CN107018674B - 用于生产高压蒸汽的具有废热回收的燃料电池系统 - Google Patents

Abstract

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。

Description

用于生产高压蒸汽的具有废热回收的燃料电池系统

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。

在一些实施例中，所述系统还包括以下中的一个或多个：阳极排出物回流换热器，其适于在将排出物或来源于阳极排出物的气体提供给氧化器之前，冷却从至少一个燃料电池堆输出的排出物，并且在将经过加热的氧化剂气体提供给氧化器之前使用阳极排出物中的热量来预热输入的氧化剂气体；以及水输送组件，其适于从排出物中回收水并输出其中大部分水已经从排气中除去的与水分离的排出物，其中来源于排出物的气体包括与水分离的排出物。排出物回流换热器可进一步适于预热与水分离的排出物并将经过加热的与水分离的排出物输出到氧化器。

在某些实施例中，燃料电池系统还包括加热器或热回流换热器，其适于使用来自从至少一个高温燃料电池堆输出的氧化剂排出物(阴极排出物)的废热来加热氧化剂气体，然后将经过加热的氧化剂气体提供给氧化器。

在某些实施例中，燃料电池系统还可以包括燃料处理组件，其用于在将经过处理的燃料供应到至少一个高温燃料电池堆之前处理输入的燃料，并且燃料处理组件包括加湿器/热交换器组件，其适于使用水和在锅炉中产生的高压高温蒸汽的第一部分中的一种或多种来加湿输入的燃料，并使用来自从至少一个高温燃料电池堆输出的氧化剂排出物的废热来预热加湿的燃料。该系统还可以包括水输送组件，其用于从阳极排出物中回收水，以便将所回收的水输出到加湿器/热交换器组件以用于加湿输入的燃料并输出与水分离的阳极排出物以用于氧化器中。在一些实施例中，燃料电池系统包括膨胀器组件，其用于使高压高温蒸汽得第一部分膨胀并且将较低压力的蒸汽输出到加湿器/热交换器组件，同时从膨胀过程中产生动力。在这样的实施例中，由膨胀器组件产生的动力可以从系统输出或在系统内使用。此外，系统可以包括用于向系统供应氧化剂气体的鼓风机，其中将鼓风机与膨胀器组件直接相连，以使得由膨胀器组件产生的动力直接由鼓风机使用。在一些实施例中，将气体氧化器/锅炉组件与至少一个高温燃料电池堆相连，以使得气体氧化器/锅炉组件将高温氧化剂气体输出到至少一个高温燃料电池堆的阴极侧。

描述了使用燃料电池系统来产生电力和高压高温蒸汽的方法。该方法包括以下步骤：操作具有阳极侧和阴极侧的至少一个高温燃料电池堆以便产生电力；以及在氧化器中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和/或来源于阳极排出物的气体，同时由于氧化过程而产生废热；以及通过直接使用在氧化步骤中产生的废热来由给水产生高压高温蒸汽。上述关于燃料电池系统描述的其它特征可以结合在该方法中。可以使用需要高水平热输入的其它系统来代替蒸汽产生。

