使用流体调节元件控制系统各种工作参数的混合发电系统的制作方法

专利名称：使用流体调节元件控制系统各种工作参数的混合发电系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及高温电化学转换器、如燃料电池，更具体地，涉及使用电化学转换器的高性能能量或发电系统。
背景技术：
电化学转换器、如燃料电池将来自燃料堆的化学能量直接转换成电能。电化学能量转换器的关键部件是一系列具有设置在其表面的电极的电解质单元及一系列设置在电解质单元之间用于提供串联电连接的连接器。所述电解质单元具有燃料电极和连接到相对端的氧化剂电极。每个电解质单元是一个具有低离子阻力的离子导体，由此在转换器工作状态下允许一种离子形式从一个电极-电解质界面传送到对面的电极-电解质界面。在该转换器中可使用各种电解质。例如，当工作在升高的温度(典型约为1000℃)时，用化合物如氧化镁、氧化钙或氧化钇稳定的氧化锆可满足这些要求。电解质材料使用氧离子来携带电流。电解质对电子是不导电的，电子能引起转换器的短路。另一方面，连接器必需是良好的电子导体。在电极-电解质界面上发生反应气体、电极及电解质的相互作用，这需要电极有足够多的孔，以允许反应气体类进入及允许产物类离开。该电化学转换器可具有管状或平面状构型。
当燃料如氢被导入燃料电极上及氧化剂如空气被导入氧化剂电极上时电化学反应被触发，借此通过电极及电解质产生出电。可替换地，电化学转换器可工作在电解槽方式上，其中电化学转换器消耗电及输入反应物及产生燃料。
当电化学转换器、如燃料电池在燃料电池方式中进行从燃料到电的转换时，产生出废弃的能量及应被适当处理，以维持电化学转换系统的适当工作温度及提高发电系统的整体效率。相反地，当转换器在电解方式中进行从电到燃料的转换时，必需对电解质提供热量以维持其反应。此外，通常燃料电池使用的燃料重整过程需要导入热能。因此用于正常工作及效率的电化学转换系统的热管理控制是很重要的。
热管理控制技术可包括电化学转换器与其它能量装置的组合，以致力从转换器废气的废热中提取能量。例如，在Hsu的美国专利US5,462,817中描述了电化学转换系统及底部装置的一定组合，底部装置从转换器中提取能量以便被底部装置使用。
与基于传统燃烧的能量系统、如燃烧煤或油的发电厂相关的环境及政策间题正促使人们对替代能源系统感兴趣、如使用电化学转换器的能源系统。然而，电化学转换器还未得到广泛的使用，尽管它比传统的能源系统具有显著的优点。例如，与传统能源系统相比，电化学转换器如燃料电池相对地效率高及不产生污染。传统能源系统的大量成本投资将迫使与其竞争的能源系统的所有优点在这些系统中得以实现且应用增长。因此，电化学转换能源系统可从最大地额外发挥它相对传统能源的长处中受益并增加它们广泛应用的可能性。
传统的燃气(汽)轮机发电系统是已有的及公知的。现有的燃气轮机发电系统包括压缩机，燃烧器及机械轮机，并典型地沿同一轴串行地连接。在传统的燃气轮机中，空气进入压缩机及以所需增高的压力输出。该高压空气蒸汽进入燃烧器，在这里它与燃料反应，及被加热到可选择的升高温度上。然后被加热的气体蒸汽进入燃气轮机及绝热地膨胀，由此作功。该通用类型的燃气轮机的一个缺点是轮机通常工作在相对低的系统效率上、例如在兆瓦容量的系统上约25％。
一个用于克服该问题的现有技术的方法是使用同流换热器来回收热。该回收的热用于进一步加热进入燃烧器前的空气蒸汽。典型地，该同流换热器可改善燃气轮机的效率使其提高到约30％。该方案的一个缺点是，同流换热器相对昂贵及由此大大地增加了发电系统的总成本。
所使用的另一现有技术方法是使系统工作在相对高的压力及相对高的温度上，由此增高系统效率。但是，系统效率的实际增加是微乎其微的，因为系统将付出与高温度及高压力机械部件相关的成本。
因此，存在着对高性能发电系统的需求。尤其是，能够控制或调节系统工作参数的改良型燃气轮机发电系统将代表工业上改进的主流。更具体地，可控制系统工作的组合的电化学转换器及燃气轮机系统降低了与提供热处理系统接口相关的成本，而组合系统整体可操作性的显著改善也代表着该技术的一个主要改进。
发明概述本发明通过提供用于控制混合发电系统工作参数并同时伴随有效操作该系统的方法及装置来达到上述及其它目的。根据本发明，将一个电化学转换器如燃料电池与一个热电联合或底部装置、如燃气轮机组件相组合以形成一个混合发电系统。电化学转换器及底部装置形成将燃料转换成有用的电、机械或热能的形式的改进发电系统。可与燃料电池组合的装置包括燃气轮机，蒸汽轮机，热流体锅炉及热致动冷却装置。后两种装置通常组合在供热、通风及空调(HVAC)系统中。
本发明的混合发电系统通过流体调节装置调节或控制系统中的一个或多个流体流量。因此流体调节装置可使该系统控制燃料电池和/或燃气轮机组件的功率输出或温度以及轮机速度。
根据本发明的一个方面，本发明的混合发电系统使用了一个或多个旁路通道来使系统中的一个或多个流以所选择方式传送。例如，可使用流体调节单元及流体导管来旁路热交换器、电化学转换系统(或系统组成部件)及燃气轮机组件(或组件组成部件)。通过以选择方式操作一个或多个流体调节装置，该系统可控制混合发电系统或燃气轮机组件的功率输出。
根据本发明的另一方面，本发明的电化学转换系统可使用热控制堆及燃料电池，这两者被安装在一个压力容器中。根据系统的需要，热控制堆可作为热源或散热器工作。例如，在起动操作时，热控制堆可通过产生热作为热源工作，热被传送给燃料电池以便加热燃料电池。在稳态工作期间，热控制堆可通过除去燃料电池的热作为散热器工作或对燃料电池供给热作为热源工作。热控制堆可具有任何适合的形状。
根据本发明的另一方面，本发明的混合发电系统使用多个热交换器及流体导管设计用于调节电化学转换系统的废气温度。例如，该混合发电系统使用流体调节装置，它通过将低温压缩机废气与高温电化学转换系统废气有选择地混合来调节燃气轮机组件的驱动气体的温度。不同温度流体的混合可调节驱动气体的温度，及由此控制组件的功率输出。
根据本发明的又一方面，该混合发电系统有选择地将不同温度的流体混合，以便控制燃气轮机组件和/或电化学转换系统的功率输出。
附图的简要说明从以下的说明及附图中可以明白本发明的上述及其它目的、特征及优点，其中在不同附图中相似的标号代表相同的部分。附图表示本发明的原理，它们虽然未按比例但表示相对的尺寸。


图1是根据本发明构思使用多个流体调节元件来调节系统工作参数的混合发电系统一个实施例的概要框图。
图2以曲线图表示图1的混合发电系统的组合发电效率。
图3是可在图1的混合发电系统中使用的多轴燃气轮机组件的概示图。
图4是封装根据本发明构思的图1中混合发电系统的电化学转换系统的压力容器的部分割开的平面图。
图5是适用于本发明的混合发电系统的电化学转换系统中的电化学转换组件的电池单元的一个实施例的透视图。
图6是本发明的电化学转换系统中的电化学转换器的电池单元的另一实施例的透视图。
图7是图5中电池单元的一个横截面图。
图8是根据本发明构思使用调节燃料电池温度的多孔结构的、图1中热控制堆的一个实施例的横截面图。
图9是根据本发明构思使用调节燃料电池温度的板型结构的、图1中热控制堆的另一实施例的横截面图。
图10是根据本发明构思的图1中电化学转换系统的热控制堆的又一实施例的横截面图。
图11是图10中实施例的一个侧视剖面图。
图12是根据本发明构思的图1中混合发电系统的一个变型实施例的概要框图，该系统用于当废气进入轮机膨胀器前电化学转换系统废气的温度调节。
图13是根据本发明构思用于电化学转换系统废气的温度调节的图1及12中混合发电发电系统的一个变型实施例的概要框图。
图14是根据本发明构思用于电化学转换系统废气的温度调节的图1，12及13中混合发电系统的一个变型实施例的概要框图。
图15是根据本发明构思的混合发电系统的一个变型实施例的概要框图，该系统用于当废气进入轮机膨胀器前燃气轮机组件压缩机的废气温度调节。
图16是根据本发明构思用于调节输入反应物流量及调节电化学转换系统温度的混合发电系统的一个变型实施例的概要框图。
图17是根据本发明构思用于独立调节电化学转换系统的输入反应物温度及导入轮机膨胀器中废气的温度的混合发电系统的一个变型实施例的概要框图。
图18是适用于本发明的混合发电系统的使用贯穿外部壳体的流体导管用于与外部热源连通的燃气轮机组件的概示图。
图19是组合在根据本发明构思的电化学转换系统中的热控制堆及燃料电池的各种布置的示范概示图。
实施例的详细描述本发明的混合发电系统使用了对系统工作参数如燃气轮机组件的功率输出进行动态调节或控制、并随同保持燃气轮机及燃料电池系统部件两者适当的工作温度。
图1表示根据本发明的组合式混合发电系统70的一个实施例，它包括电化学转换系统72及燃气轮机组件74。燃气轮机组件74包括压缩机76，轮机膨胀器78及发电机80，它们全通过轴82相连接。轴82以直列式串接的空间构型将压缩机76连接到轮机膨胀器78。发电机80通过适当的连轴器连接到轮机膨胀器78。燃气轮机组件74典型地用矿物燃料、最好是天然气工作，并廉价及清洁地进行发电。虽然燃气轮机组件74被图示为以压缩机76，轮机膨胀器78及发电机80的顺序安装在轴82上，但也可使用其它的顺序。例如，发电机80可被设置在压缩机76及轮机膨胀器78之间。
如这里所使用的，术语“燃气轮机”及“燃气轮机组件”旨在包括所有功率规格、形状及速度的燃气轮机，其中包括工作在至少50,000RPM(转/分钟)上而通常工作在约70,000与约90,000RPM之间的微型燃气轮机。适用的燃气轮机可从Tarzana，CA(美国加州)的Captone Turbine Corporation或Torrance，CA的Allied Signal公司获得。
来自一个空气源的空气84通过任何适合的流体导管被导入压缩机76，在这里空气被压缩及加热，及然后从这里被排出。然后被加热、压缩及加压力的空气86在导入轮机膨胀器78以前被导入到热交换器88、如一个同流换热器。例如，被加热的空气86的一部分可沿流体导管90导入热交换器88，在这里它可由同流或逆流换热方式通过离开轮机膨胀器78的轮机废气被进一步加热。可替换地，一部分或所有被加热及被压缩的空气86可沿流体导管92导入轮机膨胀器78的输入端。流体调节装置94可被设置在导管92中，用于调节或调整被加热及被压缩的空气86导入轮机膨胀器78的输入端的量。
如这里所使用的，术语“热交换器”及“热交换单元”旨在包括被设计或采用来在两个或多个流体之间交换热的任何结构。被用于本发明的合适类型热交换器的例子包括同流换热器-无论安装在燃气轮机组件74内部还是安装在其外部，辐射热交换器，逆流热交换器及交流换热型热交换器。
如这里所使用的，术语“流体调节装置”旨在包括被设计或采用来沿流体通道调节、控制、调整或监控流体通过的任何结构。合适类型的流体调节装置的例子包括膜片，转动球、伸缩软管及多种不同类型的阀，包括两通及三通阀在内。为了简明起见，以下当描述流体调节装置的功能时将仅使用术语“调节”。
如上所述，一部分或全部被加热、被压缩的空气86可沿流体导管90导入热交换器88。流体调节元件96被插放在流体导管90中，以调节导入热交换器的空气量。流体调节元件96可被操作以便调节导入热交换器的空气量，及也可被用来使通过流体导管90的一些或全部的空气沿旁路导管98绕过热交换器88。沿旁路流体导管98通过的空气不被离开轮机膨胀器78的轮机废气加热，及由此在系统70的该接点处不再被加热。
离开热交换器88或离开旁路流体导管98的空气再被导入电化学转换系统72或可与电化学转换系统72的废气混合。根据一个实施形式，图示的电化学转换系统72包括安装在一个压力容器120中的燃料电池112及热控制堆116。图示的燃料电池112可为选择的任何燃料电池，其包括熔态碳酸盐燃料电池、磷酸燃料电池、碱性燃料电池、质子交换膜燃料电池、及优选为固态氧化物燃料电池。燃料电池的工作温度最好在约20℃与约1500℃之间。图示的热控制堆116可包括选择的任何用于与燃料电池连接的结构，以便-单独地或与其它的温度调节结构相组合地-控制、调节或调整燃料电池的温度。压力容器120可为任何合适的压力容器，其尺寸及参数设计成装入燃料电池112及热控制堆116，及同时伴随作为流体收集容器工作，用于收集燃料电池112和/或热控制堆116的废气。
参照图1，流体调节单元100可被用于调节导入燃料电池112的空气量。因此，流体调节单元100可被用于调节、调整或控制通过燃料电池112的空气量。通过调节通过燃料电池112的被加热空气的量，该系统可根据系统或用户需要调节它的输出功率。
一个设置在热交换器88及电化学转换系统72之间附加的流体调节元件104可使通过导管107的一些或所有空气导入热控制堆116。因此流体调节单元100及104可被操作，用于根据系统需要在燃料电池112与热控制堆116之间分配空气。该结构在电化学转换系统72起动操作时及维持系统使用是特别合乎需要的。该系统还可使用设置在流体调节单元100与104之间的流体调节单元109来调节通过导管98传送到导管107及由此传送到燃料电池112的空气量。普通技术人员易于理解热控制堆116可同时作为系统起动时的加热装置及建立后的系统使用时的冷却装置或散热器。燃料电池112和/或压力容器120可使用电源引线126将电化学转换系统72产生的直流电连接到一个逆变器125。该逆变器125可将电化学转换系统72产生的直流电转换成交流电，用于接着将其输送到电力网、电储存装置或用电装置上。该逆变器可与控制器140连接，以便基于逆变器的输出来调节系统70的一个或多个部分。
热控制堆116与燃料电池112热连接及被设置成同时接收燃料及空气。热控制堆通过在存在空气时的燃料燃烧作为加热元件或热源，以产生预热燃料电池112的热。该操作连续保持一个适合的工作温度、典型为1,000℃，由此燃料电池112连续消耗燃料及空气，以便使这些反应物电化学反应来发电。一旦燃料电池达到其所需的工作温度，供给热控制堆的燃料可被减少或停给，而空气可连续通过，以便辅助散除燃料电池112产生的热。在该结构中，热控制堆作为冷却单元或散热器工作以散除燃料电池工作时产生的废热。
图示的混合发电系统70也设有将燃料通过导管85供给燃料电池112的装置，燃料在燃料电池中与合氧的气体、典型为空气进行电化学反应，以发电、产生废热及高温废气。燃料可被适合的重整装置、例如重整器132转换，以产生相对纯的燃料堆。虽然图示为它被设在电化学转换系统72的外面，但重整器132也可成为电化学转换系统72的一部分。本发明考虑使用多种不同类型的重整装置，特别适合的重整器被公开及描述在Hsu(发明人)的美国专利US5,858,314中，该专利的内容结合于此作为参考。该图示的系统70也可使用第二压缩机134，用于当燃料导入燃料电池112前将其压缩及加热。图示的重整器132及压缩机134是本发明的可选择特征。
发电系统70可使用一个或多个燃料阀、如燃料阀89及91来控制、调节或调整供给到燃料电池和/或热控制堆116的燃料量。这些燃料阀可与控制器140相连接，用于控制阀操作。具体地，该控制器可调节导入燃料电池及热控制堆的燃料量，以调节每个装置的输出参数。根据一个实施形式，控制器140可基于逆变器125的输出控制燃料阀的操作，以调节导入电化学转换系统72的燃料量。尤其是，控制器可基于燃料电池发出的电力来调节燃料电池的功率输出或由热控制堆产生或接收的热能。
图示的混合发电系统70还使用流体调节装置108，它连接在流体导管107及电化学转换系统的废气导管124之间。通过导管124的电化学转换系统的废气可能被导入燃气轮机组件74中。除电化学转换系统72发出的电力外，燃气轮机组件74也产生电力，它作为底部循环将电化学转换系统72产生的废气及废热转变为有用的电力，由此增加了混合发电系统70的总体效率。典型地，由电化学转换系统72排放出的废气温度在约1,000℃的范围上。具有该温度的废气在导入燃气轮机组件74前将需要再被加热。在这类应用中，可在电化学转换系统72及燃气轮机组件74之间插放二次加热结构、如附加燃烧器，以便对废气提供附加的热，由此使废气更适配于燃气轮机组件的工作条件。在其它应用中，离开电化学转换系统的废气已接近与燃气轮机组件74适配，因此废气不需要被附加地加热。在另一些应用中，电化学转换系统72的废气温度可能高于所需幅度。例如，尤其在使用小型轮机单元的燃气轮机组件中，输入驱动气体的温度通常在800至900℃之间的范围内。因此离开电化学转换系统的1,000℃的废气不适配燃气轮机组件的输入温度范围。因此希望调节、控制或调整电化学转换系统72的废气温度，以便适配燃气轮机组件74工作时所需的工作要求。
根据一个实施形式，流体调节装置108可被控制器140控制，以允许导管107中的一些或全部空气绕过电化学转换系统72并由此与通过导管124的废气混合。通过流体调节装置108的空气比收集在导管124或通过导管124的废气冷些。因此，通过它与出自热交换器88的选择量的较冷流体相混合，流体调节装置108可调节废气的温度，由此与燃气轮机组件74的工作要求相适配。通过导管107的被加热及被加压的空气于是可转移及再导入废气中，以便产生较低温度的废气，用于接着导入轮机膨胀器78中。该结构的一个显著优点在于，这对于调节或调整电化学转换系统72的废气温度是一个相当出色及机械上不复杂的解决方案。还具有一些用于控制或调节电化学转换系统72排出的废气温度的其它技术及将在下面详细地描述。
