用于多单元住宅建筑的燃料电池系统的制作方法

专利名称：用于多单元住宅建筑的燃料电池系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于多单元住宅建筑的燃料电池系统，更特别地，涉及 一种用于多单元住宅建筑的燃料电池系统，其中燃料处理器、燃料电池堆和 逆变器共同安装于多单元住宅建筑的公用区内，从而改进了维护的简易性， 避免了由于要求使安装它的空间最小化而产生公众不满，由于去除了不必要 管道而极大地增加了安全性。
背景技术：
通常，适于多单元住宅建筑的煤气引擎类型的小尺寸热电联产系统在高 的能量效率和良好的发动性能方面具有优势，但是由于其技术发展有限而使 其承受高昂的初装成本和过多的运行成本。
此外，与用于中央供暖系统的锅炉相比，本系统噪音更低、排放有害废 气量更小。然而，上述系统的问题在于仍然产生高等级噪音(110dB)并且 排出大量(120ppm)氮氧(NOx)，因此根据居住环境和空气质量的严格规 则应提供用于NOx后处理等的附加设备。
另外，在用于居住应用的小燃料电池系统(1 3kW)安装于多单元住宅 建筑例如公寓、 一排房屋或混用住宅高楼的每户的情况下，可以实现良好的 能量效率和友好的环境效果，但是有一些缺点，例如高昂的初装成本、在各
户安装需要有限的可用空间、维护困难及安全问题。
特别地，在燃料电池系统安装到每户，氢气从安装于用于住宅应用的小 燃料电池系统中的中央机械室和电气室内的燃料处理器供应到每个房屋的 情况下，氢气管道必须与传统燃料管道分开提供，不合需要地增加了初装成 本并引起安全问题。
因而，这种用于多单元住宅建筑的传统燃料电池系统发展为具有主要适 合用于独立房屋的电力容量，当应用于多单元住宅建筑时，例如公寓或混用 住宅高楼，外围技术的发展应与总电力容量的增长同步，应遵守很多安全相 关的规则，因而使得直接使用所述燃料电池系统困难。
此外，在燃料处理器是用于产生氢气的变换器的情况下，由于安全和技 术问题，燃料处理器的容量增加受到限制。在整个系统分布中，还未提出系 统的高效操作解决方案。
为解决这些问题，根据当前应用，由本申请人于2006年IO月26曰提 交韩国专利申请No. 10-2006-0104072公开了一种用于多单元住宅建筑的燃 料电池系统，包括安装于多单元住宅建筑的公用区内的燃料处理器、分别安 装于每户以从燃料处理器接收氢气发电的燃料电池堆和逆变器。
尽管如此，上述专利仍有缺点，因为氢气管道应安装以将燃料处理器产 生的氢气供应到到燃料电池堆，不合需要地造成了安装氢气管道的成本。在 氢气管道泄漏的情况下，可能会发生火灾之类的灾害，导致安全性降低。
此外，因为燃料电池堆和逆变器应分别安装于每户的预定空间，住户的 居住空间会减少。如果燃料电池堆或逆变器发生故障，必须维修它们，因而 降低了管理效率。
并且，安装用于产生与每户电力消耗量成比例的适量氢气的燃料处理器 控制系统的使用复杂，因为它需要信号从所有单元住户输入以及从控制系统 输出。倒不如在不安装氢气贮藏装置的情况下必须一直产生过剩氢气。因此， 应该另外提供使用过剩氢气的公用燃料电池电力生成系统，或者换句话说，
过剩氢气必须排放到空气中。

发明内容
因此，做出本发明时紧记相关技术中遇到的上述问题，提供具有能够为 多单元住宅建筑的每个单元住户稳定提供必需的热和电的电力容量的燃料 处理器，还提供了燃气电池堆和逆变器，该燃料处理器、燃气电池堆和逆变 器安装于多单元住宅的公用区内从而进行维护和管理。
