專利名稱：冷卻式渦輪機集成燃料電池的混合型發(fā)電設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般來說涉及發(fā)電設(shè)備，更具體地說，涉及包括集成燃料電池的混合型發(fā)電設(shè)備。
背景技術(shù)：
在某些混合型發(fā)電系統(tǒng)中，將燃料電池和傳統(tǒng)的燃氣輪機結(jié)合以增加發(fā)電設(shè)備中的發(fā)電量(效率)。已知的燃料電池，例如固體氧化物燃料電池，包括多個固體燃料電池，使諸如重整天然氣的氣體燃料與空氣起反應(yīng)以產(chǎn)生電能和高溫氣體。燃氣輪機壓縮機為燃料電池供應(yīng)空氣，其工作在高壓下，并且燃料電池產(chǎn)生高溫氣體以便渦輪機內(nèi)的膨脹。將燃料電池堆排出的氣體與燃料電池堆排出的燃料相結(jié)合，并且在設(shè)備的渦輪機部分將產(chǎn)生的熱排放轉(zhuǎn)換成功。因此，電能是由固體氧化物燃料電池發(fā)電機和渦輪機一起產(chǎn)生的。例如，參見美國專利No.5,413,879。然而，已知的這種系統(tǒng)在一些方面是有缺點的。
例如，受其中產(chǎn)生的物理學和熱力學過程影響，要求燃料電池堆在很窄的溫度限制內(nèi)進行操作以發(fā)電。典型地使用交流換熱器將燃料電池的入口空氣流提高到容許溫度。交流換熱器給發(fā)電設(shè)備引入相當大的費用和復(fù)雜性，這可能在某些應(yīng)用中被禁止。
此外，一旦獲得對于燃料電池來說容許的溫度，保持一致的燃料電池堆溫度和出口溫度經(jīng)常迫使空氣供應(yīng)大大超過燃料電池中化學方式發(fā)電所需的空氣供應(yīng)。供應(yīng)此過量的空氣以保持燃料電池的一致溫度易于導致壓縮損失。過量空氣的供應(yīng)易于降低發(fā)電設(shè)備的渦輪機部分的入口溫度，并且損害了系統(tǒng)的總體的熱力效率。
更進一步，固體氧化物燃料電池通常并不對所有供給燃料電池入口的燃料都進行轉(zhuǎn)換。燃料電池的出口流的成分主要包括CO、CO2、H2和H2O以及平衡物質(zhì)。當缺乏燃燒部分廢燃料的手段時，這些成分的熱含量會被浪費，因此減少了設(shè)備的熱力效率。此外，當用于燃料電池的燃料沒有完全轉(zhuǎn)換時，未燃燒的碳氫化合物也可能不合希望地排放到大氣中。
提供具有減少的排放和增加的熱力效率的較低成本的設(shè)備是所希望的。

發(fā)明內(nèi)容
在一個方面，提供了混合型發(fā)電設(shè)備。該設(shè)備包括渦輪機，由所述渦輪機驅(qū)動的壓縮機，與所述壓縮機流動連通的同流換熱器，所述同流換熱器配置為將熱從渦輪機排氣傳送到壓縮空氣，以及與所述同流換熱器流動連通的至少一個燃料電池。同流換熱器為所述燃料電池提供新鮮空氣。
在另一個方面，提供了混合型發(fā)電設(shè)備。該設(shè)備包括壓縮機，驅(qū)動所述壓縮機的渦輪機，以及與所述壓縮機流動連通并且將熱從渦輪機排氣傳送到壓縮空氣的同流換熱器。至少一個燃料電池堆與所述同流換熱器流動連通以便為所述燃料電池堆提供空氣，燃料電池堆包括陰極入口和陰極出口，所述陰極入口與所述同流換熱器流動連通以用于接收壓縮空氣。鼓風機被配置為在進入所述陰極入口之前將陰極排氣與來自所述同流換熱器的空氣混合。
在另一個方面，提供了混合型發(fā)電設(shè)備。該設(shè)備包括壓縮機，與所述壓縮機流動連通的同流換熱器，以及固體氧化物燃料電池堆，該固體氧化物燃料電池堆與所述同流換熱器流動連通以便為所述燃料電池堆提供空氣。燃料電池堆包括陰極入口和陰極出口，所述陰極入口與同流換熱器流動連通以用于接收壓縮空氣。陰極出口和陰極入口經(jīng)由陰極再循環(huán)流動路徑彼此流動連通，并且同流換熱器被配置為在進入所述陰極入口之前將熱從所述渦輪機的排氣傳送到壓縮空氣。
