Die vorliegende Erfindung betrifft eine Wärmekopplungsvorrichtung für ein Brenn stoffzellensystem, ein Brennstoffzellensystem mit einer solchen Wärmekopplungs vorrichtung sowie ein Verfahren für eine Kopplung der Nutzung einer Stromproduk tion und einer Wärmeproduktion eines Brennstoffzellensystems.

Es ist bekannt, dass Brennstoffzellensysteme eingesetzt werden, um in einer statio nären Betriebssituation Strom zu produzieren. Dabei wird beispielsweise eine soge nannte SOFC-Brennstoffzelle verwendet, die beim Betrieb sehr hohe Temperaturen mit sich bringt. Die Betriebstemperatur einer SOFC-Brennstoffzelle im stationären Betrieb liegt beispielsweise im Bereich von circa 500 °C bis 1000 °C. Auch ist es be kannt, dass die heißen Abgase, welche ein solches Brennstoffzellensystem verlas sen, zum Teil zur Vorwärmung von Prozessgasen, insbesondere dem Anodenzuführ- gas und/oder dem Kathodenzuführgas, verwendet werden. Trotzdem verbleibt noch eine Restmenge an Wärme in dem Abgas des Brennstoffzellensystems, welche häu fig an die Umgebung abgegeben wird.

Weiter ist es bekannt, dass elektrische Maschinen und Stromerzeuger eine soge nannte Kraftwärmekopplung aufweisen können. Hierfür werden Vorrichtungen, wie beispielsweise Gaskraftwerke, eingesetzt, um Strom zu produzieren. Die dabei eben falls entstehende Wärme wird über eine Wärmekopplungsvorrichtung einer Wärme nutzungsvorrichtung, beispielsweise in Form eines Fernwärmenetzes, zur Verfügung gestellt. Eine solche Kraft-Wärme-Kopplung ist grundsätzlich auch für den Einsatz bei Brennstoffzellensystemen bekannt.

Nachteilhaft bei den bekannten Lösungen ist es, dass bei einer Kopplung einer Strom Produktion und einer Wärmeproduktion, diese beiden Ziele miteinander in Kon flikt stehen. So ist die Regelung des Gesamtsystems entweder stromgeführt oder aber wärmegeführt. Das bedeutet, dass entweder der Wärmebedarf erfüllt wird und die Stromproduktion das Ergebnis des aktuellen Wärmebedarfs ist oder umgekehrt. Unter einer stromgeführten Regelung ist im Gegensatz dazu zu verstehen, dass eine vorgegebene Menge an Strom produziert wird und die aktuelle Wärmeproduktion dem Strom bedarf folgt. Somit sind Wärmebedarf und Strombedarf immer miteinander gekoppelt und insbe sondere nicht separat voneinander kontrollierbar. Dies führt zu relativ aufwendigen Kontrollmechanismen und insbesondere zu einer sehr geringen Kontrollvariabilität für die Wärmenutzung in einer stromgeführten Kontrollsituation oder die Stromnutzung in einer wärmegeführten Kontrollsituation.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die voranstehend beschriebenen Nach teile zumindest teilweise zu beheben. Insbesondere ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, in kostengünstiger und einfacher Weise eine Wärmekopplung zur Verfü gung zu stellen, die eine Entkopplung der Strom Produktion von der Wärmeproduktion zumindest teilweise zur Verfügung stellt.

Die voranstehende Aufgabe wird gelöst, durch eine Wärmekopplungsvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 , ein Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen des Anspruchs 10 und ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 12. Weitere Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Be schreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zu sammenhang mit der erfindungsgemäßen Wärmekopplungsvorrichtung beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem sowie dem erfindungsgemäßen Verfahren und jeweils umge kehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird beziehungsweise werden kann.

Erfindungsgemäß dient eine Wärmekopplungsvorrichtung für ein Brennstoffzellen system zur Kopplung der Nutzung einer Stromproduktion und einer Wärmeproduk tion des Brennstoffzellensystems. Hierfür weist die Wärmekopplungsvorrichtung ei nen Abgasabschnitt für ein Führen von heißem Abgas des Brennstoffzellensystems auf. Weiter ist ein Kopplungskreislauf zum Führen eines Kopplungsfluids zu einer Wärmenutzungsvorrichtung vorgesehen. Der Kopplungskreislauf ist mit einem Kopp lungswärmetauscher ausgestattet, dessen heiße Seite im Abgasabschnitt angeord net ist, zur Übertragung von Wärme vom heißen Abgas auf das Kopplungsfluid. Wei ter ist in der Wärmekopplungsvorrichtung ein Zusatzkreislauf vorgesehen, zum Füh ren eines Zusatzfluids. Der Zusatzkreislauf weist einen Abgabeabschnitt für eine Ab gabe von Wärme aus dem Zusatzfluid an die Umgebung sowie einen Zusatzwärmetauscher auf, dessen heiße Seite im Abgasabschnitt angeordnet ist, zur Übertragung von Wärme vom heißen Abgas auf das Zusatzfluid.

Der erfindungsgemäße Kerngedanke beruht darauf, die Wärme, welche im heißen Abgas des Brennstoffzellensystems vorhanden ist, einer Wärmenutzungsvorrichtung zur Verfügung zu stellen. Dabei kann es sich beispielsweise um ein Fernwärmenetz handeln oder aber um ein Heizungssystem eines Gebäudes oder einer Industriean lage. Die Wärme wird also nicht oder nur zum Teil an die Umgebung abgegeben, sondern vielmehr in der Wärmenutzungsvorrichtung nutzbar.

