本發(fā)明屬于能源發(fā)電，具體屬于一種固體燃料電池-分流式跨臨界二氧化碳聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、固體氧化物燃料電池sofc作為第三代燃料電池具有發(fā)電效率高(自身發(fā)電效率接近60％，與熱氣輪機(jī)聯(lián)用效率可達(dá)80％以上)、熱電聯(lián)供效率高(熱電聯(lián)供效率90％以上)、節(jié)約水資源、綠色環(huán)保、易于模塊化組裝、燃料選用范圍廣(可使用天然氣、煤制氣、生物質(zhì)氣、甲醇等)且不需要貴金屬催化劑等優(yōu)勢(shì)。目前，sofc使用的燃料主要包括天然氣、煤制氣等傳統(tǒng)化石燃料。這些燃料在使用過程中會(huì)產(chǎn)生二氧化碳等溫室氣體排放，對(duì)環(huán)境造成一定的污染。隨著對(duì)環(huán)境保護(hù)和可持續(xù)發(fā)展的重視，采用傳統(tǒng)化石燃料作為sofc的燃料在一定程度上限制了其環(huán)保性能和市場(chǎng)推廣。為了進(jìn)一步提升sofc的環(huán)保性能，更新燃料成為了一個(gè)重要的研究方向。

2、進(jìn)一步的，sofc在發(fā)電過程中會(huì)產(chǎn)生大量的余熱，這部分熱量具有很高的利用價(jià)值。目前，對(duì)sofc余熱的利用方式主要包括以下幾種：

3、1.熱電聯(lián)供：將sofc產(chǎn)生的電能和熱能同時(shí)供應(yīng)給用戶，提高能源利用效率。sofc的余熱可以用于供暖、熱水供應(yīng)等領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)熱電聯(lián)供的高效利用。

4、2.余熱回收發(fā)電：利用動(dòng)力循環(huán)(如跨臨界二氧化碳循環(huán))回收sofc的排氣余熱，將其轉(zhuǎn)化為電能或熱能進(jìn)行再利用。這種方式可以進(jìn)一步提高系統(tǒng)的整體效率，降低能源消耗。

5、3.熱空氣循環(huán)利用：sofc的空氣出堆溫度很高，這部分熱量也可以被利用起來。例如，可以將出堆的熱空氣進(jìn)行循環(huán)利用，既提高了能量利用效率，也免去了不必要的冷卻處理。

6、盡管目前對(duì)sofc余熱的利用已經(jīng)取得了一定的成果，如何更好地將余熱利用技術(shù)與sofc系統(tǒng)集成起來，實(shí)現(xiàn)整體效率的最優(yōu)化，仍需要進(jìn)一步的研究和探索。

7、綜上，sofc作為一種高效、清潔的能源轉(zhuǎn)換技術(shù)，在燃料更新和余熱利用方面仍有很大的發(fā)展空間和潛力。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、為了解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，本發(fā)明提供一種固體燃料電池-分流式跨臨界二氧化碳聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)，使用氨和氫作為固體氧化物燃料電池的燃料，氨水具有生產(chǎn)工藝成熟、毒性相對(duì)小、不易燃、易于液化和運(yùn)輸?shù)奶攸c(diǎn)；氫氣則具有無污染、熱值高的優(yōu)點(diǎn)；使用氫氣循環(huán)分離裝置，將固體氧化物燃料電池的陽極排氣中的氫氣和氮?dú)膺M(jìn)行分離，將氫氣重新利用，提高系統(tǒng)效率；固體燃料電池的陰極排氣通入分流式跨臨界二氧化碳系統(tǒng)中進(jìn)行余熱利用，對(duì)固體燃料電池的熱量進(jìn)行了高效循環(huán)利用。

2、為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案：一種固體燃料電池-分流式跨臨界二氧化碳聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)，包括固體燃料電池系統(tǒng)、分流式跨臨界二氧化碳循環(huán)系統(tǒng)和氫氣循環(huán)分離裝置，固體燃料電池系統(tǒng)包括采用氨氫混合氣體作為燃料的固體氧化物燃料電池，固體氧化物燃料電池的陰極排氣口與分流式跨臨界二氧化碳循環(huán)系統(tǒng)進(jìn)口連通，用于利用排氣余熱加熱二氧化碳；固體氧化物燃料電池的陽極排氣口與氫氣循環(huán)分離裝置進(jìn)口連通，氫氣循環(huán)分離裝置出口要固體氧化物燃料電池陽極層連通。

