DE10059892A1 - Verfahren zum Betrieb eines Kraft-Wärme-Kopplungsapparats und Kraft-Wärme-Kopplungsapparat - Google Patents
Verfahren zum Betrieb eines Kraft-Wärme-Kopplungsapparats und Kraft-Wärme-KopplungsapparatInfo
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Abstract
Ein Verfahren zum Betrieb eines Kraft-Wärme-Kopplungsapparats zur Heizung und zur Stromerzeugung mittels einer Brennstoffzelle soll mit hohem Wirkungsgrad arbeiten. Das Abgas (Offgas O') der Brennstoffzelle 2 wird ständig und vollständig einer Mischkammer 9 zugeführt. Um die Verbrennbarkeit des Abgases zu erhöhen, wird der Mischkammer 9 je nach Bedarf Brennstoff B und/oder Luft L zugeführt. Das in der Mischkammer 9 gemischte Gas O'' wird einem Brenner 13 einer Nachverbrennungseinrichtung 14 zugeführt.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren nach dem Oberbegriff des
Anspruchs 1 und einen Apparat zur Durchführung des Verfahrens.
In der DE 198 54 035 A1 ist eine Heizeinrichtung mit einer
Brennstoffzelle, also ein Kraft-Wärme-Kopplungsapparat, beschrieben.
Ein mit Wasserdampf und Erdgas gespeister Reformer erzeugt ein
Synthesegas für die Brennstoffzelle. Das Abgas (Offgas) der
Brennstoffzelle wird über ein Proportionalventil teilweise einem Brenner
und teilweise dessen Brennraum zugeführt. Im Brennraum ist ein der
Heizung dienender Wärmetauscher angeordnet. Die Abwärme der
Brennstoffzelle wird allenfalls über deren Abgas (Offgas), ansonsten
jedoch nicht genutzt. Bei der DE 198 54 035 A1 wird ein Teil der
Wärmeenergie des Offgases nicht für die Verbrennung genutzt.
In der DE 199 56 220 A1 ist eine Brennstoffzellenanordnung
beschrieben, der ein katalytischer Nachbrenner zugeordnet ist, welchem
über separate Leitungen das Abgas (Offgas) der Brennstoffzelle
zugeführt wird. Der Nachbrenner muss ein katalytischer Nachbrenner
sein, da in diesem Fall Brenner, die keine katalytischen Brenner sind,
die eingesetzte Primärenergie kaum nutzen können. Denn für normale
Brenner reicht die Zündfähigkeit des Abgases (Offgases) der
Brennstoffzelle nicht aus. Katalytische Brenner sind wegen der nötigen
Platin- oder Paladium-Beschichtung teuer. Zudem nimmt die
Katalysewirkung im Laufe der Zeit ab.
In der nicht vorveröffentlichten DE 199 41 978 ist ein Verfahren und
eine Einrichtung zur Erzeugung eines Synthesegases zum Betrieb einer
Brennstoffzelle beschrieben. Das Synthesegas wird durch die
Verbrennung eines Brennstoffs erzeugt. Die Verbrennung wird derart
geregelt, dass zum Starten des Verbrennungsvorganges das Brennstoff-
Luftgemisch auf eine Luftzahl < 1 eingestellt wird. Nach dem Starten
wird das Brennstoff-Luftgemisch auf eine Luftzahl < 1 geregelt. Im
Startvorgang wird die Brennstoffmenge nach einer Rampenfunktion
erhöht. Die Rampenfunktion ist durch eine vorgegebene Sicherheitszeit
begrenzt (vgl. DE 196 18 573 C1).
In der nicht vorveröffentlichten DE 100 06 006 ist ein Kraft-Wärme-
Kopplungsapparat mit einer Brennstoffzelle und einem Brenner
beschrieben. Die Brennstoffzelle ist im Abgasstrom des Brenners
angeordnet. Der Brenner ist mittels einer Steuereinrichtung derart
umstellbar, dass er wahlweise überstöchiometrisch (Luftzahl < 1) oder
unterstöchiometrisch (Luftzahl < 1) arbeitet. Die Steuereinrichtung stellt
den Brenner auf einen überstöchiometrischen Luftzahl-Sollwert ein, um
überwiegend den Wärmetauscher zur Wärmegewinnung zu beheizen.
