CN107112568A - 高效熔融碳酸盐燃料电池系统和方法 - Google Patents

高效熔融碳酸盐燃料电池系统和方法 Download PDF

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Abstract

本申请公开一种高效燃料电池系统，所述高效燃料电池系统包含具有顶阴极部分和顶阳极部分的顶燃料电池组合件；以及具有底阴极部分和底阳极部分的底燃料电池组合件。所述底阳极部分接收从所述顶阳极部分输出的阳极废料，并且所述顶阴极部分从所述底阴极部分接收阴极废料。所述顶燃料电池组合件具有比所述底燃料电池组合件更多数目的燃料电池，以使得所述顶燃料电池组合件利用比所述底燃料电池组合件更多的燃料。

Description

高效熔融碳酸盐燃料电池系统和方法
相关申请案的交叉参考
本申请案主张2014年12月19日递交的第14/578,077号美国专利申请案的权益和优先权，所述申请案的整个揭示内容(包含说明书、附图、权利要求和摘要)以引用的方式并入本文中。
背景技术
本发明涉及燃料电池发电系统，并且，具体来说，涉及多堆高效燃料电池系统和操作所述系统的方法。
燃料电池是一种借助于电反应将存储在烃类燃料中的化学能直接转换成电能的装置。大体上，燃料电池包括通过电解质基体分隔开的阳极和阴极，所述电解质基体传导带电离子。为了产生有用的功率电平，数个单个燃料电池与每一电池之间的导电隔板串联堆叠。
在构建燃料电池系统中，个别燃料电池堆叠在一起以形成燃料电池堆。燃料电池的数目确定燃料电池堆的额定功率。为了向系统提供较高额定功率，利用数个燃料电池堆，并组合燃料电池堆的输出以提供所要的功率输出。在某些燃料电池系统中，燃料电池堆可以一个或多个燃料电池堆模块的形式组织，其中的每一个包含容纳在壳体或密闭结构中的一个或多个燃料电池堆。
多堆燃料电池系统可包含其中多个燃料电池堆容纳在共同壳体内的燃料电池堆模块。在具有这种经开发以用于高温燃料电池堆，并且具体来说，用于熔融碳酸盐燃料电池堆的设计的系统中，将盒状密闭结构采用作为壳体，并且燃料电池堆可沿着密闭结构的长度进行布置。燃料电池模块内的每一燃料电池堆具有用于接收操作燃料电池堆所需要的燃料和氧化剂气体的入口歧管，和用于从燃料电池堆输出作为阳极和阴极废料的废燃料和氧化剂气体的出口歧管。燃料电池模块的密闭结构包含通过管槽与相应的燃料电池堆的燃料和氧化剂气体入口歧管连通的燃料和氧化剂气体入口端口，以及通过管槽与氧化剂和燃料气出口歧管连通的燃料和氧化剂气体出口端口。
在内部重整燃料电池中，重整催化剂放置在燃料电池堆内以允许直接使用烃类燃料，例如管线天然气、液化天然气(LNG)、液化石油气(LPG)、生物气体、含有煤气的甲烷等，而不需要昂贵且复杂的外部重整设备。在内部重整器中，由燃料电池产生的水和热供重整反应使用，并且由重整反应产生的氢气用于燃料电池。由燃料电池反应产生的热向吸热重整反应供应热。因此，内部重整用于冷却燃料电池堆。
已经开发出并使用两种不同类型的内部重整燃料电池设计。第一类型的内部重整燃料电池是直接内部重整(DIR)燃料电池模块，其中通过将重整催化剂放置在燃料电池的有源阳极隔室内来实现直接内部重整。直接内部重整的优势是通过这种重整产生的氢气直接被提供到阳极。第二类型的内部重整燃料电池利用间接内部重整(IIR)，所述间接内部重整(IIR)通过将重整催化剂放置在燃料电池堆内的隔离腔室中，并将重整气体从此腔室布设到燃料电池的阳极隔室中来实现。间接内部重整的优势是保护重整催化剂免受燃料电池的电解质的毒化。三种类型的内部重整堆叠设计是可能的：(1)仅并有DIR，(2)仅并有IIR，以及(3)并有DIR和IIR两者。
并有DIR和IIR两者的内部重整熔融碳酸盐燃料电池系统也称为直接燃料电池(DFC)，它已经进化为环保发电的选择，并且是绿色电源的商用首选。相比于常规的基于燃烧的电厂，碳酸盐电厂具有更少的温室气体和颗粒物质的排放。碳酸盐电厂排放极少的NOx气体、SOx气体或颗粒物质。碳酸盐电厂已经被加利福尼亚空气资源委员会(CARB)指定为“超清洁”。
目前的碳酸盐燃料电池电厂可用于300kW、1.4MW和2.8MW大小。这些厂在全世界范围内安装，并从2014年8月起已经输送约2.8千兆瓦时的清洁电力。目前的碳酸盐燃料电池电厂在简单的循环配置中显示出45％到50％的电气转换效率。碳酸盐燃料电池电厂在约600C的高温下操作，这使得在足够高温下的副产物热将用于废热再循环应用，例如发电。
目前的碳酸盐燃料电池电厂在利用高级和低级热两者时实现了90％的总体热转换效率(低热值或LHV)。这种对热的利用出现在(例如)医院和大学宿舍中，其中热水热负荷较高。然而，对于大部分的应用，并且尤其对于较大的设备，热负荷较低。对于较低热负荷的应用，由基线发电厂和蒸汽引擎发电机系统中的废热利用组成的组合循环配置将效率提高了几个百分点。
第6,365,290号美国专利案揭示了被称为DFC涡轮机(DFC-T)系统且具有其中来自碳酸盐燃料电池的热用于燃气涡轮机的交替循环的燃料电池系统。第6,365,290号美国专利案的系统实现了接近60％的电气转换效率。为了实现此效率，系统需要涡轮机大小应与可用燃料电池热匹配。因此，每一大小的厂需要独特大小的涡轮机。另外，此系统需要高温空气到空气热交换器，这产生了材料和成本缺点。
替代性系统利用两种在燃料流动方面串联连接的燃料电池堆，其能够提高电效率。燃料首先流动到第一(顶)堆和来自第一堆的阳极废料，接着流动通过具有与第一堆相似的配置的第二(底)堆。这两个堆系统允许约80％的经改进燃料利用率，提供比基线简单循环燃料电池系统高约7％的总体系统能量转换效率。这两个堆系统描述于第8,062,799号和第8,236,458号美国专利案。见下方的表1，所述表1下方概述第8,062,799号和第8,236,458号美国专利案的各个特征。
表1
图1示出了如'458专利中所描述的常规燃料电池系统，其将局部耗损的燃料废料从顶燃料电池堆A输出到底燃料电池堆B。堆A包含第一阴极侧100和第一阳极侧105。堆B包含第二阴极侧110和第二阳极侧115。第一阳极侧105耦合到阳极升压鼓风机120，其增加来自顶堆A的第一阳极侧105的富氢废料的压力，并将它递送到底堆B的第二阳极侧115。堆B可用来自燃料源的新鲜燃料补充，以增加堆B产生的电力。由于堆A以65％到75％的燃料利用率最有效地运行，所以堆B供应有原始燃料的25％到35％，因此需要从燃料源向堆B输入额外的新鲜燃料。
利用上述燃料电池系统，热和质量研究指示由于考虑到热平衡，所以堆B中的燃料利用率需要限制在大约60％到70％。这些研究还指示考虑到热管理，总体燃料利用率需要限制在约80％。因此，此类系统实现在目前燃料电池堆的情况下管线天然气的约55％(LHV)的整个系统效率。
发明内容
本发明的目标是提供一种有成本效益的模块燃料电池系统，其中实现大于80％的较高总体燃料利用率以及大于55％的较高电和转换系统效率，同时维持燃料电池内的热平衡。
本发明的目标也是提供一种其中来自顶燃料电池模块的废料的局部耗损的燃料被供应到底燃料电池模块的燃料电池系统。
本发明的另一目标提供一种其中控制顶燃料电池模块和底燃料电池模块中的燃料利用率以便增加系统的总体燃料利用率和电效率的燃料电池系统。
本发明的又一目标是提供一种用于增加从底燃料电池模块供应到顶燃料电池模块的阴极废料的压力的阴极升压器，以及控制阳极和阴极流之间的差压。
