DE102017110314A1

DE102017110314A1 - Anlage zur Bereitstellung von Wärme und Strom und Verfahren zum Betrieb einer solchen Anlage

Info

Publication number: DE102017110314A1
Application number: DE102017110314.7A
Authority: DE
Inventors: Martin Brügelmann; Sebastian König; Satoru Narita; Yoichi Midorikawa
Original assignee: Viessmann Werke GmbH and Co KG
Current assignee: Viessmann Werke GmbH and Co KG
Priority date: 2017-05-12
Filing date: 2017-05-12
Publication date: 2018-04-26

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Anlage zur Bereitstellung von Wärme und Strom sowie Verfahren zum Betrieb einer solchen Anlage, umfassend eine Verbrennungseinrichtung (1) mit einem Abgaskanal (1.1) zur Abfuhr von von der Verbrennungseinrichtung (1) erzeugtem Abgas und eine eine Brennstoffzelle (2.1) aufweisende Brennstoffzelleneinrichtung (2) mit einem Gebläse (2.2) zur Abfuhr von Abgasen der Brennstoffzelle (2.1) über den Abgaskanal (1.1) der Verbrennungseinrichtung (1) sowie eine Sensoreinrichtung (3) zur Ermittlung einer mit dem Druck des Abgases im Abgaskanal (1.1) zusammenhängenden Zustandsgröße. Nach der Erfindung ist gegenständlich vorgesehen, dass die Förderleistung des Gebläses (2.2) in Abhängigkeit von der mit der Sensoreinrichtung (3) ermittelten Zustandsgröße steuerbar ausgebildet ist. Verfahrensmäßig ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Förderleistung des Gebläses (2.2) in Abhängigkeit von der mit der Sensoreinrichtung (3) ermittelten Zustandsgröße gesteuert wird.

Description

Die Erfindung betrifft eine Anlage zur Bereitstellung von Wärme und Strom gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 und ein Verfahren zum Betrieb einer solchen Anlage gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 8.
Eine Anlage zur Bereitstellung von Wärme und Strom bzw. ein Verfahren zum Betrieb einer solchen Anlage der eingangs genannten Art ist aus dem Dokument DE 10 2014 103 447 A1 bekannt und wird von der Anmelderin vertrieben. Diese Anlage besteht aus (siehe Absätze [0026] und [0027]) einer Verbrennungseinrichtung (genauer gesagt: einem Heizgerät) mit einem Abgaskanal zur Abfuhr von von der Verbrennungseinrichtung erzeugtem Abgas und einer eine Brennstoffzelle aufweisenden Brennstoffzelleneinrichtung mit einem Gebläse zur Abfuhr von Abgasen der Brennstoffzelle über den Abgaskanal der Verbrennungseinrichtung sowie einer Sensoreinrichtung zur Ermittlung einer mit dem Druck des Abgases im Abgaskanal zusammenhängende Zustandsgröße. Verfahrensmäßig ausgedrückt, wird bei dieser Lösung das von einer Verbrennungseinrichtung erzeugte Abgas über einen Abgaskanal abgeführt, das von einer Brennstoffzelle einer Brennstoffzelleneinrichtung erzeugte Abgas mit einem Gebläse über den Abgaskanal der Verbrennungseinrichtung abgeführt und eine mit dem Druck des Abgases im Abgaskanal zusammenhängende Zustandsgröße mit einer Sensoreinrichtung ermittelt. Dass dabei das Brennstoffzellenheizgerät mit einem Gebläse und mit einer Sensoreinrichtung (in diesem Fall ein Luftmassenstromsensor) versehen ist, gehört zum allgemeinen Fachwissen und ist auch in dieser Form bei dem von der Anmelderin vertriebenen Produkt realisiert.
