WO2022174276A1 - Wärmekopplungsvorrichtung für ein brennstoffzellensystem - Google Patents

Wärmekopplungsvorrichtung für ein brennstoffzellensystem Download PDF

Info

Publication number
WO2022174276A1
WO2022174276A1 PCT/AT2022/060045 AT2022060045W WO2022174276A1 WO 2022174276 A1 WO2022174276 A1 WO 2022174276A1 AT 2022060045 W AT2022060045 W AT 2022060045W WO 2022174276 A1 WO2022174276 A1 WO 2022174276A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
heat
coupling
exhaust gas
fuel cell
section
Prior art date
Application number
PCT/AT2022/060045
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
David REICHHOLF
Raphael NEUBAUER
Original Assignee
Avl List Gmbh
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 Avl List Gmbh filed Critical Avl List Gmbh
Priority to DE112022000377.4T priority Critical patent/DE112022000377A5/de
Publication of WO2022174276A1 publication Critical patent/WO2022174276A1/de

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
    • H01M8/04029—Heat exchange using liquids
    • 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
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04694—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by variables to be controlled
    • H01M8/04701—Temperature
    • H01M8/04716—Temperature of fuel cell exhausts
    • 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
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M8/12—Fuel cells with solid electrolytes operating at high temperature, e.g. with stabilised ZrO2 electrolyte
    • H01M2008/1293—Fuel cells with solid oxide electrolytes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M2250/00—Fuel cells for particular applications; Specific features of fuel cell system
    • H01M2250/10—Fuel cells in stationary systems, e.g. emergency power source in plant
    • 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 present invention relates to a heat coupling device for a fuel cell system, a fuel cell system with such a heat coupling device and a method for coupling the use of electricity production and heat production of a fuel cell system.
  • fuel cell systems are used to produce electricity in a stationary operating situation.
  • a so-called SOFC fuel cell is used, which brings with it very high temperatures during operation.
  • the operating temperature of a SOFC fuel cell in stationary operation is, for example, in the range of around 500 °C to 1000 °C.
  • the hot exhaust gases which leave such a fuel cell system are partly used to preheat process gases, in particular the anode feed gas and/or the cathode feed gas. Nevertheless, a residual amount of heat remains in the exhaust gas of the fuel cell system, which is often given off to the environment.
  • a disadvantage of the known solutions is that when electricity production and heat production are coupled, these two objectives are in conflict with one another.
  • the control of the entire system is either current-controlled or heat-controlled. This means that either the heat demand is met and the electricity production is the result of the current heat demand, or vice versa.
  • current-controlled regulation means that a specified amount of electricity is produced and the current heat production follows the electricity demand. Heat demand and electricity demand are therefore always coupled with one another and, in particular, cannot be controlled separately from one another. This leads to relatively complex control mechanisms and in particular to a very low control variability for heat use in a power-controlled control situation or power use in a heat-controlled control situation.
  • a heat coupling device for a fuel cell system serves to couple the use of electricity production and heat production of the fuel cell system.
  • the heat coupling device has an exhaust gas section for conducting hot exhaust gas from the fuel cell system.
  • a coupling circuit for conducting a coupling fluid to a heat utilization device is also provided.
  • the coupling circuit is equipped with a coupling heat exchanger, the hot side of which is arranged in the exhaust gas section, for transferring heat from the hot exhaust gas to the coupling fluid.
  • an additional circuit is provided in the heat coupling device for Füh ren an additional fluid.
  • the additional circuit has a delivery section for a delivery from heat from the additional fluid to the environment and a Additional heat exchanger, the hot side of which is arranged in the exhaust gas section, for the transfer of heat from the hot exhaust gas to the additional fluid.
  • the core idea of the invention is based on making the heat that is present in the hot exhaust gas of the fuel cell system available to a heat utilization device.
  • a heat utilization device can be a district heating network, for example, or a heating system for a building or an industrial plant.
  • the heat is not or only partially released to the environment, but can be used in the heat utilization device.
  • the coupling heat exchanger is arranged in the exhaust gas section.
  • the coupling heat exchanger can be designed as a plate heat exchanger, for example.
  • the hot side is formed directly or indirectly by the exhaust gas section, so that hot exhaust gas flows through the hot side of the coupling heat exchanger.
  • the coupling fluid flows through the cold side, so that heat is transferred from the hot exhaust gas to the cold coupling fluid.
  • the exhaust gas leaves the coupling heat exchanger cooler than it enters it.
  • the coupling fluid is heated as it flows through the coupling heat exchanger and can in this way pass on the heat it has absorbed to the heat utilization device.
  • the coupling fluid is designed in particular as a coupling liquid, example, in the form of water, thermal oil or the like.
  • an additional circuit is now also planned.
  • the additional circuit also circulates an additional fluid, which, similar to the coupling fluid, can be, for example, thermal oil, water or another fluid, in particular a liquid, which is capable of absorbing and transporting heat, in particular with a high specific heat capacity .
  • the additional circuit is able to also absorb heat from the hot exhaust gas from the gas section, since the additional heat exchanger is also arranged with its hot side in the exhaust section. It is thus possible for hot exhaust gas not only to flow through the coupling heat exchanger on its hot side, but also through the hot side of the additional heat exchanger, at least in this way can also transfer part of the heat to the additional fluid.
  • the additional circuit is preferably not or only in a small way equipped for using the heat taken up. Rather, the additional section serves to ensure that the total amount of heat absorbed by the additional fluid and the coupling fluid leads to a maximum residual temperature of the exhaust gas, which is not exceeded even with different amounts of heat to be used.
  • the heat required ie the heat requirement
  • the heat utilization device For example, the heat required, ie the heat requirement, varies at the heat utilization device. If the fuel cell system is in a current-controlled control situation, this varying heat requirement cannot be addressed. Rather, a resulting amount of heat is produced depending on the power requirement and the corresponding current-carrying control. Situations can now arise in which the current heat production significantly exceeds the current heat demand. Without the additional circuit, this would lead to a correspondingly lower amount of heat being extracted from the hot exhaust gas to meet the necessary heat requirement, as a result of which the hot exhaust gas would have an increased residual temperature when it flows out into the environment.
  • the additional circuit can remain switched off and the heat can be essentially completely transferred from the hot exhaust gas to the coupling fluid.
  • the heat production and the heat demand are now decoupled from one another.
  • the fuel cell system can be operated with electricity and in the event that the heat requirement falls below the current heat production, the excess heat can be removed from the hot exhaust gas via the additional circuit. This leads to the desired decoupling and accordingly to the variable and flexible way of controlling the heat utilization device and the coupling circuit, even when the fuel cell system is controlled in a live manner.
  • the additional cooling circuit can also have its own uses.
  • the simplest possibility is that the exhaust gas is cooled via the additional circuit and the heat is given off to the environment.
  • the advantages according to the invention of the described decoupling of electricity production and heat production come into play in particular in the case of fuel cell systems that are operated with negative pressure, in which a Vacuum conveying device is arranged downstream of the heat coupling device in the gas section from.
  • the coupling circuit in particular does not necessarily have to have a closed circuit within the heat coupling device.
  • cool coupling fluid is made available from a large heat coupling circuit and is heated in the manner described in the small coupling circuit of the heat coupling device.
  • the flow and return are connected to one another in a fluid-communicating manner as a small circuit in the coupling circuit.
  • the decoupling according to the invention makes it possible to ensure that the residual temperature does not exceed a defined limit temperature when the exhaust gas flows through the exhaust gas section.
  • components and in particular a vacuum conveying device in the form of a suction fan can be protected from excessively high temperatures. This in turn leads to a simple and cost-effective configuration as well as a correspondingly simple and cost-effective choice of material for such a suction fan.
  • the additional heat exchanger is arranged upstream of the coupling heat exchanger in the exhaust gas section. This allows a particularly flexible control and is based in particular on a detection of the current heat requirement in the heat utilization device and the current heat production in the fuel cell system.
  • the hot exhaust gas is pre-cooled in the additional heat exchanger before the exhaust gas that has been pre-cooled in this way reaches the coupling heat exchanger.
  • the additional circuit has an additional heat utilization device for using and/or storing the heat in the additional circuit.
  • Storage can be provided by a heat storage device, for example. It is thus possible, in situations in which the heat production is below the heat requirement of the heat utilization device, to operate the additional circuit in the opposite direction, so to speak, and to discharge the heat accumulator again by transferring the stored heat from the heat accumulator in the opposite direction from the additional circuit to the exhaust gas is emitted.
  • a delivery from the heat accumulator of the additional circuit directly to the coupling fluid, in particular special in the flow of the cold side of the coupling heat exchanger, is fundamentally conceivable.
  • a separate heat utilization device such as an increase in efficiency in the fuel cell system and therefore independent of the coupling circuit, is of course also conceivable within the scope of this embodiment.
  • a process heat exchanger is arranged in the exhaust gas section of a thermal coupling device according to the invention for transferring heat from the hot exhaust gas to at least one process gas fed to the fuel cell system.
  • this process heat exchanger is arranged upstream of the coupling heat exchanger and/or upstream of the additional heat exchanger.
  • the efficiency of the fuel cell system can be increased within the fuel cell system, in which process gases, for example the anode feed gas and/or the cathode feed gas, can be preheated.
  • This process heat exchanger is preferably qualitatively and/or quantitatively controllable, so that this recirculation of heat can take place depending on the current operating situation of the fuel cell system and/or depending on the current heat requirement of the heat utilization device. Especially in a cold start situation when starting up the fuel cell system, possibilities for accelerating this starting process and increasing efficiency can be achieved here. It can also be advantageous if, in a thermal coupling device according to the invention, a process gas section is arranged separately from the exhaust gas section, for guiding a hot process gas of the fuel cell system, the coupling circuit having an intermediate heat exchanger downstream of the coupling heat exchanger, the hot side of which is arranged in the process gas section, for absorbing heat in the coupling fluid from the hot process gas.
  • the process gas which is conducted in the process gas section, is preferably a process gas, which is led out of the fuel cell stack and fed back into it again.
  • an intermediate cooling of the process gas is possible, which can be fed back to the fuel cell stack for further processing after the intermediate cooling. Additional heat transfer to the coupling fluid is also provided in this way.
  • the coupling circuit has a bypass section for bypassing the coupling fluid past the intermediate heat exchanger.
  • this intermediate cooling of the process gas can bring advantages, particularly temporarily, in individual operating situations.
  • this intermediate heat exchanger can be switched on and off via the bypass, so to speak.
