WO2000059059A1 - Verfahren zum betreiben einer brennstoffzellenanlage und brennstoffzellenanlage - Google Patents

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WO2000059059A1
WO2000059059A1 PCT/DE2000/000720 DE0000720W WO0059059A1 WO 2000059059 A1 WO2000059059 A1 WO 2000059059A1 DE 0000720 W DE0000720 W DE 0000720W WO 0059059 A1 WO0059059 A1 WO 0059059A1
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WO
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fuel cell
circuit
heating medium
coolant
heat
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PCT/DE2000/000720
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Willi Bette
Walter STÜHLER
Pedro Nehter
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • 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
    • H01M8/04029—Heat exchange using liquids
    • 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 method for operating a fuel cell system, in which a fuel cell block is cooled with a coolant.
  • the invention further relates to a fuel cell system with a fuel cell block and a coolant circuit for cooling the fuel cell block.
  • the technical implementation of the principle of the fuel cell has led to different solutions, namely with different electrolytes and with operating temperatures between 80 ° C and 1000 ° C.
  • the fuel cells are classified into low, medium and high temperature fuel cells, which in turn differ from one another in different technical embodiments.
  • Anippoe fuel cell supplies an operating voltage of less than one volt.
  • a large number of fuel cells are therefore stacked on top of one another and combined to form a fuel cell block.
  • such a block is also called a “stack”.
  • One or more fuel cells cannot be operated by themselves. They are therefore operated in a fuel cell system which comprises a fuel cell block, an operating part and system electronics.
  • the operating section includes devices for supplying the fuel lines with operating gases, ie with oxygen - or air - and m t fuel gas. Furthermore, the operating section includes devices for product water removal, for heat removal and for the dissipation of the electrical current generated in the fuel cells.
  • the system electronics control the interaction of the various facilities of the fuel cell system.
  • the thermally controlled operation in which the fuel cell system serves as heating, for example as a combined heat and power plant, of one or more houses.
  • the fuel cell system In electrically operated operation, the fuel cell system covers the current electricity demand of a consumer, for example an engine.
  • the heat production of the fuel cell system is directly dependent on the current electrical power that the fuel cell system emits. If the electrical output is large, a lot of heat is generated, and vice versa.
  • a heater If a heater is operated with the heat, for example a car heater, it can happen that the fuel cell system generates less heat than the heater draws from it at times when it consumes little electrical power. The consequence of this is that the operating temperature of the fuel cell block, which is to be kept constant, disadvantageously drops.
  • the heat generated by the fuel cell system is used, for example, to heat a house, and the electrical energy that is generated as a “by-product *” is fed into the power grid.
  • the electrical energy that is generated as a “by-product *” is fed into the power grid.
  • it can happen that more heat is drawn from the fuel cell block than it generates, and that the operating temperature of the fuel cell block thus drops disadvantageously.
  • the object of the invention is to provide a method for operating a fuel cell system in which the operating temperature of the fuel cell block fluctuates only within a narrow temperature range even with a changing ratio of heat generated by the fuel cell block to heat requested by a heating system. It is also the task of Invention to provide a fuel cell system, the
  • the first-mentioned object is achieved according to the invention by a method for operating a fuel cell system, in which a fuel cell block is cooled with a coolant, and in which a heating medium circulates in a large circuit and a small circuit, the throughput of the heating medium circulating in the large circuit m is set depending on the temperature of the coolant.
  • the invention is based on the consideration that the temperature of the fuel cell block remains constant if as much heat is removed from the fuel cell block as it produces heat. Since the heat is supplied to a heating circuit which comprises a heat consumer, for example a heater, the heating circuit must meet the requirement that it absorbs heat to a variable extent. This requirement is met if the heating circuit comprises two circuits and if, depending on the amount of heat produced, only one circuit or both circuits take up heat in a variable ratio and give it to heat consumers.
  • the fuel cell block produces only a small amount of heat, most of the heating medium circulates, for example, only in a small circuit, from which it can only give off a small amount of heat. The more heat the fuel cell block produces, the more heating medium is conducted through the large circuit, which can give off a lot of heat to heat consumers. If the throughput of the heating medium circulating through the large circuit is set as a function of the temperature of the fuel cell block, as much heat is dissipated from the fuel cell block as it produces. This leads to a constant temperature of the fuel cell block.
  • Temperature of the fuel cell block when the method is carried out within a narrow, adjustable temperature range is a narrow, adjustable temperature range.
  • the temperature of the coolant flowing through the fuel cell block is directly dependent on the temperature of the fuel cell block. Therefore, the temperature of the coolant can be used to regulate the flow of heating medium through the large circuit. Here, the temperature of the coolant should be measured where the coolant has not yet given off any heat after the heat has been absorbed in the fuel cell block.
  • the two circuits can be run separately from each other, so that the large circuit serves to relieve the small circuit of the fuel cell block with increased heat production.
  • the circuits can also be designed in such a way that the small circuit is formed from part of the large circuit and a bypass that bridges another part of the large circuit.
  • the throughput of the heating medium circulating in the large circuit is expediently controlled by a valve.
  • This valve controls, for example, the throughput of the heating medium circulating in the large circuit.
  • the valve is in a large circuit that is independent of the small circuit. If the fuel cell block produces little heat, the valve closes so that no heating medium flows through the large circuit. With increased heat production, the valve opens, see above that part of the heating medium flows through the large circuit and there releases heat to a heat consumer.
  • the valve diverts part of the heating medium pumped around in the small circuit into the large circuit.
  • the two circuits are interconnected, e.g. m the way that the small circuit is formed from a part of the large circuit and a bypass that bridges part of the large circuit.
  • the valve e.g. is designed as a three-way valve, is arranged at the point at which the bypass of the small circuit branches off from the large circuit.
  • the heating medium is diverted in such a way that the three-way valve blocks part of the flow through the small circuit and thus directs this part of the heating medium through the large circuit.
  • the valve is a two-way shut-off valve which is arranged in a small circuit, for example in a bypass.
  • the heating medium without valve prefers to flow through the small circuit. If the valve closes, the heating medium flows through the large circuit and thus redirects part of the heating medium pumped around in the small circuit into the large circuit.
  • the heating medium that passes through the large circuit is advantageously passed through a device in which heat is transferred from the fuel cell block to the heating medium. Heating medium that passes through the small circuit is not passed through the device. In this embodiment of the invention, heat is only removed from the fuel cell block via the large circuit. Guiding the heating medium through the small circuit means that the heating medium is pumped around without heat being removed from the fuel cell block.
  • the position of the valve is used as a control variable for the setpoint value of the current that the fuel cell block generates.
  • the fuel cell system advantageously comprises a unit for detecting the valve position and forwarding the valve position to a controller. The controller is expediently provided for regulating the current setpoint of the fuel cell block as a function of the valve position.
  • This embodiment of the invention is particularly advantageous in the thermally controlled operation of the fuel cell system. If a lot of heat is requested from a heat consumer, for example from the heating of a house, the temperature of the heating medium drops. This also cools the coolant. This leads to the position of the valve being changed in such a way that less heat is drawn from the fuel cell block so that its operating temperature remains approximately constant. If the position of the valve is now used as a control variable for the setpoint of the current in such a way that the setpoint increases, the fuel cell block generates more heat. In this way, it provides more heat for the heat consumer.
