CN104752747A - 固体氧化物燃料电池系统 - Google Patents

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M.J.阿林格
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Abstract

本发明涉及固体氧化物燃料电池系统。本申请提供一种联合循环燃料电池系统，该系统包括燃料电池，例如固体氧化物燃料电池(SOFC)，该燃料电池包括生成尾气的阳极和生成阴极排气的阴极。系统或设备可包括添加燃料(例如处理或提纯后的尾气)至重整器的入口空气流，以加热重整器。系统或设备可包括从尾气移除水和使移除的水再循环到入口燃料流中。入口空气流可为燃料电池的阴极排气流，并且入口燃料流可为输入烃燃料，其被引导至重整器以产生富氢重整油。系统或设备可将处理或提纯后的尾气的一部分引导至底循环。

Description

固体氧化物燃料电池系统
技术领域
本公开大体涉及联合循环燃料电池系统，并且更具体地涉及高效率固体氧化物燃料电池(SOFC)系统，其实现了比使用常规联合系统可获得的高的燃料电池转换效率。
背景技术
燃料电池是电化学能量转换装置，该装置已经证明了在功率生成中相对高的效率和低污染的潜能。燃料电池通常提供直流电流(dc)，其可借助例如变换器而转换为交流电流(ac)。dc或ac电压可用于为马达、灯、通信设备和任意数量的电气装置和系统供能。燃料电池可在固定、半固定或便携应用中操作。某些燃料电池(例如固体氧化物燃料电池(SOFC))可在提供电来满足工业和市政需求的大规模动力系统中操作。其他可用于更小的便携应用(例如为汽车供能)。
燃料电池通过跨过离子传导层电化学地结合燃料和氧化剂来产生电流。还标为燃料电池的电解质的该离子传导层可为液体或固体。常用类型的燃料电池包括磷酸(PAFC)、熔融碳酸盐(MCFC)、质子交换膜(PEMFC)和固体氧化物(SOFC)，它们通常按照它们的电解质来命名。实际上，燃料电池典型地电串联地积聚在燃料电池的组件中，以产生处于有用的电压或电流的功率。
通常，燃料电池的构件包括电解质和两个电极。产生电流的反应通常发生在电极处，催化剂典型地布置在电极处以加速反应。电极可构造成通道、多孔层等，以增大用于发生化学反应的表面区域。电解质承载从一个电极至另一个的带电粒子，并且另外不能渗透至燃料和氧化剂两者。
典型地，燃料电池将氢(燃料)和氧(氧化剂)转换为水(副产品)以产生电流。在高温操作下，副产品水可作为蒸汽排出燃料电池。可在涡轮和其他应用中利用该排出蒸汽(和其他热排气成分)，以产生额外电流或功率，从而提供提高的功率生成效率。如果采用空气作为氧化剂，则空气中的氮基本是不活泼的并且典型地行进穿过燃料电池。氢燃料可通过碳基原料就地重整(例如现场蒸汽重整)或远距离重整(例如可更容易得到的天然气和其他烃燃料和原料的重整)来提供。烃燃料的实例包括但不限于：天然气、甲烷、乙烷、丙烷、甲醇以及其他烃。
联合循环燃料电池系统的现有实例常规地实现至少50％的转换效率。联合循环燃料电池系统的将烃燃料转换成电能的效率由产生或损耗热的系统内的损耗机理，并且由燃料的部分利用所导致的燃料电池的损耗限制。提高低燃料利用率下的联合循环燃料电池系统的性能或效率的典型或常规尝试已涉及燃料和/或空气再循环。但是，联合循环燃料电池系统中的燃料再循环要求大型重整器和大型高温吹风机，它们昂贵并且技术上复杂。相似地，联合循环燃料电池系统中的空气再循环要求高温吹风机，其是成本效益不合算的。
由前述看来，存在提供降低成本的技术的需要，该技术通过提高的燃料电池效率提高联合循环燃料电池系统的设备效率，该提高的燃料电池效率消除了要求昂贵的高温吹风机和潜在的热交换器的燃料和/或空气再循环的需求。
发明内容
在一方面，公开了联合循环燃料电池系统的第一示范实施例。该系统可包括固体氧化物燃料电池燃料电池、重整系统、水分离器、底循环和/或残留尾气路径。固体氧化物燃料电池燃料电池可包括构造为生成尾气的阳极和构造为生成阴极排气流的阴极。重整系统可构造为接收和输出阴极排气流的至少一部分，并且将输入烃燃料和输入蒸汽的混合物的一部分转换成富氢重整油。富氢重整油可由燃料电池的阳极利用。水分离器可构造为接收燃料电池的尾气并且从尾气移除水以形成残留尾气。从尾气移除的水可被作为蒸汽引导至重整系统，以形成输入蒸汽的至少一部分。底循环可包括内燃机。残留尾气路径可构造为将残留尾气的第一部分转移至底循环以驱动底循环，并且将残留尾气的第二部分转移至阴极排气流。
在另一方面，公开了联合循环燃料电池系统的第二示范实施例。该系统可包括固体氧化物燃料电池、重整系统、和/或底循环。固体氧化物燃料电池可包括构造为生成阴极排气的阴极和构造为生成尾气的阳极。重整系统可构造为将输入烃燃料和输入蒸汽的混合物的至少一部分转换成富氢重整油，并且将富氢重整油输出至燃料电池的阳极。该系统可构造为使得阻止尾气输入燃料电池的阳极和阴极中。该系统可构造为将尾气的第一部分引导至底循环以驱动底循环。可通过将被加热的阴极排气的至少一部分引导穿过重整系统来加热重整系统，以促进将输入烃燃料和输入蒸汽转换成富氢重整油，该被加热的阴极排气通过燃烧阴极排气中的尾气的第二部分形成。
技术方案1：一种联合循环燃料电池系统，包括：
固体氧化物燃料电池燃料电池，其包括构造为生成尾气的阳极、和构造为生成阴极排气流的阴极；
