CN103797630B - 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组（12）和燃气涡轮发动机（14）。固体氧化物燃料电池组（12）包括多个固体氧化物燃料电池（16）。燃气涡轮发动机（14）包括压缩机（24）和涡轮（26）。压缩机（24）将氧化剂经由氧化剂喷射器（60）供给至燃料电池（16）的阴极（22）并且氧化剂喷射器（60）将来自燃料电池（16）的阴极的未使用的氧化剂的一部分与来自压缩机（24）的氧化剂一起供给回至燃料电池（16）的阴极（22）。燃料电池系统（10）还包括附加压缩机（64）、附加涡轮（66）、冷却器（70）以及回热式换热器（72）。压缩机（24）将氧化剂经由冷却器（70）供给至附加压缩机（64）并且附加压缩机（64）将氧化剂经由回热式换热器（72）供给至氧化剂喷射器（60）。固体氧化物燃料电池组（12）将废气供给至涡轮（26）并且涡轮（26）将废气供给通过回热式换热器（72）从而加热流动通过回热式换热器（72）的氧化剂。

Description

固体氧化物燃料电池系统
技术领域
本发明涉及一种固体氧化物燃料电池系统，并且具体地涉及一种包括固体氧化物燃料电池组和燃气涡轮发动机的固体氧化物燃料电池系统。
背景技术
WO2004032273A2公开了一种包括固体氧化物燃料电池组和燃气涡轮发动机的固体氧化物燃料电池系统，其中，从固体氧化物燃料电池组的阴极离开的未用氧化剂的一部分与供给至固体氧化物燃料电池组的阴极的新氧化剂一起再循环，从而对供给至固体氧化物燃料电池组的阴极的新氧化剂进行预热。由新氧化剂驱动的氧化剂喷射器用于将未用氧化剂再循环回至固体氧化物燃料电池组的阴极。
此固体氧化物燃料电池系统的问题在于，氧化剂喷射器在燃气涡轮发动机的压缩机与膨胀器、涡轮之间的定位产生非常大的压力损失，并且这需要为固体氧化物燃料电池系统设计专门的燃气涡轮发动机。燃气涡轮发动机的特定设计提高了固体氧化物燃料电池系统的总成本。
发明内容
因此，本发明试图提供一种降低优选地克服上文提到的问题的固体氧化物燃料电池系统。
因此，本发明提供一种包括固体氧化物燃料电池组和燃气涡轮发动机的固体氧化物燃料电池系统，固体氧化物燃料电池组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、阳极以及阴极，燃气涡轮发动机包括压缩机和布置成驱动压缩机的涡轮，压缩机布置成将氧化剂经由氧化剂混合器供给至至少一个固体氧化物燃料电池的阴极，氧化剂混合器布置成将来自至少一个固体氧化物燃料电池的阴极的未用氧化剂的一部分与来自压缩机的氧化剂一起供给回至至少一个固体氧化物燃料电池的阴极，固体氧化物燃料电池系统还包括附加压缩机和布置成驱动附加压缩机的附加涡轮，压缩机布置成将氧化剂供给至附加压缩机，附加压缩机布置成将氧化剂供给至氧化剂混合器，并且固体氧化物燃料电池组布置成将废气供给至涡轮。
固体氧化物燃料电池系统还可以包括冷却器和回热式换热器，压缩机可以布置成将氧化剂经由冷却器供给至附加压缩机，附加压缩机可以布置成将氧化剂经由回热式换热器供给至氧化剂混合器，固体氧化物燃料电池组可以布置成将废气供给至涡轮并且涡轮可以布置成将废气供给通过回热式换热器从而加热流动通过回热式换热器的氧化剂。
压缩机可以布置成将氧化剂的一部分经由冷却器供给至附加压缩机并且压缩机可以布置成将氧化剂的一部分供给至附加涡轮。
回热式换热器可以布置成将由附加压缩机供给的氧化剂的一部分供给至氧化剂混合器，并且回热式换热器可以布置成将由附加压缩机供给的氧化剂的一部分供给至附加涡轮。
冷却器可以布置成将由压缩机供给的氧化剂的一部分供给至附加压缩机，并且冷却器可以布置成将由压缩机供给的氧化剂的一部分供给至附加涡轮。
至少一个固体氧化物燃料电池的阴极可以布置成将未用氧化剂的一部分供给至燃烧室，至少一个固体氧化物燃料电池的阳极布置成将未用燃料的一部分供给至燃烧室并且燃烧室布置成将燃烧室的废气的至少一部分供给至涡轮。
燃烧室可以布置成将燃烧室废气的一部分供给至涡轮。
