CN102308421B - 燃料电池系统 - Google Patents

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Abstract

根据本发明记载的燃料电池系统，包括：燃料电池堆，利用燃料气体和氧化剂气体来生产直流电及热；电力变换机，将在上述燃料电池堆生产的直流电变换为交流电；冷却装置，使冷却水在上述燃料电池堆循环，由此使上述燃料电池堆的温度状态维持设定水平；蓄热组，与上述冷却装置连接，使与冷却水进行热交换的水循环而回收并蓄积在上述燃料电池堆生产的废热；辅助热源机，与上述蓄热组连接，并使与上述水进行热交换的温水循环来补充上述蓄热组不足的热；第一热交换机，与上述蓄热组及上述辅助热源机中至少一个连接来使上述水或温水循环，利用第一空冷式风扇供给空气来与上述水或温水进行热交换；以及第一热利用设备，与上述第一热交换机连接，使用在上述第一热交换机加热的高温空气。

Description

燃料电池系统
技术领域
本发明燃料涉及在运行电池系统时提高能量利用率的燃料电池系统。
背景技术
例如，燃料电池系统使用高分子电解质燃料电池(PEMFC ：Proton Exchange Membrane Fuel Cell)，具备：燃料处理装置，使用碳氢系列的 原料(LNG，LPG等)来置换为氢气丰富的重整气；燃料电池堆，使富含氢气的重整气和空气中的氧气发生电化学反应来产生直流电；电力变换机，将直流电变换为交流电；各种工序需要的周边设备(BOP; Balance Of Plant)和控制器；以及热回收装置，在燃料电池堆动作时产生热。
热回收装置包括：蓄热组，用于蓄积从燃料电池堆回收的废热；以及辅助热源机，用于补充废热回收所不足的热源。回收并蓄积在热回收装置中的热用于温水或供热水。
在燃料电池系统运行时，在燃料电池堆产生电和热，但是由于蓄热组的温度变化以及周边环境的变化，例如，在由于周边环境的温度较高而较多地使用冷空调的夏天，较少地使用所产生的热，而较多地用电。即，热和电力的用量上产生不均衡。因此，从热回收装置强制性地废弃温水和热的同时在燃料电池堆生产电，所以在燃料电池系统，能量利用率变低。
发明内容
本发明的一个方面的目的在于，提供一种燃料电池系统，在该燃料电池系统运行时，即使蓄热组发生温度变化以及周边环境发生变化，也能够提高能量利用率。
本发明的一实施例的燃料电池系统，包括：燃料电池堆，利用燃料气体和氧化剂气体来生产直流电及热；电力变换机，将在上述燃料电池堆生产的直流电变换为交流电；冷却装置，使冷却水在上述燃料电池堆循环，由此使上述燃料电池堆的温度状态维持设定水平；蓄热组，与上述冷却装置连接，使与冷却水进行热交换的水循环而回收并蓄积在上述燃料电池堆生产的废热；辅助热源机，与上述蓄热组连接，并使与上述水进行热交换的温水循环来补充上述蓄热组不足的热；第一热交换机，与上述蓄热组及上述辅助热源机中至少一个连接来使上述水或温水循环，利用第一空冷式风扇供给空气来与上述水或温水进行热交换；以及第一热利用设备，与上述第一热交换机连接，使用在上述第一热交换机加热的高温空气。
本发明的一实施例的燃料电池系统还可以包括第一压力传感器，该第一压力传感器设在上述第一热交换机的排气端口，上述第一热交换机上设有上述第一空冷式风扇。
上述第一热利用设备可以从上述第一热交换机向该排气端口流入高温空气来使用热，并具有排出冷却的低温空气的排气端口，上述第一热利用设备还具有排气扇，该排气扇设在上述排气端口侧来排出空气。
本发明的一实施例的燃料电池系统还可以包括：水泵，设在上述蓄热组和上述冷却装置之间，使水从上述蓄热组向上述冷却装置循环；以及三向阀，设在上述冷却装置和上述蓄热组之间，将从上述冷却装置回收的上述水有选择地供给到上述水泵及上述蓄热组。
本发明的一实施例的燃料电池系统还包括第二热交换机，该第二热交换机设在上述三向阀和上述水泵之间，使排出到上述三向阀的水再循环到上述冷却装置，利用第二空冷式风扇供给空气来使该空气与上述水进行热交换。
