CN1514507A - 冷却式涡轮机集成燃料电池的混合型发电设备 - Google Patents

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Abstract

混合型发电设备(10)包括涡轮机(14)，由该涡轮机驱动的压缩机(12)，以及与该压缩机流动连通的同流换热器(20)。同流换热器被配置为从涡轮机排气(52)向压缩空气传热，并且所述同流换热器与至少一个燃料电池流动连通以向所述燃料电池提供新鲜空气。

Description

冷却式涡轮机集成燃料电池的混合型发电设备
技术领域
本发明一般来说涉及发电设备，更具体地说，涉及包括集成燃料电池的混合型发电设备。
背景技术
在某些混合型发电系统中，将燃料电池和传统的燃气轮机结合以增加发电设备中的发电量(效率)。已知的燃料电池，例如固体氧化物燃料电池，包括多个固体燃料电池，使诸如重整天然气的气体燃料与空气起反应以产生电能和高温气体。燃气轮机压缩机为燃料电池供应空气，其工作在高压下，并且燃料电池产生高温气体以便涡轮机内的膨胀。将燃料电池堆排出的气体与燃料电池堆排出的燃料相结合，并且在设备的涡轮机部分将产生的热排放转换成功。因此，电能是由固体氧化物燃料电池发电机和涡轮机一起产生的。例如，参见美国专利No.5,413,879。然而，已知的这种系统在一些方面是有缺点的。
例如，受其中产生的物理学和热力学过程影响，要求燃料电池堆在很窄的温度限制内进行操作以发电。典型地使用交流换热器将燃料电池的入口空气流提高到容许温度。交流换热器给发电设备引入相当大的费用和复杂性，这可能在某些应用中被禁止。
此外，一旦获得对于燃料电池来说容许的温度，保持一致的燃料电池堆温度和出口温度经常迫使空气供应大大超过燃料电池中化学方式发电所需的空气供应。供应此过量的空气以保持燃料电池的一致温度易于导致压缩损失。过量空气的供应易于降低发电设备的涡轮机部分的入口温度，并且损害了系统的总体的热力效率。
更进一步，固体氧化物燃料电池通常并不对所有供给燃料电池入口的燃料都进行转换。燃料电池的出口流的成分主要包括CO、CO2、H2和H2O以及平衡物质。当缺乏燃烧部分废燃料的手段时，这些成分的热含量会被浪费，因此减少了设备的热力效率。此外，当用于燃料电池的燃料没有完全转换时，未燃烧的碳氢化合物也可能不合希望地排放到大气中。
提供具有减少的排放和增加的热力效率的较低成本的设备是所希望的。
发明内容
在一个方面，提供了混合型发电设备。该设备包括涡轮机，由所述涡轮机驱动的压缩机，与所述压缩机流动连通的同流换热器，所述同流换热器配置为将热从涡轮机排气传送到压缩空气，以及与所述同流换热器流动连通的至少一个燃料电池。同流换热器为所述燃料电池提供新鲜空气。
在另一个方面，提供了混合型发电设备。该设备包括压缩机，驱动所述压缩机的涡轮机，以及与所述压缩机流动连通并且将热从涡轮机排气传送到压缩空气的同流换热器。至少一个燃料电池堆与所述同流换热器流动连通以便为所述燃料电池堆提供空气，燃料电池堆包括阴极入口和阴极出口，所述阴极入口与所述同流换热器流动连通以用于接收压缩空气。鼓风机被配置为在进入所述阴极入口之前将阴极排气与来自所述同流换热器的空气混合。
在另一个方面，提供了混合型发电设备。该设备包括压缩机，与所述压缩机流动连通的同流换热器，以及固体氧化物燃料电池堆，该固体氧化物燃料电池堆与所述同流换热器流动连通以便为所述燃料电池堆提供空气。燃料电池堆包括阴极入口和阴极出口，所述阴极入口与同流换热器流动连通以用于接收压缩空气。阴极出口和阴极入口经由阴极再循环流动路径彼此流动连通，并且同流换热器被配置为在进入所述阴极入口之前将热从所述涡轮机的排气传送到压缩空气。
