一種提高煤層氣能量利用率的燃料電池熱電聯(lián)系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種煤層氣利用的燃料電池熱電聯(lián)系統(tǒng)，包括燃料處理裝置，燃料電池反應組，燃電能儲備，蓄熱組、輔助控溫裝置、渦輪發(fā)電機，熱交換裝置，制作水煤氣裝置，熱水供應系統(tǒng)和總控系統(tǒng)。燃料處理裝置與燃料電池反應組相接，燃料電池反應組與燃電能儲備，輔助控溫裝置和蓄熱組相連接，蓄熱組與渦輪發(fā)電機相連接，渦輪發(fā)電機與燃電能儲備穿過熱交換裝置與輔助控溫裝置相連接，熱交換裝置制作水煤氣裝置和熱水供應系統(tǒng)相連接。本發(fā)明提供的燃料電池熱電聯(lián)系統(tǒng)可以在煤層氣發(fā)電時把產(chǎn)生的熱量也利用起來，增加了能量利用率，理論上能量利用率可達到80％以上，最大化的利用煤層氣。
【專利說明】一種提高煤層氣能量利用率的燃料電池熱電聯(lián)系統(tǒng)
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及燃料電池熱電聯(lián)系統(tǒng)，尤其涉及一種提高煤層氣能量利用率的燃料電 池熱電聯(lián)系統(tǒng)。
【背景技術】
[0002] 我國的煤礦資源豐富，而隨之伴生的煤層氣據(jù)預測資源量相當于450億噸煤，與 常規(guī)天然氣的資源量相當。在煤礦的開采過程伴生的煤層氣也是安全的重大隱患，據(jù)統(tǒng)計 每年向大氣排放的煤層氣高達200億立方米，不僅污染了當?shù)氐沫h(huán)境，還會產(chǎn)生全球的溫 室效應。
[0003] 煤層氣是富含甲烷的混合氣體，對于大量中等甲烷含量的煤層氣通常直接作為民 用燃料或發(fā)電，但用量有限；對于低的瓦斯都是直接排放出去，不能得到很好的利用，而且 現(xiàn)在的煤層氣發(fā)電多是直接燃燒發(fā)電，這樣不僅污染環(huán)境，而且能量利用率也不高最大只 有45%。若要將煤層氣用于化學領域，則必須使甲烷含量提高到95%以上，通常采用變壓 吸附或低溫分離。煤層氣現(xiàn)在最主要的目的就是產(chǎn)熱和發(fā)電，但上述方法都沒有將其很好 的利用結合，能量利用率較低。
【發(fā)明內容】
[0004] 有鑒于現(xiàn)有技術的上述缺陷，本發(fā)明所要解決的技術問題是提供一種提高煤層氣 能量利用率的燃料電池熱電聯(lián)系統(tǒng)，在煤層氣發(fā)電時把產(chǎn)生的熱量也利用起來，增加了能 量利用率。
[0005] 為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種提高煤層氣能量利用率的燃料電池熱電聯(lián)系 統(tǒng)，包括燃料處理裝置、燃料電池反應組、電力儲備、蓄熱組、輔助控溫裝置、渦輪發(fā)電機、熱 交換裝置、制作水煤氣裝置、熱水供應系統(tǒng)和總控系統(tǒng)，抽采出來的煤層氣和空氣各自通入 所述燃料處理裝置，所述燃料處理裝置與所述燃料電池反應組相接，所述燃料電池反應組 利用煤層氣和空氣來生產(chǎn)直流電及熱，所述燃料電池反應組與所述燃電能儲備、所述輔助 控溫裝置和所述蓄熱組相連接，所述燃電能儲備將所述燃料電池反應組生產(chǎn)的電能存儲起 