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CN104170139A - 燃料电池混合动力系统 - Google Patents

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CN104170139A CN201280065268.2A CN201280065268A CN104170139A CN 104170139 A CN104170139 A CN 104170139A CN 201280065268 A CN201280065268 A CN 201280065268A CN 104170139 A CN104170139 A CN 104170139A
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Abstract

本发明涉及燃料电池混合动力系统。该燃料电池混合动力系统包括：包括压缩单元和膨胀单元的热机，所述压缩单元对包含空气在内的氧化剂补给气体进行压缩，所述膨胀单元使氧化剂补给气体膨胀以产生机械能；包括阳极、阴极和催化燃烧室的燃料电池，所述阳极接收燃料气体，所述阴极接收氧化剂补给气体，所述催化燃烧室对从所述阳极排出的阳极废气中的未反应燃料气体进行燃烧以加热氧化剂补给气体；第一热交换机，其在从所述压缩单元释放的氧化剂补给气体与从所述阴极排出的阴极废气之间进行热交换；以及第二热交换机，其在从所述第一热交换机释放的氧化剂补给气体与从所述催化燃烧室释放的氧化剂补给气体之间进行热交换。在此，将从所述第二热交换机释放的氧化剂补给气体经由所述膨胀单元提供至所述催化燃烧室中，并且将从所述催化燃烧室释放的氧化剂补给气体经由所述第二热交换机提供至所述阴极中。

Description

燃料电池混合动力系统
技术领域
本发明涉及一种燃料电池混合动力系统，具体而言，涉及一种将燃料电池与热机相联接或者将燃料电池与有机朗肯循环装置以及热机相联接以改进整体系统效率的燃料电池混合动力系统。
背景技术
燃料电池是通过电化学反应将存储在碳氢化合物燃料中的化学能直接转化为电能的单元。也就是说，燃料电池是通过阳极中的氢氧化反应和阴极中的氧化还原反应将化学能直接转化为电能的单元。为了进行这些反应，必须将燃料气体(氢)提供到燃料电池堆的阳极中，并且必须将空气(氧)提供到燃料电池堆的阴极中。用于通过上述反应发电的燃料电池系统可以包括燃料电池堆、电站机械配套设施(MBOP)以及电站电气配套设施(EBOP)。燃料电池堆可以是用于通过电化学反应发电的单元，MBOP可以是用于将氧和氢提供到燃料电池堆中的单元，并且EBOP可以是用于通过逆变器将施加至燃料电池堆的DC电力转换成AC电力的单元，以便将转换后的AC电力提供至期望的单元。
诸如熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)之类的高温燃料电池可以通过以下过程发电。参考图3，诸如天然气之类的燃料气体通常会接触硫(S)。硫(S)对于稍后将进行描述的重整器20的重整催化剂可能会具有不好的影响。因此，必须首先通过脱硫剂(未示出)使燃料气体脱硫。此外，在重整器20中发生的重整反应需要水。因此，由于液态水会损害重整催化剂，所以必须将气态水连同燃料气体一起提供到重整器20中。因此，燃料气体在通过加湿热交换机时会被加湿。加湿热交换机10通过使用从燃料电池堆的阴极44排出的高温阴极废气可以使液态水蒸发。从而，经脱硫和加湿的燃料气体可以在预重整器20中重整为氢。可以通过在热交换机30中进行热交换将氢加热至需要的温度。然后，将氢提供至燃料电池堆的阳极42中。
此外，如上所述，必须将空气(氧)提供至燃料电池堆的阴极44中。为此，燃料电池通常会将氧化剂补给气体从诸如大气之类的气源提供至阴极44中。在此，氧化剂补给气体可以是空气。在一些情况下，氧化剂补给气体可以是这样的气体，其中使阴极废气的一部分被循环回收然后与空气混合。然而，需要将氧化剂补给气体加热至足够的温度从而提供至阴极44中。为了加热氧化剂补给气体，可以使用用于燃烧阳极废气中的未反应燃料气体的催化燃烧室50来加热氧化剂补给气体。可以将加热后的氧化剂补给气体提供至燃料电池堆的阴极44中。
