CN219610494U - 一种适用于水下环境的sofc发电系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种适用于水下环境的SOFC发电系统，包括SOFC电堆、分别与SOFC电堆连接的燃料气供应系统和氧气供应单元及尾气回收系统，尾气回收系统包括阳极尾气吸收回路和阴极氧气循环回路，阳极尾气吸收回路上设有用于吸收SOFC电堆阳极尾气经过完全燃烧后产生的CO₂的CO₂吸收装置，阴极氧气循环回路将未参与反应的氧气重新通入SOFC电堆阴极进行循环利用。本实用新型还设有水蒸气回热器、燃料气回热器和氧气回热器，实现了对燃烧烟气和高温氧气的余热进行有效利用。本实用新型提供的SOFC发电系统适用于水下环境，不依赖空气，实现了对氧气和尾气的充分回收利用，对运行过程中的余热进行回收利用。

Description

一种适用于水下环境的SOFC发电系统

技术领域

本实用新型涉及固体氧化物燃料电池发电技术领域，进一步地涉及一种适用于水下环境的SOFC发电系统。

背景技术

随着现代社会对节能减排、环境保护的要求越来越高，开发高效清洁低排放的能源动力装置成为了人们的迫切需求。燃料电池作为一种直接将燃料中的化学能转化为电能的动力装置，其发电效率高、排放清洁、噪音低，是各国大力发展的能源装备之一。其中，固体氧化物燃料电池(SOFC)采用全固态电池结构，工作温度高，燃料适应性广，可靠性高，更是具有其他类型燃料电池不具备的优点，是一种理想的未来动力装置。

一个常规的SOFC发电系统通常具备以下关键设备：SOFC电堆、重整反应器、尾气燃烧器和换热器，其基本发电流程为：化石燃料(天然气、柴油等)和水经重整反应器重整反应后，生成含氢混合气(燃料气)，进入SOFC电堆进行电化学反应对外输出电能，未反应的燃料气进入尾气燃烧器进行燃烧，为系统提供所需热量。

目前大多数SOFC系统研究针对的都是地面上使用空气的SOFC系统，对于适用于水下环境的SOFC发电系统的研究还相对较少。如需应用于水下环境，还需解决如下问题：

1、由于固体氧化物燃料电池的特点，空气是大量过量的，SOFC发电系统虽然对空气进行了燃烧利用，但也只是利用了其中一小部分空气，仍有大量空气直接排放。若在水下环境的SOFC发电系统中使用氧气代替空气，但氧气是极其宝贵的，直接排放导致运行成本增加；

2、因SOFC发电系统最终排放的气体产物包括N₂、O₂、CO₂、CO、H₂等，气体成分复杂，即使使用各种处理方法，也不可能做到没有气体排放或者代价极大；

3、SOFC发电系统在运行时需要外部能量的供应，在实现高效发电的同时产生大量的余热，还会排出高温的尾气，余热和高温尾气直接排空造成了能量的浪费。

实用新型内容

针对现有技术中应用于水下环境的SOFC发电系统存在浪费物料和尾气无法有效利用的问题，本实用新型的目的在于提供一种适于水下环境的SOFC发电系统，该系统对SOFC发电系统产生的尾气和未参与反应的氧气进行回收利用，充分利用了固体燃料燃烧释放的热量，减少能量损耗和运行成本，更加环保。

为了实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：

一种适用于水下环境的SOFC发电系统，包括SOFC电堆、与所述SOFC电堆阳极入口连接的燃料气供应系统、与所述SOFC电堆阴极入口连接的氧气供应单元和尾气回收系统，所述燃料气供应系统包括依次连接的重整反应器和燃料气回热器，所述燃料气回热器的冷侧入口与所述重整反应器的出口连接，所述燃料气回热器的冷侧出口与所述SOFC电堆的阳极入口连接，所述燃料气回热器的热侧入口连通所述SOFC电堆阳极出口，以利用所述SOFC电堆阳极出口的高温尾气加热送入所述SOFC电堆阳极入口的重整燃料气；所述尾气回收系统包括阳极尾气吸收回路和阴极氧气循环回路，所述阳极尾气吸收回路上设有CO₂吸收装置，用于吸收全部或部分所述SOFC电堆阳极尾气经过完全燃烧后产生的CO₂；所述阴极氧气循环回路与所述氧气供应单元连通。