重整系统，其构造为接收且输出所述阴极排气流的至少一部分，并且将输入烃燃料和输入蒸汽的混合物的至少一部分转换成富氢重整油，所述富氢重整油由所述燃料电池的阳极利用；
水分离器，其构造为接收所述燃料电池的尾气并且从所述尾气移除水以形成残留尾气，从所述尾气移除的水被作为蒸汽引导至所述重整系统，以形成所述输入蒸汽的至少一部分；
底循环，其包括内燃机；和
残留尾气路径，其构造为将所述残留尾气的第一部分转移至所述底循环以驱动所述底循环，并且将所述残留尾气的第二部分转移至所述阴极排气流。
技术方案2：根据技术方案1所述的系统，其特征在于，所述重整系统在所述燃料电池的外部。
技术方案3：根据技术方案1所述的系统，其特征在于，所述重整系统至少部分地包含在所述燃料电池内。
技术方案4：根据技术方案1所述的系统，其特征在于，所述残留尾气的第二部分在所述重整系统的上游被引导至所述阴极排气流并在其中燃烧，以加热所述重整系统。
技术方案5：根据技术方案1所述的系统，其特征在于，所述阴极排气的一部分在所述燃料电池的上游与所述输入烃燃料和所述富氢重整油中的至少一个混合。
技术方案6：根据技术方案1所述的系统，其特征在于，所述系统包括锅炉，所述锅炉构造为接收由所述水分离器从所述尾气移除的水并且产生所述输入蒸汽。
技术方案7：根据技术方案6所述的系统，其特征在于，由所述重整系统输出的所述阴极排气流的至少一部分被引导至所述锅炉，以加热由所述水分离器从所述尾气移除的水，以产生所述输入蒸汽。
技术方案8：根据技术方案7所述的系统，其特征在于，由所述重整系统输出且被引导至所述锅炉的所述阴极排气流的至少一部分行进穿过定位在所述锅炉的上游的至少一个热交换器。
技术方案9：根据技术方案8所述的系统，其特征在于，所述残留尾气的第二部分在所述至少一个热交换器的上游被引导至所述阴极排气流并在其中燃烧。
技术方案10：根据技术方案9所述的系统，其特征在于，所述固体氧化物燃料电池接收输入空气，并且其中，所述输入空气通过所述至少一个热交换器被加热。
技术方案11：根据技术方案1所述的系统，其特征在于，所述固体氧化物燃料电池接收输入空气，并且其中，所述系统包括空气预热器，所述空气预热器构造为将热从所述燃料电池的尾气传递至所述输入空气，而不混合所述输入空气和尾气。
技术方案12：根据技术方案11所述的系统，其特征在于，系统包括所述空气预热器上游的空气吹风机，所述空气吹风机构造为将所述输入空气至少传递至所述空气预热器，并且从所述空气预热器传递至所述燃料电池。
技术方案13：根据技术方案1所述的系统，其特征在于，所述系统包括燃料预热器，所述燃料预热器构造为将热从所述燃料电池的尾气传递至所述输入烃燃料或所述输入烃燃料和输入蒸汽的混合物。
技术方案14：根据技术方案1所述的系统，其特征在于，没有燃料循环回路或空气循环回路中的至少一个。
技术方案15：根据技术方案1所述的系统，其特征在于，所述系统构造为阻止所述尾气和所述残留尾气输入所述燃料电池的阳极和阴极中。
技术方案16：一种联合循环燃料电池系统，包括：
固体氧化物燃料电池，其包括构造为生成阴极排气的阴极、和构造为生成尾气的阳极；
重整系统，其构造为将输入烃燃料和输入蒸汽的混合物的至少一部分转换成富氢重整油，并且构造为将所述富氢重整油输出至所述燃料电池的阳极；和
底循环，
其中，阻止所述尾气输入所述燃料电池的阳极和阴极中，
其中，所述尾气的第一部分被引导至所述底循环，以驱动所述底循环，并且
其中，可通过将被加热的阴极排气的至少一部分引导穿过所述重整系统来加热所述重整系统，以促进将所述输入烃燃料和所述输入蒸汽转换成所述富氢重整油，所述被加热的阴极排气通过在所述阴极排气中燃烧所述尾气的第二部分形成。
技术方案17：根据技术方案16所述的系统，其特征在于，所述阴极排气的一部分在所述燃料电池的上游与所述输入烃燃料和所述富氢重整油中的至少一个混合。
技术方案18：根据技术方案16所述的系统，其特征在于，所述系统包括水分离器，所述水分离器构造为从所述阴极排气移除水，从所述阴极排气移除的水被作为蒸汽引导至所述重整系统，以形成所述输入蒸汽的至少一部分。
技术方案19：根据技术方案16所述的系统，其特征在于，所述固体氧化物燃料电池接收输入空气，并且其中，从所述重整器输出的所述被加热的阴极排气用于通过热交换器来加热所述输入空气。
技术方案20：根据技术方案16所述的系统，其特征在于，所述底循环包括内燃机，并且所述残留尾气的第一部分驱动所述内燃机。
附图说明
本公开的前述和其他特征、方面以及优点将从结合附图进行的本公开的各种方面的下列详细描述中变得显而易见，其中：
图1是根据本公开的一个实施例示出联合循环动力设备或系统的图，该动力设备或系统采用依靠重整燃料(例如富氢重整油)运行的固体氧化物燃料电池(SOFC)；并且
图2是根据本公开的另一实施例示出联合循环动力设备或系统的图，该动力设备或系统采用固体氧化物燃料电池(SOFC)和部分氧化重整器。
具体实施方式
