专利名称：加压整体式电化学换能器能量系统的制作方法
相关申请本申请根据35 U.S.C.119(e)的规定请求享受于1996年12月31日申请的标题为“加压整体式电化学换能器能量系统”(“Pressurized，Integrated Electrochemical Converter System”)的未审查美国临时申请No.60/034,836的优先权，这篇申请所披露的内容在这里作为参考；本申请是于1994年10月19日申请的标题为“超高效涡轮机和燃料电池组合”(“Ultra High Efficiency Turbine AndFuel Cell Combination”)的未审查美国申请No.08/325,486的一个后续申请，这篇申请所披露的内容在这里也作为参考。美国申请No.08/325,486是于1994年8月8日申请的标题为“具有内部热集成的电化学换能器”(“Electrochemical Converter Having Internal ThermalIntegration”)的美国专利申请No.08/287,093的一个部分继续申请，申请号为No.08/287,093的该美国专利申请已于1996年3月36日授权，其专利号为美国专利No.5,501,781，这篇文献所披露的内容在这里也作为参考。背景本发明涉及诸如燃料电池的高温电化学换能器，特别涉及使用电化学换能器的高效能量系统或能源系统。
诸如燃料电池的高温电化学换能器可将从电池原料中获取的化学能直接转换成电能。一种燃料电池包括一系列电解质单元，在所述电解质单元上连接有燃料电极和氧化剂电极，在所述电解质单元之间设置一系列类似的互连器以进行电连接。当将一种燃料(诸如氢)引入到所述燃料电极上并且将一种氧化剂(诸如空气)引入到所述氧化剂电极上时，激发起一个电化学反应，从而通过所述电极和电解质单元产生电能。或者，可以一种电极器的方式操作所述电化学换能器，其中所述电化学换能器消耗电能和输入的反应物并产生燃料。
当一个电化学换能器(诸如一个燃料电池)以一种燃料电池方式进行燃料与电能之间的转换时，将产生废能并且应该对所产生的废能进行适当的处理以使所述电化学换能器保持适当的工作温度并且提高所述能量系统的总效率。相反，当所述换能器以电解器方式进行电能与燃料之间的转换时，必须为电解质提供热量以维持其反应。另外，通常利用燃料电池进行的燃料重整方法(fuel reformationprocess)需要引入热能。因此，热量控制对于电化学换能器系统的正常工作和系统效率是重要的。
热量控制技术可包括一个电化学换能器与其它能量设备的结合，尽量从电化学换能器的废热中获取能量。例如，授权于Hsu的美国专利No.5,462,817中披露电化学换能器与基础动力设备(bottomingdevice)的特定结合方式，利用所述基础动力设备可从电化学换能器中获取能量。
由于常规燃烧式能量系统(例如燃煤或燃油发电系统)会在环境和政治上产生影响，因此人们现在非常关注互换式能量系统、诸如使用电化学换能器的能量系统。虽然电化学换能器的用途还不是很广泛，但是与常规的能量系统相比还是具有很多优点的。例如，与常规的能量系统相比，电化学换能器(诸如燃料电池)的效率比较高并且不产生污染物质。投资较大的常规能量系统必须达到与之相比的能量系统的所有优点以具有更多的用途。因此，电化学换能器能量系统有助于改进常规的能量系统以便最大限度地提高它们的优点并且使它们的用途更加广泛。
因此，本发明的一个目的在于提高一个使用一种电化学换能器的能量系统的能量效率。
本发明的另一个目的在于提供一种结构简单的使用电化学换能器的能量系统。
本发明的另一个目的在于提供一种能够从由电化学换能器所产生的废热中获取能量的结构简单并且高效的电化学换能器能量系统。
虽然电化学换能器与常规的能量系统相比具有很多优点(例如，效率比较高并且不产生污染物质)，但是用途还不是很广泛。
发明概述上述和其它的本发明目的可通过本发明所提供的用于更高效操作一个使用一电化学换能器的能量系统的方法和设备来达到。根据本发明，一种电化学换能器(诸如一种燃料电池)可与一种能够从所述燃料电池所产生的废热中获取能量的废热发电或基础动力设备相结合。所述电化学换能器和基础动力设备形成一个用于将燃料转换为电能、机械能或热能的可利用形式的改进能量系统。可与一种燃料电池结合的设备包括燃气轮机、汽轮机、热流体锅炉以及热动式致冷设备。上述后两种设备通常可用在一个供暖、通风和致冷系统(HVAC系统)中。
根据本发明，一个电化学换能器设置在一个正压容器内，所述正压容器用于收集由所述电化学换能器所产生的热废气。至少一部分由所述电化学换能器所产生的热废气被排放到所述压力容器的内部并被所述容器收集，所述压力容器包括一个用于将所收集的废气输送给一个基础动力设备的排气元件。所述正压容器在适于使所述基础动力设备获取能量的温度和压力下收集由所述电化学换能器产生的废气。所述基础动力设备包括一种燃气轮机、一种蒸汽锅炉、一种热流体锅炉以及一种热动式致冷设备，但不限于这些设备。因此本发明有利于一种电化学换能器(诸如一种燃料电池)与基础动力设备之间的结合。
“正压容器”一词指的是在诸如一个或两个大气压的压力环境下工作的容器或能够承受更高压力(高至1000磅/英寸2)的容器。当与所述电化学换能器结合的基础动力设备是一种具有一个热动式致冷设备或一个锅炉的HVAC系统时，使用压力较低的压力容器。在与所述电化学换能器结合的基础动力设备例如是一个燃气轮机时，使用压力较高的压力容器。
根据本发明的一个实施例，一种泵送机构可将至少一种输入反应物泵送到所述电化学换能器中以使加压的废气从所述电化学换能器排出并且为所述压力容器内部加压。根据本发明的一个实施例，所述泵送机构可以是一个燃气轮机的压缩机，并且所述压力容器和封闭在其中的电化学换能器可用作一个所述燃气轮机的燃烧器。由所述压力容器所收集的废气被输送到所述燃气轮机并驱动所述燃气轮机。所述燃气轮机可与一个发电机相连以便产生除了直接由所述电化学换能器所产生的电能以外的电能。
或者，根据本发明的另一个实施例，上述泵送机构可以是一个鼓风机，所述鼓风机可为所述压力容器的内腔加压以将所述废气输送到一个HVAC系统的所述加热元件(诸如一种热流体锅炉或蒸汽锅炉)或冷却元件(诸如一个热动式致冷设备)中。
根据本发明的另一个实施例，本发明的能量系统包括一个再生式换热元件(诸如一个冷却套)，所述再生式换热元件与一个压力容器以导热的方式相连通以使所述容器的外部维持一定的温度。通常利用一个泵使一种换热流体在所述冷却套内循环。根据本发明的这个特征，所述再生式换热器能够使所述压力容器的外部冷却。
根据本发明的另一个特征，在将反应物(诸如被供给到所述燃料电池组或反应物处理器中的反应物)引入给所述电化学换能器之前使所述反应物通过所述压力容器的冷却套。在将这些反应物引入到一个燃料电池或反应物处理器之前利用所述热交换器使所述反应物预热。
根据本发明的另一个实施例，利用一个抽送泵以抽送的方式使所述反应物通过所述热交换元件，所述抽送泵输出部分可将所述反应物提供给一个燃料电池或反应物处理器。所述抽送泵可以是一个能够从所述电化学换能器产生的废热中获取能量的燃气轮机的压缩机。所述压缩机的输入部分与所述热交换元件以流体方式连通以便将一种反应物(诸如一种空气)抽送通过所述热交换元件。所述压缩机的输出部分与所述燃料电池组或一个反应物处理器以流体方式连通以便将所述加热的反应物提供给所述燃料电池组或反应物处理器。所述加压废气被所述压力容器收集并且被供给到所述燃气轮机。
根据本发明的另一个实施例，利用一个鼓风机以吹送方式或者如在另一个实施例中所用的抽送方式使所述输入反应物通过所述热交换元件。所述鼓风机能够为所述压力容器提供较小的压力以有助于所述压力容器收集由所述电化学换能器排出的废气并可将所述废气输送给一种具有一个热动式致冷设备和/或锅炉的基础动力设备(诸如一个HVAC系统)。
