CN216928653U - 一种以甲烷为燃料的熔融碳酸盐燃料电池发电系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供一种以甲烷为燃料的熔融碳酸盐燃料电池发电系统，包括MCFC电堆系统、阴阳极气体系统、燃料供应系统、甲烷前置重整系统、空气供应系统、余热利用装置、启动系统和电子电力系统。通过本燃料电池发电系统，可以利用MCFC电堆系统通过甲烷重整制氢并进行发电，并将余热用于提供热水或者蒸汽供热。
Description
技术领域
本实用新型涉及氢燃料电池分布式电站发电领域，特别是一种以甲烷为燃料的熔融碳酸盐燃料电池发电系统。
背景技术
燃料电池是一种不经过燃烧过程直接以电化学反应方式将燃料和氧化剂的化学能转变为电能的高效发电装置，转换效率高。按采用的电解质类型来分，燃料电池大致可分为6种：质子交换膜燃料电池(PEMFC)、直接甲醇燃料电池(DMFC)、碱性燃料电池(AFC)、磷酸燃料电池(PAFC)、熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)和固体氧化物燃料电池(SOFC)。
目前国内的MCFC燃料电池发电系统处于试验和示范阶段，随着电堆技术成熟度不断提高，其运行稳定性也将随之提高，同时燃料电池模块的批量化生产将使燃料电池设备造价大幅度降低。分布式能源应用直接针对终端用户，相比传统的能源集中式生产、运输、终端消费的模式，可最大程度减少能源的输送损耗，有效利用发电产生的余热，提供不同的能源品类并且提高能源的综合利用效率，将成为未来重要的能源利用模式。
实用新型内容
本实用新型所解决的技术问题即在基于MCFC燃料电池的特点提供一种以甲烷为燃料的熔融碳酸盐燃料电池发电系统，利用MCFC燃料电池发电，余热用于提供热水或者蒸汽供热。
本实用新型所采用的技术手段如下所述：
一种以甲烷为燃料的熔融碳酸盐燃料电池发电系统，包括MCFC电堆系统、阴阳极气体系统、燃料供应系统、甲烷前置重整系统、空气供应系统、余热利用装置、启动系统和电子电力系统；其中阴阳极气体系统包括阳极进气管路、阳极尾气管路、阴极进气管路和阴极尾气管路；阳极进气管路的一端与MCFC电堆系统的阳极进气口连接，另一端与甲烷前置重整系统的重整器第一出气口连接；阳极尾气管路一端与MCFC电堆系统的阳极出气口连接，另一端通过一后燃烧器与甲烷前置重整系统的重整器第一进气口连接；阴极进气管路的一端与MCFC电堆系统的阴极进气口连接，另一端通过一混合器与甲烷前置重整系统的重整器第二出气口连接；阴极尾气管路的一端与MCFC电堆系统的阴极出气口连接，另一端与余热利用装置连接。
作为优选，甲烷前置重整系统还设置有重整器第二进气口，燃料供应系统与重整器第二进气口连接，甲烷前置重整系统包括甲烷重整器。
作为优选，后燃烧器设置有燃烧器第一进气口，燃烧器第一进气口与阳极尾气管路连接，以及阳极尾气管路上还设置有阳极尾气回流风机；后燃烧器还设置有燃烧器出气口，燃烧器出气口与重整器第一进气口连接。
作为优选，混合器包括第一混合进口和混合出口，第一混合进口与甲烷前置重整系统的重整器第二出气口连接，混合出口与阴极进气管路连接。
作为优选，空气供应系统包括一空压机，空压机的一端连通外部空气，一端连接一分流器，分流器上设置有第一分流出口和第二分流出口，第一分流出口与后燃烧器上的燃烧器第二进气口连接，第二分流出口与混合器的第二混合进口连接。
作为优选，MCFC电堆系统的输电端与设置有换流装置的电子电力系统连接。
