[发明专利]基于固体氧化物燃料电池余热回收的有机郎肯循环发电系统

说明书

技术领域

本发明属于能源技术领域，涉及固体氧化物燃料电池的余热回收，以及有机郎肯循环的余热发电系统。

背景技术

固体氧化物燃料电池SOFC(Solid Oxide Fuel Cell，简称SOFC)属于第三代燃料电池，是一种在中高温下直接将储存在燃料和氧化剂中的化学能转化成电能的全固态化学发电装置。固体氧化物燃料电池燃料的化学能有50％～80％转化为电能，其余部分随高温废气排放到环境中去。固体氧化物燃料电池的燃料工作温度可达1000℃以上，燃烧后废气温度则高达800℃以上，对这部分热能的回收利用成为一个非常有意义的课题。采用固体氧化物燃料电池和燃气轮机或蒸汽轮机联合发电成为余热回收的重要途径。中国专利02111642.3提出一种固体氧化物燃料电池蒸汽轮机联合发电系统，蒸汽锅炉的燃料采用燃料电池排出的剩余燃料和一定量的天然气混合，该联合循环发电的方式提高能源利用率，达到减少温室气体的排放，其发电效率可达到50％左右，减少10％左右的燃料使用量。但其系统结构复杂、成本高，特别是其蒸汽轮机系统发电时，需要充入一定量的天然气以保证蒸汽发生器有足够多的能量推动燃气轮机做功，这种方式余热回收的同时还需要新能源的补充。中国专利200710019287.2提出一种固体氧化物燃料电池热电冷联供和储能系统。固体氧化物燃料电池产生的高温废气先预热燃料电池的燃料气和空气，以及回水，之后废气驱动氨吸收制冷系统制冷，设置稀氨水储存罐进行储能，能源利用效率大大提高。这种系统结构也较复杂、成本较高，尤其是采用氨吸收式制冷，安全性值得考虑。

有机郎肯循环ORC(Organic Rankine Cycle，简称ORC)是采用有机循环介质的郎肯循环，与传统的蒸汽郎肯循环比较，采用有机工质可以回收低品味的废热转化为高品位的电能。主要区别是：在相同的压力下，有机工质沸点比水的沸点小，因此在相同温度下，有机工质具有比水更高的蒸发压力；在回收显热方面具有较高效率，特别对于低温热源利用具有更高的效率；与水蒸气不同，有机物冷媒在膨胀作功过程中，从高压到低压始终保持干燥状态，这就消除了形成湿气以及当高速小水滴冲击汽轮机时，产生部件腐蚀损坏的可能性，所以ORC能比水蒸气汽轮机更有效地适应部分负荷运行及大的功率变动，不需要装过热器；与水蒸气相比，由于有机工质的声速低，在低叶片速度时，能获得有利的空气动力配合，在50Hz时能产生较高的汽轮机效率，不需要装齿轮箱；有机工质冷凝压力高，整个系统在接近和稍高于大气压力的情况下工作，使得外界空气漏入系统的现象大为降低；有机工质凝固点很低，这就允许它在较低温度下仍能释放出能量，在寒冷天气冷凝器也不需要增加防冻设施。值得说明的是，ORC可以采用的部件均来自于成熟的制冷部件市场，因此对于系统装置开发更为容易。

发明内容

本发明要解决的是现有技术存在的上述问题，旨在提供一种基于固体氧化物燃料电池余热回收的有机郎肯循环发电系统。该系统回收的燃料电池高温废热，既能预热燃料电池发生反应需要的燃料气体、空气以及供水，又能够采用有机郎肯循环回收低品位废热进行余热发电。

为解决上述问题，本发明采用以下技术方案：基于固体氧化物燃料电池余热回收的有机郎肯循环发电系统，包括空气压缩机、空气预热器、废热空气加热器、燃料气体压缩机、燃料预热器、废热燃料加热器、水泵、供水预热器、废热供水加热器、固体氧化物燃料电池反应堆、废气燃烧器、变频器、废热蒸发器、膨胀机，发电机、冷凝器，循环泵和外部冷却水/气系统，其特征在于：

环境空气先经过空气压缩机压缩至一定的压力后进入空气预热器的冷侧进行预热；预热后的空气进入废热空气加热器的冷侧加热后进入固体氧化物燃料电池反应堆；

燃料气体先经过燃料气体压缩机压缩至一定压力后进入燃料预热器的冷侧进行预热；预热后的燃料气体进入废热燃料加热器的冷侧加热后进入固体氧化物燃料电池反应堆；

供水先经过水泵，然后进入供水预热器的冷侧进行预热；预热后的供水进入废热供水加热器的冷侧加热后进入固体氧化物燃料电池反应堆；

上述加热后的空气、燃料气体和供水进入固体氧化物燃料电池反应堆，产生直流电，经过变频器，将直流电转化为交流电；同时固体氧化物燃料电池反应堆反应完成后产生的废气经过废气燃烧器，产生可以回收利用的高温废气；所述的高温废气依次经过废热空气加热器的热侧、废热燃料加热器的热侧和废热供水加热器的热侧后变成中温废气，该中温废气进入蒸发器的热侧；