CN109931161B - 一种微管式固体氧化物燃料电池的联合发电系统及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种微管式固体氧化物燃料电池的联合发电系统及装置，包括水蒸气发生器、天然气降压系统、重整器、堆芯、热平衡器、燃烧室、燃气轮机、空气滤清器、第一热交换器和第二热交换器。本发明的有益效果是：本发明是将微型燃气轮机与SOFC系统作集成，利用电堆排出的高温阴极气体及阳极残留燃料再燃烧产生的高温联合燃气，流入燃气涡轮中膨胀做功，推动涡轮叶轮带动压气机给电堆阴极提供高压空气，同时带动共轴的发电机发电。燃气轮机排出的气体为电堆的热交换器进行热量交换，为电堆全系统的热平衡提供热能，增加的电能及取消空压机节约的电能大约提升SOFC燃料电能转换效率15％以上，同时降低了电堆的排放气体温度。
Description
技术领域
本发明涉及一种燃料电池的联合发电系统及装置，具体为一种微管式固体氧化物燃料电池的联合发电系统及装置，属于电池应用技术领域。
背景技术
固体氧化物燃料电池(SOFC)在将燃料的化学能转换成电能的过程中产生大量的热量，这些热能往往没办法回收，直接浪费掉了。并且总有约20％左右的燃料没能完全参与反应而直接排出电堆，无法回收利用。这两大浪费，严重影响SOFC的燃料转换效率，因此，针对上述问题提出一种微管式固体氧化物燃料电池的联合发电系统及装置。
发明内容
本发明的目的就在于为了解决上述问题而提供一种微管式固体氧化物燃料电池的联合发电系统及装置。
本发明通过以下技术方案来实现上述目的，一种微管式固体氧化物燃料电池的联合发电系统及装置，包括重整器，所述重整器通过管道连接水蒸气发生器和天然气降压系统，所述重整器的一端通过管道连接第一热交换器，且所述重整器的另一端通过管道连接第二热交换器；所述重整器通过管道连接热平衡器，且所述热平衡器通过管道连接堆芯，且所述热平衡器的另一端通过管道连接第一热交换器；所述堆芯的一端通过管道连接燃烧室，且所述燃烧室的一端连接燃气轮机，且所述燃气轮机与燃烧室连接处通过管道连接第一热交换器；所述燃气轮机的另一端通过管道连接第二热交换器，且所述燃气轮机的一端安装空气滤清器。
优选的，所述热平衡器与堆芯之间通过双管道连接。
一种微管式固体氧化物燃料电池的联合发电系统，包括主外壳体，所述主外壳体的一端固定有固定端外壳体，所述固定端外壳体与所述主外壳体之间通过第二壳体连接螺栓进行连接，且所述固定端外壳体上设有燃料进气法兰；所述主外壳体的同一端对称设有空气进气法兰和空气出气法兰；所述主外壳体背离所述固定端外壳体的一端设有浮头端外壳体，所述浮头端外壳体与所述主外壳体之间通过第一壳体连接螺栓进行连接；所述浮头端外壳体的内部设有固定于所述堆芯主体的浮头；所述浮头与所述堆芯主体之间通过所述浮头连接螺栓进行连接；且所述浮头上设有波纹连接管，且所述波纹连接管的端部设有燃料出气法兰。
优选的，所述浮头端外壳体与所述浮头均为中空半球形结构；所述浮头端外壳体与所述浮头之间存有间隙，且所述浮头位于浮头端外壳体的内部；所述浮头与波纹连接管之间连通，且所述波纹连接管贯穿浮头端外壳体。
优选的，还包括燃料室壳体，所述燃料室壳体上设有花火塞，且所述燃料室壳体上设有第一空气入口和燃料入口；所述燃料室壳体的底端设有第一卡箍，所述燃料室壳体的底端连接涡轮，且所述涡轮的一端设有尾气出口；所述涡轮背离尾气出口的一端设有第二卡箍、第一空气轴承和空气轴承排气口；所述涡轮上设有发电机输出接口，所述涡轮上设有第二空气轴承，且所述第二空气轴承的一端设有泵轮和第二空气入口；所述泵轮上设有空气轴承进气口，且所述泵轮上设有气压调节阀；所述泵轮上连接有发电机；所述发电机上设有发电机冷却水入口和发电机冷却水出口所述泵轮上设有空气出口。
本发明的有益效果是：本发明是将微型燃气轮机与SOFC系统作集成，利用电堆排出的高温阴极气体及阳极残留燃料再燃烧产生的高温联合燃气，流入燃气涡轮中膨胀做功，推动涡轮叶轮带动压气机给电堆阴极提供高压空气，同时带动共轴的发电机发电。燃气轮机排出的气体为电堆的热交换器进行热量交换，为电堆全系统的热平衡提供热能，增加的电能及取消空压机节约的电能大约提升SOFC燃料电能转换效率15％以上，同时降低了电堆的排放气体温度。
附图说明
图1为本发明整体结构示意图；
图2为本发明的系统处于初始状态示意图；
图3为本发明的系统处于正常工作状态示意图；
图4为本发明的发电系统整体结构主视图；
图5为本发明的发电系统整体结构俯视图；
图6为本发明的堆芯结构整体示意图。
