CN118120080A - 热电联产系统 - Google Patents

Abstract

热电联产系统包括燃料电池、供热通道和第一热交换部。燃料电池容纳燃料电池电芯。供热通道使回收由燃料电池产生的热量的介质在供热通道中流动。第一热交换部位于靠近燃料电池的外侧处或者位于燃料电池内，以使在供热通道中流动的介质回收由燃料电池产生的热量。

Description

热电联产系统

技术领域

本发明涉及热电联产系统。

背景技术

已知的家庭用热电联产系统通过使用燃料电池来产生电力，回收从燃料电池排出的热量，并且使用回收的热量来加热城市用水并且供应热水(参见专利文献1)。

引文列表

专利文献

专利文献1：公开号为2002-298863的日本未审专利申请

发明内容

要解决的问题

在使用燃料电池的热电联产系统中，仅利用回收的热量很难提供加热热水所需的热量，因此需要安装热水器来进一步加热热水。

因此，鉴于上述现有技术的问题，本公开提供了一种能够根据需要向介质提供更多热量的热电联产系统。

问题的解决方案

在一个实施例中，(1)热电联产系统包括：燃料电池、供热通道和第一热交换部。供热通道使回收由燃料电池产生的热量的介质在供热通道中流动。第一热交换部位于靠近燃料电池的外侧或者位于燃料电池内，以使在废热回收通道中循环的介质回收由燃料电池产生的热量。

(2)根据上述(1)的热电联产系统还包括：第二热交换部，在燃料电池的废气与在供热通道中流动的介质之间进行热交换。

(3)在上述(2)所述的热电联产系统中，在供热通道中，第一热交换部位于第二热交换部的下游侧。

(4)在根据上述(2)或(3)的热电联产系统中，供热通道包括分支通道，该分支通道位于第一热交换部的下游侧并且包括散热部。

(5)在上述(4)所述的热电联产系统中，分支通道在供热通道中还连接到第二热交换部的上游侧。

(6)在上述(4)或(5)所述的热电联产系统中，散热部位于第二热交换部的废气的排出通道中。

(7)在根据上述(1)至(6)中任一项所述的热电联产系统中，燃料电池还包括壳体和重整器。重整器容纳在壳体内，并且介质在第一热交换部中的通道被设置在壳体内，或者设置为在壳体的外部靠近壳体处。

(8)根据上述(7)所述的热电联产系统，还包括：热屏蔽机构，抑制从重整器和燃料电池电芯中的至少一个向第一热交换部中的通道传递的热量。

(9)在上述(7)所述的热电联产系统中，第一热交换部的通道与壳体的外侧接触。

(10)在根据上述(1)至(9)中任一项所述的热电联产系统中，燃料电池包括存储部、废气通道和隔热材料。燃料电池电芯位于存储部中。从燃料电池电芯排出的废气流过废气通道。隔热材料被设置为与废气通道接触并且将存储部与废气通道分离。在燃料电池内，第一热交换部中的供热通道被设置为与废气通道接触并且至少部分地埋入隔热材料中。

(11)在上述(10)的热电联产系统中，废气通道在下游侧包括排出废气中包含的水的排水部，并且在排水部的上游侧包括排出废气中包含的废气的排出部。

(12)根据上述(11)所述的热电联产系统，还包括：含氧气体通道，位于靠近废气通道处，并且要供应给燃料电池电芯的含氧气体流过该含氧气体通道，其中，与含氧气体通道连接的导入部位于排水部与排出部之间。

(13)在上述(10)至(12)中任一项所述的热电联产系统中，燃烧催化剂位于存储部内或者位于废气通道中热交换部的上游。

(14)根据上述(10)至(13)中任一项所述的热电联产系统，还包括：控制设备，当介质在第一热交换部中流动时，控制设备控制燃料电池中的燃料利用率降低或者空气利用率增加。

有益效果

如上所述配置的本公开的热电联产系统能够有效地提供介质所需的热量。

附图说明

图1是示出了根据第一实施例的热电联产系统的配置的示意图。

图2是示出了当热屏蔽机构处于关闭状态时图1所示的燃料电池的内部结构的示意图。

图3是示出了当热屏蔽机构处于关闭状态时图1所示的燃料电池的内部结构的变型的示意图。

图4是示出了当热屏蔽机构处于打开状态时图1所示的燃料电池的内部结构的示意图。

图5是示出了图1所示的燃料电池的变型的内部结构的示意图。

图6是当介质在管线中流动时根据本实施例的热电联产系统的燃料电池的壳体的透视图。

图7是根据本实施例的热电联产系统的燃料电池的壳体的变型的透视图。

图8是当管线中没有介质流动时根据本实施例的热电联产系统的燃料电池的壳体的透视图。

图9是示出了根据第二实施例的热电联产系统的配置的示意图。

图10是示出了根据第三实施例的热电联产系统的配置的示意图。

图11是示出了根据第四实施例的燃料电池的配置的示意图。

图12是示出了根据第四实施例的燃料电池的另一配置示例的图。

图13是示出了根据第四实施例的热电联产系统的配置的示意图。

具体实施方式

下面将参考附图描述本公开所应用于的热电联产系统的实施例。在各图中，对相同或等同部分标注相同的附图标记。在以下实施例的描述中，将根据需要省略或简化对相同或等同组件的解释。请注意，附图是示意性的。附图中的尺寸比例等不一定与现实相符。

