CN1231068A - 用于产生电能、加热、冷却和通风的燃料电池系统 - Google Patents

用于产生电能、加热、冷却和通风的燃料电池系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种能量系统,该系统是由一电化学换能器、例如一种用于产生电能的燃料电池与一种加热、通风和冷却系统(HVAC系统)相连或结合而形成的。以辐射、对流或传导方式将由所述燃料电池所产生的废热(16)引入到一HVAC系统的热装置、例如一个热动冷却装置(30)或一个锅炉中。所述HVAC系统接收所述废热以产生一种可以调节的流体,例如经加热或冷却的空气和水、或者水蒸汽,以进行加热、冷却或其它工业用途。本发明提供了一种例如用于一工业或民用设施中的可提供电能、加热和冷却的改进型高效能量系统。本发明还披露了一种界面式换热装置,用于以对流的方式使一个电化学换能器与HVAC系统相连。所述界面式换热装置接收由所述燃料电池所产生的热废气并从中提取热能以将所述热能传至一HVAC系统的热装置、例如一热动冷却装置或一个锅炉中。

Description

用于产生电能、加热、冷却和 通风的燃料电池系统
发明背景
本发明总体涉及能源系统或能量系统，特别涉及与工业设施和民用设施的加热、通风和冷却结合使用的能量系统。
目前的能量系统通常包括多个日常独立使用的能量装置以将它们的外部环境调节到适当的水平并可调节常用流体例如水和空气的温度。这些能量装置常提供可进行调节的空气和水，例如加热的水、冷却的水和水蒸汽。这些常规的能量装置主要包括诸如蒸汽锅炉、热流体锅炉以及热动冷却装置。
诸如蒸汽锅炉的常规锅炉常使用一中央壳体(例如立式缸体)以利用燃油、燃气或一种由燃油或燃气组成的混合物在所述缸体中部使水沸腾。利用由燃烧过程所产生的热量使水加热到一定高温。这种设计比较简单的锅炉通常不使用与所述缸体相关的管道或盘管来协助加热处理，从而消除了管道破坏而带来的潜在危险并且具有有效、安全、可靠的特点。这种常规蒸汽锅炉的缺点是浪费燃料和效率较低。
在常规的热流体锅炉中，工作流体流过一个或多个围绕一个加热室的盘管。在锅炉中所产生的热量被所述工作流体吸收并可用于完成其它功能，诸如加热或冷却。热流体锅炉相对于常规蒸汽锅炉的优点包括消除了腐蚀、锅垢形成和结冻现象，从而减少了维修需要。热流体锅炉还在较低的工作压力下进行操作，并可利用较纯的工作流体，从而减少了对专业锅炉操作人员的需要。一种常用的热流体相对于其气态等同物具有较高的热能力。
常规能量系统还可包括热动冷却装置或致冷装置。一种常用型式的吸收式冷却装置是一种氨-水吸收式冷却装置，所述装置使用吸收层。一般说来，由于当所述吸收剂被冷却时，吸收剂吸收工作流体，而当所述吸收剂被加热时，吸收剂放出工作流体，因此所述冷却装置的特点在于以热的方式进行驱动。
上述常规能量系统是不变的单功能装置，利用燃料进行加热或冷却。
任何能量系统的效率对于经济因素以及环境因素来说总是一个关键问题。因此，在该技术领域中，需要一种能与工业设施或民用设施结合使用以对一种所选择流体的冷热进行调节的高效能量系统。特别是，可结合在常规加热设备和冷却装备中的高效能量系统，例如在工业上所用的加热，通风和空气调节系统(简称为HVAC系统)中常用的加热装置和冷却装置，这会在该技术领域带来一个显著的进步。
因此，本发明的目的是提供一种用于工业或民用设施中并可对一种所选择流体进行调节的改进的更高效的能量系统。
下面将结合几个优选实施例描述本发明。但是，应该明确的是，本领域普通技术人员在不脱离本发明的实质和范围内对本发明可作各种改进和变型。例如，采用各种系统结构件和本发明优选实施例所采用的结构的各种能量系统均可与上述能源系统结合使用。
发明概述
本发明提供用于调节一种所选择流体的系统和方法，所述调节例如为加热、冷却或通风。本发明是通过使一种诸如用于产生电能的燃料电池等电化学换能器与一种加热、通风和冷却系统(简称为HVAC系统)的加热装置或冷却装置结合使用来达到上述发明目的的。所述电化学换能器除了产生电能以外，还可起到与用于本发明加热装置或冷却装置的一个燃烧器相似的作用。
一方面，本发明的能量系统包括一可产生电能和废热的燃料电池，所述废热具有一定的高温，并且本发明的能量系统还包括一热动冷却装置，所述热动冷却装置与所述燃料电池相连并可接收所述废热。所述冷却装置吸收热量，所述热量驱动所述冷却装置，所述冷却装置接着提供一输出流体流，所述输出流体流低于某一选定温度，如果需要的话，应显著低于燃料电池废热的温度。所述选定温度也可低于民用或工业设施的外界温度。
另一方面，所述系统包括一用于调节所述废热的装置。所述调节装置可包括一至少部分地包围所述燃料电池的辐射罩。
另一方面，所述热动冷却装置包括一蒸汽发生装置，所述蒸汽发生装置与所述燃料电池热连通以便当将其加热到选定温度以上时在其中产生一种所选择的蒸汽。所述热动冷却装置还包括一冷凝器，所述冷凝器与所述蒸汽发生装置流体连通以将所述蒸汽冷凝成为一种液体，所述热动冷却装置还包括一汽化器以将所述液体汽化回一种蒸汽。
另一方面，所述热动冷却装置的蒸汽发生装置至少部分地包围着所述燃料电池并可接收由所述燃料电池所产生的废热。
另一方面，所述能量系统包括一位于所述燃料电池和一HVAL系统之间的界面式换热装置，以利于所述燃料电池与HVAC系统之间的热交换。例如，所述界面式换热装置可有助于一HVAL系统的冷却装置、例如一热动冷却装置与燃料电池之间的热交换。所述界面式换热装置可从具有一定高温的输入流体中接收热能，该输入流体例如为由一种燃烧过程所产生的流体、由一燃料电池所产生的废气或者由其它燃烧器/热源所产生的流体，并可将所述热能传至所述热动冷却装置。
