CN1674335A - 综合燃料电池－燃气轮机系统启动和瞬态工作的方法和系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种综合固体氧化物燃料电池－燃气轮机系统(100)，它可以包括：固体氧化物燃料电池(102)；空气压缩机(106)；燃料处理器(110)；产生废气的启动燃烧室(112)；第一控制装置，用以将压缩空气流从空气压缩机(106)引导到启动燃烧室(112)和固体氧化物燃料电池(102)；以及第二控制装置，用于将压缩燃料流引导到启动燃烧室(112)和燃料处理器(110)。第一控制装置和第二控制装置可以这样控制向启动燃烧室(112)提供的压缩空气流和压缩燃料流，使得在将压缩燃料流提供到燃料处理器(110)以及将压缩空气流提供到固体氧化物燃料电池之前启动燃烧室(112)的废气将燃料处理器(110)加热到预定温度。
Description
技术领域
本发明一般涉及用于发电的综合燃料电池-燃气轮机系统，例如综合固体氧化物燃料电池-燃气轮机系统。更具体地说，本发明涉及用于综合燃料电池-燃气轮机系统的启动和瞬态工作的系统和方法。
背景技术
曾有人建议将燃料电池发电机和燃气轮机结合起来。燃气轮机压缩机可以提供燃料电池所需的压缩空气，因燃料电池在高压下工作，而燃料电池可以是高温燃料电池，例如固体氧化物燃料电池，它可产生热气体在涡轮机中膨胀。这样，由燃料电池发电机和涡轮机一起就可产生电功率。
许多这种系统采用燃料处理器将燃料，例如天然气，重整为含天然气的氢。由于在燃料处理器内发生的化学反应的性质，通常必需向此混合物提供热量。在正常工作时，在燃料电池中会产生副产品热量。此外，可以使未反应的燃料和/或新鲜燃料和来自燃料电池的空气燃烧以提供附加的热量。来自燃料电池的副产品热量和/或来自燃烧的多余燃料和空气的能量可以用来向燃料处理器提供必需的热量。
燃料电池，特别是固体氧化物燃料电池，一般工作在高温下。所以电池在启动时通常需要从环境温度开始的较长加热时间。燃料电池和外部燃料处理器代表着严重的热惯性，在系统启动和快速转换时需要有受控的温度斜率。
所以，改进燃料电池和燃气轮机混合系统的启动和瞬态工作将会很有利。具体地说，固体氧化物燃料电池、燃气轮机以及附加热源的热综合可提供更为有效的启动和瞬态工作，具有更大的系统峰值能力。
发明内容
于是，本发明提供一种综合的燃料电池-燃气轮机系统，它可以包括：燃料电池；空气压缩机；燃料压缩机；燃料处理器；产生废气的启动燃烧室；用以将压缩空气流从空气压缩机引导到启动燃烧室和燃料电池的第一控制装置；以及用以将压缩燃料流引导到启动燃烧室和燃料处理器的第二控制装置。第一控制装置和第二控制装置可以控制向启动燃烧室提供的压缩空气流和压缩燃料流的供给量，以便在将压缩燃料流提供到燃料处理器以及将压缩空气流提供到燃料电池之前启动燃烧室将燃料处理器加热到预定温度。燃料电池可以是固体氧化物燃料电池。
在某些实施例中，第一控制装置最初可以将全部压缩空气流都引入启动燃烧室，且第二控制装置最初可以将全部压缩燃料流都引入启动燃烧室。当燃料处理器达到预定温度后，第一控制装置可以将压缩空气流的逐渐增加的部分引入固体氧化物燃料电池，直到全部压缩空气流都提供到固体氧化物燃料电池，第二控制装置可以将压缩燃料流的逐渐增加的部分引入燃料处理器，直到全部压缩燃料流都提供到燃料处理器。预定温度可以是燃料处理器的所需工作温度。
第一控制装置可以是三通阀门，或者，在其它实施例中可以是两个双通阀门。第二控制装置可以是启动阀门或流量控制阀门。启动阀门可以是双通阀门，它控制提供到启动燃烧室的压缩燃料流的供给量。流量控制阀门可以是双通阀门，它控制提供到燃料处理器的压缩燃料流的供给量。
