WO2007134352A1 - Verfahren zur nutzung von hochtemperaturbrennstoffzellen um haushaltsgeräte zu betreiben - Google Patents

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WO2007134352A1
WO2007134352A1 PCT/AT2007/000242 AT2007000242W WO2007134352A1 WO 2007134352 A1 WO2007134352 A1 WO 2007134352A1 AT 2007000242 W AT2007000242 W AT 2007000242W WO 2007134352 A1 WO2007134352 A1 WO 2007134352A1
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Dirk Peter Claassen
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Dirk Peter Claassen
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    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Definitions

  • the electrical efficiency of fuel cells is currently between 30 and 60 percent.
  • the remaining energy generated in the fuel cell is in the form of waste heat.
  • the fuel cell can now be operated so that it generates more or less heat or electricity.
  • a higher proportion of electricity as it occurs, for example, in partial load operation of the fuel cell requires a reduction of the waste heat generated. If you need more waste heat, the fuel cell is operated more and more towards full load. This shifts the ratio of electricity and waste heat in favor of the waste heat generated. This function of the fuel cell allows a targeted adaptation to the respective thermal or electrical needs of consumers.
  • a pure heat production currently has an efficiency of up to 85 percent.
  • pure power generation usually has an efficiency of 20% to 50% depending on the type of primary energy used. Because of these efficiencies, it makes sense to save on the electricity side and to optimize the energy production in terms of heat generation.
  • CHP combined heat and power plants
  • the operating temperatures between 60 and about 25O 0 C and whose usable waste heat in the order of 60 ° C-80 ° C. Das are therefore suitable only for heating or heating of water.Also high-temperature fuel cells with operating temperatures of 500 to 1000 0 C applications of this type are known.
  • the spatial arrangement of the fuel cell is usually centrally in a building in combination with the heater or in 'their vicinity.
  • the heat is transported to the consumers via centrally heated water.
  • JP6176786 describes a system that uses the waste heat of a fuel cell for heating the process water in a boiler and an associated control that prevents overheating of the boiler. Another use of the system as for the production of hot water is not described. A similar principle is also WO9506842 on. Here, in addition to the heating of a boiler, any excess heat is further processed into steam.
  • the waste heat of the fuel cell is widely used in the system for heating a reformer. An external use of the waste heat can not be detected.
  • the patent DE10216099 describes a system that can be used for heating hot water and for feeding the waste heat of the fuel cell in a central heating. Part of the heat is used here to reheat the exhaust gas to prevent condensation in the fireplace.
  • Patent DE10242155 describes a hair dryer (hair dryer) having a small fuel cell for power production.
  • the heat for the process is expressly generated separately from the fuel cell and a use of their waste heat is not described.
  • the patent EP 1327835 of the H2 Interpower GmbH also refers to a PEM fuel cell and in this case to a special Heilbuchung to supply the fuel cell with oxygen and room air to heat directly by the waste heat of the BZ.
  • the solution according to the invention involves the use of the waste heat of a medium or high-temperature fuel cell. These are usually operated with temperatures between 150 and 1000 0 C and have a waste heat which is slightly lower than the operating temperature.
  • This waste heat can originate from the exhaust air of the cathode and / or from the anode exhaust gas, the combustible fraction of which may be burned or oxidized beforehand.
  • This useful heat which is at least hotter than 100 ° C, but typically between 35O 0 C and 700 0 C is to be used for the operation of facilities, for example in a kitchen, but also other parts of a household, the media temperatures of at least 9O 0 C need.
  • the waste heat of high-temperature fuel cells can in principle be used for heating purposes of any kind (conventional heating, process water treatment but also the heating of the required water for washing machines or for the drying function of a dishwasher). Additionally, the electricity produced in the fuel cell may be used to power any electrical equipment such as an electric range, a washing machine, and / or a dishwasher, which in turn may relieve the public utility grid.
  • An essential approach of the invention is also that the heat is not passed on long transmission paths through the house, but as close to the objects to be heated arises by the fuel cell, for example. is placed in the kitchen near the hot air stove. The heat can then be distributed on a common rail between the various possible customers to minimize the losses of the transport.
  • Another component of the invention is that by a demand-oriented allocation of energy supply between electrical and thermal energy, the power consumption of the household or trade can be made uniform and therefore peak load is reduced. Assuming approximately IkW as the average power consumption for a household, the peak consumption can be e.g. briefly rise to 5kW during cooking. By using correspondingly hot exhaust gases for cooking and baking purposes, the peak consumption of electricity can be reduced to about 2 kW, for example. As a result, the network is relieved and the energy costs decrease due to the improved overall efficiency.
