AT524819B1 - Heat coupling device for a fuel cell system - Google Patents
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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), wobei im Abgasabschnitt (20) ein Prozesswärmetauscher (22) angeordnet ist für eine Übergabe von Wärme vom heißen Abgas (A) auf wenigstens ein dem Brennstoffzellensystem (100) zugeführtes Prozessgas (P).The present invention relates to a heat coupling device (10) for a fuel cell system (100) for coupling the use of electricity production and heat production of the fuel cell system (100), having an exhaust gas section (20) for conducting hot exhaust gas (A) of the fuel cell system (100). and a coupling circuit (30) for leading a coupling fluid (KF) to a heat utilization device (200), wherein the coupling circuit (30) has a coupling heat exchanger (32), the hot side of which is arranged in the exhaust section (20) for transferring heat from the hot exhaust gas (A) on the coupling fluid (KF), further comprising an additional circuit (40) for carrying an additional fluid (ZF), the additional circuit (40) having a delivery section (44) for releasing heat from the additional fluid (ZF) to the environment and an additional heat exchanger (42), the hot side of which is arranged in the exhaust gas section (20) for transferring heat from the hot exhaust gas (A) to the additional fluid (ZF), a process heat exchanger (22) being arranged in the exhaust gas section (20) for a Transfer of heat from the hot exhaust gas (A) to at least one process gas (P) supplied to the fuel cell system (100).
Description
WÄRMEKOPPLUNGSVORRICHTUNG FÜR EIN BRENNSTOFFZELLENSYSTEM HEAT COUPLING DEVICE FOR A FUEL CELL SYSTEM
[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft eine Wärmekopplungsvorrichtung für ein Brennstoffzellensystem, ein Brennstoffzellensystem mit einer solchen Wärmekopplungsvorrichtung sowie ein Verfahren für eine Kopplung der Nutzung einer Stromproduktion und einer Wärmeproduktion eines Brennstoffzellensystems. 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.
[0002] Es ist bekannt, dass Brennstoffzellensysteme eingesetzt werden, um in einer stationären Betriebssituation Strom zu produzieren. Dabei wird beispielsweise eine sogenannte SOFCBrennstoffzelle 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 häufig an die Umgebung abgegeben wird. It is known that fuel cell systems are used to produce electricity in a stationary operating situation. For example, a so-called SOFC fuel cell is used, which involves very high temperatures during operation. The operating temperature of a SOFC fuel cell in stationary operation is, for example, in the range of approximately 500 °C to 1000 °C. It is also known that the hot exhaust gases that 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 still remains in the exhaust gas of the fuel cell system, which is often released into the environment.
[0003] 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. It is also known that electrical machines and power generators can have a so-called combined heat and power system. For this purpose, devices such as gas power plants are used to produce electricity. The heat that is also generated is made available to a heat utilization device via a heat coupling device, for example in the form of a district heating network. Such a combined heat and power system is also generally known for use in fuel cell systems.
[0004] Beispielsweise ist aus der DE 102009034580 A1 und der JP 2019168180 A jeweils eine Wärmekopplungsvorrichtung für ein Brennstoffzellensystem bekannt. [0004] For example, a heat coupling device for a fuel cell system is known from DE 102009034580 A1 and JP 2019168180 A.
[0005] 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. [0005] A disadvantage of the known solutions is that when electricity production and heat production are coupled, these two goals 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 electricity production is the result of the current heat demand or vice versa. In contrast, electricity-controlled control means that a predetermined amount of electricity is produced and the current heat production follows the electricity demand.
[0006] Somit sind Wärmebedarf und Strombedarf immer miteinander gekoppelt und insbesondere 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. Heat requirements and electricity requirements are therefore always linked to one another and, in particular, cannot be controlled separately from one another. This leads to relatively complex control mechanisms and in particular to very low control variability for the use of heat in an electricity-controlled control situation or the use of electricity in a heat-controlled control situation.
[0007] 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. It is the object of the present invention to at least partially eliminate the disadvantages described above. In particular, it is the object of the present invention to provide a heat coupling in a cost-effective and simple manner, which at least partially decouples the electricity production from the heat production.
[0008] 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. The above object is achieved by a heat coupling device with the features of claim 1, a fuel cell system with the features of claim 10 and a method with the features of claim 12. Further features and details of the invention result from the subclaims Description and the drawings. Features and details that are described in connection with the heat coupling device according to the invention naturally also apply in connection with the fuel cell system according to the invention and the method according to the invention and vice versa, so that reference to the individual aspects of the invention is or can always be made mutually with regard to the disclosure.