在另一个方面，提供了混合型发电设备。该设备包括包含有阴极入口和阴极出口的固体氧化物燃料电池堆，以及向所述阴极入口供应空气的同流换热器，所述阴极出口沿着阴极再循环流动路径与所述阴极入口流动连通。燃气轮机部分包括涡轮机，由所述涡轮机驱动的压缩机，以及从所述压缩机接收空气的同流换热器。同流换热器被来自所述涡轮机的排气加热，并将冷却剂空气流提供给所述涡轮机的冷却剂流动路径，而且所述涡轮机的冷却剂流动路径与所述阴极入口流动连通以向该处提供新鲜空气供应。鼓风机被配置为将空气从所述阴极出口再循环到所述阴极入口。固体氧化物燃料电池堆还包括与重整装置流动连通的阳极入口。阳极出口沿着再循环流动路径与所述重整装置流动连通，并且所述阴极出口在所述阴极再循环流动路径之前与所述重整装置流动连通。尾气燃烧器与所述阳极出口以及与所述重整装置流动连通，并且所述尾气燃烧器接收来自所述阳极出口的燃料排气和废气的混合气。尾气燃烧器向所述涡轮机排出燃烧气体。
在另一个方面，提供了发电设备，包括包含有阳极、阴极和插入其间的电解质的燃料电池，所述阴极具有阴极入口和阴极出口。同流换热器与所述阴极入口流动连通，并且压缩机与所述同流换热器流动连通。同流换热器与以下路径中至少一个流动连通，它们是：用于将热从其中传送到所述同流换热器的涡轮机工作流体流动路径，从所述同流换热器延伸到涡轮机冷却流体路径的回流空气路径，将空气流的一部分从所述同流换热器转回所述同流换热器的再循环流动路径，以及从所述同流换热器到所述阴极入口的空气供应流动路径。
在另一个方面，提供了发电设备。该设备包括包含有阳极、阴极和插入其间的电解质的燃料电池，所述阴极具有阴极入口和阴极出口。同流换热器与所述燃料电池流动连通，并且压缩机与所述同流换热器流动连通。燃气轮机包括与来自所述压缩机的同流换热器旁路路径、来自所述同流换热器的回流路径以及阴极入口流动路径其中的至少一个流动连通的冷却流体路径，并且该燃气轮机还包括与所述同流换热器流动连通并从其中传送热的工作流体路径，用于产生功的尾气燃烧器排气路径，以及用于产生功的催化室排气路径。
在又一个方面，提供了将燃气轮机和燃烧电池结合的方法。燃烧电池包括阴极入口和阴极出口以及阳极入口和阳极出口。该方法利用了压缩机和同流换热器，并且涡轮机包括冷却流体路径和工作流体路径。该方法包括将压缩空气流引入所述同流换热器，将涡轮机排气引入同流换热器，从而将所述压缩空气加热，将加热的压缩空气从所述同流换热器引入所述阴极入口，将燃料流引入阳极入口，并且在燃料电池内使所述空气流与所述燃料流起电化学反应，以产生阳极出口流和阴极出口流以及电能，其中所述阳极出口流和所述阴极出口流分别比阳极入口流和阴极入口流的温度更高。
附图说明
图1是一个示例性的集成燃料电池的混合型发电设备的示意图。
图2是用于图1所示的发电设备的示例性的燃料电池堆的示意图。
图3是用于图1所示的发电设备的示例性的燃料电池模块的透视图。
图4是集成燃料电池的混合型发电设备的第二个实施例的示意图。
具体实施方式
图1示意性地说明了示例性的结合了燃气轮机和燃料电池的混合型发电设备10，该发电设备10包括燃料电池部分和涡轮机部分以便彼此合作产生电。涡轮机部分包括压缩机12、涡轮机14、涡轮机14用来驱动压缩机12的转子16、发电机18以及同流换热器20。燃料电池部分包括燃料泵30、脱硫器32、燃料电池堆34，用于燃料电池堆34的燃料预压机36、尾气燃烧器38、催化室40以及排气鼓风机42。如在下文中说明的一些细节，虽然设备10的基本组件是众所周知的，但通过将设备组件与再循环流动路径战略的互连获得相对于已知设备的效率改善，以增强系统的性能和效率。如将在下文中所了解的，是通过再循环从燃料电池部分排出的空气和燃料流以便从系统的燃料电池和涡轮机部分中的空气和燃料流中提取尽可能多的功，以及通过为了燃料电池部分利用在涡轮机部分中产生的热而改善了设备效率。
