CN112901345A - 分体式燃气轮机燃料电池混合发电系统 - Google Patents

分体式燃气轮机燃料电池混合发电系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种分体式燃气轮机燃料电池混合发电系统，包括压气机、燃料电池、燃烧室、涡轮、化学回热器、蒸发器、电动机、发电机、分流器一和分流器二；燃料电池与电动机电连接，电动机与压气机共轴连接，压气机与分流器一连接，分流器一分别与燃料电池的阴极入口和燃烧室的入口相连，阴极出口与燃烧室的入口相连，燃烧室的出口与涡轮的入口相连，涡轮的出口与化学回热器的热流侧入口相连。本发明由燃料电池发电机组驱动压气机，解除了压气机和涡轮的气动耦合，涡轮和压气机可独立地设计和运行，解决了由于压气机和透平之间的共轴设计所带来的问题；且利用燃料蒸气重整反应将涡轮尾气中的热能转化为燃料的化学能，综合提高能量的利用效率。

Description

分体式燃气轮机燃料电池混合发电系统
技术领域
本发明属于燃气轮机技术领域，尤其是涉及一种分体式燃气轮机燃料电池混合发电系统。
背景技术
微型燃气轮机具有结构简单、维修成本低、污染物排放低、较低的循环寿命成本等优点,是目前清洁、可靠、高质量、多用途的小型分布式功能单元的最佳方式。目前微型燃气轮机一般是从航空燃气轮机发展而来，采用压气机和透平共轴的结构，以降低机组结构重量，由于压气机的变工况特性非常差，部分工况下效率急剧降低，导致整个机组的变工况性能也非常差。其对于分布式能源系统的应用而言，由于负荷变化剧烈，微型燃气轮机会长时间处于低负荷、低效率下运行。为了提高微型燃气轮机的变工况性能，很多学者从不同角度提出了自己的方案:研制或采用高温材料、研制或采用高效率的回热器、采用压气机和透平分轴的结构形式和采用新的循环等。分轴燃气轮机虽然避免了压气机直接受负荷变化的影响,但由于压气机要用透平来驱动，二者之间仍存在气动耦合。
发明内容
有鉴于此，本发明旨在提出一种分体式燃气轮机燃料电池混合发电系统，利用燃料在化学回热器中的蒸汽重整反应回收利用燃气轮机的尾气余热，提高燃气轮机的燃料利用率。燃料电池发电机组作为压气机的原动机，从而消除压气机和涡轮之间的气动耦合关联，简化压气机和透平之间匹配问题，扩大压气机的安全稳定运行边界，避免发生喘振或者熄火等现象，进一步提高系统变工况性能。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种分体式燃气轮机燃料电池混合发电系统，包括压气机、燃料电池、燃烧室、涡轮、化学回热器、蒸发器、电动机、发电机、分流器一和分流器二；
所述的燃料电池与电动机电连接，所述的电动机与压气机共轴连接，所述的压气机与分流器一连接，分流器一分别与燃料电池的阴极入口和燃烧室的入口相连，燃料电池的阴极出口与燃烧室的入口相连，燃烧室的出口与涡轮的入口相连，涡轮的出口与化学回热器的热流侧入口相连，涡轮与发电机共轴连接，化学回热器的热流侧出口与蒸发器的热流侧入口相连，水经蒸发器的冷流侧与燃料共同进入化学回热器的冷流侧入口，化学回热器的冷流侧出口与分流器二连接，分流器二分别与燃料电池的阳极入口及燃烧室相连，燃料电池的阳极出口与燃烧室相连。
进一步的，所述燃料电池为电动机供电，所述电动机带动共轴的压气机运转。
进一步的，化学回热器的冷流侧出口的燃料重整混合气体经分流器二分别由设置在燃烧室上的喷嘴一和喷嘴二进入燃烧室。
进一步的，化学回热器的冷流侧出口经分流器二分流的其中一部分燃料重整混合气体先进入燃料电池的阳极后再由喷嘴一进入燃烧室，经分流器二分流的另一部分燃料重整混合气体直接由喷嘴二进入燃烧室。
进一步的，涡轮的尾气进入化学回热器中为燃料蒸汽重整反应提供热量。
进一步的，经燃烧室的出口流出的气体进入涡轮膨胀做功带动发电机发电。
相对于现有技术，本发明所述的分体式燃气轮机燃料电池混合发电系统具有以下优势：
