專利名稱：高效燃料電池系統(tǒng)的制作方法
背景技術：
本發(fā)明涉及燃料電池系統(tǒng)和，特別地涉及具有高效率的燃料電池系統(tǒng)。
近來燃料電池系統(tǒng)的設計人員已經(jīng)通過結(jié)合燃料電池和渦輪發(fā)電機，進行嘗試以開發(fā)高效率系統(tǒng)。這些所謂的混合系統(tǒng)典型地將燃料電池置于正常由渦輪發(fā)電機的燃燒器占據(jù)的位置。將空氣由渦輪發(fā)電機壓縮機部分壓縮，加熱和然后送到燃料電池陰極部分。依次，向燃料電池的陽極部分提供加壓的燃料。
采用這種配置，燃料電池和渦輪發(fā)電機兩者都產(chǎn)生電。更特別地，在壓力下操作的燃料電池電化學地轉(zhuǎn)化加壓的燃料和氧化劑氣體，以產(chǎn)生電和加壓煙道氣。然后在渦輪發(fā)電機膨脹部分中膨脹后者氣體以產(chǎn)生更多的電。
以上混合系統(tǒng)盡管提供了效率，但也具有許多缺點。一個缺點在于燃料電池在壓力下操作。對于高溫燃料電池，這樣顯著地增加了發(fā)電廠硬件的成本。它也抑制了燃料電池中內(nèi)部轉(zhuǎn)變的使用。這樣進一步增加了工廠成本和降低了效率。最后，它使燃料電池承受潛在的損害性壓差。
另一個缺點在于渦輪發(fā)電機必須在燃料電池的壓力范圍以內(nèi)操作。此壓力范圍可能不會導致對于渦輪的最有效壓力比。進一步的缺點在于燃料電池不能在沒有渦輪發(fā)電機的情況下操作和渦輪發(fā)電機不能在沒有燃料電池的情況下操作。燃料電池和渦輪發(fā)電機的這樣對彼此的總體依賴性降低了系統(tǒng)的可靠性。
已經(jīng)建議了另一種混合系統(tǒng)，其中在環(huán)境壓力下提供燃料，允許內(nèi)部轉(zhuǎn)變或直接燃料電池的使用。在此系統(tǒng)中，將來自燃料的廢熱轉(zhuǎn)移到點火的渦輪發(fā)電機(Brayton)循環(huán)。
更特別地，在燃燒爐中燃燒來自燃料電池陽極部分的陽極排氣和一部分(50％)由渦輪發(fā)電機膨脹部分產(chǎn)生的低壓氧化劑氣體。燃料爐的輸出氧化劑氣體處于高溫下(2000°F)和通過適于在高溫下操作的換熱器。然后將來自換熱器在更低中間溫度(1250°F)下的冷卻氣體，由鼓風機攜帶和與由渦輪發(fā)電機膨脹部分產(chǎn)生的其它部分(50％)的氧化劑氣體結(jié)合。然后將在低壓(15psia)下的結(jié)合氣體輸入到燃料電池的陰極部分。
在上述系統(tǒng)中，渦輪機的壓縮機部分將空氣壓縮到高的壓力(360psia)，和然后將獲得的加壓氣體送到高溫換熱器和加熱到高溫。在另一個燃燒爐中，采用少部分(5％)燃料氣體燃燒加熱和壓縮的空氣流，和將燃燒爐輸出(在2000°F下)通過燃氣輪機的膨脹部分輸送。這樣導致冷卻器(720°F)，被解壓，但仍然是加壓的，如上所述，使用輸出氧化劑氣體以開發(fā)用于燃料電池陰極部分的氧化劑氣體。
同樣，在以上系統(tǒng)中，將來自燃料電池陰極部分的排氣送到熱回收蒸汽發(fā)生器。后者的發(fā)生器從氣體流中回收熱量，以開發(fā)出被送到汽輪機的蒸汽。
如可以理解的那樣，上述系統(tǒng)要求使用非常高溫度的換熱器，它尚需全面開發(fā)。這樣結(jié)合了系統(tǒng)的復雜性，即鼓風機、循環(huán)物流和兩個渦輪機的使用，降低了系統(tǒng)作為有市場競爭力的混合系統(tǒng)的吸引力。