一方面，所述界面式换热装置包括多个由一种导热介质制成的导热板，所述导热板堆积在一起形成一轴向延伸的装置。所述界面式换热装置的外表面适于与所述界面式换热装置例如HVAL系统的外部环境进行热交换。
另一方面，所述导热板包括多个通道，用于使一种流体在平面内流过所述导热板的外表面。所述界面式换热装置还包括一个或多个形成在其中的轴向歧管以及用于在所述通道中和在相邻的导热板之间产生一汽流压降的装置，所述在通道中和在相邻导热板之间产生的气流压降显著大于所述轴向歧管内的气流压降。所形成的通道能在其中保持一基本上均匀的压降以便沿着所述轴向歧管提供一个在平面内基本上均匀分配的气流。
另一方面，所述导热板由一种能使气体轴向流过所述板的疏松导热材料制成。
另一方面，所述界面式换热装置包括一螺旋状导热带，所述螺旋状导热带适于与冷却的外界环境进行热交换。
另一方面，所述界面式换热装置由一种疏松导热材料制成，并适于从一种输入流体中接收热能以及将所述热能由此传至一冷却的外部环境。
另一方面，本发明提供了一种适于对所选择的流体进行加热的能量系统，所述能量系统包括一能产生电能和废热的燃料电池和一HVAC系统例如一种锅炉系统的加热装置，所述加热装置与所述燃料电池相连并适于从所述燃料电池接收所述废热。
本发明的其它目的和特征可从下面的描述和附图中看出。
附图简述
本发明的目的、特性和优点可从下面的描述和附图中明显地看出，不同的附图中相同的附图标记所表示的部件是相同的。虽然附图不是按比例绘制的，但它表示了本发明的原理。
图1是本发明所涉及的用于产生电能和调节一种流体的总能量系统的示意框图。
图2是一能量系统的示意图，其中所述系统包括一个与HVAC系统的加热装置或冷却装置以辐射方式相连的燃料电池。
图3是一能源系统的示意图，其中所述系统包括一个与HVAC系统的加热装置或冷却装置以对流方式相连的燃料电池。
图4是本发明所涉及的一能量系统的示意图，其中所述系统包括一热动冷却装置。
图5是本发明所涉及的一种堆积板式界面式换热装置的截面图。
图6是本发明所涉及的由一种疏松导热材料形成的界面式换热装置的截面图。
图7是本发明所涉及的具有轴向流动通道的一种界面式换热装置的平面图。
图8是本发明所涉及的一种“车轮”式界面式换热装置的平面图。
图9是本发明所涉及的一种肋片式界面换热装置的平面图。
所示实施方案描述
图1是本发明总能量系统的示意性框图，该能量系统可对一种所选择流体的加热和冷却进行调节。所示总能量系统10包括一电化学换能器12，该换能器12与一个HVAC系统14热连接。该电化学换能器除了能够生成电能以外最好还能产生废热，所述废热如波状线16所示被送至HVAC系统14。例如燃料电池等电化学换能器是公知的，并且在Hsu的美国专利No.5,462,817、Hsu的美国专利No.5,501,781和Hsu的美国专利No.4,853,100中有所披露，上述这些专利文献在这里仅作为参考文献。
所述电化学换能器12可以辐射、传导或对流的方式与HVAC系统14相连。本发明所涉及的电化学换能器最好是一个燃料电池，例如一固体氧化物燃料电池，一熔融碳酸盐燃料电池、一磷酸燃料电池、一碱性燃料电池或一质子交换膜燃料电池。
HVAC系统通常采用一种闭合回路系统，该闭合回路系统用于输送贯通一建筑物的换热流体。在这样一种闭合回路系统中，利用诸如蒸汽锅炉或热流锅炉的加热装置或者诸如热动冷却装置或其它空气调节装置的冷却装置调节换热流体，所述换热流体通常通过流体管道流通整个设备。所述HVAC系统通常用于控制一个或多个结构封闭的设施中的周围的环境状态，诸如温度或湿度。所述HVAC系统具有多种类型，包括多段式、双管式或末端再热式系统。一般说来，这样的HVAC系统具有在同一系统内的独立的加热源和冷却源。这样的结构可使一个单独的系统对同一设施进行加热和冷却。按照一种公知的实施情况，将多个HVAC系统安装在一个单独的设施、例如一种工业设施中，并且这些HVAC系统连接成一个合适的网络，所述网络由一种普通的热源提供，所述热源可包括一个独立的加热装置或一个独立的冷却装置，也可既包括加热装置也包括冷却装置。所述加热装置和冷却装置提供用于使所述设施加热和冷却的所需热能。
图2表示本发明电化学换能器例如燃料电池(2)和HVAC系统14的热处理装置(例如锅炉或冷却装置)的结合图。所示燃料电池具有一燃料反应物输入部分20和一空气反应物输入部分22。利用适当的歧管装置将燃料和氧化剂反应物送入所示的燃料电池。所述燃料电池对所述燃料和氧化剂反应物进行处理，并且在一种工作模式下产生电能和废热。所述废热可以辐射的方式输送到合适的热处理装置26。所示的热处理装置26有助于将以辐射方式以燃料电池12所接收的热输送到HVAC系统14的装置中。所述热处理装置26还可用于调节燃料电池的温度。所述热处理装置26还可包括例如一个热动冷却装置的蒸汽发生装置，所述蒸汽发生装置位于燃料电池12的周围或附近以接收从其辐射的热。所述热处理装置26还可包括一个加热装置的锅炉，所述锅炉位于燃料电池的附近或与之相邻接以接收从其辐射的热。
HVAC系统的“加热装置”和“冷却装置”这两个词在本发明中的含义是，用于民用设施或工业设施或者基它公知类型设施的任何公知且合适的加热和冷却装置。但是，上述关于加热和冷却装置的示例是用于说明的，并没有完全列出所有可用于本发明能量系统中的全部类型的加热和冷却装置。
