专利名称：带有高温燃料电池的设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及带有高温燃料电池的设备和操作设备的方法。
高温燃料电池，例如SOFC(固体氧化物燃料电池)型，使得能够利用在操作建筑物基础设施中由燃料电池转换的能量。在这种情况下电能和热能都被利用了，其中电能是由电化学过程产生的，热能是以电化学过程的热废气形式产生的。如果建筑物基础设施计划用于天气状况，特别是周围环境温度显著变化的气候，则必然会偶尔向周围环境释放过剩的热量。如果使用了SOFC型的燃料电池，则废气的温度会非常高，以至于绝对不能将废气直接通过烟囱排放到周围环境中来除去过剩热量。在这样高的温度，可能会对烟囱造成损坏；热废气还能成为危害环境的来源。
从EP-A 0 832 742(＝P.6752)中可获知同时产生电能和热能的设备。在这些设备中，可借助于热机来利用随废气产生的过剩热量。但这种利用的可能性常常复杂并且昂贵，所以经济上更有利的是通过将废气不加利用地散发到周围环境中——“处理掉”来除去过剩热量。
本发明的目的是设计一种带有高温燃料电池的设备，其能够满足建筑物基础设施的电能和热能要求，并且能够使偶尔产生的过剩热量可散发到周围环境中而不损坏建筑物基础设施的部件，也不对环境造成危害。该目的通过在权利要求1中限定的设备实现。
设备包括高温燃料电池，该燃料电池构成电池组，在电池组中可用燃料和包含氧气的气体进行电化学反应，同时产生电流和传输废热的热废气流。设备包括一装置，该装置带有下列部件-带有载热介质的循环系统，-用于废气流的第一热交换器，其中一部分废热可传递给载热介质，-用于废气流的位于热交换器出口的排放管道，该管道通向烟囱，烟囱内的废气温度不允许超过预定值，-至少一个散热装置，特别是另一个热交换器形式的散热装置，当需要时在散热装置中至少可以将传递给载热介质的废热从循环系统中部分去除作为过剩热量，废热不能用于房间供暖系统和/或给公用水加热或其它有用目的。
从属权利要求2至5涉及根据本发明的设备的优选实施例。权利要求6至10涉及操作该设备的方法。
下面参考唯一的附1描述本发明。
图1所示为根据本发明的设备的示意性图。该设备包括带有例如SOFC型电池的燃料电池组1，带有载热介质20的循环系统2，用于将热发送给用户U的装置3，用于部分满足高于平均加热需求的加热装置4，烟囱10，废气7”通过烟囱3散发到周围环境中，必须满足这样的条件，即烟囱10内的废气温度不超过预定值(对铝或塑料烟囱分别为250℃或160℃)。包含氧气的气体5，特别是周围的空气，通过鼓风机15和/或17输送到电池组1内。在电池组1内气体5和燃料6构成电化学过程的反应物，借此产生电流8。同时产生的废热随着热废气流7从电池组1内输送出去。在图1的示意性设备图中画出了鼓风机15和17；其中之一可以去掉。通常只使用两个鼓风机中的一个，通过鼓风机15实现压缩操作，通过鼓风机17实现抽吸操作。
用于将热散发给用户U的装置3包括例如房间供暖系统的散热器和/或用于给公用水加热的热交换器。
在循环系统2的第一热交换器21中一部分废热从废气流7传递给载热介质20。冷却的废气7被输送到烟囱10。在循环系统2中，一个循环泵23将热介质20输送到另一个热交换器22，当存在要被去除的过剩热量时热交换器22可用作散热装置。代替在图1中所示的循环泵23也可使用作为加热装置4的部件的第二循环泵或单独的循环泵。
如所设想的，过剩热量不能用于房间供暖系统和/或给公用水加热或用于其它目的。热交换器22和鼓风机45是加热装置4的构成部分。过剩热量可传递给通过鼓风机45输送的空气流5’，然后可输送到烟囱10或另一个未示出的烟囱，并从那里散发(“排除”)到周围环境中。空气流5’必须足够强，以使其以足够低的温度进入烟囱10。
相对于空气流5’的方向，在燃烧室40内热交换器22布置在下游。在该燃烧室40内，在加热操作中燃料6’在空气流5’内燃烧以形成废气7’，其中产生的燃烧热散发给热交换器22。只有当没有过剩热量要被去除时才有必要进行这种加热操作，这样绝对不会出现这样的情况，即必须同时使用热交换器22以将热量散发给空气流5’并从废气7’中吸收热量。
在第一热交换器21之前可提供输入管道9，输入管道9通向废气流7，降低废气温度的介质90可通过输入管道9供给。过剩热量或其一部分可通过包含介质90的废气流输送到烟囱10。介质90是例如周围空气，借助于这种介质通过混合来降低温度，介质90还可以是水，这种介质在废气流7内蒸发并借此使温度降低。
第一热交换器21布置在容器27内，容器27可用作蓄热器。载热介质20，有利的是水，在容器27内用作蓄热介质。
在循环系统2中布置了其它的热交换器，并且如上所述，用于房间供暖系统和/或给公用水加热。其它热消耗装置的使用也可例如通过用作吸热泵(参考上述EP-A 0 823 742)的冷却装置来提供。
