МОДУЛЬНАЯ ТОПЛИВНО-ЭЛЕМЕНТНАЯ СИСТЕМА Российский патент 2008 года по МПК H01M8/00 

1. Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к многоквартирной системе энергоснабжения, имеющей модульную топливно-элементную систему, установленную в каждой квартире, и модуль реформинга общего пользования для обеспечения водородом модульной топливно-элементной системы, а точнее модульной топливно-элементной системы, которая позволяет минимизировать занимаемое в каждой квартире место и которая может стабильно обеспечивать электроэнергией и тепловой энергией каждую квартиру во все сезоны.

2. Описание известного уровня техники

В последнее время в качестве энергетического ресурса, как правило, используется нефть. Однако нефть может являться причиной загрязнения окружающей среды. С развитием промышленности и взрывным ростом количества автомобилей цены на нефть стремительно растут, а запасы нефти истощаются. В этом отношении есть потребность в исследованиях в области новых источников энергии, которые могут заменить нефть. В процессе исследований в области новых энергетических ресурсов был разработан топливный элемент.

Топливный элемент - это энергопреобразовательная установка, которая может непосредственно преобразовывать химическую энергию в электрическую. При постоянной подаче топлива, содержащего водород, и воздуха, содержащего кислород, в топливный элемент, между водородом и кислородом происходит электрохимическая реакция, и затем разность энергий непосредственно преобразуется в электроэнергию. Соответственно, топливный элемент постоянно производит электрическую энергию из топлива и кислорода и также производит тепло от реакции и воду в качестве субпродуктов.

Могут быть изготовлены топливные элементы различных типов, например топливный элемент на фосфорной кислоте, щелочной топливный элемент, топливный элемент с мембраной протонного обмена, топливный элемент на плавленом карбонате, твердоокисловый топливный элемент, топливный элемент на прямом окислении метанола, и т.д.

Топливные элементы могут классифицироваться как домовые топливные элементы, которые обеспечивают электричеством квартиры, транспортные топливные элементы, которые используются в электромобилях, и малоразмерные топливные элементы, которые используются в мобильных терминалах и портативных компьютерах.

Главным образом, домовые топливные элементы разрабатываются для надежного обеспечения электроэнергией бытовых устройств и осветительных приборов. Если домовая топливно-элементная система, использующая домовый топливный элемент, установлена в квартире или ресторане, то квартира или ресторан стабильно обеспечиваются внешней электроэнергией, произведенной электростанцией, и электроэнергией, произведенной топливным элементом.

Если четыре сезона подобны сезонам в Корее, зимний сезон требует большого количества электроэнергии для обогрева помещений, и летний сезон также требует большого количества электроэнергии для охлаждения помещений. В особенности, если используются газы, такие как LNG (сжиженный природный газ), для обогрева помещений, энергия газа для обогрева помещений значительно потребляется в зимний сезон, а потребление электроэнергии увеличивается в летний сезон из-за использования кондиционеров и холодильников. Соответственно, дефицит электроэнергии может наблюдаться в летний сезон, а подъем цены на газ может происходить в зимний сезон из-за чрезмерного использования газовых энергоносителей. Таким образом, важно решить проблемы относительно дефицита электроэнергии и подъема цены на газ.

Также необходимо минимизировать размеры домовой топливно-элементной системы. Если домовая топливно-элементная система имеет большие размеры, то жилое пространство каждой квартиры соответственно уменьшается из-за большого пространства, занимаемого домовой топливно-элементной системой, из-за чего члены семьи испытывают дискомфорт.

Сущность изобретения

Поэтому цель настоящего изобретения - предоставить модульную топливно-элементную систему, которая может снабжать электроэнергией и тепловой энергией каждую квартиру с высокой эффективностью и может осуществлять стабильное обеспечение энергией каждой квартиры в летний и зимний сезоны.

Другая цель настоящего изобретения - предоставить модульную топливно-элементную систему малого размера, таким образом увеличивая жилое пространство каждой квартиры.

Другая цель настоящего изобретения - предоставить модульную топливно-элементную систему, которая может нагревать помещение с помощью передачи тепла тепловой линии, проходящей через все части пола, стен или потолка каждой комнаты в квартире.

Другая цель настоящего изобретения - предоставить модульную топливно-элементную систему, которая может повторно использовать отработанный газ высокой температуры, выпускаемый после каталитической реакции во вспомогательном модуле теплоснабжения.

Другая цель настоящего изобретения - предоставить модульную топливно-элементную систему, которая может повторно подавать и рециркулировать остающийся водород, выпускаемый из батарейного модуля после генерации электроэнергии батарейным модулем.

Другая цель настоящего изобретения - предоставить модульную топливно-элементную систему, в которой одновременно батарейный модуль охлаждается без большого числа теплообменников, температура водорода, подаваемого в топливный электрод батарейного модуля, поднимается, температура воздуха, подаваемого в воздушный электрод батарейного модуля, поднимается, и горячая вода, находящаяся в резервуаре для горячей воды, нагревается.

Чтобы добиться этих и других преимуществ и в соответствии с целью настоящего изобретения, как осуществлено и подробно описано здесь, предлагается модульная топливно-элементная система, предусмотренная в многоквартирной энергосистеме, где многоквартирная энергосистема включает множество модульных топливно-элементных систем, предусмотренных в соответствующих квартирах, и модуль реформинга общего пользования для подачи водорода множеству модульных топливно-элементных систем, причем модульная топливно-элементная система содержит батарейный модуль, который вырабатывает электричество с помощью электрохимической реакции между подаваемым воздухом и водородом, подаваемым от модуля реформинга общего пользования; модуль подачи воздуха, который подает воздух батарейному модулю; объединенный модуль теплообмена, который охлаждает батарейный модуль с помощью отбора тепла от батарейного модуля и сохранения отобранного тепла; модуль подачи горячей воды, который получает тепло, сохраненное в объединенном модуле теплообмена, и предоставляет тепло и горячую воду; вспомогательный модуль теплоснабжения, который генерирует тепло, получая воздух, подаваемый от модуля подачи воздуха, и водород, непосредственно подаваемый от модуля реформинга общего пользования или выпускаемый из батарейного модуля после электрохимической реакции, и избирательно подает произведенное тепло в модуль подачи горячей воды; и электрический выходной модуль, который преобразует электричество, выработанное батарейным модулем, в питающее напряжение, и доставляет выработанное питающее напряжение соответствующим квартирам.

