本發(fā)明涉及一種集成固體氧化物燃料電池與超臨界二氧化碳循環(huán)的熱電聯(lián)供系統(tǒng)及其方法,屬于分布式能源技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù):
燃料電池是一種將儲(chǔ)存在燃料與氧化劑中的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電裝置,其中的固體氧化物燃料電池屬于第三代燃料電池,是目前最具發(fā)展?jié)摿Φ娜剂想姵仡愋?。固體氧化物燃料電池的工作溫度高(800-1000℃),發(fā)電效率可達(dá)60%以上,而且可使用多種燃料、污染物排放少、體積小,非常適用于分布式能源。由于固體氧化物燃料電池的工作溫度高,其排放的廢氣溫度可高達(dá)800℃,將殘余燃料在后燃室燃燒后廢氣溫度可達(dá)1000℃以上,所以固體氧化物燃料電池的余熱品位非常高。通常固體氧化物燃料電池與燃?xì)廨啓C(jī)組成混合發(fā)電系統(tǒng),將后燃室的排氣輸入至燃?xì)廨啓C(jī)的透平,透平排氣再用于空氣、燃料、給水的預(yù)熱后排放,此時(shí)排放的廢氣仍然具有較高溫度,可用于供熱或有機(jī)工質(zhì)循環(huán)的余熱發(fā)電。固體氧化物燃料電池與燃?xì)廨啓C(jī)混合發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜、燃料電池工作壓力高、系統(tǒng)成本較高,而進(jìn)一步提高總的發(fā)電效率還需要結(jié)合有機(jī)工質(zhì)循環(huán)系統(tǒng)。
近年來(lái),超臨界二氧化碳循環(huán)成為熱點(diǎn),并且被認(rèn)為具有諸多潛在優(yōu)勢(shì)。二氧化碳的臨界點(diǎn)為31℃/7.4MPa,在溫度和壓力超過(guò)臨界點(diǎn)時(shí)的狀態(tài)為超臨界態(tài)。超臨界二氧化碳循環(huán)的研究始于上世紀(jì)四十年代,在六、七十年代取得階段性研究成果,之后主要由于透平機(jī)械、緊湊式熱交換器制造技術(shù)不成熟而中止,直至本世紀(jì)初,超臨界二氧化碳循環(huán)的研究在美國(guó)再度興起,并為世界其它國(guó)家所關(guān)注。由于二氧化碳化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、密度高、無(wú)毒性、低成本、循環(huán)系統(tǒng)簡(jiǎn)單、結(jié)構(gòu)緊湊、效率高,超臨界二氧化碳循環(huán)可以與各種熱源組合成發(fā)電系統(tǒng),被認(rèn)為在火力發(fā)電、核能發(fā)電、太陽(yáng)能熱發(fā)電、余熱發(fā)電、地?zé)岚l(fā)電、生物質(zhì)發(fā)電等領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景。固體氧化物燃料電池與超臨界二氧化碳循環(huán)可以組成熱電聯(lián)供系統(tǒng),充分發(fā)揮兩者優(yōu)點(diǎn),不但可進(jìn)一步提高發(fā)電效率,并且系統(tǒng)簡(jiǎn)單、結(jié)構(gòu)緊湊、成本較低,十分適用于分布式能源。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素:
本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是如何進(jìn)一步提高固體氧化物燃料電池的發(fā)電效率和能量綜合利用率,并且使系統(tǒng)更加緊湊和小型化。
