燃料电池之类的电化学装置直接将源自燃料的化学能转化成电 能。电化学装置中的主要部件是一系列其表面上布置了电极的电解质 单元、一系列布置在电解质单元之间提供串联电连接的内部连接器。 电解质单元具有与其相对两侧连接的燃料和氧化剂电极。每个电解质 单元都是离子阻抗低的离子导体，由此在转换器的操作条件下允许离 子物质从一个电极-电解质界面传递到相对的电极-电解质界面上。 在该转换器中可使用各种电解质。例如，用氧化镁、氧化钙或者氧化 钇之类的化合物稳定了的氧化锆能满足在高温(一般为1000℃左右) 操作时的这些要求。电解质物质利用氧离子携载电流。电解质不应当 传导电子，否则会引起转换器短路。另一方面，内部连接器必须是良 好的导电体。反应气体、电极和电解质的相互作用发生在电极-电解 质的界面上，这就要求电极有足够多的孔足以引入反应气体物质，并 排出产物。在将例如为氢气的燃料引到燃料电极上方、将例如为空气 的氧化剂引到氧化剂电极上方时，就会起动电化学反应，通过电极和 电解质发出电。电化学装置还有管状或平面结构。
可以选择的是，电化学装置能在电解槽模式下工作，此时电化学 装置消耗电力和输入反应物，产生燃料。
当电化学装置在燃料电池模式下进行燃料-电的转化时，会产生 废能，应当对它们进行适当处理，以维持电化学装置的正常工作温度， 同时提高能量系统的总效率。相反，当该装置在电解槽模式下进行电 -燃料的转化时，必须为电解质提供维持其反应的热。
另外，在将该装置用于重整燃料时，它要求热能交换。因此为正 常工作和效率目的而进行的电化学装置的热管理很重要。
在可选择的能量系统中，例如在采用电化学装置的能量系统中， 与烧煤或油的发电设备之类的以燃烧为基础的传统能量系统相关的环 境和政治问题越来越成为焦点。尽管电化学装置相对传统能量系统具 备显著优点，但还没有发现电化学装置得到广泛应用。例如，与传统 能量系统相比，燃料电池之类的电化学装置比较经济，不产生污染。 因此，电化学能量装置能够得益于辅助性的发展，相对传统能量系统 而言，能让它们的优点最大化，同时增加了它们广泛应用的可能性。
燃气轮机电力系统之类的传统能量装置已经存在，并已为人们所 公知。现有的燃气轮机电力系统包括压缩机、燃烧器、以及机械轮机， 它们通常串联连接，例如沿同一轴线连接。在传统的燃气轮机中，空 气进入压缩机，并以理想高压排出。该高压气流进入燃烧器，在此它 与燃料反应，并被加热到选定的高温。然后该热气流进入燃气轮机， 绝热膨胀，从而做功。该普通型燃气轮机的一个缺点在于，轮机通常 以较低的系统效率工作，对于兆瓦容量的系统而言，该效率约为25％。
因此该技术领域需要一种高性能的能量系统。特别是，采用电化 学装置的改进电力系统和采用了能提高工作效率、又能增强系统安全 性的结构的传统能量装置将为工业带来重要进步。
发明概述
本发明通过提供一种在收集容器内安装重整炉、燃料电池和热控 制堆并能监测系统操作安全性的方法和装置，从而获得了前述和其它 目的。依照本发明，化学转换器和热控制堆与诸如燃气轮机组件的联 合发电装置或底部装置连接，构成能量系统。
本发明的能量系统包括：收集容器，在收集容器中布置的一个或 多个化学转换器，与化学转换器热力连通且布置在收集容器内的热控 制堆，将反应物传送到化学转换器或者热控制堆的传送装置，以及一 个或多个与收集容器耦合、用于监视系统参数以保证系统正常工作的 传感器。
依照一个方面，本发明包括一个气体传感器，用以检测系统所产 生的废气中的一种或多种组分。例如，气体传感器可以是检测废气中 氧含量的氧传感器。
依照另一方面，传感器可以是用于检测热控制堆之类的系统部件 的热状态的紫外线(UV)或红外线(IR)传感器。
依照再一方面，该系统包括一个混合器，用于将蒸汽之类的重整 剂与导入重整炉之前的输入燃料混合起来。
依照另一方面，化学转换器可以是燃料电池、重整炉或者二者都 是。依照其它方面，收集容器收集到的废气与燃气轮机组件之类的底 部装置结合。
附图的简要说明
由以下说明和附图将使本发明的前述以及其它目的、特征和优点 变得明显，在不同的附图中，类似参考符号指代相同部件。尽管附图 不按比例，但它说明了本发明的原理，表示相对尺寸。
图1是多功能能量系统的一个实施例的示意性方框图，它将重整 炉、燃料电池和热控制堆安在收集容器内，并采用了多个保证系统在 使用过程中的操作安全性的传感器。
图2是在根据本发明所述的化学转换器系统中使用的重整炉的一 个实施例的剖视图。
图3A-3C是图2重整炉的催化剂板和重整板的各实施例的剖视 图。
图4是根据本发明所述的具有内部重整功能的组装好的燃料电池 转换器的等距视图。
图5是可实施内部重整的燃料电池转换器的电解质部件和内部连 接件的详尽等距视图。
图6是电解质和内部连接部件的剖视装配图，贯穿它们布置了各 种处理带。
图7用曲线图示出了图2重整炉的内部连接板，它提供了吸热重 整带、吸热燃烧带和吸热燃料电池带之间的传热功能，由此产生了等 温共面温度。
图8是图1的热控制堆的可选择实施例的剖视图。
图9是采用了多块板的热控制堆的可选择实施例的剖视图。
图10是图1的热控制堆的另一实施例的侧视截面图。
图11是图10的热控制堆的剖视图。
图12A-12E是本发明能量系统的部件的各种布置方案的示意性表 示图。
图13是根据本发明所述的图1能量系统的收集容器的局部剖开的 平面图。
图14是本发明能量系统的另一实施例的示意图。
图15是根据本发明所述的混合器的示意图，它适合让重整剂与进 入图1重整炉之前的燃料混合。
图16是能量系统的一个实施例的示意性方框图，它将燃料处理 器、重整炉、热控制堆安装在收集容器内，并采用多个传感器来保证 系统使用过程中的操作安全性。
图17是一部分热电设备的示意图，它任选地与传统的发电装置、 热力应用或者直接消耗输出的热介质相连。
具体实施例的说明
图1表示依照本发明的能量系统70的一个实施例，该系统结合了 安装在收集容器120内的化学转换器系统72和诸如燃气轮机组件74 的任选底部装置。本领域普通技术人员可容易地认识到，该底部装置 是本发明的任选部件，也可以不用该部件。
燃气轮机组件从化学转换器系统72产生的废气的废热中提取机械 能。燃气轮机组件74包括压缩机76、轮机膨胀机78、和发电机84， 所有这些部件都通过轴82连在一起。轴82通过顺序串联的空间构型 将压缩机76连到轮机膨胀机78上。发电机84通过任何适当的联接方 式与轮机膨胀机78相连。燃气轮机组件74通常利用碳氢燃料工作， 价廉而清洁地发电，所述燃料例如天然气、甲醇、煤油、丙烷、汽油 和柴油燃料。尽管燃气轮机组件74示出了顺次安装在轴82上的压缩 机76、轮机膨胀机78、和发电机84，也可以采用其它顺序表示。例如， 发电机84可布置在压缩机76与轮机膨胀机78之间。另外，可将燃气 轮机组件74设置成包括多根轴，由此构成了多轴发电组件。
根据此处所用的，试图用短语“燃气轮机”和“燃气轮机组件” 涵盖各种功率尺寸、形状和速度的燃气轮机，它包括至少以50000RPM (转/分钟)的速度、通常约以70000到90000RPM之间的速度工作的 微型轮机。可从加拿大Tarzana州的Capstone Turbine公司或者加 拿大Torrance州的Allied Signal获得适用燃气轮机。
根据此处采用的，短语“底部装置”试图包括能与化学转换系统 72或收集容器120联接的任何适当结构，并且该装置适合接收来自化 学转换系统或收集容器的废气或者热能。适当底部装置的例子包括燃 气轮机组件、蒸汽轮机、其它电力系统等、或者是它们的组合、或者 是适用于直接消耗条件热介质的适配器。尽管也可以使用其它类型的 系统，根据此处所示出的，底部装置是燃气轮机。
