[發明專利]分體式燃氣輪機燃料電池混合發電系統

在審

• 申請號: 202110130269.1
• 申請日: 2021-01-29
• 公開（公告）號: CN112901345A
• 公開（公告）日: 2021-06-04
• 發明（設計）人: 秦江;馬松松;郭發福;姬志行
• 申請（專利權）人: 哈爾濱工業大學
• 主分類號: F02C6/04
• 分類號: F02C6/04;F02C3/04;F02C7/00;H01M8/0612
• 代理公司: 哈爾濱市陽光惠遠知識產權代理有限公司 23211
• 代理人: 王海婷

本發明提供了一種分體式燃氣輪機燃料電池混合發電系統，包括壓氣機、燃料電池、燃燒室、渦輪、化學回熱器、蒸發器、電動機、發電機、分流器一和分流器二；燃料電池與電動機電連接，電動機與壓氣機共軸連接，壓氣機與分流器一連接，分流器一分別與燃料電池的陰極入口和燃燒室的入口相連，陰極出口與燃燒室的入口相連，燃燒室的出口與渦輪的入口相連，渦輪的出口與化學回熱器的熱流側入口相連。本發明由燃料電池發電機組驅動壓氣機，解除了壓氣機和渦輪的氣動耦合，渦輪和壓氣機可獨立地設計和運行，解決了由于壓氣機和透平之間的共軸設計所帶來的問題；且利用燃料蒸氣重整反應將渦輪尾氣中的熱能轉化為燃料的化學能，綜合提高能量的利用效率。

技術領域

本發明屬于燃氣輪機技術領域，尤其是涉及一種分體式燃氣輪機燃料電池混合發電系統。

背景技術

微型燃氣輪機具有結構簡單、維修成本低、污染物排放低、較低的循環壽命成本等優點,是目前清潔、可靠、高質量、多用途的小型分布式功能單元的最佳方式。目前微型燃氣輪機一般是從航空燃氣輪機發展而來，采用壓氣機和透平共軸的結構，以降低機組結構重量，由于壓氣機的變工況特性非常差，部分工況下效率急劇降低，導致整個機組的變工況性能也非常差。其對于分布式能源系統的應用而言，由于負荷變化劇烈，微型燃氣輪機會長時間處于低負荷、低效率下運行。為了提高微型燃氣輪機的變工況性能，很多學者從不同角度提出了自己的方案:研制或采用高溫材料、研制或采用高效率的回熱器、采用壓氣機和透平分軸的結構形式和采用新的循環等。分軸燃氣輪機雖然避免了壓氣機直接受負荷變化的影響,但由于壓氣機要用透平來驅動，二者之間仍存在氣動耦合。

發明內容

有鑒于此，本發明旨在提出一種分體式燃氣輪機燃料電池混合發電系統，利用燃料在化學回熱器中的蒸汽重整反應回收利用燃氣輪機的尾氣余熱，提高燃氣輪機的燃料利用率。燃料電池發電機組作為壓氣機的原動機，從而消除壓氣機和渦輪之間的氣動耦合關聯，簡化壓氣機和透平之間匹配問題，擴大壓氣機的安全穩定運行邊界，避免發生喘振或者熄火等現象，進一步提高系統變工況性能。

為達到上述目的，本發明的技術方案是這樣實現的：

一種分體式燃氣輪機燃料電池混合發電系統，包括壓氣機、燃料電池、燃燒室、渦輪、化學回熱器、蒸發器、電動機、發電機、分流器一和分流器二；

所述的燃料電池與電動機電連接，所述的電動機與壓氣機共軸連接，所述的壓氣機與分流器一連接，分流器一分別與燃料電池的陰極入口和燃燒室的入口相連，燃料電池的陰極出口與燃燒室的入口相連，燃燒室的出口與渦輪的入口相連，渦輪的出口與化學回熱器的熱流側入口相連，渦輪與發電機共軸連接，化學回熱器的熱流側出口與蒸發器的熱流側入口相連，水經蒸發器的冷流側與燃料共同進入化學回熱器的冷流側入口，化學回熱器的冷流側出口與分流器二連接，分流器二分別與燃料電池的陽極入口及燃燒室相連，燃料電池的陽極出口與燃燒室相連。

進一步的，所述燃料電池為電動機供電，所述電動機帶動共軸的壓氣機運轉。

進一步的，化學回熱器的冷流側出口的燃料重整混合氣體經分流器二分別由設置在燃燒室上的噴嘴一和噴嘴二進入燃燒室。

進一步的，化學回熱器的冷流側出口經分流器二分流的其中一部分燃料重整混合氣體先進入燃料電池的陽極后再由噴嘴一進入燃燒室，經分流器二分流的另一部分燃料重整混合氣體直接由噴嘴二進入燃燒室。

進一步的，渦輪的尾氣進入化學回熱器中為燃料蒸汽重整反應提供熱量。

進一步的，經燃燒室的出口流出的氣體進入渦輪膨脹做功帶動發電機發電。

相對于現有技術，本發明所述的分體式燃氣輪機燃料電池混合發電系統具有以下優勢：

1、本申請設置的“分體式燃氣輪機”在一定程度上解除了壓氣機和動力透平之間的聯系，由單獨的原動機驅動壓氣機，透平不再與壓氣機串聯，使二者可獨立地設計和運行，徹底解決由于壓氣機和透平之間的共軸設計所帶來的問題；