DE102010061796A1 - Fluid supply device for use in fuel cell system for separate supply of e.g. oxidizer in middle pressure range, has coupling device coupling relaxation device with compression device such that energy is freely released to increase pressure - Google Patents

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Abstract

The device (104) has a relaxation device (114) lowering pressure of fluid e.g. natural gas, from a high pressure range to a middle pressure range. A compression device (118) increases pressure of another fluid from a low pressure range to the middle pressure range. A coupling device (124) couples the relaxation device with the compression device such that energy is freely released when lowering the pressure of the former fluid to increase the pressure of the latter fluid. The coupling device comprises a driving apparatus for driving the relaxation device and the compression device. An independent claim is also included for a method for separate supply of two fluids in a middle pressure range.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Fluidbereitstellungsvorrichtung zum getrennten Bereitstellen von mindestens zwei Fluiden in einem mittleren Druckbereich.The present invention relates to a fluid delivery device for separately providing at least two fluids in a medium pressure range.

Mittels Fluidbereitstellungsvorrichtungen können beispielsweise einem Brennstoffzellensystem zwei Fluide, nämlich ein Oxidator und ein Brennstoff, zugeführt werden. Insbesondere dann, wenn das Brennstoffzellensystem bei gegenüber den atmosphärischen Bedingungen erhöhtem Druck betrieben werden soll, muss mittels der Fluidbereitstellungsvorrichtung dafür gesorgt werden, dass die beiden Fluide den für das Brennstoffzellensystem vorgegebenen Druck aufweisen. Dies kann dadurch realisiert werden, dass der Oxidator, nämlich Luft, mittels eines Kompressors komprimiert und somit auf ein höheres Druckniveau gebracht wird. Ferner kann der Brennstoff, welcher, insbesondere bei der Verwendung von Erdgas, unter einem sehr hohen Fluiddruck der Fluidbereitstellungsvorrichtung zuführbar ist, entspannt werden, um den gewünschten Fluiddruck für den Brennstoff zu erhalten. Der Fluiddruck des Oxidators wird somit von einem niedrigen Druckbereich (Atmosphärendruck) auf einen mittleren Druckbereich (Betriebsdruck des Brennstoffzellensystems) gebracht. Ferner wird der Fluiddruck des Brennstoffs von einem hohen Druckbereich (Fluiddruck in einer Versorgungsleitung) auf den mittleren Druckbereich (Betriebsdruck des Brennstoffzellensystems) gebracht. Die Drücke der beiden Fluide können dabei unabhängig voneinander an den gewünschten Druck für das Brennstoffzellensystem angepasst werden.By means of fluid supply devices, for example, a fuel cell system, two fluids, namely an oxidizer and a fuel, are supplied. In particular, if the fuel cell system is to be operated at elevated pressure relative to the atmospheric conditions, it must be ensured by means of the fluid supply device that the two fluids have the pressure prescribed for the fuel cell system. This can be realized by compressing the oxidizer, namely air, by means of a compressor and thus bringing it to a higher pressure level. Further, the fuel which, particularly when using natural gas, can be supplied to the fluid delivery device under a very high fluid pressure, can be expanded to obtain the desired fluid pressure for the fuel. The fluid pressure of the oxidizer is thus brought from a low pressure range (atmospheric pressure) to a middle pressure range (operating pressure of the fuel cell system). Further, the fluid pressure of the fuel is brought from a high pressure range (fluid pressure in a supply line) to the middle pressure range (operating pressure of the fuel cell system). The pressures of the two fluids can be adjusted independently of each other to the desired pressure for the fuel cell system.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Fluidbereitstellungsvorrichtung zum getrennten Bereitstellen von mindestens zwei Fluiden in einem mittleren Druckbereich zu schaffen, welche eine besonders energieeffiziente Bereitstellung der mindestens zwei Fluide in dem mittleren Druckbereich ermöglicht.The object of the present invention is to provide a fluid supply device for the separate provision of at least two fluids in a medium pressure range, which enables a particularly energy-efficient provision of the at least two fluids in the middle pressure range.

Diese Aufgabe wird bei einer Fluidbereitstellungsvorrichtung der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass die Fluidbereitstellungsvorrichtung eine Entspannungsvorrichtung zum Absenken des Fluiddruckes eines ersten Fluids von einem hohen Druckbereich auf den mittleren Druckbereich und eine Kompressionsvorrichtung zum Erhöhen des Fluiddruckes eines zweiten Fluids von einem niedrigen Druckbereich auf den mittleren Druckbereich umfasst, wobei die Fluidbereitstellungsvorrichtung eine Kopplungsvorrichtung zur Kopplung der Entspannungsvorrichtung mit der Kompressionsvorrichtung umfasst, so dass die beim Absenken des Fluiddruckes des ersten Fluids frei werdende Energie zumindest teilweise zum Erhöhen des Fluiddruckes des zweiten Fluids nutzbar ist.This object is achieved in a fluid delivery device of the type mentioned above in that the fluid delivery device comprises a relaxation device for lowering the fluid pressure of a first fluid from a high pressure range to the middle pressure range and a compression device for increasing the fluid pressure of a second fluid from a low pressure range to the middle Pressure range comprises, wherein the fluid supply device comprises a coupling device for coupling the expansion device with the compression device, so that the energy released when lowering the fluid pressure of the first fluid is at least partially usable for increasing the fluid pressure of the second fluid.

Unter einem Fluid ist in dieser Beschreibung und den beigefügten Ansprüchen ein fließfähiges Medium, beispielsweise eine Flüssigkeit oder ein Gas, zu verstehen.By fluid is meant in this specification and the appended claims a flowable medium, for example a liquid or a gas.

Unter einer Entspannungsvorrichtung ist in dieser Beschreibung und den beigefügten Ansprüchen jegliche Art von Vorrichtung zu verstehen, mittels welcher ein Fluiddruck eines Fluids, vorzugsweise kontrolliert, gesenkt werden kann.An expansion device in this specification and the appended claims means any type of device by means of which a fluid pressure of a fluid, preferably controlled, can be lowered.

Unter einer Kompressionsvorrichtung ist in dieser Beschreibung und den beigefügten Ansprüchen jegliche Art von Vorrichtung zu verstehen, mittels welcher ein Fluiddruck eines Fluids, vorzugsweise kontrolliert, erhöht werden kann.A compression device in this description and the appended claims means any type of device by means of which a fluid pressure of a fluid, preferably controlled, can be increased.

Dadurch, dass die Entspannungsvorrichtung der Fluidbereitstellungsvorrichtung mittels einer Kopplungsvorrichtung mit der Kompressionsvorrichtung der Fluidbereitstellungsvorrichtung gekoppelt ist, geht die beim Absenken des Fluiddruckes des ersten Fluids frei werdende Energie nicht verloren, sondern kann zum Erhöhen des Fluiddruckes des zweiten Fluids genutzt werden. Hierdurch ist ein besonders energieeffizienter Betrieb der Fluidbereitstellungsvorrichtung möglich, so dass die mindestens zwei bereitzustellenden Fluide mit einem besonders geringen externen Energieaufwand, insbesondere ohne externe Energiezufuhr, zur Verfügung gestellt werden können.Because the expansion device of the fluid delivery device is coupled to the compression device of the fluid delivery device by means of a coupling device, the energy released when the fluid pressure of the first fluid is lowered is not lost, but can be used to increase the fluid pressure of the second fluid. In this way, a particularly energy-efficient operation of the fluid supply device is possible, so that the at least two fluids to be provided can be provided with a particularly low external energy expenditure, in particular without external energy supply.

Bei einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Entspannungsvorrichtung mechanisch mit der Kompressionsvorrichtung gekoppelt ist. Auf diese Weise ist eine besonders einfache Übertragung der mittels der Entspannungsvorrichtung beim Absenken des Fluiddruckes des ersten Fluids von dem hohen Druckbereich auf den mittleren Druckbereich gewonnenen mechanischen Energie auf die Kompressionsvorrichtung möglich.In one embodiment of the invention it is provided that the expansion device is mechanically coupled to the compression device. In this way, a particularly simple transfer of the mechanical energy obtained by the expansion device when lowering the fluid pressure of the first fluid from the high pressure range to the middle pressure range to the compression device is possible.

