CN1292157A - 集成能源组件 - Google Patents

集成能源组件 Download PDF

Info

Publication number
CN1292157A
CN1292157A CN99803388A CN99803388A CN1292157A CN 1292157 A CN1292157 A CN 1292157A CN 99803388 A CN99803388 A CN 99803388A CN 99803388 A CN99803388 A CN 99803388A CN 1292157 A CN1292157 A CN 1292157A
Authority
CN
China
Prior art keywords
gas
fuel
reformer
input
hydrogen
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN99803388A
Other languages
English (en)
Inventor
理查德·R·伍兹
伦纳德·格雷纳
戴维·莫阿尔德
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Hydrogen Burner Technology Inc
Original Assignee
Hydrogen Burner Technology Inc
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Hydrogen Burner Technology Inc filed Critical Hydrogen Burner Technology Inc
Publication of CN1292157A publication Critical patent/CN1292157A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23D—BURNERS
    • F23D11/00—Burners using a direct spraying action of liquid droplets or vaporised liquid into the combustion space
    • F23D11/36—Details, e.g. burner cooling means, noise reduction means
    • F23D11/44—Preheating devices; Vaporising devices
    • F23D11/441—Vaporising devices incorporated with burners
    • F23D11/443—Vaporising devices incorporated with burners heated by the main burner flame
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23D—BURNERS
    • F23D14/00—Burners for combustion of a gas, e.g. of a gas stored under pressure as a liquid
    • F23D14/20—Non-premix gas burners, i.e. in which gaseous fuel is mixed with combustion air on arrival at the combustion zone
    • F23D14/22—Non-premix gas burners, i.e. in which gaseous fuel is mixed with combustion air on arrival at the combustion zone with separate air and gas feed ducts, e.g. with ducts running parallel or crossing each other
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/06—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/06—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues
    • H01M8/0606—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues with means for production of gaseous reactants
    • H01M8/0612—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues with means for production of gaseous reactants from carbon-containing material
    • H01M8/0625—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues with means for production of gaseous reactants from carbon-containing material in a modular combined reactor/fuel cell structure
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/06—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues
    • H01M8/0662—Treatment of gaseous reactants or gaseous residues, e.g. cleaning
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/24—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells
    • H01M8/2465—Details of groupings of fuel cells
    • H01M8/247—Arrangements for tightening a stack, for accommodation of a stack in a tank or for assembling different tanks
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M8/12—Fuel cells with solid electrolytes operating at high temperature, e.g. with stabilised ZrO2 electrolyte
    • H01M2008/1293—Fuel cells with solid oxide electrolytes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/14—Fuel cells with fused electrolytes
    • H01M2008/147—Fuel cells with molten carbonates
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M2300/00—Electrolytes
    • H01M2300/0017—Non-aqueous electrolytes
    • H01M2300/0048—Molten electrolytes used at high temperature
    • H01M2300/0051—Carbonates
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M2300/00—Electrolytes
    • H01M2300/0017—Non-aqueous electrolytes
    • H01M2300/0065—Solid electrolytes
    • H01M2300/0068—Solid electrolytes inorganic
    • H01M2300/0071—Oxides
    • H01M2300/0074—Ion conductive at high temperature
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04007—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids related to heat exchange
    • H01M8/04014—Heat exchange using gaseous fluids; Heat exchange by combustion of reactants
    • H01M8/04022—Heating by combustion
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)
  • Hydrogen, Water And Hydrids (AREA)
  • Ignition Installations For Internal Combustion Engines (AREA)

Abstract

一种能够产生热能和电能的集成能源组件,组件安装在壳体(110)中,组件包括燃料(156)和空气(112)输入管,一重整炉室(116),一燃料电池组(118),和一燃烧室(120)。含氧气体,如空气,沿通路(114)单方向引入组件,与在相邻通路中流动的,最好是反方向流动的,反应室产生的反应产品进行热交换,对输入的含氧气体预热。带有燃料喷口和含氧气体喷口的喷嘴(169)将这些气体喷注到重整炉室内,利用适当的装置实施点火。重整炉室产生的反应产品被输送到燃料电池,燃料电池利用反应室输出的氧气作为氧化气体耗用某些反应产品,如氢气。阴极和阳极之间的交换产生电流以及水,水通常以蒸汽的形式被吸收并排出燃料电池。燃料电池产生的电流可以输送到外部用户,氢气可以在后续的燃烧室中燃烧产生额外的热能供加热之用。在能源组件的另外一个实施例中,燃料电池用做移动反应器和氢气纯化装置。这个组件的主要产品除热能外还有纯氢。

