AT522388B1 - Brennstoffzellensystem mit Absorptionskältemaschine - Google Patents

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AT522388B1 ATA50306/2019A AT503062019A AT522388B1 AT 522388 B1 AT522388 B1 AT 522388B1 AT 503062019 A AT503062019 A AT 503062019A AT 522388 B1 AT522388 B1 AT 522388B1
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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem (100), aufweisend zumindest einen Brennstoffzellenstapel (1), einen ersten Wärmetauscher (20) und eine Absorptionskältemaschine (40). Der Brennstoffzellenstapel (1) weist wenigstens einen Kathodenabschnitt (K) und wenigstens einen Anodenabschnitt (A), einen Luftzuführabschnitt (3) zum Zuführen von Luft (2) zum Kathodenabschnitt (K) des Brennstoffzellenstapels (1), einen Abluftabschnitt (4) zum Abführen von Abluft (5) von dem Kathodenabschnitt (K) des Brennstoffzellenstapels (1), einen Brennstoffzuführabschnitt (7) zum Zuführen von einem gasförmigen Brennstoff (6) zum Anodenabschnitt (A) des Brennstoffzellenstapels (1), sowie einen Anodenabgasabführabschnitt (9) zum Abführen von einem Brennstoffabgas (8) von dem Anodenabschnitt (A) des Brennstoffzellenstapels (1) auf. Eine kalte Seite des ersten Wärmetauschers (20) ist mit dem Luftzuführabschnitt (3) zur Erwärmung von zugeführter Luft (2) zum Kathodenabschnitt (K) verbunden und eine heiße Seite des ersten Wärmetauschers (20) ist mit einem Abgasabführabschnitt (44) der Absorptionskältemaschine (40) des Brennstoffzellensystems (100) verbunden, wobei eine Verbrauchervorrichtung (70) des Brennstoffzellensystems (100), die Verbrauchervorrichtung (70) aufweisend einen Verbraucherabluftabschnitt (74), zur Versorgung mit elektrischer Energie mit dem Brennstoffzellenstapel (1) elektrisch leitend verbunden ist. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Erwärmung von zugeführter Luft (2) zum Kathodenabschnitt (K) in einem Brennstoffzellensystem (100).

Description

Beschreibung
BRENNSTOFFZELLENSYSTEM MIT ABSORPTIONSKÄLTEMASCHINE
[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem mit zumindest einem Brennstoffzellenstapel, einem ersten Wärmetauscher und einer Absorptionskältemaschine zur Erwärmung von Luft stromaufwärts des Kathodenabschnitts eines Brennstoffzellenstapels.
[0002] Im Stand der Technik sind Brennstoffzellensysteme bekannt, in denen Luft vor der Zuleitung zum Kathodenabschnitt eines Brennstoffzellenstapels erhitzt wird. Ebenfalls ist bekannt, dass Absorptionskältemaschinen zur Kühlung von beispielsweise Wasserdampf in Kombination mit einer Brennstoffzelle genutzt werden, um das kondensierte Wasser in die Brennstoffzelle rückführen zu können. Ebenfalls ist es bekannt, damit neben Strom und Wärme auch nutzbare Kälte für den Verbraucher zu produzieren. Die Druckschrift EP 2 755 269 A1 zeigt ein Beispiel für die Nutzung von einer Absorptionskältemaschine in Verbindung mit einer Brennstoffzelle. Als weitere Druckschrift wird die KR 101 880 975 B1 angeführt, welche die Kombination einer Brennstoffzelle mit einem Rankine-Kreisprozess und einer Absorptionskältemaschine offenbart. Nachteilig bei den bekannten Lösungen im Stand der Technik ist, dass keine Rückführung des Abgases der Absorptionskältemaschine für die Nutzung zur Erwärmung der Luft vor der Zuführung in den Kathodenabschnitt der Brennstoffzelle vorgesehen ist. Der Stand der Technik führt die Abgase der Absorptionskältemaschine zumeist ungenutzt in die Umgebung ab und lässt folglich Effizienzsteigerungen des Gesamtsystems ungenutzt.
[0003] Weitere Brennstoffzellensysteme mit einer Absorptionskältemaschine sind beispielsweise aus der JP 2011153758 A und der US 2015311542 A1 bekannt.
