專利名稱：用于氣體分配系統(tǒng)的燃料電池混合發(fā)電系統(tǒng)和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及燃料電池系統(tǒng)，并尤其涉及用于氣體分配系統(tǒng)的燃料 電池混合發(fā)電站系統(tǒng)和方法。
背景技術(shù)：
在傳統(tǒng)氣體分配系統(tǒng)中，由諸如本申請的受讓人Enbridge，Inc. 的這種公用事業(yè)供應(yīng)的天然氣由超高壓傳輸和分配管道運輸。該超高 壓氣體從通常在高于下游壓力二至二十倍范圍內(nèi)的上游壓力減小壓 力，用于以典型地為50-80psig的較低壓力分配。這些超高壓管道將 氣體輸送至城市門站(city gate station ),或在市中心區(qū)內(nèi)，至區(qū)段站， 所述城市門站或區(qū)段站減小氣體壓力，以便使氣體能夠繼而以較低壓 力分配至天然氣用戶或消費者。城市門站或區(qū)段站通常稱之為"壓力降 低站"，或"壓力減小站"，并且它們必須提供超高壓氣體至要求的較低 壓力的必要減小。
在每個壓力降低站處，氣體壓力的減小典型地通過減壓閥實現(xiàn)。 伴隨壓力減小的是可歸因于等焓膨脹(constant enthalpy expansion ) 的制冷效應(yīng)。該效應(yīng)類似于，當(dāng)任意氣態(tài)化合物(丙烷，壓縮空氣， 等)經(jīng)歷顯著壓力減小和高體積流的組合時經(jīng)歷的冷卻。在進行丙烷 烤肉操作時可以注意到該效應(yīng)的物理現(xiàn)象，其中當(dāng)氣體離開鋼瓶時在 存儲鋼瓶中壓力下的丙烷經(jīng)歷壓力減少。在高流動性條件下，該制冷 效應(yīng)在存儲鋼瓶上產(chǎn)生冷卻外部，所述冷卻外部在極限條件下能夠?qū)?致霜積聚在鋼瓶上。
如上所述，同樣的急劇冷卻或制冷效應(yīng)發(fā)生在大量氣流經(jīng)歷顯著 壓降的天然氣管道上。因為能夠引起形成能消極影響管道系統(tǒng)整體性 和/或產(chǎn)生路面移動的重霜(heavy frost),所述路面靠近在市政道路允許之內(nèi)的任意管道，該氣體管道上的制冷效應(yīng)是不合需要的。該顯著 冷卻在傳輸?shù)臍怏w或燃料中具有氫氧化物(濕氣)，也能產(chǎn)生控制問題。 為消除這些顧慮，在超高壓氣體輸送至壓力降低站之前，氣體公用事 業(yè)典型地預(yù)熱該超高壓氣體。這通常通過將氣體穿過具有熱傳遞流體 回路(典型地為乙二醇回路)的熱交換器或預(yù)熱器實現(xiàn)，所述熱傳遞 流體回路經(jīng)由天然氣沸騰器供應(yīng)熱。加熱的預(yù)熱器的傳熱流體回路的 熱流，充分地加熱超高壓氣體，使得當(dāng)所述超高壓氣體的壓力在降低
站中減小時，氣體的溫度維持在凝固點以上，即，在32下或0。C以上。 正如可以理解，在將超高天然氣輸送至降低站之前需要加熱該超 高天然氣，則要求相當(dāng)多的能量，并因此降低氣體分配系統(tǒng)的總效率。 同樣，在降低站處的氣體壓力的減小產(chǎn)生到目前還未使用并被浪費的 顯著的能量。
因此，本發(fā)明的目的是提供一種用在氣體分配系統(tǒng)中的系統(tǒng)和方 法，目的是提供有效的和節(jié)省成本的減小從超高壓氣體分配/傳輸管道 供應(yīng)的氣體的壓力的方法。
本發(fā)明的目的也是提供以上類型的系統(tǒng)和方法，在所述系統(tǒng)和方 法中利用減小氣體壓力而產(chǎn)生的能量以提高系統(tǒng)的效率。
本發(fā)明的目的也是提供以上類型的系統(tǒng)和方法，所述系統(tǒng)和方法 利用向大氣投較小量的污染物的部件。

發(fā)明內(nèi)容
在下文將說明的本發(fā)明實施例中，在可用在氣體分配系統(tǒng)中的燃 料電池混合發(fā)電系統(tǒng)和方法中了解以上和其它目的，在所述氣體分配 系統(tǒng)中超高壓氣體傳輸/分配并繼而減小至較低壓力，用于氣體分配或 傳輸管道，并且在所述超高壓氣體減小壓力之前，預(yù)熱器用于加熱所 述超高壓氣體。更特別地，所述燃料電池混合發(fā)電系統(tǒng)具有能量回收 發(fā)電機，所述能量回收發(fā)電機對所述預(yù)熱的超高壓氣體作出響應(yīng)并適 于減小所述預(yù)熱的超高壓氣體的氣壓，以生產(chǎn)較低壓力氣體，同時產(chǎn) 生電輸出。所述發(fā)電系統(tǒng)中還包括燃料電池發(fā)電站，并且所述燃料電池發(fā)電站在產(chǎn)生廢熱的同時適于產(chǎn)生電輸出。所述燃料電池發(fā)電站還 適于使所述廢熱可用于所述預(yù)熱器，從而使所述預(yù)熱器能夠加熱所述 超高壓氣體。在所述發(fā)電系統(tǒng)中的電單元或組件對所述能量回收發(fā)電 機的電輸出和燃料電池發(fā)電站的電輸出作出響應(yīng)，并產(chǎn)生組合電輸出。 可選擇地，所述燃料電池發(fā)電站此外適于使用所述較低壓力(或較高 壓力)氣體中的一些作為用于所述裝置的燃料供應(yīng)。
