[发明专利]一种高效固体氧化物燃料电池热电联产系统及联产方法

说明书

本发明提供了一种高效固体氧化物燃料电池热电联产系统及联产方法。其中，该联产系统包括热交换设备、重整器、冷凝器、回热器、固体氧化物燃料电池、空气预热器、第一热回收器、第二热回收器、第一分流器、第二分流器和合流器。本发明的联产系统根据热容匹配、温度品位匹配原则集成了吸放热过程，可使系统向外界热用户输出的热量数量以及质量最大化，㶲效率高。通过设置热交换器，湿重整气和碳氢燃料和水混合物进行全热交换，水蒸气在湿度差驱动下传递，减少通过冷凝干燥，减少系统内高品位热量的消耗，提高系统热效率。重整气经冷凝器和回热器干燥后再通入固体氧化物燃料电池，可避免水蒸气过多而损坏燃料电池。

技术领域

本发明属于低碳能源利用技术领域，尤其涉及一种高效固体氧化物燃料电池热电联产系统及联产方法。

背景技术

燃料电池可通过电化学反应将燃料化学能直接转化为电能，伴随产生热能，不受卡诺循环限制，具有能量转换效率高、低碳无污染等优点，被广泛认为是支撑能源体系实现零碳排放的关键能源技术之一。

其中，固体氧化物燃料电池（Solid Oxide Fuel Cell，SOFC）是我国当前正经历技术转化与产业化的一种燃料电池技术，工作温度为700-1000℃，余热利用价值高，可用于热电联供，提高能源利用效率至90%以上。固体氧化物燃料电池可以与甲醇、甲烷等碳氢燃料重整制氢相结合，构建现场重整制氢直接利用的燃料电池热电联产系统，燃料来源广泛灵活，可有力保障系统持续运行。固体氧化物燃料电池热电联产可作为分布式能源，为各类民用与工业建筑、海岛边防、应急抢险等场景供应热能与电能，具有很好的发展前景和应用价值。

然而，目前的固体氧化物燃料电池热电联产系统的应用受到技术发展的限制。首先，固体氧化物燃料电池热电联产系统中含有反应物加热、重整反应等多个吸热过程，以及燃料电池电化学反应、尾气燃烧、烟气余热回收等多个放热过程，目前系统流程设计中均未考虑吸放热过程的热容量匹配问题、温度品位匹配问题，导致系统向外界热用户输出的热量数量以及质量无法最大化。其次，固体氧化物燃料电池热电联产系统中电化学反应、重整反应、尾气燃烧反应、烟气余热回收等具有不同的温度要求范围，目前系统设计中未确定最优温度，通过能量梯级利用以提高系统热效率与㶲效率。此外，柴油等碳氢燃料蒸汽重整反应生成的重整气含有大量水蒸气，未经干燥处理的重整气通入燃料电池中将会引起电池损坏，但目前系统设计中并未考虑这一点。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高效固体氧化物燃料电池热电联产系统及联产方法，旨在解决现有固体氧化物燃料电池热电联产系统所存在的热容量和温度品位不匹配，系统热效率与㶲效率较低以及未经干燥处理的重整气通入燃料电池中会导致电池损坏的问题。

本发明是这样实现的，一种高效固体氧化物燃料电池热电联产系统，包括热交换设备、重整器、冷凝器、回热器、固体氧化物燃料电池、尾气燃烧器、空气预热器、第一热回收器、第二热回收器、第一分流器、第二分流器和合流器；

所述热交换设备的低温流体出口连接所述重整器的反应物入口，所述重整器的生成物出口连接所述热交换设备的高温流体入口，所述热交换设备的高温流体出口连接所述冷凝器的高温流体入口，所述冷凝器的高温流体出口连接所述回热器低的温流体入口，所述回热器的低温流体出口连接所述固体氧化物燃料电池的阳极反应物入口；

所述空气预热器的低温流体出口连接所述固体氧化物燃料电池的阴极反应物入口；所述固体氧化物燃料电池的阴极生成物出口、阳极生成物出口均连接到所述尾气燃烧器的反应物入口，所述尾气燃烧器的烟气出口连接所述第一热回收器的高温流体入口，所述第一热回收器的高温流体出口连接所述第二分流器的入口，所述第二分流器的流体出口一路连接所述回热器的高温流体入口，另一路连接所述空气预热器的高温流体入口，所述回热器的高温流体出口连接所述合流器的入口，所述空气预热器的高温流体出口连接所述合流器入口，所述合流器的出口连接所述第二热回收器的高温流体入口，所述第二热回收器的高温流体出口与外界连通；

所述固体氧化物燃料电池产生的热能经过所述第一分流器分别供给所述重整器、热交换设备。