  • the invention also provides that the thermal as well as electrical energy provided by the fuel cell is distributed as needed to the respective desired use. If e.g. If more thermal energy is required than is generated as waste heat during power generation, the system can be operated in such a way that the missing part of the required heat is generated by an additional electric heater. In this context, it is also possible to feed in optional thermal energy from other sources. As a result, it is possible to avoid over-dimensioning fuel cell systems in order to meet both requirements, and one can thereby achieve that the fuel cell is always operated at the optimum point. If you need a lot of heat, the fuel cell is operated in the range of full load or possibly in overload with low electrical efficiency.
  • the fuel cell can be operated at partial load with high electrical efficiency.
  • waste heat can be used for the known heating of domestic hot water, for heating or cooling. If necessary, a surplus of electricity produced can also be fed into the public power grid. This can help with the system even when covering or smoothing current spikes.
  • the solution according to the invention has the task to set up the fuel cell system as close as possible to the consumers of electricity and heat in order to keep the transport routes and thereby the transport losses negligible and to make response times as short as possible.
  • consumers now receive the electricity produced by the fuel cell in order to continue to have their conventional electrical functionality.
  • the application devices can now also be operated via the available waste heat and thus without electricity. This waste heat of the.
  • Fuel cell system is preferably fed via heat exchangers and can replace parts or all the conventional electrical heating function of the application device by this amount of heat. As a result, the electricity demand is reduced at peak times and the public power grid is relieved, as well as the waste heat produced by such a system is used sensibly and very efficiently.
  • the exhaust gas of the fuel cell heats, for example, a hotplate. About a quantity or temperature control, the supply of the required amount of heat is set.
  • This system can also be used for all other imaginary applications such as the hot air oven, a dishwasher or even a washing machine.
  • the gas return to the fuel cell via an insulated possibly coaxial line. This operating principle is also suitable for heating domestic water and for applications for heating or cooling purposes.
  • a kitchen power supply system and / or similar applications require at least 90 ° C media temperatures with at least one thermal process such as cooking, dishwashing, and / or washing, wherein the flow is at least partially via a high temperature fuel cell at operating temperatures 100 ° C is provided.
  • This is shown schematically in Figure 1.
  • the fuel cell 1 is supplied with fuel and thereby produces electric power and heat.
  • the electrical power is transmitted via lines 4 to the application devices 3 such.
  • the waste heat produced from the fuel cell 1 is also provided to the application devices 3 such as hot air oven and / or dryer for heating via a heat exchanger 2 and the line 5.
  • the devices can either be operated only with the waste heat of the fuel cell, by the produced electric current of the fuel cell or by a combination of the two energy sources, as well as by combining with additional thermal energy from other sources.
  • the waste heat of the application equipment is supplied via the line 7 back to the heat exchanger 2 and can thereby, for example, for the preheating of the Fuel cell air can be used. Excess waste heat is released via the exhaust air 11 to the environment.
  • Figure 2 illustrates a system part in which hot gas 8 from the fuel cell is mixed with fresh air 9 via a mixing valve 10 to provide the temperature needed for the application devices 3.
  • the exhaust air of the application devices is discharged via the line 11.
  • FIG. 3 shows a system part which forwards a partial flow of the hot gas 8 of the fuel cell 1 via a valve 12 to a heat exchanger 2.
  • the heat transfer from the heat exchanger 2 can take place via a line 13 for any working medium to the application devices 3.
  • the waste heat of the application equipment goes after the heat exchanger 2 directly into the return air 15.
  • the excess heat flow of the fuel cell via the bypass 14 directly back to the fuel cell 1 will be conducted.
  • FIG. 4 illustrates a fuel cell system with heat exchanger and application device.
  • the fuel cell 1 is supplied with fuel 16 and fresh air 9.
  • the fuel cell 1 produces electricity on the one hand and waste heat on the other.
  • This waste heat is fed directly as exhaust air fuel cell 8 a mixing valve 12.
  • the exhaust gas 17 of the fuel cell 1 is optionally passed through a corresponding exhaust gas purification 18 and also fed to the mixing valve 12. From here the gas mixture goes directly to a heat exchanger 2 which in turn transfers the heat to the application device 3 e.g. a baking tube transmits.
  • the waste heat of the application device 3 e.g., hot air oven, hotplate, dishwasher, etc.
  • the waste heat of the application device 3 is returned to the heat exchanger 2 and subsequently reaches the fuel cell with the return air 15.
  • the fuel cell or the system is preheated there with the return air. Thereafter, the return air is discharged via the exhaust air 11 of the system to the environment.
