DE19854035A1 - Heizeinrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Heizeinrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Bei solchen Heizeinrichtungen wird Frischluft mit dem Erdgas vor dem Brenner gemischt und dieses Gemisch im Brenner verbrannt. Dabei ergibt sich das Problem, eines nicht unbe­ trächtlichen Schadstoff-Ausstoßes. Bedingt ist dieser auch durch den Umstand, daß die zu­ geführte Frischluft eine nur niedrige Temperatur aufweist, wodurch sich eine nur mäßige Reaktionsfreudigkeit des Luft-Sauerstoffs ergibt.

Ziel der Erfindung ist es, diesen Nachteil zu vermeiden und eine Heizeinrichtung der ein­ gangs erwähnten Art vorzuschlagen, die sich durch einen hohen Wirkungsgrad und einen nur geringen Schadstoff-Ausstoß auszeichnet.

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

Durch die vorgeschlagenen Maßnahmen wird sichergestellt, daß das Abgas der Brennstoff­ zelle, das einen erheblichen Anteil an Sauerstoff aufweist, eine relativ hohe Temperatur auf­ weist. Damit wird dem Brenner Sauerstoff mit relativ hoher Temperatur zugeführt, der ent­ sprechend reaktionsfreudig ist. Damit ist auch eine optimale Verbrennung und ein hoher Wirkungsgrad der Heizeinrichtung sichergestellt.

Durch die erfindungsgemäß vorgesehenen Maßnahmen ergibt sich eine ideale Kombination der Brennstoffzelle mit einem konventionellen Heizgerät mit Brenner und WT
Durch die erfindungsgemäß vorgesehenen Maßnahmen ergibt sich eine ideale Kombination der Brennstoffzelle mit einem konventionellen Heizgerät mit Brenner und Wärmetauscher, so daß sich eine Heiz- und Stromerzeugungseinrichtung ergibt.

Dabei ergibt sich auch der Vorteil, daß das Abgas der Brennstoffzelle, das Restwärme ent­ hält, weiter im Brenner verwendet werden kann, wodurch sich eine, verglichen mit den her­ kömmlichen Lösungen, erhebliche Verbesserung des Wirkungsgrades ergibt, wobei jedoch eine 100%ige Abgaszuführung zum Brenner dessen Stabilität gefährden kann.

Durch die Merkmale des Anspruches 2 ergibt sich der Vorteil, daß ein Teil der Abgase der Brennstoffzelle direkt dem Wärmetauscher zugeführt werden kann. Außerdem ist es auch möglich, bei nur geringer erforderlicher Heizleistung den Wärmetauscher ausschließlich mit den Abgasen der Brennstoffzelle zu beaufschlagen.

Durch die Merkmale des Anspruches 3 ist es auf einfache Weise möglich, die Aufteilung der Abgase der Brennstoffzelle entsprechend dem momentanen Betriebszustand der Heizein­ richtung anzupassen, wobei bei steigender Zufuhr von Abgasen der Brennstoffzelle zum Brenner die Frischluftzufuhr zu diesem gedrosselt werden kann. Dabei erfaßt die Sauer­ stoffsonde den im die Heizeinrichtung verlassenden Abgas enthaltenen Sauerstoff, der in Verbindung mit der Stellung der Proportionalventile des Reformators und des Brenners ein sehr genaues Bild des Betriebszustandes der Heizeinrichtung liefert.

Dadurch läßt sich eine besonders weitgehende Reduzierung der Abgase und eine Erhöhung des Wirkungsgrades erreichen.

Die Erfindung wird nun anhand der Zeichnung näher erläutert, die schematisch eine erfin­ dungsgemäße Heizeinrichtung zeigt.

Die erfindungsgemäße Heizeinrichtung weist einen in einem Brennraum 1 angeordneten Brenner 2 auf, der einen ebenfalls im Brennraum 1 angeordneten Wärmetauscher 3 beauf­ schlagt.

Der Brenner 2 ist in üblicher Weise über ein als Proportionalventil ausgebildetes Gasventil 4 und eine Gasleitung 5 mit Gas versorgbar. Dabei mündet stromab des Gasventiles 4 eine Frischluftleitung 6 in die Gasleitung, wobei die Frischluftleitung an die Druckseite eines Ge­ bläses 7 angeschlossen ist, das von einem in seiner Drehzahl regelbaren Antrieb 8 ange­ trieben ist.

Weiter ist eine Brennstoffzelle 9 mit einem vorgeschalteten Reformer 10 vorgesehen. Letze­ rem wird über eine weitere Gasleitung 11, in der ein Proportionalventil 12 angeordnet ist, Erdgas zugeführt.

In den Reformer 10 mündet weiter eine Wasserdampf-Leitung 23 und in die Brennstoffzelle 9 eine Luftleitung 24.
Die Antriebe 4' und 12' der Proportionalventile 4 und 12 sind über Signalleitungen 13,14 mit Signaleingängen eines Reglers 15 verbunden, der über eine weitere Signalleitung 16 mit einer im den Wärmetauscher 3 verlassenden Abgasstrom angeordneten Sauerstoffsonde 17, die den im Abgasstrom noch vorhandenen Sauerstoff erfaßt, eingangsseitig verbunden ist.

