EP2174376A1 - System und verfahren zur rückgewinnung von wärme - Google Patents

System und verfahren zur rückgewinnung von wärme

Info

Publication number
EP2174376A1
EP2174376A1 EP08715592A EP08715592A EP2174376A1 EP 2174376 A1 EP2174376 A1 EP 2174376A1 EP 08715592 A EP08715592 A EP 08715592A EP 08715592 A EP08715592 A EP 08715592A EP 2174376 A1 EP2174376 A1 EP 2174376A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
coolant
heat exchanger
heat
fuel cell
cell assembly
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP08715592A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Thomas Ritz Nissen
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Ballard Power Systems Europe AS
Original Assignee
Dantherm Power AS
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Dantherm Power AS filed Critical Dantherm Power AS
Publication of EP2174376A1 publication Critical patent/EP2174376A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04007—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids related to heat exchange
    • H01M8/04059—Evaporative processes for the cooling of a fuel cell
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04007—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids related to heat exchange
    • H01M8/04067—Heat exchange or temperature measuring elements, thermal insulation, e.g. heat pipes, heat pumps, fins
    • H01M8/04074—Heat exchange unit structures specially adapted for fuel cell
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Definitions

  • the invention relates to a system for recovering heat, comprising a fuel cell assembly having a first heat exchanger having a first coolant inlet and a first coolant outlet, and a second heat exchanger having a second coolant inlet and a second coolant outlet, wherein the second heat exchanger with a Heat storage is connected. Furthermore, the invention relates to a method for recovering heat released by a fuel cell assembly, wherein a coolant receives heat in a first heat exchanger associated with the fuel cell assembly and discharges into a second heat exchanger connected to a heat accumulator.
  • Fuel cells heat up when generating electrical energy.
  • an optimum operating temperature of the fuel cell is often in the range between 80 ° and 90 0 C.
  • temperatures up to 200 ° are possible.
  • the liquid coolant transports the heat received in the heat exchanger of the fuel cell assembly to another heat exchanger in which it releases the heat again. From there, the coolant is passed back into the heat exchanger of the fuel cell assembly.
  • a pump is arranged between the heat exchangers in these systems.
  • the second heat exchanger Since heat is not needed in every case, even if electrical energy is needed and the fuel cells release heat, the second heat exchanger usually connected to a heat storage. This makes it possible to adapt the heat output to actual needs.
  • the correct temperature of the fuel cell assembly can be ensured and to ensure rapid achievement of the operating temperature during the starting process, a bypass connection or the like is required with which the second heat exchanger can be bypassed, so that heat dissipation in the second heat exchanger can be prevented.
  • the invention has for its object to provide a system for the recovery of heat, with a uniform temperature distribution over the fuel cell assembly is achieved.
  • the system comprises a coolant which evaporates in the first heat exchanger and condenses in the second heat exchanger, wherein the first coolant outlet in the direction of gravity higher than the first coolant inlet and the second coolant outlet is arranged in the direction of gravity lower than the second coolant inlet.
  • the coolant after absorbing so much heat that it has gone into the gaseous phase, will rise upwards in the direction of the first coolant outlet.
  • the evaporation temperature of the coolant is always constant under otherwise identical conditions. Since the vaporized coolant can escape upwards in the direction of the first coolant outlet, there is no further heat absorption by the vaporized coolant. The coolant thus only absorbs heat as long as it is in its liquid phase. As a result, the heat exchanger is kept almost constant at the temperature which corresponds approximately to the evaporation temperature of the coolant.
  • the circulation of the coolant takes place due to the different density of the liquid coolant and the vaporous coolant. A heat dissipation thus takes place only when the coolant and thus the heat exchanger and the fuel cell assembly has reached the evaporation temperature of the coolant. This ensures a quick achievement of the operating temperature.
  • the first coolant outlet is connected to the second coolant inlet via a connecting line and the second coolant outlet is connected via a connecting line to the first coolant inlet.
  • the system has an adjustable system pressure.
  • the temperature at which the coolant evaporates can be influenced.
