CN1283018C - 熔融碳酸盐燃料电池燃气轮机顶层循环热电冷联供系统 - Google Patents

Abstract

一种熔融碳酸盐燃料电池燃气轮机顶层循环热电冷联供系统，包括：微型燃气轮机、回热器、自循环阀门、熔融碳酸盐燃料电池、催化燃烧室、吸收式制冷机组、吸附式制冷机组。微型燃气轮机通过管路与回热器相连，催化燃烧室的出口与微型燃气轮机相连，回热器冷侧进口、热侧进口与微型燃气轮机相连；回热器冷侧出口和熔融碳酸盐燃料电池相连，热侧出口与吸收式制冷机组的高温发生器相连；熔融碳酸盐燃料电池设有自循环阀门，催化燃烧室在熔融碳酸盐燃料电池的下游，熔融碳酸盐燃料电池出口与催化燃烧室的进口相连，吸附式制冷机组的热源进口则与吸收式制冷机组的热源出口相连。本发明可提高能源利用率，减少温室气体排放，可提高15%以上的发电效率。

Description

熔融碳酸盐燃料电池燃气轮机顶层循环热电冷联供系统

技术领域

本发明涉及的是一种供能系统，特别是一种熔融碳酸盐燃料电池燃气轮机顶层循环热电冷联供系统，用于动力能源领域。

背景技术

熔融碳酸盐燃料电池是一种利用燃料进行电化学反应提供电能的发电循环，由于不受卡诺循环的限制，因此可以获得较高的发电效率。此外由于它可以大幅度降低污染物排放，在环保方面具有明显的优势，因此可以应用在小区、商用建筑、军事基地等。然而，熔融碳酸盐燃料电池属于高温燃料电池，其排气温度较高，仍然具有大量的可用能。如果能将这一部分能量加以合理利用，将会获得更高的效率。目前，大多数的燃料电池系统都将这一部分排气能量直接排放或用于供热，从能量利用的角度来说，将高品位的热能用于产生电能是最合理的用法。

经对现有技术文献的检索发现，最具代表性的是利用燃料电池排气废热的系统是将其与吸收式制冷机组组成联合循环。Whiteny Colella在期刊《Journal ofPower Sources》(《电源学报》)的2002年106卷上发表了“Design optionsfor achieving a rapidly variable heat-to-power ratio in a combined heatand power(CHP)fuel cell system(FCS)”(“在热电联合燃料电池系统中可以实现热电比快速可变的设计方案”)一文，该文给出了燃料电池、水加热系统(Water Heating System)和空间加热系统(Space Heating System)构成的热电联供系统，介绍了利用燃料电池的废热进行建筑供热的过程。其不足之处主要体现在：排气的高品位废热未能用来发电，而是直接供热或制冷，影响了系统发电效率；吸收式制冷机组之后的排气的低品位废热还可以在加以利用。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的不足和缺陷，提供一种熔融碳酸盐燃料电池燃气轮机顶层循环热电冷联供系统。使得燃料电池高温排气的高品位热能用于驱动涡轮发电，而涡轮的排气则用于驱动吸收式制冷机组，从而提高能源利用效率。

本发明是通过以下技术方案来实现的，本发明包括：微型燃气轮机、回热器、自循环阀门、熔融碳酸盐燃料电池、催化燃烧室、吸收式制冷机组、吸附式制冷机组。微型燃气轮机通过管路与回热器相连，催化燃烧室的出口与微型燃气轮机相连，回热器冷侧进口、热侧进口与微型燃气轮机相连；回热器冷侧出口和熔融碳酸盐燃料电池相连，热侧出口与吸收式制冷机组的高温发生器相连；熔融碳酸盐燃料电池设有自循环阀门，催化燃烧室在熔融碳酸盐燃料电池的下游，熔融碳酸盐燃料电池出口与催化燃烧室的进口相连，吸附式制冷机组的热源进口则与吸收式制冷机组的热源出口相连。