Модульная топливно-элементная система не требует индивидуальной установки реформинга для обеспечения водородом, так что возможно снизить размеры модульной топливно-элементной системы, т.е. снижаются ограничения на установочное пространство для модульной топливно-элементной системы. Также модульная топливно-элементная система оснащается вспомогательным модулем теплоснабжения. Соответственно и электроэнергией, и тепловой энергией стабильно обеспечиваются множество квартир в летний и зимний сезоны, повышая таким образом надежность. Более того, может быть предотвращено загрязнение окружающей среды благодаря сниженному количеству использованной для производства электроэнергии нефти.

В настоящее время модуль подачи воздуха включает первый модуль подачи воздуха, который содержит вентилятор для подачи воздуха во вспомогательный модуль теплоснабжения, и второй модуль подачи воздуха, который содержит вентилятор для подачи воздуха в батарейный модуль, и увлажнитель для увлажнения подаваемого воздуха.

Желательно, чтобы объединенный модуль теплообмена поднимал температуру воздуха и водорода, подаваемых в батарейный модуль, с помощью сохраненного тепла. Объединенный модуль теплообмена включает корпус модуля теплообмена, в котором находится охлаждающая вода, и вспомогательный нагреватель, предусмотренный внутри корпуса модуля теплообмена, где корпус модуля теплообмена имеет внутреннюю часть, снабженную второй водонагревательной линией, которая присоединена от одной части резервуара для горячей воды к другой части резервуара для горячей воды через внутреннюю часть электрического выходного модуля, первой линией, которая соединяет модуль реформинга общего пользования с батарейным модулем, и линией подачи воздуха, которая соединяет модуль подачи воздуха с батарейным модулем для подачи воздуха, где вторая водонагревательная линия, первая линия и линия подачи воздуха проходят через внутреннюю часть корпуса модуля теплообмена.

Желательно, чтобы в водяной охлаждающей линии был предусмотрен ионный фильтр. С помощью интегрального модуля теплообмена одновременно батарейный модуль охлаждается без большого числа теплообменников; температура водорода, подаваемого к топливному электроду батарейного модуля, поднимается; температура воздуха, подаваемого к воздушному электроду батарейного модуля, поднимается; и горячая вода, запасаемая в резервуаре для горячей воды, нагревается.

Также модуль подачи горячей воды включает резервуар для горячей воды, который наполнен горячей водой; первую водонагревательную линию, которая присоединена от одной части резервуара для горячей воды к другой части резервуара для горячей воды через внутреннюю часть вспомогательного модуля теплоснабжения; первый насос горячей воды, который предусмотрен в первой водонагревательной линии и который прокачивает горячую воду; вторую водонагревательную линию, которая присоединена от одной части резервуара для горячей воды к другой части резервуара для горячей воды через внутреннюю часть электрического выходного модуля и внутреннюю часть объединенного модуля теплообмена; второй насос горячей воды, который предусмотрен во второй водонагревательной линии и который прокачивает горячую воду; и теплообменник, который передает тепло горячей воды, текущей в первой водонагревательной линии, горячей воде, текущей внутри нагревательной линии, проходящей через все части пола или стен помещения, для нагрева помещения.

По водонагревательной линии тепло горячей воды, запасенной в резервуаре для горячей воды, передается горячей воде, текущей в нагревательной линии, которая проходит через все части пола, стен или потолка помещения (R), таким образом нагревая помещение с высокой эффективностью.

Также модульная топливно-элементная система далее включает нагревательный модуль, который поднимает температуру водорода, подаваемого к вспомогательному модулю теплоснабжения от модуля реформинга общего пользования, и также поднимает температуру воздуха, подаваемого вспомогательному модулю теплоснабжения от модуля подачи воздуха, используя отработавший газ высокой температуры, выпущенный из вспомогательного модуля теплоснабжения, где нагревательный модуль включает нагревательный корпус; впускную линию отработавшего газа, которая предусмотрена для притока отработавшего газа, выпущенного из вспомогательного модуля теплоснабжения, во внутреннюю часть нагревательного корпуса; выпускную линию отработавшего газа, которая предусмотрена для выпуска отработавшего газа, во внутреннюю часть нагревательного корпуса; катализаторную воздушную линию, которая предусмотрена внутри нагревательного корпуса для доставки воздуха, поставляемого от модуля подачи воздуха, к вспомогательному модулю теплоснабжения; катализаторную топливную линию, которая предусмотрена внутри нагревательного корпуса для доставки водорода, поставляемого от модуля реформинга общего пользования, к вспомогательному модулю теплоснабжения. С помощью нагревательного модуля отработавший газ высокой температуры, выпущенный из вспомогательного модуля теплоснабжения после каталитическая реакция, может быть повторно использован.

Также модульная топливно-элементная система далее включает модуль рециркуляции, который повторно подает остающийся водород, выпущенный после электрохимической реакции, в батарейный модуль, где модуль рециркуляции включает осушитель, который удаляет влагу из водорода, выпущенного из батарейного модуля; вентилятор, который направляет не содержащий влаги водород в батарейный модуль; циркуляционную линию, составленную из первой линии, которая соединяет модуль реформинга общего пользования с батарейным модулем, второй линии, которая соединяет батарейный модуль с осушителем, третьей линии, которая соединяет осушитель с вентилятором, и четвертой линии, которая соединяет вентилятор с первой линией; трехнаправленный вентиль, который предусмотрен в четвертой линии для селективной подачи водорода, выпущенного из батарейного модуля, в батарейный модуль или вспомогательный модуль теплоснабжения; и пятую линию, которая соединяет трехнаправленный вентиль со вспомогательным модулем теплоснабжения. Желательно, чтобы скорость вращения вентилятора предварительно устанавливалась равной максимальному числу оборотов для подачи водорода, требуемого для максимального количества электричества, производимого батарейным модулем. С помощью модуля рециркуляции водород, остающийся после генерации электричества, может быть повторно подан и рециркулирован в батарейный модуль, при помощи чего улучшается эффективность использования топлива.

