專利名稱：具有兩種不同類型燃料電池的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)和其控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種燃料電池發(fā)電系統(tǒng)及其控制方法。具體地，本發(fā)明涉及一種具有兩個(gè)不同類型的燃料電池組的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)及其控制方法。
背景技術(shù)：


圖1給出了一種常規(guī)燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。該常規(guī)系統(tǒng)是使用天然氣作為燃料的聚合物電解質(zhì)燃料電池系統(tǒng)。該常規(guī)系統(tǒng)主要包括脫硫器2、重整器3、重整器燃燒器53、CO轉(zhuǎn)化器4、CO選擇氧化器5、冷凝器39、聚合物電解質(zhì)燃料電池組9、功率調(diào)節(jié)設(shè)備20、汽化器14、汽化器燃燒器35、水罐90、流動(dòng)控制閥(10，11，12....)、加料水泵42、空氣供給吹風(fēng)機(jī)13和將這些組件相互連接的管道或類似物。
現(xiàn)在描述圖1中的標(biāo)號(hào)。標(biāo)號(hào)1表示用作燃料的天然氣，標(biāo)號(hào)2表示從天然氣1中去除硫的脫硫器，標(biāo)號(hào)3表示引起燃料的蒸汽重整反應(yīng)的重整器。標(biāo)號(hào)4表示通過(guò)水轉(zhuǎn)換反應(yīng)將得自蒸汽重整反應(yīng)的一氧化碳(CO)轉(zhuǎn)化成二氧化碳，并這樣提供氫的CO轉(zhuǎn)化器。標(biāo)號(hào)5表示將在水轉(zhuǎn)換反應(yīng)之后剩下的一氧化碳氧化成二氧化碳的CO選擇氧化器。
標(biāo)號(hào)9表示聚合物電解質(zhì)燃料電池組，標(biāo)號(hào)6、7和8分別表示聚合物電解質(zhì)燃料電池組9的陽(yáng)極、固體聚合物電解質(zhì)和陰極。標(biāo)號(hào)10、11和12表示控制空氣供給吹風(fēng)機(jī)13的空氣18流速的流動(dòng)控制閥。標(biāo)號(hào)14表示產(chǎn)生用于蒸汽重整反應(yīng)的蒸汽的汽化器。標(biāo)號(hào)15表示用于汽化器14的泵，標(biāo)號(hào)16表示通過(guò)汽化器14產(chǎn)生的蒸汽。
標(biāo)號(hào)17表示來(lái)自聚合物電解質(zhì)燃料電池組9的陰極排出氣體，標(biāo)號(hào)18表示來(lái)自空氣供給吹風(fēng)機(jī)13的空氣，標(biāo)號(hào)19表示來(lái)自聚合物電解質(zhì)燃料電池組9的陽(yáng)極排出氣體。標(biāo)號(hào)20表示功率調(diào)節(jié)設(shè)備，標(biāo)號(hào)21表示負(fù)載，標(biāo)號(hào)22表示來(lái)自聚合物電解質(zhì)燃料電池組9的DC輸出功率，標(biāo)號(hào)23表示在送電端的AC輸出功率，標(biāo)號(hào)24表示來(lái)自重整器燃燒器53的燃燒排出氣體。標(biāo)號(hào)25表示CO濃度減至約10ppm的重整氣體，它是來(lái)自CO選擇氧化器5的排出氣體。標(biāo)號(hào)26表示CO濃度減至1％或更低的重整氣體，它是來(lái)自CO轉(zhuǎn)化器4的排出氣體。標(biāo)號(hào)27表示在重整器3出口處的富含氫的重整氣體，它是來(lái)自重整器3的排出氣體。
標(biāo)號(hào)29表示脫硫天然氣，它是來(lái)自脫硫器2的排出氣體，標(biāo)號(hào)28表示蒸汽和脫硫天然氣的混合氣體。標(biāo)號(hào)30表示控制空氣供給吹風(fēng)機(jī)13的空氣18流速的流動(dòng)控制閥。標(biāo)號(hào)36表示來(lái)自汽化器燃燒器35的燃燒排出氣體，標(biāo)號(hào)37表示控制天然氣45的流速的流動(dòng)控制閥。標(biāo)號(hào)31表示用于汽化器燃燒器35的空氣，標(biāo)號(hào)32表示用于聚合物電解質(zhì)燃料電池組9的空氣，標(biāo)號(hào)33表示用于CO選擇氧化器5的空氣，和標(biāo)號(hào)34表示用于重整器燃燒器53的空氣。
標(biāo)號(hào)39表示冷凝重整氣體25(來(lái)自CO選擇氧化器的排出氣體)中的水分的冷凝器。標(biāo)號(hào)38表示在冷凝器39冷凝未反應(yīng)的蒸汽之后得到的重整氣體。標(biāo)號(hào)40表示在聚合物電解質(zhì)燃料電池組9中通過(guò)電池反應(yīng)所產(chǎn)生的水，標(biāo)號(hào)41表示通過(guò)冷凝器39產(chǎn)生的冷凝物。標(biāo)號(hào)42表示加料水泵，標(biāo)號(hào)43表示加料水，標(biāo)號(hào)44表示要供給至汽化器14的水。
標(biāo)號(hào)45表示要供給至脫硫器2的天然氣，標(biāo)號(hào)46表示用于汽化器燃燒器35的天然氣，標(biāo)號(hào)47和48表示分別控制天然氣45和49的流速的流動(dòng)控制閥，標(biāo)號(hào)49表示用于重整器燃燒器53的天然氣。標(biāo)號(hào)50表示用于脫硫器2的再循環(huán)重整氣體。標(biāo)號(hào)51表示控制再循環(huán)重整氣體50的流速的流動(dòng)控制閥。標(biāo)號(hào)52表示用于CO選擇氧化器5的重整氣體。標(biāo)號(hào)53表示如上所述的重整器燃燒器，標(biāo)號(hào)90表示水罐，標(biāo)號(hào)91表示來(lái)自汽化器14的排出氣體，標(biāo)號(hào)96表示控制汽化器14的蒸汽16流速的流動(dòng)控制閥。
上述詞語(yǔ)“富含氫”是指包含足夠的氫以通過(guò)電池反應(yīng)而用于發(fā)電。
為簡(jiǎn)便起見(jiàn)，圖1給出了由一個(gè)單元電池構(gòu)成的聚合物電解質(zhì)燃料電池組9，其中單元電池由一組陽(yáng)極6、固體聚合物電解質(zhì)7和陰極8組成。但實(shí)際上，聚合物電解質(zhì)燃料電池組9包括多個(gè)單元電池。
以下將參照?qǐng)D1描述該常規(guī)燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的操作。作為燃料，天然氣1、天然氣45、天然氣46和天然氣49分別供給至脫硫器2、汽化器燃燒器35和重整器燃燒器53。所供給的天然氣45的量根據(jù)DC輸出功率22的電池電流、重整器溫度和流動(dòng)控制閥37的開(kāi)啟度(即所供給的天然氣45的量)之間的預(yù)設(shè)關(guān)系，通過(guò)控制流動(dòng)控制閥37的開(kāi)啟度，設(shè)定為適合DC輸出功率22的電池電流和重整器3的溫度(重整器溫度)的值。
脫硫器2去除天然氣45中的臭味材料的含硫物質(zhì)如硫醇，否則造成重整器3中的重整催化劑和聚合物電解質(zhì)燃料電池組9中的陽(yáng)極6的電極催化劑的變質(zhì)，通過(guò)在鈷-鉬基催化劑(一種脫硫催化劑)作用下加氫脫硫和在脫硫器2中加載氧化鋅吸附劑進(jìn)行脫硫。具體地，鈷-鉬基催化劑首先引起硫和氫反應(yīng)以生成硫化氫，并隨后引起所得硫化氫和氧化鋅反應(yīng)生成硫化鋅，這樣去除含硫物質(zhì)。為了供給產(chǎn)生硫化氫所需的氫，將部分已將CO濃度減至1％或更低的富含氫的重整氣體26再循環(huán)并作為再循環(huán)重整氣體50供給至脫硫器2。
所供給的再循環(huán)重整氣體50的量根據(jù)流動(dòng)控制閥37的開(kāi)啟度(即所供給的天然氣45的量)和流動(dòng)控制閥51的開(kāi)啟度(即所供給的再循環(huán)重整氣體50的量)之間的預(yù)設(shè)關(guān)系，通過(guò)控制流動(dòng)控制閥51的開(kāi)啟度設(shè)定為適合天然氣45的供給量的值。加氫脫硫和產(chǎn)生硫化鋅的反應(yīng)都是吸熱反應(yīng)。反應(yīng)所需要的熱通過(guò)將CO轉(zhuǎn)化器4中的水轉(zhuǎn)換反應(yīng)(其為放熱反應(yīng)，以下進(jìn)行描述)所產(chǎn)生的熱由CO轉(zhuǎn)化器4供給至脫硫器2而提供。
將已通過(guò)脫硫器2去除含硫物質(zhì)的脫硫天然氣29與汽化器14所供給的蒸汽16混合，并將蒸汽和脫硫天然氣的混合氣體28供給至重整器3。重整器3填充有用作重整催化劑的鎳基催化劑或釕基催化劑。設(shè)定與脫硫天然氣29混合的蒸汽16的量，使得根據(jù)流動(dòng)控制閥37的開(kāi)啟度(即用于發(fā)電的天然氣45的供給量)和流動(dòng)控制閥96的開(kāi)啟度(即蒸汽16的供給量)之間的預(yù)設(shè)關(guān)系、通過(guò)控制流動(dòng)控制閥96的開(kāi)啟度達(dá)到預(yù)設(shè)的預(yù)定蒸汽-碳比率(蒸汽與天然氣中碳的比率)。
汽化器14蒸發(fā)通過(guò)泵15從水罐90供給的水44。蒸發(fā)水44所需的熱通過(guò)將以下描述的高溫燃燒排出氣體24供給至汽化器14和造成水44和燃燒排出氣體24之間的熱交換而提供。已與水44熱交換的燃燒排出氣體24作為排出氣體91排出。如果水44和燃燒排出氣體24之間的熱交換不能提供足夠的熱以充分蒸發(fā)汽化器14中的水44，通過(guò)流動(dòng)控制閥47供給至汽化器燃燒器35的天然氣46和空氣31(為通過(guò)空氣供給吹風(fēng)機(jī)13吸收的空氣的一部分，通過(guò)流動(dòng)控制閥30供給至汽化器燃燒器35)的燃燒可另外向汽化器14提供熱。
設(shè)定天然氣46的供給量，使得根據(jù)汽化器14的溫度和流動(dòng)控制閥47的開(kāi)啟度(即天然氣46的供給量)之間的預(yù)設(shè)關(guān)系，通過(guò)控制流動(dòng)控制閥47的開(kāi)啟度達(dá)到預(yù)設(shè)的預(yù)定汽化器溫度。此外，設(shè)定空氣31的供給量，使得根據(jù)流動(dòng)控制閥47的開(kāi)啟度(即天然氣46的供給量)和流動(dòng)控制閥30的開(kāi)啟度(即空氣31的供給量)之間的預(yù)設(shè)關(guān)系，通過(guò)控制流動(dòng)控制閥30的開(kāi)啟度達(dá)到預(yù)設(shè)的預(yù)定空氣-燃料比率(空氣與燃料的比率)。
向水罐90供給通過(guò)以下描述的冷凝器39所產(chǎn)生的冷凝物41和在聚合物電解質(zhì)燃料電池組9中通過(guò)電池反應(yīng)所產(chǎn)生的水40。如果它們不能充分填充水罐90，根據(jù)需要啟動(dòng)加料水泵42，以供給加料水43至水罐90。
在重整器3中，天然氣中烴的蒸汽重整反應(yīng)通過(guò)裝填在重整器3中的重整催化劑的作用下進(jìn)行，并因此生成富含氫的重整氣體27。甲烷(天然氣的主要組分)的蒸汽重整反應(yīng)表示為下式(1)。
(甲烷的蒸汽重整反應(yīng))(1)烴的蒸汽重整反應(yīng)，包括式(1)的甲烷的蒸汽重整反應(yīng)，是吸熱反應(yīng)。因此，為了有效地產(chǎn)生氫，反應(yīng)所需的熱必須由重整器3的外部供給且重整器3的溫度必須保持在700-750℃。因此，以下描述的包含約20％未反應(yīng)氫的陽(yáng)極排出氣體19由聚合物電解質(zhì)燃料電池組9供給至重整器燃燒器53，且空氣34(是通過(guò)空氣供給吹風(fēng)機(jī)13吸收的空氣18中的一部分)同時(shí)供給至重整器燃燒器53以引起其燃燒，這樣將蒸汽重整反應(yīng)所需的熱25供給至重整器3。設(shè)定空氣34的供給量，使得根據(jù)流動(dòng)控制閥37的開(kāi)啟度(即天然氣45的供給量)和流動(dòng)控制閥12的開(kāi)啟度(即空氣34的供給量)之間的預(yù)設(shè)關(guān)系，通過(guò)控制流動(dòng)控制閥12的開(kāi)啟度達(dá)到預(yù)設(shè)的預(yù)定空氣-燃料比率。
如果陽(yáng)極排出氣體19在重整器燃燒器53中的燃燒不能提供足夠的熱用于重整器3中烴的蒸汽重整反應(yīng)，則通過(guò)流動(dòng)控制閥48供給至重整器燃燒器53的天然氣49和空氣34(通過(guò)空氣供給吹風(fēng)機(jī)13吸收的空氣18中的一部分，通過(guò)流動(dòng)控制閥12供給至重整器燃燒器53)的燃燒另外向重整器3提供熱。
天然氣49的供給量根據(jù)重整器3的溫度和流動(dòng)控制閥48的開(kāi)啟度(即天然氣49的供給量)之間的預(yù)設(shè)關(guān)系，通過(guò)控制流動(dòng)控制閥48的開(kāi)啟度設(shè)定為適合重整器3的預(yù)設(shè)的預(yù)定溫度值。此外，設(shè)定空氣34的供給量，使得根據(jù)流動(dòng)控制閥37的開(kāi)啟度(即天然氣45的供給量)和流動(dòng)控制閥12的開(kāi)啟度(即空氣34的供給量)之間的預(yù)設(shè)關(guān)系，通過(guò)控制流動(dòng)控制閥12的開(kāi)啟度達(dá)到預(yù)設(shè)的預(yù)定空氣-燃料比率。
作為來(lái)自重整器3的排出氣體的富含氫的重整氣體27包含一氧化碳，后者引起聚合物電解質(zhì)燃料電池組9的陽(yáng)極6上的電極催化劑變質(zhì)。因此，富含氫的重整氣體27被供給至載有CO轉(zhuǎn)換催化劑如銅-鋅基催化劑的CO轉(zhuǎn)化器41，這樣通過(guò)CO轉(zhuǎn)換催化劑所引起的水轉(zhuǎn)換反應(yīng)將CO在富含氫的重整氣體27中的濃度減至1％或更低，所述水轉(zhuǎn)換反應(yīng)表示為下式(2)。
(水轉(zhuǎn)換反應(yīng))(2)水轉(zhuǎn)換反應(yīng)是放熱反應(yīng)。所產(chǎn)生的熱被供給至脫硫器2并用于上述脫硫器2中的加氫脫硫和產(chǎn)生硫化鋅的反應(yīng)(它們是吸熱反應(yīng))。
作為來(lái)自CO轉(zhuǎn)化器4的排出氣體，重整氣體26部分如上所述作為再循環(huán)重整氣體50被供給至脫硫器2，將剩余部分作為重整氣體52供給至載有用作CO選擇氧化催化劑的貴金屬催化劑如鉑基催化劑或釕基催化劑的CO選擇氧化器5。這是為了將重整氣體52的CO濃度減至約10ppm，因?yàn)楣┙o至陽(yáng)極6的CO濃度為100ppm或更高的重整氣體造成電極催化劑變質(zhì)。另外，空氣33(通過(guò)空氣供給吹風(fēng)機(jī)13吸收的空氣18中的一部分)被供給至CO選擇氧化器5。CO選擇氧化器5造成重整氣體52中的一氧化碳與空氣33中的氧反應(yīng)，通過(guò)下式(3)的CO選擇氧化反應(yīng)(是放熱反應(yīng))將一氧化碳轉(zhuǎn)化成二氧化碳，這樣將重整氣體52的CO濃度減至約10ppm。
(一氧化碳的CO選擇氧化反應(yīng))(3)空氣33的供給量根據(jù)流動(dòng)控制閥37的開(kāi)啟度(即天然氣45的供給量)和流動(dòng)控制閥11的開(kāi)啟度(即空氣33的供給量)之間的預(yù)設(shè)關(guān)系，通過(guò)控制流動(dòng)控制閥11的開(kāi)啟度設(shè)定為適合天然氣45的供給量的值。
已將CO濃度減至約10ppm的重整氣體25(來(lái)自CO選擇氧化器5的排出氣體)中的未反應(yīng)的蒸汽被冷卻至100℃或更低的溫度，并在冷凝器39中作為冷凝物41收集。冷凝物41被供給至水罐90，再利用為水44以供給至汽化器14。冷凝器39中冷凝未反應(yīng)蒸汽后得到的重整氣體38被供給至陽(yáng)極6。
另一方面，空氣32(通過(guò)空氣供給吹風(fēng)機(jī)13吸收的空氣18中的一部分)被供給至聚合物電解質(zhì)燃料電池組9的陰極8。通常，聚合物電解質(zhì)燃料電池組9的發(fā)電溫度是60℃-80℃。發(fā)電溫度通過(guò)電池反應(yīng)所產(chǎn)生的熱而保持?？諝?2的供給量根據(jù)DC輸出功率22的電池電流和流動(dòng)控制閥10的開(kāi)啟度(即空氣32的供給量)之間的預(yù)設(shè)關(guān)系，通過(guò)控制流動(dòng)控制閥10的開(kāi)啟度設(shè)定為適合DC輸出功率22的電池電流的值。
在陽(yáng)極6上，通過(guò)鉑基電極催化劑的作用，重整氣體38中約80％的氫通過(guò)下式(4)的陽(yáng)極反應(yīng)而轉(zhuǎn)化成氫離子和電子。
(陽(yáng)極反應(yīng))(4)在陽(yáng)極6產(chǎn)生的氫離子在由具有磺酸基團(tuán)的氟基聚合物如Nafion組成的固體聚合物電解質(zhì)7中移動(dòng)，并到達(dá)陰極8。另一方面，在陽(yáng)極6上產(chǎn)生的電子通過(guò)外電路(未示)移動(dòng)并到達(dá)陰極8。在電子通過(guò)外電路移動(dòng)的過(guò)程中，電能可作為DC輸出功率22被提取。
在陰極8上，通過(guò)鉑基電極催化劑的作用，已由陽(yáng)極6通過(guò)固體聚合物電解質(zhì)7移動(dòng)至陰極8的氫離子、已由陽(yáng)極6通過(guò)外電路移動(dòng)至陰極8的電子和供給至陰極8的空氣32中的氧相互反應(yīng)形成水，所述反應(yīng)稱作陰極反應(yīng)并以下式(5)表示。
(陰極反應(yīng))(5)結(jié)合式(4)和(5)，聚合物電解質(zhì)燃料電池組9中的電池反應(yīng)可表示為水電解的逆反應(yīng)，其中氫和氧相互反應(yīng)形成水，例如下式(6)所示。
(電池反應(yīng))(6)功率調(diào)節(jié)設(shè)備20在由聚合物電解質(zhì)燃料電池組9所產(chǎn)生的DC輸出功率22上進(jìn)行電壓轉(zhuǎn)化和DC/AC轉(zhuǎn)化，使得它適合于負(fù)載21并隨后將所得AC輸出功率23供給至負(fù)載21。盡管圖1給出了其中功率調(diào)節(jié)設(shè)備20進(jìn)行DC/AC轉(zhuǎn)化的一個(gè)例子，功率調(diào)節(jié)設(shè)備20可僅進(jìn)行電壓轉(zhuǎn)化，并可將送電端DC輸出功率供給至負(fù)載21。
重整氣體38在其約80％的氫在陽(yáng)極6通過(guò)式(4)的陽(yáng)極反應(yīng)被消耗之后，作為聚合物電解質(zhì)燃料電池組9的陽(yáng)極排出氣體19被排出。另一方面，空氣32在其部分氧在陰極8通過(guò)式(5)的陰極反應(yīng)被消耗之后，作為聚合物電解質(zhì)燃料電池組9的陰極排出氣體17排出。
在聚合物電解質(zhì)燃料電池組9中通過(guò)式(6)的電池反應(yīng)所產(chǎn)生的水40與冷凝物41一起被供給至水罐90，并再利用為供給至汽化器14的水44。因?yàn)橹卣麣怏w38中約20％氫留在陽(yáng)極排出氣體19中沒(méi)有反應(yīng)，陽(yáng)極排出氣體19如上所述用作重整器燃燒器53的燃料。
圖1所示的常規(guī)燃料電池發(fā)電系統(tǒng)具有下述問(wèn)題。為了在重整器3使來(lái)自聚合物電解質(zhì)燃料電池組9的陽(yáng)極排出氣體19中的天然氣45所含的烴進(jìn)行蒸汽重整反應(yīng)，不僅來(lái)自聚合物電解質(zhì)燃料電池組9的陽(yáng)極排出氣體19而且用于重整器燃燒器53的天然氣49必須供給至重整器燃燒器53用于燃燒。另外，因?yàn)榫酆衔镫娊赓|(zhì)燃料電池組9的發(fā)電溫度低，具體為60℃-80℃，在冷卻電池組的過(guò)程中不能產(chǎn)生蒸汽，這不同于使用具有發(fā)電溫度190℃的磷酸燃料電池組的情形。因此，必須提供汽化器14，用于與燃燒排出氣體24熱交換，且必須使供給至汽化器燃燒器35的天然氣46燃燒以向汽化器14外部供給蒸發(fā)水44所需的熱，這樣產(chǎn)生重整器3中烴蒸汽重整反應(yīng)所需的蒸汽16。因此。該常規(guī)燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的送電端效率低，具體地，低于40％(低熱值(LHV)參考，以下同)。另外，因?yàn)樗碗姸诵实?，送電端的AC輸出功率也低。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種減少了能量損失、因此送電端效率提高和送電端輸出功率增加的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)。
本發(fā)明的另一目的是提供一種控制燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的方法，使得即使該系統(tǒng)的送電端輸出功率不同也可保持燃料電池組和重整器的溫度在給定的溫度范圍內(nèi)。
本發(fā)明的一種燃料電池發(fā)電系統(tǒng)包括用于通過(guò)燃料的蒸汽重整反應(yīng)產(chǎn)生含氫重整氣體的重整裝置；用于通過(guò)重整氣體中的氫或氫和一氧化碳與氧的電化學(xué)反應(yīng)發(fā)電并將發(fā)電產(chǎn)生的廢熱和蒸汽供給重整裝置的第一發(fā)電裝置；用于通過(guò)一氧化碳與蒸汽的反應(yīng)將重整氣體中的一氧化碳轉(zhuǎn)化成二氧化碳和氫的轉(zhuǎn)化裝置；用于通過(guò)氧化將轉(zhuǎn)化裝置所排出的一氧化碳轉(zhuǎn)化成二氧化碳的氧化裝置；和用于通過(guò)氧化裝置所排出的氫與氧的電化學(xué)反應(yīng)發(fā)電的第二發(fā)電裝置。
本發(fā)明的另一燃料電池發(fā)電系統(tǒng)包括用于通過(guò)燃料的蒸汽重整反應(yīng)產(chǎn)生含氫重整氣體的重整裝置；用于通過(guò)重整氣體中的氫或氫和一氧化碳與氧的電化學(xué)反應(yīng)發(fā)電并將發(fā)電產(chǎn)生的廢熱和蒸汽供給重整裝置的第一發(fā)電裝置；用于通過(guò)一氧化碳與蒸汽的反應(yīng)將重整氣體中的一氧化碳轉(zhuǎn)化成二氧化碳和氫的轉(zhuǎn)化裝置；和用于通過(guò)轉(zhuǎn)化裝置所排出的氫與氧的電化學(xué)反應(yīng)發(fā)電的第二發(fā)電裝置。
