DE102014222839A1 - Brennstoffzellenvorrichtung mit integriertem Wärmespeicher - Google Patents

Brennstoffzellenvorrichtung mit integriertem Wärmespeicher Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Brennstoffzellenvorrichtung (10). Es wird mindestens eine integrierte Wärmespeichereinheit (12) zur direkten Speicherung von Wärme vorgeschlagen. Ferner Betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzellenvorrichtung (12). Dabei wird vorgeschlagen, dass eine Speicherung und/oder Bereitstellung von Wärme in und/oder aus mindestens einer integrierten Wärmespeichereinheit (12) in Abhängigkeit einer Leistungsanforderung erfolgt.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Brennstoffzellenvorrichtung
  • Stand der Technik
  • Die DE 10 2012 017 194 A1 offenbart ein Fahrzeug mit einer Vorrichtung zur Aufnahme eines Powerblocks in Form eines ein- und ausbaubaren Moduls, wobei der Powerblock einen Brennstoffzellenblock umfasst. Ferner umfasst das Fahrzeug eine Wärmespeichereinheit mit Wärmespeicher in Form eines ein- und ausbaubaren Moduls, wobei der Wärmespeicher mit mindestens einem Wärmetauscher verbunden ist.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Die erfindungsgemäße Brennstoffzellenvorrichtung mit den Merkmalen des Hauptanspruchs ist demgegenüber durch mindestens eine integrierte Wärmespeichereinheit zur effizienten Speicherung und/oder Bereitstellung von Wärme gekennzeichnet. Durch die integrierte Wärmespeichereinheit wird der Jahresnutzungsgrad der Brennstoffzellenvorrichtung nachhaltig erhöht.
  • Unter einer integrierten Wärmespeichereinheit ist eine zur Brennstoffzellenvorrichtung zugehörige Wärmespeichereinheit zu verstehen, welche an die räumliche Ausgestaltung der Brennstoffzellenvorrichtung angepasst ist.
  • Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Merkmale sind vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Brennstoffzellenvorrichtung möglich. So ist es von Vorteil, wenn die mindestens eine integrierte Wärmespeichereinheit stromabwärts mindestens einer Brennstoffzelleneinheit und/oder mindestens eines Nachbrenners angeordnet ist. Dadurch kann die Wärme aus dem Abgas der mindestens einen Brennstoffzelleneinheit und/oder des mindestens einen Nachbrenners effizient abgegriffen werden.
  • Es ist von Vorteil, wenn die mindestens eine integrierte Wärmespeichereinheit stromaufwärts mindestens einer Wärmeabnahme, insbesondere einer Wärmeabnahme durch Brauchwasser und/oder Heizwasser, angeordnet ist. Dadurch wird es möglich die in der mindestens einen Wärmespeichereinheit gespeicherte Wärme für die Erwärmung von Brauchwasser und/oder Heizwasser effizient zu nutzen.
  • In einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel, ist die mindestens eine integrierte Wärmespeichereinheit in mindestens einer separaten Abgasleitung angeordnet. Dadurch kann die Speicherung und/oder Bereitstellung von Wärme in oder aus der mindestens einen Wärmespeichereinheit an den Wärmebedarf angepasst werden.
  • In einem weiteren vorteilhaften Ausführungsbeispiel, ist die mindestens eine integrierte Wärmespeichereinheit stromabwärts mindestens eines Wärmeübertragers angeordnet. Vorzugsweise ist die mindestens eine integrierte Wärmespeichereinheit stromabwärts mindestens eines Luft-Wärmeübertragers oder mindestens eines Edukt-Wärmeübertrages angeordnet. Insbesondere kann die mindestens eine integrierte Wärmespeichereinheit auch stromabwärts mindestens eines Luft-Wärmeübertragers und mindestens eines Edukt-Wärmeübertragers angeordnet sein. Dadurch kann Wärme ohne aufwendige Umgestaltungen der Brennstoffzellenvorrichtung effizient gespeichert werden.
  • Besonders vorteilhaft ist es, wenn die mindestens eine integrierte Wärmespeichereinheit mindestens einen thermochemischen Wärmespeicher und/oder mindestens einen Latentwärmespeicher, umfasst, wodurch eine langfristige und verlustarme Speicherung von Wärme ohne großen Aufwand ermöglicht wird.
  • Es ist zweckmäßig, wenn die mindestens eine integrierte Wärmespeichereinheit ein Granulat, vorzugsweise bestehend aus Calciumhydroxid (Ca(OH)2) und/oder aus Calciumcarbonat (CaCO3), umfasst. So kann die Speichertemperatur der Wärmespeichereinheit je nach Wahl des Speichermaterials an die Betriebstemperatur der Brennstoffzellenvorrichtung angepasst werden.
  • Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzellenvorrichtung. Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass eine Speicherung und/oder Bereitstellung von Wärme in und/oder aus mindestens einer integrierten Wärmespeichereinheit in Abhängigkeit einer Leistungsanforderung erfolgt, wodurch der Jahresnutzungsgrad der erfindungsgemäßen Brennstoffzellenvorrichtung gesteigert wird.
