CN111649328A - 一种应用于熔融碳酸盐燃料电池的天然气加热炉***和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供的一种应用于熔融碳酸盐燃料电池的天然气加热炉***和方法，包括天然气进气单元、燃料电池***、天然气加热炉***、催化燃烧器和火筒，本发明采用燃料电池和天然气加热炉***，天然气同时作为燃料电池和加热炉的气体来源，无需外接电源对燃料电池进行加热，该结构将燃料电池***和燃料电池的加热***，即天然气加热炉***进行耦合，进一步提高综合能源利用效率。

Description

一种应用于熔融碳酸盐燃料电池的天然气加热炉***和方法
技术领域
本发明涉及氢能与燃料电池发电技术领域，特别涉及一种应用于熔融碳酸盐燃料电池的天然气加热炉***和方法。
背景技术
随着氢能与燃料电池发电技术的不断发展，新能源技术发电示范越来越多，燃料电池发电技术作为新型发电技术，在国内外不断受到重视，并在一些地方得到示范。熔融碳酸盐燃料电池是一种高温燃料电池发电装置，具有燃料来源广，能量转化效率高，可实现二氧化碳的捕集。熔融碳酸盐燃料电池发电技术可以面向不同场合设计开发热电联产发电***等。在目前国内的发电***装置中，燃料电池的加热一般采用电加热、天然气加热，并且加热***与电堆运行***相互独立，无法达到耦合。
发明内容
本发明的目的在于提供一种应用于熔融碳酸盐燃料电池的天然气加热炉***和方法，由于加热***与电堆运行***相互独立，无法达到耦合，存在能源的利用率低的缺陷。
为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是：
本发明提供的一种应用于熔融碳酸盐燃料电池的天然气加热炉***，包括天然气进气单元、燃料电池***、天然气加热炉***、催化燃烧器和火筒，其中，天然气进气单元的气体出口分为两路，一路与水混合后连接换热单元的进气口；所述换热单元的高温气体出口连接燃料电池***的阳极入口；所述燃料电池***的阳极尾气出口连接催化燃烧器的气体入口；所述催化燃烧器上设置有空气入口；所述催化燃烧器的气体出口连接燃料电池***的阴极入口；所述燃料电池***的阴极出口连接换热单元的气体入口；
天然气进气单元的另一路气体出口连接换热单元的进气口；所述换热单元的高温气体出口连接火筒的气体入口；所述火筒上设置有空气入口；
所述火筒的气体出口连接天然气加热炉***的天然气进气口。
优选地，所述换热单元包括第一换热器和第二换热器，其中，所述天然气和水的混合单元的出口连接第一换热器的气体入口，所述第一换热器的高温气体出口连接燃料电池***的阳极入口；所述天然气进气单元的另一路气体出口连接第二换热器的气体入口，第二换热器的高温气体出口连接火筒的气体入口；所述第一换热器的介质出口连接第二换热器的介质入口。
优选地，所述第二换热器的低温气体出口连接尾气排气管。
优选地，所述燃料电池***的电能输出端连接外接设备。
优选地，所述催化燃烧器上设置的空气入口和火筒上设置的空气入口均连接至空气单元。
优选地，所述天然气加热炉***的尾气出口连接催化燃烧器的气体进口。
一种应用于熔融碳酸盐燃料电池的天然气加热方法，基于所述的一种应用于熔融碳酸盐燃料电池的天然气加热炉***，包括以下步骤：
天然气进气单元中的一部分天然气与水混合后，进入换热单元进行换热，换热后的气体与燃料电池***的阳极进气口相连接，此时阳极内部先发生天然气的内重整反应；反应后的富氢气体参与燃料电池***的阳极反应；燃料电池***的阳极尾气中未参与反应的气体和空气在催化燃烧器中经过催化燃烧后进入燃料电池***的阴极，此时，气体主要是空气和二氧化碳，空气和二氧化碳参与燃料电池***的阴极反应，反应后的尾气与换热单元中的天然气进行换热；
剩余部分的天然气进入换热单元进行换热，加热后的气体与空气混合进入火筒进行点燃，点燃后气体进入天然气加热炉***上的进气口，与载热介质进行热量交换，实现对燃料电池堆的加热功能。
优选地，天然气加热炉***中未反应的天然气进入催化燃烧器中经过催化燃烧及加热过程中生成的二氧化碳进入燃料电池***的阴极进气口，实现二氧化碳的循环利用。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明提供的一种应用于熔融碳酸盐燃料电池的天然气加热炉***和方法，采用燃料电池和天然气加热炉***，天然气同时作为燃料电池和加热炉的气体来源，无需外接电源对燃料电池进行加热，该结构将燃料电池***和燃料电池的加热***，即天然气加热炉***进行耦合，进一步提高综合能源利用效率。
进一步的，天然气加热炉尾气二氧化碳可以作为燃料电池阴极气体来源，达到二氧化碳的循环利用，降低碳的排放，实现了能源的综合利用。
附图说明
图1是本发明涉及的***结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明进一步详细说明。
如图1所示，本发明提供的一种应用于熔融碳酸盐燃料电池的天然气加热炉***，包括天然气进气单元1、第一换热器2、第二换热器3、燃料电池***4和天然气加热炉***5，其中，天然气进气单元1的气体出口分为两路，一路与水混合后连接第一换热器2的进气口；所述第一换热器2的高温气体出口连接燃料电池***4的阳极入口；所述燃料电池***4的阳极尾气出口连接催化燃烧器6的气体入口；所述催化燃烧器6上设置有空气入口；所述催化燃烧器6的气体出口连接燃料电池***4的阴极入口；所述燃料电池***4的阴极出口连接第一换热器2的气体入口。
天然气进气单元1的另一路气体出口连接第二换热器3的进气口；所述第二换热器3的高温气体出口连接火筒7的气体入口；所述火筒7上设置有空气入口。
所述火筒7的气体出口连接天然气加热炉***5的天然气进气口。
所述天然气加热炉***5的尾气出口连接催化燃烧器6的气体进口。
所述第一换热器2的低温气体出口连接第二换热器3的气体入口。
所述第二换热器3的低温气体出口连接尾气排气管。
所述燃料电池***4的电能输出端连接外接设备。
所述燃料电池***4放置在天然气加热炉***5内；利用天然气对电堆进行加热。
所述燃料电池***4为天然气内重整型燃料电池。
本发明的工作原理是：
天然气进气单元1分别与燃料电池***4、天然气加热炉***5相连接，首先，天然气与水混合后，与第一换热器2相连接，换热后的气体与燃料电池***4的阳极进气口相连接，此时阳极内部先发生天然气的内重整反应，重整反应为，
Figure BDA0002560645330000041
Figure BDA0002560645330000042
反应后的富氢气体参与燃料电池的阳极反应；燃料电池***4的阳极尾气与催化燃烧器6相连接，空气单元8与催化燃烧器6连接，尾气中未参与反应的气体经过催化燃烧后，与燃料电池***4的阴极进气口相连接，此时，气体主要是空气和二氧化碳，空气和二氧化碳参与燃料电池***4的阴极反应，反应后的尾气与第一换热器2中的天然气进行换热。
剩余部分的天然气进入第二换热器3连接，加热后的气体与空气混合进入火筒7进行点燃，点燃后气体进入天然气加热炉***5上的进气口，天然气加热炉***5的内部管路加热与载热介质进行热量交换，实现对燃料电池堆的加热功能，天然气加热炉***5与催化燃烧器6相连接，未反应的天然气经过催化燃烧及加热过程中生成的二氧化碳进入燃料电池***4的阴极进气口，实现二氧化碳的循环利用。