本發(fā)明的另一燃料電池發(fā)電系統(tǒng)包括用于通過(guò)燃料的蒸汽重整反應(yīng)產(chǎn)生含氫重整氣體的重整裝置；用于通過(guò)重整氣體中的氫或氫和一氧化碳與氧的電化學(xué)反應(yīng)發(fā)電并將發(fā)電產(chǎn)生的廢熱和蒸汽供給至重整裝置的第一發(fā)電裝置；用于通過(guò)一氧化碳與蒸汽的反應(yīng)將重整氣體中的一氧化碳轉(zhuǎn)化成二氧化碳和氫的轉(zhuǎn)化裝置；用于從轉(zhuǎn)化裝置的排放物中分離氫的分離裝置；和用于通過(guò)分離的氫與氧的電化學(xué)反應(yīng)發(fā)電的第二發(fā)電裝置。
本發(fā)明的另一燃料電池發(fā)電系統(tǒng)包括用于通過(guò)燃料的蒸汽重整反應(yīng)產(chǎn)生含氫重整氣體的重整裝置；用于通過(guò)重整氣體中的氫或氫和一氧化碳與氧的電化學(xué)反應(yīng)發(fā)電并將發(fā)電產(chǎn)生的廢熱和包含蒸汽的排放物供給至重整裝置的第一發(fā)電裝置；用于通過(guò)一氧化碳與蒸汽的反應(yīng)將排放物中的一氧化碳轉(zhuǎn)化成二氧化碳和氫的轉(zhuǎn)化裝置；用于通過(guò)氧化將轉(zhuǎn)化裝置所排出的一氧化碳轉(zhuǎn)化成二氧化碳的氧化裝置；和用于通過(guò)氧化裝置所排出的氫與氧的電化學(xué)反應(yīng)發(fā)電的第二發(fā)電裝置。
本發(fā)明的另一燃料電池發(fā)電系統(tǒng)包括用于通過(guò)燃料的蒸汽重整反應(yīng)產(chǎn)生含氫重整氣體的重整裝置；用于通過(guò)重整氣體中的氫或氫和一氧化碳與氧的電化學(xué)反應(yīng)發(fā)電并將發(fā)電產(chǎn)生的廢熱和包含蒸汽的排放物供給重整裝置的第一發(fā)電裝置；用于通過(guò)一氧化碳與蒸汽的反應(yīng)將排放物中的一氧化碳轉(zhuǎn)化成二氧化碳和氫的轉(zhuǎn)化裝置；和用于通過(guò)轉(zhuǎn)化裝置所排出的氫與氧的電化學(xué)反應(yīng)發(fā)電的第二發(fā)電裝置。
本發(fā)明的另一燃料電池發(fā)電系統(tǒng)包括用于通過(guò)燃料的蒸汽重整反應(yīng)產(chǎn)生含氫重整氣體的重整裝置；用于通過(guò)重整氣體中的氫或氫和一氧化碳與氧的電化學(xué)反應(yīng)發(fā)電并將發(fā)電產(chǎn)生的廢熱和包含蒸汽的排放物供給重整裝置的第一發(fā)電裝置；用于通過(guò)一氧化碳與蒸汽的反應(yīng)將排放物中的一氧化碳轉(zhuǎn)化成二氧化碳和氫的轉(zhuǎn)化裝置；用于從轉(zhuǎn)化裝置的排放物中分離氫的分離裝置；和用于通過(guò)分離的氫與氧的電化學(xué)反應(yīng)發(fā)電的第二發(fā)電裝置。
本發(fā)明的另一燃料電池發(fā)電系統(tǒng)包括用于通過(guò)燃料的蒸汽重整反應(yīng)在陽(yáng)極產(chǎn)生含氫重整氣體和通過(guò)重整氣體中的氫或氫和一氧化碳與氧的電化學(xué)反應(yīng)發(fā)電的第一發(fā)電裝置，所述第一發(fā)電裝置消耗蒸汽重整反應(yīng)所需的熱并將含發(fā)電產(chǎn)生的蒸汽的排放物再循環(huán)至陽(yáng)極，所述熱是由所述發(fā)電產(chǎn)生的；用于通過(guò)一氧化碳與蒸汽的反應(yīng)用于將排放物中的一氧化碳轉(zhuǎn)化成二氧化碳和氫的轉(zhuǎn)化裝置；用于通過(guò)氧化將轉(zhuǎn)化裝置所排出的一氧化碳轉(zhuǎn)化成二氧化碳的氧化裝置；和用于通過(guò)氧化裝置所排出的氫與氧的電化學(xué)反應(yīng)發(fā)電的第二發(fā)電裝置。
本發(fā)明的另一燃料電池發(fā)電系統(tǒng)包括用于通過(guò)燃料的蒸汽重整反應(yīng)在陽(yáng)極產(chǎn)生含氫重整氣體和通過(guò)重整氣體中的氫或氫和一氧化碳與氧的電化學(xué)反應(yīng)發(fā)電的第一發(fā)電裝置，所述第一發(fā)電裝置消耗蒸汽重整反應(yīng)所需的熱并將含發(fā)電產(chǎn)生的蒸汽的排放物再循環(huán)至陽(yáng)極，所述熱是由所述發(fā)電產(chǎn)生的；用于通過(guò)一氧化碳與蒸汽的反應(yīng)將排放物中的一氧化碳轉(zhuǎn)化成二氧化碳和氫的轉(zhuǎn)化裝置；和用于通過(guò)轉(zhuǎn)化裝置所排出的氫與氧的電化學(xué)反應(yīng)發(fā)電的第二發(fā)電裝置。
本發(fā)明的另一燃料電池發(fā)電系統(tǒng)包括用于通過(guò)燃料的蒸汽重整反應(yīng)在陽(yáng)極產(chǎn)生含氫重整氣體和通過(guò)重整氣體中的氫或氫和一氧化碳與氧的電化學(xué)反應(yīng)發(fā)電的第一發(fā)電裝置，所述第一發(fā)電裝置消耗蒸汽重整反應(yīng)所需的熱并將含發(fā)電產(chǎn)生的蒸汽的排放物再循環(huán)至陽(yáng)極，所述熱是由所述發(fā)電產(chǎn)生的；用于通過(guò)一氧化碳與蒸汽的反應(yīng)將排放物中的一氧化碳轉(zhuǎn)化成二氧化碳和氫的轉(zhuǎn)化裝置；用于從轉(zhuǎn)化裝置的排放物中分離氫的分離裝置；和用于通過(guò)分離的氫與氧的電化學(xué)反應(yīng)發(fā)電的第二發(fā)電裝置。
本發(fā)明另一燃料電池發(fā)電系統(tǒng)是任何上述燃料電池發(fā)電系統(tǒng)，并包括用于確定第一發(fā)電裝置的輸出功率是否增加或下降的裝置；和當(dāng)?shù)谝话l(fā)電裝置的輸出功率增加時(shí)降低供給至第一發(fā)電裝置的空氣的量，或當(dāng)?shù)谝话l(fā)電裝置的輸出功率下降時(shí)增加空氣的量的裝置。
本發(fā)明的另一燃料電池發(fā)電系統(tǒng)是任何上述燃料電池發(fā)電系統(tǒng)，并包括用于確定第二發(fā)電裝置的輸出功率是否增加或下降的裝置；和當(dāng)?shù)诙l(fā)電裝置的輸出功率增加時(shí)降低供給至第一發(fā)電裝置的空氣的量，或當(dāng)?shù)诙l(fā)電裝置的輸出功率下降時(shí)增加空氣的量的裝置。
本發(fā)明另外涉及控制燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的方法，該方法是控制任何上述燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的方法，并包括以下步驟確定第一發(fā)電裝置的輸出功率是否增加或下降，和當(dāng)?shù)谝话l(fā)電裝置的輸出功率增加時(shí)降低供給至第一發(fā)電裝置的空氣的量，或當(dāng)?shù)谝话l(fā)電裝置的輸出功率下降時(shí)增加空氣的量。
本發(fā)明的另一個(gè)控制燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的方法是一種控制任何上述燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的方法，并包括以下步驟確定第二發(fā)電裝置的輸出功率是否增加或下降，和當(dāng)?shù)诙l(fā)電裝置的輸出功率增加時(shí)降低供給至第一發(fā)電裝置的空氣的量，或當(dāng)?shù)诙l(fā)電裝置的輸出功率下降時(shí)增加空氣的量。
在根據(jù)本發(fā)明的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)中，來(lái)自第一燃料電池組的廢熱和在第一燃料電池組的電池反應(yīng)中產(chǎn)生的蒸汽可用于引起燃料在重整器中的蒸汽重整反應(yīng)，且富含氫的所得重整氣體可供給至第一燃料電池組和第二燃料電池組以實(shí)現(xiàn)發(fā)電。因此，該燃料電池發(fā)電系統(tǒng)可提高送電端效率和增加送電端輸出功率。
另外，在根據(jù)本發(fā)明的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)中，第一燃料電池組的電池反應(yīng)所得到的蒸汽和廢熱可用于引起燃料的蒸汽重整反應(yīng)，富含氫的所得重整氣體可通過(guò)第一燃料電池組用于發(fā)電，且第一燃料電池組的包含未反應(yīng)氫的陽(yáng)極排出氣體可供給至第二燃料電池組并由第二燃料電池組用于發(fā)電。因此，該燃料電池發(fā)電系統(tǒng)可提高送電端效率和增加送電端輸出功率。
根據(jù)控制本發(fā)明燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的方法，可以改變?nèi)剂想姵匕l(fā)電系統(tǒng)的功率，同時(shí)保持燃料電池組和重整器的溫度在預(yù)定溫度范圍內(nèi)。這提供了一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的功率可隨負(fù)載的變化而變化，同時(shí)保持高效率發(fā)電，不會(huì)對(duì)燃料電池組和重整器的壽命和系統(tǒng)可靠性產(chǎn)生不利影響。
本發(fā)明的以上和其它目的、作用、特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)根據(jù)以下對(duì)其實(shí)施方案的描述并結(jié)合附圖而變得更加顯然。
附圖的簡(jiǎn)要描述圖1是顯示一種常規(guī)燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的圖；圖2是顯示本發(fā)明燃料電池發(fā)電系統(tǒng)實(shí)施方案1的圖；圖3是顯示本發(fā)明燃料電池發(fā)電系統(tǒng)實(shí)施方案2的圖；圖4是顯示本發(fā)明燃料電池發(fā)電系統(tǒng)實(shí)施方案3的圖；圖5是顯示本發(fā)明燃料電池發(fā)電系統(tǒng)實(shí)施方案4的圖；圖6是顯示本發(fā)明燃料電池發(fā)電系統(tǒng)實(shí)施方案5的圖；圖7是顯示本發(fā)明燃料電池發(fā)電系統(tǒng)實(shí)施方案6的圖；圖8是顯示本發(fā)明燃料電池發(fā)電系統(tǒng)實(shí)施方案7的圖；圖9是顯示本發(fā)明燃料電池發(fā)電系統(tǒng)實(shí)施方案8的圖；圖10是顯示本發(fā)明燃料電池發(fā)電系統(tǒng)實(shí)施方案9的圖；圖11是顯示本發(fā)明燃料電池發(fā)電系統(tǒng)實(shí)施方案10的圖；圖12是顯示本發(fā)明燃料電池發(fā)電系統(tǒng)實(shí)施方案11的圖；圖13是顯示本發(fā)明燃料電池發(fā)電系統(tǒng)實(shí)施方案12的圖；圖14是顯示本發(fā)明燃料電池發(fā)電系統(tǒng)實(shí)施方案13的圖；圖15是顯示本發(fā)明燃料電池發(fā)電系統(tǒng)實(shí)施方案14的圖；圖16是顯示本發(fā)明燃料電池發(fā)電系統(tǒng)實(shí)施方案15的圖；圖17是顯示本發(fā)明燃料電池發(fā)電系統(tǒng)實(shí)施方案16的圖；圖18是顯示本發(fā)明燃料電池發(fā)電系統(tǒng)實(shí)施方案17的圖；圖19是顯示本發(fā)明燃料電池發(fā)電系統(tǒng)實(shí)施方案18的圖；
圖20是顯示本發(fā)明燃料電池發(fā)電系統(tǒng)實(shí)施方案19的圖；圖21是顯示本發(fā)明燃料電池發(fā)電系統(tǒng)實(shí)施方案20的圖；圖22是顯示本發(fā)明燃料電池發(fā)電系統(tǒng)實(shí)施方案21的圖；圖23是系統(tǒng)流程圖，顯示了控制本發(fā)明燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的方法的一個(gè)例子；圖24是系統(tǒng)流程圖，顯示了控制本發(fā)明燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的方法的另一例子；圖25是特性圖，顯示了供給固體氧化物燃料電池組陰極的空氣量和氧利用率之間的關(guān)系；圖26是特性圖，顯示了相對(duì)氧利用率的固體氧化物燃料電池組送電端AC輸出功率和整個(gè)系統(tǒng)的送電端效率；圖27是特性圖，顯示了相對(duì)氧利用率的聚合物電解質(zhì)燃料電池組送電端AC輸出功率和整個(gè)系統(tǒng)的送電端效率；圖28顯示可有效地應(yīng)用本發(fā)明控制方法的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的替代實(shí)施方案；圖29顯示可有效地應(yīng)用本發(fā)明控制方法的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的替代實(shí)施方案；和圖30顯示可有效地應(yīng)用本發(fā)明控制方法的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的替代實(shí)施方案。
優(yōu)選實(shí)施方案的詳細(xì)描述燃料電池發(fā)電系統(tǒng)以下根據(jù)附圖描述本發(fā)明燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的實(shí)施方案。在以下描述的實(shí)施方案中，第一燃料電池組是固體氧化物燃料電池組，第二燃料電池組是聚合物電解質(zhì)燃料電池組。另外，第二燃料電池組也可以是磷酸燃料電池組。在這種情況下，以下實(shí)施方案中描述的CO選擇氧化器可省略，由CO轉(zhuǎn)化器排出的重整氣體可原樣供給第二燃料電池組。
(實(shí)施方案1)
圖2顯示了本發(fā)明燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的實(shí)施方案1。在圖2和以下附圖中，與已描述的附圖相同的組件使用相同的標(biāo)號(hào)，并省略其描述。
現(xiàn)在描述圖2中的標(biāo)號(hào)。標(biāo)號(hào)57表示作為第一燃料電池組的固體氧化物燃料電池組，標(biāo)號(hào)54表示固體氧化物燃料電池組57的陽(yáng)極，標(biāo)號(hào)55表示固體氧化物燃料電池組57的固體氧化物電解質(zhì)，標(biāo)號(hào)56表示固體氧化物燃料電池組57的陰極。標(biāo)號(hào)58表示用于固體氧化物燃料電池組57發(fā)電的空氣。標(biāo)號(hào)61表示固體氧化物燃料電池組57的陽(yáng)極排出氣體。標(biāo)號(hào)60表示由固體氧化物燃料電池組57至重整器3的再循環(huán)陽(yáng)極排出氣體。
標(biāo)號(hào)64表示固體氧化物燃料電池組57的排放的陽(yáng)極排出氣體。標(biāo)號(hào)59表示控制再循環(huán)陽(yáng)極排出氣體60的流速的流動(dòng)控制閥。標(biāo)號(hào)62表示控制空氣58的流速的流動(dòng)控制閥，標(biāo)號(hào)63表示固體氧化物燃料電池組57的陰極排出氣體，標(biāo)號(hào)74和75表示控制由重整器3排出的富含氫的重整氣體27的流速的流動(dòng)控制閥。標(biāo)號(hào)86表示功率調(diào)節(jié)設(shè)備，標(biāo)號(hào)87表示負(fù)載，標(biāo)號(hào)88表示由固體氧化物燃料電池組57產(chǎn)生的DC輸出功率，標(biāo)號(hào)89表示送電端的AC輸出功率。
為簡(jiǎn)便起見(jiàn)，圖2給出了由一個(gè)單元電池構(gòu)成的固體氧化物燃料電池組57，該單元電池由一組陽(yáng)極54、固體氧化物電解質(zhì)55和陰極56組成。但實(shí)際上，固體氧化物燃料電池組57包括多個(gè)單元電池。類似地，作為第二燃料電池組的聚合物電解質(zhì)燃料電池組9包括多個(gè)如上所述的單元電池。
如圖2所示，根據(jù)實(shí)施方案1的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)與圖1所示的常規(guī)燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的不同之處在于，除了聚合物電解質(zhì)燃料電池組9，固體氧化物燃料電池組57設(shè)置在重整器3附近。在該結(jié)構(gòu)中，由固體氧化物燃料電池組57產(chǎn)生的DC輸出功率88在功率調(diào)節(jié)設(shè)備86中轉(zhuǎn)化成AC輸出功率89并隨后供給至負(fù)載87。
現(xiàn)在根據(jù)圖2描述根據(jù)該實(shí)施方案的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的操作。天然氣45的供給量根據(jù)DC輸出功率22的電池電流和DC輸出功率88的電池電流和流動(dòng)控制閥37的開(kāi)啟度(即天然氣45的供給量)之間的關(guān)系，通過(guò)控制流動(dòng)控制閥37的開(kāi)啟度設(shè)定為適合DC輸出功率22的電池電流和DC輸出功率88的電池電流的值。將在脫硫器2中脫硫得到的脫硫天然氣29與含固體氧化物燃料電池組57中的電池反應(yīng)產(chǎn)生的蒸汽的再循環(huán)陽(yáng)極排出氣體60混合，并隨后將蒸汽和脫硫天然氣的混合氣體28供給至重整器3。再循環(huán)陽(yáng)極排出氣體60的供給量根據(jù)流動(dòng)控制閥37的開(kāi)啟度(即天然氣45的供給量)和流動(dòng)控制閥59的開(kāi)啟度(即再循環(huán)陽(yáng)極排出氣體60的供給量)之間的關(guān)系，通過(guò)控制流動(dòng)控制閥59的開(kāi)啟度設(shè)定為適合天然氣45的供給量的值。
在重整器3中，天然氣中所含烴的蒸汽重整反應(yīng)通過(guò)裝填在重整器3中的重整催化劑的作用下進(jìn)行，并由此得到富含氫的重整氣體27。蒸汽重整反應(yīng)是吸熱反應(yīng)，因此，為了有效地產(chǎn)生氫，反應(yīng)所需的熱必須由重整器3的外部供給且重整器3的溫度必須保持在700-750℃。因此，如下所述在800-1000℃下發(fā)電的固體氧化物燃料電池組57的廢熱作為蒸汽重整反應(yīng)所需的熱被供給至重整器3。
在重整器3中產(chǎn)生的部分富含氫的重整氣體27被供給至CO轉(zhuǎn)化器4，剩余部分被供給至固體氧化物燃料電池組57的陽(yáng)極54。供給至CO轉(zhuǎn)化器4的重整氣體27的量根據(jù)DC輸出功率22的直流電和流動(dòng)控制閥74的開(kāi)啟度(即供給至CO轉(zhuǎn)化器4的重整氣體27的量)之間的關(guān)系，通過(guò)控制流動(dòng)控制閥74的開(kāi)啟度設(shè)定為適合DC輸出功率22的直流電的值。另一方面，供給至固體氧化物燃料電池組57的陽(yáng)極54的重整氣體27的量根據(jù)DC輸出功率88的直流電和流動(dòng)控制閥75的開(kāi)啟度(即供給至陽(yáng)極54的重整氣體27的量)之間的關(guān)系，通過(guò)控制流動(dòng)控制閥75的開(kāi)啟度設(shè)定為適合DC輸出功率88的直流電的值。
向固體氧化物燃料電池組57的陰極56供給空氣58，后者是通過(guò)空氣供給吹風(fēng)機(jī)13吸收的空氣18中的一部分?？諝?8的量根據(jù)流動(dòng)控制閥75的開(kāi)啟度(即供給至陽(yáng)極54的重整氣體27的量)和流動(dòng)控制閥62的開(kāi)啟度(即空氣58的供給量)之間的關(guān)系，通過(guò)控制流動(dòng)控制閥62的開(kāi)啟度設(shè)定為適合供給至陽(yáng)極54的重整氣體27的量的值。類似地，供給至聚合物電解質(zhì)燃料電池組9的陰極8的空氣32的量根據(jù)流動(dòng)控制閥74的開(kāi)啟度(即供給至CO轉(zhuǎn)化器4的重整氣體27的量)和流動(dòng)控制閥10的開(kāi)啟度(即空氣32的供給量)之間的關(guān)系通過(guò)，控制流動(dòng)控制閥10的開(kāi)啟度設(shè)定為適合供給至CO轉(zhuǎn)化器4的重整氣體27的量的值。
在固體氧化物燃料電池組57的陰極56，通過(guò)金屬氧化物為基礎(chǔ)的電極催化劑的作用，用于發(fā)電的空氣58中的氧與電子反應(yīng)，通過(guò)下式(7)的陰極反應(yīng)轉(zhuǎn)化成氧離子。
(陰極反應(yīng))(7)在陰極56處產(chǎn)生的氧離子在穩(wěn)定化氧化鋯(YSZ或類似物)的固體氧化物電解質(zhì)55中移動(dòng)并到達(dá)陽(yáng)極54。在陽(yáng)極54，通過(guò)金屬基電極催化劑如鎳-YSZ金屬陶瓷或釕-YSZ金屬陶瓷的作用，已由陰極56移動(dòng)來(lái)的氧離子與供給至陽(yáng)極54的重整氣體27中的氫或一氧化碳反應(yīng)(式(8)和(9)的陽(yáng)極反應(yīng))，并由此生成蒸汽或二氧化碳和電子。
(陽(yáng)極反應(yīng))(8)(9)在陽(yáng)極54產(chǎn)生的電子通過(guò)外電路(未示)移動(dòng)并到達(dá)陰極56。已到達(dá)陰極56的電子通過(guò)式(7)的陰極反應(yīng)與氧反應(yīng)。在電子移動(dòng)通過(guò)外部電路的過(guò)程中，電能可作為DC輸出功率88被提取。
結(jié)合式(7)和(8)以及式(7)和(9)，固體氧化物燃料電池組57中的電池反應(yīng)可分別表示為其中氫和氧相互反應(yīng)形成蒸汽的水電解的逆反應(yīng)(這與聚合物電解質(zhì)燃料電池組9中的式(6)的電池反應(yīng)相同)和下式(10)的一氧化碳和氧相互反應(yīng)形成二氧化碳的反應(yīng)。
(電池反應(yīng))(10)功率調(diào)節(jié)設(shè)備86對(duì)由固體氧化物燃料電池組57產(chǎn)生的DC輸出功率88進(jìn)行電壓轉(zhuǎn)化和DC/AC轉(zhuǎn)化，使得它適用于負(fù)載87并隨后將所得AC輸出功率89供給負(fù)載87。盡管圖2給出了其中功率調(diào)節(jié)設(shè)備86進(jìn)行DC/AC轉(zhuǎn)化的一個(gè)例子，功率調(diào)節(jié)設(shè)備86可僅進(jìn)行電壓轉(zhuǎn)化，送電端DC輸出功率可供給至負(fù)載87。