本发明的一实施例的燃料电池系统还包括第二压力传感器，该第二压力传感器设在上述第二热交换机的排气端口而检测压力，在上述第二热交换机上设有第二空冷式风扇。
本发明的一实施例的燃料电池系统还可以包括第二热利用设备，该第二热利用设备设在供暖水供给线路和供暖水回收线路上来使上述供暖水进行循环，并利用与上述供暖水进行了热交换的高温空气，上述供暖水供给线路与上述辅助热源机连接。
上述第二热利用设备还可以包括第三热交换机，该第三热交换机利用第三空冷式风扇供给空气来与上述供暖水进行热交换。
如上所述，在本发明的一实施例中，能够在蓄热组及辅助热源机中至少一个上连接热交换机，在热交换机上连接热利用设备，所以能够利用在蓄热组剩余的热来使用热利用设备。即，在运行燃料电池系统时，具有即使在蓄热组方式温度变化及周边环境变化时也提高能量利用率的效果。 例如，蓄热组的剩余的热在热利用设备，即洗涤物干燥机、食物垃圾干燥机、器皿干燥机及供气供暖器等中变换为高温空气之后被使用。
附图说明
图1是示意性地表示本发明的第一实施例的燃料电池系统的结构图。
图2是示意性地表示本发明的第二实施例的燃料电池系统的结构图。
图3是示意性地表示本发明的第三实施例的燃料电池系统的结构图。
具体实施方式
下面，参照附图，对本发明的实施例进行详细说明，以便具有本发明所属领域的普通技术的人员能够容易实施。但是，本发明可以体现为各种不同的方式，不限于在此说明的实施例。为了明确说明本发明，在附图中省略了与说明无关的部分，对于相同或类似的结构要素，在整个说明书中标注了相同的参照标记。
图1是示意性地表示本发明的第一实施例的燃料电池系统的结构图。参照图1，第一实施例的燃料电池系统100包括：燃料电池发电模块110，生产电和热；以及热回收装置120，回收并蓄积所生产的热。
燃料电池发电模块110包括：燃料处理装置10，燃料电池堆20，冷却装置30，电力变换机40，系统控制器50，以及各种周边设备 (BOP; balance of plant)(未图示)。
燃料处理装置10将水、空气和碳氢系列的燃料作为原料，置换为富含氢气的重整气。燃料电池堆20利用含氧的空气和重整气引起电化学反应来生产直流电和热。
冷却装置30通过第一水泵31与热回收装置120连接，传输热回收装置120的水来与燃料电池堆20的高温冷却水进行热交换，并在热回收装置120中进行蓄热。
电力变换机40将在燃料电池堆20生产的直流电变换为交流电。系统控制器50整体上控制燃料电池发电模块110。
热回收装置120包括：蓄热组60，辅助热源机70，第一热交换机80，以及各种周边设备(BOP; balance of plant)。蓄热组60与冷却装置30连接而回收并蓄积在燃料电池堆20生产的热。辅助热源机70循环温水（例如，供热水）来与蓄热组60的水进行热交换，由此补充蓄热组60不足的热。
第一热交换机80与蓄热组60及/或辅助热源机70连接，并使从蓄热组60及/或辅助热源机70供给的高温水循环，利用第一空冷式风扇81供给作为热源介质的空气，使高温水和空气相互进行热交换。为了使结构简单，在第一实施例中，第一热交换机80经由第二水泵82与蓄热组60连接，从而从蓄热组60接受高温水的供给。
燃料电池系统100还包括与第一热交换机80连接的第一热利用设备90。 第一热交换机80在燃料电池系统100运行时，即使蓄热组60发生温度变化以及周边环境发生变化，也利用蓄热组60的剩余热来驱动第一热利用设备90，由此提高燃料电池系统100的能量利用率。
第一热交换机80具有从第二水泵82供给的高温水循环的通路，并且具有通过驱动第一空冷式风扇81来流入和排出空气的空气流入端口84和排气端口85，从而使高温水和空气进行热交换。
第一压力传感器86设在第一热交换机80的排气端口85，检测排气端口85 内的压力，与系统控制器50连接而传送检测信号。因此，系统控制器50按照第一压力传感器86的检测信号，在排气端口85成为负压或压力减少为设定值(例如，1.5kpa)以上时，识别为第一热利用设备90动作，并对第一热交换机80及第一空冷式风扇81进行控制。