如图所示，所述燃料电池12还产生废气24，所述废气24可从燃料电池12排出。所述热处理装置26最好与HVAC系统14的加热或冷却装置进行热连接。例如，燃料电池12可产生能被锅炉吸收的废热。所吸收的热量能够将锅炉中的工作流体加热到一定的高温，接着利用HVAC系统传送所述流体流通所述设施以达到所选定的用途，例如加热、材料处理和化学处理以及其它类似的公知用途。在这种结构中，所述燃料电池12代替了锅炉的燃烧室部分。
图3表示了本发明总能量系统10的另一实施例。所述系统10包括一燃料电池12，该燃料电池12以对流的方式与一HVAC系统14相结合。根据本实施例，燃料电池分别处理燃料反应物20和氧化剂反应物22，并产生电能和废气24。所述废气24直接与HVAC系统14的适合的热处理装置26相连。利用图中所示的管道28将所述废气从系统中排出。本领域普通技术人员应该意识到，虽然在所述实施例中，废气直接与HVAC系统14相连以便利用对流方式传热，但是其它的设计形式也是可以的。例如，在燃料电池12和HVAC系统14之间可设置一中间换热器。本领域普通技术人员还可以理解的是，对于其它的实施方式，可采用其它的换热结构或热处理控制结构以将来自燃料电池废气中的热传送到HVAC系统14的一个装置或多个装置中。
使用一个燃料电池作为加热或冷却装置的燃料室部分的优点是：不但能产生电能，而且还能调节流体。如本领域所公知的，根据电化学处理，电能产生在燃料电池内。利用适合的电路可使电能从燃产电池流出以供外用。这样，燃料电池与HVAC系统的加热或冷却装置的热处理装置26相结合可形成一个高效的能量系统；该能量系统不但能产生电能，而且还能对民用和工业设施冷却和/或加热。如图2和图3所示，利用辐射和传导(图2)或对流(图3)的方式，可将热能供给到HVAC系统的加热或冷却装置的热处理装置26中。
电化学换能器与HVAC系统的加热装置结合使用能够提供一个用于提供电能和使外部设施加热的总能量系统。使用换能器的一个显著的优点是，换能器的高效仅取决于电化学反应的自由能和热焓之间的关系而不受carnot-周期(carnot-cycle)条件的限制。
图4中示出了本发明的另一实施例，其中燃料电池12与HVAC冷却装置相结合。在如图4中所示的一种实施方案中，所述冷却装置30包括一个氨-水吸收冷却装置。所述的冷却装置30包括一蒸汽发生装置32、一冷却器40、一汽化器50、一流体泵60和一溶液泵68。所述冷却装置30的蒸汽发生装置32从一热源16吸收热量。所述蒸汽发生装置32最好装有一种对外部环境敏感的氨和水的混合物。正如公知的那样，氨用作装置的致冷剂，而水则用作装置的吸收剂。由所述蒸汽发生装置32所吸收的热量使氨和水的溶液汽化。在该汽化过程中，氨和水分离。氨作为一种气体从所述蒸汽发生装置的外壳排出并通过适当的流体管道42被送至冷凝装置40。
所述冷凝器最好包括一冷凝器盘管44，所述盘管44已经绕在所述流体管道42周围。所述冷凝器盘管能使在管道42中流过的氨蒸汽冷却成为液体。当冷却液体流过管道42并向着汽化器50流动时，所述冷却液体可流过一限流装置46，该限流装置46可对流体的温度和压力进行限制以使其压力降低并将其温度调至一个所选定的温度。
汽化器50最好具有一外壳52，所述外壳52中形成一个合适的孔以使输入歧管54穿过。所述输入歧管54引入一种输入流体，并且还包括内部歧管，所述内部歧管的末端在一流体分配结构件56中。所述流体分配结构件56将输入流体分配到整个歧管47，所述歧管47通过流体管道42的一部分与所述限流装置46相连，如图所示，所述歧管47在汽化器外壳的内部围绕着所述内部歧管54。进入所述汽化器50的液体氨吸收从所述分配结构件56流出的水的热量。液体氨从输入流体(例如水)吸收了足够的热量以转变为气态氨。将气态氨送至一溶液冷却吸收器74。
最初形成氨-水混合物之一部分的吸收水沿着流体管道80被送至所述吸收器74，所述氨-水混合物是最初留在蒸汽发生装置32中的。所述流体管道80还可包含一溶液限流装置以降低水温。较冷的吸收水与气态氨反应使气态氨再次冷凝为液态。接着，氨-水混合物通过管道84被送至一溶液泵68，然后所述溶液泵68沿着管道86将溶液送至蒸汽发生装置32。
较冷的水在汽化器50内聚集，然后在泵60的作用下冷却水从汽化器50被泵出，并被送至所用设施的选定位置，例如，使所选择的位置冷却。
根据一种实施方式，如图3中所示，可以使用一种界面式换热装置以便在燃料电池排气口24和HVAC系统14的热处理装置26之间以对流方式交换热量。
图5-图9表示了一种与本发明的电化学换能器12和HVAC系统14结合使用的界面式换热装置100以使电化学换能器12和HVAC系统14之间进行对流式换热。参照图5，图5是本发明的一种堆积板式界面换热装置100的截面图，所述界面式换热装置100具有大量的导热堆积板102。该界面式换热装置具有一流体管道或歧管104，所述管道或歧管104与导热板102的内部完全相通。所述界面式换热装置可被放置在一个气密罩或外壳110内。所述流体歧管104将一种选定的流体(诸如一种高温气体)引入所述界面式换热器100的内部。所述板102最好形成在各流体通道112之间，所述流体通道112可使流体在平面内流向所述板102的外表面。所述高温气体最好与导热板102进行换热。板102和输入流体之间所交换的热量使流体冷却，然后所述流体通过排出歧管114从界面式换热装置100排出。由导热板102吸收的热量如黑色实线箭头116所示，从内部换热装置100排放到外部环境。
导热板102可由任何适合的导热材料制成，所述导热材料包括金属，例如铝、铜、铁、钢、合金、镍、镍合金、铬、铬合金、铂，还包括非金属材料，例如碳化硅，以及其它适合的导热复合材料。所述导热板102的厚度是可以选择的，以便在板102的平面内保持一选定的温度梯度，即沿着板的表面保持一选定的温度梯度。
