DE19956221B4 - Combined heat and power plant, especially for a current-controlled operation - Google Patents

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Abstract

Blockheizkraftwerk, insbesondere für einen stromgeführten Betrieb, mit mindestens einer Brennstoffzelle (2) und einem dieser vorgeschalteten Reformer (1), der mit Brenngas beaufschlagbar ist, wobei die Brennstoffzelle (2) über eine Abgasleitung (7, 9) mit einem Wärmetauscher (4) thermisch gekoppelt ist, dadurch gekennzeichnet, dass in den Wärmetauscher (4) eine Kondensatleitung (13) des Reformers (1) mündet, der mit einer Abgasleitung (12) versehen ist.Combined heat and power plant, in particular for a current-controlled operation, with at least one fuel cell (2) and a reformer (1) upstream of this, which can be acted upon with fuel gas, wherein the fuel cell (2) via an exhaust pipe (7, 9) with a heat exchanger (4) is thermally coupled, characterized in that in the heat exchanger (4) a condensate line (13) of the reformer (1) opens, which is provided with an exhaust pipe (12).

Figure 00000001
Figure 00000001

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Blockheizkraftwerk gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.The The invention relates to a combined heat and power plant according to the preamble of claim 1.

Bei einem stromgeführten Betrieb eines solchen Blockheizkraftwerkes kann es, insbesondere im Sommer, vorkommen, dass die bei der Stromproduktion anfallende Wärme nicht benötigt wird und abgeführt werden muss. Hierdurch kann es erforderlich werden, erhebliche Wärmemengen abführen zu müssen. Dies erfordert mit Luftkühlung einen sehr erheblichen Aufwand. So benötigt man z. B., um 2 kW thermisch mit einer Temperaturdifferenz von 20 K abzuführen, ca. 300 m3/h Kühlluft. Diese Luftmenge ist nur mit sehr großen Gebläsen und Abgasquerschnitten möglich. Aus diesem Grund ist es bei den herkömmlichen Blockheizkraftwerken nicht immer möglich, diese stromgeführt zu betreiben, so daß diese modulierend betrieben werden oder abgeschaltet werden müssen und der Strombedarf dann aus einem öffentlichen Netz gedeckt werden muss.In a current-controlled operation of such a combined heat and power plant, it may happen, especially in summer, that the heat generated during power production is not needed and must be dissipated. As a result, it may be necessary to dissipate considerable amounts of heat. This requires a very considerable effort with air cooling. So you need z. B., to dissipate 2 kW thermally with a temperature difference of 20 K, about 300 m 3 / h of cooling air. This air volume is only possible with very large blowers and exhaust gas cross sections. For this reason, it is not always possible in the conventional combined heat and power plants to operate them in a current-controlled manner, so that they have to be operated modulatingly or have to be switched off and the power requirement then has to be covered by a public network.

US 4 994 331 A zeigt eine Brennstoffzelle, deren Anoden- und Kathodenabgas in einem Brenner des Reformers der Brennstoffzellenanlage verbrannt wird. Dessen Abgas wird in einen Kühler eingeleitet. Das dort entstandene Kondensat wird durch eine Kondensatleitung zu einem Kondensator geleitet, wo es Dampf aus dem Verdampfungskühler der Brennstoffzelle kühlt. Im Verdampfungskühler wird Brennstoff auf seinem Weg zum Reformer und zur Anode der Brennstoffzelle erhitzt. Somit dient das Kondensat aus dem Reformer dem Kühlen des Brennstoffs und somit zur Aufrechterhaltung des Brennstoffzellenprozesses inklusive des Reformerprozesses. US 4 994 331 A shows a fuel cell whose anode and cathode exhaust gas is burned in a burner of the reformer of the fuel cell system. Its exhaust gas is introduced into a cooler. The condensate formed there is passed through a condensate line to a condenser where it cools vapor from the evaporative cooler of the fuel cell. In the evaporative cooler, fuel is heated on its way to the reformer and the anode of the fuel cell. Thus, the condensate from the reformer serves to cool the fuel and thus maintain the fuel cell process, including the reforming process.

US 4 333 992 A zeigt eine Brennstoffzellenanlage, bei der das Abgas der Kathode der Brennstoffzelle mechanisch in einem Kompressor und einer Turbine sowie in einem Wärmetauscher zur Wärmenutzung genutzt wird. Das Abgas der Anode wird in zwei Wärmetauschern abgekühlt. US 5 360 679 A zeigt eine Brennstoffzelle, deren Kathodenabgas in einem Wasserseperator und dessen Anodenabgas in einem Wasserseperator entfeuchtet wird. Das Anodenabgas wird dann dem Brenner eines Reformers zugeführt. Der Stand der Technik offenbart nicht, wie Wärme abgeführt werden kann, wenn diese nicht sinnvoll genutzt werden kann. US 4,333,992 A. shows a fuel cell system in which the exhaust gas of the cathode of the fuel cell is used mechanically in a compressor and a turbine and in a heat exchanger for heat recovery. The exhaust gas of the anode is cooled in two heat exchangers. US 5,360,679 A shows a fuel cell, the cathode exhaust gas is dehumidified in a Wasserseperator and its anode exhaust gas in a Wasserseperator. The anode exhaust gas is then fed to the burner of a reformer. The prior art does not disclose how heat can be dissipated if it can not be used meaningfully.

