基于阴极与阳极再循环的SOFC/GT/SCO2混合动力系统

基于阴极与阳极再循环的sofc/gt/sco2混合动力系统
技术领域
1.本发明涉及电池及动力装置技术领域，特别是一种基于阴极与阳极再循环的sofc/gt/sco2混合动力系统。


背景技术：

2.sofc(固体氧化物燃料电池)可直接将化学能转化为电能，不受卡诺循环的限制，具有较高的能量转化效率。目前多数的sofc在600-1000℃之间运行，而sofc将化学能转换为电能的过程中是放热的过程，因此需要考虑如何保证sofc在一定温度范围内运行对系统安全运行，目前常见的解决方法是通过增加sofc阴极空气流量以带走sofc运行的多余热量，但该过程会增加空气压缩机能耗而降低系统效率。
3.公开号为cn105226314a的中国专利公开了一种利用斯特林发动机来针对水下交通工具提供sofc的热回收和温度控制。该系统由sofc、围绕sofc的隔热箱、冷却回路、以及斯特林发动机构成，通过将斯特林发动机的一端耦合到隔热箱内部，另一端耦合到冷却回路，以实现sofc系统的控温和sofc余热的发电。但目前斯特林发动机输出功率与功率密度较低，此外热源来自发动机外部，传热需要时间，因此发动机输出功率不能快速随热源功率的变化而变化。


技术实现要素：

4.针对上述现有技术缺陷，本发明的任务在于提供一种基于阴极与阳极再循环的sofc/gt/sco2混合动力系统，目的是控制sofc运行温度，提高系统效率。
5.本发明技术方案如下：一种基于阴极与阳极再循环的sofc/gt/sco2混合动力系统，包括：水泵、第一压缩机、第二压缩机、重整室、sofc、后燃室、第二涡轮、第五换热器、第八换热器以及超临界co2循环子系统，所述水泵为水加压，所述第一压缩机为天然气加压，所述加压后的水与加压后的天然气加热后进入重整室进行重整反应，所述重整室的出口连接至所述sofc的阳极为sofc提供阳极气体，空气经过所述第二压缩机加压后加热进入所述sofc的阴极为sofc提供阴极气体，所述sofc的阳极出口的第一部分气流进入所述后燃室，所述sofc的阳极出口的第二部分气流回到所述重整室，所述sofc的阴极出口的第一部分气流进入所述后燃室，所述sofc的阴极出口的第二部分气流通过所述第八换热器回到所述sofc的阴极，所述后燃室排出的气体经过所述第二涡轮做功后进入所述第五换热器为所述重整室提供重整反应所需热量；
6.所述超临界co2循环子系统包括第一涡轮和第三压缩机，由所述第三压缩机加压的二氧化碳被经过所述第一涡轮膨胀做功的二氧化碳加热后再进入所述第八换热器由所述sofc的阴极出口的第二部分气流加热再进入所述第一涡轮膨胀做功。
7.进一步地，包括第七换热器，由所述第三压缩机加压的二氧化碳被经过所述第一涡轮膨胀做功的二氧化碳加热后的第一部分进入所述第八换热器由所述sofc的阴极出口的第二部分气流加热，由所述第三压缩机加压的二氧化碳被经过所述第一涡轮膨胀做功的
二氧化碳加热后的第二部分进入所述第七换热器由所述sofc的阳极出口的第二部分气流加热，经过所述第七换热器和所述第八换热器加热的二氧化碳合并进入所述第一涡轮膨胀做功。
8.进一步地，所述超临界co2循环子系统包括第六换热器，由所述第三压缩机加压的二氧化碳与经过所述第一涡轮膨胀做功的二氧化碳在所述第六换热器换热。
9.进一步地，所述超临界co2循环子系统包括冷却器，所述冷却器连接在所述第六换热器和所述第三压缩机之间，经过所述第一涡轮膨胀做功的二氧化碳经过所述第六换热器换热冷却后再经过所述冷却器冷却并进入所述第三压缩机。
10.进一步地，所述第三压缩机采用多级压缩级间冷却工艺。
