-
Brennstoffzellen sind für die Erzeugung von elektrischem Strom auf der Basis einer elektrochemischen Reaktion von Nutzen. Es sind verschiedene Arten von Brennstoffzellen bekannt. Typische Nebenprodukte des Betriebs von Brennstoffzellen beinhalten Wasser und Wärme. Es gibt verschiedene Vorschläge zur Erzielung eines Nutzens aus der Wärme, die während des Brennstoffzellenbetriebs erzeugt wird.
-
Beispielsweise wurde vorgeschlagen, eine Anordnung aus einer Wärmepumpe und einer Brennstoffzelle zu kombinieren. Das US-Patent
US 6 370 903 B1 zeigt eine Anordnung zur Verwendung bei einem Fahrzeug, die eine Brennstoffzelle als Energiequelle für das Fahrzeug beinhaltet. Eine weitere Anordnung ist in dem US-Patent
US 8 445 155 B2 gezeigt. Ein Nachteil dieser Anordnung besteht darin, dass sie separate Rohrleitungen in Verbindung mit Wärmetauschern einer Brennstoffzelle erforderlich macht, wodurch die Komplexität und die Kosten des Systems erhöht werden.
-
-
Fachleute sind daher bestrebt, fortgeschrittenere und verbesserte Energieversorgungssysteme zu finden. Ein gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ausgebildetes System erreicht dieses Ziel.
-
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein System mit den Merkmalen, wie sie im unabhängigen Anspruch 1 angegeben sind. Ausführungsformen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
-
Ein System gemäß einem der Erläuterung dienenden Beispiel beinhaltet mindestens eine Brennstoffzelle, die zum Erzeugen von elektrischem Strom auf der Basis einer elektrochemischen Reaktion ausgebildet ist. Die Brennstoffzelle weist eine Abgaseinrichtung auf. Eine Wärmepumpe beinhaltet einen Verdampfer, einen Kondensator, einen Kompressor und ein Expansionsventil. Ein Kühlkreis ist extern von der mindestens einen Brennstoffzelle vorgesehen. Der Kühlkreis weist einen ersten Bereich auf, der der Abgaseinrichtung zugeordnet ist, so dass Wärme von der Abgaseinrichtung eine Kühlfluid-Temperatur in dem ersten Bereich erhöht. Der Kühlkreis weist einen zweiten Bereich stromabwärts von dem ersten Bereich auf. Der zweite Bereich des Kühlkreises ist dem Verdampfer zugeordnet, sodass Wärme von dem Kühlfluid in dem zweiten Bereich die Temperatur des Verdampfers erhöht. Der Abgaseinrichtung ist ein Abgaskondensator zugeordnet. Der erste Bereich des Kühlkreises ist derart angeordnet, dass Wärme von dem Abgaskondensator die Temperatur des Kühlfluids in dem ersten Bereich erhöht.
-
Ein exemplarisches System mit einem oder mehreren Merkmalen des Systems des vorausgehenden Absatzes beinhaltet ein mit dem zweiten Bereich gekoppeltes Umgehungsventil. Das Umgehungsventil wird selektiv betätigt, um Kühlfluid in dem zweiten Bereich zum selektiven Steuern des Wärmetransfers von dem zweiten Bereich zu dem Verdampfer zu führen.
-
Ein exemplarisches System mit einem oder mehreren Merkmalen des Systems nach einem der vorhergehenden Absätze beinhaltet einen der Brennstoffzelle zugeordneten Wärmetauscher von hoher Qualität. Ein Wärmeabgabenetz stromabwärts von dem Kondensator der Wärmepumpe leitet erwärmtes Fluid zumindest teilweise durch den Wärmetauscher von hoher Qualität hindurch.
-
Bei einem exemplarischen System mit einem oder mehreren Merkmalen des Systems nach einem der vorhergehenden Absätze beinhaltet die Brennstoffzelle eine Mehrzahl von Brennstoffzellen-Stapelanordnungen mit jeweils einer Abgaseinrichtung. Der Kühlkreis weist jeweilige erste Bereiche auf, die den jeweiligen Abgaseinrichtungen zugeordnet sind. Jeder der ersten Bereiche des Kühlkreises liefert Kühlfluid an den zweiten Bereich.
