本實用新型涉及一種集成固體氧化物燃料電池與超臨界二氧化碳循環(huán)的熱電聯(lián)供系統(tǒng)及其方法，屬于分布式能源技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

燃料電池是一種將儲存在燃料與氧化劑中的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電裝置，其中的固體氧化物燃料電池屬于第三代燃料電池，是目前最具發(fā)展?jié)摿Φ娜剂想姵仡愋汀９腆w氧化物燃料電池的工作溫度高(800-1000℃)，發(fā)電效率可達(dá)60％以上，而且可使用多種燃料、污染物排放少、體積小，非常適用于分布式能源。由于固體氧化物燃料電池的工作溫度高，其排放的廢氣溫度可高達(dá)800℃，將殘余燃料在后燃室燃燒后廢氣溫度可達(dá)1000℃以上，所以固體氧化物燃料電池的余熱品位非常高。通常固體氧化物燃料電池與燃?xì)廨啓C組成混合發(fā)電系統(tǒng)，將后燃室的排氣輸入至燃?xì)廨啓C的透平，透平排氣再用于空氣、燃料、給水的預(yù)熱后排放，此時排放的廢氣仍然具有較高溫度，可用于供熱或有機工質(zhì)循環(huán)的余熱發(fā)電。固體氧化物燃料電池與燃?xì)廨啓C混合發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜、燃料電池工作壓力高、系統(tǒng)成本較高，而進(jìn)一步提高總的發(fā)電效率還需要結(jié)合有機工質(zhì)循環(huán)系統(tǒng)。

近年來，超臨界二氧化碳循環(huán)成為熱點，并且被認(rèn)為具有諸多潛在優(yōu)勢。二氧化碳的臨界點為31℃/7.4MPa，在溫度和壓力超過臨界點時的狀態(tài)為超臨界態(tài)。超臨界二氧化碳循環(huán)的研究始于上世紀(jì)四十年代，在六、七十年代取得階段性研究成果，之后主要由于透平機械、緊湊式熱交換器制造技術(shù)不成熟而中止，直至本世紀(jì)初，超臨界二氧化碳循環(huán)的研究在美國再度興起，并為世界其它國家所關(guān)注。由于二氧化碳化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、密度高、無毒性、低成本、循環(huán)系統(tǒng)簡單、結(jié)構(gòu)緊湊、效率高，超臨界二氧化碳循環(huán)可以與各種熱源組合成發(fā)電系統(tǒng)，被認(rèn)為在火力發(fā)電、核能發(fā)電、太陽能熱發(fā)電、余熱發(fā)電、地?zé)岚l(fā)電、生物質(zhì)發(fā)電等領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景。固體氧化物燃料電池與超臨界二氧化碳循環(huán)可以組成熱電聯(lián)供系統(tǒng)，充分發(fā)揮兩者優(yōu)點，不但可進(jìn)一步提高發(fā)電效率，并且系統(tǒng)簡單、結(jié)構(gòu)緊湊、成本較低，十分適用于分布式能源。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本實用新型要解決的技術(shù)問題是如何進(jìn)一步提高固體氧化物燃料電池的發(fā)電效率和能量綜合利用率，并且使系統(tǒng)更加緊湊和小型化。

為了解決上述技術(shù)問題，本實用新型的技術(shù)方案是提供一種集成燃料電池與二氧化碳循環(huán)的熱電聯(lián)供系統(tǒng)，其特征在于：包括固體氧化物燃料電池及其電力變換器，空氣預(yù)熱器低溫側(cè)輸出端與固體氧化物燃料電池的陰極相連，燃料與水蒸汽的混合器的輸出端與固體氧化物燃料電池的陽極相連，固體氧化物燃料電池的廢氣排出端連接后燃室；

空氣壓縮機與空氣預(yù)熱器低溫側(cè)輸入端相連，燃料壓縮機與燃料預(yù)熱器低溫側(cè)輸入端相連，給水泵與給水預(yù)熱器低溫側(cè)輸入端相連，燃料預(yù)熱器低溫側(cè)輸出端、給水預(yù)熱器低溫側(cè)輸出端與燃料與水蒸汽的混合器的輸入端相連；

后燃室＝廢氣排出口連接超臨界二氧化碳循環(huán)回路和熱負(fù)荷。

后燃室排出廢氣的部分熱量用于給熱負(fù)荷供熱，部分熱量用于給空氣預(yù)熱器、燃料預(yù)熱器、給水預(yù)熱器供熱，另一部分熱量用于傳給超臨界二氧化碳循環(huán)回路的二氧化碳工質(zhì)，通過超臨界二氧化碳循環(huán)發(fā)電。

