DE10133733B4 - Cogeneration system - Google Patents

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Abstract

Kraft-Wärme-Kopplungssystem mit einer Brennstoffzelle, die elektrische Energie und ein warmes Offgas erzeugt, wobei die Brennstoffzelle (1) mit einem einen ersten Wärmetauscher (12) und einen zweiten Wärmetauscher (13) aufweisenden Wärmepumpenkreis (B) über Leitungen (25, 26) gekoppelt ist, dadurch gekennzeichnet, dass dem als Verdampfer dienenden Wärmetauscher (12) oder einem Nutzkreis (21) Abwärme der Brennstoffzelle (1) zu deren Kühlung zugeführt wird, und dass der als Verdampfer dienende Wärmetauscher (12) den Nutzkreis (21) kühlt.Cogeneration system with a fuel cell, the electrical energy and a warm one Offgas generated, wherein the fuel cell (1) with a first heat exchangers (12) and a second heat exchanger (13) having heat pump circuit (B) via lines (25, 26) is coupled, characterized in that as the evaporator serving heat exchanger (12) or a Nutzkreis (21) waste heat of the fuel cell (1) for their cooling supplied is, and that serving as an evaporator heat exchanger (12) the Nutzkreis (21) cools.

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Description

Die Erfindung betrifft ein Kraft-Wärme-Kopplungssystem mit einer Brennstoffzelle, die elektrische Energie und ein warmes Offgas erzeugt.The The invention relates to a combined heat and power system with a fuel cell, the electrical energy and a warm one Offgas generated.

Ein derartiges System dient der Gewinnung von elektrischem Strom und von Wärme für einen Nutzkreis.One Such system is for the production of electricity and of heat for a circle of use.

In der DE 198 54 035 A1 ist eine derartige Heizeinrichtung beschrieben. Ein Verbrennungsgerät beheizt einen Wärmetauscher, der ein Heizmedium erwärmt. Warmes Offgas der Brennstoffzelle wird teils dem Brenner des Verbrennungsgeräts und teils dem Wärmetauscher zugeführt. Ein Dampfreformer wird mit Wasserdampf und Erdgas gespeist und liefert wasserstoffhaltiges Gas an die Brennstoffzelle. Im Sommerbetrieb muss die Brennstoffzelle gekühlt werden, um sie vor Überhitzung zu schützen. Diesbezügliche Maßnahmen sind in der DE 198 54 035 A1 nicht angegeben.In the DE 198 54 035 A1 such a heating device is described. A combustion device heats a heat exchanger that heats a heating medium. Warm offgas of the fuel cell is fed partly to the burner of the combustion device and partly to the heat exchanger. A steam reformer is fed with water vapor and natural gas and supplies hydrogen-containing gas to the fuel cell. In summer operation, the fuel cell must be cooled to protect it from overheating. Related measures are in the DE 198 54 035 A1 not specified.

In der DE 197 02 903 A1 ist eine Klimaanlage mit einer Wärmepumpe beschrieben. Die Wärmepumpe ist zur Umschaltung von Heizbetrieb auf Kühlbetrieb umschaltbar. Es ist davon ausgegangen, dass der Verdichter aus einem elektrischen Netz gespeist wird.In the DE 197 02 903 A1 is an air conditioning system with a heat pump described. The heat pump can be switched over to switch from heating mode to cooling mode. It is assumed that the compressor is powered by an electrical network.

Aus der US 4 574 112 ist ein Kühlsystem für eine Brennstoffzelle bekannt.From the US 4 574 112 a cooling system for a fuel cell is known.

Aus der DE 199 11 018 C1 ist ein Hilfstriebwerk für ein Luftfahrzeug bekannt, wobei eine Gasturbine mit einer Brennkammer, einem Verdichter und einer Turbine vorgesehen ist. Ein mit der Turbine gekoppelter Kompressor erzeugt Druckluft für eine Brennstoffzelle. Offgas der Brennstoffzelle wird der Brennkammer zugeführt.From the DE 199 11 018 C1 is an auxiliary engine for an aircraft known, wherein a gas turbine is provided with a combustion chamber, a compressor and a turbine. A compressor coupled to the turbine generates compressed air for a fuel cell. Offgas of the fuel cell is supplied to the combustion chamber.

Ein mit einer Brennstoffzelle angetriebenes elektrisches Fahrzeug ist in der DE 100 26 268 A1 beschrieben. Die DE 199 28 102 A1 beschreibt ein Fahrzeug mit einem Antriebs-Verbrennungsmotor und mit einem Brennstoffzellensystem zur Stromversorgung elektrischer Verbraucher des Fahrzeugs.An electric vehicle powered by a fuel cell is in the DE 100 26 268 A1 described. The DE 199 28 102 A1 describes a vehicle with a drive internal combustion engine and with a fuel cell system for powering electrical consumers of the vehicle.

Aus der DE 100 02 942 A1 ist eine Heizungsanlage bekannt, bei der zur Ausnutzung der Wärme einer Brennstoffzellen-Anordnung die Wärmequelle durch den Kondensator einer Wärmepumpe gebildet ist, deren Verdampfer von einer Brennstoffzellen-Anordnung beaufschlagt ist. Dabei ist der Verdampfer im Bereich des Protonen-Austausch-Membran-Brennstoffzellenstapels angeordnet und kühlt diesen. In einer anderen Ausführungsform ist der Verdampfer im Bereich eines Abgasrohres, in das ein katalytischer Nachbrenner eingefügt ist, angeordnet.From the DE 100 02 942 A1 a heating system is known, in which the heat source is formed by the condenser of a heat pump, the evaporator is acted upon by a fuel cell assembly to utilize the heat of a fuel cell assembly. In this case, the evaporator is arranged in the region of the proton exchange membrane fuel cell stack and cools it. In another embodiment, the evaporator in the region of an exhaust pipe, in which a catalytic afterburner is inserted, arranged.

