CN1218421C - 燃料电池系统 - Google Patents

Abstract

一种混合燃料电池系统，其中采用燃料电池(2)和热机(3)。使用来自燃料电池的废热点燃热机循环，和配置系统使得可以在系统中使用高温燃料电池和常规的换热设备。另外，该配置允许燃料电池(2)和热机(3)的独立操作。

Description

燃料电池系统

                          发明背景

本发明涉及燃料电池系统和，特别地涉及具有高效率的燃料电池系统。

近来燃料电池系统的设计人员已经通过结合燃料电池和涡轮发电机，进行尝试以开发高效率系统。这些所谓的混合系统典型地将燃料电池置于正常由涡轮发电机的燃烧器占据的位置。将空气由涡轮发电机压缩机部分压缩，加热和然后送到燃料电池阴极部分。依次，向燃料电池的阳极部分提供加压的燃料。

采用这种配置，燃料电池和涡轮发电机两者都产生电。更特别地，在压力下操作的燃料电池电化学地转化加压的燃料和氧化剂气体，以产生电和加压烟道气。然后在涡轮发电机膨胀部分中膨胀后者气体以产生更多的电。

以上混合系统尽管提供了效率，但也具有许多缺点。一个缺点在于燃料电池在压力下操作。对于高温燃料电池，这样显著地增加了发电厂硬件的成本。它也抑制了燃料电池中内部重整的使用。这样进一步增加了工厂成本和降低了效率。最后，它使燃料电池承受潜在的损害性压差。

另一个缺点在于涡轮发电机必须在燃料电池的压力范围以内操作。此压力范围可能不会导致对于涡轮的最有效压力比。进一步的缺点在于燃料电池不能在没有涡轮发电机的情况下操作和涡轮发电机不能在没有燃料电池的情况下操作。燃料电池和涡轮发电机的这样对彼此的总体依赖性降低了系统的可靠性。

已经建议了另一种混合系统，其中在环境压力下提供燃料，允许内部重整或直接燃料电池的使用。在此系统中，将来自燃料的废热转移到点火的涡轮发电机(Brayton)循环。

更特别地，在燃烧炉中燃烧来自燃料电池阳极部分的阳极排气和一部分(50％)由涡轮发电机膨胀部分产生的低压氧化剂气体。燃料炉的输出氧化剂气体处于高温下(2000°F)和通过适于在高温下操作的换热器。然后将来自换热器在更低中间温度(1250°F)下的冷却气体，由鼓风机携带和与由涡轮发电机膨胀部分产生的其它部分(50％)的氧化剂气体结合。然后将在低压(15psia)下的结合气体输入到燃料电池的阴极部分。

在上述系统中，涡轮机的压缩机部分将空气压缩到高的压力(360psia)，和然后将获得的加压气体送到高温换热器和加热到高温。在另一个燃烧炉中，采用少部分(5％)燃料气体燃烧加热和压缩的空气流，和将燃烧炉输出(在2000°F下)通过燃气轮机的膨胀部分输送。这样导致冷却器(720°F)，被解压，但仍然是加压的，如上所述，使用输出氧化剂气体以开发用于燃料电池阴极部分的氧化剂气体。

同样，在以上系统中，将来自燃料电池阴极部分的排气送到热回收蒸汽发生器。后者的发生器从气体流中回收热量，以开发出被送到汽轮机的蒸汽。

如可以理解的那样，上述系统要求使用非常高温度的换热器，它尚需全面开发。这样结合了系统的复杂性，即鼓风机、循环物流和两个涡轮机的使用，降低了系统作为有市场竞争力的混合系统的吸引力。

因此本发明的目的是提供上述混合类型的燃料电池系统，它避免了现有系统的缺点。

本发明的进一步的目的是提供混合类型的燃料电池系统，与现有系统相比，它较不复杂和更为有效。

本发明的仍然进一步的目的是提供混合类型的燃料电池系统，它实现了上述目的和允许使用高温燃料电池。

                          发明概述

根据本发明的原理，在一种燃料电池系统中实现上述和其它目的，其中采用具有阳极和阴极部分的高温燃料电池和具有压缩机和膨胀循环的热机。更特别地，根据本发明，热回收单元接收分别来自燃料和水供料装置的燃料和水，和也接收来自燃料电池阴极部分的阴极排气。来自热回收单元的输出物流包含加热的燃料和用作燃料电池阳极部分的燃料供应。

