专利名称：燃料电池模块、组合循环发电系统以及发电方法
技术领域：
本发明总体涉及燃料电池模块(fuel cell module)，尤其是，涉及一种用于组合循环发电(combiined cycle power generation)的燃料电池模块。
背景技术：
燃料电池，例如固体氧化物燃料电池(SOFCs)，是通过在离子导电层上电化学化合燃料和氧化剂而产生电能的能量转化装置。多数燃料电池，如SOFCs，具有高的工作温度。用于发电时，使用大量成堆设置的燃料电池产生电能。高温燃料电池堆需要输入大量的氧化剂，例如加热到燃料电池的工作温度如超过600摄氏度的空气。此外，加热发生在燃料电池堆内部，电池堆中产生热梯度，从而使电池堆经受热应力。高温氧化剂的排放向下游输送。
目前，热交换器用于将来自废氧化剂的部分过多热量传递到入口氧化剂流中。然而，由于这些设备要承受极限热应力，因此热交换器昂贵，体积大而且寿命有限。因此，需要设计一种用于组合循环发电的燃料电池模块，其在不采用热交换器的情况下加热入口氧化剂流。还需要设计一种用于组合循环发电的燃料电池模块，其中燃料电池堆的热梯度低，以增加电池堆的寿命。
发明内容
简单地说，根据本发明的一个实施方案，公开了一种燃料电池模块。该燃料电池模块包括至少一个包括若干燃料电池单元的燃料电池堆。形成为接收提供给燃料电池堆的氧化剂流的入口。形成为排放燃料电池堆产生的废氧化剂流的出口。循环通道形成为将至少大约百分之三十(30％)的来自出口的废氧化剂流输送到入口作为循环废气流，与新的氧化剂流结合形成提供给燃料电池堆的氧化剂流。
组合循环发电系统实施方案包括至少一个包括若干燃料电池单元的燃料电池堆。组合循环发电系统还包括入口、出口和循环通道。尾气燃烧器用于接收来自出口的废氧化剂流的残余部分。
一种发电方法包括给燃料电池模块的入口提供氧化剂流，给燃料电池模块提供燃料流，将来自燃料电池模块出口的至少大约百分之三十(30％)的废氧化剂流循环提供给燃料电池模块的入口作为循环废气流。该方法还包括将循环废气流与新的氧化剂流结合组成提供给入口的氧化剂流。废氧化剂流的残余部分是由出口排放的。通过控制氧化剂和燃料流的供应以及至少大约百分之三十(30％)的废气流的循环以得到至少大约0.2的等价率(equivalence ratio)。
参考附图阅读下面的具体描述时，本发明的这些以及其它特征、方面和优点将会更易于理解，所有附图中相同的标记表示相同的部分，其中图1示意性描述了本发明一示意性燃料电池模块的实施方案。
图2示意性描述了本发明一示意性组合循环发电系统实施方案。
图3示出图2的组合循环发电系统的示例性应用。
在图中，各代号表示的部件如下10燃料电池堆，12入口，14出口，16入口通道，18排放通道，20燃料电池单元，30循环通道，32吹风机，40尾气燃烧器，42能量循环单元，44压缩机，46底循环单元，50燃料电池模块，60组合循环发电系统。
具体实施例方式
针对图1具体描述本发明的燃料电池模块50实施方案。如图所述，燃料电池模块50包括至少一个燃料电池堆10，其包括若干燃料电池单元20。图1所示的两个燃料电池堆的示例设置是纯属说明性的，燃料电池堆10的数量和设置，以及每个电池堆10内部的燃料电池单元20的数量和设置都可以根据期望的功率输出和空间限制之类的具体应用的需要而改变。燃料电池模块50还包括入口12和出口14，入口12形成为接收提供给燃料电池堆10的氧化剂流，出口14形成为排放燃料电池堆10产生的废氧化剂流。燃料电池模块50还包括循环通道30，其形成为输送至少大约百分之三十(30％)的来自出口14的废氧化剂流到入口12，作为循环废气流。循环废气流与新的氧化剂流结合形成提供给燃料电池堆10的氧化剂流。
