CN100342578C - 固体氧化物燃料电池系统 - Google Patents

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Abstract

一种固体氧化物燃料电池系统(10)包括固体氧化物燃料电池堆(12)和燃气涡轮发动机(14)。该固体氧化物燃料电池堆(12)包括多个固体氧化物燃料电池(16)；每个固体氧化物燃料电池(16)包括电解质(18)、阳极(20)和阴极(22)。燃气涡轮发动机(14)包括压缩机(60)和涡轮(62)。压缩机(60)被布置用于向阴极(22)提供氧化剂。还具有向阳极(20)供给燃料的装置(28、30、24)。具有从固体氧化物燃料电池(16)向阴极(22)供给一部分未使用的氧化剂(49)的装置。至少供给氧化剂(49)的装置包括燃烧器(46)和喷射器(58)。燃烧器(46)被布置用于使固体氧化物燃料电池(16)的至少一部分未使用的燃料燃烧，并用于向由压缩机(60)供给的氧化剂供给燃烧器(46)产物至阴极(22)，以使由压缩机(60)供给的氧化剂预热。

Description

固体氧化物燃料电池系统
本发明涉及一种高温燃料电池系统，特别是涉及一种固体氧化物燃料电池系统。
如已公布的欧洲专利申请EP 0668622A1所披露的一种已公知的固体氧化物燃料电池系统包括固体氧化物燃料电池堆和燃气涡轮发动机。固体氧化物燃料电池堆包括多个固体氧化物燃料电池，并且每个固体氧化物燃料电池包括电解质、阳极和阴极。燃气涡轮发动机包括压缩机和布置用于驱动压缩机的涡轮。压缩机被布置用于向固体氧化物燃料电池的阴极供给氧化剂，并且存在向固体氧化物燃料电池的阳极供给燃料的装置。未使用的氧化剂的一部分由固体氧化物燃料电池供给至阴极。未使用的燃料的一部分在燃烧器内的残留的未使用的氧化剂中进行燃烧，且燃烧器的产物驱动涡轮。可设置热交换器用以将燃烧器产物中的热量传递给由压缩机供给到至少一个阴极的氧化剂，以对由压缩机供给的氧化剂进行预热。
在这种布置中，燃烧器被布置在高温热交换器的上游。
这种布置存在的一个问题是，需要使用高温热交换器把燃烧器产物中的热量传递给由压缩机供给到固体氧化物燃料电池的氧化剂，以使氧化剂在进入固体氧化物燃料电池堆之前能够达到所需的温度。
因此，本发明设法提供一种新型的固体氧化物燃料电池系统，其减少，优选克服了上述的问题。
由此，本发明提供一种固体氧化物燃料电池系统，包括固体氧化物燃料电池堆和燃气涡轮发动机，该固体氧化物燃料电池堆包括至少一个固体氧化物燃料电池，每个固体氧化物燃料电池包括电解质、阳极和阴极，燃气涡轮发动机包括压缩机和布置用于驱动压缩机的涡轮，所述压缩机布置用于向至少一个固体氧化物燃料电池的阴极供给氧化剂，用于向至少一个固体氧化物燃料电池的阳极供给燃料的装置，用于从至少一个固体氧化物燃料电池向至少一个固体氧化物燃料电池的阴极供给至少一部分未使用的氧化剂的装置，所述用于供给至少一部分未使用的氧化剂的装置包括燃烧器，布置该燃烧器用于使至少一个固体氧化物燃料电池的至少一部分未使用的燃料在至少一个固体氧化物燃料电池的至少一部分未使用的氧化剂中燃烧，并用于向由压缩机供给到至少一个固体氧化物燃料电池的阴极的氧化剂供给燃烧器产物，以对由压缩机供给的氧化剂进行预热。
固体氧化物燃料电池堆优选包括多个固体氧化物燃料电池。
未使用的氧化剂的第二部分优选被供应给涡轮以使驱动涡轮。
可以提供热交换器以将涡轮废气中的热量传递给由压缩机供给到至少一个固体氧化物燃料电池的阴极的氧化剂，以对由压缩机供给的氧化剂进行预热。
另一种可选方式是，布置燃烧器用于使至少一个固体氧化物燃料电池的至少一部分未使用的燃料在至少一个固体氧化物燃料电池的全部未使用的氧化剂中燃烧。