微型燃气轮机由压气机、涡轮、高速发电机以及连接轴构成。连接轴是微型燃气轮机中各个部件的联系纽带，压气机、涡轮和高速发电机利用转动轴承安装在同一根连接轴上，涡轮的膨胀做功将带动压气机和高速电机进行旋转运动。

熔融碳酸盐燃料电池由隔板，阳极通道，电解质板，阴极通道和波纹板支架构成。电解质板是熔融碳酸盐燃料电池中发生电化学反应的场所：阳极通道和阴极通道分别位于电解质板的两侧，由隔板和电解质板所包围的空间构成；隔板通过波纹板支架安放在电解质板的两侧。

微型燃气轮机的压气机通过管路与回热器相连，催化燃烧室的出口与涡轮相连，回热器冷侧进口与压气机的出口和燃料气源相连，微型燃气轮机的涡轮的出口与回热器的热侧进口相连。

本发明工作时，微型燃气轮机的压气机将空气压缩，然后进入回热器，再与一部分阳极气体混合，最后进入熔融碳酸盐燃料电池的阴极；重整后的燃料气经过回热器后进入熔融碳酸盐燃料电池的阳极。进入熔融碳酸盐燃料电池的燃料气和氧化剂气体发生电化学反应，产生电能。熔融碳酸盐燃料电池的阳极排气和阴极排气在催化燃烧室中混合，所产生的高温高压气体进入涡轮膨胀做功，一部分用于带动压气机运转，另一部分剩余能则带动高速发电机产生电能；经涡轮膨胀后的气体首先进入回热器，加热要进入熔融碳酸盐燃料电池的氧化剂气体和燃料气；然后进入吸收式制冷机组，利用较高品位的热量来产生制冷用的冷水或供热用的热水；最后再进入吸附式制冷机组，利用低品位的热量来产生冷水或生活用热水。

本发明中微型燃气轮机的压气机与涡轮和高速发电机通过同一根轴连接，压气机压缩后的空气进入回热器；催化燃烧器排出的高温高压气体进入微型燃气轮机的涡轮膨胀做功，所产生的有用功一部分用于带动压气机运转，另一部分剩余能则带动高速发电机产生电能；经涡轮膨胀后的气体则进入回热器。

熔融碳酸盐燃料电池通过微型燃气轮机的压气机为其阴极提供氧化剂，通过自循环阀门引入一部分阳极排气进入阴极，提供电化学反应所需的二氧化碳。燃料气则进入熔融碳酸盐燃料电池的阳极。阳极和阴极排气最后进入催化燃烧器，获取阳极排气中未利用的燃料。在熔融碳酸盐燃料电池的阳极排气口设有自循环阀门，将一部分阳极排气与压缩后的空气相混合，然后引入到熔融碳酸盐燃料电池的阴极入口。

回热器的冷侧流体来自于压气机压缩后的空气以及燃料气，而热侧流体则来自于涡轮膨胀后的高温废气。冷侧流体经过回热器后分别进入熔融碳酸盐燃料电池阴极和阳极，而热侧流体经过回热其后则进入溴化锂吸收式制冷机组。

催化燃烧器的燃料来自于熔融碳酸盐燃料电池阳极排气中的未利用的燃料，氧化剂则来自于熔融碳酸盐燃料电池阴极的排气。燃烧后的高温高压气体则进入微型燃气轮机的涡轮进行膨胀。

吸收式制冷机组采用溴化锂吸收式制冷机组，其热源由经过回热器后的高温气体来实现，高温气体将在制冷机组中产生制冷所需的冷媒水或供热所需的热水。吸收式制冷机组的排气将进入吸附式制冷机组。吸附式制冷机组的热源来自于吸收式制冷机组的排气，这部分气体将在吸附式制冷机组中产生制冷所需的冷媒水或生活用热水。吸附式制冷机组的排气将排入大气。