3、進(jìn)一步的，固體燃料電池系統(tǒng)還包括空氣壓縮機(jī)、空氣回?zé)崞?、第一自熱器、第二自熱器和陽極燃料混合器，其中：

4、空氣壓縮機(jī)的出口與空氣回?zé)崞鞯目諝膺M(jìn)口連通，空氣回?zé)崞鞯目諝獬隹谂c第一自熱器的空氣進(jìn)口連通，第一自熱器的空氣出口與固體氧化物燃料電池的陰極層連通；

5、陽極燃料混合器中的氨氫混合氣體出口與第二自熱器的氨氫混合氣體進(jìn)口連通，第二自熱器的氨氫混合氣體出口與固體氧化物燃料電池的陽極層連通；

6、第一自熱器的熱源進(jìn)口與固體氧化物燃料電池的陰極排氣口連通，第一自熱器的熱源出口與分流式跨臨界二氧化碳循環(huán)系統(tǒng)的熱源進(jìn)口連通；

7、第二自熱器的熱源進(jìn)口與固體氧化物燃料電池的陽極排氣口連通，第二自熱器的熱源出口與空氣回?zé)崞鳠嵩催M(jìn)口連通，空氣回?zé)崞鳠嵩闯隹谂c氫氣循環(huán)分離裝置的進(jìn)口連通。

8、進(jìn)一步的，陽極燃料混合器的進(jìn)口與氫氣儲(chǔ)氣罐的出口、氨氣儲(chǔ)氣罐的出口以及氫氣循環(huán)分離裝置的出口連通，陽極燃料混合器中將氫氣和氨氣按照0.3～0.7的體積比混合。

9、進(jìn)一步的，氫氣循環(huán)分離裝置包括冷凝器、進(jìn)給壓縮機(jī)和鈀薄膜，固體燃料電池系統(tǒng)的陽極排氣經(jīng)兩次換熱后通入冷凝器的進(jìn)口，冷凝器的氣體出口與進(jìn)給壓縮機(jī)的進(jìn)口連通，進(jìn)給壓縮機(jī)的出口與鈀薄膜進(jìn)口連通用于分離過濾出陽極排氣中的氫氣并將該氫氣通入固體燃料電池系統(tǒng)。

10、進(jìn)一步的，氫氣循環(huán)分離裝置包括冷凝器、進(jìn)給壓縮機(jī)和鈀薄膜，空氣回?zé)崞鳠嵩闯隹谂c冷凝器的進(jìn)口連通，冷凝器的氣體出口與進(jìn)給壓縮機(jī)的進(jìn)口連通，進(jìn)給壓縮機(jī)的出口與鈀薄膜連通，鈀薄膜的出口與陽極燃料混合器的進(jìn)口連通。

11、進(jìn)一步的，分流式跨臨界二氧化碳循環(huán)系統(tǒng)包括：低溫加熱器、高溫加熱器、二氧化碳透平、發(fā)電機(jī)、二氧化碳回?zé)崞?、二氧化碳混合器、二氧化碳分離器、二氧化碳泵、二氧化碳冷凝器，固體燃料電池系統(tǒng)的陰極排氣經(jīng)一次換熱后通入高溫加熱器的熱源進(jìn)口，高溫加熱器的熱源出口與低溫加熱器的熱源進(jìn)口連接，低溫加熱器的熱源出口與大氣連接；

12、二氧化碳透平的出口與二氧化碳回?zé)崞鞯臒嵩催M(jìn)口連通，二氧化碳回?zé)崞鞯臒嵩闯隹谂c二氧化碳冷凝器的進(jìn)口連通，二氧化碳冷凝器的出口與二氧化碳泵的入口連通，二氧化碳泵出口與二氧化碳分離器的進(jìn)口連通用于將二氧化碳分離成兩股，二氧化碳分離器的第一出口與低溫加熱器的物料進(jìn)口連通，二氧化碳分離器的第二出口與二氧化碳回?zé)崞鞯奈锪线M(jìn)口連通，低溫加熱器和二氧化碳回?zé)崞鞯奈锪铣隹诰c二氧化碳混合器的進(jìn)口連通，二氧化碳混合器的出口與高溫加熱器的物料進(jìn)口連通，高溫加熱器的物料出口與二氧化碳透平的進(jìn)口連通。