Insbesondere kann hierbei vorgesehen sein, dass die Entspannungsvorrichtung und die Kompressionsvorrichtung eine gemeinsame Welle aufweisen, auf welcher beispielsweise eine Turbine der Entspannungsvorrichtung und/oder ein Kompressor der Kompressionsvorrichtung angeordnet sind. Hierdurch kann belspielsweise eine durch die Turbine erzeugte Drehbewegung besonders einfach auf den Kompressor übertragen werden.In particular, it can be provided here that the expansion device and the compression device have a common shaft, on which, for example, a turbine of the expansion device and / or a compressor of the compression device are arranged. As a result, by way of example, a rotational movement generated by the turbine can be transmitted particularly easily to the compressor.

Alternativ oder ergänzend hierzu kann vorgesehen sein, dass die Entspannungsvorrichtung elektrisch mit der Kompressionsvorrichtung gekoppelt ist.Alternatively or additionally, it can be provided that the expansion device is electrically coupled to the compression device.

Bei einer Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass der niedrige Druckbereich den Atmosphärendruck umfasst. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass der niedrige Druckbereich beispielsweise zwischen ungefähr 0,5 bar und ungefähr 1,5 bar, insbesondere in der Umgebung von ungefähr 1 bar, liegt. In one embodiment of the invention can be provided that the low pressure range includes the atmospheric pressure. In particular, it may be provided that the low pressure range is, for example, between about 0.5 bar and about 1.5 bar, in particular in the vicinity of about 1 bar.

Günstig ist es, wenn der mittlere Druckbereich zwischen ungefähr 2 bar und ungefähr 20 bar, vorzugsweise zwischen ungefähr 3 bar und ungefähr 7 bar, insbesondere in der Umgebung von ungefähr 5 bar, liegt. Dadurch können mittels der Fluidbereitstellungsvorrichtung zwei Fluide, insbesondere ein Oxidator und ein Brennstoff, in einem für den Betrieb einer Hochtemperaturbrennstoffzelle (SOFC) bevorzugten Druckbereich bereitgestellt werden.It is favorable if the mean pressure range is between approximately 2 bar and approximately 20 bar, preferably between approximately 3 bar and approximately 7 bar, in particular in the vicinity of approximately 5 bar. Thereby, by means of the fluid supply device, two fluids, in particular an oxidizer and a fuel, can be provided in a pressure range which is preferred for the operation of a high-temperature fuel cell (SOFC).

Der hohe Druckbereich liegt beispielsweise zwischen ungefähr 20 bar bis ungefähr 100 bar, vorzugsweise zwischen ungefähr 40 bar und ungefähr 80 bar, insbesondere in der Umgebung von ungefähr 60 bar. Insbesondere dann, wenn das erste Fluid, von einem solchen hohen Druckbereich auf den mittleren Druckbereich entspannt werden soll, kann die Entspannung unmittelbar mittels der Fluidbereitstellungsvorrichtung und damit ohne zusätzliche Entspannungsvorrichtungen realisiert werden. Beispielsweise kann hierbei vorgesehen sein, dass Brennstoff, insbesondere Erdgas, aus einer Hochdruckleitung, beispielsweise einer Pipeline, insbesondere einer Überlandleitung (Transkontinentalleitung), direkt der Fluidbereitstellungsvorrichtung zugeführt werden kann.The high pressure range is for example between about 20 bar to about 100 bar, preferably between about 40 bar and about 80 bar, in particular in the environment of about 60 bar. In particular, when the first fluid is to be expanded from such a high pressure range to the middle pressure range, the relaxation can be realized directly by means of the fluid supply device and thus without additional expansion devices. For example, it can be provided here that fuel, in particular natural gas, can be supplied directly from a high-pressure line, for example a pipeline, in particular a transmission line (transcontinental line), to the fluid supply device.

Grundsätzlich ist es vorteilhaft, wenn die beim Absenken des Fluiddruckes des ersten Fluids frei werdende Energie ausreicht, um die gewünschte Menge des zweiten Fluids derart zu komprimieren, dass der Fluiddruck des zweiten Fluids von dem niedrigen Druckbereich auf den mittleren Druckbereich ansteigt. Hierzu kann beispielsweise vorgesehen sein, dass eine größere Menge des ersten Fluids entspannt wird, als eigentlich für die Fluidbereitstellungsvorrichtung benötigt wird. Dadurch kann gewährleistet werden, dass die von der Entspannungsvorrichtung mittels der Kopplungsvorrichtung auf die Kompressionsvorrichtung übertragene Energie zur Bereitstellung der gewünschten Menge des zweiten Fluids mit einem Fluiddruck in dem mittleren Druckbereich ausreicht. Die überschüssige Menge des entspannten ersten Fluids steht dann beispielsweise für weitere Verbraucher zur Verfügung.In principle, it is advantageous if the energy released when lowering the fluid pressure of the first fluid is sufficient to compress the desired amount of the second fluid such that the fluid pressure of the second fluid increases from the low pressure range to the middle pressure range. For this purpose, it can be provided, for example, that a larger amount of the first fluid is expanded than is actually required for the fluid supply device. It can thereby be ensured that the energy transferred from the expansion device to the compression device by means of the coupling device is sufficient to provide the desired quantity of the second fluid with a fluid pressure in the middle pressure range. The excess amount of the relaxed first fluid is then available, for example, for other consumers.

Alternativ hierzu kann vorgesehen sein, dass die Kopplungsvorrichtung eine Antriebsvorrichtung zum Antreiben der Entspannungsvorrichtung und/oder der Kompressionsvorrichtung umfasst. Auf diese Weise kann insbesondere der Kompressionsvorrichtung zusätzlich Energie zugeführt werden, um die gewünschte Menge des zweiten Fluids mit einem Fluiddruck in dem mittleren Druckbereich bereitstellen zu können. Dies ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn die durch das Absenken des Fluiddruckes des ersten Fluids frei gewordene Energie zur Komprimierung der gewünschten Menge des zweiten Fluids nicht ausreichen sollte und eine zusätzliche Entspannung von nicht für die Fluidbereitstellungsvorrichtung benötigtem ersten Fluid mangels weiterer Verbraucher nicht gewünscht ist.Alternatively, it can be provided that the coupling device comprises a drive device for driving the expansion device and / or the compression device. In this way, in particular, additional energy can be supplied to the compression device in order to be able to provide the desired amount of the second fluid with a fluid pressure in the middle pressure range. This is particularly advantageous if the energy released by the lowering of the fluid pressure of the first fluid should not be sufficient to compress the desired amount of the second fluid and an additional expansion of the first fluid not required for the fluid delivery device is not desired for lack of further consumers.

Günstig kann es sein, wenn die Fluidbereitstellungsvorrichtung eine erste Fluidzuführung zur Zuführung des ersten Fluids aus einer ersten Fluidversorgung umfasst, mittels welcher der Entspannungsvorrichtung das erste Fluid mit einem Fluiddruck im hohen Druckbereich zuführbar ist. Auf diese Weise ist eine direkte Kopplung der Fluidbereitstellungsvorrichtung an die erste Fluidversorgung möglich.It may be favorable if the fluid supply device comprises a first fluid supply for supplying the first fluid from a first fluid supply, by means of which the relaxation device, the first fluid with a fluid pressure in the high pressure range can be fed. In this way, a direct coupling of the fluid supply device to the first fluid supply is possible.

Insbesondere kann vorgesehen sein, dass die erste Fluidversorgung eine Gas-Pipeline, insbesondere eine Erdgas-Pipeline, ist, in welcher Gas, insbesondere Erdgas, bei beispielsweise ungefähr 60 bar geführt wird.In particular, it can be provided that the first fluid supply is a gas pipeline, in particular a natural gas pipeline, in which gas, in particular natural gas, is conducted at, for example, approximately 60 bar.

