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Die Erfindung bezieht sich auf ein Blockheizkraftwerk gemäss dem Oberbegriff des Anspruches
Bei bekannten derartigen Blockheizkraftwerken arbeitet der Zusatzbrenner in der Regel ohne eine Koppelung mit der Brennstoffzelle.
Der Wirkungsgrad einer Brennstoffzelle wird durch mehrere Faktoren bestimmt. So ist der Reformierungs- und Konditionierungsprozess mit Verlusten behaftet, und es kann nur ein Teil der in das System eingebrachten Energie in elektrische Energie umgesetzt werden Weiters weist auf der elektrischen Seite der übliche Wechselrichter Verluste auf, und auch die Brennstoffzellen arbeitet mit Wärmeverlusten. Die heissen Abgase der Brennstoffzellen können bei einer Kraft-Wärme- Nutzung bei den bekannten Blockheizkraftwerken nur auf die Rücklauftemperatur eines Heizkreis- laufes beschränkt abgekühlt und daher nicht optimal genutzt werden.
Alle Wirkungsgradmin- derungen werden zwar in Wärme umgesetzt, doch kann diese Wärme bei den herkömmlichen Blockheizkraftwerken nicht ausreichend genutzt werden, da bei diesen kaum eine thermische Koppelung der Brennstoffzellen und des Zusatzbrenners gegeben ist.
In Blockheizkraftwerken mit Brennstoffzellen zur Stromerzeugung und einem Zusatzbrenner zur Wärmeerzeugung ist das Blockheizkraftwerk meist so dimensioniert, dass es auf Haushalte zugeschnitten ist, die deutlich mehr Wärme als Strom benötigen. Dies bedeutet, dass der Zusatz- brenner eine höhere Belastung als die Brennstoffzellen aufweisen.
Ziel der Erfindung ist es, diese Nachteile zu vermeiden und ein Blockheizkraftwerk der ein- gangs erwähnten Art vorzuschlagen, das mit einem besonders hohen Wirkungsgrad betrieben werden kann.
Erfindungsgemäss wird dies bei einem Blockheizkraftwerk der eingangs erwähnten Art durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 1 erreicht.
Durch die vorgeschlagenen Massnahmen ist sichergestellt, dass die in den Abgasen der Brenn- stoffzellen enthaltene Wärme nutzbringend zur Vorwärmung der für den Betrieb des Blockheiz- kraftwerks erforderlichen Luft verwendet wird, wodurch sich der Gesamtwirkungsgrad des Block- heizkraftwerks erhöht.
Durch die Merkmale des Anspruches 2 ergibt sich der Vorteil, dass die Verluste der einzelnen Bauteile des Blockheizkraftwerks, die in Wärme umgesetzt werden, zu einer Erwärmung der Zuluft der Brennstoffzellen und des Zusatzbrenners genutzt werden können. Dadurch sinkt der erforder- liche Einsatz von Primärenergie zur Erwärmung der Luft für die Brennstoffzellen und den Zusatz- brenner, was zu einer weiteren Erhöhung des Gesamtwirkungsgrades des Blockheizkraftwerks führt.
Durch die Merkmale des Anspruches 3 ergibt sich eine im Hinblick auf den Wärmeübergang sehr günstige Lösung.
Durch die Merkmale des Anspruches 4 ergibt sich der Vorteil, dass auch allfällige Abstrahlungs- verluste des Abgas-Luft-Wärmetauschers zur Aufheizung der Zuluft für das Blockheizkraftwerk genutzt werden können.
Die Erfindung wird nun anhand der Zeichnung näher erläutert, die schematisch ein erfindungs- gemässes Blockheizkraftwerk zeigt.
Bei einem erfindungsgemässen Blockheizkraftwerk 17 ist ein Stapel von Brennstoffzellen 1 samt den nicht dargestellten Hilfsaggregaten, wie Reformer, Konverter und Wechselrichter, sowie ein Zusatzbrenner 2 samt einem Wärmetauscher 6 zur Bereitung von Heizwasser in einem mit einer Wärmedämmung 18 versehenen geschlossenen Gehäuse 3 angeordnet, in das eine Luft- leitung 14 mündet.