为提取来自出口14的部分废氧化剂流并通过循环通道30将该循环废气流转移，一种具体实施方案的燃料电池模块50还包括设置在循环通道30中的吹风机32并形成为吹送循环废气流。典型的吹风机包括径向和/或轴向流涡轮机组以及流体输送设备，如排出器或喷射器。吹风机32可以由机械或电力驱动。
如图1所示，典型的燃料电池模块50还形成为接收燃料流并排出废燃料。燃料和氧化剂都提供给每个燃料电池堆10。本领域技术人员知道，可以有各种实现方式，而且燃料电池模块50不限于任何燃料电池堆10的任一特定设置。
燃料电池单元20是公知的，这里不详细描述。简单地说，燃料电池单元20(或燃料电池)是能量转换设备，其通过燃料和氧化剂，如空气，在离子导电层上的电化学反应产生电能。特别地，每个燃料电池单元20包括阳极、电解质和阴极(未示出)，设置成如管状或平面状。典型的燃料电池单元20的类型包括固态氧化物燃料电池20(SOFCs)、熔融碳酸盐燃料电池20和质子交换膜燃料电池20(PEMs)。
燃料电池模块50具有很多优点。一些类型的燃料电池单元20如SOFCs，具有很高的工作温度，如对SOFCs来说高于至少大约600摄氏度。因此，对于这样的高温燃料电池单元20来说，燃料电池堆10内部的燃料和氧化剂的高效转换典型地需要入口12的温度高于大约800摄氏度。此外，发生在燃料电池堆10内部的电化学过程还加热废氧化剂流，在燃料电池堆10上产生热梯度，因此使得燃料电池堆10经受热应力，缩短其使用寿命。在发电系统的应用中，典型地需要大量的氧化剂流，例如额定用电单元(power utility sized unit)中，典型地需要几百千克/秒量的入口12氧化剂流。加热如此大量的氧化剂流典型地需要高热量转换率。一些常规燃料电池堆装置利用废氧化剂流的过热，通过热交换器(未示出)至少部分地加热提供给入口的氧化剂流。简单地说，热的废氧化剂流通过热交换器的一个腔体，而氧化剂流通过热交换器的另一个腔体。两个腔体由导热隔板隔开，来自热的废氧化剂流的热流通过隔板提供给氧化剂流，提供加热氧化剂流所需的至少一部分热。由于承受很大的热应力，因此伴随热交换器的使用出现了包括热交换器的成本高、体积大、损耗高以及寿命有限的问题。有益地是，本发明的燃料电池模块50不使用热交换器，而通过直接的质量交换来加热提供给入口12的氧化剂流。
根据一个更具体的实施方案，燃料电池模块50还包括入口通道16，其形成为给入口12提供新的氧化剂流，如图1所示。燃料电池模块50还包括废气通道18，其形成为排放来自出口14的废氧化剂流的残余部分。对本实施方案来说，循环通道30形成为输送来自出口14的废氧化剂流的至少大约百分之五十(50％)给入口12，以与新的氧化剂流结合形成通过入口12的氧化剂流。由于循环废气流之故，使得入口12处的氧化剂流的含氧浓度相对于通过入口通道16的新氧化剂流的含氧浓度要低。特别是，氧化剂流的氧浓度C入口由下面的公式决定C入口/C∞＝[1+(1-φ)BR]/[1+BR]，其中，φ是等价率，其为燃料相对氧化剂的化学计量比，BR是通过循环通道30的质量流量dm30/dt与通过入口通道16质量流量dm16/dt的吹送比，C∞是新氧化剂流(即，入口12处没有经过任何循环的氧化剂)的氧浓度。上述氧浓度C入口的表达式忽略了废气流中相对于入口物流的分子量的微小变化。例如，对于示意性的等价率φ＝0.2和吹送率BR＝1，入口处氧浓度与通过入口通道16的新氧化剂的氧浓度比为C入口/C∞＝90％。
根据更为具体的实施方案，循环通道30形成为将来自出口14的废氧化剂流的至少大约百分之七十五(75％)，尤其是至少大约百分之八十(80％)输送到入口12。废氧化剂流的循环率根据具体系统参数如流量、燃料电池类型以及吹风机的功耗而变。
