AT18081U1 - Energy processing device - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Energieaufbereitungsvorrichtung (1) mit in einer Zuführspeichereinrichtung (2) unter hohem Eingangsdruck vorgehaltenem Energieträgermedium und einer dieses über einen Eingangsabschnitt aufnehmenden Koppelstrecke (4), die an ihrer Ausgangsseite mit einer Energiewandlervorrichtung (3) verbunden ist, in der bei niedrigerem Arbeitsdruck durch chemische Reaktion des Energieträgermediums mit einem Oxidator von einer Verbrauchereinrichtung nutzbare Energie zur Verfügung gestellt wird. In der Koppelstrecke (4) ist eine Verdichtungsvorrichtung (42) für den Oxidator angeordnet. Ferner ist mindestens eine angetriebene Expansionsvorrichtung (40) angeordnet, die mit der Verdichtungsvorrichtung (42) zu deren Antrieb in Wirkverbindung bringbar ist. Die Expansionsvorrichtung (40) weist eine Turbinenanordnung auf, die eine für höhere Massenströme ausgelegte Volllastturbine (401) und eine für niedrigere Massenströme ausgelegte Teillastturbine (402) umfasst, wobei diese auf einem gemeinsamen Wellenstrang (41) in Reihe angeordnet sind oder auf zwei Wellensträngen. Die beiden Turbinen sind einzeln über in der Koppelstrecke (4) angeordnete Ventile einer Ventilanordnung (7) zuschaltbar. Ferner betrifft die Erfindung ein Energieaufbereitungsverfahren sowie die Verwendung der genannten Energieaufbereitungsvorrichtung als Antriebsvorrichtung im Bereich des Verkehrs.The invention relates to an energy processing device (1) with an energy carrier medium held in a supply storage device (2) under high input pressure and a coupling section (4) receiving this via an input section, which is connected on its output side to an energy converter device (3), in which at a lower working pressure Usable energy is made available by a consumer device through a chemical reaction of the energy carrier medium with an oxidizer. A compression device (42) for the oxidizer is arranged in the coupling section (4). Furthermore, at least one driven expansion device (40) is arranged, which can be brought into operative connection with the compression device (42) to drive it. The expansion device (40) has a turbine arrangement which comprises a full-load turbine (401) designed for higher mass flows and a partial-load turbine (402) designed for lower mass flows, these being arranged in series on a common shaft train (41) or on two shaft trains. The two turbines can be switched on individually via valves of a valve arrangement (7) arranged in the coupling section (4). The invention further relates to an energy processing method and the use of said energy processing device as a drive device in the field of traffic.
Description
[0001] Die Erfindung bezieht sich auf eine Energieaufbereitungsvorrichtung mit in einer Zuführspeichereinrichtung unter einem hohen Eingangsdruck vorgehaltenem oder auf einen hohen Eingangsdruck gebrachten Energieträgermedium und einer dieses über einen Eingangsabschnitt aufnehmenden Koppelstrecke, die an ihrer Ausgangsseite mit einer Energiewandlervorrichtung in Verbindung steht, in der bei niedrigerem Arbeitsdruck durch chemische Reaktion des Energieträgermediums mit einem Oxidator von einer Verbrauchereinrichtung, insbesondere für ein Antriebssystem, nutzbare Energie zur Verfügung gestellt wird. Ferner bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zur Energieaufbereitung und eine Anwendung. The invention relates to an energy processing device with an energy carrier medium held in a supply storage device under a high input pressure or brought to a high input pressure and a coupling section receiving this via an input section, which is connected on its output side to an energy converter device, in which at a lower Working pressure through chemical reaction of the energy carrier medium with an oxidizer from a consumer device, in particular for a drive system, usable energy is made available. The invention further relates to a method for energy processing and an application.
[0002] Eine Energieaufbereitungsvorrichtung dieser Art ist in der DE 10 2018 209 480 A1 angegeben. Diese zeigt eine Energieaufbereitungsvorrichtung mit einer Zuführspeichereinrichtung, die einen Speicherbehälter mit unter hohem Druck bevorratetem Brennstoff aufweist. Der Speicherbehälter ist über eine Koppelstrecke, in der vorzugsweise mehrere Turbinenvorrichtungen voneinander verschiedener Größe angeordnet sind, mit einer eine Brennstoffzelleneinrichtung umfassenden Energiewandlervorrichtung verbunden, wobei die Turbinenvorrichtungen zur Bereitstellung mechanischer Leistung nacheinander und/oder gleichzeitig mit dem gasförmigen Brennstoff aus dem Speicherbehälter durchströmbar sind. Uber ein oder mehrere Bypassventile kann zumindest ein Teil des gasförmigen Brennstoffs an der Turbinenvorrichtung vorbeigeleitet werden. Die von den Turbinenvorrichtungen bereitgestellte mechanische Leistung ist zum Komprimieren eines Oxidationsmittelgases, insbesondere Umgebungsluft, mittels einer Kompressorvorrichtung nutzbar. Um eine Leistungsanpassung der Turbinenvorrichtung vorzunehmen, ist eine Änderung der Turbinengeometrie mittels mehrerer verstellbarer Leitschaufelelemente vorgesehen. [0002] An energy processing device of this type is specified in DE 10 2018 209 480 A1. This shows an energy processing device with a supply storage device which has a storage container with fuel stored under high pressure. The storage container is connected to an energy converter device comprising a fuel cell device via a coupling section, in which preferably several turbine devices of different sizes are arranged, wherein the gaseous fuel from the storage container can flow through the turbine devices one after the other and/or simultaneously to provide mechanical power. At least part of the gaseous fuel can be directed past the turbine device via one or more bypass valves. The mechanical power provided by the turbine devices can be used to compress an oxidant gas, in particular ambient air, by means of a compressor device. In order to adjust the performance of the turbine device, a change in the turbine geometry is provided by means of several adjustable guide vane elements.
[0003] Die DE 102010 011 556 A1 zeigt eine weitere Energieaufbereitungsvorrichtung mit einem Druckgasspeicher für Brennstoff, der über eine Koppelstrecke einer Brennstoffzelle als Antriebsaggregat zugeführt wird. In der Koppelstrecke zwischen dem Druckgasspeicher und der Brennstoffzelle ist eine insbesondere als Turbine ausgebildete Expansionsvorrichtung angeordnet. Die beim Entspannen des Brennstoffs, insbesondere Wasserstoffs, freiwerdende Energie wird zum Antreiben eines Verdichters mitgenutzt. DE 102010 011 556 A1 shows a further energy processing device with a compressed gas storage device for fuel, which is supplied to a fuel cell as a drive unit via a coupling path. An expansion device designed in particular as a turbine is arranged in the coupling path between the compressed gas storage and the fuel cell. The energy released when the fuel, especially hydrogen, is expanded is used to drive a compressor.
[0004] Die DE 10 2015 005 837 A1 zeigt eine als Brennstoffzellensystem ausgebildete Energieaufbereitungsvorrichtung mit einem Druckgasspeicher für Brennstoff bzw. Wasserstoff und wenigstens einer daran über eine Koppelstrecke zur Zuführung des Wasserstoffs angeschlossenen Brennstoffzelle, wobei in der Koppelstrecke eine Turbine als Expander und eine Bypassleitung angeordnet sind. [0004] DE 10 2015 005 837 A1 shows an energy processing device designed as a fuel cell system with a compressed gas storage for fuel or hydrogen and at least one fuel cell connected to it via a coupling path for supplying the hydrogen, with a turbine as an expander and a bypass line arranged in the coupling path are.
