CN102456897A - 燃料电池电热冷联供系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电热冷联供系统，包括燃料电池子系统、排气余热利用子系统和溴化锂吸收式机组子系统，燃料电池子系统的排气出口端连接至排气余热利用子系统的进口端，以提供燃料电池的阳极排气和阴极排气，排气余热利用子系统的余热出口端连接至溴化锂吸收式机组子系统的余热进口端，以提供溴化锂吸收式机组工作所需的热能，排气余热利用子系统的蒸汽出口端连接至燃料电池子系统的重整器，以提供重整反应所需的蒸汽。根据本发明，采用内重整熔融碳酸盐燃料电池与溴化锂吸收式机组有机结合，通过各个子系统之间的循环连接，充分利用电池阳极和阴极排气以及余热，采用内重整方式，简化系统结构，充分利用燃料电池余热，提高整体能量利用率。

Description

燃料电池电热冷联供系统

技术领域

本发明涉及电热冷联供系统，具体涉及基于燃料电池和溴化锂吸收式机组的电热冷联供系统。

背景技术

为了提高能源利用效率，目前研发了多种电热冷联供系统，其中采用燃料电池是比较前沿技术中的一种。该技术是利用燃料电池的电化学反应产生电能和热能，其中，熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)具有高效、低污染等优点，并且具有高品位的废热，使得其可以与其他系统或装置形成混合循环系统，从而大幅度提高系统整体效率。

国内外已提出了一些基于燃料电池的电热冷联供系统，采用天然气、煤气等为燃料，并采用例如溴化锂吸收式机组等装置。专利文献CN200710040466.4公开了一种天然气熔融碳酸盐燃料电池发电系统，由重整子系统、燃料电池子系统、二氧化碳和尾气循环利用子系统构成，整个发电系统结构比较复杂，且没有进行余热回收利用，系统整体能量利用率低。

因此，需要一种系统结构简单，余热得到充分利用，整体能量利用率提高的系统。

发明内容

本发明提出了一种电热冷联供系统，系统基于集成的内重整的熔融碳酸盐燃料电池与溴化锂吸收式双效机组，系统结构简单，余热得到充分利用，整体能量利用率得到提高。

根据本发明实施例，提出了一种电热冷联供系统，包括燃料电池子系统、排气余热利用子系统和溴化锂吸收式机组子系统；

燃料电池子系统的排气出口端连接至排气余热利用子系统的进口端，以提供燃料电池的阳极排气和阴极排气；

排气余热利用子系统的余热出口端连接至溴化锂吸收式机组子系统的余热进口端，以提供溴化锂吸收式机组工作所需的热能；

排气余热利用子系统的蒸汽出口端连接至燃料电池子系统的重整器，以提供重整反应所需的蒸汽。

根据本发明实施例，燃料电池子系统采用内重整熔融碳酸盐燃料电池，重整器与电池阳极放置在一起，利用电池阳极电化学反应放出的热量进行重整反应，并且重整反应产生的氢气直接输送给电池阳极，用于电化学反应。