然而，通过上述过程发电的MCFC除了电以外还会产生热。因此，在使用诸如MCFC之类的高温燃料电池的燃料电池系统中，整体系统效率会根据热的使用方法而变化。从而，正在采用各种用于利用热的方法来改进整体系统效率。例如，正在努力尝试将热用作加热源的方法。然而，为了将热用作加热源，必须将燃料电池系统安装在距离需要加热源的位置不远的位置处。
为了克服上述限制，采用了用于在热机(例如，燃气轮机)或有机朗肯循环(organic rankine cycle，ORC)装置中利用热的方法。在此，热机可以表示用于将热能转化为机械能的装置，并且ORC装置可以表示回收具有低到中温的余热用于发电以操作涡轮的装置。然而，在上述方法中，当燃料电池和热机彼此联接时，或者当燃料电池和有机朗肯循环装置彼此联接时，很难有效利用从燃料电池产生的热。
发明内容
技术问题
因此，为了解决上述限制，本发明提供了一种将燃料电池与热机相联接或者将燃料电池与有机朗肯循环装置以及热机相联接以有效利用从燃料电池产生的热的燃料电池混合动力系统
技术方案
根据本发明的一个方面，提供一种燃料电池混合动力系统，其包括：包括压缩单元和膨胀单元的热机，所述压缩单元用于对包含空气在内的氧化剂补给气体进行压缩，所述膨胀单元用于使氧化剂补给气体膨胀以产生机械能；包括阳极、阴极和催化燃烧室的燃料电池，所述阳极用于接收燃料气体，所述阴极用于接收氧化剂补给气体，所述催化燃烧室用于对从所述阳极排出的阳极废气中的未反应燃料气体进行燃烧以加热氧化剂补给气体；第一热交换机，其用于使从所述压缩单元释放的氧化剂补给气体与从所述阴极排出的阴极废气进行热交换；以及第二热交换机，其用于使从所述第一热交换机释放的氧化剂补给气体与从所述催化燃烧室释放的氧化剂补给气体进行热交换，其中，将从所述第二热交换机释放的氧化剂补给气体经由所述膨胀单元提供至所述催化燃烧室中，并且将从所述催化燃烧室释放的氧化剂补给气体经由所述第二热交换机提供至所述阴极中。
有益效果
在根据本发明的燃料电池混合动力系统中，由于从催化燃烧室释放的氧化剂补给气体的热以及从阴极排除的阴极废气的热被传递至热机中，所以可以充分确保热机所需的热，并且还可以利用从燃料电池产生的热而没有浪费。此外，由于残余热在传递至热机中以后还可以被传递至有机朗肯循环装置，所以可以进一步改进整体系统效率。
附图说明
图1是根据本发明一个实施例的燃料电池混合动力系统的框图。
图2是根据本发明另一个实施例的燃料电池混合动力系统的框图。
图3是示出了熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)的基本构造的框图。
具体实施方式
下面将参考附图对本发明的优选实施例进行更加详细的说明。然而，本发明不限于下面的各实施例。
图1是根据本发明一个实施例的燃料电池混合动力系统的框图。参考图1，根据当前实施例的混合动力系统包括燃料电池100和热机200。首先说明热机200，根据当前实施例的热机200包括压缩单元210和膨胀单元220。压缩单元210可以从诸如大气之类的气源接收氧化剂补给气体以压缩氧化剂补给气体。仅供参考，根据当前实施例的压缩单元210可以是用于压缩气体的通用压缩机。
可以通过第一热交换机510加热压缩后的氧化剂补给气体。为此，第一热交换机510可以使从压缩单元210排出的氧化剂补给气体与从阴极144排出的阴极废气进行热交换以加热氧化剂补给气体。由于阴极废气具有非常高的温度，因此其足以加热氧化剂补给气体。然而，第一热交换机510可以包括第一内部热交换机512和第一外部热交换机514。第一内部热交换机512可以是提供在构成所述燃料电池100的电堆模块内部的热交换机，并且第一外部热交换机514可以是提供在电堆模块外部的热交换机。如上所述，如果在电堆模块内部和外部提供热交换机，则可以改进电堆模块中的热交换效率。
通过第一热交换机510加热的氧化剂补给气体可以进一步通过第二热交换机520加热。第二热交换机520可以使从第一热交换机510释放的氧化剂补给气体与从催化燃烧室150释放的氧化剂补给气体进行热交换，以进一步对经过第一热交换机510的氧化剂补给气体进行加热。如上所述，催化燃烧室150可以对从阳极142排出的阳极废气中的未反应燃料气体进行燃烧以加热氧化剂补给气体。因此，从催化燃烧室150释放的氧化剂补给气体可以具有足够的温度，用以加热从第一热交换机510释放的氧化剂补给气体。
经压缩和加热的高温高压氧化剂补给气体在膨胀单元220中膨胀以产生机械能。膨胀单元220可以是膨胀涡轮，其中高温高压气体膨胀以使涡轮旋转，从而产生机械能。在膨胀单元220中产生的机械能可以用在发电机230以及压缩单元210中。当在膨胀单元220中产生的机械能操作发电机230时，热机200以及燃料电池100可以发电。