Вышеупомянутые и другие цели, особенности, аспекты и преимущества настоящего изобретения станут более очевидны из следующего подробного описания настоящего изобретения и сопроводительных чертежей.

Краткое описание чертежей

Сопроводительные чертежи, которые включаются, чтобы обеспечить дальнейшее понимание изобретения, иллюстрируют осуществления изобретения и вместе с описанием служат для объяснения принципов изобретения.

На фиг.1 изображена многоквартирная система энергоснабжения по настоящему изобретению, включающая модульные топливно-элементные системы, предусмотренные для соответствующих квартир, и один общий модуль реформинга общего пользования для обеспечения водородом модульных топливно-элементных систем.

На фиг.2 изображена подробная структура любой из модульных топливно-элементных систем, показанных на фиг.1.

На фиг.3 изображен вспомогательный распределительный модуль, предусмотренный на распределительных трубах для соединения модульных топливно-элементных системы по фиг.2 с распределительным модулем.

На фиг.4 изображен ионный фильтр, предусмотренный на водяной охлаждающей линии для соединения батарейного модуля с объединенным модулем теплообмена по фиг.2.

На фиг.5 изображен вспомогательный нагреватель, предусмотренный в корпусе модуля теплообмена объединенного модуля теплообмена по фиг.2.

Подробное описание изобретения

Теперь будут подробно упомянуты предпочтительные осуществления настоящего изобретения, примеры которых проиллюстрированы на сопроводительных чертежах.

На фиг.1 изображена многоквартирная система энергоснабжения по настоящему изобретению, включающая модульные топливно-элементные системы, предусмотренные для соответствующих квартир, и один общий модуль реформинга общего пользования для обеспечения водородом модульных топливно-элементных систем. На фиг.2 изображена подробная структура любой из модульных топливно-элементных систем, показанных на фиг.1. На фиг.3 изображен вспомогательный распределительный модуль, предусмотренный на распределительных трубах для соединения модульных топливно-элементных системы по фиг.2 с распределительным модулем. На фиг.4 изображен ионный фильтр, предусмотренный на водяной охлаждающей линии для соединения батарейного модуля с объединенным модулем теплообмена по фиг.2. На фиг.5 изображен вспомогательный нагреватель, предусмотренный в корпусе модуля теплообмена объединенного модуля теплообмена по фиг.2.

Как показано на фиг.1 и 2, многоквартирная система энергоснабжения включает модуль 10 реформинга общего пользования, который генерирует водород, используя газы, подаваемые через трубу 11 подачи газа; модульные топливно-элементные системы 40, которые предусмотрены в соответствующих квартирах (H); и распределительный модуль 20, который снабжает водородом, произведенным модулем 10 реформинга общего пользования, модульные топливно-элементные системы 40 с помощью соответствующих распределительных труб 21.

Сначала топливо доставляется в модуль 10 реформинга общего пользования с помощью трубы 11 подачи газа, и затем топливо перерабатывается с помощью последовательных процессов десульфуризации→реакции реформинга→очистки водорода. В данное время используется топливо из веществ на основе углеводородов (материалов на основе CH), например LNG, LPG, CH3PH, и т.д. Желательно, чтобы модуль 10 реформинга общего пользования устанавливался в подвале многоквартирного дома вследствие ограничений на занимаемое пространство.

Тогда труба 12 подачи водорода предусматривается между модулем 10 реформинга общего пользования и распределительным модулем 20. Таким образом, водород, произведенный в модуле 10 реформинга общего пользования, подается в распределительный модуль 20 с помощью трубы 12 подачи водорода. Между распределительным модулем 20 и вспомогательным распределительным модулем 30 предусмотрено множество распределительных труб 21 для обеспечения водородом соответствующих квартир.

В данное время распределительный модуль 20 доставляет водород в соответствующие модульные топливно-элементные системы 40 для квартир (H) под высоким давлением, таким образом предотвращая снижение давления в процессе доставки водорода в квартиры (H) на верхних этажах. Поскольку водород доставляется под высоким давлением, нет необходимости предусматривать дополнительный топливный насос для распределительной трубы 21.

Между тем, поскольку один модуль 10 реформинга общего пользования производит водород для множества модульных топливно-элементных систем 40 одновременно, возможно улучшить эффективность общей генерации водорода по сравнению со случаем, когда каждая модульная топливно-элементная система 40 генерирует водород для себя. Также, нет необходимости предусматривать дополнительную установку реформинга для каждой модульной топливно-элементной системы 40. Таким образом, размеры модульной топливно-элементной системы 40 уменьшаются, так что ограничения на установочное пространство модульной топливно-элементной системы 40 снижаются.

Также модульная топливно-элементная система 40 предусматривается для каждой квартиры многоквартирного дома, и водород, производимый одним модулем 10 реформинга, подается каждой модульной топливно-элементной системе 40 одновременно. Так, за исключением случая, когда ни одна квартира многоквартирного дома не использует электричество, электричество используется в многоквартирном доме всегда. Соответственно, нагрузка всегда ложится на модульную топливно-элементную систему, вся система энергоснабжения редко останавливается, в соответствии с чем эффективность системы энергоснабжения увеличивается. Т.е. число остановок и перезапусков системы энергоснабжения снижается, таким образом увеличивая эффективность всей системы энергоснабжения.

По фиг.3 вспомогательный распределительный модуль 30 может быть дополнительно предусмотрен для распределительных труб 21, которые соединяют модульную топливно-элементную систему 40 с распределительным модулем 20, при помощи чего водород поддерживается при постоянном давлении и доставляется в модульную топливно-элементную систему 40.

С помощью вспомогательного распределительного модуля 30 водород, который поддерживается при постоянном давлении, доставляется в батарейный модуль 300 или во вспомогательный модуль 400 теплоснабжения, предусмотренные в модульной топливно-элементной системе 40.

Для этого во вспомогательном распределительном модуле 30 на распределительной трубе 21 последовательно предусмотрены регулятор 31, регулирующий вентиль 32 и измеритель 33 давления.

