專利名稱：高溫燃料電池陽極循環(huán)預(yù)熱發(fā)電系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種發(fā)電系統(tǒng)，尤其涉及一種以地下煤氣為燃料的高溫燃料電池陽極循環(huán)預(yù)熱發(fā)電系統(tǒng)，屬于能源利用技術(shù)領(lǐng)域。
目前火力發(fā)電的效率只有40％，而且污染環(huán)境。大規(guī)模的火力發(fā)電還存在資源運輸和戰(zhàn)爭破壞等問題。隨著新能源的大量應(yīng)用，分布式發(fā)電方式將得到迅速發(fā)展，MW級的分布式發(fā)電系統(tǒng)會得到廣泛的應(yīng)用。它一方面可以滿足小型企業(yè)的用電需求，另一方面可以降低地震、戰(zhàn)爭等災(zāi)害對社會造成的沖擊。
國外已經(jīng)公布了一些燃料電池發(fā)電系統(tǒng)，大多數(shù)是以天然氣為燃料，采用燃料電池和燃?xì)廨啓C(jī)組成聯(lián)合循環(huán)方式發(fā)電(Wei He.Numerical analysis ofmolten carbonate fuel cell systems.International Journal of Energy Research，1997，2169-76.)。但一方面由于燃?xì)廨啓C(jī)的造價昂貴，且發(fā)展中國家沒有這方面的技術(shù)，很難推廣；另一方面，由于該種循環(huán)發(fā)電方式要求系統(tǒng)要達(dá)到一定的壓力，因此對燃料電池性能的要求較高。
為實現(xiàn)這樣的目的，本發(fā)明的技術(shù)方案中，高溫燃料電池陽極循環(huán)預(yù)熱發(fā)電系統(tǒng)由二級高溫燃料電池、陽極循環(huán)預(yù)熱系統(tǒng)、余熱鍋爐、蒸汽輪機(jī)、發(fā)電機(jī)、換熱器等設(shè)備構(gòu)成，電能由燃料電池和發(fā)電機(jī)聯(lián)合提供，系統(tǒng)除發(fā)電外，還可以為外界提供一定量的熱水。
本發(fā)明的發(fā)電系統(tǒng)主要分為高溫燃料電池和輔助發(fā)電系統(tǒng)兩部分，燃料電池利用氫、一氧化碳和氧化劑發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生電能，輔助發(fā)電系統(tǒng)利用余熱鍋爐和蒸汽輪機(jī)產(chǎn)生電能。
燃料被分成兩路供給系統(tǒng)，一路經(jīng)過兩級燃料電池后面的換熱器進(jìn)行預(yù)熱之后，然后被送到燃料電池陽極入口，另一路和燃料電池陽極排氣混合后送到余熱鍋爐燃燒。燃料電池所需的氧化劑同樣經(jīng)過余熱鍋爐預(yù)熱后，被送到燃料電池陰極入口，在燃料電池內(nèi)部發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，并產(chǎn)生電能和熱量。在一級燃料電池陰極后部換熱器和二級燃料電池陰極排氣換熱器出口端連接一個脫硫裝置。
二級燃料電池的陽極出口依次連接一個換熱器和用來生產(chǎn)熱水的熱水器，熱水器氣體工質(zhì)的出口端連到余熱鍋爐的爐膛，用于進(jìn)一步提高燃料利用率。與發(fā)電機(jī)同軸連接的蒸汽輪機(jī)一端連接爐膛的蒸汽加熱管，另一端連到凝汽器，再經(jīng)凝結(jié)水泵連接到余熱鍋爐內(nèi)的蒸汽加熱管，鍋爐產(chǎn)生的蒸汽推動蒸汽輪機(jī)運轉(zhuǎn)，帶動發(fā)電機(jī)產(chǎn)生電能。