  • This embodiment of the invention has the result that an increasing heat consumption of the heat consumer neither leads to a permanent lowering of the coolant temperature, nor to a permanent lowering of the heating medium temperature. It is precisely this effect that is important in the thermally controlled operation of the fuel cell system, so that the fuel cell system generates an increased amount of heat when a heat consumer needs more heat.
  • the position of the valve is used as a controlled variable for a controller that controls an inverter.
  • the inverter is connected, for example, between the controller and the current output of the fuel cell block.
  • the inverter specifies the voltage that is applied to the fuel cells of the fuel cell block and controls the electricity generation in this way. generation - and thus also heat generation - of the fuel cell system. For example, he feeds the electricity generated into the network of a power supplier or feeds it to a power consumer.
  • Another way to control the current setpoint is to use a variable load. The resistance of the load influences the voltage of the fuel cells and thus the power generation of the fuel cells.
  • a fuel cell system operated in thermally controlled operation is suitable as a combined heat and power unit in a house.
  • the heating medium is expediently pumped through heating in the house.
  • the heaters are therefore the heat consumers.
  • the coolant is advantageously pumped through a coolant circuit and the heating medium through a heating medium circuit, the heating medium circuit being composed of the large and small circuits.
  • the coolant is separated from the heating means and does not come into contact with it. This is particularly useful if the requirements placed on the heating medium and the cooling medium are different.
  • the coolant that is passed through the cooling channels of the fuel cells of the fuel cell block must generally be very clean in order not to contaminate the internal structures of the fuel cells. It must also be a poor electrical conductor since it connects adjacent fuel cells and must not short-circuit them.
  • a very good coolant is very pure water.
  • the requirements placed on a heating medium are generally much lower. For example, common water, which does not even have to be particularly clean, meets these requirements.
  • ⁇ - e cooling circuit and heating medium circuit are mechanically separated from one another, then they are advantageously mixed together. This is done, for example, by transferring the heat from the coolant to the heating medium by means of a heat exchanger. In this way, the heat transfer chain from the fuel cell block to the heat consumer is closed.
  • the coolant is also used as a heating means.
  • This embodiment of the invention requires that the cooling circuit and the heating circuit merge with one another.
  • the coolant absorbs heat from the fuel cell block and transports it to a heat consumer.
  • the coolant acts as a heating medium that releases the heat to the heat consumer.
  • the heating medium then flows back to the fuel block to cool it as a cooling medium.
  • This embodiment of the invention has the advantage that only one liquid circuit is required instead of the cooling and heating circuit.
  • This liquid circuit like the heating circuit with separate management of the heating and cooling medium, comprises two circuits, e.g. one large and one small circuit for variable heat absorption from the fuel cell block.
  • the heating medium which passes through the large circuit is expediently passed through the fuel cell block.
  • the fuel cell block it acts as a coolant and takes heat from the fuel cell block. This saves a heat exchanger, which transfers the heat of the fuel cell block to the heating / cooling medium.
  • a fuel cell system with a fuel cell block and a coolant circuit for cooling the fuel cell block, which a) has a large circuit and a small circuit for a heating medium, o) a temperature sensor in the coolant circuit and c) comprises an adjusting device for adjusting the throughput of the circulating heating medium in a large circuit, the temperature sensor for adjusting the throughput being connected to the adjusting device.
  • the large and small circuits are not necessarily integral parts of the fuel cell system as a whole.
  • a fuel cell system designed in this way allows a method as described above to be carried out.
  • the temperature sensor can be connected to the adjusting device directly or indirectly, for example via a controller.
  • a controller is designed to regulate the setting of the adjusting device as a function of the temperature of the coolant.
  • the fuel cell system expediently also comprises means for transferring heat from the fuel cell block to the heating means.
  • a means is, for example, a heat exchanger that transfers heat from the fuel cell block to a coolant that also serves as a heating means.
  • the agent is a heat exchanger that transfers the heat of a coolant in a coolant circuit to the heating agent in a heating medium circuit.
  • Such a means can also be a means integrated in the fuel cell block, such as a cooling channel in a fuel cell of the fuel cell block or a coolant line in the fuel cell block.
  • the fuel cell block comprises PEM fuel cells.
  • PEM fuel cells are operated at a low operating temperature of around 80 ° C, have a favorable overload behavior and a long service life. In addition, they show a favorable behavior with fast load changes and are with air can be operated instead of pure oxygen. All of these properties make PEM fuel cells particularly suitable for use in the mobile sector, such as for driving various types of vehicles.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a fuel cell system with a control of the heat absorption of a heating medium circuit
  • FIG. 2 shows a schematic representation of a fuel cell system with an additional regulation of the delivery of the electrical power of the fuel cell block
  • FIG. 3 shows a schematic representation of a fuel cell system with a coolant circuit, which is also a heating medium circuit.
  • FIG. 1 shows a fuel cell system 10 which comprises a fuel cell block 11, a coolant circuit 12, a coolant circulating pump 13 and a device 14.
  • the coolant circuit 12 is thermally connected by the device 14 to a heating medium circuit 15 which comprises a large circuit 15A and a small circuit 15B.
  • the device 14 is a heat exchanger.
  • the small circuit 15B is formed from a part of the large circuit 15A and a bypass 15C, which bridges the part of the large circuit 15A which creates the thermal connection to the coolant circuit 12 with the heat exchanger 14.
  • a valve 16 which also includes a controller 17 with a temperature sensor 18 in Coolant circuit 12 is connected.
  • the valve 16 is a three-way valve.
  • the fuel cell system 10 is designed so that the throughput of the heating medium circulating in the large circuit 15A is regulated as a function of the temperature of the cooling medium.
  • the method of regulation is e.g. carried out as follows:
  • the fuel cell block 11 is operated at a target operating temperature of 75 ° C.
  • the heat generated in the fuel cell block 11 is absorbed by the coolant of the coolant circuit 12, which leaves the fuel cell block 11 at a temperature of 72 ° C.
  • the coolant is pumped by the coolant circulating pump 13 through the coolant circuit 12 and thus reaches the device 14 designed as a heat exchanger.
  • heat of the coolant is transferred to heating medium of the heating medium circuit 15.
  • the heating medium is pumped from a heating medium circulation pump (not shown in the figure) to a heating system of a house, to which the heating medium emits heat. If a lot of heat is given off to the heating, the heating medium returns to the heat exchanger 14 after it has cooled down greatly through the valve 16.
  • the greatly cooled heating medium draws a lot of warmth from the cooling medium.
  • the cooled coolant is pumped to the fuel cell block 11 and cools it to 72 ° C. When heated to 6 ° C., the coolant leaves the fuel cell block 11 again.
  • the temperature sensor 18 passes on the cooling of the coolant from 72 ° C. to 69 ° C. to the controller 17.
  • the controller 17 controls the valve 16, which then bypasses part of the heating medium m coming from the heater bypass 15C. In this way, less heating medium is passed to the heat exchanger 14. This means that less heat is removed from the coolant.