所述压缩机(通常用于一个汽轮机)和所述鼓风机可通过迫使输入反应物进入所述电化学换能器来为所述容器加压并且可将从所述电化学换能器产生的产物排出，所述产物被排放到所述压力容器的内部。由于所述鼓风机主要不是用于加热所述反应物，因此可以吹送的方式而不是以抽送的方式使包括一种输入反应物或多种反应物的换热流体通过所述热交换元件以使所述容器冷却。
本发明通过提供一个用于收集废气的压力容器并且将用以冷却所述压力容器外部的独立冷却系统的需要降为最小，从而提供了一种结构简单并且更高效的电化学换能器能量系统。这样一个独立的冷却系统通常包括一个泵、冷却流体以及一个专用于将热量从所述压力容器换热器排出的散热器。本发明将一种输入反应物用作所述冷却流体，从而不需要专用的冷却流体。另外，将废热引入到所述输入反应物流中，从而不需要一个单独的换热器并且不需要将废热重新引入到所述换能器组件，从而提高了能量效率。可利用所述压缩机将所述输入反应物抽送通过所述压力容器换热元件或利用一个鼓风机将所述输入反应物吹送通过所述压力容器换热元件，从而无需一个独立的泵送装置使所述换热流体循环。
在本发明的另一个实施例中，本发明的热交换器是一个管状的盘管，所述盘管与所述压力容器热连通并具有一个内腔。所述换热流体流经所述管状盘管的内腔。在本发明的另一个实施例中，所述热交换器包括一个多孔的结构件，当所述换热流体流经所述壁的孔时，所述压力容器能够以蒸发的方式进行热交换。本领域技术人员根据以上所披露的内容，可以预见到其它类型的能够与所述压力容器进行热交换的热交换器。例如，参见美国专利No.5,501,781中所披露的InteralThermal Integration(ITI)，该美国专利No.5,501,781在这里作为本发明的参考文献，以及美国专利No.5,462,817中所披露的RadiantThermal Integration(RTI)，该美国专利No.5,462,817在这里作为本发明的参考文献。在美国专利No.5,338,622中所披露的使用等温换热器的辅助热量控制系统也在这里引入作为参考。根据这里所披露的内容，与所述压力容器进行热交换的其它技术也在本发明的保护范围内。
在本发明的另一个实施例中，提供一种用于将反应物从所述压力容器的外部引导到设置在所述压力容器内的电化学燃料电池组的连通部件。类似地，所提供的连通部件还可与所述电化学换能器组进行电连接并且排出由所述电化学换能器组产生的废产物。用于控制所述反应物流动的连通部件可以从所述压力容器内的一个高压高温环境过渡到所述压力容器外的一个环境。
本发明的上述和其它目的、特征和优点可以从下面的描述和附图中得到，在不同附图中的相同附图标号表示相同的部件。下面的附图仅是示意性地表示了本发明的基本原理。
附图简述
图1是表示根据本发明使用一个电化学换能器和一个燃气轮机的能量系统一个实施例的示意性框图；图2是表示一个电化学换能器(诸如一个燃料电池)和一个HVAC系统的一个加热或冷却元件以导热方式接合的一个能量系统另一个实施例的示意性框图；图3是表示本发明一个电化学换能器的一个基本电池单元的透视图；图4是表示本发明一个电化学换能器的一个基本电池单元另一个实施例的透视图；图5是图3所示电池单元的一个截面图；图6是封闭有一系列本发明所述电化学换能器的一个压力容器的局部剖开的平面图；图7是用于图6所示的压力容器的一个连通部件的截面图；以及图8是表示一个能量系统的示意性框图，所示能量系统具有一个设置在一个压力容器内的电化学换能器、一个压力容器换热器和一个用于从所示电化学换能器生产的废气中获取能量的燃气轮机系统。
所示实施方案描述图1示出了一个本发明所涉及的由电化学换能器和燃气轮机所组成的能量系统。所示能量系统70包括一个电化学换能器72和一个燃气轮机装置71。
所述燃气轮机装置71包括一个压缩机76、一个透平膨胀机(燃气轮机)80和一个发电机84。利用管道将空气从气源73引入到所述压缩机76中，在所述压缩机76中对空气进行加压，然后在预热器69中对所述加压的空气进行加热，将所排放出来的加热空气引入到所述电化学换能器72中。将燃料74引入到一个重整装置68中，在重整装置68中按照本领域已知的方式对所述燃料74重整，然后将重整后的燃料导入所述电化学换能器72中。加热空气和燃料作为输入的反应物并为所述电化学换能器72提供动力。
所述电化学换能器72接收由压缩机76所提供的压缩空气以及燃料74，在利用燃料和空气产生电能和高温废气之前，燃料在所述重整装置68中被热离解成为非复合的反应物组分，通常为氢气和一氧化碳。所述废气被引入一个压力容器77的内部，所述压力容器77用于收集废气79并将废气79送至所述燃气轮机膨胀装置80，所述燃气轮机膨胀装置80可将热能转换为转动能，然后将转动能输送到一个发电机84。发电机84可产生工业用电和民用电。所述换能器72可用作一个辅助发电机，所示的输电线88A和88B表示可从所述发电机84和换能器72获得的电能。所述燃气轮机装置71的各个部件以及发电机84都是已知的和常用的。根据本发明中所描述的内容，本领域技术人员可以容易地理解电化学换能器72和燃气轮机装置71之间的结合。
图2示出了由电化学换能器以及供暖、通风和致冷系统(HVAC系统)所组成的一个总能量系统90。所述总能量系统90除了能够产生电能以外还能够对所选择的一种流体进行温度调节，例如对其进行加热和冷却。所示的总能量系统90包括一个电化学换能器72和一个HVAC系统92，所述HVAC系统92与电化学换能器72是以导热方式相连的。所述电化学换能器72除了能够产生电能以外还能够产生废热并可以辐射、对流或传导的方式将所述废热输送给所述HVAC系统92。图2中所示的电化学换能器72与所述HVAC系统92是以对流方式相连的。
HVAC系统(诸如所示的HVAC系统92)通常采用一种封闭循环系统，所述封闭循环系统能够使一种导热流体流经一个建筑物或一个工业设施。在这样一个封闭循环系统中，利用一个加热装置(诸如蒸汽锅炉或热流体锅炉)、一个冷却装置(诸如热动式致冷设备)或者其它空气调节装置调节所述导热流体，通常利用流体管道使所述导热流体流经所述建筑设施。HVAC系统通常用于控制一个或多个封闭式建筑设施中的周围环境条件，例如控制温度或湿度。根据一种常用的实施方式，可将多个HVAC系统安装在一个单独的建筑设施内并将所述多个HVAC系统连接在一个适合的网络中，为所述网络提供一个常用的热源，所述热源可包括一个加热装置或一个冷却装置或者既有加热装置又有冷却装置。所述加热装置或冷却装置能够提供使所述建筑设施升温或降温所需的热能。
所示电化学换能器72(例如一种燃料电池)具有一个燃料反应物输入部分74和一个空气反应物输入部分73。利用适合的歧管将所述燃料反应物和氧化剂反应物引入到所述电化学换能器72中。所述电化学换能器分别对所述燃料反应物和氧化剂反应物进行处理并且产生电能和废热。
如图所示，所示电化学换能器72产生包含废热的废气99，所述废气99从所述电化学换能器72被输送到设置在所述电化学换能器72周围的一个压力容器95的内部。所述压力容器95收集废气99并将废气输送到热处理装置96，所述热处理装置96与HVAC系统92的加热或冷却装置94结合使用，从而以对流的方式将电化学换能器72与HVAC系统92结合在一起。所述热处理装置96可包括一个几何形状与热动式致冷装置的一个蒸汽发生器(未示出)相匹配的对流换热器以使所述对流换热器吸收废气99中的热量并将热量输送给所述蒸汽发生器。所述蒸汽发生器的形状可以是环状的，所述对流换热器可位于所述环状蒸汽发生器的中心处。在废气离开所述热处理装置96后，将所述废气从所述HVAC系统排出。
可利用一个鼓风机将一种输入反应物(诸如空气输入反应物73)输送到所述电化学换能器72中，所述鼓风机可在所述压力容器95内产生一个压力较高的废气流99并将所述废气流99输送给HVAC系统92。或者，利用一个抽气泵100将废气99从电化学换能器72和压力容器95中抽出并将抽出的废气99输送给HVAC系统92。用于图2中所示能量系统的压力容器95的操作压力低于图1中所示的压力容器77。
