CN102598383B - 控制阳极再循环的方法和设备 - Google Patents

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Abstract

本发明的目的是提供一种用于控制氧碳(O/C)关系的燃料电池系统设备，该设备包括：用于向阳极侧燃料再循环提供水的装置(112)；用于泵送所提供的水以促进水流的至少一个水泵(118)；用于从所述被促进的水流蒸发水以生成加压蒸汽的装置(120)，所述加压蒸汽至少具有用于蒸汽射流喷射器(122)的动力压力；以及所述至少一个蒸汽射流喷射器(122)，所述至少一个蒸汽射流喷射器(122)用于将所述蒸汽的至少一部分喷射到所述燃料电池系统，并且在所述阳极侧气体再循环中夹带一部分本质上低压的阳极废气流，并且将气体混合物压缩为中间压力的燃料供给流，以在所述燃料电池系统的燃料侧中控制氧碳(O/C)关系。

Description

控制阳极再循环的方法和设备
技术领域
特别因为环境问题，开发了环保并且具有优良效率的新能源。燃料电池装置是有希望的未来能源转换装置，通过该装置，在环保处理中经由化学反应将燃料(例如沼气)直接转变为电。
背景技术
如图1所示，燃料电池包括阳极侧100和阴极侧102和位于阳极侧100与阴极侧102之间的电解质材料104。在固体氧化物燃料电池(SOFC)中，氧被馈送到阴极侧102并且通过从阳极接收电子被还原为负氧离子。负氧离子通过电解质材料104去往阳极侧100，在阳极侧100处，负氧离子与所使用的燃料反应产生水而且通常还产生二氧化碳(CO2)。在阳极100和阴极102之间有外部电路111，该外部电路111包括针对燃料电池的负载110。
在图2中示出作为高温燃料电池装置的示例的SOFC装置。SOFC装置可以利用例如天然气、沼气、甲醇或者其它含烃的化合物作为燃料。图2中的SOFC装置系统包括一个或者更多个堆形式103(SOFC堆)的多于一个、通常为多个的燃料电池。更大的SOFC装置系统包括多个堆103的很多燃料电池。各个燃料电池包括阳极100结构和阴极102结构，如图1所示。所使用的燃料的一部分可以在反馈设备109中再循环。图2中的SOFC装置还包括燃料热交换器105和转化器107。热交换器用于控制燃料电池处理中的热条件，并且在SOFC装置的不同位置中可以存在多于一个的热交换器。循环气体中的额外热能在一个或者更多个热交换器105中回收，以在SOFC装置中利用或者外部地利用。转化器107是将诸如例如天然气的燃料转换为适用于燃料电池的成分(composition)的装置，例如转换为包含以下全部或者至少一些的成分：氢、甲烷、二氧化碳、一氧化碳、惰性气体和水。但是，不是每个SOFC装置中都必须具有转化器。
通过使用测量装置115(诸如燃料流量计、电流计和温度计)，对SOFC装置的操作进行必要的测量。仅一部分阳极废气在反馈设备109中再循环而其它部分的气体在诸如燃烧器的后氧化装置中被氧化。
燃料电池是将反应物的化学能直接转换为电和热的电化学装置。燃料电池系统具有显著超过相当规模的传统的能源生产技术的电和CHP(热电联产)效率的潜力。燃料电池系统被广泛理解为关键的未来能源生产技术。
在固体氧化物燃料电池(SOFC)系统中，例如部分转化的富氢燃料气体混合物被馈送到燃料电池的阳极侧，同时空气被引导到阴极侧。发生燃料氧化反应并且氢和其它可氧化的化合物被转换为水和二氧化碳，同时生成电流。由于烃类燃料的转化需要蒸汽，因此将作为所述燃料氧化的产物而形成的水回收并且在转化器107中使用所述水进行燃料转化是有益的，从而省略了一旦系统已经启动并且正在生成电力时向系统馈送外部水的需要。
