一种组合式熔融碳酸盐燃料电池发电系统及方法

摘要

本发明提供的一种组合式熔融碳酸盐燃料电池发电系统及方法，属于发电技术领域，组合式熔融碳酸盐燃料电池发电系统包括：若干个燃料电池组，所述燃料电池组之间依次串联连接；每个燃料电池组具有若干个燃料电池单堆，一组中的若干个燃料电池单堆并联连接；燃料电池单堆具有进气口和出气口；本发明的组合式熔融碳酸盐燃料电池发电系统，通过每个燃料电池组中并联设置的多个燃料电池单堆提高熔融碳酸盐燃料电池发电系统的总功率；串联设置的若干燃料电池组可以提高熔融碳酸盐燃料电池发电系统的燃料利用率和发电效率。

说明书

技术领域

本发明涉及发电技术领域，具体涉及一种组合式熔融碳酸盐燃料电池发电系统及方法。

背景技术

随着国民经济的迅速增长，对能源的需求日益旺盛，能源短缺以及化石能源所产生的环境污染问题日益尖锐。熔融碳酸盐燃料电池是一种清洁高效发电技术，他能将天然气、煤制合成气、生物质气等燃料的化学能通过电化学反应直接转化成电能，同时具有噪音低、无污染等优点。

熔融碳酸盐燃料电池使用碳酸盐作为电解质，在燃料电池工作时，碳酸盐在高温作用下变成熔融态，起到在阴极阳极之间传输离子的作用，但是其传质阻力较大，造成熔融碳酸盐燃料电池电流偏低，因此，熔融碳酸盐电池堆单堆效率通常都低于50％。

为了满足日益增长的需求，需要将电池堆的功率放大，但是，在功率放大的过程中，在单电池面积放大、电池关键部件一致性、电池堆关键部位匹配问题、电池堆组装工艺等方面存在困难，限制了熔融碳酸盐燃料电池发电系统的功率规模。

发明内容

因此，本发明要解决的技术问题在于克服现有技术中的在功率放大的过程中，在单电池面积放大、电池关键部件一致性、电池堆关键部位匹配问题、电池堆组装工艺等方面存在困难，限制了熔融碳酸盐燃料电池发电系统的功率规模的缺陷，从而提供一种组合式熔融碳酸盐燃料电池发电系统。

本发明还提供熔融碳酸盐燃料电池发电方法。

为解决上述技术问题，本发明提供的一种组合式熔融碳酸盐燃料电池发电系统，包括：

若干个燃料电池组，所述燃料电池组之间依次串联连接；所述燃料电池组具有总进气口和总出气口；相邻两个燃料电池组的总出气口与总进气口连通；

每个燃料电池组具有若干个燃料电池单堆，一组中的若干个燃料电池单堆并联连接；燃料电池单堆具有进气口和出气口；燃料电池组的总进气口与每个所述燃料电池单堆的进气口均连通，燃料电池组的总出气口与每个所述燃料电池单堆的出气口均连通。

作为优选方案，还包括：

混合器，具有分别设置在燃料电池组两端的进气混合器和尾气混合器；

所述进气混合器具有阴极进气混合器和阳极进气混合器；所述阴极进气混合器的进口端与阴极气体连接，出口端与燃料电池组中的每个燃料电池单堆的阴极的进气口均连接；所述阳极进气混合器的进口端与阳极气体连接，出口端与燃料电池组中的每个燃料电池单堆的阳极的进气口均连接；

所述尾气混合器具有阴极尾气混合器和阳极尾气混合器；所述阴极尾气混合器的进口端与上一级的每个燃料电池单堆的阴极的出气口均连接，出口端与下一级的每个燃料电池单堆的阴极的进气口均连通；所述阳极尾气混合器的进口端与上一级的每个燃料电池单堆的阳极的出气口均连接，出口与下一级的每个燃料电池单堆的阳极的进气口均连通。

作为优选方案，还包括：

尾气分离提纯器，具有阴极尾气分离提纯器和阳极尾气分离提纯器；所述阴极尾气分离提纯器的进口端与上一级的阴极尾气混合器连接，出口端与下一级的每个燃料电池单堆的阴极的进气口均连通；所述阳极尾气分离提纯器的进口端与上一级的阳极尾气混合器连接，出口端与下一级的每个燃料电池单堆的阳极的进气口均连通。