Um diese Wärmenutzung zu ermöglichen, muss die Wärme vom heißen Abgas auf das Kopplungsfluid des Kopplungskreislaufs übertragen werden. Hierfür ist der Kopp lungswärmetauscher im Abgasabschnitt angeordnet. Der Kopplungswärmetauscher kann beispielsweise als Plattenwärmetauscher ausgebildet sein. Die heiße Seite wird dabei direkt oder indirekt vom Abgasabschnitt gebildet, sodass heißes Abgas die heiße Seite des Kopplungswärmetauschers durchströmt. Die kalte Seite wird vom Kopplungsfluid durchströmt, sodass eine Wärmeübertragung vom heißen Abgas auf das kalte Kopplungsfluid stattfindet. Mit anderen Worten verlässt das Abgas den Kopplungswärmetauscher kühler, als es in diesen eintritt. Das Kopplungsfluid wird beim Durchströmen des Kopplungswärmetauschers erwärmt und kann auf diese Weise die aufgenommene Wärme an die Wärmenutzungsvorrichtung weiterführen. Das Kopplungsfluid ist insbesondere als Kopplungsflüssigkeit ausgebildet, beispiels weise in Form von Wasser, Thermoöl oder ähnlichem.

Um eine Entkopplung der Strom Produktion und der Wärmeproduktion zur Verfügung stellen zu können, ist nun zusätzlich noch ein Zusatzkreislauf vorgesehen. Der Zu satzkreislauf führt ebenfalls ein Zusatzfluid im Kreislauf, welches ähnlich wie das Kopplungsfluid beispielsweise ein Thermoöl, Wasser oder ein anderes Fluid, insbe sondere eine Flüssigkeit, sein kann, welches in der Lage ist, insbesondere mit hoher spezifischer Wärmekapazität, Wärme aufzunehmen und zu transportieren.

Der Zusatzkreislauf ist in der Lage, ebenfalls Wärme aus dem heißen Abgas im Ab gasabschnitt aufzunehmen, da der Zusatzwärmetauscher mit seiner heißen Seite ebenfalls im Abgasabschnitt angeordnet ist. Somit ist es möglich, dass heißes Abgas nicht nur den Kopplungswärmetauscher auf dessen heißer Seite, sondern auch die heiße Seite des Zusatzwärmetauschers durchströmt und auf diese Weise zumindest einen Teil der Wärme auch an das Zusatzfluid übergeben kann. Der Zusatzkreislauf ist dabei vorzugsweise nicht oder nur in geringer Weise für eine Nutzung der aufge nommenen Wärme ausgestattet. Vielmehr dient der Zusatzabschnitt dazu, sicherzu stellen, dass die Gesamtmenge an Wärme, welche vom Zusatzfluid und vom Kopp lungsfluid aufgenommen wird, zu einer maximalen Resttemperatur des Abgases führt, welche auch bei unterschiedlichen zu nutzenden Wärmemengen nicht über schritten wird.

Beispielsweise variiert die benötigte Wärme, also der Wärmebedarf, an der Wärme nutzungsvorrichtung. Befindet sich das Brennstoffzellensystem in einer stromgeführ ten Kontrollsituation, so kann auf diesen variierenden Wärmebedarf nicht eingegan gen werden. Vielmehr wird je nach Strombedarf und entsprechender stromführender Kontrolle eine daraus resultierende Menge an Wärme produziert. So kann es nun zu Situationen kommen, in welchen die aktuelle Wärmeproduktion den aktuellen Wär mebedarf deutlich übersteigt. Ohne den Zusatzkreislauf würde dies dazu führen, dass für die Erfüllung des notwendigen Wärmebedarfs eine entsprechend geringere Menge an Wärme aus dem heißen Abgas entzogen wird, wodurch das heiße Abgas eine erhöhte Resttemperatur beim Ausströmen in die Umgebung aufweisen würde.

Es ist nun häufig notwendig, das Abgas auf eine Maximaltemperatur zu kühlen, um die gesetzlichen Vorgaben beim Auslass an die Umgebung erfüllen zu können. Häu fig ist es darüber hinaus so, dass im weiteren Verlauf des Abgasabschnitts Kompo nenten des Brennstoffzellensystems angeordnet sind, die vor zu hohen Abgastempe raturen geschützt werden müssen. Ist beispielsweise die Förderung der Prozessgase durch das Brennstoffzellensystem in Unterdruckweise vorgesehen, so ist üblicher weise dem Kopplungswärmetauscher und dem Zusatzwärmetauscher nachgeordnet ein Sauggebläse angeordnet, welches diesen Unterdrück erzeugt. Ein solches Saug gebläse ist kostengünstig und einfach ausgestaltet und dementsprechend mit einem Temperaturgrenzwert versehen, welcher relativ niedrig liegt. Bei zu hohen Abgas temperaturen würde ein sehr hoher Verschleiß oder sogar ein Defekt eines solchen Sauggebläses die Folge sein. Alternativ müssten die Komponenten hitzeresistent ausgelegt werden, was wiederum zu höheren Kosten und mehr Komplexität führen würde.