[0009] Erfindungsgemäß dient eine Wärmekopplungsvorrichtung für ein Brennstoffzellensystem zur Kopplung der Nutzung einer Straomproduktion 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 Abgabe 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. According to the invention, a heat coupling device for a fuel cell system is used to couple the use of electricity production and heat production of the fuel cell system. For this purpose, the heat coupling device has an exhaust gas section for conducting hot exhaust gas from the fuel cell system. Furthermore, a coupling circuit is provided for guiding a coupling fluid to a heat utilization device. The coupling circuit is equipped with a coupling heat exchanger, the hot side of which is arranged in the exhaust section, for transferring heat from the hot exhaust gas to the coupling fluid. Furthermore, an additional circuit is provided in the heat coupling device for carrying an additional fluid. The additional circuit has a delivery section for releasing heat from the additional fluid to the environment and an additional heat exchanger, the hot side of which is arranged in the exhaust gas section, for transferring heat from the hot exhaust gas to the additional fluid.
[0010] 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. The core idea according to the invention is based on making the heat, which is present in the hot exhaust gas of the fuel cell system, available to a heat utilization device. This can be, for example, a district heating network or a heating system of a building or an industrial plant. The heat is therefore not or only partially released to the environment, but rather can be used in the heat utilization device.
[0011] 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, beispielsweise in Form von Wasser, Thermoöl oder ähnlichem. In order to make this use of heat possible, the heat must be transferred from the hot exhaust gas to the coupling fluid of the coupling circuit. For this purpose, the coupling heat exchanger is arranged in the exhaust section. The coupling heat exchanger can be designed, for example, as a plate heat exchanger. 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 cold side is flowed through by the coupling fluid, so that heat is transferred from the hot exhaust gas to the cold coupling fluid. In other words, 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 absorbed heat to the heat utilization device. The coupling fluid is in particular designed as a coupling liquid, for example in the form of water, thermal oil or the like.
[0012] 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. In order to be able to provide a decoupling of electricity production and heat production, an additional circuit is now also provided. The additional circuit also carries an additional fluid in the circuit, which, similar to the coupling fluid, can be, for example, a thermal oil, water or another fluid, in particular a liquid, which is able to absorb and transport heat, in particular with a high specific heat capacity.
[0013] 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 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 aufgenommenen Wärme ausgestattet. Vielmehr dient der Zusatzabschnitt dazu, sicherzustellen, dass die Gesamtmenge an Wärme, welche vom Zusatzfluid und vom Kopplungsfluid aufgenommen wird, zu einer maximalen Resttemperatur des Abgases führt, welche auch bei unterschiedlichen zu nutzenden Wärmemengen nicht überschritten wird. The additional circuit is able to also absorb heat from the hot exhaust gas in the exhaust gas section, since the additional heat exchanger is also arranged with its hot side in the exhaust gas section. It is therefore possible for hot exhaust gas to flow through not only the coupling heat exchanger on its hot side, but also the hot side of the additional heat exchanger and in this way can also transfer at least part of the heat to the additional fluid. The additional circuit is preferably not equipped or only equipped to a limited extent for using the heat absorbed. 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.
[0014] Beispielsweise variiert die benötigte Wärme, also der Wärmebedarf, an der Wärmenutzungsvorrichtung. Befindet sich das Brennstoffzellensystem in einer stromgeführten Kontrollsituation, so kann auf diesen varlierenden 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 entspre-For example, the heat required, i.e. the heat requirement, varies on the heat utilization device. If the fuel cell system is in a current-controlled control situation, this varying heat requirement cannot be addressed. Rather, depending on the power requirement and the corresponding current-carrying control, a resulting amount of heat is produced. Situations can now arise in which the current heat production significantly exceeds the current heat requirement. Without the additional circuit, this would result in a corresponding heat requirement being required to meet the necessary heat requirements.
chend 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. A correspondingly smaller amount of heat is removed from the hot exhaust gas, as a result of which the hot exhaust gas would have an increased residual temperature when flowing out into the environment. It is now often necessary to cool the exhaust gas to a maximum temperature in order to be able to meet the legal requirements for exhausting it into the environment. It is also often the case that components of the fuel cell system are arranged in the further course of the exhaust section and must be protected from excessively high exhaust gas temperatures. For example, if the process gases are to be conveyed through the fuel cell system in a negative pressure manner, then a suction fan is usually arranged downstream of the coupling heat exchanger and the additional heat exchanger, which generates this negative pressure. Such a suction fan is designed to be inexpensive and simple and is therefore provided with a temperature limit that is relatively low. If the exhaust gas temperatures are too high, this would result in very high wear or even a defect in such a suction fan. Alternatively, the components would have to be designed to be heat-resistant, which in turn would lead to higher costs and more complexity.