Description

集成能源组件
发明领域
本发明涉及一种可产生电流以及热能的集成能源组件，该组件可用于各种不同的目的，包括驱动涡轮机或为住宅或车间供热。尤其，本发明是利用了不完全氧化反应器(重整炉)的集成组件，在重整炉中产生氢气，燃料电池组利用氢气产生电流。在燃料电池下游的燃烧室中，可利用过量的氢气和气体产品产生额外的热能。还可以利用设计成能够进一步处理不完全氧化的产品气体供后续设备使用或将产品气体提纯的电化学反应器或扩散膜来代替燃料电池。
发明背景
在能源，包括热能和电能，的生产和输送中，无论是住宅市场的小用户还是工业市场的大用户，对污染产物的控制，提高能源利用效率，以及成本效果都成为日益受到深切关注的问题。
目前解决这些问题的努力通常包括大型的资金密集型的设备和流程。例如，已有技术试图在大型能源设施中采用复杂的设备或更清洁的燃烧燃料来控制污染。类似地，通过将流程分级和能源循环的组合(例如大型的组合循环动力工厂)可实现效率的提高，提高效率可降低初级能源的消耗。
在大规模的工业和商业设施中，使用了废热发电***来实现就地发电以及回收和利用副产品热能的综合效能。但是这些已有技术对于小规模的***通常不具有良好的成本效果。例如，燃料电池技术具有很高的效率和环保效益，但是小批量生产和利用独立的单个零件装配成的***的复杂性使燃料电池组的成本高昂，因而这一技术不具备价格竞争力。较大规模的***已经被开发出来，以期降低***复杂性的影响，但是这些工厂单机资金风险的增加阻碍了进行性能验证和改进耐用性所需的足够的试验，因而限制了这些***的大批量生产。另外，使用纯氢作为燃料的相对简单的小型燃料电池单元显示了某些优越性，但是纯氢的高成本和缺少广泛分布的氢气配送设施限制了其应用。
已有技术的代表是美国专利No．3，516，807，其中反应室中设置了混合管，混合管中输送的是在燃烧室出口处被加热的空气。这种结构欲达到的目的之一是为燃料电池提供自由氢气。但是这种结构要依赖管路或管线的排布，管路或管线很容易产生迅速聚集的碳或其他类型的沉积物，从而延缓或甚至中断燃烧过程。这种和其他已有技术的装置通常都不能有效利用制氢过程产生的副产品热能或者不能产生可作为商业用途的足够大的电流。
而且，解决这些问题以及其他使用无污染燃料所固有的问题的努力常常导致在转换设备和副产物处理设备方面的高得多的费用。使用无污染或低污染燃料直接导致更高昂的设备费用以及控制更加麻烦，超出了工业市场及住宅市场中用户能够接受的水平。
随着世界入口的增长和生活水平的提高，预期对电能和热能的需求会显著增加。利用已有技术的大规模核心设备和广泛分布的配送设施来满足这种对能源需求需要非常大量的资金。利用现有的燃料源来生产电能和热能的小规模，成本效果好的，以及无污染的集成能源组件可以免除在基础设施和电力配送设备方面大量资金投入的需求，同时逐渐增加能源供应满足人口的增长的需求。
本发明简述
本发明可避免上述的问题和困难，提供基本无污染的热能和电能的组合供源。在本发明的一种形式中，提出了一种单体的集成组件，组件包含有简化的内部热传导和部件集成，实现了良好成本效果的***。而且，对输入的燃料分级利用，将辐射降低到最低限度而效率最大化。
根据本发明的一个实施例，这些目的是利用一小型的组件式能源发生器实现的，这个组件式能源发生器可作为家用设施，商业设备，及工业过程的能源。在一个优选实施例中，从热学的角度将机组的各段集成起来，输入的生产用气体对下游的各部件实施冷却，同时对温度更高的上游部件做回热预热。
在本发明的一个优选实施例中，对燃料的分阶段利用首先是在富油状态(即空气／燃油化学计量比小于大约0．8)下的运行生产含氢气流的重整炉，生产的含氢气流随后在下阶段中进行处理。重整炉处理的空气／燃油化学计量比在0．1至0．7之间比较适宜，最好在0．2至0．4之间。第二阶段是空气／燃油化学计量平衡区，燃料与氧气发生电化学反应高效率地转换为电能，没有不希望有的在常规燃烧设备中发生的造成污染的副作用。最后，第三阶段在贫油状态(即，空气／燃油化学计量比大于大约1．1)下工作的燃烧室中将任何剩余的燃料消耗。第三阶段的燃烧室中空气／燃油化学计量比最好大于1．4。第三阶段不仅确保除去所有不发生反应的燃料，还可以生产能够以多种形式利用的额外的热能。由于燃料流中存在的氢可以在这种高的化学计量比下稳定运行，第三阶段不会造成不希望有的污染(例如，热的NOx)。在本发明另外一个实施例中，第二阶段包括可产生电流的燃料电池。在这个实施例中，可采用一个或一组压缩弹簧在燃料电池上施加一机械力的作用。
本发明的特殊优越性是能源组件的集成设计和结构，这种设计和结构能够在三个阶段中有效地预热生产用气体并冷却产品气体和机组部件，并且使互相连接的复杂性和设备最简化。根据本发明的一个方面，冷的输入生产用气体进入组件，对燃料电池组件和相关的燃料电池承压结构件施行冷却，同时对进入燃料电池和重整炉的生产用气体进行预热，从而提高了效率。随着输入的生产用气体流向不完全氧化重整炉，在重整炉产品气体冷却的同时，实现了附加的预热。在一个实施例中增加了空气流量，在重整炉产品气体进入燃料电池之前对重整炉产品气体进行充分的冷却。这些过量的空气然后可以绕过重整炉和燃料电池，进入贫油燃烧流程。这样就不需要进行水冷降温。汽化水成为蒸汽的冷却作用最终控制燃料电池阳极流程气体的温度。
本发明的另外一个优越性是不完全氧化重整炉的结构。为了实现稳定的运行并且产生足够的氢供下游燃料电池和低辐射燃烧室使用，必须对含氧气体(即空气)和燃料气体进行适当的预热和混合。因此，采用了特殊设计的喷嘴，结合在点火后对含氧气体适当预热，可以使含氧气体和燃料气体或蒸汽在注入重整炉室后充分和均匀的混合。而且，重整炉室的设计使得注入的混合气体在与壁(最好是后壁或对面的壁)碰撞后进一步混合，这种方式如同美国专利No．5，229，536中所披露的，这里引用这些专利的内容作为参考。
对附图的简要说明
图1A为本发明实施例的剖面结构示意图，示出了主要部件以及通过各部件的工艺流程，图1B为本发明优选实施例的详细剖面图；
图2A，2B，2C，和2D为本发明的实用的喷口喷嘴结构的剖面图；
图3A和3B为本发明的重整炉室的另一实施例的剖面图；
图4A为燃料电池组的一个实施例的剖面图，图4B为图1B中沿ⅣB-ⅣB线的燃料电池的立面剖视图。
对本发明的详细叙述
参见附图，图中相同的序号标明了对应的零件，图1A为本发明的集成能源组件的主要部件配置的剖面示意图，图中还示出生产用空气，生产用燃料，以及产品气流在主要部件中的流程。如图1A所示，集成能源组件包括壳体110，在壳体中重整炉116，燃料电池118和燃烧室120组成一单体的绝热组件。下面结合附图图1B至图4B对这些部件的具体结构以及本发明的其他特点做叙述。
参见图1A，输入的空气112通过壳体110一端的进气管113进入，壳体可以是任意形状，但是为了提高效率，降低成本及简化加工制造，圆筒形的形状比较适宜。输入的空气112沿着外侧环形空间114流动，输入的空气112与一个或多个压缩弹簧124构成的阻挡板做热交换。压缩弹簧124环绕着燃烧室120被输入的空气112冷却。压缩弹簧124因冷却作用而保持部分弹力。压缩弹簧124作用在壳体110一端(最好是上端)与承压板组133之间，对燃料电池118有一机械力的作用。承压板组133最好由单独的板130，131，和132组成，下面结合图1B做详细叙述。
沿着环形空间114流动的输入空气112还通过挠性屏蔽侧壁126起到冷却燃料电池118的作用。如图1A所示，燃料电池118最好设置在燃烧室120之下。部分输入的空气112通过小孔128而转向，向燃料电池118的阴极总管提供氧气。小孔128可以设置在环形空间114顶部和底部之间的任何适当位置处，可以是任何适宜的形状，只要能够以适当的流速和输入温度使输入空气112进入并分布在燃料电池118中即可。
流过环形空间114处于燃料电池118下方的其余的输入空气112还将通过热交换壁172继续从重整炉116的产品气体中吸收热量(也就是被其预热)。输入的空气112应预热到至少1000°F，为了提高效率最好预热到1000至1800°F(或者更高)。
通过设置在壳体110任何适当位置处的导管158可将至少部分(即全部或部分)输入燃料156输送到燃料喷口160。输入的燃料可以包括任何可燃的燃料或燃料／蒸汽混合物。导管158嵌插在环形空间114中，所以输入的燃料156通过与热交换壁172(与重整炉产品气体为热接触状态)或已被预热的输入空气112接触，或者与二者同时接触，而被预热。输入的燃料156最好预热到500至1000°F。导管158的其他形式的实施例也是可行的，包括环绕环形空间114的一独立外壳或通过与热交换壁172或环形空间114中已被预热的空气接触来预热输入燃料156的其他装置。
被预热的输入空气112和输入燃料156通过喷嘴169被引入重整炉116，喷嘴169包括燃料喷口160和空气喷口22，后面将对此做详细叙述。输入的空气112和输入的燃料156在喷进重整炉116时成为混合物。本领域的一般技术人员很容易做出实现空气／燃料混合的各种喷嘴设计。后面将结合图2A，2B，2C，2D详细讨论适合的喷嘴结构的几个例子。另外，燃料和气体还可以在引入重整炉116之前就混合，这样燃料喷口和空气喷口就可以是同一个(即，喷嘴可以是一个用于燃料和空气的单一喷口)。
再参见图1A，一旦预热的输入空气112和输入燃料156通过喷嘴169被注入重整炉116，就会发生富油状态(即空气／燃料化学计量比小于大约0．8)下的不完全氧化燃烧。空气／燃料化学计量比在0．1至0．7之间比较适宜，最好在0．2至0．4之间。
空气／燃料混合物被点燃(例如，利用火花塞)，通常可获得2300-3000°F的重整温度。重整炉的产品气体流出重整炉116进入通道168，并加热与环形空间114形成热交换关系的热交换壁172。通道168中的气流速率应保持在较高的水平以加强热传导。可以通过输入口166引入水和／或蒸汽，注入通道168中的重整炉的产品气体中，输入口166可以设置在任何适宜的位置上。输入口166可以与热交换壁172形成热接触，以利于在注入通道168之前使输入口166中的水蒸发。水蒸汽使重整炉的产品气体流的温度下降。根据燃料电池的要求和产品气体稳定性的需要，重整炉的产品气体温度最好降低到大约1300°F。
