CN113889648A - 一种mw级热电联供燃料电池电站 - Google Patents

Abstract

本申请提供了一种MW级热电联供燃料电池电站，包括燃料电池系统、氢气系统、空气系统、并网系统和监控系统，氢气系统采用重整制氢技术、为燃料电池系统提供高纯度氢气；空气系统为燃料电池系统和氢气系统提供空气或氧气；并网系统用于将电能输送至电网，监控系统用于对电站的运行参数进行监测和控制。电站还包括余热利用系统，用于回收利用燃料电池系统、空气系统、氢气系统产生的余热，并向空气系统、氢气系统提供加热功能，向热水用户提供热水；还包括水处理系统，用于回收利用冷凝水或者反应水，并向燃料电池系统、氢气系统、空气系统和余热利用系统提供去离子水。本申请优化了工艺流程、提高了能源利用率，运行时可实现零耗水。

Description

一种MW级热电联供燃料电池电站

技术领域

本申请涉及燃料电池电站技术领域，尤其涉及一种MW级热电联供燃料电池电站。

背景技术

燃料电池因能量转化率高，不受卡诺循环限制，对环境友好，主要生成物为水，基本无活动部件，振动噪声小，以及启动速度快等优点，已用于车用动力、船用动力、分布式供能电站等领域。随着其经济性的不断提高，也越来越适合工业园区和居民小区的热电联供。

质子交换膜燃料电池用于燃料电池电站，氢气系统和空气系统与车用燃料电池有着较大的区别。对于氢气系统，燃料电池电站的用氢量较大，车用高压储氢技术难以满足用氢需求，同时氢气的安全存储对燃料电池电站的建设尤为重要，特别是对于工业园区和居民小区的应用场景，必须寻求一种安全可靠的高密度储氢技术。对于空气系统，车用燃料电池通常采用高速空压机，功耗大、成本高，另一方面车用燃料电池采用膜加湿方法，成本较高，采用集中供空气、喷淋加湿更贴合燃料电池电站的应用需求。PEM燃料电池通常工作温度在80℃左右，通过回收电堆电化学反应的余热，一部分用于喷淋加湿循环水加热，剩余部分可用于居民生活用水，实现燃料电池电站热电联供。

为此，公布号为CN110867604A的发明专利申请提供了一种大型质子交换膜燃料电池发电站工艺系统，通过分布式电堆模块、模块化燃料供应系统、模块化氧化剂供应系统、模块化冷却系统、电力输送与逆变系统、电站主控系统实现大型燃料电池电站的运行。但针对MW级热电联供燃料电池电站的工程应用，上述技术方案仍存在以下不足：

1.缺少各个模块之间系统性的余热利用；

2.缺少各个模块之间系统性的水资源管理；

3.通过储气罐的形式提供氢气无法适应MW级热电联供燃料电池电站的工程应用。

发明内容

针对现有技术存在的以上不足，本申请提供了一种利用重整制氢技术、综合利用系统余热、综合管理系统水资源的MW级热电联供燃料电池电站。

本申请提供的MW级热电联供燃料电池电站包括燃料电池系统、氢气系统、空气系统、并网系统和监控系统；所述氢气系统采用重整制氢技术、为所述燃料电池系统提供高纯度氢气、重整原料为甲醇或天然气或柴油；所述空气系统为所述燃料电池系统和所述氢气系统提供空气或氧气；所述并网系统用于将电能输送至电网，所述监控系统用于对电站运行参数进行监测和控制；还包括余热利用系统，所述余热利用系统用于回收利用所述燃料电池系统、所述空气系统、所述氢气系统中至少一系统产生的余热；还包括水处理系统，用于回收利用所述氢气系统、所述空气系统、所述燃料电池系统中至少一系统生成的冷凝水或者反应水。

余热利用系统回收余热并向所述空气系统、所述氢气系统提供加热功能，通过供暖模块向热水用户提供热水，回收的余热也可用于二次发电等其他用途；水处理系统回收冷凝水和反应水并向所述燃料电池系统、所述氢气系统、所述空气系统、所述余热利用系统提供或补充去离子水。

现有储氢技术在储氢密度、能耗及相应的基础设施建设等方面还存在明显短板，难以满足燃料电池技术商业化应用的需求，特别时MW级热电联供燃料电池电站应优选采用现场制氢技术。与普通的火力发电站相比，采用了重整制氢技术的燃料电池电站的一个特点是：产热点多、产热温度各异而存在温度梯度、同时用热点多，因此有必要设计一个系统地收集和利用热量的余热利用系统。具体地，主要产热点为燃料电池电堆，可通过电堆循环水的方式收集；重整制氢技术的重整模块需要加热至高温催化反应温度，通常采用燃气或催化反应加热，也会产生大量余热；由于燃料电池反应气体需要压缩至一定气压，以提高燃料电池堆的功率密度，采用空压机进行压缩时，也会产生一定量的余热。同时燃料电池电站有多个用热点，具体地，为了达到燃料电池堆的最佳工作状态，需要将其反应气体预热至其最佳工作温度，即60至80℃，可以在其反应气体加湿过程中进行加热，同时使反应气体具有较高的饱和水蒸汽压力；重整制氢技术中，除了重整模块需要加热之外，进入重整模块的重整燃料也需要预热汽化，以实现最佳的重整反应效果；重整混合气的提纯工艺也需要将重整混合气维持在一定的温度范围；将燃料电池电站产热点产生的余热充分用于电站本身工艺流程需要之后，还会剩余大量余热，可用于供给热水用户，实现热电联供。

与普通的火力发电站产生大量碳排放相比，燃料电池电站产生的碳排放较少，但是由于氢燃料的特点，会产生大量的反应水，同时由于产热点多、用热点也多且存在明显的温度梯度，工艺流程中的温度变化会产生较多的冷凝水。具体地，燃料电池堆的阳极反应气体、阴极排出的剩余反应气体在冷却后会产生较大量的冷凝水；重整制氢反应尾气及催化燃烧尾气冷却后也会产生大量反应冷凝水；空压机的冷却器和余热利用系统的冷却器在冷却相应的工作气体和工作液体的时候会产生冷凝水。收集这些冷凝水后，因其杂质含量少，经过简单处理后即可向空气系统补充加湿用水、向重整制氢系统提供反应用水、补充电堆循环水等设备用水。因此有必要设计一个系统地收集和利用反应水和冷凝水的水处理系统。系统正常运行时，可实现零耗水。

