基于燃气涡轮冷却燃料电池的联合循环发电系统的制作方法

本发明涉及燃料电池技术领域，尤其涉及一种基于燃气涡轮冷却燃料电池的联合循环发电系统。

背景技术：

温室气体是导致全球变暖的主要成因，2015年12月12日在巴黎气候变化大会上通过的《巴黎协定》的主要目标是将本世纪全球平均气温上升幅度控制在2℃以内，并将全球气温上升控制在前工业化时期水平之上1.5℃以内。纵观目前高效且较为洁净的天然气发电技术，即属燃料电池热电联合循环的分布式供能系统，与传统燃煤发电机组与燃料电池热电联合系统的能源损耗相比较，若两种发电技术输入能源皆固定为100％，使用传统燃煤发电技术，仅有40％能量转为电力输出，其余60％能量以废热的形式排放至大气环境中；反之，使用燃料电池热电联产发电技术，有50％以电力形式直接输出，另有40％能量以再回收利用之途径，以热源或冷源的方式再来驱动其他能源设备，最后仅有20％能量以废热形式排放至大气环境中。由于燃料电池热电联产系统的发电过程仅产生水与废热，co、nox等污染气体的排放量极少，因此对于区域型分布式发电与阻绝温室气体之产生，该系统具有更洁净、更节能的优势。

固体氧化物燃料电池(solidoxidefuelcell，简称sofc)是一种新型清洁高效的发电设备，具有燃料适应性广等优点，可以广泛的用于天然气、煤制气等燃料的高效发电，由于其在高温下(800-1000℃)运行，经过阳极反应排放出的未完全反应的燃料尾气可以联合燃气轮机及蒸汽轮机联合发电，并可以实现热量的联合利用。目前应用最为广泛的为气体燃料甲烷(ch4)和氢气(h2)，对于h2需要复杂的制备工艺，而ch4储量丰富可以用于sofc的燃料实现清洁高效发电。

固态氧化物燃料电池具有以下技术优势：

(a)燃料选择范围广，如天然气、煤气、生质酒精、柴油、汽油等碳氢化合物均是可供选用燃料来源。

(b)电池运行温度高(800-1000℃)，可提高电极催化的反应速度，使得电堆本身具有内部燃料重整功能，对于杂质(co或s含量等)容许度较高。

(c)电极催化剂不需使用贵金属，大幅降低制作成本。

(d)不受气候状态限制，系统可24小时不间断连续运转，实际发电小时数高。

(e)sofc相较于其他种类再生能源，如：太阳能或风力发电等，不需受天候环境因素而影响效率，亦无传统柴油发电机的碳排放空气污染问题

(f)高温尾气可再次燃烧并与燃气透平搭配形成联合循环系统，发电效率可达70～80％。

(g)应用规模范围广，sofc系统可灵活运用在住宅区的建筑物、医院、工业园区等，提供安静操作环境之电力及热水。当在1-100kw规模，可作为独立运作之小型分布式产电系统；亦可作mw级以上之大型定置型电厂产电系统。

以燃料电池运行过程中电与热之产出比例来论，依据德国sunfire公司之系统测试结果发现，sofc发电量约1.3kw，同时亦可产生2.75kw之热量供回收使用，该电热产出比约1:1.83；而pemfc(质子交换膜燃料电池)发电过程中电热产出比仅约1:1；相较于pemfc，以sofc作为发电核心可获得更佳之热电比供复合发电应用。

然而，现有的燃料电池尾气温度较高，且其中含有部分未完全反应的燃料(ch4)及燃料副产品(co和h2)等，该部分气体本可继续燃烧产生热量，但却经常被当做废气进行排空或者燃烧处理，从而导致能源的浪费，也不利于环境保护。

技术实现要素：

本发明的一个目的在于，提供一种基于燃气涡轮冷却燃料电池的联合循环发电系统，能有效提高能源的使用效率，达到环保节能的效果。

为达以上目的，本发明提供一种基于燃气涡轮冷却燃料电池的联合循环发电系统，包括燃气供给保护系统、空气供给系统和产电系统，所述产电系统包括：

预混蒸发器，所述燃气供给保护系统用于为所述预混蒸发器提供甲烷、氢气、保护气和去离子水；

尾气燃烧加热器，所述尾气燃烧加热器包括重整换热单元、尾气燃烧单元和空气预热单元，所述尾气燃烧单元用于为所述重整换热单元和空气预热单元提供热量；所述重整换热单元的进口与所述预混蒸发器的燃气出口连通；