Erfindungsgemäß ist es nun möglich, auch bei relativ geringem Wärmebedarf und deutlich höherer Wärmeproduktion, eine Temperaturgrenze für die Resttemperatur des Abgases einzuhalten. Dies wird dadurch möglich, dass die Differenz zwischen geringem Wärmebedarf und hoher Wärmeproduktion, also der produzierte Wärme überschuss, nun über den Zusatzkreislauf aus dem Abgas abgeführt werden kann. Somit sind verschiedene Betriebssituationen zu unterscheiden. Entspricht der aktu elle Wärmebedarf der Wärmenutzungsvorrichtung im Wesentlichen der aktuellen Wärmeproduktion des Brennstoffzellensystems, so kann der Zusatzkreislauf ausge schaltet bleiben und die Wärme im Wesentlichen vollständig vom heißen Abgas auf das Kopplungsfluid übertragen werden. Bei einem Missverhältnis mit hoher Wärme produktion und reduziertem Wärmebedarf, wird diese Differenz-Wärmemenge nicht an die Umgebung durch das heiße Abgas abgegeben, sondern vielmehr über den Zusatzwärmetauscher in das Zusatzfluid übertragen. Somit wird sichergestellt, dass in den beiden beschriebenen Betriebssituationen, insbesondere also auch bei redu ziertem Wärmebedarf bei hoher Wärmeproduktion, die Resttemperatur im Abgas niedrig, insbesondere identisch oder im Wesentlichen identisch, für alle Betriebssitu ationen bleibt. Neben der Erfüllung gesetzlicher Rahmenbedingungen führt dies ins besondere dazu, dass weitere Komponenten des Brennstoffzellensystems stromab wärts des Zusatzwärmetauschers und des Kopplungswärmetauschers kostengünsti ger ausgelegt sein können, da sie nicht einer hohen Temperatur widerstehen müs sen.

Wie aus der voranstehenden Erläuterung ersichtlich wird, sind nun die Wärmepro duktion und der Wärmebedarf voneinander entkoppelt. Das Brennstoffzellensystem kann stromgeführt betrieben werden und für den Fall, dass der Wärmebedarf unter die aktuelle Wärmeproduktion sinkt, kann über den Zusatzkreislauf die überschüs sige Wärme aus dem heißen Abgas entfernt werden. Dies führt zu der gewünschten Entkopplung und dementsprechend der variablen und flexiblen Kontrollweise der Wärmenutzungsvorrichtung und des Kopplungskreislaufes, auch dann, wenn das Brennstoffzellensystem in stromführender Weise kontrolliert wird.

Es ist noch darauf hinzuweisen, dass der Zusatzkühlkreislauf auch eigene Nutzungs möglichkeiten aufweisen kann. Die einfachste Möglichkeit besteht jedoch darin, dass über den Zusatzkreislauf, das Abgas gekühlt und die Wärme an die Umgebung ab gegeben wird. Die erfindungsgemäßen Vorteile der beschriebenen Entkopplung von Strom Produktion und Wärmeproduktion kommen insbesondere bei mit Unterdrück geführten Brennstoffzellensystemen zum Tragen, bei welchen eine Unterdruckfördervorrichtung stromabwärts der Wärmekopplungsvorrichtung im Ab gasabschnitt angeordnet ist. Auch ist noch darauf hinzuweisen, dass insbesondere der Kopplungskreislauf, nicht zwingend innerhalb der Wärmekopplungsvorrichtung einen geschlossenen Kreislauf aufweisen muss. Insbesondere ist es denkbar, dass kühles Kopplungsfluid aus einem großen Wärmekopplungskreislauf zur Verfügung gestellt wird und im kleinen Kopplungskreislauf der Wärmekopplungsvorrichtung in der beschriebenen Weise erwärmt wird. Jedoch ist es selbstverständlich auch denk bar, dass Vorlauf und Rücklauf als kleiner Kreislauf in dem Kopplungskreislauf mitei nander fluidkommunizierend verbunden sind.

Es kann Vorteile mit sich bringen, wenn bei einer erfindungsgemäßen Wärmekopp lungsvorrichtung im Abgasabschnitt stromabwärts des Kopplungswärmetauschers und stromabwärts des Zusatzwärmetauschers ein Sauggebläse für eine Unterdruck förderung des Abgases angeordnet ist. Grundsätzlich wird es durch die erfindungs gemäße Entkopplung möglich, sicherzustellen, dass die Resttemperatur beim Durch strömen des Abgasabschnitts für das Abgas eine definierte Grenztemperatur nicht überschreitet. Somit können Komponenten und dabei insbesondere eine Unterdruck fördervorrichtung in Form eines Sauggebläses vor zu hohen Temperaturen geschützt werden. Dies führt wiederum zu einer einfachen und kostengünstigen Ausgestaltung sowie entsprechend einfacher und kostengünstiger Materialwahl für ein solches Sauggebläse.

Vorteile bringt es weiter mit sich, wenn bei einer erfindungsgemäßen Wärmekopp lungsvorrichtung der Zusatzwärmetauscher stromaufwärts vor dem Kopplungswär metauscher im Abgasabschnitt angeordnet ist. Dieser erlaubt eine besonders flexible Kontrolle und basiert insbesondere auf einer Erfassung des aktuellen Wärmebedarfs in der Wärmenutzungsvorrichtung und der aktuellen Wärmeproduktion im Brennstoff zellensystem. Mit anderen Worten erfolgt eine Vorkühlung des heißen Abgases im Zusatzwärmetauscher bevor das auf diese Weise vorgekühlte Abgas den Kopplungs wärmetauscher erreicht. Dies hat unter anderem den Vorteil, dass der Zusatzwärme tauscher mit maximalem Temperaturgradienten zwischen heißem Abgas und kühlem Zusatzfluid durchströmt wird. Der Temperaturgradient und auch die daraus resultie rende Wärmeübergang werden auf diese Weise verstärkt, sodass einfach, schnell und kostengünstig die Wärme auf das Zusatzfluid übertragen werden kann. Auch ist es möglich, auf diese Weise ein einfacheres und/oder kostengünstigeres Wärmeträgerfluid als Zusatzfluid einzusetzen, da der Gradient und damit die Übertra gungstriebkraft für die Wärme größer ist.