  • the coolant evaporates only at a higher temperature, at a reduced system pressure, the coolant evaporates accordingly at a lower temperature.
  • the coolant has an evaporation temperature that is in the range of a desired setpoint temperature of the fuel cell assembly.
  • the setpoint temperature of the fuel cell arrangement can be ensured solely by the coolant.
  • the system pressure then usually has to be adapted only slightly. It may even be possible to dispense with influencing the system pressure.
  • the coolant has ethanol. It has been found that with ethanol (C 2 H 5 OH), a good heat absorption can be achieved, at the same time a uniform temperature distribution over the fuel cell assembly is achieved.
  • the aforementioned object is achieved in a method of the type mentioned above in that the coolant is evaporated in the first heat exchanger and is condensed in the second heat exchanger, wherein the coolant is removed from the first heat exchanger at a higher in the direction of gravity discharge point as it is introduced and taken in the second heat exchanger at a lower sampling point than it is introduced.
  • the coolant which is introduced in the liquid state in the first heat exchanger, as long as heat absorbs until it evaporates. Subsequently, the vaporized coolant escapes through the higher arranged sampling point. Another heat absorption by the vaporized coolant takes place only in a negligible order of magnitude.
  • the fuel cell assembly is thereby maintained uniformly at a temperature which corresponds approximately to the vaporization temperature of the coolant. Since in the second heat exchanger, the removal point is arranged lower than the point at which the vapor refrigerant is introduced into the heat exchanger, the refrigerant leaves after condensation in the second heat exchanger, this due to the action of gravity.
  • the temperature at which the coolant leaves the second heat exchanger and with which it is reintroduced into the first heat exchanger is only slightly below the evaporation temperature and is almost constant during operation.
  • the coolant is introduced at a location in the first heat exchanger, which is arranged at the same level or lower than the removal point of the second heat exchanger. This eliminates the need for an additional pump for the movement of the coolant.
  • the refrigerant circulates solely due to the density differences of the liquid and vapor refrigerant and the Effect of gravity. This results in a very energy efficient system.
  • the system pressure is adjusted in dependence on the desired setpoint temperature of the fuel cell assembly.
  • the system pressure can influence the evaporation temperature of the coolant. Due to the adjustability of the system pressure can therefore be ensured that the coolant evaporates only or already at the target temperature of the fuel cell assembly.
  • a coolant is used whose evaporation temperature is in the range of the desired setpoint temperature of the fuel cell assembly. An adjustment of the system pressure is then only required to a small extent or even not necessary.
  • ethanol is used as the coolant.
  • Ethanol has a good heat absorption, it has been found that with ethanol, a uniform temperature distribution over the fuel cell assembly can be achieved.
  • the single figure is a schematic representation of a cooling circuit.
  • the figure shows schematically a cooling circuit in which a fuel cell assembly 1, a first heat exchanger 2 is associated.
  • the first heat exchanger 2 has a first coolant inlet 3 and a first coolant outlet 4.
  • a second heat exchanger 5 has a second coolant inlet 6 and a second coolant outlet 7.
  • the first coolant inlet 3 of the first heat exchanger 2 is connected via a connecting line 8 to the second coolant inlet 6 of the second heat exchanger 5 is connected.
  • the second coolant outlet 7 of the second heat exchanger 5 is connected to the first coolant inlet 3 of the first heat exchanger 2 via a connecting line 9.
  • the second heat exchanger 5 is additionally connected to a heat accumulator 10.
  • connection from the first coolant outlet 4 to the second coolant inlet 6 and from the second coolant outlet 7 to the first coolant inlet 3 takes place directly, i. without intermediate elements.
  • the whole system works without an additional pump.
  • the coolant circulates so without the need for additional aids such as a pump. Since the circulation only begins when the fuel cell assembly emits a corresponding amount of heat, the operating temperature of the fuel cell assembly is reached quickly.
  • the second heat exchanger 5 may have an integrated heat accumulator 10, but this may also be a separate component. As a heat storage medium water is usually used.
  • the mass flow rate is calculated according to the following formula:
  • the coolant thus moves at a relatively low speed.
  • the second heat exchanger 5 there is also sufficient time to completely dispense the desired amount of heat, which can thus be stored in the heat accumulator 10.

