DE29820482U1 - Combined heat and power plant - Google Patents
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine Kraft-Wärme-Kopplungsanlage mit Brennstoffzellen gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.The invention relates to a combined heat and power plant with fuel cells according to the preamble of claim 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 Abstrahlungsverluste auf.In known arrangements of this kind, the individual elements are arranged separately and connected to one another with appropriate cables. This results in the disadvantage of complicated assembly and poor overall efficiency. In addition, due to the cables and the associated relatively large surfaces, which also result from the individually arranged components, considerable radiation losses occur.
Ziel der Erfindung ist es, diese Nachteile zu vermeiden und eine Kraft-Wärme-Kopplungsanlage 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.The aim of the invention is to avoid these disadvantages and to propose a combined heat and power plant with fuel cells of the type mentioned at the beginning, which is characterized by a simple structure and only a small heat loss. Such an arrangement has the advantage that the heat generated during the reaction of the fuel gas with the air can be used by the heat exchanger both in the fuel cells and in the additional burner.
Erfindungsgemäß wird dies bei einer Anordnung der eingangs erwähnten Art durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 1 erreicht.According to the invention, this is achieved in an arrangement of the type mentioned at the outset by the characterizing features of claim 1.
Durch die vorgeschlagenen Maßnahmen ist sichergestellt, daß sich nur sehr kurze Rohrleitungen ergeben und bei manchen Verbindungen kann auf solche überhaupt verzichtet werden. The proposed measures ensure that only very short pipelines are used, and in some connections they can be dispensed with altogether.
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.This means that the fuel cell can be connected directly to the reformer, and the exhaust gases from the fuel cell can be fed into the heat exchanger via the additional burner, thereby ensuring effective use of heat. The proposed common combustion chamber also offers the advantage of reducing radiation losses.
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.In addition, the arrangement of an additional burner provided according to the invention also makes it possible to use the excess air still present in the exhaust gas of the fuel cell for the combustion of the gas in the additional burner and to supply the heat gained in this way to the heat exchanger.
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 sauerstoffreichen Abgase der Brennstoffzelle eine sehr gute Verbrennung des zugesetzten Gases.The features of claim 2 result in the advantage that a modulating operation is possible in a simple manner, in which more or less gas can be additionally supplied to the burner depending on the heat requirement. The oxygen-rich exhaust gases of the fuel cell result in very good combustion of the added gas.
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.The features of claim 3 result in the advantage that in the start-up phase the additional burner is also expediently put into operation, so that the reformer quickly reaches its operating temperature through the recirculated hot exhaust gases. After the operating temperature of the reformer has been reached, the exhaust gas recirculation line can be closed off by means of the flap, which is expediently controlled depending on the temperature of the reformer.
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.The features of claim 4 ensure that the burner surrounds the fuel cell. This makes it very easy to maintain the operating temperature of the fuel cell. It also results in a very compact structure.
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 Wärmetauscher zugeführt. Außerdem kann der Anteil der Abgasströme je nach den Betriebsbedingungen gesteuert werden.The features of claim 5 enable very flexible operation of the arrangement. In this case, only a portion of the exhaust gas from the fuel cell reaches the burner, which results in a high ignitability of the fuel gas mixture over a wide modulation range. This can be achieved by targeted control of the exhaust gas mixing rate, i.e. the volume flow of the exhaust gas from the fuel cell to the volume flow of the fresh air. In this case, the exhaust gas from the fuel cell that is not fed to the burner is fed directly to the heat exchanger. In addition, the proportion of the exhaust gas flows can be controlled depending on the operating conditions.
Besonders niedrige Wärmeabstrahlungsverluste ergeben sich durch die Merkmale des Anspruches 6. Außerdem ergibt sich dadurch ein sehr kompakter Aufbau.Particularly low heat radiation losses result from the features of claim 6. This also results in a very compact structure.
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.
Fig. 1 bis 4 schematisch verschiedene Ausführungsformen erfindungsgemäßer Kraft-Wärme-Kopplungsanlage mit Brennstoffzellen.Fig. 1 to 4 show schematically various embodiments of a combined heat and power plant according to the invention with fuel cells.
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.In the embodiment according to Fig. 1, the arrangement has a reformer 2 into which a gas line 1 and a steam line 10 open.
Im Bereich des Reformers 2 werden das Gas und Wasserdampf zu Wasserstoff und Kohlendioxid umgesetzt. Bei den Hochtemperatur-Brennstoffzellen ist die 100 %ige Umsetzung nicht notwendig. Diese umgesetzten Gase werden auf der Anodenseite 7 der Brennstoffzellenstapel 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.In the area of the reformer 2, the gas and water vapor are converted into hydrogen and carbon dioxide. In the case of high-temperature fuel cells, 100% conversion is not necessary. These converted gases are fed to the anode side 7 of the fuel cell stack 3. The air flowing through the air line 5 is fed to the cathode side of the fuel cell stack 3. The double jacket, through which a heat-absorbing medium flows, encloses the combustion chamber 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.The housing 9 of the fuel cell stack 3 is arranged after the reformer 2, whereby an additional burner 8 is held within this housing 9 of the fuel cell stack.
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.An additional gas line 13, via which additional gas can be supplied to the burner 8, also opens into the chamber 12 remaining between the walls of this housing 9, the additional burner 8 and the fuel cell stack 3, into which the outlet 11 of the fuel cell stack 3 also opens.
Weiter ist eine Zündeinrichtung 14 an der Ausströmseite des Zusatzbrenners 8 vorgesehen.Furthermore, an ignition device 14 is provided on the outflow side of the additional burner 8.
