專利名稱：受控固體氧化物燃料電池(sofc)/渦輪機(jī)混合發(fā)電的方法和設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明主要涉及用于受控發(fā)電的方法和設(shè)備，且更具體而言，本發(fā)明涉及用于受控燃料電池/渦輪機(jī)混合發(fā)電的方法和設(shè)備。
背景技術(shù)：
至少一種已公知的電力系統(tǒng)結(jié)合了固體氧化物燃料電池(SOFC)發(fā)電機(jī)，所述SOFC發(fā)電機(jī)可包括單電池或者電池堆、可被結(jié)合到SOFC發(fā)電機(jī)中或者設(shè)置作為獨立裝置的未反應(yīng)燃料燃燒器、和渦輪發(fā)電機(jī)。這種加壓SOFC/渦輪機(jī)混合發(fā)電系統(tǒng)具有高電效率和低排放等優(yōu)點?？梢允俏⑿蜏u輪機(jī)(MT)或者燃?xì)廨啓C(jī)(GT)的渦輪機(jī)用以對空氣加壓并且向SOFC發(fā)電機(jī)提供空氣，同時SOFC發(fā)電機(jī)提供熱能以使MT/GT發(fā)電機(jī)進(jìn)行工作。包括SOFC發(fā)電機(jī)和MT/GT發(fā)電機(jī)組合的設(shè)備的功率輸出為SOFC與MT/GT發(fā)電機(jī)的電力輸出之和。
所述SOFC與MT/GT發(fā)電機(jī)在熱和操作方面高度相連。盡管用于控制燃料電池和燃料電池發(fā)電機(jī)中的熱平衡的各種方法策略是已公知的，但是這種連接使得難以在SOFC/渦輪機(jī)混合發(fā)電系統(tǒng)中應(yīng)用這些方法策略。使得對這些發(fā)電系統(tǒng)的控制進(jìn)一步復(fù)雜化的事實為所述發(fā)電機(jī)的輸出還必須能夠按照需用負(fù)載進(jìn)行分配。這些控制要求必須總是得到滿足并且必須響應(yīng)于外部擾動和局部瞬態(tài)。

發(fā)明內(nèi)容
因此，在本發(fā)明的一些構(gòu)造中，提供一種操作加壓固體氧化物燃料電池/渦輪機(jī)(SOFC/渦輪機(jī))混合發(fā)電系統(tǒng)的方法，其中所述混合發(fā)電系統(tǒng)包括SOFC發(fā)電機(jī)和渦輪發(fā)電機(jī)。所述方法包括根據(jù)功率需求量控制流至SOFC/渦輪機(jī)混合發(fā)電系統(tǒng)的空氣流量，并且利用從SOFC發(fā)電機(jī)中引出的電流調(diào)節(jié)SOFC發(fā)電機(jī)溫度。
本發(fā)明的一些構(gòu)造中提供了一種發(fā)電系統(tǒng)，所述發(fā)電系統(tǒng)包括具有加壓SOFC發(fā)電機(jī)、未反應(yīng)燃料燃燒器和渦輪發(fā)電機(jī)的SOFC混合設(shè)備。SOFC和渦輪發(fā)電機(jī)被構(gòu)造用以提供SOFC混合設(shè)備的總和功率輸出。還設(shè)置被構(gòu)造用以達(dá)到SOFC混合設(shè)備負(fù)載要求同時保持對SOFC發(fā)電機(jī)和未反應(yīng)燃料燃燒器的溫度約束的系統(tǒng)控制裝置。
本發(fā)明的一些構(gòu)造中還提供了一種用于包括SOFC發(fā)電機(jī)、渦輪發(fā)電機(jī)和未反應(yīng)燃料燃燒器的混合發(fā)電設(shè)備的系統(tǒng)控制裝置。所述系統(tǒng)控制裝置被構(gòu)造用以冷卻SOFC發(fā)電機(jī)從而保持預(yù)定的SOFC溫度設(shè)定值并且在渦輪發(fā)電機(jī)中氣流發(fā)生變化的過程中保持一定的喘振裕度(margin)。