-
Bei einem exemplarischen System mit einem oder mehreren Merkmalen des Systems nach einem der vorhergehenden Absätze beinhaltet der Kühlkreis einen dritten Bereich, der Kühlfluid von dem zweiten Bereich in Richtung auf die Abgaseinrichtung befördert, wobei der Kühlkreis mindestens ein Wärmeabführelement beinhaltet, das zum Vermindern der Kühlfluid-Temperatur in dem dritten Bereich angeordnet ist.
-
Bei einem exemplarischen System mit einem oder mehreren Merkmalen des Systems nach einem der vorhergehenden Absätze liegt die Temperatur des Kühlfluids in dem ersten Bereich zwischen 40° und 60 °C, wobei eine Kühlfluid-Temperatur in dem zweiten Bereich stromaufwärts von dem Verdampfer in etwa gleich der Temperatur des Kühlfluids in dem ersten Bereich ist und eine Kühlfluid-Temperatur in dem zweiten Bereich stromabwärts von dem Verdampfer zwischen 20° und 30 °C liegt.
-
Ein der Erläuterung dienendes, exemplarisches Verfahren (das nicht Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist) beinhaltet folgende Schritte: Erzeugen von elektrischem Strom aus einer elektrochemischen Reaktion in mindestens einer Brennstoffzelle, die eine zugeordnete Abgaseinrichtung aufweist; Absorbieren von Wärme von der Abgaseinrichtung zum Erhöhen der Temperatur eines Kühlfluids; Leiten zumindest eines Teils des Kühlfluids zu einem Verdampfer einer Wärmepumpe, die den Verdampfer, einen Kondensator, einen Kompressor und ein Expansionsventil beinhaltet; und Erhöhen einer Temperatur des Verdampfers der Wärmepumpe unter Verwendung des Kühlfluids.
-
Ein exemplarisches Verfahren mit einem oder mehreren Merkmalen des Verfahrens des vorhergehenden Absatzes (das nicht Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist) beinhaltet das Steuern eines Umgehungsventils, um in selektiver Weise zu steuern, ob das Kühlfluid die Temperatur des Verdampfers erhöht.
-
Ein exemplarisches Verfahren mit einem oder mehreren Merkmalen nach einem der vorhergehenden Absätze (das nicht Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist) beinhaltet das Vorsehen eines der Brennstoffzelle zugeordneten Wärmetauschers von hoher Qualität. Das Verfahren beinhaltet das Leiten von erwärmtem Fluid von dem Kondensator der Wärmepumpe zumindest teilweise durch den Wärmetauscher von hoher Qualität hindurch.
-
Bei einem exemplarischen Verfahren mit einem oder mehreren Merkmalen des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Absätze (das nicht Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist) liegt eine Temperatur des Kühlfluids, das zwischen der Abgaseinrichtung und dem Verdampfer strömt, zwischen 40° und 60 °C und eine Temperatur des Kühlfluids, das zwischen dem Verdampfer und der Abgaseinrichtung strömt, liegt zwischen 20° und 30 °C.
-
Die Erfindung und Weiterbildungen der Erfindung werden im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben; darin zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung eines Systems, das gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ausgebildet ist und eine Wärmepumpe in eine Brennstoffzellen-Kraftanlage integriert; und
- 2 eine schematische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels.
-
1 veranschaulicht in schematischer Weise ein System 20 mit einer Brennstoffzellen-Kraftanlage, die eine erste Brennstoffzellen-Kraftanlageneinheit 22 und eine zweite Brennstoffzellen-Kraftanlageneinheit 24 aufweist. Die erste Brennstoffzellen-Kraftanlageneinheit 22 weist mindestens eine Brennstoffzellen-Stapelanordnung 26 auf, die eine Mehrzahl von Brennstoffzellen beinhaltet, die elektrischen Strom auf der Basis einer elektrochemischen Reaktion erzeugen. Bei einer exemplarischen Ausführungsform handelt es sich bei den einzelnen Brennstoffzellen um Brennstoffzellen auf Elektrolyt-Basis, die Phosphorsäure als Elektrolyten verwenden. Zum Zweck der Erläuterung werden exemplarische Brennstoffzellen auch als Phosphorsäure-Brennstoffzellen (PAFCs) bezeichnet. Die zweite Brennstoffzellen-Kraftanlageneinheit 24 beinhaltet mindestens eine Brennstoffzellen-Stapelanordnung 28. Zum Zweck der Erläuterung sind lediglich zwei Brennstoffzellen-Kraftanlageneinheiten 22 und 24 dargestellt, jedoch kann in einer tatsächlichen Ausführung die Anzahl der Kraftanlageneinheiten, die jeweils mindestens einen Brennstoffzellenstapel beinhalten, viel höher sein.