在运行中，压缩机12是包括静叶片和转动叶片排的多级压缩机，并且压缩机12感应周围空气并在压缩机12的出口处产生压缩空气流50。压缩空气流50沿着流动路径被引导到同流换热器20，该同流换热器是已知类型的包括隔离的流动路径的热交换器。压缩空气流由一条同流换热器流动路径进入同流换热器20，涡轮机排气流52由另一条同流换热器流动路径进入同流换热器20，由此将来自涡轮机排气的热传送给来自压缩机出口的压缩空气流50，而不需要将压缩空气流50和涡轮机排气流52混合。因而，压缩空气流50在同流换热器20内被涡轮机排气流52加热。通过用涡轮机排气52加热压缩空气流50，避免了用于提高燃料电池氧化剂的温度的传统加热器和/或交流换热器的成本，而且涡轮机排气流52在被排放到大气之前就被冷却了。
为了进一步冷却涡轮机14，回流路径22将来自同流换热器20的空气流提供给涡轮机14中的冷却剂路径。如那些本领域的技术人员将理解的，涡轮机14在其中包括冷却剂路径和工作流体路径分别用于冷却剂和工作功能。冷却剂路径和工作路径彼此隔离以防止路径中的流体混合，但是路径彼此之间处于热传导关系，使得热可以从涡轮机工作流体路径传送到涡轮机冷却剂流体路径。当同流换热器回流路径20与涡轮机冷却剂路径流体连通时，来自压缩机12的新鲜空气流过回流路径22以提供涡轮机14中的冷却空气流。减少涡轮机的构件上的热负荷，从而延长了涡轮机14的工作寿命并增强了涡轮机的性能。可以调节经由回流路径22到涡轮机14的空气流来为使用中的涡轮机14提供最佳的冷却。
在一个替换的实施例中，可以提供再循环路径24(图1中的虚线所示)以用于将回流路径22中的部分空气转回到同流换热器20，在同流换热器中再次被涡轮机排气52加热。在另一个替换的实施例中，来自压缩机12的冷却空气可以经由同流换热器旁路流动路径26直接供给到涡轮机14的冷却剂路径。可以进一步预期的是：同流换热器回流路径22、再循环路径24和同流换热器旁路流动路径26的各种组合可以被应用在本发明的不同实施例中，向涡轮机14提供适合的冷却和再循环空气流，以便设备10的燃气轮机部分的最佳运行。
在一个示例性的实施例中，来自同流换热器20的加热的压缩空气流经由回流路径22流到涡轮机14的冷却剂路径，并且来自涡轮机14的热进一步加温返回的空气22以提供与燃料电池堆34的阴极入口56流动连通的、加热的压缩空气流54，用以提供在其中的氧化剂。此外，在另一个实施例中，加热的压缩空气可以经由空气供应路径28(如图1中虚线所示)从同流换热器20直接供应给阴极入口56，而不需要通过涡轮机14。还可以认识到在另一个替换的实施例中，空气可以从流动路径54和流动路径28两者供应给燃料堆34。在又一个实施例中，再循环流动路径可以从流动路径28和/或54延伸到涡轮机冷却路径用于增进和或替换涡轮机14的冷却，用以替代回流路径22或是作为回流路径22之外的补充向涡轮机14供应冷却剂流。
在一个示例性的实施例中，并且根据如图2所示的已知的燃料电池，燃料电池堆34包括许多互连70，每个互连70定义一个燃油岐管。每个互连70还包括至少一个用于流动试剂的流场，例如经过互连70的氧化剂或燃料。互连70中的示例性的流场由具有充分的电导率、抗氧化作用和保持机械强度的金属构成，并且在燃料电池的工作条件下是化学上稳定的。
