AT503757B1

AT503757B1 - METHOD OF USING HIGH TEMPERATURE FUEL CELLS TO OPERATE HOUSEHOLD APPLIANCES

Info

Publication number: AT503757B1
Application number: AT0088006A
Authority: AT
Inventors: Dirk Peter Dipl Ing Claassen; Herbert Ing Wancura
Original assignee: Dirk Peter Dipl Ing Claassen
Priority date: 2006-05-22
Filing date: 2006-05-22
Publication date: 2008-06-15
Also published as: WO2007134352A1; AT503757A1; WO2007134352B1

Description

2 AT 503 757 B12 AT 503 757 B1

Derzeit werden Brennstoffzellensysteme vorwiegend für die Wärmeversorgung, in Form von Heizung, für Häuser, Wohneinheiten aber auch in mobilen Anwendungen wie in Wohnwagen oder Wohnmobilen verwendet. Dabei wird bevorzugt die Abwärme der Brennstoffzelle für die Heizung und die Aufbereitung/Erwärmung des benötigten Brauchwassers verwendet. Für weitere Anwendungen wie Kochen mit einem Elektroherd, Backen oder auch zum Beispiel Wäschewaschen wird die Abwärme der Brennstoffzelle nicht genutzt. Durch diese Stromverbraucher kann es im öffentlichen Versorgungsnetz zu überproportionalen Stromspitzen kommen, die das Stromnetz belasten, und die deutlich höher sind als der mittlere Verbrauch z.B. eines Haushalts.Currently, fuel cell systems are mainly used for heat supply, in the form of heating, for houses, residential units but also in mobile applications such as caravans or motorhomes. In this case, the waste heat of the fuel cell for the heating and the treatment / heating of the required service water is preferably used. For further applications such as cooking with an electric cooker, baking or, for example, laundry washing, the waste heat of the fuel cell is not used. These power consumers can lead to disproportionate power peaks in the public power grid, which burden the power grid, and which are significantly higher than the average consumption, e.g. of a household.

Der elektrische Wirkungsgrad von Brennstoffzellen beträgt derzeit zwischen 30 und 60 Prozent. Die restliche in der Brennstoffzelle erzeugte Energie liegt in Form von Abwärme vor. Je nach Anwendungsbereich oder gewünschter Energieform, kann nun die Brennstoffzelle so betrieben werden, dass diese mehr oder weniger Wärme oder elektrischen Strom erzeugt. Ein höherer Stromanteil wie er zum Beispiel im Teillastbetrieb der Brennstoffzellen anfällt, bedingt eine Reduktion der erzeugen Abwärme. Benötigt man mehr Abwärme, wird die Brennstoffzelle mehr und mehr Richtung Volllast betrieben. Dadurch verschiebt sich das Verhältnis von Strom und Abwärme zugunsten der erzeugen Abwärme. Diese Funktion der Brennstoffzelle ermöglicht eine gezielte Anpassung an den jeweiligen thermischen oder elektrischen Bedarf der Verbraucher.The electrical efficiency of fuel cells is currently between 30 and 60 percent. The remaining energy generated in the fuel cell is in the form of waste heat. Depending on the application or desired form of energy, the fuel cell can now be operated so that it generates more or less heat or electricity. A higher proportion of electricity as it occurs, for example, in partial load operation of the fuel cell, requires a reduction of the waste heat generated. If you need more waste heat, the fuel cell is operated more and more towards full load. This shifts the ratio of electricity and waste heat in favor of the waste heat generated. This function of the fuel cell allows a targeted adaptation to the respective thermal or electrical needs of consumers.

Eine reine Wärmeproduktion hat derzeit einen Wirkungsgrad von bis zu 85 Prozent. Hingegen besitzt eine reine Stromerzeugung üblicherweise eine Wirkungsrad von 20 % bis 50 % je nach Art der verwendeten Primärenergie. Aufgrund dieser Wirkungsgrade ist es sinnvoll auf der Stromseite zu sparen und eine Optimierung der Energieproduktion hinsichtlich der Wärmeerzeugung durchzuführen. Für dezentrale Blockheizkraftwerke (BHKW) werden mehrheitlich Nieder- bzw. „Mitteltemperatur-" Brennstoffzellen verwendet, die Betriebstemperaturen zwischen 60 und rund 250°C aufweisen und deren nutzbare Abwärme in der Größenordnung von 60°C-80°C liegt. Diese sind daher nur zur Heizung oder Erwärmung von Wasser geeignet ist.Pure heat production currently has an efficiency of up to 85 percent. By contrast, pure power generation usually has an efficiency of 20% to 50% depending on the type of primary energy used. Because of these efficiencies, it makes sense to save on the electricity side and to optimize the energy production in terms of heat generation. For decentralized combined heat and power plants (CHP), the majority are low or "medium temperature". Fuel cells used which have operating temperatures between 60 and about 250 ° C and whose usable waste heat in the order of 60 ° C-80 ° C. These are therefore only suitable for heating or heating of water.