通过高效燃料电池系统实现上述和其它目标，所述高效燃料电池系统包括：包括顶阴极部分和顶阳极部分的顶燃料电池组合件；以及包括底阴极部分和底阳极部分的底燃料电池组合件，其中底阳极部分接收从顶阳极部分输出的阳极废料，并且顶阴极部分从底阴极部分接收阴极废料，并且其中顶燃料电池组合件具有比底燃料电池组合件更多数目的燃料电池，以使得顶燃料电池组合件利用比底燃料电池组合件更多的燃料。在某些实施例中，顶燃料电池组合件包括多个顶燃料电池模块，所述顶燃料电池模块中的每一个包含至少一个燃料电池堆，并且底燃料电池组合件包括一个或多个底燃料电池模块，所述一个或多个底燃料电池模块中的每一个包含至少一个燃料电池堆，并且其中顶燃料电池模块的数目大于所述一个或多个底燃料电池模块的数目。在一些实施例中，所述顶燃料电池模块和底燃料电池模块中的每一个包含容纳在共同密闭结构内的多个燃料电池堆。在操作期间，顶燃料电池模块可利用大约2/3的供应到高效燃料电池系统的燃料含量，并且一个或多个底燃料电池模块接收从顶燃料电池模块输出的阳极废料，其包括大约1/3的供应到高效燃料电池系统的燃料含量。此外，一个或多个底燃料电池模块在比顶燃料电池模块低的电流密度下操作。
在本发明的一些实施例中，底阳极部分进一步接收补充燃料，并且高效燃料电池系统进一步包括用于控制递送到底阳极部分的补充燃料的量的控制器。控制器基于传送到底阳极部分的补充燃料的量而控制产生于底燃料电池组合件中的电流量。控制器还控制产生于顶燃料电池组合件和底燃料电池组合件中的电流量，以使得随着高效燃料电池系统的操作时间增加，由顶燃料电池组合件产生的电流量降低，并且由底燃料电池组合件产生的电流量增加。此外，控制器基于电力需要而控制产生于底燃料电池组合件中的电流量，以使得产生于底燃料电池组合件中的电流量在电力需要增加时增加。
在一些实施例中，高效燃料电池系统还包含用于从以下各项中的一个或多个回收水的水回收组合件：从顶阳极部分输出的阳极废料、从底阳极部分输出的阳极废料和从顶阴极部分输出的阴极废料。
在某些实施例中，高效燃料电池系统进一步包含以下各项中的一个或多个：阳极升压器，其用于在从顶阳极部分输出的阳极废料被递送到底阳极部分之前增加所述阳极废料的压力；以及
阴极升压器，其用于在从底阴极部分输出的阴极废料被递送到顶阴极部分之前增加所述阴极废料的压力。高效燃料电池系统还包括控制器，所述控制器用于控制阳极升压器和阴极升压器中的一个或多个的操作以便控制顶模块或燃料电池组合件中的阳极气流和阴极气流之间的差压。
在一些实施例中，顶燃料电池组合件包括直接内部重整，并且底燃料电池组合件包括直接内部重整。底燃料电池组合件的燃料电池中的直接内部重整催化剂的量和空间分布不同于顶燃料电池组合件的燃料电池中的直接内部重整催化剂的量和空间分布。此外，底燃料电池组合件的燃料电池中的直接内部重整催化剂的负荷密度从燃料电池的阳极入口区到阳极出口区逐渐增加。在一些实施例中，顶燃料电池组合件和底燃料电池组合件包括放置在每一燃料电池堆中的电池之间的间接内部重整(IIR)。底燃料电池组合件的间接内部重整器中的间接内部重整催化剂的量和空间分布不同于顶燃料电池组合件的间接内部重整器中的间接内部重整催化剂的量和空间分布。底燃料电池组合件的燃料电池中的间接内部重整器的数目不同于顶燃料电池组合件的燃料电池中的间接内部重整器的数目。
顶燃料电池模块和底燃料电池模块的燃料电池堆中的每一个包含相对的阳极入口和出口面和相对的阴极入口和出口面，并且具有用于改进燃料电池内的热均匀性的设计特征。这些设计特征包含以下各项中的一个或多个：(a)底燃料电池模块的每一燃料电池堆经配置以便在邻近燃料电池堆的阴极入口面的区域中产生温度梯度，以使得在燃料电池堆的阳极入口面附近的阴极进入气体的温度比在燃料电池堆的阳极出口面附近的温度高；(b)底燃料电池模块的每一燃料电池堆经配置以便在邻近燃料电池堆的阳极入口面的区域中产生温度梯度，以使得在燃料电池堆的阴极入口面附近的阳极进入气体的温度比在堆的阴极出口面附近的温度高；以及(c)顶燃料电池模块的每一燃料电池堆经配置以便在邻近燃料电池堆的阴极入口面的区域中产生温度梯度，以使得在燃料电池堆的阳极出口面附近的阴极进入气体的温度比在燃料电池堆的阳极入口面附近的温度高。在这些情况下，温度梯度在10和20℉之间；和/或每一燃料电池堆包含一个或多个经适当放置的挡板，以控制气流从而形成温度梯度。
在某些实施例中，底燃料电池组合件包括热交换器，所述热交换器用于使用来自底阴极部分的废料输出和用于底阴极部分的阳极废料氧化器组合件两者的热加热空气。高效燃料电池系统进一步包括控制器，所述控制器用于调整供应到热交换器的空气量，以便控制从底阴极部分输出的被递送到顶阴极部分的阴极废料的温度。
下文进一步描述一种用于使用具有上述特征的高效燃料电池系统高效发电的方法。
附图说明
在结合附图阅读以下详细描述后，本发明的上述和其它特征与方面将变得更清楚，其中：
图1示出了常规燃料电池系统；
图2示出了包含第一顶燃料电池模块、第二顶燃料电池模块和底燃料电池模块的模块燃料电池系统；
图3示出了包含阴极入口挡扳的底燃料电池堆的实例；
图4示出了包含阳极入口挡扳的底燃料电池堆的实例；以及
图5示出了包含阴极入口挡扳的顶燃料电池堆的实例。
具体实施方式
如下文所示和描述，本发明提供一种有成本效益的模块燃料电池系统，其中实现较高的总体燃料利用率和较高的电力输出与转换系统效率，同时维持燃料电池内的热平衡。根据本发明，燃料电池系统包含多个燃料电池堆或多个燃料电池堆模块，包含顶堆或顶堆模块和底堆或底堆模块，并且其中顶堆/模块接收新鲜燃料，并且来自顶燃料电池堆/模块的废料的局部耗损的燃料供应到底燃料电池堆/模块。在本发明的系统的配置中，顶燃料电池堆/模块和底燃料电池堆/模块中的燃料利用率被控制在所要限度内，同时仍增加总体燃料利用率和系统的电效率。确切地说，使得顶燃料电池堆/模块的大小和燃料利用率大于底燃料电池堆/模块的大小。在本发明的某些实施例中，系统包含具有两个或更多个堆的顶燃料电池堆或模块以及具有两个或更多个堆的底燃料电池堆或模块，其中顶燃料电池堆具有比底燃料电池堆更多数目的串联堆叠的燃料电池，以使得顶堆在燃料馈送中利用比底堆更多的燃料。在本发明的其它实施例中，系统包含多个顶燃料电池模块和一个或多个底燃料电池模块，其中每一燃料电池模块包括两个或更多个燃料电池堆，并且顶燃料电池模块的数目大于底燃料电池模块的数目。在一些实施例中，顶燃料电池堆/模块消耗大约三分之二的燃料，并且底燃料电池堆/模块在燃料馈送中消耗其余大约三分之一的燃料。底燃料电池堆/模块可接收额外的新鲜燃料，其可与水蒸汽预混合或可为无水燃料。此外，底燃料电池堆/模块中的电流密度低于顶燃料电池堆/模块中的电流密度。
在本发明中，在系统的整个操作时间中控制产生于顶堆/模块和底堆/模块中的电流。确切地说，随着时间推移，产生于顶堆/模块中的电流降低，而产生于底堆/模块中的电流增加。在底堆/模块中，所产生的电流基于甲烷量或供应到底堆叠/模块的其它新鲜燃料而改变。此外，产生于底堆/模块中的电流可调整以适应客户对热和电力的需求。例如，当客户对电力需求更大时，底堆/模块的输出增加。此外，氧化从底堆/模块输出的阳极废料的阳极废料氧化器可包含用于允许来自底堆/模块的阳极废料在底模块的各个输出电平下进行处理的设计特征。例如，当底堆/模块供电更少时，在阳极废料中将有更多多余的燃料被供应到阳极废料氧化器，并且因此，阳极废料氧化器被设计成能够处理大量未利用燃料。在某些实施例中，系统可用于使用高效燃料电池系统的工厂废料中的热以在通过涡轮机降低压力之前，加热来自能量回收发电系统中的气体分配系统的高压天然气。使用来自燃料电池发电厂的热以加热来自气体分配系统的高压天然气在第8,080,344号美国专利案中论述，所述专利案已被转让给本受让人。
