一种提高煤层气能量利用率的燃料电池热电联系统的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种煤层气利用的燃料电池热电联系统，包括燃料处理装置，燃料电池反应组，燃电能储备，蓄热组、辅助控温装置、涡轮发电机，热交换装置，制作水煤气装置，热水供应系统和总控系统。燃料处理装置与燃料电池反应组相接，燃料电池反应组与燃电能储备，辅助控温装置和蓄热组相连接，蓄热组与涡轮发电机相连接，涡轮发电机与燃电能储备穿过热交换装置与辅助控温装置相连接，热交换装置制作水煤气装置和热水供应系统相连接。本发明提供的燃料电池热电联系统可以在煤层气发电时把产生的热量也利用起来，增加了能量利用率，理论上能量利用率可达到80％以上，最大化的利用煤层气。
【专利说明】一种提高煤层气能量利用率的燃料电池热电联系统
【技术领域】
[0001] 本发明涉及燃料电池热电联系统，尤其涉及一种提高煤层气能量利用率的燃料电 池热电联系统。
【背景技术】
[0002] 我国的煤矿资源丰富，而随之伴生的煤层气据预测资源量相当于450亿吨煤，与 常规天然气的资源量相当。在煤矿的开采过程伴生的煤层气也是安全的重大隐患，据统计 每年向大气排放的煤层气高达200亿立方米，不仅污染了当地的环境，还会产生全球的温 室效应。
[0003] 煤层气是富含甲烷的混合气体，对于大量中等甲烷含量的煤层气通常直接作为民 用燃料或发电，但用量有限；对于低的瓦斯都是直接排放出去，不能得到很好的利用，而且 现在的煤层气发电多是直接燃烧发电，这样不仅污染环境，而且能量利用率也不高最大只 有45%。若要将煤层气用于化学领域，则必须使甲烷含量提高到95%以上，通常采用变压 吸附或低温分离。煤层气现在最主要的目的就是产热和发电，但上述方法都没有将其很好 的利用结合，能量利用率较低。
【发明内容】
[0004] 有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种提高煤层气 能量利用率的燃料电池热电联系统，在煤层气发电时把产生的热量也利用起来，增加了能 量利用率。
[0005] 为实现上述目的，本发明提供了一种提高煤层气能量利用率的燃料电池热电联系 统，包括燃料处理装置、燃料电池反应组、电力储备、蓄热组、辅助控温装置、涡轮发电机、热 交换装置、制作水煤气装置、热水供应系统和总控系统，抽采出来的煤层气和空气各自通入 所述燃料处理装置，所述燃料处理装置与所述燃料电池反应组相接，所述燃料电池反应组 利用煤层气和空气来生产直流电及热，所述燃料电池反应组与所述燃电能储备、所述辅助 控温装置和所述蓄热组相连接，所述燃电能储备将所述燃料电池反应组生产的电能存储起 来并将直流电转变交流电，所述辅助控温装置控制燃料电池反应组的温度，所述蓄热组对 所述燃料电池反应组产生的高温气体进行加压存储并为所述涡轮发电机提供所需高温高 压气体，所述涡轮发电与所述燃电能储备穿过所述热交换装置与所述辅助控温装置相连 接，热交换装置将所述涡轮发电机产生的电传到所述电力存储装置，把经过实时所述热交 换装置剩余的热量传到所述辅助控温装置机保存，所述热交换装置与所述制作水煤气装置 和所述热水供应系统相连接，所述制作水煤气装置利用所述热交换装置产生的水蒸气与炽 热煤炭反应生成水煤气，所述热水供应系统与所述制作水煤气装置和生活日用装置相连， 将所述制作水煤气装置生产水煤气传送到所述生活日用装置，所述总控制系统与所述燃料 处理装置、所述燃料电池反应组、所述电力储备、所述蓄热组、所述辅助控温装置、所述涡轮 发电机、所述热交换装置、所述热水供应系统、所述制作水煤气装置连接，对上述各个的装 置的数据进行检测和储存。
