基于燃料電池的熱回收設備及其操作方法
【專利摘要】本發明涉及一種基于燃料電池的熱回收單元及其操作方法，具體地，涉及這樣一種基于燃料電池的熱回收單元及其操作方法：該熱回收單元利用在熔融碳酸鹽燃料電池（MCFC)工作時生成的熱來生成熱水或蒸汽并將生成的熱水和蒸汽提供至建筑物，從而可以減小用電的制冷和制熱設施的運轉率。
【專利說明】基于燃料電池的熱回收設備及其操作方法

【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種基于燃料電池的熱回收設備及其操作方法，具體來說，涉及一種 用于建筑物的基于燃料電池的熱回收設備及其操作方法，該熱回收設備通過利用在熔融碳 酸鹽燃料電池（MCFC)工作時生成的熱來生成熱水或蒸汽。

【背景技術】
[0002] 熔融碳酸鹽燃料電池（MCFC)，作為未來的可再生能源，是一種正在引起關注的發 電單元，這是因為MCFC具有約47%的高發電效率以及低燃料消耗率和碳氣體排放量。由于 具有Li/Na電解質的MCFC利用熔融碳酸鹽電解質來生成與氫反應的碳酸根離子，因此MCFC 可以工作在約650°C的高溫下。
[0003] 這樣的MCFC在工作時可以生成溫度為約350°C的廢熱。因此，MCFC可以通過利用 所生成的廢熱來與熱回收單元（HRU)連結在一起。HRU可以是這樣的單元：其回收廢氣或 排出的熱水的余熱以提供冷卻/加熱的空氣和熱水。也就是說，HRU可以表示用于熱產生、 熱傳輸、熱利用、熱交換等的熱設備。
[0004] 近年來，應對單個建筑物的負荷的已開發的lOOkw級MCFC與HRU聯接，以便提供 在建筑物中所使用的冷卻/加熱的空氣和熱水。因此，需要用于將MCFC的發電效率提高到 約50 %至60%的方法。


【發明內容】

[0005] 技術問題
[0006] 為了解決上述限制，本發明提供了一種基于燃料電池的熱回收設備及其操作方 法，該熱回收設備通過利用在熔融碳酸鹽燃料電池（MCFC)工作時生成的熱來生成熱水或 蒸汽，以將所生成的熱水或蒸汽提供至建筑物，從而減小了用電的制冷/制熱設備的運轉 率，進而減少了空氣調節開銷。
[0007] 本發明的目的不限于以上提到的目的，通過以下描述可以理解以上未提到的本發 明的其它目的和優點，而且通過本發明的實施例可以更加明確地進行理解。此外，本發明的 目的和優點可以通過權利要求中體現的手段及其組合容易地實現。
[0008] 技術方案
[0009] 根據本發明的一方面，提供了一種基于燃料電池的熱回收設備，其包括：第一開關 單元，其將由熔融碳酸鹽燃料電池（MCFC)生成的熱引入熱交換器，或者阻止將熱引入所述 熱交換器；第二開關單元，其將熱通過排出孔排出，或者阻止將熱通過所述排出孔排出；第 三開關單元，其將存儲在壓縮箱內的流體引入流體循環單元，或者阻止將流體引入所述流 體循環單元；所述流體循環單元，其使得通過所述第三開關單元引入的流體循環；狀態感 測單元，其測量由所述MCFC生成的熱的溫度、流體經過的管道內的流量以及所述壓縮箱內 的溫度和水位；以及控制單元，其根據操作算法或停止算法來控制所述各個單元中的每一 個。
[0010] 根據本發明的另一方面，提供了一種操作基于燃料電池的熱回收設備的方法，該 熱回收設備包括第一開關單元、第二開關單元、第三開關單元、流體循環單元、狀態感測單 元和控制單元，所述方法包括步驟：保持待機狀態；斷開所述第三開關單元，這是因為壓縮 箱內的溫度低于第一臨界值，并且所述壓縮箱內的水位高于第二臨界值；當在斷開所述第 三開關單元后經過了第二臨界時間時，使所述流體循環單元工作；當在所述流體循環單元 工作后經過了第三臨界時間時，斷開所述第一開關單元；以及當在斷開所述第一開關單元 后通過所述狀態感測單元感測到的流量滿足第三臨界值時，閉合所述第二開關單元。
