專利名稱：動力系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及氣體或蒸汽渦輪機(jī)，特別涉及使用這類裝置的高性能動力系統(tǒng)。
常規(guī)的高性能氣體渦輪機(jī)動力系統(tǒng)已經(jīng)存在并已為人所知。先有的氣體渦輪機(jī)動力系統(tǒng)包括壓縮機(jī)、燃燒器和機(jī)械式渦輪機(jī)，它們通常成直線排列，例如沿同一軸線排列。在常規(guī)的氣體渦輪機(jī)中，空氣進(jìn)入壓縮機(jī)，在希望的升高的壓下離開壓縮機(jī)。該高壓空氣流進(jìn)入燃燒器，在燃燒器中與燃料發(fā)生反應(yīng)，并被加熱到選定的提高了的溫度。然后，該加熱氣體流進(jìn)入氣體渦輪機(jī)，并絕熱地進(jìn)行膨脹，從而做功。該普通型氣體渦輪機(jī)的一個缺陷是，對百萬瓦額定功率的系統(tǒng)來說，該渦輪機(jī)通常以較低的系統(tǒng)效率-例如25％左右-進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)。
用于解決該問題的一個先有技術(shù)方法是采用了用于回收熱量的回收裝置。在空氣流進(jìn)入燃燒器前，通常使用該回收的熱量對其進(jìn)一步加熱。通常，回收裝置將該氣體渦輪機(jī)的系統(tǒng)效率提高到30％左右。該方案的缺點(diǎn)是，回收裝置相對較貴，因而大大增加了動力系統(tǒng)的總成本。
采用的另一個先有技術(shù)方法是在相對較高的壓力和相對較高的溫度下運(yùn)行系統(tǒng)以便提高系統(tǒng)效率。然而，系統(tǒng)實(shí)際提高的效率極小，而系統(tǒng)還要承受與高溫高壓機(jī)械器件有關(guān)的成本。
額定功率超過100MW的設(shè)備的另一種先有技術(shù)方法是用熱回收蒸汽發(fā)生器來對渦輪機(jī)的高溫排出氣進(jìn)行熱匹配，構(gòu)成組合的氣體渦輪機(jī)/蒸汽渦輪機(jī)應(yīng)用。該組合循環(huán)應(yīng)用通常將系統(tǒng)工作效率提高到55％左右。但是，這個效率仍相對較低。
因此，在本技術(shù)中需要高效功率系統(tǒng)。特別是，能夠整合和采用電化轉(zhuǎn)換器的理想特性的改進(jìn)型氣體渦輪機(jī)動力系統(tǒng)將標(biāo)志著工業(yè)上的顯著進(jìn)步。更特別地，一種集成電化轉(zhuǎn)換器和氣體渦輪系統(tǒng)降低了成本、提供了精確的熱量處理系統(tǒng)而又顯著地提高了系統(tǒng)的整體動力效率，這也標(biāo)也著該技術(shù)中的巨大進(jìn)步。
本發(fā)明提供了整合電化轉(zhuǎn)換器與氣體渦輪機(jī)的動力系統(tǒng)。該電化轉(zhuǎn)換器和氣體渦輪機(jī)構(gòu)成了較高效率的動力系統(tǒng)，例如其效率是發(fā)電的70％左右。
本發(fā)明的氣體渦輪機(jī)動力系統(tǒng)包括壓縮機(jī)和電化轉(zhuǎn)換器，壓縮機(jī)用于壓縮第一介質(zhì)，電化轉(zhuǎn)換器與壓縮機(jī)保持流體聯(lián)系，適宜于接收第一介質(zhì)和第二介質(zhì)。該轉(zhuǎn)換器配置為允許在第一介質(zhì)和第二介質(zhì)間產(chǎn)生電化反應(yīng)，因而產(chǎn)生具有升高的選定溫度的排出氣。該動力系統(tǒng)還包括與電化轉(zhuǎn)換器保持流體聯(lián)系并適宜于接收轉(zhuǎn)換器排出氣的渦輪機(jī)，以便該渦輪機(jī)將電化轉(zhuǎn)換器排出氣轉(zhuǎn)換成旋轉(zhuǎn)運(yùn)動來產(chǎn)生電能。
按照本發(fā)明的一個方面，該電力系統(tǒng)還包括發(fā)電機(jī)，該發(fā)電機(jī)接收渦輪機(jī)的旋轉(zhuǎn)能量，并響應(yīng)渦輪機(jī)旋轉(zhuǎn)能量發(fā)電。該電化轉(zhuǎn)換器最好能適宜于在升高的溫度和各種壓力下工作。
按照另一方面，該動力系統(tǒng)還包括熱交換元件，該熱交換元件與電化轉(zhuǎn)換器熱相連，從轉(zhuǎn)換器排出氣中提取余熱，并將余熱傳遞給渦輪機(jī)。
按照另一方面，該電化轉(zhuǎn)換器包括在內(nèi)部將第一介質(zhì)和第二介質(zhì)加熱到轉(zhuǎn)換器工作溫度的內(nèi)部加熱元件。從另一方面看，該轉(zhuǎn)換器由多個平面形或管形轉(zhuǎn)換器元件構(gòu)成，這些元件包括一個圓形的電解質(zhì)層，在該電解質(zhì)層的一側(cè)是氧化劑電極材料。在相反的一側(cè)是燃料電極材料。
按照另一方面，該電化轉(zhuǎn)換器包括一個電化轉(zhuǎn)換器裝置和多個連接器片；該電化轉(zhuǎn)換器裝置有多個層疊的轉(zhuǎn)換器元件，該轉(zhuǎn)換器元件包括多個電解質(zhì)片，在電解質(zhì)片的一側(cè)有氧化劑電極材料，在另一側(cè)有燃料電極材料；連接器片用于提供與電解質(zhì)片的電連接，以便通過交替地對連接器片和電解質(zhì)片進(jìn)行層疊來安裝轉(zhuǎn)換器元件層。另一方面，該層疊的轉(zhuǎn)換器元件還包括多個多支管和一個介質(zhì)加熱元件，多支管與層軸向連接，適宜于接收第一和第二介質(zhì)，介質(zhì)加熱元件與多支管相連，至少能把第一和第二介質(zhì)的一部分加熱到轉(zhuǎn)換器工作溫度。
