一種提高煤層氣能量利用率的燃料電池?zé)犭娐?lián)系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種煤層氣利用的燃料電池?zé)犭娐?lián)系統(tǒng)，包括燃料處理裝置，燃料電池反應(yīng)組，燃電能儲(chǔ)備，蓄熱組、輔助控溫裝置、渦輪發(fā)電機(jī)，熱交換裝置，制作水煤氣裝置，熱水供應(yīng)系統(tǒng)和總控系統(tǒng)。燃料處理裝置與燃料電池反應(yīng)組相接，燃料電池反應(yīng)組與燃電能儲(chǔ)備，輔助控溫裝置和蓄熱組相連接，蓄熱組與渦輪發(fā)電機(jī)相連接，渦輪發(fā)電機(jī)與燃電能儲(chǔ)備穿過熱交換裝置與輔助控溫裝置相連接，熱交換裝置制作水煤氣裝置和熱水供應(yīng)系統(tǒng)相連接。本發(fā)明提供的燃料電池?zé)犭娐?lián)系統(tǒng)可以在煤層氣發(fā)電時(shí)把產(chǎn)生的熱量也利用起來，增加了能量利用率，理論上能量利用率可達(dá)到80％以上，最大化的利用煤層氣。
【專利說明】一種提高煤層氣能量利用率的燃料電池?zé)犭娐?lián)系統(tǒng)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及燃料電池?zé)犭娐?lián)系統(tǒng)，尤其涉及一種提高煤層氣能量利用率的燃料電 池?zé)犭娐?lián)系統(tǒng)。

【背景技術(shù)】
[0002] 我國的煤礦資源豐富，而隨之伴生的煤層氣據(jù)預(yù)測資源量相當(dāng)于450億噸煤，與 常規(guī)天然氣的資源量相當(dāng)。在煤礦的開采過程伴生的煤層氣也是安全的重大隱患，據(jù)統(tǒng)計(jì) 每年向大氣排放的煤層氣高達(dá)200億立方米，不僅污染了當(dāng)?shù)氐沫h(huán)境，還會(huì)產(chǎn)生全球的溫 室效應(yīng)。
[0003] 煤層氣是富含甲烷的混合氣體，對(duì)于大量中等甲烷含量的煤層氣通常直接作為民 用燃料或發(fā)電，但用量有限；對(duì)于低的瓦斯都是直接排放出去，不能得到很好的利用，而且 現(xiàn)在的煤層氣發(fā)電多是直接燃燒發(fā)電，這樣不僅污染環(huán)境，而且能量利用率也不高最大只 有45%。若要將煤層氣用于化學(xué)領(lǐng)域，則必須使甲烷含量提高到95%以上，通常采用變壓 吸附或低溫分離。煤層氣現(xiàn)在最主要的目的就是產(chǎn)熱和發(fā)電，但上述方法都沒有將其很好 的利用結(jié)合，能量利用率較低。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 有鑒于現(xiàn)有技術(shù)的上述缺陷，本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種提高煤層氣 能量利用率的燃料電池?zé)犭娐?lián)系統(tǒng)，在煤層氣發(fā)電時(shí)把產(chǎn)生的熱量也利用起來，增加了能 量利用率。