[0004] Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, der voranstehend beschriebenen Problematik zumindest teilweise Rechnung zu tragen. Insbesondere ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Brennstoffzellensystem mit einem Brennstoffzellenstapel, einem ersten Wärmetauscher und einer Absorptionskältemaschine zur Erwärmung von Luft stromaufwärts des Kathodenabschnitts eines Brennstoffzellenstapels und ein Verfahren zur Erwärmung von zugeführter Luft zum Kathodenabschnitt in einem Brennstoffzellensystem zu schaffen, welches eine möglichst effiziente Ausnutzung der vorhandenen thermischen Ressourcen des Brennstoffzellensystems aufweist.
[0005] Die voranstehende Aufgabe wird durch die Patentansprüche gelöst. Insbesondere wird die voranstehende Aufgabe durch das Brennstoffzellensystem gemäß Anspruch 1 sowie das Verfahren gemäß Anspruch 9 gelöst. Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit dem Brennstoffzellensystem beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Erwärmung von Luft in einem Brennstoffzellensystem und jeweils umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird bzw. werden kann.
[0006] Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Brennstoffzellensystem mit wenigstens einem Brennstoffzellenstapel, wenigstens einem ersten Wärmetauscher und wenigstens einer Absorptionskältemaschine zur Verfügung gestellt. Der Brennstoffzellenstapel weist wenigstens einen Kathodenabschnitt, wenigstens einen Anodenabschnitt, einen Luftzuführabschnitt zum Zuführen von Luft zum Kathodenabschnitt des Brennstoffzellenstapels, einen Abluftabschnitt zum Abführen von Abluft von dem Kathodenabschnitt des Brennstoffzellenstapels, einen Brennstoffzuführabschnitt zum Zuführen von einem gasförmigen Brennstoff zum Anodenabschnitt des Brennstoffzellenstapels sowie einen Anodenabgasabführabschnitt zum Abführen von einem Brennstoffabgas von dem Anodenabschnitt des Brennstoffzellenstapels auf, wobei eine kalte Seite des wenigstens einen ersten Wärmetauschers mit dem Luftzuführabschnitt zur Erwärmung von zugeführter Luft zum Kathodenabschnitt verbunden ist und eine heiße Seite des ersten Wärmetauschers mit einem Abgasabführabschnitt der Absorptionskältemaschine des Brennstoffzellensystems verbunden ist. Ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem weist folglich we-
nigstens einen Brennstoffzellenstapel, wenigstens einen Wärmetauscher und wenigstens eine Absorptionskältemaschine auf. Das Brennstoffzellensystem ist besonders vorteilhaft ausgestaltet durch die Erwärmung der zugeführten Luft stromaufwärts des Kathodenabschnitts des Brennstoffzellenstapels. Die Erwärmung erfolgt durch den wenigstens einen ersten Wärmetauscher, welcher auf der heißen Seite mit dem Abgasabführabschnitt der Absorptionskältemaschine fluidkommunizierend verbunden ist und folglich aus dem Massenstrom von dem Abgasabführabschnitt der Absorptionskältemaschine seine Wärme bezieht. Wie im Weiteren noch näher beschrieben, kann ein Abgasabführabschnitt der Absorptionskältemaschine stromaufwärts mit verschiedenen Vorrichtungen der Absorptionskältemaschine und weiteren Bestandteilen des Brennstoffzellensystems fluidkommunizierend verbunden sein. Allen Ausführungsformen des Abgasabführabschnitts der Absorptionskältemaschine ist gemein, dass sie Restwärme eines bereits in der Absorptionskältemaschine genutzten Massenstroms und/oder Wärme, welche in der Absorptionskältemaschine erzeugt wurde für den wenigstens einen ersten Wärmetauscher bereitstellen, um die zugeführte Luft stromaufwärts des Kathodenstroms zu erwärmen. Ein bereits in der Absorptionskältemaschine genutzter Massenstrom bzw. Restwärme versteht sich beispielsweise als ein Massenstrom, welcher in die Absorptionskältemaschine eingeleitet wurde und aus welchem von der Absorptionskältemaschine Wärme entzogen wurde. Es ist eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung des Brennstoffzellensystems, dass die Absorptionskältemaschine, insbesondere ein Wärmezufuhrabschnitt der Absorptionskältemaschine, mit wenigstens einem der Fluidausgänge des Brennstoffzellenstapels, insbesondere mit dem Anodenabgasabführabschnitt und/oder Abluftabschnitt, zur Übertragung eines Massenstroms von dem Brennstoffzellenstapel zu der Absorptionskältemaschine, insbesondere zur Erwärmung wenigstens eines Abschnitts der Absorptionskältemaschine, fluidkommunizierend verbunden ist. Ein derart ausgestaltetes Brennstoffzellensystem ist besonders vorteilhaft, da die Luft stromaufwärts des Kathodenabschnitts mit vorhandenen Ressourcen des Brennstoffzellensystems erwärmt wird und folglich die Effizienz des Brennstoffzellensystems gesteigert wird. Folglich ermöglicht das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem eine möglichst effiziente Ausnutzung der vorhandenen thermischen Ressourcen des Brennstoffzellensystems.