[0015] 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 Wärmeüberschuss, nun über den Zusatzkreislauf aus dem Abgas abgeführt werden kann. Somit sind verschiedene Betriebssituationen zu unterscheiden. Entspricht der aktuelle Wärmebedarf der Wärmenutzungsvorrichtung im Wesentlichen der aktuellen Wärmeproduktion des Brennstoffzellensystems, so kann der Zusatzkreislauf ausgeschaltet bleiben und die Wärme im Wesentlichen vollständig vom heißen Abgas auf das Kopplungsfluid übertragen werden. Bei einem Missverhältnis mit hoher Wärmeproduktion 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 reduziertem Wärmebedarf bei hoher Wärmeproduktion, die Resttemperatur im Abgas niedrig, insbesondere identisch oder im Wesentlichen identisch, für alle Betriebssituationen bleibt. Neben der Erfüllung gesetzlicher Rahmenbedingungen führt dies insbesondere dazu, dass weitere Komponenten des Brennstoffzellensystems stromabwärts des Zusatzwärmetauschers und des Kopplungswärmetauschers kostengünstiger ausgelegt sein können, da sie nicht einer hohen Temperatur widerstehen müssen. According to the invention, it is now possible to maintain a temperature limit for the residual temperature of the exhaust gas, even with relatively low heat requirements and significantly higher heat production. This is made possible because the difference between low heat demand and high heat production, i.e. the excess heat produced, can now be removed from the exhaust gas via the additional circuit. A distinction must therefore be made between different operating situations. If the current heat requirement of the heat utilization device essentially corresponds to the current heat production of the fuel cell system, the additional circuit can remain switched off and the heat can be transferred essentially completely from the hot exhaust gas to the coupling fluid. If there is a mismatch with high heat production and reduced heat demand, this difference in heat is not released into the environment through the hot exhaust gas, but rather transferred into the additional fluid via the additional heat exchanger. This ensures that in the two operating situations described, in particular even with reduced heat requirements and high heat production, the residual temperature in the exhaust gas remains low, in particular identical or essentially identical, for all operating situations. In addition to meeting legal framework conditions, this in particular means that further components of the fuel cell system downstream of the additional heat exchanger and the coupling heat exchanger can be designed more cost-effectively, since they do not have to withstand a high temperature.
[0016] 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. As can be seen from the above explanation, the heat production and the heat requirement are now decoupled from one another. The fuel cell system can be operated using 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, the variable and flexible control method of the heat utilization device and the coupling circuit, even if the fuel cell system is controlled in a current-carrying manner.
[0017] 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 Unterdruckfördervorrichtung stromabwärts der Wärmekopplungsvorrichtung im Abgasabschnitt 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 denkbar, dass Vorlauf und Rücklauf als kleiner Kreislauf in dem Kopplungskreislauf miteinander fluidkommunizierend verbunden sind. [0017] It should also be noted that the additional cooling circuit can also have its own possible uses. The simplest option, however, is that the exhaust gas is cooled via the additional circuit and the heat is released into the environment. The advantages according to the invention of the described decoupling of electricity production and heat production come into play in particular in fuel cell systems operated with negative pressure, in which a negative pressure conveying device is arranged downstream of the heat coupling device in the exhaust section. It should also be noted that the coupling circuit in particular does not necessarily have to have a closed circuit within the heat coupling device. In particular, it is conceivable that cool coupling fluid is made available from a large heat coupling circuit and is heated in the small coupling circuit of the heat coupling device in the manner described. However, it is of course also conceivable that the flow and return are connected to one another in fluid communication as a small circuit in the coupling circuit.
[0018] Es kann Vorteile mit sich bringen, wenn bei einer erfindungsgemäßen Wärmekopplungs-[0018] It can have advantages if, in a heat coupling system according to the invention
vorrichtung 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. Device in the exhaust section downstream of the coupling heat exchanger and downstream of the additional heat exchanger, a suction fan is arranged for a vacuum delivery of the exhaust gas. In principle, the decoupling according to the invention makes it possible to ensure that the residual temperature when the exhaust gas flows through the exhaust gas section does not exceed a defined limit temperature. Components and in particular a vacuum conveying device in the form of a suction fan can thus be protected from excessively high temperatures. This in turn leads to a simple and cost-effective design and a correspondingly simple and cost-effective choice of material for such a suction fan.
