本實(shí)用新型涉及動(dòng)力工程領(lǐng)域，特別是一種燃料電池和燃?xì)廨啓C(jī)與超臨界有機(jī)朗肯循環(huán)耦合的聯(lián)合系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

以燃料電池、有機(jī)朗肯循環(huán)(organic Rankine cycle,ORC)、熱電聯(lián)產(chǎn)為代表的一系列新興分布式能源技術(shù)逐漸成為國(guó)內(nèi)外關(guān)注的焦點(diǎn)，其中，固體氧化物燃料電池-燃?xì)廨啓C(jī)(solid oxide fuel cell-gas turbine,SOFC-GT)混合動(dòng)力循環(huán)因其清潔、燃料多樣、發(fā)電規(guī)模靈活等特點(diǎn)備受青睞，然而單一的燃料電池-燃?xì)廨啓C(jī)混合動(dòng)力循環(huán)的能源利用效率受限于乏汽的溫度，因此并不能實(shí)現(xiàn)熱量的高效利用，而有機(jī)朗肯循環(huán)(ORC)作為回收低品位熱能的一種重要方式，也在工業(yè)余熱發(fā)電及太陽(yáng)能、地?zé)?、生物質(zhì)能等低溫發(fā)電領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，有機(jī)朗肯循環(huán)與料電池-燃?xì)廨啓C(jī)混合動(dòng)力循環(huán)互補(bǔ)應(yīng)用可以有效地回收低品位熱能。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型的目的在于提供一種將上述兩個(gè)循環(huán)體系進(jìn)行耦合，既克服傳統(tǒng)單一循環(huán)體系能源利用效率低的問(wèn)題，又能達(dá)到高效率、低碳排、規(guī)模靈活、適合聯(lián)產(chǎn)聯(lián)供的燃料電池和燃?xì)廨啓C(jī)與超臨界有機(jī)朗肯循環(huán)耦合的聯(lián)合系統(tǒng)。

本實(shí)用新型提供的技術(shù)方案如下：一種燃料電池和燃?xì)廨啓C(jī)與超臨界有機(jī)朗肯循環(huán)耦合的聯(lián)合系統(tǒng)，包括燃料電池和燃?xì)廨啓C(jī)循環(huán)子系統(tǒng)、有機(jī)朗肯循環(huán)子系統(tǒng)和功率輸出子系統(tǒng)，所述燃料電池和燃?xì)廨啓C(jī)循環(huán)子系統(tǒng)與功率輸出子系統(tǒng)之間通過(guò)第一耦合部件耦合在一起，所述燃料電池和燃?xì)廨啓C(jī)循環(huán)子系統(tǒng)與所述有機(jī)朗肯循環(huán)子系統(tǒng)之間通過(guò)第二耦合部件耦合在一起，所述燃料電池和燃?xì)廨啓C(jī)循環(huán)子系統(tǒng)、有機(jī)朗肯循環(huán)子系統(tǒng)和功率輸出子系統(tǒng)中分別包括第一工作介質(zhì)、第二工作介質(zhì)和第三工作介質(zhì)，所述第一耦合部件用于接收第一工作介質(zhì)，所述第二耦合部件用于接收第一工作介質(zhì)和第二工作介質(zhì)，所述有機(jī)朗肯循環(huán)子系統(tǒng)中設(shè)置一合流裝置和一第四回?zé)崞髋c所述第二耦合部件連接。

在本實(shí)用新型的較佳實(shí)施例中，所述第一耦合部件設(shè)置為第三回?zé)崞?，所述第二耦合部件設(shè)置為過(guò)熱器和第一回?zé)崞鳌?/p>

在本實(shí)用新型的較佳實(shí)施例中，所述燃料電池和燃?xì)廨啓C(jī)循環(huán)子系統(tǒng)包括呈回路連接的燃料電池、燃燒室、第一透平、第一壓縮機(jī)和處理裝置，所述燃料電池包括正極和負(fù)極，可燃?xì)怏w和空氣分別由所述燃料電池正極和負(fù)極通入燃料電池進(jìn)行反應(yīng)，所述燃料電池中未反應(yīng)的可燃?xì)怏w送入所述燃燒器中燃燒從而產(chǎn)生高溫高壓氣體推動(dòng)所述第一透平做功，所述第一壓縮機(jī)將空氣壓入所述燃料電池的正極，所述第一壓縮機(jī)與所述第一透平同軸設(shè)置。

