一种燃料电池发电系统

技术领域

本发明涉及燃料电池技术领域，具体而言，涉及一种燃料电池发电系统。

背景技术

新能源的迅速发展，未来能源网络将会是电网、气网、氢网三网合一的立体网状结构，可实现各个能源间的互补以及有效转换。风、光等新能源所发的“绿电”，可作为制氢的电能供应，同时“氢能”可作为储能通过燃料电池转化为电能，也可以掺杂到天然气管道部分替代天然气送入千家万户，所以氢能是“三网合一”能源网络的核心和枢纽。已成为世界新一轮能源转型阶段中发展新能源技术的首选，甚至被称为“最终能源”。

燃料电池通过电化学反应的方式，将氢气转换为电能，因为不受卡诺循环限制，且副产物只有水，是一种高效清洁的氢气消纳方式。

但现有燃料电池更多地是应用于车用场景，燃料电池的发电功率较低，能源利用率不高，很难满足化工企业大量氢气的消纳需求。

发明内容

本发明所要解决的问题是现有燃料电池发电功率较低，能源利用率不高，不能将大量氢气及时消纳。

为解决上述问题，一方面，本发明提供了一种燃料电池发电系统，包括燃料电池、余热回收子系统、燃料供应子系统和空气供应子系统；

所述燃料电池包括阳极、阴极和电解质层，所述余热回收子系统包括第一级换热器和后燃烧室；

所述燃料供应子系统与所述第一级换热器内的第一燃料管的进气口相连，所述第一燃料管的出气口与所述阳极的进气口连通；所述空气供应子系统与所述第一级换热器内的第一空气管的进气口连通，所述第一空气管的出气口与所述阴极的进气口连通；所述阳极的出气口和所述阴极的出气口均与所述后燃烧室的进气口连通，所述后燃烧室的出气口与所述第一级换热器内的第一回收管的进气口连通。

可选地，所述余热回收子系统还包括第二级换热器，所述第二级换热器内的第二回收管的进气口与所述后燃烧室的出气口连通，所述第二回收管的出气口与所述第一回收管的进气口相连，所述第二级换热器内的第二燃料管的进气口与所述第一燃料管的出气口相连，所述第二燃料管的出气口与所述阳极的进气口相连，所述第二级换热器内的第二空气管的进气口与所述第一空气管的出气口相连，所述第二空气管的出气口与所述阴极的进气口相连。

可选地，所述余热回收子系统还包括第一水液分离器和第二水液分离器，所述第一水液分离器的进气口与所述阴极的出气口相连，所述第一水液分离器的出气口与所述后燃烧室的进气口相连，所述第二水液分离器的进气口与所述阳极的出气口相连，所述第二水液分离器的出气口与所述后燃烧室的进气口相连。

可选地，所述余热回收子系统还包括燃料回收回路，所述燃料回收回路包括燃料混合器；所述燃料混合器的第一进气口与所述第二水液分离器的出气口连通，所述燃料混合器的第二进气口与所述燃料供应子系统相连，所述燃料混合器的出气口与所述第一燃料管的进气口相连。

可选地，所述燃料回收回路还包括第二鼓风机，所述第二鼓风机的进气口与所述第二水液分离器的出气口相连，所述第二鼓风机的出气口与所述燃料混合器的第一进气口相连。

可选地，所述余热回收子系统还包括空气回收回路，所述空气回收回路包括空气混合器和分离器；所述分离器的进气口与所述后燃烧室的出气口相连，所述分离器的第一出气口与所述空气混合器的第一进气口连通，所述空气混合器的第二进气口与所述第二空气管的出气口相连，所述空气混合器的出气口与所述阴极的进气口相连。

可选地，所述空气回收回路还包括第一鼓风机，所述第一鼓风机的进气口与所述分离器的第一出气口相连，所述第一鼓风机的出气口与所述空气混合器的第一进气口相连。

可选地，所述燃料供应子系统包括依次相连的氢罐、第一截止阀、第一减压阀、第一流量计和第一单向阀，所述第一单向阀的出气口与所述燃料混合器的第一进气口相连。

可选地，所述空气供应子系统包括依次相连的第二截止阀、第二减压阀、第二流量计和第二单向阀，所述第二截止阀的输入口用于与空气供应设备的输出端相连，所述第二单向阀的出气口与所述第一空气管的进气口连通。