  • a quantitative splitting of the coupling fluid between the by-pass section and the flow through the intermediate heat exchanger on its colder side is also possible. The variability, the possibility of control and/or the efficiency of the fuel cell system can be increased even further in this way.
  • the additional circuit is designed as a refrigeration circuit. While in principle, either with passive funding or with forced funding, a normal cooling circuit is conceivable as an additional circuit, a cooling circuit with a compressor and an evaporator section in the additional heat exchanger can bring further advantages. In particular, this makes it possible to react even more freely to corresponding operating situations and temperature conditions in the hot exhaust gas by selecting a heat transfer medium as the additional fluid.
  • the additional cooling circuit is designed for a maximum cooling capacity based on the maximum heat production of the fuel cell system. This means that even in the event that the heat requirement of the heat utilization device drops to zero, the entire heat production of a fuel cell system operated at maximum power can be dissipated via the additional circuit and in particular the additional heat exchanger. This means that even in the extreme situation of a switched off heat utilization device and accordingly a switched off heat transfer into the coupling fluid, the maximum temperature limit value for the residual temperature of the exhaust gas is not exceeded.
  • the design is based on the amount of additional fluid, the corresponding flow cross-sections and other design options for the additional cooling circuit.
  • the present invention also relates to a fuel cell system for generating electricity and heat.
  • the fuel cell system includes a fuel cell stack having an anode section and a cathode section.
  • the anode section is provided with an anode supply section and an anode discharge section.
  • the cathode section is equipped with a cathode supply section and a cathode discharge section.
  • the fuel cell system has a heat coupling device according to the present invention, whose exhaust gas section is connected to the anode discharge section and/or the cathode discharge section in a fluid-communicating manner.
  • a fuel cell system according to the invention thus offers the same advantages as have been explained in detail with reference to a thermal coupling device according to the invention.
  • a heat utilization device is preferably also integrated in this fuel cell system. It should also be noted that for the exhaust section Both a specific configuration for the anode discharge section or the cathode discharge section can be provided. However, it is also conceivable that, at least in part, the exhaust gas from the anode section in the anode discharge section and the exhaust gas from the cathode section in the cathode discharge section are combined to form a common exhaust gas and thus flow through the exhaust gas section of the heat coupling device as a common or combined exhaust gas.
  • the fuel cell stack has a process gas section for guiding a process gas out of the fuel cell stack and back into the fuel cell stack, with an intermediate heat exchanger being arranged in the coupling circuit, the hot side of which is arranged in the process gas section , for absorbing heat in the coupling fluid of the process gas.
  • a bypass section it is also possible for a bypass section to be provided in order to either qualitatively switch off this intermediate heat exchanger or to quantitatively control the amount of coupling fluid flowing through. As already explained, this allows intermediate cooling of the process gas as it flows through the fuel cell stack and thus a further increase in efficiency in the operation of the fuel cell system.
  • Another object of the present invention is a method for coupling the use of electricity production and heat production of the fuel cell system according to the present invention. Such a procedure consists of the following steps:
  • a method according to the invention brings with it the same advantages as have been explained in detail with reference to a heat coupling device according to the invention and with reference to a fuel cell system according to the invention. It should be noted that here the electricity production is used for the control of the fuel cell system. In other words, the control of the fuel cell system is current-controlled and not heat-controlled.
  • the result is a resulting heat production, which is recorded as part of a method according to the invention and compared with a likewise recorded current heat requirement of the heat utilization device.
  • a resulting heat production which is recorded as part of a method according to the invention and compared with a likewise recorded current heat requirement of the heat utilization device.
  • the additional circuit can essentially be switched off or remain so. Rather, there is complete or essentially complete heat transfer from the hot exhaust gas to the coupling fluid, so that the heat requirement of the heat utilization device is met and at the same time the exhaust gas can be cooled below the maximum temperature limit value.
  • the third operating situation to be distinguished from this occurs when the current heat production exceeds the current heat demand of the heat utilization device.
  • the heat drawn off in the coupling fluid will not be sufficient to sufficiently cool the temperature of the exhaust gas while complying with the maximum temperature limit value.
  • the cooling that is still missing is provided by the additional heat exchanger and the additional circuit.
  • the heat transfer at the additional heat exchanger is more or less intense. This leads to the decoupling explained several times, so that despite a current-controlled control of the fuel cell system, a variation of the heat requirement of the heat utilization device is possible.
  • the heat reduction via the additional heat exchanger is controlled by varying at least one of the following parameters:
  • the mass flow of additional fluid in the additional circuit can be increased in order to correspondingly increase the heat transfer at the additional heat exchanger.
  • the release of heat in the release section can be increased, so that the return temperature in the additional circuit for the additional fluid is reduced. This also serves to increase the heat transfer at the additional heat exchanger by increasing the temperature gradient accordingly.
  • a temperature reduction for the exhaust gas in the exhaust gas section and/or an outlet temperature of the exhaust gas is determined from the detected heat requirement and the detected heat production. In both cases, it is preferably a simulation of the recorded heat requirement and/or a simulation of the current heat production. This makes it possible to foresee what temperature reduction and/or outlet temperature will occur for the exhaust gas and to carry out the control with a method according to the invention in a correspondingly more targeted manner.
  • the recorded heat production and/or the recorded heat requirement is determined in advance by means of a simulation. In other words, it is possible to predict how the heat demand and/or heat production will develop over a defined period of time. This allows to avoid hunting or undesired increase over an interval for the temperature of the exhaust gas ensure that the limit values described are complied with over the maximum period of time during operation of the fuel cell system.
  • FIG. 2 another embodiment of a heat coupling device according to the invention
  • Fig. 6 an embodiment of a fuel cell system according to the invention
  • Fig. 7 shows a possible course of the amounts of heat in a method according to the invention.
  • FIG. 1 schematically shows a fuel cell system 100 in which one or more process gases P are fed to a fuel cell stack 110 .
  • An exhaust gas A can be conducted out of the fuel cell stack 110 either as a collective exhaust gas or as an individual exhaust gas in the form of an exhaust gas section 20 of the thermal coupling device 10 .
  • the hot exhaust gas A now flows through an additional heat exchanger 42 when guided in the exhaust gas section 20. In this heat is transferred from the hot exhaust gas A to the additional fluid ZF, which is promoted by a conveyor device 48 in the circuit of the additional circuit.
  • the additional fluid ZF is now delivered in heated form along the additional circuit 40 to the delivery section 44 supplied.
  • a fan device controls how much heat is given off to the environment by the additional fluid ZF.
  • the mass flow of additional fluid ZF can be varied by controlling the delivery device 48 .
  • the exhaust gas A pre-cooled in this way flows further along the exhaust gas section 20 into a coupling heat exchanger 32.
  • the exhaust gas A which is now maximally cooled in this way, can be discharged to the environment.
  • the heated coupling fluid KF can pass this heat on to the heat utilization device 200.
  • the current heat requirement WB of the heat utilization device 200 can be lower, higher or identical to the current heat production WP of the fuel cell system 100 .
  • auxiliary circuit 40 may be substantially off. This is ensured in particular by stopping the conveying device 48 .
  • the excess heat can be transferred to the additional fluid ZF by increasing the speed of the conveyor device 48 with a correspondingly increased heat transfer at the additional heat exchanger 42, so that this too If the residual temperature in the exhaust gas A remains identical or essentially identically low when it exits into the environment.
  • FIG. 2 shows a further development of the embodiment of FIG. 1.
  • This relates to the conveyance of the process gases P through the fuel cell system 100.
  • the suction fan 50 With the aid of the suction fan 50, a negative pressure is generated, which conveys the process gases P through the fuel cell system 100 and the exhaust gas A from the fuel cell stack 110.
  • this suction fan 50 is not required to have resistance to high temperatures. It is therefore effectively protected against elevated temperatures in the exhaust gas A by the interaction of the coupling circuit 30 and the additional circuit 40 .
  • FIG. 3 has an additional heat utilization device 46 as part of the additional circuit 40 .
  • This can be a heat accumulator, for example, whose heat can be used for another purpose or, not shown here, by a heat transfer option to the coupling fluid KF upstream of the coupling heat exchanger 32, this heat can continue to be used efficiently.
  • FIG. 4 shows a possibility of preheating process gases P, in particular in a starting situation of the fuel cell system 100.
  • process gas P can be preheated with part of the heat contained in the exhaust gas A before it enters the fuel cell stack 110, so that the efficiency in this operating situation for the operation of the fuel cell system 100 increases further.
  • FIG. 5 also shows a constructive possibility of further increasing the efficiency during operation of the fuel cell system 100.
  • a recirculation is provided within the fuel cell system 100, which decouples a process gas P from the fuel cell stack 110, conducts it via an intermediate heat exchanger 34 and conveys it back into the fuel cell stack 110.
  • the coupling fluid KF downstream of the coupling heat exchanger 32 either also flows through the intermediate heat exchanger 34 or through the bypass section 36 past it.
  • this makes it possible to provide a further increase in the heat content of the coupling fluid KF.
  • the efficiency of the mode of operation of the fuel cell system 100 can be increased in that an integrated possibility of reducing the temperature of process gases P within the fuel cell stack 110 is made available.
  • FIG. 6 shows an embodiment similar to that in FIGS. 1 to 5. However, more details in the fuel cell stack 110 can be seen here.
  • This one is in one Anode section 120 and divided into a cathode section 130 .
  • An anode feed gas runs as process gases P in the anode feed section 122 and a cathode feed gas in the cathode feed section 132.
  • Cathode off-gas is discharged in the cathode discharge section 134 .
  • all of the exhaust gases A of the fuel cell stack are brought together and conveyed together as a common exhaust gas A through the exhaust gas section 20 in the manner already explained.
  • FIG. 7 shows how a method according to the invention works.
  • Heat demand WB and heat production WP are shown here over time.
  • the heat requirement WB of the heat utilization device 200 is above the heat production WP of the fuel cell system 100.
  • the heat requirement WB reduces over time until it falls below the current heat production WP at the arrow.
  • the additional cooling is now switched on and/or increased with the aid of the additional circuit 30 .
  • the heat requirement WB and the heat production WP can be the currently recorded parameters and/or simulated future parameter values.
  • thermal coupling device 20 exhaust gas section 22 process heat exchanger 30 coupling circuit 32 coupling heat exchanger 34 intermediate heat exchanger 36 bypass section 40 additional circuit 42 additional heat exchanger 44 discharge section 46 additional heat utilization device 48 conveying device 50 suction fan
  • fuel cell system 110 fuel cell stack 120 anode section 122 anode supply section 124 anode discharge section 130 cathode section 132 cathode supply section 134 cathode discharge section 140 process gas section 200 heat utilization device