Aus der DE 197 02 903 ist eine Klimaanlage mit einer Wärmepumpe bekannt, bei der der Kältemittelkreis der Wärmepumpe umgeschaltet werden kann. Hiermit wird die Strömungsrichtung des Kältemittels im Hauptwärmetauscher, im Expansionsventil und im Luft-Kältemittel-Wärmetauscher umgekehrt.From the DE 197 02 903 An air conditioning system with a heat pump is known in which the refrigerant circuit of the heat pump can be switched. This reverses the flow direction of the refrigerant in the main heat exchanger, in the expansion valve and in the air-refrigerant heat exchanger.

Bei üblichen Hausenergiezentralen, die elektrische Energie und Wärme mit einer Brennstoffzelle dezentral erzeugen, wird ein zusätzlicher Gas- oder Öl-Wärmeerzeuger benötigt, um den Spitzenwärmebedarf zu decken. Während der Heizperiode besteht eine gewisse Gleichzeitigkeit der Wärmenachfrage und der Elektrizitätsnachfrage. Außerhalb der Heizperiode ist der Anteil für die Brauchwasserbereitung im Altbaubestand weniger als 5%, bei Neubaustandard etwa 10% des Jahresheizwärmebedarfs. Der Ausnutzungsgrad ist also – abhängig vom Baustandard – gering. Außerdem ist beim stromgeführten Sommerbetrieb, wenn die Brennstoffzelle im wesentlichen der Erzeugung elektrischer Energie dient, nachteilig, dass die Abwärme der Brennstoffzelle über eine zusätzliche Wärmesenke vernichtet werden muss. Dies ist unwirtschaftlich.At usual Home power centers that use electrical energy and heat decentralized generation of a fuel cell will be an additional Gas or oil heat generator needed for the peak heat requirement cover up. While the heating season there is a certain simultaneity of heat demand and the electricity demand. Outside the heating season is the proportion for the service water in the old building less than 5%, with new construction standard about 10% of the annual heating demand. The degree of utilization is thus - depending on Construction standard - low. Furthermore is at the current summer operation, when the fuel cell is essentially the generation of electrical Energy is, disadvantageous, that the waste heat of the fuel cell over a additional heat sink must be destroyed. This is uneconomical.

Aufgabe der Erfindung ist es, die Wirtschaftlichkeit eines Kraft-Wärme-Kopplungssystems der eingangs genannten Art zu verbessern.task The invention is the economics of a cogeneration system to improve the type mentioned.

Die vorliegende Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche erfüllt. Demgemäß ist ein Kraft-Wärme-Kopplungssystem mit einer Brennstoffzelle dadurch gekennzeichnet, dass dem als Verdampfer dienenden Wärmetauscher oder einem Nutzkreis Abwärme der Brennstoffzelle zu deren Kühlung zugeführt wird, und dass der als Verdampfer dienende Wärmetauscher den Nutzkreis kühlt, oder dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeenergie der Brennstoffzelle oder des Offgases der Brennstoffzelle dem Verdampfer zugeführt wird, wobei der Verflüssiger einen Nutzkreis beheizt oder dessen Abwärme der Brennstoffzelle dem Nutzkreis zugeführt wird, um die Brennstoffzelle zu kühlen, wobei die Brennstoffzelle eine in ein Kraftfahrzeug für dessen Betrieb eingebaute Brennstoffzelle ist und die Wärmepumpe bei oder in einem Haus oder in einem Kraftfahrzeug eingebaut ist, und dass lösbare Kupplungselemente vorgesehen sind, über die elektrische Energie und/oder thermische Energie der Brennstoffzelle auf die Wärmepumpe oder das Haus übertragbar ist.The The present object is achieved by the features of the independent claims. Accordingly, a Cogeneration system with a fuel cell, characterized in that as the evaporator serving heat exchanger or a Nutzkreis waste heat the fuel cell for their cooling supplied is, and that serving as an evaporator heat exchanger cools the Nutzkreis, or characterized in that the heat energy of the fuel cell or the off-gas of the fuel cell is supplied to the evaporator, the liquefier heated a Nutzkreis or its waste heat of the fuel cell the Supplied to the starting circuit is to cool the fuel cell, the fuel cell one in a motor vehicle for whose operation is built-in fuel cell and the heat pump is installed in or in a house or in a motor vehicle, and that releasable Coupling elements are provided, via the electrical energy and / or thermal energy of the fuel cell to the heat pump or the house transferable is.

Durch die Kopplung der Brennstoffzelle mit der Wärmepumpe wird im Winterbetrieb (Heizperiode), wenn der Kältemittelkreislauf als Wärmepumpe arbeitet, die Wärmeenergie zur Beheizung des Nutzkreises verwendet. Zusätzlich ist über die Wärmepumpe Umweltenergie zugeführt. Im Sommerbetrieb ist die Stromerzeugung mit der Brennstoffzelle dadurch uneingeschränkt möglich, dass der Kältekreis der Wärmepumpe invertiert ist und für die Rückkühlung in der Brennstoffzelle nutzbar gemacht ist. Der Rest der Kälteleistung kann für weitere Zwecke bereitgestellt werden. Die gewonnene elektrische Energie der Brennstoffzelle ist in vorteilhafter Weise der Wärmepumpe direkt zugeleitet. Bei einer indirekten Wärmepumpen-Stromversorgung speist die Brennstoffzelle den Strom ins Netz, an das der Verdichter der Wärmepumpe angeschlossen ist.By coupling the fuel cell with the heat pump is in winter operation (heating period), when the refrigerant circuit operates as a heat pump, the heat energy to heat the Nutz circle used. In addition, environmental energy is supplied via the heat pump. In summer mode, power generation with the fuel cell is possible without restriction because the refrigerant circuit of the heat pump is inverted and made usable for the re-cooling in the fuel cell. The rest of the cooling capacity can be provided for other purposes. The recovered electrical energy of the fuel cell is advantageously fed directly to the heat pump. In an indirect heat pump power supply, the fuel cell feeds the electricity into the grid, to which the compressor of the heat pump is connected.

