集成燃料电池与二氧化碳循环的热电联供系统及其方法技术方案

本发明专利技术提供了一种集成燃料电池与二氧化碳循环的热电联供系统，包括固体氧化物燃料电池及电力变换器，空气预热器、混合器分别与固体氧化物燃料电池的阴、阳极相连，燃料预热器、给水预热器与混合器相连，固体氧化物燃料电池的废气连接后燃室；后燃室排出废气的部分热量用于给热负荷供热，部分热量用于给空气预热器、燃料预热器、给水预热器供热，另一部分热量用于传给超临界二氧化碳循环回路的二氧化碳工质，通过超临界二氧化碳循环发电。本发明专利技术还提供了一种集成燃料电池与二氧化碳循环的热电联供方法。本发明专利技术结合固体氧化物燃料电池与超临界二氧化碳循环的优点，实现热电联供，且系统简单，结构紧凑，能量利用率高，成本低，适用于分布式能源。

【技术实现步骤摘要】
集成燃料电池与二氧化碳循环的热电联供系统及其方法
本专利技术涉及一种集成固体氧化物燃料电池与超临界二氧化碳循环的热电联供系统及其方法，属于分布式能源

技术介绍
燃料电池是一种将储存在燃料与氧化剂中的化学能直接转化为电能的发电装置，其中的固体氧化物燃料电池属于第三代燃料电池，是目前最具发展潜力的燃料电池类型。固体氧化物燃料电池的工作温度高(800-1000℃)，发电效率可达60％以上，而且可使用多种燃料、污染物排放少、体积小，非常适用于分布式能源。由于固体氧化物燃料电池的工作温度高，其排放的废气温度可高达800℃，将残余燃料在后燃室燃烧后废气温度可达1000℃以上，所以固体氧化物燃料电池的余热品位非常高。通常固体氧化物燃料电池与燃气轮机组成混合发电系统，将后燃室的排气输入至燃气轮机的透平，透平排气再用于空气、燃料、给水的预热后排放，此时排放的废气仍然具有较高温度，可用于供热或有机工质循环的余热发电。固体氧化物燃料电池与燃气轮机混合发电系统结构较为复杂、燃料电池工作压力高、系统成本较高，而进一步提高总的发电效率还需要结合有机工质循环系统。近年来，超临界二氧化碳循环成为热点，并且被认为具有诸多潜在优势。二氧化碳的临界点为31℃/7.4MPa，在温度和压力超过临界点时的状态为超临界态。超临界二氧化碳循环的研究始于上世纪四十年代，在六、七十年代取得阶段性研究成果，之后主要由于透平机械、紧凑式热交换器制造技术不成熟而中止，直至本世纪初，超临界二氧化碳循环的研究在美国再度兴起，并为世界其它国家所关注。由于二氧化碳化学性质稳定、密度高、无毒性、低成本、循环系统简单、结构紧凑、效率高，超临界二氧化碳循环可以与各种热源组合成发电系统，被认为在火力发电、核能发电、太阳能热发电、余热发电、地热发电、生物质发电等领域具有良好的应用前景。固体氧化物燃料电池与超临界二氧化碳循环可以组成热电联供系统，充分发挥两者优点，不但可进一步提高发电效率，并且系统简单、结构紧凑、成本较低，十分适用于分布式能源。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是如何进一步提高固体氧化物燃料电池的发电效率和能量综合利用率，并且使系统更加紧凑和小型化。为了解决上述技术问题，本专利技术的技术方案是提供一种集成燃料电池与二氧化碳循环的热电联供系统，其特征在于：包括固体氧化物燃料电池及其电力变换器，空气预热器低温侧输出端与固体氧化物燃料电池的阴极相连，燃料与水蒸汽的混合器的输出端与固体氧化物燃料电池的阳极相连，固体氧化物燃料电池的废气排出端连接后燃室；空气压缩机与空气预热器低温侧输入端相连，燃料压缩机与燃料预热器低温侧输入端相连，给水泵与给水预热器低温侧输入端相连，燃料预热器低温侧输出端、给水预热器低温侧输出端与燃料与水蒸汽的混合器的输入端相连；后燃室排出废气的部分热量用于给热负荷供热，部分热量用于给空气预热器、燃料预热器、给水预热器供热，另一部分热量用于传给超临界二氧化碳循环回路的二氧化碳工质，通过超临界二氧化碳循环发电。优选地，所述超临界二氧化碳循环回路由带中间冷却的多级压缩机、回热器、膨胀机、发电机、冷却器以及高温换热器、低温换热器组成；后燃室排出废气的一个支路与高温换热器高温侧输入端相连，高温换热器高温侧输出端依次连接空气预热器高温侧、燃料预热器高温侧、给水蒸发器高温侧，给水蒸发器高温侧排出废气的一个支路与低温换热器的高温侧相连；后燃室排出废气的另一个支路及给水蒸发器高温侧排出废气的另一个支路均与热负荷相连；带中间冷却的多级压缩机出口连接低温换热器低温侧输入端及回热器低温侧输入端，低温换热器低温侧输出端及回热器低温侧输出端均连接高温换热器低温侧输入端，高温换热器低温侧输出端连接膨胀机入口，膨胀机出口连接回热器高温侧输入端，回热器高温侧输出端经冷却器连接带中间冷却的多级压缩机入口，膨胀机连接发电机。