Auch von Hochtemperatur-Brennstoffzellen mit Betriebstemperaturen von 500 bis 1000°C sind Anwendungen dieser Art bekannt.Even high-temperature fuel cells with operating temperatures of 500 to 1000 ° C applications of this type are known.

Dementsprechend ist die räumliche Anordnung der Brennstoffzellen meist zentral in einem Gebäude in Kombination mit der Heizung oder in deren Nähe. Der Transport der Wärme zu den Verbrauchern erfolgt über zentral erhitztes Wasser.Accordingly, the spatial arrangement of the fuel cells is usually central in a building in combination with the heating or in the vicinity. The heat is transported to the consumers via centrally heated water.

Nachfolgend wir der derzeitige Stand der Technik anhand von relevanten Patenten beschrieben. JP6176786 beschreibt ein System, das die Abwärme einer Brennstoffzelle zum Aufheizen des Brauchwassers in einem Boilers verwendet sowie eine zugehörige Regelung die ein Überhitzen des Boilers verhindert. Eine andere Verwendungsmöglichkeit des Systems als zur Erzeugung von Warmwasser wird nicht beschrieben. Ein ähnliches Prinzip liegt auch W09506842 zugrunde. Hier wird neben der Erhitzung eines Boilers noch allfällige Überschusswärme zu Dampf weiterverarbeitet.Hereinafter, we describe the current state of the art based on relevant patents. JP6176786 describes a system that uses the waste heat of a fuel cell for heating the process water in a boiler and an associated control that prevents overheating of the boiler. Another use of the system as for the production of hot water is not described. A similar principle also underlies W09506842. Here, in addition to the heating of a boiler, any excess heat is further processed into steam.

In GB1320275 wird die Abwärme der Brennstoffzelle weitgehend im System für die Erwärmung eines Reformers verwendet. Eine externe Nutzung der Abwärme ist nicht zu erkennen.In GB1320275, the waste heat of the fuel cell is widely used in the system for heating a reformer. An external use of the waste heat can not be detected.

Die Patentschrift DE10216099 beschreibt ein System, dass zur Aufheizung von Warmwasser und zur Einspeisung der Abwärme der Brennstoffzelle in eine Zentralheizung verwendet werden kann. Ein Teil der Wärme wird hier zur Wiederaufheizung des Abgases verwendet, um eine 3 AT 503 757 B1The patent DE10216099 describes a system that can be used for heating hot water and for feeding the waste heat of the fuel cell in a central heating. Part of the heat is used here to reheat the exhaust gas to a 3 AT 503 757 B1

Kondensatbildung im Kamin zu vermeiden.Avoid condensation in the chimney.

Im Patent DE10242155 wird ein.Haartrockner (Fön) beschreiben, der eine kleine Brennstoffzelle für die Stromproduktion aufweist. Die Wärme für den Prozess wird ausdrücklich getrennt von 5 der Brennstoffzelle erzeugt und eine Nutzung von deren Abwärme ist nicht beschrieben.Patent DE10242155 describes a hair dryer which has a small fuel cell for power production. The heat for the process is expressly generated separately from the fuel cell 5 and a use of their waste heat is not described.

Das Patent WO 00110209 der Siemens AG beansprucht die Bauart einer speziellen Wärmetauscherzelle und im Zusammenhang damit ein allgemeines Verfahren zur Nutzbarmachung der Abwärme einer luftgekühlten PEM-Brennstoffzelle. 10The patent WO 00110209 of Siemens AG claims the design of a special heat exchanger cell and in connection therewith a general method for utilization of the waste heat of an air-cooled PEM fuel cell. 10

