一种基于燃料电池的混合动力发电系统

本发明涉及能源利用，特别是涉及一种基于燃料电池的混合动力发电系统。

背景技术：

1、燃料电池发电厂作为一种高效、洁净的发电技术高度契合双碳政策。这种发电方式能够直接使化学能转变为电能，跳过了中间的能源转换环节，从而大大提高了发电的效率。目前，大多的燃料电池发电厂方案包括燃料准备和处理子系统，这其中包括一个重整反应堆和热交换器，以及具有燃料电池组的发电子系统，该燃料电池组由包含固体氧化物燃料电池堆的标准化模块组成，但这种结构的燃料电池发电厂浪费了固体氧化物燃料电池堆电池出口处的气体混合物的能量，不加以利用会造成能源的浪费。

技术实现思路

1、发明目的：本发明的目的是提供一种基于燃料电池的混合动力发电系统，实现对燃料电池出口处气体的热能最大化利用进行发电。

2、技术方案：为实现上述目的，本发明所述的一种基于燃料电池的混合动力发电系统，包括燃料发电组、燃料电池组、蒸汽轮机发电组、热能回收组件、多级换热组件；其中热能回收组件先对燃料电池组排出的废气余热进行回收，回收后的废气用于带动燃料发电组发电；多级换热组件利用燃料电池组排出的废气余热与外部引入的水体进行换热，换热后的水体进一步加热产生蒸汽，带动蒸汽轮机发电组发电，换热后的废气被引入到废气处理系统中进行处理。

3、其中，所述燃料电池组烟囱出口设有与其相连通的燃烧室，燃烧室将燃料发电组排出的废气进一步燃烧产生高温高压气体，所述高温高压气体分别经过热能回收组、多级换热组件进行余热回收利用。

4、其中，所述高温高压气体经过热能回收组进行余热回收利用具体为：热能回收组件在燃烧室与燃料发电组之间设有空气预热器，所述燃烧室产生的高温高压气体经过空气预热器对引入空气预热器的空气进行热交换，经过热交换后的空气被引入到燃料发电组阴极中参与还原反应，经过热交换的高温高压气体被引入燃料发电组中，带动燃料发电组中的涡轮做工。

5、其中，所述热能回收组件还设有回热式空气预热器，回热式空气预热器与涡轮出口相连通，经过涡轮做工后高温高压气体被引入到回热式空气预热器中，与从外部引入到回热式空气预热器的空气进行热交换；其中，经过热交换后的空气被引入空气预热器器再次经过热交换；所述引入回热式空气预热器的外部空气是由燃料发电组中的压缩机将空气进行压缩后提供的；所述经过回热式空气预热器热交换后的气体引入到气体冷却器中，被冷却到计算温度，冷却后的气体经过燃料发电组中的排气增压器进行压缩后排放。

6、其中，在所述燃料电池组阳极烟囱出口和燃烧室入口之间还设有喷射器，燃料电池组阳极排出的一部分废气和燃烧原料通过外部管道和喷射器输送到两段式重整反应器中进行甲醇重整制氢，转化为可用的氢气引入到燃料电池组阳极内。

7、其中，所述高温高压气体经过多级换热组件进行余热回收利用具体为：所述燃烧室产生的高温高压气体被引入到多级换热组件，以对从外部引入的水进行多级预热，预热后的水被引入到蒸汽轮机发电组的锅炉内，锅炉内的水进一步加热后所产生的蒸汽被引入到蒸汽轮机使其达到工作压力后，膨胀做功产生电能。

8、其中，所述多级换热组件包括各级换热器，其中，最后一级换热器的进气口与燃烧室相连，后一级换热器的出气口与前一级换热器的进气口相连，第一级换热器的出气口与废气处理系统进气口相连；第一级换热器的进水口与外部相连，从而引进外部水，前一级换热器的出水口与后一级换热器的进水口相连，最后一级换热器的出水口与锅炉进水口相连。

9、其中，所述多级换热组件中在每级换热器的下方均设有废水暂存箱，用于存放各级换热器中的冷凝液，冷凝液是各级换热器在换热过程中，废气通过冷凝形成的凝结废水；废水暂存箱与废液处理池连通，所述废液处理池通过分离、中和、沉淀、过滤与消毒工艺对废水进行无害化处理。

10、其中，在所述各级换热器的进出水口之间设置有水泵和压力变送器，用于对水体进行增压和压力监测。

11、其中，所述废气处理系统包括脱硫、脱硝、颗粒物过滤与烟气脱碳处理设备；其中，脱硫设备包括湿法烟气脱硫装置和干法烟气脱硫装置，脱硝设备包括选择性催化还原scr和选择性非催化还原sncr系统；颗粒物过滤设备包括静电除尘器、布袋除尘器和电袋复合除尘器；烟气脱碳设备包括化学吸收装置和物理吸附装置。

12、有益效果：本发明具有如下优点：1、本系统实现能源的最大化循环利用的同时也减少了废气排放，同时对排放的废气和废水进行无害化处理，符合能源可持续发展的要求；

13、2、本系统通过设置的多级换热器将外部引入的水体进行有效的分级预热，充分吸收废气中所含有的能量，并在换热后通过锅炉加热形成蒸汽，通过后续加压后可直接用作蒸汽轮机发电，有效回收了燃料电池组中废气所携带的热能，且经过两次转换能源损耗较小，具有较大的经济效益；

14、3、本系统利用热能回收组与多级换热组件同步充分吸收废气中所含有的能量，在利用废气带动燃料发电组发电的同时，加热引入燃料电池组阴极的空气，实现了能源的闭合循环利用和最大化利用。