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 vorliegende Erfindung betrifft eine Wärmekopplungsvorrichtung (10) für ein Brennstoffzellensystem (100) zur Kopplung der Nutzung einer Stromproduktion und einer Wärmeproduktion des Brennstoffzellensystems (100), aufweisend einen Abgasabschnitt (20) für ein Führen von heißem Abgas (A) des Brennstoffzellensystems (100) und einen Kopplungskreislauf (30) zum Führen eines Kopplungsfluids (KF) zu einer Wärmenutzungsvorrichtung (200), wobei der Kopplungskreislauf (30) einen Kopplungswärmetauscher (32) aufweist, dessen heiße Seite im Abgasabschnitt (20) angeordnet ist zur Übertragung von Wärme vom heißen Abgas (A) auf das Kopplungsfluid (KF), weiter aufweisend einen Zusatzkreislauf (40) zum Führen eines Zusatzfluids (ZF), wobei der Zusatzkreislauf (40) einen Abgabeabschnitt (44) für eine Abgabe von Wärme aus dem Zusatzfluid (ZF) an die Umgebung und einen Zusatzwärmetauscher (42) aufweist, dessen heiße Seite im Abgasabschnitt (20) angeordnet ist zu Übertragung von Wärme vom heißen Abgas (A) auf das Zusatzfluid (ZF).