優(yōu)選地，所述超臨界二氧化碳循環(huán)回路由帶中間冷卻的多級壓縮機、回?zé)崞?、膨脹機、發(fā)電機、冷卻器以及高溫?fù)Q熱器、低溫?fù)Q熱器組成；

后燃室排出廢氣的一個支路與高溫?fù)Q熱器高溫側(cè)輸入端相連，高溫?fù)Q熱器高溫側(cè)輸出端依次連接空氣預(yù)熱器高溫側(cè)、燃料預(yù)熱器高溫側(cè)、給水蒸發(fā)器高溫側(cè)，給水蒸發(fā)器高溫側(cè)排出廢氣的一個支路與低溫?fù)Q熱器的高溫側(cè)相連；后燃室排出廢氣的另一個支路及給水蒸發(fā)器高溫側(cè)排出廢氣的另一個支路均與熱負(fù)荷相連；

帶中間冷卻的多級壓縮機出口連接低溫?fù)Q熱器低溫側(cè)輸入端及回?zé)崞鞯蜏貍?cè)輸入端，低溫?fù)Q熱器低溫側(cè)輸出端及回?zé)崞鞯蜏貍?cè)輸出端均連接高溫?fù)Q熱器低溫側(cè)輸入端，高溫?fù)Q熱器低溫側(cè)輸出端連接膨脹機入口，膨脹機出口連接回?zé)崞鞲邷貍?cè)輸入端，回?zé)崞鞲邷貍?cè)輸出端經(jīng)冷卻器連接帶中間冷卻的多級壓縮機入口，膨脹機連接發(fā)電機。

上述的集成燃料電池與二氧化碳循環(huán)的熱電聯(lián)供系統(tǒng)使用時，空氣壓縮機將空氣輸入空氣預(yù)熱器加熱后進(jìn)入固體氧化物燃料電池的陰極，燃料壓縮機將燃料輸入燃料預(yù)熱器加熱后進(jìn)入混合器，給水泵將水輸入給水蒸發(fā)器，水轉(zhuǎn)變成水蒸汽后進(jìn)入混合器，由混合器出來的氣體進(jìn)入固體氧化物燃料電池的陽極，固體氧化物燃料電池工作并通過電力變換器供電；

固體氧化物燃料電池釋放的廢氣通過后燃室將其中的殘余燃料燃燒；當(dāng)余熱用于供熱時，后燃室排出廢氣的一個支路將廢氣通往熱負(fù)荷用于供熱；當(dāng)余熱用于發(fā)電時，后燃室排出廢氣的另一個支路將廢氣通往高溫?fù)Q熱器并將熱量傳給超臨界二氧化碳循環(huán)回路的二氧化碳工質(zhì)，通過超臨界二氧化碳循環(huán)發(fā)電；

經(jīng)過高溫?fù)Q熱器后的廢氣依次進(jìn)入空氣預(yù)熱器、燃料預(yù)熱器、給水蒸發(fā)器進(jìn)行熱交換；當(dāng)余熱用于供熱時，給水蒸發(fā)器排出廢氣的一個支路將廢氣通往熱負(fù)荷用于供熱；當(dāng)余熱用于發(fā)電時，給水蒸發(fā)器排出廢氣的另一個支路將廢氣通往低溫?fù)Q熱器并將熱量傳給超臨界二氧化碳循環(huán)回路的二氧化碳工質(zhì)，通過超臨界二氧化碳循環(huán)發(fā)電。

優(yōu)選地，帶中間冷卻的多級壓縮機出來的二氧化碳工質(zhì)為高壓的超臨界狀態(tài)，并且分為兩個支路，一個支路經(jīng)過低溫?fù)Q熱器吸收一部分余熱，另一個支路經(jīng)過回?zé)崞魑张蛎洐C排出的低壓二氧化碳工質(zhì)的熱量，之后合并成一路，經(jīng)過高溫?fù)Q熱器后進(jìn)一步升溫，再進(jìn)入膨脹機，高溫高壓的二氧化碳工質(zhì)在膨脹機中膨脹做功并推動發(fā)電機發(fā)電，同時二氧化碳工質(zhì)降溫降壓，排出膨脹機的二氧化碳工質(zhì)為低壓的氣態(tài)，然后經(jīng)過回?zé)崞鲗崃總鹘o高壓側(cè)的二氧化碳工質(zhì)，再經(jīng)冷卻器降溫后，由帶中間冷卻的多級壓縮機先分級增壓至臨界壓力并中間冷卻，再中間冷卻至臨界溫度以下轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)，再分級增壓至高壓并中間冷卻，如此完成超臨界二氧化碳循環(huán)發(fā)電。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實用新型具有如下有益效果：