在另一個方面，提供了混合型發(fā)電設(shè)備。該設(shè)備包括包含有陰極入口和陰極出口的固體氧化物燃料電池堆，以及向所述陰極入口供應(yīng)空氣的同流換熱器，所述陰極出口沿著陰極再循環(huán)流動路徑與所述陰極入口流動連通。燃氣輪機部分包括渦輪機，由所述渦輪機驅(qū)動的壓縮機，以及從所述壓縮機接收空氣的同流換熱器。同流換熱器被來自所述渦輪機的排氣加熱，并將冷卻劑空氣流提供給所述渦輪機的冷卻劑流動路徑，而且所述渦輪機的冷卻劑流動路徑與所述陰極入口流動連通以向該處提供新鮮空氣供應(yīng)。鼓風機被配置為將空氣從所述陰極出口再循環(huán)到所述陰極入口。固體氧化物燃料電池堆還包括與重整裝置流動連通的陽極入口。陽極出口沿著再循環(huán)流動路徑與所述重整裝置流動連通，并且所述陰極出口在所述陰極再循環(huán)流動路徑之前與所述重整裝置流動連通。尾氣燃燒器與所述陽極出口以及與所述重整裝置流動連通，并且所述尾氣燃燒器接收來自所述陽極出口的燃料排氣和廢氣的混合氣。尾氣燃燒器向所述渦輪機排出燃燒氣體。
在另一個方面，提供了發(fā)電設(shè)備，包括包含有陽極、陰極和插入其間的電解質(zhì)的燃料電池，所述陰極具有陰極入口和陰極出口。同流換熱器與所述陰極入口流動連通，并且壓縮機與所述同流換熱器流動連通。同流換熱器與以下路徑中至少一個流動連通，它們是用于將熱從其中傳送到所述同流換熱器的渦輪機工作流體流動路徑，從所述同流換熱器延伸到渦輪機冷卻流體路徑的回流空氣路徑，將空氣流的一部分從所述同流換熱器轉(zhuǎn)回所述同流換熱器的再循環(huán)流動路徑，以及從所述同流換熱器到所述陰極入口的空氣供應(yīng)流動路徑。
在另一個方面，提供了發(fā)電設(shè)備。該設(shè)備包括包含有陽極、陰極和插入其間的電解質(zhì)的燃料電池，所述陰極具有陰極入口和陰極出口。同流換熱器與所述燃料電池流動連通，并且壓縮機與所述同流換熱器流動連通。燃氣輪機包括與來自所述壓縮機的同流換熱器旁路路徑、來自所述同流換熱器的回流路徑以及陰極入口流動路徑其中的至少一個流動連通的冷卻流體路徑，并且該燃氣輪機還包括與所述同流換熱器流動連通并從其中傳送熱的工作流體路徑，用于產(chǎn)生功的尾氣燃燒器排氣路徑，以及用于產(chǎn)生功的催化室排氣路徑。
在又一個方面，提供了將燃氣輪機和燃燒電池結(jié)合的方法。燃燒電池包括陰極入口和陰極出口以及陽極入口和陽極出口。該方法利用了壓縮機和同流換熱器，并且渦輪機包括冷卻流體路徑和工作流體路徑。該方法包括將壓縮空氣流引入所述同流換熱器，將渦輪機排氣引入同流換熱器，從而將所述壓縮空氣加熱，將加熱的壓縮空氣從所述同流換熱器引入所述陰極入口，將燃料流引入陽極入口，并且在燃料電池內(nèi)使所述空氣流與所述燃料流起電化學反應(yīng)，以產(chǎn)生陽極出口流和陰極出口流以及電能，其中所述陽極出口流和所述陰極出口流分別比陽極入口流和陰極入口流的溫度更高。


圖1是一個示例性的集成燃料電池的混合型發(fā)電設(shè)備的示意圖。
圖2是用于圖1所示的發(fā)電設(shè)備的示例性的燃料電池堆的示意圖。
圖3是用于圖1所示的發(fā)電設(shè)備的示例性的燃料電池模塊的透視圖。
圖4是集成燃料電池的混合型發(fā)電設(shè)備的第二個實施例的示意圖。
具體實施例方式
圖1示意性地說明了示例性的結(jié)合了燃氣輪機和燃料電池的混合型發(fā)電設(shè)備10，該發(fā)電設(shè)備10包括燃料電池部分和渦輪機部分以便彼此合作產(chǎn)生電。渦輪機部分包括壓縮機12、渦輪機14、渦輪機14用來驅(qū)動壓縮機12的轉(zhuǎn)子16、發(fā)電機18以及同流換熱器20。燃料電池部分包括燃料泵30、脫硫器32、燃料電池堆34，用于燃料電池堆34的燃料預(yù)壓機36、尾氣燃燒器38、催化室40以及排氣鼓風機42。如在下文中說明的一些細節(jié)，雖然設(shè)備10的基本組件是眾所周知的，但通過將設(shè)備組件與再循環(huán)流動路徑戰(zhàn)略的互連獲得相對于已知設(shè)備的效率改善，以增強系統(tǒng)的性能和效率。如將在下文中所了解的，是通過再循環(huán)從燃料電池部分排出的空氣和燃料流以便從系統(tǒng)的燃料電池和渦輪機部分中的空氣和燃料流中提取盡可能多的功，以及通過為了燃料電池部分利用在渦輪機部分中產(chǎn)生的熱而改善了設(shè)備效率。