Die Steuereinrichtung stellt einen unterstöchiometrischen Luftzahl-
Sollwert ein, um elektrische Energie aus der Brennstoffzelle zu
gewinnen. Das die Brennstoffzelle verlassende Abgas (Offgas) gibt
seine Abwärme an einen Wärmetauscher ab.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren mit hohem Wirkungsgrad
der Ausnutzung von Primärenergie vorzuschlagen. Außerdem ist
Aufgabe der Erfindung, einen Kraft-Wärme-Kopplungsapparat zur
Durchführung des Verfahrens vorzuschlagen.
Erfindungsgemäß ist obige Aufgabe bei einem Verfahren der eingangs
genannten Art durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.
Das die Brennstoffzelle verlassende Offgas enthält Stickstoff,
Kohlendioxid, Kohlenmonoxid, wenig Wasserstoff und wenig Sauerstoff.
Dieses Offgas ist somit ein zündunwilliges Gemisch. Um die
Zündfähigkeit des Offgases zu erhöhen, wird diesem Brennstoff,
beispielsweise Erdgas, und/oder Luft (Sauerstoff) je nach den
jeweiligen Verhältnissen zugeführt. Dadurch lässt sich auch vermeiden,
dass beim dynamischen Betrieb der Brennstoffzelle kurzzeitig
möglicherweise auftretende Wasserstoffanteile zu einem
Zurückschlagen der Flammen in den Brenner führen.
Durch die weitgehende Verbrennung des Offgases ist auch erreicht,
dass vergleichsweise wenig umweltschädliche Abgase in die Umgebung
gelangen.
Das beschriebene Verfahren hat den Vorteil, dass als Brenner der
Nachverbrennungseinrichtung ein nichtkatalytischer Brenner verwendet
werden kann. Dieser vermeidet die Nachteile eines katalytischen
Brenners, die in der aufwändigen Herstellung, der Abnahme der
Katalysewirkung im Betrieb und der Beeinflussung der
Katalysatorwirkung durch Abgase bestehen.
Durch die beschriebenen Maßnahmen ist auch erreicht, dass der Kraft-
Wärme-Kopplungsapparat flexibel an den jeweiligen Wunsch nach der
Erzeugung von mehr oder weniger elektrischer Energie und mehr oder
weniger Heizungsenergie anpassbar ist.
Eine schnelle Anpassung des jeweiligen Verbrennungsvorganges im
Brenner der Nachverbrennungseinrichtung an die jeweilige
Offgasqualität lässt sich dadurch erreichen, dass dem Brenner der
Nachverbrennungseinrichtung eine Ionisationselektrode zugeordnet ist,
die an eine Steuereinrichtung angeschlossen ist, wobei die
Steuereinrichtung in Abhängigkeit vom Signal der Ionisationselektrode
der Mischkammer mehr oder weniger Brennstoff und/oder Luft zuführt.
In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung wird das der Brennstoffzelle
zugeführte Synthesegas durch partielle Oxidation in einer
Hauptverbrennungseinrichtung erzeugt (vgl. DE 100 06 006.4). Dadurch
wird der Wirkungsgrad der Ausnutzung der eingesetzten Primärenergie
weiter verbessert. Die Wärmeenergie der Hauptverbrennungseinrichtung
wird ebenso wie die Wärmeenergie der Nachverbrennungseinrichtung
zur Erwärmung eines Wärmeträgermediums einer Raumheizeinrichtung
verwendet.
Die den Kraft-Wärme-Kopplungsapparat betreffenden Merkmale ergeben
sich aus einem Nebenanspruch.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungsmerkmale ergeben sich aus den
Unteransprüchen und der folgenden Beschreibung. In der Zeichnung
zeigen:
Fig. 1 ein Verfahrensschema,
Fig. 2 einen Aufbau eines Kraft-Wärme-Kopplungsapparats in Schnitt-
Seitenansicht,
Fig. 3 einen Schnitt längs der Linie III-III nach Fig. 2,
Fig. 4 eine Alternative zu Fig. 3 hinsichtlich der Luftzuführung,
Fig. 5 eine gegenüber Fig. 2 vergrößerte Teilansicht des Mittelbereichs
des Kraft-Wärme-Kopplungsapparats,
Fig. 6 einen Schnitt längs der Linie 0-0 der Fig. 5.
