DE10006006A1 - Kraft-Wärme-Kopplungsapparat - Google Patents

Abstract

Bei einem Kraft-Wärme-Kopplungsapparat mit einer Brennstoffzelle 10 und einem Brenner 3 soll entsprechend den jeweiligen Bedarfsverhältnissen elektrische Energie und/oder Wärme als Nutzenergie erzeugt werden. Die Brennstoffzelle 10 ist im Abgasstrom des Brenners 3 angeordnet. Der Brenner 3 ist mit seiner Steuereinrichtung 28 auf überstöchiometrischen Betrieb oder unterstöchiometrischen Betrieb einstellbar.

Description

Die Erfindung betrifft einen Kraft-Wärme-Kopplungsapparat mit einer Brennstoffzelle und einem Brenner, insbesondere Gasbrenner, mit dem ein Wärmetauscher beheizbar ist.

Eine derartige Kraft-Wärme-Kopplungsanlage ist in der DE 198 52 853 A1 beschrieben. Die Brennstoffzelle erzeugt aus einem Prozessgas und Luft elektrische Energie. Der Brenner beheizt einen Wärmetauscher, beispielsweise zur Raumheizung. Bei der DE 198 52 853 A1 ist ein Reformer vorgesehen, der aus Erdgas und Wasserdampf Wasserstoff für den Betrieb der Brennstoffzelle und Kohlendioxid erzeugt. Abgase der Brennstoffzelle und zusätzliches Gas werden dem Brenner zugeführt. In dessen Abgasstrom liegt der Wärmetauscher. Bei dieser Anlage ist der Reformer notwendig, um das Prozessgas für die Brennstoffzelle zu erzeugen.

Eine ähnliche Anlage ist in der DE 198 54 035 A1 beschrieben.

In der Dokumentation zur Fachtagung "Brennstoffzellen- Technologie für das 21. Jahrhundert?", 28. Oktober 1999, Wuppertal, Energieagentur NRW, S. 121, ist ein Reformierreaktor mit Gasreinigungsstufen für Brennstoffzellen beschrieben.

In der DE 44 33 425 A1 ist eine Regeleinrichtung für einen Gasgebläsebrenner beschrieben. Der jeweilige Lambdawert (Luftzahl) des jeweiligen Verbrennungszustandes wird über eine Ionisationselektrode erfasst und in der Regelschaltung mit einem eingestellten Sollwert verglichen. Die Zusammensetzung des Gas- Verbrennungsluft-Gemisches wird entsprechend nachgeregelt. Gewünscht ist ein überstöchiometrisches Verhältnis von Luft zu Gas, wobei der Lambda-Sollwert vorzugsweise zwischen 1,15 und 1,3 liegt. Es wird eine hinsichtlich der Emission und des feuerungstechnischen Wirkungsgrades optimale Verbrennung erreicht. Eine Weiterbildung ist in der EP 0 770 824 A2 beschrieben.

In der älteren Patentanmeldung 199 41 978 ist ein Verfahren zur Erzeugung eines Synthesegases zum Betrieb einer Brennstoffzelle beschrieben. Dabei wird ein Brennstoff, insbesondere Erdgas oder Erdöl, partiell oxidiert. Zum Starten des Verbrennungsvorganges wird eine Luftzahl < 1 (überstöchiometrischer Betrieb) eingestellt. Nach dem Starten des Verbrennungsvorganges wird auf eine Luftzahl < 1 (unterstöchiometrischer Betrieb) geregelt, um die partielle Oxidation zu erreichen.

In der Firmenschrift Sulzer Technical Review 3/98 (1998), Sonderdruck, S. 24 bis 27, Roland Diethelm, Sulzer Innotec, "Dezentral Strom erzeugen", sind die Vorteile einer dezentralen Stromerzeugung mittels Brennstoffzellen beschrieben. Es ist dort auf den Einsatz von SOFC (Solide Oxide Fuel Cell)- Brennstoffzellen hingewiesen. In der Firmenschrift Technical Review Sulzer 1997, Sulzer Management AG, CH 8401 Winterthur, ist der Aufbau eines ringförmigen Brennstoffzellenelements gezeigt. Zwischen einer Kathode und einer Anode ist ein Elektrolyt angeordnet. An die Kathode und an die Anode grenzt je ein Verteilerblock an, wobei der eine die Kathode mit Luft versorgt und aus dem anderen die Anode mit Erdgas beaufschlagt ist.

In der DE 44 38 555 C1 ist eine Brennstoffzellenanordnung beschrieben, die eine Reformierungseinrichtung umfasst.

Aus der DE 197 12 864 A1 (WO 98/44 582) ist eine Brennstoffzellenanordnung mit internen und externen Gasverteilungsvorrichtungen bekannt. Für ringförmige Brennstoffzellen-Stapelelemente ist der vorgeschlagene Aufbau wenig vorteilhaft.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Kraft-Wärme- Kopplungsapparat der eingangs genannten Art vorzuschlagen, mit dem entsprechend den jeweiligen Bedarfsverhältnissen elektrische Energie und/oder Wärme als Nutzenergie erzeugt wird.

Obige Aufgabe ist durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Der Apparat eignet sich zur Stromerzeugung und/oder Wärmeerzeugung in einem Gebäude. Wird hauptsächlich Wärme zur Raumheizung oder Brauchwasserbeheizung benötigt, dann wird der Brenner so eingestellt, dass er im überstöchiometrischen Luftzahlbereich arbeitet, in dem er einen hohen Wirkungsgrad für die Wärmeerzeugung hat.