如图1所示，根据本公开第一实施例的热电联产系统100包括燃料电池15、供热通道18和第一热交换部19。热电联产系统100例如位于家庭中。热电联产系统100还可以包括第二热交换部20和热屏蔽机构，这将在后面描述。

燃料电池15通过使用原燃料气体、空气和水来产生电力。燃料电池15在产生电力的操作期间发热。通过使用介质来回收由燃料电池15产生的热量。供热通道18通过使介质流过其中而向设置有供热通道18的区域提供热量。

燃料电池1 5可以包括重整器和电芯堆(燃料电池电芯)中的至少之一。燃料电池15可以是在壳体内包含重整器和电芯堆的燃料电池模块。重整器通过在作为原燃料供应的气体与水之间发生水蒸气重整反应来产生燃料(诸如氢)。电芯堆例如是固体氧化物燃料电池(SOFC)，并且使用氧化剂(例如，空气中包含的氧)和由重整器产生的燃料来通过电化学反应产生电力。此外，电芯堆通过电化学反应产生水。从电芯堆排出的未反应的燃料和未反应的氧化剂被燃烧，以提供用于重整器中的蒸汽重整反应的能量。从电芯堆排出的水与由未反应的燃料和未反应的氧化剂的燃烧产生的燃烧气体一起以高温气体状态从燃料电池15排出。电芯堆可以是聚合物电解质燃料电池(PEFC)。在这种情况下，任何适当的配置可被用作其他配置。

从燃料电池15排出的废气可以包括燃烧气体和气态水。从燃料电池15排出的废气可以通过使用稍后描述的第二热交换部20与介质交换热量。可以由气液分离器23将通过热交换而冷却的废气分离为气态废气和冷凝液态水。分离后的废气可以被排放到热电联产系统100之外。分离后的水可以作为用于水蒸气重整反应的水被输送到燃料电池15。

供热通道18使介质流到第一热交换部19以回收热量。供热通道18可以使介质流到第二热交换部20以回收热量。介质是具有高比热的流体，诸如水。

第一热交换部19使得在供热通道18中流动的介质回收由燃料电池15产生的热量。如图2所示，当在供热通道18中流动的介质流过管线(介质的通道)25时，第一热交换部19通过将热量从外表面传递到介质来回收热量。

第一热交换部19可以位于靠近燃料电池15(壳体)的外侧处，或者位于燃料电池15内(壳体内)。当位于靠近燃料电池15的外侧处时，第一热交换部19可以在能够接收来自燃料电池的热量的范围内被设置成与燃料电池15的外侧接触或者设置成不与燃料电池接触。当位于燃料电池15内时，第一热交换部19可以位于重整器和电芯堆中的至少一个周围，而不插入隔热材料。例如，如图2至图5所示，第一热交换部19可以通过围绕重整器26和电芯堆27中的至少一个设置管线25来形成，在供热通道18中流动的介质穿过该管线25。在这种情况下，管线25可以围绕重整器26和电芯堆27中的至少一个设置，而不插入隔热材料。在本公开中，术语“隔热材料”是指避免热传递的材料，并且隔热材料的示例包括纤维状隔热材料(诸如玻璃棉)和泡沫隔热材料(诸如树脂泡沫)。因此，在本公开中，稍后描述的热屏蔽机构31和壳体29不包括在隔热材料中。术语“不插入隔热材料”是指在以最短距离对管线25的至少一部分的表面与重整器26和电芯堆27中的至少一个的表面进行连接的直线上不存在具有隔热性的材料。因此，即使是以下配置也可以用作第一热交换部19：在该配置中，由具有隔热性的材料制成的填料28位于比管线25更靠近重整器26或电芯堆27处。

壳体29可以设置为容纳重整器26和电芯堆27中的至少一个。壳体29可以由金属制成。例如，壳体29可以覆盖重整器26和电芯堆27的三个侧面。如图5所示，第一热交换部19中介质的管线25可以在能够传递重整器26和电芯堆27中的至少一个的热量的范围内位于靠近壳体29的外侧处。