按照另一方面，連接器片是導(dǎo)熱的連接器片，介質(zhì)加熱元件包括導(dǎo)熱和整體地形成的延伸表面，它與連接器片整體地形成，并伸入到軸向多支管中。在另一實(shí)施方案中，該轉(zhuǎn)換器元件層包括在電解質(zhì)片和電連接器片間插入的多個隔離片，介質(zhì)加熱元件包括隔離片的導(dǎo)熱和整體地形成的延伸表面，延伸表面伸入到軸向管道中。
根據(jù)本發(fā)明的一個實(shí)例，電化轉(zhuǎn)換器裝置產(chǎn)生的余熱把第一介質(zhì)和第二介質(zhì)加熱到轉(zhuǎn)換器工作溫度，由連接器片傳導(dǎo)地傳遞給第一介質(zhì)和第二介質(zhì)。
按照另一方面，該動力系統(tǒng)還包括預(yù)熱元件，用于在把第一和第二介質(zhì)引進(jìn)電化轉(zhuǎn)換器前對其預(yù)熱。該預(yù)熱元件可以是外部再生式換熱器，也可以是輻射式換熱器。根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)例，可以利用介質(zhì)加熱元件或預(yù)熱元件把包括烴和重組反應(yīng)物的第一介質(zhì)和第二介質(zhì)解離成不復(fù)雜的反應(yīng)成分。
按照本發(fā)明的另一方面，該動力系統(tǒng)還包括轉(zhuǎn)換器排出氣加熱元件，該元件與電化轉(zhuǎn)換器和渦輪機(jī)相連，用于在把轉(zhuǎn)換器的排出氣引入到渦輪機(jī)之前將其加熱到選定的提高的溫度。根據(jù)本發(fā)明的一個實(shí)例，該加熱元件將轉(zhuǎn)換器排出氣的溫度加熱得比轉(zhuǎn)換器排出的溫度高。該排出氣加熱元件最好是天然氣燃燒器。該動力系統(tǒng)還可包括再生熱密封元件，該元件構(gòu)成電化轉(zhuǎn)換器的耐壓容器。
本發(fā)明還提供了一種蒸汽渦輪機(jī)動力系統(tǒng)，包括電化轉(zhuǎn)換器、蒸汽發(fā)生器和渦輪機(jī)，電化轉(zhuǎn)換器用于產(chǎn)生具有升高的選定溫度的排出氣和余熱，蒸汽發(fā)生器與電化轉(zhuǎn)換器相連，渦輪機(jī)與蒸汽發(fā)生器相連，用于發(fā)電。
按照一方面，蒸汽渦輪機(jī)動力系統(tǒng)包括熱交換元件，用于在轉(zhuǎn)換器和蒸汽發(fā)生器之間輻射地交換能量。
按照另一方面，該動力系統(tǒng)還包括再生換熱器，它與渦輪機(jī)相連，接收轉(zhuǎn)換器排出氣，從轉(zhuǎn)換器排出氣把余熱對流地傳遞給渦輪機(jī)。
按照另一方面，電化轉(zhuǎn)換器包括一個電化轉(zhuǎn)換器裝置和多個連接器片；該電化轉(zhuǎn)換器裝置有多個層疊的轉(zhuǎn)換器元件，該轉(zhuǎn)換器元件包括多個電解質(zhì)片，在電解質(zhì)片的一側(cè)有氧化劑電極材料，在另一側(cè)有燃料電極材料；連接器片用于提供與電解質(zhì)片的電連接。通過交替地對連接器片和電解質(zhì)片進(jìn)行層疊來安裝轉(zhuǎn)換器元件層。
按照另一方面，該層疊的轉(zhuǎn)換器元件還包括多個多支管和反應(yīng)物加熱元件，多支管與層軸向相連，適用于接收反應(yīng)物，反應(yīng)物加熱元件與多支管相連，用于把至少一部分反應(yīng)物加熱到轉(zhuǎn)換器工作溫度。根據(jù)一個實(shí)例，連接器片包括一個導(dǎo)熱連接器片，反應(yīng)物加熱元件包括連接器片的一個導(dǎo)熱和整體構(gòu)成的延伸表面，該延伸表面伸入到多個軸向多支管中。
在另一方面，轉(zhuǎn)換器元件層還包括多個插入到電解質(zhì)片和連接片之間的隔離片。
按照另一方面，該反應(yīng)物加熱元件包括隔離片的導(dǎo)電導(dǎo)熱和整體構(gòu)成的延伸表面，該隔離片伸入到多個軸向多支管中。
按照本發(fā)明的一個實(shí)例，電化轉(zhuǎn)換器裝置產(chǎn)生余熱，余熱將反應(yīng)物加熱到轉(zhuǎn)換器工作溫度。由連接器片將余熱傳導(dǎo)地傳遞給反應(yīng)物。
在另一方面，該蒸汽渦輪機(jī)動力系統(tǒng)還包括預(yù)熱元件，用于在把反應(yīng)物引進(jìn)電化轉(zhuǎn)換器前對其預(yù)熱。該預(yù)熱元件可包括外部再生式換熱器或輻射式換熱器。
根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)例，預(yù)熱元件和反應(yīng)物加熱元件兩者或其一把包括烴和重組反應(yīng)物的反應(yīng)物離解成不復(fù)雜的反應(yīng)物成分。
