Die Erfindung bezieht sich auf ein Blockheizkraftwerk gemäss dem einleitenden Teil des unabhängigen Anspruches.
Bei bekannten derartigen Blockheizkraftwerken arbeitet der Zusatzbrenner in der Regel ohne eine Koppelung mit der Brennstoffzelle.
Der Wirkungsgrad einer Brennstoffzelle wird durch mehrere Faktoren bestimmt. So ist der Reformierungs- und Konditionierungsprozess mit Verlusten behaftet, und es kann nur ein Teil der in das System eingebrachten Energie in elektrische Energie umgesetzt werden. Weiters weist auf der elektrischen Seite der übliche Wechselrichter Verluste auf, und auch die Brennstoffzellen arbeiten mit Wärmeverlusten. Die heissen Abgase der Brennstoffzellen k²nnen bei einer Kraft-Wärme-Nutzung bei den bekannten Blockheizkraftwerken nur auf die Rücklauftemperatur eines Heizkreislaufes beschränkt abgekühlt und daher nicht optimal genutzt werden.
Alle Wirkungsgradminderungen werden zwar in Wärme umgesetzt, doch kann diese Wärme bei den herk²mmlichen Blockheizkraftwerken nicht ausreichend genutzt werden, da bei diesen kaum eine thermische Koppelung der Brennstoffzellen und des Zusatzbrenners gegeben ist.
In Blockheizkraftwerken mit Brennstoffzellen zur Stromerzeugung und einem Zusatzbrenner zur Wärmeerzeugung ist das Blockheizkraftwerk meist so dimensioniert, dass es auf Haushalte zugeschnitten ist, die deutlich mehr Wärme als Strom ben²tigen. Dies bedeutet, dass der Zusatzbrenner eine h²here Belastung als die Brennstoffzellen aufweist.
Ziel der Erfindung ist es, diese Nachteile zu vermeiden und ein Blockheizkraftwerk der eingangs erwähnten Art vorzuschlagen, das mit einem besonders hohen Wirkungsgrad betrieben werden kann.
Erfindungsgemäss wird dies bei einem Blockheizkraftwerk der eingangs erwähnten Art durch die Merkmale des unabhängigen Anspruches erreicht.
Durch die vorgeschlagenen Massnahmen ist sichergestellt, dass die in den Abgasen der Brennstoffzellen enthaltene Wärme nutzbringend zur Vorwärmung der für den Betrieb des Blockheizkraftwerks erforderlichen Luft verwendet wird, wodurch sich der Gesamtwirkungsgrad des Blockheizkraftwerks erh²ht.
Durch die Merkmale des ersten abhängigen Anspruches ergibt sich der Vorteil, dass die Verluste der einzelnen Bauteile des Blockheizkraftwerks, die in Wärme umgesetzt werden, zu einer Erwärmung der Zuluft der Brennstoffzellen und des Zusatzbrenners genutzt werden k²nnen. Dadurch sinkt der erforderliche Einsatz von Primärenergie zur Erwärmung der Luft für die Brennstoffzellen und den Zusatzbrenner, was zu einer weiteren Erh²hung des Gesamtwirkungsgrades des Blockheizkraftwerks führt.
Durch die Merkmale des zweiten abhängigen Anspruches ergibt sich eine im Hinblick auf den Wärmeübergang sehr günstige L²sung.
Durch die Merkmale des letzten Anspruches ergibt sich der Vorteil, dass auch allfällige Abstrahlungsverluste des Abgas-Luft-Wärmetauschers zur Aufheizung der Zuluft für das Blockheizkraftwerk genutzt werden k²nnen.
Die Erfindung wird nun anhand der Zeichnung näher erläutert, die schematisch ein erfindungsgemässes Blockheizkraftwerk zeigt.
Bei einem erfindungsgemässen Blockheizkraftwerk 17 ist ein Stapel von Brennstoffzellen 1 samt den nicht dargestellten Hilfsaggregaten, wie Reformer, Konverter und Wechselrichter, sowie ein Zusatzbrenner 2 samt einem Wärmetauscher 6 zur Bereitung von Heizwasser in einem mit einer Wärmedämmung 18 versehenen geschlossenen Gehäuse 3 angeordnet, in das eine Luftleitung 14 mündet.
Den Brennstoffzellen 1, bzw. deren Reformer wird Wasser über eine Wasserzuleitung 12 zugeführt. Weiters ist eine Gaszuleitung 13 vorgesehen, an die die Brennstoffzellen 1 und der Zusatzbrenner 2 angeschlossen sind. Weiters ist eine Ausleitung 15 für den von den Brennstoffzellen erzeugten elektrischen Strom vorgesehen.
Eine Abgasleitung 5 der Brennstoffzellen durchsetzt das Gehäuse 3 und führt zu einem Abgas-Luft-Wärmetauscher 8, über dessen Sekundärzweig 19 die gesamte Zuluft über die Luftleitung 14 für das Blockheizkraftwerk geführt ist, die über einen Einlass 11 in den Wärmetauscher 8 einstr²mt und über die an diesen angeschlossene Luftleitung 14 mit entsprechend erh²hter Temperatur in das Innere 20 des Gehäuses 3 str²mt.
Das Abgas der Brennstoffzellen 1 verlässt den Wärmetauscher 8 über einen Auslass 10.
