[發明專利]燃料電池混合動力系統

有效

• 申請號: 201280065268.2
• 申請日: 2012-12-21
• 公開（公告）號: CN104170139A
• 公開（公告）日: 2014-11-26
• 發明（設計）人: 金珉基;曹仁凈;李商勛
• 申請（專利權）人: POSCO能源公司
• 主分類號: H01M8/04
• 分類號: H01M8/04;H01M8/14;H01M8/06;F02C1/00
• 代理公司: 北京天昊聯合知識產權代理有限公司 11112
• 代理人: 陳源;張帆

技術領域

本發明涉及一種燃料電池混合動力系統，具體而言，涉及一種將燃料電池與熱機相聯接或者將燃料電池與有機朗肯循環裝置以及熱機相聯接以改進整體系統效率的燃料電池混合動力系統。

背景技術

燃料電池是通過電化學反應將存儲在碳氫化合物燃料中的化學能直接轉化為電能的單元。也就是說，燃料電池是通過陽極中的氫氧化反應和陰極中的氧化還原反應將化學能直接轉化為電能的單元。為了進行這些反應，必須將燃料氣體(氫)提供到燃料電池堆的陽極中，并且必須將空氣(氧)提供到燃料電池堆的陰極中。用于通過上述反應發電的燃料電池系統可以包括燃料電池堆、電站機械配套設施(MBOP)以及電站電氣配套設施(EBOP)。燃料電池堆可以是用于通過電化學反應發電的單元，MBOP可以是用于將氧和氫提供到燃料電池堆中的單元，并且EBOP可以是用于通過逆變器將施加至燃料電池堆的DC電力轉換成AC電力的單元，以便將轉換后的AC電力提供至期望的單元。

諸如熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC)之類的高溫燃料電池可以通過以下過程發電。參考圖3，諸如天然氣之類的燃料氣體通常會接觸硫(S)。硫(S)對于稍后將進行描述的重整器20的重整催化劑可能會具有不好的影響。因此，必須首先通過脫硫劑(未示出)使燃料氣體脫硫。此外，在重整器20中發生的重整反應需要水。因此，由于液態水會損害重整催化劑，所以必須將氣態水連同燃料氣體一起提供到重整器20中。因此，燃料氣體在通過加濕熱交換機時會被加濕。加濕熱交換機10通過使用從燃料電池堆的陰極44排出的高溫陰極廢氣可以使液態水蒸發。從而，經脫硫和加濕的燃料氣體可以在預重整器20中重整為氫。可以通過在熱交換機30中進行熱交換將氫加熱至需要的溫度。然后，將氫提供至燃料電池堆的陽極42中。

此外，如上所述，必須將空氣(氧)提供至燃料電池堆的陰極44中。為此，燃料電池通常會將氧化劑補給氣體從諸如大氣之類的氣源提供至陰極44中。在此，氧化劑補給氣體可以是空氣。在一些情況下，氧化劑補給氣體可以是這樣的氣體，其中使陰極廢氣的一部分被循環回收然后與空氣混合。然而，需要將氧化劑補給氣體加熱至足夠的溫度從而提供至陰極44中。為了加熱氧化劑補給氣體，可以使用用于燃燒陽極廢氣中的未反應燃料氣體的催化燃燒室50來加熱氧化劑補給氣體。可以將加熱后的氧化劑補給氣體提供至燃料電池堆的陰極44中。

然而，通過上述過程發電的MCFC除了電以外還會產生熱。因此，在使用諸如MCFC之類的高溫燃料電池的燃料電池系統中，整體系統效率會根據熱的使用方法而變化。從而，正在采用各種用于利用熱的方法來改進整體系統效率。例如，正在努力嘗試將熱用作加熱源的方法。然而，為了將熱用作加熱源，必須將燃料電池系統安裝在距離需要加熱源的位置不遠的位置處。

為了克服上述限制，采用了用于在熱機(例如，燃氣輪機)或有機朗肯循環(organic?rankine?cycle，ORC)裝置中利用熱的方法。在此，熱機可以表示用于將熱能轉化為機械能的裝置，并且ORC裝置可以表示回收具有低到中溫的余熱用于發電以操作渦輪的裝置。然而，在上述方法中，當燃料電池和熱機彼此聯接時，或者當燃料電池和有機朗肯循環裝置彼此聯接時，很難有效利用從燃料電池產生的熱。

發明內容

技術問題

因此，為了解決上述限制，本發明提供了一種將燃料電池與熱機相聯接或者將燃料電池與有機朗肯循環裝置以及熱機相聯接以有效利用從燃料電池產生的熱的燃料電池混合動力系統

技術方案

根據本發明的一個方面，提供一種燃料電池混合動力系統，其包括：包括壓縮單元和膨脹單元的熱機，所述壓縮單元用于對包含空氣在內的氧化劑補給氣體進行壓縮，所述膨脹單元用于使氧化劑補給氣體膨脹以產生機械能；包括陽極、陰極和催化燃燒室的燃料電池，所述陽極用于接收燃料氣體，所述陰極用于接收氧化劑補給氣體，所述催化燃燒室用于對從所述陽極排出的陽極廢氣中的未反應燃料氣體進行燃燒以加熱氧化劑補給氣體；第一熱交換機，其用于使從所述壓縮單元釋放的氧化劑補給氣體與從所述陰極排出的陰極廢氣進行熱交換；以及第二熱交換機，其用于使從所述第一熱交換機釋放的氧化劑補給氣體與從所述催化燃燒室釋放的氧化劑補給氣體進行熱交換，其中，將從所述第二熱交換機釋放的氧化劑補給氣體經由所述膨脹單元提供至所述催化燃燒室中，并且將從所述催化燃燒室釋放的氧化劑補給氣體經由所述第二熱交換機提供至所述陰極中。

有益效果