在某些实施例中，固体氧化物燃料电池可以产生用来向燃料处理器提供热量的废气。在启动时引入固体氧化物燃料电池的压缩空气流的逐渐增加的部分以第一确定速率增加，使得到全部压缩空气流都引入固体氧化物燃料电池时，第一确定速率可以使固体氧化物燃料电池的废气已足以提供燃料处理器所用的全部热量。同理，引入燃料处理器的压缩燃料流的逐渐增加的部分以第二确定速率增加，使得到全部压缩燃料流都引入燃料处理器时，第二确定速率可以使固体氧化物燃料电池的废气已足以提供燃料处理器所用的全部热量。
系统可以包括固体氧化物燃料电池(SOFC)燃烧室。SOFC燃烧室可以从固体氧化物燃料电池接收未反应的燃料和多余的空气，并可以使所述未反应的燃料和多余的空气燃烧，以增加固体氧化物燃料电池的废气的热量。系统还可以包括位于SOFC燃烧室下游的SOFC止回阀。
综合固体氧化物燃料电池-燃气轮机系统的涡轮机可以产生废气。系统还可以包括燃料预热器/蒸汽发生器，在涡轮机的废气和供水之间进行热交换，以便向燃料处理器提供蒸汽。燃料预热器/蒸汽发生器还可以在涡轮机的废气和压缩燃料流之间进行热交换，以便向燃料处理器提供加热的压缩燃料流。
在某些实施例中，一旦燃料处理器达到预定温度，第一控制装置可以将压缩空气流的逐渐增加的部分引入固体氧化物燃料电池，第二控制装置可以将压缩燃料流的逐渐增加的部分引入燃料处理器，直到固体氧化物燃料电池的废气足以提供燃料处理器所用的全部热量。当到达固体氧化物燃料电池的废气足以提供燃料处理器所用的全部热量的时刻，第一控制装置将全部压缩空气流引入固体氧化物燃料电池，且第二控制装置将全部压缩燃料流引入燃料处理器。
本发明还提供启动综合固体氧化物燃料电池-燃气轮机系统的操作方法，所述系统具有固体氧化物燃料电池、燃料处理器、压缩机、燃料压缩机以及启动燃烧室；所述方法可以包括以下步骤：将压缩空气流从空气压缩机引入启动燃烧室；将压缩燃料流引入启动燃烧室；在启动燃烧室中使引入启动燃烧室中的压缩空气流和压缩燃料流燃烧，产生废气；用启动燃烧室的废气加热燃料处理器；以及在燃料处理器达到预定温度后，使压缩空气流从启动燃烧室转入固体氧化物燃料电池，并使压缩燃料流从启动燃烧室转入燃料处理器。压缩空气流从启动燃烧室转入固体氧化物燃料电池的步骤可以包括将压缩空气流的逐渐增加的部分从启动燃烧室引入到固体氧化物燃料电池，直到全部压缩空气流都被引入到固体氧化物燃料电池。同理，压缩燃料流从启动燃烧室转入燃料处理器的步骤可以包括将压缩燃料流的逐渐增加的部分从启动燃烧室引入到燃料处理器，直到全部压缩燃料流都被引入到燃料处理器。燃料处理器的预定温度可以是燃料处理器的所需工作温度。
在某些实施例中，所述方法还包括用固体氧化物燃料电池的废气加热燃料处理器。在这种情况下，引入固体氧化物燃料电池的压缩空气流的逐渐增加的部分以第一确定速率增加，使得到全部压缩空气流都被引入到固体氧化物燃料电池时，第一确定速率可以使固体氧化物燃料电池的废气足以提供燃料处理器所用的全部热量。同理，引入燃料处理器的压缩燃料流的逐渐增加的部分以第二确定速率增加，使得到全部压缩燃料流都被引入到燃料处理器时，第二确定速率可以使固体氧化物燃料电池的废气足以提供燃料处理器所用的全部热量。
可以通过三通阀门在启动燃烧室和固体氧化物燃料电池之间引导压缩空气流。可以通过启动阀门和流量控制阀门在启动燃烧室和燃料处理器之间引导压缩燃料流。启动阀门可以包括双通阀门，它控制提供到启动燃烧室的压缩燃料流供给量。流量控制阀门可以包括双通阀门，它控制提供到燃料处理器的压缩燃料流供给量。
在某些实施例中，所述方法还包括使从固体氧化物燃料电池提供的未反应的燃料和多余的空气燃烧，以增加固体氧化物燃料电池的废气的热量的步骤。在其它实施例中，所述方法还包括以下步骤：从涡轮机产生废气，在涡轮机废气和供水之间进行热交换以便向燃料处理器提供蒸汽，以及在涡轮机的废气和压缩燃料流之间进行热交换，以便向燃料处理器提供加热的压缩燃料流。