По фиг.2 модульная топливно-элементная система 40 включает модуль 100 подачи воздуха, который подает воздух в батарейный модуль 300; модуль 200 подачи горячей воды, который получает тепло, сохраненное в объединенном модуле 500 теплообмена, и подает горячую воду для нагревания; батарейный модуль 300, который генерирует электричество с помощью электрохимической реакции между водородом, поданным от модуля 10 реформинга общего пользования, и воздухом, поданным от модуля 100 подачи воздуха; модуль 350 рециркуляции, который повторно подает оставшийся водород, выпускаемый после электрохимической реакции, в батарейный модуль 300; вспомогательный модуль 400 теплоснабжения, который генерирует тепло с помощью каталитической реакции между воздухом, подаваемым от модуля 100 подачи воздуха, и водородом, непосредственно подаваемым от модуля 10 реформинга общего пользования или выпускаемым из батарейного модуля 300 после электрохимической реакции, и избирательно подает произведенное тепло в модуль 200 подачи горячей воды; нагревательный модуль 450, который нагревает водород, подаваемый от модуля 10 реформинга общего пользования к вспомогательному модулю 400 теплоснабжения, и воздух, подаваемый от модуля 100 подачи воздуха к вспомогательному модулю 400 теплоснабжения; объединенный модуль 500 теплообмена, который охлаждает батарейный модуль 300, с помощью отбора тепла от батарейного модуля 300 сохраняет отобранное тепло и нагревает водород и воздух, подаваемые в батарейный модуль 300, с помощью отобранного тепла; и электрический выходной модуль 600, который преобразует электричество, выработанное батарейным модулем 300, в питающее напряжение и поставляет питающее напряжение для домашнего использования.

Модуль 100 подачи воздуха включает первый модуль 110 подачи воздуха, который содержит вентилятор 111 для подачи воздуха во вспомогательный модуль 400 теплоснабжения; и второй модуль 120 подачи воздуха, который содержит вентилятор 121 для подачи воздуха в батарейный модуль 300, и увлажнитель 123 для увлажнения подаваемого воздуха.

Модуль 200 подачи горячей воды включает резервуар 210 для горячей воды; первую водонагревательную линию 211, которая присоединена от одной части резервуара 210 для горячей воды к другой части резервуара 210 для горячей воды через внутреннюю часть вспомогательного модуля 400 теплоснабжения; первый насос 213 горячей воды, который предусмотрен на первой водонагревательной линии 211 для прокачивания горячей воды; вторую водонагревательную линию 215, которая присоединена от одной части резервуара 210 для горячей воды к другой части резервуара 210 для горячей воды через внутреннюю часть электрического выходного модуля 600 и внутреннюю часть объединенного модуля 500 теплообмена; и второй насос 217 горячей воды, который предусмотрен на второй водонагревательной линии 215 для прокачивания горячей воды. Резервуар 210 для горячей воды соединяется с водопроводом 231 для подвода водопроводной воды. Также резервуар 210 для горячей воды снабжен водонагревательной линией 232, через которую горячая вода, запасенная в резервуаре 210 для горячей воды, подается потребителю. Поскольку горячая вода, запасенная в резервуаре 210 для горячей воды, равномерно вытекает, когда потребитель открывает вентиль 233, предусмотренный на водонагревательной линии 232, нет необходимости предусматривать дополнительный насос в водонагревательной линии 232. Между тем, радиатор 234 предусмотрен под резервуаром 210 для горячей воды для предотвращения чрезмерного подъема температуры горячей воды, запасенной в резервуаре 210 для горячей воды, во время летнего сезона.

Модуль 200 подачи горячей воды передает тепло вспомогательного модуля 400 теплоснабжения горячей воде, запасенной в резервуаре 210 для горячей воды, с помощью первой водонагревательной линии 211, охлаждает электрический выходной модуль 600 с помощью второй водонагревательной линии 215 и передает тепло электрического выходного модуля 600 горячей воде, запасенной в резервуаре 210 для горячей воды.

Также модуль 200 подачи горячей воды нагревает помещение (R) теплом горячей воды, протекающей по первой водонагревательной линии 211. Для этого модуль 200 подачи горячей воды содержит нагревательную линию 219, которая проходит через все участки пола, потолка и стен помещения (R), и теплообменник 220, через который проходит первая водонагревательная линия 211. Тепло горячей воды, которая течет по первой водонагревательной линии 211, передается горячей воде, которая течет по нагревательной линии 219. Нагревательная линия 219 снабжена дополнительным водяным насосом 222, который прокачивает тепло горячей воды по полу, потолку и стенам помещения (R).

Батарейный модуль 300 включает топливный электрод 310, снабжаемый водородом, и воздушный электрод 320, снабжаемый воздухом. Т.е. водород, произведенный в модуле 10 реформинга общего пользования, подается в топливный электрод 310 через трубу 12 подачи водорода, распределительный модуль 20, распределительную трубу 21, вспомогательный распределительный модуль 30 и первую линию 355. Также воздух, доставленный от второго модуля 120 подачи воздуха модуля 100 подачи воздуха, подается в воздушный электрод 320 через увлажнитель 123 и линию 125 подачи воздуха.

Таким образом, электроэнергия генерируется с помощью электрохимической реакции между водородом, поданным в топливный электрод 310, и воздухом, поданным в воздушный электрод 320. Обычно топливный электрод 31 и воздушный электрод 320 реализованы в виде батареи (не показана), где батарея снабжена множеством элементарных батарей, причем каждая батарея включает две биполярные обкладки и предусмотренный между ними MEA (мембранный электрод).

