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DE10000405A1 - Heater has fuel cell arrangement and extra burner, each with fan, and contained in one housing as vacuum chamber, combustion air pipe, exhaust gas collector, and sensors - Google Patents

Heater has fuel cell arrangement and extra burner, each with fan, and contained in one housing as vacuum chamber, combustion air pipe, exhaust gas collector, and sensors

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DE10000405A1
DE10000405A1 DE10000405A DE10000405A DE10000405A1 DE 10000405 A1 DE10000405 A1 DE 10000405A1 DE 10000405 A DE10000405 A DE 10000405A DE 10000405 A DE10000405 A DE 10000405A DE 10000405 A1 DE10000405 A1 DE 10000405A1
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DE
Germany
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fuel cell
housing
exhaust gas
cell arrangement
exhaust
Prior art date
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Withdrawn
Application number
DE10000405A
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German (de)
Inventor
Joachim Berg
Martin Bielski
Jochen Paulus
Reinhold Kehl
Seonhi Ro
Joachim Schuerholz
Kerstin Wagner
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VAILLANT GMBH, 42859 REMSCHEID, DE
Original Assignee
Joh Vaillant GmbH and Co
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Publication date
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24D—DOMESTIC- OR SPACE-HEATING SYSTEMS, e.g. CENTRAL HEATING SYSTEMS; DOMESTIC HOT-WATER SUPPLY SYSTEMS; ELEMENTS OR COMPONENTS THEREFOR
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Abstract

The heater has a fuel cell arrangement (1) parallel with which is an extra burner (10), both supported by a fan each (12,13) and contained in a joint housing (11) consisting of a vacuum chamber. The housing has a shared combustion air pipe (7). The exhaust gas from the extra burner and from the fuel cell arrangement is discharged via a shared exhaust gas collector (4) possessing a fan (5) and exhaust pipe (6). The collector has bypass openings (8) through which fresh air is sucked from inside the housing into the collector. A sensor detects the pressure difference between the interiors of the housing and collector. A temperature sensor is positioned after the exhaust gas collector.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Heizeinrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.The invention relates to a heating device according to the preamble of the claim 1.

Bei bekannten derartigen Heizeinrichtungen sind getrennte, in separaten Gehäusen angeordnete Geräte, eben eine Brennstoffzellenanordnung und ein Zusatzbrenner mit separatem Wärmetauscher, vorgesehen, wobei gegebenenfalls die Abgase der Brennstoffzellenanordnung über einen separaten Wärmetauscher geführt werden.In known such heating devices are separate, in separate housings arranged devices, just a fuel cell arrangement and an additional burner separate heat exchanger, provided, where appropriate, the exhaust gases of the Fuel cell arrangement can be performed via a separate heat exchanger.

Dabei ergibt sich der Nachteil eines erheblichen konstruktiven Aufwandes.This results in the disadvantage of considerable design effort.

Ziel der Erfindung ist es, diesen Nachteil zu vermeiden und eine Heizeinrichtung der eingangs erwähnten Art vorzuschlagen, die sich durch einen sehr einfachen Aufbau auszeichnet.The aim of the invention is to avoid this disadvantage and a heating device propose the type mentioned above, which is characterized by a very simple structure distinguished.

Erfindungsgemäß wird dies bei einer Heizeinrichtung der eingangs erwähnten Art durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 1 erreicht.According to the invention, this is achieved in the case of a heating device of the type mentioned at the beginning characteristic features of claim 1 achieved.

Durch die vorgeschlagenen Maßnahmen ergibt sich ein sehr einfacher Aufbau, bei der sich nur sehr wenige vor Ort zu montierende Leitungen ergeben. Dabei ist eine sehr weitgehende Nutzung der in der Brennstoffzellenanordnung entstehenden Wärme möglich, wodurch sich die vorgeschlagene Heizeinrichtung auch durch einen hohen Wirkungsgrad auszeichnet. The proposed measures result in a very simple structure in which result in very few lines to be installed on site. This is a very extensive one Use of the heat generated in the fuel cell arrangement possible, which the proposed heating device is also characterized by a high degree of efficiency.  

