DE69724792T2

DE69724792T2 - Brennstoffzellensystem zur stromerzeugung, heizung und kühlung und ventilation

Info

Publication number: DE69724792T2
Application number: DE69724792T
Authority: DE
Inventors: S. Michael HSU; Y. Robin ONG
Original assignee: ZTEK Corp
Current assignee: ZTEK Corp
Priority date: 1996-07-19
Filing date: 1997-07-16
Publication date: 2004-07-01
Anticipated expiration: 2017-07-17
Also published as: JP2000515305A; KR20000067922A; NZ333849A; KR100471501B1; UA48242C2; AU721807B2; US6054229A; DE69724792D1; AU3734197A; CA2260827A1; IL128127A; ES2207742T3; WO1998004011A3; EP0913008A2; CN1231068A; BR9710507A; NO990217D0; IL128127A0; CZ17899A3; NO990217L

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf Leistungssysteme oder Energiesysteme und insbesondere auf Energiesysteme, die in Verbindung mit der Erhitzung, Entlüftung und Abkühlung kommerzieller Einrichtungen oder Wohneinrichtungen benutzt werden.
Bestehende Energiesysteme umfassen im typischen Fall Einrichtungen, die täglich durch Personen benutzt werden, um ihre Umgebung auf einen komfortablen Wert zu bringen und um die Temperatur anderer üblicherweise benutzter Fluide, beispielsweise Wasser und Luft, einzustellen. Diese Energieeinrichtungen liefern im typischen Falle konditionierte Luft oder Wasser, z. B. erhitztes und abgekühltes Wasser und Dampf. Derartige übliche Energieeinrichtungen umfassen unter anderem Dampfboiler, thermische Fluidboiler und wärmebetätigte Kühler.
Herkömmliche Boiler, beispielsweise Dampfboiler, benutzen im typischen Fall ein zentrales Gehäuse, z. B. einen vertikalen Zylinder, um Wasser zu kochen, indem Öl, Gas oder ein Öl-Gas-Gemisch in der Mitte des Zylinders verbrannt wird. Das Wasser wird auf eine erhöhte Temperatur durch die Wärme erhitzt, die durch den Verbrennungsprozess erzeugt wird. Diese relativ einfache Boilerausbildung benutzt im typischen Fall keine Rohre oder Schlangen, die dem Zylinder zugeordnet sind, um den Erhitzungsprozess zu unterstützen, und dadurch wird die Gefahr eines Rohrausfalls eliminiert, und es wird ein effizienter sicherer und zuverlässiger Betrieb gewährleistet. Ein Nachteil der bekannten Dampfboiler besteht darin, dass sie brennstoffmäßig einen relativ schlechten Wirkungsgrad besitzen.
Bei herkömmlichen thermischen Fluidboilern strömt das Arbeitsfluid durch eine oder mehrere Windungen, die um eine Heizkammer herum angeordnet sind. Die in dem Boiler erzeugte Hitze wird durch das Arbeitsfluid absorbiert und kann benutzt werden, um andere Funktionen, beispielsweise eine Erhitzung oder Abkühlung, durchzuführen. Die Vorteile thermischer Fluidboiler im Vergleich mit traditionellen Dampfboilern besteht in der Verminderung von Korrosion, in der Verhinderung von Zunder und Gefrieren, und dies führt zu einer Verringerung des Wartungsaufwandes. Thermische Boiler arbeiten mit einem relativ niedrigen Betriebsdruck und können relativ einfache Arbeitsfluids benutzen, so dass die Notwendigkeit für ein erfahrenes Boiler-Betriebspersonal verringert wird. Ein typisches thermisches Fluid besitzt auch eine größere Wärmekapazität als sein äquivalenter Dampfbetrieb.
Herkömmliche Energiesysteme können auch wärmebetätigte Kühler oder Kälteanlagen aufweisen. Ein Beispiel eines gemeinsamen Typs einer Absorptionskühlvorrichtung ist ein Ammonikwasser-Absorptionskühler, der absorbierende Betten benutzt. Da im Allgemeinen das Arbeitsmittel absorbiert wird, wenn eine Kühlung auftritt und eine Desorption des Arbeitsmittels erfolgt, wenn eine Erhitzung stattfindet, ist die Kältemaschine charakterisiert durch eine „durch Wärme angetriebene" Vorrichtung.
Die obigen konventionellen Energiesysteme sind Einzelfunktionsvorrichtungen, die nicht variabel sind und Brennstoff benutzen, um eine Erhitzung oder Abkühlung durchzuführen.
Bei derartigen Energiesystemen ist stets der Wirkungsgrad für die Wirtschaftlichkeit entscheidend und ebenso Umweltbetrachtungen. Demgemäß besteht ein Bedarf nach hochwirksamen Energiesystemen, die leicht in wirtschaftliche Einrichtungen oder Wohneinrichtungen integrierbar sind, um ein gewähltes Fluid zu konditionieren, z. B. aufzuheizen oder abzukühlen. Insbesondere würde ein hochwirksames Energiesystem, das in herkömmliche Heiz- oder Kühleinrichtungen integrierbar ist, z. B. in Heiz- oder Kühleinrichtungen, die herkömmlichen Heizventilations- und Luftkonditionierungssystemen eigen sind (HVAC-System), eine Verbesserung auf diesem Gebiet der Technik bewirken.
Demgemäß liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes und wirksameres Energiesystem zu schaffen, um ein gewähltes Fluid zur Benutzung in Wohnanlagen oder Fabrikationsanlagen zu konditionieren.
Die Erfindung wird zunächst in Verbindung mit gewissen bevorzugten Ausführungsbeispielen beschrieben. Es ist jedoch klar, dass verschiedene Änderungen und Modifikationen durchgeführt werden können, ohne vom Rahmen der Erfindung abzuweichen. Beispielsweise können verschiedene Systeme, die verschiedene strukturelle Komponenten und Konfigurationen benutzen, für die bevorzugte Praxis der Erfindung herangezogen werden, und zwar in Verbindung mit dem vorerwähnten Energiesystem.
Die vorliegende Erfindung schafft Systeme und Verfahren zur Konditionierung, z. B. zur Erhitzung, zur Kühlung oder zur Ventilation eines gewählten Fluids, wie dies in den Ansprüchen niedergelegt ist. Dies wird erreicht durch Integration oder Kopplung eines elektrochemischen Wandlers, beispielsweise einer Brennstoffzelle zur Stromerzeugung mit einer Erhitzungskomponente oder Kühlkomponente zum Heizen, Ventilieren oder Kühlen (HVAC-System). Der elektrochemische Wandler arbeitet außer zur Erzeugung elektrischer Leistung ähnlich einem Brenner zur Erhitzung oder Abkühlung von Komponenten gemäß der vorliegenden Erfindung.
Gemäß einer Praxis umfasst das Energiesystem nach der Erfindung eine Brennstoffzelle, die Elektrizität und Abwärme erzeugt, die eine gewählte erhöhte Temperatur besitzt und eine durch Wärme betätigte Kälteeinrichtung, die mit der Brennstoffzelle gekoppelt ist und die Abwärme empfängt. Die Kältemaschine absorbiert die Wärme, die die Kältemaschine betätigt, und es wird eine Ausgangsfluidströmung mit einer gewählten Temperatur erzeugt, die unter der Temperatur der Brennstoffzellenabwärme liegt und, falls erforderlich, beträchtlich darunter. Die gewählte Temperatur kann auch unter der Umgebungstemperatur der Wohnanlage oder der kommerziellen Einrichtung liegen.
Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung weist das System ein Element zur Regulierung der Abwärme auf. Dieses Element kann ein Strahlungsschild sein, das wenigstens teilweise die Brennstoffzelle umschließt.
Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung umfasst die durch Wärme betätigte Kältemaschine einen Dampfgenerator, der in thermischer Verbindung mit der Brennstoffzelle steht, um darin einen gewählten Dampf bei Erhitzung über einer gewählten Temperatur zu erzeugen. Der Aufbau enthält einen Kondensator, der in Fluidverbindung mit dem Dampfgenerator steht, um den Dampf in eine Flüssigkeit umzuformen und einen Verdampfer, der die Flüssigkeit in einen Dampf zurück verwandelt.
Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung umschließt der Dampfgenerator der durch Wärme betätigten Kältemaschine wenigstens teilweise die Brennstoffzelle und empfängt die von dieser erzeugte Abwärme.
Das Interface-Austauschelement kann so ausgebildet sein, dass es thermische Energie von einem ankommenden Fluid empfängt, das auf erhöhter Temperatur steht, beispielsweise ein Fluid, das durch einen Verbrennungsprozess erhitzt wurde oder als Abgase von einer Brennstoffzelle oder als ein Fluid, das durch andere Brennerquellen oder thermische Quellen erzeugt wurde und um die thermische Energie nach der durch Wärme betätigten Kältemaschine zuzuführen.
Gemäß einer Praxis der Erfindung umfasst das Austauschelement mehrere thermisch leitfähige Platten, die aus einem thermisch leitfähigen Medium gefertigt und zusammen derart gestapelt sind, dass sie einen axial verlaufenden Aufbau bilden. Die äußere Oberfläche des Interface-Austauschelementes ist so eingerichtet, dass thermische Energie mit der Umgebung außerhalb des Interface-Austauschelementes ausgetauscht wird, beispielsweise als HVAC-System.
Gemäß einem weiteren Merkmal umfassen die thermisch leitfähigen Platten Kanäle, durch die ein Fluid in einer Ebene über die äußere Oberfläche strömen kann. Das Element umfasst eine oder mehrere axiale Leitungen, die darin ausgebildet sind und Mittel zur Erzeugung eines Gasströmungsdruckabfalls in dem Kanal und zwischen benachbarten thermisch leitfähigen Platten, wobei dieser Gasströmungsdruckabfall beträchtlich größer ist als der Gasströmungsdruckabfall innerhalb der axialen Leitung. Die Kanäle sind so ausgebildet, dass ein im Wesentlichen gleichförmiger Druckabfall darin erfolgt, um eine im Wesentlichen gleichmäßige Verteilung in der Ebene des Gases längs der axialen Leitung zu erzeugen.
Gemäß einer weiteren Praxis ist die thermisch leitfähige Platte aus porösem, leitfähigem Material gefertigt, durch das das Gas axial hindurchströmen kann.
Gemäß einem weiteren Merkmal umfasst das Interface-Austauschelement ein aufgewickeltes thermisch leitfähiges Band, um die Wärmeenergie mit der kühleren Umgebung auszutauschen.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel ist das Interface-Austauschelement aus einem porösen, thermisch leitfähigen Material hergestellt und empfängt thermische Energie von einem Eingangsfluid und überträgt die thermische Energie nach einer Kühlumgebung.
Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung betrifft diese ein Energiesystem, um ein gewähltes Fluid aufzuheizen, und es ist eine Brennstoffzelle vorgesehen, die Elektrizität und Abwärme erzeugt und eine Heizkomponente eines HVAC-Systems, beispielsweise eines Boilersystems, ist mit der Brennstoffzelle gekoppelt und empfängt die Abwärme hiervon.
Weitere allgemeine und spezifische Aufgaben der Erfindung sind zum Teil selbstverständlich und ergeben sich zum Teil aus der Zeichnung und der folgenden Beschreibung dieser Zeichnungen.
Nunmehr werden Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung beispielsweise unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung beschrieben, in der gleiche Bezugszeichen sich auf gleiche Teile in den verschiedenen Ansichten beziehen. Die Zeichnungen veranschaulichen Prinzipien der Erfindung und zeigen teilweise nicht maßstäblich die relativen Dimensionen. In der Zeichnung zeigen:
1 ist ein schematisches Blockschaltbild des gesamten Energiesystems zur Erzeugung elektrischer Leistung und zur Konditionierung eines Fluids gemäß den Lehren der vorliegenden Erfindung;
2 ist eine schematische Ansicht eines Energiesystems, das eine Brennstoffzelle umfasst, die radial mit einer Heizkomponente oder Kühlkomponente eines HVAC-Systems kuppelbar ist;
3 ist eine schematische Darstellung eines Nutzleistungssystems, das eine Brennstoffzelle aufweist, die konvektionsmäßig mit einer Heiz- oder Kühlkomponente eines HVAC-Systems gekoppelt ist;
4 ist eine schematische Darstellung eines Energiesystems mit einer wärmebetätigten Kühlvorrichtung gemäß den Lehren der vorliegenden Erfindung;
5 ist eine Schnittansicht eines gestapelten plattenartigen Interface-Austauschelementes gemäß der Erfindung;
6 ist eine Schnittansicht eines Interface-Austauschelementes mit einem porösen, thermisch leitfähigen Material gemäß der vorliegenden Erfindung;
7 ist eine Grundrissansicht eines Interface-Austauschelementes mit axialen Strömungskanälen gemäß der vorliegenden Erfindung;
8 ist eine Grundrissansicht eines Interface-Austauschelementes der „Wagenrad"-Ausbildung gemäß der vorliegenden Erfindung;
9 ist eine Grundrissansicht eines rippenartigen Interface-Austauschelementes gemäß der vorliegenden Erfindung.
1 ist ein Blockschaltbild, welches schematisch das gesamte Energiesystem der vorliegenden Erfindung repräsentiert, das benutzt wird, um ein gewähltes Fluid zu konditionieren, z. B. zu erhitzen und/oder abzukühlen. Das dargestellte Gesamtenergiesystem 10 umfasst einen elektrochemischen Wandler 12, der thermisch mit einem HVAC-System 14 gekoppelt ist. Der elektrochemische Wandler erzeugt zusätzlich zur elektrischen Energie vorzugsweise Abwärme, die auf das HVAC-System 14 übertragen wird, wie dies durch die Wellenlinienpfeile 16 dargestellt ist. Elektrochemische Wandler, beispielsweise Brennstoffzellen, sind aus dem Stande der Technik bekannt und in der US-PS 5 462 817 und der US-PS 5 501 781 sowie 4 853 100 beschrieben, die hiermit als Referenz eingeführt werden.
Der elektrochemische Wandler 12 kann entweder strahlungsmäßig, leitermäßig oder konvektiv mit dem HVAC-System 14 gekoppelt sein. Der elektrochemische Wandler gemäß vorliegender Erfindung ist vorzugsweise eine Brennstoffzelle, beispielsweise eine Festoxid-Brennstoffzelle, eine Schmelzkarbonat-Brennstoffzelle, eine Phosphorsäure-Brennstoffzelle, eine Alkali-Brennstoffzelle oder eine Protonenaustauschmembran-Brennstoffzelle.