[0005] Eine Energieaufbereitungsvorrichtung und ein Verfahren zur Energieaufbereitung sind weiterhin in der DE 101 27 600 C2 angegeben. Dabei wird einer Energiewandlervorrichtung aus einem oder mehreren Brennstoffzellenblöcken ein in einer Zuführspeichereinrichtung unter relativ hohem Druck vorgehaltener Brennstoff (Energieträgermedium) in Form von Wasserstoff und ein Oxidator in Form von Luftsauerstoff zugeführt, um in dem Brennstoffzellenblock durch chemische Reaktion zwischen dem Brennstoff und dem Oxidator chemische Energie in elektrische Energie umzuwandeln und einem Verbraucher zur Verfügung zu stellen. Für die chemische Reaktion in dem Brennstoffzellenblock liegt der Arbeitsruck des zugeführten Wasserstoffs auf wesentlich niedrigerem Niveau als der Eingangsdruck im Ausgangsbereich der Zuführungsspeichereinrichtung bzw. im Eingangsbereich der Koppelstrecke zwischen der Zuführspeichereinrichtung und der Energiewandlervorrichtung. Der Eingangsdruck des Brennstoffs und auch der Arbeitsdruck können vorgegeben werden und die Menge des dem Brennstoffzellenblock zugeführten Brennstoffs bzw. Wasserstoffs kann durch die Leistungsaufnahme eines an den Brennstoffzellenblock angeschlossenen Verbrauchers, dem die elektrische Energie zur Verfügung gestellt wird, geregelt werden. Das Druckniveau des dem Brennstoffzellenblock zugeführten Wasserstoffs wird von einem in der Koppelstrecke angeordneten Druckminderer eingestellt, der der Zuführspeichereinrichtung nachgeschaltet ist. In der Regel liegt der Druck des dem Brennstoffzellenblock zugeführten Oxidators auf etwa dem Druckniveau des Arbeitsdrucks des Brennstoffs und ist (auch in Ab-An energy processing device and a method for energy processing are also specified in DE 101 27 600 C2. In this case, an energy converter device consisting of one or more fuel cell blocks is supplied with a fuel (energy carrier medium) in the form of hydrogen, which is stored in a supply storage device under relatively high pressure, and an oxidizer in the form of atmospheric oxygen in order to produce chemical energy in the fuel cell block through a chemical reaction between the fuel and the oxidizer to convert it into electrical energy and make it available to a consumer. For the chemical reaction in the fuel cell block, the working pressure of the supplied hydrogen is at a significantly lower level than the input pressure in the output area of the supply storage device or in the input area of the coupling path between the supply storage device and the energy converter device. The inlet pressure of the fuel and also the working pressure can be specified and the amount of fuel or hydrogen supplied to the fuel cell block can be regulated by the power consumption of a consumer connected to the fuel cell block to which the electrical energy is made available. The pressure level of the hydrogen supplied to the fuel cell block is adjusted by a pressure reducer arranged in the coupling section, which is connected downstream of the supply storage device. As a rule, the pressure of the oxidizer supplied to the fuel cell block is at approximately the pressure level of the working pressure of the fuel and is (also in relation to
hängigkeit von der Anzahl der Brennstoffzellen) geringfügig höher. dependence on the number of fuel cells) is slightly higher.
[0006] Auch in der DE 20 2005 021 908 U1 ist eine Energieaufbereitungsvorrichtung gezeigt, bei der eine Energiewandlervorrichtung als Brennstoffzelleneinrichtung ausgebildet ist. Auch hierbei wird Brennstoff in Form von Wasserstoff aus einer Zuführspeichereinrichtung mit hohem Eingangsdruck über eine Koppelstrecke einem oder mehreren Brennstoffzellenblöcken (Brennstoffzellenstapeln) zugeführt, um darin bei niedrigerem Arbeitsdruck durch chemische Reaktion mit einem Oxidator (insbesondere Luftsauerstoff) elektrische Energie ausgangsseitig bereitzustellen, die von einem Verbraucher, insbesondere für einen Antrieb, nutzbar ist. Die Menge des dem Brennstoffzellenblock zugeführten Brennstoffs wird dabei ebenfalls durch die Leistungsaufnahme des (externen) Verbrauchers geregelt, wobei ähnliche Verhältnisse vorliegen, wie gemäß der vorstehend genannten DE 101 27 600 C2. Der Wasserstoff ist dabei zum Beispiel in einem Metallhydridspeicher in gebundener Form gespeichert und kann durch Erhitzen ausgetrieben werden, wodurch im Ausgangsbereich der Zuführspeichereinrichtung und damit auch im Eingangsbereich der Koppelstrecke ein entsprechender Eingangsdruck entsteht. [0006] DE 20 2005 021 908 U1 also shows an energy processing device in which an energy converter device is designed as a fuel cell device. Here too, fuel in the form of hydrogen is supplied from a supply storage device with a high input pressure via a coupling path to one or more fuel cell blocks (fuel cell stacks) in order to provide electrical energy on the output side at a lower working pressure through a chemical reaction with an oxidizer (in particular atmospheric oxygen), which is supplied by a consumer , especially for a drive, can be used. The amount of fuel supplied to the fuel cell block is also regulated by the power consumption of the (external) consumer, with conditions similar to those in the above-mentioned DE 101 27 600 C2. The hydrogen is stored, for example, in a metal hydride storage in bound form and can be expelled by heating, which creates a corresponding inlet pressure in the outlet area of the feed storage device and thus also in the inlet area of the coupling section.
[0007] In der DE 20 2007 010 044 U1 sind verschiedene Ausgestaltungsvarianten von Energiewandlervorrichtungen mit Brennstoffzellen bzw. Brennstoffzellenstapeln mit geeigneten Brennstoffen und ihre Funktionsweise näher erläutert. [0007] In DE 20 2007 010 044 U1, various design variants of energy converter devices with fuel cells or fuel cell stacks with suitable fuels and their functionality are explained in more detail.
[0008] Die DE 10 2012 018 877 A1 zeigt eine Vorrichtung zur Energie- (Rück-) Gewinnung in einem Brennstoffzellensystem, mit einem in eine Komponente des Brennstoffzellensystems integrierten Abluftkatalysator und mit einer in Strömungsrichtung nach dem Abluftkatalysator angeordneten Abgasturbine. DE 10 2012 018 877 A1 shows a device for energy (re)generation in a fuel cell system, with an exhaust air catalytic converter integrated into a component of the fuel cell system and with an exhaust gas turbine arranged downstream of the exhaust air catalytic converter in the flow direction.
[0009] In der DE 10 2018 112 443 A1 ist ein Antriebssystem mit Brennstoffzelle und Turbolader gezeigt, wobei der Turbinenrotor und der Verdichterrotor des Turboladers wellenlos direkt miteinander verbunden sind. Der Turbolader ist Bestandteil eines Antriebssystems, welches als Antriebsaggregat eine Brennstoffzelle, insbesondere eine Wasserstoff- Sauerstoff- Brennstoffzelle umfasst. Abgas der Brennstoffzelle, nämlich Wasserdampf, wird in der Turbine des Turboladers entspannt und in dem Verdichter des Turboladers wird Luft verdichtet, die dem Brennstoffzellenprozess zugeführt wird. DE 10 2018 112 443 A1 shows a drive system with a fuel cell and a turbocharger, wherein the turbine rotor and the compressor rotor of the turbocharger are directly connected to one another without a shaft. The turbocharger is part of a drive system which includes a fuel cell, in particular a hydrogen-oxygen fuel cell, as the drive unit. Exhaust gas from the fuel cell, namely water vapor, is expanded in the turbine of the turbocharger and air is compressed in the compressor of the turbocharger, which is fed to the fuel cell process.
[0010] Die E 35 304 B zeigt einen Gasturbinenmotor, bei dem eine Gasturbine mit einem Luftkompressor vorhanden ist und an einem inneren Gehäuse, in das auch Druckluft geführt ist, eine Brennstoffdüse befestigt ist, durch welche Brennstoff in das Innere des inneren Gehäuses geleitet wird, und wobei zusätzlich eine Wasserstrahldüse vorgesehen ist, durch welche Wasserstrahlen in das Inneren des inneren Gehäuses geleitet werden. Die mit Wasserstoff betriebene Gasturbine weist eine Zündkerze zur Zündung des Wasserstoffgases auf und in einer Mischzone werden die Wasserstrahlen mithilfe des gezündeten Wasserstoffgases in Dampf umgewandelt, um die Verbrennungsenergie des gezündeten Wasserstoffgases und die durch Verdampfung der Wasserstrahlen erzeugte Dampfenergie in Kombination zum Erzielen mechanischer dynamischer Energie zu verwenden. E 35 304 B shows a gas turbine engine in which a gas turbine with an air compressor is present and a fuel nozzle is attached to an inner housing, into which compressed air is also fed, through which fuel is guided into the interior of the inner housing , and wherein a water jet nozzle is additionally provided, through which water jets are directed into the interior of the inner housing. The hydrogen-powered gas turbine has a spark plug for igniting the hydrogen gas, and in a mixing zone, the water jets are converted into steam using the ignited hydrogen gas to allocate the combustion energy of the ignited hydrogen gas and the steam energy generated by evaporation of the water jets in combination to achieve mechanical dynamic energy use.
[0011] Die DE 34 03 132 A1 zeigt einen Druckgasmotor in Konzeption eines Drehkolbenmotors, der mit einem von außen zugeführten Druckgas oder durch Treibstoffverbrennung angetrieben werden kann. DE 34 03 132 A1 shows a compressed gas engine in the design of a rotary piston engine, which can be driven with compressed gas supplied from the outside or by fuel combustion.
[0012] Die DE 103 23 534 A1 zeigt einen Druckgasmotor für Fahrzeuge, bei dem flüssige Luft in einer Druckkammer verdampft und durch eine Verbrennung des Brennstoffs erhitzt wird und das erhitzte Druckgas einen zweistufigen Drehschiebermotor treibt, also bei der Verbrennung freiwerdende Energie genutzt wird. DE 103 23 534 A1 shows a compressed gas engine for vehicles in which liquid air evaporates in a pressure chamber and is heated by combustion of the fuel and the heated compressed gas drives a two-stage rotary vane engine, i.e. energy released during combustion is used.
[0013] Auch in der DE 34 11 987 A1 ist angegeben, bei einer Verbrennungskraftmaschine, einem Druckgasmotor oder Kompressor in Form eines Kolbenmotors Kolben mit einem Verbrennungsdruck zu beaufschlagen. [0013] DE 34 11 987 A1 also states that in an internal combustion engine, a compressed gas engine or compressor in the form of a piston engine, pistons are subjected to a combustion pressure.