可选地，所述燃料电池发电系统还包括轮机发电子系统，所述轮机发电子系统包括空气压缩机、涡轮和发电机，所述空气压缩机的进气口与所述第二单向阀的出气口相连，所述空气压缩机的出气口与所述第一空气管的进气口相连，所述空气压缩机的出气口还与所述涡轮的进气口相连，所述分离器的第二出气口与所述涡轮的进气口相连，所述涡轮的出气口与所述第二级换热器内的所述第二回收管的进气口相连，所述涡轮的输出轴与所述发电机的转轴相连。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

本发明提供的一种燃料电池发电系统，燃料和空气先进入第一级换热器内进行预热，被加热的燃料和空气分别进入燃料电池的阳极和阴极，为电化学反应提供氢气和氧气，来自阴极的过量空气和来自阳极的未反应燃料在后燃烧室中燃烧，后燃烧室排出的气体携带大量热量通入第一级换热器，在第一级换热器中被空气和燃料吸收再利用，提高能源的利用率，经过预热后的空气和燃料，活性提高，燃料电池的电化学反应的速度增大，需要消耗的燃料量变大，同时提升燃料电池的发电效率，发电功率变大。

附图说明

图1示出了本发明实施例中一种燃料电池发电系统的结构示意图。

附图标记说明：1、氢罐；2、第一截止阀；3、第一减压阀；4、第一流量计；5、第一单向阀；6、燃料混合器；7、第二截止阀；8、第二减压阀；9、第二流量计；10、第二单向阀；11、空气压缩机；12、第一级换热器；13、空气混合器；14、燃料电池；15、第一鼓风机；16、第一水液分离器；17、后燃烧室；18、第二水液分离器；19、第二鼓风机；20、涡轮；21、发电机；22、第二级换热器；23、分离器。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。

要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。

在本说明书的描述中，参考术语“实施例”、“一个实施例”和“一个实施方式”等的描述意指结合该实施例或实施方式描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或实施方式中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或实施方式。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或实施方式以合适的方式结合。

图1示出了本发明实施例中一种燃料电池发电系统的结构示意图，所述燃料电池发电系统包括燃料电池14、余热回收子系统、燃料供应子系统和空气供应子系统；

所述燃料电池14包括阳极、阴极和电解质层，所述电解质层设置在所述阳极和所述阴极之间，所述余热回收子系统包括第一级换热器12和后燃烧室17；

所述燃料供应子系统与所述第一级换热器12内的第一燃料管的进气口相连，所述第一燃料管的出气口与所述阳极的进气口连通；所述空气供应子系统与所述第一级换热器12内的第一空气管的进气口连通，所述第一空气管的出气口与所述阴极的进气口连通；所述阳极的出气口和所述阴极的出气口均与所述后燃烧室17的进气口连通，所述后燃烧室17的出气口与所述第一级换热器12内的第一回收管的进气口连通。

具体地，燃料可以是氢气、甲醇、乙醇或者氨气等，在本实施例中，优选氢气，将空气输入阴极，主要利用空气中的氧气，燃料电池14可以是固体氧化物燃料(SOFC)电池或固体氧化物燃料电堆。燃料和空气先进入第一级换热器12内进行预热，被加热的燃料和空气分别进入燃料电池的阳极和阴极，为电化学反应提供氢气和氧气，来自阴极的过量空气和来自阳极的未反应燃料在后燃烧室17中燃烧，后燃烧室17排出的气体携带大量热量通入第一级换热器12，在第一级换热器12中被空气和燃料吸收再利用，提高能源的利用率，经过预热后的空气和燃料，活性提高，燃料电池的电化学反应的速度增大，需要消耗的燃料量变大，同时提升燃料电池的发电效率，发电功率变大。

