CN217029045U - 一种利用燃料电池-燃气轮机联合热电联产系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种利用燃料电池‑燃气轮机联合热电联产系统，包括送料子系统、燃料电池子系统和燃气轮机子系统；送料子系统与燃料电池子系统的阴极和阳极连接，燃料电池子系统与燃气轮机子系统通过燃烧室连接，同时，送料子系统与燃气轮机子系统通过燃烧室连接；燃烧室还用于将送料子系统输入的富氢燃气和空气燃烧后至少部分输入燃气轮机子系统；燃气轮机子系统用于在燃料电池子系统的启动期间利用燃烧室输入的尾气做功发电。在燃料电池子系统启动的同时，将部分富氢燃气和空气输入燃烧室，完全燃烧，产生大量高温烟气，并将高温烟气用于燃气轮机子系统做工发电，提供相应的电能、热能和冷能，满足用户需求，实现系统的快速启动。

Description

一种利用燃料电池-燃气轮机联合热电联产系统

技术领域

本实用新型涉及燃料电池技术领域和燃气轮机技术领域，特别是涉及一种利用燃料电池-燃气轮机联合热电联产系统。

背景技术

燃料电池(Fuel Cell)是一种将燃料的化学能直接转换为电能的技术，是从化学能到电能的一步式转换，一次发电效率约为45％-60％。燃料电池与传统的火力发电方式相比，具有噪音低、污染小、占地少、建设快等优点。固体氧化物燃料电池(SOFC)可与燃气轮机结合，组成联合循环发电系统，综合效率能达到80％，其用于分布式发电的前景十分广阔。目前，燃料电池存在启停时间长、随负荷变化慢的问题。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题在于克服现有技术中的缺陷，从而提供一种利用燃料电池-燃气轮机联合热电联产系统。

为实现上述目的，本实用新型采用了如下技术方案：

一种利用燃料电池-燃气轮机联合热电联产系统，包括送料子系统、燃料电池子系统和燃气轮机子系统；所述送料子系统与所述燃料电池子系统的阴极和阳极连接，所述燃料电池子系统与所述燃气轮机子系统通过燃烧室连接，同时，所述送料子系统与所述燃气轮机子系统通过所述燃烧室连接；所述燃烧室用于将所述燃料电池子系统的阴极和阳极反应后的气体完全燃烧并至少部分输入所述燃气轮机子系统；所述燃烧室还用于将所述送料子系统输入的富氢燃气和空气燃烧后至少部分输入所述燃气轮机子系统；所述燃气轮机子系统用于在所述燃料电池子系统的启动期间利用所述燃烧室输入的尾气做功发电。

优选地，所述送料子系统包括重整室和空气输送装置，所述重整室与所述燃料电池子系统的阳极之间设有第一燃气输入管道，所述空气输送装置与所述燃料电池子系统的阴极之间设有第一空气输入管道；同时，所述重整室与所述燃烧室之间设有第二燃气输入管道，所述空气输送装置与所述燃烧室之间设有第二空气输入管道，所述第二燃气输入管道和所述第二空气输入管道用于在所述燃料电池子系统的启动期间对所述燃烧室输入富氢燃气和空气，富氢燃气和空气在所述燃烧室燃烧产生的至少部分尾气被输入所述燃气轮机子系统做功发电。

优选地，所述第一燃气输入管道上设有第一调节阀，所述第一空气输入管道上设有第二调节阀，所述第二燃气输入管道上设有第三调节阀，所述第二空气输入管道上设有第四调节阀。

优选地，所述燃料电池子系统的阳极与所述燃烧室之间设有第一输入管道，所述燃料电池子系统的阴极与所述燃烧室之间设有第二输入管道，所述燃烧室用于将阳极气体和阴极气体充分燃烧后的至少部分尾气输入所述燃气轮机子系统做功发电。

