DE19852853A1

DE19852853A1 - Kraft-Wärme-Kopplungsanlage

Info

Publication number: DE19852853A1
Application number: DE19852853A
Authority: DE
Inventors: Seonhi Dr Ro; Anton Scholten
Original assignee: Joh Vaillant GmbH and Co
Priority date: 1997-11-18
Filing date: 1998-11-11
Publication date: 1999-07-01
Also published as: DE29820482U1; AT406808B; ATA194697A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Kraft-Wärme-Kopplungsanlage mit Brennstoffzellen gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Bei bekannten derartigen Anordnungen sind die einzelnen Elemente separat angeordnet und mit entsprechenden Leitungen miteinander verbunden. Dabei ergibt sich der Nachteil einer aufwendigen Montage und eines schlechten Gesamtwirkungsgrades. Außerdem treten aufgrund der Leitungen und der damit verbundenen relativ großen Oberflächen, die sich auch durch die einzeln angeordneten Bauteile ergeben, auch erhebliche Abstrahlungsver luste auf.

Ziel der Erfindung ist es, diese Nachteile zu vermeiden und eine Kraft-Wärme-Kopplungsan lage mit Brennstoffzellen der eingangs erwähnten Art vorzuschlagen, die sich durch einen einfachen Aufbau und einen nur geringen Wärmeverlust auszeichnet. Bei einer solchen Anordnung ergibt sich der Vorteil, daß die bei der Umsetzung des Brenngases mit der Luft entstehende Wärme sowohl in den Brennstoffzellen als auch im Zusatzbrenner vom Wärmetauscher genutzt werden kann.

Erfindungsgemäß wird dies bei einer Anordnung der eingangs erwähnten Art durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 1 erreicht.

Durch die vorgeschlagenen Maßnahmen ist sichergestellt, daß sich nur sehr kurze Rohrlei tungen ergeben und bei manchen Verbindungen kann auf solche überhaupt verzichtet wer den.

So kann die Brennstoffzelle direkt an den Reformer anschließen, und die Abgase der Brennstoffzelle können über dem Zusatzbrenner den Wärmetauscher beaufschlagen, wobei eine effektive Wärmenutzung aufzeichnet. Dabei ergibt sich durch die vorgesehene gemeinsame Brennkammer auch der Vorteil einer Verminderung der Abstrahlungsverluste.

Außerdem ist es durch die erfindungsgemäß vorgesehene Anordnung eines Zusatzbrenners auch möglich, den im Abgas der Brennstoffzelle noch vorhandenen Luftüberschuß für die Verbrennung des Gases im Zusatzbrenner zu nutzen und die dabei gewonnene Wärme dem Wärmetauscher zuzuführen.

Durch die Merkmale des Anspruches 2 ergibt sich der Vorteil, daß auf einfache Weise ein modulierender Betrieb möglich ist, bei dem je nach Wärmebedarf mehr oder weniger Gas dem Brenner zusätzlich zugeführt werden kann. Dabei ergibt sich durch die sauerstoffrei chen Abgase der Brennstoffzelle eine sehr gute Verbrennung des zugesetzten Gases.

Durch die Merkmale des Anspruches 3 ergibt sich der Vorteil, daß in der Startphase zweckmäßigerweise auch der Zusatzbrenner in Betrieb genommen wird, so daß der Reformer durch die zurückgeführten heißen Abgase rasch seine Betriebstemperatur erreicht. Nach dem Erreichen der Betriebstemperatur des Reformers kann die Abgasrückführleitung mittels der Klappe abgeschlossen werden, wobei diese zweckmäßigerweise in Abhängigkeit von der Temperatur des Reformers gesteuert ist.

Durch die Merkmale des Anspruches 4 ist sichergestellt, daß der Brenner die Brennstoffzelle umgibt. Dadurch kann die Betriebstemperatur der Brennstoffzelle sehr einfach aufrecht erhalten werden. Außerdem ergibt sich auch ein sehr kompakter Aufbau.

Die Merkmale des Anspruches 5 ermöglichen einen sehr flexiblen Betrieb der Anordnung. Dabei gelangt nur ein Teil des Abgases der Brennstoffzelle zum Brenner, wodurch sich eine hohe Zündfähigkeit des Brenngasgemisches über einen weiten Modulationsbereich ergibt. Dies ist durch eine gezielte Kontrolle der Abgasmischungsrate, das ist der Volumenstrom des Abgases der Brennstoffzelle zum Volumenstrom der frischen Luft, erreichbar. Dabei wird das nicht dem Brenner zugeführte Abgas der Brennstoffzelle direkt dem Wärmetau scher zugeführt. Außerdem kann der Anteil der Abgasströme je nach den Betriebsbedin gungen gesteuert werden.