在燃料电池中回收作为燃料氧化反应的产物而形成的水的实用方法是阳极废气(off-gas)再循环。相比于燃料电池的单次通过操作，该方法具有提高整体燃料利用率的额外优点。
在现有技术中，阳极废气再循环需要压缩机或者其它装置，以便产生足以克服燃料电池系统中的压降(pressure drop)并且提供适用于燃料蒸汽转化的水蒸汽的质量流量的增压，关键控制参数是燃料气体混合物的氧碳(O/C)比。
在一个现有技术的系统实施方式中，使用高压燃料馈送作为射流喷射器中的动力流(motive stream)，以夹带(entrain)阳极废气(tail gas)并且增加燃料气体混合物的压力，从而克服燃料电池系统部件中的压力损失。例如，在专利申请文件JP2008282599(A)中示出了这种系统拓扑。这种系统拓扑需要高压力燃料馈给，并且由于射流喷射器的固定几何形状，这些拓扑具有有限的控制再循环比和由此产生的氧碳(O/C)比的能力。
通过风扇或者压缩机进行的再循环为系统提供了额外的灵活性和可控制性，但是需要复杂、繁琐的和潜在地不可靠的机械系统(machinery)。上述两种方法常常依赖于推测，因而不准确地确定氧碳(O/C)比，因为高温气流成分的测量很困难并且复杂。
发明内容
本发明的目的是通过利用常规的系统部件在燃料电池系统中实现实用的氧碳(O/C)关系管理。该目的通过以下设备实现：一种在采用燃料电池产生电的燃料电池系统中控制氧碳(O/C)关系的设备，所述燃料电池系统中的每个燃料电池包括：阳极侧、阴极侧和位于所述阳极侧与所述阴极侧之间的电解质，所述燃料电池系统包括：用于向所述阳极侧馈送用作燃料的气体的装置，以及用于使所述阳极侧气体的一部分再循环的装置。控制氧碳(O/C)关系的所述设备包括：用于向所述设备提供水的装置；用于泵送所提供的水以促进水流的至少一个水泵；用于从所述被促进的水流蒸发水以生成加压蒸汽的装置，所述加压蒸汽至少具有用于蒸汽射流喷射器的动力压力；以及所述至少一个蒸汽射流喷射器，所述至少一个蒸汽射流喷射器用于将所述蒸汽的至少一部分喷射到所述燃料电池系统，并且在所述阳极侧气体再循环中夹带一部分本质上低压的阳极废气流，并且将气体混合物压缩为中间压力的燃料供给流，以在所述燃料电池系统的燃料侧中控制氧碳(O/C)关系。
本发明还提供了一种在采用燃料电池产生电的燃料电池系统中控制氧碳(O/C)关系的方法，在所述方法中，用作燃料的气体被馈送到阳极侧并且所述气体的一部分被再循环。通过以下步骤控制氧碳(O/C)关系：向再循环提供水；泵送所提供的水量以促进水流；从所述被促进的水流蒸发水以生成加压蒸汽，所述加压蒸汽至少具有用于蒸汽射流喷射器的动力压力；以及利用所述至少一个蒸汽射流喷射器将所述蒸汽的至少一部分喷射到所述燃料电池系统，并且在所述阳极侧气体再循环中夹带一部分本质上低压的阳极废气流，并且将气体混合物压缩为中间压力的燃料供给流，以控制所述燃料电池系统的燃料侧的氧碳(O/C)关系。
本发明基于以下内容：泵送所提供的水以促进所述阳极再循环中的水流，以及从所述被促进的水流蒸发水以生成加压蒸汽，所述加压蒸汽至少具有用于蒸汽射流喷射器的动力压力，所述蒸汽射流喷射器将所述蒸汽的至少一部分喷射到燃料电池系统，并且在所述阳极侧气体再循环中夹带一部分本质上低压的阳极废气流，并且将气体混合物压缩为中间压力的燃料供给流，以在所述燃料电池系统的燃料侧中控制氧碳(O/C)关系。
本发明的益处在于通过利用常规的系统部件实现了对氧碳(O/C)关系的成功控制，因而在燃料电池系统中增加了燃料利用率。
