CN1216433C - 两级阴极循环预热燃料电池发电系统 - Google Patents

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Abstract

一种两级阴极循环预热燃料电池发电系统，采用高温燃料电池和蒸汽轮机联合循环发电方式，一级燃料电池阴阳极出口排气经换热器降温后送到二级燃料电池继续参加电化学反应，二级燃料电池阴阳极出口各连接一个换热器用于回收热能，氧化剂经换热器进行预热后分别送到一级和二级燃料电池阴极入口，参加燃料电池内部的电化学反应，并产生电能和热量，二级燃料电池的阳极出口依次连接一个换热器和热水器，进一步提高燃料利用率。本发明采用两个MW级燃料电池，通过两级换热器对氧化剂进行预热，实现了能量的梯级利用，未被燃料电池利用的部分燃料和部分原始燃料混合，提高发热量后，送到余热锅炉燃烧，通过辅助发电设备，进一步提高能源转化效率。

Description

两级阴极循环预热燃料电池发电系统
技术领域：
本发明涉及一种发电系统，尤其涉及一种以地下煤气为燃料的两级阴极循环预热燃料电池发电系统，属于能源利用技术领域。
背景技术：
为了保护环境和提高能源利用效率，世界各国急需发展新型的发电技术。燃料电池技术最有希望以集中和分散电源的形式进入电力市场。它是将燃料的化学能直接转化为电能，而不受卡诺循环的限制。其中，熔融碳酸盐燃料电池(Molten Carbonate Fuel Cell；MCFC)和固体氧化物燃料电池(Solid Oxidant FuelCell，SOFC)都属于高温燃料电池，具有高效、低污染等优点，极大地受到人们关注。
目前火力发电的效率只有40％，而且污染环境。大规模的火力发电还存在资源运输和战争破坏等问题。随着新能源的大量应用，分布式发电方式将得到迅速发展，MW级的分布式发电系统会得到广泛的应用。它一方面可以满足小型企业的用电需求，另一方面可以降低地震、战争等灾害对社会造成的冲击。
国外已经公布了一些燃料电池发电系统，大多数是以天然气为燃料，采用燃料电池和燃气轮机组成联合循环方式发电(Wei He.Numerical analysis ofmolten carbonate fuel cell systems.International Journal of Energy Research，1997，21：69-76.)。但一方面由于燃气轮机的造价昂贵，且发展中国家没有这方面的技术，很难推广；另一方面，由于该种循环发电方式要求系统要达到一定的压力，因此对燃料电池性能的要求较高。
发明内容：
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种以地下煤气为燃料的两级阴极循环预热燃料电池发电系统，进一步提高燃料电池联合循环发电技术的可行性，降低系统的技术难度，可以在有地下煤气田的地区作为小型电站或帮助化工厂等单位提高能源使用效率。
为实现这样的目的，本发明的技术方案中，两级阴极循环预热燃料电池发电系统由两级高温燃料电池、阴极循环预热系统、余热锅炉、蒸汽轮机、发电机、换热器等设备构成，电能由燃料电池和发电机联合提供，系统除发电外，还可以为外界提供一定量的热水。
本发明的发电系统主要分为高温燃料电池和辅助发电系统两部分，燃料电池利用氢、一氧化碳和氧化剂发生电化学反应，产生电能，辅助发电系统利用余热锅炉和蒸汽轮机产生电能。
一级燃料电池阴阳极出口各连接一个换热器，其出口阴阳极排气经过换热器降温后送到二级燃料电池继续参加电化学反应。二级燃料电池阴阳极出口也各连接一个换热器，用于回收热能。被二级燃料电池排气加热的阴极气体被送到一级燃料电池排气换热器进行加热。
燃料被分成两路供给系统，一路直接送到余热锅炉的预热装置预热，然后被送到燃料电池阳极入口，另一路和燃料电池阳极排气混合后送到余热锅炉燃烧。燃料电池所需的氧化剂经过两极燃料电池后面的换热器进行预热后，分别被送到一级和二级燃料电池阴极入口，参加燃料电池内部的电化学反应，并产生电能和热量。在燃料压缩机和余热锅炉预热装置之间连接一个脱硫装置。
二级燃料电池的阳极出口依次连接一个换热器和用来生产热水的热水器，热水器气体工质的出口端连到余热锅炉的炉膛，用于进一步提高燃料利用率。与发电机同轴连接的蒸汽轮机一端连接炉膛的蒸汽加热管，另一端连到凝汽器，再经凝结水泵连接到余热锅炉内的蒸汽加热管，锅炉产生的蒸汽推动蒸汽轮机运转，带动发电机产生电能。
系统工作时，首先将一定量的空气和CO2经空气压缩机压缩后送入二级燃料电池后面的换热器预热，再经过一级燃料电池排气预热后，分别送到一级、二级燃料电池阴极参加电化学反应，阴极排气首先经过两极换热器降温后，再送到脱碳器，脱CO2后的阴极排气直接排到大气中(如果是SOFC可以不接脱碳器)。
另外，将脱硫后的燃料气体送入余热锅炉加热管进行预热，预热好的燃料直接送到一级燃料电池阳极。阳极排气经过换热器降温，再经过一个热水器制取热水，冷却后的燃料电池阳极排气和部分原始燃料一同送入余热锅炉燃烧，燃烧的热量用来加热水产生高温高压蒸汽。
最后，将燃料电池和发电机产生的电能送到用户。
本发明与现有技术相比，具有明显的进步和有益效果。本发明采用了两个MW级燃料电池，通过两级换热器对氧化剂进行预热，实现了能量的梯级利用；未被燃料电池利用的部分燃料和部分原始燃料混合，提高发热量后，送到余热锅炉燃烧，通过辅助发电设备，进一步提高能源转化效率；另外，由于余热锅炉只是用来加热氧化剂，所以可以减小余热锅炉的体积。
本发明采用高温燃料电池和蒸汽轮机联合循环发电的方式，可以直接利用地下煤气或化工厂排放的废气，有效提高了能源利用率，减小余热锅炉的体积，降低温室气体的排放。
附图说明：
图1为本发明的系统结构示意图。
图1中，1为AC/DC转换器，2为一级燃料电池，3为二级燃料电池，4为一级燃料电池阳极出口换热器，5为一级燃料电池阴极出口换热器，6为燃料压缩机，7为二级燃料电池阳极出口换热器、8为热水换热器，9为脱硫装置，10为余热锅炉，11为烟囱，12为凝结水泵，13为凝汽器，14为蒸汽轮机，15为发电机，16为脱碳器，17为热水换热器、18为二级燃料电池阴极出口换热器，19为给水泵，20为空气压缩机。
具体实施方式：
为更好地理解本发明的技术方案，以下结合附图作进一步描述。
本发明的系统结构如图1所示。一级燃料电池2阳极出口端连接换热器4入口，换热器4的出口连接二级燃料电池3阳极入口，二级燃料电池3阳极出口依次连接换热器7和热水换热器8，热水换热器8接到余热锅炉10。一级燃料电池2阴极出口端连接换热器5入口，二级燃料电池3阴极的出口端和换热器5的出口端连接换热器18的入口端，换热器18的出口连接热水换热器17的入口，热水换热器17出口接到脱碳器16。燃料压缩机6分别连接余热锅炉10及脱硫装置9的入口端，脱硫装置9的出口端连接余热锅炉10的预热装置，预热装置的出口端直接连接一级燃料电池2阳极入口端。空气压缩机20的出口分为两部分，一部分连接到余热锅炉10内的燃烧装置，另一部分连接二级燃料电池阴极出口换热器18。换热器18出口端连接二级燃料电池阳极出口换热器7，换热器7的出口端连接一级燃料电池阳极出口换热器4，换热器4的出口端连接一级燃料电池阴极出口换热器5，换热器5的出口端连接一级燃料电池2阴极入口。给水泵19的出口分别经热水换热器8、17接到热水用户。与发电机15同轴连接的蒸汽轮机14一头连接余热锅炉10的蒸汽加热管，另一头连到凝汽器13，再经凝结水泵12连接到余热锅炉10内的蒸汽加热管。
工作时，燃料气体经过脱硫装置9净化后，经过余热锅炉10预热装置进行预热，预热后直接送到一级燃料电池2阳极入口。阳极排气经换热器4降温，再到二级燃料电池3发电。二级燃料电池阳极排气中的热能被换热器7进一步利用，未参加电化学反应的燃料和部分原始燃料被送到余热锅炉10中燃烧，产生的热量被进一步利用发电。
空气压缩机20送出的氧化剂首先经过二级燃料电池3出口端的换热器18、7预热后，进入一级燃料电池2出口端的换热器4、5，加热后的氧化剂分别送到一级燃料电池2和二级燃料电池3的阴极参加电化学反应。热水换热器8、17中产生的热水可以为用户提供热水。
两级阴极循环预热燃料电池发电系统的优点在于每级燃料电池的高温排气都能被充分利用，由于氧化剂分两路进入燃料电池阴极，氧化剂不需要在余热锅炉里吸收热量，因此不仅有利于提高整个系统的能源利用效率，而且可以缩小燃料电池电堆和余热锅炉的体积。另外，由于发电系统由两级燃料电池构成，因此系统的变负荷能力强。

