CN108474565A - 家用能源中心和用于操作家用能源中心的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种尤其用于住宅的自给自足式电能供应和/或热能供应的家用能源中心(500)。该家用能源中心具有包括外界空气管接口(16)和废气管接口(24)的壳体(550)和带有换热器(34)的通风设备(12)。该通风设备(12)与外界空气管接口(16)相连接，使得外界空气(AUL)能够在第一空气管路(14)中经换热器(34)或者经在换热器(34)旁侧的外界空气旁路(14‘)流入家用能源中心(500)的供气管路(15)。该供气管路(15)至少部分在壳体(550)内延伸。家用能源中心还具有排气管路(30)，在该排气管路(30)中，由通风设备(12)产生的空气体积流能够在壳体(50)内被继续输送。家用能源中心还具有燃料电池单元(200)，其优选布置在壳体(550)内并且被集成到排气管路(30)中，以使得在燃料电池单元(200)中释放的不希望的气体能够通过空气体积流被稀释并且与废热一起从燃料电池单元(200)排出。家用能源中心还具有蓄电池单元(450)，其优选布置在壳体(550)内并且被集成到排气管路(30)中，以使得在蓄电池单元(450)中释放的不希望的气体能够通过空气体积流被稀释并且与废热一起从蓄电池单元(450)排出。家用能源中心还具有与排气管路(30)相连接的第二空气管路(20)，其中，通风设备(12)的第二空气管路(20)通过通风设备(12)的换热器(34)与第一空气管路(14)热耦接，使得经第二空气管路(20)向外送出的排气能够根据需要将其所含热能的至少一部分通过通风设备(12)的换热器(34)输送到第一空气管路(14)，并且同时，通过空气体积流稀释的不希望的气体能够随空气体积流经外界空气管接口(16)被排出，从而避免了在家用能源中心中形成爆炸性混合气体并且使得家用能源中心能够可靠运行。

Description

家用能源中心和用于操作家用能源中心的方法
本发明涉及一种家用能源中心以及一种用于操作家用能源中心的方法。
家用能源中心原则上已由现有技术公开并且用于住宅的电能供应和/或热能供应。
本发明的任务是提供一种在能量方面有利且可靠的家用能源中心。本发明的另一任务是提出一种用于操作家用能源中心的方法。
关于家用能源中心，所述任务通过一种家用能源中心来完成，尤其是用于住宅的自给自足式电能供应和/或热能供应，该家用能源中心包括具有外界空气管接口和废气管接口的壳体、具有换热器的通风设备，其中，该通风设备如此与外界空气管接口相连，以使得外界空气能够在第一空气管路中经换热器或者经在换热器旁的外界空气旁路流入家用能源中心的供气管路，其中，该供气管路至少部分在所述壳体内延伸。
家用能源设备还配备有排气管路，在该排气管路内，由通风设备引起的空气体积流可以在壳体内被继续输送，家用能源设备还配备有燃料电池单元和蓄电池单元，所述燃料电池单元优选设置在壳体内并且被如此并入排气管路，使得在燃料电池单元中释放的不希望的气体通过该空气体积流被稀释并且可以随废热一起从燃料电池单元被送出，所述蓄电池单元优选设置在壳体内并且被如此并入排气管路，使得在蓄电池单元中释放的不希望的气体通过该空气体积流被稀释并且可以与废热一起从燃料电池单元被送出。
家用能源设备还配备有第二空气管路，该第二空气管路与排气管路相连，其中，通风设备的第二空气管路通过该通风设备的换热器与第一空气管路热耦接，以使得经第二空气管路向外送的排气可以根据需要将其所含热能的至少一部分经通风设备的换热器输送到第一空气管路，并且同时，被空气体积流稀释的不希望的气体可以随该空气体积流经外界空气管接口被排出。
根据本发明的家用能源中心具有以下优点，即，其所包括的燃料电池单元、蓄电池单元和/或家用能源中心本身不必一定在技术上完全密封地构成。相反，由于被空气体积流稀释的不希望的气体可以随该空气体积流经外界空气管接口被排出，故避免了在家用能源中心中形成爆炸性混合气体。因此，根据本发明的家用能源中心一方面能够安全地操作，另一方面能够廉价地制造。
在燃料电池单元中释放的不希望的气体例如可能是含氢气的泄漏气体。在蓄电池单元中释放的不希望的气体例如可能是硫化氢(铅蓄电池)或在相应温度下的碳酸二乙酯(锂离子蓄电池)。
由于向外送出的排气根据需要可以将其所含热能的至少一部分(例如燃料电池单元和蓄电池单元的废热)经通风设备的换热器输送到第一空气管路，因此该家用能源中心在能量方面被有利设计。燃料电池单元的较低电效率可以通过废热利用而被补偿。