Günstig ist es ferner, wenn die Fluidbereitstellungsvorrichtung eine zweite Fluidzuführung zur Zuführung des zweiten Fluids aus einer zweiten Fluidversorgung umfasst, mittels welcher der Kompressionsvorrichtung das zweite Fluid mit einem Fluiddruck im niedrigen Druckbereich zuführbar ist. Auf diese Weise kann eine direkte Kopplung der Fluidbereitstellungsvorrichtung mit der zweiten Fluidversorgung erfolgen.It is also advantageous if the fluid supply device comprises a second fluid supply for supplying the second fluid from a second fluid supply, by means of which the compression device, the second fluid with a fluid pressure in the low pressure range can be fed. In this way, a direct coupling of the fluid supply device with the second fluid supply can take place.

Insbesondere dann, wenn das zweite Fluid Luft ist und somit in der Umgebung der Fluidbereitstellungsvorrichtung in ausreichender Menge vorhanden ist, kann vorgesehen sein, dass die Fluidbereitstellungsvorrichtung eine Öffnung aufweist, mittels welcher der Kompressionsvorrichtung das zweite Fluid (Luft) aus der zweiten Fluidversorgung (Umgebung der Fluidbereitstellungsvorrichtung) im niedrigen Druckbereich, nämlich bei Atmosphärendruck, zuführbar ist.In particular, when the second fluid is air and is thus present in the environment of the fluid supply device in sufficient quantity, it can be provided that the fluid supply device has an opening, by means of which the compression device, the second fluid (air) from the second fluid supply (environment of Fluid supply device) in the low pressure range, namely at atmospheric pressure, can be fed.

Vorteilhaft kann es sein, wenn die Fluidbereitstellungsvorrichtung separate Fluidleitungen für die bereitzustellenden Fluide umfasst. Auf diese Weise ist eine sichere Trennung der getrennt bereitzustellenden mindestens zwei Fluide gewährleistet. Insbesondere kann hierdurch eine direkte Fluidverbindung und/oder ein direkter Druckausgleich zwischen den mindestens zwei bereitzustellenden Fluiden wirksam verhindert werden.It may be advantageous if the fluid supply device comprises separate fluid lines for the fluids to be provided. In this way, a secure separation of the separately provided at least two fluids is guaranteed. In particular, this can effectively prevent a direct fluid connection and / or a direct pressure equalization between the at least two fluids to be provided.

Die erfindungsgemäße Fluidbereitstellungsvorrichtung eignet sich insbesondere zur Verwendung in einem Brennstoffzellensystem, welches mindestens eine Brennstoffzellenvorrichtung und mindestens eine Fluidbereitstellungsvorrichtung zur Bereitstellung von Brennstoff und Oxidator an der Brennstoffzellenvorrichtung umfasst.The fluid delivery device according to the invention is particularly suitable for Use in a fuel cell system comprising at least one fuel cell device and at least one fluid supply device for providing fuel and oxidizer to the fuel cell device.

Dadurch, dass das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem eine erfindungsgemäße Fluidbereitstellungsvorrichtung umfasst, kann eine besonders energieeffiziente und somit kostengünstige Bereitstellung der für den Betrieb der Brennstoffzellenvorrichtung notwendigen Fluide, nämlich Brennstoff und Oxidator, erfolgen.Because the fuel cell system according to the invention comprises a fluid supply device according to the invention, a particularly energy-efficient and thus cost-effective provision of the fluids necessary for the operation of the fuel cell device, namely fuel and oxidizer, can take place.

Das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem weist vorzugsweise die bereits vorstehend im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Fluidbereitstellungsvorrichtung beschriebenen Merkmale und/oder Vorteile auf.The fuel cell system according to the invention preferably has the features and / or advantages already described above in connection with the fluid delivery device according to the invention.

Bei einer Weiterbildung des Brennstoffzellensystems ist vorgesehen, dass das Brennstoffzellensystem mindestens einen Wärmeübertrager umfasst, mittels welchem Wärme von einem Abgas der Brennstoffzellenvorrichtung auf eine Brennstoffzufuhrleitung und/oder eine Oxidatorzufuhrleitung der Brennstoffzellenvorrichtung übertragbar ist. Auf diese Weise kann eine Vorkonditionierung der der Brennstoffzellenvorrichtung zuzuführenden Fluide unter Reduktion der hierzu notwendigen externen Energie realisiert werden. Insbesondere kann durch die Verwendung eines Wärmeübertragers das durch das Absenken des Fluiddruckes üblicherweise sehr stark abgekühlte erste Fluid zumindest näherungsweise auf eine günstige Eintrittstemperatur für die Brennstoffzellenvorrichtung erwärmt werden.In a refinement of the fuel cell system, it is provided that the fuel cell system comprises at least one heat exchanger, by means of which heat can be transferred from an exhaust gas of the fuel cell device to a fuel supply line and / or an oxidizer supply line of the fuel cell device. In this way, a preconditioning of the fluids to be supplied to the fuel cell device can be realized while reducing the external energy required for this purpose. In particular, by using a heat exchanger, the first fluid, which is usually very strongly cooled by the lowering of the fluid pressure, can be heated at least approximately to a favorable inlet temperature for the fuel cell device.

Ferner liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum getrennten Bereitstellen von mindestens zwei Fluiden in einem mittleren Druckbereich bereitzustellen, welches besonders energieeffizient ist und keine oder lediglich eine geringe Zufuhr von externer Energie erfordert.It is another object of the present invention to provide a method for providing at least two fluids separately in a medium pressure range, which is particularly energy efficient and requires no or only a small supply of external energy.

Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der vorstehend genannten Art dadurch gelöst, dass der Fluiddruck eines ersten Fluids mittels einer Entspannungsvorrichtung von einem hohen Druckbereich auf den mittleren Druckbereich abgesenkt wird und dass der Fluiddruck eines zweiten Fluids mittels einer Kompressionsvorrichtung von einem niedrigen Druckbereich auf den mittleren Druckbereich erhöht wird, wobei die beim Absenken des Fluiddrucks des ersten Fluids frei gewordene Energie zur Erhöhung des Fluiddrucks des zweiten Fluids genutzt wird.This object is achieved in a method of the aforementioned type in that the fluid pressure of a first fluid is lowered by means of a relaxation device from a high pressure range to the average pressure range and that the fluid pressure of a second fluid by means of a compression device from a low pressure range to the average pressure range is increased, wherein the released during lowering of the fluid pressure of the first fluid energy is used to increase the fluid pressure of the second fluid.

Dadurch, dass die beim Absenken des Fluiddrucks des ersten Fluids frei werdende Energie für das Erhöhen des Fluiddrucks des zweiten Fluids genutzt wird, ist keine oder zumindest lediglich eine geringe Energiezufuhr von einer externen Energiequelle notwendig, so dass das Verfahren besonders energieeffizient ist.Characterized in that the energy released when lowering the fluid pressure of the first fluid is used for increasing the fluid pressure of the second fluid, no or at least only a small power supply from an external power source is necessary, so that the method is particularly energy efficient.

Das erfindungsgemäße Verfahren weist vorzugsweise die vorstehend im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Fluidbereitstellungsvorrichtung und/oder dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem beschriebenen Merkmale und/oder Vorteile auf.The method according to the invention preferably has the features and / or advantages described above in connection with the fluid supply device according to the invention and / or the fuel cell system according to the invention.

Bei einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die beim Absenken des Fluiddruckes des ersten Fluids frei gewordene Energie mittels der Entspannungsvorrichtung in mechanische Energie umgewandelt und mittels einer Kopplungsvorrichtung von der Entspannungsvorrichtung auf die Kompressionsvorrichtung übertragen wird. Auf diese Weise ist eine effiziente Übertragung der in der Entspannungsvorrichtung frei werdenden Energie möglich. Insbesondere muss keine Umwandlung der in der Entspannungsvorrichtung frei werdenden Energie in elektrische Energie erfolgen.In a development of the invention, it is provided that the energy released when the fluid pressure of the first fluid has been reduced is converted into mechanical energy by means of the expansion device and transferred from the expansion device to the compression device by means of a coupling device. In this way, efficient transmission of the energy released in the expansion device is possible. In particular, no conversion of the energy released in the expansion device into electrical energy has to take place.

