专利名称：带有用于发电的整体化燃料电池的加热系统的热交换器的制作方法
〔技术领域〕本发明涉及一种如技术方案1前序部分所述的带有用于发电的整体化燃料电池的加热系统的热交换器，本发明还涉及一种带有这种热交换器的系统。
〔背景技术〕EP0818840A公开了一种带有用于产生电能和热能的整体化燃料电池的加热系统，其中，对于指定形式的能量，至少部分地，加热系统的操作者，“本地能量使用者”可满足其需要。该加热系统包括一个附加燃烧器。该文件描述了如何由可以气体燃料形式获得的初始能量在包括室内取暖和/或生产用水加热的加热系统中产生最大量的热能的各种可能性。出于经济的原因，人们提出和尝试了各种方法来进一步简化已知的过程，其中，一种是继续努力使初始的能量得到理想的利用。在EP0818840A所公开的方法中，需要纯水来对燃料进行重组改良。一种简化该方法的办法是通过带有部分氧化的重组改良过程来对燃料进行处理，该燃料也可以是液体形式的燃料。部分氧化使得在重组改良过程中将获得的纯水作为附加提出物这一必需且费用高昂的过程成为一个不必要的过程。
另外的办法是a)在发电系统以及热能与本地能量使用者之间设置热存储器，和b)如果必要，产生过量的可释放到公共供电网中的电能。在产生这种过量电能的过程中，通常也会产生超过了本地能量使用者当前需求的过量热能。该热能会暂时存储在热存储器中。直到热存储器已完全达到负载，电能才会产生过量。如果本地能量使用者有时需要相对较大量的电能，也会产生过量的热能。在此情况下，最好是将过量的热能存储起来。
必须利用适当的热传递介质才能将热量从带有整体化燃料电池的加热系统输送给热存储器。在此配置中，热量是由两个废气流也就是由燃料电池的废气流和由附加燃烧器的废气流输送给热存储器和/或本地能量用户的。两个废气流形成了两个独立变量，其范围分别是在0和最大值之间。液体热传递介质特别是水或油是优选地设置用于热传递，热量通过其传递给本地能量用户。
〔发明内容〕本发明的目的是提供一种可经济地进行热传递特别是使废气流发生变化的装置。该目的是通过技术方案1所述的热交换器来实现的。在该结构中，本发明的热交换器经济地传递热量，形成一种特别的小型结构。
本发明提供一种用于加热系统的热交换器，该加热系统具有用于发电的整体化燃料电池和附加燃烧器。在该系统中，可通过燃料电池和/或附加燃烧器由气态燃料或成为气体形式的燃料产生电能和热能。以热的废气形式存在的一部分热能可在热交换器中传递给液体热传递介质，具体的是水或油。热传递介质用于为了进行室内取暖和/或生产用水加热(制备热水)而进行的热传递。热交换器形成一个小型装置，且该装置由具有良好热传导特性的材料制成。两个单独的通道设置在热交换器的双壁套壳中。套壳具有形成一个连通容器的内部空间。由于具有该结构，因此，热传递介质至少流过大部分内部空间。
技术方案2-7涉及本发明热交换器的优选实施例。具有该热交换器的系统分别由技术方案8-10限定。
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〕下面将结合附图对本发明进行描述，其中图1是加热系统的示意图，用于发电的燃料电池安装在该加热系统中，且加热系统包括一个附加燃烧器，图2是本发明热交换器的纵向截面图，图3是图1所示系统的第二视图，图4是与图3视图相对应的一种改进的系统，图5是另一种改进的系统。
〔具体实施方式
〕图1所示的加热系统包括本发明的热交换器1、带有燃料电池Z的子系统2和附加燃烧器3，其中，燃料电池Z布置成一个叠层状装置20，附加燃烧器3在图1中也由B表示。新鲜的空气从环境8中通过管道28进行供应，气态或气化的燃料G由气源9通过管道29供应到燃料电池Z中(气源9可以是由公共总管系统供应的天然气)。新鲜的空气F类似地通过供应管道38供应给附加燃烧器3，燃料G通过供应管道39供应给附加燃烧器3。子系统2和附加燃烧器3中产生的废气分别通过管道22和32供应到热交换器1中。燃料G可通过燃料电池Z产生电能和热能，和/或通过附加燃烧器3产生热能。废气和在燃料电池Z中未完全燃烧的燃料在子系统2中进行补燃。燃料电池Z产生的DC电流在转换器21中转变成交流电。由此而产生的电能E传输给本地用户4(负载LE)或通过线路70a或70b传输给外部主系统7。一部分以热废气形式存在的热能在热交换器1中传递给液体热传递介质，具体的是水或油。