如上所述，混合发电系统70的输入是含氧的气体、典型为空气，及燃料、典型为天然气，后者主要由甲烷组成。因此该空气及燃料作为电化学转换系统72的反应物工作。输入的氧化剂反应物用于使燃料电池112中的燃料氧化，及它们被压缩机76及134压缩及加热。然后，被加热、压缩及加压的空气86在热交换器88中被出自轮机膨胀器78的轮机废气加热。虽然含氧的气体典型为空气，它也可为其它的含氧流体、如部分贫氧的空气及富氧的空气。空气及燃料反应物被燃料电池112消耗，它接着发出电及产生废气，后者被压力容器120接收。
热控制堆116产生出废气，该废气也被压力容器120接收。热控制堆的废气与燃料电池的废气在压力容器120中相混合以形成组合废气并离开电化学转换系统72，及接着通过流体导管124。以下将更详细地描述燃料电池112及热控制堆116的优选设计结构。
如上所述，轮机不会工作在如同燃料电池那样高的温度上。因此，当驱动气体被导入轮机膨胀器78以前将需要降低驱动气体的温度。设置在热交换器88与电化学转换系统72之间的流体调节单元108可被操作，以允许通过流体导管107的一些或全部空气绕过电化学转换系统72及与流体导管124的废气相混合。根据一个变换的实施例，沿流体导管92设置的可选择的流体调节单元94可被操作，以允许被加热及被加压的空气86绕过热交换器88或电化学转换系统72及直接在轮机膨胀器的输入端上与驱动气体相混合。
设置转向的流体调节单元、如流体调节单元94及108的一个显著优点在于它们对混合发电系统70及尤其是燃气轮机组件74的工作参数提供一定程度的控制。例如，通过对导入燃气轮机膨胀器78的驱动气体的温度的选择控制，该系统可控制整个系统的功率输出、如由燃气轮机组件74发出的电力。此外，由燃料电池112产生的功率输出可通过调节导入它的燃料量来调节，由此控制电化学转换系统72的功率输出。
参照图1，该图示的混合发电系统70还包括沿流体导管124设置的流体调节单元142。图示的流体调节装置142执行多选择功能。例如，该流体调节装置可调节或控制通过流体导管124、接着导入轮机膨胀器78中的废气量。流体调节装置142也可阻止或禁止流体导管124中的废气到达轮机膨胀器，而同时控制或调节排出到大气中的废气量或与通过流体导管124的废气相混合的外部流体量。因此，流体调节装置142为混合提供了附加流体，以调节通过导管142的废气的温度。该装置142还能使系统严格调节导入混合发电系统70后面各级的流体量。
该混合发电系统70还可包括设置在流体调节装置142下游的可选择的二次燃烧器144，以便当流体导管124中的废气导入轮机膨胀器78以前进一步加热该废气。在燃气轮机组件74工作在高于由电化学转换系统72产生的废气温度的温度上的应用中，该二次燃烧器144尤其合乎需要。该废气形成轮机驱动气体，它然后被导入轮机膨胀器78中。驱动气体当通过轮机膨胀器时产生膨胀以便发电，及由此被减压，及接着作为轮机废气通过流体导管146从其中排出。
由电化学转换系统72产生的废气形成用于混合发电系统70的驱动气体，及可能被导入轮机膨胀器78中。轮机绝热地使废气膨胀及将废气热能转换成旋转能量。因为轮机膨胀器78、发电机80及压缩机76可被设置在一个公共轴上，发电机80发出交流(AC)或直流(DC)电，及压缩机如上所述地压缩输入的空气反应物。普通技术人员将易于理解由发电机发出的电的频率至少为1000Hz及通常为从约1200至约1600Hz。由发电机80发出的交流电可被任何适合的装置如整流器整流，以将交流电转换为直流电。该直流电可直接地在逆变器125转换前与电化学转换系统72发出的直流电相连接。在该结构中，电化学转换系统72作为燃气轮机组件的外部燃烧器工作，而燃气轮机组件作为系统70的底部装置工作。
图示的混合发电系统70还包括串联的流体调节装置148及150，它们对系统70的工作流体提供一定程度的附加控制。流体调节装置148调节通过流体导管146的轮机废气量，并同时调节旁路轮机膨胀器78的驱动气体量，及后者可直接地与轮机废气相混合。通过调节轮机排出的废气量，系统70可调节燃气轮机组件74的功率输出。因此，流体调节装置148就提供了一个通过控制燃气轮机的输出功率来控制燃气轮机组件74工作参数的附加机构。
控制器140还可连接到发电机80以监视或控制系统70的一个或多个部件的工作。例如，该控制器可调节导入轮机膨胀器78的废气量，以控制燃气轮机组件74的功率输出。该控制器140可控制流体调节单元148的操作以调节废气流量。根据一个实施形式，控制器140可基于发电机输出控制流体调节单元148的操作，以调节导入轮机的驱动气体量。因此，该系统可通过作为发电机功率的函数来调节驱动气体输入以控制燃气轮机组件的功率输出。尤其是，该控制器可基于发电机输出调节流体调节单元148。
图示流体调节装置150还调节通过流体导管146导入热交换器88的轮机废气量。图示流体调节装置150与图示流体调节装置154协同工作，根据系统需要及应急来控制通过热交换器的轮机废气量。因此，混合发电系统70提供了用于调节通过热交换器88的热废气量的部件。它接着又通过阀96调节或控制系统工作时出现的、通过热交换器的空气同流热交换热量。例如，通过热交换器的空气的温度可由通过热交换器的轮机废气量的调节来调节或控制。因此，系统70可单独调节燃料电池112的发热，而同时允许燃气轮机组件74保持合适的工作状态和/或温度。普通技术人员将易于理解在空气被导入电化学转换系统72之前轮机废气预热了通过热交换器的空气。普通技术人员也将理解混合发电系统70可被设置成以逆流方式预热热交换器88中的空气反应物。系统部件的其它构型及布置也可由普通技术人员根据这里的教导来实现，这些系统部件用于控制燃气轮机组件74使用期间的工作参数。例如，该系统在热交换器及轮机膨胀器78之间可使用任何数目的流体调节单元，如根据需要使用一个或一个也不用。因此，流体调节装置150及154可根据选择的程序方案被调节或控制，以保证在图示混合发电系统70的不同工作阶段中通过热交换器的空气达到最佳或所需预热量。
控制器140可根据任何选择的用户确定顺序设置对输入燃料及空气反应物的控制，以及对流体调节装置94，96，100，104，108，142，148，150及154的控制。控制器140也可被连接以调节燃气轮机组件74或电化学转换系统72。该控制器可为任何传统的设计，如工业多级逻辑控制器、微处理机、独立应用的计算装置、与网结构连接的计算装置或其它任何合适的处理装置，这包括用于执行混合发电系统控制的合适硬件、软件和/或存储装置。
图1所示的混合发电系统的一个优点在于，它允许通过将高效、紧凑的电化学转换器与作为底部装置工作的燃气轮机组件直接组合形成一个高效率系统来发电。电化学转换系统72与燃气轮机组件74的组合形成了混合发电系统70，它具有约等于或大于70％的总发电效率。该系统效率表明对现有技术的燃气轮机系统及现有技术的电化学转换系统单独获得的效率显著增高。图示的混合发电系统包括发电及提供高级热能的燃料电池112，并且利用了燃料电池的长处。例如，该燃料电池可作为低NOx源工作，由此相对传统的燃气轮机发电设备来说改善了环境性能。
组合的电化学转换器及燃气轮机组件的高系统效率用曲线表示在图2中。曲线图的纵坐标轴以百分比表示系统总效率及横坐标轴表示该混合系统的功率比。该功率比由电化学转换器及燃气轮机的容量和(FC+GT)除以燃气轮机的容量(GT)的商来确定。曲线160表示当使用效率为50％的燃料电池及效率为25％的燃气轮机时，总系统效率可超过60％。类似地，曲线162表示当使用效率为55％的燃料电池及效率为35％的燃气轮机时，总系统效率可超过60％，及视功率比而定，可达到并甚至超过70％。曲线160及162还表示，电化学转换器及燃气轮机的容量及效率可被选择，以使总系统效率达到最大。此外，这些曲线表示当燃气轮机与电化学转换器组合时系统效率出现相应大的增高，并得到迄今还来被知道的结果。例如，如上所述，视燃气轮机及电化学转换器组成部分的容量及效率及混合发电系统70的操作及布置方式而定，使用电化学转换器的燃气轮机发电系统具有超过60％及接近或甚至超过70％的系统总效率。
如上所述，燃气轮机组件74可具有单个轴串行对齐布置的结构。本发明也可考虑用于图1的混合发电系统70的其它结构。例如，燃气轮机组件74可包括多轴的设计。图3概要表示将电化学转换器与一个多轴燃气轮机组件相组合的混合发电系统170的部分实施例。图1的其余部分可包括在该实施例中，但为简明起见而被省略。该图示的发电系统170可为包括一对压缩机C1及C2，一对轮机T1及T2，一个发电机172，一个中间冷却器174及一个或多个电化学转换器176的传统燃气轮机系统。一对轴178及180将轮机T1及T2分别连接到机械压缩机C1及C2。
如图所示，空气从空气入口进入压缩机C1并被它压缩。被压缩的空气然后从其出口离开压缩机及进入中间冷却器174，在空气离开该中间冷却器前，该中间冷却器降低被压缩空气的温度。中间冷却器174在其入口从一个流体源(未示出)接收冷却流体、如水，及在其出口排出水。
被冷却及压缩的空气然后进入压缩机C2，在导入第一电化学转换器176前该空气被再压缩。空气在电化学转换器176及压缩机C2之间沿流体通道182传送。当空气被导入电化学转换器时，它与来自一个燃料源(未示出)的燃料反应来发电。
电化学转换器的废气沿流体通道184被导入轮机T2，轮机的废气被导入第二电化学转换器176。第二电化学转换器发电及在废气导入轮机T2前被再加热。轮机T1的废气最好沿流体通道186被带离系统170，以便接着利用。轮机T1的旋转能量最好通过功率轴组件178在机械压缩机C1及发电机172之间分配。发电机172可用于各种家用及商用目的的发电。虽然图示系统170使用了一对电化学转换器176，但普通技术人员理解可仅使用一个电化学转换器，另一转换器可由传统的燃烧器代替。
还具有上述设计的其它变型及它们将被认为是在普通技术人员的理解范围以内。例如，可使用一系列的燃气轮机组件，或任何数目的压缩机、燃烧器及轮机。本发明还试图包括电化学转换器与多种类型燃气轮机的组合，其中包括单轴燃气轮机、双轴燃气轮机、同流换热燃气轮机、中间冷却燃气轮机及再加热燃气轮机。在其最宽的范围上，本发明包括一个混合发电系统，它将电化学转换器与传统燃气轮机相组合。根据本发明的一个优选实施形式，电化学转换器全部地或部分地代替燃气轮机发电系统的一个或多个燃烧器。
当燃料电池112安装在容器120内时有助于电化学转换器与燃气轮机的直接组合。在图4中表示出转换器壳体的一个优选形式，其中压力容器120可作为交流换热式或同流换热式热封装，它包括一系列的堆叠的燃料电池组件122，以下将对其更详细描述。压力容器120包括废气输出歧管124，电连接器126及反应物输入歧管128及130。在一个优选实施例中，氧化剂反应物通过歧管130被导入内部的燃料电池组件，及燃料反应物通过燃料歧管128被导入其中。
堆叠的燃料电池组件122可将废气排到压力容器120的内部。适合与压力容器连接使用的底部装置的废气压力可通过使用泵、如压缩机76或134，或通过使用吹风机来控制，这被表示及描述在Hsu的美国专利US5,948,221中，它的内容结合于此作为参考，可选择地用其将输入反应物泵入及将废气泵出堆叠的燃料电池组件122。
如上所述，电化学转换器可在升高的温度上及在大气压力下或在升高的压力下工作。该电化学转换器最好为包括相互交叉的热交换器的燃料电池系统，与该类型类似的系统被表示及描述在美国专利US4,853,100中，它结合于此作为参考。
压力容器120可包括一个与内壁138隔开的外壁136，由此在它们之间产生一个环形空间。在该环形空间中可被填入隔热材料139，以使压力容器的外表面保持在一个适当的温度上。可替换地，环形空间可容纳或形成用于与压力容器交换热的热交换单元。在热交换器的一个实施例中，环形空间与壁138及136可形成用于在其中循环热交换流体的热交换套。由壁形成的热交换器将与压力容器交换热及帮助将外表面保持在适当温度上。当然，将环形空间用作冷却套并不排除在环形空间以外的位置上附加使用隔热材料，用于减小压力容器内部的热损耗或也帮助将压力容器外表面保持在适当温度上。
在本发明的一个实施例中，在压力容器热交换器、如由壁136及138构成的冷却套中循环的热交换流体是输入的反应物，例如流入歧管128中的输入的空气反应物。在该实施例中，这些歧管是与压力容器120顶部附近的环形空间的一部分流体连通的主要入口。附加的歧管装置(未示出)使环形空间与燃料电池堆122形成流体连通，以使得输入的空气反应物可正确地被导入其中。由壁136及138构成的冷却套对输入的空气反应物的预热用于多个目的，其中包括预热输入的空气反应物以通过交流换热地获取废热来提高效率，及冷却压力容器120的外表面。
压力容器可为“正压力容器”，它试图包括设计成工作在1或2个大气压上的容器，或设计成容许极高压力-高至1000psi-的容器。当与电化学转换器连接使用的底部装置为例如一个包括热致动的致冷器或锅炉的HVAC系统时，低压容器是有用的。当例如用于图示的混合发电系统70时，高压容器是有用的。
燃料电池使用所选择燃料类型、如氢或一氧化碳分子的化学势能来产生氧化分子及其电能。因为供给分子氢或一氧化碳的成本相对地高于提供传统矿物燃料的成本，可使用燃料处理或重整步骤来将矿物燃料、如煤及天然气转换成富含氢及一氧化碳的反应气体混合物。因此，使用了专门的或设置在燃料电池内部的燃料处理器并通过使用蒸汽、氧或二氧化碳(在吸能反应中)来将矿物燃料重整成非复合的反应气体。
图5-7表示特别适合与传统燃气轮组件合的燃料电池112及燃料电池堆122的基本电池单元10。该电池单元10包括电解质板20及中间连接板30。在一个实施例中，电解质板20可由陶瓷制成，例如用稳定的氧化锆材料ZrO2(Y2O3)，在该电解质板上设置多孔的氧化剂电极材料20A及多孔的燃料电极材料20B。用于氧化剂电极材料的示范材料为钙钛矿材料、如LaMnO3(Sr)。用于燃料电极材料的示范材料为金属陶瓷如ZrO2/Ni及ZrO2/NiO。
中间连接板30最好由导电及导热的中间连接材料制成。该材料的例子包括镍合金、铂合金，非金属导体如碳化硅、La(Mn)CrO3，及最好是市场上可得到Inconel-美国Inco.制造。该中间连接板30用作相邻电解质板之间的电连接器及燃料及氧化剂反应物之间的隔板。如在图7中最清楚地看到的，中间连接板30具有中心孔32及一组径向同心、对外部分开地布置的中间孔34。第三外部孔组36沿外圆柱部分布置或布置在板30的外围。
中间连接板30具有纹理表面38。在该纹理表面上最好构有一系列的凹坑40，如图7中所示，它们形成一系列连接反应物流的通道。最好，中间连接板30的两侧具有形成在其上的凹坑面。虽然中间及外部孔组34及36被分别表示为具有选择数目的孔，但普通技术人员将理解可使用任何数目的孔或分布图案，这视系统及反应物流的需要而定。
类似地，电解质板20具有一中心孔22，及一组中间及外部孔组24及26，它们分别形成在与中间连接板30的孔32，34及36互补的位置上。
参照图6，在电解质板20及中间连接板30之间可插入一个隔板50。该隔板50最好具有波纹状表面52，它形成一系列连接反应物流的通道，类似于中间连接板30。隔板50还具有多个同心的孔54，56及58，它们位于与中间连接板及电解质板的孔互补的位置上，如图所示。此外，在该结构中，中间连接板30上没有反应物流通道。隔板50最好由导电材料、如镍制成。
图示的电解质板20，中间连接板30及隔板50可具有任何希望的几何构型。此外，具有图示歧管的板可用重复或非重复的图案向外扩展，如图中虚线所示。
参照图7，当电解质板20及中间连接板30交替地叠堆及沿其各个孔对齐时，这些孔形成轴向(相对堆而言)歧管，用于对电池单元馈入输入反应物及排出废燃料。尤其是，对齐的中心孔22，32，22’形成输入氧化剂歧管17，对齐的同心孔24，34，24’形成输入燃料歧管18，及对齐的外孔26，36，26’形成废燃料歧管19。
在图7的横截面图中，中间连接板30的纹理面38具有形成在两侧面上的基本波纹状的图案。该波纹状图案形成反应物流通道，它们将输入反应物引导到中间连接板的外围。中间连接板还具有延伸的加热面或具有延伸在每个轴向歧管内及围绕中间连接板周围的凸缘结构。具体地，中间连接板30具有沿其外周边形成的扁平圆环形延伸面31A。在一个优选实施例中，图示的加热面31A延伸到电解质板20外周边缘以外。中间连接板还具有一个延伸的加热面，它延伸在轴向歧管内，例如边缘31B延伸到并包容在轴向歧管19内；边缘31C延伸到并包容在轴向歧管18内；及边缘31D延伸到并包容在轴向歧管17内。延伸的加热面可与中间连接板形成整体或可被连接或附着到其上面。加热面不需要由与中间连接板相同的材料构成，但可包括任何适合的可耐电化学转换器工作温度的导热材料。在一个可替换实施例中，该延伸的加热面可与隔板形成整体或连接到隔板上。
在中间连接板周边上无脊部或其它突出的结构，这为废气提供了与外部环境连通的出口。反应物流通道将输入反应物导管与外周边形成流体连通，这样就允许反应物的排放物排放到外部环境、或设置在图4中电化学转换器周围的热容器或压力容器中。