In einer Abgasleitung 18 der Brennstoffzelle 9 ist ein weiteres Proportionalventil 19 angeord­ net, von dem aus zwei Verbindungsleitungen 20 zum Wärmetauscher 3, 21 beziehungswei­ se zum Brenner 2 führen. Dabei ist der Antrieb 19' des Proportionalventiles 19, das die Auf­ teilung der Abgase der Brennstoffzelle 9 auf den Brenner 2 und den Wärmetauscher 3 steu­ ert, über eine Steuerleitung 22 mit dem Ausgang des Reglers 15 verbunden.

Beim Betrieb wird dem Reformer 10 über das Proportionalventil 12 Erdgas und über die Wasserdampfleitung 23 Wasserdampf zugeführt und von diesem umgesetzt. Dadurch wird der Brennstoffzelle ein Gas zugeführt, das Wasserstoff und Kohlenmonoxid enthält. Dieses wird in der Brennstoffzelle 9 zusammen mit der über die Leitung 24 zugeführten Luft zu ei­ nem Gasgemisch umgesetzt, das neben Wasser auch noch Kohlendioxid enthält, wobei bei der Umsetzung auch noch Strom und Wärme entwickelt wird.

Dieses Abgasgemisch der Brennstoffzelle 9 wird über das Proportionalventil 19 auf den Brenner 2 und den Wärmetauscher 3 aufgeteilt.

Der dem Brenner 2 zugeführte Teil des Abgases der Brennstoffzelle 9 wird in diesem zu­ sammen mit dem dem Brenner 2 über das Gasventil 5 und dem Gebläse 7 zugeführten Erd­ gas-Luft-Gemisch verbrannt. Dadurch gelangt nur weitgehend reines Abgas zum Wärme­ tauscher 3, wodurch dieser nur einen entsprechend geringen Wartungs- und Reinigungs­ aufwand erfordert und sich ein sehr hoher Wirkungsgrad für die Heiz- und Stromerzeu­ gungseinrichtung ergibt.

Da dem Regler 15 über die Steuerleitungen 13, 14 Informationen über die momentane Stel­ lung der Ventile 5 und 12, wie auch über den Sauerstoffgehalt der den Wärmetauscher 3 verlassenden Abgase zugehen, kann dieser die Leistungsgröße beziehungsweise die zweckmäßige Stellung des Ventiles 19 und die Drehzahl des Lüfters 7 ermitteln und das Abgas der Brennstoffzelle 9 optimal auf den Brenner 2 und den Wärmetauscher 3 aufteilen.

Der Brenner 2 soll dabei soviel Abgas aus der Brennstoffzelle 9 erhalten, daß er stabil arbei­ tet. Dabei ist anzustreben, soviel Abgas aus der Brennstoffzelle wie möglich dem Brenner 2 zuzuführen, weil der dort vorhandene Restsauerstoffgehalt auf einen thermisch höheren Niveau liegt als der, der über die Frischluftleitung und das Gebläse zugeführt wird. Je mehr Abgas aus der Brennstoffzelle dem Brenner 2 zugeführt wird, um so höher ist der Wirkungs­ grad der gesamten Heizeinrichtung. Je mehr Oxidationsanteile aus dem Abgasweg der Brennstoffzelle in den Brenner kommen, um so stärker kann man den Frischluftgehalt, der vom Gebläse zugeführt werden muß, drosseln, wobei für das Gebläse eine entsprechende Regelung 15 vorgesehen ist.

Wird zuviel Abgas aus der Brennstoffzelle 9 dem Brenner 2 zugeführt, so gibt es im Brenner 2 eine unvollständige Verbrennung, wodurch sich auch eine obere Grenze für die Zufuhr von aus der Brennstoffzelle 9 stammendem Abgas zum Brenner 2 ergibt. Das jeweils verblei­ bende Rest-Abgas der Brennstoffzelle 9 wird unter Umgehung des Brenners 2 direkt dem Wärmetauscher 3 zugeführt.

Claims (3)

1. Heizeinrichtung mit einem in einem Brennraum (1) angeordneten und von einem Brenner (2) beaufschlagten Wärmetauscher (3), wobei der Brenner (2) über ein Gasventil (4) mit Erdgas und über ein regelbares Gebläse (7) mit Luft versorgbar ist, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Brenner (2) und der Wärmetauscher (3) mit einer Abgasleitung (18) einer Brennstoffzelle (9) in Verbindung stehen, der ein über ein Proportionalventil (12) mit Erdgas sowie mit Wasserdampf (23) beaufschlagbarer Reformer (10) vorge­ schaltet ist und das Gasventil (4) als Proportionalventil ausgebildet ist.

2. Heizeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Abgasleitung (18) der Brennstoffzelle (9) über ein Proportio­ nalventil (19) mit einer zum Brenner (2) und einer zum Wärmetau­ scher (3) führenden Leitung (21, 20) verbunden ist, wobei das Proportionalventil (19) die Aufteilung des Abgases der Brennstoff­ zelle (9) steuert und von einem Regler (15) gesteuert ist.

3. Heizeinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Regler (15) mit einer im vom Wärmetau­ scher (3) abströmenden Abgasstrom angeordneten Sauer­ stoffsonde (17) und den die Gaszufuhr zum Reformer (10) bezie­ hungsweise zum Brenner (2) steuernden Proportionalventilen (4, 12) eingangsseitig verbunden ist.