DE10133733A1 - Electric power current-heat coupling system for generating electrical energy and hot waste gas couples fuel cell to heater pump circuit with vaporizer and condenser - Google Patents

Electric power current-heat coupling system for generating electrical energy and hot waste gas couples fuel cell to heater pump circuit with vaporizer and condenser

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Abstract

A fuel cell (1) connects to a heater pump circuit (B) with a vaporizer (13) and a condenser (12) so that heat energy from the fuel cell or from the waste gas from the fuel cell is fed to the vaporizer for the condenser to heat up a working circuit (21). Waste heat from the fuel cell is fed to the working circuit and the vaporizer in order to cool the fuel cell.

Description

Die Erfindung betrifft ein Kraft-Wärme-Kopplungssystem mit einer Brennstoffzelle, die elektrische Energie und ein warmes Offgas erzeugt. The invention relates to a combined heat and power system Fuel cell that generates electrical energy and a warm off gas.

Ein derartiges System dient der Gewinnung von elektrischem Strom und von Wärme für einen Nutzkreis. Such a system is used to generate electricity and of heat for a usable area.

In der DE 198 54 035 A1 ist eine derartige Heizeinrichtung beschrieben. Ein Verbrennungsgerät beheizt einen Wärmetauscher, der ein Heizmedium erwärmt. Warmes Offgas der Brennstoffzelle wird teils dem Brenner des Verbrennungsgeräts und teils dem Wärmetauscher zugeführt. Ein Dampfreformer wird mit Wasserdampf und Erdgas gespeist und liefert wasserstoffhaltiges Gas an die Brennstoffzelle. Im Sommerbetrieb muss die Brennstoffzelle gekühlt werden, um sie vor Überhitzung zu schützen. Diesbezügliche Maßnahmen sind in der DE 198 54 035 A1 nicht angegeben. Such a heating device is described in DE 198 54 035 A1. A combustion device heats a heat exchanger, the one Heating medium warmed. Warm offgas from the fuel cell is partly that Burner of the combustion device and partly the heat exchanger fed. A steam reformer uses water vapor and natural gas fed and delivers hydrogen-containing gas to the fuel cell. in the In summer operation, the fuel cell needs to be cooled to prevent it To protect overheating. Measures in this regard are in the DE 198 54 035 A1 not specified.

In der DE 197 02 903 A1 ist eine Klimaanlage mit einer Wärmepumpe beschrieben. Die Wärmepumpe ist zur Umschaltung von Heizbetrieb auf Kühlbetrieb umschaltbar. Es ist davon ausgegangen, dass der Verdichter aus einem elektrischen Netz gespeist wird. DE 197 02 903 A1 describes an air conditioning system with a heat pump described. The heat pump is for switching from heating mode to Cooling mode switchable. It is assumed that the Compressor is fed from an electrical network.

Aus der US 4 574 112 ist ein Kühlsystem für eine Brennstoffzelle bekannt. From US 4 574 112 is a cooling system for a fuel cell known.

Aus der DE 199 11 018 A1 ist ein Hilfstriebwerk für ein Luftfahrzeug bekannt, wobei eine Gasturbine mit einer Brennkammer, einem Verdichter und einer Turbine vorgesehen ist. Ein mit der Turbine gekoppelter Kompressor erzeugt Druckluft für eine Brennstoffzelle. Offgas der Brennstoffzelle wird der Brennkammer zugeführt. DE 199 11 018 A1 describes an auxiliary engine for an aircraft known, a gas turbine with a combustion chamber, a Compressor and a turbine is provided. One with the turbine coupled compressor generates compressed air for a fuel cell. Offgas from the fuel cell is fed to the combustion chamber.

Ein mit einer Brennstoffzelle angetriebenes elektrisches Fahrzeug ist in der DE 100 26 268 A1 beschrieben. Die DE 199 28 102 A1 beschreibt ein Fahrzeug mit einem Antriebs-Verbrennungsmotor und mit einem Brennstoffzellensystem zur Stromversorgung elektrischer Verbraucher des Fahrzeugs. An electric vehicle powered by a fuel cell is in DE 100 26 268 A1. DE 199 28 102 A1 describes a vehicle with a drive internal combustion engine and with a Fuel cell system for the power supply of electrical consumers of the vehicle.

Bei üblichen Hausenergiezentralen, die elektrische Energie und Wärme mit einer Brennstoffzelle dezentral erzeugen, wird ein zusätzlicher Gas- oder Öl-Wärmeerzeuger benötigt, um den Spitzenwärmebedarf zu decken. Während der Heizperiode besteht eine gewisse Gleichzeitigkeit der Wärmenachfrage und der Elektrizitätsnachfrage. Außerhalb der Heizperiode ist der Anteil für die Brauchwasserbereitung im Altbaubestand weniger als 5%, bei Neubaustandard etwa 10% des Jahresheizwärmebedarfs. Der Ausnutzungsgrad ist also - abhängig vom Baustandard - gering. Außerdem ist beim stromgeführten Sommerbetrieb, wenn die Brennstoffzelle im wesentlichen der Erzeugung elektrischer Energie dient, nachteilig, dass die Abwärme der Brennstoffzelle über eine zusätzliche Wärmesenke vernichtet werden muss. Dies ist unwirtschaftlich. In usual home energy centers, the electrical energy and heat decentralized with a fuel cell, an additional gas or oil heat generator needed to meet the peak heat demand cover. There is a certain simultaneity during the heating season heat demand and electricity demand. Except for The heating period is the proportion for domestic hot water preparation in the Old building stock less than 5%, with new building standard about 10% of the Annual heating demand. The degree of utilization is - depends on Building standard - low. In addition, the current-carrying Summer operation when the fuel cell is essentially the Generating electrical energy serves, disadvantageously, that the waste heat from the Fuel cell can be destroyed via an additional heat sink got to. This is uneconomical.