Description

Wärmekopplungsvorrichtung für ein Brennstoffzellensystem
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Wärmekopplungsvorrichtung für ein Brenn stoffzellensystem, ein Brennstoffzellensystem mit einer solchen Wärmekopplungs vorrichtung sowie ein Verfahren für eine Kopplung der Nutzung einer Stromproduk tion und einer Wärmeproduktion eines Brennstoffzellensystems.
Es ist bekannt, dass Brennstoffzellensysteme eingesetzt werden, um in einer statio nären Betriebssituation Strom zu produzieren. Dabei wird beispielsweise eine soge nannte SOFC-Brennstoffzelle verwendet, die beim Betrieb sehr hohe Temperaturen mit sich bringt. Die Betriebstemperatur einer SOFC-Brennstoffzelle im stationären Betrieb liegt beispielsweise im Bereich von circa 500 °C bis 1000 °C. Auch ist es be kannt, dass die heißen Abgase, welche ein solches Brennstoffzellensystem verlas sen, zum Teil zur Vorwärmung von Prozessgasen, insbesondere dem Anodenzuführ- gas und/oder dem Kathodenzuführgas, verwendet werden. Trotzdem verbleibt noch eine Restmenge an Wärme in dem Abgas des Brennstoffzellensystems, welche häu fig an die Umgebung abgegeben wird.
Weiter ist es bekannt, dass elektrische Maschinen und Stromerzeuger eine soge nannte Kraftwärmekopplung aufweisen können. Hierfür werden Vorrichtungen, wie beispielsweise Gaskraftwerke, eingesetzt, um Strom zu produzieren. Die dabei eben falls entstehende Wärme wird über eine Wärmekopplungsvorrichtung einer Wärme nutzungsvorrichtung, beispielsweise in Form eines Fernwärmenetzes, zur Verfügung gestellt. Eine solche Kraft-Wärme-Kopplung ist grundsätzlich auch für den Einsatz bei Brennstoffzellensystemen bekannt.
Nachteilhaft bei den bekannten Lösungen ist es, dass bei einer Kopplung einer Strom Produktion und einer Wärmeproduktion, diese beiden Ziele miteinander in Kon flikt stehen. So ist die Regelung des Gesamtsystems entweder stromgeführt oder aber wärmegeführt. Das bedeutet, dass entweder der Wärmebedarf erfüllt wird und die Stromproduktion das Ergebnis des aktuellen Wärmebedarfs ist oder umgekehrt. Unter einer stromgeführten Regelung ist im Gegensatz dazu zu verstehen, dass eine vorgegebene Menge an Strom produziert wird und die aktuelle Wärmeproduktion dem Strom bedarf folgt. Somit sind Wärmebedarf und Strombedarf immer miteinander gekoppelt und insbe sondere nicht separat voneinander kontrollierbar. Dies führt zu relativ aufwendigen Kontrollmechanismen und insbesondere zu einer sehr geringen Kontrollvariabilität für die Wärmenutzung in einer stromgeführten Kontrollsituation oder die Stromnutzung in einer wärmegeführten Kontrollsituation.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die voranstehend beschriebenen Nach teile zumindest teilweise zu beheben. Insbesondere ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, in kostengünstiger und einfacher Weise eine Wärmekopplung zur Verfü gung zu stellen, die eine Entkopplung der Strom Produktion von der Wärmeproduktion zumindest teilweise zur Verfügung stellt.
Die voranstehende Aufgabe wird gelöst, durch eine Wärmekopplungsvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 , ein Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen des Anspruchs 10 und ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 12. Weitere Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Be schreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zu sammenhang mit der erfindungsgemäßen Wärmekopplungsvorrichtung beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem sowie dem erfindungsgemäßen Verfahren und jeweils umge kehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird beziehungsweise werden kann.
Erfindungsgemäß dient eine Wärmekopplungsvorrichtung für ein Brennstoffzellen system zur Kopplung der Nutzung einer Stromproduktion und einer Wärmeproduk tion des Brennstoffzellensystems. Hierfür weist die Wärmekopplungsvorrichtung ei nen Abgasabschnitt für ein Führen von heißem Abgas des Brennstoffzellensystems auf. Weiter ist ein Kopplungskreislauf zum Führen eines Kopplungsfluids zu einer Wärmenutzungsvorrichtung vorgesehen. Der Kopplungskreislauf ist mit einem Kopp lungswärmetauscher ausgestattet, dessen heiße Seite im Abgasabschnitt angeord net ist, zur Übertragung von Wärme vom heißen Abgas auf das Kopplungsfluid. Wei ter ist in der Wärmekopplungsvorrichtung ein Zusatzkreislauf vorgesehen, zum Füh ren eines Zusatzfluids. Der Zusatzkreislauf weist einen Abgabeabschnitt für eine Ab gabe von Wärme aus dem Zusatzfluid an die Umgebung sowie einen Zusatzwärmetauscher auf, dessen heiße Seite im Abgasabschnitt angeordnet ist, zur Übertragung von Wärme vom heißen Abgas auf das Zusatzfluid.
Der erfindungsgemäße Kerngedanke beruht darauf, die Wärme, welche im heißen Abgas des Brennstoffzellensystems vorhanden ist, einer Wärmenutzungsvorrichtung zur Verfügung zu stellen. Dabei kann es sich beispielsweise um ein Fernwärmenetz handeln oder aber um ein Heizungssystem eines Gebäudes oder einer Industriean lage. Die Wärme wird also nicht oder nur zum Teil an die Umgebung abgegeben, sondern vielmehr in der Wärmenutzungsvorrichtung nutzbar.
Um diese Wärmenutzung zu ermöglichen, muss die Wärme vom heißen Abgas auf das Kopplungsfluid des Kopplungskreislaufs übertragen werden. Hierfür ist der Kopp lungswärmetauscher im Abgasabschnitt angeordnet. Der Kopplungswärmetauscher kann beispielsweise als Plattenwärmetauscher ausgebildet sein. Die heiße Seite wird dabei direkt oder indirekt vom Abgasabschnitt gebildet, sodass heißes Abgas die heiße Seite des Kopplungswärmetauschers durchströmt. Die kalte Seite wird vom Kopplungsfluid durchströmt, sodass eine Wärmeübertragung vom heißen Abgas auf das kalte Kopplungsfluid stattfindet. Mit anderen Worten verlässt das Abgas den Kopplungswärmetauscher kühler, als es in diesen eintritt. Das Kopplungsfluid wird beim Durchströmen des Kopplungswärmetauschers erwärmt und kann auf diese Weise die aufgenommene Wärme an die Wärmenutzungsvorrichtung weiterführen. Das Kopplungsfluid ist insbesondere als Kopplungsflüssigkeit ausgebildet, beispiels weise in Form von Wasser, Thermoöl oder ähnlichem.
Um eine Entkopplung der Strom Produktion und der Wärmeproduktion zur Verfügung stellen zu können, ist nun zusätzlich noch ein Zusatzkreislauf vorgesehen. Der Zu satzkreislauf führt ebenfalls ein Zusatzfluid im Kreislauf, welches ähnlich wie das Kopplungsfluid beispielsweise ein Thermoöl, Wasser oder ein anderes Fluid, insbe sondere eine Flüssigkeit, sein kann, welches in der Lage ist, insbesondere mit hoher spezifischer Wärmekapazität, Wärme aufzunehmen und zu transportieren.
Der Zusatzkreislauf ist in der Lage, ebenfalls Wärme aus dem heißen Abgas im Ab gasabschnitt aufzunehmen, da der Zusatzwärmetauscher mit seiner heißen Seite ebenfalls im Abgasabschnitt angeordnet ist. Somit ist es möglich, dass heißes Abgas nicht nur den Kopplungswärmetauscher auf dessen heißer Seite, sondern auch die heiße Seite des Zusatzwärmetauschers durchströmt und auf diese Weise zumindest einen Teil der Wärme auch an das Zusatzfluid übergeben kann. Der Zusatzkreislauf ist dabei vorzugsweise nicht oder nur in geringer Weise für eine Nutzung der aufge nommenen Wärme ausgestattet. Vielmehr dient der Zusatzabschnitt dazu, sicherzu stellen, dass die Gesamtmenge an Wärme, welche vom Zusatzfluid und vom Kopp lungsfluid aufgenommen wird, zu einer maximalen Resttemperatur des Abgases führt, welche auch bei unterschiedlichen zu nutzenden Wärmemengen nicht über schritten wird.
Beispielsweise variiert die benötigte Wärme, also der Wärmebedarf, an der Wärme nutzungsvorrichtung. Befindet sich das Brennstoffzellensystem in einer stromgeführ ten Kontrollsituation, so kann auf diesen variierenden Wärmebedarf nicht eingegan gen werden. Vielmehr wird je nach Strombedarf und entsprechender stromführender Kontrolle eine daraus resultierende Menge an Wärme produziert. So kann es nun zu Situationen kommen, in welchen die aktuelle Wärmeproduktion den aktuellen Wär mebedarf deutlich übersteigt. Ohne den Zusatzkreislauf würde dies dazu führen, dass für die Erfüllung des notwendigen Wärmebedarfs eine entsprechend geringere Menge an Wärme aus dem heißen Abgas entzogen wird, wodurch das heiße Abgas eine erhöhte Resttemperatur beim Ausströmen in die Umgebung aufweisen würde.
Es ist nun häufig notwendig, das Abgas auf eine Maximaltemperatur zu kühlen, um die gesetzlichen Vorgaben beim Auslass an die Umgebung erfüllen zu können. Häu fig ist es darüber hinaus so, dass im weiteren Verlauf des Abgasabschnitts Kompo nenten des Brennstoffzellensystems angeordnet sind, die vor zu hohen Abgastempe raturen geschützt werden müssen. Ist beispielsweise die Förderung der Prozessgase durch das Brennstoffzellensystem in Unterdruckweise vorgesehen, so ist üblicher weise dem Kopplungswärmetauscher und dem Zusatzwärmetauscher nachgeordnet ein Sauggebläse angeordnet, welches diesen Unterdrück erzeugt. Ein solches Saug gebläse ist kostengünstig und einfach ausgestaltet und dementsprechend mit einem Temperaturgrenzwert versehen, welcher relativ niedrig liegt. Bei zu hohen Abgas temperaturen würde ein sehr hoher Verschleiß oder sogar ein Defekt eines solchen Sauggebläses die Folge sein. Alternativ müssten die Komponenten hitzeresistent ausgelegt werden, was wiederum zu höheren Kosten und mehr Komplexität führen würde.