附图说明

在结合附图阅读以下详细描述之后，本发明的上述和其它特征和方面将变得更加明显，其中：

图1示出了利用根据本发明的燃料电池废热的高压蒸汽发生系统的框图，包括水回收；

图2示出了图1的高压蒸汽发生系统的实施例的框图，其中没有水回收；以及

图3示出了图1的高压蒸汽发生系统的第三实施例的框图，其中由减速蒸汽涡轮机发电。

具体实施方式

图1至3示出了利用燃料电池废热生产高压高温蒸汽的高压蒸汽发生系统100的不同实施例。高压蒸汽发生系统100包括一个或多个燃料电池堆102，每个燃料电池堆102包括阳极侧104，其适于从燃料供应路径103接收燃料并输出阳极排出物，以及阴极侧106，其适于接收氧化剂气体并输出阴极排出物，以及阳极气体氧化器(AGO)/锅炉组件108，其适于接收燃料电池排出物，或来源于燃料电池排出物的气体、空气或氧化剂气体和水，并且产生用于系统100外部的高压过热蒸汽和适用于燃料电池阴极106的氧化剂气体。在图1至3所示的系统中，在AGO/锅炉组件中使用的燃料电池排出物或来源于其的气体是阳极排气。如图1至3所示，AGO/锅炉组件108包括AGO 109或氧化器和AGO燃烧锅炉110。AGO 109接收阳极排出物或来源于阳极排出物的气体和空气或氧化剂气体，并且氧化所接收的气体以产生适用于燃料电池阴极侧106的高温氧化剂气体。如图1至3所示，在供给到AGO 109之前，使用鼓风机112或类似装置将空气或氧化剂气体输送到热交换器114，并在热交换器114中使用经过加热的气体或流体(如从燃料电池堆102的阴极侧106输出的阴极排出物)进行预热。锅炉110接收锅炉给水，在约1000F至2000F的温度下从AGO 109输出的高温氧化剂气体中回收热量，并使用从高温氧化剂气体回收的热量来生产高压蒸汽，其也可以是过热的。在锅炉110中从高温氧化剂气体回收热量之后，将高温氧化剂气体输送到燃料电池堆102的阴极侧106。对于熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)系统，在堆102的阴极侧106中接收的氧化剂气体的温度为约1000F。

图1示出了高压蒸汽发生系统100的第一个实施例，其利用从燃料电池堆102的阳极侧104输出的阳极排出物中的水回收。如所示出的，供给系统100燃料如天然气或其它合适的燃料，将其与来自供水系统116的水混合，并使用来自燃料电池堆102的废热在加湿器/热交换器118中进行预热。在所示的说明性实施例中，将从堆102的阴极侧106输出的阴极排出物输送到加湿器/热交换器118，其中将阴极排出物中的废热用于预热燃料与水混合物。然后将从加湿器/热交换器118输出的经预热的加湿燃料输出到预重整器120，其中在重整催化剂存在下将燃料重整或部分重整。然后将从预重整器120输出的预重整燃料供给到燃料电池堆102的阳极侧104。

在图1中，在燃料电池中进行电化学反应后，从燃料电池堆102的阳极侧104输出阳极排出物。将包括未消耗的燃料(如氢气、一氧化碳和甲烷)以及二氧化碳和水的阳极排出物输出到阳极气体回流换热器122，其冷却阳极排出物，同时预热输入的空气或氧化剂气体和/或其中移除大部分水的与水分离的阳极排气。然后将冷却的阳极排出物输送到包括调节器/冷却器116的水输送组件，以进一步冷却阳极排出物并通过冷凝从阳极排出物中分离水。应当理解，水输送组件的构造可以根据系统的操作条件、环境温度等而变化。例如，转让给本申请人并通过引用并入本文的美国专利号8,367,256描述了可用于从阳极排出物中分离水的合适的水输送组件。水输送组件116输出从阳极排出物分离的水，可提供其全部或部分以用于加湿燃料，如图1中所示，和/或可将其存储以供以后使用。水输送组件116还输出与水分离的阳极排出物，其包括未消耗的燃料(H₂、CH₄)、二氧化碳和一氧化碳以及痕量的未回收的水，并将其输送到阳极气体回流换热器122进行加热，其后输送到AGO/锅炉组件108。如上所述，组件108的AGO 109接收与水分离的阳极排出物和空气或氧化剂气体，并用空气或氧化剂气体氧化或燃烧阳极排出物中的未消耗的燃料。将在氧化过程中在氧化器109中产生的热量用于加热AGO燃烧锅炉110中的水，以输出高压/过热蒸汽。AGO/锅炉组件108还向燃料电池堆102的阴极侧106输出高温氧化气体。