[0005] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種提高煤層氣能量利用率的燃料電池?zé)犭娐?lián)系 統(tǒng)，包括燃料處理裝置、燃料電池反應(yīng)組、電力儲(chǔ)備、蓄熱組、輔助控溫裝置、渦輪發(fā)電機(jī)、熱 交換裝置、制作水煤氣裝置、熱水供應(yīng)系統(tǒng)和總控系統(tǒng)，抽采出來的煤層氣和空氣各自通入 所述燃料處理裝置，所述燃料處理裝置與所述燃料電池反應(yīng)組相接，所述燃料電池反應(yīng)組 利用煤層氣和空氣來生產(chǎn)直流電及熱，所述燃料電池反應(yīng)組與所述燃電能儲(chǔ)備、所述輔助 控溫裝置和所述蓄熱組相連接，所述燃電能儲(chǔ)備將所述燃料電池反應(yīng)組生產(chǎn)的電能存儲(chǔ)起 來并將直流電轉(zhuǎn)變交流電，所述輔助控溫裝置控制燃料電池反應(yīng)組的溫度，所述蓄熱組對(duì) 所述燃料電池反應(yīng)組產(chǎn)生的高溫氣體進(jìn)行加壓存儲(chǔ)并為所述渦輪發(fā)電機(jī)提供所需高溫高 壓氣體，所述渦輪發(fā)電與所述燃電能儲(chǔ)備穿過所述熱交換裝置與所述輔助控溫裝置相連 接，熱交換裝置將所述渦輪發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的電傳到所述電力存儲(chǔ)裝置，把經(jīng)過實(shí)時(shí)所述熱交 換裝置剩余的熱量傳到所述輔助控溫裝置機(jī)保存，所述熱交換裝置與所述制作水煤氣裝置 和所述熱水供應(yīng)系統(tǒng)相連接，所述制作水煤氣裝置利用所述熱交換裝置產(chǎn)生的水蒸氣與熾 熱煤炭反應(yīng)生成水煤氣，所述熱水供應(yīng)系統(tǒng)與所述制作水煤氣裝置和生活日用裝置相連， 將所述制作水煤氣裝置生產(chǎn)水煤氣傳送到所述生活日用裝置，所述總控制系統(tǒng)與所述燃料 處理裝置、所述燃料電池反應(yīng)組、所述電力儲(chǔ)備、所述蓄熱組、所述輔助控溫裝置、所述渦輪 發(fā)電機(jī)、所述熱交換裝置、所述熱水供應(yīng)系統(tǒng)、所述制作水煤氣裝置連接，對(duì)上述各個(gè)的裝 置的數(shù)據(jù)進(jìn)行檢測和儲(chǔ)存。
[0006] 在本發(fā)明的較佳實(shí)施方式中，所述輔助控溫裝置包括加溫裝置、冷卻裝置、保溫裝 置和溫度感應(yīng)裝置。
[0007] 在本發(fā)明的另一較佳實(shí)施方式中，所述燃料處理裝置包括純濃度的甲烷氣體和濃 度傳感器。
[0008] 在本發(fā)明的較佳實(shí)施方式中，所述燃料電池反應(yīng)組為固體氧化物燃料電池，所述 固體氧化物燃料電池使用的電解質(zhì)是氧化釔的氧化鋯，所述氧化鋯是一種可傳導(dǎo)的異氧離 子的陶瓷材料，所述氧化鋯的陰極和陽極都是多孔結(jié)構(gòu)，所述氧化鋯的各個(gè)接觸部位通過 陶瓷連接，所述燃料電池反應(yīng)組裝有溫度感應(yīng)裝置。
[0009] 在本發(fā)明的另一較佳實(shí)施方式中，所述燃電能儲(chǔ)備包括電能的儲(chǔ)存和直流電向交 流高壓電轉(zhuǎn)換的裝置。
[0010] 在本發(fā)明的較佳實(shí)施方式中，所述蓄熱組包括壓力和溫度傳感器以及對(duì)高溫氣體 的儲(chǔ)存的裝置和對(duì)高溫氣體的加壓裝置。
[0011] 在本發(fā)明的另一較佳實(shí)施方式中，所述潤輪發(fā)電機(jī)為汽輪發(fā)電機(jī)。
[0012] 在本發(fā)明的較佳實(shí)施方式中，所述熱交換裝置為渦流熱膜換熱器。
[0013] 在本發(fā)明的另一較佳實(shí)施方式中，所述制作水煤氣裝置包括爐子結(jié)構(gòu)，所述爐子 結(jié)構(gòu)采用UGI氣化爐型式或采用間歇周期式固定床生產(chǎn)技術(shù)的裝置。
[0014] 在本發(fā)明的較佳實(shí)施方式中，所述熱水供應(yīng)系統(tǒng)包括增壓裝置和保溫裝置。
