一种富氧燃烧与熔融碳酸盐燃料电池混合发电系统的制作方法

本实用新型属于发电系统领域，尤其涉及一种富氧燃烧与熔融碳酸盐燃料电池混合发电系统。

背景技术：

熔融碳酸盐燃料电池是一种以熔融碳酸盐为氧离子导体的高温燃料电池，电池内部同时发生传热、传质、氧化、离子化、迁移、转化等诸多过程，它是直接将燃料的化学能转换为电能，中间不经过燃烧过程，因而不受卡诺循环的限制，能量转化效率高，燃料的总利用效率可达60％-80％；此外，熔融碳酸盐燃料电池还具有节能环保、燃料多样性、运行噪声低等优点。

常规来看，熔融碳酸盐燃料电池的发电过程都是将空气直接通入电池内参与电化学反应，但空气中含量高达79％的N₂并不参与反应，这就导致空气的大量浪费。因此，有必要考虑先对空气进行分离，这样既可以得到纯度高的O₂促进熔融碳酸盐燃料电池反应速率，又可以得到副产品N₂。

目前的发电装置一般是由以CH₄为主的气体燃料进行燃烧，通过产生的高温气体驱动涡轮发电，但是，涡轮受卡诺循环限制和燃烧损失影响，系统发电效率仍有待提高。

与此同时，熔融碳酸盐燃料电池的阳极剩余产物通常具有较高能量，富氧燃烧后的涡轮排烟温度也高达600℃左右，直接排走会造成极大的能源浪费，可以考虑这两部分热量的回收利用。

技术实现要素：

针对上述存在的问题和现象，本实用新型提供一种富氧燃烧与熔融碳酸盐燃料电池混合发电系统，旨在通过混合方式提高系统发电效率，并对剩余热量进行再回收利用，实现更好的能量梯级利用模式。

为了实现上述目的，本实用新型采取的技术方案为：

一种富氧燃烧与熔融碳酸盐燃料电池混合发电系统，包括：

压气机：其配置为将空气进行压缩；

空气分离器：其配置为对空气进行分离；

转化器：其配置为将燃料进行转化，产生熔融碳酸盐燃料电池的阳极反应物；

熔融碳酸盐燃料电池阳极：其配置为发生还原反应；

熔融碳酸盐燃料电池阴极：其配置为方式氧化反应；

燃烧室：其配置为加快富氧燃烧速率，产生高温气体；

涡轮：其配置为将高温气体的热能转换为机械能；

发电机：其配置为将机械能转变为电能。

上述的一种富氧燃烧与熔融碳酸盐燃料电池混合发电系统，其中，所述的空气分离器的产物是O₂和N₂产品。

上述的一种富氧燃烧与熔融碳酸盐燃料电池混合发电系统，其中，所述的转化器的产物是CO和H₂。

上述的一种富氧燃烧与熔融碳酸盐燃料电池混合发电系统，其中，所述的熔融碳酸盐燃料电池阳极内的反应物是H₂和CO₃^2-，产物是H₂O和CO₂。

上述的一种富氧燃烧与熔融碳酸盐燃料电池混合发电系统，其中，所述的熔融碳酸盐燃料电池阴极内的反应物是O₂和CO₂，产物是CO₃^2-。

上述的一种富氧燃烧与熔融碳酸盐燃料电池混合发电系统，其中，所述的涡轮产生的高温烟气一部分进入燃烧室，另一部分进入转化器。

上述技术方案具有如下优点或者有益效果：

1、熔融碳酸盐燃料电池可采用镍作为电催化剂，而不必使用贵重金属，且在部分负载、满负载和过载工况下都可以保持高效率(60％左右)运行，充分利用了熔融碳酸盐燃料电池在发电领域具有的独特优势。

2、阳极排气中的剩余燃料在燃烧室的再燃既提高了涡轮入口气体温度，改善发电效率，又使燃料得以充分燃烧，节约能源。

3、燃烧室富氧燃烧得到的CO₂产物直接通入熔融碳酸盐燃料电池阴极作为反应物参加反应，既减少了碳氧化物排放，又保证熔融碳酸盐燃料电池连续工作。

附图说明

通过阅读参考以下的附图对非限制性实施例所作的详细描述，本实用新型及其特征、外形和优点将会变得更加明显。在全部附图中相同的标记指示相同的部分。并未刻意按照比例绘制附图，重点在于示出本实用新型的主旨。

图1.一种富氧燃烧与熔融碳酸盐燃料电池混合发电系统结构示意图

图2.熔融碳酸盐燃料电池工作原理图

图中各标号含义如下：1-压气机；2-空气分离器；3-转化器；4-熔融碳酸盐燃料电池阳极；5-熔融碳酸盐燃料电池阴极；6-燃烧室；7-涡轮；8-发电机

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本实用新型作进一步的说明，但是不作为本实用新型的限定。

如图1所示，本系统包括：压气机1、空气分离器2、转化器3、熔融碳酸盐燃料电池阳极4、熔融碳酸盐燃料电池阴极5、燃烧室6、涡轮7、发电机8。经过压气机1压缩后的空气进入空气分离器2进行气体分离，得到O₂和N₂产品，一部分O₂进入熔融碳酸盐燃料电池阴极5，另一部分O₂进入燃烧室6；燃料经过转化器3转化后得到的H₂进入熔融碳酸盐燃料电池阳极4，与O₂发生电化学反应形成熔融碳酸盐燃料电池发电系统；同时，燃料、CO、O₂、烟气以及阳极排气中的剩余燃料在燃烧室6混合，富氧燃烧产生的高温烟气送入涡轮7膨胀做功，并使发电机8发电，形成富氧燃烧发电系统；涡轮7做功之后的烟气，一部分回流至燃烧室6调节富氧燃烧的O₂含量在27-39％的范围内，另一部分加热转化器3，稳定熔融碳酸盐燃料电池所需的H₂产量。

下面结合图2介绍熔融碳酸盐燃料电池工作原理。

图2中，熔融碳酸盐燃料电池的结构主要包括上隔板、下隔板、熔融碳酸盐燃料电池阳极4、熔融碳酸盐燃料电池阴极5和电解质板。O₂和CO₂在阴极与电子进行氧化反应产生CO₃^2-，电解质板中的CO₃^2-直接从阴极移动到阳极；燃料中的H₂与CO₃^2-在阳极发生反应生成CO₂、H₂O和电子，电子被集流板收集后到达隔板；最后，通过上、下隔板与负载设备相连构成了包括电子传输和离子移动在内的完整的回路。

本领域技术人员应该理解，本领域技术人员结合现有技术以及上述实施例可以实现所述变化例，在此不予赘述。这样的变化例并不影响本实用新型的实质内容，在此不予赘述。

以上对本实用新型的较佳实施例进行了描述。需要理解的是，本实用新型并不局限于上述特定实施方式，其中未尽详细描述的设备和结构应该理解为用本领域中的普通方式予以实施；任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本实用新型技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例，这并不影响本实用新型的实质内容。因此，凡是未脱离本实用新型技术方案的内容，依据本实用新型的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本实用新型技术方案保护的范围内。