  • Es ist vorteilhaft, wenn die Speicherung von Wärme in der mindestens einen integrierten Wärmespeichereinheit bei einer geringen Leistungsanforderung erfolgt, wodurch überschüssige Wärme zu einem späteren Zeitpunkt genutzt werden kann.
  • Des Weiteren ist es vorteilhaft, wenn die Bereitstellung von Wärme aus der mindestens einen integrierten Wärmespeichereinheit bei einer hohen Leistungsanforderung erfolgt. Dadurch kann auch bei Leistungsspitzen ausreichend Wärme zur Verfügung gestellt werden.
  • Zeichnungen
  • In den Zeichnungen sind Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Brennstoffzellenvorrichtung schematisch dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen
  • 1 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Brennstoffzellenvorrichtung; und
  • 2 eine schematische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Brennstoffzellenvorrichtung; und
  • 3 eine schematische Darstellung einer möglichen Ausführungsform einer integrierten Wärmespeichereinheit; und
  • 4 eine schematische Darstellung einer weiteren möglichen Ausführungsform einer integrierten Wärmespeichereinheit; und
  • 5 eine schematische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Brennstoffzellenvorrichtung; und
  • Beschreibung
  • In 1 ist eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Brennstoffzellenvorrichtung 10 gezeigt. Die erfindungsgemäße Brennstoffzellenvorrichtung 10 zeichnet sich durch mindestens eine integrierte Wärmespeichereinheit 12 zur effizienten Speicherung und/oder Bereitstellung von Wärme aus.
  • Die Brennstoffzellenvorrichtung 10 umfasst eine Hotbox 14, welche die für einen üblichen Betrieb der erfindungsgemäßen Brennstoffzellenvorrichtung 10 benötigten Komponenten aufweist. Die Hotbox 14 ist somit ein Teil der erfindungsgemäßen Brennstoffzellenvorrichtung 10. Dennoch weist die Hotbox 14 für eine effiziente Wärmeisolation eine geeignete Verschalung 15 auf.
  • Die Hotbox 14 wiederum umfasst die integrierte Wärmespeichereinheit 12, eine Brennstoffzelleneinheit 16 und einen Dampfreformer 18. Die integrierte Wärmespeichereinheit ist bevorzugt in der Nähe der Brennstoffzelleneinheit 16 angeordnet, wodurch auch von der Brennstoffzelleneinheit 16 abgestrahlte Wärme gespeichert werden kann.
  • Außerdem umfasst die Hotbox 14 im Ausführungsbeispiel einen Nachbrenner 20, einen Luft-Wärmetauscher 22 und einen Edukt-Wärmetauscher 24.
  • Die Brennstoffzelleneinheit 16 umfasst eine Brennstoffzelle 26. Im gezeigten Ausführungsbeispiel handelt es sich bei der Brennstoffzelle 26 um eine SOFC-Brennstoffzelle 26. Diese weist eine Anode 28, eine Kathode 30 und einen dazwischen angeordneten Elektrolyten 32 auf.
  • Alternativ ist es auch denkbar, dass die Brennstoffzelleneinheit 16 eine Mehrzahl von Brennstoffzellen 26, vorzugsweise von SOFC-Brennstoffzellen 26, aufweist.
  • In einem Normalbetrieb der erfindungsgemäßen Brennstoffzellenvorrichtung 10 wird der Brennstoffzellenvorrichtung 10 über eine Brennstoffzufuhrleitung 34 Brennstoff, im gezeigten Ausführungsbeispiel Erdgas, und über eine Wasserzufuhrleitung 36 Wasser zugeführt. Die Brennstoffzufuhrleitung 34 und die Wasserzufuhrleitung 36 sind Teil der Brennstoffzellenvorrichtung 10 und sind so angeordnet, dass Brennstoff und Wasser von außerhalb der Brennstoffzellenvorrichtung 10 zugeführt werden können. Die Zufuhr von Brennstoff wird über ein Ventil 35, welches in der Brennstoffzufuhrleitung 34 angeordnet ist, geregelt, während die Zufuhr von Wasser über ein separates Ventil 37, welches in der Wasserzufuhrleitung 36 angeordnet ist, geregelt wird.
  • Des Weiteren ist in der Brennstoffzufuhrleitung 34 eine Pumpe 38 angeordnet mittels welcher Brennstoff der Brennstoffzellenvorrichtung 10 zugeführt wird. Analog dazu ist auch in der Wasserzufuhrleitung 36 eine weitere Pumpe 40 angeordnet, mit deren Hilfe der Brennstoffzellenvorrichtung 10 Wasser zugeführt wird.