图1和图2中所示的能量系统通过使一种结构紧凑的电化学换能器与基础动力设备部件(bottoming plant components)直接结合可获得较高的效率。例如，以图1中所示的方式使电化学换能器与一种燃气轮机结合而形成的一种混合式动力系统的总能量效率大约为70％。这个系统效率大大高于常规燃气轮机和现有电化学换能器系统所能够达到的能量效率。所述电化学换能器72也可用作一个低NOx热源，因此与一种常规的燃气轮机发电系统相比，提高了环境性能。
本发明所述的电化学换能器最好是一种燃料电池，例如一种固体氧化物燃料电池、一种熔融碳酸盐燃料电池、一种磷酸燃料电池、一种碱性燃料电池或一种质子交换膜燃料电池。诸如燃料电池的电化学换能器在本领域是已知技术，在Hsu提出的美国专利No.5,462,817、Hsu提出的美国专利No.5,501,781以及Hsu提出的美国专利No.4,853,100中都对电化学换能器进行了描述和说明，这些文献在这里作为本发明的参考文献。
在上述的能量系统中，将电化学换能器设置在一个用于收集废气的压力容器内，然后将所述废气输送到基础动力设备，从而形成了一种效率较高的能量系统。本发明并不仅限于图1和图2中所示的能量系统，也可采用其它的能量系统。例如，在Hsu等人提出的美国专利No.5,501,781以及Hsu提出的美国专利No.6,462,817中所披露的由一种电化学换能器和蒸汽发生器组成的能量系统。
如上所述，本发明所用的电化学换能器包括燃料电池。燃料电池通常利用所选择燃料(例如氢分子和一氧化碳分子)的化学潜能产生氧化分子和电能。由于提供氢分子和一氧化碳分子的费用高于提供常规矿物燃料的费用，因此可以采用燃料处理或重整步骤将矿物燃料(诸如煤或天然气)转换成富含氢和一氧化碳的反应气体混合物。这样，使用专用的或设置在燃料电池内部的燃料处理器，利用蒸汽、氧气或二氧化碳(在吸热反应中)使所述矿物燃料重整成为非复合的反应物气体。
图3-图5中示出了电化学换能器72的基本电池单元110，这种电池单元110特别适用于与常规燃气轮机结合。所述电池单元110包括一种电解质片120和一种互连片130。所述电解质片120由一种陶瓷材料(例如一种性能稳定的氧化锆材料ZrO2(Y2O3))制成，在所述电解质片120上设置一种多孔氧化剂电极材料120A和一种多孔燃料电极材料120B。所述氧化剂电极材料的示例性材料是钙钛矿材料，例如LaMnO3(Sr)。所述燃料电极材料的示例性材料是诸如ZrO2/Ni或ZrO2/NiO的金属陶瓷材料。
所述互连片130最好由一种具有导电性和导热性的互连材料制成。这类材料的例子有镍合金、铂合金、诸如碳化硅的非金属导体和La(Mn)CrO3，优选的材料是由美国Inco.生产和销售的Inconel(因科镍合金)。所述互连片130用作相邻电解质片之间的电连接器以及所述燃料和氧化剂反应物之间的隔片。如图4中所示，所述互连片130具有一个中心孔132和一组在径向向外方向上同心设置并且相互保持一定间隔的中间孔134。沿互连片130的外柱面部分或周边设置第三组外围孔136。
所述互连片130具有一个网纹表面138。如图4中所示，在所述网纹表面138上最好形成有一系列的波纹，这些波纹形成了一系列反应物流动连接通道。最好所述互连片130的两侧都形成有网纹表面。尽管在图中用选定数量的孔表示所述中间孔组134和外围孔组136，但是本领域技术人员应该意识到，这些孔的数量和分布方式可以根据系统和反应物流动的要求来确定。
同样，电解质片120也具有一个中心孔122、一组中间孔124和一组外围孔126，这些孔的位置分别与互连片130上的孔132、134和136相对应。
参照图4，可在所述电解质片120和互连片130之间设置隔片150。所述隔片150与互连片130类似，最好具有一种波纹表面152，所述波纹表面152上形成了一系列反应物流动连接通道。如图所示，所述隔片150也具有一定数量的同心孔154、156和158，这些孔的位置分别与互连片和电解质片上的孔相对应。另外，在这种结构中，所述互连片130上没有反应物流动通道。所述隔片150最好由诸如镍的导电材料制成。
图中所示的电解质片120、互连片130和隔片150可以具有任意的几何形状。另外，具有图中所示的多个歧管的片可以重复或非重复的方式向外延伸，因此用虚线表示。
参照图5，当电解质片120和互连片130沿着它们相应的孔交替层叠和排列时，这些孔形成多个(相对于层叠方向)轴向歧管，这些歧管可为所述电池单元输送输入的反应物并排出燃烧过的燃料。特别说明的是，图3和图4中所示的对准的中心孔122、132和122形成了氧化物输入歧管117，图3和图4中所示的对准的同心孔124、134和124形成了燃料输入歧管118，图3和图4中所示的对准的外围孔126、136和126形成了废燃料的歧管119。
在图5所示的截面图中，在互连片130的网纹表面138的两侧形成有起伏很大的波纹结构。这种波纹结构形成了可将输入反应物导向互连片周边的反应物流动通道。所述互连片还具有一个延伸的加热表面或唇状结构，所述加热表面或唇状结构在每一个轴向歧管内和互连片的周边周围延伸。特别地，所述互连片130具有一个沿其外围边缘所形成的平坦环状延伸表面131A。在一个优选实施例中，所示的加热表面131A延伸到电解质片120的外围边缘之外。所述互连片还具有一个在轴向歧管内延伸的延伸加热表面，例如边缘131B延伸到并位于所述轴向歧管119内，边缘131C延伸到并位于所述轴向歧管118内，边缘131D延伸到并位于所述轴向歧管117内。延伸加热表面可以与互连片一体形成，也可以连接或附着在所述互连片上。所述加热表面不必用与互连片相同的材料制成，制作所述加热表面的材料可包括能承受所述电化学换能器工作温度的任何适合的导热材料。在另一个实施例中，延伸加热表面可与所述隔片一体形成或与所述隔片相连。
所述互连片周边没有隆起或其它突起结构，从而提供了与外部环境相通的排气口。所述反应物流动通道以流体方式将反应物输入歧管与所述外部周边连接在一起，从而使所述反应物被排放到外部环境中，或者如后面所述，使所述反应物被排放到设置在所述电化学换能器周围的热容器或压力容器中。
再参照图5，可将所示密封材料160涂敷在所述互连片130与歧管相连的部分上，这样就可使一种特定的输入反应物流经所述互连片的表面以及电解质片120的配合表面。互连片底面130B与电解质片120的燃料电极涂层120B相接触。在这种结构中，最好是所述密封材料只允许燃料反应物进入所述反应物流动通道，从而使燃料反应物与所述燃料电极相接触。
如图所示，所述密封材料160设置在所述氧化物输入歧管117周围，从而在所述氧化物输入歧管117周围形成了一个有效的反应物流阻挡层。所述密封材料有助于保持燃料反应物与所述电解质片120的燃料电极侧面120B接触的整体性以及有助于保持通过废燃料歧管119排出的所用过燃料的完整性。
互连片130的顶面130A具有设置在所述燃料输入歧管118和废燃料歧管119周围的密封材料160B。所述互连片顶面130A与一个相对电解质片120′的氧化剂涂层120B′相接触。这样，在与所述氧化物输入歧管117的连接处没有密封材料，从而使氧化剂反应物能够进入所述反应物流动通道。完全包围所述燃料歧管118的密封材料160B能够抑制燃料反应物过度泄漏到所述反应物流动通道中，从而抑制燃料与氧化剂反应物之间的混合。类似地，完全包围所述废燃料歧管119的密封材料160C能够抑制消耗的氧化剂反应物流入到所述废燃料歧管119中。因此，可使通过所述歧管119所抽出的所用过燃料的纯度得以维持。
再参照图5，可通过轴向歧管117将氧化剂反应物引入所述电化学换能器中，所述轴向歧管117分别由电解质片和互连片的孔122、132和122′形成。通过所述反应物流动通道将氧化剂分配到所述互连片的顶面130A和氧化剂电极表面120A′上。于是，消耗的氧化剂以径向向外的方向向着周边131A流动，最后沿着换能器元件的周边排出。密封材料160C抑制氧化剂流入到所述废燃料歧管119中。氧化剂通过所述轴向歧管的流动路径由实线箭头126A表示，氧化剂通过氧化剂电池单元的流动路径由实线箭头126B表示。