在本發(fā)明的某些實施例中，能量回收發(fā)電機是以旋轉(zhuǎn)膨脹裝置的 形式，所述旋轉(zhuǎn)膨脹裝置通過膨脹減小所述超高壓氣體的壓力，所述 膨脹產(chǎn)生驅(qū)動發(fā)電機的機械輸出。在這些實施例的一些里，所述燃料 電池發(fā)電站使用燃料電池模塊，所述燃料電池模塊適于內(nèi)重整由所述 較低壓力氣體供應(yīng)的輸入燃料?？蛇x擇地，所述燃料電池模塊可包括 內(nèi)重整燃料電池堆并且還可選擇地，這些燃料電池可以是內(nèi)重整熔融 碳酸鹽燃料電池。
同樣地，在一些實施例中所述電組件的組合電輸出可用于電網(wǎng)和/ 或負(fù)載。此外，在某些實施例中，預(yù)熱器使用具有熱傳遞流體回路的 熱交換器，用于加熱所述超高壓氣體，并且所述發(fā)電站廢氣包括形成 至少所述發(fā)電站的廢熱的一部分的氧化劑廢氣。


本發(fā)明以上和其它特征和方面通過參照附圖閱讀以下詳細(xì)說明將
變得更明顯，其中
圖1示出用在氣體分配系統(tǒng)中的燃料電池混合發(fā)電系統(tǒng)； 圖2更詳細(xì)地示出圖1的發(fā)電系統(tǒng)的燃料電池發(fā)電站和電組件； 圖3更詳細(xì)地示出圖2的電組件的電力調(diào)節(jié)系統(tǒng)；以及 圖4更詳細(xì)地示出圖1的系統(tǒng)的能量回收發(fā)電機。
具體實施例方式
圖1用示意圖示出和氣體分配系統(tǒng)100 —起使用的燃料電池混合 發(fā)電系統(tǒng)10。該氣體分配系統(tǒng)100包括超高壓氣體傳輸或分配管道101，所述超高壓氣體傳輸或分配管道101典型地在超高壓力下將天然 氣輸送至一個或多個壓力降低站102。在降低站102處，超高壓氣體 從管道101聯(lián)接并減小至典型為大約50-60psig的較低壓力。較低壓 力氣體繼而從降低站102聯(lián)接至一個或多個氣體分配管道103，所述 分配管道103輸送至或使氣體可用于輸送至用戶場所。
在降低站102處，燃料電池混合發(fā)電系統(tǒng)IO提供從管道IOI供應(yīng) 至該降低站的超高壓氣體的壓力減小。發(fā)電系統(tǒng)10采用燃料電池發(fā)電 站11,所述燃料電池發(fā)電站11在實例中示出，從氣體分配管道103 供應(yīng)氣體并適于利用該氣體作為用于裝置的燃料供應(yīng)氣體。更特別地， 使用該燃料供應(yīng)氣體和氧化劑供應(yīng)氣體，燃料電池發(fā)電站11通過電化 學(xué)轉(zhuǎn)化，產(chǎn)生供給電組件或單元13的電輸出。
在燃料電池發(fā)電站11中的電化學(xué)轉(zhuǎn)化過程還產(chǎn)生接近零排放廢 熱。該熱提供到預(yù)熱器單元14，所述預(yù)熱器單元14用于在氣體通過 燃料電池混合發(fā)電系統(tǒng)IO遭受減壓之前加熱來自所述管道IOI的超高 壓氣體。在說明性實例中，示出預(yù)熱器包括在氣體分配系統(tǒng)100中。 或者，預(yù)熱器14，如果在分配系統(tǒng)100中未提供，可以包括在發(fā)電系 統(tǒng)10中。
一旦預(yù)熱超高壓氣體，則該氣體通過合適的管道或管道系統(tǒng)在發(fā) 電系統(tǒng)10中聯(lián)接至能量回收發(fā)電機12。能量回收發(fā)電機12將預(yù)熱的 超高壓氣體的壓力減小至要求的較低壓力并將該氣體輸送至分配管道 103。與該減壓同時發(fā)生并作為該減壓的結(jié)果，能量回收發(fā)電機也產(chǎn)生 另外供給電組件13的電輸出。
組件13調(diào)節(jié)并優(yōu)化能量回收單元12的電輸出和燃料電池發(fā)電站 11的電輸出。系統(tǒng)繼而使組合輸出可用于一個或多個電力負(fù)載和/或可 用于電網(wǎng)，用于由消費者最終使用。
在有圖1的氣體分配系統(tǒng)100并且尤其是通過使用燃料電池混合 發(fā)電系統(tǒng)10實現(xiàn)的壓力降低站102的情況下，該氣體分配系統(tǒng)100 的總效率提高。尤其是，通過在能量回收發(fā)電機12中產(chǎn)生有用的電力 實現(xiàn)氣體壓力的減少，并且該電力聯(lián)接至用于最終使用的組件13。來自能量回收發(fā)電機12的電力還由燃料電池發(fā)電站11的穩(wěn)定并恒定的 電力輸出補充，以便使來自組件13的合成組合電力輸出能夠可靠地維 持在要求的最低水平。同樣，來自燃料電池發(fā)電站11的廢熱在預(yù)熱器 14中使用，以便用于該目的的沸騰器的需要變小或被完全取代。此外， 所述燃料電池發(fā)電站的接近零排放廢熱用作任意沸騰器排放的補償。 組件13提供用于額外的優(yōu)化排放減少和系統(tǒng)燃料效率的系統(tǒng)控制。