Durch die vorgeschlagene Anordnung im Gehäuse, bzw. der Unterdruckkammer und die gewählte Luftführung kann im Falle eines Fehlers, z. B. bei einem CO-Austritt aus dem Reformer der Brennstoffzelle, sichergestellt werden, daß keine gefährlichen Gase, bzw. Abgase in den Aufstellungsraum gelangen können.Due to the proposed arrangement in the housing, or the vacuum chamber and selected air flow can in the event of an error, e.g. B. with a CO leak from the Reformers of the fuel cell, ensure that no dangerous gases or Exhaust gases can get into the installation room.

Durch die Merkmale des Anspruches 2 ergibt sich der Vorteil, einer besonders einfachen Konstruktion.The features of claim 2 give the advantage of being particularly simple Construction.

Grundsätzlich ist es aber auch möglich, getrennte Wärmetauscher für die Abgase der Brennstoffzellenanordnung und des Zusatzbrenners vorzusehen, wobei in einem solchen Fall die beiden Wärmetauscher genau an die jeweils gegebenen Verhältnisse angepaßt werden können.Basically, it is also possible to use separate heat exchangers for the exhaust gases Provide fuel cell assembly and the auxiliary burner, in such a Case, the two heat exchangers exactly adapted to the given conditions can be.

Durch die Merkmale des Anspruches 3 ergibt sich der Vorteil, daß in Fällen eines geringen Wärmebedarfs des dem, bzw. den Wärmetauscher(n) nachgeschalteten Wärmeverbrauchers die Temperatur der abströmenden Abgase entsprechend reduziert werden können. Außerdem kann aufgrund der erfaßten Druckdifferenz zwischen dem Inneren des Gehäuses und dem Inneren des Abgassammlers und bzw. oder der Abgastemperatur der Betrieb der Heizeinrichtung gesteuert werden.The features of claim 3 have the advantage that in cases of a small The heat requirement of the or the heat exchanger (s) downstream Heat consumer reduces the temperature of the exhaust gases flowing accordingly can be. In addition, due to the detected pressure difference between the Interior of the housing and the interior of the exhaust manifold and or or Exhaust gas temperature of the heater operation can be controlled.

Durch die Bypaßöffnung ist auch eine Entkopplung der Gebläse des Zusatzbrenners und der Brennstoffzellenanordnung sowie des Abgasgebläses möglich, insbesondere, wenn der Querschnitt der Bypaßöffnungen verstellbar ist. Dadurch ist eine Anpassung des Betriebes der Heizeinrichtung an die jeweiligen Verhältnisse auf einfache Weise möglich.Through the bypass opening is also a decoupling of the fan of the additional burner and Fuel cell arrangement and the exhaust fan possible, especially if the Cross section of the bypass openings is adjustable. This is an adjustment of the company the heater to the respective conditions in a simple manner.

Die Erfindung wird nun anhand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigen die Fig. 1 und 2 schematisch zwei verschiedene Ausführungsformen erfindungsgemäßer Heizeinrichtungen.The invention will now be explained in more detail with reference to the drawing. The Figs. 1 and 2 schematically show two different embodiments of the invention heating means.

Gleiche Bezugszeichen bedeuten in beiden Figuren gleiche Einzelteile. The same reference symbols in both figures mean the same individual parts.  

Bei der Ausführungsform nach der Fig. 1 ist eine Brennstoffzellenanordnung 1, die auch ein Gebläse 13 umfaßt, in einem als Unterdruckkammer ausgebildeten Gehäuse 11 angeordnet.In the embodiment according to FIG. 1, a fuel cell arrangement 1 , which also includes a blower 13 , is arranged in a housing 11 designed as a vacuum chamber.

Weiters ist in dem Gehäuse 11 ein Zusatzbrenner 10 angeordnet, der von einem in diesem integrierten Gebläse 12 unterstützt ist.Furthermore, an additional burner 10 is arranged in the housing 11 and is supported by a blower 12 integrated in this.

