混合发电系统的制作方法

1.本发明涉及一种利用燃料电池堆和发动机装置的混合发电系统。


背景技术：

2.燃料电池通过利用氢气和氧气的反应来产生电能。这种燃料电池在直接使用氢气的情况下效率最高，但为此，将氢气存储罐直接设置在设置燃料电池的位置会导致在安全性方面存在很多问题。因此，目前通过重整碳氢燃料来产生氢气，并且将其用作燃料电池的燃料。
3.燃料电池比传统火力发电效率更高，因此可以节省发电燃料，也可以进行热电联产，并且由于可以使用天然气、城市煤气、甲醇、废气等多种燃料，从而被评价为可替代火力发电的能量转换装置。另外，nox和co2排放量明显低于燃煤发电，并且可以实现无污染运行，因此还可以设置在市区内或建筑物内。
4.在燃料电池中，在高温工作的固体氧化物燃料电池(sofc)和熔融碳酸盐燃料电池(mcfc)可以用作数十千瓦(kw)至兆瓦(mw)的大容量电力的分布式发电，并且有利于利用高温的阳极废气或高温的阴极废气来产生额外的电力。因此，近年来提出了一种燃料电池-发动机混合发电系统，其结合了从高温的燃料电池排出的阳极废气与发电用发动机。
5.然而，所述混合发电系统处于开发初期，未来需要进一步研究开发以提高所述混合发电系统的工作稳定性、发电效率等。


技术实现要素：

6.发明要解决的问题
7.本发明的一目的在于提供混合发电系统，其能够提高工作稳定性、发电效率等。
8.用于解决问题的手段
9.根据本发明的实施例的混合发电系统包括：燃料电池堆，用于产生电能并排出第一阳极废气；第一脱水器，通过气液分离将所述第一阳极废气分离为第二阳极废气和冷凝水；第一热交换器，通过所述第一阳极废气、所述第二阳极废气和冷却介质之间的热交换来降低所述第一阳极废气的温度，并将其提供给所述第一脱水器，还能够提高所述第二阳极废气的温度，并将其排出；以及发动机装置，通过燃烧从所述第一热交换器排出的所述第二阳极废气来产生电能。
10.在一实施例中，所述第一热交换器可以接收从外部气源供给的空气作为所述冷却介质，通过热交换提高所述空气的温度，并将其提供给所述燃料电池堆。
11.在一实施例中，所述混合发电系统还可包括重整器，通过使用从所述第一脱水器供给的冷凝水来重整燃料气体，并将重整的燃料气体供给到所述燃料电池堆。
12.在一实施例中，所述第一热交换器可包括：第一隔壁部，形成供所述第二阳极废气移动的第一流动路径；第二隔壁部，围绕所述第一流动路径，并形成供所述第一阳极废气移动的第二流动路径；以及第三隔壁部，围绕所述第二流动路径，并形成供所述冷却介质移动
的第三流动路径。
13.在一实施例中，所述混合发电系统还可包括用于将所述燃料电池堆容纳在内部的燃料电池壳体，在这种情况下，所述第一热交换器和所述第一脱水器可以配置在所述燃料电池壳体的外部。
14.在一实施例中，所述混合发电系统还可包括第二热交换器，其通过高温的发动机废气、第二阳极废气和空气之间的热交换，降低所述发动机废气的温度，提高所述第二阳极废气和所述空气的温度，将被冷却的所述废气向外部排出，并将升温的所述第二阳极废气和所述空气供给到所述发动机装置，其中，所述高温的发动机废气由所述发动机装置排出，所述第二阳极废气由所述第一热交换器供给，所述空气由外部气源供给。
15.在一实施例中，所述混合发电系统还可包括第一阀门，其可以与下述排管连接：第一排管，供所述第二阳极废气从所述第一热交换器排出，第二排管，用于向所述发动机装置或所述第二热交换器供给所述第二阳极废气，以及第三排管，向外部排出口传递所述第二阳极废气；并且所述第一阀门可将从所述第一热交换器排出的所述第二阳极废气供给到所述第二热交换器，或者，向所述外部排出口排出。
16.在一实施例中，所述混合发电系统还可包括：第二脱水器，从所述第一阀门接收所述第二阳极废气后，通过气液分离将所述第二阳极废气分离为第三阳极废气和冷凝水，并将所述第三阳极废气供给到所述第二热交换器；以及重整器，使用从所述第一和第二脱水器供给的冷凝水来重整燃料气体，并将重整的燃料气体供给到所述燃料电池堆。
17.在一实施例中，所述混合发电系统还可包括第四阀门，其设置在第八排管，用于控制所述第八排管的打开和关闭，所述第八排管从用于将从所述第一热交换器排出的空气供给到所述燃料电池堆的排管分支，将所述空气供给到所述第二热交换器。
