AT524819A1 - Wärmekopplungsvorrichtung für ein Brennstoffzellensystem - Google Patents

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 Ab- gasabschnitt (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 Brennstoffzellensystem, ein Brennstoffzellensystem mit einer solchen Wärmekopplungsvorrichtung 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 stationären Betriebssituation Strom zu produzieren. Dabei wird beispielsweise eine sogenannte 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 bekannt, dass die heißen Abgase, welche ein solches Brennstoffzellensystem verlassen, zum Teil zur Vorwärmung von Prozessgasen, insbesondere dem Anodenzuführgas 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 sogenannte Kraftwärmekopplung aufweisen können. Hierfür werden Vorrichtungen, wie beispielsweise Gaskraftwerke, eingesetzt, um Strom zu produzieren. Die dabei ebenfalls entstehende Wärme wird über eine Wärmekopplungsvorrichtung einer Wärmenutzungsvorrichtung, 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 Stromproduktion und einer Wärmeproduktion, diese beiden Ziele miteinander in Konflikt 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 Strombedarf 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 Nachteile zumindest teilweise zu beheben. Insbesondere ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, in kostengünstiger und einfacher Weise eine Wärmekopplung zur Verfügung zu stellen, die eine Entkopplung der Stromproduktion 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 Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Wärmekopplungsvorrichtung beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem sowie dem erfindungsgemäßen Verfahren und jeweils umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets

wechselseitig Bezug genommen wird beziehungsweise werden kann.

Erfindungsgemäß dient eine Wärmekopplungsvorrichtung für ein Brennstoffzellensystem zur Kopplung der Nutzung einer Stromproduktion und einer Wärmeproduktion des Brennstoffzellensystems. Hierfür weist die Wärmekopplungsvorrichtung einen 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 Kopplungswärmetauscher ausgestattet, dessen heiße Seite im Abgasabschnitt angeordnet ist, zur Übertragung von Wärme vom heißen Abgas auf das Kopplungsfluid. Weiter ist in der Wärmekopplungsvorrichtung ein Zusatzkreislauf vorgesehen, zum Führen eines Zusatzfluids. Der Zusatzkreislauf weist einen Abgabeabschnitt für eine Ab-

gabe von Wärme aus dem Zusatzfluid an die Umgebung sowie einen

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 Industrieanlage. 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 Kopplungswärmetauscher 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 Stromproduktion und der Wärmeproduktion zur Verfügung stellen zu können, ist nun zusätzlich noch ein Zusatzkreislauf vorgesehen. Der Zusatzkreislauf führt ebenfalls ein Zusatzfluid im Kreislauf, welches ähnlich wie das Kopplungsfluid beispielsweise ein Thermoöl, Wasser oder ein anderes Fluid, insbesondere 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 Abgasabschnitt 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

schritten wird.

Beispielsweise variiert die benötigte Wärme, also der Wärmebedarf, an der Wärmenutzungsvorrichtung. Befindet sich das Brennstoffzellensystem in einer stromgeführten Kontrollsituation, so kann auf diesen variierenden Wärmebedarf nicht eingegangen 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 Wärmebedarf 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. Häufig ist es darüber hinaus so, dass im weiteren Verlauf des Abgasabschnitts Komponenten des Brennstoffzellensystems angeordnet sind, die vor zu hohen Abgastemperaturen geschützt werden müssen. Ist beispielsweise die Förderung der Prozessgase durch das Brennstoffzellensystem in Unterdruckweise vorgesehen, so ist üblicherweise dem Kopplungswärmetauscher und dem Zusatzwärmetauscher nachgeordnet ein Sauggebläse angeordnet, welches diesen Unterdruck erzeugt. Ein solches Sauggebläse ist kostengünstig und einfach ausgestaltet und dementsprechend mit einem Temperaturgrenzwert versehen, welcher relativ niedrig liegt. Bei zu hohen Abgastemperaturen 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

sen.