如图6所示，管线25可以沿壳体29的纵向表面水平延伸并且在侧表面上折回以形成蜿蜒形状。因此，管线25可以在壳体29的外表面上长距离延伸。壳体29的外表面上的管线25的入口和出口可以水平定向。

如图7所示，管线25可以位于壳体29内。更具体地，壳体29可以通过以下方式而制成：按压两个板，使得管线25形成在板之间。管线25从壳体29内部的入口和出口可以面朝下。管线25可以沿壳体29的纵向表面的内侧水平延伸并且在侧表面的内侧折回以形成蜿蜒形状。在管线25位于壳体29内的配置中，隔热材料30可以位于管线25与壳体29之间，如图2和图3所示。

如图2至图4所示，热电联产系统100可以包括热屏蔽机构31a和31b。如图2至图4所示，热屏蔽机构31a可以包括至少一个热屏蔽板31s。热屏蔽机构31a例如包括多个热屏蔽板31s。热屏蔽板31s可以是矩形。热屏蔽板31s可以在矩形的一个边上被可旋转地支撑在轴上。热屏蔽板31s可以在关闭状态与打开状态之间切换。换言之，热屏蔽机构31a是百叶窗状的组件。在关闭状态下，热屏蔽板31s可以阻塞在管线25与重整器26或电芯堆27之间。在打开状态下，热屏蔽板31s可以在管线25与重整器26或电芯堆27之间打开。

热屏蔽机构31a控制从重整器26和电芯堆27中的至少一个向第一热交换部19中的管线25的热辐射。更具体地，如图2所示，处于关闭状态的热屏蔽机构31a阻挡来自重整器26或电芯堆27的热辐射以及来自重整器26或电芯堆27的周围气体的一部分热对流。只有绕过热屏蔽机构31a的对流才可以到达管线25。如图4所示，处于打开状态的热屏蔽机构31a允许来自重整器26或电芯堆27的周围气体的热对流通过，同时阻挡来自重整器26或电芯堆27的一部分热辐射。

注意，如图3所示，热屏蔽机构31a可以在管线25的最高位置上方的位置和管线25的最低位置下方的位置中的至少一处设置有封闭板31c。当热屏蔽板31s处于关闭状态时，封闭板31c关闭热屏蔽板31s与管线25之间的空间的至少一个竖直侧。在这种情况下，封闭板31c可以通过关闭热屏蔽板31s与管线25之间的空间的至少一个竖直侧来阻止或减少高温气体的流动。与热屏蔽板31s类似，封闭板31c可以包括多个板，每个板以可旋转的方式被支撑，并且可以在关闭状态与打开状态之间切换。封闭板31c可以是单个板。

如图5所示，热屏蔽机构31b可以通过使管线25位于壳体29的外侧来配置。用作第一热交换部19的通道的管线25可以与壳体29的外侧接触。

更具体地，管线25附接到板状可动构件32m。可动构件32m可以平移以与壳体29分离或靠近壳体29。与壳体29接触的可动构件32m由实线表示，并且与壳体29分离的可动构件32m由虚线表示。例如，通过来自重整器26或电芯堆27的热辐射或者通过废气的热对流，将壳体29加热到约400℃至约600℃。当可动构件32m与壳体29接触时，附接到可动构件32m的管线25被更强烈地加热。另一方面，当可动构件32m与壳体29分离时，对管线25的加热减弱。

用于热传递调节的热屏蔽机构的操作可以通过电机来实现。热屏蔽机构的操作可以通过双金属来实现，该双金属通过对具有不同热膨胀系数的板进行层压而获得的。热屏蔽机构的操作可以通过包含蜡的热电偶来实现。热屏蔽机构的操作例如是切换热屏蔽机构31a的状态或移动可动构件32m。

热屏蔽机构的操作可以通过热介质的压力和弹性构件来实现。下面描述可以基于热介质的压力和弹性构件的热屏蔽机构的具体示例。参照图6和图8，管线25可以包括第一部分25n、第二部分25w和弹簧(弹性体)32e。第一部分25n可以固定到壳体29，或者可以不与壳体29接触地位于能够接收来自燃料电池的热量的范围内。第二部分25w可以沿壳体29的纵向表面水平延伸。第一部分25n和第二部分25w可以是圆柱形的。第一部分25n的直径可以小于第二部分25w的直径。或者，第一部分25n的直径可以大于第二部分25w的直径。在将第一部分25n和第二部分25w中的一个部分沿轴向可滑动地插入到第一部分25n和第二部分25w中的另-个部分中的状态下，上述另一个部分可以在壳体29的侧表面上连接到上述一个部分。弹簧32e可以被设置成将第二部分25w朝向第一部分25n偏置。弹簧32e可以围绕第一部分25n缠绕。

