基于燃气轮机和熔融碳酸盐燃料电池的混合供能系统的制作方法

本实用新型属于分布式供能系统领域，尤其涉及基于燃气轮机和熔融碳酸盐燃料电池的混合供能系统。

背景技术：

熔融碳酸盐燃料电池是一种以熔融碳酸盐为氧离子导体的高温燃料电池，通常被称为第二代燃料电池，工作温度在973-923K左右。与低温燃料电池相比，在熔融碳酸盐燃料电池的工作温度下，燃料(如天然气)可以直接在电池内部进行转化，既降低了成本，又提高了效率；其次，电池反应的高温余热可用于工业加工或锅炉循环；最后，燃料转化产生的CO不但不会使燃料电池电极催化剂中毒，反而可以成为熔融碳酸盐燃料电池的燃料。

但是，熔融碳酸盐燃料电池有一个显著缺点，即需要向阴极不断地供应CO₂。常规的做法是将阳极析出的CO₂重新输送到阴极，但也增加了系统结构的复杂性。

目前，由天然气驱动燃气轮机是最常见的热电转换装置，但是燃气轮机受卡诺循环限制和燃烧损失影响，系统发电效率仍有待提高。

因此，考虑将常见的热电转换装置与熔融碳酸盐燃料电池相结合，既可以充分利用熔融碳酸盐燃料电池发电过程的原材料和产物，实现燃烧室内的富氧燃烧，又可以利用燃烧室产物中的CO₂保证熔融碳酸盐燃料电池阴极的CO₂含量，进而提高整个系统的发电效率和燃料利用率。

与此同时，燃气轮机的排烟温度高达600℃，直接排走会造成能源浪费，为了对该部分热量进行梯级利用，选用VM循环热泵作为冷热生产设备。

技术实现要素：

针对上述存在的问题和现象，本实用新型提供基于燃气轮机和熔融碳酸盐燃料电池的混合供能系统，旨在通过混合分布式系统满足用户的用能需求，并对剩余热量进行再回收，实现更好的能量梯级利用模式。

