專利名稱：燃料電池電力和水產(chǎn)生系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
背景技術(shù)：
很多遠(yuǎn)程基地(remote bases)或其他設(shè)施利用燃料電池發(fā)電。例如，在軍事應(yīng)用中，前進(jìn)作戰(zhàn)基地(forward operating bases)經(jīng)常設(shè)置在不能由固定的電網(wǎng)提供服務(wù)的較遠(yuǎn)位置處。燃料電池提供用于供應(yīng)必要的電力以維持基地作業(yè)的一種方式。類似地，在例如災(zāi)難應(yīng)對(duì)方案的民用應(yīng)用中，由于固定的電網(wǎng)通常不可用，發(fā)電對(duì)于應(yīng)對(duì)團(tuán)隊(duì)來(lái)說(shuō)是關(guān)鍵的考慮。和電力一樣，水是用于維持很多遠(yuǎn)程站點(diǎn)處的運(yùn)轉(zhuǎn)的另一個(gè)必需的部分。很多遠(yuǎn)程站點(diǎn)沒(méi)有功能性的基礎(chǔ)設(shè)施以提供電力或水或者產(chǎn)生電所需的燃料。由于這些站點(diǎn)中的許多站點(diǎn)缺少合適的基礎(chǔ)設(shè)施，燃料和水必須被運(yùn)送到前進(jìn)作戰(zhàn)基地或者緊急應(yīng)對(duì)站點(diǎn)，經(jīng)常要穿越較遠(yuǎn)的距離。經(jīng)由飛機(jī)、火車、輪船、卡車和/或其他交通工具運(yùn)送這些物品是代價(jià)較高并且經(jīng)常很危險(xiǎn)的活動(dòng)。在軍事背景下，例如，燃料和水是用卡車運(yùn)送到遠(yuǎn)程基地的貨物的重要部分。與這些貨運(yùn)有關(guān)的護(hù)送不僅需要耗費(fèi)大量燃料、交通工具維護(hù)和人力，而且是在敵對(duì)環(huán)境中進(jìn)行的。在此介紹了關(guān)于這些考慮和所公開(kāi)的其他方面。

發(fā)明內(nèi)容
在此描述的方法和系統(tǒng)利用燃料電池系統(tǒng)生成電力、水和熱量。根據(jù)在此提供的本公開(kāi)的一個(gè)方面，燃料在燃料電池內(nèi)被接收并被利用以產(chǎn)生電力和燃料副產(chǎn)品。可以使用多種類型的燃料，例如天然氣、軍事后勤燃料(例如，JP5、JP8等)、氫氣以及其他燃料。水從燃料副產(chǎn)品分離以生成經(jīng)調(diào)節(jié)的燃料副產(chǎn)品和水。經(jīng)調(diào)節(jié)的燃料副產(chǎn)品被燃燒或者反應(yīng)以產(chǎn)生熱量或電。提供電力、水和熱量用于在這些和其他系統(tǒng)內(nèi)使用或用于一般消耗。根據(jù)另一個(gè)方面，電力和水產(chǎn)生系統(tǒng)包括燃料電池、副產(chǎn)品分離裝置(phase)和燃燒器裝置。副產(chǎn)品分離裝置設(shè)置在燃料電池的下游并且被配置成從燃料副產(chǎn)品分離水以產(chǎn)生水和經(jīng)調(diào)節(jié)的燃料副產(chǎn)品。燃燒器裝置設(shè)置在副產(chǎn)品分離裝置的下游并且被配置成燃燒經(jīng)調(diào)節(jié)的燃料副產(chǎn)品以產(chǎn)生能被用在電力和水產(chǎn)生系統(tǒng)內(nèi)或者系統(tǒng)外的熱量。根據(jù)另一個(gè)方面，電力和水產(chǎn)生系統(tǒng)包括生物燃料制造子系統(tǒng)、燃料調(diào)節(jié)器裝置、燃料電池、副產(chǎn)品分離裝置和燃燒器裝置。生物燃料制造子系統(tǒng)利用來(lái)自副產(chǎn)品分離裝置的水和其他生物燃料制造配料生成生物燃料，以由燃料電池在電力和最終的水的產(chǎn)生程序中使用。