Die in der Brennstoffzelle im Brennstoffzellenprozess entstehende Wärme führt einerseits zu einem warmen Offgas und andererseits zu einer Erhitzung des Brennstoffzellenstapels selbst. Damit die Temperatur des Brennstoffzellenstapels einen zulässigen Wert nicht übersteigt, muss sie gekühlt werden. Hierzu kann in der Heizperiode die Abwärme der Brennstoffzelle auf den Nutzkreis direkt oder indirekt über den Verdampfer übertragen werden.The Heat generated in the fuel cell in the fuel cell process leads on the one hand to a warm offgas and on the other hand to a heating of the fuel cell stack itself. So that the temperature of the fuel cell stack is a permissible value does not exceed it has to be cooled become. For this purpose, the waste heat of the fuel cell in the heating period transmit the user cycle directly or indirectly via the evaporator become.

Für den Sommerbetrieb lässt sich der Wärmepumpenkreis derart umschalten, dass der Verdampfer als Verflüssiger und der Verflüssiger als Verdampfer arbeiten, wobei der Kältemittelkreis den Nutzkreis kühlt.For the summer operation let yourself the heat pump cycle switch so that the evaporator as a condenser and the condenser as Evaporator work, the refrigerant circuit cools the user cycle.

Im Sommerbetrieb wird die Brennstoffzelle dadurch gekühlt, dass deren Abwärme dem Verdampfer bzw. dem Nutzkreis zugeführt wird. Im Sommerbetrieb kann das Offgas auf den Verflüssiger wirken oder so abgeleitet werden, dass es nicht auf den Verflüssiger wirkt. Die Wärmepumpe kann eine Absorptions- oder Kompressionswärmepumpe sein.in the Summer operation, the fuel cell is cooled by that their waste heat the evaporator or the Nutzkreis is supplied. In summer operation can the offgas on the liquefier act or be derived so that it does not affect the liquefier. The heat pump may be an absorption or compression heat pump.

Das beschriebene System hat verschiedene Vorteile:
Eine Hausenergiezentrale lässt sich mit geringem Primärenergiebedarf und hohem Nutzungsgrad im Sommer und im Winter betreiben, weil die Abwärme der Brennstoffzelle auch außerhalb der Heizperiode weitgehend vollständig nutzbar ist. Außerhalb der Heizperiode wird die Kältemaschine (umschaltbare Wärmepumpe) zur Kühlung der Brennstoffzelle und des Gebäudes verwendet.The system described has several advantages:
A domestic energy center can be operated with low primary energy demand and a high degree of utilization in summer and winter, because the waste heat of the fuel cell is largely completely usable even outside the heating season. Outside the heating season, the chiller (reversible heat pump) is used to cool the fuel cell and the building.

Bei geeigneter Dimensionierung der Wärme/Kälteleistung der Kältemaschine kann auf eine zusätzliche Gas-, Öl- oder elektrische Heizquelle verzichtet werden. Das beschriebene System deckt den gesamten Wärmebedarf für die Brauchwassererwärmung und die Raumheizung.at suitable dimensioning of the heat / cooling capacity the chiller can on an additional Gas, oil or electric heating source can be omitted. The described System covers the entire heat requirement for the Water heating and the space heating.

Außerdem wird bei Verwendung einer Wärmepumpe und einer Niedertemperatur-Brennstoffzelle deren vergleichsweise niedrige Offgastemperatur von etwa 50°C bis 75°C besser genutzt als beim Stand der Technik, da das Offgas bis unter die Kondensationstemperatur des Wasserdampfes abgekühlt wird.In addition, will when using a heat pump and a low-temperature fuel cell whose comparatively low off-gas temperature of about 50 ° C to 75 ° C better used than at the stand the technology because the offgas is below the condensation temperature cooled of the water vapor becomes.

Das beschriebene System ist für Gebäude oder Kraftfahrzeuge einsetzbar. Das beschriebene System kann auch so aufgebaut sein, dass eine in einem Kraftfahrzeug vorhandene Brennstoffzelle zusammen mit einer stationären Wärmepumpe eines Hauses verwendet wird, wobei entsprechende Kupplungselemente vorgesehen sind.The described system is for Building or Motor vehicles used. The described system can also do so be constructed that a present in a motor vehicle fuel cell along with a stationary one heat pump a house is used, with corresponding coupling elements are provided.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der folgenden Beschreibung. In der Zeichnung zeigen:Further advantageous embodiments of the invention will become apparent from the dependent claims and the following description. In the drawing show:

1 ein Blockschaltbild des Systems im Winterbetrieb, 1 a block diagram of the system in winter operation,

2 das Blockschaltbild des Systems im Sommerbetrieb, 2 the block diagram of the system in summer mode,

3 eine Alternative zu den 1 und 2, 3 an alternative to the 1 and 2 .

4 ein Leistungsdiagramm, 4 a performance diagram,

5 das System in einem Kraftfahrzeug schematisch und 5 the system in a motor vehicle schematically and

6 das System mit Brennstoffzelle in einem Kraftfahrzeug und stationärer Wärmepumpe. 6 the system with fuel cell in a motor vehicle and stationary heat pump.

Das System weist eine Brennstoffzellenstufe A, eine Wärme/Kälteprozessstufe B und eine Verbraucherstufe C auf. Die Stufen A und B bilden beispielsweise eine Hausenergiezentrale, wobei die Stufe C der Raumheizung oder Raumkühlung und/oder Brauchwassererwärmung dient. Die Stufen A, B und C können auch in einem Kraftfahrzeug installiert sein (vgl. 5). Es ist auch möglich, dass die Stufe A – ohne den Wandler 2 – Teil eines Kraftfahrzeugs ist und die Stufen B und C stationär in oder bei einem Haus angeordnet sind (vgl. 6).The system comprises a fuel cell stage A, a heat / cold process stage B and a consumer stage C. The steps A and B form, for example, a domestic energy center, wherein the stage C of space heating or room cooling and / or domestic water heating is used. The steps A, B and C can also be installed in a motor vehicle (see. 5 ). It is also possible that the stage A - without the converter 2 Is part of a motor vehicle and the stages B and C are stationary in or at a house are arranged (see. 6 ).

