使用级联燃料电池的发电系统及其相关联方法技术方案

本发明专利技术提供用于使用级联燃料电池产生电功率的发电系统和相关联的方法。发电系统能够包括第一燃料电池、第二燃料电池、分流机构、第一燃料路径和第二燃料路径。第一燃料电池被配置成产生第一阳极和第一阴极尾气流。分流机构被配置成使第一阳极尾气流分流成第一和第二部分。第一燃料路径被配置成接收分流机构下游的烃类燃料流，与第一部分混合以形成混合流，并且使混合流流到第一燃料电池。第二燃料路径被配置成将第二部分馈送到第二燃料电池。第一和第二燃料电池被配置成通过分别使用混合流和第二部分产生电功率。

Power generation system using cascade fuel cells and associated methods

The invention provides a power generation system and associated method for generating electric power using a cascade fuel cell. The power generation system can include a first fuel cell, a second fuel cell, a shunt mechanism, a first fuel path and a second fuel path. The first fuel cell is configured to generate the first anode and the first cathode tail air stream. The shunt mechanism is configured to divert the first anode tail air into the first and second parts. The first fuel path is configured to receive a hydrocarbon fuel flow downstream from the distributary mechanism, mixed with the first part to form a mixed flow, and to flow the mixed flow to the first fuel cell. The second fuel path is configured to feed the second part to the second fuel cell. The first and second fuel cells are configured to generate electric power by using the mixing flow and the second part respectively.

