CN102132107A - 燃料电池废热发电系统 - Google Patents

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Abstract

本发明的目的是提供一种利用简单的结构来确保维护期间的安全性的高可靠性的燃料电池废热发电系统。燃料电池废热发电系统包括：热回收路径(8)，其中，由热回收管(3)使第一截止阀(16)、用于回收燃料电池(7)发电时产生的排热的热回收用热交换器(4)、第二截止阀(17)和热水存储箱(1)顺次环状连接。热回收路径用压力释放阀(18)被设置在用于连接第一截止阀(16)、第二截止阀(17)和热回收用热交换器(4)的热回收管(3)中，并且热回收路径用压力释放阀(18)被构造成当比第一截止阀(16)和第二截止阀(17)靠近热回收用热交换器(4)的热回收管(3)的内压超过预定压力时打开。

Description

燃料电池废热发电系统
技术领域
本发明涉及一种被构造成通过回收利用燃料电池的排热(exhaust heat)而产生热水的燃料电池废热发电系统(fuelcell cogeneration system)。
背景技术
被构造成通过氢和氧之间的直接反应而产生电能的燃料电池显示出高的发电效率并且排出非常少的大气污染物。因此，近年来，期待将燃料电池作为清洁的发电装置。特别地，被构造成回收利用在燃料电池的发电过程中产生的排热的燃料电池废热发电系统显示出高的总的发电效率，并且期待将燃料电池废热发电系统普及为节能设备。通常的回收利用燃料电池的排热的方法包括利用热回收用的热交换器加热热水箱中的水并且将加热后的水用作热水。
如图3所示，传统的燃料电池废热发电系统包括例如燃料电池单元21和热水存储单元22，其中，燃料电池单元21用于收纳燃料电池7和热回收用热交换器4，热水存储单元22用于收纳热水存储箱1(例如，参见专利文献1)。
如图3所示，由热回收管3顺次环状连结热水存储箱1、存储热水循环泵2和热回收用热交换器4，由此形成热回收路径8。另一方面，由冷却水管6顺次环状连结燃料电池7、冷却水循环泵5和热回收用热交换器4，由此形成冷却水路径20。
燃料电池7发电时产生的排热被冷却水回收。通过冷却水循环泵5将冷却水输送到热回收用热交换器4，在该热回收用热交换器中，来自热水存储箱1的水被加热。由存储热水循环泵2使热水存储箱1中的水循环通过热回收路径8，并且在热回收用热交换器4中被燃料电池7的冷却水等加热。其后，水被再次存储在热水存储箱1中。
为了向热水存储箱1给送水或者从热水存储箱1向外部给送热水，燃料电池废热发电系统包括给水入口管9、减压阀10、第一给水管11、第二给水管12、出水管(tapping pipe)13、混合阀14和热水给送出口管15。
水从被连接到一般的水供给管的给水入口管9经由减压阀10和第一给水管11被给送到热水存储箱1。在从热水存储箱1给送热水方面，由混合阀14使经由给水入口管9、减压阀10、第二给水管12给送的水和从热水存储箱1的上部经由出水管13给送的热水混合而具有适当温度，混合后的水经由热水给送出口管15被给送到外部。
在具有上述构造的燃料电池废热发电系统中，热水存储箱用压力释放阀19通常被布置成与热水存储箱1连通。
根据专利文献1，如下地实现热水存储箱用压力释放阀19的作用。也就是，由燃料电池7的排热使存储在具有密闭结构的热水存储箱1中的水加热膨胀，通过水的加热膨胀使热水存储箱1的内压升高。热水存储箱用压力释放阀19在预定压力释放，由此，膨胀的水的一部分溢出到外部。结果，防止了热水存储箱1的压力升高，从而能够保护热水存储箱1。