另外，由于所输入的流体在整个流体通道112中是均匀分配的，因此所述导热板沿着堆积轴线(沿着换热结构件100A的外围表面)形成均匀的热条件，从而防止产生沿着堆积方向出现局部过冷或过热的问题。这样就提高了内部换热结构件的总体热性能，并且提高了系统的总体换热效率。
根据另一实施例，可沿着内部换热结构件的外罩100A或在其周围排出所述输入流体。在这种结构中，气密罩100A用作一可收集废气并将其送至其它适合结构部件的外周排气歧管。
根据另一实施例，可将输入流体引入由气密罩100A所形成的外周排气歧管中并沿着外部边缘将输入流体引入所述堆积换热结构件100中。在这种结构中，所述输入流体径向向内地流过所述导热板102的表面并可通过一个或多个轴向延伸的歧管104或114排出。
本发明界面式换热装置100的一个显著优点是，能使界面式装置与工业用HVAC系统相结合且使HVAC系统具有最小的设计变化。因此，所述界面式换热装置100可广泛地用于工业设施中并可广泛地用于工业应用中。界面式换热装置具有一些特点，包括(1)较高的换热效率提高了HVAC系统的效率，(2)较高的换热量使其结构设计更为紧凑，从而提高了总能量系统的使用范围并使其应用更为广泛，(3)结构尺寸减少可使界面式换热装置被改装到目前的工业用HVAC设备中。
在操作中，界面式换热装置100在外形上与热处理装置26(诸如加热或冷却装置的蒸汽发生装置32部分或者HVAC系统的一个加热装置的锅炉部分)相适应以便于燃料电池与蒸汽发生装置或锅炉部分之间的热交换。
参照图2和图3，界面式换热装置可置于燃料电池12和HVAC系统14之间以便在燃料电池12和HVAC系统之间进行直接的热交换。反之，当堆积的燃料电池自身直接与HVAC系统14的一个或多个装置接触时，由于将燃料电池所产生的废热辐射式地传送给HVAC系统14，因此堆积的燃料电池自身也可用作一种界面式换热装置。但是，燃料电池部分与HVAC系统的这种直接组合要求堆积的燃料电池和HVAC系统的热处理元件的外形配合。这样会使燃料电池的堆积和结构发生改变，从而导致该系统的成本提高。因此，根据优选实施例，界面式换热装置100外形尺寸与燃料电池和HVAC系统相适应以便使它们直接连接起来，从而使整个系统结构紧凑、易于使用并且提高了整个系统的总能量效率。因而，所述界面式换热装置100提供了一种具有极好的热性能且便于与HVAC系统的热处理装置26有效热结合的板式换热装置。本发明的界面式换热装置利用一种能以传导和/或对流换热的方式进行换热的结构紧凑且高效率的换热装置而克服了普通换热装置在尺寸大小上的缺点。
所述流体通道112最好形成在界面式换热装置100内以便流体通道112中的压降显著大于所述流体歧管104中的压降。特别是，流体通道112的流动阻力显著大于歧管104的流动阻力。
根据一个实施例，所述堆积式界面换热装置100为柱状结构，且导热板102的直径大约在1英寸至20英寸之间，其厚度大约在0.002英寸至0.2英寸之间。这里所用的“柱状”一词指的是，当导热板沿一纵轴方向堆积时，所述导热板至少具有一可用作一种流体混合物导管的内部流体歧管，凡是具有这样特征的各种几何结构都是这里所称的“柱状”结构。本领域普通技术人员应该理解的是，所述界面式换热装置100也可具有其它的几何形状，例如具有内部或外部歧管的矩形或线形。具有选定矩形形状的所述板也被堆积并且可与用于供给和收集诸如热气体或冷气体等流体的外部歧管相结合。在设计所述界面式换热装置的确切形状时应考虑HVAC系统的热处理装置的几何形状。
图6表示的是利用一种疏松介质的本发明界面式换热装置另一实施例的截面图。所述换热装置120大致为圆筒形并具有一外圆周表面124以与HVAC系统的热处理装置26相接触，所述换热装置120大致由一种疏松的导热介质122构成。如图所示，在所述界面式换热装置的输入侧126引入一种高温的选定输入流体，并且从其输出侧128排出这种输入流体。一种导热介质122从所输入的流体中吸收热量，从而排出一种温度降低的较冷流体，输出流体的温度最好明显地低于输入流体的温度。所述疏松导热介质122所吸收的热量以传导或对流的方式从所述导热介质传送到热处理装置26。以与图5中所示和所述的界面式换热装置类似的方式使用所述的界面式换热装置120。与图5中的界面式换热装置100类似，界面式换热装置120可具有任何适用于常规HVAC系统的选定几何形状。
图7和图9表示了本发明界面式换热装置的其它实施例。如图7中所示。介面式换热装置130具有一大致圆筒形的外壳，该外壳具有一外表面132并且具有沿一纵轴方向延伸的一定长度。该界面式换热装置130具有多个轴向通道134，所述通道134在所述换热装置的顶部130A和底部130B之间延伸。该界面式换热装置最好由一种与图5和图6中所示和所述的界面式换热装置相似的导热材料制成。
以与上述相似的操作方法来操作所述界面式换热装置130。例如，将一种选定高温的输入流体136引入所述界面式换热装置，例如，将该流体引入所述界面式换热装置的底部130B，该流体通过轴向歧管134并在另一端被排出。当所述输入流体136通过所述界面式换热装置130时，热量在那里被所述换热装置的导热体吸收。因此，从输入流体吸收热量并将热量从温度显著低于输入流体的换热装置排出。热能被传导到其外表面132，所述外表面132与HVAC系统的热处理装置26相接触以在所述外表面132与热处理装置26之间进行换热。
界面式换热装置的其它实施例还包括图8中所示的实施例。在该实施例中，界面式换热装置140大致为圆筒形并具有一外表面142和多个辐条144，所述辐条144从中心毂部分146向外径向地延伸，所述辐条144终止于界面式换热置140的内壁148，该界面式换热装置140的结构为车轮形状。
