一种基于太阳能的中温燃料电池碳循环发电装置及其积碳处理方法与流程

本发明涉及一种新能源发电装置，尤其涉及一种基于太阳能的中温燃料电池碳循环发电装置，还涉及上述基于太阳能的中温燃料电池碳循环发电装置的积碳处理方法。

背景技术：

燃料电池是清洁、高效的发电装置，在燃料电池系统中，固体氧化物燃料电池具有固态结构、无需贵金属催化剂、燃料选择范围宽等优点，近年来受到广泛的关注。然而，固体氧化物燃料电池至今没有商业化，最重要的因素是系统操作温度高，从而导致电极与电解质接触面之间易发生化学反应，且高温给密封工艺带来诸多问题。因此，近年来，许多研究集中在降低固体氧化物燃料电池的操作温度。

技术实现要素：

发明目的：本发明所要解决的技术问题是提供一种基于太阳能的中温燃料电池碳循环发电装置，该发电装置从燃料电池技术出发，以碳为原料，形成碳循环闭合回路，且系统中所需要的热能为太阳能的热利用，从而得到一种清洁、环保的发电装置。

本发明还要解决的技术问题是提供上述基于太阳能的中温燃料电池碳循环发电装置的积碳处理方法，该方法利用二氧化碳消除固体氧化物燃料电池阳极的积碳，可保障系统长期有效稳定的运行。

发明内容：为实现上述发明目的，本发明采用的技术方案为：

一种基于太阳能的中温燃料电池碳循环发电装置，包括太阳能吸收转换装置、碳反应室、混合气体分离装置和固体氧化物燃料电池；太阳能吸收转换装置分别通过换热器将热能供给碳反应室、混合气体分离装置和固体氧化物燃料电池；碳反应室在充入二氧化碳后利用热能生成一氧化碳，碳反应室的排气口与混合气体分离装置连接，混合气体分离装置将碳反应室排入的一氧化碳和二氧化碳分离，分离出的一氧化碳通过一氧化碳输送管道送入固体氧化物燃料电池中，分离出的二氧化碳通过二氧化碳输送管道排出，二氧化碳输送管道分成两个支路，支路i与碳反应室连接，支路ii与固体氧化物燃料电池阳极连接，支路ii上设有电控阀门；固体氧化物燃料电池利用一氧化碳生成二氧化碳和电能，生成的二氧化碳送入碳反应室中，生成的电能供给外部负载；还包括控制器，电控阀门通过电缆与控制器连接，控制器通过电压传感器采集固体氧化物燃料电池两端的电压。

其中，太阳能吸收转换装置包括太阳能反射镜组、太阳能集热器、太阳能换热器和储热器，太阳能反射镜组将太阳光线经过反射，聚焦在太阳能集热器上，太阳能集热器中的热能通过太阳能换热器储存在储热器中。

其中，换热器包括分离换热器、燃料电池堆换热器和碳反应室换热器，储热器的热能输出端分别与分离换热器、燃料电池堆换热器和碳反应室换热器的热能输入端连接，分离换热器的热能输出端与混合气体分离装置连接，燃料电池堆换热器的热能输出端与固体氧化物燃料电池连接，碳反应室换热器的热能输出端与碳反应室连接。

其中，所述碳反应室内含有固态煤炭，煤炭的填充量为碳反应室空腔体积的3/4以上。

其中，所述混合气体分离装置包括熔融碳酸盐燃料电池以及位于熔融碳酸盐燃料电池阳极极板出气口处的汽水分离器；其中，所述熔融碳酸盐燃料电池与固体氧化物燃料电池并联给外部负载供电，即熔融碳酸盐燃料电池的阴极通过电线与固体氧化物燃料电池的负极并联，熔融碳酸盐燃料电池的阳极通过电线与固体氧化物燃料电池的正极并联。汽水分离器用于分离co2、h2o以及未发生反应的h2，未发生反应的h2通过气路通过阳极极板进气口返回熔融碳酸盐燃料电池阳极再利用。

其中，所述熔融碳酸盐燃料电池的阳极为金属镍；阴极为锂镍氧化物；电解质层为由碳酸盐li2co3和k2co3混制而成；其中，li2co3的质量百分比为62％，k2co3的质量百分比为38％。

其中，碳反应室的排气口与熔融碳酸盐燃料电池的阴极极板进气口连接，阴极极板进气口还通过支管与外部氧气罐连接，二氧化碳在熔融碳酸盐燃料电池的阴极与氧气进行反应，生成co3^2-离子，co3^2-离子穿过电解质层在阳极与h2反应生成h2o与co2，h2o与co2经阳极极板出气口处的汽水分离器分离后，co2通过二氧化碳输送管道排出；未反应的一氧化碳从熔融碳酸盐燃料电池的阴极极板出气口排出通过一氧化碳输送管道送入固体氧化物燃料电池阳极中。