优选地，所述燃料电池子系统的阳极与所述重整室之间设有第一输出管道，所述燃烧室和所述重整室之间设有第二输出管道，所述第一输出管道用于将阳极的部分尾气输入所述重整室，所述第二输出管道用于将所述燃烧室中的部分尾气输入所述重整室。

优选地，所述第一输出管道和所述第二输出管道上设有分离器，所述分离器用于分离尾气中的水蒸气，并将水蒸气输入所述重整室。

优选地，所述送料子系统还包括生物质输送装置、生物质气化装置、蒸发器、加热器、净化分离器和第一换热器，

所述生物质输送装置与所述生物质气化装置连通，用于将生物质输入至所述生物质气化装置，所述蒸发器与所述生物质气化装置连通，用于将水蒸气输入所述生物质气化装置，所述加热器用于对所述生物质气化装置加热，使所述生物质在高温和不完全燃烧条件下，利用水蒸气作为气化剂，转化为可燃气体；

所述生物质气化装置与所述净化分离器连接，所述净化分离器与所述第一换热器连通，所述第一换热器与所述重整室连通，所述可燃气体经所述净化分离器分离后，再经第一换热器加热，进入所述重整室，变为所述富氢燃气；

所述空气输送装置还包括空气输送管道、空气压缩机和第二换热器，所述空气输送管道与所述空气压缩机连接，所述空气压缩机与所述第二换热器连通，所述第二换热器与所述第一空气输入管道和所述第二空气输入管道连通。

优选地，所述燃气轮机子系统还包括余热利用装置，所述余热利用装置依次与所述第一换热器和所述第二换热器换热。

优选地，所述加热器为太阳能集热器。

相比现有技术，本实用新型的有益效果在于：

上述技术方案中所提供的利用燃料电池-燃气轮机联合热电联产系统在燃料电池子系统启动的同时，将部分富氢燃气和空气输入燃烧室，完全燃烧，产生大量高温烟气，并将高温烟气用于燃气轮机子系统做工发电，提供相应的电能、热能和冷能，满足用户需求，实现系统的快速启动；在燃料电池子系统完全启动之后，将所有富氢燃气和空气输入燃料电池子系统，实现燃料电池子系统的高效发电，同时，将燃料电池子系统的阳极尾气和阴极尾气输入燃烧室充分燃烧，产生的高温烟气用于燃气轮机子系统做工发电，提供相应的电能、热能和冷能，提高能源利用率，同时可提高热电联产系统应对用户负荷变化的响应效率。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式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，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施方式，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，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型的一种实施方式中提供的热电联产系统的结构示意图。

附图标记说明：

10、送料子系统；11、重整室；111、第一燃气输入管道；112、第二燃气输入管道；113、第一调节阀；114、第三调节阀；12、空气压缩机；13、第二换热器；141、第一空气输入管道；142、第二空气输入管道；143、第二调节阀；144、第四调节阀；15、生物质气化装置；16、蒸发器；17、太阳能集热器；18、净化分离器；19、第一换热器；

20、燃料电池子系统；21、阳极；211、第一输出管道；22、阴极；

30、燃气轮机子系统；31、余热利用装置；

40、燃烧室；41、第一输入管道；42、第二输入管道；43、第二输出管道。

具体实施方式

下面将结合附图对本实用新型的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

如附图1所示，本实用新型实施例提供了一种利用燃料电池-燃气轮机联合热电联产系统，包括送料子系统10、燃料电池子系统20和燃气轮机子系统30。

其中，送料子系统10用于输送富氢燃气和空气，还可用于生产制作富氢燃气，送料子系统10的空气可从外界直接获取，需要注意的是，输入燃料电池子系统20和燃气轮机子系统30的富氢燃气和空气均为高温气体，因此，送料子系统10中还包括加热或换热装置，用于提高富氢燃气和空气的温度。