Gegenwärtig benutzte HVAC-Systeme benutzen ein System mit geschlossener Schleife, um ein Wärmeübertragungsfluid durch ein Gebäude in einem solchen geschlossenen Schleifensystem zu überführen oder eine Heizkomponente, beispielsweise einen Dampfboiler oder einen thermischen Fluidboiler oder eine Kühlkomponente, beispielsweise eine wärmebetätigte Kältevorrichtung oder andere Luftkonditionierungskomponenten, die das Wärmeübertragungsfluid konditionieren, was im typischen Fall durch die Anlage über Fluidleitungen transportiert wird. HVAC-Systeme werden gegenwärtig genutzt, um Umgebungsbedingungen, beispielsweise Temperatur oder Feuchtigkeit, in einer oder mehreren strukturell umschlossenen Einrichtung einzustellen. Das HVAC-System wird in einer Anzahl von Typen benutzt, einschließlich Mehrfachzonen, Doppelleitungen oder Heizsystemen. Im Allgemeinen umfassen derartige HVAC-Systeme getrennte Quellen zur Erhitzung und Abkühlung innerhalb des gleichen Systems. Diese Konfiguration ermöglicht es, dass ein einziges System die gleiche Anlage sowohl erhitzt als auch abkühlt. Gemäß einer gemeinsamen Praxis können mehrere HVAC-Systeme innerhalb einer einzigen Anlage, beispielsweise einer kommerziellen Anlage, montiert werden und sie können an ein geeignetes Netzwerk angeschlossen werden, das durch eine gemeinsame thermische Quelle bedient wird, die entweder ein getrenntes Heizelement und ein Kühlelement oder beide aufweist. Die Heizelemente und Kühlelemente liefern die thermische Energie, die erforderlich ist, um wirksam entweder die Anlage aufzuheizen oder abzukühlen.
Die 2 der vorliegenden Erfindung veranschaulicht die Integration des elektrochemischen Wandlers, z. B. der Brennstoffzelle 12 und der thermischen Prozesskomponente (z. B. ein Boiler oder eine Kühleinrichtung) des HVAC-Systems 14 gemäß der vorliegenden Erfindung. Die dargestellte Brennstoffzelle weist einen Brennstoffreaktanzeingang 20 und einen Luftreaktanzeingang 22 auf. Das Brennstoffreaktanz und das Oxidationsreaktanz werden der dargestellten Brennstoffzelle über geeignete Leitungen zugeführt. Die Brennstoffzelle verarbeitet Brennstoff und Oxidationsreaktionsmittel und erzeugt gemäß einem Arbeitsmodus Elektrizität und Abwärme. Die Abwärme kann durch Strahlung auf geeignete thermische Verarbeitungselemente 26 übertragen werden. Die dargestellten thermischen Verarbeitungselemente 26 unterstützen die Strahlungswärmeübertragung von der Brennstoffzelle 12 auf die Komponenten des HVAC-Systems 15. Die Wärmeübertragungskomponenten 26 dienen auch zur Regelung der Temperatur der Brennstoffzelle. Die thermischen Prozesselemente 26 können beispielsweise einen Dampfgenerator oder eine durch Wärme betätigte Kühlvorrichtung aufweisen, die um oder in der Nähe der Brennstoffzelle 12 angeordnet sind, um darin erzeugte Strahlungswärme aufzunehmen. Die thermischen Verarbeitungselemente 26 können auch den Boiler der Erhitzungskomponente aufweisen, der um die Brennstoffzelle herum oder in der Nähe derselben angeordnet ist, um von dieser Strahlungswärme zu erhalten.
Unter den Ausdrücken „Heizkomponente" und „Kühlkomponente" des HVAC-Systems sollen Mittel verstanden werden, die irgendwelche geeignete Heiz- oder Kühlvorrichtungen sind und die geeignet sind, um eine Wohninstallation oder eine kommerzielle Installation aufzuheizen und abzukühlen, oder es sollen weitere bekannte Installationen darunter verstanden werden. Die vorerwähnten Beispiele der Heiz- und Kühlkomponenten sollen repräsentativ sein, aber nicht erschöpfend für alle Typen von Erhitzungs- und Abkühlungsgeräten, die in Verbindung mit dem Energiesystem der vorliegenden Erfindung benutzbar sind.
Wie dargestellt, erzeugt die Brennstoffzelle 12 außerdem einen Auslass 24, der aus der Brennstoffzelle 12 entfernt werden kann. Die thermischen Prozesselemente 26 sind vorzugsweise thermisch mit der Heizkomponente oder der Kühlkomponente des HVAC-Systems 14 gekoppelt. Beispielsweise kann die Brennstoffzelle 12 Abwärme erzeugen, die durch den Boiler absorbiert wird. Die absorbierte Wärme heizt ein im typischen Fall darin enthaltenes Arbeitsfluid auf eine gewählte erhöhte Temperatur auf, das dann durch das HVAC-System über die Anlage verteilt wird, um der gewählten Benutzung zugeführt zu werden, beispielsweise zum Aufheizen, zur Nahrungsverarbeitung und zur chemischen Verarbeitung sowie für andere gleichartige und bekannte Zwecke. In diesem Zusammenhang ersetzt die Brennstoffzelle 12 den Brennerteil des Boilers.
3 veranschaulicht ein weiteres Ausführungsbeispiel des Gesamtenergiesystems 10 der vorliegenden Erfindung. Das dargestellte System 10 weist eine Brennstoffzelle 12 auf, die konvektiv in ein HVAC-System 14 integriert ist. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel erzeugt die Brennstoffzelle Brennstoffreaktanzmittel und Oxidationsreaktanzmittel 20 und 22 und erzeugt Elektrizität und einen Auslass 24. Der Auslass 24 wird direkt an geeignete thermische Prozesselemente 26 des HVAC-Systems 14 angeschlossen. Der Auslass wird dann vom System wie dargestellt durch Leitungen 28 abgeführt. Der Fachmann erkennt, dass gemäß dem Ausführungsbeispiel der Auslass direkt mit dem HVAC-System 14 gekoppelt ist, um Wärme darauf zu übertragen. Auch andere Konstruktionen bestehen. Beispielsweise kann ein Zwischenwärmeaustauscher zwischen der Brennstoffzelle 12 und dem HVAC-System 14 angebracht werden. Gemäß weiteren Ausführungsbeispielen, die für den Fachmann naheliegend sind, können andere Wärmeaustauscherprozesse oder thermische Prozesssteuerstrukturen benutzt werden, um Wärme aus dem Auslass der Brennstoffzelle auf eine oder mehrere Komponenten des HVAC-Systems 14 zu übertragen.
Ein Vorteil der Benutzung einer Brennstoffzelle als Brennerkomponente einer Heizkomponente oder einer Kühlkomponente ist die Erzeugung von Elektrizität und die Erzeugung eines konditionierten Fluids. Die Elektrizität wird innerhalb der Brennstoffzelle gemäß elektrochemischen Prozessen erzeugt, wie dies im Stande der Technik bekannt ist. Die Elektrizität kann zur äußeren Benutzung aus der Brennstoffzelle über geeignete elektrische Leitungen abgeführt werden. So bewirkt die dargestellte Integration der Brennstoffzelle mit dem thermischen Prozesselement 26 der Heizkomponente oder Kühlkomponente eines HVAC-Systems ein hochwirksames Energiesystem, das elektrischen Strom erzeugen kann und das eine Kühlung und/oder Heizung von Wohnanlagen oder Wirtschaftsanlagen bewirkt. Wie in den 2 und 3 dargestellt, kann die thermische Energie dem thermischen Prozesselement 26 der Heizkomponente oder Kühlkomponente des HVAC-Systems durch Strahlung und Leitung (2) oder durch Konvektion (3) zugeführt werden.
Elektrochemische Konverter, die geeignet sind zur Benutzung mit der Heizkomponente des HVAC-Systems liefern ein integriertes Gesamtenergiesystem, um Elektrizität und Wärme für eine äußere Anlage zu erzeugen. Ein wesentlicher Vorteil der Benutzung dieser Konverter besteht darin, dass sie in der Lage sind, mit hohem Wirkungsgrad zu arbeiten in Abhängigkeit nur vom Verhältnis zwischen der freien Energie und der Enthalpie der elektrochemischen Reaktion, und das Verfahren ist nicht beschränkt auf Betrachtungen durch den Cannot-Prozess.