Die Brennstoffzellenanordnung 1 ist über eine Abgasleitung 2 mit einem Wärmetauscher 3 verbunden und beaufschlagt diesen. Dieser Wärmetauscher 3 ist weiters mit dem Zusatzbrenner 10 über eine Abgasleitung 9 verbunden und auch von diesem beaufschlagbar.The fuel cell arrangement 1 is connected via an exhaust pipe 2 to a heat exchanger 3 and acts on it. This heat exchanger 3 is also connected to the additional burner 10 via an exhaust pipe 9 and can also be acted upon by the latter.

Über dem Wärmetauscher 3 ist ein Abgassammler 4 angeordnet, in dem ein Abgasgebläse 5 angeordnet ist, dessen Druckseite mit einer Abgasleitung 6 verbunden ist. Dabei ist der Abgassammler 4 mit Bypaßöffnungen 8 versehen, über die Nebenluft aus dem Inneren des Gehäuses 11 in den Abgassammler 4 einströmen kann. Weiter ist nach dem Wärmetauscher 3 ein in der Fig. 1 nicht dargestellter Temperaturfühler vorgesehen, der mit einer ebenfalls nicht dargestellten Steuerung des Abgasgebläses 5 in Verbindung steht.Above the heat exchanger 3 , an exhaust manifold 4 is arranged, in which an exhaust gas blower 5 is arranged, the pressure side of which is connected to an exhaust gas line 6 . The exhaust manifold 4 is provided with bypass openings 8 , via which secondary air can flow into the exhaust manifold 4 from the interior of the housing 11 . Furthermore, a temperature sensor (not shown in FIG. 1) is provided after the heat exchanger 3 and is connected to a control of the exhaust gas blower 5 , which is also not shown.

Mit dieser Steuerung ist auch ein die Druckdifferenz zwischen dem Inneren des Gehäuses 11 und dem Inneren des Abgassammlers 4 erfassender Differenzdrucksensor verbunden.A differential pressure sensor which detects the pressure difference between the interior of the housing 11 and the interior of the exhaust manifold 4 is also connected to this control.

Die Luftzufuhr in das als Unterdruckkammer und daher dicht ausgebildete Gehäuse 11 erfolgt über eine gemeinsame Verbrennungsluftleitung 7, die gegebenenfalls durch eine Wand des Aufstellungsraumes ins Freie geführt sein kann.The air is fed into the housing 11 , which is designed as a vacuum chamber and is therefore tightly sealed, via a common combustion air line 7 , which can optionally be led outside through a wall of the installation room.

Die Ausführungsform nach der Fig. 2 unterscheidet sich von jener nach der Fig. 1 dadurch, daß statt des gemeinsamen Wärmetauschers 3 separate Wärmetauscher 31, 32 vorgesehen sind, von denen der Wärmetauscher 31 vom Zusatzbrenner 10 und der Wärmetauscher 32 von der Brennstoffzellenanordnung 1 beaufschlagt ist. The embodiment according to FIG. 2 differs from that according to FIG. 1 in that, instead of the common heat exchanger 3, separate heat exchangers 31 , 32 are provided, of which the heat exchanger 31 is acted upon by the additional burner 10 and the heat exchanger 32 by the fuel cell arrangement 1 .

Dabei sind diese Wärmetauscher 31, 32 über Verbindungsleitungen 21, bzw. 91 mit dem gemeinsamen Abgassammler 4 verbunden, in dem bei dieser Ausführungsform ein Temperatursensor zur Erfassung der Abgastemperatur vorgesehen ist.These heat exchangers 31 , 32 are connected via connecting lines 21 and 91 to the common exhaust manifold 4 , in which, in this embodiment, a temperature sensor is provided for detecting the exhaust gas temperature.

Beim Betrieb wird der Brennstoffzellenanordnung 1 Kohlenwasserstoffe enthaltendes Gas, Wasser und Luft zugeführt und in dieser in elektrischen Strom und Wärme umgesetzt. Die dabei entstehenden heißen Abgase werden dem Wärmetauscher 32 oder dem gemeinsamen Wärmetauscher 3 zugeführt und von diesem Wärme entzogen. Die abgekühlten Abgase gelangen dann in den Abgassammler 4 und werden von dem Abgasgebläse 5 abgezogen.During operation, gas, water and air containing hydrocarbons are fed to the fuel cell arrangement 1 and converted into electrical current and heat in this. The resulting hot exhaust gases are supplied to the heat exchanger 32 or the common heat exchanger 3 and heat is removed from the latter. The cooled exhaust gases then enter the exhaust manifold 4 and are drawn off by the exhaust fan 5 .