作为优选方案，在阴极尾气分离提纯器和下一级的燃料电池单堆的阴极的进气口之间设置有阴极增气混合器。

作为优选方案，每组燃料电池组的多个燃料电池单堆的阳极的进气口的前端设置有阳极进气分流器，所述阳极进气分流器将阳极气体分流成均匀等量的多股；每组燃料电池组的多个燃料电池单堆的阴极的进气口的前端设置有阴极进气分流器，所述阴极进气分流器将阴极气体分流成均匀等量的多股。

作为优选方案，在每个燃料电池组的前端设置有换热单元。

作为优选方案，还包括：

催化燃烧单元，与最后一级的燃料电池单堆的阳极的出气口连通；所述催化燃烧单元与所述换热单元连通。

本发明还提供一种组合式熔融碳酸盐燃料电池发电系统的发电方法，具有过程如下：

阴极气体分别进入到第一级的每个燃料电池单堆的阴极的进气口，阳极气体分别进入到上一级的每个燃料电池单堆的阳极的进气口；

第一级的多个燃料电池单堆同时进行反应，反应结束后，第一级的燃料电池单堆的阴极尾气进入到第二级的燃料电池单堆的阴极的进气口；第一级的燃料电池单堆的阳极尾气进入到第二级的燃料电池单堆的阳极的进气口；第二级的燃料电池单堆进行反应；

根据燃料电池组的数量依次进行反应。

作为优选方案，阳极气体先进入到阳极进气混合器中，之后经过阳极换热单元进入到阳极进气分流器中，通过阳极进气分流器将阳极气体分流成均匀等量的多股分别进入到第一级的并联设置的多个燃料电池单堆的阳极中；

阴极气体先进入到阴极进气混合器中，之后经过阴极换热单元进入到阳极进气分流器中，通过阴极进气分流器将阴极气体分流成均匀等量的多股分别进入到第一级的并联设置的多个燃料电池单堆的阴极中；

燃料电池单堆发生反应；

反应结束后，第一级的燃料电池单堆的阳极尾气首先进入到阳极尾气混合器，然后进入到阳极尾气分离提纯器，提纯后的尾气经过阳极换热器进入到第二级的燃料电池单堆的阳极中；

第一级的燃料电池单堆的阴极尾气首先进入到阴极尾气混合器，然后进入到阴极尾气分离提纯器，提纯后的尾气与阴极增气混合器进入的气体混合后，经过阴极换热器进入到第二级的燃料电池单堆的阴极中；

根据燃料电池组的个数，进行逐级反应；

最后一级的燃料电池组的燃料电池单堆的阳极产生的阳极尾气进入到催化燃烧单元内，催化燃烧单元与换热单元连接；经过催化燃烧单元将阳极尾气进行燃烧，产生的热量提供给换热单元。

本发明技术方案，具有如下优点：

1.本发明提供的组合式熔融碳酸盐燃料电池发电系统，若干个燃料电池组，所述燃料电池组之间依次串联连接；每个燃料电池组具有若干个燃料电池单堆，一组中的若干个燃料电池单堆并联连接；通过每个燃料电池组中并联设置的多个燃料电池单堆提高熔融碳酸盐燃料电池发电系统的总功率串联设置的若干燃料电池组可以提高熔融碳酸盐燃料电池发电系统的燃料利用率和发电效率。

由于燃料电池单堆所能达到的功率有限，本方案通过对燃料电池并联，提高了燃料电池发电系统的总功率。

2.本发明提供的组合式熔融碳酸盐燃料电池发电系统，在两个燃料电池组之间设置阴极增气混合器，保证在下一级的需要的阴极气体的充足，保证燃料电池单堆的反应。

3.本发明提供的组合式熔融碳酸盐燃料电池发电系统，还包括：催化燃烧单元；将阴极内未反应的氢气在催化燃烧单元内经过催化燃烧充分将未反应的氢气的剩余化学能转化为热量来进一步利用；催化燃烧单元与换热单元连通，将催化燃烧单元产生的热量传递给换热单元，充分利用尾气产生的余热。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的组合式熔融碳酸盐燃料电池发电系统的结构示意图。