Landscapes

  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft ein System zur Rückgewinnung von Wärme, das eine Brennstoffzellenanordnung mit einem ersten Wärmetauscher aufweist, der einen ersten Kühlmitteleingang und einen ersten Kühlmittelausgang aufweist, und einen zweiten Wärmetauscher, der einen zweiten Kühlmitteleingang und einen zweiten Kühlmittelausgang aufweist, wobei der zweite Wärmetauscher mit einem Wärmespeicher verbunden ist. Die Temperaturverteilung über die Brennstoffzellenanordnung soll vergleichmäßigt werden. Dafür weist das System ein Kühlmittel auf, das im ersten Wärmetauscher verdampft und im zweiten Wärmetauscher kondensiert, wobei der erste Kühlmittelausgang in Schwerkraftrichtung höher als der erste Kühlmitteleingang und der zweite Kühlmittelausgang in Schwerkraftrichtung niedriger als der zweite Kühlmitteleingang angeordnet ist. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren eines derartigen Systems.

Description

System und Verfahren zur Rückgewinnung von Wärme
Die Erfindung betrifft ein System zur Rückgewinnung von Wärme, das eine Brennstoffzellenanordnung mit einem ersten Wärmetauscher aufweist, der einen ersten Kühlmitteleingang und einen ersten Kühlmittelausgang aufweist, und einen zweiten Wärmetauscher, der einen zweiten Kühlmitteleingang und einen zweiten Kühlmittelausgang aufweist, wobei der zweite Wärmetauscher mit einem Wärmespeicher verbunden ist. Femer betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Gewinnung von Wärme, die von einer Brennstoffzellenanordnung freigesetzt wird, wobei ein Kühlmittel Wärme in einem ersten Wärmetauscher aufnimmt, der der Brennstoffzellenanordnung zugeordnet ist, und in einen zweiten Wärmetauscher abgibt, der mit einem Wärmespeicher verbunden ist.
Brennstoffzellen erwärmen sich beim Erzeugen elektrischer Energie. Dabei liegt eine optimale Betriebstemperatur der Brennstoffzellen häufig im Bereich zwischen 80° und 900C. Bei flüssigkeitsgekühlten Zellen, beispielsweise Hochtemperatur-PEM-Zellen, sind auch Temperaturen bis 200° möglich. Um eine weitere Erwärmung der Brennstoffzellen zu verhindern, ist es bekannt, diese mit Wärmetauschern zu versehen, die ein flüssiges Kühlmittel aufweisen. Das flüssige Kühlmittel transportiert die im Wärmetauscher der Brennstoffzellenanordnung aufgenommene Wärme dann zu einem weiteren Wärmetauscher, in dem es die Wärme wieder abgibt. Von dort wird das Kühlmittel wieder zurück in den Wärmetauscher der Brennstoffzellenanordnung geleitet. Um die Zirkulation des Kühlmittels sicher zu stellen, ist bei diesen Systemen zwischen den Wärmetauschern eine Pumpe angeordnet.
Da Wärme nicht in jedem Falle dann benötigt wird, wenn auch elektrische Energie benötigt wird und die Brennstoffzellen Wärme freisetzen, wird der zweite Wärmetauscher in der Regel mit einem Wärmespeicher verbunden. Dadurch ist es möglich, die Wärmeabgabe an tatsächliche Bedürfnisse anzupassen.
Damit die richtige Temperatur der Brennstoffzellenanordnung gewährleistet werden kann und um ein schnelles Erreichen der Betriebstemperatur während des Startvorganges sicher zu stellen, ist eine Bypassverbindung oder ähnliches erforderlich, mit der der zweite Wärmetauscher umgangen werden kann, so daß eine Wärmeabgabe im zweiten Wärmetauscher verhindert werden kann.
Dieses bekannte System zur Rückgewinnung von Wärme benötigt allerdings eine Vielzahl einzelner Komponenten.