第一热利用设备90具有：空气流入端口91，经由空气通路87与第一热交换机80的排气端口85连接而流入高温空气；以及排气端口92，利用高温空气的热并排出冷却的低温空气。
排气扇93设在第一热交换机80的排气端口92，通过空气流入端口91流入高温空气，在第一热利用设备90内循环空气，并从排气端口92排出低温空气，形成这一系列的通畅的空气流。
例如，第一热利用设备90包括：将空气用作热源的洗涤物干燥机，食物垃圾干燥机，器皿干燥机，以及空气供热设备等。这些可以串联或并联连接在空气通路87上来被使用 (未图示)。
在如夏天热使用量较少而在蓄热组60中充满热的情况下，系统控制器50驱动第二水泵82及第一空冷式风扇81，将高温水供给到第一热交换机80，而使该高温水和空气进行热交换而产生高温空气，并将该高温空气供给到第一热利用设备90。因此，在使用较少的热的时间段，将蓄热组60的剩余热用于第一热利用设备90，从而提高燃料电池系统100的能量利用率。
第一实施例的燃料电池系统100可以应用于如下的多种燃料电池系统中：在 600℃以上的高温下动作的熔融碳酸盐型燃料电池系统(MCFC; Molten Carbonate Fuel Cells)，固体氧化物型燃料电池系统(SOFC; Solid Oxide Fuel Cells)，在200℃以下的较低温度下动作的磷酸型燃料电池系统(PAFC; Phosphoric Acid Fuel Cells)，以及不把城市燃气用作燃料而是把甲醛用作燃料的直接甲醛燃料电池系统(DMFC; Direct Methanol Fuel Cells)。
下面说明的第二及第三实施例在整体结构上，与第一实施例类似或相同，所以分别对与第一实施例相比不同的部分进行说明。
图2是示意性地表示本发明的第二实施例的燃料电池系统的结构图。
第一实施例的第一热交换机80与蓄热组60及/或辅助热源机70中的某一个连接而接受高温水的供给，在图1中，作为1例说明了与蓄热组60连接而接受高温水的供给的情况。
与此相比，第二实施例的第二热交换机280使蓄热组60的水在蓄热组60和冷却装置30之间循环，而接受与冷却装置30的冷却水进行了热交换的高温水。即，在蓄热组60的水温不高的情况下，第二热交换机280从冷却装置30接受热传递。
参照图2，第二实施例的燃料电池系统200包括三向阀32，该三向阀32在蓄热组60和冷却装置30之间并列配置在第一水泵31上。
即，第一水泵31设在蓄热组60和冷却装置30之间，使低温水相对地从蓄热组60循环到冷却装置30，从而与冷却装置30的高温冷却水进行热交换。 三向阀32设在冷却装置30和蓄热组60之间，从而能够选择将从冷却装置30回收的水供给到蓄热组60，还是供给到第一水泵31。
第二热交换机280设在三向阀32和第一水泵31之间，使水从三向阀32向冷却装置30再循环，利用第二空冷式风扇281供给空气来与水进行热交换。
第二热交换机280具有空气流入端口284和排气端口285，对由第二空冷式风扇281流入到空气流入端口384的低温空气进行加热之后，向排气端口385排出高温空气。
在第二热交换机280的排气端口285上连接了与第一实施例的第一热利用设备90相同结构的热利用设备(未图示)。第二热交换机280和热利用设备的 连接结构与第一热交换机80和第一热利用设备的连接结构相同，所以在此省略说明。此外，第二热交换机280及热利用设备可以与第一实施例的第一热交换机80及第一热利用设备90并行使用(未图示)，但是也可以如图2所示独立使用。
与第一实施例的方式同样，第二压力传感器286设在第二热交换机280的排气端口285，检测排气端口285内的压力，与系统控制器50连接而传送检测信号。
系统控制器50按照第二压力传感器286的检测信号，即在排气端口285成为负压或压力减少成为设定值(例如，1.5kpa)以上时，识别为热利用设备(未图示)动作。
在热利用设备动作时，系统控制器50控制第一水泵21和三向阀32而切换为从冷却装置30回收的水被供给到第一水泵31，并使第二热交换机280的第二空冷式风扇281动作，来将在第二热交换机280加热的高温空气向热利用设备供给。