Wird hauptsächlich elektrischer Strom zum Betrieb von elektrischen Anlagen benötigt, dann wird der Brenner so eingestellt, dass er im unterstöchiometrischen Bereich arbeitet, in dem eine partielle Oxidation erfolgt, wodurch ein Prozessgas entsteht, das in der Brennstoffzelle - in Verbindung mit Sauerstoff - zur Erzeugung elektrischer Energie führt.

Ein weiterer Vorteil des Apparats besteht darin, dass er einfach und kompakt unter Verwendung handelsüblicher Komponenten aufgebaut werden kann. Der Apparat kann in einer einzigen Baueinheit integriert sein.

In Ausgestaltung der Erfindung startet die Steuereinrichtung den Brenner zum Betrieb in einem unterstöchiometrischen Luftzahlbereich mit einer überstöchiometrischen Luftzahl. Damit sind die Schwierigkeiten vermieden, die sich bei einem Starten des Brenners mit unterstöchiometrischer Luftzahl ergeben (vgl. DE 199 41 978). Es ist damit erreicht, dass der Brenner bei jedem Startvorgang sicher und geräuscharm mit überstöchiometrischer Luftzahl anspringt bzw. startet und er erst nach dem Starten je nach dem gewünschten Betrieb mit der unterstöchiometrischen oder überstöchiometrischen Soll-Luftzahl weiterarbeitet.

um den wärmetechnischen Wirkungsgrad des Apparats zu verbessern, ist in Ausgestaltung der Erfindung ein weiterer Wärmetauscher vorgesehen, der die Abwärme der Brennstoffzelle aufnimmt und der mit dem vom Brenner beheizten Wärmetauscher strömungstechnisch in Reihe liegt. Damit ist auch die von der Brennstoffzelle abgegebene Wärmeenergie zur Raumheizung oder Brauchwasserheizung nutzbar.

Der Brenner wird vorzugsweise über ein Gebläse mit Verbrennungsluft versorgt. In Ausgestaltung der Erfindung dient dieses Gebläse auch der Speisung der Brennstoffzelle mit Luftsauerstoff.

In Weiterbildung der Erfindung ist im Abgasstrom des Brenners vor der Brennstoffzelle ein Gas-Konverter angeordnet, der den Wasserstoffgehalt des Abgasstromes des Brenners erhöht. Dies verbessert den Wirkungsgrad der Brennstoffzelle, da letzterer zur Erzeugung von elektrischem Strom Wasserstoff und Sauerstoff zugeführt werden muss.

Um zu vermeiden, dass die Brennstoffzelle durch einen zu hohen CO-Gehalt des Abgases geschädigt wird, kann der Gas-Konverter eine CO-Reinigungsstufe aufweisen.

Vorzugsweise liegt der vom Brenner beheizte Wärmetauscher im Abgasstrom des Brenners vor der Brennstoffzelle. Es ist damit erreicht, dass die hohe Abgastemperatur im Wärmetauscher genutzt wird und nicht unmittelbar auf die Brennstoffzelle wirkt. Eine hohe, auf die Brennstoffzelle wirkende Abgastemperatur, kann die Wirkungsweise nicht verbessern, sondern eher verschlechtern.

Vorzugsweise liegt der vom Brenner beheizte Wärmetauscher mit seinen Nachschaltheizflächen im Abgasstrom hinter dem Gas-Konverter. Dies vor allem, wenn die Brennstoffzelle eine PEM-Brennstoffzelle ist.

Die Unteransprüche 11 ff betreffen den kompakt integrierten Aufbau eines Kraft-Wärme-Kopplungsapparats, wobei durch die vorgeschlagene Gas-Luftführung die zur Verfügung stehenden Reaktionsflächen, insbesondere bei einem SOFC-Brennstoffzellenstapel, affektiv genutzt werden und eine vorteilhafte Abwärmenutzung möglich ist.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der folgenden Beschreibung. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 einen Kraft-Wärme-Kopplungsapparat schematisch in Vorderansicht,

Fig. 2 den Kraft-Wärme-Kopplungsapparat schematisch in Seitenansicht,

Fig. 3 einen Verlauf des Ionisationssignals des Brenners in Abhängigkeit von der Luftzahl,

Fig. 4 eine andere Ausführung eines Kraft-Wärme- Kopplungsapparats schematisch in Vorderansicht,

Fig. 5 eine Seitenansicht des Kraft-Wärme- Kopplungsapparats nach Fig. 4,

Fig. 6 einen Schnitt längs der Linie II-II nach Fig. 5 im luftseitigen Bereich eines Brennstoffzellenelements,

Fig. 7 einen Schnitt längs der Linie I-I nach Fig. 5 im verbrennungsgasseitigen Bereich eines Brennstoffzellenelements,

Fig. 8 einen Schnitt längs der Linie III-III nach Fig. 6, vergrößert,

Fig. 9 eine zu Fig. 6 alternative Ausgestaltung und

Fig. 10 die alternative Ausgestaltung in einer Ansicht entsprechend Fig. 7.

Der Kraft-Wärme-Kopplungsapparat arbeitet mit einem Gasheizgerät 1, das ein handelsübliches Gasheizgerät, beispielsweise des Typs HEC der Anmelderin sein kann. Anstelle des Gasheizgeräts kann auch ein mit einem anderen Heizmedium, beispielsweise Öl, gespeistes Heizgerät eingesetzt werden.