另外，本发明提供了用于多单元住宅建筑的燃料电池系统，包括燃料处 理器、燃气电池堆和逆变器，所述燃料处理器、燃料电池堆和逆变器安装于 多单元住宅的公用区内，以使热量、热水和电被供应到多单元住宅建筑的每 个单元住户，从而实现在维护方面和安装所需空间方面的优势。
另外，本发明为多单元住宅建筑提供了一种用于多单元住宅建筑的燃料 电池系统，该燃料电池系统不需要氢气管道来将氢气提供到每个单元住户， 本发明还提供了一种根据所有住户电力消耗的变化控制氢气处理的系统，以 及一种使用过剩氢气的公用燃料电池电力生成系统。
另外，本发明为多单元住宅建筑提供了一种燃料电池系统，由于维护的 简易性，该燃料电池系统能够稳定地提供热量、热水、以及电的电力到多单 元住宅建筑的每个单元住户。
根据本发明，用于多单元住宅建筑的燃料电池系统包含燃料处理器，安
装于多单元住宅建筑的公用区内以从蒸汽和燃料产生氢气；燃料电池堆，安 装于多单元住宅建筑的公用区内以从燃料处理器接收氢气，以使氢气与空气 中的氧气发生电化学反应从而产生电，然后该电被供应到多单元居住住宅的 每个单元住户；逆变器，用于将燃料电池堆中产生的直流电力变换为用作应 用电力的交流电力；蓄热器，用于从处理器和燃料电池堆接收热量和热水以 使热量和热水被供应到每个单元住户；辅助电源，用于在多单元居住住宅的 电力故障时为燃料处理器的最小负载运行提供必需的电力；以及控制器，包
括量表，该量表用于测量多单元住宅建筑的每个单元住—户的电力^消耗以确定 运行负载信息，并且所述控制器基于使用量表决定的负载信息控制燃料处理 器的操作。


结合附图从以下详细描述中可以更清楚地理解本发明的特征和优点，其
中
图l是示出了根据本发明的用于多单元住宅建筑的燃料电池系统的示意 图；以及
图2是示出了根据本发明的与燃料处理器连接的辅助电源的示意图。
具体实施例方式
下文中，将参考附图给出本发明优选实施方式的详细描述。 图1示意性显示了根据本发明的用于多单元住宅建筑的燃料电池系统， 其中使用燃料处理器和燃料电池堆将电供应到每个单元住户，所述燃料电池 堆包括安装于多单元住宅建筑的公用区内的逆变器，以及使用蓄热器供应热 量和热水。
图2示意性显示了与所述燃料处理器连接的辅助电源，所述辅助电源由 主控制器装置操作以在多单元住宅建筑发生电力故障时来为燃料处理器的 最小负载运行供应必需的电力，所述辅助电源与燃料处理器连接。
如图1所示，根据本发明，燃料电池系统安装于多单元住宅建筑中，例 如公寓或混用住宅高楼，并且提供有燃料处理器的多单元住宅建筑的公用区 l转化燃料以产生氢气。
燃料处理器10是用于转化典型燃料例如LNG、 LPG、汽油或甲醇以给 燃料电池供应氢气的装置。同样地，通过脱硫、转化、水煤气变换和优先氧 化来进行燃料到氢气的转化，所述优先氧化包括催化剂单元过程处理。
特别地，燃料处理器10由用于室温下的金属沸石存在时反应的脱硫器、 用于吸热反应的蒸汽转化器、用于放热反应的水煤气(CO)逆变炉、和优 先氧化反应器组成，可根据公知技术操作如此构造的燃料处理器10，因此在
此省略它的详细描述。
提供有燃料处理器10的多单元住宅建筑的公用区1包括公用的机械室、 电气室、锅炉室。特别地，因为上述燃料处理器10是产生氢气的很危险的
装置，所以它应该在多单元住宅建筑的机械室和电气室中被提供，从而被专
业地管理。
此外，在燃料处理器10有大容量的情况下，必须安装例如防止其暴露
的设备的附加安全设备，可能增加经济负担。当具有大容量的燃料处理器不 符合各种规定时，还不如不安装具有大容量的燃料处理器。本发明中，提供