同时，由于燃料电池电站的空气或氧气用量较大，设置集中供气、并集中进行加湿加压加温处理，可以大幅降低空气系统的成本，同时提高供气质量和系统运行稳定性。

优选地，所述燃料电池系统包括多个相同或不同的燃料电池模块，所述燃料电池模块包括电堆、氢气循环回路；所述氢气循环回路包括氢气水分离器，所述氢气水分离器的进口连接至所述电堆的氢气出口，所述氢气水分离器的出气口通过氢气循环装置连接至所述电堆的氢气进口，所述氢气水分离器的排水口连接至所述水处理系统。

具体地，所述氢气循环回路包括氢气喷射器、氢气引射器和氢气水分离器；所述氢气喷射器的进口连接至所述氢气系统、出口连接至所述氢气引射器的驱动气体进口，所述氢气水分离器的进口连接至所述电堆的氢气出口、出气口连接至所述氢气引射器的吸入口、排水口连接至所述水处理系统。

燃料电池堆的实际运行中，为了保证氢气充分反应，防止燃料电池在发电过程中发生欠气现象，氢气一般过量供应。同时为了提高氢气利用率和系统运行的安全性，未完全反应的氢气不能直接排入大气。用氢气喷射器、氢气引射器和氢气水分离器构成的氢气循环装置可以实现回收过量氢气、并同时分离回收反应冷凝水的作用。具体地，氢气引射器利用文丘里管原理，利用氢气射流产生的负压，通过吸入口将氢气水分离器分离后的过量氢气再次送回燃料电池堆进行反应发电。燃料电池模块的水循环回路用于将燃料电池堆的温度维持在最佳工作温度，同时将反应产生的余热通过热交换器送往余热利用系统加以综合利用。循环水管路上设置的稳压罐利用气体的弹性减少管路压力的波动，使系统运行更加平稳。氢气循环装置也可采用其他结构，例如采用氢气循环泵和相应的阀门构成。

优选地，所述燃料电池系统还包括空气回路，所述空气回路包括空气水分离器和第二换热器；所述电堆的空气进口连接至所述空气系统，所述空气水分离器的进口连接至所述电堆的空气出口，所述空气水分离器的出气口连接至所述第二换热器的热侧进口，所述空气水分离器的排水口连接至所述水处理系统，所述第二换热器的冷侧通道连接至所述余热利用系统。

第二换热器用于回收反应气体带出的反应余热。具体地，所述第二换热器具有第二热侧进口、第二热侧出口、第二冷侧进口、第二冷侧出口，所述空气水分离器的出气口连接至所述第二热侧进口，所述第二冷侧进口和所述第二冷侧出口连接至所述余热利用系统。在采用氧气作为反应气体，以提高燃料电池堆的功率密度时，为了充分利用氧气，可在空气侧设置由空气喷射器、空气引射器和空气水分离器组成氧气循环回路，空气喷射器的进口连接至所述空气系统、出口连接至所述空气引射器的驱动气体进口，所述空气引射器的出口连接至所述空气进口，所述空气水分离器的出气口连接至所述空气引射器的吸入口，其工作原理和前述的氢气循环回路相类似。

优选地，所述燃料电池系统还包括水循环回路，所述水循环回路包括第一水泵和第一换热器，所述第一水泵和所述第一换热器的热侧通道设置于所述电堆的循环水出口和循环水进口之间，所述第一换热器的冷侧通道连接至所述余热利用系统。

所述水循环回路还可设置去离子器和三通阀，所述去离子器通过所述三通阀并联至所述第一换热器的热侧通道。具体地，所述三通阀的进口连接至所述第一水泵的出口、一出口连接至所述第一热侧进口、另一出口连接至所述去离子器的进口，所述去离子器的出口连接至所述电堆的循环水进口；与第一换热器并联的去离子器用于定期对循环水进行去离子处理，可通过三通阀自动或人工控制其定期对循环水进行去离子操作，以保证循环水水质。

水循环回路还可设置一稳压罐，所述第一换热器具有第一热侧进口、第一热侧出口、第一冷侧进口、第一冷侧出口，所述第一水泵的进口连接至所述电堆的循环水出口、出口连接至所述第一热侧进口，所述第一热侧出口连接至所述电堆的循环水进口，所述稳压罐连接至所述第一水泵和所述第一换热器之间、或所述第一水泵和所述电堆循环水出口之间的连接管道上，所述第一冷侧进口和所述第一冷侧出口连接至所述余热利用系统。

优选地，所述氢气系统包括重整模块、催化燃烧模块、换热模块和提纯模块；所述水处理系统为所述重整模块提供去离子水，所述催化燃烧模块为所述重整模块和所述换热模块提供热量，所述重整模块输出的重整混合气经所述换热模块加热后输入所述提纯模块，所述提纯模块的提纯尾气出口连接至所述催化燃烧模块的进口；所述换热模块包括第三换热器和第四换热器，所述第三换热器的热侧通道和所述第四换热器的热侧通道依次相通构成所述催化燃烧模块的燃烧尾气的排放和放热通道，所述第三换热器的冷侧通道用于所述重整混合气通过并被加热、所述第四换热器的冷侧通道连接至所述余热利用系统；所述第三换热器还具有第二冷凝水出口，所述第二冷凝水出口连接至所述水处理系统。

