专利摘要

本发明公开了一种基于双级ORC及LNG冷能利用的燃料电池联供发电系统，包括SOFC系统、双级有机朗肯循环系统和LNG冷能利用系统。本发明通过将现有的SOFC系统、有机朗肯循环和LNG冷能利用系统耦合，改变燃料电池阴极及阳极进出口温度、空燃比、水蒸气碳比和回收比等以实现功冷联供，可用于中型分电、小型家电热电联供等领域，也可作为固定电站、船舶动力电源、交通车辆动力电源等移动电源。

权利要求

1.一种基于双级ORC及LNG冷能利用的燃料电池联供发电系统，其特征在于：包括SOFC系统、双级有机朗肯循环系统和LNG冷能利用系统；

所述SOFC系统，被配置为以空气以及燃料与水的混合物为原料发生电化学反应，对外输出电能；

所述SOFC系统，被配置为与燃气轮机连用，其阳极排放的未反应完的可燃气体与阴极排放的过剩空气经燃烧后被送入燃气轮机对外膨胀做功，产生排气，所述燃气轮机排气被依次用于预热空气、燃料和水，然后被送入第一换热器，用以驱动双级有机朗肯循环系统；

所述双级有机朗肯循环系统包括第一级有机朗肯循环系统和第二级有机朗肯循环系统，所述第一级有机朗肯循环系统，被配置为以燃气轮机排气为热源，以LNG为冷源，采用第一循环工质进行朗肯循环对外做功，所述第二级有机朗肯循环系统，被配置为以第一级有机朗肯循环系统的透平乏气为热源，以LNG为冷源，采用第二循环工质进行朗肯循环对外做功；其中，所述第一级有机朗肯循环的驱动热源温度高于第二级有机朗肯循环的驱动热源温度；

所述LNG冷能利用系统，被配置为采用LNG依次用于冷却第二循环工质、第一循环工质和空气，后一部分用作SOFC系统的电化学反应原料，一分部用于对外膨胀做功回收压力能。

2.如权利要求1所述的一种基于双级ORC及LNG冷能利用的燃料电池联供发电系统，所述SOFC系统中，空气经第一空气压缩机一次压缩、间冷器LNG冷凝降温和第二空气压缩机二次压缩后升压至SOFC运行压力，然后经第一预热器预热后被送至SOFC阴极。

3.如权利要求1所述的一种基于双级ORC及LNG冷能利用的燃料电池联供发电系统，所述SOFC系统中，燃料经第二预热器加热后输送至混合器，水经第一泵加压至SOFC运行压力，经第三空气预热器加热后输送至混合器，与燃料混合后被送至SOFC阳极。

4.如权利要求1所述的一种基于双级ORC及LNG冷能利用的燃料电池联供发电系统，所述SOFC阳极排出的未反应完的可燃气体与SOFC阴极排出的过剩空气被一同送入后燃室进行燃烧，产生高温高压燃气，所述高温高压燃气被送入燃气轮机对外膨胀做功。

5.如权利要求1所述的一种基于双级ORC及LNG冷能利用的燃料电池联供发电系统，所述SOFC系统对外输出直流电，所述直流电经逆变器转换成交流电输出。

6.如权利要求1所述的一种基于双级ORC及LNG冷能利用的燃料电池联供发电系统，所述第一级有机朗肯循环系统包括依次循环连接的第一换热器、第一透平、第二换热器、第一冷凝器和第二泵，所述第一循环工质饱和液经第二泵加压和第一换热器加热成过热状态后，在第一透平中膨胀做功，变为透平乏气，所述透平乏气在第二换热器中释放部分热量后，在第一冷凝器中被LNG冷凝成饱和液，进而完成整个循环。