Die Stufe A umfasst eine Brennstoffzelle 1 und einen Gleichstrom/Wechselstromwandler 2. Der Brennstoffzelle 1 wird über eine Leitung 3 wasserstoffhaltiger Brennstoff und mittels eines nicht dargestellten Lüfters über eine Leitung 4 Luft zugeführt. Ein mittels einer Steuerklappe 5 steuerbarer Bypass 6 zur Brennstoffzelle 1 dient dazu, Luft dem unten näher beschriebenen Wärmetauscher als Umweltwärme zuzuleiten.Stage A includes a fuel cell 1 and a DC / AC converter 2 , The fuel cell 1 is over a line 3 hydrogen-containing fuel and by means of a fan, not shown, via a line 4 Supplied with air. One by means of a control flap 5 controllable bypass 6 to the fuel cell 1 serves to supply air to the heat exchanger described below as environmental heat.

Ein elektrischer Gleichstromausgang 7 der Brennstoffzelle 1 ist an den Wandler 2 und an den unten näher beschriebenen Verdichter der Stufe B gelegt. Eine Offgasleitung 8 führt aus der Brennstoffzelle 1 in den unten beschriebenen Wärmetauscher der Stufe B. Es kann ein steuerbarer oder schaltbarer Offgas-Auslass 9 vorgesehen sein, um das warme Offgas, insbesondere im Sommerbetrieb, nicht durch den als Verflüssiger arbeitenden Wärmetauscher zu leiten.An electrical DC output 7 the fuel cell 1 is to the converter 2 and at the un th described in detail closer to level B compressors. An offgas line 8th leads out of the fuel cell 1 in the below-described heat exchanger of stage B. It may be a controllable or switchable off-gas outlet 9 be provided to the hot offgas, especially in summer operation, not to be led by the working as a condenser heat exchanger.

Um den die Brennstoffzelle 1 bildenden Brennstoffzellenstapel zu kühlen, d.h. ihre Abwärme abzuleiten, ist ein Wärmetauscher 10 vorgesehen.To the fuel cell 1 Cooling forming fuel cell stack, ie to dissipate their heat, is a heat exchanger 10 intended.

Die Stufe B umfasst als Kältemaschine eine von Heizen auf Kühlen umschaltbare Wärmepumpe, die im Kältemittelkreis einen vom Gleichstrom der Brennstoffzelle 1 angetriebenen Verdichter 11, einen Wärmetauscher 12 und einen Wärmetauscher 13 aufweist. Der Wärmetauscher 12 arbeitet in der Heizperiode (Winterbetrieb) als Verflüssiger (vgl. 1) und im Sommerbetrieb als Verdampfer (vgl. 2). Der Wärmetauscher 13 arbeitet in der Heizperiode als Verdampfer (vgl. 1) und im Sommerbetrieb als Verflüssiger (vgl. 2). Zur Umschaltung von Winterbetrieb auf Sommerbetrieb sind im Kältemittelkreis ein Paar von dem Verdichter 11 zugeordneten Schaltventilen 14, 15, insbesondere Magnetventilen, und ein Paar von Expansionsventilen 16, 17 sowie ein Paar von den Expansionsventilen 16, 17 zugeordneten Schaltventilen 18, 19 und ein umschaltbares Dreiwegeventil 20 vorgesehen. In den 1, 2 und 3 sind die Ventilsymbole in der Schließstellung ausgefüllt dargestellt. In den 1, 2 und 3 sind die jeweiligen Strömungsrichtungen des Kältemittels mit Pfeilen gezeigt.The stage B comprises as a chiller a switchable from heating to cooling heat pump in the refrigerant circuit one of the direct current of the fuel cell 1 driven compressor 11 , a heat exchanger 12 and a heat exchanger 13 having. The heat exchanger 12 works in the heating season (winter operation) as a condenser (cf. 1 ) and in summer operation as an evaporator (see. 2 ). The heat exchanger 13 works in the heating season as an evaporator (see. 1 ) and in summer as a liquefier (cf. 2 ). To switch from winter operation to summer operation are in the refrigerant circuit a pair of the compressor 11 associated switching valves 14 . 15 , in particular solenoid valves, and a pair of expansion valves 16 . 17 as well as a pair of the expansion valves 16 . 17 associated switching valves 18 . 19 and a reversible three-way valve 20 intended. In the 1 . 2 and 3 the valve symbols are shown filled in the closed position. In the 1 . 2 and 3 the respective directions of flow of the refrigerant are shown with arrows.

