[发明专利]高温燃料电池系统中的改善的燃料灵活性配置

说明书

技术领域

世界上大多数能量都是通过石油、煤、天然气或核能产生的。例如就可用性和环保性而言，所有这些产生方法都具有它们特定的问题。就环境而言，尤其是石油和煤在燃烧时会导致污染。核能的问题至少在于所使用的燃料的储存。

特别是因为环境问题，已经开发了更加环保并且例如具有比上述能源更好的效率的新能源。燃料电池装置是非常有前途的未来能量转换装置，通过该装置，燃料(例如沼气)以环保过程经由化学反应直接转换为电。

背景技术

如图1所示，燃料电池包括阳极侧100和阴极侧102、以及二者之间的电解质材料104。在固体氧化物燃料电池(SOFC)中，氧气被提供给阴极侧102，并通过接收来自阴极的电子而还原为负氧离子。负氧离子经过电解质材料104到达阳极侧100，并在此与所使用的燃料发生反应，生成水并且通常也生成二氧化碳(CO₂)。外部电路111位于阳极100和阴极102之间，并包括用于燃料电池的负载110。

在图2中呈现了SOFC装置作为高温燃料电池装置的示例。SOFC装置可以利用例如天然气、沼气、甲醇或其他含有烃类混合物的化合物作为燃料。图2中的SOFC装置包括在堆形成103(SOFC堆)中的一个以上、典型地为多个的燃料电池。每一燃料电池包括如图1所呈现的阳极100和阴极102结构。部分所使用的燃料通过每一阳极在反馈结构109中再循环。图2中的SOFC装置还包括燃料热交换器105和重整炉107。热交换器用以控制燃料电池过程中的热条件，并且在SOFC装置的不同位置处可以设置一个以上的热交换器。循环气体中的额外热能在一个或更多个热交换器105中回收以用在SOFC装置中，或在外部热回收设备中回收。重整炉107是将诸如天然气的燃料转换为适于燃料电池的合成物、例如转换为包含氢气与甲烷、二氧化碳、一氧化碳和惰性气体的合成物的装置。然而无论如何在每一SOFC装置中不必然具有重整炉。

利用测量装置115(例如燃料流量计、电流计和温度计)，从通过阳极的再循环气体执行对于SOFC装置的操作的必要测量。在阳极100处使用的气体仅有一部分通过阳极在反馈结构109中再循环，而其他部分气体从阳极100排出114。

固体氧化物燃料电池(SOFC)装置是直接通过氧化燃料而生成电的电化学转换装置。SOFC装置的优点包括高效率、长期稳定性、低排放和成本。主要缺点在于高操作温度，而这导致长启动时间以及机械和化学兼容问题。

大的固体氧化物燃料电池系统具有诸如空气压缩机、反应器和热交换器的多个组件，这些组件必须依照额定工作点设定尺寸。尤其对于热交换器，当流量与尺寸值相比差异太大时，效率完全改变。另外，在大的系统中，组件的热容量很高，导致慢的温度水平稳定，进而影响诸如重整炉和燃料电池堆的温度敏感燃料电池系统组件的运行。这些效应导致固体氧化物燃料电池系统在不同于额定尺寸点的一些其他操作点中的操作可能很困难，或者至少导致系统效率下降。不同的工作点可包括所需功率输出上的变化、燃料质量上的可能波动(例如在若干沼气下的情形)，并且需要使用不同于为SOFC系统所设计的燃料的一些其他燃料来操作SOFC系统。这是对现有技术解决方案中利用合理的效率没有实现的所谓双燃料能力的需求。

发明内容

本发明的目的在于实现一种燃料电池系统，所述系统在系统配置具有微小变化的不同情况下可以使用在诸如甲烷比例的燃料成分上可能具有很大差异的气体。这可以通过用于利用燃料电池产生电力的高温燃料电池系统来实现，每一燃料电池包括阳极侧、阴极侧、所述阳极侧和阴极侧之间的电解质，并且所述燃料电池系统包括用于循环处于阳极侧的气体的装置。高温燃料电池系统包括用于确定阳极侧的气体成分以提供成分信息的装置、用于利用所述成分信息在阳极侧执行受控气体再循环的装置、用于利用所述成分信息执行向所述燃料电池系统的受控辅助水供给的装置、用于在所述燃料电池系统中设置希望温度条件的至少一个热交换器、用于利用所述成分信息执行向所述燃料电池系统的受控气体供给的装置、和用于控制所述燃料电池系统的额定功率以改变所述燃料电池系统的所述额定功率以对于在高温燃料电池系统中用作燃料的气体保持大体上最优的电力产生条件的装置，所述控制所述燃料电池系统的所述额定功率这样完成：当存在需求时通过改变水供给来控制所述利用所述成分信息执行向所述燃料电池系统的所述受控辅助水供给的装置，当存在需求时通过改变气体再循环来控制所述利用所述成分信息执行在阳极侧的受控气体再循环的装置，和当存在需求时通过改变气体供给来控制所述利用所述成分信息执行向所述燃料电池系统的受控气体供给的装置。