未完全冷却的重整炉的产品气体流通过集电极壁31上的通孔190从通道168流入燃料电池的阳极总管，集电极壁31位于燃料电池118和重整炉116之间。在小孔128处改变方向流向燃料电池118的输入空气112进入燃料电池的阳极总管。燃料电池最好在化学计量平衡状态下工作，以便使燃料与氧气发生高效率的电化学反应，产生电能，不出现不希望有的造成污染的副作用。燃料电池118可产生直流电流，通过端子10和12可将电流引出供外部使用，端子10和12可设置在组件的任何适宜的位置处。输出的电压和电流取决于燃料电池的面积，电池的数量以及性能。
在与挠性的热传导屏蔽侧壁126接触经历一定程度的温度降之后，燃料电池118排出的阳极废气由排气口134进入燃烧室120，挠性的热传导屏蔽侧壁126与温度相对较低的输入空气112处于热接触状态。阳极废气的温度大约为1500°F，还要取决于燃料电池的类型和性能，与挠性屏蔽侧壁126热传导以及输入口166喷水的程度。燃料电池118排出的阴极废气通过导管129导入燃烧室120(如图4B所示)。
后面将要详细叙述的燃烧室120最好在贫油状态(即，空气／燃料化学计量比大于大约1．1，最好大于1．4)下工作。燃烧室最好包括一热回收装置，例如热传导盘管142，将在流程中回收的和／或燃烧产生的热能输送到下游用户或装置。组件产生的废气144通过管道141(见图1B)排出***。
现在来看图1B所示的本发明的优选实施例，壳体110是绝热的以将热损失降低到最小程度，并对使用者提供外部隔热保护。可以使用各种绝热材料，包括但不局限于纤维板，泡沫材料，和／或毡，根据绝热性能以及温度适用性来选用。壳体110还包括法兰盖111，法兰盖是可拆的以便直接接触燃烧室120和压缩弹簧124。除去法兰盖111，拆除燃烧室120和压缩弹簧124后，就可以接近并拆卸燃料电池118和重整炉116。集成能源组件的独立部件的可接近性对于在必要时对部件的维护，检查和修理是很有用的。在一个实施例中，制造压缩弹簧124的材料具有这样的特性，在受热时会延伸，增加压缩力。
在这个实施例中，压缩弹簧124在法兰盖111底面和承压板组133(见图1A)最上面的承压板130之间施加一机械力的作用，承压板组133包括板130，131，和132以及挠性屏蔽侧壁126，挠性屏蔽侧壁126就象一个伸缩软管，环绕着燃料电池118，从承压板组133底面或边缘向下延伸与位于重整炉116上方的集电极壁31形成封接。在挠性屏蔽侧壁126的下端和承压板130外边缘之间最好采用密封圈密封或焊接来实现气密密封。类似的，在集电极壁31和(i)挠性屏蔽侧壁126及(ii)热交换壁172之间也采用密封圈密封或焊接来实现气密密封。在组件的运行期间，压缩弹簧124和挠性屏蔽侧壁126允许燃料电池118的热膨胀和收缩。
电绝缘板131设置在承压板130和集电极板132之间。在图1B中，集电极板132是带正电的(阴极侧)，在需要时，电池组的极性是可以反向的。与集电极板132做电气连接的正极端子10向用户提供了与燃料电池产生的电流相连接的手段。
如图1B所示，燃烧室120带有与法兰盖111连接的排气管道141，可将废气排出组件。在从壳体110上拆下法兰盖111时，排气管道141可以与法兰盖111一同拆下。排气管道141的底部与多孔表面元件14连接或接合，多孔表面元件14作为燃烧室120的底板并限定了燃烧室120的实体尺寸。表面元件14可以是受过催化的以增强自发点火的作用，或在燃烧室120中设置火花点火源(图中未示)。位于排气管道141中的可拆式热交换盘管142可回收热能供下游或外部使用。
图1B中的重整炉116的位置贴近集成能源组件的底部，与底部密封板300热绝缘，密封板300支承在组件结构底部的底板162上。火花塞174穿过底部密封板300和底板162延伸到重整炉116中，在开始重整燃烧时起到点火的作用。
壳体110可以有选择地设置带阀管路164和176，其作用是从环形空间114中排放空气和向环形空间114中补充额外的空气。这些排放管路实现了对空气流的调节，也许要通过调节空气流来控制进入重整炉116中的氧气量，预热空气112的温度，和／或重整炉产品气体和燃料电池118的冷却程度。这些都被利用来控制输入空气的温度和质量流量以便在空气喷口22处获得合适的混合物。还可在环形空间114中设置适当的传感器来控制分别安装在带阀管路164和176上的空气阀178和179。此外，壳体110还可设置一辅助输入口166，向通道168中输送蒸汽或甲烷或二者的混合物。这样，在进入燃料电池118之前能够使气体产品的组分最优化。
在图1B所示的实施例中，输入的生产用空气112通过进气管113被引入到环形空间114中，环形空间114是壳体110的内壁和(i)压缩弹簧124，(ii)挠性屏蔽侧壁126，和(iii)热交换壁172之间的空间。相对较冷的输入空气112起到冷却压缩弹簧124的作用。部分输入的空气112通过小孔128而转向，为燃料电池118提供氧气，转向的输入空气112最终流过燃料电池118，输入空气112中的氧气在燃料电池118中被消耗。一般来说，进入小孔128的预热空气的温度大约为1000-1300°F，这个温度与燃料电池的类型相关。小孔128可以设置在能够达到所需温度的任何适当位置处。可以采用沿热交换壁172向下的延伸管来提高温度。转向后的氧气被耗尽的空气流自燃料电池118排出，进入阴极排气总管238(见图4B)，最终流过导管129，绝缘板131和承压板130。使用过的空气最后进入预燃区16，再通过入口140进入燃烧室120。
在燃料电池位置的下方，未转向的输入空气112流过热交换壁172，与之进行热交换吸收其热量，进而使环形空间168中的产品气体冷却。输入的空气112因沿环形空间114流动而被预热，通过空气喷口22进入重整炉116，此时的温度大约在1000-1600°F，甚至更高。
与上面所述的空气流相同，输入的燃料156通过导管158进入组件，并且被与热交换壁172处于热连接状态的热交换表面159预热。预热的输入燃料156通过燃料喷口160注入重整炉116。同时，如上所述，预热的输入空气112通过燃空气喷口22注入重整炉116。输入的空气和燃料在注入重整炉116时开始混合，在碰撞到后壁23(图1B中所示的重整炉116的顶板)时进一步混合，后壁23对着喷口，后壁23的平面与空气和燃料的喷注方向垂直。这种方法在美国专利No．5，207，185、5，529，484以及5，441546中有详细叙述，这里引用这些专利的内容作为参考。这种设计强化了燃料和空气的混合，从而提高了燃烧效率。图1B示出了空气／燃料混合物在重整炉116中的流程路径42。导流环170有助于增加空气／燃料混合物在重整炉116中的回路循环提高燃烧和混合效率。
一旦开始在重整炉116中的燃烧，例如利用火花塞174点火，就会开始燃烧，气体的膨胀和热会使重整炉的产品气体通过重整炉入口20返回排出。在重整炉116中，燃料的不完全氧化重整通常在2300-3000°F的温度范围内进行。
在重整炉116中的不完全氧化燃烧之后，重整炉产品气体通过通道168排出并通过通孔190进入燃料电池118的阳极总管，通道168延长了重整炉116的长度。还可以在引入燃料电池118之前利用输入口166输入的水，蒸汽，甲烷或其他液体或气体对重整炉产品气体做降温处理。还可以在通道168中设置催化剂，通过输入口166将蒸汽／燃料混合物引入，促进吸热的蒸汽重整型反应，这种反应可获得所需的降温效果。在燃料电池118中，重整炉产品气体一氧化碳(CO)通过转移反应被转化为二氧化碳(CO2)和氢(H2)。燃料电池118产生的水被气化随使用过的燃料流通过位于绝缘板131和承压板130上的排气口134排出。使用过的燃料然后进入燃料分配区18，再通过多孔表面元件14进入燃烧室120。
如图1B所示，燃料电池118设有可向外部装置提供电流的端子10和12。燃料电池118产生的电能被汇集到集电极壁31，通过导电的挠性屏蔽侧壁126流入承压板130，然后再流入压缩弹簧124和位于法兰盖111上的接地端子12。接地端子12可以设置在与集电极壁31做电气连接的壳体110上任何其他适当位置处。这样电能将能够流到使用者的负载上。电子从使用者的负载进入正极端子10流到集电极板132，再从集电极板132传输回到燃料电池118。绝缘层175使正极端子10与接地的法兰盖111和承压板130之间绝缘。绝缘板131使集电极板132，承压板130和挠性屏蔽侧壁126之间电气绝缘。
燃料电池118产生的温度通常在1500-1800°F的阳极废气通过排气口134输送到燃烧室120，同样这个温度还要取决于燃料电池的类型和性能，以及与挠性屏蔽侧壁126热传导的程度。阴极废气排出燃料电池118，在大约同样的温度下通过导管129(如图4B所示)导入燃烧室120。
在燃烧室120中，来自入口40的使用过的空气和来自多孔表面元件14的使用过的燃料发生反应并燃烧放出热量，下游用户或装置可以利用热传导盘管142回收这些热量。例如，以这种方式回收的热能可以用来对水进行加热，然后使热水在住宅区或车间循环，根据需要供应热水或供热。最后，废气144通过排气管道141排出集成能源组件。
在本发明的另一个实施例中，组件是液态燃料***，可以通过管路157引入蒸汽或少量的空气，并与输入的燃料156实现预混，因此，强化了重整过程以及防止在重整炉116中形成颗粒物。
在另外一个实施例中，采用了通过导管138补充空气与导管129输送的使用过的空气混合，和／或通过导管136补充燃料与排气口134输送的使用过的空气混合的方法强化燃烧室120中的燃烧过程产生更多的热能。
在又一个实施例中，利用不同的特性或改进可以增加对一些性能的控制，如预热温度，流程的冷却，湿度以及过程的化学计量成分／比例等。这些特性或改进的例子包括：(i)通过进气管113补充空气和／或通过空气阀178和／或空气阀179排出部分输入的空气112，以强化对燃料电池118的冷却效果(由于空气是通过小孔128进入燃料电池的，这一措施还能够对预热温度有更好的控制)，(ii)通过空气阀178向组件中补充空气，以强化对通道168排出的重整炉产品气体的冷却效果或对进入重整炉116的空气的预热温度实现更好的控制，(iii)通过空气阀179补充或排出空气，实现对重整炉空气预热温度和重整炉的化学计量比例的更佳控制，以及(iv)通过空气阀178和179排出空气，并通过导管138将这些空气重新注入组件中，以加强热回收提高整体效率。总之，通过控制一个或多个参量可优化集成能源组件的性能，控制方式为利用一个或多个阀，导管或进气口控制至少一个流程强化因素，流程强化因素可以是但不局限于含氧气体，可燃燃料，水(或蒸汽)，二氧化碳，或空气。可控制的参量包括输入的气体，输入的燃料，喷口喷出的燃料，喷口喷出的气体，重整炉的产品气体，燃料电池的输入气体，阳极废气，阴极废气，燃烧室的输入气体以及燃烧室的废气。能改善本发明集成能源组件的效率和性能的其他特性及改进对于本领域的技术人员是显而易见。