具有小容量的燃料处理器10，因为按照安全性和经济利益的产生方面对它的
控制是可行的。
所述燃料处理器10的容量由下列各项决定。
1)多单元住宅建筑的总氢气供应量
燃料处理器10的容量根据每户的电力消耗从燃料电池堆20的容量确 定，安装于公用区内的燃料电池堆20的容量根据每户0.5 3kW的级别的最 大电力消耗决定。
因而单元燃料电池堆20必需的最大氢气供应量从燃料电池堆20的电转 换效率(一般为60~90%)按照如下计算。
氢气供应量(最大值)=P + EX860 + 2,732 [Nm3/hr]
其中P (kW)是燃料电池容量(最大值)，860(kcal/kWh)是电能到热能 的转换效率，2,732 (kcal/Nm"是氢气的低热值，以及E (%)是电能转换效率。
因此，为确定燃料处理器的构造及其容量，多单元住宅建筑群的总氢气 供应容量根据下式计算。
CpH2[Nm3/hr]=(氢气供应量，最大值)x N
其中N是安装于公寓群中的燃料电池堆模块的数量。 2)燃料处理器容量和安装模块
在多单元住宅建筑是公寓的情况下，如果公寓群的公寓数量是M，安装 燃料处理器的通常的机械室的数量是M，因此通常安装数量等于M的燃料 处理器。然而，根据商业上可用的燃料处理器的适当容量，以下面提到的不 同形式安装上述燃料处理器。当为每个公寓安装燃料处理器时
燃料处理器模块的数量-M
每个模块的燃料处理器容量，CFP = Int[CpH2/M] + 1 其中Int[X]二值X的整数部分，省去小数部分。 [示例2]当为每两个公寓安装燃料处理器时 燃料处理器模块的数量-M
每个模块的燃料处理器容量，CFP = Int[CpH2/M] + 1 。
假定每户最大电力消耗是1 kW，当总住户数量是600且公寓数量是20 时，总氢气供应容量被确定为大约420NmS/hr。
这样，确定模块数量，然后可以计算燃料处理器10的容量。相反地， 确定燃料处理器10的容量，然后计算模块数量。
多个如此构造的燃料处理器10运行来转化燃料从而产生氢气，然后该 氢气被供应到燃料电池堆20。
燃料电池堆安装于提供有燃料处理器10的多单元住宅建筑的公用区1 内，从而从燃料处理器10接收氢气以使氢气与空气中的氧气发生电化学反 应，从而产生电和热。
燃料电池堆20包括其中的燃料单元以使氢气从燃料处理器10被供应与 氧气发生电化学反应，从而产生电能。
燃料电池堆20具有单元电池以几层到几十层排列的结构，所述单元电 池由在它的两个表面形成的并与之紧密接触的膜电极结构(MEA)和分离器
组成。所述MEA以包括阳极、阴极和放入阳极和阴极之间的电解质薄膜的 方式构造。
因而，通过分离器，氢气被供应到阳极，而氧气被供应到阴极。在这个 过程中，氢气的氧化发生在阳极，而氧气的还原发生在阴极。同样地，由于 产生的电子的转移，产生了电，热和水也随之产生。
燃料电池堆20包括逆变器21 ，用于将直流(DC)电力转换为交流(AC) 电力，所述交流电力然后作为应用电力被使用。根据优选实施方式，多个燃 料电池堆20被分组为单个的供应模块，以使它们从有小容量的各个燃料处 理器10接收氢气。
因此，燃料处理器10用来从作为给料的蒸汽和燃料产生氢气，从而产 生的氢气再作为燃料电池堆20的燃料被提供，由此产生电。因为这样产生 的电是DC电力，使用逆变器21将该DC电力转换为AC电力然后被供应到 多单元住宅建筑的每个单元住户2。
根据本发明，蓄热器30用来从燃料处理器10和燃料电池堆20接收热 量和热水，以使热量和热水供应到单元住户2。