上述基于太阳能的中温燃料电池碳循环发电装置的积碳处理方法，所述积碳处理方法为：控制器实时监测固体氧化物燃料电池两端的电压信号，若电压信号小于固定值，控制器控制电控阀门打开，给固体氧化物燃料电池的阳极加入二氧化碳，消除阳极的积碳；当积碳消除后，固体氧化物燃料电池两端的电压信号恢复设定值，控制器控制电控阀门关闭，切断固体氧化物燃料电池阳极二氧化碳的供给，继续给固体氧化物燃料电池阳极通入一氧化碳燃料。

上述基于太阳能的中温燃料电池碳循环发电装置的积碳处理方法，具体采用模糊控制方法进行控制：

模糊控制器的控制结构为2输入，1输出结构：

输入变量x1：固体氧化物燃料电池正负极电压与标准的变压的差值；

输入变量x2：差值的变换率；

输出变量u1：电控阀门开通时间；

输入输出变量论域

输入变量x1、输入变量x2的基本论域设计为(0，1)，然后将两个输入量分为3个语言变量，即正大(pb)、零(ze)、负大(nb)，两个输入变量的3个语言变量在基本论域(0，1)的隶属度函数为三角形与梯形组合式隶属度函数；

输出变量u1基本论域为(0，1)，输出变量分为3语言变量u，即正大(pb)、零(ze)、负大(nb)；

输出变量u1在基本论域为(0，1)的隶属度函数为三角形与梯形组合式隶属度函数；

模糊控制规则的设计：

设计模糊控制规则的原则是当误差大或者较大时，选择控制量以尽快消除误差为主，而当误差小或者较小时，选择控制量要控制超调量，典型工况的模糊控制规则为：

rule1：如果x1＝pb，x2＝pb，则u1＝pb；

rule2：如果x1＝pb，x2＝ze，则u1＝ze；

rule3：如果x1＝pb，x2＝nb，则u1＝nb；

rule4：如果x1＝ze，x2＝pb，则u1＝ze；

rule5：如果x1＝ze，x2＝ze，则u1＝ze；

rule6：如果x1＝ze，x2＝nb，则u1＝nb；

rule7：如果x1＝nb，x2＝pb，则u1＝nb；

rule8：如果x1＝nb，x2＝ze，则u1＝nb；

rule9：如果x1＝nb，x2＝nb，则u1＝nb；

解模糊过程：

解模糊采用最大隶属度方法进行解模糊。

本发明基于太阳能的中温燃料电池碳循环发电装置的工作原理：本发明装置中，熔融碳酸盐燃料电池、固体氧化物燃料电池、碳反应室都需要在高温下运行，运行温度约为700度(具体运行温度取决于各个环节所采用的材料)，所需要的高温均来自于太阳能，太阳能经过太阳能反射镜组聚焦到太阳能集热器，并通过太阳能换热器将热能储存在储热器中，储热器通过分离换热器给熔融碳酸盐燃料电池提供热能，通过燃料电池堆换热器给固体氧化物燃料电池提供热能，通过碳反应室换热器给碳反应室提供热能。碳反应室中放有大量固态碳，往其中通入二氧化碳，可将固态碳转换为气态一氧化碳，没有参加反应的二氧化碳与生成的一氧化碳在出口处形成混合气体，该混合气体通过混合气体分离装置中，一氧化碳/二氧化碳混合气体从熔融碳酸盐燃料电池的阴极极板进气口进入，混合气体中的二氧化碳在熔融碳酸盐燃料电池的阴极与氧气进行反应，生成co3^2-离子，混合气体中未反应的一氧化碳从熔融碳酸盐燃料电池的阴极极板出气口排出通过一氧化碳输送管道送入固体氧化物燃料电池中；co3^2-离子穿过电解质层在阳极与h2反应生成h2o与co2，h2o与co2经熔融碳酸盐燃料电池阳极极板出气口处的汽水分离器进行分离后，co2通过二氧化碳输送管道排出；二氧化碳被返回送入碳反应室参加循环反应；一氧化碳作为固体氧化物燃料电池的燃料，在阳极容易产生积碳，本发明通过检测固体氧化物燃料电池两端的电压，判断阳极是否产生积碳，如果产生积碳，则固体氧化物燃料电池两端的电压会产生明显的下降，此时控制器控制二氧化碳电控阀门开通，将混合气体分离装置排出的二氧化碳气体送入固体氧化物燃料电池的阳极，消除积碳，当固体氧化物燃料电池两端的电压恢复，控制器控制二氧化碳电控阀门关闭，停止对固体氧化物燃料电池二氧化碳的供给。

