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Die Erfindung bezieht sich auf eine Heizeinrichtung gemäss dem Oberbegriff des Anspruches 1
Bei solchen Heizeinrichtungen wird Frischluft mit dem Erdgas vor dem Brenner gemischt und dieses Gemisch im Brenner verbrannt Dabei ergibt sich das Problem, eines nicht unbeträchtlichen Schadstoff-Ausstosses Bedingt ist dieser auch durch den Umstand, dass die zugeführte Frischluft eine nur niedrige Temperatur aufweist, wodurch sich eine nur massige Reaktionsfreudigkeit des Luft-Sauerstoffs ergibt
Aus der EP 818 840 A1 ist ein Verfahren zur gleichzeitigen Erzeugung von elektrischer und Heizenergie mit einem hauptsächlich aus einem oder mehreren Kohlenwasserstoffen bestehenden Brenngas und einem Sauerstoff enthaltenden Gasgemisch bekanntgeworden, bei dem ein Gasbrenner und eine Brennstoffbatterie vorgesehen ist,
wobei in letzterer ein Sauerstoffüberschuss mit einem stöchiometrischen Verhältnis grösser als etwa 3 vorgesehen ist. In der Batterie für die Elektrizitätserzeugung wird weniger als die Hälfte des Brenngases unter Bildung eines ersten Abgases umgesetzt, welches dann in dem Brenner unter Bildung eines zweiten Abgases weiterverbrannt wird und hierfür zumindest teilweise das erste Abgas als Sauerstoffquelle verwendet wird. Aus den Abgasen wird die Heizwärme gewonnen, wobei mindestens rund die Hälfte des in den Abgasen enthaltenen Wassers auskondensiert wird
Aus der DE 3 716 297 A1 ist ein Heizungskessel bekanntgeworden, dessen Gasbrenner durch eine Brennstoffzelle ersetzt worden ist. Der Heizkessel dient also dazu, dem nunmehr von der Brennstoffzelle statt des Brenners erzeugten Abgas die Wärme zu entziehen.
Ziel der Erfindung ist es, den eingangs geschilderten Nachteil zu vermeiden und eine Heizeinrichtung der eingangs erwähnten Art vorzuschlagen, die sich sowohl durch einen hohen Wirkungsgrad als auch einen geringen Schadstoff-Ausstoss auszeichnet.
Erfindungsgemäss wird dies bei einer Heizeinrichtung der eingangs erwähnten Art durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 1 erreicht.
Durch die vorgeschlagenen Massnahmen wird sichergestellt, dass das Abgas der Brennstoffzelle, das einen erheblichen Anteil an Sauerstoff aufweist, eine relativ hohe Temperatur aufweist Damit wird dem Brenner Sauerstoff mit relativ hoher Temperatur zugeführt, der entsprechend reaktionsfreudig ist Damit ist auch eine optimale Verbrennung und ein hoher Wirkungsgrad der Heizeinrichtung sichergestellt.
Durch die erfindungsgemäss vorgesehenen Massnahmen ergibt sich eine ideale Kombination der Brennstoffzelle mit einem konventionellen Heizgerät mit Brenner und Wärmetauscher.
Durch die erfindungsgemäss vorgesehenen Massnahmen ergibt sich eine ideale Kombination der Brennstoffzelle mit einem konventionellen Heizgerät mit Brenner und Wärmetauscher, so dass sich eine Heiz- und Stromerzeugungseinrichtung ergibt.
Dabei ergibt sich auch der Vorteil, dass das Abgas der Brennstoffzelle, das Restwärme enthält, weiter im Brenner verwendet werden kann, wodurch sich eine, verglichen mit den herkömmlichen Lösungen, erhebliche Verbesserung des Wirkungsgrades ergibt, wobei jedoch eine 100 %ige Abgaszuführung zum Brenner dessen Stabilität gefährden kann.
Weiterhin ergibt sich der Vorteil, dass ein gesteuerter bzw geregelter Teil der Abgase der Brennstoffzelle direkt dem Wärmetauscher zugeführt werden kann Ausserdem ist es auch möglich, bei nur geringer erforderlicher Heizleistung den Wärmetauscher ausschliesslich mit den Abgasen der Brennstoffzelle zu beaufschlagen.
Durch die Merkmale des Anspruches 2 ist es auf einfache Weise möglich, die Aufteilung der Abgase der Brennstoffzelle entsprechend dem momentanen Betriebszustand der Heizeinrichtung anzupassen, wobei bei steigender Zufuhr von Abgasen der Brennstoffzelle zum Brenner die Frischluftzufuhr zu diesem gedrosselt werden kann. Dabei erfasst die Sauerstoffsonde den im die Heizeinrichtung verlassenden Abgas enthaltenen Sauerstoff, der in Verbindung mit der Stellung der Proportionalventile des Reformators und des Brenners ein sehr genaues Bild des Betriebszustandes der Heizeinrichtung liefert.
Dadurch lässt sich eine besonders weitgehende Reduzierung der Abgase und eine Erhöhung des Wirkungsgrades erreichen.
Die Erfindung wird nun anhand der Zeichnung näher erläutert, die schematisch eine erfindungsgemässe Heizeinrichtung zeigt.
