专利名称：1千瓦不间断家用燃料电池装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种1千瓦(kW)不间断家用燃料电池装置，是一种家用小型燃料电池热电联供装置，属于能源利用技术领域。
背景技术：
为了保护环境和提高能源利用效率，世界各国急需发展新型的发电技术。燃料电池技术最有希望以集中和分散电源的形式进入电力市场。它是将燃料的化学能直接转化为电能，而不受卡诺循环的限制。其中，质子交换膜燃料电池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell；PEMFC)具有高效、低污染、起动快等优点，极大地受到人们关注。
不间断电源(Uninterruptible Power Supply；UPS)在通讯、医院以及计算机、控制等重要装置有着广泛应用，其市场容量相当大，传统的UPS大概有5～10％的电力损失，功能比较单一，而且必须结合蓄电池一起使用。
使用燃料电池的家用发电装置，在提供电力的同时，还可以为用户供应一定热水，实现热电联供。如果与现有电网互联，可以实现不间断供电，起到传统传统UPS的作用。
家用燃料电池装置热电综合效率可以达到70％左右，不但可以满足重要设备的用电需求，还可以为用户提供一定的热水和供暖。实现能源的高效、高性能利用。今后，随着燃料电池技术的进一步成熟，设备成本的降低，将会有大量的家用燃料电池走进家庭，用来满足计算机不间断电源、照明等基本用电需求。目前燃料电池的应用尚未进入家庭。
发明内容
本发明的目的在于针对未来能源发展趋势，提供一种以城市煤气为燃料的1kW家用燃料电池发电装置，不但可以节省用户的用能开支，提高用户用电可靠性，还可以满足用户的热水和供暖需求。
为实现这样的目的，本发明的1kW不间断家用燃料电池发电装置，由质子交换膜燃料电池、直流变压器、直交流变换器、切换开关、交直流变压器、阴极换热器、热水箱等设备构成。燃料电池的电力输出端连接直流变压器的入口，直流变压器的出口分别连接直交流变压器的入口端和交直流变压器的出口端，直交流变压器的出口端经切换开关连接到用电户或交流电源，交直流变压器的入口端与交流电源连接。燃料电池的燃料入口端与城市煤气连接，空气极入口端连接到空气源，空气极出口端连接到换热器的管内入口端，换热器的管外入口端和管外出口端连接热水箱到热水用户。
工作时，城市煤气和空气分别进入燃料电池的燃料极和空气极，利用城市煤气重整后得到的氢气为燃料，空气为氧化剂，氢和氧在燃料电池内发生电化学反应，所产生的直流电经过直流变压器调整成标准电压，供给直交流变压器，直交流变压器输出的交流电可以直接供给用电户。发电装置采用燃料电池与电网联合供电，燃料电池承担用户的基本负荷。当用电户负荷大于燃料电池额定负荷1kW时，交流电源会提供部分电力，经过交直流变压器对燃料电池进行补充。当用户的负荷小于1kW时，通过控制单元调整燃料电池的输出负荷。如果遇到电网停电，燃料电池可以独立运行，保障计算机等重要设备的正常运行。当燃料电池不工作时，用电户的全部负荷由交流电源经过电表计量后直接提供。除了发电外，系统还可以回收燃料电池排气热量，生产提供一定量的热水。
本发明具有热电联供两种功能，燃料电池和外界交流电源共同工作，具有不间断电源的工作特性，可以满足家庭、办公室基本用电需求，提高用电可靠性，具有明显的技术优势，可以取代传统UPS以及家庭用户的电加热设备，有效提高能源利用率，减少用能开支。
图1为本发明的系统结构示意图。
图1中，1为1kW质子交换膜燃料电池，2为直流变压器，3为直交流变压器，4为切换开关，5为用电户，6为电表，7为交流电源，8为电表，9为交直流变压器，10为阴极换热器，11为热水箱，12为热水用户。
具体实施例方式为更好地理解本发明的技术方案，以下结合附图作进一步描述。
本发明的系统结构如图1所示，由质子交换膜燃料电池1、直流变压器2、直交流变换器3、切换开关4、交直流变压器9、阴极换热器10、热水箱11等设备构成。燃料电池1电力输出端连接直流变压器2的入口，直流变压器2的出口分别连接直交流变压器3的入口端和交直流变压器9的出口端，直交流变压器3的出口端连接切换开关4的一端，切换开关4的另外两端分别连接电用户5及经电表6连接到交流电源7，交直流变压器9的入口端经电表8连接到交流电源7。燃料电池1的燃料入口端与城市煤气连接，燃料电池1的燃料出口端连接到排空管。燃料电池1的空气极入口端连接到空气源，燃料电池1的空气极出口端连接到换热器10的管内入口端，换热器10的管内出口端排空，换热器10的管外入口端连接热水箱11的出口端，换热器10的管外出口端连接热水箱11的入口端，热水箱11的热水出口端连接热水用户12。
工作时，城市煤气和空气分别进入燃料电池1的燃料极和空气极，发生电化学反应，所产生的直流电经过直流变压器2调整成标准电压，供给直交流变压器3，直交流变压器3输出的交流电可以直接供给用电户。当用电户负荷大于燃料电池额定负荷时，交流电源会提供部分电力，经过交直流变压器9对燃料电池进行补充。当燃料电池不工作时，用电户的全部负荷由交流电源经过电表6计量后直接提供。经过热水箱水循环加热后，将燃料电池排气中的热量带到热水箱11中，可以随时为热水用户提供热水。实现热电联供，同时可以起到UPS的作用。
权利要求
1.一种1千瓦不间断家用燃料电池装置，其特征在于包括质子交换膜燃料电池(1)、直流变压器(2)、直交流变换器(3)、切换开关(4)、交直流变压器(9)、阴极换热器(10)、热水箱(11)，燃料电池(1)电力输出端连接直流变压器(2)的入口，直流变压器(2)的出口分别连接直交流变压器(3)的入口端和交直流变压器(9)的出口端，直交流变压器(3)的出口端连接切换开关(4)的一端，切换开关(4)的另外两端分别连接电用户(5)及经电表(6)连接到交流电源(7)，交直流变压器(9)的入口端经电表(8)连接到交流电源(7)，燃料电池(1)的燃料入口端与城市煤气连接，燃料电池(1)的燃料出口端连接到排空管，燃料电池(1)的空气极入口端连接到空气源，燃料电池(1)的空气极出口端连接到换热器(10)的管内入口端，换热器(10)的管内出口端排空，换热器(10)的管外入口端连接热水箱(11)的出口端，换热器(10)的管外出口端连接热水箱(11)的入口端，热水箱(11)的热水出口端连接热水用户(12)。
全文摘要
一种1千瓦不间断家用燃料电池装置，由质子交换膜燃料电池、直流变压器、直交流变换器、交直流变压器、阴极换热器和热水箱等设备组成，系统燃料为城市煤气，利用城市煤气和空气发生电化学反应，产生电能，同时可以回收燃料电池排气热量，生产提供热水。本发明具有热电联供两种功能，燃料电池和外界交流电源共同工作，具有不间断电源的工作特性，可以满足家庭、办公室基本用电需求，提高用电可靠性。
文档编号H01M8/00GK1529378SQ20031010795
公开日2004年9月15日 申请日期2003年10月16日 优先权日2003年10月16日
发明者李巍, 于立军, 巍 李 申请人:上海交通大学