当弹簧32e收缩时，第二部分25w可以直接或经由稍后描述的可动构件与壳体29的纵向表面接触。当弹簧32e收缩时，第二部分25w可以在能够接收来自燃料电池16的热量的范围内靠近壳体29的纵向表面。另一方面，当弹簧32e延伸时，第二部分25w可以与壳体29的纵向表面分离。

管线25承受管线25中的介质的静压。该静压沿使弹簧32e延伸的方向施加力。因此，响应于静压的增加，介质将力施加在第二部分25w上以使弹簧32e延伸。当静压减小时，介质施加在管线25上的力变弱。由介质施加的将管线25的第二部分25w与第一部分25n分离的力也可变得更弱。因此，弹簧32e可以收缩，使得第二部分25w靠近壳体29的纵向表面。相反，当静压增大时，由介质施加的将管线25的第二部分25w与第一部分25n分离的力会变得更强。因此，弹簧32e可以延伸以使第二部分25w与壳体29的纵向表面分离。

管线25可以固定到可动构件32m，该可动构件32m是面向壳体29的纵向表面的连接板。这种配置可以避免对管线25施加过大负载的情况。弹性体可以位于可动构件32m与壳体29之间。另外，管线25的一部分也可以是弹性体。利用这种配置，通过打开热水输送阀33，管线25的弹性体可以收缩以使管线25与壳体29的纵向表面接触。通过打开热水输送阀33，管线25的弹性体可以收缩，以使管线25在能够接收来自燃料电池16的热量的范围内靠近壳体29的纵向表面。通过关闭热水输送阀33，管线25的弹性体可以延伸以使管线25与壳体29的纵向表面分离。

为了在燃料电池15中产生电力，重整器26和电芯堆27中的每一个的温度需要保持在理想的温度范围内。通过使用包括上述配置的第一热交换部19，重整器26和电芯堆27被热介质冷却。因此，燃料电池15不仅产生需要用于产生电力的热量，而且还产生用于加热热介质的热量。在这种配置中，当介质的供应停止时，重整器26和电芯堆27通过第一热交换部19中的热交换而被冷却，而不需要对热介质加热。另一方面，由于热屏蔽机构能够调整第一热交换部19中的热交换量，因此，在不需要热介质的加热时，能够抑制重整器26和电芯堆27的冷却。因此，通过使用热屏蔽机构，在不需要热介质的加热时，能够减少向燃料电池15供应的原燃料气体的量，因此能够增加电力产生效率。

如图1所示，第二热交换部20例如是热交换器。第二热交换部20在从燃料电池15排出的废气与在供热通道18中流动的介质之间进行热交换。第二热交换部20可以在供热通道18中位于第一热交换部19的上游侧。从燃料电池15排出的废气的温度通常低于重整器26和电芯堆27周围的温度(例如，从燃料电池15排出的废气的温度为约200℃至约300℃)。因此，第二热交换部20用作介质的关于第一热交换部19的预热器。

供热通道18例如是热水供应通道。在供热通道18中，在第二热交换部20的上游侧，可以设置第一流量调节阀43以调节介质的供应量。在供热通道18中，热水输送阀33可以位于第一热交换部19的下游侧。介质的压力在供热通道18的上游端处可以被调节得高于下游端处。例如，供热通道18的上游端可以连接到高压净水管。热水输送阀33打开以允许介质流向下游侧。当热水输送阀33打开时，热水输送阀33的上游侧的管线25中的介质的静压降低。当热水输送阀33关闭时，热水输送阀33的上游侧的管线25中的介质的静压低于当热水输送阀33打开时的静压。因此，可以通过打开和关闭热水输送阀33来调节管线25中的介质的静压。上述热屏蔽机构可以通过调节管线25中的介质的静压来操作。更具体地，当热水输送阀33打开时(参见图6)，弹簧32e可以收缩，使得第二部分25w接近壳体29的纵向表面。当热水输送阀33关闭时(参见图8)，弹簧32e可以延伸以使管线25与壳体29的纵向表面分离。

低温输送通道34可以在第一流量调节阀43与第二热交换部20之间从供热通道18分支。低温输送通道34可以绕过第二热交换部和第一热交换部。低温输送通道34中可以设置第二流量调节阀45，以调节介质的供应量。通过用第二流量调节阀45调节分支到低温输送通道34中的介质的流速，可以调节从供热通道18输送的介质的温度。通过将在低温输送通道34中流动的低温介质与在供热通道18中流动的高温介质混合，可以输送比供热通道18冷的介质。

更具体地，例如供热通道18通过使净水流到热交换部(例如第一热交换部19)来加热从安装有热电联产系统100的设施外部供应的净水，并且将热水供应到消费者设施。

如图9所示，根据本公开第二实施例的热电联产系统200包括与热电联产系统100的配置类似的配置。以下，对于与热电联产系统100相同的配置，不再进行说明，而对与热电联产系统100不同的配置进行说明。