因此本發(fā)明的目的是提供上述混合類型的燃料電池系統(tǒng)，它避免了現(xiàn)有系統(tǒng)的缺點。
本發(fā)明的進一步的目的是提供混合類型的燃料電池系統(tǒng)，與現(xiàn)有系統(tǒng)相比，它較不復雜和更為有效。
本發(fā)明的仍然進一步的目的是提供混合類型的燃料電池系統(tǒng)，它實現(xiàn)了上述目的和允許使用高溫燃料電池。
發(fā)明概述根據(jù)本發(fā)明的原理，在一種燃料電池系統(tǒng)中實現(xiàn)上述和其它目的，其中采用具有陽極和陰極部分的高溫燃料電池和具有壓縮機和膨脹循環(huán)的熱機。更特別地，根據(jù)本發(fā)明，熱回收單元接收來自各自燃料和水供料的燃料和水，和也接收來自燃料電池陰極部分的陰極排氣。來自熱回收單元的輸出物流包含加熱的燃料和用作燃料電池陽極部分的燃料供應。
熱回收單元也用作從熱機的壓縮機循環(huán)提供的加壓氧化劑氣體的換熱器，該熱機接收空氣。在被熱機的膨脹循環(huán)作用之前，加熱的加壓氧化劑氣體通過換熱器，在此它被進一步加熱。在此循環(huán)中，將氣體膨脹到低壓和送到氧化器，其也接收來自燃料電池陽極部分的排氣。
將氧化器的輸出氣體通過換熱器和將熱量傳遞給通過其間來自熱機壓縮機循環(huán)的加壓氣體。然后將冷卻的氣體送到燃料電池的陰極部分，作為陰極原料氣體。
采用混合系統(tǒng)的這種配置，顯著降低了系統(tǒng)的復雜程度。同時，換熱操作可以在常規(guī)設備可行的溫度下進行。同樣，不需要燃料氣體的加壓，和僅在由于熱機引起的加壓下提供氧化劑氣體。以下更詳細地討論系統(tǒng)的這些和其它優(yōu)點。
附圖簡述通過閱讀以下的詳細描述，結(jié)合附圖，本發(fā)明的上述和其它特點將變得更為顯然的，其中

圖1顯示根據(jù)本發(fā)明原理的混合類型的燃料電池系統(tǒng)。
詳細描述圖1顯示根據(jù)本發(fā)明原理的混合燃料電池系統(tǒng)1。系統(tǒng)1包括高溫燃料電池2，該高溫燃料電池具有陽極部分2A和陰極部分2B。如圖所示，高溫燃料電池2是內(nèi)部轉(zhuǎn)變或直接碳酸鹽燃料電池。然而，也可以采用外部轉(zhuǎn)變碳酸鹽燃料電池。另外，可以使用其它類型的高溫燃料電池，例如內(nèi)部或外部轉(zhuǎn)變固體氧化物燃料電池。
混合系統(tǒng)1也包括熱機3，圖示為渦輪發(fā)電機，含有用于進行氣體壓縮循環(huán)的氣體壓縮機部分3A和用于氣體膨脹循環(huán)的氣體解壓或膨脹部分3B。考慮到壓縮氣體的除去或氣體向膨脹部分的再引入，典型的熱機可以是合適尺寸化的燃氣輪機。也可以采用其它熱機，如Sterling循環(huán)發(fā)動機。
熱回收單元4接收來自各自燃料和水供料(未示出)的燃料和水。燃料在接近環(huán)境壓力下提供。同樣提供到熱回收單元4的是來自燃料電池2的陰極部分2B的加熱(大約1150-1200°F)排氣。此氣體包括未使用的氧化劑氣體以及燃燒的產(chǎn)物(即二氧化碳和水)。
