改进的燃料电池系统和方法技术方案

本发明专利技术涉及改进的燃料电池系统和方法。本发明专利技术提供一种中温固体氧化物燃料电池(IT-SOFC)系统，包括：(i)至少一个燃料电池组，所述燃料电池组包括至少一个中温固体氧化物燃料电池，并且具有阳极入口、阴极入口、阳极废气出口、阴极废气出口，以及所述燃料电池组限定用于阳极入口气体、阴极入口气体、阳极废气和阴极废气的流动的分离流动路径；以及(ii)蒸汽重整器，用于将烃燃料重整为重整产品，并且所述蒸汽重整器具有用于阳极入口气体的重整器入口、用于排出阳极入口气体的重整器出口以及重整器热交换器；并且限定：(a)阳极入口气流流动路径，该阳极入口气流流动路径从燃料源到所述蒸汽重整器，再到所述至少一个燃料电池组阳极入口；(b)阳极废气流流动路径，该阳极废气流流动路径从所述至少一个燃料电池组阳极废气出口到燃料电池系统排气装置；(c)阴极入口气流流动路径，该阴极入口气流流动路径从至少一个氧化剂入口到所述重整器热交换器，再到所述至少一个燃料电池组阴极入口；以及(d)阴极废气流流动路径，该阴极废气流流动路径从所述至少一个燃料电池组阴极废气出口到所述燃料电池系统排气装置；其中，所述重整器热交换器是与以下各项流体流动联通的并流型热交换器，并且被布置用于在所述阴极入口气体和所述阳极入口气体之间交换热量：(i)所述至少一个氧化剂入口和所述至少一个燃料电池组阴极入口，以及(ii)所述燃料源和所述至少一个燃料电池组阳极入口。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及改进的燃料电池系统和方法
技术介绍
燃料电池、燃料电池组、燃料电池组组件以及热交换器的系统、装置和方法的教导是本领域普通技术人员公知的，具体包括WO02/35628、WO03/07582、WO2004/089848、WO2005/078843、WO2006/079800、WO2006/106334、WO2007/085863、WO2007/110587、WO2008/001119、WO2008/003976、WO2008/015461、WO2008/053213、WO2008/104760、WO2008/132493、WO2009/090419、WO2010/020797和WO2010/061190，通过引用方式将其整体并入本文。必要时，本使用的术语的定义可见于上述公开。具体地，本专利技术的目的是改进WO2008/053213中公开的系统和方法。对工作在450-650摄氏度(DegC)范围(中温固体氧化物燃料电池；IT-SOFC)中，尤其是520-620摄氏度温度范围内的燃料电池烃燃料SOFC(固体氧化物燃料电池)系统进行操作，将导致所面临不同技术问题组合，并且，相比于更高温的SOFC技术，比如工作温度>720摄氏度的基于YSZ(氧化钇稳定的氧化锆)的技术，需要不同的解决方案。较低的燃料电池工作温度使其不适用于高级别的燃料内部重整，因而这些系统通常需要在燃料到达燃料电池组之前进行高级别的重整。在这些系统中，蒸汽重整用于将烃燃料流转换为被馈送到燃料电池组阳极入口的富氢重整产品流。重整器通常工作在620-750摄氏度，使得输出重整产品在500-750摄氏度的温度范围内，从而允许80％以上的烃(如天然气)的重整。然后，将重整产品流冷却至约350-550摄氏度，以便进入约450摄氏度的燃料电池组。重整器通常由燃烧燃料电池组的废气的尾气燃烧器的输出来加热。IT-SOFC组冷却主要通过对燃料电池组的阴极侧的氧化剂流的控制来实现(即，为起到更好的冷却效果，更多的空气被吹在燃料电池组的阴极侧)。这与其他SOFC技术不同，其他SOFC技术中发生高级别内部重整并且内部重整反应引起的吸热效果的作用是吸收工作燃料电池释放的热能。为实现上述高重整器温度，在重整器通常与燃料电池组尾气燃烧器(其用氧化剂燃烧阳极废气中的任何剩余燃料，典型地用热阴极废气来燃烧)紧密热耦合。在该装置中，尾气燃烧器及其热排出气体通过热交换器(例如热交换表面)与重整器紧密热耦合。典型地，重整器设置成使得它紧邻或接触尾气燃烧器，以便尽可能多地将热量从尾气燃烧器传递到重整器。本专利技术人已经确定了一些影响当前IT-SOFC燃料电池组装置的技术限制：1.IT-SOFC降解导致燃料电池组效率的显著非线性损失在燃料电池的寿命期间，燃料电池的降解导致电效率的损失，因此在给定电功率输出下导致热量产生增加。控制燃料电池组的工作温度对于燃料电池组的工作性能来说至关重要。对于燃料电池系统，燃料电池组冷却的输送(尤其是通过泵/鼓风机到燃料电池的阴极侧)是一个相当大的系统寄生负载(通常是最大的系统寄生负载)。