CN114665120B - 一种基于多型燃料的sofc-gt混合发电系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于多型燃料的SOFC‑GT混合发电系统，该系统包括空气供应单元，燃料供应单元，换热器单元，燃料电池电堆单元和燃气轮机单元。空气供应单元向换热器单元供应空气，空气经过换热单元加热后进入燃料电池阴极；燃料供应单元将燃料传输至燃料电池阳极进行电堆反应，阳极反应产物中的水蒸气通过膜分离装置分离并进入混合器，其余通入燃烧室中和燃料供应单元提供的燃料一起进行燃烧，燃烧产物与热能用于预热系统和驱动燃气轮机单元产生电能并输出。本发明通过该系统可以使用多种燃料作为能量源，适用范围广，同时可以提高能量的利用率，提高了系统的功率‑重量比，使其在航空航天领域的应用成为可能。

Description

一种基于多型燃料的SOFC-GT混合发电系统
技术领域
本发明涉及一种基于多型燃料的SOFC-GT混合发电系统，属于能源、重整制氢以及高效发电技术领域。
背景技术
固体氧化物燃料电池(SOFC)技术由于其出色的发电特性，已成为可以改变现代能源发电方式的新一代能源技术。SOFC可以通过电化学反应将燃料的化学能直接转换为电能，发电效率高，产物为水和二氧化碳，被广泛认为是一种高效率的清洁能源发电技术。
SOFC是一种工作温度在800℃～1100℃高温的燃料电池，因此其能够直接使用甲烷、一氧化碳、天然气、气化煤等作为燃料。由于其排气温度非常高，属于高品位能，还具有很高的利用价值。并且SOFC排气中仍含有未完全反应的燃料气体，如CO、H2等，如果直接排放到环境中去，不仅会造成能量的浪费，而且会对环境造成污染。将燃料电池(SOFC)与涡轮发动机(GT)混合能很好地解决这个问题，该种混合装置中涡轮发动机充分利用了SOFC的高温废热以及其排出的未利用的尾气，将SOFC的高温废气通过燃烧室燃烧，最后通过涡轮做功输出。SOFC/GT混合动力装置具有稳定性高、污染小等突出优点。此外，随着涡轮发动机技术的成熟以及燃料电池模块化的特点，再加上这两种独立装置的热力参数是相互兼容的，因此将燃料电池与涡轮发动机组成的混合装置是一种极有前景的方案。考虑到固体氧化物燃料电池燃料适应性广以及高效率等特点，其在航空领域的应用近年来受到了广泛的重视。
然而在SOFC-GT系统中，多种燃料的切换并不简单，燃料的切换会导致系统发生性能问题，为了证明系统燃料多样性的能力以及评估切换燃料带来的后果，数值模拟起着至关重要的作用。
发明内容
本发明目的在于提供一种基于多型燃料的SOFC-GT混合发电系统。
本发明采用以下技术方案：
一种基于多型燃料的SOFC-GT混合发电系统，包括:空气供应单元，燃料供应单元，换热器单元，燃料电池电堆单元和燃气轮机单元；
所述燃料电池电堆单元包括SOFC电堆、变流器，所述燃料供应单元包括有燃料供应装置、燃料分离器、混合器和燃料重整装置；所述燃气轮机单元包括燃烧室、涡轮以及发电机；
所述空气供应单元向换热器单元提供空气，所述换热器单元对空气进行加热后传输至所述SOFC电堆阴极；所述燃料供应单元向燃料电池电堆单元提供燃料，在SOFC电堆阳极进行电堆反应；阳极反应产物中的水通过水蒸气分离装置分离并进入混合器，其余通入燃烧室中和燃料供应单元供应的燃料一起进行燃烧，燃烧产物与热能用于预热系统并驱动所述燃气轮机单元产生电能并输出。
进一步的，所述的空气供应单元设置有压气机，通过所述压气机将空气输送至换热器单元，所述换热器单元设置有换热器。
进一步的，所述的燃料供应单元中，燃料供应装置与燃料分离器互相连通，燃料分离器分别连接混合器和燃烧室；所述燃料分离器装置将燃料分别按设置的比例输入混合器和燃烧室中；所述混合器将水蒸气分离装置分离出来的SOFC电堆尾气中的水蒸气与脱硫后的燃料均匀混合，混合后通入燃料重整装置；所述燃料重整装置将燃料进行重整后传输至燃料电池电堆单元。
进一步的，所述燃料分离器和混合器之间还设有一阀门，如果所述燃料无需重整，那么燃料供应单元通过控制阀门装置将混合器中与水蒸气混合后的燃料直接通入SOFC电堆阳极进行阳极反应，所述混合器将水蒸气和燃料混合能使燃料达到SOFC电堆所需求的温度。
进一步的，所述的燃气轮机单元中，燃烧室与燃料分离器、水蒸气分离装置以及SOFC电堆阴极连通，尾气与燃料在燃烧室中充分燃烧；燃烧产生的高温高压气体依次通入涡轮和换热器中，所述涡轮驱动发电机发电。
进一步的，所述燃料重整装置出口连通至SOFC电堆的阳极，所述SOFC电堆的阴极和空气供应单元连通，所述SOFC电堆产生的电能输送至变流器。
进一步的，所述SOFC电堆连接整流/逆变装置，通过所述整流/逆变装置输出电能至电能输出模块。
进一步的，所述的SOFC电堆采用的结构是阳极支撑体结构，反应温度为800℃至1100℃。
本发明的有益效果如下：
1)提供一种基于多型燃料的SOFC-GT混合发电系统，可以实现多型燃料作为系统能量源的切换控制。
2)提供一种基于多型燃料的SOFC-GT混合发电系统，使用多型燃料，可以有效避免搭载氢气带来的易燃易爆等问题，避开了储氢技术路线，走现场制氢技术路线，无需建设加氢站，从而有效降低了制造成本。
3)提供一种新型的燃料电池与燃气轮机并联供电的结构，解决燃料电池自身排气温度过高的问题，实现了能量的高效利用，提高了系统的功率-重量比，使其在航空航天领域的应用成为可能。
附图说明
图1为一种基于多型燃料的SOFC-GT混合发电系统的结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，结合本发明中的附图，对发明中的技术方案进行清楚、完整地描述。此处所描述的具体实例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
图1为一种基于多型燃料的SOFC-GT混合发电系统的结构示意图。空气压气机与换热器串联后接入燃料电池电堆的阴极；燃料供应装置供应的燃料进入燃料分离器后分别进入混合器和燃烧室中，混合器将燃料与水蒸气分离器中分离出的水蒸气充分混合后传输至燃料重整装置，经过重整后的燃料进入SOFC电堆阳极。
如果燃料无需重整(如NH3)，那么燃料供应单元通过控制阀门装置将混合器中与水蒸气混合后的燃料直接通入SOFC电堆阳极进行反应，混合器将水蒸气和燃料混合能使燃料达到SOFC电堆所需求的温度。
所述燃料重整装置出口连通至SOFC电堆的阳极，所述SOFC电堆的阴极和空气供应单元连通，SOFC电堆的输出端与直流交流变流器相连接，SOFC电堆产生的电能输送至变流器；SOFC电堆的阴极排气接入燃烧室,SOFC电堆的阳极排气接入水蒸气分离装置，水蒸气分离装置分离出的SOFC电堆尾气中的水蒸气与脱硫后的燃料在混合器中均匀混合，其余阳极排气接入燃烧室；SOFC电堆采用的结构是阳极支撑体结构，反应温度为800℃至1100℃；SOFC电堆连接整流/逆变装置，通过所述整流/逆变装置输出电能至电能输出模块。
所述的燃气轮机单元中，燃烧室与燃料分离器、水蒸汽分离装置以及SOFC电堆阴极连通，尾气与燃料在燃烧室中充分燃烧；燃烧产生的高温高压气体依次通入涡轮和换热器中，所述涡轮驱动发电机发电。燃烧室的排气接入涡轮装置做功，涡轮装置与发电机连接；涡轮装置排气接入换热器中，用于加热空气。
下面结合算例(以航空煤油为例),对本发明的效果做进一步说明。
一种基于多型燃料的SOFC-GT混合发电系统模拟的初始条件和系统模拟结果分别如表1和表2所示。
表1系统初始值
表2系统模拟结果
项目 结果 项目 结果
SOFC发电量 103.3KW 涡轮发电量 176.1KW
SOFC运行电压 0.6444V 空气压气机耗功 110.8KW
系统总功率 279.5KW 系统热效率 55.3％
系统功率-重量比 0.7304KW/KG 系统排气温度 678.1K