如上所述，在根据当前实施例的混合动力系统中，在燃料电池100中产生的热可以用在热机200中，以改进整体系统效率。此外，在根据当前实施例的混合动力系统中，从催化燃烧室150释放的氧化剂补给气体的热(参见第二热交换机520)以及从阴极排出的阴极废气的热(参见第一热交换机510)可以传递至热机200中。因此，可以充分确保热机200所需的热，并且可以无浪费地利用从燃料电池100产生的热，以改进整体系统效率。
将从膨胀单元220释放的氧化剂补给气体提供至催化燃烧室150中。然而，如果只将通过热机200的氧化剂补给气体提供至催化燃烧室150中，则难以将足够量的氧化剂补给气体提供至阴极144中。这是因为在热机200中产生机械能所需的氧化剂补给气体的量与在燃料电池100中产生电力所需的氧化剂补给气体的量可以不同。为了解决上述限制，如图1所示，根据当前实施例的混合动力系统可以将氧化剂补给气体从气源提供至催化燃烧室150以及压缩单元210中。从而选择性地，除了经由热机将氧化剂补给气体提供至催化燃烧室150中以外，还可以将氧化剂补给气体从气源直接提供至催化燃烧室150中。
在此，为了调节从气源提供至催化燃烧室150的氧化剂补给气体的量，根据当前实施例的混合动力系统还可以包括第一调节阀531。此外，为了加热从气源到催化燃烧室150的氧化剂补给气体，根据当前实施例的混合动力系统还可以包括燃烧器535。当燃料电池100开始工作时，或者当施加至燃料电池100的负载低于大约50％时，在燃料电池100中可能不会发生充分的反应。因此，难以保持使燃料电池100工作所需的温度。因此，可以分离地提供所需的热。为此，根据当前实施例的混合动力系统可以使用上述燃烧器535。如上所述，当通过燃烧器535加热氧化剂补给气体以便将加热后的氧化剂补给气体提供至催化燃烧室150中时，即便通过仅使用燃料电池100难以保持所需的温度，仍可以通过使用氧化剂补给气体的热将燃料电池100保持在所需的温度。
根据当前实施例的混合动力系统还可以将氧化剂补给气体从气源提供至从催化燃烧室150释放的氧化剂补给气体中以及压缩单元210中。如上所述，由于在通过催化燃烧室150时对氧化剂补给气体进行加热，所以该氧化剂补给气体的温度可高于从气源提供的氧化剂补给气体的温度。因此，当将从气源提供的氧化剂补给气体提供至从催化燃烧室150释放的氧化剂补给气体中时，从催化燃烧室150释放的氧化剂补给气体会降温。因此，如果调节从气源提供的氧化剂补给气体的量，则可以调节从催化燃烧室150释放的氧化剂补给气体的温度。
例如，在由于高负载而使燃料电池堆温度升高的情况下，当增加从气源提供的氧化剂补给气体的量以减小提供至阴极144的氧化剂补给气体(即，从催化燃烧室释放的氧化剂补给气体)的温度时，燃料电池堆会降温。由于需要将燃料电池堆保持在恒温，所以对燃料电池堆的温度调节会是非常有用的。根据当前实施例的混合动力系统还可以包括图1所示的第二调节阀532，以便调节温度，即提供至从催化燃烧室150释放的氧化剂补给气体的氧化剂补给气体的流速。
此外，根据当前实施例的混合动力系统除了上述第一调节阀531和第二调节阀532之外还可以包括第三调节阀533，用于调节从气源提供至压缩单元210的氧化剂补给气体的流速。由于第三调节阀533最终可以调节引入至膨胀单元220的氧化剂补给气体的量，因此可以调节从热机200产生的机械能的量。从而，根据当前实施例的混合动力系统可以通过三个阀531、532和533调节热机200所需的氧化剂补给气体的量、燃料电池100所需的氧化剂补给气体的量以及调节燃料电池堆的温度所需的氧化剂补给气体的量。仅供参考，为了将氧化剂补给气体从气源提供至燃料电池100或热机200中，根据当前实施例的混合动力系统还可以包括鼓风机540。
在将热提供至热机200中之后，从阴极144排出的阴极废气可以在某种程度上保持高温。因此，如果进一步利用热，则可以进一步改进整体系统效率。为此，如图2所示，根据当前实施例的混合动力系统还可以包括回收具有低到中温的余热用于发电以操作涡轮的有机朗肯循环(ORC)装置300。图2是根据本发明另一个实施例的燃料电池混合动力系统的框图。参考图2，根据当前实施例的ORC装置300包括：第三热交换机310，其用于使从第一热交换机510释放的阴极废气与工作流体进行热交换以加热该工作流体；膨胀涡轮320，其用于使经过第三热交换机310加热的工作流体膨胀以产生机械能；冷凝器330，其用于冷凝从膨胀涡轮320释放的工作流体；以及泵体340，其强制传送从冷凝器330释放的工作流体。
