CN1983693A - 燃料电池加热系统 - Google Patents

Abstract

本公开涉及一种燃料电池加热和发电系统。在一个实施例中，燃料电池加热系统包括燃料电池；构造成用来储存由产生于燃料电池的热量加热的液体的储存罐；安装在需要供热的空间内的辐射单元；将储存罐连接至辐射单元的第一连接管，该第一连接管构造成使得来自储存罐的液体易于流向辐射单元；和将储存罐连接至辐射单元的第二连接管，该第二连接管构造成使得来自辐射单元的液体易于流向储存罐。

Description

燃料电池加热系统

相关申请

当前的公开内容要求于2005年9月29日提交的韩国申请No.10-2005-0091633的权益，其全部内容被合并于此而引为参考。

技术领域

本发明涉及加热系统。更具体地，本发明的实施例涉及特别适合于产生供加热系统使用的电能和热量的燃料电池，加热系统例如可在住宅或其它建筑物中使用。

背景技术

作为能量源的化石燃料的使用可导致有害的环境污染物的产生。化石燃料还由于不断增加的需求而变得更加稀少，并且将变得越来越昂贵。因此，低成本和/或更环境友好的化石燃料的替代物越来越重要。这样的一种替代物是燃料电池，其可用作电源。

燃料电池通常被配置为将化学能直接转换成电能。已有各种类型的燃料电池，包括但不限于，磷酸燃料电池(PAFCs)，碱性燃料电池(AFC)，质子交换膜燃料电池(PEMFCs)，熔融碳酸盐膜燃料电池(MCFCs)，固体氧化物燃料电池(SOFCs)，和直接甲醇燃料电池(DMFCs)。尽管它们的类型不同，但是这些燃料电池以类似的方式产生作用。例如，在典型的燃料电池操作过程中，电池的电化学反应产生富氢燃料和富氧空气。该燃料电池随后将化学反应之前和化学反应之后的一部分能量差转换成电能。因此在氢气和氧气提供至燃料电池时，可持续产生电能。

燃料电池可被用于在宽广的多变环境和应用中产生电能。例如，燃料电池被用于电动汽车和其它车辆。燃料电池还可被用于向住宅和办公室提供电能。例如，家用燃料电池可用于向家用电器，家庭照明装置等提供电能。

燃料电池的一个优点在于，它通过不会对环境造成有害污染物排放的方式产生有用的能量。但是，除了产生电能外，通常的燃料电池还产生作为副产物的相当数量的热量和水。尽管这些副产物不会对环境有害，但是它们通常不被利用并且仅仅是作为废物排放掉。

因此，提供通过使用至少一些燃料电池的运转副产物的方式来利用燃料电池系统的优点的能力是可取的，例如低成本和环境效益。

发明内容

因此，本发明的实施例涉及这样一种系统，它利用燃料电池的发电能力的系统，同时还利用燃料电池运转的副产物，例如多余的热量和/或水。特别的，当前的优选实施例涉及燃料电池发电系统，其有效地利用产生的例如热量副产物来加热住宅、办公室或其它建筑物。本发明的实施例因此可使产生的污染物最少，并且同时提供低成本和环境友好的电能以及有用的热量。

在一个例子中，公开了一种利用产生于电燃料电池的热量的加热系统。在所示的示例性系统中，储存罐构造成用来储存流体，例如水，该流体通过产生电能的燃料电池产生的热量加热。该系统还包括可被安装在需要热源的空间，例如住宅、办公室或其它建筑物内的辐射单元。该辐射单元构造成接收包含在储存单元内的流体，随后发散包含在该液体内的热量，以便加热周围的建筑物。

