燃料电池和燃气轮机与超临界有机朗肯循环耦合的联合系统技术方案

本实用新型专利技术公开了一种燃料电池和燃气轮机与超临界有机朗肯循环耦合的联合系统，该系统显著提高了能源转化效率，减少了污染物排放，由于燃料电池和燃气轮机循环子系统的高温排气仍有很高的温度等级，属于中低温余热，采用有机朗肯循环子系统将这些中低温余热进行回收利用，可以大大提高了能源转换效率，减少了污染物向环境中的排放，此外，本实用新型专利技术通过系统集成和流程改进实现能量的综合梯级转换与高效清洁利用。

The United System of fuel cell and gas turbine and supercritical organic Rankine cycle coupling

The utility model discloses a combined system of a fuel cell and gas turbine and supercritical organic Rankine cycle coupling, the system significantly improves the energy conversion efficiency, reduce pollutant emissions, due to the high temperature exhaust of fuel cell and gas turbine cycle system still has the temperature very high level, which belongs to the low temperature waste heat, using organic the Rankine cycle subsystem will be the low temperature waste heat recycling, can greatly improve the energy conversion efficiency, reduce pollutant emissions to the environment, in addition, the utility model has the advantages of integration and process improvement synthetically to realize the energy conversion and the efficient and clean use of the system.