在下面呈现的各实施例促进了本公开的某些方面的说明，并且不应理解为限制本公开的范围。此外，在本文中遍及说明书和权利要求书使用的近似语言可应用于修饰可以在不导致其涉及的基本功能中的变化的情况下可容许地变化的任何数量表现。因此，由诸如“大约”的一个用语或多个用语修饰的值，不限于指定的精确值。在某些情况下，近似语言可对应用于测量该值的工具的精度。当介绍各种实施例的元件时，冠词“一”、“一个”、“该”和“所述”意图指存在一个或更多个该元件。用语“包括”、“包含”和“具有”意图为包括性的，并意指可存在除列出元件外的附加元件。如在本文中所使用，用语“可”和“可为”指出一组情况内发生的可能性：具体特性、特征或功能的具有；和/或通过表达与限定的动词相关的能力、容量或可能性中的一个或更多个来限定另一动词。由此，“可”和“可为”的使用指出了被修饰的用语对于所指出的容量、功能或用途是显然适当、可能或适合的，同时考虑到在一些情况下，被修饰的用语有时可能不是适当、可能或适合的。操作参数的任何实例不排除公开实施例的其他参数。在本文中关于任何具体实施例描述、示出或以其他方式公开的构件、方面、特征、构造、布置、用途等可相似地应用于在本文中公开的任何其他实施例。
参照附图(和其变型)在本文中描述的实施例有利地提供与现有设备实施例相比提高的设备效率，其至少为大约50％、并且可能在大约50％至大约65％的范围内，并且可能优选地在大约55％至大约65％的范围内，同时允许或提供不采用燃料和/或空气再循环回路的蒸汽重整。因此，由在本文中描述的特征提供的优点包括而不限于：包括没有燃料和/或空气循环回路；使跨过燃料电池(例如SOFC堆栈)的温差最小化；和相对低的燃料利用率下的相对高的系统效率。
如在讨论中所注意到的，还构想本公开的其他实施例。虽然参照固体氧化物燃料电池来示出和讨论本公开的例示示范实施例，但是在本文中描述的原理可适用于(本领域中公知的)类似的燃料电池技术。此外，通过使用在本文中描述的原理，多种废热和/或燃料回收循环和用于集成这些循环的方法也是可能的，且因而通过本公开来构想。
如在下面进一步说明的，图1是根据本公开示出示范联合循环动力设备或燃料电池系统10的简图，其采用依靠无再循环的重整燃料运行的固体氧化物燃料电池(SOFC)26。更具体地，如图1所示，来自燃料源的入口燃料12输入设备或系统10中。输入燃料12可被获得、提供、加工、提纯或以其他方式输入设备或系统10中。输入燃料12可以是在通过设备或系统10的燃料电池26进行的发电中有效的任何燃料。在一些实施例中，输入燃料12可为烃燃料或烃燃料的混合物。在一些这种实施例中，输入燃料12可基本为CH4(例如天然气或甲烷)。
如图1所示，输入燃料12可沿着第一路径14转移进或转移到一个或更多个燃料预热器18。在一些实施例中，设备或系统10的路径或通路(包括第一路径14)可为管或其他管道，在其中输入燃料12和其他液体和/或气体流动穿过。在一些实施例中，设备或系统10可包括一个或更多个燃料吹风机16，其在沿着第一路径14(并且可能穿过定位或布置在燃料吹风机16的下游的设备或系统10的其他路径或方面)加压或以其他方式将特定量或速度的输入燃料12转移至燃料预热器18方面是有效的。但是在一些实施例中，可不利用燃料吹风机16。例如，输入燃料12的来源或起源可包括、限定或包括充分的压力或流速，使得充分速度或量的输入燃料12供给或转移到设备或系统10中(例如至燃料预热器18或其下游的方面或构件)。因此燃料吹风机16可取决于输入燃料12的自然或来源状态(例如流速)和/或设备或系统10的要求或操作参数(例如输入燃料12的供应压力)。
在燃料预热器18处或之后，可将输入水20添加至输入燃料12或与其混合。例如，如图1所示，可在燃料预热器18处将水20与输入燃料12混合或添加至其。在一些实施例中，可沿着第二路径22在燃料预热器18之后(即，其下游)将水20与输入燃料12混合或添加至其。在燃料预热器18处或之后与输入燃料12混合的水20可为蒸汽(即，处于或高于大约100摄氏度)。如在下面进一步讨论的，添加至输入燃料12的水20(例如蒸汽)可为(或至少包括)从设备或系统10的燃料电池26的阳极排气或尾气24移除或分离的移除的水28。在一些实施例中，添加至输入燃料12的水20的全部可为从燃料电池26的阳极排气或尾气24移除或分离的水28。输入燃料12和水20(例如蒸汽)(当添加至输入燃料12时)的比率可取决于设备或系统10的期望操作参数(例如期望输出负载)而改变。在一些实施例中，输入燃料12和添加的水20(例如蒸汽)的混合物的摩尔分数可为大约三分之二的水20(例如蒸汽)和三分之一的输入燃料12(例如CH4)。
如图1所示，燃料预热器18可构造为从第一路径14接收输入燃料12。如上面讨论的，燃料预热器18还可构造为接收水20(例如蒸汽)，并且可能混合输入水20和输入燃料12。燃料预热器18可为在加热输入燃料12(和潜在地，添加的水20)方面有效的任何燃料预热器。由燃料预热器18施加至输入燃料12(或者，潜在地，水20和输入燃料14的混合物)的热的量可取决于设备或系统10的期望操作参数(例如，期望输出负载)而改变。在一些实施例中，燃料预热器18可构造为将输入燃料12(或者，潜在地，水20和输入燃料14的混合物)加热至至少大约500摄氏度。在一些实施例中，燃料预热器18可构造为将输入燃料12(或者，潜在地，水20和输入燃料14的混合物)加热至至少大约700摄氏度。