诸如氧气或空气85的氧化剂反应物通过任何适当的流体管路进入 压缩机76，在此它被压缩并被加热，然后从中排出。然后该压缩后的 高压热空气86进入诸如同流换热器之类的热交换器188，在此它进一 步被轮机膨胀机78排出的轮机废气184加热。可以选择的是，可让部 分或所有高压热空气86与燃料90混合，接着将它们送到化学转换系 统72进行重整。本领域普通技术人员可以认识到，在所示的系统70 中可以采用任何适宜数量的流体调节装置来调节一股或多股系统流 体，以便调节输送给它们的流体，或调节或调整一个或多个系统部件 的工作参数，其中这些系统部件例如化学转换系统72和燃气轮机组件 74。
根据此处所采用的，试图让术语“热交换器”或者“热交换元件” 包括被设计为或适合在两种或多种流体之间产生热交换的任何结构。 不管安装在燃气轮机组件内部还是外部，适用于本发明的适当热交换 器类型的例子都包括同流换热器、辐射热交换器、逆流热交换器、交 流换热器等。
在所示能量系统70中，诸如水之类的重整剂和燃料90被导入化 学转换器72。具体而言，重整剂88一开始要通过任选的预处理加工段 92，以便在导入系统的其余部分之前，从中除掉不需要的阳离子或阴 离子之类的离子，同时滤掉水。然后将处理后的重整剂送到热回收蒸 气发生器(HRSG)94之类的热能源，将处理后的水转化成蒸气。HRSG94 利用从同流换热器188排出的轮机废气，加热水以产生蒸汽。然后将 重整剂导入化学转换系统72的重整炉110中。如图所示，可将HRSG 安在收集容器120外部，或安在收集容器内。在该结构中，如果将水 或空气用作重整剂，就通过化学转换系统72的一个或多个部件提供将 水转化成蒸汽、或者将空气加热到适宜温度所需的热能。
按照此处所用的，术语“重整剂”试图包括足能通过直接或间接 方式将第一化学物质转化或变成另一化学物质的任何试剂。适用于本 发明的重整剂的例子包括：水，空气，二氧化碳或者它们的混合物， 在存在化学处理器的情况下，利用它们将燃料转化成例如氢和CO之类 的反应物质。
同样，燃料反应物90通过任选的预处理加工段96，该加工段96 包括脱硫单元、蒸汽重整炉、和/或转移反应器，用以从燃料90中除 掉有害的元素或杂质，例如硫成分。由于有害的硫达到足够量会让化 学转换系统72的燃料电池“中毒”，因此除硫很重要。具体而言，已 知道，在碳氢燃料之类的燃料中存在硫会通过破坏燃料电池内存在的 燃料电极的镍催化剂的催化活性而让该催化剂中毒。该硫-敏感度既 存在于低温燃料电池中，又存在于高温燃料电池中。本领域普通技术 人员可容易地认识到，燃料预处理可在系统70内的其它位置进行，或 者在燃料通过时，由该化学转换系统72的燃料电池进行预处理。处理 后的燃料99a进入压缩机98，在此它们受到压缩。然后任选的是，让 处理后的燃料99a在进入化学转换系统72之前，以氧化重整方式与空 气反应物混合。在该实施例中，空气用作重整剂，因此不必使用水88。 另外，任选的是，可在自动热重整过程中让处理后的燃料99a与空气 和水混合。将燃料和水或/与空气导入化学转换系统72的重整炉110 中，以便把燃料重整成富氢燃料。
能量系统70还包括任选混合器176，它布置在收集容器120内， 并被设置成能在处理后的燃料99a进入重整炉110之前让该燃料以蒸 汽重整方式与水88混合(或者以氧化重整方式与空气85混合，或者 以自动热重整方式与水和空气混合)。依照一种实施方式，通过让水、 氧、二氧化碳或它们的混合物在重整炉110内与其它适宜的、例如下 面描述的化学物质反应，产生氢和一氧化碳，由此实现碳氢燃料的重 整。在蒸汽重整过程中，可通过让燃料与重整剂(蒸汽)混合来加热 燃料。因此，为了避免蒸汽与较冷的燃料混合而偶然冷凝，要在蒸汽 到达与燃料的混合点之前让蒸汽过热。但是，混合器176能避免偶然 让燃料高温分解，从而产生有害的积碳，例如大约在700℃温度下使用 天然气时产生的那种积碳。所示混合器176通过在供应或混合区域采 用蒸发之前的液态蒸汽(水)来实现该目的。
参照图1，所示系统70包括收集容器120，用以罩住化学转换系 统72。化学转换系统72包括一个或多个重整炉110之类的化学转换 器、燃料电池112、和/或热控制堆116。所示重整炉110位于收集容 器120内，用以容纳处理后的重整剂88和处理后的燃料90。所示重整 炉110在存在重整剂的条件下对燃料进行重整，产生较纯的燃料。此 外，燃料电池利用选定燃料物质的化学势，例如氢或者一氧化碳分子 的化学势，除了产生氧化分子外还产生电能。由于供应分子氢或一氧 化碳的成本比供应传统矿物燃料成本高，因此可利用重整炉将煤、天 然气、甲醇、煤油、丙烷、汽油和柴油之类的矿物燃料转化成氢和一 氧化碳含量高的反应气体混合物。因此，就能任选地采用专用或者布 置在燃料电池内的燃料处理器，借助蒸汽、氧或者二氧化碳将矿物燃 料重整(吸热反应)成不复杂的反应气体。
图2是重整炉110的一个实施例的剖视图。重整炉110包括多块 导热板12和重整板14，它们交替叠置在一起，构成沿轴28延伸的层 叠重整结构13。重整炉包括与板12、14的内部12A、14A流体连通的 流体管路16。优选将重整炉110罩在气密的罩、壳或收集容器20内， 它们可以是收集容器120或者与收集容器120不同。所示重整炉可用 于实施蒸汽、氧化或自热重整。重整过程所需的热可借助辐射、传导 或对流方式通过碳氢燃料的局部氧化从内部供给重整炉110，或通过波 状线26所示的远程热源从外部供给重整炉110。
要由重整炉110重整的反应物通过轴向流体歧管16进入该重整 炉。反应物优选包括碳氢燃料和重整剂的混合物，所述重整剂例如空 气、氧气、水、CO2、或它们的混合物，它们既可在进入歧管16之前预 混，也可在重整炉内预混。所示重整炉110至少包括一根将燃料/重整 剂混合物输送到重整炉的歧管，而非提供输送每个气体成分的独立输 入歧管。将预混反应物导入重整炉110能使设计较为简单。
反应混合物22可通过任何适当方式进入歧管16，例如可通过流体 管路。混合物22通过在相邻的导热板12和重整板14之间形成的反应 物通道24进入重整炉内部。该通道包括通过压印形成的任意表面凹槽 或突起，它们构成了基本上连续的流体通道，该通道从歧管16延伸到 层叠重整结构13的外围表面13A。该通道还可通过利用多孔材料制成 的导热或重整板来构造，或者在它上面涂覆或设置电力重整炉催化剂 物质，这样让反应物通过重整炉。
在图3A-3C中示出了各类板布置和结构的例子。图3A表示重整 板14和导热板12的层叠布置。优选在重整板上设置重整催化材料36， 该材料与导热板12紧密接触。对所示导热板12进行压印，形成反应 物流动通道。输入反应物或反应物混合物22进入轴向歧管16，然后进 入反应物通道，在此它从层叠板重整炉外围边缘排出层叠板重整炉。
重整炉催化材料由固态或多孔材料构成。图3B表示使用多孔重整 材料时流过重整炉110的混合物。利用多孔重整材料能削弱对所示重 整炉的压印要求。
在图3C所示的另一实施例中，重整炉110包括多块层叠板38或 简单地包括一筒形结构，该筒形结构由导热材料和重整材料的复合物 制成。复合板38是通过混合散布有适当的重整材料的适当导热材料而 成。所得层叠结构以基本上类似于上面描述以及图2、3A和3B所示的 层叠重整结构13的方式操作。
本领域普通技术人员可以认识到，还存在着重整炉10的其它实施 例，例如重整板14由多孔材料构成，在它里面布置着或在它上面涂敷 着重整催化物质。利用多孔材料是该外部重整炉的一个优点，这是由 于它降低了重整系统的气密要求，同时又不牺牲效率。本领域普通技 术人员还可以认识到，可将传统类型的反应床重整炉或非板式重整炉 用作该化学转换系统72的一部分。
随着反应物通过反应物通道，经过或穿过重整板14，反应物混合 物就在叠置的重整结构110内完成了重整。与重整板14关联的催化剂 材料将促使碳氢燃料重整成较为简单的反应物。进入歧管16的反应物 混合物气流除了含碳氢燃料外，还包括H2O、O2和CO2。例如，可通过 催化方式将甲烷(CH4)重整成氢、水、一氧化碳和二氧化碳的混合物。
