CN111952642B - 高效低振噪燃料电池发电系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种高效低振噪燃料电池发电系统，包括燃料供应模块，空气供应模块，发电模块和能量回收利用模块；本发明增设热能回收利用模块，回收所述发电模块的阳极尾气预热燃气或返回燃烧室；回收所述发电模块的阴极尾气预热空气并返回燃烧室；回收燃烧后的尾气预热燃气，利用其热量加热液态水生成水蒸气，部分水蒸气驱动蒸汽涡轮泵抽送并预热空气，部分驱动水蒸气射流泵，驱动阳极尾气循环。本发明将系统剩余热量通过水蒸气将热能转化为机械能，利用水蒸气射流泵驱动阳极尾气循环，利用蒸汽涡轮泵驱动阴极空气的供应，极大降低系统寄生功率，提高燃料利用率和净发电效率，减少系统运动部件，降低系统振动和噪声，提高系统可靠性。

Description

高效低振噪燃料电池发电系统
技术领域
本发明涉及固体氧化物燃料电池技术领域，尤其涉及一种高效低振噪燃料电池发电系统。
背景技术
固体氧化物燃料电池(SOFC)是一种清洁高效的发电装置，由于其高温以及发电效率不受其规模限制的特点，将其应用于分布式发电可极大地提高能源利用效率。目前以SOFC为主体的分布式热电联供系统主要针对家庭用户，规模在几百瓦至数千瓦之间，这种直接面向终端用户的用能方式在促进化石能源高效清洁利用的同时，也将产生巨大的社会经济效益。
由于SOFC区别于其他种类的燃料电池发电方式，具有较高的燃料适应性，可直接使用天然气、甲醇等碳氢燃料；其次，SOFC可在一定温度区间内运行；同时，可与其他辅助设备的连接形成不同的循环方式，这些都会对以SOFC为主体的分布式热电联供系统(SOFC-CHP)的性能产生影响。因此，采用系统模拟的方式，明确诸如燃料种类、燃料流量、电堆温度等关键运行参数对电堆及系统性能的影响，对于SOFC-CHP的系统设计及运行参数的选择，具有十分重要的意义。
如何充分利用燃料电池自身在发电过程中产生的热量，降低系统寄生功率，是本领域亟待解决的技术问题。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明提供高效低振噪燃料电池发电系统，将系统剩余热量通过水蒸气将热能转化为机械能，利用水蒸气射流泵驱动阳极尾气循环，利用蒸汽涡轮泵驱动阴极空气的供应，极大降低系统寄生功率，提高燃料利用率和净发电效率，减少系统运动部件，降低系统振动和噪声，提高系统可靠性。
为达到上述目的，本发明提供了一种高效低振噪燃料电池发电系统，包括燃料供应模块，空气供应模块，发电模块和能量回收利用模块；
燃气经所述燃料供应模块进行重整、预热后进入所述发电模块；
空气经所述空气供应模块预热后进入所述发电模块；
所述发电模块包括若干高温燃料电池堆，发生电化学反应后生成的阳极气体和阴极气体，在燃烧室内燃烧排出高温尾气；
所述能量回收利用模块回收所述发电模块的阳极尾气预热燃气或返回燃烧室；回收所述发电模块的阴极尾气预热空气并返回燃烧室；回收燃烧后的尾气预热燃气。
进一步地，所述能量回收利用模块回收燃烧后的尾气，利用其热量加热液态水生成水蒸气，水蒸气驱动蒸汽涡轮泵输入并预热空气或驱动水蒸气射流泵，驱动阳极尾气循环。
进一步地，所述燃料供应模块包括燃料一级换热器、重整器以及燃料二级换热器；
燃料经所述燃料一级换热器预热升温，进入所述重整器发生重整反应，反应生成的重整气经由所述燃料二级换热器再次预热进入发电模块的阳极；
所述燃料一级换热器冷工质为输入的燃料，热工质为燃烧后的尾气；
所述燃料二级换热器冷工质为重整器生成的重整气，热工质为阳极尾气。
进一步地，所述空气供应模块包括空气一级换热器和空气二级换热器；空气经所述空气一级换热器和空气二级换热器分别预热后进入发电模块的阴极；