根据本发明的设备构成建筑物基础设施的一部分。基础设施可与外部电力供应隔离操作(“孤立操作”)，建筑物内预计的电能需求完全由设备的燃料电池组1来满足。过剩废热可通过该设备排放到建筑物的周围环境中，而不会由此损坏基础设施的部件或危害环境。如果缺少废热，加热所需要的额外热量通过加热装置4提供。
包含根据本发明的设备的建筑物也可与外部电力供应连接。对于暂时的电能过剩或缺少，该外部电力供应可当作缓冲。也可以这样预先计划，即全年平均预计的电能需求8由设备的燃料电池组1来满足。在这种情况下，如果不出现与平均预计需求的较大偏差，关于电能交换的年度结算基本平衡。
在根据本发明的设备中产生的过剩热量也可通过加热的公用水排到设备外面，例如排到下水道中。这种方法应被作为紧急手段；如果通过上述方法排除废热不能满足要求，则这种方法可用作附加的可能方法。
权利要求
1.带有高温料电池的设备，燃料电池构成电池组(1)，在电池组(1)内可用燃料(6)和包含氧气的气体(5)进行电化学反应，同时产生电流(8)和传输废热的热废气流(7)，所述设备包括一装置，该装置带有下面部件-带有载热介质(20)的循环系统(2)，-用于废气流的第一热交换器(21)，其中一部分废热可传递给载热介质，-用于废气流的位于热交换器(21)出口的排放管道，该管道通向一烟囱(10)，烟囱内的废气温度不允许超过预定值，-至少一个散热装置(22)，特别是另一个热交换器形式的散热装置，当需要时在散热装置中至少可以将传递给载热介质的废热从循环系统中部分去除作为过剩热量，废热不能用于房间供暖系统(3)和/或给公用水加热(3)或其它有用目的(3)。
2.根据权利要求1的设备，其特征在于，可通过第二热交换器(22)和用鼓风机(45)产生的空气流(5’)去除过剩热量，热交换器和鼓风机是加热装置(4)的构成部分，并且-对于空气流的方向-第二热交换器在室(40)内布置在下游，在加热操作过程中室(40)用于在空气流中燃烧燃料(6’)，室(40)通过管道与所述烟囱(10)或第二烟囱连通以使在燃烧中产生的废气(7’)排出。
3.根据权利要求1或2的设备，其特征在于，在第一热交换器(21)之前提供了输入管道(9)，输入管道(9)通向废气流(7)，降低废气温度的介质(90)可通过输入管道(9)输入；其特征还在于，过剩热量可通过包含所述介质的废气流输送到烟囱(10)。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的设备，其特征在于，第一热交换器(21)布置在容器(27)中，容器(27)可用作蓄热器，特别是载热介质(20)可用作蓄热介质。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的设备，其特征在于，在循环系统(2)中布置了其它的热交换器，这些热交换器用于房间供暖系统和/或给公用水加热或供其它热消耗装置-例如用作吸热泵的冷却装置使用。
6.用于操作根据权利要求1至5中任一项所述的设备的方法，设备(1，10，2，3，4)构成建筑物基础设施的一部分，基础设施与外部电能供应隔离操作，在建筑物中要使用的电能完全由设备的燃料电池(1)提供，过剩热量被输送到建筑物的周围环境中。
7.用于操作根据权利要求6和2中所述的设备的方法，其特征在于，在缺少废热时，则加热所需的额外热量通过加热装置(4)产生。
8.用于操作根据权利要求1至5中任一项所述的设备的方法，包含设备(1，10，2，3，4)的建筑物与外部电能供应连接，对于暂时的电能过剩或缺少，该外部电力供应可当作缓冲。
9.根据权利要求8中所述的方法，其特征在于，设备是这样设计的，即平均预计的电能需求可由设备的一个或多个燃料电池组(1)满足。
10.根据权利要求6至9中任一项所述的方法，其特征在于，过剩热量通过加热的公用水从设备中排出，例如排到下水道中。
全文摘要
设备包括高温燃料电池,燃料电池构成电池组(1),在电池组(1)中可用燃料(6)和包含氧气的气体(5)进行电化学反应,同时产生电流(8)和传输废热的热废气流(7)。设备包括一装置,该装置带有下列部件:－带有载热介质(20)的循环系统(2),－用于废气流的第一热交换器(21),其中一部分废热可传递给载热介质,－用于废气流的位于热交换器(21)出口的排放管道,该管道通向烟囱(10),烟囱内的废气温度不允许超过预定值,－至少一个散热装置(22),特别是另一个热交换器形式的散热装置,当需要时在散热装置中至少可以将传递给载热介质的废热从循环系统中部分去除作为过剩热量,废热不能用于房间供暖系统(3)和/或给公用水加热(3)或其它有用目的(3)。
文档编号H01M8/00GK1333577SQ01122849
公开日2002年1月30日 申请日期2001年7月11日 优先权日2000年7月12日
发明者W·斯特雷勒, M·纳尼, T·加姆珀 申请人:苏舍赫克希斯公司