在一些实施例中，燃料预热器18可以是回流换热器或热交换器。如图1所示，燃料预热器18可利用设备或系统10的燃料电池26的阳极排气或尾气24的至少一部分来加热输入燃料12(和，潜在地，附加的水20)。燃料预热器18可构造为保持尾气24和输入燃料12(和，潜在地，附加的水20)彼此分离且区分。例如，燃料预热器18可利用热的尾气24，以通过传导和/或对流来加热相对较冷的输入燃料12(或者，潜在地，水20和输入燃料14的混合物)，而不混合尾气和输入燃料12(或水20和输入燃料14的混合物)。如图1所示，与燃料预热器18一起，设备或系统10的其他构件或方面可构造为保持尾气24和输入燃料12(和，潜在地，附加的水20)彼此分离且区分。以此方式，设备或系统10可构造为使得阳极排气或尾气24被阻止与输入燃料12(和，潜在地，附加的水20)混合。换言之，设备或系统10可不具有燃料再循环回路，在该回路中，设备或系统10的燃料电池26的阳极排气或尾气24与输入燃料12混合并且由燃料电池26(例如，其阳极)利用。
如图1所示，在输入燃料12(或者，潜在地，水20和输入燃料14的混合物)经由燃料预热器18加热后，水20(例如流)和输入燃料14(例如CH4)的混合物可沿着第二路径22行进至一个或更多个重整器30。重整器30可构造为将加热的输入燃料12和附加的水20(例如蒸汽)的混合物的至少一部分转换成富氢重整油33或氢和一种或更多种副产品的合成气混合物。由重整器30排出或输出的富氢重整油33或合成气可比进入或输入重整器30的水20和入口燃料14的混合物更冷。来自重整器30的富氢重整油33可沿着第三路径32输出。重整器30可为在从水20和输入燃料14的混合物产生富氢重整油33方面有效的任何重整器。在一些实施例中，重整器30可为蒸汽重整器，其构造为在高温下使蒸汽20与输入燃料12反应。在一些这种实施例中，重整器30可为甲烷重整器。在一些实施例中，重整器30可被加热至相对高的温度(例如，至少大约500摄氏度)，并且构造为在存在金属基催化剂(例如镍)的情况下使蒸汽20与输入燃料12反应，以形成氢的富氢重整油33和一种或更多种副产品(例如一氧化碳)。在一些实施例中，富氢重整油33的副产品(即除氢(H2)外)可包括一氧化碳（CO）和二氧化碳(CO2)。如在下面进一步说明的，可通过在燃料电池26的阴极排气流中燃烧燃料电池26的尾气24并使被加热的产物行进穿过重整器30来加热重整器30，以促进重整过程。
在一些实施例中，例如在图1中显示的示范设备或系统10实施例中，重整器30可将水20(例如蒸汽)和输入燃料14(例如CH4)的混合物的仅一部分或小部分转换成富氢重整油33(即，H2和一种或更多种副产品)。在这种实施例中，富氢重整油33的副产品除了由重整器30形成的任何其他潜在副产品(例如CO和CO2)之外，可包括未利用的水20和未利用的燃料12。
重整器30可构造为利用或使用由燃料电池12放出的阳极排气或尾气24的至少一部分，以促进重整反应(如在下面进一步说明的)。例如，如图1所示，燃料电池12的阳极排气流或尾气24的至少一小部分可在设备或系统10的燃料电池12的阴极排气流34内消耗燃烧、点燃或以其他方式反应，以产生热(即，阴极排气流34的热回收)。该热可然后由重整器30利用(即加热重整器)以促进重整反应。
如图1所示，由重整器30输出的富氢重整油33可沿着第三路径32行进至设备或系统10的燃料电池26的入口。例如，可将富氢重整油33输出至燃料电池的阳极的入口。如图1所示，可将燃料电池26定位为远离或接近重整器30(即，重整器30可在燃料电池26外部)。例如，可将燃料电池26提供在壳体内，并且如图1所示，可将重整器30定位在燃料电池26的壳体的外部)。换言之，如图1所示，可将重整器30定位在燃料电池26的壳体外部或远离燃料电池26的壳体。
燃料电池26可构造为从由重整器30输出的富氢重整油33和输入空气70产生电，例如直流电流。燃料电池26可将富氢重整油33的化学能通过与氧气或另一氧化剂的化学反应而转换为电。在一些实施例中，燃料电池26可包括阳极(负性侧)、阴极(正性侧)和电解质，电解质允许电荷在燃料电池26的两侧之间移动。电子可通过外部电路从阳极引出至阴极，从而产生直流电。
在一些实施例中，如图1所示，燃料电池26可为固体氧化物燃料电池(SOFC)，其包括固体氧化物或陶瓷电解质。在一些这种实施例中，阳极可使用穿过电解质扩散的氧离子，以氧化由重整器30输出的富氢重整油33。氧离子与由重整器30输出的富氢重整油33的氢之间的氧化反应可产生热、水和电。燃料电池26的电解质可为传导氧离子的陶瓷致密层。燃料电池26的阳极可产生氧气排气流或尾气24。在一些实施例中，阳极排气流或尾气24可包括氢和CO。在一些实施例中，阳极排气流或尾气24可包括水、氢、CO2、CO和/或CH4。燃料电池26的阴极可为发生氧化反应的电解质上的多孔层。阴极可产生阴极排气流34。阴极排气流34可基本包括N2。如上所述，可在阴极排气流34中燃烧尾气24的部分，以加热阴极排气流34，并且因此加热重整器30(因为加热的阴极排气流34被引导至重整器30)。如在下面进一步描述的，加热的阴极排气流34还可用于经由至少一个热交换器80来加热燃料电池26的输入空气70。
如图1所示，在一些实施例中，燃料电池26的尾气24可被沿着第四路径36引导至燃料预热器18。尾气24可相对热，例如至少大约850摄氏度。如上所述，燃料预热器18可对相对热的尾气24进行同流换热，以加热入口燃料12(或入口水20和入口燃料12的混合物)。此外，同样如上所述，第四路径36和燃料预热器18(潜在地，以及设备或系统10的其他构件或方面)可基本阻止尾气24与入口燃料12(或入口水20和入口燃料12的混合物)混合，或以其他方式阻止其进入或被输入燃料电池26中(例如，至其阳极或阴极)。