燃料調(diào)節(jié)器裝置準(zhǔn)備生物燃料以用于被燃料電池消耗。燃料電池將經(jīng)調(diào)節(jié)的生物燃料轉(zhuǎn)化為電力和燃料副產(chǎn)品。副產(chǎn)品分離裝置設(shè)置在燃料電池和燃燒器裝置之間并且被配置成從燃料副產(chǎn)品去除水并且提供水到生物燃料制造子系統(tǒng)。剩余的混合物可以在燃燒器裝置中被燃燒以產(chǎn)生可被轉(zhuǎn)化為機(jī)械能或被用在其他程序中的熱量，或者在其他情況下可以使剩余的混合物反應(yīng)從而發(fā)電。燃料電池可以包括固體氧化物燃料電池(SOFC)，其中燃燒器裝置可以包括被配置成將熱量轉(zhuǎn)換成機(jī)械能的渦輪壓縮機(jī)，并且其中燃燒器裝置被熱聯(lián)接至燃料調(diào)節(jié)器裝置，從而在生成經(jīng)調(diào)節(jié)的燃料期間提供熱量到燃料調(diào)節(jié)器裝置。
已經(jīng)討論的特征、功能和優(yōu)點(diǎn)可以在各種實(shí)施例中被單獨(dú)實(shí)現(xiàn)，或者可以在其他實(shí)施例中被結(jié)合，可參考以下的說(shuō)明書和附圖得到其進(jìn)一步的細(xì)節(jié)。


圖1是示出常規(guī)的電力和水供應(yīng)系統(tǒng)與在此介紹的燃料電池電力和水產(chǎn)生系統(tǒng)之間的比較的方框圖；圖2是示出在此介紹的燃料電池電力和水產(chǎn)生系統(tǒng)的方框圖；圖3是示出在此介紹的燃料電池電力和水產(chǎn)生系統(tǒng)的燃料調(diào)節(jié)器裝置、副產(chǎn)品分離器裝置和燃燒器裝置的方框圖；圖4是示出在此介紹的說(shuō)明性燃料電池電力和水產(chǎn)生系統(tǒng)的方框圖，該燃料電池電力和水產(chǎn)生系統(tǒng)利用通過(guò)產(chǎn)生的水生成的生物燃料；以及圖5是圖示說(shuō)明用根據(jù)在此介紹的各種實(shí)施例的燃料電池系統(tǒng)產(chǎn)生電力和水的方法的流程圖。
具體實(shí)施例方式以下詳細(xì)說(shuō)明涉及用于在高效發(fā)電期間生成并捕獲可用的水的方法和系統(tǒng)。如以上簡(jiǎn)要討論的，將大量的燃料和水運(yùn)送到前進(jìn)作戰(zhàn)基地和其他遠(yuǎn)程站點(diǎn)是代價(jià)高并且效率低的活動(dòng)。利用在此描述的構(gòu)思和技術(shù)，燃料電池產(chǎn)生系統(tǒng)不僅被用來(lái)產(chǎn)生電力，而且還被用來(lái)產(chǎn)生水，所述水可被容易地過(guò)濾用于飲用或者全部或部分被引導(dǎo)到生物燃料生成程序中以產(chǎn)生在燃料電池內(nèi)使用以產(chǎn)生電力的燃料。貫穿此公開(kāi)，將描述用于軍事前進(jìn)作戰(zhàn)基地的各種實(shí)施例，例如將被軍事力量用在沒(méi)有能夠提供電力和水的固定基礎(chǔ)設(shè)施的遠(yuǎn)程站點(diǎn)處的臨時(shí)或半固定基地。然而，應(yīng)該理解此處提供的公開(kāi)同樣適用于期望以有效的方式產(chǎn)生電力和水的任何類型的應(yīng)用，所述有效的方式減少了需要從遠(yuǎn)程的源位置被運(yùn)送到使用位置的燃料和水的量。類似地，因?yàn)橄旅婷枋龅姆桨柑岣吡穗娏退a(chǎn)生的效率，各種實(shí)施例還適用于具備如下條件的任何應(yīng)用其中運(yùn)送源不是問(wèn)題，但期望以較低成本運(yùn)行，且系統(tǒng)內(nèi)使用的燃料類型具有多用性，并且在降低的噪音水平下運(yùn)行，如下面將詳細(xì)描述的。在以下具體實(shí)施方式