Das Patent EP 1327835 der H2 Interpower GmbH bezieht sich ebenfalls auf eine PEM Brennstoffzelle und hierbei auf eine spezielle Luftführung um die Brennstoffzelle mit Sauerstoff zu versorgen und Raumluft durch die Abwärme der BZ direkt zu erwärmen. 15 Die Patente WO 98/04011 der Ztek Cooperation sowie die Anmeldung EP 1669700 von LG Elektronics handeln sich um HVAC Systeme. Systeme die zur Klimatisierung von Räumen oder Gebäuden verwendet werden können. Beide Dokumente beschreiben detaillierte und komplexe Kompressorkreisläufe und Kraft-Wärmekopplungssysteme zur Klimatisierung. 20 Einrichtungen zum Kochen oder Backen im häuslichen oder gewerblichen Bereich sind dem Stand der Technik entsprechend entweder mit gasförmigen oder festen Brennstoffen betrieben, z.B. als Gaskocher oder als Backrohr in einem Kachelofen oder als holzbeheizter Herd, oder sie werden elektrisch betrieben. Es sind keine Einrichtungen bekannt, bei denen die obgenannten Funktionen aus der Abwärme eines Stromerzeugers kommen bzw. in einem gemischten ther-25 mischen und/oder elektrischen Betrieb mit zumindest einer Komponente aus einer dezentralen Stromerzeugung gespeist werden.The patent EP 1327835 of the H2 Interpower GmbH also refers to a PEM fuel cell and in this case to a special air duct to supply the fuel cell with oxygen and to heat room air directly by the waste heat of the BZ. 15 The patents WO 98/04011 of the Ztek Cooperation and the application EP 1669700 of LG Electronics are HVAC systems. Systems that can be used for the air conditioning of rooms or buildings. Both documents describe detailed and complex compressor circuits and combined heat and power systems for air conditioning. Twenty domestic or commercial cooking or baking facilities are known in the art to operate on either gaseous or solid fuels, e.g. as a gas cooker or as a stovepipe in a tiled stove or as a woodburning stove, or they are electrically operated. There are no devices known in which the above functions come from the waste heat of a power generator or are fed in a mixed ther-25 mixing and / or electrical operation with at least one component from a decentralized power generation.

Im Gegensatz zu den im Stand der Technik beschriebenen Ausführungen beinhaltet die erfindungsgemäße Lösung die Nutzung der Abwärme einer Mittel- oder Hochtemperatur-Brenn-30 stoffzelle. Diese werden üblicherweise mit Temperaturen zwischen 150 und 1000°C betrieben wird und besitzen eine Abwärme die geringfügig niedriger ist als die Betriebstemperatur. Diese Abwärme kann von der Abluft der Kathode herrühren und/oder vom Anodenabgas, dessen brennbarer Anteil gegebenenfalls noch vorher verbrannt oder oxydiert wird. Diese Nutzwärme, die wenigstens heißer als 100°C ist, typisch aber zwischen 350°C und 700°C liegt, soll für den 35 Betrieb von Einrichtungen z.B. in einer Küche, aber auch anderen Teilen eines Haushalts genutzt werden, die Medientemperaturen von zumindest 90°C benötigen. Das sind z.B. die Kochplatten eines Herdes oder die Wärme zum Heizen eines Backrohrs oder Heißluftherdes.In contrast to the embodiments described in the prior art, the solution according to the invention involves the use of the waste heat of a medium or high-temperature fuel cell. These are usually operated at temperatures between 150 and 1000 ° C and have a waste heat which is slightly lower than the operating temperature. This waste heat can originate from the exhaust air of the cathode and / or from the anode exhaust gas, the combustible fraction of which may be burned or oxidized beforehand. This useful heat, which is at least hotter than 100 ° C but typically between 350 ° C and 700 ° C, is intended to be used for the operation of equipment e.g. be used in a kitchen, but also other parts of a household, the media temperatures of at least 90 ° C need. These are e.g. the hobs of a stove or the heat for heating a stovepipe or hot air oven.

Die Abwärme von Hochtemperaturbrennstoffzellen kann prinzipiell für Heizzwecke jeglicher Art 40 (konventionelle Heizung, Brauchwasseraufbereitung aber auch das Aufheizen des benötigten Wassers für Waschmaschinen oder für die Trockenfunktion eines Geschirrspülers) verwendet werden. Zusätzlich kann der in der Brennstoffzelle produzierte Strom für das Betreiben von beliebigen elektrischen Geräten wie einem Elektroherd, einer Waschmaschine und/oder einem Geschirrspüler verwendet werden, wodurch wiederum das öffentliche Stromnetz entlastet wer-45 den kann.The waste heat of high-temperature fuel cells can be used in principle for heating purposes of any kind 40 (conventional heating, process water treatment but also the heating of the required water for washing machines or for the drying function of a dishwasher). Additionally, the electricity produced in the fuel cell can be used to power any electrical equipment such as an electric range, a washing machine, and / or a dishwasher, which in turn relieves the burden on the utility grid.