燃料电池堆34还包括至少一个燃料电池单元72，该燃料电池单元包括阳极74、阴极76以及布置在阳极74和阴极76之间的电解质78。电解质78相对于燃料和氧化剂来说是不可渗透的。在一个示例性的实施例中，燃料电池单元70是具有例如氧化钇稳定的氧化锆(YSZ)、氧化铈掺杂的氧化锆或镧锶镓锰的氧离子导电固体电解质的固体氧化物燃料电池(SOFC)单元，尽管在替换的实施例中可以预期燃料电池单元70可以包括例如质子交换膜(PEM)电解质、溶融碳酸盐电解质或其他已知的适合用于燃料电池堆34的电解质材料。这里所描述和说明的燃料电池34，只是为了说明的目的而阐述的，并且应该能够理解无需脱离本发明的范围和精神，各种各样的燃料电池可以从在这里所阐述的流动路径方案中受益。
阳极74放置在邻近相应互连70的位置并且配置为既与互连70电连接又与互连70流体连通。互连70的流场既提供电连接又提供流体连通，并且流场被配置为将燃料流从燃料进气岐管越过阳极74的表面引导到燃料排气岐管。同样，阴极76放置在邻近互连70的位置并且配置为既与互连70电连接又与互连70流体连通。互连70的流场提供电连接到阴极76，并且配置为引导例如空气的氧化剂流越过阴极76的表面。互连70包括若干密封特征以防止燃料流越过阴极76以及防止氧化剂流越过阳极74。
为了在堆34上产生较大的电压，燃料电池堆34包括许多垂直叠加放置的平面燃料电池单元72。如那些本领域的技术人员将认可的，如图2所示的三个平面燃料电池单元72的特定配置只是为了说明的目的，并且包含在堆34中的平面燃料电池单元72的具体数目将根据堆34的电源要求而变化。在说明的实施例中，两对相邻的平面燃料电池单元72的每一对共享互连70，并且该互连70与相邻的平面燃料电池单元70的其中一个的阳极74相邻，并与之电连接以及流体连通；并且该互连70与相邻的平面燃料电池单元72的其中另一个的阴极76相邻，并与之电连接以及流体连通。对于这个特定实施例，被相邻的平面燃料电池单元72共享的每个互连70在其每一侧都包括一个流场用于电连接，并且为邻近的平面燃料电池单元70的相邻的阳极74和阴极76提供流体连通。尽管说明的实施例包括平面燃料电池单元，可以理解的是其他已知的燃料电池单元，包括但不局限于管状燃料电池单元，可以用于替换的实施例中。
为了关闭堆34以及从平面燃料电池单元72中收集电流，燃料电池堆34包括布置在上面一个平面燃料电池单元72之上的顶端板80，以及布置在下面一个平面燃料电池单元72之下的底端板82。端板80和82适合于集电，而且示例的顶端和底端板80和82是由铁素体不锈钢构成的。此外，端板80和82覆盖燃料电池堆34，防止燃料和氧化剂绕过燃料电池堆10。在说明的例子中，两个端板12和14之间的电势是燃料电池堆34的总电压，并且等于单个电池72电压的总和。
如图3中所示，燃料电池堆34可以集成到模块100中，该模块包括容器102，后者具有分别配置为接收和排出例如空气的氧化剂的入口56和出口106。若干燃料电池堆34环形布置在容器102内。至少一个燃料电池堆34具有燃料入口108，并且至少一个燃料电池堆34具有燃料出口110，分别用于接收和排出燃料流。管道112连接堆34以用于将燃料流从一个堆提供到另一个堆。每个燃料电池堆34包括燃料进气和排气岐管以及氧化剂进气和排气岐管，用于从燃料电池堆34的互连70(图2中所示)接收和排放燃料流和氧化剂流。