具体地，所述第三换热器具有第三热侧进口、第三热侧出口、第三冷侧进口、第三冷侧出口，所述第四换热器具有第四热侧进口、第四热侧出口、第四冷侧进口、第四冷侧出口、第二冷凝水出口，所述第三热侧进口、所述第三热侧出口、所述第四热侧进口、所述第四热侧出口依次相通构成所述催化燃烧模块的燃烧尾气的排放和放热通道，所述第三冷侧进口和所述第三冷侧出口用于所述重整混合气通过并被加热、所述第四冷侧进口和所述第四冷侧出口连接至所述余热利用系统。

柴油重整制氢技术的理论产氢比率高、适用领域广、基础设施完善、安全性好、成本低；天然气或者甲烷水重整制氢技术发展较早，也已达到工业化规模；甲醇重整制氢则具有以下优点：甲醇的来源广泛，且廉价易得、易于存储及运输，特别是作为一种可再生生物燃料，是现代农业发展方向之一，具有更好的前景；甲醇具有最高的HC比及最高的理论产氢比，有利于氢气的产生，同时使存储和运输的相对成本降低；甲醇重整制氢的温度较低，仅在400℃左右，不会产生额外的硫氧化物；甲醇没有C-C键，可很大程度上减少温室气体的生成。因此甲醇是优选的重整制氢原料。

为了实现甲醇重整制氢技术的最佳效果，需要将水处理系统提供的去离子水和甲醇混合后预热汽化至重整反应温度、同时保持重整反应器的温度在重整催化剂的最佳工作温度、重整混合气在提纯前也需加热至提纯模块的最佳工作温度。提纯模块将重整混合气中的CO等杂质去除，向燃料电池模块提供所需的高纯度氢气。由于重整反应和提纯模块的温度均远高于电站其他系统的工作温度，因此需要单独设置加热模块。而利用系统的重整燃料即甲醇，以及提纯模块的可燃尾气的催化燃烧模块为上述工艺过程提供热量，不仅无需额外配备燃料供应系统，而且催化燃烧的温度在600℃左右，和重整反应、提纯模块的工作温度较匹配，甚至可以将催化燃烧模块和重整模块集成，提高系统的能源利用效率。催化燃烧模块不仅能对重整模块进行加热，其燃烧尾气还可进行二次和三次利用，即利用第三换热器对重整混合气进行加热、使燃烧尾气从600℃降低至400℃左右，再利用第四换热器进一步回收燃烧尾气的余热，使燃烧尾气降温至100℃以下后进行排放；余热利用系统回收余热后实现燃烧尾气余热的四次利用。由于甲醇和提纯模块的尾气在催化燃烧后会有大量的反应水，在燃烧尾气降温后即成为冷凝水，通过第二冷凝水出口连接至水处理系统进行回收。

优选地，所述空气系统包括空压机、第一冷却器、储气罐和喷淋加湿器，所述空压机通过所述第一冷却器连接至所述储气罐进口，所述储气罐出口连接至所述喷淋加湿器进口，所述喷淋加湿器出口连接至所述燃料电池系统的空气回路；所述喷淋加湿器还包括第二水泵、喷淋器、第五换热器，所述第二水泵的进口连接至所述喷淋加湿器的储水槽、并通过所述第五换热器的冷侧通道泵水至所述喷淋器，所述第五换热器的热侧通道连接至所述余热利用系统；所述第一冷却器具有第一冷凝水出口，所述第一冷却器的冷侧通道连接至所述余热利用系统，所述第一冷凝水出口连接至所述水处理系统。

具体地，所述第五换热器具有第五热侧进口、第五热侧出口、第五冷侧进口、第五冷侧出口，所述第二水泵的进口连接至所述喷淋加湿器的储水槽、出口连接至所述第五冷侧进口，所述第五冷侧出口连接至所述喷淋器；所述第一冷却器具有第六冷侧进口、第六冷侧出口，所述第六冷侧进口和所述第六冷侧出口连接至所述余热利用系统。

利用传统的空压机和储气罐的组合可以实现连续稳定的供气，采用低成本的喷淋加湿器可实现对大流量供气的集中加湿，使燃料电池电站的空气系统总体成本降低。由于空压机连续长时间工作时需要对机体和输出气体进行冷却，以维持在85℃以下的正常工作温度，因此设置了第一冷却器。第一冷却器同时起到了余热回收换热器的作用，将空压机余热和输出气体的余热回收至余热回收系统综合利用。第一冷却器的第一冷凝水出口同时收集冷却过程中产生的冷凝水并输送至水处理系统加以回收利用。另外由于反应气体在加湿过程中会由于水的汽化吸热而造成温度下降，需要将其加热至燃料电池工作温度后输送至燃料电池系统，同时加热后也可提高反应气体的饱和蒸汽压力，即提高其蒸汽含量，以保证质子交换膜燃料电池的加湿需要。第五换热器通过余热利用系统收集的余热对进入喷淋器的水进行加热，进而通过喷淋水对反应气体进行加热，所述反应气体指空气或者氧气。

优选地，所述余热利用系统包括第三水泵、热侧管路、冷侧管路、第二冷却器和供暖模块，所述第二冷却器和所述供暖模块通过所述热侧管路和所述冷侧管路并联或串联；所述燃料电池系统的所述第一换热器和所述第二换热器、所述氢气系统的所述第四换热器、所述空气系统的所述第五换热器和所述第一冷却器串联或并联或串并联组合后连接至所述热侧管路和所述冷侧管路；所述第三水泵设置于所述冷侧管路上。

将第三水泵设置于冷侧管路上有利于降低对第三水泵的耐热性能要求。第二冷却器用于在燃料电池电站产生的余热过多、同时热水用户对热水的需求量又较低时，对余热利用系统的循环水进行降温，以防燃料电池模块等子系统产生过热。因此第二冷却器可以按需切入工作。将第二冷却器与供暖模块并联时，仅需在需要冷却时通过阀门将第二冷却器切入循环，对余热利用系统的循环水进行降温；在不需要冷却时，可以将其关闭，以减少管路阻力。将第二冷却器与供暖模块串联时，可以简化管路结构，在需要冷却时，只要将其风冷或水冷子模块切换至工作状态即可。同样地，产热点和用热点也可并联或串联连接，或串并联组合连接。串联连接的结构相对简单，需注意将不同工作温度的子系统根据温度梯度依次串联连接；并联连接可以实现更加灵活高效的控制，但结构和控制相对较复杂。