組件13的示意圖。如圖所示，發(fā)電站ll包括多個形成DC電力部分 的燃料電池模塊11A。每個模塊IIA都適于可選擇地通過天然氣、曱 烷或其它烴類燃料作為很少或沒有重整的燃料供應(yīng)而直接操作；這些 氣體能夠然后在燃料電池模塊內(nèi)自己直接重整。為此，每個模塊11A 都能夠包括一個或多個燃料電池的內(nèi)重整堆?？捎玫膬?nèi)重整燃料電池 的示例是熔融碳酸鹽內(nèi)重整燃料電池。
在燃料電池模塊重整燃料供應(yīng)氣體的情況下，在發(fā)電站11內(nèi)部或 在系統(tǒng)中的別處的分離重整單元的需求變小。當(dāng)發(fā)電站11通過氣體分 配系統(tǒng)100使用時，在所述發(fā)電站11中直接重整也有重要的益處，因 為來自分配管道103的較低壓力的天然氣能夠繼而用作燃料供應(yīng)氣 體，用于燃料電池模塊11A。
每個燃料電池模塊IIA也產(chǎn)生廢熱。該廢熱包括氧化劑廢氣，并 且如圖2中示出，所述廢熱從燃料電池模塊11A聯(lián)接至熱回收單元 IIB。熱回收單元11B以廢氣的方式排出所述廢熱，如上所述，該廢 氣通過預(yù)熱器14用于預(yù)熱來自管道101的超高壓氣體。在廢熱排出之 前，廢熱的一部分用于在燃料供應(yīng)和水供應(yīng)在燃料和水處理單元11C 中已經(jīng)處理之后處理這些供應(yīng)，所述燃料和水處理單元IIC也包括在 發(fā)電站11中。后者燃料和水處理單元11C包括燃料凈化和其它燃料 處理反應(yīng)器(例如，用于調(diào)峰(peak shaving)天然氣的去氧化反應(yīng) 器)，用于處理燃料和水。
用于輸送至燃料電池模塊IIA。為此，單元11B包括具有關(guān)聯(lián)的局部控制的冷氧化劑(空氣)供應(yīng)鼓風(fēng)機和封裝的催化反應(yīng)器。
可以用作圖2中的發(fā)電站11的燃料電池發(fā)電站目前由本申請的受 讓人之一，F(xiàn)uelCell Energy, Inc.制造，產(chǎn)品標(biāo)志是DFC 3000。由這 種受讓人制造的，產(chǎn)品標(biāo)志DFC 1500和DFC300MA的其它發(fā)電站 也可以適于用作發(fā)電站11。
同樣，雖然內(nèi)重整熔融碳酸鹽燃料電池是可用在燃料電池模塊 11A中的燃料電池的一種類型的示例，本發(fā)明的原理意在應(yīng)用到燃料 電池的所有類型。于是，使用高溫和低溫燃料電池二者的其它類型在 本發(fā)明的預(yù)期內(nèi)，在模塊11A內(nèi)不管內(nèi)重整還是非內(nèi)重整?？捎玫娜?料電池的示例包括但是不限制于固體氧化物燃料電池、磷酸燃料電池 和PEM燃料電池。
如果模塊11A包含非內(nèi)重整燃料電池，燃料電池發(fā)電站11或系 統(tǒng)中的別處不得不增加額外的重整設(shè)備以在燃料供應(yīng)供給燃料電池模 塊之前重整該燃料供應(yīng)。
現(xiàn)在看圖2中示出的電組件13，其包括電力調(diào)節(jié)單元13A、系統(tǒng) 控制單元13B和發(fā)電站13C。電力調(diào)節(jié)系統(tǒng)13A在圖3中更詳細(xì)示出， 并包括將燃料電池模塊11A的DC輸出轉(zhuǎn)化成AC輸出的DC至AC 變流器13AA。參見圖3，能量回收單元12的電輸出也供給DC至AC 變流器13AA的輸出，在所述DC至AC變流器13AA處所述能量回 收單元12的電輸出與變流器的輸出組合。該組合輸出繼而供應(yīng)至AC 負(fù)載和/或供應(yīng)至網(wǎng)單元201。后者網(wǎng)單元201繼而聯(lián)接AC輸出至電 力線系統(tǒng)202，用于最終消費者使用。
應(yīng)注意，電力調(diào)節(jié)系統(tǒng)13A能夠構(gòu)造成除圖3中示出的形式以外 的其它形式。因此，例如，代替能量回收單元12的AC輸出供應(yīng)至 DC至AC變流器13AA的輸出，本來可以由以下代替由AC輸出轉(zhuǎn) 化為DC輸出并繼而在DC至AC變流器13AA的輸入處與燃料電池 模塊的輸出組合。另一替代方案將是在DC輸出供給變流器13AA的 輸入之前，在燃料電池模塊11A的輸出處包括DC至DC變流器以提 升所述DC輸出的水平。尤其用于較小能量回收發(fā)電機的第三替代方案，將從能量回收發(fā)電機提供DC輸出并繼而在DC至AC變流器 13AA的輸入處將該輸出與燃料電池模塊11A的輸出組合。
組件13的發(fā)電站13C包括用于將電力供應(yīng)至熱回收單元和燃料 電池發(fā)電站11中的其它設(shè)備的設(shè)備。如圖所示，發(fā)電站13C從能量 回收發(fā)電機12的AC電力的一部分獲得該電力。雖然未示出，額外的 電力可以從燃料電池模塊電輸出的一部分獲得。發(fā)電站13C還包括作 為備用的電池供應(yīng)的不可中斷電力供應(yīng)，以在電壓急降或中斷期間維 持用于控制系統(tǒng)和其它裝置部件的電力。