在一个实施例中，第一连接管被用于将储存罐连接至辐射单元，因此允许热的流体流到辐射单元。包含在流体内的热量随后可通过辐射单元释放到被加热的空间中。一旦热量从流体中释放出来，该流体通过第二连接管返回至储存罐，在那里它可被燃料电池再次加热。因此，当热量在散热器中从流体释放出来后，该液体返回至储存罐，通过燃料电池的运转再次加热，并且返回至散热器。在一个实施例中，液体的循环通过泵，或者类似的机械装置来提供。在所示的实施例中，散热器的热量释放速率可通过调节流体流向散热器的速率来控制。较低的流体流速将导致较少的热量辐射，而较高的流速将导致更多的热量辐射。

在一个可选的实施例中，提供至流体的热量可通过在系统内并入第二个热源来增加。在另一个可选的实施例中，多余的热量可通过辅助辐射装置而从系统中释放。

因此，本发明的实施例提供了可被用作低成本和环境安全的电源的燃料电池系统。此外，该系统利用发电的副产物-即，水和/或热量-以提供对建筑物例如住宅或办公室的有用的热源。

通过在下面结合附图对本发明的详细说明，本发明的上述以及其它目的、特征、方面和优点将变得更加明显。

附图说明

被包括用来提供对本发明的进一步理解并且并入以及构成该说明书一部分的附图示出了本发明的实施例，并且这些附图与说明书一起用于解释本发明的原理，其中附图为：

图1和2是根据本发明第一示例性实施例的燃料电池加热和发电系统的示意图；

图3是管道布置图，示出了根据本发明示例性实施例的燃料电池加热和发电系统的燃料电池和储存罐；

图4是平面图，示出了根据本发明示例性实施例的燃料电池加热和发电系统的辐射单元的敷设；

图5是管道布置图，示出了根据本发明另一示例性实施例的燃料电池加热和发电系统的可选的辅助辐射单元的使用；

图6是根据本发明第二示例性实施例的燃料电池加热和发电系统的示意图。

具体实施方式

现在将参照公开在附图中的本发明相关细节的一些示例性实施例。首先参照图1，示出了根据本发明第一示例性实施例的燃料电池加热和发电系统的示意图。图1的示例性系统包括燃料电池100和用于储存流体的储存罐200。储存在储存罐200中的流体通过燃料电池100的运转来加热。例如，流体可通过在提供给燃料电池100的燃料和氧气之间的电化学反应过程中产生和释放的热能来加热。

该流体可以是例如适当的液体，例如水，但是其它任何能够保持住热量的适当流体物质(液体或气体)都可以使用。根据该系统的特定需要，储存罐200还可由保温材料覆盖，以便隔绝容纳于其中的被加热流体，并且进一步提高系统的效率。

图1的示例性系统还包括辐射单元300。该辐射单元300构造成收集和释放包含在流经其中的流体的热量，并且可以本领域技术人员知道的多种方式之一来实现。辐射单元300可位于例如住宅或其它建筑物或位置的地板内，或提供热量的位置。图1的系统包括用于将储存罐200连接至辐射单元300的第一连接管400，和用于将辐射单元300回连至储存罐200的第二连接管500。第一连接管400能够使被加热的流体从储存罐200流向辐射单元300，热量在那里从流体释放到建筑物中。一旦热量被释放后，第二连接管500使流体从辐射单元300回流至储存罐200，以使得它可被再次加热。该过程可持续以便向建筑物持续地供热。

在该示例性实施例中，燃料电池100配置为可持续地产生电能，同时氢气和氧气供应到其中。燃料电池100还配置为产生作为副产物的热量和水。燃料电池100可以是各种类型的燃料电池之一，其包括但不限于磷酸燃料电池(PAFC)，碱性燃料电池(AFC)，质子交换膜燃料电池(PEMFC)，熔融碳酸盐膜燃料电池(MCFC)，固体氧化物燃料电池(SOFC)，和直接甲醇燃料电池(DMFC)，或者它们的组合。图1系统的燃料电池100可位于各个位置，包括仓库或者住宅或其它建筑物的地下室。