这里的空气入口56和空气出口106分别被称为阴极入口和阴极出口，这是因为它们分别为燃料电池34的阴极提供氧化剂空气流。同样地，这里的燃料入口108和燃料出口110分别被称为阳极入口和阳极出口，这是因为它们分别为燃料电池34的阳极提供燃料流。
返回参见图1，来自涡轮机14的冷却剂路径的加热的压缩空气流54经由阴极入口56进入燃料电池堆34，并且流过堆34中的燃料电池单元以提供电，与也流过燃料电池单元的燃料(将在下文中论述)起化学反应。废(即氧耗尽)气120经由阴极出口106从燃料堆34排出，并且部分转入与例如鼓风机42的增压装置流动连通的较低压力的再循环流动路径122中。鼓风机42提高空气的压力，并将其中的空气排出到较高压力的再循环流动路径124中，以将反馈回压缩和加热的空气流54的再循环空气流提供给阴极入口56。因此再循环流动路径124中的再循环空气流与新鲜空气流54在流动路径交点126处混合。将从燃料电池堆34排出的再循环废气与新鲜空气54经过再循环流动路径124混合在一些方面是有利的。例如，来自燃料电池堆34的热排气的再循环并将其与来自压缩机空气54的新鲜空气混合，通过直接的传质和传热过程提高了阴极入口56处的空气温度。因此消除了传统系统中由热交换器提供扩散传热的需要。加上用同流换热器20中的涡轮机排气流52加热压缩空气50，可以使用显著地具有更低成本和更少复杂性的热交换器，例如同流换热器20。
此外，来自燃料电池堆排气106的再循环空气经由流动路径124增加了到燃料电池堆34的阴极入口56处的气团流动速率，并且有利于基本上恒定的总系统空气流动速率以用于增强系统性能。堆34的阴极入口56处的增加的气团流动在堆内产生较大的温度一致性，并且进一步提高燃料电池堆34的性能。同样地，较高的燃料流动速率对于给定的恒定范围的堆温度是可能实现的。在基本上恒定的总系统空气流动的更高的燃料流动速率减少了全部过量空气的数量，并且因此提高了涡轮机14的燃烧温度，如在下文中解释的，提高了总体系统性能。
更进一步，用充足数量的再循环空气经由流动路径124与新鲜空气供应54混合，可以获得对于进入的新鲜空气的燃料电池堆化学计算操作(stoichiometric operation)的极限。
更进一步，再循环空气流动路径124有效地减少了集中在燃料电池堆34中的O2的阴极浓度，该浓度已知是热燃料电池中的关键降解机理。因此，可以相信再循环空气流动路径124提供了热燃料电池堆的提高的性能和更长的寿命。
阴极排气120中没有转到鼓风机42用于再循环的部分流到重整装置36，在其中气态烃被重整，例如，在蒸汽和镍催化剂前将其重整为氢和一氧化碳。来自阴极排气120的热由此被传送到重整装置36，其又在燃料进入燃料电池堆34之前加热流动到重整装置36中的较冷的燃料(在下文中论述)。在不同的实施例中，燃料重整可以在外部的燃料重整装置36或在集成燃料电池堆34的重整装置中实现。
气体燃料，其在不同的实施例中可以是天然气或煤基可燃气体，由燃料泵30推动经过脱硫器32，在示例性的实施例中，脱硫器包括包含有燃料流经的硫吸附剂基层的容器。在涡轮机排气52从设备10中排出之前，涡轮机排气52的热传送到脱硫器32以将其中的燃料加温。因此避免了用于脱硫器32的外部加热器的复杂性和费用，并且在将涡轮机排气从设备排放出来之前，该涡轮机排气已被冷却了。
