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CN114068991A - 氢燃料电池与蒸汽透平和燃气透平耦合的发电系统 - Google Patents

氢燃料电池与蒸汽透平和燃气透平耦合的发电系统 Download PDF

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CN114068991A CN202111338987.4A CN202111338987A CN114068991A CN 114068991 A CN114068991 A CN 114068991A CN 202111338987 A CN202111338987 A CN 202111338987A CN 114068991 A CN114068991 A CN 114068991A
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白天宇
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Abstract

本发明属于发电技术领域，具体涉及一种氢燃料电池与蒸汽透平和燃气透平耦合的发电系统。根据本发明的氢燃料电池与蒸汽透平和燃气透平耦合的发电系统，由于包括氢气模块、空气模块以及氢燃料电池，氢燃料电池的阳极乏气通过阳极回热加热单元加热后进入蒸汽透平膨胀做功，蒸汽透平输出的功一部分驱动氢气压缩机提高氢气压力，另一部分驱动蒸汽透平发电机发电，氢燃料电池的阴极乏气进入燃气透平膨胀做功，燃气透平输出的功一部分驱动空气压缩机提高空气压力，另一部分驱动燃气透平发电机发电。本发明建立了一种燃料电池与蒸汽透平和燃气透平有机连接的发电系统，可更好地利用氢燃料电池的乏气余热，获得较高的系统发电效率，提高对氢能的利用。

