[發(fā)明專利]集成燃料電池與二氧化碳循環(huán)的熱電聯(lián)供系統(tǒng)及其方法

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201710068764.8
• 申請(qǐng)日: 2017-02-08
• 公開（公告）號(hào): CN106703918A
• 公開（公告）日: 2017-05-24
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 鄭開云;黃志強(qiáng)
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 上海發(fā)電設(shè)備成套設(shè)計(jì)研究院
• 主分類號(hào): F01K25/10
• 分類號(hào): F01K25/10;F01K7/32;F01K27/00;H01M8/10
• 代理公司: 上海申匯專利代理有限公司31001
• 代理人: 翁若瑩,吳小麗

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種集成固體氧化物燃料電池與超臨界二氧化碳循環(huán)的熱電聯(lián)供系統(tǒng)及其方法，屬于分布式能源技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

燃料電池是一種將儲(chǔ)存在燃料與氧化劑中的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電裝置，其中的固體氧化物燃料電池屬于第三代燃料電池，是目前最具發(fā)展?jié)摿Φ娜剂想姵仡愋汀９腆w氧化物燃料電池的工作溫度高(800-1000℃)，發(fā)電效率可達(dá)60％以上，而且可使用多種燃料、污染物排放少、體積小，非常適用于分布式能源。由于固體氧化物燃料電池的工作溫度高，其排放的廢氣溫度可高達(dá)800℃，將殘余燃料在后燃室燃燒后廢氣溫度可達(dá)1000℃以上，所以固體氧化物燃料電池的余熱品位非常高。通常固體氧化物燃料電池與燃?xì)廨啓C(jī)組成混合發(fā)電系統(tǒng)，將后燃室的排氣輸入至燃?xì)廨啓C(jī)的透平，透平排氣再用于空氣、燃料、給水的預(yù)熱后排放，此時(shí)排放的廢氣仍然具有較高溫度，可用于供熱或有機(jī)工質(zhì)循環(huán)的余熱發(fā)電。固體氧化物燃料電池與燃?xì)廨啓C(jī)混合發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜、燃料電池工作壓力高、系統(tǒng)成本較高，而進(jìn)一步提高總的發(fā)電效率還需要結(jié)合有機(jī)工質(zhì)循環(huán)系統(tǒng)。

近年來，超臨界二氧化碳循環(huán)成為熱點(diǎn)，并且被認(rèn)為具有諸多潛在優(yōu)勢(shì)。二氧化碳的臨界點(diǎn)為31℃/7.4MPa，在溫度和壓力超過臨界點(diǎn)時(shí)的狀態(tài)為超臨界態(tài)。超臨界二氧化碳循環(huán)的研究始于上世紀(jì)四十年代，在六、七十年代取得階段性研究成果，之后主要由于透平機(jī)械、緊湊式熱交換器制造技術(shù)不成熟而中止，直至本世紀(jì)初，超臨界二氧化碳循環(huán)的研究在美國(guó)再度興起，并為世界其它國(guó)家所關(guān)注。由于二氧化碳化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、密度高、無(wú)毒性、低成本、循環(huán)系統(tǒng)簡(jiǎn)單、結(jié)構(gòu)緊湊、效率高，超臨界二氧化碳循環(huán)可以與各種熱源組合成發(fā)電系統(tǒng)，被認(rèn)為在火力發(fā)電、核能發(fā)電、太陽(yáng)能熱發(fā)電、余熱發(fā)電、地?zé)岚l(fā)電、生物質(zhì)發(fā)電等領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景。固體氧化物燃料電池與超臨界二氧化碳循環(huán)可以組成熱電聯(lián)供系統(tǒng)，充分發(fā)揮兩者優(yōu)點(diǎn)，不但可進(jìn)一步提高發(fā)電效率，并且系統(tǒng)簡(jiǎn)單、結(jié)構(gòu)緊湊、成本較低，十分適用于分布式能源。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是如何進(jìn)一步提高固體氧化物燃料電池的發(fā)電效率和能量綜合利用率，并且使系統(tǒng)更加緊湊和小型化。