Den Brennstoffzellen 1, bzw. deren Reformer wird Wasser über eine Wasserzuleitung 12 zuge- führt. Weiters ist eine Gaszuleitung 13 vorgesehen, an die die Brennstoffzellen 1 und der Zusatz- brenner 2 angeschlossen sind. Weiters ist eine Ausleitung 15 für den von den Brennstoffzellen erzeugten elektrischen Strom vorgesehen.
Eine Abgasleitung 5 der Brennstoffzellen durchsetzt das Gehäuse 3 und führt zu einem Abgas- Luft-Wärmetauscher 8, über dessen Sekundärzweig 19 die gesamte Zuluft über die Luftleitung 14 für das Blockheizkraftwerk geführt ist, die über einen Einlass 11 in den Wärmetauscher 8 einströmt und über die an diesen angeschlossene Luftleitung 14 mit entsprechend erhöhter Temperatur in das Innere 20 des Gehäuses 3 strömt.
Das Abgas der Brennstoffzellen 1 verlässt den Wärmetauscher 8 über einen Auslass 10.
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Das Abgas des Zusatzbrenners 2 ist über einen Abgasstutzen 16 mit einem Primärzweig 21 eines Wärmetauschers 6 verbunden, der zur Bereitung von Heizwasser dient, das über eine Vor- laufleitung 7 und eine Rücklaufleitung 71 durch einen Sekundärzweig 22 des Wärmetauschers 6 strömt
Das abgekühlte Abgas des Zusatzbrenners 2 wird über eine Abgasleitung 9 nach aussen geführt.
Beim Betrieb des Blockheizkraftwerkes 17, bei dem sich die Brennstoffzellen 1 sehr erheblich erhitzen, heizen deren Strahlungswärme 4 auch die im Inneren 20 des Gehäuses 3 befindliche Luft auf. Dadurch wird einerseits die für die Brennstoffzellen 1 erforderliche Luft, wie auch die Luft für den Zusatzbrenner 2 entsprechend aufgeheizt. Dadurch sinkt der Bedarf an Energie zur Auf- heizung der Luft auf die für die Brennstoffzellen 1 erforderliche Temperatur.
Da aus dem Gehäuse 3 nur wenig Wärme entweichen kann, ergibt sich für das Blockheiz- kraftwerk 17 ein sehr hoher Wirkungsgrad.
Bei fehlendem Wärmebedarf für das Heizwasser kann der Zusatzbrenner 2 stillgesetzt werden.
In einem solchen Fall wird die Wärme der Brennstoffzellen 1 zur Aufheizung der Luft für die Brennstoffzellen 1 genutzt.
PATENTANSPRÜCHE:
1. Blockheizkraftwerk mit einem Stapel von Brennstoffzellen (1) samt Hilfsaggregaten, wie
Reformer, Konverter und Wechselrichter und einem Zusatzbrenner (2), der einen Wärme- tauscher (6) beaufschlagt, dadurch gekennzeichnet, dass die für die Brennstoffzellen (1) und den Zusatzbrenner (2) erforderliche Luft über einen von den Abgasen der Brennstoff- zellen (1) beaufschlagten Abgas-Luft-Wärmetauscher (8) geführt ist.
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The invention relates to a combined heat and power plant according to the preamble of the claim
In known cogeneration plants of this type, the additional burner generally works without being coupled to the fuel cell.
The efficiency of a fuel cell is determined by several factors. The reforming and conditioning process is therefore subject to losses, and only a part of the energy introduced into the system can be converted into electrical energy. Furthermore, the usual inverters have losses on the electrical side, and the fuel cells also work with heat losses. The hot exhaust gases of the fuel cells can only be cooled to a limited extent to the return temperature of a heating circuit when using combined heat and power in the known combined heat and power plants and therefore cannot be used optimally.
