CN102661200A

CN102661200A - 带有催化燃烧室的燃料电池/燃气轮机混合动力系统

Info

Publication number: CN102661200A
Application number: CN2012101537556A
Authority: CN
Inventors: 刘爱虢; 曾文; 王成军
Original assignee: Shenyang Aerospace University
Current assignee: Shenyang Aerospace University
Priority date: 2012-05-17
Filing date: 2012-05-17
Publication date: 2012-09-12

Abstract

带有催化燃烧室的燃料电池/燃气轮机混合动力系统，主要解决了现有系统整合困难、部件热耦合性强及提高燃料利用率的技术问题。该系统包括发电机、高温燃料电池、压气机及透平、催化燃烧室等。上述发电机通过减速箱与压气机相连，压气机通过主轴与透平相连，并通过轴承进行支撑。压气机与低温换热器通过管道连接，并与催化燃烧室A相连。催化燃烧室A与高温燃料电池的阴极相连，而高温换热器与高温燃料电池的阳极连接。本发明通过采用催化燃烧方式的催化燃烧室将燃料电池、燃气轮机两个动力设备联系在一起，在充分回收并利用能量，提高燃料利用率的同时，又降低了燃料电池和燃气轮机的热力学耦合关系，使系统控制变得简单，而且整个过程洁净环保，安全可靠。

Description

带有催化燃烧室的燃料电池/燃气轮机混合动力系统

技术领域

本发明涉及一种混合动力系统，具体的是一种带有催化燃烧室的燃料电池/燃气轮机混合动力系统，属于发电装置制造及应用技术领域。

背景技术

燃料电池是一种可以直接将化学能转化为电能，反应过程中不涉及到燃烧，使得其能量转换效率不受“卡诺循环”限制的高效能量转化装置，其能量转换率可以高达60%～80%。根据燃料电池的工作温度，将熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）和固体氧化物燃料电池（SOFC）称为高温燃料电池。高温燃料电池不仅能量转换效率高、洁净、噪声低，而且在部分负载、满负载和过载工况下及不同的规模下都可以保持高效率。

在燃料电池独立运行时，其效率潜能不能充分发挥，高品位的废热有很大的余热利用价值。燃气轮机是一种成熟的动力设备，其发电经济性好而且排放低，但其效率因受卡诺循环的限制而较低。因此，可以将高温燃料电池和燃气轮机组成混合动力系统。

燃料电池与燃气轮机组成的混合动力系统总的来说主要是两种结构：应用直接燃烧的透平和应用间接燃烧的透平。直接燃烧型透平中燃料电池被增压，燃料电池相当于燃气轮机的燃烧室，在这种系统中燃料电池在高压状态下工作，会产生较高的效率，在阳极氧气浓度高，功率密度较高，燃料电池电堆中所需的电池单元减少。在这种循环中由于电池工作在高压下阻止了内部重整器的使用，导致系统造价升高及效率下降，同时在电池内部存在的压差也会导致电池的破坏。燃气轮机的压力与燃料电池相耦合，使系统的可靠性降低也使系统的设计压力要与燃气轮机的压力相匹配。为解决顶层循环存在的问题，一种被称作间接燃烧型透平或底层循环的系统问世（U.S.Pa t.No.6365290）。在这种系统中燃料电池在常压下工作，电池运行良好，集成起来比较简单，容易启动，便于控制，而且使用寿命长。为了改善混合动力系统中燃料电池和燃气轮机的匹配，提高系统的性能，改善系统部件之间的耦合关系。也可以在系统中加入额外的换热器、燃烧室等部件。基于U.S.Pa t.No.6365290所提出的系统结构，U.S.Pa t.No.6896988针对高温燃料电池与燃气轮机的特点提出了更适合匹配燃气轮机的燃料电池的尺寸。U.S.Pat.No.7862938提出了在系统中避免使用工作温度高于燃料电池工作温度的换热器和实现在系统效率和输出功率之间可灵活折中的系统结构。最早成功开发出混合动力系统的是美国Westinghouse科技中心和北方研究和工程公司（NRE），他们在1995年开发出了220kW的混合动力系统。第二代混合动力系统的开发任务是由The National EnergyTechnology Laboratory(NETL)承担的，他们的研究对象是20MW以下的混合动力系统。2002年10月Toyota公司使用Toyota制造的50kW的燃气轮机和IHI公司制造的300kW的MCFC组成混合装置，系统发电效率为55％，综合效率为75%。