膨胀涡轮320可以通过使用所产生的机械能对发电机360进行操作来发电，类似于上述膨胀单元220。此外，冷凝器330可以从外部接收冷水以冷凝工作流体。此外，根据当前实施例的ORC装置300还可以包括第四热交换机350，其用于使从泵体340释放的工作流体与从膨胀涡轮320释放的工作流体进行热交换以进一步改进热交换效率。仅供参考，ORC装置300可以使用与水相比具有相对较低沸点和相对较高汽压的有机介质作为工作流体。
如上所述，根据当前实施例的燃料电池混合动力系统也可以通过热机200和ORC装置300以及燃料电池100来发电。此外，可以从燃料电池100提供热机200和ORC装置300所需的热。因此，根据当前实施例的混合动力系统可以安装在任何位置并且在效率方面有所改进。具体而言，根据当前实施例的混合动力系统(参见图2)可以在ORC装置300以及热机200中利用从燃料电池100产生的余热。因此，如以下表1所示，与根据现有技术的仅包括燃料电池的系统(参见图3)相比时，该混合动力系统可以具有改进的效率(以下表1示出了在额定输出下所获得的数据)。
[表1]
工业实用性
由于本发明涉及一种将燃料电池与热机相联接或者将燃料电池与有机朗肯循环装置以及热机相联接以改进整体系统效率的燃料电池混合动力系统，因此工业实用性高。

Claims (10)

1.一种燃料电池混合动力系统，其包括：
包括压缩单元和膨胀单元的热机，所述压缩单元用于对包含空气在内的氧化剂补给气体进行压缩，所述膨胀单元用于使氧化剂补给气体膨胀以产生机械能；
包括阳极、阴极和催化燃烧室的燃料电池，所述阳极用于接收燃料气体，所述阴极用于接收氧化剂补给气体，所述催化燃烧室用于对从所述阳极排出的阳极废气中的未反应燃料气体进行燃烧以加热氧化剂补给气体；
第一热交换机，其用于使从所述压缩单元释放的氧化剂补给气体与从所述阴极排出的阴极废气进行热交换；以及
第二热交换机，其用于使从所述第一热交换机释放的氧化剂补给气体与从所述催化燃烧室释放的氧化剂补给气体进行热交换，
其中，将从所述第二热交换机释放的氧化剂补给气体经由所述膨胀单元提供至所述催化燃烧室中，并且将从所述催化燃烧室释放的氧化剂补给气体经由所述第二热交换机提供至所述阴极中。
2.根据权利要求1所述的燃料电池混合动力系统，其中，所述第一热交换机包括第一内部热交换机和第一外部热交换机，所述第一内部热交换机提供在构成所述燃料电池的电堆模块内部，所述第一外部热交换机提供在所述电堆模块外部。
3.根据权利要求1所述的燃料电池混合动力系统，其中，从用于提供氧化剂补给气体的气源将氧化剂补给气体提供至所述压缩单元和所述催化燃烧室。
4.根据权利要求3所述的燃料电池混合动力系统，还包括第一调节阀，其用于调节从所述气源提供至所述催化燃烧室的氧化剂补给气体的流速。
5.根据权利要求3所述的燃料电池混合动力系统，还包括燃烧器，其用于对从所述气源提供至所述催化燃烧室的氧化剂补给气体进行加热。
6.根据权利要求1所述的燃料电池混合动力系统，其中，从用于提供氧化剂补给气体的气源将氧化剂补给气体提供至所述压缩单元和从所述催化燃烧室释放的氧化剂补给气体。
7.根据权利要求6所述的燃料电池混合动力系统，还包括第二调节阀，其用于调节从所述气源提供至从所述催化燃烧室释放的氧化剂补给气体的氧化剂补给气体的流速。
8.根据权利要求3或6所述的燃料电池混合动力系统，还包括第三调节阀，其用于调节从所述气源提供至所述压缩单元的氧化剂补给气体的流速。
9.根据权利要求1所述的燃料电池混合动力系统，还包括有机朗肯循环装置，其包括：
第三热交换机，其用于使从所述第一热交换机释放的阴极废气与工作流体进行热交换以加热工作流体；
膨胀涡轮，其用于使经过所述第三热交换机加热的工作流体膨胀以产生机械能；
冷凝器，其用于冷凝从所述膨胀涡轮释放的工作流体；以及
泵体，其强制传送从所述冷凝器释放的工作流体。
10.根据权利要求9所述的燃料电池混合动力系统，其中，所述有机朗肯循环装置还包括第四热交换机，其用于使从所述泵体释放的工作流体与从所述膨胀涡轮释放的工作流体进行热交换。
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