CN104221198B - 基于燃料电池的热回收设备及其操作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于燃料电池的热回收单元及其操作方法，具体地，涉及这样一种基于燃料电池的热回收单元及其操作方法：该热回收单元利用在熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)工作时生成的热来生成热水或蒸汽并将生成的热水和蒸汽提供至建筑物，从而可以减小用电的制冷和制热设施的运转率。

Description

基于燃料电池的热回收设备及其操作方法
技术领域
本发明涉及一种基于燃料电池的热回收设备及其操作方法，具体来说，涉及一种用于建筑物的基于燃料电池的热回收设备及其操作方法，该热回收设备通过利用在熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)工作时生成的热来生成热水或蒸汽。
背景技术
熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)，作为未来的可再生能源，是一种正在引起关注的发电单元，这是因为MCFC具有约47％的高发电效率以及低燃料消耗率和碳气体排放量。由于具有Li/Na电解质的MCFC利用熔融碳酸盐电解质来生成与氢反应的碳酸根离子，因此MCFC可以工作在约650℃的高温下。
这样的MCFC在工作时可以生成温度为约350℃的废热。因此，MCFC可以通过利用所生成的废热来与热回收单元(HRU)连结在一起。HRU可以是这样的单元：其回收废气或排出的热水的余热以提供冷却/加热的空气和热水。也就是说，HRU可以表示用于热产生、热传输、热利用、热交换等的热设备。
近年来，应对单个建筑物的负荷的已开发的100kw级MCFC与HRU联接，以便提供在建筑物中所使用的冷却/加热的空气和热水。因此，需要用于将MCFC的发电效率提高到约50％至60％的方法。
发明内容
技术问题
为了解决上述限制，本发明提供了一种基于燃料电池的热回收设备及其操作方法，该热回收设备通过利用在熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)工作时生成的热来生成热水或蒸汽，以将所生成的热水或蒸汽提供至建筑物，从而减小了用电的制冷/制热设备的运转率，进而减少了空气调节开销。
本发明的目的不限于以上提到的目的，通过以下描述可以理解以上未提到的本发明的其它目的和优点，而且通过本发明的实施例可以更加明确地进行理解。此外，本发明的目的和优点可以通过权利要求中体现的手段及其组合容易地实现。
技术方案
根据本发明的一方面，提供了一种基于燃料电池的热回收设备，其包括：第一开关单元，其将由熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)生成的热引入热交换器，或者阻止将热引入所述热交换器；第二开关单元，其将热通过排出孔排出，或者阻止将热通过所述排出孔排出；第三开关单元，其将存储在压缩箱内的流体引入流体循环单元，或者阻止将流体引入所述流体循环单元；所述流体循环单元，其使得通过所述第三开关单元引入的流体循环；状态感测单元，其测量由所述MCFC生成的热的温度、流体经过的管道内的流量以及所述压缩箱内的温度和水位；以及控制单元，其根据操作算法或停止算法来控制所述各个单元中的每一个。
根据本发明的另一方面，提供了一种操作基于燃料电池的热回收设备的方法，该热回收设备包括第一开关单元、第二开关单元、第三开关单元、流体循环单元、状态感测单元和控制单元，所述方法包括步骤：保持待机状态；断开所述第三开关单元，这是因为压缩箱内的温度低于第一临界值，并且所述压缩箱内的水位高于第二临界值；当在断开所述第三开关单元后经过了第二临界时间时，使所述流体循环单元工作；当在所述流体循环单元工作后经过了第三临界时间时，断开所述第一开关单元；以及当在断开所述第一开关单元后通过所述状态感测单元感测到的流量满足第三临界值时，闭合所述第二开关单元。