如图1所示，使用鼓风机112或类似装置将空气或其它合适的氧化剂气体供应到系统100。使用来自燃料电池堆的废热包括低水平的热量来预热空气。在图1的实施例中，首先在阳极气体回流换热器122中使用阳极排出物中的废热对空气进行预热，其后在热交换器114中使用阴极排出物中的废热对空气进行加热。然后将预热的空气提供给AGO 109，用于与与水分离的阳极排出物中未消耗的燃料进行燃烧/氧化反应。AGO 109产生非常高温度的氧化剂气体，其温度为1000F至2000F，其向锅炉110提供热量以由输入的锅炉给水产生高压/过热蒸汽。如上所讨论的，将从AGO/锅炉组件108输出的高温氧化剂气体输送到燃料电池堆102的阴极侧106。如图1所示，并且如上所讨论的，堆102的阴极侧输出阴极排出物，其在加湿器/热交换器118中用于预热燃料与水混合物，以便产生预热的加湿燃料，并且在热交换器114中所述阴极排出物用于预热压缩空气，之后再将空气输送到AGO/锅炉组件108。

图2示出了具有简化布置并且不包括水回收的高压蒸汽发生系统100的另一个实施例。在图2的系统100中使用的组件与上述基本上相同，并且使用与图1中相同的附图标记进行标记。在图2的系统100中，将输入燃料和水输送到加湿器/热交换器118，其使用来自阴极排出物的废热来产生经过加热的加湿燃料。将从加湿器/热交换器118输出的经过加热的加湿燃料输出到预重整器120，以重整或部分地重整燃料并将重整或部分重整的燃料输出到燃料电池阳极侧104。在图2中，将从燃料电池堆102的阳极侧104输出的阳极排出物输送到AGO/锅炉组件108，AGO/锅炉组件108在AGO 109中产生高温氧化剂气体，并在锅炉110中从高温氧化剂气体中回收高水平热量以用于产生高压蒸汽并使蒸汽过热。将从AGO/锅炉组件108中输出的高温氧化剂气体提供给堆的阴极侧106。

如图2所示，将从堆的阴极侧输出的阴极排出物提供给加湿器/热交换器118，加湿器/热交换器118从阴极排出物中回收热量，然后将所述阴极排出物提供给热交换器114以用于预热进入的空气或氧化剂气体。还如图2所示并如上所述，使用鼓风机112等将输入到系统中的空气或氧化剂气体供应到热交换器114，在热交换器114中对所述空气或氧化剂气体进行预热，并且之后将经过预热的空气提供给AGO/锅炉组件108。

图3示出了高压蒸汽发生系统100，其除了从系统100输出高压/过热蒸汽之外，还通过使用由系统100中的AGO/锅炉组件108产生的高压高温蒸汽的部分来进一步提高效率。图3中的系统包括上面关于图1描述的所有部件，其布置成与图1基本相同的布置。如图3所示，将从堆102的阳极侧104输出的阳极排出物在阳极气体回流换热器122中冷却，并且之后在调节器/冷却器116中进一步冷却，其中通过冷凝将水与阳极排出物分离。本实施例中的调节器/冷却器116输出与水分离的阳极排出物。尽管图3中未示出，但可以输出在调节器/冷却器116中分离的部分或全部水以用于部分地加湿输入的燃料、用作锅炉给水，或者可收集以供以后在系统中或在系统100外部使用。通过将来自蒸汽涡轮机的低压排出蒸汽与进料混合为燃料气体来实现输入燃料的加湿。

图3的系统100还包括工艺蒸汽膨胀器124，其包括蒸汽涡轮机等，其接收在AGO/锅炉组件108中产生的高压/过热蒸汽的第一预定部分，并使蒸汽的第一预定部分膨胀以产生低压蒸汽。在某些实施例中，高压/过热蒸汽的第一预定部分由AGO/锅炉组件108产生以用于加湿燃料。如所示出的，高压/过热蒸汽的剩余的第二部分从AGO/锅炉组件108输出以从系统100输出。任选地，可将所有蒸汽用于在具有冷凝器的蒸汽涡轮机中产生动力。在这种情况下，在注入到燃料流中所需的压力下，从蒸汽膨胀器中抽出燃料加湿所需的部分蒸汽。