通过燃料歧管118将燃料反应物引入所述电化学换能器110中，所述燃料歧管118分别由电解质片和互连片的对准的孔124、134和124′形成。所述燃料被引入到所述反应物流动通道中并且被分配到互连片的底面130B和电解质片120的燃料电极涂层120B上。同样，密封材料160A防止输入的氧化剂反应物进入所述反应物流动通道中并防止所述输入的氧化剂反应物与纯燃料/消耗的燃料反应混合物混合。由于在所述废燃料歧管119处没有密封材料，因此能够使使用过的燃料进入到所述歧管119中。所述燃料随后沿着互连片130的环状边缘131A排出。燃料反应物的流动路径由实线箭头126C表示。
所述互连片表面的波纹140具有一个顶点140A，所述顶点140A在装配时与电解质片相接触，从而在它们之间形成电连接。
可以利用多种传导材料制作本发明的互连薄片。这样的材料应该满足下列要求(1)高强度和导电导热性；(2)在工作温度下具有良好的抗氧化性；(3)与输入反应物的化学相容性和稳定性；以及(4)当形成诸如反应物流动通道等带有波纹的片状结构时的制造经济性。
适于制造所述互连片的材料包括镍合金、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以及诸如氧化锆、氧化铝、碳化硅和二硅化钼的耐火材料。
互连片的顶面和底面的网纹结构例如可利用一组或多组相配合的阳模和阴模对金属合金片进行冲压而得到。最好根据互连片的所需形状对这些冲压模进行预加工，利用热处理的方法使所述冲压模硬化以使它们能够承受反复的挤压操作和批量生产以及较高的工作温度。由于气体通道网络(例如波纹状的互连片表面)的几何尺寸很复杂，因此所述互连片的冲压成型工艺最好采用多步处理方法。最好在最终的步骤中冲压形成互连片上的歧管。在相邻步骤之间最好对所述互连片进行退火处理以防止所述片材出现应力过大的缺陷。所述冲压方法能够生产各种形状复杂的产品，同时还能保证材料厚度均匀。
或者利用一组合适的掩膜在最初为平坦的金属片上进行电镀形成波纹状的互连片。可以利用在预成型基片上进行蒸镀的方法、烧结粉末方法或自粘接方法形成碳化硅互连片。
氧化剂反应物和燃料反应物在进入电化学换能器之前最好被预热到一个合适的温度。可以利用适当的加热结构件进行上述预热，例如利用再生式换热器或辐射式换热器将所述反应物加热到一个足以使施加在所述换能器上的热应力数值得以减小的温度。
本发明的另一个重要特征是，所述延伸加热表面131D和131C将氧化剂歧管117和燃料歧管118内所含的反应物加热到换能器的工作温度。特别是，伸入到氧化剂歧管117中的延伸表面131D用于加热氧化剂反应物，而伸入到燃料歧管118中的延伸表面131C用于加热燃料反应物。具有高导热性的互连片130通过将热量从燃料电池内表面(例如导热互连片的中间区域)以传导方式输送到所述延伸表面或唇状部分而有助于输入反应物的加热，从而在输入反应物通过所述反应物流动通道之前将其加热到工作温度。因此，所述延伸表面起到了一个加热翅片的作用。这种反应物加热结构提供了一种能够与发电系统结合的结构紧凑的换能器，还提供了一种成本较低的高效系统。具有根据这些原理所制成的燃料电池部件的电化学换能器与一个燃气轮机或一个HVAC系统结合可提供一种结构比较简单的能量系统。
电化学换能器的工作温度最好在20℃-1500℃之间，本发明所用燃料电池的优选类型包括固体氧化物燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池、碱性燃料电池、磷酸燃料电池以及质子膜燃料电池。
图3-图5示出了形成一个燃料电池叠层的多个交替片。但是，本发明并不仅限于一种堆叠式燃料电池，也可用于本领域已知的其它类型的燃料电池。例如一种无需为叠层的燃料电池单元，即无需将燃料电池制成各交替片的叠层结构，例如可将燃料电池制成一种管状结构。根据本发明所披露的内容，本领域技术人员已知的并可用于本发明的这样一种管状或其它形状的燃料电池单元都将落入本发明的保护范围中。
根据本发明，可通过将所述电化学换能器72放置在一个压力容器内来达到使一种电化学换能器与一种基础动力设备(例如图1中所示的燃气轮机或图2中所示的HVAC系统)结合的目的。图6中示出了一种优选的换能器压力容器，其中一个压力容器220还可起到一个再生式热箱(regenerative thermal enclosure)的作用，其中装入一系列堆叠的燃料电池组件222。所述压力容器220具有一个废气输出歧管224、电连接装置226以及反应物输入歧管228和230，所述废气输出歧管224用于将由所述压力容器220所收集的气体输送到一个基础动力设备中。在一个优选实施例中，通过居中设置的歧管230将燃料反应物引入到所述燃料电池叠层222中，通过位于所述容器220周边附近的歧管228引入氧化剂反应物。
所述叠层式燃料电池组件222可将废气排放到所述压力容器220的内部。可以利用一个泵送装置(例如图1中的压缩机76或图2中的鼓风机98)选择性地将一种输入反应物泵送到电化学换能器组件222中并从所述电化学换能器组件222中排出废气，从而对所述废气的压力进行控制，使所述废气的压力适合于与所述压力容器结合使用的基础动力设备。
如上所述，当所述能量系统采用一个HVAC系统作为基础动力设备时，所述电化学换能器可在高温和大气压力或稍稍高于大气压力的环境下工作；当所述能量系统采用一个燃气轮机作为基础动力设备时，所述电化学换能器可在高压的环境下工作，其中所述压力容器和电化学换能器可作为所述燃气轮机的燃烧器。所述电化学换能器最好是一种还可包括一个交指型换热器的燃料电池系统，这种类型的燃料电池系统与美国专利No.4,853,100中所披露的相似，美国专利No.4,853,100在这里作为本发明一个参考文献。
所述压力容器220可具有一个与内壁234保持一定间隔的外壁238，从而在所述外壁238和内壁234之间形成了一个环形空间236。可利用一种绝热材料充填所述环形空间236以使所述压力容器220的外表面239维持在一个适合的温度下。或者，可在所述环形空间236中放置换热元件或使所述环形空间236形成一个能够与所述压力容器220进行热交换的换热元件。在换热器的一个实施例中，所述环形空间236以及壁234和238可形成一个换热套，一种换热流体可在所述换热套中循环。由所述环形空间236以及壁234和238所形成的换热器可以与所述压力容器220进行热交换并且有助于使所述压力容器220的外表面239维持在一个适合的温度下。当然，在所述环形空间236用作一个冷却套时，也可使用一种不放置在所述环形空间236中的绝热材料以降低所述压力容器220内部的热量损失，而且还有助于使所述压力容器220的外表面239维持在一个适合的温度下。
在本发明的一个实施例中，在所述压力容器换热器(例如由所述环形空间236以及壁234和238所形成的)中循环的换热流体是一种输入反应物(例如在歧管238中流动的空气输入反应物)。在这个实施例中，歧管228实质上是与靠近压力容器220顶部240的一部分环形空间236以流体方式相通的输入管。另外一些歧管(未示出)将所述环形空间236与燃料电池组件222以流体方式连接在一起以便将空气输入反应物正确引入到所述燃料电池组件222中。利用由所述环形空间236以及壁234和238所形成的冷却套使所述空气输入反应物预热具有几个作用，包括以再生换热的方式吸取废热可以对所述空气输入反应物进行预热以提高效率以及使所述压力容器220的外表面239得到冷却。
图7示出了一个用于所述电化学换能器能量系统的压力容器中的转换导管或连通部件，所述转换导管或连通部件能够将废气从所述压力容器内部通过管道引导到一个基础动力设备中。