【技术实现步骤摘要】

本技术涉及动力工程领域，特别是一种燃料电池和燃气轮机与超临界有机朗肯循环耦合的联合系统。
技术介绍
以燃料电池、有机朗肯循环(organicRankinecycle,ORC)、热电联产为代表的一系列新兴分布式能源技术逐渐成为国内外关注的焦点，其中，固体氧化物燃料电池-燃气轮机(solidoxidefuelcell-gasturbine,SOFC-GT)混合动力循环因其清洁、燃料多样、发电规模灵活等特点备受青睐，然而单一的燃料电池-燃气轮机混合动力循环的能源利用效率受限于乏汽的温度，因此并不能实现热量的高效利用，而有机朗肯循环(ORC)作为回收低品位热能的一种重要方式，也在工业余热发电及太阳能、地热、生物质能等低温发电领域得到了广泛应用，有机朗肯循环与料电池-燃气轮机混合动力循环互补应用可以有效地回收低品位热能。
技术实现思路
本技术的目的在于提供一种将上述两个循环体系进行耦合，既克服传统单一循环体系能源利用效率低的问题，又能达到高效率、低碳排、规模灵活、适合联产联供的燃料电池和燃气轮机与超临界有机朗肯循环耦合的联合系统。本技术提供的技术方案如下：一种燃料电池和燃气轮机与超临界有机朗肯循环耦合的联合系统，包括燃料电池和燃气轮机循环子系统、有机朗肯循环子系统和功率输出子系统，所述燃料电池和燃气轮机循环子系统与功率输出子系统之间通过第一耦合部件耦合在一起，所述燃料电池和燃气轮机循环子系统与所述有机朗肯循环子系统之间通过第二耦合部件耦合在一起，所述燃料电池和燃气轮机循环子系统、有机朗肯循环子系统和功率输出子系统中分别包括第一工作介质、第二工作介质和第三工作介质，所述第一耦合部件用于接收第一工作介质，所述第二耦合部件用于接收第一工作介质和第二工作介质，所述有机朗肯循环子系统中设置一合流装置和一第四回热器与所述第二耦合部件连接。在本技术的较佳实施例中，所述第一耦合部件设置为第三回热器，所述第二耦合部件设置为过热器和第一回热器。在本技术的较佳实施例中，所述燃料电池和燃气轮机循环子系统包括呈回路连接的燃料电池、燃烧室、第一透平、第一压缩机和处理装置，所述燃料电池包括正极和负极，可燃气体和空气分别由所述燃料电池正极和负极通入燃料电池进行反应，所述燃料电池中未反应的可燃气体送入所述燃烧器中燃烧从而产生高温高压气体推动所述第一透平做功，所述第一压缩机将空气压入所述燃料电池的正极，所述第一压缩机与所述第一透平同轴设置。在本技术的较佳实施例中，所述燃料电池负极还连接一预热器用于接收可燃气体，所述预热器的入口还与所述第二耦合部件连接以用于接收所述第一工作介质。在本技术的较佳实施例中，所述功率输出子系统包括与所述第一耦合部件呈回路连接的第二压缩机和第三透平，所述第二压缩机接收外部空气后压缩送入所述第三透平做功。在本技术的较佳实施例中，所述有机朗肯循环子系统包括依次连接的第二透平、冷凝器、分流装置、第一流体泵、第二流体泵、第二回热器和合流装置，所述第二回热器与所述第二透平的出口连接，所述合流装置和所述第四回热器连接在所述过热器和第一回热器之间。在本技术的较佳实施例中，所述燃料电池为固体氧化物燃料电池。在本技术的较佳实施例中，所述燃料电池和燃气轮机循环子系统中还包括第一发电机，所述第一发电机与所述第一透平连接使所述第一透平膨胀做功时驱动所述第一发电机发电。在本技术的较佳实施例中，所述功率输出子系统中还包括第三发电机，所述第三发电机与所述第三透平连接使所述第三透平膨胀做功时驱动所述第三发电机发电。在本技术的较佳实施例中，所述有机朗肯循环子系统中还包括第二发电机，所述第二发电机与所述第二透平连接使所述第二透平膨胀做功时驱动所述第二发电机发电。由上述对本技术的描述可知，与现有技术相比，本技术具有如下有益效果：显著提高了能源转化效率，减少了污染物排放，由于燃料电池和燃气轮机循环子系统的高温排气仍有很高的温度等级，属于中低温余热，采用有机朗肯循环子系统将这些中低温余热进行回收利用，可以大大提高了能源转换效率，减少了污染物向环境中的排放，此外，本技术通过系统集成和流程改进实现能量的综合梯级转换与高效清洁利用，将原本的能源利用率提高了至少15％。附图说明图1是本技术中的燃料电池和燃气轮机与超临界有机朗肯循环耦合的联合系统的系统图。具体实施方式如图1所示，该燃料电池和燃气轮机与超临界有机朗肯循环耦合的联合系统包括燃料电池和燃气轮机循环子系统10、有机朗肯循环子系统20和功率输出子系统30，燃料电池和燃气轮机循环子系统10由固体氧化物燃料电池11、第一回热器16、第三回热器31、燃烧室12、第一透平13、过热器14、预热器15、压缩机17、处理装置(图未示)以及第一工作介质18构成。有机朗肯循环子系统20由冷凝器22、分流装置23、合流装置26、第一工质泵24、第二工质泵25、第一回热器16、第二回热器28、第四回热器29、过热器14、第二透平21以及第二工作介质27构成。功率输出子系统30由第二压缩机32、第三回热器31、第四回热器29、第三透平33和第三工作介质34构成，燃料电池和燃气轮机循环子系统10和有机朗肯循环子系统20之间通过第一回热器16和过热器14耦合在一起。在第一循环系统燃料电池和燃气轮机循环子系统10中，第一压缩机17接收外部空气，并且产生压力更高的空气。在实施例中空气的压力与流量可由压缩机进行合理的控制。预热器15起两部分作用：1)接收可燃气体，并产生温度较高的可燃气体；2)接收第一工作介质，并产生温度较低的第一工作介质。在实施例中，可燃气体的流量可根据所需进行更改。燃料电池11起三部分作用：1)正极接收空气，并产生氧气含量减少的空气；2)负极接收可燃气体，并产生可燃气体；3)输出电量。燃烧室12接收可燃气体和空气，并产生高温高压的第一工作介质。与压缩机17同轴的第一透平13接收第一工作介质，输出功率，产生温度与压力都减少的第一工作介质。第一透平13可连接电动机，以驱动电动机发电。第三回热器34起两部分作用：1)接收空气，并产生温度较高的空气；2)接收第一工作介质，并产生温度较低的第一工作介质。过热器14起两部分作用：1)接收第一工作介质，并产生温度较低的第一工作介质；2)接收第二工作介质，并产生温度较高的第二工作介质。第一回热器16起两部分作用：1)接收第一工作介质，并产生温度较低的第一工作介质；2)接收第二工作介质，并产生温度较高的第二工作介质。处理装置构成接收第一工作介质，无污染低废热的第一工作介质。在有机朗肯循环子系统20中，过热器14起两部分作用：1)接收第一工作介质，并产生温度较低的第一工作介质；2)接收第二工作介质，并产生温度较高的第二工作介质。第二透平21接收第二工作介质，输出功率，产生温度与压力都减少的第一工作介质。第二回热器28构成起两部分作用：1)接收第二透平21流出的第二工作介质，并产生温度较低的第二工作介质；2)接收经分流装置23分流后的第二工作介质，并产生温度较高的第二工作介质。冷凝器22接收第二工作介质，并产生温度降低的第二工作介质。分流装置23接收第二工作介质，并产生二路工作介质。在实施例中二路工作介质流量的大小可根据需本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种燃料电池和燃气轮机与超临界有机朗肯循环耦合的联合系统，其特征在于：包括燃料电池和燃气轮机循环子系统、有机朗肯循环子系统和功率输出子系统，所述燃料电池和燃气轮机循环子系统与功率输出子系统之间通过第一耦合部件耦合在一起，所述燃料电池和燃气轮机循环子系统与所述有机朗肯循环子系统之间通过第二耦合部件耦合在一起，所述燃料电池和燃气轮机循环子系统、有机朗肯循环子系统和功率输出子系统中分别包括第一工作介质、第二工作介质和第三工作介质，所述第一耦合部件用于接收第一工作介质，所述第二耦合部件用于接收第一工作介质和第二工作介质，所述有机朗肯循环子系统中设置一合流装置和一第四回热器与所述第二耦合部件连接。

