基于燃料电池的混合余热回收发电系统及余热利用方法

1.本发明涉及与天然气燃料电池发电技术领域，尤其是基于燃料电池的混合余热回收发电系统及余热利用方法。


背景技术：

2.燃料电池发电系统可以通过电化学反应连续地将燃料和氧化剂中的化学能直接转化为电能，其能源转化效率不受卡诺循环效率的限制，能大幅提高发电效率，易于实现污染物及二氧化碳近零排放。燃料电池内没有旋转运动部件，机械损失小，噪音低，且对负载变动的响应速度快，变负荷过程中发电效率波动不大，供电稳定性好。此外，燃料电池还具有体积小，结构简单，维护便利的特点。
3.天然气燃料电池发电系统中的尾气的主要成分为co与h2，以及未转化的ch4，具有较高的热值，通常采用纯氧燃烧的方式，再使用燃气透平、余热锅炉等设备梯级利用尾气热量。这种传统利用方式存在底循环效率较低的问题。


技术实现要素：

4.针对现有技术的不足，本发明提供基于燃料电池的混合余热回收发电系统及余热利用方法，目的是提高发电效率。
5.本发明采用的技术方案如下：
6.一种基于燃料电池的混合余热回收发电系统，包括：
7.燃料重整器，其出口与燃料电池阳极入口连接、入口分别与蒸汽透平出口和天然气气源连接；
8.阳极回热器，利用压缩空气回收所述燃料电池阳极尾气的余热，并将升温后的空气供给阴极回热器，将降温后的阳极尾气供给多级压缩机；
9.所述阴极回热器，利用燃料电池阴极尾气的热量加热来自所述阳极回热器的空气，并将升温后的空气供给燃料电池阴极，将降温后的阴极尾气供给空气透平，驱动空气透平做功；
10.所述多级压缩机，其入口与所述阳极回热器尾气侧出口连接，出口分别与低温回热器冷侧入口、内部回热器冷侧入口相连；
11.所述低温回热器，利用燃气轮机乏气的余热加热多级压缩机输出的一部分尾气，并送入所述燃烧器的燃料入口；
12.所述内部回热器，利用co2燃气透平乏气的余热加热多级压缩机输出的另一部分尾气，并送入所述燃烧器的燃料入口；
13.所述燃烧器，其出口与所述co2燃气透平入口相连，co2燃气透平出口与所述内部回热器热侧入口连接，内部回热器热侧出口与余热锅炉第一加热介质入口相连；
14.所述余热锅炉，其第二加热介质入口与所述空气透平出口相连，余热锅炉工质出口与所述蒸汽透平入口相连；
15.空气压缩机，用于为所述燃烧器供氧，并为所述阳极回热器供冷。
16.其进一步技术方案为：
17.所述空气压缩机的出口连接两个支路，第一支路依次通过深冷空分器、氧压机与所述燃烧器氧气入口相连，第二支路与所述阳极回热器空气侧入口相连。
18.所述阳极回热器空气侧出口与所述阴极回热器冷侧入口相连，阴极回热器冷侧出口与燃料电池阴极入口相连，阴极回热器热侧入口与所述燃料电池阴极尾气出口相连，阴极回热器热侧出口与所述空气透平入口相连。
19.所述阳极回热器尾气侧入口与燃料电池阳极尾气出口相连。
20.所述内部回热器冷侧出口、所述低温回热器冷侧出口通过汇合管路与所述燃烧器的燃料入口相连。
21.还包括co2捕集系统，与所述余热锅炉加热介质出口相连，用于捕集尾气中的co2。
22.所述co2捕集系统的结构包括尾气冷凝器，尾气冷凝器入口与所述余热锅炉加热介质出口连接，尾气冷凝器出口与气水分离器入口相连，气水分离器的顶部气体出口经过co2压缩机与co2冷凝器入口连接，co2冷凝器出口连接液态co2储罐。
23.所述气水分离器的底部设置有凝水出口。
24.所述燃气轮机为任一发电系统中的燃气轮机，所述燃气轮机乏气出口与所述低温回热器热侧入口相连，低温回热器热侧出口与燃气轮机乏气出口下游侧端口相连。
25.一种所述的基于燃料电池的混合余热回收发电系统的余热利用方法，将燃料电池阳极尾气经阳极回热器预冷、再经多级压缩机增压，然后将多级压缩机输出的阳极尾气分成两份，并分别经低温回热器、内部回热器加热，然后将加热后的两份阳极尾气混合并送入燃烧器作为可燃物，从而提高燃烧器可燃物入口温度，使燃烧后尾气处于超临界状，进而提高co2燃气透平入口的温度。
26.本发明的有益效果如下：