固體氧化物燃料電池組57的發(fā)電溫度通常是800-1000℃，發(fā)電溫度通過(guò)電池反應(yīng)所產(chǎn)生的熱而保持。因此，固體氧化物燃料電池組57的廢熱可如上所述用作重整器3中烴的蒸汽重整反應(yīng)的反應(yīng)熱。
實(shí)際上，在常規(guī)固體氧化物燃料電池發(fā)電系統(tǒng)中，通過(guò)固體氧化物燃料電池組57中的電池反應(yīng)產(chǎn)生許多熱，且為了保持發(fā)電溫度，大量空氣58被供給至陰極56并用于冷卻固體氧化物燃料電池組57。陰極56的氧利用率是約20％。
因此，如果空氣58的供給量隨著天然氣45的供給量而改變，并控制由固體氧化物燃料電池組57供給至重整器3的廢熱的量，烴的蒸汽重整反應(yīng)可在重整器3中有效地實(shí)現(xiàn)。即，根據(jù)流動(dòng)控制閥37的開(kāi)啟度(即天然氣45的供給量)和流動(dòng)控制閥62的開(kāi)啟度的修正(即空氣58的供給量的修正)之間的關(guān)系，如果天然氣45的供給量增加，流動(dòng)控制閥62的開(kāi)啟度下降以減少供給至陰極56的空氣58的量，這樣提高陰極56的氧利用率和增加由固體氧化物燃料電池組57供給至重整器3的廢熱的量，同時(shí)保持固體氧化物燃料電池組57的發(fā)電溫度為800-1000℃。
另一方面，如果天然氣45的供給量下降，增加流動(dòng)控制閥62的開(kāi)啟度以增加空氣58的供給量，這樣減少陰極56的氧利用率并降低由固體氧化物燃料電池組57供給至重整器3的廢熱的量，同時(shí)保持固體氧化物燃料電池組57的發(fā)電溫度為800-1000℃。
為了提供如上所述重整器3中烴的蒸汽重整反應(yīng)所需的蒸汽，由電池反應(yīng)在陽(yáng)極54產(chǎn)生的含蒸汽的陽(yáng)極排出氣體61部分被再循環(huán)，將再循環(huán)陽(yáng)極排出氣體60與脫硫天然氣29混合，將混合氣體28供給至重整器3。剩余的陽(yáng)極排出氣體61作為排放的陽(yáng)極排出氣體64被排出。排放的陽(yáng)極排出氣體64可用作熱水供給的熱源，使用吸收冷凍機(jī)加熱和冷卻，這樣增加該系統(tǒng)的總熱效率，包括電和熱的利用率。此外，陰極排出氣體63也可用作熱水供給的熱源，使用吸收冷凍機(jī)加熱和冷卻，這樣增加該系統(tǒng)的總熱效率，包括電力和熱利用率。
根據(jù)實(shí)施方案1，因?yàn)楣腆w氧化物燃料電池組57的陽(yáng)極排出氣體61中所含蒸汽用于烴的蒸汽重整反應(yīng)，不需要在常規(guī)系統(tǒng)中必要的用于產(chǎn)生蒸汽的汽化器14(圖1)，且蒸發(fā)水所需的能量與圖1所示的常規(guī)系統(tǒng)相比降低了。另外，因?yàn)閬?lái)自固體氧化物燃料電池組57的廢熱在重整器3中用于烴的蒸汽重整反應(yīng)，可減少外部供給用于蒸汽重整反應(yīng)的能量。因此，聚合物電解質(zhì)燃料電池組9的送電端效率可提高。
另外，因?yàn)閬?lái)自固體氧化物燃料電池組57的廢熱在重整器3中用于烴的蒸汽重整反應(yīng)，與常規(guī)固體氧化物燃料電池發(fā)電系統(tǒng)相比可降低冷卻所需的空氣58的量。因此，升溫所需的能量和空氣58的供給可降低，從而固體氧化物燃料電池組57的送電端效率也可提高。結(jié)果，整個(gè)系統(tǒng)的送電端效率增加，整個(gè)系統(tǒng)的送電端輸出功率增加。
(實(shí)施方案2)圖3顯示了本發(fā)明燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的實(shí)施方案2?，F(xiàn)在描述圖3中的標(biāo)號(hào)。標(biāo)號(hào)68表示氫分離器，標(biāo)號(hào)65表示通過(guò)氫分離器68分離的氫，標(biāo)號(hào)66表示通過(guò)氫分離器68從中分離了氫的排出氣體。標(biāo)號(hào)67表示冷凝排出氣體66中的水分的冷凝器，標(biāo)號(hào)69表示通過(guò)冷凝器67減少了水分含量的干排出氣體。標(biāo)號(hào)70表示清洗閥，標(biāo)號(hào)71表示清洗氣體。標(biāo)號(hào)72表示包含未反應(yīng)氫的陽(yáng)極氫排出氣體，標(biāo)號(hào)73表示在冷凝器67中產(chǎn)生的冷凝物，標(biāo)號(hào)98表示用于氫分離器68的重整氣體。
根據(jù)實(shí)施方案2的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)與圖2所示的實(shí)施方案1的系統(tǒng)不同之處在于，提供氫分離器68和冷凝器67替代CO選擇氧化器5和冷凝器39。
現(xiàn)在根據(jù)圖3描述根據(jù)該實(shí)施方案的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的操作。由CO轉(zhuǎn)化器4排出的重整氣體98被供給至具有氫分離膜如鈀膜的氫分離器68，其中氫65從重整氣體98中被分離。此時(shí)，為了有效地分離氫，重整氣體98根據(jù)需要被加壓。氫65被供給至聚合物電解質(zhì)燃料電池組9的陽(yáng)極6，并與空氣32中的氧發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)。這樣，通過(guò)聚合物電解質(zhì)燃料電池組9進(jìn)行發(fā)電。
為了提高聚合物電解質(zhì)燃料電池組9的送電端效率，包含未反應(yīng)氫的陽(yáng)極氫排出氣體72完全被再循環(huán)至陽(yáng)極6并再用于聚合物電解質(zhì)燃料電池組9的發(fā)電。但陽(yáng)極氫排出氣體72不僅包含氫而且包含少量雜質(zhì)，因此，間歇地打開(kāi)清洗閥70以排出清洗氣體71。排出氣體66的水分含量通過(guò)冷凝器67冷凝，得到冷凝物73，并隨后作為干排出氣體69排出。
如實(shí)施方案1，該實(shí)施方案中，因?yàn)閬?lái)自固體氧化物燃料電池組57的陽(yáng)極排出氣體61中的蒸汽用于烴的蒸汽重整反應(yīng)，用于產(chǎn)生蒸汽的汽化器14(圖1)是不必要的，且蒸發(fā)水所需的能量與圖1所示的常規(guī)系統(tǒng)相比可下降。另外，因?yàn)楣腆w氧化物燃料電池組57的廢熱在重整器3中用于烴的蒸汽重整反應(yīng)，外部供給用于蒸汽重整反應(yīng)的能量可下降。因此，聚合物電解質(zhì)燃料電池組9的送電端效率可提高。
另外，因?yàn)閬?lái)自固體氧化物燃料電池組57的廢熱在重整器3中用于烴的蒸汽重整反應(yīng)，冷卻所需的空氣58的量與常規(guī)固體氧化物燃料電池發(fā)電系統(tǒng)相比可下降。因此，升溫所需的能量和空氣58的供給可下降，從而固體氧化物燃料電池組57的送電端效率也可提高。結(jié)果，整個(gè)系統(tǒng)的送電端效率增加，整個(gè)系統(tǒng)的送電端輸出功率增加。
(實(shí)施方案3)圖4顯示了本發(fā)明燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的實(shí)施方案3?，F(xiàn)在描述圖4中的標(biāo)號(hào)。標(biāo)號(hào)76表示燃燒器，標(biāo)號(hào)79表示用于燃燒器76的空氣。標(biāo)號(hào)78表示來(lái)自燃燒器76的排出氣體，標(biāo)號(hào)77表示控制空氣79的流速的流動(dòng)控制閥。
根據(jù)實(shí)施方案3的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)與圖2所示的根據(jù)實(shí)施方案1的系統(tǒng)的不同之處在于，提供接收排放的陽(yáng)極排出氣體64和空氣79以引起燃燒的燃燒器76。
現(xiàn)在參考圖4描述根據(jù)該實(shí)施方案的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的操作。排放的陽(yáng)極排出氣體64和空氣79(是空氣供給吹風(fēng)機(jī)13所吸收的空氣18中的一部分)被供給至燃燒器76以引起排放的陽(yáng)極排出氣體64中的未反應(yīng)的甲烷、未反應(yīng)的氫和未反應(yīng)的一氧化碳與空氣79中的氧燃燒，這樣產(chǎn)生高溫排出氣體78。氫和一氧化碳的燃燒反應(yīng)分別表示為式(11)和(12)。
(氫的燃燒反應(yīng))(11)(一氧化碳的燃燒反應(yīng))(12)高溫排出氣體78可用作熱水供給的熱源，使用吸收冷凍機(jī)加熱和冷卻，這樣可增加系統(tǒng)的總熱效率，包括電和熱的利用率?？諝?9的供給量根據(jù)流動(dòng)控制閥75和流動(dòng)控制閥59的開(kāi)啟度(即分別代表供給至陽(yáng)極54的重整氣體27的量和再循環(huán)陽(yáng)極排出氣體60的供給量)和流動(dòng)控制閥77的開(kāi)啟度(即空氣79的供給量)之間的關(guān)系，通過(guò)控制流動(dòng)控制閥77的開(kāi)啟度設(shè)定為適合供給至固體氧化物燃料電池組57之陽(yáng)極54的重整氣體27的量和再循環(huán)陽(yáng)極排出氣體60的供給量的值。
如實(shí)施方案1，該實(shí)施方案中，因?yàn)殛?yáng)極排出氣體61中的蒸汽用于烴的蒸汽重整反應(yīng)，用于產(chǎn)生蒸汽的汽化器14(圖1)是不必要的，且用于蒸發(fā)水所需的能量與圖1所示的常規(guī)系統(tǒng)相比可下降。另外，因?yàn)閬?lái)自固體氧化物燃料電池組57的廢熱在重整器3中用于烴的蒸汽重整反應(yīng)，外部供給用于蒸汽重整反應(yīng)的能量可下降。因此，聚合物電解質(zhì)燃料電池組9的送電端效率可提高。
另外，因?yàn)閬?lái)自固體氧化物燃料電池組57的廢熱在重整器3中用于烴的蒸汽重整反應(yīng)，冷卻所需的空氣58的量與常規(guī)固體氧化物燃料電池發(fā)電系統(tǒng)相比可下降。因此，升溫所需的能量和空氣58的供給可下降，從而固體氧化物燃料電池組57的送電端效率也可提高。結(jié)果，整個(gè)系統(tǒng)的送電端效率增加，整個(gè)系統(tǒng)的送電端輸出功率增加。
(實(shí)施方案4)圖5顯示了本發(fā)明的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的實(shí)施方案4。
根據(jù)實(shí)施方案4的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)與圖2所示的根據(jù)實(shí)施方案1的系統(tǒng)不同之處在于，提供接收排放的陽(yáng)極排出氣體64、陽(yáng)極排出氣體19和空氣79以引起燃燒的燃燒器76。
現(xiàn)在參考圖5描述根據(jù)該實(shí)施方案的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的操作。排放的陽(yáng)極排出氣體64、陽(yáng)極排出氣體19和空氣79被供給至燃燒器76以引起排放的陽(yáng)極排出氣體64中的未反應(yīng)的甲烷、未反應(yīng)的氫和未反應(yīng)的一氧化碳和陽(yáng)極排出氣體19中的未反應(yīng)的甲烷和未反應(yīng)的氫與空氣79中氧的燃燒，這樣產(chǎn)生高溫排出氣體78。
高溫排出氣體78可用作熱水供給的熱源，使用吸收冷凍機(jī)加熱和冷卻，這樣增加系統(tǒng)的總熱效率，包括電和熱的利用率。空氣79的供給量根據(jù)流動(dòng)控制閥75、流動(dòng)控制閥59和流動(dòng)控制閥74的開(kāi)啟度(即分別相應(yīng)于供給至陽(yáng)極54的重整氣體27的量、再循環(huán)陽(yáng)極排出氣體60的供給量和供給至CO轉(zhuǎn)化器4的重整氣體27的量)和流動(dòng)控制閥77的開(kāi)啟度(即空氣79的供給量)之間的關(guān)系，通過(guò)控制流動(dòng)控制閥77的開(kāi)啟度設(shè)定為適合供給至固體氧化物燃料電池組57陽(yáng)極54的重整氣體27的量、再循環(huán)陽(yáng)極排出氣體60的供給量和供給至CO轉(zhuǎn)化器4的重整氣體27的量的值。
如實(shí)施方案1，在該實(shí)施方案中，因?yàn)殛?yáng)極排出氣體61中的蒸汽用于烴的蒸汽重整反應(yīng)，不需要用于產(chǎn)生蒸汽的汽化器14(圖1)，且蒸發(fā)水所需的能量與圖1所示的常規(guī)系統(tǒng)相比可下降。另外，因?yàn)閬?lái)自固體氧化物燃料電池組57的廢熱在重整器3中用于烴的蒸汽重整反應(yīng)，外部供給用于蒸汽重整反應(yīng)的能量可下降。因此，聚合物電解質(zhì)燃料電池組9的送電端效率可提高。
另外，因?yàn)閬?lái)自固體氧化物燃料電池組57的廢熱在重整器3中用于烴的蒸汽重整反應(yīng)，冷卻所需的空氣58的量與常規(guī)固體氧化物燃料電池發(fā)電系統(tǒng)相比可下降。因此，升溫所需的能量和供給空氣58可下降，從而固體氧化物燃料電池組57的送電端效率也可提高。結(jié)果，整個(gè)系統(tǒng)的送電端效率增加，和整個(gè)系統(tǒng)的送電端輸出功率增加。
(實(shí)施方案5)圖6給出了本發(fā)明燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的實(shí)施方案5。
根據(jù)實(shí)施方案5的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)與圖3所示的根據(jù)實(shí)施方案2的系統(tǒng)不同之處在于，省略冷凝器67并提供接收排放的陽(yáng)極排出氣體64、在氫分離器68中已從其中分離出氫的排出氣體66和空氣79以引起燃燒的燃燒器76。
現(xiàn)在根據(jù)圖6描述根據(jù)該實(shí)施方案的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的操作。將排放的陽(yáng)極排出氣體64、排出氣體66和空氣79被供給至燃燒器76以使排放的陽(yáng)極排出氣體64中的未反應(yīng)的甲烷、未反應(yīng)的氫和未反應(yīng)的一氧化碳和排出氣體66中的未反應(yīng)的甲烷和氫與空氣79中的氧燃燒，這樣產(chǎn)生高溫排出氣體78。
高溫排出氣體78可用作熱水供給的熱源，使用吸收冷凍機(jī)加熱和冷卻，這樣增加系統(tǒng)的總熱效率，包括電和熱的利用率?？諝?9的供給量根據(jù)流動(dòng)控制閥75、流動(dòng)控制閥59和流動(dòng)控制閥74的開(kāi)啟度(即分別相應(yīng)于供給至陽(yáng)極54的重整氣體27的量、再循環(huán)陽(yáng)極排出氣體60的供給量和供給至CO轉(zhuǎn)化器4的重整氣體27的量)和流動(dòng)控制閥77的開(kāi)啟度(即空氣79的供給量)之間的關(guān)系，通過(guò)控制流動(dòng)控制閥77的開(kāi)啟度設(shè)定為適合供給至固體氧化物燃料電池組57的陽(yáng)極54的重整氣體27的量、再循環(huán)陽(yáng)極排出氣體60的供給量和供給至CO轉(zhuǎn)化器4的重整氣體27的量的值。
如實(shí)施方案1，在該實(shí)施方案中，因?yàn)殛?yáng)極排出氣體61中的蒸汽用于烴的蒸汽重整反應(yīng)，不需要用于產(chǎn)生蒸汽的汽化器14(圖1)，且蒸發(fā)水所需的能量與圖1所示的常規(guī)系統(tǒng)相比可下降。另外，因?yàn)閬?lái)自固體氧化物燃料電池組57的廢熱在重整器3中用于烴的蒸汽重整反應(yīng)，外部供給用于蒸汽重整反應(yīng)的能量可下降。因此，聚合物電解質(zhì)燃料電池組9的送電端效率可提高。
另外，因?yàn)閬?lái)自固體氧化物燃料電池組57的廢熱在重整器3中用于烴的蒸汽重整反應(yīng)，冷卻所需的空氣58的量與使用固體氧化物燃料電池組的常規(guī)燃料電池發(fā)電系統(tǒng)相比可下降。因此，升溫所需的能量和空氣58的供給可下降，從而固體氧化物燃料電池組57的送電端效率也可提高。結(jié)果，整個(gè)系統(tǒng)的送電端效率增加，整個(gè)系統(tǒng)的送電端輸出功率增加。
(實(shí)施方案6)圖7給出了按照本發(fā)明的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的實(shí)施方案6。
根據(jù)實(shí)施方案6的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)與圖2所示的根據(jù)實(shí)施方案1的系統(tǒng)的不同之處在于，提供接收排放的陽(yáng)極排出氣體64和陰極排出氣體63以引起燃燒的燃燒器76。
現(xiàn)在根據(jù)圖7描述根據(jù)該實(shí)施方案的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的操作。將排放的陽(yáng)極排出氣體64和陰極排出氣體63供給至燃燒器76以使排放的陽(yáng)極排出氣體64中的未反應(yīng)的甲烷、未反應(yīng)的氫和未反應(yīng)的一氧化碳與陰極排出氣體63中的未反應(yīng)的氧燃燒，這樣產(chǎn)生高溫排出氣體78。高溫排出氣體78可用作熱水供給的熱源，使用吸收冷凍機(jī)加熱和冷卻，這樣增加系統(tǒng)的總熱效率，包括電力和熱的利用率。
如實(shí)施方案1，在該實(shí)施方案中，因?yàn)殛?yáng)極排出氣體61中的蒸汽用于烴的蒸汽重整反應(yīng)，不需要用于產(chǎn)生蒸汽的汽化器14(圖1)，且蒸發(fā)水所需的能量與圖1所示的常規(guī)系統(tǒng)相比可下降。另外，因?yàn)閬?lái)自固體氧化物燃料電池組57的廢熱在重整器3中用于烴的蒸汽重整反應(yīng)，外部供給用于蒸汽重整反應(yīng)的能量可下降。因此，聚合物電解質(zhì)燃料電池組9的送電端效率可提高。
另外，因?yàn)閬?lái)自固體氧化物燃料電池組57的廢熱在重整器3中用于烴的蒸汽重整反應(yīng)，冷卻所需的空氣58的量與常規(guī)固體氧化物燃料電池發(fā)電系統(tǒng)相比可下降。因此，升溫所需的能量和空氣58的供給可下降，從而固體氧化物燃料電池組57的送電端效率也可提高。結(jié)果，整個(gè)系統(tǒng)的送電端效率增加，整個(gè)系統(tǒng)的送電端輸出功率增加。
該實(shí)施方案是實(shí)施方案3的改進(jìn)，其中陰極排出氣體63而不是空氣79被供給至燃燒器76。實(shí)施方案4和5可按照相同的方式改進(jìn)以提供與該實(shí)施方案相同的優(yōu)點(diǎn)。
(實(shí)施方案7)圖8給出了按照本發(fā)明的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的實(shí)施方案7。
根據(jù)實(shí)施方案7的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)與圖2所示的根據(jù)實(shí)施方案1的系統(tǒng)的不同之處在于，提供接收排放的陽(yáng)極排出氣體64和陰極排出氣體17以引起燃燒的燃燒器76。
現(xiàn)在根據(jù)圖8描述根據(jù)該實(shí)施方案的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的操作。排放的陽(yáng)極排出氣體64和陰極排出氣體17被供給至燃燒器76以使排放的陽(yáng)極排出氣體64中的未反應(yīng)的甲烷、未反應(yīng)的氫和未反應(yīng)的一氧化碳與陰極排出氣體17中的未反應(yīng)的氧燃燒，這樣產(chǎn)生高溫排出氣體78。高溫排出氣體78可用作熱水供給的熱源，使用吸收冷凍機(jī)加熱和冷卻，這樣增加系統(tǒng)的總熱效率，包括電力和熱的利用率。
如實(shí)施方案1，在該實(shí)施方案中，因?yàn)殛?yáng)極排出氣體61中的蒸汽用于烴的蒸汽重整反應(yīng)，不需要用于產(chǎn)生蒸汽的汽化器14(圖1)，且蒸發(fā)水所需的能量與圖1所示的常規(guī)系統(tǒng)相比可下降。另外，因?yàn)閬?lái)自固體氧化物燃料電池組57的廢熱在重整器3中用于烴的蒸汽重整反應(yīng)，外部供給用于蒸汽重整反應(yīng)的能量可下降。因此，聚合物電解質(zhì)燃料電池組9的送電端效率可提高。
另外，因?yàn)閬?lái)自固體氧化物燃料電池組57的廢熱在重整器3中用于烴的蒸汽重整反應(yīng)，冷卻所需的空氣58的量與常規(guī)固體氧化物燃料電池發(fā)電系統(tǒng)相比可下降。因此，升溫所需的能量和空氣58的供給可下降，從而固體氧化物燃料電池組57的送電端效率也可提高。結(jié)果，整個(gè)系統(tǒng)的送電端效率增加，整個(gè)系統(tǒng)的送電端輸出功率增加。
該實(shí)施方案是實(shí)施方案3的改進(jìn)，其中來(lái)自聚合物電解質(zhì)燃料電池組9的陰極排出氣體17而不是空氣79被供給至燃燒器76。實(shí)施方案4和5可按照相同的方式改進(jìn)以提供與該實(shí)施方案相同的優(yōu)點(diǎn)。
(實(shí)施方案8)圖9給出了按照本發(fā)明的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的實(shí)施方案8。
根據(jù)實(shí)施方案8的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)與圖2所示的根據(jù)實(shí)施方案1的系統(tǒng)的不同之處在于，提供接收排放的陽(yáng)極排出氣體64、陰極排出氣體63和陰極排出氣體17以引起燃燒的燃燒器76。
現(xiàn)在根據(jù)圖9描述根據(jù)該實(shí)施方案的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的操作。將排放的陽(yáng)極排出氣體64、陰極排出氣體63和陰極排出氣體17供給至燃燒器76以使排放的陽(yáng)極排出氣體64中的未反應(yīng)的甲烷、未反應(yīng)的氫和未反應(yīng)的一氧化碳與陰極排出氣體63和陰極排出氣體17中的未反應(yīng)的氧燃燒，這樣產(chǎn)生高溫排出氣體78。高溫排出氣體78可用作熱水供給的熱源，使用吸收冷凍機(jī)加熱和冷卻，這樣增加系統(tǒng)的總熱效率，包括電力和熱的利用率。