如图2所示，示例性实施例的燃料电池100包括叠堆(stack)110。该叠堆100包括阳极111和阴极112，用于通过提供至阳极111的氢气和提供至阴极112的氧气之间的电化学放热反应来产生电能。该电化学放热反应还产生了作为副产物的热量和水。该示例性燃料电池100还包括用于从富氢燃料中精制氢气的重整器120。重整器120被配置为向叠堆110的阳极111供应精制的氢气。燃料电池100还包括用于向重整器120提供富氢燃料的燃料供应单元130，用于向重整器120和叠堆110的阴极112提供空气的空气供应单元140：和用于将产生于叠堆110的电能转换成商业电源的电能输出单元150。

来自燃料供应单元130的燃料可以是烃基燃料，例如液化天然气(LNG)，液化石油气(LPG)，甲醇(CH3OH)，和任何其它适当的燃料。该燃料在重整器120中经受脱硫处理，重整处理，和氢精制处理。精制后的氢随后被提供至叠堆110的阳极111。

在一个示例性实施例中，作为燃料电池100的叠堆110运转的副产物的热量通过使用燃料电池100的叠堆110中的热交换单元210提供至储存罐200。热交换单元210因此构造成连续地加热流体，并且随后将被加热的流体引入到储存罐200。热交换单元210的一侧通过引入管220连接至储存罐200，热交换单元210的另一侧通过引出管230连接至储存罐200。

在另一示例性实施例中，图3公开了作为燃料电池100的叠堆110运转的副产物的热量通过使用热交换单元210储存在储存罐200中。与图2的热交换单元210类似，公开于图3的热交换单元210被安装在燃料电池100的叠堆110中。引入管220和引出管230同样连接在热交换单元210和储存罐200之间。但是，此外，图3的示例性实施例包括辅助引入管240，用于将作为叠堆110中的电化学反应的副产物的水引入到储存罐200。辅助引入管240连接在叠堆110和储存罐200之间。经辅助引入管240流入到储存罐200的水同样由于叠堆110的电化学放热反应而被加热。

当在储存罐200中蓄积的流体超过了预定量时，辅助引出管(未示出)可用于释放过多的流体。该辅助引出管可安装在储存罐200中、第一连接管400中、或者第二连接管500中。

在所示的实施例中，还可在例如第一连接管400中设置用于加热流体的辅助加热单元600。各种类型的加热器可用作辅助加热单元600，其包括但不限于例如，电加热器或辅助燃烧器。在该实施例中，当储存罐200内的流体或流经第一连接管400的流体的温度低于预定的温度时，辅助加热单元600可用于加热该流体以使其达到预定的温度。

用于控制流经辐射单元300的流体流量的流量控制单元410可定位在第一连接管400和辐射单元300的相交处或其附近。用于控制流量控制单元410的控制单元420可与流量控制单元410连通，并且被放置在辐射单元300定位于其中的住宅或建筑物的内部或外部。辐射单元可以任何适当的方式设置在将被加热的建筑物内部，以便向该建筑物释放热量。例如，辐射单元300可设置在住宅或建筑物的地板内，以便通过地板释放热量。在那种配置中，散热器可设置成曲线状，以便以均匀的方式释放热量。在一个实施例中，如图4所示，曲线可以是交替的布局。在一个实施例中，交替的布局还可包括多个连接至散热器300的散热片(未示出)，以确保更好更均匀的热量分布。可以理解，辐射单元300可定位在住宅或其它建筑物的数个不同的地方。例如，辐射单元300可位于地板内侧或紧靠墙壁。或者辐射单元300可例如同时位于地板中和紧靠墙壁。可根据包括被加热的建筑物的类型和它的特定的结构的各种因素，以及所需的热效应的类型来提供其它的布置。

在图2的示例性系统中，设置了用于泵送流体以使其流经该系统的泵430。泵430可连接至第一连接管400。在一个实施例中，泵430可连接至储存罐200和辅助加热单元600之间的第一连接管400，尽管可以理解的是，它可位于该系统内的其它地方。

