CN102376967A - 燃料电池电力和水产生系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及燃料电池电力和水产生系统。本发明的方法和系统利用燃料电池生成电力、水和热量。根据本文描述的实施例，燃料被提供给燃料电池以用于产生电力和燃料副产品。燃料副产品被引导到电力和水产生系统的副产品分离装置，在此水被从燃料副产品分离。剩余的混合物在系统的燃烧器装置中反应以产生可被转化为机械能和/或被用于系统内或系统外的其他程序的额外的热量。根据其他方面，被分离的水可被用在生物燃料制造子系统内用于生成由燃料电池使用的生物燃料。

Description

燃料电池电力和水产生系统
技术领域
背景技术
很多远程基地(remote bases)或其他设施利用燃料电池发电。例如，在军事应用中，前进作战基地(forward operating bases)经常设置在不能由固定的电网提供服务的较远位置处。燃料电池提供用于供应必要的电力以维持基地作业的一种方式。类似地，在例如灾难应对方案的民用应用中，由于固定的电网通常不可用，发电对于应对团队来说是关键的考虑。和电力一样，水是用于维持很多远程站点处的运转的另一个必需的部分。很多远程站点没有功能性的基础设施以提供电力或水或者产生电所需的燃料。
由于这些站点中的许多站点缺少合适的基础设施，燃料和水必须被运送到前进作战基地或者紧急应对站点，经常要穿越较远的距离。经由飞机、火车、轮船、卡车和/或其他交通工具运送这些物品是代价较高并且经常很危险的活动。在军事背景下，例如，燃料和水是用卡车运送到远程基地的货物的重要部分。与这些货运有关的护送不仅需要耗费大量燃料、交通工具维护和人力，而且是在敌对环境中进行的。
在此介绍了关于这些考虑和所公开的其他方面。
发明内容
在此描述的方法和系统利用燃料电池系统生成电力、水和热量。根据在此提供的本公开的一个方面，燃料在燃料电池内被接收并被利用以产生电力和燃料副产品。可以使用多种类型的燃料，例如天然气、军事后勤燃料(例如，JP5、JP8等)、氢气以及其他燃料。水从燃料副产品分离以生成经调节的燃料副产品和水。经调节的燃料副产品被燃烧或者反应以产生热量或电。提供电力、水和热量用于在这些和其他系统内使用或用于一般消耗。
根据另一个方面，电力和水产生系统包括燃料电池、副产品分离装置(phase)和燃烧器装置。副产品分离装置设置在燃料电池的下游并且被配置成从燃料副产品分离水以产生水和经调节的燃料副产品。燃烧器装置设置在副产品分离装置的下游并且被配置成燃烧经调节的燃料副产品以产生能被用在电力和水产生系统内或者系统外的热量。
根据另一个方面，电力和水产生系统包括生物燃料制造子系统、燃料调节器装置、燃料电池、副产品分离装置和燃烧器装置。生物燃料制造子系统利用来自副产品分离装置的水和其他生物燃料制造配料生成生物燃料，以由燃料电池在电力和最终的水的产生程序中使用。燃料调节器装置准备生物燃料以用于被燃料电池消耗。燃料电池将经调节的生物燃料转化为电力和燃料副产品。副产品分离装置设置在燃料电池和燃烧器装置之间并且被配置成从燃料副产品去除水并且提供水到生物燃料制造子系统。剩余的混合物可以在燃烧器装置中被燃烧以产生可被转化为机械能或被用在其他程序中的热量，或者在其他情况下可以使剩余的混合物反应从而发电。燃料电池可以包括固体氧化物燃料电池(SOFC)，其中燃烧器装置可以包括被配置成将热量转换成机械能的涡轮压缩机，并且其中燃烧器装置被热联接至燃料调节器装置，从而在生成经调节的燃料期间提供热量到燃料调节器装置。
已经讨论的特征、功能和优点可以在各种实施例中被单独实现，或者可以在其他实施例中被结合，可参考以下的说明书和附图得到其进一步的细节。
附图说明
图1是示出常规的电力和水供应系统与在此介绍的燃料电池电力和水产生系统之间的比较的方框图；
图2是示出在此介绍的燃料电池电力和水产生系统的方框图；
