DE20103228U1

DE20103228U1 - Demonstration plant for a fuel cell combined heat and power plant

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Publication number: DE20103228U1
Application number: DE20103228U
Authority: DE
Original assignee: Heliocentris Energiesysteme GmbH
Current assignee: Heliocentris Energiesysteme GmbH
Priority date: 2001-02-16
Filing date: 2001-02-16
Publication date: 2001-07-19
Anticipated expiration: 2011-02-17
Also published as: WO2002067350A1

Description

BeschreibungDescription

Demonstrationsanlage für ein Brennstoffzellen-Blockheizkraftwerk Demonstration plant for a fuel cell cogeneration plant

Die Erfindung betrifft eine Denonstratior.sanlage zur Darstellung der Funktion eines Brennstoffzellen-Blockheizkraftwerkes zur Erzeugung von elektrischer Energie und zur Auskopplung von Wärme.The invention relates to a demonstration system for demonstrating the function of a fuel cell cogeneration plant for generating electrical energy and extracting heat.

Ein Brennstoffzellensystem zur Bereitstellung sowohl von Elektroenergie als auch von Wärme ist beispielsweise aus der US 5 985 474 bekannt. Bei dieser Anlage wird durch die Brennstoffzelleneinheit ein Kühlwasserstrom geleitet, der seine Wärmeenergie über einen Wärmetauscher an das in einem Wassertank gespeicherte Wasser abgibt und dieses dabei erhitzt. Auf diese Weise gelingt es, mit einer Brennstoffzelleneinheit sowohl Wärmeenergie in Form von heißem Wasser als auch elektrische Energie bereitzustellen. Diese Anlage umfaßt darüber hinaus einen der Brennstoffzelleneinheit zugeordneten, eine Heizkammer aufweisenden Ofen und einen diesem vorgeschalteten Reformer mit einer Wasser-, einer Luft- und einer Brennstoffzufuhr zur Bereitstellung von Reformat für den Ofen und die Brennstoffzelleneinheit, um einerseits die Brennstoffzelleneinheit betreiben zu können und andererseits Wärmeenergie für die Beheizung eines Gebäudes liefern zu können.A fuel cell system for providing both electrical energy and heat is known, for example, from US 5,985,474. In this system, a cooling water flow is passed through the fuel cell unit, which releases its thermal energy via a heat exchanger to the water stored in a water tank, thereby heating it. In this way, it is possible to provide both thermal energy in the form of hot water and electrical energy with a fuel cell unit. This system also includes a furnace associated with the fuel cell unit and having a heating chamber, and a reformer connected upstream of this furnace with a water, air and fuel supply for providing reformate for the furnace and the fuel cell unit, in order to be able to operate the fuel cell unit on the one hand and to be able to supply thermal energy for heating a building on the other.

Die oben beschriebene, jedoch für den praktischen Betrieb zur Versorgung eines Gebäudes vorgesehene und im Hinblick auf die Gebäudebeheizung vergleichsweise aufwendige Anlage macht deutlich, daß diese fortschrittliche Technologie der Nutzung von Brennstoffzellen für die gekoppelte Erzeugung von Wärme und elektrischer Energie in einer vereinfachten, das Prinzip der Kraft-Wärme-Kopplung wirksamThe system described above, which is intended for practical operation to supply a building and is comparatively complex in terms of building heating, makes it clear that this advanced technology of using fuel cells for the combined generation of heat and electrical energy in a simplified system that effectively implements the principle of combined heat and power

veranschaulichenden Form auch der beruflichen und schulischen Ausbildung zugänglich gemacht werden muß.must also be made accessible to vocational and school education in an illustrative form.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine kompakte, überschaubare Demonstrationsanlage zur Erzeugung von Wärme und Elektroenergie mit einer als Blockheizkraftwerk betriebenen Brennstoffzelleneinheit zu schaffen, die in der Lage ist, sowohl die Funktion als auch die Wirkungen dieser modernen Technologie anschaulich zu vermitteln.The invention is therefore based on the object of creating a compact, manageable demonstration plant for the generation of heat and electrical energy with a fuel cell unit operated as a cogeneration plant, which is able to clearly convey both the function and the effects of this modern technology.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe mit einer gemäß den Merkmalen des Schutzanspruchs 1 ausgebildeten Demonstrationsanlage für ein Brennstoffzellen-Blockheizkraftwerk gelöst.According to the invention, the object is achieved with a demonstration plant for a fuel cell cogeneration plant designed according to the features of claim 1.