在图3中，将从膨胀器124输出的低压蒸汽与输入燃料混合，将燃料与蒸汽的混合物供应到加湿器/热交换器118以使燃料过热。膨胀器124中的膨胀过程产生额外动力，其从系统100输出和/或由系统100的部件使用。在一些说明性实施例中，提供由膨胀器124产生的一些或全部动力来操作鼓风机112。在某些实施例中，通过膨胀器和鼓风机112的直接相连，来自工艺气体膨胀器124的动力由鼓风机112直接使用。以这种方式，可以除去用于操作鼓风机的单独发生器。此外，由于在本系统中不需要冷凝器系统，膨胀器124中的膨胀过程以非常低的$/kW成本将系统产生的净功率提高约3％。此外，使用从膨胀器124输出的较低压力的蒸汽来加湿燃料导致消除了加湿器/热交换器118中由水蒸发而产生的热量消耗，从而进一步通过允许空气预热到更高水平而增加了由AGO/锅炉组件108产生的高压蒸汽的量。

在图1至3所示的系统100中，在温度为1000F至2000F的非常高的水平下捕获由系统产生的废热，因此可以使用高水平的热量来产生高压蒸汽并使蒸汽过热。通过空气预热捕获低水平废热，在氧化器中将低水平热量转化为高水平热量。在本发明的系统中，在燃料电池阴极入口处捕获高水平热量，具体地，在产生非常高温度的氧化剂气体的AGO中的氧化反应之后。此外，将阴极排出物中的废热用于预热供应给AGO的空气。以这种方式，通过在将空气供应到AGO 109之前预热空气来捕获阴极排出物中的较低水平的废热，从而增加了锅炉110中可用的高水平热量的量。在燃料电池阴极入口处高水平热量的捕获和由AGO产生的高水平热量在量上的增加允许高压蒸汽的实际和高效生产以及蒸汽的过热。

计算图1至3中所示的系统100的实施例的电效率，并将其与常规燃料电池系统的电效率进行比较，所述常规燃料电池系统从燃料电池堆输出的阴极排出物回收废热，并且其使用空气来氧化阳极排出物，以提供热氧化剂气体给堆的阴极侧。使用以下公式计算电效率：

以下表1总结了与常规燃料电池系统相比的图1至3的系统的三个实施例的电效率：

表1：

上述效率不包括在关小的锅炉中的较高效率或者在将锅炉给水提供给AGO燃烧锅炉110之前使用较低水平的热量如阴极排热来预热锅炉给水的额外收益。该表的结果假设蒸汽产生允许在具有85％热回收效率的典型蒸汽锅炉中燃料使用的相应减少。

如从表1可以看出的，与常规系统的47％电效率相比，图1至3中所示的燃料电池系统的电效率提高到超过62％。这些提高的效率是通过关小或关闭现有的蒸汽发生锅炉和降低净燃料使用来实现的。此外，在热电联产(CHP)操作中，总体效率大于80％是可能的，特别是如果低水平热也用于锅炉加热需求的话。如上文关于图1至3所讨论的，热交换器114使用来自阴极排出物的低水平热量以在将空气提供给氧化器之前对其进行进一步预热。因此，通过锅炉给水预热可回收的低水平热量的量比典型的锅炉低得多，并且在用于锅炉给水加热的工业场所从其它来源回收热量是可行的。因此，这种回收将进一步提高整个系统的效率。

此外，本发明的燃料电池系统提供了减少的排放，特别是燃烧排放，并且提供了电力和高压、高温蒸汽的分布式产生。具体地说，燃料电池系统的排放和噪声接近零，并且图1至3中所示的系统降低或消除了对用于蒸汽产生的常规加热源如燃烧加热等的需要。例如，当图1至3的系统用沼气燃料运行时，净温室CO₂排放量为零，并且当这些系统以天然气燃料运行时，由于系统的高效率，与常规电力和蒸汽发生系统相比，温室气体排放量大大降低。因此，图1至3的系统提供了接近需求的蒸汽产生，其具有接近零或基本减少的系统排放和噪声，即使在人口密集或不达标区域中也是如此。