控制系統(tǒng)單元13C包括用于控制系統(tǒng)的多種部件的基本控制。更 特別地，能量回收發(fā)電機的功率特性(power profile)類似于風(fēng)力發(fā) 電具有可變輸出，所述可變輸出依靠來自回收的管道氣體能量的變化 資源可用性。來自燃料電池發(fā)電站的燃料電池堆耦合電力允許燃料電 池混合發(fā)電系統(tǒng)IO通過組件13中的優(yōu)化控制系統(tǒng)使其自身發(fā)電特性 (generation profile)穩(wěn)定。該控制系統(tǒng)允許用于燃料電池混合發(fā)電 系統(tǒng)的操作參數(shù)建立在三種操作模式之一，所述操作模式包括
(i) 用于最大量年度電生產(chǎn)的優(yōu)化電產(chǎn)量；或
(ii) 優(yōu)化燃料效率，其中優(yōu)先來自能量回收發(fā)電機的輸出；或
(iii) 優(yōu)化排放減少，其中優(yōu)先來自燃料電池發(fā)電站的輸出，并且 能量回收發(fā)電機輸出與燃料電池發(fā)電站的燃料電池的可用熱輸出匹 配。
圖4示出用于本發(fā)明的某些實施例，并尤其是用于那些使用圖2 中示出的燃料電池發(fā)電站的實施例的能量回收發(fā)電機12。如圖所示， 單元12包括旋轉(zhuǎn)膨脹裝置(透平膨脹機或往復(fù)膨脹機)12A和由膨脹 裝置的機械輸出驅(qū)動的發(fā)電機12B。膨脹裝置的機械能得自超高壓氣 體的膨脹，結(jié)果壓力減小。所述機械能驅(qū)動發(fā)電機以產(chǎn)生電輸出(AC 或DC)。由Cryostar制造的產(chǎn)品標(biāo)志為TG-200/60-EX的透平膨脹機 是可用于圖3的旋轉(zhuǎn)膨脹裝置12A的透平膨脹機的一個示例。發(fā)電機 12B繼而可以是由Alsthom制造的產(chǎn)品標(biāo)志為F2RTCN450L2C的單 元。使用用于發(fā)電機12的其它能量回收發(fā)電機也在本發(fā)明預(yù)期內(nèi)。于 是，例如，當(dāng)前由不同制造商作為商業(yè)的、早期商業(yè)的、展示、或樣 品單元而生產(chǎn)的其它膨脹回收機器，或正在研制中而當(dāng)前沒有生產(chǎn)的 膨脹回收機器也都可以使用。任意允許回收來自管道壓力降低站102 處的氣壓降低的廢熱，用于將能量轉(zhuǎn)化成有用發(fā)電的裝置都可以用于 能量回收發(fā)電機12。
圖1中示出的預(yù)熱器系統(tǒng)14可以是包括熱交換器的標(biāo)準(zhǔn)預(yù)熱器， 所述熱交換器具有標(biāo)準(zhǔn)的液體至氣體，或氣體至氣體的熱傳遞流體回 路。在本實例中，熱交換器從發(fā)電站11接收廢熱以加熱該熱流體回路。 加熱的熱流體然后繞其回路路徑繼續(xù)進行，并將其熱送交給超高壓氣 體以提供要求的氣體的預(yù)熱。熱流體然后繼續(xù)繞其回路路徑，以將由 廢熱再次加熱并且過程連續(xù)進行，使得當(dāng)超高壓氣體通過熱交換器時 該超高壓氣體連續(xù)地預(yù)熱。
如圖1中示出，系統(tǒng)100還能包括沸騰器104和降低閥105。這 些部件作為備件提供到燃料電池混合發(fā)電系統(tǒng)IO，并且在發(fā)電系統(tǒng)10 中維修或發(fā)生其它中斷期間，能夠在使用中將熱提供至預(yù)熱器14中并 為管道101中的氣體提供降壓。
就一切情況而論，應(yīng)理解，上述的布置僅是許多可能代表本發(fā)明 申請的具體實施例的說明。根據(jù)本發(fā)明的原理，許多和變化的其它布 置能夠易于設(shè)計，而不脫離本發(fā)明的精神實質(zhì)和范圍。因此，例如， 雖然圖1中示出的本發(fā)明的實施例，燃料電池發(fā)電站從低壓氣體分配 管道103供應(yīng)燃料氣體，也可以從管道101以較高的壓力供應(yīng)燃料氣 體，或從設(shè)計成或建造成能量回收發(fā)電機12的密封泄漏系統(tǒng)供應(yīng)燃料 氣體。還應(yīng)注意，在此給出的用于超高壓氣體和較低壓力氣體的壓力 和壓力范圍僅意在作為說明性示例，本發(fā)明并不限制于此，并意在覆 蓋任意以及所有其中有氣體壓力從較高至較低壓力的降低或/和減小 的系統(tǒng)。
權(quán)利要求