中，參考形成其一部分并且通過(guò)圖示說(shuō)明、具體實(shí)施例或示例的方式示出的附圖。現(xiàn)在參考附圖，其中在幾個(gè)附圖中相同的數(shù)字表示相同的元件，描述了電和水以及其他功能性副產(chǎn)品(例如被加熱的排氣)的有效產(chǎn)生。圖1根據(jù)此處介紹的各種實(shí)施例示出常規(guī)的電力和水供應(yīng)系統(tǒng)102與燃料電池電力和水產(chǎn)生系統(tǒng)110的比較，該燃料電池電力和水產(chǎn)生系統(tǒng)110處于供應(yīng)電力108和水106/114以支持前進(jìn)作戰(zhàn)基地的運(yùn)轉(zhuǎn)或其他運(yùn)轉(zhuǎn)的背景下。常規(guī)的電力和水供應(yīng)系統(tǒng)102通常包括被用來(lái)供應(yīng)電力108到基地作業(yè)的多個(gè)發(fā)電機(jī)A-N。為了運(yùn)行發(fā)電機(jī)A-N，從遠(yuǎn)程源運(yùn)送燃料104并且將其儲(chǔ)存在前進(jìn)作戰(zhàn)基地處的燃料囊中。因?yàn)槌Ｒ?guī)的發(fā)電系統(tǒng)不產(chǎn)生可用的水，因此從遠(yuǎn)程源運(yùn)送水106并且將其儲(chǔ)存在囊中以在基地使用。相比之下，參考圖1的底部，如此處描述的燃料電池電力和水產(chǎn)生系統(tǒng)110利用一個(gè)或更多個(gè)燃料電池產(chǎn)生并供應(yīng)電力108到基地。燃料電池利用燃料104產(chǎn)生電力108。如下面將進(jìn)一步描述的，燃料104可以是標(biāo)準(zhǔn)的軍事燃料，例如通常用在軍事飛機(jī)和其他交通工具中的JP-8、例如丙烷或天然氣的商業(yè)燃料，或者可以是可替換燃料112，例如生物燃料。通過(guò)燃料電池發(fā)電108會(huì)生成副產(chǎn)品，其通常在補(bǔ)燃器中被燃燒以產(chǎn)生可被用于轉(zhuǎn)動(dòng)渦輪或加熱產(chǎn)品或程序的熱排氣產(chǎn)品。利用下面描述的實(shí)施例，在燃料電池的副產(chǎn)品進(jìn)入燃燒器裝置之前，將水114從燃料電池的副產(chǎn)品中分離。這種水114可以被提供用于各種基地作業(yè)，或者全部或部分水114可以被用于生成包括生物燃料和其他可替換燃料的燃料112，以用在燃料電池電力和水產(chǎn)生系統(tǒng)110中。根據(jù)各種實(shí)施方式，由燃料電池電力和水產(chǎn)生系統(tǒng)110生成的水114的量滿足或者超過(guò)基地的水消耗需求或者處于最小值，將減少需要從遠(yuǎn)程源供應(yīng)到基地的水106的量。隨著從遠(yuǎn)程源運(yùn)送到基地的水106的量的減少，由于與上述類似的常規(guī)發(fā)電機(jī)系統(tǒng)相比，燃料電池電力和水產(chǎn)生系統(tǒng)110的效率提高了，所以燃料電池電力和水產(chǎn)生系統(tǒng)110允許被運(yùn)送到基地的燃料104的量的減少。此外，燃料電池電力和水產(chǎn)生系統(tǒng)110可以被連接至可再生能源，例如太陽(yáng)和風(fēng)能源，從而在白天提供能量，這進(jìn)一步減少了維持基地作業(yè)所需的燃料104的量。在利用生物燃料產(chǎn)生和利用的各種實(shí)施例中，外部燃料104需求可以完全被消除，特別是當(dāng)與可再生能源一起使用時(shí)，如下面參考圖4更詳細(xì)描述的?，F(xiàn)在轉(zhuǎn)向圖2，將更詳細(xì)地描述燃料電池電力和水產(chǎn)生系統(tǒng)110。