27.本发明利用低温回热器、内部回热器构成的“分流预热结构”，对多级压缩机出口的阳极尾气进行分流预热，提高了燃烧器出口燃烧尾气的温度，使燃烧后的二氧化碳达到超临界状态，利用超临界二氧化碳推动co2燃气透平做功，与常规超临界二氧化碳布雷顿循环发电系统相比，提高了燃烧器入口温度，进而提高了co2燃气透平入口温度，从而极大地提高了发电效率。其中，内部回热器充分利用了co2燃气透平的回热，低温回热器充分利用了外部某燃气轮机发电系统中燃气轮机余热，提高了系统的热效率。
28.本发明对燃气轮机的废热进行了有效利用，减少了能源浪费，进一步提高系统热效率。
29.本发明兼顾了co2捕集功能，可高效、低成本地实现煤电发电的co2减排。
30.本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。
附图说明
31.图1为本发明实施例的结构示意图。
32.图中：1、燃料重整器；2、燃料电池；3、空气压缩机；4、阳极回热器；5、阴极回热器；6、空气透平；7、多级压缩机；8、低温回热器；9、内部回热器；10、余热锅炉；11、燃烧器；12、深
冷空分器；13、氧压机；14、co2燃气透平；15、尾气冷凝器；16、气水分离器；17、co2压缩机；18、co2冷凝器；19、蒸汽透平。
具体实施方式
33.以下结合附图说明本发明的具体实施方式。
34.参见图1，本技术实施例提供一种基于燃料电池的混合余热回收发电系统，包括：
35.燃料重整器1，其出口与燃料电池2阳极入口连接、入口分别与蒸汽透平19出口和天然气气源连接；
36.阳极回热器4，利用压缩空气回收燃料电池2阳极尾气的余热，并将升温后的空气供给阴极回热器5，将降温后的阳极尾气供给多级压缩机7；
37.阴极回热器5，利用燃料电池2阴极尾气的热量加热来自阳极回热器4的空气，并将升温后的空气供给燃料电池2阴极，将降温后的阴极尾气供给空气透平6，驱动空气透平6做功；
38.多级压缩机7，其入口与阳极回热器4尾气侧出口连接，出口分别与低温回热器8冷侧入口、内部回热器9冷侧入口相连；
39.低温回热器8，利用燃气轮机乏气的余热加热多级压缩机7输出的一部分尾气，并送入燃烧器11的燃料入口；
40.内部回热器9，利用co2燃气透平14乏气的余热加热多级压缩机7输出的另一部分尾气，并送入燃烧器11的燃料入口；
41.燃烧器11，其出口与co2燃气透平14入口相连，co2燃气透平14出口与内部回热器9热侧入口连接，内部回热器9热侧出口与余热锅炉10第一加热介质入口相连；
42.余热锅炉10，其第二加热介质入口与空气透平6出口相连，余热锅炉10工质出口与蒸汽透平19入口相连；
43.空气压缩机3，用于为燃烧器11供氧，并为阳极回热器4供冷。
44.具体的，空气压缩机3的出口连接两个支路，第一支路依次通过深冷空分器12、氧压机13与燃烧器11氧气入口相连，第二支路与阳极回热器4空气侧入口相连。
45.具体的，阳极回热器4空气侧出口与阴极回热器5冷侧入口相连，阴极回热器5冷侧出口与燃料电池2阴极入口相连，阴极回热器5热侧入口与燃料电池2阴极尾气出口相连，阴极回热器5热侧出口与空气透平6入口相连。
46.具体的，阳极回热器4尾气侧入口与燃料电池2阳极尾气出口相连。
47.具体的，内部回热器9冷侧出口、低温回热器8冷侧出口通过汇合管路与燃烧器11的燃料入口相连。
48.具体的，从空气透平6输出的加热介质进入余热锅炉10被其工质吸热后，降温后的加热介质排到空气中。
49.本实施例发电系统的工作流程为：
50.参见图1中浅灰色连线，空气经过空气压缩机3加压后，一部分空气从阳极回热器4冷侧入口送入阳极回热器4，被预热后，从阴极回热器5冷侧入口送入阴极回热器5，被加热后产生的高温高压空气从冷侧出口送至燃料电池2阴极入口，高温空气在燃料电池2中反应，反应后的阴极排气送入阴极回热器5热侧入口，换热后从阴极回热器5热侧出口送入空
气透平6做功发电，做功后的空气从空气透平6出口送入余热锅炉10，被锅炉回收余热后排入大气；另一部分空气送入深冷空分器12，产生纯氧，送入氧压机13然后在送至燃烧器11。
51.同时，从蒸汽透平19中抽取的一股蒸汽和天然气一同送入燃料重整器1，随后送入燃料电池2阳极，作为燃料进行反应。