优选地，所述燃料电池系统的所述第一换热器和所述第二换热器、所述氢气系统的所述第四换热器、所述空气系统的所述第五换热器和所述第一冷却器均并联连接至所述热侧管路和所述冷侧管路；或，所述燃料电池系统的所述第一换热器和所述第二换热器并联连接后，依次与所述第五换热器、第一冷却器、第四换热器串联后连接至所述热侧管路和所述冷侧管路。

具体地，第一换热器、第二换热器、第四换热器、第一冷却器均为产热点的余热收集换热器，因此相应的第一冷侧进口、第二冷侧进口、第四冷侧进口、第六冷侧进口连接至冷侧管道，使冷侧管道温度较低的循环水进入这些余热收集换热器得到加热，相应的第一冷侧出口、第二冷侧出口、第四冷侧出口、第六冷侧出口连接至热侧管道，将经过加热的循环水回输至余热利用系统。第五换热器为用热点的换热器，其第五热侧进口连接至热侧管道、第五热侧出口连接至冷侧管道，以利用热侧管道温度较高的循环水对空气系统的喷淋水进行加热，此时需要设置一小型水泵以克服冷侧管道和热侧管道之间的压差。

由于燃料电池系统的各个燃料电池模块之间的工作状态区别较小，因此可以并联连接，而且可以不作特别的控制；而第五换热器、第一冷却器、第四换热器的工作温度依次增加，可以将其依次串联连接。具体地，第一换热器和第二换热器的热侧温度为燃料电池的工作温度，在80℃左右，冷侧温度在60至80℃；第五换热器用于空气系统的喷淋水加热，其冷侧温度即喷淋水的目标温度为60℃左右，正好可以利用来自第一换热器和第二换热器冷侧的循环水进行加热；第一冷却器用于对空压机及其输出气体进行冷却，其热侧温度为85℃左右，因此可串联至第五换热器下游；第四换热器用于对氢气系统的催化燃烧模块尾气进行降温并回收余热，其热侧温度在100℃以上，因此适合串联至第一冷却器下游，其第四冷侧出口的水温可达80℃左右，正好可用于供暖模块供用户采暖。

优选地，所述水处理系统包括：反应水收集管道、用于连接至所述氢气水分离器的排水口和所述空气水分离器的排水口；冷凝水收集管道、用于连接至所述第一冷凝水出口和所述第二冷凝水出口；去离子水补水管道、用于为所述水循环回路、所述重整模块、所述喷淋加湿器、所述余热利用系统提供或补充去离子水；去离子装置、用于对收集的水分进行去离子处理并泵送至所述去离子水补水管道。

和传统的火力发电站主要排放物为二氧化碳不同，燃料电池电站的主要排放物为水，其产水量可超过甲醇用量，并足以为电站用水系统补水，因此专门设置水处理系统可以实现降低成本和节约水资源的作用。

优选地，所述并网系统包括：DC/DC升压模块、用于对燃料电池的输出电压进行升压限流；由超级电容或电池组或组合构成的储能模块、用于稳定系统和削峰填谷，所述储能模块并联至所述DC/DC升压模块的输出端；DC/AC转换模块、用于将所述DC/DC升压模块的输出电压转换为与电网同步的交流电压，实现并网。

DC/DC升压模块可将燃料电池的输出电压升压至后续DC/AC转换模块所需的输入电压，同时起到限流作用，减少内部传输的能耗；储能模块通过超级电容或蓄电池组起到缓冲作用，用于稳定系统和暂时存储电能；DC/AC转换模块完成并网前的电压转换。

本申请的技术效果在于：

1.氢气系统采用重整制氢技术，实现MW级热电联供燃料电池电站的规模效应，降低燃料用氢综合成本，提高燃料运输和使用过程中的安全性；

2.空气系统采用集中供气、集中加湿的技术方案，提高供气质量并降低供气成本；

3.余热利用系统根据各产热和用热子系统的工作温度差别，综合回收利用各个子系统产生的余热，实现热电联供，同时实现需要冷却降温的子系统的温度控制；

4.水处理系统结合氢燃料电池电站的特点，综合回收发电过程中的反应水和冷凝水，用于为用水子系统提供或补充去离子水；电站正常运行时，可以实现整体零耗水；

5.通过降低氢气系统、空气系统的运行成本，提高氢气系统的安全性，结合余热利用、水资源回收利用、低排放、低噪音、响应快等优点，使MW级热电联供燃料电池电站的经济效益和社会效益接近或超越传统的火力发电站。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本申请作进一步详细说明：

