固体氧化物燃料电池系统的制作方法
【技术领域】
[0001]本公开大体涉及联合循环燃料电池系统，并且更具体地涉及高效率固体氧化物燃料电池(SOFC)系统，其实现了比使用常规联合系统可获得的高的燃料电池转换效率。
【背景技术】
[0002]燃料电池是电化学能量转换装置，该装置已经证明了在功率生成中相对高的效率和低污染的潜能。燃料电池通常提供直流电流(dc)，其可借助例如变换器而转换为交流电流(ac)。dc或ac电压可用于为马达、灯、通信设备和任意数量的电气装置和系统供能。燃料电池可在固定、半固定或便携应用中操作。某些燃料电池(例如固体氧化物燃料电池(SOFC))可在提供电来满足工业和市政需求的大规模动力系统中操作。其他可用于更小的便携应用(例如为汽车供能)。
[0003]燃料电池通过跨过离子传导层电化学地结合燃料和氧化剂来产生电流。还标为燃料电池的电解质的该离子传导层可为液体或固体。常用类型的燃料电池包括磷酸(PAFC)、熔融碳酸盐(MCFC)、质子交换膜(PEMFC)和固体氧化物(SOFC)，它们通常按照它们的电解质来命名。实际上，燃料电池典型地电串联地积聚在燃料电池的组件中，以产生处于有用的电压或电流的功率。
[0004]通常，燃料电池的构件包括电解质和两个电极。产生电流的反应通常发生在电极处，催化剂典型地布置在电极处以加速反应。电极可构造成通道、多孔层等，以增大用于发生化学反应的表面区域。电解质承载从一个电极至另一个的带电粒子，并且另外不能渗透至燃料和氧化剂两者。
[0005]典型地，燃料电池将氢(燃料)和氧(氧化剂)转换为水(副产品)以产生电流。在高温操作下，副产品水可作为蒸汽排出燃料电池。可在涡轮和其他应用中利用该排出蒸汽(和其他热排气成分)，以产生额外电流或功率，从而提供提高的功率生成效率。如果采用空气作为氧化剂，则空气中的氮基本是不活泼的并且典型地行进穿过燃料电池。氢燃料可通过碳基原料就地重整(例如现场蒸汽重整)或远距离重整(例如可更容易得到的天然气和其他烃燃料和原料的重整)来提供。烃燃料的实例包括但不限于:天然气、甲烷、乙烷、丙烷、甲醇以及其他烃。
[0006]联合循环燃料电池系统的现有实例常规地实现至少50 %的转换效率。联合循环燃料电池系统的将烃燃料转换成电能的效率由产生或损耗热的系统内的损耗机理，并且由燃料的部分利用所导致的燃料电池的损耗限制。提高低燃料利用率下的联合循环燃料电池系统的性能或效率的典型或常规尝试已涉及燃料和/或空气再循环。但是，联合循环燃料电池系统中的燃料再循环要求大型重整器和大型高温吹风机，它们昂贵并且技术上复杂。相似地，联合循环燃料电池系统中的空气再循环要求高温吹风机，其是成本效益不合算的。
[0007]由前述看来，存在提供降低成本的技术的需要，该技术通过提高的燃料电池效率提高联合循环燃料电池系统的设备效率，该提高的燃料电池效率消除了要求昂贵的高温吹风机和潜在的热交换器的燃料和/或空气再循环的需求。
【发明内容】
[0008]在一方面，公开了联合循环燃料电池系统的第一示范实施例。该系统可包括固体氧化物燃料电池燃料电池、重整系统、水分离器、底循环和/或残留尾气路径。固体氧化物燃料电池燃料电池可包括构造为生成尾气的阳极和构造为生成阴极排气流的阴极。重整系统可构造为接收和输出阴极排气流的至少一部分，并且将输入烃燃料和输入蒸汽的混合物的一部分转换成富氢重整油。富氢重整油可由燃料电池的阳极利用。水分离器可构造为接收燃料电池的尾气并且从尾气移除水以形成残留尾气。从尾气移除的水可被作为蒸汽引导至重整系统，以形成输入蒸汽的至少一部分。底循环可包括内燃机。残留尾气路径可构造为将残留尾气的第一部分转移至底循环以驱动底循环，并且将残留尾气的第二部分转移至阴极排气流。
[0009]在另一方面，公开了联合循环燃料电池系统的第二示范实施例。该系统可包括固体氧化物燃料电池、重整系统、和/或底循环。固体氧化物燃料电池可包括构造为生成阴极排气的阴极和构造为生成尾气的阳极。重整系统可构造为将输入烃燃料和输入蒸汽的混合物的至少一部分转换成富氢重整油，并且将富氢重整油输出至燃料电池的阳极。该系统可构造为使得阻止尾气输入燃料电池的阳极和阴极中。该系统可构造为将尾气的第一部分引导至底循环以驱动底循环。可通过将被加热的阴极排气的至少一部分引导穿过重整系统来加热重整系统，以促进将输入烃燃料和输入蒸汽转换成富氢重整油，该被加热的阴极排气通过燃烧阴极排气中的尾气的第二部分形成。
