专利名称：增高效率的燃料电池/涡轮发电装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及燃料电池系统，尤其涉及具有增高效率的整体化燃料电池和气体涡轮系统。
背景技术：
燃料电池是一种借助电化学反应将存储在碳氢燃料中的化学能量直接转化为电能的装置。通常，燃料电池包括被电解质隔开的阳极和阴极，电解质用于传导带电离子。
燃料电池可与热力发动机如涡轮发电机结合，从而得到高效系统，通常称作混合系统。在常规的混合系统中，燃料电池典型位于通常由涡轮发电机的燃烧室所占据的位置，从而加热由涡轮发电机压缩机部分压缩的空气，然后送至燃料电池阴极部分。在这种设置中，燃料电池以高压工作，这明显提高了发电装置硬件的成本，抑制了对燃料电池中的内部重整的利用。这进一步提高了发电装置成本并降低了效率，一旦发电装置失常则会使燃料电池承受潜在的损害压力差。并且，燃料电池压力与燃气轮机压力相连，因此其应用局限于对燃气轮机压力基本上与燃料电池压力匹配的系统设计。
为了克服这些缺点，研制了另一种类型的混合系统的设置方式，其中，将燃料电池设置在涡轮发电机的底部，于是从燃气轮机排放出的加热空气就被传送到燃料电池的阴极部分。被转让给与本申请相同受让人的美国专利No.6365290公开了这样一种混合燃料电池/燃气轮机系统，其中，热量回收单元采用来自燃料电池的废热以操作热机循环，并且设置系统使得在热量回收单元中并由热交换器加热的压缩氧化剂气体在热力发动机的膨胀循环中膨胀。然后使其经过还接收阳极废气的氧化剂，经过热交换器，并将所得的气体传送到燃料电池的阴极部分。
美国专利No.6365290的上述系统允许该燃料电池成为高温燃料电池，同时达到比较高的效率。然而，该系统同样要求燃料电池尺寸和燃气轮机尺寸匹配，从而得到最佳效率。这限制了系统的有效性。
因此，本发明的目的是提供一种改进的混合型燃料电池/涡轮机系统，该系统在使燃料电池和涡轮机之间的功率平衡的条件下具有更高的灵活性。
本发明的另一目的是提供一种混合型燃料电池/涡轮机系统，该系统具有提高的效率和增大的功率输出。
发明内容
根据本发明的原理，在包括以下装置的混合型燃料电池系统中实现上述和其它目的，该系统包括具有阳极部分和阴极部分的燃料电池；具有压缩氧化剂供应气体的压缩机循环和膨胀循环的热力发动机；和对来自燃料电池阴极部分的废气做出响应的热量回收单元。热量回收单元将热量供应至被压缩的氧化剂供应气体，该气体接着在热力发动机的膨胀循环中膨胀，从而提供膨胀的氧化剂供应气体，并产生用于在发电机中转换为电能的机械能。旁路组件将膨胀的氧化剂供应气体分为第一膨胀氧化剂供应气体部分和第二膨胀氧化剂供应气体部分，第一膨胀氧化剂供应气体部分用于产生输入到燃料电池阴极部分的氧化剂供应气体，第二膨胀氧化剂供应气体部分被排除到燃料电池之外。
在以下描述的本发明的实施方式中，旁路组件包括可控旁路阀，该可控旁路阀具有输入口，接收来自热力发动机的膨胀循环的膨胀氧化剂供应气体；和第一和第二输出部分，用于输出第一和第二膨胀氧化剂供应气体部分。第一部分与到达燃料电池的管线连接，第二部分与旁路管线连接，该旁路管线与对阴极废气做出响应的管线连接，该旁路管线形成旁路组件的一部分。旁路组件还包括控制配置例如用于检测第二膨胀氧化剂气体部分并用于调节用以可控制地分配第一和第二膨胀的氧化剂气体部分的旁路阀的气体流量检测和控制器。以此方式，热力发动机的压缩机循环和燃料电池能够以它们的最高效率进行工作。
下面描述采用碳酸盐燃料和固体氧化物燃料的电池的本发明的实施方式。
