CN209981377U - 以沼气为原料的固体氧化物燃料电池热电联供装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种以沼气为原料的固体氧化物燃料电池热电联供装置，包括沼气池和固体氧化物燃料电池，沼气池通过第一压缩机与第一回热加热器相连，第一回热加热器分别与固体氧化物燃料电池的阳极进口、阳极出口、阳极鼓风机和凝汽器相连，固体氧化物燃料电池的阴极进口、阴极出口分别与第二回热加热器相连，第二回热加热器通过阴极鼓风机与第二压缩机相连，第二压缩机与空气相连。本实用新型有效提高燃气在第一回热加热器、第二回热加热器中的循环效率和电池的工作效率；能够大幅减少将进口燃气提高至工作温度所需的热量，对排气废热进行回收利用，余热向外供给热用户，提高能源的利用效率，综合利用率达77.03％。
Description
技术领域
本实用新型涉及燃料电池发电，具体为以沼气为原料的固体氧化物燃料电池热电联供装置。
背景技术
能源是社会发展的基础，世界范围内仍然以化石能源(煤炭、石油、天然气)为主要能源，中国化石能源的比例更高，其中煤炭在现在和未来很长的一段时间内仍然是中国最主要的能源来源，煤电占中国电力的比例高，因此，提高煤电效率、降低污染非常重要。燃料电池是一种可以直接将储存在燃料及氧化剂中的化学能直接转化为电能的装置，其具有很多相对于传统能源的优势，如不受卡诺循环限制，能源转化效率高，理论上可达100％；污染性较低，燃料电池反应生产物以清洁的H2O和CO2为主；模块结构，积木性强，比功率较高，适合于分散供电等。
燃料电池可按采用的电解质不同而分成多种不同的类型。其中，固体氧化物燃料电池(Solid Oxide Fuel Cells，SOFC)以离子传导陶瓷作为电池的主要成分，具有许多独特的优点，被认为在多个领域拥有广阔的发展空间。根据操作温度的不同，一般将工作于800摄氏度以上的固体氧化物燃料电池称为高温固体氧化物燃料电池，工作于800摄氏度到600摄氏度之间的固体氧化物燃料电池称为中温固体氧化物燃料电池，600摄氏度以下则称为低温固体氧化物燃料电池。中低温燃料电池可以将工作温度降低到600摄氏度，降低电池的启动温度和时间，降低各部件的老化速度，提高固态氧化物燃料电池的稳定性和延长寿命，可以使用廉价的不锈钢作为链接材料，降低成本，有利于商业化，且可以使用的燃料种类来源广泛，很容易与现有的能源资源供应系统兼容。
而我国作为农业大国，禽畜粪便、城市有机废水，生活垃圾占到总量的25.09％，如何高效率低污染的处理这些有机垃圾成为一大问题。至2009年底，农村户用沼气池已增加至3507万户，规模和使用量居全球之首。沼气的低位热值约为24.625MJ/m3，但生产生活中由于燃料的不完全燃烧，能源的利用效率较低，且会产生较为严重的环境问题。
实用新型内容
发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本实用新型目的是提供一种有效降低成本、能够解决环境污染的以沼气为原料的固体氧化物燃料电池热电联供装置。
技术方案：本实用新型所述的一种以沼气为原料的固体氧化物燃料电池热电联供装置，包括沼气池和固体氧化物燃料电池，沼气池通过第一压缩机与第一回热加热器相连，第一回热加热器分别与固体氧化物燃料电池的阳极进口、阳极出口、阳极鼓风机和凝汽器相连，固体氧化物燃料电池的阴极进口、阴极出口分别与第二回热加热器相连，第二回热加热器通过阴极鼓风机与第二压缩机相连，第二压缩机与空气相连。热电联供自回热，能够实现3～4户人家的热点供给。
沼气池通过进料管与预处理池相连。为了温度均匀，在进料管埋于预处理池中的工段，根据压力不均匀的打孔，以保证从预处理池抽吸的原料均匀。进料管上设置用于控制进料量的阀门。沼气池通过导出管分别与第一压缩机、太阳能热水循环装置相连。在夜晚和恶劣天气情况下，第二回热加热器与太阳能热水循环装置相连。太阳能热水循环装置的循环水管道做成螺旋状，有利于降低流动阻力，提高换热效率，促进自然对流，改善沼气池内部的分层结垢情况。
沼气池的数量为三个以上。沼气池为球体玻璃发酵室。沼气池的半径为130cm。沼气池的内壁设置传感器，用于对沼气池的沼液高度进行监控。凝汽器用于加热凝结水、给用户供给热。
工作原理：将原料通入预处理池，进料管初始时为负压，根据虹吸原理，可以将液位高的原料通入沼气池；产生沼气时，沼气池的压力升高，沼气通过管路导出，管路设置阀门，正常发电时保持常开状态连续输出沼气；沼气池的保温通过太阳能热水循环装置实现；沼气池生成的沼气经杂质处理后进入第一压缩机，气体加压至3.3kPa，与部分抽气的阳极排气混合，以回收利用部分未转化燃料气体；混合后气体经过第一回热加热器，继续回收阳极排气的反应热量，同时将二次回热的进口阳极燃料加热至550℃；阴极进口空气经第二压缩机加压后和阴极鼓风机提速后进入第二回热加热器，回收阴极排气的部分余热至反应温度550℃，随后进入燃料电池堆参与反应；阴极排气经过回热的部分利用后，进入凝汽器，加热凝结水，供给热用户。
有益效果：本实用新型和现有技术相比，具有如下特点：