Description

氢燃料电池与蒸汽透平和燃气透平耦合的发电系统
技术领域
本发明属于发电技术领域，具体涉及一种氢燃料电池与蒸汽透平和燃气透平耦合的发电系统。
背景技术
氢气被认为是未来的清洁能源燃料，而且在双碳目标的技术路线中，氢能也具有重要的作用，可用于将风电光电的峰值转化为氢能储存起来，并在需要时再转化为电能对外输出。在氢能的利用中，燃料电池由于可直接将燃料的化学能转化为电能而受到广泛重视。而且燃料电池排出的乏气温度可以达到1000℃以上，因此常与燃气轮机耦合构成燃料电池-燃气轮机联合发电系统，以充分利用燃料电池的余热，提高系统的发电效率。
然而当氢气作为燃料电池的燃料时，燃料电池阳极乏气的成分主要是水蒸汽和少量的残余氢气，燃料电池的发电效率越高，残留的氢气越少。现有的燃料电池-燃气轮机联合发电系统多是将燃料电池阳极乏气与阴极乏气混合，并对残余燃气补燃后，送入燃气透平膨胀做功。这样当燃料是氢气时，并不能充分利用阳极乏气中的水蒸汽做功能力。
发明内容
为解决上述问题，提供一种氢燃料电池与蒸汽透平和燃气透平耦合的发电系统，本发明采用了如下技术方案：
本发明提供了一种氢燃料电池与蒸汽透平和燃气透平耦合的发电系统，其特征在于，包括：氢气模块、空气模块以及氢燃料电池，其中，氢气模块与氢燃料电池的阳极连通，空气模块与氢燃料电池的阴极连通，氢气模块具有氢气压缩机、阳极回热加热单元、蒸汽透平元以及蒸汽透平发电机，氢气压缩机、蒸汽透平以及蒸汽透平发电机依次通过轴连接，空气模块具有依次通过轴连接的空气压缩机、燃气透平、燃气透平发电机，氢燃料电池的阳极乏气通过阳极回热加热单元加热后进入蒸汽透平膨胀做功，蒸汽透平输出的功一部分驱动氢气压缩机提高氢气压力，另一部分驱动蒸汽透平发电机发电，氢燃料电池的阴极乏气进入燃气透平膨胀做功，燃气透平输出的功一部分驱动空气压缩机提高空气压力，另一部分驱动燃气透平发电机发电。
本发明提供的氢燃料电池与蒸汽透平和燃气透平耦合的发电系统，还可以具有这样的特征，其中，阳极回热加热单元具有高温阳极回热加热器以及低温阳极回热加热器，低温阳极回热加热器的氢气进口与氢气压缩机相连，低温阳极回热加热器的氢气出口与氢燃料电池的阳极入口相连，高温阳极回热加热器的乏气入口与氢燃料电池的阳极出口相连，高温阳极回热加热器的乏气出口与低温阳极回热加热器的乏气入口相连，低温阳极回热加热器的乏气出口与蒸汽透平的入口相连。
本发明提供的氢燃料电池与蒸汽透平和燃气透平耦合的发电系统，还可以具有这样的特征，还包括：阴极回热加热器，该阴极回热加热器的空气进口与空气压缩机相连，阴极回热加热器的空气出口与高温阳极回热加热器的空气入口相连，高温阳极回热加热器的空气出口与氢燃料电池的阴极入口相连，氢燃料电池的阴极出口与燃气透平的入口相连，燃气透平的出口与阴极回热加热器的乏气进口相连，阴极回热加热器的乏气出口用于将乏气排向下游。
本发明提供的氢燃料电池与蒸汽透平和燃气透平耦合的发电系统，还可以具有这样的特征，其中，还包括：凝汽器以及凝结水泵，其中，凝汽器的汽侧入口与蒸汽透平的出口相连，凝汽器的汽侧出口与凝结水泵的入口相连，凝结水泵的出口用于将凝结水排向下游。
本发明提供的氢燃料电池与蒸汽透平和燃气透平耦合的发电系统，还可以具有这样的特征，还包括：氢气回收装置，用于回收凝结水泵的出口处未凝结的氢气。
本发明提供的氢燃料电池与蒸汽透平和燃气透平耦合的发电系统，还可以具有这样的特征，其中，氢燃料电池的数量至少为一台。
本发明提供的氢燃料电池与蒸汽透平和燃气透平耦合的发电系统，还可以具有这样的特征，其中，凝汽器的工作压力高于大气压。
发明作用与效果
根据本发明的氢燃料电池与蒸汽透平和燃气透平耦合的发电系统，由于包括氢气模块、空气模块以及氢燃料电池，氢燃料电池的阳极乏气通过阳极回热加热单元加热后进入蒸汽透平膨胀做功，蒸汽透平输出的功一部分驱动氢气压缩机提高氢气压力，另一部分驱动蒸汽透平发电机发电，氢燃料电池的阴极乏气进入燃气透平膨胀做功，燃气透平输出的功一部分驱动空气压缩机提高空气压力，另一部分驱动燃气透平发电机发电。本发明将氢燃料电池的阴阳两极的乏气分别送入燃气透平和蒸汽透平，从而增加氢燃料电池阳极乏气中蒸汽的发电功率，可以充分利用氢燃料电池阳极乏气中的水蒸汽，较传统的燃料电池与燃气轮机结合的发电系统提高了系统的发电效率。本发明利用了氢燃料电池阳极排气中主要是水蒸汽、阴极排气中主要是烟气的特点，将阳极排气送入蒸汽透平做功，阳极排气送入燃气透平做功，建立一种燃料电池与蒸汽透平和燃气透平有机连接的发电系统，可更好地利用氢燃料电池的乏气余热，获得较高的系统发电效率，提高对氢能的利用。
附图说明
图1是本发明实施例中氢燃料电池与蒸汽透平和燃气透平耦合的发电系统的结构框图。
具体实施方式
以下结合附图以及实施例来说明本发明的具体实施方式。
<实施例>
本实施例提供一种氢燃料电池与蒸汽透平和燃气透平耦合的发电系统，用于利用氢燃料电池的乏气余热，获得较高的系统发电效率。
图1是本发明实施例中氢燃料电池与蒸汽透平和燃气透平耦合的发电系统的结构框图。
如图1所示，本实施例的发电系统100包括：氢气模块10、空气模块20以及氢燃料电池30。