11.进一步地，包括第一混合器和第四换热器，所述加压后的水与加压后的天然气经过所述第一混合器混合，所述第一混合器的出口连接所述第四换热器的冷介质入口，所述第四换热器的冷介质出口连接至所述重整室，所述第五换热器的出口连接至所述第四换热器的热介质入口。
12.进一步地，包括第三换热器，所述第二压缩机的出口连接至所述第三换热器的冷介质入口，所述第四换热器的热介质出口连接至所述第三换热器的热介质入口。
13.进一步地，包括第二换热器，所述第一压缩机的出口连接至所述第二换热器的冷介质入口，所述第二换热器的冷介质出口连接至所述第一混合器，所述第三换热器的热介质出口连接至所述第二换热器的热介质入口。
14.进一步地，包括第一换热器，所述水泵的出口连接至所述第一换热器的冷介质入口，所述第一换热器的冷介质出口连接至所述第一混合器，所述第二换热器的热介质出口连接至所述第一换热器的热介质入口。通过第一换热器、第二换热器、第三换热器、第四换热器、第五换热器对第二涡轮排放的气体的热能进行逐级的利用，提高系统整体效率。
15.进一步地，包括第二分流器、第三分流器和第三混合器，所述第二分流器用于将所述sofc的阳极出口的气流分为第一部分和第二部分，所述第三分流器用于将所述sofc的阴极出口的气流分为第一部分和第二部分，所述第三混合器用于混合加压加热后的空气以及经过所述第八换热器的所述sofc的阴极出口的气流的第二部分并送至所述sofc的阴极。
16.本发明与现有技术相比的优点在于：
17.(1)利用阳极与阴极循环将sofc运行过程中的热量带出并驱动sco2循环发电，避免了使用大量流量阴极气体对sofc控温，不需要增加空气压缩机的耗功和投资花费，保证空气压缩机空气进口流量不变的前提下，实现sofc定温运行。
18.(2)使用阳极循环将阳极出口尾气携带的大量水蒸汽再循环至重整室内进行的是水和甲烷重整制氢保证重整反应正常进行，可以减少系统所需的水的流量。
19.(3)由sco2的循环对sofc余热进行收集并进行发电，避免了热能的浪费，提高了系统效率。
附图说明
20.图1为本发明实施例的基于阴极与阳极再循环的sofc/gt/sco2混合动力系统的结构示意图。
具体实施方式
21.下面结合实施例对本发明作进一步说明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本说明之后，本领域技术人员对本说明的各种等同形式的修改均落于本技术所附权利要求所限定的范围内。
22.请结合图1所示，本发明实施例涉及的基于阴极与阳极再循环的sofc/gt/sco2混合动力系统，其中gt为燃气轮机(涡轮)，sco2为超临界二氧化碳循环，该系统包括如下部件：水泵1；第一压缩机2；第二压缩机3；第一换热器4；第二换热器5；第三换热器6；第一混合器7；第四换热器8；第五换热器9；第二混合器10；重整室11；第三混合器12；第一分离器13；第六换热器14；冷却器15；第三压缩机16；第七换热器17；sofc 18；第八换热器19；第四混合器20；第一涡轮21；第二分离器22；第三分离器23；后燃室24；第二涡轮25。
23.基于阴极与阳极再循环的sofc/gt/sco2混合动力系统的具体结构包括燃料重整子系统、sofc/gt混合动力子系统和sco2循环子系统。