[0014] Die DE 10 2012 010 909 A1 zeigt eine Maschine zur thermomechanischen Energieumwandlung durch Druck-, Temperatur- und Querschnittsdifferenzen, wobei eine thermomechani-[0014] DE 10 2012 010 909 A1 shows a machine for thermomechanical energy conversion through pressure, temperature and cross-sectional differences, with a thermomechanical
sche Energieumwandlung durch zwei geschlossene Kreisprozesse erfolgt, in denen jeweils ein anderes Kältemittel zum Einsatz kommt. Chemical energy conversion takes place through two closed cycle processes, each of which uses a different refrigerant.
[0015] Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Energieaufbereitungsvorrichtung der eingangs genannten Art bereitzustellen, mit der eine möglichst hohe, nutzbare Energieausbeute, insbesondere der Energiewandlervorrichtung, bei unterschiedlichen Leistungsanforderungen erreicht wird, und ein entsprechendes Verfahren sowie geeignete Anwendungen zur Verfügung zu stellen. The present invention is based on the object of providing an energy processing device of the type mentioned at the outset, with which the highest possible usable energy yield, in particular of the energy converter device, is achieved with different power requirements, and of providing a corresponding method and suitable applications.
[0016] Diese Aufgabe wird bei der Energieaufbereitungsvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1, bei einem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 12 und bei Anwendungen mit den Merkmalen des Anspruchs 13 gelöst. This object is achieved in the energy processing device with the features of claim 1, in a method with the features of claim 12 and in applications with the features of claim 13.
[0017] Hierbei ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass in der Koppelstrecke eine (zumindest teilweise) durch das Druckgefälle des Energieträgermediums zwischen dem Eingangsdruck und dem Arbeitsdruck betriebene Verdichtungsvorrichtung für den der Energiewandlervorrichtung zugeführten Oxidator angeordnet ist. Here, according to the invention, a compression device for the oxidizer supplied to the energy converter device is arranged in the coupling section, which is operated (at least partially) by the pressure gradient of the energy carrier medium between the inlet pressure and the working pressure.
[0018] Bei diesem Aufbau bzw. dieser Vorgehensweise wird die in Folge des Druckunterschieds des Energieträgermediums zwischen Eingangsdruck am Ausgang der Zuführspeichereinrichtung bzw. Eingang der Koppelstrecke und an deren Ausgang und damit eingangsseitig der Energiewandlervorrichtung vorliegende Druckdifferenz des Energieträgermediums, d. h. die damit gegebene potentielle Energie, gezielt als mechanische, z. B. rotatorische, Energie zum Betreiben der Verdichtungsvorrichtung für den Oxidator und darüber zur Nutzbarmachung für den Verbraucher über die Energiewandlervorrichtung verwertet. Dabei ist auch zum Beispiel eine geregelte Verwertung unter Abstimmung auf vorliegende Druckverhältnisse und/oder vom Verbraucher genutzte, von der Energiewandlervorrichtung zur Verfügung gestellte Energie möglich. Auch kann überschüssige Energie aus dem Druckgefälle darüber hinaus zusätzlich verwertet werden. Im Unterschied zu der bisher üblichen Druckanpassung mittels Druckminderer wird mit den erfindungsgemäßen Maßnahmen eine deutlich höhere Effizienz des Gesamtsystems der Energieaufbereitungsvorrichtung erreicht. With this structure or this procedure, the pressure difference of the energy carrier medium, i. H. the resulting potential energy, specifically as mechanical, e.g. B. rotary, energy for operating the compression device for the oxidizer and used for use by the consumer via the energy converter device. For example, regulated utilization is also possible in coordination with existing pressure conditions and/or energy used by the consumer and made available by the energy converter device. Excess energy from the pressure gradient can also be used additionally. In contrast to the usual pressure adjustment using pressure reducers, the measures according to the invention achieve a significantly higher efficiency of the overall system of the energy processing device.
[0019] Vorteilhafte Ausgestaltungen der Energieaufbereitungsvorrichtung hinsichtlich Aufbau, Funktion und Anwendung ergeben sich dadurch, dass die Energiewandlervorrichtung eine Brennstoffzelleneinrichtung und/oder eine Verbrennungskraftmaschine aufweist. Advantageous embodiments of the energy processing device in terms of structure, function and application result from the fact that the energy converter device has a fuel cell device and/or an internal combustion engine.
[0020] Eine für die praktische Nutzung, insbesondere auch im Zusammenhang mit einem mit Energie zu versorgenden Antriebssystem, vorteilhafte Ausbildung sieht vor, dass das Energieträgermedium ein gasförmiges Fluid, insbesondere Wasserstoff oder Erdgas, aufweist oder in einem solchen besteht. An advantageous embodiment for practical use, especially in connection with a drive system to be supplied with energy, provides that the energy carrier medium has or consists of a gaseous fluid, in particular hydrogen or natural gas.
[0021] Verschiedene vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich ferner dadurch, dass die Verdichtungsvorrichtung einen translatorisch oder rotatorisch angetriebenen und/oder translatorisch oder rotatorisch arbeitenden Kompressionsmechanismus aufweist. Im Zusammenhang damit sind verschiedene Antriebsmechanismen für die Verdichtungsvorrichtung, wie zum Beispiel Rotationskolben, Membranpumpe oder Kolben-/Zylindereinheit einsetzbar. Various advantageous embodiments also result from the fact that the compression device has a translationally or rotationally driven and/or translationally or rotationally operating compression mechanism. In connection with this, various drive mechanisms for the compression device, such as rotary pistons, diaphragm pumps or piston/cylinder units, can be used.
[0022] Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass in der Koppelstrecke mindestens eine von dem Druckgefälle zwischen Eingangsdruck und Arbeitsdruck angetriebene Expansionsvorrichtung angeordnet ist, die mit der Verdichtungsvorrichtung zu deren Antrieb in Wirkverbindung gebracht oder bringbar ist. So kann z. B. ein kompaktes System aus Turbinenrotor und Verdichterrotor aufgebaut und mit vorteilhafter Energieverwertung und Antriebsfunktion realisiert werden. According to the invention, it is provided that at least one expansion device is arranged in the coupling section, which is driven by the pressure gradient between the inlet pressure and the working pressure and which is or can be brought into operative connection with the compression device to drive it. So can e.g. B. a compact system consisting of a turbine rotor and compressor rotor can be built and implemented with advantageous energy utilization and drive function.
[0023] Eine Nutzung der Druckdifferenz bei unterschiedlichen Leistungsanforderungen an die Energiewandlervorrichtung von der Verbraucherseite (z. B. Fahrzeugantrieb) und/oder über die Koppelstrecke eingebundenen Komponenten wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass die Turbinenanordnung mindestens eine für höhere Massenströme ausgelegte Volllastturbine und mindestens eine dieser gegenüber für niedrigere Massenströme ausgelegte Teillastturbine umfasst. Beispielsweise kann durch diesen Aufbau, nach Art einer Turboladervorrichtung, ein Be-[0023] Utilization of the pressure difference with different performance requirements for the energy converter device from the consumer side (e.g. vehicle drive) and/or components integrated via the coupling path is achieved according to the invention in that the turbine arrangement has at least one full-load turbine designed for higher mass flows and at least one of these compared to a partial load turbine designed for lower mass flows. For example, with this structure, in the manner of a turbocharger device, a loading
triebsbereich durch Verschieben der Belastungsgrenzen, insbesondere der Pump- und Stopfgrenze, z. B. gegenüber einer Ausführung mit Einzelturbine, vorteilhaft erweitert werden, insbesondere wird ein breiteres Fenster der Parameter Druckverhältnis und Volumenstrom ermöglicht, und es kann so ein breiter Leistungsbereich des/der Verbraucher angesprochen werden. Bei einem Brennstoffzellenfahrzeug ist dies besonders vorteilhaft, da z. B. während der Beschleunigungsphasen bzw. durch einen transienten Betriebsmodus ein weiter Bereich an WasserstoffGasverbräuchen abzudecken ist und gleichzeitig proportional dazu ein entsprechend weiter Bereich an komprimierten Zuluft-Massenströmen bereitgestellt werden muss. Andererseits sind die Phasen mit konstanter Geschwindigkeit und somit geringerem Massenstrom häufiger zu erwarten. Die Pumpgrenze begrenzt ein Verdichterkennfeld eines Turboladers (Druckverhältnis am Ausgang und Eingang des Verdichters über dem Massenstrom) am linken Rand, während die Stopfgrenze das Verdichterkennfeld durch den maximalen Volumenstrom (bei Schallgeschwindigkeit des Volumenstroms an der engsten Stelle), also am rechten Rand, begrenzt (vgl. Fig. 5). operating range by shifting the load limits, especially the surge and stuffing limits, e.g. B. compared to a version with a single turbine, can be advantageously expanded, in particular a wider window of the parameters pressure ratio and volume flow is made possible, and a wide performance range of the consumer(s) can thus be addressed. This is particularly advantageous in a fuel cell vehicle, since e.g. B. during the acceleration phases or through a transient operating mode, a wide range of hydrogen gas consumption must be covered and at the same time a correspondingly wide range of compressed supply air mass flows must be provided in proportion to this. On the other hand, the phases with constant speed and thus lower mass flow are to be expected more frequently. The surge limit limits a compressor performance map of a turbocharger (pressure ratio at the outlet and inlet of the compressor over the mass flow) on the left edge, while the stuffing limit limits the compressor performance map by the maximum volume flow (at the sound speed of the volume flow at the narrowest point), i.e. on the right edge ( see Fig. 5).