所述空气一级换热器冷工质为输入的空气，热工质为水蒸气；所述空气二级换热器冷工质为所述空气一级换热器出口排出空气，热工质为阴极尾气。
进一步地，所述能量回收利用模块包括水循环单元，所述水循环单元包括水蒸气射流泵和蒸汽涡轮泵；
所述水循环单元产生水蒸气，一部分水蒸气进入蒸汽涡轮泵，驱动涡轮带动空气泵旋转输入空气，并作为所述空气一级换热器的热工质，然后返回冷凝为液态水存储，所述蒸汽涡轮泵用于所述空气供应模块输入空气；另一部分水蒸气进入水蒸气射流泵，驱动阳极尾气并与阳极尾气混合进入所述重整器。
进一步地，所述水循环单元包括储水罐、冷凝器、水泵和水蒸气发生器；所述储水罐用于存储液态水，液态水由水泵抽送至水蒸气发生器，经燃烧后的尾气加热后转换为水蒸气；经所述空气一级换热器换热后返回的水蒸气经所述冷凝器冷却为液态水后返回所述储水罐存储。
进一步地，所述能量回收利用模块包括阳极尾气循环单元，将阳极尾气通入所述燃料二级换热器作为热工质换热后，一部分阳极尾气由水蒸气射流泵驱动进入重整器，另一部分阳极尾气通入燃烧室。
进一步地，所述能量回收利用模块包括阴极尾气循环单元，将阴极尾气通入所述空气二级换热器作为热工质换热后，返回燃烧室再次参与电化学反应。
进一步地，所述能量回收利用模块包括燃烧后的尾气循环单元，将燃烧后的尾气由燃烧室通入所述重整器，为重整反应提供热量，然后进入燃料一级换热器作为热工质换热后，为水蒸气发生器提供热量，最终进入冷凝器，经冷凝器或储水罐排出生成的二氧化碳和过量的水。
进一步地，所述空气供应模块设置增压泵，在燃料电池发电系统启动时，将空气泵入所述空气一级换热器。
本发明的上述技术方案具有如下有益的技术效果：
(1)本发明增设能量回收利用模块，构建阳极尾气循环子单元、阴极尾气循环单元、燃气尾气循环单元和水循环单元，高效梯级利用系统余热和循环利用水。
(2)本发明增设水蒸气射流泵，通过水蒸气驱动阳极尾气循环，将热能转化为动能的同时提高燃料利用率。
(3)本发明的增设蒸汽涡轮泵，通过水蒸气驱动涡轮，带动同轴空气泵旋转，将热能转化为机械能，部分或全部替代空气增压泵供应阴极空气，降低系统寄生功率，提高系统净发电效率，减少系统运动部件，降低系统振动和噪声，提高系统可靠性。
(4)本发明利用燃气尾气的余热，尾气通入冷凝器实现了循环利用水，一方面可以对外提供纯净水，另一方面再加热成水蒸气去驱动蒸汽涡轮泵。
附图说明
图1是高效低振噪燃料电池发电系统示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
本发明公开的高效低振噪燃料电池发电系统主要包括燃料供应模块，空气供应模块，发电模块和能量回收利用模块。
1.燃料供应模块
燃料供应模块包括燃料泵、料一级换热器、重整器和燃料二级换热器，燃料由燃料泵1抽送进入燃料供应模块，通过燃料一级换热器7预热升温，进入重整器9发生重整反应，反应生成的重整气经由燃料二级换热器12进一步预热进入发电单元13，燃料一级换热器7冷工质为燃料泵1抽送的新鲜燃料，热工质为燃烧室16排出的高温尾气，燃料二级换热器12冷工质为重整器9生成的重整气，热工质为发电单元13排出的部分阳极尾气。
2.空气供应模块
空气供应模块包括增压泵、空气一级换热器和空气二级换热器，空气由增压泵4抽送进入系统，通过空气一级换热器10和空气二级换热器11两次预热升温，进入发电单元13，空气一级换热器10冷工质入口为增压泵4抽送的新鲜空气，热工质入口为蒸汽涡轮-泵5排出的水蒸气，所述空气二级换热器11冷工质入口为空气一级换热器10出口排出空气，热工质入口为发电单元13排出的阴极尾气。
3.发电模块
发电模块13由一个或多个高温燃料电池堆组成，高温燃料电池堆阳极接收经由燃料二级换热器12预热升温后的重整气，阴极接收经由空气二级换热器11预热升温的空气，高温燃料电池堆中发生电化学反应产生电，阳极未完全反应的重整气和反应生成物组成阳极尾气，与阴极剩余空气一同进入能量回收利用模块。
