CN208336390U - 一种高温燃料电池耦合发电系统 - Google Patents
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Abstract
一种高温燃料电池耦合发电系统，该系统包括燃料净化器、气体混合器、换热器、固体氧化物燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池、风机、催化燃烧器和DC/AC转换器；本实用新型通过固体氧化物燃料电池和熔融碳酸盐燃料电池进行耦合，可提高燃料电池中的燃料利用率，提高系统的发电效率；通过对系统中换热器的布置，实现对热能的充分利用，提高系统的发电效率和综合能量利用效率；系统采用二次燃料和二次空气作为补充，可以提高系统的燃料适应特性，不仅可以利用天然气、煤制气等燃料，还可以采用低热值的煤层气、生物质气等燃料。
Description
技术领域
本实用新型属于发电技术领域，尤其涉及一种高温燃料电池耦合发电系统。
背景技术
清洁高效、绿色低碳是化石能源未来发展的主题。燃料电池发电技术能够将化石燃料的化学能通过电化学反应转化为电能，实现化石能源的清洁高效、绿色低碳发展需求。特别是工作温度超过 500℃的高温燃料电池，发电效率可以超过50％，可实现污染物和CO2近零排放。高温燃料电池因无热力学循环从而超越了热机的卡诺循环效率限制，发电效率可以达到50％～60％，热电转化效率可达85％～ 90％，而且高温燃料电池的发电效率与系统容量不直接相关，具有小型高效的突出优点。在环保方面，与内燃机和燃气轮机相比，高温燃料电池工作温度低(1000℃以下)，在反应过程中燃料与空气分别在两个腔室中进行反应，反应产生的NOx大大降低，仅为同等容量内燃机的1/100；对燃料进行前处理，去除燃料中的硫份，大大降低了SOx的排放浓度。高温燃料电池可应用于分布式发电、固定式发电等领域，是未来火力发电的重要发展方向。
高温燃料电池根据电解质的不同可以分为两类：(1)熔融碳酸盐燃料电池(MoltenCarbonate Fuel Cell，MCFC)和(2)固体氧化物燃料电池(Solid Oxide Fuel Cell，SOFC)。SOFC一般工作在700℃～800℃，工作效率高，但是系统容量放大较为困难，而熔融碳酸盐燃料电池一般工作在600℃～700℃，系统容量易于放大，但是工作效率较SOFC偏低。为了能够发挥MCFC和SOFC的各自优势，本实用新型提供了一种高温燃料电池耦合发电系统，以提高燃料电池系统的发电效率和系统容量。
发明内容
为了进一步提高高温燃料电池发电系统的发电效率和系统容量，本实用新型提供了一种高温燃料电池耦合发电系统。
为了达到上述目的，本实用新型采用的技术方案如下：
一种高温燃料电池耦合发电系统，包括第一燃料净化器1和第二燃料净化器2，一次燃料通入到第一燃料净化器1的入口，二次燃料通入到第二燃料净化器2的入口；第一燃料净化器1的出口接第一气体混合器3的第一入口，第二燃料净化器2的出口接第二气体混合器7的第一入口；去离子水通入到第一换热器4中，转化为水蒸气；第一换热器4的水蒸气出口连接第一气体混合器3的第二入口，第一气体混合器3的出口连接第二换热器5的冷端入口，第二换热器5 的冷端出口连接固体氧化物燃料电池6的阳极入口，固体氧化物燃料电池6的阳极出口连接第二气体混合器7的第二入口；去离子水通入到第二气体混合器7的第三入口，第二气体混合器7的出口连接熔融碳酸盐燃料电池8的阳极入口，熔融碳酸盐燃料电池8的阳极出口连接到第三气体混合器9的第一入口；一次空气通入到第一风机13中，第一风机13的出口连接到第五换热器14的冷端入口，第五换热器14的冷端出口连接到第六换热器15的冷端入口，第六换热器15的冷端出口接固体氧化物燃料电池6的阴极入口，固体氧化物燃料电池6的阴极出口连接第四换热器12的热端入口，第四换热器12的热端出口接第五换热器14的热端入口，第五换热器 14的热端出口对外排出废气；二次空气通入到第二风机10中，第二风机10的出口连接到第三换热器11的冷端入口，第三换热器11 的冷端出口连接第四换热器12的冷端入口，第四换热器12的冷端出口连接到第三气体混合器9的第二入口，第三气体混合器9的出口连接到催化燃烧器16的入口，催化燃烧器16的出口连接到第六换热器15的热端入口，第六换热器15的热端出口连接到熔融碳酸盐燃料电池8的阴极入口，熔融碳酸盐燃料电池8的阴极出口连接第二换热器5的热端入口，第二换热器5的热端出口连接到第三换热器11的热端入口，第三换热器11的热端出口连接到第一换热器4的热端入口，第一换热器4的热端出口排出废气；固体氧化物燃料电池6电能输出端连接到第一DC/AC转换器17上，第一DC/AC 转换器17对用户输出交流电能；熔融碳酸盐燃料电池8电能输出端连接到第二DC/AC转换器18上，第二DC/AC转换器18对用户输出交流电能。