蓄能器30的一个典型示例与使用安装于多单元住宅建筑中的普通锅炉 无关。然而，本发明中，使用压力热水箱从燃料处理器10接收热量以及作 为热水接收用于冷却燃料电池堆20的冷水，从而供应热量和热水到单元住 户。
换句话说，当蓄热器30安装于多单元住宅建筑的公用区1内时，该蓄 热器30主要负责供应热量和热水到多单元住宅建筑的每个单元住户2。
提供用于回收要丢弃的废弃热量的热交换器31给用于供应热量和热水 到每个单元住户2的蓄热器30，从而使得这些废弃热量被重新用作用于热水 加热等的热能，由此避免废弃热量排放到空气中。
此外，蓄热器30与辅助锅炉32连接，所述辅助锅炉用来从燃料处理器 10接收过剩的氢气来燃烧该过剩的氢气，以及使用辅助锅炉32加热提供给
蓄热器30的补充的水。
辅助锅炉32中，在燃料处理器10中过量产生的过剩氢气作为燃料用于 加热补充的水。由于这个原因，不需要在多单元住宅建筑中另外提供公用燃 料电池电力生成系统，有利地实现了成本减少的效果。
如图2所示，在辅助电源40与燃料处理器10连接的状态下使用该辅助 电源40为燃料处理器IO在电力故障时供应最小负载运行必需的电力。根据 优选实施方式，使用冷凝器来积累电荷从而产生电的发电机、柴油机引擎、 或煤气引擎作为发动机可以被使用。
所述电容器包括能够重复充电和加热的电池，所述电池的示例包括铅电 池、碱性电池、和使用非水溶液(有机电解液或固体电解质)的二次电池。
发电机用来为将机械能转换为电能，所述发动机的示例包括具有作为发 动机的柴油机引擎或煤气引擎的AC发电机。
辅助电源40包括电池和发电机，可以提供电池和发电机中的一者或二 者。更进一步地，给辅助电源40提供显示装置，例如红色闪光灯或警报器， 以使辅助供应器40的运行状态能够被管理者或工作人员识别。
辅助电源40由主控制器41管理，从而使得在多单元住宅建筑中发生电 力故障时燃料处理器10最小负载运行的必需电力迅速被提供。除辅助电源 40之外，主控制器41还负责管理阀42，该阀42用来控制燃料电池系统的 运行。
根据本发明的控制器11是用于维持燃料处理器10、燃料电池堆20和蓄 热器30的运行稳定性的一种微控制器。根据本发明，虽然控制器ll可单独 使用来控制组成燃料电池系统的装置，在本发明中，控制器11可以包括量 表(未示出)，所述量表独立地安装于每个燃料处理器10、燃料电池堆20 和蓄热器30中，以基于使用量表确定的运行负载信息控制燃料处理器10的 运行。
更进一步地，控制器11包括多个用于实时控制燃料处理器IO和燃料电
池堆20的运行状态的传感器，典型的示例为感测外部电力源(MP)的电压 状态的电压传感器。
使用电压传感器实时控制MP的电压状态，以在连接到输出端的控制器 11上应用感测的信息。控制器11基于MP的电压信息检测是否发生电力故 障。如果发生电力故障，控制器11发送相应的信号到主控制器41以运行辅 助电源40。
紧接着，将在下面详细描述根据本发明的用于多单元住宅建筑的燃料电 池系统的运行。
特别地，多个具有从作为给料的蒸汽和燃料产生氢气的小容量的燃料处 理器IO被安装于多单元住宅建筑的公用区1内，从而将给料转化为氢气。 然后，这样产生的氢气被供应到安装于公用区1内的燃料电池堆20中，从 而电被供应到每个单元住户2。
从燃料电池堆20回收的热水被供应到蓄热器30，以使热量和热水被供 应到多单元住宅建筑的每个单元住户2。更进一步地，从燃料处理器10丢弃 的废弃热量被收集到蓄热器30的热交换器31中，从而作为热水加热等的热 能被重用。