设置在燃料电池单元21和热水存储单元22之间的热回收管3通常配备有维护用的截止阀(未示出)。当对燃料电池单元21或热水存储单元22进行维护时，截止阀被关闭，从而断开热回收路径8，由此防止不期望的水泄漏。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2002-280031号公报
发明内容
发明要解决的问题
然而，在现有技术的构造中，可能忘记应该在燃料电池单元21或热水存储单元22的维护结束之后进行的截止阀的放开。在在截止阀保持关闭的状态下放置燃料电池废热发电系统时，燃料电池单元21中的热回收路径8变为封闭空间，从而，随着燃料电池7的运作，由于水的膨胀而在热回收路径8中产生异常高的压力。结果，产生对热回收路径8中的诸如管、泵和热交换器等部件造成损坏的问题。
本发明旨在解决上述问题，本发明的目的是提供一种可靠性高的燃料电池废热发电系统，该燃料电池废热发电系统能够利用简单结构来避免由于维护而产生的故障，从而确保安全性。
用于解决问题的方案
为了解决上述问题，本发明的燃料电池废热发电系统包括热回收路径，在热回收路径中，由热回收管使第一截止阀、用于回收燃料电池发电时产生的排热的热回收用热交换器、第二截止阀和热水存储箱顺次环状连接。热回收路径用压力释放阀被设置在连接第一截止阀、第二截止阀和热回收用热交换器的热回收管中。热回收路径用压力释放阀被构造成在比第一截止阀和第二截止阀靠近热回收用热交换器的热回收管的内压超过预定压力时打开。
即使在燃料电池单元或热水存储单元的维护结束之后在截止阀关闭的状态下放置燃料电池废热发电系统，热回收路径也可以在预定压力下打开。因此，可以防止在燃料电池的运作期间通过加热热回收管的内部而引起的热回收管的内压的升高。结果，可以提供一种可靠性高的燃料电池废热发电系统，该燃料电池废热发电系统确保安全性并且能够防止热回收管中的诸如路径、泵和热交换器等部件的损坏。
发明的效果
本发明能够提供一种利用简单结构而增强安全性和可靠性的燃料电池废热发电系统。
附图说明
图1是第一实施方式的燃料电池废热发电系统的示意图。
图2是第二实施方式的燃料电池废热发电系统的示意图。
图3是现有技术的燃料电池废热发电系统的示意图。
具体实施方式
在第一方面中，燃料电池废热发电系统包括热回收路径，在该热回收路径中，由热回收管使第一截止阀、构造成回收燃料电池发电时产生的排热的热回收用热交换器、第二截止阀、热水存储箱顺次环状连接，其中，热回收路径用压力释放阀被设置在连接第一截止阀和第二截止阀的热回收管中，并且热回收路径用压力释放阀被构造成在比第一截止阀和第二截止阀靠近热回收用热交换器的热回收管的内压超过预定压力时打开。
即使当在燃料电池单元或热水存储单元的维护完成之后将截止阀置于关闭状态时，热回收路径也可以在预定压力下打开。因此，可以防止热回收管的内部在燃料电池的运作过程中被加热时所引起的热回收管的内压的升高。结果，可以提供一种可靠性高的燃料电池废热发电系统，该燃料电池废热发电系统确保安全性并且能够防止热回收路径中的诸如管、泵和热交换器等部件的损坏。
在基于第一方面的第二方面中，燃料电池废热发电系统包括热水存储箱用压力释放阀，该热水存储箱用压力释放阀被构造成当热水存储箱的内压超过预定压力时打开。热回收路径用压力释放阀进行打开动作的预定压力被设定成比热水存储箱用压力释放阀进行打开动作的预定压力高。结果，可以实现如下的燃料电池废热发电系统：即使热水存储箱用压力释放阀发生故障，热回收路径用压力释放阀也可以用作双重安全装置，由此可以防止产生异常的压力升高。
在基于第一方面或第二方面的第三方面中，热回收路径用压力释放阀被构造成用作用于从热回收路径的内部排出水的排水龙头(drain cock)。可以利用非常简单的结构来进行维护时所伴随的排水和在维护期间发生异常时的压力释放。