如下文同样描述，可使用阳极升压器控制从顶燃料电池堆/模块供应到底燃料电池堆/模块的阳极废料的压力，并且可使用阴极升压器控制从底燃料电池堆/模块供应到顶燃料电池堆/模块的阴极废料的压力。以此方式，可使用阳极升压器和/或阴极升压器控制顶模块中的阳极和阴极流之间的压差。
本发明进一步提供系统的燃料电池中的经改进热均匀性，具体来说底堆/模块的燃料电池中的经改进热均匀性。在一些实施例中，底堆/模块中的电池使用与顶堆/模块中的电池不同数量和不同分布的直接内部重整(DIR)催化剂，以便改进底堆/模块中的电池的热均匀性。确切地说，底堆/模块中的电池具有从阳极入口区到阳极出口区逐渐增加的直接内部重整催化剂负荷。相比之下，顶堆/模块中的电池具有从阳极入口到出口区均匀分布的DIR催化剂。此外，底堆/模块具有用于在每一堆的阴极入口处产生温度梯度的某些内置设计特征，以改进电池中的热均匀性。具体来说，在每一底堆中，阴极入口温度梯度是10到20F，并且阴极进入气体温度在阳极入口区附近较热，且在阳极出口区处较冷。此外，底堆/模块中的设计特征包含在与覆盖除在阳极出口附近的区域外的整个阴极入口面的阴极入口面相距3"到5"的阴极入口面处使用挡板，以便将阴极进入气体导向阴极入口面的阳极出口区。进入阳极出口附近的区域的阴极进入气体的温度将较低。此气体在进入阴极入口面的其它区域之前将吸收来自燃料电池的热。可提供额外的设计特征(例如，外部操纵杆或调整挡扳取向的类似装置)以使得在底堆/模块的阴极入口处的温度梯度可调整。
本发明的底堆/模块还可包含用于在堆的阳极入口处产生温度梯度的某些内置设计特征，以改进燃料电池中的热均匀性。确切地说，在每一底堆中，阳极入口温度梯度是10到20F，并且阳极入口温度在阴极入口区附近较热，且在堆的阴极出口区处较冷。此外，底堆/模块中的设计特征包含在与覆盖除在阴极出口附近的区域外的整个阳极入口面的阳极入口面相距1"到3"的阳极入口面处使用挡板，以便将阳极进入气体导向阳极入口面的阴极出口区。进入阴极出口附近的区域的阳极进入气体的温度将较低。此气体将在进入阳极入口面的其它区域之前吸收来自燃料电池的热。
本发明的顶堆/模块还包含用于在每一顶堆的阴极入口处产生温度梯度的内置设计特征，以便改进电池中的热均匀性。确切地说，每一顶堆中的阴极入口梯度是10到20F，并且阴极进入气体温度在阳极出口区附近较热，且在阳极入口区处较冷。顶堆/模块中的设计特征可包含在与覆盖除在阳极入口附近的区域外的整个阴极入口面的阴极入口面相距3"到5"的阴极入口面处的挡板，以便将阴极进入气体导向阴极入口面的阳极入口区。进入阳极入口附近的区域的阴极进入气体的温度将较低。此气体在进入阴极入口面的其它区域之前将吸收来自燃料电池的热。可提供额外的设计特征(例如，外部操纵杆或调整挡扳取向的类似装置)以使得在底堆/模块的阴极入口处的温度梯度可调整。
本发明还提供通过冷却热交换器中的底堆/模块的阴极废料气体来控制顶堆/模块中的阴极进入气体的温度，所述热交换器还接收被递送到底堆阴极入口的新鲜空气。在某些实施例中，来自氧化从底堆/模块输出的阳极废料的阳极废料氧化器的废料的一部分绕过底模块的阴极侧，并且被直接递送到底模块的阴极废料。完成此操作以控制底堆/模块的阴极入口的二氧化碳的浓度，以使得底堆/模块的阴极中的Ni溶解最小化。在某些实施例中，通过控制供应到热交换器的空气量来控制从底燃料电池堆/模块输出的阴极废料的温度，所述热交换器冷却从底燃料电池堆/模块输出的阴极废料。与从阳极废料氧化器输出的废料组合的预加热空气被供应到底堆/模块的阴极侧。
图2示出了本发明的模块燃料电池系统200的说明性实施例。图2中所示的燃料电池系统200具有改进的性能效率，且具体来说，具有比常规燃料电池系统高的燃料利用率和功率输出，并且相比于在现有技术中描述的常规燃料电池系统，还提供制造和操作成本效率。燃料电池系统200的经改进性能和成本效率在下文中更详细地描述。
图2的燃料电池系统200包含顶燃料电池组合件和底燃料电池组合件。在图2中，顶燃料电池组合件包含第一顶燃料电池模块202和第二顶燃料电池模块212，而底燃料电池组合件包含底燃料电池模块222。第一顶燃料电池模块202包括一个或多个第一燃料电池堆202a，每一燃料电池堆具有两个或更多个电池且具有第一顶阴极部分204和第一顶阳极部分206。尽管在图2中，第一顶燃料电池模块202示出为具有一个燃料电池堆，但是应理解在一些实施例中，第一燃料电池顶模块202包含具有类似配置且安置于共同密闭结构内的两个或更多个燃料电池堆。第一顶燃料电池模块202中的燃料电池堆可包含高温熔融碳酸盐燃料电池堆。在每一堆202a的每一电池中，第一顶阴极部分204和第一顶阳极部分206通过存储在电解质基体中的熔融碳酸盐电解质(未示出)分隔开。
在图2中，第一顶燃料电池堆202a是一种内部重整燃料电池堆，并且包含直接内部重整、间接内部重整或直接和间接内部重整两者的组合中的任一者。在本说明性实施例中，第一顶燃料电池堆202a包含一个或多个内部重整单元248，所述内部重整单元248接收燃料馈料的一部分并向燃料转向歧管206a输出经重整或部分重整的燃料，包含氢气和一氧化碳，所述燃料转向歧管206a将燃料导向堆的电池的第一顶阳极部分206，其中燃料与穿过第一顶阴极部分204的助燃气发生电化学反应。在图2的说明性实施例中，第一顶阴极部分204通过打开堆面接收提供到共同密闭结构的氧化剂气体。然而，在其它实施例中，氧化剂气体可通过阴极入口歧管(图2中未示出)供应到第一顶阴极部分204。
如图2中所示，第一顶阴极部分204将阴极废料输出到阴极出口歧管208。接着，经由合适的管槽将阴极废料从阴极出口歧管208输出到热交换器236，所述热交换器236能够在第一顶燃料电池模块202内部或外部提供。第一顶阳极部分206将阳极废料输出到阳极出口歧管。接着，将阳极废料从阳极出口歧管210递送到第一顶燃料电池模块202的外部以用于底燃料电池模块222。
如上文所提及，第一顶堆202a包含一个或多个内部重整单元248。氢气、二氧化碳和一氧化碳由穿过一个或多个内部重整单元248的燃料产生。接着，经由燃料转向歧管206a将经重整或部分重整的燃料供应到堆的第一顶阳极部分206。在堆的第一顶阳极部分206中，氢气发生电化学反应以产生水，一氧化碳发生电化学反应以形成二氧化碳或与水发生化学反应以产生氢气和二氧化碳。通过将重整催化剂放在第一顶阳极部分206的阳极隔室中，且具体来说，通过将重整催化剂放在堆中的每一电池的阳极隔室的阳极集电器的波纹中，直接内部重整(DIR)还可在第一顶堆202a的每一电池中提供。
如上文所论述，第一顶燃料电池模块202可包含多个第一顶燃料电池堆。基于提供所要功率输出所需要的数目，确定每一燃料电池模块中的燃料电池堆的数目。可通过所需输出、堆的大小和重量以及运输的简易性确定每一燃料电池堆中的燃料电池的数目。
燃料电池系统200的顶燃料电池组合件还包含第二顶燃料电池模块212，其包含一个或多个第二燃料电池堆212。如同第一顶燃料电池模块202，图2示出了单个燃料电池堆212a包含在第二顶燃料电池模块212中，但是预期两个或更多个第二顶燃料电池堆212a可包含在第二燃料电池模块212中且容纳在相同密闭结构中。第二顶燃料电池模块212中的第二顶燃料电池堆可包括高温熔融碳酸盐燃料电池。