為了解決上述技術(shù)問(wèn)題,本發(fā)明的技術(shù)方案是提供一種集成燃料電池與二氧化碳循環(huán)的熱電聯(lián)供系統(tǒng),其特征在于:包括固體氧化物燃料電池及其電力變換器,空氣預(yù)熱器低溫側(cè)輸出端與固體氧化物燃料電池的陰極相連,燃料與水蒸汽的混合器的輸出端與固體氧化物燃料電池的陽(yáng)極相連,固體氧化物燃料電池的廢氣排出端連接后燃室;
空氣壓縮機(jī)與空氣預(yù)熱器低溫側(cè)輸入端相連,燃料壓縮機(jī)與燃料預(yù)熱器低溫側(cè)輸入端相連,給水泵與給水預(yù)熱器低溫側(cè)輸入端相連,燃料預(yù)熱器低溫側(cè)輸出端、給水預(yù)熱器低溫側(cè)輸出端與燃料與水蒸汽的混合器的輸入端相連;
后燃室排出廢氣的部分熱量用于給熱負(fù)荷供熱,部分熱量用于給空氣預(yù)熱器、燃料預(yù)熱器、給水預(yù)熱器供熱,另一部分熱量用于傳給超臨界二氧化碳循環(huán)回路的二氧化碳工質(zhì),通過(guò)超臨界二氧化碳循環(huán)發(fā)電。
優(yōu)選地,所述超臨界二氧化碳循環(huán)回路由帶中間冷卻的多級(jí)壓縮機(jī)、回?zé)崞?、膨脹機(jī)、發(fā)電機(jī)、冷卻器以及高溫?fù)Q熱器、低溫?fù)Q熱器組成;
后燃室排出廢氣的一個(gè)支路與高溫?fù)Q熱器高溫側(cè)輸入端相連,高溫?fù)Q熱器高溫側(cè)輸出端依次連接空氣預(yù)熱器高溫側(cè)、燃料預(yù)熱器高溫側(cè)、給水蒸發(fā)器高溫側(cè),給水蒸發(fā)器高溫側(cè)排出廢氣的一個(gè)支路與低溫?fù)Q熱器的高溫側(cè)相連;后燃室排出廢氣的另一個(gè)支路及給水蒸發(fā)器高溫側(cè)排出廢氣的另一個(gè)支路均與熱負(fù)荷相連;
帶中間冷卻的多級(jí)壓縮機(jī)出口連接低溫?fù)Q熱器低溫側(cè)輸入端及回?zé)崞鞯蜏貍?cè)輸入端,低溫?fù)Q熱器低溫側(cè)輸出端及回?zé)崞鞯蜏貍?cè)輸出端均連接高溫?fù)Q熱器低溫側(cè)輸入端,高溫?fù)Q熱器低溫側(cè)輸出端連接膨脹機(jī)入口,膨脹機(jī)出口連接回?zé)崞鞲邷貍?cè)輸入端,回?zé)崞鞲邷貍?cè)輸出端經(jīng)冷卻器連接帶中間冷卻的多級(jí)壓縮機(jī)入口,膨脹機(jī)連接發(fā)電機(jī)。
本發(fā)明還提供了一種集成燃料電池與二氧化碳循環(huán)的熱電聯(lián)供方法,采用上述的集成燃料電池與二氧化碳循環(huán)的熱電聯(lián)供系統(tǒng),其特征在于:空氣壓縮機(jī)將空氣輸入空氣預(yù)熱器加熱后進(jìn)入固體氧化物燃料電池的陰極,燃料壓縮機(jī)將燃料輸入燃料預(yù)熱器加熱后進(jìn)入混合器,給水泵將水輸入給水蒸發(fā)器,水轉(zhuǎn)變成水蒸汽后進(jìn)入混合器,由混合器出來(lái)的氣體進(jìn)入固體氧化物燃料電池的陽(yáng)極,固體氧化物燃料電池工作并通過(guò)電力變換器供電;
固體氧化物燃料電池釋放的廢氣通過(guò)后燃室將其中的殘余燃料燃燒;當(dāng)余熱用于供熱時(shí),后燃室排出廢氣的一個(gè)支路將廢氣通往熱負(fù)荷用于供熱;當(dāng)余熱用于發(fā)電時(shí),后燃室排出廢氣的另一個(gè)支路將廢氣通往高溫?fù)Q熱器并將熱量傳給超臨界二氧化碳循環(huán)回路的二氧化碳工質(zhì),通過(guò)超臨界二氧化碳循環(huán)發(fā)電;