All efficiency reductions are converted into heat, but this heat cannot be used sufficiently in conventional cogeneration plants, since there is hardly any thermal coupling between the fuel cells and the additional burner.
In combined heat and power plants with fuel cells to generate electricity and an additional burner for heat generation, the combined heat and power plant is usually dimensioned so that it is tailored to households that require significantly more heat than electricity. This means that the additional burner has a higher load than the fuel cells.
The aim of the invention is to avoid these disadvantages and to propose a combined heat and power plant of the type mentioned at the outset which can be operated with a particularly high degree of efficiency.
According to the invention, this is achieved in a combined heat and power plant of the type mentioned at the outset by the characterizing features of claim 1.
The proposed measures ensure that the heat contained in the exhaust gases from the fuel cells is used to preheat the air required for the operation of the combined heat and power plant, which increases the overall efficiency of the combined heat and power plant.
The features of claim 2 result in the advantage that the losses of the individual components of the combined heat and power plant, which are converted into heat, can be used to heat the supply air of the fuel cells and the additional burner. This reduces the need to use primary energy to heat the air for the fuel cells and the auxiliary burner, which leads to a further increase in the overall efficiency of the combined heat and power plant.
The features of claim 3 result in a very favorable solution with regard to heat transfer.
The features of claim 4 result in the advantage that any radiation losses from the exhaust gas-air heat exchanger can also be used to heat the supply air for the combined heat and power plant.
The invention will now be explained in more detail with reference to the drawing, which schematically shows a combined heat and power plant according to the invention.
In a block-type thermal power station 17 according to the invention, a stack of fuel cells 1 together with the auxiliary units (not shown), such as reformers, converters and inverters, and an additional burner 2 together with a heat exchanger 6 for preparing heating water are arranged in a closed housing 3 provided with thermal insulation 18, into which an air line 14 opens.
Water is supplied to the fuel cells 1 or their reformer via a water supply line 12. Furthermore, a gas supply line 13 is provided, to which the fuel cells 1 and the additional burner 2 are connected. Furthermore, an outflow line 15 is provided for the electrical current generated by the fuel cells.
An exhaust gas line 5 of the fuel cells passes through the housing 3 and leads to an exhaust gas / air heat exchanger 8, via the secondary branch 19 of which the entire supply air is conducted via the air line 14 for the combined heat and power plant, which flows into the heat exchanger 8 via an inlet 11 and via which connected to this air line 14 flows with a correspondingly increased temperature into the interior 20 of the housing 3.
The exhaust gas from the fuel cells 1 leaves the heat exchanger 8 via an outlet 10.
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The exhaust gas of the additional burner 2 is connected via an exhaust pipe 16 to a primary branch 21 of a heat exchanger 6, which is used to prepare heating water which flows through a feed line 7 and a return line 71 through a secondary branch 22 of the heat exchanger 6
The cooled exhaust gas of the additional burner 2 is led to the outside via an exhaust pipe 9.
When the combined heat and power plant 17 is operating, in which the fuel cells 1 heat up considerably, their radiant heat 4 also heats up the air inside the housing 3. As a result, on the one hand the air required for the fuel cells 1 and the air for the additional burner 2 are heated accordingly. As a result, the need for energy for heating the air to the temperature required for the fuel cells 1 drops.
Since only little heat can escape from the housing 3, the combined heat and power plant 17 has a very high efficiency.
If there is no heat requirement for the heating water, the additional burner 2 can be stopped.
In such a case, the heat of the fuel cells 1 is used to heat the air for the fuel cells 1.
PATENT CLAIMS:
1. block-type thermal power station with a stack of fuel cells (1) including auxiliary units, such as
Reformer, converter and inverter and an additional burner (2) which acts on a heat exchanger (6), characterized in that the air required for the fuel cells (1) and the additional burner (2) via one of the exhaust gases from the fuel cells (1) acted upon exhaust gas-air heat exchanger (8) is guided.