在本實(shí)用新型的較佳實(shí)施例中，所述燃料電池負(fù)極還連接一預(yù)熱器用于接收可燃?xì)怏w，所述預(yù)熱器的入口還與所述第二耦合部件連接以用于接收所述第一工作介質(zhì)。

在本實(shí)用新型的較佳實(shí)施例中，所述功率輸出子系統(tǒng)包括與所述第一耦合部件呈回路連接的第二壓縮機(jī)和第三透平，所述第二壓縮機(jī)接收外部空氣后壓縮送入所述第三透平做功。

在本實(shí)用新型的較佳實(shí)施例中，所述有機(jī)朗肯循環(huán)子系統(tǒng)包括依次連接的第二透平、冷凝器、分流裝置、第一流體泵、第二流體泵、第二回?zé)崞骱秃狭餮b置，所述第二回?zé)崞髋c所述第二透平的出口連接，所述合流裝置和所述第四回?zé)崞鬟B接在所述過(guò)熱器和第一回?zé)崞髦g。

在本實(shí)用新型的較佳實(shí)施例中，所述燃料電池為固體氧化物燃料電池。

在本實(shí)用新型的較佳實(shí)施例中，所述燃料電池和燃?xì)廨啓C(jī)循環(huán)子系統(tǒng)中還包括第一發(fā)電機(jī)，所述第一發(fā)電機(jī)與所述第一透平連接使所述第一透平膨脹做功時(shí)驅(qū)動(dòng)所述第一發(fā)電機(jī)發(fā)電。

在本實(shí)用新型的較佳實(shí)施例中，所述功率輸出子系統(tǒng)中還包括第三發(fā)電機(jī)，所述第三發(fā)電機(jī)與所述第三透平連接使所述第三透平膨脹做功時(shí)驅(qū)動(dòng)所述第三發(fā)電機(jī)發(fā)電。

在本實(shí)用新型的較佳實(shí)施例中，所述有機(jī)朗肯循環(huán)子系統(tǒng)中還包括第二發(fā)電機(jī)，所述第二發(fā)電機(jī)與所述第二透平連接使所述第二透平膨脹做功時(shí)驅(qū)動(dòng)所述第二發(fā)電機(jī)發(fā)電。

由上述對(duì)本實(shí)用新型的描述可知，與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型具有如下有益效果：顯著提高了能源轉(zhuǎn)化效率，減少了污染物排放，由于燃料電池和燃?xì)廨啓C(jī)循環(huán)子系統(tǒng)的高溫排氣仍有很高的溫度等級(jí)，屬于中低溫余熱，采用有機(jī)朗肯循環(huán)子系統(tǒng)將這些中低溫余熱進(jìn)行回收利用，可以大大提高了能源轉(zhuǎn)換效率，減少了污染物向環(huán)境中的排放，此外，本實(shí)用新型通過(guò)系統(tǒng)集成和流程改進(jìn)實(shí)現(xiàn)能量的綜合梯級(jí)轉(zhuǎn)換與高效清潔利用，將原本的能源利用率提高了至少15％。

附圖說(shuō)明

圖1是本實(shí)用新型中的燃料電池和燃?xì)廨啓C(jī)與超臨界有機(jī)朗肯循環(huán)耦合的聯(lián)合系統(tǒng)的系統(tǒng)圖。

具體實(shí)施方式

如圖1所示，該燃料電池和燃?xì)廨啓C(jī)與超臨界有機(jī)朗肯循環(huán)耦合的聯(lián)合系統(tǒng)包括燃料電池和燃?xì)廨啓C(jī)循環(huán)子系統(tǒng)10、有機(jī)朗肯循環(huán)子系統(tǒng)20和功率輸出子系統(tǒng)30，燃料電池和燃?xì)廨啓C(jī)循環(huán)子系統(tǒng)10由固體氧化物燃料電池11、第一回?zé)崞?6、第三回?zé)崞?1、燃燒室12、第一透平13、過(guò)熱器14、預(yù)熱器15、壓縮機(jī)17、處理裝置(圖未示)以及第一工作介質(zhì)18構(gòu)成。有機(jī)朗肯循環(huán)子系統(tǒng)20由冷凝器22、分流裝置23、合流裝置26、第一工質(zhì)泵24、第二工質(zhì)泵25、第一回?zé)崞?6、第二回?zé)崞?8、第四回?zé)崞?9、過(guò)熱器14、第二透平21以及第二工作介質(zhì)27構(gòu)成。功率輸出子系統(tǒng)30由第二壓縮機(jī)32、第三回?zé)崞?1、第四回?zé)崞?9、第三透平33和第三工作介質(zhì)34構(gòu)成，燃料電池和燃?xì)廨啓C(jī)循環(huán)子系統(tǒng)10和有機(jī)朗肯循環(huán)子系統(tǒng)20之間通過(guò)第一回?zé)崞?6和過(guò)熱器14耦合在一起。