可布置燃烧器用于向由压缩机供给到至少一个固体氧化物燃料电池的阴极的氧化剂供给一部分燃烧器产物，以对由压缩机供给的氧化剂进行预热。
燃烧器的第二部分产物可供给涡轮以驱动涡轮。
可设置热交换器用于向由压缩机供给到至少一个固体氧化物燃料电池的阴极的氧化剂输送燃烧器产物的热量，以对由压缩机供给的氧化剂进行预热。
此外，还可以设置把至少一个固体氧化物燃料电池的至少第二部分未使用的燃料供给至阳极的装置，该供给第二部分未使用的燃料的装置被布置用于把未使用的燃料的第二部分供给到由燃料供给装置供给的燃料中，以预热由燃料供给装置供给的燃料。
优选地，供给至少第二部分未使用的燃料的装置包括对未使用的燃料加压的装置，和混合未使用的燃料与燃料的装置。
优选地，加压未使用燃料的装置和混合未使用燃料与燃料的装置包括喷射器。
另一种可选方式是，加压未使用燃料的装置和混合未使用燃料与燃料的装置包括泵、风扇、鼓风机或者涡轮机和混合器。
优选地，供给至少一部分未使用的氧化剂的装置包括对未使用的氧化剂加压的装置，和混合未使用的氧化剂与氧化剂的装置。
优选地，加压未使用氧化剂的装置和混合未使用氧化剂与氧化剂的装置包括喷射器。
另一种可选方式是，加压未使用燃料的装置包括泵、风扇、鼓风机或者涡轮机，混合未使用燃料与燃料的装置包括混合器。
优选地，燃烧器布置用于向由压缩机供给到至少一个固体氧化物燃料电池阴极的氧化剂提供燃烧器产物，以通过加压未使用氧化剂的装置和混合未使用氧化剂与氧化剂的装置对由压缩机供给的氧化剂进行预热。
优选地，喷射器为喷射泵。
优选地，向至少一个固体氧化物燃料电池的阳极供给燃料的装置包括重整器，该重整器用于重整燃料，燃料供给装置布置用于向重整器供给燃料，该重整器布置用于向至少一个固体氧化物燃料电池的阳极供给重整的燃料。
优选地，用于供给至少一部分未使用的氧化剂的装置布置用于加热重整器。
以下，结合附图并通过实例的方式对本发明进行更加详细的描述，其中：
图1示出了根据本发明的一种固体氧化物燃料电池系统，
图2示出了根据本发明的另一种固体氧化物燃料电池系统，
图3示出了根据本发明的另一种固体氧化物燃料电池系统，和
图4示出了根据本发明的另一种固体氧化物燃料电池系统。
图1示出了根据本发明的固体氧化物燃料电池系统10，该固体氧化物燃料电池系统包括固体氧化物燃料电池堆12和燃气涡轮发动机14。该固体氧化物燃料电池堆12包括多个固体氧化物燃料电池16，每个固体氧化物燃料电池16包括电解质18、阳极20和阴极22。阳极20和阴极22位于电解质18的相对表面上。
燃气涡轮发动机14包括压缩机60和涡轮62，涡轮62被布置以通过轴64驱动压缩机60。
燃料例如氢通过燃料歧管24提供给阳极20，并且燃料供给装置28例如氢供给装置被设置以将燃料经由输送管30输送至燃料歧管24。氧化剂例如氧、空气等通过氧化剂歧管26提供给阴极22，并且氧化剂供给装置32被设置以将氧化剂经由输送管34输送到氧化剂歧管26。
阳极20设有未使用燃料的收集歧管36，未使用的燃料被排放到所述收集歧管中。未使用燃料的收集歧管36经由输送管38和40与输送管30相连，以致于未使用燃料的一部分，被供应、再循环到燃料歧管24。设置燃料喷射器42用于引导未使用燃料从未使用燃料的收集歧管36到燃料歧管24的供给和再循环。输送管38、40和燃料喷射器42构成从固体氧化物燃料电池16的阳极20供给、再循环未使用燃料回到固体氧化物燃料电池16的阳极20的装置37。燃料喷射器42加压未使用的燃料，并使未使用的燃料与由燃料供给装置28经由输送管30供应至燃料歧管24的燃料混合。
未使用的燃料收集歧管36还通过输送管38和另一输送管44与燃烧器46相连，以致于未使用燃料的第二部分被提供给燃烧器46。