典型的循环通道30、入口通道16和废气通道18包括截面适于接收氧化剂流的管道，其大小依应用而变化。进一步地说，管道最好能够承受有关高温，例如承受至少大约800摄氏度。典型的高温管道材料包括铁素体不锈钢，铁/铬(Fe/Cr)，钼/锰/铝(Mo/Mn/Al)和钛/钇/镧(Ti/Y/La)合金，隔板镀层以及含镀层的合金。这样的高温管道材料抗燃料电池的污染。
如上面提到的，常规的电池堆装置中，在燃料电池堆内部发生的电化学过程产生燃料电池堆的热梯度，使得它们遭受热应力，并因此缩短它们的寿命。有利地是，通过循环通道30使部分废氧化剂流循环，使通过燃料电池堆10的质量流量增加，降低燃料电池堆10的热梯度，从而减少燃料电池堆10的热应力，延长了使用寿命。而且，由于氧化剂流是氧稀薄的(oxygen depleted)，因此在燃料电池堆中的反应速率更均匀，进一步降低了电池堆10的热梯度，从而减少电池堆10上的热应力。此外，由于氧化剂流是氧稀薄的，电池堆10内部的腐蚀降低，从而提高其寿命和使其性能退化的抵抗性。然而，由于氧稀薄化可提高因浓差极化(concentration polarization)而致的损耗，因此在高循环率时(即，对于增加的氧稀薄化)，浓度损耗现象显著的燃料电池单元20，如PEM燃料电池与其它类型的高温燃料电池如SOFCs和熔融碳酸盐燃料电池相比，可能不如后者理想。
在组合循环发电结构中，燃料电池模块50的优点得到强化。图2示出一典型的组合循环发电系统60的例子。如图示，组合循环发电系统60包括至少一个燃料电池堆10，并进一步包括入口12和出口14，它们全部都已结合燃料电池模块50在上面描述。如上所述燃料电池堆10的数量和设置根据发电系统的具体需要如功率输出和空间限制而改变。典型的用于电池堆10的燃料电池单元20包括固态氧化物燃料电池(SCFCs)20和熔融碳酸盐燃料电池20。组合循环发电系统60还包括循环通道30，其形成为输送来自出口14的废氧化剂流的至少大约百分之三十(30％)给入口12，用作循环废物流。此外，组合循环发电系统60包括尾气燃烧器(也称为燃烧器或阳极尾气氧化器)40，其用于接收来自出口14的废氧化剂流残余部分，如图2所示。
更具体而言，组合循环发电系统60还形成为给燃料电池堆10提供燃料流并从燃料电池堆10排放废燃料。如图示，尾气燃烧器40适于接收来自燃料电池堆10的废燃料流，如图2所示，并燃烧废燃料流和废氧化剂流的残余部分以产生热量。该实施方案中，组合循环发电系统60还包括能量循环单元42，其用于接收来自尾气燃烧器40的热量。典型的能量循环单元42包括蒸汽轮机、热电发生器、热量回收单元、和Stirling发动机。按照一个具体实施方案，能量循环单元42是燃气涡轮42。对于图2示出的具体实施方案，能量循环单元42是燃气涡轮42，而且组合循环发电系统60还包括压缩机44，用于压缩氧化剂如空气，以提供新氧化剂流给入口12。图示的具体实施方案中，燃气涡轮42形成为驱动压缩机44。另一具体实施方案中，也如图2所示，组合循环发电系统60还包括底(bottoming)循环单元46，如蒸汽轮机46，其用于接收来自能量循环单元42如燃气涡轮42的热量。
为提取来自出口14的部分废氧化剂流并将该再循环的废气流通过循环通道30转移，按照一个具体实施方案的组合循环发电系统60还包括吹风机32，其设置在循环通道30中并形成为吹送再循环的废气流。按照一个更具体的实施方案，能量循环单元42直接或间接(例如，通过发动机)地形成给吹风机32供应动力。