Weitere Vorteile kann es mit sich bringen, wenn bei einer erfindungsgemäßen Wär mekopplungsvorrichtung der Zusatzkreislauf eine Zusatz-Wärmenutzungsvorrichtung aufweist für eine Nutzung und/oder eine Speicherung der Wärme im Zusatzkreislauf. Eine Speicherung kann beispielsweise durch einen Wärmespeicher zur Verfügung gestellt sein. So ist es möglich, in Situationen, in welchen die Wärmeproduktion un terhalb des Wärmebedarfs der Wärmenutzungsvorrichtung liegt, den Zusatzkreislauf sozusagen in umgekehrter Richtung zu betreiben und den Wärmespeicher wieder zu entladen, indem in umgekehrter Richtung die gespeicherte Wärme vom Wärmespei cher aus dem Zusatzkreislauf an das Abgas abgegeben wird. Auch ist eine Abgabe aus dem Wärmespeicher des Zusatzkreislaufs direkt an das Kopplungsfluid, insbe sondere im Vorlauf der kalten Seite des Kopplungswärmetauschers, grundsätzlich denkbar. Jedoch ist selbstverständlich auch eine separate Wärmenutzungsvorrich tung, wie beispielsweise eine Effizienzsteigerung am Brennstoffzellensystem und da mit unabhängig vom Kopplungskreislauf, im Rahmen dieser Ausführungsform denk bar.

Vorteile kann es mit sich bringen, wenn bei einer erfindungsgemäßen Wärmekopp lungsvorrichtung im Abgasabschnitt ein Prozesswärmetauscher angeordnet ist, für eine Übergabe von Wärme vom heißen Abgas auf wenigstens ein dem Brennstoff zellensystem zugeführtes Prozessgas. Insbesondere ist dieser Prozesswärmetau scher stromaufwärts des Kopplungswärmetauschers und/oder stromaufwärts des Zu satzwärmetauschers angeordnet. Dies führt dazu, dass eine Effizienzsteigerung des Brennstoffzellensystems innerhalb des Brennstoffzellensystems stattfinden kann, in dem Prozessgase, beispielsweise das Anodenzuführgas und/oder das Kathodenzu- führgas, vorgewärmt werden können. Dieser Prozesswärmetauscher ist vorzugs weise qualitativ und/oder quantitativ kontrollierbar, sodass diese Rückführung der Wärme in Abhängigkeit der aktuellen Betriebssituation des Brennstoffzellensystems und/oder in Abhängigkeit des aktuellen Wärmebedarfs der Wärmenutzungsvorrich tung stattfinden kann. Insbesondere in einer Kaltstartsituation beim Anfahren des Brennstoffzellensystems, können hier Beschleunigungsmöglichkeiten für diesen An fahrprozess und Effizienzsteigerungen erzielt werden. Ebenfalls von Vorteil kann es sein, wenn bei einer erfindungsgemäßen Wärmekopp lungsvorrichtung ein Prozessgasabschnitt separat vom Abgasabschnitt angeordnet ist, für ein Führen eines heißen Prozessgases des Brennstoffzellensystems, wobei der Kopplungskreislauf stromabwärts des Kopplungswärmetauschers einen Zwi schenwärmetauscher aufweist, dessen heiße Seite im Prozessgasabschnitt angeord net ist, für eine Aufnahme von Wärme im Kopplungsfluid vom heißen Prozessgas. Dies erlaubt es, dass das Kopplungsfluid eine zusätzliche Erwärmungsposition auf weist. Während die Hauptwärmeaufnahme im Kopplungswärmetauscher stattfindet, kann ein weiteres Aufheizen oder sogar Überhitzen des Kopplungsfluids in dem Zwi schenwärmetauscher stattfinden. Das Prozessgas, welches im Prozessgasabschnitt geführt wird, ist dabei vorzugsweise ein Prozessgas, welches aus dem Brennstoffzel lenstapel herausgeführt und wieder in diesen zurückgeführt wird. Dies erlaubt es, ins besondere temporär, die Temperatur innerhalb des Brennstoffzellenstapels zu variie ren und auf diese Weise, je nach Betriebssituation, die Effizienz im Betrieb des Brennstoffzellensystems weiter zu steigern. Mit anderen Worten ist eine Zwischen kühlung des Prozessgases möglich, welches nach der Zwischenkühlung wieder dem Brennstoffzellenstapel zur weiteren Verarbeitung zurückgeführt werden kann. Auch wird auf diese Weise eine zusätzliche Wärmeübertragung an das Kopplungsfluid zur Verfügung gestellt.

Vorteile bringt es ebenfalls mit sich, wenn bei einer erfindungsgemäßen Wärmekopp lungsvorrichtung, gemäß dem voranstehenden Absatz, der Kopplungskreislauf einen Bypassabschnitt aufweist, für einen Bypass des Kopplungsfluids an dem Zwischen wärmetauscher vorbei. Wie bereits angesprochen worden ist, kann diese Zwischen kühlung des Prozessgases insbesondere temporär in einzelnen Betriebssituationen Vorteile mit sich bringen. Um eine möglichst variable Zwischenkühlung zur Verfü gung zu stellen, kann über den Bypass dieser Zwischenwärmetauscher sozusagen ein- und ausgeschaltet werden. Sind entsprechend quantitativ regelbare Ventile vor gesehen, ist auch ein quantitatives Aufteilen des Kopplungsfluids zwischen dem By passabschnitt und dem Durchströmen des Zwischenwärmetauschers auf dessen kal ter Seite möglich. Die Variabilität, die Kontrollmöglichkeit und/oder die Effizienz des Brennstoffzellensystems können auf diese Weise noch weiter gesteigert werden.