Die Verbrauchsstufe C weist einen Nutzkreis 21, Heizkörper 22 bzw. Kühlkörper zur Raumklimatisierung und Brauchwasserbeheizung und eine Umwälzpumpe 23 auf. Der Nutzkreis 21 liegt am Wärmetauscher 12. Im Nutzkreis 21 ist ein steuerbares Dreiwegeventil 24 angeordnet, das über eine Leitung 25 mit dem Wärmetauscher 10 verbunden ist, welcher über eine Leitung 26 am Rücklauf 27 des Nutzkreises 21 liegt. Je nach der Stellung des Dreiwegeventils 24 fließt ein mehr oder weniger großer Teilstrom des Wärmeträgermediums, insbesondere Wasser, des Nutzkreises 21 durch den Wärmetauscher 10. Dadurch lässt sich die Brennstoffzelle 1 in gewünschter Weise kühlen und die Abwärme der Brennstoffzelle 1 auf den Nutzkreis 21 übertragen. Die Abwärme der Brennstoffzelle 1 ließe sich auch auf den Verdampfer 13 übertragen. Wegen des hohen Temperaturniveaus der Abwärme könnte es dabei jedoch zu einem Ansprechen eines Sicherheits-Hochdruckschalters des Wärmepumpenkreises kommen.The consumption level C has a use circle 21 , Radiator 22 or heat sink for room air conditioning and hot water heating and a circulation pump 23 on. The user circle 21 is located on the heat exchanger 12 , In the circle of use 21 is a controllable three-way valve 24 arranged, over a line 25 with the heat exchanger 10 connected, which via a line 26 on the return 27 of the user circle 21 lies. Depending on the position of the three-way valve 24 flows a more or less large partial flow of the heat transfer medium, in particular water, the Nutzkreises 21 through the heat exchanger 10 , This allows the fuel cell 1 Cool in the desired manner and the waste heat of the fuel cell 1 on the Nutzkreis 21 transfer. The waste heat of the fuel cell 1 could also be on the evaporator 13 transfer. Due to the high temperature level of the waste heat, however, it could come to a response of a high-pressure safety switch of the heat pump cycle.

Das Temperaturniveau des den Verdampfer 13 beaufschlagenden Offgases lässt sich durch die Steuerklappe 5 annähernd konstant halten, indem dessen Offgas über den Bypass 6 mehr oder weniger Luft beigemischt wird.The temperature level of the evaporator 13 acting offgas can be through the control valve 5 keep it almost constant by passing its offgas through the bypass 6 more or less air is added.

Um eine Bereifung des Verdampfers 13 zu verhindern, wird bei in den Bereifungsbereich sinkender Umgebungstemperatur die Steuerklappe 5 so gesteuert, dass ein größerer Luftanteil durch die Brennstoffzelle 1 geführt wird als bei höherer Umgebungstemperatur.To get a tire of the evaporator 13 To prevent, is in the tire area falling ambient temperature, the control valve 5 so controlled that a larger proportion of air through the fuel cell 1 is performed as at higher ambient temperature.

Im Winterbetrieb (vgl. 1) und im Sommerbetrieb (Kühlbetrieb) wird die elektrische Energie der Brennstoffzelle 1 zum Antrieb des Verdichters 11 und über den Wandler 2 zur Einspeisung in eine Hausinstallation oder in ein Versorgungsnetz genutzt.In winter operation (cf. 1 ) and in summer mode (cooling mode), the electrical energy of the fuel cell 1 to drive the compressor 11 and over the converter 2 used for feeding into a domestic installation or in a supply network.

In einer weiteren Ausgestaltung arbeitet das Kraft-Wärme-Kopplungssystem netzunabhängig und versorgt sich selbst mit elektrischer Energie, wobei der Leistungsbedarf der Wärmepumpe in vorteilhafter Weise an das Leistungsvermögen der Brennstoffzelle 1 angepaßt ist. Der über den Eigenbedarf hinausgehende Stromanteil steht für weitere Anwendungen zur Verfügung.In a further embodiment, the combined heat and power system operates independently of the mains and supplies itself with electrical energy, wherein the power requirement of the heat pump in an advantageous manner to the performance of the fuel cell 1 is adapted. The portion of electricity beyond its own requirements is available for further applications.

Im Winterbetrieb wird die Wärmeenergie des Offgases dem Verdampfer 13 zugeführt und über den Wärmepumpenkreis 11, 14, 12, 16, 18 auf den Nutzkreis 21 übertragen. Die Abwärme der Brennstoffzelle 1 wird über die Leitung 25, den Wärmetauscher 10, die Leitung 25 und das Dreiwegeventil 24 auf den Nutzkreis 21 übertragen.In winter operation, the heat energy of the off-gas is the evaporator 13 supplied and via the heat pump circuit 11 . 14 . 12 . 16 . 18 on the Nutzkreis 21 transfer. The waste heat of the fuel cell 1 is over the line 25 , the heat exchanger 10 , The administration 25 and the three-way valve 24 on the Nutzkreis 21 transfer.

Im Sommerbetrieb (Kühlbetrieb, siehe 2) wird Wärmeenergie des Nutzkreises 21 über den umgeschalteten Kältemittelkreis 12, 15, 11, 20, 13, 19, 17 und den Verflüssiger 13 geführt. Das Offgas kann durch Öffnen des Auslasses 9 unter Umgehung des Verflüssigers 13 direkt in den Kamin 28 abgelassen werden. Abwärme der Brennstoffzelle 1 wird über den Wärmetauscher 10 und den Nutzkreis 21 abgeführt.In summer mode (cooling mode, see 2 ) becomes heat energy of the Nutzkreises 21 via the switched refrigerant circuit 12 . 15 . 11 . 20 . 13 . 19 . 17 and the liquefier 13 guided. The offgas can be opened by opening the outlet 9 bypassing the condenser 13 directly into the fireplace 28 be drained. Waste heat of the fuel cell 1 is via the heat exchanger 10 and the user circle 21 dissipated.

Beim Ausführungsbeispiel nach 3 ist der Wärmetauscher 13 in die Brennstoffzelle 1 integriert. Er ist in 3 nicht dargestellt. Vorzugsweise ist ein zwei- oder mehrstufiger Wärmetauscher vorgesehen.According to the embodiment 3 is the heat exchanger 13 into the fuel cell 1 integrated. He is in 3 not shown. Preferably, a two-stage or multi-stage heat exchanger is provided.