附图标记说明：

1、阳极进气混合器；2、阴极进气混合器；3、阳极第一换热器；4、阴极第一换热器；5、阳极进气分流器；6、阴极进气分流器；7、阳极尾气混合器；8、阴极尾气混合器；9、阳极尾气分离提纯器；10、阴极尾气分离提纯器；11、阳极第二换热器；12、阴极第二换热器；13、催化燃烧单元；14、阴极增气混合器；15、燃料电池单堆。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

实施例1

本实施例提供的组合式熔融碳酸盐燃料电池发电系统，若干个燃料电池组，所述燃料电池组之间依次串联连接；所述燃料电池堆具有总进气口和总出气口；相邻两个燃料电池组的总出气口与总进气口连通；

每个燃料电池组具有若干个燃料电池单堆15，一组中的若干个燃料电池单堆15并联连接；燃料电池单堆15具有进气口和出气口；燃料电池组的总进气口与每个所述燃料电池单堆15的进气口均连通，燃料电池组的总出气口与每个所述燃料电池单堆15的出气口均连通。

如图1所示，在本实施例中，具有串联设置的第一级燃料电池堆和第二级燃料电池堆；

第一级的燃料电池堆具有四个并联设置的燃料电池单堆15；第二级燃料电池堆具有一个燃料电池单堆15；

每个燃料电池单堆15中，具有阴极和阳极，阳极气体与阳极进气混合器1的进口端连接，阳极进气混合器1的出口端与第一阳极换热器的进口端连接，阳极换热器的出口端与阳极进气分流器5连接，所述阳极进气分流器5将阳极气体分流成均匀等量的多股，别流进到第一级燃料电池组的每个燃料电池单堆15的阳极的进气口极内，从而发生阳极反应；

阴极气体与阴极进气混合器2的进口端连接，阴极进气混合器2的出口端与阴极换热器的进口端连接，第一阴极换热器的出口端与阴极进气分流器6连接，所述阴极进气分流器6将阴极气体分流成均匀等量的多股，分别流进到第一级燃料电池组的每个燃料电池单堆15的阴极的进气口极内，从而发生阴极反应；

在每个燃料电池单堆15内发生电化学反应，并产生电能；多组并联的燃料电池单堆15使得产生的电能的总功率提高；

反应结束后，每个燃料电池单堆15的阳极的出气口汇总后，与阳极尾气混合器7的进口端连接，阳极尾气混合器7的出口端与阳极尾气分离提纯器9的进气端连接，阳极尾气分离提纯器9的出气端与第二阳极换热器连接，阳极尾气经过第二阳极换热器后，进入到第二级的燃料电池组的燃料电池单堆15的阳极进气口内；

每个燃料电池单堆15的阴极的出气口汇总后，与阴极尾气混合器8的进口端连接，阴极尾气混合器8的出口端与阴极尾气分离提纯器10的进气端连接，阴极尾气分离提纯器10的出气端与第二阴极换热器的进气端连接，第二阴极换热器的出气端连接有阴极增气混合器14，阴极增气混合器14的另一个进气口还连接有阴极进气，补充阴极反应所需要的气体，为第二级的燃料电池组内的燃料电池单堆15的阴极反应提供足够的气体；

在第二级的燃料电池单堆15内生电化学反应，并产生电能；第一级燃料电池组和第二级燃料电池组的串联连接，提高了燃料利用率和发电效率。

反应结束后，第二级的燃料电池单堆15的阳极尾气进入到催化燃烧单元13，催化燃烧单元13依次与阳极第二换热器11、阳极第一换热器3连通，将未反应的氢气的剩余化学能转化为热量进一步利用；第二级的燃料电池单堆15的阳极尾气依次进入到第二阴极换热器、第一阴极换热器内，实现热量的交换，充分利用尾气余热。

实施例2

本实施例提供的熔融碳酸盐燃料电池发电方法，使用实施例1所述的组合式熔融碳酸盐燃料电池发电系统；

熔融碳酸盐燃料电池堆中发生如下电化学反应：

阳极反应：H

阴极反应：1/2O

总反应：H

阳极进气包括燃料和水蒸汽，其中燃料包括氢气、天然气、甲醇、煤制合成气、沼气、工厂池放气等，当燃料需要重整制氢时，则通入水蒸汽与燃料发生重整反应生成富氢气体作为燃料电池阳极进气。阳极进气首先进入到阳极进气混合器1中，阳极进气混合器1将阳极气体混合均匀，混合均匀后，进入到阳极第一换热器3，对气体进行预热，预热结束后，进入到阳极进气分流器5，阳极进气分流器5将阳极气体分流成均匀等量的分成四股，分别进入到燃料电池单堆15的阳极的进气口内；

