CN108886154B - 与热工水力引擎集成的燃料电池发电装置冷却网络 - Google Patents

与热工水力引擎集成的燃料电池发电装置冷却网络 Download PDF

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Abstract

说明性示例发电系统包括被配置成生成电功率的燃料电池发电装置。燃料电池发电装置包括电池堆组装件，该电池堆组装件包括多个燃料电池，多个燃料电池被配置成基于化学反应来生成电功率。冷却剂网络被配置成朝向电池堆组装件载送流体，其中冷却剂网络中的流体可以通过吸收来自燃料电池发电装置的热而变热。冷却剂网络包括被配置成生成电功率的热工水力引擎。冷却剂网络被配置成将经加热流体载送到其中经加热流体可以用于生成电功率的热工水力引擎。冷却剂网络被配置成将来自热工水力引擎的经降低温度的流体载送回到电池堆组装件。

Description

与热工水力引擎集成的燃料电池发电装置冷却网络
技术领域
本公开涉及燃料电池发电装置（fuel cell power plant），并且更具体地涉及但不限于与热工水力引擎（thermal hydraulic engine）集成的燃料电池发电装置。
背景技术
存在用于生成电功率的各种已知系统。一种类型的系统被称为燃料电池发电装置。包括多个单独燃料电池的电池堆组装件基于燃料电池在被提供有诸如氢和氧之类的反应物时所促进的电化学反应来生成电功率。各种燃料电池发电装置配置是已知的并且在使用中。
典型的电池堆组装件需要冷却以控制或维持所期望的操作温度。如果不维持适当的温度，则燃料电池的一些组件可能会降解（degrade）。另外，电池堆组装件的发电效率通常取决于适当的温度管理。
电池堆组装件通常具有用于防止电池堆组装件内的温度变得太高的相关联的冷却器。燃料电池发电装置通常包括辅助冷却剂回路，其包括一个或多个排热热交换器，其在燃料电池发电装置内执行热管理功能。排热热交换器位于低等级热交换器的上游，冷却剂通常从低等级热交换器循环回到排热热交换器。
热工水力引擎还可以产生电功率。热工水力引擎通常利用热来引起流体膨胀。机械组件（诸如活塞）由于流体膨胀而移动。热工水力引擎可以被配置成作为发电机操作，使得机械组件的运动被转换成电功率。
发明内容
说明性示例发电系统包括燃料电池发电装置，该燃料电池发电装置包括具有多个燃料电池的电池堆组装件，多个燃料电池被配置成基于化学反应来生成电功率。冷却剂网络被配置成朝向电池堆组装件载送流体，其中冷却剂网络中的流体可以通过吸收来自燃料电池发电装置的热而变为经加热流体。冷却剂网络包括：热工水力引擎，其被配置成生成电功率；冷却站，其被配置成降低提供给冷却站的流体的温度；第一部分，其被配置成从冷却站朝向其中第一部分中的流体可以被加热的燃料电池发电装置的部分载送流体；以及第二部分，其被配置成载送已经被加热的冷却剂流体远离燃料电池发电装置，第二部分包括热工水力引擎的经加热流体入口。热工水力引擎被配置成将经加热流体从入口引导到其中来自经加热流体的热可以用于生成电功率的热工水力引擎的部段。热工水力引擎包括流体出口，所述流体出口被配置成在朝向冷却站的方向上引导热已经从其用于生成电功率的流体远离热工水力引擎。冷却站被配置成在流体被提供给第一部分之前降低从热工水力引擎所接收的流体的温度。
另一说明性示例实施例是包括燃料电池发电装置的发电系统，该燃料电池发电装置具有电池堆组装件，该电池堆组装件具有多个燃料电池，多个燃料电池被配置成基于化学反应来生成电功率。单个冷却站被配置成降低冷却流体的温度。冷却剂网络包括第一冷却回路，该第一冷却回路包括位于冷却站下游的至少一个排热热交换器和位于至少一个排热热交换器下游的低等级热交换器。冷却站位于低等级热交换器的下游。低等级热交换器具有第一部分，该第一部分被配置成接收来自排热热交换器的经加热流体并朝向冷却站引导所接收的流体。冷却剂网络包括第二冷却回路，该第二冷却回路引导第二流体通过低等级热交换器，其中第二流体通过来自低等级热交换器的第一部分中的经加热流体的热而被加热。第二冷却回路包括被配置成将经加热第二流体引导到其中来自经加热第二流体的热可以在第二流体返回到低等级热交换器之前用于生成电功率的水力引擎的部段的部分。冷却剂网络包括第三冷却回路，该第三冷却回路被配置成从冷却站朝向热工水力引擎引导流体，其中流体可以在流体返回到冷却站之前吸收来自水力引擎的至少一些的热。