在结合附图阅读以下的详细描述时，本发明的上述和其它特点和方案将更为显而易见，其中图1表示根据本发明原理的采用碳酸盐燃料电池的改进的混合燃料电池/涡轮机系统；以及图2表示根据本发明原理的采用固体氧化物燃料电池的改进的氢化物燃料电池/涡轮机系统。
具体实施例方式
图1表示根据本发明原理的混合燃料电池系统1的第一实施例。系统1包括具有阳极部分2A和阴极部分2B的高温燃料电池2。如图所示，高温燃料电池2是内部重整或直接碳酸盐燃料电池。但也可采用外部重整碳酸盐燃料电池。将燃料电池2的DC输出馈送到DC-AC转换器5，以提供AC输出5A。
混合系统1包括热力发动机3，如图所示的涡轮发电机，该热力发动机3具有用于进行气体压缩循环的气体压缩机部分3A和用于进行气体膨胀循环的气体减压或膨胀部分3B。热力发动机3还包括连接到热力发动机3的发电机3C，该发电机3C用于将在膨胀循环中产生的机械能转换为电能。可采用热力发动机如燃气轮机或Sterling循环发动机作为典型的热力发动机。
混合系统1还包括热量回收单元(“HRU”)4，该单元接收接近环境压力的燃料和来自各燃料和水供应装置(未示出)的水。热量回收单元4还从燃料电池2的阴极部分2B接收约为1150-1200华氏度的加热废气。该加热废气包括未消耗的氧化剂气体以及燃烧产物，即，二氧化碳和水。
热量回收单元4用于将水加热至产生水蒸汽的温度并用于将燃料加热至适于进入到燃料电池阳极的温度。热量回收单元4还用作热交换器，该热交换器用于由热力发动机3的压缩机循环3A压缩的氧化剂气体，由此将压缩的氧化剂气体加热至在900-1100华氏度之间的温度。然后，将加热的压缩氧化剂气体传送至另一热量交换器6，用于进一步加热至超过1400华氏度的高温。在热量交换器6中加热之后，压缩的氧化剂气体经过热力发动机3的膨胀部分3B，在此其膨胀为约15.5psia的低压，产生用于由发电机3C转换为电能的机械能。
将一部分膨胀气体(阀9的输出部分9C)输送到氧化装置7，该氧化装置7还接收来自燃料电池的阳极部分2A的废气，废气中含有未消耗的氧化剂和燃烧产物，即，二氧化碳和水。来自氧化装置的输出水蒸汽在热交换器6中冷却至适于进入燃料电池的阴极部分2B的温度。
根据本发明1并如图1所示，混合系统1还包括旁路组件8，用于使来自涡轮机膨胀部分出口的一部分膨胀氧化剂气体围绕燃料电池2迂回到燃料电池阴极废气流。作为举例，旁路组件8包括旁路管线8A、可控气体流量控制阀如三通阀或转向阀(diverter valve)和气体流量检测和控制器10。
气体流量控制阀具有连接到热力发动机膨胀(涡轮)部分3B的出口的输入口9A和第一和第二输出部分9B和9C。第一输出部分9B与旁路管线8A连接，该旁路管线8A依次连接到承载来自燃料电池2的阴极部分2B的废气的管线。第二输出部分9C连接到馈送到氧化装置7的管线。通过基于在由流量检测器11检测的后一管线中的气体流量、借助阀致动组件9D(表示为马达驱动致动器)对阀9进行调节，来自热力发动机3的膨胀循环3B的膨胀氧化剂气体可被可控地分配给输出部分9B和9C。以此方式，可对输送到燃料电池2并在燃料电池周围迂回的膨胀氧化剂气体的量进行调节，以使系统1的效率达到最佳。
具体而言，可调节气体流量控制阀9，以使连接到输出部分9B的膨胀氧化剂气体的量对于燃料电池2的工作条件而言是充分和最佳的。此外，可调节在输出部分9B和9C之间的气体的分配，以便在燃料电池2中达到最佳的燃料电池温度分布和氧浓度。因此，气体流量控制阀9和气体流量检测器11用以在混合系统1的工作过程中控制和优化在燃料电池2和热力发动机3之间的功率平衡。
