專利名稱：綜合燃料電池－燃?xì)廨啓C(jī)系統(tǒng)啟動(dòng)和瞬態(tài)工作的方法和系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及用于發(fā)電的綜合燃料電池-燃?xì)廨啓C(jī)系統(tǒng)，例如綜合固體氧化物燃料電池-燃?xì)廨啓C(jī)系統(tǒng)。更具體地說(shuō)，本發(fā)明涉及用于綜合燃料電池-燃?xì)廨啓C(jī)系統(tǒng)的啟動(dòng)和瞬態(tài)工作的系統(tǒng)和方法。
背景技術(shù)：
曾有人建議將燃料電池發(fā)電機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)結(jié)合起來(lái)。燃?xì)廨啓C(jī)壓縮機(jī)可以提供燃料電池所需的壓縮空氣，因燃料電池在高壓下工作，而燃料電池可以是高溫燃料電池，例如固體氧化物燃料電池，它可產(chǎn)生熱氣體在渦輪機(jī)中膨脹。這樣，由燃料電池發(fā)電機(jī)和渦輪機(jī)一起就可產(chǎn)生電功率。
許多這種系統(tǒng)采用燃料處理器將燃料，例如天然氣，重整為含天然氣的氫。由于在燃料處理器內(nèi)發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)的性質(zhì)，通常必需向此混合物提供熱量。在正常工作時(shí)，在燃料電池中會(huì)產(chǎn)生副產(chǎn)品熱量。此外，可以使未反應(yīng)的燃料和/或新鮮燃料和來(lái)自燃料電池的空氣燃燒以提供附加的熱量。來(lái)自燃料電池的副產(chǎn)品熱量和/或來(lái)自燃燒的多余燃料和空氣的能量可以用來(lái)向燃料處理器提供必需的熱量。
燃料電池，特別是固體氧化物燃料電池，一般工作在高溫下。所以電池在啟動(dòng)時(shí)通常需要從環(huán)境溫度開始的較長(zhǎng)加熱時(shí)間。燃料電池和外部燃料處理器代表著嚴(yán)重的熱慣性，在系統(tǒng)啟動(dòng)和快速轉(zhuǎn)換時(shí)需要有受控的溫度斜率。
所以，改進(jìn)燃料電池和燃?xì)廨啓C(jī)混合系統(tǒng)的啟動(dòng)和瞬態(tài)工作將會(huì)很有利。具體地說(shuō)，固體氧化物燃料電池、燃?xì)廨啓C(jī)以及附加熱源的熱綜合可提供更為有效的啟動(dòng)和瞬態(tài)工作，具有更大的系統(tǒng)峰值能力。

發(fā)明內(nèi)容
于是，本發(fā)明提供一種綜合的燃料電池-燃?xì)廨啓C(jī)系統(tǒng)，它可以包括燃料電池；空氣壓縮機(jī)；燃料壓縮機(jī)；燃料處理器；產(chǎn)生廢氣的啟動(dòng)燃燒室；用以將壓縮空氣流從空氣壓縮機(jī)引導(dǎo)到啟動(dòng)燃燒室和燃料電池的第一控制裝置；以及用以將壓縮燃料流引導(dǎo)到啟動(dòng)燃燒室和燃料處理器的第二控制裝置。第一控制裝置和第二控制裝置可以控制向啟動(dòng)燃燒室提供的壓縮空氣流和壓縮燃料流的供給量，以便在將壓縮燃料流提供到燃料處理器以及將壓縮空氣流提供到燃料電池之前啟動(dòng)燃燒室將燃料處理器加熱到預(yù)定溫度。燃料電池可以是固體氧化物燃料電池。
在某些實(shí)施例中，第一控制裝置最初可以將全部壓縮空氣流都引入啟動(dòng)燃燒室，且第二控制裝置最初可以將全部壓縮燃料流都引入啟動(dòng)燃燒室。當(dāng)燃料處理器達(dá)到預(yù)定溫度后，第一控制裝置可以將壓縮空氣流的逐漸增加的部分引入固體氧化物燃料電池，直到全部壓縮空氣流都提供到固體氧化物燃料電池，第二控制裝置可以將壓縮燃料流的逐漸增加的部分引入燃料處理器，直到全部壓縮燃料流都提供到燃料處理器。預(yù)定溫度可以是燃料處理器的所需工作溫度。
第一控制裝置可以是三通閥門，或者，在其它實(shí)施例中可以是兩個(gè)雙通閥門。第二控制裝置可以是啟動(dòng)閥門或流量控制閥門。啟動(dòng)閥門可以是雙通閥門，它控制提供到啟動(dòng)燃燒室的壓縮燃料流的供給量。流量控制閥門可以是雙通閥門，它控制提供到燃料處理器的壓縮燃料流的供給量。
在某些實(shí)施例中，固體氧化物燃料電池可以產(chǎn)生用來(lái)向燃料處理器提供熱量的廢氣。在啟動(dòng)時(shí)引入固體氧化物燃料電池的壓縮空氣流的逐漸增加的部分以第一確定速率增加，使得到全部壓縮空氣流都引入固體氧化物燃料電池時(shí)，第一確定速率可以使固體氧化物燃料電池的廢氣已足以提供燃料處理器所用的全部熱量。同理，引入燃料處理器的壓縮燃料流的逐漸增加的部分以第二確定速率增加，使得到全部壓縮燃料流都引入燃料處理器時(shí)，第二確定速率可以使固體氧化物燃料電池的廢氣已足以提供燃料處理器所用的全部熱量。
系統(tǒng)可以包括固體氧化物燃料電池(SOFC)燃燒室。SOFC燃燒室可以從固體氧化物燃料電池接收未反應(yīng)的燃料和多余的空氣，并可以使所述未反應(yīng)的燃料和多余的空氣燃燒，以增加固體氧化物燃料電池的廢氣的熱量。系統(tǒng)還可以包括位于SOFC燃燒室下游的SOFC止回閥。