如图2中所示，第二顶燃料电池堆212a包含第二顶阴极部分214和第二顶阳极部分216，它们在堆的每一电池中通过其中存储熔融碳酸盐电解质(未示出)的电解质基体分隔开。进入第二顶阳极部分216的燃料经内部重整以产生经部分或完全重整的燃料，包含氢气和一氧化碳，接着所述燃料与穿过第二顶阴极部分214的氧化剂气体发生电化学反应。在堆的第二顶阳极部分216中，氢气发生电化学反应以产生水，并且一氧化碳发生电化学反应以形成二氧化碳，或与水发生化学反应以产生氢气和二氧化碳。第二顶燃料电池堆212a包含间接内部重整、直接内部重整或直接和间接内部重整两者的组合。在本说明性实施例中，第二顶燃料电池堆212a包含一个或多个重整单元250，所述重整单元250接收燃料馈料的一部分并向燃料转向歧管216a输出经重整或部分重整的燃料，包含氢气和一氧化碳，所述燃料转向歧管216a将燃料导向堆的第二顶阳极部分216，其中燃料与氧化剂气体发生电化学反应。在图2中，第二顶阴极部分214通过打开阴极入口堆面接收提供到共同密闭结构的氧化剂气体。然而，在其它实施例中，氧化剂气体可通过阴极入口歧管(图2中未示出)供应到第二顶阴极部分214。
如图2中所示，第二顶阴极部分214将阴极废料输出到阴极出口歧管218。接着，经由合适的管槽将阴极废料从阴极出口歧管218输出到热交换器238，所述热交换器238能够在第二顶燃料电池模块212内部或外部提供。第二顶阳极部分216将阳极废料输出到阳极出口歧管220。接着，将阳极废料从阳极出口歧管220递送到第二顶燃料电池模块212的外部以用于底燃料电池模块222。
如上文所提及，第二顶燃料电池堆212a包含一个或多个内部重整单元250。氢气、二氧化碳和一氧化碳由穿过一个或多个内部重整单元250的燃料产生。接着，经由转向歧管216a将经重整或部分重整的燃料供应到堆的第二顶阳极部分216。通过将重整催化剂放在第二顶阳极部分216的阳极隔室中，且具体来说，通过将重整催化剂放在第二顶堆212a的每一电池中的阳极隔室的阳极集电器的波纹中，直接内部重整(DIR)还可在第二顶堆212a中提供。
类似于上文关于第一顶燃料电池模块202所描述，第二顶燃料电池模块212可包含具有类似建构的多个第二顶燃料电池堆。基于提供所要功率输出所需要的数目，确定每一模块的燃料电池堆的数目。可通过所需输出、堆的大小和重量以及运输的简易性确定每一燃料电池堆中的燃料电池的数目。
如图2中所示，燃料电池系统200包含底燃料电池组合件，所述底燃料电池组合件在图2中包括底燃料电池模块222，所述底燃料电池模块222包含被共同密闭结构容纳的一个或多个燃料电池堆222a。每一底燃料电池堆222a包含底阴极部分224和底阳极部分226，它们在堆的每一电池中通过其中存储熔融碳酸盐电解质(未示出)的电解质基体分隔开。
底燃料电池堆222a是一种内部重整燃料电池堆叠，并且包含直接内部重整、间接内部重整或直接和间接内部重整两者的组合。在图2的实施例中，底燃料电池堆222a包含直接内部重整催化剂，所述直接内部重整催化剂被放在底阳极部分226的阳极隔室中，且具体来说，被放在第二顶堆222a的每一电池中的阳极隔室的阳极集电器的波纹中。尽管在图2中所示的实施例中，底燃料电池堆222a不包含间接内部重整，但是在其它实施例中，底燃料电池堆可包含一个或多个重整单元以在经重整阳极废料被递送到底阳极部分226之前进一步重整从第一顶模块和第二顶模块接收的阳极废料。
在图2中，底阴极部分224通过打开阴极入口堆面接收提供到共同密闭结构的氧化剂气体。然而，在其它实施例中，氧化剂气体可通过阴极入口歧管供应到底阴极部分224。图2中的氧化剂气体包含经预加热且供应到底阴极部分的新鲜空气。预加热新鲜空气的第一部分可与从阳极氧化器组合件231、233中的底阳极部分输出的阳极废料一起燃烧，以产生接着与预加热新鲜空气的第二部分一起被递送所述底阴极部分的经加热氧化剂气体。
底阴极部分224将富含CO2的阴极废料输出到阴极出口歧管228中。如图2中所示，接着，经由适当的管槽263将在阴极出口歧管228中收集的阴极废料从底燃料电池模块222输出到第一顶阴极部分204和第二顶阴极部分214。在图2的实施例中，从底燃料电池模块222输出的阴极废料在第一和第二顶阴极部分之间大致均匀地分离。然而，在其它实施例中，可基于所要系统操作控制提供到第一和第二顶阴极部分的阴极废料的相对量。底模块中的阴极废料管槽263还包含热交换器264，以在来自底模块的阴极废料被递送到第一顶阴极部分204和第二顶阴极部分214之前冷却所述阴极废料。完成此操作以控制第一顶阴极部分204和第二顶阴极部分214的阴极入口温度。
在一个实施例中，在与预加热新鲜空气的第二部分混合之前由氧化器组合件231、233供应的经加热氧化剂气体的一部分转向到底模块中的阴极废料管槽263。完成此操作以控制供应到底阴极部分224的经加热氧化剂气体中的CO2的浓度。如果到底燃料电池模块的阴极入口变成含有过多的CO2，那么，供应到底燃料电池模块的阴极进入气体中的CO2浓度可通过增加预加热新鲜空气的第二部分进行调节以最小化Ni溶解。通过调节预加热新鲜空气的温度来控制到底燃料电池模块的阴极入口的温度。
在本发明中，递送到第一顶燃料电池模块202和第二顶燃料电池模块212以及底模块222的CO2的浓度和入口氧化剂气体的温度可进行调整和调节。这些调整的控制可由可编程控制器252或类似装置执行。例如，底燃料电池模块222的阴极废料可用新鲜空气稀释，以便控制递送到第一和第二顶燃料电池模块的入口氧化剂气体中的CO2的温度和浓度。如果来自底燃料电池模块的阴极废料变成含有过多的CO2，那么供应到第一和第二顶燃料电池模块的阴极进入气体中的CO2浓度可通过用新鲜空气稀释底燃料电池模块的阴极废料和/或控制供应到氧化器组合件231、233的新鲜空气量和由供应到底燃料电池模块的氧化剂233产生的氧化剂气体量进行调节以最小化Ni溶解。
在另一实施例中，阴极升压鼓风机242被放置在从底模块222递送阴极废料的阴极废料管槽263中，以升高第一顶阴极部分204和第二顶阴极部分214的压力，以便分别维持第一顶模块202和第二顶模块212中的阳极和阴极部分之间的所需差压。
类似于上文关于第一顶燃料电池模块202所描述，底燃料电池模块222可包含多个底燃料电池堆，每一底燃料电池堆具有阴极部分和阳极部分。基于提供所要功率输出和效率所需要的数目，确定每一模块的燃料电池堆的数目。底燃料电池模块222中的燃料电池堆222a可包含高温熔融碳酸盐燃料电池。
如图2中所示，底燃料电池模块222的底阳极部分226可操作地耦合到第一顶阳极部分206和第二顶阳极部分216中的每一个，以使得底阳极部分226接收从第一顶阳极部分206和第二顶阳极部分216两者输出的阳极废料。因此，以与底阳极部分226成二比一的比率的方式配置第一顶阳极部分206和第二顶阳极部分216。此外，以与底燃料电池模块222的燃料电池堆的数目成二比一的比率的方式配置第一顶燃料电池模块202和第二顶燃料电池模块212的燃料电池堆的总数。在其它实施例中，顶模块和底模块的数目将变化，并且顶燃料电池堆和底燃料电池堆的总数也可变化。对于增加的效率，在某些实施例中，顶模块的数目大于底模块的数目，和/或顶燃料电池堆的总数大于底燃料电池堆的总数。顶模块或堆具有比底模块或堆叠高的电流密度(由于更好的燃料质量)和燃料利用率。
如上文所提及，通过运输性限制控制每一堆中的燃料电池数目，并因此控制每一堆的高度。顶模块中的标准顶燃料电池堆包含大约400个燃料电池，包含间接内部重整单元。然而，底模块中的底燃料电池堆不具有重整单元，或具有数目明显小于顶燃料电池堆的重整单元。因此，更多空间可用于包含底燃料电池堆中的额外燃料电池。例如，如果没有重整单元用于底燃料电池堆，那么存在将32个燃料电池添加到堆的空间。因此，在一些实施例中，顶模块可包含总数比底模块更大的燃料电池堆，但是包含在每一底燃料电池堆中的燃料电池的数目可大于包含在每一顶燃料电池堆中的燃料电池的数目。这种堆设计有助于最大化系统的功率输出。