在本发明的一种实施例中，如图1，所述余热回收子系统还包括第二级换热器22，所述第二级换热器22内的第二回收管的进气口与所述后燃烧室17的出气口连通，所述第二回收管的出气口与所述第一回收管的进气口相连，所述第二级换热器22内的第二燃料管的进气口与所述第一燃料管的出气口相连，所述第二燃料管的出气口与所述阳极的进气口相连，所述第二级换热器22内的第二空气管的进气口与所述第一空气管的出气口相连，所述第二空气管的出气口与所述阴极的进气口相连。

在本实施例中，增设第二级换热器22，后燃烧室17排出的气体先进入第二级换热器22，然后再通入第一级换热器12，第二燃料管和第二空气管先吸收大量热量，第一燃料管和第一空气管再吸收剩余的热量，从燃料供应子系统和空气供应子系统中输出的燃料和空气先后经过第一级换热器12和第二级换热器22。

采用两级热容量相匹配的换热器预热空气和燃料，第一级换热器12作为低温热交换器将空气从室温预热到300～400℃，第二级换热器22作为高温热交换器再将空气预热到700℃以上。两级换热器可以提高后燃烧室17尾气的热利用效率，并且能够为固体燃料电堆带来足够的热量，因为如果使用一个换热器，换热器换热功率就要求非常大，放在SOFC电堆之前预热，会导致进入SOFC电堆的工质热量可能不够，从而导致空气温度不足。采用两个容量匹配的换热器，可以很好地分配尾气的热量，同时满足固体燃料电堆入口空气和燃料的温度。

在本发明的一种实施例中，如图1，所述余热回收子系统还包括第一水液分离器16和第二水液分离器18，所述第一水液分离器16的进气口与所述阴极的出气口相连，所述第一水液分离器16的出气口与所述后燃烧室17的进气口相连，进而实现所述阴极的出气口与所述后燃烧室17的进气口之间的连通，所述第二水液分离器18的进气口与所述阳极的出气口相连，所述第二水液分离器18的出气口与所述后燃烧室17的进气口相连，进而实现所述阳极的出气口与所述后燃烧室17的进气口之间的连通。燃料和空气在燃料电池内经过电化学反应之后，剩余气体通入第一水液分离器16和第二水液分离器18，将剩余气体中可能存在的水与未反应燃料和过量空气分离。

在本发明的一种实施例中，如图1，所述余热回收子系统还包括燃料回收回路，所述燃料回收回路包括燃料混合器6；所述燃料混合器6的第一进气口与所述第二水液分离器18的出气口连通，所述燃料混合器6的第二进气口与所述燃料供应子系统相连，所述燃料混合器6的出气口与所述第一燃料管的进气口相连。

在本实施例中，未反应充分的燃料，携带化学反应的热量，经过燃料回收回路中的燃料混合器6与燃料供应子系统供应的燃料汇合，一起再通入第一燃料管中进行预热，提高燃料的利用率。

在本发明的一种实施例中，如图1，所述燃料回收回路还包括第二鼓风机19，所述第二鼓风机19的进气口与所述第二水液分离器18的出气口相连，所述第二鼓风机19的出气口与所述燃料混合器6的第一进气口相连。第二鼓风机19加速将未反应充分的燃料加速送到燃料混合器6，提高燃料回收的速度。

在本发明的一种实施例中，如图1，所述余热回收子系统还包括空气回收回路，所述空气回收回路包括空气混合器13和分离器23；所述分离器23的进气口与所述后燃烧室17的出气口相连，所述分离器23的第一出气口与所述空气混合器13的第一进气口连通，所述空气混合器13的第二进气口与所述第二空气管的出气口相连，所述空气混合器13的出气口与所述阴极的进气口相连。

在本实施例中，由于空气供应子系统会供应过量的空气，因此经后燃烧室17燃烧之后，排出的尾气中基本仅剩余空气，将剩余干燥空气经过分离器23再送回空气混合器13，将携带热量的空气回收，与经过预热的空气汇合，一起通入燃料电池14的阴极，减少空气的供应量，同时还能够对供应空气再次进行加热，再次回收尾气中的热量，使得电化学反应的速度进一步提升。