7.如权利要求1所述的一种基于双级ORC及LNG冷能利用的燃料电池联供发电系统，所述第一循环工质包括但不限于甲苯、苯、壬烷、辛烷、MDM和D4。

8.如权利要求1所述的一种基于双级ORC及LNG冷能利用的燃料电池联供发电系统，所述第二级有机朗肯循环系统包括依次循环连接的第二换热器、第二透平、第二冷凝器和第三泵，所述第二循环工质饱和液经第三泵加压和第二换热器加热成过热状态后，在第二透平中膨胀做功，变为透平乏气，所述透平乏气在第二冷凝器中被LNG冷凝成饱和液，进而完成整个循环。

9.如权利要求1所述的一种基于双级ORC及LNG冷能利用的燃料电池联供发电系统，所述第二循环工质包括但不限于R600、R245fa、R123、R142b、R236ea和R600a。

10.如权利要求1所述的一种基于双级ORC及LNG冷能利用的燃料电池联供发电系统，所述LNG冷能利用系统包括依次连接的LNG储藏罐、第四泵、第二冷凝器、第一冷凝器、间冷器和第三透平，所述LNG被第四泵加压至SOFC系统运行压力后，依次流经第二冷凝器、第一冷凝器和间冷器，后部分LNG经第三透平对外膨胀做功。

说明书

技术领域

本发明涉及热泵控制技术领域，具体涉及一种基于双级ORC和LNG冷能利用的燃料电池联供发电系统。

背景技术

随着全球社会经济不断发展，电力需求持续增大。同时，全球面临着一次化石能源枯竭带来的能源危机。此外，环境污染、全球性气候变暖等问题对环境保护和治理产生了巨大压力。开拓新能源形式，应用可持续发展能源发电，已成为时代的需求和必然课题。

风能、太阳能、燃料电池、地热、潮汐能、生物质能等新的发电能源形式，既能缓解能源危机，同时又具有污染小的环保优势，纷纷被引入到电力生产行列。燃料电池除具有无粉尘及废渣、CO2等的排放少、噪声污染小等环保优点，较风力发电、太阳能光伏发电等可再生能源，还有不受地域的局限、燃料充足及燃料备用形式多种多样等的优点，便于大规模的广泛应用。

燃料电池是将化学能直接转化为电能的电化学能量转化装置。从原理上讲，燃料电池不受卡诺循环限制，与传统热机相比，具有能量转化效率高、清洁无污染、噪声低、安装便捷经济等优点。在所有燃料电池中，高温固体氧化物燃料电池(Solid Oxide Fuel Cell，SOFC)的工作稳定最高，达1000℃。在如此高的温度下，燃料能迅速氧化并达到热力平衡，可以不使用贵金属催化剂，从而降低电池的制作成本，而且燃料可以在电池内部重整。其排放的余热品味较高，有很大的回收利用空间。

有机朗肯循环系统(Organic Rankine Cycle,ORC)采用低沸点有机物作为运行工质，其较传统的动力循环在与中低温热源匹配方面更具优势，故已成为余热利用的有效方式之一。在不同的热源条件下，选用不同的有机朗肯循环结构以及运行工质对提升系统的热力性能有着重要意义。在利用有机朗肯循环进行开发低品位能源过程中，根据“梯级开发、多级利用”的原则，中高温热源的开发利用多采用与热源进行多种形式的结合，以形成联合循环，提高系统的能源利用效率和整体性能。目前联供循环多侧重于与热源的多形式相结合，虽然大大提升了系统的能源利用效率，但是增加了系统的复杂性，给系统的高效运行带来了极大的挑战。

基于以上现象，采用形式较为简单的双级有机朗肯循环与SOFC系统相耦合，并以液化天然气(Liquefied Natural Gas，LNG)作为冷源，以实现能源的梯级利用，有效提高能源的利用率。

发明内容

为了解决现有技术的不足，本发明设计了一种基于双级ORC及LNG冷能利用的燃料电池联供发电系统，通过将现有的SOFC系统、有机朗肯循环和LNG冷能利用系统耦合，改变燃料电池阴极及阳极进出口温度、空燃比、水蒸气碳比和回收比等以实现功冷联供，可用于中型分电、小型家电热电联供等领域，也可作为固定电站、船舶动力电源、交通车辆动力电源等移动电源。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种基于双级ORC及LNG冷能利用的燃料电池联供发电系统，包括SOFC系统、双级有机朗肯循环系统和LNG冷能利用系统；

