專利名稱：固體氧化物燃料電池蒸汽輪機聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種發(fā)電系統(tǒng)，尤其涉及一種以天然氣為燃料的固體氧化物燃料電池蒸汽輪機聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)，屬于能源利用技術(shù)領(lǐng)域。
燃料電池是將燃料的化學能直接轉(zhuǎn)化為電能，而不受卡諾循環(huán)的限制。其中，固體氧化物燃料電池(Solid Oxidant Carbonate Fuel Cell；SOFC)具有高效、低污染、模塊化設(shè)計以及沒有融鹽腐蝕等優(yōu)點，極大地受到人們關(guān)注。
目前中國的火力發(fā)電的效率只有40％，而且污染環(huán)境。大規(guī)模的火力發(fā)電還存在資源運輸和戰(zhàn)爭破壞等問題。伴隨著西氣東輸，天然氣的利用量將成倍增加，天然氣在我國將主要用于化工、發(fā)電等領(lǐng)域。對于一些特殊用途的單位，MW級的發(fā)電系統(tǒng)會得到廣泛的應(yīng)用。它一方面可以滿足小型企業(yè)的用電需求，另一方面由于分散電源分布廣，可以降低地震、戰(zhàn)爭等災(zāi)害對社會造成的沖擊。
國外已經(jīng)公布了一些燃料電池發(fā)電系統(tǒng)，大多數(shù)采用燃料電池和燃氣輪機組成聯(lián)合循環(huán)方式發(fā)電(Wei He.Numerical analysis of molten carbonate fuelcell systems.International Journal of Energy Research，1997，2169-76.)。一方面由于燃氣輪機的造價昂貴，且發(fā)展中國家沒有這方面的技術(shù)，很難推廣；另一方面，由于該種循環(huán)發(fā)電方式要求系統(tǒng)要達到一定的壓力，因此對燃料電池性能的要求較高。
為實現(xiàn)這樣的目的，本發(fā)明的技術(shù)方案中，聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)采用天然氣為燃料，系統(tǒng)由固體氧化物燃料電池、蒸汽鍋爐、蒸汽輪機、發(fā)電機、熱交換器等設(shè)備構(gòu)成，電能由燃料電池和發(fā)電機聯(lián)合提供，系統(tǒng)除發(fā)電外，還可以為外界通過一定量的熱水。
本發(fā)明的發(fā)電系統(tǒng)主要分為固體氧化物燃料電池和輔助發(fā)電系統(tǒng)兩部分，燃料電池利用天然氣和空氣發(fā)生電化學反應(yīng)，產(chǎn)生電能，輔助發(fā)電系統(tǒng)利用蒸汽鍋爐和蒸汽輪機產(chǎn)生電能。
燃料采用天然氣，燃料電池陽極后面的熱交換器管外兩端分別連接燃料氣體風機和氣體脫硫裝置，脫硫裝置出口端連接蒸汽鍋爐的受熱面，鍋爐受熱面的另一出口端連接燃料電池的陽極入口，用于生產(chǎn)熱水的熱交換器管內(nèi)的人口端連接燃料電池陽極后面的熱交換器管內(nèi)出口，出口端連接脫碳器，脫碳器的出口端連接蒸汽鍋爐，用于鍋爐爐膛燃料。蒸汽輪機的一頭連接爐膛的蒸汽加熱管，另一頭連到凝汽器，循環(huán)水泵的兩端分別連接凝汽器和蒸汽鍋爐內(nèi)的蒸汽加熱管，發(fā)電機和蒸汽輪機同軸連接。
空氣風機的一端連接燃料電池陰極排氣后面的熱交換器管外入口，該熱交換器的管外出口端連接蒸汽鍋爐內(nèi)的受熱面，受熱面的出口端連接燃料電池陰極入口端。燃料電池陰極出口后面的熱交換器管內(nèi)兩端分別連接燃料電池陰極出口和用于生產(chǎn)熱水的熱交換器的管內(nèi)入口，熱交換器管內(nèi)的出口端連接排空管。