  • Die Wasserzufuhrleitung 36 mündet in die Brennstoffzufuhrleitung 34, so dass sich die zugeführten Edukte, der Brennstoff und das Wasser, vermischen und anschließend der Hotbox 14 gemeinsam zugeführt werden. Das Verhältnis zwischen Brennstoff und Wasser des der Hotbox 14 zugeführten Brennstoff-Wasser-Gemisches wird mittels der Pumpen 38, 40 geregelt. Natürlich könnten hier auch entsprechende Ventile vorgesehen sein.
  • Das Brennstoff-Wasser-Gemisch durchströmt den Edukt-Wärmetauscher 24 und gelangt daraufhin zum Dampfreformer 18, in welchem der Brennstoff bzw. das Erdgas unter Zunahme des Wassers im Wesentlichen zu Wasserstoff und Kohlenstoffmonoxid reformiert wird. Das Reformat wird anschließend der Brennstoffzelleneinheit 16 anodenseitig zugeführt.
  • Gleichzeitig wird der Hotbox 14 Luft bzw. Sauerstoff mit Hilfe eines in der Brennstoffzellenvorrichtung angeordneten Gebläses 42 zugeführt. Dabei durchströmt die Luft den Luft-Wärmetauscher und wird anschließend der Brennstoffzelleneinheit 16 kathodenseitig zugeführt.
  • In der Brennstoffzelleneinheit 16 wird der im Reformat enthaltene Wasserstoff anodenseitig unter Erzeugung von Strom und Wärme elektrochemisch umgesetzt, wobei Wasser entsteht. Entsprechend wird der in der kathodenseitig zugeführten Luft enthaltene Sauerstoff partiell reduziert.
  • Nach der Umsetzung der entsprechenden Stoffe in der Brennstoffzelleneinheit 16, wird anodenseitig Anodenabgas und kathodenseitig Kathodenabgas aus der Brennstoffzelleneinheit 16 abgeführt. Das Anodenabgas beinhaltet im Wesentlichen Wasser, welches bei der elektrochemischen Umsetzung von Wasserstoff an der Anode 28 entsteht, und Kohlenstoffmonoxid. Natürlich ist im Anodenabgas zudem auch Kohlenstoffdioxid enthalten, da in der Brennstoffzelleneinheit 16 zumindest ein Teil des Kohlenstoffmonoxids zu Kohlenstoffdioxid oxidiert wird. Das Kathodenabgas wiederum beinhaltet im Wesentlichen Sauerstoff, welcher an der Kathode 30 nicht vollständig reduziert wird, und Stickstoff.
  • Das brenngashaltige Anodenabgas wird stromabwärts der Brennstoffzelleneinheit 16 mit dem sauerstoffhaltigen Kathodenabgas zusammengeführt und dem Nachbrenner 20 zugeführt. Durch den Nachbrenner 20 wird das im Anodenabgas enthaltene Brenngas mit dem im Kathodenabgas enthaltenen Sauerstoff zu Kohlenstoffdioxid oxidiert. Dadurch wird zusätzliche Wärme erzeugt.
  • Anschließend wird das aus dem Nachbrenner kommende, heiße Abgas über eine Abgasleitung 44 abgeführt. Dabei passiert das Abgas den Luft-Wärmetauscher 22 und den Edukt-Wärmetauscher 24, wobei ein Teil der Wärme des Abgases auf die Luft und das Brennstoff-Wasser-Gemisch, welche der Hotbox 14 zugeführt werden, übertragen und somit zum Vorwärmen der zugeführten Luft und des zugeführten Brennstoff-Wasser-Gemisches genutzt wird.
  • Schließlich verlässt das Abgas die Hotbox 14 und passiert eine Wärmeabnahme 46, welche in dem gezeigten Ausführungsbeispiel durch einen Heiz-Wärmetauscher 48 realisiert ist. So kann beispielsweise Brauch- und/oder Heizwasser für einen Heizkreis erhitzt werden. Entsprechend weist die Brennstoffzellenvorrichtung eine Vorlaufleitung 50 und eine Rücklaufleitung 52 für Brauch und/oder Heizwasser auf.
  • Wie schon erläutert zeichnet sich das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem 10 durch die integrierte Wärmespeichereinheit 12 zur Speicherung und/oder Bereitstellung von Wärme aus, durch welche der Wirkungsgrad der Brennstoffzellenvorrichtung effizient erhöht wird.
  • Durch den erfindungsgemäßen Einsatz der Wärmespeichereinheit 12 kann die Brennstoffzelleneinheit 16 kontinuierlich auf einem mittleren Leistungsniveau betrieben werden, da bei einer niedrigen Leistungsanforderung überschüssige Wärme in der Wärmespeichereinheit 12 gespeichert und bei einer hohen Leistungsanforderung gespeicherte Wärme bereitgestellt werden kann. Somit ist auch ein Betrieb im Sommer rentabel, wodurch der Jahresnutzungsgrad steigt. Unter einer Leistungsanforderung ist dabei vor allem der Wärmeeistungsbedarf zu verstehen, den zumindest ein Verbraucher an die Brennstoffzellenvorrichtung hat. Die Stromerzeugung kann durchgehend das ganze Jahr erfolgen.