  • the heat exchanger 2 of the system can be omitted when working with air as the transmission medium. However, if a liquid such as e.g. Water are needed, the heat exchanger 2 in the system is necessary. In order to prevent an excessive amount of heat at the heat exchanger 2, the excess thermal energy can be recycled directly to the fuel cell 1 via the bypass 14.
  • the entire system can be equipped with a housing 19.
  • the mixing valve 12, as well as the fuel cell 1 itself, are controlled by a controller. On the one hand, this determines the current thermal and electrical energy requirement of the application device (s) and regulates the mixing valve in order to provide the corresponding partial heat flow for the application devices, in combination with or even without additional electric heater 6. On the other hand, the fuel cell can be controlled with this control so that it works for the currently determined energy demand at the optimum operating point.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Energieversorgung einer Küche und/oder ähnlicher Anwendungsbereiche die Medientemperaturen von zumindest 900C benötigen, mit wenigstens einem thermischen Prozess wie Kochen, Geschirrspülen und/oder Waschen (3) wobei der Strom zumindest teilweise über eine Hochtemperaturbrennstoffzelle (1) mit Betriebstemperaturen über 100°C bereitgestellt wird, und die Wärmeversorgung wenigstens eines der thermischen Prozesse aus der Abwärme (8) (17) der Brennstoffzelle oder durch Kombination von Abwärme aus der Brennstoffzelle mit elektrischem Strom (6) erfolgt.

Description

Verfahren zur Nutzung von Hochtemperaturbrennstoffzellen um Haushaltsgeräte zu betreiben
Beschreibung der Erfindung
[001] Derzeit werden Brennstoffzellensysteme vorwiegend für die Wärmeversorgung, in Form von Heizung, für Häuser, Wohneinheiten aber auch in mobilen Anwendungen wie in Wohnwagen oder Wohnmobilen verwendet. Dabei wird bevorzugt die Abwärme der Brennstoffzelle für die Heizung und die Aufbereitung/Erwärmung des benötigten Brauchwassers verwendet. Für weitere Anwendungen wie Kochen mit einem Elektroherd, Backen oder auch zum Beispiel Wäschewaschen wird die Abwärme der Brennstoffzelle nicht genutzt. Durch diese Stromverbraucher kann es im öffentlichen Versorgungsnetz zu überproportionalen Stromspitzen kommen, die das Stromnetz belasten, und die deutlich höher sind als der mittlere Verbrauch z.B. eines Haushalts.
[002] Der elektrische Wirkungsgrad von Brennstoffzellen beträgt derzeit zwischen 30 und 60 Prozent. Die restliche in der Brennstoffzelle erzeugte Energie liegt in Form von Abwärme vor. Je nach Anwendungsbereich oder gewünschter Energieform, kann nun die Brennstoffzelle so betrieben werden, dass diese mehr oder weniger Wärme oder elektrischen Strom erzeugt. Ein höherer Stromanteil wie er zum Beispiel im Teillastbetrieb der Brennstoffzellen anfällt, bedingt eine Reduktion der erzeugen Abwärme. Benötigt man mehr Abwärme, wird die Brennstoffzelle mehr und mehr Richtung Volllast betrieben. Dadurch verschiebt sich das Verhältnis von Strom und Abwärme zugunsten der erzeugen Abwärme. Diese Funktion der Brennstoffzelle ermöglicht eine gezielte Anpassung an den jeweiligen thermischen oder elektrischen Bedarf der Verbraucher.
[003] Eine reine Wärmeproduktion hat derzeit einen Wirkungsgrad von bis zu 85 Prozent. Hingegen besitzt eine reine Stromerzeugung üblicherweise eine Wirkungsrad von 20 % bis 50 % je nach Art der verwendeten Primärenergie. Aufgrund dieser Wirkungsgrade ist es sinnvoll auf der Stromseite zu sparen und eine Optimierung der Energieproduktion hinsichtlich der Wärmeerzeugung durchzuführen.
[004] Für dezentrale Blockheizkraftwerke (BHKW) werden mehrheitlich Nieder- bzw. „Mitteltemperatur-" Brennstoffzellen verwendet, die Betriebstemperaturen zwischen 60 und rund 25O0C aufweisen und deren nutzbare Abwärme in der Größenordnung von 60°C-80°C liegt. Diese sind daher nur zur Heizung oder Erwärmung von Wasser geeignet ist. Auch von Hochtemperatur-Brennstoffzellen mit Betriebstemperaturen von 500 bis 10000C sind Anwendungen dieser Art bekannt.
[005] Dementsprechend ist die räumliche Anordnung der Brennstoffzellen meist zentral in einem Gebäude in Kombination mit der Heizung oder in 'deren Nähe. Der Transport der Wärme zu den Verbrauchern erfolgt über zentral erhitztes Wasser.