[0007] Gemäß einer Weiterbildung der vorliegenden Erfindung ist es möglich, dass der Anodenabgasabführabschnitt des Brennstoffzellenstapels und/oder der Abluftabschnitt des Brennstoffzellenstapels zur Wärmezufuhr an die Absorptionskältemaschine über einen Wärmezufuhrabschnitt der Absorptionskältemaschine mit der Absorptionskältemaschine, insbesondere mit einem Austreiber der Absorptionskältemaschine, fluidkommunizierend verbunden ist. Es ist vorteilhaft, wenn die erzeugten Abgase und/oder die erzeugte Abluft des Brennstoffzellenstapels an die Absorptionskältemaschine geleitet werden. In der Absorptionskältemaschine können die Abgase und/oder Abluft als Wärmequelle, insbesondere als Wärmequelle für den Austreiber der Absorptionskältemaschine dienen. Beispielsweise kann durch diese Wärmequelle das Auskochen und Verdampfen von einer Lösung aus Kühlmittel und Absorptionsmittel unterstützt und/oder ermöglicht werden, um den Kreislauf des Absorptionsmittels zur stetigen Aufnahme von Kühlmittel aufrecht zu erhalten. Ein derart weitergebildetes Brennstoffzellensystem nutzt vorteilhaft die Energieund Wärmeressourcen des Systems selbst aus und steigert folglich die Effizienz des Brennstoffzellensystems.
[0008] Bei einer vorteilhaften Ausgestaltungsvariante des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems ist es möglich, dass der Abgasabführabschnitt der Absorptionskältemaschine stromaufwärts mit wenigstens einem der folgenden Abschnitte fluidkommunizierend verbunden ist:
- Anodenabgasabführabschnitt,
- Abluftabschnitt,
- Absorberabgasabschnitt eines Absorbers der Absorptionskältemaschine,
- Kondensatorabgasabschnitt eines Kondensators der Absorptionskältemaschine.
[0009] Wie zuvor beschrieben kann der Abgasabführabschnitt der Absorptionskältemaschine stromaufwärts mit einer Vielzahl von verschiedenen Abschnitten fluidkommunizierend verbunden sein. Der Anodenabgasabführabschnitt und/oder der Abluftabschnitt können beispielsweise jeweils über die Absorptionskältemaschine mit dem Abgasabführabschnitt verbunden sein. Zwi-
schen den genannten Abschnitten können folglich weitere Abschnitte, Leitungsabschnitte und/oder Vorrichtungen angeordnet sein. Wesentlich für diese Form der Weiterbildung des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems ist, dass erzeugte Wärme und/oder verbleibende Restwärme aus den genannten Abschnitten durch die fluidkommunizierende Verbindung an den Abgasabführabschnitt der Absorptionskältemaschine weitergeleitet werden und folglich dem wenigstens einen ersten Wärmetauscher zugeführt werden. Ein Absorberabgasabschnitt eines Absorbers der Absorptionskältemaschine und ein Kondensatorabgasabschnitt eines Kondensators der Absorptionskältemaschine sind Beispiele für Abgasabschnitte von Vorrichtungen, welche innerhalb der Absorptionskältemaschine Wärme erzeugen, welche ebenfalls an den wenigstens einen ersten Wärmetauscher geleitet werden kann.
[0010] Beim erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems ist es vorgesehen, dass wenigstens eine Verbrauchervorrichtung des Brennstoffzellensystems, die wenigstens eine Verbrauchervorrichtung, aufweisend einen Verbraucherabluftabschnitt, zur Versorgung mit elektrischer Energie mit dem Brennstoffzellenstapel elektrisch leitend verbunden ist. Eine vorteilhafte Ausgestaltung des Brennstoffzellensystems weist eine Verbrauchervorrichtung zur wenigstens teilweisen Nutzung der durch den Brennstoffzellenstapel erzeugten Energie auf. Eine Verbrauchervorrichtung kann im Rahmen der Erfindung eine beliebige Vorrichtung sein, welche Energie verbraucht und durch die Umsetzung und/oder Nutzung der Energie Wärme produziert. Beispielsweise wird ein Kühlluftstrom in die Verbrauchervorrichtung zur Kühlung der Verbrauchervorrichtung eingeleitet. Für die Kühlung nimmt der Kühlluftstrom erzeugte Wärme der Verbrauchervorrichtung auf und kann folglich als erwärmter Kühlluftstrom über den Verbraucherabluftabschnitt an einen gewollten Leitungsabschnitt und/oder zu einer gewünschten Vorrichtung gemäß den folgenden Abschnitten geleitet werden.
