DE19948216A1

DE19948216A1 - Einrichtung mit mindestens einer Brennstoffzelle

Info

Publication number: DE19948216A1
Application number: DE19948216A
Authority: DE
Inventors: Joachim Berg; Martin Bielski; Thomas Hocker; Reinhold Kehl; Jochen Paulus; Seonhi Ro; Joachim Schuerholz; Kerstin Wagner
Original assignee: Joh Vaillant GmbH and Co
Current assignee: VAILLANT GMBH, 42859 REMSCHEID, DE
Priority date: 1998-10-08
Filing date: 1999-10-07
Publication date: 2000-04-13
Anticipated expiration: 2019-10-08
Also published as: DE19948216B4; CH693910A5; ATA168498A; AT406899B

Abstract

Einrichtung mit mindestens einer Brennstoffzelle (1), der ein Reformer vorgeordnet ist, und einem an eine Abgasleitung (3) der Brennstoffzelle (1) angeschlossenen Nachbrenner (4), der in einem mit einem Wärmetauscher (6) versehenen Brennraum (11) angeordnet ist. Um einen einfach regelbaren Betrieb zu ermöglichen, ist vorgesehen, daß der nachgeschaltete Brenner (4) als ein Luftstufenbrenner ausgebildet ist, wobei die Abgasleitung (3) der Brennstoffzelle (1) in einen hohlen perforierten Kegel (4) mündet, der von zu diesem im wesentlichen konzentrisch angeordneten Brennstoffdüsen (10), die im Brennraum (11) angeordnet sind, umgeben ist.

Description

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

Beim Betrieb von Brennstoffzellen, insbesondere Hochtemperatur-Brennstoffzellen, die bei Temperaturen von mehr als 900°C betrieben werden, ist es erforderlich, eine möglichst konstante Temperatur der Brennstoffzelle bzw. eines Brennstoffzellenstapels einzuhalten. Temperaturschwankungen, die sich durch Belastungsmodulation und Variation der Strom produktion der Brennstoffzelle ergeben würden, werden bisher durch Variation des Luftüber schusses ausgeglichen. Dies hat zur Folge, daß in der Praxis die Luftzahl des Abgases der Brennstoffzelle zwischen Lambda 3 und 9 schwankt. Um trotz des hohen Luftüberschusses die thermische Energie des heißen Abgases energetisch nutzen zu können, werden bisher konventionelle voll-vormischende Brenner nachgeschaltet, die mit der überschüssigen Luft der Brennstoffzelle und zusätzlichem Brenngas betrieben werden.

Dabei ist es jedoch erforderlich, die Belastung des Brenners an die Luftzahl des Brennstoff zellenstapels anzupassen, um zu vermeiden, daß das Brenngas-Luft-Gemisch die Zünd grenzen überschreitet. Außerdem ergeben sich bei solchen bekannten Einrichtungen auch Probleme, wenn kein Wärmebedarf gegeben ist und das heiße Abgas der Brennstoffzelle abgeführt werden muß.

Ziel der Erfindung ist es, diese Nachteile zu vermeiden und eine Einrichtung der eingangs erwähnten Art vorzuschlagen, bei der das Abgas der Brennstoffzelle auf sehr einfache Weise genutzt werden kann.

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

Durch die vorgeschlagenen Maßnahmen ergibt sich eine in konstruktiver Hinsicht sehr einfa che Lösung. Bei einer solchen Ausbildung des Brenners strömt Brenngas über die Brenn stoffdüsen in den Brennraum und vermischt sich mit der im Abgas der Brennstoffzelle, das aus dem perforierten Kegel strömt, enthaltenen Luft. Dabei wird, wie bei einem Diffusions brenner, der Flamme so viel Luft zugeführt, wie sie zur vollständigen Verbrennung benötigt. Die überschüssige Luft, die durch das System gelangt, nimmt nicht an der Verbrennung teil. Daraus resultiert, daß das System mit einer Gesamtluftzahl, z. B. hinter dem Wärmetauscher gemessen, betrieben werden kann, die so groß ist, daß ein voll-vormischender Brenner nicht betrieben werden könnte, da das Gemisch sich außerhalb der Zündgrenzen befände.

Da nach den vorgeschlagenen Maßnahmen nicht die gesamte im Abgas der Brennstoffzelle enthaltene Luft den Flammen zugeführt wird, kann nach der Erfindung der Nachbrenner mit Luftzahlen zwischen 1,05 und 3 betrieben werden, wodurch sich eine wesentlich einfachere Regelungsstrategie als bei den herkömmlichen voll-vormischenden Brennern ergibt.

