DE19951217A1 - Fuel cell arrangement has device for converting heat into electrical energy, e.g. Stirling motor connected into fuel cell waste gas line and coupled to current generator - Google Patents

Fuel cell arrangement has device for converting heat into electrical energy, e.g. Stirling motor connected into fuel cell waste gas line and coupled to current generator

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Abstract

The arrangement has at least one fuel cell (5) and a heat exchanger (3) connected to the waste gas line (6) from the fuel cell(s). The waste gas line has an associated device for converting heat into electrical energy in the form of a Stirling motor (10) connected into the waste gas line and coupled to a current generator (15) or a thermoelement mounted on a waste gas tube and connected to an inverter.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.The invention relates to a device according to the preamble of claim 1.

Solche Einrichtungen arbeiten oft auch in einem Parallelbetrieb mit einem Heizgerät, wobei das Heizgerät und die Abgasleitung der Brennstoffzelle einen gemeinsamen Wärmetauscher beaufschlagen. Bei einer solchen Einrichtung ergibt sich das Problem, daß es bei einem Betriebserfordernis "reiner Strombedarf, kein Wärmebedarf" das relativ heiße Abgas der Brennstoffzelle abgeführt werden muß. Um dabei den Abgaskanal des Wärmetauschers und auch diesen nicht zu überlasten, ist es erforderlich, das Abgas der Brennstoffzelle abzu­ kühlen. Dies erfolgt bei bekannten derartigen Einrichtungen durch Beimischung von kühler Luft in die Abgasleitung der Brennstoffzelle mittels eines entsprechenden Gebläses.Such devices often work in parallel with a heater, whereby the heater and the exhaust pipe of the fuel cell have a common heat exchanger act upon. With such a device, the problem arises that it Operating requirement "pure electricity requirement, no heat requirement" the relatively hot exhaust gas Fuel cell must be removed. To the exhaust gas duct of the heat exchanger and not to overload it either, it is necessary to remove the exhaust gas from the fuel cell cool. In known devices of this type, this is done by adding cooler Air into the exhaust pipe of the fuel cell by means of an appropriate fan.

Allerdings ergibt sich dabei der Nachteil eines entsprechenden konstruktiven Aufwandes und eines entsprechenden Energieverlustes durch die Nicht-Nutzung der Wärme des Abgases der Brennstoffzelle.However, there is the disadvantage of a corresponding design effort and a corresponding loss of energy due to the non-use of the heat of the exhaust gas the fuel cell.

Ziel der Erfindung ist es, diese Nachteile zu vermeiden und eine Einrichtung der eingangs erwähnten Art vorzuschlagen, bei der es bei allen Betriebsbedingungen möglich ist, die ein­ gesetzte Primärenergie sehr weitgehend auszunutzen.The aim of the invention is to avoid these disadvantages and to set up the input propose the type mentioned, in which it is possible in all operating conditions, the one to use the primary energy set to a large extent.

Erfindungsgemäß wird dies bei einer Einrichtung der eingangs erwähnten Art durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 1 erreicht. According to the invention, this is achieved by means of a device of the type mentioned at the outset characteristic features of claim 1 achieved.  

Durch die vorgeschlagenen Maßnahmen ist es auf einfache Weise möglich, die im Abgas der Brennstoffzelle enthaltene Energie zu nutzen und in elektrische Energie umzuwandeln.The proposed measures make it possible in a simple manner that in the exhaust gas to use the energy contained in the fuel cell and convert it into electrical energy.

Durch die Merkmale des Anspruches 2 ergibt sich der Vorteil, daß die vom mit dem Ster­ lingmotor gekoppelten Generator erzeugte Spannung direkt in ein Netz eingespeist werden kann, insbesondere wenn es sich um einen Wechselstrom- oder Drehstromgenerator han­ delt. Dabei zeichnet sich der Sterlingmotor durch einen sehr einfachen Aufbau aus. Der Sterlingmotor nutzt die Temperaturunterschiede zwischen dem Abgas der Brennstoffzelle und der Umgebungstemperatur aus, die einen Kolben in oszillierende Bewegung versetzen, die für den Antrieb des Generators genutzt werden kann. Dabei kommt es aufgrund der Entspannung des Abgases der Brennstoffzelle zu einer entsprechenden Abkühlung des Abgases.Due to the features of claim 2, there is the advantage that the with the Ster The voltage generated by the lingmotor coupled generator can be fed directly into a network can, especially if it is an AC or three-phase generator delt. The sterling motor is characterized by a very simple construction. The Sterlingmotor uses the temperature differences between the exhaust gas from the fuel cell and the ambient temperature that cause a piston to oscillate, which can be used to drive the generator. It happens because of the Relaxation of the exhaust gas from the fuel cell for a corresponding cooling of the Exhaust gas.