[0006] 在本发明的较佳实施方式中，所述辅助控温装置包括加温装置、冷却装置、保温装 置和温度感应装置。
[0007] 在本发明的另一较佳实施方式中，所述燃料处理装置包括纯浓度的甲烷气体和浓 度传感器。
[0008] 在本发明的较佳实施方式中，所述燃料电池反应组为固体氧化物燃料电池，所述 固体氧化物燃料电池使用的电解质是氧化钇的氧化锆，所述氧化锆是一种可传导的异氧离 子的陶瓷材料，所述氧化锆的阴极和阳极都是多孔结构，所述氧化锆的各个接触部位通过 陶瓷连接，所述燃料电池反应组装有温度感应装置。
[0009] 在本发明的另一较佳实施方式中，所述燃电能储备包括电能的储存和直流电向交 流高压电转换的装置。
[0010] 在本发明的较佳实施方式中，所述蓄热组包括压力和温度传感器以及对高温气体 的储存的装置和对高温气体的加压装置。
[0011] 在本发明的另一较佳实施方式中，所述润轮发电机为汽轮发电机。
[0012] 在本发明的较佳实施方式中，所述热交换装置为涡流热膜换热器。
[0013] 在本发明的另一较佳实施方式中，所述制作水煤气装置包括炉子结构，所述炉子 结构采用UGI气化炉型式或采用间歇周期式固定床生产技术的装置。
[0014] 在本发明的较佳实施方式中，所述热水供应系统包括增压装置和保温装置。
[0015] 本发明提供的燃料电池热电联系统，可以在在煤层气发电时把产生的热量也利用 起来，增加了能量利用率，理论上能量利用率可达到80%以上，最大化的利用煤层气。
[0016] 以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以 充分地了解本发明的目的、特征和效果。
【专利附图】
【附图说明】
[0017] 图1是本发明的一个较佳实施例的燃料电池热电联系统结构示意图；
[0018] 图2是燃料电池反应组反应原理示意图；
[0019] 图3是燃料电池反应组反应结构面和气体流动示意图。
【具体实施方式】
[0020] 如图1所示，一种提高煤层气能量利用率的燃料电池热电联系统，包括燃料处理 装置1，燃料电池反应组2,电能储备3、蓄热组4、辅助控温装置5、涡轮发电机6,热交换装 置7,热水供应系统9,制作水煤气装置8和总控系统10。燃料处理装置1与燃料电池反应 组2相接，燃料电池反应组2与燃电能储备3,辅助控温装置5和蓄热组4相连接，蓄热组4 与涡轮发电机6相连接，涡轮发电机6与燃电能储备3穿过热交换装置7与辅助控温装置 5相连接，热交换装置7与制作水煤气装置8和热水供应系统9相连接。总控制系统10与 上述的每个装置都连接，对各个的装置的数据进行检测和储存。
[0021] 辅助控温装置5包括加温装置、冷却装置、保温装置和温度感应装置，加温的形式 主要靠电力加温，冷却装置主要靠水进行冷却，保温的方式靠保温箱。辅助控温装置5与燃 料电池反应组2连接，可以控制燃料电池反应组2的温度，达到其工作要求的温度其加温， 还起到降温作用和储存反应气体循环利用。
[0022] 燃料处理装置1包括纯浓度的甲烷气体和浓度传感器，浓度感应器会测试出煤层 气的甲烷含量，如果甲烷含量不足燃料处理装置1上有纯浓度的甲烷会对通的入的煤层气 进行补充，达到合适的浓度保证反应进行。
[0023] 燃料电池反应组2的反应原理示意图如图2所示，燃料电池反应组2为固体氧化 物燃料电池，它使用的电解质是氧化钇的氧化锆，一种可传导的异氧离子的陶瓷材料，阴极 和阳极都是多孔结构，各个接触部位通过陶瓷连接。燃料电池反应组2装有温度感应装置。 燃料电池反应组2利用煤层气和空气来生产直流电及热，燃料电池反应组2反应结构面和 气体流动如图3所示。
[0024] 电能储备3包括电能的储存和直流电向交流高压电转换的装置。燃电能储备3将 燃料电池反应组2生产的电能存储起来并将直流电转变交流电；