如图1所示，在排出燃料预热器18后，设备或系统10可(例如通过使用第五通路38)将尾气24引导至空气预热器40的入口。类似于燃料预热器18，空气预热器40可以是回流换热器或热交换器。如图1所示，空气预热器40可利用设备或系统10的燃料电池26的阳极排气或尾气24来加热输入空气70。空气预热器40可构造为保持尾气24和输入燃料70彼此分离且区分。例如，燃料预热器18可通过传导和/或对流利用热尾气24来加热相对较冷的输入空气70，而不混合尾气和输入空气70。
如图1所示，设备或系统10可包括水分离器或冷凝器44，其构造为从尾气24移除水(H2O)。例如，如图1的示范例示实施例所示，设备或系统10可包括第六通路42，其将来自空气预热器40的输出的尾气24引导至水分离器或冷凝器44的输入。水分离器或冷凝器44可为在从尾气24移除H2O方面有效的任何机构或构造。在其中尾气24高于尾气24中水的沸点的实施例中，设备可包括冷凝器44以冷凝且作为移除的液态水28来移除来自尾气24的水。在一些实施例中，通过水分离器44与尾气24分离的移除的水28的至少一部分可为输入水20，其在重整器30和/或燃料电池26之前添加至输入燃料12。水分离器或冷凝器44可移除包含在尾气24内的水的基本全部或仅一部分。例如，在一些实施例中，设备或系统10可构造为使得水分离器或冷凝器44移除包含在尾气24内的水的至少大约百分之75。作为另一实例，设备或系统10可构造为使得水分离器或冷凝器44移除尾气24内包含的水的至少大约百分之95。
水分离器或冷凝器44可输出(即，在下游提供)残留尾气46，其与输入(即，为上游)至分离器或冷凝器44的未处理尾气24相比在其中包含更少的水。如图1所示，可将残留尾气46沿着第七或残留尾气路径48引导，该路径48将残留尾气46转移、分流或以其他方式分离成两个或更多个部分。参照图1，设备或系统10可构造为转移残留尾气46的第一部分50和残留尾气46的第二部分52。残留尾气46的第一和第二部分50、52的各自的量或比例可取决于范围、期望操作参数等而改变。在一些实施例中，第一部分50可包含残留尾气46的大部分(即，多于50％)。在一些这种实施例中，第一部分50可包含残留尾气46的至少75％。在一些其他实施例中，第二部分52可包含残留尾气46的大部分(即，多于50％)。
如图1所示，残留尾气46的第一部分50可例如通过通路而输入至至少一个底循环54。底循环54可构造为利用残留尾气46以产生除燃料电池26之外的额外电能。在一些实施例中，残留尾气46可驱动底循环54的内燃机的燃烧器。可结合发电机或类似机构利用内燃机，以产生额外的电。在一些实施例中，底循环的内燃机可为往复式发动机、兰金循环(Rankine cycle)、布雷顿循环(Brayton cycle)、和/或斯特林循环(sterling cycle)。在一些实施例中，往复式发动机可为往复4冲程、往复2冲程、对置活塞2冲程和/或燃气涡轮。根据另一实施例，来自底循环54排气的热可经由返回路径传输至第一尾气部分50，以进一步推进由底循环54提供的电功率的产生。在一些实施例中，系统或设备10可包括CO2分离机构，其构造为在底循环54的输入(例如内燃机的输入)之前从残留尾气46的第一部分50移除CO2。
如上所述，如图1的示范例示实施例所示，残留尾气46的第二部分52可添加至设备或系统10的燃料电池12的阴极排气流34。在一些实施例中，残留尾气46的第二部分52可在重整器30上游添加至燃料电池12的阴极排气流34。在一些实施例中，残留尾气46的第二部分52可在设备或系统10的燃料电池12的阴极排气流34内消耗燃烧、点燃或以其他方式反应，以产生热(即，阴极排气流34的热回收)。例如，第八通路58可将残留尾气46的第二部分52引导至燃烧点56，该燃烧点56沿着阴极排气流34位于燃料电池26的下游和至少一个热交换器80(和，潜在地，重整器30)的上游。在一些实施例中，阴极排气流34可基本包括N2。阴极排气流34中燃料电池26下游和至少一个热交换器80和重整器30中的至少一者的上游的残留尾气46的第二部分52的燃烧点56可包括在于阴极排气流34中燃烧残留尾气46的第二部分52方面有效的任何布置或构造。在一些实施例中，阴极排气流34的温度可足以点燃或燃烧残留尾气46的第二部分52。在一些实施例中，设备或系统10可包括用于在阴极排气流34中燃烧残留尾气46的第二部分52的点燃机构。
在一些实施例中，来自残留尾气46的第二部分52的燃烧的热被引导至重整器30(即，加热重整器)，以促进沿输入水20和输入燃料12的混合物的重整反应。以此方式，可将燃料电池26的尾气24利用为用于将输入燃料12重整(例如，蒸汽重整)为富氢重整油33的催化剂。在一些实施例中，在至少一个热交换器80的上游将残留尾气46的第二部分52输入至阴极排气流34允许对残留尾气46进行同流换热，而不将残留尾气46(即，燃料或燃烧产物)添加至燃料电池26的阴极入口。