本发明还包含以下认识，以氢气为能量载体的家用能源中心必须满足更好的安全性要求，因为氢气与氧气或空气以较大的混合比形成爆炸性混合物。本发明还包含以下认识，在尤其是私人住所中使用防爆部件经济上几乎是不合理的。而通过根据本发明的家用能源中心提供了一种另选的安全概念，其在于或许来自电解单元和/或燃料电池单元和/或其它部件的氢气通过用家用能源中心的排气稀释而可以被明显冲淡至低于其点燃极限。存在大到足以稀释可能出现的和/或在操作中按规定出现的富含H2(氢气)的气体的冷却吹扫体积流的与安全技术相关的功能优选通过合适的传感器装置、尤其优选通过流量监测器和/或压差测量和/或通过防爆H2传感器来监测。
家用能源中心的壳体连同所有形成在其中的子空间可以在排气管路的引导下被冷却吹扫体积流流过。可以如此设计排气管路，使得该排气管路能够吸收所出现的部件废热并且同时也接纳或许出现的氢气并稀释至明显低于点燃下限的总浓度(UZG为空气中的4％H2)，送走并作为排气排至环境。
蓄电池单元优选设置在家用能源中心的壳体内，优选在自身的子空间内。蓄电池单元可以设置在家用能源中心的壳体外。在这种情况下，排气管路局部在家用能源中心外延伸。在尤其优选的实施方式中，家用能源中心具有单独的同样完全不透空气的用于蓄电池单元的壳体，该壳体具有用于冷却吹扫体积流的供应和排出装置，冷却吹扫体积流借此可以被送入和送出。尤其在铅电池的情况下，高效冷却对于获得长使用寿命是有利的，其保证了温差<5K、优选<3K的均匀温度分布，同时允许优选<25℃的平均温度。在尤其有利的实施方式中，冷却吹扫体积流首先被送入低压力损失的空气分配体积中，随后以限定的压力损失环绕限定列中的各个电池单元或电池单元块流动，该限定的压力损失明显高于在分配和收集体积中的压力损失，并且被收集在低压力损失的收集体积中并从那里被送出。这种布置的优点是冷却吹扫体积流围绕电池单元的很均匀的分布和引导以及进而各个电池单元的极高效均匀冷却。从蓄电池逸出的可能不希望的气体且尤其是在蓄电池单元过度充电时会出现的含H2气体可以通过所述排气被送走。
家用能源中心的组件可以布置在一个壳体或者多个通过排气管路相互连通的壳体中，所述壳体相对于环境在技术上是充分气密的。在此，下述情况视为在技术上充分密封，经壳体边界的空气体积流损失小于整个冷却吹扫体积流的20％、尤其优选小于5％。
关于氢气安全性，总是在可行情况下采用技术上长久密封的部件和连接件。由结构和功能决定地无法在技术上设计成长久密封的部件被组合在单独的子空间中并且避免了点燃源和/或采用防爆部件。通过优选在操作期间的反复密封测试，确保组件相对于H2泄漏的充分密封。
在优选实施方式中，家用能源中心设有供气管接口和排气管接口用于将家用能源中心连接至至少一个待中央通风的客房，使得流入家用能源中心的供气管路的空气流首先可以作为进气被供给该客房，并且来自客房的排气可以在家用能源中心的排气管路中被继续输送。因此，可以优选借助家用能源中心实现可控的住宅通风(KWL)，其中，从家用能源中心排出的热可被用于加热客房。除了通风设备，还可以将对于KWL来说典型的组件(如过滤器、换热器、阀)集成到家用能源中心中，或者如此进行设计，使得它们可以以模块形式连接至家用能源中心的壳体。尤其是与KWL相关地已经被证明有利的是燃料电池单元是空冷式的，优选仅是空冷式的。燃料电池单元的燃料电池单元优选具有质子交换膜，以使得燃料电池单元是PEM-燃料电池单元。
为了在夏季必要时也能冷却供给客房的进气，还可以在通风设备的第一空气管路之后设有冷却单元。该冷却单元例如可以具有第二换热器和与该换热器相连的制冷机。该制冷机优选是压缩式制冷机。
供气管路可以直接与排气管路相连。例如这在现有建筑中是有的，其中例如由于成本原因而无法实现可控的住所通风。家用能源中心废热的利用在该替代方案中尤其(但并非只)可以通过与排气管路热耦接的热泵和/或气-液换热器实现，优选地，其目的是将排气管路的热能供给到住房的热水(WW)回路。燃料电池单元可以是液冷式的并且至少暂时与家用能源中心的热水箱热耦接。
家用能源中心的壳体可以具有多个相互间隔开的子空间，它们通过排气管路彼此连通。在家用能源中心壳体内的各个子空间优选布置在潜在发出氢气的量增大的方向上。根据次于安全技术优先级的第二优先级，各个子空间优选根据操作温度和/或冷却的要求和/或根据工艺技术方面来布置。在此，具有相似的安全技术性能的组件也可以组装在共同的子空间或子空间组内，并且也在该子空间组内按照流通顺序根据热要求和/或工艺技术要求来进行不同地放置。这意味着在子空间组内还提供串行流通的子空间。
例如，使用具有铅蓄电池的蓄电池单元作为短期蓄电器需要优选在20-25℃范围内的较低温度。因此，铅蓄电池应该尽量靠近用于冷却吹扫体积流的通风系统入口端布置，换句话说，尽量远离排气管路的上游。然而，由于在充电过程中也可能出现少量H2，因此蓄电池单元优选相对于不发出氢气但产生废热的功率电子装置安放在下游。