Die erfindungsgemässe Heizeinrichtung weist einen in einem Brennraum 1 angeordneten Brenner 2 auf, der einen ebenfalls im Brennraum 1 angeordneten Wärmetauscher 3 beaufschlagt.
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Der Brenner 2 ist in ublicher Weise über ein als Proportionalventil ausgebildetes Gasventil 4 und eine Gasleitung 5 mit Gas versorgbar Dabei mündet stromab des Gasventiles 4 eine Frischluftleitung 6 in die Gasleitung, wobei die Frischluftleitung an die Druckseite eines Gebläses 7 angeschlossen ist, das von einem in seiner Drehzahl regelbaren Antrieb 8 angetrieben ist
Weiter ist eine Brennstoffzelle 9 mit einem vorgeschalteten Reformer 10 vorgesehen.
Letzterem wird über eine weitere Gasleitung 11, in der ein Proportionalventil 12 angeordnet ist, Erdgas zugeführt.
In den Reformer 10 mündet weiter eine Wasserdampf-Leitung 23 und in die Brennstoffzelle 9 eine Luftleitung 24.
Die Antriebe 4'und 12'der Proportionalventile 4 und 12 sind über Signalleitungen 13,14 mit Signaleingängen eines Reglers 15 verbunden, der über eine weitere Signalleitung 16 mit einer im den Wärmetauscher 3 verlassenden Abgasstrom angeordneten Sauerstoffsonde 17, die den im Abgasstrom noch vorhandenen Sauerstoff erfasst, eingangsseitig verbunden ist
In einer Abgasleitung 18 der Brennstoffzelle 9 ist ein weiteres Proportionalventil 19 angeordnet, von dem aus zwei Verbindungsleitungen 20 zum Wärmetauscher 3,21 beziehungsweise zum Brenner 2 führen. Dabei ist der Antrieb 19'des Proportionalventiles 19, das die Aufteilung der Abgase der Brennstoffzelle 9 auf den Brenner 2 und den Wärmetauscher 3 steuert, über eine Steuerleitung 22 mit dem Ausgang des Reglers 15 verbunden.
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Brennstoffzelle ein Gas zugeführt, das Wasserstoff und Kohlenmonoxid enthält.
Dieses wird in der Brennstoffzelle 9 zusammen mit der über die Leitung 24 zugeführten Luft zu einem Gasgemisch umgesetzt, das neben Wasser auch noch Kohlendioxid enthält, wobei bei der Umsetzung auch noch Strom und Wärme entwickelt wird.
Dieses Abgasgemisch der Brennstoffzelle 9 wird über das Proportionalventil 19 auf den Brenner 2 und den Wärmetauscher 3 aufgeteilt.
Der dem Brenner 2 zugeführte Teil des Abgases der Brennstoffzelle 9 wird in diesem zusammen mit dem dem Brenner 2 über das Gasventil 5 und dem Gebläse 7 zugeführten ErdgasLuft-Gemisch verbrannt. Dadurch gelangt nur weitgehend reines Abgas zum Wärmetauscher 3, wodurch dieser nur einen entsprechend geringen Wartungs- und Reinigungsaufwand erfordert und sich ein sehr hoher Wirkungsgrad für die Heiz- und Stromerzeugungseinrichtung ergibt
Da dem Regler 15 über die Steuerleitungen 13,14 Informationen über die momentane Stellung der Ventile 5 und 12, wie auch über den Sauerstoffgehalt der den Wärmetauscher 3 verlassenden Abgase zugehen,
kann dieser die Leistungsgrösse beziehungsweise die zweckmässige Stellung des Ventiles 19 und die Drehzahl des Lüfters 7 ermitteln und das Abgas der Brennstoffzelle 9 optimal auf den Brenner 2 und den Wärmetauscher 3 aufteilen.
Der Brenner 2 soll dabei soviel Abgas aus der Brennstoffzelle 9 erhalten, dass er stabil arbeitet.
Dabei ist anzustreben, soviel Abgas aus der Brennstoffzelle wie möglich dem Brenner 2 zuzuführen, weil der dort vorhandene Restsauerstoffgehalt auf einen thermisch höheren Niveau liegt als der, der über die Frischluftleitung und das Gebläse zugeführt wird. Je mehr Abgas aus der Brennstoffzelle dem Brenner 2 zugeführt wird, um so höher ist der Wirkungsgrad der gesamten Heizeinrichtung Je mehr Oxidationsanteile aus dem Abgasweg der Brennstoffzelle in den Brenner kommen, um so stärker kann man den Frischluftgehalt, der vom Gebläse zugeführt werden muss, drosseln, wobei für das Gebläse eine entsprechende Regelung 15 vorgesehen ist.
Wird zuviel Abgas aus der Brennstoffzelle 9 dem Brenner 2 zugeführt, so gibt es im Brenner 2 eine unvollständige Verbrennung, wodurch sich auch eine obere Grenze für die Zufuhr von aus der Brennstoffzelle 9 stammendem Abgas zum Brenner 2 ergibt. Das jeweils verbleibende Rest-Abgas der Brennstoffzelle 9 wird unter Umgehung des Brenners 2 direkt dem Wärmetauscher 3 zugeführt.
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