在重整炉用作蒸气重整炉时，它接收含天然气(或甲烷)、汽化 煤油、甲醇、丙烷、汽油或柴油和蒸气的反应物气体混合物。在重整 板的圆周带上设有蒸气重整催化剂。重整反应的热能优选通过导热板 12从气密罩向内径向传导。对导热板的厚度和导热性进行选择，以便 能提供充足的径向(或平面)热流，为吸热重整反应供热。导热板包 括一个一体延伸部分，它伸入轴向反应物歧管16，对输入反应物进行 预热，这将在下面作进一步详细说明。
在将重整炉用作局部氧化重整炉或自热重整炉时，它接收含天然 气(或甲烷)、或汽化煤油、甲醇、丙烷、汽油以及柴油和空气、氧 气和/或蒸汽的反应物气体混合物。在重整板的圆周带上分布着一种或 多种类型的重整催化剂。
所示重整炉110还可用于对以下反应物进行重整：例如，烷烃(链 烃碳氢化合物)、结合了醇(羟基)的碳氢化合物、与羧基结合了的 碳氢化合物、与羰基结合了的碳氢化合物、与烯烃结合了的碳氢化合 物(烯烃碳氢化合物)、与醚类结合了的碳氢化合物、与酯结合了的 碳氢化合物、与胺结合了的碳氢化合物、与芳香族衍生物结合了碳氢 化合物、以及与其它有机-衍生物结合了的碳氢化合物。
重整板14由任何适当的重整催化材料制成，它能在约200℃到800 ℃附近的温度范围内工作。可用材料类型的例子包括：铂、钯、铬、 氧化铬、镍、氧化镍、含镍化合物、以及其它合适的过渡金属及其合 金。如图3A和3B所示，重整板14还包括陶瓷支撑板，在该支撑板上 涂覆了重整材料。于是，本发明的重整板14包括任意多叠层的重整板 结构，该结构还包括能促使碳氢燃料重整成适当反应物的适当重整催 化剂。
导热板12由任何适宜导热材料构成，包括：金属，例如铝、铜、 铁、合金钢、镍、镍合金、铬、铬合金、铂；非金属，例如碳化硅； 以及其它复合材料。对导热板12的厚度进行选择，以便能在板12的 平面内维持最小温度梯度，从而为最佳的重整反应提供等温区域，并 减轻重整板14的热应力。导热板12优选形成与每块板12共面的近等 温状态。导热板12构成的等温面能在整个重整板表面上提供基本均匀 的温度和热量供应，从而提高整个重整过程的效率。
另外，导热板因反应混合物在反应物通道内的均匀分布而沿着叠 置层轴线(沿叠置重整炉13的外围表面)构成等温条件，因此可避免 沿着叠置层产生冷点或热点。该改善了重整炉10的热特性，并提高了 该系统的总体性能。根据此处所用的，术语“等温”环境或区域试图 包括温度基本恒定的情况，温度仅沿轴向或共面方向产生微小变化。 根据本发明教导，可期待至少约为50℃的温度变化。
如箭头30所示，重整后的燃料或反应产物沿叠置重整结构13的 外围部分13A排出。将反应产物、例如重整后的燃料产物从外围排放 出来能相对简单地实现反应物增多。然后排出的流体介质被气密外壳 20收集，通过排放管道32从中排出。于是气密外壳20用作外围歧管。
在可选择实施例中，反应混合物22进入由外壳20构成的外围歧 管，然后沿周缘进入叠层重整结构13。反应物径向向内流过重整板和 导热板14、12，并通过轴向歧管16排出。
能够至少从堆栈外围的重要部分、优选近乎从整个外围部分排出 重整后的反应混合物提供了一个没有气密密封或绝缘材料的暴露外围 表面。由此，本发明的重整炉110实现了紧凑、简单、精制的重整设 计。
气密罩20优选由导热材料如金属构成。在所示实施例中，气密罩 20通过辐射方式从外部热源接收热能，另外还通过辐射方式将该热能 传递给叠层结构13、接着传递给导热板12。板12通过传导方式将热 从叠层结构13的外围表面13A向内传递给反应物歧管16，从而为重整 反应提供了所需的热能。本领域普通技术人员可以认识到，罩20可与 图1的容器120分离开，并位于该容器内。
在另一实施例中，重整结构10的外表面与气密外壳的内表面接 触，这样通过传导方式将热能传递给导热板。
圆柱形结构的气密罩尤其适合高压重整操作。尽管本发明能期望 采用其它压力条件，但容器内的压力优选约介于环境大气压和50个大 气压之间。
实现反应物轴向流动分布均匀的技术如下面所述。将反应物流动 通道24设计成能保证反应物通道内的总反应物流动压降明显大于或超 过反应物歧管16内的反应物流压降。具体而言，通道24的流动阻力 明显高于轴向歧管16的流动阻力。依照一种优选实施方式，通道24 内的反应物流动压力约比歧管内的反应物流动压力高10倍。该压力差 保证了反应物沿反应物歧管16和反应物通道24以及基本上从重整炉 堆栈13的顶部到底部的轴向和水平方位均匀分布。均匀的流动分布保 证了温度环境沿重整结构10的轴线的均匀性。
依照优选实施例，层叠的重整结构13是圆柱形结构，其中板的直 径约介于1英寸到20英寸之间，厚度约介于0.002英寸到0.2英寸之 间。此处所用的术语“圆柱形”试图形容沿纵轴方向堆叠的各种几何 结构，它至少具有一根用作反应混合物管道的内部反应物歧管。
本领域普通技术人员可以理解的是，还可将其它几何结构与内部 或外部歧管一起使用，所述结构例如长方形或直线形。可将长方形结 构的板与附装的外部歧管一起堆叠起来，形成一体结构，用以供应和 收集反应物，并对反应物质进行重整。
较小尺寸的重整炉10的板12、14可设置用于紧凑的板式重整炉， 用以将碳氢燃料重整成适当的反应物质，它容易与现有的电力系统和 组件结合。所示重整炉10能通过热方式与固体氧化物燃料电池之类的 电化学装置或化学转换器结合。在将重整后的燃料导入燃料电池的特 定应用中，所需的反应热来自燃料电池产生的废热。
图4表示依照本发明优选实施例的重整炉的等距视图，在它内部 结合了电化学转换系统。所示内部重整电化学转换器40由电解质板50 和内部连接板60的交替层组成。内连接板通常是良好的热导体和电导 体。该结构中形成的孔或歧管提供了例如燃料和氧化剂气体的输入反 应物的通道。图5中，内部连接板中形成的反应物流动通道有助于这 些气体的分布和收集。
内部重整电化学转换器40的板50、60通过弹簧加压的连接杆组 件42以加压方式固定。如图5所示，连接杆组件42包括坐落于中央 氧化剂歧管47内的连接杆部件44，该连接杆部件44包括组件螺母 44A。安装在内部重整电化学转换器40两端的一对端板46提供了对交 替布置的内部连接板和电解质板50、60的叠层的均匀夹紧作用，并维 持着这些板之间的电接触，同时提供了组件内适当部位的气密封。转 换器40与图1的转换器112相同。
图4到6表示包括电解质板50和内部连接板60的电化学转换器 40的基本单元。在一个实施例中，电解质板50可由诸如稳定氧化锆材 料ZrO2(Y2O3)的陶瓷材料和氧离子导体制成，在它上面布置了多孔氧 化剂电极材料50A和多孔燃料电极材料50B。氧化剂电极材料的典型材 料是诸如LaMnO3(Sr)的钙钛矿材料。燃料电极材料的典型材料是诸 如ZrO2/Ni和ZrO2/NiO的金属陶瓷。
内部连接板60优选由导电导热的内部连接材料制成。适合制造内 部连接板的材料包括：金属，例如铝、铜、铁、合金钢、镍、镍合金、 铬、铬合金、铂、铂合金；以及非金属，例如碳化硅、La(Mn)CrO3、 以及其它导电材料。内部连接板60用作相邻电解质板之间的电连接 器，并作为燃料与氧化剂反应物之间的隔板。另外，正如下面要进一 步详细描述的，内部连接板60以传导方式在该板平面内(例如横跨表 面)传递热，形成等温表面。正如图4所示出的，内部连接板60有一 个中央孔64和一组径向朝外位于中间的、同心间隔孔64。第三组外部 孔66沿板60的外圆柱部分或外围布置。
内部连接板60表面质地粗糙。优选在粗糙表面60A上设置一系列 窝坑，这些窝坑可通过已知的压印技术来形成，它们构成了一系列连 接反应物流的通道。优选地，在内部连接板的两侧上具有所形成的窝 坑。尽管分别用选定数目的孔隙来表示中间和外部空隙组64和66，但 本领域普通技术人员能认识到，还可以采用任何数目的孔隙或分布图 形，这取决于系统和反应物流以及歧管设置的要求。
同样，电解质板50有一个中央孔52、一组中间孔54和一组外孔 56，这些孔分别设置在与内连接板60的空隙62、64和66互补的位置。