Bei der Wärmeaufnahme von einer Brennstoffzellenanordnung soll entlang der Brennstoffzellenanordnung eine möglichst gleichmäßige Temperaturverteilung vorliegen. Dies wird in der Regel dadurch erreicht, dass eine große Menge an Kühlmittel pro Zeiteinheit durch den Wärmetauscher der Brennstoffzellenanordnung geleitet wird. Dies erfordert eine entsprechende Pumpenleistung, wobei aufgrund der schnellen Zirkulation des Kühlmittels die Zeit bis zum Erreichen der Betriebstemperatur der Brennstoffzellenanordnung verlängert wird.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein System zur Rückgewinnung von Wärme bereit zu stellen, wobei eine gleichmäßige Temperaturverteilung über die Brennstoffzellenanordnung erzielt wird.
Diese Aufgabe wird mit einem System der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass das System ein Kühlmittel aufweist, das im ersten Wärmetauscher verdampft und im zweiten Wärmetauscher kondensiert, wobei der erste Kühlmittelausgang in Schwerkraftrichtung höher als der erste Kühlmitteleingang und der zweite Kühlmittelausgang in Schwerkraftrichtung niedriger als der zweite Kühlmitteleingang angeordnet ist.
Das Kühlmittel wird, nachdem es so viel Wärme aufgenommen hat, dass es in die gasförmige Phase übergegangen ist, nach oben in Richtung des ersten Kühlmittelausgangs aufsteigen. Die Verdampfungstemperatur des Kühlmittels ist unter ansonsten gleichen Bedingungen immer konstant. Da das verdampfte Kühlmittel nach oben in Richtung des ersten Kühlmittelausgangs entweichen kann, erfolgt keine weitere Wärmeaufnahme durch das verdampfte Kühlmittel. Das Kühlmittel nimmt also nur solange Wärme auf, wie es sich in seiner flüssigen Phase befindet. Dadurch wird der Wärmetauscher nahezu konstant auf der Temperatur gehalten, die in etwa der Verdampfungstemperatur des Kühlmittels entspricht. Die Zirkulation des Kühlmittels erfolgt dabei aufgrund der unterschiedlichen Dichte des flüssigen Kühlmittels und des dampfförmigen Kühlmittels. Ein Wärmeabtransport findet also erst dann statt, wenn das Kühlmittel und damit der Wärmetauscher und die Brennstoffzellenanordnung die Verdampfungstemperatur des Kühlmittels erreicht hat. Damit wird ein schnelles Erreichen der Betriebstemperatur gewährleistet.
Die Verwendung eines Kühlmittels, das bei der Wärmeaufnahme verdampft und bei der anschließenden Wärmeabgabe kondensiert, ist aus EP 1 699 100 A1 bekannt. Dabei erfolgt jedoch keine Rückgewinnung der erzeugten Wärme.
Bevorzugterweise ist der erste Kühlmittelausgang über eine Verbindungsleitung mit dem zweiten Kühlmitteleingang und der zweite Kühlmittelausgang über eine Verbindungsleitung mit dem ersten Kühlmitteleingang verbunden. Dadurch ist es möglich, den zweiten Wärmetauscher räumlich getrennt vom ersten Wärmetauscher anzuordnen. Die Wärme wird dabei vom Kühlmittel vom ersten Wärmetauscher zum zweiten Wärmetauscher transportiert. Dabei ist besonders bevorzugt, dass der zweite Kühlmittelausgang auf gleicher Höhe oder höher als der erste Kühlmitteleingang angeordnet ist. Auf eine Pumpe zur Unterstützung der Zirkulation des Kühlmittels kann dann verzichtet werden. Die Bewegung erfolgt allein aufgrund der Dichteunterschiede des dampfförmigen Kühlmittels und des flüssigen Kühlmittels. Eine Bypassverbindung, mit der der zweite Wärmetauscher umgangen werden kann, ist dabei nicht notwendig. Eine Bewegung des Kühlmittels findet erst dann statt, wenn die Brennstoffzellenanordnung die gewünschte Betriebstemperatur erreicht hat, so dass die abgegebene Wärme ausreicht, das Kühlmittel zu verdampfen. Eine Wärmeabgabe im zweiten Wärmetauscher erfolgt ebenfalls erst ab diesem Zeitpunkt.
Bevorzugterweise weist das System einen einstellbaren Systemdruck auf. Dadurch kann die Temperatur, bei der das Kühlmittel verdampft, beein- flusst werden. Durch eine Erhöhung des Systemdrucks verdampft das Kühlmittel erst bei einer höheren Temperatur, bei einem erniedrigten Systemdruck verdampft das Kühlmittel entsprechend bei einer niedrigeren Temperatur.
