CN113285093A - 基于甲醇水蒸气重整的燃料电池-太阳能发电系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了基于甲醇水蒸气重整的燃料电池‑太阳能发电系统，包括：太阳能组件、蒸发器、重整器、燃料电池、燃气轮机组件、发电机；在太阳能组件产生的热能作用下，蒸发器中的甲醇和水生成甲醇水蒸气，再经重整器生成氢气用于燃料电池产生电能，燃料电池排出的废气又可带动燃气轮机组件运转，燃气轮机组件带动发电机产生电能。本发明利用太阳能组件提供热能，通过农作物秸秆、残枝败叶等生物质发酵产生甲烷进而得到甲醇及氢气供燃料电池产生电能，节省了能源消耗，充分利用燃料电池的排热特性，加入了燃气轮机组件，带动发电机运转发电，进一步提高了能源利用效率。本发明合理利用新能源，产生电能，节约资源，保护环境。

Description

基于甲醇水蒸气重整的燃料电池-太阳能发电系统
技术领域
本发明属于电力装备领域，具体涉及基于甲醇水蒸气重整的燃料电池-太阳能发电系统。
背景技术
传统的火力发电是直接燃烧煤炭等不可再生能源，将燃料的化学能转化为热能。燃料通过直接燃烧方式的优点在于：利用方式简单、直接、对技术要求不高，缺点是燃料利用率低，会大量产生二氧化碳以及其他有害气体，对环境造成破坏。随着化石能源的严重短缺以及环境质量的急剧下降，如何能够充分利用能源成为了当下研究重点。
传统的燃气轮机动力依靠燃烧室产生高温高压气体，然而燃烧室运行环境苛刻，对材料的耐热性能等要求很高，制作精密程度极大，需要定期维护，经济成本高，效率较低。因此用燃料电池代替燃烧室，可以有效减少燃气轮机的经济成本，同时提高燃气轮机的做功效率。
而燃料电池由于其燃料为氢气，在运输和存储过程中都有不小的隐患。因此原地制氢成为了现在解决燃料电池发电原料获取的有效途径之一，且甲醇与水蒸气重整制氢目前已有极为成熟的工业产链。常见的甲醇与水蒸气重整反应温度为200℃-400℃，但是，如果单独为此增加一个热源，其增加的成本就显得得不偿失。
如何低成本、简单有效的利用燃料电池的高转化率，同时充分利用燃料电池的排热特性，并规避传统燃料利用率低、能源利用方式单一等缺点的发电技术，成为电力装备领域的重点。
发明内容
本发明提出了一种基于甲醇水蒸气重整的燃料电池-太阳能发电系统和方法，充分利用太阳能的热量，和生物质产生的甲烷转化成的甲醇，经重整生成氢气，作为燃料电池的能源产生电能，同时为了充分利用燃料电池的排热特性，加入了燃气轮机组件，带动发电机运转发电，从而进一步提高了能源利用效率。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
基于甲醇水蒸气重整的燃料电池-太阳能发电系统，包括：太阳能组件、蒸发器、重整器、燃料电池、燃气轮机组件、发电机；
所述燃料电池用于产生电能，所述燃料电池包括阳极、阴极和电解质，所述阳极连接所述电解质，所述电解质连接所述阴极；
所述太阳能组件连接所述蒸发器和所述阴极，所述蒸发器连接所述重整器，所述重整器连接所述阳极，所述阳极和所述阴极连接所述燃气轮机组件；
所述太阳能组件用于吸收太阳热量产生热能，并为所述蒸发器和所述阴极提供热能；
所述蒸发器用于通入甲醇和水，在所述太阳能组件产生的热能作用下，生成甲醇水蒸气；
所述重整器用于通入所述甲醇水蒸气，生成氢气，所述氢气通入所述阳极；
所述燃气轮机组件用于通入所述阳极和所述阴极排出的尾气产生运转，带动所述发电机。
优选的，所述太阳能组件为槽式太阳能，所述太阳能组件包括聚光镜和集热管；
所述聚光镜用于反射太阳光，汇聚太阳热量；
所述集热管用于吸收经所述聚光镜反射汇聚的太阳热量。
优选的，所述聚光镜采用镜面铝材料，所述集热管采用玻璃-金属材料。
优选的，所述甲醇由甲烷转化而来。
优选的，所述燃料电池为固体氧化物燃料电池，所述电解质为固体氧化物电解质。
优选的，所述燃气轮机组件包括催化燃烧室、压气机和涡轮；
所述催化燃烧室用于通入所述阳极和所述阴极排出的尾气，生成动力气流，推动所述涡轮运转；