在運行中，壓縮機12是包括靜葉片和轉(zhuǎn)動葉片排的多級壓縮機，并且壓縮機12感應(yīng)周圍空氣并在壓縮機12的出口處產(chǎn)生壓縮空氣流50。壓縮空氣流50沿著流動路徑被引導到同流換熱器20，該同流換熱器是已知類型的包括隔離的流動路徑的熱交換器。壓縮空氣流由一條同流換熱器流動路徑進入同流換熱器20，渦輪機排氣流52由另一條同流換熱器流動路徑進入同流換熱器20，由此將來自渦輪機排氣的熱傳送給來自壓縮機出口的壓縮空氣流50，而不需要將壓縮空氣流50和渦輪機排氣流52混合。因而，壓縮空氣流50在同流換熱器20內(nèi)被渦輪機排氣流52加熱。通過用渦輪機排氣52加熱壓縮空氣流50，避免了用于提高燃料電池氧化劑的溫度的傳統(tǒng)加熱器和/或交流換熱器的成本，而且渦輪機排氣流52在被排放到大氣之前就被冷卻了。
為了進一步冷卻渦輪機14，回流路徑22將來自同流換熱器20的空氣流提供給渦輪機14中的冷卻劑路徑。如那些本領(lǐng)域的技術(shù)人員將理解的，渦輪機14在其中包括冷卻劑路徑和工作流體路徑分別用于冷卻劑和工作功能。冷卻劑路徑和工作路徑彼此隔離以防止路徑中的流體混合，但是路徑彼此之間處于熱傳導關(guān)系，使得熱可以從渦輪機工作流體路徑傳送到渦輪機冷卻劑流體路徑。當同流換熱器回流路徑20與渦輪機冷卻劑路徑流體連通時，來自壓縮機12的新鮮空氣流過回流路徑22以提供渦輪機14中的冷卻空氣流。減少渦輪機的構(gòu)件上的熱負荷，從而延長了渦輪機14的工作壽命并增強了渦輪機的性能?？梢哉{(diào)節(jié)經(jīng)由回流路徑22到渦輪機14的空氣流來為使用中的渦輪機14提供最佳的冷卻。
在一個替換的實施例中，可以提供再循環(huán)路徑24(圖1中的虛線所示)以用于將回流路徑22中的部分空氣轉(zhuǎn)回到同流換熱器20，在同流換熱器中再次被渦輪機排氣52加熱。在另一個替換的實施例中，來自壓縮機12的冷卻空氣可以經(jīng)由同流換熱器旁路流動路徑26直接供給到渦輪機14的冷卻劑路徑?？梢赃M一步預(yù)期的是同流換熱器回流路徑22、再循環(huán)路徑24和同流換熱器旁路流動路徑26的各種組合可以被應(yīng)用在本發(fā)明的不同實施例中，向渦輪機14提供適合的冷卻和再循環(huán)空氣流，以便設(shè)備10的燃氣輪機部分的最佳運行。
在一個示例性的實施例中，來自同流換熱器20的加熱的壓縮空氣流經(jīng)由回流路徑22流到渦輪機14的冷卻劑路徑，并且來自渦輪機14的熱進一步加溫返回的空氣22以提供與燃料電池堆34的陰極入口56流動連通的、加熱的壓縮空氣流54，用以提供在其中的氧化劑。此外，在另一個實施例中，加熱的壓縮空氣可以經(jīng)由空氣供應(yīng)路徑28(如圖1中虛線所示)從同流換熱器20直接供應(yīng)給陰極入口56，而不需要通過渦輪機14。還可以認識到在另一個替換的實施例中，空氣可以從流動路徑54和流動路徑28兩者供應(yīng)給燃料堆34。在又一個實施例中，再循環(huán)流動路徑可以從流動路徑28和/或54延伸到渦輪機冷卻路徑用于增進和或替換渦輪機14的冷卻，用以替代回流路徑22或是作為回流路徑22之外的補充向渦輪機14供應(yīng)冷卻劑流。
在一個示例性的實施例中，并且根據(jù)如圖2所示的已知的燃料電池，燃料電池堆34包括許多互連70，每個互連70定義一個燃油岐管。每個互連70還包括至少一個用于流動試劑的流場，例如經(jīng)過互連70的氧化劑或燃料?；ミB70中的示例性的流場由具有充分的電導率、抗氧化作用和保持機械強度的金屬構(gòu)成，并且在燃料電池的工作條件下是化學上穩(wěn)定的。