还优选地，家用能源中心设有电解单元，该电解单元布置在壳体内并且被如此集成到排气管路中，使得在电解单元中释放的不希望的气体可以通过该空气体积流被稀释并且与来自电解单元的废热一起被排出。
通过所设置的电解单元，优选可以将例如光伏设备的多余电功率转化为待储蓄的氢气。电解单元具有自身的电解质/冷却回路，并且可以将在电化学过程中产生的热经适当的换热器输送到冷却吹扫体积流和/或热水箱。通过组件表面的废热也被传递至冷却吹扫体积流。因此，电解单元的废热可以几乎完全用于为住所提供热能。
家用能源中心可以被设计成使得从燃料电池单元释放的并且可作为排气输送到通风设备的第二空气管路的空气流被如此引导，使得该空气流仅在已流过电解单元之后才与来自各自客房的排气混合。
为了进一步提高家用能源中心的能效，家用能源中心所包含的功率电子装置(例如太阳能充电控制器、岛式逆变器和/或DC/DC变换器可以集成在排气管路中。功率电子装置可以被家用能源中心的冷却吹扫体积流环绕流过，从而通过借助冷却吹扫体积流的强制对流实现有效冷却。可选地，还可以集成其它的功率电子部件和/或电气工程部件和/或传感器。这具有以下优点，与通常基于自然被动对流冷却的常见的一些功率电子部件的安装方法相比，通过冷却吹扫体积流的主动环绕流动和进而更高效的对流冷却，可以将安装空间设计得更加紧凑。
家用能源中心尤其优选具有混合区，该混合区至少暂时与燃料电池单元流体连通，使得混合区可以接收来自燃料电池单元的吹扫气体。更优选地，该混合区如此与通风设备相连，使得来自混合区的空气流可以与吹扫气体一起作为排气输送到通风设备的第二空气管路。
燃料电池单元可以包含具有敞露阴极的空冷式燃料电池叠组，其中，用于阴极的冷却空气和反应空气优选是同一体积流，优选也经此将在反应时在燃料电池单元中出现的过程用水作为空气湿气再次排出。该空气湿气可以用于给通过通风设备加热的外界空气补充来自燃料电池系统的潮湿废气，使得供给客房的进气具有期望的气温和/或期望的空气湿度。与此相关地已经被证明有利的是，燃料电池单元如此与通风设备相连，使得流入家用能源中心的供气管路的空气流也可以作为间接进气首先被供给燃料电池单元并经此如有必要间接地被供给到各客房。因此，客房可以舒适地利用燃料电池单元的清洁的过程用水进行空气加湿。直接进气和间接进气之比是可调的。来自燃料电池单元的空气流的进气份额与排气份额之比是可调的。
燃料电池单元可以如此与通风设备以及各客房相连，使得来自燃料电池单元的空气流另一方面可以作为排气与来自各客房的排气一起输送到通风设备的第二空气管路。如此，燃料电池单元的过程用水可以在客房室内空气例如已足够潮湿时绕过客房进行输送。
家用能源中心优选在排气管路中具有流量监测器和/或防爆H2传感器。另选地或附加地，家用能源中心可以被设计成通过至少一个测量点(例如在H2可能在此被释放的流通区域的入口处)测量体积流。
在优选实施方式中，家用能源中心具有就其位置而言在冷却吹扫体积流中设于电解单元之后的催化燃烧器/重整器，其被如此并入家用能源中心的冷却吹扫体积流中，使得该冷却吹扫体积流被引导或可被引导经过催化燃烧器。催化燃烧器的燃烧热优选经换热器和水回路被耦接入热水箱。催化燃烧器的组成部件可以有利地在外部通过冷却吹扫体积流被冷却，并且热排气能可选地(在尤其优选的实施方式中通过下游混合区)也被送至冷却吹扫体积流中。
在尤其有利的布置中，在冷却吹扫体积流的行程中，首先安放通风机以及如有必要其它的通风技术装备，下游跟着是用于电子器件和/或功率电子装置和/或传感器装置和/或超短暂蓄电器模块(超级电容器)和/或长期技术上密封的组件的空间。因为直到空气管道的这一点在系统内都预期没有H2排放，因此流通至此既可以并行进行，也可以串行进行。接着，在所述尤其有利的布置中，具有优选被设计为蓄电池的暂时蓄能器的空间被流过。跟在下游且优选依次流过地设有用于电解单元和/或用于燃料电池单元和/或用于催化燃烧器和/或用于催化重整器的至少一个空间。在尤其有利的实施方式中，与前述组件空间分隔开地在更下游设有一个或多个用于将含H2气体混入吹扫空气流的空间。在该混合区中可以有利地导入燃料电池单元和/或电解的净化气体和/或催化燃烧器的和/或催化重整器的排气和/或液冷式燃料电池单元的阴极排气并与冷却吹扫体积流混合。在优选布置中，可以对该混合区和存在于那里的混合点就混合改善而言进行优化设计。