-
Die Brennstoffzellen-Kraftanlageneinheit 22 beinhaltet eine Abgaseinrichtung 30, die bei dem vorliegenden Beispiel einen Abgaskondensator aufweist. Die Abgaseinrichtung 30 ist der Brennstoffzellen-Stapelanordnung 26 zugeordnet, um aus der Erzeugung von elektrischem Strom resultierende Luft-Nebenprodukte auszustoßen. Bei einigen Beispielen ist die Abgaseinrichtung 30 auch mit einem Reformer (nicht dargestellt) gekoppelt, der zum Zuführen von Brennstoff zu der Brennstoffzellen-Stapelanordnung 26 verwendet wird. Bei Ausführungsformen, die eine dem Kondensator der Abgaseinrichtung 30 zugeordnete Reformer-Abgaseinrichtung beinhalten, kann die Temperatur an dem Kondensator höher sein als bei Ausführungsformen, bei denen die Reformer-Abgaseinrichtung getrennt von der Brennstoffzellen-Abgaseinrichtung vorgesehen ist.
-
Die Brennstoffzellen-Kraftanlageneinheit 22 beinhaltet einen Wärmetauscher 32 hoher Qualität, der der Brennstoffzellen-Stapelanordnung 26 zugeordnet ist. Ein Merkmal der dargestellten exemplarischen Ausführungsform besteht darin, dass der Brennstoffzellen-Stapelanordnung 26 kein Wärmetauscher minderer Qualität zugeordnet ist. Die Eliminierung von einem bei Brennstoffzellen-Kraftanlagen häufig verwendeten Wärmetauscher sorgt für Spareffekte, die eine Reduzierung der Systemkosten durch Eliminierung eines Wärmetauschers beinhalten.
-
Die zweite Brennstoffzellen-Kraftanlageneinheit 24 beinhaltet eine Abgaseinrichtung 34 sowie einen Wärmetauscher 36 hoher Qualität, die beide der Brennstoffzellen-Stapelanordnung 28 zugeordnet sind.
-
Das System 20 beinhaltet eine Wärmepumpe 40, die in die Brennstoffzellen-Kraftanlage integriert ist. Die Wärmepumpe 40 beinhaltet einen Kompressor 42, einen Kondensator 44, ein Expansionsventil 46 sowie einen Verdampfer 48. Die Wärmepumpe 40 arbeitet in bekannter Weise und ist in Abhängigkeit von der Strömungsrichtung innerhalb des Kreislaufs der Wärmepumpe 40 in der Lage, Wärme oder Kühlung bereitzustellen.
-
Das System 20 beinhaltet ferner einen Hilfs-Kühlkreis 50, der extern von der Brennstoffzellen-Stapelanordnung 26 vorgesehen ist. Der Kühlkreis 50 ist getrennt von jeglichem Kühlmittel vorgesehen, das innerhalb der Brennstoffzellen-Stapelanordnung 26 verwendet wird, wie z.B. ein Kühlfluid, das zum direkten Kühlen der Komponenten der Brennstoffzellen-Stapelanordnung verwendet wird. Stattdessen ist der Kühlkreis 50 der Abgaseinrichtung 30 und 34 der Brennstoffzellen-Kraftanlageneinheiten zugeordnet. Der Kühlkreis 50 ist dazu ausgebildet, die Effizienz der Wärmepumpe 40 auf der Basis von Wärme zu erhöhen, die von der Abgaseinrichtung 30 und 34 gewonnen wird.