Вспомогательный модуль 400 теплоснабжения удаляет загрязнения из остаточного водорода, выпускаемого из батарейного модуля 300. Между тем, если потребность в тепле для нагрева горячей воды срочная, тепло производится с помощью реакции водорода, непосредственно поданного от модуля 10 реформинга общего пользования, и воздуха, поданного от первого модуля 110 подачи воздуха, в присутствии катализатора. Подробно, при попытке нагрева воды, запасенной в резервуаре 210 для горячей воды, за короткое время, т.е. быстрой поставки горячей воды, водород модуля 10 реформинга общего пользования непосредственно подается во вспомогательный модуль теплоснабжения 400. Затем поданный водород и воздух, поданный от первого модуля 110 подачи воздуха, вступают в реакцию на катализаторе, где выделяется тепло реакции. Таким образом, горячая вода, которая течет через первую водонагревательную линию 211, нагревается теплом реакции, при помощи чего вода, запасенная в резервуаре 210 для горячей воды, быстро нагревается. Вспомогательный модуль 400 теплоснабжения может быть снабжен другими нагревательными средствами, например электрической печкой или газовой печкой, которые могут генерировать тепло без использования катализатора.

В зимний сезон, когда используется большое количество тепловой энергии и используется малое количество электроэнергии, достаточное количество тепловой энергии передается горячей воде, запасенной в модуле 200 подачи горячей воды, и затем доставляется в каждую квартиру с помощью работы вспомогательного модуля 400 теплоснабжения. Между тем, в случае летнего сезона, когда используется малое количество тепловой энергии и используется большое количество электроэнергии, работа вспомогательного модуля 400 теплоснабжения прекращается, так что водород подводится к батарейному модулю 300 вместо вспомогательного модуля 400 теплоснабжения, т.е. генерируемое количество электроэнергии в батарейном модуле 300 увеличивается, в соответствии с чем в каждую квартиру поставляется достаточно электроэнергии.

В итоге возможно снабжать электроэнергией и тепловой энергией множество квартир с высокой эффективностью. В особенности, и электроэнергией, и тепловой энергией стабильно обеспечивается множество квартир в летний и зимний сезоны, повышая таким образом надежность. Более того, может быть предотвращено загрязнение окружающей среды благодаря сниженному количеству использованной для производства электроэнергии нефти.

Нагревательный модуль 450 включает нагревательный корпус 451; впускную линию 452 отработавшего газа, которая предусмотрена для впуска отработавшего газа, выпущенного из вспомогательного модуля 400 теплоснабжения внутрь нагревательного корпуса 451; выпускную линию отработавшего газа 455, которая предусмотрена для выпуска отработавшего газа, доставленного внутрь нагревательного корпуса 451; катализаторную воздушную линию 455, которая предусмотрена внутри нагревательного корпуса 451, для доставки воздуха, поставляемого от модуля 100 подачи воздуха, к вспомогательному модулю 400 теплоснабжения; катализаторную топливную линию 457, которая предусмотрена проходящей через внутреннюю часть нагревательного корпуса 451, для доставки водорода, поставляемого от модуля 10 реформинга общего пользования, к вспомогательному модулю 400 теплоснабжения. Благодаря нагревательному модулю 450 отработавший газ высокой температуры, выпускаемый после каталитической реакции, может быть повторно использован для подъема температуры водорода и воздуха, подаваемых во вспомогательный модуль 400 теплоснабжения.

Модуль 350 рециркуляции включает осушитель 351, который удаляет влагу из водорода, выпущенного из батарейного модуля 300; вентилятор 353, который направляет не содержащий влаги водород в батарейный модуль 300; и циркуляционную линию, составленную из первой линии 355, которая соединяет модуль 10 реформинга общего пользования с батарейным модулем 300, второй линии 357, которая соединяет батарейный модуль 300 с осушителем 351, третьей линии 359, которая соединяет осушитель 351 с вентилятором 353, и четвертой линии 361, которая соединяет вентилятор 353 с первой линией 355. Также на четвертой линии 361 предусмотрен модуль 350 рециркуляции, где модуль 350 рециркуляции включает трехнаправленный вентиль 363, который селективно подает водород, выпущенный из батарейного модуля 300, в батарейный модуль 300 или вспомогательному модулю 400 теплоснабжения; и пятую линию 365, которая соединяет трехнаправленный вентиль 363 со вспомогательным модулем 400 теплоснабжения.

Скорость вращения вентилятора 353 предварительно устанавливается на максимальное число оборотов для подачи водорода, требуемого для максимального количества электричества, генерируемого в батарейном модуле 300.

Подробно, предварительно установив, чтобы подаваемое количество водорода соответствовало максимальному количеству электричества, генерируемого в батарейном модуле 300, устанавливается максимальное число оборотов вентилятора 353, соответствующее подаваемому количеству водорода. Независимо от того, какое количество электричества фактически генерируется батарейным модулем 300, установленное максимальное число оборотов вентилятора 353 фиксировано. Т.е. даже хотя возможно уменьшить число оборотов вентилятора 353, так как количество электричества, фактически произведенного батарейным модулем 300, мало, вентилятор 353 вращается на максимальных оборотах.

Если батарейный модуль 300 чрезмерно производит водород в соответствии с вращением вентилятора 353 на максимальных оборотах, водород, выпущенный из батарейного модуля 300, повторно подается в батарейный модуль 300 через циркуляционную линию 355, 357, 359, 361, таким образом предотвращая трату водорода впустую.

Если вентилятор 353 вращается на максимальных оборотах, подаваемый повторно водород хорошо перемешивается с водородом, подаваемым к батарейному модулю 130.

Также, нет необходимости предусматривать дополнительный контроллер для регулирования скорости вращения вентилятора 353. Поскольку скорость вращения вентилятора 353 установлена на максимальные обороты, влага внутри осушителя 351 быстро удаляется, таким образом улучшая эффективность генерации электричества в батарейном модуле 300.

Объединенный модуль 500 теплообмена включает корпус модуля 510 теплообмена, который заполняется деионизированной водой; и вспомогательный нагреватель 520, который предусмотрен внутри корпуса модуля 510 теплообмена.

Внутри корпуса модуля 510 теплообмена содержатся вторая водонагревательная линия 215, которая присоединяется от одной части резервуара 210 для горячей воды к другой части резервуара 210 для горячей воды, через внутреннюю часть электрического выходного модуля 600; вторая линия 355, которая соединяет модуль 10 реформинга общего пользования с батарейным модулем 300 для подачи водорода; и линия 125 подачи воздуха, которая соединяет модуль 100 подачи воздуха с батарейным модулем 300 для подачи воздуха. Также корпус модуля 510 теплообмена соединен с водяной охлаждающей линией 330, которая пропускает охлаждающую воду через внутренность батарейного модуля 300 так, чтобы охлаждать батарейный модуль 300. Водяная охлаждающая линия 300 снабжена насосом охлаждающей воды, который прокачивает охлаждающую воду.