Ein wesentlicher Ansatz der Erfindung ist auch, dass die Wärme nicht auf langen Übertragungswegen durch das Haus geführt wird, sondern möglichst nahe den zu beheizenden Objekten entsteht, indem die Brennstoffzelle z.B. in der Küche in der Nähe des Heißluftherdes aufge-50 stellt wird. Die Wärme kann dann auf eine gemeinsamen Schiene zwischen den verschiedenen möglichen Abnehmern verteilt werden um die Verluste des Transports zu minimieren.An essential approach of the invention is also that the heat is not passed on long transmission paths through the house, but as close as possible to the objects to be heated by the fuel cell, for example. in the kitchen near the hot air stove is set up-50. The heat can then be distributed on a common rail between the various possible customers to minimize the losses of the transport.

Ein weiterer Bestandteil der Erfindung ist, dass durch eine bedarfsorientierte Aufteilung der Energieversorgung zwischen elektrischer und thermischer Energie, der Stromverbrauch des 55 Haushalts oder Gewerbes gleichmäßiger gestaltet werden kann und daher Spitzenbelastung 4 AT 503 757 B1 verringert wird. Nimmt man als mittleren Stromverbrauch für einen Haushalts rund 1 kW an, so kann der Spitzenverbrauch z.B. während des Kochens kurzfristig auf 5 kW ansteigen. Durch die Nutzung entsprechend heißer Abgase für Koch- und Backzwecke kann der Spitzenverbrauch an Strom beispielsweise auf ca. 2 kW gesenkt werden. Dadurch wird das Netz entlastet und die Energiekosten sinken aufgrund des verbesserten Gesamtwirkungsgrades.Another component of the invention is that by a demand-oriented distribution of the energy supply between electrical and thermal energy, the power consumption of the household or business can be made uniform and therefore peak load 4 AT 503 757 B1 is reduced. Assuming approximately 1 kW as the average power consumption for a household, the peak power can be used e.g. briefly rise to 5 kW during cooking. By using correspondingly hot exhaust gases for cooking and baking purposes, the peak consumption of electricity can be reduced to about 2 kW, for example. As a result, the network is relieved and the energy costs decrease due to the improved overall efficiency.

Die Erfindung sieht auch vor, dass die von der Brennstoffzelle bereitgestellte thermische sowie auch elektrische Energie bedarfsgerecht auf die jeweilige gewünschte Nutzung aufgeteilt wird. Wird z.B. mehr thermische Energie benötigt, als bei der Stromerzeugung als Abwärme anfällt, kann das System so betrieben werden, dass der fehlende Teil der benötigten Wärme über eine elektrische Zusatzheizung erzeugt wird. Dadurch kann vermieden werden, dass Brennstoffzellensysteme überdimensioniert werden müssen, um beiden Anforderungen gerecht zu werden, und man kann dadurch erreichen, dass die Brennstoffzelle immer im optimalen Punkt betrieben wird. Benötigt man viel Wärme, wird die Brennstoffzelle im Bereich von Volllast oder gegebenenfalls in Überlast mit geringem elektrischen Wirkungsgrad betrieben. Benötigt man hingegen nur wenig Wärme, kann die Brennstoffzelle in Teillast mit hohem elektrischem Wirkungsgrad betrieben werden. Um in den Zeiten zwischen den periodisch anfallenden Verbrauchsspitzen, bedingt durch Abnehmer wie Kochherd oder Backrohr, die Brennstoffzelle oder das Brennstoffzellensystem nicht ungenutzt zu lassen, kann anfallende Abwärme für die an sich bekannte Erwärmung von Brauchwasser, zur Heizung oder Kühlung verwendet werden. Ein produzierter Stromüberschuss kann dabei gegebenenfalls auch in das öffentliche Stromnetz eingespeist werden. Dadurch kann mit dem System auch bei der Abdeckung oder Glättung von Stromspitzen geholfen werden. Für ein solches Konzept bei dem die Brennstoffzelle Geräte in der Küche und/oder Badezim-mer/Wirtschaftsraum sowie die Heizung mit Wärme und Strom versorgt, ist es aufgrund der hohen Isolationsverluste durch lange Leitungswege nicht sinnvoll die Brennstoffzelle im Keller des Hauses aufzustellen.The invention also provides that the thermal and electrical energy provided by the fuel cell is divided as needed to the respective desired use. If e.g. requires more thermal energy than waste heat generated during power generation, the system can be operated so that the missing part of the required heat is generated by an electric booster heater. As a result, it is possible to avoid over-dimensioning fuel cell systems in order to meet both requirements, and one can thereby achieve that the fuel cell is always operated at the optimum point. If you need a lot of heat, the fuel cell is operated in the range of full load or possibly in overload with low electrical efficiency. If, on the other hand, only little heat is required, the fuel cell can be operated at partial load with high electrical efficiency. In order not to leave unused the fuel cell or the fuel cell system in the periods between the periodically accumulating consumption peaks due to customers such as cooker or oven, waste heat can be used for the known heating of domestic hot water, for heating or cooling. If necessary, a surplus of electricity produced can also be fed into the public power grid. This can help with the system even when covering or smoothing current spikes. For such a concept in which the fuel cell supplies appliances in the kitchen and / or bathroom / utility room as well as the heating with heat and electricity, it is not useful to install the fuel cell in the basement of the house due to the high insulation losses due to long cable routes.