1.一種用在氣體傳輸或分配系統(tǒng)中的燃料電池混合發(fā)電系統(tǒng)，在所述氣體傳輸或分配系統(tǒng)中，超高壓氣體被傳輸/分配并繼而減小至較低壓力，用于氣體分配或傳輸管道，并且在所述超高壓氣體減小壓力之前，預(yù)熱器被用于預(yù)熱所述超高壓氣體，所述燃料電池混合發(fā)電系統(tǒng)包括能量回收發(fā)電機，所述能量回收發(fā)電機適于對所述預(yù)熱的超高壓氣體作出響應(yīng)并適于減小所述預(yù)熱的超高壓氣體的氣壓，以生產(chǎn)用于所述氣體分配管道的較低壓力的氣體，并產(chǎn)生電輸出；適于產(chǎn)生電輸出的燃料電池發(fā)電站；以及電組件，所述電組件對所述能量回收發(fā)電機的電輸出和燃料電池發(fā)電站的電輸出作出響應(yīng)以產(chǎn)生組合電輸出。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池混合發(fā)電系統(tǒng)，其中 在產(chǎn)生所述電輸出的同時，所述燃料電池發(fā)電站還適于生產(chǎn)廢熱并適于使所述廢熱可由所述預(yù)熱器使用，從而使所述預(yù)熱器能夠加熱 所述超高壓氣體。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的燃料電池混合發(fā)電系統(tǒng)，其中所述能量回收發(fā)電機包括旋轉(zhuǎn)膨脹裝置和聯(lián)接至所述旋轉(zhuǎn)膨脹裝 置的發(fā)電機。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的燃料電池混合發(fā)電系統(tǒng)，其中 所述旋轉(zhuǎn)膨脹裝置包括透平膨脹機和往復(fù)膨脹機之一。
5. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的燃料電池混合發(fā)電系統(tǒng)，其中 所述燃料電池發(fā)電站包括燃料電池模塊，所述燃料電池模塊適于接收燃料供應(yīng)氣體和氧化劑供應(yīng)氣體，并且通過所述燃料供應(yīng)氣體和 所述氧化劑供應(yīng)氣體的電化學(xué)轉(zhuǎn)化，生產(chǎn)所迷電輸出和所述廢熱。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的燃料電池混合發(fā)電系統(tǒng)，其中所述燃料電池發(fā)電站輸出含有廢氧化劑氣體的廢氣，所述廢氧化 劑氣體形成可用于所述預(yù)熱器的所述燃料電池發(fā)電站的廢熱的至少一部分。
7. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的燃料電池混合發(fā)電系統(tǒng)，其中 所述燃料電池供應(yīng)氣體包括所述較低壓力氣體、所述超高壓氣體和通過回收來源于所述能量回收發(fā)電機的密封泄漏氣體而供應(yīng)的氣體 中的一種或多種。
8. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的燃料電池混合發(fā)電系統(tǒng)，其中 所述燃料電池模塊包括下列中的一個或多個 一個或多個內(nèi)重整燃料電池堆；和一個或多個非內(nèi)重整燃料電池堆。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的燃料電池混合發(fā)電系統(tǒng)，其中 所述燃料電池中的每個都包括高溫燃料電池、低溫燃料電池、熔融碳酸鹽燃料電池、固體氧化物燃料電池、磷酸燃料電池以及PEM 燃料電池之一。
10. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的燃料電池混合發(fā)電系統(tǒng)，其中所述電組件接收所述發(fā)電機的電輸出和所述燃料電池模塊的電輸 出以產(chǎn)生組合電輸出。
11. 根據(jù)權(quán)利要求10所述的燃料電池混合發(fā)電系統(tǒng)，其中 所述燃料電池模塊的所述電輸出是DC輸出； 所述發(fā)電機的所述電輸出是AC輸出和DC輸出之一； 并且所述電組件包括用于將所述燃料電池發(fā)電站的任意DC輸出轉(zhuǎn)化成AC輸出的DC至AC變流器；以及用于將所述發(fā)電機的任 意AC輸出與所述DC至AC變流器的AC輸出組合的組合器。
12. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的燃料電池混合發(fā)電系統(tǒng)，其中 所述預(yù)熱器包括具有熱傳遞流體回路的熱交換器，所述熱交換器接收所述超高壓氣體以經(jīng)由所述熱傳遞流體回路預(yù)熱所述超高壓氣 體；以及所述燃料電池發(fā)電站適于使所述廢熱可用于所述預(yù)熱器的所 述熱傳遞流體回路。
13. 根據(jù)權(quán)利要求12所述的燃料電池混合發(fā)電系統(tǒng)，其中 所述熱傳遞流體回路包括乙二醇回路。
14. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的燃料電池混合發(fā)電系統(tǒng)，其中 所述燃料電池發(fā)電站包括燃料電池模塊，所述燃料電池模塊適于接收燃料供應(yīng)氣體和氧化劑供應(yīng)氣體，并且通過所述燃料供應(yīng)氣體和 所述氧化劑供應(yīng)氣體的電化學(xué)轉(zhuǎn)化，生產(chǎn)所述電輸出和所述廢熱。
15. 根據(jù)權(quán)利要求14所述的燃料電池混合發(fā)電系統(tǒng)，其中所述燃料電池發(fā)電站輸出含有廢氧化劑氣體的廢氣，所述廢氧化 劑氣體形成可用于所述預(yù)熱器的所述燃料電池發(fā)電站的廢熱的至少一 部分。
16. 根據(jù)權(quán)利要求14所述的燃料電池混合發(fā)電系統(tǒng)，其中 所述燃料電池供應(yīng)氣體包括所述較低壓力氣體、所述超高壓氣體和通過回收來源于所述能量回收發(fā)電機的密封泄漏氣體而供應(yīng)的氣體 中的一種或多種。
17. 根據(jù)權(quán)利要求14所述的燃料電池混合發(fā)電系統(tǒng)，其中 所述燃料電池模塊包括下列中的一個或多個 一個或多個內(nèi)重整燃料電池堆；和一個或多個非內(nèi)重整燃料電池堆。
18. 根據(jù)權(quán)利要求17所述的燃料電池混合發(fā)電系統(tǒng)，其中 所述燃料電池中的每個都包括高溫燃料電池、低溫燃料電池、熔融碳酸鹽燃料電池、固體氧化物燃料電池、磷酸燃料電池以及PEM 燃料電池之一。
19. 一種用在氣體分配系統(tǒng)中的站，在所述氣體分配系統(tǒng)中，超高 壓氣體被傳輸/分配并繼而減小至較低壓力，用于氣體分配或傳輸管 道，所述站包括用于預(yù)熱所述超高壓氣體的預(yù)熱器；以及燃料電池混合發(fā)電系統(tǒng)，其包括能量回收發(fā)電機，所述能 量回收發(fā)電機適于對所述預(yù)熱的超高壓氣體作出響應(yīng)并適于減小所述 預(yù)熱的超高壓氣體的氣壓，以生產(chǎn)用于所述氣體分配或傳輸管道的較 低壓力氣體，并產(chǎn)生電輸出；適于產(chǎn)生電輸出的燃料電池發(fā)電站；以 及電組件，所述電組件對所述能量回收發(fā)電機的電輸出和所述燃料電 池發(fā)電站的電輸出作出響應(yīng)，產(chǎn)生組合電輸出。
20. 根據(jù)權(quán)利要求19所迷的站，還包括單元，所述單元用于使所述組合電輸出可用于下列中的一個或多 個電網(wǎng)和一個或多個負(fù)載。
21. 根據(jù)權(quán)利要求19所述的站，其中在產(chǎn)生所述電輸出的同時，所述燃料電池發(fā)電站還適于生產(chǎn)廢熱 并適于使所述廢熱可由所述預(yù)熱器使用，從而使所述預(yù)熱器能夠加熱 所述超高壓氣體。
22. 根據(jù)權(quán)利要求21所述的站，其中所述能量回收發(fā)電機包括旋轉(zhuǎn)膨脹裝置和聯(lián)接至所述旋轉(zhuǎn)膨脹裝 置的發(fā)電機。
23. 根據(jù)權(quán)利要求22所述的站，其中 所述旋轉(zhuǎn)膨脹裝置包括透平膨脹機和往復(fù)膨脹機之一。
24. 根據(jù)權(quán)利要求22所述的站，其中所述燃料電池發(fā)電站包括燃料電池模塊，所述燃料電池模塊適于 接收燃料供應(yīng)氣體和氧化劑供應(yīng)氣體，并且通過所述燃料供應(yīng)氣體和 所述氧化劑供應(yīng)氣體的電化學(xué)轉(zhuǎn)化，生產(chǎn)所述電輸出和所述廢熱。
25. 根據(jù)權(quán)利要求24所述的站，其中所述燃料電池發(fā)電站輸出含有廢氧化劑氣體的廢氣，所述廢氧化 劑氣體形成可用于所述預(yù)熱器的所述燃料電池發(fā)電站的所述廢熱的至 少一部分。
26. 根據(jù)權(quán)利要求24所述的站，其中所述燃料電池供應(yīng)氣體包括所述較低壓力氣體、所述超高壓氣體 和通過回收來源于所述能量回收發(fā)電機的密封泄漏氣體而供應(yīng)的氣體 中的一種或多種。
27. 根據(jù)權(quán)利要求24所述的站，其中所述燃料電池模塊包括下列中的一個或多個 一個或多個內(nèi)重整 燃料電池堆；和一個或多個非內(nèi)重整燃料電池堆。
28. 根據(jù)權(quán)利要求27所述的站，其中所述燃料電池中的每個都包括高溫燃料電池、低溫燃料電池、熔融碳酸鹽燃料電池、固體氧化物燃料電池、磷酸燃料電池以及PEM 燃料電池之一。
29. 根據(jù)權(quán)利要求24所述的站，其中所述電組件接收所述發(fā)電機的電輸出和所述燃料電池模塊的電輸 出以產(chǎn)生組合電輸出。
30. 根據(jù)權(quán)利要求29所述的站，其中 所述燃料電池發(fā)電站的所述電輸出是DC輸出； 所述發(fā)電機的所述電輸出是AC輸出和DC輸出之一； 并且所述電組件包括用于將所述燃料電池發(fā)電站的任意DC輸出轉(zhuǎn)化成AC輸出的DC至AC變流器；以及用于將所述發(fā)電機的任 意AC輸出與所述DC至AC變流器的AC輸出組合的組合器。