-
Bei dem Beispiel der 1 sind mehrere Brennstoffzellen-Kraftanlageneinheiten vorhanden, und der Kühlkreis 50 weist einige doppelt vorgesehene Teile auf, die für die jeweilige dieser Einheiten vorgesehen sind. Beispielsweise ist ein erster Bereich des Kühlkreises 50 bei dem Bezugszeichen 52A und 52B dargestellt. Der erste Bereich führt ein Kühlfluid, wie z.B. Glykol, zu der Abgaseinrichtung 30 bzw. 34, wo die Temperatur des Kühlmittels auf der Basis der an der Abgaseinrichtung vorhandenen Wärme erhöht wird. Das Kühlfluid strömt durch den ersten Bereich 52A, 52B zu einem Expansionsbehälter 54 und einer Pumpe 56. Ein zweiter Bereich 58 des Kühlkreises führt dem Verdampfer 48 der Wärmepumpe 40 Kühlmittel zu. Das Kühlfluid in dem zweiten Bereich 58 erhöht die Temperatur des Verdampfers 48. Solche an dem Verdampfer 48 bereitgestellte, zusätzliche Wärme erhöht die Wärmeausgangsleistung der Wärmepumpe 40, wenn diese in einem Heizmodus arbeitet. Ein dritter Bereich 60 des Kühlkreises 50 führt Kühlfluid zurück in Richtung auf den ersten Bereich 52A, 52B.
-
Das dargestellte Beispiel beinhaltet speziell vorgesehene Kühlmodule 62A und 62B, die den Brennstoffzellen-Kraftanlageneinheiten 22 bzw. 24 zugeordnet sind. Die speziellen Kühlmodule 62A und 62B arbeiten bei einem Beispiel in bekannter Weise zum Reduzieren einer Temperatur des Kühlfluids nach Bedarf, wobei dies von den Umständen abhängig ist. Ein exemplarischer Umstand kann vorliegen, wenn die Wärmepumpe 40 während des Betriebs nicht arbeitet.
-
Umgehungs-Steuerventile 64 und 66 sind vorgesehen, um Kühlfluid innerhalb des Kühlkreises 50 in Abhängigkeit von den Bedürfnissen einer bestimmten Situation in selektiver Weise zu führen. Das Umgehungsventil 64 ermöglicht eine Steuerung dahingehend, wie viel oder ob Kühlfluid an dem Verdampfer 48 bereitgestellt wird. Es können Umstände vorhanden sein, beispielsweise wenn die Wärmepumpe 40 zur Kühlung verwendet wird, wenn eine Erwärmung des Verdampfers 48 nicht erwünscht ist. Das Umgehungsventil 64 ermöglicht, dass Kühlmittel in dem zweiten Bereich 58 unter solchen Umständen von dem Verdampfer 48 weg umgeleitet wird. Zusätzlich kann, wenn sich die Wärmebedürfnisse an dem Verdampfer 48 auf einem relativ niedrigen Niveau befinden, zumindest einen Teil des Kühlfluids von dem zweiten Bereich 58 unter Verwendung des Umgehungsventils 64 von dem Verdampfer 48 weg umgeleitet werden.
-
Die Umgehungsventile 66A und 66B sind für die Steuerung von Nutzen, ob Kühlfluid durch die jeweiligen Kühlmodule 62A, 62B hindurchströmt.
-
Bei einer exemplarischen Ausführungsform liegt die Temperatur der Abgaseinrichtung 30, 34 in der Größenordnung von 60 °C. Kühlfluid innerhalb des ersten Bereichs 52A, 52B des Kühlkreises 50 kann eine Temperatur in der Größenordnung von 40° bis 60 °C aufweisen. Eine Temperatur des Kühlfluids in dem zweiten Bereich 58 entspricht typischerweise oder ist gleich der Temperatur des Kühlfluids in dem ersten Bereich 52A, 52B. Nachdem Wärme aus dem Kühlmittel absorbiert worden ist und die Temperatur des Verdampfers 48 erhöht ist, kann eine Temperatur des Kühlfluids in dem dritten Bereich 60 des Kühlkreises 50 in der Größenordnung von 20° bis 30 °C liegen.
-
Die Nutzung von Wärme von der Abgaseinrichtung 30, 34 sorgt für eine höhere Wärmeeffizienz als früher vorgeschlagene Anordnungen, und zwar zum Teil, da der Kühlkreis 50 als Hilfseinrichtung und extern von den Brennstoffzellen-Stapelanordnungen 26, 28 vorgesehen ist. Ferner stützt sich das offenbarte Ausführungsbeispiels auf keinen Wärmetauscher, wie z.B. einen Wärmetauscher von geringer Qualität einer Brennstoffzellen-Kraftanlage. Die Nutzung des Abgases einer Brennstoffzellen-Kraftanlageneinheit sorgt für eine verbesserte Energienutzungseffizienz, und zwar zum Teil durch Eliminieren der ansonsten bestehenden Zwangslage in Verbindung mit dem Versuch, zusätzliche Wärme von einem geringe Qualität aufweisenden Wärmetauscher einer Brennstoffzellen-Stapelanordnung zu gewinnen.