再参照图7，图示的密封材料60可被施加在中间连接板30一部分的导管结合处，这样就允许有选择地将特定的输入反应物通过中间连接面及通过电解质板20的匹配表面流动。中间连接板30底部30B与电解质板20的燃料电极涂层20B相接触。在该结构中，最好是密封材料仅允许燃料反应物进入反应物流通道及由此与燃料电极接触。
如图所示，密封材料60A被设置在输入氧化剂歧管17周围，它在氧化剂歧管17周围形成一个有效的反应物流屏障。该密封材料帮助保持与电解质板20的燃料电极侧面20B接触的燃料反应物的整体性，及保持通过废燃料歧管19排出的废燃料的整体性。
中间连接板30的顶部30A具有设置在燃料输入歧管18及废燃料歧管19周围的密封材料60B。中间连接板的顶部30A与对面电解质板20’的氧化剂涂层20B’相接触。因此，在输入氧化剂歧管17的结合处没有密封材料，由此允许氧化剂反应物进入反应物流通道。完全围绕燃料歧管18的密封材料60B阻止燃料反应物过多地泄漏到反应物流通道中，由此阻止了燃料与氧化剂反应物的混合。类似地，完全国绕废燃料歧管19的密封材料60C阻止废氧化剂反应物流入废燃料歧管19。因此，维持了通过歧管19泵入的废燃料的纯度。
再参照图7，可通过分别由电解质板及中间连接板的孔22，32及22’构成的轴向歧管17使氧化剂反应物导入电化学转换器中。氧化剂被分配在中间连接板的顶部30A上，及通过反应物流通道分配在氧化剂电极表面20A’上。然后废氧化剂径向向外流向外围边缘31A，及最后沿转换器单元的周边排出。密封材料60C禁止氧化剂流入废燃料歧管19。氧化剂通过轴向歧管的流动路径由实线黑箭头26A表示，及氧化剂通过电池单元的流动路径由实线黑箭头26B表示。
燃料反应物通过由各板的孔24，34及24’对齐形成的燃料歧管18被导入电化学转换器100该燃料被导入反应物流通道及被分配在中间连接板的底部30B上，以及分配在电解质板20的燃料电极涂层20B上。同时，密封材料60A阻止输入的氧化剂反应物进入反应物流通道及由此与纯燃料/废燃料反应物的混合物相混合。在废燃料歧管19上没有任何密封材料，这允许废燃料进入歧管19。燃料接着沿中间连接板30的环形边缘31A排出。燃料反应物的流动路径由实线黑箭头26C表示。
中间连接表面的凹坑40具有与电解质板整体接触的尖顶40A，以在它们之间建立电连接。
对于本发明的薄电连接板可使用各种的导电材料。这些材料应满足以下要求(1)高强度，及具有导热性与导电性；(2)具有良好的抗氧化性能-直至工作温度；(3)对输入反应物的化学兼容性及稳定性；及(4)当形成以反应物流通道为例的纹理板结构时制造的经济性。
用于中间连接板制造的适合材料包括镍合金、镍铬合金、镍铬铁合金、铁铬铝合金、铂合金、这些合金的金属陶瓷及耐熔材料如氧化锆或氧化铝、碳化硅及二硅化钼。
例如，通过用一组或多组配合的阳模及阴模冲压金属合金板，可获得中间连接板的顶部及底部的纹理图案。这些模最好根据中间连接板所需的构型预先制造，及可通过热处理被硬化，以便可耐重复的压缩作用及可批量生产，以及耐高的工作温度。由于气体通道网、即波纹形中间连接板表面的几何形状的复杂性，用于中间连接板的冲压成型过程最好在多个步骤中进行。成型在中间连接板中的导管最好在最后步骤中被冲压出来。在相继的步骤中建议使用温度退火以防止片状材料的过应力。冲压方法可制造复杂及变化几何形状的物件同时可保持均匀的材料厚度。
可替换地，波纹形的中间连接板可在初始平金属板上使用一组合适的掩模通过电沉积来形成。碳化硅中间连接板可在预成型衬底上通过汽相沉积，通过熔接粉未的烧结或自熔接过程形成。
氧化剂及燃料反应物最好在进入电化学转换器前被预热到适当温度。该预热可被任何合适的加热结构来执行，例如同流热交换器或辐射热交换器，用于将反应物加热到足够降低施加到转换器上的热应力量的温度。
本发明一个重要的特征是图1及12-17所示的混合发电系统工作在超过任何在先公知的系统效率下。本发明另一重要的特征在于延伸的加热面31D及31C将包含在氧化剂导管及燃料歧管17及18中的反应物加热到转换器的工作温度上。具体地，伸入到氧化剂歧管17中的延伸面31D加热氧化剂反应物，及伸入到燃料歧管18中的延伸面31C加热燃料反应物。高导热的中间连接板30通过从燃料电池内表面、如导热中间连接板的中间区域将热可传导地转移到其延伸面或凸缘部分而有助于输入反应物的加热，由此在输入反应物通过反应物流通道前已将其加热到工作温度。因此这些延伸面作为散热器工作。该反应物加热结构提供了一种紧凑的转换器，它可与发电系统组合成整体并进一步提供高效率及相对低成本的系统。包括根据本原理构成的燃料电池部件及结合燃气轮机使用的电化学转换器提供了一种具有相对简单系统结构的发电系统。
在一个变型实施例中，电解质和中间连接板可具有基本管状构型及具有布置在一侧上的氧化剂电极材料及布置在另一侧上的燃料电极材料。然后这些管可用类似方式叠堆在一起。
参照图1及8-11，图1的热控制堆116可被操作，以在使用期间加热和/或冷却燃料电池112。上述附图表示了热控制堆116的各个实施例，为简明起见它们使用了不同的标号。这里所使用的术语热控制堆旨在包括能够作为相对燃料电池112的加热源或作为散热器或作为这两者工作的任何合适结构。该热控制堆最好也可起等温面的作用，以减小或消除沿燃料电池112轴向长度的温度不均匀性。这就保持或增强了本发明的电化学转换系统72的结构整体性。在使用期间，热控制堆被布置在压力容器20内及与燃料电池热连接。热控制堆可相对燃料电池以任何选择布置安装，以获得合适的系统热结构。适合该目的的一个具体结构是使燃料电池与热控制堆相互交叉置以形成可获得所需热结构的各单元的一个集合。该结构可形成一个矩形或六角形构型，或任何其它合适的两维或三维结构。例如，如图19A-19E中所示，电化学转换系统72中的各部件、如燃料电池112及热控制堆116可具有四边形布置，如图14A及14B所示的方形或矩形相互交叉的布置。可替换地，电化学转换系统72的各部件可布置成六角形，如图14C-14E所示。上述相互交叉的布置仅是可被使用的各种布置类型的一些例子。普通技术人员理解，虽然燃料电池及热控制堆被表示具有圆柱形形状，但也可使用其它的形状。
根据一个实施例，如图8所示，热控制堆116可构成具有多孔结构28的等温结构(热交换器)27，它接收来自其环境(如来自附近燃料电池)的辐射热。一种工作流体44、如氧化剂反应物可在内部通道或蓄流器42中流动及径向上从内表面28A向外渗透到外表面28B上。该工作流体44可被任何适合的结构收集，如被压力容器120收集，及可被传送到混合发电系统70的其它部分。为保证工作流体流速轴向及水平的均匀性，随着工作流体透过结构28，径向压力降被保持实质上大于当它流过蓄流器42时工作流体44的压力。在结构28内可安装内部流分配管以增强流体的均匀性。工作流体44可从每个轴向端部被排出。
根据另一实施例，根据本发明的热控制堆也可使用多个导热板，如图9中所示。热控制堆29包括一系列的板46，它们彼此以顶部叠放，如图所示。板46可由任何适合的导热材料构成，如镍及其它在燃料电池中典型使用的材料。中心流体通道或蓄流器42连接这些板，并在板之间设有隔块，以允许工作流体44从内表面62A流到外表面62B。工作流体44流过连接板62的蓄流器42。板62可具有基本圆柱形构型，如图所示，或可具有其它任何合适的几何形状，如管状。图9的实施例尤其可用在等温燃料电池中。例如，通过使用在电池单元中间的分隔元件，可获得均匀的反应物流。
图10表示用在图1的混合发电系统中的热控制堆25的另一实施例。该热控制堆25包括最好在轴向上隔开的三个同心管结构，如图所示。内部空腔64具有多个通道66，它们延伸在套管或管68的内表面68A与外表面68B之间。一个多孔的套管结构28围绕着内管68及具有内表面28A及外表面28B。内表面28A与内管68的外表面形成紧密的面接触，以使得横向通道66与多孔套管28形成流体连通。横向通道66被均匀地隔开。
一个外管69或壁件围绕着多孔套管28及内管68设置，由此形成一个实质上同轴的几何布置。外管69具有内表面69A及外表面69B。内管68的内部空腔形成一个纵长的中心通道64，它用作工作流体44的蓄流器，如图11所示。外管的内表面69A与多孔套管外表面28B之间的内空间形成一个纵长的第二通道67，它实际上平行于中心通道64。
内管68及外管69最好由相同材料、如金属或陶瓷制作。多孔套管结构28可为陶瓷及用于使工作流体流从内空腔扩散到外空腔。
参照图11，工作流体44流经纵长的中心空腔或通道44，该通道作为蓄流器及沿纵向轴41延伸。随着工作流体44流经蓄流器64，工作流体被迫通过横向通道66。套管28覆盖着横向通道66，由此接收流过通道66的工作流体44的一部分。工作流体44径向向外地通过多孔套管28进入外空腔67，流体在这里被外部热源、如燃料电池组件或另外需要冷却的系统加热，或由另外的结构冷却。包含在外空腔67内的工作流体44沿外管69的内表面流动，及吸收从外表面69B传导地转移到该内表面上的热。外管的外表面69B可通过放置到直接与燃料电池组件112接触而被加热，或通过与燃料电池112辐射耦合来被加热。工作流体44沿外管69的内表面69A的分配提供了工作流体44与外部环境之间的有效热转移。通过沿内管66选择地分开布置横向通道66，收集在第二通道67内的工作流体44可保持恒定温度。等温工作流体沿内表面69A的均匀分布产生出沿外管的外表面69B的等温条件。通道尺寸及间隔取决于外管69及内管68的直径。
上述说明描述热控制堆25作为散热器工作。普通技术人员可理解该热控制堆也可作为热源工作。例如，工作流体44可包括加热流体而非冷却剂。随着加热流体流经蓄流器34，热从外管的外表面69B转移到外部环境。
应当理解，通过使用将反应物均匀地沿燃料电池堆的长度分配的类似结构，本发明的原理也可用于构成等温燃料电池(及另外的电化学转换器)。堆的温度总体上可被调节，及当需要时可成为等温的。
对于熟练的技术人员来说，根据这里的原理，热控制堆的其它实施例是显而易见的，及包括使用分布其中的、具有各种形状表面结构的空心多孔圆柱体。该表面结构可由金属或陶瓷组成，及多孔圆柱体可由任何合适的材料、包括丝网筛组成。
再参照图1，当燃料电池112开始工作时，热控制堆116作为电化学转换系统72的起动加热器工作。为了混合发电系统70的初始起动工作，燃气轮机组件74的压缩机76被单独的电动机(未示出)或作为马达工作的发电机致动。通过压缩机的空气84可最终被导入热控制堆116中及排出在压力容器120内部。压力容器的废气124通过燃烧器144，当它被导入燃气轮机组件74或热交换器88前被进一步加热。接着使空气通过热控制堆116，将适当的燃料导入热控制堆116，如图1中所示。热控制堆116的空气及燃料输入被控制器140控制，以获得预定的燃料电池的加热速率，例如250℃/小时。由热控制堆116产生的放热用于加热附近的燃料电池112。热控制堆加热燃料电池112，直到它达到燃料本身的点火温度。如果需要，混合发电系统70可保持在其热备用方式，直到必需使燃料电池升到适合的工作温度为止。
控制器140可连续地调节导入热控制堆116的燃料及空气，及操作燃烧器144，以便连续地加热燃料电池112，直到达到或接近其工作温度为止。一旦燃料电池112达到接近常规工作温度、典型为1000℃，燃料85及空气84被导入燃料电池，以便发出所需的电力输出。一旦电化学转换系统72工作，供给热控制堆的燃料可终止，因为热控制堆不再作为热源工作。在此时仅使空气通过热控制堆，热控制堆可工作为从燃料电池112中除去废热的热收集器或散热器。
如上所述，图示的电化学转换系统72产生高温废气，该高温废气被导入到燃气轮机组件74的轮机膨胀器78中。轮机膨胀器78使高温燃料电池废气绝热地膨胀及然后产生轮机废气，用于混合发电系统70的后继使用。轮机将驱动气体的热能转换成旋转能量，后者接着使轴85转动以由发电机80发出交流电。该电能可与电化学转换系统72发出的电相组合，用于接着的商业或家庭应用。
在稳态工作期间，主空气供给84连续地通过压缩机76及如果需要时通过热交换器88进入燃料电池112，以便接着导入燃气轮机组件74。然后轮机废气被驱除或排放到周围环境。为了获得选择的一个或多个系统部件的操作控制及温度调节，控制器140可使一个或多个流体调节装置致动，以调节混合发电系统70的一个或多个工作参数。例如，流体调节单元100及104可被控制，由此允许选择的空气量通过热控制堆116，以执行燃料电池112的温度调节。此外，流体调节装置108可被致动，以便将通过导管107的相对冷的空气与通过导管124的高温废气在导入燃气轮机组件74前相混合。被混合的冷及热废气量的控制允许对一个或多个参数一定选择程度的控制，例如燃气轮机组件74的轮机膨胀器78的功率输出或废气温度。因此，选择地控制流体调节装置108能使混合发电系统70调节燃气轮机组件74的温度。
根据图示系统70的另一工作特征，控制器140可操作流体调节装置142，以便将电化学转换系统72的一些或全部废气排放到周围环境中。通过控制流体调节装置142，系统可获得对燃气轮机组件74的速度或功率的显著控制。
普通技术人员还将理解对燃料电池112的功率输出的附加控制可通过空气或燃料输入反应物流的控制来实现。这便得到整个混合发电系统控制的一个宽广的动态控制范围。燃料流控制燃料电池的功率输出，而同时保持恒定的工作温度。此外，通过控制旁路电化学转换系统72的空气量，系统70控制燃气轮机及燃料电池的功率输出。
该系统也可使轮机废气通过热交换器88作为高效率系统工作，以便再利用轮机废气中的热能。轮机废气中的热能使通过热交换器的反应物预热。例如，使空气84通过热交换器88，借助回收轮机废气中的废热使空气预热。流体调节装置96可被控制器140控制，以确定是通过流体导管90的一些或是全部空气将被热交换器88预热。
离开电化学转换系统72及通过流体调节装置142的废气可通过沿流体导管124设置的、可选择的第二燃烧器144预热。第二燃烧器144还加热废气，以便提供与燃气轮机组件74所需输入温度相适配的驱动气体。
由燃气轮机组件74产生的轮机废气再被导入设置在流体导管146中的流体调节装置148。该流体调节装置148调节通过燃气轮机组件74的流体导管146的轮机废气量。例如，流体调节装置148对旁路轮机膨胀器及可与轮机废气混合的驱动气体的量进行调节。
流体调节装置150及154可被控制器140控制，以调节导入热交换器88的轮机废气量。以此方式，控制器140可控制通过热交换器88的空气的温度，及由此控制燃料电池112的温度。流体调节装置154还对可导入通过热交换器的流体的外部流体量，以便对空气反应物提供一定程度的附加温度控制。该系统可控制空气反应物的温度及由此可控制燃料电池112的功率。相反地，流体调节装置150或154可调节离开热交换器88及导入或排放到周围环境中的轮机废气量。
普通技术人员容易理解电化学转换系统72及尤其是燃料电池112可作为燃气轮机组件74的燃烧器。但是，本发明还可考虑其它的实施例，其中燃气轮机组件74可包括作为燃气轮机组件一部分的燃烧器替代物和/或同流换热器。在其中燃气轮机组件74包括其本身内部燃烧器的系统的设计中，需要不同的起动程序，以便操作混合发电系统70。例如，该燃气轮机组件74可由任何合适的起动电动机(未示出)起动。因此，压缩机76可建立任何通过燃气轮机组件的空气流。然后燃气轮机的燃烧器接收燃料，该燃料将根据预定加热速率与空气反应。一个流体调节单元、如分流阀可被设置在燃气轮机组件同流换热器的出口以逐渐将加热后的空气导入电化学转换系统72的热控制堆116。热控制堆也被设计成从燃料源接收燃料，及预热燃料电池112使接近其工作温度。该变换系统结构的其它操作功能与图1中所述系统相同。
普通技术人员将理解可在图示的混合发电系统70中设置流体调节装置任何选择的组合。因此，每个流体调节装置和/或流体通道可被认为是一个可选择的特征或系统的一部分。
普通技术人员也将理解燃料电池112的温度可通过在混合发电系统中流动的所选择流体来控制。尤其是，燃料电池温度可通过离开压缩机及燃气轮机组件的及通过中间同流换热器时的流体来控制。因此可实施不同的加热方式来控制或调节燃料电池的一个或多个工作参数、如温度和/或功率输出。例如，如果需要最大的燃料电池冷却，则离开压缩机的流体可旁路同流换热器及直接导入燃料电池。以此方式，不发生压缩流体的预热。
根据另一加热方式，相对冷的压缩流体旁路同流换热器及导入热控制堆。热控制堆工作及以上述方式冷却燃料电池。
根据另一加热方式，某些百分比的压缩机流体旁路同流换热器及导入热控制堆(如50％)，及其余的流体通过同流换热器及然后被导入燃料电池。
根据又一加热方式，大多数或所有的压缩机流体通过同流换热器，在这里它被加热及然后被导入燃料电池或热控制堆。可替换地，某些百分比的预热流体可被导入燃料电池及其余的在被导入燃气轮机组件前被导入二次加热源、如燃烧器。普通技术人员将理解在这些后述方式中发生的流体加热。
图12表示图1的混合发电系统的一个可替换实施例。图示的混合发电系统200控制燃气轮机组件193的功率输出。该实施例的描述类似于上述系统70的某些方面。系统200将来自空气源的空气190通过任何适合的流体导管导入压缩机192，在这里它被压缩、加压及加热，及然后从这里被排出。被加热及加压的空气可通过流体导管202被导入热交换器206、如一个同流换热器，在这里它被由燃气轮机组件193排出的废气预热，如下面还将更详细描述的。