Aufgabe der Erfindung ist es, die Wirtschaftlichkeit eines Kraft-Wärme- Kopplungssystems der eingangs genannten Art zu verbessern. The object of the invention is to improve the economy of a cogeneration To improve coupling system of the type mentioned.

Erfindungsgemäß ist obige Aufgabe durch die Patentansprüche 1 und/oder 3 gelöst. According to the invention, the above object is defined in patent claims 1 and / or 3 solved.

Durch die Kopplung der Brennstoffzelle mit der Wärmepumpe nach Anspruch 1 sowie Anspruch 3 wird im Winterbetrieb (Heizperiode), wenn der Kältemittelkreislauf als Wärmepumpe arbeitet, die Wärmeenergie zur Beheizung des Nutzkreises verwendet. Zusätzlich ist über die Wärmepumpe Umweltenergie zugeführt. Im Sommerbetrieb ist die Stromerzeugung mit der Brennstoffzelle dadurch uneingeschränkt möglich, dass der Kältekreis der Wärmepumpe invertiert ist und für die Rückkühlung in der Brennstoffzelle nutzbar gemacht ist. Der Rest der Kälteleistung kann für weitere Zwecke bereitgestellt werden. Die gewonnene elektrische Energie der Brennstoffzelle ist in vorteilhafter Weise der Wärmepumpe direkt zugeleitet. Bei einer indirekten Wärmepumpen-Stromversorgung speist die Brennstoffzelle den Strom ins Netz, an das der Verdichter der Wärmepumpe angeschlossen ist. By coupling the fuel cell with the heat pump Claim 1 and claim 3 will be in winter operation (heating season) if the refrigerant circuit works as a heat pump, the thermal energy used to heat the utility circuit. In addition, is about Heat pump fed environmental energy. It is in summer Unlimited power generation with the fuel cell possible that the cooling circuit of the heat pump is inverted and for the Recooling is made usable in the fuel cell. The rest of Cooling capacity can be provided for other purposes. The Electrical energy obtained from the fuel cell is more advantageous Way fed directly to the heat pump. With an indirect Heat pump power supply feeds the fuel to the fuel cell into the network to which the heat pump compressor is connected.

Die in der Brennstoffzelle im Brennstoffzellenprozess entstehende Wärme führt einerseits zu einem warmen Offgas und andererseits zu einer Erhitzung des Brennstoffzellenstapels selbst. Damit die Temperatur des Brennstoffzellenstapels einen zulässigen Wert nicht übersteigt, muss sie gekühlt werden. Hierzu kann in der Heizperiode die Abwärme der Brennstoffzelle auf den Nutzkreis direkt oder indirekt über den Verdampfer übertragen werden. The resulting in the fuel cell process in the fuel cell Heat leads to a warm off gas on the one hand and on the other hand heating the fuel cell stack itself Temperature of the fuel cell stack is not a permissible value it must be cooled. For this, the Waste heat from the fuel cell to the useful area directly or indirectly be transferred to the evaporator.

Für den Sommerbetrieb lässt sich der Wärmepumpenkreis derart umschalten, dass der Verdampfer als Verflüssiger und der Verflüssiger als Verdampfer arbeiten, wobei der Kältemittelkreis den Nutzkreis kühlt. The heat pump circuit can be used in summer switch that the evaporator as the condenser and the condenser work as an evaporator, with the refrigerant circuit cooling the useful circuit.

Im Sommerbetrieb wird nach Anspruch 3 die Brennstoffzelle dadurch gekühlt, dass deren Abwärme dem Verdampfer bzw. dem Nutzkreis zugeführt wird. Im Sommerbetrieb kann das Offgas auf den Verflüssiger wirken oder so abgeleitet werden, dass es nicht auf den Verflüssiger wirkt. Die Wärmepumpe kann eine Absorptions- oder Kompressionswärmepumpe sein. In summer operation, the fuel cell is thereby cooled that their waste heat to the evaporator or the useful circuit is fed. In summer operation, the offgas can affect the condenser act or be derived so that it does not affect the condenser acts. The heat pump can be an absorption or Compression heat pump.

Das beschriebene System hat verschiedene Vorteile:
Eine Hausenergiezentrale lässt sich mit geringem Primärenergiebedarf und hohem Nutzungsgrad im Sommer und im Winter betreiben, weil die Abwärme der Brennstoffzelle auch außerhalb der Heizperiode weitgehend vollständig nutzbar ist. Außerhalb der Heizperiode wird die Kältemaschine (umschaltbare Wärmepumpe) zur Kühlung der Brennstoffzelle und des Gebäudes verwendet. The described system has several advantages:
A domestic energy center can be operated with low primary energy consumption and high degree of utilization in summer and winter, because the waste heat from the fuel cell can largely be used even outside the heating season. Outside the heating season, the chiller (switchable heat pump) is used to cool the fuel cell and the building.