图3是示出在此介绍的燃料电池电力和水产生系统的燃料调节器装置、副产品分离器装置和燃烧器装置的方框图；
图4是示出在此介绍的说明性燃料电池电力和水产生系统的方框图，该燃料电池电力和水产生系统利用通过产生的水生成的生物燃料；以及
图5是图示说明用根据在此介绍的各种实施例的燃料电池系统产生电力和水的方法的流程图。
具体实施方式
以下详细说明涉及用于在高效发电期间生成并捕获可用的水的方法和系统。如以上简要讨论的，将大量的燃料和水运送到前进作战基地和其他远程站点是代价高并且效率低的活动。利用在此描述的构思和技术，燃料电池产生系统不仅被用来产生电力，而且还被用来产生水，所述水可被容易地过滤用于饮用或者全部或部分被引导到生物燃料生成程序中以产生在燃料电池内使用以产生电力的燃料。
贯穿此公开，将描述用于军事前进作战基地的各种实施例，例如将被军事力量用在没有能够提供电力和水的固定基础设施的远程站点处的临时或半固定基地。然而，应该理解此处提供的公开同样适用于期望以有效的方式产生电力和水的任何类型的应用，所述有效的方式减少了需要从远程的源位置被运送到使用位置的燃料和水的量。类似地，因为下面描述的方案提高了电力和水产生的效率，各种实施例还适用于具备如下条件的任何应用：其中运送源不是问题，但期望以较低成本运行，且系统内使用的燃料类型具有多用性，并且在降低的噪音水平下运行，如下面将详细描述的。
在以下具体实施方式中，参考形成其一部分并且通过图示说明、具体实施例或示例的方式示出的附图。现在参考附图，其中在几个附图中相同的数字表示相同的元件，描述了电和水以及其他功能性副产品(例如被加热的排气)的有效产生。图1根据此处介绍的各种实施例示出常规的电力和水供应系统102与燃料电池电力和水产生系统110的比较，该燃料电池电力和水产生系统110处于供应电力108和水106/114以支持前进作战基地的运转或其他运转的背景下。
常规的电力和水供应系统102通常包括被用来供应电力108到基地作业的多个发电机A-N。为了运行发电机A-N，从远程源运送燃料104并且将其储存在前进作战基地处的燃料囊中。因为常规的发电系统不产生可用的水，因此从远程源运送水106并且将其储存在囊中以在基地使用。
相比之下，参考图1的底部，如此处描述的燃料电池电力和水产生系统110利用一个或更多个燃料电池产生并供应电力108到基地。燃料电池利用燃料104产生电力108。如下面将进一步描述的，燃料104可以是标准的军事燃料，例如通常用在军事飞机和其他交通工具中的JP-8、例如丙烷或天然气的商业燃料，或者可以是可替换燃料112，例如生物燃料。通过燃料电池发电108会生成副产品，其通常在补燃器中被燃烧以产生可被用于转动涡轮或加热产品或程序的热排气产品。
利用下面描述的实施例，在燃料电池的副产品进入燃烧器装置之前，将水114从燃料电池的副产品中分离。这种水114可以被提供用于各种基地作业，或者全部或部分水114可以被用于生成包括生物燃料和其他可替换燃料的燃料112，以用在燃料电池电力和水产生系统110中。根据各种实施方式，由燃料电池电力和水产生系统110生成的水114的量满足或者超过基地的水消耗需求或者处于最小值，将减少需要从远程源供应到基地的水106的量。
随着从远程源运送到基地的水106的量的减少，由于与上述类似的常规发电机系统相比，燃料电池电力和水产生系统110的效率提高了，所以燃料电池电力和水产生系统110允许被运送到基地的燃料104的量的减少。此外，燃料电池电力和水产生系统110可以被连接至可再生能源，例如太阳和风能源，从而在白天提供能量，这进一步减少了维持基地作业所需的燃料104的量。在利用生物燃料产生和利用的各种实施例中，外部燃料104需求可以完全被消除，特别是当与可再生能源一起使用时，如下面参考图4更详细描述的。