18.在一实施例中，所述混合发电系统还可包括第三阀门，其与下述排管连接：第五排管，连接到外部气源，第六排管，用于向所述第一热交换器供给空气，以及第七排管，用于向所述第二热交换器供给空气；并且所述第三阀门将从所述气源供给的空气供给到所述第一热交换器或所述第二热交换器。
19.在一实施例中，所述混合发电系统还可包括第二阀门，设置在第四排管，所述第四排管供从所述第一脱水器排出的所述第二阳极废气向所述第一热交换器移动。
20.发明效果
21.根据本发明的混合发电系统，从由燃料电池堆排出的阳极废气中回收冷凝水并供给到重整器，即使这样，也能够通过第一热交换器加热后并将其供给到发动机装置，从而可以提高所述发动机装置的发电性能和工作稳定性。
22.另外，不仅能够通过所述第一至第三阀门向所述发动机装置稳定地供给阳极废气和空气，还能够在所述燃料电池堆或发动机装置发生异常时能够迅速应对。
附图说明
23.图1是用于说明本发明的一实施例的混合发电系统的图。
24.图2a是用于说明图1所示的第一热交换器的剖视图，图2b是沿图2a所示的切割线a-a'切割的剖视图。
25.图3是用于说明本发明的另一实施例的混合发电系统的图。
26.图4是用于说明本发明的又一实施例的混合发电系统的图。
具体实施方式
27.以下，参照附图，对本发明的实施例进行详细说明。本发明可以施加各种变更，也可以具有各种方式，因此附图中示出特定实施例，并在本说明书中进行详细说明。然而，这并非将本发明的概念的实施例限定为特定的公开方式，而应理解为包括本发明的思想及技术范围中所包含的所有变更、等同物以及代替物。在说明每个附图时，类似的附图标记用于类似的构成要素。在附图中，为了本发明的明确性，结构物的尺寸被示为比实际尺寸大。
28.第一、第二等术语虽然可以用来说明各种构成要素，但所述构成要素不限定于所述术语。所述术语仅用于区分一个构成要素与另一构成要素。例如，在不脱离本发明概念的权利范围的情况下，第一构成要素可以命名为第二构成要素，类似地，第二构成要素也可以命名为第一构成要素。
29.本说明书中所使用的术语，仅仅是为了说明特定的各实施例而使用的，并不是用来限定本发明内容。只要未在上下文中明确定义为其他含义，单数表述应包括复数表述。本说明书中的“包括”或“具有”等术语，是用于指定所说明的特征、步骤、动作、构成要素、构件或它们的组合的存在，并非预先排除一个以上的其他特征、步骤、动作、构成要素、构件或它们的组合的存在或附加可能性。
30.除非另有定义，这里使用的包括技术术语和科学术语在内的所有术语，具有与本技术领域的普通技术人员通常理解的含义相同的含义。通常使用的预先被定义的术语，应解释为具有与相关技术的上下文中的含义相一致的含义，除非在本说明书中明确定义，就不应解释为理想或过于形式的含义。
31.图1是用于说明本发明的一实施例的混合发电系统的图，图2a是用于说明图1所示的第一热交换器的剖视图，图2b是沿图2a所示的切割线a-a'切割的剖视图。
32.参照图1、图2a和图2b，根据本发明的实施例的混合发电系统1000可包括燃料电池堆1110、重整器1120、燃料电池壳体1130、第一热交换器1140、脱水器1150、发动机装置1210和第二热交换器1220。
33.所述燃料电池堆1110可以通过使重整的燃料和氧气反应来产生电能。所述燃料电池堆1110可包括选自在高温下工作的固体氧化物燃料电池(sofc)堆、熔融碳酸盐燃料电池(mcfc)堆等的一种以上。所述燃料电池堆1110排出高温的第一阳极废气，所述第一阳极废气中的一部分可以供给到所述第一热交换器1140，其余部分可以供给到配置在所述燃料电池壳体1130内部的燃烧器(未图示)或其他热交换器。
34.所述重整器1120可以通过使用水蒸气对从外部燃料供应源10供给的碳氢燃料进行重整后，将其供给到所述燃料电池堆1110。所述重整器1120的结构没有特别限制，可以应用已知燃料电池用重整器而没有限制，因此将省略对此的说明。另一方面，作为一实施例，所述重整器1120可包括汽化器(未图示)，通过蒸发水，如从所述脱水器1150供给的冷凝水来形成水蒸气。