Durch die Merkmale des Anspruches 3 ergibt sich eine in konstruktiver Hinsicht sehr einfa­ che Lösung.The features of claim 3 result in a very simple in design terms che solution.

Dabei kommt es aufgrund der Thermoelemente zu einer entsprechenden Abkühlung des Abgases der Brennstoffzelle.Due to the thermocouples there is a corresponding cooling of the Exhaust gas from the fuel cell.

Bei einer Einrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 4 ergibt sich durch die kenn­ zeichnenden Merkmale des Anspruches 4 der Vorteil, daß zur Einspeisung des durch die Thermoelemente erzeugten Gleichstromes in ein Netz kein separater Wechselrichter erfor­ derlich ist, sondern der für die Brennstoffzelle vorgesehene Wechselrichter auch für die Um­ setzung des von den Thermoelementen erzeugten Gleichstromes verwendet werden kann.In a device according to the preamble of claim 4 results from the kenn Characteristic features of claim 4, the advantage that for feeding in by the Thermocouples generated direct current in a network do not require a separate inverter is necessary, but the inverter provided for the fuel cell also for the Um setting of the direct current generated by the thermocouples can be used.

Die Erfindung wird nun anhand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigen:The invention will now be explained in more detail with reference to the drawing. Show:

Fig. 1 eine erfindungsgemäße Einrichtung und Fig. 1 an inventive device and

Fig. 2 ein Detail einer weiteren erfindungsgemäßen Einrichtung. Fig. 2 shows a detail of a further device according to the invention.

Gleiche Bezugszeichen bedeuten in beiden Figuren gleiche Einzelteile.The same reference symbols in both figures mean the same individual parts.

Bei der Einrichtung nach der Fig. 1 ist ein Heizgerät 1 vorgesehen, dessen Abgasleitung 2 mit einem Wärmetauscher 3 verbunden ist, der mit einem Abgasstutzen 4 versehen ist. Weiter ist eine Brennstoffzelle 5 vorgesehen, die in üblicher Weise mit einem nicht darge­ stellten Reformer zur Erzeugung von Wasserstoff aus Wasser und einem Brenngas sowie einer Luftleitung versehen ist. Diese Brennstoffzelle 5 ist über eine Abgasleitung 6 mit einem weiteren Eingang des Wärmetauschers 3 verbunden.In the device according to FIG. 1, a heater 1 is provided, the exhaust pipe 2 is connected to a heat exchanger 3 which is provided with an exhaust stub 4. Furthermore, a fuel cell 5 is provided, which is provided in the usual manner with a reformer, not shown, for generating hydrogen from water and a fuel gas and an air line. This fuel cell 5 is connected via an exhaust pipe 6 to a further input of the heat exchanger 3 .

Die in der Brennstoffzelle 5 erzeugte elektrische Energie wird über eine elektrische Leitung 7 einem Wechselrichter 8 zugeführt, dessen Ausgang mit einem Drehstromnetz 9 verbunden ist.The electrical energy generated in the fuel cell 5 is fed via an electrical line 7 to an inverter 8 , the output of which is connected to a three-phase network 9 .

Bei der Ausführungsform nach der Fig. 1 ist der Abgasleitung 6 der Brennstoffzelle 5 ein Sterlingmotor 10 zugeordnet, der mit einem Drehstromgenerator 15 gekoppelt ist, der über ein Filter 11 mit dem Netz 9 verbunden ist.In the embodiment according to FIG. 1, the exhaust gas line 6 of the fuel cell 5 is assigned a sterling motor 10 , which is coupled to a three-phase generator 15 , which is connected to the network 9 via a filter 11 .