Erfindungsgemäß ist es nun möglich, auch bei relativ geringem Wärmebedarf und deutlich höherer Wärmeproduktion, eine Temperaturgrenze für die Resttemperatur des Abgases einzuhalten. Dies wird dadurch möglich, dass die Differenz zwischen geringem Wärmebedarf und hoher Wärmeproduktion, also der produzierte Wärme überschuss, nun über den Zusatzkreislauf aus dem Abgas abgeführt werden kann. Somit sind verschiedene Betriebssituationen zu unterscheiden. Entspricht der aktu elle Wärmebedarf der Wärmenutzungsvorrichtung im Wesentlichen der aktuellen Wärmeproduktion des Brennstoffzellensystems, so kann der Zusatzkreislauf ausge schaltet bleiben und die Wärme im Wesentlichen vollständig vom heißen Abgas auf das Kopplungsfluid übertragen werden. Bei einem Missverhältnis mit hoher Wärme produktion und reduziertem Wärmebedarf, wird diese Differenz-Wärmemenge nicht an die Umgebung durch das heiße Abgas abgegeben, sondern vielmehr über den Zusatzwärmetauscher in das Zusatzfluid übertragen. Somit wird sichergestellt, dass in den beiden beschriebenen Betriebssituationen, insbesondere also auch bei redu ziertem Wärmebedarf bei hoher Wärmeproduktion, die Resttemperatur im Abgas niedrig, insbesondere identisch oder im Wesentlichen identisch, für alle Betriebssitu ationen bleibt. Neben der Erfüllung gesetzlicher Rahmenbedingungen führt dies ins besondere dazu, dass weitere Komponenten des Brennstoffzellensystems stromab wärts des Zusatzwärmetauschers und des Kopplungswärmetauschers kostengünsti ger ausgelegt sein können, da sie nicht einer hohen Temperatur widerstehen müs sen.
Wie aus der voranstehenden Erläuterung ersichtlich wird, sind nun die Wärmepro duktion und der Wärmebedarf voneinander entkoppelt. Das Brennstoffzellensystem kann stromgeführt betrieben werden und für den Fall, dass der Wärmebedarf unter die aktuelle Wärmeproduktion sinkt, kann über den Zusatzkreislauf die überschüs sige Wärme aus dem heißen Abgas entfernt werden. Dies führt zu der gewünschten Entkopplung und dementsprechend der variablen und flexiblen Kontrollweise der Wärmenutzungsvorrichtung und des Kopplungskreislaufes, auch dann, wenn das Brennstoffzellensystem in stromführender Weise kontrolliert wird.
Es ist noch darauf hinzuweisen, dass der Zusatzkühlkreislauf auch eigene Nutzungs möglichkeiten aufweisen kann. Die einfachste Möglichkeit besteht jedoch darin, dass über den Zusatzkreislauf, das Abgas gekühlt und die Wärme an die Umgebung ab gegeben wird. Die erfindungsgemäßen Vorteile der beschriebenen Entkopplung von Strom Produktion und Wärmeproduktion kommen insbesondere bei mit Unterdrück geführten Brennstoffzellensystemen zum Tragen, bei welchen eine Unterdruckfördervorrichtung stromabwärts der Wärmekopplungsvorrichtung im Ab gasabschnitt angeordnet ist. Auch ist noch darauf hinzuweisen, dass insbesondere der Kopplungskreislauf, nicht zwingend innerhalb der Wärmekopplungsvorrichtung einen geschlossenen Kreislauf aufweisen muss. Insbesondere ist es denkbar, dass kühles Kopplungsfluid aus einem großen Wärmekopplungskreislauf zur Verfügung gestellt wird und im kleinen Kopplungskreislauf der Wärmekopplungsvorrichtung in der beschriebenen Weise erwärmt wird. Jedoch ist es selbstverständlich auch denk bar, dass Vorlauf und Rücklauf als kleiner Kreislauf in dem Kopplungskreislauf mitei nander fluidkommunizierend verbunden sind.
Es kann Vorteile mit sich bringen, wenn bei einer erfindungsgemäßen Wärmekopp lungsvorrichtung im Abgasabschnitt stromabwärts des Kopplungswärmetauschers und stromabwärts des Zusatzwärmetauschers ein Sauggebläse für eine Unterdruck förderung des Abgases angeordnet ist. Grundsätzlich wird es durch die erfindungs gemäße Entkopplung möglich, sicherzustellen, dass die Resttemperatur beim Durch strömen des Abgasabschnitts für das Abgas eine definierte Grenztemperatur nicht überschreitet. Somit können Komponenten und dabei insbesondere eine Unterdruck fördervorrichtung in Form eines Sauggebläses vor zu hohen Temperaturen geschützt werden. Dies führt wiederum zu einer einfachen und kostengünstigen Ausgestaltung sowie entsprechend einfacher und kostengünstiger Materialwahl für ein solches Sauggebläse.
Vorteile bringt es weiter mit sich, wenn bei einer erfindungsgemäßen Wärmekopp lungsvorrichtung der Zusatzwärmetauscher stromaufwärts vor dem Kopplungswär metauscher im Abgasabschnitt angeordnet ist. Dieser erlaubt eine besonders flexible Kontrolle und basiert insbesondere auf einer Erfassung des aktuellen Wärmebedarfs in der Wärmenutzungsvorrichtung und der aktuellen Wärmeproduktion im Brennstoff zellensystem. Mit anderen Worten erfolgt eine Vorkühlung des heißen Abgases im Zusatzwärmetauscher bevor das auf diese Weise vorgekühlte Abgas den Kopplungs wärmetauscher erreicht. Dies hat unter anderem den Vorteil, dass der Zusatzwärme tauscher mit maximalem Temperaturgradienten zwischen heißem Abgas und kühlem Zusatzfluid durchströmt wird. Der Temperaturgradient und auch die daraus resultie rende Wärmeübergang werden auf diese Weise verstärkt, sodass einfach, schnell und kostengünstig die Wärme auf das Zusatzfluid übertragen werden kann. Auch ist es möglich, auf diese Weise ein einfacheres und/oder kostengünstigeres Wärmeträgerfluid als Zusatzfluid einzusetzen, da der Gradient und damit die Übertra gungstriebkraft für die Wärme größer ist.
Weitere Vorteile kann es mit sich bringen, wenn bei einer erfindungsgemäßen Wär mekopplungsvorrichtung der Zusatzkreislauf eine Zusatz-Wärmenutzungsvorrichtung aufweist für eine Nutzung und/oder eine Speicherung der Wärme im Zusatzkreislauf. Eine Speicherung kann beispielsweise durch einen Wärmespeicher zur Verfügung gestellt sein. So ist es möglich, in Situationen, in welchen die Wärmeproduktion un terhalb des Wärmebedarfs der Wärmenutzungsvorrichtung liegt, den Zusatzkreislauf sozusagen in umgekehrter Richtung zu betreiben und den Wärmespeicher wieder zu entladen, indem in umgekehrter Richtung die gespeicherte Wärme vom Wärmespei cher aus dem Zusatzkreislauf an das Abgas abgegeben wird. Auch ist eine Abgabe aus dem Wärmespeicher des Zusatzkreislaufs direkt an das Kopplungsfluid, insbe sondere im Vorlauf der kalten Seite des Kopplungswärmetauschers, grundsätzlich denkbar. Jedoch ist selbstverständlich auch eine separate Wärmenutzungsvorrich tung, wie beispielsweise eine Effizienzsteigerung am Brennstoffzellensystem und da mit unabhängig vom Kopplungskreislauf, im Rahmen dieser Ausführungsform denk bar.
Vorteile kann es mit sich bringen, wenn bei einer erfindungsgemäßen Wärmekopp lungsvorrichtung im Abgasabschnitt ein Prozesswärmetauscher angeordnet ist, für eine Übergabe von Wärme vom heißen Abgas auf wenigstens ein dem Brennstoff zellensystem zugeführtes Prozessgas. Insbesondere ist dieser Prozesswärmetau scher stromaufwärts des Kopplungswärmetauschers und/oder stromaufwärts des Zu satzwärmetauschers angeordnet. Dies führt dazu, dass eine Effizienzsteigerung des Brennstoffzellensystems innerhalb des Brennstoffzellensystems stattfinden kann, in dem Prozessgase, beispielsweise das Anodenzuführgas und/oder das Kathodenzu- führgas, vorgewärmt werden können. Dieser Prozesswärmetauscher ist vorzugs weise qualitativ und/oder quantitativ kontrollierbar, sodass diese Rückführung der Wärme in Abhängigkeit der aktuellen Betriebssituation des Brennstoffzellensystems und/oder in Abhängigkeit des aktuellen Wärmebedarfs der Wärmenutzungsvorrich tung stattfinden kann. Insbesondere in einer Kaltstartsituation beim Anfahren des Brennstoffzellensystems, können hier Beschleunigungsmöglichkeiten für diesen An fahrprozess und Effizienzsteigerungen erzielt werden. Ebenfalls von Vorteil kann es sein, wenn bei einer erfindungsgemäßen Wärmekopp lungsvorrichtung ein Prozessgasabschnitt separat vom Abgasabschnitt angeordnet ist, für ein Führen eines heißen Prozessgases des Brennstoffzellensystems, wobei der Kopplungskreislauf stromabwärts des Kopplungswärmetauschers einen Zwi schenwärmetauscher aufweist, dessen heiße Seite im Prozessgasabschnitt angeord net ist, für eine Aufnahme von Wärme im Kopplungsfluid vom heißen Prozessgas. Dies erlaubt es, dass das Kopplungsfluid eine zusätzliche Erwärmungsposition auf weist. Während die Hauptwärmeaufnahme im Kopplungswärmetauscher stattfindet, kann ein weiteres Aufheizen oder sogar Überhitzen des Kopplungsfluids in dem Zwi schenwärmetauscher stattfinden. Das Prozessgas, welches im Prozessgasabschnitt geführt wird, ist dabei vorzugsweise ein Prozessgas, welches aus dem Brennstoffzel lenstapel herausgeführt und wieder in diesen zurückgeführt wird. Dies erlaubt es, ins besondere temporär, die Temperatur innerhalb des Brennstoffzellenstapels zu variie ren und auf diese Weise, je nach Betriebssituation, die Effizienz im Betrieb des Brennstoffzellensystems weiter zu steigern. Mit anderen Worten ist eine Zwischen kühlung des Prozessgases möglich, welches nach der Zwischenkühlung wieder dem Brennstoffzellenstapel zur weiteren Verarbeitung zurückgeführt werden kann. Auch wird auf diese Weise eine zusätzliche Wärmeübertragung an das Kopplungsfluid zur Verfügung gestellt.