从以下详细描述中，所公开的示例实施例的各种特征和优点对于本领域技术人员而言将变得显而易见。伴随详细描述的附图可以简要地描述如下。
附图说明
图1示意性地图示了根据本发明的实施例设计的发电系统。
图2示意性地图示了发电系统的另一示例实施例。
图3图示了另一实施例。
具体实施方式
图1示意性地图示了发电系统20。燃料电池发电装置22包括电池堆组装件（CSA），其包括多个燃料电池，多个燃料电池以已知方式基于化学反应生成电功率。在所示的示例中，燃料电池发电装置22用作由系统20提供的电功率的主要源。
例如，冷却剂网络30为燃料电池发电装置22提供冷却功能，以将CSA中的燃料电池的操作温度维持在期望的范围内。在该示例中，冷却剂网络30包括冷却剂回路32。冷却剂回路32的第一部分34朝向燃料电池发电装置22引导冷却剂流体，诸如水、乙二醇或这两者的混合物。在该示例中，第一部分34包括水回收冷凝器热交换器36和至少一个排热热交换器38。热交换器36和38在燃料电池发电装置内提供热管理功能。
在所示的示例中，CSA具有相关联的冷却器，其用于以已知方式将CSA内的温度保持在期望的范围内。热交换器36和38被定位（situate）成使得流过冷却剂回路32的第一部分34的流体可以吸收来自40和41处示意性示出的热源的热。在所示的示例中，热源40包括由于燃料电池发电装置22中的CSA的操作所产生的余热，并且热源40包括用于控制CSA的温度的一个或多个冷却器。
冷却剂回路32的第二部分42载送经加热流体远离排热热交换器38。冷却剂网络30包括热工水力引擎44。冷却剂回路32的第二部分42将经加热流体载送到热工水力引擎44的经加热流体入口。经加热流体被提供给其中来自经加热流体的热可以用于生成电功率的热工水力引擎44的部段。热工水力引擎44被设计成基于用于利用热来生成电功率的已知技术而工作。在该示例中，作为冷却剂网络30的一部分的热工水力引擎44作为由系统20提供的电功率的次要源而操作。在该示例中，热工水力引擎44的电功率输出被认为是次要的，因为来自热工水力引擎44的输出小于来自燃料电池发电装置22的电功率输出。
在该示例中，热工水力引擎44还作为冷却剂回路32的低等级热交换器而操作。提供给热工水力引擎的经加热流体至少部分地被冷却，因为热被用于发电，并且经降低温度的流体由冷却剂回路32的第三部分46载送远离引擎44。
冷却剂回路32包括冷却构件或冷却站50，其在被提供给它的流体返回到第一部分34和燃料电池发电装置22之前进一步降低该流体的温度。泵52使流体循环通过冷却剂回路32。
在一个示例中，来自冷却站50的流体具有大约84°F的温度，第二部分42中的经加热流体的温度具有大约180°至194°F的温度，并且第三部分46中的经降低温度的流体的温度大约为115°至140°F。在一些实施例中，热工水力引擎44具有180°F的用于第二部分42中的经加热流体的理想温度。可以控制泵52、冷却站50或燃料电池发电装置22的操作，以得到尽可能接近用于水力引擎44的180°F设定点温度的第二部分42内的流体的温度。可以控制冷却剂回路32内的流体流速，以在燃料电池发电装置22内提供所期望的量的温度管理、向热工水力引擎44提供所期望的量的经加热流体、或这两者。可以在沿着冷却剂回路32的不同位置处包括附加的旁通线路，以用于冷却剂网络30内的流体流动和温度的进一步管理。
所示的示例包括引擎冷却回路54，其将冷却流体载送到热工水力引擎44，以用于控制热工水力引擎44的至少部分的温度。在该示例中，引擎冷却回路54包括冷却站56，其与冷却站50不同并且分开。泵58将流体从冷却站56引导到引擎冷却回路54的第一部分60中。第一部分60中的流体被引导到热工水力引擎44，在其中它可以吸收来自热工水力引擎44的热。然后，经加热流体在第二部分62中返回到冷却站56，其中流体被冷却，然后根据需要返回到热工水力引擎44。