1、本申请设置的“分体式燃气轮机”在一定程度上解除了压气机和动力透平之间的联系，由单独的原动机驱动压气机，透平不再与压气机串联，使二者可独立地设计和运行，彻底解决由于压气机和透平之间的共轴设计所带来的问题；
2、本申请消除了压气机和涡轮之间的气动耦合关联，简化压气机和透平之间匹配问题，进一步提高系统变工况性能；
3、本申请采用蒸汽重整反应将燃气轮机尾气余热转化为燃料的化学能储存起来，提高燃气轮机的能量利用效率；
4、本申请的燃料发生蒸汽重整反应之后生成小分子气态产物，能够改善燃烧，降低污染物尤其是固体颗粒物的排放。
附图说明
构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明实施例所述的分体式燃气轮机燃料电池混合发电系统的结构示意图。
附图标记说明：
1-压气机，2-燃料电池，3-燃烧室，4-涡轮，5-化学回热器，6-蒸发器，7-电动机，8-发电机，9-分离器一，10-分流器二，31-喷嘴一，32-喷嘴二；其中，
Figure BDA0002924857040000031
代表空气；
Figure BDA0002924857040000032
代表燃料；
Figure BDA0002924857040000033
代表水；
Figure BDA0002924857040000034
代表燃料重整混合气体；
Figure BDA0002924857040000035
代表燃气。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
如图1所示，分体式燃气轮机燃料电池混合发电系统，包括压气机1、燃料电池2、燃烧室3、涡轮4、化学回热器5、蒸发器6、电动机7、发电机8、分流器一9、分流器二10、喷嘴一31和喷嘴二32；
所述的燃料电池2与电动机7电连接，所述的电动机7与压气机1共轴连接，也就是电动机7和压气机1共同设置在同一根轴上，所述的压气机1与分流器一9连接，分流器一9分别与燃料电池2的阴极入口和燃烧室3的入口相连，燃料电池2的阴极出口与燃烧室3的入口相连，燃烧室3的出口与涡轮4的入口相连，涡轮4的出口与化学回热器5的热流侧入口相连，涡轮4与发电机8共轴连接，也就是涡流4和发电机8设置在同一根轴上，化学回热器5的热流侧出口与蒸发器6的热流侧入口相连，水经蒸发器6的冷流侧与燃料共同进入化学回热器5的冷流侧入口，化学回热器5的冷流侧出口与分流器二10连接，分流器二10分别与燃料电池2的阳极入口及燃烧室3相连，燃料电池2的阳极出口与燃烧室3相连。
发电系统采用分体式燃气轮机，即压气机1和涡轮4不共轴，也就是压气机1和涡轮4不通过一根轴连接，所述燃料电池2为电动机7供电，所述电动机7带动共轴的压气机1运转；压气机1的出口经分流器一9分流的其中一部分高温高压空气进入燃料电池2的阴极，其中另一部分高温高压空气直接进入燃烧室3；
化学回热器5的冷流侧出口的燃料重整混合气体经分流器二10由设置在燃烧室3上的喷嘴一31和喷嘴二32进入燃烧室3；具体为：化学回热器5的冷流侧出口经分流器二10分流的其中一部分燃料重整混合气体先进入燃料电池2的阳极后再由喷嘴一31进入燃烧室3，经分流器二10分流的另一部分燃料重整混合气体直接由喷嘴二32进入燃烧室3。
本发明中燃料电池发电机组作为压气机的原动机，燃气涡轮带动发电机发电，消除了压气机和涡轮之间的气动耦合关联，压气机和透平之间的转速、功率匹配问题被简化，扩大了压气机的稳定运行范围，从而提高了系统的变工况性能。
燃料电池2、电动机7作为压气机1的原动机，带动压气机1转动，高温高压空气一部分经分流器一9进入燃料电池2的阳极，与燃料重整混合气体发生电化学反应，产生足够的电能；多余部分进入燃烧室3与燃料重整混合气体发生燃烧反应；燃气进入涡轮4膨胀做功带动发电机8发电；燃料重整混合气体经分流器二10一部分进入燃料电池2阳极，之后由喷嘴一31进入燃烧室3，另外部分由喷嘴二32进入燃烧室3，产生一定温度的燃气进入涡轮4适应负荷要求；涡轮4的尾气进入化学回热器5中为燃料蒸汽重整反应提供热量；