本發(fā)明還提供了一種包括電化轉(zhuǎn)換器和蒸汽渦輪機(jī)的動力系統(tǒng)，電化轉(zhuǎn)換器適用于接收輸入反應(yīng)物，產(chǎn)生余熱和排出氣，氣體渦輪機(jī)包括壓縮機(jī)和產(chǎn)生具有升高的選定溫度的排出氣的機(jī)械渦輪機(jī)。該系統(tǒng)還包括蒸汽發(fā)生器，接收氣體渦輪機(jī)排出氣，輻射地使氣體渦輪機(jī)的排氣與工作介質(zhì)結(jié)合。該系統(tǒng)還包括蒸汽渦輪機(jī)，該蒸汽渦輪機(jī)至少與蒸汽發(fā)生器相連，適宜于接收工作介質(zhì)。
本發(fā)明還提供了包括電化轉(zhuǎn)換器和氣體渦輪機(jī)的動力系統(tǒng)，電化轉(zhuǎn)換器適宜于接收輸入反應(yīng)物，產(chǎn)生余熱和排出氣，氣體渦輪機(jī)包括一個壓縮機(jī)和產(chǎn)生具有升高的選定溫度的排出氣的機(jī)械渦輪機(jī)。本系統(tǒng)還包括蒸汽發(fā)生器，蒸汽發(fā)生器接收氣體渦輪機(jī)排出氣，對流地使蒸汽渦輪機(jī)的排出氣與工作介質(zhì)結(jié)合。該系統(tǒng)還包括蒸汽渦輪機(jī)，該蒸汽渦輪機(jī)與蒸汽發(fā)生器相連，適宜于接收工作介質(zhì)。根據(jù)一個實(shí)施例，用電化轉(zhuǎn)換器、蒸汽渦輪機(jī)和氣體渦輪機(jī)產(chǎn)生動力。
通過下面的說明和附圖，本發(fā)明的上述目的及其他目的、特性和優(yōu)點(diǎn)將顯而易見。在附圖中，對不同的圖來說，相同的參照字符代表相同的部件。


了本發(fā)明的原理。附圖雖未按比例，但它示出了相對大小。
圖1是根據(jù)本發(fā)明采用了將電化轉(zhuǎn)換器與氣體渦輪機(jī)成直線串連的動力系統(tǒng)的概略框圖，圖2是根據(jù)本發(fā)明采用了不將電化轉(zhuǎn)換器與蒸汽渦輪機(jī)成直線串連的動力系統(tǒng)的另一實(shí)施例的概略框圖；圖3是根據(jù)本發(fā)明采用了電化轉(zhuǎn)換器和蒸汽渦輪機(jī)的動力系統(tǒng)的概略框圖；圖4是根據(jù)本發(fā)明采用了氣體渦輪機(jī)、蒸汽渦輪機(jī)和轉(zhuǎn)換器排出氣加熱元件的動力系統(tǒng)的另一實(shí)施例的概略框圖；圖5是本發(fā)明的裝入了多個電化轉(zhuǎn)換器的耐壓容器的部分剖開的平面圖；圖6是本發(fā)明的電化轉(zhuǎn)換器基本電池單元的透視圖；圖7是本發(fā)明的電化轉(zhuǎn)換器基本電池單元的另一實(shí)施例的透視圖；圖8是圖6的電池單元的截面圖；圖9是根據(jù)本發(fā)明采用了電化轉(zhuǎn)換器的多軸氣體渦輪機(jī)動力系統(tǒng)的簡圖；圖10圖示地說明了本發(fā)明的動力系統(tǒng)的組合動力系統(tǒng)的效率。
圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的氣體渦輪機(jī)動力系統(tǒng)。該圖解的直線式氣體引導(dǎo)型氣體渦輪機(jī)動力系統(tǒng)70包括一個電化轉(zhuǎn)換器72和一個氣體渦輪機(jī)裝置。該氣體渦輪機(jī)包括壓縮機(jī)76、渦輪機(jī)80和發(fā)電機(jī)84。從空氣源73通過適當(dāng)?shù)墓艿缹⒖諝庖雺嚎s機(jī)76，在壓縮機(jī)中壓縮空氣，空氣就被加熱，然后排出，引入電化轉(zhuǎn)換器72。把燃料74引導(dǎo)到預(yù)熱器68，在預(yù)熱器68中預(yù)熱到低于轉(zhuǎn)換器工作溫度的、升高了的選定溫度。被加熱的空氣和燃料作為輸入反應(yīng)物，為電化轉(zhuǎn)換器72提供動力。
轉(zhuǎn)換器72加熱壓縮機(jī)76引導(dǎo)的壓縮空氣和燃料74以產(chǎn)生高溫排出氣。把排出氣導(dǎo)入氣體渦輪機(jī)80，氣體渦輪機(jī)將熱能轉(zhuǎn)化成旋轉(zhuǎn)動能，隨后傳遞給發(fā)電機(jī)84。特別地，渦輪機(jī)把高溫排出氣轉(zhuǎn)換成旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(通過渦輪機(jī)軸)，它做功，用于發(fā)電。發(fā)電機(jī)84產(chǎn)生電，既可作為工業(yè)用，也可民用。將電化轉(zhuǎn)換器用作氣體渦輪機(jī)燃燒器的優(yōu)點(diǎn)之一是轉(zhuǎn)換器起到了附加的發(fā)電機(jī)的作用。圖示的電連接88A和88B表明，既可從發(fā)電機(jī)84提取電能，也可從轉(zhuǎn)換器72提取電能。氣體渦輪機(jī)組件和發(fā)電機(jī)是公知和可從市場上得到的技術(shù)。普通技術(shù)人員容易明白氣體蒸汽機(jī)組件的操作及電化轉(zhuǎn)換器與氣體渦輪機(jī)的整合，在現(xiàn)有說明和圖示的啟發(fā)下更是如此。例如，普通熟練程序的技術(shù)人員將容易明白，轉(zhuǎn)換器72可整體或部分地替代本發(fā)明的氣體渦輪機(jī)的燃燒器。