图9示出了本发明所涉及的界面式换热装置150的另一实施例。所述界面式换热装置150大致为矩形并具有多个侧面152A-152D和多个肋片154，所述肋片154在侧面152A和152B之间延伸。所述肋片沿着在侧面152C和152D之间延伸的一个轴相互隔开。所述界面式换热装置150最好由一种能够从输入流体吸收热量的导热材料制成。因而，流体以显著低于输入流体的温度从所述界面式换热装置排出。热能被传导至所述换热装置的外表面152A和152B，所述外表面152A和152B通常与HVAC系统的热处理装置26相接触以在它们之间进行换热。
电化学换能器与HVAC系统的这种热结合在该技术领域是具有进步性的。所述的这种用于将电能和冷却流体或加热流体供给一民用设施或工业设施的混合式总能量系统10为能量供应公司带来了许多好处。其中一个优点是，由于所述电化学换能器用作燃烧器，因此它在使用过程中除了产生电能以外还可用作加热处理或冷却处理。因而，电化学换能器还可使用天然气作为一种燃料供应反应物，天然气可为最终的用户提供电力需要和热能需要。这种燃料组分可用于一种无污染、低噪音、易于清洁和结构紧凑的总能量系统中，所述这种能量系统可安装在较小的空间和便利的位置处。
本发明的另一显著优点是，如果需要的话，这种总能量系统可安装在需要使用由这种系统所产生的调节流体和/或电能的设施处或其附近，从而能在电能传输方面得到节省。所形成的这些系统可在基底负载或需要的基础上连续工作。本发明的其它优点包括，在使用过程中无需拆除整个系统即可方便而又安全地更换燃料电池或其它部件。
从上述叙述中可以明显地看出，本发明可以有效地完成前面所述及的发明目的。由于可在不脱离本发明保护范围的基础上对上述结构进行适当的改进，因此说明书中所述及的所有主题和附图中所示的内容仅仅是起解释作用的而并非是起限制作用的。
还应理解的是，后面的权利要求覆盖了本发明的所有一般性和特定的技术特征、以及以文字形式出现的落入其间的关于本发明保护范围的所有描述。

Claims (113)

1．一种用于提供电能和一种冷却流体的能量系统，包括：
一燃料电池，所述燃料电池具有用于产生电能和废热的装置，所述废热具有一选定的高温，以及
与所述燃料电池相连的热动冷却装置，该热动冷却装置可接收所述废热以驱动所述冷却装置，所述冷却装置可提供一种选定温度显著低于所述废热温度的输出流体。
2．如权利要求1所述的能量系统，其特征在于，所述输出流体的选定温度低于外部环境的温度。
3．如权利要求1所述的能量系统，其特征在于，所述燃料电池具有多个用于接收输入反应物的歧管。
4．如权利要求3所述的能量系统，还包括用于将一种燃料反应物或一种氧化剂反应物引入所述歧管的装置。
5．如权利要求3所述的能量系统，其特征在于，所述燃料电池包括用于处理所述反应物的装置，以产生所述电能和所述废热。
6．如权利要求1所述的能量系统，其特征在于，所述废热的高温在大约100℃到1200℃之间。
7．如权利要求1所述的能量系统，其特征在于，所述燃料电池可从由固体氧化物燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池、磷酸燃料电池、碱性燃料电池和质子交换膜燃料电池所组成的一组电池中选择。
8．如权利要求1所述的能量系统，其特征在于，所述燃料电池是一种大约在1000℃下工作的固体氧化物燃料电池。
9．如权利要求8所述的能量系统，其特征在于，从所述固体氧化物燃料电池辐射所述废热；并且所述能量系统还包括用于调节所述废热的装置。
10．如权利要求9所述的能量系统，其特征在于，所述调节装置包括一个或多个构形成至少部分地围绕所述燃料电池的辐射罩。
11．如权利要求1所述的能量系统，其特征在于，所述燃料电池包括：
多个电解元件，所述电解元件的一侧具有一氧化剂电极，相对一侧具有一燃料电极，以及
多个互连元件，以与所述电解元件实现电连接，所述电解元件和互连元件相互堆叠以形成所述燃料电池。
12．如权利要求1所述的能量系统，其特征在于，所述热动冷却装置包括：
一个与所述燃料电池热连通的蒸汽发生装置，以便当将其加热到选定温度以上时产生蒸汽，
一个与所述蒸汽发生装置流体连通的冷凝器，以将所述蒸汽冷凝成为液体，以及
一种用于将所述液体转换回蒸汽的汽化器。
13．如权利要求12所述的能量系统，其特征在于，所述热动冷却装置的蒸汽发生装置至少部分地包围所述燃料电池；并可以辐射方式接收所述燃料电池所产生的废热。
14．如权利要求1所述的能量系统，还包括一位于所述燃料电池和所述热动冷却装置之间的界面式换热装置，以便于所述燃料电池和所述冷却装置之间的热交换。
15．如权利要求14所述的能量系统，其特征在于，所述界面式换热装置适于以对流方式接收来自燃料电池所排出的废热中的热能，并可将所述热能传至所述冷却装置。
16．如权利要求15所述的能量系统，其特征在于，所述冷却装置包括一蒸汽发生装置，所述蒸汽发生装置适于与所述界面式换热装置进行热交换。
17．如权利要求14所述的能量系统，其特征在于，所述界面式换热装置包括多个由一种导热材料制成的导热板，所述导热板堆叠在一起形成所述换热装置，所述换热装置具有一适用于与所述热动冷却装置进行热交换的外表面。
18．如权利要求17所述的能量系统，其特征在于，所述导热板具有能使一种流体在平面内流过所述板的通道装置。
19．如权利要求18所述的能量系统，其特征在于，所述界面式换热装置还包括：
形成在其中的一个或多个轴向歧管，以及