我国对低温燃料电池的研究比较成熟，对高温燃料电池的研究刚刚起步，将高温燃料电池与燃气轮机组成混合动力系统进行充分研究的文献和资料较少。上海交通大学针对高温燃料电池燃气轮机混合动力系统进行了数学建模、特性分析、协调控制、半物理仿真及示范性千瓦级混合动力系统的建立。

在以上所提到的混合动力系统中，系统的合理布局及追求较高的系统效率成为设计目标。但是，所设计的系统都是基于燃料电池，假设在不久的将来可以制造出满足性能要求的燃气轮机，在设计中没有考虑到现有燃气轮机的特性。同时，在对系统中燃烧室的设计没有考虑到燃烧室的入口可燃物成分较低，所采用的燃烧室能保证在不同工况下都正常工作，并保持较低排放的特性。

发明内容

本发明针对上述现有技术存在系统整合困难、部件热耦合性强的缺陷及实现进一步提高燃料利用率的目的，通过采用催化燃烧方式的催化燃烧室将燃料电池、燃气轮机两个动力设备联系在一起，在充分回收并利用能量，提高燃料利用率的同时，又降低了燃料电池和燃气轮机的热力学耦合关系，使系统控制变得简单，而且整个过程洁净环保，安全可靠。

本发明提供一种基于现有燃气轮机进行设计的采用催化燃烧室的燃料电池/燃气轮机混合动力系统，该系统包括发电机（10）、高温燃料电池（7）、压气机（1）和透平（2）。上述发电机（10）通过减速箱与压气机（1）相连，压气机（1）通过主轴与透平（2）相连，并通过轴承进行支撑。压气机（1）的出口与低温换热器（5）的入口通过管道连接，低温换热器（5）的出口通过管道与催化燃烧室A（6）的入口相连，而催化燃烧室A（6）的出口通过管道与高温燃料电池（7）的阴极（Cath）相连，主燃料阀门（3）的出口与高温换热器（4）的入口通过管道连接，高温换热器（4）与高温燃料电池（7）的阳极（Anod）连接，高温燃料电池（7）的阴极（Cath）出口通过管道与催化燃烧室B（8）相接，高温燃料电池（7）的阳极（Anod）出口通过管道分别与催化燃烧室A（6）和催化燃烧室B（8）相连，辅助燃料阀门（9）的出口与催化燃烧室B（8）通过管道连接，催化燃烧室B（8）通过管道与透平（2）连接，透平（2）通过管道与高温换热器（4）连接。

上述压气机（1）出口空气在低温换热器（5）中加热后与燃料电池阳极回流来的尾气在催化燃烧室A（6）中发生氧化反应,反应后的气体进入电池的阴极作为氧化剂。高温燃料电池（7）所需的燃料经增压后在高温换热器（4）中由透平（2）的尾气加热，进入高温燃料电池（7）的阳极参加电化学反应。高温燃料电池（7）的阳极尾气除一部分被回流外，其余部分与高温燃料电池（7）阴极尾气在催化燃烧室B（8）中发生氧化反应，高温尾气进入透平（2）做功。由于高温燃料电池（7）的工作温度较低不能达到燃气轮机透平（2）入口要求，在透平（2）前的催化燃烧室B（8）中需要加入辅助的燃料以满足透平（2）的要求。进入燃烧室B（8）的燃料流量是根据透平（2）入口温度的要求经解析计算得到的，燃料的流量可以由阀门来进行控制。催化燃烧室B（8）同样也起到了将高温燃料电池（7）与燃气轮机系统分离的目的，这样就使它们之间没有相互的热量依赖。

本发明的工作原理：

1.经过过滤后的空气进入压气机，压气机的增压比可以根据燃料电池的工作压力选择，经过压气机后空气的压力和温度升高，然后进入回热器。

2．空气在回热器内换热，由透平尾气作为热源使其温度升高，再进入催化燃烧室进行催化燃烧，温度进一步升高，在经过催化燃烧室时工作压力会略有下降，同时有从阳极回流来的燃气使其流量略有增加。

3.经外部重整后的燃料进入高温换热器，通过透平尾气对其进行加热，使其温度升高满足燃料电池入口温度要求，同时保持压力与阴极入口压力相近。

4．在燃料电池内燃料与氧化剂发生电化学反应，使电池达到工作温度。从燃料电池阴极出来的尾气直接进入催化燃烧室B，而电池阳极尾气一部分进入催化燃烧室B另外一部分进入催化燃烧室A。

5．在催化燃烧室B内电池阳极尾气中的可燃成分发生催化反应放出热量，同时为确保燃气轮机的正常工作通过阀门向催化燃烧室B注入辅助燃料，确保透平的入口温度为燃气轮机的设计温度。