Durch die Merkmale des Anspruches 2 ergibt sich der Vorteil, daß bei Betriebszuständen, bei denen keine entsprechende Wärmeanforderung vorliegt und das heiße Abgas der Brennstoffzelle abgeführt werden muß, zusätzliche kühle Luft über die Luftleitung in den hohlen Kegel eingebracht werden kann. Dadurch kann das aus dem Kegel austretende Gasgemisch soweit abgekühlt werden, daß der im Brennraum angeordnete Wärmetauscher mit einer Temperatur von weniger als 100°C beaufschlagt wird. Dadurch wird eine Blasen bildung im Wärmetauscher, aber auch eine vermehrte Korrosion des Wärmetauschers, ins besondere Hochtemperatur-Korrosion, vermieden.

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

Eine Brennstoffzelle 1, bzw. ein Stapel von Brennstoffzellen 1, ist über eine Wasserstofflei tung 8 mit einem nicht dargestellten vorgeschalteten Reformer verbunden und mit einer Luftleitung 7 versehen, über die der Brennstoffzelle 1 Luft zugeführt wird.

Eine Abgasleitung 3 der Brennstoffzelle 1 mündet im Inneren 13 eines hohlen perforierten als Nachbrenner dienenden Kegels 4, der in einem Brennraum 11 angeordnet ist. Weiters mündet auch noch eine Luftleitung 2 in den perforierten Kegel 4.

Dieser Kegel 4 ist konzentrisch von einem Ring von Brennstoffdüsen 10 umgeben, die im Boden 12 des Brennraumes 11, in dem auch ein mit einer Zentralheizung in Verbindung stehenden wasserführenden Wärmetauscher 6 angeordnet ist, gehalten und an eine Brenn gasleitung 9 angeschlossen sind. Weiters ist der Brennraum mit einem Abgasstutzen 5 ver sehen.

Beim Betrieb der Einrichtung wird Wasserstoffgas über die Wasserstoffleitung 8 und Luft über die Luftleitung 7 in die Brennstoffzelle 1 eingeleitet und in dieser Strom erzeugt. Das dabei entstehende heiße Abgas, das einen erheblichen Luftüberschuß aufweist, gelangt über die Abgasleitung 3 in das Innere 13 des hohlen Kegels 4.

Besteht ein über die im Abgas, das aus dem Kegel 4 austritt und den Wärmetauscher 6 be aufschlagt, enthaltene Wärme hinausgehender Wärmebedarf, so wird über die Brenngaslei tung 9 und die Brennstoffdüsen 10 Brenngas in den Brennraum 11 geleitet, das sich mit dem aus dem Kegel 4 austretenden Abgas vermischt und verbrennt. Dabei wird von den Flammen nur soviel Luft aus dem Abgas der Brennstoffzelle verbrannt, als für eine vollstän dige Verbrennung des Brenngases erforderlich ist. Die übrige Luft nimmt an der Verbren nung nicht teil und beaufschlagt den Wärmetauscher 6, der auch durch das verbrannte Brenngas aus den Brennstoffdüsen beaufschlagt wird.

Wird überhaupt keine Wärme benötigt, so wird das Abgas der Brennstoffzelle 1 durch Zu fuhr von kühler Luft über die Luftleitung 2 soweit abgekühlt, daß die Temperatur des so ge bildeten verdünnten Abgases weniger als 100°C beträgt. Dadurch wird vermieden, daß es im Bereich des Wärmetauschers zum Sieden des Wassers bzw. zur Ausbildung von Blasen kommt.

Claims

1. Einrichtung mit mindestens einer Brennstoffzelle (1), der ein Re former vorgeordnet ist und einem an eine Abgasleitung (3) der Brennstoffzelle (1) angeschlossenen Nachbrenner (4), der in ei nem mit einem Wärmetauscher (6) versehenen Brennraum (11) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß der nachgeschal tete Brenner (4) als ein Luftstufenbrenner ausgebildet ist, wobei die Abgasleitung (3) der Brennstoffzelle (1) in einen hohlen perfo rierten Kegel (4) mündet, der von zu diesem im wesentlichen kon zentrisch angeordneten Brennstoffdüsen (10), die im Brennraum (11) angeordnet sind, umgeben ist.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in das Innere des Kegels (4) weiters eine Luftleitung (2) mündet.