热回收单元也用作从热机的压缩机循环提供的加压氧化剂气体的换热器，该热机接收空气。在被热机的膨胀循环作用之前，加热的加压氧化剂气体通过换热器，在此它被进一步加热。在此循环中，将气体膨胀到低压和送到氧化器，其也接收来自燃料电池阳极部分的排气。

将氧化器的输出气体通过换热器和将热量传递给通过其间来自热机压缩机循环的加压气体。然后将冷却的气体送到燃料电池的阴极部分，作为阴极原料气体。

采用混合系统的这种配置，显著降低了系统的复杂程度。同时，换热操作可以在常规设备可行的温度下进行。同样，不需要燃料气体的加压，和仅在由于热机引起的加压下提供氧化剂气体。以下更详细地讨论系统的这些和其它优点。

                          附图简述

通过阅读以下的详细描述，结合附图，本发明的上述和其它特点将变得更为显然的，其中：

图1显示根据本发明原理的混合类型的燃料电池系统。

                          详细描述

图1显示根据本发明原理的混合燃料电池系统1。系统1包括高温燃料电池2，该高温燃料电池具有阳极部分2A和阴极部分2B。如图所示，高温燃料电池2是内部重整或直接碳酸盐燃料电池。然而，也可以采用外部重整碳酸盐燃料电池。另外，可以使用其它类型的高温燃料电池，例如内部或外部重整固体氧化物燃料电池。

混合系统1也包括热机3，图示为涡轮发电机，含有用于进行气体压缩循环的气体压缩机部分3A和用于气体膨胀循环的气体解压或膨胀部分3B。考虑到压缩气体的除去或气体向膨胀部分的再引入，典型的热机可以是合适尺寸化的燃气轮机。也可以采用其它热机，如Sterling循环发动机。

热回收单元4接收分别来自燃料和水供料装置(未示出)的燃料和水。燃料在接近环境压力下提供。同样提供到热回收单元4的是来自燃料电池2的阴极部分2B的加热(大约1150-1200°F)排气。此气体包括未使用的氧化剂气体以及燃烧的产物(即二氧化碳和水)。

在热回收单元4中，将水加热到产生蒸汽的点，同时将燃料加热到适于进入燃料电池阳极部分的温度(900-1000°F)。然后将蒸汽和加热的燃料作为燃料电池阳极部分2A的输入物流输送。在燃料电池的此部分，燃料和蒸汽进行内部重整以产生用于燃料电池2的氢气。

热回收单元4也作为提供到燃料电池阴极部分2B的氧化剂的换热器。将空气引入到热机3的压缩机部分3A中加压(至多250psia)，然后通过热回收单元4并进行加热(1000-1100°F)。然后将加热的空气转移到另一个换热器6且进一步加热(1500-1600°F)。然后将加热的加压氧化剂通过热机3的膨胀部分3B，在此它膨胀到低的压力(大约15.5psia)。

然后将膨胀的气体送到氧化器7，它也接收来自燃料电池2的阳极部分2A的排气。该排气包含未使用的氧化剂和燃烧的产物(即二氧化碳和水)。通过经过换热器6，将来自氧化器的输出物流(1000-1100°F)冷却到适于作为氧化剂气体进入燃料电池2的阴极部分2B的温度。

如可以理解的那样，混合系统1是在采用高温燃料电池2的系统中，实现高效率的简化系统。该系统采用用于阳极燃料物流的接近环境的压力和用于阴极气体物流的相对低的压力，后者仅通过热机3的作用达到。同样，已经将换热器温度置于在常规高温换热设备范围内的温度。