所述方法还可以包括用固体氧化物燃料电池的废气加热燃料处理器的步骤。在这种情况下，压缩空气流从启动燃烧室转入固体氧化物燃料电池的步骤可以包括将压缩空气流的逐渐增加的部分从启动燃烧室引入到固体氧化物燃料电池，直到固体氧化物燃料电池的废气足以提供燃料处理器所用的全部热量。同理，压缩燃料流从启动燃烧室转入燃料处理器的步骤可以包括将压缩燃料流的逐渐增加的部分从启动燃烧室引入到燃料处理器，直到固体氧化物燃料电池的废气足以提供燃料处理器所用的全部热量。燃料处理器的预定温度可以是燃料处理器的所需工作温度。当到达固体氧化物燃料电池的废气足以提供燃料处理器所用的全部热量的时刻，全部压缩空气流可被引入到固体氧化物燃料电池，且全部压缩燃料流可被引入到燃料处理器。
本发明还提供综合固体氧化物燃料电池-燃气轮机系统的操作方法，所述系统具有固体氧化物燃料电池、燃料处理器、涡轮机、压缩机、燃料压缩机和启动燃烧室；所述方法可以包括以下步骤：将压缩空气流从压缩机引入启动燃烧室和固体氧化物燃料电池；将压缩燃料流引入启动燃烧室和燃料处理器；以及用启动燃烧室的废气和固体氧化物燃料电池的废气加热燃料处理器。在系统的稳态工作期间，全部压缩空气流可被引入到固体氧化物燃料电池，且全部压缩燃料流可被引入到燃料处理器。在系统的瞬态工作期间，可增加压缩燃料流并可增加压缩空气流，将增加的压缩燃料流部分和增加的压缩空气流部分都引入到启动燃烧室用于燃烧。
所述方法还可以包括以下步骤，即，通过涡轮机使启动燃烧室的废气和固体氧化物燃料电池的废气膨胀，产生机械能，使得在瞬态工作期间启动燃烧室废气的增加导致涡轮机所产生的机械能数量的增加。可以把增量的机械能引入到发电机。或者，可以把增量的机械能引入到压缩机，使压缩机可以利用所述增量的机械能进一步增加压缩空气流。在这种情况下，所述方法还包括以下步骤：将增加的压缩空气流的一部分引入到固体氧化物燃料电池，利用增加的启动燃烧室废气向燃料处理器提供附加热量，利用附加热量来增加向固体氧化物燃料电池提供的重整燃料的供给量，并使增加的压缩空气流量和增加的重整燃料的供给量在固体氧化物燃料电池中起反应。
在某些实施例中，所述方法还包括以下步骤：由于向固体氧化物燃料电池提供增加的压缩空气流量和增加的重整燃料供应量的缘故，产生了来自固体氧化物燃料电池的增加的废气供给量。一旦来自固体氧化物燃料电池的增加的废气供给量足以提供燃料处理器产生增加的重整燃料所用的全部热量，就使压缩空气流从启动燃烧室转入固体氧化物燃料电池并使压缩燃料流从启动燃烧室转入燃料处理器。在这种情况下，压缩空气流从启动燃烧室转入固体氧化物燃料电池的步骤可以包括将压缩空气流的逐渐增加的部分从启动燃烧室引入到固体氧化物燃料电池，直到全部压缩空气流都被引入到固体氧化物燃料电池。同理，压缩燃料流从启动燃烧室转入燃料处理器的步骤可以包括将压缩燃料流的逐渐增加的部分从启动燃烧室引入到燃料处理器，直到全部压缩燃料流都被引入到燃料处理器。
当结合附图和所附权利要求书阅读对本发明当前实施例所作的以下详细说明后，本发明的这些和其它特征即可一目了然。
附图说明
图1是按照本发明实施例的综合固体氧化物燃料电池-燃气轮机系统的示意图。
具体实施方式
现参阅附图，其中，图1示出本发明的示范实施例，即，固体氧化物燃料电池-燃气轮机系统100。本专业的技术人员会理解其它高温燃料电池也可以使用在这种系统中，使用固体氧化物燃料电池仅是示范而已。固体氧化物燃料电池-燃气轮机系统100的主要部件可以包括：固体氧化物燃料电池102；涡轮机104；压缩机106；发电机108；燃料处理器110；启动燃烧室112；压缩空气阀114(可以是三通阀或两个双通阀)；启动阀116；以及流量控制阀118。固体氧化物燃料电池-燃气轮机系统100中也可以有其它部件以增加系统的整体效率，包括燃料预热器/蒸汽发生器122、同流换热室124和燃料电池空气预热器128。