  • the coolant heats up again to 72 ° C. and the fuel cell block 11 heats up to 75 ° C.
  • FIG. 2 shows a fuel cell system 20 with a fuel cell block 21, which comprises PEM fuel cells, a coolant circuit 22, a coolant circulating pump 23 and a device 24.
  • the coolant circuit 22 is thermally connected to a heating medium circuit 25, which comprises a large circuit 25A and a small circuit 25B.
  • the small circuit 25B is formed from a part of the large circuit 15A and a bypass 25C, which bridges the part of the large circuit 25A which makes the thermal connection to the coolant circuit 22 with the heat exchanger.
  • the bypass 25C of the small circuit 25B branches off from the large circuit 25A there is a valve 26 which is connected to a temperature sensor 28 via a controller 27.
  • the valve 26 is a three-way mixing valve.
  • the valve 26 has a unit 31 for detecting the valve position. This unit 31 is connected to a controller 32, which in turn is connected to an inverter 33
  • the fuel cell system 20 is particularly suitable for thermally controlled operation. It is designed so that the current setpoint m is regulated as a function of the heat output which is carried away from the fuel cell block.
  • the control procedure is carried out, for example, as follows:
  • the fuel cell block 21 is operated at a target operating temperature of 85 ° C. Who explained the description of Figure 1, the throughput of the large circuit 25A. circulating heating medium m set depending on the temperature of the cooling medium.
  • the change in the valve position of the valve 26 m as a result of the cooling of the coolant from 82 ° C. to 79 ° C. (similar to the description of FIG. 1 has the consequence that the unit 31 for detecting the valve position forwards this change to the controller 32 in the form of a signal.
  • the controller 32 then controls the inverter 33 in such a way that the voltage of the PEM fuel cells of the fuel cell block 21 decreases.
  • the coolant warms up again to its initial temperature of 82 ° C.
  • the temperature increase is measured by the temperature sensor 28 and passed on to the controller 27 in the form of a signal.
  • the controller 27 causes the original amount of heating medium from the valve 26 to the heat exchanger 24 is passed.
  • the increased release of heat from the fuel cell block 21 now prevents repeated cooling of the coolant, so that its temperature remains constant at 82 ° C. when it exits the fuel cell block 21.
  • the heating medium is no longer cooled due to the increased heat requirement of the heating system.
  • the reaction of the fuel cell system 20 shown in FIG. 2 to the increased heat requirement leads - within the described fluctuations - to a constant operating temperature of the fuel cell block 21 and the temperature of the heating medium.
  • FIG. 3 shows a fuel cell system 40 which comprises a fuel cell block 41, a coolant circuit 42 and a coolant circulating pump 43.
  • the coolant circuit 42 m merges with the heating medium circuit 47.
  • the heating medium circuit comprises a small circuit 47B, which contains a bypass 47C, and a large circuit 47A, which includes the small circuit 47B and the coolant circuit 42.
  • the coolant heated by the fuel cell block 41 is pumped by the coolant circulating pump 43 to a heat consumer, where it, when functioning as a heating means, emits heat. Is so much heat given off in the heat consumer that the temperature of the If the fuel cell block 41 sinks, the controller 44 regulates the coolant temperature to its setpoint again in connection with the temperature sensor 45 and the valve 46 using the method described for FIG. 1.

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Abstract

Dem Brennstoffzellenblock (11, 21, 41) einer Brennstoffzellenanlage (10, 20, 40) wird durch ein Kühlmittel Wärme entzogen. Diese Wärme wird von Heizmittel zur Nutzung an einen Wärmeverbraucher geleitet. Wird der Brennstoffzellenanlage (10, 20, 40) mehr Wärme entzogen als sie erzeugt, so kühlt der Brennstoffzellenblock (11, 21, 41) nachteiligerweise unter die konstant zu haltende Betriebstemperatur ab. Dieses Problem wird gelöst, indem ein Heizmittel in einem grossen Kreislauf (15A, 25A, 47A) und einem kleinen Kreislauf (15B, 25B, 47B) umläuft, und der Durchsatz des im grossen Kreislauf (15A, 25A, 47A) umlaufenden Heizmittels in Abhängigkeit von der Temperatur des Kühlmittels eingestellt wird.

Description

Beschreibung
Verfahren zum Betreiben einer BrennstoffZellenanlage und Brennstoffzellenanlage
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzellenanlage, bei dem ein Brennstoffzellenblock mit einem Kuhlmittel gekühlt wird. Die Erfindung bezieht sich des weiteren auf eine Brennstoffzellenanlage mit einem Brennstoffzellenblock und einem Kuhlmittelkreislauf zum Kuhlen des BrennstoffZellenblocks .
Es ist bekannt, daß bei der Elektrolyse von Wasser die Was- sermolekule durch elektrischen Strom m Wasserstoff (H2) und Sauerstoff (02) zerlegt werden. In einer Brennstoffzelle lauft dieser Vorgang m umgekehrter Richtung ab. Durch eine elektrochemische Verbindung von Wasserstoff und Sauerstoff zu Wasser entsteht elektrischer Strom mit hohem Wirkungsgrad und, wenn als Brenngas reiner Wasserstoff eingesetzt wird, ohne Emission von Schadstoffen und Kohlendioxid (C02) . Auch mit einem technischen Brenngas, beispielsweise Erdgas oder Kohlegas und mit Luft anstelle von reinem Sauerstoff, wobei die Luft zusätzlich mit Sauerstoff angereichert sein kann, erzeugt eine Brennstoffzelle deutlich weniger Schadstoffe und weniger Kohlendioxid als andere Energieerzeuger, die mit fossilen Energieträgern arbeiten.
Die technische Umsetzung ctes Prinzips der Brennstoffzelle hat zu unterschiedlichen Losungen, und zwar mit versc iedenarti- gen Elektrolyten und mit Betriebstemperaturen zwischen 80°C und 1000°C gefuhrt. In Abhängigkeit von ihrer Betriebstemperatur werden die Brennstoffzellen m Nieder-, Mittel- und Hochtemperatur-Brennstoffzellen eingeteilt, die sich wiederum durch verschiedene technische Ausfuhrungsformen voneinander unterscheiden. Eine Brennstoffzelle alleme liefert eine Betriebsspannung von unter einem Volt. Daher werden eine Vielzahl von Brennstoffzellen aufeinander gestapelt und zu einem Brennstoffzellenblock zusammengefaßt. In der Fachliteratur wird ein sol- eher Block auch „Stack* genannt. Durch das In-Reihe-Schalten der Brennstoffzellen des BrennstoffZellenblocks kann die Betriebsspannung einer Brennstoffzellenanlage einige 100 Volt betragen.
Eine oder mehrere Brennstoffzellen sind für sich alleme nicht betreibbar. Sie werden daher m einer Brennstoffzellenanlage betrieben, die einen Brennstoffzellenblock, einen Betriebsteil und eine Anlagenelektronik umfaßt. Der Betriebsteil umfaßt Einrichtungen für die Versorgung der Brennstoff- Zeilen mit Betriebsgasen, also mit Sauerstoff - oder Luft - und m t Brenngas. Ferner umfaßt der Betriebsteil Einrichtungen für die Produktwasserabfuhr, für die Warmeabfuhr und für die Ableitung des m den Brennstoffzellen erzeugten elektrischen Stroms. D e Anlagenelektronik steuert das Zusammenspiel der verschiedenen Einrichtungen der Brennstoffzellenanlage .