参见图2A，该图为本发明中实用的同轴喷嘴169放大剖面图。导流环170在重整炉116入口处构成了重整炉入口20，在喷口160和22末端的流动方向上导流环170的厚度最好在二分之一英寸至三英寸。在这种喷嘴设计中，燃料喷口160构成了同轴喷嘴的内侧空腔，空气喷口22构成了同轴喷嘴的外侧空腔。输入的燃料可以是任何适宜的液体或气体燃料，包括但不局限于天然气，乙醇，甲醇，汽油，煤油，甲烷，以及这些燃料与蒸汽的混合物。两个喷口22和160最好在喷嘴端部27等长度。由于这种结构，由喷嘴端部27喷出的流体在燃烧之前会自行混流，加强空气／燃料的混合。另外，燃料喷口160和空气喷口22的喷嘴端部27最好与图2A所示的重整炉入口20处于同一平面或略低。需要时，可以调整喷嘴端部27的位置以实现不同的反应特性。重整炉产品气体的流动如箭头所标明。由导流环170确定的重整炉入口20应有足够大的尺寸以免妨碍燃料和空气的注入。
参见图2B，可以看到，喷嘴是由同心管23和24以及中心杆25构成，最好是利用空气喷口22输送空气，利用燃料喷口160输送燃料，当然交替变换的组合也是可行的。中心杆25的存在有利于喷嘴末端27处的气体混合。
在图2C的实施例中，利用带有中心燃料通路33的芯棒25取代了中心杆25。反射器29的位置在燃料通路33轴线上构成了发散的燃料出口37。反射器29可由跨接在燃料出口37上的斜杆(图中未示)支承。对于这种结构，最好利用喷口180输送蒸汽／燃料混合物，利用空气喷口22输送空气，尽管它们可以互相交换。利用反射器29，通过适当选择管23和24的直径尺寸，以及适当蒸汽的压力，在蒸汽流过燃料出口37时这种结构可在燃料输入通道产生抽吸作用，进而强化混合效果促进喷嘴出口处的气化。反射器29也可以采用带顶盖的管来制造，并带有作为燃料出口37的孔。也可以在管24上加工出孔，在将空气和燃料注入重整炉116之前混合。
在图2D的实施例中，中心杆25由环绕火花塞402的管400构成，火花塞402取代了图1B所示的火花塞174。火花塞402由导电杆404和不导电的绝缘套406组成。采用密封环408作为压力密封。
参见图3A，图中所示为反应器室54的另一个实施例，反应器室54的内部56为燃烧区，反应器室54带有螺旋管62，输入管58向螺旋管62中注入燃料气体，输入管60向螺旋管62中注入含氧气体。燃料和含氧气体在流过螺旋管62时被加热形成充分混合的混合物，然后通过输出管64注入室56中。气体直接碰撞到后壁66而进一步混合，如图所示。火花装置74可实施点火。然后反应产物在从出口68排出之前也对螺旋管62中的内容物加热。前面所述的结构在美国专利No．5，299，536中有更加详细的叙述，这里引用该专利的内容作为参考。本领域的一般技术人员可以理解，可以很容易地利用图3A中的反应室代替图1B实施例中的重整炉116。图3A的实施例更适宜小批量生产。图3B所示为图3A结构的改进型，由于对燃料和空气的加热是分别通过螺旋管62a和62b实现的，燃料和空气流保持分离状态。另外，导流环70位置大致与输出管64同平面，以强化空气／燃料混合物在重整炉中的封闭循环。在这些实施例中，图1B中热交换壁172和159被部件58，60，62，62a和62b的壁取代。图1B中通孔190的功能被出口68取代。
一般来说，本发明的结构在应用中不受零件比例的限制，尽管燃料电池的实际的商品可能有上限。
参见图4A和4B，图4A和4B为可在本发明中实际使用的燃料电池组的两个示意图。当然，可以理解，也可以使用其他电化学转换器，只要这些转换器能够利用重整炉116产生的氢气。
而且，尽管图4A和4B所示的组装后的矩形板带有由组装后的角部与挠性屏蔽侧壁126内表面交叉形成的外部总管区域，本领域的一般技术人员很容易理解，对互相关联的管路190，134，128和129的排布进行修改后，完全可以采用带有内部总管的圆形平面电池或圆筒形排列的电池组。在图示的形式中，需要有角密封127，以将通过电池的气流分分隔开。
在图4A中，阴极板组180和阴极气体通路180a与阳极板组182和阳极气体通路182a交替排布，阳极板和阴极板之间用适宜的电解质层184和隔板302分隔开。由于反应气体温度的升高，以及阳极板的高浓度氢气和阴极板的高浓度氧气，在固体氧化物燃料电池中会发生下列反应：阳极 阴极 总反应
在燃料电池118中，电化学反应应用了电解质，电解质最好是固体氧化物或熔融碳酸盐，也可以采用其他能够导电和／或能够传导正离子或负离子(即可传导离子)的电解质层。这种燃料电池通常在1000-1800°F(600-1000°C)范围内工作。在这样的工作温度条件下，生成的水会迅速蒸发随同气体流出燃料电池。任何适合的多孔金属氧化物，导电陶瓷或金属都可以用来做电极。
由于燃烧室120是在化学计量比大于1．4的贫油状态下运行，燃料电池的阳极和阴极废气最好能够输送到燃烧室120进行燃烧。如果能够保持化学计量比大于1．4，燃烧就可以在低辐射尤其是产生的热的NOx很少的状态下进行。
可以在流向燃料电池组阳极的重整炉产品气体中加入蒸汽，以促进生成二氧化碳，氢和热能的反应。这将除去燃料电池阳极腔中的一氧化碳，因而将有害的污染物降低到最低限度。
再来看图1B，阳极废气通过排气口134排出，可在输送到燃烧室120之前与通过导管136补充的甲烷或天然气燃料混合。这一点尤其是在点火时要通过热传导盘管142输送或用户需要额外的热能时是很有用的。补充的空气可以通过导管138和入口140注入，以助于完全燃烧。阴极废气通过承压板130上的阴极排气总管238(见图4B)，进入预燃区16然后再进入燃烧室120。
集电极板132的一个面与端子10连接，穿过法兰盖111的陶瓷套管175将端子10绝缘。在集电极板132的上方是带有阳极废气排气口134的陶瓷绝缘板131。承压板130设置在绝缘板131之上。最好采用导电的不锈钢挠性屏蔽侧壁126环绕在燃料电池118周围，挠性屏蔽侧壁126既不透气也不透水，并且是弹性的以适应组件在运行期间燃料电池118的膨胀和收缩。挠性屏蔽侧壁126和燃料电池板之间利用角密封127实现电气绝缘。挠性屏蔽侧壁126带有对置的小孔128(使自空气进气口112输入的空气进入)和导管129(使阴极废气由燃料电池中排出)。
可以理解，不完全氧化重整炉产生的反应气体产品也可以同转移反应器结合利用，从而改善气体产品用于排出到大气中去或用于其他反应器。因此，可用转移反应器替代燃料电池组118。
在本发明的另外一个实施例中，利用转移反应器／氢纯化电化学反应装置代替了燃料电池118。在这样的实施例中，***的全部功能就是制备并且纯化氢气供***外部使用。在图1B所示的实施例中，小孔128与向阴极气体通路180a(见图4A)输送蒸汽的输入口166连通。阴极气体通路180a中的蒸汽压力保持在高于阳极气体通路182a中的流程气体压力，使得任何交叉泄露都是从通路180a返回阳极气体通路182a的蒸汽和／或氢气，而不会出现在其他方向上。小孔128不与空气进气口112相连。燃料电池的结构件在运行中是作为氢气浓缩器，这样就要求改进阴极板180的结构材料。这种改进对本领域的一般技术人员来说是很容易的。利用来自外部供源或电源的电流使电子流过电化学装置。例如，在固体氧化物电解质电池中会发生下列反应：
阳极
阴极
总反应 混合气体流中的H2→纯化气流中的H2
最终反应结果是促使CO／H2O转移反应成为CO2，并且使H2从阳极气体通路182a的混合气体流中移动到阴极气体通路180a中。在这个实施例中，阴极排气总管238与导管129连接，但是导管129未与预燃烧室16连通。导管129与壳体110的外部连通为其他用途或装置供应纯化并加湿的氢气。在这个实施例中，通过导管138将空气输送到电化学反应装置下游的燃烧室120，以利于转移反应器／氢纯化电化学装置通过排气口134排出的残余氢气或一氧化碳的燃烧。
在另外一个氢气制备／纯化***的实施例中，在进入小孔128之前，空气可与输入口166输送的蒸汽混合。这些混合气体进入阴极气体通路180a，在这里氧在阴极表面发生反应产生前面讨论过的推动氢气纯化过程的电势。外部电气连接被用来输出能源或补充电化学装置所需的能源。
在另外一个氢气制备／纯化***的实施例中，装置118采用的是金属和／或陶瓷扩散膜的结构，这些扩散膜对于混合气体流中的氢气是可渗透的，对于其他气体如氮气，二氧化碳，和一氧化碳等则不能渗透。这些扩散膜有两个面(即混合气体面和纯化气体面)，可利用多孔陶瓷结构做支承或无支承。由于扩散膜对于氢气是可渗透的，对于混合气体流中的其他成分是不可渗透的，只有氢气能够从混合气体一侧通过膜扩散到纯化产品气体一侧。扩散膜可以替代燃料电池的电解质层184和隔板302，阴极板180和阳极板182也可以省略。可以对阳极气体通路182a中的扩散膜表面进行表面涂层。在这个实施例中，混合气体流中氢气的分压推动氢通过扩散膜进入阴极气体通路180a的运动，纯化的氢气流过导管129流出壳体110的运动。蒸汽从输入口166进入，通过小孔128进入阴极气体通路180a。阴极气体通路180a中的蒸汽压力保持在高于阳极气体通路182a中混合气体流的压力。这些蒸汽有两个关键作用。第一个作用是使任何可能发生的交叉泄露都是从阴极气体通路180a进入阳极气体通路182a，因此可保持通路180a中产品气体的纯净度。第二个作用是利用水蒸气降低阴极气体通路180a中的氢气分压，水蒸气很容易在后续流程中通过冷凝器分离并除去。由于阳极气体通路182a中混合气体流与阴极气体通路180a中的蒸汽／纯化氢气的逆向流动，能够保持强制的氢气分压驱动力，即使在回收率很高的情况下(例如，即使不是全部也是大部分氢气被推动从阳极气体通路182a的混合气体流中流入阴极气体通路180a的纯化氢气流)。
如上所述，本发明提出了几个具有广泛应用范围的实施例，由于本领域的一般技术人员可以很方便地对结构进行缩放，针对特定的用途提供必需的热能，电能，和／或纯化氢气的输出。如上所述，在不脱离本发明精神的情况下，各种修改和等同的替代物均包括在本发明之中，本领域的一般技术人员对此都能理解。另外，在前面的叙述中使用了特定的术语来描述本发明的某个方面或元件，本领域的一般技术人员很清楚也可使用其他等同的描述性术语来替代。例如，为了方便，这里使用了“空气”这个术语来指适宜在集成能源组件中使用的任何含氧气体。而且，这里提供的例子只是为了做描述和说明，不能被看作是对权利要求范围的限定。