附图说明
图1示出单个燃料电池结构。
图2示出SOFC装置的示例。
图3示出根据本发明的第一优选实施方式。
图4示出根据本发明的第二优选实施方式。
具体实施方式
在下面的描述以及图3和图4中描述本发明的优选实施方式。在图3中示出了根据本发明的第一优选实施方式，在该第一优选实施方式中，以已知温度和水含量对经冷却的、干燥的阳极气体馏分(fraction)进行再循环。在图4中示出了根据本发明的第二优选实施方式，在该第二优选实施方式中，热阳极气体被再循环。
至少针对燃料电池系统的启动，根据本发明的设备包括：作为用于向所述设备提供水的装置112的水箱112，该水箱112作为外部水源112。优选地，还使用阳极废气流作为水源112，因而水源112包括作为燃料电池反应的氧化产物的水。阳极废气流或者阳极废气流的一部分被引导到冷凝器116，并且形成液态水。因而一旦系统已经启动并且在大多数情况下在燃料电池反应中产生水，该设备就实现为独立于其它水馈送。在这种优选实施方式中，在不将外部水馈送到系统的情况下促进O/C管理，并且冷凝器116是设备的必要部分。
冷凝器116通过将阳极废气的水蒸汽馏分的至少一部分冷凝为液体和/或将至少部分地后氧化的阳极废气的水蒸气馏分的至少一部分冷凝为液体来进行操作。该设备还可以包括足以满足燃料电池系统启动和瞬态操作模式的需要的水存储器112。
根据本发明的设备至少包括：水泵118；作为用于蒸发水的装置120的蒸汽生成器120，优选地为高压蒸汽生成器；以及蒸汽射流喷射器122，该蒸汽射流喷射器122例如是射流泵。还可以使用锅炉作为蒸汽生成器120。在最广泛的意义上可以将射流喷射器视为基于在动力流与推进流之间互换动量的原理来操作的流体动力装置，并且至少包括：喷嘴，该喷嘴被设计为在减小压力的同时增加流体速度；以及扩散器，该流指向该扩散器，该扩散器被设计为减小流体速度并且增加它的压力。
根据本发明，水泵118泵送已知质量流量值的水量，以促进阳极气体再循环中的水流。基于在燃料电池系统操作之前或者与燃料系统操作联机所做的测量知道该质量流量值。接着，蒸汽生成器120通过蒸发水产生所述水流的加压蒸汽。该蒸汽具有至少用于蒸汽射流喷射器122的动力压力，并且使用所述蒸汽作为用于所述至少一个蒸汽射流喷射器122的动力流，以根据蒸汽射流喷射器的夹带比(entrainment ratio)喷射所述加压蒸汽的至少一部分。所述至少一个蒸汽射流喷射器(122)将所述蒸汽的至少一部分喷射到燃料电池系统，并且在所述阳极侧气体再循环中夹带一部分本质上低压的阳极废气流，并且将气体混合物压缩为中间压力的燃料供给流，以在燃料电池系统的燃料侧中控制氧碳(O/C)关系。
在通过用于冷凝的所述装置116进行至少部分水分离之后，所述至少一个蒸汽射流喷射器122将所述再循环的气体从用于冷凝的装置(116)夹带到蒸汽流中。在通过用于冷凝的装置(116)冷凝之前或者在通过用于后氧化的装置氧化之前，所述蒸汽射流喷射器122还可以将所述再循环的气体从阳极废气流夹带到蒸汽流中。
本发明既可以用于所描述的SOFC，又可以用于MCFC(熔融碳酸盐燃料电池)和其它燃料电池。MCFC是高温燃料电池，其使用在多孔的、化学惰性陶瓷基中悬浮的由熔融碳酸盐混合物组成的电解质。
尽管已参照所附的附图和说明书示出了本发明，但是本发明绝不限于此，在权利要求允许的范围内，可以对本发明做出各种变化。

Claims (10)