Das Gasheizgerät 1 weist in einer Brennkammer 2 einen Brenner 3 auf, dem eine Mischkammer 4 vorgeschaltet ist. Der Mischkammer 4 wird über ein Gasmengen-Regelventil 5 Gas und von einem Gebläse 6 Umgebungsluft zugeführt. In der Brennkammer 2 sind Vorschalt-Wärmetauscherflächen 7 angeordnet. Die Brennkammer 2 ist von einem Abgasführungsraum 8 ummantelt, in dem ein Nachschaltheizflächen bildender Wärmetauscher 9 angeordnet ist. Die Vorschalt-Wärmetauscherflächen 7 und die vom Wärmetauscher 9 gebildeten Nachschaltheizflächen übertragen somit Wärmeenergie des Brenners 3 auf den unten genannten Heizkreis 13.

Der Kraft-Wärme-Kopplungsapparat weist eine Brennstoffzelle 10 auf, die eine Polymermembran- Brennstoffzelle (PEM) oder Feststoff-Brennstoffzelle (SOFC), d. h. Solid-Oxyd-Fuell-Cell sein kann. Bei einer PEM-Brennstoffzelle fällt Abwärme in einem Temperaturniveau von etwa 80°C bis 120°C an. Bei einer SOFC-Brennstoffzelle fällt Abwärme in einem wesentlich höheren Temperaturniveau, nämlich etwa 850°C bis 1000°C an.

Die Brennstoffzelle 10 ist von einem Brennstoffzellenstapel gebildet. Sie gibt ihre Abwärme an einen weiteren, sie umgebenden Wärmetauscher 11 ab. Der weitere Wärmetauscher 11 und der Wärmetauscher 9 des Gasheizgeräts 1 sind strömungstechnisch in Reihe geschaltet. Dabei sind die Wärmetauscher 9 und 11 über ein Leitungsstück 12 verbunden. Die Wärmetauscher 9, 11 liegen in einem Heizkreis 13, in dem eine Umwälzpumpe 14 zur Förderung eines Wärmeträgermediums, beispielsweise Wasser, vorgesehen ist. In dem Heizkreis 13 liegen als Wärmeverbraucher ein Warmwasserspeicher 15 für Brauchwasser und eine Raumheizung 16, beispielsweise Raumheizkörper.

Beim in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiel liegt der Wärmetauscher 11 der Brennstoffzelle 10 in Strömungsrichtung des Heizkreises 13 vor dem Wärmetauscher 9 des Gasheizgeräts 1, weil die dortige Brennstoffzelle 10 eine PEM-Brennstoffzelle ist, bei der die Abwärme ein niedrigeres Temperaturniveau hat als die Wärme im Abgasführungsraum 8.

Wird jedoch eine SOFC-Brennstoffzelle verwendet, deren Abwärme-Temperaturniveau größer ist als das Temperaturniveau im Abgasführungsraum 8, dann wird der Wärmetauscher 11 in Strömungsrichtung des Heizkreises 13 hinter den Wärmetauscher 9 geschaltet, um das hohe Abwärme-Temperaturniveau der SOFC-Brennstoffzelle für die Wärmegewinnung zu nutzen.

Die Brennstoffzelle 10 ist über eine Abgasführungsleitung 17 an den Abgasführungsraum 8 so angeschlossen, dass das Abgas in die Brennstoffzelle 10 eintritt, nachdem es Wärme an den Wärmetauscher 9 abgegeben hat. Über die Abgasführungsleitung 17 wird der Brennstoffzelle 10 wasserstoffhaltiges Abgas zugeführt. Der Brennstoffzelle 10 wird Luft-Sauerstoff vom Gebläse 6 über eine Luftzuführungsleitung 18 zugeführt. Das Gebläse 6 versorgt also sowohl den Brenner 3 als auch die Brennstoffzelle 10 mit Luft-Sauerstoff. Mittels eines nicht näher dargestellten Verteilers kann eingestellt werden, in welchen Verhältnissen Luft dem Brenner 3 und/oder der Brennstoffzelle 10 zuzuführen ist.

Die Brennstoffzelle 10 weist einen elektrischen Ausgang 19 auf, an den über einen elektrischen Wandler, beispielsweise Gleichstrom/Wechselstrom-Wandler, oder Spannungswandler, elektrische Verbraucher des Gebäudes anschließbar sind.

An die Brennstoffzelle 10 ist ein Abgassammler 21 angeschlossen, der die Abgase des Kraft-Wärme- Kopplungsapparats in einen Kamin 22 ableitet.

Die Brennkammer 2 ist über einen Gas-Konverter 23 mit dem Abgasführungsraum 8 verbunden. Die heißen Verbrennungsabgase des Brenners 3 durchströmen also in Strömungsrichtung S nacheinander:
Brennkammer 2 - Gas-Konverter 23 - Abgasführung 8, in der die Nachschaltheizflächen angeordnet sind, - Abgasführungsleitung 17 - Brennstoffzelle 10 - Abgassammler 21 - Kamin 22.

Der Gas-Konverter 23 dient dazu, das Verbrennungsabgas, das der Brenner 3 bei unterstöchiometrischem Betrieb (Luftzahl < 1) durch partielle Oxidation erzeugt, in ein wasserstoffreiches Prozessgas für die Brennstoffzelle 10 auf katalytischem Wege umzuwandeln. Der Gas-Konverter 23 enthält wenigstens eine, im Beispielsfalle zwei, aufeinanderfolgende Katalysatorstufen 24, 25, die das bei partieller Oxidation (Luftzahl < 1) CO-reiche H₂-Prozessgas in zusätzlichen Wasserstoff umwandeln.

Der Gas-Konverter 23 enthält in Strömungsrichtung hinter den Katalysatorstufen 24, 25 eine CO-Reinigungsstufe 26, die dazu dient, den CO-Gehalt des Abgases zu reduzieren, um eine Schädigung der Brennstoffzelle 10 durch einen zu hohen CO-Gehalt zu vermeiden.