如實(shí)施方案1，在該實(shí)施方案中，因?yàn)殛?yáng)極排出氣體61中的蒸汽用于烴的蒸汽重整反應(yīng)，不需要用于產(chǎn)生蒸汽的汽化器14(圖1)，且蒸發(fā)水所需的能量與圖1所示的常規(guī)系統(tǒng)相比可下降。另外，因?yàn)閬?lái)自固體氧化物燃料電池組57的廢熱在重整器3中用于烴的蒸汽重整反應(yīng)，外部供給用于蒸汽重整反應(yīng)的能量可下降。因此，聚合物電解質(zhì)燃料電池組9的送電端效率可提高。
另外，因?yàn)閬?lái)自固體氧化物燃料電池組57的廢熱在重整器3中用于烴的蒸汽重整反應(yīng)，冷卻所需的空氣58的量與常規(guī)固體氧化物燃料電池發(fā)電系統(tǒng)相比可下降。因此，升溫所需的能量和空氣58的供給可下降，從而固體氧化物燃料電池組57的送電端效率也可提高。結(jié)果，整個(gè)系統(tǒng)的送電端效率增加，整個(gè)系統(tǒng)的送電端輸出功率增加。
該實(shí)施方案是實(shí)施方案3的改進(jìn)，其中陰極排出氣體63和陰極排出氣體17而不是空氣79被供給至燃燒器76。實(shí)施方案4和5可按照相同的方式改進(jìn)以提供與該實(shí)施方案相同的優(yōu)點(diǎn)。
(實(shí)施方案9)圖10給出了按照本發(fā)明的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的實(shí)施方案9。現(xiàn)在描述圖10中的標(biāo)號(hào)。標(biāo)號(hào)80表示用于固體氧化物燃料電池組57的空氣預(yù)熱器，標(biāo)號(hào)82表示通過(guò)空氣預(yù)熱器80升溫的用于固體氧化物燃料電池組57的空氣，標(biāo)號(hào)84表示來(lái)自空氣預(yù)熱器80的排出氣體。
根據(jù)實(shí)施方案9的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)與圖2所示的根據(jù)實(shí)施方案1的系統(tǒng)的不同之處在于，提供接收排放的陽(yáng)極排出氣體64和陰極排出氣體63以引起燃燒的燃燒器76，和接收排出氣體78和空氣58并通過(guò)排出氣體78和空氣58之間的熱交換而增加空氣58的溫度的空氣預(yù)熱器80。
現(xiàn)在根據(jù)圖10描述根據(jù)該實(shí)施方案的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的操作。在空氣預(yù)熱器80中，空氣58的溫度通過(guò)高溫排出氣體78和空氣58之間的熱交換而增加。已升溫的空氣82被供給至固體氧化物燃料電池組57的陰極56并通過(guò)固體氧化物燃料電池組57用于發(fā)電。已經(jīng)與空氣預(yù)熱器80中的空氣58進(jìn)行熱交換的排出氣體78作為排出氣體84排出。
如實(shí)施方案1，在該實(shí)施方案中，因?yàn)殛?yáng)極排出氣體61中的蒸汽用于烴的蒸汽重整反應(yīng)，用于產(chǎn)生蒸汽的汽化器14(圖1)是不必要的，且蒸發(fā)水所需的能量與圖1所示的常規(guī)系統(tǒng)相比可下降。另外，因?yàn)閬?lái)自固體氧化物燃料電池組57的廢熱在重整器3中用于烴的蒸汽重整反應(yīng)，外部供給用于蒸汽重整反應(yīng)的能量可下降。因此，聚合物電解質(zhì)燃料電池組9的送電端效率可提高。
另外，因?yàn)閬?lái)自固體氧化物燃料電池組57的廢熱在重整器3中用于烴的蒸汽重整反應(yīng)，冷卻所需的空氣58的量與常規(guī)固體氧化物燃料電池發(fā)電系統(tǒng)相比可下降。另外，因?yàn)榕懦鰵怏w78可用于升高空氣58的溫度，升溫所需的能量和空氣58的供給可下降。因此，固體氧化物燃料電池組57的送電端效率也可提高。結(jié)果，整個(gè)系統(tǒng)的送電端效率增加，整個(gè)系統(tǒng)的送電端輸出功率增加。
該實(shí)施方案是實(shí)施方案6的改進(jìn)，其中另外提供空氣預(yù)熱器80以引起排出氣體78和空氣58之間的熱交換。實(shí)施方案3，4，5，7和7可按照相同的方式改進(jìn)以提供與該實(shí)施方案相同的優(yōu)點(diǎn)。
(實(shí)施方案10)圖11給出了本發(fā)明的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的實(shí)施方案10?，F(xiàn)在描述圖11中的標(biāo)號(hào)。標(biāo)號(hào)81表示燃料預(yù)熱器，標(biāo)號(hào)83表示通過(guò)燃料預(yù)熱器81升溫的脫硫天然氣，標(biāo)號(hào)85表示來(lái)自燃料預(yù)熱器81的排出氣體。
根據(jù)實(shí)施方案10的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)與圖2所示的根據(jù)實(shí)施方案1的系統(tǒng)的不同之處在于，提供接收排放的陽(yáng)極排出氣體64和陰極排出氣體63以引起燃燒的燃燒器76，接收排出氣體78和空氣58并通過(guò)排出氣體78和空氣58之間的熱交換而增加空氣58的溫度的空氣預(yù)熱器80，和接收排出氣體78和脫硫天然氣29(燃料)并通過(guò)排出氣體78和脫硫天然氣29之間的熱交換而增加脫硫天然氣29的溫度的燃料預(yù)熱器81。
現(xiàn)在根據(jù)圖11描述根據(jù)該實(shí)施方案的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的操作。在空氣預(yù)熱器80中，空氣58的溫度通過(guò)部分高溫排出氣體78和空氣58之間的熱交換而增加。已升溫的空氣82被供給至固體氧化物燃料電池組57的陰極56并通過(guò)固體氧化物燃料電池組57用于發(fā)電。已經(jīng)與空氣預(yù)熱器80中的空氣58進(jìn)行了熱交換的排出氣體78作為排出氣體84排出。
此外，在燃料預(yù)熱器81中，脫硫天然氣29的溫度通過(guò)剩余的高溫排出氣體78和脫硫天然氣29之間的熱交換而增加。將已升溫的脫硫天然氣83與再循環(huán)陽(yáng)極排出氣體60混合，并將蒸汽和脫硫天然氣的混合氣體28供給至重整器3。已經(jīng)與脫硫天然氣29在燃料預(yù)熱器81進(jìn)行了熱交換的排出氣體78作為排出氣體85排出。
如實(shí)施方案1，在該實(shí)施方案中，因?yàn)殛?yáng)極排出氣體61中的蒸汽用于烴的蒸汽重整反應(yīng)，用于產(chǎn)生蒸汽的汽化器14(圖1)是不必要的，且蒸發(fā)水所需的能量與圖1所示的常規(guī)系統(tǒng)相比可下降。另外，因?yàn)閬?lái)自固體氧化物燃料電池組57的廢熱在重整器3中用于烴的蒸汽重整反應(yīng)，外部供給用于蒸汽重整反應(yīng)的能量可下降。因此，聚合物電解質(zhì)燃料電池組9的送電端效率可提高。
另外，因?yàn)閬?lái)自固體氧化物燃料電池組57的廢熱在重整器3中用于烴的蒸汽重整反應(yīng)，冷卻所需的空氣58的量與常規(guī)固體氧化物燃料電池發(fā)電系統(tǒng)相比可下降。另外，因?yàn)榕懦鰵怏w78可用于升高空氣58的溫度，升溫所需的能量和空氣58的供給可下降。因此，固體氧化物燃料電池組57的送電端效率也可提高。
另外，因?yàn)榕懦鰵怏w78用于增加脫硫天然氣29(燃料)的溫度，增加脫硫天然氣29的溫度所需的能量也可下降，從而固體氧化物燃料電池組57的送電端效率可進(jìn)一步提高。結(jié)果，整個(gè)系統(tǒng)的送電端效率增加，整個(gè)系統(tǒng)的送電端輸出功率增加。
該實(shí)施方案是實(shí)施方案6的改進(jìn)，其中另外提供使排出氣體78和空氣58之間熱交換的空氣預(yù)熱器80和使排出氣體78和脫硫天然氣29之間熱交換的燃料預(yù)熱器81。實(shí)施方案3，4，5，7和7可按照相同的方式改進(jìn)以提供與該實(shí)施方案相同的優(yōu)點(diǎn)。
分別顯示在圖2-11的本發(fā)明實(shí)施方案1-10中，僅提供了一個(gè)重整器3。但可以使用兩個(gè)重整器。即，可以使用主要造成天然氣中具有兩個(gè)或多個(gè)碳原子且在相對(duì)低溫度下容易熱分解烴的蒸汽重整反應(yīng)的第一階段預(yù)重整器，和主要造成不太容易熱分解的甲烷的蒸汽重整反應(yīng)的第二階段重整器。
(實(shí)施方案11)圖12給出了本發(fā)明的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的實(shí)施方案11?，F(xiàn)在描述圖12中的標(biāo)號(hào)。標(biāo)號(hào)99表示用于固體氧化物燃料電池組57的CO轉(zhuǎn)化器4的陽(yáng)極排出氣體，標(biāo)號(hào)101表示CO濃度減至1％或更低的固體氧化物燃料電池組57的陽(yáng)極排出氣體。標(biāo)號(hào)102表示將用于CO選擇氧化器5的固體氧化物燃料電池組57的陽(yáng)極排出氣體，標(biāo)號(hào)93表示CO濃度減至約10ppm的固體氧化物燃料電池組57的陽(yáng)極排出氣體。標(biāo)號(hào)94表示已通過(guò)冷凝從中去除未反應(yīng)的蒸汽的固體氧化物燃料電池組57的陽(yáng)極排出氣體。標(biāo)號(hào)95表示由固體氧化物燃料電池組57再循環(huán)至脫硫器2的陽(yáng)極排出氣體，標(biāo)號(hào)97表示控制陽(yáng)極排出氣體95的流速的流動(dòng)控制閥。
根據(jù)實(shí)施方案11的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)與圖2所示的根據(jù)實(shí)施方案1的系統(tǒng)的不同之處在于，陽(yáng)極排出氣體99而不是重整氣體27被供給至CO轉(zhuǎn)化器4。
現(xiàn)在根據(jù)圖12描述根據(jù)該實(shí)施方案的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的操作。
為了提供脫硫器2所需的氫以產(chǎn)生硫化氫，包含未反應(yīng)的氫且CO濃度已減至1％或更低的固體氧化物燃料電池組57的部分陽(yáng)極排出氣體101作為再循環(huán)陽(yáng)極排出氣體95被再循環(huán)至脫硫器2。再循環(huán)陽(yáng)極排出氣體95的供給量根據(jù)流動(dòng)控制閥37的開(kāi)啟度(即天然氣45的供給量)和流動(dòng)控制閥97的開(kāi)啟度(即陽(yáng)極排出氣體95的供給量)之間的關(guān)系，通過(guò)控制流動(dòng)控制閥97的開(kāi)啟度設(shè)定為適合天然氣45的供給量的值。
將得自脫硫器2中的脫硫天然氣29與通過(guò)固體氧化物燃料電池組57中的電池反應(yīng)而產(chǎn)生的含蒸汽的再循環(huán)陽(yáng)極排出氣體60混合，并隨后將形成的蒸汽和脫硫天然氣的混合氣體28供給至重整器3。再循環(huán)陽(yáng)極排出氣體60的供給量根據(jù)流動(dòng)控制閥37的開(kāi)啟度(即天然氣45的供給量)和流動(dòng)控制閥59的開(kāi)啟度(即再循環(huán)陽(yáng)極排出氣體60的供給量)之間的關(guān)系，通過(guò)控制流動(dòng)控制閥59的開(kāi)啟度設(shè)定為適合天然氣45的供給量的值。在重整器3中，天然氣中烴的蒸汽重整反應(yīng)通過(guò)裝填在重整器3中的重整催化劑的作用下進(jìn)行，由此產(chǎn)生出富含氫的重整氣體27。蒸汽重整反應(yīng)是吸熱反應(yīng)，因此，為了有效地產(chǎn)生氫，反應(yīng)所需的熱必須由重整器3的外部供給且重整器3的溫度必須保持在700-750℃。因此，如下所述在800-1000℃下發(fā)電的固體氧化物燃料電池組57的廢熱作為蒸汽重整反應(yīng)所需的熱被供給至重整器3。
在重整器3中制成的富含氫的重整氣體27被供給至固體氧化物燃料電池組57的陽(yáng)極54并通過(guò)固體氧化物燃料電池組57用于發(fā)電。
為了如上所述提供烴在重整器3中的蒸汽重整反應(yīng)所需的蒸汽，包含通過(guò)在陽(yáng)極54處的電池反應(yīng)所產(chǎn)生蒸汽的陽(yáng)極排出氣體61部分被再循環(huán)，將再循環(huán)陽(yáng)極排出氣體60與脫硫天然氣29混合，并將混合氣體28供給至重整器3。剩余的陽(yáng)極排出氣體61作為陽(yáng)極排出氣體99被供給至CO轉(zhuǎn)化器4。陰極排出氣體63可用作熱水供給的熱源，使用吸收冷凍機(jī)加熱和冷卻，這樣增加系統(tǒng)的總熱效率，包括電力和熱的利用率。
陽(yáng)極排出氣體99包含一氧化碳，后者會(huì)造成聚合物電解質(zhì)燃料電池組9的陽(yáng)極6處的電極催化劑變質(zhì)。因此，CO轉(zhuǎn)化器4造成式(2)的水轉(zhuǎn)換反應(yīng)以降低陽(yáng)極排出氣體99的CO濃度至1％或更低，并從中排出陽(yáng)極排出氣體101。
已將CO濃度減至1％或更低的部分陽(yáng)極排出氣體101如上所述作為陽(yáng)極排出氣體95被再循環(huán)至脫硫器2。剩余的陽(yáng)極排出氣體101作為陽(yáng)極排出氣體102被供給至CO選擇氧化器5以將其CO濃度減至約10ppm。這是因?yàn)?，如果CO濃度100ppm或更高的陽(yáng)極排出氣體101被供給至聚合物電解質(zhì)燃料電池組9的陽(yáng)極6，它會(huì)造成電極催化劑的變質(zhì)。CO選擇氧化器5裝載有用作CO選擇氧化催化劑的貴金屬催化劑，如鉑基催化劑或釕基催化劑。另外，空氣33(是通過(guò)空氣供給吹風(fēng)機(jī)13吸收的空氣18中的一部分)被供給至CO選擇氧化器5。CO選擇氧化器5造成包含在陽(yáng)極排出氣體102中的一氧化碳與空氣33中的氧反應(yīng)，通過(guò)式(3)的CO選擇氧化反應(yīng)(放熱反應(yīng))將一氧化碳轉(zhuǎn)化成二氧化碳，這樣減少陽(yáng)極排出氣體102的CO濃度至約10ppm。隨后，CO選擇氧化器5排出陽(yáng)極排出氣體93。
CO濃度已減至約10ppm的陽(yáng)極排出氣體93中的未反應(yīng)蒸汽被冷卻至100℃或更低的溫度，并作為冷凝器39中的冷凝物41被收集。在冷凝器39中未反應(yīng)的蒸汽冷凝后得到的陽(yáng)極排出氣體94被供給至聚合物電解質(zhì)燃料電池組9的陽(yáng)極6。
在聚合物電解質(zhì)燃料電池組9的陽(yáng)極6，通過(guò)鉑基電極催化劑的作用，未反應(yīng)的蒸汽冷凝后得到的陽(yáng)極排出氣體94中的約80％氫通過(guò)式(4)的陽(yáng)極反應(yīng)轉(zhuǎn)化成氫離子和電子。
根據(jù)該實(shí)施方案，因?yàn)閬?lái)自固體氧化物燃料電池組57的陽(yáng)極排出氣體61中的蒸汽用于烴的蒸汽重整反應(yīng)，用于產(chǎn)生蒸汽的汽化器14(圖1)是不必要的，且蒸發(fā)水所需的能量與圖1所示的常規(guī)系統(tǒng)相比可下降。另外，因?yàn)閬?lái)自固體氧化物燃料電池組57的廢熱在重整器3中用于烴的蒸汽重整反應(yīng)，外部供給用于蒸汽重整反應(yīng)的能量可下降。因此，聚合物電解質(zhì)燃料電池組9的送電端效率可提高。
另外，因?yàn)閬?lái)自固體氧化物燃料電池組57的廢熱在重整器3中用于烴的蒸汽重整反應(yīng)，冷卻所需的空氣58的量與常規(guī)固體氧化物燃料電池發(fā)電系統(tǒng)相比可下降。因此，升溫所需的能量和空氣58的供給可下降，從而固體氧化物燃料電池組57的送電端效率也可提高。結(jié)果，整個(gè)系統(tǒng)的送電端效率增加，整個(gè)系統(tǒng)的送電端輸出功率增加。
(實(shí)施方案12)圖13給出了本發(fā)明燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的實(shí)施方案12。圖13中的標(biāo)號(hào)92表示將用于氫分離器68的固體氧化物燃料電池組57的陽(yáng)極排出氣體。
根據(jù)實(shí)施方案12的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)與圖12所示的根據(jù)實(shí)施方案11的系統(tǒng)的不同之處在于，提供氫分離器68和冷凝器67替代CO選擇氧化器5和冷凝器39。
現(xiàn)在根據(jù)圖13描述根據(jù)該實(shí)施方案的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的操作。陽(yáng)極排出氣體92被供給至具有氫分離膜如鈀膜的氫分離器68，其中氫65從陽(yáng)極排出氣體92中被分離。此時(shí)，為了有效地分離氫，陽(yáng)極排出氣體92根據(jù)需要加壓。氫65被供給至聚合物電解質(zhì)燃料電池組9的陽(yáng)極6并與空氣32中的氧進(jìn)行電化學(xué)反應(yīng)。這樣，通過(guò)聚合物電解質(zhì)燃料電池組9進(jìn)行發(fā)電。
為了提高聚合物電解質(zhì)燃料電池組9的送電端效率，包含未反應(yīng)的氫的陽(yáng)極氫排出氣體72被完全再循環(huán)至陽(yáng)極6并再用于發(fā)電。但聚合物電解質(zhì)燃料電池組9的陽(yáng)極氫排出氣體72不僅包含氫而且包含少量雜質(zhì)，因此，間歇地打開(kāi)清洗閥70以排出清洗氣體71。排出氣體66通過(guò)冷凝器67冷凝其水分，得到冷凝物73，并隨后作為干排出氣體69排出。
如實(shí)施方案11，在該實(shí)施方案中，因?yàn)殛?yáng)極排出氣體61中的蒸汽用于烴的蒸汽重整反應(yīng)，用于產(chǎn)生蒸汽的汽化器14(圖1)是不必要的，且蒸發(fā)水所需的能量與圖1所示的常規(guī)系統(tǒng)相比可下降。另外，因?yàn)閬?lái)自固體氧化物燃料電池組57的廢熱在重整器3中用于烴的蒸汽重整反應(yīng)，外部供給用于蒸汽重整反應(yīng)的能量可下降。因此，聚合物電解質(zhì)燃料電池組9的送電端效率可提高。
另外，因?yàn)閬?lái)自固體氧化物燃料電池組57的廢熱在重整器3中用于烴的蒸汽重整反應(yīng)，冷卻所需的空氣58的量與常規(guī)固體氧化物燃料電池發(fā)電系統(tǒng)相比可下降。因此，升溫所需的能量和空氣58的供給可下降，從而固體氧化物燃料電池組57的送電端效率也可提高。結(jié)果，整個(gè)系統(tǒng)的送電端效率增加，整個(gè)系統(tǒng)的送電端輸出功率增加(實(shí)施方案13)圖14給出了本發(fā)明燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的實(shí)施方案13。
根據(jù)實(shí)施方案13的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)與圖12所示的實(shí)施方案11的系統(tǒng)不同之處在于省略了重整器3。
現(xiàn)在根據(jù)圖14描述該實(shí)施方案的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的操作。將經(jīng)脫硫器2脫硫產(chǎn)生的脫硫天然氣29與包含通過(guò)固體氧化物燃料電池組57中的電池反應(yīng)產(chǎn)生的蒸汽的再循環(huán)陽(yáng)極排出氣體60混合，并將形成的蒸汽和脫硫天然氣的混合氣體28供給至固體氧化物燃料電池組57的陽(yáng)極54。在陽(yáng)極54上，通過(guò)陽(yáng)極催化劑的作用，實(shí)現(xiàn)天然氣中烴(主要是甲烷)的蒸汽重整反應(yīng)以產(chǎn)生包含氫的重整氣體。在陽(yáng)極54上產(chǎn)生的重整氣體中的氫和一氧化碳在此分別通過(guò)陽(yáng)極反應(yīng)(8)和(9)被消耗，從而通過(guò)固體氧化物燃料電池組57進(jìn)行發(fā)電。
烴的蒸汽重整反應(yīng)是吸熱反應(yīng)。固體氧化物燃料電池組57所產(chǎn)生的熱用于烴在陽(yáng)極54上的蒸汽重整反應(yīng)。固體氧化物燃料電池組57的發(fā)電溫度通常是800℃-1000℃并通過(guò)電池反應(yīng)所產(chǎn)生的熱而保持。因此，固體氧化物燃料電池組57所產(chǎn)生的熱可如上所述用于烴在陽(yáng)極54上的蒸汽重整反應(yīng)。
為了如上所述提供烴陽(yáng)極54上的蒸汽重整反應(yīng)所需的蒸汽，包含通過(guò)在陽(yáng)極54處的電池反應(yīng)產(chǎn)生的蒸汽的固體氧化物燃料電池組57的陽(yáng)極排出氣體61部分被再循環(huán)，將再循環(huán)陽(yáng)極排出氣體60與脫硫天然氣29混合，并隨后將所得混合氣體28供給至陽(yáng)極54。剩余的陽(yáng)極排出氣體61作為固體氧化物燃料電池組57的陽(yáng)極排出氣體99被供給至CO轉(zhuǎn)化器4。
如實(shí)施方案11，在該實(shí)施方案中，因?yàn)閬?lái)自固體氧化物燃料電池組57的陽(yáng)極排出氣體61中的蒸汽用于烴的蒸汽重整反應(yīng)，用于產(chǎn)生蒸汽的汽化器14(圖1)是不必要的，且蒸發(fā)水所需的能量與圖1所示的常規(guī)系統(tǒng)相比可下降。另外，因?yàn)楣腆w氧化物燃料電池組57中所產(chǎn)生的熱在陽(yáng)極54上用于烴的蒸汽重整反應(yīng)，外部供給用于蒸汽重整反應(yīng)的能量可下降。因此，聚合物電解質(zhì)燃料電池組9的送電端效率可提高。
另外，因?yàn)楣腆w氧化物燃料電池組57中所產(chǎn)生的熱在陽(yáng)極54上用于烴的蒸汽重整反應(yīng)，冷卻所需的空氣58的量與常規(guī)固體氧化物燃料電池發(fā)電系統(tǒng)相比可下降。因此，升溫所需的能量和空氣58的供給可下降，從而固體氧化物燃料電池組57的送電端效率也可提高。結(jié)果，整個(gè)系統(tǒng)的送電端效率增加，整個(gè)系統(tǒng)的送電端輸出功率增加。