35.所述燃料电池壳体1130可以在内部容纳所述燃料电池堆1110和所述重整器1120。所述燃料电池壳体1130可包括绝热体(未图示)，为减少所述燃料电池堆1110中产生的热量向外部流出。
36.所述第一热交换器1140配置在所述燃料电池壳体1130外部，并且可以诱导高温第一阳极废气、冷却介质以及第二阳极废气之间的热交换，其中，所述高温第一阳极废气从所述燃料电池堆1110排出，所述第二阳极废气由所述脱水器1150去除水分。
37.在一实施例中，所述冷却介质可适用从外部气源供给的空气。在这种情况下，通过所述第一热交换器1140，所述高温的第一阳极废气被冷却，并且去除所述空气和所述水分的第二阳极废气被加热。另一方面，作为与此不同的实施例，所述冷却介质可适用从外部供给的水或其他低温流体，而不受限制。
38.在一实施例中，所述第一热交换器1140可包括：第一隔壁部1141，形成第一流动路径1141a；第二隔壁部1142，形成围绕所述第一流动路径1141a的第二流动路径1142a；以及第三隔壁部1143，形成围绕所述第二流动路径1142a的第三流动路径1143a。
39.由所述第一隔壁部1141形成的所述第一流动路径1141a可以在一个方向延伸，所述第一流动路径1141a可供通过所述脱水器1150去除水分的所述第二阳极废气移动。所述去除水分的第二阳极废气通过所述第一流动路径1141a的第一端部流入后，可以通过与所述第一端部相对的所述第一流动路径1141a的第二端部排出。作为一实施例，虽然在图2b中所述第一流动路径1141a被示为具有矩形截面形状，但所述第一流动路径1141a的截面形状没有特别限制，可以具有圆形、多边形等截面形状。
40.所述第二隔壁部1142可以配置成围绕所述第一隔壁部1141中的至少一个侧面，由此，由所述第二隔壁部1142形成的所述第二流动路径1142a可以形成为围绕所述第一流动路径1141a。所述第二流动路径1142a可供从所述燃料电池堆1110排出的所述第一阳极废气移动。
41.所述第三隔壁部1143可以配置成围绕所述第二隔壁部1142中的至少一个侧面，由此，由所述第三隔壁部1143形成的所述第三流动路径1143a可以形成为围绕所述第二流动路径1142a。所述第三流动路径1143a可供所述冷却介质移动。
42.在所述第一热交换器1140中，由于供温度最高的所述第一阳极废气移动的第二流动路径1142a位于供所述第二阳极废气移动的第一流动路径1141a以及供所述冷却介质移动的第三流动路径1143a之间，因此，所述第一阳极废气的热能可以通过热交换传递至所述第二阳极废气和所述冷却介质，其结果，所述第一阳极废气的温度会下降，所述第二阳极废气的温度会升高。另一方面，当将从外部气源供给的空气用作所述冷却介质时，所述空气可以通过与所述第一阳极废气的热交换而被加热。因此，所述燃料电池堆1110和所述发动机装置1210，可分别被供给预先加热的所述空气和所述第二阳极废气，所述脱水器1150可被供给温度下降的所述第一阳极废气。
43.所述脱水器1150可配置在所述燃料电池壳体1130的外部，且包括能够分离气体和液体的气液分离器。由于所述脱水器1150的气液分离器可适用已知的气液分离装置，而不受限制，因此将省略对此的详细说明。
44.由于所述重整器1120将通过水蒸气重整反应而被重整的燃料气体供给到所述燃料电池堆1110，因此，从所述燃料电池堆1110排出的所述第一阳极废气含有水分，所述脱水器1150可以通过气液分离从所述第一阳极废气中分离所述第二阳极废气和冷凝水并排出。即所述脱水器1150可以将所述第二阳极废气供给到所述第一热交换器1140，并将所述冷凝水供给到所述重整器1120。
45.另一方面，为了从所述第一阳极废气中分离水分，需要将所述第一阳极废气的温度降低到低于水的沸点的温度，在本发明中，将所述第一热交换器1140配置在所述燃料电池壳体1130外部，并通过所述第一热交换器1140内的热交换，来降低所述第一阳极废气的温度。
46.另外，由于所述燃料电池壳体1130的内部为所述燃料电池堆1110的工作而维持高温，因此，为了进一步降低所述第一阳极废气的温度，所述脱水器1150可以配置在所述燃料电池壳体1130的外部。