为了实现上述目的，本实用新型采取的技术方案为：

基于燃气轮机和熔融碳酸盐燃料电池的混合供能系统，包括：

压气机：其配置为对空气进行压缩；

空气分离器：其配置为对空气进行分离；

转化器：其配置为将燃料转化成熔融碳酸盐燃料电池所需的反应物；

熔融碳酸盐燃料电池阳极：其配置为发生还原反应；

熔融碳酸盐燃料电池阴极：其配置为方式氧化反应；

燃烧室：其配置为将熔融碳酸盐燃料电池阳极排气中的剩余燃料再燃，并进行富氧燃烧，进一步提高燃烧室排气温度；

燃气轮机：其配置为将高温气体的热能转换为机械能；

发电机：其配置为将机械能转变为电能，生产所需电力；

VM循环热泵：其配置为将蒸汽的低温热源转移到高温热源，进行制冷和供暖，满足用户用能需求；

换热器I：其配置为将VM循环热泵热腔的热流体热量传递给冷流体；

换热器II：其配置为将VM循环热泵室温腔的热流体热量传递给冷流体；

换热器III：其配置为将VM循环热泵冷腔的冷流体冷量传递给热流体。

上述的基于燃气轮机和熔融碳酸盐燃料电池的混合供能系统，其中，所述的空气分离器的产物是O₂和N₂产品。

上述的基于燃气轮机和熔融碳酸盐燃料电池的混合供能系统，其中，所述的转化器的产物是CO和H₂。

上述的基于燃气轮机和熔融碳酸盐燃料电池的混合供能系统，其中，所述的熔融碳酸盐燃料电池阳极内的反应物是H₂和CO₃^2-，产物是H₂O和CO₂。

上述的基于燃气轮机和熔融碳酸盐燃料电池的混合供能系统，其中，所述的熔融碳酸盐燃料电池阴极内的反应物是O₂和CO₂，产物是CO₃^2-。

上述的基于燃气轮机和熔融碳酸盐燃料电池的混合供能系统，其中，所述的燃气轮机产生的烟气一部分进入燃烧室，另一部分进入转化器。

上述的基于燃气轮机和熔融碳酸盐燃料电池的混合供能系统，其中，所述的VM 循环热泵通过热腔供应生活热水负荷，通过冷腔供应用户所需冷量，通过室温腔供应热量。

上述的基于燃气轮机和熔融碳酸盐燃料电池的混合供能系统，其中，所述的换热器I与VM循环热泵热腔连接，全年运行。

上述的基于燃气轮机和熔融碳酸盐燃料电池的混合供能系统，其中，所述的换热器II与VM循环热泵室温腔连接，冬季运行，夏季停运。

上述的基于燃气轮机和熔融碳酸盐燃料电池的混合供能系统，其中，所述的换热器III与VM循环热泵冷腔连接，夏季运行，冬季停运。

上述技术方案具有如下优点或者有益效果：

1、熔融碳酸盐燃料电池工作温度高，电极反应活化能小，无论氢的氧化还是氧的还原，都不需要贵金属作催化剂，降低了系统发电成本。

2、燃烧室富氧燃烧得到的CO₂产物直接通入熔融碳酸盐燃料电池阴极作为反应物参加反应，既减少了碳氧化物排放，又保证熔融碳酸盐燃料电池连续工作。

3、燃气轮机排烟通入转化器、燃烧室进行热量回收后，最后驱动VM循环热泵工作，此烟气利用途径既能保证各级用能需求，又可节约能源。

附图说明

通过阅读参考以下的附图对非限制性实施例所作的详细描述，本实用新型及其特征、外形和优点将会变得更加明显。在全部附图中相同的标记指示相同的部分。并未刻意按照比例绘制附图，重点在于示出本实用新型的主旨。

图1.基于燃气轮机和熔融碳酸盐燃料电池的混合供能系统结构示意图

图2.熔融碳酸盐燃料电池工作原理图

图中各标号含义如下：1-压气机；2-空气分离器；3-转化器；4-熔融碳酸盐燃料电池阳极；5-熔融碳酸盐燃料电池阴极；6-燃烧室；7-燃气轮机；8-发电机；9-VM循环热泵；10-换热器I；11-换热器II；12-换热器III；

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本实用新型作进一步的说明，但是不作为本实用新型的限定。

VM循环热泵的工作原理参考中国专利CN101865566A。

如图1所示，本系统包括：压气机1、空气分离器2、转化器3、熔融碳酸盐燃料电池阳极4、熔融碳酸盐燃料电池阴极5、燃烧室6、燃气轮机7、发电机8、VM循环热泵9、换热器I 10、换热器II 11、换热器III 12。空气进入压气机1进行压缩，然后将压缩后的空气通入空气分离器2实现气体分离得到O₂和N₂，N₂作为产品进行单独的收集， O₂则通过输送管道一部分通入熔融碳酸盐燃料电池阴极5，与此同时，燃料CH₄在转化器 3内经过转化得到了H₂并被通入至熔融碳酸盐燃料电池阳极4，O₂与H₂则在熔融碳酸盐燃料电池内发生电化学反应进行发电；空气分离后得到的另一部分O₂通过输送管道通入燃烧室6，与未通入转化器3的燃料CH₄、转化器3的产物CO以及熔融碳酸盐燃料电池阳极4的排气一起在燃烧室6内发生富氧燃烧，同时将该富氧燃烧过程产生的高温烟气通入燃气轮机7膨胀做功推动发电机8发电；并且，燃气轮机7产生的烟气驱动VM循环热泵 9进行工作，冬季通过换热器II 11进行热量交换提供用户需要的供暖量，夏季通过换热器 III 12提供用户需要的制冷量，换热器I 10则供应用户所需的全年生活热水。

下面结合图2介绍熔融碳酸盐燃料电池工作原理。

图2中，熔融碳酸盐燃料电池的结构主要包括上隔板、下隔板、熔融碳酸盐燃料电池阳极4、熔融碳酸盐燃料电池阴极5和电解质板。O₂和CO₂在阴极与电子进行氧化反应产生CO₃^2-，电解质板中的CO₃^2-直接从阴极移动到阳极；燃料中的H₂与CO₃^2-在阳极发生反应生成CO₂、H₂O和电子，电子被集流板收集后到达隔板；最后，通过上、下隔板与负载设备相连构成了包括电子传输和离子移动在内的完整的回路。

本领域技术人员应该理解，本领域技术人员结合现有技术以及上述实施例可以实现所述变化例，在此不予赘述。这样的变化例并不影响本实用新型的实质内容，在此不予赘述。

以上对本实用新型的较佳实施例进行了描述。需要理解的是，本实用新型并不局限于上述特定实施方式，其中未尽详细描述的设备和结构应该理解为用本领域中的普通方式予以实施；任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本实用新型技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例，这并不影响本实用新型的实质内容。因此，凡是未脱离本实用新型技术方案的内容，依据本实用新型的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本实用新型技术方案保护的范围内。