Gemäß einer weiteren Praxis der Erfindung (4) kann die Brennstoffzelle 12 mit der Kühlkomponente des HVAC-Systems integriert werden. Gemäß einer Praxis der Erfindung (4) besteht die Kühlkomponente 30 aus einer Ammoniak-Wasser-Absorptions-Kühlvorrichtung. Die dargestellte Kühlvorrichtung 30 umfasst einen Dampfgenerator 32, einen Kondensator 40, einen Verdampfer 50, eine Fluidpumpe 60 und eine Lösungspumpe 68. Der dargestellte Dampfgenerator 32 der Kühlvorrichtung 30 absorbiert die Wärme aus einer Wärmequelle 16. Der Dampfgenerator 32 enthält vorzugsweise eine umweltfreundliche Mischung aus Ammoniak und Wasser. Wie bekannt, wirkt das Ammoniak als Kühlmittel der Anlage, und das Wasser wirkt als Absorptionsmittel der Anlage. Die durch den Dampfgenerator 32 absorbierte Wärme bewirkt ein Kochen der Ammoniak-Wasser-Lösung. Während des Kochvorganges werden Ammoniak und Wasser getrennt. Das Ammoniak entweicht aus dem Dampfgeneratorgehäuse als Gas und wird nach der Kondensatoreinheit 40 durch geeignete Fluidleitungen 42 übertragen.
Der Kondensator weist vorzugsweise eine Kondensatorspule 44 auf, die um die Fluidleitung 42 gewunden ist. Die Kondensatorspule dient zur Kondensierung des durch die Leitung 42 strömenden Ammoniakdampfes zurück in eine Flüssigkeit. Wenn die kondensierte Flüssigkeit durch die Leitung 42 und nach dem Verdampfer 50 strömt, dann kann die kondensierte Flüssigkeit durch einen Fluidwiderstand 46 strömen, der die Fluidströmung sowohl hinsichtlich des Druckes als auch hinsichtlich der Temperatur auf einen vorbestimmten Wert absenkt.
Der Verdampfer 50 weist vorzugsweise ein Gehäuse 52 mit einer darin ausgebildeten Öffnung für eine Eingangsleitung 54 auf, die hindurchtritt. Die Eingangsleitung 54 führt ein Eingangsfluid ein und weist außerdem eine innere Leitung auf, die in einer Fluidverteilerstruktur 56 endet. Die Verteilerstruktur 56 dispergiert das Eingangsfluid über die Leitung 47, die mit einem Teil der Fluidleitung 42 verbunden ist, nach dem Fluidwiderstand 46 und die um die innere Leitung 54 innerhalb des Verdampfergehäuses wie dargestellt herumgeführt ist. Die Ammoniakflüssigkeit, die in den Verdampfer 50 eintritt, absorbiert die Wärme aus dem Wasser, das von der Verteilerstruktur 56 herkommt. Das flüssige Ammoniak absorbiert genug Wärme aus der Eingangsflüssigkeit, beispielsweise Wasser, um das Ammoniak in die gasförmige Phase zurückzuführen. Diese gasförmige Phase wird einem lösungsgekühlten Absorber 74 zugeführt.
Das absorbierte Wasser, das ursprünglich einen Teil der Ammoniak-Wasser-Mischung war, die ursprünglich im Dampfgenerator 32 angeordnet war, wird längs der Fluidleitung 80 nach dem Absorber 74 geleitet. Die dargestellte Fluidleitung 80 kann auch einen Lösungswiderstand aufweisen, um die Temperatur des Wassers anzuheben. Dieses relativ kühle Absorberwasser wirkt mit dem gasförmigen Ammoniak zusammen, um das Ammoniak wieder in die flüssige Form zu kondensieren. Die Ammoniak-Wasser-Mischung wird dann durch die Leitung 84 einer Lösungspumpe 68 zugeleitet, die ihrerseits die Lösung an den Dampfgenerator 32 über die Leitung 86 überführt.
Das relativ kalte Wasser, das sich innerhalb des Verdampfers 50 ansammelt, wird dann durch die Pumpe 60 abgepumpt und einer ausgewählten Stelle der Anlage zugeführt, beispielsweise zur Kühlung der gewählten Stelle.
Gemäß einer Praxis kann ein Interface-Austauschelement benutzt werden (3), um Wärme konvektiv zwischen dem Brennstoffzellenauslass 24 und dem thermischen Prozesselement 26 des HVAC-Systems 14 auszutauschen.
Die 5 bis 9 veranschaulichen ein Interface-Austauschelement 100 zur Benutzung in Verbindung mit dem elektrochemischen Wandler 12 und dem HVAC-System 14 gemäß der Erfindung, um die konvektive Wärmeübertragungsenergie dazwischen zu bewirken. 5 ist eine Querschnittsansicht eines aus gestapelten Platten bestehenden Interface-Austauschelementes 100 gemäß der Erfindung, wobei der Interface-Austauscher 100 eine Anzahl gestapelter thermisch leitfähiger Platten 102 aufweist. Der Interface-Austauscher weist eine Fluidleitung 104 auf, die voll in Verbindung mit den inneren Abschnitten der thermisch leitfähigen Platten 102 steht. Der Interface-Austauscher kann innerhalb eines gasdichten Gehäuses 110 angeordnet sein. Die Fluidleitung 104 leitet ein gewähltes Fluid, z. B. ein Gas mit erhöhter Temperatur, in die inneren Bereiche des Interface-Austauschers 100. Die Platten 102 bilden vorzugsweise dazwischen Fluidkanäle 112, durch die das Fluid in der Ebene nach der äußeren Oberfläche der Platten 102 strömen kann. Das unter erhöhter Temperatur stehende Gas steht vorzugsweise in Wärmeaustausch mit den thermisch leitfähigen Platten 102. Der Wärmeaustausch zwischen den Platten 102 und dem Eingangsfluid kühlt das Fluid, das seinerseits aus dem Interface-Austauscher 100 über Auslassleitungen 114 austreten kann. Die durch die thermisch leitfähigen Platten 102 absorbierte Wärme wird von dem inneren Austauschelement 100 an die Umgebung abgeleitet, wie dies durch die ausgezogenen schwarzen Pfeile 116 gekennzeichnet ist.
Die thermisch leitfähige Platte 102 kann aus irgendeinem geeigneten thermisch leitfähigen Material bestehen, einschließlich Metall, beispielsweise Aluminium, Kupfer, Eisen, Stahl, Legierungen, Nickel, Nickellegierungen, Chrom, Chromlegierungen, Platin und aus Nicht-Metallen, beispielsweise Siliziumkarbid und anderen geeigneten thermisch leitfähigen Verbundmaterialien. Die Dicke der leitfähigen Platte 102 kann so gewählt werden, dass ein gewählter Temperaturgradient in der Ebene der Platte 102 aufrecht erhalten bleibt, d. h. ein Temperaturgradient längs der Oberfläche der Platte.
Außerdem bilden die leitfähigen Platten eine gleichförmige thermische Bedingung längs der Achse des Stapels (entlang der äußeren Umfangsoberfläche der Wärmeaustauschstruktur 100A) durch die gleichförmige Verteilung des Eingangsfluids durch die Fluidkanäle 112, wodurch verhindert wird, dass sich längs des Stapels kalte oder heiße Stellen entwickeln. Dies verbessert die thermische Gesamtcharakteristik der inneren Austauscherstruktur und bestätigt das Gesamtwärmeaustauschverhalten des Systems.
Gemäß einem abgewandelten Ausführungsbeispiel kann das Ausgangsfluid entlang oder über den Umfang des Gehäuses 100A der inneren Wärmeaustauscherstruktur bei dieser Konfiguration ausgeleitet werden, und das gasdichte Gehäuse 100A dient als eine umfängliche Auslassleitung, die den Auslass sammelt und nach irgendeiner geeigneten Struktur überführt.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel kann das Eingangsfluid in die Auslassleitung eingeführt werden, die durch das gasdichte Gehäuse 100A gebildet wird, und dann in den gestapelten Austauscheraufbau 100 längs der Umfangsränder. Bei dieser Ausbildung strömt das Eingangsfluid radial nach innen über die Oberflächen der leitfähigen Platten 12 und kann durch eine oder mehrere der axial verlaufenden Leitungen 104 oder 114 ausgegeben werden.