圖2示出了電化轉(zhuǎn)換器72′與氣體渦輪機(jī)離線結(jié)合的動力系統(tǒng)90。用壓縮機(jī)76壓縮來自空氣源73′的空氣，將空氣排出并隨后引導(dǎo)到高線的轉(zhuǎn)換器72′。將來自燃料源74′的燃料引入轉(zhuǎn)換器，于是消耗空氣和燃料。轉(zhuǎn)換器將燃料熱離解成簡單的反應(yīng)成分，通常是H2和CO，并產(chǎn)生高溫排出氣。將排出氣導(dǎo)入氣體渦輪機(jī)80′，氣體渦輪機(jī)80′與發(fā)電機(jī)84′配合。可以使用圖示的發(fā)電機(jī)84′和轉(zhuǎn)換器72′來驅(qū)動圖示的推進(jìn)電機(jī)86。系統(tǒng)90還可以采用與圖1中的預(yù)熱器類似的預(yù)熱器，使反應(yīng)物進(jìn)入轉(zhuǎn)換器前被預(yù)熱。
圖3說明了采用了按所示連接的電化轉(zhuǎn)換器72′、熱回收蒸汽發(fā)生器108(HRSG)和蒸汽渦輪機(jī)112的動力系統(tǒng)95。通過把例如空氣和燃料等輸入反應(yīng)物預(yù)熱到低于轉(zhuǎn)換器72′的工作溫度的升高的期望溫度，蒸汽發(fā)生器108起預(yù)熱器的作用。轉(zhuǎn)換器利用輸入反應(yīng)物，產(chǎn)生余熱和加熱的排出氣91?？梢酝ㄟ^流體管道等合適的裝置把排出氣91傳送到蒸汽發(fā)生器108中。通過再生熱交換過程，加熱的排出氣有助于預(yù)熱反應(yīng)物73和74，同時還伴隨著加熱諸如水等與蒸汽渦輪機(jī)相連的工作介質(zhì)來為蒸汽渦輪機(jī)112產(chǎn)生蒸汽。在另一實(shí)施例中，蒸汽渦輪機(jī)108內(nèi)部包括通過熱離解重整燃料的重整器，它通常涉及烴的重整和把介質(zhì)重整成不復(fù)雜的反應(yīng)成分。
圖4示出了采用電化轉(zhuǎn)換器、氣體渦輪機(jī)和蒸汽渦輪機(jī)的又一動力系統(tǒng)100。該圖示的動力系統(tǒng)100包括二次燃燒器104、蒸汽發(fā)生器108′和蒸汽渦輪機(jī)112′。通常由流體儲存器(未圖示)來提供來自燃料源74的燃料和用于重整的水102，將它們導(dǎo)入電化轉(zhuǎn)換器72″。水102和轉(zhuǎn)換器72″產(chǎn)生的余熱有助于把例如石油燃料等輸入燃料重整成有用的非復(fù)雜反應(yīng)成分，如氫分子和一氧化碳。優(yōu)選通過壓縮機(jī)或吹風(fēng)機(jī)76″將來自空氣源73的空氣導(dǎo)入轉(zhuǎn)換器72″，并將其與輸入燃料混合來驅(qū)動轉(zhuǎn)換器72″。轉(zhuǎn)換器72″產(chǎn)生通常為1000℃左右的高溫排出氣，進(jìn)而用二次燃燒器104將其加熱到升高的選定溫度，如1300℃，以滿足氣體渦輪機(jī)80″的預(yù)定的進(jìn)氣溫度要求。氣體渦輪機(jī)產(chǎn)生排出氣輸出81，它穿過熱回收蒸汽發(fā)生器108，和底部蒸汽渦輪機(jī)112一起作為下一應(yīng)用。蒸汽渦輪機(jī)輸出與發(fā)電的發(fā)電機(jī)84″結(jié)合。電連接88A′和88B′表明，可以從電化轉(zhuǎn)換器72″和發(fā)電機(jī)84″中直接提取電。
圖1-4所示的動力系統(tǒng)通過把高效緊湊的電化轉(zhuǎn)換器與工廠底部構(gòu)件進(jìn)行直接集成，提供了允許在高效系統(tǒng)中發(fā)電的優(yōu)點(diǎn)。以圖1～4所示的方式對電化轉(zhuǎn)換器和氣體渦輪機(jī)集成，產(chǎn)生了總體功率效率約為70％的氣體渦輪機(jī)動力系統(tǒng)。該系統(tǒng)效率意味著與先有技術(shù)的氣體渦輪系統(tǒng)和先有技術(shù)的單個電化系統(tǒng)相比，在效率上得到了顯著的提高。該圖示的氣體渦輪機(jī)動力系統(tǒng)與電化轉(zhuǎn)換器配合，產(chǎn)生高梯度的熱能和電，同時利用了電化轉(zhuǎn)換器的優(yōu)點(diǎn)。例如，轉(zhuǎn)換器作為低Nox熱源工作，因此比常規(guī)氣體渦輪機(jī)發(fā)電廠提高了環(huán)境性能。
在圖10中示出了組合的電化轉(zhuǎn)換器和氣體渦輪機(jī)系統(tǒng)的高系統(tǒng)效率。圖的縱坐標(biāo)表示以百分比表示的總體系統(tǒng)效率，橫坐標(biāo)表示混合系統(tǒng)的功率比。功率比定義為電化轉(zhuǎn)換器和氣體渦輪機(jī)的尺寸(FC+GT)與氣體渦輪機(jī)尺寸(GT)的商。線200表示采用效率為50％的燃料電池和效率為25％的氣體渦輪機(jī)時、總系統(tǒng)效率可高于60％。類似地，線210表示采用效率為55％的燃料電池和效率為35％的氣體渦輪機(jī)時、總系統(tǒng)效率可高于60％，并且，根據(jù)功率比，該總系統(tǒng)效率可達(dá)70％。線200和210還說明可以選擇電化轉(zhuǎn)換器和氣體渦輪機(jī)的尺寸和效率以便使總的系統(tǒng)效率最大。另外，附圖表明當(dāng)氣體渦輪機(jī)與電化轉(zhuǎn)換器組合時，系統(tǒng)效率有了相當(dāng)大的提高；這一結(jié)果先前是不為人知的。例如，如前所述，依賴于組成的氣體渦輪機(jī)和電化轉(zhuǎn)換器的尺寸和效率，采用電化轉(zhuǎn)換器的氣體渦輪機(jī)動力系統(tǒng)的總體系統(tǒng)效率超過60％、接近于70％。