如图1所示，在一些备选实施例中，可将残留尾气46的第二部分52在重整器30的下游和至少一个热交换器80的上游添加至燃料电池12的阴极排气流34。在一些实施例中，可在重整器30的上游和下游两者添加残留尾气46的第二部分52。在一些实施例中，残留尾气46的第二部分52可在设备或系统10的燃料电池12的阴极排气流34内消耗燃烧、点燃或以其他方式反应，以产生热(即，阴极排气流34的热回收)。例如，备选的第八通路58'可将残留尾气46的第二部分52引导至燃烧点56'，该燃烧点56'沿着阴极排气流34位于燃料电池26和重整器30的下游和至少一个热交换器80的上游。阴极排气流34中燃料电池26和重整器30的下游且至少一个热交换器80的上游的残留尾气46的第二部分52的燃烧点56'可包括在于阴极排气流34中燃烧残留尾气46的第二部分52方面有效的任何布置或构造。在一些实施例中，阴极排气流34的温度可足以点燃或燃烧残留尾气46的第二部分52。在一些实施例中，设备或系统10可包括用于在阴极排气流34中燃烧残留尾气46的第二部分52的点燃或氧化机构。
如图1所示，在一些实施例中，设备或系统10可包括输入空气70。输入空气70可供给至燃料电池26，例如至燃料电池26的阴极。在一些实施例中，设备或系统10可包括一个或更多个空气吹风机72，其在加压或以其他方式沿着第九路径74(并且潜在地穿过定位或布置在空气吹风机72的下游的设备或系统10的其他路径或方面)转移特定量或速度的输入空气70方面是有效的。空气吹风机72的操作参数可取决于设备或系统10的要求或操作参数(例如，能量输出)。在一些实施例中，空气吹风机72可构造为输出空气70并且将输入空气72的压力(例如在输出第九通道74内)提高至至少大约2个大气压。如图1所示和以上所述，输入空气72可被引导至空气预热器40。空气预热器40可利用尾气36来加热吹风机72下游的输入空气70。在一些实施例中，输入空气72可由空气预热器40(借助尾气36)加热至至少大约100摄氏度。
在一些实施例中，如图1所示，设备或系统10可包括一种或多种空气对空气热交换器80，其构造为对阴极排气流34的热进行同流换热，以加热输入空气70。在一些实施例中，如在图1中显示的示范例示实施例所示，该至少一个空气对空气热交换器80可紧接地定位于空气预热器40的下游。通路76可在空气预热器40的出口与至少一个热交换器82之间延伸，以将预热的输入空气70引导至至少一个热交换器80。在一些实施例中，该至少一个空气对空气热交换器80(和阴极排气流34)可构造为将输入空气70加热至至少大约500摄氏度。在一些实施例中，该至少一个空气对空气热交换器80(和阴极排气流34)可构造为将输入空气70加热至至少大约700摄氏度。在一些实施例中，该至少一个空气对空气热交换器80(和阴极排气流34)可为单个或整体空气对空气热交换器。
又如图1所示，设备或系统10可包括串联联接的多个空气对空气热交换器，例如第一低温热交换器82和第二高温热交换器84。第一低温热交换器82和第二高温热交换器84中的各个可利用相对热的阴极排气流34以加热输入空气70。如图1所示，第二高温热交换器84可在输入空气70的流动方向上定位在第一低温热交换器82的上游，并且在阴极排气34的流动方向上定位在下游。以此方式，第二高温热交换器84与第一低温热交换器82相比可在较高温度下操作。在一些实施例中，第一低温热交换器82和第二高温热交换器84可由不同材料制成，例如其在于阴极排气流34与输入空气70之间传递热方面有效的构件。在一些实施例中，第二高温热交换器84可构造为与第一低温热交换器82相比更有效地从阴极排气34向输入空气70传递热。
由至少一个热交换器80加热的输入空气70可输出至燃料电池26的入口。例如，通路86可在至少一个热交换器80的出口至燃料电池26的阴极入口之间延伸。在一些实施例中，由至少一个热交换器80加热的输入空气70可在燃料电池26的上游与入口燃料12混合。加热的输入空气70可至少部分地有效以加热燃料电池26，使得燃料电池可有效地操作。例如，燃料电池26可为SOFC燃料电池，并且加热的输入空气70可至少部分地有效(例如与加热的入口燃料12一起)，以将SOFC燃料电池加热至大约500摄氏度。在一些实施例中，燃料电池26可为SOFC燃料电池，并且加热的输入空气70可至少部分地有效(例如与加热的入口燃料12一起)，以将SOFC燃料电池加热至大约800摄氏度。
如上所述且在图1中所示，阴极排气流34可离开燃料电池26，且被引导至燃烧点56。又如上所述，所得的加热组合物可被引导至并穿过重整器30，以有助于将入口燃料12重整成由燃料电池26利用的富氢重整油33。虽然阴极排气流34可向重整器损耗热，但离开重整器30的阴极排气流34可仍为相对热的。例如，离开重整器30的阴极排气流34可比由空气预热器40输出的加热的输入空气70相对热。因此，在一些实施例中，离开重整器30的阴极排气流34可被引导至至少一个热交换器80，以在进入燃料电池26之前加热由空气预热器40输出的加热的输入空气70。以此方式，通过燃烧燃料电池26的尾气24的第二部分52来提供以加热重整器30的热可同流换热，以加热输入空气70。
在一些实施例中，离开重整器30的阴极排气流34可为至少大约800摄氏度。在一些实施例中，离开重整器30的阴极排气流34可为至少大约850摄氏度。如图1所示，设备或系统10可包括第九通路88，其将由重整器30输出的阴极排气流34引导至至少一个热交换器80的输入。例如，第九通路88可将由重整器30输出的阴极排气流34引导至高温热交换器84的输入。阴极排气流34可被从高温热交换器84引导至或流至低温热交换器82。