当燃料电池降解时，效率损失和增加的寄生负载的这种组合提供了不相称的(即，大于线性的，在此也称为非线性的)系统级效率降低。另外，由于燃料电池组提供用于提供燃料电池组冷却的电力，燃料电池的效率损失引起一个正反馈机制(即恶性循环)，即燃料电池组效率变低，并且在给定电力输出下产生更多热量，因此需要更多的冷却，这导致增加的电力需求，需要增加的电力产生，这又导致需要进一步增加冷却的热量产生增加。2.重整器和尾气燃烧器的紧密热耦合导致增加的燃料电池组冷却负载(吸热的)燃料重整器和尾气燃烧器(TGB)的紧密热耦合意味着离开燃料重整器的燃料流的焓取决于流入燃料电池组的总气流。随着IT-SOFC降解，增加的电阻和继而增加的燃料电池热量产生会导致增加了重整器温度，从而增加了重整燃料中的氢含量，进而增加了燃料电池组工作期间的燃料电池组冷却负载。在不对重整器的出口和燃料电池组的阳极入口之间的阳极入口气体进行补充热恢复的情况下，该增加的热能被传递至燃料电池组，作为附加的冷却负载，该冷却负载进一步增加了总电力需求，并进一步导致燃料电池系统效率的降低。3.作为重整产品而产生的一氧化碳导致碳脱落(drop-out)金属粉尘(metaldusting)，导致燃料电池组阳极侧的降解重整燃料的碳脱落对燃料电池组性能具有显著的负面影响，尤其在超期使用期间更是如此。由于包含一氧化碳的重整产品存在于重整器中并传递至IT-SOFC组阳极入口，并且重整器通常在高温中操作以实现高级别的重整，所以重整产品会经历显著的温度降低。随着温度降低，发生Boudouard反应，一氧化碳和二氧化碳之间的均衡向二氧化碳方向偏移，一氧化碳被氧化为二氧化碳，并且碳析出，即，发生碳脱落。这种碳脱落的形式有：(i)碳微粒，其覆盖在表面上并阻止/限制流体流动路径，以及(ii)金属粉尘(\CorrosionbyCarbonandNitrogen:MetalDusting,CarburisationandNitridation\,editedbyH.J.GrabkeandM.Schütze,2007,ISBN9781845692322)，碳形成在组件的暴露金属面的表面上，从而随着时间从组件本体上移除金属，对组件规范有负面影响。这些限制通常不出现在较高温度的燃料电池系统中，因为一定程度的内部重整能够也确实需要降低鼓风机寄生负载，并且任何外部重整必然更接近燃料电池组工作温度，因此不需要通过Boudouard反应温度范围内的冷却。本专利技术的目的是解决、克服或减轻现有技术缺点中的至少一个。
技术实现思路
根据本专利技术，提供了如所附权利要求限定的中温固体氧化物燃料电池(IT-SOFC)系统和操作IT-SOFC的方法。在所附的从属权利要求中还限定了更优选的特征。根据本专利技术的第一方面，提供一种中温固体氧化物燃料电池(IT-SOFC)系统，包括：(i)至少一个燃料电池组，所述燃料电池组包括至少一个中温固体氧化物燃料电池，并且具有阳极入口、阴极入口、阳极废气出口、阴极废气出口，以及所述燃料电池组限定用于阳极入口气体、阴极入口气体、阳极废气和阴极废气的流动的分离流动路径；以及(ii)蒸汽重整器，用于将烃燃料重整为重整产品，并且具有用于阳极入口气体的重整器入口、用于排出阳极入口气体的重整器出口以及重整器热交换器；并且限定：(a本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种中温固体氧化物燃料电池(IT‑SOFC)系统，包括：(i)至少一个燃料电池组，所述燃料电池组包括至少一个中温固体氧化物燃料电池，并且具有阳极入口、阴极入口、阳极废气出口、阴极废气出口，以及所述燃料电池组限定用于阳极入口气体、阴极入口气体、阳极废气和阴极废气的流动的分离流动路径；以及(ii)蒸汽重整器，用于将烃燃料重整为重整产品，并且所述蒸汽重整器具有用于阳极入口气体的重整器入口、用于排出阳极入口气体的重整器出口以及重整器热交换器；并且限定：(a)阳极入口气流流动路径，该阳极入口气流流动路径从燃料源到所述蒸汽重整器，再到所述至少一个燃料电池组阳极入口；(b)阳极废气流流动路径，该阳极废气流流动路径从所述至少一个燃料电池组阳极废气出口到燃料电池系统排气装置；(c)阴极入口气流流动路径，该阴极入口气流流动路径从至少一个氧化剂入口到所述重整器热交换器，再到所述至少一个燃料电池组阴极入口；以及(d)阴极废气流流动路径，该阴极废气流流动路径从所述至少一个燃料电池组阴极废气出口到所述燃料电池系统排气装置；其中，所述重整器热交换器是与以下各项流体流动联通的并流型热交换器，并且被布置用于在所述阴极入口气体和所述阳极入口气体之间交换热量：(i)所述至少一个氧化剂入口和所述至少一个燃料电池组阴极入口，以及(ii)所述燃料源和所述至少一个燃料电池组阳极入口。...