阴极22设有未使用氧化剂的收集歧管48，未使用的氧化剂被排放到所述收集歧管中。未使用氧化剂的收集歧管48经由输送管50和52、燃烧器46和输送管56与输送管34相连，以致于未使用的氧化剂的一部分被输送、再循环至氧化剂歧管26。氧化剂喷射器58用于引导未使用氧化剂从未使用氧化剂的收集歧管48到氧化剂歧管26的供给和再循环。输送管50、52、56和氧化剂喷射器58构成从固体氧化物燃料电池16的阴极22供给、再循环未使用的氧化剂回到固体氧化物燃料电池16的阴极22的装置49。
供给燃烧器46的第二部分未使用的燃料在供给燃烧器46的那部分未使用的氧化剂中燃烧产生热气体。在燃烧器46内产生的热气体与未使用的氧化剂一起流动通过输送管56和氧化剂喷射器58至输送管34，然后到达氧化剂歧管26。燃烧器46的产物、热气体和未使用的氧化剂由燃烧器46和与氧化剂喷射器58相连的输送管56供给。氧化剂喷射器58对燃烧器46的产物加压，并将燃烧器46的产物与由压缩机60供给的、通过输送管34到达氧化剂歧管26的氧化剂相混合，以使由压缩机62供给的氧化剂预热。
未使用氧化剂的收集歧管48也经由输送管50和另一输送管54与涡轮62相连，以致于未使用氧化剂的第二部分被供给至涡轮62。未使用氧化剂的第二部分驱动涡轮62。然后未使用的氧化剂的第二部分流动通过输送管66，并通过排放装置68进行排放。
输送管可以是用于从固体氧化物燃料电池系统的一个部件向另一个部件传输燃料、氧化剂等的简单的导管或其它装置。
在现有技术中，燃烧器间接地通过高温热交换器对由未使用氧化剂的收集歧管向氧化剂歧管供给的未使用的氧化剂进行加热。
这种布置的优点在于燃烧器直接加热由未使用氧化剂的收集歧管向氧化剂歧管供给的未使用的氧化剂，因此不需要高温热交换器。这使固体氧化物燃料电池系统得到简化，使部件的数量减至最少，降低成本并改善了可维修性。相信该固体氧化物燃料电池系统具有更好的载荷后继能力，因为没有热交换器，并且氧化剂喷射器具有更好的应付变化的参数的能力。此外，这种布置允许使用简单的、低科技含量的燃气涡轮。另外，在燃烧器内未使用燃料的燃烧产生供应给阴极的热气体，例如一氧化碳和水、蒸汽。在固体氧化物燃料电池堆发生泄漏的情况下，火焰的温度降低，这样减小了对固体氧化物燃料电池堆的损害。
根据本发明的另一种可选的固体氧化物燃料电池系统110如图2中所示，该固体氧化物燃料电池系统110包括固体氧化物燃料电池堆12和燃气涡轮发动机14。该固体氧化物燃料电池系统110基本上与图1所示的固体氧化物燃料电池系统10相同，并且使用相同的附图标记表示相同的部件。
该固体氧化物燃料电池系统110与固体氧化物燃料电池系统10的不同之处在于，固体氧化物燃料电池系统110包括热交换器70。该热交换器70为低效热交换器70，可以由金属或陶瓷构成。热交换器70用于从未使用的氧化剂向由压缩机60供给至固体氧化物燃料电池16的阴极22的氧化剂传热，以将由压缩机60供给的氧化剂预热。设置热交换器70用于预热在压缩机60和氧化剂喷射器58之间的输送管34内的从压缩机60向氧化剂歧管26传输的氧化剂流。设置热交换器70用于从在涡轮62和排放装置68之间的输送管66内传输的未使用的氧化剂流中提取热量。
这种布置的优点在于，燃烧器直接加热由未使用氧化剂的收集歧管向氧化剂歧管供给的未使用的氧化剂，因此不需要高温热交换器。这使固体氧化物燃料电池系统得到简化，使部件的数量减至最少，降低成本并改善了可维修性。
这种布置的另一优点在于可以使用更加有效、更大尺寸的涡轮机即涡轮和压缩机，这是因为该热交换器是低效的，并具有较低的入口温度，原因是该热交换器位于涡轮的下游。