Claims (1)

1、一种两级阴极循环预热燃料电池发电系统，其特征在于一级燃料电池(2)阳极出口端连接一级燃料电池阳极出口换热器(4)入口，换热器(4)的出口连接二级燃料电池(3)阳极入口，二级燃料电池(3)阳极出口依次连接二级燃料电池阳极出口换热器(7)和热水换热器(8)，热水换热器(8)接到余热锅炉(10)，一级燃料电池(2)阴极出口端连接一级燃料电池阴极出口换热器(5)入口，二级燃料电池(3)阴极的出口端和换热器(5)的出口端连接二级燃料电池阴极出口换热器(18)的入口端，换热器(18)的出口连接热水换热器(17)的入口，热水换热器(17)出口接到脱碳器(16)，燃料压缩机(6)分别连接余热锅炉(10)和脱硫装置(9)的入口端，脱硫装置(9)的出口端连接余热锅炉(10)的预热装置，预热装置的出口端直接连接一级燃料电池(2)阳极入口端，空气压缩机(20)的出口分别连接余热锅炉(10)内的燃烧装置和二级燃料电池阴极出口换热器(18)，换热器(18)出口端连接二级燃料电池阳极出口换热器(7)，换热器(7)的出口端连接一级燃料电池阳极出口换热器(4)，换热器(4)的出口端连接一级燃料电池阴极出口换热器(5)，换热器(5)的出口端连接一级燃料电池(2)阴极入口，给水泵(19)的出口分别经热水换热器(8、17)连接热水用户，与发电机(15)同轴连接的蒸汽轮机(14)一头连接余热锅炉(10)的蒸汽加热管，另一头连到凝汽器(13)，再经凝结水泵(12)连接到余热锅炉(10)内的蒸汽加热管。
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