圖9是整合電化轉(zhuǎn)換器與多軸氣體渦輪系統(tǒng)的動力系統(tǒng)300的概略表示。該圖示的氣體渦輪系統(tǒng)可以是常規(guī)的燃燒渦輪機(jī)系統(tǒng)。所示的混合系統(tǒng)300包括一對壓縮機(jī)C1和C2、一對渦輪機(jī)T1和T2、發(fā)電機(jī)305、中間冷卻器310和一個或多個電化轉(zhuǎn)換器300。一對軸322、324分別把渦輪機(jī)T1和T2與機(jī)械壓縮機(jī)C1和C2相連。
如圖所示，來自空氣入口的空氣在其入口處進(jìn)入壓縮機(jī)C1，從而被壓縮。被壓縮的空氣在其出口處離開壓縮機(jī)，進(jìn)入中間冷卻器310，這就使壓縮空氣在離開中間冷卻器之前就減少了壓縮空氣的溫度。中間冷卻器310在其入口處接收來自流體源(未圖示)的、諸如水的冷卻液體，在其出口處排出水。
然后，冷卻、壓縮的空氣進(jìn)入到壓縮機(jī)C2中，壓縮機(jī)C2在將空氣導(dǎo)入第一電化轉(zhuǎn)換器320前壓縮空氣。沿流體通路328、在轉(zhuǎn)換器320和壓縮機(jī)C2間傳送空氣。在引入轉(zhuǎn)換器時，空氣與來自燃料源(未圖示)的燃料反應(yīng)，被電化轉(zhuǎn)換器320消耗來發(fā)電。
沿流體通路330將轉(zhuǎn)換器排出氣導(dǎo)入渦輪機(jī)T2，將渦輪機(jī)的排出氣導(dǎo)入二次轉(zhuǎn)換器320。該二次轉(zhuǎn)換器發(fā)電，并在將排出氣導(dǎo)入渦輪機(jī)T1前再次對其加熱。優(yōu)選將渦輪機(jī)T1的尾氣沿流體通路332從系統(tǒng)300帶走，作為下次應(yīng)用。優(yōu)選通過功率軸裝置322和發(fā)電機(jī)305把渦輪機(jī)T1的旋轉(zhuǎn)能分配在機(jī)械壓縮機(jī)C1間。出于大量民用和商用目的，可使用發(fā)電機(jī)305來發(fā)電。盡管圖示的系統(tǒng)300采用了一組電化轉(zhuǎn)換器320，但普通技術(shù)人員將意識到可以只用一個轉(zhuǎn)換器，用普通燃燒器來取代另一個轉(zhuǎn)換器。
就普通技術(shù)人員所知，存在并給出了上述設(shè)計的其他改變。例如，可采用一系列蒸汽渦輪機(jī)裝置，或使用任意數(shù)量的壓縮機(jī)、燃燒器和渦輪機(jī)。本發(fā)明還力圖完成電化轉(zhuǎn)換器與包括單軸氣體渦輪機(jī)、雙軸氣體渦輪機(jī)、再生式氣體渦輪機(jī)、中冷氣體渦輪機(jī)和再熱式氣體渦輪機(jī)的大多數(shù)氣體渦輪機(jī)類型的整合。在最廣泛的意義上，本發(fā)明完成了電化轉(zhuǎn)換器與常規(guī)氣體渦輪機(jī)的組合動力系統(tǒng)。根據(jù)本發(fā)明一個優(yōu)選實(shí)施例，轉(zhuǎn)換器完全或部分地替換了該氣體渦輪機(jī)動力系統(tǒng)的一個或多個燃燒器。
將電化轉(zhuǎn)換器72安放在高壓管道120中有助于電化轉(zhuǎn)換器與氣體渦輪機(jī)的直接整合。圖5示出了轉(zhuǎn)換器包裝的一種優(yōu)選類型，兼作再生熱密封的壓力管120包圍著一系列的層疊燃料電池裝置122，下面將更具體地對其進(jìn)行說明。壓力管120包括尾氣排出多支管124、電連接器126和反應(yīng)物輸入多支管128、130。在一個優(yōu)選實(shí)施例中，通過位于中間的多支管130將氧化劑反應(yīng)物導(dǎo)入固有的燃料電池裝置中，通過大致位于管道120外周的燃料多支管128導(dǎo)入燃料反應(yīng)物。
如上所述，電化轉(zhuǎn)換器可以在升高的溫度和周圍壓力或升高的壓力下工作。電化轉(zhuǎn)換器優(yōu)選能夠包括又指式熱交換器的燃料電池系統(tǒng)，類似于美國專利4853100號中舉出和說明的類型，這里通過引用將它包括進(jìn)來。
燃料電池通常通過利用選定燃料成分(如氫和一氧化碳)的化學(xué)能離解燃料，并產(chǎn)生電能和氧化分子。由于提供氫分子和一氧化碳的費(fèi)用要比提供傳統(tǒng)的礦物燃料的費(fèi)用相對高些，所以，可以采用燃料處理或重整步驟將諸如媒和天然氣等太物燃料轉(zhuǎn)換成富含氫和一氧化碳的反應(yīng)氣體混合物。結(jié)果，通過使用蒸汽、氧氣或二氧化碳(在吸熱型反應(yīng)物中)，采用專用的或在燃料電池內(nèi)部配置的燃料處理器將礦物燃料重整成非復(fù)雜反應(yīng)氣體。
圖6-8示出了電化轉(zhuǎn)換器72的基本電池單元10，它尤其適用于與普通氣體渦輪機(jī)的整合。該電池單元10包括電解質(zhì)片20和互連片30。在一個實(shí)施例中，電解質(zhì)片由陶瓷構(gòu)成(如性能穩(wěn)定的氧化銑(ZrO2)或氧化釔(Y2O3))在其上配置多孔氧化劑電極材料20A和多孔燃料電極材料20B。氧化劑電極材料的典型材料是鈣鈦礦材料，例如LaMnO3(Sr)。燃料電極材料的典型材料是諸如ZrO2/Ni和ZrO2/Nio的陶瓷合金。