根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，燃料電池電力和水產(chǎn)生系統(tǒng)110包括燃料調(diào)節(jié)器裝置202、一個(gè)或更多個(gè)燃料電池204、副產(chǎn)品分離裝置206和燃燒器裝置208。一般，燃料電池電力和水產(chǎn)生系統(tǒng)110接收燃料104作為輸入并且產(chǎn)生電力108、水114和被加熱的排氣流216。燃料104(例如JP-8或其他軍事燃料)、汽油、氫氣、丁烷、甲醇、丙烷或天然氣，被提供至燃料電池電力和水產(chǎn)生系統(tǒng)110的燃料調(diào)節(jié)器裝置202。燃料調(diào)節(jié)器裝置202包括被用來(lái)準(zhǔn)備燃料104以便由燃料電池204有效使用的所有合適的設(shè)備和系統(tǒng)。燃料調(diào)節(jié)器裝置202以及副產(chǎn)品分離裝置206和燃燒器裝置208的部件的具體示例將在下面關(guān)于圖3描述。調(diào)節(jié)之后，經(jīng)調(diào)節(jié)的燃料210被引導(dǎo)至燃料電池204，在此其被用來(lái)產(chǎn)生電或電力108。由燃料電池204產(chǎn)生的電能可以是直流電，但可以被引導(dǎo)至轉(zhuǎn)換器以轉(zhuǎn)換為交流電以便用于相應(yīng)的交流系統(tǒng)。應(yīng)該意識(shí)到，盡管為了簡(jiǎn)單燃料電池204被示為單個(gè)通用單元，但是在燃料電池電力和水產(chǎn)生系統(tǒng)110內(nèi)可以利用任意數(shù)量和類型的燃料電池204。作為示例，燃料電池可以包括一個(gè)或更多個(gè)固體氧化物燃料電池(SOFC)。除了運(yùn)行效率和相應(yīng)的成本節(jié)約之外，與利用被用在常規(guī)的電力和水供應(yīng)系統(tǒng)102中的發(fā)電機(jī)相比，與在燃料電池電力和水產(chǎn)生系統(tǒng)110內(nèi)利用SOFC產(chǎn)生電相關(guān)的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)在于減少噪音。利用SOFC而不是傳統(tǒng)的柴油/氣體發(fā)電機(jī)產(chǎn)生電力和水發(fā)生在顯著降低的噪音水平。燃料電池204內(nèi)的發(fā)電程序的一種副產(chǎn)品是包含水蒸氣的燃料副產(chǎn)品212。傳統(tǒng)上，未被利用的被分解的燃料和水的混合物被直接引導(dǎo)到補(bǔ)燃器，在此，產(chǎn)生的排氣流與進(jìn)氣一起燃燒，從而產(chǎn)生能夠被渦輪捕獲或者用于其他目的的熱能。然而，根據(jù)在此提供的公開(kāi)，燃料副產(chǎn)品212至少部分被引導(dǎo)到副產(chǎn)品分離裝置206，在此水蒸氣與燃料副產(chǎn)品212的未被使用的燃料混合物分離以產(chǎn)生水114。適當(dāng)過(guò)濾和提純之后，這種水114可飲用并且可用于由基地人員消耗或者其他用途。應(yīng)該注意，一部分燃料副產(chǎn)品212或者水114可以在離開(kāi)燃料電池204之后被引導(dǎo)回燃料調(diào)節(jié)器裝置202用于在燃料電池204內(nèi)再次調(diào)節(jié)和使用?？商鎿Q地，這種再次利用的燃料可以分配自離開(kāi)副產(chǎn)品分離裝置的經(jīng)調(diào)節(jié)的燃料副產(chǎn)品214，而不是分配自燃料電池204之后的燃料副產(chǎn)品212。從燃料副產(chǎn)品212分離水114之后，剩余的經(jīng)調(diào)節(jié)的燃料副產(chǎn)品214在燃燒器裝置208內(nèi)燃燒以產(chǎn)生被加熱的排氣216，或者經(jīng)過(guò)反應(yīng)產(chǎn)生電。