燃烧室可以布置成将燃烧室的废气的这部分供给至穿过换热器的第一流动路径，并且氧化剂混合器布置成将来自至少一个固体氧化物燃料电池的阴极的未用氧化剂的一部分与来自压缩机的氧化剂一起经由穿过换热器的第二流动路径供给回至至少一个固体氧化物燃料电池的阴极。
附加压缩机可以布置成将氧化剂经由回热式换热器供给至附加混合器，燃烧室布置成将燃烧室的废气供给至附加混合器，附加混合器布置成将氧化剂和燃烧室的废气供给至穿过换热器的第一流动路径。
换热器可以布置成将从穿过换热器的第一流动路径离开的氧化剂和燃烧室废气的第一部分供给至燃烧室并且换热器布置成将从穿过换热器的第一流动路径离开的氧化剂和燃烧室的废气的第二部分供给至涡轮。
附加压缩机可以是风扇或者鼓风机。附加混合器可以是附加喷射器。氧化剂混合器可以是氧化剂喷射器。
本发明还提供一种包括固体氧化物燃料电池组和燃气涡轮发动机的固体氧化物燃料电池系统，固体氧化物燃料电池组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、阳极以及阴极，燃气涡轮发动机包括压缩机和布置成驱动压缩机的涡轮，压缩机布置成将氧化剂经由氧化剂喷射器供给至至少一个固体氧化物燃料电池的阴极，氧化剂喷射器布置成将来自至少一个固体氧化物燃料电池的阴极的未用氧化剂的一部分与来自压缩机的氧化剂一起供给回至至少一个固体氧化物燃料电池的阴极，固体氧化物燃料电池系统还包括附加压缩机和布置成驱动附加压缩机的附加涡轮，压缩机布置成将氧化剂供给至附加压缩机，附加压缩机布置成将氧化剂供给至氧化剂喷射器，并且固体氧化物燃料电池组布置成将废气供给至涡轮。
附图说明
将通过参照附图以示例性方式更充分地描述本发明，在附图中：-
图1为根据本发明的固体氧化物燃料电池系统。
图2为根据本发明的另一固体氧化物燃料电池系统。
图3为根据本发明的又一固体氧化物燃料电池系统。
具体实施方式
如图1中所示，根据本发明的固体氧化物燃料电池系统10包括固体氧化物燃料电池组12和燃气涡轮发动机14。固体氧化物燃料电池组12包括至少一个固体氧化物燃料电池16并且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布置在电解质18的相反朝向的表面上。
燃气涡轮发动机14包括压缩机24和涡轮26，涡轮26布置成通过轴28驱动压缩机24。燃气涡轮发动机14的涡轮26还布置成通过轴29驱动发电机27。
固体氧化物燃料电池16的阳极20由燃料歧管30供给燃料，例如氢，并且燃料源32（例如氢）布置成将燃料经由管道34供给至燃料歧管30。阴极22由氧化剂歧管36供给氧化剂，例如氧、空气等，并且氧化剂源38布置成将氧化剂经由管道40供给至氧化剂歧管36。压缩机24位于管道40中并且对供给到氧化剂歧管36的氧化剂进行增压。
阳极20设置有未用燃料收集歧管42，未使用的燃料被排到未用燃料收集歧管42中。未用燃料收集歧管42通过管道44和管道46连接至管道34使得未使用的燃料的一部分被供给、再循环至燃料歧管30。设置有燃料喷射器48以将来自未用燃料收集歧管42的未使用的燃料供给、再循环至燃料歧管30。管道44、46以及燃料喷射器48形成用以将来自固体氧化物燃料电池16的阳极20的未用燃料供给、再循环回至固体氧化物燃料电池16的阳极20的装置50。燃料喷射器48对未使用的燃料进行增压并且将未使用的燃料与由燃料源32经由管道34供给至燃料歧管30的燃料混合。仅来自燃料源32的燃料流动到管道34的位于燃料源32与燃料喷射器48之间的第一部分34A中。来自燃料源32的燃料和来自固体氧化物燃料电池16的阳极20的未用燃料的一部分在被燃料喷射器48混合之后经由管道34的第二部分34B供给至燃料歧管30。
未用燃料收集歧管42还经由管道44和另一管道54连接至燃烧室52从而将未使用的燃料的第二部分供给至燃烧室52。