По фиг.4 водяная охлаждающая линия 330 может быть снабжена по меньшей мере одним ионным фильтром 530 для поддержания низкой проводимости охлаждающей воды.

По фиг.5, по меньшей мере один вспомогательный нагреватель 520 может быть предусмотрен внутри корпуса 510 модуля теплообмена в качестве меры на случай, если требуется быстрый нагрев охлаждающей воды для подъема температуры батарейного модуля 300 на начальном этапе работы батарейного модуля 300.

Если температура батарейного модуля 300 поднимается надлежащим образом в связи с внешним нагревом, вспомогательный нагреватель 520 останавливается, поскольку тогда нет необходимости нагрева батарейного модуля 300.

С помощью объединенного модуля 500 теплообмена одновременно батарейный модуль 300 охлаждается без большого числа теплообменников; температура водорода, подаваемого к топливному электроду 310 батарейного модуля 300, поднимается; температура воздуха, подаваемого к воздушному электроду 320 батарейного модуля 300, поднимается; и горячая вода, запасаемая в резервуаре 210 для горячей воды, нагревается.

Электрический выходной модуль 600 преобразует электроэнергию, генерируемую в батарейном модуле 300, в питающее напряжение и затем доставляет питающее напряжение осветительным приборам, телевизорам, холодильникам и кондиционерам, имеющимся в каждой квартире. Также электрический выходной модуль 600 может быть соединен с внешней линией электропитания (не показана) для доставки внешней электроэнергии, подаваемой от электростанции, в каждую квартиру. Т.е. если электропитание модульной топливно-элементной системы 40, подаваемое в каждую квартиру, нестабильно, внешнее электропитание, доставляемое от электростанции, подается в каждую квартиру, таким образом достигая стабильного энергоснабжения для каждой квартиры.

Как описано выше, модульная топливно-элементная система 40 не имеет собственной установки реформинга. Т.е. модульная топливно-элементная система 40 предусматривается для каждой квартиры многоквартирного дома (B, фигура 1), и один модуль 10 реформинга общего пользования для подвода водорода в каждую квартиру многоквартирного дома предусматривается в подвале многоквартирного дома, так что возможно минимизировать занимаемое пространство модульной топливно-элементной системой, предусмотренной в каждой квартире. Таким образом, жилое пространство для каждой квартиры соответственно увеличивается, и модульная топливно-элементная система свободно устанавливается в каждой квартире безотносительно ограничений на расположение.

Работа топливно-элементной системы, снабженной модульной топливно-элементной системой, будет объяснена ниже.

По фиг.1 топливо, такое как сжиженный природный газ (LNG), подается в модуль 10 реформинга общего пользования через трубу 11 подачи газа. По мере производства водорода в модуле 10 реформинга общего пользования произведенный водород подается в распределительный модуль 20 через трубу 12 подачи водорода. Распределительный модуль 20 распределяет водород во вспомогательный распределительный модуль 30, предусмотренный в каждой квартире (H), через распределительную трубу 21. Вспомогательный распределительный модуль 30 подводит водород в батарейный модуль 30 модульной топливно-элементной системы 40 через первую линию 355 (фиг.2) при постоянном давлении.

По фиг.2 водород подается в топливный электрод 310 батарейного модуля 300, и второй модуль 120 подачи воздуха подает воздух в воздушный электрод 320 батарейного модуля 300 через увлажнитель 123 и линию 125 подачи воздуха. Далее, происходит электрохимическая реакция между водородом, поданным в топливный электрод 310, и воздухом, поданным в воздушный электрод 320, таким образом производя электроэнергию, тепловую энергию и воду.

Электроэнергия, произведенная в батарейном модуле 300, подается осветительным приборам, телевизорам, холодильникам и кондиционерам, имеющимся в каждой квартире.

Всякий раз, когда электропитание, производимое в батарейном модуле 300, нестабильно, внешнее электропитание, доставляемое от электростанции, подается в каждую квартиру через линию 620 внешнего электропитания, таким образом достигая стабильного энергоснабжения для каждой квартиры.

Объединенный модуль 500 теплообмена охлаждает батарейный модуль 300 и нагревает охлаждающую воду теплом, отобранным от батарейного модуля 300. Т.е. тепловая энергия, произведенная батарейным модулем 300, передается охлаждающей воде, которая течет в водяной охлаждающей линии 330, в соответствии с чем охлаждающая вода нагревается.

Также первая линия 355, которая подводит водород в топливный электрод 310 батарейного модуля, проходит внутри объединенного модуля 500 теплообмена, в соответствии с чем температура водорода, подаваемого в топливный электрод 310, повышается.

Также линия 125 подачи воздуха, которая подводит воздух в воздушный электрод 320 батарейного модуля 300, проходит внутри объединенного модуля 500 теплообмена, в соответствии с чем температура воздуха, подаваемого в воздушный электрод 320, повышается.

Также вторая водонагревательная линия 215 модуля 200 подачи горячей воды проходит внутри объединенного модуля 500 теплообмена, в соответствии с чем горячая вода, запасаемая в резервуаре 210 для горячей воды, нагревается.

Нагретая горячая вода, запасаемая в резервуаре 210 для горячей воды, подается в квартиру через водонагревательную линию 232 при необходимости. Также помещение (R) может обогреваться с помощью первой водонагревательной линии 211, теплообменника 220 и нагревательной линии 219. В данное время температура используемой горячей воды может контролироваться с помощью смеси с водопроводной водой, подаваемой извне, и температура нагрева помещения (R) может контролироваться с помощью контроллера (не показан).

Между тем, при попытке нагрева воды, запасенной в резервуаре 210 для горячей воды, за короткое время, т.е. быстрой поставки горячей воды, водород модуля 10 реформинга общего пользования непосредственно подается во вспомогательный модуль 400 теплоснабжения через катализаторную топливную линию 457.