图中：1、水蒸气发生器，2、天然气降压系统，3、重整器，4、堆芯，4a、浮头端外壳体，4b、浮头，4c、燃料出气法兰，4d、波纹连接管，4e、堆芯主体，4f、第一壳体连接螺栓，4g、浮头连接螺栓，4h、主外壳体，4i、固定端外壳体，4j、燃料进气法兰，4k、第二壳体连接螺栓，4l、空气出气法兰，4m、空气进气法兰，5、热平衡器，6、燃烧室，6a、第一空气入口，6b、燃料入口，6c、花火塞，6d、燃烧室壳体，6e、第一卡箍，7a、尾气出口，7b、涡轮，7c、第二卡箍，7d、第一空气轴承，7e、空气轴承排气口，7f、第二空气轴承，7g、泵轮，7h、第二空气入口，7i、空气轴承进气口，7j、气压调节阀，7k、发电机输出接口，7l、发电机，7m、发电机冷却水入口，7n、空气出口，7o、发电机冷却水出口，7、燃气轮机，8、空气滤清器，9、第一热交换器，10、第二热交换器。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1-6所示，一种微管式固体氧化物燃料电池的联合发电装置，包括重整器3，所述重整器3通过管道连接水蒸气发生器1和天然气降压系统2，所述重整器3的一端通过管道连接第一热交换器9，且所述重整器3的另一端通过管道连接第二热交换器10；所述重整器3通过管道连接热平衡器5，且所述热平衡器5通过管道连接堆芯4，且所述热平衡器5的另一端通过管道连接第一热交换器9；所述堆芯4的一端通过管道连接燃烧室6，且所述燃烧室6的一端连接燃气轮机7，且所述燃气轮机7与燃烧室6连接处通过管道连接第一热交换器9；所述燃气轮机7的另一端通过管道连接第二热交换器10，且所述燃气轮机7的一端安装空气滤清器8。
作为本发明的一种技术优化方案，所述热平衡器5与堆芯4之间通过双管道连接。
一种微管式固体氧化物燃料电池的联合发电系统，包括主外壳体4h，所述主外壳体4h的一端固定有固定端外壳体4i，所述固定端外壳体4i与所述主外壳体4h之间通过第二壳体连接螺栓4K进行连接，且所述固定端外壳体4i上设有燃料进气法兰4J；所述主外壳体4h的同一端对称设有空气进气法兰4m和空气出气法兰4l；所述主外壳体4h背离所述固定端外壳体4i的一端设有浮头端外壳体4a，所述浮头端外壳体4a与所述主外壳体4h之间通过第一壳体连接螺栓4f进行连接；所述浮头端外壳体4a的内部设有固定于堆芯主体4e的浮头4b；所述浮头4b与所述主外壳体4h堆芯主体4e之间通过所述浮头连接螺栓4g进行连接；且所述浮头4b上设有波纹连接管，且所述波纹连接管4d的端部设有燃料出气法兰4c。
作为本发明的一种具体实施方式：所述浮头端外壳体4a与所述浮头4b均为中空半球形结构；所述浮头端外壳体4a与所述浮头4b之间存有间隙，且所述浮头4b位于浮头端外壳体4a的内部；所述浮头4b与波纹连接管4d之间连通，且所述波纹连接管4d贯穿浮头端外壳体4a。
作为本发明的一种具体实施方式：还包括燃料室壳体6d，所述燃料室壳体6d上设有花火塞6c，且所述燃料室壳体6d上设有第一空气入口6a和燃料入口6b，且所述第一空气入口6a为空气入口，所述燃料入口6b为燃料气入口；所述燃料室壳体6d的底端设有第一卡箍，所述燃料室壳体6d的底端连接涡轮7b，且所述涡轮7b的一端设有尾气出口7a；所述涡轮7b背离尾气出口7a的一端设有第二卡箍7c、第一空气轴承7d和空气轴承排气口7e；所述涡轮7b上设有发电机输出接口7k，所述涡轮上7b设有第二空气轴承7f，且所述第二空气轴承7f的一端设有泵轮7g和第二空气入口7h；所述泵轮7g上设有空气轴承进气口7i，且所述泵轮7g上设有气压调节阀7j；所述泵轮7g上连接有发电机7l；所述发电机7l上设有发电机冷却水入口7m和发电机冷却水出口7o所述泵轮7g上设有空气出口7n。
本发明在使用时，首先，水蒸气发生器1将液态水加热，为系统提供水蒸气，天然气降压系统2将高压储气罐中的液态天然气降压到3.5bar，供系统使用。其中有效成分为甲烷，重整器3使水蒸气与甲烷在高温高压下反应，生成氢气，二氧化碳，一氧化碳。(强吸热反应，通过燃烧室产生的高温尾气提供热量)，堆芯4通过堆芯内的燃料电池系统将氢气，一氧化碳和氧气，转化生成水和二氧化碳,同时产生电能，热平衡器5将氢气，一氧化碳和空气的温度平衡一致后通入堆芯，燃烧室6将未反应完全的氢气与一氧化碳通入其中燃烧，燃气轮机7将燃烧室6产生的高温高压尾气推动燃气轮机叶片，从而发电,产生电能，空气滤清器8为系统提供洁净的空气，(主要利用成分为氧气)，第一热交换器9通过燃烧室产生的高温尾气来二次预热进入的空气，第二热交换器10通过重整器3过来的高温尾气预热进入的空气，在使用时，本系统运行分为两种状态，一为初始启动状态，此时仅天然气在燃烧室燃烧产生热量，并导入重整器，当重整器温度升高到甲烷水蒸气重整反应温度时，进入正常运行状态(其他设备也已达到工作温度)，此时重整器产生的氢气与一氧化碳进入堆芯,在堆芯的阴极与阳极得失电子，产生电流。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