[0024] Erfindungsgemäße alternative Ausgestaltungen bestehen dabei darin, dass die mindestens eine Volllastturbine und die mindestens eine Teillastturbine auf einem gemeinsamen Wellenstrang in Reihe angeordnet sind oder dass die mindestens eine Volllastturbine und die mindestens eine Teillastturbine auf zwei Wellensträngen, einem ersten Wellenstrang und einem dazu (wirkungsmäßig) parallelen zweiten Wellenstrang, angeordnet sind. Ein gemeinsamer Wellenstrang kann dabei z. B. aus einer einstückigen Welle oder (z. B. über einen Getriebe- und oder Kupplungsmechanismus) gekoppelten Wellenabschnitten bestehen. Alternative embodiments according to the invention consist in that the at least one full-load turbine and the at least one partial-load turbine are arranged in series on a common shaft train or that the at least one full-load turbine and the at least one partial-load turbine are arranged on two shaft trains, a first shaft train and one ( Effectively) parallel second shaft strand are arranged. A common shaft train can z. B. consist of a one-piece shaft or shaft sections coupled (e.g. via a gear and/or clutch mechanism).
[0025] Vorteilhafte Steuerungs- oder Regelungsmöglichkeiten der Voll- und Teillastturbine(n) unter verschiedenen Einsatzbedingungen ergeben sich dadurch, dass bei Anordnung der mindestens einen Vollastturbine und der mindestens einen Teillastturbine auf einem gemeinsamen Wellenstrang zumindest zwischen einer Vollastturbine und einer Teillastturbine eine Kupplung angeordnet ist, mittels deren die Vollastturbine zuschaltbar ist, insbesondere wenn eine Leistungsgrenze der Teillastturbine erreicht ist. Die Kupplung benötigt zwar eine zusätzliche Ansteuerung, ist allerdings z. B. beim Anfahren zweckmäßig, da im Anfahrverhalten die Teillastturbine angesprochen wird und diese ohne Kupplung durch die Massenträgheit der Volllastturbine belastet wäre. Advantageous control or regulation options for the full-load and part-load turbine(s) under different operating conditions result from the fact that when the at least one full-load turbine and the at least one part-load turbine are arranged on a common shaft train, a clutch is arranged at least between a full-load turbine and a part-load turbine , by means of which the full load turbine can be switched on, especially when a performance limit of the partial load turbine is reached. The clutch requires additional control, but is z. B. useful when starting, since the partial load turbine is activated during the starting behavior and without a clutch it would be burdened by the inertia of the full load turbine.
[0026] Vorteilhafte betriebliche Anpassungsmöglichkeiten ergeben sich auch dadurch, dass bei zwei Wellensträngen jedem Wellenstrang ein Luftverdichter zugeordnet ist. [0026] Advantageous operational adaptation options also arise from the fact that, with two shaft trains, an air compressor is assigned to each shaft train.
[0027] Erfindungsgemäß besteht die Energieaufbereitungsvorrichtung weiterhin darin, dass die mindestens eine Volllastturbine und die mindestens eine Teillastturbine einzeln über in der Koppelstrecke angeordnete Ventile einer Ventilanordnung zuschaltbar sind. Dadurch wird eine vorteilhafte Steuerung und/oder Regelung erreicht. According to the invention, the energy processing device further consists in that the at least one full-load turbine and the at least one partial-load turbine can be switched on individually via valves arranged in the coupling section of a valve arrangement. This achieves advantageous control and/or regulation.
[0028] Erweiterte Betriebsmöglichkeiten werden dadurch erhalten, dass der Koppelstrecke eine Bypassstrecke mit einer Fluidleitungsanordnung und einer Bypassventilanordnung zugeordnet ist, wobei mittels der Bypassstrecke ein Massenstrom des Energieträgermediums über eine Leistungsgrenze des Systems aus Expansionsvorrichtung und Verdichtungsvorrichtung hinaus ermöglicht ist und/oder eine Entkopplung zwischen Energieträgermediumseite und Oxidatorseite ermöglicht ist. [0028] Extended operating options are obtained in that the coupling section is assigned a bypass section with a fluid line arrangement and a bypass valve arrangement, with the bypass section enabling a mass flow of the energy carrier medium beyond a performance limit of the system consisting of expansion device and compression device and/or a decoupling between the energy carrier medium side and oxidizer side is possible.
[0029] Hierbei bestehen für den Aufbau und die Funktion der Energieaufbereitungsvorrichtung weitere vorteilhafte Ausgestaltungen darin, dass die Ventilanordnung ein im Eingangsbereich der Koppelstrecke angeordnetes Zuleitungsventil für das Energieträgermedium, ein in der Bypassstrecke angeordnetes Bypassventil und ein stromauf der Volllastturbine vorgeschaltetes Abschottventil aufweist und dass das Energieträgermedium durch die Teillastturbine bei offenem Bypassventil und geschlossenem Zuleitungsventil im Kreis förderbar und die Volllastturbine bei offener Kupplung und geschlossenem Abschottventil entkoppelt ist. Further advantageous embodiments for the structure and function of the energy processing device are that the valve arrangement has a supply valve for the energy carrier medium arranged in the input area of the coupling section, a bypass valve arranged in the bypass section and a isolation valve connected upstream of the full-load turbine and that the energy carrier medium can be conveyed in a circuit by the partial load turbine with the bypass valve open and the supply valve closed and the full load turbine can be decoupled with the clutch open and the isolation valve closed.
[0030] Für den Betrieb der Energieaufbereitungsvorrichtung trägt vorteilhaft bei, dass bei Ausbildung der Energiewandlervorrichtung als Brennstoffzelleneinrichtung in einem Trocknungsmodus eine Trocknung derselben bei ihrem Abschalten bzw. in ihrem abgeschalteten Zustand durch-[0030] It is advantageous for the operation of the energy processing device that when the energy converter device is designed as a fuel cell device in a drying mode, it is dried when it is switched off or in its switched off state.
führbar ist. is feasible.
[0031] Für die Energieverwertung aus dem über die Koppelstrecke vorliegenden Druckgefälle ist des Weiteren vorteilhaft vorgesehen, dass auf mindestens einem Wellenstrang eine elektrische Maschine angeordnet ist. Mit der elektrischen Maschine (Motor oder Generator bzw. Motor- oder Generatorbetrieb) lässt sich beispielsweise ergänzende Energie für die Verdichtungsvorrichtung bedarfsweise zuführen bzw. anfallende Energie für weitere Aggregate (z. B. Gebläse, Kühl- oder Heizvorrichtung) zusätzlich verwerten. Für die Energieeffizienz des Gesamtsystems ist des Weiteren vorteilhaft vorgesehen, dass auf mindestens einem Wellenstrang eine einer Abgasführung zugeordnete Abgas-Expansionsmaschine, insbesondere mindestens eine Abgasturbine, zur zusätzlichen Energiegewinnung angeordnet ist. For the utilization of energy from the pressure gradient present across the coupling path, it is further advantageously provided that an electrical machine is arranged on at least one shaft train. The electric machine (motor or generator or motor or generator operation) can be used, for example, to supply additional energy to the compression device as required or to additionally utilize the resulting energy for other units (e.g. blower, cooling or heating device). For the energy efficiency of the overall system, it is further advantageously provided that an exhaust gas expansion machine assigned to an exhaust gas duct, in particular at least one exhaust gas turbine, is arranged on at least one shaft train for additional energy generation.
[0032] Eine vorteilhafte Nutzung der Energie ergibt sich durch Verwendung der Energieaufbereitungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11 oder Anwendung des Verfahrens nach Anspruch 12 für eine Antriebsvorrichtung im Bereich des Verkehrs, insbesondere für straßen- oder schienengebundene Fahrzeuge, für Flugzeuge oder für Schiffe. [0032] An advantageous use of the energy results from using the energy processing device according to one of claims 1 to 11 or using the method according to claim 12 for a drive device in the field of transport, in particular for road or rail vehicles, for aircraft or for ships.