Таким образом, тепловая энергия производится с помощью каталитической реакции между поданным водородом и воздухом, поданным от модуля 110 подачи воздуха. Затем горячая вода, которая течет в первой водонагревательной линии 211, нагревается произведенной тепловой энергией, при помощи чего вода, запасенная в резервуаре 210 для горячей воды, нагревается за короткое время.

Как указано выше, модульная топливно-элементная система по настоящему изобретению имеет следующие преимущества.

Во-первых, модульная топливно-элементная система устанавливается в каждой квартире многоквартирного дома, и один модуль 10 реформинга общего пользования для подвода водорода к каждой квартире многоквартирного дома предусматривается в подвале многоквартирного дома, так что возможно минимизировать пространство, занимаемое модульной топливно-элементной системой, предусмотренной в каждой квартире. Таким образом, жилое пространство для каждой квартиры соответственно увеличивается, и модульная топливно-элементная система свободно устанавливается в каждой квартире безотносительно ограничений на расположение. Также вся система может быть использована для многоквартирного дома с легкостью.

Во-вторых, модульная топливно-элементная система устанавливается в каждой квартире многоквартирного дома, и водород подается в каждую квартиру многоквартирного дома с помощью одного модуля реформинга общего пользования. За исключением случая, когда ни одна квартира многоквартирного дома не использует электричество, электричество используется в многоквартирном доме всегда. Соответственно, поскольку нагрузка всегда ложится на модульную топливно-элементную систему, вся система энергоснабжения редко останавливается, в соответствии с чем эффективность системы энергоснабжения увеличивается. Т.е. число вызванных остановок и перезапусков системы энергоснабжения снижается, таким образом увеличивая эффективность всей системы энергоснабжения.

В-третьих, модульная топливно-элементная система снабжена модулем подачи горячей воды, в соответствии с чем тепло вспомогательного модуля теплоснабжения передается горячей воде, запасенной в резервуаре для горячей воды, через первую водонагревательную линию, и тепло электрического выходного модуля передается горячей воде, запасенной в резервуаре для горячей воды, через вторую водонагревательную линию. Соответственно, тепло, запасенное горячей водой, передается горячей воде, которая течет в нагревательной линии, проходящей через все части пола, потолка и стен помещения (R), при помощи чего помещение нагревается с высокой эффективностью.

В-четвертых, модульная топливно-элементная система оснащается вспомогательным модулем теплоснабжения. В зимний сезон, когда используется большое количество тепловой энергии и используется малое количество электроэнергии, вспомогательный модуль теплоснабжения работает таким образом, чтобы передавать достаточно тепловой энергии горячей воде, запасенной в резервуаре для горячей воды, при помощи чего каждая квартира обеспечивается достаточным количеством тепловой энергии. Между тем, в случае летнего сезона, когда используется малое количество тепловой энергии и используется большое количество электроэнергии, работа вспомогательного модуля теплоснабжения прекращается, так что водород подводится к батарейному модулю вместо вспомогательного модуля теплоснабжения, т.е. генерируемое количество электричества в батарейном модуле увеличивается, в соответствии с чем в каждую квартиру поставляется достаточно электроэнергии. В итоге возможно снабжать электроэнергией и тепловой энергией множество квартир с высокой эффективностью. В особенности и электроэнергией, и тепловой энергией стабильно обеспечивается множество квартир в летний и зимний сезоны, повышая таким образом надежность. Более того, может быть предотвращено загрязнение окружающей среды благодаря сниженному количеству использованной для производства электроэнергии нефти.

В-пятых, модульная топливно-элементная система снабжена нагревательным модулем, с помощью которого отработавший газ высокой температуры, выпускаемый после каталитической реакции, может быть повторно использован для подъема температуры водорода и воздуха, подаваемых во вспомогательный модуль теплоснабжения.

В-шестых, модульная топливно-элементная система снабжена циркуляционной системой, с помощью которой отработавший газ, выпускаемый из батарейного модуля после генерации электричества, повторно подается в батарейный модуль и рециркулирует там, с помощью чего возможно улучшить эффективность использования топлива.

Также, поскольку вентилятор модуля рециркуляции предварительно установлен на максимальные обороты, нет необходимости обеспечивать дополнительный контроллер для изменения скорости вращения вентилятора, таким образом добиваясь упрощенной структуры и уменьшенной цены.

Также, поскольку скорость вращения вентилятора модуля рециркуляции предварительно установлена на максимальные обороты, влага внутри осушителя 351 быстро удаляется, таким образом улучшая эффективность генерации электричества в батарейном модуле.

В-седьмых, поскольку модульная топливно-элементная система снабжена объединенным модулем теплообмена, одновременно батарейный модуль охлаждается без большого числа теплообменников; температура водорода, подаваемого к топливному электроду батарейного модуля, поднимается; температура воздуха, подаваемого к воздушному электроду батарейного модуля, поднимается; и горячая вода, запасаемая в резервуаре для горячей воды, нагревается.

Так как настоящее изобретение может быть осуществлено в нескольких формах, не отступая от его духа и основных характеристик, следует понимать, что вышеописанные осуществления не ограничены какими-либо деталями вышеупомянутого описания, пока не установлено обратное, но скорее должны толковаться широко в их духе и области, как определено в прилагаемой формуле изобретения.