[0011] 根據本發明的再一方面，提供了 一種使基于燃料電池的熱回收設備停止工作的方 法，該熱回收設備包括第一開關單元、第二開關單元、第三開關單元、流體循環單元、狀態感 測單元和控制單元，所述方法包括步驟：因為滿足了預定條件，在斷開所述第二開關單元 后，閉合所述第一開關單元；當在閉合所述第一開關單元后經過了第五臨界時間時，使所述 流體循環單元停止工作；以及當在使所述流體循環單元停止工作后經過了第六臨界時間 時，閉合所述第三開關單元。
[0012] 有益效果
[0013] 根據本發明，可以通過利用在MCFC工作時生成的熱來生成熱水和蒸汽，以便將所 生成的熱水或蒸汽提供至各建筑物，從而減小用電的制冷/制熱設備的運轉率，進而減少 空調開銷。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0014] 圖1是根據本發明實施例的基于燃料電池的熱回收設備的示圖。
[0015] 圖2是示出了根據本發明的基于燃料電池的熱回收設備的流體循環單元的詳細 示圖。
[0016] 圖3是根據本發明的基于燃料電池的熱回收設備的狀態感測單元的詳細示圖。
[0017] 圖4是根據本發明實施例的基于燃料電池的熱回收系統的示圖。
[0018] 圖5是示出了根據本發明實施例的基于燃料電池的熱回收設備的操作方法的流 程圖。
[0019] 圖6是示出了根據本發明實施例的基于燃料電池的熱回收設備的操作停止方法 的流程圖。

【具體實施方式】
[0020] 通過以下參照附圖描述的實施例，本發明的優點和特征及其實施方法將變得清 楚。此外，提供這些實施例是為了使得本公開是透徹且完整的，并且將向本領域技術人員全 面地傳達本發明的范圍。另外，為了避免不必要地模糊本發明的主題，將省去與已知功能或 配置相關的具體描述。將參考附圖更加詳細地描述本發明的優選實施例。
[0021] 圖1是根據本發明實施例的基于燃料電池的熱回收設備的示圖。
[0022] 參見圖1，根據本發明的基于燃料電池的熱回收設備包括第一開關單元10、第二 開關單元20、第三開關單元30、流體循環單元40、狀態感測單元50和控制單元60。
[0023] 這里，第一開關單元10和第二開關單元20可以分別設在由燃料電池生成的高溫 熱所經過的管道中，以阻止或允許熱流過。
[0024] 此外，第三開關單元30和流體循環單元40可以設在諸如熱水或蒸汽之類的流體 所經過的管道中，以阻止或允許該流體流過。
[0025] 現對上述組件中的每一個進行說明，第一開關單元10例如可以是通過電信號來 操作的閥。因此，第一開關單元10可以根據從控制單元60傳輸的控制信號，將由熔融碳酸 鹽燃料電池（MCFC)生成以流經管道的高溫熱引入或不引入熱交換器。這里，熱交換器可以 利用引入到其中的高溫熱來加熱沿管道流動的水，以生成諸如熱水或蒸汽之類的流體。
[0026] 第二開關單元20例如可以是通過電信號來操作的閥。因此，第二開關單元20可 以根據從控制單元60傳輸的控制信號，將由MCFC生成以流經管道的高溫熱通過出口排出 或不排出。
[0027] 第三開關單元30例如可以是通過電信號來操作的閥。因此，第三開關單元30可 以根據從控制單元60傳輸的控制信號，將存儲在壓縮箱（condensed tank)中的熱水和蒸 汽引入或不引入流體循環單元40。
[0028] 流體循環單元40可以根據控制單元60的控制信號來使通過第三開關單元30引 入的流體循環。