所述SOFC系统，被配置为以空气以及燃料与水的混合物为原料发生电化学反应，对外输出电能；

所述SOFC系统，被配置为与燃气轮机连用，其阳极排放的未反应完的可燃气体与阴极排放的过剩空气经燃烧后被送入燃气轮机对外膨胀做功，产生排气，所述燃气轮机排气被依次用于预热空气、燃料和水，然后被送入第一换热器，用以驱动双级有机朗肯循环系统；

所述双级有机朗肯循环系统包括第一级有机朗肯循环系统和第二级有机朗肯循环系统，所述第一级有机朗肯循环系统，被配置为以燃气轮机排气为热源，以LNG为冷源，采用第一循环工质进行朗肯循环对外做功，所述第二级有机朗肯循环系统，被配置为以第一级有机朗肯循环系统的透平乏气为热源，以LNG为冷源，采用第二循环工质进行朗肯循环对外做功；其中，所述第一级有机朗肯循环的驱动热源温度高于第二级有机朗肯循环的驱动热源温度；

所述LNG冷能利用系统，被配置为采用LNG依次用于冷却第二循环工质、第一循环工质和空气，后一部分用作SOFC系统的电化学反应原料，一部分用于对外膨胀做功回收压力能。

进一步的，所述SOFC系统中，空气经第一空气压缩机一次压缩、间冷器LNG冷凝降温和第二空气压缩机二次压缩后升压至SOFC运行压力，然后经第一预热器预热后被送至SOFC阴极。

进一步的，所述SOFC系统中，燃料经第二预热器加热后输送至混合器，水经第一泵加压至SOFC运行压力，经第三空气预热器加热后输送至混合器，与燃料混合后被送至SOFC阳极。

进一步的，所述SOFC阳极排出的未反应完的可燃气体与SOFC阴极排出的过剩空气被一同送入后燃室进行燃烧，产生高温高压燃气，所述高温高压燃气被送入燃气轮机对外膨胀做功。

进一步的，所述SOFC系统对外输出直流电，所述直流电经逆变器转换成交流电输出。

进一步的，所述第一级有机朗肯循环系统包括依次循环连接的第一换热器、第一透平、第二换热器、第一冷凝器和第二泵，所述第一循环工质饱和液经第二泵加压和第一换热器加热成过热状态后，在第一透平中膨胀做功，变为透平乏气，所述透平乏气在第二换热器中释放部分热量后，在第一冷凝器中被LNG冷凝成饱和液，进而完成整个循环。

进一步的，所述第一循环工质包括但不限于甲苯、苯、壬烷、辛烷、MDM和D4。

进一步的，所述第二级有机朗肯循环系统包括依次循环连接的第二换热器、第二透平、第二冷凝器和第三泵，所述第二循环工质饱和液经第三泵加压和第二换热器加热成过热状态后，在第二透平中膨胀做功，变为透平乏气，所述透平乏气在第二冷凝器中被LNG冷凝成饱和液，进而完成整个循环。

进一步的，所述第二循环工质包括但不限于R600、R245fa、R123、R142b、R236ea和R600a。

进一步的，所述LNG冷能利用系统包括依次连接的LNG储藏罐、第四泵、第二冷凝器、第一冷凝器、间冷器和第三透平，所述LNG被第四泵加压至SOFC系统运行压力后，依次流经第二冷凝器、第一冷凝器和间冷器，后部分LNG经第三透平对外膨胀做功。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1)空气压缩采用双级压缩，能有效减少压缩空气所需要的能量消耗；

