专利名称：以燃料电池为热源供暖和供热水系统的制作方法
技术领域：
本发明是关于燃料电池，特别涉及的是以燃料电池为热源供暖和供热水系统。
燃料电池是不同于通常的电池(2次电池)，从外部向阴极供应燃料(氢气体或氮化氢)、向阳极供应氧气后进行发电的电池仪器，实际上可以看成发电装置。
燃料电池的发电方法是不经过燃料的燃烧(氧化)反应，经过氢和氧的电化学反应引起的反应前后的能量差，直接转换成电能的方法。这种燃料电池是不发生NOx和SOx，没有噪音和振动的系统，热效率包括发电量和热回收量达到80％以上，及不发生NOx和SOx等有害气体的干净发电系统。但是，燃料电池是美国的NASA开发成用于宇宙船后，现在开发用于汽车的阶段。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是包括燃料电池堆部、燃料供应部、空气供应部、电能输出部和热能回收部，燃料电池堆部由电解质膜、燃料极和空气极组成，电解质膜在叠加的燃料极和空气极两侧中间，向各极供应燃料和空气，进行电化学反应形成电燃料电池堆部；燃料供应部是燃料供应源，重整器向燃料供应源供应的燃料进行重整反应产生H2；重整反应产生的H2向燃料极侧供应气体燃料；空气供应部向空气极侧供应空气；电能输出部设置在燃料电池堆部，输出电能；热能回收部设置在热水用水供应管的中间，与反应气体排出管接触，气体排出管排出燃料电池堆部和燃料供应部产生的附产气体， 供应上水的水供应源连接在供暖和供热水系统的热水用水供应管，热水用供应管的水吸收反应气体排出管的附产气体的热，通过设置的热水用热交换机，水同时变热。
上述热水用热交换机和供暖和供热水系统之间设置热水储存桶，热水储存桶的内部一侧设置维持在一定温度的热水用燃烧器，为了使热水用燃烧器中生成的附产气体与热水用热交换机接触，设置了燃烧气体排出管。
上述热水用燃烧器是在燃料供应部的燃料供应源中与重整器并列连接的气体式燃烧器。
上述燃料电池堆部是用其内部放入热交换媒体，及吸收燃料和空气反应时，发生热的堆用热交换器缠绕，此堆用热交换器是为了使热交换媒体能够在入口侧循环连接热交换媒体供应管的同时，出口侧是连接在热交换媒体供应管上，再次连接的热交换媒体循环管，为了冷却热交换媒体，热交换媒体循环管的中央设置热交换媒体用热交换机。
上述热交换媒体用热交换机是把其内部的热交换媒体用气冷式或水冷式进行冷却的同时，为了能使加热的空气或水与热水用热交换机接触设置空气排出管或水排出管。
上述热交换媒体供应管是与供应一般上水的水供应源连接。
本发明的有益效果是本发明利用燃料电池同时能得到电能和热能，利用此过程中发生的排气，容易得到供暖和热水所需的热能，能够更有效使用能量。
图2是燃料电池堆的断面图。
图3是本发明的燃料电池的供暖和供热水系统的变形实施例的系统图。
图中10燃料电池堆11单个电池12电解质膜 13燃料极13a气体供应管 13b压力传感器14空气极15，16分离器17，18集电器20燃料供应部21燃料供应源22压力调整器23燃料供应管23a燃料供应阀门25氢生成部 26脱磺机27重整器27a燃烧器用燃料供应管27b燃烧器用燃料供应阀门 27A反应炉27B燃烧器 28转化器29清除器30空气供应部31空气供应管32空气压缩机40电能输出部50热能回收部51反应气体排出管53热水用水供应管54热水用热交换器55热水储存桶56热水用燃烧器 56a热水用燃料供应管56b热水用燃料供应阀门 57燃烧气体排出管58检测水温度传感器 59检测流动水传感器
60燃料/空气加湿部 61水供应源62加湿器 62A燃料侧加湿筒62B空气侧加湿筒 63水供应管64a燃料侧水供应阀门 64b和空气侧水供应阀门65重整用水供应管 66重整用水供应阀门67排水管 68排水阀门171堆用热交换机 72，172冷却用水供应管73，173冷却用水供应阀门 174冷却水储存筒175冷却水泵 176冷却水循环管177冷却水用热交换机 178冷却装置179热交换媒体排出管如图所示，本发明的燃料电池系统是由根据氢和氧的电化学反应同时生成电能和热能的燃料电池堆部10，从液化天然气中制造氢(H2)后向燃料电池堆部10供应的燃料供应部20，向燃料电池堆部10供应空气的空气供应部30，燃料电池堆部10中产生的电能供应到负荷的电能输出部40，收集燃料电池堆部10和燃料供应部20中生成的排气，利用在供暖和供热水的热能回收部50，适当调整上述各部10/20/30/40/50的控制部构成。