燃料208在可任选地通过热交换器206后可被导入电化学转换系统212，在这里它被燃气轮机废气预热。被加热的空气190及燃料208作为输入反应物工作及通过合适的导管被导入电化学转换系统212。该电化学转换系统212可与图1的电化学转换系统72相同。电化学转换系统212处理燃料及氧化剂反应物并在一个工作方式中发电及产生与高温废气相关的废热。该电能是直流电，它可被交流发电机(未示出)转换成交流电。由电化学转换系统212产生的废气可通过适合的流体管道或导管214被耦合-及可任选地直接耦合-到燃气轮机膨胀器196。轮机膨胀器196使电化学转换系统产生的废气绝热地膨胀，及将该热能转换成旋转能量，用于随后传送给发电机198。发电机198发出电，它可用于商业及家用两种用途。在该结构中，电化学转换系统212作为燃气轮机组件193的燃烧器工作及燃气轮机作为底部循环装置工作。
使用电化学转换系统212作为燃气轮机燃烧器的一个优点是，该转换系统作为附加的发电机工作。图示的电连接器222从系统212吸取电能。燃气轮机及发电机部件是公知技术及从商业中可得到的。普通技术人员易于理解该电化学转换器及燃气轮机连接的方式，尤其是根据这里的说明及图示。
燃气轮机组件还产生可被获取及可通过流体导管218输送的、用于后继应用的热废气。根据一个实施形式，所述轮机废气通过热交换器206。燃料208及被加热空气也通过热交换器206。与轮机废气相关的废热用于对导入电化学转换系统212前的空气及燃料预热。最好，在输入的反应物及输出废气之间的显热交换是这样的，即在气体之间的对流热交换是最佳的，或某些特定的热量是同流换热的。例如，与另外将传送出系统的废气相关的废热被输入反应气体吸收了。其效果是，至少部分废气流中携带的废热被连续地回收，用于加热反应物。通过使用热交换机构，系统的热损耗量被减小，由此改善了整体系统效率。
电化学转换系统212工作在升高的温度及增高的压力上。该电化学转换器最好为一种燃料电池系统，该系统可包括类似于美国专利US4,853,100所述及所示类型的相互交叉的热交换器，该专利结合于此作为参考。
图示的电化学转换系统212可包括工作在选择的工作温度上的燃料电池(如图1及5-7所示)及一个可任选的热控制堆。根据一个优选实施例，燃料电池是固态氧化物燃料电池，它具有约为1000℃的工作温度及由此产生具有约此等级温度的废气。某些燃气轮机、如小型轮机单元需要具有低于1000℃的温度的输入流体，该温度通常约为900℃。因此流体温度的要求将指令由电化学转换系统212发出的高温废气被调节到与燃气轮机组件193需要的输入温度相匹配的温度幅度上。本发明通过提供多种适合对转换系统废气进行可选择的一定程度的温度控制的方法来致力于解决温度的不适配。
再参照图12，该混合发电系统200还包括多个流体调节装置及控制器200，用于调节导入系统200的燃料量及调节导入燃气轮机组件193的废气温度。图示的混合发电系统200包括跨接在压缩机流体导管202及废气流体导管214之间的第一流体调节装置204。该流体调节装置有选择地允许从压缩机192排出的被加热空气的一部分直接地与再被电化学转换系统212加热过的废气在导入燃气轮机膨胀器20前相混合或混和。
如该技术领域中所公知的，传统的燃气轮机容许输入工作流体到达一定的最大温度。燃气轮机组件193可工作在较低温度上，但轮机的功率输出相应地降低。因此，如果燃气轮机14具有900℃的最大输入温度要求，则电化学转换系统的高温废气应被冷却到至少该温度幅值上或低于该温度，以便符合燃气轮机的工作要求。在此情况下，压缩机192排放的空气的温度典型地低于电化学转换系统212的废气温度。旁路阀204可由控制器220控制，以允许部分或全部空气通过旁路导管224来混合及冷却电化学转换系统212的高温废气。通过调节与废气相混合的空气量，所产生的废气流体温度可被调节到所需幅值上。根据一个实施形式，依据用户选择或预储存的温度条件，废气温度被调节到等于或低于最大轮机温度的温度上。在上述的例子中，电化学转换系统212的高温废气可被冷却到900℃或甚至更低。
再参照图12，流体调节装置204可通过适合的通信连接路径连接到控制器220。控制器220可包括适当的存储器，在其上存储了根据用户确定或预选的程序操作流体调节装置204的程序指令。控制器220可根据存储的程序选择地打开或关闭该装置，以允许预定量的空气与电化学转换系统212产生的高温废气相混合。流过流体调节装置204的空气量可被作为电化学转换系统212、燃气轮机组件193的所需功率输出及所需系统效率的函数，该系统需要在所需功率输出上操作燃气轮机并调节导入到轮机膨胀器196中的流体的量及温度。
图示的混合发电系统200还包括调节燃料的流体调节装置210，它调节导入电化学转换系统212中的燃料量。流体调节装置210通过任何适合的通信连接路径与控制器220形成反馈连接。控制器220及装置210调节导入电化学转换系统的燃料量，及由此调节它的输出功率，而不引起混合发电系统200的工作温度的相应减小。这允许电化学转换系统212连续工作在或接近在最佳系统效率上。此外，调节电化学转换系统212的功率输出能使控制器220调节燃气轮机的功率输出及由此调节整个系统200的功率输出。
图示控制器也可连接到空气及燃料存储器，以控制输入到混合发电系统200的空气及燃料的量。因此控制器220作为系统的模组件计算中心工作，及可用各种方式编程以控制反应物流及相应地控制系统200的功率输出。
系统200还可使用设置在转换系统212与轮机膨胀器196之间的可任选的燃烧器216，以便当废气导入轮机前附加地加热废气。燃烧器216对轮机膨胀器196的驱动气体提供附加的温度等级控制。
图示的混合发电系统200的一个显著优点是它允许通过将高效、紧凑的电化学转换器与底部装置构成组件结合形成一个高效率系统来发电。电化学转换系统212与燃气轮机组件193的组合形成了混合发电系统，它具有约等于或甚至大于70％的总发电效率。该系统效率表明对现有技术的燃气轮机系统及现有技术的电化学转换系统所获得效率的显著增高。图示的混合发电系统包括发电及提供高级热能的电化学转换器，并且利用了电化学转换器的长处。例如，该转换器可作为低NOx热源工作，由此相对传统的燃气轮机发电厂来说改善了环境性能。
图示的包括流体调节装置204及210及控制器220的混合发电系统200的控制部分的一个显著优点是，该系统通过将某些系统部件调节到最大值、优化、增加或减小系统200的功率输出，可获得整个系统效率的进一步增加。此外，图示的能量系统10可获得对电化学转换系统12及燃气轮机组件14的功率输出的完全控制。
图13表示图1及12的混合发电系统的一个变换实施例。该图示的混合发电系统230控制燃气轮机组件258的功率输出。该实施例的说明类似于上述系统70的某些方面。系统230使来自一个空气源的空气232通过任何适当的流体导管导入压缩机234中，在这里它被压缩、加压及加热，然后从这里排放出去。被加热及加压的空气可通过流体导管242导入热交换器244、如一个同流换热器，在这里它被由燃气轮机组件258排出的废气预热，这将在下面更详细地描述。
燃料246在可任选地通过热交换器244后可被导入电化学转换系统250，在热交换器244中它也被燃气轮机废气预热。被加热的空气232及燃料246作为电化学转换系统250的输入反应物工作。电化学转换系统250可与图1及12的电化学转换系统72及212相同。
电化学转换系统250在一个工作方式中处理燃料及氧化剂反应物及发出电并产生与高温废气相关的废热。该电能为典型的直流电，它可被交流发电机(未示出)转换成交流电。由电化学转换系统250产生的废气将通过另一热交换器248，用于附加地加热进入电化学转换系统250的空气(或燃料)。离开电化学转换系统250的高温废气可具有比导入热交换器248的空气更高的温度。在该结构中，该系统回收电化学转换系统250及燃气轮机组件258两者的废热，以便控制系统效率。
离开热交换器248的废气可通过流体管道254被耦合-及可选择地直接耦合-到燃气轮机膨胀器238。轮机膨胀器238使电化学转换系统250产生的废气绝热地膨胀，及将该热能转换成旋转能量，用于随后传送给发电机240。发电机240发出电，它可用于商业及家用两种用途。在该结构中，电化学转换系统250作为燃气轮机组件258的燃烧器工作及燃气轮机作为底部循环装置工作。
作为燃气轮机燃烧器使用的电化学转换系统250的一个优点是，该转换系统作为附加的发电机工作。图示的电连接器252从系统230吸取电能。燃气轮机及发电机部件是公知技术及从商业中可得到的。普通技术人员易于理解该电化学转换器及燃气轮机连接的方式，尤其是根据这里的说明及图示。
燃气轮机组件258还产生可被获取及可通过流体导管256输送的、用于后继应用的热废气。根据一个实施形式，轮机废气通过热交换器244。燃料246和/或加热后的空气也可通过热交换器244。与轮机废气相关的废热用于当导入电化学转换系统250前的燃料及空气的预热。最好，在输入的反应物及输出轮机废气之间的显热交换是这样的，即在气体之间的对流热交换是最佳的，或某些具体的热量是同流换热的。例如，与另外将传送出系统的废气相关的废热被输入反应气体吸收了。其效果是，至少轮机废气流中携带的部分废热被连续地回收，用于加热反应物。通过使用热交换机构，系统的热损耗量被减小，由此改善了整体系统效率。该图示的混合系统还通过使用第二热交换器248回收废热，以便用转换系统250的废气预热一个或多个通过它的反应物。
电化学转换系统250工作在升高的温度及增高的压力上。该电化学转换器最好为一种燃料电池系统，该系统可包括类似于美国专利US4,853,100所述及所示类型的相互交叉的热交换器，该专利结合于此作为参考。
图示的电化学转换系统250可包括工作在选择的工作温度上的燃料电池(如图1及5-7所示)及一个可选择的热控制堆。根据一个优选实施例，燃料电池是固态氧化物燃料电池，它具有约为1000℃的工作温度及由此产生具有约此等级温度的废气。某些燃气轮机、如小型轮机单元需要具有等于或低于1000℃的温度的输入流体。该流体温度的要求将指令由电化学转换系统212发出的高温废气被调节到与燃气轮机组件258需要的输入温度相匹配的温度幅度上。本发明通过提供对转换系统废气可选择的一定程度的温度控制来致力于解决温度要求或温度的不适配。
如该技术领域中所公知的，传统的燃气轮机容许输入工作流体到达一定的最大温度。燃气轮机组件258可工作在较低温度上，但轮机的功率输出相应地降低。因此，如果燃气轮机258具有约800℃与900℃之间的最大输入温度要求，则电化学转换系统的高温废气应被冷却到至少该温度幅值上，以便符合燃气轮机的工作要求。在此情况下，由电化学转换系统250排放的空气的温度可被用于预热输入反应物，由此降低废气的整体温度。通过调节热交换量，所产生的废气流体温度可被调节到所需幅值上。根据一个实施形式，依据用户选择或预储存的温度条件，废气温度被调节或控制到等于或低于最大轮机温度的温度上。在上述的例子中，高温废气可被冷却到约900℃或更低。
图示的混合发电系统230的一个显著优点是它允许通过将高效、紧凑的电化学转换器与燃气轮机底部装置组合形成一个高效率系统来发电。电化学转换系统250与燃气轮机组件258的组合形成了混合发电系统，它具有约等于或甚至高于70％的总发电效率。该系统效率表明对现有技术的燃气轮机系统及现有技术的电化学系统所获得效率的显著增高。
图14表示图1，12及13的混合发电系统的一个变换实施例。该图示的混合发电系统260控制燃气轮机组件286的功率输出。该实施例的说明类似于上述系统70，200及230的某些方面。图示的混合发电系统260使来自一个空气源的空气262通过任何适当的流体导管导入压缩机264中，在这里它被压缩、加压及加热，然后从这里排放出去。被加热及加压的空气可通过流体导管270导入热交换器272、如一个同流换热器，在这里它被由燃气轮机组件286排出的废气预热，这将在下面更详细地描述。
燃料274在可选择地通过热交换器272后可被导入电化学转换系统278，在热交换器272中它也被燃气轮机废气预热。被加热空气及燃料作为电化学转换系统的输入反应物工作。转换系统278可与图1，12及13的电化学转换系统72，212及250相同。
电化学转换系统278在一个工作方式中处理燃料及氧化剂反应物及发出电并产生与高温废气相关的废热。该电能为典型的直流电，它可被交流发电机(未示出)转换成交流电。由电化学转换系统278产生的废气可通过流体管道282耦合-及可选择地直接耦合-到燃气轮机膨胀器266。轮机膨胀器266使电化学转换系统278产生的废气绝热地膨胀，及将该热能转换成旋转能量，用于随后传送给发电机268。发电机268发出电，它可用于商业及家用两种用途。在该结构中，电化学转换系统278作为燃气轮机组件286的燃烧器工作及燃气轮机作为底部循环装置工作。
使用电化学转换系统278作为燃气轮机燃烧器的一个优点是，该转换系统作为附加的发电机工作。图示的电连接器280从系统260吸取电能。燃气轮机及发电机部件是公知技术及从商业中可得到的。普通技术人员易于理解该电化学转换器及燃气轮机连接的方式，尤其是根据这里的说明及图示。
燃气轮机组件286还产生可被获取及可通过流体导管284输送的、用于后继应用的热废气。根据一个实施形式，轮机废气通过热交换器272。燃料和/或加热后的空气也可通过热交换器272。与轮机废气相关的废热用于当导入电化学转换系统278前的燃料和/或空气的预热。最好，在输入的反应物及输出轮机废气之间的显热交换是这样的，即在气体之间的对流热交换是最佳的，或某些特定的热量是同流换热的。例如，与另外将传送出系统的废气相关的废热被输入反应气体吸收了。其效果是，至少用于加热反应物的及轮机废气流中携带的部分废热被连续地回收。通过使用该热交换机构，系统的热损耗量被减小，由此改善了整体系统效率。
电化学转换系统278工作在升高的温度及增高的压力上。该电化学转换器最好为一种燃料电池系统，该系统可包括类似于美国专利US4,853,100所述及所示类型的相互交叉的热交换器，该专利结合于此作为参考。
图示的电化学转换系统278可包括工作在选择的工作温度上的燃料电池(如图1及5-7所示)及一个可选择的热控制堆。根据一个优选实施例，燃料电池是固态氧化物燃料电池，它具有约为1000℃的工作温度及由此产生具有约此等级温度的废气。某些燃气轮机、如小型轮机单元需要具有低于1000℃的温度、如800℃与900℃之间的输入流体。因此该流体温度的要求将指令由电化学转换系统278发出的高温废气被调节到与燃气轮机组件286需要的输入温度相匹配的温度幅度上。本发明通过提供对电化学转换系统废气可选择的一定程度的温度控制来致力于解决温度要求或温度的不适配。
如该技术领域中所公知的，传统的燃气轮机容许输入工作流体达到一定的最大温度。燃气轮机组件258可工作在较低温度上，但轮机的功率输出相应地降低。因此，如果燃气轮机258具有约800℃与约900℃之间的最大输入温度要求，则电化学转换系统的高温废气应被冷却到至少该温度幅值上，以便符合燃气轮机的工作要求。在此情况下，由电化学转换系统278排放的废气温度高于所需范围。因此，在它被导入轮机膨胀器前该系统必需耗散必要的热量。根据一个实施形式，流体导管的尺寸及参数被设计成通过对流、传导或辐射来耗散所需的废气热量。流体导管282的尺寸及参数可用任何需求的方式设计，及可用直的、弯曲的、蛇形的及其它适合方式来构型。通过调节流体导管中废气与大气或另外环境之间的热交换量，所产生的废气温度可被调节到所需程度。根据一个实施形式，依据用户选择或预存储的温度条件，产生的废气温度可被调节或控制到等于或低于最大轮机温度的温度上。
图示的混合发电系统260尤其可用于相对小的功率系统、如低于100kW的功率系统，及其中系统的面积-条件比大及热损耗支配着系统热平衡。
图示的混合发电系统260的一个显著优点是它允许通过将高效、紧凑的电化学转换器与燃气轮机组件组合形成一个高效率系统来发电。电化学转换系统278与燃气轮机组件286的组合形成了混合发电系统，它具有高于70％的总发电效率。该系统效率表明对现有技术的燃气轮机系统及现有技术的电化学系统所获得效率的显著增高。
图15表示图1及12-14的混合发电系统的一个变换实施例。该图示的混合发电系统290控制燃气轮机组件193的功率输出。该实施例的说明类似于上述系统70，200，230及260的某些方面。系统290使来自一个空气源的空气292通过任何适合的流体导管导入压缩机294中，在这里它被压缩、加压及加热，然后从这里排放出去。被加热及加压的空气可沿流体导管300导入热交换器302，在这里它被由电化学转换系统320产生的废热加热。然后被加热的空气导入燃气轮机组件306的轮机膨胀器296，在这里它作为膨胀器驱动气体工作。
燃料310在可选择地通过热交换器314后可被导入电化学转换系统320，在热交换器314中它被系统废气预热。类似地，空气312可通过交换器314及然后被导入电化学转换系统320。被加热的空气312及燃料310作为该电化学转换系统的输入反应物工作。被导入电化学转换系统320的空气及燃料的量可在输入端被流体调节单元310及312调节。流体调节单元310及312通过调节导入其中的反应物量来控制电化学转换系统的功率输出，及由此控制系统290的功率输出。该电化学转换系统320可与图1的电化学转换系统72相同。