一級燃料電池陰陽極出口各連接一個換熱器，其出口陰陽極排氣經(jīng)過換熱器降溫后送到二級燃料電池繼續(xù)參加電化學(xué)反應(yīng)。二級燃料電池陰陽極出口各連接一個換熱器，用于回收熱能。被二級燃料電池排氣加熱的陽極氣體被送到一級燃料電池排氣換熱器進(jìn)行加熱后，進(jìn)入一級燃料電池陽極入口。
系統(tǒng)工作時，首先將燃料氣體送入二級燃料電池后面的換熱器加熱，然后到脫硫裝置脫硫，脫硫后的燃料經(jīng)過一級燃料電池排氣加熱后，送到燃料電池的陽極進(jìn)行發(fā)電，陽極排氣經(jīng)過換熱器降溫，再經(jīng)過一個熱水器制取熱水，冷卻后的燃料電池陽極排氣和部分原始燃料一同送入余熱鍋爐燃燒，燃燒的熱量用來加熱水產(chǎn)生高溫高壓蒸汽。
另外，一定量的空氣和CO2經(jīng)空氣壓縮機(jī)壓縮后，送入余熱鍋爐加熱管被加熱，將加熱后的陰極混合氣體送到燃料電池陰極，陰極排氣首先經(jīng)過兩極換熱器降溫后，再送到脫碳器，脫CO2后的陰極排氣直接排到大氣中(如果是SOFC可以不接脫碳器)。
最后，將燃料電池和發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的電能送到用戶。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有明顯的進(jìn)步和有益效果。本發(fā)明采用了兩個MW級燃料電池，通過兩級換熱器對燃料劑進(jìn)行預(yù)熱，實現(xiàn)了能量的梯級利用；未被燃料電池利用的部分燃料和部分原始燃料混合，提高發(fā)熱量后，送到余熱鍋爐燃燒，通過輔助發(fā)電設(shè)備，進(jìn)一步提高能源轉(zhuǎn)化效率；另外，由于余熱鍋爐只是用來加熱燃料劑，所以可以減小余熱鍋爐的體積。
本發(fā)明采用高溫燃料電池和蒸汽輪機(jī)聯(lián)合循環(huán)發(fā)電的方式，可以直接利用地下煤氣或化工廠排放的廢氣，有效提高了能源利用率，減小余熱鍋爐的體積，降低溫室氣體的排放。


圖1中，1為AC/DC轉(zhuǎn)換器，2為一級燃料電池，3、4為換熱器，5為二級燃料電池，6為AC/DC轉(zhuǎn)換器，7為燃料壓縮機(jī)，8為換熱器，9為熱水換熱器，10為余熱鍋爐，11為煙囪，12為凝結(jié)水泵，13為凝汽器，14為蒸汽輪機(jī)，15為發(fā)電機(jī)，16為脫碳器，17為熱水換熱器、18為換熱器，19為給水泵，20為空氣壓縮機(jī)，21為脫硫裝置。
本發(fā)明的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。一級燃料電池2陽極出口端連接換熱器3入口，換熱器3的出口連接二級燃料電池5陽極入口，二級燃料電池5陽極出口依次連接換熱器8和熱水換熱器9，熱水換熱器9接到余熱鍋爐10。一級燃料電池2陰極出口端連接換熱器4入口，換熱器4的出口連接二級燃料電池5陰極入口，二級燃料電池5陰極出口依次連接換熱器18、熱水換熱器17，熱水換熱器17接到脫碳器16。燃料壓縮機(jī)6分別連接余熱鍋爐10和換熱器8的入口端，換熱器8的出口端連接換熱器18的入口端，換熱器18的出口端接有脫硫裝置21，脫硫裝置21的出口接到一級燃料電池陰極出口端的換熱器4，換熱器4的另一端連接一級燃料電池陽極出口端的換熱器3，換熱器3的出口連接到一級燃料電池陽極入口?？諝鈮嚎s機(jī)20的出口連接余熱鍋爐10，同時連接到余熱鍋爐10內(nèi)的預(yù)熱裝置，預(yù)熱裝置出口端接到一級燃料電池陰極入口端。給水泵19的出口分別經(jīng)熱水換熱器9、17接到熱水用戶。與發(fā)電機(jī)15同軸連接的蒸汽輪機(jī)14一頭連接余熱鍋爐10的蒸汽加熱管，另一頭連到凝汽器13，再經(jīng)凝結(jié)水泵12連接到余熱鍋爐10內(nèi)的蒸汽加熱管。