Fig. 7 einen Schnitt längs der Linie I-I der Fig. 5,
Fig. 8 einen Schnitt längs der Linie II-II der Fig. 5 und
Fig. 9 einen Schnitt längs der Linie III-III der Fig. 5.
Beim in Fig. 1 dargestellten Verfahrensschema weist der Kraft-Wärme-
Kopplungsapparat einen Reformer 1 auf, der wasserstoffhaltiges
Synthesegas S für den Betrieb einer Brennstoffzelle 2 erzeugt. Die
Brennstoffzelle 2 kann eine Polymermembran-Brennstoffzelle (PEM)
oder Feststoff-Brennstoffzelle (SOFC) sein. 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 2 ist von einem Brennstoffzellenstapel gebildet.
Der Reformer 1 ist vorzugsweise eine Hauptverbrennungseinrichtung mit
einem Hauptbrenner 3, dem Luft L und Brennstoff B über Anschlüsse 4
bzw. 5 zugeführt wird. Die Hauptverbrennungseinrichtung 1 kann ein
handelsübliches Gasheizgerät, beispielsweise des Typs HEC der
Anmelderin, sein. Anstelle eines Gasheizgeräts kann auch ein mit einem
anderen Heizmedium, beispielsweise Öl, gespeistes Heizgerät
eingesetzt werden.
Um die Wasserstoffausbeute bei der Synthesegas-Erzeugung zu
steigern, ist der Hauptbrenner 3 in einer vorteilhaften Ausführung mit
katalytisch wirkenden Materialien (Katalysatoren) versehen.
An einem Anschluss 6 wird der Brennstoffzelle 2 über ein Gebläse 7
Luft zugeführt. Von der Brennstoffzelle 2 erzeugter elektrischer Strom
steht an einem elektrischen Anschluss 8 zur Verfügung.
Das Abgas der Brennstoffzelle 2 (Offgas O') verlässt den
Brennstoffzellen-Stapel durch die in den Luftboden eingeschweissten
Röhrchen 33 und wärmt so die Kathodenluft vor. Es wird in jeder
Betriebsphase vollständig einer Mischkammer 9 zugeführt. Dieser
Mischkammer 9 ist über einen Anschluss 10 bzw. 11 Luft L und/oder
über ein Ventil 12 Brennstoff, beispielsweise Erdgas, gesteuert
zuführbar. Zusätzlich oder statt dessen kann am Anschluss 10 ein Ventil
bzw. eine Steuerklappe vorgesehen sein, mittels der die Luft L der
Mischkammer 9 gesteuert zuführbar ist.
Das Gebläse 7 nach Fig. 1 und Fig. 3 liefert dem Hauptbrenner 3, der
Brennstoffzelle 2 und der Mischkammer 9 Luft L. Um die Luftlieferungen
in geeigneter Weise abzustimmen, können, beispielsweise über
Blenden, entsprechende Strömungsquerschnitte gebildet werden. Es ist
auch möglich, einzelne Gebläse für den Hauptbrenner 3, die
Brennstoffzelle 2 und die Mischkammer 9 vorzusehen. Das der
Brennstoffzelle 2 zugeordnete Gebläse kann auch als Verdichter
ausgelegt werden, der die der Brennstoffzelle 2 zugeführte Luft L auf
beispielsweise 100 mbar bis 1 bar verdichtet. Dadurch lässt sich die
Effizienz der Brennstoffzelle 2 erhöhen.
Das in der Mischkammer 9 gegebenenfalls mit Luft und/oder Brennstoff
angereicherte Offgas O' wird als Offgas O" in jeder Betriebsphase
vollständig einem Nachbrenner 13 einer Nachverbrennungseinrichtung
14 zugeführt und dort verbrannt. Der Nachbrenner ist ein
nichtkatalytischer Brenner, was zu den oben genannten Vorteilen führt.