Die Brennstoffstelle 10 erzeugt aus wasserstoffreichem Prozessgas und Luftsauerstoff Wärme und/oder Strom.

In der Flammenzone F ist eine Ionisationselektrode 27 angeordnet, die an eine Steuer- bzw. Regeleinrichtung 28 angeschlossen ist. Die Ionisationselektrode 27 leitet aus dem jeweiligen in der Flammenzone F herrschenden Brennzustand ein Ionisationssignal in der aus dem oben genannten Stand der Technik (DE 44 33 425, EP 0 770 824) bekannten Weise ein Ionisationssignal Ui ab, das der Luftzahl L entspricht (vgl. Fig. 3). Die Regel- bzw. Steuereinrichtung 28 ermittelt dieses Ionisationssignal Ui. Die Regel- bzw. Steuereinrichtung 28 steuert den Öffnungsgrad des Gasmengen-Regelventils 5 und/oder die Drehzahl des Gebläses 6, um eine im jeweiligen Betriebsfall gewünschte Luftzahl L des Verbrennungsvorgangs des Brenners 3 einzustellen. Die Steuerung des Gasmengen-Regelventils 5 ist durch Leitungen 29 angedeutet. Die Steuerung des Gebläses 6 ist durch die Leitung 30 dargestellt (vgl. Fig. 1).

Der Regel-Steuereinrichtung 28 ist ein Sollwertgeber 31 zugeordnet. Dieser gibt entsprechend dem jeweiligen Energiebedarf ob der Kraft-Wärme-Kopplungsapparat zur überwiegenden Wärmeerzeugung mit einer überstöchiometrischen Luftzahl (L < 1) oder für eine überwiegende elektrische Stromerzeugung mit einer unterstöchiometrischen Luftzahl (L < 1) betrieben werden soll. Er gibt auch die jeweiligen Luftzahlen, beispielsweise 1,3 für überstöchimetrischen Betrieb und beispielsweise 0,6 für unterstöchiometrischen Betrieb vor (vgl. Fig. 3). Außerdem gibt der Sollwertgeber 31 denjenigen Luftzahlwert vor, mit dem der Brenner - unabhängig von der nach dem Starten gewünschten Betriebsweise - gestartet werden soll. Beispielsweise liegt diese Luftzahl bei 1,3. Dadurch ist gewährleistet, dass bei jedem Brennerstart - auch wenn er an sich für den unterstöchiometrischen, der Erzeugung elektrischer Energie dienenden Betrieb arbeiten soll, er zunächst überstöchiometrisch, d. h. sicher und geräuscharm gestartet wird.

Die möglichen Betriebsweisen des beschriebenen Kraft-Wärme-Kopplungsapparats sind im wesentlichen folgende:

Wird vom Benutzer gewünscht, dass der Apparat überwiegend Wärme erzeugt, dann wird der Brenner mit einem entsprechenden überstöchiometrischen Luftzahl-Sollwert, beispielsweise 1,3, betrieben. Der Konverter 23 wird dabei mit vollständig verbranntem Abgas beaufschlagt, das sich im wesentlichen aus Stickstoff, CO₂ und Wasserdampf zusammensetzt. Die katalytischen Umwandlungsprozesse sind in diesem Betriebsmodus gering, da der CO-Gehalt des Abgases sehr niedrig ist. Dieser Betriebsmodus ist für den Konverter 23 unschädlich.

Am Wärmetauscher 9 fällt mit hohem Wirkungsgrad Wärme an, die im Heizkreis 13 nutzbar ist. Zusätzliche, im Heizkreis 13 nutzbare Wärme fällt über den Wärmetauscher 11 der Brennstoffzelle 10 an. Die Brennstoffzelle 10 erzeugt in diesem Betriebszustand praktisch keinen elektrischen Strom, weil ihr kein passendes Prozessgas über die Abgasführungsleitung 17 zugeführt wird. Jedoch wird ihre Abwärme genutzt.

Wird benutzerseitig elektrischer Strom vom Apparat gewünscht, dann wird die Luftzahl auf einen Sollwert < 1 eingestellt. Der Brenner 3 arbeitet dann unterstöchiometrisch, wobei sich das Abgas nun im wesentlichen aus H₂, CO₂, CO, N₂ und H₂O zusammensetzt. In diesem Abgasstrom wird der Gas-Konverter 23 so wirksam, dass er der Brennstoffzelle 10 ein wasserstoffreiches Prozessgas zuführt, aus dem sie mit der ihr zugeführten, nötigenfalls befeuchteten, Luft elektrischen Strom erzeugt. In den Katalysatorstufen 24, 25 wird CO + H₂O + Wärme in CO₂ + H₂ umgesetzt. In der CO-Reinigungsstufe wird CO + O₂ in CO₂ umgesetzt. Wird eine SOFC-Brennstoffzelle verwendet, dann kann der Gas-Konverter 23 entfallen, wenn durch die partielle Oxidation ein ausreichend hoher Wasserstoffanteil erreicht ist und/oder in der Brennstoffzelle eine interne Reformierung erfolgt.

Die im Wärmetauscher 9 und im Wärmetauscher 11 der Brennstoffzelle 10 anfallende Wärme ist parallel zur Brauchwassererwärmung oder Raumheizung nutzbar.