[006] Nachfolgend wir der derzeitige Stand der Technik anhand von relevanten Patenten beschrieben.
[007] JP6176786 beschreibt ein System, das die Abwärme einer Brennstoffzelle zum Aufheizen des Brauchwassers in einem Boilers verwendet sowie eine zugehörige Regelung die ein Überhitzen des Boilers verhindert. Eine andere Verwendungsmöglichkeit des Systems als zur Erzeugung von Warmwasser wird nicht beschrieben. Ein ähnliches Prinzip liegt auch WO9506842 zugrunde. Hier wird neben der Erhitzung eines Boilers noch allfällige Überschusswärme zu Dampf weiterverarbeitet.
[008] In GB1320275 wird die Abwärme der Brennstoffzelle weitgehend im System für die Erwärmung eines Reformers verwendet. Eine externe Nutzung der Abwärme ist nicht zu erkennen.
[009] Die Patentschrift DE10216099 beschreibt ein System, dass zur Aufheizung von Warmwasser und zur Einspeisung der Abwärme der Brennstoffzelle in eine Zentralheizung verwendet werden kann. Ein Teil der Wärme wird hier zur Wiederaufheizung des Abgases verwendet, um eine Kondensatbildung im Kamin zu vermeiden.
[010] Im Patent DE10242155 wird ein Haartrockner (Fön) beschreiben, der eine kleine Brennstoffzelle für die Stromproduktion aufweist. Die Wärme für den Prozess wird ausdrücklich getrennt von der Brennstoffzelle erzeugt und eine Nutzung von deren Abwärme ist nicht beschrieben.
[011] Das Patent WO 00/10209 der Siemens AG beansprucht die Bauart einer speziellen Wärmetauscherzelle und im Zusammenhang damit ein allgemeines Verfahren zur Nutzbarmachung der Abwärme einer luftgekühlten PEM-Brennstoffzelle.
[012] Das Patent EP 1327835 der H2 Interpower GmbH bezieht sich ebenfalls auf eine PEM Brennstoffzelle und hierbei auf eine spezielle Luftfuhrung um die Brennstoffzelle mit Sauerstoff zu versorgen und Raumluft durch die Abwärme der BZ direkt zu erwärmen.
[013] Die Patente WO 98/04011 der Ztek Cooperation sowie die Anmeldung EP 1669700 von LG Elektronics handeln sich um HVAC Systeme. Systeme die zur Klimatisierung von Räumen oder Gebäuden verwendet werden können. Beide Dokumente beschreiben detaillierte und komplexe Kompressorkreisläufe und Kraft- Wärmekopplungssysteme zur Klimatisierung.
[014] Einrichtungen zum Kochen oder Backen im häuslichen oder gewerblichen Bereich sind dem Stand der Technik entsprechend entweder mit gasförmigen oder festen Brennstoffen betrieben, z.B. als Gaskocher oder als Backrohr in einem Kachelofen oder als holzbeheizter Herd, oder sie werden elektrisch betrieben. Es sind keine Einrichtungen bekannt, bei denen die obgenannten Funktionen aus der Abwärme eines Stromerzeugers kommen bzw. in einem gemischten thermischen und/oder elektrischen Betrieb mit zumindest einer Komponente aus einer dezentralen Stromerzeugung gespeist werden.
[015] Im Gegensatz zu den im Stand der Technik beschriebenen Ausführungen beinhaltet die erfindungsgemäße Lösung die Nutzung der Abwärme einer Mittel- oder Hochtemperatur- Brennstoffzelle. Diese werden üblicherweise mit Temperaturen zwischen 150 und 10000C betrieben wird und besitzen eine Abwärme die geringfügig niedriger ist als die Betriebstemperatur. Diese Abwärme kann von der Abluft der Kathode herrühren und/oder vom Anodenabgas, dessen brennbarer Anteil gegebenenfalls noch vorher verbrannt oder oxydiert wird. Diese Nutzwärme, die wenigstens heißer als 100°C ist, typisch aber zwischen 35O0C und 7000C liegt, soll für den Betrieb von Einrichtungen z.B. in einer Küche, aber auch anderen Teilen eines Haushalts genutzt werden, die Medientemperaturen von zumindest 9O0C benötigen. Das sind z.B. die Kochplatten eines Herdes oder die Wärme zum Heizen eines Backrohrs oder Heißluftherdes. [016] Die Abwärme von Hochtemperaturbrennstoffzellen kann prinzipiell für Heizzwecke jeglicher Art (konventionelle Heizung, Brauchwasseraufbereitung aber auch das Aufheizen des benötigten Wassers für Waschmaschinen oder für die Trockenfunktion eines Geschirrspülers) verwendet werden. Zusätzlich kann der in der Brennstoffzelle produzierte Strom für das Betreiben von beliebigen elektrischen Geräten wie einem Elektroherd, einer Waschmaschine und/oder einem Geschirrspüler verwendet werden, wodurch wiederum das öffentliche Stromnetz entlastet werden kann.