如图5所示，在电解质板50和内部连接板60之间插有反应物流 量调节元件80。流量调节元件80用作板50、60之间的流体流动阻抗， 它限制了反应物在反应物流动通道内的流动。由此，流量调节元件80 能让流动更加均匀。流量调节元件优选是金属丝网或丝网筛，但也可 以采用任何合适的设计结构，只要它能将反应物的流量限制在选定和 可确定的速率下即可。可以选择的是，可在板50和60之间插入间隔 板，或将间隔板与反应物流量元件80结合使用。
参照图5，电解质板50和内连接板60交替叠置，沿它们各自的空 隙对齐。这些空隙构成了轴向(相对叠层结构而言)歧管，该歧管为 上述电池单元提供输入反应物，并排出用过的废燃料。具体而言，中 央空隙52、62构成了输入氧化剂歧管47，同心孔隙54.64构成了输 入燃料歧管48，对齐的外孔56、66构成了废燃料歧管49。
内部连接板的外围部分没有脊或其它升高结构，这提供了它与外 部环境连通的排放口。反应物流动通道以流体流通方式将输入反应物 歧管47、48与重整炉40的外围连接起来，从而能让反应物排到转换 器外部。
内部重整电化学转换器是圆柱形结构的叠置板组件，电解质板和 导热板中至少一个板的直径约介于1英寸到20英寸之间，厚度约介于 0.002英寸到0.2英寸之间。
在图6中，本发明的内部重整电化学转换器240结合了下述附加 特征。在存在蒸汽的条件下实施内部重整操作时，该操作接收含天然 气(或甲烷)、或汽化煤油、甲醇、丙烷、汽油或柴油以及蒸汽的反 应气体混合物。蒸汽重整催化剂290分布在环形带上，所述环形带位 于电解质板250上布置的燃料电极材料250B之前。重整反应的热能通 过板260向重整带呈放射状传导。设计这些板的厚度和导热性，使其 能提供内部重整带290与外部电池带(如带250B)之间充足的放射状 热流，从而为吸热重整反应提供热能，同时预热输入反应物。
图6的内部重整过程还可通过局部氧化反应或者自热反应进行。 在该模式下，所示转换器240接收含碳氢燃料和空气、氧或/和蒸汽的 反应气体混合物，所述燃料例如天然气(或甲烷)。在电解质板250 上燃料电极250B之前的环形带内分布着一种或多种催化剂。正如图6 所示，电解质板包括容纳燃烧催化剂292的内带、容纳着促进利用水 蒸汽(蒸汽重整)和二氧化碳重整甲烷的催化剂的放射状外带290。这 些吸热重整反应的热能从燃烧带292呈径向向重整带290传导。另外 还可以结合其它反应、例如转移反应等的催化剂。对导热板的厚度和 导热性进行设计，以便让内燃烧带292与径向向外的重整带290之间 有足够的放射状热流，从而提供了吸热反应能，并预热输入的反应物。 由燃料电极250B进行的吸热燃料电池反应可补充获得热能，所述燃料 电极被表示为沿该板的直径的最外区带。
在所示的电化学转换器240中，还可在流量调节元件上设置燃料 催化剂292、重整催化剂290以及转移催化剂(还可将它们设置成由重 整催化剂290径向向外的区带)，所示流量调节元件位于电解质板与 导热板之间。重整炉利用按径向变化的比例混合的催化剂，让产物气 体的产率最大化。
上面讨论的与外部重整炉和区带相关的所有重整特征都等效适用 于该内部重整电化学转换器。例如，内连接板260可包括延伸的凸缘 部272A和272B，它们每一个都能用于预热输入的反应物。
本发明的内部重整电化学转换器240可以是固体氧化物燃料电池 之类的燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池、碱性燃料电池、磷酸燃料电 池、以及质子膜燃料电池。本发明的燃料电池优选是固体氧化物燃料 电池。本发明的内部重整电化学转换器240的操作温度优选在600℃以 上，优选约介于900℃和1100℃之间，最优选约为1000℃。
本领域普通技术人员可以理解的是，重整和燃料电极带仅代表在 将该转换器240用作重整炉的过程中发生的电化学操作的相对位置。
在本发明的另一实施例中，内部重整电化学转换器240具有任何 可取的几何结构，例如直线结构。于是叠置结构就包括长方形的电解 质板250和长方形的内部连接板260，并且它们带有连接在其外部的歧 管。可将催化和电极材料以条带形式设置到电解质板上，让其垂直于 反应物流动方向。如图6所示，燃料流224垂直于细长的区带292、290 和250B。如图7所示，内部连接板260以传导方式向吸热重整催化带 290、吸热燃烧催化剂带292、以及吸热燃料电池带250B传递热能， 从而产生基本上共面的等温条件。
图7以曲线方式描绘了输入反应物的等温条件，所述输入反应物 例如碳氢燃料和在碳氢燃料通过图6的电解质板250上方过程中由导 热板260形成的重整燃料。工作过程中燃料的温度用纵坐标表示，燃 料流方向用横轴表示。在操作时不用导热板共面传热的重整结构中， 燃料温度在波形210所指的燃料流方向上变化很大。正如所示出的， 输入的燃料首先被图6中的延伸表面272A和272B预热。当燃料温度 达到转换器240的操作温度时，预热段212将对应于燃料温度升高。 在吸热局部氧化和燃烧段214中，燃料温度进一步提高，直至燃料流 到达重整段216。吸热重整段需要大量热能来维持重整操作。然后燃料 流到燃料电池反应段218，在此燃料再次被加热，例如通过转换器240 的较热操作环境来加热。该燃料的正弦状温度曲线210降低了转换器 的总工作效率，同时将某一部件(电解质板250)暴露在不理想的热应 力中。如等温分布线220所示，将导热板(内部连接板)置于转换器 240内，会“平滑”温度曲线，从而贯穿所有操作段产生了沿着转换器 堆叠层的轴向且共面的基本上等温的温度条件。
依照一种工作模式，内部重整电化学转换器以催化方式用H2O重整 碳氢燃料，产生H2和CO，然后这些气体到达用于发电的燃料电池部分 (例如燃料电极250B)。它产生排放物质H2O和CO2。吸热燃料电池反 应的热以传导方式共面地传到导热板，用以支持吸热重整反应。
依照另一种工作模式，内部重整电化学转换器以催化方式氧化碳 氢燃料，以产生H2和CO，然后这些气体达到用于发电的燃料电池部分。 它产生排放物质H2O和CO2。吸热燃料电池反应的热以传导方式共面地 传到导热板260，以支持缓和的吸热局部氧化重整和自热重整反应。可 将内部重整电化学转换器置于为高压操作而设计的罩内，这些罩例如 收集容器120。
图4的所示电化学转换器40(或图6的240)还能进行化学转换 和生产，同时伴随着以热电联合工作方式进行发电。
依照该实施例，电化学转换器40或240适合从电源接收电力，电 力启动转换器内的电化学反应，将输入反应物中所含的选定污染物还 原成良性物质。由此，例如，电化学转换器40或240可与含选定污染 物的排放源连接，所述污染物包括NOx和碳氢物质。转换器40或240 以催化方式将污染物还原成包括N2、O2和CO2的良性物质。
参照图1和8-11，操作图1的热控制堆116，让它加热和/或冷 却使用过程中的燃料电池112。此处所用的术语“热控制堆”试图包括 所有能用作电化学转换系统72的热源或散热器或两者兼备的适宜结 构。热控制堆116还优选用作等温表面，用以沿着燃料电池112的轴 向长度降低或消除温度不均匀现象。这保留或增强了本发明化学转换 系统72的结构一体性。使用过程中，热控制堆布置在压力容器120内， 并与燃料电池热连通。热控制堆116可相对燃料电池112和重整炉110 以任何选定布置方式安装，以实现适当的系统热管理。一种适合该目 的的具体布置方式是让重整炉、燃料电池和热控制堆彼此交叉，构成 能实现理想热管理的单个收集单元。该布置方式可构成长方形或六角 形图形，或者构成任何其它适宜的二维或三维布置方案。例如，如图 12A-12E所示，化学转换系统72的诸如重整炉110、燃料电池112、 和热控制堆116之类的部件可以是四边形布置方式，例如图12A和12B 所示的正方形或长方形的交叉布置方式。可以选择的是，可将化学转 换系统72的部件布置成图12C-12E所示的六边形形状。