在另一个优选实施方式中，家用能源中心具有用于在其阳极侧吹扫燃料电池单元和/或在其阴极侧吹扫电解单元的净化装置。该净化装置可以被并入冷却吹扫体积流，使得来自该净化装置的潜在富含H2的净化气体与冷却吹扫体积流混合，并且可以作为废气从家用能源中心排出。在尤其优选的实施方式中，净化装置具有可扩展的缓冲容器(优选是波纹囊储存器)，其暂时缓存很高但呈脉冲式仅持续约0.5秒的低压吹扫体积流并延迟地优选在约20秒内以低许多的体积流输送到混合点。这具有如下优点，为了将所出现的混合物浓度总是保持低于点燃下限所需要的吹扫体积流可以设定为明显较少和/或就混合质量而言对混合点的要求和/或对后置的催化重整器的结构和工艺过程技术设计的要求可以降低许多。净化装置的各个组件可以根据其释放氢气的潜在能力分散到家用能源中心的各不同的上述区域。
关于用于操作家用能源中心的方法，通过一种用于操作家用能源中心、尤其是上述家用能源中心的方法来实现，该方法具有以下步骤：
-在第一空气管路中将外界空气经换热器或者经在换热器旁侧的外界空气旁路引入家用能源中心的供气管路，
-在家用能源中心的排气管路中继续输送由通风设备产生的空气体积流，该排气管路至少部分在该家用能源中心的壳体内延伸，
-通过空气体积流稀释在燃料电池单元中释放出的不希望的气体并将被稀释的气体连同废热一起从该燃料电池单元排出，
-通过空气体积流稀释在蓄电池单元中释放出的不希望的气体并将被稀释的气体连同废热一起从该蓄电池单元排出，
-引导排气经过与排气管路相连接的第二空气管路，其中，通风设备的第二空气管路经该通风设备的换热器与第一空气管路热耦接，以使得经第二空气管路向外送出的排气能够根据需要将其所含热能的至少一部分经该通风设备的换热器输送至第一空气管路，并且同时，通过空气体积流稀释的不希望的气体能够连同该空气体积流一起经外界空气管接口被排出，从而避免在该家用能源中心中形成爆炸性混合气体并且使得该家用能源中心能够可靠运行。
所述方法可以优选在家用能源中心与可控的居室通风相关地操作时具有如下步骤：
-将来自客房外的外界空气作为直接进气引至客房或者作为间接进气首先经过将来自废气的热和或许湿气传输给进气的气-气换热器和/或燃料电池单元并且随后送至客房；和/或
-将来自客房的排气作为用于吹扫和吸热的冷却吹扫体积流引导经过家用能源中心的组件并且可选地经过空气-空气换热器以便将热和或许湿气传输给进气，尤其是在本身作为废气从家用能源中心被排出之前。
所述方法可以优选地在家用能源中心与可控的居室通风无关地操作时具有如下步骤：将来自客房外的外界空气作为用于家用能源系统的直接进气引导首先经过气-气换热器以便进行预热或者可选地在外界温度高时从旁路经过，并且将作为用于稀释和排走可燃气体以及吸热的冷却吹扫体积流引导经过家用能源中心的组件。
根据本发明的方法优选具有如下步骤：
-经空气-水换热器和/或热泵的空气-水换热器将热量分离至热水箱；和/或
-经空气-空气换热器将进气预热并且将冷却吹扫体积流作为废气从家用能源中心排出。
所述方法可以利用相对于家用能源中心所述的特征来进行改进。
以下参照附图来举例描述本发明的实施例，其中：
图1是与待通风客房相关联的且具有仅空冷式的燃料电池单元的家用能源中心的示意图，
图2是与待通风客房相关联的且具有液冷式燃料电池单元的家用能源中心的示意图，
图3是没有通风连接至客房且具有仅空冷式的燃料电池单元的家用能源中心的示意图，
图4是没有通风连接至客房且具有液冷式燃料电池单元的家用能源中心的示意图，
图5是通风连接至客房的根据本发明的家用能源中心的优选实施例的示意图。
如图1所示的家用能源中心500具有通风设备12，该通风设备具有从外界空气管接口16至供气管接口18的第一空气管路14以及从排气管接口22至废气管接口24的第二空气管路20。在操作中，外界空气管接口16和废气管接口24与客房26的环境U连通，而不与客房26本身连通。供气管接口18直接连接到供气管路15并且通过燃料电池单元200间接连接到客房26。排气管接口22通过排气管路30连接到客房26。
家用能源中心500还具有电解单元300，该电解单元被集成到家用能源中心500的排气管路30中，使得来自客房26的排气ABL作为冷却吹扫体积流被引导经过电解单元300，随后它可以流向通风设备12的第二空气管路20。
可选地，在电解单元300之后设有氢气干燥器360和/或催化燃烧器350。可选的催化燃烧器350用于对来自氢气罐(未示出)的氢气进行催化燃烧并进而用于提供热能以获得热水和加热能源供应。催化燃烧器350被如此集成到家用能源中心500的排气管路30中，使得从冷却吹扫体积流中摄取氢气燃烧所需的工作空气，使得来自客房26的排气ABL作为冷却吹扫体积流被引导经过催化燃烧器350，并且工作空气在燃烧之后优选在混合区370又被供给冷却吹扫体积流。在排气管路30内的催化燃烧器350之后设有混合区370，在该混合区中，来自燃料电池单元200和/或电解单元300的含氢净化气体能够与冷却吹扫体积流混合并且在排气管路30中作为废气FOL从家用能源中心排出。净化气体例如可以借助用于吹扫燃料电池单元200阳极侧和电解单元300阴极侧的净化装置(未示出)来获得。
