[发明专利]用于公寓大楼的燃料电池系统及其运行方法

说明书

技术领域

本发明一般涉及用于公寓大楼的燃料电池系统，其中，将一个或多个处理机安装在服务区域，且燃料电池堆安装在各自的住宅单元内，特别是涉及公寓大楼的燃料电池系统，该系统与各自住宅单元的燃料电池堆的运行负荷结合运行一个或多个燃料处理器，并利用过剩的氢作为公共区域的燃料电池动力，由此增加了能量效率，并涉及该系统的运行方法。

背景技术

通常，燃料电池系统是通过由重整气体燃料获得的氢或者纯氢与来自空气中的氧反应产生电能的装置。燃料电池系统与通过化学反应产生电的电池相似。然而，燃料电池系统从外部接收反应物，例如氢和氧，使得燃料电池系统不需要充电，只要向该燃料电池供给燃料就产生电，并且没有燃料燃烧反应就产生电，因此具有环境方面的优点。

燃料电池系统的基本操作原理是，电解质夹在两个电极之间，当氢离子和氧离子通过两个电极时产生电，并且热和水作为副产品产生。此处，当通过燃料电池的阳极供给氢且通过燃料电池的阴极供给氧时，通过阳极进入的氢分子通过催化剂分离成质子和电子，并且分离的质子和电子通过不同的路径到达阴极。也就是说，质子流过燃料电池中心的电解质，且电子流过外部电路，由此产生电流流动，并且电子和质子在阴极与氧结合，由此产生水。

换句话说，燃料电池是直接将氢和氧的化学反应能量转换成电能的生成系统，氢和氧含在烃基材料中，例如甲醇、乙醇或天然气中。这种燃料电池依据所使用电解质的类型分成磷酸燃料电池(Phosphoric Acid Fuel Cell)(PAFC)、熔融碳酸酯燃料电池(Molten Carbonate Fuel Cell)(MCFC)、固体氧化物燃料电池(Solid Oxide Fuel Cell)(SOFC)以及质于交换膜燃料电池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell)(PEMFC)。尽管基本上基于相同的原理来操作各种燃料电池，但是它们在燃料的种类、操作温度、催化剂和使用的电解质上不同。

传统燃料电池系统的结构包括，通过重整燃料将诸如天然气的燃料转换成氢燃料的燃料处理器，从燃料处理器接收氢引起氢与氧间的化学反应并产生电和热量的燃料电池堆，用于将由于燃料电池堆中的化学反应产生的直流电源转换为在家中使用的交流电源的逆变器即电源转换装置，以及用于提取排向外部的废热并将再利用废热作为加热水的热能的热交换器。

燃料处理器通过燃料泵接收燃料槽中的燃料，通过重整燃料产生氢气，并将氢气供给燃料电池堆。

燃料电池堆形成燃料电池的主体，并通过引起由燃料处理器接收的氢气与氧间的电化学反应产生电能。此处，燃料电池堆具有几个至几十个电池一个堆叠到另一个顶部的结构，每个电池包括膜电极组件(Membrane ElectrodeAssembly)(MEA)和紧密附着到MEA两侧的两极极板。MEA具有阳极和阴极附着到插置在其间的电解质膜上的结构。

在燃料电池堆中，通过两极极板将氢气供给阳极电极，将氧供给阴极电极。在此过程中，在阳极电极发生氢气的氧化反应，同时在阴极电极发生氧的还原反应。另外，由于在此过程中产生的电子的运动产生了电，伴随产生了热量和水。

逆变器是将在上述燃料电池堆中产生的直流电转换成交流电，以用作民用电源的装置。

上述构成的燃料电池系统具有高能量效率、对环境友好、能量供应来源的灵活性以及氢制备经济的各种优点。因此，最近，集中开发并运作了产生等于或小于5kw能量的用于住宅单元的燃料电池系统而不是大规模发电的设备。

然而，传统燃料电池系统的发电容量已经开发至适合单一家庭住宅。因此，由于随着总体发电容量增长，应该开发环境技术并应该解决安全限制，所以存在难以将传统燃料电池系统应用于多家庭住宅即公寓大楼的问题，所述公寓大楼例如为公寓或商住两用公寓(mixed-use condominium)。

也就是说，用于产生氢的重整装置的燃料处理器由于安全和技术的原因而限制了其容量增长。另外，当全部系统被分配时，主要的问题是必须提供有效运行系统的方案。

同时，为了解决该问题，本申请人提出了用于公寓大楼的燃料电池系统，其中，燃料处理器安装在公寓大楼的服务区域，并且用于接收来自燃料处理器的氢并产生电的燃料电池堆和逆变器设置在各住宅单元内。

但是，将本申请人已申请专利的用于公寓大楼的燃料电池系统配置成将单个的燃料处理器安装成将氢提供到安装在各住宅单元内的燃料电池堆，存在限制了系统范围以及燃料电池稳定性低的问题。