[0019] 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 Wärmeträgerfluid als Zusatzfluid einzusetzen, da der Gradient und damit die Übertragungstriebkraft für die Wärme größer ist. There are further advantages if, in a heat coupling device according to the invention, the additional heat exchanger is arranged upstream of the coupling heat exchanger in the exhaust gas section. This allows particularly flexible control and is based in particular on recording the current heat requirement in the heat utilization device and the current heat production in the fuel cell system. In other words, the hot exhaust gas is pre-cooled in the additional heat exchanger before the exhaust gas pre-cooled in this way reaches the coupling heat exchanger. This has the advantage, among other things, that a maximum temperature gradient between hot exhaust gas and cool additional fluid flows through the additional heat exchanger. The temperature gradient and the resulting heat transfer are increased in this way, so that the heat can be transferred to the additional fluid easily, quickly and cost-effectively. It is also possible to use a simpler and/or more cost-effective heat transfer fluid as an additional fluid in this way, since the gradient and thus the transmission driving force for the heat is greater.
[0020] 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 denkbar. It can bring further advantages if, in a heat coupling device according to the invention, the additional circuit has an additional heat utilization device for using and/or storing the heat in the additional circuit. Storage can be provided, for example, by a heat storage device. So it is 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 storage again by releasing the stored heat from the heat storage from the additional circuit to the exhaust gas in the opposite direction becomes. A release from the heat storage of the additional circuit directly to the coupling fluid, in particular in the flow of the cold side of the coupling heat exchanger, is also fundamentally conceivable. However, a separate heat utilization device, such as an increase in efficiency of the fuel cell system and thus independent of the coupling circuit, is of course also conceivable within the scope of this embodiment.
[0021] Es ist vorgesehen, dass bei einer erfindungsgemäßen Wärmekopplungsvorrichtung im Abgasabschnitt ein Prozesswärmetauscher angeordnet ist, für eine Ubergabe 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 Anfahrprozess und Effizienzsteigerungen erzielt werden. It is envisaged that in a heat coupling device according to the invention, a process heat exchanger is arranged in the exhaust section for transferring heat from the hot exhaust gas to at least one process gas supplied to the fuel cell system. In particular, this process heat exchanger is arranged upstream of the coupling heat exchanger and/or upstream of the additional heat exchanger. This means that an increase in the efficiency of the fuel cell system can take place within the fuel cell system by preheating process gases, for example the anode feed gas and/or the cathode feed gas. This process heat exchanger is preferably qualitatively and/or quantitatively controllable, so that this heat return 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. Particularly in a cold start situation when starting up the fuel cell system, acceleration options for this start-up process and increases in efficiency can be achieved here.
[0022] Ebenfalls von Vorteil kann es sein, wenn bei einer erfindungsgemäßen Wärmekopplungsvorrichtung ein Prozessgasabschnitt separat vom Abgasabschnitt angeordnet ist, für ein Führen eines heißen Prozessgases des Brennstoffzellensystems, wobei der Kopplungskreislauf stromabwärts des Kopplungswärmetauschers einen Zwischenwärmetauscher aufweist, dessen heiße Seite im Prozessgasabschnitt angeordnet ist, für eine Aufnahme von Wärme im Kopplungsfluid vom heißen Prozessgas. Dies erlaubt es, dass das Kopplungsfluid eine zusätzliche Erwärmungs-[0022] It can also be advantageous if, in a heat 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. This allows the coupling fluid to provide additional heating
position aufweist. Während die Hauptwärmeaufnahme im Kopplungswärmetauscher stattfindet, kann ein weiteres Aufheizen oder sogar Uberhitzen des Kopplungsfluids in dem Zwischenwärmetauscher stattfinden. Das Prozessgas, welches im Prozessgasabschnitt geführt wird, ist dabei vorzugsweise ein Prozessgas, welches aus dem Brennstoffzellenstapel herausgeführt und wieder in diesen zurückgeführt wird. Dies erlaubt es, insbesondere temporär, die Temperatur innerhalb des Brennstoffzellenstapels zu variieren und auf diese Weise, je nach Betriebssituation, die Effizienz im Betrieb des Brennstoffzellensystems weiter zu steigern. Mit anderen Worten ist eine Zwischenkühlung 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. position. While the main heat absorption takes place in the coupling heat exchanger, further heating or even overheating of the coupling fluid can take place in the intermediate heat exchanger. 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 returned to it again. This makes it possible, particularly temporarily, to vary the temperature within the fuel cell stack and in this way, depending on the operating situation, to further increase the efficiency in the operation of the fuel cell system. In other words, an intermediate cooling of the process gas is possible, which after the intermediate cooling can be returned to the fuel cell stack for further processing. In this way, additional heat transfer to the coupling fluid is also provided.
[0023] 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. [0023] It also brings advantages if, in a heat coupling device according to the invention, according to the preceding paragraph, the coupling circuit has a bypass section for a bypass of the coupling fluid past the intermediate heat exchanger. As has already been mentioned, this intermediate cooling of the process gas can bring advantages, particularly temporarily, in individual operating situations. In order to provide the most variable intercooling possible, this intermediate heat exchanger can be switched on and off via the bypass, so to speak. If corresponding quantitatively controllable valves are provided, a quantitative division of the coupling fluid between the bypass section and the flow through the intermediate heat exchanger on its cold side is also possible. The variability, the ability to control and/or the efficiency of the fuel cell system can be increased even further in this way.