在第一循環(huán)系統(tǒng)燃料電池和燃?xì)廨啓C(jī)循環(huán)子系統(tǒng)10中，第一壓縮機(jī)17接收外部空氣，并且產(chǎn)生壓力更高的空氣。在實(shí)施例中空氣的壓力與流量可由壓縮機(jī)進(jìn)行合理的控制。預(yù)熱器15起兩部分作用：1)接收可燃?xì)怏w，并產(chǎn)生溫度較高的可燃?xì)怏w；2)接收第一工作介質(zhì)，并產(chǎn)生溫度較低的第一工作介質(zhì)。在實(shí)施例中，可燃?xì)怏w的流量可根據(jù)所需進(jìn)行更改。燃料電池11起三部分作用：1)正極接收空氣，并產(chǎn)生氧氣含量減少的空氣；2)負(fù)極接收可燃?xì)怏w，并產(chǎn)生可燃?xì)怏w；3)輸出電量。燃燒室12接收可燃?xì)怏w和空氣，并產(chǎn)生高溫高壓的第一工作介質(zhì)。與壓縮機(jī)17同軸的第一透平13接收第一工作介質(zhì)，輸出功率，產(chǎn)生溫度與壓力都減少的第一工作介質(zhì)。第一透平13可連接電動(dòng)機(jī)，以驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)發(fā)電。第三回?zé)崞?4起兩部分作用：1)接收空氣，并產(chǎn)生溫度較高的空氣；2)接收第一工作介質(zhì)，并產(chǎn)生溫度較低的第一工作介質(zhì)。過(guò)熱器14起兩部分作用：1)接收第一工作介質(zhì)，并產(chǎn)生溫度較低的第一工作介質(zhì)；2)接收第二工作介質(zhì)，并產(chǎn)生溫度較高的第二工作介質(zhì)。第一回?zé)崞?6起兩部分作用：1)接收第一工作介質(zhì)，并產(chǎn)生溫度較低的第一工作介質(zhì)；2)接收第二工作介質(zhì)，并產(chǎn)生溫度較高的第二工作介質(zhì)。處理裝置構(gòu)成接收第一工作介質(zhì)，無(wú)污染低廢熱的第一工作介質(zhì)。

在有機(jī)朗肯循環(huán)子系統(tǒng)20中，過(guò)熱器14起兩部分作用：1)接收第一工作介質(zhì)，并產(chǎn)生溫度較低的第一工作介質(zhì)；2)接收第二工作介質(zhì)，并產(chǎn)生溫度較高的第二工作介質(zhì)。第二透平21接收第二工作介質(zhì)，輸出功率，產(chǎn)生溫度與壓力都減少的第一工作介質(zhì)。第二回?zé)崞?8構(gòu)成起兩部分作用：1)接收第二透平21流出的第二工作介質(zhì)，并產(chǎn)生溫度較低的第二工作介質(zhì)；2)接收經(jīng)分流裝置23分流后的第二工作介質(zhì)，并產(chǎn)生溫度較高的第二工作介質(zhì)。冷凝器22接收第二工作介質(zhì)，并產(chǎn)生溫度降低的第二工作介質(zhì)。分流裝置23接收第二工作介質(zhì)，并產(chǎn)生二路工作介質(zhì)。在實(shí)施例中二路工作介質(zhì)流量的大小可根據(jù)需要由分流裝置進(jìn)行調(diào)控。第一工質(zhì)泵24構(gòu)成接收第二工作介質(zhì)，并產(chǎn)生流量與壓力較大的第二工作介質(zhì)。第二工質(zhì)泵25接收第二工作介質(zhì)，并產(chǎn)生流量與壓力較大的第二工作介質(zhì)。合流裝置26接收流經(jīng)第一回?zé)崞鞯牡诙ぷ鹘橘|(zhì)和流經(jīng)第二回?zé)崞鞯牡诙ぷ鹘橘|(zhì)，并產(chǎn)生第二工作介質(zhì)。第四回?zé)崞?9起兩部分作用：1)接收第二工作介質(zhì)，并產(chǎn)生溫度較高的第一工作介質(zhì)；2)接收第二工作介質(zhì)，并產(chǎn)生溫度較低的第二工作介質(zhì)。