通过热传递介质可传递热量Q进行加热，热传递介质可利用循环泵40和50通过管道51、52、43和44进行输送。在该结构中，一方面，热量Q(管道52)被完全或部分地输送到本地用户4(负载LQ)，另一方面，也由标号SQ表示的多余的热量Q可输送到热存储器5中。利用排气风机80将废气从子系统2(管道12a)排入到管道83中，并在管道83中与附加燃烧器3(管道13a)的废气一起释放出并混合成总气体A排入到环境8a中。附加燃烧器3的废气在风机30所产生的过压作用下进行输送。只要子系统2或附加燃烧器3进行工作，止回阀32和82就可避免废气发生逆流。
本发明的热交换器1形成一种小型的由具有良好传导特性的材料制成的装置。用于燃料电池Z的废气(或者更准确地是用于子系统2的废气)和附加燃烧器的废气的两个单独的管道12和13布置在热交换器的一个双壁套壳10内。图2更详细地示出了在图1中用符号表示的热交换器1，且图2是其一个特定实施例的纵向截面图。套壳10具有一个构造成腔体并形成一个连通容器的内部空间11。由于热传递介质流过内部空间11(整个内部空间11或至少是其大部分)，因此，热量Q就可从两个废气管道12和13传递给热传递介质。由于套壳10的材料具有良好的热传导性，因此，热传递介质可在套壳10的所有区域中吸收热量，即使是两个废气流中的一个发生故障。所用的材料最好是铝合金，且套壳10至少部分地由铝铸造工艺过程进行制造。
通过中央控制器6(也表示为C)对图1所示的系统进行控制和调节。例如，控制信号通过信号线路61和62传递给风机30和80。子系统2通过信号线路62与控制器6相连，附加燃烧器3通过信号线路63’与控制器6相连。通过连接线路67与“虚拟的电站7”相连。另外，分别通过信号线路64和65与本地用户4和热存储器5相连。泵40和50通过未示出的线路也与中央控制器6相连。例如，最好根据热交换器1预定的出口温度来调节由存储器5输出的热量Q的传递。改变泵50的输送能力就可实现这种调节。
在图2所示的热交换器1中，两个废气管道12和13之间的隔壁14制成双壁式的结构。隔壁14具有这样构造的一种内部空间，热传递介质也可流过该内部空间。
在图2所示的实施例中，套壳10的内部空间11是隔成腔室的，也就是，它具有由套壳腔室11’形成的结构。特别是，两个废气管道12和13之间的隔壁14也是隔成腔室的。(相邻腔室11’之间的开口未示出。)隔壁14的腔室11”以这样的方式(以连续布置的方式)布置在套壳腔室11’之间，从而使传递介质可类似地流过隔壁14。
本发明的热交换器1由少量的整体部件构成，或者最好是包括一个单独的整体部件。每个整体部件最好是一个铸造件；或者至少单个部件是铸造件。
两个废气管道12和13从热交换器的头端延伸到脚端。未示出的用于热传递介质的入口点布置在脚端，而相应的同样未示出的出口点布置在头端。
附加燃烧器3(由点划线30表示的)可直接布置在图2所示的热交换器1的燃烧器废气管道13的入口点处。热交换器1最好连接到包含有燃料电池Z的装置20的废气出口接头上。
在图3所示的改进实施例中，示出了略作改进的图1所示的系统。热交换器1、带有燃料电池Z的子系统2和附加燃烧器3一起合并布置在方框单元123中。从环境8中(参见图1)吸入的新鲜空气F以箭头F’表示在逆流热交换器18中由已在热交换器1中进行局部冷却的废气A-箭头A’-进行预热。预热的新鲜空气F通过管道28和32供应到方框单元123中。同时可将逆流热交换器18设计为烟囱，废气通过其排入到环境8a中。
与图1所示系统的区别在于，在图3中，燃料G从气源9通过管道39’供应到风机30中，并在此产生可燃混合气体。该混合气体经供应管道38流入到燃烧器3的入口中。如果风机30不工作，止回阀32可保证通过风机80供应的废气不会经管道13a进入到热交换器1中。反之，如果风机80不工作，止回阀82可避免废气进入到热交换器1中。
图4和5示出了带有整体化燃料电池的加热系统的两个改进的实施例。在这两个改进的实施例中，含有多余氧气的燃料电池Z的废气而不是新鲜空气供应到附加燃烧器3中。并且不再需要风机30。如果必要的话，新鲜空气F可通过附加的管道38a供应到燃烧器3的进入管道38中，参见图5。并通过阀36来控制这种供给。燃料G相应地通过管道39”混入到进入管道38中。