[0024] Vorteile bringt es ebenfalls mit sich, wenn bei einer erfindungsgemäßen Wärmekopplungsvorrichtung der Zusatzkreislauf als Kältekreislauf ausgebildet ist. Während grundsätzlich entweder in passiver Förderung oder mit Zwangsförderung ein normaler Kühlkreislauf als Zusatzkreislauf denkbar ist, kann ein Kältekreislauf mit einem Kompressor und einem Verdampferabschnitt im Zusatzwärmetauscher weitere Vorteile mit sich bringen. Insbesondere wird es auf diese Weise möglich, durch entsprechende Wahl eines Wärmeträgermediums als Zusatzfluid, noch freier auf entsprechende Betriebssituationen und Temperaturverhältnisse im heißen Abgas zu reagieren. [0024] There are also advantages if the additional circuit is designed as a refrigeration circuit in a heat coupling device according to the invention. While a normal cooling circuit is basically conceivable as an additional circuit either with passive delivery or with forced delivery, a refrigeration circuit with a compressor and an evaporator section in the additional heat exchanger can bring additional 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 appropriately selecting a heat transfer medium as an additional fluid.
[0025] 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. It can also be advantageous if, in a heat coupling device according to the invention, 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 for the residual temperature of the exhaust gas is not exceeded. The design is based on the amount of additional fluid, corresponding flow cross sections and other design options for the additional cooling circuit.
[0026] 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 fluidkommunizierend verbunden ist. Damit bringt ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem die gleichen Vorteile mit sich, wie sie ausführlich mit Bezug auf eine erfindungsgemäße Wärmekopplungsvorrichtung erläutert worden sind. The present invention also relates to a fuel cell system for generating electricity and heat. The fuel cell system has a fuel cell stack with an anode section and a cathode section. The anode section is equipped 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. Furthermore, the fuel cell system has a heat coupling device according to the present invention, the exhaust gas section of which is fluidly connected to the anode discharge section and/or the cathode discharge section. A fuel cell system according to the invention thus brings with it the same advantages as have been explained in detail with reference to a heat coupling device according to the invention.
[0027] Vorzugsweise ist in dieses Brennstoffzellensystem auch eine Wärmenutzungsvorrichtung integriert. Auch ist noch darauf hinzuweisen, dass für den Abgasabschnitt sowohl eine spezifische A heat utilization device is preferably also integrated into this fuel cell system. It should also be noted that there is a specific one for the exhaust section
Ausgestaltung für den Anodenabführabschnitt oder den Kathodenabführabschnitt vorgesehen sein kann. Jedoch ist es auch denkbar, dass, zumindest teilweise, das Abgas des Anodenabschnitts im Anodenabführabschnitt und das Abgas des Kathodenabschnitts im Kathodenabführabschnitt zu einem gemeinsamen Abgas zusammengeführt werden und damit als gemeinsames oder kombiniertes Abgas den Abgasabschnitt der Wärmekopplungsvorrichtung durchströmen. Design can be provided for the anode removal section or the cathode removal section. However, it is also conceivable that, at least partially, the exhaust gas of the anode section in the anode discharge section and the exhaust gas of 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.
[0028] 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. [0028] It also brings advantages if, in a fuel cell system according to the invention, 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, an intermediate heat exchanger being arranged in the coupling circuit, the hot side of which is arranged in the process gas section is, for the absorption of heat in the coupling fluid of the process gas. In addition, 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 has already been explained, this allows intermediate cooling of the process gas while it flows through the fuel cell stack and thus a further increase in efficiency in the operation of the fuel cell system.
[0029] 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: A further subject 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 has the following steps:
- Kontrolle der Stromproduktion des Brennstoffzellensystems, - Control of the electricity production of the fuel cell system,
- Erfassen eines Wärmebedarfs der Wärmenutzungsvorrichtung, - Detecting a heat requirement of the heat utilization device,
- Erfassen der Wärmeproduktion des Brennstoffzellensystems, - Detecting the heat production of the fuel cell system,
- Vergleich der erfassten Wärmeproduktion und des erfassten Wärmebedarfs, - Comparison of the recorded heat production and the recorded heat requirement,
- Kontrolle einer Wärmereduktion über den Zusatzwärmetauscher zur Einhaltung eines ma-- Control of heat reduction via the additional heat exchanger to maintain a ma-
ximalen Temperaturgrenzwertes für das Abgas im Abgasabschnitt. ximum temperature limit for the exhaust gas in the exhaust section.