[0010]技术方案1:一种联合循环燃料电池系统，包括:
固体氧化物燃料电池燃料电池，其包括构造为生成尾气的阳极、和构造为生成阴极排气流的阴极；
重整系统，其构造为接收且输出所述阴极排气流的至少一部分，并且将输入烃燃料和输入蒸汽的混合物的至少一部分转换成富氢重整油，所述富氢重整油由所述燃料电池的阳极利用；
水分离器，其构造为接收所述燃料电池的尾气并且从所述尾气移除水以形成残留尾气，从所述尾气移除的水被作为蒸汽引导至所述重整系统，以形成所述输入蒸汽的至少一部分；
底循环，其包括内燃机；和
残留尾气路径，其构造为将所述残留尾气的第一部分转移至所述底循环以驱动所述底循环，并且将所述残留尾气的第二部分转移至所述阴极排气流。
[0011]技术方案2:根据技术方案I所述的系统，其特征在于，所述重整系统在所述燃料电池的外部。
[0012]技术方案3:根据技术方案I所述的系统，其特征在于，所述重整系统至少部分地包含在所述燃料电池内。
[0013]技术方案4:根据技术方案I所述的系统，其特征在于，所述残留尾气的第二部分在所述重整系统的上游被引导至所述阴极排气流并在其中燃烧，以加热所述重整系统。
[0014]技术方案5:根据技术方案I所述的系统，其特征在于，所述阴极排气的一部分在所述燃料电池的上游与所述输入烃燃料和所述富氢重整油中的至少一个混合。
[0015]技术方案6:根据技术方案I所述的系统，其特征在于，所述系统包括锅炉，所述锅炉构造为接收由所述水分离器从所述尾气移除的水并且产生所述输入蒸汽。
[0016]技术方案7:根据技术方案6所述的系统，其特征在于，由所述重整系统输出的所述阴极排气流的至少一部分被引导至所述锅炉，以加热由所述水分离器从所述尾气移除的水，以产生所述输入蒸汽。
[0017]技术方案8:根据技术方案7所述的系统，其特征在于，由所述重整系统输出且被引导至所述锅炉的所述阴极排气流的至少一部分行进穿过定位在所述锅炉的上游的至少一个热交换器。
[0018]技术方案9:根据技术方案8所述的系统，其特征在于，所述残留尾气的第二部分在所述至少一个热交换器的上游被引导至所述阴极排气流并在其中燃烧。
[0019]技术方案10:根据技术方案9所述的系统，其特征在于，所述固体氧化物燃料电池接收输入空气，并且其中，所述输入空气通过所述至少一个热交换器被加热。
[0020]技术方案11:根据技术方案I所述的系统，其特征在于，所述固体氧化物燃料电池接收输入空气，并且其中，所述系统包括空气预热器，所述空气预热器构造为将热从所述燃料电池的尾气传递至所述输入空气，而不混合所述输入空气和尾气。
[0021]技术方案12:根据技术方案11所述的系统，其特征在于，系统包括所述空气预热器上游的空气吹风机，所述空气吹风机构造为将所述输入空气至少传递至所述空气预热器，并且从所述空气预热器传递至所述燃料电池。
[0022]技术方案13:根据技术方案I所述的系统，其特征在于，所述系统包括燃料预热器，所述燃料预热器构造为将热从所述燃料电池的尾气传递至所述输入烃燃料或所述输入烃燃料和输入蒸汽的混合物。
[0023]技术方案14:根据技术方案I所述的系统，其特征在于，没有燃料循环回路或空气循环回路中的至少一个。
[0024]技术方案15:根据技术方案I所述的系统，其特征在于，所述系统构造为阻止所述尾气和所述残留尾气输入所述燃料电池的阳极和阴极中。
[0025]技术方案16:—种联合循环燃料电池系统，包括:
固体氧化物燃料电池，其包括构造为生成阴极排气的阴极、和构造为生成尾气的阳极；
重整系统，其构造为将输入烃燃料和输入蒸汽的混合物的至少一部分转换成富氢重整油，并且构造为将所述富氢重整油输出至所述燃料电池的阳极；和底循环，
其中，阻止所述尾气输入所述燃料电池的阳极和阴极中，
其中，所述尾气的第一部分被引导至所述底循环，以驱动所述底循环，并且其中，可通过将被加热的阴极排气的至少一部分引导穿过所述重整系统来加热所述重整系统，以促进将所述输入烃燃料和所述输入蒸汽转换成所述富氢重整油，所述被加热的阴极排气通过在所述阴极排气中燃烧所述尾气的第二部分形成。
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