Der Nachverbrennungseinrichtung 14 ist ein Wärmetauscher 15
zugeordnet, der die Abwärme des verbrannten Offgases O nutzt. Die
Nachverbrennungseinrichtung 14 ist mit einer Abgasleitung 16
verbunden, die Abgase in die Umgebung ableitet.
Ein weiterer Wärmetauscher 17 ist der Hauptverbrennungseinrichtung 1
zugeordnet. Bei der Brennstoffzelle 2 kann zur Nutzung deren Abwärme
ein weiterer Wärmetauscher 18 vorgesehen sein. Auch bei der
Mischkammer 9 kann ein weiterer Wärmetauscher 19 vorgesehen sein.
Von den Wärmetauschern 15 und 17 und gegebenenfalls 18 und 19 wird
ein Heizmedium, beispielsweise Wasser, einer Raumheizungsanlage
erwärmt. Die Wärmetauscher können ihrem Temperaturniveau
entsprechend strömungstechnisch in Reihe geschaltet sein.
Um die Dynamik der Brennstoffzelle 2 bei stromgeführtem Betrieb
hinsichtlich unerwünschten Temperaturspitzen nicht zu beeinträchtigen,
wird ein zusätzlicher Luftstrom L' zur Brennstoffzelle 2 geleitet. Die
Wärmeenergie, die der Luftstrom L' aufnimmt, kann wiederum dem
Offgas O" oder durch Umgehung des Nachbrenners 13 dem Offgas O
zugeführt oder auch direkt über das Abgassystem abgeleitet werden.
Insbesondere bei stromgeführtem Betrieb ist es erforderlich, die
entstehende Abwärme aus der Brennstoffzelle weiterzuleiten oder zu
verarbeiten. Im Sommer z. B. kann die Abwärme zur
Warmwasserbereitung genutzt werden. Die von den Wärmetauschern
18, 19 an ein Heizmedium, beispielsweise Wasser, abgegebene
Wärmeenergie wird vorzugsweise einer Warmwasserbereitung zur
Verfügung gestellt. Besteht aber kein Bedarf für Warmwasserbereitung,
so kann die Abwärme über einen erhöhten Luftstrom, der auf die
Kathodenseite der Brennstoffzelle geleitet wird, aus der Brennstoffzelle
geleitet werden. Das so mit Luft angereicherte Offgas O' wird zur
Mischkammer geführt und gelangt danach als Offgas O" in den
Nachbrenner. Nur wenn unverbrannte Kohlenwasserstoffe im Offgas O"
vorliegen, kommt es zu einer Nachverbrennung.
Unabhängig davon jedoch, ob es zu einer Nachverbrennung kommt oder
nicht, wird das entstandene Abgas zunächst ungenutzt mit relativ hohen
Prozesswärme-Temperaturen aus dem Kraft-Wärme-Kopplungsapparat
abgeleitet. An dieser Stelle ist ein Mehrwegeventil angeordnet, mit dem
dieser Abgasstrom entweder dem Abgassystem direkt als komplette
Abwärme zugesteuert werden kann oder über eine Wärmeauskopplung
einem anderen System zugänglich gemacht wird (z. B. einem
Wärmetauscher oder einer Absorptions-Kältemaschine).
Die Prozesswärme kann jedoch auch über die Wärmetauscher 18, 19 an
das Heizmedium abgegeben werden und - wenn die Heizung nicht
genutzt wird - kann dieses energiehaltige Medium direkt einer
Rückkühleinrichtung zugeführt werden. In beiden Fällen kann die
Anlage in einem rein stromgeführten Betrieb auch dann betrieben
werden, wenn keine Warmwasser- oder Heizungswärme benötigt wird.
Die Effizienz des Systems ist dann zwar geringer, es ist jedoch möglich,
Strom zu produzieren.