本发明采用化学回热方式进行燃料的蒸汽重整反应，一方面将燃气轮机尾气余热能量转以燃料的化学能的形式储存起来，提高燃气轮机的能量利用效率；另一方面燃料发生蒸汽重整反应之后生成小分子气态产物，能够改善燃烧，降低污染物尤其是固体颗粒物的排放；
固体氧化物燃料电池通过电化学反应将碳氢化合物燃料的化学能直接转化为电能，其最大的优势是高效、洁净。在实际应用中，固体氧化物燃料电池常与微型燃气轮机等装置组成混合发电系统以进一步提高能源转化率、减少污染排放、降低经济成本等；
本申请应用燃气轮机化学回热循环原理为燃烧室和燃料电池提供燃料重整气体，提高了燃气轮机的燃料利用率。燃料电池发电机组作为压气机的原动机，解除了压气机和动力透平之间的联系，大大简化了压气机和透平之间匹配问题，降低了燃气轮机分析和设计的难度，同时保证了压气机在宽广的工况范围能够一直处于高效率区运行，进一步提高系统性能的潜力。
本发明取消了压气机和涡轮之间传统的共轴连接，燃料电池发电机组作为压气机的原动机，降低了燃气轮机分析和设计的难度，同时保证了压气机在宽广的工况范围能够一直处于高效率区运行，进一步提高系统性能的潜力。应用燃气轮机化学回热循环原理为燃烧室和燃料电池提供燃料重整气体，提高了燃气轮机的燃料利用率。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种分体式燃气轮机燃料电池混合发电系统，其特征在于：包括压气机(1)、燃料电池(2)、燃烧室(3)、涡轮(4)、化学回热器(5)、蒸发器(6)、电动机(7)、发电机(8)、分流器一(9)和分流器二(10)；
所述的燃料电池(2)与电动机(7)电连接，所述的电动机(7)与压气机(1)共轴连接，所述的压气机(1)与分流器一(9)连接，分流器一(9)分别与燃料电池(2)的阴极入口和燃烧室(3)的入口相连，燃料电池(2)的阴极出口与燃烧室(3)的入口相连，燃烧室(3)的出口与涡轮(4)的入口相连，涡轮(4)的出口与化学回热器(5)的热流侧入口相连，涡轮(4)与发电机(8)共轴连接，化学回热器(5)的热流侧出口与蒸发器(6)的热流侧入口相连，水经蒸发器(6)的冷流侧与燃料共同进入化学回热器(5)的冷流侧入口，化学回热器(5)的冷流侧出口与分流器二(10)连接，分流器二(10)分别与燃料电池(2)的阳极入口及燃烧室(3)相连，燃料电池(2)的阳极出口与燃烧室(3)相连。
2.根据权利要求1所述的分体式燃气轮机燃料电池混合发电系统，其特征在于：所述燃料电池(2)为电动机(7)供电，所述电动机(7)带动共轴的压气机(1)运转。
3.根据权利要求1所述的分体式燃气轮机燃料电池混合发电系统，其特征在于：化学回热器(5)的冷流侧出口的燃料重整混合气体经分流器二(10)分别经由设置在燃烧室(3)上的喷嘴一(31)和喷嘴二(32)进入燃烧室(3)。
4.根据权利要求3所述的分体式燃气轮机燃料电池混合发电系统，其特征在于：化学回热器(5)的冷流侧出口经分流器二(10)分流的其中一部分燃料重整混合气体先进入燃料电池(2)的阳极后再由喷嘴一(31)进入燃烧室(3)，经分流器二(10)分流的另一部分燃料重整混合气体直接由喷嘴二(32)进入燃烧室(3)。
5.根据权利要求1所述的分体式燃气轮机燃料电池混合发电系统，其特征在于：涡轮(4)的尾气进入化学回热器(5)中为燃料蒸汽重整反应提供热量。
6.根据权利要求1所述的分体式燃气轮机燃料电池混合发电系统，其特征在于：经燃烧室(3)的出口流出的气体进入涡轮(4)膨胀做功带动发电机(8)发电。
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