Bei der oben beschriebenen Anordnung, bei der der Gas-Konverter 23 in Strömungsrichtung vor dem Wärmetauscher liegt, ist das Temperaturniveau am Ende der Vorschaltheizflächen etwa 100°C. An den Nachschaltheizflächen wird das Synthesegas auf die für die Brennstoffzelle geeignete Temperatur bei einer PEM- Brennstoffzelle < 100°C abgekühlt. Der Gas-Konverter 23 kann in Strömungsrichtung hinter dem Wärmetauscher 9 angeordnet werden, wenn das Temperaturniveau am Austritt aus dem Wärmetauscher bei etwa 300°C liegt oder der Gas-Konverter beheizbar ist. Bei Verwendung einer PEM-Brennstoffzelle muss das Synthesegas dann wieder auf ein Temperaturniveau von etwa 100°C abgekühlt werden.

Im Interesse des Nutzers soll eine möglichst kurze Amortisationszeit des Kraft-Wärme-gekoppelten Apparates erreicht werden. Die im Jahresmittel gewonnene elektrische Strommenge sollte deshalb möglichst hoch sein. Damit die Abwärme sinnvoll genutzt wird, muss im Sommerbetrieb ein großer Wasserspeicher, beispielsweise 600 l, als Wärmesenke zur Verfügung stehen. Wenn die Brennstoffzelle bei niedriger Leistung im Dauerbetrieb betreibbar sein soll, muss auch die Synthesegasherstellung bei geringem Brennstoffvolumenstrom ablaufen. Es ergibt sich damit die Forderung nach einer möglichst kleinen Leistungsstufe für den Sommerbetrieb.

Im Winterbetrieb sollte die Aufheizzeit möglichst klein sein, damit der Apparat nach einer Ladung des Warmwasserspeichers 15 schnell wieder zur Raumheizung zur Verfügung steht. Es ergibt sich daraus die Forderung nach einer angemessen hohen Leistungsstufe. Beim beschriebenen Apparat lässt sich ein derartiger Modulationsbereich bzw. Leistungsbereich mit einer Regeleinrichtung erreichen, wie sie beispielsweise in der DE 44 33 425 A1 und der Patentanmeldung 199 41 978 beschrieben ist.

Der große Modulationsbereich lässt sich sowohl im stromgeführten Betrieb als auch im wärmegeführten Betrieb realisieren. Eine mögliche Regelungsstrategie ist es, die Regelung so auszulegen, dass der Apparat zu Spitzenlastzeiten des öffentlichen Netzes Strom in das öffentliche Netz einspeist, um eine hohe Einspeisungsvergütung vom jeweiligen Elektrizitätsversorgungsunternehmen zu erhalten. In diesem Modus arbeitet der Apparat "stromgeführt"; er nutzt dabei die Abwärme zu Heizungszwecken. "Wärmegeführt" arbeitet der Apparat dann, wenn die Deckung des Wärmebedarfs des Gebäudes, in dem der Apparat installiert ist, im Vordergrund der Regelungsstrategie steht. Der Strom wird in diesem Fall zur Deckung des Eigenbedarfs genutzt.

Die Ausführungsbeispiele nach den Fig. 4 bis 10 zeigen Alternativen zum obigen Ausführungsbeispiel. Es ist hier ein Gaskonverter 23 nicht nötig. Das Gasheizgerät 1 kann ein Gasheizgerät des Typs HEC der Anmelderin sein, wobei es sich um ein sog. Brennwertgerät handelt. Die Brennstoffzelle 10 ist von einem Stapel 32 aus mehreren ringförmigen SOFC-Zellenelementen 33 gebildet, die zwischen Gas-Luft-Verteilerblöcken 34 eine Kathode 35, einem Elektrolyten 36 und eine Anode 37 aufweisen. Infolge der Ringform besteht im Stapel 32 ein zentraler Schacht 38.

Der Stapel 32 ist beim Ausführungsbeispiel nach den Fig. 1 bis 8 in einen viereckigen ein Gehäuse 39 bildenden Hohlkörper eingesetzt. Der Stapel 32 ist beim Aufbau nach den Fig. 9 bis 10 in zwei mehreckige Hohlkörper eingesetzt, wobei der eine das viereckige Gehäuse 39 und der andere eine im Gehäuse 39 angeordnete achteckige Rohrform 40 bildet.

Wenigstens eine der vier Wandungen, vorzugsweise alle vier Wandungen des Gehäuses tragen einen Wärmetauscher 41, der strömungstechnisch in Reihe mit dem oben beschriebenen Wärmetauscher 9 des Gasheizgeräts 1 in dem von einem Wärmeträgerfluid durchströmbaren Nutz-Heizkreis 13 liegt. Der Wärmetauscher 41 bildet ausgangsseitig den Vorlauf zum Heizkreis 13.

Im Gehäuse 39 sind mittels Wänden 42, 43 zwei Luftzuführungsschächte 44 gebildet. Am Außenumfang des Stapels 32 liegen in vier Bereichen, vorzugsweise mittels nicht näher dargestellter Dichtmittel, abgedichtet zwei gegenüberliegende Wandungen 45, 46 des Gehäuses 39 und die Wände 42, 43 tangential an.

Bei der Ausführung nach den Fig. 6 bis 8 besteht infolge des kreisförmigen Querschnitts des Stapels 32 und der Viereckform des Gehäuses 39 vier Eckschächte 47, 48, 49, 50. Die beiden diagonal gegenüberliegenden Eckschächte 47, 49 dienen als Abgassammelschächte. Die beiden anderen diagonal gegenüberliegenden Eckschächte 48, 50 dienen als Luftverteilräume (vgl. Fig. 6 bis 8).

Das den Stapel 32 beinhaltende Gehäuse 39 ist oben auf das Gasheizgerät 1 aufgesetzt, wobei sich der zentrale Schacht 38, die Luftzuführungsschächte 44 und die Eckschächte 47 bis 50 in Strömungsrichtung vertikal erstrecken. Das Gehäuse 39 ist oben durch einen Deckel 51 verschlossen.