來并將直流電轉變交流電，所述輔助控溫裝置控制燃料電池反應組的溫度，所述蓄熱組對 所述燃料電池反應組產(chǎn)生的高溫氣體進行加壓存儲并為所述渦輪發(fā)電機提供所需高溫高 壓氣體，所述渦輪發(fā)電與所述燃電能儲備穿過所述熱交換裝置與所述輔助控溫裝置相連 接，熱交換裝置將所述渦輪發(fā)電機產(chǎn)生的電傳到所述電力存儲裝置，把經(jīng)過實時所述熱交 換裝置剩余的熱量傳到所述輔助控溫裝置機保存，所述熱交換裝置與所述制作水煤氣裝置 和所述熱水供應系統(tǒng)相連接，所述制作水煤氣裝置利用所述熱交換裝置產(chǎn)生的水蒸氣與熾 熱煤炭反應生成水煤氣，所述熱水供應系統(tǒng)與所述制作水煤氣裝置和生活日用裝置相連， 將所述制作水煤氣裝置生產(chǎn)水煤氣傳送到所述生活日用裝置，所述總控制系統(tǒng)與所述燃料 處理裝置、所述燃料電池反應組、所述電力儲備、所述蓄熱組、所述輔助控溫裝置、所述渦輪 發(fā)電機、所述熱交換裝置、所述熱水供應系統(tǒng)、所述制作水煤氣裝置連接，對上述各個的裝 置的數(shù)據(jù)進行檢測和儲存。
[0006] 在本發(fā)明的較佳實施方式中，所述輔助控溫裝置包括加溫裝置、冷卻裝置、保溫裝 置和溫度感應裝置。
[0007] 在本發(fā)明的另一較佳實施方式中，所述燃料處理裝置包括純濃度的甲烷氣體和濃 度傳感器。
[0008] 在本發(fā)明的較佳實施方式中，所述燃料電池反應組為固體氧化物燃料電池，所述 固體氧化物燃料電池使用的電解質是氧化釔的氧化鋯，所述氧化鋯是一種可傳導的異氧離 子的陶瓷材料，所述氧化鋯的陰極和陽極都是多孔結構，所述氧化鋯的各個接觸部位通過 陶瓷連接，所述燃料電池反應組裝有溫度感應裝置。
[0009] 在本發(fā)明的另一較佳實施方式中，所述燃電能儲備包括電能的儲存和直流電向交 流高壓電轉換的裝置。
[0010] 在本發(fā)明的較佳實施方式中，所述蓄熱組包括壓力和溫度傳感器以及對高溫氣體 的儲存的裝置和對高溫氣體的加壓裝置。
[0011] 在本發(fā)明的另一較佳實施方式中，所述潤輪發(fā)電機為汽輪發(fā)電機。
[0012] 在本發(fā)明的較佳實施方式中，所述熱交換裝置為渦流熱膜換熱器。
[0013] 在本發(fā)明的另一較佳實施方式中，所述制作水煤氣裝置包括爐子結構，所述爐子 結構采用UGI氣化爐型式或采用間歇周期式固定床生產(chǎn)技術的裝置。
[0014] 在本發(fā)明的較佳實施方式中，所述熱水供應系統(tǒng)包括增壓裝置和保溫裝置。
[0015] 本發(fā)明提供的燃料電池熱電聯(lián)系統(tǒng)，可以在在煤層氣發(fā)電時把產(chǎn)生的熱量也利用 起來，增加了能量利用率，理論上能量利用率可達到80%以上，最大化的利用煤層氣。
[0016] 以下將結合附圖對本發(fā)明的構思、具體結構及產(chǎn)生的技術效果作進一步說明，以 充分地了解本發(fā)明的目的、特征和效果。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0017] 圖1是本發(fā)明的一個較佳實施例的燃料電池熱電聯(lián)系統(tǒng)結構示意圖；
[0018] 圖2是燃料電池反應組反應原理示意圖；
[0019] 圖3是燃料電池反應組反應結構面和氣體流動示意圖。
【具體實施方式】