权利要求
1.一种用于加热系统的热交换器(1)，该加热系统具有用于发电的整体化燃料电池(Z)和附加燃烧器(B)，其中，在所述加热系统中，气态燃料或成为气体形式的燃料通过燃料电池可产生电能和热能(E、Q)和/或通过附加燃烧器可产生热能(Q)，其中，在热交换器中，以热的废气形式存在的一部分热能可传递给液体热传递介质，具体的是水或油，热传递介质用于为了进行室内取暖和/或生产用水加热而进行的热传递，其特征在于热交换器形成一个小型装置，该装置由具有良好热传导特性的材料制成，其中，两个单独的通道(12、13)设置在热交换器的用于燃料电池废气和附加燃烧器废气的双壁套壳(10)中，套壳具有形成一个连通容器的构造的内部空间(11)，由于具有该结构，因此，热传递介质至少流过大部分内部空间。
2.根据权利要求1所述的热交换器，其特征在于废气通道(12、13)之间的隔壁(14)制成双壁式的结构，并具有一个构造的内部空间，从而热传递介质也可流过该隔壁。
3.根据权利要求1和2所述的热交换器，其特征在于套壳(10)的内部空间(11)是隔成腔室的，也就是，它具有由套壳腔室(11’)形成的结构，特别是，废气通道(12、13)之间的隔壁(14)也是隔成腔室的，且隔壁的腔室(11”)连续地布置在套壳结构中，由于腔室连续地进行布置，因此热传递介质可流过隔壁。
4.根据权利要求1-3之一所述的热交换器，其特征在于它由少量的整体部件构成或组装而成，最好是由一个单独的整体部件构成，其中，每个整体部件或者至少一些部件是铸造件。
5.根据权利要求1-4之一所述的热交换器，其特征在于两个废气管道从热交换器的头端延伸到脚端，其中，用于热传递介质的入口点布置在脚端，而相应的出口点布置在头端。
6.根据权利要求1-5之一所述的热交换器，其特征在于附加燃烧器(3)可直接布置在用于燃烧器废气的通道(13)的入口点处，其中，热交换器可连接到包含有燃料电池(Z)的装置(20)的废气出口接头上。
7.根据权利要求1-6之一所述的热交换器，其特征在于所用的材料是铝合金，且套壳至少部分地由铸铝制成。
8.一种具有权利要求1-7之一所述热交换器的系统，其特征在于在回路(50、51、52)中的热传递介质传递的热能(Q)可传递到热存储器(5)中，其中，在热交换器中根据预定的出口温度来调节这种热传递，热存储器通过另一个回路(40、43、44)与用于热传递目的的室内取暖和/或生产用水加热(LQ)的加热系统相连。
9.根据权利要求8所述的系统，其特征在于单独的管道(12a、13a)在热交换器(1)的出口处与两个废气通道(12、13)相连，其中，止回阀(82)和排气风机(80)设置在用于燃料电池(Z)的废气流的管道(12a)中，新鲜空气(F)特别是预热的新鲜空气可由压力风机(30)输送并通过止回阀(32)供应到附加燃烧器(3)中，且在进入烟囱(18)之前或进入烟囱时，用于两个废气流(12a、13a)的管道合并成一个共同的管道(83)。
10.根据权利要求8所述的系统，其特征在于在热交换器(1)的出口处，用于燃料电池废气流动的管道(12a)没有分支地通向附加燃烧器(3)的入口管道(38)，其中，用于附加燃烧器废气流的管道(13a)通过排气风机(80)通向烟囱(18)，且用于新鲜空气(F)的附加管道(38a)可连接在附加燃烧器的进入管道(38)上。
全文摘要
本发明提供一种用于加热系统的热交换器(1)，该加热系统具有用于发电的整体化燃料电池(Z)和附加燃烧器(B)。在该加热系统中，气态燃料或成为气体形式的燃料通过燃料电池可产生电能和热能(E、Q)和/或通过附加燃烧器可产生热能(Q)。在热交换器中，以热的废气形式存在的一部分热能可传递给液体热传递介质，具体的是水或油。热传递介质用于为了进行室内取暖和/或生产用水加热而进行的热传递。热交换器形成一个小型装置，该装置由具有良好热传导特性的材料制成。两个单独的通道(12、13)设置在热交换器的双壁套壳(10)中。套壳具有形成一个连通容器的构造的内部空间(11)。由于具有该结构，因此，热传递介质至少流过大部分内部空间。
文档编号F28D7/00GK1595701SQ200410078490
公开日2005年3月16日 申请日期2004年9月10日 优先权日2003年9月11日
发明者R·埃特魏因, A·舒勒 申请人:苏舍赫克希斯公司