Den Luftzuführungsschächten 44 wird vom Gebläse 6 geförderte Luft über die Luftzuführungsleitung 18 unten zugeführt. Oben, unter dem Deckel 51, sind die Luftzuführungsschächte 44 mit den als Luftverteilräume dienenden Eckschächten 48, 50 verbunden. Diese Eckschächte 48, 50 können zum Stapel 32 hin durch Wandungen 52 begrenzt sein, die dort seitliche Öffnungen 53 aufweisen, wo Luft kathodenseitig in den jeweiligen Verteilerblock 34 eintreten soll (vgl. Fig. 6, 8). Im Verteilerblock 34 tritt die Luft zunächst in einen der Erwärmung der Luft dienenden Ringraum 34a ein, aus dem sie zwischen Noppen 34b die Kathode 35 beaufschlagt (vgl. Pfeil A in Fig. 6, 8).

Dem zentralen Schacht 38 wird direkt aus der Brennkammer 2 - für den der Erzeugung von elektrischem Strom dienenden Brennstoffzellenbetrieb in einer chemischen Verbindung wasserstoffreiches - Verbrennungsabgas VG bzw. Synthesegas als Prozessgas unten zugeführt. Das Verbrennungsabgas VG gelangt zwischen weiteren Noppen 34c des jeweiligen Verteilerblocks 34 an die jeweiligen Anoden 37 der Zellenelemente 33 (vgl. Pfeil B in Fig. 7, 8).

Die für die Erzeugung von elektrischem Strom wesentliche Reaktion ist folgende:

• 1. An der Kathode 35:
  1/2O₂ + 2e^- → 1/2O₂ ^2-.
  Das Sauerstoffatom aus dieser Reaktion nimmt bei Temperaturen zwischen 800°C und 1000°C zwei Elektronen auf, es wird zu einem Ion und wandert durch den bei dieser Temperatur leitfähigen Feststoff-Elektrolyten 36 zur Anode 37.
• 2. An der Anode 37:
  • a) H₂ + O^2- → H₂O + 2e^-
  • b) CO + O^2- → CO₂ + 2e^-
  • c) CH₄ + 4O^2- → 2H₂O + CO₂ + 8e^-

Durch die chemischen Reaktionen an der Anode 37 und der Kathode 35 entsteht an der Anodenseite ein Elektronenüberschuss und an der Kathodenseite ein Elektronenmangel, woraus sich eine elektrisch nutzbare Spannung zwischen der Anode und der Kathode jedes Zellenelements 33 ergibt. Durch eine nicht näher dargestellte elektrische Zusammenschaltung der Zellenelemente 33 lässt sich dadurch Strom erzeugen.

Die durch obige Reaktion verbrauchte Luft Av und das durch obige Reaktion verbrauchte Verbrennungsabgas Bv strömen als Abgas AG in die als Abgassammelräume dienende Eckschächte 47, 49 (vgl. Fig. 6, 7, 8). Dabei ist durch die Wandungen 52 und/oder das Anliegen des Umfangs des Stapels 32 an den Wandungen 42, 43, 45, 46 vermieden, dass ein strömungstechnischer Kurzschluss zwischen der Luft und dem Abgas entsteht.

Das Abgas AG tritt aus den als Abgassammelräumen dienenden Eckschächten 47, 49 nach unten aus dem Gehäuse 39 aus und beaufschlagt den Wärmetauscher 9 des Gasheizgeräts 1 und geht dann in den Kamin 22.

Die sonstigen Einrichtungen und Betriebsabläufe der Ausführungsbeispiele nach den Fig. 4 bis 10 entsprechen dem, speziell zu den Fig. 1 bis 3, weiter oben Beschriebenen.

Zwischen den Luftzuführungsschächten 44 und den Luftverteilungsräume bildenden Eckschächten 48, 50 sowie den Abgassammelräume bildenden Eckschächten 47, 49 und dem Wärmetauscher 41 findet ein Wärmeaustausch statt, weil diese Schächte bzw. Räume in gut wärmeleitender Verbindung stehen.

Bei einem Betriebsbeginn wird, wie oben beschrieben, ein Betrieb des Brenners 3 zunächst mit einem überstöchiometrischen Gemisch, d. h. Luftzahl L < 1, eingeleitet, wobei der Stapel 32 auf eine Betriebstemperatur derart gebracht wird, dass danach zur Stromerzeugung in einen unterstöchiometrischen Betrieb, d. h. bei < 1, umgeschaltet werden kann.

Um zu vermeiden, dass bei Betriebsbeginn das durch den Wärmetauscher 41 strömende, noch kalte Wärmeträgermedium die über die Luftzuführungsschächte 44 zugeführte Luft abkühlt, kann ein Bypass 54 zum Wärmetauscher 41 vorgesehen sein (vgl. Fig. 5). Bei Betriebsbeginn ist der Bypass 54 mittels eines entsprechenden Ventils offengeschaltet, so dass das kalte Wärmeträgermedium die durch die Luftzuführungsschächte 44 strömende Luft nicht zusätzlich abkühlt. Im Betrieb wird der Bypass 54 geschlossen, so dass das Wärmeträgermedium die durch die Luftzuführungsschächte 44 strömende Luft erwärmen kann.

Im stromerzeugenden, exothermen Brennstoffzellenbetrieb wird über den Wärmetauscher 41 einerseits die vom Gebläse geförderte Luft in den Luftzuführungsschächten 44 vorgewärmt und andererseits wird dem Wärmetauscher 41 vom heißen, die Eckschächte 47, 49 durchströmenden Abgas Wärme zugeführt.