在本发明的一种实施例中，如图1，所述空气回收回路还包括第一鼓风机15，所述第一鼓风机15的进气口与所述分离器23的第一出气口相连，所述第一鼓风机15的出气口与所述空气混合器13的第一进气口相连。第一鼓风机15加速回收尾气的速度。在燃料回收回路和空气回收回路上还可以增设流量监测件或流量监测系统，监测回收燃料和回收空气的流量，便于相应的调节控制输入的空气和燃料的流量。另外，在余热回收子系统中还可以增设温度监测器和预警设备，温度监测器用于监测回收燃料、回收空气的温度、尾气或者燃料电池14的反应温度等，预警设备用于在系统异常运行时发出预警，提醒工作人员及时停机检修。

在本发明的一种实施例中，如图1，所述燃料供应子系统包括依次相连的氢罐1、第一截止阀2、第一减压阀3、第一流量计4和第一单向阀5，所述第一单向阀5的出气口与所述燃料混合器6的第一进气口相连。第一截止阀2用于控制氢气供应的通断，第一减压阀3用于将氢罐1输出的高压氢气降压，第一流量计4用于测量氢气的流量，第一单向阀5用于防止输出的氢气和回收的氢气倒灌。

在本发明的一种实施例中，如图1，所述空气供应子系统包括依次相连的第二截止阀7、第二减压阀8、第二流量计9和第二单向阀10，所述第二截止阀7的输入口用于与空气供应设备的输出端相连，所述第二单向阀10的出气口与所述第一空气管的进气口连通。第二截止阀7用于关断空气的供应，第二减压阀8用于将供应的空气降压，第二流量计9用于测量输送的空气的流量，第二单向阀10用于阻止输出的空气倒灌。

在本发明的一种实施例中，如图1，所述燃料电池发电系统还包括轮机发电子系统，所述轮机发电子系统包括空气压缩机11、涡轮20和发电机21，所述空气压缩机11的进气口与所述第二单向阀10的出气口相连，所述空气压缩机11的出气口与所述第一空气管的进气口相连，所述空气压缩机11的出气口还与所述涡轮20的进气口相连，所述分离器23的第二出气口与所述涡轮20的进气口相连，所述涡轮20的出气口与所述第二级换热器22内的所述第二回收管的进气口相连，所述涡轮20的输出轴与所述发电机21的转轴相连。

在本实施例中，从第二单向阀10输出的空气进入空气压缩机11，被空气压缩机11压缩的空气分别通入第一空气管和涡轮20中，并且后燃烧室17出口连接涡轮20，涡轮20被压缩空气和高热量的尾气驱动，转动的涡轮20带动发电机21转动，进行发电。涡轮20排气所携带的热量在第二级换热器22中被进料空气和燃料回收。

本发明的燃料电池发电系统，设置有固体燃料电堆、燃气轮机和发电机，固体燃料电池和发电机可以协同发电，功率覆盖范围广，可以满足船舶或电网等在更多工况下的动力需求，并能使SOFC电堆和发电机更好的工作在高效率区，从而降低了发电系统的燃料消耗，提高了船舶的经济性和排放性。采用氢能源作为燃料，系统最后排向外界的是无毒无害，不会对大气环境造成污染的零碳尾气。被空气压缩机11压缩后的空气和燃料在SOFC电堆中进行电化学反应，反应后排出的高温高压尾气推动涡轮20做功，带动发电机21发电，从涡轮20中排出的尾气再次对输入的燃料和空气进行预热，余热回收子系统的两级换热器采用逆流双管设计，采用预热套管式加热方式，尾气同时加热燃料和空气，通过两级换热来提高换热效率。涡轮20排出的热气流被送入换热器外管，而冷气流被逆流送入换热器内管，这种情况下SOFC电堆工作温度较高，能同时提高SOFC电堆发电效率和系统整体发电效率。

本发明的燃料电池发电系统实施例中，以H2为燃料，对整个系统进行热平衡计算。SOFC电堆的入口阴阳极气体温度分别为726K、807K，电堆工作在929K，燃烧室工作在1069K，燃料在燃料电池14中的利用率分别为75％，空气过量比为6，燃料电池单片电池尺寸为20*20cm，有效工作面积为18*18cm，450片电池构成固体燃料电池堆，工作电压为0.72V，输出电流密度为0.7A/cm-2，尾气排出温度为579K，系统总发电功率为112kW，系统发电效率为53％。

虽然本发明披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。