供热通道18在燃料电池15的下游侧分支成热水输送通道18a和循环通道18b。

循环通道18b可以设置有散热部13。散热部13例如是散热器，通过在由鼓风机供应的空气与介质之间进行热交换来对介质进行散热。

泵24可以位于散热部13的下游侧。泵24可以增压，使得介质从散热部13流向第二热交换部20。

第二热交换部20可以位于泵24的下游侧。第一热交换部19可以位于第二热交换部20的下游侧。

如图10所示，根据本公开第三实施例的热电联产系统300包括与热电联产系统200的配置类似的配置。以下，对于与热电联产系统200相同的配置，不再进行说明，而对与热电联产系统200不同的配置进行说明。

循环通道1gb可以设置有散热部14。散热部14例如是散热器。散热部14位于第二热交换部20的废气的排出通道内。更具体地，散热部14在第二热交换部20的废气的排出通道中位于气液分离器23的下游侧处。

泵21可以位于散热部14的下游侧。循环通道18b可以在泵21的下游侧与供热通道18合并。泵21可以增压，使得介质从散热部14流向第二热交换部20。

具有上述配置的本实施例的热电联产系统100、200和300各自包括第一热交换部19，该第一热交换部19位于靠近燃料电池15的外侧处或者位于燃料电池15内，以允许供热通道18中流动的介质回收由燃料电池15产生的热量。在使用燃料电池的典型热电联产系统中，通过燃料电池的废气与介质之间的热交换来回收废热，但难以充分加热介质，导致临时难以大量供应热水。在从废气中回收废热但难以临时供应大量热水的热电联产系统中，需要安装热水器来满足临时供应大量热水的需求。另一方面，在具有上述结构的本实施例的热电联产系统100、200、300中，由于燃料电池15本身通常在比废气更高的温度下工作，因此与从废气中回收废热的配置相比，能够回收更多的热量。因此，热电联产系统100、200和300可以临时供应大量的热水。因此，在热电联产系统100、200和300中，由于可以临时供应大量热水，所以不需要安装热水器。因此，可以使热电联产系统100、200和300的尺寸更小。

本实施例的热电联产系统100、200和300各自包括第二热交换部20，该第二热交换部20在燃料电池15的废气与在供热通道1 8中流动的介质之间进行热交换。利用这样的结构，在热电联产系统1 00、200、300中，能够降低燃料电池15的废气的温度。

在根据本实施例的热电联产系统100、200和300的供热通道18中，第一热交换部19位于第二热交换部20的下游侧。利用这种配置，在第二热交换部20中被加热之后，介质流入第一热交换部19，燃料电池15产生的热量在第一热交换部19中被回收。因此，可以避免低温介质从燃料电池15带走大量热量的情况。因此，能够维持燃料电池15的电力产生效率。

根据本实施例的热电联产系统200和300的供热通道18包括作为分支通道的循环通道18b，该循环通道位于第一热交换部19的下游侧并且包括散热部13和14。利用这种配置，热电联产系统200和300能够在不供应热水时冷却介质中积累的热量。因此，热电联产系统200和300能够避免从废气中回收的水量的极度减少。

根据本实施例的热电联产系统300的供热通道18的散热部14位于第二热交换部20的废气的排出通道中。利用这样的结构，不需要用于冷却散热部14的鼓风机等，因此能够简化结构并降低制造成本。

根据本实施例的热电联产系统100、200和300的燃料电池15还设置有壳体29以及容纳在壳体29中的重整器26和电芯堆27中的至少之一，并且介质在第一热交换部19中的通道位于壳体29内或者位于壳体29的外侧靠近壳体29处。利用这样的结构，在第一热交换部19中，能够使介质靠近壳体29的高温区域或者高温区域周围的区域。因此，能够在第一热交换部19中更有效地加热介质。

另外，根据本实施例的热电联产系统100、200、300包括热屏蔽机构31，该热屏蔽机构抑制从重整器26和电芯堆27中的至少一个向管线25的热传递，该管线用作第一热交换部19中的通道。利用这样的配置，能够抑制管线25的过度加热。

作为根据本实施例的热电联产系统100、200和300的第一热交换部19的通道的管线25可以与壳体29的外侧接触。利用这种配置，可以使管线25位于壳体29的外侧，同时可以更强烈地加热管线25(即，介质)。

