專利名稱：1千瓦不間斷家用燃料電池裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種1千瓦(kW)不間斷家用燃料電池裝置，是一種家用小型燃料電池熱電聯供裝置，屬于能源利用技術領域。
背景技術：
為了保護環境和提高能源利用效率，世界各國急需發展新型的發電技術。燃料電池技術最有希望以集中和分散電源的形式進入電力市場。它是將燃料的化學能直接轉化為電能，而不受卡諾循環的限制。其中，質子交換膜燃料電池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell；PEMFC)具有高效、低污染、起動快等優點，極大地受到人們關注。
不間斷電源(Uninterruptible Power Supply；UPS)在通訊、醫院以及計算機、控制等重要裝置有著廣泛應用，其市場容量相當大，傳統的UPS大概有5～10％的電力損失，功能比較單一，而且必須結合蓄電池一起使用。
使用燃料電池的家用發電裝置，在提供電力的同時，還可以為用戶供應一定熱水，實現熱電聯供。如果與現有電網互聯，可以實現不間斷供電，起到傳統傳統UPS的作用。
家用燃料電池裝置熱電綜合效率可以達到70％左右，不但可以滿足重要設備的用電需求，還可以為用戶提供一定的熱水和供暖。實現能源的高效、高性能利用。今后，隨著燃料電池技術的進一步成熟，設備成本的降低，將會有大量的家用燃料電池走進家庭，用來滿足計算機不間斷電源、照明等基本用電需求。目前燃料電池的應用尚未進入家庭。

發明內容
本發明的目的在于針對未來能源發展趨勢，提供一種以城市煤氣為燃料的1kW家用燃料電池發電裝置，不但可以節省用戶的用能開支，提高用戶用電可靠性，還可以滿足用戶的熱水和供暖需求。
為實現這樣的目的，本發明的1kW不間斷家用燃料電池發電裝置，由質子交換膜燃料電池、直流變壓器、直交流變換器、切換開關、交直流變壓器、陰極換熱器、熱水箱等設備構成。燃料電池的電力輸出端連接直流變壓器的入口，直流變壓器的出口分別連接直交流變壓器的入口端和交直流變壓器的出口端，直交流變壓器的出口端經切換開關連接到用電戶或交流電源，交直流變壓器的入口端與交流電源連接。燃料電池的燃料入口端與城市煤氣連接，空氣極入口端連接到空氣源，空氣極出口端連接到換熱器的管內入口端，換熱器的管外入口端和管外出口端連接熱水箱到熱水用戶。
工作時，城市煤氣和空氣分別進入燃料電池的燃料極和空氣極，利用城市煤氣重整后得到的氫氣為燃料，空氣為氧化劑，氫和氧在燃料電池內發生電化學反應，所產生的直流電經過直流變壓器調整成標準電壓，供給直交流變壓器，直交流變壓器輸出的交流電可以直接供給用電戶。發電裝置采用燃料電池與電網聯合供電，燃料電池承擔用戶的基本負荷。當用電戶負荷大于燃料電池額定負荷1kW時，交流電源會提供部分電力，經過交直流變壓器對燃料電池進行補充。當用戶的負荷小于1kW時，通過控制單元調整燃料電池的輸出負荷。如果遇到電網停電，燃料電池可以獨立運行，保障計算機等重要設備的正常運行。當燃料電池不工作時，用電戶的全部負荷由交流電源經過電表計量后直接提供。除了發電外，系統還可以回收燃料電池排氣熱量，生產提供一定量的熱水。
本發明具有熱電聯供兩種功能，燃料電池和外界交流電源共同工作，具有不間斷電源的工作特性，可以滿足家庭、辦公室基本用電需求，提高用電可靠性，具有明顯的技術優勢，可以取代傳統UPS以及家庭用戶的電加熱設備，有效提高能源利用率，減少用能開支。


圖1為本發明的系統結構示意圖。