Wie aus der voranstehenden Erläuterung ersichtlich wird, sind nun die Wärmeproduktion 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 überschüssige 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 Nutzungsmöglichkeiten aufweisen kann. Die einfachste Möglichkeit besteht jedoch darin, dass über den Zusatzkreislauf, das Abgas gekühlt und die Wärme an die Umgebung abgegeben wird. Die erfindungsgemäßen Vorteile der beschriebenen Entkopplung von Stromproduktion und Wärmeproduktion kommen insbesondere bei mit Unterdruck

geführten Brennstoffzellensystemen zum Tragen, bei welchen eine

nander fluidkommunizierend verbunden sind.

Es kann Vorteile mit sich bringen, wenn bei einer erfindungsgemäßen Wärmekopplungsvorrichtung im Abgasabschnitt stromabwärts des Kopplungswärmetauschers und stromabwärts des Zusatzwärmetauschers ein Sauggebläse für eine Unterdruckförderung des Abgases angeordnet ist. Grundsätzlich wird es durch die erfindungsgemäße Entkopplung möglich, sicherzustellen, dass die Resttemperatur beim Durchströmen des Abgasabschnitts für das Abgas eine definierte Grenztemperatur nicht überschreitet. Somit können Komponenten und dabei insbesondere eine Unterdruckfördervorrichtung 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 Wärmekopplungsvorrichtung der Zusatzwärmetauscher stromaufwärts vor dem Kopplungswärmetauscher 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 Brennstoffzellensystem. Mit anderen Worten erfolgt eine Vorkühlung des heißen Abgases im Zusatzwärmetauscher bevor das auf diese Weise vorgekühlte Abgas den Kopplungswärmetauscher erreicht. Dies hat unter anderem den Vorteil, dass der Zusatzwärmetauscher mit maximalem Temperaturgradienten zwischen heißem Abgas und kühlem Zusatzfluid durchströmt wird. Der Temperaturgradient und auch die daraus resultierende 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

gungstriebkraft für die Wärme größer ist.

Weitere Vorteile kann es mit sich bringen, wenn bei einer erfindungsgemäßen Wärmekopplungsvorrichtung 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 unterhalb 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 Wärmespeicher aus dem Zusatzkreislauf an das Abgas abgegeben wird. Auch ist eine Abgabe aus dem Wärmespeicher des Zusatzkreislaufs direkt an das Kopplungsfluid, insbesondere im Vorlauf der kalten Seite des Kopplungswärmetauschers, grundsätzlich denkbar. Jedoch ist selbstverständlich auch eine separate Wärmenutzungsvorrichtung, wie beispielsweise eine Effizienzsteigerung am Brennstoffzellensystem und damit unabhängig vom Kopplungskreislauf, im Rahmen dieser Ausführungsform denk-

bar.

Vorteile kann es mit sich bringen, wenn bei einer erfindungsgemäßen Wärmekopplungsvorrichtung im Abgasabschnitt ein Prozesswärmetauscher angeordnet ist, für eine Übergabe von Wärme vom heißen Abgas auf wenigstens ein dem Brennstoffzellensystem zugeführtes Prozessgas. Insbesondere ist dieser Prozesswärmetauscher stromaufwärts des Kopplungswärmetauschers und/oder stromaufwärts des Zusatzwärmetauschers angeordnet. Dies führt dazu, dass eine Effizienzsteigerung des Brennstoffzellensystems innerhalb des Brennstoffzellensystems stattfinden kann, indem Prozessgase, beispielsweise das Anodenzuführgas und/oder das Kathodenzuführgas, vorgewärmt werden können. Dieser Prozesswärmetauscher ist vorzugsweise 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 Wärmenutzungsvorrichtung stattfinden kann. Insbesondere in einer Kaltstartsituation beim Anfahren des Brennstoffzellensystems, können hier Beschleunigungsmöglichkeiten für diesen An-

fahrprozess und Effizienzsteigerungen erzielt werden.

Verfügung gestellt.