互連片30優(yōu)選由導(dǎo)電、導(dǎo)熱性互連材料制造。這類材料的例子有鎳合金、鉑合金、諸如碳化硅的非金屬導(dǎo)體、La(Mn)CrO3優(yōu)選美國Inco。生產(chǎn)的、市場上有售的鉻鎳鐵合金。互連片30用作相鄰電解質(zhì)片之間的電連接器和燃料與氧化反應(yīng)物的隔離片。如圖8所示，互連片30具有中孔32和一組居中的、同軸徑向地向外放置的孔34。沿片30的外側(cè)柱面部分或周圍配置了第三組外圍孔36。
互連片30有一紋理表面38。如圖8所示，該紋理表面優(yōu)選在其上形成一系列波紋40，它形成一組反應(yīng)物流連接通路。優(yōu)選地，在互連片30的兩邊都形成波紋表面。盡管分別用選定數(shù)目的孔示出了中間孔組34和外圍孔組36，但普通技術(shù)人員會意識到可以根據(jù)系統(tǒng)和反應(yīng)物流的需要采用任意數(shù)目的孔或分布方式。
同樣，電解質(zhì)片20有一中央孔22、一組中間孔24和外圍孔組26，它們分別形成在與互連片30的孔32、34和36互補(bǔ)的位置上。
參考圖7，可在電解質(zhì)片20和互連片30間插入隔離片50。間隔50與互連片30類似，優(yōu)選具有波紋表面52，波紋表面52形成一組反應(yīng)物流連接通路。如圖所示，隔離片50還有一些中孔54、56和58，它們位于與互連片和電解質(zhì)片的孔互補(bǔ)的位置上。另外，在該配置中，互連片30沒有反應(yīng)物流通道。隔離片50優(yōu)選由諸如鎳的導(dǎo)電材料制成。
圖示的電解質(zhì)片20、互連片30和隔離片50可以具有任意所要的幾何形狀。另外，具有圖示多支管的片可以以重復(fù)模式和非重復(fù)模式向外延伸，因此用虛線表示。
參考圖8，當(dāng)電解質(zhì)片20和互連片30沿其相應(yīng)的孔層疊排列時，孔形成軸向(就層疊而言)多支管，為電池單元提供輸入反應(yīng)物和排出被消耗了的燃料。特別時，排列的中央孔22、32、22′形成輸入氧化劑的多支管17，排列的中間孔24、34、24′形成輸入燃料的多支管18，排列的外圍孔26、36、36′形成輸入消耗燃料多支管19。
在圖8的截面圖中，在互連片30的波形表面38的兩邊形成了起伏很大的波紋結(jié)構(gòu)。該波紋結(jié)構(gòu)形成反應(yīng)物流通路，將輸入反應(yīng)物向互連片的邊緣引導(dǎo)?；ミB片還有延伸的加熱表面或唇狀結(jié)構(gòu)，在每一軸向多支管中和互連片的邊緣周圍延伸。特別地，互連片30有一沿其外圍邊緣形成的平坦環(huán)形延伸表面31A。在一個優(yōu)選實(shí)施例中，所示的加熱表面31A延伸到電解質(zhì)片20的外圍邊緣之外。互連片還有一個在軸向多支管內(nèi)部延伸的加熱表面，例如邊緣31B，它延伸到并容納在軸向多支管19內(nèi)部；邊緣31C延伸到并容納在軸向多支管18內(nèi)部；邊緣31D延伸到并容納在軸向多支管17內(nèi)部。延伸加熱表面可以與互連片一體地形成，也可以附著或連接在其上。加熱表面不必用與互連片相同的材料制造，可以包括能承受電化轉(zhuǎn)換器的工作溫度的任何合適的導(dǎo)熱材料。在一個替換的實(shí)施例中，延伸加熱表面可以與隔離片一體地構(gòu)成，或者可與隔離片連接。
互連片邊緣沒有隆起或其他突起結(jié)構(gòu)，這提供了與外部環(huán)境聯(lián)系的排氣口。反應(yīng)物流通道把輸入反應(yīng)物多支管連接輸送到外邊緣，因此使得反應(yīng)物排出到外部環(huán)境中，或者排出到配置在電化轉(zhuǎn)換器周圍的熱容器或壓力管內(nèi)(圖5)。
再次，參考圖8，可將所示密封材料60應(yīng)用于多支管連接處的互接片30部分，這樣就有選擇地允許一種特定的輸入反應(yīng)物穿過互連器表面和電解質(zhì)片20的配合表面。互連片底面30B接觸電解質(zhì)片20的燃料電解涂層20B。在該配置中，最好是密封材料只允許燃料反應(yīng)物進(jìn)入反應(yīng)物流通道，接觸燃料電極。
如圖所示，密封材料60A配置在輸入氧化物多支管17的周圍，形為氧化物多支管17形成了有效的反應(yīng)物流屏障。密封材料有助于維持燃料反應(yīng)物與電解質(zhì)片20的燃料電極側(cè)面20B接觸的整合和通過消耗燃料多支管19排出的消耗燃料的整合。
互連片30的頂端30A有配置在燃燒輸入多支管18和消耗燃料多支19周圍的密封材料60B。互連片30的頂端30A與相對電解質(zhì)片20′的氧化劑涂層20B′接觸。結(jié)果，輸入氧化劑多支管17處的接合處沒有密封材料，因而允許氧化劑反應(yīng)物進(jìn)入反應(yīng)物流通道。完全包圍燃料多支管18的密封材料60B抑制燃料反應(yīng)物過多泄漏到反應(yīng)物流通道中，因而抑制燃料和氧化劑反應(yīng)物混合。類似地，完全包圍消耗燃料多支管19的密封材料60C抑制消耗氧化劑反應(yīng)物流進(jìn)入消耗燃料多支管19中。因此，通過多支管19所抽的消耗燃料的純度得以維持。