在熱回收單元4中，將水加熱到產(chǎn)生蒸汽的點，同時將燃料加熱到適于進入燃料電池陽極部分的溫度(900-1000°F)。然后將蒸汽和加熱的燃料作為燃料電池陽極部分2A的輸入物流輸送。在燃料電池的此部分，燃料和蒸汽進行內(nèi)部轉(zhuǎn)變以產(chǎn)生用于燃料電池2的氫氣。
熱回收單元4也作為提供到燃料電池陰極部分2B的氧化劑的換熱器。將引入到熱機3的壓縮機部分3A的空氣加壓(至多250psia)和通過熱回收單元4和加熱(1000-1100°F)。然后將加熱的空氣轉(zhuǎn)移到另一個換熱器6且進一步加熱(1500-1600°F)。然后將加熱的加壓氧化劑通過熱機3的膨脹部分3B，在此它膨脹到低的壓力(大約15.5psia)。
然后將膨脹的氣體送到氧化器7，它也接收來自燃料電池2的陽極部分2A的排氣。該排氣包含未使用的氧化劑和燃燒的產(chǎn)物(即二氧化碳和水)。通過經(jīng)過換熱器6，將來自氧化器的輸出物流(1000-1100°F)冷卻到適于作為氧化劑氣體進入燃料電池2的陰極部分2B的溫度。
如可以理解的那樣，混合系統(tǒng)1是在采用高溫燃料電池2的系統(tǒng)中，實現(xiàn)高效率的簡化系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用用于陽極燃料物流的接近環(huán)境的壓力和用于陰極氣體物流的相對低的壓力，后者僅通過熱機3的作用達到。同樣，已經(jīng)將換熱器溫度置于在常規(guī)高溫換熱設備范圍內(nèi)的溫度。
熱機循環(huán)不點火和通過使用來自燃料電池的廢熱達到。由于所有的初級燃料消耗是在燃料電池2中，它是系統(tǒng)的更有效組件，這樣產(chǎn)生了最高的效率。同樣，如上所述，因為不需要陰極和陽極循環(huán)，所以不使用氣體循環(huán)鼓風機。采用用于燃料的正常氣體壓力和用于空氣的熱機壓縮機部分，實現(xiàn)氣體供應。不需要將提供的燃料氣體加壓到大于大約15psia，它對于位置遠離加壓氣體管線的發(fā)電廠系統(tǒng)是有利的。由于燃料電池氣體并不需要在高壓下提供，所以燃料可包括較大范圍的燃料，它們在接近環(huán)境壓力下提供。典型的燃料可以是堆土廢氣、生物團氣體和分布系統(tǒng)中的天然氣。
也達到高效率，而不使用另外的蒸汽裝底循環(huán)(bottomingcycle)。這樣消除了高壓鍋爐的需要以及涉及高壓鍋爐無人操作的考慮。
最后，燃料系統(tǒng)2和渦輪發(fā)電機3足夠彼此獨立，以允許一個在沒有另一個的情況下操作。這樣允許獨立于燃料壓力考慮而設定渦輪機的壓力比。這樣使得混合系統(tǒng)更具適應性和更為可靠。
已經(jīng)使用某些工業(yè)產(chǎn)品假定(即裝置額定在20MW，內(nèi)部轉(zhuǎn)變碳酸鹽燃料電池，以及軸向燃氣輪機)，在混合系統(tǒng)1上進行系統(tǒng)分析，導致以下預計用于系統(tǒng)的操作特征燃料電池DC功率17.62MWAC總功率 17.21MWAC凈功率 17.00MW渦輪機壓縮機功率5.84MW膨脹器輸出9.32MW凈輸出3.48MW總裝置輸出20.41MW總LHV效率 71.07％在所有的情況下，理解上述布置僅是許多可能的特定實施方案的說明例，它們代表本發(fā)明的應用。根據(jù)本發(fā)明的原理，而不背離本發(fā)明的精神和范圍，可以容易地設計出許多和可變的其它布置。因此，例如，盡管熱機3被示為未點火的渦輪發(fā)電機，可以在渦輪機中(或在間接點火的配置中)提供燃燒器，以允許渦輪機的獨立操作。這可用于代替用于燃料電池的通常啟動燃燒器。盡管燃料電池在恒定功能下操作，熱機也可用于裝載跟蹤采用的貯存動能。由于燃料電池和熱機的分離配置，這樣是可能的。同樣，如前所述，可以在系統(tǒng)中使用所有類型的高溫燃料電池。