Vorzugsweise weist das Kühlmittel eine Verdampfungstemperatur auf, die im Bereich einer gewünschten Solltemperatur der Brennstoffzellenanordnung liegt. Dadurch kann allein durch das Kühlmittel die Solltemperatur der Brennstoffzellenanordnung gewährleistet werden. Der Systemdruck muss dann meistens nur wenig angepasst werden. Möglicherweise kann sogar auf eine Beeinflussung des Systemdrucks verzichtet werden.
Vorzugsweise weist das Kühlmittel Ethanol auf. Es hat sich herausgestellt, dass sich mit Ethanol (C2H5OH) eine gute Wärmeaufnahme erzielen lässt, wobei gleichzeitig eine gleichmäßige Temperaturverteilung über die Brennstoffzellenanordnung erreicht wird. Die eingangs genannte Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass das Kühlmittel im ersten Wärmetauscher verdampft wird und im zweiten Wärmetaucher kondensiert wird, wobei das Kühlmittel aus dem ersten Wärmetauscher an einer in Schwerkraftrichtung höheren Entnahmestelle entnommen wird als es eingeleitet wird und im zweiten Wärmetauscher an einer niedrigeren Entnahmestelle entnommen wird als es eingeleitet wird.
Dadurch wird erreicht, dass das Kühlmittel, welches im flüssigen Zustand in den ersten Wärmetauscher eingeleitet wird, solange Wärme aufnimmt, bis es verdampft. Anschließend entweicht das verdampfte Kühlmittel durch die höher angeordnete Entnahmestelle. Eine weitere Wärmeaufnahme durch das verdampfte Kühlmittel findet dabei nur noch in einer vernachlässigbaren Größenordnung statt. Die Brennstoffzellenanordnung wird dadurch gleichmäßig auf einer Temperatur gehalten, die in etwa der Verdampfungstemperatur des Kühlmittels entspricht. Da im zweiten Wärmetauscher die Entnahmestelle niedriger angeordnet ist als die Stelle, an der das dampfförmige Kühlmittel in den Wärmetauscher eingeleitet wird, verläßt das Kühlmittel nach erfolgter Kondensation im zweiten Wärmetauscher diesen aufgrund der Einwirkung der Schwerkraft. Die Temperatur, mit der das Kühlmittel den zweiten Wärmetauscher verläßt und mit der es wieder in den ersten Wärmetauscher eingeleitet wird, liegt dabei nur etwas unter der Verdampfungstemperatur und ist wie diese während des Betriebs nahezu konstant.
Dabei ist besonders bevorzugt, dass das Kühlmittel an einer Stelle in den ersten Wärmetauscher eingeleitet wird, die auf gleicher Höhe oder niedriger angeordnet ist als die Entnahmestelle des zweiten Wärmetauschers. Dadurch kann auf eine zusätzliche Pumpe für die Bewegung des Kühlmittels verzichtet werden. Das Kühlmittel zirkuliert allein aufgrund der Dichteunterschiede des flüssigen und des dampfförmigen Kühlmittels und der Wirkung der Schwerkraft. Dadurch ergibt sich ein sehr energieeffizientes System.
Vorzugsweise wird der Systemdruck in Abhängigkeit von der gewünschten Solltemperatur der Brennstoffzellenanordnung eingestellt. Durch den Systemdruck lässt sich die Verdampfungstemperatur des Kühlmittels beeinflussen. Durch die Einstellbarkeit des Systemdrucks kann daher dafür gesorgt werden, dass das Kühlmittel erst oder schon bei der Solltemperatur der Brennstoffzellenanordnung verdampft.
Dabei ist besonders bevorzugt, dass ein Kühlmittel verwendet wird, dessen Verdampfungstemperatur im Bereich der gewünschten Solltemperatur der Brennstoffzellenanordnung liegt. Eine Anpassung des Systemdrucks ist dann nur noch in geringem Maße erforderlich oder auch gar nicht notwendig.