[0029] 如圖2所示，流體循環單元40可以包括第一流體循環器41和第二流體循環器42， 但是本發明不限于此。
[0030] 狀態感測單元50在高溫熱經過的管道中可以設有溫度傳感器，以測量熱的溫度。 此外，狀態感測單元50在流體經過的管道中可以設有流量傳感器，以測量流體的流量。另 夕卜，狀態感測單元50在壓縮箱中可以設有溫度傳感器和水位傳感器，以測量溫度和水位。
[0031] 也就是說，如圖3所示，狀態感測單元50可以包括第一溫度傳感器（TT 100)51、第 二溫度傳感器（TT 103) 52、第三溫度傳感器（TT 104) 53、水位傳感器（LS 100)54以及流量 傳感器（FT 100)55。
[0032] 在下文中，將參照圖4來詳細描述各個組件中的每一個。
[0033] 第一溫度傳感器51布置在壓縮箱內，以測量壓縮箱內的溫度。
[0034] 第二溫度傳感器52布置在由燃料電池生成的高溫熱所經過的管道內，以測量熱 的溫度。
[0035] 第三溫度傳感器53測量經過熱交換器的熱的溫度。
[0036] 水位傳感器54感測壓縮箱內的水位。
[0037] 流量傳感器55測量經過熱交換器的熱水的流量。
[0038] 控制單元60根據每種條件下的操作算法來控制第一開關單元（MOV 101) 10、第二 開關單元（MOV 102) 20、第三開關單元（MOV 100) 30、流體循環單元（PM-100) 40以及狀態感 測單元50的操作。
[0039] 也就是，在燃料電池處于初始加熱條件的情況下，如果在第一開關單元10和第二 開關單元20閉合的狀態下滿足臨界條件（溫度、壓力和時間中的至少一個），則控制單元 60可以斷開第一開關單元10和第二開關單元20。
[0040] 隨后，當經過了預定時間（例如，約3分鐘）時，可以閉合第一開關單元。這里，流 體循環單元40可以不工作，并且第三開關單元30可以保持在閉合狀態。
[0041] 此外，當燃料電池停止工作而變為冷卻條件時，控制單元60按照與加熱條件相反 的順序來控制組件中的每一個。
[0042] 此外，在控制單元60感測到錯誤的情況下，當第一開關單元10和第二開關單元20 均斷開，然后經過了預定時間（例如，約3分鐘）時，控制單元60可以閉合第一開關單元 10 (錯誤模式）。
[0043] 此外，在變為確認燃料電池的電力傳輸的待機狀態（待機模式）的情況下，當第一 開關單元10和第二開關單元20均斷開，然后經過了預定時間（例如，約3分鐘）時，控制 單元60可以閉合第一開關單元10。這里，流體循環單元40可以不工作，并且第三開關單元 30可以保持在閉合狀態。
[0044] 此外，在待機狀態下執行開啟熱回收設備的處理的情況下（這里，第二開關單元 20斷開），當通過第一溫度傳感器51感測到的壓縮箱內的溫度低于第一臨界值（例如，約 100°C )，通過水位傳感器54感測到的壓縮箱內的水位高于第二臨界值（例如，壓縮箱存儲 容量的約30%)時，控制單元60可以斷開第三開關單元30。這里，用于通知熱回收設備的 異常操作的警報還沒有工作。
[0045] 隨后，當在斷開第三開關單元30后經過了預定時間（例如，約1分鐘）時，流體循 環單元40可以工作。
[0046] 然后，當在流體循環單元40工作后經過了預定時間（例如，約1分鐘）時，可以將 第一開關單元10斷開預定程度（例如，約10% )。此外，當在使第一開關單元10斷開預定 程度后經過了預定時間（例如，約10分鐘）時，可以完全斷開第一開關單元10。