綜合固體氧化物燃料電池-燃?xì)廨啓C(jī)系統(tǒng)的渦輪機(jī)可以產(chǎn)生廢氣。系統(tǒng)還可以包括燃料預(yù)熱器/蒸汽發(fā)生器，在渦輪機(jī)的廢氣和供水之間進(jìn)行熱交換，以便向燃料處理器提供蒸汽。燃料預(yù)熱器/蒸汽發(fā)生器還可以在渦輪機(jī)的廢氣和壓縮燃料流之間進(jìn)行熱交換，以便向燃料處理器提供加熱的壓縮燃料流。
在某些實(shí)施例中，一旦燃料處理器達(dá)到預(yù)定溫度，第一控制裝置可以將壓縮空氣流的逐漸增加的部分引入固體氧化物燃料電池，第二控制裝置可以將壓縮燃料流的逐漸增加的部分引入燃料處理器，直到固體氧化物燃料電池的廢氣足以提供燃料處理器所用的全部熱量。當(dāng)?shù)竭_(dá)固體氧化物燃料電池的廢氣足以提供燃料處理器所用的全部熱量的時(shí)刻，第一控制裝置將全部壓縮空氣流引入固體氧化物燃料電池，且第二控制裝置將全部壓縮燃料流引入燃料處理器。
本發(fā)明還提供啟動(dòng)綜合固體氧化物燃料電池-燃?xì)廨啓C(jī)系統(tǒng)的操作方法，所述系統(tǒng)具有固體氧化物燃料電池、燃料處理器、壓縮機(jī)、燃料壓縮機(jī)以及啟動(dòng)燃燒室；所述方法可以包括以下步驟將壓縮空氣流從空氣壓縮機(jī)引入啟動(dòng)燃燒室；將壓縮燃料流引入啟動(dòng)燃燒室；在啟動(dòng)燃燒室中使引入啟動(dòng)燃燒室中的壓縮空氣流和壓縮燃料流燃燒，產(chǎn)生廢氣；用啟動(dòng)燃燒室的廢氣加熱燃料處理器；以及在燃料處理器達(dá)到預(yù)定溫度后，使壓縮空氣流從啟動(dòng)燃燒室轉(zhuǎn)入固體氧化物燃料電池，并使壓縮燃料流從啟動(dòng)燃燒室轉(zhuǎn)入燃料處理器。壓縮空氣流從啟動(dòng)燃燒室轉(zhuǎn)入固體氧化物燃料電池的步驟可以包括將壓縮空氣流的逐漸增加的部分從啟動(dòng)燃燒室引入到固體氧化物燃料電池，直到全部壓縮空氣流都被引入到固體氧化物燃料電池。同理，壓縮燃料流從啟動(dòng)燃燒室轉(zhuǎn)入燃料處理器的步驟可以包括將壓縮燃料流的逐漸增加的部分從啟動(dòng)燃燒室引入到燃料處理器，直到全部壓縮燃料流都被引入到燃料處理器。燃料處理器的預(yù)定溫度可以是燃料處理器的所需工作溫度。
在某些實(shí)施例中，所述方法還包括用固體氧化物燃料電池的廢氣加熱燃料處理器。在這種情況下，引入固體氧化物燃料電池的壓縮空氣流的逐漸增加的部分以第一確定速率增加，使得到全部壓縮空氣流都被引入到固體氧化物燃料電池時(shí)，第一確定速率可以使固體氧化物燃料電池的廢氣足以提供燃料處理器所用的全部熱量。同理，引入燃料處理器的壓縮燃料流的逐漸增加的部分以第二確定速率增加，使得到全部壓縮燃料流都被引入到燃料處理器時(shí)，第二確定速率可以使固體氧化物燃料電池的廢氣足以提供燃料處理器所用的全部熱量。
可以通過(guò)三通閥門在啟動(dòng)燃燒室和固體氧化物燃料電池之間引導(dǎo)壓縮空氣流?？梢酝ㄟ^(guò)啟動(dòng)閥門和流量控制閥門在啟動(dòng)燃燒室和燃料處理器之間引導(dǎo)壓縮燃料流。啟動(dòng)閥門可以包括雙通閥門，它控制提供到啟動(dòng)燃燒室的壓縮燃料流供給量。流量控制閥門可以包括雙通閥門，它控制提供到燃料處理器的壓縮燃料流供給量。
在某些實(shí)施例中，所述方法還包括使從固體氧化物燃料電池提供的未反應(yīng)的燃料和多余的空氣燃燒，以增加固體氧化物燃料電池的廢氣的熱量的步驟。在其它實(shí)施例中，所述方法還包括以下步驟從渦輪機(jī)產(chǎn)生廢氣，在渦輪機(jī)廢氣和供水之間進(jìn)行熱交換以便向燃料處理器提供蒸汽，以及在渦輪機(jī)的廢氣和壓縮燃料流之間進(jìn)行熱交換，以便向燃料處理器提供加熱的壓縮燃料流。
所述方法還可以包括用固體氧化物燃料電池的廢氣加熱燃料處理器的步驟。在這種情況下，壓縮空氣流從啟動(dòng)燃燒室轉(zhuǎn)入固體氧化物燃料電池的步驟可以包括將壓縮空氣流的逐漸增加的部分從啟動(dòng)燃燒室引入到固體氧化物燃料電池，直到固體氧化物燃料電池的廢氣足以提供燃料處理器所用的全部熱量。同理，壓縮燃料流從啟動(dòng)燃燒室轉(zhuǎn)入燃料處理器的步驟可以包括將壓縮燃料流的逐漸增加的部分從啟動(dòng)燃燒室引入到燃料處理器，直到固體氧化物燃料電池的廢氣足以提供燃料處理器所用的全部熱量。燃料處理器的預(yù)定溫度可以是燃料處理器的所需工作溫度。當(dāng)?shù)竭_(dá)固體氧化物燃料電池的廢氣足以提供燃料處理器所用的全部熱量的時(shí)刻，全部壓縮空氣流可被引入到固體氧化物燃料電池，且全部壓縮燃料流可被引入到燃料處理器。
本發(fā)明還提供綜合固體氧化物燃料電池-燃?xì)廨啓C(jī)系統(tǒng)的操作方法，所述系統(tǒng)具有固體氧化物燃料電池、燃料處理器、渦輪機(jī)、壓縮機(jī)、燃料壓縮機(jī)和啟動(dòng)燃燒室；所述方法可以包括以下步驟將壓縮空氣流從壓縮機(jī)引入啟動(dòng)燃燒室和固體氧化物燃料電池；將壓縮燃料流引入啟動(dòng)燃燒室和燃料處理器；以及用啟動(dòng)燃燒室的廢氣和固體氧化物燃料電池的廢氣加熱燃料處理器。在系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)工作期間，全部壓縮空氣流可被引入到固體氧化物燃料電池，且全部壓縮燃料流可被引入到燃料處理器。在系統(tǒng)的瞬態(tài)工作期間，可增加壓縮燃料流并可增加壓縮空氣流，將增加的壓縮燃料流部分和增加的壓縮空氣流部分都引入到啟動(dòng)燃燒室用于燃燒。