根据本发明实施例，溴化锂吸收式机组子系统采用以溴化锂为溶质的吸收式热冷双效机组。

根据本发明实施例，排气余热利用子系统包括除水器、混合燃烧室和余热锅炉；

燃料电池的阳极排气进入除水器，经除水器除水后进入混合燃烧室，燃料电池的阴极排气直接进入混合燃烧室，以进行燃烧反应；

燃烧反应产生的高温烟气输送至余热锅炉，加热产生饱和蒸汽，以经由蒸汽出口端提供给燃料电池子系统的重整器，作为重整反应所需的蒸汽；

经余热锅炉利用后的高温烟气经由余热出口端输送至溴化锂吸收式机组子系统的余热进口端。

根据本发明实施例，燃料电池子系统包括预热装置，燃料电池的阳极排气首先经过预热装置对空气和燃料预热之后，再进入除水器。

根据本发明实施例，预热装置包括空气预热器和燃料预热器；

空气预热器对空气进行预热，预热后的空气输送至电池阴极；

燃料预热器对燃料预热，预热后的燃料输送至重整器，与来自排气余热利用子系统的蒸汽出口端的蒸汽发生重整反应，产生电池阳极电反应所需的氢气。

根据本发明实施例，溴化锂吸收式机组子系统包括高温发生装置、冷却装置和吸收装置；

高温发生装置从余热进口端接收来自排气余热利用子系统的余热；加热以溴化锂为溶质的稀溶液，得到高温的蒸汽和浓溶液，并输送至冷却装置；

冷却装置利用冷却循环水对高温的蒸汽和浓溶液进行冷却，得到低温的液态水和浓溶液，并输送至吸收装置，

吸收装置利用浓溶液吸收对液态水进行蒸发得到的蒸汽，产生稀溶液，并输送至高温发生装置。

根据本发明实施例，冷却循环水对高温的蒸汽和浓溶液进行冷却之后，变为热水输出，以进一步使用。

根据本发明实施例，冷却装置包括蒸汽冷凝器和溶液冷却器；

溶液冷却器利用冷却循环水对来自高温发生装置的高温浓溶液进行冷却，冷却循环水得到第一次加热；

蒸汽冷凝器利用来自第一次加热后的冷却循环水对来自高温发生装置的高温蒸汽进行冷凝，冷却循环水得到第二次加热。

根据本发明实施例，吸收装置包括节流阀、蒸发器和吸收器；

节流阀连接至蒸汽冷凝器，对来自蒸汽冷凝器的低温液态水进行节流，并输送至蒸发器；

蒸发器连接至节流阀，对节流后的液态水进行加热蒸发，并将得到的蒸汽输送至吸收器；

吸收器连接至蒸发器，并经由溶液泵连接至溶液冷却器，由溶液泵将来自溶液冷却器的浓溶液喷洒到吸收器的管壁外，吸收来自蒸发器的蒸汽，产生稀溶液，并输送至高温发生装置。

根据本发明实施例，采用内重整熔融碳酸盐燃料电池与溴化锂吸收式机组有机结合，通过燃料电池子系统、排气余热利用子系统和溴化锂吸收式机组子系统之间的循环连接，充分利用电池阳极和阴极排气以及余热，构成电热冷联供系统，其功率密度更高，采用内重整方式，简化系统结构，充分利用燃料电池余热，提高整体能量利用率。

附图说明

通过参照附图详细地描述示例实施例，上述和其他特征和优点对于本领域技术人员更加明显。

图1示出了根据本发明实施例的电热冷联产系统的示意框图；

图2示出了根据本发明实施例的图1所示电热冷联产系统的更具体示意框图；

图3示出了燃料电池系统的另一具体示例的示意框图；

图4示出了图2所示溴化锂吸收式机组的更具体示意框图；以及

图5示出了本发明电热冷联产系统实施例的具体示例构成。

具体实施方式

下面参照附图更加完整地描述本发明实施例。然而这些实施例可以以不同形式具体实现，而不应当认为它们仅仅限于本文中记载的实施例。而是，提供这些实施例是使得本申请公开对于本领域技术人员而言是透彻和完整的，并且完全传达了本发明的范围。

下面参照附图更加详细地描述本发明实施例。首先结合图1和2描述根据本发明实施例的电热冷联产系统。

图1示出了根据本发明实施例的电热冷联供系统的示意框图。如图1所示，电热冷联产系统100包括燃料电池子系统110、排气余热利用子系统120和溴化锂吸收式机组子系统130，燃料电池子系统110的排气出口端连接至排气余热利用子系统120的进口端，以提供燃料电池的阳极排气和阴极排气，排气余热利用子系统120的余热出口端连接至溴化锂吸收式机组子系统130的余热进口端，以提供溴化锂吸收式机组工作所需的热能，排气余热利用子系统120的蒸汽出口端连接至燃料电池子系统110的重整器，以提供重整反应所需的蒸汽。各个子系统相互连接，形成联合循环的电热冷联供。例如，各个子系统可以通过连接至相应子系统的进口端与出口端的气体进出管路相连接。

