一种固体氧化物燃料电池与燃气轮机组成的动力系统技术方案

本发明专利技术公开了一种固体氧化物燃料电池与燃气轮机组成的动力系统，包括中冷回热燃气轮机和超临界制冷剂朗肯循环系统。既可用于大中型集中式发电，也适用于中小型分布式发电以及各种交通工具，比单独的固体氧化物燃料电池或者燃气轮机具备更高的发电效率，也具备超低污染物排放、部分负荷性能好、变负荷迅速的优点，是未来非常有竞争力的动力系统，能满足碳中和时代对动力系统的各种要求。时代对动力系统的各种要求。时代对动力系统的各种要求。

【技术实现步骤摘要】
一种固体氧化物燃料电池与燃气轮机组成的动力系统


[0001]本专利技术涉及一种固体氧化物燃料电池与燃气轮机、超临界制冷剂朗肯循环组成的动力系统。

技术介绍

[0002]英国人瓦特在18世纪改进了纽可门蒸汽机，大幅提升了热机效率，在煤炭工业的配合下促进了第一次工业革命。德国人奥托、狄赛尔在19世纪相继专利技术了汽油机、柴油机，开启了内燃机时代，并在石油天然气工业的配合下启动了第二次工业革命。与此同时，以蒸汽为工质的蒸汽机也由活塞式进化为转动式的蒸汽轮机，电力也得到了广泛应用。从20世纪开始，燃气轮机这种同样以烟气为工质的转动式设备开始展现出对活塞式内燃机的一些优势，并在航空和发电领域获得了广泛应用，但是并没有像蒸汽轮机取代蒸汽机那样彻底取代活塞式内燃机，后者至今仍是陆地、海上交通动力装置的绝对主力。几十年来燃气轮机在陆地交通方向的努力是失败的，在船舶动力方面也仅仅应用于少数军用舰船上。在陆上发电领域，燃气轮机还是要与以蒸汽为工质的蒸汽轮机配合形成燃气
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蒸汽联合循环，其在部分负荷下的效率以及变负荷速率方面难以满足可再生能源的调控需求。虽然人类在其他领域诸如原子能、半导体、互联网等领域取得了长足进展并且声称进入了第三次甚至第四次工业革命，但是在动力领域依然处于第二次工业革命的末期。下一次动力装置的革命必须满足以下条件：使用氢气、甲醇、液氨、生物柴油等碳中和燃料并且大气污染物排放量极低；可与锂/钠电池配合实现交通工具的电气化；效率明显超越活塞式内燃机并且具备快速的变负荷能力；制造材料需易于取得，可保证大规模量产带来的规模效应；系统规模涵盖范围广，从乘用车到卡车、分布式发电站乃至大型船舶和中大型火力发电厂都可以得到应用。