Eine Ionisationselektrode 20, die zugleich Zündeinheit für den
Nachbrenner 13 sein kann, erfasst über eine elektrische Größe die
jeweilige Luftzahl der Verbrennung. Entsprechend der Luftzahl der
Verbrennug regelt eine Regel-Steuereinrichtung 21 die Drehzahl des
Gebläses 7 und/oder die Stellung des Gasventils 12. Entsprechend
jeweils eingestellter Sollwerte steuert die Regel-Steuereinrichtung 21
auch die Luftzahl des Hauptbrenners 3 in der Weise, dass er bei hohem
elektrischen Energiebedarf im unterstöchiometrischen Bereich (partielle
Oxidation) und bei hohem Heizungsbedarf im überstöchiometrischen
Bereich arbeitet. Das dem Nachbrenner 13 zugeführte Gasgemisch wird
so gesteuert, dass der Nachbrenner 13 im Normalbetrieb
überstöchiometrisch (Luftzahl < 1) arbeitet.
Sobald die Regel-Steuereinrichtung 21 den Hauptbrenner 3 gezündet
hat, beginnt die Synthesegasproduktion. Der Startvorgang des
Hauptbrenners 3 kann so gestaltet sein, wie dies in der DE 196 18 573 C1
beschrieben ist. Es wird dann auch der Nachbrenner 13 mit
Hochspannungsfunken beaufschlagt. Dabei steuert die Regel-
Steuereinrichtung 21 das Steuerventil 12 derart, dass während einer
Sicherheitszeit, beispielsweise 5 s, die dem Offgas O' in der
Mischkammer 9 zugeführte Brennstoffmenge rampenartig, entweder in
Stufen oder kontinuierlich, erhöht wird, bis der Nachbrenner 13 zündet.
Diese Brennstoffmenge wird bis zum Ende der Sicherheitszeit konstant
gehalten.
Das Mischungsverhältnis des dem Nachbrenner 13 zugeführten
Offgases O", das sich aus Offgas O', Brennstoff B, speziell Methan aus
Erdgas, und Luft zusammensetzt, ergibt bei der Verbrennung im
Nachbrenner 13 ein von der Ionisationselektrode 20 gemessenes
Ionisationssignal Uio, das einer Ist-Luftzahl (Lambda) entspricht. Das
Ionisationssignal Uio wird der Regel-Steuereinrichtung 21 zugeführt,
die das Ist-Ionisationssignal mit einem Soll-Ionisationssignal vergleicht
und das Gasventil 12 solange ansteuert, bis das gemessene Ist-
Ionisationssignal mit dem Soll-Ionisationssignal übereinstimmt. Dadurch
lässt sich eine emissionsarme und effiziente Nachverbrennung
dauerhaft gewährleisten. Das Offgas O gibt dem nachgeschalteten
Wärmetauscher seine Wärme ab und verlässt durch die Abgasleitung 16
den Kraft-Wärme-Kopplungsapparat.
In den Fig. 2 bis 9 sind die betreffenden Teile des Kraft-Wärme-
Kopplungsapparats mit den Fig. 1 entsprechenden Bezugszeichen
versehen. In der Hauptverbrennungseinrichtung 1 der Fig. 2 bis 9
ragen Wärmetauscherflächen 22 (vgl. Fig. 2) in den Synthesegasstrom
S. Sie übertragen Wärme auf einen Wärmetauscher 23, der vom
Heizmedium H durchströmt ist, und in einem außen an der
Hauptverbrennungseinrichtung 1 angeordneten Abgasführungsraum 24
vorgesehen ist. Der Wärmetauscher 23 ist eine Kombination der
Wärmetauscher 15 und 17 der Fig. 1.
Räumlich über der Hauptverbrennungseinrichtung 1 ist die
Nachverbrennungseinrichtung 14 angeordnet. Auf dieser sitzt die
Mischkammer 9. Auf der Mischkammer 9 ist die Brennstoffzelle 2
montiert. Die Brennstoffzelle 2 sitzt im Wärmetauscher 18. Die
Mischkammer 9 umgibt der Wärmetauscher 19. Der Nachbrenner 13 ist
vom Wärmetauscher 15 umgeben. Diese Wärmetauscher 18, 19 und 15
sind mit dem Wärmetauscher 23 zwischen einem Rücklauf R und einem
Vorlauf V in Reihe geschaltet und vom Heizmedium H durchströmt. Auf
diese Weise wird die Abwärme des Prozesses weitestgehend auf das
Heizmedium H übertragen.