燃料電池堆34還包括至少一個燃料電池單元72，該燃料電池單元包括陽極74、陰極76以及布置在陽極74和陰極76之間的電解質(zhì)78。電解質(zhì)78相對于燃料和氧化劑來說是不可滲透的。在一個示例性的實施例中，燃料電池單元70是具有例如氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯(YSZ)、氧化鈰摻雜的氧化鋯或鑭鍶鎵錳的氧離子導電固體電解質(zhì)的固體氧化物燃料電池(SOFC)單元，盡管在替換的實施例中可以預(yù)期燃料電池單元70可以包括例如質(zhì)子交換膜(PEM)電解質(zhì)、溶融碳酸鹽電解質(zhì)或其他已知的適合用于燃料電池堆34的電解質(zhì)材料。這里所描述和說明的燃料電池34，只是為了說明的目的而闡述的，并且應(yīng)該能夠理解無需脫離本發(fā)明的范圍和精神，各種各樣的燃料電池可以從在這里所闡述的流動路徑方案中受益。
陽極74放置在鄰近相應(yīng)互連70的位置并且配置為既與互連70電連接又與互連70流體連通?；ミB70的流場既提供電連接又提供流體連通，并且流場被配置為將燃料流從燃料進氣岐管越過陽極74的表面引導到燃料排氣岐管。同樣，陰極76放置在鄰近互連70的位置并且配置為既與互連70電連接又與互連70流體連通?；ミB70的流場提供電連接到陰極76，并且配置為引導例如空氣的氧化劑流越過陰極76的表面?；ミB70包括若干密封特征以防止燃料流越過陰極76以及防止氧化劑流越過陽極74。
為了在堆34上產(chǎn)生較大的電壓，燃料電池堆34包括許多垂直疊加放置的平面燃料電池單元72。如那些本領(lǐng)域的技術(shù)人員將認可的，如圖2所示的三個平面燃料電池單元72的特定配置只是為了說明的目的，并且包含在堆34中的平面燃料電池單元72的具體數(shù)目將根據(jù)堆34的電源要求而變化。在說明的實施例中，兩對相鄰的平面燃料電池單元72的每一對共享互連70，并且該互連70與相鄰的平面燃料電池單元70的其中一個的陽極74相鄰，并與之電連接以及流體連通；并且該互連70與相鄰的平面燃料電池單元72的其中另一個的陰極76相鄰，并與之電連接以及流體連通。對于這個特定實施例，被相鄰的平面燃料電池單元72共享的每個互連70在其每一側(cè)都包括一個流場用于電連接，并且為鄰近的平面燃料電池單元70的相鄰的陽極74和陰極76提供流體連通。盡管說明的實施例包括平面燃料電池單元，可以理解的是其他已知的燃料電池單元，包括但不局限于管狀燃料電池單元，可以用于替換的實施例中。
為了關(guān)閉堆34以及從平面燃料電池單元72中收集電流，燃料電池堆34包括布置在上面一個平面燃料電池單元72之上的頂端板80，以及布置在下面一個平面燃料電池單元72之下的底端板82。端板80和82適合于集電，而且示例的頂端和底端板80和82是由鐵素體不銹鋼構(gòu)成的。此外，端板80和82覆蓋燃料電池堆34，防止燃料和氧化劑繞過燃料電池堆10。在說明的例子中，兩個端板12和14之間的電勢是燃料電池堆34的總電壓，并且等于單個電池72電壓的總和。
如圖3中所示，燃料電池堆34可以集成到模塊100中，該模塊包括容器102，后者具有分別配置為接收和排出例如空氣的氧化劑的入口56和出口106。若干燃料電池堆34環(huán)形布置在容器102內(nèi)。至少一個燃料電池堆34具有燃料入口108，并且至少一個燃料電池堆34具有燃料出口110，分別用于接收和排出燃料流。管道112連接堆34以用于將燃料流從一個堆提供到另一個堆。每個燃料電池堆34包括燃料進氣和排氣岐管以及氧化劑進氣和排氣岐管，用于從燃料電池堆34的互連70(圖2中所示)接收和排放燃料流和氧化劑流。
這里的空氣入口56和空氣出口106分別被稱為陰極入口和陰極出口，這是因為它們分別為燃料電池34的陰極提供氧化劑空氣流。同樣地，這里的燃料入口108和燃料出口110分別被稱為陽極入口和陽極出口，這是因為它們分別為燃料電池34的陽極提供燃料流。
