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Die Erfindung bezieht sich auf ein Blockheizkraftwerk gemäss dem Oberbegriff des unabhängi- gen Anspruches.
Bei bekannten derartigen Blockheizkraftwerken wird Wasserstoff umgesetzt. Dieser wird in einem Reformer hergestellt Eine sehr gebräuchliche Art der Herstellung ist die Reformierung aus Erdgas. Dabei wird bei Temperaturen oberhalb 800 C in Anwesenheit eines Katalysators aus Kohlenwasserstoffen und Wasserdampf und/oder Luft Kohlendioxid und Wasserstoff produziert.
Unterhalb der oben angegebenen Temperatur kann die Reaktion nicht vollständig stattfinden, so dass der Reformer vorgeheizt werden muss, ehe die Reaktion starten kann. Beim Betrieb des Blockheizwerkes einer bisher üblichen Bauart ergibt sich daher das Problem, dass jeder neue Start der Brennstoffzellen eine erhebliche Vorlaufzeit zur Aufheizung des Reformers erfordert.
Um den Start der Brennstoffzellen unmittelbar ohne vorherige Aufheizung des Reformers zu ermöglichen, kann ein Speicher verwendet werden, in dem Wasserstoff oder wasserstoffreiches Gas für die Zeit, in welcher der Reformer aufgeheizt wird, gespeichert ist.
Aus der DE 100 45 669 A1 ist ein Brennstoffzellenenergieerzeugungssystem, verbunden mit einem Verfahren zum Betrieb von Elektrofahrzeugen bekanntgeworden, bei dem ein Metallhybrid- puffer zwischen die Brennstoffzelle und einem Membranseparator geschaltet ist.
Der Reformer und die Brennstoffzelle sind beide über eine Leitung verbunden, wobei diese Lei- tung über eine Stichleitung an den Metallhybridspeicher angeschlossen ist, der gefüllt oder über dieselbe Leitung entleert werden kann, aber nicht durchströmt wird.
Einen etwa ähnlichen Stand der Technik zeigt die US 5 527 632 A, wobei hier der Speicher über eine, mit einem Ventil versehene Leitung, an einen die Brennstoffzelle speisenden Gasan- schluss gelegt ist. Auch hier kann der Speicher entweder be- oder entladen werden, und zwar über dieselbe Leitung.
Aus der US 4 988 580 A ist ein Brennstoffzellen-System mit einem Reformer und einem einfa- chen Speicherbehälter bekannt. Derartige Speicher haben den Nachteil, dass grosse Menge Was- serstoff nur mit sehr hohen Drücken und hohen Anteilen anderer Gase gespeichert werden kön- nen. Zudem ist der Speicher nur über eine Zuleitung verbunden, weshalb er nicht kontinuierlich gespült werden kann, was vor allem dann von grossem Nachteil ist, wenn sich verunreinigtes Gas im Speicher befindet.
Ziel der Erfindung ist es, diese Nachteil zu vermeiden und ein Blockheizkraftwerk der eingangs erwähnten Art vorzuschlagen, das sich rasch starten lässt.
Erfindungsgemäss wird dies bei einem Blockheizkraftwerk der eingangs erwähnten Art durch die kennzeichnenden Merkmale des unabhängigen Anspruches erreicht.
Durch die vorgeschlagenen Massnahmen kann sichergestellt werden, dass stets ausreichend Wasserstoff bereitsteht, der für einen Start der Brennstoffzelle(n) verwendet werden kann. Sobald diese zu arbeiten beginnt (en), wirdWärme frei, und es kann mit dieser Wärme der Reformer auf- geheizt werden. Dadurch kann nach einer entsprechenden Zeit der Reformer die Herstellung von Wasserstoff aufnehmen und in weiterer Folge die Brennstoffzelle(n) vollständig mit Wasserstoff versorgen, wobei auch der Wasserstoffspeicher wieder aufgeladen werden kann. Eine Aneinander- reihung von mehreren Brennstoffzellen bezeichnet man als Brennstoffzellenstapel.
Durch die Merkmale des Anspruchs 1 ergibt sich der Vorteil, dass Wasserstoff kompakt ge- speichert werden kann Metallhydride - auch Metall-Wasserstoff-Legierungen genannt - können grosse Mengen Wasserstoff vergleichbar einem Schwamm "aufsaugen", speichern und wieder abgeben. Der Wasserstoff kann in einer noch höheren Dichte als im flüssigen Zustand gespeichert werden. Der Wasserstoff lässt sich, trotz der hohen Speicherdichte im Metallhydrid, unter niedrigem Druck beladen und entnehmen Es handelt sich bei den Metallhydriden um gewisse Legierungen und metallische Verbindungen, die - bei normaler Temperatur und geringem Überdruck - Wasser- stoff unter Wärmeentwicklung absorbieren bzw. aufnehmen und ihn bei Druckverminderung unter Wärmezufuhr wieder abgeben bzw. desorbieren.