系統(tǒng)的工作過程燃料氣通過燃料氣體風機加壓后，首先利用熱交換器加熱，經(jīng)過脫硫裝置進行脫硫，然后送到蒸汽鍋爐預(yù)熱后送到燃料電池陽極發(fā)生電化學反應(yīng)，產(chǎn)生的電能通過外電路送給用戶，陽極排氣經(jīng)過熱交換器預(yù)熱燃料，熱交換器管內(nèi)流出的氣體通入熱交換器加熱給水，熱交換器的排氣經(jīng)過脫二氧化碳器后送入蒸汽鍋爐和部分天然氣一同送入蒸汽鍋爐燃燒，燃燒的熱量用來加熱水產(chǎn)生高溫高壓蒸汽，鍋爐產(chǎn)生的蒸汽推動蒸汽輪機運轉(zhuǎn)，帶動發(fā)電機產(chǎn)生電能。
其次，一定量的空氣經(jīng)風機被送入燃料電池陰后面的熱交換器被加熱，然后到蒸汽鍋爐里面的受熱面繼續(xù)加熱，將加熱后的空氣送到燃料電池陰極，陰極排氣首先經(jīng)過一個熱交換器管內(nèi)被降溫，降溫后的空氣經(jīng)過熱交換器加熱給水后排到大氣中。
最后，將燃料電池和發(fā)電機產(chǎn)生的電能送到用戶。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有明顯的進步和有益效果。本發(fā)明采用了天然氣到蒸汽鍋爐受熱的辦法，使天然氣獲得較高的溫度，滿足燃料電池發(fā)生電化學反應(yīng)的要求。蒸汽鍋爐的燃料采用燃料電池排出的剩余燃料和一定量的天然氣混合，目的是為了獲得的保證鍋爐燃燒必要的發(fā)熱量。通過輔助發(fā)電設(shè)備，進一步提高能源轉(zhuǎn)化效率，系統(tǒng)可以在常壓下運行。
采用固體氧化物燃料電池和蒸汽輪機聯(lián)合循環(huán)發(fā)電的方式，提高能源利用率，達到減少溫室氣體的排放。因為目前的火力發(fā)電效率在40％左右，而固體氧化物燃料電池聯(lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電效率要達到50％左右，發(fā)電效率的提高，使得該種發(fā)電方式可以減少10％左右的燃料使用量。


及
具體實施例方式為更好地理解本發(fā)明的技術(shù)方案，以下結(jié)合附圖及具體的實施例作進一步描述。
圖1為本發(fā)明的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。
如圖所示，本發(fā)明的聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)采用天然氣為燃料，直交流變換器1連接燃料電池2的兩個電極，燃料電池2陽極后面的熱交換器4管外兩端分別連接燃料氣體風機6和氣體脫硫裝置3，脫硫裝置3出口端連接蒸汽鍋爐10的受熱面，鍋爐受熱面的另一出口端連接燃料電池2的陽極入口，用于生產(chǎn)熱水的熱交換器5管內(nèi)的入口端連接燃料電池陽極后面的熱交換器4管內(nèi)出口，熱交換器5、9的管外側(cè)與供熱水泵15連接，熱交換器5出口端連接脫碳器16，脫碳器的出口端連接蒸汽鍋爐10，用于鍋爐爐膛燃料。蒸汽輪機14的一端連接爐膛的蒸汽加熱管，另一端連到凝汽器13，循環(huán)水泵11的兩端分別連接凝汽器13和蒸汽鍋爐10內(nèi)的蒸汽加熱管，發(fā)電機12和蒸汽輪機14同軸連接。
空氣風機7的一端連接燃料電池2陰極排氣后面的熱交換器8管外入口，該熱交換器的管外出口端連接蒸汽鍋爐10內(nèi)的受熱面，受熱面的出口端連接燃料電池2陰極入口端。燃料電池陰極出口后面的熱交換器8管內(nèi)兩端分別連接燃料電池陰極出口和用于生產(chǎn)熱水的熱交換器9的管內(nèi)入口，熱交換器9的管外出口端連接排空管。
系統(tǒng)的工作過程燃料氣通過燃料氣體風機6加壓后，首先利用熱交換器4加熱，經(jīng)過脫硫裝置3進行脫硫，然后送到蒸汽鍋爐10預(yù)熱后送到燃料電池2陽極發(fā)生電化學反應(yīng)，產(chǎn)生的電能通過外電路送給用戶，陽極排氣經(jīng)過熱交換器4預(yù)熱燃料，熱交換器4管內(nèi)流出的氣體通入熱交換器5加熱給水，熱交換器5的排氣經(jīng)過脫二氧化碳器16和部分天然氣混合后，一同送入蒸汽鍋爐10燃燒，燃燒的熱量用來加熱水產(chǎn)生高溫高壓蒸汽，鍋爐產(chǎn)生的蒸汽推動蒸汽輪機14運轉(zhuǎn)，帶動發(fā)電機12產(chǎn)生電能。燃料電池2產(chǎn)生的電能經(jīng)過直交流變換器1轉(zhuǎn)換成交流電，和發(fā)電機12產(chǎn)生的電能一起送給用戶。