电堆主体，所述电堆主体包括阳极部和阴极部，所述阳极部的进口与所述重整换热单元的出口连通，所述尾气燃烧单元的进口与所述阳极部的出口连通；

涡轮增压装置，所述涡轮增压装置包括空压机和用于驱动所述空压机的第一涡轮；所述空压机的进口与所述空气供给系统连通，所述空压机的出口依次通过所述空气预热单元和所述阴极部与所述尾气燃烧单元的进口连通；所述第一涡轮的进口与所述尾气燃烧单元的出口连通；

涡轮发电装置，所述涡轮发电装置包括第二涡轮和由所述第二涡轮驱动的发电机，所述第二涡轮的进口与所述第一涡轮的出口连通。

优选地，所述产电系统还包括：

重整装置，所述阳极部的进口通过所述重整装置与所述重整换热单元的出口连通。

优选地，所述产电系统还包括：

外部冷却单元，所述空压机的进口通过所述外部冷却单元与所述空气预热单元的进口连通。

优选地，所述阴极部、阳极部、重整装置和外部冷却单元由上至下排布以形成整体式结构。

优选地，所述产电系统还包括：

第一逆变器，所述第一逆变器与所述电堆主体连接，用于将电堆主体产生的直流电转变为交流电。

优选地，所述产电系统还包括：

第二逆变器，所述第二逆变器与所述发电机连接，用于将所述发电机产生的交流电降频输出。

优选地，所述第二涡轮的出口与所述预混蒸发器的废气进口连通。

优选地，还包括：

排空管道，所述排空管道与所述预混蒸发器的废气出口连通，所述废气进口与所述废气出口连通。

本发明的有益效果在于：提供一种基于燃气涡轮冷却燃料电池的联合循环发电系统，具备以下有益效果：

①可提高系统的热效率、燃料的转化率及电堆的燃料利用率，并保持稳定运行，ch4的平均利用率达到70％以上，在燃料利用率在72％时，电堆主体的核心温度维持在850～860℃稳定发电；在燃气轮机系统共同工作时，整个系统的净发电效率超过80％；

②将燃料电池系统和燃气轮机系统循环结合以后，由于系统集成化程度的提高，减少了空压机、重整装置、尾气燃烧单元、空气预热单元的空间，节省了设备管道和保温空间，总体空间相对单独的电堆产电系统减少30％以上。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为实施例提供的基于燃气涡轮冷却燃料电池的联合循环发电系统的结构框图。

图中：

1、燃气供给保护系统；

2、空气供给系统；

3、产电系统；

301、预混蒸发器；302、尾气燃烧加热器；303、阳极部；304、阴极部；305、空压机；306、第一涡轮；307、第二涡轮；308、发电机；309、重整装置；310、外部冷却单元；311、第一逆变器；312、第二逆变器；313、排空管道。

具体实施方式

为使得本发明的目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，下面所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而非全部的实施例。基于本发明中的实施例，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它实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，当一个组件被认为是“连接”另一个组件，它可以是直接连接到另一个组件或者可能同时存在居中设置的组件。当一个组件被认为是“设置在”另一个组件，它可以是直接设置在另一个组件上或者可能同时存在居中设置的组件。

此外，术语“长”“短”“内”“外”等指示方位或位置关系为基于附图所展示的方位或者位置关系，仅是为了便于描述本发明，而不是指示或暗示所指的装置或原件必须具有此特定的方位、以特定的方位构造进行操作，以此不能理解为本发明的限制。

下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。

参见图1，本实施例提供一种基于燃气涡轮冷却燃料电池的联合循环发电系统，包括燃气供给保护系统1、空气供给系统2和产电系统3。

所述产电系统3包括预混蒸发器301、尾气燃烧加热器302、电堆主体、涡轮增压装置、涡轮发电装置、第一逆变器311、第二逆变器312和排空管道313。所述供给保护系统用于为所述预混蒸发器301提供甲烷、氢气、保护气和去离子水，一般地，保护气体包括95％的n2和5％的h2。所述尾气燃烧加热器302从下至上依次包括重整换热单元、尾气燃烧单元和空气预热单元，所述尾气燃烧单元用于为所述重整换热单元和空气预热单元提供热量；所述重整换热单元的进口与所述预混蒸发器301的燃气出口连通。所述电堆主体包括阳极部303和阴极部304，所述阳极部303的进口与所述重整换热单元的出口连通，所述尾气燃烧单元的进口与所述阳极部303的出口连通。所述涡轮增压装置包括空压机305和用于驱动所述空压机305的第一涡轮306；所述空压机305的进口与所述空气供给系统2连通，所述空压机305的出口依次通过所述空气预热单元和所述阴极部304与所述尾气燃烧单元的进口连通；所述第一涡轮306的进口与所述尾气燃烧单元的出口连通。所述涡轮发电装置包括第二涡轮307和由所述第二涡轮307驱动的发电机308，所述第二涡轮307的进口与所述第一涡轮306的出口连通，所述第二涡轮307的出口与所述预混蒸发器301的废气进口连通。所述第一逆变器311与所述电堆主体连接，用于将电堆主体产生的直流电转变为交流电。所述第二逆变器312与所述发电机308连接，用于将所述发电机308产生的交流电降频输出。所述排空管道313与所述预混蒸发器301的废气出口连通，所述废气进口与所述废气出口连通；优选地，预混蒸发器301为管壳式换热器，预混蒸发器301的燃气进口和燃气出口属于管程通道，预混蒸发器301的废气进口和废气出口属于壳程通道。