[0025] 蓄热组4包括压力和温度传感器以及对高温气体的储存装置和对高温气体的加 压装置。蓄热组4与燃料电池反应组2和涡轮发电机6连接，对燃料电池反应组2产生的 高温气体进行加压存储并为蒸汽涡轮发电机6提供所需高温高压气体，热交换装置7为涡 流热膜换热器。涡轮发电机6与燃电能储备3,热交换装置7和辅助控温装置5相连，将产 生的电传到电力存储装置3,把经过热交换装置7剩余的能量传到辅助控温装置机5保存
[0026] 制作水煤气装置8利用所述热交换装置7产生的水蒸气与炽热煤炭反应生成水煤 气。制作水煤气装置8包括炉子结构，炉子采用UGI气化炉型式和采用间歇周期式固定床 生产技术的装置。
[0027] 热水供应系统9包括增压装置和保温装置，与制作水煤气装置8和生活日用装置 相连，产生的水蒸气通入制作水煤气装置8生产水煤气，把产生的热水供应到日常生活所 需的地方。
[0028] 总控制系统10是总的信号收集装置可以把各个装置的信号收集起来转化电子信 息进行监控和储存。
[0029] 本实施例公开的燃料电池热电联系统工作过程如下：
[0030] (1)首先将抽采出来的煤层气和空气各自通入燃料处理装置1，燃料处理装置1中 的浓度感应装置会测试出煤层气的甲烷含量，如果甲烷含量不足燃料处理装置1上有纯浓 度的甲烷会对通的入的煤层气进行补充，达到合适的浓度保证反应进行。
[0031] (2)辅助控温装置5在燃料电池反应组2工作前会通电加热燃料电池反应组2提 高它的温达到要求温度，然后通入经过燃料处理装置1处理后的煤层气进行反应，反应过 程中产生的电传到电能储备3进行储备，产生的高压气体进入蓄热组4,燃料电池上的温度 感应器会随时监视反应温度传到总控制系统，如果反应温度过高，辅助控温装置5会向燃 料电池反应组2通入冷却的水进行降温，使温度达到反所需的正常温度。
[0032] (3)蓄热组4会对高压气体进行储存保持它的温度和增大它的压强，蓄热组4的压 强感应器和温度感应器会测试高温气体的温度和压强，并将它们传送到总控制系统10,高 温气体在进入涡轮发电机6前，蓄热组4会保持增大高温气的压强，辅助控温装置5会把经 过热交换装置7的气体储存并加热然后把加热的高温气体通过燃料电池反应组2到达蓄热 组4,达到涡轮发电机6所需的温度和压强，通入涡轮发电机6中进行发电。
[0033] (4)涡轮发电机6进行发电，产生的电通入电能储存3,经过涡轮发电机6的高温 气体穿过热交换装置7进入辅助控温装置5进行储存进行循环利用。
[0034] (5)高温气体通过热交换装置7把水加热产生热水和水蒸气，把产生的热水通入 热水供应系统9进行储存和供应，水蒸气通入制作水煤气装置8制作水煤气。
[0035] (6)总控制系统和各个装置相连接会把各个的装置的数据进行检测和储存。
[0036] 本发明实施例公开的煤层气利用的燃料电池热电联系统通过固体氧化物燃料电 池的电化学作用，使煤层气与空气的化学能直接转化为电能的发电装置，在发电的过程还 会产生大量的热，从而提高煤层气的利用率。
[0037] 以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创 造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本【技术领域】中技术人员 依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术 方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。
【权利要求】