再次参照图1，燃料电池112产生废气115，该废气由收集容器120 来捕捉或收集。在收集容器120内还布置了与燃料电池112以热方式 结合的热控制堆116。所示热控制堆116包括能与燃料电池112对接 的任何选定结构，用以单独或结合其它温度调节结构一起控制、调整 或调节电化学转换系统72如燃料电池之类的部件的温度。本领域普通 技术人员可容易地认识到，热控制堆116既可用作系统启动时的加热 装置，又可用作所建立的系统在使用时的冷却装置或散热器。燃料电 池112和/或收集容器120可采用电源线，电源线将电化学转换系统72 产生的直流电与变换器114耦合起来。变换器114将电化学转换系统 72产生的直流电转换成交流电，接着将交流电输送到电网、蓄电装置 或耗电仪器。
热控制堆116与燃料电池112热连通，它也被设置成既能接收燃 料99b又能接收空气。热控制堆通过在存在空气的条件下让燃料燃烧， 产生预热燃料电池112所需的热，从而用作加热元件或者热源。该操 作连续进行，直到能维持适当的操作温度，一般为1000℃，由此燃料 电池112继续消耗燃料和空气，从而让这些反应物发生电化学反应， 发出电力。一旦燃料电池达到其理想工作温度，就减少或停止向热控 制堆供应燃料，且继续让空气通过，以便有助于移走燃料电池112的 热量。在该布置方案中，热控制堆用作冷却元件或者散热器，用以移 走燃料电池工作过程中产生的废热。
如图8所示，依照一个实施例，可将热控制堆116制成带有多孔 结构228的恒温结构(热交换器)227，它接收来自它周围环境(例如 来自附近的燃料电池)的辐射热。诸如氧化剂反应物之类的工作流体 244沿内部通道或储存器242流动，从内表面228A径向向外渗透到外 表面228B。工作流体244可由任何适当结构来收集，例如它可以是图 1的收集容器120，然后工作流体被输送到图1的能量系统70的其它 部分。为了保证工作流体244流速在轴向和水平方位(azimuthal)的 均匀性，就要将工作流体244透过结构228时的径向压降维持得基本 上大于工作流体流过储存器242时的压力。可在结构228内安装内部 流体分配管，用以增强流动均匀性。另外，工作流体244可从任一轴 向末端排出。
依照另一实施例，如图9所示，依照本发明的热控制堆116还可 采用多个导热板。按照所示出的，将热控制堆116设置成由一系列板 246一个堆叠在另一个顶部而构成的堆栈结构229。板246可由任何适 当的导热材料制成，例如镍和一般用于燃料电池的其它材料。中央流 体通道或储存器242与这些板相连，同时在这些板之间形成一定间隔， 从而能让工作流体244从内表面262A流到外表面262B。工作流体244 流过与板262相连的储存器242。板262的结构大体为所示的圆柱形， 或者可以是任何其它适当的几何形状，例如管形。图9的实施例在构 造等温燃料电池时特别有用。例如，通过利用电池单元之间的间隔元 件能够实现反应物的均匀流动。
图10表示适用于图1能量系统的热控制堆116的另一实施例的横 截面端视图。所示堆栈225包括三个同心的管形结构，它们优选象所 示出的那样被轴向间隔开。内腔管264具有多个在套管或管268的内 表面268A和外表面268B之间延伸的通道266。多孔套管228围绕着 内管268，并具有一个内表面228A和一个外表面228B。内表面228A 与内管268的外表面紧密地面对面接触，这样横向通道266就会与多 孔套管228流体连通。尽管可以使用任何间隔，但要将横向通道266 均匀地间隔开。
外管269或侧壁元件布置在多孔套管228和内管268周围，从而 构成了一个基本上同轴的几何结构。外管269具有内表面269A和外表 面269B。如图11所示，内管268的内腔264构成了用作工作流体244 的储存器的细长中央通道。外管的内表面269A与多孔套的外表面228B 之间的内部空间构成了基本上平行于中央通道264的第二细长通道 267。
内管268和外管269优选由金属或陶瓷之类的同一材料制成。多 孔套管结构228可以是陶瓷，它用于让工作流体从内腔扩散到外腔中。
参照图11，工作流体244流过用作储存器且沿纵轴241延伸的细 长中央腔管或通道264。当工作流体244流过储存器264时，工作流 体被迫通过横向通道266。套管228覆在横向通道266上，用以接收 流过通道266的那部分工作流体244。工作流体244径向向外透过多 孔套管228进入外腔管267，在此流体被外部热源加热或被其它结构冷 却，其中所述热源例如需要冷却的燃料电池组件或其它系统。外腔管 267内容纳的工作流体244沿外管269的内表面流动，同时吸收从外 表面269B传导过来的热。外管的外表面269B可通过与燃料电池组件 112直接接触而受热，或者通过与燃料电池112径向结合而受热。工作 流体244沿外管269的内表面269A的分布实现了工作流体244与外部 环境之间的有效热传递。通过沿内管268选择性地间隔开横向通道 266，能让第二通道267内收集的工作流体244维持恒温。恒温工作流 体244沿内表面269A的均匀分布产生了沿外管的外表面269B的等温 条件。通道尺寸和间隔取决于外管269和内管268的直径。
前述说明描绘了用作散热器时的热控制堆225。本领域普通技术人 员可以认识到，热控制堆225还可用作热源。例如，工作流体244可 包括热流体而不是冷却剂。当加热的流体流过储存器264时，热量从 外管的外表面269B传给外部环境。
还应当理解的是，通过采用沿燃料电池堆栈的长度方向均匀分布 反应物的类似结构，还可将本发明的原理用于构造等温燃料电池(以 及其它的电化学转换器)。可将电池堆栈的温度作整体调节，如果需 要，可为它提供等温条件。
对于熟练技工来说，根据此处的教导获得热控制堆的其它实施例 也是显而易见的，这些实施例包括采用一种中空的多孔圆柱体，在该 圆柱体中布置了各种形状的表面结构。表面结构由金属或陶瓷构成， 多孔圆柱体由任何适当的材料构成，它包括金属丝网筛。
再次参照图1，化学转换系统72的部件安装在所示收集容器120 内。收集容器120可以是任何适当的容器，它的大小和尺寸要能罩住 任何数目的化学转换器和热控制堆116，所述化学转换器例如重整炉 110和/或燃料电池112，而该收集容器还同时用作收集燃料电池112 和/或热控制堆116的废气的流体收集容器。收集容器可以是“正压容 器”，它试图包括被设计成可在高达10个大气压的压力下工作的容器， 或者被设计成能耐受更高的、高达1000psi的压力下工作的容器。当 与化学转换器结合使用的底部装置例如是结合了热驱动冷却器或锅炉 的HVAC系统时，低压容器很有用。例如，高压容器可用于所示能量系 统70。所示收集容器在适合基础设备的温度和压力下收集废气，而所 述基础设备例如燃气轮机组件、蒸汽轮机/发生器、热流体锅炉、蒸汽 锅炉、热驱动冷却器、HVAC系统等。
在图13中示出了优选的收集容器类型，其中收集容器120还用作 交流换热或同流换热罩，它把一系列叠置的化学转换器122封装起来。 收集容器120包括废气排出歧管124、电连接器126和输入反应物歧 管128和130。依照一种实施方式，氧化剂反应物通过歧管128导入 其内的化学转换器122，燃料反应物通过燃料歧管130导入。
化学转换器122向收集容器120内部排放废气。与结合收集容器 使用的基础设备相适应的废气压力可通过利用泵、压缩机、或者通过 利用Hsu的美国专利5948221公开和描述的鼓风机来控制，用以选择 性地向化学转换器122泵送输入反应物，并由此从中排出废气，在此 结合其内容作为参考。
正如上面所示，化学转换器可在高温、环境压力或高压条件下工 作。化学转换器优选是燃料电池系统，与美国专利4853100中公开和 描述的类似，该系统包括交叉布置的热交换器，在此结合上述专利作 为参考。