Claims (8)

1.一种应用于熔融碳酸盐燃料电池的天然气加热炉***，其特征在于，包括天然气进气单元(1)、燃料电池***(4)、天然气加热炉***(5)、催化燃烧器(6)和火筒(7)，其中，天然气进气单元(1)的气体出口分为两路，一路与水混合后连接换热单元的进气口；所述换热单元的高温气体出口连接燃料电池***(4)的阳极入口；所述燃料电池***(4)的阳极尾气出口连接催化燃烧器(6)的气体入口；所述催化燃烧器(6)上设置有空气入口；所述催化燃烧器(6)的气体出口连接燃料电池***(4)的阴极入口；所述燃料电池***(4)的阴极出口连接换热单元的气体入口；
天然气进气单元(1)的另一路气体出口连接换热单元的进气口；所述换热单元的高温气体出口连接火筒(7)的气体入口；所述火筒(7)上设置有空气入口；
所述火筒(7)的气体出口连接天然气加热炉***(5)的天然气进气口。
2.根据权利要求1所述的一种应用于熔融碳酸盐燃料电池的天然气加热炉***，其特征在于，所述换热单元包括第一换热器(2)和第二换热器(3)，其中，所述天然气和水的混合单元的出口连接第一换热器(2)的气体入口，所述第一换热器(3)的高温气体出口连接燃料电池***(4)的阳极入口；所述天然气进气单元(1)的另一路气体出口连接第二换热器(3)的气体入口，第二换热器(3)的高温气体出口连接火筒(7)的气体入口；所述第一换热器(2)的介质出口连接第二换热器(3)的介质入口。
3.根据权利要求2所述的一种应用于熔融碳酸盐燃料电池的天然气加热炉***，其特征在于，所述第二换热器(3)的低温气体出口连接尾气排气管。
4.根据权利要求1所述的一种应用于熔融碳酸盐燃料电池的天然气加热炉***，其特征在于，所述燃料电池***(4)的电能输出端连接外接设备。
5.根据权利要求1所述的一种应用于熔融碳酸盐燃料电池的天然气加热炉***，其特征在于，所述催化燃烧器(6)上设置的空气入口和火筒(7)上设置的空气入口均连接至空气单元(8)。
6.根据权利要求1所述的一种应用于熔融碳酸盐燃料电池的天然气加热炉***，其特征在于，所述天然气加热炉***(5)的尾气出口连接催化燃烧器(6)的气体进口。
7.一种应用于熔融碳酸盐燃料电池的天然气加热方法，其特征在于，基于权利要求1-5中任一项所述的一种应用于熔融碳酸盐燃料电池的天然气加热炉***，包括以下步骤：
天然气进气单元(1)中的一部分天然气与水混合后，进入换热单元进行换热，换热后的气体与燃料电池***(4)的阳极进气口相连接，此时阳极内部先发生天然气的内重整反应；反应后的富氢气体参与燃料电池***(4)的阳极反应；燃料电池***(4)的阳极尾气中未参与反应的气体和空气在催化燃烧器(6)中经过催化燃烧后进入燃料电池***(4)的阴极，此时，气体主要是空气和二氧化碳，空气和二氧化碳参与燃料电池***(4)的阴极反应，反应后的尾气与换热单元中的天然气进行换热；
剩余部分的天然气进入换热单元进行换热，加热后的气体与空气混合进入火筒(7)进行点燃，点燃后气体进入天然气加热炉***(5)上的进气口，与载热介质进行热量交换，实现对燃料电池堆的加热功能。
8.根据权利要求7所述的一种应用于熔融碳酸盐燃料电池的天然气加热方法，其特征在于，天然气加热炉***(5)中未反应的天然气进入催化燃烧器(6)中经过催化燃烧及加热过程中生成的二氧化碳进入燃料电池***(4)的阴极进气口，实现二氧化碳的循环利用。
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