Daher stellt sich die erfindungsgemäße Lösung die Aufgabe das Brennstoffzellensystem möglichst nahe an den Verbrauchern von Strom und Wärme aufzustellen, um die Transportwege und dadurch die Transportverluste vernachlässigbar gering zu halten und Reaktionszeiten so kurz wie möglich zu gestalten. Die Verbraucher bekommen nun einerseits den produzierten Strom der Brennstoffzelle eingespeist um wie bisher ihre herkömmliche elektrische Funktionsweise zu haben. Andererseits können die Anwendungsgeräte nun auch über die zur Verfügung stehende Abwärme und somit ohne elektrischen Strom betrieben werden. Diese Abwärme des Brennstoffzellensystems wird vorzugsweise über Wärmetauscher eingespeist und kann Teile oder auch die ganze herkömmliche elektrische Heizfunktion des Anwendungsgerätes durch diese Wärmemenge ersetzen. Dadurch wird der Strombedarf in Spitzenzeiten gesenkt und das öffentliche Stromnetz entlastet, sowie die durch ein solches System produzierte Abwärme sinnvoll und sehr effizient eingesetzt.Therefore, the solution according to the invention has the task of setting up the fuel cell system as close as possible to the consumers of electricity and heat in order to keep the transport routes and thereby the transport losses negligibly low and to make reaction times as short as possible. On the one hand, consumers now receive the electricity produced by the fuel cell in order to continue to have their conventional electrical functionality. On the other hand, the application devices can now also be operated via the available waste heat and thus without electricity. This waste heat of the fuel cell system is preferably fed via heat exchangers and can replace parts or even the whole conventional electrical heating function of the application device by this amount of heat. As a result, the electricity demand is reduced at peak times and the public power grid is relieved, and the waste heat produced by such a system is used sensibly and very efficiently.

Die Regelung des Brennstoffzellensystems erfolgt derart, dass im Wesentlichen keine Überschusswärme erzeugt wird. In den Kochpausen wird mit der erzeugten Wärme beispielsweise das Brauchwasser erhitzt und/oder die Heizung bzw. auch eine Kühlung betrieben. Diese Produktion von Wärme kann im Teillastbetrieb der Brennstoffzelle mit einem sehr hohen Stromwirkungsgrad erfolgen.The regulation of the fuel cell system is such that substantially no excess heat is generated. In the cooking breaks, for example, the process water is heated with the heat generated and / or operated the heating or cooling. This production of heat can take place in the partial load operation of the fuel cell with a very high power efficiency.

Sollte es durch die Anwendungsgeräte zu einem Mehrbedarf an thermischer Energie kommen, als durch die Brennstoffzelle bereitgestellt werden kann, so ist es auch möglich mithilfe des in der Brennstoffzelle produzierten Stroms Wärme über eine elektrische Heizung für die Anwendungsgeräte zu erzeugen. Es ist daher möglich das System immer am optimalen Wirkungsgrad für die Strom- und Wärmeproduktion zu betreiben.Should there be more thermal energy input from the application devices than can be provided by the fuel cell, it is also possible to generate heat via an electrical heater for the application devices using the current produced in the fuel cell. It is therefore possible to operate the system always at the optimum efficiency for power and heat production.