Beim Betrieb einer Brennstoffzellenanlage entsteht viel thermische Energie, also viel Warme. Der weitaus größte Teil der Warme wird im Brennstoffzellenblock erzeugt. Da der Brennstoffzellenblock bei einer konstanten Temperatur betrieben werden sollte, muß die erzeugte Warme aus dem Block abgeführt werden. Ein Teil dieser Warme wird durch ein Kuhlmittel vom Brennstoffzellenblock abgeführt. Dies geschieht beispielsweise dadurch, daß Wasser durch Kuhlemheiten des Brennstoffzellenblocks strömt. Um die Warme, die der Brennstoffzellenblock erzeugt, nutzbar zu machen, wird die Warme des Kuhlmittels beispielsweise an einen Heizmittelkreislauf abgegeben, dessen Heizmittel durch Heizungen eines Hauses geleitet wird und somit das Haus wärmt.
Beim Betrieb einer Brennstoffzellenanlage sind grundsatzlich zwei verschiedene Betriebsweisen möglich: 1. Der elektrisch geführte Betrieb, bei dem die Brennstoffzellenanlage zum Erzeugen elektrischer Energie eingesetzt wird, und
2. der thermisch geführte Betrieb, bei dem die Brennstoff- zellenanlage als Heizung, beispielsweise als Blockheiz- kraftwerk, eines oder mehrerer Hauser dient.
Beim elektrisch geführten Betrieb deckt die Brennstoffzellenanlage den momentanen Strombedarf eines Verbrauchers, bei- spielsweise eines Motors. Die Warmeproduktion der Brennstoffzellenanlage steht in direkter Abhängigkeit von der momentanen elektrischen Leistung, die die Brennstoffzellenanlage abgibt. Ist die elektrische Leistung groß, so wird auch viel Warme erzeugt, und umgekehrt. Wird eine Heizung mit der Warme betrieben, beispielsweise eine Autoheizung, so kann es vorkommen, daß die Brennstoffzellenanlage m Momenten, in denen von ihr wenig elektrische Leistung abgerufen wird, weniger Warme erzeugt, als die Heizung von ihr abzieht. Die Folge davon ist, daß die konstant zu haltende Betriebstemperatur des Brennstoffzellenblocks nachteiligerweise absinkt.
Beim thermisch geführten Betrieb wird die von der Brennstoffzellenanlage erzeugte Warme beispielsweise zum Heizen eines Hauses genutzt, und die erzeugte elektrische Energie, die nur als „Nebenprodukt* anfallt, wird m das Stromnetz eingespeist. Besonders bei dieser Betriebsweise kann es vorkommen, daß mehr Warme aus dem Brennstoffzellenblock abgezogen wird als er erzeugt, und daß somit die Betriebstemperatur des Brennstoffzellenblocks nachteiligerweise absinkt.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzellenanlage anzugeben, bei dem die Betriebstemperatur des Brennstoffzellenblocks auch bei wechselndem Verhältnis von vom Brennstoffzellenblock erzeugter Warme zu von einem Heizsystem angeforderter Warme nur innerhalb eines engen Temperaturbereichs schwankt. Weiter ist es Aufgabe der Erfindung, eine Brennstoffzellenanlage anzugeben, die die
Durchfunrung des Verfahrens erlaubt.
Die erstgenannte Aufgabe wird erfmdungsgemaß durch ein Ver- fahren zum Betreiben einer Brennstoffzellenanlage gelost, bei dem ein Brennstoffzellenblock mit einem Kuhlmittel gekühlt wird, und bei dem ein Heizmittel m einem großen Kreislauf und einem kleinen Kreislauf umlauft, wobei der Durchsatz des im großen Kreislauf umlaufenden Heizmittels m Abhängigkeit von der Temperatur des Kuhlmittels eingestellt wird.
Die Erfindung geht von der Überlegung aus, daß die Temperatur des Brennstoffzellenblocks konstant bleibt, wenn so viel Warme vom Brennstoffzellenblock abgeführt wird, wie er Warme produziert. Da die Warme einem Heizkreislauf zugeführt wird, der einen Wärmeverbraucher, beispielsweise eine Heizung, umfaßt, muß der Heizkreislauf die Forderung erfüllen, daß er in variablem Umfang Warme aufnimmt. Diese Forderung wird erfüllt, wenn der Heizkreislauf zwei Kreislaufe umfaßt, und wenn je nach produzierter Wärmemenge nur ein Kreislauf oder beide Kreislaufe m variablem Verhältnis Warme aufnehmen und an Wärmeverbraucher abgeben.
Produziert der Brennstoffzellenblock nur wenig Warme, so lauft der größte Teil des Heizmittels beispielsweise nur im kleinen Kreislauf um, m dem es nur wenig Warme abgeben kann. Je mehr Warme der Brennstoffzellenblock produziert, desto mehr Heizmittel wird durch den großen Kreislauf geleitet, der viel Warme an Wärmeverbraucher abgeben kann. Wird der Durch- satz des durch den großen Kreislauf umlaufenden Heizmittels m Abhängigkeit von der Temperatur des Brennstoffzellenblocks eingestellt, so wird vom Brennstoffzellenblock so viel Warme abgeleitet, wie er produziert. Dies fuhrt zu einer konstanten Temperatur des Brennstoffzellenblocks .
Da die Übertragung der Warme vom Brennstoffzellenblock zum Heizmittel nicht kurzfristig erfolgt, dauert es eine Weile, bis eine Temperaturveranderung des Kuhlmittels durch eine neue Einstellung des Durcnsatzes des im großen Kreislauf umlaufenden Heizmittels ausgeglichen ist und eine voreingestellte Betriebstemperatur wieder erreicht ist. Daher schwankt die
Temperatur des Brennstoffzellenblocks bei Durchfuhrung des Verfahrens innerhalb eines engen, einstellbaren Temperaturbereichs .
Die Temperatur des durch den Brennstoffzellenblock geflossenen Kuhlmittels steht in direkter Abhängigkeit zur Temperatur des Brennstoffzellenblocks . Daher kann die Temperatur des Kuhlmittels zur Regelung des Durchsatzes an Heizmittel durch den großen Kreislauf verwendet werden. Hierbei sollte die Messung der Temperatur des Kuhlmittels dort erfolgen, wo das Kuhlmittel nach der Wärmeaufnahme im Brennstoffzellenblock noch keine Warme abgegeben hat.
Die beiden Kreisläufe können getrennt voneinander gefuhrt werden, so daß der große Kreislauf bei vermehrter Warmeproduktion zur Entlastung des kleinen Kreislaufs des Brennstoffzellenblocks dient. Die Kreisläufe können jedoch auch so gefuhrt sein, daß der kleine Kreislauf aus einem Teil des großen Kreislaufs und einem Bypaß gebildet wird, der einen wei- teren Teil des großen Kreislaufs überbrückt.