在一些实施方式中，所述阳极尾气吸收回路上还设有燃料气冷却器和尾气燃烧器，所述燃料气冷却器的入口与所述燃料气回热器的热侧出口连通，所述燃料气冷却器的出口与所述尾气燃烧器的入口连通，所述尾气燃烧器的出口与所述CO₂吸收装置的入口连通；所述尾气燃烧器入口还设有纯氧供应单元，以提供与所述SOFC电堆阳极排出的尾气进行当量燃烧的纯氧。

在一些实施方式中，所述燃料气供应系统包括分别与所述重整反应器单独连接的燃料供应单元和水蒸气供应单元，所述水蒸气供应单元包括依次连接的水泵和水蒸气发生器，所述水泵出口的去离子水进入所述水蒸气发生器内被加热为过热水蒸气。

在一些实施方式中，所述水蒸气发生器的冷侧入口连通水泵的出口，所述水蒸气发生器的冷侧出口连通所述重整反应器的入口，所述水蒸气发生器的热侧入口连通所述SOFC电堆阳极的出口，所述水蒸气发生器的热侧出口连通所述CO₂吸收装置的入口。

在一些实施方式中，所述阴极氧气循环回路上沿氧气流动方向依次设有氧气回热器、氧气冷却器和氧循环泵，所述氧气回热器的热侧入口与所述SOFC电堆阴极的出口连通，所述氧气回热器的热侧出口与所述氧气冷却器的入口连通，所述氧气回热器的冷侧入口与所述氧气供应单元连通，所述氧气回热器的冷侧出口与所述SOFC电堆阴极的入口连通。

在一些实施方式中，所述CO₂吸收装置内设有气水分离装置，用于分离燃烧烟气内的水和未被吸收的CO₂，未被吸收的CO₂进入所述SOFC发电系统重新参与循环，水进行回收利用或排放。

与现有技术相比，本实用新型所提供的适用于水下环境的SOFC发电系统具有以下有益效果：

1、本实用新型设置阴极氧气循环回路，利用氧循环泵将未参与反应的氧气重新通入SOFC电堆阴极进行循环利用，充分利用氧气，减少运行成本；

2、本实用新型对SOFC电堆阳极产生的尾气进行了当量燃烧处理，确保燃烧器出口产物只有CO₂和水，经CO₂吸收装置吸收一部分CO₂后，未被吸收的CO₂再循环进入重整反应器，整个系统没有任何气体排放，更加环保；

3、本实用新型提供的SOFC发电系统内设有水蒸气回热器、燃料气回热器和氧气回热器，实现了对燃烧烟气和高温氧气的余热都进行了高匹配度的回收利用，无额外热量消耗，整体能量利用率较高，经济效益高，具有良好的市场前景。

附图说明

下面将以明确易懂的方式，结合附图说明优选实施方式，对本实用新型的上述特性、技术特征、优点及其实现方式予以进一步说明。

图1为本实用新型提供的SOFC发电系统的整体结构示意图。

附图标号说明：

1—水泵；2—水蒸气发生器；3—重整反应器；4—燃料气回热器；5—SOFC电堆；6—尾气冷却器；7—尾气燃烧器；8—CO₂吸收装置；9—氧气回热器；10—氧气冷却器；11—氧循环泵。

具体实施方式

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对照附图说明本实用新型的具体实施方式。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图，并获得其他的实施方式。

为使图面简洁，各图中只示意性地表示出了与实用新型相关的部分，它们并不代表其作为产品的实际结构。另外，以使图面简洁便于理解，在有些图中具有相同结构或功能的部件，仅示意性地绘示了其中的一个，或仅标出了其中的一个。在本文中，“一个”不仅表示“仅此一个”，也可以表示“多于一个”的情形。