-
Ein Merkmal des Beispiels der 1 besteht darin, dass es ein Erwärmen von Fluid von dem Kondensator 44 durch die hohe Qualität aufweisenden Wärmetauscher 32, 36 ermöglicht. Wenn ein Kundenbedarf auf einem hohen Niveau vorliegt, kann die Temperatur des den Kondensator 44 verlassenden Fluids in der Größenordnung von 70° bis 80 °C liegen. Indem dieses Fluid durch die hohe Qualität aufweisenden Wärmetauscher 32, 36 (oder auch nur einen von diesen, falls erwünscht) erwärmt werden kann, kann die Temperatur des Fluids, das zur Bereitstellung von Wärme zur Erfüllung des Kundenbedarfs verwendet wird, in der Größenordnung von 90° bis 100 °C liegen. Es ist zwar in 1 nicht speziell dargestellt, jedoch kann die Fluidströmung, die den Wärmetauschern 32 und 36 hoher Qualität zugeordnet ist, unter Verwendung einer programmierten Steuerung sowie von geeigneten Ventilen selektiv gesteuert werden, die sich dem Fachmann bei Lektüre der vorliegenden Beschreibung erschließen.
-
In 1 besitzt jede der Brennstoffzellen-Kraftanlageneinheiten ein spezielles, zugeordnetes Kühlmodul. Das Beispiel der 2 beinhaltet eine zentralisierte Kühlanordnung 70 für den Hilfs-Kühlkreis 50. Bei diesem Beispiel steuert ein Temperatursensor 72 das Umgehungsventil 66 zum selektiven Führen von Kühlfluid von dem dritten Bereich 60 durch einen oder mehrere Wärmetauscher 74, 76, bevor dieses Kühlmittel zu den Abgaseinrichtungen 30, 34 der Brennstoffzellen-Kraftanlageneinheiten zurückgeführt wird. 2 veranschaulicht auch einen Kühlsystem-Vorrat 78, bei dem es sich um einen Vorratsbehälter für Glykol oder ein anderes Kühlfluid handeln kann.
-
Die zentralisierte Kühlanordnung 70 oder die speziell zugeordneten Kühlmodule 62A, 62B schaffen einen Weg zum Abführen von Wärme unter Umständen, unter denen die Wärmepumpe 40 nicht arbeitet oder ansonsten keine Wärme aus dem in dem Kreislauf 50 strömenden Kühlmittel absorbiert wird
-
Ein weiteres Merkmal der exemplarischen Ausführungsform der 2 besteht darin, dass sie eine Umgehung 80 sowie ein Umgehungsventil 82 veranschaulicht, das in selektiver Weise dazu genutzt werden kann, Fluid von dem Kondensator 44 von den Wärmetauschern 32, 36 hoher Qualität weg zu leiten.
-
Die Nutzung von Wärme aus der Abgaseinrichtung in der vorstehend beschriebenen Weise sorgt für eine gesteigerte Wärmepumpeneffizienz, da eine geringere Leistungsaufnahme erforderlich ist, um die erwünschten Temperaturen von der Wärmepumpe 40 zu erzielen. Zusätzlich kann dadurch, dass kein zwischengeordneter Wärmetauscher von geringer Qualität verwendet wird, der der Brennstoffzellen-Stapelanordnung zugeordnet ist, eine höhere Eingangstemperatur an dem Verdampfer der Wärmepumpe erzielt werden. Wenn ferner der Abgaseinrichtung eine Reformer-Abgaseinrichtung zugeordnet ist, wird eine Zufuhr zu dem Verdampfer mit einer noch höheren Temperatur möglich.
-
Die vorstehende Beschreibung dient der Erläuterung und ist nicht einschränkend zu verstehen. Für einen Durchschnittsfachmann versteht es sich, dass gewisse Modifikationen im Umfang der vorliegenden Offenbarung möglich sind. Aus diesem Grund wird zur Bestimmung des wahren Umfangs und Gehalts der vorliegenden Offenbarung auf die nachfolgenden Ansprüche verwiesen.