  • Des Weiteren wird kein Spitzenlastbrenner zur Erwärmung von Brauchwasser benötigt. Auch Pufferspeicher, die Üblicherweise bei Heizanlagen eingesetzt werden, können kleiner dimensioniert werden oder ganz entfallen.
  • Erfindungsgemäß ist die integrierte Wärmespeichereinheit 12 stromabwärts der Brennstoffzelleneinheit 16 und des Nachbrennerst 20 angeordnet, wodurch Wärme aus dem Abgas strömungstechnisch direkt der Wärmspeichereinheit 12 zugeführt und gespeichert werden kann.
  • Durch eine kompakte Ausführung ist die integrierte Wärmespeichereinheit 12 an die räumliche Ausgestaltung der Brennstoffzellenvorrichtung 10 bzw. der Hotbox 14 angepasst.
  • Die integrierte Wärmespeichereinheit 12 ist in die Hotbox 14 integriert. Dadurch vermag die Wärmespeichereinheit 12 auf verschiedene Weise zum energieeffizienten Betrieb der erfindungsgemäßen Brennstoffzellenvorrichtung 10 beizutragen. Die Temperatur der Wärmespeichereinheit bleibt in einem, für einen üblichen Betrieb geeigneten, Bereich und muss vor dem Entladen nicht extra aufgeheizt werden.
  • Entsprechend ist die integrierte Wärmespeichereinheit 12 stromaufwärts der Wärmeabnahme 46 angeordnet. Wodurch eine direkte Abgabe von Wärme aus der Hotbox 14 an die strömungstechnisch nachgeschaltete Wärmeabnahme 46 ermöglicht wird.
  • In dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel ist die integrierte Wärmespeichereinheit 12 in einer separaten Abgasleitung angeordnet. Wodurch die Speicherung und/oder Bereitstellung von Wärme an die Leistungsanforderung angepasst werden kann.
  • Die Zu- und/oder Abführung von heißem Abgas kann mittels eines ersten Dreiwegeventils 56 stromaufwärts der integrierten Wärmespeichereinheit 12 und eines zweiten Dreiwegeventils 58 geregelt werden. Dadurch kann das aus dem Nachbrenner kommende heiße Abgas je nach Leistungsanforderung über die Abgasleitung 44 zur Wärmeabnahme 46 und/oder über die separate Abgasleitung 45 direkt zur integrierten Wärmespeichereinheit 12 geleitet werden, um die Wärme zu speichern.
  • In 2 ist eine schematische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Brennstoffzellenvorrichtung 10 gezeigt, wobei gleiche Positionen mit den gleichen Bezugszahlen versehen sind. Die integrierte Wärmespeichereinheit 12 ist stromabwärts des Luft-Wärmeübertragers 22 und des Edukt-Wärmeübertragers 24 angeordnet. So sind keine aufwendigen Umgestaltungen der Brennstoffzellenvorrichtung 10 nötig und es kann strömungstechnisch unmittelbar vor der Wärmeabnahme 46 Wärme in der integrierten Wärmespeichereinheit 12 effizient gespeichert und/oder aus der integrierten Wärmespeichereinheit 12 bereitgestellt werden. Die integrierte Wärmespeichereinheit 12 ist auch in diesem Ausführungsbeispiel in der Hotbox 14 angeordnet.
  • In 3 ist eine schematische Darstellung einer möglichen Ausführungform der integrierten Wärmespeichereinheit 12 gezeigt. Die integrierte Wärmespeichereinheit 12 umfasst einen thermochemischen Wärmespeicher 60, mittels welchem Wärme langfristig gespeichert werden kann. Der thermochemische Wärmespeicher 60 ist ein Hochtemperaturwärmespeicher, durch welchen eine effiziente Speicherung und/oder Bereitstellung von Wärme bewerkstelligt werden kann.
  • Die Speicherung und/oder Bereitstellung von Wärme in einem thermochemischen Speicher 60 erfolgt üblicherweise so, dass eine aus zwei Stoffen bestehende Substanz in einer endothermen, Wärme speichernden Reaktion in die zwei Stoffe zerlegt wird. Die zwei Stoffe können dann räumlich getrennt voneinander über einen langen Zeitraum gelagert werden. Führt man die zwei Stoffe wieder zusammen, so reagieren diese in einer exothermen, Wärme abgebenden Reaktion zu der ursprünglichen Substanz. So kann eine gezielte Speicherung und/oder Bereitstellung von Wärme erfolgen.
  • In der gezeigten Ausführungsform umfasst die integrierte Wärmespeichereinheit 12 ein Granulat 62, bestehend aus Calciumhydroxid (Ca(OH)2) und/oder Calciumcarbonat (CaCO3). Durch die Möglichkeit verschiedenen Stoffe für das Granulat 62 zu verwenden, kann die Wärmespeichereinheit 12 an verschiedenen Stellen der Brennstoffzellenvorrichtung 10 integriert werden.