用于在所述通道装置中和在相邻导热板之间产生一气流压降的装置，所述在通道装置中和相邻导热板之间所形成的气流压降显著大于所述轴向歧管内的气流压降，从而沿着所述轴向歧管提供一基本上均匀流动的气流。
20．如权利要求17所述的能量系统，其特征在于，所述导热板由一种疏松的导热材料制成，所述疏松材料形成用于使气体轴向流过所述导热板的通道装置。
21．如权利要求14所述的能量系统，其特征在于，所述界面式换热装置包括一种螺旋状导热带。
22．如权利要求14所述的能量系统，其特征在于，所述界面式换热装置由一种疏松的导热材料构成。
23．如权利要求22所述的能量系统，其特征在于，所述界面式换热装置适于接收来自所述废热的热能并将所述热能传至所述冷却装置。
24．一种用于提供电能和使一种选定的流体冷却的能量系统，包括：
一电化学换能装置，所述电化学换能装置具有用于产生电能和废热的装置，所述废热具有选定的高温，以及
HVAC系统的冷却装置，所述冷却装置与所述电化学换能装置相连并适于接收所述废热以将所述选定流体冷却到所述废热温度以下。
25．一种用于使选定的流体冷却的方法，该方法包括下列步骤：
设置一种用于产生电能的燃料电池，所述燃料电池具有用于提供废热的装置，所述废热具有选定的高温；
设置一种热动冷却装置，所述热动冷却装置与所述燃料电池系统相连并适于接收所述废热和调节所述选定的流体；
以热的方式驱动所述冷却装置；以及
将所述选定流体冷却，以使所述流体的选定温度低于外部环境的温度。
26．如权利要求25所述的方法，还包括在其中轴向地形成多个歧管的步骤，所述歧管用于接收一种输入的反应物。
27．如权利要求26所述的方法，还包括将燃料反应物和氧化剂反应物中的一种引入其中一个所述轴向歧管的步骤。
28．如权利要求27所述的方法，还包括处理所述反应物以产生所述电能和所述废热的步骤。
29．如权利要求25所述的方法，其特征在于，所述燃料电池可从由固体氧化物燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池、磷酸燃料电池、碱性燃料电池和质子交换膜燃料电池所组成的一组电池中选择。
30．如权利要求25所述的方法，其特征在于，所述燃料电池辐射从中所产生的废热，并且所述方法还包括调节所述废热的步骤。
31．如权利要求25所述的方法，其特征在于，所述燃料电池包括：
多个电解元件，所述电解元件的一侧具有一氧化剂电极，相对一侧具有一燃料电极，以及
多个互连元件，以便与所述电解元件实现电接触，所述电解元件和互连元件交替堆叠以形成所述燃料电池。
32．如权利要求31所述的方法，其特征在于，所述燃料电池还包括多个设置在所述电解元件和所述互连元件之间的分隔元件。
33．如权利要求25所述的方法，其特征在于，所述热动冷却装置包括：
一个与所述燃料电池热连通的蒸汽发生装置，以便当将其被加热到选定温度以上时产生蒸汽，
与所述蒸汽发生装置以流体连通的冷凝器，以将所述蒸汽冷凝成为液体，以及
一个用于将所述液体转换回蒸汽的汽化器。
34．如权利要求25所述的方法，还包括使所述蒸汽发生装置定位以使其至少部分地包围所述燃料电池并可用于接收由所述燃料电池所产生的废热的步骤。
35．如权利要求25所述的方法，还包括从所述燃料电池提取电能的步骤。
36．如权利要求25所述的方法，还包括使一界面式换热装置定位于所述燃料电池和冷却装置之间以利于所述燃料电池和冷却装置之间进行热交换的步骤。
37．如权利要求36所述的方法，其特征在于，所述界面式换热装置包括多个由一种导热材料制成的导热板，所述导热板堆叠在一起形成所述换热装置，所述换热装置具有一适用于与外界环境进行热交换的外表面。
38．如权利要求36所述的方法，其特征在于，所述界面式换热装置适于以对流方式接收来自一种输入流体的热能并将所述热能传至所述冷却装置。
39．如权利要求36所述的方法，其特征在于，所述冷却装置包括一蒸汽发生装置，所述方法还包括在所述蒸汽发生装置和所述界面式换热装置之间进行热交换的步骤。
40．如权利要求37所述的方法，还包括在所述导热板内形成通道以使一种流体在平面内流过所述导热板的步骤。
41．如权利要求40所述的方法，还包括以下步骤：
在所述界面式换热装置内形成一个或多个轴向歧管，以及
在所述通道中和在所述相邻的导热板之间产生气流压降，所述在通道中和在相邻导热板之间形成的气流压降显著大于所述轴向歧管内的气流压降。
42．如权利要求41所述的方法，还包括在所述通道中维持一基本均匀的压降以便沿所述轴向歧管提供大致均匀流动的气流的步骤。
43．如权利要求37所述的方法，还包括利用一种疏松的导热材料形成所述导热板的步骤，所述疏松材料形成所述通道以使一种流体轴向地流过所述导热板。
44．如权利要求36所述的方法，其特征在于，所述界面式换热装置包括一种适用于与外部环境进行热交换的螺旋状导热带。
45．如权利要求36所述的方法，还包括利用一种疏松的导热材料形成所述界面式换热装置的步骤。
46．一种用于使选定的流体冷却的方法，包括下列步骤：
设置一种用于产生电能的电化学换能装置，所述电化学换能装置具有用于产生废热的装置，该废热具有选定的高温；
使一HVAC系统的冷却装置与所述电化学换能装置相连，所述冷却装置可接收所述废热；以及
以热的方式驱动所述冷却装置以使所述选定流体冷却到外部环境温度以下。
47．一种用于产生电能和提供一种加热流体的能量系统，包括：
一燃料电池，所述燃料电池具有用于产生电能和废热的装置，以及
一个与所述燃料电池相连的锅炉，所述锅炉适于从所述燃料电池接收所述废热，所述锅炉可将所述选定流体加热到一选定的高温。
48．如权利要求47所述的能量系统，其特征在于，所述燃料电池包括多个形成在其中的轴向歧管，所述轴向歧管可接收一种输入的反应物。
