[发明专利]基于燃气轮机和熔融碳酸盐燃料电池的混合供能系统

说明书

本发明涉及基于燃气轮机和熔融碳酸盐燃料电池的混合供能系统，属于分布式供能系统领域。该系统包括空气分离器、燃烧室、燃气轮机、VM循环热泵等部件。H₂和O₂分别在熔融碳酸盐燃料电池的阳极、阴极发生反应产生电能，同时，燃烧室内富氧燃烧产生的高温气体进入燃气轮机膨胀做功，并使发电机发电；再利用燃气轮机烟气驱动VM循环热泵，在夏季向用户供冷，在冬季向用户供热，并提供用户全年的生活热水负荷。本混合供能系统不仅可以保证系统电、冷、热用能的需求，而且具有发电效率高、燃料选择多样性、节能环保等特点。

技术领域

本发明属于分布式供能系统领域，尤其涉及基于燃气轮机和熔融碳酸盐燃料电池的混合供能系统。

背景技术

熔融碳酸盐燃料电池是一种以熔融碳酸盐为氧离子导体的高温燃料电池，通常被称为第二代燃料电池，工作温度在973-923K左右。与低温燃料电池相比，在熔融碳酸盐燃料电池的工作温度下，燃料(如天然气)可以直接在电池内部进行转化，既降低了成本，又提高了效率；其次，电池反应的高温余热可用于工业加工或锅炉循环；最后，燃料转化产生的CO不但不会使燃料电池电极催化剂中毒，反而可以成为熔融碳酸盐燃料电池的燃料。

但是，熔融碳酸盐燃料电池有一个显著缺点，即需要向阴极不断地供应CO₂。常规的做法是将阳极析出的CO₂重新输送到阴极，但也增加了系统结构的复杂性。

目前，由天然气驱动燃气轮机是最常见的热电转换装置，但是燃气轮机受卡诺循环限制和燃烧损失影响，系统发电效率仍有待提高。

因此，考虑将常见的热电转换装置与熔融碳酸盐燃料电池相结合，既可以充分利用熔融碳酸盐燃料电池发电过程的原材料和产物，实现燃烧室内的富氧燃烧，又可以利用燃烧室产物中的CO₂保证熔融碳酸盐燃料电池阴极的CO₂含量，进而提高整个系统的发电效率和燃料利用率。

与此同时，燃气轮机的排烟温度高达600℃，直接排走会造成能源浪费，为了对该部分热量进行梯级利用，选用VM循环热泵作为冷热生产设备。

发明内容

针对上述存在的问题和现象，本发明提供基于燃气轮机和熔融碳酸盐燃料电池的混合供能系统，旨在通过混合分布式系统满足用户的用能需求，并对剩余热量进行再回收，实现更好的能量梯级利用模式。

为了实现上述目的，本发明采取的技术方案为：

基于燃气轮机和熔融碳酸盐燃料电池的混合供能系统，包括：

压气机：其配置为对空气进行压缩；

空气分离器：其配置为对空气进行分离；

转化器：其配置为将燃料转化成熔融碳酸盐燃料电池所需的反应物；

熔融碳酸盐燃料电池阳极：其配置为发生还原反应；

熔融碳酸盐燃料电池阴极：其配置为方式氧化反应；

燃烧室：其配置为将熔融碳酸盐燃料电池阳极排气中的剩余燃料再燃，并进行富氧燃烧，进一步提高燃烧室排气温度；

燃气轮机：其配置为将高温气体的热能转换为机械能；

发电机：其配置为将机械能转变为电能，生产所需电力；

VM循环热泵：其配置为将蒸汽的低温热源转移到高温热源，进行制冷和供暖，满足用户用能需求；

换热器I：其配置为将VM循环热泵热腔的热流体热量传递给冷流体；

换热器II：其配置为将VM循环热泵室温腔的热流体热量传递给冷流体；

换热器III：其配置为将VM循环热泵冷腔的冷流体冷量传递给热流体。