在图1的家用能源中心500的下部区域中可以看到蓄电池-排气管接口350，借此将配属于家用能源中心500并且包含在此例中的蓄电池400集成到家用能源中心500的排气管路30中。来自客房26的排气ABL因此也被引导经过蓄电池400。因此，除了蓄电池400的废热外，也可以散走不希望有的蓄电池400逸出气体尤其是在蓄电池单元过渡充电时出现的H2。
还如图1所示，家用能源中心500具有功率电子部件450，其也被集成到家用能源中心500的排气管路30中。因此，来自客房26的排气ABL也被引导经过功率电子部件450。通过功率电子部件450，蓄电池400例如可以通过光伏设备(未示出)的太阳能电流来充电，给住所提供230VAC和/或将燃料电池单元和/或电解单元连接至也与蓄电池单元400相连的48VDC节点。可选地且在此未绘出地，在这里也可以加入超短蓄电器(超级电容器)，其也与48VDC节点相连。
通风设备12、燃料电池单元200、电解单元300、功率电子组件太阳能充电控制器450、蓄电池400、催化燃烧器350和氢气干燥器360在此安装在同一个壳体550中，由此家用能源中心500的结构极其紧凑。
通风设备12的第一通风管路14和通风设备12的第二通风管路20都被引导经过通风设备12的换热器34，以使得在经两个空气管路14和20所输送的空气流之间发生热交换。在冬季，例如通过第二空气管路20输送的排气ABL可以将其热传输给通过第一空气管路14输送的外界空气AUL，以使得随室内空气RL的废气FOL散走的热能的至少一部分能够被收回并且被送回至客房26。
此外，在通风设备12上设有带有旁通阀60的外界空气旁路14‘以根据需要绕过通风设备12的换热器34。可以如此控制该旁通阀60，使得经外界空气管接口16流入的外界空气AUL直接流入供气管路15。
燃料电池单元200在入口侧通过供气管路15的一部分与通风设备12的供气管接口18相连，并因此被供应可选被预热的新鲜进气ZUL，其同时不仅是在燃料电池单元200的燃料电池单元中与氢气反应所需要的，也是作为用于散走在反应中出现的热的冷却空气所需要的。燃料电池单元200的燃料电池单元具有质子交换膜(PEM膜)，借此反应空气流和冷却空气流不是分开供应而是在一空气流中供应。通过燃料电池单元200的空气流接收因反应而在燃料电池单元中出现的水并因此被加湿。来自燃料电池单元200的湿热空气流总是完全或部分地被输送至供气管路200和/或排气管路30。
当来自通风设备12的进气ZUL比期望的室内空气RL更冷、更干燥时，也就是说当它必须被供给热和湿气时，进气ZUL被供应部分或完全来自燃料电池单元200的空气。对此，燃料电池单元200的输出端通过第一燃料电池输出管路36与供气管路15相连。在输入侧，在燃料电池单元200前设有止回阀38。
而当来自通风设备14的进气ZUL18已经足够热或潮湿，则来自燃料电池单元200的空气通过第二燃料电池输出管路40在设于其中的通风阀42的控制下作为排气ABL‘被输送至排气管路30，因而送回至通风设备12。
这具有以下优点，随从燃料电池单元200流出的空气所散失的反应热伴随排气流被引导经过通风设备12的换热器34，从而又从排气流中抽取出该热能的至少一部分并且可以输送至进气流。
在这里，来自燃料电池单元200并且能够作为排气ABL‘输送至通风设备12的第二空气管路20的空气流被如此引导，使得该空气流只在流过了电解单元300之后才与来自各自客房26的排气ABL混合。
因为有止回阀38，所以也可以通过可控的通风阀42来调节有多少来自通风设备12的进气ZUL被直接供给至客房26并且有多少空气被供给至燃料电池单元200并进而如有必要间接供给至客房26内的室内空气RL。
在上述的传热操作方式中，对家用能源中心500且尤其对通风阀42的控制在客房26内的气温和空气湿度的引导下来进行。为了进行所述控制，在排气管接口25处设有空气湿度传感器50和空气温度传感器52。
图2中的家用能源中心500的实施方式示出了集成有液冷式燃料电池单元200。在此情况下，燃料电池单元200的主要热量通过冷却回路被输送到热水箱800。燃料电池单元200可以被集成到也集成有电解单元300的相同的子空间TR1中。代替用于将燃料电池冷却空气可选直接耦接入居室进气中的装置，在此实施方式中存在将一部分冷却吹扫体积流作为燃料电池反应空气用在燃料电池阴极中且随后将来自燃料电池阴极的湿热排气与冷却吹扫体积流混合。来自燃料电池单元200的热和湿气为此可以通过冷却吹扫体积流和气-气换热器12被送至进气ZUL中。