圖1中，1為1kW質子交換膜燃料電池，2為直流變壓器，3為直交流變壓器，4為切換開關，5為用電戶，6為電表，7為交流電源，8為電表，9為交直流變壓器，10為陰極換熱器，11為熱水箱，12為熱水用戶。
具體實施例方式為更好地理解本發明的技術方案，以下結合附圖作進一步描述。
本發明的系統結構如圖1所示，由質子交換膜燃料電池1、直流變壓器2、直交流變換器3、切換開關4、交直流變壓器9、陰極換熱器10、熱水箱11等設備構成。燃料電池1電力輸出端連接直流變壓器2的入口，直流變壓器2的出口分別連接直交流變壓器3的入口端和交直流變壓器9的出口端，直交流變壓器3的出口端連接切換開關4的一端，切換開關4的另外兩端分別連接電用戶5及經電表6連接到交流電源7，交直流變壓器9的入口端經電表8連接到交流電源7。燃料電池1的燃料入口端與城市煤氣連接，燃料電池1的燃料出口端連接到排空管。燃料電池1的空氣極入口端連接到空氣源，燃料電池1的空氣極出口端連接到換熱器10的管內入口端，換熱器10的管內出口端排空，換熱器10的管外入口端連接熱水箱11的出口端，換熱器10的管外出口端連接熱水箱11的入口端，熱水箱11的熱水出口端連接熱水用戶12。
工作時，城市煤氣和空氣分別進入燃料電池1的燃料極和空氣極，發生電化學反應，所產生的直流電經過直流變壓器2調整成標準電壓，供給直交流變壓器3，直交流變壓器3輸出的交流電可以直接供給用電戶。當用電戶負荷大于燃料電池額定負荷時，交流電源會提供部分電力，經過交直流變壓器9對燃料電池進行補充。當燃料電池不工作時，用電戶的全部負荷由交流電源經過電表6計量后直接提供。經過熱水箱水循環加熱后，將燃料電池排氣中的熱量帶到熱水箱11中，可以隨時為熱水用戶提供熱水。實現熱電聯供，同時可以起到UPS的作用。
權利要求
1.一種1千瓦不間斷家用燃料電池裝置，其特征在于包括質子交換膜燃料電池(1)、直流變壓器(2)、直交流變換器(3)、切換開關(4)、交直流變壓器(9)、陰極換熱器(10)、熱水箱(11)，燃料電池(1)電力輸出端連接直流變壓器(2)的入口，直流變壓器(2)的出口分別連接直交流變壓器(3)的入口端和交直流變壓器(9)的出口端，直交流變壓器(3)的出口端連接切換開關(4)的一端，切換開關(4)的另外兩端分別連接電用戶(5)及經電表(6)連接到交流電源(7)，交直流變壓器(9)的入口端經電表(8)連接到交流電源(7)，燃料電池(1)的燃料入口端與城市煤氣連接，燃料電池(1)的燃料出口端連接到排空管，燃料電池(1)的空氣極入口端連接到空氣源，燃料電池(1)的空氣極出口端連接到換熱器(10)的管內入口端，換熱器(10)的管內出口端排空，換熱器(10)的管外入口端連接熱水箱(11)的出口端，換熱器(10)的管外出口端連接熱水箱(11)的入口端，熱水箱(11)的熱水出口端連接熱水用戶(12)。
全文摘要
一種1千瓦不間斷家用燃料電池裝置，由質子交換膜燃料電池、直流變壓器、直交流變換器、交直流變壓器、陰極換熱器和熱水箱等設備組成，系統燃料為城市煤氣，利用城市煤氣和空氣發生電化學反應，產生電能，同時可以回收燃料電池排氣熱量，生產提供熱水。本發明具有熱電聯供兩種功能，燃料電池和外界交流電源共同工作，具有不間斷電源的工作特性，可以滿足家庭、辦公室基本用電需求，提高用電可靠性。
文檔編號H01M8/00GK1529378SQ20031010795
公開日2004年9月15日 申請日期2003年10月16日 優先權日2003年10月16日
發明者李巍, 于立軍, 巍 李 申請人:上海交通大學