Vorteile bringt es ebenfalls mit sich, wenn bei einer erfindungsgemäßen Wärmekopplungsvorrichtung, gemäß dem voranstehenden Absatz, der Kopplungskreislauf einen Bypassabschnitt aufweist, für einen Bypass des Kopplungsfluids an dem Zwischenwärmetauscher vorbei. Wie bereits angesprochen worden ist, kann diese Zwischenkühlung des Prozessgases insbesondere temporär in einzelnen Betriebssituationen Vorteile mit sich bringen. Um eine möglichst variable Zwischenkühlung zur Verfügung zu stellen, kann über den Bypass dieser Zwischenwärmetauscher sozusagen ein- und ausgeschaltet werden. Sind entsprechend quantitativ regelbare Ventile vorgesehen, ist auch ein quantitatives Aufteilen des Kopplungsfluids zwischen dem Bypassabschnitt und dem Durchströmen des Zwischenwärmetauschers auf dessen kalter 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

ren.

Ebenfalls von Vorteil kann es sein, wenn bei einer erfindungsgemäßen Wärmekopplungsvorrichtung der Zusatzkühlkreislauf für eine maximale Kühlleistung bezogen auf die maximale Wärmeproduktion des Brennstoffzellensystems ausgelegt ist. Das bedeutet, dass selbst für den Fall, dass der Wärmebedarf der Wärmenutzungsvorrichtung 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 dementsprechend 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 Strömungsquerschnitten und weiteren konstruktiven Ausgestaltungsmöglichkeiten des

Zusatzkühlkreislaufs.

Ebenfalls Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Brennstoffzellensystem zur Erzeugung von Strom und Wärme. Das Brennstoffzellensystem weist einen Brennstoffzellenstapel mit einem Anodenabschnitt und einem Kathodenabschnitt auf. Der Anodenabschnitt ist mit einem Anodenzuführabschnitt und einem Anodenabführabschnitt ausgestattet. Der Kathodenabschnitt ist mit einem Kathodenzuführabschnitt und einem Kathodenabführabschnitt ausgestattet. Weiter weist das Brennstoffzellensystem eine Wärmekopplungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung auf, deren Abgasabschnitt mit dem Anodenabführabschnitt und/oder dem Kathodenabführabschnitt fluudkommunizierend verbunden ist. Damit bringt ein erfindungsgemäRes Brennstoffzellensystem die gleichen Vorteile mit sich, wie sie ausführlich mit BeZug 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 Brennstoffzellensystem der Brennstoffzellenstapel einen Prozessgasabschnitt aufweist, für ein Führen eines Prozessgases aus dem Brennstoffzellenstapel heraus und in den Brennstoffzellenstapel zurück, wobei im Kopplungskreislauf ein Zwischenwärmetauscher 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 Zwischenwärmetauscher entweder qualitativ auszuschalten oder die durchströmende Menge an Kopplungsfluid quantitativ zu kontrollieren. Dies erlaubt, wie bereits erläutert worden 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 Kopplung der Nutzung einer Stromproduktion und einer Wärmeproduktion des Brennstoffzellensystems 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 Wärmebedarfs,

— Kontrolle einer Wärmereduktion über den Zusatzwärmetauscher zur Einhaltung eines maximalen Temperaturgrenzwertes für das Abgas im Abgas-

abschnitt.

stoffzellensystems stromgeführt und nicht wärmegeführt durchgeführt.

Anhand der Stromproduktion und der zugehörigen Kontrolle stellt sich damit im Ergebnis eine daraus resultierende Wärmeproduktion ein, welche im Rahmen eines erfindungsgemäßen 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 fehlende 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 Wärmeübergabe vom heißen Abgas auf das Kopplungsfluid, sodass der Wärmebedarf der Wärmenutzungsvorrichtung 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 aktuelle 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 Differenzmenge 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

Wärmebedarfs der Wärmenutzungsvorrichtung möglich wird.

Vorteilhaft kann es sein, wenn bei einem erfindungsgemäßen Verfahren die Wärmereduktion 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 Zusatzfluid im Zusatzkreislauf erhöht werden, um entsprechend die Wärmeübertragung am Zusatzwärmetauscher zu erhöhen. Durch eine Erhöhung einer Lüftergeschwindigkeit 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 Temperaturreduktion für das Abgas im Abgasabschnitt und/oder eine Austrittstemperatur des Abgases ermittelt wird. In beiden Fällen handelt es sich vorzugsweise um eine Simulation des erfassten Wärmebedarfs und/oder eine Simulation der aktuellen Wärmeproduktion. Dies erlaubt es vorherzusehen, welche Temperaturreduktion und/oder Austrittstemperatur 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 erfasste 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

