CN115149037A - 一种燃料电池与燃气循环和蒸汽循环耦合的发电系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种燃料电池与燃气循环和蒸汽循环耦合的发电系统，包括空气压缩机、反应气体压缩机、燃料电池、补燃室和透平，空气压缩机、反应气体压缩机和透平同轴连接，透平还连接有发电机，空气压缩机连接燃料电池的阴极，反应气体压缩机连接燃料电池的阳极，燃料电池乏气出口共同连接补燃室，补燃室连接透平；还包括给水泵、余热锅炉和混合器，混合器设置于补燃室的透平之间，余热锅炉连接给水泵和混合器，透平的乏气出口连接余热锅炉。与现有技术相比，本发明利用余热锅炉吸收透平排气中的余热，产生水蒸汽与燃料电池的乏气混合进入透平膨胀做功，使烟气中的余热尽可能再用于透平做功发电，从而提高整个联合循环的效率。

Description

一种燃料电池与燃气循环和蒸汽循环耦合的发电系统
技术领域
本发明涉及燃料电池发电技术领域，尤其是涉及一种燃料电池与燃气循环和蒸汽循环耦合的发电系统。
背景技术
燃料电池是一种把燃料所具有的化学能直接转换成电能的化学装置，又称电化学发电器。它是继水力发电、热能发电和原子能发电之后的第四种发电技术。由于燃料电池是通过电化学反应把燃料的化学能中的吉布斯自由能部分转换成电能，不受卡诺循环效应的限制，因此效率高；另外，燃料电池用燃料和氧气作为原料，同时没有机械传动部件，故排放出的有害气体极少，使用寿命长。
燃料电池在正常工作下，排出的乏气温度可以达到1000℃以上，因此燃料电池一般会和透平(汽轮机)耦合构成燃料电池-透平联合发电系统，以充分利用燃料电池的余热，提高系统的发电效率。然而，透平排烟的余热温度通常仍然在600℃以上，现有的发电系统还没有对余热进行充分利用，系统的发电效能仍有待提高。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种燃料电池与燃气循环和蒸汽循环耦合的发电系统，充分利用透平的余热协助透平自身发电，提升联合发电系统的发电效率。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种燃料电池与燃气循环和蒸汽循环耦合的发电系统，包括空气压缩机、反应气体压缩机、燃料电池、补燃室和透平，所述空气压缩机、反应气体压缩机和透平同轴连接，所述透平还同轴连接有发电机，所述空气压缩机连接燃料电池的阴极，所述反应气体压缩机连接燃料电池的阳极，燃料电池的阳极乏气出口和阴极乏气出口共同连接补燃室，所述补燃室连接透平；
所述发电系统还包括给水泵、余热锅炉和混合器，所述混合器设置于补燃室的透平之间，所述余热锅炉连接给水泵和混合器，所述透平的乏气出口连接余热锅炉的进气口，透平的乏气将余热锅炉内的水加热汽化，水蒸气进入混合器后与补燃室流出的气体混合，共同进入透平膨胀做工。
进一步地，还包括阳极回热加热器，所述阳极回热加热器设置于反应气体压缩机和燃料电池的阳极连接的管道上，所述透平的乏气出口连接阳极回热加热器后连接余热锅炉，透平的乏气对进入燃料电池的反应气体进行加热。
进一步地，还包括阴极回热加热器，所述阴极回热加热器设置于空气压缩机和燃料电池的阴极连接的管道上，所述透平的乏气出口连接阴极回热加热器后连接余热锅炉，透平的乏气对进入燃料电池的空气进行加热。
进一步地，所述混合器为三通管道，三通管道的三个口分别连接透平的进气口、余热锅炉的出水口和补燃室的出气口。
进一步地，所述混合器为具有三个口的容器，位于一侧的出口连接透平的进气口，位于另一侧的两个进口分别连接余热锅炉的出水口和补燃室的出气口。
进一步地，所述容器为筒形容器或锥形容器；当为锥形容器时，一侧的出口位于锥尖上，另一侧的两个进口位于锥底面上。
进一步地，所述反应气体压缩机中通入反应气体，或者通入由氢气、甲烷、天然气中的至少一种气体与反应气体混合的混合气体。
进一步地，包括至少一个燃料电池，每个燃料电池连接有一个补燃室，所述多个补燃室的气体出口通过汇流排连接混合器。
进一步地，所述燃料电池采用氢燃料电池。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1、本发明在传统的发电系统上增加了给水泵、余热锅炉和混合器，增加的余热锅炉吸收透平排气中的余热，产生高温高压的水蒸汽与燃料电池出口乏气混合进入透平膨胀做功，将蒸汽循环和燃气循环与燃料电池耦合，使烟气中的余热尽可能再用于透平做功发电，从而提高整个联合循环的效率。