根据本发明的再一方面，提供了一种使基于燃料电池的热回收设备停止工作的方法，该热回收设备包括第一开关单元、第二开关单元、第三开关单元、流体循环单元、状态感测单元和控制单元，所述方法包括步骤：因为满足了预定条件，在断开所述第二开关单元后，闭合所述第一开关单元；当在闭合所述第一开关单元后经过了第五临界时间时，使所述流体循环单元停止工作；以及当在使所述流体循环单元停止工作后经过了第六临界时间时，闭合所述第三开关单元。
有益效果
根据本发明，可以通过利用在MCFC工作时生成的热来生成热水和蒸汽，以便将所生成的热水或蒸汽提供至各建筑物，从而减小用电的制冷/制热设备的运转率，进而减少空调开销。
附图说明
图1是根据本发明实施例的基于燃料电池的热回收设备的示图。
图2是示出了根据本发明的基于燃料电池的热回收设备的流体循环单元的详细示图。
图3是根据本发明的基于燃料电池的热回收设备的状态感测单元的详细示图。
图4是根据本发明实施例的基于燃料电池的热回收系统的示图。
图5是示出了根据本发明实施例的基于燃料电池的热回收设备的操作方法的流程图。
图6是示出了根据本发明实施例的基于燃料电池的热回收设备的操作停止方法的流程图。
具体实施方式
通过以下参照附图描述的实施例，本发明的优点和特征及其实施方法将变得清楚。此外，提供这些实施例是为了使得本公开是透彻且完整的，并且将向本领域技术人员全面地传达本发明的范围。另外，为了避免不必要地模糊本发明的主题，将省去与已知功能或配置相关的具体描述。将参考附图更加详细地描述本发明的优选实施例。
图1是根据本发明实施例的基于燃料电池的热回收设备的示图。
参见图1，根据本发明的基于燃料电池的热回收设备包括第一开关单元10、第二开关单元20、第三开关单元30、流体循环单元40、状态感测单元50和控制单元60。
这里，第一开关单元10和第二开关单元20可以分别设在由燃料电池生成的高温热所经过的管道中，以阻止或允许热流过。
此外，第三开关单元30和流体循环单元40可以设在诸如热水或蒸汽之类的流体所经过的管道中，以阻止或允许该流体流过。
现对上述组件中的每一个进行说明，第一开关单元10例如可以是通过电信号来操作的阀。因此，第一开关单元10可以根据从控制单元60传输的控制信号，将由熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)生成以流经管道的高温热引入或不引入热交换器。这里，热交换器可以利用引入到其中的高温热来加热沿管道流动的水，以生成诸如热水或蒸汽之类的流体。
第二开关单元20例如可以是通过电信号来操作的阀。因此，第二开关单元20可以根据从控制单元60传输的控制信号，将由MCFC生成以流经管道的高温热通过出口排出或不排出。
第三开关单元30例如可以是通过电信号来操作的阀。因此，第三开关单元30可以根据从控制单元60传输的控制信号，将存储在压缩箱(condensed tank)中的热水和蒸汽引入或不引入流体循环单元40。
流体循环单元40可以根据控制单元60的控制信号来使通过第三开关单元30引入的流体循环。
如图2所示，流体循环单元40可以包括第一流体循环器41和第二流体循环器42，但是本发明不限于此。
状态感测单元50在高温热经过的管道中可以设有温度传感器，以测量热的温度。此外，状态感测单元50在流体经过的管道中可以设有流量传感器，以测量流体的流量。另外，状态感测单元50在压缩箱中可以设有温度传感器和水位传感器，以测量温度和水位。
也就是说，如图3所示，状态感测单元50可以包括第一温度传感器(TT 100)51、第二温度传感器(TT 103)52、第三温度传感器(TT 104)53、水位传感器(LS 100)54以及流量传感器(FT 100)55。
在下文中，将参照图4来详细描述各个组件中的每一个。
第一温度传感器51布置在压缩箱内，以测量压缩箱内的温度。
第二温度传感器52布置在由燃料电池生成的高温热所经过的管道内，以测量热的温度。
第三温度传感器53测量经过热交换器的热的温度。
水位传感器54感测压缩箱内的水位。