Ein wesentlicher Vorteil des Interface-Austauschelementes 100 der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass eine Integration des Interface-Elementes mit kommerziellen HVAC-Systemen möglich wird, wobei die HVAC-Systeme nur geringfügig verändert werden müssen. Infolgedessen kann das Interface-Austauschelement 100 mit einem breiten Bereich von kommerziellen Einheiten benutzt werden und demgemäß für einen breiten Bereich von kommerziellen Anwendungen. Das Interface-Austauschelement ergibt mehrere erwünschte Vorteile wie die folgenden: (1) ein hoher Grad der Wärmeübertragung, was zu einem hohen Wirkungsgrad der HVAC-Systeme führt , (2) ein hoher Wärmeübertragungsfluss, der zu einer relativ kompakten Konstruktion führt, wodurch der Gebrauchswert erhöht wird und ein breiterer Bereich von Anwendungen für das Gesamtenergiesystem erhalten wird, und (3) eine kompakte Größe, die die Möglichkeit schafft, das Interface-Austauschelement in bestehende kommerzielle HVAC-Einrichtungen einzubauen.
Im Betrieb wird das Interface-Austauschelement 100 geometrisch an ein thermisches Prozesselement 26 angepasst, beispielsweise als Dampfgeneratorteil 32 des Heizelementes oder des Kühlelementes oder des Boilerabschnitts einer Heizkomponente des HVAC-Systems, um einen thermischen Austausch zwischen der Brennstoffzelle und dem Dampfgenerator oder dem Boilerabschnitt zu ermöglichen.
Im Folgenden wird wiederum Bezug genommen auf die 2 und 3. Das Interface-Austauschelement kann zwischen der Brennstoffzelle 12 und dem HVAC-System 14 angeordnet werden, um einen direkten Wärmeenergieaustausch dazwischen zu bewirken. Umgekehrt kann der Brennstoffzellenstapel selbst als Interface-Heizvorrichtung dienen, wenn er in direkter Berührung mit einer oder mit mehreren Komponenten des HVAC-Systems 14 angeordnet wird, indem durch die HVAC-Komponente erzeugte Abwärme durch Strahlung übertragen wird. Jedoch erfordert diese direkte Integration der Brennstoffzellenkomponente und des HVAC-Systems die geometrische Anpassung auf die Brennstoffzellenstapel und das thermische Prozesselement des HVAC-Systems. Dies führt zu einer Abwandlung des Brennstoffzellenstapels und zur Abwandlung der Konstruktion, was zu einer Erhöhung der Kosten führen kann, die mit dem System verknüpft sind. Demgemäß wird nach einer bevorzugten Praxis das Interface-Austauschelement 100 geometrisch so ausgebildet, dass es der Brennstoffzelle und dem HVAC-System angepasst ist, so dass eine direkte Kopplung dazwischen erfolgen kann, was zu einem relativ kompakten Aufbau und zu einer einfachen Benutzung führt und dem Gesamtenergiesystem einen hohen Wirkungsgrad verleiht. Das dargestellte Interface-Austauschelement 100 bietet demgemäß für einen plattenartigen Austauscher eine ausgezeichnete thermische Betriebscharakteristik und ermöglicht die wirksame thermische Integration mit dem thermischen Prozesselement 26 des HVAC-Systems. Das Interface-Austauschelement gemäß vorliegender Erfindung überwindet die Größennachteile herkömmlicher Wärmeaustauscher durch Benutzung eines hochwirksamen Wärmeaustauschers, der Wärme durch Wärmeleitung und/oder Konvektion übertragen kann.
Vorzugsweise sind die Fluidkanäle 112 innerhalb des Interface-Elementes 100 derart angeordnet, dass der Druckabfall in den Fluidkanälen 112 beträchtlich größer ist als der Druckabfall entlang der Fluidleitung 104. Insbesondere ist der Strömungswiderstand der Fluidkanäle 112 beträchtlich größer als der Strömungswiderstand der Leitung 104.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel besitzt das gestapelte innere Austauschelement 100 eine Säulenstruktur, und die thermisch leitfähigen Platten 102 haben einen Durchmesser zwischen etwa 1 Zoll und etwa 20 Zoll, und sie besitzen eine Dicke zwischen etwa 0,002 Zoll und etwa 0,2 Zoll. Der Ausdruck „säulenförmig", wie er hier benutzt wird, soll verschiedene geometrische Strukturen umfassen, die, wenn sie entlang einer Längsachse gestapelt sind, wenigstens eine innere Fluidleitung besitzen, die als Leitung für eine Fluidmischung dient. Der Fachmann erkennt, dass das innere Austauschelement 100 auch andere geometrische Formen aufweisen kann, beispielsweise eine rechteckige oder rechtwinklige Form mit einer inneren oder äußeren Leitung. Die Platten mit einer gewählten rechteckigen Konfiguration können gestapelt und mit äußeren Leitungen integriert werden, um das Fluid zu führen und zu sammeln, z. B. ein heißes oder ein kaltes Gas. Die genauen Konfigurationen des inneren Austauschelementes werden im Hinblick auf die geometrische Konfiguration des thermischen Prozesselementes des HVAC-Systems konstruiert.
6 veranschaulicht eine Schnittansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels des Interface-Austauschelementes gemäß der Erfindung, wobei ein poröses Medium benutzt wird. Das dargestellte Austauschelement 120 hat eine allgemein zylindrische Gestalt mit einer äußeren Umfangsoberfläche 124 zur Kontaktierung des thermischen Prozesselementes 26 des HVAC-Systems und ist aus einem im Wesentlichen porösen, thermisch leitfähigen Medium 122 zusammengesetzt. Wie dargestellt, wird ein gewähltes Eingangsfluid unter erhöhter Temperatur in die Eingangsseite 126 des Interface-Austauschelementes eingeführt und von einer Ausgangsseite 128 abgezogen. Ein thermisch leitfähiges Medium 122 absorbiert Wärme aus dem Eingangsfluid, und so wird ein relativ kühles Fluid ausgegeben, dessen Temperatur unter der Temperatur des Eingangsfluids und vorzugsweise weit unter dieser Temperatur liegt. Die durch das poröse, thermisch leitfähige Medium 122 absorbierte Wärme wird durch Wärmeleitung oder Konvektion auf das thermische Prozesselement 26 übertragen. Das dargestellte innere Austauschelement 120 kann in einer Weise benutzt werden, die gleich ist dem Interface-Austauschelement gemäß 5. In gleicher Weise wie das Interface-Austauschelement 100 gemäß 5 kann das Austauschelement 120 selektiv gewählte geometrische Konfigurationen aufweisen, die geeignet sind zur Benutzung in Verbindung mit herkömmlichen HVAC-Systemen.
Die 7 bis 9 veranschaulichen weitere Ausführungsbeispiele des Interface-Austauschelementes der vorliegenden Erfindung. Wie in 7 dargestellt, hat das Interface-Austauschelement 130 ein im Wesentlichen zylindrisches Gehäuse mit einer äußeren Oberfläche 132 und einer Länge, die sich über die Längsachse erstreckt. Das Interface-Austauschelement 130 ist mit einer Vielzahl axialer Kanäle 134 versehen, die sich zwischen der Oberseite 130A und dem Boden 130B des Austauschelementes erstrecken. Das Interface-Austauschelement besteht vorzugsweise aus thermisch leitfähigem Material, ähnlich jenem, wie dieses bei den Interface-Austauschelementen gemäß 5 und 6 beschrieben und dargestellt wurde.