6．催化燃烧室B出口的高温燃气进入透平推动透平做功，透平的输出功一部分传给与其同轴的压气机，剩余的部分则用于驱动发电机。

本发明基于现有燃气轮机的工作特性对混合动力系统进行设计，采用外部重整装置，结合不同的重整及提纯技术可采用天然气、生物质气化产品气、煤矿瓦斯气等多种气态碳氢化合物作为燃料，实现了燃料的多样性。采用以贵金属（Pt,Pd）、金属氧化物和钙钛矿等为催化剂的催化燃烧室可以实现较高的燃料利用率，提高系统效率。电池阳极尾气及部分阴极尾气进入催化燃烧室，必要时补充燃烧室燃料流量保证燃气轮机的稳定运行。所设计的系统效率高、能源利用充分，所涉及部件可以外购，系统安全可靠。通过对催化燃烧室的补燃，可实现燃气轮机在设计工况下工作，实现的有效功率可以从几十千瓦到几百兆瓦。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图中：1、压气机；2、透平；3、主燃料阀门；4、高温换热器；5、低温换热器；6、催化燃烧室A；7、高温燃料电池；8、催化燃烧室B；9、辅助燃料阀门、10、发电机；

图2是图1中催化燃烧室A的结构示意图。

图中：11、燃气入口A；12、燃气入口B;13、左盖板A;14、蜂窝状反应器A;15、绝热层A;16、右盖板A;17、燃气出口A。

图3是图1中催化燃烧室B的结构示意图

图中：18、燃气入口C；19、燃气入口D;20、辅助燃料入口;21、左盖板B;22、蜂窝状反应器B;23、绝热层B;24、右盖板B;25、燃气出口B。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1所示，带有催化燃烧室的燃料电池/燃气轮机混合动力系统，该系统包括发电机10、高温燃料电池7、压气机1和透平2。上述发电机10通过减速箱与压气机1相连，压气机1通过主轴与透平2相连，并通过轴承进行支撑。压气机1的出口与低温换热器5的入口通过管道连接，低温换热器5的出口通过管道与催化燃烧室A6的入口相连，而催化燃烧室A6的出口通过管道与高温燃料电池7的阴极（Cath）相连，主燃料阀门3的出口与高温换热器4的入口通过管道连接，高温换热器4与高温燃料电池7的阳极（Anod）连接，高温燃料电池7的阴极（Cath）出口通过管道与催化燃烧室B相接，高温燃料电池7的阳极（Anod）出口通过管道分别与催化燃烧室A6和催化燃烧室B相连，辅助燃料阀门9的出口与催化燃烧室B通过管道连接，催化燃烧室B通过管道与透平2连接，透平2通过管道与高温换热器4连接。

如图2所示，所述的催化燃烧室A的燃气入口A11、燃气入口B12通过焊接方式连接在左盖板A13上，燃气出口A17通过焊接方式连接在右盖板A16上，左盖板A13与右盖板A16之间为蜂窝状反应器A14，在蜂窝状反应器A14的外面包裹绝热层A15减少催化燃烧室的散热。左盖板A13、右盖板A16与外壳通过法兰进行连接。所述右盖板A16上设有燃气出口A17；所述蜂窝状反应器A14带有催化剂。

如图3所示，所述的催化燃烧室B8的燃气入口C18、燃气入口D19通过焊接方式连接在左盖板B21上，辅助燃料入口20通过焊接方式连接在燃气入口D19上，燃气出口B25通过焊接方式连接在右盖板B 24上，左盖板B21与右盖板B24之间为蜂窝状反应器B22，在蜂窝状反应器B22的外面包裹绝热层B23减少催化燃烧室的散热。左盖板B21、右盖板B24与外壳通过法兰进行连接。

所述右盖板B 24上设有燃气出口B25；所述蜂窝状反应器B22带有催化剂。

本发明所涉及的燃气轮机可根据现有的燃气轮机型号进行选择，高温燃料电池为增压型，在选择燃气轮机时要考虑燃料电池的工作压力；确定好燃气轮机后可根据燃料电池的工作温度和燃气轮机的空气流量设计燃料电池的输出功及整个混合动力系统的输出功。

所述的催化燃烧室的质量流量0.3～30Kg/S、进气温度在350-700℃，可以利用可燃成分体积百分含量在0.2％～5％之间，燃料热值约在0.3～2MJ/NM3之间的燃料电池尾气及补充的天然气。