固体氧化物燃料电池16的阴极22设置有未用氧化剂收集歧管56，未使用的氧化剂被排到未用氧化剂收集歧管56中。未用氧化剂收集歧管56经由管道58连接至管道40，以将未使用的氧化剂的一部分供给、再循环至氧化剂歧管36。设置有氧化剂喷射器60以将来自未用氧化剂收集歧管56的未使用的氧化剂供给、再循环至氧化剂歧管36。管道40、58和氧化剂喷射器60形成用以将来将自固体氧化物燃料电池16的阴极22的未用氧化剂供给、再循环回至固体氧化物燃料电池16的阴极22的装置61。氧化剂喷射器60对未用氧化剂进行增压并且将未用氧化剂与由压缩机24经由管道40供给至氧化剂歧管36的氧化剂混合。压缩机24布置成将氧化剂经由氧化剂喷射器60供给至固体氧化物燃料电池12的阴极22，氧化剂喷射器60布置成将来自固体氧化物燃料电池电池16的阴极22的未用氧化剂的一部分与来自压缩机24的氧化剂一起供给回至固体氧化物燃料电池16的阴极22。
未用氧化剂收集歧管56经由管道58和另一管道62连接至燃烧室52，从而将未使用的氧化剂的第二部分供给至燃烧室52。
固体氧化物燃料电池系统10还包括附加压缩机64、附加涡轮66、冷却器70以及回热式换热器72。附加涡轮66布置成通过轴68驱动附加压缩机64。压缩机24布置成将氧化剂的一部分经由管道40的部分40A、冷却器70、以及管道40的部分40B供给至附加压缩机64。冷却剂C被供给至冷却器70从而当氧化剂流动通过冷却器70时冷却氧化剂。压缩机24布置成将氧化剂的一部分不穿过冷却器70、直接经由管道41供给至附加涡轮66。附加涡轮66使由压缩机24压缩的氧化剂的部分膨胀从而驱动附加压缩机64。从压缩机24经由冷却器70流动至附加压缩机64的氧化剂与从压缩机24流动至附加涡轮66的氧化剂的比例约为4比1。
附加压缩机64布置成将氧化剂经由管道40的部分40C供给至回热式换热器72从而加热氧化剂。被加热的氧化剂的第一部分从回热式换热器72经由管道40的部分40D供给至氧化剂喷射器60，并且被加热的氧化剂的第二部分从回热式换热器72经由管道76供给至附加喷射器74。燃烧室52布置成将热废气经由管道78供给至附加喷射器74的第二进口。附加喷射器74将从回热式换热器72供给的氧化剂的部分与来自燃烧室52的热废气混合。附加喷射器74的出口布置成将氧化剂和废气的混合物经由管道80供给至换热器82。热废气被供给至换热器82的第一进口84并且经由换热器82内的第一路径86流动至换热器82的第一出口88。随后，热废气和氧化剂的混合物的一部分从换热器82的第一出口88经由管道90供给至涡轮26。热废气驱动涡轮26，随后热废气经由管道92流动至回热式换热器72并且通过排气装置94排出。氧化剂和热废气的混合物的另一部分从换热器82的第一出口88经由管道96供给至燃烧室52。
氧化剂喷射器60布置成：将由附加压缩机64经由回热式换热器72和管道40的部分40D供给的氧化剂、和从氧化剂收集歧管56和管道58供给的未用氧化剂经由管道40的部分40E供给至换热器82的第二进口98并且经由换热器82内的第二通道100流动至换热器82的第二出口102。随后，来自附加压缩机64的氧化剂和来自固体氧化物燃料电池16的阴极22的未用氧化剂的部分从换热器82的第二出口102经由管道40的部分40F供给至氧化剂歧管36。
固体氧化物燃料电池组12布置成将废气供给至涡轮26，并且涡轮26布置成将废气供给通过回热式换热器72从而加热流动通过回热式换热器72的氧化剂。
附加压缩机可以是风扇或鼓风机。
本发明的优点在于，附加压缩机、附加涡轮、冷却器以及回热式换热器的使用允许使用市场上可买到的燃气涡轮发动机，而不是开发专用燃气涡轮发动机以在由氧化剂喷射器产生的较大压力损失下操作，该氧化喷射器将来自固体氧化物燃料电池的阴极的未用氧化剂再循环回至固体氧化物燃料电池的阴极。附加压缩机具体提高了固体氧化物燃料电池系统的进口处的氧化剂压力和空气压力，并且这允许使用氧化剂喷射器来驱动来自固体氧化物燃料电池的阴极的未使用的氧化剂、未使用的空气再循环回至固体氧化物燃料电池的阴极。附加压缩机的使用使得能够使用传统燃气涡轮发动机，在传统燃气涡轮发动机中，压缩机的压缩比等于涡轮的膨胀比，这与开发非传统燃气涡轮发动机不同，在非传统燃气涡轮发动机中，压缩机的压缩比大于涡轮的膨胀比。冷却器降低了附加压缩机所需要的额外动力，例如将所需动力减小了约60%。