图1是实施例一的MW级热电联供燃料电池电站结构框图；

图2是实施例一的燃料电池模块工艺流程图；

图3是实施例一的另一种燃料电池模块工艺流程图；

图4是实施例一的氢气系统工艺流程图；

图5是实施例一的空气系统工艺流程图；

图6是实施例一的第一至第五换热器和第一冷却器示意图；

图7是实施例一的余热利用系统工艺流程图一；

图8是实施例一的余热利用系统工艺流程图二；

图9是实施例二的余热利用系统工艺流程图；

图10是实施例一的水处理系统工艺流程图；

图11是实施例一的并网系统示意图；

附图标号说明：

1.燃料电池系统，2.氢气系统，3.空气系统，4.并网系统，5.监控系统，6.余热利用系统，7.水处理系统，100.燃料电池模块，101.电堆，102.氢气喷射器，103.氢气引射器，104.氢气水分离器，105.第一电磁阀，106.第二电磁阀，107.节气门，108.空气水分离器，109.第三电磁阀，110.第一水泵，111.第一换热器，112.三通阀，113.稳压罐，114.去离子器，115.第二换热器，116.空气喷射器，117.空气引射器，118.第四电磁阀，201.重整模块，202.催化燃烧模块，203.提纯模块，204.第三换热器，205.第四换热器，301.空压机，302.储气罐，303.喷淋加湿器，304.第一冷却器，305.第五电磁阀，306.单向阀，307.除油器，308.第二水泵，309.第五换热器，401.DC/DC升压模块，402.储能模块，403.DC/AC转换模块，601.第三水泵，602.冷侧管路，603.热侧管路，604.第二冷却器，605.供暖模块，606.第六电磁阀，607.第七电磁阀，701.去离子装置，702.反应水收集管道，703.冷凝水收集管道，704.去离子水补充管道，705.补水管，706.排水管，10101.氢气进口，10102.氢气出口，10103.空气进口，10104.空气出口，10105.循环水出口，10106.循环水进口，11101.第一热侧进口，11102.第一热侧出口，11103.第一冷侧进口，11104.第一冷侧出口，11501.第二热侧进口，11502.第二热侧出口，11503.第二冷侧进口，11504.第二冷侧出口，20401.第三热侧进口，20402.第三热侧出口，20403.第三冷侧进口，20404.第三冷侧出口，20501.第四热侧进口，20502.第四热侧出口，20503.第四冷侧进口，20504.第四冷侧出口，30401.第六热侧进口，30402.第六热侧出口，30403.第六冷侧进口，30404.第六冷侧出口，30901.第五热侧进口，30902.第五热侧出口，30903.第五冷侧进口，30904.第五冷侧出口。

具体实施方式

为了更清楚地说明本申请或现有技术中的技术方案，下面将对照附图说明本申请的具体实施方式。为使图面简洁，各图中只示意性地表示出了与本申请相关的部分，它们并不代表其作为产品、方法或工艺流程的实际组成部分。另外，以使图面简洁便于理解，在有些图中具有相同结构或功能的部件或模块，仅示意性地绘示了其中的一个，或仅标出了其中的一个。在本文中，“一个”不仅表示“仅此一个”，也可以表示“多于一个”的情形。

还应当进一步理解，在本申请说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。在本文中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

实施例一：一种MW级热电联供燃料电池电站。

如图1所示，本实施例的MW级热电联供燃料电池电站包括燃料电池系统1、氢气系统2、空气系统3、并网系统4、监控系统5、余热利用系统6和水处理系统7。氢气系统2采用甲醇重整制氢技术、为燃料电池系统1提供高纯度氢气；空气系统3为燃料电池系统1和氢气系统2提供空气或氧气，即用于提供燃料电池系统1空气侧的反应气体、提供氢气系统高压催化燃烧反应用的高压气体；并网系统4用于将电能输送至电网，监控系统5用于对电站运行参数进行监测和控制；余热利用系统6用于回收利用燃料电池系统1、氢气系统2、空气系统3产生的余热，并向氢气系统2、空气系统3提供加热功能，还向热水用户提供热水；水处理系统7用于向燃料电池系统1、氢气系统2、空气系统3、余热利用系统6提供去离子水，并回收利用氢气系统2、空气系统3、燃料电池系统1生成的冷凝水或者反应水。

本实施例的设计发电功率为1MW，设计发电效率55％，同时输出超过1MW的热能，燃料综合利用效率设计值80％。以下结合附图对各子系统分别进行详细说明。

如图2所示，本实施例的燃料电池系统1由10个相同的燃料电池模块100并联组成，单个燃料电池模块100的发电功率为100kW，设计发电效率55％，采用质子交换膜燃料电池技术。燃料电池模块100包括以下部件和循环回路：电堆101，由氢气喷射器102、氢气引射器103、氢气水分离器104组成的氢气循环回路，由电堆101的空气进口10103、空气出口10104、空气水分离器108、节气门107、第二换热器115、第三电磁阀109组成的空气回路、由第一水泵110、第一换热器111、稳压罐113、三通阀112、去离子器114组成的水循环回路。

氢气喷射器102的进口连接至氢气系统2、出口连接至氢气引射器103的驱动气体进口，氢气水分离器104的进口连接至电堆101的氢气出口10102、出气口连接至氢气引射器103的吸入口、排水口连接至水处理系统7，氢气引射器103的出口连接至电堆101的氢气进口10101。由于燃料电池实际运行中的氢气一般过量供应，过量比率在1.1至1.5，因此氢气出口10102仍有较多的氢气排出。氢气系统2供应的氢气具有一定的压力，本实施例的氢气压力在500kPa左右，通过氢气喷射器102提高流速后输入氢气引射器103，在氢气引射器103的吸入口产生一定的负压，将反应剩余的氢气重新输入氢气进口10101，构成氢气循环回路。氢气水分离器104将氢气和反应水分离后，反应水从排水口经第二电磁阀106通往水处理系统7。氢气水分离器104还设置有另外一个出气口，经第一电磁阀105后通往应急排气口，用于应急排气。氢气循环回路也可不采用氢气引射器的形式，而用氢气循环泵将氢气水分离器出气口的氢气输送回氢气进口10101。

空气进口10103连接至空气系统3，空气出口10104连接至空气水分离器108的进口，空气水分离器108的排水口经过第三电磁阀109连接至水处理系统7、出气口通过一节气门107连接至第二换热器115。节气门107起到可调背压阀的作用，以保持电堆101空气侧的最佳压力。本实施例的反应空气流量可达4000kg/h，可带走大量的反应余热，因此第二换热器115的设置可以回收部分反应余热。具体地，参见图6，第二换热器115具有第二热侧进口11501、第二热侧出口11502、第二冷侧进口11503、第二冷侧出口11504，空气水分离器108的出气口通过节气门107连接至第二热侧进口11501，第二热侧出口11502为排气口，将降温后的空气排出；第二冷侧进口11503和第二冷侧出口11504连接至余热利用系统6。

