專利名稱：熱量回收型家用燃料電池裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種熱量回收型家用燃料電池裝置，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：
隨著新能源在全世界范圍的發展，電力有從目前的集中供電向集中與分散相結合的發展趨勢。分散供電不但可以減少超高壓、超長距離供電的線路損失，還可以實現熱電聯供，提高能源利用效率，降低戰爭、自然災害對大電網的威脅。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。
另外，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UPS的作用。
家用燃料電池裝置熱電綜合效率可以達到75％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、辦公室，用來滿足計算機、照明、供暖等基本用能需求。目前燃料電池尚未進入家庭。

發明內容
本發明的目的在于針對未來能源發展趨勢，提供一種熱量回收型家用燃料電池裝置，以城市煤氣為燃料，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，本發明的熱量回收型家用燃料電池裝置主要由質子交換膜燃料電池、燃料重整器、兩個換熱器、直流變壓器、直交流變換器及交直流變壓器等設備構成，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與直交流變壓器和交直流變壓器相連，直交流變壓器的出口端經切換開關連接到電用戶及經電表連接到交流電源，交直流變壓器也經電表連接到交流電源。燃料電池的燃料入口端連接一個燃料重整器，燃料電池的燃料出口端和空氣極出口端分別連接一個換熱器，換熱器的管外出口端經熱水箱連接熱水用戶。
燃料電池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，產生電能，產生的熱量用于制取熱水或供熱。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，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。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計量后直接提供。本發明利用兩個換熱器收集燃料電池排氣中的熱能，同時將燃料極的排氣送到燃料重整器充分燃燒，燃料重整器的排氣直接排到熱水箱中，用以回收氣體熱能以及水蒸氣潛熱。熱水箱中的水經過循環加熱后，可以隨時為熱水用戶提供熱水。系統可以同時提供電和熱能，能夠實現熱電聯供，同時還可以作為不間斷電源使用。
本發明采用燃料電池與電網聯合供電，燃料電池承擔用戶的額定負荷，當用戶負荷超燃料電池過額定負荷時，需要從電網買進部分電力，當用戶負荷小于燃料電池額定負荷時，通過控制單元調整燃料電池的輸出負荷。如果遇到停電，燃料電池可以獨立運行，保障計算機、空調等重要設備的正常運行。
本發明可以滿足家庭、辦公室基本用電需求，而且能夠保障電力的不間斷供給，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，有效提高了能源利用率，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為燃料電池燃料極出口換熱器，11為熱水箱，12為熱水用戶，13為熱水箱排氣口，14為燃料電池空氣極出口換熱器，15為空氣入口，16為燃料入口，17為燃料重整器。
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，主要由質子交換膜燃料電池1、燃料重整器17、切換開關4、燃料電池燃料極出口換熱器10、燃料電池空氣極出口換熱器14、直流變壓器2、直交流變換器3、交直流變壓器9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，交直流變壓器9的入口端經電表8連接到交流電源。燃料電池1的燃料入口端與燃料重整器17管內出口端連接，城市煤氣16連接燃料重整器17管內入口端，燃料電池1的燃料出口端連接到燃料電池燃料極出口換熱器10的管內入口端，燃料電池燃料極出口換熱器10的管內出口端連接燃料重整器17的管外入口端，燃料重整器17的管外出口端連接熱水箱11內部。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燃料電池空氣極出口換熱器14的管內入口端，燃料電池空氣極出口換熱器14的管內出口端排空，燃料電池空氣極出口換熱器14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。利用兩個換熱器收集燃料電池排氣中的熱能，同時將燃料極的排氣送到燃料重整器17充分燃燒，燃料重整器17的排氣直接排到熱水箱11中，用以回收氣體熱能以及水蒸氣潛熱。熱水箱11中的經過循環加熱后，可以隨時為熱水用戶提供熱水。系統可以同時提供電和熱能，能夠實現熱電聯供，同時還可以作為不間斷電源使用。
權利要求
1.一種熱量回收型家用燃料電池裝置，其特征在于由質子交換膜燃料電池(1)、燃料重整器(17)、切換開關(4)、燃料電池燃料極出口換熱器(10)、燃料電池空氣極出口換熱器(14)、直流變壓器(2)、直交流變換器(3)、交直流變壓器(9)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用電戶(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)的燃料入口端與燃料重整器(17)管內出口端連接，城市煤氣(16)連接燃料重整器(17)管內入口端，燃料電池(1)的燃料出口端連接到燃料電池燃料極出口換熱器(10)的管內入口端，燃料電池燃料極出口換熱器(10)的管內出口端連接燃料重整器(17)的管外入口端，燃料重整器(17)的管外出口端連接熱水箱(11)，燃料電池(1)的空氣極出口端連接到燃料電池空氣極出口換熱器(14)的管內入口端，燃料電池空氣極出口換熱器(14)的管內出口端排空，其管外出口端經熱水箱(11)連接熱水用戶(12)。
全文摘要
一種熱量回收型家用燃料電池裝置，主要由質子交換膜燃料電池、燃料重整器、兩個換熱器、直流變壓器、直交流變換器及交直流變壓器等設備構成，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與直交流變壓器和交直流變壓器相連，直交流變壓器的出口端經切換開關連接到電用戶及經電表連接到交流電源，交直流變壓器也經電表連接到交流電源。燃料電池的燃料入口端連接一個燃料重整器，燃料電池的燃料出口端和空氣極出口端分別連接一個換熱器，換熱器的管外出口端經熱水箱連接熱水用戶。本發明具有熱電聯供兩種功能，可滿足家庭、辦公室基本用電需求，而且能夠保障電力的不間斷供給，提高用電可靠性。
文檔編號H01M8/00GK1529379SQ20031010795
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