24.燃料重整子系统主要包括水泵1、第一压缩机2、第一换热器4、第二换热器5、第一混合器7、第四换热器8、第五换热器9和第二混合器10、重整室11。水泵1的出口连接至第一换热器4的冷介质入口，第一压缩机2的出口连接至第二换热器5的冷介质入口，第一换热器4的冷介质出口以及第二换热器5的冷介质出口均连接至第一混合器7的入口。第一混合器7的出口连接至第四换热器8的冷介质入口，第四换热器8的冷介质出口连接至第二混合器10的入口，第二混合器10的出口连接至重整室11。后燃室24的出口连接至第二涡轮5的入口，第二涡轮25的出口连接至第五换热器9的热介质入口，第五换热器9的热介质出口连接至第四换热器8的热介质入口。通过第五换热器9为重整室11运行提供所需的热量。第四换热器8的热介质出口连接至第三换热器6的热介质入口，第三换热器6的热介质出口连接至第二换热器5的热介质入口，第二换热器5的热介质出口连接至第一换热器4的热介质入口，第一换热器4的热介质出口对空排放。
25.sofc/gf混合动力子系统主要包括第二压缩机3、第三换热器6、第三混合器12、sofc18、第二分离器22、第三分离器23、后燃室24和第二涡轮25。第二压缩机3的出口连接至第三换热器6的冷介质入口，第三换热器6的冷介质出口连接至第三混合器12的入口。sofc 18的阴极入口与第三混合器12的出口连接，sofc 18的阳极入口与重整室11的出口连接。sofc 18的阴极出口经过第三分离器23分别连接至后燃室24和第八换热器19的热介质入口，第八换热器19的热介质出口连接至第三混合器12的入口。sofc 18的阳极出口经过第二分离器22分别连接至后燃室24和第七换热器17的热介质入口，第七换热器17的热介质出口连接至第二混合器10的入口。sofc 18的阳极出口以及阴极出口的一部分热量通过第七换热器17和第八换热器19被利用。
26.sco2循环子系统主要包括第一分离器13、第六换热器14、冷却器15、第一涡轮21、第八换热器19、第四混合器20和第三压缩机16。第三压缩机16的出口连接至第六换热器14的冷介质入口，第六换热器14的冷介质出口经过第一分离器13分别连接至第七换热器17的冷介质入口和第八换热器19的冷介质入口，第七换热器17的冷介质出口和第八换热器19的冷介质出口经过第四混合器20合并连接至第一涡轮21的入口，第一涡轮21的出口连接至第六换热器14的热介质入口，第六换热器14的热介质出口经过冷却器15连接至第三压缩机16的入口。
27.本实施例中，第三压缩机16采用多级压缩级间冷却工艺，压缩级为5级。第一分离器13的分离比(第七换热器17的冷介质入口流量与第八换热器19的冷介质入口流量之比)为2:3，第二分离器22的分离比(sofc 18的阳极出口的阳极再循环气体流量与sofc 18的阳极出口进入后燃室24的气体比)为3:2，第三分离器23的分离比(sofc 18的阴极出口的阴极再循环气体流量与sofc 18的阴极出口进入后燃室24的气体比)为3:2。系统以甲烷为燃料，进口空气由氧气与氮气组成，两者摩尔比例为0.21:0.79。
28.以下具体介绍本技术实施例提供的基于阴极与阳极再循环的sofc/gt/sco2混合动力系统的工作原理。
29.(一)燃料重整子系统
30.水由水泵1加压并通过第一换热器4加热成水蒸气，与通过第一压缩机2加压并经第二换热器5加热的天然气(甲烷)在第一混合器7混合；混合后的气体经过第四换热器8进一步加热，并与经第七换热器17冷却的sofc 18的阳极循环气于第二混合器10汇合，并进入重整室11反应生成富氢气体。
31.(二)sofc/gt混合动力子系统