[017] Ein wesentlicher Ansatz der Erfindung ist auch, dass die Wärme nicht auf langen Übertragungswegen durch das Haus geführt wird, sondern möglichst nahe den zu beheizenden Objekten entsteht, indem die Brennstoffzelle z.B. in der Küche in der Nähe des Heißluftherdes aufgestellt wird. Die Wärme kann dann auf eine gemeinsamen Schiene zwischen den verschiedenen möglichen Abnehmern verteilt werden um die Verluste des Transports zu minimieren.
[018] Ein weiterer Bestandteil der Erfindung ist, dass durch eine bedarfsorientierte Aufteilung der Energieversorgung zwischen elektrischer und thermischer Energie, der Stromverbrauch des Haushalts oder Gewerbes gleichmäßiger gestaltet werden kann und daher Spitzenbelastung verringert wird. Nimmt man als mittleren Stromverbrauch für einen Haushalts rund IkW an, so kann der Spitzenverbrauch z.B. während des Kochens kurzfristig auf 5kW ansteigen. Durch die Nutzung entsprechend heißer Abgase für Koch- und Backzwecke kann der Spitzenverbrauch an Strom beispielsweise auf ca. 2 kW gesenkt werden. Dadurch wird das Netz entlastet und die Energiekosten sinken aufgrund des verbesserten Gesamtwirkungsgrades.
[019] Die Erfindung sieht auch vor, dass die von der Brennstoffzelle bereitgestellte thermische sowie auch elektrische Energie bedarfsgerecht auf die jeweilige gewünschte Nutzung aufgeteilt wird. Wird z.B. mehr thermische Energie benötigt, als bei der Stromerzeugung als Abwärme anfallt, kann das System so betrieben werden, dass der fehlende Teil der benötigten Wärme über eine elektrische Zusatzheizung erzeugt wird. In diesem Zusammenhang ist auch die Einspeisung von optionaler thermischer Energie aus anderen Quellen möglich. Dadurch kann vermieden werden, dass Brennstoffzellensysteme überdimensioniert werden müssen, um beiden Anforderungen gerecht zu werden, und man kann dadurch erreichen, dass die Brennstoffzelle immer im optimalen Punkt betrieben wird. Benötigt man viel Wärme, wird die Brennstoffzelle im Bereich von Volllast oder gegebenenfalls in Überlast mit geringem elektrischen Wirkungsgrad betrieben. Benötigt man hingegen nur wenig Wärme, kann die Brennstoffzelle in Teillast mit hohem elektrischem Wirkungsgrad betrieben werden. Um in den Zeiten zwischen den periodisch anfallenden Verbrauchsspitzen, bedingt durch Abnehmer wie Kochherd oder Backrohr, die Brennstoffzelle oder das Brennstoffzellensystem nicht ungenutzt zu lassen, kann anfallende Abwärme für die an sich bekannte Erwärmung von Brauchwasser, zur Heizung oder Kühlung verwendet werden. Ein produzierter Stromüberschuss kann dabei gegebenenfalls auch in das öffentliche Stromnetz eingespeist werden. Dadurch kann mit dem System auch bei der Abdeckung oder Glättung von Stromspitzen geholfen werden.
[020] Für ein solches Konzept bei dem die Brennstoffzelle Geräte in der Küche und/oder Badezimmer/Wirtschaftsraum sowie die Heizung mit Wärme und Strom versorgt, ist es aufgrund der hohen Isolationsverluste durch lange Leitungswege nicht sinnvoll die Brennstoffzelle im Keller des Hauses aufzustellen. [021] Daher stellt sich die erfindungsgemäße Lösung die Aufgabe das Brennstoffzellensystem möglichst nahe an den Verbrauchern von Strom und Wärme aufzustellen, um die Transportwege und dadurch die Transportverluste vernachlässigbar gering zu halten und Reaktionszeiten so kurz wie möglich zu gestalten. Die Verbraucher bekommen nun einerseits den produzierten Strom der Brennstoffzelle eingespeist um wie bisher ihre herkömmliche elektrische Funktionsweise zu haben. Andererseits können die Anwendungsgeräte nun auch über die zur Verfügung stehende Abwärme und somit ohne elektrischen Strom betrieben werden. Diese Abwärme des . Brennstoffzellensystems wird vorzugsweise über Wärmetauscher eingespeist und kann Teile oder auch die ganze herkömmliche elektrische Heizfunktion des Anwendungsgerätes durch diese Wärmemenge ersetzen. Dadurch wird der Strombedarf in Spitzenzeiten gesenkt und das öffentliche Stromnetz entlastet, sowie die durch ein solches System produzierte Abwärme sinnvoll und sehr effizient eingesetzt.
