DE102009004142B4

DE102009004142B4 - Brennstoffzellenanlagen

Info

Publication number: DE102009004142B4
Application number: DE102009004142A
Authority: DE
Inventors: Stefan Eitzenhöfer; Dr. Pawlik Jürgen
Original assignee: Viessmann Werke GmbH and Co KG
Current assignee: Viessmann Climate Solutions SE
Priority date: 2009-01-06
Filing date: 2009-01-06
Publication date: 2013-11-28
Anticipated expiration: 2029-01-07
Also published as: DE102009004142A1

Abstract

Brennstoffzellenanlage, umfassend eine Gleichstrom erzeugende Brennstoffzelle (1) und einen kühlbaren Wechselrichter (2) zur Umwandlung des Gleichstroms in Wechselstrom, wobei dem Wechselrichter (2) zur Abwärmenutzung ein flüssigkeitführendes, wärmeaufnehmendes Element (3) zugeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass das flüssigkeitführende, wärmeaufnehmende Element (3) wahlweise ein Heizkreislauf eines Gebäudes ist oder wärmetechnisch an einen solchen angekoppelt ausgebildet ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Brennstoffzellenanlage gemäß den Oberbegriffen der Patentansprüche 1 und 2.
Eine Brennstoffzellenanlage der eingangs genannten Art ist nach der DE 10 2007 001 251 A1 bekannt. Diese besteht aus einer Gleichstrom erzeugenden Brennstoffzelle und einem kühlbaren Wechselrichter zur Umwandlung des Gleichstroms in Wechselstrom, wobei dem Wechselrichter zur Abwärmenutzung ein flüssigkeitsführendes, wärmeaufnehmendes Element zugeordnet ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Brennstoffzellenanlage der eingangs genannten Art bezüglich der Nutzung der Abwärme des Wechselrichters zu verbessern.
Diese Aufgabe ist mit einer Brennstoffzellenanlage der eingangs genannten Art einerseits durch die im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 und andererseits durch die im Kennzeichen des Patentanspruchs 2 aufgeführten Merkmale gelöst.
Nach der Erfindung ist also einerseits vorgesehen, dass das flüssigkeitführende, wärmeaufnehmende Element wahlweise ein Heizkreislauf eines Gebäudes oder wärmetechnisch an einen solchen angekoppelt ausgebildet ist.
Nach der Erfindung ist andererseits vorgesehen, dass das flüssigkeitführende, wärmeaufnehmende Element Teil eines der Brennstoffzelle vorgeschalteten Reformerapparats ist.
Mit anderen Worten ausgedrückt, wird die Abwärme des Wechselrichters bei der erfindungsgemäßen Brennstoffzellenanlage also einem zur Wärmenutzung geeigneten Flüssigkeitskreislauf zugeführt, der zum Beispiel Wasser als Wärmeträgermedium nutzt. Dies führt wegen den verbesserten Wärmeübertragungsbedingungen zu einer effizienteren Nutzung der Abwärme des Wechselrichters.
Dabei ist einerseits vorgesehen, dass der Flüssigkeitskreislauf bzw. das flüssigkeitführende, wärmeaufnehmende Element der Heizkreislauf eines Gebäudes oder wärmetechnisch an einen solchen angekoppelt ausgebildet ist. Auf diese Weise wird die Abwärme des Wechselrichters nämlich aus der Brennstoffzellenanlage ausgekoppelt und direkt einem Heizungssystem eines Gebäudes zugeführt, was eine Verbesserung des thermischen Wirkungsgrades der Gesamtanlage zur Folge hat. Außerdem wird auf diese Weise vermieden, dass die Abwärmenutzung zu einer sicherheitskritischen Überhitzung der Brennstoffzellenanlage führt.
Andererseits ist vorgesehen, dass der Wasserkreislauf bzw. das flüssigkeitführende, wärmeaufnehmende Element Teil eines der Brennstoffzelle vorgeschalteten Reformerapparats (insbesondere eines so genannten Dampfreformers) ist, wobei in diesem Fall die Abwärme des Wechselrichters insbesondere zur Vorwärmung des dem Reformerapparats zugeführten Wassers bzw. Wasserdampfs dient, aus dem zusammen mit einem Kohlenwasserstoff (zum Beispiel Erdgas) im Reformierungsprozess insbesondere Wasserstoff für den Betrieb der Brennstoffzelle (zum Beispiel so genannte PEM-Brennstoffzelle) erzeugt wird. Diese Nutzung der Abwärme führt zu einer Erhöhung des elektrischen Wirkungsgrads der Brennstoffzellenanlage.
Der Vollständigkeit halber wird noch auf folgende, weiter abliegende Dokumente hingewiesen: DE 10 2007 014 387 A1 , DE 101 07 420 A1 und DE 11 2004 001 059 B4 .
Die erfindungsgemäße Brennstoffzellenanlage einschließlich ihrer vorteilhaften Weiterbildungen gemäß der abhängigen Patentansprüche wird nachfolgend anhand der zeichnerischen Darstellung dreier Ausführungsbeispiele näher erläutert.
Es zeigt schematisch
1 eine Brennstoffzelle, einen Wechselrichter und das erfindungsgemäße flüssigkeitführende, wärmeaufnehmende Element;
2 einen Brenner, den Wechselrichter und das erfindungsgemäße flüssigkeitführende wärmeaufnehmende Element; und
3 einen Reformerapparat, eine Brennstoffzelle und den flüssigkeitgekühlten Wechselrichter zur Wärmeabfuhr an eine Wasserzufuhrleitung des Reformerapparats.
Die in 1 dargestellte Brennstoffzellenanlage besteht zunächst in bekannter Weise aus einer Gleichstrom erzeugenden Brennstoffzelle 1 und einem kühlbaren Wechselrichter 2 zur Umwandlung des Gleichstroms in Wechselstrom.
Bei allen Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Brennstoffzellenanlage ist ferner vorgesehen, dass dem Wechselrichter 2 zur Abwärmenutzung ein flüssigkeitführendes, wärmeaufnehmendes Element 3 zugeordnet ist, wobei diese Maßgabe zunächst offen läßt, welchem Zweck die abgeführte Wärme zugeführt wird.
Gemäß der Ausführungsform nach 2 ist erfindungsgemäß einerseits vorgesehen, dass das flüssigkeitführende, wärmeaufnehmende Element 3 ein Heizkreislauf eines Gebäudes ist, d. h. die vom Wechselrichter 2 abgegebene Wärme wird unmittelbar einem Heizkreislauf zugeführt, und zwar vorzugsweise, wie dargestellt, dem Rücklaufstrang 5 des Heizkreislaufs. Diesem wiederum kann zusätzliche Wärme zum Beispiel über einen Brenner 6 zugeführt werden, wobei der Brenner 6 auch Teil eines Reformerapparats 4 (siehe 3) sein kann.
Bei der Ausführungsform gemäß 3 ist erfindungsgemäß andererseits das flüssigkeitführende, wärmeaufnehmende Element 3 Teil eines der Brennstoffzelle 1 vorgeschalteten Reformerapparats 4 (in an sich bekannter Weise bestehend aus Reformerstufe 7, Shiftstufe 11, Gasfeinreinigungsstufe 12), wobei der Reformerstufe 7 über einen Anschluss 8 Kohlenwasserstoff und über einen Anschluss 9 Wasser oder Wasserdampf zugeführt wird. Zur Erwärmung des Wassers bzw. zur Erzeugung des Wasserdampfes wird Wasser über den dem Wechselrichter 2 zugeordneten Wärmetauscher 10 geführt, wobei in der Regel noch ein weiterer Wärmetauscher (nicht dargestellt) zur Vollverdampfung des flüssigen Wassers vorgesehen ist. Wie ersichtlich, wird bei dieser Lösung die Abwärme zur Vorwärmung des für den Reformierprozesses erforderlichen Wassers genutzt.
Schließlich ist vorgesehen (nicht extra dargestellt), dass der Wechselrichter 2 und vorzugsweise andere wärmeabgebende Elemente der Brennstoffzellenanlage zusammen mit dem wärmeaufnehmenden Element 3 in einem wärmegedämmten Gehäuse angeordnet ist/sind. Diese Maßgabe gewährleistet, dass der größtmögliche Wärmeanteil an das wärmeaufnehmende Element 3 (zum Beispiel Heizkreislauf) übergeht. Dabei kann wahlweise das wechselrichtereigene Gehäuse oder ein zusätzliches, den Wechselrichter umschließendes Gehäuse wärmegedämmt sein. Das wärmeaufnehmende Element ist wahlweise direkt in diesem Gehäuse oder an einer geeigneten Gehäusedurchbrechung angeordnet.
Bezugszeichenliste