Zweckmaßigerweise wird der Durchsatz des im großen Kreislauf umlaufenden Heizmittels von einem Ventil gesteuert. Dieses Ventil steuert beispielsweise den Durchsatz des im großen Kreislauf umlaufenden Heizmittels. Je nach Position des Ventils in den Kreisläufen und j e nach Art des Ventils sind mehrere voneinander unabhängige Varianten der Steuerung vorteilhaft. Beispielsweise befindet sich das Ventil in einem großen, vom kleinen Kreislauf unabhängigen Kreislauf. Bei genn- ger Warmeproduktion des Brennstoffzellenblocks sperrt das Ventil, so daß kein Heizmittel durch den großen Kreislauf fließt. Bei verstärkter Warmeproduktion öffnet das Ventil, so daß ein Teil des Heizmittels durch den großen Kreislauf fließt und dort Warme an einen Wärmeverbraucher abgibt.
In einer weiteren vorteilhaften Variante des Verfahrens lei- tet das Ventil einen Teil des im kleinen Kreislauf umgepumpten Heizmittels in den großen Kreislauf um. Bei dieser Variante sind die beiden Kreisläufe miteinander verbunden, z.B. m der Weise, daß der kleine Kreislauf aus einem Teil des großen Kreislaufs und einem Bypaß gebildet wird, der einen Teil des großen Kreislaufs überbrückt. Das Ventil, das z.B. als Dreiwegeventil ausgestaltet ist, ist an der Stelle angeordnet, an der der Bypaß des kleinen Kreislaufs vom großen Kreislauf abzweigt. Das Umleiten des Heizmittels geschieht m der Weise, daß das Dreiwegeventil für einen Teil des Heizmit- tels den Durchfluß m den kleinen Kreislauf sperrt und somit diesen Teil des Heizmittels m den großen Kreislauf lenkt. In alternativer Ausgestaltung ist das Ventil ein Zweiwege-Ab- sperrventil, das im kleinen Kreislauf, beispielsweise im Bypaß, angeordnet ist. Aus Gründen der Reibung strebt das Heiz- mittel ohne Ventil bevorzugt den Durchfluß durch den kleinen Kreislauf an. Sperrt das Ventil, so fließt das Heizmittel durch den großen Kreislauf und lenkt somit einen Teil des im kleinen Kreislauf umgepumpten Heizmittels in den großen Kreislauf um.
Mit Vorteil wird das Heizmittel, das den großen Kreislauf durchlauft, durch eine Vorrichtung geleitet, in der dem Heizmittel Warme aus dem Brennstoffzellenblock übertragen wird. Heizmittel, das den kleinen Kreislauf durchlauft, wird nicht durch die Vorrichtung geleitet. Bei dieser Ausgestaltung der Erfindung wird lediglich über den großen Kreislauf Warme aus dem Brennstoffzellenblock abgeleitet. Ein Lenken des Heizmittels durch den kleinen Kreislauf fuhrt dazu, daß das Heizmittel umgepumpt wird, ohne daß Warme aus dem Brennstoffzellen- block abgeführt wird. In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung wird die Stellung des Ventils als Steuergroße f r den Sollwert des Stroms, den der Brennstoffzellenblock erzeugt, verwendet. Hierfür umfaßt die Brennstoffzellenanlage vorteilhafterweise eine Einheit zum Erfassen αer Ventilstellung und Weitergabe der Ventilstellung an einen Regler. Der Regler ist zweckmaßigerweise zur Regelung des Stromsollwerts des Brennstoffzellenblocks n Abhängigkeit von der Ventilstellung vorgesehen. Diese Ausgestaltung der Erfindung ist besonders vorteilhaft beim thermisch geführten Betrieb der Brennstoffzellenanlage. Wird besonders viel Warme von einem Wärmeverbraucher, z.B. aus der Heizung eines Hauses, angefordert, so sinkt die Temperatur des Heizmittels. Dadurch wird auch das Kuhlmittel abgekühlt. Dies fuhrt dazu, daß die Stellung des Ventils derart verändert wird, daß dem Brennstoffzellenblock weniger Warme entzogen wird, damit dessen Betriebstemperatur annähernd konstant bleibt. Wird nun die Stellung des Ventils als Steuergroße für den Sollwert des Stroms derart verwendet, daß der Sollwert steigt, so erzeugt der Brennstoffzellenblock mehr Warme. Auf diese Weise stellt er mehr Warme für den Wärmeverbraucher zu Verfugung. Diese Ausgestaltung der Erfindung hat zur Folge, daß ein steigender Warmeverbrauch des Warme- verbraucners weder zu einer dauerhaften Absenkung der Kuhl- mitteltemperatur, noch zu einer dauerhaften Absenkung der Heizmitteltemperatur fuhrt. Gerade dieser Effekt ist bei dem thermisch geführten Betrieb der Brennstoffzellenanlage wichtig, damit die Brennstoffzellenanlage bei einem erhöhten Wärmebedarf eines Wärmeverbrauchers in erhöhtem Maße Warme erzeugt .
In bevorzugter Ausfuhrungsform der Erfindung wird die Stellung des Ventils als Regelgroße für einen Regler verwendet, der einen Wechselrichter ansteuert. Der Wechselrichter ist beispielsweise zwischen den Regler und den Stromausgang des Brennstoffzellenblocks geschaltet. Der Wechselrichter gibt die Spannung vor, die an den Brennstoffzellen des Brennstoffzellenblocks anlieσt und steuert auf diese Weise die Stromer- zeugung - und somit auch die Warmeerzeugung - der Brennstoffzellenanlage. Den erzeugten Strom speist er oeispielsweise m das Netz eines Stromversorgers ein oder fuhrt ihn einem Stromverbraucher zu. Eine weitere Möglichkeit zur Steuerung des Stromsollwerts besteht in der Verwendung einer variablen Last. Der Widerstand der Last beeinflußt die Spannung der Brennstoffzellen und somit die Stromerzeugung der Brennstoffzellen.
Eine in thermisch geführtem Betrieb betriebene Brennstoffzellenanlage ist geeignet als Blockheizkraftwerk eines Hauses. Zweckmaßigerweise wird das Heizmittel durch Heizungen des Hauses gepumpt. Die Heizungen sind somit der Wärmeverbraucher.
Vorteilhafterweise wird das Kuhlmittel durch einen Kuhlmittelkreislauf und das Heizmittel durch einen Heizmittelkreis- lauf gepumpt, wobei sich der Heizmittelkreislauf aus dem großen und kleinen Kreislauf zusammensetzt. Bei dieser Ausge- staltung der Erfindung ist das Kuhlmittel vom Heizmittel getrennt und kommt nicht mit ihm in Berührung. Dies ist dann besonders sinnvoll, wenn die Anforderungen, die an das Heizmittel und an das Kuhlmittel gestellt sind, unterschiedlich sind. Das Kuhlmittel, das durch die Kuhlkanale der Brenn- stoffzellen des Brennstoffzellenblocks geleitet wird, muß m der Regel sehr sauber sein, um die inneren Strukturen der Brennstoffzellen nicht zu verschmutzen. Außerdem muß es ein schlechter elektrischer Leiter sein, da es benachbarte Brennstoffzellen verbindet und sie nicht kurzschließen darf. Ein geeignetes Kuhlmittel ist sehr reines Wasser. Die Anforderungen, αie an ein Heizmittel gestellt werden, sind m der Regel viel geringer. Diesen Anforderungen genügt beispielsweise ge- wohnlicnes Wasser, das nicht einmal besonders sauber sein muß .