图2中示出根据本发明的替代性固体氧化物燃料电池系统110，并且固体氧化物燃料电池系统110包括固体氧化物燃料电池组12和燃气涡轮发动机14。固体氧化物燃料电池系统110与图1中示出的固体氧化物燃料电池系统10大致相同，并且相似附图标记表示相似零件。
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不同之处在于，被加热的氧化剂的第三部分从回热式换热器72经由管道40的部分40D和管道104供给至附加涡轮66，而不是将压缩机24布置成将氧化剂的一部分不穿过冷却器70、直接经由管道41供给至附加涡轮66。因此，回热式换热器72布置成将由附加压缩机64供给的氧化剂的一部分供给至氧化剂喷射器60，并且回热式换热器72布置成将由附加压缩机64供给的氧化剂的一部分供给至附加涡轮66。
图3中示出根据本发明的另一固体氧化物燃料电池系统210，并且固体氧化物燃料电池系统210包括固体氧化物燃料电池组12和燃气涡轮发动机14。固体氧化物燃料电池系统210与图1中示出的固体氧化物燃料电池系统大致相同，并且相似附图标记表示相似零件。
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不同之处在于，被冷却的氧化剂的一部分从冷却器70经由管道106供给至附加涡轮66，而不是将压缩机24布置成将氧化剂的一部分不穿过冷却器70、直接经由管道41供给至附加涡轮66。因此。冷却器70布置成将由压缩机24供给的氧化剂的一部分供给至附加压缩机64，并且冷却器70布置成将由压缩机24供给的氧化剂的一部分供给至附加涡轮66。
尽管已经参照位于附加压缩机与压缩机之间的氧化剂流动路径中的冷却器、位于用于来自涡轮的废气的流动路径中和位于从附加压缩机到氧化剂喷射器的氧化剂流动路径中的回热式换热器描述本发明，但是在没有冷却器、没有回热式换热器或者没有冷却器和回热式换热器两者的情况下，可以同样良好地使用本发明。
在本发明的每一个实施方式中可能的是，如果燃料源22是诸如烷烃、烯烃、酒精等的烃类燃料源，例如甲烷、丁烷、丙烷、天然气、乙醇等，则在将燃料供给至燃料歧管30和固体氧化物燃料电池16的阳极20的管道34的第二部分34B中设置燃料重整器。燃料重整器可以布置成由例如氧化剂收集歧管56或者管道58等中的离开固体氧化物燃料电池16的阴极22的未用氧化剂进行加热。
在本发明的每一个实施方式中，可以在轴68、附加压缩机64或者附加涡轮66上设置机械制动器、电力制动器或者发电机，用以控制附加涡轮66和附加压缩机64的旋转速度。
尽管已经参照氧化剂喷射器描述本发明，但是，可以使用其它类型的氧化剂混合器将由未用氧化剂收集歧管供给的未使用的氧化剂与由压缩机从氧化剂源所供给的新氧化剂混合。尽管已经参照附加喷射器描述本发明，但是可以使用其它类型的附加混合器。尽管已经参照燃料喷射器描述本发明，但是也可以使用其它类型的燃料混合器将来自未用燃料收集歧管的未使用的燃料与来自燃料源的新燃料混合。

Claims (12)

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组(12)和燃气涡轮发动机(14)，所述固体氧化物燃料电池组(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)以及阴极(22)，所述燃气涡轮发动机(14)包括压缩机(24)和布置成驱动所述压缩机(24)的涡轮(26)，所述压缩机(24)布置成将氧化剂经由氧化剂混合器(60)供给至所述至少一个固体氧化物燃料电池(16)的阴极(22)，所述氧化剂混合器(60)布置成将来自所述至少一个固体氧化物燃料电池(16)的阴极(22)的未用氧化剂的一部分与来自所述压缩机(24)的氧化剂一起供给回至所述至少一个固体氧化物燃料电池(16)的阴极(22)，其特征在于，所述固体氧化物燃料电池系统(10)还包括附加压缩机(64)和布置成驱动所述附加压缩机(64)的附加涡轮(66)，所述压缩机(24)布置成将氧化剂供给至所述附加压缩机(64)，所述附加压缩机(64)布置成将氧化剂供给至所述氧化剂混合器(60)，并且所述固体氧化物燃料电池组(12)布置成将废气供给至所述涡轮(26)，其中，所述氧化剂混合器(60)是氧化剂喷射器。