Neben der hohen Speicherdichte ist bei eines solchen Metallhydridspeichern als Vorteil anzusehen, dass der Speicher Wasserstoff in hoher Konzentration speichern kann, während die restlichen Gase des Reformergases nicht absorbiert werden und somit nicht in hoher Konzentration im Speicher verbleiben.
Durch die Merkmale des Anspruches 2 ergibt sich der Vorteil, dass während der Startphase die Brennstoffzellen gleichzeitig vom Wasserstoffspeicher und vom Reformer mit Wasserstoff versorgt werden können. Ausserdem kann der Wasserstoffspeicher durch den Reformer aufgeladen werden
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Durch die Merkmale des Anspruches 3 wird der Metallhydrid-Wasserstoffspeicher genauer spezifiziert. Viele metallische Elemente (z. B. Pd, Mg, La), intermetallische Verbindungen (z. B.
ZrMn2, LaNi5, Mg2Ni) oder mehrphasige Legierungen (z.B.TiNi-Ti2Ni oder Mg-Mg2Ni) sind in der Lage, Wasserstoffatome zwischen die Metallatome einzulagern und chemisch zu binden.
Weiterhin ergibt sich der Vorteil, dass der Speicher kontinuierlich gespült werden kann und inerte Gase entweichen können. Da beim Betrieb des Reformers temporär hohe Anteile Inertgase, vorwiegend Stickstoff und Kohlendioxid, sowie Kohlenmonoxid entstehen, ist man bemüht, diese Gase nicht in erhöhter Konzentration im Wasserstoffbehälter zu belassen, sondern möglichst zu verdrängen. Wird ein Speicherbehälter bereits in der Startphase des Reformers befüllt, so strömt ein relativ hoher Anteil Inert- (vorwiegend Kohlendioxid und Stickstoff) und Schadstoffgase (vor- wiegend Kohlenmonoxid) in den Speicherbehälter.
Ist der Speicherbehältern nicht durchströmbar, da er beispielsweise nur über eine Zuleitung verfügt, so ergibt sich der Nachteil, dass gespeicher- tes, wasserstoffreiches Gas nur dann entweichen kann, wenn der Behälterdruck grösser ist als der Druck einer anderen Gaszuführung, z. B. des Reformers, der frisches, wasserstoffreiches Gas fördert. Demnach ist der Speicherbehälter nur dann (teilweise) zu entladen, wenn der Reformer mit wechselnden Druckamplituden betrieben wird. Dies hat zum Nachteil, dass sich einerseits die Konzentration im Speicherbehälter nur sehr langsam ändert und andererseits diese Betriebsweise einen kontinuierlichen Reformerbetneb verhindert, wodurch wiederum Kohlenmonoxid entsteht, was bekanntlich zu vermeiden ist.
Dagegen kann bei einer kontinuierlichen Durchströmung des Wasserstoffspeichers erreicht werden, dass höherwertiges Reformergas Kohlenmonoxid und Inertgase ersetzt. Bei einer Durchströmung lagert sich vorteilhaft Wasserstoff am Metallhydrid an, während die Inert- und Giftgase von den nachströmenden Gasen verdrängt werden. Eine relativ hohe Wasserstoffkonzentration im Speicherbehälter ist die Folge.
Durch die Merkmale des Anspruches 4 ergibt sich der Vorteil, dass während der Startphase die Brennstoffzellen gleichzeitig vom Wasserstoffspeicher und vom Reformer mit Wasserstoff versorgt werden können. Ausserdem kann der Wasserstoffspeicher durch den Reformer aufgeladen werden.
Die Erfindung wird nun anhand der Zeichnung näher erläutert, die schematisch ein erfindungs- gemässes Blockheizkraftwerk zeigt.
Das Blockheizkraftwerk weist wenigstens einen Brennstoffzellenstapel 1 auf, die über ein Ge- bläse 6 mit Luft versorgt wird. Diesem Brennstoffzellenstapel 1 ist ein Reformer 2 zugeordnet, der über eine Leitung 10 mit Erdgas versorgbar ist.
Dieser Reformer 2 liefert Wasserstoffgas und ist ausgangsseitig über eine Verbindungsleitung 14 mit einem Metallhydrid-Wasserstoffspeicher 3 verbunden. Dabei ist in der Verbindungsleitung 14 ein Umschaltventil 7 angeordnet, an dem eine Bypassleitung 15 angeschlossen ist.
Vom Metallhydrid-Wasserstoffspeicher 3 führt eine Entnahmeleitung 16 zu dem Brennstoffzel- lenstapel 1, wobei in dieser Entnahmeleitung 16 ein weiteres Umschaltventil 8, an dem die Bypass- leitung 15 angeschlossen ist, und ein Gebläse 5 angeordnet sind.