經(jīng)過(guò)高溫?fù)Q熱器后的廢氣依次進(jìn)入空氣預(yù)熱器、燃料預(yù)熱器、給水蒸發(fā)器進(jìn)行熱交換;當(dāng)余熱用于供熱時(shí),給水蒸發(fā)器排出廢氣的一個(gè)支路將廢氣通往熱負(fù)荷用于供熱;當(dāng)余熱用于發(fā)電時(shí),給水蒸發(fā)器排出廢氣的另一個(gè)支路將廢氣通往低溫?fù)Q熱器并將熱量傳給超臨界二氧化碳循環(huán)回路的二氧化碳工質(zhì),通過(guò)超臨界二氧化碳循環(huán)發(fā)電。
優(yōu)選地,帶中間冷卻的多級(jí)壓縮機(jī)出來(lái)的二氧化碳工質(zhì)為高壓的超臨界狀態(tài),并且分為兩個(gè)支路,一個(gè)支路經(jīng)過(guò)低溫?fù)Q熱器吸收一部分余熱,另一個(gè)支路經(jīng)過(guò)回?zé)崞魑张蛎洐C(jī)排出的低壓二氧化碳工質(zhì)的熱量,之后合并成一路,經(jīng)過(guò)高溫?fù)Q熱器后進(jìn)一步升溫,再進(jìn)入膨脹機(jī),高溫高壓的二氧化碳工質(zhì)在膨脹機(jī)中膨脹做功并推動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電,同時(shí)二氧化碳工質(zhì)降溫降壓,排出膨脹機(jī)的二氧化碳工質(zhì)為低壓的氣態(tài),然后經(jīng)過(guò)回?zé)崞鲗崃總鹘o高壓側(cè)的二氧化碳工質(zhì),再經(jīng)冷卻器降溫后,由帶中間冷卻的多級(jí)壓縮機(jī)先分級(jí)增壓至臨界壓力并中間冷卻,再中間冷卻至臨界溫度以下轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài),再分級(jí)增壓至高壓并中間冷卻,如此完成超臨界二氧化碳循環(huán)發(fā)電。
與現(xiàn)有技術(shù)相比,本發(fā)明具有如下有益效果:
1、本發(fā)明中的超臨界二氧化碳循環(huán)利用固體氧化物燃料電池的余熱進(jìn)行發(fā)電,可發(fā)揮超臨界二氧化碳循環(huán)效率高的優(yōu)勢(shì),與固體氧化物燃料電池組成的系統(tǒng)可獲得理想的總體發(fā)電效率,并可實(shí)現(xiàn)熱電聯(lián)供,進(jìn)一步提高了能量利用率。
2、本發(fā)明的系統(tǒng)簡(jiǎn)單,結(jié)構(gòu)緊湊,能量利用率高,可實(shí)現(xiàn)小型化和模塊化,并有利于降低建造成本,適用于分布式能源。
3、本發(fā)明中的固體氧化物燃料電池在常壓下運(yùn)行,有利于提高其密封性和可靠性,且制造成本降低。
附圖說(shuō)明
圖1為本實(shí)施例提供的一種集成燃料電池與二氧化碳循環(huán)的熱電聯(lián)供系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖;
其中,1-空氣壓縮機(jī),2-燃料壓縮機(jī),3-給水泵,4-空氣預(yù)熱器,5-燃料預(yù)熱器,6-給水蒸發(fā)器,7-混合器,8-電力變換器,9-固體氧化物燃料電池,10-后燃室,11-高溫?fù)Q熱器,12-熱負(fù)荷,13-低溫?fù)Q熱器,14-帶中間冷卻的多級(jí)壓縮機(jī),15-回?zé)崞鳎?6-膨脹機(jī),17-發(fā)電機(jī),18-冷卻器。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合具體實(shí)施例,進(jìn)一步闡述本發(fā)明。應(yīng)理解,這些實(shí)施例僅用于說(shuō)明本發(fā)明而不用于限制本發(fā)明的范圍。此外應(yīng)理解,在閱讀了本發(fā)明講授的內(nèi)容之后,本領(lǐng)域技術(shù)人員可以對(duì)本發(fā)明作各種改動(dòng)或修改,這些等價(jià)形式同樣落于本申請(qǐng)所附權(quán)利要求書(shū)所限定的范圍。