具体地，离开电堆主体的尾气温度较高，且其中含有部分未完全反应的燃料及燃料副产品等，该部分气体可继续燃烧产生热量，所以本实施例将阳极部303和阴极部304二者的出口均与尾气燃烧单元的进口连通，产生高温烟气进入涡轮增压装置做功，空压机305产生的压缩空气作为电堆主体的外部冷却源，涡轮增压装置提供的压缩气体经过多级工作后进入涡轮发电装置再次做功，涡轮发电装置回热预混蒸发器301中的甲烷、氢气、保护气和去离子水，从而使得整个系统的热效率达到80％以上。优选地，尾气燃烧单元的进口可以有两个，一个与阳极部303的出口连通，主要通入可燃尾气；另一个与阴极部304的出口连通，主要通入高温贫氧空气。

优选地，所述产电系统3还包括重整装置309和外部冷却单元310。所述阳极部303的进口通过所述重整装置309与所述重整换热单元的出口连通。所述空压机305的进口通过所述外部冷却单元310与所述空气预热单元的进口连通。进一步地，所述阴极部304、阳极部303、重整装置309和外部冷却单元310由上至下排布以形成整体式结构。

具体地，为提高系统的集成度，减少设备空间，本实施例采用了一系列的结构合成，例如：①将外部冷却单元310、重整装置309、阴极部304和阳极部303集成一体化；②将空气预热单元、尾气燃烧单元和重整换热单元集成一体化；③将第一涡轮306与空压机305同轴集成；④将第二涡轮307与发电机308同轴集成。此外，本实施例提供的联合循环发电系统还去掉了传统通用的间歇供气的空气压缩系统及稳压罐，通过第一涡轮306为电堆主体持续供气系统，根据电堆主体的需气量进行供气，能有效避免空气过量的问题；再者，通过将将空气预热单元、尾气燃烧单元和重整换热单元集成一体化，燃料及空气的预热空间与燃烧室公用，既减少了复杂的系统管道设计，也减少了很多外部散热的损耗。

进一步地，将ch4直接用做sofc的燃料进行发电会带来因甲烷裂解积碳而导致的sofc性能衰减问题，因此，ch4需要进行重整后再作为sofc的燃料。重整需要去离子水与天然气在高温下反应，本实施例充分利用第二涡轮307排出的烟气回热去离子水和天然气，使之达到最佳重整温度，并在重整装置309中重整成合成气co和h2。

优选地，尾气燃烧加热器302、阳极部303、阴极部304、空压机305、第一涡轮306、重整装置309和外部冷却单元310可以作为一个热联合系统模块，本实施例提供的联合循环发电系统，可以包括一个、两个、三个甚至更多并联设置的所述热联合系统模块。具体地，热联合系统模块的数量决定于单个热联合系统模块的产电量和联合循环发电系统的总容量，每个热联合系统模块的功率取决于维持其高效发电的燃料量和维持稳定循环的燃料量；并联设置的热联合系统模块涡轮增压后的尾气均通入同一第二涡轮307。

本实施例提供的基于燃气涡轮冷却燃料电池的联合循环发电系统，具备以下有益效果：

①可提高系统的热效率、燃料的转化率及电堆的燃料利用率，并保持稳定运行，ch4的平均利用率达到70％以上，在燃料利用率在72％时，电堆主体的核心温度维持在850～860℃稳定发电；在燃气轮机系统共同工作时，整个系统的净发电效率超过80％；

②将燃料电池系统和燃气轮机系统循环结合以后，由于系统集成化程度的提高，减少了空压机305、重整装置309、尾气燃烧单元、空气预热单元的空间，节省了设备管道和保温空间，总体空间相对传统的单独的电堆发电系统减少30％以上。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。