Die mechanische Energie, in welche die beim Absenken des Fluiddruckes des ersten Fluids frei werdende Energie mittels der Entspannungsvorrichtung umgewandelt wird, ist insbesondere Bewegungsenergie, insbesondere eine Rotationsenergie einer Turbine der Entspannungsvorrichtung, eines Kompressors der Kompressionsvorrichtung und/oder einer gemeinsamen Welle für die Turbine der Entspannungsvorrichtung und den Kompressor der Kompressionsvorrichtung.The mechanical energy into which the energy released when lowering the fluid pressure of the first fluid is converted by means of the expansion device is in particular kinetic energy, in particular a rotational energy of a turbine of the expansion device, a compressor of the compression device and / or a common shaft for the turbine of the expansion device and the compressor of the compression device.

Vorteilhaft kann es sein, wenn das erste Fluid ein Brennstoff ist und das zweite Fluid ein Oxidator ist, wobei der Brennstoff und der Oxidator einer Brennstoffzellenvorrichtung zugeführt werden.It can be advantageous if the first fluid is a fuel and the second fluid is an oxidizer, wherein the fuel and the oxidizer are fed to a fuel cell device.

Insbesondere dann, wenn der Brennstoff und/oder der Oxidator vor der Zuführung zu der Brennstoffzellenvorrichtung mittels mindestens eines Wärmeübertragers erwärmt werden, wobei der mindestens eine Wärmeübertrager an eine Abgasleitung der Brennstoffzellenvorrichtung gekoppelt ist, ist ein besonders energieeffizienter Betrieb der Brennstoffzellenvorrichtung, das heißt ein Betrieb der Brennstoffzellenvorrichtung mit einem hohen Wirkungsgrad, möglich.In particular, when the fuel and / or the oxidizer are heated before being supplied to the fuel cell device by means of at least one heat exchanger, wherein the at least one heat exchanger is coupled to an exhaust pipe of the fuel cell device, is a particularly energy-efficient operation of the fuel cell device, that is, an operation of Fuel cell device with a high efficiency, possible.

Die erfindungsgemäße Fluidbereitstellungsvorrichtung und das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem eignen sich insbesondere zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.The fluid supply device according to the invention and the fuel cell system according to the invention are particularly suitable for carrying out the method according to the invention.

Die vorliegende Erfindung betrifft ferner die Verwendung einer erfindungsgemäßen Fluidbereitstellungsvorrichtung und/oder eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.The present invention further relates to the use of a fluid delivery device according to the invention and / or a Fuel cell system according to the invention for carrying out the method according to the invention.

Günstig kann es sein, wenn eine Fluidbereitstellungsvorrichtung an eine Hochtemperatur-Brennstoffzelle (SOFC) gekoppelt wird. Insbesondere kann hierdurch ein druckaufgeladener Betrieb der Hochtemperatur-Brennstoffzelle (SOFC) ermöglicht werden.It may be favorable if a fluid supply device is coupled to a high-temperature fuel cell (SOFC). In particular, this allows a pressure-charged operation of the high-temperature fuel cell (SOFC).

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung sind Gegenstand der nachfolgenden Beschreibung und der zeichnerischen Darstellung von Ausführungsbeispielen.Further features and advantages of the invention are the subject of the following description and the drawings of exemplary embodiments.

In den Figuren zeigen:In the figures show:

1 eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform eines Brennstoffzellensystems, bei welchem aus einer Brennstoffzellenvorrichtung des Brennstoffzellensystems entweichendes Abgas ungenutzt bleibt; 1 a schematic representation of a first embodiment of a fuel cell system, in which from a fuel cell device of the fuel cell system escaping exhaust gas remains unused;

2 eine der 1 entsprechende schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform eines Brennstoffzellensystems, bei welcher ein Wärmeübertrager zur Übertragung von Wärme aus einer Abgasleitung einer Brennstoffzellenvorrichtung des Brennstoffzellensystems auf eine Brennstoffzufuhrleitung des Brennstoffzellensystems vorgesehen ist; 2 one of the 1 corresponding schematic representation of a second embodiment of a fuel cell system in which a heat exchanger for transferring heat from an exhaust pipe of a fuel cell device of the fuel cell system is provided on a fuel supply line of the fuel cell system;

3 eine der 1 entsprechende schematische Darstellung einer dritten Ausführungsform eines Brennstoffzellensystems, bei welchem zwei parallel geschaltete Wärmeübertrager vorgesehen sind, um sowohl eine Brennstoffzufuhrleitung als auch eine Oxidatorzufuhrleitung des Brennstoffzellensystems mittels der in einer Abgasleitung vorhandenen Wärme zu erwärmen; und 3 one of the 1 corresponding schematic representation of a third embodiment of a fuel cell system in which two parallel heat exchangers are provided to heat both a fuel supply line and an oxidant supply line of the fuel cell system by means of existing in an exhaust gas heat; and

4 eine der 1 entsprechende schematische Darstellung einer vierten Ausführungsform eines Brennstoffzellensystems, bei welchem zwei seriell geschaltete Wärmeübertrager vorgesehen sind, um sowohl eine Brennstoffzufuhrleitung als auch eine Oxidatorzufuhrleitung des Brennstoffzellensystems mittels der in einer Abgasleitung vorhandenen Wärme zu erwärmen. 4 one of the 1 corresponding schematic representation of a fourth embodiment of a fuel cell system in which two serially connected heat exchanger are provided to heat both a fuel supply line and an oxidant supply line of the fuel cell system by means of existing in an exhaust gas heat.

Gleiche oder funktional äquivalente Elemente sind in sämtlichen Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen.Identical or functionally equivalent elements are provided with the same reference numerals in all figures.

Eine in 1 schematisch dargestellte, als Ganzes mit 100 bezeichnete erste Ausführungsform eines Brennstoffzellensystems umfasst eine Brennstoffzellenvorrichtung 102, beispielsweise eine Hochtemperatur-Brennstoffzelle (SOFC), welcher mittels einer Fluidbereitstellungsvorrichtung 104 zwei Fluide, nämlich ein erstes und ein zweites Fluid, zuführbar sind.An in 1 shown schematically, as a whole with 100 designated first embodiment of a fuel cell system comprises a fuel cell device 102 For example, a high-temperature fuel cell (SOFC), which by means of a fluid supply device 104 two fluids, namely a first and a second fluid, can be fed.

Das erste Fluid ist beispielsweise Brennstoff, welches der Fluidbereitstellungsvorrichtung 104 mittels einer ersten Fluidzuführung 106 von einer ersten Fluidversorgung 108 zuführbar ist. Die erste Fluidversorgung 108 ist dabei beispielsweise eine Gas-Pipeline, insbesondere eine Erdgas-Pipeline, in welcher das erste Fluid, nämlich Erdgas, bei einem Fluiddruck von beispielsweise ungefähr 60 bar geführt wird.The first fluid is, for example, fuel, which is the fluid delivery device 104 by means of a first fluid supply 106 from a first fluid supply 108 can be fed. The first fluid supply 108 is for example a gas pipeline, in particular a natural gas pipeline, in which the first fluid, namely natural gas, at a fluid pressure of, for example, about 60 bar is performed.

Ferner ist der Fluidbereitstellungsvorrichtung 104 mittels einer zweiten Fluidzuführung 110 ein zweites Fluid, beispielsweise ein Oxidator, insbesondere Luft, von einer zweiten Fluidversorgung 112 zuführbar. Insbesondere dann, wenn das zweite Fluid Luft ist, ist die zweite Fluidversorgung 112 die Umgebung des Brennstoffzellensystems 100. Die Fluidbereitstellungsvorrichtung 104 umfasst dann lediglich eine Öffnung, durch welche Umgebungsluft aus der Umgebung des Brennstoffzellensystems 100 angesaugt werden kann.Further, the fluid delivery device is 104 by means of a second fluid supply 110 a second fluid, for example an oxidizer, in particular air, from a second fluid supply 112 fed. In particular, when the second fluid is air, the second fluid supply is 112 the environment of the fuel cell system 100 , The fluid delivery device 104 then only includes an opening through which ambient air from the environment of the fuel cell system 100 can be sucked.

Das erste Fluid und das zweite Fluid liegen folglich in dem ursprünglichen Bereitstellungszustand mit Fluiddrücken in sehr unterschiedlichen Druckbereichen vor.The first fluid and the second fluid are thus in the original delivery state with fluid pressures in very different pressure ranges.