在基于第三方面的第四方面中，热回收路径用压力释放阀在热回收用热交换器的上游侧被置于热回收管的较低区域。在维护期间，通过利用水的自重，可以从热回收管和热回收用热交换器可靠地排出水。
在基于第一方面或第二方面的第五方面中，热回收路径用压力释放阀被构造成用作排出热回收路径中的空气的放气龙头(air bleed cock)。可以利用非常简单的结构来进行水加热时所伴随的空气释放和在维护期间发生异常时的压力释放。
在基于第五方面的第六方面中，热回收路径用压力释放阀在热回收用热交换器的下游侧被设置在热回收管的较高区域中。通过利用在水加热时产生的空气的密度小的事实，可以容易地使空气从热回收管和热回收用热交换器溢出。
在基于第一方面的第七方面中，燃料电池废热发电系统至少包括用于收纳燃料电池和热回收用热交换器的燃料电池单元以及用于收纳热水存储箱的热水存储单元。热回收路径用压力释放阀被置于将燃料电池单元连接到热水存储单元的热回收管中。在释放热回收管的内压时流出的水和空气容易排出到各自单元的外部，由此防止不期望的水的保存。
虽然下面参照附图说明了燃料电池废热发电系统的实施方式，但是，燃料电池废热发电系统的与前述现有技术的构造相同的构造用相同的附图标记表示，并且省略其详细说明。燃料电池废热发电系统不应该局限于这些实施方式。
(第一实施方式)
图1是第一实施方式的燃料电池废热发电系统的示意图。
如图1所示，本实施方式的燃料电池废热发电系统包括燃料电池单元21，其用于收纳燃料电池7和热回收用热交换器4；以及用于收纳热水存储箱1的热水存储单元22，其中，热回收路径用压力释放阀18被设置在用于将燃料电池单元21连接到热水存储单元22的热回收管3中。
由热回收管3使热水存储箱1、存储热水循环泵(存储的热水的循环泵)2和热回收用热交换器4顺次环状连接，由此形成热回收路径8，其中，热回收用热交换器4被构造成回收燃料电池7发电时产生的排热。位于燃料电池单元21和热水存储单元22之间的热回收管3配备有维护用的第一截止阀16和第二截止阀17。由冷却水管6使燃料电池7、冷却水循环泵5和热回收用热交换器4顺次环状连接，由此形成冷却水路径20。
燃料电池7发电时产生的排热被冷却水路径20中的冷却水回收，并且由冷却水循环泵5将冷却水输送到热回收用热交换器4，由此加热循环自热水存储箱1的水。由存储热水循环泵2使热水存储箱1中的水循环通过热回收路径8，并且循环通过热回收路径8的水在热回收用热交换器4中被已经吸收燃料电池7的排热的冷却水加热。其后，被加热的水被再次存储在热水存储箱1中。
热回收路径用压力释放阀18被设置在热回收管3中的比第一截止阀16和第二截止阀17靠近热回收用热交换器4的位置。当热回收管3的压力超过预定压力时，压力释放阀18打开，由此将热回收管3的内压保持在预定压力水平以下。热水存储箱1被连接到热水存储箱用压力释放阀19，该热水存储箱用压力释放阀19被构造成在热水存储箱1的内压超过预定压力时打开，由此将热水存储箱1的内压保持在预定压力水平以下。
热回收路径用压力释放阀18进行打开动作的预定压力被设定成比热水存储箱用压力释放阀19进行打开动作的预定压力高。
热回收路径用压力释放阀18可以具有能够用作排出热回收路径8中的水的排水龙头的功能。
作为具有上述功能的热回收路径用压力释放阀18和热水存储箱用压力释放阀19，优选具有带两开口端的中空筒形状和用于利用弹簧力对筒中的阀体施力的结构。在该情况下，阀体由于内压的升高而与弹簧力对抗地自动移动，由此打开热回收路径8的一部分，使得内压经由筒溢出到外部。此时，如下所述，热回收路径用压力释放阀18的外周例如也可以被形成为允许螺纹接合的形状，并且热回收路径8的一部分也可以被手动打开。因此，热回收路径用压力释放阀18可移除，热回收路径用压力释放阀18可以被用排水龙头；通过移除热回收路径用压力释放阀18，从热回收管3排出水。