Vorteile bringt es ebenfalls mit sich, wenn bei einer erfindungsgemäßen Wärmekopp lungsvorrichtung der Zusatzkreislauf als Kältekreislauf ausgebildet ist. Während grundsätzlich entweder in passiver Förderung oder mit Zwangsförderung ein norma ler Kühlkreislauf als Zusatzkreislauf denkbar ist, kann ein Kältekreislauf mit einem Kompressor und einem Verdampferabschnitt im Zusatzwärmetauscher weitere Vor teile mit sich bringen. Insbesondere wird es auf diese Weise möglich, durch entspre chende Wahl eines Wärmeträgermediums als Zusatzfluid, noch freier auf entspre chende Betriebssituationen und Temperaturverhältnisse im heißen Abgas zu reagie ren.

Ebenfalls von Vorteil kann es sein, wenn bei einer erfindungsgemäßen Wärmekopp lungsvorrichtung der Zusatzkühlkreislauf für eine maximale Kühlleistung bezogen auf die maximale Wärmeproduktion des Brennstoffzellensystems ausgelegt ist. Das be deutet, dass selbst für den Fall, dass der Wärmebedarf der Wärmenutzungsvorrich tung auf null sinkt, die komplette Wärmeproduktion eines unter maximaler Leistung betriebenen Brennstoffzellensystems über den Zusatzkreislauf und insbesondere den Zusatzwärmetauscher abgeführt werden kann. Das bedeutet, dass auch in der Extremsituation einer ausgeschalteten Wärmenutzugsvorrichtung und dementspre chend einer ausgeschalteten Wärmeübertragung in das Kopplungsfluid der maximale Temperaturgrenzwert für die Resttemperatur des Abgases nicht überschritten wird. Die Auslegung basiert dabei auf der Menge des Zusatzfluids, entsprechenden Strö mungsquerschnitten und weiteren konstruktiven Ausgestaltungsmöglichkeiten des Zusatzkühlkreislaufs.

Ebenfalls Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Brennstoffzellensystem zur Erzeugung von Strom und Wärme. Das Brennstoffzellensystem weist einen Brenn stoffzellenstapel mit einem Anodenabschnitt und einem Kathodenabschnitt auf. Der Anodenabschnitt ist mit einem Anodenzuführabschnitt und einem Anodenabführab schnitt ausgestattet. Der Kathodenabschnitt ist mit einem Kathodenzuführabschnitt und einem Kathodenabführabschnitt ausgestattet. Weiter weist das Brennstoffzellen system eine Wärmekopplungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung auf, de ren Abgasabschnitt mit dem Anodenabführabschnitt und/oder dem Kathodenab führabschnitt fluidkommunizierend verbunden ist. Damit bringt ein erfindungsgemä ßes Brennstoffzellensystem die gleichen Vorteile mit sich, wie sie ausführlich mit Be zug auf eine erfindungsgemäße Wärmekopplungsvorrichtung erläutert worden sind. Vorzugsweise ist in dieses Brennstoffzellensystem auch eine Wärmenutzungsvor richtung integriert. Auch ist noch darauf hinzuweisen, dass für den Abgasabschnitt sowohl eine spezifische Ausgestaltung für den Anodenabführabschnitt oder den Ka thodenabführabschnitt vorgesehen sein kann. Jedoch ist es auch denkbar, dass, zu mindest teilweise, das Abgas des Anodenabschnitts im Anodenabführabschnitt und das Abgas des Kathodenabschnitts im Kathodenabführabschnitt zu einem gemeinsa men Abgas zusammengeführt werden und damit als gemeinsames oder kombinier tes Abgas den Abgasabschnitt der Wärmekopplungsvorrichtung durchströmen.

Vorteile bringt es ebenfalls mit sich, wenn bei einem erfindungsgemäßen Brennstoff zellensystem der Brennstoffzellenstapel einen Prozessgasabschnitt aufweist, für ein Führen eines Prozessgases aus dem Brennstoffzellenstapel heraus und in den Brennstoffzellenstapel zurück, wobei im Kopplungskreislauf ein Zwischenwärmetau scher angeordnet ist, dessen heiße Seite im Prozessgasabschnitt angeordnet ist, für eine Aufnahme von Wärme im Kopplungsfluid des Prozessgases. Zusätzlich ist es auch möglich, dass noch ein Bypassabschnitt vorgesehen ist, um diesen Zwischen wärmetauscher entweder qualitativ auszuschalten oder die durchströmende Menge an Kopplungsfluid quantitativ zu kontrollieren. Dies erlaubt, wie bereits erläutert wor den ist, eine Zwischenkühlung des Prozessgases während des Durchströmens des Brennstoffzellenstapels und damit eine weitere Effizienzsteigerung im Betrieb des Brennstoffzellensystems.

Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren für eine Kopp lung der Nutzung einer Stromproduktion und einer Wärmeproduktion des Brennstoff zellensystems gemäß der vorliegenden Erfindung. Ein solches Verfahren weist die folgenden Schritte auf:

- Kontrolle der Stromproduktion des Brennstoffzellensystems,

- Erfassen eines Wärmebedarfs der Wärmenutzungsvorrichtung,

- Erfassen der Wärmeproduktion des Brennstoffzellensystems,

- Vergleich der erfassten Wärmeproduktion und des erfassten Wärmebe darfs,

- Kontrolle einer Wärmereduktion über den Zusatzwärmetauscher zur Ein haltung eines maximalen Temperaturgrenzwertes für das Abgas im Abgas abschnitt. Ein erfindungsgemäßes Verfahren bringt die gleichen Vorteile mit sich, wie sie aus führlich mit Bezug auf eine erfindungsgemäße Wärmekopplungsvorrichtung und mit Bezug auf ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem, erläutert worden sind. Es ist darauf hinzuweisen, dass hier die Strom Produktion für die Kontrolle des Brenn stoffzellensystems verwendet wird. Mit anderen Worten wird die Kontrolle des Brenn stoffzellensystems stromgeführt und nicht wärmegeführt durchgeführt.

Anhand der Strom Produktion und der zugehörigen Kontrolle stellt sich damit im Er gebnis eine daraus resultierende Wärmeproduktion ein, welche im Rahmen eines er findungsgemäßen Verfahrens erfasst und mit einem ebenfalls erfassten aktuellen Wärmebedarf der Wärmenutzungsvorrichtung verglichen wird. Im Ergebnis können drei Betriebssituationen unterschieden werden.

Übersteigt der Wärmebedarf die aktuelle Wärmeproduktion, so muss die noch feh lende Wärme anderweitig der Wärmenutzungsvorrichtung zur Verfügung gestellt werden. Hier sind beispielsweise elektrische Zusatzheizmöglichkeiten oder Ähnliches denkbar. Der Kerngedanke der vorliegenden Erfindung liegt jedoch auf den anderen beiden Betriebssituationen.

Deckt die aktuelle Wärmeproduktion im Wesentlichen den aktuellen Wärmebedarf ab, so kann der Zusatzkreislauf im Wesentlichen ausgeschaltet werden oder bleiben. Vielmehr erfolgt eine vollständige oder im Wesentlichen vollständige Wärmeüber gabe vom heißen Abgas auf das Kopplungsfluid, sodass der Wärmebedarf der Wär menutzungsvorrichtung erfüllt und gleichzeitig ein Abkühlen des Abgases unter den maximalen Temperaturgrenzwert zur Verfügung gestellt werden kann.

Die davon zu unterscheidende dritte Betriebssituation liegt dann vor, wenn die aktu elle Wärmeproduktion den aktuellen Wärmebedarf der Wärmenutzungsvorrichtung überschreitet. In einem solchen Fall wird die abgezogene Wärme im Kopplungsfluid nicht ausreichen, um die Temperatur des Abgases unter Einhaltung des maximalen Temperaturgrenzwertes ausreichend abzukühlen. Die noch fehlende Kühlung wird in einem solchen Fall durch den Zusatzwärmetauscher und den Zusatzkreislauf zur Verfügung gestellt. Je nachdem, wie groß die fehlende Wärmemenge, also die Diffe renzmenge an Wärme zwischen der aktuellen Wärmeproduktion und dem aktuellen Wärmebedarf ist, umso stärker oder weniger stark erfolgt die Wärmeübertragung am Zusatzwärmetauscher. Dies führt zu der mehrfach erläuterten Entkopplung, sodass trotz einer stromgeführten Kontrolle des Brennstoffzellensystems eine Variation des Wärmebedarfs der Wärmenutzungsvorrichtung möglich wird.

Vorteilhaft kann es sein, wenn bei einem erfindungsgemäßen Verfahren die Wärme reduktion über den Zusatzwärmetauscher mittels einer Variation wenigstens eines der folgenden Parameter kontrolliert wird:

- Variation der Rücklauftemperatur im Zusatzkreislauf,

- Variation des Massenstroms an Zusatzfluid im Zusatzkreislauf.

Bei der voranstehenden Aufzählung handelt es sich um eine nicht abschließende Liste. Selbstverständlich können auch zwei oder mehr unterschiedliche Parameter für diese Kontrolle verwendet werden. Beispielsweise kann der Massenstrom an Zu satzfluid im Zusatzkreislauf erhöht werden, um entsprechend die Wärmeübertragung am Zusatzwärmetauscher zu erhöhen. Durch eine Erhöhung einer Lüftergeschwin digkeit kann die Abgabe von Wärme im Abgabeabschnitt erhöht werden, sodass die Rücklauftemperatur im Zusatzkreislauf für das Zusatzfluid reduziert wird. Auch dies dient durch eine Vergrößerung des Temperaturgradienten dementsprechend einer Verstärkung der Wärmeübertragung am Zusatzwärmetauscher.

Vorteile bringt es weiter mit sich, wenn bei einem erfindungsgemäßen Verfahren aus dem erfassten Wärmebedarf und der erfassten Wärmeproduktion eine Temperaturre duktion für das Abgas im Abgasabschnitt und/oder eine Austrittstemperatur des Ab gases ermittelt wird. In beiden Fällen handelt es sich vorzugsweise um eine Simula tion des erfassten Wärmebedarfs und/oder eine Simulation der aktuellen Wärmepro duktion. Dies erlaubt es vorherzusehen, welche Temperaturreduktion und/oder Aus trittstemperatur sich für das Abgas einstellt und entsprechend noch zielgeführter die Kontrolle mit einem erfindungsgemäßen Verfahren durchzuführen.