Bei dem abgeförderten Abgas der Brennstoffzelleneinrichtung handelt es sich bei der genannten Lösung, aber auch bei der nachfolgend erläuterten Erfindung in bekannter Weise um Gase wie zum Beispiel Kohlendioxid oder Wasserdampf, die beim Brennstoffzellenprozess entstehen und abgeführt werden müssen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anlage zur Bereitstellung von Wärme und Strom der eingangs genannten Art bzw. ein Verfahren zum Betrieb einer solchen Anlage der eingangs genannten Art zu verbessern. Insbesondere soll eine Anlage mit geringerem Energieverbrauch und geringerer Geräuschemission geschaffen werden.
Diese Aufgabe ist mit einer Anlage der eingangs genannten Art durch die im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 aufgeführten Merkmale bzw. mit einem Verfahren zum Betrieb einer solchen Anlage der eingangs genannten Art durch die im Kennzeichen des Patentanspruchs 8 aufgeführten Merkmale gelöst.
Nach der Erfindung ist also vorgesehen, dass die Förderleistung des Gebläses in Abhängigkeit von der mit der Sensoreinrichtung ermittelten Zustandsgröße steuerbar ausgebildet ist. Verfahrensmäßig ausgedrückt ist vorgesehen, dass die Förderleistung des Gebläses in Abhängigkeit von der mit der Sensoreinrichtung ermittelten Zustandsgröße gesteuert wird.
Mit anderen Worten zeichnet sich die erfindungsgemäße Lösung somit dadurch aus, dass das Gebläse der Brennstoffzelleneinrichtung dank einer entsprechenden steuerungstechnischen Verknüpfung mit der Sensoreinrichtung nicht mehr wie bisher üblich pauschal mit maximaler Förderleistung, sondern nunmehr mit einer am im Abgaskanal ermittelten Druck orientierten Förderleistung betrieben wird. Dies führt dazu, dass das Gebläse seltener mit maximaler Förderleistung arbeitet, was gleichzeitig den erforderlichen Energieverbrauch des Gebläses und damit auch die Geräuschemissionen senkt.
Die genannten Maßgaben „steuerbar“ bzw. „gesteuert“ bedeuten dabei, dass bei einer einfacheren Lösung das Gebläse tatsächlich im regelungstechnischen Sinne gesteuert, bei einer aufwändigeren Lösung dagegen geregelt wird, d.h. „steuerbar“ bzw. „gesteuert“ kann im Rahmen dieser Beschreibung auch „regelbar“ bzw. „geregelt“ bedeuten.
Andere vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Anlage bzw. des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betrieb einer solchen Anlage ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen.
Die erfindungsgemäße Anlage bzw. das erfindungsgemäße Verfahren zum Betrieb einer solchen Anlage wird nachfolgend anhand der zeichnerischen Darstellung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
Es zeigt schematisch