Claims (33)

1．一种能够将可燃燃料转换成热能和电能的集成能源组件，能源组件包括：
一外壳；
一穿过壳体延伸的燃料输入管，燃料输入管是用来输送供能源组件处理的可燃的燃料；
一穿过壳体延伸的气体输入管，气体输入管是用来输送供能源组件处理的含氧气体；
在燃烧之前对第一部分输入气体进行加热的装置；
壳体中的用来燃烧输入燃料和对第一部分气体进行加热的一不完全氧化重整炉，重整炉工作在化学计量空气／燃料比小于大约0．8的条件下，重整炉包括接受输入燃料和加热后的第一部分气体的入口以及将含氢产品气体排出到排气口的出口，入口和出口是相同的或不同的；
一端部靠近重整炉入口将输入燃料和加热后的第一部分气体注入重整炉的喷嘴，喷嘴包括燃料喷口和气体喷口，喷嘴可使注入的燃料和注入的气体与重整炉壁碰撞从而互相混合，燃料喷口和气体喷口是相同的或不同的；
壳体中的一燃料电池，燃料电池可接受并且对至少部分来自重整炉排气管的含氢产品气体和第二部分输入气体进行电化学处理并且产生热能和电能，燃料电池包括至少一个阳极，至少一个阴极，一排放阳极废气的阳极气体通路，和一排放阴极废气的阴极气体通路，阳极和阴极用电解质层分隔开；
一阴极端子和一阳极端子，阴极端子和阳极端子用来将燃料电池产生的电流输送给外部负载；和
壳体中的用于接受并且利用第三部分输入气体燃烧部分燃料电池废气并且产生热能的一燃烧室，燃烧室工作在化学计量空气／燃料比至少在大约1．1的条件下。
2．如权利要求1所述的集成能源组件，还包括在燃烧之前对输入燃料进行加热的装置。
3．如权利要求1所述的集成能源组件，还包括在重整炉中点燃燃料／空气混合物使燃烧开始的装置。
4．如权利要求1所述的集成能源组件，还包括在一个或多个阀，一个或多个阀延伸穿过壳体，对输入气体，输入燃料，注入的燃料，注入的气体，重整炉产品气体，燃料电池输入气体，阳极废气，阴极废气，燃烧室输入气体，燃烧室废气这一组参量中的至少一个进行温度、成分、和／或湿度控制。
5．如权利要求4所述的集成能源组件，其特征在于，对参量的控制是利用一个或多个阀对含氧气体，可燃的燃料，水，蒸汽，二氧化碳，和空气这一组流程强化因素中至少一个进行控制而实现的。
6．如权利要求1所述的集成能源组件，其特征在于，壳体包括一可拆卸的盖。
7．如权利要求1所述的集成能源组件，其特征在于，燃料输入管与气态燃料源连接。
8．如权利要求1所述的集成能源组件，其特征在于，气体输入管与含氧气体源连接。
9．如权利要求1所述的集成能源组件，其特征在于，加热装置包括能源组件中的一个或多个热交换壁。
10．如权利要求9所述的集成能源组件，其特征在于，至少一个热交换壁与重整炉产品气体处于热接触状态。
11．如权利要求1所述的集成能源组件，还包括穿过壳体延伸的排气管，可将废气从能源组件中引导到壳体之外。
12．如权利要求1所述的集成能源组件，还包括可回收能源组件产生的部分热能的热交换盘管。
13．如权利要求1所述的集成能源组件，还包括至少一个在壳体中的压缩弹簧，压缩弹簧在燃料电池的阴极和阳极上施加一压缩力的作用。
14．如权利要求1所述的集成能源组件，其特征在于，喷嘴是同轴的，同轴喷嘴包括两个或更多个形成内侧空腔和外侧环形空腔的同心管，其中至少一个所形成的空腔用做燃料喷口，其他空腔中的至少一个用做气体喷口。
15．如权利要求1所述的集成能源组件，其特征在于，喷嘴包括两个或更多个同心管，第一个管设置在第二个管之中，一个杆设置在第一个管中，因此在第一个管和第二个管之间形成了外侧环形空腔，在第一个管和杆之间形成了内侧环形空腔，至少一个环形空腔用做燃料喷口，其他环形空腔中的至少一个用做气体喷口。
16．如权利要求15所述的集成能源组件，其特征在于，杆包括一个同心环绕在火花点火器外侧的管，火花点火器用来点燃注入到重整炉中的燃料／气体混合物。
17．如权利要求1所述的集成能源组件，其特征在于，电解质层包括一可传导离子的陶瓷膜。
18．如权利要求17所述的集成能源组件，其特征在于，陶瓷膜也是导电的。
19．如权利要求1所述的集成能源组件，其特征在于，电解质层包括熔融的碳酸盐。
20．一种利用集成能源组件将燃料转换成电能和热能的方法，该方法包括以下步骤：
(a)将含氧的输入气体引入能源组件；
(b)将输入燃料引入能源组件；
(c)加热第一部分含氧的输入气体；
(d)通过喷嘴将输入燃料和加热后的第一部分输入气体注入重整炉，利用与重整炉壁的冲击使注入的燃料和注入的气体互相混合；
(e)在不完全氧化条件下在重整炉中燃烧注入的燃料／气体混合物生产出含氢产品气体和热能，重整炉工作在化学计量空气／燃料比小于大约0．8的条件下；
(f)在燃料电池中对重整炉生产的含氢产品气体和第二部分输入气体进行电化学处理产生热能和电能并且排放出阴极废气和阳极废气，燃料电池带有一个一个阴极和一个阳极；
(g)在燃烧室中利用第三部分输入气体燃烧阳极废气和阴极废气并且产生热能，燃烧室工作在化学计量空气／燃料比至少在大约1．1的条件下。
21．如权利要求20所述的方法，其特征在于，还包括在注入重整炉之前对输入燃料进行加热的步骤。
22．如权利要求20所述的方法，其特征在于，在重整炉中的燃烧是在化学计量的气体／燃料比在大约0．1至大约0．7的范围内进行。
23．如权利要求20所述的方法，其特征在于，在重整炉中的燃烧是在化学计量的气体／燃料比在大约0．2至大约0．4的范围内进行。
24．如权利要求20所述的方法，其特征在于，在燃烧室中的燃烧是在化学计量的气体／燃料比在大于大约1．4的条件下进行。
25．一种能够将可燃燃料转换成热能和电能的集成能源组件，能源组件包括：
一外壳；
一穿过壳体延伸的燃料输入管，燃料输入管是用来输送供能源组件处理的可燃的燃料；
一穿过壳体延伸的气体输入管，气体输入管是用来输送供能源组件处理的含氧气体；
在燃烧之前对第一部分输入气体进行加热的装置；
壳体中的用来燃烧输入燃料和对第一部分气体进行加热并且产生含氢产品气体的一不完全氧化重整炉，重整炉工作在化学计量空气／燃料比小于大约0．8的条件下，重整炉包括接受输入燃料和加热后的第一部分气体的入口以及将含氢产品气体排出到排气口的出口，入口和出口是相同的或不同的；
一端部靠近重整炉入口将输入燃料和加热后的第一部分气体注入重整炉的喷嘴，喷嘴包括燃料喷口和气体喷口，喷嘴可使注入的燃料和注入的气体与重整炉壁碰撞从而互相混合，燃料喷口和气体喷口是相同的或不同的；和
壳体中的用于接受并对重整炉排气口排出的含氢产品气体进行电化学处理分离出氢气，提供纯化氢气流的一电化学反应装置。
26．如权利要求25所述的集成能源组件，还包括在燃烧之前对输入的燃料加热的装置。
27．如权利要求25所述的集成能源组件，还包括设置在电化学反应装置下游的燃烧室，可燃烧电化学反应装置排出的氢气和一氧化碳。
28．一种在含有一氧化碳、蒸汽、和氢气的气体混合物中使氢气浓缩富集化的方法，该方法包括以下步骤：
(a)将气体混合物引入带有一个阳极和一个阴极的电化学反应器；
(b)引导气体混合物流过阳极；
(c)引导水流过阴极；
(d)使电流通过电化学反应器；
(e)通过一氧化碳／水(CO／H2O)的移动反应在阳极生成二氧化碳和氢气产品气体；
(f)在阴极生成氢气产品气体；
(g)将阳极和阴极产品气体引导出电化学反应器。
29．如权利要求28所述的方法，其特征在于，被引导流过阴极的水是蒸汽形式的。
30．一种利用对氢气是可渗透的带有第一混合气体侧和第二纯化产品气体侧的扩散膜纯化气体混合物的方法，包括引导气体混合物在第一方向上沿扩散膜第一表面流动和引导蒸汽在第二方向上沿扩散膜第二表面流动，第一方向与第二方向基本相反。
31．如权利要求30所述的方法，其特征在于，蒸汽压力大于气体混合物的压力。
32．如权利要求30所述的方法，其特征在于，蒸汽和纯化的产品气体被引入冷凝器，在冷凝器中将蒸汽与纯化的产品气体分离开。
33．一种喷注燃料和气体的喷嘴，喷嘴包括两个或多个同心布置的管，第一管位于第二管之中，一杆设置在第一管之中，因此在第一个管和第二个管之间形成了外侧环形空腔，在第一个管和杆之间形成了内侧环形空腔，至少一个环形空腔用做燃料喷口，其他环形空腔中的至少一个用做气体喷口，杆包括一个同心环绕在火花点火器外侧的管，火花点火器用来点燃注入的燃料和气体。
CN99803388A 1998-02-27 1999-02-25 集成能源组件 Pending CN1292157A (zh)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US09/032,625 US6033793A (en) 1996-11-01 1998-02-27 Integrated power module
US09/032,625 1998-02-27