權(quán)利要求
1.一種混合燃料電池系統(tǒng)，包括具有陽極部分和陰極部分的高溫燃料電池；具有壓縮機循環(huán)和膨脹循環(huán)的熱機，該壓縮機循環(huán)壓縮氧化劑原料氣體；熱回收單元，用于接收來自該燃料電池的陰極部分的廢氣，燃料和水，以產(chǎn)生用于該燃料電池的陽極部分的燃料，該熱回收單元向該壓縮的氧化劑氣體提供熱量；換熱器，用于向來自氧化器輸出的該加熱的壓縮氧化劑氣體提供另外的熱量，該氧化器輸出用作該燃料電池的陰極部分的氧化劑氣體輸入；在該換熱器中進一步加熱之后，加熱的壓縮氧化劑氣體在該熱機的膨脹循環(huán)中膨脹，以提供膨脹的氧化劑氣體和產(chǎn)生用于在發(fā)生器中轉(zhuǎn)化成電能的機械能；氧化器，用于接收來自該燃料電池的陽極部分的該膨脹的氧化劑氣體和排氣，以產(chǎn)生該氧化器的該輸出。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的混合燃料電池系統(tǒng)，其中該熱機包括渦輪發(fā)電機，該渦輪發(fā)電機具有壓縮機部分和膨脹部分，壓縮機部分用于接收該氧化劑原料氣體和進行該壓縮機循環(huán)，膨脹部分用于接收該進一步加熱的壓縮氧化劑氣體和進行該膨脹循環(huán)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的混合燃料電池系統(tǒng)，其中該燃料電池是內(nèi)部轉(zhuǎn)變?nèi)剂想姵亍?br> 4.根據(jù)權(quán)利要求3的混合燃料電池系統(tǒng)，其中該燃料電池是碳酸鹽燃料電池。
5.根據(jù)權(quán)利要求4的混合燃料電池系統(tǒng)，其中該燃料在接近環(huán)境壓力下提供。
6.根據(jù)權(quán)利要求1的混合燃料電池系統(tǒng)，其中該燃料電池是外部轉(zhuǎn)變?nèi)剂想姵睾蛢?nèi)部轉(zhuǎn)變?nèi)剂想姵刂弧?br> 7.根據(jù)權(quán)利要求6的混合燃料電池系統(tǒng)，其中該燃料電池是碳酸鹽燃料電池和固體氧化物燃料電池之一。
全文摘要
一種混合燃料電池系統(tǒng)，其中采用燃料電池(2)和熱機(3)。使用來自燃料電池的廢熱點燃熱機循環(huán)，和配置系統(tǒng)使得可以在系統(tǒng)中使用高溫燃料電池和常規(guī)的換熱設備。另外，該配置允許燃料電池(2)和熱機(3)的獨立操作。
文檔編號H01M8/00GK1402890SQ00816543
公開日2003年3月12日 申請日期2000年10月24日 優(yōu)先權(quán)日1999年12月2日
發(fā)明者H·格澤爾－阿亞格, A·J·利奧, R·A·桑德森 申請人:燃料電池能有限公司