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 Ausführungsbeispiele der Erfindung im Einzelnen beschrieben sind. Dabei können, die in den Ansprüchen und in der Beschreibung erwähnten Merkmale jeweils einzeln für sich oder in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein. Es zeigen schema-

tisch:

Fig. 1 eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Wärmekopplungsvorrichtung, 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 Brennstoffzellensystems, 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 Abgas A kann entweder als Sammelabgas oder als Einzelabgas in Form in einen Abgasabschnitt 20 der Wärmekopplungsvorrichtung 10 aus dem Brennstoffzellenstapel 110 geführt werden. Das heiße Abgas A durchströmt nun bei der Führung im Abgasabschnitt 20 zuerst einen Zusatzwärmetauscher 42. In diesem erfolgt eine Wärme-

übergabe vom heißen Abgas A auf das Zusatzfluid ZF, welches durch eine

führen.

Je nach Betriebssituation kann nun der aktuelle Wärmebedarf WB der Wärmenutzungsvorrichtung 200 niedriger, höher oder identisch mit der aktuellen Wärmeproduktion WP des Brennstoffzellensystems 100 sein. Für den Fall, dass eine Identität oder im Wesentlichen eine Identität vorliegt, kann der Zusatzkreislauf 40 im Wesentlichen ausgeschaltet sein. Dies wird insbesondere durch ein Stoppen der Fördervorrichtung 48 gewährleistet. In gleicher Weise kann bei einer Reduktion des Wärmebedarfs 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 Resttemperatur 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 bezieht sich auf die Förderung der Prozessgase P durch das Brennstoffzellensystem 100. Ein Sauggebläse 50 ist stromabwärts im Abgasabschnitt hinter dem Zusatzwärmetauscher 42 und dem Kopplungswärmetauscher 32 angeordnet. Mithilfe des Sauggebläses 50 wird ein Unterdruck 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-Wärmenutzungsvorrichtung 46 als Teil des Zusatzkreislaufs 40 auf. Dabei kann es sich zum Beispiel um einen Wärmespeicher handeln, dessen Wärme eine andere Nutzung oder 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, insbesondere 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 Zwischenwärmetauscher 34 führt und wieder in den Brennstoffzellenstapel 110 zurückfördert. Über einen Bypassabschnitt 36 und entsprechende Ventilstellungen ist es nun möglich, 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 Brennstoffzellensystems 100 vergrößert werden, indem eine integrierte Reduktionsmöglichkeit der Temperatur von Prozessgasen P innerhalb des Brennstoffzellenstapels 110 zur Verfü-

gung gestellt wird.

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 Wärmenutzungsvorrichtung 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 Wärmeproduktion 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. Selbstverständlich können einzelIne Merkmale der Ausführungsformen, sofern technisch sinnvoll, frei miteinander

kombiniert werden, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.

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 (15)

Patentansprüche

1. 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), dadurch gekennzeichnet, dass ein Zusatzkreislauf (40) zum Führen eines Zusatzfluids (ZF) vorgesehen ist, 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 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 Kopplungswärmetauschers (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) stromaufwärts 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-Wärmenutzungsvorrichtung (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

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 Zwischenwärmetauscher (34) aufweist, dessen heiße Seite im Prozessgasabschnitt (140) angeordnet ist für eine Aufnahme von Wärme im Kopplungsfluid (KF) vom heißen

Prozessgas (P).

7. Wärmekopplungsvorrichtung (10) nach Anspruch 7, 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, aufweisend einen Brennstoffzellenstapel (110) mit einem Anodenabschnitt (120) und einem Kathodenabschnitt (130), der Anodenabschnitt (120) aufweisend einen Anodenzuführabschnitt (122) und einen Anodenabführabschnitt (124), der Kathodenabschnitt (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 Anodenabführabschnitt (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) aufweist für ein Führen eines Prozessgases (P) aus dem Brennstoffzellenstapel (110) heraus und in den Brennstoffzellenstapel (110) zurück, wobei im Kopplungskreislauf (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 Stromproduktion 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 Wärmebedarfs (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 Wärmereduktion 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.