  • In dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel wird Calciumcarbonat (CaCO3) verwendet. Calciumcarbonat (CaCO3) reagiert bei einer Temperatur von ca. 837 °C zu Calciumoxid (CaO) und Kohlenstoffdioxid (CO2). Somit kann eine optimale Speicherung der Wärme aus dem Abgas, welches üblicherweise eine Temperatur von 800 °C–1000 °C aufweist, erreicht werden.
  • In dem in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel wird Calciumhydroxid (Ca(OH)2) verwendet. Calciumhydroxid (Ca(OH)2) ragiert bei einer Temperatur von ca. 479 °C zu Calciumoxid (CaO) und Wasser (H2O). Somit kann eine optimale Speicherung der Wärme aus dem Abgas nach einer geringfügigen Abkühlung durch den Luft-Wärmeübertrager 22 und den Edukt-Wärmeübertrager 24 erreicht werden. Nach der geringfügigen Abkühlung durch den Luft-Wärmetauscher 22 und den Edukt-Wärmetauscher 24 weist das Abgas üblicherweise eine Temperatur von 400 °C–600 °C auf.
  • Wie in 3 dargestellt weist eine mögliche Wärmespeichereinheit 12 den thermochemischen Wärmespeicher 60 auf, welcher eine erste Kammer 64 für das Granulat 62 und eine zweite, vom abgas durchströmte Kammer 66 aufweist
  • Die erste Kammer 64 und die zweite Kammer 66 sind durch eine gasdurchlässige Wandung 68 getrennt. Die Abgasleitung 44 oder die separate Abgasleitung 54 ist so angeordnet, dass sie im Wesentlichen die zweite Kammer durchläuft. Innerhalb der zweiten Kammer ist die Abgasleitung 44 oder die separate Abgasleitung 54 wendelförmig ausgeführt, wodurch eine Wärmeabgabe und Wärmeaufnahme effektiv erhöht wird.
  • Für eine Speicherung von Wärme wird der integrierten Wärmespeichereinheit 12 das aus der Brennstoffzelleneinheit 16 und/oder dem Nachbrenners 20 kommendes, heißes Abgas über die Abgasleitung 44 oder die separate Abgasleitung 54 zugeführt. Gleichzeitig wird trockene Luft über eine erste Leitung 70 der integrierten Wärmespeichereinheit 12 zugeführt und über eine erste Leitungsanordnung 72 in die zweite Kammer 66 geführt. Die trockene Luft umströmt die Abgasleitung 44 oder die separate Abgasleitung 54 innerhalb der zweiten Kammer 66 und wird durch die Wärme des Abgases aufgewärmt. Daraufhin strömt die trockene, aufgewärmte Luft durch die gasdurchlässige Wandung 68 in die erste Kammer 64. Dort nimmt das Granulat 62 die in der trockenen, aufgewärmten Luft enthaltene Wärme durch eine endotherme Reaktion auf.
  • Umfasst der thermochemische Wärmespeicher 62 nun Granulat 62 bestehend aus Kalziumcarbonat (CaCO3), wie für das Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Brennstoffzellenvorrichtung 10 aus 1 beschrieben, so entsteht bei der endothermen, wärmeaufnehmenden Reaktion Kalziumoxid (CaO) und Kohlenstoffdioxid (CO2). Das Kalziumoxid (CaO) liegt dann in fester Form vor und verbleibt in der ersten Kammer 64. Das Kohlenstoffdioxid (CO2) wiederum liegt dann in gasförmiger Form vor und wird zusammen mit der trockenen Luft über eine zweite Leitungsanordnung 74 in eine zweite Leitung 76 geleitet und schließlich aus der integrierten Wärmespeichereinheit 12 abgeführt.
  • Umfasst der thermochemische Wärmespeicher 62 Granulat 62 bestehend aus Kalziumhydroxid (Ca(OH)2), wie für das Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Brennstoffzellenvorrichtung 10 aus 2 beschrieben, so entsteht bei der endothermen, wärmeaufnehmenden Reaktion Kalziumoxid (CaO) und Wasser (H2O). Das Kalziumoxid (CaO) liegt dann in fester Form vor und verbleibt in der ersten Kammer 64. Das Wasser (H2O) wiederum liegt dann in gasförmiger Form vor, also als Wasserdampf, wodurch der Feuchtigkeitsgehalt in der Luft erhöht und die trockene Luft zur feuchten Luft wird. Die feuchte Luft wird dann über eine zweite Leitungsanordnung 74 in die zweite Leitung 76 geleitet und schließlich aus der integrierten Wärmespeichereinheit 12 abgeführt.
  • Für eine Bereitstellung von Wärme aus der integrierten Wärmespeichereinheit 12 wird die erfindungsgemäße Brennstoffzellenvorrichtung 10 mittels des Gebläses 42 kathodenseitig mit Luft durchströmt. Dabei wird die Zufuhr von Brennstoff und Wasser mittels der Ventile 35, 37 unterbunden. So kommt es zu keiner Wärmeerzeugung in der Brennstoffzelleneinheit 16 und in dem Nachbrenner 20, wodurch die kathodenseitig durchströmende Luft beim Durchströmen nicht erwärmt wird.