所述方法還可以包括以下步驟，即，通過(guò)渦輪機(jī)使啟動(dòng)燃燒室的廢氣和固體氧化物燃料電池的廢氣膨脹，產(chǎn)生機(jī)械能，使得在瞬態(tài)工作期間啟動(dòng)燃燒室廢氣的增加導(dǎo)致渦輪機(jī)所產(chǎn)生的機(jī)械能數(shù)量的增加?？梢园言隽康臋C(jī)械能引入到發(fā)電機(jī)?；蛘?，可以把增量的機(jī)械能引入到壓縮機(jī)，使壓縮機(jī)可以利用所述增量的機(jī)械能進(jìn)一步增加壓縮空氣流。在這種情況下，所述方法還包括以下步驟將增加的壓縮空氣流的一部分引入到固體氧化物燃料電池，利用增加的啟動(dòng)燃燒室廢氣向燃料處理器提供附加熱量，利用附加熱量來(lái)增加向固體氧化物燃料電池提供的重整燃料的供給量，并使增加的壓縮空氣流量和增加的重整燃料的供給量在固體氧化物燃料電池中起反應(yīng)。
在某些實(shí)施例中，所述方法還包括以下步驟由于向固體氧化物燃料電池提供增加的壓縮空氣流量和增加的重整燃料供應(yīng)量的緣故，產(chǎn)生了來(lái)自固體氧化物燃料電池的增加的廢氣供給量。一旦來(lái)自固體氧化物燃料電池的增加的廢氣供給量足以提供燃料處理器產(chǎn)生增加的重整燃料所用的全部熱量，就使壓縮空氣流從啟動(dòng)燃燒室轉(zhuǎn)入固體氧化物燃料電池并使壓縮燃料流從啟動(dòng)燃燒室轉(zhuǎn)入燃料處理器。在這種情況下，壓縮空氣流從啟動(dòng)燃燒室轉(zhuǎn)入固體氧化物燃料電池的步驟可以包括將壓縮空氣流的逐漸增加的部分從啟動(dòng)燃燒室引入到固體氧化物燃料電池，直到全部壓縮空氣流都被引入到固體氧化物燃料電池。同理，壓縮燃料流從啟動(dòng)燃燒室轉(zhuǎn)入燃料處理器的步驟可以包括將壓縮燃料流的逐漸增加的部分從啟動(dòng)燃燒室引入到燃料處理器，直到全部壓縮燃料流都被引入到燃料處理器。
當(dāng)結(jié)合附圖和所附權(quán)利要求書閱讀對(duì)本發(fā)明當(dāng)前實(shí)施例所作的以下詳細(xì)說(shuō)明后，本發(fā)明的這些和其它特征即可一目了然。


圖1是按照本發(fā)明實(shí)施例的綜合固體氧化物燃料電池-燃?xì)廨啓C(jī)系統(tǒng)的示意圖。
具體實(shí)施例方式
現(xiàn)參閱附圖，其中，圖1示出本發(fā)明的示范實(shí)施例，即，固體氧化物燃料電池-燃?xì)廨啓C(jī)系統(tǒng)100。本專業(yè)的技術(shù)人員會(huì)理解其它高溫燃料電池也可以使用在這種系統(tǒng)中，使用固體氧化物燃料電池僅是示范而已。固體氧化物燃料電池-燃?xì)廨啓C(jī)系統(tǒng)100的主要部件可以包括固體氧化物燃料電池102；渦輪機(jī)104；壓縮機(jī)106；發(fā)電機(jī)108；燃料處理器110；啟動(dòng)燃燒室112；壓縮空氣閥114(可以是三通閥或兩個(gè)雙通閥)；啟動(dòng)閥116；以及流量控制閥118。固體氧化物燃料電池-燃?xì)廨啓C(jī)系統(tǒng)100中也可以有其它部件以增加系統(tǒng)的整體效率，包括燃料預(yù)熱器/蒸汽發(fā)生器122、同流換熱室124和燃料電池空氣預(yù)熱器128。
一般在正常穩(wěn)態(tài)工作時(shí)，由固體氧化物燃料電池102廢氣提供的熱氣體可以通過(guò)渦輪機(jī)104膨脹。而渦輪機(jī)104又可驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)106和發(fā)電機(jī)108。壓縮機(jī)106可向固體氧化物燃料電池102提供壓縮空氣，使其可在高壓下工作。固體氧化物燃料電池102可以使提供的壓縮空氣和燃料處理器110提供的重整燃料發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)。固體氧化物燃料電池102可產(chǎn)生熱氣體廢氣。未反應(yīng)的燃料和固體氧化物燃料電池102廢氣中所含的空氣可在SOFC燃燒室126中燃燒，向廢氣提供附加的熱能。而且，在某些實(shí)施例中，在SOFC燃燒室126，可以將新鮮的燃料和空氣加到來(lái)自固體氧化物燃料電池102的未反應(yīng)的燃料和空氣中，以便在它通過(guò)SOFC燃燒室126后增加固體氧化物燃料電池102廢氣的熱量。固體氧化物燃料電池102廢氣的熱量可以用來(lái)向燃料處理器110提供熱量，用于氣態(tài)燃料例如天然氣的重整。燃料處理器110可以接收加壓的氣態(tài)燃料。當(dāng)所述循環(huán)結(jié)束時(shí)，來(lái)自固體氧化物燃料電池102的廢氣可以通過(guò)渦輪機(jī)膨脹。這樣，固體氧化物燃料電池102和渦輪機(jī)104二者都可以產(chǎn)生電功率。