應(yīng)意識到，根據(jù)本發(fā)明的各種構(gòu)造根據(jù)所需負(fù)載提供了SOFC和渦輪發(fā)電機(jī)之間的受控的協(xié)調(diào)操作，同時還提供了令人滿意的熱管理。


圖1是根據(jù)本發(fā)明的發(fā)電系統(tǒng)的一種典型構(gòu)造的框圖。
圖2為示出了根據(jù)本發(fā)明的一種供電構(gòu)造中的電流密度與功率密度間的關(guān)系的曲線圖。
具體實施例方式
在根據(jù)本發(fā)明的一些構(gòu)造中并且參見圖1，設(shè)置固體氧化物燃料電池(SOFC)/渦輪機(jī)混合發(fā)電系統(tǒng)10，其中同時提供對固體氧化物燃料電池(SOFC)發(fā)電機(jī)14溫度的控制和對整個功率系統(tǒng)的電功率的控制。在這些構(gòu)造中，混合發(fā)電系統(tǒng)10能夠跟隨所需的電功率輸出28，同時提供對系統(tǒng)熱管理和效率的控制。
在本發(fā)明的一些構(gòu)造中，加壓SOFC/渦輪機(jī)發(fā)電系統(tǒng)10使固體氧化物燃料電池發(fā)電機(jī)14與渦輪發(fā)電機(jī)16相結(jié)合，所述渦輪發(fā)電機(jī)包括具有高電效率和低排放等優(yōu)點的混合型發(fā)電設(shè)備12中的微型渦輪機(jī)(MT)或者燃?xì)廨啓C(jī)(GT)等渦輪發(fā)電機(jī)16。渦輪機(jī)16用以對空氣加壓并且向SOFC發(fā)電機(jī)14提供空氣，同時后者提供熱能以使渦輪發(fā)電機(jī)16進(jìn)行工作。SOFC發(fā)電機(jī)14與渦輪發(fā)電機(jī)16在熱和操作方面高度相連。因此，在根據(jù)本發(fā)明的一些構(gòu)造中設(shè)置用以實施控制方法的系統(tǒng)控制裝置20以協(xié)調(diào)它們之間的操作。設(shè)備功率輸出18為SOFC發(fā)電機(jī)14與渦輪發(fā)電機(jī)16的電力輸出之和。SOFC發(fā)電機(jī)14與渦輪發(fā)電機(jī)16的輸出按照需用負(fù)載并且根據(jù)混合發(fā)電系統(tǒng)10的一部分的混合發(fā)電設(shè)備12的熱管理進(jìn)行分配。這些控制要求必須總是得到滿足并且必須響應(yīng)于外部擾動和局部瞬態(tài)。
更具體而言，本發(fā)明的多種構(gòu)造允許加壓SOFC/渦輪機(jī)混合發(fā)電系統(tǒng)能夠穩(wěn)定地跟隨所需系統(tǒng)功率設(shè)定值28，同時保持關(guān)鍵參數(shù)位于給定限值范圍內(nèi)。SOFC發(fā)電機(jī)14在較窄的溫度窗口內(nèi)可靠且高效地進(jìn)行工作。設(shè)置系統(tǒng)控制裝置20從而平衡SOFC發(fā)電機(jī)14的需求和用戶或多個用戶所需的功率輸出。對例如反應(yīng)物、溫度、壓力和/或部件電輸出進(jìn)行調(diào)節(jié)。在一些構(gòu)造中，控制燃料流量、空氣流量、SOFC發(fā)電機(jī)的燃料利用率、MT/GT轉(zhuǎn)速、MT/GT功率和/或SOFC發(fā)電機(jī)的電流。空氣流量與MT/GT發(fā)電機(jī)的功率輸出是相關(guān)的，從而使得在一些構(gòu)造中，SOFC發(fā)電機(jī)14與渦輪發(fā)電機(jī)16之間的功率分配受到SOFC發(fā)電機(jī)14熱管理的約束。SOFC發(fā)電機(jī)14的功率是所需電流以及燃料利用率、溫度和壓力的強(qiáng)函數(shù)(strong function)。