根据一个具体实施方案，入口12、出口14、循环通道30和吹风机32适于获得至少大约0.2特别是至少0.3或0.4的等价率φ。如上面提及的，等价率φ是燃料相对于氧化剂的化学计量比。对于常规的燃料电池装置，化学计量比典型地限定为φ＝0.2或更少，以提供足够的空气冷却作用给燃料电池堆。然而，将再循环通道30组合进组合循环发电系统60可理想地实现高等价率的选择，同时对电池堆10提供足够的空气冷却作用。组合循环发电系统60中，希望使入口12、出口14、循环通道30和吹风机32适于获得能量循环单元42的约最大等价率。这样，燃烧的燃料电池模块尾气的温度升高到大约最大允许涡轮入口温度，从而使得燃料电池尾气转换为辅助发电系统60的输出的转换效率提高。所谓“适于(adapted)”，意味着再循环通道30和入口12和出口14(以及相关管道)经确定尺寸大小(sized)并配备控制装置，如阀(未示出)，以输送和控制燃料和氧化剂流的流速，以获得理想的等价率φ。类似地，控制吹风机32提供通过循环通道30的质量流量dm30/dt与通过入口通道16的质量流量dm16/dt的吹送比BR，以获得理想的等价率φ。
除上面结合燃料电池模块50讨论的优点外，组合循环发电系统60的其他一个优点在于，由于对电池堆10进行热控制所需的纯氧化剂流减少，所以尾气燃烧器40以较高的火焰温度在来自燃料电池堆10的废氧化剂流中焚烧来自燃料电池堆10的废燃料流，提高了能量循环单元42的效率。换句话说，通过再循环至少部分废气流到入口12，尤其是通过再循环大部分废气流到入口12，总循环等价率φ提高。总循环等价率φ是能量循环单元42以及组合循环发电系统60效率提高的关键因素。
图3所示的组合循环发电系统60的实施方案纯属示意性的。特定温度、比率和体积根据系统需要而改变。该特定实施方案中，将空气提供给压缩机44，其在压缩率为大约15∶1的条件下工作，以提供大约100kg/s压缩空气的新氧化剂流给入口12。大约411kg/s的废氧化剂通过出口14经由循环通道30再循环并与新氧化剂流混合，其中通过出口14的废氧化剂在大约849摄氏度。这对应于大约百分之八十(80％)(相对大约411％的吹送比)的氧化剂再循环率，并将入口氧化剂温度提高到大约749摄氏度。废氧化剂流的残余部分，大约100kg/s，与废燃料一起排放到燃烧器40，废燃料和废氧化剂都具有大约849摄氏度的温度。燃烧器40燃烧废燃料和废氧化剂，以在大约1360摄氏度的入口温度驱动燃气涡轮42。
图3所示例中，每个燃料电池单元20的电池电压为大约0.7V，电池堆10的效率为大约百分之五十(50％)，并且电池堆10的燃料利用率为大约百分之七十五(75％)。燃料电池单元20是SOFCs。电池堆10内部的平均温度为大约800摄氏度，以及电池堆10中的热梯度为大约100摄氏度。假设涡轮机组具有理想的热力效率和百分之九十(90％)的多方效率(polytropic efficieycy)，则循环效率为大约百分之七十(70％)，燃料电池的功分量(work split)为大约百分之七十一(71％)，涡轮机的功分量(work split)为大约百分之二十九(29％)。通过在底循环单元46(例如，蒸汽轮机46)中收集能量循环单元42(620摄氏度时)排放的热量，可以得到更高的效率，如图2所示。
参考图1和2描述了本发明的发电方法的实施方案。如图1所示，发电方法包括给燃料电池模块50的入口12提供氧化剂流。发电方法还包括给燃料电池模块50提供燃料流以及将至少大约百分之三十(30％)的来自出口14的废氧化剂流再循环给入口12，作为再循环废气流。控制氧化剂和燃料流的供应以及至少大约百分之三十(30％)废物流的再循环，获得了至少大约0.2的等价率。发电方法还包括废来自出口14的废氧化剂流的残余部分。
在一个具体实施方案中，发电方法进一步包括以吹送率BR吹送循环废气流。该实施方案中控制氧化剂和燃料流的供应，并选择吹送率BR以获得至少大约0.2，特别是至少约0.3、0.4或0.5的等价率。如上面所提，部分废气流再循环给入口12就可得到更高的等价率φ，同时提供足够的燃料电池堆10的空气冷却作用。从而，得到更高的总循环效率。