Bei der Anordnung eines solchen Systems ist auf kurze Wege zwischen Strom- und Wärmepro- 5 AT 503 757 B1 duktion und den Verbrauchern zu achten. Das Abgas der Brennstoffzelle beheizt zum Beispiel eine Kochplatte. Über eine Mengen- bzw. Temperaturregelung wird die Zufuhr der benötigten Wärmemenge eingestellt. Dieses System kann auch für sämtliche andere gedachten Anwendungen wie für den Heißluftherd, einen Geschirrspüler oder auch für eine Waschmaschine zur Anwendung kommen. Die Gasrückführung zur Brennstoffzelle erfolgt über eine isolierte eventuell koaxiale Leitung. Dieses Funktionsprinzip eignet sich auch für das Aufheizen von Brauchwasser und für Anwendungen zu Heiz- bzw. Kühlzwecken.When arranging such a system, care should be taken to ensure short distances between power and heat production and consumers. The exhaust gas of the fuel cell heats, for example, a hotplate. About a quantity or temperature control, the supply of the required amount of heat is set. This system can also be used for all other imaginary applications such as the hot air oven, a dishwasher or even a washing machine. The gas return to the fuel cell via an insulated possibly coaxial line. This operating principle is also suitable for heating domestic water and for applications for heating or cooling purposes.

Als bevorzugtes Ausführungsbeispiel ist ein Energieversorgungssystem einer Küche und/oder ähnlicher Anwendungsbereiche die Medientemperaturen von zumindest 90°C benötigen, mit wenigstens einem thermischen Prozesse wie Kochen, Geschirrspülen und/oder Waschen, wobei der Strom zumindest teilweise über eine Hochtemperaturbrennstoffzelle mit Betriebstemperaturen über 100°C bereitgestellt wird, vorgesehen. Dieses ist in Abbildung 1 schematisch dargestellt. Die Brennstoffzelle 1 wird mit Kraftstoff versorgt und produziert dadurch elektrischen Strom und Wärme. Der elektrische Strom wird über Leitungen 4 zu den Anwendungsgeräten 3 wie z. B. Heißluftherd und/oder Wäschetrockner geführt und bei Bedarf über eine Heizspirale 6 zum Heizen des Gerätes bzw. von dessen Medien (Wasser, Luft) verwendet. Die produzierte Abwärme aus der Brennstoffzelle 1 wird über einen Wärmetauscher 2 und die Leitung 5 ebenfalls den Anwendungsgeräten 3 wie Heißluftherd und/oder Wäschetrockner zum heizen zur Verfügung gestellt. Die Geräte können ihrerseits entweder nur mit der Abwärme der Brennstoffzelle, durch den produzierten elektrischen Strom der Brennstoffzelle oder durch eine Kombination der beiden Energiequellen betrieben werden. Die Abwärme der Anwendungsgeräte wird über die Leitung 7 wieder dem Wärmetauscher 2 zugeführt und kann dadurch zum Beispiel auch für das Vorheizen der Brennstoffzellenluft verwendet werden. Überschüssige Abwärme wird über das Abgas an die Umgebung abgegeben.As a preferred embodiment, a power supply system of a kitchen and / or similar applications requiring the medium temperatures of at least 90 ° C, with at least one thermal processes such as cooking, dishwashing and / or washing, wherein the stream at least partially via a high-temperature fuel cell with operating temperatures above 100 ° C. is provided provided. This is shown schematically in Figure 1. The fuel cell 1 is supplied with fuel and thereby produces electric power and heat. The electrical power is transmitted via lines 4 to the application devices 3 such. B. hot air oven and / or tumble dryer and if necessary via a heating coil 6 for heating the device or its media (water, air) used. The waste heat produced from the fuel cell 1 is also provided to the application devices 3 such as hot air oven and / or tumble dryer for heating via a heat exchanger 2 and the line 5. The devices can be operated either only with the waste heat of the fuel cell, by the produced electric current of the fuel cell or by a combination of the two energy sources. The waste heat of the application equipment is returned via the line 7 to the heat exchanger 2 and can thereby be used, for example, for the preheating of the fuel cell air. Excess waste heat is released via the exhaust gas to the environment.

Abbildung 2 stellt einen Systemteil dar, in dem Heißgas 8 aus der Brennstoffzelle mit Frischluft 9 über ein Mischventil 10 gemischt wird, um die für die Anwendungsgeräte 3 benötigte Temperatur bereitzustellen. Die Abluft der Anwendungsgeräte wird über die Leitung 11 abgeleitet.Figure 2 illustrates a system part in which hot gas 8 from the fuel cell is mixed with fresh air 9 via a mixing valve 10 to provide the temperature needed for the application devices 3. The exhaust air of the application devices is discharged via the line 11.