49．如权利要求48所述的能量系统，还包括用于将燃料反应物和氧化剂反应物中的一种引入所述轴向歧管的装置。
50．如权利要求47所述的能量系统，其特征在于，所述燃料电池包括用于处理所述反应物以产生所述电能和所述废热的装置。
51．如权利要求47所述的能量系统，其特征在于，所述废热的高温大约在100℃至1200℃之间。
52．如权利要求47所述的能量系统，其特征在于，所述燃料电池可从由固体氧化物燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池、磷酸燃料电池、碱性燃料电池和质子交换膜燃料电池所组成的一组电池中选择。
53．如权利要求47所述的能量系统，其特征在于，所述锅炉是蒸汽锅炉或热流体锅炉中的一种。
54．如权利要求47所述的能量系统，其特征在于，所述燃料电池是一种固体氧化物燃料电池。
55．如权利要求47所述的能量系统，其特征在于，所述燃料电池辐射其产生的所述废热，所述能量系统还包括用于调节所述废热的装置。
56．如权利要求55所述的能量系统，其特征在于，所述调节装置包括一个或多个构形成至少部分地围绕所述燃料电池的辐射罩。
57．如权利要求47所述的能量系统，其特征在于，所述燃料电池包括：
多个电解元件，所述电解元件的一侧具有一氧化剂电极，相对一侧具有一燃料电池，以及
多个互连元件，以与所述电解元件电接触，所述电解元件和互连元件相互交替堆叠以形成所述燃料电池。
58．如权利要求57所述的能量系统，其特征在于，所述燃料电池还包括多个设置在所述电解元件和互连元件之间的分隔元件。
59．如权利要求47所述的能量系统，其特征在于，燃料电池以辐射或对流的方式将热量传至所述锅炉。
60．如权利要求47所述的能量系统，其特征在于，所述锅炉包括一利用所述燃料电池的废热由一种工作流体产生蒸汽的蒸汽发生装置。
61．如权利要求60所述的能量系统，其特征在于，所述蒸汽发生装置至少部分地围绕所述燃料电池。
62．如权利要求47所述的能量系统，其特征在于，所述锅炉包括一种工作流体，所述工作流体是水或者是一种低气压热流体。
63．如权利要求47所述的能量系统，还包括一位于所述燃料电池和锅炉之间的界面式换热装置，以便于所述燃料电池和锅炉间的热交换。
64．如权利要求63所述的能量系统，其特征在于，所述界面式换热装置包括多个由一种导热材料制成的导热板，所述导热板堆叠在一起形成所述换热装置，所述换热装置具有一适用于与外界环境进行热交换的外表面。
65．如权利要求63所述的能量系统，其特征在于，所述界面式换热装置适于以对流方式从一种输入流体接收热能并可将所述热能传递给所述锅炉。
66．如权利要求65所述的能量系统，其特征在于，利用对流、传导和辐射中的一种方式将热能传递给锅炉或从锅炉传送所述热能。
67．如权利要求65所述的能量系统，其特征在于，所述锅炉包括一蒸汽发生装置，所述蒸汽发生装置适于与所述界面式换热装置进行热交换。
68．如权利要求65所述的能量系统，其特征在于，所述燃料电池产生废气，并且所述输入流体中包含所述燃料电池废气。
69．如权利要求64所述的能量系统，其特征在于，所述导热板具有能使一种流体在平面内流过所述导热板的通道装置。
70．如权利要求69所述的能量系统，其特征在于，所述界面式换热装置还包括：
形成在其中的一个或多个轴向歧管，以及
用于在所述通道装置中和在相邻导热板之间产生一气流压降的装置，所述在通道装置中和在相邻导热板之间所形成的气流压降显著大于所述轴向歧管内的气流压降。
71．如权利要求70所述的能量系统，其特征在于，所述通道装置构形成能够在其中保持一大致均匀的压降，以便沿所述轴向歧管提供一基本上流动均匀的气流。
72．如权利要求64所述的能量系统，其特征在于，所述导热板是由一种疏松的导热材料制成的，所述疏松的导热材料形成所述通道装置以使气体轴向地流过所述导热板。
73．如权利要求63所述的能量系统，其特征在于，所述界面式换热装置为大致圆筒形，并且其直径大约在1英寸至20英寸之间。
74．如权利要求63所述的能量系统，其特征在于，所述界面式换热装置包括一螺旋状导热带，所述螺旋状导热带适于与外界环境进行热交换。
75．如权利要求63所述的能量系统，其特征在于，所述界面式换热装置由一种疏松的导热材料构成。
76．如权利要求63所述的能量系统，其特征在于，所述界面式换热装置适于从一种输入流体接收热能并且可将从所述输入流体中接收的热能传至外部环境。
77．如权利要求76所述的能量系统，其特征在于，所述输入流体包括由所述燃料电池所产生的废气。
78．如权利要求63所述的能量系统，其特征在于，所述界面式换热装置适于与所述锅炉进行热交换。
79．如权利要求75所述的能量系统，其特征在于，所述界面式换热装置具有一大致矩形的横截面。
80．一种用于产生电能和提供一种加热流体的能量系统，包括：
一电化学换能器，所述化学换能器具有用于产生电能和废热的装置，以及
一个与所述电化学换能器热连通的热处理装置，所述热处理装置适于从所述电化学换能器接收所述废热，所述热处理装置可将所述选定流体加热到选定的高温。
81．一种用于将选定的流体加热的方法，包括下列步骤：
提供一用于产生电能的燃料电池，所述燃料电池具有用于提供废热的装置；
提供一与所述燃料电池热连通的锅炉，所述锅炉可从所述燃料电池接收所述废热；以及
将所述选定流体加热到一定的高温。
82．如权利要求81所述的方法，还包括在所述燃料电池内形成多个轴向歧管的步骤，所述歧管可接收一种反应物。
83．如权利要求82所述的方法，还包括将一种反应物引入到所述轴向歧管中的步骤。