Sind α--e Kuhlkreislauf und Heizmittelkreislauf mechanisch voneinander getrennt, so werden sie vorteilhaf erweise tner- misch miteinander verbunden. Dies geschieht beispielsweise, indem die Warme vom Kuhlmittel mittels eines Wärmetauschers auf das Heizmittel übertragen wird. Auf diese Weise ist die Übertragungskette für die Warme vom Brennstoffzellenblock bis zum Wärmeverbraucher geschlossen.
In alternativer Ausgestaltung der Erfindung wird das Kuhlmittel auch als Heizmittel verwendet. Diese Ausgestaltung der Erfindung bedingt, daß Kuhlkreislauf und Warmekreislauf m- einander übergehen. Das Kuhlmittel nimmt Warme aus dem Brennstoffzellenblock auf und transportiert sie zu einem Wärmeverbraucher. Beim Wärmeverbraucher fungiert das Kuhlmittel als Heizmittel, das die Warme an den Wärmeverbraucher abgibt. Anschließend fließt das Heizmittel zum Brennstoff ellenblock zurück, um ihn als Kuhlmittel zu kühlen. Diese Ausgestaltung der Erfindung bringt den Vorteil mit sich, daß nur ein Flus- sigkeitskreislauf anstelle von Kühl- und Heizkreislauf benotigt wird. Dieser Flussigkeitskreislauf umfaßt, wie der Heizkreislauf bei getrennter Fuhrung von Kunl- und Heizmittel, zwei Kreisläufe, z.B. einen großen und einen kleinen Kreislauf, zur variablen Wärmeaufnahme aus dem Brennstoffzellenblock.
Zweckmaßigerweise wird das Heizmittel, das den großen Kreis- lauf durchlauft, durch den Brennstoffzellenblock geleitet. Im Brennstoffzellenblock fungiert es als Kuhlmittel und übernimmt Warme aus dem Brennstoffzellenblock. Hierdurch wird ein Wärmetauscher, der die Warme des Brennstoffzellenblocks auf das Heιz-/Kuhlmιttel übertragt, eingespart.
Die zweitgenannte Aufgabe wird erfmdungsgemaß durch eine Brennstoff ellenanlage mit einem Brennstoffzellenblock und einem Kuhlmittelkreislauf zum Kuhlen des Brennstoffzellenblocks gelost, die a) einen großen Kreislauf und einen kleinen Kreislauf für ein Heizmittel, o ) einen Temperatursensor im Kuhlmittelkreislauf und c) eine Einsteilvorrichtung zur Einstellung des Durchsatzes des umlaufenden Heizmittels im großen Kreislauf umfaßt, wobei der Temperatursensor zur Einstellung des Durchsatzes mit der Einsteilvorrichtung verbunden ist.
Hierbei sind der große und kleine Kreislauf nicht notwendigerweise als Ganzes integrale Bestandteile der Brennstoffzellenanlage .
Eine derart ausgestaltete Brennstoffzellenanlage erlaubt die Durchfuhrung eines wie oben beschriebenen Verfahrens .
Die Verbindung des Temperatursensors mit der Emstellvorrich- tung kann direkt oder indirekt, beispielsweise über einen Regler, erfolgen. Ein solcher Regler ist für die Regelung der Einstellung der Einsteilvorrichtung m Abhängigkeit von der Temperatur des Kuhlmittels ausgelegt.
Zweckmaßigerweise umfaßt die Brennstoffzellenanlage auch Mit- tel zur Übertragung von Warme aus dem Brennstoffzellenblock auf das Heizmittel. Ein solches Mittel ist beispielsweise ein Wärmetauscher, der Warme vom Brennstoffzellenblock auf ein Kuhlmittel übertragt, das auch als Heizmittel dient. Oder das Mittel ist ein Wärmetauscher, der Warme eines Kuhlmittels ei- nes Kuhlmittelkreislaufs auf Heizmittel eines Heizmittel- kreislaufs übertragt. Ein solches Mittel kann auch ein im Brennstoffzellenblock integriertes Mittel sein, wie beispielsweise ein Kuhlkanal m einer Brennstoffzelle des Brennstoffzellenblocks oder eine Kuhlmittelleitung im Brennstoff- zellenblock.
Ein weiterer Vorteil wird erreicht, indem der Brennstoffzellenblock PEM-Brennstoffzellen umfaßt. PEM-Brennstoffzellen werden bei einer niedrigen Betriebstemperatur von etwa 80 °C betrieben, weisen ein gunstiges Uberlastverhalten und eine hohe Lebensdauer auf. Außerdem zeigen sie ein gunstiges Verhalten bei schnellen Lastwechseln und sind mit Luft anstelle von reinem Sauerstoff betreibbar. Alle diese Eigenschaften machen PEM-Brennstoffzellen besonders geeignet für eine Anwendung im mobilen Bereich, wie beispielsweise für den Antrieb von Fahrzeugen verschiedener Art.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteranspruchen dargestellt.
Ausfuhrungsbeispiele der Erfindung werden anhand von drei Fi- guren erläutert. Es zeigen:
FIG 1: eine schematische Darstellung einer Brennstoffzellenanlage mit einer Regelung der Wärmeaufnahme eines Heizmittel- kreislaufs;
FIG 2: eine schematische Darstellung einer Brennstoffzellenanlage mit einer zusätzlichen Regelung der Abgabe der elektrischen Leistung des Brennstoffzellenblocks;
FIG 3: eine schematische Darstellung einer Brennstoffzellenanlage mit einem Kuhlmittelkreislauf, der auch Heizmittel- kreislauf ist.
In Figur 1 ist eine Brennstoffzellenanlage 10 dargestellt, die einen Brennstoffzellenblock 11, einen Kuhlmittelkreislauf 12, eine Kuhlmittelumwalzpumpe 13 und eine Vorrichtung 14 umfaßt. Durch die Vorrichtung 14 ist der Kuhlmittelkreislauf 12 thermisch mit einem Heizmittelkreislauf 15 verbunden, der einen großen Kreislauf 15A und einen kleinen Kreislauf 15B um- faßt. Die Vorrichtung 14 ist ein Wärmetauscher. Der kleine Kreislauf 15B ist aus einem Teil des großen Kreislaufs 15A und einem Bypaß 15C gebildet, der den Teil des großen Kreislaufs 15A überbrückt, der mit dem Wärmetauscher 14 die thermische Verbindung zum Kuhlmittelkreislauf 12 herstellt. An der Stelle, an der der Bypaß 15C des kleinen Kreislaufs 15B vom großen Kreislauf 15A abzweigt, befindet sich ein Ventil 16, das uoer einen Regler 17 mit einem Temperatursensor 18 im Kuhlmittelkreislauf 12 verbunden ist. Das Ventil 16 ist ein Dreiwegeventil .