[0020] 如圖1所示，一種提高煤層氣能量利用率的燃料電池熱電聯(lián)系統(tǒng)，包括燃料處理 裝置1，燃料電池反應組2,電能儲備3、蓄熱組4、輔助控溫裝置5、渦輪發(fā)電機6,熱交換裝 置7,熱水供應系統(tǒng)9,制作水煤氣裝置8和總控系統(tǒng)10。燃料處理裝置1與燃料電池反應 組2相接，燃料電池反應組2與燃電能儲備3,輔助控溫裝置5和蓄熱組4相連接，蓄熱組4 與渦輪發(fā)電機6相連接，渦輪發(fā)電機6與燃電能儲備3穿過熱交換裝置7與輔助控溫裝置 5相連接，熱交換裝置7與制作水煤氣裝置8和熱水供應系統(tǒng)9相連接。總控制系統(tǒng)10與 上述的每個裝置都連接，對各個的裝置的數(shù)據(jù)進行檢測和儲存。
[0021] 輔助控溫裝置5包括加溫裝置、冷卻裝置、保溫裝置和溫度感應裝置，加溫的形式 主要靠電力加溫，冷卻裝置主要靠水進行冷卻，保溫的方式靠保溫箱。輔助控溫裝置5與燃 料電池反應組2連接，可以控制燃料電池反應組2的溫度，達到其工作要求的溫度其加溫， 還起到降溫作用和儲存反應氣體循環(huán)利用。
[0022] 燃料處理裝置1包括純濃度的甲烷氣體和濃度傳感器，濃度感應器會測試出煤層 氣的甲烷含量，如果甲烷含量不足燃料處理裝置1上有純濃度的甲烷會對通的入的煤層氣 進行補充，達到合適的濃度保證反應進行。
[0023] 燃料電池反應組2的反應原理示意圖如圖2所示，燃料電池反應組2為固體氧化 物燃料電池，它使用的電解質是氧化釔的氧化鋯，一種可傳導的異氧離子的陶瓷材料，陰極 和陽極都是多孔結構，各個接觸部位通過陶瓷連接。燃料電池反應組2裝有溫度感應裝置。 燃料電池反應組2利用煤層氣和空氣來生產(chǎn)直流電及熱，燃料電池反應組2反應結構面和 氣體流動如圖3所示。
[0024] 電能儲備3包括電能的儲存和直流電向交流高壓電轉換的裝置。燃電能儲備3將 燃料電池反應組2生產(chǎn)的電能存儲起來并將直流電轉變交流電；
[0025] 蓄熱組4包括壓力和溫度傳感器以及對高溫氣體的儲存裝置和對高溫氣體的加 壓裝置。蓄熱組4與燃料電池反應組2和渦輪發(fā)電機6連接，對燃料電池反應組2產(chǎn)生的 高溫氣體進行加壓存儲并為蒸汽渦輪發(fā)電機6提供所需高溫高壓氣體，熱交換裝置7為渦 流熱膜換熱器。渦輪發(fā)電機6與燃電能儲備3,熱交換裝置7和輔助控溫裝置5相連，將產(chǎn) 生的電傳到電力存儲裝置3,把經(jīng)過熱交換裝置7剩余的能量傳到輔助控溫裝置機5保存
[0026] 制作水煤氣裝置8利用所述熱交換裝置7產(chǎn)生的水蒸氣與熾熱煤炭反應生成水煤 氣。制作水煤氣裝置8包括爐子結構，爐子采用UGI氣化爐型式和采用間歇周期式固定床 生產(chǎn)技術的裝置。
[0027] 熱水供應系統(tǒng)9包括增壓裝置和保溫裝置，與制作水煤氣裝置8和生活日用裝置 相連，產(chǎn)生的水蒸氣通入制作水煤氣裝置8生產(chǎn)水煤氣，把產(chǎn)生的熱水供應到日常生活所 需的地方。
[0028] 總控制系統(tǒng)10是總的信號收集裝置可以把各個裝置的信號收集起來轉化電子信 息進行監(jiān)控和儲存。
[0029] 本實施例公開的燃料電池熱電聯(lián)系統(tǒng)工作過程如下：
[0030] (1)首先將抽采出來的煤層氣和空氣各自通入燃料處理裝置1，燃料處理裝置1中 的濃度感應裝置會測試出煤層氣的甲烷含量，如果甲烷含量不足燃料處理裝置1上有純濃 度的甲烷會對通的入的煤層氣進行補充，達到合適的濃度保證反應進行。
