[发明专利]燃料电池混合动力系统

说明书

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