CN114639843A - 一种燃料电池与双燃气轮机耦合系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种燃料电池与双燃气轮机耦合系统，具有燃料电池、空气压气机、燃料压气机、第一、二换热器、以及第一、二膨胀机，燃料电池包括阴阳两极入口和阴阳两极出口；空气压气机与第一换热器连通，使压缩后的工作气体进入第一换热器换热；第一换热器与阴极入口连通，使换热后的气体进入燃料电池；燃料压气机与第二换热器连通，使压缩后的燃料气体进入第二换热器换热；第二换热器与阳极入口连通，使换热后的燃料气体进入燃料电池，与工作气体反应产生电能。燃料电池阳极乏气和阴极乏气分别通过第一和第二膨胀机作功发电后返还到燃料电池与双燃气轮机耦合系统中，再次通过第一、二换热器分别对工作气体与燃料气体进行加热，而后分别排出系统。
Description
技术领域
本发明属于燃料电池和燃气轮机技术领域，具体涉及一种燃料电池与双燃气轮机耦合系统。
背景技术
当前人类所面临的挑战最主要的是能源问题，全球都有能源紧缺和环境的问题。燃料电池是一种能将化学能转化为电能的装置，因其较高的效率和对环境友好的性质，契合了当代能源的发展理念，因而被广泛应用在各种领誉。但是燃料电池排出的废气温度较高，可达到1000℃以上，为减少热能大量散失带来的能源浪费，燃料电池比较常见的发电方式是与单个燃气轮机结合，组成燃料电池与燃气轮机耦合的发电系统，以实现燃料电池的尾气再利用。在燃料电池与单个燃气轮机耦合的发电系统中，燃料和空气分别进入燃料电池的阳级和阴级，在燃料电池内部进行反应，燃料电池阴极和阳极的乏气一起送入补燃室对阳极乏气残余的燃料进行补燃，再送入膨胀机作功。但是燃料电池阳极乏气中水蒸汽的含量较高，与阴极乏气全部混合后，降低了系统排气中水蒸汽的浓度，不利于排气余热利用时水蒸汽潜热的利用。
发明内容
本发明是为了解决上述问题而进行的，目的在于提供一种燃料电池与双燃气轮机耦合系统。
为解决上述问题，提供了一种燃料电池与双燃气轮机耦合系统，本发明采用了如下技术方案：
本发明提供了一种燃料电池与双燃气轮机耦合系统，具有这样的特征，包括：燃料电池、空气压气机、燃料压气机、第一换热器、第二换热器、第一膨胀机以及第二膨胀机，燃料电池包括阳极入口、阳极出口、阴极入口以及阴极出口；空气压气机与第一换热器连通，以使压缩后的工作气体进入第一换热器进行换热；第一换热器与阴极入口连通，使换热后的工作气体进入燃料电池；燃料压气机与第二换热器连通，以使压缩后的燃料气体进入第二换热器进行换热；第二换热器与阳极入口连通，使换热后的燃料气体进入燃料电池，与工作气体反应，从而产生电能；阴极出口与第一膨胀机连通，使从阴极出口抽出的尾气进入第一膨胀机作功，产生阴极乏气；阳极出口与第二膨胀机连通，使从阳极出口抽出的尾气进入第二膨胀机作功，产生阳极乏气；第一换热器与第一膨胀机连通，阴极乏气通过第一换热器对压缩后的工作气体进行加热；以及第二换热器与第二膨胀机连通，阳极乏气通过第二换热器对压缩后的燃料气体进行加热。
在本发明提供的燃料电池与双燃气轮机耦合系统中，还可以具有这样的特征，还包括：补燃室，其中，补燃室设置在阳极出口与第二膨胀机之间，使从阳极出口排出的尾气进入补燃室，补燃室还通过管道与阴极出口连通，使至少部分从阴极出口排出的尾气进入补燃室，与阳极出口排出的尾气混合燃烧生成阳极乏气。
在本发明提供的燃料电池与双燃气轮机耦合系统中，还可以具有这样的特征，还包括：调节阀，其中，调节阀连接阴极出口、补燃室以及第一膨胀机，用于调节从阴极出口排出的尾气进入补燃室和/或进入第一膨胀机的流量。
在本发明提供的燃料电池与双燃气轮机耦合系统中，还可以具有这样的特征，其中，燃料电池的数量至少为一台。
在本发明提供的燃料电池与双燃气轮机耦合系统中，还可以具有这样的特征：其中，燃料气体包括氢气、甲烷或天然气中的至少一种。
发明作用与效果
根据本发明所涉及的燃料电池与双燃气轮机耦合系统，因为具有空气压气机、燃料压气机、第一换热器、第二换热器、第一膨胀机以及第二膨胀机，工作气体与燃料气体分别经过空气压气机、燃料压气机压缩后，再分别通过第一换热器、第二换热器换热后进入燃料电池进行反应，换热能够提高进入燃料电池前工质的温度，有助于提高燃料电池乏气的温度，从而提高工质作功效率。燃料电池将工作气体和燃料气体产生的化学能转化为电能，反应后产生的阳极尾气和阴极尾气仍然具有较高余热，再分别通过第一膨胀机和第二膨胀机作功发电后返还到燃料电池与双燃气轮机耦合系统中，再次通过第一换热器、第二换热器分别对工作气体与燃料气体进行加热，而后分别排出系统，与下游设备相连。所以，本发明的燃料电池与双燃气轮机耦合系统不仅能够提高燃料电池工质的入口初温，提高了工质的品质，增加了系统的作功，且能通过阳极乏气和阴极乏气分别利用排出，为下游余热利用时更好地回收阳极乏气中的水蒸汽潜热创造了条件，可最大程度地回收热能，提高能源利用效率。