[0031] (2)輔助控溫裝置5在燃料電池反應組2工作前會通電加熱燃料電池反應組2提 高它的溫達到要求溫度，然后通入經(jīng)過燃料處理裝置1處理后的煤層氣進行反應，反應過 程中產(chǎn)生的電傳到電能儲備3進行儲備，產(chǎn)生的高壓氣體進入蓄熱組4,燃料電池上的溫度 感應器會隨時監(jiān)視反應溫度傳到總控制系統(tǒng)，如果反應溫度過高，輔助控溫裝置5會向燃 料電池反應組2通入冷卻的水進行降溫，使溫度達到反所需的正常溫度。
[0032] (3)蓄熱組4會對高壓氣體進行儲存保持它的溫度和增大它的壓強，蓄熱組4的壓 強感應器和溫度感應器會測試高溫氣體的溫度和壓強，并將它們傳送到總控制系統(tǒng)10,高 溫氣體在進入渦輪發(fā)電機6前，蓄熱組4會保持增大高溫氣的壓強，輔助控溫裝置5會把經(jīng) 過熱交換裝置7的氣體儲存并加熱然后把加熱的高溫氣體通過燃料電池反應組2到達蓄熱 組4,達到渦輪發(fā)電機6所需的溫度和壓強，通入渦輪發(fā)電機6中進行發(fā)電。
[0033] (4)渦輪發(fā)電機6進行發(fā)電，產(chǎn)生的電通入電能儲存3,經(jīng)過渦輪發(fā)電機6的高溫 氣體穿過熱交換裝置7進入輔助控溫裝置5進行儲存進行循環(huán)利用。
[0034] (5)高溫氣體通過熱交換裝置7把水加熱產(chǎn)生熱水和水蒸氣，把產(chǎn)生的熱水通入 熱水供應系統(tǒng)9進行儲存和供應，水蒸氣通入制作水煤氣裝置8制作水煤氣。
[0035] (6)總控制系統(tǒng)和各個裝置相連接會把各個的裝置的數(shù)據(jù)進行檢測和儲存。
[0036] 本發(fā)明實施例公開的煤層氣利用的燃料電池熱電聯(lián)系統(tǒng)通過固體氧化物燃料電 池的電化學作用，使煤層氣與空氣的化學能直接轉化為電能的發(fā)電裝置，在發(fā)電的過程還 會產(chǎn)生大量的熱，從而提高煤層氣的利用率。
[0037] 以上詳細描述了本發(fā)明的較佳具體實施例。應當理解，本領域的普通技術無需創(chuàng) 造性勞動就可以根據(jù)本發(fā)明的構思作出諸多修改和變化。因此，凡本【技術領域】中技術人員 依本發(fā)明的構思在現(xiàn)有技術的基礎上通過邏輯分析、推理或者有限的實驗可以得到的技術 方案，皆應在由權利要求書所確定的保護范圍內。
【權利要求】
1. 一種提高煤層氣能量利用率的燃料電池熱電聯(lián)系統(tǒng)，其特征在于，包括燃料處理裝 置（1)、燃料電池反應組（2)、燃電能儲備（3)、蓄熱組（4)、輔助控溫裝置（5)、渦輪發(fā)電機 (6)、熱交換裝置（7)、制作水煤氣裝置（8)、熱水供應系統(tǒng)（9)和總控系統(tǒng)（10)，抽采出來 的煤層氣和空氣各自通入所述燃料處理裝置（1)，所述燃料處理裝置（1)與所述燃料電池 反應組（2)相接，所述燃料電池反應組（2)利用煤層氣和空氣來生產(chǎn)直流電及熱，所述燃料 電池反應組（2)與所述燃電能儲備（3)、所述輔助控溫裝置（5)和所述蓄熱組（4)相連接， 所述燃電能儲備（3)將所述燃料電池反應組（2)生產(chǎn)的電能存儲起來并將直流電轉變交流 電，所述輔助控溫裝置（5)控制燃料電池反應組（2)的溫度，所述蓄熱組（4)對所述燃料 