AT406899B - Einrichtung zur erzeugung von elektrischem strom und wärme mit mindestens einer brennstoffzelle - Google Patents

Description

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   Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur Erzeugung von elektrischem Strom und Wärme mit mindestens einer Brennstoffzelle gemass dem Oberbegriff des 
Patentanspruches. 



   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 Stromproduktion der Brennstoffzelle ergeben würden, werden bisher durch Variation des 
Luftüberschusses 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 Zündgrenzen überschreitet Ausserdem ergeben   sich beTsolchen   bekannten Einrichtungen auch Probleme, wenn kein Wärmebedarf gegeben ist und das heisse Abgas der Brennstoffzelle abgefuhrt werden muss. 



   Aus der EP 818 840 A1 ist ein Verfahren zur gleichzeitigen Erzeugung von elektrischer Energie und Wärme für Heizzwecke bekanntgeworden, bei dem ein Gasbrenner und eine Brennstoffbatterie vorgesehen ist, wobei in letzterer ein Sauerstoffuberschuss mit einem stöchiometrischen Verhältnis grösser als etwa 3 vorgesehen ist. In der Batterie für die Elektrizitätserzeugung wird weniger als die Hälfte des Brenngases unter Bildung eines ersten Abgases umgesetzt, welches dann in dem Brenner unter Bildung eines zweiten Abgases weiterverbrannt wird und hierfür zumindest teilweise das erste Abgas als Sauerstoffquelle verwendet wird. Aus den Abgasen wird die Heizwärme gewonnen, wobei mindestens rund die Hälfte des in den Abgasen enthaltenen Wassers auskondensiert wird. 



   Weiterhin ist aus der DE 197 17 72 A1 reine Brennereinrichtung und ein Verfahren zum Betreiben einer solchen bekanntgeworden, bei dem innerhalb einer wassergekühlten Brennkammer ein perforierter Kegel vorgesehen ist, dem Luft zugeführt wird, wobei dieser an seiner Basis von einem Kranz von Gasdüsen umgeben ist. Für diesen Kegel sind mannigfache Ausgestaltungen möglich Es ist aber nicht vorgesehen, durch die Luftzufuhr des Kegels teilverbranntes Gas einzuspeisen. 



   Ziel der Erfindung ist es, die eingangs geschilderten 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 näher erwähnten Art durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruches erreicht. 



   Durch die vorgeschlagenen Massnahmen ergibt sich eine in konstruktiver Hinsicht sehr einfache Lösung. Bei einer solchen Ausbildung- des Brenners strömt Brenngas über die Brennstoffdüsen 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 Diffusionsbrenner, 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. 



   Weiterhin ergibt sich der Vorteil, dass bei Brennbetriebszuständen, bei denen keine entsprechende Wärmeanforderungvorliegt 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   KegeTaustretende   Gasgemisch soweit abgekühlt werden. dass der im Brennraum angeordnete Wärmetauscher mit einer Temperatur von weniger als 100  C 

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 beaufschlagt wird Dadurch wird eine Blasenbildung im Wärmetauscher, aber auch eine vermehrte Korrosion des Wärmetauschers, insbesondere Hochtemperatur-Korrosion, vermieden. 



   Die Erfindung wird nun anhand der Zeichnung naher erläutert, die schematisch eine erfindungsgemasse Einrichtung zeigt 
Eine Brennstoffzelle 1, bzw ein Stapel von Brennstoffzellen 1, ist über eine Wasserstoffleitung 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 Brennstoffdusen 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 Brenngasleitung 9 angeschlossen sind Weiters ist der Brennraum mit einem Abgasstutzen 5 versehen. 



   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 Luftuberschuss 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 beaufschlagt, enthaltene Wärme hinausgehender Wärmebedarf, so wird über die Brenngasleitung 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 
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Claims (1)

1. Brenngases erforderlich ist Die übrige Luft nimmt an der Verbrennung nicht teil und beaufschlagt den Wärmetauscher 6, der auch durch das verbrannte Brenngas aus den Brennstoffdusen beaufschlagt wird Wird überhaupt keine Wärme benötigt, so wird das Abgas der Brennstoffzelle 1 durch Zufuhr von kühler Luft über die Luftleitung 2 soweit abgekuhlt. dass die Temperatur des so gebildeten 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 PATENTANSPRUCH : Einrichtung zur Erzeugung von elektrischem Strom und Wärme 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, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgasleitung (3) der Brennstoffzelle (1) in einen hohlen perforierter Kegel (4) des nachgeschalteten Brenners (4) mündet, der von zu diesem im wesentlichen konzentrisch angeordneten Brennstoffdusen (10), die im Brennraum (11) angeordnet sind, in an sich bekannter Weise umgeben ist und das Innere des Kegels (4) weiters eine Luftleitung (2) mündet.

   HIEZU 1 BLATT ZEICHNUNGEN