图1至3的系统还使传输损耗最小化，并可以减轻电网拥塞。具体来说，图1至3的系统不仅产生电力而且还降低了产生高压高温蒸汽所需的动力。此外，固态功率调节单元可以通过补偿电网变化来提高局部电力质量。

图1至3的系统与已经商业运行超过10年的

燃料电池结合是高度可靠的。此外，图1至3的系统可使用包括可再生燃料在内的多种燃料进行操作，并且是水不依赖的，具有净零水平衡(net zero water balance)。特别地，商业

燃料电池堆可以使用由可再生生物质(废水)产生的可再生厌氧消化气体(ADG)燃料进行操作，并且由于使用ADG燃料而没有性能损失。图1至3的系统，特别是图1和图3中所示的系统可包括用于从燃料电池排出物中回收水的水输送组件，以使得系统不需要补充水并且可以潜在地输出一些由燃料的氧化产生的水。可通过本发明的系统来实现以上没有提及的其它益处和优点。

上述关于图1至3所描述的具体实施例使用AGO/锅炉组件作为AGO/高水平热回收组件，并且所述组件包括AGO燃烧锅炉。然而，还可以考虑，可使用其他高水平热回收系统来代替AGO/高水平回收组件中的AGO燃烧锅炉。在这种情况下，AGO如上所述进行操作以氧化阳极排出物或来源于阳极排出物的气体并产生高水平热量。然后，高水平热回收系统回收AGO中产生的高水平热量，并使用所回收的高水平热量进行一个或多个需要加热的过程。这些过程包括但不限于燃料重整过程如天然气重整、炼油焦化器单元或重油蒸馏单元的加热进料，以及加热供给到膨胀器的气体如空气。

总之，本发明涉及用于有效地产生电力和高压高温蒸汽的燃料电池系统，以及使用燃料电池系统产生电力和高压高温蒸汽的方法。本发明的燃料电池系统包括以下特征中的一个或多个：

1.一种用于产生电力和高压高温蒸汽的燃料电池系统，其包括：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适于产生电力；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适于回收在所述氧化器中产生的高水平热量。

2.根据项目1所述的燃料电池系统，其中所述高水平热回收系统包括锅炉，所述锅炉适于接收给水并使用由所述氧化器产生的所述高水平热量来产生高压高温蒸汽。

3.根据前述任一项所述的燃料电池系统，其中所述排出物是阳极排出物，并且所述氧化器氧化从所述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所述阳极排出物的气体。

4.根据前述任一项所述的燃料电池系统，其还包括以下中的一个或多个：排出物回流换热器，其适于在将所述排出物或来源于所述排出物的气体提供给所述氧化器之前，冷却从所述至少一个燃料电池堆输出的排出物，并且在将经过加热的氧化剂气体提供给所述氧化器之前，使用所述排出物中的热量来预热输入的氧化剂气体；以及水输送组件，其适于从所述排出物中回收水并输出与水分离的排出物，其中来源于所述排出物的所述气体包括所述与水分离的排出物。

5.根据前述任一项所述的燃料电池系统，其中所述系统包括所述排出物回流换热器和所述水输送组件，并且其中所述排出物回流换热器还适于预热所述与水分离的排出物并输出经过加热的与水分离的排出物到氧化器。

6.根据前述任一项所述的燃料电池系统，其还包括加热器，所述加热器适于在将经过加热的氧化剂气体提供给所述氧化器之前，使用来自从所述至少一个高温燃料电池堆输出的氧化剂排出物的废热来进一步加热所预热的氧化剂气体。

7.根据前述任一项所述的燃料电池系统，其还包括燃料处理组件，所述燃料处理组件用于在将经过处理的燃料供应到所述至少一个高温燃料电池堆之前处理输入的燃料，所述燃料处理组件包括加湿器/热交换器组件，其适于使用水和在所述锅炉中产生的高压高温蒸汽的第一部分中的一种或多种来加湿所述输入的燃料，并使用来自从所述至少一个高温燃料电池堆输出的氧化剂排出物的废热来预热经过加湿的燃料。