2、本发明还可设置阳极回热加热器和阴极回热加热器，利用透平排气中的余热加热进入燃料电池的反应气体和空气，既能有助于提高燃料电池自身的反应效率，更高效地产生电能，而且能够使燃料电池的排气温度更高，减小补燃室的耗能，提高整个系统的发电效能。
3、混合器采用三通管道或具有三个口的筒形容器，结构简单可靠；或者可以采用锥形状的容器，减小气体流体阻力，使其充分混合后能更平顺地进入透平。
4、燃料电池优选采用氢燃料电池，没有污染、安全环保。
附图说明
图1为本发明实施例一的结构示意图。
图2为本发明实施例二的结构示意图。
附图标记：1、空气压缩机，2、反应气体压缩机，3、燃料电池，4、补燃室，5、透平，6、给水泵，7、余热锅炉，8、混合器，9、阳极回热加热器，10、阴极回热加热器，11、发电机。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例一
如图1所示，本实施例提供了一种燃料电池与燃气循环和蒸汽循环耦合的发电系统，包括空气压缩机1、反应气体压缩机2、燃料电池3、补燃室4、透平5、给水泵6、余热锅炉7、混合器8、阳极回热加热器9和阴极回热加热器10。
该发电系统的连接方式具体为：空气压缩机1、反应气体压缩机2、透平5和发电机11同轴连接。反应气体压缩机2进口与反应气体管道相连，引入反应气体；反应气体压缩机2的出口通过管道与阳极回热加热器9的进口相连；阳极回热加热器9的出口通过管道与燃料电池3的阳极入口相连。空气压缩机1进口与空气管道相连，空气氢气；空气压缩机1的出口通过管道与阴极回热加热器10的进口相连；阴极回热加热器10的出口通过管道与燃料电池3的阴极入口相连。燃料电池3的阳极乏气出口和阴极乏气出口共同连接补燃室4，补燃室4连接透平5。混合器8设置于补燃室4的透平5之间，余热锅炉7连接给水泵6和混合器8，透平5的乏气出口连接余热锅炉7的进气口。本实施例中，透平5的乏气出口分为两路，分别进入阳极回热加热器9和阴极回热加热器10，对进入燃料电池3的反应气体和空气进行加热，既能有助于提高燃料电池3自身的反应效率，更高效地产生电能，而且能够使燃料电池3的排气温度更高，减小补燃室4的耗能。然后，阳极回热加热器9和阴极回热加热器10的排气再汇合进入余热锅炉7，给水泵6的给水在余热锅炉7中吸收阴极回热加热器10和阳极回热加热器9排气的热量，转化为高温高压水蒸汽，送入混合器8与补燃室4送来的高温高压气体混合，而后进入透平5膨胀做功，使透平5乏气的余热再次用于透平5做功发电，从而提高整个联合循环的效率。
本实施例中，透平5、空气压缩机1、反应气体压缩机2和发电机11通过一根轴连接在一起，混合器8出口的高温高压气体进入透平5膨胀做功，透平5输出功一部分驱动空气压缩机1和反应气体压缩机2分别提高空气压力和反应气体压力，另一部分驱动发电机11发电。
燃料电池3采用常规的气体燃料电池即可，本实施例中优选采用氢燃料电池，环保性好。氢燃料电池3行电化学反应，将氢气的化学能转化为电能。燃料电池3可以是一个或多个。当采用多个并列运行的燃料电池3时，每个燃料电池3连接有一个补燃室4，多个补燃室4的气体出口通过汇流排连接混合器8；同时，多个燃料电池3的阳极进口和阴极进口也设有汇流排连接阳极回热加热器9和阴极回热加热器10。
反应气体压缩机2的进口主要是通入氢气，也可以在氢气中混入甲烷或天然气等，为后续补燃室4提供足够的气体燃料。
本实施例中，混合器8为具有三个口的筒形容器，位于一侧的出口连接透平5的进气口，位于另一侧的两个进口分别连接余热锅炉7的出水口和补燃室4的出气口。筒形容器可使得补燃室4的气体和高温高压水蒸汽充分进行混合，从而进入透平5做功。在另一实施方式中，混合器8可以为简单的三通管道，结构简单，成本低。
本实施例的具体过程如下：
一般系统进口的工质都取标准条件，氢气和空气都为标准条件下的状态。
氢气从进入反应气体压缩机2，压缩后送入阳极回热加热器9，吸收由透平5来的乏气放出的热量，而后进入燃料电池3的阳极；空气送入空气压缩机1机，压缩后送入阴极回热加热器10，吸收由透平5的乏气放出的热量，而后送入燃料电池3的阴极。燃料电池3、的阳极乏气和阴极乏气进入补燃室4、补燃后，送入混合室与余热锅炉7来的蒸汽混合。混合室出来的高温高压气体进入透平5膨胀做功，透平5出口乏气先分成两路分别进入阴极回热加热器10和阳极回热加热器9加热进入燃料电池3的空气和氢气，而后再进入余热锅炉7加热给水泵6来的给水，产生蒸汽送入混合室。透平5输出功一部分通过轴驱动反应气体压缩机2和空气压缩机1，另一部驱动发电机11发电。
