[发明专利]利用太阳能供热和高温热化学储热的SOFC-GT联合发电系统

说明书

一种利用太阳能供热和高温热化学储热的SOFC‑GT联合发电系统，包括聚光吸热单元，高温耦合储热器，SOFC加热炉，燃气轮机单元，回热换热单元和连接管路阀门。系统中太阳能与气体燃料分别作为SOFC和燃气轮机发电的主要热源并耦合互补，同时实现部分高温气体循环使用和温度梯级利用。此外系统采用固体储热、不同温度段的热化学储热和相变储热的级联储热方式，实现了SOFC加热、充放热效率、储热密度和出口温度稳定性的均衡，同时固体储热段还具有过滤和分流作用。运行模式包括：太阳能供热及充热，短期辐照波动时高温耦合储热器放热，长期无太阳辐照时燃气供热及高温耦合储热器放热。所述系统可连续稳定运行，发电效率和太阳能利用率高，适用范围广。

技术领域

本发明涉及一种利用太阳能供热和高温热化学储热的SOFC-GT联合发电系统。

背景技术

燃料电池是将燃料中的化学能直接转化为电能的一类电化学装置，不受卡诺循环限制，高效清洁。尤其固体氧化物燃料电池(SOFC)具有设计简单、发电效率高、规模弹性大、寿命长、全固态结构、无需贵金属催化剂、无噪音和零污染等优点，此外SOFC对燃料杂质有一定容忍度，燃料和氧化剂不直接接触可低成本实现CO₂捕集，因此SOFC 已备受关注并成为国内外竞相研究开发的热点课题。有望在不久的将来走向商业化应用。但主要问题是对工作温度的要求较为苛刻，高温SOFC工作温度在800-1000℃左右，材料性能要求高，气体密封复杂，同时也导致余热回收利用困难。针对SOFC的加热一般采用燃料燃烧方式实现高温，但是会增加污染和耗能。中国专利CN 106299425 A提出将SOFC与燃烧器进行组合，使燃烧器产生的高温烟气为SOFC提供高温工作环境。中国专利CN 208272033 U构设出了一种管状火焰燃烧器-固体氧化物电池系统，利用管状火焰燃烧器与SOFC的优越性，并结合了蒸汽发电系统和换热器实现了余热回收，扩大了燃料利用范围。中国专利CN 109312480 A提出了一种具有加热能力的SOEC系统，通过增加的面比电阻ASR的电解质实现储热。

使用聚光太阳能为SOFC发电系统提供热源可以实现清洁无污染供热，但太阳辐照的强烈的不连续性和不稳定性，系统的运行也具有强烈的波动性和间歇性，需要储热系统克服太阳能直接利用时所存在的能量密度低、连续性差、分布不均匀的问题。目前太阳能热利用领域中可以选择的高温储热方式主要包括三种：显热储热、相变潜热储热和化学能储热。其中显热储热主要采用石英石、混凝土作为储热介质结合熔融盐、导热油或空气等作为传热和储热流体；而中高温相变储热材料一般采用无机固液相变材料，如熔融盐(硝酸盐或碳酸盐)。中高温热化学储热包括金属氢化物体系、金属氧化物体系、有机体系、氨分解体系、无机氢氧化物体系和碳酸盐体系等种类，而其中金属氧化物储热可使用空气同时作为反应介质和传热储热流体，方便与太阳能热利用结合。Mn₂O₃/ Mn₃O₄，BaO₂/BaO，Co₃O₄/CoO三种常见的金属氧化物反应基对，反应方程式如下：

2Co₃O₄→6CoO+O₂，T_red＝895℃,ΔH＝205kJ/mol；

6CoO+O₂→2Co₃O₄,T_ox＝875℃,ΔH＝205kJ/mol；

6Mn₂O₃→4Mn₃O₄+O₂,T_red＝850℃,ΔH＝46kJ/mol；

4Mn₃O₄+O₂→6Mn₂O₃,T_ox＝720℃,ΔH＝46kJ/mol；