根据本发明的另一固体氧化物燃料电池系统210如图3所示，该固体氧化物燃料电池系统210包括固体氧化物燃料电池堆12和燃气涡轮发动机14。该固体氧化物燃料电池系统210基本上与图1所示的固体氧化物燃料电池系统10相同，并且使用相同的附图标记表示相同的部件。
该固体氧化物燃料电池系统210与固体氧化物燃料电池系统10的不同之处在于，该固体氧化物燃料电池系统210从氧化剂收集歧管48通过输送管50向燃烧器46供给全部的未使用的氧化剂。未使用燃料的第二部分在燃烧器46内的全部未使用氧化剂中燃烧，产生热气体。燃烧器46的产物的第一部分，热气体和未使用的氧化剂，通过输送管56和56B供给氧化剂喷射器58。燃烧器46的产物的第二部分，热气体和未使用的氧化剂，通过输送管56和72供给涡轮62以驱动涡轮62。
设置热交换器74用于从燃烧器46的产物，热气体和未使用的氧化剂中向从压缩机60向固体氧化物燃料电池16的阴极22供给的氧化剂传热，以对由压缩机60供给的氧化剂预热。热交换器74为低效热交换器74，可以由金属或陶瓷制成。布置热交换器74用于预热在氧化剂喷射器58和氧化剂歧管26之间的输送管34内从压缩机60向氧化剂歧管26输送的氧化剂流。布置热交换器74用于从在燃烧器46与涡轮62或氧化剂喷射器58之间的输送管56内输送的燃烧器46的产物流，即热气体和未使用的氧化剂中提取热量。
这种布置的优点在于，燃烧器直接加热由未使用氧化剂的收集歧管向氧化剂歧管供给的未使用的氧化剂，因此降低了对热交换器的需求。这使固体氧化物燃料电池系统得到简化，降低成本并改善了可靠性。
燃气涡轮发动机在压缩机和/或涡轮内可具有可调的导流叶片，例如可调的入口导流叶片。
氧化剂喷射器可以是喷射泵。另一种可选方式是，可设置其它装置用以加压并混合燃烧器的产物和由压缩机供给的氧化剂。可设置例如涡轮机、风扇、泵或鼓风机用于加压燃烧器的产物，并且可设置一个单独的混合器来混合燃烧器的产物和氧化剂。涡轮机可由自由动力涡轮驱动。风扇、泵或鼓风机可由自由动力涡轮、电力或者其它适当的装置驱动。
燃料喷射器可以是喷射泵。另一种可选方式是，可设置其它装置用以加压并混合未使用的燃料与由燃料供给装置供给的燃料。可设置例如涡轮机、风扇、泵或鼓风机用于加压未使用的燃料，并可设置一个单独的混合器来混合未使用的燃料和燃料。涡轮机可由自由动力涡轮驱动。风扇、泵或鼓风机可由自由动力涡轮、电力或者其它适当的装置驱动。
根据本发明的另一固体氧化物燃料电池系统310如图4所示，该固体氧化物燃料电池系统310包括固体氧化物燃料电池堆12和燃气涡轮发动机14。该固体氧化物燃料电池系统310基本上与图1所示的固体氧化物燃料电池系统10相同，并且使用相同的附图标记表示相同的部件。
该固体氧化物燃料电池系统310与固体氧化物燃料电池系统10的不同之处在于，在固体氧化物燃料电池系统310中，燃烧器46的产物，热气体和未使用的氧化剂，由燃烧器46供给，并通过输送管56首先到达加压燃烧器46产物的氧化剂泵58A，然后到达混合器58B，所述混合器混合燃烧器46的产物和由压缩机60供给的氧化剂，通过输送管34，到达氧化剂歧管26，以预热由压缩机62供给的氧化剂。
该固体氧化物燃料电池系统310与固体氧化物燃料电池系统10的不同之处还在于，在固体氧化物燃料电池系统310中，燃料供给装置28供给的是烃燃料，例如甲烷。而且，固体氧化物燃料电池堆12具有重整器76，其用于把烃燃料重整为氢和一氧化碳。重整器76位于燃料歧管24的上游，使得未重整的烃燃料通过输送管34被供给到重整器76，并且重整燃料即氢和一氧化碳供应至燃料歧管24。在重整器76内发生的重整反应为吸热反应。重整器76内吸热反应所需的热量由热交换器78提供，所述热交换器将紧邻未使用氧化剂的收集歧管48下游的末使用的氧化剂的热量传送到重整器76。