本实施例经过实验，当标准条件下的氢气以1kg/s的流量进入系统，空气压缩机1和反应气体压缩机2的机压比为10，经燃料电池3入口工质温度为600℃，补充入混合室的蒸汽流量为11kg/s，发电系统的总发电功率可以达到105.452MW，发电系统总发电效率超过61％以上，相比没有利用透平5乏气的情况高出四个百分点以上。
实施例二
如图2所示，本实施例的基本结构和实施例一相同，其区别点在于，没有设置阳极回热加热器9和阴极回热加热器10。透平5的乏气直接进入余热锅炉7的进气口，将余热锅炉7内的水加热汽化，对余热的利用更加直接。同时，混合器8为具有三个口的锥形容器，一侧的出口位于锥尖上，另一侧的两个进口位于锥底面上，减小气体流体阻力，使其充分混合后能更平顺地进入透平5。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (9)

1.一种燃料电池与燃气循环和蒸汽循环耦合的发电系统，包括空气压缩机(1)、反应气体压缩机(2)、燃料电池(3)、补燃室(4)和透平(5)，所述空气压缩机(1)、反应气体压缩机(2)和透平(5)同轴连接，所述透平(5)还同轴连接有发电机(11)，所述空气压缩机(1)连接燃料电池(3)的阴极，所述反应气体压缩机(2)连接燃料电池(3)的阳极，燃料电池(3)的阳极乏气出口和阴极乏气出口共同连接补燃室(4)，所述补燃室(4)连接透平(5)，其特征在于：
所述发电系统还包括给水泵(6)、余热锅炉(7)和混合器(8)，所述混合器(8)设置于补燃室(4)的透平(5)之间，所述余热锅炉(7)连接给水泵(6)和混合器(8)，所述透平(5)的乏气出口连接余热锅炉(7)的进气口，透平(5)的乏气将余热锅炉(7)内的水加热汽化，水蒸气进入混合器(8)后与补燃室(4)流出的气体混合，共同进入透平(5)膨胀做工。
2.根据权利要求1所述的一种燃料电池与燃气循环和蒸汽循环耦合的发电系统，其特征在于，还包括阳极回热加热器(9)，所述阳极回热加热器(9)设置于反应气体压缩机(2)和燃料电池(3)的阳极连接的管道上，所述透平(5)的乏气出口连接阳极回热加热器(9)后连接余热锅炉(7)，透平(5)的乏气对进入燃料电池(3)的反应气体进行加热。
3.根据权利要求1所述的一种燃料电池与燃气循环和蒸汽循环耦合的发电系统，其特征在于，还包括阴极回热加热器(10)，所述阴极回热加热器(10)设置于空气压缩机(1)和燃料电池(3)的阴极连接的管道上，所述透平(5)的乏气出口连接阴极回热加热器(10)后连接余热锅炉(7)，透平(5)的乏气对进入燃料电池(3)的空气进行加热。
4.根据权利要求1所述的一种燃料电池与燃气循环和蒸汽循环耦合的发电系统，其特征在于，所述混合器(8)为三通管道，三通管道的三个口分别连接透平(5)的进气口、余热锅炉(7)的出水口和补燃室(4)的出气口。
5.根据权利要求1所述的一种燃料电池与燃气循环和蒸汽循环耦合的发电系统，其特征在于，所述混合器(8)为具有三个口的容器，位于一侧的出口连接透平(5)的进气口，位于另一侧的两个进口分别连接余热锅炉(7)的出水口和补燃室(4)的出气口。
6.根据权利要求5所述的一种燃料电池与燃气循环和蒸汽循环耦合的发电系统，其特征在于，所述容器为筒形容器或锥形容器；当为锥形容器时，一侧的出口位于锥尖上，另一侧的两个进口位于锥底面上。
7.根据权利要求1所述的一种燃料电池与燃气循环和蒸汽循环耦合的发电系统，其特征在于，所述反应气体压缩机(2)中通入反应气体，或者通入由氢气、甲烷、天然气中的至少一种气体与反应气体混合的混合气体。
8.根据权利要求1所述的一种燃料电池与燃气循环和蒸汽循环耦合的发电系统，其特征在于，包括至少一个燃料电池(3)，每个燃料电池(3)连接有一个补燃室(4)，所述多个补燃室(4)的气体出口通过汇流排连接混合器(8)。
9.根据权利要求1所述的一种燃料电池与燃气循环和蒸汽循环耦合的发电系统，其特征在于，所述燃料电池(3)采用氢燃料电池。
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