图3示出了未连接到KWL的家用能源中心500的一个实施例，就像在集成在现有住宅设施中常见的那样，因为在那里中央KWL设备通常不会被改装。家用能源中心500在此经作为通风设备12的一部分的风扇和过滤器获得外界空气AUL，并且可选地经气-气换热器34加热该外界空气AUL，并因此提供用于家用能源中心500的冷却吹扫体积流。该冷却吹扫体积流和进而还有壳体内的通风工程组件(尤其还有风机、流道和气-气换热器34)可以被设计成比优选利用客房26的全部排气ABL的图1和图2的实施例中小许多，并且就其设定尺寸而言只着眼于家用能源中心500的安全工程/热工程和方法工程的要求。这种设计的优点还在于在存在体积流并且仅该体积流流通经过壳体550的情况下的更紧凑结构。
空冷式燃料电池单元200摄取至少一部分的冷却吹扫体积流以用于与氢气的电化学反应和燃料电池单元200的冷却。经过燃料电池单元200的空气流吸收因所述反应而出现在燃料电池单元200中的水和热并因此被加湿。来自燃料电池单元200的湿热空气流与未用部分的冷却吹扫体积流混合并且流过其它设备部件以稀释所出现的气体并吸收热量。从壳体内的所有组件输送到冷却吹扫体积流的热量可以通过可选的换热器39被输送到热水箱800，该换热器可以直接或通过热泵连接至热水箱800。
图4示出了家用能源中心500的类似于图3的实施例，在此没有连接到KWL并且集成有液冷式燃料电池单元200。在这种情况下，燃料电池单元200的主要热量通过冷却回路被输送到蓄热器(未示出)。燃料电池单元200可以被集成到也集成有电解单元300的相同的子空间TR1中。一小部分的冷却吹扫体积流作为燃料电池反应空气被送入燃料电池阴极，并且变潮湿变热的阴极排气与冷却吹扫体积流混合。从壳体550内的所有组件输送到冷却吹扫体积流的热量也可以在此通过可选的换热器被输送到热水箱800，所述换热器可以直接或通过热泵连接至热水箱800。
图5中的家用能源中心500用于配备有KWL的住宅的自给自足式电能供应和/或热能供应。图5中的家用能源中心500具有壳体550，其具有外界空气管接口16和废气管接口24。还设有通风设备12，其具有换热器34。通风设备12如此与外界空气管接口16相连，即，外界空气AUL在第一空气管路14中可以经换热器34流入家用能源中心500的供气管路15。供气管路15至少有时在壳体550中延伸。
家用能源中心500具有供气管接口17和排气管接口25用于如此使家用能源中心500连接到至少一个中央通风的客房26，即流入家用能源中心500的供气管路15的空气流首先作为进气ZUL可被供给客房26。图5中的家用能源中心500也具有排气管路30，由通风设备12造成的空气体积流可以在排气管路中在住宅50中被继续输送。来自客房26的排气ABL可以在家用能源中心500的排气管路30中被继续输送。
图5中的家用能源中心还具有燃料电池单元200，其布置在壳体550内并被集成到排气管路30中，使得在燃料电池单元200中释放出的不希望的气体能够通过空气体积流被稀释并且连同废热一起从燃料电池单元200被排出。蓄电池单元450也是家用能源中心500的一部分并且布置在壳体555中并且被如此集成到排气管路30中，使得在蓄电池单元450中释放出的不希望的气体能够通过空气体积流被稀释并且与废热一起从蓄电池单元450被排出。
图5中的家用能源中心500配备有第二空气管路20，其与排气管路30相连接，其中，通风设备12的第二空气管路20通过通风设备12的换热器34与第一空气管路14热耦接，使得经第二空气管路20被向外送出的排气ABL能够将其所含热能的至少一部分经通风设备12的换热器34输送到第一空气管路14，并且同时，通过空气体积流稀释的不希望的气体可以随空气体积流经外界空气管接口16被排出，从而避免在家用能源中心中形成爆炸性混合气体并且使得家用能源中心能够可靠运行。
以下，参照图5来说明流过家用能源中心500的空气体积流L(点划线)，该空气体积流在本申请范围内也被称为冷却吹扫体积流。图5与图1的实施例相似地示出了家用能源中心500，其具有仅空冷式的燃料电池单元200并且被连接至客房26以实现可控居室通风。
首先，来自环境U的外界空气AUL作为空气体积流L经过壳体550的外界空气管接口16进入家用能源中心500。这通过通风设备12的风扇来实现。在进一步行程中，空气体积流L经第一空气管路14并经换热器34流入供气管路15并从那里经供气管接口17流入客房26。空气体积流L的一部分L‘并行流动地输送至燃料电池单元200(在图5中例如向下)。该部分L‘通过燃料电池单元200的风扇201被吸入。在燃料电池单元200旁流过之后，部分L‘(作为间接进气)通过略打开的控制阀瓣43与空气体积流L混合，并从那里经供气管接口17流入客房26。