在啟動(dòng)操作期間，固體氧化物燃料電池-燃?xì)廨啓C(jī)系統(tǒng)100的工作如下。啟動(dòng)閥116和流量控制閥118可以接收來(lái)自燃料進(jìn)料管129的加壓燃料。加壓燃料可通過(guò)業(yè)界通常已知的方法提供到燃料進(jìn)料管129，包括從徑向燃料壓縮機(jī)提供(未示出)。燃料可以是天然氣，或其它煤衍生燃料。例如，可以使用天然氣，石腦油，丙烷，JP-8，甲烷，汽油或其它類型的類似氣體。
在啟動(dòng)過(guò)程開始時(shí)，啟動(dòng)閥116可以開啟，使提供的壓縮燃料到達(dá)啟動(dòng)燃燒室112。流量控制閥118，在啟動(dòng)過(guò)程開始時(shí)，可以關(guān)閉，防止提供的壓縮燃料到達(dá)燃料處理器110、固體氧化物燃料電池102和氣體下游的部件。啟動(dòng)閥116和流量控制閥118可以是業(yè)界已知的任何類型的適用的市售閥門。例如，可以使用球閥、蝶閥或其它類似的閥門，在可供選擇的實(shí)施例中，單個(gè)的三通閥門可以代替啟動(dòng)閥116和流量控制閥118。
可以把提供的壓縮燃料注入到啟動(dòng)燃燒室112并且使其在啟動(dòng)燃燒室112中和提供的壓縮空氣相混合，壓縮空氣可由壓縮機(jī)106提供，以下將作詳細(xì)討論?？梢杂命c(diǎn)火器將結(jié)果混合物點(diǎn)火，發(fā)生放熱反應(yīng)，從而形成燃燒氣體熱能供給源。啟動(dòng)燃燒室112可以是業(yè)界已知的任何類型的適用的燃燒室。適用的燃燒室的可用市售實(shí)例包括低-NOx，可以使用催化或其它類似的燃燒室。然后把提供的燃燒氣體熱能從啟動(dòng)燃燒室輸送到結(jié)合點(diǎn)130，在此，啟動(dòng)燃燒室112提供的燃燒氣體熱能和固體氧化物燃料電池102提供的廢氣相結(jié)合。在啟動(dòng)過(guò)程的初始階段，并沒有熱能和固體氧化物燃料電池102提供的廢氣，因?yàn)榱髁靠刂崎y118仍然關(guān)閉(因而防止提供的燃料到達(dá)固體氧化物燃料電池102)。在固體氧化物燃料電池102提供廢氣的線路上，SOFC止回閥131可位于結(jié)合點(diǎn)130的上游。SOFC止回閥131可防止啟動(dòng)燃燒室112提供的氣體熱能回流到上游部件，包括固體氧化物燃料電池102。
可以引導(dǎo)啟動(dòng)燃燒室和固體氧化物燃料電池的組合的廢氣供應(yīng)離開結(jié)合點(diǎn)130流過(guò)燃料處理器。在燃料處理器110內(nèi)，組合氣流被引導(dǎo)通過(guò)一個(gè)或多個(gè)熱交換器，從而為燃料處理器提供熱量。燃料處理器必需從開始時(shí)的環(huán)境溫度加熱到足夠的溫度，燃料重整才可進(jìn)行。燃料處理器106一旦加熱，就可利用蒸汽重整、自動(dòng)熱重整、部分氧化重整或其它過(guò)程，將一部分燃料轉(zhuǎn)變成含氫的氣體。僅為示例，圖1示出采用蒸汽重整器的系統(tǒng)，在所述系統(tǒng)中在存在蒸汽和催化劑的情況下把氣態(tài)碳?xì)浠衔镏卣麨橹饕袣浜鸵谎趸嫉臍怏w。由燃料預(yù)熱器/蒸汽發(fā)生器122把燃料預(yù)熱并把蒸汽提供到燃料處理器110，以下詳述。業(yè)界已知的適用的燃料處理器的市售實(shí)例包括蒸汽重整器、自動(dòng)熱重整器或其它類似的處理器?？梢酝ㄟ^(guò)業(yè)界已知的熱交換方法來(lái)完成從組合的廢氣流到燃料處理器110的熱交換。
然后，來(lái)自啟動(dòng)燃燒室112的燃燒氣體熱能和固體氧化物燃料電池的廢氣的組合供給源可以從燃料處理器110退出，并被引導(dǎo)到渦輪機(jī)104。所述組合供給源通過(guò)渦輪機(jī)106膨脹，形成渦輪機(jī)動(dòng)力。業(yè)界已知的適用的渦輪機(jī)市售實(shí)例包括離心式，也可以使用軸流式或其它類似的渦輪機(jī)。渦輪機(jī)的功率又可驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)106和發(fā)電機(jī)108。發(fā)電機(jī)108可產(chǎn)生電功率，電功率由變換器132轉(zhuǎn)換成交變電流并饋入高壓電力網(wǎng)134。壓縮機(jī)106可接收由空氣饋送管135提供的空氣，產(chǎn)生壓縮空氣供給源。可以將所述提供的壓縮空氣輸送到壓縮空氣閥114。
可以在壓縮空氣閥114的上游設(shè)置同流換熱室124，以提高系統(tǒng)的整體效率。同流換熱室124可以將渦輪機(jī)104提供的廢氣熱量傳送到壓縮機(jī)106提供的壓縮空氣上。以這種方式預(yù)熱提供的壓縮空氣可以減少系統(tǒng)的燃料消耗因而提高系統(tǒng)的整體效率。壓縮空氣循環(huán)流過(guò)同流換熱室124的冷端通路并吸收循環(huán)流過(guò)熱端通路的渦輪機(jī)廢氣的熱量。這樣，如果系統(tǒng)100中有了同流換熱室124，壓縮空氣就可被加熱，以便將加熱的壓縮空氣引到壓縮空氣閥114。
在壓縮空氣閥114處(圖示為三通閥門)提供的壓縮空氣(或提供的加熱的壓縮空氣)可以被引向啟動(dòng)燃燒室112，或被引向固體氧化物燃料電池102，或?qū)⑻峁┑膲嚎s空氣分流，送入這兩個(gè)部件。在驅(qū)動(dòng)工作時(shí)，最初可以將壓縮空氣閥114設(shè)定為僅將壓縮空氣流引向啟動(dòng)燃燒室112。壓縮空氣閥114可以是業(yè)界已知的任何類型的適合的三通閥門，例如可以使用球閥或其它類似的閥門。在其它實(shí)施例中，結(jié)合點(diǎn)和兩個(gè)雙通閥門也可實(shí)現(xiàn)三通壓縮空氣閥114的功能。
