AT409314B - Blockheizkraftwerk - Google Patents

Description

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   Die Erfindung bezieht sich auf ein Blockheizkraftwerk gemäss dem Oberbegriff des unabhängi- gen Anspruches. 



   Bei bekannten derartigen Blockheizkraftwerken wird meist reiner Wasserstoff umgesetzt. Dieser wird in einem Reformer hergestellt. Eine sehr gebräuchliche Art der Herstellung ist die Refor- mierung aus Erdgas. Dabei wird bei Temperaturen oberhalb 8000C in Anwesenheit eines Katalysators aus Kohlenwasserstoffen und Wasserdampf Kohlendioxid und Wasserstoff produziert. Unter- halb der oben angegebenen Temperatur kann die Reaktion nicht stattfinden, so dass der Reformer vorgeheizt werden muss, ehe die Reaktion starten kann. Beim Betrieb des Blockheizwerkes einer bisher üblichen Bauart ergibt sich daher das Problem, dass jeder neue Start der Brennstoffzellen eine erhebliche Vorlaufzeit zur Aufheizung des Reformers erfordert. 



   Aus der US 4 988 580 A ist ein Brennstoffzellensystem mit einem Reformer bekanntgeworden, bei dem Wasserstoff im Leitungssystem und einem Speicherbehälter durch Erhöhung des Leitungsdrucks gespeichert werden kann. Der Speicherbehälter ist jedoch nicht durchströmbar, sondern nur über eine Leitung mit der restlichen Anlage verbunden. Somit ergibt sich der Nachteil, dass gespeichertes wasserstoffreiches Gas nur dann entweichen kann, wenn der Behälterdruck grösser ist, als der Druck des Kompressors, der frisches, wasserstoffreiches Gas von dem Reformer fördert. Da beim Betrieb des Reformers temporär hohe Anteile von Erdgasen, vorzugsweise Stickstoff und Kohlendioxid sowie Kohlenmonoxid, entstehen, ist man bemüht, diese Gase nicht in erhöhter Konzentration im Wasserstoffbehälter zu belassen, sondern möglichst zu verdrängen.

   Dies ist bei dem Stand der Technik nur dadurch möglich, dass der Reformer mit wechselnden Druckamplituden betrieben wird. Dies führt allerdings zu dem Nachteil, dass einerseits die Konzentration im Spelcherbehälter sich nur sehr langsam ändert und andererseits diese Betriebsweise einen kontinuierlichen Reformerbetrieb verhindert, wodurch wiederum Kohlenmonoxid entsteht, was bekanntlich zu vermeiden ist. 



   Darüber hinaus ist aus der US 5 346 779 A ein Behälter bekanntgeworden, den man im ersten Blick aufgrund seines Volumens als Speicher ansehen könnte, doch wird dieser Behälter stetig als Reaktor durchströmt, er dient also nicht der Speicherung und Lagerung z. B. für den Start, sondern Ist mit den im Behälter anwesenden Katalysatoren für den stetigen Prozess der Reformierung notwendig. Das Volumen des Behälters ist zur Realisierung der benötigten Verweilzeiten beim Reformierungsprozess vorgegeben und nicht in der Speicherung begründet. Es handelt sich demgemäss nicht um einen Wasserstoffspeicher. 



   Ziel der Erfindung ist es   demgemäss,   die eingangs geschilderten Nachteile zu vermeiden und ein Blockheizkraftwerk der eingangs näher bezeichneten Art vorzuschlagen, das sich rasch starten   lässt.   



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



   Durch die vorgeschlagenen Massnahmen kann sichergestellt werden, dass stets ausreichend Wasserstoff bereitsteht, der für einen Start der Brennstoffzelle (n) verwendet werden kann. Sobald diese zu arbeiten beginnt (en), wird Wärme frei, und es kann mit dieser Wärme der Reformer aufgeheizt werden. Dadurch kann nach einer entsprechenden Zeit der Reformer die Herstellung von Wasserstoff aufnehmen und in weiterer Folge die Brennstoffzelle (n) vollständig mit Wasserstoff versorgen, wobei auch der Wasserstoffspeicher wieder aufgeladen werden kann. 



   Weiterhin wird bei einer kontinuierlichen Durchströmung des Wasserstoffspeichers erreicht, dass ein höherwertiges Reformergas, Kohlenmonoxid und inertgasreiches Reformergas ersetzt
Durch die Merkmale des Anspruches 2 ergibt sich der Vorteil, dass während der Startphase die Brennstoffzellen gleichzeitig vom Wasserstoffspeicher und vom Reformer mit Wasserstoff versorgt werden können. Ausserdem kann der Wasserstoffspeicher durch den Reformer aufgeladen werden. 



   Durch die Merkmale des Anspruches 3 ist es möglich, die Abgase der Brennstoffzellen, in weichen nicht umgesetzter Wasserstoff enthalten ist, auszubrennen und dadurch weiter Wärme zu erzeugen, die dem Reformer zugeführt wird. Auf diese Weise ist es möglich, das Blockheizkraftwerk mit einem sehr hohen Wirkungsgrad zu betreiben. 



