回收CO2的MCFC复合动力系统集成机理与设计基础研究

From the viewpoint of the intercrossing of disciplinary areas, this project studies the integration mechanism and design basis of Molten Carbonate Fuel Cell(MCFC) hybrid power system with CO2 capture.Firstly,the direct work conversion mechanism and the characteristics of CO2-concentration of MCFC system are investigated. The effects of the key operating parameters on the MCFC performance are revealed. The integration mechanism and method between MCFC with different thermal systems according to the different components of exhausted gases from the anode and cathode are explored. In order to reduce the energy consumption of CO2 compression and liquefaction, a new way to liquefy CO2 by integrating the refrigeration process drove by the waste heat in MCFC system is proposed. In order to use the waste heat efficiently, thermal cycle system will be optimized.The integration mechanism and coupling characteristics among the MCFC process, CO2 concentration, separation,liquefaction process and the conventional thermal cycle systems are deeply studied. Then, the new MCFC hybrid sytems with CO2 capture are proposed and the new ways to capture CO2 with lower energy consumption from power systems are explored. Except for the theoretical research, this project will do some experimental research on the unit cell of MCFC, which will test the CO2 transfer and utilization ratio in the cathode of MCFC and investigate the correlations between the key operating parameters and the cell performance. The experiment will provide the key data for the system integration and verify the theoretical models. The research achivements of this project will provide the design theory basis for new hybrid power system with the higher efficiency and lower CO2 emission, also provide a new way and idea for realizing the strategy of energy-saving and pollution emission reduction in our country.

本项目拟在领域学科交叉层面，开展回收CO2的MCFC复合动力系统集成机理与设计基础研究。首先，研究MCFC高效电化学转功机理与低能耗富集CO2机制，揭示MCFC性能随运行参数的变化规律；探索基于阴阳极排气不同组分特点的MCFC与不同热力系统耦合机理与方法；为降低CO2压缩液化能耗，还探讨与余热制冷相结合的CO2液化新方法，并对高效回收余热进行系统优化研究；研究MCFC电化学转功过程、CO2富集分离液化与热力循环系统之间的集成机理和耦合特性规律。然后，创建系统中低能耗回收富集CO2的高效复合动力系统，开拓新的低能耗捕获CO2途径。除理论研究外，还拟开展MCFC单电池实验研究，检测CO2转移利用率，揭示电池参数与电池性能关联规律，为验证理论模型和系统设计集成提供关键数据。本项目研究成果将为高效、低CO2排放的新型复合动力系统奠定设计理论基础，为我国实施节能减排战略提供新的思路和途径。

目前如何大幅度降低传统动力系统CO2 排放是应对新世纪挑战的关键问题,然而CO2减排能耗过高仍是能源动力系统目前面临的一大科技难题，解决这一难题靠单一学科不能找到满意答案，目前的发展趋势是通过学科的交叉融合来破解这一难题。. 本项目主要从领域学科交叉层面，开展回收CO2 的MCFC 复合动力系统集成机理与设计基础研究。首先，研究MCFC 高效电化学转功机理与低能耗富集CO2 机制，探索基于阴阳极排气不同组分特点的MCFC 与不同热力系统耦合机理与方法；探讨与余热制冷相结合的CO2 液化新方法，并对高效回收余热进行系统优化研究；研究MCFC 电化学转功过程、CO2 富集分离液化与热力循环系统之间的集成机理和耦合特性规律。然后，创建系统中低能耗回收富集CO2 的高效复合动力系统，还进行MCFC 单电池实验研究，为验证理论模型和系统设计集成提供关键数据。主要的研究结果如下：. （1）建立了MCFC电池模型，搭建了功率等级为20W的MCFC实验平台，从理论模拟和实验两方面揭示了MCFC电化学转功并能够富集CO2的特性，获得了不同进气条件下电池特性曲线及CO2转移率变化规律。. （2）提出了MCFC回收传统动力系统CO2新方法，传统方法会导致原系统功率和效率同时下降，而新方法不但不会造成原系统功率下降，而且还会由于MCFC本身产功增加，效率也会由于MCFC系统本身的高效下降不明显，在回收60-70%CO2情况下甚至大于等于原系统效率。. （3）针对不同CO2排放动力系统，形成MCFC电化学转功过程、热力循环产功、CO2 富集液化过程一体化集成机理与设计方法，给出了不同的设计思路和方法，提出整合其他一些先进集成单元（如氧离子传输膜，与余热驱动制冷相结合新型CO2压缩液化）进一步降低系统回收CO2能耗新思路。. （4）设计出MCFC 回收自身排放CO2 以及与MCFC 集成从富含CO2 的烟气中(燃气蒸汽联合循环系统、常规燃煤发电系统、整体煤气化联合循环系统）低能耗捕获CO2 的复合动力系统，大幅度地降低了CO2捕获能耗，并提高了整个复合动力系统额效率。本项目也对这些系统的技术经济性能做了深入分析.. 本项目研究成果为同时解决能源高效利用与低能耗控制CO2 排放提出了新途径。