[发明专利]具有用于整体式重整燃料电池的修正燃料电池循环的整合燃料电池块

说明书

提供了一种具有阴极、阳极和辅助回路的燃料电池系统。阳极回路可以配置成将重整和未重整的燃料输送到燃料电池。可以通过使一部分燃料绕过重整器将未重整的燃料提供给燃料电池。未重整的燃料可以在燃料电池块中重整。阴极回路可以将从所述燃料电池排出的一部分氧化剂通过阴极喷射器引导回燃料电池。可以向喷射器供应加压氧化剂，其可以在进入阴极喷射器之前被加热。辅助回路可以燃烧未使用的燃料和氧化剂，以在氧化剂进入阴极回路之前提供传递给氧化剂的热量。

相关申请的交叉引用

本申请要求2016年11月2日提交的题为“用于整体式重整燃料电池的修正燃料电池循环(Revised Fuel Cell Cycle for In Block Reforming Fuel Cells)”的美国专利申请号15/341,376的优先权，并且为其部分继续申请，其全部内容通过引用并入本文。该申请还要求2016年11月2日提交的题为“具有用于整体式重整燃料电池的修正燃料电池循环的整合燃料电池块(Integrated Fuel Cell Block with a Revised Fuel Cell Cyclefor In Block Reforming Fuel Cells)”的美国专利申请号62/416,371的优先权，其全部内容通过引用并入本文。

领域

本公开总体而言涉及燃料电池系统。更具体地，本公开涉及燃料电池系统和方法，其提供了针对整体式(in-block)重整燃料电池进行优化的修正燃料电池系统循环。

背景

燃料电池是一种电化学系统，其中燃料(例如氢)在高温下与氧化剂(例如氧气)反应以产生电。燃料电池通常由诸如重整器、换热器、喷射器、燃烧器、燃料和氧化剂源以及其他部件的部件系统支持。例如，未重整燃料源可以经由燃料喷射器供应到燃料电池系统重整器。重整器可以通过蒸汽、干燥或其他重整方法部分或完全重整燃料，以产生供应到燃料电池的阳极的重整产物。燃料电池可以从阳极排出未使用的燃料，并将未使用的燃料供应到燃料喷射器的吸入口或辅助系统。

为了促进未重整燃料的重整，燃料电池系统可以通过将阴极排气或其他热流体供应到重整器来向重整器提供热输入。在将其热量传递到重整燃料之后，可以将阴极排气供应到辅助系统，经由氧化剂空气喷射器再循环回到阴极入口，或其两者。

虽然供应到阴极的再循环和新鲜氧化剂的温度随着其通过燃料电池堆而增加，但是由于需要大量的热输入来支持烃燃料的重整，输入阴极流的热量可能不足以使阴极回路保持热平衡。为了热平衡阴极回路，可以在阴极回路中引入换热器，通常在阴极入口的上游。可以向该换热器供应来自未使用燃料与供应到辅助系统的阴极排气的反应的燃烧产物。该反应可以在换热器中或在换热器上游的部件(例如燃烧器)中发生。

在正常操作期间，阴极回路保持热平衡。在燃料电池堆内产生的热量、传递到重整器中的燃料的热量、在阴极喷射器处氧化剂混合的冷却效果以及来自换热器的热量输入将平衡以保持这种热平衡；实际上，仅出于这个目的，调节阴极入口上游的换热器的尺寸。

一种类型的燃料电池是固体氧化物燃料电池(SOFC)。SOFC的基本部件可包括阳极、阴极、固体电解质和连接体。可以将燃料供应到阳极，并且可以将氧化剂供应到燃料电池的阴极。在阴极处，电子可以使氧化剂电离。电解质可包括一种材料，其允许电离的氧化剂经其通过到达阳极，同时不受流体燃料和氧化剂的影响。在阳极处，燃料与电离的氧化剂结合，进行释放电子的反应，电子通过连接体传导回阴极。由欧姆损耗产生的热量通过阳极或阴极排气流从燃料电池中除去或者辐射到环境中。来自这些电损耗的热量可用于燃料电池堆内的烃燃料的重整。