冷却站50和56可以类似地配置或可以是不同的。例如，冷却站50、56中的一个或两个可以是湿式冷却塔或干式冷却塔。受益于本说明书的本领域技术人员将能够选择适当的冷却元件或冷却站组件以满足其特定需要。
图2图示了发电系统20的另一示例实施例。在该示例中，冷却剂网络30’具有单个冷却站56，其促进降低冷却剂回路32和引擎冷却回路54中的流体的温度。在该示例中，冷却剂回路32的第三部分46朝向冷却站56而不是如图1的示例中的情况那样朝向冷却站50引导流体。在该特定示例中，第三部分46将流体引导到引擎冷却回路54的第二部分62中，其中该流体然后流动到冷却站56中。图2的示例减少了所需的冷却站的数量并将外部冷却功能集成到单个站56中。
控制阀（未图示）和适当的控制算法可以用于管理冷却剂网络内的多少流体分别被引导到冷却剂回路32和引擎冷却回路54中。在图1的示例中，引擎冷却回路54内的流体与冷却剂回路32内的流体分开并且不同。在图2的示例中，引擎冷却回路54和冷却剂回路32内的流体至少部分地混合。
图3图示了另一示例实施例。该示例中的冷却剂网络70包括第一冷却剂回路72，第一冷却剂回路72具有朝向燃料电池发电装置22引导冷却流体的第一部分74。排热热交换器76和78分别与热源40和41相关联，使得例如第一部分74内的流体可以吸收由于CSA的操作所产生的热。经加热流体通过冷却剂回路72的第二部分82被引导远离排热热交换器78。第二部分82经过燃料电池发电装置22的低等级热交换器84。第二冷却回路90包括第一部分92，其至少部分地经过低等级热交换器84，使得第一部分92内的流体通过吸收来自第一冷却回路72的第二部分82内的经加热流体的热而被加热。第一部分92内的经加热流体由第二冷却回路90的第二部分94载送远离低等级热交换器84。第二部分94将经加热流体引导到热工水力引擎44，其中来自经加热流体的热可以用于生成电功率。第二冷却回路90包括用于使冷却流体在第二回路90内循环的泵96。
从低等级热交换器84沿着至少一个管道98朝向引擎冷却回路100引导第一冷却回路72中的流体。该流体由冷却站86冷却，其中流体的温度可以降低到期望水平。泵88控制第一冷却回路72内的流体的流动。泵88还控制引擎冷却回路100内的流体流动，以沿着第一部分102提供冷却剂流体，在第一部分102中冷却剂流体被引导到热工水力引擎44。在该流体已经吸收了热以用于冷却热工水力引擎44的至少部分的目的之后，该流体在第二部分104中朝向冷却站86返回。
在图3的示例中，热工水力引擎44与低等级热交换器84结合工作，以用于降低第一冷却回路72中的流体的温度。热工水力引擎44还用作由系统20提供的补充的电功率的源。
图1和2中所示的实施例不需要比如图3的实施例的低等级热交换器84的作为发电装置22的部分的单独低等级热交换器。在图1和2的实施例中，热工水力引擎44作为冷却剂网络的低等级热交换器而操作。这样的实施例通过消除用于发电装置22的辅助冷却回路中的单独低等级热交换器所需的组件来提供成本节省。同时，可从热工水力引擎44获得附加的或补充的电功率，因此可以增强系统经济性。
所示的实施例将热工水力引擎44与用于燃料电池发电装置22的冷却剂网络进行集成。如图示示例中所示的组件的集成提供了增强的生成电功率的能力，同时解决了对燃料电池发电装置内的温度控制的需要。
虽然结合各个实施例示出和讨论了不同的特征和组件，但是这些特征或组件中的任何特征或组件可以与另一个实施例的特征或组件进行组合。基于所公开的示例实施例的其他组合或实施例是可能的。
前面的描述在本质上是说明性的而不是限制性的。对所公开示例的变化和修改可以在不脱离那些示例中体现的本发明的本质的情况下对于本领域技术人员变得显而易见。提供给本发明的法律保护的范围只能通过研究以下权利要求来确定。