Bei dieser Einrichtung ist ein Parallelbetrieb der Heizeinrichtung 1 mit der Brennstoffzelle 5 möglich, wodurch einerseits Wärme und elektrische Energie erzeugt werden kann.In this device, parallel operation of the heating device 1 with the fuel cell 5 is possible, whereby heat and electrical energy can be generated on the one hand.

Bei einem Betrieb, bei dem eine Wärmeanforderung und Bedarf an elektrischer Energie vor­ liegt, kann je nach dem Ausmaß des Wärmebedarfs entweder die Brennstoffzelle 5 allein oder auch gemeinsam mit dem Heizgerät 1 betrieben werden, wobei das Heizgerät 1 und das Abgas der Brennstoffzelle 5 den Wärmetauscher 3 beaufschlagen, aus dem das abge­ kühlte Abgas über den Abgasstutzen 4 abströmt. Dabei kann bei einem geringen Bedarf an elektrischer Energie der Sterlingmotor 10 stillgesetzt sein. In an operation in which there is a heat requirement and a need for electrical energy, depending on the extent of the heat requirement, either the fuel cell 5 can be operated alone or together with the heater 1 , the heater 1 and the exhaust gas of the fuel cell 5 being the heat exchanger 3 act , from which the cooled exhaust gas flows out through the exhaust pipe 4 . In this case, the sterling motor 10 can be stopped when there is a low need for electrical energy.

Bei größerem Bedarf an elektrischer Energie kann diese zusätzlich zu der der Brennstoff­ zelle 5 auch mittels des Sterlingmotors 10 und dem mit diesem gekoppelten Generator 15 erzeugt werden, wodurch jedoch die Beaufschlagung des Wärmetauschers 3 durch das Ab­ gas der Brennstoffzelle 5 sinkt.If there is a greater need for electrical energy, this can be generated in addition to that of the fuel cell 5 by means of the sterling motor 10 and the generator 15 coupled to it, which, however, reduces the exposure of the heat exchanger 3 to the gas from the fuel cell 5 .

Bei fehlender Wärmeanforderung und reinem Bedarf an elektrischer Energie kann das Heiz­ gerät 1 stillgesetzt werden und die im Abgas der Brennstoffzelle 5 enthaltene Wärmeenergie mittels des Sterlingmotors 10 in mechanische Energie und diese wieder mittels des mit dem Sterlingmotor 10 gekoppelten Generators 15 in elektrische Energie umgewandelt werden. Dabei kann das Abgas der Brennstoffzelle 5 sehr weitgehend ausgenutzt werden.If there is no demand for heat and pure demand for electrical energy, the heating can apparatus 1 are stopped, and the heat energy contained in the exhaust gas of the fuel cell 5 by means of the Stirling engine 10 into mechanical energy and this is converted again by means of the coupled with the Stirling engine 10 generator 15 into electrical energy. The exhaust gas of the fuel cell 5 can be used to a very large extent.

Der Sterlingmotor 10 nutzt die Temperaturunterschiede zwischen dem Abgas der Brenn­ stoffzelle 5 und der Umgebungstemperatur die der Luft oder des Heiz- oder Brauchwassers, wodurch ein Kolben in einem Zylinder in eine oszillierende Bewegung gerät und das Abgas der Brennstoffzelle 5 durch Entspannung abgekühlt wird. Der Kolben treibt den Generator an, der Drehstrom erzeugt.The sterling engine 10 uses the temperature differences between the exhaust gas of the fuel cell 5 and the ambient temperature that of the air or the heating or process water, whereby a piston in an cylinder starts to oscillate and the exhaust gas of the fuel cell 5 is cooled by expansion. The piston drives the generator, which generates three-phase current.

Die Ausführungsform nach der Fig. 2 unterscheidet sich von jener nach der Fig. 1 dadurch, daß der Sterlingmotor 10 fehlt und statt dessen die Abgasleitung 6 der Brennstoffzelle 5 mit Thermoelementen 12 versehen ist, die vorzugsweise in einer die Abgasleitung 6 umgeben­ den Rohrwicklung 13 gehalten sind.The embodiment according to FIG. 2 differs from that according to FIG. 1 in that the sterling motor 10 is missing and instead the exhaust pipe 6 of the fuel cell 5 is provided with thermocouples 12 , which are preferably held in a pipe assembly 13 surrounding the exhaust pipe 6 are.