  • Der integrierten Wärmespeichereinheit 12 wird für die Bereitstellung von Wärme die kathodenseitig durchströmende Luft über die Abgasleitung 44 oder die separate Abgasleitung 54 zugeführt. Da die kathodenseitig durchströmende Luft in der Brennstoffzelleneinheit 16 und im Nachbrenner 20 nicht erwärmt wird, vermag sie Wärme aus dem integrierten Wärmespeicher 12 zu entnehmen.
  • Ist Wärme gespeichert, so umfasst der thermochemische Wärmespeicher 60 nun Granulat 62 bestehend aus Kalziumoxid (CaO), wie für das Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Brennstoffzellenvorrichtung 10 aus 1 beschrieben. Entsprechend wird der integrierten Wärmespeichereinheit 12 über die zweite Leitung 76 trockene Luft mit Kohlenstoffdioxid (CO2) zugeführt und über die zweite Leitungsanordnung 72 in die erste Kammer 64, welche das Kalziumoxid (CaO) enthält, geführt. Dort kommt es zu einer exothermen Reaktion zwischen dem Kalziumoxid (CaO) und dem Kohlenstoffdioxid (CO2), wodurch Kalziumcarbonat (CaCO3) entsteht und die trockene Luft erwärmt wird. Daraufhin strömt die trockene, aufgewärmte Luft durch die gasdurchlässige Wandung 68 in die zweite Kammer 66. Schließlich umströmt die trockene, aufgewärmte Luft die Abgasleitung 44 oder die separate Abgasleitung 54 innerhalb der zweiten Kammer 66 und erwärmt die in der separaten Abgasleitung 54 kathodenseitig durchströmende Luft auf.
  • Für das aus 2 beschriebene Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Brennstoffzellenvorrichtung 10 umfasst der thermochemische Wärmespeicher 60 ebenfalls Kalziumoxid (CaO), wenn Wärme gespeichert ist. Entsprechend wird der integrierten Wärmespeichereinheit 12 über die zweite Leitung 76 Luft mit einem hohen Feuchtigkeitsgehalt zugeführt und über die zweite Leitungsanordnung 72 in die erste Kammer 64, welche das Kalziumoxid (CaO) enthält, geführt. Dort kommt es zu einer exothermen Reaktion zwischen dem Kalziumoxid (CaO) und dem in der feuchten Luft enthaltenen Wasser (H2O), wodurch Kalziumhydroxid (Ca(OH)2) entsteht und die feuchte Luft getrocknet und erwärmt wird. Daraufhin strömt die trockene, aufgewärmte Luft durch die gasdurchlässige Wandung 68 in die zweite Kammer 66. Schließlich umströmt die trockene, aufgewärmte Luft die Abgasleitung 44 oder die separate Abgasleitung 54 innerhalb der zweiten Kammer 66 und erwärmt die in der Abgasleitung 44 oder in der separaten Abgasleitung 54 kathodenseitig durchströmende Luft auf.
  • Die durch die integrierten Wärmespeichereinheit 12 erwärmte kathodenseitig durchströmende Luft wird nach der Bereitstellung von Wärme aus der integrierten Wärmespeichereinheit 12 zur Wärmeabnahme 46 geleitet, wo schließlich die bereitgestellte Wärme mittels des Heiz-Wärmetauschers 48, beispielsweise zum Aufwärmen von Brauch- und/oder Heizwasser, genutzt wird.
  • In 4 ist eine schematische Darstellung einer weiteren möglichen Ausführungsform der integrierten Wärmespeichereinheit 12 gezeigt. Der Unterschied zu der in 3 gezeigten ausführungsform ist der, dass der thermochemische Speicher keine zweite Kammer 66 aufweist, sondern nur eine erste Kammer 64 für das Granulat 62. Weiter ist die Abgasleitung 44 bzw. die separate Abgasleitung 54 um die erste Kammer 64 gewickelt, wodurch eine effiziente Speicherung und/oder Bereitstellung von Wärme erfolgen kann. Die Speicherung und/oder Bereitstellung von Wärme erfolgt dabei entsprechend analog wie für die Ausführungsform aus 3 beschrieben.
  • Alternativ ist es aber auch denkbar, dass die Abgasleitung 44 bzw. die separate Abgasleitung 54 innerhalb der ersten Kammer 64, umgeben vom Granulat 62, verläuft. So ist es auch denkbar, dass die Abgasleitung 44 bzw. die separate Abgasleitung 54 so durch die Kammer 64 verläuft, dass die Oberfläche für eine bessere Wärmeübertragung vergrößert wird, beispielsweise indem die Abgasleitung 44 bzw. die separate Abgasleitung 54 zumindest im Wesentlichen wendelförmig verläuft.