[0015] 本發(fā)明提供的燃料電池?zé)犭娐?lián)系統(tǒng)，可以在在煤層氣發(fā)電時(shí)把產(chǎn)生的熱量也利用 起來，增加了能量利用率，理論上能量利用率可達(dá)到80%以上，最大化的利用煤層氣。
[0016] 以下將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的構(gòu)思、具體結(jié)構(gòu)及產(chǎn)生的技術(shù)效果作進(jìn)一步說明，以 充分地了解本發(fā)明的目的、特征和效果。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0017] 圖1是本發(fā)明的一個(gè)較佳實(shí)施例的燃料電池?zé)犭娐?lián)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；
[0018] 圖2是燃料電池反應(yīng)組反應(yīng)原理示意圖；
[0019] 圖3是燃料電池反應(yīng)組反應(yīng)結(jié)構(gòu)面和氣體流動(dòng)示意圖。

【具體實(shí)施方式】
[0020] 如圖1所示，一種提高煤層氣能量利用率的燃料電池?zé)犭娐?lián)系統(tǒng)，包括燃料處理 裝置1，燃料電池反應(yīng)組2,電能儲(chǔ)備3、蓄熱組4、輔助控溫裝置5、渦輪發(fā)電機(jī)6,熱交換裝 置7,熱水供應(yīng)系統(tǒng)9,制作水煤氣裝置8和總控系統(tǒng)10。燃料處理裝置1與燃料電池反應(yīng) 組2相接，燃料電池反應(yīng)組2與燃電能儲(chǔ)備3,輔助控溫裝置5和蓄熱組4相連接，蓄熱組4 與渦輪發(fā)電機(jī)6相連接，渦輪發(fā)電機(jī)6與燃電能儲(chǔ)備3穿過熱交換裝置7與輔助控溫裝置 5相連接，熱交換裝置7與制作水煤氣裝置8和熱水供應(yīng)系統(tǒng)9相連接。總控制系統(tǒng)10與 上述的每個(gè)裝置都連接，對(duì)各個(gè)的裝置的數(shù)據(jù)進(jìn)行檢測和儲(chǔ)存。
[0021] 輔助控溫裝置5包括加溫裝置、冷卻裝置、保溫裝置和溫度感應(yīng)裝置，加溫的形式 主要靠電力加溫，冷卻裝置主要靠水進(jìn)行冷卻，保溫的方式靠保溫箱。輔助控溫裝置5與燃 料電池反應(yīng)組2連接，可以控制燃料電池反應(yīng)組2的溫度，達(dá)到其工作要求的溫度其加溫， 還起到降溫作用和儲(chǔ)存反應(yīng)氣體循環(huán)利用。
[0022] 燃料處理裝置1包括純濃度的甲烷氣體和濃度傳感器，濃度感應(yīng)器會(huì)測試出煤層 氣的甲烷含量，如果甲烷含量不足燃料處理裝置1上有純濃度的甲烷會(huì)對(duì)通的入的煤層氣 進(jìn)行補(bǔ)充，達(dá)到合適的濃度保證反應(yīng)進(jìn)行。
[0023] 燃料電池反應(yīng)組2的反應(yīng)原理示意圖如圖2所示，燃料電池反應(yīng)組2為固體氧化 物燃料電池，它使用的電解質(zhì)是氧化釔的氧化鋯，一種可傳導(dǎo)的異氧離子的陶瓷材料，陰極 和陽極都是多孔結(jié)構(gòu)，各個(gè)接觸部位通過陶瓷連接。燃料電池反應(yīng)組2裝有溫度感應(yīng)裝置。 燃料電池反應(yīng)組2利用煤層氣和空氣來生產(chǎn)直流電及熱，燃料電池反應(yīng)組2反應(yīng)結(jié)構(gòu)面和 氣體流動(dòng)如圖3所示。
[0024] 電能儲(chǔ)備3包括電能的儲(chǔ)存和直流電向交流高壓電轉(zhuǎn)換的裝置。燃電能儲(chǔ)備3將 燃料電池反應(yīng)組2生產(chǎn)的電能存儲(chǔ)起來并將直流電轉(zhuǎn)變交流電；