本发明将微型燃气轮机的压气机、涡轮和高速发电机与熔融碳酸盐燃料电池、回热器、自循环阀门、催化燃烧器、吸收式制冷机组、吸附式制冷机组等有机结合，使系统具有发电、供热、供冷的功能。本发明具有实质性特点和显著进步，本发明可用于分布式供能系统或发电领域。由于熔融碳酸盐燃料电池和微型燃气轮机非常适合于医院、商场、小区等场所，因此在分布式供能方面具有广阔的应用前景，将两者结合可以获得接近60％的发电效率，同时通过对废热加以利用，利用吸收式制冷机组进行供冷或进行供热，则将可获得超过85％的燃料利用效率。此外，由于该系统可循环使用排气中二氧化碳气体，一方面可以回收排气中的余热，另一方面则能大幅度降低系统的温室气体排放。

附图说明

图1本发明总体结构框图

图2本发明微型燃气轮机结构示意图

图3本发明熔融碳酸盐燃料电池单元结构示意图

具体实施方式

如图1、图2和图3所示，本发明包括：微型燃气轮机1、回热器2、自循环阀门3、熔融碳酸盐燃料电池4、催化燃烧室5、吸收式制冷机组6、吸附式制冷机组7组成。微型燃气轮机1通过管路与回热器2相连，催化燃烧室5的出口与微型燃气轮机1相连，回热器2冷侧进口、热侧进口与微型燃气轮机1相连；回热器2冷侧出口和熔融碳酸盐燃料电池4相连，热侧出口与吸收式制冷机组6的高温发生器相连；熔融碳酸盐燃料电池4设有自循环阀门3，催化燃烧室5在熔融碳酸盐燃料电池4的下游，熔融碳酸盐燃料电池4出口与催化燃烧室5的进口相连，吸附式制冷机组7的热源进口则与吸收式制冷机组6的热源出口相连。

微型燃气轮机1由压气机8、涡轮9、高速发电机10以及连接轴11构成。连接轴11是微型燃气轮机1中各个部件的联系纽带，压气机8、涡轮9和高速发电机10利用转动轴承安装在同一根连接轴上，涡轮9的膨胀做功将带动压气机8和高速发电机10进行旋转运动。

微型燃气轮机1的压气机8通过管路与回热器2相连，催化燃烧室5的出口与涡轮9相连，回热器2冷侧进口与压气机8的出口和燃料气源相连，微型燃气轮机1的涡轮9的出口与回热器2的热侧进口相连。

微型燃气轮机1的压气机8、涡轮9和高速发电机10共用同一根轴11。压气机8将空气压缩后送入回热器2中加热，催化燃烧室5后的高温高压气体将通入涡轮9膨胀做功，膨胀所产生的功一部分用于带动压气机8来提高空气的压力，从而用于熔融碳酸盐燃料电池4的阴极反应气，剩余的功率将用于带动高速发电机10进行发电。经涡轮膨胀后的气体将通入回热器2中用于加热空气和燃料气。

回热器2将有三种流体流过，燃料气和压气机8压缩后的空气将被涡轮9膨胀后的高温气体加热。

自循环阀门3将熔融碳酸盐燃料电池4的阳极排气的一部分与压气机8压缩后的空气相混合，然后将进入熔融碳酸盐燃料电池4的阴极。

熔融碳酸盐燃料电池4是本系统的一个关键部件，它由隔板12，阳极通道13，电解质板14，阴极通道15和波纹板支架16构成。电解质板14是熔融碳酸盐燃料电池4中发生电化学反应的场所；阳极通道13和阴极通道15分别位于电解质板14的两侧，由隔板12和电解质板14所包围的空间构成；隔板12通过波纹板支架16安放在电解质板14的两侧。回热器2冷侧出口分别与和熔融碳酸盐燃料电池4的阴极通道和阳极通道相连，阴极和阳极通道出口与催化燃烧室5的进口相连。

燃料气进入阳极通道13，与电解质层14中的碳酸根离子发生电化学反应。压气机8来的空气和自循环阀门3来的一部分阳极排气则进入阴极通道15，二氧化碳将与氧气在电解质层14中发生电化学反应，生成碳酸根离子。阳极和阴极之间组成回路发出电功率。