被加熱的排氣216可以是可與渦輪一起使用的或者可被用來(lái)噴射熱量到程序中的排氣流。例如，調(diào)節(jié)器裝置202和相應(yīng)的燃料調(diào)節(jié)程序可以包括在其中可以使用被加熱的排氣216的吸熱程序。將副產(chǎn)品分離裝置206串聯(lián)設(shè)置在燃料電池204與燃燒器裝置208之間相比于嘗試在燃燒器裝置208之后從混合物分離水114具有優(yōu)勢(shì)。首先，燃燒器裝置208之后的水114將被明顯更嚴(yán)重的污染，因?yàn)槿紵绦驅(qū)⒁肜鐭焿m的污染物。其次，因?yàn)樵谌紵餮b置208內(nèi)燃燒期間空氣被混合，水蒸氣被稀釋，這降低了水蒸氣的分壓。通過(guò)在燃燒器裝置之前從燃料副產(chǎn)品212分離水蒸氣，則水蒸氣的分壓較高，這允許從混合物有效率地分離更多量的水114。應(yīng)該理解，圖2的方框圖是根據(jù)此處討論的實(shí)施例的燃料電池電力和水產(chǎn)生系統(tǒng)110的各種裝置和部件的簡(jiǎn)化表示。燃料調(diào)節(jié)器裝置202、副產(chǎn)品分離裝置206和燃燒器裝置208的一些示例部件將在下面關(guān)于圖3描述。然而，所利用的特定設(shè)備將取決于具體實(shí)施方式
。為了簡(jiǎn)明，與此處描述的方案關(guān)系不大的設(shè)備和控制已經(jīng)被省略。例如，燃料電池電力和水分離系統(tǒng)110包括電力分配和控制硬件、各種系統(tǒng)控制和未被示出或描述的設(shè)施硬件的其他平衡。參考圖3，將更詳細(xì)地描述燃料調(diào)節(jié)器裝置202、副產(chǎn)品分離裝置206和燃燒器裝置208。根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，燃料調(diào)節(jié)器裝置202包括重整器(例如蒸汽重整器)和除硫器302。燃料重整和除硫?qū)⑷剂?04分解成將特定燃料電池204利用燃料的效率最大化的各種物質(zhì)。重整器和除硫器302的具體特性和運(yùn)行參數(shù)取決于使用的燃料104的類型和處理燃料的燃料電池204的特性。燃料調(diào)節(jié)器裝置202可以額外地包括換熱器(recuperator)以進(jìn)一步提高在燃料傳送到燃料電池204之前燃料處理的效率。副產(chǎn)品分離裝置206包括分離器306，該分離器306適于從未被利用的燃料和來(lái)自燃料電池204的燃料副產(chǎn)品212內(nèi)的其他副產(chǎn)品分離水蒸氣。利用額外的過(guò)濾和提純?cè)O(shè)備308進(jìn)一步處理被分離的水，從而產(chǎn)生可飲用的水114以用于基地人員使用和用于基地作業(yè)。燃燒器裝置208利用補(bǔ)燃器310燃燒經(jīng)調(diào)節(jié)的燃料副產(chǎn)品214并生成被加熱的排氣216。生成的被加熱的排氣流216可以被引導(dǎo)到燃燒器裝置208內(nèi)的渦輪壓縮機(jī)312，在此被加熱的排氣216被轉(zhuǎn)換成機(jī)械能。可以再次使用換熱器或熱交換器314來(lái)提高渦輪壓縮機(jī)312的運(yùn)行效率。如以上所提及的，燃料電池電力和水產(chǎn)生系統(tǒng)110和相應(yīng)的燃料調(diào)節(jié)器202、副產(chǎn)品分離裝置206和燃燒器裝置208可以包括比附圖中示出和描述的更多或更少的部件，而不脫離本公開(kāi)的范圍。圖4示出可替換實(shí)施例，其中燃料電池電力和水產(chǎn)生系統(tǒng)110包括生物燃料制造子系統(tǒng)402。