(實(shí)施方案14)圖15給出了本發(fā)明燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的實(shí)施方案14。
根據(jù)實(shí)施方案14的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)與圖12所示的根據(jù)實(shí)施方案11的系統(tǒng)不同之處在于，省略了重整器3并提供氫分離器68和冷凝器67替代CO選擇氧化器5和冷凝器39。
現(xiàn)在根據(jù)圖15描述該實(shí)施方案的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的操作。為了如上所述提供烴在陽(yáng)極54上的蒸汽重整反應(yīng)所需的蒸汽，包含通過(guò)電池反應(yīng)在陽(yáng)極54上產(chǎn)生的蒸汽的固體氧化物燃料電池組57的陽(yáng)極排出氣體61部分被再循環(huán)，再循環(huán)陽(yáng)極排出氣體60與脫硫天然氣29混合，并隨后將所得混合氣體28供給至陽(yáng)極54。剩余的陽(yáng)極排出氣體61作為固體氧化物燃料電池組57的陽(yáng)極排出氣體92被供給至氫分離器68。氫分離器68將氫65從供給的陽(yáng)極排出氣體92中分離并排出形成的氣體。
如實(shí)施方案11，該實(shí)施方案中，因?yàn)閬?lái)自固體氧化物燃料電池組57的陽(yáng)極排出氣體61中的蒸汽用于烴的蒸汽重整反應(yīng)，用于產(chǎn)生蒸汽的汽化器14(圖1)是不必要的，且蒸發(fā)水所需的能量與圖1所示的常規(guī)系統(tǒng)相比可下降。另外，因?yàn)楣腆w氧化物燃料電池組57中所產(chǎn)生的熱在陽(yáng)極54上用于烴的蒸汽重整反應(yīng)，外部供給用于蒸汽重整反應(yīng)的能量可下降。因此，聚合物電解質(zhì)燃料電池組9的送電端效率可提高。
另外，因?yàn)楣腆w氧化物燃料電池組57中所產(chǎn)生的熱在陽(yáng)極54上用于烴的蒸汽重整反應(yīng)，冷卻所需的空氣58的量與常規(guī)固體氧化物燃料電池發(fā)電系統(tǒng)相比可下降。因此，升溫所需的能量和空氣58的供給可下降，從而固體氧化物燃料電池組57的送電端效率也可提高。結(jié)果，整個(gè)系統(tǒng)的送電端效率增加，整個(gè)系統(tǒng)的送電端輸出功率增加。
(實(shí)施方案15)圖16給出了按照本發(fā)明的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的實(shí)施方案15。
根據(jù)實(shí)施方案15的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)與圖12所示的根據(jù)實(shí)施方案11的系統(tǒng)不同之處在于，提供接收聚合物電解質(zhì)燃料電池組9的陽(yáng)極排出氣體19和空氣79以引起燃燒的燃燒器76。
現(xiàn)在根據(jù)圖16描述該實(shí)施方案的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的操作。陽(yáng)極排出氣體19和空氣79(是空氣供給吹風(fēng)機(jī)13所吸收的空氣18中的一部分)被供給至燃燒器76以使陽(yáng)極排出氣體19中的未反應(yīng)的甲烷和未反應(yīng)的氫與空氣79中的氧燃燒，這樣產(chǎn)生高溫排出氣體78。氫的燃燒反應(yīng)表示為式(11)。
高溫排出氣體78可用作熱水供給的熱源，使用吸收冷凍機(jī)加熱和冷卻，這樣增加系統(tǒng)的總熱效率，包括電力和熱利用率。空氣79的供給量根據(jù)流動(dòng)控制閥37的開(kāi)啟度(即天然氣45的供給量)和流動(dòng)控制閥77的開(kāi)啟度(即空氣79的供給量)之間的關(guān)系，通過(guò)控制流動(dòng)控制閥77的開(kāi)啟度設(shè)定為適合天然氣45的供給量的值。
如實(shí)施方案11，該實(shí)施方案中，因?yàn)閬?lái)自固體氧化物燃料電池組57的陽(yáng)極排出氣體61中的蒸汽用于烴的蒸汽重整反應(yīng)，用于產(chǎn)生蒸汽的汽化器14(圖1)是不必要的，且蒸發(fā)水所需的能量與圖1所示的常規(guī)系統(tǒng)相比可下降。另外，因?yàn)閬?lái)自固體氧化物燃料電池組57的廢熱在重整器3中用于烴的蒸汽重整反應(yīng)，外部供給用于蒸汽重整反應(yīng)的能量可下降。因此，聚合物電解質(zhì)燃料電池組9的送電端效率可提高。
另外，因?yàn)閬?lái)自固體氧化物燃料電池組57的廢熱在重整器3中用于烴的蒸汽重整反應(yīng)，冷卻所需的空氣58的量與常規(guī)固體氧化物燃料電池發(fā)電系統(tǒng)相比可下降。因此，升溫所需的能量和空氣58的供給可下降，從而固體氧化物燃料電池組57的送電端效率也可提高。結(jié)果，整個(gè)系統(tǒng)的送電端效率增加，整個(gè)系統(tǒng)的送電端輸出功率增加。
該實(shí)施方案相當(dāng)于其中增加了燃燒器76的實(shí)施方案11。燃燒器76接收陽(yáng)極排出氣體19和空氣79以引起燃燒。相同的增加或改進(jìn)可針對(duì)實(shí)施方案13進(jìn)行，得到與該實(shí)施方案相同的優(yōu)點(diǎn)。
(實(shí)施方案16)圖17給出了按照本發(fā)明的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的實(shí)施方案16。
根據(jù)實(shí)施方案16的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)與圖13所示的根據(jù)實(shí)施方案12的系統(tǒng)不同之處在于，省略了冷凝器67并提供接收氫分離器68的排出氣體66和空氣79以引起燃燒的燃燒器76。
現(xiàn)在根據(jù)圖17描述該實(shí)施方案的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的操作。氫分離器68的排出氣體66和空氣79被供給至燃燒器76以使排出氣體66中的未反應(yīng)的甲烷和氫與空氣79中的氧燃燒，這樣產(chǎn)生高溫排出氣體78。高溫排出氣體78可用作熱水供給的熱源，使用吸收冷凍機(jī)加熱和冷卻，這樣增加系統(tǒng)的總熱效率，包括電力和熱利用率。空氣79的供給量根據(jù)流動(dòng)控制閥37的開(kāi)啟度(即天然氣45的供給量)和流動(dòng)控制閥77的開(kāi)啟度(即空氣79的供給量)之間的關(guān)系，通過(guò)控制流動(dòng)控制閥77的開(kāi)啟度設(shè)定為適合天然氣45的供給量的值。
如實(shí)施方案11，該實(shí)施方案中，因?yàn)閬?lái)自固體氧化物燃料電池組57的陽(yáng)極排出氣體61中的蒸汽用于烴的蒸汽重整反應(yīng)，不需要用于產(chǎn)生蒸汽的汽化器14(圖1)，且蒸發(fā)水所需的能量與圖1所示的常規(guī)系統(tǒng)相比可下降。另外，因?yàn)閬?lái)自固體氧化物燃料電池組57的廢熱在重整器3中用于烴的蒸汽重整反應(yīng)，外部供給用于蒸汽重整反應(yīng)的能量可下降。因此，聚合物電解質(zhì)燃料電池組9的送電端效率可提高。
另外，因?yàn)閬?lái)自固體氧化物燃料電池組57的廢熱在重整器3中用于烴的蒸汽重整反應(yīng)，冷卻所需的空氣58的量與常規(guī)固體氧化物燃料電池發(fā)電系統(tǒng)相比可下降。因此，升溫所需的能量和空氣58的供給可下降，從而固體氧化物燃料電池組57的送電端效率也可提高。結(jié)果，整個(gè)系統(tǒng)的送電端效率增加，整個(gè)系統(tǒng)的送電端輸出功率增加。
該實(shí)施方案是實(shí)施方案12的改進(jìn)，其中另外提供燃燒器76。燃燒器76接收排出氣體66和空氣79以引起燃燒。實(shí)施方案14可按照相同的方式改進(jìn)，得到與該實(shí)施方案相同的優(yōu)點(diǎn)。
(實(shí)施方案17)圖18給出了本發(fā)明的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的實(shí)施方案17。
根據(jù)實(shí)施方案17的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)與圖12所示的根據(jù)實(shí)施方案11的系統(tǒng)不同之處在于，提供接收陽(yáng)極排出氣體19和陰極排出氣體63以引起燃燒的燃燒器76。
現(xiàn)在根據(jù)圖18描述該實(shí)施方案的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的操作。陽(yáng)極排出氣體19和陰極排出氣體63被供給至燃燒器76以使陽(yáng)極排出氣體19中的未反應(yīng)的甲烷和未反應(yīng)的氫與陰極排出氣體63中的未反應(yīng)的氧燃燒，這樣產(chǎn)生高溫排出氣體78。高溫排出氣體78可用作熱水供給的熱源，使用吸收冷凍機(jī)加熱和冷卻，這樣增加系統(tǒng)的總熱效率，包括電力和熱利用率。
如實(shí)施方案11，該實(shí)施方案中，因?yàn)閬?lái)自固體氧化物燃料電池組57的陽(yáng)極排出氣體61中的蒸汽用于烴的蒸汽重整反應(yīng)，不需要用于產(chǎn)生蒸汽的汽化器14(圖1)，且蒸發(fā)水所需的能量與圖1所示的常規(guī)系統(tǒng)相比可下降。另外，因?yàn)閬?lái)自固體氧化物燃料電池組57的廢熱在重整器3中用于烴的蒸汽重整反應(yīng)，外部供給用于蒸汽重整反應(yīng)的能量可下降。因此，聚合物電解質(zhì)燃料電池組9的送電端效率可提高。
另外，因?yàn)閬?lái)自固體氧化物燃料電池組57的廢熱在重整器3中用于烴的蒸汽重整反應(yīng)，冷卻所需的空氣58的量與常規(guī)固體氧化物燃料電池發(fā)電系統(tǒng)相比可下降。因此，升溫所需的能量和空氣58的供給可下降，從而固體氧化物燃料電池組57的送電端效率也可提高。結(jié)果，整個(gè)系統(tǒng)的送電端效率增加，整個(gè)系統(tǒng)的送電端輸出功率增加。
該實(shí)施方案是實(shí)施方案15的改進(jìn)，其中陰極排出氣體63而不是空氣79被供給至燃燒器76。實(shí)施方案16可按照相同的方式改進(jìn)，得到與該實(shí)施方案相同的優(yōu)點(diǎn)。
(實(shí)施方案18)圖19給出了本發(fā)明的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的實(shí)施方案18。
根據(jù)實(shí)施方案18的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)與圖12所示的實(shí)施方案11的系統(tǒng)不同之處在于，提供接收陽(yáng)極排出氣體19和陰極排出氣體63以引起燃燒的燃燒器76。
現(xiàn)在根據(jù)圖19描述該實(shí)施方案的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的操作。陽(yáng)極排出氣體19和陰極排出氣體17被供給至燃燒器76以使陽(yáng)極排出氣體19中的未反應(yīng)的甲烷和未反應(yīng)的氫與陰極排出氣體17中的未反應(yīng)的氧燃燒，這樣產(chǎn)生高溫排出氣體78。高溫排出氣體78可用作熱水供給的熱源，使用吸收冷凍機(jī)加熱和冷卻，這樣增加系統(tǒng)的總熱效率，包括電力和熱利用率。
如實(shí)施方案11，在該實(shí)施方案中，因?yàn)楣腆w氧化物燃料電池組57的陽(yáng)極排出氣體61中的蒸汽用于烴的蒸汽重整反應(yīng)，不需要用于產(chǎn)生蒸汽的汽化器14(圖1)，且蒸發(fā)水所需的能量與圖1所示的常規(guī)系統(tǒng)相比可下降。另外，因?yàn)閬?lái)自固體氧化物燃料電池組57的廢熱在重整器3中用于烴的蒸汽重整反應(yīng)，外部供給用于蒸汽重整反應(yīng)的能量可下降。因此，聚合物電解質(zhì)燃料電池組9的送電端效率可提高。
另外，因?yàn)閬?lái)自固體氧化物燃料電池組57的廢熱在重整器3中用于烴的蒸汽重整反應(yīng)，冷卻所需的空氣58的量與常規(guī)固體氧化物燃料電池發(fā)電系統(tǒng)相比可下降。因此，升溫所需的能量和空氣58的供給可下降，從而固體氧化物燃料電池組57的送電端效率也可提高。結(jié)果，整個(gè)系統(tǒng)的送電端效率增加，整個(gè)系統(tǒng)的送電端輸出功率增加。
該實(shí)施方案是實(shí)施方案15的改進(jìn)，其中陰極排出氣體17而不是空氣79被供給至燃燒器76。實(shí)施方案16可按照相同的方式改進(jìn)，得到與該實(shí)施方案相同的優(yōu)點(diǎn)。
(實(shí)施方案19)圖20給出了本發(fā)明燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的實(shí)施方案19。
根據(jù)實(shí)施方案19的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)與圖12所示的實(shí)施方案11的系統(tǒng)不同之處在于，提供接收陽(yáng)極排出氣體19、陰極排出氣體17和陰極排出氣體63以引起燃燒的燃燒器76。
現(xiàn)在根據(jù)圖20描述該實(shí)施方案的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的操作。陽(yáng)極排出氣體19、陰極排出氣體17和陰極排出氣體63被供給至燃燒器76以使陽(yáng)極排出氣體19中的未反應(yīng)的甲烷和未反應(yīng)的氫與陰極排出氣體17和陰極排出氣體63中的未反應(yīng)的氧燃燒，這樣產(chǎn)生高溫排出氣體78。高溫排出氣體78可用作熱水供給的熱源，使用吸收冷凍機(jī)加熱和冷卻，這樣增加系統(tǒng)的總熱效率，包括電力和熱利用率。
如實(shí)施方案11，在該實(shí)施方案中，因?yàn)閬?lái)自固體氧化物燃料電池組57的陽(yáng)極排出氣體61中的蒸汽用于烴的蒸汽重整反應(yīng)，不需要用于產(chǎn)生蒸汽的汽化器14(圖1)，且蒸發(fā)水所需的能量與圖1所示的常規(guī)系統(tǒng)相比可下降。另外，因?yàn)閬?lái)自固體氧化物燃料電池組57的廢熱在重整器3中用于烴的蒸汽重整反應(yīng)，外部供給用于蒸汽重整反應(yīng)的能量可下降。因此，聚合物電解質(zhì)燃料電池組9的送電端效率可提高。
另外，因?yàn)閬?lái)自固體氧化物燃料電池組57的廢熱在重整器3中用于烴的蒸汽重整反應(yīng)，冷卻所需的空氣58的量與常規(guī)固體氧化物燃料電池發(fā)電系統(tǒng)相比可下降。因此，升溫所需的能量和空氣58的供給可下降，從而固體氧化物燃料電池組57的送電端效率也可提高。結(jié)果，整個(gè)系統(tǒng)的送電端效率增加，整個(gè)系統(tǒng)的送電端輸出功率增加。
該實(shí)施方案是實(shí)施方案15的改進(jìn)，其中陰極排出氣體17和63而不是空氣79被供給至燃燒器76。實(shí)施方案16可按照相同的方式改進(jìn)，得到與該實(shí)施方案相同的優(yōu)點(diǎn)。
(實(shí)施方案20)圖21給出了本發(fā)明的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的實(shí)施方案20。
根據(jù)實(shí)施方案20的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)與圖12所示的根據(jù)實(shí)施方案11的系統(tǒng)的不同之處在于，提供接收陽(yáng)極排出氣體19和陰極排出氣體63以引起燃燒的燃燒器76、和接收燃燒器76的排出氣體78和空氣58并通過(guò)排出氣體78和空氣58之間的熱交換而增加空氣58的溫度的空氣預(yù)熱器80。
現(xiàn)在根據(jù)圖21描述該實(shí)施方案的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的操作。在空氣預(yù)熱器80中，空氣58的溫度通過(guò)高溫排出氣體78和空氣58之間的熱交換而增加。已升溫的空氣82被供給至固體氧化物燃料電池組57的陰極56并通過(guò)固體氧化物燃料電池組57用于發(fā)電。已經(jīng)與空氣預(yù)熱器80中的空氣58進(jìn)行了熱交換的排出氣體78作為排出氣體84排出。
如實(shí)施方案11，該實(shí)施方案中，因?yàn)楣腆w氧化物燃料電池組57的陽(yáng)極排出氣體61中的蒸汽用于烴的蒸汽重整反應(yīng)，用于產(chǎn)生蒸汽的汽化器14(圖1)是不必要的，且蒸發(fā)水所需的能量與圖1所示的常規(guī)系統(tǒng)相比可下降。另外，因?yàn)閬?lái)自固體氧化物燃料電池組57的廢熱在重整器3中用于烴的蒸汽重整反應(yīng)，外部供給用于蒸汽重整反應(yīng)的能量可下降。因此，聚合物電解質(zhì)燃料電池組9的送電端效率可提高。
另外，因?yàn)閬?lái)自固體氧化物燃料電池組57的廢熱在重整器3中用于烴的蒸汽重整反應(yīng)，冷卻所需的空氣58的量與常規(guī)固體氧化物燃料電池發(fā)電系統(tǒng)相比可下降。另外，排出氣體78可用于升高空氣58的溫度。因此，升溫所需的能量和空氣58的供給可下降，從而固體氧化物燃料電池組57的送電端效率也可提高。結(jié)果，整個(gè)系統(tǒng)的送電端效率增加，整個(gè)系統(tǒng)的送電端輸出功率增加。
該實(shí)施方案是實(shí)施方案17的改進(jìn)，其中另外提供空氣預(yù)熱器80以引起排出氣體78和空氣58之間的熱交換。相同的添加可針對(duì)實(shí)施方案15、16、18和19進(jìn)行，得到與該實(shí)施方案相同的優(yōu)點(diǎn)。
(實(shí)施方案21)圖22給出了本發(fā)明燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的實(shí)施方案21。
根據(jù)實(shí)施方案21的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)與圖12所示的實(shí)施方案11的系統(tǒng)的不同之處在于，提供接收陽(yáng)極排出氣體19和陰極排出氣體63以引起燃燒的燃燒器76，接收燃燒器76的排出氣體78和空氣58并通過(guò)排出氣體78和空氣58之間的熱交換而增加空氣58的溫度的空氣預(yù)熱器80，和接收排出氣體78和脫硫天然氣29并通過(guò)排出氣體78和脫硫天然氣29之間的熱交換增加脫硫天然氣29的溫度的燃料預(yù)熱器81。
現(xiàn)在根據(jù)圖22描述該實(shí)施方案的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的操作。在空氣預(yù)熱器80中，空氣58的溫度通過(guò)部分高溫排出氣體78和空氣58之間的熱交換而增加。已升溫的空氣82被供給至固體氧化物燃料電池組57的陰極56并通過(guò)固體氧化物燃料電池組57用于發(fā)電。已經(jīng)與空氣預(yù)熱器80中的空氣58進(jìn)行了熱交換的排出氣體78作為排出氣體84排出。
此外，在燃料預(yù)熱器81中，脫硫天然氣29的溫度通過(guò)燃燒器的剩余高溫排出氣體78和脫硫天然氣29之間的熱交換而增加。將已升溫的脫硫天然氣83與再循環(huán)陽(yáng)極排出氣體60混合，將形成的蒸汽和脫硫天然氣的混合氣體28供給至重整器3。已經(jīng)與脫硫天然氣29在燃料預(yù)熱器81中進(jìn)行了熱交換的排出氣體78作為排出氣體85排出。
如實(shí)施方案11，該實(shí)施方案中，因?yàn)楣腆w氧化物燃料電池組57的陽(yáng)極排出氣體61中的蒸汽用于烴的蒸汽重整反應(yīng)，不需要用于產(chǎn)生蒸汽的汽化器14(圖1)，且蒸發(fā)水所需的能量與圖1所示的常規(guī)系統(tǒng)相比可下降。另外，因?yàn)閬?lái)自固體氧化物燃料電池組57的廢熱在重整器3中用于烴的蒸汽重整反應(yīng)，外部供給用于蒸汽重整反應(yīng)的能量可下降。因此，聚合物電解質(zhì)燃料電池組9的送電端效率可提高。
另外，因?yàn)閬?lái)自固體氧化物燃料電池組57的廢熱在重整器3中用于烴的蒸汽重整反應(yīng)，冷卻所需的空氣58的量與常規(guī)固體氧化物燃料電池發(fā)電系統(tǒng)相比可下降。另外，燃燒器76的排出氣體78可用于升高空氣58的溫度。因此，升溫所需的能量和空氣58的供給可下降，從而固體氧化物燃料電池組57的送電端效率也可提高。
另外，因?yàn)槿紵?6的排出氣體78用于增加脫硫天然氣29(燃料)的溫度，增加脫硫天然氣29的溫度所需的能量也可下降，因此，固體氧化物燃料電池組57的送電端效率可進(jìn)一步提高。結(jié)果，整個(gè)系統(tǒng)的送電端效率增加，整個(gè)系統(tǒng)的送電端輸出功率增加。
該實(shí)施方案是實(shí)施方案17的改進(jìn)，其中另外提供空氣預(yù)熱器80和燃料預(yù)熱器81。空氣預(yù)熱器80造成排出氣體78和空氣58之間的熱交換，燃料預(yù)熱器81造成排出氣體78和脫硫天然氣29之間的熱交換。相同的添加可針對(duì)實(shí)施方案15、16、18和19進(jìn)行，得到與該實(shí)施方案相同的優(yōu)點(diǎn)。
分別如圖12、13和16-22中所示的本發(fā)明實(shí)施方案11、12和15-21中，僅提供了一個(gè)重整器3。但可以使用兩個(gè)重整器。即，替代重整器3，可以使用主要造成天然氣中具有兩個(gè)或多個(gè)碳原子和在相對(duì)低溫度下容易熱分解烴的蒸汽重整反應(yīng)的第一階段預(yù)重整器，和主要造成不太容易熱分解的甲烷的蒸汽重整反應(yīng)的第二階段重整器。此外，在圖14和15所示的本發(fā)明實(shí)施方案中，主要造成天然氣中具有兩個(gè)或多個(gè)碳原子且在相對(duì)低溫度下容易熱分解的烴的蒸汽重整反應(yīng)的第一階段預(yù)重整器可提供在脫硫器2和固體氧化物燃料電池組57之間。