尽管在图2的特定配置中，顶燃料电池模块的数目和顶燃料电池堆的总数大于底燃料电池模块的数目和/或底燃料电池堆的总数，但是应理解在其它配置中，顶燃料电池模块的数目可与底燃料电池模块的数目相同，和/或顶燃料电池堆的总数可与底燃料电池堆的总数相同。在这种其它配置中，顶燃料电池模块和顶燃料电池堆将具有总数比底燃料电池模块和底燃料电池堆更大的燃料电池。例如，有可能配置系统以使得所述系统包含具有一个顶燃料电池堆的一个顶模块和具有一个底燃料电池堆的一个底模块，并且顶燃料电池堆中的燃料电池的总数大于底燃料电池堆中的燃料电池的总数。
现将描述图2中所示的系统的操作。在操作期间，第一顶燃料电池模块202和第二顶燃料电池模块212各自从燃料供应器接收燃料馈料的一部分，例如甲烷、天然气或其它合适的燃料。在被递送到顶燃料电池模块202、212之前，燃料馈料可进行预加热和/或处理。例如，加湿机可用于加湿燃料馈料，并且预转换器234可用于在顶燃料电池模块外部部分重整燃料馈料中的一些。此外，可在去氧机中使燃料馈料去氧，在脱硫机(未示出)中使燃料馈料脱硫，和/或对燃料馈料进行满足燃料电池对纯度的标准可能需要的其它处理。接着，在第一顶燃料电池模块202和第二顶燃料电池模块212之间分散经预加热和/或处理的燃料馈料，其中第一顶燃料电池模块202接收燃料馈料的第一部分，且第二顶燃料电池模块212接收燃料馈料的第二部分，并且燃料馈料的第一和第二部分可被控制成数量大致相同或不同。控制器252可用于控制供应到第一顶燃料电池模块202和第二顶燃料电池模块212的第一和第二燃料馈料的相应量。接着使用从第一热交换器236和第二热交换器238中的相应顶燃料电池模块输出的阴极废料热量分别对在第一顶燃料电池模块202和第二顶燃料电池模块212中接收到的燃料馈料部分进行经预热。在一些实施例中，热交换器236和238能够组合成一个热交换器。接着在第一燃料电池模块202和第二燃料电池模块212中的每一个中，经预热燃料馈料部分被递送到相应顶模块的一个或多个燃料电池堆的顶阳极部分206、216，并且可在被递送到相应的顶阳极部分206、216之前在间接内部重整器248、250中进行重整。
第一顶燃料电池模块202和第二顶燃料电池模块212消耗含于递送到顶燃料电池模块的相应燃料馈料部分中的燃料的一部分，以使得从第一顶模块202和第二顶模块212输出的阳极废料中含有其余燃料部分。在图2的实施例中，第一燃料电池模块202和第二燃料电池模块212消耗燃料馈料中大约三分之二的燃料，并且输出含有燃料的其余部分的阳极废料，所述其余部分是燃料馈料中大约三分之一的初始燃料。在图2中，燃料电池系统200包含阳极升压鼓风机232，所述阳极升压鼓风机232安置在第一顶燃料电池模块202和第二顶燃料电池模块212的下游和底燃料电池模块222的上游。阳极升压鼓风机232接收从第一顶阳极部分206和第二顶阳极部分216输出的阳极废料，并在阳极废料被递送到底燃料电池模块222之前增加阳极废料的压力。阳极升压鼓风机232在较低的压力增加的情况下操作，这产生较低的压缩功率和较低成本。阳极升压鼓风机232的操作可由控制器252控制，以便分别控制第一顶燃料电池模块202和第二顶燃料电池模块212的阳极和阴极部分之间的差压。
如图2中所示，通过阳极升压鼓风机232供应到底燃料电池模块222的阳极废料可补充有新鲜燃料251。补充新鲜燃料可与阳极废料混合，而不需要任何额外的水来加湿燃料，这是因为来自第一顶燃料电池模块202和第二顶燃料电池模块212的阳极废料流包含足够水量。供应到底燃料电池模块的新鲜燃料的量可由控制器252控制，以便实现底燃料电池模块中的所要燃料利用率和电流产生。补充新鲜燃料可从与顶燃料电池模块相同的燃料供应器供应，或可从不同的燃料供应器供应。在一些实施例中，补充新鲜燃料包括可重整燃料，例如甲烷。
如上文所提到，在一些实施例中，底燃料电池模块的底燃料电池堆包含间接内部重整器。在此类实施例中，将补充燃料提供到底燃料电池堆的间接内部重整器，并且接着将经重整或部分重整的补充燃料从间接内部重整器馈送到底堆的底阳极部分。在一些实施例中，仅将补充燃料馈送到底燃料电池堆的间接内部重整器中，而将来自第一顶燃料电池模块202和第二顶燃料电池模块212的阳极废料直接提供到底堆的燃料转向歧管中，而不用通过间接内部重整器进行递送。此配置改进底堆的热曲线，且最大化从底堆输出的功率。
阳极进入气体包括来自顶燃料电池模块的阳极废料，并且任选地，补充新鲜燃料在底燃料电池模块222中接收，并被递送到底燃料电池模块中的燃料电池堆的底阳极部分226中。如上文所论述，阳极进入气体可通过底阳极部分中的直接内部重整进行重整，并且经由阳极出口歧管230将由底阳极部分产生的阳极废料从底燃料电池堆输出。从底燃料电池模块222输出的阳极废料被递送到包含混合器/喷射器231和氧化器233的阳极氧化器组合件。混合器/喷射器231还接收输入到系统中的预加热空气的第一部分和混合阳极废料与预加热空气，并且氧化器233用预加热空气氧化阳极废料，以输出适用于燃料电池阴极的高温氧化剂气体。如图2中所示，从氧化器233输出的高温氧化剂气体与预加热空气的第二部分组合，以形成接着输入到底模块222的底阴极部分224中的阴极进入气体。提供到混合器/喷射器231的经预热空气的第一部分的量由控制器252控制。控制提供到混合器/喷射器231的预加热空气的量以便控制到底阴极部分224的入口氧化剂气体的温度，并控制从底阴极部分224输出的阴极废料的温度。
在一个实施例中，在与预加热新鲜空气的第二部分混合之前由氧化器组合件231、233供应的经加热氧化剂气体的一部分经由管槽265转向到底模块中的阴极废料管槽263。完成此操作以控制供应到底阴极部分224的经加热氧化剂气体中的CO2的浓度。如果到底燃料电池模块的阴极入口变成含有过多的CO2，那么，供应到底燃料电池模块的阴极进入气体中的CO2浓度可通过增加预加热新鲜空气的第二部分进行调节以最小化Ni溶解。通过调节预加热新鲜空气的温度来控制到底燃料电池模块的阴极入口的温度。
底模块中的阴极废料管槽263还包含热交换器264，以在来自底模块的阴极废料被递送到第一顶阴极部分204和第二顶阴极部分214之前冷却所述阴极废料。完成此操作以控制第一顶阴极部分204和第二顶阴极部分214的阴极入口温度。
如图2中可见，使用鼓风机245将新鲜空气供应到系统200。可包含由鼓风机245供应的空气的全部或一部分的空气的第一部分被递送到热交换器246以供加热。来自第一顶模块202和第二顶模块212的阴极废料208和218分别用于加热热交换器246中的空气的第一部分。在一些实施例中，第一空气部分中的一些或全部可经由旁路管线246a绕过热交换器246周围，并且绕过热交换器246周围的空气量可由控制器252控制，且将取决于输入到底阴极部分224中的入口氧化剂气体的所要温度和顶阴极部分202和212的阴极入口的所要温度。空气加热器266被定位在热交换器246的下游，以在某些操作模式中(例如，当系统加热或未发电或处于较低输出时)加热空气的第一部分。空气加热器266可为天然气点火加热器或电加热器。空气加热器266的输出由控制器252控制，这取决于输入到底阴极部分224中的入口氧化剂气体的所要温度和顶阴极部分202和212的阴极入口的所要温度。以此方式，控制器252能够控制被递送到底阴极部分224的入口氧化剂气体的温度和被递送到顶阴极部分204和214的阴极入口氧化剂气体的温度，并且因此能够分别控制顶模块202、212的燃料电池堆202a、212a与底模块222的燃料电池堆222a中的温度。