催化燃烧室5一端与熔融碳酸盐燃料电池4相连，另一端与微型燃气轮机1的涡轮9相连。熔融碳酸盐燃料电池4的阳极排气与阴极排气在催化燃烧室中混合，阳极排气中未利用的燃料气将在此处发生催化燃烧反应，提高气体的温度，从而进入涡轮9进行膨胀做功。

吸收式制冷机组6是利用排气废热的装置，它将经过回热器利用后的高温气体引入到高压发生器，从而为制冷机组提供所需的热量。其排气将再被引入到吸附式制冷机组7中。媒介水在吸收式制冷机组6中被加热或冷却后将进入用户。

吸附式制冷机组7是利用低品位废热的装置。经过吸收式制冷机组6后的仍具有一定热量的排气将被引入到吸附式制冷机组7中，为系统运行提供所需的热量，最终排入大气。媒介水进入吸附式制冷机组7后被加热或冷却后可以提供给用户作为生活热水或制冷用水。

Claims (6)

1、一种熔融碳酸盐燃料电池燃气轮机顶层循环热电冷联供系统，包括：回热器(2)、熔融碳酸盐燃料电池(4)、吸收式制冷机组(6)，其特征在于，还包括：微型燃气轮机(1)、自循环阀门(3)、催化燃烧室(5)和吸附式制冷机组(7)，微型燃气轮机(1)通过管路与回热器(2)相连，催化燃烧室(5)的出口与微型燃气轮机(1)相连，回热器(2)冷侧进口、热侧进口与微型燃气轮机(1)相连，回热器(2)冷侧出口与和熔融碳酸盐燃料电池(4)相连，热侧出口与吸收式制冷机组(6)的高温发生器相连，熔融碳酸盐燃料电池(4)设有自循环阀门(3)，催化燃烧室(5)在熔融碳酸盐燃料电池(4)的下游，熔融碳酸盐燃料电池(4)出口与催化燃烧室(5)的进口相连，吸附式制冷机组(7)的热源进口则与吸收式制冷机组(6)的热源出口相连。

2、根据权利要求1所述的熔融碳酸盐燃料电池燃气轮机顶层循环热电冷联供系统，其特征是，微型燃气轮机(1)由压气机(8)、涡轮(9)、高速发电机(10)以及连接轴(11)构成，连接轴(11)是微型燃气轮机(1)中各个部件的联系纽带，压气机(8)、涡轮(9)和高速发电机(10)通过转动轴承安装在同一根连接轴上。

3、根据权利要求1或者2所述的熔融碳酸盐燃料电池燃气轮机顶层循环热电冷联供系统，其特征是，微型燃气轮机(1)的压气机(8)通过管路与回热器(2)相连，催化燃烧室(5)的出口与涡轮(9)相连，回热器(2)冷侧进口与压气机(8)的出口和燃料气源相连，涡轮(9)的出口与回热器(2)的热侧进口相连。

4、根据权利要求1所述的熔融碳酸盐燃料电池燃气轮机顶层循环热电冷联供系统，其特征是，熔融碳酸盐燃料电池(4)由隔板(12)，阳极通道(13)，电解质板(14)，阴极通道(15)和波纹板支架(16)构成，电解质板(14)是熔融碳酸盐燃料电池(4)中发生电化学反应的场所，阳极通道(13)和阴极通道(15)分别位于电解质板(14)的两侧，隔板(12)通过波纹板支架(16)设置在电解质板(14)的两侧。

5、根据权利要求4所述的熔融碳酸盐燃料电池燃气轮机顶层循环热电冷联供系统，其特征是，阳极通道(13)和阴极通道(15)分别位于电解质板(14)的两侧，由隔板(12)和电解质板(14)所包围的空间构成，回热器(2)冷侧出口分别与和熔融碳酸盐燃料电池(4)的阴极通道和阳极通道相连，阴极和阳极通道出口与催化燃烧室(5)的进口相连。

6、根据权利要求1所述的熔融碳酸盐燃料电池燃气轮机顶层循环热电冷联供系统，其特征是，在熔融碳酸盐燃料电池(4)的阳极通道出口和阴极通道进口之间设置自循环阀门(3)。

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