Kombination einer Hochtemperatur-Brennstoffzelle mit einer Adsorptionswärmepumpe

Die Erfindung bezieht sich auf die Kombination einer Hochtemperatur-Brennstoffzelle mit einer Adsorptionswärmepumpe.

Bei Brennstoffzellen reagiert in der Regel Wasserstoff mit Sauerstoff in einer elektrochemischen Reaktion und erzeugt dabei Wasserdampf und elektrische Energie. Bei Festoxidbrennstoffzellen (Solide Oxide Fuel Cell, SOFC) reagieren an der Anode Sauerstoff mit Wasserstoff zu Wasserdampf. Dagegen ist die Kathode lediglich sauerstoff- oder luftführend. Festoxidbrennstoffzellen arbeiten zumeist bei Temperaturen um 900°C bei hohem Luftüberschuss (λ > 2). Bei 800 bis 900°C läuft an der Anode die Reaktion

O^2- + H₂ → H₂O + 2e^- und an der Kathode die Reaktion $\frac{1}{2}{O}_2+2e^{-}\to 2O^{2-}$ ab.

Dementsprechend ist das Abgas der Kathode heiß und trocken.

Bei Karbonatschmelzen-Brennstoffzellen (Molten Carbonate Fuel Cell) findet bei etwa 650°C die Reaktion $H_2+{\mathit{CO}}_3^{2-}\to H_{2}O+{\mathit{CO}}_2+2e^{-}$ an der Anode und ${\mathit{CO}}_2+\frac{1}{2}{O}_2+2e^{-}\to {\mathit{CO}}_3^{2-}$ an der Kathode statt.

Bei Zeolith-Wärmepumpen wird in der Adsorptionsphase ein Kältemittel von einem Zeolithen aufgenommen, der sich hierdurch erwärmt. Diese Wärme kann für Heizzwecke genutzt werden. Ist der Zeolith mit dem Kältemittel gesättigt, so muss das Kältemittel in der Desorptionsphase wieder ausgetrieben werden. Das Funktionsprinzip einer Adsorptionswärmepumpe ist beispielsweise in der EP 1 074 799 beschrieben.

Gemäß dem Stand der Technik wird in der Adsorptionsphase das Kältemittel in einem Unterdruckbehälter mittels Umweltwärme verdampft und dann von dem trockenen Zeolithen aufgenommen. In der Desorptionsphase wird üblicherweise das Kältemittel durch Wärmezufuhr wieder ausgetrieben.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine vorteilhafte Kombination einer Hochtemperatur-Brennstoffzelle mit einer Adsorptionswärmepumpe zu schaffen, wobei die Hochtemperatur-Brennstoffzelle nicht nur die Umweltwärmequelle ersetzt, sondern auch vielmehr der funktionelle Aufbau wesentlich verändert wird.

Erfindungsgemäß wird dies gemäß den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1 dadurch gelöst, dass die Kathodenabgasleitung einer Hochtemperatur-Brennstoffzelle mit dem Adsorber / Desorber einer Adsorptionswärmepumpe verbunden wird. Hierdurch wird erreicht, dass mittels des äußerst trockenen heißen Kathodenabgases in der Desorptionsphase dem Adsorber / Desorber das Kältemittel entzogen werden kann, das dabei auf das Kathodengas übergeht. Somit muss dem Adsorber / Desorber keine gesonderte Wärme - wie zum Beispiel aus EP 1 074 799 bekannt - zugeführt werden. Vielmehr kann gleichzeitig ein Heizkreislauf, welcher an den Adsorber / Desorber angeschlossen ist, weiterhin derart betrieben werden, dass ihm auch in der Desorptionsphase im Adsorber / Desorber Wärme zugeführt wird.

Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich gemäß den Merkmalen der abhängigen Ansprüche.

Die Erfindung wird nun anhand der Figur erläutert. Die Figur zeigt eine Hochtemperatur-Brennstoffzelle 1 mit einer Anodenabgasleitung 2 und einer Kathodenabgasleitung 3. Der Verlauf der Anodenabgasleitung 2 ist nicht weiter dargestellt. Die Kathodenabgasleitung 3 verzweigt sich. Einer der Zweige führt zu einem Behälter 6 einer Adsorptionswärmepumpe 4. In dem Behälter 6 befindet sich ein Adsorber / Desorber 5. Der Adsorber / Desorber 5 beinhaltet z. B. einen Zeolithen. Oberhalb des Adsorbers / Desorbers 5 ist eine Sprühvorrichtung 7 angebracht. In der Zuführung zur Sprühvorrichtung 7 befindet sich ein Absperrventil 16. Auf der der Hochtemperatur-Brennstoffzelle 1 abgewandten Seite des Behälters 6 befindet sich ein Wärmeaustauscher 8, dem stromab ein Absperrventil 11 nachgeschaltet ist. Die Umgehungsleitung 9 mündet in einen Wärmeaustauscher 10, dem ein Absperrventil 12 nachgeschaltet ist. Der Adsorber / Desorber 5 sowie die zwei Wärmeaustauscher 8, 10 befinden sich in einem Heizungskreislauf 13 mit Wärmesenke 14 und Umwälzpumpe 15. Bei der Wärmesenke 14 kann es sich sowohl um einen Heizkörper oder eine Warmwasserbereitung handeln.