附图说明
图1是本发明的实施例中燃料电池与双燃气轮机耦合系统的连接示意图。
附图编号说明：燃料电池与双燃气轮机耦合系统1、燃料电池10、阳极入口11、阳极出口12、阴极入口13、阴极出口14、空气压气机20、燃料压气机30、第一换热器40、第二换热器50、第一膨胀机60、第二膨胀机70、补燃室80、调节阀90、第一发电机110、第二发电机100
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，以下实施例结合附图对本发明燃料电池与双燃气轮机耦合系统作具体阐述。
<实施例>
本实施例详细阐述燃料电池与双燃气轮机耦合系统的具体结构和工作过程。
图1是本发明的实施例中燃料电池与双燃气轮机耦合系统的连接示意图。
如图1所示，一种燃料电池与双燃气轮机耦合系统1包括燃料电池10、空气压气机20、燃料压气机30、第一换热器40、第二换热器50、第一膨胀机60、第二膨胀机70、补燃室80以及调节阀90。
燃料电池10包括阳极入口11、阳极出口12、阴极入口13以及阴极出口14。
本实施例中的燃料电池采用燃料电池sofc，能够接受经过压缩和换热的燃料气体和工作气体，在电池内部进行电化学反应，将燃料的化学能转化为电能，同时燃料电池的尾气又具有较高的温度，且还有残余的未反应的可燃成分，为下一级的补燃室80提供燃料。
本实施例中的燃料气体可以为氢气、甲烷或天然气中的至少一种实施例中的工作气体可以为空气。
空气压气机20与第一换热器40连通，以使压缩后的工作气体进入第一换热器40进行换热。第一换热器40与阴极入口13连通，使换热后的工作气体进入燃料电池10。燃料压气机30与第二换热器50连通，以使压缩后的燃料气体进入第二换热器50进行换热。第二换热器50与阳极入口11连通，使换热后的燃料气体进入燃料电池10，与工作气体反应，从而产生电能。
燃料气体通过管路进入燃料压气机30压缩至1Mpa再通过管路进入第二换热器50吸收热量后，再进入燃料电池10的阳极。工作气体通过管路进入空气压气机20压缩至1Mpa再通过管路进入第一换热器40吸收热量后，再通过管路直接进入燃料电池10的阴极，与燃料气体在燃料电池内部进行电化学反应，燃料的化学能部分通过电能的形式传递给外界，部分以热能的形式随燃料电池阴阳两极的尾气排出，燃料电池阴阳的出口尾气温度达到了1000℃以上，从而达到了进入燃气轮机作功的条件。
阴极出口14与第一膨胀机60连通，使从阴极出口14排出的尾气进入第一膨胀机60作功，产生阴极乏气。阳极出口12与第二膨胀机70连通，使从阳极出口12排出的尾气进入第二膨胀机70作功，产生阳极乏气。
补燃室80设置在阳极出口12与第二膨胀机70之间，使从阳极出口12排出的尾气进入补燃室80，补燃室80还通过管道与阴极出口14连通，使至少部分从阴极出口14排出的尾气进入补燃室80，与阳极出口12排出的尾气混合燃烧生成阳极乏气。
调节阀90连接阴极出口14、补燃室80以及第一膨胀机60，用于调节从阴极出口14排出的尾气进入补燃室80和/或进入第一膨胀机60的流量。
补燃室80通过管道接收燃料电池10阳极出口12的尾气以及阴极出口14的部分尾气，而后在补燃室80内进行燃烧反应，将剩余的可燃燃料全部反应，使得工质温度提高，从而提高工质热量的品价。第一膨胀机60通过管道接收燃料电池阴极出口14的部分尾气做功，第二膨胀机70通过管道接收补燃室80排气作功，并分别通过第一发电机110和第二发电机100以电能的形式传递出来。
调节阀90将从阴极出口14流出的尾气进行分流，进行流量分配，使系统在燃料完全燃烧的前提下的发电效率最高。补燃室80中的阳极尾气需要与阴极尾气混合燃烧后进入第二膨胀机70进行作功，而燃料电池阴极的部分乏气可直接进入第一膨胀机60进行作功，同时也便于分别给空气压气机20和燃料压气机30提供轴功压缩工质。