返回參見圖1，來自渦輪機14的冷卻劑路徑的加熱的壓縮空氣流54經(jīng)由陰極入口56進入燃料電池堆34，并且流過堆34中的燃料電池單元以提供電，與也流過燃料電池單元的燃料(將在下文中論述)起化學反應(yīng)。廢(即氧耗盡)氣120經(jīng)由陰極出口106從燃料堆34排出，并且部分轉(zhuǎn)入與例如鼓風機42的增壓裝置流動連通的較低壓力的再循環(huán)流動路徑122中。鼓風機42提高空氣的壓力，并將其中的空氣排出到較高壓力的再循環(huán)流動路徑124中，以將反饋回壓縮和加熱的空氣流54的再循環(huán)空氣流提供給陰極入口56。因此再循環(huán)流動路徑124中的再循環(huán)空氣流與新鮮空氣流54在流動路徑交點126處混合。將從燃料電池堆34排出的再循環(huán)廢氣與新鮮空氣54經(jīng)過再循環(huán)流動路徑124混合在一些方面是有利的。例如，來自燃料電池堆34的熱排氣的再循環(huán)并將其與來自壓縮機空氣54的新鮮空氣混合，通過直接的傳質(zhì)和傳熱過程提高了陰極入口56處的空氣溫度。因此消除了傳統(tǒng)系統(tǒng)中由熱交換器提供擴散傳熱的需要。加上用同流換熱器20中的渦輪機排氣流52加熱壓縮空氣50，可以使用顯著地具有更低成本和更少復(fù)雜性的熱交換器，例如同流換熱器20。
此外，來自燃料電池堆排氣106的再循環(huán)空氣經(jīng)由流動路徑124增加了到燃料電池堆34的陰極入口56處的氣團流動速率，并且有利于基本上恒定的總系統(tǒng)空氣流動速率以用于增強系統(tǒng)性能。堆34的陰極入口56處的增加的氣團流動在堆內(nèi)產(chǎn)生較大的溫度一致性，并且進一步提高燃料電池堆34的性能。同樣地，較高的燃料流動速率對于給定的恒定范圍的堆溫度是可能實現(xiàn)的。在基本上恒定的總系統(tǒng)空氣流動的更高的燃料流動速率減少了全部過量空氣的數(shù)量，并且因此提高了渦輪機14的燃燒溫度，如在下文中解釋的，提高了總體系統(tǒng)性能。
更進一步，用充足數(shù)量的再循環(huán)空氣經(jīng)由流動路徑124與新鮮空氣供應(yīng)54混合，可以獲得對于進入的新鮮空氣的燃料電池堆化學計算操作(stoichiometric operation)的極限。
更進一步，再循環(huán)空氣流動路徑124有效地減少了集中在燃料電池堆34中的O2的陰極濃度，該濃度已知是熱燃料電池中的關(guān)鍵降解機理。因此，可以相信再循環(huán)空氣流動路徑124提供了熱燃料電池堆的提高的性能和更長的壽命。
陰極排氣120中沒有轉(zhuǎn)到鼓風機42用于再循環(huán)的部分流到重整裝置36，在其中氣態(tài)烴被重整，例如，在蒸汽和鎳催化劑前將其重整為氫和一氧化碳。來自陰極排氣120的熱由此被傳送到重整裝置36，其又在燃料進入燃料電池堆34之前加熱流動到重整裝置36中的較冷的燃料(在下文中論述)。在不同的實施例中，燃料重整可以在外部的燃料重整裝置36或在集成燃料電池堆34的重整裝置中實現(xiàn)。
氣體燃料，其在不同的實施例中可以是天然氣或煤基可燃氣體，由燃料泵30推動經(jīng)過脫硫器32，在示例性的實施例中，脫硫器包括包含有燃料流經(jīng)的硫吸附劑基層的容器。在渦輪機排氣52從設(shè)備10中排出之前，渦輪機排氣52的熱傳送到脫硫器32以將其中的燃料加溫。因此避免了用于脫硫器32的外部加熱器的復(fù)雜性和費用，并且在將渦輪機排氣從設(shè)備排放出來之前，該渦輪機排氣已被冷卻了。
脫硫燃料130從脫硫器32流動到重整裝置36，使得燃料可以在進入燃料電池堆34的燃料電池之前在重整裝置中被重整。例如，燃料被重整使其成分從甲烷或天然氣變成燃料電池中反應(yīng)的容許成分(例如，氫、CO2和水)。一旦在其中被處理，重整的燃料132從重整裝置36流動到陽極入口108并進入堆34的燃料電池中。一旦在燃料電池中耗盡，廢燃料134從燃料電池堆34經(jīng)由陽極排氣口110排出。排出燃料134的一部分轉(zhuǎn)入再循環(huán)燃料流流動路徑136，并在交點137處與新鮮的脫硫燃料130混合。熱的排出燃料經(jīng)由再循環(huán)流動路徑136的再循環(huán)還避免了外部的燃料加熱器，以及將未耗盡的燃料再次引入燃料電池堆34，由此增加了系統(tǒng)中的燃料效率。如那些本領(lǐng)域技術(shù)人員所理解的，排出燃料的再循環(huán)可以由例如鼓風機、噴射泵、另外的增壓裝置或類似的裝置來實現(xiàn)。在另外的和/或替換的實施例中，可以將蒸汽引入燃料以促進重整。