脱硫燃料130从脱硫器32流动到重整装置36，使得燃料可以在进入燃料电池堆34的燃料电池之前在重整装置中被重整。例如，燃料被重整使其成分从甲烷或天然气变成燃料电池中反应的容许成分(例如，氢、CO2和水)。一旦在其中被处理，重整的燃料132从重整装置36流动到阳极入口108并进入堆34的燃料电池中。一旦在燃料电池中耗尽，废燃料134从燃料电池堆34经由阳极排气口110排出。排出燃料134的一部分转入再循环燃料流流动路径136，并在交点137处与新鲜的脱硫燃料130混合。热的排出燃料经由再循环流动路径136的再循环还避免了外部的燃料加热器，以及将未耗尽的燃料再次引入燃料电池堆34，由此增加了系统中的燃料效率。如那些本领域技术人员所理解的，排出燃料的再循环可以由例如鼓风机、喷射泵、另外的增压装置或类似的装置来实现。在另外的和/或替换的实施例中，可以将蒸汽引入燃料以促进重整。
排出的燃料134中没有转入再循环流流动路径136的一部分被供给尾气燃烧器38，以便在其中燃烧。来自燃料电池堆34的废(即氧耗尽)气139的一部分也被供给尾气燃烧器38，并且废气139和排出燃料134的混合气在尾气燃烧器38中燃烧。燃烧排气138供给燃气轮机14中的工作流体路径，以提供附加的热和压力用于涡轮机14中气体的膨胀。废气139中没有流入尾气燃烧器38的一部分被导入尾气燃烧器旁路流动路径，流到催化室40以净化其中的空气。来自催化室40的净化空气140在进入涡轮机14的工作流体流动路径之前与尾气燃烧器38的排气138混合，以产生供给燃气轮机14的净化的排气流142，由此减少设备10的排出。
尽管在示例性的实施例中认为催化室40是有益的，但是可以理解的是：在不脱离本发明的范围的情况下，没有催化室时也可以理解本发明的优势。
通过控制尾气燃烧器38中废气139和排出燃料134的射入，可以确保燃料/空气混合气是稀薄的并且在燃烧极限之内。因此，实际上保留在排出燃料流134中的燃料成分在尾气燃烧器中燃烧，由此充分利用了系统中的燃料，并防止在设备10的排气中排出燃料。
来自尾气燃烧器38和催化室40的热排气142被供给到燃气轮机14的工作流体路径，并且排气的热力学膨胀产生功并施加其中的原动力以驱动涡轮机，后者依次又在发电机18中产生电。来自发电机18和燃料电池堆34的电被转换为适当的形式并转换到配电网络，如图1中电网144所示。
至少由于上文提出的原因，发电设备10相对于已知的系统提供了更好的总体设备性能，同时通过再循环流动路径提供了涡轮机结构冷却以及燃料电池堆的改进的温度控制，同时避免了用于保持燃料电池堆处于要求的温度的传统热交换器的复杂性和费用。燃料电池堆阴极排气的再循环还有利于燃料电池堆的入口空气温度控制，其又为燃料电池堆内的温度升高和一致性提供了更精确的控制。燃料电池堆阴极排气的再循环提供了增加的涡轮机部分入口温度，以在涡轮机中提供更多的功，经由减少的阴极侧氧化提供了增加的性能保持，允许燃料电池堆工作在化学计算条件下，以及简化将设备排气排放到大气之前的处理后排气。
图4是第二个实施例的示意图，其是共享发电设备10(如图1所示)的基本组件的集成燃料电池的混合型发电设备200，其中相同的部件用相同的附图标记表示。
在设备200的燃气轮机部分中，压缩机12向同流换热器20供应压缩空气，并且如上文所描述的，同流换热器20内的压缩空气被涡轮机排气52加热。回流路径22在热传递关系中将加热的压缩空气22供给涡轮机14，以进一步加热空气并产生加热的空气流到燃料电池堆34的阴极入口56。在另外的和/或替换的实施例中，可以提供同流换热器再循环路径24(如图4中虚线所示)、同流换热器旁路路径26(如图4中虚线所示)和/或阴极空气供应路径28(如图4中虚线所示)以促进涡轮机14的结构冷却以及燃料电池堆34的阴极入口56处的入口空气温度的温度控制。如上文所描述的，在燃料电池堆34中，空气与燃料起反应以产生电。