[0047] 這里，在流體循環單元40工作然后經過了預定時間（例如，約10分鐘）后再斷開 第一開關單元10的原因是用于去除管道內的空氣。此外，當最初斷開第一開關單元10時 將第一開關單元10斷開約10%的程度，然后經過了預定時間（例如，約10分鐘）的原因是 用于減小熱沖擊。
[0048] 隨后，當第一開關單元10完全斷開，并且通過流量傳感器55感測到的流量滿足第 三臨界值（例如，約29LPM至約30LPM)時，可以閉合第二開關單元20。這里，當錯誤出現 時，可以執行錯誤模式。
[0049] 此外，在操作狀態下執行關閉熱回收設備的處理的情況下（這里，第一開關單元 10斷開，第二開關單元20閉合），當燃料電池的輸出低于基準值（例如，約lOOkw)、通過第 一溫度傳感器51感測到的壓縮箱內的溫度高于約115°C、通過水位傳感器54感測到的壓縮 箱內的水位低于約30%，通過第二溫度傳感器52感測到的溫度低于約350°C、通過第三溫 度傳感器53感測到的溫度高于約200°C、通過流量傳感器55感測到的流量保持在約25LPM 或更低的流量約5分鐘、或者停止警報工作時，控制單元60可以斷開第二開關單元20。
[0050] 隨后，在斷開第二開關單元20時，可以閉合第一開關單元10。
[0051] 然后，當完全閉合第一開關單元10時，可以在經過了預定時間（例如，約10分鐘） 后使流體循環單元40停止工作。
[0052] 隨后，當在流體循環單元40停止工作后經過了預定時間（例如，約1分鐘）時，可 以閉合第三開關單元30。
[0053] 在待機狀態下執行冬季緊急操作模式的情況下，當管道內的水保持在約5°C或更 低的溫度下約5分鐘或者緊急操作警報工作時，可以斷開第三開關單元30。這里，可以通過 第一溫度傳感器51測量管道內的水的溫度。在圖4中，可以通過"TT 101"或"TT 102"來 測量管道內的水的溫度。
[0054] 隨后，當確定第三開關單元30斷開時，流體循環單元40可以工作。
[0055] 然后，當在流體循環單元40工作后經過了預定時間（例如，約1小時）時，可以使 流體循環單元40停止工作。
[0056] 隨后，當在流體循環單元40停止工作后經過了預定時間（例如，約1分鐘）時，可 以閉合第三開關單元30。
[0057] 然后，當管道內的水保持在約5°C或更低的溫度約5分鐘時，可以重復執行上述處 理以重新操作。
[0058] 圖5是示出了根據本發明實施例的基于燃料電池的熱回收設備的操作方法的流 程圖。
[0059] 在操作501中，保持待機狀態。這里，待機狀態可以表示這樣的狀態：當在第一開 關單元10和第二開關單元20均斷開后經過了預定時間（例如，約3分鐘）時，流體循環單 元40不工作，并且第三開關單元30保持在閉合狀態。
[0060] 在操作502中，因為壓縮箱內的溫度低于第一臨界值，并且壓縮箱內的水位高于 第二臨界值，所以斷開第三開關單元30。
[0061] 在操作503中，當在斷開第三開關單元30后經過了第二臨界時間時，控制單元60 使流體循環單元40工作。
[0062] 在操作504中，當在流體循環單元40工作后經過了第三臨界時間時，斷開第一開 關單元10。
[0063] 在操作505中，當通過狀態感測單元50的流量傳感器55感測到的流量滿足第三 臨界值時，控制單元60閉合第二開關單元20。
[0064] 圖6是示出了根據本發明實施例的基于燃料電池的熱回收設備的操作停止方法 的流程圖。
[0065] 在操作601中，在操作狀態下，在滿足預定條件時控制單元60斷開第二開關單元 20以閉合第一開關單元10。