Die Ausführung nach den Fig. 4 bis 10 hat den Vorteil, dass in kompakter Bauweise der Kraft-Wärme- Kopplungspparat die Brennstoffzelle 10 und ein marktbekanntes Gasheizgerät integriert. Weiter ergibt sich der Vorteil, dass durch die beschriebene Luft-Gasführung die in der Brennstoffzelle 10 bzw. dem Stapel 32 bestehenden Reaktionsflächen hocheffektiv ausgenutzt werden. Günstig ist auch, dass die Abwärme des Abgases AG in dem Nachschaltheizflächen bildenden Wärmetauscher 9 des Gasheizgeräts 1 genutzt wird. Insgesamt ergibt sich dabei ein hoher elektrischer Wirkungsgrad bei entsprechend hoher elektrischer Stromdichte in den Zellenelementen 33.

Bei dem Ausführungsbeispiel nach den Fig. 9 und 10, das eine Weiterbildung des Ausführungsbeispiels nach den Fig. 4 bis 8 ist, ist der Stapel 32 in ein gleichseitig achteckiges Rohr 40 eingesetzt, das außenseitig mit vier seiner Seiten an den Wandungen 42, 43, 45, 46 wärmeleitend anliegt. Das Rohr 40 bildet mit zwei weiteren seiner Seiten die Wandungen 52 der Fig. 6 und 7. Die übrigen zwei Wandungen 55 des Rohres 40 begrenzen die Eckschächte 47 und 49 und liegen wie die anderen Wandungen tangential am Außenumfang des im Querschnitt kreisförmigen Stapels 32 an. Bei dieser Ausführung bilden die vier Eckschächte 47, 48, 49, 50 Luftverteilräume. Innenseitig bestehen bei dieser Ausführung zwischen den Wandungen des Rohres 40 und der Außenfläche des Stapels 32 Eckräume 56, die als Abgassammelräume dienen.

Aus den vier Luftverteilräumen 47 bis 50 ist den jeweiligen Zellenelementen 33 die Luft kathodenseitig jeweils über vier seitliche Öffnungen 53 zuführbar (vgl. Fig. 9), was eine über die Kathode gesehen, gegenüber Fig. 6 verbesserte Vergleichmäßigung der Luftzuführung bedeutet. Über die acht Eckräume 56 kann das Abgas AG abgeleitet werden (vgl. Fig. 10), was eine Vergleichmäßigung der Abführung der kathodenseitig verbrauchten Luft AV und des anodenseitig verbrauchten Gases Bv bedeutet.

Es ist nicht notwendig, dass das Rohr 40 als vorgefertigtes Rohrstück in das Gehäuse 39 eingesetzt wird. Eine acht- oder mehreckige Rohrform kann auch dadurch erreicht werden, dass entsprechende Wandungen im Gehäuse 39 gestaltet sind.

In den Fig. 4 bis 10 sind mehreckige Hohlkörper, wie Gehäuse 39 und Rohr 40, zur Aufnahme des Stapels 32 gezeigt. Anstelle der mehreckigen Querschnittsform kann auch eine runde Querschnittsform vorgesehen sein, wobei dann durch entsprechende Zwischenelemente die Trennung zwischen den Luftverteilräumen und den Abgassammelräumen geschaffen werden kann. Die Zwischenelemente können mehr oder weniger radial zum zentralen Schacht 38 verlaufen.

Claims (24)

1. Kraft-Wärme-Kopplungsapparat mit einer Brennstoffzelle und einem Brenner, insbesondere Gasbrenner, mit dem ein Wärmetauscher beheizbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzelle (10) im Abgasstrom des Brenners (3) angeordnet ist und der Brenner (3) mittels einer Steuereinrichtung (28) derart umstellbar ist, dass er wahlweise überstöchiometrisch (Luftzahl < 1) oder unterstöchiometrisch (Luftzahl < 1) arbeitet, wobei die Steuereinrichtung (28) den Brenner (3) auf wenigstens einen ersten überstöchiometrischen Luftzahl-Sollwert einstellt, um überwiegend den Wärmetauscher (9) zur Wärmegewinnung zu beheizen und die Steuereinrichtung (28) den Brenner (3) auf wenigstens einen unterstöchiometrischen Luftzahl- Sollwert einstellt, um elektrische Energie aus der Brennstoffzelle (10) zu gewinnen.

2. Kraft-Wärme-Kopplungsapparat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (28) den Brenner (3) zum Betrieb in einem unterstöchiometrischen Luftzahlbereich mit einer überstöchiometrischen Luftzahl startet.

3. Kraft-Wärme-Kopplungsapparat nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein weiterer Wärmetauscher (11) vorgesehen ist, der die Abwärme der Brennstoffzelle (10) aufnimmt und der mit dem vom Brenner (3) beheizten Wärmetauscher (9) strömungstechnisch in Reihe liegt.

4. Kraft-Wärme-Kopplungsapparat nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Gebläse (6) dem Brenner (3) Luft zuführt und dieses Gebläse (6) auch die Brennstoffzelle (10) mit, vorzugsweise befeuchteter, Luft versorgt.

5. Kraft-Wärme-Kopplungsapparat nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Abgasstrom des Brenners (3) vor der Brennstoffzelle (10) ein Gas-Konverter (23) angeordnet ist, der Wasserstoff im Abgasstrom anreichert.

6. Kraft-Wärme-Kopplungsapparat nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Gas-Konverter (23) wenigstens zwei Katalysatorstufen (24, 25) und eine CO-Reinigungsstufe (26) umfasst.