还应当进一步理解，在本申请说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。

在本文中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

另外，在本申请的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

参考说明书附图1，本实用新型所提供的适用于水下环境的SOFC发电系统，包括SOFC电堆5、与SOFC电堆5阳极入口连接的燃料气供应系统、与SOFC电堆5阴极入口连接的氧气供应单元和尾气回收系统，燃料气供应系统包括依次连接的重整反应器3和燃料气回热器4，燃料气回热器4的冷侧入口与重整反应器3的出口连接，燃料气回热器4的冷侧出口与SOFC电堆5的阳极入口连接，燃料气回热器4的热侧入口连通SOFC电堆5阳极出口，以利用SOFC电堆5阳极出口的高温尾气加热送入SOFC电堆5阳极入口的重整燃料气；尾气回收系统包括阳极尾气吸收回路和阴极氧气循环回路，阳极尾气吸收回路上设有CO₂吸收装置8，用于吸收全部或部分SOFC电堆5阳极尾气经过完全燃烧后产生的CO₂；阴极氧气循环回路与氧气供应单元连通。

在一个实施例中，参考说明书附图1，阳极尾气吸收回路上还设有燃料气冷却器6和尾气燃烧器7，燃料气冷却器6的入口与燃料气回热器4的热侧出口连通，燃料气冷却器6的出口与尾气燃烧器7的入口连通，尾气燃烧器7的出口与CO₂吸收装置8的入口连通；尾气燃烧器8入口还设有纯氧供应单元，以提供与SOFC电堆5阳极排出的尾气进行当量燃烧的纯氧。

在上述实施例中，CO₂吸收装置8内设有气水分离装置，用于分离燃烧烟气内的水和未被吸收的CO₂，未被吸收的CO₂进入SOFC发电系统重新参与循环，水进行回收利用或排放。

在一个实施例中，参考说明书附图1，燃料气供应系统包括分别与重整反应器3单独连接的燃料供应单元和水蒸气供应单元，水蒸气供应单元包括依次连接的水泵1和水蒸气发生器2，水泵1出口的去离子水进入水蒸气发生器2内被加热为过热水蒸气。

在上述实施例中，水蒸气发生器2的冷侧入口连通水泵1的出口，水蒸气发生器2的冷侧出口连通重整反应器3的入口，水蒸气发生器2的热侧入口连通SOFC电堆5阳极的出口，水蒸气发生器2的热侧出口连通CO₂吸收装置8的入口。

优选的，水蒸气发生器2的热侧入口连通尾气燃烧器7的出口，水蒸气发生器2的热侧出口连通CO₂吸收装置8的入口，利用SOFC电堆5阳极出口的尾气燃烧产生的高温烟气加热去离子水变成过热水蒸气。

在一个实施例中，参考说明书附图1，阴极氧气循环回路上沿氧气流动方向依次设有氧气回热器9、氧气冷却器10和氧循环泵11，氧气回热器9的热侧入口与SOFC电堆5阴极的出口连通，氧气回热器9的热侧出口与氧气冷却器10的入口连通，氧气回热器9的冷侧入口与氧气供应单元连通，氧气回热器9的冷侧出口与SOFC电堆5阴极的入口连通。

以下为本实用新型提供的适用于水下环境的SOFC发电系统的工艺流程：

去离子水通过水泵1输送到水蒸气发生器2内被加热为700～750℃的高温过热水蒸气，燃料和高温过热水蒸气一起进入重整反应器3，通过水蒸气预重整反应生成含H₂、CH₄、CO₂、CO的高温混合燃料气，预重整反应温度450～550℃，压力为常压。混合燃料气经燃料气回热器4加热后进入SOFC电堆5的阳极。

新鲜氧气进入氧气回热器9加热升温后，温度达到650～700℃，进入SOFC电堆5的阴极。

混合燃料气和氧气在SOFC电堆5中发生电化学反应发出电后，SOFC电堆5阳极产生的高温尾气经过燃料气回热器4和混合燃料气换热，再通过燃料气冷却器6冷却控温后，温度冷却到370～420℃，和纯氧在尾气燃烧器7进行当量燃烧，燃烧产物只有水和CO₂，SOFC电堆5阳极尾气当量燃烧所需要的氧气流量，由下式计算：

