CH690807A5 - Chp - Google Patents

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CH690807A5
CH690807A5 CH01799/99A CH179999A CH690807A5 CH 690807 A5 CH690807 A5 CH 690807A5 CH 01799/99 A CH01799/99 A CH 01799/99A CH 179999 A CH179999 A CH 179999A CH 690807 A5 CH690807 A5 CH 690807A5
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heat exchanger
reformer
exhaust gas
heat
fuel cells
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CH01799/99A
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Inventor
Robert L Boyd
Martin Bielski
Dr Thomas Hocker
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Vaillant Gmbh
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    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04007—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids related to heat exchange
    • H01M8/04014—Heat exchange using gaseous fluids; Heat exchange by combustion of reactants
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/06—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues
    • H01M8/0606—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues with means for production of gaseous reactants
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    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
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Description

         

  
 



  Die Erfindung bezieht sich auf ein Blockheizkraftwerk gemäss dem einleitenden Teil des Patentanspruches 1. 



  Bei bekannten derartigen Blockheizkraftwerken mit Restwärmenutzung sind die Brennstoffzellen und ein nachgeschalteter Wärmetauscher zur Heizwasserbereitung getrennt. Dabei ergibt sich jedoch der Nachteil, dass das Abgas der Brennstoffzellen nur relativ wenig auf die Temperatur des Heizungsrücklaufs abgekühlt werden kann und daher ein erheblicher Teil der Wärme des Abgases ungenützt abgeführt wird. 



  Ziel der Erfindung ist es, diesen Nachteil zu vermeiden und ein Blockheizkraftwerk der eingangs erwähnten Art vorzuschlagen, bei der das Abgas der Brennstoffzellen (insbesondere Hochtemperatur-Brennstoffzellen) sehr weitgehend abgekühlt und seine Wärme nutzbringend verwendet wird. 



  Erfindungsgemäss wird dies bei einem Blockheizkraftwerk der eingangs erwähnten Art durch Merkmale des Patentanspruches 1 erreicht. 



  Durch die vorgeschlagenen Massnahmen ist es möglich, das Abgas der Brennstoffzellen zur Aufheizung des in den Reformer eintretenden Wassers, das meist nur eine Temperatur von z.B. 10 DEG C aufweist, zu nutzen, bevor es an die Umgebung abgegeben wird. Dadurch kann das Abgas sehr weitgehend abgekühlt werden, wobei es auch möglich ist, den entsprechen den Wärmetauscher als Kondensations-Wärmetauscher auszubilden, sodass auch die Kondensationswärme genutzt werden kann. 



  Dadurch ist eine sehr weitgehende Nutzung der eingesetzten Primärenergie möglich. 



  Bei einem zweistufig ausgebildeten Reformer bzw. einem zweistufig ausgebildeten Wärmetauscher gemäss dem abhängigen Patentanspruch zur Aufheizung bzw. Verdampfung des Wassers und Aufheizung des Brenngases kann der Wärmetauscher zur Bereitung des Heizungswassers zwischen diesen beiden Stufen des Wärmetauschers des Reformers angeordnet sein. 



  Dadurch ergibt sich der Vorteil, dass das Abgas der Brennstoffzellen optimal genutzt werden kann. So wird vom Abgas zuerst ein für die Vorwärmung der Luft und des im Reformer erzeugten Wasserstoffgases vorgesehener Wärmetauscher vom Abgas durchströmt, der das Wasserstoffgas und die Luft auf eine hohe Temperatur bringen muss. Danach durchströmt das Abgas den Wärmetauscher zur Bereitung von Heizungswasser oder die zweite Stufe des Wärmetauschers des Reformers, wodurch das Abgas weiter gekühlt wird. Beim Durchströmen der ersten Stufe des Reformers, die zur Erwärmung des mit sehr niedriger Temperatur zuströmenden Wassers und des zuströmenden Brenngases dient, wird das Abgas sehr weitgehend abgekühlt und gibt daher seine Energie nahezu vollständig ab. 