[0025] 蓄熱組4包括壓力和溫度傳感器以及對(duì)高溫氣體的儲(chǔ)存裝置和對(duì)高溫氣體的加 壓裝置。蓄熱組4與燃料電池反應(yīng)組2和渦輪發(fā)電機(jī)6連接，對(duì)燃料電池反應(yīng)組2產(chǎn)生的 高溫氣體進(jìn)行加壓存儲(chǔ)并為蒸汽渦輪發(fā)電機(jī)6提供所需高溫高壓氣體，熱交換裝置7為渦 流熱膜換熱器。渦輪發(fā)電機(jī)6與燃電能儲(chǔ)備3,熱交換裝置7和輔助控溫裝置5相連，將產(chǎn) 生的電傳到電力存儲(chǔ)裝置3,把經(jīng)過熱交換裝置7剩余的能量傳到輔助控溫裝置機(jī)5保存
[0026] 制作水煤氣裝置8利用所述熱交換裝置7產(chǎn)生的水蒸氣與熾熱煤炭反應(yīng)生成水煤 氣。制作水煤氣裝置8包括爐子結(jié)構(gòu)，爐子采用UGI氣化爐型式和采用間歇周期式固定床 生產(chǎn)技術(shù)的裝置。
[0027] 熱水供應(yīng)系統(tǒng)9包括增壓裝置和保溫裝置，與制作水煤氣裝置8和生活日用裝置 相連，產(chǎn)生的水蒸氣通入制作水煤氣裝置8生產(chǎn)水煤氣，把產(chǎn)生的熱水供應(yīng)到日常生活所 需的地方。
[0028] 總控制系統(tǒng)10是總的信號(hào)收集裝置可以把各個(gè)裝置的信號(hào)收集起來轉(zhuǎn)化電子信 息進(jìn)行監(jiān)控和儲(chǔ)存。
[0029] 本實(shí)施例公開的燃料電池?zé)犭娐?lián)系統(tǒng)工作過程如下：
[0030] (1)首先將抽采出來的煤層氣和空氣各自通入燃料處理裝置1，燃料處理裝置1中 的濃度感應(yīng)裝置會(huì)測試出煤層氣的甲烷含量，如果甲烷含量不足燃料處理裝置1上有純濃 度的甲烷會(huì)對(duì)通的入的煤層氣進(jìn)行補(bǔ)充，達(dá)到合適的濃度保證反應(yīng)進(jìn)行。
[0031] (2)輔助控溫裝置5在燃料電池反應(yīng)組2工作前會(huì)通電加熱燃料電池反應(yīng)組2提 高它的溫達(dá)到要求溫度，然后通入經(jīng)過燃料處理裝置1處理后的煤層氣進(jìn)行反應(yīng)，反應(yīng)過 程中產(chǎn)生的電傳到電能儲(chǔ)備3進(jìn)行儲(chǔ)備，產(chǎn)生的高壓氣體進(jìn)入蓄熱組4,燃料電池上的溫度 感應(yīng)器會(huì)隨時(shí)監(jiān)視反應(yīng)溫度傳到總控制系統(tǒng)，如果反應(yīng)溫度過高，輔助控溫裝置5會(huì)向燃 料電池反應(yīng)組2通入冷卻的水進(jìn)行降溫，使溫度達(dá)到反所需的正常溫度。
[0032] (3)蓄熱組4會(huì)對(duì)高壓氣體進(jìn)行儲(chǔ)存保持它的溫度和增大它的壓強(qiáng)，蓄熱組4的壓 強(qiáng)感應(yīng)器和溫度感應(yīng)器會(huì)測試高溫氣體的溫度和壓強(qiáng)，并將它們傳送到總控制系統(tǒng)10,高 溫氣體在進(jìn)入渦輪發(fā)電機(jī)6前，蓄熱組4會(huì)保持增大高溫氣的壓強(qiáng)，輔助控溫裝置5會(huì)把經(jīng) 過熱交換裝置7的氣體儲(chǔ)存并加熱然后把加熱的高溫氣體通過燃料電池反應(yīng)組2到達(dá)蓄熱 組4,達(dá)到渦輪發(fā)電機(jī)6所需的溫度和壓強(qiáng)，通入渦輪發(fā)電機(jī)6中進(jìn)行發(fā)電。