Von dem Brennstoffzellenstapel 1 führen eine Anodenabgasleitung 12 und eine Kathodenab- gasleitung 11 zu einer Abgasleitung 17, die zum Reformer 2 führt.
Dabei ist in dieser Abgasleitung ein katalytischer Nachbrenner 4 angeordnet. Dieser verbrennt die in den Abgasen des Brennstoffzellenstapels 1 noch enthaltenen Brenngasanteile. Die dabei entstehenden heissen Abgase gelangen über die Abgasleitung 16 zu einem Wärmeaustauscher 9, der in dem Reformer 2 angeordnet ist und diesen beheizt.
Die abgekühlten Abgase strömen über einen Abgasanschluss 13 ab.
Während des instationären Startvorganges ist der Reformer 2 kalt und der Metallhydrid- Wasserstoffspeicher 3 ist mit wasserstoffreichem Gas gefüllt. Dieses gelangt mittels des Gebläses 5 über das Umschaltventil 8 zu dem Brennstoffzellenstapel 1, dem mittels des Gebläses 6 auch Luft zugeführt wird. Der darin enthaltene Sauerstoff reagiert mit dem Wasserstoff, wodurch einer- seits Wärme und anderseits elektrische Energie erzeugt wird. Die Abgase des Brennstoffzellensta- pels 1 werden, wie bereits erwähnt, im katalytischen Nachbrenner 4 umgesetzt, und die darin noch enthaltenen brennbaren Anteile an Brenngas werden verbrannt.
Die dabei entstehenden heissen Abgase des Nachbrenners 4 gelangen zu dem Wärmeaustau- scher 9 im Reformer 2 und heizen diesen auf Betriebstemperatur auf. Unter Umständen ist eine weitere - nicht dargestellte - Wärmequelle notwendig, um die Betriebstemperatur des Reformers 2 zu erreichen.
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Sobald der Reformer 2 seine Betriebstemperatur erreicht hat, setzt der Reformer 2 ein kohlen- wasserstoffreiches Gas, vorzugsweise Erdgas, Luft und bzw. oder Wasserdampf zu wasserstoff- reichem Prozessgas um.
Das entstehende Prozessgas gelangt über die Verbindungsleitung 14, das Umschaltventil 7, die Bypassleitung 15, das Umschaltventil 8 und das Gebläse 5 zu dem Brennstoffzellenstapel 1 und wird dort mit Luft und bzw. oder Wasserdampf, die (der) über das Gebläse 5 zugeführt werden, umgesetzt, wobei elektrischer Strom und Wärme erzeugt werden.
Sobald der Reformer 2 ausreichend Prozessgas erzeugt, kann Prozessgas über das Umschalt- ventil 7 dem Wasserstoffspeicher 3 zugeführt werden, wobei vorzugsweise das Umschaltventil 8 für die Entnahmeleitung 16 geöffnet ist, damit Inert- und Giftgase entweichen können, während der Wasserstoff im Metallhydrid des Metallhydrid-Wasserstoffspeicher 3 eingelagert bleibt. Befindet sich genügend Wasserstoff in dem Metallhydrid-Wasserstoffspeicher 3, so werden die beiden Umschaltventile 7 und 8 derartig verschaltet, dass der Metallhydrid-Wasserstoffspeicher 3 ver- schlossen ist und wasserstoffreiches Prozessgas vom Reformer 2 über die Bypassleitung 15 zu dem Brennstoffzellenstapel gelangt.
Wird der Brennstoffzellenstapel 1 abgeschaltet, so kann das mit der Restwärme erzeugte was- serstoffreiches Prozessgas noch zur Ladung des Metallhydrid-Wasserstoffspeichers 3 verwendet werden.
PATENTANSPRÜCHE:
1 Blockheizkraftwerk mit wenigstens einer Brennstoffzelle (1) und einem dieser vorgeordne- ten Reformer (2), der mit einem Metallhydrid-Wasserstoffspeicher (3) und ausgangsseitig mit der Brennstoffzelle (1) verbindbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Reformer (2) mit dem Abgas der Brennstoffzelle(n) (1) beaufschlagbar ist und dass der Wasserstoff- speicher (3) durchströmbar geschaltet ist.
2. Blockheizkraftwerk nach Ansprüche 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Bypassleitung (15) parallel zum Wasserstoffspeicher (3) vorgesehen ist, die über Umschaltventile (7, 8) in einer Verbindungsleitung (14) zwischen dem Reformer (2) und dem Wasserstoffspeicher (3) und in einer Entnahmeleitung (16) des Wasserstoffspeichers (3) an diesen angeschlos- sen ist.