如图2所示，燃料电池堆部10是由多个单个电池11叠加形成，各单个电池11是由电解质膜12，此电解质膜放入中间，两侧叠加燃料极13和空气极14，另外叠加在此燃料极13和空气极14的外侧，并使各自的燃料和空气各自接触及循环在燃料极13和空气极14的分离器15，16构成。而且，两侧分离器15，16的外侧各自叠加了形成的集电器17，18形成燃料电池堆部10。
电解质膜11是传达H+的高分子材料膜，举例最好使用在湿润状态下具有电传导性的高分子离子交换膜。
燃料极13和空气极14是由支持体和叠加在此支持体的两侧的催化剂层构成，支持体是由多孔复写纸或复写布形成，催化剂层是最好使用适合氢的氧化及氧的还原反应的白金。催化剂层是为了增加催化剂的有效面积，细微的白金粒子覆盖在细微的氮粒子表面形态形成。
分离器15，16使用电传导性良好及耐腐蚀性强的石墨等金属物质，与燃料极13和空气极14接触的各自的内侧面，通过燃料气体的燃料气体通道(Cf)和空气通道(Co)形成。而且，单个电池11之间设置的分离器15，16是一侧形成燃料气体通道Cf及另一侧形成空气通道Co，燃料电池堆10的两侧端部设置的分离器15，16，只有内侧面形成燃料气体通道Cf及空气通道Co。燃料电池堆10中设置的分离器15，16的燃料气体通道Cf及空气通道Co是被集流腔各自并列连接。
集电器17，18是在燃料电池堆10中最终取得电能，最好终端通常使用铜材料等导体。
燃料供应部20是由充入液化天然气等燃料的燃料供应源21，此燃料供应源21中供应的燃料与水蒸气进行重整反应产生H2的氢生成部25构成。
燃料供应源21通过燃料供应管23连接氢生成部25，燃料供应管23的中间设置调整液化天然气供应压力的压力调整器22和燃料供应阀门23a。
氢生成部25是由液化天然气中清除硫(S)的脱磺机26，与水蒸气混合接触反应生成氢的重整器27，为了生成氢中分离CO2、CO、N2、H2O等后，把纯粹的氢供应到燃料电池堆部10，把CO转化器28和CO清除器29并列连接。重整器27设置燃料进行重整反应的反应炉27A和重整用燃烧器27B，为了加热反应炉27A。重整用燃烧器27B用燃料供应管23中间分离的燃烧器用燃料供应管27a和燃烧器用燃料供应阀门27b与燃料供应源21连接。
氢生成部25和燃料电池堆部10的燃料极13是用燃料气体供应管13a连接，燃料气体供应管13a中设置检测供应燃料压力的压力传感器13b。
空气供应部30和燃料电池堆部10的空气极14是用空气供应管31连接，空气供应管31的一端设置空气压缩机32，吸入大气中的空气后向燃料电池堆部10供应。
燃料气体供应管13a和空气供应管31中间设置燃料/空气加湿部60，向燃料电池堆部10的燃料极13和空气极14供应燃料和空气，转换成水蒸气状态。
燃料/空气加湿部60是由供应自来水等一般上水的水供应源61，燃料气体供应管13a和空气供应管31的中间设置加湿器62，把燃料和空气加湿成水蒸气状态，水供应源61和加湿器62的燃料侧和空气侧并列连接水供应管63，水供应管63设置水供应阀门64a、64b构成。
加湿器62分为燃料侧加湿筒62A和空气侧加湿筒62B，燃料侧加湿筒62A和空气侧加湿筒62B与水供应管连通。各加湿筒62A、62B的入口侧水供应管63中设置水供应阀门64a、64b。
水供应源61是用重整用水供应管65与氢生成部20的重整器27连接，重整用水供应管65中设置重整用水供应阀门66。
水供应源61是在水供应管63中分管后，燃料电池堆部10的周围设置的堆用热交换机上连接冷却用水供应管72和冷却用水供应阀门73，堆用热交换机的出口设置排水管。
堆用热交换机是其内部放入热交换媒体及缠绕燃料电池堆部10的管状或套状形成。