電池反應組（2)產(chǎn)生的高溫氣體進行加壓存儲并為所述渦輪發(fā)電機（6)提供所需高溫高壓 氣體，所述渦輪發(fā)電（6)與所述燃電能儲備（3)穿過所述熱交換裝置（7)與所述輔助控溫 裝置（5)相連接，所述熱交換裝置（7)將所述渦輪發(fā)電機產(chǎn)生的電傳到所述電力存儲裝置 (3)，把經(jīng)過實時熱交換裝置（7)剩余的熱量傳到所述輔助控溫裝置機（5)保存，所述熱交 換裝置（7)與所述制作水煤氣裝置（8)和所述熱水供應系統(tǒng)（9)相連接，所述制作水煤氣 裝置（8)利用所述熱交換裝置（7)產(chǎn)生的水蒸氣與熾熱煤炭反應生成水煤氣，所述熱水供 應系統(tǒng)（9)與所述制作水煤氣裝置（8)和生活日用裝置相連，將所述制作水煤氣裝置（8) 生產(chǎn)水煤氣傳送到所述生活日用裝置，所述總控制系統(tǒng)（10)與所述燃料處理裝置（1)、所 述燃料電池反應組（2)、所述燃電能儲備（3)、所述蓄熱組（4)、所述輔助控溫裝置（5)、所述 渦輪發(fā)電機（6)、所述熱交換裝置（7)、所述熱水供應系統(tǒng)（9)以及所述制作水煤氣裝置（8) 連接，對上述各個的裝置的數(shù)據(jù)進行檢測和儲存。
2. 如權利要求1所述的燃料電池熱電聯(lián)系統(tǒng)，其特征在于，所述輔助控溫裝置（5)包括 加溫裝置、冷卻裝置、保溫裝置和溫度感應裝置。
3. 如權利要求1所述的燃料電池熱電聯(lián)系統(tǒng)，其特征在于，所述燃料處理裝置（1)包括 純濃度的甲烷氣體和濃度傳感器。
4. 如權利要求1所述的燃料電池熱電聯(lián)系統(tǒng)，其特征在于，所述燃料電池反應組（2)為 固體氧化物燃料電池，所述固體氧化物燃料電池使用的電解質是氧化釔的氧化鋯，所述氧 化鋯是一種可傳導的異氧離子的陶瓷材料，所述氧化鋯的陰極和陽極都是多孔結構，所述 氧化鋯的各個接觸部位通過陶瓷連接，所述燃料電池反應組（2)裝有溫度感應裝置。
5. 如權利要求1所述的燃料電池熱電聯(lián)系統(tǒng)，其特征在于，所述燃電能儲備（3)包括電 能的儲存和直流電向交流高壓電轉換的裝置。
6. 如權利要求1所述的燃料電池熱電聯(lián)系統(tǒng)，其特征在于，所述蓄熱組（4)包括壓力和 溫度傳感器以及對高溫氣體的儲存的裝置和對高溫氣體的加壓裝置。
7. 如權利要求1所述的燃料電池熱電聯(lián)系統(tǒng)，其特征在于，所述渦輪發(fā)電機（6)為汽輪 發(fā)電機。
8. 如權利要求1所述的燃料電池熱電聯(lián)系統(tǒng)，其特征在于，所述熱交換裝置（7)為渦流 熱膜換熱器。
9. 如權利要求1所述的燃料電池熱電聯(lián)系統(tǒng)，其特征在于，所述制作水煤氣裝置（8) 包括爐子結構，所述爐子結構采用UGI氣化爐型式或采用間歇周期式固定床生產(chǎn)技術的裝 置。
10. 如權利要求1所述的燃料電池熱電聯(lián)系統(tǒng)，其特征在于，所述熱水供應系統(tǒng)（9)包 括增壓裝置和保溫裝置。
【文檔編號】H01M8/04GK104064788SQ201410274586
【公開日】2014年9月24日 申請日期:2014年6月18日 優(yōu)先權日:2014年6月18日
【發(fā)明者】夏大平, 侯斌, 郭紅玉, 王振, 羅源, 陳山來, 馬俊強, 蘇現(xiàn)波 申請人:河南理工大學