CN102324538B - 基于固体氧化物燃料电池余热回收的有机郎肯循环发电系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于固体氧化物燃料电池余热回收的有机郎肯循环发电系统，属于能源技术领域，该系统先将燃料电池的高温废气，预热燃料电池的燃料气体、空气和供水；之后的中温废气进入有机郎肯循环系统，由有机制冷剂吸热沸腾，进入膨胀机做功从而驱动发电机产生电能；在有机郎肯循环系统中布置预热器对燃料电池燃料气体、空气和供水进行预热。这种系统的优点是充分利用固体氧化物燃料电池的废热来加热燃料电池反应燃料气体，同时利用有机郎肯循环可以回收低品位能量的特点，由中温废气驱动膨胀机发电，大大提高了整个系统的能量利用效率，减少了温室气体排放。

Description

基于固体氧化物燃料电池余热回收的有机郎肯循环发电系统

技术领域

本发明属于能源技术领域，涉及固体氧化物燃料电池的余热回收，以及有机郎肯循环的余热发电系统。

背景技术

固体氧化物燃料电池SOFC(Solid Oxide Fuel Cell，简称SOFC)属于第三代燃料电池，是一种在中高温下直接将储存在燃料和氧化剂中的化学能转化成电能的全固态化学发电装置。固体氧化物燃料电池燃料的化学能有50%～80%转化为电能，其余部分随高温废气排放到环境中去。固体氧化物燃料电池的燃料工作温度可达1000°C以上，燃烧后废气温度则高达800°C以上，对这部分热能的回收利用成为一个非常有意义的课题。采用固体氧化物燃料电池和燃气轮机或蒸汽轮机联合发电成为余热回收的重要途径。中国专利02111642.3提出一种固体氧化物燃料电池蒸汽轮机联合发电系统，蒸汽锅炉的燃料采用燃料电池排出的剩余燃料和一定量的天然气混合，该联合循环发电的方式提高能源利用率，达到减少温室气体的排放，其发电效率可达到50%左右，减少10%左右的燃料使用量。但其系统结构复杂、成本高，特别是其蒸汽轮机系统发电时，需要充入一定量的天然气以保证蒸汽发生器有足够多的能量推动燃气轮机做功，这种方式余热回收的同时还需要新能源的补充。中国专利200710019287.2提出一种固体氧化物燃料电池热电冷联供和储能系统。固体氧化物燃料电池产生的高温废气先预热燃料电池的燃料气和空气，以及回水，之后废气驱动氨吸收制冷系统制冷，设置稀氨水储存罐进行储能，能源利用效率大大提高。这种系统结构也较复杂、成本较高，尤其是采用氨吸收式制冷，安全性值得考虑。

有机郎肯循环ORC（Organic Rankine Cycle，简称ORC）是采用有机循环介质的郎肯循环，与传统的蒸汽郎肯循环比较，采用有机工质可以回收低品味的废热转化为高品位的电能。主要区别是：在相同的压力下，有机工质沸点比水的沸点小，因此在相同温度下，有机工质具有比水更高的蒸发压力；在回收显热方面具有较高效率，特别对于低温热源利用具有更高的效率；与水蒸气不同，有机物冷媒在膨胀作功过程中，从高压到低压始终保持干燥状态，这就消除了形成湿气以及当高速小水滴冲击汽轮机时，产生部件腐蚀损坏的可能性，所以ORC能比水蒸气汽轮机更有效地适应部分负荷运行及大的功率变动，不需要装过热器；与水蒸气相比，由于有机工质的声速低，在低叶片速度时，能获得有利的空气动力配合，在50Hz时能产生较高的汽轮机效率，不需要装齿轮箱；有机工质冷凝压力高，整个系统在接近和稍高于大气压力的情况下工作，使得外界空气漏入系统的现象大为降低；有机工质凝固点很低，这就允许它在较低温度下仍能释放出能量，在寒冷天气冷凝器也不需要增加防冻设施。值得说明的是，ORC可以采用的部件均来自于成熟的制冷部件市场，因此对于系统装置开发更为容易。