氢气模块10与氢燃料电池30的阳极连通。该氢气模块10具有氢气压缩机11、阳极回热加热单元12、蒸汽透平13、蒸汽透平发电机14、凝汽器15、凝结水泵16以及氢气回收装置17。其中，阳极回热加热单元12具有高温阳极回热加热器121以及低温阳极回热加热器122。氢气压缩机11、蒸汽透平13以及蒸汽透平发电机14依次通过轴连接。氢气压缩机11的进口与氢气管道相连，引入氢气，排气通过管道与低温阳极回热加热器122的氢气进口相连。低温阳极回热加热器122氢气出口通过管道与氢燃料电池30的阳极入口相连。氢燃料电池30的阳极出口通过管道与高温阳极回热加热器121的乏气入口相连，高温阳极回热加热器121的乏气出口通过管道与低温阳极回热加热器122的乏气入口相连，低温阳极回热加热器122的乏气出口与蒸汽透平13入口相连。蒸汽透平13的出口通过管道与凝汽器15的汽侧入口相连，凝汽器15的汽侧出口通过管道与凝结水泵16入口相连，不凝结的氢气通过管道与氢气回收装置17相连。凝结水泵16出口通过管道将凝结水排向下游。蒸汽透平13出口乏气送入凝汽器15凝结放热，热量由冷却水带走，凝结水通过凝结水泵16送至下游，乏气中的氢气送入氢气回收装置17冷却回收。凝汽器15的工作压力需高于大气压。
空气模块20与氢燃料电池30的阴极连通。空气模块20具有空气压缩机21、燃气透平22、燃气透平发电机23以及阴极回热加热器24。
空气压缩机21、燃气透平22、燃气透平发电机23依次通过轴连接。空气压缩机21的进口与管道相连，引入空气，排气通过管道与阴极回热加热器24的空气进口相连。阴极回热加热器24的空气出口通过管道与高温阳极回热加热器121的空气入口相连。高温阳极回热加热器121的空气出口通过管道与氢燃料电池30的阴极入口相连。氢燃料电池30的阴极出口通过管道与燃气透平22的入口相连。燃气透平22的出口通过管道与阴极回热加热器24的乏气进口相连，阴极回热加热器24的乏气出口通过管道将乏气排向下游。燃气透平22的乏气经过阴极回热加热器24，加热空气压缩机21出口的空气，而后排向下游。
氢燃料电池30为固体氧化物燃料电池，在电池内部进行电化学反应，将氢气的化学能转化为电能。氢燃料电池30的阳极排出的乏气先经过高温阳极回热加热器121，将热量传递给阴极回热加热器24出口的空气，进一步提高空气温度后，送入氢燃料电池30的阴极。氢燃料电池30的阳极排出的乏气经过高温阳极回热加热器121后送入低温阳极回热加热器122，加热氢气压缩机11出口的氢气，提高氢气温度后，送入氢燃料电池30的阳极。
在本发电系统中，氢燃料电池30的阳极乏气，顺序经过高温阳极回热加热器121、低温阳极回热加热器122，分别加热进入燃料电池30的阴极的空气和阳极的氢气，而后进入蒸汽透平13膨胀做功，蒸汽透平13输出的功一部分驱动氢气压缩机11提高氢气压力，另一部分驱动蒸汽透平发电机14发电。氢燃料电池30的阴极乏气进入燃气透平22膨胀做功，燃气透平22输出功一部分驱动空气压缩机21提高空气压力，另一部分驱动燃气透平发电机23发电。
本实施例的发电系统工作过程如下：(一般系统进口的工质都取标准条件，氢气和空气都为标准条件下的状态)
氢气从管道进入氢气压缩机11，压缩后通过管道送入低温阳极回热加热器122吸收由高温阳极回热加热器121来的乏气放出的热量，而后通过管道进入氢燃料电池30的阳极。燃料电池30的阳极乏气顺序经过高温阳极回热加热器121以及低温阳极回热加热器122进入蒸汽透平13膨胀做功。蒸汽透平13的乏气通过管道送入凝汽器15，在凝汽器15中将热量传递给冷却水，凝结水经过凝结水泵16排向下游，不凝结的氢气通过管道送入氢气回收装置17冷却回收。
空气从管道送入空气压缩机机21，压缩后通过管道顺序经过阴极回热加热器24、高温阳极回热加热器121，吸收燃料电池30阴极乏气和阳极乏气中的热量，而后送入燃料电池30的阴极。燃料电池30的阴极乏气送入燃气透平22膨胀做功，燃气透平22乏气流经阴极回热加热器24加热空气压缩机机21出口空气后，经过管道排向下游；蒸汽透平13输出功一部分通过轴驱动氢气压缩机11，另一部分通过轴驱动蒸汽透平发电机14发电；燃气透平22输出功一部分通过轴驱动空气压缩机21，另一部分通过轴驱动燃气透平发电机23发电。
当标准条件下的氢气以1kg/s的流量进入发电系统100，空气压缩机11机压比为10，经燃料电池30反应后的阳极出口工质温度达到1243℃，阴极出口工质温度为1470℃，燃料电池30发电功率为71.99MW，燃气透平发电机输出功率为15.10MW，蒸汽透平发电机输出功率为4.12MW，扣除回收的氢气，发电系统100的总发电效率超过64.05％。
实施例作用与效果
根据本实施例的氢燃料电池与蒸汽透平和燃气透平耦合的发电系统，由于包括氢气模块、空气模块以及氢燃料电池，氢燃料电池的阳极乏气通过阳极回热加热单元加热后进入蒸汽透平膨胀做功，蒸汽透平输出的功一部分驱动氢气压缩机提高氢气压力，另一部分驱动蒸汽透平发电机发电，氢燃料电池的阴极乏气进入燃气透平膨胀做功，燃气透平输出的功一部分驱动空气压缩机提高空气压力，另一部分驱动燃气透平发电机发电。本实施例将氢燃料电池的阴阳两极的乏气分别送入燃气透平和蒸汽透平，从而增加氢燃料电池阳极乏气中蒸汽的发电功率，可以充分利用氢燃料电池阳极乏气中的水蒸汽，较传统的燃料电池与燃气轮机结合的发电系统提高了系统的发电效率。本实施例利用了氢燃料电池阳极排气中主要是水蒸汽、阴极排气中主要是烟气的特点，将阳极排气送入蒸汽透平做功，阳极排气送入燃气透平做功，建立一种燃料电池与蒸汽透平和燃气透平有机连接的发电系统，可更好地利用氢燃料电池的乏气余热，获得较高的系统发电效率，提高对氢能的利用。
上述实施例仅用于举例说明本发明的具体实施方式，而本发明不限于上述实施例的描述范围。
上述实施例中氢燃料电池的台数不受限制，可以是一台，也可以是并列运行的多台，并在进出口分别设置阳极母管和阴极母管实现并列运行。