32.空气经第二压缩机3压缩，并通过第三换热器6加热，与经第八换热器19冷却的sofc 18的阴极循环气于第三混合器12混合。混合后的气体进入sofc18的阴极与从重整室11出口进入sofc18的阳极的燃料气进行电化学反应，产生电能。sofc18的阳极出口气体被第二分离器22分成两路，一路进入后燃室24进行反应，一路作为阳极循环气通过第七换热器17降温后返回到第二混合器10。sofc18的阴极出口气体被第三分离器23分成两路，一路进入后燃室24参与反应，一路作为阴极循环气通过第八换热器19降温，并返回第三混合器12。进入后燃室24燃烧的高温高压气体于第二涡轮25充分膨胀做功，接着进入第五换热器9给重整室11供热。然后进一步通过第四换热器8、第三换热器6、第二换热器5和第一换热器4分别为第一混合器7的混合气、压缩的空气、加压的天然气(甲烷)以及加压的水进行加热，最后对空排放。
33.(三)sco2循环子系统
34.经过第三压缩机16压缩后的二氧化碳于第六换热器14被膨胀做功后的二氧化碳加热升温，接着进入第一分离器13分离成两路，一路通过第七换热器17由阳极循环气加热升温后进入第四混合器20，一路通过第八换热器19由阴极循环气加热升温后与另一路于第四混合器20汇合。混合后的高温高压气体于第一涡轮21膨胀做功，并进入第六换热器14被压缩后的二氧化碳冷却，冷却后的二氧化碳进入冷却器15进一步冷却，随后再进入第三压缩机16压缩，完成一个循环。第一涡轮21和第二涡轮25可带动发电机进行发电。
35.以下给出一个具体的示例进一步说明本发明的可行性。系统初始条件如表1所示，系统模拟结果如表2所示。
36.表1系统初始条件
37.项目取值项目取值燃料流量1mol/s空气流量10mol/ssofc运行温度800℃sofc运行压力5atm燃料利用效率0.80dc/ac转换效率0.97环境温度25℃环境压力1atm
进口水流量1mol/s压缩机等熵效率0.8压缩机机械效率0.98涡轮等熵效率0.85涡轮机械效率0.98水泵效率0.8
38.表2系统模拟结果
[0039][0040][0041]
该混合动力系统可实现626.53kw的总发电功率、555.06kw的净发电效率和69.18％的发电效率，对实现sofc/gt/sco2混合动力系统安全高效运行具有良好的指导价值。

技术特征：
1.一种基于阴极与阳极再循环的sofc/gt/sco2混合动力系统，其特征在于，包括：水泵、第一压缩机、第二压缩机、重整室、sofc、后燃室、第二涡轮、第五换热器、第八换热器以及超临界co2循环子系统，所述水泵为水加压，所述第一压缩机为天然气加压，所述加压后的水与加压后的天然气加热后进入重整室进行重整反应，所述重整室的出口连接至所述sofc的阳极为sofc提供阳极气体，空气经过所述第二压缩机加压后加热进入所述sofc的阴极为sofc提供阴极气体，所述sofc的阳极出口的第一部分气流进入所述后燃室，所述sofc的阳极出口的第二部分气流回到所述重整室，所述sofc的阴极出口的第一部分气流进入所述后燃室，所述sofc的阴极出口的第二部分气流通过所述第八换热器回到所述sofc的阴极，所述后燃室排出的气体经过所述第二涡轮做功后进入所述第五换热器为所述重整室提供重整反应所需热量；所述超临界co2循环子系统包括第一涡轮和第三压缩机，由所述第三压缩机加压的二氧化碳被经过所述第一涡轮膨胀做功的二氧化碳加热后再进入所述第八换热器由所述sofc的阴极出口的第二部分气流加热再进入所述第一涡轮膨胀做功。2.根据权利要求1所述的基于阴极与阳极再循环的sofc/gt/sco2混合动力系统，其特征在于，包括第七换热器，由所述第三压缩机加压的二氧化碳被经过所述第一涡轮膨胀做功的二氧化碳加热后的第一部分进入所述第八换热器由所述sofc的阴极出口的第二部分气流加热，由所述第三压缩机加压的二氧化碳被经过所述第一涡轮膨胀做功的二氧化碳加热后的第二部分进入所述第七换热器由所述sofc的阳极出口的第二部分气流加热，经过所述第七换热器和所述第八换热器加热的二氧化碳合并进入所述第一涡轮膨胀做功。