31. 根據(jù)權(quán)利要求24所述的站，其中所述預(yù)熱器包括具有熱傳遞流體回路的熱交換器，所述熱交換器 接收所述超高壓氣體以經(jīng)由所述熱傳遞流體回路預(yù)熱所述超高壓氣體；以及所述燃料電池發(fā)電站適于^f吏所述廢熱可用于所述預(yù)熱器的所述熱傳遞流體回路。
32. 根據(jù)權(quán)利要求31所述的站，其中 所述熱傳遞流體回路包括乙二醇回路。
33. 根據(jù)權(quán)利要求21所述的站，其中所述燃料電池發(fā)電站包括燃料電池模塊，所述燃料電池模塊適于 接收燃料供應(yīng)氣體和氧化劑供應(yīng)氣體，并且通過所述燃料供應(yīng)氣體和 所述氧化劑供應(yīng)氣體的電化學(xué)轉(zhuǎn)化，生產(chǎn)所述電輸出和所述廢熱。
34. 根據(jù)權(quán)利要求33所述的站，其中所述燃料電池發(fā)電站輸出含有廢氧化劑氣體的廢氣，所述廢氧化 劑氣體形成至少可用于所述預(yù)熱器的所述燃料電池發(fā)電站的所述廢熱 的一部分。
35. 根據(jù)權(quán)利要求33所述的站，其中所述燃料電池供應(yīng)氣體包括所述較低壓力氣體、所述超高壓氣體和通過回收來源于所述能量回收發(fā)電機的密封泄漏氣體而供應(yīng)的氣體 中的一種或多種。
36. 根據(jù)權(quán)利要求33所述的站，其中所述燃料電池模塊包括下列中的一個或多個 一個或多個內(nèi)重整 燃料電池堆；和一個或多個非內(nèi)重整燃料電池堆。
37. 根據(jù)權(quán)利要求36所述的站，其中所述燃料電池中的每個都包括高溫燃料電池、低溫燃料電池、熔 融碳酸鹽燃料電池、固體氧化物燃料電池、磷酸燃料電池以及PEM 燃料電池之一。
38. —種氣體分配系統(tǒng)，其包括用于輸送超高壓氣體的上游氣體傳輸/分配管道； 用于輸送較低壓力氣體的氣體分配管道； 用于預(yù)熱來自所述氣體傳輸/分配管道的超高壓氣體的預(yù)熱器； 以及燃料電池混合發(fā)電系統(tǒng)，其包括能量回收發(fā)電機，所述能 量回收發(fā)電機適于對所述預(yù)熱的超高壓氣體作出響應(yīng)并適于減小所述 預(yù)熱的超高壓氣體的氣壓，以生產(chǎn)用于所述氣體分配管道的較低壓力 氣體，并產(chǎn)生電輸出；適于產(chǎn)生電輸出的燃料電池發(fā)電站；以及電組 件，所述電組件對所述能量回收發(fā)電機的電輸出和燃料電池發(fā)電站的 電輸出作出響應(yīng)，以產(chǎn)生組合電輸出。
39，根據(jù)權(quán)利要求38所述的氣體分配系統(tǒng)，其中 在產(chǎn)生所述電輸出的同時，所述燃料電池發(fā)電站還適于生產(chǎn)廢熱 并適于使所述廢熱可由所述預(yù)熱器使用，從而使所述預(yù)熱器能夠加熱 所述超高壓氣體。
40.根據(jù)權(quán)利要求39所述的氣體分配系統(tǒng)，其中 所述能量回收發(fā)電機包括旋轉(zhuǎn)膨脹裝置和聯(lián)接至所述旋轉(zhuǎn)膨脹裝 置的發(fā)電才幾；以及所述燃料電池發(fā)電站包括燃料電池模塊，所述燃料電池模塊適于 接收燃料供應(yīng)氣體和氧化劑供應(yīng)氣體，并且通過所述燃料供應(yīng)氣體和 所述氧化劑供應(yīng)氣體的電化學(xué)轉(zhuǎn)化，生產(chǎn)所述電輸出和所述廢熱。
41. 根據(jù)權(quán)利要求40所述的氣體分配系統(tǒng)，其中 所述旋轉(zhuǎn)膨脹裝置包括透平膨脹機和往復(fù)膨脹機之一。
42. 根據(jù)權(quán)利要求40所述的氣體分配系統(tǒng)，其中所述燃料電池發(fā)電站輸出含有廢氧化劑氣體的廢氣，所述廢氧化 劑氣體形成可用于所述預(yù)熱器的所述燃料電池發(fā)電站的廢熱的至少一 部分；所述燃料電池供應(yīng)氣體包括所述較低壓力氣體、所述超高壓氣體 和通過回收來源于所述能量回收發(fā)電機的密封泄漏氣體而供應(yīng)的氣體 中的一種或多種；以及所述燃料電池模塊包括下列中的一個或多個 一個或多個內(nèi)重整 燃料電池堆；和一個或多個非內(nèi)重整燃料電池堆。
43. 根據(jù)權(quán)利要求42所述的氣體分配系統(tǒng)，其中 所述燃料電池中的每個都包括高溫燃料電池、低溫燃料電池、熔融碳酸鹽燃料電池、固體氧化物燃料電池、磷酸燃料電池以及PEM 燃料電池之一。
44. 根據(jù)權(quán)利要求42所述的氣體分配系統(tǒng)，其中 所述預(yù)熱器包括具有熱傳遞流體回路的熱交換器，所述熱交換器接收所述超高壓氣體以經(jīng)由所述熱傳遞流體回路預(yù)熱所述超高壓氣 體；以及所述燃料電池發(fā)電站適于使所述氧化劑廢氣可用于所述預(yù)熱 器以加熱所述熱傳遞流體。