在功率輸出子系統(tǒng)30中，第二壓縮機(jī),32接收外部空氣，并且產(chǎn)生壓力更高的空氣。在實(shí)施例中空氣的壓力與流量可由壓縮機(jī)進(jìn)行合理的控制。第三回?zé)崞?1起兩部分作用：1)接收空氣，并產(chǎn)生溫度較高的空氣；2)接收第一工作介質(zhì)，并產(chǎn)生溫度較低的第一工作介質(zhì)。第三透平33接收空氣，輸出功率，產(chǎn)生溫度與壓力都減少的空氣。第三透平33可連接發(fā)電機(jī)，用于驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。第四回?zé)崞?9構(gòu)成起兩部分作用：1)接收第二工作介質(zhì)，并產(chǎn)生溫度較高的第一工作介質(zhì)；2)接收第二工作介質(zhì)，并產(chǎn)生溫度較低的第二工作介質(zhì)。

本實(shí)施例提供了一種改進(jìn)后的聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)，以及一個(gè)回?zé)崞黢詈喜考?，該系統(tǒng)中將回?zé)崞骱屯钙讲考嗦?lián)接，進(jìn)一步回收該透平做功后尾氣的余熱。該系統(tǒng)是基于換熱方式的差異對(duì)余熱回收效率進(jìn)行進(jìn)一步改進(jìn)

綜上所述，該燃料電池和燃?xì)廨啓C(jī)與超臨界有機(jī)朗肯循環(huán)耦合的聯(lián)合系統(tǒng)顯著提高了能源轉(zhuǎn)化效率，減少了污染物排放，由于燃料電池和燃?xì)廨啓C(jī)循環(huán)子系統(tǒng)的高溫排氣仍有很高的溫度等級(jí)，屬于中低溫余熱，采用有機(jī)朗肯循環(huán)子系統(tǒng)將這些中低溫余熱進(jìn)行回收利用，可以大大提高了能源轉(zhuǎn)換效率，減少了污染物向環(huán)境中的排放，此外，本實(shí)用新型通過(guò)系統(tǒng)集成和流程改進(jìn)實(shí)現(xiàn)能量的綜合梯級(jí)轉(zhuǎn)換與高效清潔利用。

本文公開(kāi)的所有范圍均包括端點(diǎn)，并且端點(diǎn)可彼此組合。如本文所用，用語(yǔ)“第一”、“第二”等不表示任何順序、數(shù)量或重要性，而是相反，它們用來(lái)將元素彼此區(qū)分開(kāi)。在描述本實(shí)用新型的語(yǔ)境(尤其是在所附權(quán)利要求的語(yǔ)境中)中所使用的用語(yǔ)“一個(gè)”和“一種”與“該”以及“所述”和類(lèi)似的對(duì)象應(yīng)理解為覆蓋單數(shù)和復(fù)數(shù)兩者，除非本文另有說(shuō)明或語(yǔ)境有抵觸。

雖然結(jié)合了許多實(shí)施例來(lái)詳細(xì)地描述本實(shí)用新型，但是本實(shí)用新型不限于這樣的公開(kāi)的實(shí)施例。相反，可修改本實(shí)用新型，以結(jié)合此前未描述的但與本實(shí)用新型的范圍相當(dāng)?shù)娜魏螖?shù)量的變型、變化、替代或等效布置。另外，雖然描述了本實(shí)用新型的多種實(shí)施例，但是應(yīng)當(dāng)理解，本實(shí)用新型的各方面可包括所描述的實(shí)施例中的僅一些。因此，本實(shí)用新型不應(yīng)視為由前面的描述限制，而是僅由所附權(quán)利要求的范圍限制。