Das dargestellte Interface-Austauschelement 130 arbeitet ähnlich wie das vorbeschriebene Element. Beispielsweise wird ein Eingangsfluid 136 mit einer gewählten erhöhten Temperatur dem Interface-Austauschelement z. B. am Boden 130B des Austauschelementes zugeführt, und dieses Fluid durchströmt die axialen Leitungen 134 und wird am gegenüberliegenden Ende ausgelassen. Wenn das Eingangsfluid 136 durch das Interface-Austauschelement 130 strömt, wird Wärme hiervon durch den thermisch leitfähigen Körper des Austauschelementes absorbiert. Infolgedessen wird Wärme aus dem ankommenden Fluid absorbiert und aus dem Austauschelement ausgegeben, das eine Temperatur hat, die beträchtlich unter jener des Eingangsfluids liegt. Die thermische Energie wird nach der äußeren Oberfläche 132 geleitet, die in Berührung mit dem thermischen Prozesselement 26 des HVAC-Systems liegt, um einen Wärmeaustausch dazwischen zu bewirken.
Abgewandelte Ausführungsbeispiele des Interface-Austauschelementes umfassen das Ausführungsbeispiel nach 8. Bei diesem Ausführungsbeispiel besitzt das Interface-Austauschelement 140 eine im Wesentlichen zylindrische Konfiguration mit einer äußeren Oberfläche 142 und mehreren Speichen 144, die sich radial von einem zentralen Nabenteil 146 erstrecken und längs einer Innenwand 148 des Austauschelementes bei 140 münden, und diese Konstruktion ist in Form eines Wagenrades angeordnet.
9 veranschaulicht ein weiteres Ausführungsbeispiel des Interface-Austauschelementes 150 gemäß den Lehren der vorliegenden Erfindung. Das dargestellte Austauschelement 150 besitzt eine im Wesentlichen rechteckige Gestalt mit mehreren Seiten 152A bis 152D und mehreren Rippen 154, die sich zwischen den Seiten 152A und 152B erstrecken. Die Rippen sind im Abstand längs der Achse angeordnet, die sich zwischen den Seiten 152C und 152D erstreckt. Das dargestellte Austauschelement 150 wird vorzugsweise aus einem thermisch leitfähigen Material hergestellt, das Wärme aus dem Eingangsfluid absorbiert. Infolgedessen wird das Fluid mit einer Temperatur ausgegeben, die beträchtlich niedriger ist als die Temperatur des einströmenden Fluids. Die thermische Energie wird nach der äußeren Oberfläche 152A und 152B geleitet, die im typischen Fall in Berührung mit dem thermischen Prozesselement 26 des HVAC-Systems steht, um Wärme dazwischen zu übertragen.
Die dargestellte thermische Integration des elektrochemischen Wandlers mit dem HVAC-System definiert eine Verbesserung des Standes der Technik. Das veranschaulichte Hybrid-Energiesystem 10, das zur Elektrizitätserzeugung und für Kühl- und Heizzwecke von Wohnanlagen oder kommerziellen Anlagen benutzt wurde, hat zahlreiche Vorteile für Energieversorgungsunternehmen. Ein Vorteil ergibt sich daraus, dass der elektrochemische Wandler als Brenner arbeitet, der Heizprozesse oder Kühlprozesse durchführt und außerdem im Betrieb Elektrizität erzeugt. Demgemäß kann der elektrochemische Wandler als Brennstoffreaktionsmittel natürliches Gas benutzen, was wiederum sowohl den elektrischen Bedarf als auch den Wärmebedarf der Benutzer befriedigt. Die Benutzung einer solchen Brennstoffkomponente ergibt für die Umgebung ein sicheres, geräuschloses und außerordentlich sauberes und kompaktes Gesamtenergiesystem, das eine Installation in relativ kleinen und zweckmäßigen Orten ermöglicht.
Ein weiterer beträchtlicher Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass das Gesamtenergiesystem bei Bedarf in der Nähe von Anlagen installiert werden kann, wo das konditionierte Fluid und/oder die vom System erzeugte Elektrizität benutzt wird, wodurch Einsparungen im Hinblick auf elektrische Übertragungen erzielt werden. Diese Systeme können so ausgebildet werden, dass sie auf einer kontinuierlichen Basis arbeiten oder auf einer Basis bei Bedarf. Andere Vorteile liegen in dem relativ einfachen und sicheren Ersatz der Brennstoffzelle oder gewählter Komponenten hierauf während des Betriebes, ohne dass eine wesentliche Demontage des gesamten Systems durchgeführt werden müsste.

Claims

Energiesystem zum Erzeugen von Strom und zum Konditionieren eines gewählten Fluids, wobei das System Folgendes umfaßt: – eine Brennstoffzelle (12) mit einem Mittel zum Erzeugen von Strom, Abwärme (16) und Abgas mit einer gewählten erhöhten Temperatur, – ein HVAC- (Wärme, Ventilation und Kühlung) Wärmeenergieregelgerät (14 oder 30) zum Konditionieren des Fluids, wobei das genannte Wärmeenergiegerät einen Ausgangsfluidstrom mit einer gewählten Temperatur relativ zu der genannten Abwärme (16) bereitstellt, und – ein Grenzflächenaustauschelement (100, 120, 130, 140 oder 150), das sich zwischen der genannten Brennstoffzelle (12) und dem genannten Wärmeenergiegerät (14 oder 30) befindet, um einen Wärmeaustausch zwischen dem Abgas der genannten Brennstoffzelle und dem Wärmeenergiegerät zu erleichtern, wobei das genannte Grenzflächenaustauschelement so konstruiert ist, dass es Wärme aus dem genannten Abgas aufnimmt, wenn es davon durchströmt wird, wobei das genannte Grenzflächenelement ein wärmeleitfähiges Element für die Übertragung von Wärme durch Leitung zu dem genannten Wärmeenergiegerät aufweist.
Energiesystem nach Anspruch 1, bei dem das genannte Grenzflächenaustauschelement (100, 120, 130, 140 oder 150) Wärme durch Strahlung, Leitung oder Konvektion von dem genannten Brennstoffzellenabgas aufnimmt.
Energiesystem nach Anspruch 1 oder 2, bei dem das genannte Wärmeenergiegerät (14 oder 30) in direktem Kontakt mit dem genannten Grenzflächenaustauschelement (100, 120, 130, 140 oder 150) angeordnet ist.
Energiesystem nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem das genannte Grenzflächenaustauschelement (100, 120, 130, 140 oder 150) so angeordnet ist, dass es das genannte Brennstoffzellenabgas direkt aufnimmt oder, bei Bedarf, das genannte Grenzflächenaustauschelement (100, 120, 130, 140 oder 150) die genannte Wärme zu dem genannten Wärmeenergiegerät (14 oder 30) überträgt, um den direkten Austausch von Wärme dazwischen zu ermöglichen.
Energiesystem nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem das genannte Wärmeenergiegerät eine wärmeaktivierte Kühlerbaugruppe (30) umfasst, die mit dem genannten Grenzflächenaustauschelement (100, 120, 130, 140 oder 150) gekoppelt und so gestaltet ist, dass es Wärme von dieser zum Aktivieren der genannten Kühlerbaugruppe aufnimmt, wobei die genannte Kühlerbaugruppe einen Ausgangsfluidstrom bereitstellt, der zum Kühlen des gewählten Fluids ausreicht und eine gewählte Temperatur unterhalb der Temperatur der genannten Abwärme der genannten Brennstoffzelle hat.