图7中所示的连通部件250是在高温和高压的环境下进行工作的，所述连通部件250包括一个与所述压力容器220相接合的上部252和一个下部254。一个轴向孔256贯通所述上部252和下部254以将一种流体(诸如废气)从所述压力容器220的内部引导或输送到一个用于将所述废气输送到一个基础动力设备的适当管道中。
所述连通部件的上部252包括一个外部压力管或套260，所述外部压力管或套260具有一个与其相连的法兰261，所述法兰261与所述压力容器220的一个法兰(未示出)相配合。在所述管260内设置一个由绝热材料制成的环状部件262。所述压力管260的末端具有一个压力盘或盖264。可在与所述外部压力管260的接合部分263处将所述压力盘264与所述外部压力管260焊接在一起。可在与一个内部压力管271之外壁的接合部分265处将所述压力盘264与所述内部压力管271焊接在一起。
所述连通部件250的下部254包括所述内部压力管271，所述内部压力管271具有一个下法兰270，所述下法兰270与一个管道(未示出)相连接。如上所述，所述内部压力管271在所述接合部分265处与所述所述压力盖264相接合。从而所述压力盖264在管260和271之间形成压力密封接合。在所述管271周围设置一个由绝热材料制成的环状部件272。
这样，所述连通部件250的上部252可以从所述外部压力管260内部的一个由绝热材料制成的环状部件262过渡到套在所述内部压力管271外部的一个由绝热材料制成的环状部件272。为了便于与管道连接，所述管271具有较小的直径。
图8示出了一个能量系统310，其中一个电化学换能器312被封闭在一个压力容器314中，所述压力容器314具有一个热交换元件(诸如一个冷却套)316。所示能量系统310中所包含的基础动力设备是一个燃气轮机320，所述燃气轮机320能够从由所述电化学换能器312所产生的废气315中的废热获取机械能。如上所述，也可使用其它类型的基础动力设备。
可利用在所述热交换元件316(诸如所示的冷却套)或一个冷却盘管中流动的一种氧化剂反应物(诸如氧气)328或其它输入反应物(例如水324)以再生换热的方式使所述压力容器314冷却。根据本发明中的启示，本领域技术人员将会很容易地意识到，所述热交换元件316可具有各种形状。例如，也可利用一种向内流经一个多孔结构件(未示出)的换热流体(诸如氧化剂反应物328)以蒸发的方式使所述压力容器314冷却，所述多孔结构件设置在所述压力容器314周围。在由Hsu等人提出的并于1994年8月16日公布的名称为“Thermal ControlApparatus”(“热控制装置”)的美国专利No.5,338,622中披露了这种蒸发冷却技术的一个示例，这篇文献作为本发明的一个参考文献。或者，所述热交换元件316可包括一个冷却盘管，换热流体能够流经所述冷却盘管中的一个内部腔室，所述盘管设置在所述压力容器314周围。另外，可利用耐高温的壳层或外壳使所述压力容器内部或外部或者内部和外部绝热。所述压力容器314通常需要冷却和/绝热以使其外部温度低于约250°F。
图8所示的能量系统310也可在没有所述热交换元件316的条件下工作，通常会使所述压力容器壁的温度较高。
可利用至少两种方式使所述能量系统310发电。以导电的方式使所述电化学换能器312与可将由换能器312所产生的直流电转变为交流电的逆变器318相连，以及利用所述燃气轮机320的透平膨胀机326驱动一个发电机322。所述透平膨胀机326也可不用于发电；其输出部分可与其它不同于发电机322的设备相连，例如可进行机械工作，诸如用于驱动一个工业用的轴。
用于所述电化学换能器能量系统310的输入反应物可包括一种重整剂324(所述重整剂可含有水)、一种燃料输入反应物326(诸如天然气)以及一种氧化剂输入反应物328(诸如空气)，但不限于此。可以根据本领域技术人员所掌握的现有技术利用预处理设备330对输入的反应物324和326进行预处理。预处理设备例如可包括一个用于去除输入燃料326中的含硫化合物的脱硫装置和一个用于过滤所述重整剂324的过滤器，所述含硫化合物对所述电化学换能器312是有害的。
在所示的实施例中，利用一个压缩机332使所述氧化剂输入反应物328经过所述冷却套316并在一定压力下被输送到所述电化学换能器装置312中，从而使所述装置312被加压并产生废气315以使所述压力容器314的内部313被加压。于是，与所述压力容器接合在一起的所述电化学换能器装置312对于所述燃气轮机320的透平膨胀机326可起到一个燃烧器的作用。所述压缩机332可由一个与所述透平膨胀机326相连的轴来驱动，或者可利用一个独立的动力源(未示出)来驱动。
在图8中未示出的其它实施例中，在所述氧化剂反应物328进入所述电化学换能器装置312之前，可利用一个鼓风机或泵送装置使其在所述冷却套316中循环。在这种情况下，所述电化学换能器装置312的废气315通常被输送到用于HVAC系统的一个热动式致冷设备或一个锅炉中。
在将所述输入反应物引入所述电化学换能器装置312中之前，可以利用一种本领域已知的预热器336对所述输入反应物进行预热。在所示的实施例中，在所述氧化剂输入反应物328离开压缩机332之后，利用预热器336对所述氧化剂输入反应物328进行预热。在废气315被引入到所述燃气轮机装置320的透平膨胀机326中之前或之后，所述预热器可以再生换热的方式从所述废气315中获取能量。
所述电化学换能器装置312可包括一个反应物处理器346(诸如一个重整装置)、温度调节装置348以及一个燃料电池组350。所述温度调节装置348可包括在美国专利No.5,338,622和No.5,462,817中所披露的温度调节装置，美国专利No.5,338,622和No.5,462,817在这里作为本发明的参考文献。也可将所述燃料电池组350和重整装置346构成为叠层式的。叠层式燃料电池组350和重整装置346以及叠层式的温度调节装置348具有下列功能在所述电化学换能器312开始工作时对所述电化学换能器312进行加热，对一种或多种输入反应物324、326和328预热；将所述反应物处理器326预热；当所述电化学换能器装置312在稳定状态下工作时，对一种输入反应物(诸如燃料326)进行重整并且对所述输入反应物进行温度调节(加热和冷却)。
通过使燃料和氧化剂在所述温度调节装置348的内部和/外部燃烧，从而可在加热状态下利用所述温度调节装置348对所述电化学换能器装置312进行温度调节。通过仅仅使所述氧化剂或其它非反应气体(诸如氮气)进入到所述温度调节装置348中可对所述电化学换能器装置312进行在冷却状态下的温度调节。
所述温度调节装置348可用作一个加热器，所述加热器能够提供维持所述燃料电池组350所需工作温度的辅助热量或者在所述电化学换能器312开始工作时对所述电化学换能器312进行加热。在一些情况下，一个发电功率小于10kW的电化学换能器装置312需要被加热以保持大约1000℃的正常工作温度。其它的调节方法包括对输出热废气的热量回收以及使所述电化学换能器312绝热或使其一部分绝热。
所述反应物处理器346通常利用分别接收作为输入反应物326和324的燃料和蒸汽并产生H2和CO来使燃料被重整，然后使所产生的H2和CO进入与所述反应物处理器346以流体方式相通的所述燃料电池组350。也可利用其它的反应方式。例如，所述反应物处理器346可接收燃料和氧化剂并产生H2和CO，或者接收燃料、蒸汽和CO2并产生H2和CO。所述反应物处理器346可以是封闭的以引导所述反应物324和326的流动或对反应物和产物的混合进行控制。通常对所述重整剂进行调整以使其与燃料流、诸如蒸汽流的相关反应物、氧气或含有水和二氧化碳的燃料废气成一定比例。如本领域所知的，反应物处理器346可以设置在所述压力容器314的外部或者根本不使用反应物处理器346。
所述燃料电池组350可从所述反应物处理器346接收氧化剂328和已被重整的燃料以进行电化学反应。所述燃料电池组350在生产电能的同时还可释放热量，所释放的热量由温度调节装置348接收。通常所设计的燃料电池组350能够将燃料废气315排放到所述容器314的内部313，所述废气315可被收集，以重整的方式使其能够被再利用或用于其它工业原料。