一般在正常稳态工作时，由固体氧化物燃料电池102废气提供的热气体可以通过涡轮机104膨胀。而涡轮机104又可驱动压缩机106和发电机108。压缩机106可向固体氧化物燃料电池102提供压缩空气，使其可在高压下工作。固体氧化物燃料电池102可以使提供的压缩空气和燃料处理器110提供的重整燃料发生电化学反应。固体氧化物燃料电池102可产生热气体废气。未反应的燃料和固体氧化物燃料电池102废气中所含的空气可在SOFC燃烧室126中燃烧，向废气提供附加的热能。而且，在某些实施例中，在SOFC燃烧室126，可以将新鲜的燃料和空气加到来自固体氧化物燃料电池102的未反应的燃料和空气中，以便在它通过SOFC燃烧室126后增加固体氧化物燃料电池102废气的热量。固体氧化物燃料电池102废气的热量可以用来向燃料处理器110提供热量，用于气态燃料例如天然气的重整。燃料处理器110可以接收加压的气态燃料。当所述循环结束时，来自固体氧化物燃料电池102的废气可以通过涡轮机膨胀。这样，固体氧化物燃料电池102和涡轮机104二者都可以产生电功率。
在启动操作期间，固体氧化物燃料电池-燃气轮机系统100的工作如下。启动阀116和流量控制阀118可以接收来自燃料进料管129的加压燃料。加压燃料可通过业界通常已知的方法提供到燃料进料管129，包括从径向燃料压缩机提供(未示出)。燃料可以是天然气，或其它煤衍生燃料。例如，可以使用天然气，石脑油，丙烷，JP-8，甲烷，汽油或其它类型的类似气体。
在启动过程开始时，启动阀116可以开启，使提供的压缩燃料到达启动燃烧室112。流量控制阀118，在启动过程开始时，可以关闭，防止提供的压缩燃料到达燃料处理器110、固体氧化物燃料电池102和气体下游的部件。启动阀116和流量控制阀118可以是业界已知的任何类型的适用的市售阀门。例如，可以使用球阀、蝶阀或其它类似的阀门，在可供选择的实施例中，单个的三通阀门可以代替启动阀116和流量控制阀118。
可以把提供的压缩燃料注入到启动燃烧室112并且使其在启动燃烧室112中和提供的压缩空气相混合，压缩空气可由压缩机106提供，以下将作详细讨论。可以用点火器将结果混合物点火，发生放热反应，从而形成燃烧气体热能供给源。启动燃烧室112可以是业界已知的任何类型的适用的燃烧室。适用的燃烧室的可用市售实例包括低-NOx，可以使用催化或其它类似的燃烧室。然后把提供的燃烧气体热能从启动燃烧室输送到结合点130，在此，启动燃烧室112提供的燃烧气体热能和固体氧化物燃料电池102提供的废气相结合。在启动过程的初始阶段，并没有热能和固体氧化物燃料电池102提供的废气，因为流量控制阀118仍然关闭(因而防止提供的燃料到达固体氧化物燃料电池102)。在固体氧化物燃料电池102提供废气的线路上，SOFC止回阀131可位于结合点130的上游。SOFC止回阀131可防止启动燃烧室112提供的气体热能回流到上游部件，包括固体氧化物燃料电池102。
可以引导启动燃烧室和固体氧化物燃料电池的组合的废气供应离开结合点130流过燃料处理器。在燃料处理器110内，组合气流被引导通过一个或多个热交换器，从而为燃料处理器提供热量。燃料处理器必需从开始时的环境温度加热到足够的温度，燃料重整才可进行。燃料处理器106一旦加热，就可利用蒸汽重整、自动热重整、部分氧化重整或其它过程，将一部分燃料转变成含氢的气体。仅为示例，图1示出采用蒸汽重整器的系统，在所述系统中在存在蒸汽和催化剂的情况下把气态碳氢化合物重整为主要含有氢和一氧化碳的气体。由燃料预热器/蒸汽发生器122把燃料预热并把蒸汽提供到燃料处理器110，以下详述。业界已知的适用的燃料处理器的市售实例包括蒸汽重整器、自动热重整器或其它类似的处理器。可以通过业界已知的热交换方法来完成从组合的废气流到燃料处理器110的热交换。
然后，来自启动燃烧室112的燃烧气体热能和固体氧化物燃料电池的废气的组合供给源可以从燃料处理器110退出，并被引导到涡轮机104。所述组合供给源通过涡轮机106膨胀，形成涡轮机动力。业界已知的适用的涡轮机市售实例包括离心式，也可以使用轴流式或其它类似的涡轮机。涡轮机的功率又可驱动压缩机106和发电机108。发电机108可产生电功率，电功率由变换器132转换成交变电流并馈入高压电力网134。压缩机106可接收由空气馈送管135提供的空气，产生压缩空气供给源。可以将所述提供的压缩空气输送到压缩空气阀114。
