[发明专利]使用级联燃料电池的发电系统及其相关联方法

说明书

本发明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。

技术领域

本发明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。

背景技术

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(direct current，DC)，所述直流电可经由例如反相器转换成交流电(alternating current，AC)。常见类型的燃料电池包括磷酸燃料电池(phosphoric acid fuel cell，PAFC)、熔融碳酸盐燃料电池(molten carbonatefuel cell，MCFC)、质子交换膜燃料电池(proton exchange membrane fuel cell，PEMFC)和固体氧化物燃料电池(solid oxide fuel cell，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。

发明内容

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。