[发明专利]用于生产高压蒸汽的具有废热回收的燃料电池系统

说明书

燃料电池系统包括至少一个高温燃料电池堆，所述高温燃料电池堆具有阳极侧和阴极侧并且被配置为产生电力；以及气体氧化器/高水平热回收组件，所述气体氧化器/高水平热回收组件包括：氧化器，所述氧化器被配置为氧化从所述至少一个高温燃料电池堆输出的排出物和/或来源于所述排出物的气体并产生高水平热量，和高水平热回收系统，所述高水平热回收系统被配置为回收所述氧化器中产生的所述高水平热量。

相关申请的交叉引用

本申请根据35U.S.C.§120要求于2014年11月21日提交的美国申请号14/550,320的优先权，其内容以全文引用的方式并入本文中。

背景技术

本发明涉及燃料电池系统，并且特别地，涉及用于生产高压蒸汽的具有废热回收的燃料电池系统。

燃料电池是通过电化学反应将储存在烃燃料中的化学能直接转化为电能的装置。通常，燃料电池包括由电解质分开的阳极电极和阴极电极，所述电解质用于使带电离子导电。如熔融碳酸盐燃料电池和固体氧化物燃料电池的高温燃料电池通过使反应物燃料气体通过阳极，而使含有二氧化碳和氧气的氧化剂气体通过阴极来进行工作。为了产生有用的电力水平，将多个单独的燃料电池串联堆叠。

取决于燃料电池的类型，高温燃料电池通常在600℃(1100℉)和1000℃(1800℉)的温度下工作，并且以由燃料电池输出的高温排出物的部分的形式产生废热。此外，高温燃料电池通常消耗供给燃料电池系统的燃料的60％至80％，而在常规系统中，剩余的燃料与燃料电池排出物一起输出并在氧化器或类似装置中氧化并转化为废热。在常规的燃料电池系统中，通过在加湿器/热交换器中预热进入的燃料之后，将系统排气从约750℉冷却至约250℉来回收来自燃料电池排出物的废热。可以从燃料电池排出物中回收水，并且可以将所回收的水再循环以用于加湿进入的燃料。在转让给本申请的同一受让人的阳极排出水回收专利号8,367,256中公开了这样的系统的实例。

在常规系统中，从排出物中可回收的最大热量水平限制在约700℉，并且作为蒸汽回收所有的热量，所产生的蒸汽的上限温度为约250℉，或在约15psig压力下的蒸汽。在高于约15psig的压力下产生蒸汽将大大减少回收的废热的量。此外，对于使用超过600psig的高压蒸汽的行业，在常规系统中，燃料电池阴极排出物中超过70％的废热是不可用的。此外，使用温度通常接近50℉至150℉的热交换器来回收来自燃料电池排出物的废热。当在热回收中考虑接近温度时，可利用的热量减少额外的5％至20％。

发明内容

本发明的目的是提供一种具有改进的废热回收的燃料电池系统，其能够产生高压蒸汽和/或从燃料电池废热中回收高水平(800℉)的废热以用于其它目的。

本发明的另外目的是通过使系统不依赖于水并通过消除或替换需要电力进行操作的常规水制备部件来提高燃料电池系统的整体效率。

在用于产生电力和高压高温蒸汽和/或用于其它目的的高水平(800℉)废热回收的燃料电池系统中实现这些和其它目的，所述燃料电池系统包括至少一个高温燃料电池堆，其具有阳极侧和阴极侧并且适于产生电力；以及气体氧化器/高水平热回收组件，其包括氧化器，所述氧化器适于氧化从所述至少一个高温燃料电池堆输出的一种或多种排出物以及来源于所述排出物的气体，并产生高水平热量，以及高水平热回收系统，其适于回收在氧化器组件中产生的高水平热量。在一些实施例中，高水平热回收组件包括锅炉，所述锅炉适于接收给水并使用由氧化器产生的废热来产生高压高温蒸汽(或其它高水平热回收系统)。在其他实施例中，高水平热回收系统向以下中的一个或多个提供高水平热量：燃料重整组件、炼油焦化器单元、重油蒸馏器单元和膨胀器。在某些实施例中，排出物是阳极排出物，并且氧化器氧化从至少一个高温燃料电池堆输出的一种或多种阳极排出物以及来源于阳极排出物的气体。