Ziel der Erfindung ist es, diese Nachteile zu vermeiden und ein Blockheizkraftwerk der eingangs erwähnten Art vorzuschlagen, bei dem es möglich ist, auch größere Wärmemengen mit geringem Aufwand abführen zu können.aim The invention is to avoid these disadvantages and a combined heat and power plant the aforementioned To propose way in which it is possible is, even larger amounts of heat dissipate with little effort to be able to.

Erfindungsgemäß wird dies bei einem Blockheizkraftwerk der eingangs erwähnten Art durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 1 erreicht.According to the invention this is in a combined heat and power plant of the type mentioned by the characterizing Features of claim 1 achieved.

Durch die vorgeschlagenen Maßnahmen wird erreicht, daß das abzuführende heiße Abgas durch die Verdunstung des Kondensats erheblich abgekühlt wird, wodurch die allenfalls notwendige weitere Abkühlung mit erheblich geringeren Kühlluftmengen erreicht werden kann.By the proposed measures will be achieved that dissipated name is Exhaust gas is considerably cooled by the evaporation of the condensate, whereby the possibly necessary further cooling with considerably smaller Cooling air flow can be achieved.

Durch die Merkmale des Anspruches 2 ergibt sich der Vorteil, daß die abzuführende Wärme praktisch vollständig durch Verdampfung von Wasser abgeführt werden kann, so daß praktisch keine nennenswerte Kühlluftmengen erforderlich sind.By the features of claim 2, there is the advantage that the dissipated heat practically Completely can be dissipated by evaporation of water, so that practically no significant amounts of cooling air required are.

Durch die Merkmale des Anspruches 3 ergibt sich der Vorteil, daß die für den Reformer erforderliche Wärmemenge im wesentlichen durch die von der Brennstoffzelle abzuführende Wärme gedeckt werden kann.By the features of claim 3, there is the advantage that for the reformer required amount of heat essentially covered by the dissipated by the fuel cell heat can be.

Die Erfindung wird nun anhand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigen die 1 und 2 verschiedene Ausführungsformen erfindungsgemäßer Blockheizkraftwerke.The invention will now be explained in more detail with reference to the drawing. The show 1 and 2 various embodiments of the invention combined heat and power plants.

Gleiche Bezugszeichen bedeuten in beiden Figuren gleiche Einzelteile.Same Reference numerals in both figures mean the same items.

Bei den Blockheizkraftwerken gemäß den 1 und 2 ist ein Reformer 1 vorgesehen, der über eine Brenngasleitung 5 mit einem kohlenwasserstoffhaltigen Brenngas versorgbar ist. Der Reformer 1, in dem aus dem Brenngas und Luft Prozeßgas erzeugt wird, ist mit einer Prozeßgasleitung 6 mit einer Brennstoffzelle 2 verbunden.In the combined heat and power plants according to the 1 and 2 is a reformer 1 provided, via a fuel gas line 5 can be supplied with a hydrocarbon-containing fuel gas. The reformer 1 in which process gas is generated from the fuel gas and air, is with a process gas line 6 with a fuel cell 2 connected.

Die Brennstoffzelle 2 ist mit einer elektrischen Ausleitung 10 versehen. Weiter ist eine Abgasleitung 7 vorgesehen, die in einen Nachbrenner 3 mündet. Dieser verbrennt die noch reaktionsfähigen Teile des Abgases der Brennstoffzelle 2.The fuel cell 2 is with an electrical outlet 10 Mistake. Next is an exhaust pipe 7 provided in an afterburner 3 empties. This burns the still reactive parts of the exhaust gas of the fuel cell 2 ,

Eine weitere Abgasleitung 9 führt von einem Regelventil 15, das dem Nachbrenner 3 nachgeschaltet ist, zu einem Wärmetauscher 4, in den eine Kondensatleitung 13 des Reformers 1 mündet. Dabei dient die Wärme der Abgase zum Verdampfen des Kondensats, wodurch den Abgasen eine sehr erhebliche Wärmemenge entzogen wird. Die abgekühlten Abgase strömen über eine Abgasleitung 11 aus dem Wärmetauscher 4 ab.Another exhaust pipe 9 leads from a control valve 15 that the afterburner 3 downstream, to a heat exchanger 4 into which a condensate line 13 the reformer 1 empties. The heat of the exhaust gases is used to evaporate the condensate, whereby the exhaust gases a very significant amount of heat is withdrawn. The cooled exhaust gases flow through an exhaust pipe 11 from the heat exchanger 4 from.