本专利技术还提供了一种集成燃料电池与二氧化碳循环的热电联供方法，采用上述的集成燃料电池与二氧化碳循环的热电联供系统，其特征在于：空气压缩机将空气输入空气预热器加热后进入固体氧化物燃料电池的阴极，燃料压缩机将燃料输入燃料预热器加热后进入混合器，给水泵将水输入给水蒸发器，水转变成水蒸汽后进入混合器，由混合器出来的气体进入固体氧化物燃料电池的阳极，固体氧化物燃料电池工作并通过电力变换器供电；固体氧化物燃料电池释放的废气通过后燃室将其中的残余燃料燃烧；当余热用于供热时，后燃室排出废气的一个支路将废气通往热负荷用于供热；当余热用于发电时，后燃室排出废气的另一个支路将废气通往高温换热器并将热量传给超临界二氧化碳循环回路的二氧化碳工质，通过超临界二氧化碳循环发电；经过高温换热器后的废气依次进入空气预热器、燃料预热器、给水蒸发器进行热交换；当余热用于供热时，给水蒸发器排出废气的一个支路将废气通往热负荷用于供热；当余热用于发电时，给水蒸发器排出废气的另一个支路将废气通往低温换热器并将热量传给超临界二氧化碳循环回路的二氧化碳工质，通过超临界二氧化碳循环发电。优选地，带中间冷却的多级压缩机出来的二氧化碳工质为高压的超临界状态，并且分为两个支路，一个支路经过低温换热器吸收一部分余热，另一个支路经过回热器吸收膨胀机排出的低压二氧化碳工质的热量，之后合并成一路，经过高温换热器后进一步升温，再进入膨胀机，高温高压的二氧化碳工质在膨胀机中膨胀做功并推动发电机发电，同时二氧化碳工质降温降压，排出膨胀机的二氧化碳工质为低压的气态，然后经过回热器将热量传给高压侧的二氧化碳工质，再经冷却器降温后，由带中间冷却的多级压缩机先分级增压至临界压力并中间冷却，再中间冷却至临界温度以下转变为液态，再分级增压至高压并中间冷却，如此完成超临界二氧化碳循环发电。与现有技术相比，本专利技术具有如下有益效果：1、本专利技术中的超临界二氧化碳循环利用固体氧化物燃料电池的余热进行发电，可发挥超临界二氧化碳循环效率高的优势，与固体氧化物燃料电池组成的系统可获得理想的总体发电效率，并可实现热电联供，进一步提高了能量利用率。2、本专利技术的系统简单，结构紧凑，能量利用率高，可实现小型化和模块化，并有利于降低建造成本，适用于分布式能源。3、本专利技术中的固体氧化物燃料电池在常压下运行，有利于提高其密封性和可靠性，且制造成本降低。附图说明图1为本实施例提供的一种集成燃料电池与二氧化碳循环的热电联供系统结构示意图；其中，1-空气压缩机，2-燃料压缩机，3-给水泵，4-空气预热器，5-燃料预热器，6-给水蒸发器，7-混合器，8-电力变换器，9-固体氧化物燃料电池，10-后燃室，11-高温换热器，12-热负荷，13-低温换热器，14-带中间冷却的多级压缩机，15-回热器，16-膨胀机，17-发电机，18-冷却器。具体实施方式下面结合具体实施例，进一步阐述本专利技术。应理解，这些实施例仅用于说明本专利技术而不用于限制本专利技术的范围。此外应理解，在阅读了本专利技术讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本专利技术作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。图1为本实施例提供的一种集成燃料电池与二氧化碳循环的热电联供系统结构示意图，所述的集成燃料电池与二氧化碳循环的热电联供系统由以下部件组成：空气预热器4，用于预热空气；燃料预热器5，用于预热燃料；给水本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种集成燃料电池与二氧化碳循环的热电联供系统，其特征在于：包括固体氧化物燃料电池(9)及其电力变换器(8)，空气预热器(1)低温侧输出端与固体氧化物燃料电池(9)的阴极相连，燃料与水蒸汽的混合器(7)的输出端与固体氧化物燃料电池(9)的阳极相连，固体氧化物燃料电池(9)的废气排出端连接后燃室(10)；空气压缩机(1)与空气预热器(4)低温侧输入端相连，燃料压缩机(2)与燃料预热器(5)低温侧输入端相连，给水泵(3)与给水预热器(6)低温侧输入端相连，燃料预热器(5)低温侧输出端、给水预热器(6)低温侧输出端与燃料与水蒸汽的混合器(7)的输入端相连；后燃室(10)排出废气的部分热量用于给热负荷(12)供热，部分热量用于给空气预热器(4)、燃料预热器(5)、给水预热器(6)供热，另一部分热量用于传给超临界二氧化碳循环回路的二氧化碳工质，通过超临界二氧化碳循环发电。