[022] Die Regelung des Brennstoffzellensystems erfolgt derart, dass im Wesentlichen keine Überschusswärme erzeugt wird. In den Kochpausen wird mit der erzeugten Wärme beispielsweise das Brauchwasser erhitzt und/oder die Heizung bzw. auch eine Kühlung betrieben. Diese Produktion von Wärme kann im Teillastbetrieb der Brennstoffzelle mit einem sehr hohen Stromwirkungsgrad erfolgen.
[023] Sollte es durch die Anwendungsgeräte zu einem Mehrbedarf an thermischer Energie kommen, als durch die Brennstoffzelle bereitgestellt werden kann, so ist es auch möglich mithilfe des in der Brennstoffzelle produzierten Stroms Wärme über eine elektrische Heizung für die Anwendungsgeräte zu erzeugen. Es ist daher möglich das System immer am optimalen Wirkungsgrad für die Strom- und Wärmeproduktion zu betreiben.
[024] Bei der Anordnung eines solchen Systems ist auf kurze Wege zwischen Strom- und Wärmeproduktion und den Verbrauchern zu achten. Das Abgas der Brennstoffzelle beheizt zum Beispiel eine Kochplatte. Über eine Mengen- bzw. Temperaturregelung wird die Zufuhr der benötigten Wärmemenge eingestellt. Dieses System kann auch für sämtliche andere gedachten Anwendungen wie für den Heißluftherd, einen Geschirrspüler oder auch für eine Waschmaschine zur Anwendung kommen. Die Gasrückführung zur Brennstoffzelle erfolgt über eine isolierte eventuell koaxiale Leitung. Dieses Funktionsprinzip eignet sich auch für das Aufheizen von Brauchwasser und für Anwendungen zu Heiz- bzw. Kühlzwecken.
[025] Als bevorzugtes Ausführungsbeispiel ist ein Energieversorgungssystem einer Küche und/oder ähnlicher Anwendungsbereiche die Medientemperaturen von zumindest 900C benötigen, mit wenigstens einem thermischen Prozesse wie Kochen, Geschirrspülen und/oder Waschen, wobei der Strom zumindest teilweise über eine Hochtemperaturbrennstoffzelle mit Betriebstemperaturen über 100°C bereitgestellt wird, vorgesehen. Dieses ist in Abbildung 1 schematisch dargestellt. Die Brennstoffzelle 1 wird mit Kraftstoff versorgt und produziert dadurch elektrischen Strom und Wärme. Der elektrische Strom wird über Leitungen 4 zu den Anwendungsgeräten 3 wie z. B. Heißluftherd und/oder Wäschetrockner geführt und bei Bedarf über eine Heizspirale 6 zum Heizen des Gerätes bzw. von dessen Medien (Wasser, Luft) verwendet. Die produzierte Abwärme aus der Brennstoffzelle 1 wird über einen Wärmetauscher 2 und die Leitung 5 ebenfalls den Anwendungsgeräten 3 wie Heißluftherd und/oder Wäschetrockner zum heizen zur Verfügung gestellt. Die Geräte können ihrerseits entweder nur mit der Abwärme der Brennstoffzelle, durch den produzierten elektrischen Strom der Brennstoffzelle oder durch eine Kombination der beiden Energiequellen, sowie durch Kombination mit zusätzlicher thermischer Energie aus anderen Quellen, betrieben werden. Die Abwärme der Anwendungsgeräte wird über die Leitung 7 wieder dem Wärmetauscher 2 zugeführt und kann dadurch zum Beispiel auch für das Vorheizen der Brennstoffzellenluft verwendet werden. Überschüssige Abwärme wird über die Abluft 11 an die Umgebung abgegeben.
[026] Abbildung 2 stellt einen Systemteil dar, in dem Heißgas 8 aus der Brennstoffzelle mit Frischluft 9 über ein Mischventil 10 gemischt wird, um die für die Anwendungsgeräte 3 benötigte Temperatur bereitzustellen. Die Abluft der Anwendungsgeräte wird über die Leitung 11 abgeleitet.