Der Kern der Erfindung besteht mit anderen Worten darin, daß einer als Blockheizkraftwerk fungierenden Brennstoffzelleneinheit mit Kühlkreislauf und in diesen eingebundenem Wärmetauscher auf dem gleichen oder einem benachbart angeordneten Trägergestell oder Tragteil ein kurzer Heizungskreislauf mit Vorlauf- unci Rücklauf leitung und mindestens einem angeschlossenen Heizkörper unmittelbar zugeordnet ist.In other words, the essence of the invention is that a short heating circuit with flow and return lines and at least one connected radiator is directly assigned to a fuel cell unit functioning as a combined heat and power plant with a cooling circuit and a heat exchanger integrated into it on the same or an adjacent support frame or support part.

Diese Anordnung demonstriert durch die unmittelbare Zuordnung eines Heizungskreislaufs mit herkömmlichen, in bekannter Weise ausgebildeten Heizkörpern visuell und wirkungsseitig in besonders anschaulicher Weise die Fun Jction einer Brennstoffzelle als Stromerzeuger und als Wärmelieferant für Heizungszwecke, das heißt, als nach der Prinzip der Kraft-Wärme-Kopplurig betriebenes Blockheizkraftwerk, dessen Wirkungen nicht nur durch Stromverbraucher sondern auch durch Wärmeverbraucher unmittelbar an dem Demonstrationsmodell nachgewiesen werden.This arrangement demonstrates, through the direct assignment of a heating circuit with conventional radiators designed in a known manner, visually and effectively in a particularly clear manner the function of a fuel cell as a power generator and as a heat supplier for heating purposes, that is, as a combined heat and power plant operated according to the principle of combined heat and power, the effects of which are demonstrated directly on the demonstration model not only by electricity consumers but also by heat consumers.

Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung ist in den Heizungskreislauf eine Einrichtung zur Wärmeleistungs- und-Wärmemengenmessung eingebunden, so daß die Wärmeerzeugung zusätzlich auch auf diese Weise verdeutlicht und nachgewiesen wird.According to a further feature of the invention, a device for measuring heat output and heat quantity is integrated into the heating circuit, so that the heat generation is additionally clarified and proven in this way.

In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung sind der Heizungskreislauf und der oder die Heizkörper an einer senkrecht an dem Trägergestell gehaltener. Tragplatte oder einem separaten Plattenteil, die/das die Innenwände eines zu beheizenden Gebäuderaumes verkörpert, angebracht, um auch dadurch die Funktion der Brennstoffzelle als Wärmelieferant zu veranschaulichen. Dieser die Heizungsanlage aufnehmende Teil der Tragplatte kann auf einem separaten Trägergestell angeordnet sein, gelenkig angeschlossen sein oder auch einstückiger Bestandteil des Plattenteils sein, auf dem die Bauteile des Brennstoffzellen-Blockheizkraftwerks angebracht sind.,In an advantageous embodiment of the invention, the heating circuit and the radiator(s) are attached to a support plate held vertically on the support frame or a separate plate part which embodies the inner walls of a building room to be heated, in order to illustrate the function of the fuel cell as a heat supplier. This part of the support plate which accommodates the heating system can be arranged on a separate support frame, be connected in an articulated manner or be an integral part of the plate part on which the components of the fuel cell cogeneration plant are attached.