发明内容

本发明要解决的是现有技术存在的上述问题，旨在提供一种基于固体氧化物燃料电池余热回收的有机郎肯循环发电系统。该系统回收的燃料电池高温废热，既能预热燃料电池发生反应需要的燃料气体、空气以及供水，又能够采用有机郎肯循环回收低品位废热进行余热发电。

为解决上述问题，本发明采用以下技术方案：基于固体氧化物燃料电池余热回收的有机郎肯循环发电系统，包括空气压缩机、空气预热器、废热空气加热器、燃料气体压缩机、燃料预热器、废热燃料加热器、水泵、供水预热器、废热供水加热器、固体氧化物燃料电池反应堆、废气燃烧器、变频器、蒸发器、膨胀机，发电机、冷凝器，循环泵和外部冷却水/气系统，其特征在于：

环境空气先经过空气压缩机压缩至一定的压力后进入空气预热器的冷侧进行预热；预热后的空气进入废热空气加热器的冷侧加热后进入固体氧化物燃料电池反应堆；

燃料气体先经过燃料气体压缩机压缩至一定压力后进入燃料预热器的冷侧进行预热；预热后的燃料气体进入废热燃料加热器的冷侧加热后进入固体氧化物燃料电池反应堆；

供水先经过水泵，然后进入供水预热器的冷侧进行预热；预热后的供水进入废热供水加热器的冷侧加热后进入固体氧化物燃料电池反应堆；

上述加热后的空气、燃料气体和供水进入固体氧化物燃料电池反应堆，产生直流电，经过变频器，将直流电转化为交流电；同时固体氧化物燃料电池反应堆反应完成后产生的废气经过废气燃烧器，产生可以回收利用的高温废气；所述的高温废气依次经过废热空气加热器的热侧、废热燃料加热器的热侧和废热供水加热器的热侧后变成中温废气，该中温废气进入蒸发器的热侧；

制冷剂经过蒸发器的冷侧，吸收中温废气热量，使得制冷剂沸腾汽化为高温高压的过热状态，该高温高压的过热制冷剂进入膨胀机，推动膨胀机做功，从而带动发电机发电；经过膨胀机后的制冷剂变为低压、中温的过热制冷剂，先经过供水预热器的热侧，预热来自于水泵的供水，再经过燃料预热器的热侧，预热来自于燃料压缩机的燃料，再经过空气预热器的热侧，预热来自于空气压缩机的空气，此时制冷剂为低压、低温的两相流状态，接着进入冷凝器，采用外部风冷/水冷系统，将制冷剂冷却为低温低压的过冷制冷剂；接着进入循环泵，将制冷剂加压进入蒸发器，重新吸收来自于燃料电池的中温废气热量，如此周而复始完成循环。

本发明的基于固体氧化物燃料电池余热回收的有机郎肯循环发电系统，包括固体氧化物燃料电池发电子系统，固体氧化物燃料电池废热加热空气、燃料及供水子系统，有机郎肯循环余热发电子系统，以及有机郎肯循环预热燃料电池空气、燃料及供水子系统。

所述的固体氧化物燃料电池废热加热空气、燃料及供水子系统，具体是指：固体氧化物燃料电池堆反应完毕后废气经过废气燃烧器处理后，先后经过废热空气加热器、废热燃料加热器、废热供水加热器，先后加热进入燃料电池反应堆的空气、燃料气体和供水。高温废气经过这三个加热器放热变为中温废气，进入有机郎肯循环系统的蒸发器去驱动余热发电系统。

所述的有机郎肯循环余热发电子系统，具体是指：采用有机制冷剂，例如R245fa为循环介质的有机郎肯循环。来自于固体氧化物燃料电池废热空气、燃料、供水加热器的中温废气进入蒸发器，加热有机郎肯系统内的有机制冷剂，使制冷剂沸腾汽化为过热状态，进入膨胀机推动做功，驱动发电机发电。制冷剂经过膨胀机后，先后经过供水预热器、燃料预热器、空气预热器，此时，制冷剂状态为两相流状态，再进入冷凝器，使制冷剂完全过冷，接着进入循环泵，对制冷剂加压进入蒸发器，至此完成一个循环。