So ist der Fluiddruck des ersten Fluids mit ungefähr 60 bar in einem hohen Druckbereich angesiedelt. Der Fluiddruck des zweiten Fluids ist hingegen der Atmosphärendruck, welcher in einem niedrigen Druckbereich angesiedelt ist.Thus, the fluid pressure of the first fluid is located at about 60 bar in a high pressure range. The fluid pressure of the second fluid, however, is the atmospheric pressure, which is located in a low pressure range.

Für den Betrieb der Brennstoffzellenvorrichtung 102 müssen die beiden Fluide zumindest näherungsweise auf denselben Fluiddruck gebracht werden. Der Fluiddruck des ersten Fluids wird hierzu gesenkt. Ferner wird der Fluiddruck des zweiten Fluids hierzu erhöht. Dabei erfolgt kein vollständiges Entspannen des ersten Fluids derart, dass der Fluiddruck des ersten Fluids von dem hohen Druckbereich bei beispielsweise ungefähr 60 bar auf den niedrigen Druckbereich bei Atmosphärendruck sinkt. Vielmehr wird der Fluiddruck des ersten Fluids vorzugsweise auf einen mittleren Druckbereich, beispielsweise auf ungefähr 5 bar, abgesenkt.For the operation of the fuel cell device 102 The two fluids must be brought at least approximately to the same fluid pressure. The fluid pressure of the first fluid is lowered for this purpose. Furthermore, the fluid pressure of the second fluid is increased for this purpose. There is no complete relaxation of the first fluid such that the fluid pressure of the first fluid decreases from the high pressure range at, for example, about 60 bar to the low pressure range at atmospheric pressure. Rather, the fluid pressure of the first fluid is preferably lowered to a mean pressure range, for example to about 5 bar.

Hierzu umfasst die Fluldbereitstellungsvorrichtung 104 eine Entspannungsvorrichtung 114, welcher mittels der ersten Fluidzuführung 106 das erste Fluid aus der ersten Fluidversorgung 108 zuführbar ist und mittels welcher der Fluiddruck des ersten Fluids von dem hohen Druckbereich auf den mittleren Druckbereich abgesenkt werden kann.To this end, includes the Fluldbereitstellungsvorrichtung 104 a relaxation device 114 , which by means of the first fluid supply 106 the first fluid from the first fluid supply 108 can be supplied and by means of which the fluid pressure of the first fluid can be lowered from the high pressure range to the average pressure range.

Die Entspannungsvorrichtung 114 ist mittels einer Brennstoffzufuhrleitung 116 mit der Brennstoffzellenvorrichtung 102 verbunden, so dass das erste Fluid nach dem Absenken des Fluiddrucks von dem hohen Druckbereich auf den mittleren Druckbereich der Brennstoffzellenvorrichtung 102 zuführbar ist.The relaxation device 114 is by means of a fuel supply line 116 with the fuel cell device 102 connected, so the first one Fluid after lowering the fluid pressure from the high pressure range to the average pressure range of the fuel cell device 102 can be fed.

Die für den Betrieb der Brennstoffzellenvorrichtung 102 benötigte Luft, das heißt das zweite Fluid aus der zweiten Fluidversorgung 112, wird über die zweite Fluidzuführung 110 einer Kompressionsvorrichtung 118 der Fluidbereitstellungsvorrichtung 104 zugeführt und mittels der Kompressionsvorrichtung 118 komprimiert. Hierdurch erhöht sich der Fluiddruck des zweiten Fluids von dem niedrigen Druckbereich auf den mittleren Druckbereich, insbesondere von ungefähr Atmosphärendruck auf ungefähr 5 bar.The for the operation of the fuel cell device 102 required air, that is, the second fluid from the second fluid supply 112 , is via the second fluid supply 110 a compression device 118 the fluid delivery device 104 supplied and by means of the compression device 118 compressed. As a result, the fluid pressure of the second fluid increases from the low pressure range to the middle pressure range, in particular from approximately atmospheric pressure to approximately 5 bar.

Mittels einer Oxidatorzufuhrleitung 120, welche eine Fluidverbindung zwischen der Kompressionsvorrichtung 118 und der Brennstoffzellenvorrichtung 102 bildet, ist das komprimierte zweite Fluid der Brennstoffzellenvorrichtung 102 zuführbar.By means of an oxidizer supply line 120 , which provides fluid communication between the compression device 118 and the fuel cell device 102 is the compressed second fluid of the fuel cell device 102 fed.

Bei dieser ersten Ausführungsform des Brennstoffzellensystems 100 werden die beiden Fluide mit demselben Fluiddruck von beispielsweise ungefähr 5 bar der Brennstoffzellenvorrichtung 102 zugeführt und können in der Brennstoffzellenvorrichtung 102 zur Erzeugung von Strom miteinander reagieren.In this first embodiment of the fuel cell system 100 For example, the two fluids will be at the same fluid pressure of, for example, about 5 bar of the fuel cell device 102 supplied and can in the fuel cell device 102 react to generate electricity.

Das durch die Reaktion der beiden Fluide miteinander entstehende Abgas wird mittels einer Abgasleitung 122 aus der Brennstoffzellenvorrichtung 102 abgeführt.The exhaust gas produced by the reaction of the two fluids is separated by means of an exhaust pipe 122 from the fuel cell device 102 dissipated.

Grundsätzlich erfordert der Betrieb der Entspannungsvorrichtung 114 keine Energiezufuhr. Vielmehr wird bei der Entspannung des ersten Fluids mittels der Entspannungsvorrichtung 114 Energie frei.Basically, the operation requires the expansion device 114 no energy input. Rather, during the expansion of the first fluid by means of the expansion device 114 Energy free.

Die Kompressionsvorrichtung 118 erfordert jedoch für deren Betrieb, das heißt für das Komprimieren des zweiten Fluids, Energie, die zugeführt werden muss.The compression device 118 However, for their operation, that is, for compressing the second fluid, requires energy to be supplied.

Bei dem in 1 dargestellten Brennstoffzellensystem 100 ist für einen energieeffizienten Betrieb der Fluidbereitstellungsvorrichtung 104 vorgesehen, dass die Fluidbereitstellungsvorrichtung 104 eine Kopplungsvorrichtung 124 umfasst, mittels welcher die Entspannungsvorrichtung 114 und die Kompressionsvorrichtung 118 koppelbar sind, so dass die in der Entspannungsvorrichtung 114 beim Absenken des Fluiddrucks des ersten Fluids frei werdende Energie zumindest teilweise zum Erhöhen des Fluiddrucks des zweiten Fluids mittels der Kompressionsvorrichtung 118 genutzt werden kann.At the in 1 illustrated fuel cell system 100 is for energy efficient operation of the fluid delivery device 104 provided that the fluid delivery device 104 a coupling device 124 comprises, by means of which the expansion device 114 and the compression device 118 are coupled, so that in the expansion device 114 When lowering the fluid pressure of the first fluid released energy at least partially for increasing the fluid pressure of the second fluid by means of the compression device 118 can be used.

Die Entspannungsvorrichtung 114 umfasst hierzu eine Turbine 126, welche auf einer Welle 128 angeordnet ist und welche durch das Entspannen des ersten Fluids zusammen mit der Welle 128 in Rotation versetzt wird.The relaxation device 114 includes a turbine for this purpose 126 on a wave 128 is arranged and which by the relaxation of the first fluid together with the shaft 128 is set in rotation.

Die Kompressionsvorrichtung 118 umfasst ferner einen Kompressor 130, welcher ebenfalls auf der Welle 128 angeordnet ist, so dass eine Rotation der Turbine 126 eine Rotation des Kompressors 130 bewirkt.The compression device 118 further includes a compressor 130 which is also on the shaft 128 is arranged so that a rotation of the turbine 126 a rotation of the compressor 130 causes.