所述第一气体混合器3、第二气体混合器7和第三气体混合器9，具有两个以上气体入口，通入的气体在绝热的混合器内进行充分混合，实现温度、组分的均一。
所述第一换热器4、第二换热器5、第三换热器11、第四换热器12、第五换热器14和第六换热器15，包括热气体流道和冷气体流道，热气体和冷气体被换热片隔开并通过换热片交换热量。
所述第一燃料净化器1和第二燃料净化器2，通过氧化锌脱硫方法，脱除气体中的SO2，使得燃料中的SO2降低到10ppm以下。
所述固体氧化物燃料电池6，由阳极、阴极、固体电解质组成，阴极和阳极分别在固体电解质两侧，燃料和氧化剂分别通入到阳极和阴极腔室中，并发生电化学反应，产生电能和热量；固体氧化物燃料电池6工作温度为700℃-900℃。电池的规模可以通过多个电池堆串并联实现。
所述熔融碳酸盐燃料电池8，由阳极、阴极、电解质隔膜组成，阴极和阳极分别在电解质隔膜两侧，燃料和氧化剂分别通入到阳极和阴极腔室中，并发生电化学反应，产生电能和热量；熔融碳酸盐燃料电池8工作温度为600℃-700℃。电池的规模可以通过多个电池堆串并联实现。
所述第二风机10和第一风机13，采用离心式风机或轴流式风机，提高空气的压力。
所述催化燃烧器16，通过催化剂使得气体中的CH4、H2、CO与 O2发生化学反应生成H2O、CO2并释放热量。
所述第一DC/AC转换器17和第二DC/AC转换器18，采用电力电子设备将直流电转化为交流电。
本实用新型所提出的耦合式高温燃料电池发电系统具有以下优点：
(1)通过固体氧化物燃料电池和熔融碳酸盐燃料电池进行耦合，可提高燃料电池中的燃料利用率，提高系统的发电效率，发电效率可以达到55％到65％LHV。
(2)通过对系统中换热器的布置，实现对热能的充分利用，提高系统的发电效率和综合能量利用效率。
(3)系统采用二次燃料和二次空气作为补充，可以提高系统的燃料适应特性，不仅可以利用天然气、煤制气等燃料，还可以采用低热值的煤层气、生物质气等燃料。
附图说明
图1是本实用新型一种高温燃料电池耦合发电系统的示意图。
1-第一燃料净化器，2-第二燃料净化器，3-第一气体混合器；4- 第一换热器；5-第二换热器；6-固体氧化物燃料电池；7-第二气体混合器；8-熔融碳酸盐燃料电池；9-第三气体混合器；10-第二风机； 11-第三换热器；12-第四换热器；13-第一风机；14-第五换热器；15- 第六换热器；16-催化燃烧器；17-第一DC/AC转换器；18-第二DC/AC 转换器。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本实用新型做进一步详细说明。
实施案例1
一次燃料(天然气，其中CH4含量摩尔比＞95％)通入到第一燃料净化器1的入口中，二次燃料(天然气，其中CH4含量摩尔比＞95％)通入到第二燃料净化器2的入口中。去离子水通入到第一换热器4中，转化为水蒸气。第一换热器4出口的水蒸气与第一燃料净化器1出口的燃料在第一气体混合器3中进行充分混合后，经过第二换热器5升温到600℃以上，然后通入到固体氧化物燃料电池6的阳极入口，CH4与H2O的摩尔比为1:3。CH4在固体氧化物燃料电池6的阳极腔室内发生内重整反应生成H2、CO和CO2，H2和 CO在固体氧化物燃料电池6的阳极发生电化学反应生成H2O和 CO2，并产生电能。固体氧化物燃料电池6阳极反应后的产物为H2、 CO、H2O和CO2，其中H2和CO的摩尔占比在20％以下，温度高于 800℃。固体氧化物燃料电池6的阳极出口气体通入到第二气体混合器7的第二入口，与第二燃料净化器2出口的燃料和去离子水在第二气体混合器7中进行充分混合，混合温度降低到600℃。第二气体混合器7出口的气体通入到熔融碳酸盐燃料电池8的阳极入口。进入熔融碳酸盐燃料电池8阳极中的CH4与H2O发生重整反应，生成H2、CO、CO2；在熔融碳酸盐燃料电池8的阳极中的H2和CO 发生电化学反应生成H2O和CO2，并产生电能。熔融碳酸盐燃料电池8阳极反应后的产物为CH4、H2、CO、H2O和CO2，其中CH4、 H2和CO的摩尔占比在5％以下，熔融碳酸盐燃料电池8阳极出口气体通入到第三气体混合器9的第一入口。