這樣，可以將提供的壓縮空氣輸送到啟動(dòng)燃燒室112，在燃燒室中與提供的壓縮氣態(tài)燃料一起燃燒。如上所述，在啟動(dòng)過(guò)程的最初階段，啟動(dòng)燃燒室112的廢氣可用來(lái)加熱燃料處理器110。在啟動(dòng)過(guò)程中，壓縮空氣閥114、啟動(dòng)閥116、流量控制閥118和SOFC止回閥131可以將固體氧化物燃料電池102與空氣和燃料流隔離，也與啟動(dòng)燃燒室112廢氣的回流隔離，以保護(hù)燃料電池部件。例如，SOFC止回閥131還可防止來(lái)自啟動(dòng)燃燒室112的燃燒氣體的回流，不然，就會(huì)損壞固體氧化物燃料電池102及其部件。
隨著啟動(dòng)過(guò)程的繼續(xù)，燃料處理器110的溫度可提高到燃料重整所需的溫度。例如，蒸汽燃料處理器開始有效燃料重整的溫度大約為450℃(840°F)。達(dá)到這一點(diǎn)時(shí)，流量控制器118被打開，把提供的壓縮燃料的一部分輸送到燃料處理器110，以便開始重整。為提高系統(tǒng)的整體效率，提供的壓縮空氣首先通過(guò)燃料預(yù)熱器/蒸汽發(fā)生器122。燃料預(yù)熱器/蒸汽發(fā)生器122提供在渦輪機(jī)104的廢氣和提供的壓縮燃料之間的熱交換。然后，燃料預(yù)熱器/蒸汽發(fā)生器122提供渦輪機(jī)104的廢氣和供水之間的熱交換。應(yīng)當(dāng)指出，燃料預(yù)熱器/蒸汽發(fā)生器122可以提供以上兩項(xiàng)功能中的任一項(xiàng)或兩項(xiàng)，或者這兩項(xiàng)功能中的每一項(xiàng)由單獨(dú)的部件提供，而不是由組合的部件來(lái)提供，這可根據(jù)系統(tǒng)的配置和需要而定。水可通過(guò)供水線136提供到燃料預(yù)熱器/蒸汽發(fā)生器122以產(chǎn)生蒸汽，然后蒸汽被提供到燃料處理器110，對(duì)所提供的壓縮燃料進(jìn)行蒸汽重整。在可供選擇的實(shí)施例中，可以采用其它類型的燃料重整，這樣就不需要蒸汽了。在燃料預(yù)熱器/蒸汽發(fā)生器122中渦輪機(jī)104的廢氣和壓縮燃料/供水之間的熱交換可以用業(yè)界已知的熱交換方法實(shí)現(xiàn)。在渦輪機(jī)104的廢氣從燃料預(yù)熱器/蒸汽發(fā)生器122中退出后，所述廢氣可以通過(guò)系統(tǒng)排氣管137排出系統(tǒng)100。
所提供的壓縮燃料然后在燃料處理器110中重整，如上述，產(chǎn)生含氫氣體，所提供的重整燃料由燃料處理器110提供到固體氧化物燃料電池102。如上所述，還可通過(guò)壓縮空氣閥114向固體氧化物燃料電池102提供壓縮空氣流。當(dāng)流量控制閥118開啟，使得所提供的重整燃料提供到固體氧化物燃料電池102時(shí)，可開啟壓縮空氣閥114，使足夠的壓縮空氣也提供到固體氧化物燃料電池102，使所提供的重整燃料進(jìn)行電化學(xué)反應(yīng)。為提高系統(tǒng)的整體效率，提供到固體氧化物燃料電池102的壓縮空氣可用燃料電池空氣預(yù)熱器128加熱。燃料電池空氣預(yù)熱器128可以接收固體氧化物燃料電池102廢氣的熱量，以下詳述。
在固體氧化物燃料電池102內(nèi)部，重整燃料和所提供的壓縮空氣按業(yè)界已知的方法發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生電能。例如，固體氧化物燃料電池102可以包括多孔空氣電極、電解液和燃料電極?？梢詫⑺峁┑膲嚎s空氣引入到空氣電極(或陰極)，所述空氣電極例如可用摻鍶亞錳酸鑭制成。電解液可由氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯制成，覆蓋空氣電極的整個(gè)有效長(zhǎng)度，僅留一窄條。這一窄條空氣電極可由形成電池互連的摻鎂亞鉻酸鑭氣密層覆蓋。重整燃料引入到燃料電極(又稱為陽(yáng)極)，所述燃料電極可由鎳-氧化鋯金屬陶瓷制成，并覆蓋電解液，但互連區(qū)域除外。適用的固體氧化物燃料電池的實(shí)例在美國(guó)專利No.4,490,444(Isenberg)；4,547,437((Isenberg等人)；4,597,170(Isenberg)和4,728,584(Isenberg)中已公開，以上各專利全文均已作為參考包括在本文內(nèi)。適用的固體氧化物燃料電池的市售實(shí)例包括管狀和平面形，其它類似的固體氧化物燃料電池也可以使用。
這樣，重整燃料可到達(dá)陽(yáng)極，在此它與來(lái)自電解液的氧離子發(fā)生反應(yīng)，向外部電路釋放出電子。在燃料電池的另一側(cè)，可以將空氣饋入陰極，在此，它通過(guò)接收來(lái)自外部電路的電子而向電解液提供氧離子。電解液在電極之間傳導(dǎo)這些離子，維持整體的電荷平衡。外部電路中的電子流可以提供有用的電能。固體氧化物燃料電池可以設(shè)置成陣列，使每個(gè)電池與鄰近的燃料電池電連接?？梢詫⒔Y(jié)果直流電流饋入第二變換器138，在此轉(zhuǎn)換成交流電流并饋入高壓電力網(wǎng)134。