[0033] Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen: The invention is explained in more detail below using exemplary embodiments with reference to the drawings. Show it:
[0034] Fig. 1 Ein erstes Ausführungsbeispiel einer Energieaufbereitungsvorrichtung mit einer über einer Koppelstrecke mit einer Zuführspeichereinrichtung gekoppelten Energiewandlervorrichtung, wobei in die Koppelstrecke eine Expansionsvorrichtung und eine mit ihrer Antriebsseite an diese angeschlossene Verdichtungsvorrichtung eingebunden sind, in schematischer Darstellung, 1 A first exemplary embodiment of an energy processing device with an energy converter device coupled to a supply storage device via a coupling path, an expansion device and a compression device connected to it with its drive side being integrated into the coupling path, in a schematic representation,
[0035] Fig. 2 ein weiteres Ausführungsbeispiel für eine Energieaufbereitungsvorrichtung mit einer über eine Koppelstrecke an eine Zuführspeichereinrichtung gekoppelten Energiewandlervorrichtung nach Fig. 1, wobei zusätzlich antriebsseitig an die Verdichtungsvorrichtung eine die Abgasenergie der Energiewandlervorrichtung aufnehmende Abgas-Expansionsmaschine angeschlossen ist, in schematischer Darstellung, 2 shows a further exemplary embodiment of an energy processing device with an energy converter device according to FIG.
[0036] Fig. 3 eine nähere Darstellung einer Energieaufbereitungsvorrichtung mit einer Zuführspeichereinrichtung und einer daran über eine Koppelstrecke angeschlossenen Energiewandlervorrichtung mit modifizierter Expansionsvorrichtung und weiteren Komponenten, 3 shows a more detailed representation of an energy processing device with a supply storage device and an energy converter device connected to it via a coupling path with a modified expansion device and further components,
[0037] Fig. 4 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Energieaufbereitungsvorrichtung in näherer Darstellung mit einer Zuführspeichereinrichtung und einer daran über eine Koppelstrecke angeschlossenen Energiewandlervorrichtung mit einer weiter modifizierten Expansionsvorrichtung und weiteren Komponenten und 4 shows a further exemplary embodiment of an energy processing device in more detail with a supply storage device and an energy converter device connected to it via a coupling path with a further modified expansion device and further components and
[0038] Fig. 5 ein (an sich bekanntes) Verdichterkennfeld zur Erläuterung einer Pump- und Stopfgrenze einer Turboladervorrichtung. 5 shows a (per se known) compressor map to explain a surge and stuffing limit of a turbocharger device.
[0039] Bei dem in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel einer Energieaufbereitungsvorrichtung 1 ist eine Energiewandlervorrichtung 3, ausgebildet als Brennstoffzelleneinrichtung 30, über eine Koppelstrecke 4 mit einer Zuführspeichereinrichtung 2 für ein der Energiewandlervorrichtung 3 zuzuführendes Energieträgermedium, vorliegend Wasserstoff, verbunden. Das Energieträgermedium liegt in einem Ausgangsabschnitt der Zuführspeichereinrichtung 2 bzw. an einem Eingangsabschnitt der Koppelstrecke 4 als gasförmiges Fluid unter einem relativ hohen Eingangsdruck vor und wird am Ausgang der Koppelstrecke 4 der Energiewandlervorrichtung 3 unter einem relativ zum Eingangsdruck deutlich niedrigeren Arbeitsdruck zugeführt, um eine chemische Reaktion mit einem der Energiewandlervorrichtung 3 ebenfalls zugeführten Oxidator, insbesondere Sauerstoff bzw. Luft, zu erzeugen. Beispielsweise beträgt der Eingangsdruck einer Energieaufbereitungsvorrichtung 1 mit Wasserstoff als Energieträgermedium bis zu ca. 700 bar und der Arbeitsdruck der als Brennstoffzellenstapel ausgebildeten Energiewandlervorrichtung 3 (u.a. abhängig von der Anzahl der Brennstoffzellen in einem Brennstoffzellenstapel) zwischen ca. 1 bis 3 bar, wodurch 1, an energy converter device 3, designed as a fuel cell device 30, is connected via a coupling path 4 to a supply storage device 2 for an energy carrier medium to be supplied to the energy converter device 3, in this case hydrogen. The energy carrier medium is present in an output section of the supply storage device 2 or at an input section of the coupling section 4 as a gaseous fluid under a relatively high input pressure and is supplied to the energy converter device 3 at the output of the coupling section 4 under a working pressure that is significantly lower relative to the input pressure in order to produce a chemical reaction with an oxidizer, in particular oxygen or air, which is also supplied to the energy converter device 3. For example, the inlet pressure of an energy processing device 1 with hydrogen as the energy carrier medium is up to approximately 700 bar and the working pressure of the energy converter device 3 designed as a fuel cell stack (depending, among other things, on the number of fuel cells in a fuel cell stack) is between approximately 1 to 3 bar, whereby
sich über der Koppelstrecke 4 ein entsprechend hohes Druckgefälle (Druckdifferenz zwischen Eingangsdruck und Arbeitsdruck) ergibt. a correspondingly high pressure gradient (pressure difference between inlet pressure and working pressure) results across the coupling section 4.
[0040] Das Energieträgermedium wird z. B. in einem Hochdruckspeicher bzw. Hochdrucktank, vorliegend also Wasserstoff-Hochdrucktank, vorgehalten. Alternativ sind auch andere Speichervorrichtungen möglich, z. B. (wie in dem eingangs genannten Stand der Technik erwähnt) in einem Metallhydridspeicher oder in einem Kryotank. In diesen Fällen wird der so bevorratete Wasserstoff in der Zuführspeichereinrichtung 2 in die Gasphase mit entsprechend hohem Eingangsdruck zur Einleitung in die Koppelstrecke 4 übergeführt. Zur definierten Druckanpassung kann am Ausgang der Zuführspeichereinrichtung 2 oder im Eingangsabschnitt der Koppelstrecke 4 ein Vordruck-Druckminderer 11 und/oder im Ausgangsabschnitt der Koppelstrecke 4 oder Eingangsbereich der Energiewandlervorrichtung 3 ein Hinterdruck-Druckminderer 12 angeordnet sein. Im Gegensatz zu bekannten Ausführungen wird bei vorliegender Energieaufbereitungsvorrichtung 1 der Eingangsdruck von beispielsweise bis zu 700 bar jedoch nicht durch Druckminderer auf das erforderliche Druckniveau für die chemische Reaktion in der Energiewandlervorrichtung 3, vorliegend also des Brennstoffzellenstapels, gebracht, sondern die Druckminderer werden allenfalls zu einer Feinjustierung bzw. genauen Einregelung des Druckniveaus verwendet. The energy carrier medium is z. B. stored in a high-pressure storage or high-pressure tank, in this case a hydrogen high-pressure tank. Alternatively, other storage devices are also possible, e.g. B. (as mentioned in the prior art mentioned at the beginning) in a metal hydride storage or in a cryogenic tank. In these cases, the hydrogen stored in this way is transferred into the gas phase in the supply storage device 2 with a correspondingly high input pressure for introduction into the coupling section 4. For defined pressure adjustment, a feed pressure pressure reducer 11 can be arranged at the output of the feed storage device 2 or in the input section of the coupling section 4 and/or a downstream pressure pressure reducer 12 can be arranged in the output section of the coupling section 4 or input area of the energy converter device 3. In contrast to known versions, in the present energy processing device 1, the input pressure of, for example, up to 700 bar is not brought to the required pressure level for the chemical reaction in the energy converter device 3, in this case the fuel cell stack, by pressure reducers, but rather the pressure reducers are only used for fine adjustment or precise adjustment of the pressure level is used.
[0041] Bei vorliegender Energieaufbereitungsvorrichtung 1 wird das Druckgefälle des Energieträgermediums zwischen Eingangsdruck und Arbeitsdruck bzw. die in dem komprimierten Gas enthaltene potenzielle Energie weitgehend oder vollständig in der Koppelstrecke 4 zur Erhöhung der Effizienz der Energieaufbereitungsvorrichtung 1, insbesondere der Energiewandlervorrichtung 3, umgesetzt. Hierzu ist in der Koppelstrecke 4, die auch erforderliche Leitungsmittel für die Zuführung des Energieträgermediums von der Zuführspeichereinrichtung 2 zu der Energiewandlervorrichtung 3 und eine gegebenenfalls erforderliche Ventilanordnung 7 (vgl. Fig. 3 und 4) umfasst, eine mittels der durch das Druckgefälle gegebenen Energie (vollständig oder zusätzlich) angetriebene Verdichtungsvorrichtung 42 für den Oxidator, insbesondere Sauerstoff bzw. diesen enthaltende Luft, angeordnet. In the present energy processing device 1, the pressure gradient of the energy carrier medium between the input pressure and the working pressure or the potential energy contained in the compressed gas is largely or completely converted in the coupling section 4 in order to increase the efficiency of the energy processing device 1, in particular the energy converter device 3. For this purpose, in the coupling section 4, which also includes the necessary line means for supplying the energy carrier medium from the supply storage device 2 to the energy converter device 3 and an optionally required valve arrangement 7 (cf. FIGS. 3 and 4), a means of the energy given by the pressure gradient ( fully or additionally) driven compression device 42 for the oxidizer, in particular oxygen or air containing it, is arranged.