[0011] Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltungsvariante des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems ist es möglich, dass der Verbraucherabluftabschnitt der Verbrauchervorrichtung stromabwärts des Brennstoffzellenstapels und stromaufwärts der Absorptionskältemaschine mit dem Anodenabgasabführabschnitt und/oder dem Abluftabschnitt und/oder mit dem Wärmezufuhrabschnitt zur Wärmezufuhr an die Absorptionskältemaschine fluidkommunizierend verbunden ist. Ein derartig ausgestaltetes Brennstoffzellensystem ermöglicht eine Vergrößerung des Massenstroms, welcher der Absorptionskältemaschine zugeführt wird. Zusätzlich kann die erzeugte Wärmeenergie der Verbrauchervorrichtung für wenigstens einen der vorgenannten Prozesse in der Absorptionskältemaschine genutzt werden und damit die Effizienz des Brennstoffzellensystems weiter gesteigert werden.
[0012] Zudem ist es bei einem Brennstoffzellensystem der vorliegenden Erfindung möglich, dass der Verbraucherabluftabschnitt der Verbrauchervorrichtung stromabwärts der Absorptionskältemaschine mit dem Abgasabführabschnitt der Absorptionskältemaschine zur Erwärmung von zugeführter Luft zum Kathodenabschnitt in dem Luftzuführabschnitt fluidkommunizierend verbunden ist. Ein derartig ausgestaltetes Brennstoffzellensystem ermöglicht eine Vergrößerung des Massenstroms, welcher dem wenigstens einen ersten Wärmetauscher zugeführt wird. Zusätzlich kann die erzeugte Wärmeenergie der Verbrauchervorrichtung für die Erwärmung der zugeführten Luft stromaufwärts des Kathodenabschnitts in dem wenigstens einen ersten Wärmetauscher genutzt werden und damit die Effizienz des Brennstoffzellensystems weiter gesteigert werden.
[0013] Von weiterem Vorteil kann es sein, wenn bei einem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem ein zweiter Wärmetauscher stromabwärts des Brennstoffzellenstapels und stromaufwärts der Absorptionskältemaschine angeordnet ist und die heiße Seite des zweiten Wärmetauschers mit dem Verbraucherabluftabschnitt der Verbrauchervorrichtung fluidkommunizierend verbunden ist sowie die kalte Seite des zweiten Wärmetauschers mit dem Anodenabgasabführabschnitt und/oder dem Abluftabschnitt und/oder mit dem Wärmezufuhrabschnitt zur Wärmezufuhr an die Absorptionskältemaschine fluidkommunizierend verbunden ist. Zusätzlich oder alternativ zu der Zuführung des Massenstroms des Verbraucherabluftabschnitts in den Anodenabgasabführabschnitt und/oder den Abluftabschnitt kann der Massenstrom des Verbraucherabluftabschnitts für die Wärmeübertragung an den Anodenabgasabführabschnitt und/oder den Abluftabschnitt durch die Zuleitung zu der heißen Seite eines zweiten Wärmetauschers genutzt werden. Ein derart aus-
gestaltetes Brennstoffzellensystem ermöglicht an der Position des zweiten Wärmetauschers eine ausschließliche Übertragung der Wärme der Massenströme von der heißen Seite zu der kalten Seite. Eine Massenstromzusammenführung kann an einer anderen, beispielsweise distanzierten Position erfolgen oder vermieden werden. Dadurch kann gezielt festgelegt werden, wann, wo und ob die Wärme zwischen den Massenströmen übertragen wird und wann, wo und ob die Massenströme zusammengeführt werden. Damit können Verluste durch Strömungsbeeinflussungen wie Verwirbelungen verringert oder vermieden werden.
[0014] Bei einer ebenfalls vorteilhaften Ausgestaltungsvariante des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems ist es möglich, dass die heiße Seite des zweiten Wärmetauschers stromabwärts des zweiten Wärmetauschers mit dem Abgasabführabschnitt fluidkommunizierend verbunden ist. Den Ausführungen des vorherigen Abschnitts weiter folgend, kann es vorteilhaft sein den Massenstrom der heißen Seite des zweiten Wärmetauschers dem Massenstrom des Abgasabführabschnitts stromabwärts der Absorptionskältemaschine zuzuführen.