Das Abgas des Zusatzbrenners 2 ist über einen Abgasstutzen 16 mit einem Primärzweig 21 eines Wärmetauschers 6 verbunden, der zur Bereitung von Heizwasser dient, das über eine Vorlaufleitung 71 und eine Rücklaufleitung 7 durch einen Sekundärzweig 22 des Wärmetauschers 6 str²mt.
Das abgekühlte Abgas des Zusatzbrenners 2 wird über eine Abgasleitung 9 nach aussen geführt.
Beim Betrieb des Blockheizkraftwerkes 17, bei dem sich die Brennstoffzellen 1 sehr erheblich erhitzen, heizen deren Strahlungswärme 4 auch die im Inneren 20 des Gehäuses 3 be findliche Luft auf. Dadurch wird einerseits die für die Brennstoffzellen 1 erforderliche Luft, wie auch die Luft für den Zusatzbrenner 2 entsprechend aufgeheizt. Dadurch sinkt der Bedarf an Energie zur Aufheizung der Luft auf die für die Brennstoffzellen 1 erforderliche Temperatur.
Da aus dem Gehäuse 3 nur wenig Wärme entweichen kann, ergibt sich für das Blockheizkraftwerk 17 ein sehr hoher Wirkungsgrad.
Bei fehlendem Wärmebedarf für das Heizwasser kann der Zusatzbrenner 2 stillgesetzt werden. In einem solchen Fall wird die Wärme der Brennstoffzellen 1 zur Aufheizung der Luft für die Brennstoffzellen 1 genutzt.
The invention relates to a combined heat and power plant according to the introductory part of the independent claim.
In known block-type thermal power plants of this type, the additional burner generally works without being coupled to the fuel cell.
The efficiency of a fuel cell is determined by several factors. For example, the reforming and conditioning process is associated with losses, and only part of the energy introduced into the system can be converted into electrical energy. Furthermore, the usual inverter has losses on the electrical side, and the fuel cells also work with heat losses. The hot exhaust gases from the fuel cells can only be cooled to the return temperature of a heating circuit when using combined heat and power in the known combined heat and power plants and can therefore not be used optimally.
All reductions in efficiency are converted into heat, but this heat cannot be used sufficiently in conventional combined heat and power plants, since there is hardly any thermal coupling between the fuel cells and the additional burner.
In combined heat and power plants with fuel cells to generate electricity and an additional burner for heat generation, the combined heat and power plant is usually dimensioned so that it is tailored to households that require significantly more heat than electricity. This means that the additional burner has a higher load than the fuel cells.
The aim of the invention is to avoid these disadvantages and to propose a combined heat and power plant of the type mentioned at the outset which can be operated with a particularly high degree of efficiency.
According to the invention, this is achieved in a combined heat and power plant of the type mentioned at the outset by the features of the independent claim.
The proposed measures ensure that the heat contained in the exhaust gases from the fuel cells is used to preheat the air required for the operation of the cogeneration unit, which increases the overall efficiency of the cogeneration unit.
The characteristics of the first dependent claim result in the advantage that the losses of the individual components of the combined heat and power plant, which are converted into heat, can be used to heat the supply air of the fuel cells and the additional burner. This reduces the use of primary energy to heat the air for the fuel cells and the additional burner, which leads to a further increase in the overall efficiency of the combined heat and power plant.
The features of the second dependent claim result in a solution which is very favorable in terms of heat transfer.
Due to the features of the last claim, there is the advantage that any radiation losses from the exhaust gas-air heat exchanger can also be used to heat the supply air for the combined heat and power plant.
The invention will now be explained in more detail with reference to the drawing, which schematically shows a combined heat and power plant according to the invention.
In a block-type thermal power station 17 according to the invention, a stack of fuel cells 1 together with the auxiliary units (not shown), such as reformers, converters and inverters, and an additional burner 2 together with a heat exchanger 6 for preparing heating water are arranged in a closed housing 3 provided with thermal insulation 18, into which an air line 14 opens.
Water is supplied to the fuel cells 1 or their reformers via a water supply line 12. A gas supply line 13 is also provided, to which the fuel cells 1 and the additional burner 2 are connected. Furthermore, an outflow line 15 is provided for the electrical current generated by the fuel cells.
An exhaust gas line 5 of the fuel cells passes through the housing 3 and leads to an exhaust gas-air heat exchanger 8, via the secondary branch 19 of which the entire supply air is conducted via the air line 14 for the combined heat and power plant, which flows into the heat exchanger 8 via an inlet 11 and via which to this connected air line 14 with a correspondingly increased temperature flows into the interior 20 of the housing 3.
The exhaust gas from the fuel cells 1 leaves the heat exchanger 8 via an outlet 10.
The exhaust gas of the additional burner 2 is connected via an exhaust pipe 16 to a primary branch 21 of a heat exchanger 6, which is used to prepare heating water which flows through a secondary branch 22 of the heat exchanger 6 via a feed line 71 and a return line 7.
The cooled exhaust gas of the additional burner 2 is led to the outside via an exhaust pipe 9.
During operation of the combined heat and power plant 17, in which the fuel cells 1 heat up considerably, their radiant heat 4 also heat the air 20 inside the housing 3. As a result, on the one hand the air required for the fuel cells 1 and the air for the additional burner 2 are heated accordingly. As a result, the need for energy to heat the air to the temperature required for the fuel cells 1 drops.
Since only little heat can escape from the housing 3, the cogeneration unit 17 has a very high efficiency.
If there is no heat requirement for the heating water, the additional burner 2 can be stopped. In such a case, the heat of the fuel cells 1 is used to heat the air for the fuel cells 1.