Auch vorteilhaft kann es sein, wenn bei einem erfindungsgemäßen Verfahren die er fasste Wärmeproduktion und/oder der erfasste Wärmebedarf mittels einer Simulation vorausermittelt wird. Mit anderen Worten lässt sich über eine definierte Zeitspanne Vorhersagen, wie sich der Wärmebedarf und/oder die Wärmeproduktion entwickeln wird. Dies erlaubt es, Regelschwingungen oder ein unerwünschtes Erhöhen über ei nen Zwischenzeitraum für die Temperatur des Abgases zu vermeiden und sicherzustellen, dass die beschriebenen Grenzwerte über die maximale Zeitspanne im Betrieb des Brennstoffzellensystems eingehalten werden.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnungen Aus führungsbeispiele der Erfindung im Einzelnen beschrieben sind.. Es zeigen schema tisch:

Fig. 1 eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Wärmekopp lungsvorrichtung,

Fig. 2 eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Wärme kopplungsvorrichtung,

Fig. 3 eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Wärme kopplungsvorrichtung,

Fig. 4 eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Wärme kopplungsvorrichtung,

Fig. 5 eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Wärme kopplungsvorrichtung,

Fig. 6 eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Brennstoffzel lensystems,

Fig. 7 ein möglicher Verlauf der Wärmemengen bei einem erfindungs gemäßen Verfahren.

Figur 1 zeigt schematisch ein Brennstoffzellensystem 100, bei welchem ein oder mehrere Prozessgase P einem Brennstoffzellenstapel 110 zugeführt werden. Ein Ab gas A kann entweder als Sammelabgas oder als Einzelabgas in Form in einen Ab gasabschnitt 20 der Wärmekopplungsvorrichtung 10 aus dem Brennstoffzellenstapel 110 geführt werden. Das heiße Abgas A durchströmt nun bei der Führung im Abgas abschnitt 20 zuerst einen Zusatzwärmetauscher 42. In diesem erfolgt eine Wärme übergabe vom heißen Abgas A auf das Zusatzfluid ZF, welches durch eine Förder vorrichtung 48 im Kreis des Zusatzkreislaufs gefördert wird. Das Zusatzfluid ZF wird nun in erwärmter Form entlang des Zusatzkreislaufs 40 dem Abgabeabschnitt 44 zugeführt. Hier wird beispielsweise über eine Lüftervorrichtung kontrolliert, wie viel Wärme vom Zusatzfluid ZF an die Umgebung abgegeben wird. Je nach Wärmeab gabe am Abgabeabschnitt 44, stellt sich eine unterschiedlich niedrige Rücklauftem peratur RT für das Zusatzfluid ZF ein. Auch ist noch darauf hinzuweisen, dass der Massenstrom an Zusatzfluid ZF mit der Kontrolle der Fördervorrichtung 48 variiert werden kann. Das auf diese Weise vorgekühlte Abgas A strömt weiter entlang dem Abgasabschnitt 20 in einen Kopplungswärmetauscher 32. In diesen erfolgt ein weite rer Wärmeübergang vom Abgas A auf ein Kopplungsfluid KF im Kopplungskreislauf 30, welches sich auf diese Weise erwärmt. Das auf diese Weise nun maximal ge kühlte Abgas A kann an die Umgebung abgegeben werden. Das erwärmte Kopp lungsfluid KF kann diese Wärme an die Wärmenutzungsvorrichtung 200 weiterfüh ren.

Je nach Betriebssituation kann nun der aktuelle Wärmebedarf WB der Wärmenut zungsvorrichtung 200 niedriger, höher oder identisch mit der aktuellen Wärmepro duktion WP des Brennstoffzellensystems 100 sein. Für den Fall, dass eine Identität oder im Wesentlichen eine Identität vorliegt, kann der Zusatzkreislauf 40 im Wesentli chen ausgeschaltet sein. Dies wird insbesondere durch ein Stoppen der Fördervor richtung 48 gewährleistet. In gleicher Weise kann bei einer Reduktion des Wärmebe darfs WB unter die aktuelle Wärmeproduktion WP des Brennstoffzellensystems 100, die überschüssige Wärme durch ein Erhöhen der Drehzahl der Fördervorrichtung 48 mit einem entsprechend erhöhtem Wärmeübergang am Zusatzwärmetauscher 42 in das Zusatzfluid ZF übertragen werden, sodass auch für diese Fälle die Resttempera tur im Abgas A beim Austritt an die Umgebung identisch oder im Wesentlichen iden tisch niedrig bleibt.

Die Figur 2 zeigt eine Weiterentwicklung zur Ausführungsform der Figur 1. Diese be zieht sich auf die Förderung der Prozessgase P durch das Brennstoffzellensystem 100. Ein Sauggebläse 50 ist stromabwärts im Abgasabschnitt hinter dem Zusatzwär metauscher 42 und dem Kopplungswärmetauscher 32 angeordnet. Mithilfe des Sauggebläses 50 wird ein Unterdrück erzeugt, welcher die Prozessgase P durch das Brennstoffzellensystem 100 hindurch und das Abgas A aus dem Brennstoffzellensta pel 110 herausfördert. Dadurch, dass durch die mehrfach erläuterte Korrelation des Wärmeübergangs am Kopplungswärmetauscher 32 und am Zusatzwärmetauscher 42 die Abgastemperatur beim Erreichen des Sauggebläses 50 für das Abgas A im Wesentlichen konstant gehalten werden kann, muss dieses Sauggebläse 50 keine Widerstandskraft gegen hohe Temperaturen aufweisen. Es ist also wirksam durch das Zusammenspiel von Kopplungskreislauf 30 und Zusatzkreislauf 40 gegen er höhte Temperaturen im Abgas A geschützt.