Besonders niedrige Wärmeabstrahlungsverluste ergeben sich durch die Merkmale des An spruches 6. Außerdem ergibt sich dadurch ein sehr kompakter Aufbau.

Die Erfindung wird nun anhand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigen:

Fig. 1 bis 4 schematisch verschiedene Ausführungsformen erfindungsgemäßer Kraft-Wärme-Kopplungsanlage mit Brennstoffzellen.

Bei der Ausführungsform nach der Fig. 1 weist die Anordnung einen Reformer 2 auf, in den eine Gasleitung 1 und eine Wasserdampf-Leitung 10 mündet.

Im Bereich des Reformers 2 werden das Gas und Wasserdampf zu Wasserstoff und Koh lendioxid umgesetzt. Bei den Hochtemperatur-Brennstoffzellen ist die 100%ige Umsetzung nicht notwendig. Diese umgesetzten Gase werden auf der Anodenseite 7 der Brennstoffzel lenstapel 3 zugeführt. Auf die Kathodenseite der Brennstoffzellenstapel 3 wird die über die Luftleitung 5 strömende Luft zugeführt. Der von einem Wärme aufnehmenden Medium durchströmte Doppelmantel umschließt die Brennkammer 30.

Das Gehäuse 9 des Brennstoffzellenstapels 3 ist nach dem Reformer 2 angeordnet, wobei innerhalb dieses Gehäuses 9 des Brennstoffzellenstapels ein Zusatzbrenner 8 gehalten ist.

In die zwischen den Wänden dieses Gehäuses 9, dem Zusatzbrenner 8 und dem Brennstoffzellenstapel 3 verbleibenden Kammer 12, in die auch der Auslaß 11 des Brennstoffzellenstapels 3 mündet, mündet auch eine Zusatzgasleitung 13, über die dem Brenner 8 zusätzliches Gas zugeführt werden kann.

Weiter ist eine Zündeinrichtung 14 an der Ausströmseite des Zusatzbrenners 8 vorgesehen.

Weiter ist ein Wärmetauscher 15 vorgesehen, der vom Abgas des Zusatzbrenners 8 beaufschlagt ist, und an eine Rücklaufleitung 16 angeschlossen und mit dem als Doppelmantel ausgebildeten Gehäuse 6 hydraulisch verbunden ist, das an eine Vorlaufleitung 17 angeschlossen ist.

Stromab des Wärmetauschers 15 ist ein Abgassammler 18 mit einer Abgasleitung 19 an geordnet.

Weiter ist der Stromsammler 33 des Brennstoffzellenstapels 3, über in einem Schutzrohr 20 geführte Leitungen mit einem an der Außenseite des Gehäuses 6 angeordneten Inverter 21 verbunden, der den von dem Brennstoffzellenstapel 3 erzeugten Gleichstrom in Wechselstrom umsetzt.

Im Bereich des Reformers 2 und in dem zwischen dem Zusatzbrenner 8 und dem Wärme tauscher 15 gelegenen Bereich sind Temperaturfühler 22 angeordnet, die über Signal leitungen 24, 25 mit einer Steuerung 26 verbunden sind, an der auch ein Sollwertgeber 27 angeschlossen ist.

Beim Betrieb der Anordnung wird Erdgas über die Gasleitung 1 dem Reformer 2 zugeführt, dem auch Wasserdampf über die Wasserdampf-Leitung 10 zugeführt wird. Der Reformer 2 setzt Erdgas und Wasserdampf in Wasserstoff und Kohlenmonoxid um. Der Wasserstoff, der bei Hochtemperatur-Brennstoffzellen keine hohe Reinheit aufweisen muß, wird in dem Brennstoffzellenstapel 3 verarbeitet, wobei Gleichstrom gewonnen wird, der im Inverter in Wechselspannung umgewandelt wird.

Die Abgase des Brennstoffzellenstapels 3, die ausreichend Sauerstoff enthalten, gelangen zum Zusatzbrenner 8, wobei in die Mischkammer 12, die vom Zusatzbrenner 8 begrenzt ist, noch zusätzliches Gas über die Zusatzgasleitung 13 zugeführt wird. Die zusätzlich zugeführte Gasmenge kann dabei je nach der vorliegenden Wärmeanforderung variiert werden.

Das aus dem Brenner 8, der entsprechende Ausströmöffnungen aufweist, austretende brennbare Gasgemisch wird mittels der Zündeinrichtung 14 gezündet und verbrannt.

Die dabei entstehenden Brenngase beaufschlagen den Wärmetauscher 15 und geben auch Wärme an den Doppelmantel 6 ab, der die gemeinsame Brennkammer 30 begrenzt.

Das entsprechend abgekühlte Abgas strömt über die Abgasleitung 19 ab.

Bei der Ausführungsform nach der Fig. 2 ist der Reformer 2 und der Brennstoffzellenstapel 3 in einem Gehäuse 6 angeordnet, das durch den Zusatzbrenner 8'' abgeschlossen ist.