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN1292157A true CN1292157A (zh) 2001-04-18

Family

ID=21865936

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN99803388A Pending CN1292157A (zh) 1998-02-27 1999-02-25 集成能源组件

Country Status (9)

Country Link
US (1) US6033793A (zh)
EP (1) EP1060533A1 (zh)
JP (1) JP2002505510A (zh)
KR (1) KR20010041370A (zh)
CN (1) CN1292157A (zh)
AU (1) AU3311499A (zh)
CA (1) CA2320761A1 (zh)
IL (1) IL138096A0 (zh)
WO (1) WO1999044252A1 (zh)

Cited By (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1303714C (zh) * 2004-06-30 2007-03-07 三星Sdi株式会社 重整器和具有其的燃料电池***
CN100464462C (zh) * 2004-02-19 2009-02-25 丰田自动车株式会社 燃料电池***和对其进行控制的方法
CN101207210B (zh) * 2006-12-21 2010-04-21 大同股份有限公司 低启动电力的燃料电池***
CN101803088B (zh) * 2007-09-13 2012-12-26 新日本石油株式会社 燃料电池***
CN104955585A (zh) * 2013-01-23 2015-09-30 开尔弗森2200有限公司 防腐剂敷抹器
CN105009338A (zh) * 2013-03-25 2015-10-28 住友精密工业株式会社 燃料电池
CN107429912A (zh) * 2015-03-30 2017-12-01 爱德华兹有限公司 用于被污染气体的焚化的辐射式燃烧器
CN112349926A (zh) * 2020-09-29 2021-02-09 中国电子科技集团公司第十八研究所 一种可快速启动的车载燃料电池***
CN113193211A (zh) * 2021-04-20 2021-07-30 内蒙古民族大学 一种氢能装置内置燃烧供热结构
TWI791611B (zh) * 2017-09-14 2023-02-11 美商博隆能源股份有限公司 使用火花點火器起動之用於固體氧化物燃料電池系統的內部點火機制