[0030] Ein erfindungsgemäßes Verfahren bringt die gleichen Vorteile mit sich, wie sie ausführlich mit Bezug auf eine erfindungsgemäße Wärmekopplungsvorrichtung und mit Bezug auf ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem, erläutert worden sind. Es ist darauf hinzuweisen, dass hier die Stromproduktion für die Kontrolle des Brennstoffzellensystems verwendet wird. Mit anderen Worten wird die Kontrolle des Brennstoffzellensystems stromgeführt und nicht wärmegeführt durchgeführt. 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 to control the fuel cell system. In other words, the control of the fuel cell system is carried out in a current-controlled manner and not in a heat-controlled manner.
[0031] Anhand der Straomproduktion 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. Based on the electricity production and the associated control, the result is a resulting heat production, which is recorded as part of a method according to the invention and compared with a current heat requirement of the heat utilization device, which is also recorded. As a result, three operating situations can be distinguished.
[0032] 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 Ahnliches denkbar. Der Kerngedanke der vorliegenden Erfindung liegt jedoch auf den anderen beiden Betriebssituationen. If the heat requirement exceeds the current heat production, the remaining heat must be made available to the heat utilization device in another way. For example, additional electrical heating options or something similar are conceivable here. However, the core idea of the present invention lies in the other two operating situations.
[0033] 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. If the current heat production essentially covers the current heat requirement, the additional circuit can essentially be switched off or remain switched off. Rather, there is a complete or essentially complete transfer of heat from the hot exhaust gas to the coupling fluid, so that the heat requirement of the heat utilization device can be met and at the same time the exhaust gas can be cooled below the maximum temperature limit.
[0034] 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 The third operating situation to be distinguished from this occurs when the current heat production exceeds the current heat requirement of the heat utilization device. In such a case, the heat extracted in the coupling fluid will not be sufficient to sufficiently cool the temperature of the exhaust gas while maintaining the maximum temperature limit. In such a case, the missing cooling is provided by the additional heat exchanger
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 trotz einer stromgeführten Kontrolle des Brennstoffzellensystems eine Variation des Wärmebedarfs der Wärmenutzungsvorrichtung möglich wird. and the additional circuit is provided. Depending on how large the missing amount of heat is, i.e. the difference in the amount of heat between the current heat production and the current heat requirement, the greater or lesser the heat transfer is at the additional heat exchanger. This leads to the decoupling explained several times, so that a variation of the heat requirement of the heat utilization device is possible despite current-controlled control of the fuel cell system.
[0035] Vorteilhaft kann es sein, wenn bei einem erfindungsgemäßen Verfahren die Wärmereduktion über den Zusatzwärmetauscher mittels einer Variation wenigstens eines der folgenden Parameter kontrolliert wird: It can be advantageous if, in a method according to the invention, the heat reduction via the additional heat exchanger is controlled by varying at least one of the following parameters:
- Variation der Rücklauftemperatur im Zusatzkreislauf, - Variation of the return temperature in the additional circuit,
- Variation des Massenstroms an Zusatzfluid im Zusatzkreislauf. - Variation of the mass flow of additional fluid in the additional circuit.
[0036] 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. The above list is a non-exhaustive list. Of course, two or more different parameters can also be used for this control. For example, 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. By increasing a fan speed, the release of heat in the delivery 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.
[0037] 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. [0037] There are further advantages if, in a method according to the invention, 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 predict which temperature reduction and/or outlet temperature will occur for the exhaust gas and, accordingly, to carry out the control in an even more targeted manner using a method according to the invention.
[0038] 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 einen Zwischenzeitraum für die Temperatur des Abgases zu vermeiden und sicherzustellen, dass die beschriebenen Grenzwerte über die maximale Zeitspanne im Betrieb des Brennstoffzellensystems eingehalten werden. [0038] It can also be advantageous if, in a method according to the invention, 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 heat demand and/or heat production will develop over a defined period of time. This makes it possible to avoid control oscillations or an undesirable increase over an intermediate period for the temperature of the exhaust gas and to ensure that the limit values described are maintained over the maximum period of time during operation of the fuel cell system.