如图2所示，燃料电池子系统110可以采用内重整熔融碳酸盐燃料电池112，其中，重整器与电池阳极放置在一起，利用电池阳极电化学反应放出的热量进行重整反应，并且重整反应产生的氢气直接输送给电池阳极，用于电化学反应。关于内重整熔融碳酸盐燃料电池的详细内容可以参见专利文献CN1348617，其公开了一种内重整的熔融碳酸盐燃料电池，主要针对重整单元和电池单元进行了研究。由于采用内重整配置，不需要提供燃烧室或燃烧通道来利用外部输入的燃料和空气进行燃烧，以向重整器提供重整所需的能量，从而简化了系统结构，并充分利用了电池电化学反应产生的热能。

燃料电池子系统110还可以包括预热装置114，燃料电池的阳极排气经过预热装置114对空气和燃料进行预热。根据本发明实施例，预热装置114包括空气预热器116和燃料预热器118，空气预热器116和燃料预热器118依次连接至利用燃料电池的阳极，以接收阳极排气，执行预热。空气预热器116对空气进行预热，预热后的空气输送至电池阴极，燃料预热器118对燃料预热，预热后的燃料输送至重整器，与来自排气余热利用子系统120的蒸汽出口端的蒸汽发生重整反应，产生电池阳极电反应所需的氢气。

如图2所示，排气余热利用子系统120包括除水器122、混合燃烧室124和余热锅炉126。燃料电池的阳极排气依次经过空气预热器116和燃料预热器118之后，进入除水器122(例如，冷凝除水器)，经除水器122除水后进入混合燃烧室124，燃料电池的阴极排气直接进入混合燃烧室124，以进行燃烧反应，产生高温烟气。燃烧反应产生的高温烟气输送至余热锅炉126，对例如采用外部水泵而得到的液态水进行加热，产生饱和蒸汽，以经由蒸汽出口端提供给燃料电池子系统110的重整器，作为重整反应所需的蒸汽。经余热锅炉126利用后的高温烟气经由余热出口端输送至溴化锂吸收式机组子系统130的余热进口端。由此，可以对烟气余热进行进一步的利用。

如图2所示，溴化锂吸收式机组子系统130可以采用以溴化锂为溶质的吸收式热冷双效机组，包括高温发生装置132、冷却装置134和吸收装置136。高温发生装置132从余热进口端接收来自排气余热利用子系统120的余热，加热以溴化锂为溶质的稀溶液，得到高温的蒸汽和浓溶液，并输送至冷却装置134。冷却装置134利用冷却循环水对高温的蒸汽和浓溶液进行冷却，得到低温的液态水和浓溶液，并输送至吸收装置136。吸收装置136利用浓溶液吸收对液态水进行蒸发得到的蒸汽，产生稀溶液，并输送至高温发生装置134。其中，冷却循环水对高温的蒸汽和浓溶液进行冷却之后，变为热水输出，以进一步使用，例如可以用于暖气等生活用途。由此，溴化锂吸收式机组子系统130利用来自燃料电池排气的燃烧反应余热，在自身各个装置连接形成的循环系统中实现了加热和制冷。

图3示出了燃料电池子系统的另一具体示例的示意框图，在该燃料子系统110’示例中，预热装置合并到送料装置中，构成了空气输送装置116’和燃料输送装置118’。此外，燃料电池装置112’由不同通道构成，包括重整通道1120、阳极通道1122和阴极通道1124。如图3所示，空气输送装置116’包括了空气送风机1162和空气预热器1164，空气预热器1164的进口端连接到空气送风机1162的出口端，空气预热器1164的出口端连接到燃料电池阴极通道1124。燃料输送装置118’包括送料风机1182，其出口端连接到脱硫装置1184的进口端，脱硫装置1184的出口端连接到燃料预热器1186的进口端，燃料预热器1186的出口端再连接到燃料电池的重整通道1120，以向重整通道1120提供燃料用于重整。燃料电池装置112的重整通道1120的出口端连接到燃料电池的阳极1122的进口端，以提供反应所需的氢气。

图4示出了图2所示溴化锂吸收式机组的更具体示意框图。如图4所示，冷却装置134包括蒸汽冷凝器1340和溶液冷却器1342，均连接至高温发生装置132。溶液冷却器1342利用冷却循环水对来自高温发生装置132的高温浓溶液进行冷却，由此冷却循环水得到第一次加热。此外，第一次加热后的冷却循环水输送至蒸汽冷凝器1340，其利用该冷却循环水对来自高温发生装置132的高温蒸汽进行冷凝，由此，冷却循环水得到第二次加热。由此，完成了冷却以及加热，其中双重加热使得冷却循环水充分利用热能变为热水输出，可以用于例如暖气等生活用途。