当热回收路径用压力释放阀18被用作排水龙头时，如图1所示，热回收路径用压力释放阀优选被布置在热回收用热交换器4的上游并且被布置在热回收管3的较低区域18A中。例如，热回收路径用压力释放阀可以被直接置于用于将位于燃料电池单元21的外部的热回收管3连接到燃料电池单元21的管接头(未示出)，或者可以被置于用于将管接头连接到布置在燃料电池单元21中的热回收用热交换器4的管的最下部位置。较低区域18A指的是当热水存储单元22和燃料电池单元21静止地布置时热回收管3的位于第一截止阀16和存储热水循环泵2之间的下侧区域。此时，优选在较低区域18A的最下部设置热回收路径用压力释放阀18。只要循环通过较低区域18A中的热回收管3的水不会由于热回收路径用压力释放阀18排出的水而处于满的状态，则不必在最下部布置排水龙头。由于热回收路径8中的水、特别是热回收用热交换器4中的水在其自重的作用下而落下。因此，可以使残留在热回收路径中的水的量最小化。此外，当燃料电池废热发电系统被用于寒冷区域时，可以防止由于冻结引起的热回收管3的破损。
为了向热水存储箱1给送水或者从热水存储箱1向外部给送水，本实施方式的燃料电池废热发电系统包括给水入口管9、减压阀10、第一给水管11、第二给水管12、出水管13、混合阀14和热水给送出口管15。
水从连接到水供给管的给水入口管9经由减压阀10和第一给水管11被给送到热水存储箱1。在从热水存储箱1给送热水方面，由混合阀14使经由给水入口管9、减压阀10和第二给水管12给送的水与从热水存储箱1的上部经由出水管13给送的热水混合，并且由热水给送出口管15将混合后的热水给送到外部。
即使在本实施方式中，与现有技术的方式相同，热水存储箱用压力释放阀19也被布置成与热水存储箱1连通。也就是说，由在预定压力打开的热水存储箱用压力释放阀19释放存储在具有密闭结构的热水存储箱1中的水的归因于燃料电池7的排热而膨胀所引起的内压的升高。由此，膨胀的水的一部分被释放到外部，以防止热水存储箱1的压力的升高，从而能够保护热水存储箱1。
与现有技术类似，介于燃料电池单元21和热水存储单元22之间的热回收管3配备有维护用的第一截止阀16和第二截止阀17。当对燃料电池单元21进行维护时，第一截止阀16和第二截止阀17被关闭，以断开热回收路径8与热水存储单元22的连接。可以防止不期望的水的泄漏。
根据本实施方式的燃料电池废热发电系统，即使在燃料电池单元21和热水存储单元22的维护结束之后忘记打开第一截止阀16和第二截止阀17而使第一截止阀16和第二截止阀17处于关闭状态，也能在预定压力打开热回收路径用压力释放阀18，由此打开热回收路径8。因此，即使热回收管3的内部在燃料电池7的运作期间加热热回收管3时经受异常高的压力，也可以防止热回收管3的内压的升高，并且可以防止热回收路径8中的诸如管、泵和热交换器等部件的损坏。
根据本实施方式的燃料电池废热发电系统，热回收路径用压力释放阀18进行打开操作的预定压力被设定成比热水存储箱用压力释放阀19进行打开操作的预定压力高。即使热水存储箱用压力释放阀19发生故障，热回收路径用压力释放阀18也能用作双重安全装置，从而能够避免热水存储箱1的内压发生异常升高。
根据本实施方式的燃料电池废热发电系统，热回收路径用压力释放阀18具有用于从热回收路径8的内部排出水的排水龙头的功能。可以利用非常简单的构造来进行维护时所伴随的排水和在维护期间发生异常时的压力释放。此外，热回收路径用压力释放阀18被布置在热回收管3的较低区域18A中并且被布置在热回收用热交换器4的上游侧。在维护期间，在水的自重的作用下，可以容易地进行从热回收管3和热回收用热交换器4排水。