為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明的技術(shù)方案是提供一種集成燃料電池與二氧化碳循環(huán)的熱電聯(lián)供系統(tǒng)，其特征在于：包括固體氧化物燃料電池及其電力變換器，空氣預(yù)熱器低溫側(cè)輸出端與固體氧化物燃料電池的陰極相連，燃料與水蒸汽的混合器的輸出端與固體氧化物燃料電池的陽(yáng)極相連，固體氧化物燃料電池的廢氣排出端連接后燃室；

空氣壓縮機(jī)與空氣預(yù)熱器低溫側(cè)輸入端相連，燃料壓縮機(jī)與燃料預(yù)熱器低溫側(cè)輸入端相連，給水泵與給水預(yù)熱器低溫側(cè)輸入端相連，燃料預(yù)熱器低溫側(cè)輸出端、給水預(yù)熱器低溫側(cè)輸出端與燃料與水蒸汽的混合器的輸入端相連；

后燃室排出廢氣的部分熱量用于給熱負(fù)荷供熱，部分熱量用于給空氣預(yù)熱器、燃料預(yù)熱器、給水預(yù)熱器供熱，另一部分熱量用于傳給超臨界二氧化碳循環(huán)回路的二氧化碳工質(zhì)，通過超臨界二氧化碳循環(huán)發(fā)電。

優(yōu)選地，所述超臨界二氧化碳循環(huán)回路由帶中間冷卻的多級(jí)壓縮機(jī)、回?zé)崞鳌⑴蛎洐C(jī)、發(fā)電機(jī)、冷卻器以及高溫?fù)Q熱器、低溫?fù)Q熱器組成；

后燃室排出廢氣的一個(gè)支路與高溫?fù)Q熱器高溫側(cè)輸入端相連，高溫?fù)Q熱器高溫側(cè)輸出端依次連接空氣預(yù)熱器高溫側(cè)、燃料預(yù)熱器高溫側(cè)、給水蒸發(fā)器高溫側(cè)，給水蒸發(fā)器高溫側(cè)排出廢氣的一個(gè)支路與低溫?fù)Q熱器的高溫側(cè)相連；后燃室排出廢氣的另一個(gè)支路及給水蒸發(fā)器高溫側(cè)排出廢氣的另一個(gè)支路均與熱負(fù)荷相連；

帶中間冷卻的多級(jí)壓縮機(jī)出口連接低溫?fù)Q熱器低溫側(cè)輸入端及回?zé)崞鞯蜏貍?cè)輸入端，低溫?fù)Q熱器低溫側(cè)輸出端及回?zé)崞鞯蜏貍?cè)輸出端均連接高溫?fù)Q熱器低溫側(cè)輸入端，高溫?fù)Q熱器低溫側(cè)輸出端連接膨脹機(jī)入口，膨脹機(jī)出口連接回?zé)崞鞲邷貍?cè)輸入端，回?zé)崞鞲邷貍?cè)輸出端經(jīng)冷卻器連接帶中間冷卻的多級(jí)壓縮機(jī)入口，膨脹機(jī)連接發(fā)電機(jī)。

本發(fā)明還提供了一種集成燃料電池與二氧化碳循環(huán)的熱電聯(lián)供方法，采用上述的集成燃料電池與二氧化碳循環(huán)的熱電聯(lián)供系統(tǒng)，其特征在于：空氣壓縮機(jī)將空氣輸入空氣預(yù)熱器加熱后進(jìn)入固體氧化物燃料電池的陰極，燃料壓縮機(jī)將燃料輸入燃料預(yù)熱器加熱后進(jìn)入混合器，給水泵將水輸入給水蒸發(fā)器，水轉(zhuǎn)變成水蒸汽后進(jìn)入混合器，由混合器出來的氣體進(jìn)入固體氧化物燃料電池的陽(yáng)極，固體氧化物燃料電池工作并通過電力變換器供電；