[發(fā)明專利]使用級聯(lián)燃料電池的發(fā)電系統(tǒng)及其相關(guān)聯(lián)方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201711075317.1
• 申請日: 2017-11-03
• 公開（公告）號: CN108023103B
• 公開（公告）日: 2022-12-13
• 發(fā)明（設(shè)計）人: A.P.沙皮羅;I.S.侯賽尼
• 申請（專利權(quán)）人: 通用電氣公司
• 主分類號: H01M8/0612
• 分類號: H01M8/0612;H01M8/04298
• 代理公司: 中國專利代理(香港)有限公司 72001
• 代理人: 鄭浩;楊美靈

本發(fā)明提供用于使用級聯(lián)燃料電池產(chǎn)生電功率的發(fā)電系統(tǒng)和相關(guān)聯(lián)的方法。發(fā)電系統(tǒng)能夠包括第一燃料電池、第二燃料電池、分流機構(gòu)、第一燃料路徑和第二燃料路徑。第一燃料電池被配置成產(chǎn)生第一陽極和第一陰極尾氣流。分流機構(gòu)被配置成使第一陽極尾氣流分流成第一和第二部分。第一燃料路徑被配置成接收分流機構(gòu)下游的烴類燃料流，與第一部分混合以形成混合流，并且使混合流流到第一燃料電池。第二燃料路徑被配置成將第二部分饋送到第二燃料電池。第一和第二燃料電池被配置成通過分別使用混合流和第二部分產(chǎn)生電功率。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明的實施例涉及一種發(fā)電系統(tǒng)，并且更具體地說，涉及一種基于級聯(lián)(cascaded)燃料電池的發(fā)電系統(tǒng)及其相關(guān)聯(lián)方法。

背景技術(shù)

燃料電池是一種電化學(xué)能量轉(zhuǎn)換裝置，其在用于發(fā)電系統(tǒng)時已經(jīng)呈現(xiàn)出更高效率和更低污染的潛能。一般來說，燃料電池產(chǎn)生直流電(direct current，DC)，所述直流電可經(jīng)由例如反相器轉(zhuǎn)換成交流電(alternating current，AC)。常見類型的燃料電池包括磷酸燃料電池(phosphoric acid fuel cell，PAFC)、熔融碳酸鹽燃料電池(molten carbonatefuel cell，MCFC)、質(zhì)子交換膜燃料電池(proton exchange membrane fuel cell，PEMFC)和固體氧化物燃料電池(solid oxide fuel cell，SOFC)。例如SOFC等燃料電池可在大規(guī)模發(fā)電系統(tǒng)中操作以滿足工業(yè)和市政需要。其他類型的燃料電池可用于較小的便攜式應(yīng)用，例如對汽車供電。實際上，燃料電池可串聯(lián)或并聯(lián)布置在電力系統(tǒng)中以產(chǎn)生所需電壓或電流的電力。

一般來說，燃料電池包括兩個電極和設(shè)置在其間的電解質(zhì)。在操作期間，燃料電池中發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)以將氫氣(燃料)和氧氣(氧化劑)轉(zhuǎn)換成水或蒸汽(副產(chǎn)物)并產(chǎn)生電力。通常，電化學(xué)反應(yīng)發(fā)生在電極處，電極處通常設(shè)置有催化劑以加速此類反應(yīng)。電極提供增大的表面積以便于發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)。電解質(zhì)將帶電顆粒從一個電極轉(zhuǎn)移到另一電極，且所述電解質(zhì)另外基本上不可透過燃料和氧化劑兩者。副產(chǎn)物可在高操作溫度下離開燃料電池。除蒸汽或水之外，副產(chǎn)物可包括各種其它組分，例如氫氣、一氧化碳、甲烷和二氧化碳。

大體而言，發(fā)電系統(tǒng)還包括用于通過以下方式重整烴類燃料的重整器(reformer)：使用燃料電池的副產(chǎn)物以產(chǎn)生包括相當(dāng)大量的氫氣的重整流。重整流接著可流到燃料電池以進一步提高燃料電池的效率。然而，此類系統(tǒng)中的重整流的質(zhì)量通常變得極高，且因此難以處置。此外，重整流中的蒸汽-碳比率最終可能會超過所需值，因此降低重整流作為燃料的品質(zhì)(例如，熱值)且因此減小燃料電池的總效率。此外，發(fā)電系統(tǒng)可能需要高溫?zé)峤粨Q材料以處置來自燃料電池的熱副產(chǎn)物，從而可能會進一步提高系統(tǒng)的總成本。因此，需要一種并入更加有效的燃料電池的更加有效的發(fā)電系統(tǒng)。

發(fā)明內(nèi)容

根據(jù)一個實例實施例，公開一種具有級聯(lián)燃料電池的發(fā)電系統(tǒng)。發(fā)電系統(tǒng)包括第一燃料電池、第二燃料電池、分流機構(gòu)、第一燃料路徑和第二燃料路徑。每個燃料電池包括陽極入口、陽極出口、陰極入口和陰極出口。第一燃料電池被配置成產(chǎn)生第一陽極尾氣流和第一陰極尾氣流。第二燃料電池被配置成產(chǎn)生第二陽極尾氣流和第二陰極尾氣流。分流機構(gòu)被配置成使第一陽極尾氣流分流成第一部分和第二部分。第一燃料路徑被配置成經(jīng)由烴類燃料入口通道接收分流機構(gòu)下游的烴類燃料并將烴類燃料與第一陽極尾氣流的第一部分混合以形成第一混合流。第一燃料路徑還被配置成使第一混合流流到第一燃料電池的陽極入口，其中第一燃料電池還被配置成至少部分地通過使用第一混合流作為燃料而產(chǎn)生第一電功率。第二燃料路徑被配置成將第一陽極尾氣流的第二部分饋送到第二燃料電池，其中第二燃料電池還被配置成至少部分地通過使用第一陽極尾氣流的第二部分作為燃料而產(chǎn)生第二電功率。

發(fā)電系統(tǒng)進一步包括第一陽極出口通道，其用于將第一陽極尾氣流饋送到分流機構(gòu)；第一陰極出口通道，其用于排出第一陰極尾氣流；第二陽極出口通道，其用于排出第二陽極尾氣流；第二陰極出口通道，其用于排出第二陰極尾氣流；第一流體路徑，其被配置成將第一氧化劑流饋送到第一燃料電池；和第二流體路徑，其被配置成將第二氧化劑流饋送到第二燃料電池。