排出的燃料134中沒有轉(zhuǎn)入再循環(huán)流流動路徑136的一部分被供給尾氣燃燒器38，以便在其中燃燒。來自燃料電池堆34的廢(即氧耗盡)氣139的一部分也被供給尾氣燃燒器38，并且廢氣139和排出燃料134的混合氣在尾氣燃燒器38中燃燒。燃燒排氣138供給燃氣輪機14中的工作流體路徑，以提供附加的熱和壓力用于渦輪機14中氣體的膨脹。廢氣139中沒有流入尾氣燃燒器38的一部分被導入尾氣燃燒器旁路流動路徑，流到催化室40以凈化其中的空氣。來自催化室40的凈化空氣140在進入渦輪機14的工作流體流動路徑之前與尾氣燃燒器38的排氣138混合，以產(chǎn)生供給燃氣輪機14的凈化的排氣流142，由此減少設(shè)備10的排出。
盡管在示例性的實施例中認為催化室40是有益的，但是可以理解的是在不脫離本發(fā)明的范圍的情況下，沒有催化室時也可以理解本發(fā)明的優(yōu)勢。
通過控制尾氣燃燒器38中廢氣139和排出燃料134的射入，可以確保燃料/空氣混合氣是稀薄的并且在燃燒極限之內(nèi)。因此，實際上保留在排出燃料流134中的燃料成分在尾氣燃燒器中燃燒，由此充分利用了系統(tǒng)中的燃料，并防止在設(shè)備10的排氣中排出燃料。
來自尾氣燃燒器38和催化室40的熱排氣142被供給到燃氣輪機14的工作流體路徑，并且排氣的熱力學膨脹產(chǎn)生功并施加其中的原動力以驅(qū)動渦輪機，后者依次又在發(fā)電機18中產(chǎn)生電。來自發(fā)電機18和燃料電池堆34的電被轉(zhuǎn)換為適當?shù)男问讲⑥D(zhuǎn)換到配電網(wǎng)絡(luò)，如圖1中電網(wǎng)144所示。
至少由于上文提出的原因，發(fā)電設(shè)備10相對于已知的系統(tǒng)提供了更好的總體設(shè)備性能，同時通過再循環(huán)流動路徑提供了渦輪機結(jié)構(gòu)冷卻以及燃料電池堆的改進的溫度控制，同時避免了用于保持燃料電池堆處于要求的溫度的傳統(tǒng)熱交換器的復(fù)雜性和費用。燃料電池堆陰極排氣的再循環(huán)還有利于燃料電池堆的入口空氣溫度控制，其又為燃料電池堆內(nèi)的溫度升高和一致性提供了更精確的控制。燃料電池堆陰極排氣的再循環(huán)提供了增加的渦輪機部分入口溫度，以在渦輪機中提供更多的功，經(jīng)由減少的陰極側(cè)氧化提供了增加的性能保持，允許燃料電池堆工作在化學計算條件下，以及簡化將設(shè)備排氣排放到大氣之前的處理后排氣。
圖4是第二個實施例的示意圖，其是共享發(fā)電設(shè)備10(如圖1所示)的基本組件的集成燃料電池的混合型發(fā)電設(shè)備200，其中相同的部件用相同的附圖標記表示。
在設(shè)備200的燃氣輪機部分中，壓縮機12向同流換熱器20供應(yīng)壓縮空氣，并且如上文所描述的，同流換熱器20內(nèi)的壓縮空氣被渦輪機排氣52加熱?；亓髀窂?2在熱傳遞關(guān)系中將加熱的壓縮空氣22供給渦輪機14，以進一步加熱空氣并產(chǎn)生加熱的空氣流到燃料電池堆34的陰極入口56。在另外的和/或替換的實施例中，可以提供同流換熱器再循環(huán)路徑24(如圖4中虛線所示)、同流換熱器旁路路徑26(如圖4中虛線所示)和/或陰極空氣供應(yīng)路徑28(如圖4中虛線所示)以促進渦輪機14的結(jié)構(gòu)冷卻以及燃料電池堆34的陰極入口56處的入口空氣溫度的溫度控制。如上文所描述的，在燃料電池堆34中，空氣與燃料起反應(yīng)以產(chǎn)生電。
從陰極出口106排出的廢氣120被傳給重整裝置36。從而來自陰極排氣120的熱被傳送到重整裝置136，后者又在較冷的燃料進入燃料電池堆34之前將流入重整裝置的較冷的燃料加熱。因此陰極排氣作為廢棄的凈化空氣139離開重整裝置36。廢氣139的一部分轉(zhuǎn)到與鼓風機42流體連通的較低壓力的再循環(huán)流動路徑122。鼓風機42增加空氣的壓力并且將路徑122中的廢氣排出到較高壓力的再循環(huán)流動路徑124，該廢氣在進入燃料電池堆34之前與加熱的壓縮空氣54混合。將陰極排氣經(jīng)由再循環(huán)路徑124與新鮮空氣混合的好處已在上文中指出。