[0042] Die Verdichtungsvorrichtung 42 kann dabei unterschiedlich, z. B. als translatorisch oder rotatorisch angetriebene Kompressionsmaschine beispielsweise mit Kolben-/Zylindereinheit, Rotationskolben oder Membranpumpe, ausgebildet sein. Als Antrieb der Verdichtungsvorrichtung 42 kann ebenfalls ein translatorisch oder rotatorisch arbeitender Mechanismus, vorzugsweise in Ausbildung als Expansionsvorrichtung 40 mit Expansionsmaschine, insbesondere als Turbinenanordnung mit mindestens einer Turbine, eingesetzt sein, wobei für den Antrieb die aus dem Druckgefälle gewonnene Arbeitsenergie genutzt wird. The compression device 42 can be different, e.g. B. be designed as a translationally or rotationally driven compression machine, for example with a piston/cylinder unit, rotary piston or diaphragm pump. A translatory or rotary mechanism can also be used to drive the compression device 42, preferably in the form of an expansion device 40 with an expansion machine, in particular as a turbine arrangement with at least one turbine, the working energy obtained from the pressure drop being used for the drive.
[0043] Mittels der Verdichtungsvorrichtung 42 bzw. des von dieser der Energiewandlervorrichtung 3 komprimiert zugeführten Oxidators kann der Wirkungsgrad der Energiewandlervorrichtung 3, beispielsweise in Form der Brennstoffzelleneinrichtung 30, und damit die Effizienz des Gesamtsystems der Energieaufbereitungsvorrichtung 1 wesentlich erhöht werden. By means of the compression device 42 or the oxidizer supplied in compressed form to the energy converter device 3, the efficiency of the energy converter device 3, for example in the form of the fuel cell device 30, and thus the efficiency of the overall system of the energy processing device 1 can be significantly increased.
[0044] Die Verdichtungsvorrichtung 42 ist z. B. über einen Wellenstrang 41 mit der Expansionsvorrichtung 40 mechanisch gekoppelt, wobei die von der Expansionsmaschine abgegebene Energie, insbesondere durch die aus dem Druckgefälle bzw. der Druckenergie gewonnene Rotationsenergie, auf den Wellenstrang 41 zum Antrieb der Verdichtungsvorrichtung 42 übertragen wird. Der Wellenstrang 41 zwischen der Expansionsvorrichtung 40 und der Verdichtungsvorrichtung 42 kann dabei als einstückige Welle ausgebildet oder mit einem mechanischen Getriebe oder einem Kupplungsmechanismus versehen sein. Da das Verhältnis des Oxidator- bzw. Luftbedarfs und des Bedarfs an Energieträgermedium, wie Wasserstoffbedarf des Brennstoffzellenstapels, durch die chemische Reaktion vorgegeben und konstant ist, kann ein konstantes Übersetzungsverhältnis bzw. eine konstante Getriebeübersetzung zwischen der Expansionsvorrichtung 40 und der Verdichtungsvorrichtung 42 realisiert werden. Wird eine elektrisch betriebene Verdichtungsvorrichtung 42 verwendet, wird die potentielle Energie des komprimierten Energieträgermediums zusätzlich zum Betrieb der Verdichtungsvorrichtung 42 genutzt. The compression device 42 is z. B. mechanically coupled to the expansion device 40 via a shaft train 41, the energy released by the expansion machine, in particular through the rotational energy obtained from the pressure gradient or the pressure energy, being transferred to the shaft train 41 to drive the compression device 42. The shaft train 41 between the expansion device 40 and the compression device 42 can be designed as a one-piece shaft or be provided with a mechanical gear or a clutch mechanism. Since the ratio of the oxidizer or air requirement and the requirement for energy carrier medium, such as hydrogen requirement of the fuel cell stack, is predetermined and constant by the chemical reaction, a constant gear ratio or a constant gear ratio between the expansion device 40 and the compression device 42 can be realized. If an electrically operated compression device 42 is used, the potential energy of the compressed energy carrier medium is used in addition to operating the compression device 42.
[0045] Alternativ zu der Ausgestaltung der Energieaufbereitungsvorrichtung 1 mit der Brennstoffzelleneinrichtung 30, kann als Energiewandlervorrichtung 3 z. B. ein mit Erdgas als Energieträ-As an alternative to the design of the energy processing device 1 with the fuel cell device 30, the energy converter device 3 can be used, for example. B. one with natural gas as an energy source
germedium betriebener Verbrennungsmotor verwendet werden, wobei in der Zuführspeichereinrichtung 2 das Erdgas vorgehalten und an deren Ausgangsbereich bzw. im Eingangsbereich der Koppelstrecke 4 unter entsprechend hohem Eingangsdruck zugeführt wird, um in dem Verbrennungsmotor bei niedrigerem Arbeitsdruck durch eine chemische Verbrennungsreaktion mit dem komprimierten Oxidator umgewandelte Energie einem angeschlossenen Verbraucher zur Verfügung zu stellen. Eine solche alternative Ausgestaltungsmöglichkeit kommt auch für die weiteren Ausführungsbeispiele in Betracht. germedium operated internal combustion engine can be used, the natural gas being kept in the feed storage device 2 and supplied to the output area or in the input area of the coupling section 4 under a correspondingly high input pressure in order to convert energy into the internal combustion engine at a lower working pressure by a chemical combustion reaction with the compressed oxidizer to make available to connected consumers. Such an alternative design option can also be considered for the other exemplary embodiments.
[0046] Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 weist die Energieaufbereitungsvorrichtung 1 im Unterschied zur Ausführung nach Fig. 1 eine zweite Expansionsmaschine, insbesondere in Ausbildung einer Abgasturbine 430, auf, die zusätzlich die Energie des Abgases der Energiewandlervorrichtung 3 zurückgewinnt, um auch diese zur Kompression des Oxidators mittels der Verdichtungsvorrichtung 42 zu verwenden. Die Kopplung mit der Verdichtungsvorrichtung 42 erfolgt dabei beispielsweise über den gleichen oder über einen zusätzlichen Wellenstrang, der mit dem Wellenstrang 41 vorzugsweise mechanisch gekoppelt ist. Bei der Ausführung der Energieaufbereitungsvorrichtung 1 z. B. mit einem Brennstoffzellenstapel wird damit auch die Energie des austretenden Wasserdampf-Luftgemischs zurückgewonnen und zur Kompression verwendet. Hierbei wird zusätzlich zu der potenziellen Energie des Energieträgermediums bzw. Wasserstoffs auch die Energie des Produktwasser-/Luft- Gemisches in mechanische Energie umgewandelt und zum Antrieb der Verdichtungsvorrichtung 42 bzw. der Kompressionsmaschine verwendet. Dies trägt zur weiteren Erhöhung des Wirkungsgrades der Energiewandlervorrichtung 3 bei. In the exemplary embodiment according to FIG. 2, the energy processing device 1, in contrast to the embodiment according to FIG To use compression of the oxidizer by means of the compression device 42. The coupling with the compression device 42 takes place, for example, via the same shaft train or via an additional shaft train, which is preferably mechanically coupled to the shaft train 41. When executing the energy processing device 1 z. B. with a fuel cell stack, the energy of the emerging water vapor-air mixture is also recovered and used for compression. In addition to the potential energy of the energy carrier medium or hydrogen, the energy of the product water/air mixture is also converted into mechanical energy and used to drive the compression device 42 or the compression machine. This contributes to further increasing the efficiency of the energy converter device 3.
[0047] Bei der in Fig. 3 gezeigten weiteren Ausführungsvariante der Energieaufbereitungsvorrichtung 1 ist in der Koppelstrecke 4 zwischen der Zuführspeichereinrichtung 2 und der Energiewandlervorrichtung 3 eine Expansionsvorrichtung 40 mit einer Turbinenanordnung aus einer Volllastturbine 401 und einer Teillastturbine 402 angeordnet, die auf einem gemeinsamen Wellenstrang 41 liegen. Dabei ist bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel vorteilhaft (aber nicht notwendigerweise) eine mechanische Kupplung 44 angeordnet, die zusätzliche Steuerungs- oder Regelungsmöglichkeiten bietet. Auf dem Wellenstrang 41 ist dabei auch die Verdichtungsvorrichtung 42 für den Oxidator (insbesondere aus Umgebungsluft) angeordnet. Ferner kann auf den Wellenstrang 41, insbesondere zwischen der Teillastturbine 402 und der Verdichtungsvorrichtung 42, eine elektrische Maschine 6 angeordnet sein, die als Motor oder Generator ausgebildet ist oder wahlweise als Motor oder Generator betrieben werden kann. 3, an expansion device 40 with a turbine arrangement consisting of a full-load turbine 401 and a partial-load turbine 402 is arranged in the coupling section 4 between the supply storage device 2 and the energy converter device 3, which is mounted on a common shaft train 41 lay. In the exemplary embodiment shown, a mechanical clutch 44 is advantageously (but not necessarily) arranged, which offers additional control or regulation options. The compression device 42 for the oxidizer (in particular from ambient air) is also arranged on the shaft train 41. Furthermore, an electrical machine 6 can be arranged on the shaft train 41, in particular between the partial load turbine 402 and the compression device 42, which is designed as a motor or generator or can optionally be operated as a motor or generator.