Im Heizbetrieb wird die Wärme der Brennstoffzelle 1 über den Wärmetauscher (Verdampfer) auf das Kältemittel des Wärmepumpenkreises übertragen. An der Kathodenseite der Brennstoffzelle 1 entsteht Wasserdampf. Durch intensive Kühlung durch das Kältemittel kondensiert der Wasserdampf und es wird dessen Kondensationswärme frei und damit nutzbar – ähnlich wie dies bei einem Brennwertheizgerät der Fall ist. Das entstehende hochreine, kondensierte Wasser wird für eine gewünschte Befeuchtung der Brennstoffzelle 1 bzw. deren Zellenstapel verwendet, wofür eine zelleninterne Verteilung vorgesehen ist. Restwasser kann gesammelt und einem nicht näher dargestellten, an sich bekannten Dampfreformierungsprozess zugeführt werden, mit dem sich Brennstoff für die Brennstoffzelle 1 gewinnen lässt.In heating mode, the heat of the fuel cell 1 transferred via the heat exchanger (evaporator) to the refrigerant of the heat pump circuit. At the cathode side of the fuel cell 1 arises water vapor. By intensive cooling by the refrigerant condenses the water vapor and it is the heat of condensation free and thus usable - similar to a condensing boiler is the case. The resulting high-purity, condensed water is for a desired Humidification of the fuel cell 1 or their cell stack used, for which a cell-internal distribution is provided. Residual water can be collected and fed to a non-illustrated, known per se steam reforming process, with which fuel for the fuel cell 1 win.

Mit einem zweistufigen Wärmetauscher (Verdampfer) ist eine Überhitzung des Kältemittels außerhalb oder innerhalb der Brennstoffzelle 1 erreichbar. Die Verdampfung des Kältemittels kann durch Einstellen des Verhältnisses der der Kathode der Brennstoffzelle 1 zugeführten Luft 4 und der über den Bypass 6 (vgl. 1) zugeführten Luft gesteuert werden.With a two-stage heat exchanger (evaporator) is overheating of the refrigerant outside or inside the fuel cell 1 reachable. The evaporation of the refrigerant can be done by adjusting the ratio of the cathode of the fuel cell 1 supplied air 4 and the over the bypass 6 (see. 1 ) controlled air.

Im Kühlbetrieb (Sommerbetrieb) – nach Umkehr des Wärmepumpenprozesses – ist ein Kühlluftstrom durch den Wärmetauscher 13 (Verflüssiger im Kühlbetrieb) erforderlich. Dieser lässt sich durch eine Erhöhung des Kathodenluftstroms 4 oder bei einem zweistufigen Wärmetauscher durch Veränderung der den Bypass durchströmenden Luftmenge erreichen.In cooling mode (summer mode) - after reversing the heat pump process - there is a cooling air flow through the heat exchanger 13 (Condenser in cooling mode) required. This can be achieved by increasing the cathode air flow 4 or in a two-stage heat exchanger by changing the amount of air flowing through the bypass.

Der Wärmetauscher 10 dient hier speziell der Kühlung der Brennstoffzelle 1. Die Kühlleistung der Wärmepumpe ist somit auch zur Kühlung der Brennstoffzelle 1 verwendet, da der Nutzkries im Sommerbetrieb als Kühlkreis arbeitet.The heat exchanger 10 is used here specifically for cooling the fuel cell 1 , The cooling capacity of the heat pump is thus also for cooling the fuel cell 1 used because the Nutzkries works in summer mode as a cooling circuit.

4 zeigt die Wärme/Kälteleistung der Wärmepumpe in Abhängigkeit von der Außentemperatur. Im Heizbetrieb verläuft die Wärmeleistung einer Wärmepumpe nach dem Stand der Technik etwa nach Kurve I. Dagegen verläuft die Wärmeleistung der mit einer Brennstoffzelle gekoppelten Wärmepumpe nach Kurve II. Ersichtlich ist die Wärmeleistung nach Kurve II wesentlich höher als die nach Kurve I. 4 shows the heat / cooling capacity of the heat pump as a function of the outside temperature. In heating mode, the heat output of a heat pump according to the prior art proceeds approximately to curve I. In contrast, the heat output of coupled with a fuel cell heat pump according to curve II. It is apparent that the heat output according to curve II is much higher than that according to curve I.

Die 5 zeigt das beschriebene System in einem Kraftfahrzeug. Die elektrische Energie e der Brennstoffzelle 1 treibt neben anderen Aggregaten des Kraftfahrzeugs den Verdichter 11 der Stufe B an. Die Abwärme a der Brennstoffzelle 1 wird dem Verdampfer (Heizbetrieb) der Stufe B zugeführt. Sie kann jedoch auch direkt der Verbrauchsstufe C zugeführt werden. Die Verbrauchsstufe C ist von einem Wärmetauscher 29 für die Heizung und einem Wärmetauscher 30 für die Kühlung gebildet. Die Wärmetauscher 29, 20 sind wie oben beschrieben an die Stufe B angeschlossen.The 5 shows the described system in a motor vehicle. The electrical energy e of the fuel cell 1 drives the compressor in addition to other units of the motor vehicle 11 to level B The waste heat a of the fuel cell 1 is supplied to the evaporator (heating operation) of the stage B. However, it can also be supplied directly to the consumption level C. Consumption level C is from a heat exchanger 29 for heating and a heat exchanger 30 formed for cooling. The heat exchangers 29 . 20 are connected to stage B as described above.

Im Sommerbetrieb oder im Bedarfsfall dient die von der Brennstoffzelle 1 teilweise oder ganz an die Wärmepumpe abgegebene Energie zur Kühlung des Fahrzeuginnenraums und/oder zur Kühlung der Brennstoffzelle 1.In summer mode or when needed, it is used by the fuel cell 1 Partially or completely delivered to the heat pump energy for cooling the vehicle interior and / or for cooling the fuel cell 1 ,

Das Offgas der Brennstoffzelle 1 wird ausgelassen und über einen Wärmetauscher 31 geführt, der im Heizbetrieb mit dem Wärmetauscher 29 verbindbar ist.The offgas of the fuel cell 1 is discharged and via a heat exchanger 31 led, in heating mode with the heat exchanger 29 is connectable.