一次空气通入到第一风机13中，风机出口的空气压力在1.5atm 以上，经过第五换热器14后升温至200℃以上，再经过第六换热器 15升温到600℃以上，最后通入到固体氧化物燃料电池6的阴极入口，空气中的氧气在固体氧化物燃料电池6的阴极发生电化学反应，反应后固体氧化物燃料电池6的尾气温度在800℃。固体氧化物燃料电池6的阴极出口气体经过第四换热器12降温到400℃以下，再经过第五换热器14降温到200℃以下，最终对外排出废气。
二次空气通入到第二风机10中，空气压力升到1.5atm以上，然后经过第三换热器11升温到150℃以上，再经过第四换热器12 升温到400℃以上，最后通入到第三气体混合器9的第二入口中。在第三气体混合器9中，二次空气与熔融碳酸盐燃料电池8的阳极出口气体进行充分混合，然后通入到催化燃烧器16中，在催化燃烧器16中CH4、H2和CO与O2发生充分反应，生成H2O和CO2。催化燃烧器16出口气体经过第六换热器15降温到550℃然后通入到熔融碳酸盐燃料电池8的阴极入口。在熔融碳酸盐燃料电池8的阴极中O2与CO2发生电化学反应。熔融碳酸盐燃料电池8的阴极出口气体经过第二换热器5降温到400℃以下，再经过第三换热器11 换热到200℃以下，接着经过第一换热器4降温至100℃以下，最后对外排出废气。固体氧化物燃料电池6输出直流电能，通过第一 DC/AC转换器17对用户输出交流电能。熔融碳酸盐燃料电池8输出直流电能，通过第二DC/AC转换器18对用户输出交流电能。
实施案例2
一次燃料(煤制净化合成气)，主要成份为CO、H2、H2O和N2，其中CO和H2摩尔含量达到80％以上，通入到第一燃料净化器1的入口中，二次燃料(煤制净化合成气)，主要成份为CO、H2、H2O 和N2，其中CO和H2摩尔含量达到80％以上，通入到第二燃料净化器2的入口中。去离子水通入到第一换热器4中，转化为水蒸气。第一换热器4出口的水蒸气与第一燃料净化器1出口的燃料在第一气体混合器3中进行充分混合后，经过第二换热器5升温到600℃以上，然后通入到固体氧化物燃料电池6的阳极入口，CO与H2O 的摩尔比为1:1。H2和CO在固体氧化物燃料电池的阳极发生电化学反应生成H2O和CO2，并产生电能。固体氧化物燃料电池6阳极反应后的产物为H2、CO、H2O和CO2，其中H2和CO的摩尔占比在20％以下，温度高于750℃。固体氧化物燃料电池6的阳极出口气体通入到第二气体混合器7的第二入口，与第二燃料净化器2出口的燃料和去离子水在第二气体混合器7中进行充分混合，混合温度降低到600℃。第二气体混合器7出口的气体通入到熔融碳酸盐燃料电池8的阳极入口。在熔融碳酸盐燃料电池8的阳极中的H2和CO 发生电化学反应生成H2O和CO2，并产生电能。熔融碳酸盐燃料电池8阳极反应后的产物为H2、CO、H2O和CO2，其中CH4、H2和 CO的摩尔占比在5％以下，熔融碳酸盐燃料电池8阳极出口气体通入到第三气体混合器9的第一入口。
一次空气通入到第一风机13中，风机出口的空气压力在1.5atm 以上，经过第五换热器14后升温至200℃以上，再经过第六换热器 15升温到600℃以上，最后通入到固体氧化物燃料电池6的阴极入口，空气中的氧气在固体氧化物燃料电池6的阴极发生电化学反应，反应后固体氧化物燃料电池6的尾气温度在750℃。固体氧化物燃料电池6的阴极出口气体经过第四换热器12降温到400℃以下，再经过第五换热器14降温到200℃以下，最终对外排出废气。