7. Kraft-Wärme-Kopplungsapparat nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der vom Brenner (3) beheizte Wärmetauscher (9) im Abgasstrom des Brenners (3) vor der Brennstoffzelle (10) liegt.

8. Kraft-Wärme-Kopplungsapparat nach einem der vorhergehenden Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der vom Brenner (3) beheizte Wärmetauscher (9) im Abgasstrom hinter dem Gas-Konverter (23) liegt.

9. Kraft-Wärme-Kopplungsapparat nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher (9) in einem Abgasführungsraum (8) angeordnet ist, der eine den Brenner (3) enthaltende Brennkammer (2) ummantelt.

10. Kraft-Wärme-Kopplungsapparat nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Abgasstrom die Brennkammer (2) und den Abgasführungsraum (8) im Gegenstrom durchströmt.

11. Kraft-Wärme-Kopplungsapparat nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Brennstoffzelle von einem Stapel (32) aus mehreren Zellenelementen (33) gebildet ist, und im Stapel (32) ein zentraler Schacht (38) besteht, dadurch gekennzeichnet, dass der Stapel (32) in wenigstens einen Hohlkörper (39, 40) eingesetzt ist, wodurch Eckschächte(47 bis 50) und/oder Eckräume (56) bestehen, die als Luftverteilräume mit Kathodenseiten der Zellenelemente und als Abgassammelräume mit Anodenseiten der Zellenelemente in Verbindung stehen.

12. Kraft-Wärme-Kopplungsapparat nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Stapel (32) in ein Gehäuse (39), insbesondere mit mehreckigem Querschnitt, eingesetzt ist, wodurch Eckschächte (47 bis 50) gebildet sind, und dass wenigstens ein Eckschacht (48, 50) einen Luftverteilraum für dis Luftzufuhr zu Zellenelementen (33) ist, und dass wenigstens einer der anderen Eckschächte (47, 49) ein Abgassammelraum ist, aus dem Abgas aus den Zellenelementen (33) abführbar ist.

13. Kraft-Wärme-Kopplungsapparat nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Stapel (32) in eine Rohrform (40) eingesetzt ist, wodurch Eckräume (56) gebildet sind, die über die Zellenelemente (33) mit dem zentralen Schacht (38) in Verbindung stehen, und dass die Rohrform (40) in ein Gehäuse eingesetzt ist, wodurch Eckschächte (47 bis 50) bestehen, die Luftverteilräume sind, welche mit Zellenelementen (33) in Verbindung stehen.

14. Kraft-Wärme-Kopplungsapparat nach einem der vorhergehenden Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Querschnitt des Gehäuses (39) und/oder der Rohrform (40) mehreckig ist.

15. Kraft-Wärme-Kopplungsapparat nach einem der vorhergehenden Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Luftverteilraum (48, 50; 47 bis 50) über jeweils wenigstens eine Öffnung (53) mit mehreren Zellenelementen (33) in luftleitender Verbindung steht.

16. Kraft-Wärme-Kopplungsapparat nach einem der vorhergehenden Ansprüche 11 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass der zentrale Schacht (38) so oberhalb der Brennkammer (2) des Brenners (3) angeordnet ist, dass ihm das Verbrennungsabgas des Brenners (3) ohne chemische Umsetzung zugeführt ist.

17. Kraft-Wärme-Kopplungsapparat nach einem der vorhergehenden Ansprüche 11 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass Wandungen des Hohlkörpers zum Wärmeaustausch aus gut wärmeleitendem Material bestehen.

18. Kraft-Wärme-Kopplungsapparat nach einem der vorhergehenden Ansprüche 11 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass Wandungen des Gebläses (39) wenigstens teilweise einen von einem Wärmeträgerfluid durchströmten Wärmetauscher (41) tragen, wobei der Wärmetauscher (41) in einem Nutz-Heizkreis (13) strömungstechnisch in Reihe zu einem Wärmetauscher (9) des Gasheizgeräts (1) geschaltet ist.

19. Kraft-Wärme-Kopplungsapparat nach einem der vorhergehenden Ansprüche 11 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher (41) ausgangsseitig den Vorlauf für den Nutz-Heizkreis bildet.

20. Kraft-Wärme-Kopplungsapparat nach einem der vorhergehenden Ansprüche 11 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass im Gehäuse (39) wenigstens ein Luftzuführungsschacht (44) gebildet ist, der in wenigstens einen einen Luftverteilraum bildenden Eckschacht (48, 40) mündet.

21. Kraft-Wärme-Kopplungsapparat nach einem der vorhergehenden Ansprüche 11 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass der zentrale Schacht (38) und die Eckschächte (47 bis 50) und ggf. die Eckräume (56) im Gehäuse (39) so angeordnet sind, dass sie im wesentlichen vertikal durchströmt werden.

22. Kraft-Wärme-Kopplungsapparat nach einem der vorhergehenden Ansprüche 11 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (39) oben auf einem den Brenner (3) beinhaltenden Gasheizgerät (1) angeordnet ist.

23. Kraft-Wärme-Kopplungsapparat nach einem der vorhergehenden Ansprüche 22 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass dem Luftzuführungsschacht (44) die Luft von einem Gebläse (6) unten zugeführt wird und der Luftzuführungsschacht (44) oben mit dem einen Luftverteilraum bildenden Eckschacht (48, 50) verbunden ist.

24. Kraft-Wärme-Kopplungsapparat nach einem der vorhergehenden Ansprüche 11 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass ein Bypass (54) zum Wärmetauscher (41) vorgesehen ist.