所述涡轮分别与所述发电机和所述压气机连接，用于带动所述发电机和所述压气机产生运转；
所述压气机用于吸入外界空气，生成压缩空气，所述压缩空气通入所述阴极。
优选的，所述阴极连接换热器；
所述换热器用于所述压缩空气吸收所述太阳能组件产生的热能。
优选的，所述蒸发器与所述重整器之间通过甲醇水蒸气流通管道连接，所述重整器与所述阳极之间通过氢气流通管道连接，所述甲醇水蒸气流通管道和所述氢气流通管道均设有保温隔热层。
本发明的有益效果为：
本发明公开了基于甲醇水蒸气重整的燃料电池-太阳能发电系统和方法，通过生物质发酵产生甲烷，再转化为甲醇，在太阳能产生的热量作用下生成氢气，整个过程既不需要消耗现有的化石燃料，又能起到节约资源的作用。燃料电池的转化效率很高，同时为了充分利用燃料电池的排热特性，增加燃气轮机组件带动发电机产生电能，进一步提升了发电效率。本系统结构简单，效率高，节约资源，保护环境。本系统能够实现模块化应用，小型综合发电系统能够在我国农村实现广泛推广应用，为居民用户提供电能；中型综合发电系统能够在舰船上面使用，节约燃油的同时，还能够减少燃油尾气污染物的排放；大型综合发电系统能够用于发电厂。本系统具有广阔的推广空间和使用价值。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例基于甲醇水蒸气重整的燃料电池-太阳能发电系统结构示意图。
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。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
如图1所示，基于甲醇水蒸气重整的燃料电池-太阳能发电系统，包括：太阳能组件、蒸发器、重整器、燃料电池、燃气轮机组件、发电机；
燃料电池用于产生电能，燃料电池包括阳极、阴极和电解质，阳极连接电解质，电解质连接阴极。在本实施例中，燃料电池为固体氧化物燃料电池，电解质为固体氧化物电解质。
太阳能组件连接蒸发器和燃料电池阴极，蒸发器连接重整器，重整器连接燃料电池阳极，燃料电池阳极和阴极连接燃气轮机组件。
太阳能组件用于吸收太阳热量产生热能，并为蒸发器和阴极提供热能。在本实施例中，太阳能组件采用槽式太阳能聚光集热器，包括聚光镜和集热管；聚光镜采用镜面铝材料，用于反射太阳光，汇聚太阳热量；集热管采用玻璃-金属材料，用于吸收经聚光镜反射汇聚的太阳热量。
蒸发器用于通入甲醇和水，在太阳能组件产生的热能作用下，生成甲醇水蒸气。在本实施例中，甲醇由甲烷转化而来。
可选的，甲烷可以通过农作物秸秆、残枝败叶等生物质发酵产生。
重整器中通入甲醇水蒸气，生成氢气，氢气再通过氢气流通管道进入燃料电池阳极，燃料电池产生电能。
为了充分利用燃料电池的排热特性，增加燃气轮机组件，将燃料电池阳极和阴极排出的尾气通入燃气轮机组件，使燃气轮机组件产生运转，带动发电机。
在本实施例中，燃气轮机组件包括催化燃烧室、压气机和涡轮；
将燃料电池阳极和阴极排出的尾气经尾气排出管道通入催化燃烧室，生成动力气流，经高温高压气体流通管道与涡轮连接，推动涡轮运转；
涡轮分别与发电机和压气机连接，带动发电机和压气机产生运转；
压气机吸入外界空气，生成压缩空气，将压缩空气经空气流通管道通入燃料电池阴极。
在本实施例中，燃料电池阴极外通过空气流通管道连接有换热器，压气机产生的压缩空气和太阳能组件产生的热能先进入换热器中换热，以提高压缩空气的温度，提高燃料电池的反应速率。
可选的，涡轮排出的尾气依然会有较高的温度，将其连接到蒸发器上，可继续提供甲醇与水蒸发所需要的热能。
在本实施例中，蒸发器与重整器之间通过甲醇水蒸气流通管道连接，重整器与阳极之间通过氢气流通管道连接，甲醇水蒸气流通管道和氢气流通管道均设有保温隔热层。
可选的，甲醇与水的流通管道通过卡套接头与蒸发室相连。
可选的，所述的氢气流通管道和空气流通管道外部套有陶瓷管，起到保温隔热的作用。
可选的，氢气流通管道、水流通管道、甲醇流通管道、尾气排出管道均为不锈钢材料铸造。
本实施例基于甲醇水蒸气重整的燃料电池-太阳能发电系统的流程如下：
将太阳能组件产生的热能分别传输至蒸发器和燃料电池阴极；