可以在压缩空气阀114的上游设置同流换热室124，以提高系统的整体效率。同流换热室124可以将涡轮机104提供的废气热量传送到压缩机106提供的压缩空气上。以这种方式预热提供的压缩空气可以减少系统的燃料消耗因而提高系统的整体效率。压缩空气循环流过同流换热室124的冷端通路并吸收循环流过热端通路的涡轮机废气的热量。这样，如果系统100中有了同流换热室124，压缩空气就可被加热，以便将加热的压缩空气引到压缩空气阀114。
在压缩空气阀114处(图示为三通阀门)提供的压缩空气(或提供的加热的压缩空气)可以被引向启动燃烧室112，或被引向固体氧化物燃料电池102，或将提供的压缩空气分流，送入这两个部件。在驱动工作时，最初可以将压缩空气阀114设定为仅将压缩空气流引向启动燃烧室112。压缩空气阀114可以是业界已知的任何类型的适合的三通阀门，例如可以使用球阀或其它类似的阀门。在其它实施例中，结合点和两个双通阀门也可实现三通压缩空气阀114的功能。
这样，可以将提供的压缩空气输送到启动燃烧室112，在燃烧室中与提供的压缩气态燃料一起燃烧。如上所述，在启动过程的最初阶段，启动燃烧室112的废气可用来加热燃料处理器110。在启动过程中，压缩空气阀114、启动阀116、流量控制阀118和SOFC止回阀131可以将固体氧化物燃料电池102与空气和燃料流隔离，也与启动燃烧室112废气的回流隔离，以保护燃料电池部件。例如，SOFC止回阀131还可防止来自启动燃烧室112的燃烧气体的回流，不然，就会损坏固体氧化物燃料电池102及其部件。
随着启动过程的继续，燃料处理器110的温度可提高到燃料重整所需的温度。例如，蒸汽燃料处理器开始有效燃料重整的温度大约为450℃(840°F)。达到这一点时，流量控制器118被打开，把提供的压缩燃料的一部分输送到燃料处理器110，以便开始重整。为提高系统的整体效率，提供的压缩空气首先通过燃料预热器/蒸汽发生器122。燃料预热器/蒸汽发生器122提供在涡轮机104的废气和提供的压缩燃料之间的热交换。然后，燃料预热器/蒸汽发生器122提供涡轮机104的废气和供水之间的热交换。应当指出，燃料预热器/蒸汽发生器122可以提供以上两项功能中的任一项或两项，或者这两项功能中的每一项由单独的部件提供，而不是由组合的部件来提供，这可根据系统的配置和需要而定。水可通过供水线136提供到燃料预热器/蒸汽发生器122以产生蒸汽，然后蒸汽被提供到燃料处理器110，对所提供的压缩燃料进行蒸汽重整。在可供选择的实施例中，可以采用其它类型的燃料重整，这样就不需要蒸汽了。在燃料预热器/蒸汽发生器122中涡轮机104的废气和压缩燃料/供水之间的热交换可以用业界已知的热交换方法实现。在涡轮机104的废气从燃料预热器/蒸汽发生器122中退出后，所述废气可以通过系统排气管137排出系统100。
所提供的压缩燃料然后在燃料处理器110中重整，如上述，产生含氢气体，所提供的重整燃料由燃料处理器110提供到固体氧化物燃料电池102。如上所述，还可通过压缩空气阀114向固体氧化物燃料电池102提供压缩空气流。当流量控制阀118开启，使得所提供的重整燃料提供到固体氧化物燃料电池102时，可开启压缩空气阀114，使足够的压缩空气也提供到固体氧化物燃料电池102，使所提供的重整燃料进行电化学反应。为提高系统的整体效率，提供到固体氧化物燃料电池102的压缩空气可用燃料电池空气预热器128加热。燃料电池空气预热器128可以接收固体氧化物燃料电池102废气的热量，以下详述。
在固体氧化物燃料电池102内部，重整燃料和所提供的压缩空气按业界已知的方法发生电化学反应，产生电能。例如，固体氧化物燃料电池102可以包括多孔空气电极、电解液和燃料电极。可以将所提供的压缩空气引入到空气电极(或阴极)，所述空气电极例如可用掺锶亚锰酸镧制成。电解液可由氧化钇稳定的氧化锆制成，覆盖空气电极的整个有效长度，仅留一窄条。这一窄条空气电极可由形成电池互连的掺镁亚铬酸镧气密层覆盖。重整燃料引入到燃料电极(又称为阳极)，所述燃料电极可由镍-氧化锆金属陶瓷制成，并覆盖电解液，但互连区域除外。适用的固体氧化物燃料电池的实例在美国专利No.4,490,444(Isenberg)；4,547,437((Isenberg等人)；4,597,170(Isenberg)和4,728,584(Isenberg)中已公开，以上各专利全文均已作为参考包括在本文内。适用的固体氧化物燃料电池的市售实例包括管状和平面形，其它类似的固体氧化物燃料电池也可以使用。