在进一步行程中，空气体积流L(作为排气ABL)经排气管接口25流入家用能源中心500的排气管路30并在进一步行程(在图5中例如向下)中流向附加风扇112。该附加风扇112和功率电子装置450布置在子空间TR2内。
从那里，空气体积流L经排气管路30流向排气管接口350，其经此分配给家用能源中心500，并且设于外部壳体中的蓄电池400在此被集成到家用能源中心500的排气管路30中。在进一步行程中，即在接收到在蓄电池单元450中释放出的不希望的气体以及来自蓄电池单元450的废热之后，空气体积流L经排气管接口350‘回流入壳体550中。
从那里，空气体积流L流向子空间TR3(在图5中的例如最下方)中的催化燃烧器350并进一步流入子空间TR4中的电解单元300中。接着，依次流过子空间TR2、TR3、TR4。最后，空气体积流L在氢气传感器59旁流过并从那里流入第二空气管路20并经换热器35流向废气管接口24，以便经此作为废气到达环境U。

Claims (18)

1.一种家用能源中心(500)，尤其用于住宅的自给自足式电能供应和/或热能供应，该家用能源中心(500)具有：
-壳体(550)，所述壳体(550)具有外界空气管接口(16)和废气管接口(24)，-通风设备(12)，所述通风设备(12)具有换热器(34)，其中，所述通风设备(12)与所述外界空气管接口(16)相连接，使得外界空气(AUL)能够在第一空气管路(14)中经所述换热器(34)或者经在所述换热器(34)侧旁的外界空气旁路(14‘)流入所述家用能源中心(500)的供气管路(15)，其中，所述供气管路(15)至少部分在所述壳体(550)内延伸，
-排气管路(30)，在所述排气管路(30)中，由所述通风设备(12)产生的空气体积流能够在所述壳体(50)内被继续输送，
-燃料电池单元(200)，所述燃料电池单元(200)优选布置在所述壳体(550)内，并且被集成到所述排气管路(30)中，使得在所述燃料电池单元(200)中释放出的不希望的气体能够通过所述空气体积流被稀释并且与废热一起从所述燃料电池单元(200)被排出，
-蓄电池单元(450)，所述蓄电池单元(450)优选布置在所述壳体(550)内，并且被集成到所述排气管路(30)中，使得在所述蓄电池单元(450)中释放出的不希望的气体能够通过所述空气体积流被稀释并且与废热一起从所述蓄电池单元(450)被排出，
-第二空气管路(20)，所述第二空气管路(20)与所述排气管路(30)相连接，其中，所述通风设备(12)的所述第二空气管路(20)通过所述通风设备(12)的所述换热器(34)与所述第一空气管路(14)热耦接，以使得通过所述第二空气管路(20)向外输送的排气(ABL)能够根据需要将其所含热能的至少一部分通过所述通风设备(12)的所述换热器(34)传送至所述第一空气管路(14)，并且同时，通过所述空气体积流稀释的所述不希望的气体能够随所述空气体积流通过所述外界空气管接口(16)被排出，从而避免在所述家用能源中心中形成爆炸性混合气体并使得所述家用能源中心能够可靠运行。
2.根据权利要求1所述的家用能源中心(500)，该家用能源中心(500)具有供气管接口(17)和排气管接口(25)用于将所述家用能源中心(500)与至少一个待中央通风的客房(26)相连接，使得流入所述家用能源中心(500)的所述供气管路(15)的空气流能够首先作为进气(ZUL)输送至所述客房(26)，并且来自所述客房(26)的排气(ABL)能够在所述家用能源中心(500)的所述排气管路(30)中被继续输送。
3.根据权利要求1或2所述的家用能源中心(500)，其中，所述壳体具有多个相互分隔开的子空间，这些子空间通过所述排气管路(30)彼此相连。
4.根据前述权利要求中的一项所述的家用能源中心，其中，所述供气管路(15)直接与所述排气管路(30)相连接。
5.根据前述权利要求中的一项所述的家用能源中心，其中，所述燃料电池单元(200)仅是空冷式的。
6.根据前述权利要求中的一项所述的家用能源中心，该家用能源中心具有电解单元(300)，所述电解单元(300)布置在所述壳体(550)内并被集成到所述排气管路(30)中，使得在所述电解单元(300)中释放出的不希望的气体通过所述空气体积流被稀释并且与废热一起从所述电解单元(300)被排出。