所述燃料电池组350也可以逆向电解(reverse electrolysis)方式工作，从而消耗电能并产生燃料和氧化物组分。逆向电解需要使所述燃料电池组350被加热，例如可利用所述温度调节装置348。
所述燃料电池组350通常包括多列叠层式燃料电池，每一个叠层式燃料电池都具有与导热片交替设置的电解质片或电化学处理片。所述反应物处理器346也可为叠层式，所述各叠层可以交指的方式设置在所述叠层式燃料电池组350的各叠层之间。所述叠层式反应物处理器通常包括与导热片交替设置的化学处理片。所述叠层式反应物处理器和叠层式燃料电池可以交指的方式布置成矩形、六边形或八边形以得到均匀的热量分布。
采用上述结构，所述叠层式反应物处理器346和叠层式燃料电池350能够在导热片的平面内达到各自的等温状态。所述叠层式反应物处理器346和叠层式燃料电池350也可在反应物流均匀分布的条件下在所述叠层的轴向上达到各自的等温状态。结合上述两种技术，所述叠层式燃料电池350可在所述叠层的径向上和轴向上都达到一个等温状态。
靠近所述容器314壁的叠层式反应物处理器346、叠层式燃料电池350以及叠层式温度调节装置可独立于内叠层组进行连接，但是可以被维持在与内叠层组相同的工作温度。
所述压力容器314至少封闭所述燃料电池组350且应该承受所述电化学换能器装置312的最大工作压力。尽管压力是可变的，但是设计压力通常在50-500磅/英寸2的范围内。一个用于收集所述电化学换能器装置312的热废气315的筒形容器具有特定的开口，例如开口294。如上所述，使用压力容器413有助于收集能够从中获取有效能量的废气。
在一个示例中，所述容器314封闭了一个电化学换能器装置312，所述电化学换能器装置312包括一个作为所述燃料电池组350的25kW的固体氧化物燃料电池(SOFC)，所述电化学换能器装置312的内径大约为24″，内部高度大约为24″，外径大约为34″，外部高度大约为36″。用于反应物的连通部件290和292、用于废气的连通部件294以及用于电能的连通部件296设置在底板上，或者以其它方式设置在封闭容器314的周围。
因此，从上述内容中可以看出本发明能够有效地完成上述的本发明目的。由于在不脱离本发明保护范围的基础上可以对上述结构进行改进，因此上述说明书中的全部内容和附图所示内容仅仅是为了描述本发明，而对本发明不起到限制作用。
还应理解的是，附属的权利要求书概括了本发明的所有技术特征，即附属的权利要求书限定了本发明的保护范围。
权利要求
1.一种电化学换能器能量系统，包括一组用于产生能量的电化学换能器，所述电化学换能器组可接收输入反应物，一个设置在所述电化学换能器组周围的压力容器，所述压力容器能够收集所述电化学换能器组在工作时所产生的废气，以及用于将上述所收集废气从所述压力容器中排出的装置，这样可以在所述压力容器外部利用所述废气。
2.如权利要求1所述的电化学换能器能量系统，还包括一个设置在所述压力容器内部的反应物处理器，所述反应物处理器与所述电化学换能器组以流体方式相连通。
3.如权利要求1所述的电化学换能器能量系统，还包括一个设置在所述压力容器外部的反应物处理器，所述反应物处理器与所述电化学换能器组以流体方式相连通。
4.如权利要求1所述的电化学换能器能量系统，其特征在于，所述电化学换能器组包括多个燃料电池元件，每一个所述的燃料电池元件包括多个与导热片交插的电解质片。
5.如权利要求1所述的电化学换能器能量系统，其特征在于，所述电化学换能器组包括多个燃料电池元件，每一个所述的燃料电池元件的外形为管状。
6.如权利要求2所述的电化学换能器能量系统，其特征在于，所述反应物处理器包括多个反应物处理器元件，每一个所述反应物处理器元件包括多个与导热片交插的化学处理片。
7.如权利要求2所述的电化学换能器能量系统，其特征在于，所述电化学换能器组包括多个叠层式燃料电池元件，每一个所述的燃料电池元件包括多个与导热片交插的电解质片，以及所述反应物处理器包括多个反应物处理器元件，所述叠层式的反应物处理器元件包括多个与导热片交插的化学处理片。
8.如权利要求7所述的电化学换能器能量系统，其特征在于，所述叠层式反应物处理器元件为柱状并且以交指的方式设置在所述叠层式燃料电池之间。
9.如权利要求7所述的电化学换能器能量系统，其特征在于，所述反应物处理器元件中的至少一个包括用于获得一种径向等温状态的装置，所述燃料电池元件中的至少一个包括用于获得一种径向等温状态的装置。
10.如权利要求7所述的电化学换能器能量系统，其特征在于，所述反应物处理器元件中的至少一个包括用于在轴向上获得一种等温状态的反应物流动装置，所述燃料电池元件中的至少一个包括用于在轴向上获得一种等温状态的反应物流动装置。
11.如权利要求7所述的电化学换能器能量系统，其特征在于，所述燃料电池元件中的至少一个包括用于获得一种径向等温状态的装置和用于获得一种轴向等温状态的装置。
12.如权利要求2所述的电化学换能器能量系统，其特征在于，所述反应物处理器元件以交指的方式设置在所述各燃料电池元件之间。
13.如权利要求2所述的电化学换能器能量系统，其特征在于，所述反应物处理器元件和所述燃料电池元件以交指的方式排列成一种特定的图形以便在所述图形中的所述各元件之间的热量分布相等，所述图形可选自矩形、六边形和八边形。
14.如权利要求2所述的电化学换能器能量系统，其特征在于，所述压力容器具有一个界定所述压力容器内腔的壁，所述反应物处理器元件包括设置在所述压力容器壁附近的处理器元件和远离所述压力容器壁设置的处理器元件，所述燃料电池元件包括设置在所述压力容器壁附近的燃料电池元件和远离所述压力容器壁设置的燃料电池元件，远离所述压力容器壁设置的所述燃料电池元件和所述反应物处理器元件与设置在所述压力容器壁附近的所述燃料电池元件和所述反应物处理器元件是相互独立工作的，并且所述电化学换能器能量系统包括用于在与远离所述压力容器壁设置的所述燃料电池元件和所述反应物处理器元件大致相同的温度下操作所述设置在所述压力容器壁附近的所述燃料电池元件和所述反应物处理器元件的装置。
15.如权利要求1所述的电化学换能器能量系统，其特征在于，所述电化学换能器包括从以下这些装置中所选择出的至少一个装置，这些装置包括用于使所述电化学换能器预热的装置、用于使一种氧化剂输入反应物预热的装置、用于使一种燃料输入反应物预热的装置、用于使一种蒸汽输入反应物预热的装置、用于对至少一种输入反应物重整以产生一种产物的反应物处理器装置、用于加热所述电化学换能器组以保持所述电化学换能器组在稳定状态下工作的装置、用于冷却所述电化学换能器组以保持所述电化学换能器组在稳定状态下工作的装置以及用于调节所述电化学换能器温度的装置。
16.如权利要求15所述的电化学换能器能量系统，其特征在于，所述能量系统包括用于接收所述输入反应物的温度调节元件，所述输入反应物包括用于以燃烧方式使所述电化学换能器加热的燃料反应物和氧化剂反应物。
17.如权利要求15所述的电化学换能器能量系统，其特征在于，所述能量系统还包括用于接收非燃烧输入反应物的温度调节装置，所述非燃烧输入反应物可用于冷却所述电化学换能器。
18.如权利要求15所述的电化学换能器能量系统，其特征在于，所述能量系统还包括用于调节其中一个所述电化学换能器的温度的装置以保持所述电化学换能器组所需的工作温度。
19.如权利要求2所述的电化学换能器能量系统，其特征在于，所述反应物处理器包括用于接收燃料输入反应物和蒸汽输入反应物并可从所述反应物中产生氢气和一氧化碳产物的燃料重整装置。
20.如权利要求2所述的电化学换能器能量系统，其特征在于，所述反应物处理器包括用于接收燃料输入反应物和氧化剂输入反应物并可从所述反应物中产生氢气和一氧化碳产物的燃料重整装置。