圖1為本實(shí)施例提供的一種集成燃料電池與二氧化碳循環(huán)的熱電聯(lián)供系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖,所述的集成燃料電池與二氧化碳循環(huán)的熱電聯(lián)供系統(tǒng)由以下部件組成:
空氣預(yù)熱器4,用于預(yù)熱空氣;
燃料預(yù)熱器5,用于預(yù)熱燃料;
給水蒸發(fā)器6,用于將水氣化成水蒸汽;
空氣壓縮機(jī)1,用于將空氣增壓后輸入空氣預(yù)熱器4;
燃料壓縮機(jī)2,用于將燃料增壓后輸入燃料預(yù)熱器5;
給水泵3,用于將水輸入給水蒸發(fā)器6;
混合器7,用于將預(yù)熱后的燃料與水蒸汽混合;
固體氧化物燃料電池9,作為系統(tǒng)的核心能量轉(zhuǎn)換裝置,用于將化學(xué)能轉(zhuǎn)換成電能;空氣預(yù)熱器4預(yù)熱后的空氣進(jìn)入固體氧化物燃料電池9的陰極,混合器7出來(lái)的氣體進(jìn)入固體氧化物燃料電池9的陽(yáng)極;
電力變換器8,用于將固體氧化物燃料電池9輸出的直流電轉(zhuǎn)換成交流電;
后燃室10,用于固體氧化物燃料電池9的廢氣中的殘余燃料在其中燃燒;
高溫?fù)Q熱器11,用于將后燃室10排出的一部分廢氣的熱量傳給二氧化碳工質(zhì);放熱后的該部分廢氣依次進(jìn)入空氣預(yù)熱器4、燃料預(yù)熱器5、給水蒸發(fā)器6;
低溫?fù)Q熱器13,用于將給水蒸發(fā)器6排出的一部分廢氣的熱量傳給二氧化碳工質(zhì);二氧化碳工質(zhì)吸熱后輸送至高溫?fù)Q熱器11進(jìn)一步吸熱;
熱負(fù)荷12,使用系統(tǒng)余熱(后燃室10排出的剩余部分廢氣的熱量及給水蒸發(fā)器6排出的剩余部分廢氣的熱量)的終端用戶;
膨脹機(jī)16,用于將高溫?fù)Q熱器11出來(lái)的二氧化碳工質(zhì)的熱能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能;
發(fā)電機(jī)17,用于將膨脹機(jī)16輸出的機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能;
帶中間冷卻的多級(jí)壓縮機(jī)14,用于二氧化碳工質(zhì)增壓,并通過(guò)中間冷卻降低增壓過(guò)程的溫升;排出的高壓二氧化碳工質(zhì)分成兩個(gè)支路,一個(gè)支路輸送至低溫?fù)Q熱器13加熱,另一個(gè)支路輸送至回?zé)崞?5加熱;
回?zé)崞?5,用于將膨脹機(jī)16排出的低壓二氧化碳工質(zhì)的熱量傳給帶中間冷卻的多級(jí)壓縮機(jī)14排出的另一個(gè)支路的高壓二氧化碳工質(zhì);低壓二氧化碳工質(zhì)放熱后經(jīng)冷卻器18冷卻并輸送至帶中間冷卻的多級(jí)壓縮機(jī)14增壓,高壓二氧化碳工質(zhì)吸熱后輸送至高溫?fù)Q熱器11進(jìn)一步吸熱;
冷卻器18,用于冷卻二氧化碳工質(zhì)。
帶中間冷卻的多級(jí)壓縮機(jī)14、回?zé)崞?5、膨脹機(jī)16、發(fā)電機(jī)17、冷卻器18,以及高溫?fù)Q熱器11、低溫?fù)Q熱器13組成超臨界二氧化碳循環(huán)回路子系統(tǒng)。