在燃料处理器10的MP发生电力故障的情况时，该情况被用来感测电 压状态的控制器11的电压传感器装置感应，并且相应的信号被发送到主控 制器41。主控制器41用来基于接收信号操作辅助电源40，从而为燃料处理 器10的最小负载运行提供必需的电力。
因此，燃料处理器10使得即使在MP电力发生故障时氢气也能够稳定 产生。从而，不管从MP供应到燃料处理器10的电力如何整个燃料电池系 统的运行都能被维持。
在MP的电力故障状态被解除的情况时，该情况由电压传感器装置感测 并且感测的信息被应用到控制器11。控制器11运行来发送相应的信号到主 控制器41，以使从辅助电源40供应到燃料处理器10的电力被阻断，以及从MP供应到燃料处理器10的电力被电控制。
如上所述，本发明提供了一种用于多单元住宅建筑的燃料电池系统。根 据本发明，燃料处理器和燃料电池堆包括安装于多单元住宅建筑公用区内的 逆变器，以使热量、热水和电被供应到多单元住宅建筑的每个单元住户。从 而，燃料电池系统被认为在维护和安装所需空间方面更好。
特别地，根据本发明，不需要向多单元住宅建筑另外提供氢气管道、用 于根据所有住户的电力消耗变化来控制氢气处理的系统、及使用过剩氢气的 公用燃料电池电力生成系统，从而增加了住宅建筑的稳定性并将初始成本减 到最少。
此外，即使在发生电力供应延迟或中断时，燃料处理器能使用由主控制 器控制的辅助电源为其最小负载运行连续接收必需的电力，从而避免了由于 电力供应的延迟或中断引起的燃料处理器运行中断，并维持了系统运行稳定 性。
虽然为说明的目的公开了本发明的优选实施方式，但是本领域的技术人 员应理解在本发明技术精神内可以进行各种修改、增加和替换。
权利要求
1.一种用于多单元住宅建筑的燃料电池系统，该系统包括燃料处理器，安装于多单元住宅建筑公用区内以从蒸汽和燃料产生氢气；燃料电池堆，安装于多单元住宅建筑公用区内以从所述燃料处理器接收氢气，以使该氢气与空气中的氧气发生电化学反应，从而产生电，该电然后被供应到所述多单元住宅建筑的每个单元住户；逆变器，用于将所述燃料电池堆中产生的直流电力转换为作为应用电力使用的交流电力；蓄热器，用于从所述燃料处理器和所述燃料电池堆接收热量和热水以使所述热量和热水被供应到每个单元住户；辅助电源，用于在所述多单元住宅建筑出现电力故障时为所述燃料处理器的最小负载运行提供所必需的电力；以及控制器，该控制器包括量表，该量表用于测量所述多单元住宅建筑的每个单元住户的电力消耗从而确定运行负载信息，所述控制器基于使用所述量表确定的所述运行负载信息来控制所述燃料处理器的运行。
2. 根据权利要求1所述的燃料电池系统，其中所述蓄热器与辅助锅炉 连接，所述辅助锅炉用来从燃料处理器接收过剩氢气以燃烧该氢气。
3. 根据权利要求1所述的燃料电池系统，其中所述蓄热器设置有用于 回收废弃热量的热交换器。
4. 根据权利要求1-3中任一项权利要求所述的燃料电池系统，其中所 述辅助电源由与所述控制器连接的主控制器来控制。
全文摘要
公开了一种用于多单元住宅建筑的燃料电池系统，其中燃料处理器、燃料电池堆和逆变器被共同安装于多单元住宅建筑的公用区内，从而改进了维护的简易性并实现了性能的稳定性。多单元住宅建筑不需要被另外提供氢气管道、用于根据所有住户的电力消耗的变化来控制氢气处理的系统、及使用过剩氢气的公用燃料电池电力生成系统，从而增加了住宅建筑的稳定性并将初装成本减到最少。
文档编号H01M8/04GK101369665SQ20081012995
公开日2009年2月18日 申请日期2008年7月24日 优先权日2007年7月27日
发明者洪注瀚, 赵大熙, 金宅根 申请人:Sk能源株式会社