收集容器120包括与内壁138间隔开的外壁136，于是在它们之 间形成了环形空间。环形空间填充了能让容器外表面维持适当温度的 绝缘材料139。可以选择的是，环形空间可以罩住或构成与收集容器进 行热交换的热交换元件。在热交换器的一个实施例中，环形空间和壁 138、136构成了让热交换流体在其中循环的热交换套140。由壁构成 的热交换器与压力容器热交换，并有助于将外表面维持在适当温度。 当然，利用环形空间作为冷却套并不排除附加使用设置在环形空间之 外的绝缘材料，用于降低压力容器内部的热损失，或有助于将压力容 器的外表面维持在适当温度。
在本发明的一个实施例中，在诸如由壁136和138构成的冷却套 之类的压力容器热交换器内循环的热交换流体是输入反应物，例如在 歧管128内流动的空气输入反应物。附加歧管(未示出)将环形空间 与化学转换器122流体连接起来，从而能使空气输入反应物正常地导 入其中。由壁136和138构成的冷却套对空气输入反应物进行预热有 几个目的，包括通过交流换热方式捕捉废热，并对压力容器120的外 表面进行冷却，以便对空气输入反应器进行预热，这就提高了效率。
在可选择的实施例中，由绝缘体139构成内壁(而非壁138)，它 持续暴露在化学转换器产生的废气中。在该布置方案中，重要的是要 保证化学转换器122排出的任何未燃(例如易燃的)燃料气体不会在 容器腔室134内累积到潜在危险的水平。为了保证操作安全，可在化 学转换系统72工作过程中或之后为容器腔室134导入吹扫气体100。 吹扫气体100优选用空气、氮气之类的较稳定气体代替容器腔室134 和在收集容器120的壁136和绝缘体139之间形成的空间内的有害气 体。
再次参照图1，能量系统70还采用了一个或多个与收集容器120 相连的传感器，用以传感或检测该系统70的一个或多个部件的一个或 多个参数。例如，采用传感器能保证系统70的正常工作安全性。所示 系统包括一个或多个任选的热传感器170和化学传感器172，它们与收 集容器120和控制器174相连。将所示热传感器170布置成能传感或 检测收集容器120内安装的热控制堆116之类的化学转换器的一个或 多个参数。传感器170可以是红外(IR)传感器、紫外(UV)传感器， 或者是能传感或检测热控制堆的热条件的热电偶或恒温器，由此可以 判断出热控制堆116内是否存在正常燃烧或加热。传感器通过检测来 自热控制堆或热控制堆周围的火焰的辐射进行工作。辐射由热控制堆 发出，由控制器174对该信息进行关联。传感器通过检测是否存在火 焰(或热辐射)来判断是否存在正常燃烧。依照一种实施方式，为了 避免易燃燃料在收集容器120内积累到不安全水平，系统70还会在没 有火焰或不能正常燃烧时停止向热控制堆导入燃料。这可通过采用设 置在系统适当位置上的一个或多个流体调节装置实现。由此就能避免 或防止系统70的不安全操作。
能量系统70还可采用化学传感器172来传感或检测收集容器120 内收集的废气。传感器172可以是气体传感器，它适合于传感或检测 是否存在废气的一种或多种组成成分，例如氧气。传感器与控制器174 耦合，所述控制器借助任何适当装置控制着向化学转换系统72的一个 或多个部件输送一种或多种反应物(例如燃料和/或空气)。依照一种 实施方式，传感器172是氧传感器，它能检测废气中是否存在氧，以 保证在系统72内可得到充足的氧，并保证不会有未燃气体偶然从容器 中释放出来。传感器可与收集容器120相连，或相对废气流180布置， 用以检测是否存在过量氧。
此外，用传感器172检测流体成分，然后调节输送给化学转换系 统72的流体，从而通过有效而简单地避免、防止或消除收集容器内污 染物的产生和/或积累，实现了系统70内的最佳工作条件，其中所述 污染物例如碳氢化合物、一氧化碳、氮的氧化物。为了让系统正常操 作，废气中的氧浓度应当在化学计量条件以上。为了获得最佳操作， 要相对化学计量条件调节氧水平或氧浓度。典型而安全有效的条件是 将废气中的氧水平约维持在2％到4％之间，它对应于约让10％到20 ％的过量空气反应物通过系统72。氧传感器可以是任何适当传感器， 例如电化学传感器，它通过将废气中的氧浓度与周围环境中的氧浓度 作比较来确定氧分压。该传感器类型可通过商业方式从Bosch公司得 到。氧传感器都是公知和特性化的，因此在此不需要作进一步讨论。
所示能量系统70还包括一个或多个与收集容器120相连的温度传 感器178，用以检测收集容器内的选定温度。将这些传感器178设置在 能检测收集容器120、收集容器180内外的废气180、或者化学转换系 统72中诸如热控制堆116、燃料电池112、和/或重整炉110之类的一 个或多个部件的内部温度的位置。传感器178可以是任何适合检测温 度的传感器，例如热电偶。为了提供反馈回路以便能让系统70控制一 种或多种系统流体的流量、或者控制所选择系统部件的操作从而调 节、监视、检测、维持或改变系统内的温度，控制传感器178可与控 制器174相连。通过这样做，所示系统70能保证系统在某一温度范围 内运行，从而保证系统安全高效工作。
控制器174可以是任何现有的设计，例如工业分级(ladder)逻 辑控制器、微处理器、独立计算装置、与网络结构相连的计算装置、 或者任何包括适当硬件、软件和/或存储器的任何其它适当的处理装 置，用以实现对能量系统的控制。此处所用的术语“计算装置”是指 可编程或者不可编程的装置，它能以定义好的方式响应一组特定指令 和/或能执行一列预定指令。计算装置包括：一个或多个存储装置，它 能让计算装置存储，至少临时地存储数据、信息、和程序(例如RAM 或ROM)；大容量存储装置，它基本上能永久性地存储数据、信息和程 序(例如磁盘驱动器或磁带驱动器)；输入装置，通过该输入装置能 将数据和指令输入到计算装置中(例如键盘、鼠标、或输入笔)；输 出装置，用以显示或产生计算过程的结果(例如显示屏、打印机、或 红外串行或数字接口)；以及中央处理单元，它包括执行特定组指令 的处理器。
再次参照图1，收集容器120内收集的废气180通过任何适当的流 体连接部排出，最后它们进入燃气轮机组件74。除了利用燃料电池112 发电之外，燃气轮机74还通过用作基础设备而发电，从而将化学转换 系统72产生的废气和废热转化成有用电力，由此提高了能量系统70 的总效率。一般而言，由化学转换系统72排出的废气约在1000℃范围 内。拥有该温度的废气需要在进入燃气轮机组件74之前被加热或冷 却。在这些应用中，为了调节废气温度，可在收集容器120和燃气轮 机组件74之间插入第二加热或冷却结构，这些结构例如加入或混入冷 却流体的附加燃烧器或者结构，由此可让废气与燃气轮机组件的工作 条件更加匹配。在其它应用中，从化学转换系统排出的废气已经与燃 气轮机组件74非常相称，因此废气不需要再另外加热或冷却。在某些 应用中，化学转换系统72的废气温度可高于理想值。例如，尤其是在 采用较小轮机部件的燃料轮机中，输入驱动气体的温度一般约在800 -900℃的范围内。因此，从化学转换系统72排出并收集在容器120 内的废气的1000℃温度与燃气轮机组件的输入温度范围不符。所以理 想的是要对化学转换系统72的废气温度进行调节、控制或调整，使其 能与燃气轮机组件74工作时的操作要求相匹配。
由化学转换系统72产生并由收集容器120排出的废气180构成了 燃气轮机组件的驱动气体，它们最终进入轮机膨胀机78。轮机膨胀机 让废气发生绝热膨胀，将废气的热能转化成旋转能。由于可将轮机膨 胀机78、发电机84、以及压缩机76布置在一根共用轴上，因此发动 机80产生交流(AC)或直流(DC)电力，压缩机按照上述方式压缩输 入的空气反应物。本领域普通技术人员可以认识到，发动机的发电频 率至少为1000Hz，通常约为1200到1600Hz。通过整流器之类的适当 装置对发动机80发出的交流电进行整流，将交流电转换成直流电。该 直流电可在通过变换器84转换前与化学转换系统72发出的直流电合 并。另外在该布置方案中，化学转换系统72用作燃气轮机组件的外部 燃烧器，又用作系统70的基础设备。