并且还可知，旁路组件8的采用使得热力发动机3以比由燃料电池工作所需的气体流量更高的气体流量进行工作，由此造成更大的热量恢复。因此，热力发动机3能够比缺乏组件8时产生更大的功率。这种额外功率使系统1具有更高的效率和更低的成本。此外，旁路组件8消除了在燃料电池2的尺寸和热力发动机3的尺寸之间的匹配限制。因此，混合燃料电池系统可采用商用热力发动机，这种热力发动机能够以比由特定的燃料电池允许的最大气体流量更高的气体流量进行工作。
根据本发明采用40MW发电装置、内部重整熔融碳酸盐燃料电池和燃气轮机对混合型燃料电池/燃气轮机系统1进行系统分析。然后，将这种系统分析结果与对如‘290专利所公开的没有旁路管线的混合型燃料电池/气体涡轮级系统的系统分析进行比较。这些系统的预计工作特性确定如下
如上所述，根据本发明的混合型燃料电池/燃气轮机系统1的工作比’290专利的混合型燃料电池/燃气轮机系统得到2.9％的效率提高和4％的功率输出提高。此外，本发明的混合系统1能够采用更大功率的燃气轮机，由此比’290专利的混合系统产生更高的燃气轮机功率输出。
图2表示根据本发明原理的混合燃料电池系统1的第二实施例。在此实施例中，所采用的高温燃料电池是具有阳极部分12A和阴极部分12B的固体氧化物燃料电池12。如图2所示，固体氧化物燃料电池2是内部重整固体氧化物燃料电池。然而，也可采用外部重整固体氧化物燃料电池。将燃料电池12的DC输出馈送至DC-AC转换器21，以提供AC输出21A。
固体氧化物混合系统11包括热力发动机13，如图中所示的涡轮发电机，热力发动机13具有用进行气体压缩循环的气体压缩机部分13A和用于进行气体膨胀循环的气体膨胀部分13B。热力发动机13还包括连接到气体膨胀部分13B的发电机13C，用于将在气体膨胀循环中产生的机械能转换为电能。
固体氧化物混合系统11还包括热量回收单元(“HRU”)14和氧化装置17。氧化装置17接收来自燃料电池12的阴极部分12B并包含未消耗氧化剂气体的加热废气、以及来自燃料电池12的阳极部分12A并包含未消耗的燃料和反应副产物(即二氧化碳和水)的一部分废气。氧化装置输出流被馈送到热量回收单元14。
热量回收单元14作为用于由热力发动机13的压缩机循环13A压缩的氧化剂气体的热交换器，由此通过氧化装置输出使压缩的氧化剂气体加热到超过1400华氏度的高温。然后使加热的压缩氧化剂气体经过热力发动机13的膨胀部分13B，在此其膨胀为约为15.5psia的低压，产生用于由发电机13C转换为电能的机械能。然后将一部分膨胀气体(阀9的输出部分9C)被馈送到固体氧化物燃料电池12的阴极12B。
根据如图2所示的本发明的第二实施例，混合型固体氧化物燃料电池系统还包括旁路组件18，用于使来自涡轮机膨胀部分出口的一部分膨胀氧化剂气体围绕燃料电池12和氧化装置17迂回到氧化装置的废气流。作为举例，旁路组件包括旁路管线18A、可控气体流量控制阀19如三通阀或转向阀和气体流量检测和控制器20。
气体流量控制阀19包括输入口19A、输出口19B、19C和阀致动组件马达19D(表示为马达驱动致动器)。输入口19A连接到热力发动机膨胀部分13B的输出部分。第一输出部分19B与旁路管线18A连接，旁路管线18A依次连接到使来自氧化装置7的氧化装置废气送至热量回收单元14的管线。作为选择，旁路管线可连接到来自阴极12B的废气，而不是来自氧化装置17的废气。第二输出部分19C连接到送至固体氧化物燃料电池12的阴极部分12B的管线。通过基于在由气体流量检测器20检测的后一管线中的气体流量、借助马达19D对气体流量控制阀19进行调节，来自热力发动机13的膨胀循环13B的膨胀氧化剂气体可被可控地分配给输出部分19B和19C。以此方式，与图1的实施例那样，可对馈送到固体氧化物燃料电池12并在燃料电池12周围迂回的膨胀氧化剂气体的量进行调节，以使系统11的效率达到最佳，并在系统工作期间控制和优化在燃料电池12和热力发动机13之间的功率平衡。