再次參考圖8，可以通過軸向多支管17將氧化劑反應(yīng)物引到電化轉(zhuǎn)換器中，軸向管分別由孔22、32、電解質(zhì)片和互連片的22′構(gòu)成。通過反應(yīng)物流通路將氧化劑配置在互連片30A的頂部和氧化劑電解質(zhì)片表面20A′上。于是，消耗氧化劑在軸向上迅速地朝著周緣31A向外流動，最后沿轉(zhuǎn)換器元件周圍排出。密封材料60C抑制氧化劑流進(jìn)入消耗燃料多支管19中。通過軸向多支管的氧化劑流動路徑用實(shí)黑箭頭26A畫出，在穿過氧化劑電池單元時用實(shí)黑箭頭26B畫出。
通過燃料多支管18將燃料反應(yīng)物引入電化轉(zhuǎn)換器10中，燃料多支管由片的排列的孔24、34、24′構(gòu)成。將燃料導(dǎo)入反應(yīng)物流通道中，配置在互連片30B的底部和電解質(zhì)片20的電極涂層20B上。伴生地，密封材料60A阻止輸入氧化劑反應(yīng)物進(jìn)入反應(yīng)物流通路與純?nèi)剂?消耗燃料反應(yīng)物混合物混合。在消耗燃料多支管19處沒有任何密封材料，這會使得消耗燃料進(jìn)入管19。隨后沿互連片30的環(huán)狀邊緣31A排出燃料。用實(shí)黑箭頭26C表示燃料反應(yīng)物的流動通道。
互連器表面的波紋40有一頂點(diǎn)40A，它裝配時與電解質(zhì)片接觸，在其間建立電連接。
本發(fā)明的電連接器薄片可以使用的傳導(dǎo)材料相當(dāng)廣。這種材料應(yīng)滿足下述要求(1)高強(qiáng)度和導(dǎo)電導(dǎo)熱性；(2)在工作溫度下的良好的抗氧化性；(3)與輸入反應(yīng)物的化學(xué)相容性和穩(wěn)定性；(4)形成反應(yīng)物流通路等紋理片結(jié)構(gòu)時的制造經(jīng)濟(jì)性。
適合作為互連器結(jié)構(gòu)的材料有鎳合金、鎳-鉻合金、鎳-鉻-鐵合金、鐵-鉻-鋁合金、鉑合金、這些合金的陶瓷以及諸如鋯或鋁、碳化碳和二硅化鉬等耐火材料等。
互連上表面和下表面的紋理結(jié)構(gòu)例如可以通過用一組或多組陽模和陰模沖壓金屬合金片材而得到。最好根據(jù)互連片的所要形狀對模進(jìn)行預(yù)加工，用熱處理硬化以便承受反復(fù)壓縮操作、批量生產(chǎn)及高工作溫度?；ミB器的模具形成工序最好分多步處理，因?yàn)槔绮y狀互連片表面的氣體通道網(wǎng)絡(luò)的幾何尺寸很復(fù)雜。在互連片上形成的多支管道最好在最后一步?jīng)_壓。建議在連續(xù)的步驟間進(jìn)行溫度的自然冷卻，以免使片材材料受力過大。沖膜法能夠生產(chǎn)不同和復(fù)雜形狀的產(chǎn)品，同時維持均勻的材料厚度。
另外，可以通過使用一組合適的掩膜在最初為平的金屬片進(jìn)行電鍍形成波紋狀的連接器?？梢酝ㄟ^燒結(jié)粘粉末或自粘接處理在預(yù)成形的基片上進(jìn)行蒸鍍，這樣來形成碳化硅互連片。
氧化劑反應(yīng)物和燃料反應(yīng)物最好在進(jìn)入電化轉(zhuǎn)換器前預(yù)熱到一個合適的溫度?？梢酝ㄟ^適當(dāng)?shù)念A(yù)熱結(jié)構(gòu)進(jìn)行預(yù)熱，例如用再生式換熱器和輻射式換熱器把反應(yīng)物加熱到足以減少施加到轉(zhuǎn)換器的熱應(yīng)力的量的溫度。
本發(fā)明的一個顯著特征是，圖1-4和圖9-10所示的混合動力系統(tǒng)的工作效率出乎意料地高于任何已知的效率。本發(fā)明的另一明顯特征是延伸加熱表面31D和31C把氧化劑多支管17和燃料多支管18中所含的反應(yīng)物加熱到轉(zhuǎn)換器的工作溫度。特別地，伸入到氧化劑多支管17中的延伸表面31D加熱氧化劑反應(yīng)物，伸入到燃料多支管18中的延伸表面31C加熱燃料反應(yīng)物。高導(dǎo)熱互連片30通過把來自例如傳導(dǎo)連接片的中間區(qū)等燃料電池內(nèi)表面的熱量傳導(dǎo)地傳遞給延伸表面或凸出部分而有利于輸入反應(yīng)物的加熱，因此，在輸入反應(yīng)物通過反應(yīng)物流通路傳遞前，將其加熱到工作溫度。因此，延伸表面起加熱片的作用。這種反應(yīng)物加熱結(jié)構(gòu)提供了一種能夠與發(fā)電動力系統(tǒng)整合的緊湊型加熱結(jié)構(gòu)，還提供了成本較低的高效系統(tǒng)。電化轉(zhuǎn)換器與根據(jù)這些原理構(gòu)造的、用于與氣體渦輪機(jī)相連的燃料電池構(gòu)件的結(jié)合提供了一種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相對簡單的動力系統(tǒng)。
電化轉(zhuǎn)換器的工作溫度最好在大約20℃到1500℃之間，另外，本發(fā)明采用的燃料電池的優(yōu)選類型是固態(tài)氧化物燃料電池、融熔碳酸鹽燃料電池、堿燃料電池、磷酸燃料電池和質(zhì)子膜燃料電池。
在一個可選實(shí)施例中，電解質(zhì)片和互連片可具有大致為管狀的形狀，在一邊配置氧化劑電極材料，在另一邊配置燃料電極材料。這樣，片能夠以相似的方式進(jìn)行層疊。