然后轮机膨胀机78产生称之为轮机废气184的废气，这些废气进 入热交换器188。任选的是，将来自压缩机76的一部分热空气86导入 热交换器188，这些空气在此进一步被通过交换器的轮机废气184以同 流换热或者逆流换热方式加热。
从热交换器188排出的轮机废气184任选通过HRSG94，在此它还 有助于让重整剂(水)88转化成蒸汽，接着将蒸汽导入重整炉110。 然后将轮机废气排到或排入其它装置或周围环境中。
正如上面所阐明的，输入能量系统70的物质是：含氧气体，一般 是空气；燃料，一般为天然气，它主要由甲烷组成；以及重整剂88。 由此空气和燃料用作化学转换系统72的反应物。输入的氧化剂反应物 用于氧化燃料电池112内的燃料，它们被压缩机76压缩和加热。然后 经过压缩的高温高压空气86在热交换器188内被轮机膨胀机78排出 的轮机废气进一步加热。尽管含氧气体一般是空气，但它还可以是其 它含氧流体，例如消耗了部分氧气的空气、或者富氧空气。空气和燃 料反应物被电化学转换器112或热控制堆116消耗，然后产生电力和 废气，废气由收集容器120收集。
图1能量系统的优点在于，它能通过将高效而紧凑的电化学转换 器与用作基础设备或电站的燃气轮机组件直接集成在一起，从而能在 高效系统中发出电力。化学转换系统72与燃气轮机组件74的联合体 给出了总功率效率约为70％或高于70％的混合系统。与现有技术的燃 气轮机系统和现有技术的电化学系统单独所达到的效率相比，该系统 效率有显著提高。所示混合系统结合了燃料电池112之类的电化学转 换器来提供电力和高等级热能。例如，燃料电池可作为低NOx源，相 对传统的燃气轮机发电站而言，这提高了环境性能。
本发明的另一优点在于，系统将燃料电池和/或重整炉安装在带有 热控制堆的收集容器中。该结构提供了可用于各种目的的紧凑、易布 置、又能一体化的组件。
系统70采用多个传感器的另一特征在于，它们能保证系统的安全 操作，而不会在容器120收集的废气中积累有害且存在潜在危险水平 的易燃物。
存在着上述设计结构的其它变化，应认为这些变化落在本领域普 通技术人员的知识领域之内。例如，可采用一系列燃气轮机组件，或 者使用任何数量的压缩机、燃烧器和轮机。本发明还试图涵盖电化学 转换器与多种燃气轮机类型的联合体，包括：单轴燃气轮机，双轴燃 气轮机，同流换热燃气轮机，中间冷却燃气轮机，以及再加热燃气轮 机。因此本发明涵盖了结合有化学转换器和传统燃气轮机的化学能量 系统。依照本发明的一个优选实施方式，转换器可以全部或部分地代 替燃气轮机能量系统的一个或多个燃烧器。
再参照图1，一旦启动化学转换系统72工作，系统70就让吹扫气 体100通过收集容器120，对容器腔室134和隔离空间或体积132进 行吹扫，以便将进入容器的燃料限制到化学转换系统72的部件和腔室 134中。这种吹扫避免或抑制了在启动阶段未燃燃料之类的危险或潜在 危险气体在容器腔室134或隔离空间内积累。
另外在启动操作时，热控制堆116用作化学转换系统72的启动加 热器。为了引发能量系统70的启动操作，燃气轮机组件74的压缩机 76由独立电机76(未示出)或用作马达的发电机来起动。空气85受 压缩机76压缩，最后进入热控制堆116，并从收集容器120内侧排出。 如图1所示，在让空气通过热控制堆116后，将适当的燃料导入热控 制堆116。往热控制堆116输入空气和燃料受控制器174控制，从而 让容器腔室134的加热速度达到规定的加热速率，例如250℃/hr。热 控制堆116产生的热用于加热相邻化学转换器110和/或112，以便达 到燃料的自燃温度。如果需要，可让能量系统70维持在该热备用模式 下，直至必须使化学转换器110和/或120升到适当工作温度。另外在 该稳定状态条件下，可关闭吹扫气体。吹扫气体100还通过扩散或自 然对流进入在图13的隔离体139和容器壁136之间形成的空间。
化学转换系统72为了发电而装备了一个或多个燃料电池以及一个 或多个重整炉；或者为了化学制造而仅采用重整炉110。
如果需要，为了不断将化学转换器110和/或112加热到或接近它 的工作温度，控制器174不断调节导入热控制堆116的反应物。一旦 化学转换器110和/或112达到接近正常工作温度的温度、一般为1000 ℃，燃料电池112和重整炉110启动。例如，从压缩机98排出的燃料 90通过混合器176与HRSG94产生的蒸汽(对于蒸汽重整而言)混合， 产生相对简单的燃料。然后，从重整炉110排出的重整燃料与压缩空 气86一起进入燃料电池112，用以启动该燃料电池，产生所需的燃料 电池功率输出。可以选择的是，如果氧化重整是优选的，进入重整炉 110的燃料可与空气而不是与水/蒸汽混合，以产生相对简单的燃料。 一旦化学转换系统72在工作，由于热控制堆不再作为热源，因此就可 以终止向热控制堆116供应燃料。通过仅让空气在该接界处经过热控 制堆，热控制堆就因移走了燃料电池112的废热而用作集热器或散热 器。
正如上面所示出的，所示化学转换系统72产生导入燃气轮机组件 74的轮机膨胀机78的高温废气。轮机膨胀机78让高温燃料电池废气 绝热膨胀，然后产生接着为能量系统70所用的轮机废气。轮机将驱动 气体的热能转换成旋转能，接着通过发动机80让轴82旋转，产生交 流电。该交流电与化学转换系统72发出的电合并，用于后续的商业或 居住用途。
在稳态工作过程中，主空气源85顺序地通过压缩机76，如果需要 还通过热交换器188，然后进入燃料电池112，接着进入燃气轮机组件 74。能量系统70还让轮机废气通过热交换器188，以便补偿轮机废气 内存在的热能。燃料废气中的热能预热了通过热交换器的反应物。例 如，让空气85通过热交换器188通过回收轮机废气中存在的废热而预 热了空气。类似地，让轮机废气通过HRSG94，用以在水进入重整炉110 之前，将水转化成蒸汽。
本领域普通技术人员可容易地认识到，化学转换系统72，特别是 燃料电池112，可用作燃气轮机组件74的燃烧器替代品。但是，本发 明还可期待可替换的实施例，其中燃气轮机组件74包括作为燃气轮机 组件一部分的燃烧器和/或同流换热器。在燃气轮机组件74本身包括 内部燃烧器的系统设计方案中，可采用不同的启动程序来起动能量系 统70。例如，燃气轮机组件74可通过任何适当的启动马达(未示出) 来起动。因此压缩机76会形成通过燃气轮机组件的空气流。然后燃气 轮机的燃烧器根据预定的加热速率接收与空气反应的燃料。还可将热 控制堆构造成从燃料源接收燃料，并能将燃料电池112预热接近它的 工作温度。该替换系统方案的其它工作功能与上述能量系统70的相 同。
在本发明能量系统70的可替换实施例中，所示能量系统70包括 任选的热学套190，所述套布置在收集容器120周围。此处所用的术语 “热学套”试图包括适合安装在收集容器120周围并适合与收集容器 进行热交换的任何适当结构。所示冷却套190适合让空气或水之类的 选定流体从中通过。压缩机或鼓风机与热学套190相连，并适合提供 选定的压力，以便能牵引或迫使重整剂通过冷却套190。在该布置方案 中，根据具体应用，收集容器120可借助通过热学套190的空气或水 来冷却或加热。
图14表示依照本发明教导的能量系统的可替换实施例。所示能量 系统300采用燃气轮机组件302，该组件包括压缩机304、轮机膨胀机 306、以及发电机308，它们都以顺序串联的空间构型安装在轴310上。 本领域普通技术人员能容易地认识到，还可通过不同的方式将前述部 件设置到轴310上。在所示系统300中，诸如空气316之类的输入反 应物进入压缩机304，在此空气受到压缩。压缩后的空气318通过热交 换器340，然后进入收集容器320。具体而言，受热的压缩空气与例如 是燃料324的另一种输入反应物一起进入燃烧器322。燃烧器322包 括足能允许一种或多种反应物或流体通过、并在存在氧气的条件下燃 烧燃料的任何可选结构。图1和8-11的热控制堆都是适宜的燃烧器的 例子。