有益效果：首先，本发明利用太阳能作为系统所需要的热能来源，无需其他的动力来源，具有节能环保的优点；其次，本发明通过将固态碳进行气化，将获得的一氧化碳作为固体氧化物燃料电池的燃料，并将固体氧化物燃料电池的排气二氧化碳再次返回碳气化室，从而使整个产能过程形成闭合回路，无需对外排放任何气体和物质，有效避免了对环境产生污染的问题；再次，本发明利用熔融碳酸盐燃料电池将一氧化碳和二氧化碳混合气体进行有效分开；最后，本发明利用二氧化碳消除固体氧化物燃料电池阳极的积碳，可保障系统长期稳定的运行。

附图说明

图1为本发明基于太阳能的中温燃料电池碳循环发电装置的系统原理图；

图2为熔融碳酸盐燃料电池的气体分离原理图；

图3为熔融碳酸盐燃料电池的结构示意图。

具体实施方式

如图1～3所示，本发明基于太阳能的中温燃料电池碳循环发电装置，包括太阳能反射镜组1、太阳能集热器2、太阳能换热器3、储热器4、分离换热器5、混合气体分离装置6、电控阀门7、固体氧化物燃料电池8、控制器9、逆变器10、燃料电池堆换热器11、碳反应室12和碳反应室换热器13；太阳能反射镜组1将太阳光线经过反射，聚焦在太阳能集热器2上，太阳能集热器2中的工质被加热至高温，太阳能集热器2中的工质通过太阳能换热器3将热能储存在储热器4中，储热器4分别通过分离换热器5、燃料电池堆换热器11和碳反应室换热器13给混合气体分离装置6、固体氧化物燃料电池8和碳反应室12提供热能；碳反应室12中含有大量煤炭，往碳反应室12通入二氧化碳气体后，在高温环境下反应生成一氧化碳，碳反应室12通过气体排出口将产生的一氧化碳和没有参加反应的二氧化碳混合气体一起排入混合气体分离装置6，混合气体经过混合气体分离装置6分离后一氧化碳被送入固体氧化物燃料电池8作为燃料(分离出的一氧化碳通过一氧化碳输送管道送入一氧化碳储存罐15，储存罐15中的一氧化碳通过气管送入固体氧化物燃料电池8的阳极气体进口，气管上设有电控阀门16)，固体氧化物燃料电池8反应后生成二氧化碳和电能，电能通过逆变器10变为交流电能供给负载使用，固体氧化物燃料电池8生成的二氧化碳被反馈送至碳反应室12中用于继续将固体碳转换为一氧化碳；同时，混合气体分离装置6分离出的二氧化碳通过二氧化碳输送管道排出，二氧化碳输送管道分成两个支路，支路i与碳反应室12连接，支路ii与固体氧化物燃料电池8的阳极连接，支路ii上设有电控阀门7；在需要使用二氧化碳时，打开电控阀门7，将二氧化碳送至固体氧化物燃料电池8的阳极气体进口(此时电控阀门16处于关闭状态)，用于去除阳极所产生的积碳，控制器9实时检测固体氧化物燃料电池8两端的电压，判断积碳情况，通过积碳情况控制电控阀门7和电控阀门16的动作。电控阀门7和电控阀门16分别通过电缆与控制器9连接，采集模块17实时采集固体氧化物燃料电池8两端的电压，并将采集到的信号送至控制器9(采集模块17为电压传感器)，即固体氧化物燃料电池的阴极和阳极分别与电压传感器17连接，电压传感器17通过电缆与控制器9连接。

其中，混合气体分离装置6包括熔融碳酸盐燃料电池16以及位于熔融碳酸盐燃料电池16阳极极板出气口处的汽水分离器14；其中，熔融碳酸盐燃料电池16与固体氧化物燃料电池8并联给外部负载供电，即熔融碳酸盐燃料电池16的阴极通过电线与固体氧化物燃料电池8的负极并联，熔融碳酸盐燃料电池16的阳极通过电线与固体氧化物燃料电池8的正极并联。汽水分离器14用于分离co2、h2o以及未发生反应的h2，未发生反应的h2通过气路通过阳极极板进气口返回熔融碳酸盐燃料电池的阳极再利用。

本发明熔融碳酸盐燃料电池16是由多孔锂镍氧化物阴极6-1、多孔电解质隔膜6-2、多孔金属阳极6-3以及金属极板构成的燃料电池，其电解质是熔融态碳酸盐。金属极板分别为阳极极板18和阴极极板21，阳极极板18上设有阳极进气口20和阳极出气口19，阴极极板21上设有阴极进气口23和阴极出气口22。阴极6-1与阴极极板21之间、阳极6-3和阳极极板18之间还设有穿孔集流板25。