流量传感器55测量经过热交换器的热水的流量。
控制单元60根据每种条件下的操作算法来控制第一开关单元(MOV 101)10、第二开关单元(MOV 102)20、第三开关单元(MOV 100)30、流体循环单元(PM-100)40以及状态感测单元50的操作。
也就是，在燃料电池处于初始加热条件的情况下，如果在第一开关单元10和第二开关单元20闭合的状态下满足临界条件(温度、压力和时间中的至少一个)，则控制单元60可以断开第一开关单元10和第二开关单元20。
随后，当经过了预定时间(例如，约3分钟)时，可以闭合第一开关单元。这里，流体循环单元40可以不工作，并且第三开关单元30可以保持在闭合状态。
此外，当燃料电池停止工作而变为冷却条件时，控制单元60按照与加热条件相反的顺序来控制组件中的每一个。
此外，在控制单元60感测到错误的情况下，当第一开关单元10和第二开关单元20均断开，然后经过了预定时间(例如，约3分钟)时，控制单元60可以闭合第一开关单元10(错误模式)。
此外，在变为确认燃料电池的电力传输的待机状态(待机模式)的情况下，当第一开关单元10和第二开关单元20均断开，然后经过了预定时间(例如，约3分钟)时，控制单元60可以闭合第一开关单元10。这里，流体循环单元40可以不工作，并且第三开关单元30可以保持在闭合状态。
此外，在待机状态下执行开启热回收设备的处理的情况下(这里，第二开关单元20断开)，当通过第一温度传感器51感测到的压缩箱内的温度低于第一临界值(例如，约100℃)，通过水位传感器54感测到的压缩箱内的水位高于第二临界值(例如，压缩箱存储容量的约30％)时，控制单元60可以断开第三开关单元30。这里，用于通知热回收设备的异常操作的警报还没有工作。
随后，当在断开第三开关单元30后经过了预定时间(例如，约1分钟)时，流体循环单元40可以工作。
然后，当在流体循环单元40工作后经过了预定时间(例如，约1分钟)时，可以将第一开关单元10断开预定程度(例如，约10％)。此外，当在使第一开关单元10断开预定程度后经过了预定时间(例如，约10分钟)时，可以完全断开第一开关单元10。
这里，在流体循环单元40工作然后经过了预定时间(例如，约10分钟)后再断开第一开关单元10的原因是用于去除管道内的空气。此外，当最初断开第一开关单元10时将第一开关单元10断开约10％的程度，然后经过了预定时间(例如，约10分钟)的原因是用于减小热冲击。
随后，当第一开关单元10完全断开，并且通过流量传感器55感测到的流量满足第三临界值(例如，约29LPM至约30LPM)时，可以闭合第二开关单元20。这里，当错误出现时，可以执行错误模式。
此外，在操作状态下执行关闭热回收设备的处理的情况下(这里，第一开关单元10断开，第二开关单元20闭合)，当燃料电池的输出低于基准值(例如，约100kw)、通过第一温度传感器51感测到的压缩箱内的温度高于约115℃、通过水位传感器54感测到的压缩箱内的水位低于约30％，通过第二温度传感器52感测到的温度低于约350℃、通过第三温度传感器53感测到的温度高于约200℃、通过流量传感器55感测到的流量保持在约25LPM或更低的流量约5分钟、或者停止警报工作时，控制单元60可以断开第二开关单元20。
随后，在断开第二开关单元20时，可以闭合第一开关单元10。
然后，当完全闭合第一开关单元10时，可以在经过了预定时间(例如，约10分钟)后使流体循环单元40停止工作。
随后，当在流体循环单元40停止工作后经过了预定时间(例如，约1分钟)时，可以闭合第三开关单元30。
在待机状态下执行冬季紧急操作模式的情况下，当管道内的水保持在约5℃或更低的温度下约5分钟或者紧急操作警报工作时，可以断开第三开关单元30。这里，可以通过第一温度传感器51测量管道内的水的温度。在图4中，可以通过“TT 101”或“TT 102”来测量管道内的水的温度。
随后，当确定第三开关单元30断开时，流体循环单元40可以工作。
然后，当在流体循环单元40工作后经过了预定时间(例如，约1小时)时，可以使流体循环单元40停止工作。