Der Nachbrenner 3 ist über das Regelventil 15 weiter mit einer Abgasleitung 8 verbunden, die in den Reformer 1 mündet und diesen mit Wärme versorgt. Die entsprechend abgekühlten Abgase strömen über eine Abgasleitung 12 des Reformers 1 ab.The afterburner 3 is via the control valve 15 continue with an exhaust pipe 8th connected in the reformer 1 flows and supplies it with heat. The corresponding cooled exhaust gases flow through an exhaust pipe 12 the reformer 1 from.

Beim Betrieb wird im Reformer 1 Brenngas unter Zufuhr von Wärme aus den Abgasen des Nachbrenners 3 in Prozeßgas umgewandelt, das der Brennstoffzelle 2 zugeführt wird. In dieser wird elektrischer Strom erzeugt, der über die Ausleitung 10 abgeführt wird.In operation, in the reformer 1 Fuel gas with supply of heat from the exhaust gases of the afterburner 3 converted into process gas, that of the fuel cell 2 is supplied. In this electric current is generated by the discharge 10 is dissipated.

Das in der Brennstoffzelle 2 dabei anfallende heiße Abgas wird dabei dem Nachbrenner 3 zugeführt und in diesem ausgebrannt, wobei die dabei entstehende Wärme zum Teil dem Wärmetauscher 4 zugeführt wird, in dem das im Reformer 1 anfallende Kondensat zur Abkühlung der Abgase der Brennstoffzelle 2 verdampft wird. Der andere Teil der im Nachbrenner 3 erzeugten Wärme wird dem Reformer 1 zugeführt und deckt dessen Wärmebedarf, wobei Wasser verdampft wird. Die abgekühlten Abgase strömen über die Abgasleitung 12 ab.That in the fuel cell 2 thereby resulting hot exhaust gas is the afterburner 3 supplied and burned out in this, the resulting heat in part the heat exchanger 4 is fed, in which the reformer 1 accumulating condensate for cooling the exhaust gases of the fuel cell 2 is evaporated. The other part of the afterburner 3 generated heat is the reformer 1 supplied and covers its heat demand, whereby water is evaporated. The cooled exhaust gases flow over the exhaust pipe 12 from.

Das im Reformer anfallende Kondensat gelangt in den Wärmetauscher 4 und wird in diesem verdampft.The condensate accumulating in the reformer reaches the heat exchanger 4 and is evaporated in this.

Die Ausführungsform nach der 2 unterscheidet sich von jener nach der 1 nur dadurch, daß in den Wärmetauscher 4 zusätzlich eine Frischwasserleitung 14 mündet, über die zusätzliches Wasser dem Wärmetauscher 4 zugeführt werden kann. Dadurch ist es möglich, die Abgase der Brennstoffzelle 2 im wesentlichen durch die Verdampfung von Wasser bzw. Kondensat abzukühlen.The embodiment of the 2 different from that after the 1 only in that in the heat exchanger 4 in addition a fresh water pipe 14 opens, via the additional water to the heat exchanger 4 can be supplied. This makes it possible, the exhaust gases of the fuel cell 2 essentially to be cooled by the evaporation of water or condensate.

Claims (3)

Blockheizkraftwerk, insbesondere für einen stromgeführten Betrieb, mit mindestens einer Brennstoffzelle (2) und einem dieser vorgeschalteten Reformer (1), der mit Brenngas beaufschlagbar ist, wobei die Brennstoffzelle (2) über eine Abgasleitung (7, 9) mit einem Wärmetauscher (4) thermisch gekoppelt ist, dadurch gekennzeichnet, dass in den Wärmetauscher (4) eine Kondensatleitung (13) des Reformers (1) mündet, der mit einer Abgasleitung (12) versehen ist.Combined heat and power plant, in particular for a current-controlled operation, with at least one fuel cell ( 2 ) and one of these upstream reformer ( 1 ), which is acted upon by fuel gas, wherein the fuel cell ( 2 ) via an exhaust pipe ( 7 . 9 ) with a heat exchanger ( 4 ) is thermally coupled, characterized in that in the heat exchanger ( 4 ) a condensate line ( 13 ) of the reformer ( 1 ), which is connected to an exhaust pipe ( 12 ) is provided. Blockheizkraftwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in den Wärmetauscher (4) eine Frischwasserleitung (14) mündet.Cogeneration plant according to claim 1, characterized in that in the heat exchanger ( 4 ) a fresh water line ( 14 ) opens. Blockheizkraftwerk nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzelle (2) über die Abgasleitung (7) mit einem Nachbrenner (3) verbunden ist, dessen Abgasleitung (8) mit dem Reformer (1) verbunden ist und diesen mit heißem Abgas beaufschlagt.Cogeneration plant according to claim 1 or 2, characterized in that the fuel cell ( 2 ) via the exhaust pipe ( 7 ) with an afterburner ( 3 ), whose exhaust pipe ( 8th ) with the reformer ( 1 ) Is connected and this charged with hot exhaust gas.
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