1、本實用新型中的超臨界二氧化碳循環(huán)利用固體氧化物燃料電池的余熱進(jìn)行發(fā)電，可發(fā)揮超臨界二氧化碳循環(huán)效率高的優(yōu)勢，與固體氧化物燃料電池組成的系統(tǒng)可獲得理想的總體發(fā)電效率，并可實現(xiàn)熱電聯(lián)供，進(jìn)一步提高了能量利用率。

2、本實用新型的系統(tǒng)簡單，結(jié)構(gòu)緊湊，能量利用率高，可實現(xiàn)小型化和模塊化，并有利于降低建造成本，適用于分布式能源。

3、本實用新型中的固體氧化物燃料電池在常壓下運行，有利于提高其密封性和可靠性，且制造成本降低。

附圖說明

圖1為本實施例提供的一種集成燃料電池與二氧化碳循環(huán)的熱電聯(lián)供系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；

其中，1-空氣壓縮機，2-燃料壓縮機，3-給水泵，4-空氣預(yù)熱器，5-燃料預(yù)熱器，6-給水蒸發(fā)器，7-混合器，8-電力變換器，9-固體氧化物燃料電池，10-后燃室，11-高溫?fù)Q熱器，12-熱負(fù)荷，13-低溫?fù)Q熱器，14-帶中間冷卻的多級壓縮機，15-回?zé)崞鳎?6-膨脹機，17-發(fā)電機，18-冷卻器。

具體實施方式

下面結(jié)合具體實施例，進(jìn)一步闡述本實用新型。應(yīng)理解，這些實施例僅用于說明本實用新型而不用于限制本實用新型的范圍。此外應(yīng)理解，在閱讀了本實用新型講授的內(nèi)容之后，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以對本實用新型作各種改動或修改，這些等價形式同樣落于本申請所附權(quán)利要求書所限定的范圍。

圖1為本實施例提供的一種集成燃料電池與二氧化碳循環(huán)的熱電聯(lián)供系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖，所述的集成燃料電池與二氧化碳循環(huán)的熱電聯(lián)供系統(tǒng)由以下部件組成：

空氣預(yù)熱器4，用于預(yù)熱空氣；

燃料預(yù)熱器5，用于預(yù)熱燃料；

給水蒸發(fā)器6，用于將水氣化成水蒸汽；

空氣壓縮機1，用于將空氣增壓后輸入空氣預(yù)熱器4；

燃料壓縮機2，用于將燃料增壓后輸入燃料預(yù)熱器5；

給水泵3，用于將水輸入給水蒸發(fā)器6；

混合器7，用于將預(yù)熱后的燃料與水蒸汽混合；

固體氧化物燃料電池9，作為系統(tǒng)的核心能量轉(zhuǎn)換裝置，用于將化學(xué)能轉(zhuǎn)換成電能；空氣預(yù)熱器4預(yù)熱后的空氣進(jìn)入固體氧化物燃料電池9的陰極，混合器7出來的氣體進(jìn)入固體氧化物燃料電池9的陽極；

電力變換器8，用于將固體氧化物燃料電池9輸出的直流電轉(zhuǎn)換成交流電；

后燃室10，用于固體氧化物燃料電池9的廢氣中的殘余燃料在其中燃燒；

高溫?fù)Q熱器11，用于將后燃室10排出的一部分廢氣的熱量傳給二氧化碳工質(zhì)；放熱后的該部分廢氣依次進(jìn)入空氣預(yù)熱器4、燃料預(yù)熱器5、給水蒸發(fā)器6；

低溫?fù)Q熱器13，用于將給水蒸發(fā)器6排出的一部分廢氣的熱量傳給二氧化碳工質(zhì)；二氧化碳工質(zhì)吸熱后輸送至高溫?fù)Q熱器11進(jìn)一步吸熱；

熱負(fù)荷12，使用系統(tǒng)余熱(后燃室10排出的剩余部分廢氣的熱量及給水蒸發(fā)器6排出的剩余部分廢氣的熱量)的終端用戶；

膨脹機16，用于將高溫?fù)Q熱器11出來的二氧化碳工質(zhì)的熱能轉(zhuǎn)換成機械能；

發(fā)電機17，用于將膨脹機16輸出的機械能轉(zhuǎn)換成電能；

帶中間冷卻的多級壓縮機14，用于二氧化碳工質(zhì)增壓，并通過中間冷卻降低增壓過程的溫升；排出的高壓二氧化碳工質(zhì)分成兩個支路，一個支路輸送至低溫?fù)Q熱器13加熱，另一個支路輸送至回?zé)崞?5加熱；