Hierdurch ist eine besonders einfache Übertragung, nämlich eine mechanische Übertragung, der beim Absenken des Fluiddrucks des ersten Fluids frei werdenden Energie auf die Kompressionsvorrichtung 118 möglich, so dass keine oder zumindest lediglich wenig externe Energie aufgewandt werden muss, um das zweite Fluid mittels der Kompressionsvorrichtung 118 auf den gewünschten Fluiddruck zu komprimieren.As a result, a particularly simple transmission, namely a mechanical transmission, of the energy released upon lowering the fluid pressure of the first fluid to the compression device 118 possible, so that no or at least only little external energy must be expended to the second fluid by means of the compression device 118 to compress to the desired fluid pressure.

Denkbar ist, dass eine besonders große Menge des zweiten Fluids für den Betrieb der Brennstoffzellenvorrichtung 102 notwendig ist und die für die Komprimierung dieser Menge notwendige Energie nicht durch die beim Absenken des Fluiddrucks des ersten Fluids frei werdende Energie gedeckt werden kann. Dies ist beispielsweise dann der Fall, wenn lediglich eine geringe Menge des ersten Fluids zum Betrieb der Brennstoffzellenvorrichtung 102 notwendig ist.It is conceivable that a particularly large amount of the second fluid for the operation of the fuel cell device 102 is necessary and necessary for the compression of this amount of energy can not be covered by the released when lowering the fluid pressure of the first fluid energy. This is the case, for example, when only a small amount of the first fluid for operating the fuel cell device 102 necessary is.

In einer solchen Konstellation kann vorgesehen sein, dass eine größere Menge des ersten Fluids mittels der Entspannungsvorrichtung 114 entspannt wird, als für den Betrieb der Brennstoffzellenvorrichtung 102 notwendig wäre. Diese für den Betrieb der Brennstoffzellenvorrichtung 102 nicht benötigte Menge des ersten Fluids wird dann beispielsweise weiteren Verbrauchern zugeführt. In der Brennstoffzellenzufuhrleitung 116 ist hierzu eine Abzweigung 132 vorgesehen, mittels welcher das für den Betrieb der Brennstoffzellenvorrichtung 102 nicht benötigte erste Fluid in eine Verbraucherleitung 134 abgezweigt werden kann.In such a constellation can be provided that a larger amount of the first fluid by means of the expansion device 114 is relaxed than for the operation of the fuel cell device 102 would be necessary. This for the operation of the fuel cell device 102 Unnecessary amount of the first fluid is then supplied to other consumers, for example. In the fuel cell supply line 116 this is a turnoff 132 provided by means of which for the operation of the fuel cell device 102 unneeded first fluid in a consumer line 134 can be diverted.

Das vorstehend beschriebene Brennstoffzellensystem 100 funktioniert wie folgt:
Mittels der Entspannungsvorrichtung 114 wird das aus der ersten Fluidversorgung 108 (Erdgas-Pipeline) zur Verfügung gestellte erste Fluid (Erdgas) entspannt, so dass ein Fluiddruck des ersten Fluids von einem hohen Druckbereich (ungefähr 60 bar) auf einen mittleren Druckbereich (ungefähr 5 bar) absinkt.
The fuel cell system described above 100 works as follows:
By means of the relaxation device 114 this will be from the first fluid supply 108 (Natural gas pipeline), so that a fluid pressure of the first fluid decreases from a high pressure range (about 60 bar) to a medium pressure range (about 5 bar).

Zugleich wird mittels der Kompressionsvorrichtung 118 ein zweites Fluid (Umgebungsluft) aus der der zweiten Fluidversorgung 112 (Umgebung des Brennstoffzellensystems 100) komprimiert, so dass der Fluiddruck des zweiten Fluids von dem niedrigen Druckbereich (ungefähr 1 bar) auf den mittleren Druckbereich (ungefähr 5 bar) erhöht wird.At the same time by means of the compression device 118 a second fluid (ambient air) from the second fluid supply 112 (Environment of the fuel cell system 100 ) so that the fluid pressure of the second fluid is increased from the low pressure range (about 1 bar) to the middle pressure range (about 5 bar).

Die nun beide mit einem Fluiddruck in dem mittleren Druckbereich (ungefähr 5 bar) vorliegenden Fluide werden dann der Brennstoffzellenvorrichtung 102 zugeführt und können dort miteinander reagieren, um Strom zu erzeugen. The fluids now both at a fluid pressure in the middle pressure range (approximately 5 bar) then become the fuel cell device 102 fed and can react with each other there to generate electricity.

Das in 1 dargestellte Brennstoffzellensystem 100 ist besonders energieeffizient, weil eine Kopplungsvorrichtung 124 vorgesehen ist, mittels welcher die beim Absenken des Fluiddrucks des ersten Fluids frei werdende Energie auf die Kompressionsvorrichtung 118 übertragen werden kann, so dass keine oder lediglich wenig Energie von einer externen Energiequelle verwendet werden muss, um das zweite Fluid zu komprimieren.This in 1 illustrated fuel cell system 100 is particularly energy efficient, because a coupling device 124 is provided, by means of which the energy released during the lowering of the fluid pressure of the first fluid to the compression device 118 can be transmitted, so that no or only little energy from an external power source must be used to compress the second fluid.

Eine in 2 dargestellte zweite Ausführungsform des Brennstoffzellensystems 100 unterscheidet sich von der in 1 dargestellten ersten Ausführungsform dadurch, dass das Brennstoffzellensystem 100 gemäß der zweiten Ausführungsform einen Wärmeübertrager 136 umfasst, mittels welchem eine Nutzung der Wärme des in der Abgasleitung 122 abgeführten Abgases möglich ist.An in 2 illustrated second embodiment of the fuel cell system 100 is different from the one in 1 illustrated first embodiment in that the fuel cell system 100 according to the second embodiment, a heat exchanger 136 comprising, by means of which use of the heat of the exhaust pipe 122 discharged exhaust gas is possible.

Der Wärmeübertrager 136 ist hierzu so an der Abgasleitung 122 und an der Brennstoffzufuhrleitung 116 angeordnet, dass ein Wärmeübertrag von der Abgasleitung 122 auf die Brennstoffzufuhrleitung 116 möglich ist.The heat exchanger 136 is this way on the exhaust pipe 122 and at the fuel supply line 116 arranged that a heat transfer from the exhaust pipe 122 on the fuel supply line 116 is possible.

Somit ist mittels des Wärmeübertragers 136 die Wärme des Abgases der Brennstoffzellenvorrichtung 102 zum Erwärmen des ersten Fluids, nämlich des Brennstoffs, nutzbar. Auf diese Weise kann die Temperatur des ersten Fluids, welche üblicherweise durch das Entspannen des ersten Fluids mittels der Entspannungsvorrichtung 114 sehr niedrig ist, deutlich erhöht werden. Dies dient der zusätzlichen Steigerung des Wirkungsgrads der Brennstoffzellenvorrichtung 102.Thus, by means of the heat exchanger 136 the heat of the exhaust gas of the fuel cell device 102 for heating the first fluid, namely the fuel usable. In this way, the temperature of the first fluid, which usually by the relaxation of the first fluid by means of the expansion device 114 is very low, can be increased significantly. This serves to additionally increase the efficiency of the fuel cell device 102 ,

Im Übrigen stimmt die in 2 dargestellte zweite Ausführungsform des Brennstoffzellensystems 100 hinsichtlich Aufbau und Funktion mit der in 1 dargestellten ersten Ausführungsform überein, so dass diesbezüglich auf deren vorstehende Beschreibung Bezug genommen wird.Incidentally, the in 2 illustrated second embodiment of the fuel cell system 100 in terms of structure and function with the in 1 illustrated first embodiment, so that reference is made in this regard to the foregoing description.

Eine in 3 dargestellte dritte Ausführungsform des Brennstoffzellensystems 100 unterscheidet sich von der in 2 dargestellten zweiten Ausführungsform dadurch, dass zwei Wärmeübertrager 136 vorgesehen sind, so dass die Wärme des Abgases in der Abgasleitung 122 der Brennstoffzellenvorrichtung 102 sowohl zur Erwärmung des Brennstoffes in der Brennstoffzufuhrleitung 116 als auch zur Erwärmung des Oxidators in der Oxidatorzufuhrleitung 120 verwendet werden kann.An in 3 illustrated third embodiment of the fuel cell system 100 is different from the one in 2 illustrated second embodiment in that two heat exchangers 136 are provided, so that the heat of the exhaust gas in the exhaust pipe 122 the fuel cell device 102 both for heating the fuel in the fuel supply line 116 as well as for heating the oxidizer in the Oxidatorzufuhrleitung 120 can be used.