52.参见图1中黑色连线，燃料电池2阳极尾气从阳极回热器4热侧入口送入阳极回热器4略降温后，送入多级压缩机7加压，经过多级压缩之后分为两股流体，一股进入内部回热器9，而另一股进入低温回热器8。两股流体分别换热后，再次汇合，一起进入燃烧器11进行燃烧，产生的高温高压气体送至co2燃气透平14，做功发电。co2燃气透平14出口乏气送入内部回热器9热侧入口，再从内部回热器9热侧出口送入余热锅炉10继续被回收热量，余热锅炉10产生的过热蒸汽送入蒸汽透平19，做功发电。
53.其中，低温回热器8利用燃气轮机乏气的余热加热多级压缩机7输出的一部分尾气，并送入燃烧器11的燃料入口。所述燃气轮机为任一发电系统中的燃气轮机，燃气轮机乏气出口与低温回热器8热侧入口相连，低温回热器8热侧出口与燃气轮机乏气出口下游侧端口相连，即被利用了余热的乏气再回到燃气轮机继续进行循环。
54.本实施例的基于燃料电池的混合余热回收发电系统，还包括co2捕集系统，与余热锅炉10加热介质出口相连，用于捕集尾气中的co2。
55.具体的，co2捕集系统的结构包括尾气冷凝器15，尾气冷凝器15入口与余热锅炉10加热介质出口连接，尾气冷凝器15出口与气水分离器16入口相连，气水分离器16的顶部气体出口经过co2压缩机17与co2冷凝器18入口连接，co2冷凝器18出口连接液态co2储罐。
56.气水分离器16的底部设置有凝水出口。
57.余热锅炉10加热介质出口排出的尾气经过尾气冷凝器15降温后，送入气水分离器16。气水分离器16底部出口送出凝水，顶部出口气体主要成分为co2，送入co2压缩机17加压后，再送入co2冷凝器18继续降温，co2冷凝器18出口为液态co2，作为产品送出系统。
58.可以理解的是，本实施例发电系统产生的电能包括燃料电池2产电、以及分别与co2燃气透平14、蒸汽透平19、空气透平6相连的发电机产生的电能。
59.本技术实施例还提供一种所述的基于燃料电池的混合余热回收发电系统的余热利用方法，包括：
60.将燃料电池2阳极尾气经阳极回热器4预冷、再经多级压缩机7增压，然后将多级压缩机7输出的阳极尾气分成两份，并分别经低温回热器8、内部回热器9加热，然后将加热后的两份阳极尾气混合并送入燃烧器11作为可燃物，从而提高燃烧器11的可燃物入口温度，使燃烧后尾气处于超临界状，进而提高co2燃气透平14入口的温度。
61.本实施例的基于燃料电池的混合余热回收发电系统，利用低温回热器8、内部回热器9构成的“分流预热结构”，对多级压缩机7出口的阳极尾气进行分流预热，提高了燃烧器11出口燃烧尾气的温度，使燃烧后的二氧化碳达到超临界状态，利用超临界二氧化碳推动co2燃气透平14做功，与常规的超临界二氧化碳布雷顿循环系统相比，提高了co2燃气透平14入口温度，进而极大地提高了发电效率。内部回热器9充分利用了co2燃气透平14的回热，低温回热器8充分利用了外部某燃气轮机发电系统中燃气轮机余热，提高了系统的热效率。
62.本领域普通技术人员可以理解：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员
来说，其依然可以对前述各实施例记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种基于燃料电池的混合余热回收发电系统，其特征在于，包括：燃料重整器(1)，其出口与燃料电池(2)阳极入口连接、入口分别与蒸汽透平(19)出口和天然气气源连接；阳极回热器(4)，利用压缩空气回收所述燃料电池(2)阳极尾气的余热，并将升温后的空气供给阴极回热器(5)，将降温后的阳极尾气供给多级压缩机(7)；所述阴极回热器(5)，利用燃料电池(2)阴极尾气的热量加热来自所述阳极回热器(4)的空气，并将升温后的空气供给燃料电池(2)阴极，将降温后的阴极尾气供给空气透平(6)，驱动空气透平(6)做功；所述多级压缩机(7)，其入口与所述阳极回热器(4)尾气侧出口连接，出口分别与低温回热器(8)冷侧入口、内部回热器(9)冷侧入口相连；所述低温回热器(8)