现在转向图2，将更详细地描述燃料电池电力和水产生系统110。根据一个实施例，燃料电池电力和水产生系统110包括燃料调节器装置202、一个或更多个燃料电池204、副产品分离装置206和燃烧器装置208。一般，燃料电池电力和水产生系统110接收燃料104作为输入并且产生电力108、水114和被加热的排气流216。燃料104(例如JP-8或其他军事燃料)、汽油、氢气、丁烷、甲醇、丙烷或天然气，被提供至燃料电池电力和水产生系统110的燃料调节器装置202。燃料调节器装置202包括被用来准备燃料104以便由燃料电池204有效使用的所有合适的设备和系统。燃料调节器装置202以及副产品分离装置206和燃烧器装置208的部件的具体示例将在下面关于图3描述。
调节之后，经调节的燃料210被引导至燃料电池204，在此其被用来产生电或电力108。由燃料电池204产生的电能可以是直流电，但可以被引导至转换器以转换为交流电以便用于相应的交流系统。应该意识到，尽管为了简单燃料电池204被示为单个通用单元，但是在燃料电池电力和水产生系统110内可以利用任意数量和类型的燃料电池204。作为示例，燃料电池可以包括一个或更多个固体氧化物燃料电池(SOFC)。除了运行效率和相应的成本节约之外，与利用被用在常规的电力和水供应系统102中的发电机相比，与在燃料电池电力和水产生系统110内利用SOFC产生电相关的一个优点在于减少噪音。利用SOFC而不是传统的柴油/气体发电机产生电力和水发生在显著降低的噪音水平。
燃料电池204内的发电程序的一种副产品是包含水蒸气的燃料副产品212。传统上，未被利用的被分解的燃料和水的混合物被直接引导到补燃器，在此，产生的排气流与进气一起燃烧，从而产生能够被涡轮捕获或者用于其他目的的热能。然而，根据在此提供的公开，燃料副产品212至少部分被引导到副产品分离装置206，在此水蒸气与燃料副产品212的未被使用的燃料混合物分离以产生水114。适当过滤和提纯之后，这种水114可饮用并且可用于由基地人员消耗或者其他用途。应该注意，一部分燃料副产品212或者水114可以在离开燃料电池204之后被引导回燃料调节器装置202用于在燃料电池204内再次调节和使用。可替换地，这种再次利用的燃料可以分配自离开副产品分离装置的经调节的燃料副产品214，而不是分配自燃料电池204之后的燃料副产品212。
从燃料副产品212分离水114之后，剩余的经调节的燃料副产品214在燃烧器装置208内燃烧以产生被加热的排气216，或者经过反应产生电。被加热的排气216可以是可与涡轮一起使用的或者可被用来喷射热量到程序中的排气流。例如，调节器装置202和相应的燃料调节程序可以包括在其中可以使用被加热的排气216的吸热程序。
将副产品分离装置206串联设置在燃料电池204与燃烧器装置208之间相比于尝试在燃烧器装置208之后从混合物分离水114具有优势。首先，燃烧器装置208之后的水114将被明显更严重的污染，因为燃烧程序将引入例如烟尘的污染物。其次，因为在燃烧器装置208内燃烧期间空气被混合，水蒸气被稀释，这降低了水蒸气的分压。通过在燃烧器装置之前从燃料副产品212分离水蒸气，则水蒸气的分压较高，这允许从混合物有效率地分离更多量的水114。
应该理解，图2的方框图是根据此处讨论的实施例的燃料电池电力和水产生系统110的各种装置和部件的简化表示。燃料调节器装置202、副产品分离装置206和燃烧器装置208的一些示例部件将在下面关于图3描述。然而，所利用的特定设备将取决于具体实施方式。为了简明，与此处描述的方案关系不大的设备和控制已经被省略。例如，燃料电池电力和水分离系统110包括电力分配和控制硬件、各种系统控制和未被示出或描述的设施硬件的其他平衡。
参考图3，将更详细地描述燃料调节器装置202、副产品分离装置206和燃烧器装置208。根据一个实施例，燃料调节器装置202包括重整器(例如蒸汽重整器)和除硫器302。燃料重整和除硫将燃料104分解成将特定燃料电池204利用燃料的效率最大化的各种物质。重整器和除硫器302的具体特性和运行参数取决于使用的燃料104的类型和处理燃料的燃料电池204的特性。燃料调节器装置202可以额外地包括换热器(recuperator)以进一步提高在燃料传送到燃料电池204之前燃料处理的效率。