Vorzugsweise wird als Kühlmittel Ethanol verwendet. Ethanol weist eine gute Wärmeaufnahme auf, wobei sich herausgestellt hat, dass mit Ethanol eine gleichmäßige Temperaturverteilung über der Brennstoffzellenanordnung erreicht werden kann.
Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im Folgenden anhand der einzigen Figur beschrieben. Dabei zeigt:
die einzige Figur eine schematische Darstellung eines Kühlkreislaufes.
Die Figur zeigt schematisch einen Kühlkreislauf, in dem einer Brennstoffzellenanordnung 1 ein erster Wärmetauscher 2 zugeordnet ist. Der erste Wärmetauscher 2 weist einen ersten Kühlmitteleingang 3 und einen ersten Kühlmittelausgang 4 auf. Ein zweiter Wärmetauscher 5 weist einen zweiten Kühlmitteleingang 6 und einen zweiten Kühlmittelausgang 7 auf. Der erste Kühlmitteleingang 3 des ersten Wärmetauschers 2 ist über eine Ver- bindungsleitung 8 an den zweiten Kühlmitteleingang 6 des zweiten Wärmetauschers 5 angeschlossen. Der zweite Kühlmittelausgang 7 des zweiten Wärmetauschers 5 ist mit dem ersten Kühlmitteleingang 3 des ersten Wärmetauschers 2 über eine Verbindungsleitung 9 verbunden. Der zweite Wärmetauscher 5 ist zusätzlich mit einem Wärmespeicher 10 verbunden.
Bei diesem Ausführungsbeispiel erfolgt die Verbindung vom ersten Kühlmittelausgang 4 zum zweiten Kühlmitteleingang 6 sowie vom zweiten Kühlmittelausgang 7 zum ersten Kühlmitteleingang 3 direkt, d.h. ohne zwischengeschaltete Elemente. Das ganze System kommt ohne eine zusätzliche Pumpe aus.
Beim Betrieb der Brennstoffzellenanordnung 1 wird dort Wärme freigesetzt, so dass sich die Temperatur im ersten Wärmetauscher 2 erhöht. Dadurch erwärmt sich ein Kühlmittel im ersten Wärmetauscher 2, bis es schließlich verdampft. Dadurch steigt das Kühlmittel empor und gelangt durch die Verbindungsleitung 8 zum höher gelegenen zweiten Kühlmitteleingang 6 des zweiten Wärmetauschers 5. Dort wird dem Kühlmittel Wärme entzogen und im Wärmespeicher 10 gespeichert. Das Kühlmittel kühlt dabei ab und kondensiert im zweiten Wärmetauscher 5. Da der zweite Kühlmittelausgang 7 tiefer gelegen ist als der zweite Kühlmitteleingang
6 fließt das kondensierte Kühlmittel durch den zweiten Kühlmittelausgang
7 und die Verbindungsleitung 9 in den nochmals tiefer gelegenen ersten Kühlmitteleingang 3 des ersten Wärmetauschers 2.
Das Kühlmittel zirkuliert also ohne dass zusätzliche Hilfsmittel wie beispielsweise eine Pumpe benötigt werden. Da die Zirkulation erst beginnt, wenn die Brennstoffzellenanordnung eine entsprechende Wärmemenge abgibt, wird die Betriebstemperatur der Brennstoffzellenanordnung schnell erreicht. Der zweite Wärmetauscher 5 kann einen integrierten Wärmespeicher 10 aufweisen, dieser kann aber auch ein eigenes Bauelement sein. Als Wärmespeichermedium wird in der Regel Wasser benutzt.
Gegenüber einem herkömmlichen Kühlsystem, bei dem das Kühlmittel mit Hilfe einer Pumpe befördert wird, ergibt sich eine deutliche Verringerung des Massendurchflusses. Der Massendurchfluss berechnet sich nach folgender Formel:
m =
(cp • Δt)
Mit Wasser als Kühlmittel, einem Δt von 2,5°K und einer Wärmemenge von 1 KW ergibt sich für den Massendurchfluss
m =
(4,18 • 2,5)
Daraus folgt
m = 0,1 -?
Mit Ethanol als Kühlmittel, das im ersten Wärmetauscher verdampft und im zweiten Wärmetauscher wieder kondensiert, ergibt sich für den Massendurchfluss:
m = q
-^2HSOH
1 kg m = 0 ,0012
846 S Der Massendurchfluss verringert sich also fast um den Faktor 100.
Das Kühlmittel bewegt sich also mit einer relativ geringen Geschwindigkeit. Dadurch hat es im zweiten Wärmetauscher 5 auch ausreichend Zeit, um die gewünschte Wärmemenge vollständig abzugeben, die so im Wärmespeicher 10 gespeichert werden kann.