作为优选，启动系统包括启动燃烧器和充氮系统，启动燃烧器的输出端与后燃烧器连接，启动燃烧器的进料端与燃料供应系统连接；充氮系统与阴阳极气体系统连通连接。
作为优选，余热利用装置设置有进水端和出水端，出水端与甲烷前置重整系统的重整器进水口连接；以及余热利用装置还设置有供水端和回水端，供水端和回水端均连接外部供热用户终端。
本实用新型与现有的技术相比具有如下优点：
本实用新型根据MCFC燃料电池的特点，充分利用燃料电池阳极尾气中的未反应气体，在后燃烧器中催化燃烧，提供甲烷重整需要的热量，同时将阳极尾气中的CO2气体回流至阴极发生电化学反应；以及将电化学反应发生之后的尾气余热用于提供热水或者蒸汽供热；以及本系统还设置有空气供应系统，用于调节后燃烧器中的反应温度和进入阴极发生电化学反应的进气含量；以及本系统可以直接利用电子电力系统将燃料电池产生的直流电变换为交流电以送出电力。
附图说明
图1为本实用新型一种以甲烷为燃料的熔融碳酸盐燃料电池发电系统的结构示意图。
其中，1MCFC电堆系统，2阴阳极气体系统，3燃料供应系统，4甲烷前置重整系统，5空气供应系统，6余热利用装置，7电子电力系统，8阳极进气管路，9阳极尾气管路，10阴极进气管路，11阴极尾气管路，12阳极进气口，13阳极出气口，14阴极进气口，15阴极出气口，16重整器第一出气口，17重整器第二出气口，18重整器第一进气口，19重整器第二进气口，20重整器进水口，21后燃烧器，22燃烧器第一进气口，23燃烧器第二进气口，24燃烧器出气口，25混合器，26第一混合进口，27第二混合进口，28混合出口，29空压机，30分流器，31第一分流出口，32第二分流出口，33启动燃烧器，34充氮系统，35阳极尾气回流风机，36进水端，37出水端，38回水端，39供水端，40烟囱。
具体实施方式
如图1所示的实施例中，一种以甲烷为燃料的熔融碳酸盐燃料电池发电系统，包括MCFC电堆系统1、阴阳极气体系统2、燃料供应系统3、甲烷前置重整系统4、空气供应系统5、余热利用装置6、启动系统和电子电力系统7；其中阴阳极气体系统2包括阳极进气管路8、阳极尾气管路9、阴极进气管路10和阴极尾气管路11；阳极进气管路8的一端与MCFC电堆系统1的阳极进气口12连接，另一端与甲烷前置重整系统4的重整器第一出气口16连接；阳极尾气管路9一端与MCFC电堆系统1的阳极出气口 13连接，另一端通过一后燃烧器21与甲烷前置重整系统4的重整器第一进气口18连接；阴极进气管路10的一端与MCFC电堆系统1的阴极进气口 14连接，另一端通过一混合器25与甲烷前置重整系统4的重整器第二出气口17连接；阴极尾气管路11的一端与MCFC电堆系统1的阴极出气口15 连接，另一端与余热利用装置6连接。
其中，甲烷前置重整系统4还设置有重整器第二进气口19，燃料供应系统3与重整器第二进气口19连接，甲烷前置重整系统4包括甲烷重整器，其为甲烷前置重整系统4的主要设备。
以及，后燃烧器21设置有燃烧器第一进气口22，燃烧器第一进气口 22与阳极尾气管路9连接，以及阳极尾气管路9上还设置有阳极尾气回流风机35；后燃烧器21还设置有燃烧器出气口24，燃烧器出气口24与重整器第一进气口18连接。
其中，混合器25包括第一混合进口26和混合出口28，第一混合进口 26与甲烷前置重整系统4的重整器第二出气口17连接，混合出口28与阴极进气管路10连接。