电化学转换系统320在一个工作方式中处理燃料及氧化剂反应物及发出电并产生与高温废气相关的废热。由电化学转换系统320产生的废气可被选择地与轮机废气接合以形成系统废气，它然后沿导管308被传送到热交换器314，以便预热输入的燃料及空气反应物。系统320的废气可被直接地耦合到热交换器，或可与燃气轮机或系统废气相混合。根据另一实施形式，轮机废气及电化学转换系统废气可被分开地连接到热交换器314，以预热输入的反应物。与系统废气相关的废热用于当导入电化学转换系统320前的燃料及空气的预热。最好，在输入的反应物及输出轮机废气之间的显热交换是这样的，即在气体之间的对流热交换是最佳的，或某些特定的热量是同流换热的。例如，与另外将传送出系统的废气相关的废热被输入反应气体吸收了。其效果是，至少用于加热反应物的及废气流中携带的部分废热被连续地回收。通过使用热交换机构，系统的热损耗量被减小，由此改善了整体系统效率。
电化学转换系统320通过热辐射(如图示)、传导或对流将热传送到热交换器302。通过导管300的压缩空气通过热交换器302及被由电化学转换系统320产生的废热加热。通过热交换器302及导入轮机膨胀器296的空气量由流体调节单元304调节。流体调节单元304可允许部分或全部的被加热空气导入轮机296或传送到流体导管308。以此方式，控制器326可控制被导入轮机的驱动气体(例如被加热的空气)的量，及由此可控制轮机膨胀器296的功率输出。
轮机膨胀器296使电化学转换系统320产生的废气绝热地膨胀，及将该热能转换成旋转能量，用于随后传送给发电机298。发电机298发出电，它可用于商业及家用两种用途。在该结构中，电化学转换系统320作为燃气轮机组件306的燃烧器工作及燃气轮机作为电化学转换系统320的底部循环装置工作。此外，电化学转换系统320工作在升高的温度及增高的压力上。另一方面，加热压缩机空气的热交换器302通常是增高压力工作的部件。然后将被压缩及加热的空气作为燃气轮机组件306的驱动气体被利用。因此，图示的系统290使用低压子系统利用来自环境压力子系统的废热将压缩空气加热到与燃气轮机组件306适配的温度上。这些不同的压力子系统的协同工作可使用在系统结构中，及由此可减轻整个系统290的设计结构及容差。
普通技术人员将理解在热交换器302中交换的废热将实现整系统的工作及效率。系统290可通过调节驱动气体的输入温度来调节或调整燃气轮机组件306的功率输出。此外，流体调节装置310及312调节导入电化学转换系统320的反应物量，及由此调节了燃料电池的功率输出。
图16表示图1，及12-15的混合发电系统的一个变换实施例。该图示的混合发电系统330控制燃气轮机组件340及电化学转换系统358的功率输出。该实施例的说明类似于上述系统70，200，230，260及290的某些方面。图示的混合发电系统330使来自一个空气源的空气332通过任何适当的流体导管导入压缩机334中，在这里它被压缩、加压及加热，然后从这里排放出去。被加热及加压的空气可沿流体导管344导入热交换器350，在这里它被由电化学转换系统358产生的废热加热。然后使被加热的空气导入燃气轮机组件340的轮机膨胀器336，在这里它作为膨胀器驱动气体工作。
燃料346在可选择地通过热交换器350后可被导入电化学转换系统358，在热交换器350中它被系统废气预热。被加热的空气及燃料作为电化学转换系统的输入反应物工作。转换系统358可与上述的电化学转换系统相同。
电化学转换系统358在一个工作方式中处理燃料及氧化剂反应物及发出电并产生与高温废气相关的废热。由电化学转换系统358产生的废气可通过流体管道360耦合-及可任选地直接耦合-到燃气轮机膨胀器336。轮机膨胀器336使电化学转换系统358产生的废气绝热地膨胀，及将该热能转换成旋转能量，用于随后传送给发电机338。发电机338发出电，它可用于商业及家用两种用途。
流过导管344的压缩空气直接通过热交换器350或可选择地旁路热交换器及通过流体调节单元354与热交换器350排出的空气相混合。该流体调节单元354可选择地调节与热交换器350排出的加热的空气相混合的压缩空气量。类似地，流体调节单元356调节进入电化学转换系统358的被加热及被压缩的空气量。根据一个实施方式，流体调节单元354调节导入装在压力容器内部的热控制堆的空气量。流体调节单元356接着可调节导入燃料电池的空气量，该燃料电池也可被安装在压力容器内。组合地，流体调节单元356及354可调节电化学转换系统358的功率输出和/或温度。
燃气轮机组件340还产生可被获取及可通过流体导管342输送的、用于后继应用的热废气。根据一个实施形式，轮机废气通过热交换器350。与轮机废气相关的废热用于当导入电化学转换系统358前的燃料和/或空气的预热。图示的混合发电系统330可使用流体调节单元352来调节通过热交换器350的被加热的轮机废气量。通过调节经过热交换器350的废气量，流体调节单元352可调节输入反应物的温度，及由此调节电化学转换系统358的热状态。
普通技术人员将容易理解可使用一个控制器来调节混合发电系统330的一个或多个部件。
图17表示图1，及12-16的混合发电系统的一个变换实施例。在该图示的混合发电系统370中使用一个或多个流体调节装置来控制燃气轮机组件380的功率输出。该实施例的说明类似于上述混合发电系统的某些方面。系统370使来自一个空气源的空气372通过任何适当的流体导管导入压缩机374中，在这里它被压缩、加压及加热，然后从这里排放出去。被加热及加压的空气可沿流体导管382导入热交换器390、例如一个同流换热器，在这里它被由燃气轮机组件380排放的废气加热，如下面将更详细描述的。
燃料386在可任选地通过热交换器390后可被导入电化学转换系统396，在热交换器390中它被系统废气预热。被加热的空气及燃料作为输入反应物工作及通过适当的导管装置被导入电化学转换系统。电化学转换系统396可与上述的电化学转换系统类似或相同。电化学转换系统396在一个工作方式中处理燃料及氧化剂反应物及发出电并产生与高温废气相关的废热。由电化学转换系统396产生的废气可通过适当的流体管道或导管装置399耦合到燃气轮机膨胀器376。轮机膨胀器376使电化学转换系统产生的废气绝热地膨胀，及将该热能转换成旋转能量，用于随后传送给发电机378。发电机378发出电，它可用于商业及家用两种用途。在该结构中，电化学转换系统396作为燃气轮机组件380的燃烧器工作及燃气轮机作为底部循环装置工作。
燃气轮机组件380还产生可被获取及可通过流体导管406输送的、用于后继应用的热废气。根据一个实施形式，轮机废气通过热交换器390。燃料和被加热的空气也通过该交换器390。与轮机废气相关的废热用于当导入电化学转换系统396前的燃料和/或空气的预热。最好，在输入的反应物及输出废气之间的显热交换是这样的，即在气体之间的对流热交换是最佳的，或某些具体的热量是同流换热的。例如，与另外将传送出系统的废气相关的废热被输入反应气体吸收了。其效果是，至少部分用于加热反应物的及废气流中携带的废热被连续地回收。通过使用热交换机构，系统的热损耗量被减小，由此改善了整体系统效率。
图示的电化学转换系统396可包括工作在选择的工作温度上的燃料电池(如图1及5-7所示)及一个可任选的热控制堆(如图8-11所示)。根据一个优选实施例，燃料电池是固态氧化物燃料电池，它具有约为1000℃的工作温度及由此产生具有约在此等级温度的废气。某些燃气轮机、如小型轮机单元需要具有低于1000℃的温度的输入流体，该温度通常约为900℃。因此流体温度的要求将指令由电化学转换系统396发出的高温废气被调节到与燃气轮机组件380需要的输入温度相匹配的温度幅度上。本发明通过提供多种适合对转换系统废气进行可选择的一定程度的温度控制的方法来致力于解决温度的不适配。
再参照图17，该混合发电系统370还包括多个流体调节装置及控制器410，用于调节导入电化学转换系统396的燃料量及调节导入及离开燃气轮机组件380的废气温度。图示的混合发电系统370包括跨接在压缩机流体导管382及电化学转换系统废气流体导管399之间的第一流体调节装置384。该流体调节装置384有选择地允许由压缩机374排出的压缩机空气的一部分直接地与电化学转换系统396的再加热的废气在导入燃气轮机膨胀器376前相混合或混和。
如该技术领域中所公知的，传统的燃气轮机容许输入工作流体达到一定的最大温度。燃气轮机组件380可工作在较低温度上，但轮机的功率输出相应地降低。因此，如果燃气轮机具有900℃的最大输入温度要求，则电化学转换系统的高温废气应被冷却到至少该温度幅值上或低于该温度，以便符合燃气轮机的工作要求。在此情况下，压缩机374排放的空气的温度典型地低于电化学转换系统396的废气温度。旁路阀384可由控制器410控制，以允许部分或全部空气通过旁路导管385混合及冷却电化学转换系统396的高温废气。通过调节与废气相混合的空气量，所产生的废气流体温度可被调节到所需幅值上。根据一个实施形式，依据用户选择或预储存的温度条件，废气温度被调节到等于或低于最大轮机温度的温度上。在上述的例子中，电化学转换系统396的高温废气可被冷却到900℃或甚至更低。
图示的混合发电系统370还包括调节燃料的流体调节装置388，它调节导入电化学转换系统396中的燃料量。流体调节装置388通过任何适合的通信连接路径与控制器410形成反馈连接。控制器410及流体调节装置388调节导入电化学转换系统396的燃料量，及由此调节它的输出功率。
图示的混合发电系统370还可使用设置在电化学转换系统396及轮机膨胀器376之间的任选的燃烧器398，以便在导入轮机前附加地加热废气和/或压缩空气。燃烧器398对轮机膨胀器376的驱动气体提供附加的温度水平控制。
流过导管382的压缩空气可选择地通过流体调节单元392与热交换器390排出的空气相混合。该流体调节单元392有选择地调节与热交换器390排出的空气相混合的压缩空气量。有选择地类似地，流体调节单元392调节进入电化学转换系统396的被加热及被压缩的空气量。根据一个实施方式，流体调节单元392调节导入电化学转换系统396的热控制堆的空气量。流体调节单元394接着可调节导入电化学转换系统396的燃料电池的空气量。组合地，流体调节单元392及394可调节电化学转换系统370的温度和/或功率输出，及由此调节整个系统的温度和/或功率输出。
电化学转换系统396的废气可直接地被导入燃气轮机组件380的轮机膨胀器376，或可旁路膨胀器及与轮机废气混合。流体调节单元404调节旁路导管400中的、与导管402中流过的轮机废气相混合的电化学转换系统396的废气量。因此流体调节单元404通过选择地调节导入其中的驱动气体量来控制燃气轮机的功率输出。
图18表示适用于本发明的混合发电系统的燃气轮机组件450。该图示的燃气轮机组件450包括一个具有形成在其中的空气入口454的外壳体452。空气入口被用来接收氧化剂反应物、例如被燃气轮机组件450使用的空气。通过空气入口454的空气被导入用于压缩空气的压缩机。压缩空气离开压缩机456及通过一个外室460的中间部分458。普通技术人员将易于理解外室460可作为类似于图12的同流换热器88的热交换器工作，以便预热压缩空气，用于随后被燃气轮机组件450使用。外室460由设置在燃气轮机组件外部分或外区域上外壳体452的舱壁部分构成。燃气轮机外壳体452的舱壁部分使用一个圆顶帽462，该圆顶帽用于在燃气轮机组件450的工作期间传送或转移一个或多个内部流体。
压缩空气流过外室460及被连接到一个穿透外壳体452的圆顶帽部分462的穿壁流体导管464。该穿壁流体导管464在其一端与外部热源、如上述电化学转换系统形成流体连通，及在另一端与外室460相连通。穿壁流体导管464将离开外环形室460的被加热压缩空气传送到外部热源。可使用一个连接器或适配器466来将穿壁流体导管464连接到燃气轮机组件450的内部部分。图示的连接器466可为足够使一个管道或管连接到燃气轮机组件450的一个或多个内部部件的任何适合的机械连接部分。根据一个实施例，连接器466可为一个波纹管，它允许流体导管464连接到燃气轮机组件450及相对该燃气轮机组件有选择地轴向移动，不过本发明也可考虑其它的连接器来减轻由工作在不同温度上的或具有不同膨胀系数的部件引起的热应力。
压缩空气被外部热源加热，及沿一个返回流体导管468返回到燃气轮机组件。返回流体导管468通过连接器472连接到中间室470。来自外部热源的废气通过中间室470及被导入轮机膨胀器474。该轮机膨胀器使废气绝热地膨胀，然后通过内室476。通过内室476的轮机废气通过圆顶帽部分462收集到外室460，在这里废气与压缩空气交换热，以便在空气沿流体导管464导入外部热源前预热空气。然后轮机废气通过排出孔478从燃气轮机组件450排出或放出。
普通技术人员将易于理解可使用流体调节结构与燃气轮机组件450相结合，以便对燃气轮机组件450的一个或多个参数执行某些选择的控制。作为例子，可在返回流体导管468中设置栅孔，以便将热源的废气与流过内环形室476的燃气轮机废气有选择地混合。类似地，可在圆顶帽462中形成栅孔，以便将轮机废气排放到周围环境。
普通技术人员将易于理解，图示的燃气轮机组件450可包括其它传统的部件、如轴480。以上燃气轮机组件450的描述仅是一个示范例，及普通技术人员将易于理解，可使用其它的构型来实现本发明。尤其是，本发明考虑了设置一个或多个穿壁流体导管来充分地提取压缩空气，用于随后输送给外部热源，及然后将热源的废气输送给燃气轮机组件。普通技术人员将易于理解，在任何具体的结构中可使用任何选择数目的穿壁流体导管，例如轴向对称的构型，以便从燃气轮机组件进行流体的提取，或将流体输送到燃气轮机组件。
普通技术人员将易于理解，除上述不同系统结构外可使用各种系统流体流结构及流体调节单元布置，并同时控制燃料电池的温度及一个或多个系统部件、子系统或组件。
可以看出，本发明的效率实现了所述目的，这些在上述说明中已经阐明。因为在不偏离本发明范围的情况下可对上述结构作出某些改变，故包括在以上说明中或附图中所示的所有内容应理解成是说明性，而非限制性的。
还可以理解，以下的权利要求书用于覆盖这里所述的本发明的所有类型及具体特征，及本发明范围的所有陈述这些都应被认为落入权利要求的范围。
权利要求
1.用于发电的混合发电系统(70，200，370)，包括一个或多个压缩机，用于压缩第一介质；一个或多个电化学转换系统，它们相对所述压缩机布置，以接收第一及第二介质，电化学转换系统被构造成允许在第一与第二介质之间发生电化学反应，以发电及产生燃料电池废气；一个或多个轮机，它们与电化学转换系统形成流体连通及相对所述电化学转换系统布置，以接收废气的至少一部分，所述废气作为轮机驱动流体工作，其中所述轮机产生轮机废气；及调节装置，用于通过电化学转换系统的废气来调节轮机的一个或多个工作参数。
2.根据权利要求1所述的混合发电系统，其中所述调节装置包括用于将电化学转换系统的废气的剩余部分与轮机废气相组合以形成废气混合物来控制轮机工作参数的装置。
3.根据权利要求1所述的混合发电系统，其中所述调节装置包括设置在所述电化学转换系统与所述轮机之间或与它们两者形成流体连通的调节单元，用于调节来自所述电化学转换系统并旁路所述轮机的废气的量。
4.根据权利要求1所述的混合发电系统，其中所述调节装置包括设置在所述电化学转换系统与所述轮机之间及与它们两者形成流体连通的调节单元，用于调节来自所述电化学转换系统并导入所述轮机的废气的量。
5.根据权利要求1所述的混合发电系统，还包括冷却装置，用于冷却在导入轮机前的电化学转换系统的废气。
6.根据权利要求5所述的混合发电系统，其中所述冷却装置包括与电化学转换系统及轮机相连通的流体导管，用于将所述电化学转换系统废气传送到轮机，及其中所述流体导管适于在导入所述轮机前从电化学转换系统废气中辐射地、传导地、或对流地传走热。
7.根据权利要求1所述的混合发电系统，其中所述工作参数包括轮机速度，轮机功率输出或轮机温度。
8.根据权利要求1所述的混合发电系统，其中所述调节装置包括用于调节导入轮机的电化学转换系统废气量的装置。
9.根据以上权利要求中任一项所述的混合发电系统，还包括与电化学转换系统及轮机形成流体连通的流体调节单元，用于调节进入轮机及旁路轮机的电化学转换系统的废气的量，所述旁路部分与轮机废气相组合或被排放到大气中。
10.根据权利要求8所述的混合发电系统，其中所述流体调节单元包括阀，闸门单元，转动球或膜片。
11.根据权利要求8所述的混合发电系统，其中所述流体调节单元包括一个三通阀。
12.根据以上权利要求中任一项所述的混合发电系统，其中轮机仅接收电化学转换系统废气的一部分。
13.根据以上权利要求中任一项所述的混合发电系统，还包括设置在轮机与电化学转换系统之间及用于至少接收第一介质、第二介质、轮机废气、电化学转换系统废气及组合废气中之一的热交换单元。
14.根据权利要求13所述的混合发电系统，还包括用于将废气混合物导入热交换单元的装置，其中所述废气混合物选择地对通过热交换单元时的所述第一及第二介质中至少之一进行加热。