图2示出的实施方案中，发电方法还包括提供废氧化剂流的残余部分给燃烧器40、提供来自燃料电池模块50的废燃料流给燃烧器40、燃烧废燃料流和废氧化剂流的残余部分以产生热量，以及提供该热量给能量循环单元42。有利地，对电池堆10进行热控制所需的总的氧化剂流减少，使得火焰温度升高，燃烧器40在该升高的温度燃烧来自燃料电池模块50的废燃料流，提高能量循环单元42的效率。
对于一个更具体实施方案，控制氧化剂和燃料流的供应，并选择吹送率BR以获得能量循环单元42的大约最大等价率。该等价率受限于能量循环单元42的允许入口温度。因此，“最大等价率”指在能量循环单元42的最大允许入口温度限制下的最大等价率。
虽然这里图示并描述的仅是本发明的某些特征，但是本领域普通技术人员可以想到许多修改和变化。因此，可以理解所附的权利要求旨在覆盖落入本发明实质精神的所有修改和变化。
权利要求
1.一种组合循环发电系统(60)包括至少一个包括多个燃料电池单元(20)的燃料电池堆(10)；形成为接收提供给所述至少一个燃料电池堆的氧化剂流的入口(12)；形成为排放由所述至少一个燃料电池堆产生的废氧化剂流的出口(14)；循环通道(30)，形成为输送来自所述出口的废氧化剂流的至少百分之三十(30％)到所述入口用作循环废气流，以与新氧化剂流结合而形成提供给所述至少一个燃料电池堆(10)的氧化剂流；和尾气燃烧器(40)，用于接收来自所述出口的废氧化剂流的残余部分。
2.权利要求1的组合循环发电系统(60)，其中所述尾气燃烧器(40)还适于接收来自所述至少一个燃料电池堆(10)的废燃料流，并燃烧该废燃料流和废氧化剂流的残余部分，所述组合循环发电系统进一步包括用于接收来自所述尾气燃烧器的热量的能量循环单元(42)。
3.权利要求2的组合循环发电系统(60)，其中所述能量循环单元(42)包括下列之一蒸汽轮机、热电发生器、热量回收单元、Stirling发动机和燃气涡轮。
4.权利要求2的组合循环发电系统(60)，进一步包括用于接收来自所述能量循环单元(42)的热量的底循环单元(46)。
5.权利要求4的组合循环发电系统(60)，其中所述能量循环单元(42)包括燃气涡轮(42)，所述底循环单元(46)包括蒸汽轮机(46)。
6.权利要求2的组合循环发电系统(60)，进一步包括压缩机(44)，形成为压缩用于供给所述入口(12)的新氧化剂流的的氧化剂，其中所述能量循环单元(42)形成为为所述压缩机提供动力。
7.权利要求2的组合循环发电系统(60)，进一步包括位于所述循环通道(30)中并且吹送循环废气流的吹风机(32)，其中所述能量循环单元(42)形成为为所述吹风机提供动力。
8.权利要求7的组合循环发电系统(60)，其中所述入口(12)、出口(14)、循环通道(30)和吹风机(32)用于获得至少大约0.2的等价率。
9.权利要求8的组合循环发电系统(60)，其中所述入口(12)、出口(14)、循环通道(30)和吹风机(32)用于获得能量循环单元(42)的大约最大等价率。
10.权利要求7的组合循环发电系统(60)，其中每个所述燃料电池单元(20)包括下述之一固态氧化物燃料电池(SOFC)和熔融碳酸盐燃料电池。
全文摘要
燃料电池模块(50)包括至少一个包括多个燃料电池单元(20)的燃料电池堆(10)。入口(12)形成为接收提供给燃料电池堆的氧化剂；出口(14)形成为排放由燃料电池堆产生的废氧化剂流；循环通道(30)形成为输送来自所述出口的废氧化剂流的至少百分之三十(30％)到所述入口用作循环废气流，以与新氧化剂流结合而形成提供给燃料电池堆的氧化剂流。
文档编号H01M8/12GK1512612SQ20031012460
公开日2004年7月14日 申请日期2003年12月26日 优先权日2002年12月27日
发明者S·R·桑德尔森, S R 桑德尔森 申请人:通用电气公司