固體氧化物燃料電池102通常具有穩(wěn)態(tài)工作溫度范圍，大約在650到1000℃(1200到1832°F)。為了達(dá)到其穩(wěn)態(tài)工作溫度，固體氧化物燃料電池102，在啟動(dòng)操作期間，可接收來(lái)自燃料處理器的重整燃料流的熱量、來(lái)自燃料電池空氣預(yù)熱器128和/或同流換熱室124的加熱壓縮空氣流的熱量以及在其中進(jìn)行的放熱電化學(xué)反應(yīng)所產(chǎn)生的熱量。
在固體氧化物燃料電池102陽(yáng)極側(cè)的電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)物包括CO2、H2O和未反應(yīng)的氣態(tài)燃料。通常未反應(yīng)的氣態(tài)燃料也留在陽(yáng)極的反應(yīng)產(chǎn)物中，因?yàn)槿剂咸幚砥?10中的重整過(guò)程一般不會(huì)重整全部所提供的燃料。而且，固體氧化物燃料電池102一般不會(huì)使提供到陽(yáng)極側(cè)的全部燃料發(fā)生反應(yīng)。所以，將所提供的陽(yáng)極反應(yīng)產(chǎn)物140提供到SOFC燃燒室126。應(yīng)當(dāng)指出，在其它實(shí)施例中，部分未反應(yīng)的氣態(tài)燃料可以用產(chǎn)物水在內(nèi)部進(jìn)一步重整，產(chǎn)生更多的電能。陰極側(cè)的產(chǎn)物包括多余的空氣，因?yàn)楣腆w氧化物燃料電池102一般不會(huì)使提供到陰極側(cè)的全部空氣發(fā)生反應(yīng)。將所提供的陰極反應(yīng)產(chǎn)物142也提供到SOFC燃燒室126。所提供的陽(yáng)極反應(yīng)產(chǎn)物140和所提供的陰極反應(yīng)產(chǎn)物142在SOFC燃燒室126內(nèi)結(jié)合，在此多余的熱空氣用來(lái)燃燒未反應(yīng)的氣態(tài)燃料，從而提高了固體氧化物燃料電池102的廢氣的溫度。在可供選擇的實(shí)施例中，可以使SOFC燃燒室126處在固體氧化物燃料電池102的內(nèi)部。
在固體氧化物燃料電池102的廢氣(從SOFC燃燒室126排出后)可以饋入燃料電池空氣預(yù)熱器128，和壓縮機(jī)106提供的壓縮空氣進(jìn)行熱交換。這種熱交換可以用業(yè)界已知的方法和系統(tǒng)完成。這樣，提供到固體氧化物燃料電池102的壓縮空氣可以通過(guò)SOFC燃燒室126由固體氧化物燃料電池102的廢氣加熱。固體氧化物燃料電池102的廢氣從燃料電池空氣預(yù)熱器128排出，通過(guò)SOFC止回閥131，到達(dá)結(jié)合點(diǎn)130，并與啟動(dòng)燃燒室112的廢氣結(jié)合，如上述。啟動(dòng)燃燒室112和SOFC燃燒室126的組合廢氣可以用來(lái)將燃料處理器110加熱到其所需溫度，然后組合廢氣再導(dǎo)入渦輪機(jī)104中，在此廢氣膨脹，產(chǎn)生渦輪機(jī)動(dòng)力。應(yīng)當(dāng)指出，在可供選擇的實(shí)施例中，固體氧化物燃料電池102的廢氣和啟動(dòng)燃燒室112的廢氣可以不相結(jié)合，而是單獨(dú)提供到燃料處理器110和/或渦輪機(jī)104。
啟動(dòng)過(guò)程可以以確定的速率繼續(xù)進(jìn)行，其中可以這樣控制啟動(dòng)閥116和流量控制閥118的設(shè)定值，以便把更多的壓縮燃料引向固體氧化物燃料電池102(通過(guò)燃料處理器110)而離開啟動(dòng)燃燒室112。由于提供的壓縮燃料是以這種方式引入的，所以可以將壓縮空氣閥114的設(shè)定值控制為能夠滿足固體氧化物燃料電池102對(duì)壓縮空氣增加的需求以及啟動(dòng)燃燒室112處對(duì)壓縮空氣減少的需求。這樣，隨著啟動(dòng)過(guò)程繼續(xù)進(jìn)行，更多所提供的壓縮空氣被導(dǎo)向固體氧化物燃料電池102。當(dāng)達(dá)到固體氧化物燃料電池-燃?xì)廨啓C(jī)系統(tǒng)100的穩(wěn)態(tài)情況時(shí)，可以把系統(tǒng)閥門(流量控制閥118、啟動(dòng)閥116和壓縮空氣閥114)的設(shè)定值控制為維持所需情況。
