燃料电池模块，组合循环发电系统以及发电方法技术方案

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。（*该技术在2023年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术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。
技术介绍
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。
技术实现思路
简单地说，根据本专利技术的一个实施方案，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)。附图说明参考附图阅读下面的具体描述时，本专利技术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示意性描述了本专利技术一示意性燃料电池模块的实施方案。图2示意性描述了本专利技术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具体描述本专利技术的燃料电池模块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，本专利技术的燃料电池模块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∞＝/，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本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：S·R·桑德尔森，
申请(专利权)人：通用电气公司，
类型：发明
国别省市：