Die Brennstoffzellenanlage 10 ist dafür ausgelegt, daß der Durchsatz des im großen Kreislauf 15A umlaufenden Heizmittels in Abhängigkeit von der Temperatur des Kuhlmittels geregelt wird. Das Verfahren der Regelung wird z.B. wie folgt durchgef hrt :
Der Brennstoff ellenblock 11 wird bei einer Sollbetriebstemperatur von 75°C betrieben. Die im Brennstoffzellenblock 11 erzeugte Warme wird vom Kuhlmittel des Kuhlmittelkreislaufs 12 aufgenommen, das den Brennstoffzellenblock 11 mit einer Temperatur von 72 °C verlaßt. Das Kuhlmittel wird von der Kuhlmittelumwalzpumpe 13 durch den Kuhlmittelkreislauf 12 gepumpt und erreicht somit die als Wärmetauscher ausgestaltete Vorrichtung 14. Im Wärmetauscher 14 wird Warme des Kuhlmittels auf Heizmittel des Heizmittelkreislaufs 15 übertragen. Das Heizmittel wird von einer - in der Figur nicht darge- stellten - Heizmittelumwalzpumpe zu einer Heizung eines Hauses gepumpt, an die das Heizmittel Warme abgibt. Wird viel Warme an die Heizung abgegeben, so kehrt das Heizmittel stark abgekühlt durch das Ventil 16 zum Wärmetauscher 14 zurück. Das stark abgekühlte Heizmittel entzieht dem Kuhlmittel viel Warme. Das abgekühlte Kuhlmittel wird zum Brennstoffzellenblock 11 gepumpt und kühlt ihn auf 72 °C. Auf 6 °C aufgeheizt verlaßt das Kuhlmittel den Brennstoffzellenblock 11 wieder. Der Temperatursensor 18 gibt die Abkühlung des Kuhlmittels von 72°C auf 69°C an den Regler 17 weiter. Der Regler 17 steuert das Ventil 16 an, das daraufhin einen Teil des von der Heizung kommenden Heizmittels m den Bypaß 15C umleitet. Auf diese Weise wird weniger Heizmittel m den Wärmetauscher 14 geleitet. Das fuhrt dazu, daß dem Kuhlmittel weniger Warme entzogen wird. Das Kuhlmittel heizt sich wieder auf 72°C und der Brennstoffzellenblock 11 heizt sich auf 75°C auf. In Folge der erhöhten Wärmeabgabe des Heizmittels an die Heizung bleibt die Temperatur des Heizmittels niedrig. In Figur 2 st eine Brennstoffzellenanlage 20 mit einem Brennstoffzellenblock 21, der PEM-Brennstoffzellen umfaßt, ein Kuhlmittelkreislauf 22, eine Kuhlmittelumwalzpumpe 23 und einen Vorrichtung 24 dargestellt. Durch die Vorrichtung 24, die als Wärmetauscher ausgestaltet ist, ist der Kuhlmittelkreislauf 22 thermisch mit einem Heizmittelkreislauf 25 verbunden, der einen großen Kreislauf 25A und einen kleinen Kreislauf 25B umfaßt. Der kleine Kreislauf 25B ist aus einem Teil des großen Kreislaufs 15A und einem Bypaß 25C gebildet, der den Teil des großen Kreislaufs 25A überbrückt, der mit dem Wärmetauscher die thermische Verbindung zum Kuhlmittelkreislauf 22 herstellt. An der Stelle, an der der Bypaß 25C des kleinen Kreislaufs 25B vom großen Kreislauf 25A abzweigt, befindet sich ein Ventil 26, das über einen Regler 27 mit einem Temperatursensor 28 verbunden ist. Das Ventil 26 ist ein Dreiwegemischventil .
Das Ventil 26 weist eine Einheit 31 zum Erfassen der Ventil- Stellung auf. Diese Einheit 31 ist mit einem Regler 32 verbunden, der wiederum mit einem Wechselrichter 33 verbunden
Die Brennstoffzellenanlage 20 eignet sicn besonders für den thermisch geführten Betrieb. Sie ist dafür ausgelegt, daß der Stromsollwert m Abhängigkeit von der Wärmeleistung, die vom Brennstoffzellenblock weggeführt wird, geregelt wird. Das Verfahren der Regelung wird beispielsweise wie folgt durchgeführt :
Der Brennstoffzellenblock 21 wird bei einer Sollbetriebstemperatur von 85°C betrieben. W e m der Beschreibung zu Figur 1 erläutert, wird der Durchsatz des im großen Kreislauf 25A. umlaufenden Heizmittels m Abhängigkeit von der Temperatur des Kuhlmittels eingestellt. Die Veränderung der Ventilstellung des Ventils 26 m Folge einer Abkühlung des Kuhlmittels von 82°C auf 79°C (ähnlich wie m der Beschreibung zu Figur 1 erläutert ist) hat zur Folge, daß die Einheit 31 zum Erfassen der Ventilstellung diese Veränderung an den Regler 32 m Form eines Signals weiterleitet. Der Regler 32 regelt daraufhin den Wechselrichter 33 m der Weise, daß die Spannung der PEM- Brennstoffzellen des Brennstoffzellenblocks 21abnιmmt. Das fuhrt zu einer Erhöhung der elektrischen Leistungsabgabe des Brennsto fzellenblocks 21 und damit auch zu einer Erhöhung der Warmeerzeugung im Brennstoffzellenblock 21. Das Kuhlmittel erwärmt sich wieder auf seine Ausgangstemperatur von 82 °C. Die Temperaturerhöhung wird vom Temperatursensor 28 gemessen und an den Regler 27 m Form eines Signals weiterge- leitet. Der Regler 27 bewirkt, daß die ursprungliche Menge an Heizmittel vom Ventil 26 zum Wärmetauscher 24 geleitet wird. Die erhöhte Abgabe von Warme aus dem Brennstoffzellenblock 21 verhindert nun die wiederholte Abkühlung des Kuhlmittels, so daß dessen Temperatur beim Austritt aus dem Brennstoffzellenblock 21 konstant auf 82°C bleibt.
Im Gegensatz zu dem zu Figur 1 beschriebenen Verfahren wird das Heizmittel m Folge des erhöhten Wärmebedarfs der Heizanlage nicht mehr abgekühlt. Die Reaktion der in Figur 2 gezeigten Brennstoffzellenanlage 20 auf den erhöhten Wärmebedarf fuhrt - innerhalb der beschriebenen Schwankungen - zu einer Konstanz der Betriebstemperatur des Brennstoffzellen- blocks 21, wie auch der Temperatur des Heizmittels.