在某些實(shí)施例中，當(dāng)固體氧化物燃料電池102/SOFC燃燒室126的廢氣足以提供燃料處理器110繼續(xù)進(jìn)行必要的燃料重整所需的熱量時(shí)，即可產(chǎn)生所需的穩(wěn)態(tài)情況。所以，壓縮空氣流從啟動(dòng)燃燒室112轉(zhuǎn)移到固體氧化物燃料電池102的速率是一個(gè)確定的漸變速率，使得當(dāng)全部壓縮空氣都導(dǎo)入固體氧化物燃料電池102時(shí)，固體氧化物燃料電池102的廢氣足以向燃料處理器110提供必需的熱量。同理，壓縮燃料流從啟動(dòng)燃燒室112轉(zhuǎn)移到燃料處理器110的速率也是一個(gè)確定的漸變速率，使得當(dāng)全部壓縮燃料都導(dǎo)入燃料處理器110時(shí)，固體氧化物燃料電池102的廢氣足以向燃料處理器110提供必需的熱量。在可供選擇的實(shí)施例中，穩(wěn)態(tài)工作狀態(tài)可以在以下情況獲得即，在全部壓縮空氣導(dǎo)入固體氧化物燃料電池102之前或全部壓縮燃料都導(dǎo)入燃料處理器110之前，固體氧化物燃料電池102的廢氣就足以加熱燃料處理器110。在這種情況下，啟動(dòng)閥116可以設(shè)定為關(guān)閉位置，從而停止在啟動(dòng)燃燒室112中的燃燒和廢氣流的排出。流量控制閥114可以設(shè)定為開啟位置，以使全部提供的壓縮空氣都導(dǎo)入燃料處理器110，繼而到固體氧化物燃料電池102。壓縮空氣閥114可以設(shè)定為將全部所提供的壓縮空氣都導(dǎo)入固體氧化物燃料電池102。如上述，固體氧化物燃料電池102/SOFC燃燒室126的廢氣可向燃料處理器110提供全部必需的熱量并可提供所需的氣體熱能流，在渦輪機(jī)104中膨脹，以產(chǎn)生必需的渦輪機(jī)動(dòng)力。
在其它實(shí)施例中，系統(tǒng)閥門(流量控制閥118、啟動(dòng)閥116和壓縮空氣閥114)以及啟動(dòng)燃燒室112可以控制成更有效地完成系統(tǒng)瞬態(tài)工作或提高系統(tǒng)能力以滿足對(duì)動(dòng)力需求的快速增加。例如，可能需要固體氧化物燃料電池-燃?xì)廨啓C(jī)系統(tǒng)100增加來(lái)自穩(wěn)態(tài)工作狀態(tài)的發(fā)電。如上述，穩(wěn)態(tài)工作狀態(tài)就是指啟動(dòng)燃燒室112已停止工作，假定這就是此實(shí)例的情況。于是，為了滿足新的需求，提供的壓縮空氣就需增加。通過(guò)將渦輪機(jī)動(dòng)力從發(fā)電機(jī)108轉(zhuǎn)移到壓縮機(jī)106也可增加所提供的壓縮空氣。穩(wěn)態(tài)工作時(shí)關(guān)閉的啟動(dòng)閥116可以開啟，以接收部分增加的壓縮燃料流。壓縮空氣閥114也可控制為將適當(dāng)?shù)膲嚎s空氣流導(dǎo)入啟動(dòng)燃燒室112。啟動(dòng)燃燒室112燃燒其提供的壓縮燃料，從而增加了燃料處理器110的組合流量并向燃料處理器110提供附加的熱量。附加的熱量可以使燃料處理器110中具有更大的燃料重整能力，從而有附加的氣體能量在渦輪機(jī)104中膨脹。來(lái)自渦輪機(jī)104的結(jié)果附加動(dòng)力可用來(lái)向固體氧化物燃料電池102提供額外的空氣流，當(dāng)其與增加的壓縮空氣流且和增加的重整燃料流相結(jié)合時(shí)，就可用來(lái)在固體氧化物燃料電池102中產(chǎn)生更多的電力。渦輪機(jī)104中的結(jié)果附加功率又可用來(lái)增加發(fā)電機(jī)108的發(fā)電量。
這樣，通過(guò)利用啟動(dòng)燃燒室112來(lái)增加向固體氧化物燃料電也102所提供的壓縮空氣和重整燃料，從而增加固體氧化物燃料電池102的電能輸出，就可滿足對(duì)增加電能的需求。在這種情況下，一旦達(dá)到了固體氧化物燃料電池102電能輸出的增加水平，啟動(dòng)燃燒室112可再次關(guān)閉，固體氧化物燃料電池102的廢氣量就足以提供必要數(shù)量的壓縮空氣和重整燃料來(lái)保持新的輸出水平?；蛘?，通過(guò)利用啟動(dòng)燃燒室112來(lái)增加向渦輪機(jī)104所提供的氣體熱能，從而增加渦輪機(jī)動(dòng)力，就可滿足對(duì)增加電能的需求。增加的渦輪機(jī)動(dòng)力可引導(dǎo)到發(fā)電機(jī)108以增加發(fā)電量。在這種情況下，可以通過(guò)結(jié)合啟動(dòng)燃燒室112來(lái)提高峰值系統(tǒng)發(fā)電能力。
所以，以上僅說(shuō)明了本發(fā)明的原理。對(duì)本發(fā)明的特征和各方面僅用實(shí)例的方式加以說(shuō)明，所以不應(yīng)理解為是本發(fā)明的必需或基本組成。顯然，上述說(shuō)明僅涉及本發(fā)明的某些示范實(shí)施例，且可對(duì)它們進(jìn)行許多更改和添加，而不背離如所附權(quán)利要求書所定義的本發(fā)明的精神和范圍。
權(quán)利要求
1.一種綜合燃料電池-燃?xì)廨啓C(jī)系統(tǒng)(100)，它具有燃料電池、空氣壓縮機(jī)(106)、燃料處理器(110)，所述系統(tǒng)包括啟動(dòng)燃燒室(112)，所述啟動(dòng)燃燒室(112)產(chǎn)生廢氣；第一控制裝置，用于將壓縮空氣流從所述空氣壓縮機(jī)(106)引導(dǎo)到所述啟動(dòng)燃燒室(112)和所述燃料電池；以及第二控制裝置，用于將壓縮燃料流引導(dǎo)到所述啟動(dòng)燃燒室(112)和燃料處理器(110)；所述第一控制裝置和所述第二控制裝置這樣控制向所述啟動(dòng)燃燒室(112)提供的所述壓縮空氣流和所述壓縮燃料流的供給量，使得在將所述壓縮燃料流提供到所述燃料處理器(110)以及將所述壓縮空氣流提供到所述燃料電池之前所述啟動(dòng)燃燒室(112)的所述廢氣將所述燃料處理器(110)加熱到預(yù)定溫度。