Families Citing this family (60)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5938975A (en) 1996-12-23 1999-08-17 Ennis; Bernard Method and apparatus for total energy fuel conversion systems
EP0977295A1 (de) * 1998-07-31 2000-02-02 Sulzer Hexis AG Anlage mit Hochtemperatur-Brennstoffzellen
US5985474A (en) * 1998-08-26 1999-11-16 Plug Power, L.L.C. Integrated full processor, furnace, and fuel cell system for providing heat and electrical power to a building
US6440594B1 (en) * 1999-06-17 2002-08-27 California Institute Of Technology Aerosol feed direct methanol fuel cell
DE19930872A1 (de) * 1999-07-05 2001-01-18 Siemens Ag Brennstoffzellenanlage mit integrierter Gasreinigung und Verfahren zur Reinigung des Reformergases
US6436561B1 (en) * 1999-07-21 2002-08-20 General Motors Corporation Methanol tailgas combustor control method
CA2392115A1 (en) 1999-11-17 2001-05-25 Neah Power Systems, Inc. Fuel cells having silicon substrates and/or sol-gel derived support structures
US6329091B1 (en) 2000-04-14 2001-12-11 Ford Global Technologies, Inc. Fuel reformer system for a fuel cell
US7037613B2 (en) * 2000-05-01 2006-05-02 Delphi Technologies, Inc. Temperature zones in a solid oxide fuel cell auxiliary power unit
US6887436B1 (en) * 2000-06-27 2005-05-03 Delphi Technologies, Inc. Fast light-off catalytic reformer
US6531238B1 (en) 2000-09-26 2003-03-11 Reliant Energy Power Systems, Inc. Mass transport for ternary reaction optimization in a proton exchange membrane fuel cell assembly and stack assembly
EP1368848A2 (en) * 2000-09-28 2003-12-10 Proton Energy Systems, Inc. Regenerative electrochemical cell system and method for use thereof
ES2340760T3 (es) * 2000-12-05 2010-06-09 Texaco Development Corporation Procesador compacto de combustible para producir un gas rico en hidrogeno.
KR100700184B1 (ko) * 2000-12-29 2007-03-27 주식회사 엘지이아이 연료전지를 이용한 세탁기
DE60228512D1 (de) * 2001-02-13 2008-10-09 Delphi Tech Inc Verfahren und Anordnung zur Temperatursteuerung in verschiedenen Zonen einer Hilfskrafteinheit von Festoxidbrennstoffzellen
EP1231658A3 (en) * 2001-02-13 2007-11-07 Delphi Technologies, Inc. Fuel cell waste energy recovery combustor
US6596424B2 (en) * 2001-03-30 2003-07-22 General Motors Corporation Apparatus for mixing fuel and an oxidant
US6861169B2 (en) * 2001-05-09 2005-03-01 Nuvera Fuel Cells, Inc. Cogeneration of power and heat by an integrated fuel cell power system
JP2005501711A (ja) * 2001-06-27 2005-01-20 エヌユー エレメント， インコーポレイテッド 流体処理デバイス用モジュラーマイクロリアクタアーキテクチャおよび方法
US7494731B2 (en) * 2001-12-27 2009-02-24 Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha Fuel cell power generation system
JP4000888B2 (ja) * 2002-04-09 2007-10-31 日産自動車株式会社 改質型燃料電池システム
US6739289B2 (en) 2002-04-26 2004-05-25 Caterpillar Inc Method and apparatus for providing a hydrogen enriched fuel to combustion prechamber
US7410016B2 (en) * 2002-06-24 2008-08-12 Delphi Technologies,Inc. Solid-oxide fuel cell system having a fuel combustor to pre-heat reformer on start-up
US20040081868A1 (en) * 2002-10-23 2004-04-29 Edlund David J. Distributed fuel cell network
US20040166397A1 (en) * 2002-11-08 2004-08-26 Valdez Thomas I. Cathode structure for direct methanol fuel cell
US7282291B2 (en) * 2002-11-25 2007-10-16 California Institute Of Technology Water free proton conducting membranes based on poly-4-vinylpyridinebisulfate for fuel cells
CA2415536A1 (en) * 2002-12-31 2004-06-30 Long Manufacturing Ltd. Reformer for converting fuel to hydrogen
JP4322107B2 (ja) 2003-12-17 2009-08-26 本田技研工業株式会社 燃料電池システム
DE102004033545B4 (de) 2004-07-09 2006-06-14 J. Eberspächer GmbH & Co. KG Brenner
JP4654021B2 (ja) 2004-12-22 2011-03-16 本田技研工業株式会社 多管式熱交換装置及びその製造方法
JP4598508B2 (ja) 2004-12-22 2010-12-15 本田技研工業株式会社 燃料電池システム
JP4598510B2 (ja) * 2004-12-22 2010-12-15 本田技研工業株式会社 燃料電池システム
WO2006068319A2 (en) * 2004-12-22 2006-06-29 Honda Motor Co., Ltd. Fuel cell system
US20060147771A1 (en) * 2005-01-04 2006-07-06 Ion America Corporation Fuel cell system with independent reformer temperature control
JP4859375B2 (ja) * 2005-03-04 2012-01-25 新光電気工業株式会社 燃料電池発電システム
RU2393107C2 (ru) * 2005-04-06 2010-06-27 Кабот Корпорейшн Способ производства водорода или синтез-газа
GB2436396A (en) * 2006-03-24 2007-09-26 Ceres Power Ltd Fuel Cells Stack System Assembly
KR100725253B1 (ko) * 2006-08-02 2007-06-04 (주)퓨얼셀 파워 연료전지 시스템 및 그 냉각 제어방법
CN101449413A (zh) * 2006-10-17 2009-06-03 佳能株式会社 废燃料稀释机构和具有该废燃料稀释机构的燃料电池***
US20090214905A1 (en) * 2007-01-08 2009-08-27 California Institute Of Technology Direct methanol fuel cell operable with neat methanol
US7660108B2 (en) * 2007-01-25 2010-02-09 International Business Machines Corporation Apparatus for positioning electronic component modules within an equipment chassis
DE102007011793A1 (de) * 2007-03-12 2008-09-18 Mtu Cfc Solutions Gmbh Dichtungsvorrichtung für eine Brennstoffzellenanordnung
JP5231897B2 (ja) * 2008-08-22 2013-07-10 トヨタ自動車株式会社 燃料電池モジュール
US20110008700A1 (en) * 2009-07-08 2011-01-13 Fuelcell Energy, Inc. Fluid diverter for a fuel cell system
JP5645375B2 (ja) * 2009-07-17 2014-12-24 三菱重工業株式会社 コンバインド発電システム
ITCO20100037A1 (it) * 2010-07-26 2012-01-26 Giacomini Spa "sistema di produzione di energia da idrogeno, in particolare per abitazioni"
JP2011029201A (ja) * 2010-10-04 2011-02-10 Kyocera Corp 燃料電池及び燃料電池の運転方法
AT15137U1 (de) * 2013-02-04 2017-01-15 Avl List Gmbh Brennstoffzellensystem, welches mit Kohlenwasserstoffen betreibbar ist
AT513913B1 (de) * 2013-02-04 2016-12-15 Avl List Gmbh Brennstoffzellensystem, welches mit Kohlenwasserstoffen betreibbar ist
AT513912B1 (de) 2013-02-04 2016-08-15 Avl List Gmbh Energieerzeugungseinheit mit einem Hochtemperatur-Brennstoffzellenstack und einer Verdampfungseinheit
EP3065858A2 (en) 2013-11-06 2016-09-14 Watt Fuel Cell Corp. Liquid fuel cpox reformers and methods of cpox reforming
US9627699B2 (en) 2013-11-06 2017-04-18 Watt Fuel Cell Corp. Gaseous fuel CPOX reformers and methods of CPOX reforming
CN105705227B (zh) 2013-11-06 2018-09-25 瓦特燃料电池公司 液体燃料催化部分氧化重整器和燃料电池***、以及产生电力的方法
CA2929816C (en) 2013-11-06 2018-03-13 Watt Fuel Cell Corp. Chemical reactor with manifold for management of a flow of gaseous reaction medium thereto
AU2014346747B2 (en) 2013-11-06 2017-02-09 WATT Fuel Cell Corp Integrated gaseous fuel CPOX reformer and fuel cell systems, and methods of producing electricity
JP6285563B2 (ja) 2013-11-06 2018-02-28 ワット・フューエル・セル・コーポレイションＷａｔｔ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｃｏｒｐ． 構造成分としてペロブスカイトを有する改質器
US9531020B2 (en) * 2013-11-15 2016-12-27 Delphi Technologies, Inc. Method of operating a heater
US9379394B2 (en) * 2013-11-15 2016-06-28 Delphi Technologies, Inc. Heater with a fuel cell stack assembly and a combustor and method of operating
JP6470639B2 (ja) * 2015-06-10 2019-02-13 東京瓦斯株式会社 燃料電池モジュール
JP6893308B2 (ja) * 2016-04-26 2021-06-23 パナソニックＩｐマネジメント株式会社 燃料電池装置