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.Furthermore, a heat exchanger 15 is provided, which is supplied with exhaust gas from the additional burner 8, and is connected to a return line 16 and is hydraulically connected to the housing 6, which is designed as a double jacket and is connected to a flow line 17.
Stromab des Wärmetauschers 15 ist ein Abgassammler 18 mit einer Abgasleitung 19 angeordnet. An exhaust collector 18 with an exhaust line 19 is arranged downstream of the heat exchanger 15.
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.Furthermore, the current collector 33 of the fuel cell stack 3 is connected via lines guided in a protective tube 20 to an inverter 21 arranged on the outside of the housing 6, which converts the direct current generated by the fuel cell stack 3 into alternating current.
Im Bereich des Reformers 2 und in dem zwischen dem Zusatzbrenner 8 und dem Wärmetauscher 15 gelegenen Bereich sind Temperaturfühler 22 angeordnet, die über Signalleitungen 24, 25 mit einer Steuerung 26 verbunden sind, an der auch ein Sollwertgeber 27 angeschlossen ist.In the area of the reformer 2 and in the area between the additional burner 8 and the heat exchanger 15, temperature sensors 22 are arranged, which are connected via signal lines 24, 25 to a control 26, to which a setpoint transmitter 27 is also connected.
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 demWhen the arrangement is in operation, natural gas is fed to the reformer 2 via the gas line 1, to which steam is also fed via the steam line 10. The reformer 2 converts natural gas and steam into hydrogen and carbon monoxide. The hydrogen, which does not have to be of high purity in high-temperature fuel cells, is
Brennstoffzellenstapel 3 verarbeitet, wobei Gleichstrom gewonnen wird, der im Inverter in Wechselspannung umgewandelt wird.Fuel cell stack 3 is processed, generating direct current which is converted into alternating current in the inverter.
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.The exhaust gases of the fuel cell stack 3, which contain sufficient oxygen, reach the additional burner 8, with additional gas being fed into the mixing chamber 12, which is delimited by the additional burner 8, via the additional gas line 13. The additional amount of gas fed can be varied depending on the heat requirement.
Das aus dem Brenner 8, der entsprechende Ausströmöffnungen aufweist, austretende brennbare Gasgemisch wird mittels der Zündeinrichtung 14 gezündet und verbrannt.The combustible gas mixture emerging from the burner 8, which has corresponding outlet openings, is ignited and burned by means of the ignition device 14.
Die dabei entstehenden Brenngase beaufschlagen den Wärmetauscher 15 und geben auch Wärme an den Doppelmantel 6 ab, der die gemeinsame Brennkammer 30 begrenzt.The resulting combustion gases act on the heat exchanger 15 and also give off heat to the double jacket 6, which delimits the common combustion chamber 30.
Das entsprechend abgekühlte Abgas strömt über die Abgasleitung 19 ab.The correspondingly cooled exhaust gas flows out via the exhaust pipe 19.
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.In the embodiment according to Fig. 2, the reformer 2 and the fuel cell stack 3 are arranged in a housing 6, which is closed off by the additional burner 8".
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.An exhaust gas recirculation line 29 leads from the combustion chamber 30 between the burner 8" and the heat exchanger 15 and opens into the reformer 2, with a flap 31 for controlling the flow and a fan 32 being arranged in this line 29, with which a flow can be forced.
Mittels der Abgasrückführleitung 29 können während der Startphase der Anordnung heiße Brenngase um den Reformer 2 zugeführt werden, so daß dieser rasch seine Betriebstemperatur erreicht und das diesem zugeführte Erdgas aufspaltet.By means of the exhaust gas recirculation line 29, hot combustion gases can be supplied to the reformer 2 during the start-up phase of the arrangement, so that the reformer quickly reaches its operating temperature and splits the natural gas supplied to it.
Bei der Ausführungsform nach der Fig. 3 sind der Reformer 2 und der über diesem angeordnete Brennstoffzellenstapel 3 vom Brenner 8' umgeben.In the embodiment according to Fig. 3, the reformer 2 and the fuel cell stack 3 arranged above it are surrounded by the burner 8'.
Damit wird der Brenner 8' von der Gesamtheit der Abgase der Brennstoffzelle 3 beaufschlagt. Weiter ist der Brenner 8' an eine Gasleitung 131 angeschlossen, die die zum Reformer 2 führende Gasleitung 1 im wesentlichen koaxial umgibt.The burner 8' is thus exposed to the entire exhaust gases of the fuel cell 3. The burner 8' is also connected to a gas line 13 1 which essentially coaxially surrounds the gas line 1 leading to the reformer 2.
Bei dieser Lösung ergibt sich während der Startphase durch die Strahlungswärme des Brenners 8' eine rasche Erwärmung der Brennstoffzelle 3 auf deren Betriebstemperatur.With this solution, the radiant heat of the burner 8' results in rapid heating of the fuel cell 3 to its operating temperature during the start-up phase.
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.The alternative embodiment is that the burner 8' only encloses the outer surfaces of the fuel cell 3. As a result, part of the exhaust gases from the fuel cell stack 3 flow into the combustion chamber via sheet metal perforated on the front. Furthermore, in this embodiment, the reformer 2 surrounds the gas line 1, with the steam line 10 concentrically surrounding the gas line 1, which in turn is concentrically surrounded by the additional gas line 13'.
Bei allen dargestellten Lösungen kann der Zusatzbrenner 8, 8', 8" modulierend betrieben werden.In all solutions shown, the additional burner 8, 8', 8" can be operated in a modulating manner.
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