Figur 3 zeigt eine Brennstoffzellenanlage 40, die einen Brennstoffzellenblock 41, einen Kuhlmittelkreislauf 42 und eine Kuhlmittelumwalzpumpe 43 umfaßt. Der Kuhlmittelkreislauf 42 geht m den Heizmittelkreislauf 47 über. Der Heizmittel- kreislauf umfaßt einen kleinen Kreislauf 47B, der einen Bypaß 47C enthalt, sowie einen großen Kreislauf 47A, der den kleinen Kreislauf 47B und den Kuhlmittelkreislauf 42 umfaßt. Das vom Brennstoffzellenblock 41 erwärmte Kuhlmittel wird von der Kuhlmittelumwalzpumpe 43 zu einem Wärmeverbraucher gepumpt, wo es, als Heizmittel fungierend, Warme abgibt. Wird im Wärmeverbraucher so viel Warme abgegeben, daß die Temperatur des Brennstoffzellenblocks 41 sinkt, so regelt der Regler 44 m Verbindung mit dem Temperatursensor 45 und dem Ventil 46 durch das wie zu Figur 1 beschriebene Verfahren die Kuhlmitteltemperatur wieder auf seinen Sollwert.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzellenanlage (10,20,40), bei dem ein Brennstoffzellenblock (11,21,41) mit einem Kuhlmittel gekühlt wird, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß ein Heizmittel in einem großen Kreislauf ( 15A, 25A, 47A) und einem kleinen Kreislauf (15B, 25B, 47B) umlauft, und daß der Durchsatz des im großen Kreislauf (15A, 25A, 47A) umlaufenden Heizmittels m Abhangig- keit von der Temperatur des Kuhlmittels eingestellt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der Durchsatz des im großen Kreislauf (15A, 25A, 47A) umlaufenden Heizmittels von einem Ventil (16,26,46) gesteuert wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß das Ventil einen Teil des im kleinen Kreislauf (15B, 25B, 7B) umgepumpten Heizmittels in den großen Kreislauf ( 15A, 25A, 47A) umleitet.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß das Heizmittel, das den großen Kreislauf (15A, 25A) durchlauft, durch ei- ne Vorrichtung (14,24) geleitet wird, m der dem Heizmittel Warme aus dem Brennstoffzellenblock (11,21) übertragen wird, und daß das Heizmittel, das den kleinen Kreislauf (15B,25B) durchlauft, nicht durch die Vorrichtung (14,24) geleitet wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Stellung des Ventils (26) als Steuergroße für den Sollwert des Stroms, den der Brennstoffzellenblock (21) erzeugt, verwendet wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Stellung des Ventils (26) als Regelgroße für einen Regler (32) verwendet wird, der einen Wechselrichter (33) ansteuert.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, d a - d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß das Heizmittel durch Heizungen eines Hauses als Wärmeverbraucher gepumpt wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, d a - d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß das Kuhlmittel durch einen Kuhlmittelkreislauf (12,22,42) gepumpt wird und daß das Heizmittel durch einen Heizmittelkreislauf (15,25,47) gepumpt wird, der sich aus dem großen Kreislauf (15A, 25A, 47A) und dem kleinen Kreislauf ( 15B, 25B, 47B) zusam- mensetzt.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Warme vom Kuhlmittel mittels eines Wärmetauschers auf das Heizmittel übertragen wird.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß das Kuhlmittel auch als Heizmittel verwendet wird.
11. Verfahren nach Anspruch 10, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß das Heizmittel, das den großen Kreislauf (47A) durchlauft, durch den Brennstoffzellenblock (41) geleitet wird.
12. Brennstoffzellenanlage (10,20,40) mit einem Brennstoffzellenblock (11,21,41) und einem Kuhlmittelkreislauf (12,22,42) zum Kuhlen des Brennstoffzellenblocks (11,21,41), g e k e n n z e i c h n e t d u r c h a) einen großen Kreislauf ( 15A, 25A, 47A) und einen kleinen Kreislauf ( 15B, 25B, 47B) für ein Heizmittel, b) einen Temperatursensor (18,28,45) im Kuhlmittelkreislauf (12,22,42) und c) eine Einsteilvorrichtung zur Einstellung des Durchsatzes des umlaufenden Heizmittels im großen Kreislauf (15A, 25A, 7A) , wobei der Temperatursensor (18,28,45) zur Einstellung des Durchsatzes mit der Emstellvorπchtung verbunden ist.
13. Brennstoffzellenanlage (10,20,40) nach Anspruch 12, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der kleine Kreislauf (15B, 25B, 47B) vom großen Kreislauf ( 15A, 25A, 47A) abzweigt .
14. Brennstoffzellenanlage (10,20,40) nach einem der Anspru- ehe 12 oder 13 , d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Einsteilvorrichtung ein Ventil (16,26,46) ist.
15. Brennstoffzellenanlage (10,20,40) nach Anspruch 14, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß das Ventil (16,26,46) zum Umleiten von Heizmittel von einem kleinen Kreislauf (15B, 25B, 47B) in den großen Kreislauf (15A, 25A, 47A) vorgesehen ist.
16. Brennstoffzellenanlage (10,20,40) nach einem der Ansprüche 14 oder 15 , d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß das Ventil (16,26,46) ein Dreiwegeventil ist.
17. Brennstoffzellenanlage (10,20,40) nach einem der Anspru- ehe 12 bis 16, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der kleine Kreislauf (15B, 25B, 47B) aus einem Teil des großen Kreislaufs ( 15A, 25A, 47A) und einem Bypaß (15C, 25C, 47C) gebildet wird, der einen Teil des großen Kreislaufs (15A, 25A, 47A) überbrückt.
18. Brennstoff zellenanlage (10,20,40) nach einem der Ansprüche 12 bis 17, d a d u r c h g e k e n n z e i c h - n e t , daß der Brennstoffzellenblock (11,21,41) PEM- Brennstoffzellen umfaßt.
19. Brennstoffzellenanlage (20) nach einem der Ansprüche 14 bis 18, g e k e n n z e i c h n e t d u r c h eine Einheit (31) zum Erfassen der Ventilstellung und Weitergabe der Ventilstellung an einen Regler (32) .
20. Brennstoffzellenanlage (20) nach einem der Ansprüche 12 bis 19, g e k e n n z e i c h n e t d u r c h einen Regler (32) zur Regelung des Stromsollwerts des Brennstoffzellenblocks (21) in Abhängigkeit von der Ventilstellung.
21. Brennstoffzellenanlage (10,20,40) nach Anspruch 20, g e k e n n z e i c h n e t d u r c h einen Wechselπch- ter (33), der zwischen den Regler (32) und den Stromausgang des Brennstoffzellenblocks (21) geschaltet ist.
22. Brennstoffzellenanlage (10,20) nach einem der Ansprüche 12 bis 21, g e k e n z e i c h n e t d u r c h einen Heizmittelkreislauf (15,25), der den kleinen Kreislauf
(15B,25B) und den großen Kreislauf (15A, 25A) umfaßt, einen zusatzlichen Kuhlmittelkreislauf (12,22) sowie eine Vorrichtung (14,24) zur Übertragung von Warme aus dem Kuhlmittelkreislauf (12,22) auf den He zmittelkreislauf (15,25) .
23. Brennstoff zellenanlage (10,20) nach Anspruch 22, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Vorrichtung (14,24) ein Wärmetauscher ist.
24. Brennstoffzellenanlage (40) nach einem der Ansprüche 12 oder 21 , d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß das Kuhlmittel auch Heizmittel ist.
PCT/DE2000/000720 1999-03-26 2000-03-08 Verfahren zum betreiben einer brennstoffzellenanlage und brennstoffzellenanlage WO2000059059A1 (de)

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