[0015] Somit kann gezielt festgelegt werden, an welcher Stelle des Brennstoffzellensystems ein erhöhter Massenstrom bzw. eine erhöhte thermische Energie benötigt wird und das Brennstoffzellensystem auf die Bedürfnisse einfach angepasst werden.
[0016] Gemäß einer Weiterbildung der vorliegenden Erfindung ist es möglich, dass die heiße Seite des zweiten Wärmetauschers stromabwärts des zweiten Wärmetauschers mit dem Wärmezufuhrabschnitt fluidkommunizierend verbunden ist. Zusätzlich oder alternativ zu dem vorherigen Abschnitt kann der Massenstrom der heißen Seite des zweiten Wärmetauschers wenigstens teilweise dem Massenstrom des Wärmezufuhrabschnitts stromaufwärts der Absorptionskältemaschine zugeführt werden. Somit kann gezielt festgelegt werden, an welcher Stelle des Brennstoffzellensystems ein erhöhter Massenstrom bzw. eine erhöhte thermische Energie ben6tigt wird und das Brennstoffzellensystem auf die Bedürfnisse einfach angepasst werden.
[0017] Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Erwärmung von zugeführter Luft zum Kathodenabschnitt in einem Brennstoffzellensystem gemäß dem ersten Aspekt zur Verfügung gestellt. Das Verfahren weist die folgenden Schritte auf: - Zuführung von Luft über den Luftzuführabschnitt in den Kathodenabschnitt des Brennstoffzellenstapels, - Zuführung von Abgas der Absorptionskältemaschine in die heiße Seite des ersten Wärmetauschers, - Erwärmung von Luft in dem Luftzuführabschnitt durch den ersten Wärmetauscher.
[0018] Ein derart ausgestaltetes Verfahren ermöglicht Erwärmung von zugeführter Luft in einem Brennstoffzellensystem vor der Zuleitung zu dem Kathodenabschnitt des wenigstens einen Brennstoffzellenstapels. Somit kann auf möglichst geringem Bauraum eine möglichst effiziente Ausnutzung der vorhandenen thermischen Ressourcen des Brennstoffzellensystems sichergestellt werden. Damit bringt auch ein erfindungsgemäßes Verfahren die gleichen Vorteile mit sich, wie sie vorstehend ausführlich beschrieben worden sind. Die vorstehend erwähnten Schritte können in der dargestellten Reihenfolge oder in einer anderen Reihenfolge durchgeführt werden. Die Verfahrensschritte können einfach oder mehrfach und seriell oder parallel ausgeführt werden. Dadurch wird mit einer vorgewärmten Luft vor dem Eintritt in den Kathodenabschnitt die Effizienz des Brennstoffzellensystems vorteilhaft erhöht.
[0019] Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung zu verschiedenen Ausführungsbeispielen der Erfindung, welche in den Figuren schematisch dargestellt sind. Es zeigen jeweils schematisch:
[0020] Figur 1 ein Schaltbild einer Ausführungsform eines Brennstoffzellensystems mit einem Brennstoffzellenstapel, einem ersten Wärmetauscher und einer Absorptionskältemaschine,
[0021] Figur 2 ein Schaltbild einer Ausführungsform eines Brennstoffzellensystems mit einem Brennstoffzellenstapel, einem ersten Wärmetauscher, einer Absorptionskältemaschine und einer Verbrauchervorrichtung,
[0022] Figur 3 ein Schaltbild einer weiteren Ausführungsform eines Brennstoffzellensystems mit einem Brennstoffzellenstapel, einem ersten Wärmetauscher, einer Absorptionskältemaschine und einer Verbrauchervorrichtung, und
[0023] Figur 4 ein Schaltbild einer Ausführungsform eines Brennstoffzellensystems mit einem Brennstoffzellenstapel, einem ersten Wärmetauscher, einem zweiten Wärmetauscher, einer Absorptionskältemaschine und einer Verbrauchervorrichtung.
[0024] Elemente mit gleicher Funktion und Wirkungsweise sind in den Figuren 1 bis 4 jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen.
