DE19951217A1

DE19951217A1 - Einrichtung mit mindestens einer Brennstoffzelle

Info

Publication number: DE19951217A1
Application number: DE19951217A
Authority: DE
Inventors: Joachim Berg; Martin Bielski; Thomas Hocker; Reinhold Kehl; Jochen Paulus; Seonhi Ro; Joachim Schuerholz; Kerstin Wagner
Original assignee: Joh Vaillant GmbH and Co
Current assignee: VAILLANT GMBH, 42859 REMSCHEID, DE
Priority date: 1998-10-16
Filing date: 1999-10-18
Publication date: 2000-04-20
Anticipated expiration: 2019-10-19
Also published as: AT408159B; ATA173198A; DE19951217B4

Abstract

Einrichtung mit mindestens einer Brennstoffzelle (5) und einem an eine Abgasleitung (6) derselben angeschlossenen Wärmetauscher (3). Um bei allen Betriebsbedingungen eine weitgehende Ausnutzung der eingesetzten Primärenergie zu ermöglichen, ist vorgesehen, daß an der Abgasleitung (6) der Brennstoffzelle (5) eine Einrichtung zur Umwandlung von Wärme in elektrische Energie angeordnet ist.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Solche Einrichtungen arbeiten oft auch in einem Parallelbetrieb mit einem Heizgerät, wobei das Heizgerät und die Abgasleitung der Brennstoffzelle einen gemeinsamen Wärmetauscher beaufschlagen. Bei einer solchen Einrichtung ergibt sich das Problem, daß es bei einem Betriebserfordernis "reiner Strombedarf, kein Wärmebedarf" das relativ heiße Abgas der Brennstoffzelle abgeführt werden muß. Um dabei den Abgaskanal des Wärmetauschers und auch diesen nicht zu überlasten, ist es erforderlich, das Abgas der Brennstoffzelle abzu kühlen. Dies erfolgt bei bekannten derartigen Einrichtungen durch Beimischung von kühler Luft in die Abgasleitung der Brennstoffzelle mittels eines entsprechenden Gebläses.

Allerdings ergibt sich dabei der Nachteil eines entsprechenden konstruktiven Aufwandes und eines entsprechenden Energieverlustes durch die Nicht-Nutzung der Wärme des Abgases der Brennstoffzelle.

Ziel der Erfindung ist es, diese Nachteile zu vermeiden und eine Einrichtung der eingangs erwähnten Art vorzuschlagen, bei der es bei allen Betriebsbedingungen möglich ist, die ein gesetzte Primärenergie sehr weitgehend auszunutzen.

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

Durch die vorgeschlagenen Maßnahmen ist es auf einfache Weise möglich, die im Abgas der Brennstoffzelle enthaltene Energie zu nutzen und in elektrische Energie umzuwandeln.

Durch die Merkmale des Anspruches 2 ergibt sich der Vorteil, daß die vom mit dem Ster lingmotor gekoppelten Generator erzeugte Spannung direkt in ein Netz eingespeist werden kann, insbesondere wenn es sich um einen Wechselstrom- oder Drehstromgenerator han delt. Dabei zeichnet sich der Sterlingmotor durch einen sehr einfachen Aufbau aus. Der Sterlingmotor nutzt die Temperaturunterschiede zwischen dem Abgas der Brennstoffzelle und der Umgebungstemperatur aus, die einen Kolben in oszillierende Bewegung versetzen, die für den Antrieb des Generators genutzt werden kann. Dabei kommt es aufgrund der Entspannung des Abgases der Brennstoffzelle zu einer entsprechenden Abkühlung des Abgases.

Durch die Merkmale des Anspruches 3 ergibt sich eine in konstruktiver Hinsicht sehr einfa che Lösung.

Dabei kommt es aufgrund der Thermoelemente zu einer entsprechenden Abkühlung des Abgases der Brennstoffzelle.

Bei einer Einrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 4 ergibt sich durch die kenn zeichnenden Merkmale des Anspruches 4 der Vorteil, daß zur Einspeisung des durch die Thermoelemente erzeugten Gleichstromes in ein Netz kein separater Wechselrichter erfor derlich ist, sondern der für die Brennstoffzelle vorgesehene Wechselrichter auch für die Um setzung des von den Thermoelementen erzeugten Gleichstromes verwendet werden kann.

Die Erfindung wird nun anhand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigen:

Fig. 1 eine erfindungsgemäße Einrichtung und

Fig. 2 ein Detail einer weiteren erfindungsgemäßen Einrichtung.

Gleiche Bezugszeichen bedeuten in beiden Figuren gleiche Einzelteile.

Bei der Einrichtung nach der Fig. 1 ist ein Heizgerät 1 vorgesehen, dessen Abgasleitung 2 mit einem Wärmetauscher 3 verbunden ist, der mit einem Abgasstutzen 4 versehen ist. Weiter ist eine Brennstoffzelle 5 vorgesehen, die in üblicher Weise mit einem nicht darge stellten Reformer zur Erzeugung von Wasserstoff aus Wasser und einem Brenngas sowie einer Luftleitung versehen ist. Diese Brennstoffzelle 5 ist über eine Abgasleitung 6 mit einem weiteren Eingang des Wärmetauschers 3 verbunden.