Diese Thermoelemente 12 sind mit einer Steuerschaltung 14 verbunden, die auch mit der elektrischen Leitung 7 der Brennstoffzelle 5 verbunden ist. Diese Steuerschaltung 14 schal­ tet in Abhängigkeit von der von der Brennstoffzelle 5 gelieferten elektrischen Spannung Thermoelemente 12, die zumindest gruppenweise in Reihe geschaltet sind, zu und weg, um eine Summenspannung der Thermoelemente 12 zu erreichen, die im wesentlichen gleich der Spannung der Brennstoffzelle 5 ist. Dadurch können die Thermoelemente 12 zu der Brennstoffzelle 5 parallel geschaltet werden, ohne daß es zur Ausbildung von nennenswer­ ten Kreisströmen kommt.These thermocouples 12 are connected to a control circuit 14 , which is also connected to the electrical line 7 of the fuel cell 5 . This control circuit 14 switches depending on the electrical voltage supplied by the fuel cell 5 thermocouples 12 , which are connected at least in groups in series, in order to achieve a total voltage of the thermocouples 12 , which is substantially equal to the voltage of the fuel cell 5 . As a result, the thermocouples 12 can be connected in parallel to the fuel cell 5 without the formation of appreciable circuit currents.

Dadurch kann mit einem einzigen Wechselrichter, der in der Fig. 2 nicht dargestellt ist, das Auslangen gefunden werden.As a result, the sufficiency can be found with a single inverter, which is not shown in FIG. 2.

Claims (4)

1. Einrichtung mit mindestens einer Brennstoffzelle (5) und einem an eine Abgasleitung (6) derselben angeschlossenen Wärmetau­ scher (3), dadurch gekennzeichnet, daß der Abgasleitung (6) der Brennstoffzelle (5) eine Einrichtung zur Umwandlung von Wärme in elektrische Energie zugeordnet ist.1. Device with at least one fuel cell ( 5 ) and one connected to an exhaust pipe ( 6 ) the same heat exchanger ( 3 ), characterized in that the exhaust pipe ( 6 ) of the fuel cell ( 5 ) is assigned a device for converting heat into electrical energy is. 2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Umwandlung von Wärme in elektrische Energie einen in die Abgasleitung (6) eingeschalteten Sterlingmotor (10) umfaßt, der mit einem Strom-Generator (15) gekoppelt ist.2. Device according to claim 1, characterized in that the device for converting heat into electrical energy comprises a sterling motor ( 10 ) switched on in the exhaust line ( 6 ), which is coupled to a current generator ( 15 ). 3. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Umwandlung von Wärme in elektrische Energie durch an dem Abgasrohr (6) angeordnete Thermoelemente (12) gebildet ist, die gegebenenfalls mit einem Wechselrichter (8) ver­ bunden sind.3. Device according to claim 1, characterized in that the device for converting heat into electrical energy is formed by arranged on the exhaust pipe ( 6 ) thermocouples ( 12 ), which are optionally connected to an inverter ( 8 ) connected. 4. Einrichtung nach Anspruch 3, bei der die Brennstoffzelle (5) mit einem Wechselrichter (8) verbunden ist, dadurch gekennzeich­ net, daß die Thermoelemente (12) mit einer von der Spannung der Brennstoffzelle (5) abhängigen Steuerschaltung (14) verbun­ den ist, die durch Zu- und Wegschalten von Thermoelementen (12) deren Summenspannung auf den Wert der Spannung der Brennstoffzelle (5) einstellt und parallel zu der Brennstoffzelle (5) schaltet.4. Device according to claim 3, in which the fuel cell ( 5 ) is connected to an inverter ( 8 ), characterized in that the thermocouples ( 12 ) with a dependent on the voltage of the fuel cell ( 5 ) dependent control circuit ( 14 ) the which, by switching thermocouples ( 12 ) on and off, adjusts their total voltage to the value of the voltage of the fuel cell ( 5 ) and switches in parallel with the fuel cell ( 5 ).
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