【技术实现步骤摘要】
使用级联燃料电池的发电系统及其相关联方法
本专利技术的实施例涉及一种发电系统，并且更具体地说，涉及一种基于级联(cascaded)燃料电池的发电系统及其相关联方法。
技术介绍
燃料电池是一种电化学能量转换装置，其在用于发电系统时已经呈现出更高效率和更低污染的潜能。一般来说，燃料电池产生直流电(directcurrent，DC)，所述直流电可经由例如反相器转换成交流电(alternatingcurrent，AC)。常见类型的燃料电池包括磷酸燃料电池(phosphoricacidfuelcell，PAFC)、熔融碳酸盐燃料电池(moltencarbonatefuelcell，MCFC)、质子交换膜燃料电池(protonexchangemembranefuelcell，PEMFC)和固体氧化物燃料电池(solidoxidefuelcell，SOFC)。例如SOFC等燃料电池可在大规模发电系统中操作以满足工业和市政需要。其他类型的燃料电池可用于较小的便携式应用，例如对汽车供电。实际上，燃料电池可串联或并联布置在电力系统中以产生所需电压或电流的电力。一般来说，燃料电池包括两个电极和设置在其间的电解质。在操作期间，燃料电池中发生电化学反应以将氢气(燃料)和氧气(氧化剂)转换成水或蒸汽(副产物)并产生电力。通常，电化学反应发生在电极处，电极处通常设置有催化剂以加速此类反应。电极提供增大的表面积以便于发生电化学反应。电解质将带电颗粒从一个电极转移到另一电极，且所述电解质另外基本上不可透过燃料和氧化剂两者。副产物可在高操作温度下离开燃料电池。除蒸汽或水之外，副产物可包括各种其它组分，例如氢气、一氧化碳、甲烷和二氧化碳。大体而言，发电系统还包括用于通过以下方式重整烃类燃料的重整器(reformer)：使用燃料电池的副产物以产生包括相当大量的氢气的重整流。重整流接着可流到燃料电池以进一步提高燃料电池的效率。然而，此类系统中的重整流的质量通常变得极高，且因此难以处置。此外，重整流中的蒸汽-碳比率最终可能会超过所需值，因此降低重整流作为燃料的品质(例如，热值)且因此减小燃料电池的总效率。此外，发电系统可能需要高温热交换材料以处置来自燃料电池的热副产物，从而可能会进一步提高系统的总成本。因此，需要一种并入更加有效的燃料电池的更加有效的发电系统。
技术实现思路
根据一个实例实施例，公开一种具有级联燃料电池的发电系统。发电系统包括第一燃料电池、第二燃料电池、分流机构、第一燃料路径和第二燃料路径。每个燃料电池包括阳极入口、阳极出口、阴极入口和阴极出口。第一燃料电池被配置成产生第一阳极尾气流和第一阴极尾气流。第二燃料电池被配置成产生第二阳极尾气流和第二阴极尾气流。分流机构被配置成使第一阳极尾气流分流成第一部分和第二部分。第一燃料路径被配置成经由烃类燃料入口通道接收分流机构下游的烃类燃料并将烃类燃料与第一阳极尾气流的第一部分混合以形成第一混合流。第一燃料路径还被配置成使第一混合流流到第一燃料电池的阳极入口，其中第一燃料电池还被配置成至少部分地通过使用第一混合流作为燃料而产生第一电功率。第二燃料路径被配置成将第一阳极尾气流的第二部分馈送到第二燃料电池，其中第二燃料电池还被配置成至少部分地通过使用第一阳极尾气流的第二部分作为燃料而产生第二电功率。发电系统进一步包括第一阳极出口通道，其用于将第一阳极尾气流馈送到分流机构；第一阴极出口通道，其用于排出第一阴极尾气流；第二阳极出口通道，其用于排出第二阳极尾气流；第二阴极出口通道，其用于排出第二阴极尾气流；第一流体路径，其被配置成将第一氧化剂流馈送到第一燃料电池；和第二流体路径，其被配置成将第二氧化剂流馈送到第二燃料电池。第一燃料电池包括至少一个内部燃料重整器，至少一个内部燃料重整器被配置成接收第一混合流并产生重整流，使得第一电功率通过使用重整流而产生。发电系统进一步包括连接到第一阳极出口通道和第一燃料路径的第一回热器，其中第一回热器被配置成从第一阳极尾气流中提取热量并将提取出的热量转移到第一混合流。发电系统进一步包括连接到第一阴极出口通道和第一流体路径的第二回热器，其中第二回热器被配置成从第一阴极尾气流中提取热量并将提取出的热量转移到第一氧化剂流。发电系统进一步包括连接到第二阳极出口通道和第二燃料路径的第三回热器，其中第三回热器被配置成从第二阳极尾气流中提取热量并将提取出的热量转移到第一阳极尾气流的第二部分。发电系统进一步包括连接到第二阴极出口通道和第二流体路径的第四回热器，其中第四回热器被配置成从第二阴极尾气流中提取热量并将提取出的热量转移到第二氧化剂流。发电系统进一步包括设置在第二燃料电池下游的催化氧化器，其中催化氧化器被配置成(i)接收第二阳极尾气流、第二阴极尾气流和第三氧化剂流；(ii)使第二阳极尾气流和第二阴极尾气流氧化以产生氧化流；以及(iii)经由氧化器出口通道将氧化流馈送到第一阴极出口通道。发电系统进一步包括连接到氧化器出口通道和第二流体路径的第五回热器，其中第五回热器被配置成从氧化流中提取热量并将提取出的热量转移到第二氧化剂流。发电系统进一步包括设置在分流机构下游并连接到第二燃料路径的水分离单元，其中水分离单元被配置成在第一阳极尾气流的第二部分被馈送到第二燃料电池之前使水的至少一部分与第一阳极尾气流的第二部分分离。发电系统进一步包括位于分流机构下游并连接到第一燃料路径的至少一个燃料重整器，其中至少一个燃料重整器被配置成接收第一混合流，产生重整流，并且使重整流的第一部分流到第一燃料电池，使得第一电功率通过使用重整流的第一部分而产生。发电系统进一步包括从至少一个燃料重整器延伸到第二燃料路径的滑流通道，其中第二燃料路径被配置成经由滑流通道接收重整流的第二部分，与第一阳极尾气流的第二部分混合以形成第二混合流，并且使第二混合流流到第二燃料电池，使得第二电功率通过使用第二混合流而产生。发电系统进一步包括连接到第一阴极出口通道和第一燃料路径的第一回热器，其中第一回热器被配置成从第一阴极尾气流中提取热量并将提取出的热量转移到重整流的第一部分。发电系统进一步包括连接到第一阴极出口通道和第一流体路径的第二回热器，其中第二回热器被配置成从第一阴极尾气流中提取热量并将提取出的热量转移到第一氧化剂流。发电系统进一步包括连接到第二阴极出口通道和第二流体路径的第三回热器，其中第三回热器被配置成从第二阴极尾气流中提取热量并将提取出的热量转移到第二氧化剂流。发电系统进一步包括设置在第二燃料电池下游的催化氧化器，其中催化氧化器被配置成(i)接收第二阳极尾气流、第二阴极尾气流和第三氧化剂流；(ii)使第二阳极尾气流和第二阴极尾气流氧化以产生氧化流；以及(iii)经由氧化器出口通道将氧化流馈送到第一阴极出口通道。发电系统进一步包括连接到第二燃料路径和烃类燃料入口通道的第一燃料预热器，其中第一燃料预热器被配置成从第一阳极尾气流的第二部分提取热量并将提取出的热量转移到烃类燃料流。发电系统进一步包括设置在分流机构下游并连接到第二燃料路径的水分离单元，其中水分离单元被配置成在第一阳极尾气流的第二部分被馈送到第二燃料电池之前使水的至少一部分与第一阳极尾气流的第二部分或第二混合流分离。发电系统进一步包括连接到第二阳极出口通道和本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种发电系统，包括：第一燃料电池，其被配置成产生第一阳极尾气流和第一阴极尾气流；第二燃料电池，其被配置成产生第二阳极尾气流和第二阴极尾气流；分流机构，其被配置成使第一阳极尾气流分流成第一部分和第二部分；第一燃料路径，其被配置成经由烃类燃料入口通道接收所述分流机构下游的烃类燃料流，将所述烃类燃料流与所述第一阳极尾气流的所述第一部分混合以形成第一混合流，并且使所述第一混合流流到所述第一燃料电池的阳极入口，其中所述第一燃料电池还被配置成至少部分地通过使用所述第一混合流作为燃料而产生第一电功率；以及第二燃料路径，其被配置成将所述第一阳极尾气流的所述第二部分馈送到所述第二燃料电池，其中所述第二燃料电池还被配置成至少部分地通过使用所述第一阳极尾气流的所述第二部分作为燃料而产生第二电功率。