，利用燃气轮机乏气的余热加热多级压缩机(7)输出的一部分尾气，并送入所述燃烧器(11)的燃料入口；所述内部回热器(9)，利用co2燃气透平(14)乏气的余热加热多级压缩机(7)输出的另一部分尾气，并送入所述燃烧器(11)的燃料入口；所述燃烧器(11)，其出口与所述co2燃气透平(14)入口相连，co2燃气透平(14)出口与所述内部回热器(9)热侧入口连接，内部回热器(9)热侧出口与余热锅炉(10)第一加热介质入口相连；所述余热锅炉(10)，其第二加热介质入口与所述空气透平(6)出口相连，余热锅炉(10)工质出口与所述蒸汽透平(19)入口相连；空气压缩机(3)，用于为所述燃烧器(11)供氧，并为所述阳极回热器(4)供冷。2.根据权利要求1所述的基于燃料电池的混合余热回收发电系统，其特征在于，所述空气压缩机(3)的出口连接两个支路，第一支路依次通过深冷空分器(12)、氧压机(13)与所述燃烧器(11)氧气入口相连，第二支路与所述阳极回热器(4)空气侧入口相连。3.根据权利要求2所述的基于燃料电池的混合余热回收发电系统，其特征在于，所述阳极回热器(4)空气侧出口与所述阴极回热器(5)冷侧入口相连，阴极回热器(5)冷侧出口与燃料电池(2)阴极入口相连，阴极回热器(5)热侧入口与所述燃料电池(2)阴极尾气出口相连，阴极回热器(5)热侧出口与所述空气透平(6)入口相连。4.根据权利要求3所述的基于燃料电池的混合余热回收发电系统，其特征在于，所述阳极回热器(4)尾气侧入口与燃料电池(2)阳极尾气出口相连。5.根据权利要求1所述的基于燃料电池的混合余热回收发电系统，其特征在于，所述内部回热器(9)冷侧出口、所述低温回热器(8)冷侧出口通过汇合管路与所述燃烧器(11)的燃料入口相连。6.根据权利要求1所述的基于燃料电池的混合余热回收发电系统，其特征在于，还包括co2捕集系统，与所述余热锅炉(10)加热介质出口相连，用于捕集尾气中的co2。7.根据权利要求6所述的基于燃料电池的混合余热回收发电系统，其特征在于，所述co2捕集系统的结构包括尾气冷凝器(15)，尾气冷凝器(15)入口与所述余热锅炉(10)加热介质出口连接，尾气冷凝器(15)出口与气水分离器(16)入口相连，气水分离器(16)的顶部气体出口经过co2压缩机(17)与co2冷凝器(18)入口连接，co2冷凝器(18)出口连接液态co2储罐。8.根据权利要求7所述的基于燃料电池的混合余热回收发电系统，其特征在于，所述气
水分离器(16)的底部设置有凝水出口。9.根据权利要求1所述的基于燃料电池的混合余热回收发电系统，其特征在于，所述燃气轮机为任一发电系统中的燃气轮机，所述燃气轮机乏气出口与所述低温回热器(8)热侧入口相连，低温回热器(8)热侧出口与燃气轮机乏气出口下游侧端口相连。10.一种如权利要求1-9之一项所述的基于燃料电池的混合余热回收发电系统的余热利用方法，其特征在于，将燃料电池(2)阳极尾气经阳极回热器(4)预冷、再经多级压缩机(7)增压，然后将多级压缩机(7)输出的阳极尾气分成两份，并分别经低温回热器(8)、内部回热器(9)加热，然后将加热后的两份阳极尾气混合并送入燃烧器(11)作为可燃物，从而提高燃烧器(11)可燃物入口温度，使燃烧后尾气处于超临界状，进而提高co2燃气透平(14)入口的温度。

技术总结
本发明涉及一种基于燃料电池的混合余热回收发电系统及余热利用方法，利用低温回热器、内部回热器构成的“分流预热结构”，对多级压缩机出口的阳极尾气进行分流预热，提高了燃烧器出口燃烧尾气的温度，使燃烧后的二氧化碳达到超临界状态，利用超临界二氧化碳推动CO2燃气透平做功，与常规超临界二氧化碳布雷顿循环发电系统相比，提高了燃烧器入口温度，进而提高了CO2燃气透平入口温度，从而极大地提高了发电效率。其中，内部回热器充分利用了CO2燃气透平的回热，低温回热器充分利用了外部某燃气轮机发电系统中燃气轮机余热，提高了系统的热效率。热效率。热效率。


技术研发人员：曹越 吴忠亮 王有娜 曹润青
受保护的技术使用者：东南大学
技术研发日：2023.04.11
技术公布日：2023/8/5