Claims (7)

1.一种氢燃料电池与蒸汽透平和燃气透平耦合的发电系统，其特征在于，包括：
氢气模块、空气模块以及氢燃料电池，
其中，所述氢气模块与所述氢燃料电池的阳极连通，
所述空气模块与所述氢燃料电池的阴极连通，
所述氢气模块具有氢气压缩机、阳极回热加热单元、蒸汽透平元以及蒸汽透平发电机，所述氢气压缩机、所述蒸汽透平以及所述蒸汽透平发电机依次通过轴连接，
所述空气模块具有依次通过轴连接的空气压缩机、燃气透平、燃气透平发电机，
所述氢燃料电池的阳极乏气通过所述阳极回热加热单元加热后进入所述蒸汽透平膨胀做功，所述蒸汽透平输出的功一部分驱动所述氢气压缩机提高氢气压力，另一部分驱动所述蒸汽透平发电机发电，
所述氢燃料电池的阴极乏气进入所述燃气透平膨胀做功，所述燃气透平输出的功一部分驱动所述空气压缩机提高空气压力，另一部分驱动所述燃气透平发电机发电。
2.根据权利要求1所述的氢燃料电池与蒸汽透平和燃气透平耦合的发电系统，其特征在于：
其中，所述阳极回热加热单元具有高温阳极回热加热器以及低温阳极回热加热器，
所述低温阳极回热加热器的氢气进口与所述氢气压缩机相连，所述低温阳极回热加热器的氢气出口与所述氢燃料电池的阳极入口相连，
所述高温阳极回热加热器的乏气入口与所述氢燃料电池的阳极出口相连，所述高温阳极回热加热器的乏气出口与所述低温阳极回热加热器的乏气入口相连，所述低温阳极回热加热器的乏气出口与所述蒸汽透平的入口相连。
3.根据权利要求2所述的氢燃料电池与蒸汽透平和燃气透平耦合的发电系统，其特征在于：
其中，所述空气模块还具有阴极回热加热器，
所述阴极回热加热器的空气进口与所述空气压缩机相连，所述阴极回热加热器的空气出口与所述高温阳极回热加热器的空气入口相连，
所述高温阳极回热加热器的空气出口与所述氢燃料电池的阴极入口相连，所述氢燃料电池的阴极出口与所述燃气透平的入口相连，所述燃气透平的出口与所述阴极回热加热器的乏气进口相连，所述阴极回热加热器的乏气出口用于将乏气排向下游。
4.根据权利要求1所述的氢燃料电池与蒸汽透平和燃气透平耦合的发电系统，其特征在于：
其中，所述氢气模块还具有凝汽器以及凝结水泵，
所述凝汽器的汽侧入口与所述蒸汽透平的出口相连，
所述凝汽器的汽侧出口与所述凝结水泵的入口相连，
所述凝结水泵的出口用于将凝结水排向下游。
5.根据权利要求4所述的氢燃料电池与蒸汽透平和燃气透平耦合的发电系统，其特征在于：
其中，所述氢气模块还具有氢气回收装置，
所述氢气回收装置与所述凝汽器相连通，用于回收未凝结的氢气。
6.根据权利要求1所述的氢燃料电池与蒸汽透平和燃气透平耦合的发电系统，其特征在于：
其中，所述氢燃料电池的数量至少为一台。
7.根据权利要求4所述的氢燃料电池与蒸汽透平和燃气透平耦合的发电系统，其特征在于：
其中，所述凝汽器的工作压力高于大气压。
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