Claims

Patentansprüche
1. System zur Rückgewinnung von Wärme, das eine Brennstoffzellenanordnung mit einem ersten Wärmetauscher aufweist, der einen ersten Kühlmitteleingang und einen ersten Kühlmittelausgang aufweist, und einen zweiten Wärmetauscher, der einen zweiten Kühlmitteleingang und einen zweiten Kühlmittelausgang aufweist, wobei der zweite Wärmetauscher mit einem Wärmespeicher verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass das System ein Kühlmittel aufweist, das im ersten Wärmetauscher (2) verdampft und im zweiten Wärmetauscher (5) kondensiert, wobei der erste Kühlmittelausgang (4) in Schwerkraftrichtung höher als der erste Kühlmitteleingang (3) und der zweite Kühlmittelausgang (7) in Schwerkraftrichtung niedriger als der zweite Kühlmitteleingang (6) angeordnet ist.
2. System nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der erste Kühlmittelausgang (4) über eine Verbindungsleitung (8) mit dem zweiten Kühlmitteleingang (6) und der zweite Kühlmittelausgang (7) über eine Verbindungsleitung (9) mit dem ersten Kühlmitteleingang (3) verbunden ist.
3. System nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Kühlmittelausgang (7) auf gleicher Höhe oder höher als der erste Kühlmitteleingang (3) angeordnet ist.
4. System nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass es einen einstellbaren Systemdruck aufweist.
5. System nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlmittel eine Verdampfungstemperatur aufweist, die im Bereich einer gewünschten Solltemperatur der Brennstoffzellenanordnung (1) liegt.
6. System nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, das das Kühlmittel Ethanol aufweist.
7. Verfahren zur Rückgewinnung von Wärme, die von einer Brennstoffzellenanordnung freigesetzt wird, wobei ein Kühlmittel Wärme in einem ersten Wärmetauscher aufnimmt, der der Brennstoffzellenanordnung zugeordnet ist, und in einem zweiten Wärmetauscher abgibt, der mit einem Wärmespeicher verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlmittel im ersten Wärmetauscher vertauscht wird und im zweiten Wärmetauscher kondensiert wird, wobei das Kühlmittel aus dem Wärmetauscher an einer in Schwerkraftrichtung höheren Entnahmestelle entnommen wird als es eingeleitet wird und im zweiten Wärmetauscher an einer niedrigeren Entnahmestelle entnommen wird als es eingeleitet wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlmittel an einer Stelle in den ersten Wärmetauscher eingeleitet wird, die auf gleicher Höhe oder niedriger angeordnet ist, als die Entnahmestelle des zweiten Wärmetauschers.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Systemdruck in Abhängigkeit der gewünschten Solltemperatur der Brennstoffzellenanordnung eingestellt wird.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kühlmittel verwendet wird, dessen Verdampfungstemperatur im Bereich der gewünschten Solltemperatur der Brennstoffzellenanordnung liegt.
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass als Kühlmittel Ethanol verwendet wird.
EP08715592A 2007-03-23 2008-03-19 System und verfahren zur rückgewinnung von wärme Withdrawn EP2174376A1 (de)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102007014141A DE102007014141A1 (de) 2007-03-23 2007-03-23 System und Verfahren zur Rückgewinnung von Wärme
PCT/DK2008/000115 WO2008116465A1 (de) 2007-03-23 2008-03-19 System und verfahren zur rückgewinnung von wärme

Publications (1)

Publication Number Publication Date
EP2174376A1 true EP2174376A1 (de) 2010-04-14

Family

ID=39430770

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
EP08715592A Withdrawn EP2174376A1 (de) 2007-03-23 2008-03-19 System und verfahren zur rückgewinnung von wärme

Country Status (3)

Country Link
EP (1) EP2174376A1 (de)
DE (1) DE102007014141A1 (de)
WO (1) WO2008116465A1 (de)

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5607013A (en) * 1994-01-27 1997-03-04 Takenaka Corporation Cogeneration system
JP2003077519A (ja) * 2001-08-30 2003-03-14 Nippon Soken Inc 燃料電池システムの水回収装置
JP4573525B2 (ja) 2003-12-24 2010-11-04 本田技研工業株式会社 固体高分子電解質型燃料電池
JP4690023B2 (ja) * 2004-12-02 2011-06-01 アイシン精機株式会社 燃料電池システム