Aus den Unteransprüche ergeben sich weitere Merkmale und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.Further features and advantageous embodiments of the invention emerge from the subclaims.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der Zeichnung, in deren einziger Figur eine mobile Anlage zur Demonstration der Funktion und der Wirkungen eines Brennstoffzellen-Blockheizkraftwerkes schematisch wiedergegeben ist, näher erläutert.An embodiment of the invention is explained in more detail with reference to the drawing, in the only figure of which a mobile system for demonstrating the function and effects of a fuel cell cogeneration plant is shown schematically.

Die Anlage umfaßt eine auf einem mobilen, mit Rollen versehenen Trägergestell 12 senkrecht angeordnete Tragplatte 13, an deren einem Plattenteil ein Modell eines Brennstoffzellen-Blockheizkraftwerkes angebracht ist. Kernstück des Brennstoffzellen-Blockheizkraftwerkes ist eine Brennstoffzelleneinheit 2 (Brennstoffzellenstack oder stapel), an die Versorgungsleitungen 3 und 4 für die beiden Reaktanden, hier Luft und Wasserstoff, angeschlossenThe system comprises a support plate 13 arranged vertically on a mobile support frame 12 provided with rollers, to one part of which a model of a fuel cell cogeneration plant is attached. The core of the fuel cell cogeneration plant is a fuel cell unit 2 (fuel cell stack) connected to the supply lines 3 and 4 for the two reactants, here air and hydrogen.

sind. Die Brennstoffzelleneinheit 2 ist mit einem Wechselrichter 1 verbunden, um den von der Brennstoffzelleneinheit 2 erzeugten Gleichstrom in Wechselstrom umzuwandeln und diesen dann einem Verbraucher (nicht dargestellt) zuzuführen.The fuel cell unit 2 is connected to an inverter 1 in order to convert the direct current generated by the fuel cell unit 2 into alternating current and then supply it to a consumer (not shown).

Wesentlicher Bestandteil des Brennstoffzellen-Blockheizkraftwerkes ist des weiteren ein mittels einer ersten Umwälzpumpe 6 betriebener, über die Brennstoffzelleneinheit 2 geführter Kühlkreislauf 5, in den ein Wärmetauscher 7 eingebunden ist. Ein weiterer wesentlicher Bestandteil der Anlage ist ein auf dem anderen Plattenteil befestigter Heizkörper 11, der an einen in den Wärmetauscher 7 eingebundenen Heizungskreislauf 8 angeschlossen ist. Der Heizungskreislauf 8 wird über eine zweite Umwälzpumpe 10 betrieben. Außerdem wird das in der Vorlaufleitung vom Wärmetauscher 7 zum Heizkörper 11 geführte warme Medium über einen Wärmemengenmesser 9 (Einrichtung zur Wärmeleistungs- und/oder Wärmemengenmessung) geleitet.Another essential component of the fuel cell cogeneration plant is a cooling circuit 5, which is operated by means of a first circulation pump 6 and is guided via the fuel cell unit 2 and into which a heat exchanger 7 is integrated. Another essential component of the system is a radiator 11 attached to the other plate part, which is connected to a heating circuit 8 integrated into the heat exchanger 7. The heating circuit 8 is operated via a second circulation pump 10. In addition, the warm medium guided in the flow line from the heat exchanger 7 to the radiator 11 is guided via a heat meter 9 (device for measuring heat output and/or heat quantity).

Auf der einen Seite demonstriert die oben beschriebene Anlage in üblicher Weise die Erzeugung von elektrischer Energie mit einer Brennstoffzelleneinheit durch den von einem Verbraucher (nicht dargestellt) aufgenommenen Strom. Durch das in dem Kühlkreislauf 5 geführte Kühlmedium wird die Brennstoffzelleneinheit 2 gekühlt und die dabei entzogene Wärme mit Hilfe des Wärmetauschers 7 auf das durch den Heizkörper 11 geleitete Wärmeträgermedium übertragen. Auf diese Weise wird nicht nur der Aufbau und die Funktion eines Brennstoffzellen-Blockheizkraftwerks dargestellt, sondern mit dem diesem unmittelbar, das heißt, an derselben oder einer benachbarten, gleichsam die Wand eines zu beheizenden Raumes verkörpernden Tragplatte, zugeordneten Heizkörper und der von diesem ausgehenden fühlbaren Wärme - und zusätzlich durch einen Wärmemengenmesser - wird sehr anschaulich auch die Auskopp-On the one hand, the system described above demonstrates in the usual way the generation of electrical energy with a fuel cell unit using the electricity consumed by a consumer (not shown). The fuel cell unit 2 is cooled by the cooling medium in the cooling circuit 5 and the heat extracted is transferred to the heat transfer medium conducted through the radiator 11 with the help of the heat exchanger 7. In this way, not only the structure and function of a fuel cell cogeneration plant is shown, but with the radiator directly associated with it, i.e. on the same or an adjacent support plate, which embodies the wall of a room to be heated, and the sensible heat emanating from it - and additionally with a heat meter - the extraction of energy is also very clearly shown.