工作時，燃料氣體分別經(jīng)過兩級換熱器升溫，并經(jīng)過脫硫裝置21凈化后，進(jìn)入一級燃料電池排氣換熱器，加熱后的燃料送到一級燃料電池2的陽極進(jìn)行發(fā)電，陽極排氣經(jīng)換熱器3降溫，再到二級燃料電池發(fā)電。二級燃料電池陽極排氣中的熱能被換熱器8進(jìn)一步利用，未參加電化學(xué)反應(yīng)的燃料和部分原始燃料被送到余熱鍋爐中燃燒，產(chǎn)生的熱量被進(jìn)一步利用發(fā)電。熱水換熱器9、17中產(chǎn)生的熱水可以為用戶提供熱水。
燃料電池陽極循環(huán)預(yù)熱發(fā)電系統(tǒng)的優(yōu)點在于每級燃料電池的高溫排氣都能被充分利用，由于燃料劑不在余熱鍋爐里吸收熱量，有利于提高整個系統(tǒng)的能源利用效率，且可以縮小燃料電池電堆和余熱鍋爐的體積。另外，由于發(fā)電系統(tǒng)由兩級燃料電池構(gòu)成，因此系統(tǒng)的變負(fù)荷能力強(qiáng)。
權(quán)利要求
1.一種高溫燃料電池陽極循環(huán)預(yù)熱發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于一級燃料電池(2)陽極出口端連接換熱器(3)入口，換熱器(3)的出口連接二級燃料電池(5)陽極入口，二級燃料電池(5)陽極出口依次連接換熱器(8)和熱水換熱器(9)，熱水換熱器(9)接到余熱鍋爐(10)，一級燃料電池(2)陰極出口端連接換熱器(4)入口，換熱器(4)的出口連接二級燃料電池(5)陰極入口，二級燃料電池(5)陰極出口依次連接換熱器(18)和熱水換熱器(17)，熱水換熱器(17)接到脫碳器(16)，燃料壓縮機(jī)(7)分別連接余熱鍋爐(10)和換熱器(8)的入口端，換熱器(8)的出口端連接換熱器(18)的入口端，換熱器(18)的出口端接有脫硫裝置(21)，脫硫裝置(21)的出口接到一級燃料電池陰極出口端的換熱器(4)，換熱器(4)的另一端連接一級燃料電池陽極出口端的換熱器(3)，換熱器(3)的出口連接到一級燃料電池陽極入口，空氣壓縮機(jī)(20)的出口連接余熱鍋爐(10)，同時連接余熱鍋爐(10)內(nèi)的預(yù)熱裝置，預(yù)熱裝置出口端接到一級燃料電池(2)陰極入口端，給水泵(19)的出口分別經(jīng)熱水換熱器(9、17)接到熱水用戶，與發(fā)電機(jī)(15)同軸連接的蒸汽輪機(jī)(14)一頭連接余熱鍋爐(10)的蒸汽加熱管，另一頭連到凝汽器(13)，再經(jīng)凝結(jié)水泵(12)連接到余熱鍋爐(10)內(nèi)的蒸汽加熱管。
全文摘要
一種高溫燃料電池陽極循環(huán)預(yù)熱發(fā)電系統(tǒng)，分為高溫燃料電池和輔助發(fā)電系統(tǒng)兩部分，燃料電池利用氫、一氧化碳和氧化劑發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生電能，輔助發(fā)電系統(tǒng)利用余熱鍋爐和蒸汽輪機(jī)產(chǎn)生電能。本發(fā)明特征是燃料電池陽級氣體由燃料電池排氣換熱器加熱，陰極反應(yīng)氣體由蒸汽鍋爐加熱，預(yù)熱后的反應(yīng)氣體首先經(jīng)過一級燃料電池，一級燃料電池排氣經(jīng)過降溫后再送入二級燃料電池參加電化學(xué)反應(yīng)，冷卻后的燃料電池陽極排氣和部分原始燃料一同送入余熱鍋爐燃燒，燃燒的熱量用來加熱水產(chǎn)生高溫高壓蒸汽。本發(fā)明實現(xiàn)了能量的梯級利用，有效提高了能源利用率，減小余熱鍋爐的體積，降低溫室氣體的排放。
文檔編號H01M8/00GK1442921SQ0311630
公開日2003年9月17日 申請日期2003年4月10日 優(yōu)先權(quán)日2003年4月10日
發(fā)明者于立軍, 李巍 申請人:上海交通大學(xué)