如图4所示，吸收装置136包括节流阀1360、蒸发器1362和吸收器1364。节流阀1360连接至蒸汽冷凝器1340，对来自蒸汽冷凝器1340的低温液态水进行节流，并将节流后得到的低温低压液态水输送至蒸发器1362。蒸发器1362对节流后的液态水进行加热蒸发，并将得到的蒸汽输送至吸收器1364。吸收器1364连接至蒸发器1362，并经由例如溶液泵(未示出)连接至溶液冷却器1342，由溶液泵将来自溶液冷却器1342的浓溶液喷洒到吸收器的管壁外，吸收来自蒸发器1362的蒸汽，产生稀溶液，并输送至高温发生装置132。

此外，虽然图中未示出，但是在吸收器1364与高温发生装置132之间可以包括溶液泵，以将稀溶液从吸收器1364输送至高温发生装置132。

以上参照附图描述了本发明优选实施例。图4示出了本发明电热冷联产系统实施例100的具体示例构成。

如图5所示，燃料供应系统将例如天然气等燃料通过风机1输送给脱硫装置5进行脱硫处理，空气供应系统通过风机2输送空气。燃料和空气分别进入相应的燃料预热器7和空气预热器6，由燃料电池的阳极9的阳极排气依次进行预热。可以理解，在系统启动初期，需要借助外部热量对燃料和空气进行预热。预热后的空气将直接进入燃料电池阴极8，预热后的燃料进入重整器10。重整反应所需的水蒸汽是将水通过供水系统3和水泵4加压后在余热锅炉13中加热变成饱和蒸汽，并进入重整器10，与预热后的燃料发生反应生成阳极所需的氢气。这里，采用内重整熔融碳酸盐燃料电池，重整器10与电池阳极9放置在一起，利用电池阳极9电化学反应放出的热量进行重整反应，并且重整反应产生的氢气直接输送给电池阳极9，用于电化学反应。燃料电池反应后的阴极气体从阴极8排出，直接进入混合燃烧室12，阳极排气经过空气预热器6和燃料预热器7对空气和燃料预热后，经冷凝除水器11除水后进入混合燃烧室12。例如，阳极排气中含有未反应完全的甲烷以及重整反应生成的一氧化碳，可以与阴极排气中多余的氧气燃烧生成高温烟气。反应后的高温烟气进入余热锅炉13，如上所述，余热锅炉13加热生产出的蒸汽进入燃料电池的重整器10。重整反应产生的氢气直接输送给电池阳极9发生电化学反应。经过余热锅炉13之后的烟气进一步输送给高温发生器14，蒸发溶液产生蒸汽，蒸汽连接到蒸汽冷凝器15，通过加热冷却循环水(即，冷却循环水的第二次加热)而受到冷凝。冷凝后的液态水连接到节流阀16，节流后的低温低压水连接到蒸发器17，蒸发后的蒸汽进入到吸收器18。高温发生器14蒸发后剩下的浓溶液23进入溶液冷却器22给冷却循环水第一次加热。然后浓溶液由溶液泵25喷洒到吸收器18的管壁外，吸收蒸发来的水蒸汽。如图所示，冷却循环水20由水泵21输送到溶液冷却器22，被加热后再输送到蒸汽冷凝器15中进一步受热，然后以热水24排出，供进一步使用。

以上描述了根据本发明的优选实施例及其示例。根据本发明实施例，采用内重整熔融碳酸盐燃料电池与溴化锂吸收式机组有机结合，通过燃料电池子系统、排气余热利用子系统和溴化锂吸收式机组子系统之间的循环连接，充分利用电池阳极和阴极排气以及余热，构成电热冷联供系统，其功率密度更高，采用内重整方式，简化系统结构，充分利用燃料电池余热，提高整体能量利用率。