如图2中所示，从空气加热器266输出的预加热空气的第一部分被递送到阳极氧化组合件231、233以氧化阳极废料，如上文所论述，并且预加热新鲜空气的第二部分被递送到底阴极部分224。如上文所示和论述，在被输入到底阴极部分224中之前，其余的预加热空气与从氧化器233输出的氧化剂气体组合。在从氧化器233输出的氧化剂气体与预加热新鲜空气的第二部分混合之前，经由旁路管槽265将从氧化器233输出的氧化剂气体的一部分从底模块递送到阴极废料管槽263。完成此操作以降低输入到底阴极部分224中的氧化剂进入气体中的CO2浓度。氧化剂气体从氧化器233到顶模块的转向由控制器252或类似装置控制。
在从氧化器233输出的氧化剂气体与预加热新鲜空气的第二部分混合之前，使用预加热新鲜空气的第二部分在热交换器264中冷却来自底模块的阴极废料部分。完成此操作以分别控制第一顶模块的阴极入口部分204和第二顶模块的阴极入口部分214的阴极入口温度。
在此类实施例中，从底模块222输出的阴极废料的全部或一部分将通过热交换器264递送，并且阴极废料中的一些热将用于预加热连同阳极废料氧化器233的输出一起被递送到底模块222的阴极部分224的入口的预加热新鲜空气的第二部分。供应到热交换器264的空气量可由控制器252调整，以便控制第一和第二顶模块的阴极入口温度。递送到热交换器264的阴极废料的量还可由控制器252或类似装置通过控制阀门264a以便控制进入顶模块的氧化剂气体的阴极入口温度来控制。热交换器可位于底模块222中。
接着，从底阴极部分224输出的阴极废料被递送到第一顶模块202和第二顶模块212，以用作第一顶阴极部分204和第二顶阴极部分214中的氧化剂气体。系统200还可包含在位于底模块222的下游和顶模块202、212的上游的阴极侧上提供的阴极废料升压器242，以在被递送到顶模块之前，增加从底模块222输出的阴极废料的压力。以此方式，顶模块中的阳极侧和阴极侧之间的压差可进行调整和控制，以便维持阴极侧和阳极侧之间的低差压。控制器252或类似控制装置可用于控制阴极废料升压器的操作，以便控制阳极侧和阴极侧之间的差压。
从底阴极部分224输出的阴极废料可在第一顶阴极部分204和第二顶阴极部分214之间大约相等地分散。然而，在一些实施例中，可基于第一顶模块202和第二顶模块212中的所要操作和燃料利用率，变化和控制由第一顶阴极部分204和第二顶阴极部分214中的每一个接收的来自底阴极部分224的阴极废料的量。
如图2中所示，由鼓风机245供应的空气中的一些可绕过底燃料电池模块222周围，并且可作为补充氧化剂气体供应到第一顶燃料电池模块202和第二顶燃料电池模块212。确切地说，经由旁路管槽262将来自鼓风机245的空气的第三部分递送到第一顶燃料电池模块202以用于第一顶阴极部分204，并且经由旁路管槽261将来自鼓风机245的空气的第四部分递送到第二顶阴极部分214。如图所示，在输入到第一顶阴极部分204中之前，第三空气部分与来自底阴极部分224的阴极废料的一部分组合，而在输入到第二顶阴极部分214中之前，第四空气部分与来自底阴极部分224的阴极废料的其余部分组合。分别递送到第一和第二顶阴极部分的第三和第四空气部分的量经由合适的阀门262a、261a而由控制器252控制，以便控制进入顶模块的入口氧化剂气体的阴极入口温度。
在顶燃料电池中发生电化学反应之后，将废氧化剂作为阴极废料从第一顶阴极部分204和第二顶阴极部分214输出。如上文所论述，来自从第一顶阴极部分204输出的阴极废料的废热用于预加热热交换器236中的燃料馈料的一部分，并且来自从第二顶阴极部分214输出的阴极废料的废热用于预加热热交换器238中的燃料馈料的其它部分。在从第一顶模块202和第二顶模块212输出之后，阴极废料流可进行组合并被递送到燃料加湿机(未示出)，所述燃料加湿机还接收燃料馈料和水，并且其中来自阴极废料的废热用于形成蒸汽和用蒸汽加湿燃料馈料。阴极废料还可被递送到热交换器246，以使得阴极废料中的其余废热用于预加热进入的空气。
在图2中所示的实施例中，系统200包含用于从阴极废料中回收水的水回收组合件260。在阴极废料中的废热在热交换器236、238、燃料加湿机(图2中未示出)和/或热交换器246中回收之后，经冷却的阴极废料可被递送到水回收组合件260，其从阴极废料中回收水。从燃料电池系统200的废料中回收水的水回收组合件260的详细建构在图2中未示出。在水回收组合件260中经回收的水可重新用于燃料电池系统200以加湿燃料馈料。如图2中所示，接着，通过排出等将与阴极废料分离的水从系统200输出。尽管图2中未示出，但是相同或单独的水回收组合件可用于同样回收从底阳极部分226输出的阳极废料的一部分中的水。第8,367,256号美国专利案揭示了可用作水回收组合件260的示例性水回收组合件，所述专利案已被转让给本受让人且以引用的方式并入本文中。
如上文所论述，燃料电池系统200包含控制器252，其经编程以控制燃料电池系统200的各个组件和操作。控制器252经编程以控制以下各项中的一个或多个：
(1)供应到第一顶燃料电池模块202和第二顶燃料电池模块212的补充空气(新鲜空气)的量，以便用新鲜空气稀释底燃料电池模块222的阴极废料并控制递送到第一和第二顶模块的入口氧化剂气体中的CO2的温度和浓度；
(2)从氧化器233输出的转向到顶模块202、212的氧化剂气体的量，以便控制递送到底模块的氧化剂气体中的CO2浓度；
(3)阳极升压鼓风机232的操作，以便控制第一顶燃料电池模块202和第二顶燃料电池模块212的阳极和阴极部分之间的差压并维持低差压；
(4)阴极废料升压器的操作，以便控制顶燃料电池模块的阳极和阴极部分之间的差压并维持低差压；
(5)供应到底燃料电池模块的补充燃料的量，以便实现底燃料电池模块中的所要燃料利用率和电流产生；
(6)绕过热交换器246周围的空气量，以便控制到底燃料电池模块222的入口氧化剂气体的温度；
(7)递送到混合器/喷射器231的预加热空气部分的量，以氧化阳极废料；
(8)从底燃料电池模块输出的提供到第一和第二顶燃料电池模块中的每一个的阴极废料的量；
(9)从底燃料电池模块供应到热交换器264的经加热空气和/或阴极废料的量，以控制第一和第二顶模块的阴极入口温度；
(10)空气加热器266的输出，以控制输入到底燃料电池模块中的入口氧化剂气体的温度和到顶燃料电池模块的阴极入口的温度；
(11)提供到第一和第二顶燃料电池模块中的每一个的燃料馈料的量；
(12)随着堆的老化，逐渐从底堆中取出补充燃料，并将燃料输送到顶堆，以及将输出从顶模块变换到底模块。
通过控制器控制以上操作中的一个或多个取决于实际操作条件和系统的所要操作、操作长度和其它因素。例如，基于电力需要(例如，客户对电力的需求)控制由底燃料模块222产生的电流，以使得当电力需要较低时，控制器252控制成使得向底燃料电池模块供应较小量的补充燃料或不供应补充燃料，并且当电力需要增加时，控制器252控制成使得供应到底燃料电池模块的补充燃料的量增加。在某些实施例中，控制器252可将高效燃料电池系统的工厂废料导向热交换器(图2中未示出)以提供热，从而在通过涡轮机降低压力之前，加热来自能量回收发电系统中的气体分配系统的高压天然气。使用来自燃料电池发电厂的热以加热来自气体分配系统的高压天然气在第8,080,344号中美国专利案论述，所述专利案已被转让给本受让人且以引用的方式并入本文中。在图2中所示的说明性系统中，从顶模块输出的阴极废料被递送到热交换器(未示出)以提供热，从而加热来自气体分配系统的高压天然气。用于向高压天然气提供热的热交换器可在用于加热输入空气的热交换器246的上游或下游提供。