3.根据权利要求1或2所述的基于阴极与阳极再循环的sofc/gt/sco2混合动力系统，其特征在于，所述超临界co2循环子系统包括第六换热器，由所述第三压缩机加压的二氧化碳与经过所述第一涡轮膨胀做功的二氧化碳在所述第六换热器换热。4.根据权利要求3所述的基于阴极与阳极再循环的sofc/gt/sco2混合动力系统，其特征在于，所述超临界co2循环子系统包括冷却器，所述冷却器连接在所述第六换热器和所述第三压缩机之间，经过所述第一涡轮膨胀做功的二氧化碳经过所述第六换热器换热冷却后再经过所述冷却器冷却并进入所述第三压缩机。5.根据权利要求1所述的基于阴极与阳极再循环的sofc/gt/sco2混合动力系统，其特征在于，所述第三压缩机采用多级压缩级间冷却工艺。6.根据权利要求1所述的基于阴极与阳极再循环的sofc/gt/sco2混合动力系统，其特征在于，包括第一混合器和第四换热器，所述加压后的水与加压后的天然气经过所述第一混合器混合，所述第一混合器的出口连接所述第四换热器的冷介质入口，所述第四换热器的冷介质出口连接至所述重整室，所述第五换热器的出口连接至所述第四换热器的热介质入口。7.根据权利要求6所述的基于阴极与阳极再循环的sofc/gt/sco2混合动力系统，其特征在于，包括第三换热器，所述第二压缩机的出口连接至所述第三换热器的冷介质入口，所述第四换热器的热介质出口连接至所述第三换热器的热介质入口。8.根据权利要求7所述的基于阴极与阳极再循环的sofc/gt/sco2混合动力系统，其特征在于，包括第二换热器，所述第一压缩机的出口连接至所述第二换热器的冷介质入口，所述第二换热器的冷介质出口连接至所述第一混合器，所述第三换热器的热介质出口连接至所
述第二换热器的热介质入口。9.根据权利要求8所述的基于阴极与阳极再循环的sofc/gt/sco2混合动力系统，其特征在于，包括第一换热器，所述水泵的出口连接至所述第一换热器的冷介质入口，所述第一换热器的冷介质出口连接至所述第一混合器，所述第二换热器的热介质出口连接至所述第一换热器的热介质入口。10.根据权利要求1所述的基于阴极与阳极再循环的sofc/gt/sco2混合动力系统，其特征在于，包括第二分流器、第三分流器和第三混合器，所述第二分流器用于将所述sofc的阳极出口的气流分为第一部分和第二部分，所述第三分流器用于将所述sofc的阴极出口的气流分为第一部分和第二部分，所述第三混合器用于混合加压加热后的空气以及经过所述第八换热器的所述sofc的阴极出口的气流的第二部分并送至所述sofc的阴极。

技术总结
本发明公开了一种基于阴极与阳极再循环的SOFC/GT/SCO2混合动力系统，包括：水泵、第一压缩机、第二压缩机、重整室、SOFC、后燃室、第二涡轮、第五换热器、第八换热器以及超临界CO2循环子系统，其中SOFC的阳极出口的一部分气流进入重整室参与重整反应，SOFC的阴极出口的一部分气流为超临界CO2循环提供热量后回到SOFC的阴极，SOFC的阳极出口和阴极出口的其余气流进入后燃室燃烧，排出的气体经过做功后为重整反应提供所需热量；超临界CO2循环子系统利用SOFC的阴极出口的一部分气流的热量形成循环进行做功。本发明在实现SOFC定温运行的前提下，充分利用SOFC运行的余热进行发电，实现了系统的安全高效运行。系统的安全高效运行。系统的安全高效运行。


技术研发人员：姚寿广 夏民杰 颜轩
受保护的技术使用者：江苏科技大学
技术研发日：2023.07.24
技术公布日：2023/9/9