Bei der Ausführung nach 6 ist die Brennstoffzelle 1 Teil eines Kraftfahrzeugs K und die Stufen B und C sind stationär bei und in einem Haus H angeordnet. Die Wärmepumpe B bezieht Wärme beispielsweise aus Umgebungsluft oder aus dem Erdreich.In the execution after 6 is the fuel cell 1 Part of a motor vehicle K and the steps B and C are stationary at and arranged in a house H. The heat pump B draws heat, for example, from ambient air or from the ground.

Zwischen der Brennstoffzelle 1 und der Wärmepumpe sind lösbare Kupplungselemente 32, 33 vorgesehen.Between the fuel cell 1 and the heat pump are releasable coupling elements 32 . 33 intended.

Die Brennstoffzelle 1 des Fahrzeugs K dient dem Betrieb des Fahrzeugs. Wird das Fahrzeug K abgestellt, dann werden die Kupplungselemente 32, 33 geschlossen und elektrische Energie der Brennstoffzelle 1 wird auf den Verdichter der Wärmepumpe B und auf die elektrische Installation E des Gebäudes übertragen und/oder in ein Versorgungsnetz N eingespeist. Über das Kupplungselement 33 wird die thermische Energie der Brennstoffzelle 1 in die Stufe B und die Stufe C eingespeist. Dabei kann die Abwärme der Brennstoffzelle 1 und/oder die Wärmeenergie des Offgases wie oben beschrieben genutzt werden.The fuel cell 1 of the vehicle K is used to operate the vehicle. If the vehicle K is turned off, then the coupling elements 32 . 33 closed and electrical energy of the fuel cell 1 is transmitted to the compressor of the heat pump B and to the electrical installation E of the building and / or fed into a supply network N. About the coupling element 33 becomes the thermal energy of the fuel cell 1 fed to the stage B and the stage C. In this case, the waste heat of the fuel cell 1 and / or the heat energy of the off-gas used as described above.

Eine weitere Ausführung kann darin bestehen, dass die Brennstoffzelle 1 und die Wärmepumpenstufe B in einem Kraftfahrzeug installiert ist (vgl. 5). Mittels Kupplungselementen zwischen dem Fahrzeug K und dem Haus H wird die elektrische Energie der Brennstoffzelle 1 auf die elektrische Installation des Hauses übertragen. Zusätzlich oder stattdessen wird die Wärmeleistung oder Kühlleistung der Wärmepumpe des Kraftfahrzeugs auf das Haus übertragen.Another embodiment may be that the fuel cell 1 and the heat pump stage B is installed in a motor vehicle (see. 5 ). By means of coupling elements between the vehicle K and the house H, the electrical energy of the fuel cell 1 transferred to the electrical installation of the house. Additionally or instead, the heat output or cooling capacity of the heat pump of the motor vehicle is transmitted to the house.

Claims (15)