Abbildung 3 zeigt einen Systemteil, der einen Teilstrom des Heißgases der Brennstoffzelle 1 über ein Ventil 12 an einen Wärmetauscher 2 weiterleitet. Die Wärmeübertragung vom Wärmetauscher 2 kann über ein beliebiges Arbeitsmedium an die Anwendungsgeräte 3 erfolgen. Die Abwärme der Anwendungsgeräte geht nach dem Wärmetauscher 2 direkt in die Abluft 15. Um eine zu große Wärmemenge am Wärmetauscher 2 zu verhindern, kann bei einer geringen benötigten Wärmemenge für die Anwendungsgeräte 3, der überschüssige Wärmeteilstrom der Brennstoffzelle über den Bypass 14 direkt zurück zur Brennstoffzelle 1 geleitet werden.FIG. 3 shows a system part which forwards a partial flow of the hot gas of the fuel cell 1 via a valve 12 to a heat exchanger 2. The heat transfer from the heat exchanger 2 can be done via any working medium to the application devices 3. The waste heat of the application equipment goes after the heat exchanger 2 directly into the exhaust air 15. To prevent excessive heat on the heat exchanger 2, with a small amount of heat required for the application equipment 3, the excess heat partial flow of the fuel cell via the bypass 14 directly back to the fuel cell 1 will be conducted.

Abbildung 4 stellt ein Brennstoffzellensystem mit Wärmetauscher und Anwendungsgerät dar. Die Brennstoffzelle 1 wird mit Kraftstoff 16 und Frischluft 9 versorgt. Die Brennstoffzelle 1 produziert zum einen Strom und zum anderen Abwärme. Diese Abwärme wird direkt als Abluft Brennstoffzelle 8 einem Mischventil 12 zugeführt. Das Abgas 17 der Brennstoffzelle 1 wird gegebenenfalls durch eine entsprechende Abgasreinigung 18 geleitet und ebenfalls dem Mischventil 12 zugeführt. Von hier geht das Gasgemisch direkt an einen Wärmetauscher 2 der wiederum die Wärme an das Anwendungsgerät 3 z.B. ein Backrohr überträgt. Die Abwärme des Anwendungsgerätes 3 (z.B. Heißluftherd, Kochplatte, Geschirrspüler.....) wird an den Wärme tauscher 2 rückgeführt und gelangt in weiterer Folge mit der Rückluft 15 an die Brennstoffzelle. Optional wird dort mit der Rückluft die Brennstoffzelle oder das System vorgeheizt. Danach wird die Rückluft über die Abluft 11 des Systems an die Umgebung abgegeben. Der Wärmetauscher 2 des Systems kann entfallen, wenn mit Luft als Übertragungsmedium gearbeitet wird. Sollte als Übertragungsmedium allerdings ein Flüssigkeit wie z.B. Wasser benötigt werden, ist der Wärmetauscher 2 im System notwendig. Um eine zu große Wärmemenge am Wärmetauscher 2 zu verhindern, kann über den Bypass 14 die überschüssige thermische Energie direkt an die Brennstoffzelle 1 rückgeführt werden.Figure 4 illustrates a fuel cell system with heat exchanger and application device. The fuel cell 1 is supplied with fuel 16 and fresh air 9. The fuel cell 1 produces electricity on the one hand and waste heat on the other. This waste heat is fed directly as exhaust air fuel cell 8 a mixing valve 12. The exhaust gas 17 of the fuel cell 1 is optionally passed through a corresponding exhaust gas purification 18 and also fed to the mixing valve 12. From here the gas mixture goes directly to a heat exchanger 2 which in turn transfers the heat to the application device 3 e.g. a baking tube transmits. The waste heat of the application device 3 (e.g., hot air oven, hotplate, dishwasher .....) is returned to the heat exchanger 2 and passes in a row with the return air 15 to the fuel cell. Optionally, the fuel cell or the system is preheated there with the return air. Thereafter, the return air is discharged via the exhaust air 11 of the system to the environment. The heat exchanger 2 of the system can be omitted when working with air as the transmission medium. However, if a liquid such as e.g. Water are needed, the heat exchanger 2 in the system is necessary. In order to prevent an excessive amount of heat at the heat exchanger 2, the excess thermal energy can be recycled directly to the fuel cell 1 via the bypass 14.

