冷COP为0.4804。

[0046] 表2循环中各点的计算结果

[0047]

[0048]

[0049]

[0050] 表3联供系统性能参数

[0051]

[0052]

[0053] 以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

[0054] 上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

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