4.能量回收利用模块
能量回收利用模块包含阳极尾气循环单元、阴极尾气循环单元、燃烧后的尾气循环单元及水循环单元，回收利用发电单元排出的阳极尾气、阴极尾气以及燃烧后的尾气。
阳极尾气循环单元由换热器12及水蒸气射流泵8组成，将部分阳极尾气循环至燃料二级换热器12预热发电单元阳极进气，通过水蒸气射流泵8加压循环，与燃料一级换热器7出气混合进入重整器9，将剩余部分阳极尾气通入燃烧室16。
阴极尾气循环单元由换热器11构成，将发电单元阴极尾气循环至空气二级换热器11，预热发电单元13阴极进气，最后通入燃烧室16。
水循环单元包括冷凝器与水存储15，水泵17，燃烧室16，水蒸气发生器18，水蒸气射流泵8，蒸汽涡轮泵5。冷凝器与水存储15由冷凝器与储水罐两部分构成，冷凝器冷凝循环利用后的水蒸气和梯级利用后的燃烧室尾气，冷凝水进入水罐存储和再利用；水泵17将冷凝器与水存储15中存储的水抽送至水蒸气发生器18；水蒸气发生器18接收水泵17抽送的去离子水，利用燃烧室16尾气剩余热量加热产生水蒸气，一部分水蒸气进入蒸汽涡轮-泵5，驱动涡轮旋转，将新鲜空气经由辅助空气入口6抽送进系统，蒸汽涡轮-泵5出口水蒸气进入空气一级换热器10预热新鲜空气，最后进入冷凝器与水存储15冷凝，另一部分水蒸气进入水蒸气射流泵8，驱动阳极尾气循环；燃烧室16中阳极尾气与阴极尾气燃烧产生高温燃烧室尾气，燃烧室尾气为重整器9、燃料一级换热器7、水蒸气发生器18提供热量。冷凝器与水存储15通过排气阀20排出系统生成的二氧化碳，通过排水部件19，排出多余的水，可以作为纯净水输出。
实施例
系统启动阶段，常温甲醇燃料(25℃)由燃料泵1加压抽送进入系统，通过燃料一级换热器7预热至300℃，进入重整器9发生重整反应，反应生成的富氢重整气(450℃)经由燃料二级换热器12预热至650℃进入发电单元13。进入正常运行阶段后，由水蒸气射流泵8供给的部分阳极尾气将于新鲜燃料混合一同进入重整器9。
系统启动阶段，常温空气(25℃)由增压泵4抽送进入系统，通过空气一级换热器10和空气二级换热器11两次预热升温至600℃，进入发电单元13。进入正常运行阶段后，水蒸气驱动蒸汽涡轮-泵5，为系统输送新鲜空气，可部分或全部替代增压泵4负荷，降低寄生功率。
经过两级预热的重整气和空气进入高温燃料电池堆发生电化学反应产生电，阳极未完全反应的重整气和反应生成物组成阳极尾气，与阴极剩余空气一同进入能量回收利用系统。
高温燃料电池堆部分阳极尾气循环至燃料二级换热器12预热发电单元阳极进气，通过水蒸气射流泵8加压循环，与燃料一级换热器7出气混合进入重整器9，将剩余部分阳极尾气通入燃烧室16与阴极尾气混合燃烧。
高温燃料电池堆阴极尾气循环至空气二级换热器11，预热发电单元13阴极进气，最后通入燃烧室16。
水蒸气发生器18接收水泵17抽送的去离子水，利用燃烧室16尾气剩余热量加热产生高压水蒸气(2bar)，一部分水蒸气进入蒸汽涡轮泵5，驱动涡轮旋转，将新鲜空气经由辅助空气入口6抽送进系统，蒸汽涡轮泵5出口水蒸气进入空气一级换热器10预热新鲜空气，最后进入冷凝器与水存储15冷凝；另一部分水蒸气进入水蒸气射流泵8，驱动阳极尾气循环；燃烧室16中阳极尾气与阴极尾气燃烧产生高温燃烧室尾气，燃烧室尾气为重整器9、燃料一级换热器7、水蒸气发生器18提供热量，最终进入冷凝器与水存储15。