如以上關(guān)于圖1討論的，燃料電池電力和水產(chǎn)生系統(tǒng)110可以被配置成利用可替換燃料112，例如生物燃料。生成生物燃料的制造程序可以在前進(jìn)作戰(zhàn)基地進(jìn)行，該程序使用在當(dāng)?shù)匕l(fā)現(xiàn)、生長(zhǎng)或購(gòu)買的種子和/或配料(ingredient)404。通過(guò)這么做，對(duì)運(yùn)送燃料到前進(jìn)作戰(zhàn)基地的依賴被減小或消除。生成生物燃料通常需要水。根據(jù)圖4所示的一個(gè)實(shí)施例，由燃料電池電力和水產(chǎn)生系統(tǒng)110產(chǎn)生并捕獲的水114被返回到生物燃料制造子系統(tǒng)402以被用于燃料制造程序。未被生物燃料制造子系統(tǒng)402使用的任何過(guò)剩的水114可以被用于其他基地作業(yè)。取決于制造需要量的燃料112所需要的水114的量，燃料電池電力和水產(chǎn)生系統(tǒng)110可以在燃料和水的需求方面是基本獨(dú)立、自我維持的電力和水產(chǎn)生程序。生物燃料制造子系統(tǒng)將需要額外的種子和/或配料404以制造燃料112，但將需要很少甚至不需要燃料104和/或水106從遠(yuǎn)程源被運(yùn)送到基地。由于種子和/或配料404基本上能在當(dāng)?shù)厝〉茫ǔＳ脕?lái)從遠(yuǎn)程源運(yùn)送燃料和水的運(yùn)送可以被明顯減少或消除?，F(xiàn)在轉(zhuǎn)向圖5，現(xiàn)在將詳細(xì)描述用于生成電和水同時(shí)回收廢熱的示例程序500。應(yīng)該意識(shí)到，可以執(zhí)行比圖5所示的和在此描述的操作更多或更少的操作。此外，這些操作還可以不同于此處描述的順序執(zhí)行。程序500開(kāi)始于操作502處，在此燃料被接收。如以上討論的，燃料104可以是標(biāo)準(zhǔn)的軍事燃料(例如JP-8)或者商業(yè)燃料(例如汽油、氫氣、丁烷、甲醇、丙烷或天然氣)?？商鎿Q地，燃料電池電力和水產(chǎn)生系統(tǒng)110可以利用可替換燃料112，例如由關(guān)于圖4描述的生物燃料制造子系統(tǒng)402制造的生物燃料。程序500從操作502繼續(xù)到操作504，在此燃料104進(jìn)入燃料電池電力和水產(chǎn)生系統(tǒng)110的燃料調(diào)節(jié)器裝置202。在燃料調(diào)節(jié)器裝置202中，例如重整和除硫的操作制備燃料用以由燃料電池204有效率使用，生成經(jīng)調(diào)節(jié)的燃料210。在操作506，經(jīng)調(diào)節(jié)的燃料210進(jìn)入燃料電池204，在此它反應(yīng)以在操作508處產(chǎn)生電力108和燃料副產(chǎn)品212。在操作510處，產(chǎn)生的電被引導(dǎo)到使用或存儲(chǔ)位置。程序500從操作510繼續(xù)到操作512，在此離開(kāi)燃料電池204的燃料副產(chǎn)品212被提供到燃料電池電力和水產(chǎn)生系統(tǒng)110的副產(chǎn)品分離裝置206。副產(chǎn)品分離裝置206可以包括適于收回和處理來(lái)自離開(kāi)燃料電池204的混合物的水114的任意數(shù)量和類型的設(shè)備。如以上討論的，這種設(shè)備可以包括分離器306以分離并濃縮水蒸氣，并且包括過(guò)濾和處理設(shè)備以使水114可飲用且能被使用。在操作516處，水114被處理并被存儲(chǔ)以供使用。在從燃料混合物分離水114之后，在操作518處，產(chǎn)生的經(jīng)調(diào)節(jié)的燃料副產(chǎn)品214被引導(dǎo)到燃料電池電力和水產(chǎn)生系統(tǒng)110的燃燒器裝置208。