[發明專利]用于公寓大樓的燃料電池系統及其運行方法

無效

• 申請號: 200710167359.8
• 申請日: 2007-10-25
• 公開（公告）號: CN101170179A
• 公開（公告）日: 2008-04-30
• 發明（設計）人: 洪紸瀚;金宅根;趙大熙
• 申請（專利權）人: SK能源株式會社
• 主分類號: H01M8/00
• 分類號: H01M8/00;H01M8/04;H01M8/06
• 代理公司: 北京潤平知識產權代理有限公司
• 代理人: 周建秋;王鳳桐

技術領域

本發明一般涉及用于公寓大樓的燃料電池系統，其中，將一個或多個處理機安裝在服務區域，且燃料電池堆安裝在各自的住宅單元內，特別是涉及公寓大樓的燃料電池系統，該系統與各自住宅單元的燃料電池堆的運行負荷結合運行一個或多個燃料處理器，并利用過剩的氫作為公共區域的燃料電池動力，由此增加了能量效率，并涉及該系統的運行方法。

背景技術

通常，燃料電池系統是通過由重整氣體燃料獲得的氫或者純氫與來自空氣中的氧反應產生電能的裝置。燃料電池系統與通過化學反應產生電的電池相似。然而，燃料電池系統從外部接收反應物，例如氫和氧，使得燃料電池系統不需要充電，只要向該燃料電池供給燃料就產生電，并且沒有燃料燃燒反應就產生電，因此具有環境方面的優點。

燃料電池系統的基本操作原理是，電解質夾在兩個電極之間，當氫離子和氧離子通過兩個電極時產生電，并且熱和水作為副產品產生。此處，當通過燃料電池的陽極供給氫且通過燃料電池的陰極供給氧時，通過陽極進入的氫分子通過催化劑分離成質子和電子，并且分離的質子和電子通過不同的路徑到達陰極。也就是說，質子流過燃料電池中心的電解質，且電子流過外部電路，由此產生電流流動，并且電子和質子在陰極與氧結合，由此產生水。

換句話說，燃料電池是直接將氫和氧的化學反應能量轉換成電能的生成系統，氫和氧含在烴基材料中，例如甲醇、乙醇或天然氣中。這種燃料電池依據所使用電解質的類型分成磷酸燃料電池(Phosphoric?Acid?Fuel?Cell)(PAFC)、熔融碳酸酯燃料電池(Molten?Carbonate?Fuel?Cell)(MCFC)、固體氧化物燃料電池(Solid?Oxide?Fuel?Cell)(SOFC)以及質于交換膜燃料電池(Proton?Exchange?Membrane?Fuel?Cell)(PEMFC)。盡管基本上基于相同的原理來操作各種燃料電池，但是它們在燃料的種類、操作溫度、催化劑和使用的電解質上不同。

傳統燃料電池系統的結構包括，通過重整燃料將諸如天然氣的燃料轉換成氫燃料的燃料處理器，從燃料處理器接收氫引起氫與氧間的化學反應并產生電和熱量的燃料電池堆，用于將由于燃料電池堆中的化學反應產生的直流電源轉換為在家中使用的交流電源的逆變器即電源轉換裝置，以及用于提取排向外部的廢熱并將再利用廢熱作為加熱水的熱能的熱交換器。

燃料處理器通過燃料泵接收燃料槽中的燃料，通過重整燃料產生氫氣，并將氫氣供給燃料電池堆。

燃料電池堆形成燃料電池的主體，并通過引起由燃料處理器接收的氫氣與氧間的電化學反應產生電能。此處，燃料電池堆具有幾個至幾十個電池一個堆疊到另一個頂部的結構，每個電池包括膜電極組件(Membrane?ElectrodeAssembly)(MEA)和緊密附著到MEA兩側的兩極極板。MEA具有陽極和陰極附著到插置在其間的電解質膜上的結構。

在燃料電池堆中，通過兩極極板將氫氣供給陽極電極，將氧供給陰極電極。在此過程中，在陽極電極發生氫氣的氧化反應，同時在陰極電極發生氧的還原反應。另外，由于在此過程中產生的電子的運動產生了電，伴隨產生了熱量和水。

逆變器是將在上述燃料電池堆中產生的直流電轉換成交流電，以用作民用電源的裝置。

上述構成的燃料電池系統具有高能量效率、對環境友好、能量供應來源的靈活性以及氫制備經濟的各種優點。因此，最近，集中開發并運作了產生等于或小于5kw能量的用于住宅單元的燃料電池系統而不是大規模發電的設備。

然而，傳統燃料電池系統的發電容量已經開發至適合單一家庭住宅。因此，由于隨著總體發電容量增長，應該開發環境技術并應該解決安全限制，所以存在難以將傳統燃料電池系統應用于多家庭住宅即公寓大樓的問題，所述公寓大樓例如為公寓或商住兩用公寓(mixed-use?condominium)。

也就是說，用于產生氫的重整裝置的燃料處理器由于安全和技術的原因而限制了其容量增長。另外，當全部系統被分配時，主要的問題是必須提供有效運行系統的方案。

同時，為了解決該問題，本申請人提出了用于公寓大樓的燃料電池系統，其中，燃料處理器安裝在公寓大樓的服務區域，并且用于接收來自燃料處理器的氫并產生電的燃料電池堆和逆變器設置在各住宅單元內。

但是，將本申請人已申請專利的用于公寓大樓的燃料電池系統配置成將單個的燃料處理器安裝成將氫提供到安裝在各住宅單元內的燃料電池堆，存在限制了系統范圍以及燃料電池穩定性低的問題。