2.如權(quán)利要求1所述的綜合燃料電池-燃?xì)廨啓C(jī)系統(tǒng)(100)，其中所述燃料電池包括固體氧化物燃料電池(102)。
3.如權(quán)利要求2所述的綜合燃料電池-燃?xì)廨啓C(jī)系統(tǒng)(100)，其中，所述第一控制裝置最初將全部所述壓縮空氣流引導(dǎo)到所述啟動(dòng)燃燒室(112)，所述第二控制裝置最初將全部所述壓縮燃料流引導(dǎo)到所述啟動(dòng)燃燒室(112)，以及在所述燃料處理器(110)達(dá)到所述預(yù)定溫度時(shí)，所述第一控制裝置將逐漸增加的所述壓縮空氣流部分引導(dǎo)到所述固體氧化物燃料電池(102)，直到全部所述壓縮空氣流都被輸送到所述固體氧化物燃料電池(102)為止，并且所述第二控制裝置將逐漸增加的所述壓縮燃料流部分引導(dǎo)到所述燃料處理器(110)，直到全部所述壓縮燃料流都輸送到所述燃料處理器(110)為止。
4.如權(quán)利要求3所述的綜合燃料電池-燃?xì)廨啓C(jī)系統(tǒng)(100)，其中所述預(yù)定溫度包括所述燃料處理器(110)的所需工作溫度。
5.如權(quán)利要求3所述的綜合燃料電池-燃?xì)廨啓C(jī)系統(tǒng)(100)，其中所述第二控制裝置包括啟動(dòng)閥(116)和流量控制閥(118)，所述啟動(dòng)閥(116)包括雙通閥，它控制提供到所述啟動(dòng)燃燒室(112)的所述壓縮燃料流的供給量；并且所述流量控制閥(118)包括雙通閥，它控制提供到所述燃料處理器(110)的所述壓縮燃料流的供給量。
6.如權(quán)利要求2所述的綜合燃料電池-燃?xì)廨啓C(jī)系統(tǒng)(100)，其中所述固體氧化物燃料電池(102)產(chǎn)生廢氣，所述固體氧化物燃料電池(102)的所述廢氣向所述燃料處理器(110)提供熱量；以及其中引入所述固體氧化物燃料電池(102)的所述壓縮空氣流的逐漸增加的部分以第一確定速率增加，使得到全部所述壓縮空氣流都被引入到所述固體氧化物燃料電池(102)時(shí)，所述第一確定速率使所述固體氧化物燃料電池(102)的所述廢氣足以提供所述燃料處理器(110)所用的全部熱量。
7.如權(quán)利要求6所述的綜合燃料電池-燃?xì)廨啓C(jī)系統(tǒng)(100)，其中引入所述燃料處理器(110)的所述壓縮燃料流的逐漸增加的部分以第二確定速率增加，使得到全部所述壓縮燃料流都被引入到所述燃料處理器(110)時(shí)，所述第二確定速率使所述固體氧化物燃料電池(102)的所述廢氣足以提供所述燃料處理器(110)所用的全部熱量。
8.如權(quán)利要求7所述的綜合燃料電池-燃?xì)廨啓C(jī)系統(tǒng)(100)，其中還包括SOFC燃燒室(126)，其中所述SOFC燃燒室(126)從所述固體氧化物燃料電池(102)接收所提供的未反應(yīng)的燃料和多余的空氣；其中所述所述SOFC燃燒室(126)使所述未反應(yīng)的燃料和所述多余空氣燃燒，以增加所述固體氧化物燃料電池(102)的所述廢氣的熱量。
9.如權(quán)利要求2所述的綜合燃料電池-燃?xì)廨啓C(jī)系統(tǒng)(100)，其中當(dāng)所述燃料處理器(110)達(dá)到所述預(yù)定溫度時(shí)，所述第一控制裝置將所述壓縮空氣流的逐漸增加的部分引入到所述固體氧化物燃料電池(102)，并且所述第二控制裝置將所述壓縮燃料流的逐漸增加的部分引入到所述燃料處理器(110)，直到所述固體氧化物燃料電池(102)的所述的廢氣足以提供所述燃料處理器(110)所用的全部熱量為止。
10.如權(quán)利要求9所述的綜合燃料電池-燃?xì)廨啓C(jī)系統(tǒng)(100)，其中，一旦到達(dá)所述固體氧化物燃料電池(102)的所述廢氣足以提供所述燃料處理器(110)所用的全部熱量的時(shí)刻，所述第一控制裝置將全部所述壓縮空氣流引入到所述固體氧化物燃料電池(102)，并且所述第二控制裝置將全部所述壓縮燃料流引入到所述燃料處理器(110)。
全文摘要
本發(fā)明提供一種綜合固體氧化物燃料電池－燃?xì)廨啓C(jī)系統(tǒng)(100)，它可以包括固體氧化物燃料電池(102)；空氣壓縮機(jī)(106)；燃料處理器(110)；產(chǎn)生廢氣的啟動(dòng)燃燒室(112)；第一控制裝置，用以將壓縮空氣流從空氣壓縮機(jī)(106)引導(dǎo)到啟動(dòng)燃燒室(112)和固體氧化物燃料電池(102)；以及第二控制裝置，用于將壓縮燃料流引導(dǎo)到啟動(dòng)燃燒室(112)和燃料處理器(110)。第一控制裝置和第二控制裝置可以這樣控制向啟動(dòng)燃燒室(112)提供的壓縮空氣流和壓縮燃料流，使得在將壓縮燃料流提供到燃料處理器(110)以及將壓縮空氣流提供到固體氧化物燃料電池之前啟動(dòng)燃燒室(112)的廢氣將燃料處理器(110)加熱到預(yù)定溫度。
文檔編號(hào)F02C1/00GK1674335SQ20051006373
公開日2005年9月28日 申請(qǐng)日期2005年3月24日 優(yōu)先權(quán)日2004年3月24日
發(fā)明者P·索科洛夫, J·費(fèi)拉爾, T·坎貝爾 申請(qǐng)人:通用電氣公司