此外，在本发明中，当第一顶燃料电池模块202和第二顶燃料电池模块212的重整速率随着系统的老化而减小时，控制器252控制成使得递送到底模块222的补充燃料(其是富含甲烷的燃料)逐渐转向到第一顶模块202和第二顶模块212。也就是说，当系统继续操作且顶模块202、212中的重整速率减小时，更少的补充燃料被发送到底模块222，而更多的燃料被发送到第一顶模块202和第二顶模块212。以此方式，通过添加包含甲烷的更多燃料，补偿顶模块的甲烷冷却负荷的损失。因此，基于从顶模块供应到底模块的未经重整的燃料的量，产生于顶模块中的电流随着操作时间而降低，并且产生于底模块中的电流随着操作时间而增加。此外，这种控制不影响底模块222的冷却，这是因为底模块从具有降低的重整速率的顶模块接收未经转换的燃料，包含未经转换的甲烷。
根据上文所述的系统和系统的操作，首先将燃料馈送到两个平行的顶燃料电池模块202和212，它们以电化学方式消耗大约65％到75％的燃料，这取决于操作条件。接着，将来自顶燃料电池模块202和212的燃料废料供应到底燃料电池模块222，所述底燃料电池模块222还可接收额外的新鲜燃料(补充燃料)。底燃料电池模块222消耗大约60到70％的它在电化学转换反应中接收的燃料。因此，燃料电池系统200实现接近90％的总体燃料到电力的转换，并实现高于60％的电气转换效率。
执行模拟以测量相比于本发明的系统200，针对各个常规系统所产生的每千瓦的功率的净功率输出、总体燃料利用率、电效率、燃料使用和成本。模拟结果概括于表2和表3中。表2提供以下燃料电池系统的比较：(1)具有两个MW类堆模块的基线简单循环系统；(2)具有两个MW类堆模块的燃料电池-涡轮机系统(类似于美国专利6,365,290中所描述的系统)；(3)具有串联的两个MW类模块的系统(类似于美国专利8,062,799和8,236,458中所描述的系统)；以及(4)如图2中所示的使用三个MW类模块的本发明的燃料电池系统(HEFC)。
表2
燃料电池系统 (1) (2) (3) (4)
净AC输出(kW) 2.8 3.4 2.4 3.7
总体燃料利用率 69％ 85％* 81％ 87％
电效率(LHV) 47％ 57.60％ 55％ 60％
燃料使用LHV(MMB TU/MWh) 8.03 6.55 6.86 6.29
资金成本($000s/kW) 4942 5876 5765 4684
*600kW涡轮机输出下的等效燃料利用率。
如由表2中的结果指示，燃料电池系统200针对所产生的每千瓦功率具有最高净输出、燃料利用率和电效率以及最低燃料使用和成本。由于本发明的系统200能够使用当前可用MW类模块进行配置，所以本发明能够在每kW最低成本的情况下实现最高系统效率。
如上文所论述，在本发明中，底燃料电池模块222具有比第一顶燃料电池模块202和第二顶燃料电池模块212中的每一个低的电流密度。表3提供系统200的模拟测试的结果，并示出了第一和第二顶燃料电池模块202和212与底燃料电池模块222的功率输出(kW)、电流密度(C.D.mA/cm2)和燃料利用率(Uf)的比较。
表3
模块输出分类 输出(kW) 电流密度(mA/cm2) Uf
顶模块(每模块) 1410 156.2 69％
底模块 880 92 66％
如从表2可见，由于燃料稀释和降低的重整冷却，底燃料电池模块222的功率输出、电流密度和燃料利用率低于顶燃料电池模块202和212中的每一个的功率输出、电流密度和燃料利用率。
控制器252能够为GE所制的常规PLC(可编程逻辑控制器)。所使用的控制程序又能够为称为“Versapro”的软件产品，其是一种可实施于GE PLC中以供工业自动化的GE产品。在其它实施例中，控制器能够为Foxboro制造的常规DCS(分布式控制系统)，并且控制程序能够为实施在DCS中以供工业自动化的软件，其同样由Foxboro制造。在又一实施例中，控制器能够为常规的基于PLC的“Iconics”系统。
本发明还涵盖控制图2中所示的系统的顶模块和底模块的燃料电池堆中的热条件。如上文所论述，顶模块和底模块的燃料电池堆包含内部重整，且具体来说，包含直接内部重整，其中重整催化剂分布在堆的阳极隔室内。为了改进燃料电池的热均匀性，具体来说，底模块的堆中的热均匀性，底模块中的燃料电池使用与顶模块中的燃料电池不同数量和空间分布的直接内部重整催化剂。确切地说，在底模块的燃料电池中，直接内部重整催化剂的负荷密度从燃料电池的阳极入口区到阳极出口区逐渐增加，以便提供电池的热均匀性。相比之下，在顶模块的燃料电池中，直接内部重整催化剂的负荷密度在燃料流动和空气流动的两个方向上均匀地分布。
底模块的燃料电池中的直接内部重整催化剂负荷和底模块中的其它设计特征还在堆的阴极入口处产生温度梯度，这改进了电池中的热均匀性。确切地说，阴极入口温度梯度是大约10到20F，其中阴极进入气体温度在阳极入口区附近较热，且在阳极出口区附近较冷。此温度梯度可通过在堆的阴极入口面处包含一个或多个挡板来实现。图3示出了燃料电池堆300的说明性配置，所述燃料电池堆300具有阴极入口面300a、阴极出口面300b、阳极入口面300c和阳极出口面300d，以及在与阴极入口面300a相距3"到5"处提供的挡扳302。如图3中所示，挡扳302覆盖除在阳极出口附近的区域外的整个阴极入口面，并且用于将氧化剂进入气体导向阴极入口面300a的阳极出口区。在阳极出口区附近的额外氧化剂气体流动在此区域中产生比在阴极入口面300a的阳极入口区附近的温度更低的温度。进入在阳极出口附近的区域的阴极进入气体的温度将较低。此气体在进入阴极入口面300a的其它区域之前将吸收来自燃料电池的热。此外，在底燃料电池堆的阴极入口处的温度梯度能够由一个或多个外部操纵杆304进行调节或调整以调整挡扳取向。通过将挡扳302移离阴极入口面300a，能够使得温度梯度变小。在底燃料电池堆的阴极入口处的温度梯度的调整可由控制器252或类似装置控制。
此外，在某些实施例中，底模块的燃料电池中的直接内部重整催化剂负荷和底模块中的其它设计特征还在底堆的阳极入口处产生温度梯度，这进一步改进电池中的热均匀性。确切地说，阳极入口温度梯度是大约10到20F，其中阳极进入气体温度在阴极入口区附近较热，且在阴极出口区附近较冷。此温度梯度可通过在堆的阳极入口面处包含一个或多个挡板来实现。图4示出了燃料电池堆400的说明性配置，所述燃料电池堆400具有阴极入口面400a、阴极出口面400b、阳极入口面400c和阳极出口面400d，以及在与阳极入口面400c相距大约1"到3"处提供的挡扳402。如图4中所展示，挡扳402覆盖除在阴极出口附近的区域外的整个阳极入口面，并且用于将阳极进入气体导向阳极入口面400c的阴极出口区。进入阳极入口并朝向阴极出口区的气体将较冷。此气体在进入阳极入口面400c的其它区域之前将吸收来自燃料电池的热。此外，在底燃料电池堆的阳极入口处的温度梯度能够通过调节到底模块222的输入燃料气的温度来调节或调整。在说明性实例中，热交换器能够用于分别冷却来自第一顶模块202和第二顶模块212的阳极废料气体。通过降低输入燃料气体的温度，可增加温度梯度。