氣體燃料，在不同實施例中可以是天然氣或煤基可燃氣體，由燃料泵30推動經(jīng)過脫硫器32。來自渦輪機排氣52的熱被傳送到脫硫器32以在從設(shè)備10中被排出之前加溫脫硫器中的燃料。因此避免了用于脫硫器32的外部加熱器的復(fù)雜性和費用，并且從設(shè)備中將渦輪機排氣排放之前將其冷卻。
脫硫燃料130從脫硫器32流動到重整裝置36，使得脫硫燃料在進入燃料電池堆34的燃料電池之前在重整裝置中被重整。例如，燃料被重整使其成分從甲烷或天然氣變成燃料電池中反應(yīng)的容許成分(例如，氫、CO2和水)。一旦在其中被處理，重整的燃料132從重整裝置36流動到陽極入口108并進入堆34的燃料電池中。一旦在燃料電池中耗盡，廢燃料134從燃料電池堆34經(jīng)由陽極排氣口110排出。排出燃料134的一部分轉(zhuǎn)入再循環(huán)燃料流流動路徑136，并在交點137處與新鮮的脫硫燃料130混合。熱的排出燃料經(jīng)由再循環(huán)流動路徑136的再循環(huán)還避免了外部的燃料加熱器，以及將未耗盡的燃料再次引入燃料電池堆34，由此增加了系統(tǒng)中的燃料效率。
排出的燃料134中沒有轉(zhuǎn)入再循環(huán)流流動路徑136的一部分被供給尾氣燃燒器38，以便在其中燃燒。來自燃料電池堆34的廢(即氧耗盡)氣139的一部分也被供給尾氣燃燒器38，并且廢氣139和排出燃料134的混合氣在尾氣燃燒器38中燃燒。燃燒排氣138被供給到燃氣輪機14以向渦輪機14提供附加的熱和壓力。廢氣139中沒有流入尾氣燃燒器38的一部分被導入尾氣燃燒器旁路流動路徑，并被導入催化室40以凈化其中的空氣。來自催化室40的凈化空氣140在進入渦輪機14之前與尾氣燃燒器38的排氣138混合，以產(chǎn)生供給燃氣輪機14的工作流體路徑的凈化的排氣流142，由此減少設(shè)備200的排出。
盡管在示例性的實施例中認為催化室40是有益的，但是可以理解的是在不脫離本發(fā)明范圍的情況下，沒有催化室時也可以理解本發(fā)明的優(yōu)勢。
通過控制尾氣燃燒器38中廢氣139和排出燃料134的射入，可以確保燃料/空氣混合氣是稀薄的并且在燃燒極限之內(nèi)。因此，實際上保留在排出燃料流134中的全部燃料成分都在尾氣燃燒器中燃燒，由此充分利用了系統(tǒng)中的燃料，并防止在設(shè)備10的排氣中排出燃料。
來自尾氣燃燒器38和催化室40的熱排氣142被供給到燃氣輪機14的入口，并且排氣的熱力學膨脹產(chǎn)生功并施加原動力以驅(qū)動渦輪機，后者依次又在發(fā)電機18中產(chǎn)生電。來自發(fā)電機18和燃料電池堆34的電被轉(zhuǎn)換為適當?shù)男问讲⑥D(zhuǎn)換到配電網(wǎng)絡(luò)，如圖1中電網(wǎng)144所示。
至少由于上文提出的原因，發(fā)電設(shè)備200相對于已知的系統(tǒng)提供了更好的總體設(shè)備性能，同時通過再循環(huán)流動路徑提供了渦輪機結(jié)構(gòu)冷卻以及燃料電池堆的改進的溫度控制，同時避免了用于保持燃料電池堆處于要求的溫度的傳統(tǒng)熱交換器的復(fù)雜性和費用。燃料電池堆陰極排氣的再循環(huán)還有利于燃料電池堆的入口空氣溫度控制，其又為燃料電池堆內(nèi)的溫度升高和一致性提供了更精確的控制。燃料電池堆陰極排氣的再循環(huán)提供增加的渦輪機部分入口溫度以在渦輪機中提供更多的功，經(jīng)由減少的陰極側(cè)氧化提供了增加的性能保持，允許燃料電池堆工作在化學計算條件下，以及簡化將設(shè)備排氣排出到大氣之前的處理后排氣。
將設(shè)備200與設(shè)備10(如圖1所示)進行比較，分析表明相對于設(shè)備10，設(shè)備200提供了更好的總體設(shè)備性能以及效率，而設(shè)備10比設(shè)備200為渦輪機提供了更多的冷卻。