如上所示，除了在蓄热组60蓄满热的情况之外，还能够在热利用设备开始动作的时刻，将在燃料电池堆20产生的热供给到高温空气，所以提高热利用的便利性和利用性能。
图3是示意性地表示本发明的第三实施例的燃料电池系统的结构图。
与第一实施例相比，在第三实施例中，将第二热利用设备290连接到热回收装置320上，例如，连接到辅助热源机70的供暖水供给线路71和供暖水回收线路72上来使供暖水循环，并利用与供暖水进行了热交换的高温空气。
第二热利用设备290包括第三热交换机380和第三空冷式风扇381。 第二热利用设备290通过驱动第三空冷式风扇381来向空气流入端口291流入空气，并在第三热交换机380与供暖水进行热交换而加热之后，通过排气端口292排出。
第三实施例的燃料电池系统300例示了将燃料电池系统300的热传递给供暖水的结构，而不是传递给空气。
第三实施例的第二热利用设备290和第三热交换机380能够与第一实施例的第一热交换机80、第一热利用设备90及第二实施例的第二热交换机280、或者热利用设备中某一个或两个组合使用。图3例示了在第一实施例的结构上追加了第二热利用设备290的结构。
如上所述，对本发明的优选实施例进行了说明，但是本发明并不限于此，能够在权利要求范围和发明的详细说明以及附图的范围内变形为各种方式来实施，这当然也属于本发明的范围。

Claims (7)

1.一种燃料电池系统，其特征在于,包括：
燃料电池堆，利用燃料气体和氧化剂气体来生产直流电及热；
电力变换机，将在上述燃料电池堆生产的直流电变换为交流电；
冷却装置，使冷却水在上述燃料电池堆循环，由此使上述燃料电池堆的温度状态维持设定水平；
蓄热组，与上述冷却装置连接，使与冷却水进行热交换的水循环而回收并蓄积在上述燃料电池堆生产的废热；
辅助热源机，与上述蓄热组连接，并使与上述水进行热交换的温水循环来补充上述蓄热组不足的热；
第一热交换机，与上述蓄热组及上述辅助热源机中至少一个连接来使上述水循环，利用第一空冷式风扇供给空气来与上述水进行热交换；
第一热利用设备，与上述第一热交换机连接，使用在上述第一热交换机加热的高温空气；以及
第一压力传感器，该第一压力传感器设在上述第一热交换机的排气端口，上述第一热交换机上设有上述第一空冷式风扇。
2.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，
上述第一热利用设备从上述第一热交换机向该排气端口流入高温空气来使用热，并具有排出冷却的低温空气的排气端口，
上述第一热利用设备还具有排气扇，该排气扇设在上述排气端口侧来排出空气。
3.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，还包括：
水泵，设在上述蓄热组和上述冷却装置之间，使水从上述蓄热组向上述冷却装置循环；以及
三向阀，设在上述冷却装置和上述蓄热组之间，将从上述冷却装置回收的上述水有选择地供给到上述水泵及上述蓄热组。
4.根据权利要求3所述的燃料电池系统，其特征在于，
还包括第二热交换机，该第二热交换机设在上述三向阀和上述水泵之间，使排出到上述三向阀的水再循环到上述冷却装置，利用第二空冷式风扇供给空气来使该空气与上述水进行热交换。
5.根据权利要求4所述的燃料电池系统，其特征在于，
还包括第二压力传感器，该第二压力传感器设在上述第二热交换机的排气端口而检测压力，在上述第二热交换机上设有第二空冷式风扇。
6.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，
还包括第二热利用设备，该第二热利用设备设在供暖水供给线路和供暖水回收线路上来使上述供暖水进行循环，并利用与上述供暖水进行了热交换的高温空气，上述供暖水供给线路与上述辅助热源机连接。
7.根据权利要求6所述的燃料电池系统，其特征在于，
上述第二热利用设备还包括第三热交换机，该第三热交换机利用第三空冷式风扇供给空气来与上述供暖水进行热交换。
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