CH693910A5

CH693910A5 - Means having at least one fuel cell.

Info

Publication number: CH693910A5
Application number: CH01798/99A
Authority: CH
Inventors: Reinhold Kehl; Martin Bielski; Thomas Dr Hocker; Dr Seonh
Original assignee: Vaillant Gmbh
Priority date: 1998-10-08
Filing date: 1999-10-01
Publication date: 2004-04-15
Also published as: DE19948216B4; ATA168498A; DE19948216A1; AT406899B

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.

Beim Betrieb von Brennstoffzellen, insbesondere Hochtemperatur-Brennstoffzellen, die bei Temperaturen von mehr als 900 DEG 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. When operating fuel cells, in particular high-temperature fuel cells, which are operated at temperatures of more than 900 ° C., it is necessary to maintain a temperature of the fuel cell or of a fuel cell stack that is as constant as possible. Temperature fluctuations that would result from load modulation and variation in the electricity production of the fuel cell have so far been compensated for by varying the excess air. As a result, the air ratio of the exhaust gas from the fuel cell fluctuates between lambda 3 and 9 in practice. In order to be able to use the thermal energy of the hot exhaust gas for energy despite the high excess air, conventional fully pre-mixing burners have been installed so far, which are operated with the excess air of the fuel cell and additional fuel gas.

Dabei ist es jedoch erforderlich, die Belastung des Brenners an die Luftzahl des Brennstoffzellenstapels anzupassen, um zu vermeiden, dass das Brenngas-Luft-Gemisch die Zündgrenzen überschreitet. Ausserdem ergeben sich bei solchen bekannten Einrichtungen auch Probleme, wenn kein Wärmebedarf gegeben ist und das heisse Abgas der Brennstoffzelle abgeführt werden muss. However, it is necessary to adapt the burner load to the air ratio of the fuel cell stack in order to prevent the fuel gas / air mixture from exceeding the ignition limits. In addition, problems arise in such known devices when there is no need for heat and the hot exhaust gas from the fuel cell has to be removed.

Ziel der Erfindung ist es, diese Nachteile zu vermeiden und eine Einrichtung der eingangs erwähnten Art vorzuschlagen, bei der das Abgas der Brennstoffzelle auf sehr einfache Weise genutzt werden kann. The aim of the invention is to avoid these disadvantages and to propose a device of the type mentioned at the outset in which the exhaust gas from the fuel cell can be used in a very simple manner.

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 in a device of the type mentioned at the outset by the characterizing features of claim 1.

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 dem Abgas der Brennstoffzelle, das aus dem perforierten Kegel strömt. Wie bereits erwähnt, enthält das Abgas der Brennstoffzelle Luft. Wie bei einem Diffusionsbrenner wird 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 vollvormischender Brenner nicht betrieben werden könnte, da das Gemisch sich ausserhalb der Zündgrenzen befände. The proposed measures result in a very simple design solution. With such a design of the burner, fuel gas flows through the fuel nozzles into the combustion chamber and mixes with the exhaust gas from the fuel cell, which flows out of the perforated cone. As already mentioned, the exhaust gas from the fuel cell contains air. As with a diffusion burner, as much air is supplied to the flame as is required for complete combustion. The excess air that passes through the system does not participate in the combustion. As a result, the system with a total air ratio, e.g. measured behind the heat exchanger can be operated, which is so large that a fully premixed burner could not be operated because the mixture would be outside the ignition limits.

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. Since, according to the proposed measures, not all of the air contained in the exhaust gas from the fuel cell is supplied to the flames, the afterburner according to the invention can be operated with air ratios between 1.05 and 3, which results in a much simpler control strategy than in the case of conventional fully premixed burners results.

Durch die Merkmale des Anspruches 2 ergibt sich der Vorteil, dass bei Betriebszuständen, bei denen keine entsprechende Wärmeanforderung vorliegt 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 Kegel austretende Gasgemisch so weit abgekühlt werden, dass der im Brennraum angeordnete Wärmetauscher mit einer Temperatur von weniger als 100 DEG C beaufschlagt wird. Dadurch wird eine Blasenbildung im Wärmetauscher, aber auch eine vermehrte Korrosion des Wärmetauschers, insbesondere Hochtemperatur-Korrosion, vermieden. The features of claim 2 have the advantage that, in operating states in which there is no corresponding heat requirement and the hot exhaust gas from the fuel cell has to be removed, additional cool air can be introduced into the hollow cone via the air line. As a result, the gas mixture emerging from the cone can be cooled to such an extent that the heat exchanger arranged in the combustion chamber is subjected to a temperature of less than 100 ° C. This prevents bubbles from forming in the heat exchanger, but also prevents increased corrosion of the heat exchanger, in particular high-temperature corrosion.