Claims

6 AT 503 757 B1 The mixing valve 12, as well as the fuel cell 1 itself, are controlled by a controller. On the one hand, this determines the current thermal and electrical energy requirement of the application device (s) and regulates the mixing valve in order to provide the corresponding partial heat flow for the application devices, in combination with or even without additional electric heater 6. On the other hand, the fuel cell can be controlled with this control so that it works for the currently determined energy demand at the optimum operating point. Claims 1. A method of powering a kitchen and / or similar applications requiring at least 90 ° C of media temperatures with at least one thermal process such as cooking, dishwashing, and / or washing (3) at least partially through a high temperature fuel cell (1). is provided with operating temperatures above 100 ° C, characterized in that the heat supply of at least one of the thermal processes from the waste heat (8) (17) of the fuel cell or by combination of waste heat from the fuel cell with electric current (6).

2. The method according to claim 1, characterized in that the waste heat of the fuel cell optionally after appropriate cleaning (18) is used directly for supplying energy to the thermal process.

3. The method according to claim 1, characterized in that the waste heat of the fuel cell by means of one or more heat exchangers (2) is supplied to the thermal process.

4. The method according to claim 1 to 3, characterized in that the thermal process is preferably supplied from the waste heat of the fuel cell, and a possibly to cover the need missing energy part electrically (6) is provided by the fuel cell and / or from the public grid ,

5. The method according to any one of claims 1 to 4, characterized in that the fuel cell (1) is arranged in the same space as the thermal processes (3) and / or the distance between the fuel cell and the processes is less than 4 m.

6. The method according to any one of claims 1 to 5, characterized in that the fuel cell or the fuel cell system (1) is controlled so that the waste heat of the fuel cell or the fuel cell system (8) (17) heat at least the thermal energy for a process such as baking, cooking or washing supplies and the excess electrical energy is available for generating thermal energy for one or more further processes, or is fed into the public network (4).

7. The method according to any one of claims 1 to 5, with a controller which determines the current energy consumption of the individual processes (3), characterized in that this control of the sum of the thermal and electrical energy requirements of the individual processes, the optimum operating point of the fuel cell or Determined fuel cell system (1) and controls this or this so that the sum of the supplied by the fuel cell or the fuel cell system thermal and electrical energy of the sum of the thermal and electrical requirements of the individual processes.

8. The method according to any one of claims 1 to 5, with a controller which determines the current energy consumption of the individual processes (3), characterized in that this control of the sum of the energy requirement of the individual processes, the fuel cell or the fuel cell system (1) so regulates that the waste heat of the fuel cell or the fuel cell system at least provides the thermal energy for the processes and excess or missing electrical energy is fed into the network or obtained from the network.

9. Apparatus for carrying out the method according to claim 1 or one of the dependent claims, with at least one thermal load (3) which requires a medium temperature of at least 90 ° C, in which a line for heat supply opens characterized by the fact that a high-temperature fuel cell (1) an operating temperature of at least 100 ° C is provided, the waste heat pipe (8) (17) is connected to the heat supply line of the thermal load, via which the waste heat of the fuel cell can be supplied to the thermal load.

10. The device according to claim 9, characterized in that in the heat supply line of the thermal consumer, an exhaust gas cleaning system (18) is provided, in which the hot exhaust gases of the fuel cell are cleaned before they are introduced into the thermal load.

11. The device according to claim 9 and 10, characterized in that the waste heat pipe (8) (17) of the fuel cell via one or more heat exchangers (2) is connected to the heat supply line of the thermal load.

12. Device according to claims 9 to 11, characterized in that, in the heat supply line, one or more control valves, preferably designed as solenoid valves, are provided, which are controllable via a Dosierregelsystem which is connected to an electronic control.

13. The device according to claim 9 to 11 with an electrical connection (6) of the thermal load, characterized in that via an electric heater, if necessary, additional heat for the thermal load can be provided.

14. Device according to claims 9 to 11, characterized in that the thermal consumer (3) is a stovepipe, in particular a hot air baking tube.

15. Device according to claims 9 to 11 characterized in that the thermal consumer (3) is a hob, or at least a hotplate.

16. Device according to claims 9 to 11, characterized in that the thermal consumer (3) is a dishwasher.

17. Device according to claims 9 to 11, characterized in that the thermal consumer (3) is a tumble dryer.

18. Device according to claim 9 or one of the subclaims, characterized in that the high temperature fuel cell (1) is a solid oxide fuel cell (SOFC) or a molten carbonate fuel cell (MCFC). Including 4 sheets of drawings