DE10059892B4

DE10059892B4 - Verfahren zum Betrieb eines Kraft-Wärme-Kopplungsapparats und Kraft-Wärme-Kopplungsapparat

Info

Publication number: DE10059892B4
Application number: DE10059892A
Authority: DE
Inventors: Hubert Nolte; Martin Herrs
Original assignee: Stiebel Eltron GmbH and Co KG
Current assignee: Stiebel Eltron GmbH and Co KG
Priority date: 2000-12-01
Filing date: 2000-12-01
Publication date: 2010-04-08
Anticipated expiration: 2020-12-02
Also published as: DE10059892A1

Abstract

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,
wobei 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.

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 A1 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 A1 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.
Die DE 198 52 853 A1 beschreibt eine Kraft-Wärme-Kopplungsanlage mit einer Brennstoffzelle, einem Wärmetauscher, einer Nachverbrennungseinrichtung und einer Mischkammer, in der Brennstoff dem Abgas der Brennstoffzelle zugeführt wird. Dieses Gemisch wird anschließend in der Nachverbrennungseinrichtung verbrannt.
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:
1 ein Verfahrensschema,
2 einen Aufbau eines Kraft-Wärme-Kopplungsapparats in Schnitt-Seitenansicht,
3 einen Schnitt längs der Linie III-III nach 2,
4 eine Alternative zu 3 hinsichtlich der Luftzuführung,
5 eine gegenüber 2 vergrößerte Teilansicht des Mittelbereichs des Kraft-Wärme-Kopplungsapparats,
6 einen Schnitt längs der Linie 0-0 der 5,
7 einen Schnitt längs der Linie I-I der 5,
8 einen Schnitt längs der Linie II-II der 5 und
9 einen Schnitt längs der Linie III-III der 5.
Beim in 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 1 und 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 2 bis 9 sind die betreffenden Teile des Kraft-Wärme-Kopplungsapparats mit den 1 entsprechenden Bezugszeichen versehen. In der Hauptverbrennungseinrichtung 1 der 2 bis 9 ragen Wärmetauscherflächen 22 (vgl. 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 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. 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 4 zeigt eine Alternative zu 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 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 5 bis 9 verdeutlichen den Aufbau des Kraft-Wärme-Kopplungsapparats.

Claims

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, wobei 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.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Brenner (13) der Nachverbrennungseinrichtung (14) ein nichtkatalytischer Brenner verwendet wird.
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.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennstoffzelle (2) zugeführtes Synthesegas (S) durch partielle Oxidation in einer Hauptverbrennungseinrichtung (1) erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 4, 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.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Starten der Hauptverbrennungseinrichtung (1) und der Nachverbrennungseinrichtung (14) von der gleichen Regel-Steuereinrichtung (21) gesteuert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennstoffzelle (2) Luft zu ihrer Kühlung zugeführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass dem Brenner (3) der Hauptverbrennungseinrichtung (1) und der Brennstoffzelle (2) Luft von einem einzigen Gebläse (7) zugeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die vom Gebläse (7) dem Brenner (13) der Nachverbrennungseinrichtung (14) zugeführte Luftmenge über eine Klappe (26) gesteuert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 4 bis 7, 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.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass mittels des Gebläses (7) dem Brenner (3) der Hauptverbrennungseinrichtung (1) Luft und Brennstoff vom Gebläse (7) vermischt zugeführt wird.
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.
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, 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.
Kraft-Wärme-Kopplungsapparat nach Anspruch 13, 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.
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.
Kraft-Wärme-Kopplungsapparat nach Anspruch 14 und 15, dadurch gekennzeichnet, dass die vom Heizmedium (H) durchströmten Wärmetauscher (23, 18, 15 ggf. 19) strömungstechnisch in Reihe liegen.
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.