图11是示出了应用于根据第四实施例的热电联产系统的燃料电池的配置的示意图。

热电联产系统的燃料电池416通过燃料电池电芯490(电芯堆)产生电力并且使用产生的热来升高介质的温度。

燃料电池416包括燃料电池电芯490、存储部429、废气通道495和隔热材料430。燃料电池416包括含氧气体通道494。燃料电池416可以设置有重整器426。

燃料电池电芯490位于燃料电池416的存储部429中。在本实施例中，燃料电池416包含重整器426和位于存储部429中的燃料电池电芯490。存储部429可以包括在壳体431中。具体地，存储部429可以是壳体431的内壁的一部分和稍后将描述的隔热材料430的一部分。上述壳体431的内壁的一部分和隔热材料的一部分可以限定存储部429的内部空间。更具体地，由金属制成的壳体431可以限定存储部429的边界的一部分。例如，壳体431可以限定存储部429的其余三个侧面(不与废气通道495相邻的侧面)，该存储部的截面为矩形。隔热材料430可以限定存储部429的边界的其他部分。例如，隔热材料430可以限定存储部429的截面的一边。重整器426通过在作为原燃料供应的气体与水之间发生水蒸气重整反应来产生燃料(诸如氢)。燃料电池电芯490例如是固体氧化物燃料电池(SOFC)，其使用氧化剂(例如空气中含有的氧)和由重整器426产生的燃料来通过电化学反应产生电力。燃料电池416在产生电力的操作期间发热。燃料电池电芯490通过电化学反应产生水。从燃料电池电芯490排出的未反应的燃料和未反应的氧化剂被燃烧，以提供用于重整器426中的蒸汽重整反应的能量。从燃料电池电芯490排出的水与由未反应的燃料和未反应的氧化剂的燃烧产生的燃烧气体一起以高温气体状态从燃料电池416排出。产生电力操作期间产生的热量和燃烧的热量作为由燃料电池416产生的热量被介质回收。这里，燃料电池电芯490可以是聚合物电解质燃料电池(PEFC)。

在燃料电池416中，从燃料电池电芯490排出的废气流过废气通道495以被排出。废气包括选自由以下各项组成的组中的至少一项：尚未被用于产生电力的燃料气体、通过从燃料电池电芯490排出的燃料气体的燃烧而产生的燃烧气体(废弃的、气态的)、以及气态水。在燃料电池416中，隔热材料430设置为与废气通道495接触，并且将存储部429与废气通道495分离。隔热材料430是避免热传递的材料，并且可以是例如纤维状隔热材料(诸如玻璃棉)或泡沫隔热材料(诸如树脂泡沫)。

废气通道495在下游侧包括排出废气中含有的水的排水部493。废气通道495在排水部493的上游侧包括排出废气中含有的废气的排出部491。含氧气体通道494位于废气通道495附近，并且供应到燃料电池电芯490的含氧气体流过含氧气体通道494。连接到含氧气体通道494的导入部492位于排水部493与排出部491之间。流过废气通道495的废气被附近的含氧气体通道494中的含氧气体冷却。从冷却的废气中，通过水分凝结而产生的液态水(排水)从排水部493排放，并且气体从排放部491排放。从排水部493分离并排出的水可以被输送到燃料电池416作为用于重整器426中的蒸汽重整反应的水。利用燃料电池416的这种配置，由于可以在不设置气液分离器的情况下将用于水蒸气重整反应的水与废气分离，所以可以整体减小系统的尺寸。换言之，在图1、图9和图10中，可以取消气液分离器23。

废气通过与含氧气体通道494中的含氧气体进行热交换而被冷却。另一方面，含氧气体通过与废气的热交换而被加热。由于被加热的含氧气体流入重整器426和燃料电池电芯490，因此可以减少重整器426和燃料电池电芯490的冷却。因此，燃料电池电芯490和重整器426的温度可以保持较高。因此，可以维持燃料电池电芯490和重整器426的电力产生效率。

供热通道425位于燃料电池416内(存储部429内)。在本实施例中，供热通道425设置为与废气通道495接触，并且介质流过供热通道425。供热通道425至少部分埋入隔热材料430中。供热通道425的至少一部分可以暴露于废气通道495。如图11所示，在本实施例中，供热通道425埋入隔热材料430中。废气通道495和与废气通道495接触设置的供热通道425构成与第一实施例至第三实施例中描述的第一热交换部1 9相对应的第一热交换部419。利用燃料电池41 6的这种配置，由于燃料电池416在存储部429的高温内部中产生的热量能够被介质有效地回收，因此热量的有效利用变得可能。

这里，燃烧催化剂496可以用于促进废气的燃烧。在根据本实施例的燃料电池416中，燃烧催化剂496位于存储部429内，或者在废气通道495中位于供热通道425的上游。这里，作为另一示例，可以在不使用燃烧催化剂496的情况下配置燃料电池416。当不使用燃烧催化剂496时，燃烧部分与重整器426之间的燃烧距离L优选较大，使得空气量充足，如图12所示。