[0033] (4)渦輪發(fā)電機(jī)6進(jìn)行發(fā)電，產(chǎn)生的電通入電能儲(chǔ)存3,經(jīng)過渦輪發(fā)電機(jī)6的高溫 氣體穿過熱交換裝置7進(jìn)入輔助控溫裝置5進(jìn)行儲(chǔ)存進(jìn)行循環(huán)利用。
[0034] (5)高溫氣體通過熱交換裝置7把水加熱產(chǎn)生熱水和水蒸氣，把產(chǎn)生的熱水通入 熱水供應(yīng)系統(tǒng)9進(jìn)行儲(chǔ)存和供應(yīng)，水蒸氣通入制作水煤氣裝置8制作水煤氣。
[0035] (6)總控制系統(tǒng)和各個(gè)裝置相連接會(huì)把各個(gè)的裝置的數(shù)據(jù)進(jìn)行檢測和儲(chǔ)存。
[0036] 本發(fā)明實(shí)施例公開的煤層氣利用的燃料電池?zé)犭娐?lián)系統(tǒng)通過固體氧化物燃料電 池的電化學(xué)作用，使煤層氣與空氣的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電裝置，在發(fā)電的過程還 會(huì)產(chǎn)生大量的熱，從而提高煤層氣的利用率。
[0037] 以上詳細(xì)描述了本發(fā)明的較佳具體實(shí)施例。應(yīng)當(dāng)理解，本領(lǐng)域的普通技術(shù)無需創(chuàng) 造性勞動(dòng)就可以根據(jù)本發(fā)明的構(gòu)思作出諸多修改和變化。因此，凡本【技術(shù)領(lǐng)域】中技術(shù)人員 依本發(fā)明的構(gòu)思在現(xiàn)有技術(shù)的基礎(chǔ)上通過邏輯分析、推理或者有限的實(shí)驗(yàn)可以得到的技術(shù) 方案，皆應(yīng)在由權(quán)利要求書所確定的保護(hù)范圍內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1. 一種提高煤層氣能量利用率的燃料電池?zé)犭娐?lián)系統(tǒng)，其特征在于，包括燃料處理裝 置（1)、燃料電池反應(yīng)組（2)、燃電能儲(chǔ)備（3)、蓄熱組（4)、輔助控溫裝置（5)、渦輪發(fā)電機(jī) (6)、熱交換裝置（7)、制作水煤氣裝置（8)、熱水供應(yīng)系統(tǒng)（9)和總控系統(tǒng)（10)，抽采出來 的煤層氣和空氣各自通入所述燃料處理裝置（1)，所述燃料處理裝置（1)與所述燃料電池 反應(yīng)組（2)相接，所述燃料電池反應(yīng)組（2)利用煤層氣和空氣來生產(chǎn)直流電及熱，所述燃料 電池反應(yīng)組（2)與所述燃電能儲(chǔ)備（3)、所述輔助控溫裝置（5)和所述蓄熱組（4)相連接， 所述燃電能儲(chǔ)備（3)將所述燃料電池反應(yīng)組（2)生產(chǎn)的電能存儲(chǔ)起來并將直流電轉(zhuǎn)變交流 電，所述輔助控溫裝置（5)控制燃料電池反應(yīng)組（2)的溫度，所述蓄熱組（4)對(duì)所述燃料 電池反應(yīng)組（2)產(chǎn)生的高溫氣體進(jìn)行加壓存儲(chǔ)并為所述渦輪發(fā)電機(jī)（6)提供所需高溫高壓 氣體，所述渦輪發(fā)電（6)與所述燃電能儲(chǔ)備（3)穿過所述熱交換裝置（7)與所述輔助控溫 裝置（5)相連接，所述熱交換裝置（7)將所述渦輪發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的電傳到所述電力存儲(chǔ)裝置 (3)，把經(jīng)過實(shí)時(shí)熱交換裝置（7)剩余的熱量傳到所述輔助控溫裝置機(jī)（5)保存，所述熱交 