15.根据权利要求14所述的混合发电系统，还包括用于将压缩的第一介质在通过热交换单元后导入电化学转换系统中的装置。
16.根据权利要求13所述的混合发电系统，其中所述热交换单元包括一个热交换器及一个同流换热器中至少之一。
17.根据以上权利要求中任一项所述的混合发电系统，还包括设置在压缩机与电化学转换系统之间的第二流体调节单元，用于调节与电化学转换系统的废气相混合的、压缩的第一介质的量。
18.根据权利要求17所述的混合发电系统，还包括用于通过控制与电化学转换系统的废气相混合的、压缩的第一介质的量来控制轮机工作参数的装置。
19.根据以上权利要求中任一项所述的混合发电系统，还包括第三流体调节单元，用于调节导入电化学转换系统的第二介质的量，由此控制电化学转换系统产生的功率。
20.根据以上权利要求中任一项所述的混合发电系统，还包括设置在电化学转换系统与轮机之间的加热源，用于将导入轮机前的电化学转换系统的废气加热到一个选择的升高温度上。
21.根据权利要求20所述的混合发电系统，其中所述加热源包括一个燃烧器。
22.根据以上权利要求中任一项所述的混合发电系统，其中所述电化学转换系统包括电化学转换器及至少一个热控制堆以及一个容器，其中所述容器的尺寸设计成用于容纳燃料电池及可选择地容纳热控制堆。
23.根据权利要求22所述的混合发电系统，还包括用于收集热控制堆及燃料电池的废气以形成电化学转换系统的废气的装置及用于从容器中排放电化学转换系统废气以便其外部使用的装置。
24.根据权利要求22所述的混合发电系统，还包括第四流体调节单元，用于调节导入热控制堆的第一介质的量。
25.根据权利要求24所述的混合发电系统，其中所述第四流体调节单元被布置在热交换单元及热控制堆两者之一与压缩机之间，用于调节来自压缩机的被压缩的第一介质的量或调节来自热交换单元并被导入热控制堆的第一介质的量。
26.根据以上权利要求中任一项所述的混合发电系统，还包括将来自多个不同源的第一介质导入电化学转换系统中的装置。
27.根据权利要求26所述的混合发电系统，其中所述多个不同的源包括压缩机及热交换单元。
28.根据权利要求25所述的混合发电系统，还包括用于将由压缩机排放的第一介质的至少一部分在导入热交换单元前导入第四流体调节单元的装置。
29.根据权利要求25所述的混合发电系统，还包括布置在热交换单元与电化学转换系统之间的第五流体调节单元，用于调节通过热交换单元及进入燃料电池的第一介质的量。
30.根据权利要求1所述的混合发电系统，还包括布置在电化学转换系统及压缩机之间的同流换热器，它用于接收废气混合物及第一及第二介质中至少之一，以便用废气混合物加热介质，及设置在轮机及同流换热器两者中的至少一个与电化学转换系统之间的逆流热交换器，它用于接收电化学转换系统废气与第一及第二介质中两者之一，以便用电化学转换系统废气来加热第一及第二介质之一。
31.根据权利要求28所述的混合发电系统，还包括用于将被压缩的第一介质与来自热交换单元的被加热、被压缩的第一介质在导入热控制堆前相混合的装置。
32.根据权利要求22所述的混合发电系统，还包括用于将第一及第二介质导入热控制堆的装置。
33.根据以上权利要求中任一项所述的混合发电系统，还包括与轮机相连接及用于接收轮机旋转能量的发电机，其中该发电机响应轮机旋转能量来发电。
34.根据以上权利要求中任一项所述的混合发电系统，其中电化学转换系统包括燃料电池，及其中所述燃料电池包括具有多个堆叠的转换器单元的电化学转换器组件，该堆叠的转换单元包括多个在一侧具有氧化剂电极材料及在另一侧具有燃料电极材料的电解质板、及多个用于与电解质板产生电接触的中间连接板，其中转换器单元堆通过交替叠放的中间连接板与电解质板组装而成。
35.根据权利要求34所述的混合发电系统，其中堆叠的转换单元包括多个轴向与堆连接及用于接收第一及第二介质的歧管，及包括与该歧管连接的介质加热装置，用于将第一及第二介质的至少一部分加热到转换器的工作温度。
36.根据权利要求35所述的混合发电系统，其中中间连接板包括导热的连接板。
37.根据权利要求35所述的混合发电系统，其中介质加热装置包括中间板的导热的及整体形成的、伸入到轴向歧管中的延伸面。
38.根据权利要求35所述的混合发电系统，其中转换器单元堆还包括多个放置在电解质板与中间连接板之间的隔板。
39.根据以上权利要求中任一项所述的混合发电系统，其中电化学转换系统包括燃料电池，及其中发电系统还包括用于维持燃料电池的工作温度在约20℃与约1500℃之间的装置。
40.根据以上权利要求中任一项所述的混合发电系统，其中所述电化学转换系统包括从以下组中选择的燃料电池，该组包括固态氧化物燃料电池、熔态碳酸盐燃料电池、磷酸燃料电池、碱性燃料电池、及质子交换膜燃料电池。
41.根据以上权利要求中任一项所述的混合发电系统，其中所述电化学转换系统与压缩机及轮机串成行或非成行布置。
42.使用混合发电系统发电的方法，包括以下步骤压缩第一介质，设置一个或多个电化学转换系统，用于允许在第一与第二介质发生电化学反应及产生废气，设置一个或多个轮机，以接收电化学转换系统废气的一部分，所述废气作为轮机驱动流体工作，其中所述轮机产生轮机废气，及通过来自电化学转换系统的废气来调节轮机的工作参数。
43.根据权利要求42所述的方法，其中所述调节步骤包括以下步骤将一部分电化学转换系统废气导入轮机，及将电化学转换系统废气的剩余部分与轮机废气相组合以形成废气混合物来控制轮机的工作参数。
44.根据权利要求42所述的方法，还包括调节直接与所述轮机废气混合的、来自电化学转换系统的废气量的步骤。
45.根据权利要求42所述的方法，还包括调节导入所述轮机的、来自电化学转换系统的废气量的步骤。
46.根据权利要求42所述的方法，还包括冷却在导入轮机前的电化学转换系统废气的步骤。
47.根据权利要求42所述的方法，还包括在导入所述轮机前从电化学转换系统废气中辐射地、传导地、或对流地传热的步骤。
48.根据权利要求42所述的方法，还包括在轮机与电化学转换系统之间设置热交换单元，用于接收第一介质、第二介质、轮机废气及电化学转换系统废气中至少之一的步骤。
49.根据权利要求48所述的方法，还包括将废气混合物导入热交换单元，及选择地对通过热交换单元时的所述第一及第二介质中至少之一进行加热的步骤。
50.根据权利要求42所述的方法，还包括调节与电化学转换系统的废气相混合的、压缩的第一介质的量的步骤。
51.根据权利要求42所述的方法，还包括通过控制与电化学转换系统的废气相混合的、压缩的第一介质的量来控制轮机工作参数的步骤。
52.根据权利要求42所述的方法，还包括调节导入电化学转换系统的第二介质的量，由此控制电化学转换系统产生的功率的步骤。
53.根据权利要求42所述的方法，还包括将离开电化学转换系统的电化学转换系统的废气在导入轮机前加热到一个选择的升高温度上的步骤。
54.根据权利要求42所述的方法，还包括构造电化学转换系统，以包括燃料电池及至少一个热控制堆以及一个容器的步骤，其中所述容器的尺寸设计成用于容纳燃料电池及可选择地容纳热控制堆。
55.根据权利要求54所述的方法，还包括以下步骤收集热控制堆及燃料电池的废气以形成电化学转换系统的废气，及从容器中排放电化学转换系统废气以便其外部的使用。
56.根据权利要求54所述的方法，还包括调节导入热控制堆的第一介质的量的步骤。
57.根据权利要求54所述的方法，还包括调节被导入热控制堆的、被压缩的第一介质的量的步骤。
58.根据权利要求42所述的方法，还包括将来自多个不同源的第一介质导入电化学转换系统中的步骤。
59.用于发电的混合发电系统(230)，包括一个或多个压缩机，用于压缩第一介质，一个或多个电化学转换系统，它们相对所述压缩机布置，以接收第一及第二介质，电化学转换系统被构造成允许在第一与第二介质之间发生电化学反应，以发电及产生电化学转换系统废气，一个或多个轮机，它们与电化学转换系统形成流体连通及相对所述电化学转换系统布置，以接收电化学转换系统废气的至少一部分，所述废气作为轮机驱动流体工作，及其中所述轮机发电及产生轮机废气，一个或多个布置在电化学转换系统及压缩机之间的同流换热器，它用于接收至少一部分轮机废气或电化学转换系统废气及第一及第二介质中两者至少之一，以便用轮机废气加热介质，及一个或多个设置在压缩机及同流换热器两者中的至少一个与电化学转换系统之间的热交换器，所述热交换器用于接收通过该同流换热器的第一及第二介质中之一与电化学转换系统废气，所述热交换器被构造成使电化学转换系统废气在导入电化学转换系统前来加热通过它的介质。
60.根据权利要求59所述的混合发电系统，其中轮机仅接收电化学转换系统废气的一部分。
61.根据权利要求59或60所述的混合发电系统，其中所述同流换热器用于接收第一介质，第二介质，及轮机废气或电化学转换系统废气。
62.根据权利要求59-61中任一项所述的混合发电系统，其中所述同流换热器包括外部逆流热交换器及辐射热交换器两者之一。
63.根据权利要求59-62中任一项所述的混合发电系统，还包括设置在压缩机与电化学转换系统之间的流体调节单元，用于调节与电化学转换系统的废气相混合的、压缩的第一介质的量。
64.根据权利要求59-62中任一项所述的混合发电系统，还包括用于通过控制与电化学转换系统的废气相混合的、压缩的第一介质的量来控制轮机工作参数的装置。
65.根据权利要求59-64中任一项所述的混合发电系统，还包括第二流体调节单元，用于调节导入电化学转换系统的第二介质的量，由此控制电化学转换系统产生的功率。
66.根据权利要求59-65中任一项所述的混合发电系统，还包括设置在电化学转换系统与轮机之间的加热源，用于将电化学转换系统的废气在导入轮机前加热到一个选择的升高温度上。
67.根据权利要求59-66中任一项所述的混合发电系统，其中所述电化学转换系统包括燃料电池及至少一个热控制堆以及一个容器，其中所述容器的尺寸设计成用于容纳燃料电池及可选择地容纳热控制堆。
68.根据权利要求59所述的混合发电系统，其中所述电化学转换系统包括燃料电池及至少一个热控制堆，所述系统还包括一个容器，用于收集热控制堆及燃料电池的废气以形成电化学转换系统的废气。
69.根据权利要求68所述的混合发电系统，还包括一个流体调节单元，用于调节导入热控制堆的第一介质的量。
70.根据权利要求69所述的混合发电系统，其中所述流体调节单元被布置在热交换单元及热控制堆两者之一与压缩机之间，用于调节来自压缩机的被压缩的第一介质的量或调节来自热交换单元并被导入热控制堆的第一介质的量。
71.根据权利要求59-70中任一项所述的混合发电系统，还包括将来自多个不同源的第一介质导入电化学转换系统中的装置。
72.根据权利要求59所述的混合发电系统，其中所述同流换热器被布置成接收第二介质、被压缩的第一介质及轮机废气，及其中所述同流换热器用于使轮机废气加热通过它时的第一及第二介质。
73.使用混合发电系统发电的方法，包括以下步骤压缩第一介质，设置电化学转换系统，以接收第一介质及第二介质，该电化学转换系统被构造成允许在第一与第二介质之间发生电化学反应并发电及产生电化学转换系统废气，布置轮机与电化学转换系统形成流体连通，以接收电化学转换系统废气的至少一部分，所述废气作为轮机驱动流体工作，及其中所述轮机发电及产生轮机废气，用轮机废气加热第一及第二介质之一，及在导入电化学转换系统前用电化学转换系统的废气来加热第一及第二介质之一。
74.根据权利要求72所述的方法，其中用轮机废气加热第一及第二介质之一的步骤包括在电化学转换系统与压缩机之间设置同流换热器的步骤，用于接收轮机废气或电化学转换系统废气的至少一部分及第一及第二介质中两者至少之一，以便用废气加热介质。
75.根据权利要求73或74所述的方法，其中在导入电化学转换系统前用电化学转换系统废气加热第一及第二介质之一的步骤还包括在压缩机及同流换热器两者之一与电化学转换系统之间设置热交换器的步骤，所述热交换器用于接收通过同流换热器的第一及第二介质之一及电化学转换系统废气，所述热交换器被构造成使电化学转换系统废气加热导入电化学转换系统前通过它的介质。
76.根据权利要求73-75中任一项所述的方法，还包括调节与电化学转换系统废气混合的被压缩的第一介质的量的步骤。
77.根据权利要求73-75中任一项所述的方法，还包括通过控制与电化学转换系统废气相混合的、压缩的第一介质的量来控制轮机工作参数的步骤。
78.根据权利要求73-76中任一项所述的方法，还包括调节导入电化学转换系统中的第二介质的量，由此控制由电化学转换系统发出的功率的步骤。
79.根据权利要求73-78中任一项所述的方法，还包括在导入轮机前将电化学转换系统废气的至少一部分加热到选择的升高温度上的步骤。
80.根据权利要求73-79中任一项所述的方法，其中所述电化学转换系统包括燃料电池及至少一个热控制堆，还包括收集热控制堆及燃料电池的废气以形成电化学转换系统废气的步骤。
81.根据权利要求80所述的方法，还包括调节导入热控制堆的第一介质的量的步骤。
82.根据权利要求80所述的方法，还包括调节来自压缩机的压缩的第一介质的量或来自热交换单元的导入热控制堆的第一介质的量的步骤。
83.根据权利要求73-82中任一项所述的方法，还包括将来自多个不同源的第一介质导入电化学转换系统的步骤。
84.用于发电的混合发电系统(70，200，230，260，370)，包括一个或多个压缩机，用于压缩第一介质，一个或多个电化学转换系统，它们相对所述压缩机布置，以接收第一及第二介质，电化学转换系统被构造成允许在第一与第二介质之间发生电化学反应，以发电及产生燃料电池废气，一个或多个轮机，它们与电化学转换系统形成流体连通及相对所述电化学转换系统布置，以接收废气的一部分，所述废气作为轮机驱动流体工作，其中所述轮机发电及产生轮机废气，及用于冷却导入轮机前的电化学转换系统的废气的冷却装置。
85.根据权利要求84所述的混合发电系统，其中所述冷却装置包括用于控制轮机工作参数的装置。
86.根据权利要求84或85所述的混合发电系统，其中所述冷却装置包括从电化学转换系统废气中辐射地、传导地、或对流地传走热。
87.根据权利要求84-86中任一项所述的混合发电系统，还包括设置在电化学转换系统与压缩机之间的同流换热器，它用于接收轮机废气及电化学转换系统废气之一，及第一及第二介质中至少之一，其中所述废气当通过同流换热器时加热介质。
88.根据权利要求87所述的混合发电系统，其中所述同流换热器是一个辐射型或逆流型热交换器。
89.根据权利要求87所述的混合发电系统，其中所述同流换热器被布置成接收第二介质、被压缩的第一介质及轮机废气，及其中所述同流换热器用于使轮机废气加热通过它时的第一及第二介质。
90.根据权利要求85所述的混合发电系统，其中所述工作参数包括速度，功率或温度。
91.根据权利要求84-90中任一项所述的混合发电系统，还包括与电化学转换系统及轮机形成流体连通的流体调节单元，用于调节与轮机废气相组合的来自电化学转换系统的废气的量。
92.根据权利要求91所述的混合发电系统，其中所述流体调节单元包括阀，闸门单元，转动球或膜片。
93.根据权利要求84-92中任一项所述的混合发电系统，还包括设置在压缩机与电化学转换系统之间及用于接收第一介质、第二介质、轮机废气及电化学转换系统废气中至少之一的热交换单元，其中所述废气选择地对通过热交换单元时的所述第一及第二介质中至少之一进行加热。
94.根据权利要求93所述的混合发电系统，还包括用于将压缩的第一介质在通过热交换单元后导入电化学转换系统中的装置。
95.根据权利要求84-94中任一项所述的混合发电系统，还包括设置在压缩机与电化学转换系统之间的第二流体调节单元，用于调节与电化学转换系统的废气相混合的、被加热的或未被加热的、压缩的第一介质的量。
96.根据权利要求95所述的混合发电系统，还包括用于通过控制与电化学转换系统的废气相混合的、被加热的或未被加热的、压缩的第一介质的量来控制轮机工作参数的装置。
97.根据权利要求84-96中任一项所述的混合发电系统，还包括第三流体调节单元，用于调节导入电化学转换系统的第二介质的量，由此控制电化学转换系统产生的功率。
98.根据权利要求84-97中任一项所述的混合发电系统，其中所述电化学转换系统包括燃料电池、热控制堆以及一个容器，其中所述容器的尺寸设计成用于容纳燃料电池及可选择地容纳热控制堆。
99.根据权利要求98所述的混合发电系统，还包括用于收集热控制堆及燃料电池的废气以形成电化学转换系统的废气的装置，及用于从容器中排放电化学转换系统废气以便其外部使用的装置。
100.根据权利要求84-99中任一项所述的混合发电系统，还包括第四流体调节单元，用于调节导入热控制堆的第一介质的量。
101.根据权利要求100所述的混合发电系统，其中所述第四流体调节单元被布置在压缩机与热控制堆之间，用于调节导入热控制堆的被压缩的第一介质的量。
102.根据权利要求84-101中任一项所述的混合发电系统，还包括将来自多个不同源的第一介质导入电化学转换系统中的装置。
103.根据权利要求84所述的混合发电系统， 还包括布置在电化学转换系统及压缩机之间的同流换热器，它用于接收轮机废气和/或电化学转换系统的废气及第一及第二介质中至少之一，以便用废气混合物加热介质，和/或设置在轮机及同流换热器两者中的至少一个与电化学转换系统之间的热交换器，它用于接收电化学转换系统废气与第一及第二介质中两者之一，以便用电化学转换系统废气来加热第一及第二介质之一。