二次空气通入到第二风机10中，空气压力升到1.5atm以上，然后经过第三换热器11升温到150℃以上，再经过第四换热器12 升温到400℃以上，最后通入到第三气体混合器9的第二入口中。在第三气体混合器9中，二次空气与熔融碳酸盐燃料电池8的阳极出口气体进行充分混合，然后通入到催化燃烧器16中，在催化燃烧器16中H2和CO与O2发生充分反应，生成H2O和CO2。催化燃烧器16出口气体经过第六换热器15降温到550℃然后通入到熔融碳酸盐燃料电池8的阴极入口。在熔融碳酸盐燃料电池8的阴极中 O2与CO2发生电化学反应。熔融碳酸盐燃料电池8的阴极出口气体经过第二换热器5降温到400℃以下，再经过第三换热器11换热到200℃以下，接着经过第一换热器4降温至100℃以下，最后对外排出废气。固体氧化物燃料电池6输出直流电能，通过第一 DC/AC转换器17对用户输出交流电能。熔融碳酸盐燃料电池8输出直流电能，通过第二DC/AC转换器18对用户输出交流电能。
Claims (6)
1.一种高温燃料电池耦合发电系统，其特征在于：包括第一燃料净化器(1)和第二燃料净化器(2)，一次燃料连接第一燃料净化器(1)的入口，二次燃料连接第二燃料净化器(2)的入口；第一燃料净化器(1)的出口接第一气体混合器(3)的第一入口，第二燃料净化器(2)的出口接第二气体混合器(7)的第一入口；去离子水通入到第一换热器(4)中，转化为水蒸气；第一换热器(4)的水蒸气出口连接第一气体混合器(3)的第二入口，第一气体混合器(3)的出口连接第二换热器(5)的冷端入口，第二换热器(5)的冷端出口连接固体氧化物燃料电池(6)的阳极入口，固体氧化物燃料电池(6)的阳极出口连接第二气体混合器(7)的第二入口；去离子水通入到第二气体混合器(7)的第三入口，第二气体混合器(7)的出口连接熔融碳酸盐燃料电池(8)的阳极入口，熔融碳酸盐燃料电池(8)的阳极出口连接到第三气体混合器(9)的第一入口；一次空气通入到第一风机(13)中，第一风机(13)的出口连接到第五换热器(14)的冷端入口，第五换热器(14)的冷端出口连接到第六换热器(15)的冷端入口，第六换热器(15)的冷端出口接固体氧化物燃料电池(6)的阴极入口，固体氧化物燃料电池(6)的阴极出口连接第四换热器(12)的热端入口，第四换热器(12)的热端出口接第五换热器(14)的热端入口，第五换热器(14)的热端出口对外排出废气；二次空气通入到第二风机(10)中，第二风机(10)的出口连接到第三换热器(11)的冷端入口，第三换热器(11)的冷端出口连接第四换热器(12)的冷端入口，第四换热器(12)的冷端出口连接到第三气体混合器(9)的第二入口，第三气体混合器(9)的出口连接到催化燃烧器(16)的入口，催化燃烧器(16)的出口连接到第六换热器(15)的热端入口，第六换热器(15)的热端出口连接到熔融碳酸盐燃料电池(8)的阴极入口，熔融碳酸盐燃料电池(8)的阴极出口连接第二换热器(5)的热端入口，第二换热器(5)的热端出口连接到第三换热器(11)的热端入口，第三换热器(11)的热端出口连接到第一换热器(4)的热端入口，第一换热器(4)的热端出口排出废气；固体氧化物燃料电池(6)电能输出端连接到第一DC/AC转换器(17)上，第一DC/AC转换器(17)对用户输出交流电能；熔融碳酸盐燃料电池(8)电能输出端连接到第二DC/AC转换器(18)上，第二DC/AC转换器(18)对用户输出交流电能。
2.根据权利要求1所述的一种高温燃料电池耦合发电系统，其特征在于：所述第一气体混合器(3)、第二气体混合器(7)和第三气体混合器(9)，具有两个以上气体入口。
3.根据权利要求1所述的一种高温燃料电池耦合发电系统，其特征在于：所述第一换热器(4)、第二换热器(5)、第三换热器(11)、第四换热器(12)、第五换热器(14)和第六换热器(15)，包括热气体流道和冷气体流道，热气体和冷气体被换热片隔开并通过换热片交换热量。
4.根据权利要求1所述的一种高温燃料电池耦合发电系统，其特征在于：所述固体氧化物燃料电池(6)，由阳极、阴极、固体电解质组成，阴极和阳极分别在固体电解质两侧；固体氧化物燃料电池(6)工作温度为700℃-900℃。
5.根据权利要求1所述的一种高温燃料电池耦合发电系统，其特征在于：所述熔融碳酸盐燃料电池(8)，由阳极、阴极、电解质隔膜组成，阴极和阳极分别在电解质隔膜两侧；熔融碳酸盐燃料电池(8)工作温度为600℃-700℃。
6.根据权利要求1所述的一种高温燃料电池耦合发电系统，其特征在于：所述第二风机(10)和第一风机(13)，采用离心式风机或轴流式风机。
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