泵58A可由风扇、鼓风机或涡轮机替代。涡轮机可由动力涡轮来驱动，所述动力涡轮被布置用以被输送管66中从涡轮62流向排放装置68的废气驱动。
例如在图4中，对于50kWe的固体氧化物燃料电池系统310来说，在压缩机60出口处的氧化剂压力为9.5巴，950K帕斯卡，温度为390℃。在氧化剂歧管26处的氧化剂压力为7巴，700K帕斯卡，温度为850℃。在未使用氧化剂的收集歧管48内的未使用的氧化剂的温度为950℃。输送管50、52和54内的未使用的氧化剂的压力为7巴，700K帕斯卡，温度为860℃。在输送管56内的燃烧器46的产物的压力为7巴，700K帕斯卡，温度为1050℃。在排放装置68处的废气压力为1.013巴，101.3K帕斯卡，温度为530℃。
把图4中所示的重整器应用到图1、2和3所示的实施例中，和/或把图4所示的泵和混合器应用到图1、2和3中也是可能的。
作为图4所示的另一可选方式，有可能使输送管56直接供给混合器58B，并在位于混合器58B和氧化剂歧管26之间的输送管34内设置一个泵58A。这样允许使用较低温度性能的泵。
虽然已参照包括单个压缩机和单个涡轮的燃气涡轮发动机对本发明进行了描述，但是燃气涡轮发动机也可以包括低压压缩机、高压压缩机、高压涡轮和低压涡轮。另一种可选方式是，燃气涡轮发动机也可以包括低压压缩机、中压压缩机、高压压缩机、高压涡轮、中压涡轮和低压涡轮。压缩机可以是轴流式压缩机或者径流式压缩机，类似地，涡轮可以是轴流式涡轮或径流式涡轮。
燃气涡轮可驱动发电机，例如交流发电机以进一步提供电力。发电机可以由低压压缩机驱动。
在燃气涡轮发动机具有高压压缩机的情况下，可设置泄放装置用于从高压压缩机的下游端泄放流体，并将泄放的流体供应给高压涡轮。另一种可选方式是，可以具有泄放装置用于从高压压缩机的下游端泄放流体，并将泄放的流体排出燃气涡轮发动机。

Claims (20)

1、一种固体氧化物燃料电池系统(10)，包括固体氧化物燃料电池堆(12)和燃气涡轮发动机(14)，该固体氧化物燃料电池堆(12)包括至少一个固体氧化物燃料电池(16)，每个固体氧化物燃料电池(16)包括电解质(18)、阳极(20)和阴极(22)，燃气涡轮发动机(14)包括压缩机(60)和布置用于驱动压缩机(60)的涡轮(62)，压缩机(60)布置用于向至少一个固体氧化物燃料电池(16)的阴极(22)供给氧化剂，向至少一个固体氧化物燃料电池(16)的阳极(20)供给燃料的装置(28、30、24)，从至少一个固体氧化物燃料电池(16)向至少一个固体氧化物燃料电池(16)的阴极(22)供给至少一部分(52)未使用的氧化剂(49)的装置，其特征在于，该供给至少一部分(52)未使用的氧化剂(49)的装置包括燃烧器(46)，该燃烧器(46)布置用于使至少一个固体氧化物燃料电池(16)的至少一部分(44)未使用的燃料在至少一个固体氧化物燃料电池(16)的至少一部分(52)未使用的氧化剂中燃烧，并用于向由压缩机(60)供给到至少一个固体氧化物燃料电池(16)的阴极(22)的氧化剂供给燃烧器(46)产物，以对由压缩机(60)供给的氧化剂进行预热。
2、如权利要求1所述的固体氧化物燃料电池系统，其中固体氧化物燃料电池堆(12)包括多个固体氧化物燃料电池。
3、如权利要求1所述的固体氧化物燃料电池系统，其中未使用的氧化剂的第二部分(54)被供给至涡轮(62)以驱动涡轮(62)。
4、如权利要求2所述的固体氧化物燃料电池系统，其中未使用的氧化剂的第二部分(54)被供给至涡轮(62)以驱动涡轮(62)。
