DE19838652C2 - Verfahren zum Auskoppeln und Nutzen von Wärme aus einer Brennstoffzelle, Brennstoffzelle und Absorptionswärmepumpe oder Absorptionskältemaschine mit einer solchen Brennstoffzelle - Google Patents

Verfahren zum Auskoppeln und Nutzen von Wärme aus einer Brennstoffzelle, Brennstoffzelle und Absorptionswärmepumpe oder Absorptionskältemaschine mit einer solchen Brennstoffzelle

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Description

Stand der Technik
Stand der Technik sind Brennstoffzellen, die in sehr unter­ schiedlichen Ausführungen gebaut und entwickelt werden. Ei­ ne Ausführung ist schematisch in Fig. 1 gezeigt. Ihr ge­ meinsames Kennzeichen ist, daß Brennstoff 2 und Oxidations­ mittel 3 kontinuierlich zugeführt wird, Abgas 4 kontinuier­ lich abgeführt wird, Strom kontinuierlich abgeführt wird, Wärme mit dem Abgas kontinuierlich abgeführt wird. Die Wär­ me wird günstigerweise zu Heizzwecken oder als Prozesswärme verwendet. Mehrere Einzelzellen 1 sind vorteilhafterweise zu einem Stack zusammengeschaltet.
Aus der DE 196 41 143 A1 ist eine Brennstoffzelle bekannt, die durch Zuführung von Wasser zusammen mit Brennstoff oder Oxidationsmittel gekühlt wird. Das zugeführte Wasser ver­ dunstet durch die in der Brennstoffzelle erzeugte Wärme und verdunstet.
Stand der Technik sind auch Wärmerohre. Sie dienen der Hochleistungswärmeübertragung. In Wärmerohren wird ein Ar­ beitsmittel auf der wärmeabgebenden Seite verdampft, als Dampf zu einer gekühlten Seite transportiert, dort wieder verflüssigt und als Flüssigkeit zurücktransportiert.
Stand der Technik sind auch Absorptionskältemaschinen. Eine einfache Ausführung ist schematisch in Fig. 2 gezeigt. Sie erzeugen Kälte durch Verdampfen eines Arbeitsmittels 5 im Verdampfer 6. Der Arbeitsmitteldampf wird im Absorber 7 un­ ter Wärmeabgabe in eine Lösung 8 absorbiert. Die Lösung wird unter Wärmeaufnahme im Austreiber 9 regeneriert. Der dabei erzeugte Kältemitteldampf wird in einen Kondensator 10 unter Wärmeabgabe verflüssigt. Das flüssige Kältemittel gelangt zurück in den Verdampfer 6.
Wie beispielhaft in Fig. 3 gezeigt, ist derzeit Stand der Entwicklung, die zum Antrieb einer Absorptionskältemaschine 13 nötige Wärme aus der Abwärme von Brennstoffzellen 11 zu gewinnen. Hierfür wird die im Abgas 4 enthaltene Abwärme über Wärmetauscher 12 an die zu regenerierende Lösung abge­ geben. Hierbei treten folgende Nachteile auf: 1. der Kreis­ lauf des Kühlmediums erfordert Pumparbeit und verringert dadurch die Stromausbeute der Brennstoffzelle. 2. der zu­ sätzlich benötigte Wärmetauscher 12 erhöht die Kosten der Anlage. 3. Der zusätzliche Wärmetausch und die beschränkte Wärmekapazität des wärmeübertragenden Fluids verringert die an der Absorptionskälteanlage nutzbare Temperatur, so daß die erzielbare Kälteleistung und der Wirkungsgrad der Ab­ sorptionskälteanlage sinkt und die Gesamtkosten steigen.
Es ist daher die Aufgabe der Erfindung ein verbessertes Verfahren zum Auskoppeln von Wärme aus einer Brennstoffzel­ le anzugeben, wobei die ausgekppelte Wärme in anderen Pro­ zessen genutzt werden kann. Weiter ist es Aufgabe der vor­ liegenden Erfindung eine entsprechende Vorrichtung anzuge­ ben.
Die Lösung dieser Aufgaben erfolgt durch die Merkmale des Anspruchs 1 bzw. 12.
Das Wesen der Erfindung ist es, die Brennstoffzelle selbst als Wärmeaustauschfläche zu verwenden. Hierdurch wird die Integration von Brennstoffzelle und Kälteprozeß möglich. Es resultieren kompaktere Bauart, Kostenersparnis und ein ver­ besserter Wirkungsgrad. Schematisch ist dies in Fig. 4 dargestellt. Der Austreiber 14 der Kälteanlage 13 enthält hier gleichzeitig die Brennstoffzelle.
Vorteilhafte Ausführungen eines Austreibers 14 sind schema­ tisch in Fig. 5 gezeigt. Einzelzellen 1 fungieren als Wär­ metauscherflächen. Es können aber auch jeweils mehrere Ein­ zelzellen 1 zusammengefaßt werden. Brennstoff- und Oxidati­ onsmittelzuführungen sowie Abgasabführungen sind nicht dar­ gestellt. In Fig. 5a bilden die Zellen 1 die Wände eines Fallfilmdesorbers. Die Lösung 15 wird von einer vorteilhaf­ ten Ausführung von einer Düse 16 über einen Sprühkegel 17 auf Zellen 1 aufgebracht, wo sie als Fallfilm 18 herabläuft und dabei regeneriert wird. In anderen vorteilhaften Aus­ führungen füllt die Lösung 16 die Zwischenräume zwischen den Zellen 1 aus. Dabei kann Arbeitsmitteldampf 19 bebil­ dert werden. Eine vorteilhafte Ausführung (Fig. 5b) ist ei­ ne Zweiphasenströmung analog zu einem Plattenwärmetauscher. In einer anderen vorteilhaften Ausführung (Fig. 5c) werden die Brennstoffzelleneinheiten 1 als Heizelemente in einem Lösungssumpf 15 gestellt.
Eine weiter Ausführungsform ist in Fig. 6 dargestellt, bei der das Phasenwechselmaterial durch den Reaktionsbereich der Brennstoffzelle umgebende Wärmetauscherschlangen ge­ führt wird.