7.根据前述权利要求中的一项所述的家用能源中心，其特征在于，来自所述燃料电池单元(200)并且能够作为排气(ABL‘)输送至所述通风设备(12)的所述第二空气管路(20)的空气流被引导，使得所述空气流在流过所述电解单元(300)之后才与来自各个客房(26)的排气(ABL)混合。
8.根据前述权利要求中的一项所述的家用能源中心，该家用能源中心具有接设在所述电解单元(300)之后的催化燃烧器。
9.根据前述权利要求中的一项所述的家用能源中心，该家用能源中心具有集成到所述排气管路(30)中的太阳能充电控制器、岛式逆变器和/或DC/DC变换器。
10.根据前述权利要求中的一项所述的家用能源中心，其中，所述燃料电池单元是液冷式的并且至少暂时与所述家用能源中心的热水箱热耦接。
11.根据前述权利要求中的一项所述的家用能源中心，该家用能源中心具有混合区，所述混合区至少暂时与所述燃料电池单元(200)流体连通，使得所述混合区能够接收来自所述燃料电池单元(200)的吹扫气体，其中，所述混合区与所述通风设备(12)相连接，使得来自所述混合区的空气流能够作为排气(ABL)输送至所述通风设备(12)的所述第二空气管路(20)。
12.根据前述权利要求中的一项所述的家用能源中心，其中，所述燃料电池单元(200)与所述通风设备(12)相连接，使得流入所述家用能源中心(500)的所述供气管路(15)的空气流也能够作为间接进气首先输送至所述燃料电池单元(200)并且如有必要通过所述燃料电池单元间接输送至各个客房(26)。
13.根据前述权利要求中的一项所述的家用能源中心，其中，所述燃料电池单元(200)与所述通风设备(12)以及各个客房(26)相连接，使得来自所述燃料电池单元(200)的空气流一方面能够作为进气(ZUL)输送至各个客房(26)和/或另一方面能够作为排气(ABL‘)与源自各个客房(26)的排气(ABL)一起输送至所述通风设备(12)的所述第二空气管路(20)。
14.一种用于操作家用能源中心(500)的方法，所述家用能源中心(500)尤其是根据前述权利要求中的一项所述的家用能源中心(500)，所述方法具有以下步骤：
-在第一空气管路(14)中将外界空气(AUL)经换热器(34)或者经在所述换热器(34)旁侧的外界空气旁路(14‘)引入所述家用能源中心(500)的供气管路(15)，-在所述家用能源中心(500)的排气管路(30)中继续输送由通风设备(12)产生的空气体积流，所述排气管路(30)至少部分在所述家用能源中心(500)的壳体550内延伸，
-通过所述空气体积流稀释在所述燃料电池单元(200)中释放出的不希望的气体并将被稀释的气体连同废热一起从所述燃料电池单元(200)排出，
-通过所述空气体积流稀释在所述蓄电池单元(450)中释放出的不希望的气体并将被稀释的气体连同废热一起从所述蓄电池单元(450)排出，
-引导排气(ABL)经过与所述排气管路(30)相连接的第二空气管路(20)，其中，所述通风设备(12)的所述第二空气管路(20)经所述通风设备(12)的所述换热器(34)与所述第一空气管路(14)热耦接，以使得经所述第二空气管路(20)向外送出的排气能够根据需要将其所含热能的至少一部分经所述通风设备(12)的所述换热器(34)输送至所述第一空气管路(14)，并且同时，通过所述空气体积流稀释的不希望的气体能够连同所述空气体积流一起经所述外界空气管接口(16)被排出，从而避免在所述家用能源中心中形成爆炸性混合气体并且使得所述家用能源中心能够可靠运行。
15.根据权利要求14所述的方法，该方法具有以下步骤：
-将来自客房外的外界空气作为直接进气引至客房或者作为间接进气首先经过将来自废气的热和或许湿气传输给进气的气-气换热器和/或燃料电池单元并且随后送至所述客房。
16.根据权利要求14或15所述的方法，该方法具有以下步骤：
-将来自客房的排气作为用于吹扫和吸热的冷却吹扫体积流引导经过所述家用能源中心的组件并且可选地经过空气-空气换热器以便将热和或许湿气传输给所述进气，尤其是在本身作为废气从所述家用能源中心被排出之前。
17.根据权利要求14所述的方法，该方法具有以下步骤：
-将来自客房外的外界空气作为用于家用能源系统的直接进气引导首先经过气-气换热器以便进行预热或者可选地在外界温度高时从旁路经过，并且将作为用于稀释和排走可燃气体以及吸热的冷却吹扫体积流引导经过所述家用能源中心的组件。
18.根据权利要求14或15所述的方法，该方法具有以下步骤：
-经空气-水换热器和/或热泵的空气-水换热器将热量分离至热水箱；和/或
-经空气-空气换热器将所述进气预热并且将所述冷却吹扫体积流作为废气从所述家用能源中心排出。
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