Eine zu hohe Temperatur der Brennstoffzelle 2 lässt sich auch dadurch
vermeiden, dass ihr weniger Synthesegas S zugeführt wird. Dadurch
wird der Reaktionsprozess in der Brennstoffzelle 2 geschwächt,
wodurch die Temperatur der Brennstoffzelle 2 abnimmt.
Statt der Klappe 26 kann auch eine Luft-Steuereinrichtung,
beispielsweise Mehrwege-Klappen oder zwei einzelne Luftklappen,
vorgesehen sein, mit der sich das Verhältnis der dem Brenner 3 und der
Brennstoffzelle 2 zugeführten Luftströme einstellen lässt.
Durch die Nachverbrennungseinrichtung 14 und die Mischkammer 9
erstreckt sich ein Schacht 25, durch den den einzelnen, gestapelten
Zellenelementen der Brennstoffzelle 2 das Synthesegas S zugeführt
wird. An dem Anschluss 10 wird der Brennstoffzelle 2 sauerstoffhaltige
Luft L zugeführt.
Vor dem Anschluss 10 ist eine von der Regel-Steuereinrichtung 21
steuerbare Klappe 26 (vgl. Fig. 3) angeordnet. Im Bereich der
Brennstoffzelle 2 ist ein Temperaturfühler 27 vorgesehen, der die
Temperatur der Brennstoffzelle 2 im Betrieb überwacht. Im
stromgeführten Betrieb des Kraft-Wärme-Kopplungsapparats, also in
dem Betriebszustand, in dem in erster Linie elektrischer Strom erzeugt
werden soll, wird die Klappe 26 so geöffnet, dass der Brennstoffzelle 2
Luft L zugeführt wird. Der Öffnungsgrad der Klappe 26 wird von der
Regel-Steuereinrichtung 21 in Abhängigkeit vom Temperaturfühler 27
so eingestellt, dass die Brennstoffzelle 2 im zulässigen
Temperaturbereich betrieben wird. Übersteigt die Temperatur am
Temperaturfühler 27 einen Sollwert, dann wird die Klappe 26 weiter
geöffnet, wodurch die Brennstoffzelle 2 luftgekühlt wird. Die von der
Luft aufgenommene Wärme wird an den Wärmetauscher 18 übertragen.
Gestartet wird der Hauptbrenner 3 jeweils bei geschlossener Klappe 26.
Im wärmegeführten Betrieb, also in dem Betriebszustand des Apparats,
in dem er keine elektrische Energie erzeugen soll, bleibt die Klappe 26
geschlossen. Der Hauptbrenner 3 kann im überstöchiometrischen
Bereich (Lambda < 1) betrieben werden, da die Brennstoffzelle 2 dann
kein Synthesegas, das bei einer Luftzahl (Lambda < 1) erzeugt wird,
benötigt.
Das Gebläse 7 kann als Verdichter ausgelegt sein, um die nötige
Luftförderung durch die Brennstoffzelle 2 zu gewährleisten.
Der Hauptbrenner 3 ist an eine Brennstoffleitung, insbesondere
Brenngasleitung 28, über ein weiteres Gasventil 29 angeschlossen.
Dem Hauptbrenner 3 ist eine weitere Ionisationselektrode 30
zugeordnet, die an die Regel-Steuereinrichtung 21 gelegt ist. Die Regel-
Steuereinrichtung 21 steuert auch die Drehzahl des Gebläses 7 und das
Gasventil 29.
Die Fig. 4 zeigt eine Alternative zu Fig. 3. Das Gebläse 7 versorgt
nur den Hauptbrenner 3. Dem Gebläse 7 wird Brenngas bzw. Brennstoff
gleich in seinem Ansaugbereich zugeführt. Dies ist vorteilhaft, wenn die
inneren Druckverluste der Brennstoffzelle 2 so hoch sind, dass der
erforderliche Luftstrom einen vergleichsweise hohen Wert hat. Dieser
Wert ist durch den in der Brennstoffleitung 28 bestehenden
Versorgungsdruck bestimmt. Wenn die inneren Druckverluste höher sind
als der Versorgungsdruck in der Brennstoffleitung 28, würde Luft in die
Brennstoffleitung zurückgedrückt. Dies ist dadurch vermieden, dass die
Gaszuführung direkt im Ansaugbereich des Gebläses 7 erfolgt, wobei
das Brennstoff-Luftgemisch für den Hauptbrenner 3 schon im Gebläse 7
erzeugt und in den Hauptbrenner 3 gedrückt wird.
