帶有催化燃燒室的燃料電池/燃氣輪機混合動力裝置，主要解決了現有裝置整合困難、部件熱耦合性強及提高燃料利用率的技術問題。該裝置包括發電機、高溫燃料電池、壓氣機及透平、催化燃燒室等。上述發電機通過減速箱與壓氣機相連，壓氣機通過主軸與透平相連，并通過軸承進行支撐。壓氣機與低溫換熱器通過管道連接，并與催化燃燒室A相連。催化燃燒室A與高溫燃料電池的陰極相連，而高溫換熱器與高溫燃料電池的陽極連接。本實用新型專利技術通過采用催化燃燒方式的催化燃燒室將燃料電池、燃氣輪機兩個動力設備聯系在一起，在充分回收并利用能量，提高燃料利用率的同時，又降低了燃料電池和燃氣輪機的熱力學耦合關系，使裝置控制變得簡單，而且整個過程潔凈環保，安全可靠。（*該技術在2022年保護過期，可自由使用*）
【技術實現步驟摘要】
本專利技術涉及一種混合動力裝置，具體的是一種帶有催化燃燒室的燃料電池/燃氣輪機混合動力裝置，屬于發電裝置制造及應用
技術介紹
燃料電池是一種可以直接將化學能轉化為電能，反應過程中不涉及到燃燒，使得其能量轉換效率不受“卡諾循環”限制的高效能量轉化裝置，其能量轉換率可以高達60% 80%。根據燃料電池的工作溫度，將熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC)和固體氧化物燃料電池(SOFC)稱為高溫燃料電池。高溫燃料電池不僅能量轉換效率高、潔凈、噪聲低，而且在部分負載、滿負載和過載工況下及不同的規模下都可以保持高效率。在燃料電池獨立運行時，其效率潛能不能充分發揮，高品位的廢熱有很大的余熱利用價值。燃氣輪機是一種成熟的動力設備，其發電經濟性好而且排放低，但其效率因受卡諾循環的限制而較低。因此，可以將高溫燃料電池和燃氣輪機組成混合動力裝置。燃料電池與燃氣輪機組成的混合動力裝置總的來說主要是兩種結構應用直接燃燒的透平和應用間接燃燒的透平。直接燃燒型透平中燃料電池被增壓，燃料電池相當于燃氣輪機的燃燒室，在這種裝置中燃料電池在高壓狀態下工作，會產生較高的效率，在陽極氧氣濃度高，功率密度較高，燃料電池電堆中所需的電池單元減少。在這種循環中由于電池工作在高壓下阻止了內部重整器的使用，導致裝置造價升高及效率下降，同時在電池內部存在的壓差也會導致電池的破壞。燃氣輪機的壓力與燃料電池相耦合，使裝置的可靠性降低也使裝置的設計壓力要與燃氣輪機的壓力相匹配。為解決頂層循環存在的問題，一種被稱作間接燃燒型透平或底層循環的裝置問世(U. S. Pat. No. 6365290)。在這種裝置中燃料電池在常壓下工作，電池運行良好，集成起來比較簡單，容易啟動，便于控制，而且使用壽命長。為了改善混合動力裝置中燃料電池和燃氣輪機的匹配，提高裝置的性能，改善裝置部件之間的耦合關系。也可以在裝置中加入額外的換熱器、燃燒室等部件。基于U.S. Pat.No. 6365290所提出的裝置結構，U. S. Pat. No. 6896988針對高溫燃料電池與燃氣輪機的特點提出了更適合匹配燃氣輪機的燃料電池的尺寸。U. S. Pat. No. 7862938提出了在裝置中避免使用工作溫度高于燃料電池工作溫度的換熱器和實現在裝置效率和輸出功率之間可靈活折中的裝置結構。最早成功開發出混合動力裝置的是美國Westinghouse科技中心和北方研究和工程公司(NRE)，他們在1995年開發出了 220kW的混合動力裝置。第二代混合動力裝置的開發任務是由 The National Energy Technology Laboratory (NETL)承擔的，他們的研究對象是20MW以下的混合動力裝置。2002年10月Toyota公司使用Toyota制造的50kff的燃氣輪機和IHI公司制造的300kW的MCFC組成混合裝置，裝置發電效率為55%，綜合效率為75%。我國對低溫燃料電池的研究比較成熟，對高溫燃料電池的研究剛剛起步，將高溫燃料電池與燃氣輪機組成混合動力裝置進行充分研究的文獻和資料較少。上海交通大學針對高溫燃料電池燃氣輪機混合動力裝置進行了數學建模、特性分析、協調控制、半物理仿真及示范性千瓦級混合動力裝置的建立。在以上所提到的混合動力裝置中，裝置的合理布局及追求較高的裝置效率成為設計目標。但是，所設計的裝置都是基于燃料電池，假設在不久的將來可以制造出滿足性能要求的燃氣輪機，在設計中沒有考慮到現有燃氣輪機的特性。同時，在對裝置中燃燒室的設計沒有考慮到燃燒室的入口可燃物成分較低，所采用的燃燒室能保證在不同工況下都正常工作，并保持較低排放的特性。
技術實現思路