[0048] Zudem sind nach Fig. 3 in den Leitungsmitteln der Koppelstrecke 4 verschiedene Ventile einer Ventilanordnung 7 angeordnet, über die verschiedene Zuführungswege für das Energieträgermedium von der Zuführspeichereinrichtung 2 zu der Energiewandlervorrichtung 3, also z. B. von einem Wasserstoffdruckspeicher zu einer Brennstoffzelleneinrichtung 30, oder auch eine Kreisführung innerhalb der Koppelstrecke 4 mittels entsprechender Ansteuerung der einzelnen Ventile hergestellt werden können. Ferner ist auch bei diesem Ausführungsbeispiel am Ausgang der Energiewandlervorrichtung 3 eine Abgasexpansionsmaschine 43, insbesondere in Ausbildung als Abgasturbine 430, zur Nutzung der Energie des Abgases der Energiewandlervorrichtung 3 angeordnet. 3, different valves of a valve arrangement 7 are arranged in the line means of the coupling section 4, via which different supply paths for the energy carrier medium from the supply storage device 2 to the energy converter device 3, i.e. z. B. from a hydrogen pressure accumulator to a fuel cell device 30, or a circuit within the coupling path 4 can be produced by means of appropriate control of the individual valves. Furthermore, in this exemplary embodiment, an exhaust gas expansion machine 43, in particular in the form of an exhaust gas turbine 430, is arranged at the output of the energy converter device 3 for using the energy of the exhaust gas from the energy converter device 3.
[0049] Die Ventilanordnung 7 umfasst in einem Leitungsabschnitt zwischen dem Ausgang der Zuführspeichereinrichtung 2 und der Expansionsvorrichtung 40 in Strömungsrichtung des Energieträgermediums zunächst ein Energieträgermedium-Zuleitungsventil 70 und weiterhin zwei an einer diesem nachfolgenden Abzweigstelle über dort angeschlossene Leitungsabschnitte eingebundene Ventile, nämlich das in der dort angeschlossenen Bypassleitung liegende Energieträgermedium-Bypassventil 73 und ein in einer an die Volllastturbine 401 angeschlossenen Zweigleitung liegendes Abschottventil 71 für die Volllastturbine 401. Zudem führt von der genannten Abzweigstelle ein Leitungsabschnitt zum Eingang der Teillastturbine 402. The valve arrangement 7 comprises, in a line section between the outlet of the supply storage device 2 and the expansion device 40 in the flow direction of the energy carrier medium, first an energy carrier medium supply valve 70 and further two valves integrated at a branch point following this via line sections connected there, namely the one in the there Energy carrier medium bypass valve 73 located in the connected bypass line and a isolation valve 71 for the full-load turbine 401 located in a branch line connected to the full-load turbine 401. In addition, a line section leads from the branch point mentioned to the entrance of the partial-load turbine 402.
[0050] Das zugeführte gasförmige Energieträgermedium, insbesondere in Form von Wasserstoff, kann mittels der Volllastturbine 401 und der Teillastturbine 402 entspannt werden. Die dabei auf demselben Wellenstrang 41, insbesondere derselben Welle, mit der Verdichtungsvorrichtung 42 liegende Teillastturbine 402 treibt mittels der aus dem Druckgefälle gewonnenen Energie die Ver-The supplied gaseous energy carrier medium, in particular in the form of hydrogen, can be expanded by means of the full-load turbine 401 and the partial-load turbine 402. The partial load turbine 402, which is located on the same shaft train 41, in particular the same shaft, with the compression device 42, drives the compression by means of the energy obtained from the pressure gradient.
dichtungsvorrichtung 42 an und kann somit direkt zur Verdichtung des Oxidators, insbesondere der Luft aus der Umgebung, verwendet werden. Mittels der zusätzlich auf diesem Wellenstrang 41 angeordneten Abgasturbine 430 wird aus dem Abgasmassenstrom zusätzlich Energie zurückgewonnen. Die an dem Wellenstrang 41 angekoppelte, z. B. angeflanschte, elektrische Maschine 6, beispielsweise ein Elektromotor, kann die Verdichtungsvorrichtung 42 insbesondere bei niedrigen Wasserstoffmassenströmen unterstützen und ermöglicht z. B. eine Trocknung des Brennstoffzellenstapels der Brennstoffzelleneinrichtung 30 beim Abschalten derselben. Sealing device 42 and can therefore be used directly to compress the oxidizer, in particular the air from the environment. Additional energy is recovered from the exhaust gas mass flow by means of the exhaust gas turbine 430 additionally arranged on this shaft train 41. The one coupled to the shaft train 41, e.g. B. flanged, electrical machine 6, for example an electric motor, can support the compression device 42 in particular at low hydrogen mass flows and enables z. B. drying of the fuel cell stack of the fuel cell device 30 when it is switched off.
[0051] Mittels der mechanischen Kupplung 44 kann die Volllastturbine 401 zugeschaltet werden. Auf diese Weise kann während eines Teillastbetriebs ausgeschlossen werden, dass die Turbinenschaufeln bei Lastwechseln mitbewegt werden müssen, und Schleppmomente der Volllastturbine 401 werden vermieden. Ein Bypassventil 73 der Ventilanordnung 7 ist in einem Bypassweg parallel zu der Expansionsvorrichtung 40 mit der Volllastturbine 401 und der Teillastturbine 402 angeordnet, sodass ein Massenstrom des Energieträgermediums über eine Belastungsgrenze (Stopfgrenze) der Volllastturbine 401 hinaus ermöglicht wird. The full-load turbine 401 can be switched on using the mechanical clutch 44. In this way, during partial load operation, it can be ruled out that the turbine blades have to be moved during load changes, and drag torques of the full load turbine 401 are avoided. A bypass valve 73 of the valve arrangement 7 is arranged in a bypass path parallel to the expansion device 40 with the full-load turbine 401 and the partial-load turbine 402, so that a mass flow of the energy carrier medium beyond a load limit (stuffing limit) of the full-load turbine 401 is made possible.
[0052] In Kombination mit dem Energieträgermedium-Zuleitungsventil 70 und der mechanischen Kupplung 44 lässt sich mit dem Bypassventil 73 zusätzlich die Oxidatorseite bzw. Luftseite mit der Verdichtungsvorrichtung 42 und ggf. der (nicht notwendigerweise vorhandenen) Abgasturbine 430 von der Seite des Energieträgermediums bzw. der Wasserstoffseite entkoppeln, indem die Teillastturbine 402 das Fluid in Form des Energieträgermediums bei offenem Bypassventil 73 und geschlossenem Energieträger-Zuleitungsventil 70 im Kreis fördert und die Volllastturbine 401 bei offener Kupplung 44 und geschlossenem Abschottventil 71 entkoppelt ist. Auf diese Weise kann ein Trocknen des Brennstoffzellenstapels beim Abschalten bzw. im abgeschalteten Zustand der Brennstoffzelleneinrichtung 30 realisiert werden. In combination with the energy carrier medium supply valve 70 and the mechanical coupling 44, the bypass valve 73 can also be used to connect the oxidizer side or air side with the compression device 42 and possibly the (not necessarily present) exhaust gas turbine 430 from the side of the energy carrier medium or decouple the hydrogen side in that the partial load turbine 402 conveys the fluid in the form of the energy carrier medium in a circuit with the bypass valve 73 open and the energy carrier supply valve 70 closed and the full load turbine 401 is decoupled with the clutch 44 open and the isolation valve 71 closed. In this way, the fuel cell stack can be dried when the fuel cell device 30 is switched off or in the switched off state.