阴极进气包括氧气或空气(提供氧气)和二氧化碳，阴极进气首先进入到阴极进气混合器2中，阴极进气混合器2将阴极气体混合均匀，混合均匀后，进入到阴极第一换热器4，对气体进行预热，预热结束后，进入到阴极进气分流器6，阴极进气分流器6将阴极气体分流成均匀等量的分成四股，分别进入到燃料电池单堆15的阴极的进气口内；

每一个燃料电池单堆15分别发生反应，由于四个燃料电池单堆15并联设置，每个燃料电池单堆15的放电电压相同，放电电流相叠加，因此，功率相叠加，显著提高了熔融碳酸盐燃料电池发电系统的总功率。

第一级的燃料电池单堆15反应结束后，在燃料电池单堆15的阳极的出气口排出阳极尾气，阳极尾气主要包括阳极反应生成的水蒸汽、二氧化碳和未反应的氢气，并联设置的多个燃料电池单堆15的阳极尾气合并后，首先进入到阳极尾气混合器7，然后进入到阳极尾气分离提纯器9，来提纯氢气，提纯后的氢气经过阳极第二换热器11进入到串联设置第二级的燃料电池单堆15的阳极中；

在燃料电池单堆15的阳极的出气口排出阴极尾气，极尾气主要包括未反应的氧气或空气和二氧化碳，并联设置的多个燃料电池单堆15的阴极尾气合并后，首先进入到阴极尾气混合器8，来提纯二氧化碳，将提纯后的二氧化碳和补充的空气或氧气在阴极增气混合器14内进行混合，经过阴极第二换热器12进入到串联设置第二级的燃料电池单堆15的阴极中；

提纯后的阳极尾气和阴极尾气在串联连接的第二级燃料电池单堆15中发生化学反应，进一步利用阳极尾气和阴极尾气中未反应的燃料气体，从而提高熔融燃料碳酸盐燃料电池发电系统的整体发电效率。

经过第一级燃料电池组和第二级燃料电池组反应后的阳极尾气中仍存在有未反应的氢气，将其引入到催化燃烧单元13，经过催化燃烧充分将未反应的氢气的剩余化学能转化为热量来进一步利用。催化燃烧后的高温阳极尾气先与阳极第一换热器3连通，进行一级换热，再与阳极第二换热器11连通，进行二级换热，充分利用尾气余热。

经过第一级燃料电池组和第二级燃料电池组反应后的阳极尾气，阴极尾气先与阴极第一换热器4连通，进行一级换热，再与阴极第二换热器12连通，进行二级换热，充分利用尾气余热。

以合成气为燃料为例，合成气主要成分为氢气和一氧化碳，其摩尔比为2.8：1。阳极合成气以92.5Nm

假设4个并联燃料电池单堆15的利用率均为75％，1个串联燃料电池单堆15的气体利用率为70％，可以得到：4个并联的燃料电池单堆15的发电功率均为26.61kW，1个串联的燃料电池单堆15的发电功率为24.84kW，发电系统总功率为131.29kW，极大提高了发电系统总功率。4个并联的燃料电池单堆15的发电效率均为40.68％，1个串联的燃料电池单堆15的发电功率为40.02％，发电系统综合发电效率为50.17％，极大提高了燃料利用率和燃料电池发电效率。

以合成气为燃料为例，合成气主要成分为氢气和一氧化碳，其摩尔比为2.8：1。阳极合成气以92.5Nm

假设4个并联电池堆气体利用率均为75％，1个串联燃料电池单堆的气体利用率为60％，可以得到：4个并联的燃料电池单堆的发电功率均为25.52kW，1个串联电池堆发电功率为23.82kW，发电系统总功率为125.89kW，极大提高了发电系统总功率。4个并联燃料电池单堆的发电效率均为39.01％，1个串联燃料电池单堆的发电功率为38.37％，发电系统综合发电效率为48.11％，极大提高了燃料利用率和燃料电池发电效率。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。