Claims (20)

1. Verfahren zum Auskoppeln von Wärme aus einer Brennstoffzelle in der durch Reaktion eines Brennstoffs mit einem Oxidationsmittel elektrischer Strom und Wärme erzeugt wird,
wobei die Brenstoffzelle einen Elektrolyten, der zwischen einem Elektrodenpaar angeordnet ist, und ein Gehäuse, das die Anordnung aus Elektrolyt und Elektrodenpaar gasdicht umschließt, und Strömungskanäle zur Zuführung von Brennstoff und Oxidationsmittel und zur Abführung von Abgasen umfasst,
wobei die Wärmeauskoppelung wenigstens teilweise durch Übertragung der Wärme auf ein endotherm die Phase wechselndes Wärmeträgermedium erfolgt, dadurch gekennzeichnet,
dass das Wärmeträgermedium durch in das Gehäuse integrierte gasdichte Strömungskanäle geführt wird, und
dass die in den Strömungskanälen auf das Wärmeträgermedium übertragene Wärme durch einen exothermen Phasenwechsel nutzbar gemacht wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Phasenwechsel durch Verdampfung und/oder Kondensation durchgeführt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass durch das Wärmeträgermedium beim Phasenwechsel eine chemische Reaktion durchlaufen wird.
4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Dampfdruck des verdampfenden Mediums durch Zugabe eines weiteren Stoffes abgesenkt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die endothermen und/oder exothermen Vorgänge nicht kontinuierlich durchgeführt werden.
6. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die aus der Brennstoffzelle ausgekoppelte Wärme an einen Wärmepumpenprozeß abgegeben wird.
7. Verfahren nach Anspruche 6, dadurch gekennzeichnet, dass durch die aus der Brennstoffzelle ausgekoppelte Wärme zum Antrieb eines Kälteprozesses genutzt wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeabgabe des Kälteprozesses zu Heizzwecken verwendet wird.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass im Heizbetrieb keine Kälte erzeugt wird.
10. Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass durch wärmeabgebende Stoffströme des Wärmepumpenprozesses Brennstoff und Oxidationsmittel aufgeheizt werden.
11. Verfahren nach wenigstens einem der bisherigen Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass durch wärmeaufnehmende Stoffströme des Wärmepumpenprozesses die Abgase der Brennstoffzelle gekühlt werden.
12. Brennstoffzelle, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einem Elektrolyten, der zwischen einem Elektrodenpaar angeordnet ist, und einem Gehäuse, das die Anordnung aus Elektrolyt und Elektrodenpaar gasdicht umschließt, und Strömungskanäle zur Zuführung von Brennstoff und Oxidationsmittel und zur Abführung von Abgasen umfasst, dadurch gekennzeichnet, daß zur Auskoppelung von in der Brennstoffzelle erzeugter Wärme in das Gehäuse eine Wärmetauschereinrichtung mit gasdichten Strömungskanälen integriert ist, die das die Phase wechselnde Wärmeträgermedium führen, welches die Wärme bei erneutem Phasenwechsel wieder abgibt.
13. Brennstoffzelle nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Phasenwechsel Verdampfung und/oder Kondensation ist.
14. Brennstoffzelle nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmetauschereinrichtung ein Wärmerohr umfaßt.
15. Brennstoffzelle nach wenigstens einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmeträgermedium ein Latentwärmespeichermaterial ist.
16. Brennstoffzelle nach wenigstens einem der Ansprüche 13 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass das verdampfende Wärmeträgermedium Wasser ist.
17. Brennstoffzelle nach wenigstens einem der Ansprüche 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass das verdampfende Wärmeträgermedium Ammoniak ist.
18. Absorptionswärmepumpe oder Absorptionskältemaschine mit einem Verdampfer/Desorber, einem Kondensator/Resorber, einem Austreiber und einem Absorber, dadurch gekennzeichnet, dass in den Austreiber eine Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 12 bis 17 integriert ist.
19. Absorptionswärmepumpe oder Absorptionskältemaschine nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzelle als Teil eines Fallfilmdesorbers oder als Teil eines Zweiphasendesorbers ausgebildet ist.
20. Absorptionswärmepumpe oder Absorptionskältemaschine nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzelle in einen überfluteten Desorber integriert ist.
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