综上所述，本发明涉及一种高效低振噪燃料电池发电系统，包括燃料供应模块，空气供应模块，发电模块和能量回收利用模块；本发明增设热能回收利用模块，回收所述发电模块的阳极尾气预热燃气或返回燃烧室；回收所述发电模块的阴极尾气预热空气并返回燃烧室；回收燃烧后的尾气预热燃气，利用其热量加热液态水生成水蒸气，部分水蒸气驱动蒸汽涡轮泵输送并预热空气，部分水蒸气驱动水蒸气射流泵，驱动阳极尾气循环。本发明将系统剩余热量通过水蒸气将热能转化为机械能，利用水蒸气射流泵驱动阳极尾气循环，利用蒸汽涡轮泵驱动阴极空气的供应，极大降低系统寄生功率，提高燃料利用率和净发电效率，减少系统运动部件，降低系统振动和噪声，提高系统可靠性。
应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。

Claims (6)

1.一种高效低振噪燃料电池发电系统，其特征在于，包括燃料供应模块，空气供应模块，发电模块和能量回收利用模块；
燃气经所述燃料供应模块进行重整、预热后进入所述发电模块；
空气经所述空气供应模块预热后进入所述发电模块；
所述发电模块包括若干高温燃料电池堆，发生电化学反应后生成的阳极气体和阴极气体，在燃烧室内燃烧排出高温尾气；
所述能量回收利用模块回收所述发电模块的阳极尾气预热燃气或返回燃烧室；回收所述发电模块的阴极尾气预热空气并返回燃烧室；回收燃烧后的尾气预热燃气；
所述能量回收利用模块回收燃烧后的尾气，利用其热量加热液态水生成水蒸气；
所述燃料供应模块包括燃料一级换热器、重整器以及燃料二级换热器；
燃料经所述燃料一级换热器预热升温，进入所述重整器发生重整反应，反应生成的重整气经由所述燃料二级换热器再次预热进入发电模块的阳极；
所述燃料一级换热器冷工质为输入的燃料，热工质为燃烧后的尾气；
所述燃料二级换热器冷工质为重整器生成的重整气，热工质为阳极尾气；
所述空气供应模块包括空气一级换热器和空气二级换热器；空气经所述空气一级换热器和空气二级换热器分别预热后进入发电模块的阴极；
所述空气一级换热器冷工质为输入的空气，热工质为水蒸气；所述空气二级换热器冷工质为所述空气一级换热器出口排出空气，热工质为阴极尾气；
所述能量回收利用模块包括水循环单元，所述水循环单元包括水蒸气射流泵和蒸汽涡轮泵；
所述水循环单元产生水蒸气，一部分水蒸气进入蒸汽涡轮泵，驱动涡轮带动空气泵旋转输入空气，并作为所述空气一级换热器的热工质，然后返回冷凝为液态水存储，所述蒸汽涡轮泵用于所述空气供应模块输入空气；另一部分水蒸气进入水蒸气射流泵，驱动阳极尾气并与阳极尾气混合进入所述重整器。
2.根据权利要求1所述的高效低振噪燃料电池发电系统，其特征在于，所述水循环单元包括储水罐、冷凝器、水泵和水蒸气发生器；所述储水罐用于存储液态水，液态水由水泵抽送至水蒸气发生器，经燃烧后的尾气加热后转换为水蒸气；经所述空气一级换热器换热后返回的水蒸气经所述冷凝器冷却为液态水后返回所述储水罐存储。
3.根据权利要求2所述的高效低振噪燃料电池发电系统，其特征在于，所述能量回收利用模块包括阳极尾气循环单元，将阳极尾气通入所述燃料二级换热器作为热工质换热后，一部分阳极尾气由水蒸气射流泵驱动进入重整器，另一部分阳极尾气通入燃烧室。
4.根据权利要求2所述的高效低振噪燃料电池发电系统，其特征在于，所述能量回收利用模块包括阴极尾气循环单元，将阴极尾气通入所述空气二级换热器作为热工质换热后，返回燃烧室再次参与电化学反应。
5.根据权利要求2所述的高效低振噪燃料电池发电系统，其特征在于，所述能量回收利用模块包括燃烧后的尾气循环单元，将燃烧后的尾气由燃烧室通入所述重整器，为重整反应提供热量，然后进入燃料一级换热器作为热工质换热后，为水蒸气发生器提供热量，最终进入冷凝器，经冷凝器或储水罐排出生成的二氧化碳和过量的水。
6.根据权利要求2所述的高效低振噪燃料电池发电系统，其特征在于，所述空气供应模块设置增压泵，在燃料电池发电系统启动时，将空气泵入所述空气一级换热器。
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