Family Cites Families (16)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CA842127A (en) * 1970-05-19 Von Wiesenthal Peter Process and apparatus for high-temperature conversions
US3207953A (en) * 1962-11-07 1965-09-21 Hunter Incandescent ceramic electrical igniter
US3516807A (en) * 1966-04-06 1970-06-23 Texas Instruments Inc Apparatus for producing hydrogen gas by the partial oxidation of a carbonaceous fuel containing hydrogen
US3616334A (en) * 1968-07-05 1971-10-26 Gen Electric Electrically and chemically coupled power generator and hydrogen generator
US4374184A (en) * 1981-09-29 1983-02-15 Westinghouse Electric Corp. Fuel cell generator and method of operating same
US4729931A (en) * 1986-11-03 1988-03-08 Westinghouse Electric Corp. Reforming of fuel inside fuel cell generator
US4983471A (en) * 1989-12-28 1991-01-08 Westinghouse Electric Corp. Electrochemical cell apparatus having axially distributed entry of a fuel-spent fuel mixture transverse to the cell lengths
US5143800A (en) * 1990-07-25 1992-09-01 Westinghouse Electric Corp. Electrochemical cell apparatus having combusted exhaust gas heat exchange and valving to control the reformable feed fuel composition
US5047299A (en) * 1990-07-25 1991-09-10 Westinghouse Electric Corp. Electrochemical cell apparatus having an integrated reformer-mixer nozzle-mixer diffuser
US5299536A (en) * 1992-03-27 1994-04-05 David Moard Apparatus and method for decreasing nitrogen oxide emissions from internal combustion power sources
US5207185A (en) * 1992-03-27 1993-05-04 Leonard Greiner Emissions reduction system for internal combustion engines
US5441546A (en) * 1993-11-08 1995-08-15 Moard; David Apparatus and method for decreasing nitrogen oxide emissions from internal combustion power sources
DE4424599A1 (de) * 1994-07-13 1996-01-18 Abb Research Ltd Verfahren und Vorrichtung zum Betreiben eines kombinierten Brenners für flüssige und gasförmige Brennstoffe
US5498487A (en) * 1994-08-11 1996-03-12 Westinghouse Electric Corporation Oxygen sensor for monitoring gas mixtures containing hydrocarbons
US5546701A (en) * 1994-09-20 1996-08-20 Hydrogen Burner Technology, Inc. Underoxidized burner utilizing improved injectors
US5711882A (en) * 1995-09-29 1998-01-27 Membrane Technology And Research, Inc. Gas separation membrane module and process

Cited By (15)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN100464462C (zh) * 2004-02-19 2009-02-25 丰田自动车株式会社 燃料电池***和对其进行控制的方法
CN1303714C (zh) * 2004-06-30 2007-03-07 三星Sdi株式会社 重整器和具有其的燃料电池***
CN101207210B (zh) * 2006-12-21 2010-04-21 大同股份有限公司 低启动电力的燃料电池***
CN101803088B (zh) * 2007-09-13 2012-12-26 新日本石油株式会社 燃料电池***
CN104955585A (zh) * 2013-01-23 2015-09-30 开尔弗森2200有限公司 防腐剂敷抹器
CN104955585B (zh) * 2013-01-23 2018-04-13 开尔弗森2200有限公司 防腐剂敷抹器
CN105009338B (zh) * 2013-03-25 2017-05-17 住友精密工业株式会社 燃料电池
CN105009338A (zh) * 2013-03-25 2015-10-28 住友精密工业株式会社 燃料电池
CN107429912A (zh) * 2015-03-30 2017-12-01 爱德华兹有限公司 用于被污染气体的焚化的辐射式燃烧器
US11112110B2 (en) 2015-03-30 2021-09-07 Edwards Limited Radiant burner
CN107429912B (zh) * 2015-03-30 2023-12-22 爱德华兹有限公司 用于被污染气体的焚化的辐射式燃烧器
TWI791611B (zh) * 2017-09-14 2023-02-11 美商博隆能源股份有限公司 使用火花點火器起動之用於固體氧化物燃料電池系統的內部點火機制
US11824232B2 (en) 2017-09-14 2023-11-21 Bloom Energy Corporation Internal light off mechanism for solid oxide fuel cell system startup using a spark ignitor
CN112349926A (zh) * 2020-09-29 2021-02-09 中国电子科技集团公司第十八研究所 一种可快速启动的车载燃料电池***
CN113193211A (zh) * 2021-04-20 2021-07-30 内蒙古民族大学 一种氢能装置内置燃烧供热结构

Also Published As

Publication number Publication date
IL138096A0 (en) 2001-10-31
EP1060533A1 (en) 2000-12-20
WO1999044252A1 (en) 1999-09-02
KR20010041370A (ko) 2001-05-15
JP2002505510A (ja) 2002-02-19
US6033793A (en) 2000-03-07
CA2320761A1 (en) 1999-09-02
AU3311499A (en) 1999-09-15

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN1292157A (zh) 集成能源组件
US20020006535A1 (en) Integrated power module
US6124053A (en) Fuel cell with internal combustion chamber
US5874183A (en) Molten carbonate fuel cell and power generation system including the same
CN103311560B (zh) 固体氧化物燃料电池发电***及其电池堆
WO1997028573A1 (en) Purge gas protected transportable pressurized fuel cell modules and their operation in a power plant
CN1518780A (zh) 燃料电池堆、燃料电池***及其运作方法
US6790546B2 (en) Method of heating and humidifying at least one of a fuel stream and an oxidant stream for a fuel cell
EP2810329B1 (en) Fuel cell module
JP2004531022A (ja) 燃料電池、改質装置又は熱プラントとして動作可能な多機能エネルギシステム
WO1991011034A1 (en) Molten carbonate fuel cell power plant
WO2002069430A9 (en) Internal reforming improvements for fuel cells
JP2004207241A (ja) 空気及び燃料の流れを再循環させる燃料電池一体型ハイブリッド発電装置
CN112864438B (zh) 能够实现二氧化碳捕集的高温燃料电池耦合发电***及方法
TW201409818A (zh) 固態氧化物燃料電池熱工元件整合裝置
EP2842190A1 (en) Fuel cell module with heat exchanger
KR20050056228A (ko) 연료 전지 시스템 및 그 방법
CN113903949A (zh) 一种mw级固体氧化物燃料电池发电***的热区结构及其运行方法
US6942940B2 (en) System for generating electricity
CN111336510B (zh) 一种多孔介质燃烧和燃料电池多级耦合能源***
CN113091029B (zh) 一种氢燃料无焰催化燃烧膜反应生产高质量水蒸汽的方法
CN215001629U (zh) 用于发电***的尾气燃烧装置和发电***
EA013775B1 (ru) Система топливных элементов с риформером и пламенным нейтрализатором
CN117239195A (zh) 一种co2零排放的sofc热电联供***及其运行方法
JP2024062068A (ja) 電解システム

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
C02 Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001)
WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication
REG Reference to a national code

Ref country code: HK

Ref legal event code: WD

Ref document number: 1036525

Country of ref document: HK