热机循环不点火和通过使用来自燃料电池的废热达到。由于所有的初级燃料消耗是在燃料电池2中，它是系统的更有效组件，这样产生了最高的效率。同样，如上所述，因为不需要阴极和阳极循环，所以不使用气体循环鼓风机。采用用于燃料的正常气体压力和用于空气的热机压缩机部分，实现气体供应。不需要将提供的燃料气体加压到大于大约15psia，它对于位置远离加压气体管线的发电厂系统是有利的。由于燃料电池气体并不需要在高压下提供，所以燃料可包括较大范围的燃料，它们在接近环境压力下提供。典型的燃料可以是堆土废气、生物团气体和分布系统中的天然气。

也达到高效率，而不使用另外的蒸汽装底循环(bottomingcycle)。这样消除了高压锅炉的需要以及涉及高压锅炉无人操作的考虑。

最后，燃料系统2和涡轮发电机3足够彼此独立，以允许一个在没有另一个的情况下操作。这样允许独立于燃料压力考虑而设定涡轮机的压力比。这样使得混合系统更具适应性和更为可靠。

已经使用某些工业产品假定(即装置额定在20MW，内部重整碳酸盐燃料电池，以及轴向燃气轮机)，在混合系统1上进行系统分析，导致以下预计用于系统的操作特征：

燃料电池：

            DC功率：    17.62MW

            AC总功率：  17.21MW

            AC净功率：  17.00MW

涡轮机：

            压缩机功率：5.84MW

            膨胀器输出：9.32MW

            净输出：    3.48MW

总装置输出：            20.41MW

总LHV效率：             71.07％

在所有的情况下，理解上述布置仅是许多可能的特定实施方案的说明例，它们代表本发明的应用。根据本发明的原理，而不背离本发明的精神和范围，可以容易地设计出许多和可变的其它布置。因此，例如，尽管热机3被示为未点火的涡轮发电机，可以在涡轮机中(或在间接点火的配置中)提供燃烧器，以允许涡轮机的独立操作。这可用于代替用于燃料电池的通常启动燃烧器。尽管燃料电池在恒定功能下操作，热机也可用于装载跟踪采用的贮存动能。由于燃料电池和热机的分离配置，这样是可能的。同样，如前所述，可以在系统中使用所有类型的高温燃料电池。

Claims (7)

1.一种混合燃料电池系统，包括：

具有阳极部分和阴极部分的高温燃料电池；

具有压缩机循环和膨胀循环的热机，该压缩机循环压缩氧化剂原料气体；

热回收单元，用于接收来自该燃料电池的阴极部分的废气，和接收来自该燃料电池系统的供料装置的燃料和水，以产生用于该燃料电池的阳极部分的燃料，该热回收单元向该压缩的氧化剂气体提供热量；

换热器，用于向该加热的压缩氧化剂气体提供来自氧化器输出的另外的热量，该氧化器输出用作该燃料电池的阴极部分的氧化剂气体输入；

在该换热器中进一步加热之后，加热的压缩氧化剂气体在该热机的膨胀循环中膨胀，以提供膨胀的氧化剂气体和产生用于转化成电能的机械能；

氧化器，用于接收来自该燃料电池的阳极部分的排气，和接收该膨胀的氧化剂气体，以产生该氧化器的输出。

2.根据权利要求1的混合燃料电池系统，其中：

该热机包括涡轮发电机，该涡轮发电机具有压缩机部分和膨胀部分，压缩机部分用于接收该氧化剂原料气体和进行该压缩机循环，膨胀部分用于接收该进一步加热的压缩氧化剂气体和进行该膨胀循环。

3.根据权利要求2的混合燃料电池系统，其中：

该燃料电池是内部重整燃料电池。

4.根据权利要求3的混合燃料电池系统，其中：

该燃料电池是碳酸盐燃料电池。

5.根据权利要求4的混合燃料电池系统，其中：

该燃料在接近环境压力下提供。

6.根据权利要求1的混合燃料电池系统，其中：

该燃料电池是外部重整燃料电池和内部重整燃料电池之一。

7.根据权利要求6的混合燃料电池系统，其中：

该燃料电池是碳酸盐燃料电池和固体氧化物燃料电池之一。