Claims (1)
1.一种微管式固体氧化物燃料电池的联合发电装置，其特征在于：包括重整器(3)，所述重整器(3)通过管道连接水蒸气发生器(1)和天然气降压系统(2)，所述重整器(3)的一端通过管道连接第一热交换器(9)，且所述重整器(3)的另一端通过管道连接第二热交换器(10)；所述重整器(3)通过管道连接热平衡器(5)，且所述热平衡器(5)通过管道连接堆芯(4)，且所述热平衡器(5)的另一端通过管道连接第一热交换器(9)；所述堆芯(4)的一端通过管道连接燃烧室(6)，且所述燃烧室(6)的一端连接燃气轮机(7)，且所述燃气轮机(7)与燃烧室(6)连接处通过管道连接第一热交换器(9)；所述燃气轮机(7)的另一端通过管道连接第二热交换器(10)，且所述燃气轮机(7)的一端安装空气滤清器(8)；所述热平衡器(5)与堆芯(4)之间通过双管道连接；
所述联合发电装置还包括联合发电系统，所述联合发电系统包括主外壳体(4h)，所述主外壳体(4h)的一端固定有固定端外壳体(4i)，所述固定端外壳体(4i)与所述主外壳体(4h)之间通过第二壳体连接螺栓(4K)进行连接，且所述固定端外壳体(4i)上设有燃料进气法兰(4j)；所述主外壳体(4h)的同一端对称设有空气进气法兰(4m)和空气出气法兰(4l)；所述主外壳体(4h)背离所述固定端外壳体(4i)的一端设有浮头端外壳体(4a)，所述浮头端外壳体(4a)与所述主外壳体(4h)之间通过第一壳体连接螺栓(4f)进行连接；所述浮头端外壳体(4a)的内部设有固定于堆芯主体(4e)的浮头(4b)；所述浮头(4b)与所述堆芯主体(4e)之间通过所述浮头连接螺栓(4g)进行连接；且所述浮头(4b)上设有波纹连接管(4d)，且所述波纹连接管(4d)的端部设有燃料出气法兰(4c)；
所述浮头端外壳体(4a)与所述浮头(4b)均为中空半球形结构；所述浮头端外壳体(4a)与所述浮头(4b)之间存有间隙，且所述浮头(4b)位于浮头端外壳体(4a)的内部；所述浮头(4b)与波纹连接管(4d)之间连通，且所述波纹连接管(4d)贯穿浮头端外壳体(4a)；
还包括燃料室壳体(6d)，所述燃料室壳体(6d)上设有花火塞(6c)，且所述燃料室壳体(6d)上设有第一空气入口(6a)和燃料入口(6b)；所述燃料室壳体(6d)的底端设有第一卡箍，所述燃料室壳体(6d)的底端连接涡轮(7b)，且所述涡轮(7b)的一端设有尾气出口(7a)；所述涡轮(7b)背离尾气出口(7a)的一端设有第二卡箍(7c)、第一空气轴承(7d)和空气轴承排气口(7e)；所述涡轮(7b)上设有发电机输出接口(7k)，所述涡轮(7b)上设有第二空气轴承(7f)，且所述第二空气轴承(7f)的一端设有泵轮(7g)和第二空气入口(7h)；所述泵轮(7g)上设有空气轴承进气口(7i)，且所述泵轮(7g)上设有气压调节阀(7j)；所述泵轮(7g)上连接有发电机(7l)；所述发电机(7l)上设有发电机冷却水入口(7m)和发电机冷却水出口(7o)所述泵轮(7g)上设有空气出口(7n)。
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Effective date of registration: 20221025 Address after: No. 1, Qianjin Industrial Park, Yuxian Street, Caidian District, Wuhan, Hubei 430100 Applicant after: Forsyer Technology Group Co.,Ltd. Address before: 1 / F, No. 366, section 4, South Third Ring Road, Chengdu hi tech Zone, Chengdu, Sichuan 610041 Applicant before: Chengdu fosser New Energy Technology Co.,Ltd. |
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