2.根据权利要求1所述的固体氧化物燃料电池系统，其中，所述固体氧化物燃料电池系统(10)还包括冷却器(70)和回热式换热器(72)，所述压缩机(24)布置成将氧化剂经由所述冷却器(70)供给至所述附加压缩机(64)，所述附加压缩机(64)布置成将氧化剂经由所述回热式换热器(72)供给至所述氧化剂混合器(60)，所述固体氧化物燃料电池组(12)布置成将废气供给至所述涡轮(26)，并且所述涡轮(26)布置成将所述废气供给通过所述回热式换热器(72)从而加热流动通过所述回热式换热器(72)的氧化剂。
3.根据权利要求2所述的固体氧化物燃料电池系统，其中，所述压缩机(24)布置成将氧化剂的一部分经由所述冷却器(70)供给至所述附加压缩机(64)，并且所述压缩机(24)布置成将氧化剂的一部分供给至所述附加涡轮(66)。
4.根据权利要求2所述的固体氧化物燃料电池系统，其中，所述回热式换热器(72)布置成将由所述附加压缩机(64)供给的氧化剂的一部分供给至所述氧化剂混合器(60)，并且所述回热式换热器(72)布置成将由所述附加压缩机(64)供给的氧化剂的一部分供给至所述附加涡轮(66)。
5.根据权利要求2所述的固体氧化物燃料电池系统，其中，所述冷却器(70)布置成将由所述压缩机(24)供给的氧化剂的一部分供给至所述附加压缩机(64)，并且所述冷却器(70)布置成将由所述压缩机(24)供给的氧化剂的一部分供给至所述附加涡轮(66)。
6.根据权利要求2至5中任一项所述的固体氧化物燃料电池系统，其中，所述至少一个固体氧化物燃料电池(16)的阴极(22)布置成将所述未用氧化剂的一部分供给至燃烧室(52)，所述至少一个固体氧化物燃料电池(16)的阳极(20)布置成将未用燃料的一部分供给至所述燃烧室(52)，并且所述燃烧室(52)布置成将所述燃烧室(52)的废气的至少一部分供给至所述涡轮(26)。
7.根据权利要求6所述的固体氧化物燃料电池系统，其中，所述燃烧室(52)布置成将所述燃烧室(52)的废气的一部分供给至所述涡轮(26)。
8.根据权利要求7所述的固体氧化物燃料电池系统，其中，所述燃烧室(52)布置成将所述燃烧室(52)的废气的所述部分供给至穿过换热器(82)的第一流动路径(86)，并且所述氧化剂混合器(60)布置成将来自所述至少一个固体氧化物燃料电池(16)的阴极(22)的未用氧化剂的所述部分与来自所述压缩机(24)的氧化剂一起经由穿过所述换热器(82)的第二流动路径(100)供给回至所述至少一个固体氧化物燃料电池(16)的阴极(22)。
9.根据权利要求8所述的固体氧化物燃料电池系统，其中，所述附加压缩机(64)布置成将氧化剂经由所述回热式换热器(72)供给至附加混合器(74)，所述燃烧室(52)布置成将所述燃烧室(52)的废气供给至所述附加混合器(74)，所述附加混合器(74)布置成将氧化剂和所述燃烧室(52)的废气供给至穿过所述换热器(82)的所述第一流动路径(86)。
10.根据权利要求9所述的固体氧化物燃料电池系统，其中，所述换热器(82)布置成将从穿过所述换热器(82)的所述第一流动路径(86)离开的氧化剂和所述燃烧室(52)的废气的第一部分供给至燃烧室(52)，并且所述换热器(82)布置成将从穿过所述换热器(82)的所述第一流动路径(86)离开的氧化剂和所述燃烧室(52)的废气的第二部分供给至所述涡轮(26)。
11.根据权利要求9或权利要求10所述的固体氧化物燃料电池系统，其中，所述附加混合器(74)是附加喷射器。
12.根据权利要求1至5中任一项所述的固体氧化物燃料电池系统，其中，所述附加压缩机(64)是风扇或者鼓风机。
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