這樣可知，本發(fā)明比先有技術(shù)有進(jìn)步。因?yàn)椴幻撾x本發(fā)明的范圍、在所述結(jié)構(gòu)中可以做某些改變，所以意味著，上述說明中的全部內(nèi)容或附圖所示都是敘述性的而不是限制性的。
另外可知，后文的權(quán)利要求包括了這里說明的發(fā)明的全部一般特征和具體特征，可以說，本發(fā)明范圍的所有敘述都作為語言歸納到權(quán)利要求中。例如，本發(fā)明的采用沿經(jīng)連片邊緣延伸的電化轉(zhuǎn)換器還可采用熔融碳酸鹽、磷酸、堿和質(zhì)子交換膜電化轉(zhuǎn)換器及其他類似轉(zhuǎn)換器。
權(quán)利要求
1.一種動力系統(tǒng)，它包括一排電化轉(zhuǎn)換器，供產(chǎn)生動力，適宜接收輸入的反應(yīng)物料；一個壓力容器，配置在所述一排電化轉(zhuǎn)換器周圍附近，收集所述電化轉(zhuǎn)換器工作時產(chǎn)生的廢氣；和一個排氣裝置，供排出所述從所述壓力容器收集到的廢氣，供裝置外使用。
2.如權(quán)利要求1所述的動力系統(tǒng)，其特征在于，它還有一個重整爐配置在所述壓力容器內(nèi)有流體或熱能通道與所述一排電化轉(zhuǎn)換器連通，從而可以將燃料中的反應(yīng)成分熱分離成簡單的反應(yīng)物質(zhì)。
3.如權(quán)利要求1所述的動力系統(tǒng)，其特征在于，所述電化轉(zhuǎn)換器排由多個燃料電池元件組成，各所述燃料電池元件中裝有多個電解板和多個導(dǎo)熱板，彼此交替排列，或者各所述燃料電池元件外形呈管狀。
4.如權(quán)利要求1所述的動力系統(tǒng)，其特征在于，各所述電化轉(zhuǎn)換器適宜接收燃料和氧化劑反應(yīng)料供重整所述燃料反應(yīng)料和產(chǎn)生動力。
5.如權(quán)利要求1所述的動力系統(tǒng)，其特征在于，所述一排電化轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生廢氣并將其排入所述壓力容器中。
6.如權(quán)利要求5所述的動力系統(tǒng)，其特征在于，它還有一個廢氣收集裝置，供收集所述燃料電池的廢氣進(jìn)一步處理，所述進(jìn)一步處理包括所述廢氣的回收供重整用或利用所述廢氣聯(lián)合產(chǎn)生熱能和電能。
7.如權(quán)利要求1所述的動力系統(tǒng)，其特征在于，所述壓力容器收集所述一排電化轉(zhuǎn)換器在其工作溫度或接近其工作溫度下或在其廢氣壓力或接近其廢氣壓力下產(chǎn)生的廢氣。
8.如權(quán)利要求1所述的動力系統(tǒng)，其特征在于，它還有一個氣體渦輪機(jī)和一個廢氣發(fā)送裝置，氣體渦輪機(jī)與所述壓力容器連接，廢氣供應(yīng)裝置將所述一排電化轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生的廢氣通入所述氣體渦輪機(jī)中產(chǎn)生動力。
9.如權(quán)利要求8所述的動力系統(tǒng)，其特征在于，它還有一個預(yù)熱器，供將輸入的反應(yīng)物料在引入所述一排電化轉(zhuǎn)化器之前加以預(yù)熱。
10.如權(quán)利要求1所述的動力系統(tǒng)，其特征在于，其氣體渦輪機(jī)系統(tǒng)具有一個壓縮機(jī)和一個渦輪機(jī)，并與所述壓力容器及所述一排電化轉(zhuǎn)換器連接。
11.如權(quán)利要求8所述的動力系統(tǒng)，其特征在于，它還有一個發(fā)電機(jī)與所述渦輪機(jī)連接，適宜接收渦輪機(jī)的轉(zhuǎn)動能，根據(jù)渦輪機(jī)的轉(zhuǎn)動能發(fā)電。
12.如權(quán)利要求1所述的動力系統(tǒng)，其特征在于，各所述電化轉(zhuǎn)換器有一個或多個多支管，與轉(zhuǎn)換器層軸向連接；一個介質(zhì)加熱裝置，與支管連接，供將第一和第二介質(zhì)的至少一部分加熱到轉(zhuǎn)換器的工作溫度。
13.如權(quán)利要求12所述的動力系統(tǒng)，其特征在于，所述介質(zhì)加熱裝置有一個傳熱表面，與電化轉(zhuǎn)換器形成一個整體，形成電化轉(zhuǎn)換器伸入軸向多支管中的表面或舌狀面。
14.如權(quán)利要求12所述的動力系統(tǒng)，其特征在于，其一個氣體渦輪機(jī)有一個壓縮機(jī)，且與電化轉(zhuǎn)換器連接，壓縮機(jī)適宜加熱所述電化轉(zhuǎn)換器的反應(yīng)物料。
全文摘要
一種動力系統(tǒng),它包括:一排電化轉(zhuǎn)換器,供產(chǎn)生動力,適宜接收輸入的反應(yīng)物料；一個壓力容器,配置在所述一排電化轉(zhuǎn)換器周圍附近,收集所述電化轉(zhuǎn)換器工作時產(chǎn)生的廢氣；和一個排氣裝置,供排出所述從所述壓力容器收集到的廢氣,供裝置外使用。
文檔編號H01M8/04GK1423034SQ0010827
公開日2003年6月11日 申請日期2000年4月25日 優(yōu)先權(quán)日1994年8月8日
發(fā)明者M·S·徐, E·D·霍格 申請人:茲特克公司