8.根据前述任一项所述的燃料电池系统，其中所述系统还可以包括水输送组件，所述水输送组件适于从所述阳极排出物中回收水并将所回收的水输出到所述加湿器/热交换器组件以用于加湿所述输入的燃料，并且输出与水分离的阳极排出物以用于所述氧化器中。

9.根据前述任一项所述的燃料电池系统，其还包括膨胀器组件，所述膨胀器组件适于膨胀所述高压高温蒸汽的第一部分并将较低压力的蒸汽输出到所述加湿器/热交换器组件，同时从所述膨胀过程产生动力，其中由所述膨胀器组件产生的动力从所述系统输出或在所述系统内使用。

10.根据前述任一项所述的燃料电池系统，其还包括用于向所述系统供应氧化剂气体的鼓风机，其中将所述鼓风机与所述膨胀器组件直接相连，以使得由所述膨胀器组件产生的动力直接由所述鼓风机使用。

11.根据前述任一项所述的燃料电池系统，其中将所述气体氧化器/锅炉组件与所述至少一个高温燃料电池堆相连，以使得所述气体氧化器/锅炉组件将高温氧化剂气体输出到所述至少一个高温燃料电池堆的阴极侧。

12.根据前述任一项所述的燃料电池系统，其中所述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、重油蒸馏器和膨胀器。

本发明的方法包括以下特征中的一个或多个：

1.一种使用燃料电池系统来产生电力和高压高温蒸汽的方法，其包括以下步骤：操作具有阳极侧和阴极侧的至少一个高温燃料电池堆以便产生电力；以及在氧化器中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，同时由于所述氧化过程而产生高水平热量；以及回收由于所述氧化过程而产生的所述高水平热量。

2.根据项目1所述的方法，其中所述回收高水平热量的步骤包括通过直接使用在所述氧化步骤中产生的所述高水平热量来由给水产生高压高温蒸汽。

3.根据前述任一项所述的方法，其中所述排出物是阳极排出物，并且所述氧化步骤包括氧化从所述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所述阳极排出物的气体。

4.根据前述任一项所述的方法，其还包括以下中的一个或多个：在将所述排出物或来源于所述排出物的气体在所述氧化步骤中氧化之前，冷却从所述至少一个燃料电池堆输出的所述排出物、至少使用所述排出物中的热量来预热输入的氧化剂气体以及提供所述经过加热的氧化剂气体以用于所述氧化步骤中；以及从所述排出物中回收水以输出与水分离的排出物，其中来源于所述排出物的气体包括所述与水分离的排出物。

5.根据前述任一项所述的方法，其还包括使用所述排出物中的热量来预热所述与水分离的排出物，同时使用所述排出物中的热量来热预热所述输入的氧化剂气体，并将所述经过加热的与水分离的排出物用于所述氧化步骤中。

6.根据前述任一项所述的方法，其还包括在提供所述经过加热的氧化剂气体以用于所述氧化步骤之前，使用来自从所述至少一个高温燃料电池堆输出的氧化剂排出物的废热来进一步加热所述预热的氧化剂气体。

7.根据前述任一项所述的方法，其还包括在向所述至少一个高温燃料电池堆供应经过处理的燃料之前处理输入的燃料，所述处理步骤包括使用水和在所述产生步骤中产生的所述高压高温蒸汽中的第一部分中的一种或多种来加湿所述输入的燃料以及使用来自从所述至少一个高温燃料电池堆输出的氧化剂排出物的废热来预热加湿燃料。

8.根据前述任一项所述的方法，其还包括从所述阳极排出物中回收水、输出所回收的水以在所述处理步骤中用于加湿所述输入的燃料以及输出与水分离的排出物以用于所述氧化步骤中。