47.另一方面，当仅通过所述第一热交换器1140内的热交换不能将所述第一阳极废气的温度降低至低于水的沸点的温度时，所述脱水器1150除了所述气液分离器以外，还可包括用于降低所述第一阳极废气的温度的冷却器(未图示)。
48.所述发动机装置1210配置在所述燃料电池壳体1130外部，通过燃烧所述第二阳极废气来产生机械能，并借此产生电能。只要能够通过燃烧所述第二阳极废气来产生电能，则所述发动机装置1210的结构没有特别限制。
49.所述第二热交换器1220可以诱导高温废气、所述第二阳极废气以及空气之间的热交换，其中，所述高温废气从所述发动机装置1210排出，所述第二阳极废气由所述第一热交换器1140供给，所述空气由所述气源20供给，并且可以将加热的第二阳极废气以及所述空气供给到所述发动机装置1210，还可以将所述发动机装置1210的热交换后的废气向外部排出。由于所述第二热交换器1220的结构与所述第一热交换器1130的结构相同或类似，因此将省略与此重复的详细说明。
50.另一方面，根据本发明的实施例的混合发电系统1000还可包括第一阀门1310、第二阀门1320和第三阀门1330。作为一实施例，由于所述燃料电池壳体1130的内部维持相对高温的状态，因此所述第一阀门1310、第二阀门1320和第三阀门1330配置在所述燃料电池壳体1130的外部，可以长时间稳定地工作。另外，所述第一阀门1310、第二阀门1320和第三阀门1330不仅可以分别控制连接的排管的打开和关闭，还可以控制流量。
51.所述第一阀门1310可以与下述排管连接：第一排管1131，供所述第二阳极废气从所述第一热交换器1140排出；第二排管1312，用于向所述第二热交换器1220供给所述第二阳极废气；以及第三排管1313连接，向所述第二热交换器1220的出口，即外部排出口传递所述第二阳极废气。通过所述第一阀门1310，从所述第一热交换器1130排出的所述第二阳极废气可以供给到所述第二热交换器1220或者向外部排出。作为一实施例，当所述发动机装置1210正常工作时，所述第一阀门1310可以通过所述第二排管1312将所述第二阳极废气供给到所述第二热交换器1220，在这种情况下，所述第二热交换器1220通过热交换进一步加热所述第二阳极废气后，将其供给到所述发动机装置1210。作为与此不同的实施例，当所述发动机装置1210发生异常时，所述第一阀门1310可以通过用作旁通管的所述第三排管1313将所述第二阳极废气向外部排出。
52.所述第二阀门1320可以设置在第四排管1321，所述第四排管1321供从所述脱水器1150排出的所述第二阳极废气向所述第一热交换器1140移动。作为一实施例，当所述燃料电池堆1110和所述发动机装置1210正常工作时，所述第二阀门1320可以将从所述脱水器1150排出的所述第二阳极废气供给到所述第一热交换器1140。作为与此不同的实施例，当所述燃料电池堆1110或所述发动机装置1210发生异常时，所述第二阀门1320可以阻断借助
所述第四排管1321的所述第二阳极废气的移动。
53.所述第三阀门1330可以与下述排管连接：第五排管1331，连接到外部气源20，第六排管1332，用于向所述第一热交换器1140供给空气，第七排管1333，用于向所述第二热交换器1220供给空气；并且所述第三阀门1330可以将所述气源20供给的空气供给到所述第一热交换器1140或所述第二热交换器1220。作为一实施例，当所述燃料电池堆1110和所述发动机装置1210都正常工作时，所述第三阀门1330可以通过所述第六排管1332和第七排管1333将所述空气分别供给到所述燃料电池堆1110和所述发动机装置1210。并且，当所述燃料电池堆1110和所述发动机装置1210中的一个发生异常时，可以仅向正常工作的部件供给空气，并且可以阻断向发生异常的部件的供给空气。另外，当所述燃料电池堆1110和所述发动机装置1210都发生异常时，可以阻断所述第六排管1332和第七排管1333，使得不向所述燃料电池堆1110和所述发动机装置1210供给空气。
54.另一方面，根据本发明的实施例的混合发电系统1000还可包括用于控制所述第一阀门1310、第二阀门1320以及第三阀门13301的工作的控制部(未图示)。