Bei geeigneter Dimensionierung der Wärme/Kälteleistung der Kältemaschine kann auf eine zusätzliche Gas-, Öl- oder elektrische Heizquelle verzichtet werden. Das beschriebene System deckt den gesamten Wärmebedarf für die Brauchwassererwärmung und die Raumheizung. With suitable dimensioning of the heat / cooling capacity of the Chiller can be on an additional gas, oil or electric Heating source can be dispensed with. The system described covers that total heat requirement for domestic water heating and Space heating.

Außerdem wird bei Verwendung einer Wärmepumpe und einer Niedertemperatur-Brennstoffzelle deren vergleichsweise niedrige Offgastemperatur von etwa 50°C bis 75°C besser genutzt als beim Stand der Technik, da das Offgas bis unter die Kondensationstemperatur des Wasserdampfes abgekühlt wird. In addition, when using a heat pump and a Low-temperature fuel cells whose comparatively low Offgas temperature of about 50 ° C to 75 ° C better used than at State of the art, since the offgas to below Condensation temperature of the water vapor is cooled.

Das beschriebene System ist für Gebäude oder Kraftfahrzeuge einsetzbar. Das beschriebene System kann auch so aufgebaut sein, dass eine in einem Kraftfahrzeug vorhandene Brennstoffzelle zusammen mit einer stationären Wärmepumpe eines Hauses verwendet wird, wobei entsprechende Kupplungselemente vorgesehen sind. The system described is for buildings or automobiles used. The system described can also be constructed that a fuel cell present in a motor vehicle used together with a stationary heat pump of a house is, with corresponding coupling elements are provided.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der folgenden Beschreibung. In der Zeichnung zeigen: Further advantageous refinements of the invention result from the dependent claims and the following description. In the Show drawing:

Fig. 1 ein Blockschaltbild des Systems im Winterbetrieb, Fig. 1 is a block diagram of the system during winter operation,

Fig. 2 das Blockschaltbild des Systems im Sommerbetrieb, Fig. 2 shows the block diagram of the system in the summer mode,

Fig. 3 eine Alternative zu den Fig. 1 und 2, Fig. 3 shows an alternative to the Fig. 1 and 2,

Fig. 4 ein Leistungsdiagramm, Fig. 4 is a performance graph

Fig. 5 das System in einem Kraftfahrzeug schematisch und Fig. 5 shows the system in a motor vehicle schematically and

Fig. 6 das System mit Brennstoffzelle in einem Kraftfahrzeug und stationärer Wärmepumpe. Fig. 6 shows the system with a fuel cell in a motor vehicle and stationary heat pump.

Das System weist eine Brennstoffzellenstufe A, eine Wärme/Kälteprozessstufe B und eine Verbraucherstufe C auf. Die Stufen A und B bilden beispielsweise eine Hausenergiezentrale, wobei die Stufe C der Raumheizung oder Raumkühlung und/oder Brauchwassererwärmung dient. Die Stufen A, B und C können auch in einem Kraftfahrzeug installiert sein (vgl. Fig. 5). Es ist auch möglich, dass die Stufe A - ohne den Wandler 2 - Teil eines Kraftfahrzeugs ist und die Stufen B und C stationär in oder bei einem Haus angeordnet sind (vgl. Fig. 6). The system has a fuel cell stage A, a heating / cooling process stage B and a consumer stage C. Levels A and B form, for example, a house energy center, with stage C used for space heating or cooling and / or domestic water heating. Levels A, B and C can also be installed in a motor vehicle (see FIG. 5). It is also possible that stage A - without converter 2 - is part of a motor vehicle and stages B and C are arranged stationary in or near a house (see FIG. 6).

Die Stufe A umfasst eine Brennstoffzelle 1 und einen Gleichstrom/Wechselstromwandler 2. Der Brennstoffzelle 1 wird über eine Leitung 3 wasserstoffhaltiger Brennstoff und mittels eines nicht dargestellten Lüfters über eine Leitung 4 Luft zugeführt. Ein mittels einer Steuerklappe 5 steuerbarer Bypass 6 zur Brennstoffzelle 1 dient dazu, Luft dem unten näher beschriebenen Wärmetauscher als Umweltwärme zuzuleiten. Stage A comprises a fuel cell 1 and a direct current / alternating current converter 2 . The fuel cell 1 is supplied with hydrogen-containing fuel via a line 3 and air via a line 4 by means of a fan (not shown). A bypass 6 to the fuel cell 1 which can be controlled by means of a control flap 5 serves to supply air to the heat exchanger described in more detail below as environmental heat.