辅助辐射单元也可被用于与储存罐200和第一连接管400相连接。当提供至辐射单元300的流体被切断时，该辅助辐射单元可被用于从储存罐200那里释放多余的热量。图5公开了一个示例性的辅助辐射单元。这种配置可确保在该系统内不会存在多余的热量。

图5的示例性辅助辐射单元包括连接至第一连接管400的循环管710。该循环管710在储存罐200和辅助加热单元600之间的位置处连接至第一连接管400。循环管710的另一端连接至储存罐200。图5的辅助辐射单元还包括连接至循环管710的辅助辐射管720。该辅助辐射管720用于释放流经循环管710的流体的热量。图5的辅助辐射单元还包括安装在第一连接管400和辅助辐射管720之间的循环管710上的开关阀730。开关阀730可被用于控制流经管720的流体流量，因此控制通过辅助辐射管720释放的热量。

图6是根据本发明第二示例性实施例的燃料电池加热和发电系统的示意图。与图2的本发明第一示例性实施例不同，图6的系统不包括直接连接至储存罐200的第二连接管500。作为替代，在图6的实施例中，连接管800通过燃料电池100的叠堆110将辐射单元300连接至储存罐200。连接管800被配置为允许来自辐射单元300的流体在输送至储存罐200之前被产生于燃料电池100的叠堆110的热量直接加热。因此，已经流经辐射单元300和通过连接管800返回的流体由产生于叠堆110的热量加热，并且随后返回到储存罐200中。

图6的系统中的其它元件与图2的系统中具有相应附图标记的元件相同，因此省略了对它们的详细描述。上面公开的与图2的系统相关的辅助加热单元和辅助辐射单元也可被用于图6的系统中。

已经对图2和6的系统的元件的结构和功能做出了说明，现在将说明图2和6的系统的示例性操作。

首先，燃料经燃料供应单元130提供至重整器120，该重整器120从燃料中精制出氢气以便将精制后的氢气提供至叠堆110的阳极111。而且，空气通过空气供应单元140提供至重整器120。空气还通过空气供应单元140提供至叠堆110的阴极112。提供至叠堆110的阳极111的氢气与提供至叠堆110的阴极112的氧气发生放出热量的电化学反应，从而产生电能，以及作为副产物的热量和水。

产生于燃料电池100的叠堆110的热量随后被用于通过使流体循环流经引入管220，热交换单元210，引出管230来加热储存罐200的流体。储存在储存罐200中、由产生于叠堆110的热量加热的流体随后通过第一连接管400泵送到辐射单元300内。在流经辐射单元300的过程中，该流体向外放出热量，加热例如在其中放置有辐射单元300的住宅的地板。

在图2的系统中，当热量通过辐射单元300从流体中释放出来后，流体通过第二连接管500返回至储存罐200，并且以上述方式被再次加热。可替换地，在图6的系统中，流体通过连接管800直接返回至燃料电池100，在那里，在它通过引入管220返回至储存罐200之前它吸收产生于燃料电池100的热量。由于储存在储存罐200内的流体在图2或图6的系统中反复循环，因此该建筑物被持续地加热。

被加热的建筑物，例如住宅地板的温度可通过使用控制单元420调节流量控制单元410而被控制，从而可调节流经散热器300的流体流量。因此，室内地板的温度可通过增加流经流量控制单元410的流体流量来提高。室内地板的温度可通过减少流经流量控制单元410的流体流量来降低。

在该例子中，室内地板的温度可通过使用辅助加热单元600来加热流经第一连接管400的流体而被任意地提高到高于储存罐200中的流体的温度。因此，辅助加热单元600可被用于提高流经第一连接管400和流入辐射单元300的流体的温度。而且，流经辐射单元300的流体的循环速度可通过使用泵430来调节。