1、进口燃料经过第一压缩机、第二压缩机、阳极鼓风机和阴极鼓风机的升压，可有效提高燃气在第一回热加热器、第二回热加热器中的循环效率和电池的工作效率；
2、自回热的中低温固体氧化物燃料电池设计能够大幅减少将进口燃气提高至工作温度所需的热量，对排气废热进行回收利用，余热向外供给热用户，提高能源的利用效率，综合利用率达77.03％，远远高于以沼气为燃料的燃气发电机的效率；
3、燃料电池电极排气主要以环境友好的二氧化碳和水为主，以及少量的未完全参与反应的燃料气体甲烷，相比沼气直接燃烧的利用方式，具有更好的环保特性；
4、回收凝结水热量可以用于沼气池的保温，提高沼气产量，实现居民点的能源自给。
附图说明
图1是本实用新型的结构示意图。
图2是本实用新型太阳能热水循环装置的结构示意图。
图3是本实用新型沼气池的结构示意图。
具体实施方式
如图1，三个沼气池1生成的沼气经杂质处理后进入第一压缩机3，气体加压至3.3kPa与阳极出口202的部分排气混合，以回收利用部分未转化燃料气体。混合后气体经过第一回热加热器4，继续回收阳极排气的反应热量，同时为二次回热的阳极进口201燃料加热。一次回热后气体通入阳极鼓风机5，进入第一回热加热器4二次加热至进口温度550℃后进入固体氧化物燃料电池2的阳极参与反应。阴极进口空气经第二压缩机9加压后和阴极鼓风机8提速后进入第二回热加热器7，回收阴极排气的部分余热至反应温度550℃，随后进入固体氧化物燃料电池2参与反应。阳极排气经过回热的部分利用后，废气进入凝汽器6，加热凝结水，供给热用户。
如图2，将原料沿管道通入预处理池11，进料管10初始时为负压，根据虹吸原理，可以将液位高的原料通入沼气池1。产生沼气时，沼气池1的压力升高，沼气通过导出管13导出，导出管13上设置阀门，正常发电时保持常开状态连续输出沼气；沼气池1的保温通过太阳能热水循环装置14实现，经过太阳能热水循环装置14加热的热水通入三个沼气池1用于升温保温。固体氧化物燃料电池2阴极排气经过第二回热加热器7加热给水至80℃左右，取部分给水作为一条支路通入太阳能热水循环装置14的热水循环管道，此支路在晴天(有足够太阳能热循环水)关闭，在夜晚和恶劣天气情况下打开。
如图3，本实用新型针对3～4户人家，人均消耗的能源量均由沼气提供，沼气池1填料采用生活垃圾以及农户养殖的牲粪便为主，为了让原料得到充分的发酵，沼气池1温度维持在50℃左右，此时产气率接近峰值，为1.5m3/(m3·d)。采用先进的玻璃钢材质的球体发酵室作为沼气池1，考虑到温度均匀以及建造方便，用三个沼气池1代替一个大沼气池。单个沼气池1的内壁设有传感器15，可以通过进料管10上设置的阀门12自动控制进料量从而控制沼液高度，对沼气池1内部进行监控。传感器15对沼气池1内的沼液高度进行监控，以防沼气池1内进料量过多导致沼液高度过多或过少，而导致不能满足使用要求、不能正常工作。沼气池1自下而上依次包括沼清层、沼液层、清水层、沼气层和软体沼气袋，进料管10到达清水层，导出管13伸至沼气层。沼气池1的半径为130cm。
Claims (10)
1.一种以沼气为原料的固体氧化物燃料电池热电联供装置，其特征在于：包括沼气池(1)和固体氧化物燃料电池(2)，所述沼气池(1)通过第一压缩机(3)与第一回热加热器(4)相连，所述第一回热加热器(4)分别与固体氧化物燃料电池(2)的阳极进口(201)、阳极出口(202)、阳极鼓风机(5)和凝汽器(6)相连，所述固体氧化物燃料电池(2)的阴极进口(203)、阴极出口(204)分别与第二回热加热器(7)相连，所述第二回热加热器(7)通过阴极鼓风机(8)与第二压缩机(9)相连，所述第二压缩机(9)与空气相连。
2.根据权利要求1所述的以沼气为原料的固体氧化物燃料电池热电联供装置，其特征在于：所述沼气池(1)通过进料管(10)与预处理池(11)相连。
3.根据权利要求2所述的以沼气为原料的固体氧化物燃料电池热电联供装置，其特征在于：所述进料管(10)上设置用于控制进料量的阀门(12)。
4.根据权利要求1所述的以沼气为原料的固体氧化物燃料电池热电联供装置，其特征在于：所述沼气池(1)通过导出管(13)分别与第一压缩机(3)、太阳能热水循环装置(14)相连。
5.根据权利要求4所述的以沼气为原料的固体氧化物燃料电池热电联供装置，其特征在于：所述第二回热加热器(7)与太阳能热水循环装置(14)相连。
6.根据权利要求1所述的以沼气为原料的固体氧化物燃料电池热电联供装置，其特征在于：所述沼气池(1)的数量为三个以上。
7.根据权利要求1所述的以沼气为原料的固体氧化物燃料电池热电联供装置，其特征在于：所述沼气池(1)为球体玻璃发酵室。
8.根据权利要求7所述的以沼气为原料的固体氧化物燃料电池热电联供装置，其特征在于：所述沼气池(1)的内壁设置传感器(15)。
9.根据权利要求8所述的以沼气为原料的固体氧化物燃料电池热电联供装置，其特征在于：所述沼气池的半径为130cm。
10.根据权利要求1所述的以沼气为原料的固体氧化物燃料电池热电联供装置，其特征在于：所述凝汽器(6)用于加热凝结水、给用户供给热。
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