其中，空气供应系统5包括一空压机29或送风机，空压机29的一端连通外部空气，一端连接一分流器30，分流器30上设置有第一分流出口 31和第二分流出口32，第一分流出口31与后燃烧器21上的燃烧器第二进气口23连接，第二分流出口32与混合器25的第二混合进口27连接。
其中，MCFC电堆系统1的输电端与设置有换流装置的电子电力系统7 连接。用以将输出的直流电转换为交流电。
其中，启动系统包括启动燃烧器33和充氮系统34，启动燃烧器33的输出端与后燃烧器21连接，启动燃烧器33的进料端与燃料供应系统3连接；充氮系统34与阴阳极气体系统2连通连接。
其中，余热利用装置6设置有进水端36和出水端37，出水端37与甲烷前置重整系统4的重整器进水口20连接；以及余热利用装置6还设置有供水端39和回水端38，供水端39和回水端38均连接外部供热用户终端。
在一个实施例中，如图1所示，天然气燃料进入燃料供应系统3，经过滤、计量、调压后输出甲烷供至甲烷前置重整系统4，甲烷在甲烷前置重整系统4中采用蒸汽催化重整方式，产生其气体通过阳极进气管路8供至 MCFC电堆系统1的阳极反应区，其反应温度较低，可维持在600-700℃，汽碳比取2.5-3，重整反应需要的热量由后燃烧器21第一出气口的高温烟气提供，重整需要的蒸汽或水可通过余热利用装置6产生或预热。
重整器第一出气口16输出的气体经过阳极进气管路8和阳极进气口12 进入MCFC电堆系统1的阳极反应区，发生H2+CO3 2-→CO2+H2O，反应后产生的气体经阳极尾气回流风机35鼓吹后，经过燃烧器第一进气口22进入后燃烧器21，为了控制后燃烧器21的温度，设置有空压机29，抽送空气至分流器30中，将大气中的空气依次过滤、增加，经第一分流出口31 将空气沿燃烧器第二进气口23输至后燃烧器21中提供氧气，同时调节以避免后燃烧器21中的反应温度过高，控制烟气温度在700℃以下；然后经过燃烧器出气口24将高温烟气送至甲烷前置重整系统4中，为甲烷前置重整系统4内的重整反应提供需要的热量，甲烷前置重整系统4内重整反应后产生的低温烟气通过混合器25和阴极进气管路10进入MCFC电堆系统 1的阴极反应区，此处的混合器25还接通分流器30的第二分流出口32，补充足够的空气；在阴极反应区发生O2+2CO2+4e-→2CO3 2-，其中产生的尾气和多余热量经过阴极尾气管路11输送至余热利用装置6中，可以将余热利用装置6中通入的尾气中水蒸气冷凝回收利用，以及余热利用装置6中的余热可以用于为终端用户供暖供热，输入的多余烟气通过烟囱40排出；另外，阳极反应区产生的直流电输送至电子电力系统7中，可以直接转换为交流电以送出电力。另外，本系统设置启动系统，包括启动燃烧器33和充氮系统34，启动燃烧器33用于启动初期甲烷前置重整系统4，充氮系统 34通过氮气吹扫MCFC电堆系统1内部及阴阳极气体系统2。
通过本实用新型提供的燃料电池发电系统，可以根据MCFC燃料电池的特点，充分利用燃料电池阳极尾气中的未反应气体，在后燃烧器中催化燃烧，提供甲烷重整需要的热量，同时将阳极尾气中的CO2气体回流至阴极发生电化学反应；以及将电化学反应发生之后的尾气余热用于提供热水或者蒸汽供热；而且本系统还设置有空气供应系统，用于调节后燃烧器中的反应温度和进入阴极发生电化学反应的进气含量；以及本系统可以直接利用电子电力系统将燃料电池产生的直流电变换为交流电以送出电力。
Claims (8)