Aus dem Brennraum 30 zwischen dem Brenner 8'' und dem Wärmetauscher 15 führt eine Abgasrückführleitung 29 weg und mündet in den Reformer 2, wobei in dieser Leitung 29 eine Klappe 31 zur Steuerung der Durchströmung und ein Gebläse 32 angeordnet sind, mit dem eine Durchströmung erzwungen werden kann.

Mittels der Abgasrückführleitung 29 können während der Startphase der Anordnung heiße Brenngase um den Reformer 2 zugeführt werden, so daß dieser rasch seine Betriebstem peratur erreicht und das diesem zugeführte Erdgas aufspaltet.

Bei der Ausführungsform nach der Fig. 3 sind der Reformer 2 und der über diesem ange ordnete Brennstoffzellenstapel 3 vom Brenner 81 umgeben.

Damit wird der Brenner 8' von der Gesamtheit der Abgase der Brennstoffzelle 3 beauf schlagt. Weiter ist der Brenner 8' an eine Gasleitung 13' angeschlossen, die die zum Re former 2 führende Gasleitung 1 im wesentlichen koaxial umgibt.

Bei dieser Lösung ergibt sich während der Startphase durch die Strahlungswärme des Brenners 8' eine rasche Erwärmung der Brennstoffzelle 3 auf deren Betriebstemperatur.

Die alternative Ausführungsform ist, daß der Brenner 8' nur die Mantelflächen der Brennstoffzelle 3 umschließt. Dadurch strömt ein Teil der Abgase des Brennstoffzellenstapels 3 über stirnseitig gelochtes Blech in die Brennkammer. Weiter umgibt bei dieser Ausführungsform der Reformer 2 die Gasleitung 1, wobei die Wasserdampfleitung 10 die Gasleitung 1 konzentrisch umgibt und diese wieder von der Zusatzgasleitung 13' konzentrisch umgeben ist.

Bei allen dargestellten Lösungen kann der Zusatzbrenner 8, 8', 8'' modulierend betrieben werden.

Claims

1. Kraft-Wärme-Kopplungsanlage mit Brennstoffzellen mit einem Wärmetauscher (15) und einer durch eine Brennstoffzelle (3) gebildeten Wärmequelle, wobei dem Brennstoffzellenstapel (3) ein Reformer (2) zur Aufspaltung von Erdgas vorgeschaltet ist, der mit Gas versorgbar ist, und der Brennstoffzellenstapel (3) mit einem Lufteinlaß (5) versehen ist und der Wärmetauscher (15) von der Abwärme eines Zusatzbrenners (8) beaufschlagt ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Reformer (2), der Brennstoffzellenstapel (3) und der Zusatzbrenner (8) sowie der Wärmetauscher (15) in einer Brennkammer (30) angeordnet sind, die mit einem Abgasabzug (18) versehen ist, wobei zwischen dem Brennstoffzellenstapel (3) und dem Wärmetau scher (15) ein Zusatzbrenner (8, 8', 8'') angeordnet ist, der im Abgasstrom des Brennstoffzellenstapels (3) liegt.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Auslaß (11) der Brennstoffzelle (3) in einer Kammer (12) angeordnet ist, in die eine Zusatz-Gasleitung (13) mündet und die durch den Brenner (8) abgeschlossen ist.

3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge kennzeichnet, daß aus dem zwischen dem Brenner (8) und dem Wärmetauscher (15) eine Abgasrückführleitung (29) wegführt und zum Reformer (2) für die Vorwärmung des Reformers (2) in der Startphase mündet, wobei eine Klappe (31) zur Steuerung der Abgasrückführleitung (29) vorgesehen ist.

4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge kennzeichnet, daß der Brenner (8') im wesentlichen zylindrisch ausgebildet ist, den Brennstoffzellenstapel (3) umschließt und auch stirnseitig überdeckt, wobei der Brenner (8') mit der zusätzlichen Gaszuführleitung (13') versehen ist.

5. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge kennzeichnet, daß der Brenner (8') die Mantelfläche des Brennstoffzellenstapels (3) umschließt und die Stirnfläche (33) des Brennstoffzellenstapels (3) als freie Austrittsfläche für einen Teil der Abgase des Brennstoffzellenstapels (3) in die Brennkammer (30) und für einen anderen Teil der Abgase (34) des Brennstoffzellenstapels (3) in den Zusatzbrenner (8') vorgesehen ist.

6. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch ge kennzeichnet, daß der Wärmetauscher (15) in der Brennkammer (30) angeordnet und mit dem Doppelmantel (6) hydraulisch verbunden ist, der den Brenner (8, 8', 8'') und den Brennstoffzellenstapel (3) umgibt.