控制燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的方法圖23和24是系統(tǒng)流程圖，顯示控制本發(fā)明燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的方法?，F(xiàn)描述了一個(gè)例子，其中本發(fā)明的控制方法用于圖2所示的實(shí)施方案1的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)。
根據(jù)圖23所示的控制本發(fā)明燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的方法，如果第一燃料電池組(第一FC組)，即固體氧化物燃料電池組57，的AC輸出功率89隨著負(fù)載87的增加而增加，打開(kāi)流動(dòng)控制閥37以增加燃料(天然氣45)的供給量，和關(guān)閉流動(dòng)控制閥62以降低供給至第一燃料電池組陰極的空氣(供給至固體氧化物燃料電池組57的陰極56的空氣58)的供給量，這樣提高陰極56上的氧利用率。
另一方面，如果固體氧化物燃料電池組57的AC輸出功率89隨著負(fù)載87的下降而下降，關(guān)閉流動(dòng)控制閥37以降低燃料(天然氣45)的供給量，并打開(kāi)流動(dòng)控制閥62以增加供給至第一燃料電池組陰極的空氣(供給至固體氧化物燃料電池組57的陰極56的空氣58)的量。
因此，如果固體氧化物燃料電池組57的AC輸出功率89增加，需要更多的熱用于烴(天然氣的一種組分)在重整器3中的蒸汽重整反應(yīng)(吸熱反應(yīng))。在此，固體氧化物燃料電池組57的空氣冷卻通過(guò)降低供給至固體氧化物燃料電池組57陰極56的空氣58的量而被抑制。另外，由固體氧化物燃料電池組57產(chǎn)生的熱增加，因?yàn)橛晒腆w氧化物燃料電池組57產(chǎn)生的功率的量增加。因此，由固體氧化物燃料電池組57供給至重整器3的廢熱可增加，從而預(yù)定量的氫和一氧化碳可在重整器3中穩(wěn)定地產(chǎn)生，同時(shí)保持重整器3和固體氧化物燃料電池組57的溫度在預(yù)定溫度范圍內(nèi)。結(jié)果，固體氧化物燃料電池組57和聚合物電解質(zhì)燃料電池組9可在其相應(yīng)的送電端高效產(chǎn)生預(yù)定AC輸出功率，并可抑制整個(gè)系統(tǒng)的功率和送電端效率的下降。
另一方面，如果固體氧化物燃料電池組57的AC輸出功率89下降，需要較少的熱用于烴(天然氣的一種組分)在重整器3中的蒸汽重整反應(yīng)。在此，固體氧化物燃料電池組57的空氣冷卻通過(guò)增加供給至固體氧化物燃料電池組57陰極56的空氣58的量而促進(jìn)。另外，由固體氧化物燃料電池組57產(chǎn)生的熱下降，因?yàn)橛晒腆w氧化物燃料電池組57產(chǎn)生的功率下降。因此，由固體氧化物燃料電池組57供給至重整器3的廢熱可下降，從而預(yù)定量的氫和一氧化碳可在重整器3中穩(wěn)定地產(chǎn)生，同時(shí)保持重整器3和固體氧化物燃料電池組57的溫度在預(yù)定溫度范圍內(nèi)。結(jié)果，由于重整器3和固體氧化物燃料電池組57的溫度增加而造成的重整器3的重整催化劑和固體氧化物燃料電池組57的變劣受到抑制，且可以防止重整器3和固體氧化物燃料電池組57的壽命和系統(tǒng)可靠性的降低。
另外，根據(jù)圖24所示的控制方法，如果第二燃料電池組(第二FC組)，即聚合物電解質(zhì)燃料電池組9，的AC輸出功率23隨著負(fù)載21的增加而增加，打開(kāi)流動(dòng)控制閥37以增加燃料(天然氣45)的供給量，并關(guān)閉流動(dòng)控制閥62以下降供給至第一燃料電池組陰極的空氣(供給至固體氧化物燃料電池組57的陰極56的空氣58)的量，這樣提高陰極56的氧利用率。
另一方面，如果聚合物電解質(zhì)燃料電池組9的AC輸出功率23隨著負(fù)載21的下降而下降，關(guān)閉流動(dòng)控制閥37以降低燃料(天然氣45)的供給量，并打開(kāi)流動(dòng)控制閥62以增加供給至第一燃料電池組陰極的空氣(供給至固體氧化物燃料電池組57的陰極56的空氣58)的量)，這樣減少陰極56的氧利用率。
供給至聚合物電解質(zhì)燃料電池組9陰極8的空氣32的量可任意控制。即，供給至陰極8的空氣32的量可隨著聚合物電解質(zhì)燃料電池組9的AC輸出功率23而增加或下降，這樣陰極8上的氧利用率保持恒定。或者，供給至陰極8的空氣32的量可保持恒定，從而改變陰極8上的氧利用率。
因此，如果聚合物電解質(zhì)燃料電池組9的AC輸出功率23增加，且需要更多的熱用于烴(天然氣的一種組分)在重整器3中的蒸汽重整反應(yīng)，固體氧化物燃料電池組57的空氣冷卻通過(guò)降低供給至固體氧化物燃料電池組57陰極56的空氣58的量被而抑制。因此，由固體氧化物燃料電池組57供給至重整器3的廢熱可增加，從而預(yù)定量的氫和一氧化碳可在重整器3中穩(wěn)定地產(chǎn)生，同時(shí)保持重整器3和固體氧化物燃料電池組57的溫度在預(yù)定溫度范圍內(nèi)。結(jié)果，固體氧化物燃料電池組57和聚合物電解質(zhì)燃料電池組9可在其相應(yīng)的送電端高效產(chǎn)生預(yù)定AC輸出功率，并可抑制整個(gè)系統(tǒng)的功率和送電端效率的下降。
另一方面，當(dāng)聚合物電解質(zhì)燃料電池組9的AC輸出功率23下降時(shí)，需要較少的熱用于烴(天然氣的一種組分)在重整器3中的蒸汽重整反應(yīng)。在此，固體氧化物燃料電池組57的空氣冷卻通過(guò)增加供給至固體氧化物燃料電池組57陰極56的空氣58的量而促進(jìn)。因此，由固體氧化物燃料電池組57供給至重整器3的廢熱可下降，從而預(yù)定量的氫和一氧化碳可在重整器3中穩(wěn)定地產(chǎn)生，同時(shí)保持重整器3和固體氧化物燃料電池組57的溫度在預(yù)定溫度范圍內(nèi)。結(jié)果，由于重整器3和固體氧化物燃料電池組57的溫度增加而造成的重整器3的重整催化劑和固體氧化物燃料電池組57的變劣受到抑制，且可以防止重整器3和固體氧化物燃料電池組57的壽命和系統(tǒng)可靠性的降低。
現(xiàn)在具體地描述當(dāng)圖23和24所示的控制方法在實(shí)施方案1的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)中實(shí)施以降低空氣58的供給量時(shí)所提供的效果。
圖25和26是特性圖，顯示了實(shí)施圖24所示的控制方法時(shí)所提供的效果。
圖25顯示了供給至固體氧化物燃料電池組57陰極56的發(fā)電用空氣58的量(水平軸)和在固體氧化物燃料電池組57的陰極56上的氧利用率(垂直軸)之間的關(guān)系。在固體氧化物燃料電池組57的送電端的AC輸出功率89是100kW，固體氧化物燃料電池組57的最大溫度是1000℃。
從圖25可以看出，空氣58的供給量下降時(shí)，在固體氧化物燃料電池組57的陰極56上的氧利用率成反比地增加。
圖26顯示了在聚合物電解質(zhì)燃料電池組9的送電端上的AC輸出功率23(右側(cè)垂直軸)和在陰極56上的氧利用率(水平軸)之間的關(guān)系以及整個(gè)系統(tǒng)的送電端效率(左側(cè)垂直軸)和在陰極56上的氧利用率(水平軸)之間的關(guān)系。在固體氧化物燃料電池組57的送電端的AC輸出功率89是100kW，固體氧化物燃料電池組57的最大溫度是1000℃，在固體氧化物燃料電池組57的陰極54上的燃料利用率是80％，在聚合物電解質(zhì)燃料電池組9的陽(yáng)極6上的燃料利用率是85％。
表示為“a”的AC輸出功率89是在聚合物電解質(zhì)燃料電池組9送電端的最大AC輸出功率，可使用由燃料(天然氣，以下同)的蒸汽重整反應(yīng)所產(chǎn)生的氫利用固體氧化物燃料電池組57的廢熱而產(chǎn)生。表示為“b”的送電端效率是包含固體氧化物燃料電池組57和聚合物電解質(zhì)燃料電池組9的整個(gè)發(fā)電系統(tǒng)的系統(tǒng)送電端效率。
從圖26可以看出，如果在固體氧化物燃料電池組57陰極56上的氧利用率通過(guò)降低供給至陰極56的空氣58的量而升高，“a”表示的AC輸出功率23增加，“b”表示的整個(gè)系統(tǒng)的送電端效率也增加。但也可看出，隨著氧利用率的升高，AC輸出功率23和整個(gè)系統(tǒng)的送電端效率分別接近恒定值。因?yàn)閮烧叩纳仙€具有基本上相同的分布，可以推斷，AC輸出功率23的增加造成整個(gè)系統(tǒng)的送電端效率的增加。
如果氧利用率低，大量空氣58被供給至固體氧化物燃料電池組57的陰極56。因此，固體氧化物燃料電池組57的大量廢熱用于預(yù)熱空氣58，固體氧化物燃料電池組57通過(guò)空氣58更有效的地冷卻。另一方面，如果氧利用率高，少量空氣58被供給至陰極56。因此，用于預(yù)熱空氣58的固體氧化物燃料電池組57的f廢熱的量減少，固體氧化物燃料電池組57通過(guò)空氣58冷卻效率下降。
結(jié)果，如果提高氧利用率，固體氧化物燃料電池組57的廢熱可有效地用于產(chǎn)生氫，這是通過(guò)聚合物電解質(zhì)燃料電池組9發(fā)電所需的，否則該廢熱用于預(yù)熱供給至固體氧化物燃料電池組57陰極56的空氣58或通過(guò)被空氣58冷卻所浪費(fèi)。因此，系統(tǒng)送電端效率增加。但隨著氧利用率的增加，固體氧化物燃料電池組57的廢熱的有效利用對(duì)增加整個(gè)系統(tǒng)的送電端效率的效果下降。
在圖25和26所示的情況下，提高氧利用率可提供55％或更高的整個(gè)系統(tǒng)的高送電端效率。
圖27是特性圖，顯示當(dāng)實(shí)施圖23所示的控制方法以降低空氣58的供給量時(shí)所提供的效果。在此，供給至固體氧化物燃料電池組57陰極56的發(fā)電空氣58的量和陰極56的氧利用率之間的關(guān)系與圖25所示相同，假設(shè)聚合物電解質(zhì)燃料電池組9的送電端的AC輸出功率23是100kW，且固體氧化物燃料電池組57的最大溫度是1000℃。如果空氣58的供給量下降，在固體氧化物燃料電池組57的陰極56上的氧利用率成反比地增加。
圖27給出了在固體氧化物燃料電池組57的送電端上的AC輸出功率89(右側(cè)垂直軸)和在陰極56上的氧利用率(水平軸)之間的關(guān)系以及整個(gè)系統(tǒng)的送電端效率(左側(cè)垂直軸)和在陰極56上的氧利用率(水平軸)之間的關(guān)系。聚合物電解質(zhì)燃料電池組9的送電端的AC輸出功率23是100kW，固體氧化物燃料電池組57的最大溫度是1000℃，在固體氧化物燃料電池組57的陽(yáng)極54上的燃料利用率是80％，在聚合物電解質(zhì)燃料電池組9的陽(yáng)極26上的燃料利用率是85％。
表示為“c”的AC輸出功率89是在固體氧化物燃料電池組57的送電端的最低AC輸出功率，這樣聚合物電解質(zhì)燃料電池組9發(fā)電所需的氫可通過(guò)使用廢熱的燃料蒸汽重整反應(yīng)來(lái)生成。表示為”d”的送電端效率是包含固體氧化物燃料電池組57和聚合物電解質(zhì)燃料電池組9的整個(gè)發(fā)電系統(tǒng)的系統(tǒng)送電端效率。
從圖27可以看出，如果在固體氧化物燃料電池組57的陰極56上的氧利用率通過(guò)降低供給至陰極56的空氣58的量而提高，“c”表示的AC輸出功率89減少，但”d”表示的整個(gè)系統(tǒng)的送電端效率增加。但也可看出，隨著氧利用率的增加，AC輸出功率89和整個(gè)系統(tǒng)的送電端效率分別接近恒定值。
如果氧利用率低，大量空氣58被供給至固體氧化物燃料電池組57的陰極56。因此，固體氧化物燃料電池組57的大量廢熱用于預(yù)熱空氣58，固體氧化物燃料電池組57通過(guò)空氣58更有效的地冷卻。因此，固體氧化物燃料電池組57的AC輸出功率89增加，所述AC輸出功率89是通過(guò)燃料的蒸汽重整反應(yīng)使用廢熱產(chǎn)生氫所需的，所述氫是聚合物電解質(zhì)燃料電池組9發(fā)電所需的。另一方面，如果氧利用率高，少量空氣58被供給至陰極56。因此，用于預(yù)熱空氣58的固體氧化物燃料電池組57的廢熱的量減少，固體氧化物燃料電池組57通過(guò)空氣58冷卻的效率降低。
因此，如果提高氧利用率，固體氧化物燃料電池組57的廢熱可有效地用于產(chǎn)生氫，這是通過(guò)聚合物電解質(zhì)燃料電池組9發(fā)電所需的，否則該廢熱用于預(yù)熱供給至固體氧化物燃料電池組57的陰極56的空氣58或通過(guò)被空氣58冷卻所浪費(fèi)。結(jié)果，固體氧化物燃料電池組57的AC輸出功率89下降，所述AC輸出功率89是通過(guò)使用廢熱的燃料蒸汽重整反應(yīng)產(chǎn)生氫所需的，所述氫是聚合物電解質(zhì)燃料電池組9發(fā)電所需的。
如果氧利用率增加和固體氧化物燃料電池組57的送電端的AC輸出功率89下降，在圖27中”d”表示的整個(gè)系統(tǒng)的送電端效率增加。但該增加不明顯。整個(gè)系統(tǒng)的送電端效率的增加是由聚合物電解質(zhì)燃料電池組9的電壓高于固體氧化物燃料電池組57的電壓而引起的。但電壓差對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的送電端效率的作用比根據(jù)圖26所述的廢熱有效利用的作用小，因此，送電端效率的增加值減少。
另外在圖27所示的情況下，提高氧利用率可提供55％或更高的整個(gè)系統(tǒng)的高送電端效率。
控制本發(fā)明燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的這種方法不僅可有效地應(yīng)用于實(shí)施方案1的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)(圖2)，而且可應(yīng)用于實(shí)施方案2(圖3)和11-14的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)(分別如圖12-15)。另外，它可有效的應(yīng)用于結(jié)構(gòu)示于圖28-30的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的替代實(shí)施方案。
以下描述本發(fā)明的控制方法應(yīng)用于上述實(shí)施方案的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的例子。
以下描述本發(fā)明的控制方法應(yīng)用于圖3所示實(shí)施方案2的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的例子。
在圖23所示的本發(fā)明的控制方法應(yīng)用于實(shí)施方案2的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的情況下，如果固體氧化物燃料電池組57的AC輸出功率89增加，且需要更多的熱用于重整器3中的烴(天然氣的一種組分)的蒸汽重整反應(yīng)，固體氧化物燃料電池組57的空氣冷卻通過(guò)降低供給至固體氧化物燃料電池組57陰極56的空氣58的量而被抑制。另外，由固體氧化物燃料電池組57產(chǎn)生的熱增加，因?yàn)橛晒腆w氧化物燃料電池組57產(chǎn)生的功率增加。因此，由固體氧化物燃料電池組57供給至重整器3的廢熱可增加，從而預(yù)定量的氫和一氧化碳可在重整器3中穩(wěn)定地產(chǎn)生，同時(shí)保持重整器3和固體氧化物燃料電池組57的溫度在預(yù)定溫度范圍內(nèi)。結(jié)果，固體氧化物燃料電池組57和聚合物電解質(zhì)燃料電池組9可在其相應(yīng)的送電端高效產(chǎn)生預(yù)定AC輸出功率，并可抑制整個(gè)系統(tǒng)的功率和送電端效率的下降。
另一方面，如果固體氧化物燃料電池組57的AC輸出功率89下降，需要較少的熱用于烴(天然氣的一種組分)在重整器3中的蒸汽重整反應(yīng)。在此，固體氧化物燃料電池組57的空氣冷卻通過(guò)增加供給至固體氧化物燃料電池組57陰極56的空氣58的量而促進(jìn)。另外，由固體氧化物燃料電池組57產(chǎn)生的熱下降，因?yàn)橛晒腆w氧化物燃料電池組57產(chǎn)生的功率下降。因此，由固體氧化物燃料電池組57供給至重整器3的廢熱可下降，從而預(yù)定量的氫和一氧化碳可在重整器3中穩(wěn)定地產(chǎn)生，同時(shí)保持重整器3和固體氧化物燃料電池組57的溫度在預(yù)定溫度范圍內(nèi)。結(jié)果，由于重整器3和固體氧化物燃料電池組57的溫度增加而造成的重整器3的重整催化劑和固體氧化物燃料電池組57的變劣受到抑制，且可以防止重整器3和固體氧化物燃料電池組57的壽命和系統(tǒng)可靠性的降低。
另外，在圖24所示的本發(fā)明控制方法應(yīng)用于根據(jù)實(shí)施方案2的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的情況下，如果聚合物電解質(zhì)燃料電池組9的AC輸出功率23增加，且需要更多的熱用于重整器3中的烴(天然氣的一種組分)的蒸汽重整反應(yīng)，固體氧化物燃料電池組57的空氣冷卻通過(guò)降低供給至固體氧化物燃料電池組57陰極56的空氣58的量而被抑制。因此，由固體氧化物燃料電池組57供給至重整器3的廢熱可增加，從而預(yù)定量的氫和一氧化碳可在重整器3中穩(wěn)定地產(chǎn)生，同時(shí)保持重整器3和固體氧化物燃料電池組57的溫度在預(yù)定溫度范圍內(nèi)。結(jié)果，固體氧化物燃料電池組57和聚合物電解質(zhì)燃料電池組9可在其相應(yīng)的送電端高效產(chǎn)生預(yù)定AC輸出功率，并可抑制整個(gè)系統(tǒng)的功率和送電端效率的下降。
另一方面，如果聚合物電解質(zhì)燃料電池組9的AC輸出功率23下降，需要較少的熱用于烴(天然氣的一種組分)在重整器3中的蒸汽重整反應(yīng)。在此，固體氧化物燃料電池組57的空氣冷卻通過(guò)增加供給至固體氧化物燃料電池組57陰極56的空氣58的量而促進(jìn)。因此，由固體氧化物燃料電池組57供給至重整器3的廢熱可下降，從而預(yù)定量的氫和一氧化碳可在重整器3中穩(wěn)定地產(chǎn)生，同時(shí)保持重整器3和固體氧化物燃料電池組57的溫度在預(yù)定溫度范圍內(nèi)。結(jié)果，由于重整器3和固體氧化物燃料電池組57的溫度增加而造成的重整器3的重整催化劑和固體氧化物燃料電池組57的變劣受到抑制，且可以防止重整器3和固體氧化物燃料電池組57的壽命和系統(tǒng)可靠性的降低。
現(xiàn)在描述本發(fā)明的控制方法應(yīng)用于按照?qǐng)D12所示實(shí)施方案11的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的例子。
在圖23所示本發(fā)明的控制方法應(yīng)用于實(shí)施方案11的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的情況下，如果固體氧化物燃料電池組57的AC輸出功率89增加，且需要更多的熱用于重整器3中的烴(天然氣的一種組分)的蒸汽重整反應(yīng)，固體氧化物燃料電池組57的空氣冷卻通過(guò)降低供給至固體氧化物燃料電池組57陰極56的空氣58的量而被抑制。另外，由固體氧化物燃料電池組57產(chǎn)生的熱增加，因?yàn)橛晒腆w氧化物燃料電池組57產(chǎn)生的功率增加。因此，由固體氧化物燃料電池組57供給至重整器3的廢熱可增加，從而預(yù)定量的氫和一氧化碳可在重整器3中穩(wěn)定地產(chǎn)生，同時(shí)保持重整器3和固體氧化物燃料電池組57的溫度在預(yù)定溫度范圍內(nèi)。結(jié)果，固體氧化物燃料電池組57和聚合物電解質(zhì)燃料電池組9可在其相應(yīng)的送電端高效產(chǎn)生預(yù)定AC輸出功率，并可抑制整個(gè)系統(tǒng)的功率和送電端效率的下降。
另一方面，如果固體氧化物燃料電池組57的AC輸出功率89下降，需要較少的熱用于烴(天然氣的一種組分)在重整器3中的蒸汽重整反應(yīng)。在此，固體氧化物燃料電池組57的空氣冷卻通過(guò)增加供給至固體氧化物燃料電池組57陰極56的空氣58的量而促進(jìn)。另外，由固體氧化物燃料電池組57產(chǎn)生的熱下降，因?yàn)橛晒腆w氧化物燃料電池組57產(chǎn)生的功率下降。因此，由固體氧化物燃料電池組57供給至重整器3的廢熱可下降，從而預(yù)定量的氫和一氧化碳可在重整器3中穩(wěn)定地產(chǎn)生，同時(shí)保持重整器3和固體氧化物燃料電池組57的溫度在預(yù)定溫度范圍內(nèi)。結(jié)果，由于重整器3和固體氧化物燃料電池組57的溫度增加而造成的重整器3的重整催化劑和固體氧化物燃料電池組57的變劣受到抑制，且可以防止重整器3和固體氧化物燃料電池組57的壽命和系統(tǒng)可靠性的降低。
另外，在圖24所示本發(fā)明的控制方法應(yīng)用于實(shí)施方案11的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的情況下，如果聚合物電解質(zhì)燃料電池組9的AC輸出功率23增加，且需要更多的熱用于重整器3中的烴(天然氣的一種組分)的蒸汽重整反應(yīng)，固體氧化物燃料電池組57的空氣冷卻通過(guò)降低供給至固體氧化物燃料電池組57陰極56的空氣58的量而被抑制。因此，由固體氧化物燃料電池組57供給至重整器3的廢熱可增加，從而預(yù)定量的氫和一氧化碳可在重整器3中穩(wěn)定地產(chǎn)生，同時(shí)保持重整器3和固體氧化物燃料電池組57的溫度在預(yù)定溫度范圍內(nèi)。結(jié)果，固體氧化物燃料電池組57和聚合物電解質(zhì)燃料電池組9可在其相應(yīng)的送電端高效產(chǎn)生預(yù)定AC輸出功率，并可抑制整個(gè)系統(tǒng)的功率和送電端效率的下降。
另一方面，如果聚合物電解質(zhì)燃料電池組9的AC輸出功率23下降，需要較少的熱用于烴(天然氣的一種組分)在重整器3中的蒸汽重整反應(yīng)。在此，固體氧化物燃料電池組57的空氣冷卻通過(guò)增加供給至固體氧化物燃料電池組57的陰極56的空氣58的量而促進(jìn)。因此，由固體氧化物燃料電池組57供給至重整器3的廢熱可下降，從而預(yù)定量的氫和一氧化碳可在重整器3中穩(wěn)定地產(chǎn)生，同時(shí)保持重整器3和固體氧化物燃料電池組57的溫度在預(yù)定溫度范圍內(nèi)。結(jié)果，由于重整器3和固體氧化物燃料電池組57的溫度增加而造成的重整器3的重整催化劑和固體氧化物燃料電池組57的變劣受到抑制，且可以防止重整器3和固體氧化物燃料電池組57的壽命和系統(tǒng)可靠性的降低。