这样，重整燃料可到达阳极，在此它与来自电解液的氧离子发生反应，向外部电路释放出电子。在燃料电池的另一侧，可以将空气馈入阴极，在此，它通过接收来自外部电路的电子而向电解液提供氧离子。电解液在电极之间传导这些离子，维持整体的电荷平衡。外部电路中的电子流可以提供有用的电能。固体氧化物燃料电池可以设置成阵列，使每个电池与邻近的燃料电池电连接。可以将结果直流电流馈入第二变换器138，在此转换成交流电流并馈入高压电力网134。
固体氧化物燃料电池102通常具有稳态工作温度范围，大约在650到1000℃(1200到1832°F)。为了达到其稳态工作温度，固体氧化物燃料电池102，在启动操作期间，可接收来自燃料处理器的重整燃料流的热量、来自燃料电池空气预热器128和/或同流换热室124的加热压缩空气流的热量以及在其中进行的放热电化学反应所产生的热量。
在固体氧化物燃料电池102阳极侧的电化学反应产物包括CO2、H2O和未反应的气态燃料。通常未反应的气态燃料也留在阳极的反应产物中，因为燃料处理器110中的重整过程一般不会重整全部所提供的燃料。而且，固体氧化物燃料电池102一般不会使提供到阳极侧的全部燃料发生反应。所以，将所提供的阳极反应产物140提供到SOFC燃烧室126。应当指出，在其它实施例中，部分未反应的气态燃料可以用产物水在内部进一步重整，产生更多的电能。阴极侧的产物包括多余的空气，因为固体氧化物燃料电池102一般不会使提供到阴极侧的全部空气发生反应。将所提供的阴极反应产物142也提供到SOFC燃烧室126。所提供的阳极反应产物140和所提供的阴极反应产物142在SOFC燃烧室126内结合，在此多余的热空气用来燃烧未反应的气态燃料，从而提高了固体氧化物燃料电池102的废气的温度。在可供选择的实施例中，可以使SOFC燃烧室126处在固体氧化物燃料电池102的内部。
在固体氧化物燃料电池102的废气(从SOFC燃烧室126排出后)可以馈入燃料电池空气预热器128，和压缩机106提供的压缩空气进行热交换。这种热交换可以用业界已知的方法和系统完成。这样，提供到固体氧化物燃料电池102的压缩空气可以通过SOFC燃烧室126由固体氧化物燃料电池102的废气加热。固体氧化物燃料电池102的废气从燃料电池空气预热器128排出，通过SOFC止回阀131，到达结合点130，并与启动燃烧室112的废气结合，如上述。启动燃烧室112和SOFC燃烧室126的组合废气可以用来将燃料处理器110加热到其所需温度，然后组合废气再导入涡轮机104中，在此废气膨胀，产生涡轮机动力。应当指出，在可供选择的实施例中，固体氧化物燃料电池102的废气和启动燃烧室112的废气可以不相结合，而是单独提供到燃料处理器110和/或涡轮机104。
启动过程可以以确定的速率继续进行，其中可以这样控制启动阀116和流量控制阀118的设定值，以便把更多的压缩燃料引向固体氧化物燃料电池102(通过燃料处理器110)而离开启动燃烧室112。由于提供的压缩燃料是以这种方式引入的，所以可以将压缩空气阀114的设定值控制为能够满足固体氧化物燃料电池102对压缩空气增加的需求以及启动燃烧室112处对压缩空气减少的需求。这样，随着启动过程继续进行，更多所提供的压缩空气被导向固体氧化物燃料电池102。当达到固体氧化物燃料电池-燃气轮机系统100的稳态情况时，可以把系统阀门(流量控制阀118、启动阀116和压缩空气阀114)的设定值控制为维持所需情况。