将甲醇和水通入蒸发器，在热能作用下，产生甲醇水蒸气；可选的，通过生物质发酵产生甲烷，再由甲烷转化为甲醇；
将甲醇水蒸气通入重整器，经重整反应产生氢气；
将重整出的氢气通入燃料电池阳极，燃料电池产生电能，阳极和阴极排出尾气；
将燃料电池排出的阳极尾气和阴极尾气通入燃气轮机组件，燃气轮机组件包括催化燃烧室、涡轮和压气机；
燃料电池排出的尾气首先进入催化燃烧室产生动力气流，涡轮在动力气流的作用下产生运转，带动发电机和压气机；
发电机产生电能；
压气机吸入外界空气，生成压缩空气；
涡轮运转后排出的尾气依然会有较高的温度，将其连接到蒸发器上，可为蒸发器提供额外的热能。
将压缩空气通入换热器，与太阳能组件产生的热能进行换热，提高压缩空气的温度，再通入燃料电池阴极。
在本实施例中，能量转换机制主要有三步：
第一步，农作物秸秆、残枝败叶等生物质通过沼气池发酵产生沼气，沼气可转化成甲醇，此过程将生物质能转化为化学能，有效的利用了可再生能源，同时没有消耗化石能源。
第二步，通过能够对太阳实时跟踪的小型槽式太阳能聚光集热器，最大限度的吸收太阳能，将太阳能转换为热能，供人类加以利用。
第三步，甲醇与水通过重整反应产生氢气，氢气和氧气通过燃料电池发生电化学反应，将化学能直接转换为电能，使得能源利用率大大提高。
以上所述的实施例仅是对本发明优选方式进行的描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (8)

1.基于甲醇水蒸气重整的燃料电池-太阳能发电系统，其特征在于，包括：太阳能组件、蒸发器、重整器、燃料电池、燃气轮机组件、发电机；
所述燃料电池用于产生电能，所述燃料电池包括阳极、阴极和电解质，所述阳极连接所述电解质，所述电解质连接所述阴极；
所述太阳能组件连接所述蒸发器和所述阴极，所述蒸发器连接所述重整器，所述重整器连接所述阳极，所述阳极和所述阴极连接所述燃气轮机组件；
所述太阳能组件用于吸收太阳热量产生热能，并为所述蒸发器和所述阴极提供热能；
所述蒸发器用于通入甲醇和水，在所述太阳能组件产生的热能作用下，生成甲醇水蒸气；
所述重整器用于通入所述甲醇水蒸气，生成氢气，所述氢气通入所述阳极；
所述燃气轮机组件用于通入所述阳极和所述阴极排出的尾气产生运转，带动所述发电机。
2.根据权利要求1所述的基于甲醇水蒸气重整的燃料电池-太阳能发电系统，其特征在于，所述太阳能组件为槽式太阳能，所述太阳能组件包括聚光镜和集热管；
所述聚光镜用于反射太阳光，汇聚太阳热量；
所述集热管用于吸收经所述聚光镜反射汇聚的太阳热量。
3.根据权利要求2所述的基于甲醇水蒸气重整的燃料电池-太阳能发电系统，其特征在于，所述聚光镜采用镜面铝材料，所述集热管采用玻璃-金属材料。
4.根据权利要求1所述的基于甲醇水蒸气重整的燃料电池-太阳能发电系统，其特征在于，所述甲醇由甲烷转化而来。
5.根据权利要求1所述的基于甲醇水蒸气重整的燃料电池-太阳能发电系统，其特征在于，所述燃料电池为固体氧化物燃料电池，所述电解质为固体氧化物电解质。
6.根据权利要求1所述的基于甲醇水蒸气重整的燃料电池-太阳能发电系统，其特征在于，所述燃气轮机组件包括催化燃烧室、压气机和涡轮；
所述催化燃烧室用于通入所述阳极和所述阴极排出的尾气，生成动力气流，推动所述涡轮运转；
所述涡轮分别与所述发电机和所述压气机连接，用于带动所述发电机和所述压气机产生运转；
所述压气机用于吸入外界空气，生成压缩空气，所述压缩空气通入所述阴极。
7.根据权利要求6所述的基于甲醇水蒸气重整的燃料电池-太阳能发电系统，其特征在于，所述阴极连接换热器；
所述换热器用于所述压缩空气吸收所述太阳能组件产生的热能。
8.根据权利要求1-7任一项所述的基于甲醇水蒸气重整的燃料电池-太阳能发电系统，其特征在于，所述蒸发器与所述重整器之间通过甲醇水蒸气流通管道连接，所述重整器与所述阳极之间通过氢气流通管道连接，所述甲醇水蒸气流通管道和所述氢气流通管道均设有保温隔热层。
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