在根據(jù)本發(fā)明的一些構(gòu)造中設(shè)置系統(tǒng)控制裝置20用以成功地達(dá)到負(fù)載要求，同時保持對燃燒器例如未反應(yīng)燃料燃燒器(UFC)22中未使用的SOFC發(fā)電機(jī)14中的燃料的燃燒的溫度約束。在根據(jù)本發(fā)明的一些構(gòu)造中，設(shè)置更低級的控制回路38并且通過PI控制裝置或其它適當(dāng)?shù)姆答伩刂平Y(jié)構(gòu)進(jìn)行實施。
在一些構(gòu)造中且還是結(jié)合圖1，空氣流量控制裝置24使系統(tǒng)的響應(yīng)時間受到限制，由此在空氣流量發(fā)生變化的過程中保持足夠大的MT/GT壓縮機(jī)喘振裕度。由于用于具有SOFC發(fā)電機(jī)14的增大容積、歧管裝置和置于MT/GT壓縮機(jī)排出口與膨脹器進(jìn)口(圖中未示出)之間的其它熱管理部件(圖中未示出)的混合設(shè)備12所需的喘振裕度，因此設(shè)置空氣流量控制裝置24。在根據(jù)本發(fā)明的一些構(gòu)造中，系統(tǒng)控制裝置20包括(1)被構(gòu)造用以確定作為系統(tǒng)功率需求量28的函數(shù)的空氣流量設(shè)定值的空氣流量設(shè)定值控制裝置26；(2)被構(gòu)造用以根據(jù)空氣流量設(shè)定值確定(即控制)渦輪機(jī)轉(zhuǎn)速的空氣流量控制裝置24；(3)被構(gòu)造用以確定和發(fā)出MT/GT發(fā)電機(jī)功率指令，由此實現(xiàn)所要求轉(zhuǎn)速的渦輪機(jī)轉(zhuǎn)速控制裝置30；
(4)被構(gòu)造用以根據(jù)空氣流量確定和發(fā)出用于SOFC發(fā)電機(jī)14的電流指令，從而由此冷卻SOFC發(fā)電機(jī)14進(jìn)而保持預(yù)定的SOFC溫度設(shè)定值34的SOFC發(fā)電機(jī)電流控制裝置32；(5)被構(gòu)造用以根據(jù)電流需求確定燃料流量以達(dá)到所需燃料電池功率，同時保持對燃燒器22中的未使用的SOFC發(fā)電機(jī)中的燃料的燃燒的溫度約束的燃料利用率控制裝置36；和(6)被構(gòu)造用以調(diào)節(jié)更低級別的控制功能，例如對溫度、旁通閥、燃料控制閥、功率電子設(shè)備等的控制，的更低級別的控制回路38。
使用從SOFC發(fā)電機(jī)14中引出的電流對一些構(gòu)造中的流至SOFC混合發(fā)電設(shè)備12的空氣流量進(jìn)行控制，從而調(diào)節(jié)SOFC發(fā)電機(jī)14的溫度。根據(jù)功率需求量輸送空氣流并且所述空氣流量被確定為工作溫度的函數(shù)。
SOFC發(fā)電機(jī)14的功率輸出為引出的電流與SOFC發(fā)電機(jī)14工作電壓之積。由此，在根據(jù)本發(fā)明的一些構(gòu)造中電壓得到調(diào)節(jié)，從而使得總的設(shè)備功率輸出18與所需求的功率輸出相匹配。燃料利用率控制裝置36被用作調(diào)節(jié)裝置以改變SOFC燃料流量，從而輸出所需的系統(tǒng)功率。在根據(jù)本發(fā)明的一些構(gòu)造中，通過在一個標(biāo)稱值附近變化燃料利用率從而增大或減小SOFC發(fā)電機(jī)14的工作電壓，而設(shè)置SOFC發(fā)電機(jī)14的功率調(diào)節(jié)裝置。