在某些实施例中，当固体氧化物燃料电池102/SOFC燃烧室126的废气足以提供燃料处理器110继续进行必要的燃料重整所需的热量时，即可产生所需的稳态情况。所以，压缩空气流从启动燃烧室112转移到固体氧化物燃料电池102的速率是一个确定的渐变速率，使得当全部压缩空气都导入固体氧化物燃料电池102时，固体氧化物燃料电池102的废气足以向燃料处理器110提供必需的热量。同理，压缩燃料流从启动燃烧室112转移到燃料处理器110的速率也是一个确定的渐变速率，使得当全部压缩燃料都导入燃料处理器110时，固体氧化物燃料电池102的废气足以向燃料处理器110提供必需的热量。在可供选择的实施例中，稳态工作状态可以在以下情况获得：即，在全部压缩空气导入固体氧化物燃料电池102之前或全部压缩燃料都导入燃料处理器110之前，固体氧化物燃料电池102的废气就足以加热燃料处理器110。在这种情况下，启动阀116可以设定为关闭位置，从而停止在启动燃烧室112中的燃烧和废气流的排出。流量控制阀114可以设定为开启位置，以使全部提供的压缩空气都导入燃料处理器110，继而到固体氧化物燃料电池102。压缩空气阀114可以设定为将全部所提供的压缩空气都导入固体氧化物燃料电池102。如上述，固体氧化物燃料电池102/SOFC燃烧室126的废气可向燃料处理器110提供全部必需的热量并可提供所需的气体热能流，在涡轮机104中膨胀，以产生必需的涡轮机动力。
在其它实施例中，系统阀门(流量控制阀118、启动阀116和压缩空气阀114)以及启动燃烧室112可以控制成更有效地完成系统瞬态工作或提高系统能力以满足对动力需求的快速增加。例如，可能需要固体氧化物燃料电池-燃气轮机系统100增加来自稳态工作状态的发电。如上述，稳态工作状态就是指启动燃烧室112已停止工作，假定这就是此实例的情况。于是，为了满足新的需求，提供的压缩空气就需增加。通过将涡轮机动力从发电机108转移到压缩机106也可增加所提供的压缩空气。稳态工作时关闭的启动阀116可以开启，以接收部分增加的压缩燃料流。压缩空气阀114也可控制为将适当的压缩空气流导入启动燃烧室112。启动燃烧室112燃烧其提供的压缩燃料，从而增加了燃料处理器110的组合流量并向燃料处理器110提供附加的热量。附加的热量可以使燃料处理器110中具有更大的燃料重整能力，从而有附加的气体能量在涡轮机104中膨胀。来自涡轮机104的结果附加动力可用来向固体氧化物燃料电池102提供额外的空气流，当其与增加的压缩空气流且和增加的重整燃料流相结合时，就可用来在固体氧化物燃料电池102中产生更多的电力。涡轮机104中的结果附加功率又可用来增加发电机108的发电量。
这样，通过利用启动燃烧室112来增加向固体氧化物燃料电也102所提供的压缩空气和重整燃料，从而增加固体氧化物燃料电池102的电能输出，就可满足对增加电能的需求。在这种情况下，一旦达到了固体氧化物燃料电池102电能输出的增加水平，启动燃烧室112可再次关闭，固体氧化物燃料电池102的废气量就足以提供必要数量的压缩空气和重整燃料来保持新的输出水平。或者，通过利用启动燃烧室112来增加向涡轮机104所提供的气体热能，从而增加涡轮机动力，就可满足对增加电能的需求。增加的涡轮机动力可引导到发电机108以增加发电量。在这种情况下，可以通过结合启动燃烧室112来提高峰值系统发电能力。
所以，以上仅说明了本发明的原理。对本发明的特征和各方面仅用实例的方式加以说明，所以不应理解为是本发明的必需或基本组成。显然，上述说明仅涉及本发明的某些示范实施例，且可对它们进行许多更改和添加，而不背离如所附权利要求书所定义的本发明的精神和范围。
Claims (10)