根据本实施方式的燃料电池废热发电系统，热回收路径用压力释放阀18被布置在用于连接燃料电池单元21和热水存储单元22的热回收管3中。当热回收管3的内部在预定压力下开放时，水和空气溢出到燃料电池单元21和热水存储单元22的外部，从而可以防止不期望的水保存。
如上所述，根据本实施方式，可以提供一种能够利用简单结构来确保维护期间的安全性的可靠性高的燃料电池废热发电系统。
(第二实施方式)
图2是第二实施方式的燃料电池废热发电系统的示意图。
如图2所示，本实施方式的燃料电池废热发电系统与第一实施方式的燃料电池废热发电系统的不同之处在于：热回收路径用压力释放阀18用作允许热回收路径8中的空气溢出的放气龙头。本实施方式的燃料电池废热发电系统的构造和运作与第一实施方式所述的燃料电池废热发电系统的构造和运作基本上相同，因此，省略其详细说明。
如图2所示，本实施方式的燃料电池废热发电系统包括：燃料电池单元21，其用于收纳燃料电池7和热回收用热交换器4；以及用于收纳热水存储箱1的热水存储单元22。热回收路径用压力释放阀18被布置在用于连接燃料电池单元21和热水存储单元22的热回收管3中。此时，热回收路径用压力释放阀18被布置在热回收管3中的较高区域18B中并且被布置在热回收用热交换器4的下游侧。具体地，例如，热回收路径用压力释放阀18被布置在连接到燃料电池单元21中的热回收用热交换器4的出口的管的附近，这允许从热水存储箱1给送的水在竖直方向上从较低位置向较高位置流动。较高区域18B指的是当热水存储单元22和燃料电池单元21静止地布置时热回收管3的位于第二截止阀17和热回收用热交换器4之间的较高区域。此时，优选将热回收路径用压力释放阀18置于较高区域18B的最高位置。然而，只要压力释放阀被置于较高区域18B内，压力释放阀不必被特别地置于最高位置。热回收路径用压力释放阀可以用作允许热回收路径8中的空气溢出的放气龙头。
作为具有上述功能的热回收路径用压力释放阀18，与第一实施方式类似，热回收路径用压力释放阀18优选具有带两开口端的中空筒形状和用于利用弹簧力对筒中的阀体施力的结构。在该情况下，阀体由于内压的升高而与弹簧力对抗地自由移动，由此打开热回收路径8的一部分，使得内压经由筒溢出到外部。
下面说明也用作放气龙头的热回收路径用压力释放阀18的优点。
通常，少量的空气通常溶存在从热水存储箱1给送的较低温度的水中。因此，当由热回收用热交换器4加热水时，溶存的空气经常产生微细的气泡。残留在热回收路径8中的空气有时会阻碍水的流动或者会附着到热回收用热交换器4的导热面，从而使热交换性能劣化。因此，可以通过将热回收路径用压力释放阀18用作放气龙头的来解决上述问题。
本实施方式的燃料电池废热发电系统能够通过相当简单的结构来释放在水的加热过程中产生的空气，并且能够使由维护期间的异常所引起的压力溢出。通过在热回收管的较高位置设置热回收路径用压力释放阀18，空气可以容易地从热回收管3和热回收用热交换器4溢出。原因在于，在水的加热过程中产生的空气的密度比水的密度小，因此，空气趋于在热回收管中上升并且停留在较高位置。结果，可以提供可靠性高的燃料电池废热发电系统。
在本实施方式中，已经参照热回收路径用压力释放阀18也用作排水龙头或放气龙头的示例性构造和配置说明了热回收路径用压力释放阀18。然而，热回收路径用压力释放阀不限于此。例如，压力释放阀也可以仅用作热回收路径用压力释放阀18。在该情况下，热回收路径用压力释放阀18可以被布置在燃料电池单元21的内部、热水存储单元22的内部或用于连接燃料电池单元21和热水存储单元22的热回收管3内的任意位置，只要热回收路径用压力释放阀18被布置在热回收路径8中的比第一截止阀16或第二截止阀17靠近热回收用热交换器4的位置即可。