回?zé)崞?5，用于將膨脹機16排出的低壓二氧化碳工質(zhì)的熱量傳給帶中間冷卻的多級壓縮機14排出的另一個支路的高壓二氧化碳工質(zhì)；低壓二氧化碳工質(zhì)放熱后經(jīng)冷卻器18冷卻并輸送至帶中間冷卻的多級壓縮機14增壓，高壓二氧化碳工質(zhì)吸熱后輸送至高溫?fù)Q熱器11進(jìn)一步吸熱；

冷卻器18，用于冷卻二氧化碳工質(zhì)。

帶中間冷卻的多級壓縮機14、回?zé)崞?5、膨脹機16、發(fā)電機17、冷卻器18，以及高溫?fù)Q熱器11、低溫?fù)Q熱器13組成超臨界二氧化碳循環(huán)回路子系統(tǒng)。

系統(tǒng)的各個設(shè)備之間通過管道連接，根據(jù)系統(tǒng)控制需要，管道上可布置閥門、流體機械、儀表。組成系統(tǒng)的其它部分還有輔助設(shè)施、電氣系統(tǒng)、儀控系統(tǒng)等。

上述的集成燃料電池與二氧化碳循環(huán)的熱電聯(lián)供系統(tǒng)的工作方法如下：

固體氧化物燃料電池9工作并通過電力變換器8供電，釋放的廢氣通過后燃室10將其中的殘余燃料燃燒，當(dāng)余熱用于供熱時，后燃室10排出廢氣的一個支路可將廢氣通往熱負(fù)荷12用于供熱，當(dāng)余熱用于發(fā)電時，后燃室10排出廢氣的另一個支路可將廢氣通往高溫?fù)Q熱器11并將熱量傳給二氧化碳工質(zhì)，通過超臨界二氧化碳循環(huán)發(fā)電，經(jīng)過高溫?fù)Q熱器11后的廢氣依次進(jìn)入空氣預(yù)熱器4、燃料預(yù)熱器5、給水蒸發(fā)器6，空氣壓縮機1將空氣輸入空氣預(yù)熱器4加熱后進(jìn)入固體氧化物燃料電池9的陰極，燃料壓縮機2將燃料輸入燃料預(yù)熱器5加熱后進(jìn)入混合器7，給水泵3將水輸入給水蒸發(fā)器6，水轉(zhuǎn)變成水蒸汽后進(jìn)入混合器7，由混合器7出來的氣體進(jìn)入固體氧化物燃料電池9的陽極，給水蒸發(fā)器6排出廢氣的一個支路可將廢氣通往低溫?fù)Q熱器13，廢氣的一部分低溫?zé)崃總鹘o二氧化碳工質(zhì)用于超臨界二氧化碳循環(huán)發(fā)電，給水蒸發(fā)器6排出廢氣的另一個支路可將廢氣通往熱負(fù)荷12用于供熱。

帶中間冷卻的多級壓縮機14出來的二氧化碳工質(zhì)為高壓(例如：25MPa)的超臨界狀態(tài)，并且分為兩個支路，一個支路經(jīng)過低溫?fù)Q熱器13吸收一部分低溫余熱，另一個支路經(jīng)過回?zé)崞?5吸收膨脹機16排出的低壓二氧化碳工質(zhì)的熱量，之后合并成一路，經(jīng)過高溫?fù)Q熱器11后進(jìn)一步升溫(例如：650℃)，再進(jìn)入膨脹機16，高溫高壓的二氧化碳工質(zhì)在膨脹機16中膨脹做功并推動發(fā)電機17發(fā)電，同時二氧化碳工質(zhì)降溫降壓，排出膨脹機16的二氧化碳工質(zhì)為低壓(例如：3MPa)的氣態(tài)，然后經(jīng)過回?zé)崞?5將熱量傳給高壓側(cè)的二氧化碳工質(zhì)，再經(jīng)冷卻器18降溫(例如20℃)，由帶中間冷卻的多級壓縮機14先分級增壓至臨界壓力并中間冷卻，再中間冷卻至臨界溫度以下轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)，再分級增壓至高壓并中間冷卻，如此完成超臨界二氧化碳循環(huán)發(fā)電。

根據(jù)上述的超臨界二氧化碳循環(huán)余熱發(fā)電，若循環(huán)發(fā)電效率為40％，則余熱的40％轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?，若固體氧化物燃料電池9的發(fā)電效率為50％，則系統(tǒng)總的發(fā)電效率可達(dá)70％。

本實用新型的系統(tǒng)在用于熱電聯(lián)供時可進(jìn)一步提高能量利用率至80％以上，符合分布式能源的發(fā)展方向。