在一些实施例中，第一和第二顶模块包含内置设计特征，其在堆的阴极入口处产生温度梯度以改进顶模块的电池中的热均匀性。确切地说，阴极入口温度梯度是大约10到20F，其中阴极进入气体温度在阳极出口区附近较热，且在阳极入口区附近较冷。此温度梯度可通过在堆的阴极入口面处包含一个或多个挡板来实现。图5示出了燃料电池堆500的说明性配置，所述燃料电池堆500具有阴极入口面500a、阴极出口面500b、阳极入口面500c和阳极出口面500d，以及在与阴极入口面500a相距大约3"到5"处提供的挡扳502。如图5中所示，挡扳502覆盖除在阳极入口附近的区域外的整个阴极入口面500a，并且用于将阴极进入气体导向阴极入口面500a的阳极入口区。进入在阳极入口附近的区域的阴极进入气体的温度将较低。此气体在进入阴极入口面500a的其它区域之前将吸收来自燃料电池的热。此外，在顶燃料电池堆的阴极入口处的温度梯度能够由外部操纵杆504进行调节或调整以调整挡扳取向。通过将挡扳移离阴极入口面，能够使得温度梯度变小。在顶燃料电池堆的阴极入口处的温度梯度的调整可由控制器252或类似装置控制。
图2中所示的系统是本发明的系统的说明性实例，其使用可呈模块形式的一个或多个顶堆和可呈模块形式的一个或多个底堆，并且其中来自顶堆的阳极废料被递送到底堆，并且来自底堆的阴极废料被递送到顶堆，并且其中顶堆和底堆被配置成产生～2/3的顶堆中的系统电流以及～1/3的底堆中的系统电流，以改进燃料利用率、燃料效率、系统内的热均匀性并降低电力成本。
在所有情况下，应理解，上述布置仅说明表示本发明的应用的多个可能的特定实施例。能够在不脱离本发明的精神和范围的情况下，易于根据本发明的原理设计许多和不同的其它布置。

Claims (16)

1.一种高效燃料电池系统，其包括：
顶燃料电池组合件，所述顶燃料电池组合件包括顶阴极部分和顶阳极部分；以及
底燃料电池组合件，所述底燃料电池组合件包括底阴极部分和底阳极部分；
其中所述底阳极部分接收从所述顶阳极部分输出的阳极废料，并且所述顶阴极部分从所述底阴极部分接收阴极废料；以及
其中所述顶燃料电池组合件具有比所述底燃料电池组合件更多数目的燃料电池，以使得所述顶燃料电池组合件利用比所述底燃料电池组合件更多的燃料。
2.根据权利要求1所述的高效燃料电池系统，其中所述顶燃料电池组合件包括多个顶燃料电池模块，所述顶燃料电池模块中的每一个包含至少一个燃料电池堆，并且所述底燃料电池组合件包括一个或多个底燃料电池模块，所述一个或多个底燃料电池模块中的每一个包含至少一个燃料电池堆，并且其中所述顶燃料电池模块的数目大于所述一个或多个底燃料电池模块的数目。
3.根据权利要求2所述的高效燃料电池系统，其中，在操作期间，所述顶燃料电池模块利用大约2/3的供应到所述高效燃料电池系统的燃料含量，并且所述一个或多个底燃料电池模块接收从所述顶燃料电池模块输出的阳极废料，其包括大约1/3的供应到所述高效燃料电池系统的所述燃料含量。
4.根据权利要求2或权利要求3所述的高效燃料电池系统，其中所述一个或多个底燃料电池模块在比所述顶燃料电池模块低的电流密度下操作。
5.根据权利要求1到4中任一项所述的高效燃料电池系统，其中所述底阳极部分进一步接收补充燃料，并且
所述高效燃料电池系统进一步包括控制器，所述控制器用于控制被递送到所述底阳极部分的补充燃料的量，
其中通过控制被递送到所述底阳极部分的补充燃料的所述量，所述控制器控制产生于所述底燃料电池组合件中的电流量。
6.根据权利要求5所述的高效燃料电池系统，其中以下各项中的一个或多个：
(a)所述控制器控制产生于所述顶燃料电池组合件和底燃料电池组合件中的所述电流量，以使得随着所述高效燃料电池系统的操作时间增加，由所述顶燃料电池组合件产生的所述电流量降低，并且由所述底燃料电池组合件产生的所述电流量增加；以及
(b)所述控制器基于电力需要而控制产生于所述底燃料电池组合件中的所述电流量，以使得当所述电力需要增加时，产生于所述底燃料电池组合件中的所述电流量增加。
7.根据权利要求5或权利要求6所述的高效燃料电池系统，其中：
所述底燃料电池组合件包括一个或多个间接内部重整器；
所述补充燃料首先被递送到所述一个或多个间接内部重整器，并且其后被递送到所述底阳极部分，并且
从所述顶阳极部分输出的所述阳极废料被直接递送到所述底阳极部分，而不用通过所述一个或多个间接内部重整器进行递送。
8.根据权利要求1到7中任一项所述的高效燃料电池系统，其中所述高效燃料电池系统适于输出废料，其中从所述高效燃料电池系统输出的所述废料的至少一部分被提供到能量回收发电系统，以在来自气体分配系统的高压气体使用涡轮机降低压力之前加热所述高压气体。
9.根据权利要求1到8中任一项所述的高效燃料电池系统，其进一步包括用于从以下各项中的一个或多个回收水的水回收组合件：从所述顶阳极部分输出的阳极废料、从所述底阳极部分输出的阳极废料和从所述顶阴极部分输出的阴极废料。
10.根据权利要求1到9中任一项所述的高效燃料电池系统，其进一步包括以下各项中的一个或多个：
阳极升压器，其用于在从所述顶阳极部分输出的所述阳极废料被递送到所述底阳极部分之前，增加所述阳极废料的压力；以及
阴极升压器，其用于在从所述底阴极部分输出的所述阴极废料被递送到所述顶阴极部分之前，增加所述阴极废料的压力。
11.根据权利要求10所述的高效燃料电池系统，其进一步包括控制器，所述控制器用于控制所述阳极升压器和所述阴极升压器中的一个或多个的操作，以便控制阳极和阴极气流之间的差压。
12.根据权利要求1到11中任一项所述的高效燃料电池系统，
其中所述顶燃料电池组合件被配置成用于直接内部重整，并且所述底燃料电池组合件被配置成用于直接内部重整，并且其中所述底燃料电池组合件的所述燃料电池中的直接内部重整催化剂的量和空间分布不同于所述顶燃料电池组合件的所述燃料电池中的直接内部重整催化剂的所述量和空间分布，并且
其中所述底燃料电池组合件的所述燃料电池中的所述直接内部重整催化剂的负荷密度从所述燃料电池的阳极入口区到阳极出口区逐渐增加。
13.根据权利要求2到4中任一项所述的高效燃料电池系统，其中所述顶燃料电池模块和底燃料电池模块的每一燃料电池堆包含相对的阳极入口和出口面以及相对的阴极入口和出口面，并且其中以下各项中的一个或多个：
(a)所述底燃料电池模块的每一燃料电池堆经配置以便在邻近所述燃料电池堆的所述阴极入口面的区域中产生温度梯度，以使得在所述燃料电池堆的所述阳极入口面附近的阴极进入气体的温度比在所述燃料电池堆的所述阳极出口面附近的所述温度高；
(b)所述底燃料电池模块的每一燃料电池堆经配置以便在邻近所述燃料电池堆的所述阳极入口面的区域中产生温度梯度，以使得在所述燃料电池堆的所述阴极入口面附近的阳极进入气体的所述温度比在所述堆的所述阴极出口面附近的所述温度高；并且
(c)所述顶燃料电池模块的每一燃料电池堆经配置以便在邻近所述燃料电池堆的所述阴极入口面的区域中产生温度梯度，以使得在所述燃料电池堆的所述阳极入口面附近的阴极进入气体的温度比在所述燃料电池堆的所述阳极入口面附近的所述温度高。
14.根据权利要求13所述的高温燃料电池系统，其中每一燃料电池堆包含一个或多个挡板，以控制气流从而形成所述温度梯度。
15.根据权利要求13或权利要求14所述的高温燃料电池系统，其中所述温度梯度在10和20℉之间。
16.根据权利要求1到15中任一项所述的高效燃料电池系统，其进一步包括阳极废料氧化器组合件，其用于氧化从所述底阳极部分输出的阳极废料，并且其中：
所述底燃料电池组合件包括热交换器，所述热交换器用于在经加热空气与从所述阳极废料氧化器组合件输出的经氧化阳极废料气体组合并且所述经组合气体被递送到所述底阴极部分之前，使用来自从所述底阴极部分输出的所述阴极废料的热加热空气；并且
所述高效燃料电池系统进一步包括控制器，所述控制器用于调整供应到所述热交换器的空气量，以便控制从所述底阴极部分输出的被递送到所述顶阴极部分的所述阴极废料的温度。
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