水循环回路用于将电堆101的温度维持在最佳工作温度，同时将反应产生的余热通过第一换热器111送往余热利用系统6加以综合利用。具体地，参见图2和图6，电堆101的循环水出口10105连接至第一水泵110的进口，第一水泵110的出口连接至三通阀112的进口，三通阀112的一个出口连接至去离子器114的进口、一个出口连接至第一换热器111的第一热侧进口11101，去离子器114的出口和第一换热器111的第一热侧出口11102连接至电堆101的循环水进口10106，第一换热器111的第一冷侧进口11103和第一冷侧出口11104连接至余热利用系统6。循环水出口10105和第一水泵110的连接管路上还设置有稳压罐113，利用罐内气体的弹性减少管路压力的波动，使系统运行更加平稳。燃料电池系统1的循环水流量为9000kg/h，和空气回路的4000kg/h的空气流量共同对电堆101进行冷却。

如图3所示，作为本实施例的一种变化，空气回路还包括空气喷射器116、空气引射器117，空气喷射器116的进口连接至空气系统3、出口连接至空气引射器117的驱动气体进口，空气引射器117的出口连接至空气进口10103，空气水分离器108的出气口连接至空气引射器117的吸入口。空气水分离器108还包括另一通过第四电磁阀118连接至应急排气口的出气口。

在采用氧气作为反应气体，以提高电堆101的功率密度时，为了充分利用氧气，可在空气侧设置由空气喷射器116、空气引射器117和空气水分离器108组成的氧气循环回路，其工作原理和前述的氢气循环回路相类似。

如图4所述，本实施例采用甲醇作为重整原料，氢气系统2包括重整模块201、催化燃烧模块202、由第三换热器204和第四换热器205组成的换热模块和提纯模块203。水处理系统7为重整模块201提供去离子水，与甲醇混合后形成甲醇水、在重整催化剂的作用下反应生成重整混合气。本实施例采用高温重整催化剂，反应温度在400℃左右。催化燃烧模块202为重整模块201提供热量，使其维持在上述反应温度，具体地，可以通过催化燃烧模块202的燃烧尾气对重整模块201进行加热，也可以将催化燃烧模块202和重整模块201集成为一体，通过热传导和热辐射对重整模块201进行加热。重整模块201输出的重整混合气经第三换热器204加热后输入提纯模块203，使其达到提纯模块203的工作温度。提纯模块203的高纯氢气出口连接至燃料电池系统1的氢气喷射器102的进口，实现为燃料电池系统1提供55kg/h的用氢量。提纯模块203的提纯尾气含有10％左右的氢气和CO等其他可燃气体，将提纯尾气出口连接至催化燃烧模块202的进口，可以利用提纯尾气燃烧产热。

具体地，参见图4和图6，第三换热器204具有第三热侧进口20401、第三热侧出口20402、第三冷侧进口20403、第三冷侧出口20404；第四换热器205具有第四热侧进口20501、第四热侧出口20502、第四冷侧进口20503、第四冷侧出口20504、第二冷凝水出口(图中未示出)。第三热侧进口20401、第三热侧出口20402、第四热侧进口20501、第四热侧出口20502依次相通构成催化燃烧模块202的燃烧尾气的排放和放热通道，第三冷侧进口20403和第三冷侧出口20404用于所述重整混合气通过并被加热、第四冷侧进口20503和第四冷侧出口20504连接至余热利用系统6；所述第二冷凝水出口连接至水处理系统7。

氢气系统2的设计甲醇转化率≥95％，即甲醇重整制氢率≥1kgH₂/8kgCH₃OH，55kg/h的制氢量对应的甲醇消耗量为440kg/h；其提纯模块的氢气提纯效率≥80％，其催化燃烧模块的燃烧效率≥98％。氢气或者甲醇的消耗是燃料电池电站运营成本的主要组成部分，高效率的氢气系统2使燃料电池电站整体的运营成本可以保持在较低水平，为其经济性的提高提供良好的基础。

在另外一些实施例中，根据燃料电池电站所在地的燃料资源获取成本的具体情况，也可选择柴油、天然气或乙醇等燃料作为重整原料进行重整制氢，或者同时采用多种重整燃料；同时，根据不同的制氢工艺或制得氢气的不同质量和状态，在燃料电池系统1也可针对性地采用不同的燃料电池模块，以获得最佳的搭配效果。

如图5所示，空气系统3包括两台额定排气量3960m³/h的变频喷油螺杆式空压机301、容积2m³的储气罐302和喷淋加湿器303。两台空压机301为一用一备设置，分别通过第一冷却器304、第五电磁阀305、单向阀306和除油器307连接至储气罐302的进口；储气罐302的出口连接至喷淋加湿器303的进口，喷淋加湿器303的出口连接至燃料电池系统1的空气回路；喷淋加湿器303还包括第二水泵308、喷淋器(图中未示出)、第五换热器309。

结合图6所示，第五换热器309具有第五热侧进口30901、第五热侧出口30902、第五冷侧进口30903、第五冷侧出口30904；第二水泵308的进口连接至喷淋加湿器303的储水槽、出口连接至第五冷侧进口30903，第五冷侧出口30904连接至所述喷淋器；第五热侧进口30901和第五热侧出口30902连接至余热利用系统6；第一冷却器304具有第六热侧进口30401、第六热侧出口30402、第六冷侧进口30403、第六冷侧出口30404、第一冷凝水出口(图中未示出)，第六冷侧进口30403和第六冷侧出口30404连接至余热利用系统6，所述第一冷凝水出口连接至水处理系统7。

空压机301和储气罐302的组合可以实现连续稳定的供气，喷淋加湿器成本低廉且可实现对大流量供气的集中加湿，且运行稳定可靠、易于维护，使空气系统3总体成本降低。第一冷却器304对空压机301及压缩空气进行冷却的同时起到了余热回收换热器的作用，冷却过程中产生的冷凝水通过所述第一冷凝水出口连接至水处理系统7加以回收利用。另外由于燃料电池系统1对反应气体的压力、湿度和温度均有要求，第五换热器309利用余热利用系统6中温度稳定的循环水对喷淋水进行加热，进而对加湿过程中的反应气体进行加热。喷淋加湿器303的塔体尺寸为Φ1.0m×5m(H)，可将最大流量的空气的相对湿度提高至90％以上，且通过调整喷淋水的温度和流量，可以在相对湿度50～95％的范围内调节。