所述的有机郎肯循环预热燃料电池空气、燃料及供水子系统，具体是指：有机郎肯循环系统中制冷剂经过膨胀机后，仍具有较高的温度，因此在系统中布置供水预热器、燃料预热器和空气预热器，目的是预热来自于空气压缩机、燃料压缩机、水泵的空气、燃料气体和供水，使其达到一定温度再进入固体氧化物燃料电池废热加热空气、燃料、供水系统。

所述的固体氧化物燃料电池的反应所需的燃料气体、空气和供水，先由有机郎肯循环的制冷剂预热，然后再由固体氧化物燃料电池的高温废气加热；燃料气体、空气和供水经过前述两步加热，直接进入燃料电池反应堆发生反应。

本发明的的优点是充分利用固体氧化物燃料电池的废热来加热燃料电池反应燃料气体，同时利用有机郎肯循环可以回收低品位能量的特点，由中温废气驱动膨胀机发电，大大提高了整个系统的能量利用效率，减少了温室气体排放。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1是本发明的结构示意图。

图中，1：空气压缩机，2：燃料压缩机，3：水泵，4：空气预热器，5：燃料预热器，6：供水预热器，7：废热空气加热器，8：废热燃料加热器，9：废热供水加热器，10：固体氧化物燃料电池反应堆，11：废热燃烧器，12:变频器，13：蒸发器，14：膨胀机，15：冷凝器，16：循环泵，17：发电机，18：风冷/水冷系统。

具体实施方式

参照附图1，本发明系统的包括空气压缩机1、空气预热器4、废热空气加热器7、燃料气体压缩机2、燃料预热器5、废热燃料加热器8、水泵3、供水预热器6、废热供水加热器9、固体氧化物燃料电池反应堆10、废气燃烧器11、变频器12、蒸发器13、膨胀机14，发电机17、冷凝器15，循环泵16和外部冷却水/气系统18。

本发明的具体工作过程如下：

环境空气先经过空气压缩机1，将空气压缩至一定的压力，进入空气预热器4，该预热器一侧为增压空气，另一侧为ORC系统内的循环介质制冷剂，通过预热器，增压空气吸收制冷剂侧热量达到一定温度；预热后的空气进入废热空气加热器7，该废热空气加热器一侧为预热空气，另一侧为SOFC反应完毕后的废气，经过废气燃烧器11处理后的高温废气，通过废热空气加热器7，预热空气吸高温废气热量达到一定温度；进入固体氧化物燃料电池反应堆10。

燃料气体先经过燃料气体压缩机2，将燃料气体压缩至一定压力，进入燃料预热器5，该预热器5一侧为增压燃料气体，另一侧为ORC系统内的循环介质制冷剂，通过预热器，增压燃料气体吸收制冷剂热量达到一定温度；预热后的燃料气体进入废热燃料加热器8，该废热燃料加热器8一侧为预热燃料气体，另一侧为经过废气燃烧器11处理后，再经过废热空气加热器7后的高温废气，通过废热燃料加热器8，预热燃料气体吸收高温废气热量达到一定温度；进入固体氧化物燃料电池反应堆10。

供水先经过水泵3，进入供水预热器6，该预热器一侧为供水，另一侧为ORC系统的循环介质制冷剂，通过预热器6，供水吸收制冷剂侧热量而达到一定温度；预热后的供水进入废热供水加热器9，该废热供水加热器一侧为预热供水，另一侧为经过废热燃料加热器8后的高温废气，预热供水吸收高温废气热量达到一定温度；进入固体氧化物燃料电池反应堆10。

加热后的空气、燃料气体和供水进入固体氧化物燃料电池反应堆10，产生直流电，经过变频器12，将直流电转化为交流电。同时固体氧化物燃料电池反应堆10反应完成后，将产生高达800°C以上的高温废气，废气经过废气燃烧器11，产生可以回收利用的高温废气。先经过废热空气加热器7，目的是加热来自于空气预热器4的预热空气，使其达到一定温度而进入燃料电池反应堆10参加反应；再经过废热燃料加热器8，目的是加热来自于燃料预热器5的预热燃料，使其达到一定温度而进入燃料电池反应堆10参加反应；再经过废热供水加热器9，目的是加热来自于供水预热器6的预热供水，使其达到一定温度而进入燃料电池反应堆10参加反应。