随后，当在流体循环单元40停止工作后经过了预定时间(例如，约1分钟)时，可以闭合第三开关单元30。
然后，当管道内的水保持在约5℃或更低的温度约5分钟时，可以重复执行上述处理以重新操作。
图5是示出了根据本发明实施例的基于燃料电池的热回收设备的操作方法的流程图。
在操作501中，保持待机状态。这里，待机状态可以表示这样的状态：当在第一开关单元10和第二开关单元20均断开后经过了预定时间(例如，约3分钟)时，流体循环单元40不工作，并且第三开关单元30保持在闭合状态。
在操作502中，因为压缩箱内的温度低于第一临界值，并且压缩箱内的水位高于第二临界值，所以断开第三开关单元30。
在操作503中，当在断开第三开关单元30后经过了第二临界时间时，控制单元60使流体循环单元40工作。
在操作504中，当在流体循环单元40工作后经过了第三临界时间时，断开第一开关单元10。
在操作505中，当通过状态感测单元50的流量传感器55感测到的流量满足第三临界值时，控制单元60闭合第二开关单元20。
图6是示出了根据本发明实施例的基于燃料电池的热回收设备的操作停止方法的流程图。
在操作601中，在操作状态下，在满足预定条件时控制单元60断开第二开关单元20以闭合第一开关单元10。
这里，预定条件可以表示这样的情况：燃料电池的输出低于基准值、压缩箱内的温度高于第一临界温度、压缩箱内的水位低于临界水位、通过第二温度传感器感测到的温度低于第二临界温度、通过第三温度传感器感测到的温度高于第三临界温度、通过流量传感器感测到的流量保持预定时间、或者停止警报工作。
在操作602中，当在断开第一开关单元10后经过了第五临界时间时，使流体循环单元40停止工作。
在操作603中，当在使流体循环单元40停止工作后经过了第六临界时间时，控制单元60断开第三开关单元30。
如上所述，可以通过计算机程序来准备根据本发明的控制方法。而且，相关领域的计算机程序员可以容易地推出构成该程序的代码和代码段。另外，准备的程序存储在计算机可读记录介质(信息存储介质)中并且由计算机读取和执行，从而实现本发明的方法。此外，记录介质包括所有类型的计算机可读记录介质。
尽管针对某些优选实施例对本发明进行了描述，但对本领域技术人员而言显而易见的是，可以在不脱离本发明范围的情况下作出各种改变和修改，本发明的范围由以下权利要求来限定。
工业实用性
本发明可以用于对建筑物进行空气调节。

Claims (14)

1.一种基于燃料电池的热回收设备，包括：
第一开关单元，其将由熔融碳酸盐燃料电池生成的热引入热交换器，或者阻止将热引入所述热交换器；
第二开关单元，其将热通过排出孔排出，或者阻止将热通过所述排出孔排出；
第三开关单元，其将存储在压缩箱内的流体引入流体循环单元，或者阻止将流体引入所述流体循环单元；
所述流体循环单元使得通过所述第三开关单元引入的流体循环；
状态感测单元，其测量由所述熔融碳酸盐燃料电池生成的热的温度、流体经过的管道内的流量以及所述压缩箱内的温度和水位；以及
控制单元，其根据操作算法或停止算法来控制所述第一开关单元、所述第二开关单元、所述第三开关单元、所述流体循环单元和所述状态感测单元,
其中，当变为待机状态时，所述控制单元断开所述第一开关单元和所述第二开关单元，在经过了第一临界时间后，所述控制单元闭合所述第一开关单元，使所述流体循环单元保持在停止状态，并且使所述第三开关单元保持在闭合状态。
2.根据权利要求1所述的热回收设备，其中所述状态感测单元包括：
第三温度传感器，其测量经过所述热交换器的热的温度；
水位传感器，其感测所述压缩箱内的水位；以及
流量传感器，其测量经过所述热交换器的热水的流量。
3.根据权利要求2所述的热回收设备，其中，当在所述待机状态下执行所述操作算法时，在所述压缩箱内的温度低于第一临界值并且所述压缩箱内的水位高于第二临界值时，所述控制单元断开所述第三开关单元；在经过了第二临界时间后，所述控制单元使所述流体循环单元工作；在经过了第三临界时间后，所述控制单元断开所述第一开关单元；并且当通过所述流量传感器感测到的流量满足第三临界值时，所述控制单元闭合所述第二开关单元。