空气系统3还为氢气系统2的催化燃烧模块202提供用于高压催化燃烧反应用的压缩空气，还可以为其他子系统提供用于气动设备的压缩空气，提高系统综合效率。

如图7所示，余热利用系统6包括第三水泵601、冷侧管路602、热侧管路603、第二冷却器604和供暖模块605。第三水泵601设置于冷侧管路602上，并通过冷侧管路602和热侧管路603与第二冷却器604、供暖模块605构成串联连接。燃料电池系统1的各个燃料电池模块100、氢气系统2和空气系统3与冷侧管路602和热侧管路603构成余热交换连接。

具体地，如图8所示，第一换热器111(仅示出一个)、第二换热器115(仅示出一个)、第一冷却器304(仅示出一个)、第四换热器205均为产热点的余热收集换热器，因此相应的第一冷侧进口11103、第二冷侧进口11503、第四冷侧进口20503、第六冷侧进口30403连接至冷侧管道602，使冷侧管道602内温度较低的循环水进入这些余热收集换热器得到加热，相应的第一冷侧出口11104、第二冷侧出口11504、第四冷侧出口20504、第六冷侧出口30404连接至热侧管道603，将经过加热的循环水回输至余热利用系统6。第五换热器309为用热点的换热器，其第五热侧进口30901连接至热侧管道603、第五热侧出口30902连接至冷侧管道602，并通过设置一小型水泵(图中未示出)以克服冷侧管道602和热侧管道603之间的压差。

第二冷却器604用于在燃料电池电站产生的余热过多、同时供暖模块605对热量的需求不大时，对余热利用系统6的循环水进行降温，以防燃料电池模块100等子系统产生过热。

本实施例的燃料电池系统1由循环水带出的余热量约为820kW、由反应尾气带出的余热约为300kW；氢气系统2的燃烧尾气可利用余热约为500kW，空气系统3的空压机301产生的可利用余热约为80kW，另外喷淋加湿器303需要消耗热量约160kW，理论上系统最高可净输出余热1540kW。在实际应用中，也可达到与发电量相当的供热量，实现80％以上的燃料综合利用率。

如图10所示，所述水处理系统7包括：反应水收集管道702、用于连接至氢气水分离器104的排水口和空气水分离器108的排水口；冷凝水收集管道703、用于连接至空气系统3的第一冷凝水出口和氢气系统2的第二冷凝水出口；去离子水补水管道704、用于为燃料电池系统1的水循环回路、重整模块202、喷淋加湿器303提供或补充去离子水；去离子装置701、用于对收集的水分进行去离子处理并泵送至去离子水补水管道704。

和传统的火力发电站主要排放物为二氧化碳不同，燃料电池电站的主要排放物为水，其产水量可超过甲醇用量，本实施例的氢气系统2产生的燃烧尾气冷凝水可达410kg/h，空气系统3产生的冷却器冷凝水约40kg/h，燃料电池系统1产生的反应水可达440kg/h，共计890kg/h；同时向氢气系统2供水440kg/h，向空气系统3的喷淋加湿器303供水220kg/h，共计660kg/h，并考虑上燃料电池系统1的循环水补水、余热利用系统6的循环水补水等消耗，整个燃料电池电站可实现零耗水。

如图11所示，并网系统4包括：DC/DC升压模块401、用于对燃料电池的输出电压进行升压限流；由超级电容构成的储能模块402、用于稳定系统和削峰填谷，储能模块402并联至DC/DC升压模块401的输出端；DC/AC转换模块403、用于将DC/DC升压模块401的输出电压转换为与电网同步的交流电压，实现并网。储能模块402也可由蓄电池组构成。

监控系统5根据设置在各个子系统的传感器获知燃料电池电站的运行状态，并相应地控制各个子系统，使各个子系统及整个燃料电池电站运行在设计工作状态。

本实施例通过高效环保的燃料电池系统发电，通过甲醇重整制氢技术实现安全低成本的规模化氢气供应，通过空气系统集中供气集中加湿，通过余热利用系统进一步实现高效能源利用，通过水处理系统进一步实现节能降耗，使燃料电池电站的经济性短板得到了弥补，尤其适用于冬季需要大规模供热、冬季污染严重、水资源缺乏的北方地区。

实施例二：一种MW级热电联供燃料电池电站。

本实施例与实施例一的区别为，如图9所示，多个换热器采用串并联结合的方式进行连接。具体地，燃料电池系统1的第一换热器111和第二换热器115并联连接后，依次与空气系统3的第五换热器309和第一冷却器304、氢气系统2的第四换热器205串联后连接至热侧管路603和冷侧管路602。以上连接方式根据各个换热器所在系统的工作温度设计，即循环水依次流过热侧温度80℃左右的第一换热器111和第二换热器115对电堆101进行冷却、流过冷侧温度60℃以下的第五换热器309对喷淋水进行加热、流过热侧温度为85℃左右的第一冷却器304对空压机301进行冷却、最后流过热侧温度超过100℃的第四换热器205对催化燃烧模块202的燃烧尾气进行降温并回收余热，其第四冷侧出口20504的水温可达80℃左右或更高，正好可用于供暖模块605供用户采暖。

第二冷却器604通过第六电磁阀606和第七电磁阀607连接至冷侧管道602和热侧管道603，使其可以按需切入工作。本实施例的余热利用系统6结构更加简单、控制也较简单，并可实现更高的余热利用率。但需考虑各个子系统之间的相互影响，适用于各个子系统对温度控制要求相对较低的应用场景。

上述仅为本申请的较佳实施例及所运用的技术原理，在不脱离本申请构思的情况下，还可以进行各种明显的变化、重新调整和替代。本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本申请的其他优点和功效。本申请还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本申请的精神的情况下进行各种修饰或改变。在不冲突的情况下，以上实施例及实施例中的特征可以相互组合。