燃料电池子系统20为高温燃料电池，可以为固体氧化物燃料电池(SOFC)。燃料电池设有阴极22和阳极21，阴极22和阳极21之间通过电解质传递电子。固体氧化物燃料电池由若干单体组成，其单体主要组成部分包括电解质(electrolyte)、阳极21或燃料极(anode，fuel electrode)、阴极22或空气极(cathode，air electrode)和连接体(interconnect)或双极板(bipolar separator)。SOFC中的电解质为固体氧化物氧离子导体(如氧化锆)，氧原子在阴极22表面得到电子并还原为氧离子，氧离子通过电解质转移到燃料所在的阳极21侧与合成气发生反应，并向外电路释放电子输出电能。固体氧化物燃料电池启动时间在65分钟至200分钟，启动时间较长，此时，燃料电池子系统20的发电量较低，对送料子系统10提供的燃料利用率也较低，因此，本实用新型实施例的热电联产系统还设有燃气轮机子系统30。

燃气轮机子系统30可作为燃料电池子系统20的辅助，在燃料电池子系统20的启动期间，燃料电池子系统20的阴极22和阳极21反应后的输入至燃烧室40的气体也较少，即使完全燃烧也无法提供大量高温烟气，因此，燃气轮机子系统30能提供的电能、热能也较少。本实用新型实施例在燃料电池启动期间，控制送料子系统10的部分富氢燃气输入燃料电池子系统20的阳极21，部分富氢燃气进入燃烧室40，控制送料子系统10的部分空气进入燃料电池子系统20的阴极22，部分空气进入燃烧室40；此时，大量富氢燃气和空气进入燃烧室40完全燃烧，产生大量高温烟气，而后将大量高温烟气输入燃气轮机子系统30，燃气轮机子系统30做工发电，提供电能、热能和冷能满足用户需求，直至燃料电池子系统20的温度达到启动温度；燃料电池完全启动后，控制送料子系统10的所有富氢燃气进入燃料电池子系统20的阳极21，控制送料子系统10的所有空气进入燃料电池子系统20的阴极22；此时，由于燃料电池子系统20的反应速度较快，阳极21尾气和阴极22尾气的量较高，因此，控制阳极21尾气和阴极22尾气输入燃烧室40完全燃烧，也会产生大量的高温烟气，控制燃烧室40将至少部分完全燃烧后的尾气(高温烟气)输入燃气轮机子系统30，燃气轮机子系统30做工发电，提供电能、热能和冷能满足用户需求。燃气轮机子系统30包括燃气涡轮和高速电机，高温烟气进入燃气涡轮，使燃气涡轮带动高速电机发电。

具体的，如附图1所示，送料子系统10包括空气供应侧和燃料供应侧，空气供应侧为空气输送装置，空气输送装置还包括空气输送管道、空气压缩机12和第二换热器13，空气输送管道与空气压缩机12连接，空气压缩机12与第二换热器13连通，第二换热器13与第一空气输入管道141和第二空气输入管道142连通。燃料供应侧包括天然气、生物质燃料等输入端和重整室11，重整室11接收预热后的可燃气体，并与水蒸气发生反应，生成氢气，从而产生富氢燃气，输入燃料电池子系统20的阳极21或燃烧室40。

重整室11与燃料电池子系统20的阳极21之间设有第一燃气输入管道111，空气输送装置与燃料电池子系统20的阴极22之间设有第一空气输入管道141；同时，重整室11与燃烧室40之间设有第二燃气输入管道112，空气输送装置与燃烧室40之间设有第二空气输入管道142，第二燃气输入管道112和第二空气输入管道142用于在燃料电池子系统20的启动期间对燃烧室40输入富氢燃气和空气，富氢燃气和空气在燃烧室40燃烧产生的至少部分尾气被输入燃气轮机子系统30做功发电。第一燃气输入管道111和第二燃气输入管道112彼此独立工作，第一空气输入管道141和第二空气输入管道142彼此独立，且第一燃气输入管道111上设有第一调节阀113，第二燃气输入管道112上设有第三调节阀114，第一空气输入管道141上设有第二调节阀143，第二空气输入管道142上设有第四调节阀144。当燃料电池子系统20处于启动阶段或关闭阶段时，第三调节阀114和第四调节阀144开启，第二燃气输入管道112对燃烧室40输入富氢燃气，第二空气输入管道142对燃烧室40输入空气；当燃料电池子系统20处于平稳工作状态时，则关闭第三调节阀114和第四调节阀144。