2)SOFC系统所需要的燃料在液态时加压到SOFC电池堆运行压力，能有效减少燃料压缩所需耗功；

3)鉴于SOFC系统排气温度较高，并利用LNG作为冷源，以双级ORC循环作为底循环，对于提高总体热效率及 效率有很好的效果。

4)对于底循环，可用于回收温度范围在300℃以上的中高温热源，例如内燃机排气余热、燃气轮机排气余热等，都有很好的效果。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1为本发明的基于燃料电池、双级有机朗肯循环及LNG冷能利用的联供发电系统结构示意图；

图2为本发明的基于内燃机余热利用的双级有机朗肯循环与LNG冷能利用的联供发电系统结构示意图；

图3为本发明的基于布雷顿循环、双级有机朗肯循环与LNG冷能利用的联供发电系统结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施例对本发明做进一步的说明。

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

在本发明中，术语如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“侧”、“底”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，只是为了便于叙述本发明各部件或元件结构关系而确定的关系词，并非特指本发明中任一部件或元件，不能理解为对本发明的限制。

本发明中，术语如“固接”、“相连”、“连接”等应做广义理解，表示可以是固定连接，也可以是一体地连接或可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的相关科研或技术人员，可以根据具体情况确定上述术语在本发明中的具体含义，不能理解为对本发明的限制。

正如背景技术所介绍的，现有技术中存在联供循环多侧重于与热源的多形式相结合，虽然大大提升了系统的能源利用效率，但是增加了系统的复杂性，给系统的高效运行带来了极大的挑战，为了解决如上的技术问题，本申请提供了一种基于双级ORC及LNG冷能利用的燃料电池联供发电系统，通过将现有的SOFC系统、有机朗肯循环和LNG冷能利用系统耦合，改变燃料电池阴极及阳极进出口温度、空燃比、水蒸气碳比和回收比等以实现功冷联供。

如图1所示，一种基于双级ORC及LNG冷能利用的燃料电池联供发电系统，包括SOFC系统、双级有机朗肯循环系统和LNG冷能利用系统；

所述SOFC系统，被配置为以空气以及燃料与水的混合物为原料发生电化学反应，对外输出电能；

所述SOFC系统，被配置为与燃气轮机(GT)连用，其阳极排放的未反应完的可燃气体与阴极排放的过剩空气经燃烧后被送入燃气轮机(GT)对外膨胀做功，产生排气，所述燃气轮机排气被依次用于预热空气、燃料和水，然后被送入第一换热器(HE1)，用以驱动双级有机朗肯循环系统；

所述双级有机朗肯循环系统包括第一级有机朗肯循环系统和第二级有机朗肯循环系统，所述第一级有机朗肯循环系统，被配置为以燃气轮机排气为热源，以LNG为冷源，采用第一循环工质进行朗肯循环对外做功，所述第二级有机朗肯循环系统，被配置为以第一级有机朗肯循环系统的透平乏气为热源，以LNG为冷源，采用第二循环工质进行朗肯循环对外做功；其中，所述第一级有机朗肯循环的驱动热源温度高于第二级有机朗肯循环的驱动热源温度；

所述LNG冷能利用系统，被配置为采用LNG依次用于冷却第二循环工质、第一循环工质和空气，后一部分用作SOFC系统的电化学反应原料，一分部用于对外膨胀做功回收压力能。

所述SOFC系统中，空气经第一空气压缩机(AC1)一次压缩、间冷器(Cooler)LNG冷凝降温和第二空气压缩机(AC2)二次压缩后升压至SOFC运行压力，然后经第一预热器(PH1)预热后被送至SOFC阴极。

所述SOFC系统中，燃料经第二预热器(PH2)加热后输送至混合器(M)，水经第一泵(P1)加压至SOFC运行压力，经第三空气预热器(PH3)加热后输送至混合器(M)，与燃料混合后被送至SOFC阳极。

所述SOFC阳极排出的未反应完的可燃气体与SOFC阴极排出的过剩空气被一同送入后燃室(AB)进行燃烧，产生高温高压燃气，所述高温高压燃气被送入燃气轮机(GT)对外膨胀做功。