21.如权利要求2所述的电化学换能器能量系统，其特征在于，所述反应物处理器包括用于接收燃料、蒸汽和二氧化碳输入反应物并可从所述反应物中产生氢气和一氧化碳产物的燃料重整装置。
22.如权利要求2所述的电化学换能器能量系统，其特征在于，所述反应物处理器包括用于接收输入反应物以从所述反应物中产生一种产物的燃料重整装置，所述反应物处理器包括至少一种叠层式反应物处理器，所述叠层式反应物处理器包括多个与导热片交插的化学处理片，所述叠层式反应物处理器具有一个外壳，用以控制所述输入反应物朝向所述叠层式反应物处理器的流动以及由所述叠层式反应物处理器所产生的产物的流动。
23.如权利要求4所述的电化学换能器能量系统，其特征在于，所述燃料电池元件用于接收对所述燃料反应物进行重整所需的燃料和氧化剂反应物，并且在所述燃料电池元件内能够产生能量。
24.如权利要求4所述的电化学换能器能量系统，其特征在于，所述能量系统还包括用于接收由所述燃料电池元件所产生的热量的冷却装置。
25.如权利要求4所述的电化学换能器能量系统，其特征在于，所述燃料电池元件产生燃料电池废气并将所述废气释放到所述压力容器的内腔。
26.如权利要求25所述的电化学换能器能量系统，其特征在于，所述能量系统还包括用于收集所述燃料电池废气的装置以便对所述废气进行进一步处理，所述对废气进行的进一步处理选自回收所述废气以便重整以及利用所述废气重新发电。
27.如权利要求4所述的电化学换能器能量系统，其特征在于，所述能量系统还包括能够使所述燃料电池元件以一种逆向电解方式工作的装置，其中所述燃料电池元件消耗电能并产生燃料和氧化物，用于将热量供给所述燃料电池元件的加热器元件，以及所述燃料电池元件包括用于从所述加热器元件接收热量的接收装置。
28.如权利要求1所述的电化学换能器能量系统，其特征在于，所述压力容器能够承受高至大约1000磅/英寸2的内部压力。
29.如权利要求1所述的电化学换能器能量系统，其特征在于，所述压力容器是一个筒形的压力容器。
30.如权利要求1所述的电化学换能器能量系统，其特征在于，所述能量系统还包括一个与所述压力容器设置在一起的热交换元件以使其与所述压力容器进行热交换，利用流经所述热交换器的一种换热流体使所述热交换器与所述压力容器进行热交换。
31.如权利要求30所述的电化学换能器能量系统，其特征在于，所述换热流体至少包括所述第一种输入反应物，在将所述第一种输入反应物引入到所述电化学换能器之前使所述第一种输入反应物流经所述热交换器。
32.如权利要求30所述的电化学换能器能量系统，其特征在于，利用所述换热流体以再生换热方式使所述压力容器冷却，所述换热流体包括一种氧化剂输入反应物，从而使所述压力容器外壁的温度保持在约250°F以下。
33.如权利要求30所述的电化学换能器能量系统，其特征在于，所述热交换元件包括一个设置在所述压力容器周围的换热套，所述换热套具有一个多孔的壁，通过使流经所述多孔壁的所述换热流体蒸发，从而使所述正压容器得到冷却，所述换热流体包括一种氧化剂输入反应物。34.如权利要求30所述的电化学换能器能量系统，其特征在于，利用在所述热交换元件中对流的水和蒸汽以再生换热方式使所述压力容器冷却。
35.如权利要求30所述的电化学换能器能量系统，其特征在于，所述换热流体包括一种氧化剂输入反应物，利用一个压缩机使所述换热流体被抽吸通过所述热交换元件。
36.如权利要求1所述的电化学换能器能量系统，其特征在于，所述能量系统还包括设置在所述压力容器壁附近的耐高温绝热部件。
37.如权利要求1所述的电化学换能器能量系统，其特征在于，所述输入反应物包括一种燃料、一种重整剂和一种氧化剂。
38.如权利要求1所述的电化学换能器能量系统，其特征在于，所述能量系统还包括用于对输入到所述电化学换能器组的燃料输入反应物的流动进行调节的装置以使所述电化学换能器能够产生一种可选择的能量输出。
39.如权利要求1所述的电化学换能器能量系统，其特征在于，所述能量系统还包括用于对输入到所述电化学换能器的燃料输入反应物的流动进行调节的装置以使所述电化学换能器保持一个可选择的工作温度。
40.如权利要求1所述的电化学换能器能量系统，其特征在于，所述输入反应物包括一种重整剂和一种燃料，所述能量系统还包括用于对所述重整剂的流动进行调节的装置以使所述重整剂的流动与所述燃料输入反应物的流动成一定比例。
41.如权利要求40所述的电化学换能器能量系统，其特征在于，所述重整剂是氧气。
42.如权利要求40所述的电化学换能器能量系统，其特征在于，所述重整剂包括由所述电化学换能器组所产生的燃料废气。
43.如权利要求1所述的电化学换能器能量系统，其特征在于，所述能量系统还包括用于在所述电化学换能器组的工作温度或接近其工作温度的条件下以及在从所述电化学换能器组排出的废气压力或接近该压力的条件下收集由所述电化学换能器组所产生的废气的装置。
44.如权利要求1所述的电化学换能器能量系统，其特征在于，所述能量系统还包括一个同流换热器以及用于将由所述电化学换能器组所产生的废气引入到所述同流换热器中以使所述输入反应物预热的装置。
45.如权利要求1所述的电化学换能器能量系统，其特征在于，所述能量系统还包括一个热交换器以及用于将由所述电化学换能器组所产生的废气引入到所述热交换器中以便利用废热发电的装置。
46.如权利要求1所述的电化学换能器能量系统，其特征在于，所述能量系统还包括一个蒸汽锅炉以及用于将由所述电化学换能器组所产生的废气引入到所述锅炉中以便产生蒸汽的装置。
47.如权利要求1所述的电化学换能器能量系统，其特征在于，所述能量系统还包括一个燃气轮机以及用于将由所述电化学换能器组所产生的废气引入到所述燃气轮机中以产生能量的装置。
48.如权利要求47所述的电化学换能器能量系统，其特征在于，所述能量系统还包括一个可利用由所述电化学换能器组所产生的废气对所述输入反应物进行预热的同流换热器。
49.一种与一个基础动力设备结合使用的电化学换能器系统，包括一个用于接收输入反应物的电化学换能器组；一个设置在所述电化学换能器组件周围的正压容器；一个相对于所述压力容器设置的热交换元件，所述热交换元件可与所述压力容器进行热交换，所述热交换元件与所述燃料电池组以流体方式相连通以将所述输入反应物输送到给所述燃料电池组；以及一个与所述热交换元件以流体方式相连通的鼓风机，以使一种包括输入反应物的换热流体能够通过所述热交换元件循环，从而在将所述输入反应物输送给所述电化学换能器之前能够在所述压力容器与所述输入反应物之间进行热交换。
50.如权利要求49所述的电化学换能器系统，其特征在于，所述鼓风机能够以抽送的方式使所述换热流体通过所述热交换元件。
51.如权利要求49所述的电化学换能器系统，其特征在于，所述鼓风机能够以吹送的方式使所述换热流体通过所述热交换元件。
52.如权利要求49所述的电化学换能器系统，其特征在于，所述电化学换能器组包括与多个互连片交替叠置的多个电解质片。
53.如权利要求49所述的电化学换能器系统，其特征在于，所述电化学换能器包括用于使一种输入反应物重整的燃料重整装置。
54.如权利要求49所述的电化学换能器系统，其特征在于，所述热交换元件包括一个沿周向设置在所述压力容器周围的管状盘管。
55.如权利要求49所述的电化学换能器系统，其特征在于，所述热交换元件包括一个设置在所述压力容器周围的套。
56.如权利要求49所述的电化学换能器系统，其特征在于，所述基础动力设备是一个热动式致冷设备。
57.如权利要求49所述的电化学换能器系统，其特征在于，所述基础动力设备是一个热流体锅炉。
58.如权利要求49所述的电化学换能器系统，其特征在于，所述基础动力设备是一个蒸汽锅炉。
59.如权利要求49所述的电化学换能器系统，其特征在于，所述基础动力设备是一个取暖、通风和空气调节系统，所述取暖、通风和空气调节系统包括至少一个热流体锅炉和热动式致冷设备。