系統(tǒng)的各個(gè)設(shè)備之間通過(guò)管道連接,根據(jù)系統(tǒng)控制需要,管道上可布置閥門、流體機(jī)械、儀表。組成系統(tǒng)的其它部分還有輔助設(shè)施、電氣系統(tǒng)、儀控系統(tǒng)等。
上述的集成燃料電池與二氧化碳循環(huán)的熱電聯(lián)供系統(tǒng)的工作方法如下:
固體氧化物燃料電池9工作并通過(guò)電力變換器8供電,釋放的廢氣通過(guò)后燃室10將其中的殘余燃料燃燒,當(dāng)余熱用于供熱時(shí),后燃室10排出廢氣的一個(gè)支路可將廢氣通往熱負(fù)荷12用于供熱,當(dāng)余熱用于發(fā)電時(shí),后燃室10排出廢氣的另一個(gè)支路可將廢氣通往高溫?fù)Q熱器11并將熱量傳給二氧化碳工質(zhì),通過(guò)超臨界二氧化碳循環(huán)發(fā)電,經(jīng)過(guò)高溫?fù)Q熱器11后的廢氣依次進(jìn)入空氣預(yù)熱器4、燃料預(yù)熱器5、給水蒸發(fā)器6,空氣壓縮機(jī)1將空氣輸入空氣預(yù)熱器4加熱后進(jìn)入固體氧化物燃料電池9的陰極,燃料壓縮機(jī)2將燃料輸入燃料預(yù)熱器5加熱后進(jìn)入混合器7,給水泵3將水輸入給水蒸發(fā)器6,水轉(zhuǎn)變成水蒸汽后進(jìn)入混合器7,由混合器7出來(lái)的氣體進(jìn)入固體氧化物燃料電池9的陽(yáng)極,給水蒸發(fā)器6排出廢氣的一個(gè)支路可將廢氣通往低溫?fù)Q熱器13,廢氣的一部分低溫?zé)崃總鹘o二氧化碳工質(zhì)用于超臨界二氧化碳循環(huán)發(fā)電,給水蒸發(fā)器6排出廢氣的另一個(gè)支路可將廢氣通往熱負(fù)荷12用于供熱。
帶中間冷卻的多級(jí)壓縮機(jī)14出來(lái)的二氧化碳工質(zhì)為高壓(例如:25MPa)的超臨界狀態(tài),并且分為兩個(gè)支路,一個(gè)支路經(jīng)過(guò)低溫?fù)Q熱器13吸收一部分低溫余熱,另一個(gè)支路經(jīng)過(guò)回?zé)崞?5吸收膨脹機(jī)16排出的低壓二氧化碳工質(zhì)的熱量,之后合并成一路,經(jīng)過(guò)高溫?fù)Q熱器11后進(jìn)一步升溫(例如:650℃),再進(jìn)入膨脹機(jī)16,高溫高壓的二氧化碳工質(zhì)在膨脹機(jī)16中膨脹做功并推動(dòng)發(fā)電機(jī)17發(fā)電,同時(shí)二氧化碳工質(zhì)降溫降壓,排出膨脹機(jī)16的二氧化碳工質(zhì)為低壓(例如:3MPa)的氣態(tài),然后經(jīng)過(guò)回?zé)崞?5將熱量傳給高壓側(cè)的二氧化碳工質(zhì),再經(jīng)冷卻器18降溫(例如20℃),由帶中間冷卻的多級(jí)壓縮機(jī)14先分級(jí)增壓至臨界壓力并中間冷卻,再中間冷卻至臨界溫度以下轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài),再分級(jí)增壓至高壓并中間冷卻,如此完成超臨界二氧化碳循環(huán)發(fā)電。
根據(jù)上述的超臨界二氧化碳循環(huán)余熱發(fā)電,若循環(huán)發(fā)電效率為40%,則余熱的40%轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔埽艄腆w氧化物燃料電池9的發(fā)電效率為50%,則系統(tǒng)總的發(fā)電效率可達(dá)70%。
本發(fā)明的系統(tǒng)在用于熱電聯(lián)供時(shí)可進(jìn)一步提高能量利用率至80%以上,符合分布式能源的發(fā)展方向。