应理解，上面描述的所有情况仅是对表示本发明应用的许多可行的具体实施例的几个示例。在不脱离本发明的实质和范围的情况下，根据本发明的原理可很容易地设计出多种多样的其它设置方式。因此，例如，本发明的原理可适于其它高温燃料电池，例如，质子传导燃料电池。此外，本发明的原理可应用于大气的以及高压的燃料电池。在后种情况下，热力发动机的膨胀部分将氧化剂气体膨胀为燃料电池的工作压力。
权利要求
1.一种混合燃料电池系统，包括具有阳极部分和阴极部分的燃料电池；具有压缩机循环和膨胀循环的热力发动机，所述压缩机循环压缩氧化剂供应气体；对来自所述燃料电池阴极部分的废气做出响应的热量回收单元，所述热量回收单元将热量供应至所述压缩的氧化剂供应气体；加热的压缩氧化剂供应气体在所述热力发动机的膨胀循环中膨胀，从而提供膨胀的氧化剂供应气体，并产生用于在发电机中转换为电能的机械能；旁路组件，用于将所述膨胀的氧化剂供应气体分为第一膨胀氧化剂供应气体部分和第二膨胀氧化剂供应气体部分；和所述第一膨胀氧化剂供应气体部分用于提供输入到所述燃料电池阴极部分的氧化剂供应气体，第二膨胀氧化剂供应气体部分被排除到所述燃料电池之外。
2.根据权利要求1的混合燃料电池系统，其中所述旁路组件包括旁路管线，用于将所述第二膨胀氧化剂供应气体部分连接到对来自所述燃料电池阴极部分的废气做出响应的管线。
3.根据权利要求2的混合燃料电池系统，其中所述热力发动机以比由所述燃料电池阴极所需的最大气体流量更高的气体流量进行工作。
4.根据权利要求3的混合燃料电池系统，其中所述热力发动机包括涡轮发电机，该涡轮发电机具有用于接收所述氧化剂供应气体并进行所述压缩机循环的压缩机部分、和用于接收所述进一步加热的压缩氧化剂供应气体并进行所述膨胀循环的膨胀部分。
5.根据权利要求4的混合燃料电池系统，其中所述燃料电池是高温燃料电池。
6.根据权利要求5的混合燃料电池系统，其中所述燃料电池是内部重整燃料电池。
7.根据权利要求6的混合燃料电池系统，其中所述燃料电池是碳酸盐燃料电池。
8.根据权利要求7的混合燃料电池，其中所述燃料以接近环境的压力被供应。
9.根据权利要求3的燃料电池系统，其中所述燃料电池是外部重整燃料电池和内部重整燃料电池之一。
10.根据权利要求9的混合燃料电池系统，其中所述燃料电池是碳酸盐燃料电池和固体氧化物燃料电池之一。
11.根据权利要求2的混合燃料电池系统，其中所述旁路组件还包括流量控制阀，具有用于接收来自所述热力发动机的所述膨胀循环的所述膨胀氧化剂供应气体的输入口和用于分别输送所述第一和第二膨胀氧化剂气体部分的第一和第二输出部分；流量检测和控制器，用于检测所述第一膨胀氧化剂气体部分并控制所述流量控制阀以调节所述第一和第二膨胀氧化剂气体部分。
12.根据权利要求11的混合燃料电池系统，其中所述流量控制阀的所述控制是以下述方式进行的第一膨胀氧化剂供应气体部分促进所述燃料电池中的最佳温度分布和氧浓度。
13.根据权利要求11的混合燃料电池系统，其中所述流量控制阀是三通阀和转向阀之一。
14.根据权利要求1的混合燃料电池系统，其中所述燃料电池是碳酸盐燃料电池；所述热量回收单元接收来自所述燃料电池阴极部分的所述废气和第二膨胀氧化剂供应气体部分；和所述燃料电池系统进一步包括热交换器，用于在来自所述热量回收单元的加热的压缩氧化剂供应气体在所述热力发动机的膨胀循环中膨胀以提供所述膨胀的氧化剂供应气体之前将附加的热量提供到所述加热的压缩氧化剂供应气体；和氧化装置，用于接收所述第一膨胀氧化剂供应气体部分和来自所述燃料电池阳极部分的废气以形成氧化装置输出，所述氧化装置输出经过所述热交换器并用作输入到所述燃料电池的阴极部分的所述氧化剂供应气体。