55.所述控制部可以通过掌握所述燃料电池堆1110和所述发动机装置1210的工作状态来控制所述第一阀门1310、第二阀门1320、以及第三阀门13301的工作。例如，所述控制部可以通过检测所述燃料电池堆1110和所述发动机装置1210各自的输出电流、废气温度等来掌握所述燃料电池堆1110和所述发动机装置1210的工作状态。
56.图3是用于说明本发明的另一实施例的混合发电系统的图。
57.参照图3，根据本发明的另一实施例的混合发电系统2000可包括燃料电池堆2110、重整器2120、燃料电池壳体2130、第一热交换器2140、脱水器2150、发动机装置2210、第二热交换器2220、第一阀门2310、第二阀门2320、第三阀门2330、第四阀门2340和控制部(未图示)。
58.由于根据本实施例的混合发电系统2000除了还包括所述第四阀门2340以外，与参照图1所述的混合发电系统1000的结构相同或相似，因此，下面将省略重复的详细说明，主要对与参照图1所述的混合发电系统1000的不同点进行说明。
59.所述第四阀门2340可以设置在第八排管2341，并且可以控制所述第八排管2341的打开和关闭，所述第八排管2341从用于将从所述第一热交换器2130排出的空气供给到所述燃料电池堆2110的排管分支，将从所述第一热交换器2130排出的空气中的一部分供给到所述第二热交换器2220。
60.所述控制部可通过所述第八排管2341将预先加热的空气供给到所述第二热交换器2220，所述预先加热的空气是与通过所述第七排管2333供给到所述第二热交换器2220的空气是分开的。
61.另一方面，根据本实施例的混合发电系统2000可能不具有所述第七排管2333和所述第三阀门2330，在这种情况下，所述第二热交换器2220可以仅通过所述第八排管2341接收空气。
62.图4是用于说明本发明的又一实施例的混合发电系统的图。
63.参照图4，根据本发明的又一实施例的混合发电系统3000可包括燃料电池堆3110、重整器3120、燃料电池壳体3130、第一热交换器3140、第一脱水器3150、第二脱水器3160、发动机装置3210、第二热交换器3220、第一阀门3310、第二阀门3320、第三阀门3330、第四阀门
3340和控制部(未图示)。
64.由于根据本实施例的混合发电系统3000除了还包括所述第二脱水器3160以外，与参照图1所述的混合发电系统1000的结构相同或相似，因此，下面将省略重复的详细说明，主要对与参照图1所述的混合发电系统1000的不同点进行说明。
65.所述第二脱水器3160可配置在所述燃料电池壳体3130的外部，并且包括能够分离气体和液体气液分离器。所述第二脱水器3160通过所述第一阀门3310接收从所述第一热交换器3140排出的所述第二阳极废气后，可以去除其中的水分并生成冷凝水，将进一步去除所述水分的第二阳极废气供给到所述第二热交换器，并将所述冷凝水供给到所述重整器3120。
66.根据本发明的混合发电系统，从由燃料电池堆排出的阳极废气中回收冷凝水并供给到重整器，即使这样，也能够通过第一热交换器加热后并将其供给到发动机装置，从而可以提高所述发动机装置的发电性能和工作稳定性。
67.另外，不仅能够通过所述第一至第三阀门向所述发动机装置稳定地供给阳极废气和空气，还能够在所述燃料电池堆或发动机装置发生异常时迅速应对。
68.以上，参照本发明的优选实施例进行了说明，但本领域技术人员应理解，在不脱离所附权利要求书中所记载的本发明的思想和范围的情况下可以对本发明进行各种修改及变更。
69.附图标记的说明
70.1000、2000、3000：混合发电系统
71.1110、2110、3110：燃料电池堆1120、2120、3120：重整器
72.1130、2103、3130：燃料电池壳体1140、2140、3140：第一热交换器
73.1150、2150、3150：脱水器1210、2210、3210：发动机装置
74.1220、2220、3220：第二热交换器1310、2310、3310：第一阀门
75.1320、2320、3320：第二阀门1330、2330、3330：第三阀门