在操作520處，經(jīng)調(diào)節(jié)的燃料副產(chǎn)品214在燃燒器中被燃燒或者在另一裝置310中被反應(yīng)，從而生成被加熱的排氣流216。在操作522處，這種排氣流被引導(dǎo)到渦輪壓縮機(jī)312或其他系統(tǒng)以回收被加熱的排氣流216中的熱量作為機(jī)械能或者噴射熱量到另一個(gè)系統(tǒng)或程序中，這進(jìn)一步提高了燃料電池電力和水產(chǎn)生系統(tǒng)110的效率，并且程序500結(jié)束。根據(jù)以上公開(kāi)應(yīng)該清楚的是，此處描述的和權(quán)利要求所包括的燃料電池電力和水產(chǎn)生系統(tǒng)110提供了對(duì)常規(guī)系統(tǒng)在運(yùn)行效率方面的顯著的改進(jìn)，有效地減少了運(yùn)行成本，減少了與運(yùn)送燃料和水相關(guān)的后勤成本，并且降低了與運(yùn)送燃料和水到前進(jìn)作戰(zhàn)基地相關(guān)的風(fēng)險(xiǎn)。燃料電池電力和水產(chǎn)生系統(tǒng)110利用燃料電池技術(shù)增加了系統(tǒng)接收各種燃料104的靈活性并有效地產(chǎn)生電力108，與傳統(tǒng)的發(fā)電機(jī)組相比，這降低了基地的燃料消耗率。燃料電池技術(shù)的使用額外地降低了與傳統(tǒng)的柴油/天然氣發(fā)電機(jī)相關(guān)的噪音水平。燃料電池電力和水產(chǎn)生系統(tǒng)110的水回收方面允許從在由燃料電池204產(chǎn)生電力108期間生成的燃料廢棄物中去除水114。通過(guò)在燃料電池電力和水產(chǎn)生系統(tǒng)110的燃燒器裝置208之前分離水114，水蒸氣具有較高的分壓，這允許提高水回收效率。在燃燒混合物之前從未被利用的燃料混合物分離水蒸氣額外地產(chǎn)生比在燃燒器裝置208之后可用水的更干凈的水114，這簡(jiǎn)化并輔助水處理操作以生成可飲用的水。當(dāng)與生物燃料制造子系統(tǒng)402聯(lián)接時(shí)，燃料電池電力和水產(chǎn)生系統(tǒng)110可以顯著地減少或消除運(yùn)送燃料104到前進(jìn)作戰(zhàn)基地用于發(fā)電的需求，并且在副產(chǎn)品分離裝置206中回收的水114可以被循環(huán)到生物燃料制造子系統(tǒng)402中以顯著地減少或消除對(duì)于來(lái)自遠(yuǎn)程源用于燃料制造的水106的需求。利用生物燃料給燃料電池電力和水產(chǎn)生系統(tǒng)110提供燃料，進(jìn)一步結(jié)合使用前進(jìn)作戰(zhàn)基地的可再生能源(例如太陽(yáng)能和風(fēng)能)，提供了高效且獨(dú)立的能量和水制造系統(tǒng)。最后，從燃料電池電力和水產(chǎn)生系統(tǒng)110的燃燒器裝置208回收的加熱排氣216可以被利用來(lái)進(jìn)一步提高整個(gè)系統(tǒng)的效率。被加熱的排氣216可以被用來(lái)驅(qū)動(dòng)渦輪壓縮機(jī)312，可以被用在燃料電池電力和水產(chǎn)生系統(tǒng)110的其他部件中，或者被用在其他基地系統(tǒng)或程序中?？梢圆话凑?qǐng)D示說(shuō)明和描述的示例實(shí)施例和應(yīng)用，對(duì)此處描述的主題進(jìn)行各種修改和改變，并且不脫離在權(quán)利要求中闡明的本發(fā)明的主旨和范圍。
權(quán)利要求