9.根据前述任一项所述的方法，其还包括膨胀在所述产生步骤中产生的所述高压高温蒸汽的第一部分以及输出较低压力的蒸汽以在所述处理步骤中用于加湿所述输入的燃料同时从所述膨胀过程产生动力，其中将来自所述膨胀过程的在膨胀步骤中产生的动力输出以用于外部使用或在所述燃料电池系统内使用。

10.根据前述任一项所述的方法，其还包括使用鼓风机向所述系统供应氧化剂气体，以及通过与所述鼓风机直接相连来提供来自所述膨胀过程的在所述膨胀步骤中产生的动力以供所述鼓风机直接使用。

11.根据上述任一项所述的方法，其中所述氧化步骤产生高温氧化气体，并且其中在所述回收步骤中使用所述高温氧化剂气体的高水平热量之后，将所述高温氧化剂气体提供给所述至少一个高温燃料电池的阴极侧。

12.根据前述任一项所述的方法，其中在所述回收步骤中使用所述高温氧化剂气体中的高水平热量之前，在所述氧化步骤中产生的所述高温氧化剂气体的温度为1000F至2000F，而提供给所述至少一个高温燃料电池的阴极侧的所述高温氧化剂气体的温度为约1000F。

13.根据前述任一项所述的方法，其中所述回收步骤还包括向以下中的一个或多个提供所述高水平热量：燃料重整组件、炼油焦化器单元、重油蒸馏器单元和膨胀器。

可以在燃料电池系统中或者在使用燃料电池系统产生电力和高压高温蒸汽的方法中包括上述的另外特征。

在所有情况下，应当理解，上述布置仅仅是对代表本发明应用的许多可能的具体实施例的说明。在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以根据本发明的原理容易地设计出多种多样的其它布置。

Claims (15)

1.一种燃料电池系统，其包括：

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；

排出物回流换热器，所述排出物回流换热器被配置为冷却从所述至少一个高温燃料电池堆的所述阳极侧输出的阳极排出物，并使用所述阳极排出物中的热量来预热输入的氧化剂气体；

热交换器，所述热交换器被配置为从所述排出物回流换热器接收预热的输入的氧化剂气体，并从所述至少一个高温燃料电池堆的所述阴极侧接收阴极排出物，并且进一步使用所述至少一个高温燃料电池堆的所述阴极侧输出的所述阴极排出物中的热量预热所述输入的氧化剂气体；以及

阳极气体氧化器/高水平热回收组件，所述阳极气体氧化器/高水平热回收组件包括：阳极气体氧化器，所述阳极气体氧化器被配置为使用从所述热交换器接收的所述输入的氧化剂气体氧化从所述排出物回流换热器接收的阳极气体，并输出温度在1000至2000°F(537.78至1093.33℃)范围内的高温氧化剂气体；以及

高水平热回收系统，所述高水平热回收系统被配置为从所述阳极气体氧化器接收所述高温氧化剂气体，从所述高温氧化剂气体中回收高水平热量，并向所述至少一个高温燃料电池堆的阴极侧输出高温氧化剂气体。

2.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其中所述高水平热回收系统包括锅炉，所述锅炉被配置为接收给水并使用由所述阳极气体氧化器产生的所述高水平热量来产生高压高温蒸汽。

3.根据权利要求1或2所述的燃料电池系统，其还包括水输送组件，所述水输送组件被配置为从所述阳极排出物中回收水并输出与水分离的阳极排出物，其中所述阳极气体氧化器被配置为氧化所述与水分离的阳极排出物。

4.根据权利要求3所述的燃料电池系统，其中所述排出物回流换热器进一步被配置为预热所述与水分离的阳极排出物并将经过加热的与水分离的阳极排出物输出到所述阳极气体氧化器。

5.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其还包括加热器，所述加热器被配置为使用来自从所述至少一个高温燃料电池堆输出的燃料电池氧化剂排出物的废热来加热所述氧化剂气体，然后将经过加热的氧化剂气体提供给所述阳极气体氧化器。

