CN117307319A - 一种固体氧化物燃料电池和燃气轮机的联合发电系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种固体氧化物燃料电池和燃气轮机的联合发电系统，供水水泵出口与第一换热器冷侧入口连接，第一换热器冷侧出口、燃料供气压气机出口均与混合器入口连接，混合器出口与重整器入口连接，重整器出口与固体氧化物燃料电池阳极连接，固体氧化物燃料电池出口与燃气轮机燃烧室入口连接，燃气轮机燃烧室热侧出口与重整器热侧入口连接，重整器热侧出口与涡轮进气口连接，涡轮出气口与第二换热器热侧入口连接，第二换热器热侧出口与冷凝器热侧入口连接，冷凝器热侧出口与抽气机连接，第二换热器冷侧出口与固体氧化物燃料电池阴极连接。该系统通过燃料电池工作在接近大气压条件下，涡轮过度膨胀到大气压以下，避免了燃料电池的高压操作问题。

Description

一种固体氧化物燃料电池和燃气轮机的联合发电系统
技术领域
本发明涉及发电系统技术领域，更具体的说是涉及一种固体氧化物燃料电池和燃气轮机的联合发电系统。
背景技术
固体氧化物燃料电池通过化学反应可以将燃料和氧化剂中的化学能快速转化成电能，具有能量转化效率高、清洁无污染的特点。与传统的燃烧发电相比，燃料电池发电不受卡诺循环定理的限制，提高了能量利用率，而且固体氧化物燃料电池尾气温度较高，可以与其他循环结合，极大地提升了能量的品位，降低了能量的不可逆损失。燃料电池发电技术具有很大的竞争力，燃料电池技术正逐渐成为继火电、核电、水电的第四代发电技术，未来的电力系统是电网和燃料电池分布式发电联合运行的电力系统。
目前的固体氧化物燃料电池-燃气轮机混合发电系统中，空气和燃料都是先加压到高压，再进入燃料电池发电，燃料电池工作在高压条件。而制约固体氧化物燃料电池-燃气轮机混合发电系统商业化运行的主要挑战正是高压问题，一方面高压导致燃料电池入口周围的电流集中，这为燃料电池带来了复杂的热管理问题；另一方面，尽管高压条件下，混合系统表现出了优异的性能，输出功率增加，但高压下系统的设计和控制也更加复杂，电池损坏的风险增加。燃料电池外壳必须要经过牢固的密封才能投入运行，由外界干扰或者瞬态操作引起的剧烈压力变化也对固体氧化物燃料电池-燃气轮机混合发电系统的广泛商业化运行带来重大的挑战。此外，现有固体氧化物燃料电池-燃气轮机混合发电系统的工作压力也较大，而为降低系统的整体压力，其系统的结构也越来越复杂，并且复杂的结构并没有提高系统的发电效率。
因此，如何提供一种燃料电池可工作在常压下，从而避免燃料电池的高压问题，以及降低发电系统整体的压力，从而降低系统的复杂性，提高系统发电效率的固体氧化物燃料电池和燃气轮机的联合发电系统是本领域技术人员亟需解决的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种燃料电池可工作在常压下，从而避免燃料电池的高压问题，以及降低发电系统整体的压力，从而降低系统的复杂性，提高系统发电效率的固体氧化物燃料电池和燃气轮机的联合发电系统。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种固体氧化物燃料电池和燃气轮机的联合发电系统，包括：供水水泵、第一换热器、燃料供气压气机、混合器、重整器、燃气轮机燃烧室、固体氧化物燃料电池、涡轮、第二换热器、冷凝器、抽气机；
所述供水水泵的出水口与所述第一换热器的冷侧入口连接，所述第一换热器的冷侧出口与所述混合器的入口连接，所述燃料供气压气机的燃料出口与所述混合器的入口连接，所述混合器的出口与所述重整器的入口连接，所述重整器的出口与所述固体氧化物燃料电池的阳极入口连接，所述固体氧化物燃料电池的出口与所述燃气轮机燃烧室的入口连接，所述燃气轮机燃烧室的热侧出口与所述重整器的热侧入口连接，所述重整器的热侧出口与所述涡轮进气口连接，所述涡轮出气口与所述第二换热器的热侧入口连接，所述第二换热器的热侧出口与所述冷凝器的热侧入口连接，所述冷凝器的热侧出口与所述抽气机的入口连接，所述抽气机的出口与外部大气连通，所述第二换热器的冷侧工质为空气，其冷侧出口与所述固体氧化物燃料电池的阴极入口连接。