4.根据权利要求3所述的热回收设备，其中当所述流体循环单元工作后经过了第三临界时间时，所述控制单元将所述第一开关单元断开预定程度，并且当在将所述第一开关单元断开预定程度后经过了第四临界时间时，所述控制单元完全断开所述第一开关单元。
5.根据权利要求1所述的热回收设备，其中所述状态感测单元包括：
第一温度传感器，其测量所述压缩箱内的温度；
第二温度传感器，其测量由所述熔融碳酸盐燃料电池生成的热的温度；
第三温度传感器，其测量经过所述热交换器的热的温度；
水位传感器，其感测所述压缩箱内的水位；以及
流量传感器，其测量经过所述热交换器的热水的流量。
6.根据权利要求5所述的热回收设备，其中，当执行所述停止算法时，由于满足了预定条件，所述控制单元在断开所述第二开关单元后，闭合所述第一开关单元；在经过了第五临界时间后，所述控制单元使所述流体循环单元停止工作；并且在经过了第六临界时间后，所述控制单元闭合所述第三开关单元。
7.根据权利要求6所述的热回收设备，其中所述预定条件对应于这样的情况：所述熔融碳酸盐燃料电池的输出低于基准值、所述压缩箱内的温度高于第一临界温度、所述压缩箱内的水位低于临界水位、通过所述第二温度传感器感测到的温度低于第二临界温度、通过所述第三温度传感器感测到的温度高于第三临界温度、通过所述流量传感器感测到的流量维持了预定时间、或者停止警报工作。
8.根据权利要求2所述的热回收设备，其中，当在所述待机状态下执行冬季紧急操作模式时，由于管道内的流体的温度在低于临界值的值处保持了第七临界时间，所述控制单元断开所述第三开关单元，使所述流体循环单元工作；在经过了第八临界时间后，所述控制单元使所述流体循环单元停止工作；并且在经过了第九临界时间后，所述控制单元闭合所述第三开关单元。
9.根据权利要求8所述的热回收设备，其中所述控制单元周期性地检查流体温度是否在所述低于临界值的值处保持了第七临界时间。
10.一种控制基于燃料电池的热回收设备的方法，该热回收设备包括第一开关单元、第二开关单元、第三开关单元、流体循环单元、状态感测单元和控制单元，所述方法包括步骤：
保持待机状态；
执行操作算法；以及
执行停止算法，其中
保持待机状态的步骤包括：断开所述第一开关单元和所述第二开关单元；在经过了第一临界时间后，闭合所述第一开关单元；使所述流体循环单元保持在停止状态；以及使所述第三开关单元保持在闭合状态。
11.根据权利要求10所述的方法，其中执行操作算法的步骤包括：
断开所述第三开关单元，这是因为压缩箱内的温度低于第一临界值，并且所述压缩箱内的水位高于第二临界值；
当在断开所述第三开关单元后经过了第二临界时间时，使所述流体循环单元工作；
当在所述流体循环单元工作后经过了第三临界时间时，断开所述第一开关单元；以及
当在断开所述第一开关单元后通过所述状态感测单元感测到的流量满足第三临界值时，闭合所述第二开关单元。
12.根据权利要求11所述的方法，其中断开所述第一开关单元的步骤包括：
当在所述流体循环单元工作后经过了所述第三临界时间时，将所述第一开关单元断开预定程度；以及
当在将所述第一开关单元断开预定程度后经过了第四临界时间时，完全断开所述第一开关单元。
13.根据权利要求10所述的方法，其中执行所述停止算法的步骤包括：
因为满足了预定条件，在断开所述第二开关单元后，闭合所述第一开关单元；
当在闭合所述第一开关单元后经过了第五临界时间时，使所述流体循环单元停止工作；以及
当在使所述流体循环单元停止工作后经过了第六临界时间时，闭合所述第三开关单元。
14.根据权利要求13所述的方法，其中所述预定条件对应于这样的情况：熔融碳酸盐燃料电池的输出低于基准值、压缩箱内的温度高于第一临界温度、所述压缩箱内的水位低于临界水位、通过第二温度传感器感测到的温度低于第二临界温度、通过第三温度传感器感测到的温度高于第三临界温度、通过流量传感器感测到的流量保持了预定时间、或者停止警报工作。
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