Bei gemeinsamem Betrieb der Brennstoffzellenanordnung 1 und dem Zusatzbrenner 10, bzw. bei einem Solobetrieb des Zusatzbrenners, wenn lediglich Wärmebedarf aber kein Bedarf an elektrischem Strom besteht, gelangen die heißen Brenngasse des Zusatzbrenners 10 zum Wärmetauscher 31 bzw. zum gemeinsamen Wärmetauscher 3 und geben Wärme ab. Die abgekühlten Abgase gelangen dann in den Abgassammler 4.When the fuel cell arrangement 1 and the auxiliary burner 10 are operated together , or when the auxiliary burner is operated in a solo mode, when there is only a heat requirement but no need for electrical current, the hot combustion lanes of the auxiliary burner 10 reach the heat exchanger 31 or the common heat exchanger 3 and emit heat . The cooled exhaust gases then reach the exhaust manifold 4 .

Wenn die Abgastemperatur nach dem Wärmetauscher 3, bzw. im Abgassammler 4 einen bestimmten Sollwert überschreiten, was durch den erwähnten Temperatursensor erfaßt wird, so wird die Drehzahl des Abgasgebläses 5 erhöht, wodurch auch mehr Nebenluft aus dem Inneren des Gehäuses 11 in das Innere des Abgassammlers 4 einströmen kann und die Temperatur der Abgase absenkt. Weiters ist es auch möglich statt einer Erhöhung der Drehzahl des Abgasgebläses 5 eine Vergrößerung der Bypaßöffnungen 8 des Abgassammlers 4 vorzusehen. Dazu ist es lediglich erforderlich, die Bypaßöffnungen 8 mit verstellbaren, bzw. steuerbaren Klappen zu versehen.If the exhaust gas temperature after the heat exchanger 3 , or in the exhaust manifold 4 exceeds a certain target value, which is detected by the temperature sensor mentioned, the speed of the exhaust gas blower 5 is increased, whereby more secondary air from the inside of the housing 11 into the interior of the exhaust manifold 4 can flow in and lower the temperature of the exhaust gases. Furthermore, it is also possible to provide an increase in the bypass openings 8 of the exhaust manifold 4 instead of increasing the speed of the exhaust fan 5 . It is only necessary to provide the bypass openings 8 with adjustable or controllable flaps.

Umgekehrt wird bei einer unter einem bestimmten Wert liegenden Abgastemperatur die Drehzahl des Abgasgebläses 5 vermindert, bzw. der Querschnitt der Bypaßöffnungen 8 vermindert, um Energie zu sparen. Conversely, if the exhaust gas temperature is below a certain value, the speed of the exhaust gas blower 5 is reduced or the cross section of the bypass openings 8 is reduced in order to save energy.

Weiters ist die Drehzahl des Abgasgebläses 5 vom Differenzdruck zwischen dem Inneren des Gehäuses 11 und dem Abgassammler 4 abhängig. So wird, wenn der Differenzdruck einen Sollwert unterschreitet die Drehzahl des Abgasgebläses 5 erhöht, bzw. der Querschnitt der Bypaßöffnungen 8 vergrößert bzw. umgekehrt bei zu großem Differenzdruck die Drehzahl des Abgasgebläses reduziert, bzw. der Querschnitt der Bypaßöffnungen 8 verringert.Furthermore, the speed of the exhaust fan 5 is dependent on the differential pressure between the interior of the housing 11 and the exhaust manifold 4 . Thus, if the differential pressure falls below a target value, the speed of the exhaust gas blower 5 is increased, or the cross section of the bypass openings 8 is increased or, conversely, if the differential pressure is too high, the speed of the exhaust gas blower is reduced, or the cross section of the bypass openings 8 is reduced.