Kraft-Wärme-Kopplungssystem mit einer Brennstoffzelle, die elektrische Energie und ein warmes Offgas erzeugt, wobei die Brennstoffzelle (1) mit einem einen ersten Wärmetauscher (12) und einen zweiten Wärmetauscher (13) aufweisenden Wärmepumpenkreis (B) über Leitungen (25, 26) gekoppelt ist, dadurch gekennzeichnet, dass dem als Verdampfer dienenden Wärmetauscher (12) oder einem Nutzkreis (21) Abwärme der Brennstoffzelle (1) zu deren Kühlung zugeführt wird, und dass der als Verdampfer dienende Wärmetauscher (12) den Nutzkreis (21) kühlt.Combined heat and power system with a fuel cell that generates electrical energy and a warm off-gas, the fuel cell ( 1 ) with a first heat exchanger ( 12 ) and a second heat exchanger ( 13 ) having heat pump circuit (B) via lines ( 25 . 26 ), characterized in that the heat exchanger serving as evaporator ( 12 ) or a user circle ( 21 ) Waste heat of the fuel cell ( 1 ) is supplied to the cooling, and that serving as an evaporator heat exchanger ( 12 ) the user circle ( 21 ) cools. Kraft-Wärme-Kopplungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeenergie der Brennstoffzelle (1) oder des Offgases der Brennstoffzelle (1) dem Verdampfer (13) zugeführt wird, wobei der Verflüssiger (12) einen Nutzkreis (21) beheizt, oder dass Abwärme der Brennstoffzelle (1) dem Nutzkreis (21) zugeführt wird, um die Brennstoffzelle (1) zu kühlen.Cogeneration system according to claim 1, characterized in that the heat energy of the fuel cell ( 1 ) or the off-gas of the fuel cell ( 1 ) the evaporator ( 13 ), wherein the liquefier ( 12 ) a user circle ( 21 ) heated, or that waste heat of the fuel cell ( 1 ) the user circle ( 21 ) is supplied to the fuel cell ( 1 ) to cool. Kraft-Wärme-Kopplungssystem nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Energie der Brennstoffzelle (1) einen Verdichter (11) des Wärmepumpenkreises (B) antreibt.Cogeneration system according to claim 1, 2 or 3, characterized in that the electrical energy of the fuel cell ( 1 ) a compressor ( 11 ) of the heat pump circuit (B) drives. Kraft-Wärme-Kopplungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 oder 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmepumpenkreis (B) derart umschaltbar ist, dass die Wärmetauscher (12, 13) je nach Betriebsart als Verflüssiger bzw. als Verdampfer arbeiten.Combined heat and power system according to one of the preceding claims 1 or 2 and 3, characterized in that the heat pump cycle (B) is switchable in such a way that the heat exchangers ( 12 . 13 ) depending on the operating mode as a condenser or as an evaporator. Kraft-Wärme-Kopplungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Dreiwegeventil (24) vorgesehen ist, über das Wärmeträgermedium des Nutzkreises (21) Abwärme der Brennstoffzelle (1) dem Nutzkreis (21) zuführt.Cogeneration system according to one of the preceding claims, characterized in that a three-way valve ( 24 ) is provided, via the heat transfer medium of the Nutzkreises ( 21 ) Waste heat of the fuel cell ( 1 ) the user circle ( 21 ) feeds. Kraft-Wärme-Kopplungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es vom Gleichstrom der Brennstoffzelle (1) versorgt ist.Cogeneration system according to one of the preceding claims, characterized in that it depends on the direct current of the fuel cell ( 1 ) is supplied. Kraft-Wärme-Kopplungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Energie der Brennstoffzelle (1) über einen Wandler (2) zusätzlich zu einer Energieversorgung eines Gebäudes eingesetzt und/oder in ein elektrisches Versorgungsnetz eingespeist ist.Cogeneration system according to one of the preceding claims, characterized in that the electrical energy of the fuel cell ( 1 ) via a transducer ( 2 ) is used in addition to a power supply of a building and / or fed into an electrical supply network. Kraft-Wärme-Kopplungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzelle (1) eine Niedertemperatur-Brennstoffzelle ist.Cogeneration system according to one of the preceding claims, characterized in that the fuel cell ( 1 ) is a low-temperature fuel cell. Kraft-Wärme-Kopplungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein mittels einer Steuerklappe (5) steuerbarer Bypass (6) zu einer Luftstrecke der Brennstoffzelle (1) vorgesehen ist.Cogeneration system according to one of the preceding claims, characterized in that a means of a control flap ( 5 ) controllable bypass ( 6 ) to an air gap of the fuel cell ( 1 ) is provided. Kraft-Wärme-Kopplungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher (13) in die Brennstoffzelle (1) eingebaut ist.Combined heat and power system according to one of the preceding claims, characterized in that the heat exchanger ( 13 ) into the fuel cell ( 1 ) is installed. Kraft-Wärme-Kopplungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzelle (1) eine in ein Kraftfahrzeug für dessen Betrieb eingebaute Brennstoffzelle ist und der Wärmepumpenkreis (B) bei oder in einem Haus (H) ortsfest installiert ist und dass lösbare Kupplungselemente (32. 33) vorgesehen sind, über die elektrische Energie und thermische Energie der Brennstoffzelle (1) auf den Wärmepumpenkreis (B) übertragbar ist.Cogeneration system according to one of the preceding claims, characterized in that the fuel cell ( 1 ) is a fuel cell installed in a motor vehicle for its operation and the heat pump circuit (B) is installed in a stationary manner in or in a house (H) and that releasable coupling elements ( 32 , 33 ) are provided, via the electrical energy and thermal energy of the fuel cell ( 1 ) is transferable to the heat pump cycle (B). Kraft-Wärme-Kopplungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzelle (1) und der Wärmepumpenkreis (B) in ein Kraftfahrzeug eingebaut sind, um dieses mit elektrischer Energie zu versorgen und dessen Innenraum zu heizen und/oder zu kühlen.Combined heat and power system according to one of the preceding claims 1 to 11, characterized in that the fuel cell ( 1 ) and the heat pump circuit (B) are installed in a motor vehicle in order to provide it with electrical energy and to heat and / or to cool the interior thereof. Kraft-Wärme-Kopplungssystem nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass Kupplungselemente vorgesehen sind, mit denen die elektrische Energie der Brennstoffzelle in die elektrische Installation eines Hauses und/oder die Wärme- oder Kühlleistung der Wärmepumpe auf das Haus übertragbar ist.Cogeneration system according to claim 13, characterized in that coupling elements are provided, with which the electrical energy of the fuel cell in the electrical installation of a house and / or the heat or cooling capacity the heat pump transferable to the house is. Kraft-Wärme-Kopplungssystem mit einer Brennstoffzelle, die elektrische Energie und ein warmes Offgas erzeugt, wobei die Brennstoffzelle mit einem einen Verdampfer (13) und einen Verflüssiger (12) aufweisenden Wärmepumpenkreis (B) gekoppelt ist, wobei die Wärmeenergie der Brennstoffzelle (1) oder des Offgases der Brennstoffzelle (1) dem Verdampfer (13) zugeführt wird, wobei der Verflüssiger (12) einen Nutzkreis (21) beheizt oder dessen Abwärme der Brennstoffzelle (1) dem Nutzkreis (21) zugeführt wird, um die Brennstoffzelle (1) zu kühlen, wobei die Brennstoffzelle (1) eine in ein Kraftfahrzeug für dessen Betrieb eingebaute Brennstoffzelle ist und der Wärmepumpenkreis (B) bei oder in einem Haus oder in einem Kraftfahrzeug eingebaut ist, und dass lösbare Kupplungselemente (32, 33) vorgesehen sind, über die elektrische Energie und/oder thermische Energie der Brennstoffzelle auf die Wärmepumpe oder das Haus übertragbar ist.Combined heat and power system with a fuel cell that generates electrical energy and a warm off-gas, wherein the fuel cell is equipped with an evaporator ( 13 ) and a liquefier ( 12 ) having heat pump circuit (B) is coupled, wherein the heat energy of the fuel cell ( 1 ) or the off-gas of the fuel cell ( 1 ) the evaporator ( 13 ), wherein the liquefier ( 12 ) a user circle ( 21 ) or the waste heat of the fuel cell ( 1 ) the user circle ( 21 ) is supplied to the fuel cell ( 1 ), the fuel cell ( 1 ) is a fuel cell built into a motor vehicle for its operation and the heat pump circuit (B) is installed in or in a house or in a motor vehicle, and that releasable coupling elements ( 32 . 33 ) are provided, via the electrical energy and / or thermal energy of the fuel cell to the heat pump or the house is transferable. Kraft-Wärme-Kopplungssystem nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzelle (1) und der Wärmepumpenkreis (B) in Kraftfahrzeug eingebaut sind, um dieses mit elektrischer Energie zu versorgen und dessen Innenraum zu heizen und/oder zu kühlen.Cogeneration system according to claim 14, characterized in that the fuel cell ( 1 ) and the heat pump circuit (B) are installed in motor vehicle to provide it with electrical energy and to heat and / or cool the interior thereof.
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