DE19956223B4

DE19956223B4 - Blockheizkraftwerk

Info

Publication number: DE19956223B4
Application number: DE19956223A
Authority: DE
Inventors: Thomas Dr. Hocker; Rolf Thomas
Original assignee: Vaillant GmbH
Current assignee: VAILLANT GMBH, 42859 REMSCHEID, DE
Priority date: 1998-11-23
Filing date: 1999-11-23
Publication date: 2009-08-27
Anticipated expiration: 2019-11-24
Also published as: DE19956223A1; AT407313B; ATA195098A; CH690658A5

Abstract

Blockheizkraftwerk mit mindestens einer Brennstoffzelle (7), die eine Anode und eine Kathode aufweist, die durch eine Elektrolytmembrane (10) voneinander getrennt und mit elektrischen Ausleitungen versehen sind, wobei dem der Anode zugeordneten Anodenraum (8) über eine Zuleitung (6) Anodengas zuführbar und über eine Ableitung (12) Anodenabgas daraus abführbar ist und dem der Kathode zugeordneten Kathodenraum (9) über eine Zuleitung (3) Kathodengas zuführbar und über eine Ableitung (11) Kathodenabgas daraus abführbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass den Zuleitungen (3, 6) je ein Kompressor (2, 5) vorgeschaltet ist und den Ableitungen (11, 12) zum Entspannen des Anoden- und Kathodenabgases ausgestaltete Drosseln (13, 14) nachgeschaltet sind, an die sich Ausleitungen (15, 16) mit größerem Querschnitt als die zugehörigen Ableitungen (11, 12) 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. Sowohl die DE 196 08 738 C1 , als auch die WO 98/04011 A2 offenbaren derartige Brennstoffzellenanlagen, deren Abgasströme thermisch genutzt werden. Dadurch ist es möglich, die in den der Brennstoffzelle zugeführten Prozessgasen gebundene 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. Aus DE 30 24 673 A1 ist bekannt, ein Blockheizkraftwerk mit einer Wärmepumpe zu kombinieren, um im Sommer eine Kühlung zu ermöglichen.
Aus US 5 678 410 A ist ein Blockheizkraftwerk mit Brennstoffzelle bekannt, bei dem das wasserstoffhaltige Kathodenabgas in einen Metallhydridtank geleitet wird. Mittels Ventil zwischen der Kathode und dem Metallhydridtank wird die Wasserstoffadsorption geregelt.
Die EP 0 741 428 A1 zeigt ebenfalls ein Blockheizkraftwerk mit Brennstoffzelle, bei dem die Durchströmung der Anode und der Kathode jeweils mittels Ventilen in der Anodenabgasleitung und der Kathodenabgasleitung geregelt wird.
Ein weiteres Problem der bekannten Blockheizkraftwerke besteht auch darin, dass die Hilfsaggregate, wie Wechselrichter und elektronische Steuerung, 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, die Abgasströme der Brennstoffzelle auch unmittelbar für Kühlzwecke zu verwenden.
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.
Weiters 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. Weiters 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. Weiters 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

Blockheizkraftwerk mit mindestens einer Brennstoffzelle (7), die eine Anode und eine Kathode aufweist, die durch eine Elektrolytmembrane (10) voneinander getrennt und mit elektrischen Ausleitungen versehen sind, wobei dem der Anode zugeordneten Anodenraum (8) über eine Zuleitung (6) Anodengas zuführbar und über eine Ableitung (12) Anodenabgas daraus abführbar ist und dem der Kathode zugeordneten Kathodenraum (9) über eine Zuleitung (3) Kathodengas zuführbar und über eine Ableitung (11) Kathodenabgas daraus abführbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass den Zuleitungen (3, 6) je ein Kompressor (2, 5) vorgeschaltet ist und den Ableitungen (11, 12) zum Entspannen des Anoden- und Kathodenabgases ausgestaltete Drosseln (13, 14) nachgeschaltet sind, an die sich Ausleitungen (15, 16) mit größerem Querschnitt als die zugehörigen Ableitungen (11, 12) anschließen, die thermisch mit einem Wärmetauscher (18) eines Kühlkreislaufes (17) gekoppelt sind.
Blockheizkraftwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Auskopplung der in der Brennstoffzelle (7) entstehende Wärme vorgesehen ist.