  • Die erfindungsgemäße Brennstoffzellenvorrichtung 10 wird so betrieben, dass die beschriebene Speicherung und/oder Bereitstellung von Wärme in und/oder aus der integrierten Wärmespeichereinheit 12 in Abhängigkeit einer Leistungsanforderung erfolgt, wodurch der Jahresnutzungsgrad gesteigert wird.
  • Die Speicherung von Wärme in der integrierten Wärmespeichereinheit 12 erfolgt bei einer geringen Leistungsanforderung, wodurch überschüssige Wärme zu einem späteren Zeitpunkt genutzt werden kann. Mit einer geringen Leistungsanforderung ist ggf. auch eine Leistungsanforderung von Null gemeint.
  • Die Bereitstellung von Wärme aus der integrierten Wärmespeichereinheit 12 erfolgt bei einer hohen Leistungsanforderung, wodurch auch bei Leistungsspitzen ausreichend Wärme zur Verfügung gestellt wird.
  • Des Weiteren wird die Brennstoffzellenvorrichtung 10 so betrieben, dass durch die Brennstoffzelleneinheit 16 kontinuierlich eine mittlere Wärmemenge erzeugt wird. Dadurch werden Betriebsschwankungen vermieden, wodurch die Lebensdauer der der Brennstoffzelleneinheit 12 erhöht wird.
  • In 5 ist eine schematische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Brennstoffzellenvorrichtung 10 gezeigt. Der Unterschied zu den übrigen Ausführungsbeispielen ist der, dass für eine Speicherung und/oder Bereitstellung von Wärme eine separate Wasserleitung 78, eine separate Luftleitung 80 und eine weitere Leitung 82 angeordnet sind.
  • Für eine Speicherung von Wärme im Wärmespeicher 12 wird trockene Luft über die separate Luftleitung 80 zugeführt. Jedoch wird kein Wasserdampf über die separate Wasserleitung 78 zugeführt. Wie schon für die übrigen Ausführungsbeispiele erläutert, reagiert das in der Wärmespeichereinheit 12 enthaltene Granulat 62 unter Aufnahme von Wärme. Es wird die Wärme des Abgases aufgenommen, welches durch die Abgasleitung 44 strömt. Bei der Reaktion des in der Wärmespeichereinheit 12 enthaltenen Granulats 62 unter Aufnahme der Wärme wird Wasser freigesetzt. Das Wasser und die Luft, d.h. feuchte Luft, werden anschließend über die weitere Leitung 82 von der Wärmespeichereinheit 12 abgeführt und schließlich der Abgasleitung 44 zugeführt.
  • Für eine Bereitstellung von Wärme aus dem Wärmespeicher 12 wird Wasserdampf mittels der separaten Wasserleitung 78 und Luft mittels der separaten Luftleitung 80 der Wärmespeichereinheit 12 zugeführt werden. D.h. der Wärmespeichereinheit 12 wird feuchte Luft zugeführt. Das in der feuchten Luft enthaltene Wasser reagiert, wie für die übrigen Ausführungsbeispiele schon erläutert, unter Abgabe von Wärme mit dem in der Wärmespeichereinheit 12 enthaltenen Granulat 62, wodurch getrocknete Luft verbleibt. Die getrocknete Luft verlässt daraufhin die Wärmespeichereinheit 12 und wird anschließend über die weitere Leitung 82 der Abgasleitung 44 zugeführt. Die bei der Reaktion entstehende Wärme wird durch den in der Abgasleitung 44 strömenden Soff, beispielsweise Luft oder Abgas, aufgenommen. Anschließend wird die Wärme in der Abgasleitung 44 durch die Wärmeabnahme 46, beispielsweise für einen Heizkreis, abgegriffen.
  • In einem alternativen Ausführungsbeispiel, welches von den Figuren ausgeht und nicht bildlich dargestellt ist, ist die integrierte Wärmespeichereinheit 12 außerhalb der Hotbox 14 und innerhalb der Brennstoffzellenvorrichtung 10 angeordnet. Insbesondere ist Sie außerhalb der Verschalung angeordnet. Vorzugsweise wird die integrierte Wärmespeichereinheit 12 aber in der Nähe der Hotbox 14 angeordnet, so dass auch von der Hotbox 14 abstrahlende Wärme gespeichert werden kann.
  • In einem weiteren alternativen Ausführungsbeispiel, welches von den Figuren ausgeht und nicht bildlich dargestellt ist, weist die Brennstoffzellenvorrichtung 10 eine Anodenabgasrezirkulationsleitung auf, durch welche zumindest ein Teil des Anodenabgas der Brennstoffzelleneinheit 16 rezirkuliert werden kann. Zweckmäßigerweise wird durch die Anodenabgasrezirkulationsleitung zumindest ein Teil des wasserhaltigen Anodenabgases von einer Stelle stromabwärts der Brennstoffzelleneinheit zu einer Stelle stromaufwärts des Dampfreformers 18 geführt, wodurch die Wasserzufuhrleitung 36 ganz oder teilweise entfallen kann.