【技术特征摘要】
1.一种集成燃料电池与二氧化碳循环的热电联供系统，其特征在于：包括固体氧化物燃料电池(9)及其电力变换器(8)，空气预热器(1)低温侧输出端与固体氧化物燃料电池(9)的阴极相连，燃料与水蒸汽的混合器(7)的输出端与固体氧化物燃料电池(9)的阳极相连，固体氧化物燃料电池(9)的废气排出端连接后燃室(10)；空气压缩机(1)与空气预热器(4)低温侧输入端相连，燃料压缩机(2)与燃料预热器(5)低温侧输入端相连，给水泵(3)与给水预热器(6)低温侧输入端相连，燃料预热器(5)低温侧输出端、给水预热器(6)低温侧输出端与燃料与水蒸汽的混合器(7)的输入端相连；后燃室(10)排出废气的部分热量用于给热负荷(12)供热，部分热量用于给空气预热器(4)、燃料预热器(5)、给水预热器(6)供热，另一部分热量用于传给超临界二氧化碳循环回路的二氧化碳工质，通过超临界二氧化碳循环发电。2.如权利要求1所述的一种集成燃料电池与二氧化碳循环的热电联供系统，其特征在于：所述超临界二氧化碳循环回路由带中间冷却的多级压缩机(14)、回热器(15)、膨胀机(16)、发电机(17)、冷却器(18)以及高温换热器(11)、低温换热器(13)组成；后燃室(10)排出废气的一个支路与高温换热器(11)高温侧输入端相连，高温换热器(11)高温侧输出端依次连接空气预热器(4)高温侧、燃料预热器(5)高温侧、给水蒸发器(6)高温侧，给水蒸发器(6)高温侧排出废气的一个支路与低温换热器(13)的高温侧相连；后燃室(10)排出废气的另一个支路及给水蒸发器(6)高温侧排出废气的另一个支路均与热负荷(12)相连；带中间冷却的多级压缩机(14)出口连接低温换热器(13)低温侧输入端及回热器(15)低温侧输入端，低温换热器(13)低温侧输出端及回热器(15)低温侧输出端均连接高温换热器(11)低温侧输入端，高温换热器(11)低温侧输出端连接膨胀机(16)入口，膨胀机(16)出口连接回热器(15)高温侧输入端，回热器(15)高温侧输出端经冷却器(18)连接带中间冷却的多级压缩机(14)入口，膨胀机(16)连接发电机(17)。3.一种集成燃料电池与二氧化碳循环的热电...

【专利技术属性】
技术研发人员：郑开云，黄志强，
申请(专利权)人：上海发电设备成套设计研究院，
类型：发明
国别省市：上海,31