45. 根據(jù)權(quán)利要求44所述的氣體分配系統(tǒng)，其中 所述熱傳遞流體回路包括乙二醇回路。
46. 根據(jù)權(quán)利要求38所述的氣體分配系統(tǒng)，還包括單元，所述單元用于使所述組合電輸出可用于下列中的一個或多 個電網(wǎng)和一個或多個負(fù)載。
47. —種通過氣體分配系統(tǒng)使用的方法，在所述氣體分配系統(tǒng)中， 超高壓氣體被傳輸/分配并繼而減小至較低壓力，用于氣體分配或傳輸 管道，所述方法包括在所述超高壓氣體減小壓力之前，預(yù)熱所述超高壓氣體；使用能量回收發(fā)電機以減小預(yù)熱的超高壓氣體的壓力，以便生產(chǎn) 所述較低壓力氣體，并以便產(chǎn)生電輸出；和使用燃料電池發(fā)電站以產(chǎn)生電輸出；以及將所述能量回收發(fā)電機的電輸出與所述燃料電池發(fā)電站的電輸出 組合，以產(chǎn)生組合電輸出。
48. 根據(jù)權(quán)利要求47所述的方法，還包括 使所述組合電輸出可用于下列中的一個或多個電網(wǎng)和負(fù)載。
49. 根據(jù)權(quán)利要求47所述的方法，其中在產(chǎn)生所述電輸出的同時，使用所述燃料電池發(fā)電站以生產(chǎn)廢熱， 并使所述廢熱可用在所述預(yù)熱步驟中，從而在所述預(yù)熱步驟中使用以 加熱所述超高壓氣體。
50. 根據(jù)權(quán)利要求49所述的方法，其中所述能量回收發(fā)電機包括旋轉(zhuǎn)膨脹裝置和聯(lián)接至所述旋轉(zhuǎn)膨脹裝 置的發(fā)電機；和所述燃料電池發(fā)電站包括燃料電池模塊，所述燃料電池模塊適于 接收燃料供應(yīng)氣體和氧化劑供應(yīng)氣體，并且通過所述燃料供應(yīng)氣體和 所述氧化劑供應(yīng)氣體的電化學(xué)轉(zhuǎn)化，產(chǎn)生所述電輸出和所述廢熱。
51. 根據(jù)權(quán)利要求50所述的方法，其中 所述旋轉(zhuǎn)膨脹裝置包括透平膨脹機和往復(fù)膨脹機之一。
52. 根據(jù)權(quán)利要求50所述的方法，其中所述燃料電池發(fā)電站輸出含有廢氧化劑氣體的廢氣，所述廢氧化 劑氣體形成可用于所述預(yù)熱器的所述燃料電池發(fā)電站的廢熱的至少一部分；所述燃料電池供應(yīng)氣體包括所述較低壓力氣體、所述超高壓氣體 和通過回收來源于所述能量回收發(fā)電機的密封泄漏氣體而供應(yīng)的氣體中的一種或多種；以及所述燃料電池模塊包括下列中的一個或多個 一個或多個內(nèi)重整 燃料電池堆；和一個或多個非內(nèi)重整燃料電池堆。
53. 根據(jù)權(quán)利要求52所述的方法，其中所述燃料電池中的每個都包括高溫燃料電池、低溫燃料電池、熔 融碳酸鹽燃料電池、固體氧化物燃料電池、磷酸燃料電池以及PEM 燃料電池之一。
54. 根據(jù)權(quán)利要求52所述的方法，其中所述預(yù)熱包括所述超高壓氣體與熱傳遞流體回路進行熱交換，以 經(jīng)由所述熱傳遞流體回路預(yù)熱所述超高壓氣體；以及使所述氧化劑廢氣可用到所述熱交換步驟以加熱所述熱傳遞 流體。
55. 根據(jù)權(quán)利要求54所述的方法，其中 所述熱傳遞流體回路包括乙二醇回路。
56. 根據(jù)權(quán)利要求47所述的方法，其中 所述低壓力氣體具有在50-80psig的范圍內(nèi)的壓力； 并且所述超高壓氣體具有高于所述低壓氣體的壓力二至二十倍范圍內(nèi)的壓力。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用在氣體分配系統(tǒng)中的燃料電池混合發(fā)電系統(tǒng)和方法，在所述氣體分配系統(tǒng)中，較高壓力氣體輸送/分配并繼而減小至較低壓力氣體，用于氣體分配或傳輸管道，并且在所述較高壓力氣體減小壓力之前，預(yù)熱器用于加熱所述較高壓力氣體。所述燃料電池混合發(fā)電系統(tǒng)具有能量回收發(fā)電機，所述能量回收發(fā)電機對所述預(yù)熱的較高壓力氣體作出響應(yīng)并適于減小所述預(yù)熱的較高壓力氣體的氣壓，以生產(chǎn)較低壓力氣體，同時產(chǎn)生電輸出。所述發(fā)電系統(tǒng)中還包括燃料電池發(fā)電站，并且所述燃料電池發(fā)電站在產(chǎn)生廢熱的同時適于產(chǎn)生電輸出。所述燃料電池發(fā)電站還適于使所述廢熱可用于所述預(yù)熱器，從而使所述預(yù)熱器能夠加熱所述較高壓力氣體。
文檔編號H01M8/04GK101529632SQ200780023802
公開日2009年9月9日 申請日期2007年5月10日 優(yōu)先權(quán)日2006年5月16日
發(fā)明者A·斯科克, D·J·泰希羅伯 申請人:燃料電池能有限公司;恩橋公司