  • In einem weiteren alternativen Ausführungsbeispiel, welches von den Figuren ausgeht und nicht bildlich dargestellt ist, wird der integrierten Wärmespeichereinheit 12 wasserhaltiges Anodenabgas zugeführt. Entsprechend ist es denkbar, dass die zweite Leitung 76 mit der Brennstoffzelleneinheit 16 und/oder mit einer Anodenabgasrezirkulationsleitung verbunden ist.
  • In einem weiteren alternativen Ausführungsbeispiel, welches von den Figuren ausgeht, ist es denkbar, dass die Brennstoffzellenvorrichtung 10 so betrieben wird, dass die in der integrierten Wärmespeichereinheit 12 gespeicherte Wärme zum Aufheizen der Brennstoffzellenvorrichtung 12, bzw. der einzelnen Komponenten, in einer Start-Phase bereitgestellt wird, wodurch der Einbau zusätzlicher Heizelemente überflüssig wird. Das Aufheizen kann so erfolgen, dass der Brennstoffzellenvorrichtung 10, wie schon für die Bereitstellung von Wärme aus der integrierten Wärmespeichereinheit 12 beschrieben, kathodenseitig Luft zugeführt wird, die durch die Wärmespeichereinheit 12 erwärmt wird und anschließend den einzelnen Komponenten der Brennstoffzellenvorrichtung zugeführt wird. Beispielsweise kann die aus der integrierten Wärmespeichereinheit 12 kommende, erwärmte Luft durch eine Leitung stromaufwärts der Brennstoffzelleneinheit 16 wieder zugeführt werden. So ist es auch denkbar, dass gleichzeitig Brennstoff und Wasser der Brennstoffzellenvorrichtung 10 zugeführt werden, wodurch wiederum eine Erzeugung von Strom und Wärme in der Brennstoffzelleneinheit 16 ermöglicht wird. Die Zufuhr von Brennstoff und Wasser kann dabei kontinuierlich und/oder stufenweise erhöht werden, wodurch auch die Erzeugung von Strom und Wärme erhöht wird.
  • In einem weiteren alternativen Ausführungsbeispiel, welches von den Figuren ausgeht und nicht bildlich dargestellt ist, umfasst die Wärmespeichereinheit 12 statt einen thermochemischen Wärmespeicher 60 einen Latentwärmespeicher.
  • In einem weiteren alternativen Ausführungsbeispiel, ist es denkbar, dass die Speicherung und/oder Bereitstellung von Wärme in und/oder aus der integrierten Wärmespeichereinheit 12 über einen Zwischenkreis mit evtl. einem Warmwasserspeicher erfolgt.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 102012017194 A1 [0002]

Claims (10)

  1. Brennstoffzellenvorrichtung (10), gekennzeichnet durch mindestens eine integrierte Wärmespeichereinheit (12) zur effizienten Speicherung und/oder Bereitstellung von Wärme.
  2. Brennstoffzellenvorrichtung (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine integrierte Wärmespeichereinheit (12) stromabwärts mindestens einer Brennstoffzelleneinheit (16) und/oder mindestens eines Nachbrenners (20) angeordnet ist.
  3. Brennstoffzellenvorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine integrierte Wärmespeichereinheit (12) stromaufwärts mindestens einer Wärmeabnahme (46), insbesondere einer Wärmeabnahme (46) durch Brauchwasser und/oder Heizwasser, angeordnet ist.
  4. Brennstoffzellenvorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine integrierte Wärmespeichereinheit (12) in mindestens einer separaten Abgasleitung angeordnet ist.
  5. Brennstoffzellenvorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine integrierte Wärmespeichereinheit (12) stromabwärts mindestens eines Wärmeübertragers (22, 24), insbesondere eines Luft-Wärmeübertragers (22) und/oder eines Edukt-Wärmeübertragers (24), angeordnet ist.
  6. Brennstoffzellenvorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine integrierte Wärmespeichereinheit (12) mindestens einen thermochemischen Wärmespeicher (60) und/oder mindestens einen Latentwärmespeicher, umfasst.
  7. Brennstoffzellenvorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine integrierte Wärmespeichereinheit (12) ein Granulat (62), vorzugsweise bestehend aus Calciumhydroxid (Ca(OH)2) und/oder aus Calciumcarbonat (CaCO3), umfasst.
  8. Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzellenvorrichtung (10), insbesondere einer Brennstoffzellenvorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Speicherung und/oder Bereitstellung von Wärme in und/oder aus mindestens einer integrierten Wärmespeichereinheit (12) in Abhängigkeit einer Leistungsanforderung erfolgt.
  9. Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzellenvorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Speicherung von Wärme in der mindestens einen integrierten Wärmespeichereinheit (12) bei einer geringen Leistungsanforderung erfolgt.
  10. Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzellenvorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Bereitstellung von Wärme aus der mindestens einen integrierten Wärmespeichereinheit (12) bei einer hohen Leistungsanforderung erfolgt.
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