在根據(jù)本發(fā)明的一些構(gòu)造中進(jìn)行系統(tǒng)級別優(yōu)化。圖2是功率密度對電流密度的曲線圖，圖中示出了在根據(jù)本發(fā)明的一種構(gòu)造中在各種燃料利用率的條件下得到的SOFC發(fā)電機(jī)14的作業(yè)線100，102和104的曲線圖。在一些構(gòu)造中進(jìn)行優(yōu)化，所述優(yōu)化操作使得引出的電流與燃料利用率達(dá)到平衡，從而最大化，或者至少增大燃料效率和控制溫度，同時輸送出恒定的功率輸出。例如，如果所示出的構(gòu)造在如狀態(tài)點106所示的電流密度和燃料利用率條件下進(jìn)行工作，那么通過使電流密度和燃料利用率設(shè)定值移動至如狀態(tài)點108所示的點處，從而增大SOFC發(fā)電機(jī)14的溫度(這是因為SOFC發(fā)電機(jī)14所產(chǎn)生的熱量為電流密度的強(qiáng)函數(shù))。所述系統(tǒng)的用戶將繼續(xù)接收如所需相同大小的功率，但是SOFC發(fā)電機(jī)14將會在其性能優(yōu)化表面附近進(jìn)行移動。如果優(yōu)化需要更高的SOFC發(fā)電機(jī)14溫度，那么電流密度和燃料利用率設(shè)定值則增加至如狀態(tài)點110所示的點處。通過按照這種方式進(jìn)行操作并且繼續(xù)在恒定的SOFC發(fā)電機(jī)負(fù)載需求線附近進(jìn)行移動，圖1所示的SOFC/渦輪機(jī)混合發(fā)電系統(tǒng)構(gòu)造使其性能得到最優(yōu)化。
由此將意識到，根據(jù)本發(fā)明的各種構(gòu)造能夠跟隨所需電功率輸出，同時提供對系統(tǒng)熱管理和效率的控制。
雖然已結(jié)合多種具體實施例對本發(fā)明進(jìn)行了描述，但是本領(lǐng)域的技術(shù)人員會意識到可采用在所附技術(shù)方案的精神和范圍內(nèi)的變型實踐本發(fā)明。
零件表混合發(fā)電系統(tǒng) 10混合發(fā)電設(shè)備 12SOFC發(fā)電機(jī)14渦輪發(fā)電機(jī)16設(shè)備功率輸出 18系統(tǒng)控制裝置 20燃燒器(UFC) 22空氣流量控制裝置 24空氣流量設(shè)定值控制裝置26電功率輸出28渦輪機(jī)轉(zhuǎn)速控制裝置30SOFC發(fā)電機(jī)電流控制裝置32預(yù)定的SOFC溫度設(shè)定值 34利用率控制裝置36低級別的控制回路 38作業(yè)線100作業(yè)線102狀態(tài)點106狀態(tài)點108狀態(tài)點所表示的部分110
權(quán)利要求
1.一種操作包括固體氧化物燃料電池(SOFC)發(fā)電機(jī)(14)和渦輪發(fā)電機(jī)(16)的加壓固體氧化物燃料電池/渦輪機(jī)(SOFC/渦輪機(jī))混合發(fā)電系統(tǒng)(10)的方法，所述方法包括以下步驟根據(jù)功率需求量(28)控制流至SOFC/渦輪機(jī)混合發(fā)電系統(tǒng)的空氣流量(24)；以及利用從SOFC發(fā)電機(jī)(14)中引出的電流調(diào)節(jié)SOFC發(fā)電機(jī)的溫度。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述控制流至SOFC/渦輪機(jī)混合發(fā)電系統(tǒng)(10)的空氣流量的步驟進(jìn)一步包括控制作為功率需求量(28)函數(shù)的空氣流量設(shè)定值(26)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中所述控制流至SOFC/渦輪機(jī)混合發(fā)電系統(tǒng)(10)的空氣流量的步驟進(jìn)一步包括根據(jù)空氣流量設(shè)定值控制渦輪機(jī)(16)的轉(zhuǎn)速。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，進(jìn)一步包括根據(jù)電流需求控制(36)燃料流量，從而達(dá)到所需的SOFC功率。