[0025] In Fig. 1 ist schematisch ein Schaltbild einer Ausführungsform eines Brennstoffzellensystems 100 mit einem Brennstoffzellenstapel 1, einem ersten Wärmetauscher 20 und einer Absorptionskältemaschine 40 gezeigt. Der Brennstoffzellenstapel 1 weist einen Anodenabschnitt A und einen Kathodenabschnitt K auf. Dem Anodenabschnitt A wird Brennstoff 6 über einen Brennstoffzuführabschnitt 7 zugeführt. Dem Kathodenabschnitt K wird Luft 2 über einen Luftzufuhrabschnitt 3 zugeführt. Die zugeführte Luft 2 wird mittels eines ersten Wärmetauschers 20 erwärmt. Der erste Wärmetauscher 20 bezieht seine Wärme von dem Abgasabführabschnitt 44 der Absorptionskältemaschine 40. Die Absorptionskältemaschine 40 wiederum wird mit thermischer Energie aus der Abluft 5 und dem Anodenabgas 8 des Brennstoffzellenstapels 1 über den Abluftabschnitt 4 und den Anodenabgasabführabschnitt 9 zu dem Wärmezufuhrabschnitt 42 versorgt. Ein derart ausgestaltetes Brennstoffzellensystem 100 ist besonders vorteilhaft, da die Luft 2 stromaufwärts des Kathodenabschnitts K mit vorhandenen Ressourcen des Brennstoffzellensystems 100 erwärmt wird und folglich die Effizienz des Brennstoffzellensystems 100 gesteigert wird. Folglich ermöglicht das Brennstoffzellensystem 100 eine möglichst effiziente Ausnutzung der vorhanden thermischen Ressourcen des Brennstoffzellensystems 100.
[0026] In Fig. 2 ist schematisch ein Schaltbild einer Ausführungsform eines Brennstoffzellensystems 100 mit einem Brennstoffzellenstapel 1, einem ersten Wärmetauscher 20, einer Absorptionskältemaschine 40 und einer Verbrauchervorrichtung 70 gezeigt. Ergänzend zu den Beschreibungen der Ausführungsform in Fig. 1 zeigt die Ausführungsform in Fig. 2 somit eine Verbrauchervorrichtung 70 mit einem Verbraucherzuluftabschnitt 72 und einem Verbraucherabluftabschnitt 74. Eine Verbrauchervorrichtung 70 verbraucht im Rahmen der Erfindung Energie und produziert durch die Umsetzung und/oder Nutzung der Energie Wärme. Beispielsweise wird ein Kühlluftstrom in den Verbraucherzuluftabschnitt 72 der Verbrauchervorrichtung 70 zur Kühlung der Verbrauchervorrichtung 70 eingeleitet. Für die Kühlung nimmt der Kühlluftstrom erzeugte Wärme der Verbrauchervorrichtung 70 auf und kann folglich als erwärmter Kühlluftstrom über den Verbraucherabluftabschnitt 74 stromabwärts des Brennstoffzellenstapels 1 und stromaufwärts der Absorptionskältemaschine 40 mit dem Anodenabgasabführabschnitt 9 und/oder dem Abluftabschnitt 4 und/oder mit dem Wärmezufuhrabschnitt 42 zur Wärmezufuhr an die Absorptionskältemaschine 40 fluidkommunizierend verbunden sein. Die Absorptionskältemaschine 40 weist einen Austreiber 46, einen Absorber 48 sowie einen Kondensator 50 auf. Der Absorber 48 sowie der Kondensator 50 weisen jeweils einen Abgasabschnitt 49, 51 auf. Diese können mit dem Abgasabführabschnitt 44 fludkommunizierend verbunden sein bzw. einen Teil des Abgasabführabschnitts 44 selbst darstellen und derart ausgestaltet bzw. verbunden die produzierte Wärme der Absorptionskältemaschine 40 zusätzlich oder alternativ zu der Restwärme des Brennstoffzellenstapels 1 aus dem Anodenabgasabführabschnitt 9 und/oder dem Abluftabschnitt 4 nach der Nutzung in der Absorptionskältemaschine 40 in dem wenigstens einen ersten Wärmetauscher 20 verwendet werden, um Luft 2 stromaufwärts des Kathodenabschnitts K zu erwärmen.
