[发明专利]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

说明书

本发明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。

技术领域

本发明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。

背景技术

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(Solid Oxide Fuel Cell，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(humid air turbine cycle，HAT cycle)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、Flour Daniel、Texco和UT’s TPM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Andrea Lazzaretto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Aspen Plus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。