Vorteile bringt es ebenfalls mit sich, wenn bei einer erfindungsgemäßen Wärmekopp lungsvorrichtung, gemäß dem voranstehenden Absatz, der Kopplungskreislauf einen Bypassabschnitt aufweist, für einen Bypass des Kopplungsfluids an dem Zwischen wärmetauscher vorbei. Wie bereits angesprochen worden ist, kann diese Zwischen kühlung des Prozessgases insbesondere temporär in einzelnen Betriebssituationen Vorteile mit sich bringen. Um eine möglichst variable Zwischenkühlung zur Verfü gung zu stellen, kann über den Bypass dieser Zwischenwärmetauscher sozusagen ein- und ausgeschaltet werden. Sind entsprechend quantitativ regelbare Ventile vor gesehen, ist auch ein quantitatives Aufteilen des Kopplungsfluids zwischen dem By passabschnitt und dem Durchströmen des Zwischenwärmetauschers auf dessen kal ter Seite möglich. Die Variabilität, die Kontrollmöglichkeit und/oder die Effizienz des Brennstoffzellensystems können auf diese Weise noch weiter gesteigert werden.
Vorteile bringt es ebenfalls mit sich, wenn bei einer erfindungsgemäßen Wärmekopp lungsvorrichtung der Zusatzkreislauf als Kältekreislauf ausgebildet ist. Während grundsätzlich entweder in passiver Förderung oder mit Zwangsförderung ein norma ler Kühlkreislauf als Zusatzkreislauf denkbar ist, kann ein Kältekreislauf mit einem Kompressor und einem Verdampferabschnitt im Zusatzwärmetauscher weitere Vor teile mit sich bringen. Insbesondere wird es auf diese Weise möglich, durch entspre chende Wahl eines Wärmeträgermediums als Zusatzfluid, noch freier auf entspre chende Betriebssituationen und Temperaturverhältnisse im heißen Abgas zu reagie ren.
Ebenfalls von Vorteil kann es sein, wenn bei einer erfindungsgemäßen Wärmekopp lungsvorrichtung der Zusatzkühlkreislauf für eine maximale Kühlleistung bezogen auf die maximale Wärmeproduktion des Brennstoffzellensystems ausgelegt ist. Das be deutet, dass selbst für den Fall, dass der Wärmebedarf der Wärmenutzungsvorrich tung auf null sinkt, die komplette Wärmeproduktion eines unter maximaler Leistung betriebenen Brennstoffzellensystems über den Zusatzkreislauf und insbesondere den Zusatzwärmetauscher abgeführt werden kann. Das bedeutet, dass auch in der Extremsituation einer ausgeschalteten Wärmenutzugsvorrichtung und dementspre chend einer ausgeschalteten Wärmeübertragung in das Kopplungsfluid der maximale Temperaturgrenzwert für die Resttemperatur des Abgases nicht überschritten wird. Die Auslegung basiert dabei auf der Menge des Zusatzfluids, entsprechenden Strö mungsquerschnitten und weiteren konstruktiven Ausgestaltungsmöglichkeiten des Zusatzkühlkreislaufs.
Ebenfalls Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Brennstoffzellensystem zur Erzeugung von Strom und Wärme. Das Brennstoffzellensystem weist einen Brenn stoffzellenstapel mit einem Anodenabschnitt und einem Kathodenabschnitt auf. Der Anodenabschnitt ist mit einem Anodenzuführabschnitt und einem Anodenabführab schnitt ausgestattet. Der Kathodenabschnitt ist mit einem Kathodenzuführabschnitt und einem Kathodenabführabschnitt ausgestattet. Weiter weist das Brennstoffzellen system eine Wärmekopplungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung auf, de ren Abgasabschnitt mit dem Anodenabführabschnitt und/oder dem Kathodenab führabschnitt fluidkommunizierend verbunden ist. Damit bringt ein erfindungsgemä ßes Brennstoffzellensystem die gleichen Vorteile mit sich, wie sie ausführlich mit Be zug auf eine erfindungsgemäße Wärmekopplungsvorrichtung erläutert worden sind. Vorzugsweise ist in dieses Brennstoffzellensystem auch eine Wärmenutzungsvor richtung integriert. Auch ist noch darauf hinzuweisen, dass für den Abgasabschnitt sowohl eine spezifische Ausgestaltung für den Anodenabführabschnitt oder den Ka thodenabführabschnitt vorgesehen sein kann. Jedoch ist es auch denkbar, dass, zu mindest teilweise, das Abgas des Anodenabschnitts im Anodenabführabschnitt und das Abgas des Kathodenabschnitts im Kathodenabführabschnitt zu einem gemeinsa men Abgas zusammengeführt werden und damit als gemeinsames oder kombinier tes Abgas den Abgasabschnitt der Wärmekopplungsvorrichtung durchströmen.
Vorteile bringt es ebenfalls mit sich, wenn bei einem erfindungsgemäßen Brennstoff zellensystem der Brennstoffzellenstapel einen Prozessgasabschnitt aufweist, für ein Führen eines Prozessgases aus dem Brennstoffzellenstapel heraus und in den Brennstoffzellenstapel zurück, wobei im Kopplungskreislauf ein Zwischenwärmetau scher angeordnet ist, dessen heiße Seite im Prozessgasabschnitt angeordnet ist, für eine Aufnahme von Wärme im Kopplungsfluid des Prozessgases. Zusätzlich ist es auch möglich, dass noch ein Bypassabschnitt vorgesehen ist, um diesen Zwischen wärmetauscher entweder qualitativ auszuschalten oder die durchströmende Menge an Kopplungsfluid quantitativ zu kontrollieren. Dies erlaubt, wie bereits erläutert wor den ist, eine Zwischenkühlung des Prozessgases während des Durchströmens des Brennstoffzellenstapels und damit eine weitere Effizienzsteigerung im Betrieb des Brennstoffzellensystems.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren für eine Kopp lung der Nutzung einer Stromproduktion und einer Wärmeproduktion des Brennstoff zellensystems gemäß der vorliegenden Erfindung. Ein solches Verfahren weist die folgenden Schritte auf:
- Kontrolle der Stromproduktion des Brennstoffzellensystems,
- Erfassen eines Wärmebedarfs der Wärmenutzungsvorrichtung,
- Erfassen der Wärmeproduktion des Brennstoffzellensystems,
- Vergleich der erfassten Wärmeproduktion und des erfassten Wärmebe darfs,
- Kontrolle einer Wärmereduktion über den Zusatzwärmetauscher zur Ein haltung eines maximalen Temperaturgrenzwertes für das Abgas im Abgas abschnitt. Ein erfindungsgemäßes Verfahren bringt die gleichen Vorteile mit sich, wie sie aus führlich mit Bezug auf eine erfindungsgemäße Wärmekopplungsvorrichtung und mit Bezug auf ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem, erläutert worden sind. Es ist darauf hinzuweisen, dass hier die Strom Produktion für die Kontrolle des Brenn stoffzellensystems verwendet wird. Mit anderen Worten wird die Kontrolle des Brenn stoffzellensystems stromgeführt und nicht wärmegeführt durchgeführt.
Anhand der Strom Produktion und der zugehörigen Kontrolle stellt sich damit im Er gebnis eine daraus resultierende Wärmeproduktion ein, welche im Rahmen eines er findungsgemäßen Verfahrens erfasst und mit einem ebenfalls erfassten aktuellen Wärmebedarf der Wärmenutzungsvorrichtung verglichen wird. Im Ergebnis können drei Betriebssituationen unterschieden werden.
Übersteigt der Wärmebedarf die aktuelle Wärmeproduktion, so muss die noch feh lende Wärme anderweitig der Wärmenutzungsvorrichtung zur Verfügung gestellt werden. Hier sind beispielsweise elektrische Zusatzheizmöglichkeiten oder Ähnliches denkbar. Der Kerngedanke der vorliegenden Erfindung liegt jedoch auf den anderen beiden Betriebssituationen.
Deckt die aktuelle Wärmeproduktion im Wesentlichen den aktuellen Wärmebedarf ab, so kann der Zusatzkreislauf im Wesentlichen ausgeschaltet werden oder bleiben. Vielmehr erfolgt eine vollständige oder im Wesentlichen vollständige Wärmeüber gabe vom heißen Abgas auf das Kopplungsfluid, sodass der Wärmebedarf der Wär menutzungsvorrichtung erfüllt und gleichzeitig ein Abkühlen des Abgases unter den maximalen Temperaturgrenzwert zur Verfügung gestellt werden kann.
Die davon zu unterscheidende dritte Betriebssituation liegt dann vor, wenn die aktu elle Wärmeproduktion den aktuellen Wärmebedarf der Wärmenutzungsvorrichtung überschreitet. In einem solchen Fall wird die abgezogene Wärme im Kopplungsfluid nicht ausreichen, um die Temperatur des Abgases unter Einhaltung des maximalen Temperaturgrenzwertes ausreichend abzukühlen. Die noch fehlende Kühlung wird in einem solchen Fall durch den Zusatzwärmetauscher und den Zusatzkreislauf zur Verfügung gestellt. Je nachdem, wie groß die fehlende Wärmemenge, also die Diffe renzmenge an Wärme zwischen der aktuellen Wärmeproduktion und dem aktuellen Wärmebedarf ist, umso stärker oder weniger stark erfolgt die Wärmeübertragung am Zusatzwärmetauscher. Dies führt zu der mehrfach erläuterten Entkopplung, sodass trotz einer stromgeführten Kontrolle des Brennstoffzellensystems eine Variation des Wärmebedarfs der Wärmenutzungsvorrichtung möglich wird.
Vorteilhaft kann es sein, wenn bei einem erfindungsgemäßen Verfahren die Wärme reduktion über den Zusatzwärmetauscher mittels einer Variation wenigstens eines der folgenden Parameter kontrolliert wird:
- Variation der Rücklauftemperatur im Zusatzkreislauf,
- Variation des Massenstroms an Zusatzfluid im Zusatzkreislauf.
Bei der voranstehenden Aufzählung handelt es sich um eine nicht abschließende Liste. Selbstverständlich können auch zwei oder mehr unterschiedliche Parameter für diese Kontrolle verwendet werden. Beispielsweise kann der Massenstrom an Zu satzfluid im Zusatzkreislauf erhöht werden, um entsprechend die Wärmeübertragung am Zusatzwärmetauscher zu erhöhen. Durch eine Erhöhung einer Lüftergeschwin digkeit kann die Abgabe von Wärme im Abgabeabschnitt erhöht werden, sodass die Rücklauftemperatur im Zusatzkreislauf für das Zusatzfluid reduziert wird. Auch dies dient durch eine Vergrößerung des Temperaturgradienten dementsprechend einer Verstärkung der Wärmeübertragung am Zusatzwärmetauscher.
Vorteile bringt es weiter mit sich, wenn bei einem erfindungsgemäßen Verfahren aus dem erfassten Wärmebedarf und der erfassten Wärmeproduktion eine Temperaturre duktion für das Abgas im Abgasabschnitt und/oder eine Austrittstemperatur des Ab gases ermittelt wird. In beiden Fällen handelt es sich vorzugsweise um eine Simula tion des erfassten Wärmebedarfs und/oder eine Simulation der aktuellen Wärmepro duktion. Dies erlaubt es vorherzusehen, welche Temperaturreduktion und/oder Aus trittstemperatur sich für das Abgas einstellt und entsprechend noch zielgeführter die Kontrolle mit einem erfindungsgemäßen Verfahren durchzuführen.