104.根据权利要求103所述的混合发电系统，还包括用于在导入热控制堆前将被压缩的第一介质与来自热交换器的被加热的、被压缩的第一介质相混合的装置。
105.根据权利要求84-104中任一项所述的混合发电系统，还包括用于将第一及第二介质导入热控制堆的装置。
106.根据权利要求84-105中任一项所述的混合发电系统，还包括与轮机相连接及用于接收轮机旋转能量的发电机，其中该发电机响应轮机旋转能量来发电。
107.使用混合发电系统发电的方法，包括以下步骤压缩第一介质，设置电化学转换系统，以接收第一介质及第二介质，该电化学转换系统被构造成允许在第一与第二介质之间发生电化学反应并产生废气，将轮机与电化学转换系统形成流体连通及相对所述电化学转换系统布置轮机，以接收电化学转换系统废气的至少一部分，所述废气作为轮机驱动流体工作，及其中所述轮机发电及产生轮机废气，在导入轮机前冷却电化学转换系统的废气。
108.根据权利要求107所述的方法，还包括调节与电化学转换系统的废气相混合的、被加热的或未被加热的、压缩的第一介质的量的步骤。
109.根据权利要求107所述的方法，还包括通过控制与电化学转换系统的废气相混合的、被加热的或未被加热的、压缩的第一介质的量来控制轮机工作参数的步骤。
110.根据权利要求107所述的方法，还包括控制轮机工作参数的步骤。
111.根据权利要求107-110中任一项所述的方法，其中所述冷却步骤包括从电化学转换系统废气中辐射地、传导地、或对流地传热的步骤。
112.根据权利要求107-111中任一项所述的方法，还包括在电化学转换系统与压缩机之间设置同流换热器的步骤，用于接收轮机废气及电化学转换系统废气之一及第一及第二介质中至少之一，其中所述废气加热通过同流换热器时的所述介质。
113.根据权利要求107-112中任一项所述的方法，还包括调节与轮机废气相组合的来自电化学转换系统的废气的量的步骤。
114.根据权利要求107-113中任一项所述的方法，还包括在压缩机与电化学转换系统之间设置热交换单元的步骤，所述热交换单元用于接收第一介质、第二介质、轮机废气及电化学转换系统废气中至少之一，及用所述废气之一选择地对通过热交换单元时的所述第一及第二介质中至少之一进行加热。
115.根据权利要求114所述的方法，还包括在通过热交换器后将被加热的或未被加热的、压缩的第一介质导入电化学转换系统的步骤。
116.根据权利要求107-115中任一项所述的方法，还包括调节与电化学转换系统的废气相混合的、被加热的或未被加热的、压缩的第一介质的量的步骤。
117.根据权利要求107-116中任一项所述的方法，还包括通过控制与电化学转换系统的废气相混合的、压缩的第一介质的量来控制轮机工作参数的步骤。
118.根据权利要求107-117中任一项所述的方法，还包括调节导入电化学转换系统中的第二介质的量，由此来控制由电化学转换系统产生的功率的步骤。
119.根据权利要求107-118中任一项所述的方法，其中所述电化学转换系统包括燃料电池、热控制堆以及一个容器，其中所述容器的尺寸设计成用于容纳燃料电池及热控制堆。
120.根据权利要求119所述的方法，还包括用于收集热控制堆及燃料电池的废气以形成电化学转换系统的废气，及从容器中排放电化学转换系统废气以便其外部使用的步骤。
121.根据权利要求119或120中任一项所述的方法，还包括调节导入热控制堆的第一介质的量的步骤。
122.根据权利要求107-121中任一项所述的方法，还包括将来自多个不同源的第一介质导入电化学转换系统中的步骤。
123.根据权利要求119或120中任一项所述的方法，还包括在导入热控制堆前将被压缩的第一介质与来自热交换器的被加热、被压缩的第一介质相混合的步骤。
124.根据权利要求119或120中任一项所述的方法，还包括将第一及第二介质导入热控制堆的步骤。
125.用于发电的混合发电系统(290)，包括一个或多个压缩机，用于压缩第一介质的至少一部分以产生压缩的介质，一个或多个电化学转换系统，用以接收第一及第二介质，电化学转换系统被构造成允许在第一与第二介质之间发生电化学反应，以发电及产生燃料电池废气，一个或多个与电化学转换系统形成热连接的热交换器，用于接收压缩的介质，所述热交换器与电化学转换系统交换热以便调节通过热交换器时的压缩介质，及一个或多个轮机，它们被构造成接收离开热交换器的压缩介质，所述压缩介质作为轮机的驱动流体以便发电。
126.根据权利要求125所述的混合发电系统，还包括用于调节导入轮机的压缩介质的量以控制它的工作参数的流体调节单元。
127.根据权利要求125所述的混合发电系统，还包括设置成与热交换器、轮机或电化学转换系统废气连接的流体调节单元，用于将来自热交换器的压缩介质的至少一部分与电化学转换系统废气相组合，以便控制轮机的工作参数。
128.根据权利要求127所述的混合发电系统，其中所述工作参数包括速度，功率或轮机温度。
129.根据权利要求125-128中任一项所述的混合发电系统，还包括逆流热交换器，它用于接收第一介质和/或第二介质，及还包括一个附加的流体调节单元，用于调节离开逆流热交换器并导入电化学转换系统的所述第一或第二介质的量。
130.根据权利要求125所述的混合发电系统，其中所述电化学转换系统包括一热控制堆及一个或多个设置在容器中的燃料电池，所述系统还包括一个逆流热交换器，第一流体调节单元，用于调节离开逆流热交换器并导入热控制堆的所述第一介质的量，和/或第二流体调节单元，用于调节离开该热交换器并导入燃料电池的所述第一介质的量。
131.根据权利要求125所述的混合发电系统，还包括一个逆流热交换器，用于接收第一介质、第二介质、轮机废气及电化学转换系统废气中的至少一个。
132.根据权利要求125所述的混合发电系统，其中所述轮机还包括布置在轮机与电化学转换系统之间的同流换热器，它用于接收第一介质、第二介质、轮机废气及电化学转换系统废气中的至少一个，以便加热通过该同流换热器时的所述第一及第二介质中至少之一。
133.根据权利要求125-132中任一项所述的混合发电系统，其中所述电化学转换系统包括一个燃料电池、至少一个热控制堆以及一个容器，其中所述容器的尺寸设计成用于容纳燃料电池及热控制堆。
134.根据权利要求133所述的混合发电系统，还包括用于收集热控制堆及燃料电池的废气以形成电化学转换系统的废气的装置，及用于从容器中排放电化学转换系统废气以便其外部使用的装置。
135.根据权利要求125-134中任一项所述的混合发电系统，还包括第一流体调节单元，用于调节导入电化学转换系统的第二介质的量，由此来控制由电化学转换系统产生的功率。
136.使用混合发电系统发电的方法，包括以下步骤压缩第一介质的至少一部分以产生压缩的介质，设置电化学转换系统，用以接收第一介质的剩余部分与第二介质中的至少一部分，电化学转换系统被构造成允许在第一与第二介质之间发生电化学反应，以发电及产生废气，在电化学转换系统与压缩介质之间交换热，以便调节压缩介质，及将被加热的压缩介质传送到轮机，轮机被构造成接收压缩介质，所述压缩介质作为轮机发电的驱动流体。
137.根据权利要求136所述的方法，还包括调节导入轮机的压缩的第一介质的量以控制它的工作参数的步骤。
138.根据权利要求136所述的方法，还包括调节离开逆流热交换器并导入电化学转换系统的第一介质的量的步骤。
139.根据权利要求136所述的方法，其中所述电化学转换系统包括一个热控制堆、一个或多个设置在容器中的燃料电池及一个逆流热交换器，该逆流热交换器用于接收第一介质和/或第二介质，还包括调节离开该逆流热交换器并导入热控制堆和/或燃料电池中的所述第一介质的量的步骤。
140.根据权利要求136所述的方法，其中所述热交换步骤包括设置与电化学转换系统热连接及用于接收压缩介质的第一热交换器的步骤。
141.根据权利要求136-140中任一项所述的方法，还包括将电化学转换系统废气的至少一部分与来自轮机的废气相组合以控制轮机工作温度的步骤。
142.根据权利要求136-141中任一项所述的方法，还包括在导入电化学转换系统前加热所述第一介质及所述第二介质之一的步骤。
143.根据权利要求142所述的方法，还包括将第一介质、第二介质、轮机废气及电化学转换系统废气中至少之一导入第二热交换单元的步骤。
144.根据权利要求141中任一项所述的方法，还包括控制离开第一热交换器并与电化学转换系统废气混合的、压缩的第一介质的量的步骤。
145.根据权利要求136-144中任一项所述的方法，其中所述电化学转换系统包括一燃料电池、至少一个热控制堆及一容器，其中所述容器的尺寸设计成用于容纳燃料电池及热控制堆，还包括收集热控制堆及燃料电池的废气以形成电化学转换系统废气，及从容器中排放电化学转换系统废气以便其外部使用的步骤。
146.根据权利要求136-145中任一项所述的方法，还包括将来自多个不同源的第一介质导入电化学转换系统中的步骤。
147.根据权利要求136-146中任一项所述的方法，还包括调节与轮机废气相组合的、来自电化学转换系统的废气的量的步骤。
148.根据权利要求136-147中任一项所述的方法，还包括调节与电化学转换系统废气相混合的、压缩的第一介质的量的步骤。
149.根据权利要求136-147中任一项所述的方法，还包括调节导入电化学转换系统的第二介质的量，由此控制电化学转换系统发出的功率的步骤。
150.根据权利要求136-147中任一项所述的方法，还包括调节导入电化学转换系统或导入构成电化学转换系统一部分的热控制堆的第一介质的量的步骤。
151.用于获得适用于构造成发电的混合发电系统的条件介质的系统，包括一个电化学转换系统，它具有一个或多个用于接收第一及第二介质的燃料电池，电化学转换系统被构造成允许在第一及第二介质之间产生电化学反应及产生燃料电池废气及发电，与燃料电池形成热连接的一个或多个热控制堆，用于燃料电池温度的热调节，所述热控制堆产生热控制废气，及设置在所述热控制堆及所述燃料电池外围的压力容器，所述压力容器收集所述燃料电池废气及所述热控制堆废气以在工作时形成组合废气，及从所述压力容器中排出所述组合废气以便其外部使用的装置。
152.根据权利要求151的系统，其中每个所述燃料电池包括多个堆形式的燃料电池单元，各个堆包括夹叠导热板的电解质板。
153.根据权利要求151或152的系统，其中每个所述热控制堆包括多个堆叠的导热板。
154.根据权利要求151-153中任一项的系统，其中所述热控制堆与燃料电池相互交叉。
155.根据权利要求151-154中任一项的系统，其中所述热控制堆被构造成作为热源或散热器工作。
156.根据权利要求151-155中任一项的系统，还包括一个与电化学转换系统连接的燃气轮机系统。
157.根据权利要求151的系统，还包括一个同流换热器，它用于接收组合废气及第一及第二介质中两者至少之一，以便用所述废气加热所述介质，和/或一个逆流热交换器，它用于接收电化学转换系统废气与第一及第二介质中两者之一，以便用电化学转换系统废气来加热第一及第二介质之一。
158.用于获得适用于构造成发电的混合发电系统的条件介质的方法，包括以下步骤设置具有一个或多个燃料电池的电化学转换系统，用于接收第一及第二介质，电化学转换系统被构造成允许在第一及第二介质之间产生电化学反应及产生燃料电池废气及发电，设置与燃料电池形成热连接的一个或多个热控制堆，用于燃料电池温度的热调节，所述热控制堆产生热控制废气，及用设置在所述热控制堆及所述燃料电池外围的压力容器收集所述燃料电池废气及所述热控制堆废气以在工作时形成组合废气，及从所述压力容器中排出所述组合废气以便其外部使用。
159.根据权利要求158所述的方法，包括由多个堆叠的导热板形成热控制堆的步骤。
160.根据权利要求158或159所述的方法，包括将热控制堆与燃料电池相互交叉的步骤。
161.根据权利要求158-160中任一项所述的方法，包括将热控制堆作为热源或散热器工作的步骤。
162.根据权利要求158-161中任一项所述的方法，还包括将一个燃气轮机系统与电化学转换系统连接的步骤。
163.根据权利要求158-161中任一项所述的方法，还包括以下步骤压缩第一介质，及设置一个与电化学转换系统形成流体连通的轮机，以从容器接收组合废气，所述组合废气作为轮机驱动流体工作，其中所述轮机产生轮机废气。
164.根据权利要求163所述的方法，还包括将电化学转换系统的组合废气与轮机废气相组合以形成废气混合物用于控制轮机工作参数的步骤。
165.根据权利要求164所述的方法，还包括冷却在导入轮机前的电化学转换系统的组合废气的步骤。
166.根据权利要求158-165中任一项所述的方法，还包括与电化学转换系统交换热以调节压缩的第一介质及将压缩的介质导入轮机的步骤，所述压缩的介质作为轮机的驱动流体工作。
167.根据权利要求163-166中任一项所述的方法，还包括调节与轮机废气相组合的、来自电化学转换系统的组合废气的量的步骤。
168.根据权利要求163-166中任一项所述的方法，还包括选择地加热压缩的第一介质，及将被加热的、压缩的第一介质导入电化学转换系统中的步骤。
169.根据权利要求158-168中任一项所述的方法，还包括调节与电化学转换系统的组合废气相混合的、压缩的第一介质的量的步骤。
170.根据权利要求169所述的方法，还包括通过控制与电化学转换系统的组合废气相混合的、压缩的第一介质的量来控制轮机的工作参数的步骤。
171.根据权利要求158-170中任一项所述的方法，还包括调节导入电化学转换系统的第二介质的量，由此来控制由电化学转换系统产生的功率的步骤。
172.根据权利要求163-171中任一项所述的方法，还包括将导入轮机前的电化学转换系统的废气加热到一个选择的升高温度上的步骤。
173.根据权利要求158-172中任一项所述的方法，还包括调节导入热控制堆的第一介质的量的步骤。
174.根据权利要求158-173中任一项所述的方法，还包括将来自多个不同源的第一介质导入电化学转换系统中的步骤。
175.根据权利要求158-174中任一项所述的方法，还包括将燃料电池的温度保持在接近恒定温度上的步骤。
176.用于获得适用于构造成发电的混合发电系统的条件介质的系统，包括一个电化学转换系统，它具有一个或多个用于接收第一及第二介质的燃料电池，电化学转换系统被构造成允许在第一及第二介质之间产生电化学反应及产生燃料电池废气及发电，与燃料电池形成热连接的一个或多个热控制堆，用于燃料电池温度的热调节，其中所述热控制堆被构造成作为热源或散热器工作，及设置在所述热控制堆及所述燃料电池外围的压力容器，及从所述压力容器中排出所述组合废气以便其外部使用的装置。
177.根据权利要求176的系统，其中所述热控制堆用于产生热控制废气及所述压力容器用于收集所述燃料电池废气及所述热控制废气以在工作时形成组合废气。
178.根据权利要求176或177的系统，其中每个所述燃料电池包括多个堆形式的燃料电池单元，各个堆包括夹叠导热板的电解质板。
179.根据权利要求176-178中任一项的系统，其中每个所述热控制堆包括多个堆叠的导热板。
180.根据权利要求176-179中任一项的系统，其中所述热控制堆与燃料电池相互交叉。
181.根据权利要求176的系统，其中所述热控制堆包括多个多孔板。
182.根据权利要求181的系统，其中所述热控制堆包括夹叠所述多个多孔板的多个导热板。
183.根据权利要求176的系统，其中所述热控制堆包括具有一个内腔的多孔结构，用于允许流过它的流体通过多孔结构到其外表面。
184.根据权利要求176-183中任一项的系统，还包括一个与电化学转换系统连接的燃气轮机系统。
185.根据权利要求176-180中任一项的系统，还包括一个用于压缩第一介质的压缩机，及一个与电化学转换系统形成流体连通及相对电化学转换系统布置的轮机，用于接收来自容器的废气，所述废气作为轮机驱动流体工作，其中所述轮机产生轮机废气。
186.根据权利要求185的系统，还包括用于将电化学转换系统废气与轮机废气相组合形成废气混合物以控制轮机的工作参数的装置。
187.根据权利要求186的系统，其中所述工作参数包括速度，功率或轮机温度。
188.根据权利要求186的系统，还包括冷却装置，用于冷却在导入轮机前的电化学转换系统的废气。
189.根据权利要求185-188中任一项的系统，还包括一个与电化学转换系统形成热连接的热交换器，它用于接收压缩的第一介质，所述热交换器与电化学转换系统交换热以便调节通过热交换器时的压缩的第一介质，及其中所述轮机被构造成接收离开热交换器的压缩介质，所述压缩介质作为轮机的驱动流体工作。
190.根据权利要求185-189中任一项的系统，还包括与电化学转换系统的废气及轮机的废气形成流体连通的流体调节单元，用于调节与轮机废气组合的、来自电化学转换系统的废气的量。
191.根据权利要求185-190中任一项的系统，还包括设置在压缩机与电化学转换系统之间的流体调节单元，它用于接收第一介质、第二介质、轮机废气及电化学转换系统废气中至少之一，其中所述废气选择地加热通过热交换单元时的所述第一及第二介质中至少之一。
192.根据权利要求191的系统，还包括用于将压缩的第一介质在通过热交换单元后导入电化学转换系统中的装置.
