DE19956223A1 - Blockheizkraftwerk - Google Patents

Abstract

Blockheizkraftwerk mit mindestens einer Brennstoffzelle, die zwei durch eine Membrane (10) getrennte Räume (8, 9) zur Aufnahme einer mit elektrischen Ausleitungen versehene Anode bzw. Kathode aufweist, welchen Räumen (8, 9) über getrennte Zuleitungen (3, 6) Anoden-, bzw. Kathodengas zuführbar ist und die mit Ableitungen (11, 12) versehen sind. Um ein solches Blockheizkraftwerk auch für Kühlzwecke einsetzen zu können, ist vorgesehen, daß den Zuleitungen (3, 6) je ein Kompressor (2, 5) vorgeschaltet ist und den Ableitungen (11, 12) Drosseln (13, 14) nachgeschaltet sind, an die sich Ausleitungen (15, 16) anschließen, die thermisch mit einem Wärmetauscher (18) eines Kühlkreislaufes (17) gekoppelt sind.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Blockheizkraftwerk gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Bei derartigen Blockheizkraftwerken ist in der Regel ein Wärmetauscher der Brennstoffzelle nachgeordnet, der zur Auskopplung der in den Abgasen der Brennstoffzelle enthaltenen Wärme dient. Dadurch ist es möglich die in der Brennstoffzelle zugeführten Prozeßgasen gebundenen chemische Energie, die im wesentlichen in elektrische Energie umgesetzt wird, in einem hohen Maße auszunutzen. Voraussetzung hierfür ist jedoch, daß auch ein entsprechender Bedarf an Wärme gegeben ist.

Dies ist jedoch nicht immer der Fall. Speziell im Sommer besteht bei einem stromgeführten Betrieb der Brennstoffzelle, bei dem die Regelung der Brennstoffzelle in Abhängigkeit vom Strombedarf erfolgt, das Problem, daß kein Bedarf für die anfallende Wärme gegeben ist, sondern viel mehr ein Bedürfnis nach Kühlung besteht, das mit den bisherigen Blockheizkraftwerken nicht befriedigt werden kann. Grundsätzlich wäre es zwar möglich die nicht benötigte Wärme für einen Kälteerzeuger nach dem Absorberprinzip zu verwenden, doch wäre dies mit einem sehr hohen apparativen Aufwand verbunden.

Ein weiteres Problem der bekannten Blockheizkraftwerke besteht auch darin, daß die Hilfsaggregate, wie Wechselrichter, elektronische Steuerung u. dgl. gekühlt werden müssen. Dafür muß bei den bekannten derartigen Lösungen gesonderte Energie, meist durch den Einsatz eines strombetriebenen Gebläses aufgewendet werden.

Ziel der Erfindung ist es, diesen Nachteil zu vermeiden und ein Blockheizkraftwerk der eingangs erwähnten Art vorzuschlagen, das es ermöglicht auch für Kühlzwecke verwendet werden zu werden.

Erfindungsgemäß wird dies bei einem Blockheizkraftwerk der eingangs erwähnten Art durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 1 erreicht.

Durch die vorgeschlagenen Maßnahmen wird erreicht, daß die Brennstoffzelle mit einem entsprechenden Überdruck betrieben wird und dieser Überdruck, den daher auch die Abgase der Brennstoffzelle aufweisen, über die Drosseln auf Umgebungsdruck entspannt wird. Aufgrund dieser Entspannung kommt es zu einer entsprechenden Abkühlung der Abgase. Dadurch ist es auch möglich ein erfindungsgemäßes Blockheizkraftwerk auch zur Kühlung und bei einer Auskopplung der in der Brennstoffzelle anfallenden Prozeßwärme auch zur Klimatisierung zu verwenden.

Bei kleinen Blockheizkraftwerken kann die erzielbare Kühlleistung für die Klimatisierung, bzw. Kühlung von Räumen zu gering sein, doch ist sie ausreichend, um die für den Betrieb des Blockheizkraftwerkes erforderlichen Hilfsaggregate zu kühlen, wodurch sich die Installation und der Betrieb der sonst üblichen Gebläse erübrigt. Da der Wirkungsgrad eines Kühlprozesses in der Regel besser ist, als der Wirkungsgrad eines Gebläses, erhöht sich auch der Gesamtwirkungsgrad. Zudem wird thermische Energie bei der erfindungsgemäßen Kühlung eingesetzt, während ein Gebläse elektrische Energie benötigt und somit den elektrischen Wirkungsgrad des Blockheizkraftwerkes reduziert.