84．如权利要求83所述的方法，还包括处理所述反应物以产生所述电能和所述废热的步骤。
85．如权利要求81所述的方法，其特征在于，所述燃料电池可从由固体氧化物燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池、磷酸燃料电池、碱性燃料电池以及质子交换膜燃料电池所组成的一组电池中选择。
86．一种如权利要求81所述的方法，其特征在于，所述锅炉是蒸汽锅炉或热流体锅炉中的一种。
87．如权利要求81所述的方法，还包括对由所述燃料电池所产生的废热进行调节的步骤。
88．如权利要求81所述的方法，其特征在于，所述燃料电池包括：
多个电解元件，所述电解元件的一侧具有一氧化剂电极，相对一侧具有一燃料电极，以及
多个用于与所述电解元件电接触的互连元件，所述电解元件和互连元件交替堆叠形成所述燃料电池。
89．如权利要求88所述的方法，其特征在于，所述燃料电池还包括多个设置在所述电解元件和互连元件之间的分隔元件。
90．如权利要求81所述的方法，其特征在于，所述锅炉包括一利用所述燃料电池的废热由一种工作流体产生蒸汽的蒸汽发生装置。
91．如权利要求90的方法，还包括使所述蒸汽发生装置至少部分地定位在所述燃料电池周围以接收所述废热的步骤。
92．如权利要求81的方法，还包括在所述燃料电池和所述锅炉之间放置一界面式换热装置以便于所述燃料电池和所述锅炉之间进行热交换的步骤。
93．如权利要求92的方法，其特征在于，所述界面式换热装置包括多个由一种导热材料制成的导热板，所述导热板堆叠在一起形成所述界面式换热装置，所述界面式换热装置具有一适于与外界环境进行热交换的外表面。
94．如权利要求92所述的方法，其特征在于，所述界面式换热装置适于以对流的方式从一种输入流体中接收热能并将所述热能传至所述锅炉。
95．如权利要求92所述的方法，其特征在于，所述锅炉包括一蒸汽发生装置，所述方法还包括在所述蒸汽发生装置和所述界面式换热装置之间进行热交换的步骤。
96．如权利要求93所述的方法，还包括在所述导热板内形成通道以使一种流体在平面内流过所述导热板的步骤。
97．如权利要求96所述的方法，还包括以下步骤：
在所述界面式换热装置内形成一个或多个轴向歧管，以及
在所述通道中和在相邻导热板之间产生一气流压降，所述在通道中和在相邻导热板之间所产生的气流压降显著大于在所述轴向歧管内的气流压降。
98．如权利要求97所述的方法，还包括在所述通道内保持一大致均匀的压降以便沿着所述轴向歧管提供一基本上流动均匀的气流的步骤。
99．如权利要求93所述的方法，还包括利用一种疏松的导热材料制成所述导热板的步骤，所述疏松的导热材料形成所述通道以使一种流体轴向地流过所述导热板。
100．如权利要求92所述的方法，其特征还在于，所述界面式换热装置包括一适于与外界环境进行热交换的螺旋状导热带。
101．如权利要求92所述的方法，还包括利用一种疏松的导热材料制成所述界面式换热装置的步骤。
102．一种用于将选定的流体加热的方法，包括下列步骤：
提供一种电化学换能装置，所述电化学换能装置除了提供电能以外还具有用于提供废热的装置，所述废热具有选定的高温；以及
将一个锅炉的热处理装置与所述电化学换能装置相连，所述热处理装置适于接收所述废热；以及
将所述选定流体加热到选定高温。
103．一种在用以对选定流体进行冷却或加热的能量系统中所使用的界面式换热装置，其特征在于，所述界面式换热装置适于以对流的方式从一种输入流体中接收热能并将所述热能传至外界环境。
104．如权利要求103所述的界面式换热装置，其特征在于，所述界面式换热装置适于设置在一个燃料电池和一个HVAC系统的加热装置或冷却装置之间。
105．如权利要求104所述的界面式换热装置，其特征在于，所述冷却装置包括一种热动冷却装置。
106．如权利要求104所述的界面式换热装置，其特征在于，所述加热装置包括一种锅炉。
107．如权利要求103所述的界面式换热装置，其特征在于，所述换热装置包括多个由一种导热材料制成的导热板，所述导热板堆叠在一起形成一用于与外界环境进行热交换的外表面，所述换热装置适于以对流方式接收热能并能以传导或辐射方式至少将所述热能的一部分传至所述外界环境。
108．如权利要求103所述的界面式换热装置，其特征在于，所述输入流体包括由一燃料电池所产生的废气。
109．如权利要求107所述的界面式换热装置，其特征在于，所述导热板包括用于使流体在平面内流过所述导热板的通道装置。
110．如权利要求107所述的界面式换热装置，其特征在于，所述界面式换热装置还包括：
形成在其中的一个或多个轴向歧管，以及
用于在所述通道装置中和在相邻导热板之间产生一气流压降的装置，所述在通道装置中和在相邻导热板之间产生的气流压降显著大于所述轴向歧管内的气流压降，从而沿着所述轴向歧管提供一基本上流动均匀的气流。
111．如权利要求107所述的界面式换热装置，其特征在于，所述导热板是由一种疏松导热材料制成，所述疏松导热材料形成所述通道装置以使气体轴向地流过所述导热板。
112．一种在用以对选定流体进行冷却或加热的能量系统中所使用的界面式换热装置，所述换热装置包括：
一个大致呈圆筒形的结构件，所述圆筒形结构件的至少一部分是由一种疏松导热材料制成，所述圆筒形结构件适于以对流的方式接收热能并可以传导或辐射方式传送至少一部分的所述热能。
113．如权利要求112所述的界面式换热装置，其特征在于，所述换热装置适于从一种输入流体中接收热能并可将从所述输入流体接收的热能传至外界环境。
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