如图13所示，根据本公开实施例的热电联产系统400包括上述燃料电池416。热电联产系统400是热水供应系统。换言之，在燃料电池416中，在供热通道425中流动的介质是将作为热水供应的水。例如，热电联产系统400可包括加热系统。在这种情况下，在供热通道425中流动的介质可以循环通过加热系统，并且该介质可以是水、防冻剂等。换言之，在供热通道425中流动的介质可以直接或间接地供应给用户。

热电联产系统400包括：水流过的多个通道、包括供热通道425的燃料电池416、以及控制设备435。热电联产系统400可以包括冷却和加热设备422。热电联产系统400例如位于家庭中。

作为水流过的该多个通道，根据本实施例的热电联产系统400包括外部水通道81、热水供应通道412、热交换通道482和水通道484。

外部水通道481是从热电联产系统400的外部供应的水所流过的通道。在外部水通道481中，可以设置温度传感器455来测量流入外部水通道481的水的温度。此外，可以设置流速传感器462来测量流入外部水通道481的水量。外部水通道481可以设置有第一流量调节阀443以调节水的供应量。

热水供应通道412是向外部供应被加热的水(热水)的通道。可以设置温度传感器456来测量热水供应通道412出口处的水温。

热交换通道482是将外部水通道481与热水供应通道412连接并且通过供热通道425的通道。

水通道484是将外部水通道481与热水供应通道412连接的另一通道。水通道484可以设置有第二流量调节阀446，该第二流量调节阀446调节通过水通道484的水量。

在热电联产系统400中，来自热水供应通道412的水可以通过水通道484流入外部水通道481中进行循环。循环泵440可以位于外部水通道481中以升高压力来使水循环。

冷却和加热设备422位于热水供应通道412附近，以加热或冷却在热水供应通道412中流动的水。冷却和加热设备422例如可以是燃烧器、电加热器等。冷却和加热设备422可以是例如燃烧器，其包括燃料喷射管线和空气供应管线，燃料喷射管线供应气体燃料，空气供应管线通过使用鼓风机强制吸入外部空气并且供应所吸入的空气。冷却和加热设备422在点火口处将气体燃料和外部空气混合并且燃烧混合物。水通过冷却和加热设备422的燃烧而被加热。此外，冷却和加热设备422可以利用鼓风机产生风来冷却水。通过冷却和加热设备422，能够进一步适当地调节向外部供应的热水的温度。

控制设备435包括一个或多个处理器和存储器。处理器可以包括加载有特定程序以执行特定功能的通用处理器和专用于特定处理的专用处理器。专用处理器可以包括专用集成电路(ASIC)。处理器可以包括可编程逻辑设备(PLD)。PLD可以包括现场可编程门阵列(FPGA)。控制设备35可以是片上系统(SoC)，或是一个或多个处理器在其中彼此协作的封装系统(SiP)。控制设备435可以控制热电联产系统400的组件，诸如循环泵440、第一流量调节阀443、第二流量调节阀446、以及冷却和加热设备422。在本实施例中，控制设备435控制燃料电池416的操作。

控制设备435响应于对热水的需求来控制热电联产系统400的组件(包括燃料电池416)。例如，当持续需要热水时，控制设备435控制第一流量调节阀443和第二流量调节阀446以使供热通道425中的介质(水)流动。此时，控制设备435控制燃料电池416中的燃料利用率降低或空气利用率增加。具体地，控制设备435可以通过增加燃料供应速率来使燃料利用率降低，并且使燃料电池416未消耗的剩余燃料燃烧。这样的控制使得燃料电池416内的温度难以下降，导致能够有效地利用热量。

利用上述配置，根据本实施例的燃料电池416和热电联产系统400能够有效地利用热量并且实现尺寸减小。因此，根据本实施例的燃料电池416和热电联产系统400适合于需要紧凑性和尺寸减小的家庭热电联产系统。

注意，在根据本公开的实施例的描述中使用的附图是示意图，附图中的尺寸比例等不一定与现实相符。

尽管已经基于附图和示例描述了与本公开有关的实施例，但是应当注意的是，本领域普通技术人员可以基于本公开做出各种变型和改变。因此，应当注意，这些变型或改变包括在本公开的范围内。例如，可以重新布置各个组件等中包括的功能等，而在逻辑上不彼此冲突，并且多个组件等可被组合为一个或被拆分。

本公开中描述的所有组件和/或所有公开的方法或所有处理步骤可以基于任何组合(除了这些特征彼此排斥的组合之外)进行组合。此外，除非明确否认，否则本公开中描述的每个特征可以被替换为用于实现相同目的、等同目的或类似目的的替代特征。因此，除非明确否认，所公开的每个特征仅是相同或等同特征的全面系列的示例。

根据本公开的实施例不限于上述实施例中的任何具体配置。根据本公开的实施例可以扩展到本公开中描述的所有新颖特征或其组合，或者本公开中描述的所有新颖方法、处理步骤或其组合。