換裝置（7)與所述制作水煤氣裝置（8)和所述熱水供應(yīng)系統(tǒng)（9)相連接，所述制作水煤氣 裝置（8)利用所述熱交換裝置（7)產(chǎn)生的水蒸氣與熾熱煤炭反應(yīng)生成水煤氣，所述熱水供 應(yīng)系統(tǒng)（9)與所述制作水煤氣裝置（8)和生活日用裝置相連，將所述制作水煤氣裝置（8) 生產(chǎn)水煤氣傳送到所述生活日用裝置，所述總控制系統(tǒng)（10)與所述燃料處理裝置（1)、所 述燃料電池反應(yīng)組（2)、所述燃電能儲(chǔ)備（3)、所述蓄熱組（4)、所述輔助控溫裝置（5)、所述 渦輪發(fā)電機(jī)（6)、所述熱交換裝置（7)、所述熱水供應(yīng)系統(tǒng)（9)以及所述制作水煤氣裝置（8) 連接，對(duì)上述各個(gè)的裝置的數(shù)據(jù)進(jìn)行檢測和儲(chǔ)存。
2. 如權(quán)利要求1所述的燃料電池?zé)犭娐?lián)系統(tǒng)，其特征在于，所述輔助控溫裝置（5)包括 加溫裝置、冷卻裝置、保溫裝置和溫度感應(yīng)裝置。
3. 如權(quán)利要求1所述的燃料電池?zé)犭娐?lián)系統(tǒng)，其特征在于，所述燃料處理裝置（1)包括 純濃度的甲烷氣體和濃度傳感器。
4. 如權(quán)利要求1所述的燃料電池?zé)犭娐?lián)系統(tǒng)，其特征在于，所述燃料電池反應(yīng)組（2)為 固體氧化物燃料電池，所述固體氧化物燃料電池使用的電解質(zhì)是氧化釔的氧化鋯，所述氧 化鋯是一種可傳導(dǎo)的異氧離子的陶瓷材料，所述氧化鋯的陰極和陽極都是多孔結(jié)構(gòu)，所述 氧化鋯的各個(gè)接觸部位通過陶瓷連接，所述燃料電池反應(yīng)組（2)裝有溫度感應(yīng)裝置。
5. 如權(quán)利要求1所述的燃料電池?zé)犭娐?lián)系統(tǒng)，其特征在于，所述燃電能儲(chǔ)備（3)包括電 能的儲(chǔ)存和直流電向交流高壓電轉(zhuǎn)換的裝置。
6. 如權(quán)利要求1所述的燃料電池?zé)犭娐?lián)系統(tǒng)，其特征在于，所述蓄熱組（4)包括壓力和 溫度傳感器以及對(duì)高溫氣體的儲(chǔ)存的裝置和對(duì)高溫氣體的加壓裝置。
7. 如權(quán)利要求1所述的燃料電池?zé)犭娐?lián)系統(tǒng)，其特征在于，所述渦輪發(fā)電機(jī)（6)為汽輪 發(fā)電機(jī)。
8. 如權(quán)利要求1所述的燃料電池?zé)犭娐?lián)系統(tǒng)，其特征在于，所述熱交換裝置（7)為渦流 熱膜換熱器。
9. 如權(quán)利要求1所述的燃料電池?zé)犭娐?lián)系統(tǒng)，其特征在于，所述制作水煤氣裝置（8) 包括爐子結(jié)構(gòu)，所述爐子結(jié)構(gòu)采用UGI氣化爐型式或采用間歇周期式固定床生產(chǎn)技術(shù)的裝 置。
10. 如權(quán)利要求1所述的燃料電池?zé)犭娐?lián)系統(tǒng)，其特征在于，所述熱水供應(yīng)系統(tǒng)（9)包 括增壓裝置和保溫裝置。
【文檔編號(hào)】H01M8/04GK104064788SQ201410274586
【公開日】2014年9月24日 申請(qǐng)日期:2014年6月18日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月18日
【發(fā)明者】夏大平, 侯斌, 郭紅玉, 王振, 羅源, 陳山來, 馬俊強(qiáng), 蘇現(xiàn)波 申請(qǐng)人:河南理工大學(xué)