Ein elektrischer Gleichstromausgang 7 der Brennstoffzelle 1 ist an den Wandler 2 und an den unten näher beschriebenen Verdichter der Stufe B gelegt. Eine Offgasleitung 8 führt aus der Brennstoffzelle 1 in den unten beschriebenen Wärmetauscher der Stufe B. Es kann ein steuerbarer oder schaltbarer Offgas-Auslass 9 vorgesehen sein, um das warme Offgas, insbesondere im Sommerbetrieb, nicht durch den als Verflüssiger arbeitenden Wärmetauscher zu leiten. An electrical direct current output 7 of the fuel cell 1 is connected to the converter 2 and to the stage B compressor described in more detail below. An offgas line 8 leads from the fuel cell 1 into the heat exchanger of stage B described below. A controllable or switchable offgas outlet 9 can be provided in order not to conduct the warm offgas, in particular in summer operation, through the heat exchanger operating as a condenser.

Um den die Brennstoffzelle 1 bildenden Brennstoffzellenstapel zu kühlen, d. h. ihre Abwärme abzuleiten, ist ein Wärmetauscher 10 vorgesehen. A heat exchanger 10 is provided in order to cool the fuel cell stack forming the fuel cell 1 , ie to dissipate its waste heat.

Die Stufe B umfasst als Kältemaschine eine von Heizen auf Kühlen umschaltbare Wärmepumpe, die im Kältemittelkreis einen vom Gleichstrom der Brennstoffzelle 1 angetriebenen Verdichter 11, einen Wärmetauscher 12 und einen Wärmetauscher 13 aufweist. Der Wärmetauscher 12 arbeitet in der Heizperiode (Winterbetrieb) als Verflüssiger (vgl. Fig. 1) und im Sommerbetrieb als Verdampfer (vgl. Fig. 2). Der Wärmetauscher 13 arbeitet in der Heizperiode als Verdampfer (vgl. Fig. 1) und im Sommerbetrieb als Verflüssiger (vgl. Fig. 2). Zur Umschaltung von Winterbetrieb auf Sommerbetrieb sind im Kältemittelkreis ein Paar von dem Verdichter 11 zugeordneten Schaltventilen 14, 15, insbesondere Magnetventilen, und ein Paar von Expansionsventilen 16, 17 sowie ein Paar von den Expansionsventilen 16, 17 zugeordneten Schaltventilen 18, 19 und ein umschaltbares Dreiwegeventil 20 vorgesehen. In den Fig. 1, 2 und 3 sind die Ventilsymbole in der Schließstellung ausgefüllt dargestellt. In den Fig. 1, 2 und 3 sind die jeweiligen Strömungsrichtungen des Kältemittels mit Pfeilen gezeigt. Stage B comprises, as a refrigeration machine, a heat pump which can be switched over from heating to cooling and which in the refrigerant circuit has a compressor 11 driven by the direct current of the fuel cell 1 , a heat exchanger 12 and a heat exchanger 13 . The heat exchanger 12 works in the heating period (winter operation) as a condenser (cf. FIG. 1) and in summer operation as an evaporator (cf. FIG. 2). The heat exchanger 13 works in the heating period as an evaporator (see FIG. 1) and in summer as a condenser (see FIG. 2). To switch from winter to summer operation, there are a pair of switching valves 14 , 15 , in particular solenoid valves, assigned to the compressor 11 , and a pair of expansion valves 16 , 17 , and a pair of switching valves 18 , 19 , assigned to the expansion valves 16 , 17 , and a switchable three-way valve 20 provided. In Figs. 1, 2 and 3, the valve symbols are shown filled in the closed position. In Figs. 1, 2 and 3, the respective directions of flow of the refrigerant shown by arrows.

Die Verbrauchsstufe C weist einen Nutzkreis 21, Heizkörper 22 bzw. Kühlkörper zur Raumklimatisierung und Brauchwasserbeheizung und eine Umwälzpumpe 23 auf. Der Nutzkreis 21 liegt am Wärmetauscher 12. Im Nutzkreis 21 ist ein steuerbares Dreiwegeventil 24 angeordnet, das über eine Leitung 25 mit dem Wärmetauscher 10 verbunden ist, welcher über eine Leitung 26 am Rücklauf 27 des Nutzkreises 21 liegt. Je nach der Stellung des Dreiwegeventils 24 fließt ein mehr oder weniger großer Teilstrom des Wärmeträgermediums, insbesondere Wasser, des Nutzkreises 21 durch den Wärmetauscher 10. Dadurch lässt sich die Brennstoffzelle 1 in gewünschter Weise kühlen und die Abwärme der Brennstoffzelle 1 auf den Nutzkreis 21 übertragen. Die Abwärme der Brennstoffzelle 1 ließe sich auch auf den Verdampfer 13 übertragen. Wegen des hohen Temperaturniveaus der Abwärme könnte es dabei jedoch zu einem Ansprechen eines Sicherheits- Hochdruckschalters des Wärmepumpenkreises kommen. The consumption stage C has a useful circuit 21 , heating element 22 or cooling element for room air conditioning and hot water heating and a circulation pump 23 . The useful circuit 21 is located on the heat exchanger 12 . A controllable three-way valve 24 is arranged in the useful circuit 21 and is connected via a line 25 to the heat exchanger 10 , which is connected to the return line 27 of the useful circuit 21 via a line 26 . Depending on the position of the three-way valve 24 , a more or less large partial flow of the heat transfer medium, in particular water, of the useful circuit 21 flows through the heat exchanger 10 . As a result, the fuel cell 1 can be cooled in the desired manner and the waste heat of the fuel cell 1 can be transferred to the useful circuit 21 . The waste heat from the fuel cell 1 could also be transferred to the evaporator 13 . However, due to the high temperature level of the waste heat, a safety high pressure switch of the heat pump circuit could respond.

Das Temperaturniveau des den Verdampfer 13 beaufschlagenden Offgases lässt sich durch die Steuerklappe 5 annähernd konstant halten, indem dessen Offgas über den Bypass 6 mehr oder weniger Luft beigemischt wird. The temperature level of the off gas acting on the evaporator 13 can be kept approximately constant by the control flap 5 , by adding more or less air to the off gas via the bypass 6 .

Um eine Bereifung des Verdampfers 13 zu verhindern, wird bei in den Bereifungsbereich sinkender Umgebungstemperatur die Steuerklappe 5 so gesteuert, dass ein größerer Luftanteil durch die Brennstoffzelle 1 geführt wird als bei höherer Umgebungstemperatur. In order to prevent frosting of the evaporator 13 , the control flap 5 is controlled when the ambient temperature drops into the frosting area in such a way that a larger proportion of air is passed through the fuel cell 1 than at a higher ambient temperature.

Im Winterbetrieb (vgl. Fig. 1) und im Sommerbetrieb (Kühlbetrieb) wird die elektrische Energie der Brennstoffzelle 1 zum Antrieb des Verdichters 11 und über den Wandler 2 zur Einspeisung in eine Hausinstallation oder in ein Versorgungsnetz genutzt. In winter operation (see FIG. 1) and in summer operation (cooling operation), the electrical energy of fuel cell 1 is used to drive compressor 11 and, via converter 2, to feed into a house installation or into a supply network.

In einer weiteren Ausgestaltung arbeitet das Kraft-Wärme- Kopplungssystem netzunabhängig und versorgt sich selbst mit elektrischer Energie, wobei der Leistungsbedarf der Wärmepumpe in vorteilhafter Weise an das Leistungsvermögen der Brennstoffzelle 1 angepaßt ist. Der über den Eigenbedarf hinausgehende Stromanteil steht für weitere Anwendungen zur Verfügung. In a further embodiment, the cogeneration system works independently of the network and supplies itself with electrical energy, the power requirement of the heat pump being advantageously adapted to the performance of the fuel cell 1 . The proportion of electricity that goes beyond our own requirements is available for other applications.

Im Winterbetrieb wird die Wärmeenergie des Offgases dem Verdampfer 13 zugeführt und über den Wärmepumpenkreis 11, 14, 12, 16, 18 auf den Nutzkreis 21 übertragen. Die Abwärme der Brennstoffzelle 1 wird über die Leitung 25, den Wärmetauscher 10, die Leitung 25 und das Dreiwegeventil 24 auf den Nutzkreis 21 übertragen. In winter operation, the thermal energy of the off-gas is supplied to the evaporator 13 and transferred to the useful circuit 21 via the heat pump circuit 11 , 14 , 12 , 16 , 18 . The waste heat from the fuel cell 1 is transferred to the useful circuit 21 via the line 25 , the heat exchanger 10 , the line 25 and the three-way valve 24 .

Im Sommerbetrieb (Kühlbetrieb, siehe Fig. 2) wird Wärmeenergie des Nutzkreises 21 über den umgeschalteten Kältemittelkreis 12, 15, 11, 20, 13, 19, 17 und den Verflüssiger 13 geführt. Das Offgas kann durch Öffnen des Auslasses 9 unter Umgehung des Verflüssigers 13 direkt in den Kamin 28 abgelassen werden. Abwärme der Brennstoffzelle 1 wird über den Wärmetauscher 10 und den Nutzkreis 21 abgeführt. In summer mode (cooling mode, see FIG. 2), thermal energy of the useful circuit 21 is conducted via the switched refrigerant circuit 12 , 15 , 11 , 20 , 13 , 19 , 17 and the condenser 13 . The offgas can be discharged directly into the chimney 28 by opening the outlet 9 bypassing the condenser 13 . Waste heat from the fuel cell 1 is dissipated via the heat exchanger 10 and the useful circuit 21 .

Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 ist der Wärmetauscher 13 in die Brennstoffzelle 1 integriert. Er ist in Fig. 3 nicht dargestellt. Vorzugsweise ist ein zwei- oder mehrstufiger Wärmetauscher vorgesehen. In the embodiment according to FIG. 3, the heat exchanger 13 is integrated into the fuel cell 1. It is not shown in Fig. 3. A two-stage or multi-stage heat exchanger is preferably provided.

Im Heizbetrieb wird die Wärme der Brennstoffzelle 1 über den Wärmetauscher (Verdampfer) auf das Kältemittel des Wärmepumpenkreises übertragen. An der Kathodenseite der Brennstoffzelle 1 entsteht Wasserdampf. Durch intensive Kühlung durch das Kältemittel kondensiert der Wasserdampf und es wird dessen Kondensationswärme frei und damit nutzbar - ähnlich wie dies bei einem Brennwertheizgerät der Fall ist. Das entstehende hochreine, kondensierte Wasser wird für eine gewünschte Befeuchtung der Brennstoffzelle 1 bzw. deren Zellenstapel verwendet, wofür eine zelleninterne Verteilung vorgesehen ist. Restwasser kann gesammelt und einem nicht näher dargestellten, an sich bekannten Dampfreformierungsprozess zugeführt werden, mit dem sich Brennstoff für die Brennstoffzelle 1 gewinnen lässt. In heating mode, the heat of the fuel cell 1 is transferred to the refrigerant of the heat pump circuit via the heat exchanger (evaporator). Water vapor is generated on the cathode side of the fuel cell 1 . Through intensive cooling by the refrigerant, the water vapor condenses and its heat of condensation is released and thus usable - similar to the case with a condensing boiler. The resulting high-purity, condensed water is used for a desired moistening of the fuel cell 1 or its cell stack, for which purpose an internal distribution is provided. Residual water can be collected and fed to a steam reforming process, known per se, which is not shown in any more detail and which can be used to obtain fuel for the fuel cell 1 .

Mit einem zweistufigen Wärmetauscher (Verdampfer) ist eine Überhitzung des Kältemittels außerhalb oder innerhalb der Brennstoffzelle 1 erreichbar. Die Verdampfung des Kältemittels kann durch Einstellen des Verhältnisses der der Kathode der Brennstoffzelle 1 zugeführten Luft 4 und der über den Bypass 6 (vgl. Fig. 1) zugeführten Luft gesteuert werden. With a two-stage heat exchanger (evaporator), the refrigerant can be overheated outside or inside the fuel cell 1 . The evaporation of the refrigerant can be controlled by adjusting the ratio of the air 4 supplied to the cathode of the fuel cell 1 and the air supplied via the bypass 6 (see FIG. 1).

Im Kühlbetrieb (Sommerbetrieb) - nach Umkehr des Wärmepumpenprozesses - ist ein Kühlluftstrom durch den Wärmetauscher 13 (Verflüssiger im Kühlbetrieb) erforderlich. Dieser lässt sich durch eine Erhöhung des Kathodenluftstroms 4 oder bei einem zweistufigen Wärmetauscher durch Veränderung der den Bypass durchströmenden Luftmenge erreichen. In cooling mode (summer mode) - after reversing the heat pump process - a cooling air flow through the heat exchanger 13 (condenser in cooling mode) is required. This can be achieved by increasing the cathode air flow 4 or, in the case of a two-stage heat exchanger, by changing the amount of air flowing through the bypass.

Der Wärmetauscher 10 dient hier speziell der Kühlung der Brennstoffzelle 1. Die Kühlleistung der Wärmepumpe ist somit auch zur Kühlung der Brennstoffzelle 1 verwendet, da der Nutzkreis im Sommerbetrieb als Kühlkreis arbeitet. The heat exchanger 10 is used here in particular to cool the fuel cell 1 . The cooling capacity of the heat pump is thus also used to cool the fuel cell 1 , since the useful circuit works as a cooling circuit in summer operation.

Fig. 4 zeigt die Wärme/Kälteleistung der Wärmepumpe in Abhängigkeit von der Außentemperatur. Im Heizbetrieb verläuft die Wärmeleistung einer Wärmepumpe nach dem Stand der Technik etwa nach Kurve I. Dagegen verläuft die Wärmeleistung der mit einer Brennstoffzelle gekoppelten Wärmepumpe nach Kurve II. Ersichtlich ist die Wärmeleistung nach Kurve II wesentlich höher als die nach Kurve I. Fig. 4 shows the heat / cooling capacity of the heat pump as a function of the outside temperature. In heating mode, the heat output of a state-of-the-art heat pump runs approximately according to curve I. In contrast, the heat output of the heat pump coupled to a fuel cell runs according to curve II. Obviously, the heat output according to curve II is significantly higher than that according to curve I.

Die Fig. 5 zeigt das beschriebene System in einem Kraftfahrzeug. Die elektrische Energie e der Brennstoffzelle 1 treibt neben anderen Aggregaten des Kraftfahrzeugs den Verdichter 11 der Stufe B an. Die Abwärme a der Brennstoffzelle 1 wird dem Verdampfer (Heizbetrieb) der Stufe B zugeführt. Sie kann jedoch auch direkt der Verbrauchsstufe C zugeführt werden. Die Verbrauchsstufe C ist von einem Wärmetauscher 29 für die Heizung und einem Wärmetauscher 30 für die Kühlung gebildet. Die Wärmetauscher 29, 20 sind wie oben beschrieben an die Stufe B angeschlossen. FIG. 5 shows the described system in a motor vehicle. The electrical energy e of the fuel cell 1 drives, in addition to other units of the motor vehicle, the compressor 11 of stage B. The waste heat a of the fuel cell 1 is fed to the evaporator (heating mode) of stage B. However, it can also be fed directly to consumption level C. Consumption level C is formed by a heat exchanger 29 for heating and a heat exchanger 30 for cooling. The heat exchangers 29 , 20 are connected to stage B as described above.

Im Sommerbetrieb oder im Bedarfsfall dient die von der Brennstoffzelle 1 teilweise oder ganz an die Wärmepumpe abgegebene Energie zur Kühlung des Fahrzeuginnenraums und/oder zur Kühlung der Brennstoffzelle 1. In summer operation or when required, the energy which is partially or completely given off by the fuel cell 1 is used to cool the vehicle interior and / or to cool the fuel cell 1 .

Das Offgas o der Brennstoffzelle 1 wird ausgelassen und über einen Wärmetauscher 31 geführt, der im Heizbetrieb mit dem Wärmetauscher 29 verbindbar ist. The offgas o of the fuel cell 1 is discharged and passed through a heat exchanger 31 which can be connected to the heat exchanger 29 in heating mode.

Bei der Ausführung nach Fig. 6 ist die Brennstoffzelle 1 Teil eines Kraftfahrzeugs K und die Stufen B und C sind stationär bei und in einem Haus H angeordnet. Die Wärmepumpe B bezieht Wärme beispielsweise aus Umgebungsluft oder aus dem Erdreich. In the embodiment according to FIG. 6, the fuel cell 1 is part of a motor vehicle K and the stages B and C are arranged stationary at and in a house H. The heat pump B draws heat, for example, from ambient air or from the ground.

Zwischen der Brennstoffzelle 1 und der Wärmepumpe sind lösbare Kupplungselemente 32, 33 vorgesehen. Detachable coupling elements 32 , 33 are provided between the fuel cell 1 and the heat pump.

Die Brennstoffzelle 1 des Fahrzeugs K dient dem Betrieb des Fahrzeugs. Wird das Fahrzeug K abgestellt, dann werden die Kupplungselemente 32, 33 geschlossen und elektrische Energie der Brennstoffzelle 1 wird auf den Verdichter der Wärmepumpe B und auf die elektrische Installation E des Gebäudes übertragen und/oder in ein Versorgungsnetz N eingespeist. Über das Kupplungselement 33 wird die thermische Energie der Brennstoffzelle 1 in die Stufe B und die Stufe C eingespeist. Dabei kann die Abwärme der Brennstoffzelle 1 und/oder die Wärmeenergie des Offgases wie oben beschrieben genutzt werden. The fuel cell 1 of the vehicle K is used to operate the vehicle. If the vehicle K is parked, then the coupling elements 32 , 33 are closed and electrical energy of the fuel cell 1 is transmitted to the compressor of the heat pump B and to the electrical installation E of the building and / or fed into a supply network N. The thermal energy of the fuel cell 1 is fed into stage B and stage C via the coupling element 33 . The waste heat from the fuel cell 1 and / or the thermal energy of the off-gas can be used as described above.

Eine weitere Ausführung kann darin bestehen, dass die Brennstoffzelle 1 und die Wärmepumpenstufe B in einem Kraftfahrzeug installiert ist (vgl. Fig. 5). Mittels Kupplungselementen zwischen dem Fahrzeug K und dem Haus H wird die elektrische Energie der Brennstoffzelle 1 auf die elektrische Installation des Hauses übertragen. Zusätzlich oder stattdessen wird die Wärmeleistung oder Kühlleistung der Wärmepumpe des Kraftfahrzeugs auf das Haus übertragen. A further embodiment can consist in that the fuel cell 1 and the heat pump stage B are installed in a motor vehicle (cf. FIG. 5). The electrical energy of the fuel cell 1 is transmitted to the electrical installation of the house by means of coupling elements between the vehicle K and the house H. In addition or instead, the heat output or cooling output of the heat pump of the motor vehicle is transferred to the house.

Claims (14)

1. Kraft-Wärme-Kopplungssystem mit einer Brennstoffzelle, die elektrische Energie und ein warmes Offgas erzeugt, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzelle (1) mit einem einen Verdampfer (13) und einen Verflüssiger (12) aufweisenden Wärmepumpenkreis (B) derart gekoppelt ist, dass die Wärmeenergie der Brennstoffzelle (1) oder des Offgases der Brennstoffzelle (1) dem Verdampfer (13) zugeführt wird, wobei der Verflüssiger (12) einen Nutzkreis (21) beheizt. 1. Combined heat and power system with a fuel cell that generates electrical energy and a warm offgas, characterized in that the fuel cell ( 1 ) is coupled to a heat pump circuit (B) having an evaporator ( 13 ) and a condenser ( 12 ) that the thermal energy of the fuel cell ( 1 ) or the off-gas of the fuel cell ( 1 ) is supplied to the evaporator ( 13 ), the condenser ( 12 ) heating a useful circuit ( 21 ). 2. Kraft-Wärme-Kopplungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Abwärme der Brennstoffzelle (1) dem Nutzkreis (21) oder dem Verdampfer (13) zugeführt wird, um die Brennstoffzelle (1) zu kühlen. 2. Combined heat and power system according to claim 1, characterized in that waste heat from the fuel cell ( 1 ) is supplied to the useful circuit ( 21 ) or the evaporator ( 13 ) in order to cool the fuel cell ( 1 ). 3. Kraft-Wärme-Kopplungssystem nach Oberbegriff des Anspruchs 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzelle (1) mit einem einen Verdampfer (12) und einen Verflüssiger (13) aufweisenden Wärmepumpenkreis (B) derart gekoppelt ist, dass dem Verdampfer (12) oder dem Nutzkreis (21) Abwärme der Brennstoffzelle (1) zu deren Kühlung zugeführt wird, und dass der Verdampfer (12) den Nutzkreis (21) kühlt. 3. Combined heat and power system according to the preamble of claim 1, characterized in that the fuel cell ( 1 ) is coupled to a heat pump circuit (B) having an evaporator ( 12 ) and a condenser ( 13 ) in such a way that the evaporator ( 12 ) or waste heat of the fuel cell ( 1 ) is fed to the useful circuit ( 21 ) for cooling it, and that the evaporator ( 12 ) cools the useful circuit ( 21 ). 4. Kraft-Wärme-Kopplungssystem nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Energie der Brennstoffzelle (1) einen Verdichter (11) des Wärmepumpenkreises (B) antreibt. 4. Combined heat and power system according to claim 1, 2 or 3, characterized in that the electrical energy of the fuel cell ( 1 ) drives a compressor ( 11 ) of the heat pump circuit (B). 5. Kraft-Wärme-Kopplungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 oder 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmepumpenkreis (B) derart umschaltbar ist, dass der Verdampfer als Verflüssiger und der Verflüssiger als Verdampfer arbeitet. 5. Combined heat and power system according to one of the preceding Claims 1 or 2 and 3, characterized, that the heat pump circuit (B) can be switched so that the Evaporator as a condenser and the condenser as an evaporator is working. 6. Kraft-Wärme-Kopplungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Dreiwegeventil (24) vorgesehen ist, über das Wärmeträgermedium des Nutzkreises (21) Abwärme der Brennstoffzelle (1) dem Nutzkreis (21) zuführt. 6. Combined heat and power system according to one of the preceding claims, characterized in that a three-way valve ( 24 ) is provided, via the heat transfer medium of the useful circuit ( 21 ) feeds waste heat from the fuel cell ( 1 ) to the useful circuit ( 21 ). 7. Kraft-Wärme-Kopplungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es vom Gleichstrom der Brennstoffzelle (1) versorgt ist. 7. Combined heat and power system according to one of the preceding claims, characterized in that it is supplied by the direct current of the fuel cell ( 1 ). 8. Kraft-Wärme-Kopplungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Energie der Brennstoffzelle (1) über einen Wandler (2) zusätzlich zur Energieversorgung eines Gebäudes eingesetzt und/oder in ein elektrisches Versorgungsnetz eingespeist ist. 8. Combined heat and power system according to one of the preceding claims, characterized in that the electrical energy of the fuel cell ( 1 ) via a converter ( 2 ) is additionally used to supply energy to a building and / or is fed into an electrical supply network. 9. Kraft-Wärme-Kopplungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzelle (1) eine Niedertemperatur-Brennstoffstelle ist. 9. Combined heat and power system according to one of the preceding claims, characterized in that the fuel cell ( 1 ) is a low-temperature fuel station. 10. Kraft-Wärme-Kopplungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein mittels einer Steuerklappe (5) steuerbarer Bypass (6) zur Luftstrecke der Brennstoffzelle (1) vorgesehen ist. 10. Combined heat and power system according to one of the preceding claims, characterized in that a bypass ( 6 ) controllable by means of a control flap ( 5 ) is provided for the air gap of the fuel cell ( 1 ). 11. Kraft-Wärme-Kopplungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdampfer (13) in die Brennstoffzelle (1) eingebaut ist. 11. Combined heat and power system according to one of the preceding claims, characterized in that the evaporator ( 13 ) is installed in the fuel cell ( 1 ). 12. Kraft-Wärme-Kopplungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzelle (1) eine in ein Kraftfahrzeug für dessen Betrieb eingebaute Brennstoffzelle ist und die Wärmepumpe (B) bei oder in einem Haus (H) ortsfest installiert ist und dass lösbare Kupplungselemente (32, 33) vorgesehen sind, über die elektrische Energie und thermische Energie der Brennstoffzelle (1) auf die Wärmepumpe (B) übertragbar ist. 12. Combined heat and power system according to one of the preceding claims, characterized in that the fuel cell ( 1 ) is a fuel cell installed in a motor vehicle for its operation and the heat pump (B) is installed in a fixed position at or in a house (H) and that detachable coupling elements ( 32 , 33 ) are provided, via which electrical energy and thermal energy of the fuel cell ( 1 ) can be transferred to the heat pump (B). 13. Kraft-Wärme-Kopplungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzelle (1) und der Wärmepumpenkreis (B) in ein Kraftfahrzeug eingebaut sind, um dieses mit elektrischer Energie zu versorgen und dessen Innenraum zu heizen und/ oder zu kühlen. 13. Combined heat and power system according to one of the preceding claims 1 to 11, characterized in that the fuel cell ( 1 ) and the heat pump circuit (B) are installed in a motor vehicle in order to supply it with electrical energy and to heat its interior and / or to cool. 14. Kraft-Wärme-Kopplungssystem nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass Kupplungselemente vorgesehen sind, mit denen die elektrische Energie der Brennstoffzelle in die elektrische Installation eines Hauses und/oder die Wärme- oder Kühlleistung der Wärmepumpe auf das Haus übertragbar ist. 14. Cogeneration system according to claim 13, characterized, that coupling elements are provided with which the electrical Energy of the fuel cell in the electrical installation of a house and / or the heat or cooling capacity of the heat pump on the house is transferable.
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