技术特征：

1.一种基于燃料电池的混合动力发电系统，其特征在于，包括燃料发电组、燃料电池组、蒸汽轮机发电组、热能回收组件、多级换热组件；其中热能回收组件先对燃料电池组排出的废气余热进行回收，回收后的废气用于带动燃料发电组发电；多级换热组件利用燃料电池组排出的废气余热与外部引入的水体进行换热，换热后的水体进一步加热产生蒸汽，带动蒸汽轮机发电组发电，换热后的废气被引入到废气处理系统(16)中进行处理。

2.根据权利要求1所述的基于燃料电池的混合动力发电系统，其特征在于，所述燃料电池组烟囱出口设有与其相连通的燃烧室(12)，燃烧室(12)将燃料发电组排出的废气进一步燃烧产生高温高压气体，所述高温高压气体分别经过热能回收组、多级换热组件进行余热回收利用。

3.根据权利要求2所述的基于燃料电池的混合动力发电系统，其特征在于，所述高温高压气体经过热能回收组进行余热回收利用具体为：热能回收组件在燃烧室(12)与燃料发电组之间设有空气预热器(7)，所述燃烧室(12)产生的高温高压气体经过空气预热器(7)对引入空气预热器(7)的空气进行热交换，经过热交换后的空气被引入到燃料发电组阴极中参与还原反应，经过热交换的高温高压气体被引入燃料发电组中，带动燃料发电组中的涡轮(3)做工。

4.根据权利要求3所述的基于燃料电池的混合动力发电系统，其特征在于，所述热能回收组件还设有回热式空气预热器(6)，回热式空气预热器(6)与涡轮(3)出口相连通，经过涡轮(3)做工后高温高压气体被引入到回热式空气预热器(6)中，与从外部引入到回热式空气预热器(6)的空气进行热交换；其中，经过热交换后的空气被引入空气预热器器(7)再次经过热交换；所述引入回热式空气预热器(6)的外部空气是由燃料发电组中的压缩机(2)将空气进行压缩后提供的；所述经过回热式空气预热器(6)热交换后的气体引入到气体冷却器(5)中，被冷却到计算温度，冷却后的气体经过燃料发电组中的排气增压器(4)进行压缩后排放。

5.根据权利要求2所述的基于燃料电池的混合动力发电系统，其特征在于，在所述燃料电池组阳极烟囱出口和燃烧室(12)入口之间还设有喷射器(9)，燃料电池组阳极排出的一部分废气和燃烧原料通过外部管道(8)和喷射器(9)输送到两段式重整反应器10中进行甲醇重整制氢，转化为可用的氢气引入到燃料电池组阳极内。

6.根据权利要求2所述的基于燃料电池的混合动力发电系统，其特征在于，所述高温高压气体经过多级换热组件进行余热回收利用具体为：所述燃烧室(12)产生的高温高压气体被引入到多级换热组件，以对从外部引入的水进行多级预热，预热后的水被引入到蒸汽轮机发电组的锅炉(19)内，锅炉(19)内的水进一步加热后所产生的蒸汽被引入到蒸汽轮机使其达到工作压力后，膨胀做功产生电能。

7.根据权利要求6所述的基于燃料电池的混合动力发电系统，其特征在于，所述多级换热组件包括各级换热器，其中，最后一级换热器的进气口与燃烧室(12)相连，后一级换热器的出气口与前一级换热器的进气口相连，第一级换热器的出气口与废气处理系统(16)进气口相连；第一级换热器的进水口与外部相连，从而引进外部水，前一级换热器的出水口与后一级换热器的进水口相连，最后一级换热器的出水口与锅炉(19)进水口相连。

8.根据权利要求7所述的基于燃料电池的混合动力发电系统，其特征在于，所述多级换热组件中在每级换热器的下方均设有废水暂存箱(17)，用于存放各级换热器中的冷凝液，冷凝液是各级换热器在换热过程中，废气通过冷凝形成的凝结废水；废水暂存箱(17)与废液处理池(18)连通，所述废液处理池(18)通过分离、中和、沉淀、过滤与消毒工艺对废水进行无害化处理。

9.根据权利要求7所述的基于燃料电池的混合动力发电系统，其特征在于，在所述各级换热器的进出水口之间设置有水泵和压力变送器，用于对水体进行增压和压力监测。

10.根据权利要求6所述的基于燃料电池的混合动力发电系统，其特征在于，所述废气处理系统(16)包括脱硫、脱硝、颗粒物过滤与烟气脱碳处理设备；其中，脱硫设备包括湿法烟气脱硫装置和干法烟气脱硫装置，脱硝设备包括选择性催化还原scr和选择性非催化还原sncr系统；颗粒物过滤设备包括静电除尘器、布袋除尘器和电袋复合除尘器；烟气脱碳设备包括化学吸收装置和物理吸附装置。

技术总结本发明公开了一种基于燃料电池的混合动力发电系统，包括燃料发电组、燃料电池组、蒸汽轮机发电组、热能回收组件、多级换热组件；其中热能回收组件先对燃料电池组排出的废气余热进行回收，回收后的废气用于带动燃料发电组发电；多级换热组件利用燃料电池组排出的废气余热与外部引入的水体进行换热，换热后的水体进一步加热产生蒸汽，带动蒸汽轮机发电组发电。本发明能够对燃料电池组排出气体多次进行余热利用，包括带动燃料发电组发电、蒸汽轮机发电组发电，实现能源的最大化循环利用。技术研发人员：陈代芬,张哲,谢斌·谢尔盖,孙燕语,樊涌炀受保护的技术使用者：江苏科技大学技术研发日：技术公布日：2024/9/12