Claims (10)

1.一种MW级热电联供燃料电池电站，包括燃料电池系统、氢气系统、空气系统、并网系统和监控系统，其特征在于：

所述氢气系统采用重整制氢技术、为所述燃料电池系统提供高纯度氢气、重整原料为甲醇或天然气或柴油；

所述空气系统为所述燃料电池系统和所述氢气系统提供空气或氧气；

所述并网系统用于将电能输送至电网，所述监控系统用于对电站运行参数进行监测和控制；

还包括余热利用系统，所述余热利用系统用于回收利用所述燃料电池系统、所述空气系统、所述氢气系统中至少一系统产生的余热；

还包括水处理系统，用于回收利用所述氢气系统、所述空气系统、所述燃料电池系统中至少一系统生成的冷凝水或者反应水。

2.根据权利要求1所述的MW级热电联供燃料电池电站，其特征在于：

所述燃料电池系统包括多个燃料电池模块，所述燃料电池模块包括电堆、氢气循环回路；

所述氢气循环回路包括氢气水分离器，所述氢气水分离器的进口连接至所述电堆的氢气出口，所述氢气水分离器的出气口通过氢气循环装置连接至所述电堆的氢气进口，所述氢气水分离器的排水口连接至所述水处理系统。

3.根据权利要求2所述的MW级热电联供燃料电池电站，其特征在于：

所述燃料电池系统还包括空气回路，所述空气回路包括空气水分离器和第二换热器；

所述电堆的空气进口连接至所述空气系统，所述空气水分离器的进口连接至所述电堆的空气出口，所述空气水分离器的出气口连接至所述第二换热器的热侧进口，所述空气水分离器的排水口连接至所述水处理系统，所述第二换热器的冷侧通道连接至所述余热利用系统。

4.根据权利要求3所述的MW级热电联供燃料电池电站，其特征在于：

所述燃料电池系统还包括水循环回路，所述水循环回路包括第一水泵和第一换热器；

所述第一水泵和所述第一换热器的热侧通道设置于所述电堆的循环水出口和循环水进口之间，所述第一换热器的冷侧通道连接至所述余热利用系统。

5.根据权利要求4所述的MW级热电联供燃料电池电站，其特征在于：

所述氢气系统包括重整模块、催化燃烧模块、换热模块和提纯模块；

所述水处理系统为所述重整模块提供去离子水，所述催化燃烧模块为所述重整模块和所述换热模块提供热量，所述重整模块输出的重整混合气经所述换热模块加热后输入所述提纯模块，所述提纯模块的提纯尾气出口连接至所述催化燃烧模块的进口；

所述换热模块包括第三换热器和第四换热器，所述第三换热器的热侧通道和所述第四换热器的热侧通道依次相通构成所述催化燃烧模块的燃烧尾气的排放和放热通道，所述第三换热器的冷侧通道用于所述重整混合气通过并被加热、所述第四换热器的冷侧通道连接至所述余热利用系统；

所述第三换热器还具有第二冷凝水出口，所述第二冷凝水出口连接至所述水处理系统。

6.根据权利要求5所述的MW级热电联供燃料电池电站，其特征在于：

所述空气系统包括空压机、第一冷却器、储气罐和喷淋加湿器，所述空压机通过所述第一冷却器连接至所述储气罐进口，所述储气罐出口连接至所述喷淋加湿器进口，所述喷淋加湿器出口连接至所述燃料电池系统的空气回路；

所述喷淋加湿器还包括第二水泵、喷淋器、第五换热器，所述第二水泵的进口连接至所述喷淋加湿器的储水槽、并通过所述第五换热器的冷侧通道泵水至所述喷淋器，所述第五换热器的热侧通道连接至所述余热利用系统；

所述第一冷却器具有第一冷凝水出口，所述第一冷却器的冷侧通道连接至所述余热利用系统，所述第一冷凝水出口连接至所述水处理系统。

7.根据权利要求6所述的MW级热电联供燃料电池电站，其特征在于：

所述余热利用系统包括第三水泵、热侧管路、冷侧管路、第二冷却器和供暖模块，所述第二冷却器和所述供暖模块通过所述热侧管路和所述冷侧管路并联或串联；

所述燃料电池系统的所述第一换热器和所述第二换热器、所述氢气系统的所述第四换热器、所述空气系统的所述第五换热器和所述第一冷却器串联或并联或串并联组合连接后连接至所述热侧管路和所述冷侧管路；

所述第三水泵设置于所述冷侧管路上。

8.根据权利要求7所述的MW级热电联供燃料电池电站，其特征在于：

所述燃料电池系统的所述第一换热器和所述第二换热器、所述氢气系统的所述第四换热器、所述空气系统的所述第五换热器和所述第一冷却器均并联连接至所述热侧管路和所述冷侧管路，

或，所述燃料电池系统的所述第一换热器和所述第二换热器并联连接后，依次与所述第五换热器、第一冷却器、第四换热器串联后连接至所述热侧管路和所述冷侧管路。

9.根据权利要求6-8中任一项所述的MW级热电联供燃料电池电站，其特征在于，所述水处理系统包括：

反应水收集管道，用于连接至所述氢气水分离器的排水口和所述空气水分离器的排水口；

冷凝水收集管道，用于连接至所述第一冷凝水出口和所述第二冷凝水出口；

去离子水补水管道，用于为所述水循环回路、所述重整模块、所述喷淋加湿器、所述余热利用系统提供或补充去离子水；

去离子装置，用于对收集的水分进行去离子处理并泵送至所述去离子水补水管道。

10.根据权利要求1所述的MW级热电联供燃料电池电站，其特征在于，所述并网系统包括：

DC/DC升压模块、用于对燃料电池的输出电压进行升压限流；

由超级电容或电池组或组合构成的储能模块、用于稳定系统和削峰填谷，所述储能模块并联至所述DC/DC升压模块的输出端；

DC/AC转换模块、用于将所述DC/DC升压模块的输出电压转换为与电网同步的交流电压，实现并网。

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