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2013.07.09 GB 1312329.41.一种中温固体氧化物燃料电池(IT-SOFC)系统，包括：
(i)至少一个燃料电池组，所述燃料电池组包括至少一个中温固体氧化物燃料电池，并
且具有阳极入口、阴极入口、阳极废气出口、阴极废气出口，以及所述燃料电池组限定用于
阳极入口气体、阴极入口气体、阳极废气和阴极废气的流动的分离流动路径；以及
(ii)蒸汽重整器，用于将烃燃料重整为重整产品，并且所述蒸汽重整器具有用于阳极
入口气体的重整器入口、用于排出阳极入口气体的重整器出口以及重整器热交换器；
并且限定：
(a)阳极入口气流流动路径，该阳极入口气流流动路径从燃料源到所述蒸汽重整器，再
到所述至少一个燃料电池组阳极入口；
(b)阳极废气流流动路径，该阳极废气流流动路径从所述至少一个燃料电池组阳极废
气出口到燃料电池系统排气装置；
(c)阴极入口气流流动路径，该阴极入口气流流动路径从至少一个氧化剂入口到所述
重整器热交换器，再到所述至少一个燃料电池组阴极入口；以及
(d)阴极废气流流动路径，该阴极废气流流动路径从所述至少一个燃料电池组阴极废
气出口到所述燃料电池系统排气装置；
其中，所述重整器热交换器是与以下各项流体流动联通的并流型热交换器，并且被布
置用于在所述阴极入口气体和所述阳极入口气体之间交换热量：(i)所述至少一个氧化剂
入口和所述至少一个燃料电池组阴极入口，以及(ii)所述燃料源和所述至少一个燃料电池
组阳极入口。
2.根据权利要求1所述的中温固体氧化物燃料电池(IT-SOFC)系统，还包括：至少一个
氧化剂加热器，位于所述氧化剂入口和所述重整器热交换器之间的所述阴极入口气流流动
路径中；至少一个氧化剂鼓风机；燃料电池组阴极入口气体温度传感器；燃料电池组阴极废
气温度传感器；以及控制装置，所述控制装置适于控制所述至少一个氧化剂鼓风机和通过
所述至少一个氧化剂加热器对入口氧化剂的加热，以将所述阴极入口气体温度传感器维持
在预定温度或附近，并且将所述阴极废气温度传感器维持在预定温度或附近。
3.根据权利要求1或2所述的中温固体氧化物燃料电池(IT-SOFC)系统，还包括：
入口氧化剂主路径，该入口氧化剂主路径从所述至少一个氧化剂入口到所述重整器热
交换器，再到所述至少一个燃料电池组阴极入口；以及
至少一个入口氧化剂旁路，该至少一个入口氧化剂旁路从所述至少一个氧化剂入口到
所述至少一个燃料电池组阴极入口，和/或从所述至少一个氧化剂入口到所述重整器热交
换器再到所述至少一个燃料电池组阴极入口。
4.当权利要求3引用权利要求2时根据权利要求3所述的中温固体氧化物燃料电池(IT-
SOFC)系统，其中所述至少一个氧化剂加热器位于所述氧化剂主路径中。
5.根据权利要求3或4所述的中温固体氧化物燃料电池(IT-SOFC)系统，其中所述至少
一个入口氧化剂旁路包括：至少两个入口氧化剂旁路，一个入口氧化剂旁路从所述至少一
个氧化剂入口到所述至少一个燃料电池组阴极入口，另一个入口氧化剂旁路从所述至少一
个氧化剂入口到所述重整器热交换器再到所述至少一个燃料电池组阴极入口。
6.根据权利要求3、4或5所述的中温固体氧化物燃料电池(IT-SOFC)系统，还包括：至少
一个氧化剂鼓风机，至少一个鼓风机位于所述入口氧化剂主路径和/或所述至少一个入口
氧化剂旁路中。
7.根据权利要求3-6中的任一项所述的中温固体氧化物燃料电池(IT-SOFC)系统，还包
括：至少一个可调节的入口氧化剂流分流器，用于在所述至少一个入口氧化剂旁路和所述
入口氧化剂主路径之间控制入口氧化剂流。
8.根据权利要求5所述的或当权利要求6或7引用权利要求5或任何对其引用的权利要
求时根据权利要求6或7所述的中温固体氧化物燃料电池(IT-SOFC)系统，还包括：可调节的
入口氧化剂流分流器，用于在所述一个入口氧化剂旁路和所述另一个入口氧化剂旁路之间
控制入口氧化剂流。
9.根据权利要求2所述的中温固体氧化物燃料电池(IT-SOFC)系统，还包括：
可调节的入口氧化剂流分流器；
入口氧化剂旁路；以及
入口氧化剂主路径，
所述控制装置被配置为控制所述可调节的入口氧化...

【专利技术属性】
技术研发人员：保罗·巴纳尔，马克·塞尔比，安德鲁·海泽尔，克里斯托弗·约翰·埃文斯，
申请(专利权)人：塞瑞斯知识产权有限公司，
类型：发明
国别省市：英国;GB