5、如权利要求1-4中任一项所述的固体氧化物燃料电池系统，其中设置热交换器(70)用于向由压缩机(60)供给到至少一个固体氧化物燃料电池(16)的阴极(22)的氧化剂输送涡轮(62)废气的热量，以对由压缩机(60)供给的氧化剂进行预热。
6、如权利要求1或2所述的固体氧化物燃料电池系统，其中燃烧器(46)布置用于使至少一个固体氧化物燃料电池(16)的至少一部分(44)未使用的燃料在至少一个固体氧化物燃料电池(16)的全部未使用的氧化剂中燃烧。
7、如权利要求6所述的固体氧化物燃料电池系统，其中燃烧器(46)被布置用于向由压缩机(60)供给到至少一个固体氧化物燃料电池(16)的阴极(22)的氧化剂中供给一部分(56B)燃烧器(46)产物，以对由压缩机(60)供给的氧化剂进行预热。
8、如权利要求7所述的固体氧化物燃料电池系统，其中燃烧器(46)产物的第二部分(72)被供给到涡轮(62)以驱动涡轮(62)。
9、如权利要求8所述的固体氧化物燃料电池系统，其中设置热交换器(74)用于向由压缩机(60)供给到至少一个固体氧化物燃料电池(16)的阴极(22)的氧化剂输送燃烧器(46)产物的热量，以对由压缩机供给的氧化剂进行预热。
10、如权利要求1-4中任一项所述的固体氧化物燃料电池系统，还包括把至少一个固体氧化物燃料电池(16)的至少第二部分(40)未使用的燃料供给至阳极(20)的装置，该供给第二部分(40)未使用燃料的装置布置用于把未使用的燃料的第二部分供给到由燃料供给装置(28、30、24)提供的燃料中，以预热由燃料供给装置(28、30、24)供给的燃料。
11、如权利要求10所述的固体氧化物燃料电池系统，其中供给至少第二部分(40)未使用燃料的装置包括加压未使用的燃料的装置(42)，和混合未使用的燃料与燃料的装置。
12、如权利要求11所述的固体氧化物燃料电池系统，其中加压未使用燃料的装置(42)和混合未使用燃料与燃料的装置包括喷射器。
13、如权利要求11所述的固体氧化物燃料电池系统，其中加压未使用燃料的装置(42)包括泵、风扇、鼓风机或者涡轮机，混合未使用燃料与燃料的装置包括混合器。
14、如权利要求1所述的固体氧化物燃料电池系统，其中供给至少一部分未使用氧化剂的装置包括加压未使用的氧化剂的装置(58)和混合未使用的氧化剂与氧化剂的装置(58)。
15、如权利要求14所述的固体氧化物燃料电池系统，其中加压未使用氧化剂的装置(58)和混合未使用氧化剂与氧化剂的装置(58)包括喷射器。
16、如权利要求14所述的固体氧化物燃料电池系统，其中加压未使用氧化剂的装置(58)包括泵、风扇、鼓风机或者涡轮机(58A)，混合未使用氧化剂与氧化剂的装置(58)包括混合器(58B)。
17、如权利要求14、15或16所述的固体氧化物燃料电池系统，其中燃烧器(46)布置用于向由压缩机(60)供给到至少一个固体氧化物燃料电池(16)阴极(22)的氧化剂供给燃烧器(46)产物，以通过加压未使用氧化剂的装置(58)和混合未使用氧化剂与氧化剂的装置对由压缩机(60)供给的氧化剂进行预热。
18、如权利要求12或15所述的固体氧化物燃料电池系统，其中喷射器为喷射泵。
19、如权利要求1-4中任一项所述的固体氧化物燃料电池系统，其中向至少一个固体氧化物燃料电池(16)的阳极(20)供给燃料的装置包括重整器，该重整器(76)用于重整燃料，燃料供给装置(28)布置用于向重整器(76)供给燃料，该重整器(76)布置用于向至少一个固体氧化物燃料电池(16)的阳极(20)供给重整的燃料。
20、如权利要求19所述的固体氧化物燃料电池系统，其中用于供给至少一部分未使用氧化剂的装置布置用于加热重整器(76)。
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