Die in der Brennstoffzelle 5 erzeugte elektrische Energie wird über eine elektrische Leitung 7 einem Wechselrichter 8 zugeführt, dessen Ausgang mit einem Drehstromnetz 9 verbunden ist.

Bei der Ausführungsform nach der Fig. 1 ist der Abgasleitung 6 der Brennstoffzelle 5 ein Sterlingmotor 10 zugeordnet, der mit einem Drehstromgenerator 15 gekoppelt ist, der über ein Filter 11 mit dem Netz 9 verbunden ist.

Bei dieser Einrichtung ist ein Parallelbetrieb der Heizeinrichtung 1 mit der Brennstoffzelle 5 möglich, wodurch einerseits Wärme und elektrische Energie erzeugt werden kann.

Bei einem Betrieb, bei dem eine Wärmeanforderung und Bedarf an elektrischer Energie vor liegt, kann je nach dem Ausmaß des Wärmebedarfs entweder die Brennstoffzelle 5 allein oder auch gemeinsam mit dem Heizgerät 1 betrieben werden, wobei das Heizgerät 1 und das Abgas der Brennstoffzelle 5 den Wärmetauscher 3 beaufschlagen, aus dem das abge kühlte Abgas über den Abgasstutzen 4 abströmt. Dabei kann bei einem geringen Bedarf an elektrischer Energie der Sterlingmotor 10 stillgesetzt sein.

Bei größerem Bedarf an elektrischer Energie kann diese zusätzlich zu der der Brennstoff zelle 5 auch mittels des Sterlingmotors 10 und dem mit diesem gekoppelten Generator 15 erzeugt werden, wodurch jedoch die Beaufschlagung des Wärmetauschers 3 durch das Ab gas der Brennstoffzelle 5 sinkt.

Bei fehlender Wärmeanforderung und reinem Bedarf an elektrischer Energie kann das Heiz gerät 1 stillgesetzt werden und die im Abgas der Brennstoffzelle 5 enthaltene Wärmeenergie mittels des Sterlingmotors 10 in mechanische Energie und diese wieder mittels des mit dem Sterlingmotor 10 gekoppelten Generators 15 in elektrische Energie umgewandelt werden. Dabei kann das Abgas der Brennstoffzelle 5 sehr weitgehend ausgenutzt werden.

Der Sterlingmotor 10 nutzt die Temperaturunterschiede zwischen dem Abgas der Brenn stoffzelle 5 und der Umgebungstemperatur die der Luft oder des Heiz- oder Brauchwassers, wodurch ein Kolben in einem Zylinder in eine oszillierende Bewegung gerät und das Abgas der Brennstoffzelle 5 durch Entspannung abgekühlt wird. Der Kolben treibt den Generator an, der Drehstrom erzeugt.

Die Ausführungsform nach der Fig. 2 unterscheidet sich von jener nach der Fig. 1 dadurch, daß der Sterlingmotor 10 fehlt und statt dessen die Abgasleitung 6 der Brennstoffzelle 5 mit Thermoelementen 12 versehen ist, die vorzugsweise in einer die Abgasleitung 6 umgeben den Rohrwicklung 13 gehalten sind.

Diese Thermoelemente 12 sind mit einer Steuerschaltung 14 verbunden, die auch mit der elektrischen Leitung 7 der Brennstoffzelle 5 verbunden ist. Diese Steuerschaltung 14 schal tet in Abhängigkeit von der von der Brennstoffzelle 5 gelieferten elektrischen Spannung Thermoelemente 12, die zumindest gruppenweise in Reihe geschaltet sind, zu und weg, um eine Summenspannung der Thermoelemente 12 zu erreichen, die im wesentlichen gleich der Spannung der Brennstoffzelle 5 ist. Dadurch können die Thermoelemente 12 zu der Brennstoffzelle 5 parallel geschaltet werden, ohne daß es zur Ausbildung von nennenswer ten Kreisströmen kommt.

Dadurch kann mit einem einzigen Wechselrichter, der in der Fig. 2 nicht dargestellt ist, das Auslangen gefunden werden.

Claims

1. Einrichtung mit mindestens einer Brennstoffzelle (5) und einem an eine Abgasleitung (6) derselben angeschlossenen Wärmetau scher (3), dadurch gekennzeichnet, daß der Abgasleitung (6) der Brennstoffzelle (5) eine Einrichtung zur Umwandlung von Wärme in elektrische Energie zugeordnet ist.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Umwandlung von Wärme in elektrische Energie einen in die Abgasleitung (6) eingeschalteten Sterlingmotor (10) umfaßt, der mit einem Strom-Generator (15) gekoppelt ist.

3. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Umwandlung von Wärme in elektrische Energie durch an dem Abgasrohr (6) angeordnete Thermoelemente (12) gebildet ist, die gegebenenfalls mit einem Wechselrichter (8) ver bunden sind.

4. Einrichtung nach Anspruch 3, bei der die Brennstoffzelle (5) mit einem Wechselrichter (8) verbunden ist, dadurch gekennzeich net, daß die Thermoelemente (12) mit einer von der Spannung der Brennstoffzelle (5) abhängigen Steuerschaltung (14) verbun den ist, die durch Zu- und Wegschalten von Thermoelementen (12) deren Summenspannung auf den Wert der Spannung der Brennstoffzelle (5) einstellt und parallel zu der Brennstoffzelle (5) schaltet.