经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种固体氧化物燃料电池和燃气轮机的联合发电系统，使用时，供水水泵的水进入到第一换热器经换热加热后变为水蒸气进入到混合器，燃料供气压气机将燃料气体加压至混合器，燃料气体和水蒸气在混合器中充分混合，混合的气体进入到重整器，重整后的气体进入到固体氧化物燃料电池的阳极，而第二换热器中经过涡轮热侧出口换热的冷侧出口的空气进入到固体氧化物燃料电池的阴极，阴阳极气体在电池内发生电化学反应，电池发出电能，经过固体氧化物燃料电池的出口排出的残余气体进入到燃气轮机燃烧室进行燃烧发电，而燃气轮机燃烧室产生的热侧高温尾气则进入到重整器的热侧入口，为重整器提供反应热来源，重整器的热侧出口的高温气体则进入到涡轮叶轮进行膨胀，使气体的温度和压力均降低，涡轮出气口的气体则进入到第二换热器的热侧入口，以便于对进入到固体氧化物燃料电池的阴极的空气进行预热，利于电池发生化学反应，而第二换热器的热侧出口的气体则进入到冷凝器中，冷凝器对气体中的高温水蒸气进行冷凝，使得冷凝器的出口排出的气体减少，进而减少抽气机需要排出冷凝器的气体量，降低抽气机的功耗，进而减少抽气机使用的电能，提高系统的发电效率和功率。
因此，该联合发电系统，其固体氧化物燃料电池的入口侧的气体的压力为接近大气压，使得固体氧化物燃料电池的寿命大幅提升，并且该系统中燃气轮机燃烧室产生的高温尾气利用涡轮过度膨胀，使系统中尾气的压力可降低为大气压力以下，从而使得系统的结构可简单化，系统的压力降低至大气压力以下，从而避免系统高压的问题，并且尾气可冲击涡轮的叶轮，使涡轮轴转动，进而可利用涡轮连接发电机进行发电，提高系统的发电效率；此外，冷凝器冷却系统中的高温水蒸气，使得冷凝器的出口排出的气体减少，进而减少抽气机需要排出冷凝器的气体量，降低抽气机的功耗，进而减少抽气机使用的电能，可再次提高系统的发电效率和功率。
进一步的，所述第一换热器的热侧工质为太阳能电站中的高温熔融盐。
采用上述技术方案产生的有益效果是：当太阳能电站供电不足时，可以利用太阳能丰富时太阳能电站储存的熔融盐预热水，快速启动该联合发电系统对电网进行调峰。
进一步的，所述涡轮的轮轴与所述抽气机的转轴为同一根轴。
采用上述技术方案产生的有益效果是：利用涡轮的轮轴带动抽气机工作，可降低抽气机电机的功耗，进而可降低抽气机对发电系统的耗电功耗，可提高系统的发电功耗。
进一步的，所述冷凝器的冷侧的工质为水或空气。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述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的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本发明提供的一种固体氧化物燃料电池和燃气轮机的联合发电系统的结构示意图。
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。
如图1所示，本发明实施例公开了一种固体氧化物燃料电池和燃气轮机的联合发电系统，包括：供水水泵1、第一换热器2、燃料供气压气机3、混合器4、重整器5、燃气轮机燃烧室6、固体氧化物燃料电池7、涡轮8、第二换热器9、冷凝器10、抽气机11；
供水水泵1的出水口与第一换热器2的冷侧入口连接，第一换热器2的冷侧出口与混合器4的入口连接，燃料供气压气机3的燃料出口与混合器4的入口连接，混合器4的出口与重整器5的入口连接，重整器5的出口与固体氧化物燃料电池7的阳极入口连接，固体氧化物燃料电池7的出口与燃气轮机燃烧室6的入口连接，燃气轮机燃烧室6的热侧出口与重整器5的热侧入口连接，重整器5的热侧出口与涡轮8进气口连接，涡轮8出气口与第二换热器9的热侧入口连接，第二换热器9的热侧出口与冷凝器10的热侧入口连接，冷凝器10的热侧出口与抽气机11的入口连接，抽气机11的出口与外部大气连通，第二换热器9的冷侧工质为空气，其冷侧出口与固体氧化物燃料电池7的阴极入口连接。