Die Figur 3 weist zusätzlich zur Ausführungsform der Figur 2 eine Zusatz-Wärmenut zungsvorrichtung 46 als Teil des Zusatzkreislaufs 40 auf. Dabei kann es sich zum Beispiel um einen Wärmespeicher handeln, dessen Wärme eine andere Nutzung o- der aber auch durch, hier nicht dargestellt, eine Wärmeübergabemöglichkeit an das Kopplungsfluid KF stromaufwärts des Kopplungswärmetauschers 32, diese Wärme in effizienter Weise weiter nutzen kann.

In der Figur 4 ist eine Möglichkeit einer Vorwärmung von Prozessgasen P, insbeson dere in einer Startsituation des Brennstoffzellensystems 100 zur Verfügung gestellt. Mithilfe eines Prozesswärmetauschers 22 kann Prozessgas P noch vor dem Eintritt in den Brennstoffzellenstapel 110 mit einem Teil der enthaltenen Wärme im Abgas A vorgewärmt werden, sodass die Effizienz in dieser Betriebssituation für den Betrieb des Brennstoffzellensystems 100 weiter ansteigt.

Auch die Figur 5 zeigt eine konstruktive Möglichkeit, die Effizienz im Betrieb des Brennstoffzellensystems 100 weiter zu erhöhen. Hier ist sozusagen innerhalb des Brennstoffzellensystems 100 eine Rezirkulation vorgesehen, welche ein Prozessgas P aus dem Brennstoffzellenstapel 110 auskoppelt, dieses über einen Zwischenwär metauscher 34 führt und wieder in den Brennstoffzellenstapel 110 zurückfördert. Über einen Bypassabschnitt 36 und entsprechende Ventilstellungen ist es nun mög lich, dass das Kopplungsfluid KF stromabwärts des Kopplungswärmetauschers 32 entweder auch zusätzlich den Zwischenwärmetauscher 34 durchströmt oder aber durch den Bypassabschnitt 36 an diesem vorbei. Dies erlaubt es zum einen, eine weitere Erhöhung des Wärmegehaltes des Kopplungsfluids KF zur Verfügung zu stellen. Zum anderen kann die Effizienz der Betriebsweise des Brennstoffzellensys tems 100 vergrößert werden, indem eine integrierte Reduktionsmöglichkeit der Tem peratur von Prozessgasen P innerhalb des Brennstoffzellenstapels 110 zur Verfü gung gestellt wird.

Die Figur 6 zeigt eine ähnliche Ausführungsform wie die Figuren 1 bis 5. Hier sind je doch mehr Details im Brennstoffzellenstapel 110 zu erkennen. Dieser ist in einen Anodenabschnitt 120 und in einen Kathodenabschnitt 130 aufgeteilt. Als Prozess gase P läuft ein Anodenzuführgas im Anodenzuführabschnitt 122 und ein Kathoden- zuführgas im Kathodenzuführabschnitt 132. Nach Umsetzung in dem Brennstoffzel lenstapel 110 entsteht Anodenabgas, welches im Anodenabführabschnitt 124 abge führt wird. Kathodenabgas wird im Kathodenabführabschnitt 134 abgeführt. Bei der Ausgestaltungsform der Figur 6 werden alle Abgase A des Brennstoffzellenstapels zusammengeführt und in der bereits erläuterten Weise gemeinsam durch den Abgas abschnitt 20 als gemeinsames Abgas A gefördert.

Figur 7 zeigt eine Wirkungsweise eines erfindungsgemäßen Verfahrens. Hier sind Wärmebedarf WB und Wärmeproduktion WP über die Zeit dargestellt. Zu Beginn, also links im Diagramm der Figur 7, liegt der Wärmebedarf WB der Wärmenutzungs vorrichtung 200 oberhalb der Wärmeproduktion WP des Brennstoffzellensystems 100. Über die Zeit reduziert sich der Wärmebedarf WB, bis er am Pfeil die aktuelle Wärmeproduktion WP unterschreitet. Um sicherzustellen, dass zu diesem Zeitpunkt die Temperatur des Abgases A nicht in unerwünschter Weise ansteigt, wird nun die Zusatzkühlung mithilfe des Zusatzkreislaufs 30 eingeschaltet und/oder erhöht. Dabei ist noch darauf hinzuweisen, dass es sich beim Wärmebedarf WB und bei der Wär meproduktion WP um die aktuell erfassten Parameter und/oder um simulierte zukünf tige Parameterwerte handeln kann.

Die voranstehende Erläuterung der Ausführungsformen beschreibt die vorliegende Erfindung ausschließlich im Rahmen von Beispielen.

Bezugszeichenliste

10 Wärmekopplungsvorrichtung 20 Abgasabschnitt 22 Prozesswärmetauscher 30 Kopplungskreislauf 32 Kopplungswärmetauscher 34 Zwischenwärmetauscher 36 Bypassabschnitt 40 Zusatzkreislauf 42 Zusatzwärmetauscher 44 Abgabeabschnitt 46 Zusatz-Wärmenutzungsvorrichtung 48 Fördervorrichtung 50 Sauggebläse

100 Brennstoffzellensystem 110 Brennstoffzellenstapel 120 Anodenabschnitt 122 Anodenzuführabschnitt 124 Anodenabführabschnitt 130 Kathodenabschnitt 132 Kathodenzuführabschnitt 134 Kathodenabführabschnitt 140 Prozessgasabschnitt 200 Wärmenutzungsvorrichtung

A Abgas

P Prozessgas

KF Kopplungsfluid ZF Zusatzfluid WB Wärmebedarf WP Wärmeproduktion RT Rücklauftemperatur