1.一种在采用燃料电池产生电的燃料电池系统中控制氧碳(O/C)关系的设备，所述燃料电池系统中的每个燃料电池包括：阳极侧(100)、阴极侧(102)和位于所述阳极侧与所述阴极侧之间的电解质(104)，并且所述燃料电池系统包括：用于向所述阳极侧馈送用作燃料的气体的装置(108)；用于向所述设备提供水的装置(112)；用于泵送所提供的水以促进水流的至少一个水泵(118)；用于从所述被促进的水流蒸发水以生成加压蒸汽的装置(120)，所述加压蒸汽至少具有用于蒸汽射流喷射器(122)的动力压力，
该设备的特征在于，控制所述氧碳(O/C)关系的所述设备包括：
-用于将本质上低压的阳极废气的水蒸汽馏分的至少一部分冷凝为液体和/或将至少部分地后氧化的阳极废气的水蒸气馏分的至少一部分冷凝为液体的装置(116)，所述液体被提供到向所述设备提供水的装置(112)；
-用于使所述阳极侧气体的一部分作为经冷却的且基本上干燥的气体再循环的装置(109)；
-所述至少一个蒸汽射流喷射器(122)，所述至少一个蒸汽射流喷射器(122)用于将所述加压蒸汽的至少一部分喷射到所述燃料电池系统，并且在所述阳极侧气体再循环中夹带一部分本质上低压的阳极废气流，并且将气体混合物压缩为中间压力的燃料供给流，以在所述燃料电池系统的燃料侧中控制所述氧碳(O/C)关系。
2.根据权利要求1所述的设备，该设备的特征在于，所述设备包括足以满足燃料电池系统启动和瞬态操作模式的需要的水源。
3.根据权利要求1所述的设备，该设备的特征在于，所述至少一个蒸汽射流喷射器(122)用于在通过用于冷凝的装置(116)进行至少部分水分离之后，将所述再循环的气体从所述用于冷凝的装置(116)夹带到蒸汽流中。
4.根据权利要求1所述的设备，该设备的特征在于，所述至少一个蒸汽射流喷射器(122)用于在通过用于冷凝的装置(116)冷凝之前，将所述再循环的气体从阳极废气流夹带到蒸汽流中。
5.所根据权利要求1所述的设备，该设备的特征在于，所述至少一个蒸汽射流喷射器(122)用于在通过用于后氧化的装置氧化之前，将所述再循环的气体从阳极废气流夹带到蒸汽流中。
6.一种在采用燃料电池产生电的燃料电池系统中控制氧碳(O/C)关系的方法，在所述方法中，用作燃料的气体被馈送到阳极侧(100)，向所述燃料电池系统提供水，泵送所提供的水量以促进水流，并且从所述被促进的水流蒸发水以生成加压蒸汽，所述加压蒸汽至少具有用于蒸汽射流喷射器(122)的动力压力，
该方法的特征在于，通过以下步骤控制氧碳(O/C)关系：
-通过将本质上低压的阳极废气的水蒸汽馏分的至少一部分冷凝为液体和/或将至少部分地后氧化的阳极废气的水蒸气馏分的至少一部分冷凝为液体，来向所述燃料电池系统提供水，
-使所述阳极侧气体的一部分作为经冷却的且基本上干燥的气体再循环，
-利用所述至少一个蒸汽射流喷射器(122)将所述加压蒸汽的至少一部分喷射到所述燃料电池系统，并且将一部分本质上低压的阳极废气流夹带到所述阳极侧气体再循环，并且将气体混合物压缩为中间压力的燃料供给流，以控制氧碳(O/C)关系。
7.根据权利要求6所述的方法，该方法的特征在于，在所述方法中，利用足以满足燃料电池系统启动和瞬态操作模式的需要的水源。
8.根据权利要求6所述的方法，该方法的特征在于，在冷凝中进行至少部分水分离之后，将所述再循环的气体从冷凝夹带到蒸汽流中。
9.根据权利要求6所述的方法，该方法的特征在于，在冷凝之前，将所述再循环的气体从阳极废气流夹带到蒸汽流中。
10.根据权利要求6所述的方法，该方法的特征在于，在后氧化之前，将所述再循环的气体从阳极废气流夹带到蒸汽流中。
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