本專利技術針對上述現有技術存在裝置整合困難、部件熱耦合性強的缺陷及實現進一步提高燃料利用率的目的，通過采用催化燃燒方式的催化燃燒室將燃料電池、燃氣輪機兩個動力設備聯系在一起，在充分回收并利用能量，提高燃料利用率的同時，又降低了燃料電池和燃氣輪機的熱力學耦合關系，使裝置控制變得簡單，而且整個過程潔凈環保，安全可 O本專利技術提供一種基于現有燃氣輪機進行設計的采用催化燃燒室的燃料電池/燃氣輪機混合動力裝置，該裝置包括發電機(10)、高溫燃料電池(7)、壓氣機(I)和透平(2)。上述發電機(10 )通過減速箱與壓氣機(I)相連，壓氣機(I)通過主軸與透平(2 )相連，并通過軸承進行支撐。壓氣機(I)的出口與低溫換熱器(5)的入口通過管道連接，低溫換熱器(5)的出口通過管道與催化燃燒室A (6)的入口相連，而催化燃燒室A (6)的出口通過管道與高溫燃料電池(7)的陰極(Cath)相連，主燃料閥門(3)的出口與高溫換熱器(4)的入口通過管道連接，高溫換熱器(4 )與高溫燃料電池(7 )的陽極(Anod )連接，高溫燃料電池(7 )的陰極(Cath)出口通過管道與催化燃燒室B (8)相接，高溫燃料電池(7)的陽極(Anod)出口通過管道分別與催化燃燒室A (6)和催化燃燒室B (8)相連，輔助燃料閥門(9)的出口與催化燃燒室B (8)通過管道連接，催化燃燒室B (8)通過管道與透平(2)連接，透平(2)通過管道與高溫換熱器(4)連接。上述壓氣機(I)出口空氣在低溫換熱器(5)中加熱后與燃料電池陽極回流來的尾氣在催化燃燒室A (6)中發生氧化反應，反應后的氣體進入電池的陰極作為氧化劑。高溫燃料電池(7)所需的燃料經增壓后在高溫換熱器(4)中由透平(2)的尾氣加熱，進入高溫燃料電池(7)的陽極參加電化學反應。高溫燃料電池(7)的陽極尾氣除一部分被回流外，其余部分與高溫燃料電池(7)陰極尾氣在催化燃燒室B (8)中發生氧化反應，高溫尾氣進入透平(2)做功。由于高溫燃料電池(7)的工作溫度較低不能達到燃氣輪機透平(2)入口要求，在透平(2)前的催化燃燒室B (8)中需要加入輔助的燃料以滿足透平(2)的要求。進入燃燒室B (8)的燃料流量是根據透平(2)入口溫度的要求經解析計算得到的，燃料的流量可以由閥門來進行控制。催化燃燒室B (8)同樣也起到了將高溫燃料電池(7)與燃氣輪機裝置分離的目的，這樣就使它們之間沒有相互的熱量依賴。本專利技術的工作原理I.經過過濾后的空氣進入壓氣機，壓氣機的增壓比可以根據燃料電池的工作壓力選擇，經過壓氣機后空氣的壓力和溫度升高，然后進入回熱器。2.空氣在回熱器內換熱，由透平尾氣作為熱源使其溫度升高，再進入催化燃燒室進行催化燃燒，溫度進一步升高，在經過催化燃燒室時工作壓力會略有下降，同時有從陽極回流來的燃氣使其流量略有增加。3.經外部重整后的燃料進入高溫換熱器，通過透平尾氣對其進行加熱，使其溫度升高滿足燃料電池入口溫度要求，同時保持壓力與陰極入口壓力相近。4.在燃料電池內燃料與氧化劑發生電化學反應，使電池達到工作溫度。從燃料電池陰極出來的尾氣直 接進入催化燃燒室B，而電池陽極尾氣一部分進入催化燃燒室B另外一部分進入催化燃燒室A。5.在催化燃燒室B內電池陽極尾氣中的可燃成分發生催化反應放出熱量，同時為確保燃氣輪機的正常工作通過閥門向催化燃燒室B注入輔助燃料，確保透平的入口溫度為燃氣輪機的設計溫度。6.催化燃燒室B出口的高溫燃氣進入透平推動透平做功，透平的輸出功一部分傳給與其同軸的壓氣機，剩余的部分則用于驅動發電機。本文檔來自技高網...
【技術保護點】
一種帶有催化燃燒室的燃料電池/燃氣輪機混合動力裝置，該裝置包括發電機（10）、高溫燃料電池（7）、壓氣機（1）和透平（2），其特征在于，上述發電機（10）通過減速箱與壓氣機（1）相連，壓氣機（1）通過主軸與透平（2）相連，并通過軸承進行支撐，壓氣機（1）的出口與低溫換熱器（5）的入口通過管道連接，低溫換熱器（5）的出口通過管道與催化燃燒室A（6）的入口相連，而催化燃燒室A（6）的出口通過管道與高溫燃料電池（7）的陰極相連，主燃料閥門（3）的出口與高溫換熱器（4）的入口通過管道連接，高溫換熱器（4）與高溫燃料電池（7）的陽極連接，高溫燃料電池（7）的陰極出口通過管道與催化燃燒室B（8）相接，高溫燃料電池（7）的陽極出口通過管道分別與催化燃燒室A（6）和催化燃燒室B（8）相連，輔助燃料閥門（9）的出口與催化燃燒室B（8）通過管道連接，催化燃燒室B（8）通過管道與透平（2）連接，透平（2）通過管道與高溫換熱器（4）連接。
【技術特征摘要】
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【專利技術屬性】
技術研發人員：劉愛虢，曾文，王成軍，
申請(專利權)人：沈陽航空航天大學，
類型：實用新型
國別省市：
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