現(xiàn)在描述本發(fā)明的控制方法應(yīng)用于按照?qǐng)D13所示實(shí)施方案12的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的例子。
在圖23所示本發(fā)明的控制方法應(yīng)用于根據(jù)實(shí)施方案12的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的情況下，如果固體氧化物燃料電池組57的AC輸出功率89增加，且需要更多的熱用于重整器3中的烴(天然氣的一種組分)的蒸汽重整反應(yīng)，固體氧化物燃料電池組57的空氣冷卻通過(guò)降低供給至固體氧化物燃料電池組57陰極56的空氣58的量而被抑制。另外，由固體氧化物燃料電池組57產(chǎn)生的熱增加，因?yàn)橛晒腆w氧化物燃料電池組57產(chǎn)生的功率增加。因此，由固體氧化物燃料電池組57供給至重整器3的廢熱可增加，從而預(yù)定量的氫和一氧化碳可在重整器3中穩(wěn)定地產(chǎn)生，同時(shí)保持重整器3和固體氧化物燃料電池組57的溫度在預(yù)定溫度范圍內(nèi)。結(jié)果，固體氧化物燃料電池組57和聚合物電解質(zhì)燃料電池組9可在其相應(yīng)的送電端高效產(chǎn)生預(yù)定AC輸出功率，并可抑制整個(gè)系統(tǒng)的功率和送電端效率的下降。
另一方面，如果固體氧化物燃料電池組57的AC輸出功率89下降，需要較少的熱用于烴(天然氣的一種組分)在重整器3中的蒸汽重整反應(yīng)。在此，固體氧化物燃料電池組57的空氣冷卻通過(guò)增加供給至固體氧化物燃料電池組57陰極56的空氣58的量而促進(jìn)。另外，由固體氧化物燃料電池組57產(chǎn)生的熱下降，因?yàn)橛晒腆w氧化物燃料電池組57產(chǎn)生的功率下降。因此，由固體氧化物燃料電池組57供給至重整器3的廢熱可下降，從而預(yù)定量的氫和一氧化碳可在重整器3中穩(wěn)定地產(chǎn)生，同時(shí)保持重整器3和固體氧化物燃料電池組57的溫度在預(yù)定溫度范圍內(nèi)。結(jié)果，由于重整器3和固體氧化物燃料電池組57的溫度增加而造成的重整器3的重整催化劑和固體氧化物燃料電池組57的變劣受到抑制，且可以防止重整器3和固體氧化物燃料電池組57的壽命和系統(tǒng)可靠性的降低。
另外，在圖24所示的本發(fā)明的控制方法應(yīng)用于實(shí)施方案12的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的情況下，如果聚合物電解質(zhì)燃料電池組9的AC輸出功率23增加，且需要更多的熱用于重整器3中的烴(天然氣的一種組分)的蒸汽重整反應(yīng)，固體氧化物燃料電池組57的空氣冷卻通過(guò)降低供給至固體氧化物燃料電池組57陰極56的空氣58的量而被抑制。因此，由固體氧化物燃料電池組57供給至重整器3的廢熱可增加，從而預(yù)定量的氫和一氧化碳可在重整器3中穩(wěn)定地產(chǎn)生，同時(shí)保持重整器3和固體氧化物燃料電池組57的溫度在預(yù)定溫度范圍內(nèi)。結(jié)果，固體氧化物燃料電池組57和聚合物電解質(zhì)燃料電池組9可在其相應(yīng)的送電端高效產(chǎn)生預(yù)定AC輸出功率，并可抑制整個(gè)系統(tǒng)的功率和送電端效率的下降。
另一方面，如果聚合物電解質(zhì)燃料電池組9的AC輸出功率23下降，需要較少的熱用于烴(天然氣的一種組分)在重整器3中的蒸汽重整反應(yīng)。在此，固體氧化物燃料電池組57的空氣冷卻通過(guò)增加供給至固體氧化物燃料電池組57陰極56的空氣58的量而促進(jìn)。因此，由固體氧化物燃料電池組57供給至重整器3的廢熱可下降，從而預(yù)定量的氫和一氧化碳可在重整器3中穩(wěn)定地產(chǎn)生，同時(shí)保持重整器3和固體氧化物燃料電池組57的溫度在預(yù)定溫度范圍內(nèi)。結(jié)果，由于重整器3和固體氧化物燃料電池組57的溫度增加而造成的重整器3的重整催化劑和固體氧化物燃料電池組57的變劣受到抑制，且可以防止重整器3和固體氧化物燃料電池組57的壽命和系統(tǒng)可靠性的降低。
現(xiàn)在描述本發(fā)明的控制方法應(yīng)用于按照?qǐng)D14所示實(shí)施方案13的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的例子。
在圖23所示本發(fā)明的控制方法應(yīng)用于實(shí)施方案13的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的情況下，如果固體氧化物燃料電池組57的AC輸出功率89增加，且需要更多的熱用于烴(天然氣的一種組分)在固體氧化物燃料電池組57的陽(yáng)極54上的蒸汽重整反應(yīng)，固體氧化物燃料電池組57的空氣冷卻通過(guò)降低供給至固體氧化物燃料電池組57陰極56的空氣58的量而被抑制。另外，由固體氧化物燃料電池組57產(chǎn)生的熱增加，因?yàn)橛晒腆w氧化物燃料電池組57產(chǎn)生的功率增加。因此，預(yù)定量的氫和一氧化碳可在陽(yáng)極54上穩(wěn)定地產(chǎn)生，同時(shí)將固體氧化物燃料電池組57的溫度保持在預(yù)定溫度范圍內(nèi)。結(jié)果，固體氧化物燃料電池組57和聚合物電解質(zhì)燃料電池組9可在其相應(yīng)的送電端高效產(chǎn)生預(yù)定AC輸出功率，并可抑制整個(gè)系統(tǒng)的功率和送電端效率的下降。
另一方面，如果固體氧化物燃料電池組57的AC輸出功率89下降，需要較少的熱用于烴(天然氣的一種組分)在固體氧化物燃料電池組57的陽(yáng)極54上的蒸汽重整反應(yīng)。在此，固體氧化物燃料電池組57的空氣冷卻通過(guò)增加供給至固體氧化物燃料電池組57陰極56的空氣58的量而促進(jìn)。另外，由固體氧化物燃料電池組57產(chǎn)生的熱下降，因?yàn)橛晒腆w氧化物燃料電池組57產(chǎn)生的功率下降。因此，預(yù)定量的氫和一氧化碳可在陽(yáng)極54上穩(wěn)定地產(chǎn)生，同時(shí)將固體氧化物燃料電池組57的溫度保持在預(yù)定溫度范圍內(nèi)。結(jié)果，固體氧化物燃料電池組57由于其溫度增加而造成的變劣被抑制，且可防止固體氧化物燃料電池組57的壽命和系統(tǒng)可靠性的降低。
另外，在圖24所示的本發(fā)明的控制方法應(yīng)用于實(shí)施方案13的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的情況下，如果聚合物電解質(zhì)燃料電池組9的AC輸出功率23增加，且需要更多的熱用于烴(天然氣的一種組分)在固體氧化物燃料電池組57陽(yáng)極54上的蒸汽重整反應(yīng)，固體氧化物燃料電池組57的空氣冷卻通過(guò)降低供給至固體氧化物燃料電池組57陰極56的空氣58的量而被抑制。因此，預(yù)定量的氫和一氧化碳可在陽(yáng)極54上穩(wěn)定地產(chǎn)生，同時(shí)將固體氧化物燃料電池組57的溫度保持在預(yù)定溫度范圍內(nèi)。結(jié)果，固體氧化物燃料電池組57和聚合物電解質(zhì)燃料電池組9可在其相應(yīng)的送電端高效產(chǎn)生預(yù)定AC輸出功率，并可抑制整個(gè)系統(tǒng)的功率和送電端效率的下降。
另一方面，如果聚合物電解質(zhì)燃料電池組9的AC輸出功率23下降，需要較少的熱用于烴(天然氣的一種組分)在固體氧化物燃料電池組57的陽(yáng)極54上的蒸汽重整反應(yīng)。在此，固體氧化物燃料電池組57的空氣冷卻通過(guò)增加供給至固體氧化物燃料電池組57的陰極56的空氣58的量而促進(jìn)。因此，預(yù)定量的氫和一氧化碳可在陽(yáng)極54上產(chǎn)生，同時(shí)將固體氧化物燃料電池組57的溫度保持在預(yù)定溫度范圍內(nèi)。結(jié)果，固體氧化物燃料電池組57由于其溫度增加而造成的變劣被抑制，且可防止固體氧化物燃料電池組57的壽命和系統(tǒng)可靠性的降低。
現(xiàn)在描述其中根據(jù)本發(fā)明的控制方法應(yīng)用于按照?qǐng)D15所示實(shí)施方案14的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的例子。
在圖23所示本發(fā)明的控制方法應(yīng)用于實(shí)施方案14的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的情況下，如果固體氧化物燃料電池組57的AC輸出功率89增加，且需要更多的熱用于烴(天然氣的一種組分)在固體氧化物燃料電池組57陽(yáng)極54上的蒸汽重整反應(yīng)，固體氧化物燃料電池組57的空氣冷卻通過(guò)降低供給至固體氧化物燃料電池組57陰極56的空氣58的量而被抑制。另外，由固體氧化物燃料電池組57產(chǎn)生的熱增加，因?yàn)橛晒腆w氧化物燃料電池組57產(chǎn)生的功率增加。因此，預(yù)定量的氫和一氧化碳可在陽(yáng)極54上穩(wěn)定地產(chǎn)生，同時(shí)將固體氧化物燃料電池組57的溫度保持在預(yù)定溫度范圍內(nèi)。結(jié)果，固體氧化物燃料電池組57和聚合物電解質(zhì)燃料電池組9可在其相應(yīng)的送電端高效產(chǎn)生預(yù)定AC輸出功率，并可抑制整個(gè)系統(tǒng)的功率和送電端效率的下降。
另一方面，如果固體氧化物燃料電池組57的AC輸出功率89下降，需要較少的熱用于烴(天然氣的一種組分)在固體氧化物燃料電池組57陽(yáng)極54上的蒸汽重整反應(yīng)。在此，固體氧化物燃料電池組57的空氣冷卻通過(guò)增加供給至固體氧化物燃料電池組57陰極56的空氣58的量而促進(jìn)。另外，由固體氧化物燃料電池組57產(chǎn)生的熱下降，因?yàn)橛晒腆w氧化物燃料電池組57產(chǎn)生的功率下降。因此，預(yù)定量的氫和一氧化碳可在陽(yáng)極54上穩(wěn)定地產(chǎn)生，同時(shí)將固體氧化物燃料電池組57的溫度保持在預(yù)定溫度范圍內(nèi)。結(jié)果，固體氧化物燃料電池組57由于其溫度增加而造成的變劣被抑制，且可防止固體氧化物燃料電池組57的壽命和系統(tǒng)可靠性的下降。
另外，在圖24所示的本發(fā)明的控制方法應(yīng)用于實(shí)施方案14的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的情況下，如果聚合物電解質(zhì)燃料電池組9的AC輸出功率23增加，且需要更多的熱用于烴(天然氣的一種組分)在固體氧化物燃料電池組57陽(yáng)極54上的蒸汽重整反應(yīng)，固體氧化物燃料電池組57的空氣冷卻通過(guò)降低供給至固體氧化物燃料電池組57陰極56的空氣58的量而被抑制。因此，預(yù)定量的氫和一氧化碳可在陽(yáng)極54上穩(wěn)定地產(chǎn)生，同時(shí)將固體氧化物燃料電池組57的溫度保持在預(yù)定溫度范圍內(nèi)。結(jié)果，固體氧化物燃料電池組57和聚合物電解質(zhì)燃料電池組9可在其相應(yīng)的送電端高效產(chǎn)生預(yù)定AC輸出功率，并可抑制整個(gè)系統(tǒng)的功率和送電端效率的下降。
另一方面，如果聚合物電解質(zhì)燃料電池組9的AC輸出功率23下降，需要較少的熱用于烴(天然氣的一種組分)在固體氧化物燃料電池組57陽(yáng)極54上的蒸汽重整反應(yīng)。在此，固體氧化物燃料電池組57的空氣冷卻通過(guò)增加供給至固體氧化物燃料電池組57陰極56的空氣58的量而促進(jìn)。因此，預(yù)定量的氫和一氧化碳可在陽(yáng)極54上產(chǎn)生，同時(shí)將固體氧化物燃料電池組57的溫度保持在預(yù)定溫度范圍內(nèi)。結(jié)果，固體氧化物燃料電池組57由于其溫度增加而造成的變劣被抑制，且可防止固體氧化物燃料電池組57的壽命和系統(tǒng)可靠性的下降。
圖28顯示了本發(fā)明的控制方法可有效地應(yīng)用于的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的替代實(shí)施方案的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。標(biāo)號(hào)109表示磷酸燃料電池組，磷酸燃料電池組109包括陽(yáng)極106，磷酸電解質(zhì)107和陰極108。為簡(jiǎn)便起見(jiàn)，圖28給出了由一個(gè)單元電池構(gòu)成的磷酸燃料電池組109，其中前者由一組陽(yáng)極106、磷酸電解質(zhì)107和陰極108組成。但實(shí)際上，磷酸燃料電池組109包括多個(gè)單元電池。標(biāo)號(hào)110表示用于磷酸燃料電池組109的重整氣體。
圖28所示的該替代實(shí)施方案的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)與實(shí)施方案1的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)(圖2)的不同之處在于，省略了CO選擇氧化器5和冷凝器39，且磷酸燃料電池組109用作第二燃料電池組以替代聚合物電解質(zhì)燃料電池組9。即，該替代實(shí)施方案的系統(tǒng)是改進(jìn)的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)，磷酸燃料電池組109用作第二燃料電池組，且由CO轉(zhuǎn)化器4排出的重整氣體26照原樣作為重整氣體110被供給至磷酸燃料電池組109的陽(yáng)極106。
現(xiàn)在根據(jù)圖28描述該燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的操作。在CO轉(zhuǎn)化器4中產(chǎn)生的已將CO濃度減至1％或更低的部分重整氣體26作為用于磷酸燃料電池組109的重整氣體110被供給至磷酸燃料電池組109(第二燃料電池組)的陽(yáng)極106。另一方面，空氣32(通過(guò)空氣供給吹風(fēng)機(jī)13吸收的空氣18中的一部分)被供給至磷酸燃料電池組109的陰極108?？諝?2的供給量根據(jù)磷酸燃料電池組109的DC輸出功率22的電池電流和流動(dòng)控制閥10的開(kāi)啟度(即空氣32的供給量)之間的關(guān)系，通過(guò)控制流動(dòng)控制閥10的開(kāi)啟度設(shè)定為適合DC輸出功率22電池電流的值。磷酸燃料電池組109的發(fā)電溫度通常是190℃，并通過(guò)電池反應(yīng)所產(chǎn)生的熱而保持。
在磷酸燃料電池組109的陽(yáng)極106上，通過(guò)鉑基電極催化劑的作用，用于磷酸燃料電池組109的重整氣體110中的氫約80％通過(guò)式(4)的陽(yáng)極反應(yīng)而轉(zhuǎn)化成氫離子和電子，如同聚合物電解質(zhì)燃料電池組9。
在陽(yáng)極106上產(chǎn)生的氫離子在磷酸電解質(zhì)107中移動(dòng)并到達(dá)陰極108。另一方面，在陽(yáng)極106上產(chǎn)生的電子移動(dòng)通過(guò)外電路(未示)并到達(dá)陰極108。在電子移動(dòng)通過(guò)外部電路的過(guò)程中，電能可作為DC輸出功率22被提取。
在磷酸燃料電池組109的陰極108上，通過(guò)鉑基電極催化劑的作用，已通過(guò)磷酸電解質(zhì)107由陽(yáng)極106移動(dòng)至陰極108的氫離子、已通過(guò)外部電路由陽(yáng)極106移動(dòng)至陰極108的電子和供給至陰極108的空氣32中的氧相互反應(yīng)形成蒸汽，所述反應(yīng)是式(5)的陰極反應(yīng)。
結(jié)合式(4)和(5)，磷酸燃料電池組109中的電池反應(yīng)可表示為水電解的逆反應(yīng)，表示為式(6)，其中氫和氧相互反應(yīng)形成蒸汽。
將磷酸燃料電池組109所產(chǎn)生的DC輸出功率22經(jīng)電壓轉(zhuǎn)化和DC/AC轉(zhuǎn)化以適應(yīng)功率調(diào)節(jié)設(shè)備20中的負(fù)載21，并隨后作為AC輸出功率23供給至負(fù)載21。在圖28中，功率調(diào)節(jié)設(shè)備20進(jìn)行DC/AC轉(zhuǎn)化。但功率調(diào)節(jié)設(shè)備20可僅進(jìn)行電壓轉(zhuǎn)化并可將送電端的DC輸出功率供給至負(fù)載21。
空氣32在其中部分氧在陰極108通過(guò)式(5)的陰極反應(yīng)被消耗之后作為磷酸燃料電池組109的陰極排出氣體17排出。另一方面，用于磷酸燃料電池組109的重整氣體110在其中約80％氫在陽(yáng)極106通過(guò)式(4)的陽(yáng)極反應(yīng)被消耗之后作為磷酸燃料電池組109的陽(yáng)極排出氣體19排出。
在圖23所示的本發(fā)明的控制方法應(yīng)用于該替代實(shí)施方案的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的情況下，如果固體氧化物燃料電池組57的AC輸出功率89增加，且需要更多的熱用于烴(天然氣的一種組分)在重整器3中的蒸汽重整反應(yīng)，固體氧化物燃料電池組57的空氣冷卻通過(guò)降低供給至固體氧化物燃料電池組57陰極56的空氣58的量而被抑制。另外，由固體氧化物燃料電池組57產(chǎn)生的熱增加，因?yàn)橛晒腆w氧化物燃料電池組57產(chǎn)生的功率增加。因此，由固體氧化物燃料電池組57供給至重整器3的廢熱可增加，從而預(yù)定量的氫和一氧化碳可在重整器3中穩(wěn)定地產(chǎn)生，同時(shí)保持重整器3和固體氧化物燃料電池組57的溫度在預(yù)定溫度范圍內(nèi)。結(jié)果，固體氧化物燃料電池組57和磷酸燃料電池組109可在其相應(yīng)的送電端高效產(chǎn)生預(yù)定AC輸出功率，并可抑制整個(gè)系統(tǒng)的功率和送電端效率的下降。
另一方面，如果固體氧化物燃料電池組57的AC輸出功率89下降，需要較少的熱用于烴(天然氣的一種組分)在重整器3中的蒸汽重整反應(yīng)。在此，固體氧化物燃料電池組57的空氣冷卻通過(guò)增加供給至固體氧化物燃料電池組57陰極56的空氣58的量而促進(jìn)。另外，由固體氧化物燃料電池組57產(chǎn)生的熱下降，因?yàn)橛晒腆w氧化物燃料電池組57產(chǎn)生的功率下降。因此，由固體氧化物燃料電池組57供給至重整器3的廢熱可下降，從而預(yù)定量的氫和一氧化碳可在重整器3中穩(wěn)定地產(chǎn)生，同時(shí)保持重整器3和固體氧化物燃料電池組57的溫度在預(yù)定溫度范圍內(nèi)。結(jié)果，由于重整器3和固體氧化物燃料電池組57的溫度增加而造成的重整器3的重整催化劑和固體氧化物燃料電池組57的變劣受到抑制，且可以防止重整器3和固體氧化物燃料電池組57的壽命和系統(tǒng)可靠性的下降。
另外，在圖24所示的本發(fā)明的控制方法應(yīng)用于該替代實(shí)施方案的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的情況下，如果磷酸燃料電池組109的AC輸出功率23隨著負(fù)載21的增加而增加，打開(kāi)流動(dòng)控制閥37以增加燃料(天然氣45)的供給量，并關(guān)閉流動(dòng)控制閥62以下降供給至第一燃料電池組陰極的空氣(供給至固體氧化物燃料電池組57的陰極56的空氣58)的量，這樣提高陰極56的氧利用率。
另一方面，如果磷酸燃料電池組109的AC輸出功率23隨著負(fù)載21的下降而下降，關(guān)閉流動(dòng)控制閥37以降低燃料(天然氣45)的供給量，和打開(kāi)流動(dòng)控制閥62以增加供給至第一燃料電池組陰極的空氣(供給至固體氧化物燃料電池組57的陰極56的空氣58)的量，這樣減少陰極56的氧利用率。
可任意控制供給至磷酸燃料電池組109的陰極108的空氣32的量。即，供給至陰極108的空氣32的量可隨著磷酸燃料電池組109的AC輸出功率23而增加或下降，這樣陰極108上的氧利用率保持恒定?；蛘撸┙o至陰極108的空氣32的量可保持恒定，這樣可改變陰極108上的氧利用率。
這樣，如果磷酸燃料電池組109的AC輸出功率23增加，需要更多的熱用于烴(天然氣的一種組分)在重整器3中的蒸汽重整反應(yīng)。在此，固體氧化物燃料電池組57的空氣冷卻通過(guò)降低供給至固體氧化物燃料電池組57陰極56的空氣58的量而被抑制。因此，由固體氧化物燃料電池組57供給至重整器3的廢熱可增加，從而預(yù)定量的氫和一氧化碳可在重整器3中穩(wěn)定地產(chǎn)生，同時(shí)保持重整器3和固體氧化物燃料電池組57的溫度在預(yù)定溫度范圍內(nèi)。結(jié)果，固體氧化物燃料電池組57和磷酸燃料電池組109可在其相應(yīng)的送電端高效產(chǎn)生預(yù)定AC輸出功率，并可抑制整個(gè)系統(tǒng)的功率和送電端效率的下降。
另一方面，如果磷酸燃料電池組109的AC輸出功率23下降，需要較少的熱用于烴(天然氣的一種組分)在重整器3中的蒸汽重整反應(yīng)。在此，固體氧化物燃料電池組57的空氣冷卻通過(guò)增加供給至固體氧化物燃料電池組57陰極56的空氣58的量而促進(jìn)。因此，由固體氧化物燃料電池組57供給至重整器3的廢熱可下降，從而預(yù)定量的氫和一氧化碳可在重整器3中穩(wěn)定地產(chǎn)生，同時(shí)保持重整器3和固體氧化物燃料電池組57的溫度在預(yù)定溫度范圍內(nèi)。結(jié)果，由于重整器3和固體氧化物燃料電池組57的溫度增加而造成的重整器3的重整催化劑和固體氧化物燃料電池組57的變劣受到抑制，且可以防止重整器3和固體氧化物燃料電池組57的壽命和系統(tǒng)可靠性的下降。
圖29顯示了本發(fā)明的控制方法可有效地應(yīng)用的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的替代實(shí)施方案的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。圖29所示的該替代實(shí)施方案的系統(tǒng)是按照與上述圖28相同的方式改進(jìn)的實(shí)施方案11的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)(圖12)。標(biāo)號(hào)111表示用于磷酸燃料電池組109的陽(yáng)極排出氣體。