本公开中的“第一”、“第二”等描述是用于区分对应的配置的标识符。本公开中通过“第一”、“第二”等描述来区分的配置可以在对应的配置中互换编号。例如，第一热交换部可以与第二热交换部交换作为标识符的“第一”和“第二”。标识符的交换同时发生。即使在交换标识符之后，也可以区分对应的配置。标识符可以被删除。删除了标识符的配置通过附图标记来区分。不应基于本公开中对“第一”、“第二”等标识符的描述来作为解释对应的配置的顺序以及是否存在较低编号的标识符的依据。

根据本公开的实施例不限于上述实施例中的任何具体配置。根据本公开的实施例可以扩展到本公开中描述的所有新颖特征或其组合。

附图标记

100、200、300、400：热电联产系统

13、14：散热部

15、416：燃料电池

18：供热通道

18a：热水输送通道

18b：循环通道

19、419：第一热交换部

20：第二热交换部

21、24：泵

23：气液分离器

25、425：管线

25n：第一部分

25w：第二部分

26、426：重整器

27：电芯堆

28：填料

29：壳体

30：隔热材料

31a、31b：热屏蔽机构

32m：可动构件

33：热水输送阀

34：低温输送通道

43：第一流量调节阀

45：第二流量调节阀

412：热水供应通道

422：冷却和加热设备

429：存储部

430：隔热材料

431：壳体

435：控制设备

440：循环泵

443：第一流量调节阀

446：第二流量调节阀

455：温度传感器

456：温度传感器

462：流速传感器

481：外部水通道

482：热交换通道

484：水通道

490：燃料电池电芯

491：排出部

492：导入部

493：排水部

494：含氧气体通道

495：废气通道

496：燃烧催化剂。

Claims (14)

1.一种热电联产系统，包括：

燃料电池，容纳燃料电池电芯；

供热通道，使回收由所述燃料电池产生的热量的介质在所述供热通道中流动；以及

第一热交换部，位于靠近所述燃料电池的外侧处或者位于所述燃料电池内，以使在所述供热通道中流动的所述介质回收由所述燃料电池产生的热量。

2.根据权利要求1所述的热电联产系统，还包括：

第二热交换部，在所述燃料电池的废气与在所述供热通道中流动的所述介质之间进行热交换。

3.根据权利要求2所述的热电联产系统，其中，在所述供热通道中，所述第一热交换部位于所述第二热交换部的下游侧。

4.根据权利要求2或3所述的热电联产系统，其中，所述供热通道包括分支通道，所述分支通道位于所述第一热交换部的下游侧并且包括散热部。

5.根据权利要求4所述的热电联产系统，其中，所述分支通道在所述供热通道中还连接到所述第二热交换部的上游侧。

6.根据权利要求4或5所述的热电联产系统，其中，所述散热部位于所述第二热交换部的废气的排出通道中。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的热电联产系统，其中

所述燃料电池还包括壳体和容纳在所述壳体内的重整器，以及

所述介质在所述第一热交换部中的通道被设置在所述壳体内，或者设置为在所述壳体的外部靠近所述壳体处。

8.根据权利要求7所述的热电联产系统，还包括：

热屏蔽机构，抑制从所述重整器和所述燃料电池电芯中的至少一个向所述第一热交换部中的所述通道传递的热量。

9.根据权利要求7所述的热电联产系统，其中，所述第一热交换部的所述通道与所述壳体的外侧接触。

10.根据权利要求1至9中任一项所述的热电联产系统，其中

所述燃料电池包括存储部、废气通道和隔热材料，其中，所述存储部中设置有所述燃料电池电芯，从所述燃料电池电芯排出的废气流过所述废气通道，且所述隔热材料被设置为与所述废气通道接触并且将所述存储部与所述废气通道分离，以及

在所述燃料电池内，所述第一热交换部中的所述供热通道被设置为与所述废气通道接触并且至少部分地埋入所述隔热材料中。

11.根据权利要求10所述的热电联产系统，其中，所述废气通道在下游侧包括排出所述废气中包含的水的排水部，且在所述排水部的上游侧包括排出所述废气中包含的废气的排出部。

12.根据权利要求11所述的热电联产系统，还包括：

含氧气体通道，位于靠近所述废气通道处，且要供应给所述燃料电池电芯的含氧气体流过所述含氧气体通道，

其中，与所述含氧气体通道连接的导入部位于所述排水部与所述排出部之间。

13.根据权利要求10至12中任一项所述的热电联产系统，其中，燃烧催化剂位于所述存储部内或者位于所述废气通道中热交换部的上游。

14.根据权利要求1至13中任一项所述的热电联产系统，还包括：

控制设备，当所述介质在所述第一热交换部中流动时，控制所述燃料电池中的燃料利用率降低或空气利用率增加。