式中，为所需氧气流量，mol/s

为燃料重整反应可以得到的等效氢气流量，mol/s

I为SOFC电堆输出电流，A

F为法拉第常数，C/mol。

尾气燃烧产生的烟气进入水蒸气发生器2内进行换热，利用高温烟气加热去离子水变成高温过热水蒸气。换热后的燃烧烟气经过CO₂吸收装置8去除大部分CO₂后，通过气水分离装置对水和未被吸收的CO₂进行分离，水可以进行回收利用或排放，而未被吸收的CO₂则进入重整反应器3进一步参与重整反应。

SOFC电堆5阴极出口排出未参与反应的高温氧气依次经过氧气回热器9与新鲜氧气换热以及氧气冷却器10冷却控温后，温度达到170～220℃，经氧循环泵11重新与新鲜氧气混合，通过氧气回热器6进一步升温后，重新进入SOFC电堆5的阴极进行反应。

以上仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。

Claims (6)

1.一种适用于水下环境的SOFC发电系统，其特征在于，

包括SOFC电堆、与所述SOFC电堆阳极入口连接的燃料气供应系统、与所述SOFC电堆阴极入口连接的氧气供应单元和尾气回收系统，

所述燃料气供应系统包括依次连接的重整反应器和燃料气回热器，所述燃料气回热器的冷侧入口与所述重整反应器的出口连接，所述燃料气回热器的冷侧出口与所述SOFC电堆的阳极入口连接，所述燃料气回热器的热侧入口连通所述SOFC电堆阳极出口，以利用所述SOFC电堆阳极出口的高温尾气加热送入所述SOFC电堆阳极入口的重整燃料气；

所述尾气回收系统包括阳极尾气吸收回路和阴极氧气循环回路，所述阳极尾气吸收回路上设有CO₂吸收装置，用于吸收全部或部分所述SOFC电堆阳极尾气经过完全燃烧后产生的CO₂；所述阴极氧气循环回路与所述氧气供应单元连通。

2.根据权利要求1所述的SOFC发电系统，其特征在于，

所述阳极尾气吸收回路上还设有燃料气冷却器和尾气燃烧器，所述燃料气冷却器的入口与所述燃料气回热器的热侧出口连通，所述燃料气冷却器的出口与所述尾气燃烧器的入口连通，所述尾气燃烧器的出口与所述CO₂吸收装置的入口连通；

所述尾气燃烧器入口还设有纯氧供应单元，以提供与所述SOFC电堆阳极排出的尾气进行当量燃烧的纯氧。

3.根据权利要求1所述的SOFC发电系统，其特征在于，

所述燃料气供应系统包括分别与所述重整反应器单独连接的燃料供应单元和水蒸气供应单元，所述水蒸气供应单元包括依次连接的水泵和水蒸气发生器，所述水泵出口的去离子水进入所述水蒸气发生器内被加热为过热水蒸气。

4.根据权利要求3所述的SOFC发电系统，其特征在于，

所述水蒸气发生器的冷侧入口连通水泵的出口，所述水蒸气发生器的冷侧出口连通所述重整反应器的入口，所述水蒸气发生器的热侧入口连通所述SOFC电堆阳极的出口，所述水蒸气发生器的热侧出口连通所述CO₂吸收装置的入口。

5.根据权利要求1所述的SOFC发电系统，其特征在于，

所述阴极氧气循环回路上沿氧气流动方向依次设有氧气回热器、氧气冷却器和氧循环泵，所述氧气回热器的热侧入口与所述SOFC电堆阴极的出口连通，所述氧气回热器的热侧出口与所述氧气冷却器的入口连通，所述氧气回热器的冷侧入口与所述氧气供应单元连通，所述氧气回热器的冷侧出口与所述SOFC电堆阴极的入口连通。

6.根据权利要求1所述的SOFC发电系统，其特征在于，

所述CO₂吸收装置内设有气水分离装置，用于分离燃烧烟气内的水和未被吸收的CO₂，未被吸收的CO₂进入所述SOFC发电系统重新参与循环，水进行回收利用或排放。