圖29所示的該替代實(shí)施方案的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)與圖12所示的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的不同之處在于，省略了CO選擇氧化器5和冷凝器39，且磷酸燃料電池組109用作第二燃料電池組以替代聚合物電解質(zhì)燃料電池組9。
現(xiàn)在根據(jù)圖29描述該替代實(shí)施方案的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的操作。在CO轉(zhuǎn)化器4中產(chǎn)生并已將CO濃度減至1％或更低的固體氧化物燃料電池組57的部分陽(yáng)極排出氣體101作為用于磷酸燃料電池組109的陽(yáng)極排出氣體111被供給至磷酸燃料電池組109(第二燃料電池組)的陽(yáng)極106。
在圖23所示的本發(fā)明的控制方法應(yīng)用于該替代實(shí)施方案的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的情況下，如果固體氧化物燃料電池組57的AC輸出功率89增加，且需要更多的熱用于烴(天然氣的一種組分)在重整器3中的蒸汽重整反應(yīng)，固體氧化物燃料電池組57的空氣冷卻通過(guò)降低供給至固體氧化物燃料電池組57陰極56的空氣58的量而被抑制。另外，由固體氧化物燃料電池組57產(chǎn)生的熱增加，因?yàn)橛晒腆w氧化物燃料電池組57產(chǎn)生的功率增加。因此，由固體氧化物燃料電池組57供給至重整器3的廢熱可增加，從而預(yù)定量的氫和一氧化碳可在重整器3中穩(wěn)定地產(chǎn)生，同時(shí)保持重整器3和固體氧化物燃料電池組57的溫度在預(yù)定溫度范圍內(nèi)。結(jié)果，固體氧化物燃料電池組57和磷酸燃料電池組109可在其相應(yīng)的送電端高效產(chǎn)生預(yù)定AC輸出功率，并可抑制整個(gè)系統(tǒng)的功率和送電端效率的下降。
另一方面，如果固體氧化物燃料電池組57的AC輸出功率89下降，需要較少的熱用于烴(天然氣的一種組分)在重整器3中的蒸汽重整反應(yīng)。在此，固體氧化物燃料電池組57的空氣冷卻通過(guò)增加供給至固體氧化物燃料電池組57陰極56的空氣58的量而促進(jìn)。另外，由固體氧化物燃料電池組57產(chǎn)生的熱下降，因?yàn)橛晒腆w氧化物燃料電池組57產(chǎn)生的功率下降。因此，由固體氧化物燃料電池組57供給至重整器3的廢熱可下降，從而預(yù)定量的氫和一氧化碳可在重整器3中穩(wěn)定地產(chǎn)生，同時(shí)保持重整器3和固體氧化物燃料電池組57的溫度在預(yù)定溫度范圍內(nèi)。結(jié)果，由于重整器3和固體氧化物燃料電池組57的溫度增加而造成的重整器3的重整催化劑和固體氧化物燃料電池組57的變劣受到抑制，且可以防止重整器3和固體氧化物燃料電池組57的壽命和系統(tǒng)可靠性的下降。
另外，在圖24所示本發(fā)明的控制方法應(yīng)用于該替代實(shí)施方案的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的情況下，如果磷酸燃料電池組109的AC輸出功率23增加，需要更多的熱用于重整器3中的烴(天然氣的一種組分)的蒸汽重整反應(yīng)，固體氧化物燃料電池組57的空氣冷卻通過(guò)降低供給至固體氧化物燃料電池組57陰極56的空氣58的量而被抑制。因此，由固體氧化物燃料電池組57供給至重整器3的廢熱可增加，從而預(yù)定量的氫和一氧化碳可在重整器3中穩(wěn)定地產(chǎn)生，同時(shí)保持重整器3和固體氧化物燃料電池組57的溫度在預(yù)定溫度范圍內(nèi)。結(jié)果，固體氧化物燃料電池組57和磷酸燃料電池組109可在其相應(yīng)的送電端高效產(chǎn)生預(yù)定AC輸出功率，并可抑制整個(gè)系統(tǒng)的功率和送電端效率的下降。
另一方面，如果磷酸燃料電池組109的AC輸出功率23下降，需要較少的熱用于烴(天然氣的一種組分)在重整器3中的蒸汽重整反應(yīng)。在此，固體氧化物燃料電池組57的空氣冷卻通過(guò)增加供給至固體氧化物燃料電池組57陰極56的空氣58的量而促進(jìn)。因此，由固體氧化物燃料電池組57供給至重整器3的廢熱可下降，從而預(yù)定量的氫和一氧化碳可在重整器3中穩(wěn)定地產(chǎn)生，同時(shí)保持重整器3和固體氧化物燃料電池組57的溫度在預(yù)定溫度范圍內(nèi)。結(jié)果，由于重整器3和固體氧化物燃料電池組57的溫度增加而造成的重整器3的重整催化劑和固體氧化物燃料電池組57的變劣受到抑制，且可以防止重整器3和固體氧化物燃料電池組57的壽命和系統(tǒng)可靠性的下降。
圖30給出了本發(fā)明的控制方法可有效地應(yīng)用的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的替代實(shí)施方案的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。圖30所示的該替代實(shí)施方案的系統(tǒng)是按照與上述圖28的相同方式改進(jìn)的實(shí)施方案13的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)(圖14)。
圖30所示的該替代實(shí)施方案的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)與圖14所示的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的不同之處在于，省略了CO選擇氧化器5和冷凝器39，且磷酸燃料電池組109用作第二燃料電池組以替代聚合物電解質(zhì)燃料電池組9。按照該替代實(shí)施方案的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的操作與圖29所示的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)相同。
在圖23所示的本發(fā)明的控制方法應(yīng)用于該替代實(shí)施方案的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的情況下，如果固體氧化物燃料電池組57的AC輸出功率89增加，且需要更多的熱用于烴(天然氣的一種組分)在固體氧化物燃料電池組57陽(yáng)極54上的蒸汽重整反應(yīng)，固體氧化物燃料電池組57的空氣冷卻通過(guò)降低供給至固體氧化物燃料電池組57陰極56的空氣58的量而被抑制。另外，由固體氧化物燃料電池組57產(chǎn)生的熱增加，因?yàn)橛晒腆w氧化物燃料電池組57產(chǎn)生的功率增加。因此，預(yù)定量的氫和一氧化碳可在陽(yáng)極54上穩(wěn)定地產(chǎn)生，同時(shí)將固體氧化物燃料電池組57的溫度保持在預(yù)定溫度范圍內(nèi)。結(jié)果，固體氧化物燃料電池組57和磷酸燃料電池組109可在其相應(yīng)的送電端高效產(chǎn)生預(yù)定AC輸出功率，并可抑制整個(gè)系統(tǒng)的功率和送電端效率的下降。
另一方面，如果固體氧化物燃料電池組57的AC輸出功率89下降，需要較少的熱用于烴(天然氣的一種組分)在固體氧化物燃料電池組57陽(yáng)極54上的蒸汽重整反應(yīng)。在此，固體氧化物燃料電池組57的空氣冷卻通過(guò)增加供給至固體氧化物燃料電池組57陰極56的空氣58的量而促進(jìn)。另外，由固體氧化物燃料電池組57產(chǎn)生的熱下降，因?yàn)橛晒腆w氧化物燃料電池組57產(chǎn)生的功率下降。因此，預(yù)定量的氫和一氧化碳可在陽(yáng)極54上穩(wěn)定地產(chǎn)生，同時(shí)將固體氧化物燃料電池組57的溫度保持在預(yù)定溫度范圍內(nèi)。結(jié)果，固體氧化物燃料電池組57由于其溫度增加而造成的變劣被抑制，且可防止固體氧化物燃料電池組57的壽命和系統(tǒng)可靠性的下降。
另外，在圖24所示本發(fā)明的控制方法應(yīng)用于該替代實(shí)施方案的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的情況下，如果磷酸燃料電池組109的AC輸出功率23增加，且需要更多的熱用于烴(天然氣的一種組分)在固體氧化物燃料電池組57陽(yáng)極54上的蒸汽重整反應(yīng)，固體氧化物燃料電池組57的空氣冷卻通過(guò)降低供給至固體氧化物燃料電池組57陰極56的空氣58的量而被抑制。因此，預(yù)定量的氫和一氧化碳可在陽(yáng)極54上穩(wěn)定地產(chǎn)生，同時(shí)將固體氧化物燃料電池組57的溫度保持在預(yù)定溫度范圍內(nèi)。結(jié)果，固體氧化物燃料電池組57和磷酸燃料電池組109可在其相應(yīng)的送電端高效產(chǎn)生預(yù)定AC輸出功率，并可抑制整個(gè)系統(tǒng)的功率和送電端效率的下降。
另一方面，如果磷酸燃料電池組109的AC輸出功率23下降，需要較少的熱用于烴(天然氣的一種組分)在固體氧化物燃料電池組57陽(yáng)極54上的蒸汽重整反應(yīng)。在此，固體氧化物燃料電池組57的空氣冷卻通過(guò)增加供給至固體氧化物燃料電池組57陰極56的空氣58的量而促進(jìn)。因此，預(yù)定量的氫和一氧化碳可在陽(yáng)極54上產(chǎn)生，同時(shí)將固體氧化物燃料電池組57的溫度保持在預(yù)定溫度范圍內(nèi)。結(jié)果，固體氧化物燃料電池組57由于其溫度增加而造成的變劣被抑制，且可防止固體氧化物燃料電池組57的壽命和系統(tǒng)可靠性的下降。
已根據(jù)優(yōu)選的實(shí)施方案對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)描述，根據(jù)前述內(nèi)容在不背離本發(fā)明精神的情況下進(jìn)行變化和改進(jìn)對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員是顯而易見(jiàn)的，因此所附權(quán)利要求書意在包括落入本發(fā)明精神內(nèi)的所有這些變化和改進(jìn)。
權(quán)利要求
1.一種用于通過(guò)氫與氧的電化學(xué)反應(yīng)發(fā)電的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)，其包括用于通過(guò)燃料的蒸汽重整反應(yīng)產(chǎn)生含氫重整氣體的重整裝置；用于通過(guò)所述重整氣體中的氫或氫和一氧化碳與氧的電化學(xué)反應(yīng)發(fā)電并將所述發(fā)電產(chǎn)生的廢熱和蒸汽供給至所述重整裝置的第一發(fā)電裝置；用于通過(guò)一氧化碳與蒸汽的反應(yīng)將所述重整氣體中的一氧化碳轉(zhuǎn)化成二氧化碳和氫的轉(zhuǎn)化裝置；用于通過(guò)氧化將從所述轉(zhuǎn)化裝置中排出的一氧化碳轉(zhuǎn)化成二氧化碳的氧化裝置；和用于通過(guò)從所述氧化裝置排出的氫與氧的電化學(xué)反應(yīng)發(fā)電的第二發(fā)電裝置。
2.一種用于通過(guò)氫與氧的電化學(xué)反應(yīng)發(fā)電的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)，其包括用于通過(guò)燃料的蒸汽重整反應(yīng)產(chǎn)生含氫重整氣體的重整裝置；用于通過(guò)所述重整氣體中的氫或氫和一氧化碳與氧的電化學(xué)反應(yīng)發(fā)電并將所述發(fā)電產(chǎn)生的廢熱和蒸汽供給至所述重整裝置的第一發(fā)電裝置；用于通過(guò)一氧化碳與蒸汽的反應(yīng)將所述重整氣體中的一氧化碳轉(zhuǎn)化成二氧化碳和氫的轉(zhuǎn)化裝置；和用于通過(guò)從所述轉(zhuǎn)化裝置所排出的氫與氧的電化學(xué)反應(yīng)發(fā)電的第二發(fā)電裝置。
3.一種用于通過(guò)氫與氧的電化學(xué)反應(yīng)發(fā)電的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)，其包括用于通過(guò)燃料的蒸汽重整反應(yīng)產(chǎn)生含氫重整氣體的重整裝置；用于通過(guò)所述重整氣體中的氫或氫和一氧化碳與氧的電化學(xué)反應(yīng)發(fā)電并將所述發(fā)電產(chǎn)生的廢熱和蒸汽供給至所述重整裝置的第一發(fā)電裝置；用于通過(guò)一氧化碳與蒸汽的反應(yīng)將所述重整氣體中的一氧化碳轉(zhuǎn)化成二氧化碳和氫的轉(zhuǎn)化裝置；用于從所述轉(zhuǎn)化裝置的排放物中分離氫的分離裝置；和用于通過(guò)分離的氫與氧的電化學(xué)反應(yīng)發(fā)電的第二發(fā)電裝置。
4.一種用于通過(guò)氫與氧的電化學(xué)反應(yīng)發(fā)電的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)，其包括用于通過(guò)燃料的蒸汽重整反應(yīng)產(chǎn)生含氫重整氣體的重整裝置；用于通過(guò)所述重整氣體中的氫或氫和一氧化碳與氧的電化學(xué)反應(yīng)發(fā)電并將所述發(fā)電產(chǎn)生的廢熱和包含蒸汽的排放物供給至所述重整裝置的第一發(fā)電裝置；用于通過(guò)一氧化碳與蒸汽的反應(yīng)將所述排放物中的一氧化碳轉(zhuǎn)化成二氧化碳和氫的轉(zhuǎn)化裝置；用于通過(guò)氧化將所述轉(zhuǎn)化裝置所排出的一氧化碳轉(zhuǎn)化成二氧化碳的氧化裝置；和用于通過(guò)所述氧化裝置所排出的氫與氧的電化學(xué)反應(yīng)發(fā)電的第二發(fā)電裝置。
5.一種用于通過(guò)氫與氧的電化學(xué)反應(yīng)發(fā)電的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)，其包括用于通過(guò)燃料的蒸汽重整反應(yīng)產(chǎn)生含氫重整氣體的重整裝置；用于通過(guò)所述重整氣體中的氫或氫和一氧化碳與氧的電化學(xué)反應(yīng)發(fā)電并將所述發(fā)電產(chǎn)生的廢熱和包含蒸汽的排放物供給至所述重整裝置的第一發(fā)電裝置；用于通過(guò)一氧化碳與蒸汽的反應(yīng)將所述排放物中的一氧化碳轉(zhuǎn)化成二氧化碳和氫的轉(zhuǎn)化裝置；和用于通過(guò)所述轉(zhuǎn)化裝置所排出的氫與氧的電化學(xué)反應(yīng)發(fā)電的第二發(fā)電裝置。
6.一種用于通過(guò)氫與氧的電化學(xué)反應(yīng)發(fā)電的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)，其包括用于通過(guò)燃料的蒸汽重整反應(yīng)產(chǎn)生含氫重整氣體的重整裝置；用于通過(guò)所述重整氣體中的氫或氫和一氧化碳與氧的電化學(xué)反應(yīng)發(fā)電并將所述發(fā)電產(chǎn)生的廢熱和包含蒸汽的排放物供給至所述重整裝置的第一發(fā)電裝置；用于通過(guò)一氧化碳與蒸汽的反應(yīng)將所述排放物中的一氧化碳轉(zhuǎn)化成二氧化碳和氫的轉(zhuǎn)化裝置；用于從所述轉(zhuǎn)化裝置的排放物中分離氫的分離裝置；和用于通過(guò)分離的氫與氧的電化學(xué)反應(yīng)發(fā)電的第二發(fā)電裝置。
7.一種用于通過(guò)氫與氧的電化學(xué)反應(yīng)發(fā)電的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)，其包括用于通過(guò)燃料的蒸汽重整反應(yīng)在陽(yáng)極產(chǎn)生含氫重整氣體和通過(guò)重整氣體中的氫或氫和一氧化碳與氧的電化學(xué)反應(yīng)發(fā)電的第一發(fā)電裝置，所述第一發(fā)電裝置消耗所述蒸汽重整反應(yīng)所需的熱，并將包含所述發(fā)電產(chǎn)生的蒸汽的排放物再循環(huán)至所述陽(yáng)極，所述熱是由所述發(fā)電產(chǎn)生的；用于通過(guò)一氧化碳與蒸汽的反應(yīng)將所述排放物中的一氧化碳轉(zhuǎn)化成二氧化碳和氫的轉(zhuǎn)化裝置；用于通過(guò)氧化將所述轉(zhuǎn)化裝置所排出的一氧化碳轉(zhuǎn)化成二氧化碳的氧化裝置；和用于通過(guò)所述氧化裝置所排出的氫與氧的電化學(xué)反應(yīng)發(fā)電的第二發(fā)電裝置。
8.一種用于通過(guò)氫與氧的電化學(xué)反應(yīng)發(fā)電的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)，其包括用于通過(guò)燃料的蒸汽重整反應(yīng)在陽(yáng)極產(chǎn)生含氫重整氣體和通過(guò)重整氣體中的氫或氫和一氧化碳與氧的電化學(xué)反應(yīng)發(fā)電的第一發(fā)電裝置，所述第一發(fā)電裝置消耗所述蒸汽重整反應(yīng)所需的熱，并將包含發(fā)電產(chǎn)生的蒸汽的排放物再循環(huán)至所述陽(yáng)極，所述熱是由所述發(fā)電產(chǎn)生的；用于通過(guò)一氧化碳與蒸汽的反應(yīng)將所述排放物中的一氧化碳轉(zhuǎn)化成二氧化碳和氫的轉(zhuǎn)化裝置；和用于通過(guò)所述轉(zhuǎn)化裝置所排出的氫與氧的電化學(xué)反應(yīng)發(fā)電的第二發(fā)電裝置。
9.一種用于通過(guò)氫與氧的電化學(xué)反應(yīng)發(fā)電的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)，其包括用于通過(guò)燃料的蒸汽重整反應(yīng)在陽(yáng)極產(chǎn)生含氫重整氣體和通過(guò)重整氣體中的氫或氫和一氧化碳與氧的電化學(xué)反應(yīng)發(fā)電的第一發(fā)電裝置，所述第一發(fā)電裝置消耗所述蒸汽重整反應(yīng)所需的熱，并將包含發(fā)電產(chǎn)生的蒸汽的排放物再循環(huán)至所述陽(yáng)極，所述熱是由所述發(fā)電產(chǎn)生的；用于通過(guò)一氧化碳與蒸汽的反應(yīng)將所述排放物中的一氧化碳轉(zhuǎn)化成二氧化碳和氫的轉(zhuǎn)化裝置；用于從所述轉(zhuǎn)化裝置的排放物中分離氫的分離裝置；和用于通過(guò)分離的氫與氧的電化學(xué)反應(yīng)發(fā)電的第二發(fā)電裝置。
10.權(quán)利要求1-9任一項(xiàng)所要求的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)，其中所述第一發(fā)電裝置是固體氧化物燃料電池，所述第二發(fā)電裝置是聚合物電解質(zhì)燃料電池。
11.權(quán)利要求1-9任一項(xiàng)所要求的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)，其中所述第一發(fā)電裝置是固體氧化物燃料電池，所述第二發(fā)電裝置是磷酸燃料電池。
12.權(quán)利要求1-9任一項(xiàng)所要求的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)，其中所述燃料電池發(fā)電系統(tǒng)包括用于確定第一發(fā)電裝置的輸出功率是否增加或下降的裝置；和當(dāng)所述第一發(fā)電裝置的所述輸出功率增加時(shí)用于降低供給至所述第一發(fā)電裝置的空氣量，或當(dāng)所述第一發(fā)電裝置的所述輸出功率下降時(shí)用于增加所述空氣的所述量的裝置。
13.權(quán)利要求1-9任一項(xiàng)所要求的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)，其中所述燃料電池發(fā)電系統(tǒng)包括用于確定第二發(fā)電裝置的輸出功率是否增加或下降的裝置；和當(dāng)所述第二發(fā)電裝置的所述輸出功率增加時(shí)用于降低供給至所述第一發(fā)電裝置的空氣量，或當(dāng)所述第二發(fā)電裝置的所述輸出功率下降時(shí)用于增加所述空氣的所述量的裝置。
14.一種控制權(quán)利要求1-9任一項(xiàng)所要求的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的方法，其包括以下步驟確定第一發(fā)電裝置的輸出功率是否增加或下降；和當(dāng)所述第一發(fā)電裝置的所述輸出功率增加時(shí)降低供給至所述第一發(fā)電裝置的空氣量，或當(dāng)所述第一發(fā)電裝置的所述輸出功率下降時(shí)增加所述空氣的所述量。
15.一種控制權(quán)利要求1-9任一項(xiàng)所要求的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的方法，其包括以下步驟確定第二發(fā)電裝置的輸出功率是否增加或下降；和當(dāng)所述第二發(fā)電裝置的所述輸出功率增加時(shí)降低供給至所述第一發(fā)電裝置的空氣量，或當(dāng)所述第二發(fā)電裝置的所述輸出功率下降時(shí)增加所述空氣的所述量。
全文摘要
固體氧化物燃料電池組(57)通過(guò)氧與重整氣體(27)(由天然氣(1)通過(guò)重整器(3)制成)中的氫或氫和一氧化碳的電化學(xué)反應(yīng)發(fā)電，并將廢熱和包含蒸汽的陽(yáng)極排出氣體(61)供給至重整器(3)。通過(guò)重整器(3)產(chǎn)生的重整氣體(27)通過(guò)CO轉(zhuǎn)化器(4)和CO選擇氧化器(5)降低其CO濃度。聚合物電解質(zhì)燃料電池組(9)通過(guò)氧與重整氣體(38)中氫的電化學(xué)反應(yīng)發(fā)電，所述重整氣體通過(guò)CO選擇氧化器(5)釋放，其CO濃度降低，水分通過(guò)冷凝器(39)冷凝。
文檔編號(hào)H01M8/24GK1501534SQ20031011326
公開(kāi)日2004年6月2日 申請(qǐng)日期2003年11月11日 優(yōu)先權(quán)日2002年11月11日
發(fā)明者武哲夫 申請(qǐng)人:日本電信電話株式會(huì)社