Der erste Wärmeübertrager 136 ist dabei an der Abgasleitung 122 und an der Brennstoffzufuhrleitung 116 angeordnet.The first heat exchanger 136 is at the exhaust pipe 122 and at the fuel supply line 116 arranged.

Der zweite Wärmeübertrager 136 ist an der Abgasleitung 122 und an der Oxidatorzufuhrleitung 120 angeordnet.The second heat exchanger 136 is on the exhaust pipe 122 and at the oxidizer supply line 120 arranged.

Bei der dritten Ausführungsform des Brennstoffzellensystems 100 gemäß 3 ist vorgesehen, dass die beiden Wärmeübertrager 136 parallel betrieben werden. Die Abgasleitung 122 teilt sich somit vor einem Durchströmen der beiden Wärmeübertrager 136 auf.In the third embodiment of the fuel cell system 100 according to 3 is provided that the two heat exchangers 136 operated in parallel. The exhaust pipe 122 is thus divided before a flow through the two heat exchangers 136 on.

Im Übrigen stimmt die in 3 dargestellte dritte Ausführungsform des Brennstoffzellensystems 100 hinsichtlich Aufbau und Funktion mit der in 2 dargestellten zweiten Ausführungsform überein, so dass diesbezüglich auf deren vorstehende Beschreibung Bezug genommen wird.Incidentally, the in 3 illustrated third embodiment of the fuel cell system 100 in terms of structure and function with the in 2 illustrated second embodiment, so that in this regard reference is made to the above description.

Eine in 4 dargestellte vierte Ausführungsform des Brennstoffzellensystems 100 unterscheidet sich von der in 3 dargestellten dritten Ausführungsform dadurch, dass die beiden Wärmeübertrager 136 nicht parallel, sondern seriell angeordnet sind.An in 4 illustrated fourth embodiment of the fuel cell system 100 is different from the one in 3 illustrated third embodiment in that the two heat exchangers 136 not parallel but serially arranged.

Die Abgasleitung 122 ist dabei so angeordnet, dass sie zuerst einen Wärmeübertrager 136 an der Oxidatorzufuhrleitung 120 und anschließend einen weiteren Wärmeübertrager 136 an der Brennstoffzufuhrleitung 116 durchströmt.The exhaust pipe 122 is arranged so that they first a heat exchanger 136 at the Oxidatorzufuhrleitung 120 and then another heat exchanger 136 at the fuel supply line 116 flows through.

Unter der Annahme, dass die Temperatur des ersten Fluids nach Verlassen der Entspannungsvorrichtung 114 in der Brennstoffzufuhrleitung 116 ungefähr –50°C beträgt, dass die Temperatur des zweiten Fluids nach Verlassen der Kompressionsvorrichtung 118 in der Oxidatorzufuhrleitung 120 ungefähr 300°C beträgt und dass die Temperatur des Abgases in der Abgasleitung 122 nach Verlassen der Brennstoffzellenvorrichtung 102 ungefähr 800°C bis ungefähr 1000°C beträgt, kann mittels der Wärmeübertrager 136 gemäß der vierten Ausführungsform des Brennstoffzellensystems 100 eine Erhöhung der Temperatur des zweiten Fluids in der Oxidatorzufuhrleitung 120 auf beispielsweise ungefähr 600°C erfolgen. Die Temperatur des Abgases in der Abgasleitung 122 sinkt hierdurch, so dass die Temperatur des Abgases in dem Abschnitt zwischen dem ersten Wärmeübertrager 136 und dem zweiten Wärmeübertrager 136 ungefähr 650°C bis ungefähr 700°C beträgt.Assuming that the temperature of the first fluid after leaving the expansion device 114 in the fuel supply line 116 about -50 ° C is that the temperature of the second fluid after leaving the compression device 118 in the oxidizer feed line 120 is about 300 ° C and that the temperature of the exhaust gas in the exhaust pipe 122 after leaving the fuel cell device 102 is about 800 ° C to about 1000 ° C, can by means of the heat exchanger 136 according to the fourth embodiment of the fuel cell system 100 an increase in the temperature of the second fluid in the oxidant supply line 120 to about 600 ° C, for example. The temperature of the exhaust gas in the exhaust pipe 122 decreases thereby, so that the temperature of the exhaust gas in the section between the first heat exchanger 136 and the second heat exchanger 136 is about 650 ° C to about 700 ° C.

Diese Temperatur ist jedoch noch ausreichend, um die Temperatur des ersten Fluids in der Brennstoffzufuhrleitung 116 von ungefähr –50°C auf ungefähr 350°C bis ungefähr 400°C zu erwärmen.However, this temperature is still sufficient to the temperature of the first fluid in the fuel supply line 116 from about -50 ° C to about 350 ° C to about 400 ° C.

Die Temperaturen des ersten Fluids und des zweiten Fluids beim Eintritt in die Brennstoffzellenvorrichtung 102 sind durch die Verwendung der Wärmeübertrager 136 somit deutlich erhöht. Hierdurch erhöht sich der Wirkungsgrad der Brennstoffzellenvorrichtung 102.The temperatures of the first fluid and the second fluid entering the fuel cell device 102 are through the use of heat exchangers 136 thus significantly increased. This increases the efficiency of the fuel cell device 102 ,

Im Übrigen stimmt die in 4 dargestellte vierte Ausführungsform des Brennstoffzellensystems 100 hinsichtlich Aufbau und Funktion mit der in 3 dargestellten dritten Ausführungsform überein, so dass diesbezüglich auf deren vorstehende Beschreibung Bezug genommen wird.Incidentally, the in 4 illustrated fourth embodiment of the fuel cell system 100 in terms of structure and function with the in 3 illustrated third embodiment, so that reference is made in this regard to the foregoing description.

Dadurch, dass die Fluidbereitstellungsvorrichtung 104 zum Bereitstellen der beiden Fluide in dem mittleren Druckbereich eine Kopplungsvorrichtung 124 zur Kopplung der Entspannungsvorrichtung 114 mit der Kompressionsvorrichtung 118 umfasst, ist die beim Absenken des Fluiddrucks des ersten Fluids frei werdende Energie zumindest teilweise zum Erhöhen des Fluiddruckes des zweiten Fluids nutzbar, so dass ein energieeffizienter Betrieb der Fluidbereitstellungsvorrichtung 104 und somit ein hoher Wirkungsgrad der Brennstoffzellenvorrichtung 102 gewährleistet ist.Due to the fact that the fluid supply device 104 for providing the two fluids in the middle pressure range, a coupling device 124 for coupling the relaxation device 114 with the compression device 118 includes, the energy released when lowering the fluid pressure of the first fluid is at least partially usable for increasing the fluid pressure of the second fluid, so that an energy-efficient operation of the fluid supply device 104 and thus a high efficiency of the fuel cell device 102 is guaranteed.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

100100
BrennstoffzellensystemThe fuel cell system
102102
Brennstoffzellenvorrichtungfuel cell device
104104
FluidbereitstellungsvorrichtungFluid delivery apparatus
106106
erste Fluidzuführungfirst fluid supply
108108
erste Fluidversorgungfirst fluid supply
110110
zweite Fluidzuführungsecond fluid supply
112112
zweite Fluidversorgungsecond fluid supply
114114
Entspannungsvorrichtungrelief device
116116
BrennstoffzufuhrleitungFuel supply line
118118
Kompressionsvorrichtungcompression device
120120
OxidatorzufuhrleitungOxidatorzufuhrleitung
122122
Abgasleitungexhaust pipe
124124
Kopplungsvorrichtungcoupling device
126126
Turbineturbine
128128
Wellewave
130130
Kompressorcompressor
132132
Abzweigungdiversion
134134
Verbraucherleitungconsumer line
136136
WärmeübertragerHeat exchanger

Claims (15)