所示收集容器320还围住一重整炉310，该重整炉被构造成能在需 要时接收通过了第二热交换器326的燃料。诸如水之类的重整剂328 也通过热交换器326，然后进入收集容器320内的重整炉310。所示重 整剂328对重整炉310内的燃料324进行重整，从而产生相对纯的燃 料330，该燃料从收集容器320排出。然后重整后的燃料以交流换热方 式通过热交换器326。相对纯的燃料也称为重整产品，可将其传送到边 远地区用于其它目的，或者还可用于所示能量系统300。例如，燃料 330通过热交换器326，在输入燃料324和水328从该热交换器穿过 时，可对它们进行预热。
类似地，从燃烧器322排出的压缩空气318收集在收集容器320 内，然后从中排出，用作燃气轮机组件302的轮机膨胀机306的驱动 气体332。通过轮机膨胀机将气流332转换成旋转能，然后由发电机 308将其转换成电力。电力通过电线312和314引出。轮机膨胀机306 排出的废气334和/或燃烧器322排出的气流332可用于预热进入燃烧 器322之前的压缩空气318。
本领域普通技术人员可容易地认识到，通过本发明的教导能够预 料到上面所示系统的改进。例如，图1所示的化学转换系统72可布置 在收集容器320内，构成能量组件。还可将能量组件结合到许多不同 的系统中，例如美国专利5948221和美国专利6054229描述的那种类 型的供热、通风和空调(HVAC)系统，在此通过参照将它们的内容结 合进来。
图1中混合器176的一个实施例适合用于图15中所示的发明。所 示混合器176包括外壳，在外壳上形成了选定数目的口。例如，在蒸 汽重整过程中，水重整剂88进入入口196A，通过出口196B排出。然 后这些水进入热回收蒸汽发生器(HRSG)94，在此它转化成蒸汽，然 后进入口196D。外壳194还包括用于接收处理后的燃料99a、或者作 为选择用于接收未经处理的燃料的口196C，所述燃料在混合区域198 内与蒸汽混合。然后混合后的蒸汽和燃料通过口196E从混合器排出。 循环过混合器的水88要与蒸汽或燃料分离或隔离，形成与混合区域 198相邻的冷却区域，从而实现选定程度的冷却，以避免、最大程度地 减小、降低或抑制燃料通过混合器176时产生的有害裂解。本领域普 通技术人员能认识到，尽管表示成将混合器安装在收集容器内，但也 可以采用其它设置方式，例如安装在收集容器外，只要将混合器连接 成能接收重整剂和燃料反应物即可。本领域普通技术人员还可以认识 到，所示混合器适合于或可被设置成：在氧化重整过程中，能让燃料 与空气之类的氧化剂混合；在自热重整过程中能让燃料与氧化剂和蒸 汽混合。按照该方式就不必进行所选的冷却了。
图16表示本发明能量系统70的可选择实施例。类似的参考数字 始终都指代类似部件。所示能量系统70包括安装在收集容器120内的 化学转换系统72。化学转换系统72包括燃料重整转换器110和精炼重 整转换器110A。重整炉110在存在空气和/或水之类的重整剂的条件 下对燃料进行重整，产生较纯的燃料。在所示实施例中，依照氧化重 整过程，化学转换器110和110A在存在空气的条件下对燃料进行重 整。本领域普通技术人员可以认识到，可使用水重整剂或者空气与水 的混合物代替空气。重整炉产生能从收集容器120移出的重整产物或 者化学输出产物或者燃料115。所示能量系统70还设置了选定传感 器，传感器与外壳相连，或者相对外壳布置，用以保证能量系统的正 常工作。
工作过程中，所示能量系统70将一对系统反应物、例如燃料90 和空气85导入系统。空气85受压缩机76压缩，形成高压的压缩空气 86，任选的是将该压缩空气导入热交换器188，在该热交换器中压缩空 气在导入热控制堆116及化学转换器110和110A之前，从轮机膨胀机 78排出并通过热交换器的轮机废气184以同流换热或交流换热方式对 压缩空气进行加热并用作氧化重整方式下的燃料90的重整剂。
输入燃料90首先通过例如为脱硫单元的第一预处理段96，然后进 入压缩机98，在此燃料受到压缩。然后将输入燃料导入化学转换器110 和110A，在此在存在水和/或空气的条件下对燃料进行重整，重整产物 从化学输出口115排出。
输入重整剂、例如水88被引入处理单元92。所示处理单元可以是 去除水中离子的去离子单元。然后让水通过热回收蒸汽发生器94，在 此通过与化学转换系统72或从中穿过的轮机废气184相联系的热将水 转化蒸汽。然后如果需要就用蒸汽代替空气，将该蒸汽导入混合器 176，在此蒸汽用作重整剂，从而有助于在蒸汽重整方式下对输入燃料 的重整。所示转换器110和110A对燃料进行重整，产生较纯的燃料， 在输出端口115将它们从容器120中移出，以供离系统远处的地方使 用，或者用于系统的其它的地方。
与之类似，可将热控制堆116布置在收集容器120内，正如上面 所示，它适合用作启动工作过程中的热源，或者用作稳态工作过程中 的热控装置。所示热控制堆116适合根据具体的系统操作接收空气和 燃料。热控制堆116产生废气，可将这些废气与转换器110产生的废 气一起收集到收集容器120中。收集废气180从收集容器120排出， 进入构成燃气轮机组件74一部分的轮机膨胀机78。废气通过轮机膨胀 机转化成旋转能，然后又转化成电力。从轮机膨胀机排出的轮机废气 184通过热交换器188和热回收蒸汽发生器94，用以预热所选择的系 统流体。
可通过传感器170、172和178监视能量系统70的操作安全性。 传感器170可以是UV或IR传感器，它们与收集容器联接，或者相对 该容器安装，用以监视、传感或检测热控制堆是否存在选定的热条件， 例如检测是否存在火焰，从而保证正常消耗燃料。
能量系统70还采用氧传感器之类的气体传感器172，用以保证在 容器腔室内有充足的氧水平或浓度，从而避免、抑制或消除积累未燃 而又易燃的燃料的危险或风险。这保证了在腔室内存在充足且适当的 氧量。传感器178检测容器内的温度。
可将图1和16所示的能量系统70的一个或多个元件重新构造成 一个热电设备。例如，在取消了燃料源99a和混合器176时，将燃料 99b供应给热控制堆，将燃料重整转换器110和精炼重整转换器110A 用作蒸汽发生器和过热器。该情况下，输出产物115是条件热介质。 根据此处所用的，术语“热电设备”试图包括任何适合产生条件热介 质的结构。适当热电设备的例子包括蒸气发生器、蒸汽炉、热流体加 热器(循环加热系统)、气态介质加热器、以及过热器。在采用热电 设备时，所示系统可处理并提供：
高压、饱和或过热的蒸气，例如蒸汽，
循环加热应用中的热的热流体，或者
热的气体介质，例如空气。
过热蒸气、热的热流体和热空气除了能与用于发电的蒸汽轮机或 燃气轮机接合外，还具有许多商业或工业用途。
图17表示热电设备的一部分，它与各种能量装置相连，例如用于 发电的蒸汽轮机或燃气轮机，用于热应用的热交换器；或者用于直接 消耗条件热介质的适配器。
本领域普通技术人员可容易地认识到，可将化学转换系统布置成 包括任何适当数量的上述部件或者它们的组合，这些部件包括：燃料 电池，重整炉，热控制堆，重整转换器，以及热电设备。同样，按照 本发明的设想，系统72可仅包括一个或多个这样的部件。
因此可以看到，可由前述内容明显推出，本发明有效地实现了上 面阐明的目的。由于在不脱离本发明范围的情况下可以对上述结构作 出某些改变，因此试图认为前述描述所包含的或者附图所示出的所有 内容都应当解释为说明性的，而不应当解释为限制性的。
还应当理解，所附权利要求书将覆盖此处所述发明的一般和特定 特征，以及事实上将落入本发明范围内的所有陈述。
相关专利申请
本专利申请是2000年10月30日申请的、名称为“CHEMICAL ENERGY POWER SYSTEM”的美国临时专利申请60/244257的部分后续 专利申请，在此将其结合进来作为参考。