热能回收部50包括反应气体排出管51，排出燃料电池堆部10和燃料供应部20中发生的附产气体，热水用水供应管53，连接供应上水的水供应源61、供暖和供热水系统，热水用热交换机54，设置在热水用水供应管53的中间，热水用水供应管53接触反应气体排出管51，并通过此热水用水供应管53，水吸收反应气体排出管51的附产气体的热同时被加热。
热水用热交换机54和供暖和供热水系统之间设置了热水储存桶55，热水储存桶55的一侧设置了其内部的温度维持在一定温度的热水用燃烧器56，为了使热水用燃烧器56中生成的附产气体与热水用热交换机接触设置了燃烧气体排出管57。
热水用燃烧器56是用燃料供应管23的中间分管的热水用燃料供应管56a和热水用燃料供应阀门56b与燃料供应源21连接，燃料气体排出管57是把燃烧气体向热水用热交换机54侧引导后，为了能够加热上水，最好连接在反应气体排出管51。
热水储存桶55中设置了热水检测温度传感器58，能够判断热水用燃烧器56的驱动与否，最好能够一直供应适当温度的热水。
图面中符号59是热水流动检测传感器，检测是否向热水用水供应管供应热水，67是排水管，68是排水阀门。
本发明燃料电池系统的作用效果如下控制部下达启动指令时，打开燃料供应部20的燃料供应阀门23a及驱动燃料压力调整器22，使燃料液化天然气通过燃料供应管23，从燃料供应源21供应到氢生成部25，此时经过脱磺机26、重整器27、CO转换器28及CO清除器29发生H2。此时，根据控制部的指令，打开重整用水供应阀门66，使上水从水供应源61向氢生成部25的重整器27供应，同时转换成水蒸气，产生重整反应发生H2。
根据控制部的指令，打开燃料气体供应阀门13b，使H2通过燃料气体供应管13a向燃料电池堆部10的燃料极13供应，同时启动空气压缩机32，使空气通过空气供应管31向燃料电池堆部10的空气极14供应。此时，打开燃料侧水供应阀门64a和空气侧水供应阀门64b，使水供应源61中水流入到燃料侧加湿筒62A和空气侧加湿筒62B后，与燃料一起供应到燃料极13和空气极14侧，此时燃料极13和空气极14变湿润，同时出现电传导性。
向分离器15，16的燃料气体通道Cf和空气通道Co供应的燃料气体和空气是各自与燃料极13和空气极14接触，通过电化学反应发生电能和热能。
即，燃料极13侧发生从燃料供应的H+的电化学氧化反应电解质膜12中，传达氧化/还原反应引起的离子，空气极14中发生供应的空气(氧气)的电化学还原反应通过燃料极13和空气极14之间发电，此电力是通过多个单个电池11叠加的燃料电池堆部10的两端设置的集电器17，18输出，集电器17，18中输出的电流供应到负荷。
燃料电池堆部10中供应到空气极14的空气中，含有经氧化反应和还原反应剩余氮等附产气体，被反应热加热，同时向反应气体排出管51排出，重整器27重整反应时，燃烧器27B燃烧从燃料供应源21中接受的液化天然气时，具有热的附产气体同样向反应气体排出管51排出，CO清除器29把具有一定温度热的附产气体向反应气体排出管51排出。而且，热水用燃烧器56进行燃烧时，加热热水储存桶55的热水，附产气体向燃烧气体排出管57排出。排出的附产气体与热水用热交换机54接触，同时加热从水供应源61中通过热水用水供应管53，经过热水用热交换机54的上水，加热的热水储存到热水储存桶55，根据使用者的需要打开热水供应阀门，向供暖系统供应。
根据控制部的指令，读取设置在热水用水供应管的热水流动检测传感器59和设置在热水储存桶的温度传感器58，判断现在储存在热水储存桶55的热水的温度是否适当，通过判断，决定是否加热热水用燃烧器56。
燃料电池堆部10是电化学反应过程中发生热，但是此热是与缠绕燃料电池堆部10的堆用热交换机的热传达媒体(如，水)进行热交换，冷却到适当的温度。此过程中，已经变热的冷却水通过水排出管排出。
本发明的燃料电池系统的变形例子的情况如下上述实施例中冷却燃料电池堆部变热的冷却水直接排出，本实施例子中利用冷却燃料电池堆部时，变热的冷却水重新冷却发生的余热用于制作热水。