技术实现思路

[0003]本专利技术的目的是解决
技术介绍
中存在的问题，提供一种固体氧化物燃料电池与燃气轮机、超临界制冷剂朗肯循环组成的动力系统。
[0004]为解决上述技术问题，本专利技术提供的技术方案为：一种固体氧化物燃料电池与燃气轮机组成的动力系统，包括中冷回热燃气轮机和超临界制冷剂朗肯循环系统；
[0005]所述的中冷回热燃气轮机包括：
[0006]第一固体氧化物燃料电池和第二固体氧化物燃料电池；
[0007]通过制冷剂工作流体冷却压缩空气的第一中冷器、第二中冷器；
[0008]一压缩机，所述压缩机的压气机部分由第一中冷器、第二中冷器隔开；
[0009]通过燃烧燃料或催化反应来加热压缩气体的第一燃烧器和第二燃烧器；
[0010]用于产生输出功率的第一制冷剂流体涡轮和第二制冷剂流体涡轮；
[0011]燃机主回热器，在进入燃烧器/加热器之前加热压缩空气；
[0012]所述的超临界制冷剂朗肯循环系统包括：
[0013]用于将超临界制冷剂流体预热并加热到临界温度以上的第一烟道气体热交换器
和第二烟道气体热交换器；
[0014]通过制冷剂流体膨胀产生输出功率的一或多个制冷剂流体涡轮机；
[0015]将汽态流体冷凝成液态或冷却超临界态的制冷剂的冷凝器；
[0016]将制冷剂流体加压到临界压力以上的压力泵；
[0017]用于回收制冷剂涡轮机排出废热的制冷剂回热器。
[0018]作为优选，所述的制冷剂流体涡轮机为两个，分别为第一制冷剂流体涡轮和第二制冷剂流体涡轮。
[0019]作为优选，第一烟道气体热交换器即制冷剂流体加热器，第二烟道气体热交换器即制冷剂流体预热器。
[0020]本专利技术具有如下优点：
[0021]1.与现有燃机和固体氧化物燃料电池(GT+SOFC)的组合相比，本专利最大优势是功率密度大大增强。GT+SOFC概念已经有几十年的历史，但是已有的MGT+SOFC系统都存在一个致命的缺点，即燃气轮机的压比过低，通常在3
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5之间，而本专利技术的压比在小、微燃机上可以达到15以上，应用于大型燃机则能达到40。这意味着同样的小、微燃机输出功率条件下本专利技术的GT只需要1/6
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1/10的体积，同时新工艺中SOFC的功率密度也随着工作压力的增加而大幅提升，而且由于燃机压比较高，第二个甚至第三个SOFC可作为燃气轮机的再热器与第一个SOFC共用一套燃机，进而进一步提升了功率密度，使GT+SOFC系统的载具化首次成为可能，反观旧有GT+SOFC方案由于低压比导致的庞大体积重量只能用于分布式发电场合，成本也居高不下。
[0022]2.与锂/钠电池等纯电动装置相比，本专利具有十分明显的诸多优势。锂电池由能量密度欠佳导致续航力不足的情况预计要持续很长时间,即便是有些交通工具采用大容量电池勉强解决续航力的问题,依然存在如下弱点：过大的电池组增加了设备死重，带来额外的能耗；过大的电池容量在快速充电的要求下必然导致大功率用电负荷，对电网基础设施造成冲击；不同类型的电池组在耐低温性能与能量密度之间难以兼顾；无论是交通工具还是分布式领域,往往伴随热负荷需求,而用电力直接供暖属于典型的高品位能源低价值利用，也影响了电池组的持续力.即使采用热泵技术也无法从根本上解决问题，因为热泵的COP越是在低温下越低。此外地壳中蕴藏的锂、钴等元素并不丰富,电池组的大规模推广存在资源瓶颈，而且废旧电池如果回收处理不好会带来较严重的环境污染。本专利可燃用气态、液态等新型碳中和燃料，不存在续航力、供热制冷等局限,也不存在资源瓶颈和废旧设备环境污染隐患，NOx/CO等大气污染物排放也极低。需要注意的是电池组的电力依然来自电网，而太阳能、风能等可再生资源由于本身间歇性的缺点导致必然有很大比重的电力依然要由热力发电厂提供，或者由储热、电解氢气、压缩空气等各种储能设施提供，因此在可预见的将来,纯电动方案依然要依靠热机、燃料电池来提供大部分电力,而本专利的发电效率和污染物排放指标已经优于现有的集中式大型热力发电厂，既可以提供电网的电力，也可以在各种交通工具上直接发电。
[0023]3.与质子交换膜燃料电池(PEMFC)相比,本专利的优势在于在制造过程中无需贵重金属，对燃料纯度要求低，燃料种类适应性强等优点。PEMPC的特点在于功率密度较高，目前电堆功率密度可达4
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5kW/升，系统功率密度可达1kW/升，而低压(<3Bar)板式SOFC的电堆功率密度在0.4
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0.5kW/升左右，本专利使用加压SOFC，电堆功率密度可达0.8
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1kW/升，压气
机、回热器等辅助设备与燃气轮机共用，而高压比燃气轮机的系统功率密度明显强于PEMFC，因此整个GT+SOFC的系统功率密度可达1kW以上。值得指出的是目前先进水平的PEMFC在满负荷运行时发电效率已经跌至40％，主要原因是自带的空气压缩机的自耗电随着负荷增加急剧攀升,此时PEMFC的效率已经完全无法与本专利相比，而要保持PEMFC在较高效率必须降低负荷率，换言之PEMFC系统功率密度在高效率条件限制下其实明显低于1kW/升。高效率与高功率密度无法同时兼顾是PEMFC的明本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种固体氧化物燃料电池与燃气轮机组成的动力系统，其特征在于：包括中冷回热燃气轮机和超临界制冷剂朗肯循环系统；所述的中冷回热燃气轮机包括：第一固体氧化物燃料电池(7)和第二固体氧化物燃料电池(8)；通过制冷剂工作流体冷却压缩空气的第一中冷器(9)、第二中冷器(10)；一压缩机，所述压缩机的压气机部分由第一中冷器(9)、第二中冷器(10)隔开；通过燃烧燃料或催化反应来加热压缩气体的第一燃烧器(1)和第二燃烧器(6)；用于产生输出功率的第一制冷剂流体涡轮(3)和第二制冷剂流体涡轮(13)；燃机主回热器(11)，在进入燃烧器/加热器之前加热压缩空气；所述的超临界制冷剂朗肯循环系统包括：用于将超临界制冷剂流体预热并加热到临界温度以上的第一烟...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭宣华，郭倩林，
申请(专利权)人：郭宣华，
类型：发明
国别省市：