13、進(jìn)一步的，分流式跨臨界二氧化碳循環(huán)系統(tǒng)包括：低溫加熱器、高溫加熱器、二氧化碳透平、發(fā)電機(jī)、二氧化碳回?zé)崞?、二氧化碳混合器、二氧化碳分離器、二氧化碳泵、二氧化碳冷凝器，第一自熱器的熱源出口與高溫加熱器的熱源進(jìn)口連通，高溫加熱器的熱源出口與低溫加熱器的熱源進(jìn)口連接，低溫加熱器的熱源出口與大氣連接；

14、二氧化碳透平的出口與二氧化碳回?zé)崞鞯臒嵩催M(jìn)口連通，二氧化碳回?zé)崞鞯臒嵩闯隹谂c二氧化碳冷凝器的進(jìn)口連通，二氧化碳冷凝器的出口與二氧化碳泵的入口連通，二氧化碳泵出口與二氧化碳分離器的進(jìn)口連通用于將二氧化碳分離成兩股，二氧化碳分離器的第一出口與低溫加熱器的物料進(jìn)口連通，二氧化碳分離器的第二出口與二氧化碳回?zé)崞鞯奈锪线M(jìn)口連通，低溫加熱器和二氧化碳回?zé)崞鞯奈锪铣隹诰c二氧化碳混合器的進(jìn)口連通，二氧化碳混合器的出口與高溫加熱器的物料進(jìn)口連通，高溫加熱器的物料出口與二氧化碳透平的進(jìn)口連通。

15、進(jìn)一步的，二氧化碳分離器中將二氧化碳按照0.3～0.7分配比分成兩股。

16、進(jìn)一步的，固體氧化物燃料電池的燃料利用率為0.6～0.85，進(jìn)口溫度為750℃。

17、進(jìn)一步的，空氣壓縮機(jī)的功率為425kw～484kw，進(jìn)給壓縮機(jī)的功率為196kw～35kw，二氧化碳泵的功率為67kw～101kw。

18、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明至少具有以下有益效果：

19、本發(fā)明提供一種固體燃料電池-分流式跨臨界二氧化碳聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)，固體氧化物燃料電池通常采用化石燃料，化石燃料存在潛在的環(huán)境問題，而氨和氫則不具有環(huán)境問題，但氫存在存儲(chǔ)以及運(yùn)輸?shù)睦щy，氨作為氫的良好載體易于運(yùn)輸和存儲(chǔ)。本發(fā)明中使用氨和氫的混合氣體作為固體氧化物燃料電池的燃料，相比純氫的sofc成本低，安全性好，同時(shí)又比純氨sofc具有更高的效率；

20、進(jìn)一步的，本發(fā)明通過氫氣循環(huán)分離裝置實(shí)現(xiàn)陽極再循環(huán)技術(shù)，利用氫氣循環(huán)分離裝置對(duì)陽極排氣進(jìn)行過濾，分離出氫氣，并且再次作為陽極的燃料參與循環(huán)，達(dá)到了更高的能量利用效率。

21、進(jìn)一步的，由于固體氧化物燃料電池的排氣溫度很高，利用分流式跨臨界二氧化碳循環(huán)和空氣回?zé)崞鲗?duì)陽極和陰極的排出氣體余熱進(jìn)行利用，其中分流式跨臨界二氧化碳循環(huán)中的二氧化碳分離器將二氧化碳分離成兩股，分別吸收了固體氧化物燃料電池的陰極和二氧化碳透平的排氣熱量，達(dá)到了熱量的高效循環(huán)利用，在本發(fā)明的設(shè)計(jì)條件下，當(dāng)燃料中氨氫的混合比為0.5時(shí)，stcc(分流式跨臨界二氧化碳循環(huán))的工作效率為18.2％，固體氧化物燃料電池的工作效率為68.91％，整個(gè)系統(tǒng)的效率為71.6％。