Durch die Merkmale des Anspruches 2 ergibt sich der Vorteil, daß im Falle eines Wärmebedarfs dieser gedeckt werden kann und dadurch auch die Kühlung verbessert wird.

Die Erfindung wird nun anhand der Zeichnung näher erläutert, die schematisch ein erfindungsgemäßes Blockheizkraftwerk zeigt.

Bei einem erfindungsgemäßen Blockheizkraftwerk ist eine Brennstoffzelle 7 vorgesehen, bei der ein Kathodenraum 9 und ein Anodenraum 8 vorgesehen sind, die durch eine Membrane 10 und ein voneinander getrennt sind und in denen eine Kathode, bzw. eine Anode angeordnet sind.

Der Kathodenraum 9 ist über eine Zuleitung 3, die an der Druckseite eines Kompressors 2 angeschlossen ist, mit Kathodengas versorgbar, das dem Kompressor 2 über eine Saugleitung 1 zuströmt.

Weiterhin ist der Anodenraum 8 über eine Zuleitung 6, die an der Druckseite eines Kompressors 5 angeschlossen ist, mit Anodengas versorgbar, das über eine Saugleitung 4 zum Kompressor 5 strömt.

Vom Kathodenraum 9 und vom Anodenraum 8 führen Ableitungen 11, bzw. 12 weg, die über Drosseln 14 bzw. 13 in Leitungen 16, 15 mit größerem Querschnitt münden. Weiterhin führen von der Brennstoffzelle 7 auch nicht dargestellte elektrische Ausleitungen weg.

Die beiden Leitungen 15, 16 sind thermisch mit einem Wärmetauscher 18 gekoppelt, der an einen Kühlkreislauf 17 angeschlossen ist, wobei der Wärmetauscher 18 Wärme an die Leitung 15, 16 abgibt.

Im Betrieb wird Anodengas und Kathodengas unter Druck der Brennstoffzelle 7 zugeführt, wobei durch die Membrane 10 Wasserstoff diffundiert und es zu einer Reaktion und Erzeugung von elektrischer Energie kommt. Weiterhin wird dabei auch Wärme freigesetzt.

Die heißen und unter Druck stehenden Abgase aus dem Kathodenraum 9 und dem Anodenraum 8 werden beim Durchströmen der Drosseln 13, 14 entspannt und kühlen sich daher sehr stark ab und kühlen daher die Leitungen 15, 16, die aus einem gut wärmeleitenden Material hergestellt sind.

Über den Wärmetauscher 18 wird Wärme in die Leitungen 15, 16 eingebracht, die gleichzeitig dem Kühlkreislauf 17 entzogen wird.

Beispielsweise kann Prozeßgas mit einem Druck von 3 Bar und einer Temperatur von 60°C die Brennstoffzelle 7 verlassen. Bei einer adiabaten Expansion auf Umgebungsdruck wird das Gas auf -20°C abgekühlt, wodurch eine sehr effektive Kühlung möglich ist.

Dabei ist es auch möglich, Wärme aus der Brennstoffzelle 7 bzw. aus den Ableitungen 11, 12 Wärme auszukoppeln, z. B. um wärme für eine Brauchwasserbereitung zu gewinnen, wodurch gleichzeitig die Kühlleistung erhöht wird.

Claims (2)

1. Blockheizkraftwerk mit mindestens einer Brennstoffzelle, die zwei durch eine Membrane (10) getrennte Räume (8, 9) zur Aufnahme einer mit elektrischen Ausleitungen versehene Anode bzw. Kathode aufweist, welchen Räumen (8, 9) über getrennte Zuleitungen (3, 6) Anoden-, bzw. Kathodengas zuführbar ist und die mit Ableitungen (11, 12) versehen sind, dadurch gekennzeichnet, daß den Zuleitungen (3, 6) je ein Kompressor (2, 5) vorgeschaltet ist und den Ableitungen (11, 12) Drosseln (13, 14) nachgeschaltet sind, an die sich Ausleitungen (15, 16) anschließen, die thermisch mit einem Wärmetauscher (18) eines Kühlkreislaufes (17) gekoppelt sind.

2. Blockheizkraftwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Auskopplung der in der Brennstoffzelle (7) entstehende Wärme vorgesehen ist.