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



   Das Blockheizkraftwerk weist wenigstens eine Brennstoffzelle 1 auf, die über ein Gebläse 6 mit Luft versorgt wird. Dieser (n) Brennstoffzelle (n) 1 ist ein Reformer 2 zugeordnet, der über eine 

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 Leitung 10 mit Erdgas versorgbar ist. 



   Dieser Reformer 2 liefert Wasserstoffgas und ist ausgangsseitig über eine Verbindungsleitung 14 mit einem Wasserstoffspeicher 3 verbunden. Dabei ist in der Verbindungsleitung 14 ein Umschaltventil 7 angeordnet, an dem eine Bypassleitung 15 angeschlossen ist. 



   Vom Wasserstoffspeicher 3 führt eine Entnahmeleitung 16 zu den Brennstoffzellen 1, wobei in dieser Entnahmeleitung 16 ein weiteres Umschaltventil 8, an dem die Bypassleitung 15 angeschlossen ist, und ein Gebläse 5 angeordnet sind. 



   Von den Brennstoffzellen 1 führen eine Anodenabgasleitung 12 und eine Kathodenabgasleitung 11 zu einer Abgasleitung 17, die zum Reformer 2 führt. 



   Dabei ist in dieser Abgasleitung ein katalytischer Nachbrenner 4 angeordnet. Dieser verbrennt die in den Abgasen der Brennstoffzellen 1 noch enthaltenen Brenngasanteile. Die dabei entstehenden heissen Abgase gelangen über die Abgasleitung 16 zu einem Wärmetauscher 9, der in dem Reformer 2 angeordnet ist und diesen beheizt. 



   Die abgekühlten Abgase strömen über einen Abgasanschluss 13 ab. 



   Während des instationären Startvorganges ist der Reformer 2 kalt und der Wasserstoffspeicher 3 ist mit wasserstoffreichem Gas gefüllt. Dieses gelangt mittels des Gebläses 5 über das Umschaltventil 8 zu den Brennstoffzellen 1, denen mittels des Gebläses 6 auch Luft zugeführt wird. 



  Der darin enthaltene Sauerstoff reagiert mit dem Wasserstoff, wodurch einerseits Wärme und anderseits elektrische Energie erzeugt wird. Die Abgase der Brennstoffzellen 1 werden, wie bereits erwähnt, im katalytischen Nachbrenner 4 umgesetzt, und die darin noch enthaltenen brennbaren Anteile an Brenngas werden verbrannt. 



   Die dabei entstehenden heissen Abgase des Nachbrenners 4 gelangen zu dem Wärmetauscher 9 im Reformer 2 und heizen diesen auf Betriebstemperatur auf. 



   Dadurch setzt der Reformer ein kohlenwasserstoffreiches Gas, vorzugsweise Erdgas, Luft und bzw. oder Wasserdampf zu wasserstoffreichem Prozessgas um, sobald der Reformer 2 seine Betriebstemperatur erreicht. 



   Das entstehende Prozessgas gelangt über die Verbindungsleitung 14, das Umschaltventil 7, die Bypassleitung 15, das Umschaltventil 8 und das Gebläse 5 zu den Brennstoffzellen 1 und wird dort mit Luft und bzw. oder Wasserdampf, die (der) über das Gebläse 5 zugeführt werden, umgesetzt, wobei elektrischer Strom und Wärme erzeugt werden. 



   Sobald der Reformer (2) ausreichend Prozessgas erzeugt, kann das mit der Restwärme erzeugte Prozessgas über das Umschaltventil 7 dem Wasserstoffspeicher 3 zugeführt werden, wobei das Umschaltventil 8 für die Entnahmeleitung 16 gesperrt ist. 



   PATENTANSPRÜCHE : 
1. Blockheizkraftwerk mit wenigstens einer Brennstoffzelle und einem dieser vorgeordneten
Reformer (2), der mit dem Abgas der Brennstoffzelle (n) (1) beaufschlagbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Reformer (2) mit einem durchströmbaren Wasserstoffspeicher (3) verbindbar ist, der ausgangsseitig mit den Brennstoffzellen (1) verbindbar ist.

Claims (1)

1. 2. Blockheizkraftwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Bypassleitung (15) parallel zum Wasserstoffspeicher (3) vorgesehen ist, die über Umschaltventile (7,8) in einer Verbindungsleitung (14) zwischen dem Reformer (2) und dem Wasserstoffspeicher (3) und In einer Entnahmeleitung (16) des Wasserstoffspeichers (3) an diesen angeschlos- sen ist.

   3. Blockheizkraftwerk nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgas- leitung (en) (11,12) über einen katalytischen Nachbrenner (4) mit einem im Reformer (2) angeordneten Wärmetauscher (9) verbunden ist (sind).