高温废气分别经过废热空气加热器7、废热燃料加热器8、废热供水加热器9后变为中温废气，中温废气进入有机郎肯循环系统，回收这部分热量驱动膨胀机发电。具体实施方式：中温废气进入蒸发器13，该蒸发器一侧为来自于燃料电池的中温废气，另一侧为有机制冷剂，例如R245fa，蒸发器的换热过程是，制冷剂吸收中温废气热量，使得制冷剂沸腾汽化为高温高压的过热状态，高温高压的过热制冷剂进入膨胀机14，推动膨胀机做功，从而带动发电机17发电。经过膨胀机14后的制冷剂变为低压、中温的过热制冷剂，先经过供水预热器6，预热来自于水泵3的供水，再经过燃料预热器5，预热来自于燃料压缩机2的燃料，再经过空气预热器4，预热来自于空气压缩机1的空气，此时制冷剂为低压、低温的两相流状态，接着进入冷凝器15，采用外部风冷/水冷系统18，将制冷剂冷却为低温低压的过冷制冷剂；接着进入循环泵16，将制冷剂加压进入蒸发器13，重新吸收来自于燃料电池的中温废气热量，如此周而复始完成循环。

应该理解到的是：上述实施例只是对本发明的说明，而不是对本发明的限制，任何不超出本发明实质精神范围内的发明创造，均落入本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.基于固体氧化物燃料电池余热回收的有机郎肯循环发电系统，包括空气压缩机（1）、空气预热器（4）、废热空气加热器（7）、燃料气体压缩机（2）、燃料预热器（5）、废热燃料加热器（8）、水泵（3）、供水预热器（6）、废热供水加热器（9）、固体氧化物燃料电池反应堆（10）、废气燃烧器（11）、变频器（12）、蒸发器（13）、膨胀机（14）、发电机（17）、冷凝器（15）、循环泵（16）和外部冷却水/气系统（18），其特征在于： 

环境空气先经过空气压缩机（1）压缩至一定的压力后进入空气预热器（4）的冷侧进行预热；预热后的空气进入废热空气加热器（7）的冷侧加热后进入固体氧化物燃料电池反应堆（10）； 

燃料气体先经过燃料气体压缩机（2）压缩至一定压力后进入燃料预热器（5）的冷侧进行预热；预热后的燃料气体进入废热燃料加热器（8）的冷侧加热后进入固体氧化物燃料电池反应堆（10）； 

供水先经过水泵（3），然后进入供水预热器（6）的冷侧进行预热；预热后的供水进入废热供水加热器（9）的冷侧加热后进入固体氧化物燃料电池反应堆（10）； 

上述加热后的空气、燃料气体和供水进入固体氧化物燃料电池反应堆（10），产生直流电，经过变频器（12），将直流电转化为交流电；同时固体氧化物燃料电池反应堆（10）反应完成后产生的废气经过废气燃烧器（11），产生可以回收利用的高温废气；所述的高温废气依次经过废热空气加热器（7）的热侧、废热燃料加热器（8）的热侧和废热供水加热器（9）的热侧后变成中温废气，该中温废气进入蒸发器（13）的热侧； 

制冷剂经过蒸发器（13）的冷侧，吸收中温废气热量，使得制冷剂沸腾汽化为高温高压的过热状态，该高温高压的过热制冷剂进入膨胀机（14），推动膨胀机做功，从而带动发电机（17）发电；经过膨胀机（14）后的制冷剂变为低压、中温的过热制冷剂，先经过供水预热器（6）的热侧，预热来自于水泵（3）的供水，再经过燃料预热器（5）的热侧，预热来自于燃料压缩机（2）的燃料，再经过空气预热器（4）的热侧，预热来自于空气压缩机（1） 的空气，此时制冷剂为低压、低温的两相流状态，接着进入冷凝器（15），采用外部风冷/水冷系统（18），将制冷剂冷却为低温低压的过冷制冷剂；接着进入循环泵（16），将制冷剂加压进入蒸发器（13），重新吸收来自于燃料电池的中温废气热量，如此周而复始完成循环。 

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