在一些备选实施例中，设备或系统10可构造为将阴极排气流34的至少一部分87引导至入口燃料12。如图1所示，阴极排气流34的至少一部分87可在燃料电池26的上游添加至入口燃料12。又如图1所示，阴极排气流34的至少一部分87可在燃料电池26上游且重整器30下游添加至入口燃料12(例如，当燃料电池26与重整器30彼此远离时)。如图1所示，在一些实施例中(例如，见图2)，阴极排气流34的至少一部分87可进入重整器30和燃料电池26两者中或在它们两者上游(或在重整器30内)添加至入口燃料12。
如图1所示，设备或系统10可构造为将阴极排气流34引导至锅炉92。例如，第十一通路90可将由至少一个热交换器80输出的阴极排气流34引导至锅炉92的输入。在一些实施例中，由至少一个热交换器80输出的阴极排气流34可为至少大约100摄氏度。由至少一个热交换器80输出的阴极排气流34可因此由锅炉92利用来加热输入液态水以产生蒸汽20。在一些实施例中，由锅炉92产生的蒸汽可为输入蒸汽(或水)20，其与输入燃料12混合并且最终输入重整器30中，以形成富氢重整油33。在由锅炉92利用以形成输入蒸汽或水20之后，由锅炉92输出的阴极排气流34可被放出94至大气或以其他方式从设备或系统10移除。
在一些实施例中，由锅炉92加热且煮沸的水可至少部分地为来自阳极排气流或尾气24的移除的水28。例如，经由水分离器或冷凝器44来自阳极排气流或尾气24的移除水28的至少一部分可被引导至锅炉92的入口。如图1所示，在一些实施例中，从阳极排气流或尾气24移除或分离的水28可被分流或分配，使得第一部分被引导至锅炉92，并且剩余部分被从设备或系统10排泄或以其他方式移除。例如，如图1所示，设备或系统10可包括：第十二通路98，其用于将排出分离器或冷凝器44的水28的第一部分引导至锅炉92；第十三通路96，其用于将排出分离器或冷凝器44的水28的第二部分引导至大气或以其他方式远离设备或系统10。
在本文中描述的实施例已通过下列方法有利地实现了大于或高于65％的总燃料利用率：将燃料(例如残留尾气46)添加至重整器30的入口空气流(例如，至阴极排气流34)；和从尾气24移除水；和使移除的水20再循环至燃料入口流12中。在一些实施例中，可通过下列方法来实现有利的燃料利用率：将空气(例如，阴极排气流34)添加至燃料流(例如，由重整器30输出的富氢重整油33)；和从尾气24移除水；和使移除的水20再循环至燃料入口流12中。
在图2中显示了用于发电的联合循环系统或设备的第二示范例示实施例，并且其大体以参考标号110提及。示范系统或设备110与上述且在图1显示的示范系统或设备10相似，并且因此利用前缀数字“1”的类似标号来指示类似元件。包括与备选实施例(即，修改、变型等)有关的关于系统或设备10的以上描述同等地适用于系统或设备110(及其任何备选实施例)。
如图1所示，图2的示范系统或设备110与图1的示范系统或设备10之间的差异包括重整器130和燃料电池126的构造、布置和/或定向。如图1所示，重整器130可定位在燃料电池126内或内部。例如，如图1所示，燃料电池126可提供在壳体内，并且重整器130可定位在燃料电池126的壳体的范围内。换言之，与发生于燃料电池126外部且从其得到的富氢重整油33输入至燃料电池126相反，重整器或输入燃料12的重整过程可发生在燃料电池126自身内。在一些实施例中，重整器130可包括燃料电池126的至少一个构件或方面。在一些实施例中，重整器130可包括或利用燃料电池126的阳极，并且蒸汽重整过程可发生在燃料电池126的阳极处。在一些实施例中，重整器130和/或重整工序在燃料电池126的SOFC堆栈内。
在一些实施例中，重整器130可为部分氧化重整器130。在一些这种实施例中，系统110可构造为引入空气(或其他氧气源)的至少一部分或使其与输入重整器130(或引入重整器130内的输入燃料112、或燃料112和水120混合物中)的输入燃料112和水120的混合物混合。例如，如图2所示，由至少一个热交换器180输出(即，由至少一个热交换器180加热)的输入空气170的部分189可在重整器130上游或重整器130内被引入输入燃料112(或燃料112和水120的混合物)中。在一些实施例中，在重整器130内或重整器130上游与输入燃料112(或燃料112和水120的混合物)混合的空气或氧气源(即，由至少一个热交换器180输出的输入空气170)可被输出到富氢重整油133内，并且最终输出到燃料电池126的尾气124内。
在一些备选实施例中，在重整器130内或重整器130上游与输入燃料112(或燃料112和水120的混合物)混合的输入空气170的部分189可为阴极排气134的部分187。在一些备选实施例中，在重整器130内或重整器130上游与输入燃料112(或燃料112和水120的混合物)混合的输入空气170的部分189可为至少一个热交换器180上游的输入空气170。在一些备选实施例中，与重整器130内或重整器130上游的输入燃料112(或燃料112和水120的混合物)混合的输入空气170的部分189可为空气预热器140上游的输入空气170。在一些备选实施例中，在重整器130内或重整器130上游与输入燃料112(或燃料112和水120的混合物)混合的空气189可为从系统外部的来源获得(即，不从系统110的另一构件供给)的空气。