[0027] In Fig. 3 ist schematisch ein Schaltbild einer weiteren Ausführungsform eines Brennstoffzellensystems 100 mit einem Brennstoffzellenstapel 1, einem ersten Wärmetauscher 20, einer Absorptionskältemaschine 40 und einer Verbrauchervorrichtung 70 gezeigt. Entgegen der Ausführungsform aus Fig. 2 wird der Verbraucherabluftabschnitt 74 nicht stromabwärts des Brennstoffzellenstapels 1 und stromaufwärts der Absorptionskältemaschine 40 mit dem Anodenabgasabführabschnitt 9 und/oder dem Abluftabschnitt 4 und/oder mit dem Wärmezufuhrabschnitt 42 sondern stromabwärts der Absorptionskältemaschine 40 mit dem Abgasabführabschnitt 44
der Absorptionskältemaschine 40 zur Erwärmung von zugeführter Luft 2 zum Kathodenabschnitt K in dem Luftzuführabschnitt 3 fluidkommunizierend verbunden. Ein derartig ausgestaltetes Brennstoffzellensystem 100 ermöglicht eine Vergrößerung des Massenstroms, welcher dem wenigstens einen ersten Wärmetauscher 20 zugeführt wird. Zusätzlich kann die erzeugte Wärmeenergie der Verbrauchervorrichtung 70 für die Erwärmung der zugeführten Luft 2 stromaufwärts des Kathodenabschnitts K in dem wenigstens einen ersten Wärmetauscher 20 genutzt werden und damit die Effizienz des Brennstoffzellensystems 100 weiter gesteigert werden.
[0028] In Fig. 4 ist schematisch ein Schaltbild einer Ausführungsform eines Brennstoffzellensystems 100 mit einem Brennstoffzellenstapel 1, einem ersten Wärmetauscher 20, einem zweiten Wärmetauscher 22, einer Absorptionskältemaschine 40 und einer Verbrauchervorrichtung 70 gezeigt. Gemäß der gezeigten Ausführungsform ist die heiße Seite des zweiten Wärmetauschers 22 stromaufwärts mit dem Verbraucherabluftabschnitt 74 der Verbrauchervorrichtung 70 sowie stromabwärts sowohl mit dem Anodenabgasabführabschnitt 9 und/oder dem Abluftabschnitt 4 und/oder mit dem Wärmezufuhrabschnitt 42 als auch mit dem Abgasabführabschnitt 44 der Absorptionskältemaschine 40 fluidkommunizierend verbunden. Ein derart ausgestaltetes Brennstoffzellensystem 100 ermöglicht an der Position des zweiten Wärmetauschers 22 eine ausschließliche Ubertragung der Wärme der Massenströme von der heißen Seite zu der kalten Seite. Eine Massenstromzusammenführung erfolgt gezielt an einer anderen, distanzierten Position, an der die Temperaturen der Massenströme bereits eine geringere oder keine Differenz mehr aufweisen.
[0029] Die Erfindung lässt neben den dargestellten Ausführungsformen weitere Gestaltungsgrundsätze zu. D. h. die Erfindung soll nicht auf die mit Bezug auf die Figuren erläuterten Ausführungsbeispiele beschränkt betrachtet werden.
Österreichisches
BEZUGSZEICHENLISTE
20 22
40 42 44 46 48 49 50 51
70
72
74
100
Brennstoffzellenstapel
Luft
Luftzuführabschnitt Abluftabschnitt
Abluft
Brennstoff Brennstoffzuführabschnitt Anodenabgas Anodenabgasabführabschnitt
erster Wärmetauscher
zweiter Wärmetauscher
Absorptionskältemaschine Wärmezufuhrabschnitt Abgasabführabschnitt Austreiber
Absorber Absorberabgasabschnitt Kondensator Kondensatorabgasabschnitt
Verbrauchervorrichtung Verbraucherzuluftabschnitt Verbraucherabluftabschnitt
Brennstoffzellensystem
Anodenabschnitt Kathodenabschnitt
AT 522 388 B1 2021-08-15

Claims (9)

Patentansprüche
1. Brennstoffzellensystem (100) mit zumindest einem Brennstoffzellenstapel (1), einem ersten Wärmetauscher (20) und einer Absorptionskältemaschine (40), der Brennstoffzellenstapel (1) aufweisend wenigstens einen Kathodenabschnitt (K) und wenigstens einen Anodenabschnitt (A), einen Luftzuführabschnitt (3) zum Zuführen von Luft (2) zum Kathodenabschnitt (K) des Brennstoffzellenstapels (1), einen Abluftabschnitt (4) zum Abführen von Abluft (5) von dem Kathodenabschnitt (K) des Brennstoffzellenstapels (1), einen Brennstoffzuführabschnitt (7) zum Zuführen von einem gasförmigen Brennstoff (6) zum Anodenabschnitt (A) des Brennstoffzellenstapels (1) sowie einen Anodenabgasabführabschnitt (9) zum Abführen von einem Brennstoffabgas (8) von dem Anodenabschnitt (A) des Brennstoffzellenstapels (1), wobei eine kalte Seite des ersten Wärmetauschers (20) mit dem Luftzuführabschnitt (3) zur Erwärmung von zugeführter Luft (2) zum Kathodenabschnitt (K) verbunden ist und eine heiße Seite des ersten Wärmetauschers (20) mit einem Abgasabführabschnitt (44) der Absorptionskältemaschine (40) des Brennstoffzellensystems (100) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass eine Verbrauchervorrichtung (70) des Brennstoffzellensystems (100), die Verbrauchervorrichtung (70) aufweisend einen Verbraucherabluftabschnitt (74), zur Versorgung mit elektrischer Energie mit dem Brennstoffzellenstapel (1) elektrisch leitend verbunden ist
2, Brennstoffzellensystem (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Anodenabgasabführabschnitt (9) des Brennstoffzellenstapels (1) und/oder der Abluftabschnitt (4) des Brennstoffzellenstapels (1) zur Wärmezufuhr an die Absorptionskältemaschine (40) über einen Wärmezufuhrabschnitt (42) der Absorptionskältemaschine (40) mit der Absorptionskältemaschine (40), insbesondere mit einem Austreiber (46) der Absorptionskältemaschine (40), fluidkommunizierend verbunden ist.
