[发明专利]用于超高效率动力系统的燃料电池堆

说明书

相关专利申请

本专利申请是1997年11月26日递交的名为“超高效率涡轮和燃料电池组合”的美国专利申请号08/977,835的部分继续专利申请，前述美国专利是1994年10月19日递交的名为“超高效率涡轮和燃料电池组合”的美国专利申请号08/325,486的继续申请，现在其美国专利号为5,693,201；前述美国专利是1994年8月8日递交的名为“具有内部热综合的电化学转换器”的美国专利申请号08/287,093的部分继续申请，现在其美国专利号为5,501,781。

发明背景

本发明涉及燃料电池，并且它用于与燃气涡轮、蒸汽涡轮以及加热、通风和空调(HVAC)系统相连接，并且特别涉及采用这种设备的高性能混合动力系统。

常规的高性能燃气涡轮动力系统是现有并且已知的。现有燃气涡轮动力系统包括压缩机、燃烧室和机械涡轮，它们一般同轴连接，例如，沿着相同的轴线连接。在常规的燃气涡轮中，气体进入压缩机并且以所需的高压排出。该高压气体流进入燃烧室，在此它与燃料相反应，并且被加热到所选择的高温。该加热气体流然后进入燃气涡轮并且绝热膨胀，从而做功。这种一般类型的燃气涡轮的缺点是对于兆瓦容量的系统，该涡轮以相对较低的系统效率工作，例如大约25％。用于克服该问题的现有方法是采用用于恢复热力的同流换热器。所恢复的热力一般被用于进一步在气体流进入燃烧室之前加热该气体流。一般来说，同流换热器把燃气涡轮的系统效率提高到大约30％。这种解决方案的一个缺点是同流换热器相对较昂贵，从而大大增加了动力系统的总成本。所采用的另一种现有方法是以相对较高的压力和相对较高的温度来运作该系统，从而增加系统效率。但是，由于系统受到与高温和高压机械部件相关的成本影响，因此系统效率的实际增加是有名无实的。由工厂所采用的具有大于100MW的功率容量的另一种现有方法是把涡轮的高温废气与废热回收蒸汽发电机之间热耦合，用于一种组合的燃气涡轮/蒸汽涡轮应用。这种组合的循环应用一般把系统工作效率提高到大约55％。但是，该效率仍然相对较低。总体动力系统性能进一步以组成的燃料电池和相关冷却系统的效率为基础。用于燃料电池热量管理的常规方法是强制大量冷却介质，液体或气态冷却剂蒸汽，通过燃料电池组件。冷却水通常用于室温设备，并且空气被用于较高温度的燃料电池。在一些例子中，作为燃料电池的氧化剂的同种气体也被用作为一种冷却介质。该冷却介质通过燃料电池并且由其明显的热容量带走热能。这种方法所需的冷却剂的体积流量与电解质的电化学作用的受限温度工作范围成反比，或者在具有陶瓷部件的燃料电池的情况下受到与热应力相关的限制。上述对冷却介质的温度升高量的热容量限制导致通过燃料电池的冷却剂流率比电化学反应所需的流率高得多。由于相对较大的流量必须被预热到燃料电池的工作温度附近的温度上并且循环通过，因此需要一种专用的反应剂热管理子系统。一般地，冷却剂被预热到接近燃料电池的工作温度，例如在工作温度的50℃范围内。这种热管理子系统通常包括用于过量的冷却剂流的再生加热、泵吸和处理的装置。这些部件大大增加了该系统的总成本。为了说明的目的，考虑一种适合于预热燃料电池反应剂并且以100℃温度差工作并且一般传热率为500Btu/hr-ft²(0.13W/cm²)的交流换热器。另外假设50％电池效率没有过量的冷却剂流，并且工作在常压下，该交流换热器的加热或传热表面面积将具有与燃料电池电解质的表面面积相同的量级。考虑10倍于燃料电池反应剂流所需的水平的过量冷却剂流必要条件，该水平是一个用于常规方法的代表数值，该换热器表面面积将10倍于有效燃料电池表面面积。这种大尺寸的换热器使得难以把该换热器与电化学转换器集成形成一种紧凑和高效的动力系统。另外，大体积的冷却流体通过燃料电池使得该燃料电池不适合与燃气涡轮相集成以获得相对较高的系统效率。因此，在本领域中存在一种对高性能动力系统的需求以及对提供更好的热管理方法的系统的需求，特别用于电化学或混合动力能量系统中。特别地，一种改进的动力系统，例如燃气涡轮动力系统，其能够集成和运用电化学转换器的所需性能，这将代表着工业上的重大进步。更加特别地，一种集成的电化学转换器组件，其用于一种燃气涡轮系统中，它能够减小与提供有效热处理方法相关的成本，并且大大提高整体系统动力效率，它也代表着在本领域内的重大进步。