所述SOFC系统对外输出直流电，所述直流电经逆变器(Inverter)转换成交流电输出。

所述第一级有机朗肯循环系统包括依次循环连接的第一换热器(HE1)、第一透平(T1)、第二换热器(HE2)、第一冷凝器(Con1)和第二泵(P2)，所述第一循环工质饱和液经第二泵(P2)加压和第一换热器(HE1)加热成过热状态后，在第一透平(T1)中膨胀做功，变为透平乏气，所述透平乏气在第二换热器(HE2)中释放部分热量后，在第一冷凝器(Con1)中被LNG冷凝成饱和液，进而完成整个循环。

所述第一循环工质包括但不限于甲苯、苯、壬烷、辛烷、MDM和D4。

以甲苯为例，甲苯饱和液第二泵(P2)加压和第一换热器(HE1)加热成过热状态后，在第一透平(T1)中膨胀做功，变为透平乏气，透平乏气在第二换热器(HE2)中释放部分热量后，在第一冷凝器(Con1)中被LNG冷凝成饱和液，完成整个循环。

所述第二级有机朗肯循环系统包括依次循环连接的第二换热器(HE2)、第二透平(T2)、第二冷凝器(Con2)和第三泵(P3)，所述第二循环工质饱和液经第三泵(P3)加压和第二换热器(HE2)加热成过热状态后，在第二透平(T2)中膨胀做功，变为透平乏气，所述透平乏气在第二冷凝器(Con2)中被LNG冷凝成饱和液，进而完成整个循环。

所述第二循环工质包括但不限于R600、R245fa、R123、R142b、R236ea和R600a。

所述LNG冷能利用系统包括依次连接的LNG储藏罐((LNG Tank)、第四泵(P4)、第二冷凝器(Con2)、第一冷凝器(Con1)、间冷器(Cooler)和第三透平(T3)，所述LNG被第四泵(P4)加压至SOFC系统运行压力后，依次流经第二冷凝器(Con2)、第一冷凝器(Con1)和间冷器(Cooler)，后部分LNG经第三透平(T3)对外膨胀做功。

具体实施中，本申请基于EES软件建立了联供系统的热力学模型，联供系统输入参数值如表1所示。根据建立的热力学模型及工质的物性参数，计算得出系统各状态的热力学参数值，如表2和表3所示。该新型联供系统的性能计算结果如表4所示，计算结果表明，在设计工况下，本文所提出的联供系统发电效率为72.27％， 效率为55.2％。第一级ORC效率为20.57％，第二级ORC效率为20.64％。

表1联供系统输入参数

表2 SOFC系统各点的计算结果

表3底循环各点热力学参数

表4联供系统性能参数

除此以外，本系统的双级有机朗肯循环系统，可用于回收温度范围在300℃以上的中高温热源，例如内燃机排气余热、燃气轮机排气余热等，其联供系统设计如图2和图3所示，都有很好的效果。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

基于双级ORC和LNG冷能利用的燃料电池联供发电系统专利购买费用说明

Q：办理专利转让的流程及所需资料

A：专利权人变更需要办理著录项目变更手续，有代理机构的，变更手续应当由代理机构办理。

1：专利变更应当使用专利局统一制作的“著录项目变更申报书”提出。

2：按规定缴纳著录项目变更手续费。

3：同时提交相关证明文件原件。

4：专利权转移的，变更后的专利权人委托新专利代理机构的，应当提交变更后的全体专利申请人签字或者盖章的委托书。

Q:专利著录项目变更费用如何缴交

A：（1）直接到国家知识产权局受理大厅收费窗口缴纳,（2）通过代办处缴纳，（3）通过邮局或者银行汇款,更多缴纳方式

Q：专利转让变更，多久能出结果

A：著录项目变更请求书递交后，一般1-2个月左右就会收到通知，国家知识产权局会下达《转让手续合格通知书》。