  Dieser Effekt ist auch dann sehr weitgehend gegeben, wenn der Reformer mit einem einstufigen Wärmetauscher versehen ist, doch ergibt sich bei einem zweistufigen Wärmetauscher im Reformer der Vorteil einer geringen Temperaturdifferenz bei den einzelnen Wärmetauschern. 



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



  Bei einem erfindungsgemässen Blockheizkraftwerk ist in üblicher Weise ein Reformer 1 vorgesehen, der beim dargestellten Ausführungsbeispiel einen einstufigen Wärmetauscher 2 aufweist, der zur Erwärmung des zuströmenden Brenngases 3 und des zuströmenden Wassers 4 dient. 



  Diese werden im Reformer zu Wasserstoff und Kohlendioxid umgesetzt, wobei ein Teil des Wassers erhalten bleibt und das Prozessgas über eine Leitung 5 zu einer Vorheizung 6 geleitet wird. In dieser ist ein weiterer Wärmetauscher 7 angeordnet, der zur Erwärmung von Luft 8 und dem Wasserstoffgas dient. 



  Die erwärmte Luft und das erwärmte Wasserstoffgas gelangen über Leitungen 9, 10 zur eigentlichen Brennstoffzelle 11, in der einerseits elektrischer Strom erzeugt wird und andererseits bei der Reaktion Wärme entsteht. Dabei wird der elektrische Strom über eine Leitung 12 ausgeleitet. 



  Das bei der Umsetzung von Wasserstoff und Luft entstehende heisse Abgas, dessen Temperatur bei manchen Brennstoffzellen bis zu 900 DEG C betragen kann, wird über eine Abgasleitung 13 dem Wärmetauscher 7 der Vorheizung 6 zugeführt und in dieser entsprechend abgekühlt. 



  Über eine Verbindungsleitung 14 wird das abgekühlte Abgas einem Wärmetauscher 15 zur Bereitung von Heizungswasser zugeführt. 



  Über eine weitere Verbindungsleitung 16 gelangt das weiter abgekühlte Abgas zum Wärmetauscher 2 des Reformers und erwärmt das zuströmende Brenngas und das zuströmende Wasser, das meist nur eine Temperatur von ca. 10 DEG C aufweist, wodurch das Abgas sehr weitgehend abgekühlt wird. Dadurch ist auch eine sehr weitgehende Nutzung der Energie des Abgases gegeben. 



  Bei einem Reformer mit einem zweistufigen Wärmetauscher zur Vorwärmung der Brennstoffzelle(n) kann der Wärmetauscher 15 zur Bereitung von Heizungswasser zweckmässigerweise zwischen den beiden Stufen des Wärmetauschers des Reformers geschaltet werden. Dadurch ergibt sich eine besonders günstige Beaufschlagung der Wärmetauscher 7, 15 und 2. 



  
 



  The invention relates to a combined heat and power plant according to the introductory part of patent claim 1.



  In known such combined heat and power plants with residual heat use, the fuel cells and a downstream heat exchanger for heating water are separated. However, this has the disadvantage that the exhaust gas from the fuel cells can be cooled only relatively little to the temperature of the heating return and therefore a significant part of the heat of the exhaust gas is dissipated unused.



  The aim of the invention is to avoid this disadvantage and to propose a combined heat and power plant of the type mentioned at the outset, in which the exhaust gas from the fuel cells (in particular high-temperature fuel cells) is cooled to a very large extent and its heat is used to advantage.



  According to the invention, this is achieved in a combined heat and power plant of the type mentioned at the outset by features of patent claim 1.



  The proposed measures make it possible to use the exhaust gas from the fuel cells to heat the water entering the reformer, which usually only has a temperature of e.g. 10 DEG C to use before it is released into the environment. As a result, the exhaust gas can be cooled to a very large extent, and it is also possible to design the corresponding heat exchanger as a condensation heat exchanger, so that the condensation heat can also be used.



  This enables a very extensive use of the primary energy used.



  In the case of a two-stage reformer or a two-stage heat exchanger according to the dependent claim for heating or evaporation of the water and heating the fuel gas, the heat exchanger for preparing the heating water can be arranged between these two stages of the heat exchanger of the reformer.