雖然本發(fā)明已經(jīng)依據(jù)各種具體的實施例進行描述，但是那些本領(lǐng)域的技術(shù)人員將會認可在權(quán)利要求的精神和范圍之內(nèi)本發(fā)明可以通過各種修改實現(xiàn)。
以下是各部件名稱一覽表10發(fā)電設(shè)備12壓縮機14渦輪機16轉(zhuǎn)子18發(fā)電機20同流換熱器22同流換熱器回流路徑24再循環(huán)流動路徑26同流換熱器旁路流動路徑28堆空氣供應(yīng)流動路徑30燃料泵32脫硫器34燃料電池堆36重整裝置38尾氣燃燒器40催化室42鼓風機
50壓縮空氣流52渦輪機排氣流54加熱的壓縮空氣56陰極入口70燃料電池互連72燃料電池單元74陽極76陰極78電解質(zhì)80頂端板82底端板100燃料電池模決102燃料電池容器106陰極出口108陽極入口110陽極出口112管道120陰極排氣流122陰極再循環(huán)流動路徑124陰極再循環(huán)流動路徑130脫硫燃料132重整燃料134陽極排氣流136燃料再循環(huán)流動路徑137流動路徑交點138 TGB排氣139重整氣流140凈化空氣
142凈化排氣流144電網(wǎng)200混合型發(fā)電設(shè)備
權(quán)利要求
1.混合型發(fā)電設(shè)備(10)，包括渦輪機(14)；由所述渦輪機驅(qū)動的壓縮機(12)；與所述壓縮機流動連通的同流換熱器(20)，所述同流換熱器配置為從渦輪機排氣(52)向壓縮空氣傳熱；以及與所述同流換熱器流動連通的至少一個燃料電池(72)，所述同流換熱器向所述燃料電池提供新鮮空氣。
2.如權(quán)利要求1所述的混合型發(fā)電設(shè)備(10)，所述燃料電池(72)包括陰極入口(56)和陰極出口(106)，所述陰極入口與所述同流換熱器(20)流動連通以用于接收壓縮空氣。
3.如權(quán)利要求2所述的混合型發(fā)電設(shè)備(10)還包括在所述同流換熱器(20)和所述渦輪機(14)的冷卻劑流動路徑之間的回流路徑(22)，所述同流換熱器經(jīng)由所述回流路徑向所述渦輪機供應(yīng)冷卻的空氣。
4.如權(quán)利要求2所述的混合型發(fā)電設(shè)備(10)，所述陰極出口(106)沿著再循環(huán)流動路徑(122)與所述陰極入口(56)流動連通。
5.如權(quán)利要求4所述的混合型發(fā)電設(shè)備(10)還包括重整裝置(36)，所述重整裝置與所述陰極出口(106)流體連通，并與所述再循環(huán)流動路徑(122)流體連通，所述重整裝置位于所述陰極出口和所述再循環(huán)路徑之間。
6.如權(quán)利要求1所述的混合型發(fā)電設(shè)備(10)還包括同流換熱器旁路路徑(26)，所述同流換熱器旁路路徑延伸在所述壓縮機(12)和所述渦輪機(14)之間，并且將壓縮空氣直接供給所述渦輪機的冷卻劑路徑。
7.如權(quán)利要求1所述的混合型發(fā)電設(shè)備(10)，所述至少一個燃料電池(72)包括陽極入口(108)和陽極出口(110)，所述陽極出口沿著再循環(huán)流動路徑(136)與所述陰極入口流動連通。
8.如權(quán)利要求7所述的混合型發(fā)電設(shè)備(10)還包括與所述陽極出口(110)流動連通的尾氣燃燒器(38)，所述尾氣燃燒器接收陽極燃料排氣(134)和空氣的混合氣。
9.如權(quán)利要求1所述的混合型發(fā)電設(shè)備(10)，其中所述至少一個燃料電池(72)包括固體氧化物燃料電池。
全文摘要
混合型發(fā)電設(shè)備(10)包括渦輪機(14)，由該渦輪機驅(qū)動的壓縮機(12)，以及與該壓縮機流動連通的同流換熱器(20)。同流換熱器被配置為從渦輪機排氣(52)向壓縮空氣傳熱，并且所述同流換熱器與至少一個燃料電池流動連通以向所述燃料電池提供新鮮空氣。
文檔編號H01M8/24GK1514507SQ20031012319
公開日2004年7月21日 申請日期2003年12月23日 優(yōu)先權(quán)日2002年12月23日
發(fā)明者R·S·邦克, R S 邦克, C·巴蘭 申請人:通用電氣公司