Fluidbereitstellungsvorrichtung zum getrennten Bereitstellen von mindestens zwei Fluiden in einem mittleren Druckbereich, umfassend eine Entspannungsvorrichtung (114) zum Absenken des Fluiddruckes eines ersten Fluids von einem hohen Druckbereich auf den mittleren Druckbereich und eine Kompressionsvorrichtung (118) zum Erhöhen des Fluiddruckes eines zweiten Fluids von einem niedrigen Druckbereich auf den mittleren Druckbereich, wobei die Fluidbereitstellungsvorrichtung (104) eine Kopplungsvorrichtung (124) zur Kopplung der Entspannungsvorrichtung (114) mit der Kompressionsvorrichtung (118) umfasst, so dass die beim Absenken des Fluiddruckes des ersten Fluids frei werdende Energie zumindest teilweise zum Erhöhen des Fluiddruckes des zweiten Fluids nutzbar ist.Fluid supply device for separately providing at least two fluids in a medium pressure range, comprising a relaxation device ( 114 ) for lowering the fluid pressure of a first fluid from a high pressure range to the middle pressure range and a compression device ( 118 ) for increasing the fluid pressure of a second fluid from a low pressure range to the middle pressure range, wherein the fluid delivery device ( 104 ) a coupling device ( 124 ) for coupling the relaxation device ( 114 ) with the compression device ( 118 ), so that the energy released when lowering the fluid pressure of the first fluid is at least partially usable for increasing the fluid pressure of the second fluid. Fluidbereitstellungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Entspannungsvorrichtung (114) mechanisch mit der Kompressionsvorrichtung (118) gekoppelt ist.Fluid supply device according to claim 1, characterized in that the expansion device ( 114 ) mechanically with the compression device ( 118 ) is coupled. Fluidbereitstellungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der niedrige Druckbereich den Atmosphärendruck umfasst.Fluid supply device according to one of claims 1 or 2, characterized in that the low pressure range comprises the atmospheric pressure. Fluidbereitstellungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kopplungsvorrichtung (124) eine Antriebsvorrichtung zum Antreiben der Entspannungsvorrichtung (114) und/oder der Kompressionsvorrichtung (118) umfasst.Fluid supply device according to one of claims 1 to 3, characterized in that the coupling device ( 124 ) a drive device for driving the expansion device ( 114 ) and / or the compression device ( 118 ). Fluidbereitstellungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Fluidbereitstellungsvorrichtung (104) eine erste Fluidzuführung (106) zur Zuführung des ersten Fluids aus einer ersten Fluidversorgung (108) umfasst, mittels welcher der Entspannungsvorrichtung (114) das erste Fluid mit einem Fluiddruck im hohen Druckbereich zuführbar ist.Fluid supply device according to one of claims 1 to 4, characterized in that the fluid supply device ( 104 ) a first fluid supply ( 106 ) for supplying the first fluid from a first fluid supply ( 108 ) by means of which the expansion device ( 114 ) the first fluid can be supplied with a fluid pressure in the high pressure range. Fluidbereitstellungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Fluidbereitstellungsvorrichtung (104) eine zweite Fluidzuführung (110) zur Zuführung des zweiten Fluids aus einer zweiten Fluidversorgung (112) umfasst, mittels welcher der Kompressionsvorrichtung (118) das zweite Fluid mit einem Fluiddruck im niedrigen Druckbereich zuführbar ist.Fluid supply device according to one of claims 1 to 5, characterized in that the fluid supply device ( 104 ) a second fluid supply ( 110 ) for supplying the second fluid from a second fluid supply ( 112 ) by means of which of the compression device ( 118 ) the second fluid can be supplied with a fluid pressure in the low pressure range. Fluidbereitstellungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Fluidbereitstellungsvorrichtung (104) separate Fluidleitungen (116, 120) für die bereitzustellenden Fluide umfasst.Fluid supply device according to one of claims 1 to 6, characterized in that the fluid supply device ( 104 ) separate fluid lines ( 116 . 120 ) for the fluids to be provided. Brennstoffzellensystem, umfassend mindestens eine Brennstoffzellenvorrichtung (102) und mindestens eine Fluidbereitstellungsvorrichtung (104) nach einem der Ansprüche 1 bis 7 zur Bereitstellung von Brennstoff und Oxidator an der Brennstoffzellenvorrichtung (102).A fuel cell system comprising at least one fuel cell device ( 102 ) and at least one fluid delivery device ( 104 ) according to one of claims 1 to 7 for providing fuel and oxidizer to the fuel cell device ( 102 ). Brennstoffzellensystem nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Brennstoffzellensystem (100) mindestens einen Wärmeübertrager (136) umfasst, mittels welchem Wärme von einem Abgas der Brennstoffzellenvorrichtung (102) auf eine Brennstoffzufuhrleitung (116) und/oder eine Oxidatorzufuhrleitung (120) der Brennstoffzellenvorrichtung (102) übertragbar ist.Fuel cell system according to claim 8, characterized in that the Fuel cell system ( 100 ) at least one heat exchanger ( 136 ) by means of which heat from an exhaust gas of the fuel cell device ( 102 ) to a fuel supply line ( 116 ) and / or an oxidizer feed line ( 120 ) of the fuel cell device ( 102 ) is transferable. Verfahren zum getrennten Bereitstellen von mindestens zwei Fluiden in einem mittleren Druckbereich, umfassend: – Absenken des Fluiddruckes eines ersten Fluids mittels einer Entspannungsvorrichtung (114) von einem hohen Druckbereich auf den mittleren Druckbereich; und – Erhöhen des Fluiddruckes eines zweiten Fluids mittels einer Kompressionsvorrichtung (118) von einem niedrigen Druckbereich auf den mittleren Druckbereich unter Nutzung der beim Absenken des Fluiddruckes des ersten Fluids frei gewordenen Energie.Method for the separate provision of at least two fluids in a medium pressure range, comprising: lowering the fluid pressure of a first fluid by means of an expansion device ( 114 ) from a high pressure range to the middle pressure range; and - increasing the fluid pressure of a second fluid by means of a compression device ( 118 ) from a low pressure range to the middle pressure range using the energy released when lowering the fluid pressure of the first fluid. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die beim Absenken des Fluiddruckes des ersten Fluids frei gewordene Energie mittels der Entspannungsvorrichtung (114) in mechanische Energie umgewandelt und mittels einer Kopplungsvorrichtung (124) von der Entspannungsvorrichtung (114) auf die Kompressionsvorrichtung (118) übertragen wird.A method according to claim 10, characterized in that the energy released during the lowering of the fluid pressure of the first fluid by means of the expansion device ( 114 ) converted into mechanical energy and by means of a coupling device ( 124 ) of the expansion device ( 114 ) on the compression device ( 118 ) is transmitted. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Fluid ein Brennstoff ist und dass das zweite Fluid ein Oxidator ist, wobei der Brennstoff und der Oxidator einer Brennstoffzellenvorrichtung (102) zugeführt werden.Method according to one of claims 10 or 11, characterized in that the first fluid is a fuel and that the second fluid is an oxidizer, wherein the fuel and the oxidizer of a fuel cell device ( 102 ). Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennstoff und/oder der Oxidator vor der Zuführung zu der Brennstoffzellenvorrichtung (102) mittels mindestens eines Wärmeübertragers (136) erwärmt werden, wobei der mindestens eine Wärmeübertrager (136) an eine Abgasleitung (122) der Brennstoffzellenvorrichtung (102) gekoppelt ist.A method according to claim 12, characterized in that the fuel and / or the oxidizer before being supplied to the fuel cell device ( 102 ) by means of at least one heat exchanger ( 136 ), wherein the at least one heat exchanger ( 136 ) to an exhaust pipe ( 122 ) of the fuel cell device ( 102 ) is coupled. Verwendung einer Fluidbereitstellungsvorrichtung (104) nach einem der Ansprüche 1 bis 7 zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 10 bis 13.Use of a fluid delivery device ( 104 ) according to one of claims 1 to 7 for carrying out a method according to one of claims 10 to 13. Verwendung eines Brennstoffzellensystems (100) nach einem der Ansprüche 8 oder 9 zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 10 bis 13.Use of a fuel cell system ( 100 ) according to one of claims 8 or 9 for carrying out a method according to one of claims 10 to 13.
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