6.根据权利要求2所述的燃料电池系统，其还包括燃料处理组件，所述燃料处理组件被配置为处理输入的燃料，然后将经过处理的燃料供应到所述至少一个高温燃料电池堆，所述燃料处理组件包括加湿器/热交换器组件，所述加湿器/热交换器组件被配置为使用水、在所述锅炉中产生的所述高压高温蒸汽的第一部分、或其组合来加湿所述输入的燃料，并使用来自从所述至少一个高温燃料电池堆输出的氧化剂排出物的废热来预热经过加湿的燃料。

7.根据权利要求6所述的燃料电池系统，其还包括水输送组件，所述水输送组件被配置为(i)从所述阳极排出物中回收水并将所回收的水输出到所述加湿器/热交换器组件以用于加湿所述输入的燃料，并且(ii)输出与水分离的阳极排出物以用于所述阳极气体氧化器中。

8.根据权利要求6或权利要求7所述的燃料电池系统，其还包括膨胀器组件，所述膨胀器组件被配置为使所述高压高温蒸汽的所述第一部分膨胀并将较低压力的蒸汽输出到所述加湿器/热交换器组件，同时从所述膨胀过程产生动力，其中由所述膨胀器组件产生的动力从所述系统输出或在所述系统内使用。

9.根据权利要求8所述的燃料电池系统，其还包括鼓风机，所述鼓风机被配置为向所述系统供应氧化剂气体，其中所述鼓风机与所述膨胀器组件直接相连，以使得由所述膨胀器组件产生的动力可直接由所述鼓风机使用。

10.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其中所述高水平热回收系统被配置为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。

11.一种使用燃料电池系统产生电力和高水平热量的方法，其包括：

操作具有阳极侧和阴极侧的至少一个高温燃料电池堆以便产生电力；

使用排出物回流换热器，冷却从所述至少一个高温燃料电池堆的所述阳极侧输出的阳极排出物，并使用至少所述阳极排出物中的热量来预热输入的氧化剂气体；

使用热交换器，从所述排出物回流换热器接收预热的输入的氧化剂气体，并从所述至少一个高温燃料电池堆的所述阴极侧接收阴极排出物，并且进一步使用所述至少一个高温燃料电池堆的所述阴极侧输出的所述阴极排出物中的热量预热所述输入的氧化剂气体；以及

使用阳极气体氧化器/高水平热回收组件中的阳极气体氧化器，使用从所述热交换器接收的所述输入的氧化剂气体氧化从所述排出物回流换热器接收的阳极气体，并输出温度在1000至2000°F(537.78至1093.33℃)范围内的高温氧化剂气体；以及

使用所述阳极气体氧化器/高水平热回收组件中的高水平热回收系统，从所述阳极气体氧化器接收所述高温氧化剂气体，从所述高温氧化剂气体中回收高水平热量，并向所述至少一个高温燃料电池堆的阴极侧输出高温氧化剂气体。

12.根据权利要求11所述的方法，其中所述回收高水平热量的步骤包括通过直接使用在所述氧化步骤中产生的所述高水平热量来由给水产生高压高温蒸汽。

13.根据权利要求11所述的方法，还包括：

从所述阳极排出物中回收水，以输出与水分离的阳极排出物，

其中所述阳极气体氧化器氧化所述与水分离的阳极排出物。

14.根据权利要求13所述的方法，还包括：

在使用所述阳极排出物中的热量来预热输入的氧化剂气体的同时，使用所述阳极排出物中的热量来预热所述的与水分离的阳极排出物，以及提供被加热的所述与水分离的阳极排出物供氧化步骤中使用。

15.根据权利要求12所述的方法，还包括：

在将经过处理的燃料供应到所述至少一个高温燃料电池堆之前处理输入的燃料，所述处理步骤包括使用水、在所述产生步骤中产生的高压高温蒸汽的第一部分、或其组合来加湿所述输入的燃料，并使用来自从所述至少一个高温燃料电池堆输出的氧化剂排出物的废热来预热经过加湿的燃料。

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