Claims (9)

1.一种发电系统，包括：
燃料电池发电装置，其被配置成基于化学反应来生成电功率；和
冷却剂网络，其被配置成朝向燃料电池发电装置载送流体，其中冷却剂网络中的流体能够通过吸收来自燃料电池发电装置的热而变为经加热流体，冷却剂网络包括：
热工水力引擎，其被配置成生成电功率，
冷却站，其被配置成降低提供给冷却站的流体的温度，
第一部分，其被配置成从冷却站朝向其中第一部分中的流体能够被加热的燃料电池发电装置的部分载送流体，
第二部分，其被配置成将经加热流体载送远离燃料电池发电装置到热工水力引擎的经加热流体入口，
热工水力引擎被配置成将经加热流体从入口引导到其中来自经加热流体的热能够用于生成电功率的热工水力引擎的部段，
热工水力引擎包括流体出口，所述流体出口被配置成在朝向冷却站的方向上引导热已经从其用于生成电功率的流体远离热工水力引擎，
冷却站被配置成在流体被提供给第一部分之前降低从热工水力引擎所接收的流体的温度，以及
引擎冷却回路，所述引擎冷却回路与热工水力引擎流体连接，所述引擎冷却回路包括与所述冷却站不同且分离的额外冷却站；
其中泵将流体从额外冷却站引导到所述引擎冷却回路的第三部分，第三部分中的流体被引导到热工水力引擎，在热工水力引擎中流体能够吸收来自热工水力引擎的热，经加热流体在第四部分中被返回到额外冷却站，在所述第四部分中流体被冷却并且然后返回到热工水力引擎。
2.根据权利要求1所述的系统，其中热工水力引擎在冷却剂网络内提供热交换器功能。
3.根据权利要求1所述的系统，包括与电池堆组装件相关联的至少一个电池堆冷却器，并且其中第一部分包括与至少一个电池堆冷却器相关联的至少一个热交换器，至少一个热交换器位于冷却剂回路的第二部分的上游，其中第一部分、第二部分、热工水力引擎和冷却站被连接为被配置成使流体循环的冷却剂回路。
4.根据权利要求1所述的系统，其中冷却剂网络包括用于使流体循环通过冷却剂网络的泵。
5.一种发电系统，包括：
燃料电池发电装置，其被配置成基于化学反应来生成电功率；
热工水力引擎，其被配置成生成电功率；
单个冷却站，其被配置成降低冷却流体的温度；和
冷却剂网络，其包括第一冷却回路，所述第一冷却回路包括位于冷却站下游的至少一个排热热交换器和位于至少一个排热热交换器下游的额外热交换器，冷却站位于额外热交换器的下游，至少一个排热热交换器被定位以用于使至少一个排热热交换器中的流体吸收与燃料电池发电装置的操作相关联的热，额外热交换器具有第一部分，所述第一部分被配置成接收来自至少一个排热热交换器的经加热流体并朝向冷却站引导所接收的流体；
冷却剂网络包括第二冷却回路，所述第二冷却回路包括第二部分，所述第二部分引导第二流体通过额外热交换器，在其中第二部分中的第二流体通过来自额外热交换器的第一部分中的经加热流体的热而被加热，第二冷却回路包括第三部分，所述第三部分被配置成将经加热第二流体引导到其中来自经加热第二流体的热能够在第二流体返回到第二部分之前用于生成电功率的水力引擎的部段；
冷却剂网络包括第三冷却回路，所述第三冷却回路被配置成从冷却站朝向热工水力引擎引导流体，其中流体能够在流体返回到冷却站之前吸收来自水力引擎的至少一些的热。
6.根据权利要求5所述的系统，其中，第一冷却回路是燃料电池发电装置的辅助冷却回路。
7.根据权利要求5所述的系统，包括与电池堆组装件相关联的至少一个电池堆冷却器，并且其中至少一个电池堆冷却器与至少一个排热热交换器相关联以用于使至少一个排热热交换器的第一部分中的流体吸收来自至少一个电池堆冷却器中的冷却流体的热，至少一个电池堆冷却器中的流体通过来自燃料电池堆组装件的热而被加热。
8.根据权利要求5所述的系统，其中，
冷却剂网络包括使冷却流体循环通过第一冷却回路的第一泵；
第二冷却回路包括用于使第二冷却流体循环通过第二冷却回路的第二泵。
9.根据权利要求5所述的系统，其中，第一泵使冷却流体循环通过第三冷却回路。
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