当住宅或其它建筑物的室外温度较高时，例如在夏季，可通过使用流量控制单元410切断流向辐射单元300的流体流。与此同时，在图5中示出了它的一个例子的辅助辐射单元可被操作以便释放储存在储存罐200中的流体的热量。当储存在储存罐200中的被加热流体通过循环管710和辅助辐射管720循环时，该热的流体被冷却。流经图2和6的系统的液体循环速度可通过操作泵430来提高。泵430因此可被用于提高图2和6的系统的辐射效率。

建筑物被加热的方式部分地取决于辐射单元是如何定位在该建筑物内的。例如，当辐射单元300被安装在建筑物的墙壁或其它类似的内部位置时，辐射单元300通过将热量直接传递给建筑物内部的空气而加热该内部。可替换地，当辐射单元300被安装在住宅或建筑地板的内侧时，辐射单元300不仅加热该建筑物内的空气，还加热该建筑物的地板。

产生于燃料电池100的电能还可提供至住宅或其它建筑物，以便向例如与该建筑物相关的电器和家用照明装置提供电能。

燃料电池100在氢气和氧气的电化学反应期间产生电能、热量和水，而不会产生与化石燃料燃烧产生的污染物的量相当的污染物。而且，由于燃料电池100可从富氢燃料中精制氢气或可直接使用富含氢的液体燃料，因此可使用的燃料类型扩大了并且其使用量可降低。

根据本发明的燃料电池加热和发电系统使用在产生电能的过程中释放的热量来加热住宅或其它建筑物的空气和/或地板。与使用化石燃料作为能量源相比，该系统产生很少的污染物并且不那么昂贵。因此，公开于此的示例性系统的使用可降低对产生于化石燃料的能源的依赖。

本发明在不偏离其精神或本质特征的前提下可以多种形式体现，因此应该理解，除非另有说明，上述实施例并不限定于前述说明书的任何细节，而应该在由所附的权利要求限定的精神和范围内被广泛地解释，并且因此，落在权利要求的范围内，或者这种范围的等效范围内的所有变化和改进都试图包括在所附的权利要求中。

Claims (10)

1.一种燃料电池加热系统，该系统包括：

燃料电池；

储存罐，构造成用来储存由产生于所述燃料电池的热量加热的液体；

安装在需要供热的空间内的辐射单元；

将所述储存罐连接至所述辐射单元的第一连接管，该第一连接管构造成使得被加热液体易于从所述储存罐流到所述辐射单元；和

将所述储存罐连接至所述辐射单元的第二连接管，该第二连接管构造成使得液体易于从所述辐射单元流到所述储存罐。

2.根据权利要求1所述的系统，其中所述辐射单元安装在住宅或其它建筑物的地板内部。

3.根据权利要求2所述的系统，其中所述辐射单元形成为具有弯曲的形状。

4.根据权利要求3所述的系统，其中所述弯曲形状为交替弯曲的形式。

5.根据权利要求1所述的系统，其中所述辐射单元安装在住宅或其它建筑物的内部空间中。

6.根据权利要求5所述的系统，其中所述辐射单元包括曲线和连接至所述曲线的多个散热片。

7.根据权利要求1所述的系统，还包括辅助加热单元，该辅助加热单元构造成加热流到所述辐射单元的流体。

8.根据权利要求1所述的系统，还包括辅助辐射单元，该辅助辐射单元构造成选择性地释放流经所述第一连接管的流体的热量。

9.根据权利要求8所述的系统，其中所述辅助辐射单元包括：

将所述储存罐连接至所述第一连接管的循环管；

连接至所述循环管的辅助辐射管；和

安装在所述循环管上的开关阀。

10.一种燃料加热电池系统，该系统包括：

燃料电池；

储存罐，构造成储存由产生于所述燃料电池的反应热所加热的液体；

辐射单元，构造成发散包含在流经它的流体中的热量；

将所述储存罐连接至所述辐射单元的第一连接管，该第一连接管构造成使得流体易于从所述储存罐流到所述辐射单元；和

将所述储存罐连接至所述辐射单元的第二连接管，该第二连接管构造成使得流体易于从所述辐射单元通过所述燃料电池流到所述储存罐。

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