Claims (3)

1.一种基于多型燃料的SOFC-GT混合发电系统，其特征在于，包括:空气供应单元，燃料供应单元，换热器单元，燃料电池电堆单元和燃气轮机单元；
所述燃料电池电堆单元包括SOFC电堆、变流器，所述燃料供应单元包括有燃料供应装置、水蒸气分离装置、燃料分离器、混合器和燃料重整装置；所述燃气轮机单元包括燃烧室、涡轮以及发电机；
所述空气供应单元向换热器单元提供空气，所述换热器单元对空气进行加热后传输至所述SOFC电堆阴极；所述燃料供应单元向燃料电池电堆单元提供燃料，在SOFC电堆阳极进行电堆反应；阳极反应产物中的水通过水蒸气分离装置分离并进入混合器，其余通入燃烧室中和燃料供应单元供应的燃料一起进行燃烧，燃烧产物与热能用于预热系统并驱动所述燃气轮机单元产生电能并输出；
所述的空气供应单元设置有压气机，通过所述压气机将空气输送至换热器单元，所述换热器单元设置有换热器；
所述的燃料供应单元中，燃料供应装置与燃料分离器互相连通，燃料分离器分别连接混合器和燃烧室；所述燃料分离器装置将燃料分别按设置的比例输入混合器和燃烧室中；所述混合器将水蒸气分离装置分离出来的SOFC电堆尾气中的水蒸气与脱硫后的燃料均匀混合，混合后通入燃料重整装置；所述燃料重整装置将燃料进行重整后传输至燃料电池电堆单元；
所述燃料分离器和混合器之间还设有一阀门，如果所述燃料无需重整，那么燃料供应单元通过控制阀门装置将混合器中与水蒸气混合后的燃料直接通入SOFC电堆阳极进行阳极反应，所述混合器将水蒸气和燃料混合能使燃料达到SOFC电堆所需求的温度；
所述的燃气轮机单元中，燃烧室与燃料分离器、水蒸气分离装置以及SOFC电堆阴极连通，尾气与燃料在燃烧室中充分燃烧；燃烧产生的高温高压气体依次通入涡轮和换热器中，所述涡轮驱动发电机发电。
2.根据权利要求1所述的一种基于多型燃料的SOFC-GT混合发电系统，其特征在于，所述燃料重整装置出口连通至SOFC电堆的阳极，所述SOFC电堆的阴极和空气供应单元连通，所述SOFC电堆产生的电能输送至变流器，供用户使用。
3.根据权利要求1所述的一种基于多型燃料的SOFC-GT混合发电系统，其特征在于，所述的SOFC电堆采用的结构是阳极支撑体结构，反应温度为800°C至1100°C。
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