具体的，燃料电池子系统20的阳极21与燃烧室40之间设有第一输入管道41，燃料电池子系统20的阴极22与燃烧室40之间设有第二输入管道42，燃烧室40用于将阳极21气体和阴极22气体充分燃烧后的至少部分尾气输入燃气轮机子系统30做功发电，充分利用阴极22尾气和阳极21尾气，提高燃料利用率。

优选地，由于阳极21尾气反应后会生成水蒸气，另外，部分阳极21尾气中仍含有氢气，输入燃烧室40完全燃烧后生成水蒸气，因此，在燃料电池子系统20的阳极21与重整室11之间设有第一输出管道211，燃烧室40和重整室11之间设有第二输出管道43，第一输出管道211用于将阳极21的部分尾气输入重整室11，第二输出管道43用于将燃烧室40中的部分尾气输入重整室11，重新利用尾气中的水蒸气。

优选地，第一输出管道211和第二输出管道43上设有分离器，分离器用于分离尾气中的水蒸气，并将水蒸气输入重整室11，满足重整室11内将可燃气体和水蒸气结合生成富氢燃气的需求。

当燃料供应侧提供的为生物质燃料时，需将生物质燃料转化为可燃气体，因此，燃料供应侧包括生物质输送装置、生物质气化装置15、蒸发器16、加热器、净化分离器18和第一换热器19，

生物质燃料转化为可燃气体的过程如下：

生物质输送装置与生物质气化装置15连通，用于将生物质输入至生物质气化装置15，蒸发器16与生物质气化装置15连通，用于将水蒸气输入生物质气化装置15，加热器用于对生物质气化装置15加热，使生物质在高温和不完全燃烧条件下，利用水蒸气作为气化剂，转化为可燃气体；

生物质气化装置15与净化分离器18连接，净化分离器18与第一换热器19连通，第一换热器19与重整室11连通，可燃气体经净化分离器18分离后，去除可燃气体中的杂质，再经第一换热器19加热，进入重整室11，变为富氢燃气。

优选地，上述实施方式中的加热器可为太阳能集热器17，太阳能集热器17分别对蒸发器16加热，将水变成水蒸气，对生物质气化装置15中的生物质加热，利用水蒸气作为气化剂，转化为可燃气体，节省能源，提高能源利用率。

另外，燃气轮机子系统30在工作过程中会产生大量热量，燃气轮机子系统30还包括余热利用装置31，在送料子系统10的空气供应侧和燃料供应侧均需要加热，优选地，余热利用装置31依次与第一换热器19和第二换热器13换热，对压缩后的空气和可燃气体进行加热，无需额外的加热能源。余热利用装置31在经过二次换热后，剩余热量可用于制热水或用于余热锅炉产热或用于溴化锂机组制冷制热，满足用户的能量需求，进一步提高能源利用率。

上述实施方式仅为本实用新型的优选实施方式，不能以此来限定本实用新型保护的范围，本领域的技术人员在本实用新型的基础上所做的任何非实质性的变化及替换均属于本实用新型所要求保护的范围。

Claims (9)

1.一种利用燃料电池-燃气轮机联合热电联产系统，其特征在于，包括送料子系统、燃料电池子系统和燃气轮机子系统；所述送料子系统与所述燃料电池子系统的阴极和阳极连接，所述燃料电池子系统与所述燃气轮机子系统通过燃烧室连接，同时，所述送料子系统与所述燃气轮机子系统通过所述燃烧室连接；所述燃烧室用于将所述燃料电池子系统的阴极和阳极反应后的气体完全燃烧并至少部分输入所述燃气轮机子系统；所述燃烧室还用于将所述送料子系统输入的富氢燃气和空气燃烧后至少部分输入所述燃气轮机子系统；所述燃气轮机子系统用于在所述燃料电池子系统的启动期间利用所述燃烧室输入的尾气做功发电。