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
See references of WO2008116465A1 *

Also Published As

Publication number Publication date
WO2008116465A1 (de) 2008-10-02
DE102007014141A1 (de) 2008-09-25
WO2008116465A8 (de) 2010-02-25

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE102013214267B4 (de) Wärmepumpen-Anlage für ein Fahrzeug, insbesondere ein Elektro- oder Hybridfahrzeug
DE102015003028A1 (de) Kühlanordnung zum Kühlen einer Brennstoffzelle
EP3379040B1 (de) Kraftwerk zum erzeugen von elektrischer energie und verfahren zum betreiben eines kraftwerks
EP2109114B1 (de) Verfahren zum Abtrennen eines Neutronenabsorbers von einem Kühlmittel eines Kühlkreislaufes
EP2669389A1 (de) Verfahren und Anordnung zur Rückgewinnung von Wärmeenergie bei der Wärmebehandlung von kaltgewalztem Stahlband in einem Haubenglühofen
EP3080540A1 (de) Verfahren und vorrichtung zum beladen eines thermischen schichtspeichers
AT509894A1 (de) Verfahren und vorrichtung zur erzeugung von überhitztem sattdampf in einer stranggiessmaschine
EP2370363A1 (de) Solare kondensationsanlage mit kaskadenverdunstung
DE10326027B4 (de) Anlage zur Verdampfung eines flüssigen Wärmeträgermediums sowie Dampfkraftwerk und Latentwärmespeicher
EP3285025B1 (de) Absorptionswärmepumpe und verfahren zum betreiben einer absorptionswärmepumpe
DE102016101292A1 (de) Kühlvorrichtung für eine elektrische Antriebseinheit eines Fahrzeugs
DE102014000571A1 (de) Brennstoffzellensystem
DE3321898A1 (de) Absorptions-waermepumpsystem
EP2174376A1 (de) System und verfahren zur rückgewinnung von wärme
DE102015004802A1 (de) Kühlvorrichtung
DE102012020058A1 (de) Brennstoffzellensystem auf der Basis von Festoxid-Brennstoffzellen
DE10318655C5 (de) Klimatisierungssystem für ein Kraftfahrzeug und Verfahren zum Betreiben desselben
DE102012102115A1 (de) Solarthermisches Kraftwerk und Verfahren zum Betreiben eines solarthermischen Kraftwerks
EP2645461A1 (de) Kühlkreislauf zum Kühlen einer elektrochemischen Zelle sowie Verfahren zum Betreiben eines solchen Kühlkreislaufs
EP2677244B1 (de) Luftbefeuchter
DE102013223773A1 (de) Verfahren zum Kühlen einer Brennstoffzelle, Kühlkreislauf zur Kühlung einer Brennstoffzelle sowie Brennstoffzelle
DE102012100645B4 (de) ORC - Organischer Rankine Zyklus
DE102022200971A1 (de) Fahrzeug und System zum Laden eines Fahrzeuges
DE10312150A1 (de) Verfahren zum Erzeugen und schlagartigen Zuführen eines aus Wasserdampf und Wasserstoffperoxiddampf bestehenden Dampfgemisches
DE102006043573A1 (de) Verfahren zur Verringerung des Austritts von flüssigem Wasser

Legal Events

Date Code Title Description
PUAI Public reference made under article 153(3) epc to a published international application that has entered the european phase

Free format text: ORIGINAL CODE: 0009012

17P Request for examination filed

Effective date: 20100217

AK Designated contracting states

Kind code of ref document: A1

Designated state(s): AT BE BG CH CY CZ DE DK EE ES FI FR GB GR HR HU IE IS IT LI LT LU LV MC MT NL NO PL PT RO SE SI SK TR

AX Request for extension of the european patent

Extension state: AL BA MK RS

17Q First examination report despatched

Effective date: 20100528

DAX Request for extension of the european patent (deleted)
STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: THE APPLICATION IS DEEMED TO BE WITHDRAWN

18D Application deemed to be withdrawn

Effective date: 20101208