[0039] 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. Es zeigen schematisch: Further advantages, features and details of the invention emerge from the following description, in which exemplary embodiments of the invention are described in detail with reference to the drawings. It shows schematically:
[0040] Fig. 1 eine Ausführungsform einer Wärmekopplungsvorrichtung, [0041] Fig. 2 eine weitere Ausführungsform einer Wärmekopplungsvorrichtung, [0042] Fig. 3 eine weitere Ausführungsform einer Wärmekopplungsvorrichtung, 1 shows an embodiment of a heat coupling device, FIG. 2 shows a further embodiment of a heat coupling device, FIG. 3 shows a further embodiment of a heat coupling device,
[0043] Fig. 4 eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Wärmekopplungsvorrichtung, 4 shows a further embodiment of a heat coupling device according to the invention,
[0044] Fig. 5 eine weitere Ausführungsform einer Wärmekopplungsvorrichtung, [0045] Fig. 6 eine Ausführungsform eines Brennstoffzellensystems, 5 shows a further embodiment of a heat coupling device, FIG. 6 shows an embodiment of a fuel cell system,
[0046] Fig. 7 ein möglicher Verlauf der Wärmemengen bei einem erfindungsgemäßen Verfahren. 7 shows a possible course of the heat quantities in a method according to the invention.
[0047] 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 1 shows schematically a fuel cell system 100, in which one or more process gases P are supplied to a fuel cell stack 110. An exhaust gas A can be fed 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 heat coupling device 10. The hot exhaust gas A
durchströmt nun bei der Führung im Abgasabschnitt 20 zuerst einen Zusatzwärmetauscher 42. In diesem erfolgt eine Wärmeübergabe vom heißen Abgas A auf das Zusatzfluid ZF, welches durch eine Fördervorrichtung 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 Wärmeabgabe am Abgabeabschnitt 44, stellt sich eine unterschiedlich niedrige Rücklauftemperatur 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 weiterer Wärmeübergang vom Abgas A auf ein Kopplungsfluid KF im Kopplungskreislauf 30, welches sich auf diese Weise erwärmt. Das auf diese Weise nun maximal gekühlte Abgas A kann an die Umgebung abgegeben werden. Das erwärmte Kopplungsfluid KF kann diese Wärme an die Wärmenutzungsvorrichtung 200 weiterführen. now flows through an additional heat exchanger 42 when it is 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 conveyed by a conveying device 48 in the circuit of the additional circuit. The additional fluid ZF is now supplied in heated form along the additional circuit 40 to the delivery section 44. Here, for example, a fan device is used to control how much heat is released from the additional fluid ZF into the environment. Depending on the heat release at the delivery section 44, a differently low return temperature RT is established for the additional fluid ZF. It should also be noted that the mass flow of additional fluid ZF can be varied by controlling the conveying device 48. The exhaust gas A pre-cooled in this way continues to flow along the exhaust gas section 20 into a coupling heat exchanger 32. In this, a further heat transfer takes place from the exhaust gas A to a coupling fluid KF in the coupling circuit 30, which heats up in this way. The exhaust gas A, which has now been maximally cooled in this way, can be released into the environment. The heated coupling fluid KF can pass this heat on to the heat utilization device 200.
[0048] 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 identisch niedrig bleibt. Depending on the operating situation, the current heat requirement WB of the heat utilization device 200 can now be lower, higher or identical to the current heat production WP of the fuel cell system 100. In the event that there is an identity or essentially an identity, the additional circuit 40 can be essentially switched off. This is ensured in particular by stopping the conveyor device 48. In the same way, if the heat requirement WB is reduced below the current heat production WP of the fuel cell system 100, the excess heat can be transferred into the additional fluid ZF by increasing the speed of the conveying device 48 with a correspondingly increased heat transfer at the additional heat exchanger 42, so that this also applies to these cases the residual temperature in the exhaust gas A remains identical or essentially identically low when it exits to the environment.
[0049] 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 Brennstoffzellenstapel 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 erhöhte Temperaturen im Abgas A geschützt. 2 shows a further development of the embodiment of FIG. With the help 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 out of the fuel cell stack 110. Since the exhaust gas temperature can be kept essentially constant when the exhaust gas A reaches the suction fan 50 due to the correlation of the heat transfer at the coupling heat exchanger 32 and at the additional heat exchanger 42, which has been explained several times, this suction fan 50 does not have to have any resistance to high temperatures. It is therefore effectively protected against increased temperatures in the exhaust gas A by the interaction of the coupling circuit 30 and additional circuit 40.
[0050] 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. 3 has, in addition to the embodiment of FIG. 2, an additional heat utilization device 46 as part of the additional circuit 40. This can be, for example, a heat storage device, the heat of which can be used for another purpose or also through a heat transfer option, not shown here, to the coupling fluid KF upstream of the coupling heat exchanger 32, this heat can be further used in an efficient manner.
[0051] 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. [0051] In Figure 4, a possibility of preheating process gases P, in particular in a starting situation of the fuel cell system 100, is provided. With the help of a process heat exchanger 22, 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.
