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
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:
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
Das erste Fluid ist beispielsweise Brennstoff, welches der Fluidbereitstellungsvorrichtung
Ferner ist der Fluidbereitstellungsvorrichtung
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
Hierzu umfasst die Fluldbereitstellungsvorrichtung
Die Entspannungsvorrichtung
Die für den Betrieb der Brennstoffzellenvorrichtung
Mittels einer Oxidatorzufuhrleitung
Bei dieser ersten Ausführungsform des Brennstoffzellensystems
Das durch die Reaktion der beiden Fluide miteinander entstehende Abgas wird mittels einer Abgasleitung
Grundsätzlich erfordert der Betrieb der Entspannungsvorrichtung
Die Kompressionsvorrichtung
Bei dem in
Die Entspannungsvorrichtung
Die Kompressionsvorrichtung
Hierdurch ist eine besonders einfache Übertragung, nämlich eine mechanische Übertragung, der beim Absenken des Fluiddrucks des ersten Fluids frei werdenden Energie auf die Kompressionsvorrichtung
Denkbar ist, dass eine besonders große Menge des zweiten Fluids für den Betrieb der Brennstoffzellenvorrichtung
In einer solchen Konstellation kann vorgesehen sein, dass eine größere Menge des ersten Fluids mittels der Entspannungsvorrichtung
Das vorstehend beschriebene Brennstoffzellensystem
Mittels der Entspannungsvorrichtung
By means of the
Zugleich wird mittels der Kompressionsvorrichtung
Die nun beide mit einem Fluiddruck in dem mittleren Druckbereich (ungefähr 5 bar) vorliegenden Fluide werden dann der Brennstoffzellenvorrichtung
Das in
Eine in
Der Wärmeübertrager
Somit ist mittels des Wärmeübertragers
Im Übrigen stimmt die in
Eine in
Der erste Wärmeübertrager
Der zweite Wärmeübertrager
Bei der dritten Ausführungsform des Brennstoffzellensystems
Im Übrigen stimmt die in
Eine in
Die Abgasleitung
Unter der Annahme, dass die Temperatur des ersten Fluids nach Verlassen der Entspannungsvorrichtung
Diese Temperatur ist jedoch noch ausreichend, um die Temperatur des ersten Fluids in der Brennstoffzufuhrleitung
Die Temperaturen des ersten Fluids und des zweiten Fluids beim Eintritt in die Brennstoffzellenvorrichtung
Im Übrigen stimmt die in
Dadurch, dass die Fluidbereitstellungsvorrichtung
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)
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DE102010061796A Withdrawn DE102010061796A1 (en) | 2010-11-23 | 2010-11-23 | 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 |
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