5.一種發(fā)電系統(tǒng)，包括固體氧化物燃料電池(SOFC)混合設(shè)備(12)，所述混合設(shè)備包括加壓固體氧化物燃料電池(SOFC)發(fā)電機(jī)(14)、未反應(yīng)燃料燃燒器(22)和渦輪發(fā)電機(jī)(16)，其中所述SOFC發(fā)電機(jī)和所述渦輪發(fā)電機(jī)被構(gòu)造用以提供所述SOFC混合設(shè)備的總和功率輸出(18)；和被構(gòu)造用以達(dá)到所述SOFC混合設(shè)備負(fù)載要求同時保持對所述SOFC發(fā)電機(jī)和所述未反應(yīng)燃料燃燒器的溫度約束的系統(tǒng)控制裝置(20)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的發(fā)電系統(tǒng)，其中所述系統(tǒng)控制裝置進(jìn)一步包括被構(gòu)造用以限制所述發(fā)電系統(tǒng)的響應(yīng)時間，由此在所述渦輪發(fā)電機(jī)中的空氣流量發(fā)生變化的過程中保持一定的喘振裕度的空氣流量控制裝置(24)。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的發(fā)電系統(tǒng)，其中所述控制裝置進(jìn)一步包括被構(gòu)造用以控制作為功率需求量(28)的函數(shù)的空氣流量設(shè)定值的空氣流量設(shè)定值控制裝置(26)。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的發(fā)電系統(tǒng)，其中所述系統(tǒng)控制裝置進(jìn)一步包括被構(gòu)造用以對所述SOFC發(fā)電機(jī)的冷卻進(jìn)行控制，進(jìn)而保持預(yù)定的SOFC溫度設(shè)定值(34)的SOFC電流控制裝置(32)。
9.一種用于包括固體氧化物燃料電池(SOFC)發(fā)電機(jī)(14)、渦輪發(fā)電機(jī)(16)和未反應(yīng)燃料燃燒器(22)的混合發(fā)電設(shè)備(10)的系統(tǒng)控制裝置(20)，所述系統(tǒng)控制裝置被構(gòu)造用以冷卻SOFC發(fā)電機(jī)，從而保持預(yù)定的SOFC溫度設(shè)定值(34)并且在所述渦輪發(fā)電機(jī)中的空氣流量發(fā)生變化的過程中保持一定的喘振裕度。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的系統(tǒng)控制裝置，其中所述系統(tǒng)控制裝置包括被構(gòu)造用以限制混合發(fā)電設(shè)備的響應(yīng)時間的空氣流量控制裝置(24)。
全文摘要
一種操作包括固體氧化物燃料電池(SOFC)發(fā)電機(jī)(14)和渦輪發(fā)電機(jī)(16)的加壓固體氧化物燃料電池/渦輪機(jī)(SOFC/渦輪機(jī))混合發(fā)電系統(tǒng)(10)的方法，所述方法包括以下步驟根據(jù)功率需求量(28)控制流至SOFC/渦輪機(jī)混合發(fā)電系統(tǒng)的空氣流量(24)以及利用從SOFC發(fā)電機(jī)中引出的電流調(diào)節(jié)SOFC發(fā)電機(jī)的溫度。
文檔編號H01M8/04GK1870336SQ200610073529
公開日2006年11月29日 申請日期2006年4月12日 優(yōu)先權(quán)日2005年4月12日
發(fā)明者A·B·坎貝爾, C·S·斯穆格雷斯基 申請人:通用電氣公司