应当理解的是，上面的描述意图为说明性的且不是限制性的。许多改变和改型可由本领域技术人员在本文中进行，而不偏离如由以下权利要求及其等同物限定的本发明的总体精神和范围。例如，上述实施例(和/或其方面)可彼此结合地使用。此外，可进行许多修改以使具体情形或材料适应各种实施例的教导，而不脱离它们的范畴。虽然在本文中描述的材料的尺寸和类型意图限制各种实施例的参数，但是它们绝不意图为限制性的并且仅为示范。在回顾以上描述后，许多其他实施例对本领域技术人员将是显而易见的。各种实施例的范围可因此参照所附权利要求以及这种权利要求授权的等同物的全部范围来确定。在所附权利要求中，用语“包含(including)”和“其中(in which)”用作相应用语“包括(comprising)”和“其中(wherein)”的普通英语等同物。此外，在下列权利要求中，用语“第一”、“第二”、“第三”等仅用作标注，并且不意图对它们的对象施加数字要求。此外，与例如联接、连接、连结、密封等用语结合的用语“操作地”在本文中用于指代由直接或间接地联接的分开的、不同的构件和一体地形成的构件(即，单件、一体的或整体的)所导致的两种关系。此外，下列权利要求的限制不书写成装置加功能格式，并且不意图基于35 U.S.C. §112、第六段来解释，除非或直到这种权利要求限制清楚地使用短语“…装置，其用于…”并跟着没有更多结构的功能的陈述。应当理解的是，上述所有这种目的或优点不一定可以根据任何具体实施例来实现。因此，例如，本领域技术人员将认识到，在本文中描述的系统和技术可具体化或以一种方式实施，该方式实现或优化在本文中教导的一个优点或一组优点，而不一定实现在本文中教导或暗示的其他目的或优点。
虽然本发明已经结合仅有限数量的实施例而详细说明，但是应该容易地明白，本发明不限于此种公开实施例。相反，本发明可被修改以并入至今未说明但与本发明的精神和范围相称的任何数量的变更、改造、置换或等同布置。此外，虽然已经说明了本发明的各种实施例，但是应该理解，本公开的方面可能包括已说明实施例中的仅一些。因此，本发明不看作由前述说明所限制，而是仅由所附权利要求的范围限制。
本书面说明使用示例以公开本发明，包括最佳实施方式、并且还使任何本领域技术人员能够实践本发明，包括制造并且使用任何设备或系统并且实行任何合并的方法。本发明的可申请专利的范围由权利要求限定，并且可包括由本领域技术人员想到的其他示例。如果这些其他示例包括不与权利要求的字面语言不同的结构元件，或者如果这些其他示例包括与权利要求的字面语言无显著差别的等同结构元件，则这些其他示例意图在权利要求的范围内。

Claims (10)

1. 一种联合循环燃料电池系统，包括：
固体氧化物燃料电池燃料电池，其包括构造为生成尾气的阳极、和构造为生成阴极排气流的阴极；
重整系统，其构造为接收且输出所述阴极排气流的至少一部分，并且将输入烃燃料和输入蒸汽的混合物的至少一部分转换成富氢重整油，所述富氢重整油由所述燃料电池的阳极利用；
水分离器，其构造为接收所述燃料电池的尾气并且从所述尾气移除水以形成残留尾气，从所述尾气移除的水被作为蒸汽引导至所述重整系统，以形成所述输入蒸汽的至少一部分；
底循环，其包括内燃机；和
残留尾气路径，其构造为将所述残留尾气的第一部分转移至所述底循环以驱动所述底循环，并且将所述残留尾气的第二部分转移至所述阴极排气流。
2. 根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述重整系统在所述燃料电池的外部。
3. 根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述重整系统至少部分地包含在所述燃料电池内。
4. 根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述残留尾气的第二部分在所述重整系统的上游被引导至所述阴极排气流并在其中燃烧，以加热所述重整系统。
5. 根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述阴极排气的一部分在所述燃料电池的上游与所述输入烃燃料和所述富氢重整油中的至少一个混合。
6. 根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统包括锅炉，所述锅炉构造为接收由所述水分离器从所述尾气移除的水并且产生所述输入蒸汽。
7. 根据权利要求6所述的系统，其特征在于，由所述重整系统输出的所述阴极排气流的至少一部分被引导至所述锅炉，以加热由所述水分离器从所述尾气移除的水，以产生所述输入蒸汽。
8. 根据权利要求7所述的系统，其特征在于，由所述重整系统输出且被引导至所述锅炉的所述阴极排气流的至少一部分行进穿过定位在所述锅炉的上游的至少一个热交换器。
9. 根据权利要求8所述的系统，其特征在于，所述残留尾气的第二部分在所述至少一个热交换器的上游被引导至所述阴极排气流并在其中燃烧。
10. 根据权利要求9所述的系统，其特征在于，所述固体氧化物燃料电池接收输入空气，并且其中，所述输入空气通过所述至少一个热交换器被加热。
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