基于燃气涡轮冷却燃料电池的联合循环发电系统技术方案

本实用新型专利技术涉及燃料电池技术领域，具体公开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；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；电堆主体，所述电堆主体包括阳极部和阴极部；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；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。本实用新型专利技术提供的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。

Combined Cycle Power Generation System Based on Gas Turbine Cooling Fuel Cell

【技术实现步骤摘要】
基于燃气涡轮冷却燃料电池的联合循环发电系统
本技术涉及燃料电池
，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。
技术介绍
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。
技术实现思路
本技术的一个目的在于，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，本技术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。本技术的有益效果在于：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技术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技术的一些实施例，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技术的目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术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技术一部分实施例，而非全部的实施例。基于本技术中的实施例，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本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于燃气涡轮冷却燃料电池的联合循环发电系统，其特征在于，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)，所述燃气供给保护系统(1)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；尾气燃烧加热器(302)，所述尾气燃烧加热器(302)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；电堆主体，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；涡轮增压装置，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；涡轮发电装置，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。...

【技术特征摘要】
1.一种基于燃气涡轮冷却燃料电池的联合循环发电系统，其特征在于，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)，所述燃气供给保护系统(1)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；尾气燃烧加热器(302)，所述尾气燃烧加热器(302)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；电堆主体，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；涡轮增压装置，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；涡轮发电装置，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。2.根据权利要求1所述的基于燃气涡轮冷却燃料电池的联合循环发电系统，其特征在于，所述产电系统(3)还包括：重整装置(309)，所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：康磊，李海宾，周辉，宋文婉，梁奇源，韩敏芳，夏云峰，
申请(专利权)人：广东索特能源科技有限公司，东莞深圳清华大学研究院创新中心，
类型：新型
国别省市：广东,44