[0052] 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. Uber einen Bypassabschnitt 36 und entsprechende Ventilstellungen ist es nun möglich, dass das Kopplungsfluid KF stromabwärts des Kopplungswärme-5 also shows a constructive possibility of further increasing the efficiency in the operation of the fuel cell system 100. Here, so to speak, a recirculation is provided within the fuel cell system 100, which decouples a process gas P from the fuel cell stack 110, passes it via an intermediate heat exchanger 34 and conveys it back into the fuel cell stack 110. Via a bypass section 36 and corresponding valve positions, it is now possible for the coupling fluid KF to flow downstream of the coupling heat
tauschers 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 Verfügung gestellt wird. exchanger 32 either also flows through the intermediate heat exchanger 34 or through the bypass section 36 past it. On the one hand, this makes it possible to provide a further increase in the heat content of the coupling fluid KF. On the other hand, the efficiency of the operation of the fuel cell system 100 can be increased by providing an integrated reduction option for the temperature of process gases P within the fuel cell stack 110.
[0053] Die Figur 6 zeigt eine ähnliche Ausführungsform wie die Figuren 1 bis 5. Hier sind jedoch mehr Details im Brennstoffzellenstapel 110 zu erkennen. Dieser ist in einen Anodenabschnitt 120 und in einen Kathodenabschnitt 130 aufgeteilt. Als Prozessgase P läuft ein Anodenzuführgas im Anodenzuführabschnitt 122 und ein Kathodenzuführgas im Kathodenzuführabschnitt 132. Nach Umsetzung in dem Brennstoffzellenstapel 110 entsteht Anodenabgas, welches im Anodenabführabschnitt 124 abgeführt 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 Abgasabschnitt 20 als gemeinsames Abgas A gefördert. 6 shows a similar embodiment to FIGS. 1 to 5. However, more details in the fuel cell stack 110 can be seen here. This is divided into an anode section 120 and a cathode section 130. The process gases P are an anode feed gas in the anode feed section 122 and a cathode feed gas in the cathode feed section 132. After conversion in the fuel cell stack 110, anode exhaust gas is produced, which is discharged in the anode discharge section 124. Cathode exhaust gas is discharged in the cathode discharge section 134. In the embodiment of Figure 6, all exhaust gases A of the fuel cell stack are brought together and conveyed together through the exhaust gas section 20 as a common exhaust gas A in the manner already explained.
[0054] 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. Uber 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 zukünftige Parameterwerte handeln kann. Figure 7 shows how a method according to the invention works. Heat demand WB and heat production WP are shown here over time. At the beginning, i.e. on the left in the diagram of Figure 7, the heat requirement WB of the heat utilization device 200 is above the heat production WP of the fuel cell system 100. Over time, the heat requirement WB reduces until it falls below the current heat production WP on the arrow. In order to ensure that the temperature of the exhaust gas A does not rise in an undesirable manner at this point in time, the additional cooling is now switched on and/or increased using the additional circuit 30. It should also be noted that the heat demand WB and the heat production WP can be the currently recorded parameters and/or simulated future parameter values.
[0055] Die voranstehende Erläuterung der Ausführungsformen beschreibt die vorliegende Erfindung ausschließlich im Rahmen von Beispielen. The above explanation of the embodiments describes the present invention exclusively in the context of examples.
BEZUGSZEICHENLISTE REFERENCE SYMBOL LIST
10 Wärmekopplungsvorrichtung 20 Abgasabschnitt 10 heat coupling device 20 exhaust section
22 Prozesswärmetauscher 22 process heat exchangers
30 Kopplungskreislauf 30 coupling circuit
32 Kopplungswärmetauscher 34 Zwischenwärmetauscher 32 coupling heat exchanger 34 intermediate heat exchanger
36 Bypassabschnitt 36 bypass section
40 Zusatzkreislauf 40 additional circuit
42 Zusatzwärmetauscher 42 additional heat exchangers
44 Abgabeabschnitt 44 tax section
46 Zusatz-Wärmenutzungsvorrichtung 48 Fördervorrichtung 46 Additional heat utilization device 48 Conveying device
50 Sauggebläse 50 suction fans
100 Brennstoffzellensystem 110 Brennstoffzellenstapel 120 Anodenabschnitt 100 fuel cell system 110 fuel cell stack 120 anode section
122 Anodenzuführabschnitt 124 Anodenabführabschnitt 130 Kathodenabschnitt 122 anode supply section 124 anode discharge section 130 cathode section
132 Kathodenzuführabschnitt 134 Kathodenabführabschnitt 140 Prozessgasabschnitt 132 cathode supply section 134 cathode discharge section 140 process gas section
200 MWärmenutzungsvorrichtung 200 M heat utilization device
A Abgas A exhaust
P Prozessgas P process gas
KF Kopplungsfluid ZF Zusatzfluid KF coupling fluid ZF additional fluid
WB Wärmebedarf WP Wärmeproduktion WB heat demand WP heat production
RT Rücklauftemperatur RT return temperature
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