在各实施方式中已经以热回收用热交换器回收燃料电池7的排热为例说明了热回收用热交换器4。然而，热交换器不限于回收排热。例如，热回收用热交换器可以回收设置在燃料电池废热发电系统中的氢产生装置(未示出)的排气的排热或者来自燃料电池7的正极(cathode)和负极(anode)的排热。
虽然已经参照具体实施方式详细说明了本发明，但是，对于本领域技术人员来说明显的是，在不背离本发明的精神和范围的情况下，可以对本发明进行各种修改或变型。
本发明基于2009年3月24日提交的日本专利申请(特愿2009-071322)，该日本专利申请的全部内容通过引用包含于此。
产业上的可利用性
本专利申请用于诸如燃料电池废热发电系统等技术领域，该燃料电池废热发电系统利用简单结构来确保维护期间的安全性并且期望实现高可靠性。
附图标记的说明
1  热水存储箱
2  存储热水循环泵
3  热回收管
4  热回收用热交换器
5  冷却水循环泵
6  冷却水管
7  燃料电池
8  热回收路径
9  给水入口管
10  减压阀
11  第一给水管
12  第二给水管
13  出水管
14  混合阀
15  热水给送出口管
16  第一截止阀
17  第二截止阀
18  热回收路径用压力释放阀
18A，18B  区域
19  热水存储箱用压力释放阀
20  冷却水路径
21  燃料电池单元
22  热水存储单元

Claims (7)

1.一种燃料电池废热发电系统，其包括：
热回收路径，在所述热回收路径中，由热回收管使第一截止阀、构造成回收燃料电池的排热的热回收用热交换器、第二截止阀和热水存储箱顺次环状连接，
其中，热回收路径用压力释放阀被设置在连接所述第一截止阀、所述第二截止阀和所述热回收用热交换器的热回收管中，并且所述热回收路径用压力释放阀被构造成在比所述第一截止阀和所述第二截止阀靠近所述热回收用热交换器的热回收管的内压超过预定压力时打开。
2.根据权利要求1所述的燃料电池废热发电系统，其特征在于，所述燃料电池废热发电系统还包括：
热水存储箱用压力释放阀，所述热水存储箱用压力释放阀被构造成在所述热水存储箱的内压超过预定压力时打开，
其中，所述热回收路径用压力释放阀进行打开动作的预定压力被设定成比所述热水存储箱用压力释放阀进行打开动作的预定压力高。
3.根据权利要求1或2所述的燃料电池废热发电系统，其特征在于，所述热回收路径用压力释放阀被构造成用作从所述热回收路径内排出水的排水龙头。
4.根据权利要求3所述的燃料电池废热发电系统，其特征在于，所述热回收路径用压力释放阀在所述热回收用热交换器的上游侧被置于所述热回收管的较低区域。
5.根据权利要求1或2所述的燃料电池废热发电系统，其特征在于，所述热回收路径用压力释放阀被构造成用作排出所述热回收路径中的空气的放气龙头。
6.根据权利要求5所述的燃料电池废热发电系统，其特征在于，所述热回收路径用压力释放阀在所述热回收用热交换器的下游侧被设置在所述热回收管的较高区域中。
7.根据权利要求1所述的燃料电池废热发电系统，其特征在于，所述燃料电池废热发电系统还包括：
燃料电池单元，其收纳所述燃料电池和所述热回收用热交换器；以及
热水存储单元，其收纳所述热水存储箱，
其中，所述热回收路径用压力释放阀被置于将所述燃料电池单元连接到所述热水存储单元的所述热回收管。
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