第一换热器40还分别与第一膨胀机60连通，阴极乏气通过第一换热器40对压缩后的工作气体进行加热。第二换热器50与第二膨胀机70连通，阳极乏气通过第二换热器50对压缩后的燃料气体进行加热。
在实际应用中，本实施例中的燃料电池与双燃气轮机耦合系统1对于不同的燃料气体，作功总量、效率和各个部分的作功量和作功不同，以下仅以氢气作为燃料气体的情况进行说明：
标准条件下的氢气以1kg/s的流量进入压气机中压缩至压强为1Mpa，压气机耗功为2.938MW，经燃料电池反应后的阳极出口工质温度达到1285℃，阴极出口工质温度为1463℃，分向补燃室的流量为10kg/s，两台膨胀机的总输出功为36.078MW，系统的总发电效率为53.0％，系统的总发电功率为75.5MW。
实施例作用与效果
根据本实施例所涉及的燃料电池与双燃气轮机耦合系统，由于具有空气压气机、燃料压气机、第一换热器、第二换热器、第一膨胀机以及第二膨胀机，工作气体与燃料气体分别经过空气压气机、燃料压气机压缩后，再分别通过第一换热器、第二换热器换热后进入燃料电池进行反应，换热能够提高进入燃料电池前工质的温度，有助于提高燃料电池乏气的温度，从而提高工质作功效率。燃料电池将工作气体和燃料气体产生的化学能转化为电能，反应后产生的阳极乏气和阴极乏气仍然具有较高余热，再分别通过第一膨胀机和第二膨胀机作功发电后返还到燃料电池与双燃气轮机耦合系统中，再次通过第一换热器、第二换热器分别对工作气体与燃料气体进行加热，而后分别排出系统，与下游设备相连。所以，本发明的燃料电池与双燃气轮机耦合系统不仅能够提高燃料电池工质的入口初温，提高了工质的品质，增加了系统的作功，且能通过阳极乏气和阴极乏气分别利用排出，为下游余热利用时更好地回收阳极乏气中的水蒸汽潜热创造了条件，可最大程度地回收热能，提高能源利用效率。
此外，本实施例中的燃料电池与双燃气轮机耦合系统还包括设置在阳极出口与第二膨胀机之间，且与阴极出口连通的补燃室，能够将燃料电池装置残余的可燃燃料进行补燃，同时接受燃料电池阴极的部分乏气，进一步反应使燃料的化学热转化为热能，提高工质温度，提高了工质的品质和作功。
上述实施方式为本发明的优选案例，并不用来限制本发明的保护范围。
Claims (5)
1.一种燃料电池与双燃气轮机耦合系统，其特征在于，包括：
燃料电池、空气压气机、燃料压气机、第一换热器、第二换热器、第一膨胀机以及第二膨胀机，
所述燃料电池包括阳极入口、阳极出口、阴极入口以及阴极出口；
所述空气压气机与所述第一换热器连通，以使压缩后的工作气体进入所述第一换热器进行换热；
所述第一换热器与所述阴极入口连通，使换热后的所述工作气体进入所述燃料电池；
所述燃料压气机与所述第二换热器连通，以使压缩后的燃料气体进入所述第二换热器进行换热；
所述第二换热器与所述阳极入口连通，使换热后的所述燃料气体进入所述燃料电池，与所述工作气体反应，从而产生电能；
所述阴极出口与所述第一膨胀机连通，使从所述阴极出口排出的尾气进入所述第一膨胀机作功，产生阴极乏气；
所述阳极出口与所述第二膨胀机连通，使从所述阳极出口排出的尾气进入所述第二膨胀机作功，产生阳极乏气；
所述第一换热器与所述第一膨胀机连通，所述阴极乏气通过所述第一换热器对所述压缩后的所述工作气体进行加热；以及
所述第二换热器与所述第二膨胀机连通，所述阳极乏气通过所述第二换热器对所述压缩后的所述燃料气体进行加热。
2.根据权利要求1所述的燃料电池与双燃气轮机耦合系统，其特征在于，还包括：
补燃室，
其中，所述补燃室设置在所述阳极出口与所述第二膨胀机之间，使从所述阳极出口排出的尾气进入所述补燃室，
所述补燃室还通过管道与所述阴极出口连通，使至少部分从所述阴极出口排出的尾气进入所述补燃室，与所述阳极出口排出的尾气混合燃烧生成所述阳极乏气。
3.根据权利要求2所述的燃料电池与双燃气轮机耦合系统，其特征在于，还包括：
调节阀，
其中，所述调节阀连接所述阴极出口、所述补燃室以及所述第一膨胀机，用于调节从所述阴极出口排出的尾气进入所述补燃室和/或进入所述第一膨胀机的流量。
4.根据权利要求1所述的燃料电池与双燃气轮机耦合系统，其特征在于：
其中，所述燃料电池的数量为至少一台。
5.根据权利要求1所述的燃料电池与双燃气轮机耦合系统，其特征在于：
其中，所述燃料气体包括氢气、甲烷或天然气中的至少一种。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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