阴极极板21与阴极6-1接触的一面设有气体流通的通道24，当混合气体从阴极极板21进气口23流入时，经过气道，混合气体中能够在阴极表面进行反应的气体逐渐与阴极表面进行反应，生成的产物通过电解质层6-2进入阳极，阴极6-1和阳极6-3本身是多孔的材料，混合气体从阴极极板21进气口23进去，经过很长的气道反应后，从阴极极板21出气口22出去的气体，可认为出气口排出的气体为全部未参加反应的气体。

熔融碳酸盐燃料电池16的阳极6-3为金属镍；阴极6-1为锂镍氧化物；电解质层6-2为由碳酸盐li2co3和k2co3混制而成(电解质层6-2传导co3^2-离子)；其中，li2co3的质量百分比为62％，k2co3的质量百分比为38％。

其中，碳反应室12的排气口与熔融碳酸盐燃料电池16的阴极极板21进气口23连接，阴极极板进气口23还通过支管与外部氧气罐连接，混合气体中的二氧化碳在熔融碳酸盐燃料电池16的阴极6-1与氧气进行反应，生成co3^2-离子，co3^2-离子穿过电解质层6-2在阳极6-3与h2反应生成h2o与co2，h2o与co2经阳极极板出气口19处的汽水分离器14分离后，co2通过二氧化碳输送管道排出；混合气体中未反应的一氧化碳从熔融碳酸盐燃料电池16的阴极极板出气口22排出通过一氧化碳输送管道送入固体氧化物燃料电池8中。

本发明装置的热能来源于太阳能的热利用，热能的产生与传输具体为：太阳能反射镜组1将太阳光线经过反射，聚焦在太阳能集热器2，太阳能集热器2中的工质被加热至高温，达到900度以上，太阳能集热器2中的工质通过太阳能换热器3将热能储存在储热器4中，储热器4的温度大于800度，储热器4通过分离换热器5给混合气体分离装置6提供热能，混合气体分离装置6的工作温度为750度；储热器4通过燃料电池堆换热器11给固体氧化物燃料电池8提供热能，固体氧化物燃料电池8的工作温度为750度；储热器4通过碳反应室换热器13给碳反应室12提供热能，碳反应室12的工作温度为700度。

本发明基于太阳能的中温燃料电池碳循环发电装置的积碳处理方法，控制器采用模糊控制方法对电控阀门7的启闭进行控制：

控制器9实时监测固体氧化物燃料电池8两端的电压信号，若电压信号小于固定值，控制器9控制电控阀门7开通，关闭电控阀门16，此时给固体氧化物燃料电池8的阳极加入二氧化碳，消除阳极的积碳，当积碳消除后，固体氧化物燃料电池8两端的电压信号恢复至设定值，控制器9控制电控阀门7关闭，切断阳极二氧化碳的供给，打开电控阀门16，给阳极继续通入燃料一氧化碳；

模糊控制方法具体为：

模糊控制器的控制结构为2输入，1输出结构：

输入变量x1：固体氧化物燃料电池8正负极电压与标准的变压的差值；

输入变量x2：差值的变换率；

输出变量u1：电控阀门7开通时间；

输入输出变量论域

输入变量x1、输入变量x2的基本论域设计为(0，1)，然后将两个输入量分为3个语言变量，即正大(pb)、零(ze)、负大(nb)，两个输入变量的3个语言变量在基本论域(0，1)的隶属度函数为三角形与梯形组合式隶属度函数；

输出变量u1基本论域为(0，1)，输出变量分为3语言变量u，即正大(pb)、零(ze)、负大(nb)；

输出变量u1在基本论域为(0，1)的隶属度函数为三角形与梯形组合式隶属度函数；

模糊控制规则的设计：

设计模糊控制规则的原则是当误差大或者较大时，选择控制量以尽快消除误差为主，而当误差小或者较小时，选择控制量要控制超调量，典型工况的模糊控制规则为：

rule1：如果x1＝pb，x2＝pb，则u1＝pb；

rule2：如果x1＝pb，x2＝ze，则u1＝ze；

rule3：如果x1＝pb，x2＝nb，则u1＝nb；

rule4：如果x1＝ze，x2＝pb，则u1＝ze；

rule5：如果x1＝ze，x2＝ze，则u1＝ze；

rule6：如果x1＝ze，x2＝nb，则u1＝nb；

rule7：如果x1＝nb，x2＝pb，则u1＝nb；

rule8：如果x1＝nb，x2＝ze，则u1＝nb；

rule9：如果x1＝nb，x2＝nb，则u1＝nb；

解模糊过程：

解模糊采用最大隶属度方法进行解模糊。