193.根据权利要求191的系统，其中所述热交换单元包括一个外部逆流热交换器及一个辐射热交换器之一。
194.根据权利要求185-193中任一项的系统，还包括设置在压缩机与电化学转换系统之间的第二流体调节单元，用于调节与电化学转换系统的废气相混合的、压缩的第一介质的量。
195.根据权利要求194的系统，还包括用于通过控制与电化学转换系统的废气相混合的、压缩的第一介质的量来控制轮机工作参数的装置。
196.根据权利要求176-195中任一项的系统，还包括第三流体调节单元，用于调节导入电化学转换系统的第二介质的量，由此控制电化学转换系统产生的功率。
197.根据权利要求185-196中任一项的系统，还包括设置在电化学转换系统与轮机之间的加热源，用于将导入轮机前的电化学转换系统的废气加热到一个选择的升高温度上。
198.根据权利要求176-197中任一项的系统， 还包括第四流体调节单元，用于调节导入热控制堆的第一介质的量。
199.根据权利要求176-198中任一项的系统，还包括将来自多个不同源的第一介质导入电化学转换系统中的装置。
200.根据权利要求185-199中任一项的系统，还包括布置在电化学转换系统及压缩机之间的同流换热器，它用于接收废气及至少第一及第二介质之一，以便用废气加热介质，及设置在轮机及同流换热器两者中的至少一个与电化学转换系统之间的逆流热交换器，它用于接收电化学转换系统废气与第一及第二介质中两者之一，以便用电化学转换系统废气来加热第一及第二介质之一。
201.根据权利要求191的系统，还包括用于在导入热控制堆前将被压缩的第一介质与来自热交换单元的被加热的、被压缩的第一介质相混合的装置。
202.根据权利要求185-201中任一项的系统，还包括与轮机相连接及用于接收轮机旋转能量的发电机，其中该发电机响应轮机旋转能量来发电。
203.根据权利要求176-202中任一项的系统，其中燃料电池或热控制单元包括一个或多个轴向地形成在其中的歧管。
204.根据权利要求176-203中任一项的系统，其中电化学转换系统还包括用于维持燃料电池的工作温度在约20℃与约1500℃之间的装置。
205.根据权利要求176-204中任一项的系统，其中所述燃料电池是从包括固态氧化物燃料电池、熔态碳酸盐燃料电池、磷酸燃料电池、碱性燃料电池、及质子交换膜燃料电池的组中选择出来的。
206.根据权利要求176-205中任一项的系统，还包括将燃料电池的温度保持在接近恒定温度上的装置。
207.用于获得适用于构造成发电的混合发电系统的废气的方法，包括以下步骤设置具有一个或多个燃料电池的电化学转换系统，该电化学转换系统被构造成允许在第一及第二介质之间产生电化学反应及产生燃料电池废气及发电，及设置一个或多个与燃料电池形成热连接的热控制堆，用于燃料电池温度的热调节，使热控制堆作为热源或散热器工作，用设置在所述热控制堆及所述燃料电池外围的压力容器收集来自电化学转换系统的废气，及从所述压力容器中排出所述废气以便其外部使用。
208.用于发电的混合发电系统(70，200，370)，包括一个或多个压缩机，用于压缩第一介质和/或第二介质的至少一部分，一个或多个相对所述压缩机布置的电化学转换系统，用以接收第一及第二介质，电化学转换系统被构造成允许在第一与第二介质之间发生电化学反应，以发电及产生具有可选择的升高温度的废气，一个或多个燃烧器，用于接收电化学转换系统废气、第一介质和/或第二介质中的至少一部分以允许在废气与介质之间发生电化学反应，以便将热能加入到电化学转换系统废气中，一个或多个与电化学转换系统形成流体连通的轮机，用于接收电化学转换系统废气的至少一部分，所述废气作为轮机驱动流体工作，其中所述轮机产生轮机废气，及一个或多个热交换器，用于接收离开压缩机的第一及第二介质之一及轮机废气，以便选择地加热介质。
209.根据权利要求208所述的混合发电系统，还包括用于旁路电化学转换系统废气的剩余部分及将所述废气剩余部分与轮机废气混合形成废气混合物以控制轮机工作参数。
210.用于发电的混合发电系统(70，330，370)，包括一个或多个压缩机，用于压缩第一介质，一个或多个相对所述压缩机布置的电化学转换系统，用以接收第一及第二介质，电化学转换系统被构造成允许在第一与第二介质之间发生电化学反应，以发电及产生废气，一个或多个与电化学转换系统形成流体连通及相对所述电化学转换系统布置的轮机，用于接收废气的至少一部分，所述废气作为轮机驱动流体工作，其中所述轮机产生轮机废气，一个或多个设置在轮机与电化学转换系统之间的热交换器，用于接收第一及第二介质中至少之一及轮机废气，以便在导入电化学转换系统前用轮机废气预热这些介质之一，及一个或多个相对热交换器布置的流体调节单元，用于调节导入热交换器的轮机废气的量，以确定所发生的介质预热的量。
211.使用混合发电系统发电的方法，包括以下步骤压缩第一介质，设置一个或多个电化学转换系统，用以使压缩的第一介质与第二介质发生电化学反应，以发电及产生废气，设置一个或多个与电化学转换系统形成流体连通及相对所述电化学转换系统布置的轮机，用于接收废气的至少一部分，所述废气作为轮机驱动流体工作，其中所述轮机产生轮机废气，在导入电化学转换系统前用轮机废气预热这些介质之一，及调节导入热交换器的轮机废气的量。
212.用于发电的混合发电系统(70，200，330，370)，包括一个或多个压缩机，用于压缩第一介质，一个或多个相对所述压缩机布置的电化学转换系统，用以接收第一及第二介质，电化学转换系统被构造成允许在第一与第二介质之间发生电化学反应，以发电及产生燃料电池废气，一令或多个与电化学转换系统形成流体连通及相对所述电化学转换系统布置的轮机，用于接收燃料电池废气的至少一部分，所述废气作为轮机驱动流体工作，其中所述轮机产生轮机废气，一个相对压缩机、轮机及电化学转换系统布置的热交换器，用于接收第一及第二介质中至少之一及轮机废气，以便在导入电化学转换系统前用轮机废气预热这些介质之一，及一个可调节的旁路导管，用于使所述压缩的第一介质或所述轮机废气的至少一部分绕过所述热交换器。
213.根据权利要求212所述的混合发电系统，还包括一个相对热交换器及旁路导管布置的流体调节单元，用于调节导入或离开热交换器的轮机废气的量，以确定所发生的第一或第二介质预热的量。
214.根据权利要求212所述的混合发电系统，还包括还包括一个相对热交换器及旁路导管布置的流体调节单元，用于调节通过热交换器的压编的介质的量。
215.根据权利要求212所述的混合发电系统，其中所述旁路导管调节轮机速度、轮机功率输出或轮机速度之一。
216.混合发电系统，包括燃气轮机组件，具有一个安装用于压缩第一介质的压缩机的壳体及轮机膨胀器，和一个或多个穿壁流体导管，用于穿入壳体与壳体内部分形成连通，所述流体导管用于使流体从燃气轮机组件传送到外部热源或从外部热源传送到燃气轮机组件。
217.根据权利要求216所述的混合发电系统，还包括与流体导管连接的一个连接器，用于将流体导管连接到燃气轮机组件。
218.根据权利要求217所述的混合发电系统，其中连接器包括一个波纹管。
219.根据权利要求216所述的混合发电系统，还包括电化学转换系统，它使燃气轮机组件与流体导管连接，以加热燃气轮机组件的流体或介质。
220.根据权利要求216所述的混合发电系统，其中燃气轮机组件包括形成在壳体中与第一穿壁流体导管连通的外室，用于将压缩介质传送到外部热源。
221.根据权利要求220所述的混合发电系统，其中燃气轮机组件包括形成在壳体中的中间室及连接到壳体上的第二穿壁流体导管，用于将外部热源的废气导入中间室，其中所述中间室与所述外部室连通。
222.用于控制燃料电池温度及发电的混合发电系统(70，200，260，290，330，370)，包括一个或多个压缩机，用于压缩第一介质，一个或多个电化学转换系统，用以允许在第一介质与第二介质之间发生电化学反应，以发电及产生燃料电池废气，一个或多个与电化学转换系统形成流体连通的轮机，用于产生轮机废气，一个或多个设置在电化学转换系统与压缩机之间的热交换器，它用于至少接收轮机废气的一部分或第一及第二介质之一，及一个或多个控制第一及第二介质之一或轮机废气的控制器，用于控制电化学转换系统的一个或多个工作参数。
223.根据权利要求222所述的混合发电系统，还包括一个或多个流体调节单元，用于调节流到电化学转换系统、轮机或热交换器的第一及第二介质之一的流量。
224.根据权利要求222所述的混合发电系统，其中所述工作参数包括功率输出或温度。
225.根据权利要求1，59，84，125，151，176，208，210，212及222所述的混合发电系统，其中所述电化学转换系统包括具有两维或三维结构的多个部件。
226.用于发电的混合发电系统，包括一个电化学转换系统，用以允许在第一介质与第二介质之间发生电化学反应，以发电，所述电化学转换系统包括用于接收至少第一介质的热控制堆，一个与电化学转换系统形成流体连通的燃气轮机组件，及一个设置来调节导入热控制堆的第一介质的量的流体调节单元，用于调节电化学转换系统的温度。
227.根据权利要求1，68，98，133，151及176所述的混合发电系统，包括设置来调节导入热控制堆的第一介质的量的一个流体调节单元，用于调节电化学转换系统的温度。
228.混合发电系统，包括一燃料电池，用于允许在第一与第二反应物发生电化学反应以发电，一设置用来调节导入燃料电池的第一介质的量的流体调节单元，一与燃料电池连接的变换器，用于变换它发出的电，及一与该流体调节单元及与该变换器连接的控制器，用于根据该变换器产生的输出信号控制该流体调节单元。
229.用于发电的混合发电系统，包括一电化学转换系统，用于发电及产生废气，一与电化学转换系统连接的燃气轮机组件，用于接收电化学转换系统的废气及将所述废气转换为电，所述燃气轮机组件包括用于发电的发电机，一相对燃气轮机组件及电化学转换系统布置的流体调节单元，用于调节导入燃气轮机组件的废气的量，及一与流体调节单元及与发电机连接的控制器，用于根据发电机产生的输出信号控制导入燃气轮机组件的废气量。
230.用选定程序操作混合发电系统的方法，包括以下步骤通过导入燃气轮机组件一定选择量的流体开始起动燃气轮机组件，在流体导入燃气轮机组件前加热该流体，及与燃气轮机组件起动无关地开始起动燃料电池的加热。
231.用选定程序操作具有燃气轮机组件及燃料电池的混合发电系统的方法，包括以下步骤在工作期间通过控制燃气轮机组件的一定选择量的流体的流动来控制燃气轮机组件的参数，及与控制燃气轮机组件参数无关地控制燃料电池的温度。
232.用选定程序操作混合发电系统的方法，包括以下步骤(a)通过控制导入燃气轮机组件的流体来控制燃气轮机组件的起动，(b)控制在导入燃气轮机组件前的流体加热量，及(c)在起动期间与燃气轮机组件起动无关地控制燃料电池的加热量。
233.根据权利要求232所述的方法，其中步骤(b)还包括用流体旁路燃气轮机组件的膨胀器的步骤。
234.根据权利要求232所述的方法，其中步骤(b)还包括用燃烧器或用热控制堆加热流体的步骤。
235.根据权利要求232所述的方法，其中步骤(c)还包括用热控制堆或用被加热的流体加热燃料电池的步骤。
全文摘要
该混合发电系统具有用于控制其工作参数并同时有效地操作系统的装置。该系统包括一个设有燃料电池及热控制堆的电化学转换系统，后者与一个热电联合或底部循环装置如燃气轮机组件相组合。该混合发电系统使用一个或多个流体调节装置来调节或控制系统中的一个或多个流体流。因此流体调节装置可使系统控制燃料电池和/或燃气轮机组件的功率输出或温度以及轮机速度。
文档编号H01M8/12GK1503996SQ00820114
公开日2004年6月9日 申请日期2000年10月30日 优先权日2000年10月30日
发明者M·S·苏, M S 苏 申请人:兹特克公司