  This has the advantage that the exhaust gas from the fuel cells can be used optimally. Thus, the exhaust gas first flows through a heat exchanger provided for preheating the air and the hydrogen gas generated in the reformer, which has to bring the hydrogen gas and the air to a high temperature. The exhaust gas then flows through the heat exchanger for the preparation of heating water or the second stage of the heat exchanger of the reformer, whereby the exhaust gas is cooled further. When flowing through the first stage of the reformer, which serves to heat the water flowing in at a very low temperature and the fuel gas flowing in, the exhaust gas is cooled to a very large extent and therefore releases its energy almost completely.



  This effect is also largely present when the reformer is provided with a single-stage heat exchanger, but with a two-stage heat exchanger in the reformer there is the advantage of a small temperature difference in the individual heat exchangers.



  The invention will now be explained in more detail with reference to the drawing, which schematically shows a combined heat and power plant according to the invention.



  In a combined heat and power plant according to the invention, a reformer 1 is provided in the usual way, which in the exemplary embodiment shown has a single-stage heat exchanger 2, which serves to heat the inflowing fuel gas 3 and the inflowing water 4.



  These are converted to hydrogen and carbon dioxide in the reformer, part of the water being retained and the process gas being passed via a line 5 to a preheater 6. In this a further heat exchanger 7 is arranged, which serves to heat air 8 and the hydrogen gas.



  The heated air and the heated hydrogen gas pass through lines 9, 10 to the actual fuel cell 11, in which electrical current is generated on the one hand and heat is generated on the other hand during the reaction. The electrical current is discharged via a line 12.



  The hot exhaust gas produced during the conversion of hydrogen and air, the temperature of which in some fuel cells can be up to 900 ° C., is fed to the heat exchanger 7 of the preheater 6 via an exhaust gas line 13 and is correspondingly cooled in the latter.



  The cooled exhaust gas is fed to a heat exchanger 15 for the preparation of heating water via a connecting line 14.



  The further cooled exhaust gas reaches the heat exchanger 2 of the reformer via a further connecting line 16 and heats the inflowing fuel gas and the inflowing water, which usually only has a temperature of approximately 10 ° C., as a result of which the exhaust gas is cooled to a very large extent. This also means that the energy of the exhaust gas is used to a very large extent.



  In a reformer with a two-stage heat exchanger for preheating the fuel cell (s), the heat exchanger 15 for preparing heating water can expediently be switched between the two stages of the heat exchanger of the reformer. This results in a particularly favorable loading of the heat exchangers 7, 15 and 2.


      

Claims (2)

1. Blockheizkraftwerk mit einem Stapel von Brennstoffzellen (11) und mit Hilfsaggregaten, welche einen Reformer (1) und eine Vorheizvorrichtung (6) für die Brennstoffzellen (11) aufweisen, welche von dem Abgas der Brennstoffzellen beheizt sind, sowie mit einem Wärmetauscher (15) zur Erzeugung von Heizwasser für eine Heizungsanlage, der ebenfalls vom Abgas der Brennstoffzellen (11) beaufschlagt ist und stromauf des Reformers (1) oder im Reformer selbst angeordnet ist.     1. Combined heat and power plant with a stack of fuel cells (11) and with auxiliary units which have a reformer (1) and a preheating device (6) for the fuel cells (11), which are heated by the exhaust gas from the fuel cells, and with a heat exchanger (15 ) for the production of heating water for a heating system, which is also acted upon by the exhaust gas of the fuel cells (11) and is arranged upstream of the reformer (1) or in the reformer itself. 2. Blockheizkraftwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher (15) zur Erzeugung von Heizwasser im Reformer (1), nachgeordnet einem zweiten Wärmetauscher (2) als erster Stufe, angeordnet ist. 2. Combined heat and power plant according to claim 1, characterized in that the heat exchanger (15) for generating heating water in the reformer (1) is arranged downstream of a second heat exchanger (2) as the first stage.  
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