从阴极出口106排出的废气120被传给重整装置36。从而来自阴极排气120的热被传送到重整装置136，后者又在较冷的燃料进入燃料电池堆34之前将流入重整装置的较冷的燃料加热。因此阴极排气作为废弃的净化空气139离开重整装置36。废气139的一部分转到与鼓风机42流体连通的较低压力的再循环流动路径122。鼓风机42增加空气的压力并且将路径122中的废气排出到较高压力的再循环流动路径124，该废气在进入燃料电池堆34之前与加热的压缩空气54混合。将阴极排气经由再循环路径124与新鲜空气混合的好处已在上文中指出。
气体燃料，在不同实施例中可以是天然气或煤基可燃气体，由燃料泵30推动经过脱硫器32。来自涡轮机排气52的热被传送到脱硫器32以在从设备10中被排出之前加温脱硫器中的燃料。因此避免了用于脱硫器32的外部加热器的复杂性和费用，并且从设备中将涡轮机排气排放之前将其冷却。
脱硫燃料130从脱硫器32流动到重整装置36，使得脱硫燃料在进入燃料电池堆34的燃料电池之前在重整装置中被重整。例如，燃料被重整使其成分从甲烷或天然气变成燃料电池中反应的容许成分(例如，氢、CO2和水)。一旦在其中被处理，重整的燃料132从重整装置36流动到阳极入口108并进入堆34的燃料电池中。一旦在燃料电池中耗尽，废燃料134从燃料电池堆34经由阳极排气口110排出。排出燃料134的一部分转入再循环燃料流流动路径136，并在交点137处与新鲜的脱硫燃料130混合。热的排出燃料经由再循环流动路径136的再循环还避免了外部的燃料加热器，以及将未耗尽的燃料再次引入燃料电池堆34，由此增加了系统中的燃料效率。
排出的燃料134中没有转入再循环流流动路径136的一部分被供给尾气燃烧器38，以便在其中燃烧。来自燃料电池堆34的废(即氧耗尽)气139的一部分也被供给尾气燃烧器38，并且废气139和排出燃料134的混合气在尾气燃烧器38中燃烧。燃烧排气138被供给到燃气轮机14以向涡轮机14提供附加的热和压力。废气139中没有流入尾气燃烧器38的一部分被导入尾气燃烧器旁路流动路径，并被导入催化室40以净化其中的空气。来自催化室40的净化空气140在进入涡轮机14之前与尾气燃烧器38的排气138混合，以产生供给燃气轮机14的工作流体路径的净化的排气流142，由此减少设备200的排出。
尽管在示例性的实施例中认为催化室40是有益的，但是可以理解的是：在不脱离本发明范围的情况下，没有催化室时也可以理解本发明的优势。
通过控制尾气燃烧器38中废气139和排出燃料134的射入，可以确保燃料/空气混合气是稀薄的并且在燃烧极限之内。因此，实际上保留在排出燃料流134中的全部燃料成分都在尾气燃烧器中燃烧，由此充分利用了系统中的燃料，并防止在设备10的排气中排出燃料。
来自尾气燃烧器38和催化室40的热排气142被供给到燃气轮机14的入口，并且排气的热力学膨胀产生功并施加原动力以驱动涡轮机，后者依次又在发电机18中产生电。来自发电机18和燃料电池堆34的电被转换为适当的形式并转换到配电网络，如图1中电网144所示。
至少由于上文提出的原因，发电设备200相对于已知的系统提供了更好的总体设备性能，同时通过再循环流动路径提供了涡轮机结构冷却以及燃料电池堆的改进的温度控制，同时避免了用于保持燃料电池堆处于要求的温度的传统热交换器的复杂性和费用。燃料电池堆阴极排气的再循环还有利于燃料电池堆的入口空气温度控制，其又为燃料电池堆内的温度升高和一致性提供了更精确的控制。燃料电池堆阴极排气的再循环提供增加的涡轮机部分入口温度以在涡轮机中提供更多的功，经由减少的阴极侧氧化提供了增加的性能保持，允许燃料电池堆工作在化学计算条件下，以及简化将设备排气排出到大气之前的处理后排气。