Bei der Ausführung nach Fig. 4 ist ein zweites Gebläse 31 vorgesehen,
das die Brennstoffzelle 2 mit für den Brennstoffzellenprozess nötiger
Luft L versorgt. Die gegebenenfalls der Mischkammer 9 zuzuführende
Luft kann direkt oder indirekt aus dem Gebläse 31 kommen. Das weitere
Gebläse 31 wird von der Regel-Steuereinrichtung 21 gesteuert. Mittels
einer Klappe 32 ist eine weitere Einstellung des der Brennstoffzelle 2
zugeführten Luftstromes möglich. Die Stellung der Klappe 32 wird
ebenso wie die Drehzahl des weiteren Gebläses 31 von der Regel-
Steuereinrichtung 21 gesteuert.
Das weitere Gebläse 31 ist erforderlich, weil vom den Hauptbrenner 3
speisenden Gebläse ein Brennstoff/Luft-Gemisch gefördert wird, das
nicht dazu geeignet ist, die Brennstoffzelle 2 mit für den
Brennstoffzellenprozess nötiger Luft und/oder für die Kühlung der.
Brennstoffzelle 2 nötiger Luft zu versorgen. Das weitere Gebläse 31 hat
auch den Vorteil, dass es getrennt von dem ersten Gebläse 7 von der
Regel-Steuereinrichtung 21 gesteuert werden kann.
Die Fig. 5 bis 9 verdeutlichen den Aufbau des Kraft-Wärme-
Kopplungsapparats.
Claims (18)
1. Verfahren zum Betrieb eines Kraft-Wärme-Kopplungsapparats zur
Heizung und zur Stromerzeugung mittels einer Brennstoffzelle (2),
wobei das Abgas (Offgas) der Brennstoffzelle (2) einer
Nachverbrennungseinrichtung (14) zugeführt wird, der ein
Wärmetauscher (15) nachgeschaltet ist,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Abgas (Offgas O') aus der Brennstoffzelle (2) ständig und vollständig einer Mischkammer (9) zugeführt wird, dass der Mischkammer (9), um die Verbrennbarkeit des Abgases (Offgas O') zu erhöhen, je nach Bedarf Brennstoff (B) und/oder Luft (L) zugeführt wird,
und dass das in der Mischkammer (9) gemischte Gas (O") dem Brenner (13) der Nachverbrennungseinrichtung (14) zugeführt wird.
dass das Abgas (Offgas O') aus der Brennstoffzelle (2) ständig und vollständig einer Mischkammer (9) zugeführt wird, dass der Mischkammer (9), um die Verbrennbarkeit des Abgases (Offgas O') zu erhöhen, je nach Bedarf Brennstoff (B) und/oder Luft (L) zugeführt wird,
und dass das in der Mischkammer (9) gemischte Gas (O") dem Brenner (13) der Nachverbrennungseinrichtung (14) zugeführt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass als Brenner (13) der Nachverbrennungseinrichtung (14) ein
nichtkatalytischer Brenner verwendet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
dass dem Brenner (13) der Nachverbrennungseinrichtung (14) eine
Ionisationselektrode (20) zugeordnet ist, die an eine Regel-
Steuereinrichtung (21) angeschlossen ist, wobei von der Regel-
Steuereinrichtung (21) in Abhängigkeit vom Signal (Uio) der
Ionisationselektrode (20) der Mischkammer (9) mehr oder weniger
Brennstoff (B) und/oder Luft (L) zugeführt wird.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Mischkammer (9) zum Starten des Brenners (13) der
Nachverbrennungseinrichtung (14) Brennstoff (B) und/oder Luft (L)
während einer Sicherheitszeit rampenförmig ansteigend zugeführt wird.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet,
dass der Brennstoffzelle (2) zugeführtes Synthesegas (S) durch
partielle Oxidation in einer Hauptverbrennungseinrichtung (1) erzeugt
wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Brennstoff- und/oder Luftzufuhr zur
Hauptverbrennungseinrichtung (1) und zur Mischkammer (9) sowie
gegebenenfalls zur Brennstoffzelle (2) von der gleichen Regel-
Steuereinrichtung (21) gesteuert wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Starten der Hauptverbrennungseinrichtung (1) und der
Nachverbrennungseinrichtung (14) von der gleichen Regel-
Steuereinrichtung (21) gesteuert wird.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet,
dass der Brennstoffzelle (2) Luft zu ihrer Kühlung zugeführt wird.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 5 bis 8,
dadurch gekennzeichnet,
dass dem Brenner (3) der Hauptverbrennungseinrichtung (1) und der
Brennstoffzelle (2) Luft von einem einzigen Gebläse (7) zugeführt wird.