[0066] 這里，預定條件可以表示這樣的情況：燃料電池的輸出低于基準值、壓縮箱內的溫 度高于第一臨界溫度、壓縮箱內的水位低于臨界水位、通過第二溫度傳感器感測到的溫度 低于第二臨界溫度、通過第三溫度傳感器感測到的溫度高于第三臨界溫度、通過流量傳感 器感測到的流量保持預定時間、或者停止警報工作。
[0067] 在操作602中，當在斷開第一開關單元10后經過了第五臨界時間時，使流體循環 單元40停止工作。
[0068] 在操作603中，當在使流體循環單元40停止工作后經過了第六臨界時間時，控制 單元60斷開第三開關單元30。
[0069] 如上所述，可以通過計算機程序來準備根據本發明的控制方法。而且，相關領域的 計算機程序員可以容易地推出構成該程序的代碼和代碼段。另外，準備的程序存儲在計算 機可讀記錄介質（信息存儲介質）中并且由計算機讀取和執行，從而實現本發明的方法。此 夕卜，記錄介質包括所有類型的計算機可讀記錄介質。
[0070] 盡管針對某些優選實施例對本發明進行了描述，但對本領域技術人員而言顯而易 見的是，可以在不脫離本發明范圍的情況下作出各種改變和修改，本發明的范圍由以下權 利要求來限定。
[0071] 工業實用性
[0072] 本發明可以用于對建筑物進行空氣調節。
【權利要求】
1. 一種基于燃料電池的熱回收設備，包括： 第一開關單元，其將由熔融碳酸鹽燃料電池（MCFC)生成的熱引入熱交換器，或者阻止 將熱引入所述熱交換器； 第二開關單元，其將熱通過排出孔排出，或者阻止將熱通過所述排出孔排出； 第三開關單元，其將存儲在壓縮箱內的流體引入流體循環單元，或者阻止將流體引入 所述流體循環單元； 所述流體循環單元，其使得通過所述第三開關單元引入的流體循環； 狀態感測單元，其測量由所述MCFC生成的熱的溫度、流體經過的管道內的流量以及所 述壓縮箱內的溫度和水位；以及 控制單元，其根據操作算法或停止算法來控制所述各個單元中的每一個。
2. 根據權利要求1所述的熱回收設備，其中所述狀態感測單元包括： 第三溫度傳感器，其測量經過所述熱交換器的熱的溫度； 水位傳感器，其感測所述壓縮箱內的水位；以及 流量傳感器，其測量經過所述熱交換器的熱水的流量。
3. 根據權利要求2所述的熱回收設備，其中，當變為待機狀態時，所述控制單元斷開所 述第一開關單元和所述第二開關單元，在經過了第一臨界時間后，所述控制單元閉合所述 第一開關單元，使所述流體循環單元保持在停止狀態，并且使所述第三開關單元保持在閉 合狀態。
4. 根據權利要求3所述的熱回收設備，其中，當在所述待機狀態下執行所述操作算法 時，在所述壓縮箱內的溫度低于第一臨界值并且所述壓縮箱內的水位高于第二臨界值時， 所述控制單元斷開所述第三開關單元；在經過了第二臨界時間后，所述控制單元使所述流 體循環單元工作；在經過了第三臨界時間后，所述控制單元斷開所述第一開關單元；并且 當通過所述流量傳感器感測到的流量滿足第三臨界值時，所述控制單元閉合所述第二開關 單元。
5. 根據權利要求4所述的熱回收設備，其中當所述流體循環單元工作后經過了第三臨 界時間時，所述控制單元將所述第一開關單元斷開預定程度，并且當在將所述第一開關單 元斷開預定程度后經過了第四臨界時間時，所述控制單元完全斷開所述第一開關單元。
6. 根據權利要求1所述的熱回收設備，其中所述狀態感測單元包括： 第一溫度傳感器，其測量所述壓縮箱內的溫度； 第二溫度傳感器，其測量由所述MCFC生成的熱的溫度； 第三溫度傳感器，其測量經過所述熱交換器的熱的溫度； 水位傳感器，其感測所述壓縮箱內的水位；以及 流量傳感器，其測量經過所述熱交換器的熱水的流量。