In der Adsorptionsphase wird das Absperrventil 11 stromab des Behälters 6 geschlossen, wodurch der Behälter 6 nicht von Kathodenabgas durchströmt wird; vielmehr steht etwas Kathodenabgas in dem Behälter 6. Über die Sprühvorrichtung 7 wird bei geöffnetem Absperrventil 16 dem Adsorber 5 Kältemittel zugeführt. Das Kältemittel wird von dem Adsorber 5 aufgenommen, wodurch dieser sich erhitzt. Diese Wärme wird auf den Heizungskreislauf 13 übertragen. Das heiße Kathodenabgas der Umgehungsleitung 9 wird in dem Wärmeaustauscher 10 abgekühlt und hierbei die entstehende Wärme auf den Heizungskreislauf 13 übertragen.

Ist der Adsorber 5 mit Kältemittel gesättigt, so wird das Absperrventil 16 geschlossen und gleichzeitig das Absperrventil 11 für das Kathodenabgas geöffnet. Das Absperrventil 12 stromab der Umgehungsleitung wird nun geschlossen, so dass das Kathodenabgas ausschließlich durch den Behälter 6 strömt.

Da das Kathodenabgas sehr heiß und gleichzeitig sehr trocken ist, nimmt es das Kältemittel aus dem Adsorber / Desorber 5, der nun als Desorber arbeitet, auf. Das derartig befeuchtete und etwas abgekühlte Kathodenabgas strömt in den Wärmeaustauscher 8 und wird dort abgekühlt. Das entstehende Kondensat wird in eine Sammelvorrichtung gegeben, so dass es in der Adsorptionsphase der Sprühvorrichtung zur Verfügung steht.

Es muss darauf geachtet werden, dass der Adsorber / Desorber 5 bei diesem Prozess nicht überhitzt wird; daher muss gegebenenfalls das Kathodenabgas vor dem Einströmen in den Behälter 6 abgekühlt werden. Darüber hinaus muss auch berücksichtigt werden, dass verschiedene Begleitstoffe des Kathodenabgases sich im Adsorber / Desorber 5 festsetzen können und hierdurch den Prozess negativ beeinflussen.

Ist der Desorber völlig getrocknet, so wird die Desorbtionsphase abgeschlossen, in dem das Absperrventil 12 geöffnet und gleichzeitig das Absperrventil 11 geschlossen wird. Es folgt eine zuvor beschriebene Adsorbtionsphase.

Die Positionierung der Absperrventile 11, 12 stromab der Wärmeaustauscher 8, 10 hat zur Folge, dass bei jeweils geschlossenen Ventilen verhältnismäßig kühles Abgas an den Absperrventilen 11, 12 anliegt. Wären die Absperrventile an einer heißeren Stelle angeordnet, so wäre ein hoher Verschleiß zu befürchten, der auf diese Art und Weise umgangen werden kann.

In der Desorptionsphase kann prinzipiell auch das Absperrventil 11 geöffnet bleiben. Bleibt hingegen das Absperrventil 11 in der Adsorptionsphase geöffnet, so wird Kältemittel aus der Sprühvorrichtung 7 unmittelbar auf das Kathodenabgas anstelle des Adsorbers 5 übertragen. Der Adsorptionsprozess wird dadurch wesentlich verlangsamt bzw. kann auch möglicherweise völlig hierdurch unterbunden werden. Um weitere Wärme dem Heizungskreislauf zuzuführen, kann ein Zusatzheizgerät in den Heizungskreislauf 13 integriert werden, welches weitere Wärme abgibt.

Ebenfalls nicht dargestellt ist die thermische Nutzung des Anodenabgases, welches von der Anodenabgasleitung 2 ebenfalls in einem nicht dargestellten Wärmetauscher auf den Heizungskreislauf 13 übertragen werden kann.

Erfindungsgemäß ist auch möglich, anstelle verschiedener Wärmetauscher für das Kathodenabgas, welches durch die Umgehungsleitung 9, den Behälter 6 und die Anodenabgasleitung 2 führt, lediglich einen gemeinsamen Wärmeaustauscher zu verwenden. Hierbei ist jedoch darauf zu achten, dass es zu keinen ungewollten Rückströmungen kommt.