1: Brennstoffzelle
2: Wechselrichter
3: flüssigkeitführendes, wärmeaufnehmendes Element
4: Reformerapparat
5: Rücklaufstrang
6: Brenner
7: Reformerstufe
8: Anschluss (Kohlenwasserstoff)
9: Anschluss (Wasser oder Wasserdampf)
10: Wärmetauscher
11: Shiftstufe
12: Gasfeinreinigungsstufe

Claims

Brennstoffzellenanlage, umfassend eine Gleichstrom erzeugende Brennstoffzelle (1) und einen kühlbaren Wechselrichter (2) zur Umwandlung des Gleichstroms in Wechselstrom, wobei dem Wechselrichter (2) zur Abwärmenutzung ein flüssigkeitführendes, wärmeaufnehmendes Element (3) zugeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass das flüssigkeitführende, wärmeaufnehmende Element (3) wahlweise ein Heizkreislauf eines Gebäudes ist oder wärmetechnisch an einen solchen angekoppelt ausgebildet ist.
Brennstoffzellenanlage, umfassend eine Gleichstrom erzeugende Brennstoffzelle (1) und einen kühlbaren Wechselrichter (2) zur Umwandlung des Gleichstroms in Wechselstrom, wobei dem Wechselrichter (2) zur Abwärmenutzung ein flüssigkeitführendes, wärmeaufnehmendes Element (3) zugeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass das flüssigkeitführende, wärmeaufnehmende Element (3) Teil eines der Brennstoffzelle (1) vorgeschalteten Reformerapparats (4) ist.
Brennstoffzellenanlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Wechselrichter (2) und vorzugsweise andere wärmeabgebende Elemente der Brennstoffzellenanlage zusammen mit dem wärmeaufnehmenden Element (3) in einem wärmegedämmten Gehäuse angeordnet ist/sind.