【技术特征摘要】
2016.11.04 US 15/3433181.一种发电系统，包括：第一燃料电池，其被配置成产生第一阳极尾气流和第一阴极尾气流；第二燃料电池，其被配置成产生第二阳极尾气流和第二阴极尾气流；分流机构，其被配置成使第一阳极尾气流分流成第一部分和第二部分；第一燃料路径，其被配置成经由烃类燃料入口通道接收所述分流机构下游的烃类燃料流，将所述烃类燃料流与所述第一阳极尾气流的所述第一部分混合以形成第一混合流，并且使所述第一混合流流到所述第一燃料电池的阳极入口，其中所述第一燃料电池还被配置成至少部分地通过使用所述第一混合流作为燃料而产生第一电功率；以及第二燃料路径，其被配置成将所述第一阳极尾气流的所述第二部分馈送到所述第二燃料电池，其中所述第二燃料电池还被配置成至少部分地通过使用所述第一阳极尾气流的所述第二部分作为燃料而产生第二电功率。2.根据权利要求1所述的发电系统，进一步包括：第一阳极出口通道，其用于将所述第一阳极尾气流馈送到所述分流机构；第一阴极出口通道，其用于排出所述第一阴极尾气流；第二阳极出口通道，其用于排出所述第二阳极尾气流；第二阴极出口通道，其用于排出所述第二阴极尾气流；第一流体路径，其被配置成将第一氧化剂流馈送到所述第一燃料电池；和第二流体路径，其被配置成将第二氧化剂流馈送到所述第二燃料电池。3.根据权利要求2所述的发电系统，其中所述第一燃料电池包括至少一个内部燃料重整器，所述至少一个内部燃料重整器被配置成接收所述第一混合流并产生重整流，使得所述第一电功率通过使用所述重整流而产生。4.根据权利要求3所述的发电系统，进一步包括连接到所述第一阳极出口通道和所述第一燃料路径的第一回热器，其中所述第一回热器被配置成从所述第一阳极尾气流中提取热量并将所述提取出的热量转移到所述第一混合流。5.根据权利要求4所述的发电系统，进一步包括连接到...

【专利技术属性】
技术研发人员：AP沙皮罗，IS侯赛尼，
申请(专利权)人：通用电气公司，
类型：发明
国别省市：美国,US