1.一種用于在燃料電池系統(tǒng)內(nèi)產(chǎn)生水和電力的方法，所述方法包括接收燃料；在燃料電池內(nèi)利用所述燃料產(chǎn)生電力和燃料副產(chǎn)品；從所述燃料副產(chǎn)品分離水以生成經(jīng)調(diào)節(jié)的燃料副產(chǎn)品和水；燃燒所述經(jīng)調(diào)節(jié)的燃料副產(chǎn)品以生成熱量；以及提供電力、水和熱量以供使用。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其還包括在所述燃料電池中利用所述燃料之前調(diào)節(jié)所述燃料以生成用于所述燃料電池的經(jīng)調(diào)節(jié)的燃料。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2中的任一項(xiàng)所述的方法，其中在利用之前調(diào)節(jié)所述燃料包括重整所述燃料并且從所述燃料去除硫。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述燃料電池包括固體氧化物燃料電池S0FC。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中從所述燃料副產(chǎn)品分離水包括將所述燃料副產(chǎn)品引導(dǎo)到分離器并且從所述燃料副產(chǎn)品分離水蒸氣。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中燃燒所述經(jīng)調(diào)節(jié)的燃料副產(chǎn)品包括提供所述經(jīng)調(diào)節(jié)的燃料副產(chǎn)品到補(bǔ)燃器并且燃燒所述經(jīng)調(diào)節(jié)的燃料副產(chǎn)品以生成排氣流。
7.根據(jù)權(quán)利要求1-6中任一項(xiàng)所述的方法，其還包括引導(dǎo)所述排氣流通過(guò)渦輪壓縮機(jī)以將熱能轉(zhuǎn)化成機(jī)械能。
8.根據(jù)權(quán)利要求1-6中任一項(xiàng)所述的方法，其還包括引導(dǎo)所述排氣流到所述燃料電池系統(tǒng)的燃料調(diào)節(jié)器裝置并提供熱量到所述燃料調(diào)整器裝置的吸熱重整程序。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述燃料是生物燃料，并且其中所述方法還包括在生物燃料制造子系統(tǒng)中制造所述生物燃料。
10.根據(jù)權(quán)利要求1-9中任一項(xiàng)所述的方法，其中提供水以供使用包括提供水到所述生物燃料制造子系統(tǒng)以便在所述生物燃料的制造中使用。
全文摘要
本發(fā)明涉及燃料電池電力和水產(chǎn)生系統(tǒng)。本發(fā)明的方法和系統(tǒng)利用燃料電池生成電力、水和熱量。根據(jù)本文描述的實(shí)施例，燃料被提供給燃料電池以用于產(chǎn)生電力和燃料副產(chǎn)品。燃料副產(chǎn)品被引導(dǎo)到電力和水產(chǎn)生系統(tǒng)的副產(chǎn)品分離裝置，在此水被從燃料副產(chǎn)品分離。剩余的混合物在系統(tǒng)的燃燒器裝置中反應(yīng)以產(chǎn)生可被轉(zhuǎn)化為機(jī)械能和/或被用于系統(tǒng)內(nèi)或系統(tǒng)外的其他程序的額外的熱量。根據(jù)其他方面，被分離的水可被用在生物燃料制造子系統(tǒng)內(nèi)用于生成由燃料電池使用的生物燃料。
文檔編號(hào)H01M8/06GK102376967SQ20111021246
公開(kāi)日2012年3月14日 申請(qǐng)日期2011年7月22日 優(yōu)先權(quán)日2010年8月20日
發(fā)明者D·吉爾, D·惠蘭, M·E·馬塔, S·阿特雷亞, T·R·斯托拉 申請(qǐng)人:波音公司