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lung von Wärme aus der Brennstoffzelle und. somit deren Funktion als Blockheizkraftwerk zur Versorgung eines Gebäudes mit Wärme- und Elektroenergie demonstriert.generation of heat from the fuel cell and thus demonstrates its function as a combined heat and power plant to supply a building with heat and electrical energy.

BezugszeichenlisteList of reference symbols

I WechselrichterI Inverter

2 Brennstoffzelleneinheit2 Fuel cell unit

3, 4 Versorgungsleitungen für die Reaktanden3, 4 Supply lines for the reactants

5 Kühlkreislauf5 Cooling circuit

6 Umwälzpumpe in6 Circulation pump in

7 Wärmetauscher7 Heat exchangers

8 Heizungskreislauf8 Heating circuit

9 Einrichtung zur Wärmeleistungs- und/oder Wärmemengenmessung 9 Device for measuring heat output and/or heat quantity

10 Umwälzpumpe in10 Circulation pump in

II HeizkörperII Radiator

12 Trägergestell12 Support frame

13 Tragplatte13 Support plate

Claims

1. Demonstration plant for a fuel cell cogeneration plant, characterized by a fuel cell unit ( 2 ) arranged on a mobile support frame ( 12 ) which is connected to a cooling circuit ( 5 ) with a heat exchanger ( 7 ) integrated therein, in combination with a short heating circuit ( 8 ) mounted on the same or a separately assigned support frame ( 12 ) and guided over the heat exchanger ( 7 ) with at least one radiator ( 11 ) connected to it.

2. Demonstration plant according to claim 1, characterized in that a device for measuring heat output and/or heat quantity ( 9 ) is integrated into the heating circuit ( 8 ).

3. Demonstration system according to claim 1 and 2, characterized in that a vertically arranged support plate ( 13 ) is fastened to the support frame ( 12 ), to which the components of the fuel cell cogeneration plant ( 2 , 5 , 7 ) and - as embodiment of a room wall - of the heating system ( 8 , 9 , 10 , 11 ) are attached.

4. Demonstration plant according to one of claims 1 to 3, characterized in that circulation pumps ( 6 , 10 ) are provided in the cooling circuit ( 3 ) and in the heating circuit ( 8 ).

5. Demonstration plant according to one of claims 1 to 4, characterized in that the fuel cell unit ( 2 ) is connected to a power consumer via an inverter ( 1 ).

6. Demonstration system according to claim 5, characterized in that the power consumer is also mounted on the support plate ( 13 ).

7. Demonstration plant according to claim 3, characterized in that the support plate ( 13 ) is designed in two parts and the fuel cell cogeneration plant is mounted on one part of the plate and the heating circuit and the radiator(s) are mounted on the other part of the plate.

8. Demonstration system according to claim 7, characterized in that the two support plate parts are fastened to separate mobile support frames.

9. Demonstration system according to claim 7 or 8, characterized in that the two support plate parts are hingedly connected at their adjacent vertical end faces and are foldable.

10. Demonstration plant according to claims 1 to 6, characterized in that the heating element(s) ( 11 ) are arranged on the rear side of the support plate ( 13 ) opposite the components of the fuel cell cogeneration plant.