10. Verfahren nach Anspruch 9,
dadurch gekennzeichnet,
dass die vom Gebläse (7) dem Brenner (13) der
Nachverbrennungseinrichtung (14) zugeführte Luftmenge über eine
Klappe (26) gesteuert wird.
11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 5 bis 8,
dadurch gekennzeichnet,
dass dem Brenner (3) der Hauptverbrennungseinrichtung (1) und dem
Brenner (13) der Nachverbrennungseinrichtung (14) Luft über je ein
separates Gebläse (7, 31) zugeführt wird, wobei die Gebläse (7, 31) von
der Regel-Steuereinrichtung (21) je einzeln gesteuert werden.
12. Verfahren nach Anspruch 11,
dadurch gekennzeichnet,
dass mittels des Gebläses (7) dem Brenner (3) der
Hauptverbrennungseinrichtung (1) Luft und Brennstoff vom Gebläse (7)
vermischt zugeführt wird.
13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Brennstoffzelle (2), der Mischkammer (9) und der
Nachverbrennungseinrichtung (14) sowie gegebenenfalls der
Hauptverbrennungseinrichtung (1) Wärmetauscher (18, 19, 15)
zugeordnet sind, die von einem Heizmedium (H) für die Heizung
durchströmt sind.
14. Kraft-Wärme-Kopplungsapparat zur Durchführung des Verfahrens
nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Hauptverbrennungseinrichtung (1), die
Nachverbrennungseinrichtung (14), die Mischkammer (9) und die
Brennstoffzelle (2) übereinander angeordnet sind und dass zwischen
der Nachverbrennungseinrichtung (14) und der Mischkammer (9) ein
Schacht (25) besteht, durch den Synthesegas (S) von der
Hauptverbrennungseinrichtung (1) zur Brennstoffzelle (2) strömt.
15. Kraft-Wärme-Kopplungsapparat nach Anspruch 14,
dadurch gekennzeichnet,
dass in der Hauptverbrennungseinrichtung (1) unterhalb der
Nachverbrennungseinrichtung (14) Wärmetauscherflächen (22)
angeordnet sind, die mit einem außerhalb der
Hauptverbrennungseinrichtung (1) liegenden Wärmetauscher (23)
wärmeleitend verbunden sind, der von dem die
Nachverbrennungseinrichtung (14) verlassenden Offgas (O)
beaufschlagt ist.
16. Kraft-Wärme-Kopplungsapparat nach einem der vorhergehenden
Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass Wärme der Brennstoffzelle (2) und der
Nachverbrennungseinrichtung (14) sowie gegebenenfalls der
Mischkammer (9) aufnehmende Wärmetauscher (18, 15; 19) im Kreislauf
eines Heizmediums (H) liegend.
17. Kraft-Wärme-Kopplungsapparat nach Anspruch 15 und 16,
dadurch gekennzeichnet,
dass die vom Heizmedium (H) durchströmten Wärmetauscher (23, 18, 15
ggf. 19) strömungstechnisch in Reihe liegen.
18. Kraft-Wärme-Kopplungsapparat nach einem der vorhergehenden
Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass das oder die Gebläse (7; 31) Verdichter sind, die das geförderte
Medium, insbesondere auf 100 mbar bis 1 bar, verdichten.
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