Auch vorteilhaft kann es sein, wenn bei einem erfindungsgemäßen Verfahren die er fasste Wärmeproduktion und/oder der erfasste Wärmebedarf mittels einer Simulation vorausermittelt wird. Mit anderen Worten lässt sich über eine definierte Zeitspanne Vorhersagen, wie sich der Wärmebedarf und/oder die Wärmeproduktion entwickeln wird. Dies erlaubt es, Regelschwingungen oder ein unerwünschtes Erhöhen über ei nen Zwischenzeitraum für die Temperatur des Abgases zu vermeiden und sicherzustellen, dass die beschriebenen Grenzwerte über die maximale Zeitspanne im Betrieb des Brennstoffzellensystems eingehalten werden.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnungen Aus führungsbeispiele der Erfindung im Einzelnen beschrieben sind.. Es zeigen schema tisch:
Fig. 1 eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Wärmekopp lungsvorrichtung,
Fig. 2 eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Wärme kopplungsvorrichtung,
Fig. 3 eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Wärme kopplungsvorrichtung,
Fig. 4 eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Wärme kopplungsvorrichtung,
Fig. 5 eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Wärme kopplungsvorrichtung,
Fig. 6 eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Brennstoffzel lensystems,
Fig. 7 ein möglicher Verlauf der Wärmemengen bei einem erfindungs gemäßen Verfahren.
Figur 1 zeigt schematisch ein Brennstoffzellensystem 100, bei welchem ein oder mehrere Prozessgase P einem Brennstoffzellenstapel 110 zugeführt werden. Ein Ab gas A kann entweder als Sammelabgas oder als Einzelabgas in Form in einen Ab gasabschnitt 20 der Wärmekopplungsvorrichtung 10 aus dem Brennstoffzellenstapel 110 geführt werden. Das heiße Abgas A durchströmt nun bei der Führung im Abgas abschnitt 20 zuerst einen Zusatzwärmetauscher 42. In diesem erfolgt eine Wärme übergabe vom heißen Abgas A auf das Zusatzfluid ZF, welches durch eine Förder vorrichtung 48 im Kreis des Zusatzkreislaufs gefördert wird. Das Zusatzfluid ZF wird nun in erwärmter Form entlang des Zusatzkreislaufs 40 dem Abgabeabschnitt 44 zugeführt. Hier wird beispielsweise über eine Lüftervorrichtung kontrolliert, wie viel Wärme vom Zusatzfluid ZF an die Umgebung abgegeben wird. Je nach Wärmeab gabe am Abgabeabschnitt 44, stellt sich eine unterschiedlich niedrige Rücklauftem peratur RT für das Zusatzfluid ZF ein. Auch ist noch darauf hinzuweisen, dass der Massenstrom an Zusatzfluid ZF mit der Kontrolle der Fördervorrichtung 48 variiert werden kann. Das auf diese Weise vorgekühlte Abgas A strömt weiter entlang dem Abgasabschnitt 20 in einen Kopplungswärmetauscher 32. In diesen erfolgt ein weite rer Wärmeübergang vom Abgas A auf ein Kopplungsfluid KF im Kopplungskreislauf 30, welches sich auf diese Weise erwärmt. Das auf diese Weise nun maximal ge kühlte Abgas A kann an die Umgebung abgegeben werden. Das erwärmte Kopp lungsfluid KF kann diese Wärme an die Wärmenutzungsvorrichtung 200 weiterfüh ren.
Je nach Betriebssituation kann nun der aktuelle Wärmebedarf WB der Wärmenut zungsvorrichtung 200 niedriger, höher oder identisch mit der aktuellen Wärmepro duktion WP des Brennstoffzellensystems 100 sein. Für den Fall, dass eine Identität oder im Wesentlichen eine Identität vorliegt, kann der Zusatzkreislauf 40 im Wesentli chen ausgeschaltet sein. Dies wird insbesondere durch ein Stoppen der Fördervor richtung 48 gewährleistet. In gleicher Weise kann bei einer Reduktion des Wärmebe darfs WB unter die aktuelle Wärmeproduktion WP des Brennstoffzellensystems 100, die überschüssige Wärme durch ein Erhöhen der Drehzahl der Fördervorrichtung 48 mit einem entsprechend erhöhtem Wärmeübergang am Zusatzwärmetauscher 42 in das Zusatzfluid ZF übertragen werden, sodass auch für diese Fälle die Resttempera tur im Abgas A beim Austritt an die Umgebung identisch oder im Wesentlichen iden tisch niedrig bleibt.
Die Figur 2 zeigt eine Weiterentwicklung zur Ausführungsform der Figur 1. Diese be zieht sich auf die Förderung der Prozessgase P durch das Brennstoffzellensystem 100. Ein Sauggebläse 50 ist stromabwärts im Abgasabschnitt hinter dem Zusatzwär metauscher 42 und dem Kopplungswärmetauscher 32 angeordnet. Mithilfe des Sauggebläses 50 wird ein Unterdrück erzeugt, welcher die Prozessgase P durch das Brennstoffzellensystem 100 hindurch und das Abgas A aus dem Brennstoffzellensta pel 110 herausfördert. Dadurch, dass durch die mehrfach erläuterte Korrelation des Wärmeübergangs am Kopplungswärmetauscher 32 und am Zusatzwärmetauscher 42 die Abgastemperatur beim Erreichen des Sauggebläses 50 für das Abgas A im Wesentlichen konstant gehalten werden kann, muss dieses Sauggebläse 50 keine Widerstandskraft gegen hohe Temperaturen aufweisen. Es ist also wirksam durch das Zusammenspiel von Kopplungskreislauf 30 und Zusatzkreislauf 40 gegen er höhte Temperaturen im Abgas A geschützt.
Die Figur 3 weist zusätzlich zur Ausführungsform der Figur 2 eine Zusatz-Wärmenut zungsvorrichtung 46 als Teil des Zusatzkreislaufs 40 auf. Dabei kann es sich zum Beispiel um einen Wärmespeicher handeln, dessen Wärme eine andere Nutzung o- der aber auch durch, hier nicht dargestellt, eine Wärmeübergabemöglichkeit an das Kopplungsfluid KF stromaufwärts des Kopplungswärmetauschers 32, diese Wärme in effizienter Weise weiter nutzen kann.
In der Figur 4 ist eine Möglichkeit einer Vorwärmung von Prozessgasen P, insbeson dere in einer Startsituation des Brennstoffzellensystems 100 zur Verfügung gestellt. Mithilfe eines Prozesswärmetauschers 22 kann Prozessgas P noch vor dem Eintritt in den Brennstoffzellenstapel 110 mit einem Teil der enthaltenen Wärme im Abgas A vorgewärmt werden, sodass die Effizienz in dieser Betriebssituation für den Betrieb des Brennstoffzellensystems 100 weiter ansteigt.
Auch die Figur 5 zeigt eine konstruktive Möglichkeit, die Effizienz im Betrieb des Brennstoffzellensystems 100 weiter zu erhöhen. Hier ist sozusagen innerhalb des Brennstoffzellensystems 100 eine Rezirkulation vorgesehen, welche ein Prozessgas P aus dem Brennstoffzellenstapel 110 auskoppelt, dieses über einen Zwischenwär metauscher 34 führt und wieder in den Brennstoffzellenstapel 110 zurückfördert. Über einen Bypassabschnitt 36 und entsprechende Ventilstellungen ist es nun mög lich, dass das Kopplungsfluid KF stromabwärts des Kopplungswärmetauschers 32 entweder auch zusätzlich den Zwischenwärmetauscher 34 durchströmt oder aber durch den Bypassabschnitt 36 an diesem vorbei. Dies erlaubt es zum einen, eine weitere Erhöhung des Wärmegehaltes des Kopplungsfluids KF zur Verfügung zu stellen. Zum anderen kann die Effizienz der Betriebsweise des Brennstoffzellensys tems 100 vergrößert werden, indem eine integrierte Reduktionsmöglichkeit der Tem peratur von Prozessgasen P innerhalb des Brennstoffzellenstapels 110 zur Verfü gung gestellt wird.
Die Figur 6 zeigt eine ähnliche Ausführungsform wie die Figuren 1 bis 5. Hier sind je doch mehr Details im Brennstoffzellenstapel 110 zu erkennen. Dieser ist in einen Anodenabschnitt 120 und in einen Kathodenabschnitt 130 aufgeteilt. Als Prozess gase P läuft ein Anodenzuführgas im Anodenzuführabschnitt 122 und ein Kathoden- zuführgas im Kathodenzuführabschnitt 132. Nach Umsetzung in dem Brennstoffzel lenstapel 110 entsteht Anodenabgas, welches im Anodenabführabschnitt 124 abge führt wird. Kathodenabgas wird im Kathodenabführabschnitt 134 abgeführt. Bei der Ausgestaltungsform der Figur 6 werden alle Abgase A des Brennstoffzellenstapels zusammengeführt und in der bereits erläuterten Weise gemeinsam durch den Abgas abschnitt 20 als gemeinsames Abgas A gefördert.
Figur 7 zeigt eine Wirkungsweise eines erfindungsgemäßen Verfahrens. Hier sind Wärmebedarf WB und Wärmeproduktion WP über die Zeit dargestellt. Zu Beginn, also links im Diagramm der Figur 7, liegt der Wärmebedarf WB der Wärmenutzungs vorrichtung 200 oberhalb der Wärmeproduktion WP des Brennstoffzellensystems 100. Über die Zeit reduziert sich der Wärmebedarf WB, bis er am Pfeil die aktuelle Wärmeproduktion WP unterschreitet. Um sicherzustellen, dass zu diesem Zeitpunkt die Temperatur des Abgases A nicht in unerwünschter Weise ansteigt, wird nun die Zusatzkühlung mithilfe des Zusatzkreislaufs 30 eingeschaltet und/oder erhöht. Dabei ist noch darauf hinzuweisen, dass es sich beim Wärmebedarf WB und bei der Wär meproduktion WP um die aktuell erfassten Parameter und/oder um simulierte zukünf tige Parameterwerte handeln kann.
Die voranstehende Erläuterung der Ausführungsformen beschreibt die vorliegende Erfindung ausschließlich im Rahmen von Beispielen.
Bezugszeichenliste
10 Wärmekopplungsvorrichtung 20 Abgasabschnitt 22 Prozesswärmetauscher 30 Kopplungskreislauf 32 Kopplungswärmetauscher 34 Zwischenwärmetauscher 36 Bypassabschnitt 40 Zusatzkreislauf 42 Zusatzwärmetauscher 44 Abgabeabschnitt 46 Zusatz-Wärmenutzungsvorrichtung 48 Fördervorrichtung 50 Sauggebläse
100 Brennstoffzellensystem 110 Brennstoffzellenstapel 120 Anodenabschnitt 122 Anodenzuführabschnitt 124 Anodenabführabschnitt 130 Kathodenabschnitt 132 Kathodenzuführabschnitt 134 Kathodenabführabschnitt 140 Prozessgasabschnitt 200 Wärmenutzungsvorrichtung
A Abgas
P Prozessgas
KF Kopplungsfluid ZF Zusatzfluid WB Wärmebedarf WP Wärmeproduktion RT Rücklauftemperatur