1.一种以甲烷为燃料的熔融碳酸盐燃料电池发电系统，其特征在于，包括MCFC电堆系统(1)、阴阳极气体系统(2)、燃料供应系统(3)、甲烷前置重整系统(4)、空气供应系统(5)、余热利用装置(6)、启动系统和电子电力系统(7)；其中所述阴阳极气体系统(2)包括阳极进气管路(8)、阳极尾气管路(9)、阴极进气管路(10)和阴极尾气管路(11)；所述阳极进气管路(8)的一端与所述MCFC电堆系统(1)的阳极进气口(12)连接，另一端与所述甲烷前置重整系统(4)的重整器第一出气口(16)连接；所述阳极尾气管路(9)一端与所述MCFC电堆系统(1)的阳极出气口(13)连接，另一端通过一后燃烧器(21)与所述甲烷前置重整系统(4)的重整器第一进气口(18)连接；所述阴极进气管路(10)的一端与所述MCFC电堆系统(1)的阴极进气口(14)连接，另一端通过一混合器(25)与所述甲烷前置重整系统(4)的重整器第二出气口(17)连接；所述阴极尾气管路(11)的一端与所述MCFC电堆系统(1)的阴极出气口(15)连接，另一端与所述余热利用装置(6)连接。
2.根据权利要求1所述的一种以甲烷为燃料的熔融碳酸盐燃料电池发电系统，其特征在于，所述甲烷前置重整系统(4)还设置有重整器第二进气口(19)，所述燃料供应系统(3)与重整器第二进气口(19)连接，所述甲烷前置重整系统(4)包括甲烷重整器。
3.根据权利要求1所述的一种以甲烷为燃料的熔融碳酸盐燃料电池发电系统，其特征在于，所述后燃烧器(21)设置有燃烧器第一进气口(22)，燃烧器第一进气口(22)与阳极尾气管路(9)连接，以及阳极尾气管路(9)上还设置有阳极尾气回流风机(35)；后燃烧器(21)还设置有燃烧器出气口(24)，燃烧器出气口(24)与重整器第一进气口(18)连接。
4.根据权利要求1所述的一种以甲烷为燃料的熔融碳酸盐燃料电池发电系统，其特征在于，所述混合器(25)包括第一混合进口(26)和混合出口(28)，第一混合进口(26)与甲烷前置重整系统(4)的重整器第二出气口(17)连接，混合出口(28)与阴极进气管路(10)连接。
5.根据权利要求1所述的一种以甲烷为燃料的熔融碳酸盐燃料电池发电系统，其特征在于，所述空气供应系统(5)包括一空压机(29)，空压机(29)的一端连通外部空气，一端连接一分流器(30)，分流器(30)上设置有第一分流出口(31)和第二分流出口(32)，第一分流出口(31)与后燃烧器(21)上的燃烧器第二进气口(23)连接，第二分流出口(32)与混合器(25)的第二混合进口(27)连接。
6.根据权利要求1所述的一种以甲烷为燃料的熔融碳酸盐燃料电池发电系统，其特征在于，所述MCFC电堆系统(1)的输电端与设置有换流装置的所述电子电力系统(7)连接。
7.根据权利要求1所述的一种以甲烷为燃料的熔融碳酸盐燃料电池发电系统，其特征在于，所述启动系统包括启动燃烧器(33)和充氮系统(34)，启动燃烧器(33)的输出端与后燃烧器(21)连接，启动燃烧器(33)的进料端与燃料供应系统(3)连接；充氮系统(34)与阴阳极气体系统(2)连通连接。
8.根据权利要求1所述的一种以甲烷为燃料的熔融碳酸盐燃料电池发电系统，其特征在于，所述余热利用装置(6)设置有进水端(36)和出水端(37)，出水端(37)与甲烷前置重整系统(4)的重整器进水口(20)连接；以及
余热利用装置(6)还设置有供水端(39)和回水端(38)，供水端(39)和回水端(38)均连接外部供热用户终端。
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