1 die erfindungsgemäße Anlage bei der die Verbrennungseinrichtung als Brennwertgerät und die Brennstoffzelleneinrichtung als PEM-Brennstoffzelle ausgebildet sind.

Die in der einzigen Figur dargestellte Anlage zur Bereitstellung von Wärme und Strom besteht zunächst in bekannter Weise aus einer Verbrennungseinrichtung 1 mit einem Abgaskanal 1.1 zur Abfuhr von von der Verbrennungseinrichtung 1 erzeugtem Abgas und einer eine Brennstoffzelle 2.1 aufweisende Brennstoffzelleneinrichtung 2 mit einem Gebläse 2.2 zur Abfuhr von Abgasen der Brennstoffzelle 2.1 über den Abgaskanal 1.1 der Verbrennungseinrichtung 1 sowie einer Sensoreinrichtung 3 zur Ermittlung einer mit dem Druck des Abgases im Abgaskanal 1.1 zusammenhängenden Zustandsgröße.
Bei dem Verfahren zum Betrieb einer solchen Anlage wird von einer Verbrennungseinrichtung 1 erzeugtes Abgas über einen Abgaskanal 1.1 abgeführt, von einer Brennstoffzelle 2.1 einer Brennstoffzelleneinrichtung 2 erzeugtes Abgas mit einem Gebläse 2.2 über den Abgaskanal 1.1 der Verbrennungseinrichtung 1 abgeführt und eine mit dem Druck des Abgases im Abgaskanal 1.1 zusammenhängende Zustandsgröße mit einer Sensoreinrichtung 3 ermittelt.
Wie bereits erwähnt, ist bei der dargestellten Ausführungsform darüber hinaus vorgesehen, dass die Verbrennungseinrichtung 1 als Heizkessel zur Verbrennung eines festen, flüssigen oder gasförmigen Brennstoffs, insbesondere als Brennwertgerät, und die Brennstoffzelle 2.1 als PEM-Brennstoffzelle ausgebildet sind.
Wie aus der einzigen Figur ersichtlich, ist weiterhin bevorzugt vorgesehen, dass die Brennstoffzelleneinrichtung 2 ein in den Abgaskanal 1.1 ausmündendes Abgasrohr 2.4 aufweist.
Wesentlich für die erfindungsgemäße Lösung ist nun, dass die Förderleistung des Gebläses 2.2 in Abhängigkeit von der mit der Sensoreinrichtung 3 ermittelten Zustandsgröße steuerbar ausgebildet ist, oder, verfahrensmäßig ausgedrückt, dass die Förderleistung des Gebläses 2.2 in Abhängigkeit von der mit der Sensoreinrichtung 3 ermittelten Zustandsgröße gesteuert wird.
Hierzu sind vorzugsweise, wie dargestellt, eine Regelungseinrichtung 1.2 der Verbrennungseinrichtung 1 und eine Regelungseinrichtung 2.3 der Brennstoffzelleneinrichtung 2 miteinander informationell in Verbindung stehend ausgebildet, d.h. die an der Verbrennungseinrichtung 1 ermittelte Zustandsgröße wird von der Brennstoffzelleneinrichtung 2 genutzt, um die Förderleistung des Gebläses 2.2 möglichst genau einzustellen.
Besonders bevorzugt ist dabei vorgesehen, dass die Sensoreinrichtung 3 zur Erfassung einer der Verbrennungseinrichtung 1 zugeführten Gasmenge ausgebildet ist bzw. dass mit der Sensoreinrichtung 3 eine der Verbrennungseinrichtung 1 zugeführte Gasmenge erfasst wird. Als Gas kommt hierbei beispielsweise das für den Verbrennungsprozess erforderliche Gas-Luft-Gemisch in Betracht, wobei zu berücksichtigen ist, dass die Menge dieses Gemisches offenkundig unmittelbaren Einfluss auf den Druck des Abgases im Abgaskanal 1.1 hat. Es wäre allerdings alternativ auch im Sinne dieser Erfindung, wenn die Sensoreinrichtung 3 an einem anderen Ort, wie etwa dem Abgaskanal 1.1 selbst angebracht wäre und somit die genannte Zustandsgröße, die mit dem Druck im Abgaskanal 1.1 zusammenhängt, an einem anderen Ort, wie etwa dem Abgaskanal 1.1 selbst, von der Sensoreinrichtung gemessen werden würde.
Noch etwas genauer betrachtet, ist besonders bevorzugt vorgesehen, dass die Sensoreinrichtung 3 wahlweise als Luftmassenstromsensor oder als Gebläsedrehzahlsensor ausgebildet ist bzw. dass als Sensoreinrichtung 3 wahlweise ein Luftmassenstromsensor oder ein Gebläsedrehzahlsensor verwendet wird.
Nochmals in anderen Worten ausgedrückt, funktioniert die in der Figur dargestellte erfindungsgemäße Lösung wie folgt:

Der zum Beispiel als Brennwertgerät ausgebildeten Verbrennungseinrichtung 1 wird mit Hilfe des schematisch dargestellten Gebläses ein Gas-Luft-Gemisch zugeführt. In der Strömungsführung des Gas-Luft-Gemisches ist ein Luftmassenstromsensor angeordnet, um die zugeführte Gasmenge in Form eines Massenstromwertes zu ermitteln. Das Gas-Luft-Gemisch wird danach mit einem nicht extra dargestellten Brenner verbrannt, wobei das dabei entstehende Abgas dem Abgaskanal 1.1 zugeführt wird.