Claims

Patentansprüche
1. Wärmekopplungsvorrichtung (10) für ein Brennstoffzellensystem (100) zur Kopplung der Nutzung einer Strom Produktion und einer Wärmeproduktion des Brennstoffzellensystems (100), aufweisend einen Abgasabschnitt (20) für ein Führen von heißem Abgas (A) des Brennstoffzellensystems (100) und einen Kopplungskreislauf (30) zum Führen eines Kopplungsfluids (KF) zu einer Wär menutzungsvorrichtung (200), wobei der Kopplungskreislauf (30) einen Kopp lungswärmetauscher (32) aufweist, dessen heiße Seite im Abgasabschnitt (20) angeordnet ist zur Übertragung von Wärme vom heißen Abgas (A) auf das Kopplungsfluid (KF), dadurch gekennzeichnet, dass ein Zusatzkreislauf (40) zum Führen eines Zusatzfluids (ZF) vorgesehen ist, wobei der Zusatz kreislauf (40) einen Abgabeabschnitt (44) für eine Abgabe von Wärme aus dem Zusatzfluid (ZF) an die Umgebung und einen Zusatzwärmetauscher (42) aufweist, dessen heiße Seite im Abgasabschnitt (20) angeordnet ist zu Über tragung von Wärme vom heißen Abgas (A) auf das Zusatzfluid (ZF).
2. Wärmekopplungsvorrichtung (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Abgasabschnitt (A) stromabwärts des Kopplungswärmetau schers (32) und stromabwärts des Zusatzwärmetauschers (42) ein Saugge bläse (50) für eine Unterdruckförderung des Abgases (A) angeordnet ist.
3. Wärmekopplungsvorrichtung (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Zusatzwärmetauscher (42) stromauf wärts vor dem Kopplungswärmetauscher (32) im Abgasabschnitt (20) ange ordnet ist.
4. Wärmekopplungsvorrichtung (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Zusatzkreislauf (40) eine Zusatz-Wärme- nutzungsvorrichtung (46) aufweist für eine Nutzung und/oder eine Speiche rung der Wärme im Zusatzkreislauf (40).
5. Wärmekopplungsvorrichtung (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Abgasabschnitt (20) ein Prozesswärme tauscher (22) angeordnet ist für eine Übergabe von Wärme vom heißen Abgas (A) auf wenigstens ein dem Brennstoffzellensystem (100) zugeführtes Pro zessgas (P).
6. Wärmekopplungsvorrichtung (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Prozessgasabschnitt (140) separat vom Abgasabschnitt (20) angeordnet ist für ein Führen eines heißen Prozessgases (P) des Brennstoffzellensystems (100), wobei der Kopplungskreislauf (30) stromabwärts des Kopplungswärmetauschers (32) einen Zwischenwärmetau scher (34) aufweist, dessen heiße Seite im Prozessgasabschnitt (140) ange ordnet ist für eine Aufnahme von Wärme im Kopplungsfluid (KF) vom heißen Prozessgas (P).
7. Wärmekopplungsvorrichtung (10) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Kopplungskreislauf (30) einen Bypassabschnitt (36) aufweist für einen Bypass des Kopplungsfluids (KF) an dem Zwischenwärmetauscher (34) vorbei.
8. Wärmekopplungsvorrichtung (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Zusatzkreislauf (40) als Kältekreislauf ausgebildet ist.
9. Wärmekopplungsvorrichtung (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Zusatzkreislauf (40) für eine maximale Kühlleistung bezogen auf die maximale Wärmeproduktion des Brennstoffzel lensystems (100) ausgelegt ist.
10. Brennstoffzellensystem (100) zur Erzeugung von Strom und Wärme, aufwei send einen Brennstoffzellenstapel (110) mit einem Anodenabschnitt (120) und einem Kathodenabschnitt (130), der Anodenabschnitt (120) aufweisend einen Anodenzuführabschnitt (122) und einen Anodenabführabschnitt (124), der Ka thodenabschnitt (130) aufweisend einen Kathodenzuführabschnitt (132) und einen Kathodenabführabschnitt (134), dadurch gekennzeichnet, dass eine Wärmekopplungsvorrichtung (10) mit den Merkmalen eines der Ansprüche 1 bis 9 vorgesehen ist, deren Abgasabschnitt (20) mit dem Anodenabführab schnitt (124) und/oder dem Kathodenabführabschnitt (134) fluidkommunizie rend verbunden ist.
11. Brennstoffzellensystem (100) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennstoffzellenstapel (110) einen Prozessgasabschnitt (140) auf weist für ein Führen eines Prozessgases (P) aus dem Brennstoffzellenstapel (110) heraus und in den Brennstoffzellenstapel (110) zurück, wobei im Kopp lungskreislauf (30) ein Zwischenwärmetauscher (34) angeordnet ist, dessen heiße Seite im Prozessgasabschnitt (140) angeordnet ist für eine Aufnahme von Wärme im Kopplungsfluid (KF) vom Prozessgas (P).
12. Verfahren für eine Kopplung der Nutzung einer Strom Produktion und einer Wärmeproduktion des Brennstoffzellensystems (100) mit den Merkmalen ei nes der Ansprüche 10 oder 11 , aufweisend die folgenden Schritte:
- Kontrolle der Stromproduktion des Brennstoffzellensystems (100),
- Erfassen eines Wärmebedarfs (WB) der Wärmenutzungsvorrichtung
(200),
- Erfassen der Wärmeproduktion (WP) des Brennstoffzellensystems
(100),
- Vergleich der erfassten Wärmeproduktion (WP) und des erfassten Wär mebedarfs (WB),
- Kontrolle einer Wärmereduktion über den Zusatzwärmetauscher (42) zur Einhaltung eines maximalen Temperaturgrenzwertes für das Abgas (A) im Abgasabschnitt (20).
13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmere duktion über den Zusatzwärmetauscher (42) mittels einer Variation wenigstens eines der folgenden Parameter kontrolliert wird:
- Variation der Rücklauftemperatur (RT) im Zusatzkreislauf (40)
- Variation des Massenstroms an Zusatzfluid (ZF) im Zusatzkreislauf (40)
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass aus dem erfassten Wärmebedarf (WB) und der erfassten Wärmeproduktion (WP) eine Temperaturreduktion für das Abgas (A) im Ab gasabschnitt und/oder eine Austrittstemperatur des Abgases (A) ermittelt wird.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die erfasste Wärmeproduktion (WP) und/oder der erfasste Wärmebedarf (WB) mittels einer Simulation vorausermittelt wird.
PCT/AT2022/060045 2021-02-18 2022-02-18 Wärmekopplungsvorrichtung für ein brennstoffzellensystem WO2022174276A1 (de)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE112022000377.4T DE112022000377A5 (de) 2021-02-18 2022-02-18 Wärmekopplungsvorrichtung für ein Brennstoffzellensystem

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
ATA50107/2021 2021-02-18
ATA50107/2021A AT524819B1 (de) 2021-02-18 2021-02-18 Wärmekopplungsvorrichtung für ein Brennstoffzellensystem

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2022174276A1 true WO2022174276A1 (de) 2022-08-25

Family

ID=80461434

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/AT2022/060045 WO2022174276A1 (de) 2021-02-18 2022-02-18 Wärmekopplungsvorrichtung für ein brennstoffzellensystem

Country Status (3)

Country Link
AT (1) AT524819B1 (de)
DE (1) DE112022000377A5 (de)
WO (1) WO2022174276A1 (de)

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102009034580A1 (de) * 2009-07-24 2011-02-03 Mtu Onsite Energy Gmbh Einrichtung zur Bereitstellung von Energie
EP2884572A1 (de) * 2012-08-07 2015-06-17 Kyocera Corporation Hybridsystem
EP3051228A1 (de) * 2013-09-27 2016-08-03 Kyocera Corporation Kühl- und heizvorrichtung
JP2019168180A (ja) * 2018-03-23 2019-10-03 三浦工業株式会社 冷温水機複合型燃料電池システム

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE10031864C1 (de) * 2000-06-30 2002-06-20 Zsw Verfahren zur Regelung des wärme- und/oder strombedarfsgeführten Betriebs von Brennstoffzellenanlagen
CN111446467B (zh) * 2020-03-27 2023-09-15 上海电气集团股份有限公司 燃料电池热电联供系统及其控制方法

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102009034580A1 (de) * 2009-07-24 2011-02-03 Mtu Onsite Energy Gmbh Einrichtung zur Bereitstellung von Energie
EP2884572A1 (de) * 2012-08-07 2015-06-17 Kyocera Corporation Hybridsystem
EP3051228A1 (de) * 2013-09-27 2016-08-03 Kyocera Corporation Kühl- und heizvorrichtung
JP2019168180A (ja) * 2018-03-23 2019-10-03 三浦工業株式会社 冷温水機複合型燃料電池システム

Also Published As

Publication number Publication date
AT524819A1 (de) 2022-09-15
AT524819B1 (de) 2023-11-15
DE112022000377A5 (de) 2023-09-21

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP3269002B1 (de) Kühlanordnung zum kühlen einer brennstoffzelle
DE112008000821B4 (de) Brennstoffzellensystem
EP1702842B1 (de) Luftfahrzeug mit einer Brennstoffzelle
EP3240945B1 (de) Druckluftspeicherkraftwerk sowie verfahren zum betreiben eines druckluftspeicherkraftwerks
EP3648997B1 (de) Kälteanlage für ein fahrzeug mit einem einen wärmeübertrager aufweisenden kältemittelkreislauf sowie wärmeübertrager für eine solche kälteanlage
EP3615713A1 (de) Verfahren zum betreiben einer wasserelektrolysevorrichtung
WO2017092853A1 (de) Brennstoffzellenanordnung, verfahren zum betrieb einer solchen brennstoffzellenanordnung und verwendung einer solchen brennstoffzellenanordnung
DE102012018874A1 (de) Brennstoffzellensystem
EP1921703B1 (de) Brennstoffzellensystem mit Einrichtung zur Kathoden-Zuluft-Vorwärmung
DE102004005935B4 (de) Verfahren zum Kaltstarten eines Brennstoffzellensystems bei Minustemperaturen
WO2022174276A1 (de) Wärmekopplungsvorrichtung für ein brennstoffzellensystem
EP3844834B1 (de) Verfahren zur steigerung der kaltstartfähigkeit sowie des lastaufschalt- und leistungsvermögens von brennstoffzellen bei gleichzeitiger sauerstoffabreicherung des systemabgases
DE102019102270A1 (de) Verfahren zum Betreiben einer Thermoregulierungsanordnung, Thermoregulierungsanordnung und Fahrzeug
AT525145B1 (de) Rezirkulationsvorrichtung für eine Rezirkulation von Anodenabgas als Rezirkulationsgas bei einem Brennstoffzellensystem
EP2275748A2 (de) Verfahren zum Betrieb einer Heizungsanlage sowie Heizungsanlage
DE102016213153B4 (de) Kondensationssystem für eine Brennstoffzelle
DE102013203308A1 (de) Brennstoffzellensystem
AT522684B1 (de) Elektrolysesystem und Verfahren zur Wärmerückgewinnung in einem Elektrolysesystem
DE102012020648A1 (de) Drehschieberventil
DE102012021094A1 (de) Ventileinrichtung für ein Brennstoffzellensystem
AT525146A1 (de) Rezirkulationsvorrichtung für eine Rezirkulation von Anodenabgas in einem Brennstoffzellensystem
DE102015004802A1 (de) Kühlvorrichtung
AT526370B1 (de) Brennstoffzellensystem zur Erzeugung elektrischer Energie
DE102008035897A1 (de) Brennstoffzellensystem und Verfahren zum Betreiben eines solchen
DE102014105612B4 (de) Fahrzeug-Klimasystem und Verfahren zum Betrieb eines Fahrzeug-Klimasystems

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 22706231

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 112022000377

Country of ref document: DE

REG Reference to national code

Ref country code: DE

Ref legal event code: R225

Ref document number: 112022000377

Country of ref document: DE

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 22706231

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1