将设备200与设备10(如图1所示)进行比较，分析表明相对于设备10，设备200提供了更好的总体设备性能以及效率，而设备10比设备200为涡轮机提供了更多的冷却。
虽然本发明已经依据各种具体的实施例进行描述，但是那些本领域的技术人员将会认可在权利要求的精神和范围之内本发明可以通过各种修改实现。
以下是各部件名称一览表
10发电设备
12压缩机
14涡轮机
16转子
18发电机
20同流换热器
22同流换热器回流路径
24再循环流动路径
26同流换热器旁路流动路径
28堆空气供应流动路径
30燃料泵
32脱硫器
34燃料电池堆
36重整装置
38尾气燃烧器
40催化室
42鼓风机
50压缩空气流
52涡轮机排气流
54加热的压缩空气
56阴极入口
70燃料电池互连
72燃料电池单元
74阳极
76阴极
78电解质
80顶端板
82底端板
100燃料电池模决
102燃料电池容器
106阴极出口
108阳极入口
110阳极出口
112管道
120阴极排气流
122阴极再循环流动路径
124阴极再循环流动路径
130脱硫燃料
132重整燃料
134阳极排气流
136燃料再循环流动路径
137流动路径交点
138 TGB排气
139重整气流
140净化空气
142净化排气流
144电网
200混合型发电设备

Claims (9)

1.混合型发电设备(10)，包括：
涡轮机(14)；
由所述涡轮机驱动的压缩机(12)；
与所述压缩机流动连通的同流换热器(20)，所述同流换热器配置为从涡轮机排气(52)向压缩空气传热；以及
与所述同流换热器流动连通的至少一个燃料电池(72)，所述同流换热器向所述燃料电池提供新鲜空气。
2.如权利要求1所述的混合型发电设备(10)，所述燃料电池(72)包括阴极入口(56)和阴极出口(106)，所述阴极入口与所述同流换热器(20)流动连通以用于接收压缩空气。
3.如权利要求2所述的混合型发电设备(10)还包括在所述同流换热器(20)和所述涡轮机(14)的冷却剂流动路径之间的回流路径(22)，所述同流换热器经由所述回流路径向所述涡轮机供应冷却的空气。
4.如权利要求2所述的混合型发电设备(10)，所述阴极出口(106)沿着再循环流动路径(122)与所述阴极入口(56)流动连通。
5.如权利要求4所述的混合型发电设备(10)还包括重整装置(36)，所述重整装置与所述阴极出口(106)流体连通，并与所述再循环流动路径(122)流体连通，所述重整装置位于所述阴极出口和所述再循环路径之间。
6.如权利要求1所述的混合型发电设备(10)还包括同流换热器旁路路径(26)，所述同流换热器旁路路径延伸在所述压缩机(12)和所述涡轮机(14)之间，并且将压缩空气直接供给所述涡轮机的冷却剂路径。
7.如权利要求1所述的混合型发电设备(10)，所述至少一个燃料电池(72)包括阳极入口(108)和阳极出口(110)，所述阳极出口沿着再循环流动路径(136)与所述阴极入口流动连通。
8.如权利要求7所述的混合型发电设备(10)还包括与所述阳极出口(110)流动连通的尾气燃烧器(38)，所述尾气燃烧器接收阳极燃料排气(134)和空气的混合气。
9.如权利要求1所述的混合型发电设备(10)，其中所述至少一个燃料电池(72)包括固体氧化物燃料电池。
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