其次，一定量的空氣經(jīng)風機7被送入燃料電池陰后面的熱交換器8中加熱，然后到蒸汽鍋爐10里面的受熱面繼續(xù)加熱，將加熱后的空氣送到燃料電池2的陰極，陰極排氣首先經(jīng)過一個熱交換器8管內(nèi)降溫，降溫后的空氣經(jīng)過熱交換器9加熱給水后排到大氣中。
最后，將燃料電池和發(fā)電機產(chǎn)生的電能送到用戶，由于發(fā)電效率較高，從而達到高效利用天然氣發(fā)電的目的。
在本發(fā)明的一個實施例中，以天然氣為燃料，對整個發(fā)電系統(tǒng)進行熱平衡計算。燃料電池陰陽極氣體的入口溫度為950攝氏度，燃料和空氣在燃料電池當中的利用率為60％和50％，系統(tǒng)工作壓力為常壓；燃料電池的工作電壓為1.07V，熱交換器的換熱效率為99％，直交流變換器的效率為99％；蒸汽是在蒸汽鍋爐中產(chǎn)生，通過小型的蒸汽輪機帶動發(fā)電機發(fā)電，其發(fā)電效率取25％；四川威遠氣田的天然氣為燃料，其成分為甲烷86.80％、乙烷0.01％、二氧化碳4.437％、硫化氫0.31％、氮8.10％、氦0.316％、氬0.027％，燃料流量為482m3/h。可以得到2000kW的發(fā)電容量(燃料電池為1500kW，輔助發(fā)電系統(tǒng)為500kW)，固體氧化物燃料電池聯(lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電效率為49％，該系統(tǒng)熱效率為82％(含供熱)。
權(quán)利要求
1.一種固體氧化物燃料電池蒸汽輪機聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于固體氧化物燃料電池(2)陽極后面的熱交換器(4)管外兩端分別連接燃料氣體風機(6)和氣體脫硫裝置(3)，脫硫裝置(3)出口端連接蒸汽鍋爐(10)的受熱面，鍋爐受熱面的另一出口端連接燃料電池(2)的陽極入口，熱交換器(5)管內(nèi)的入口端連接燃料電池陽極后面的熱交換器(4)管內(nèi)出口，熱交換器(5)出口端經(jīng)脫碳器(16)連接蒸汽鍋爐(10)，蒸汽輪機(14)的一端連接爐膛的蒸汽加熱管，另一端經(jīng)凝汽器(13)，循環(huán)水泵(11)連到蒸汽鍋爐(10)，發(fā)電機(12)和蒸汽輪機(14)同軸連接，空氣風機(7)的一端連接燃料電池(2)陰極排氣后面的熱交換器(8)管外入口，熱交換器(8)的管外出口連接蒸汽鍋爐(10)內(nèi)的受熱面，受熱面的出口端連接燃料電池(2)陰極入口端，熱交換器(8)管內(nèi)兩端分別連接燃料電池陰極出口和用于生產(chǎn)熱水的熱交換器(9)的管內(nèi)入口，熱交換器(9)的管外出口端連接排空管。
全文摘要
一種固體氧化物燃料電池蒸汽輪機聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng),采用固體氧化物燃料電池和蒸汽輪機聯(lián)合循環(huán)發(fā)電的方式,燃料氣通過燃料氣體風機加壓后,首先利用熱交換器加熱,經(jīng)過脫硫裝置進行脫硫,然后送到蒸汽鍋爐預(yù)熱后送到燃料電池陽極發(fā)生電化學反應(yīng),產(chǎn)生的電能通過外電路送給用戶,陽極排氣經(jīng)過熱交換器預(yù)熱燃料,熱交換器管內(nèi)流出的氣體通入熱交換器加熱給水,熱交換器的排氣經(jīng)過脫二氧化碳器后送入蒸汽鍋爐和部分天然氣一同送入蒸汽鍋爐燃燒,燃燒的熱量用來加熱水產(chǎn)生高溫高壓蒸汽,鍋爐產(chǎn)生的蒸汽推動蒸汽輪機運轉(zhuǎn),帶動發(fā)電機產(chǎn)生電能。本發(fā)明提高能源利用率,達到減少溫室氣體的排放,可減少10%左右的燃料使用量。
文檔編號H01M8/00GK1379494SQ0211164
公開日2002年11月13日 申請日期2002年5月10日 優(yōu)先權(quán)日2002年5月10日
發(fā)明者于立軍 申請人:上海交通大學