15.根据权利要求14的混合燃料电池系统，其中所述旁路组件包括旁路管线，用于将所述第二膨胀氧化剂供应气体部分连接到对来自所述燃料电池阴极部分的废气做出响应的管线。
16.根据权利要求15的混合燃料电池系统，其中所述热力发动机以比由所述燃料电池阴极所需的最大气体流量更高的气体流量进行工作。
17.根据权利要求16的混合燃料电池系统，其中所述热力发动机包括涡轮发电机，该涡轮发电机具有用于接收所述氧化剂供应气体并进行所述压缩机循环的压缩机部分、和用于接收经过所述热交换器之后的所述加热的压缩氧化剂供应气体并进行所述膨胀循环的膨胀部分。
18.根据权利要求15的混合燃料电池系统，其中所述旁路组件还包括流量控制阀，具有接收来自所述热力发动机的所述压缩机部分的所述膨胀氧化剂供应气体的输入口和用于分别输送所述第一和第二膨胀氧化剂气体部分的第一和第二输出部分；和流量检测和控制器，用于检测所述第一膨胀氧化剂气体部分并控制所述流量控制阀以调节所述第一和第二膨胀的氧化剂气体部分。
19.根据权利要求18的混合燃料电池系统，其中所述流量控制阀的所述控制是以下述方式进行的使第一膨胀氧化剂供应气体部分促进在所述燃料电池中的最佳的温度分布和氧浓度。
20.根据权利要求1的混合燃料电池系统，其中所述燃料电池是固体氧化物燃料电池；所述热量回收单元接收所述第二膨胀氧化剂供应气体部分；以及所述燃料电池系统还包括氧化装置，用于接收来自所述燃料电池的阴极部分的废气，并用于接收来自所述燃料电池的阳极部分的废气，以形成用于所述热量回收单元的输出气体。
21.根据权利要求20的混合燃料电池系统，其中所述旁路组件包括旁路管线，用于将所述第二膨胀氧化剂供应气体部分连接到对来自所述燃料电池的所述阴极部分的废气做出响应的管线。
22.根据权利要求21的混合燃料电池系统，其中所述热力发动机以比由所述燃料电池阴极所需的最大气体流量更高的气体流量进行工作。
23.根据权利要求22的混合燃料电池系统，其中所述热力发动机包括涡轮发电机，该涡轮发电机具有用于接收所述氧化剂供应气体并进行所述压缩机循环的压缩机部分、和用于接收所述加热的压缩氧化剂供应气体并进行所述膨胀循环的膨胀部分。
24.根据权利要求21的混合燃料电池系统，其中所述旁路组件还包括流量控制阀，具有接收来自所述热力发动机的所述膨胀循环的所述膨胀氧化剂供应气体的输入口、和用于分别输送所述第一和第二膨胀氧化剂气体部分的第一和第二输出部分；和流量检测和控制器，用于检测所述第一膨胀氧化剂气体部分并控制所述流量控制阀以调节所述第一和第二膨胀的氧化剂气体部分。
25.根据权利要求22的混合燃料电池系统，其中所述流量控制阀的所述控制是以下述方式进行的使第一膨胀氧化剂供应气体部分促进在所述燃料电池中的最佳的温度分布和氧浓度。
全文摘要
一种混合燃料电池系统，具有燃料电池和热力发动机，该热力发动机具有膨胀循环和压缩机循环，该系统还适于包括旁路组件，用于将来自热力发动机膨胀循环的膨胀氧化剂供应气体分为第一膨胀氧化剂供应气体部分和第二膨胀气体部分，其中第一膨胀氧化剂供应气体部分用于燃料电池，第二膨胀气体部分围绕燃料电池迂回。
文档编号H01M8/12GK1868084SQ200480029975
公开日2006年11月22日 申请日期2004年4月6日 优先权日2003年9月11日
发明者王昭辉, 侯赛因·格泽尔-阿雅格 申请人:燃料电池能有限公司