【技术特征摘要】
1.一种燃料电池和燃气轮机与超临界有机朗肯循环耦合的联合系统，其特征在于：包括燃料电池和燃气轮机循环子系统、有机朗肯循环子系统和功率输出子系统，所述燃料电池和燃气轮机循环子系统与功率输出子系统之间通过第一耦合部件耦合在一起，所述燃料电池和燃气轮机循环子系统与所述有机朗肯循环子系统之间通过第二耦合部件耦合在一起，所述燃料电池和燃气轮机循环子系统、有机朗肯循环子系统和功率输出子系统中分别包括第一工作介质、第二工作介质和第三工作介质，所述第一耦合部件用于接收第一工作介质，所述第二耦合部件用于接收第一工作介质和第二工作介质，所述有机朗肯循环子系统中设置一合流装置和一第四回热器与所述第二耦合部件连接。2.根据权利要求1所述的燃料电池和燃气轮机与超临界有机朗肯循环耦合的联合系统，其特征在于：所述第一耦合部件设置为第三回热器，所述第二耦合部件设置为过热器和第一回热器。3.根据权利要求1所述的燃料电池和燃气轮机与超临界有机朗肯循环耦合的联合系统，其特征在于：所述燃料电池和燃气轮机循环子系统包括呈回路连接的燃料电池、燃烧室、第一透平、第一压缩机和处理装置，所述燃料电池包括正极和负极，可燃气体和空气分别由所述燃料电池正极和负极通入燃料电池进行反应，所述燃料电池中未反应的可燃气体送入所述燃烧器中燃烧从而产生高温高压气体推动所述第一透平做功，所述第一压缩机将空气压入所述燃料电池的正极，所述第一压缩机与所述第一透平同轴设置。4.根据权利要求3所述的燃料电池和燃气轮机与超临界有机朗肯循环耦合的联合系统，其特征在于：所述燃料电池负极还连接一预热器用于接收可燃气体，...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵英汝，朱兴仪，张振坤，王书棠，张彬彬，
申请(专利权)人：厦门大学，
类型：新型
国别省市：福建;35