[0053] Bei dem in Fig. 4 gezeigten Ausführungsbeispiel der Energieaufbereitungsvorrichtung 1 sind im Unterschied zu der Ausführung nach Fig. 3 die Volllastturbine 401 und die Teillastturbine 402 auf zwei Wellensträngen, einem ersten Wellenstrang 410 und einem weiteren Wellenstrang 411, in ihrer Wirkungsweise parallel angeordnet. Dabei ist auf dem ersten Wellenstrang 410 die Volllastturbine 401 und ein erster Oxidatorverdichter 420 (Luftverdichter, insbesondere für Umgebungsluft) und auf dem weiteren Wellenstrang 411 die Teillastturbine 402 mit einem zweiten Oxidatorverdichter 421 (Luftverdichter, insbesondere für Umgebungsluft) angeordnet. Zudem sind bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel (aber nicht notwendigerweise) auf dem ersten Wellenstrang 410 und dem weiteren Wellenstrang 411 eine erste elektrische Maschine 61 bzw. zweite elektrische Maschine 62 und eine (ebenfalls vorteilhaft, aber nicht notwendigerweise) erste Abgasturbine 431 bzw. eine zweite Abgasturbine 432 angeordnet. Die Ventilanordnung 7 umfasst auch hierbei ein in einem Leitungsabschnitt am Ausgang der Zuführspeichereinrichtung 2 angeordnetes Energieträgermedium-Zuleitungsventil 70 und an einer dieser nachgeordneten Abzweigungsstelle in jeweiligen Leitungsabschnitten angeordnete Ventile, nämlich in einer Bypassleitung 5 ein Energieträgermedium-Bypassventil 73, ein in einem Leitungsabschnitt zwischen der Abzweigstelle und dem Eingang der Volllastturbine 401 angeordnetes Abschottventil 71 für die Volllastturbine 401 und zudem ein in einem Leitungsabschnitt zwischen der Abzweigungsstelle und dem Eingang der Teillastturbine 402 angeordnetes weiteres Abschottventil 72 für die Teillastturbine 402. In the exemplary embodiment of the energy processing device 1 shown in FIG. 4, in contrast to the embodiment according to FIG . The full-load turbine 401 and a first oxidizer compressor 420 (air compressor, in particular for ambient air) are arranged on the first shaft train 410 and the partial load turbine 402 with a second oxidizer compressor 421 (air compressor, in particular for ambient air) is arranged on the further shaft train 411. In addition, in the exemplary embodiment shown (but not necessarily) on the first shaft train 410 and the further shaft train 411 are a first electrical machine 61 or second electrical machine 62 and a (also advantageous, but not necessarily) first exhaust gas turbine 431 or a second exhaust gas turbine 432 arranged. The valve arrangement 7 also includes an energy carrier medium supply valve 70 arranged in a line section at the outlet of the supply storage device 2 and valves arranged in respective line sections at a branch point downstream of this, namely an energy carrier medium bypass valve 73 in a bypass line 5, one in a line section between the branch point and the inlet of the full-load turbine 401 arranged isolation valve 71 for the full-load turbine 401 and also a further isolation valve 72 for the part-load turbine 402 arranged in a line section between the branch point and the inlet of the part-load turbine 402.
[0054] Auch in dieser Ausführungsvariante wird das komprimierte gasförmige Energieträgermedium, vorliegend Wasserstoff, unter einem hohen Eingangsdruck am Ausgang der Zuführspeichereinrichtung 2 bzw. am Eingang der Koppelstrecke 4 vorgehalten und über die Expansionsvorrichtung 40 mit der Volllastturbine 401 und der dazu wirkungsmäßig parallel liegenden Teillastturbine 402 entspannt und unter relativ geringem Arbeitsdruck in der Energiewandlervorrichtung 3, vorliegend dem Brennstoffzellenstapel, vermittels chemischer Reaktion mit dem Oxidator in z. B. elektrische Energie gewandelt. Der für die Reaktion benötigte Oxidator wird über die Verdichtungsvorrichtung 42 mit dem ersten Oxidatorverdichter 420 (Volllastluftverdichter) und dem zweiten Oxidatorverdichter 421 (Teillastluftverdichter) der Energiewandlervorrichtung 3 bzw. dem Brennstoffzellenstapel komprimiert zugeführt. Das aus der Energiewandlervorrichtung bzw. der Brennstoffzelleneinrichtung 30 ausströmende Abgas mit komprimierter Luft und Produktwasser [0054] In this embodiment variant too, the compressed gaseous energy carrier medium, in this case hydrogen, is kept available under a high inlet pressure at the outlet of the supply storage device 2 or at the inlet of the coupling section 4 and via the expansion device 40 with the full-load turbine 401 and the partial-load turbine 402, which is effectively parallel to it relaxed and under relatively low working pressure in the energy converter device 3, in this case the fuel cell stack, by means of a chemical reaction with the oxidizer in z. B. electrical energy is converted. The oxidizer required for the reaction is supplied in compressed form to the energy converter device 3 or the fuel cell stack via the compression device 42 with the first oxidizer compressor 420 (full load air compressor) and the second oxidizer compressor 421 (partial load air compressor). The exhaust gas flowing out of the energy converter device or the fuel cell device 30 with compressed air and product water
wird über die erste Abgasturbine 431 (Abgasturbine Volllast) und die zweite Abgasturbine 432 (Abgasturbine Teillast) entspannt und die in dem Abgas enthaltene zusätzliche Energie kann so zurückgewonnen werden. is expanded via the first exhaust gas turbine 431 (exhaust gas turbine full load) and the second exhaust gas turbine 432 (exhaust gas turbine part load) and the additional energy contained in the exhaust gas can be recovered in this way.
[0055] Bei diesem Aufbau kann die als Elektromotor wirkende erste elektrische Maschine 61 im ersten Wellenstrang (Volllast) und die als Elektromotor betriebene zweite elektrische Maschine 62 im weiteren Wellenstrang 411 (Teillast) in Betriebsmodi mit hohem Oxidatorbedarf bzw. Luftbedarf (z. B. Trocknung beim Abstellen) die Oxidatorverdichter 420, 421 unabhängig vom Massenstrom des gasförmigen Energieträgermediums bzw. des Wasserstoffs betreiben. Zusätzlich kann hierüber überschüssige Energie generatorisch als elektrische Energie in das Bordnetz zurückgespeist werden. Alle Komponenten des ersten Wellenstrangs 410 (Volllaststrang) und alle Komponenten des weiteren Wellenstrangs 411 (Teillaststrang) können dabei jeweils auf einer gemeinsamen einstückigen Welle, d. h. die Volllastkomponenten auf einer Volllastwelle und die Teillastkomponenten auf einer davon getrennten Teillastwelle, angeordnet sein, wodurch ein kompakter Aufbau der Energieaufbereitungsvorrichtung 1 begünstigt wird. In this structure, the first electric machine 61, acting as an electric motor, in the first shaft train (full load) and the second electric machine 62, operated as an electric motor, in the further shaft train 411 (part load) can operate in operating modes with a high oxidizer requirement or air requirement (e.g. Drying when shutting down) the oxidizer compressors 420, 421 operate independently of the mass flow of the gaseous energy carrier medium or hydrogen. In addition, excess energy can be fed back into the vehicle electrical system as electrical energy. All components of the first shaft train 410 (full load train) and all components of the further shaft train 411 (partial load train) can each be on a common, one-piece shaft, i.e. H. the full-load components can be arranged on a full-load shaft and the part-load components on a separate part-load shaft, thereby favoring a compact structure of the energy processing device 1.
[0056] Entsprechend dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 können durch das Energieträgermedium-Zuleitungsventil 70, das weitere Abschottventil 72 für die Teillastturbine, das Abschottventil 71 für die Volllastturbine und das Energieträgermedium-Bypassventil 73 die Seite des Energieträgermediums bzw. Wasserstoffseite und die Oxidatorseite bzw. Luftseite unabhängig voneinander betrieben werden. 3, the energy carrier medium supply valve 70, the further isolation valve 72 for the partial load turbine, the isolation valve 71 for the full load turbine and the energy carrier medium bypass valve 73 can be used to control the energy carrier medium side or hydrogen side and the oxidizer side or Air side can be operated independently of each other.
[0057] Die beschriebene Energieaufbereitungsvorrichtung ist vorteilhaft für den Einsatz in straBengebundenen Fahrzeugen z. B. mit Brennstoffzellen- oder Erdgasantrieb geeignet. Die Vorrichtung bzw. das Verfahren kann insbesondere dann angewendet werden, wenn eine Energiewandlervorrichtung gasförmigen Energieträger (Kraftstoff, Brennstoff) und einen komprimierten, gasförmigen Oxidator als Betriebsstoff benötigt und ein Druckgefälle zwischen der Zuführspeichereinrichtung 2 bzw. einem Speicher für das Energieträgermedium und der Energiewandlervorrichtung 3 vorliegt. Anwendungsgebiete sind z. B. Brennstoffzellen- und Erdgas-Antriebstechnologien im Verkehrsbereich, nämlich für straßen- und schienengebundene Fahrzeuge, Flugzeuge und/oder Schiffe. The energy processing device described is advantageous for use in road-bound vehicles, e.g. B. suitable with fuel cell or natural gas drive. The device or the method can be used in particular when an energy converter device requires gaseous energy carriers (fuel) and a compressed, gaseous oxidizer as operating fluid and there is a pressure drop between the supply storage device 2 or a storage device for the energy carrier medium and the energy converter device 3 . Areas of application include: B. Fuel cell and natural gas drive technologies in the transport sector, namely for road and rail vehicles, aircraft and/or ships.
Claims (1)
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|---|---|---|---|
| ATGM50135/2022U AT18081U1 (en) | 2022-09-01 | 2022-09-01 | Energy processing device |
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|---|---|---|---|
| ATGM50135/2022U AT18081U1 (en) | 2022-09-01 | 2022-09-01 | Energy processing device |
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|---|---|
| AT18081U1 true AT18081U1 (en) | 2023-12-15 |
Family
ID=89123209
Family Applications (1)
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|---|---|---|---|
| ATGM50135/2022U AT18081U1 (en) | 2022-09-01 | 2022-09-01 | Energy processing device |
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Citations (4)
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2022
- 2022-09-01 AT ATGM50135/2022U patent/AT18081U1/en unknown
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