上述实施例应该视为是示例性的而非限制性的，所附权利要求旨在覆盖所有落入本发明构思的真实精神和范围内的修改、改进和其他实施例。因此，在法律允许的最大程度上，由对所附权利要求及其等同物的最广泛的允许的解释来确定本发明的范围，本发明的范围不限于上述具体描述。

Claims (10)

1.一种电热冷联供系统，包括燃料电池子系统、排气余热利用子系统和溴化锂吸收式机组子系统；

燃料电池子系统的排气出口端连接至排气余热利用子系统的进口端，以提供燃料电池的阳极排气和阴极排气；

排气余热利用子系统的余热出口端连接至溴化锂吸收式机组子系统的余热进口端，以提供溴化锂吸收式机组工作所需的热能；

排气余热利用子系统的蒸汽出口端连接至燃料电池子系统的重整器，以提供重整反应所需的蒸汽。

2.根据权利要求1所述的系统，其中，燃料电池子系统采用内重整熔融碳酸盐燃料电池，重整器与电池阳极放置在一起，利用电池阳极电化学反应放出的热量进行重整反应，并且重整反应产生的氢气直接输送给电池阳极，用于电化学反应。

3.根据权利要求1所述的系统，其中，溴化锂吸收式机组子系统采用以溴化锂为溶质的吸收式热冷双效机组。

4.根据权利要求1所述的系统，其中，排气余热利用子系统包括除水器、混合燃烧室和余热锅炉；

燃料电池的阳极排气进入除水器，经除水器除水后进入混合燃烧室，燃料电池的阴极排气直接进入混合燃烧室，以进行燃烧反应；

燃烧反应产生的高温烟气输送至余热锅炉，加热产生饱和蒸汽，以经由蒸汽出口端提供给燃料电池子系统的重整器，作为重整反应所需的蒸汽；

经余热锅炉利用后的高温烟气经由余热出口端输送至溴化锂吸收式机组子系统的余热进口端。

5.根据权利要求4所述的系统，其中，燃料电池子系统包括预热装置，燃料电池的阳极排气首先经过预热装置对空气和燃料预热之后，再进入除水器。

6.根据权利要求5所述的系统，其中，预热装置包括空气预热器和燃料预热器；

空气预热器对空气进行预热，预热后的空气输送至电池阴极；

燃料预热器对燃料预热，预热后的燃料输送至重整器，与来自排气余热利用子系统的蒸汽出口端的蒸汽发生重整反应，产生电池阳极电反应所需的氢气。

7.根据权利要求1所述的系统，溴化锂吸收式机组子系统包括高温发生装置、冷却装置和吸收装置；

高温发生装置从余热进口端接收来自排气余热利用子系统的余热，加热以溴化锂为溶质的稀溶液，得到高温的蒸汽和浓溶液，并输送至冷却装置；

冷却装置利用冷却循环水对高温的蒸汽和浓溶液进行冷却，得到低温的液态水和浓溶液，并输送至吸收装置；

吸收装置利用浓溶液吸收对液态水进行蒸发得到的蒸汽，产生稀溶液，并输送至高温发生装置。

8.根据权利要求7所述的系统，其中，冷却循环水对高温的蒸汽和浓溶液进行冷却之后，变为热水输出，以进一步使用。

9.根据权利要求7所述的系统，其中，冷却装置包括蒸汽冷凝器和溶液冷却器；

溶液冷却器利用冷却循环水对来自高温发生装置的高温浓溶液进行冷却，冷却循环水得到第一次加热；

蒸汽冷凝器利用来自第一次加热后的冷却循环水对来自高温发生装置的高温蒸汽进行冷凝，冷却循环水得到第二次加热。

10.根据权利要求9所述的系统，其中，吸收装置包括节流阀、蒸发器和吸收器；

节流阀连接至蒸汽冷凝器，对来自蒸汽冷凝器的低温液态水进行节流，并输送至蒸发器；

蒸发器连接至节流阀，对节流后的液态水进行加热蒸发，并将得到的蒸汽输送至吸收器；

吸收器连接至蒸发器，并经由溶液泵连接至溶液冷却器，由溶液泵将来自溶液冷却器的浓溶液喷洒到吸收器的管壁外，吸收来自蒸发器的蒸汽，产生稀溶液，并输送至高温发生装置。

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