7. 根據權利要求6所述的熱回收設備，其中，當執行所述停止算法時，由于滿足了預定 條件，所述控制單元在斷開所述第二開關單元后，閉合所述第一開關單元；在經過了第五臨 界時間后，所述控制單元使所述流體循環單元停止工作；并且在經過了第六臨界時間后，所 述控制單元閉合所述第三開關單元。
8. 根據權利要求7所述的熱回收設備，其中所述預定條件對應于這樣的情況：所述 MCFC的輸出低于基準值、所述壓縮箱內的溫度高于第一臨界溫度、所述壓縮箱內的水位低 于臨界水位、通過所述第二溫度傳感器感測到的溫度低于第二臨界溫度、通過所述第三溫 度傳感器感測到的溫度高于第三臨界溫度、通過所述流量傳感器感測到的流量維持了預定 時間、或者停止警報工作。
9. 根據權利要求3所述的熱回收設備，其中，當在所述待機狀態下執行冬季緊急操作 模式時，由于管道內的流體的溫度在低于臨界值的值處保持了第七臨界時間，所述控制單 元斷開所述第三開關單元，使所述流體循環單元工作；在經過了第八臨界時間后，所述控制 單元使所述流體循環單元停止工作；并且在經過了第九臨界時間后，所述控制單元閉合所 述第三開關單元。
10. 根據權利要求9所述的熱回收設備，其中所述控制單元周期性地檢查流體溫度是 否在所述低于臨界值的值處保持了第七臨界時間。
11. 一種操作基于燃料電池的熱回收設備的方法，該熱回收設備包括第一開關單元、 第二開關單元、第三開關單元、流體循環單元、狀態感測單元和控制單元，所述方法包括步 驟： 保持待機狀態； 斷開所述第三開關單元，這是因為壓縮箱內的溫度低于第一臨界值，并且所述壓縮箱 內的水位高于第二臨界值； 當在斷開所述第三開關單元后經過了第二臨界時間時，使所述流體循環單元工作； 當在所述流體循環單元工作后經過了第三臨界時間時，斷開所述第一開關單元；以及 當在斷開所述第一開關單元后通過所述狀態感測單元感測到的流量滿足第三臨界值 時，閉合所述第二開關單元。
12. 根據權利要求11所述的方法，其中保持待機狀態的步驟包括：斷開所述第一開關 單元和所述第二開關單元；在經過了第一臨界時間后，閉合所述第一開關單元；使所述流 體循環單元保持在停止狀態；以及使所述第三開關單元保持在閉合狀態。
13. 根據權利要求11或12所述的方法，其中斷開所述第一開關單元的步驟包括： 當在所述流體循環單元工作后經過了所述第三臨界時間時，將所述第一開關單元斷開 預定程度；以及 當在將所述第一開關單元斷開預定程度后經過了第四臨界時間時，完全斷開所述第一 開關單元。
14. 一種使基于燃料電池的熱回收設備停止工作的方法，該熱回收設備包括第一開關 單元、第二開關單元、第三開關單元、流體循環單元、狀態感測單元和控制單元，所述方法包 括步驟： 因為滿足了預定條件，在斷開所述第二開關單元后，閉合所述第一開關單元； 當在閉合所述第一開關單元后經過了第五臨界時間時，使所述流體循環單元停止工 作；以及 當在使所述流體循環單元停止工作后經過了第六臨界時間時，閉合所述第三開關單 J Li 〇
15. 根據權利要求14所述的方法，其中所述預定條件對應于這樣的情況:MCFC的輸出 低于基準值、壓縮箱內的溫度高于第一臨界溫度、所述壓縮箱內的水位低于臨界水位、通過 第二溫度傳感器感測到的溫度低于第二臨界溫度、通過第三溫度傳感器感測到的溫度高于 第三臨界溫度、通過流量傳感器感測到的流量保持了預定時間、或者停止警報工作。
【文檔編號】F24D3/00GK104221198SQ201280067743
【公開日】2014年12月17日 申請日期:2012年12月21日 優先權日:2011年12月22日
【發明者】李顯來, 黃禎泰, 鄭資勛, 柳晟來 申請人:Posco能源公司