1. 一种提高煤层气能量利用率的燃料电池热电联系统，其特征在于，包括燃料处理装 置（1)、燃料电池反应组（2)、燃电能储备（3)、蓄热组（4)、辅助控温装置（5)、涡轮发电机 (6)、热交换装置（7)、制作水煤气装置（8)、热水供应系统（9)和总控系统（10)，抽采出来 的煤层气和空气各自通入所述燃料处理装置（1)，所述燃料处理装置（1)与所述燃料电池 反应组（2)相接，所述燃料电池反应组（2)利用煤层气和空气来生产直流电及热，所述燃料 电池反应组（2)与所述燃电能储备（3)、所述辅助控温装置（5)和所述蓄热组（4)相连接， 所述燃电能储备（3)将所述燃料电池反应组（2)生产的电能存储起来并将直流电转变交流 电，所述辅助控温装置（5)控制燃料电池反应组（2)的温度，所述蓄热组（4)对所述燃料 电池反应组（2)产生的高温气体进行加压存储并为所述涡轮发电机（6)提供所需高温高压 气体，所述涡轮发电（6)与所述燃电能储备（3)穿过所述热交换装置（7)与所述辅助控温 装置（5)相连接，所述热交换装置（7)将所述涡轮发电机产生的电传到所述电力存储装置 (3)，把经过实时热交换装置（7)剩余的热量传到所述辅助控温装置机（5)保存，所述热交 换装置（7)与所述制作水煤气装置（8)和所述热水供应系统（9)相连接，所述制作水煤气 装置（8)利用所述热交换装置（7)产生的水蒸气与炽热煤炭反应生成水煤气，所述热水供 应系统（9)与所述制作水煤气装置（8)和生活日用装置相连，将所述制作水煤气装置（8) 生产水煤气传送到所述生活日用装置，所述总控制系统（10)与所述燃料处理装置（1)、所 述燃料电池反应组（2)、所述燃电能储备（3)、所述蓄热组（4)、所述辅助控温装置（5)、所述 涡轮发电机（6)、所述热交换装置（7)、所述热水供应系统（9)以及所述制作水煤气装置（8) 连接，对上述各个的装置的数据进行检测和储存。
2. 如权利要求1所述的燃料电池热电联系统，其特征在于，所述辅助控温装置（5)包括 加温装置、冷却装置、保温装置和温度感应装置。
3. 如权利要求1所述的燃料电池热电联系统，其特征在于，所述燃料处理装置（1)包括 纯浓度的甲烷气体和浓度传感器。
4. 如权利要求1所述的燃料电池热电联系统，其特征在于，所述燃料电池反应组（2)为 固体氧化物燃料电池，所述固体氧化物燃料电池使用的电解质是氧化钇的氧化锆，所述氧 化锆是一种可传导的异氧离子的陶瓷材料，所述氧化锆的阴极和阳极都是多孔结构，所述 氧化锆的各个接触部位通过陶瓷连接，所述燃料电池反应组（2)装有温度感应装置。
5. 如权利要求1所述的燃料电池热电联系统，其特征在于，所述燃电能储备（3)包括电 能的储存和直流电向交流高压电转换的装置。
6. 如权利要求1所述的燃料电池热电联系统，其特征在于，所述蓄热组（4)包括压力和 温度传感器以及对高温气体的储存的装置和对高温气体的加压装置。
7. 如权利要求1所述的燃料电池热电联系统，其特征在于，所述涡轮发电机（6)为汽轮 发电机。
8. 如权利要求1所述的燃料电池热电联系统，其特征在于，所述热交换装置（7)为涡流 热膜换热器。
9. 如权利要求1所述的燃料电池热电联系统，其特征在于，所述制作水煤气装置（8) 包括炉子结构，所述炉子结构采用UGI气化炉型式或采用间歇周期式固定床生产技术的装 置。
10. 如权利要求1所述的燃料电池热电联系统，其特征在于，所述热水供应系统（9)包 括增压装置和保温装置。
【文档编号】H01M8/04GK104064788SQ201410274586
【公开日】2014年9月24日 申请日期:2014年6月18日 优先权日:2014年6月18日
【发明者】夏大平, 侯斌, 郭红玉, 王振, 罗源, 陈山来, 马俊强, 苏现波 申请人:河南理工大学