如图1所示的催化燃烧燃料电池燃气轮机混合动力系统，通过逐渐升温的方式提高电池温度使燃料电池可以发生电化学反应；由发电机10（启动时发电机10用作电动机）通过齿轮减速箱带动压气机1达到较高转速，通过过滤后的空气在压气机1内压缩后，进入低温换热器5，再进入催化燃烧室A6。根据解析计算确定透平2入口所需温度，调节辅助燃料阀门9的开度向催化燃烧室B8供应燃料，使透平2入口温度逐渐升高实现燃气轮机的正常运行；透平2入口温度达到设计值后打开主燃料阀门3将外重整的燃料输送至高温换热器4，提高燃料温度；经过加热后的燃料进入高温燃料电池7开始发生电化学反应，系统进入正常工作。

在正常工作状态中透平2的尾气连续进入高温换热器4和低温换热器5，分别加热经过外重整的燃料和压气机1的出口空气，空气吸收了大量的热量后进入催化燃烧室A6与高温燃料电池7的阳极尾气进行催化燃烧使温度得到进一步提高，满足高温燃料电池7入口的温度要求，满足温度要求的燃料和氧化剂分别进入燃料电池7在电池内发生电化学反应释放出电能，电池尾气分别进入催化燃烧室B8将剩余燃料进一步氧化提高燃气温度，催化燃烧室B8还设有辅助燃料阀门9，通过控制透平2入口的温度来调节辅助燃料阀门9的开度使燃气轮机工作在设计工况，之后高温燃气进入透平2膨胀作功，透平2输出的旋转功通过主轴带动压气机1旋转，剩余输出功通过减速齿轮箱带动发电机10发电。

上述高温燃料电池可选用现有的高温燃料电池，其工作温度和压力要和所采用的燃气轮机相匹配。压气机的增压比应根据燃料电池所需的压力进行确定。所述的减速齿轮箱的转速比为2～10。

本实施例所述系统可基于现有的燃气轮机进行设计，采用经过重整的气态碳氢燃料作为燃料，通过催化燃烧室可实现燃料的100%利用，同时实现系统的零排放。基于所采用的燃气轮机整个系统可以实现的有效功率可以从几十千瓦到几百兆瓦。

Claims

1.一种带有催化燃烧室的燃料电池/燃气轮机混合动力系统，该系统包括发电机（10）、高温燃料电池（7）、压气机（1）和透平（2），其特征在于：上述发电机（10）通过减速箱与压气机（1）相连，压气机（1）通过主轴与透平（2）相连，并通过轴承进行支撑，压气机（1）的出口与低温换热器（5）的入口通过管道连接，低温换热器（5）的出口通过管道与催化燃烧室A（6）的入口相连，而催化燃烧室A（6）的出口通过管道与高温燃料电池（7）的阴极相连，主燃料阀门（3）的出口与高温换热器（4）的入口通过管道连接，高温换热器（4）与高温燃料电池（7）的阳极连接，高温燃料电池（7）的阴极出口通过管道与催化燃烧室B（8）相接，高温燃料电池（7）的阳极出口通过管道分别与催化燃烧室A（6）和催化燃烧室B（8）相连，辅助燃料阀门（9）的出口与催化燃烧室B（8）通过管道连接，催化燃烧室B（8）通过管道与透平（2）连接，透平（2）通过管道与高温换热器（4）连接。

2.如权利要求1所述的带有催化燃烧室的燃料电池/燃气轮机混合动力系统，其特征在于：所述的催化燃烧室A（6）的燃气入口A(11)、燃气入口B（12）通过焊接方式连接在左盖板A（13）上，燃气出口A（17）通过焊接方式连接在右盖板A（16）上，左盖板A（13）与右盖板A（16）之间为蜂窝状反应器A（14），在蜂窝状反应器A（14）的外面包裹绝热层A（15），左盖板A（13）、右盖板A（16）与外壳通过法兰进行连接，所述右盖板A（16）上设有燃气出口A（17）；所述蜂窝状反应器A（14）带有催化剂。

3.如权利要求1所述的带有催化燃烧室的燃料电池/燃气轮机混合动力系统，其特征在于：所述的催化燃烧室B 8的燃气入口C（18）、燃气入口D（19）通过焊接方式连接在左盖板B（21）上，辅助燃料入口（20）通过焊接方式连接在燃气入口D（19）上，燃气出口B（25）通过焊接方式连接在右盖板B（24）上，左盖板B（21）与右盖板B（24）之间为蜂窝状反应器B（22），在蜂窝状反应器B（22）的外面包裹绝热层B（23），左盖板B（21）、右盖板B（24）与外壳通过法兰进行连接，所述右盖板B（24）上设有燃气出口B（25）；所述蜂窝状反应器B（22）带有催化剂。