2.根据权利要求1所述的利用燃料电池-燃气轮机联合热电联产系统，其特征在于，所述送料子系统包括重整室和空气输送装置，所述重整室与所述燃料电池子系统的阳极之间设有第一燃气输入管道，所述空气输送装置与所述燃料电池子系统的阴极之间设有第一空气输入管道；同时，所述重整室与所述燃烧室之间设有第二燃气输入管道，所述空气输送装置与所述燃烧室之间设有第二空气输入管道，所述第二燃气输入管道和所述第二空气输入管道用于在所述燃料电池子系统的启动期间对所述燃烧室输入富氢燃气和空气，富氢燃气和空气在所述燃烧室燃烧产生的至少部分尾气被输入所述燃气轮机子系统做功发电。

3.根据权利要求2所述的利用燃料电池-燃气轮机联合热电联产系统，其特征在于，所述第一燃气输入管道上设有第一调节阀，所述第一空气输入管道上设有第二调节阀，所述第二燃气输入管道上设有第三调节阀，所述第二空气输入管道上设有第四调节阀。

4.根据权利要求2所述的利用燃料电池-燃气轮机联合热电联产系统，其特征在于，所述燃料电池子系统的阳极与所述燃烧室之间设有第一输入管道，所述燃料电池子系统的阴极与所述燃烧室之间设有第二输入管道，所述燃烧室用于将阳极气体和阴极气体充分燃烧后的至少部分尾气输入所述燃气轮机子系统做功发电。

5.根据权利要求2所述的利用燃料电池-燃气轮机联合热电联产系统，其特征在于，所述燃料电池子系统的阳极与所述重整室之间设有第一输出管道，所述燃烧室和所述重整室之间设有第二输出管道，所述第一输出管道用于将阳极的部分尾气输入所述重整室，所述第二输出管道用于将所述燃烧室中的部分尾气输入所述重整室。

6.根据权利要求5所述的利用燃料电池-燃气轮机联合热电联产系统，其特征在于，所述第一输出管道和所述第二输出管道上设有分离器，所述分离器用于分离尾气中的水蒸气，并将水蒸气输入所述重整室。

7.根据权利要求2所述的利用燃料电池-燃气轮机联合热电联产系统，其特征在于，所述送料子系统还包括生物质输送装置、生物质气化装置、蒸发器、加热器、净化分离器和第一换热器，

所述生物质输送装置与所述生物质气化装置连通，用于将生物质输入至所述生物质气化装置，所述蒸发器与所述生物质气化装置连通，用于将水蒸气输入所述生物质气化装置，所述加热器用于对所述生物质气化装置加热，使所述生物质在高温和不完全燃烧条件下，利用水蒸气作为气化剂，转化为可燃气体；

所述生物质气化装置与所述净化分离器连接，所述净化分离器与所述第一换热器连通，所述第一换热器与所述重整室连通，所述可燃气体经所述净化分离器分离后，再经第一换热器加热，进入所述重整室，变为所述富氢燃气；

所述空气输送装置还包括空气输送管道、空气压缩机和第二换热器，所述空气输送管道与所述空气压缩机连接，所述空气压缩机与所述第二换热器连通，所述第二换热器与所述第一空气输入管道和所述第二空气输入管道连通。

8.根据权利要求7所述的利用燃料电池-燃气轮机联合热电联产系统，其特征在于，所述燃气轮机子系统还包括余热利用装置，所述余热利用装置依次与所述第一换热器和所述第二换热器换热。

9.根据权利要求7所述的利用燃料电池-燃气轮机联合热电联产系统，其特征在于，所述加热器为太阳能集热器。

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