[实用新型]带有催化燃烧室的燃料电池/燃气轮机混合动力装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种混合动力装置，具体的是一种带有催化燃烧室的燃料电池/燃气轮机混合动力装置，属于发电装置制造及应用技术领域。

背景技术

燃料电池是一种可以直接将化学能转化为电能，反应过程中不涉及到燃烧，使得其能量转换效率不受“卡诺循环”限制的高效能量转化装置，其能量转换率可以高达60%～80%。根据燃料电池的工作温度，将熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）和固体氧化物燃料电池（SOFC）称为高温燃料电池。高温燃料电池不仅能量转换效率高、洁净、噪声低，而且在部分负载、满负载和过载工况下及不同的规模下都可以保持高效率。

在燃料电池独立运行时，其效率潜能不能充分发挥，高品位的废热有很大的余热利用价值。燃气轮机是一种成熟的动力设备，其发电经济性好而且排放低，但其效率因受卡诺循环的限制而较低。因此，可以将高温燃料电池和燃气轮机组成混合动力装置。

燃料电池与燃气轮机组成的混合动力装置总的来说主要是两种结构：应用直接燃烧的透平和应用间接燃烧的透平。直接燃烧型透平中燃料电池被增压，燃料电池相当于燃气轮机的燃烧室，在这种装置中燃料电池在高压状态下工作，会产生较高的效率，在阳极氧气浓度高，功率密度较高，燃料电池电堆中所需的电池单元减少。在这种循环中由于电池工作在高压下阻止了内部重整器的使用，导致装置造价升高及效率下降，同时在电池内部存在的压差也会导致电池的破坏。燃气轮机的压力与燃料电池相耦合，使装置的可靠性降低也使装置的设计压力要与燃气轮机的压力相匹配。为解决顶层循环存在的问题，一种被称作间接燃烧型透平或底层循环的装置问世（U.S.Pat.No.6365290）。在这种装置中燃料电池在常压下工作，电池运行良好，集成起来比较简单，容易启动，便于控制，而且使用寿命长。为了改善混合动力装置中燃料电池和燃气轮机的匹配，提高装置的性能，改善装置部件之间的耦合关系。也可以在装置中加入额外的换热器、燃烧室等部件。基于U.S.Pat.No.6365290所提出的装置结构，U.S.Pat.No.6896988针对高温燃料电池与燃气轮机的特点提出了更适合匹配燃气轮机的燃料电池的尺寸。U.S.Pat.No.7862938提出了在装置中避免使用工作温度高于燃料电池工作温度的换热器和实现在装置效率和输出功率之间可灵活折中的装置结构。最早成功开发出混合动力装置的是美国Westinghouse科技中心和北方研究和工程公司（NRE），他们在1995年开发出了220kW的混合动力装置。第二代混合动力装置的开发任务是由The National Energy Technology Laboratory(NETL)承担的，他们的研究对象是20MW以下的混合动力装置。2002年10月Toyota公司使用Toyota制造的50kW的燃气轮机和IHI公司制造的300kW的MCFC组成混合装置，装置发电效率为55％，综合效率为75%。

我国对低温燃料电池的研究比较成熟，对高温燃料电池的研究刚刚起步，将高温燃料电池与燃气轮机组成混合动力装置进行充分研究的文献和资料较少。上海交通大学针对高温燃料电池燃气轮机混合动力装置进行了数学建模、特性分析、协调控制、半物理仿真及示范性千瓦级混合动力装置的建立。

在以上所提到的混合动力装置中，装置的合理布局及追求较高的装置效率成为设计目标。但是，所设计的装置都是基于燃料电池，假设在不久的将来可以制造出满足性能要求的燃气轮机，在设计中没有考虑到现有燃气轮机的特性。同时，在对装置中燃烧室的设计没有考虑到燃烧室的入口可燃物成分较低，所采用的燃烧室能保证在不同工况下都正常工作，并保持较低排放的特性。

发明内容

本发明针对上述现有技术存在装置整合困难、部件热耦合性强的缺陷及实现进一步提高燃料利用率的目的，通过采用催化燃烧方式的催化燃烧室将燃料电池、燃气轮机两个动力设备联系在一起，在充分回收并利用能量，提高燃料利用率的同时，又降低了燃料电池和燃气轮机的热力学耦合关系，使装置控制变得简单，而且整个过程洁净环保，安全可靠。