Energiesystem nach Anspruch 5, wobei die genannte wärmeaktivierte Kühlerbaugruppe (30) Folgendes umfasst: – einen Dampfgenerator (32) in Wärmeverbindung mit der genannten Brennstoffzelle (12) zum Erzeugen von Dampf, wenn sie über eine gewählte Temperatur hinaus erhitzt wird, – einen Kondensator (40) in Fluidverbindung mit dem genannten Dampfgenerator (32) zum Kondensieren des genannten Dampfes zu einer Flüssigkeit, und – einen Verdunster (50) zum Umwandeln der genannten Flüssigkeit zurück in Dampf.
Energiesystem nach Anspruch 6, bei dem der genannte Dampfgenerator (32) der genannten wärmeaktivierten Kühlerbaugruppe (30) die genannte Brennstoffzelle (12) wenigstens teilweise umschließt und so gestaltet ist, dass er die genannte durch Strahlung davon erzeugte Abwärme (16) aufnimmt oder bei dem der genannte Dampfgenerator bei Bedarf so gestaltet ist, dass er Wärmeenergie mit dem genannten Grenzflächenaustauschelement austauscht.
Energiesystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem das genannte Wärmeenergiegerät einen Kessel umfaßt, der mit der genannten Brennstoffzelle (12) gekoppelt und so gestaltet ist, dass er die genannte Abwärme (16) davon aufnimmt, wobei der genannte Kessel so gestaltet ist, dass er das gewählte Fluid auf eine gewählte erhöhte Temperatur erhitzt und der genannte Kessel bei Bedarf ein Dampfkessel oder ein Thermofluidkessel ist.
Energiesystem nach Anspruch 8, bei dem das genannte Wärmeenergiegerät ferner einen Dampfgenerator umfasst, wobei der genannte Dampfgenerator so gestaltet ist, dass er Wärmeenergie mit dem genannten Grenzflächenaustauschelement (100, 120, 130, 140 oder 150) austauscht.
Energiesystem nach einem der vorherigen Ansprüche, ferner umfassend ein Mittel zum Einleiten eines Brennstoffreaktanten oder eines Oxidationsmittelreaktanten in die genannte Brennstoffzelle und wobei die genannte Brennstoffzelle bei Bedarf Mittel zum Verarbeiten der genannten Reaktanten zum Erzeugen des genannten Stroms und der genannten Abwärme umfasst.
Energiesystem nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem die genannte erhöhte Temperatur der genannten Abwärme im Bereich zwischen etwa 100°C und etwa 1200°C liegt.
Energiesystem nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem die genannte Brennstoffzelle (12) ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus einer Festoxid-Brennstoffzelle, einer Schmelzcarbonat-Brennstoffzelle, einer Phosphorsäure-Brennstoffzelle, einer Alkalibrennstoffzelle und einer Protonenaustauschmembran-Brennstoffzelle.
Energiesystem nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem die genannte Brennstoffzelle (12) die genannte Abwärme (16) davon abstrahlt, wobei das genannte System ferner ein Mittel zum Regulieren der genannten Abwärme umfasst und das genannte Reguliermittel bei Bedarf einen oder mehrere Strahlenschirme aufweist, die so konfiguriert sind, dass sie die genannte Brennstoffzelle wenigstens teilweise umgeben.
Energiesystem nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem die genannte Brennstoffzelle (12) Folgendes umfaßt: – eine Mehrzahl von Elektrolytelementen mit einer Oxidationsmittelelektrode auf einer Seite und einer Brennstoffelektrode auf einer gegenüberliegenden Seite, und – eine Mehrzahl von Verbindungselementen zum Bereitstellen eines elektrischen Kontakts mit den genannten Elektrolytelementen, wobei die genannten Elektrolytelemente und die genannten Verbindungselemente abwechselnd zur Bildung der genannten Brennstoffzelle gestapelt sind.
Energiesystem nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das genannte Grenzflächenaustauschelement (100, 120, 130, 140 oder 150) eine Mehrzahl von wärmeleitfähigen Platten (102) umfasst, die aus einem wärmeleitfähigen Material gebildet sind, wobei die genannten Platten (102) zu dem genannten Austauschelement (100, 120, 130, 140 oder 150) gestapelt sind, wobei das genannte Austauschelement eine Außenfläche (100A) aufweist, die für den Austausch von Wärmeenergie mit dem genannten Wärmeenergiegerät gestaltet ist.
Energiesystem nach Anspruch 15, bei dem die genannten wärmeleitfähigen Platten (102) Durchlassmittel umfassen, die es zulassen, dass ein Fluid ebenengleich darüber strömt.
Energiesystem nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem das genannte Grenzflächenaustauschelement (100, 120, 130, 140 oder 150) ferner Folgendes umfasst: – eine oder mehrere darin ausgebildete Axialverteiler (104, 114, 122 oder 134), und – Mittel zum Erzeugen eines Gasflussdruckabfalls in dem Durchlassmittel und zwischen benachbarten wärmeleitfähigen Platten, der im Wesentlichen höher ist als der Gasflussdruckabfall in dem Axialverteiler, so dass ein im Wesentlichen gleichförmiger Gasfluss über den Axialverteiler entsteht.
Energiesystem nach Anspruch 16 oder 17, bei dem die genannte wärmeleitfähige Platte (102) aus einem porösen leitfähigen Material gebildet ist, wobei das genannte poröse Material ein Durchlassmittel bildet, so dass Gas axial durch die genannte Platte fließen kann.
Energiesystem nach einem der Ansprüche 1 bis 14, bei dem das genannte Grenzflächenaustauschelement (100, 120, 130, 140 oder 150) ein spiralförmiges wärmeleitfähiges Band umfasst.
Energiesystem nach einem der Ansprüche 1 bis 14, bei dem das genannte Grenzflächenaustauschelement (100, 120, 130, 140 oder 150) aus einem porösen wärmeleitfähigen Material besteht.
Energiesystem nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem das genannte Grenzflächenaustauschelement (100, 120, 130, 140 oder 150) eine allgemein zylindrische Gestalt mit einem Durchmesser zwischen etwa 1 Zoll und etwa 20 Zoll hat oder bei dem das Grenzflächenaustauschelement bei Bedarf einen allgemein rechteckigen Querschnitt hat.
Verfahren zum Erzeugen von Strom und zum Konditionieren eines gewählten Fluids, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfaßt: – Bereitstellen einer Brennstoffzelle (12) zum Erzeugen von Strom, Abwärme (16) und Abgas mit einer gewählten erhöhten Temperatur, – Konditionieren des gewählten Fluids mit einem HVAC- (Wärme, Ventilation und Kühlung) Wärmeenergieregelgerät (14 oder 30), wobei das genannte Wärmeenergiegerät einen Ausgangsfluidstrom mit einer gewählten Temperatur relativ zu der genannten Abwärme (16) bereitstellt, und – Erleichtern eines Wärmeaustauschs zwischen dem Abgas der genannten Brennstoffzelle und dem Wärmeenergiegerät, mit einem Grenzflächenaustauschelement (100, 120, 130, 140 oder 150), das sich zwischen der genannten Brennstoffzelle (12) und dem genannten Wärmeenergiegerät (30) befindet, wobei das genannte Grenzflächenaustauschelement (30) so konstruiert ist, dass es Wärme aus dem genannten Abgas aufnimmt, wenn es davon durchströmt wird, wobei das genannte Grenzflächenelement ein wärmeleitfähiges Element für die Übertragung von Wärme durch Leitung zu dem genannten Wärmeenergiegerät aufweist.
Verfahren nach Anspruch 22, ferner umfassend den Schritt des Koppelns des genannten Grenzflächenaustauschelements (100, 120, 130, 140 oder 150), um Wärme durch Strahlung, Leitung oder Konvektion von dem genannten Brennstoffzellenabgas aufzunehmen.
Verfahren nach Anspruch 22, ferner umfassend den Schritt des Positionierens des genannten Wärmeenergiegeräts (14 oder 30) in direktem Kontakt mit dem genannten Grenzflächenaustauschelement (100, 120, 130, 140 oder 150).