副产品分离装置206包括分离器306，该分离器306适于从未被利用的燃料和来自燃料电池204的燃料副产品212内的其他副产品分离水蒸气。利用额外的过滤和提纯设备308进一步处理被分离的水，从而产生可饮用的水114以用于基地人员使用和用于基地作业。燃烧器装置208利用补燃器310燃烧经调节的燃料副产品214并生成被加热的排气216。生成的被加热的排气流216可以被引导到燃烧器装置208内的涡轮压缩机312，在此被加热的排气216被转换成机械能。可以再次使用换热器或热交换器314来提高涡轮压缩机312的运行效率。如以上所提及的，燃料电池电力和水产生系统110和相应的燃料调节器202、副产品分离装置206和燃烧器装置208可以包括比附图中示出和描述的更多或更少的部件，而不脱离本公开的范围。
图4示出可替换实施例，其中燃料电池电力和水产生系统110包括生物燃料制造子系统402。如以上关于图1讨论的，燃料电池电力和水产生系统110可以被配置成利用可替换燃料112，例如生物燃料。生成生物燃料的制造程序可以在前进作战基地进行，该程序使用在当地发现、生长或购买的种子和/或配料(ingredient)404。通过这么做，对运送燃料到前进作战基地的依赖被减小或消除。生成生物燃料通常需要水。根据图4所示的一个实施例，由燃料电池电力和水产生系统110产生并捕获的水114被返回到生物燃料制造子系统402以被用于燃料制造程序。未被生物燃料制造子系统402使用的任何过剩的水114可以被用于其他基地作业。
取决于制造需要量的燃料112所需要的水114的量，燃料电池电力和水产生系统110可以在燃料和水的需求方面是基本独立、自我维持的电力和水产生程序。生物燃料制造子系统将需要额外的种子和/或配料404以制造燃料112，但将需要很少甚至不需要燃料104和/或水106从远程源被运送到基地。由于种子和/或配料404基本上能在当地取得，通常用来从远程源运送燃料和水的运送可以被明显减少或消除。
现在转向图5，现在将详细描述用于生成电和水同时回收废热的示例程序500。应该意识到，可以执行比图5所示的和在此描述的操作更多或更少的操作。此外，这些操作还可以不同于此处描述的顺序执行。程序500开始于操作502处，在此燃料被接收。如以上讨论的，燃料104可以是标准的军事燃料(例如JP-8)或者商业燃料(例如汽油、氢气、丁烷、甲醇、丙烷或天然气)。可替换地，燃料电池电力和水产生系统110可以利用可替换燃料112，例如由关于图4描述的生物燃料制造子系统402制造的生物燃料。
程序500从操作502继续到操作504，在此燃料104进入燃料电池电力和水产生系统110的燃料调节器装置202。在燃料调节器装置202中，例如重整和除硫的操作制备燃料用以由燃料电池204有效率使用，生成经调节的燃料210。在操作506，经调节的燃料210进入燃料电池204，在此它反应以在操作508处产生电力108和燃料副产品212。在操作510处，产生的电被引导到使用或存储位置。
程序500从操作510继续到操作512，在此离开燃料电池204的燃料副产品212被提供到燃料电池电力和水产生系统110的副产品分离装置206。副产品分离装置206可以包括适于收回和处理来自离开燃料电池204的混合物的水114的任意数量和类型的设备。如以上讨论的，这种设备可以包括分离器306以分离并浓缩水蒸气，并且包括过滤和处理设备以使水114可饮用且能被使用。在操作516处，水114被处理并被存储以供使用。
在从燃料混合物分离水114之后，在操作518处，产生的经调节的燃料副产品214被引导到燃料电池电力和水产生系统110的燃烧器装置208。在操作520处，经调节的燃料副产品214在燃烧器中被燃烧或者在另一装置310中被反应，从而生成被加热的排气流216。在操作522处，这种排气流被引导到涡轮压缩机312或其他系统以回收被加热的排气流216中的热量作为机械能或者喷射热量到另一个系统或程序中，这进一步提高了燃料电池电力和水产生系统110的效率，并且程序500结束。