Die mit Hilfe des Luftmassenstromsensors, der zum Beispiel zur Anpassung der Brennerleistung an die Druckverhältnisse im Abgassystem verwendet wird, ermittelten und von der Regelungseinrichtung 1.2 verarbeiteten Informationen werden der der Brennstoffzelleneinrichtung 2 zugeordneten Regelungseinrichtung 2.3 zugeführt und dort zum Beispiel auf Basis einer hinterlegten Kennlinie zur Steuerung bzw. Regelung des Gebläses 2.2 zur Abfuhr von Abgasen der Brennstoffzelle 2.1 über das Abgasrohr 2.4 in den Abgaskanal 1.1 verwendet. Dies ist deswegen besonders vorteilhaft, weil die Druckverhältnisse im Abgaskanal sowohl durch die baulich bedingte Länge des Abgaskanals als auch durch den variierenden Betrieb des Brennwertgeräts beeinflusst werden und somit die bisher einfach vorgesehene Maximaleinstellung des Gebläses 2.2 der Brennstoffzelle 2.1 durch eine variierende Einstellung ersetzt werden kann. Wie ersichtlich, ist es auf diese Weise möglich, das Gebläse 2.2 bedarfsangepasst und somit energieverbrauchsoptimiert und auch geräuschminimiert zu betreiben.
Bezugszeichenliste

1: Verbrennungseinrichtung
1.1: Abgaskanal
1.2: Regelungseinrichtung
2: Brennstoffzelleneinrichtung
2.1: Brennstoffzelle
2.2: Gebläse
2.3: Regelungseinrichtung
2.4: Abgasrohr
3: Sensoreinrichtung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102014103447 A1 [0002]

Claims

Anlage zur Bereitstellung von Wärme und Strom, umfassend eine Verbrennungseinrichtung (1) mit einem Abgaskanal (1.1) zur Abfuhr von von der Verbrennungseinrichtung (1) erzeugtem Abgas und eine eine Brennstoffzelle (2.1) aufweisende Brennstoffzelleneinrichtung (2) mit einem Gebläse (2.2) zur Abfuhr von Abgasen der Brennstoffzelle (2.1) über den Abgaskanal (1.1) der Verbrennungseinrichtung (1) sowie eine Sensoreinrichtung (3) zur Ermittlung einer mit dem Druck des Abgases im Abgaskanal (1.1) zusammenhängenden Zustandsgröße, dadurch gekennzeichnet, dass die Förderleistung des Gebläses (2.2) in Abhängigkeit von der mit der Sensoreinrichtung (3) ermittelten Zustandsgröße steuerbar ausgebildet ist.
Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoreinrichtung (3) zur Erfassung einer der Verbrennungseinrichtung (1) zugeführten Gasmenge ausgebildet ist.
Anlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoreinrichtung (3) wahlweise als Luftmassenstromsensor oder als Gebläsedrehzahlsensor ausgebildet ist.
Anlage nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine Regelungseinrichtung (1.2) der Verbrennungseinrichtung (1) und eine Regelungseinrichtung (2.3) der Brennstoffzelleneinrichtung (2) miteinander informationell in Verbindung stehend ausgebildet sind.
Anlage nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzelleneinrichtung (2) ein in den Abgaskanal (1.1) ausmündendes Abgasrohr (2.3) aufweist.
Anlage nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbrennungseinrichtung (1) als Heizkessel zur Verbrennung eines festen, flüssigen oder gasförmigen Brennstoffs ausgebildet ist.
Anlage nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzelle (2.1) als PEM-Brennstoffzelle ausgebildet ist.
Verfahren zum Betrieb einer Anlage zur Bereitstellung von Wärme und Strom, bei dem von einer Verbrennungseinrichtung (1) erzeugtes Abgas über einen Abgaskanal (1.1) abgeführt wird, bei dem von einer Brennstoffzelle (2.1) einer Brennstoffzelleneinrichtung (2) erzeugtes Abgas mit einem Gebläse (2.2) über den Abgaskanal (1.1) der Verbrennungseinrichtung (1) abgeführt wird und bei dem eine mit dem Druck des Abgases im Abgaskanal (1.1) zusammenhängende Zustandsgröße mit einer Sensoreinrichtung (3) ermittelt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Förderleistung des Gebläses (2.2) in Abhängigkeit von der mit der Sensoreinrichtung (3) ermittelten Zustandsgröße gesteuert wird.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass mit der Sensoreinrichtung (3) eine der Verbrennungseinrichtung (1) zugeführte Gasmenge erfasst wird.
Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass als Sensoreinrichtung (3) wahlweise ein Luftmassenstromsensor oder ein Gebläsedrehzahlsensor verwendet wird.