第一换热器2的热侧工质为太阳能电站中的高温熔融盐。
涡轮8的轮轴与抽气机11的转轴为同一根轴。
冷凝器10的冷侧的工质为水或空气。
该联合发电系统使用时，供水水泵的水进入到第一换热器与太阳能电站中的高温熔融盐经换热加热后变为水蒸气进入到混合器，燃料供气压气机(此处起到驱动燃料气体进入混合器的功能)的入口通入燃料气体，比如甲烷气体，甲烷气体被送至混合器，甲烷气体和水蒸气在混合器中充分混合，混合的气体进入到重整器，重整后的气体(氢气、水蒸气、甲烷的混合气体)进入到固体氧化物燃料电池的阳极，而第二换热器中冷侧的空气经过涡轮热侧的换热加热到一定温度后进入到固体氧化物燃料电池的阴极，阴阳极气体在电池内发生电化学反应，电池发出电能，经过固体氧化物燃料电池的出口排出的残余气体(比如甲烷等)进入到燃气轮机燃烧室进行燃烧发电，而燃气轮机燃烧室产生的热侧高温尾气则进入到重整器的热侧入口，为重整器提供反应热来源，重整器的热侧出口的高温气体则进入到涡轮叶轮进行膨胀，使气体的温度和压力均降低，涡轮出气口的气体则进入到第二换热器的热侧入口，以便于对进入到固体氧化物燃料电池的阴极的空气进行预热，利于电池发生化学反应，而第二换热器的热侧出口的气体则进入到冷凝器中，冷凝器对气体中的高温水蒸气进行冷凝，使得冷凝器的出口排出的气体减少，进而减少抽气机需要排出冷凝器的气体量，降低抽气机的功耗，进而减少抽气机使用的电能，提高系统的发电效率和功率。抽气机对冷凝器内部的气体进行抽气，使得冷凝器中的压力可低于大气压，可进一步降低系统的工作压力。而冷凝器的冷侧工质吸收热量、冷侧工质可有效利用于热电联产，提升循环的整体热效率。
因此，本发明系统中涡轮过度膨胀发电，相比于常规固体氧化物燃料电池-燃气轮机联合发电系统，新系统发电效率和发电功率均有所提高。并且，固体氧化物燃料电池工作在接近大气压条件下，使得固体氧化物燃料电池寿命大幅提升，避免了燃料电池的高压操作问题，此外，系统中的气体压力利用涡轮过度膨胀到大气压以下，使得发电系统中的压力降低，使得系统热管理复杂性大大降低。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (4)

1.一种固体氧化物燃料电池和燃气轮机的联合发电系统，其特征在于，包括：供水水泵(1)、第一换热器(2)、燃料供气压气机(3)、混合器(4)、重整器(5)、燃气轮机燃烧室(6)、固体氧化物燃料电池(7)、涡轮(8)、第二换热器(9)、冷凝器(10)、抽气机(11)；
所述供水水泵(1)的出水口与所述第一换热器(2)的冷侧入口连接，所述第一换热器(2)的冷侧出口与所述混合器(4)的入口连接，所述燃料供气压气机(3)的燃料出口与所述混合器(4)的入口连接，所述混合器(4)的出口与所述重整器(5)的入口连接，所述重整器(5)的出口与所述固体氧化物燃料电池(7)的阳极入口连接，所述固体氧化物燃料电池(7)的出口与所述燃气轮机燃烧室(6)的入口连接，所述燃气轮机燃烧室(6)的热侧出口与所述重整器(5)的热侧入口连接，所述重整器(5)的热侧出口与所述涡轮(8)进气口连接，所述涡轮(8)出气口与所述第二换热器(9)的热侧入口连接，所述第二换热器(9)的热侧出口与所述冷凝器(10)的热侧入口连接，所述冷凝器(10)的热侧出口与所述抽气机(11)的入口连接，所述抽气机(11)的出口与外部大气连通，所述第二换热器(9)的冷侧工质为空气，其冷侧出口与所述固体氧化物燃料电池(7)的阴极入口连接。
2.根据权利要求1所述的一种固体氧化物燃料电池和燃气轮机的联合发电系统，其特征在于，所述第一换热器(2)的热侧工质为太阳能电站中的高温熔融盐。
3.根据权利要求1所述的一种固体氧化物燃料电池和燃气轮机的联合发电系统，其特征在于，所述涡轮(8)的轮轴与所述抽气机(11)的转轴为同一根轴。
4.根据权利要求1所述的一种固体氧化物燃料电池和燃气轮机的联合发电系统，其特征在于，所述冷凝器(10)的冷侧的工质为水或空气。
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