根据以上公开应该清楚的是，此处描述的和权利要求所包括的燃料电池电力和水产生系统110提供了对常规系统在运行效率方面的显著的改进，有效地减少了运行成本，减少了与运送燃料和水相关的后勤成本，并且降低了与运送燃料和水到前进作战基地相关的风险。燃料电池电力和水产生系统110利用燃料电池技术增加了系统接收各种燃料104的灵活性并有效地产生电力108，与传统的发电机组相比，这降低了基地的燃料消耗率。燃料电池技术的使用额外地降低了与传统的柴油/天然气发电机相关的噪音水平。
燃料电池电力和水产生系统110的水回收方面允许从在由燃料电池204产生电力108期间生成的燃料废弃物中去除水114。通过在燃料电池电力和水产生系统110的燃烧器装置208之前分离水114，水蒸气具有较高的分压，这允许提高水回收效率。在燃烧混合物之前从未被利用的燃料混合物分离水蒸气额外地产生比在燃烧器装置208之后可用水的更干净的水114，这简化并辅助水处理操作以生成可饮用的水。
当与生物燃料制造子系统402联接时，燃料电池电力和水产生系统110可以显著地减少或消除运送燃料104到前进作战基地用于发电的需求，并且在副产品分离装置206中回收的水114可以被循环到生物燃料制造子系统402中以显著地减少或消除对于来自远程源用于燃料制造的水106的需求。利用生物燃料给燃料电池电力和水产生系统110提供燃料，进一步结合使用前进作战基地的可再生能源(例如太阳能和风能)，提供了高效且独立的能量和水制造系统。
最后，从燃料电池电力和水产生系统110的燃烧器装置208回收的加热排气216可以被利用来进一步提高整个系统的效率。被加热的排气216可以被用来驱动涡轮压缩机312，可以被用在燃料电池电力和水产生系统110的其他部件中，或者被用在其他基地系统或程序中。
可以不按照图示说明和描述的示例实施例和应用，对此处描述的主题进行各种修改和改变，并且不脱离在权利要求中阐明的本发明的主旨和范围。

Claims (10)

1.一种用于在燃料电池系统内产生水和电力的方法，所述方法包括：
接收燃料；
在燃料电池内利用所述燃料产生电力和燃料副产品；
从所述燃料副产品分离水以生成经调节的燃料副产品和水；
燃烧所述经调节的燃料副产品以生成热量；以及
提供电力、水和热量以供使用。
2.根据权利要求1所述的方法，其还包括在所述燃料电池中利用所述燃料之前调节所述燃料以生成用于所述燃料电池的经调节的燃料。
3.根据权利要求1或2中的任一项所述的方法，其中在利用之前调节所述燃料包括重整所述燃料并且从所述燃料去除硫。
4.根据权利要求1所述的方法，其中所述燃料电池包括固体氧化物燃料电池SOFC。
5.根据权利要求1所述的方法，其中从所述燃料副产品分离水包括将所述燃料副产品引导到分离器并且从所述燃料副产品分离水蒸气。
6.根据权利要求1所述的方法，其中燃烧所述经调节的燃料副产品包括提供所述经调节的燃料副产品到补燃器并且燃烧所述经调节的燃料副产品以生成排气流。
7.根据权利要求1-6中任一项所述的方法，其还包括引导所述排气流通过涡轮压缩机以将热能转化成机械能。
8.根据权利要求1-6中任一项所述的方法，其还包括引导所述排气流到所述燃料电池系统的燃料调节器装置并提供热量到所述燃料调整器装置的吸热重整程序。
9.根据权利要求1所述的方法，其中所述燃料是生物燃料，并且其中所述方法还包括在生物燃料制造子系统中制造所述生物燃料。
10.根据权利要求1-9中任一项所述的方法，其中提供水以供使用包括提供水到所述生物燃料制造子系统以便在所述生物燃料的制造中使用。
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