3. Brennstoffzellensystem (100) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Abgasabführabschnitt (44) der Absorptionskältemaschine (40) stromaufwärts mit wenigstens einem der folgenden Abschnitte fluidkommunizierend verbunden ist: - Anodenabgasabführabschnitt (9), - Abluftabschnitt (4), - Absorberabgasabschnitt (49) eines Absorbers (48) der Absorptionskältemaschine (40), - Kondensatorabgasabschnitt (51) eines Kondensators (50) der Absorptionskältemaschine (40).
4. Brennstoffzellensystem (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbraucherabluftabschnitt (74) der Verbrauchervorrichtung (70) stromabwärts des Brennstoffzellenstapels (1) und stromaufwärts der Absorptionskältemaschine (40) mit dem Anodenabgasabführabschnitt (9) und/oder dem Abluftabschnitt (4) und/oder mit dem Wärmezufuhrabschnitt (42) zur Wärmezufuhr an die Absorptionskältemaschine (40) fluidkommunizierend verbunden ist.
5. Brennstoffzellensystem (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbraucherabluftabschnitt (74) der Verbrauchervorrichtung (70) stromabwärts der Absorptionskältemaschine (40) mit dem Abgasabführabschnitt (44) der Absorptionskältemaschine (40) zur Erwärmung von zugeführter Luft (2) zum Kathodenabschnitt (K) in dem Luftzuführabschnitt (3) fluidkommunizierend verbunden ist.
6. Brennstoffzellensystem (100) nach einem der vorangegangenen Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein zweiter Wärmetauscher (22) stromabwärts des Brennstoffzellenstapels (1) und stromaufwärts der Absorptionskältemaschine (40) angeordnet ist und die heiße Seite des zweiten Wärmetauschers (22) mit dem Verbraucherabluftabschnitt (74) der Verbrauchervorrichtung
(70) fluidkommunizierend verbunden ist, sowie die kalte Seite des zweiten Wärmetauschers (22) mit dem Anodenabgasabführabschnitt (9) und/oder dem Abluftabschnitt (4) und/oder mit dem Wärmezufuhrabschnitt (42) zur Wärmezufuhr an die Absorptionskältemaschine (40) fluidkommunizierend verbunden ist.
7. Brennstoffzellensystem (100) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die heiße Seite des zweiten Wärmetauschers (22) stromabwärts des zweiten Wärmetauschers (22) mit dem Abgasabführabschnitt (44) fluidkommunizierend verbunden ist.
8. Brennstoffzellensystem (100) nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die heiße Seite des zweiten Wärmetauschers (22) stromabwärts des zweiten Wärmetauschers (22) mit dem Wärmezufuhrabschnitt (42) fluidkommunizierend verbunden ist.
9. Verfahren zur Erwärmung von zugeführter Luft (2) zum Kathodenabschnitt (K) in einem Brennstoffzellensystem (100) nach einem der vorangegangenen Ansprüche 1 bis 8 aufweisend die folgenden Schritte:
- Zuführung von Luft (2) über den Luftzuführabschnitt (3) in den Kathodenabschnitt (K) des Brennstoffzellenstapels (1),
- Zuführung von Abgas der Absorptionskältemaschine (40) in die heiße Seite des ersten Wärmetauschers (20),
- Erwärmung von Luft (2) in dem Luftzuführabschnitt (3) durch den ersten Wärmetauscher (20).
Hierzu 4 Blatt Zeichnungen
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