[027] Abbildung 3 zeigt einen Systemteil, der einen Teilstrom des Heißgases 8 der Brennstoffzelle 1 über ein Ventil 12 an einen Wärmetauscher 2 weiterleitet. Die Wärmeübertragung vom Wärmetauscher 2 kann über eine Leitung 13 für ein beliebiges Arbeitsmedium an die Anwendungsgeräte 3 erfolgen. Die Abwärme der Anwendungsgeräte geht nach dem Wärmetauscher 2 direkt in die Rückluft 15. Um eine zu große Wärmemenge am Wärmetauscher 2 zu verhindern, kann bei einer geringen benötigten Wärmemenge für die Anwendungsgeräte 3, der überschüssige Wärmeteilstrom der Brennstoffzelle über den Bypass 14 direkt zurück zur Brennstoffzelle 1 geleitet werden.
[028] Abbildung 4 stellt ein Brennstoffzellensystem mit Wärmetauscher und Anwendungsgerät dar. Die Brennstoffzelle 1 wird mit Kraftstoff 16 und Frischluft 9 versorgt. Die Brennstoffzelle 1 produziert zum einen Strom und zum anderen Abwärme. Diese Abwärme wird direkt als Abluft Brennstoffzelle 8 einem Mischventil 12 zugeführt. Das Abgas 17 der Brennstoffzelle 1 wird gegebenenfalls durch eine entsprechende Abgasreinigung 18 geleitet und ebenfalls dem Mischventil 12 zugeführt. Von hier geht das Gasgemisch direkt an einen Wärmetauscher 2 der wiederum die Wärme an das Anwendungsgerät 3 z.B. ein Backrohr überträgt. Die Abwärme des Anwendungsgerätes 3 (z.B. Heißluftherd. Kochplatte, Geschirrspüler, ....) wird an den Wärmetauscher 2 rückgeführt und gelangt in weiterer Folge mit der Rückluft 15 an die Brennstoffzelle. Optional wird dort mit der Rückluft die Brennstoffzelle oder das System vorgeheizt. Danach wird die Rückluft über die Abluft 11 des Systems an die Umgebung abgegeben. Der Wärmetauscher 2 des Systems kann entfallen, wenn mit Luft als Übertragungsmedium gearbeitet wird. Sollte als Übertragungsmedium allerdings ein Flüssigkeit wie z.B. Wasser benötigt werden, ist der Wärmetauscher 2 im System notwendig. Um eine zu große Wärmemenge am Wärmetauscher 2 zu verhindern, kann über den Bypass 14 die überschüssige thermische Energie direkt an die Brennstoffzelle 1 rückgeführt werden. Optional kann das gesamte System mit einem Gehäuse 19 ausgestattet werden.
Das Mischventil 12, sowie die Brennstoffzelle 1 selbst, werden über eine Steuerung geregelt. Diese ermittelt einerseits den aktuellen thermischen und elektrischen Energiebedarf des/der Anwendungsgeräte und regelt das Mischventil um den/die entsprechenden Wärmeteilströme für die Anwendungsgeräte, in Kombination mit oder auch ohne elektrische Zusatzheizung 6, zur Verfügung zu stellen. Andererseits kann die Brennstoffzelle mit dieser Steuerung so geregelt werden, dass sie für den aktuell ermittelten Energiebedarf am optimalen Betriebspunkt arbeitet.

Claims

Ansprüche:
1. Verfahren zur Energieversorgung einer Küche und/oder ähnlicher Anwendungsbereiche die Medientemperaturen von zumindest 9Ö°C benötigen, mit wenigstens einem thermischen Prozess wie Kochen, Geschirrspülen und/oder Waschen (3) wobei der Strom zumindest teilweise über eine Hochtemperaturbrennstoffzelle (1) mit Betriebstemperaturen über 100°C bereitgestellt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeversorgung wenigstens eines der thermischen Prozesse aus der Abwärme (8) (17) der Brennstoffzelle oder durch Kombination von Abwärme aus der Brennstoffzelle mit elektrischem Strom (6) erfolgt.
2. Verfahren gemäß Anspruch I5 dadurch gekennzeichnet, dass die Abwärme der Brennstoffzelle gegebenenfalls nach entsprechender Reinigung (18) direkt zur Energieversorgung des thermischen Prozess herangezogen wird.
3. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Abwärme der Brennstoffzelle mithilfe eines oder mehrerer Wärmetauscher (2) dem thermischen Prozess zugeführt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der thermische Prozess bevorzugt aus der Abwärme der Brennstoffzelle versorgt wird, und ein allfällig zur Deckung des Bedarfs fehlender Energieteil elektrisch (6) von der Brennstoffzelle und/oder aus dem öffentlichen Versorgungsnetz bereitgestellt wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzelle (1) im selben Raum angeordnet ist wie die thermischen Prozesse (3) und/oder der Abstand zwischen der Brennstoffzelle und den Prozessen weniger als 4 m beträgt.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzelle oder das Brennstoffzellensystem (1) so geregelt wird, dass die Abwärme der Brennstoffzelle oder des Brennstoffzellensystems (8) (17) zumindest die thermische Energie für einen Prozess wie heizen, backen, kochen oder waschen liefert und die überschüssige elektrische Energie zur Erzeugung von thermischer Energie für einen oder mehrere weitere Prozesse zu Verfügung steht, oder in das öffentliche Netz (4) eingespeist wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, mit einer Steuerung, die den aktuellen Energiebedarf der einzelnen Prozesse (3) ermittelt dadurch gekennzeichnet, dass diese Steuerung aus der Summe des thermischen und elektrischen Energiebedarfs der einzelnen Prozesse den optimalen Arbeitspunkt der Brennstoffzelle oder des Brennstoffzellensystems (1) ermittelt und diese bzw. dieses so regelt, dass die Summe der von der Brennstoffzelle oder vom Brennstoffzellensystem gelieferten thermischen und elektrischen Energie der Summe des thermischen und elektrischen Bedarfs der einzelnen Prozesse entspricht.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, mit einer Steuerung, die den aktuellen Energiebedarf der einzelnen Prozesse (3) ermittelt, dadurch gekennzeichnet, dass diese Steuerung aus der Summe des Energiebedarfs der einzelnen Prozesse die Brennstoffzelle oder das Brennstoffzellensystem (1) so regelt, dass die Abwärme der Brennstoffzelle oder des Brennstoffzellensystems zumindest die thermische Energie für die Prozesse liefert und überschüssige oder fehlende elektrische Energie in das Netz eingespeist bzw. aus dem Netz bezogen wird.
9. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder einem der Unteransprüche, mit mindestens einem thermischen Verbraucher (3) der eine Medientemperatur von zumindest 90°C benötigt, in den eine Leitung zur Wärmezufuhr mündet gekennzeichnet dadurch, dass eine Hochtemperaturbrennstoffzelle (1) mit einer Betriebstemperatur von mindestens 100°C vorgesehen ist, deren Abwärmeleitung (8) (17) mit der Wärmezufuhrleitung des thermischen Verbrauchers verbunden ist, über welche die Abwärme der Brennstoffzelle dem thermischen Verbraucher zugeführt werden kann.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9 gekennzeichnet dadurch, dass in der Wärmezufuhrleitung des thermischen Verbrauchers ein Abgasreinigungssystem (18) vorgesehen ist, in welchem die heißen Abgase der Brennstoffzelle gereinigt werden bevor sie in den thermischen Verbraucher eingeleitet werden.
11. Vorrichtung nach Anspruch 9 und 10 gekennzeichnet dadurch, dass die Abwärmeleitung (8) (17) der Brennstoffzelle über einen oder mehrere Wärmetauscher (2) mit der Wärmezufuhrleitung des thermischen Verbrauchers verbunden ist.
12. Vorrichtung nach Ansprüchen 9 bis 11 dadurch gekennzeichnet dass, in der Wärmezufuhrleitung ein oder mehrere Regelventile, vorzugsweise ausgebildet als Magnetventile, vorgesehen sind, die über ein Dosierregelsystem, welches mit einer elektronischen Steuerung verbunden ist, ansteuerbar sind.
13. Vorrichtung gemäß Anspruch 9 bis 11 mit einem elektrischen Anschluss (6) des thermischen Verbrauchers dadurch gekennzeichnet, dass über eine elektrische Heizung bei Bedarf zusätzliche Wärme für den thermischen Verbraucher bereitgestellt werden kann.
14. Vorrichtung nach den Ansprüchen 9 bis 11 gekennzeichnet dadurch, dass der thermische Verbraucher (3) ein Backrohr, insbesondere ein Heißluftbackrohr ist.
15. Vorrichtung nach den Ansprüchen 9 bis 11 gekennzeichnet dadurch, dass der thermische Verbraucher (3) ein Kochfeld, zumindest aber eine Kochplatte ist.
16. Vorrichtung nach den Ansprüchen 9 bis 11 gekennzeichnet dadurch, dass der thermische Verbraucher (3) ein Geschirrspüler ist.
17. Vorrichtung nach den Ansprüchen 9 bis 11 gekennzeichnet dadurch, dass der thermische Verbraucher (3) ein Wäschetrockner ist.
18. Vorrichtung nach Anspruch 9 oder einem der Unteransprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Hochtemperaturbrennstoffzelle (1) eine Festoxyd-Brennstoffzelle (SOFC) oder eine Schmelzkarbonat Brennstoffzelle (MCFC) ist.
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