在图3中，水供应管63设分管冷却用水供应管172，把冷却用水供应阀门173为媒介连接堆用热交换机171，堆用热交换机171设置在燃料电池堆部10的周围，冷却用水供应管172的中间设置冷却水储存筒174，储存一定量的冷却水，储存从水供应源中供应一定量的上水，冷却水储存筒174和堆用热交换机171之间设置水泵175。
堆用热交换机171的另一侧连接在冷却水储存筒174的冷却水循环管176，其冷却水循环管176的中间设置冷却水用热交换机177。
冷却水用热交换机177一侧设置了气冷式或水冷式冷却装置(图中是气冷式)178，其冷却装置178驱动时，冷却冷却水时发生的热气或热水引导到热水用热交换机54，用于加热通过热水用热供应管53上水的热交换媒体排出管179，热交换媒体排出管179与热水用热交换机54接触安装。
通过缠绕燃料电池堆部10的堆用热交换机171，变热的冷却水经过冷却水循环管176和冷却水用热交换机177进行冷却，再次流入到冷却水储存筒174，与通过冷却水用水供应管172流入的新的上水一起流入到堆用热交换机171，同时冷却堆用热交换机171发生的热气或热水，通过热交换媒体排出管179向热水用热交换机侧54排出，同时用于加热热水用热交换机54内部的上水，提高燃料电池的效率。
权利要求
1.一种利用燃料电池供暖和供热水系统，其特征是包括燃料电池堆部(10)、燃料供应部(20)、空气供应部(30)、电能输出部(40)和热能回收部(50)，燃料电池堆部(10)由电解质膜(12)、燃料极(13)和空气极(14)组成，电解质膜(12)在叠加的燃料极(13)和空气极(14)两侧中间，向各极供应燃料和空气，进行电化学反应形成燃料电池堆部(10)；燃料供应部(20)是燃料供应源(21)，重整器(27)向燃料供应源(21)供应的燃料进行重整反应产生H2；重整反应产生的H2向燃料极(13)侧供应气体燃料；空气供应部(30)向空气极(14)侧供应空气；电能输出部(40)设置在燃料电池堆部(10)，输出电能；热能回收部(50)设置在热水用水供应管(53)的中间，与反应气体排出管(51)接触，气体排出管(51)排出燃料电池堆部(10)和燃料供应部(20)产生的附产气体，供应上水的水供应源(61)连接在供暖和供热水系统的热水用水供应管(53)，热水用供应管(53)的水吸收反应气体排出管(51)的附产气体的热，通过设置的热水用热交换机(54)，水同时变热。
2.根据权利要求1所述利用燃料电池供暖和供热水系统，其特征是，热水用热交换机(54)和供暖和供热水系统之间设置热水储存桶(55)，热水储存桶(55)的内部一侧设置维持在一定温度的热水用燃烧器(27B)，为了使热水用燃烧器(27B)中生成的附产气体与热水用热交换机(54)接触，设置了燃烧气体排出管(57)。
3.根据权利要求1所述利用燃料电池供暖和供热水系统，其特征是，热水用燃烧器(27B)是在燃料供应部(20)的燃料供应源(21)中与重整器(27)并列连接的气体式燃烧器(27B)。
4.根据权利要求1所述利用燃料电池供暖和供热水系统，其特征是，燃料电池堆部(10)是用其内部放入热交换媒体，及吸收燃料和空气反应时，发生热的堆用热交换机(171)缠绕，此堆用热交换机(171)是为了使热交换媒体能够在入口侧循环连接热交换媒体供应管，同时出口侧连接在热交换媒体供应管上，再次连接的热交换媒体循环管，为了冷却热交换媒体，热交换媒体循环管的中央设置热交换媒体用热交换机。
5.根据权利要求4所述利用燃料电池供暖和供热水系统，其特征是，热交换媒体用热交换机把其内部的热交换媒体用气冷式或水冷式进行冷却，同时为了能使加热的空气或水与热水用热交换机(54)接触设置空气排出管或水排出管(67)。
6.根据权利要求4所述利用燃料电池供暖和供热水系统，其特征是，热交换媒体供应管与供应一般上水的水供应源(61)连接。
全文摘要
本发明是以燃料电池为热源供暖和供热水系统，包括燃料电池堆部；燃料供应源，向燃料供应源供应燃料进行重整反应发生H
文档编号H01M8/00GK1474098SQ02129119
公开日2004年2月11日 申请日期2002年8月19日 优先权日2002年8月19日
发明者金寅圭, 朴明硕, 李成焕, 黄龙俊, 高承兑, 张昌龙, 许成根 申请人:乐金电子(天津)电器有限公司