Die Erfindung wird nun anhand der Zeichnung näher erläutert, die schematisch eine erfindungsgemässe Einrichtung zeigt. The invention will now be explained in more detail with reference to the drawing, which schematically shows a device according to the invention.

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. A fuel cell 1, or a stack of fuel cells 1, is connected via a hydrogen line 8 to an upstream reformer, not shown, and is provided with an air line 7, via which air is supplied to the fuel cell 1.

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. An exhaust pipe 3 of the fuel cell 1 opens into the interior 13 of a hollow perforated cone 4 serving as an afterburner, which is arranged in a combustion chamber 11. Furthermore, an air line 2 also opens into the perforated cone 4.

Dieser Kegel 4 ist konzentrisch von einem Ring von Brennstoffdüsen 10 umgeben, die im Boden 12 des Brennraumes 11, in dem auch ein mit einer Zentralheizung in Verbindung stehender wasserführender Wärmetauscher 6 angeordnet ist, gehalten und an eine Brenngasleitung 9 angeschlossen sind. Weiters ist der Brennraum mit einem Abgasstutzen 5 versehen. This cone 4 is surrounded concentrically by a ring of fuel nozzles 10, which are held in the bottom 12 of the combustion chamber 11, in which a water-carrying heat exchanger 6 connected to a central heating system is also arranged, and are connected to a fuel gas line 9. Furthermore, the combustion chamber is provided with an exhaust pipe 5.

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 Luftüberschuss aufweist, gelangt über die Abgasleitung 3 in das Innere 13 des hohlen Kegels 4. When the device is operating, hydrogen gas is introduced via the hydrogen line 8 and air via the air line 7 into the fuel cell 1 and electricity is generated in it. The resulting hot exhaust gas, which has a significant excess of air, reaches the interior 13 of the hollow cone 4 via the exhaust gas line 3.

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 so viel Luft aus dem Abgas der Brennstoffzelle verbrannt, als für eine vollständige Verbrennung des Brenngases erforderlich ist. Die übrige Luft nimmt an der Verbren nung nicht teil und beaufschlagt den Wärmetauscher 6, der auch durch das verbrannte Brenngas aus den Brennstoffdüsen beaufschlagt wird. If there is a heat requirement beyond the heat contained in the exhaust gas that emerges from the cone 4 and acts on the heat exchanger 6, fuel gas is passed via the fuel gas line 9 and the fuel nozzles 10 into the combustion chamber 11, which gas escapes from the cone 4 Exhaust gas mixes and burns. The flames only burn as much air from the exhaust gas of the fuel cell as is necessary for complete combustion of the fuel gas. The remaining air does not take part in the combustion and acts on the heat exchanger 6, which is also acted upon by the burned fuel gas from the fuel nozzles.

Wird überhaupt keine Wärme benötigt, so wird das Abgas der Brennstoffzelle 1 durch Zufuhr von kühler Luft über die Luftleitung 2 so weit abgekühlt, dass die Temperatur des so gebildeten verdünnten Abgases weniger als 100 DEG C beträgt. Dadurch wird vermieden, dass es im Bereich des Wärmetauschers zum Sieden des Wassers bzw. zur Ausbildung von Blasen kommt. If no heat is required at all, the exhaust gas of the fuel cell 1 is cooled to such an extent by supplying cool air via the air line 2 that the temperature of the diluted exhaust gas thus formed is less than 100 ° C. This prevents the water from boiling or the formation of bubbles in the area of the heat exchanger.

Claims

1. Device with at least one fuel cell (1), which is preceded by a reformer, and an afterburner (4) connected to an exhaust pipe (3) of the fuel cell (1), which in a combustion chamber (11) provided with a heat exchanger (6). is arranged, characterized in that the downstream burner (4) is designed as an air stage burner, the exhaust pipe (3) of the fuel cell (1) opening into a hollow perforated cone (4), which is arranged essentially concentrically with fuel nozzles (4) 10), which are arranged in the combustion chamber (11), is surrounded.

2. Device according to claim 1, characterized in that in the interior of the cone (4) further opens an air line (2).