Verfahren nach einem der Ansprüche 22 bis 24, ferner umfassend den Schritt des Positionierens des genannten Grenzflächenaustauschelements (100, 120, 130, 140 oder 150), um das genannte Brennstoffzellenabgas direkt aufzunehmen, oder bei Bedarf umfassend den Schritt des direkten Austauschens von Wärme zwischen dem genannten Grenzflächenaustauschelement (100, 120, 130, 140 oder 150) und dem genannten Wärmeenergiegerät (14 oder 30).
Verfahren nach einem der Ansprüche 22 bis 25, bei dem der genannte Schritt des Konditionierens des genannten gewählten Fluids mit einem Wärmeenergiegerät die folgenden Schritte umfaßt: – Bereitstellen einer wärmeaktivierten Kühlerbaugruppe (30), die mit der genannten Brennstoffzelle (12) gekoppelt ist, – Wärmeaktivieren der genannten Kühlerbaugruppe (30), und – Kühlen des gewählten Fluids, so dass es eine gewählte Temperatur unterhalb der Temperatur der Brennstoffzellenabwärme (16) hat.
Verfahren nach Anspruch 26, bei dem der genannte Schritt des Bereitstellens einer wärmeaktivierten Kühlerbaugruppe (30) ferner die folgenden Schritte umfaßt: – Bereitstellen eines Dampfgenerators (32) in Wärmeverbindung mit der genannten Brennstoffzelle (12) zum Erzeugen von Dampf, wenn diese über eine gewählte Temperatur erhitzt wurde, – Bereitstellen eines Kondensators (40) in Fluidverbindung mit dem genannten Dampfgenerator (32) zum Kondensieren des genannten Dampfes zu einer Flüssigkeit, und – Bereitstellen eines Verdunsters (50) zum Umwandeln der genannten Flüssigkeit zurück in Dampf.
Verfahren nach Anspruch 27, ferner umfassend den Schritt des Austauschens von Wärmeenergie zwischen dem genannten Dampfgenerator (32) und dem genannten Grenzflächenaustauschelement (100, 120, 130, 140 oder 150).
Verfahren nach einem der Ansprüche 22 bis 25, wobei der genannte Schritt des Konditionierens des genannten gewählten Fluids mit einem Wärmeenergiegerät ferner die folgenden Schritte umfasst: – Bereitstellen eines Kessels, der sich in Wärmeverbindung mit der genannten Brennstoffzelle befindet und so gestaltet ist, dass er Abwärme davon aufnimmt, und – Erhitzen des gewählten Fluids auf eine gewählte erhöhte Temperatur.
Verfahren nach Anspruch 29, ferner umfassend den Schritt des Bereitstellens eines Dampfgenerators, der zum Austauschen von Wärmeenergie mit dem genannten Grenzflächenaustauschelement (100, 120, 130, 140 oder 150) und bei Bedarf zum Erzeugen von Dampf von einem Arbeitsfluid als Reaktion auf die genannte Abwärme (16) der genannten Brennstoffzelle (12) gestaltet ist.
Verfahren nach Anspruch 22 bis 30, ferner umfassend die Schritte des Einleitens eines Brennstoffreaktanten (20) und eines Oxidationsmittelreaktanten (22) in die genannte Brennstoffzelle (12) und bei Bedarf umfassend den Schritt des Verarbeitens der genannten Reaktanten zum Erzeugen des genannten Stroms und der genannten Abwärme (16).
Verfahren nach einem der Ansprüche 22 bis 31, ferner umfassend den Schritt des Wählens der genannten Brennstoffzelle (12) aus der Gruppe bestehend aus einer Festoxid-Brennstoffzelle, einer Schmelzcarbonat-Brennstoffzelle, einer Phosphorsäure-Brennstoffzelle, einer Alkalibrennstoffzelle und einer Protonenaustauschmembran-Brennstoffzelle.
Verfahren nach einem der Ansprüche 22 bis 32, wobei die genannte Brennstoffzelle (12) die genannte Abwärme (16) ausstrahlt, ferner umfassend den Schritt des Regulierens der genannten Abwärme.
Verfahren nach einem der Ansprüche 22 bis 33, wobei der genannte Schritt des Bereitstellens der genannten Brennstoffzelle (12) ferner die folgenden Schritte umfasst: – Bereitstellen einer Mehrzahl von Elektrolytelementen mit einer Oxidationsmittelelektrode auf einer Seite und einer Brennstoffelektrode auf einer gegenüberliegenden Seite, und – Bereitstellen einer Mehrzahl von Verbindungselementen zum Erzielen eines elektrischen Kontakts mit den genannten Elektrolytelementen, wobei die genannten Elektrolytelemente und die genannten Verbindungselemente abwechselnd zur Bildung der genannten Brennstoffzelle (12) gestapelt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 22 bis 34, wobei der genannte Schritt des Erleichtern des Wärmeaustauschs mit dem genannten Grenzflächenaustauschelement (100, 120, 130, 140 oder 150) ferner die folgenden Schritte umfasst: – Bereitstellen einer Mehrzahl von wärmeleitfähigen Platten (102), die aus einem wärmeleitfähigen Material bestehen, und – Stapeln der genannten Platten (102) übereinander zur Bildung des genannten Grenzflächenaustauschelements (100, 120, 130, 140 oder 150), wobei das genannte Austauschelement eine Außenfläche (100A) hat, die für den Austausch von Wärmeenergie mit dem genannten Wärmeenergiegerät gestaltet ist.
Verfahren nach Anspruch 35, ferner umfassend den Schritt des Bildens von einem oder mehreren Durchlässen in der genannten Platte (102), damit Fluid ebenengleich darüber fließen kann.
Verfahren nach Anspruch 36, ferner umfassend die folgenden Schritte: – Bilden von einem oder mehreren Axialverteilern (104, 114, 122 oder 134) in dem genannten Grenzflächenaustauschelement (100, 120, 130, 140 oder 150), und – Erzeugen eines Gasflussdruckabfalls in dem Durchlass und zwischen benachbarten wärmeleitfähigen Platten, der wesentlich größer ist als der Gasflussdruckabfall in dem Axialverteiler, so dass ein im Wesentlichen gleichförmiger Fluss von Gas über den Axialverteiler entsteht.
Verfahren nach Anspruch 37, ferner umfassend den Schritt des Aufrechterhaltens eines im Wesentlichen gleichförmigen Druckabfalls in den Durchlässen, damit ein im Wesentlichen gleichförmiger Gasfluss über den Axialverteiler entsteht.
Verfahren nach Anspruch 35 oder 36, ferner umfassend den Schritt des Bildens der genannten wärmeleitfähigen Platte (102) aus einem porösen leitfähigen Material, wobei das genannte poröse Material Durchlässe bildet, damit das Gas axial durch die genannte Platte fließen kann.
Verfahren nach einem der Ansprüche 22 bis 34, ferner umfassend den Schritt des Bildens des genannten Grenzflächenaustauschelements (100, 120, 130, 140 oder 150) zu einem spiralförmigen wärmeleitfähigen Band.
Verfahren nach einem der Ansprüche 22 bis 34, ferner umfassend den Schritt des Bildens des genannten Grenzflächenaustauschelements (100, 120, 130, 140 oder 150) aus einem porösen wärmeleitfähigen Material.
Verfahren nach einem der Ansprüche 22 bis 41, ferner umfassend den Schritt des Ausbildens des genannten Grenzflächenaustauschelements (100, 120, 130, 140 oder 150) zu einer allgemein zylindrischen Gestalt mit einem Durchmesser zwischen etwa 1 Zoll und etwa 20 Zoll oder bei Bedarf des Ausbildens des genannten Grenzflächenaustauschelements zu einem allgemein rechteckigen Querschnitt.