Weiters kann auch, in Strömungsrichtung des Abgasstromes gesehen, nach dem Abgasgebläse 5 die Abgastemperatur mittels eines nicht dargestellten Sensors erfaßt werden, der mit der Steuerung des Abgasgebläses 5 verbunden ist. Dabei wird bei einem Überschreiten eines vorbestimmten Sollwertes die Drehzahl des Abgasgebläses 5 erhöht bzw. der Querschnitt der Bypaßöffnungen 8 vergrößert und umgekehrt bei einem Unterschreiten einer bestimmten Temperatur die Drehzahl des Abgasgebläses 5 vermindert, bzw. der Querschnitt der Bypaßöffnungen 8 verkleinert.Furthermore, as seen in the flow direction of the exhaust gas flow, the exhaust gas temperature can be detected after the exhaust gas fan 5 by means of a sensor, not shown, which is connected to the control of the exhaust gas fan 5 . If a predetermined target value is exceeded, the speed of the exhaust gas blower 5 is increased or the cross section of the bypass openings 8 is increased, and conversely if the temperature falls below a certain temperature, the speed of the exhaust gas blower 5 is reduced or the cross section of the bypass openings 8 is reduced.

Claims (3)

1. Heizeinrichtung mit einer Brennstoffzellenanordnung (1) und einem zu dieser im wesentlichen parallel geschalteten Zusatzbrenner (10), die beide von je einem Gebläse (12, 13) unterstützt sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennstoffzellenanordnung (1) und der Zusatzbrenner (10) in einem gemeinsamen, als Unterdruckkammer ausgebildeten Gehäuse (11) angeordnet sind, das mit einer gemeinsamen Verbrennungsluftleitung (7) versehen ist und die Abgasführungen des Zusatzbrenners (10) und der Brennstoffzellenanordnung (1) über einen gemeinsamen Abgassammler (4) geführt sind, der mit einem Gebläse (5) versehen und mit einem Abgasrohr (6) verbunden ist.1. Heating device with a fuel cell arrangement ( 1 ) and an additional burner ( 10 ) which is connected essentially parallel to the latter, both of which are supported by a blower ( 12 , 13 ), characterized in that the fuel cell arrangement ( 1 ) and the additional burner ( 10 ) are arranged in a common housing ( 11 ) designed as a vacuum chamber, which is provided with a common combustion air line ( 7 ) and the exhaust gas ducts of the additional burner ( 10 ) and the fuel cell arrangement ( 1 ) are routed via a common exhaust manifold ( 4 ) which provided with a blower ( 5 ) and connected to an exhaust pipe ( 6 ). 2. Heizeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abgasführungen des Zusatzbrenners (10) und der Brennstoffzellenanordnung (1) über einen gemeinsamen Wärmetauscher (3) geführt sind.2. Heating device according to claim 1, characterized in that the exhaust gas guides of the additional burner ( 10 ) and the fuel cell arrangement ( 1 ) are guided via a common heat exchanger ( 3 ). 3. Heizeinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Abgassammler (4) mit Bypaßöffnungen (8) versehen ist, über die Frischluft aus dem Inneren des Gehäuses (11) in den Abgassammler (4) ansaugbar ist, wobei ein Differenzdrucksensor zur Erfassung der Druckdifferenz zwischen dem Inneren des Gehäuses (11) und dem Inneren des Abgassammlers (4) und ein im Abgassammler (4) angeordneter Temperaturfühler, sowie gegebenenfalls ein dem Abgassammler nachgeordneter Temperaturfühler vorgesehen sind, die mit einer Steuerung des Abgasgebläses (5) verbunden sind.3. Heating device according to claim 1 or 2, characterized in that the exhaust manifold ( 4 ) is provided with bypass openings ( 8 ) through which fresh air from the interior of the housing ( 11 ) in the exhaust manifold ( 4 ) can be sucked in, a differential pressure sensor for Detection of the pressure difference between the interior of the housing ( 11 ) and the interior of the exhaust manifold ( 4 ) and a temperature sensor arranged in the exhaust manifold ( 4 ), as well as a temperature sensor downstream of the exhaust manifold, which are connected to a control of the exhaust gas blower ( 5 ) .
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