Изобретение относится к многоквартирной системе энергоснабжения, а точнее модульной топливно-элементной системе. Согласно изобретению модульная топливно-элементная система включает множество модульных топливно-элементных систем, предусмотренных в соответствующих квартирах, и один модуль реформинга общего пользования для подачи водорода во множество модульных топливно-элементных систем, причем модульная топливно-элементная система содержит батарейный модуль, который вырабатывает электричество с помощью электрохимической реакции между подаваемым воздухом и водородом, подаваемым от модуля реформинга общего пользования; модуль подачи воздуха, который подает воздух в батарейный модуль; объединенный модуль теплообмена, который охлаждает батарейный модуль с помощью отбора тепла от батарейного модуля и сохранения отобранного тепла; модуль подачи горячей воды, который получает тепло, сохраненное в объединенном модуле теплообмена, и предоставляет тепло и горячую воду; вспомогательный модуль теплоснабжения, который генерирует тепло, получая воздух, подаваемый от модуля подачи воздуха, и водород, непосредственно подаваемый от модуля реформинга общего пользования или выпускаемый из батарейного модуля после электрохимической реакции, и избирательно подает произведенное тепло в модуль подачи горячей воды; и электрический выходной модуль, который преобразует электричество, выработанное батарейным модулем, в питающее напряжение и доставляет выработанное питающее напряжение соответствующим квартирам. Техническим результатом является высокая эффективность и стабильное обеспечение электроэнергией и тепловой энергией каждой квартиры во все сезоны. 10 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Модульная топливно-элементная система, предусмотренная в многоквартирной системе энергоснабжения, включающей множество модульных топливно-элементных систем, предусмотренных в соответствующих квартирах, и один модуль реформинга общего пользования для подачи водорода во множество модульных топливно-элементных систем, содержащих батарейный модуль, который вырабатывает электричество с помощью электрохимической реакции между подаваемым воздухом и водородом, подаваемым от модуля реформинга общего пользования; модуль подачи воздуха, который подает воздух батарейному модулю; объединенный модуль теплообмена, который охлаждает батарейный модуль с помощью отбора тепла от батарейного модуля и сохранения отобранного тепла; модуль подачи горячей воды, который получает тепло, сохраненное в объединенном модуле теплообмена, и предоставляет тепло и горячую воду; вспомогательный модуль теплоснабжения, который генерирует тепло, получая воздух, подаваемый от модуля подачи воздуха, и водород, непосредственно подаваемый от модуля реформинга общего пользования или выпускаемый из батарейного модуля после электрохимической реакции, и избирательно подает произведенное тепло в модуль подачи горячей воды; электрический выходной модуль, который преобразует электричество, выработанное батарейным модулем, в питающее напряжение и доставляет выработанное питающее напряжение соответствующим квартирам.2. Система по п.1, в которой модуль подачи воздуха включает первый модуль подачи воздуха, который состоит из вентилятора для подачи воздуха к вспомогательному модулю теплоснабжения; второй модуль подачи воздуха, который состоит из вентилятора для подачи воздуха батарейному модулю и увлажнителя для увлажнения подаваемого воздуха.3. Система по п.2, в которой объединенный модуль теплообмена поднимает температуру воздуха и водорода, подаваемых батарейному модулю, с помощью сохраненного тепла.4. Система по п.1 или 3, в которой объединенный модуль теплообмена включает корпус модуля теплообмена, соединенный с водяной охлаждающей линией, которая пропускает охлаждающую воду через внутреннюю часть батарейного модуля так, чтобы охлаждать батарейный модуль, причем корпус модуля теплообмена имеет внутреннюю часть, снабженную второй водонагревательной линией, которая присоединена от одной части резервуара для горячей воды к другой части резервуара для горячей воды через внутреннюю часть электрического выходного модуля, первой линией, которая соединяет модуль реформинга общего пользования с батарейным модулем, для подачи водорода, и линией подачи воздуха, которая соединяет модуль подачи воздуха с батарейным модулем для подачи воздуха, при этом вторая водонагревательная линия, первая линия и линия подачи воздуха проходят через внутреннюю часть корпуса модуля теплообмена; и вспомогательный нагреватель, предусмотренный внутри корпуса модуля теплообмена.5. Система по п.4, в которой ионный фильтр предусмотрен в водяной охлаждающей линии.6. Система по п.1, в которой модуль подачи горячей воды включает резервуар для горячей воды, который наполнен горячей водой; первую водонагревательную линию, которая присоединена от одной части резервуара для горячей воды к другой части резервуара для горячей воды через внутреннюю часть вспомогательного модуля теплоснабжения; первый насос горячей воды, который предусмотрен в первой водонагревательной линии и который прокачивает горячую воду; вторую водонагревательную линию, которая присоединена от одной части резервуара для горячей воды к другой части резервуара для горячей воды через внутреннюю часть электрического выходного модуля и внутреннюю часть объединенного модуля теплообмена; второй насос горячей воды, который предусмотрен во второй водонагревательной линии и который прокачивает горячую воду.7. Система по п.6, в которой модуль подачи горячей воды, кроме того, включает теплообменник, который передает тепло горячей воды, текущей в первой водонагревательной линии, горячей воде, текущей внутри нагревательной линии, проходящей через все части пола или стен помещения, таким образом нагревая помещение.8. Система по п.1, кроме того, включающая нагревательный модуль, который поднимает температуру водорода, подаваемого к вспомогательному модулю теплоснабжения от модуля реформинга общего пользования, и также поднимает температуру воздуха, подаваемого вспомогательному модулю теплоснабжения от модуля подачи воздуха, используя отработавший газ высокой температуры, выпущенный из вспомогательного модуля теплоснабжения, при этом нагревательный модуль включает нагревательный корпус; впускную линию отработавшего газа, которая предусмотрена для притока отработавшего газа, выпущенного из вспомогательного модуля теплоснабжения, во внутреннюю часть нагревательного корпуса; выпускную линию отработавшего газа, которая предусмотрена для выпуска отработавшего газа внутренней части нагревательного корпуса; катализаторную воздушную линию, которая предусмотрена внутри нагревательного корпуса для доставки воздуха, поставляемого от модуля подачи воздуха, к вспомогательному модулю теплоснабжения; и катализаторную топливную линию, которая предусмотрена внутри нагревательного корпуса для доставки водорода, поставляемого от модуля реформинга общего пользования, к вспомогательному модулю теплоснабжения.9. Система по п.1, дополнительно включающая модуль рециркуляции, который повторно подает остающийся водород, выпущенный после электрохимической реакции, в батарейный модуль, при этом модуль рециркуляции включает:

осушитель, который удаляет влагу из водорода, выпускаемого из батарейного модуля;

вентилятор, который направляет не содержащий влаги водород в батарейный модуль; и

циркуляционную линию, составленную из первой линии, которая соединяет модуль реформинга общего пользования с батарейным модулем, второй линии, которая соединяет батарейный модуль с осушителем, третьей линии, которая соединяет осушитель с вентилятором, и четвертой линии, которая соединяет вентилятор с первой линией.