1.一种综合燃料电池-燃气轮机系统(100)，它具有燃料电池、空气压缩机(106)、燃料处理器(110)，所述系统包括：启动燃烧室(112)，所述启动燃烧室(112)产生废气；第一控制装置，用于将压缩空气流从所述空气压缩机(106)引导到所述启动燃烧室(112)和所述燃料电池；以及第二控制装置，用于将压缩燃料流引导到所述启动燃烧室(112)和燃料处理器(110)；所述第一控制装置和所述第二控制装置这样控制向所述启动燃烧室(112)提供的所述压缩空气流和所述压缩燃料流的供给量，使得在将所述压缩燃料流提供到所述燃料处理器(110)以及将所述压缩空气流提供到所述燃料电池之前所述启动燃烧室(112)的所述废气将所述燃料处理器(110)加热到预定温度。
2.如权利要求1所述的综合燃料电池-燃气轮机系统(100)，其中所述燃料电池包括固体氧化物燃料电池(102)。
3.如权利要求2所述的综合燃料电池-燃气轮机系统(100)，其中，所述第一控制装置最初将全部所述压缩空气流引导到所述启动燃烧室(112)，所述第二控制装置最初将全部所述压缩燃料流引导到所述启动燃烧室(112)，以及在所述燃料处理器(110)达到所述预定温度时，所述第一控制装置将逐渐增加的所述压缩空气流部分引导到所述固体氧化物燃料电池(102)，直到全部所述压缩空气流都被输送到所述固体氧化物燃料电池(102)为止，并且所述第二控制装置将逐渐增加的所述压缩燃料流部分引导到所述燃料处理器(110)，直到全部所述压缩燃料流都输送到所述燃料处理器(110)为止。
4.如权利要求3所述的综合燃料电池-燃气轮机系统(100)，其中所述预定温度包括所述燃料处理器(110)的所需工作温度。
5.如权利要求3所述的综合燃料电池-燃气轮机系统(100)，其中所述第二控制装置包括启动阀(116)和流量控制阀(118)，所述启动阀(116)包括双通阀，它控制提供到所述启动燃烧室(112)的所述压缩燃料流的供给量；并且所述流量控制阀(118)包括双通阀，它控制提供到所述燃料处理器(110)的所述压缩燃料流的供给量。
6.如权利要求2所述的综合燃料电池-燃气轮机系统(100)，其中所述固体氧化物燃料电池(102)产生废气，所述固体氧化物燃料电池(102)的所述废气向所述燃料处理器(110)提供热量；以及其中引入所述固体氧化物燃料电池(102)的所述压缩空气流的逐渐增加的部分以第一确定速率增加，使得到全部所述压缩空气流都被引入到所述固体氧化物燃料电池(102)时，所述第一确定速率使所述固体氧化物燃料电池(102)的所述废气足以提供所述燃料处理器(110)所用的全部热量。
7.如权利要求6所述的综合燃料电池-燃气轮机系统(100)，其中引入所述燃料处理器(110)的所述压缩燃料流的逐渐增加的部分以第二确定速率增加，使得到全部所述压缩燃料流都被引入到所述燃料处理器(110)时，所述第二确定速率使所述固体氧化物燃料电池(102)的所述废气足以提供所述燃料处理器(110)所用的全部热量。
8.如权利要求7所述的综合燃料电池-燃气轮机系统(100)，其中还包括SOFC燃烧室(126)，其中所述SOFC燃烧室(126)从所述固体氧化物燃料电池(102)接收所提供的未反应的燃料和多余的空气；其中所述所述SOFC燃烧室(126)使所述未反应的燃料和所述多余空气燃烧，以增加所述固体氧化物燃料电池(102)的所述废气的热量。
9.如权利要求2所述的综合燃料电池-燃气轮机系统(100)，其中当所述燃料处理器(110)达到所述预定温度时，所述第一控制装置将所述压缩空气流的逐渐增加的部分引入到所述固体氧化物燃料电池(102)，并且所述第二控制装置将所述压缩燃料流的逐渐增加的部分引入到所述燃料处理器(110)，直到所述固体氧化物燃料电池(102)的所述的废气足以提供所述燃料处理器(110)所用的全部热量为止。
10.如权利要求9所述的综合燃料电池-燃气轮机系统(100)，其中，一旦到达所述固体氧化物燃料电池(102)的所述废气足以提供所述燃料处理器(110)所用的全部热量的时刻，所述第一控制装置将全部所述压缩空气流引入到所述固体氧化物燃料电池(102)，并且所述第二控制装置将全部所述压缩燃料流引入到所述燃料处理器(110)。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |