DE102004006617A1

DE102004006617A1 - Brennstoffzellen-Vorrichtung

Info

Publication number: DE102004006617A1
Application number: DE102004006617A
Authority: DE
Inventors: Robert Staiger
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2004-02-10
Filing date: 2004-02-10
Publication date: 2005-10-13

Abstract

Bei einer Brennstoffzellen-Vorrichtung (100) mit zwei chemisch reaktiv mit einer elektrisch leitenden Flüssigkeit verbundenen, als Elektroden wirkenden Membranen sowie zwei Eingängen für voneinander unterschiedliche chemische Gase, die über entsprechende Gas-Kommunikationsverbindungen chemisch reaktiv mit jeweils mindestens einem Teil der Oberfläche einer betreffenden Membrane verbunden sind, wird die nutzbare Leistung dadurch erhöht, dass die Brennstoffzellen-Vorrichtung (100) thermal mit einer Wärmepumpen-Einrichtung (200) gekoppelt ist, die ein internes Gas/Flüssigkeits-Zirkulationssystem enthält, das über mindestens einen kälteseitigen Wärmetauscher (110, 120) thermal mit mindestens einem Flüssigkeitskreislauf (163) zur Wärmeaufnahme gekoppelt ist und über mindestens einen wärmeseitigen Wärmetauscher (150, 160) thermal mit mindestens einem Flüssigkeitskreislauf (173) zur Wärmeabgabe gekoppelt ist.

Description

Die Erfindung eine Brennstoffzellen-Vorrichtung mit zwei chemisch reaktiv mit einer elektrisch leitenden Flüssigkeit verbundenen, als Elektroden wirkenden Membranen sowie zwei Eingängen für voneinander unterschiedliche chemische Gase, die über entsprechende Gas-Kommunikationsverbindungen chemisch reaktiv mit jeweils mindestens einem Teil der Oberfläche einer betreffenden Membrane verbunden sind.

Brennstoffzellen-Vorrichtungen der eingangs genannten Art sind im Stand der Technik in einer großen Zahl unterschiedlicher Ausführungsformen bekannt und werden generell verwendet, um auf schadstoffarme Weise mittels zweier kontrolliert exotherm miteinander reagierender Gase elektrische Energie zu erzeugen. Neben der elektrischen Energie entsteht bei den herkömmlichen Brennstoffzellen Wärme regelmäßig als reines Abfallprodukt, da deren Menge für eine praktische Nutzung beispielsweise zum Wärmen eines Wohnhaus zu gering ist.

Wärmepumpen-Einrichtungen werden im Stand der Technik verwendet, um in großer Menge vorhandene, für eine Nutzung durch den Menschen allerdings bei zu niedriger Temperatur vorliegende Umweltwärme in der Weise zu nutzen, dass die Temperatur von thermische Energie der Umwelt aufnehmenden Gasen durch deren Komprimierung so weit erhöht wird, dass die so gewonnene Wärme durch den Menschen nutzbar ist. Die bekannten Wärmepumpen-Vorrichtungen weisen jedoch den Nachteil auf, dass insbesondere ihr Betrieb im Hinblick auf eine Nutzung nachhaltiger Energieressourcen noch nicht optimiert ist.

Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, die nutzbare Leistung einer Brennstoffzellen-Vorrichtung mit Hilfe einer Wärmepumpen-Einrichtung zu erhöhen und die Effektivität der letzteren zu steigern.

Für eine Vorrichtung der eingangs genannten Art wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass die Brennstoffzellen-Vorrichtung thermal mit einer Wärmepumpen-Einrichtung gekoppelt ist, die ein internes Gas/Flüssigkeits-Zirkulationssystem enthält, das über mindestens einen kälteseitigen Wärmetauscher thermal mit mindestens einem Flüssigkeitskreislauf zur Wärmeaufnahme gekoppelt ist und über mindestens einen wärmeseitigen Wärmetauscher thermal mit mindestens einem Flüssigkeitskreislauf zur Wärmeabgabe gekoppelt ist.

Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird durch die Merkmalskombination, dass die Brennstoffzellen-Vorrichtung thermal mit einer Wärmepumpen-Einrichtung gekoppelt ist, die ein internes Gas/Flüssigkeits-Zirkulationssystem enthält, das über mindestens einen kälteseitigen Wärmetauscher thermal mit mindestens einem Flüssigkeitskreislauf zur Wärmeaufnahme gekoppelt ist und über mindestens einen wärmeseitigen Wärmetauscher thermal mit mindestens einem Flüssigkeitskreislauf zur Wärmeabgabe gekoppelt ist, erreicht, dass eine Vorrichtung geschaffen ist, bei der die bei elektrischer Nutzung der Brennstoffzelle regelmäßig erzeugte Wärme einer Wärmepumpe zuführbar ist, so dass die Versorgung von Wärme für den kälteseitigen Flüssigkeitskreislauf zumindest eine Minimalversorgung der Wärmepumpe auf einfache Weise sichergestellt ist. Zusätzlich ist die Verdichtungseinrichtung der Wärmepumpe prinzipiell mit Hilfe der von der Brennstoffzelle gelieferten Elektrizität betreibbar ist. Die Wärmepumpe bezieht dabei von der Brennstoffzelle sowohl thermische als auch elektrische Energie, so dass die von der Brennstoffzelle gelieferte Gesamtenergie in optimaler Weise genutzt ist. Die Kombination von Wärmepumpe mit Brennstoffzelle bringt dabei zum einen auch eine Verbesserung der Effektivität der Wärmepumpe mit nachhaltigen Mitteln und zum anderen ist dadurch auch ein transportables System mit den Vorzügen einer Wärmepumpe kombinierbar.

Gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist vorgesehen, dass die Brennstoffzellen-Vorrichtung thermal mit dem mindestens einem kälteseitigen Wärmetauscher der Wärmepumpen-Einrichtung gekoppelt ist. Alternativ kann die Brennstoffzellen-Vorrichtung thermal mit einem eigenen zweiten kälteseitigen Wärmetauscher der Wärmepumpen-Einrichtung gekoppelt sein.

Gemäß einer wichtigen bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist vorgesehen, dass die Wärmepumpen-Einrichtung sowohl eine elektrisch betriebene Verdichtungseinrichtung als auch eine Entspannungs-Einrichtung für Gase enthält, wobei die Verdichtungseinrichtung von in der Brennstoffzelle produzierter Elektrizität getrieben ist.

Gemäß einer weiteren wichtigen bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist vorgesehen, dass eine Regeleinrichtung zur Steuerung der Leistung des Motors der Verdichtungseinrichtung vorgesehen ist. Die Regelschaltung enthält dabei vorzugsweise einen frequenzsteuerbaren Wechselrichter, dessen Spannung den als Wechselstrommotor ausgelegten Motor der Verdichtungseinrichtung treibt.

Die Frequenz des Wechselrichters ist von einer Regelschaltung vorzugsweise so bemessen, dass die Drehzahl des Motors der Verdichtungseinrichtung an eine durch eine aktuelle Wärmeaufnahme und einen aktuellen Wärmeabtransport vorgegebene aktuelle Leistung der Wärmepumpen-Vorrichtung angepasst ist. Sowohl dem mindestens einen Flüssigkeitskreislauf zur Wärmeaufnahme als auch dem Flüssigkeitskreislauf zur Wärmeabgabe können zu diesem Zweck mit je einem Temperatursensor versehen sein, wobei jeder Temperatursensor über eine elektrische Signalverbindung mit der Regeleinrichtung verbunden ist um entsprechende Temperatur-Signale an die Regelschaltung zu liefern.

Gemäß bevorzugter Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist dabei vorgesehen, dass die Regelschaltung einen Mikroprozessor enthält, der von einem in einem elektronischen Speicher gespeicherten Programm gesteuert ist, in dem Ist-Werten der Temperatur in den betreffenden Flüssigkeitskreisläufen Soll-Werte der Drehzahl des Motors der Verdichtungseinrichtung zugeordnet sind, wobei das Programm ausgelegt ist um die Drehzahl des Motors so zu steuern, dass die Leistung der Verdichtungseinrichtung bei einer gegebenen Wärmeaufnahme an einen aktuellen Wärmeabtransport angepasst ist.

Die im Zusammenspiel mit der erfindungsgemäßen Wärmepumpen-Vorrichtung verwendete Brennstoffzelle ist vorzugsweise als Niedrig-Temperatur-Brennstoffzelle ausgelegt, wobei diese vorzugsweise für einen Betreib mit Wasserstoffelektrolyse und für einen Temperaturbereich von 0,5° C bis 50° C ausgelegt ist. Des weiteren ist die Membrane der Brennstoffzelle vorzugsweise als Membran einer PEMFC (Polymerelektrolytmembran Brennstoffzelle) ausgelegt. Alternativ kann die Membrane der Brennstoffzelle auch gemäß einer AFC (alkalische Brennstoffzelle) oder einer PAFC (Phosphorsäure Brennstoffzelle) ausgelegt sein.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist vorgesehen, dass das interne Gas/Flüssigkeits-Zirkulationssystem über einen weiteren kälteseitigen Wärmetauscher thermal mit einem zweiten Flüssigkeitskreislauf zur Wärmeaufnahme gekoppelt ist, der mindestens teilweise Wärme aus dem Erdreich oder aus der Umgebungsluft als primäre Wärmequelle aufnimmt. Alternativ oder zusätzlich kann das interne Gas/Flüssigkeits-Zirkulationssystem über einen weiteren kälteseitigen Wärmetauscher thermal mit einem zweiten Flüssigkeitskreislauf zur Wärmeaufnahme gekoppelt ist, der mindestens teilweise Wärme aus einem Sonnenkollektor, einer Biogas-Einrichtung oder einem Abwassersystem als primäre Wärmequelle aufnimmt. Die von der Brennstoffzelle produzierte Wärme weist dabei in der Regel eine von der einen oder mehr Wärmequelle des zweiten kälteseitigen Flüssigkeitskreislaufs unterschiedliche Temperatur auf, wobei vorzugsweise Regelelemente vorgesehen sind, um eine angepasste Wärmeabgabe durch jeweils entsprechend geregelte Fließgeschwindigkeiten der Flüssigkeiten in den betreffenden Flüssigkeitskreisläufen sicherzustellen.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung wird im folgenden anhand einer bevorzugten Ausführungsform erläutert, die in der Figur der Zeichnung dargestellt ist. Darin zeigt:
1 Eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung in einem schematischen Blockdiagramm.
Die in der 1 dargestellte erfindungsgemäße Brennstoffzellen-Vorrichtung 100 enthält zwei chemisch reaktiv mit einer elektrisch leitenden Flüssigkeit verbundene, als Elektroden wirkende Membrane sowie zwei Eingänge für voneinander unterschiedliche chemische Gase, die über entsprechende Gas-Kommunikationsverbindungen chemisch reaktiv mit jeweils mindestens einem Teil der Oberfläche einer betreffenden Membrane verbunden sind, wobei die Brennstoffzellen-Vorrichtung 100 erfindungswesentlich thermal mit einer Wärmepumpen-Einrichtung 200 gekoppelt ist, die ein internes Gas/Flüssigkeits-Zirkulationssystem enthält, das über einen ersten 110 und einen zweiten 120 kälteseitigen Wärmetauscher thermal mit einem ersten und einem zweiten Flüssigkeitskreislauf zur Wärmeaufnahme gekoppelt ist und über zwei wärmeseitige Wärmetauscher 150, 160 thermal mit zwei Flüssigkeitskreisläufen zur Wärmeabgabe gekoppelt ist. Ein erster Wärmetauscher 150 zur Wärmeabgabe liefert dabei heißes Wasser für ein Heizsystem und ein zweiter Wärmetauscher 160 liefert warmes Wasser für den Hausgebrauch. Die Brennstoffzellen-Vorrichtung 100 ist thermal mit dem ersten kälteseitigen Wärmetauscher 110 der Wärmepumpen-Einrichtung 200 gekoppelt.
Die Wärmepumpen-Einrichtung 200 enthält sowohl eine elektrisch betriebene Verdichtungseinrichtung 130 als auch eine Entspannungseinrichtung 140 für Gase, wobei die Verdichtungseinrichtung 130 von in der Brennstoffzelle 100 produzierter Elektrizität getrieben ist, und wobei eine Regeleinrichtung 132 zur Steuerung der Leistung des Motors 131 der Verdichtungseinrichtung 130 vorgesehen ist. Die Regeleinrichtung 132 enthält einen frequenzsteuerbaren Wechselrichter 133, dessen Spannung den als Wechselstrommotor ausgelegten Motor 131 der Verdichtungseinrichtung 130 treibt.
Die Frequenz des Wechselrichters 133 der Regeleinrichtung 132 ist von einer nicht dargestellten internen Regelschaltung so bemessen, dass die Drehzahl des Motors 131 der Verdichtungseinrichtung 130 an eine durch eine aktuelle Wärmeaufnahme und einen aktuellen Wärmeabtransport vorgegebene aktuelle Leistung der Wärmepumpen-Vorrichtung 200 angepasst ist. Zu diesem Zweck sind sowohl der Flüssigkeitskreislauf 163 zur Wärmeaufnahme als auch der Flüssigkeitskreislauf 173 zur Wärmeabgabe mit je einem Temperatursensor 161, 171 versehen, und jeder Temperatursensor 161, 171 ist dabei über eine elektrische Signalverbindung 162, 172 mit der Regeleinrichtung 132 verbunden, um entsprechende Temperatur-Signale an die Regelschaltung zu liefern.
Die in der Regeleinrichtung 132 untergebrachte Regelschaltung enthält einen Mikroprozessor, der von einem in einem elektronischen Speicher gespeicherten Programm gesteuert ist, in dem Ist-Werten der Temperatur in den betreffenden Flüssigkeitskreisläufen 163, 173 Soll-Werte der Drehzahl des Motors 131 der Verdichtungseinrichtung 130 zugeordnet sind, wobei das Programm ausgelegt ist um die Drehzahl des Motors 131 so zu steuern, dass die Leistung der Verdichtungseinrichtung 130 bei einer gegebenen Wärmeaufnahme an einen aktuellen Wärmeabtransport angepasst ist.
Die Brennstoffzellen-Vorrichtung 100 der dargestellten erfindungsgemäßen Wärmetauscher-Vorrichtung 200 ist als Niedrig-Temperatur-Brennstoffzelle für einen Betrieb mit Wasserstoffelektrolyse und für einen Temperaturbereich von 0,5° C bis 50° C ausgelegt ist. die Membrane der Brennstoffzelle ist als Membran gemäß einer PEMFC (Polymerelektrolytmembran Brennstoffzelle) ausgelegt.
Das interne Gas/Flüssigkeits-Zirkulationssystem ist über den zweiten kälteseitigen Wärmetauscher 120 thermal mit dem zweiten Flüssigkeitskreislauf 163 zur Wärmeaufnahme gekoppelt, der Wärme aus der Umgebungsluft als primärer Wärmequelle aufnimmt.
Die von der Brennstoffzellen-Vorrichtung produzierte Wärme und die Wärme der Umgebungsluft weisen in der Regel unterschiedliche Temperaturen auf, die für eine angepasste Wärmeabgabe durch jeweils entsprechend geregelte Fließgeschwindigkeiten der Flüssigkeiten in den betreffenden beiden Flüssigkeitskreisläufen ausgeglichen werden.
Das oben erläuterte Ausführungsbeispiel der Erfindung dient lediglich dem Zweck eines besseren Verständnisses der durch die Ansprüche definierten erfindungsgemäßen Lehre, die als solche durch das Ausführungsbeispiel nicht eingeschränkt ist.

Claims

Brennstoffzellen-Vorrichtung (100) mit zwei chemisch reaktiv mit einer elektrisch leitenden Flüssigkeit verbundenen, als Elektroden wirkenden Membranen sowie zwei Eingängen für voneinander unterschiedliche chemische Gase, die über entsprechende Gas-Kommunikationsverbindungen chemisch reaktiv mit jeweils mindestens einem Teil der Oberfläche einer betreffenden Membrane verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzellen-Vorrichtung (100) thermal mit einer Wärmepumpen-Einrichtung (200) gekoppelt ist, die ein internes Gas/Flüssigkeits-Zirkulationssystem enthält, das über mindestens einen kälteseitigen Wärmetauscher (110) thermal mit mindestens einem Flüssigkeitskreislauf (163) zur Wärmeaufnahme gekoppelt ist und über mindestens einen wärmeseitigen Wärmetauscher (150, 160) thermal mit mindestens einem Flüssigkeitskreislauf (173) zur Wärmeabgabe gekoppelt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzellen-Vorrichtung (100) thermal mit dem mindestens einem kälteseitigen Wärmetauscher (110) der Wärmepumpen-Einrichtung (200) gekoppelt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzellen-Vorrichtung (100) thermal mit einem zweiten kälteseitigen Wärmetauscher (120) der Wärmepumpen-Einrichtung (200) gekoppelt ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmepumpen-Einrichtung (200) sowohl eine elektrisch betriebene Verdichtungseinrichtung (130) als auch eine Entspannungseinrichtung (140) für Gase enthält, wobei die Verdichtungseinrichtung (130) von in der Brennstoffzellen-Vorrichtung (100) produzierter Elektrizität getrieben ist.
Vorrichtung nach einem oder mehr der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Regeleinrichtung (132) zur Steuerung der Leistung des Motors (131 der Verdichtungseinrichtung (130) vorgesehen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Regeleinrichtung (132) einen frequenzsteuerbaren Wechselrichter (133) enthält, dessen Spannung den als Wechselstrommotor ausgelegten Motor (131) der Verdichtungseinrichtung (130) treibt.
Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Frequenz des Wechselrichters (133) von einer Regelschaltung so bemessen ist, dass die Drehzahl des Motors (131) der Verdichtungseinrichtung (130) an eine durch eine aktuelle Wärmeaufnahme und einen aktuellen Wärmeabtransport vorgegebene aktuelle Leistung der Wärmepumpen-Vorrichtung (200) angepasst ist.
Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass sowohl dem mindestens einen Flüssigkeitskreislauf (163) zur Wärmeaufnahme als auch dem Flüssigkeitskreislauf (173) zur Wärmeabgabe je ein Temperatursensor (161, 171) zugeordnet ist und jeder Temperatursensor (161, 171) über eine elektrische Signalverbindung (162, 172) mit der Regeleinrichtung (132) verbunden ist um entsprechende Temperatur-Signale an die Regelschaltung zu liefern.
Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelschaltung einen Mikroprozessor enthält, der von einem in einem elektronischen Speicher gespeicherten Programm gesteuert ist, in dem Ist-Werten der Temperatur in den betreffenden Flüssigkeitskreisläufen (163, 173) Soll-Werte der Drehzahl des Motors (131) der Verdichtungseinrichtung (130) zugeordnet sind, wobei das Programm ausgelegt ist um die Drehzahl des Motors (131) so zu steuern, dass die Leistung der Verdichtungseinrichtung (130) bei einer gegebenen Wärmeaufnahme an einen aktuellen Wärmeabtransport angepasst ist.
Vorrichtung nach einem oder mehr der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzellen-Vorrichtung als Niedrig-Temperatur-Brennstoffzelle ausgelegt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Niedrig-Temperatur-Brennstoffzelle für einen Betreib mit Wasserstoffelektrolyse ausgelegt ist, wobei das eine Gas von Wasserstoff und das andere Gas von Sauerstoff gebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Niedrig-Temperatur-Brennstoffzelle für einen Temperaturbereich von 0,5° C bis 50° C ausgelegt ist.
Vorrichtung nach einem oder mehr der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Membrane der Brennstoffzelle gemäß einer PEMFC (Polymerelektrolytmembran Brennstoffzelle) ausgelegt ist.
Vorrichtung nach einem oder mehr der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Membrane der Brennstoffzelle gemäß einer AFC (alkalische Brennstoffzelle) ausgelegt ist.
Vorrichtung nach einem oder mehr der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Membrane der Brennstoffzelle gemäß einer PAFC (Phosphorsäure Brennstoffzelle) ausgelegt ist.
Vorrichtung nach einem oder mehr der Ansprüche 10 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass das interne Gas/Flüssigkeits-Zirkulationssystem über einen zweiten kälteseitigen Wärmetauscher (120) thermal mit einem zweiten Flüssigkeitskreislauf (163) zur Wärmeaufnahme gekoppelt ist, der mindestens teilweise Wärme aus dem Erdreich als primäre Wärmequelle aufnimmt.
Vorrichtung nach einem oder mehr der Ansprüche 10 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass das interne Gas/Flüssigkeits-Zirkulationssystem über einen zweiten kälteseitigen Wärmetauscher (120) thermal mit einem zweiten Flüssigkeitskreislauf (163) zur Wärmeaufnahme gekoppelt ist, der mindestens teilweise Wärme aus einem Sonnenkollektor als primäre Wärmequelle aufnimmt.
Vorrichtung nach einem oder mehr der Ansprüche 10 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass das interne Gas/Flüssigkeits-Zirkulationssystem über einen zweiten kälteseitigen Wärmetauscher (120) thermal mit einem zweiten Flüssigkeitskreislauf (163) zur Wärmeaufnahme gekoppelt ist, der mindestens teilweise Wärme aus einer Biogas-Einrichtung als primäre Wärmequelle aufnimmt.
Vorrichtung nach einem oder mehr der Ansprüche 10 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass das interne Gas/Flüssigkeits-Zirkulationssystem über einen zweiten kälteseitigen Wärmetauscher (120) thermal mit einem zweiten Flüssigkeitskreislauf (163) zur Wärmeaufnahme gekoppelt ist, der mindestens teilweise Wärme aus einem Abwassersystem als primäre Wärmequelle aufnimmt.
Vorrichtung nach einem oder mehr der Ansprüche 10 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass das interne Gas/Flüssigkeits-Zirkulationssystem über einen zweiten kälteseitigen Wärmetauscher (120) thermal mit einem zweiten Flüssigkeitskreislauf (163) zur Wärmeaufnahme gekoppelt ist, der mindestens teilweise Wärme aus der Umgebungsluft als primäre Wärmequelle aufnimmt.
Vorrichtung nach einem oder mehr der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die von der Brennstoffzelle produzierte Wärme eine von der Wärmequelle des zweiten kälteseitigen Flüssigkeitskreislaufs (163) unterschiedliche Temperatur aufweist, wobei Regelelemente vorgesehen sind, um eine angepasste Wärmeabgabe durch jeweils entsprechend geregelte Fließgeschwindigkeiten der Flüssigkeiten in den betreffenden Flüssigkeitskreisläufen (163, 173) sicherzustellen.