60.一种电化学换能器能量系统，包括一个用于接收输入反应物的电化学换能器，一个设置在所述换能器周围并与所述换能器以热的方式相连通的压力容器，所述电化学换能器将废气排放到所述压力容器的内腔，该废气中包括已使用过的输入反应物，一个与所述压力容器设置在一起的热交换元件，所述热交换元件能够与所述压力容器进行热交换，在将一种所选择的输入反应物引入到所述电化学换能器之前通过使一种包括所述选定输入反应物的换热流体流经所述热交换器，从而可使所述热交换器至少与所述压力容器进行热交换，以及能够利用废热发电的基础动力设备，所述设备可接收由所述电化学换能器所产生的热废气。
61.如权利要求60所述的电化学换能器能量系统，其特征在于，所述能够利用废热发电的基础动力设备可从下列设备中选择，这些设备包括一种热流体锅炉、一种蒸汽锅炉、一种包括一个蒸汽发生器的热动式致冷设备以及一种燃气轮机。
62.如权利要求60所述的电化学换能器能量系统，其特征在于，所述电化学换能器是可从下列类型燃料电池中选择出来的一种燃料电池，这些燃料电池的类型包括一种固体氧化物燃料电池、一种熔融碳酸盐燃料电池、一种磷酸燃料电池、一种碱性燃料电池和一种质子交换膜燃料电池。
63.如权利要求60所述的电化学换能器能量系统，其特征在于，所述能量系统还包括用于在接近所述电化学换能器组的工作温度的条件下以及在接近所述电化学换能器内的使用过反应物压力的条件下收集由所述压力容器所收集的废气的装置，所述废气收集装置与所述能够利用废热发电的基础动力设备以流体方式相连通以将所述废气输送给所述基础动力设备。
64.如权利要求60所述的电化学换能器能量系统，其特征在于，所述能量系统还包括一个用以对所述废气中的热量进行回收再生的同流换热器，所述同流换热器可在将第一种输入反应物输送到所述电化学换能器之前使所述第一种输入反应物预热，所述同流换热器可接收从所述废气装置排出的废气并将所述废气输送给所述能够利用废热发电的基础动力设备。
65.如权利要求60所述的电化学换能器能量系统，其特征在于，所述能量系统还包括一个用于以抽送的方式使所述换热流体通过所述热交换元件的抽送泵，所述抽送泵能够将所述换热流体输送给所述电化学换能器。
66.如权利要求60所述的电化学换能器能量系统，其特征在于，所述利用废热发电的设备是一个燃气轮机，所述燃气轮机的压缩机部分能够以抽送的方式使所述换热流体通过所述热交换元件并可将所述换热流体输送给所述电化学换能器。
67.如权利要求66所述的电化学换能器能量系统，其特征在于，所述能量系统还包括一个与所述燃气轮机相连的发电机。
68.如权利要求66所述的电化学换能器能量系统，其特征在于，所述能量系统还包括一个同流换热器，所述同流换热器可在将第一种输入反应物输送到所述电化学换能器之前利用由所述燃气轮机所产生的废气使所述第一种输入反应物预热。
69.如权利要求1所述的电化学换能器能量系统，其特征在于，所述能量系统还包括一个用于将一种流体从所述压力容器内部输送到其外部的连通部件，所述连通部件包括一个从与所述压力容器相连的第一端部沿着纵轴线方向延伸到第二端部的主体部分，所述主体部分还包括一个第一部分和第二部分，所述第一部分具有一个设置在一个绝热部件周围的外部压力套，所述绝热部件具有一个通孔，所述第二部分包括一个设置在一个内部压力管周围的外部绝热套，所述内部压力管具有一个内腔，并且其中所述第一部分和第二部分相互连接以使所述通孔和所述内腔以流体方式相连通，从而可将一种流体从所述连通部件的第一端部输送到所述连通部件的第二端部。
70.如权利要求49所述的电化学换能器能量系统，其特征在于，所述能量系统还包括一个用于将一种流体从所述压力容器内部输送到其外部的连通部件，所述连通部件包括一个从与所述压力容器相连的第一端部沿着纵轴线方向延伸到第二端部的主体部分，所述主体部分包括一个第一部分和第二部分，所述第一部分具有一个设置在一个绝热部件周围的外部压力套，所述绝热部件具有一个通孔，所述第二部分包括一个设置在一个内部压力管周围的外部绝热套，所述内部压力管具有一个内腔，并且其中所述第一部分和第二部分相互连接以使所述通孔和所述内腔相连通，从而可将一种流体从所述连通部件的第一端部输送到所述连通部件的第二端部。
71.如权利要求60所述的电化学换能器能量系统，其特征在于，所述能量系统还包括一个用于将一种流体从所述压力容器内部输送到其外部的连通部件，所述连通部件包括一个从与所述压力容器相连的第一端部沿着纵轴线方向延伸到第二端部的主体部分，所述主体部分包括一个第一部分和第二部分，所述第一部分具有一个设置在一个绝热部件周围的外部压力套，所述绝热部件具有一个通孔，所述第二部分包括一个设置在一个内部压力管周围的外部绝热套，所述内部压力管具有一个内腔，并且其中所述第一部分和第二部分相互连接以使所述通孔和所述内腔以流体方式相连通，从而可将一种流体从所述连通部件的第一端部输送到所述连通部件的第二端部。
72.如权利要求69所述的电化学换能器能量系统，其特征在于，所述连通部件还包括一个设置在所述第一部分和第二部分之间的压力盘，所述压力盘与所述压力套和所述压力管相连以便在所述压力套和所述压力管之间形成压力密封。
73.一种用于一个压力容器的连通部件，包括一个从与所述压力容器相连的第一端部沿着纵轴线方向延伸到第二端部的主体部分，所述主体部分包括一个第一部分和第二部分，所述第一部分具有一个设置在一个绝热部件周围的外部压力套，所述绝热部件具有一个通孔，所述第二部分包括一个设置在一个内部压力管周围的外部绝热套，所述内部压力管具有一个内腔，并且其特征在于，所述通孔和所述内腔以流体方式相连通，从而可将一种流体从所述连通部件的第一端部输送到所述连通部件的第二端部。
74.如权利要求73所述的连通部件，其特征在于，所述连通部件还包括一个设置在所述第一部分和第二部分之间的压力盘，所述压力盘与所述压力套和所述压力管相连以便在所述压力套和所述压力管之间形成压力密封。
75.如权利要求5所述的电化学换能器能量系统，其特征在于，所述燃料电池元件可接收燃料反应物和氧化剂反应物以使所述燃料反应物重整并且在所述燃料电池元件内产生能量。
76.如权利要求5所述的电化学换能器能量系统，其特征在于，所述能量系统还包括用于接收由所述燃料电池元件所产生的热量的冷却装置。
77.如权利要求5所述的电化学换能器能量系统，其特征在于，所述燃料电池元件产生燃料电池废气并将所述废气排放到所述压力容器内部。
78.如权利要求5所述的电化学换能器能量系统，其特征在于，所述能量系统还包括能够使所述燃料电池元件以一种逆向电解方式工作的装置，其中所述燃料电池元件消耗电能并产生燃料和氧化物，用于将热量供给所述燃料电池元件的加热器元件，以及所述燃料电池元件包括用于从所述加热器元件接收热量的接收装置。
全文摘要
一种电化学换能器,它设置在一个压力容器内,所述压力容器用于收集由所述电化学换能器产生的热废气并可将所述废气输送到一个能利用废热发电的基础动力设备、例如燃气轮机。所述基础动力设备能够从由所述电化学换能器(诸如用于产生电能的一种燃料电池)产生的热废气中获取能量,从而形成了一个高效的能量系统。所述基础动力设备例如可包括一种燃气轮机或一种供暖、通风和致冷系统(HVAC系统)。所述压力容器可包括一个热交换器(诸如一个冷却套)用于在将反应物引入到所述电化学换能器之前使所述压力容器冷却和/或使所述电化学换能器的输入反应物预热。在一个实施例中,一个燃气轮机系统的一个压缩机可以抽送的方式使一种输入反应物通过所述压力容器换热器并且将所述反应物在一定压力下输送到封闭在所述压力容器内的电化学换能器中。加压和加热燃料电池废气被所述压力容器收集并被输送到所述透平系统膨胀装置。所述燃料电池和所述压力容器用作所述燃气轮机系统的一个燃烧器。所述膨胀装置可进行机械工作或与一个发电机相连以产生除了由所述燃料电池所产生的电能以外的电能。本发明还提供一种用于将一种流体(诸如废气或一种输入反应物)从所述压力容器外部输送到所述压力容器内部的连通部件。
文档编号H01M8/14GK1249069SQ97181986
公开日2000年3月29日 申请日期1997年12月23日 优先权日1996年12月31日
发明者M·S·苏 申请人:兹特克公司