Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art.The invention relates to a fuel cell system according to the closer defined in the preamble of claim 1.
Ein gattungsgemäßes Brennstoffzellensystem wird in der DE 101 54 637 A1 beschrieben. In dem dortigen Brennstoffzellensystem ist zur Bereitstellung von Brennstoff ein Expander bzw. eine Expansionsvorrichtung vorgesehen, welcher Druckenergie aus dem in einem Druckgasspeicher gespeicherten Brennstoff beim Entspannen des Brennstoffs zurückgewinnt. Mit der so zurückgewonnen Energie wird dann eine Luftversorgungseinrichtung des Brennstoffzellensystems angetrieben.A generic fuel cell system is in the DE 101 54 637 A1 described. In the local fuel cell system, an expander or an expansion device is provided for the provision of fuel, which recovers pressure energy from the fuel stored in a compressed gas storage during expansion of the fuel. With the energy thus recovered, an air supply device of the fuel cell system is then driven.
Der Nachteil bei diesem Aufbau besteht im Wesentlichen darin, dass zum Antrieb der Luftfördereinrichtung beim dynamischen Betrieb der Brennstoffzelle beziehungsweise des Brennstoffzellensystems häufig andere Voraussetzungen vorliegen, als zur Dosierung des Brennstoffs und der benötigten elektrischen Leistung aus der Brennstoffzelle. Die Bereitstellung von Luft orientiert sich somit nicht immer an der Bereitstellung von Brennstoff, sodass es nötig werden kann, zusätzlich Leistung zum Antreiben der Luftfördereinrichtung bereitzustellen oder das durch den entspannten Brennstoff ein Leistungsüberschuss im Bereich der Fördereinrichtung auftritt, welcher nicht verwendet werden kann.The disadvantage of this structure consists essentially in the fact that for driving the air conveyor during dynamic operation of the fuel cell or the fuel cell system are often different conditions, as for the metering of the fuel and the required electrical power from the fuel cell. The provision of air thus does not always orientate itself to the provision of fuel, so that it may be necessary to provide additional power for driving the air conveyor or that the fuel being expanded causes a surplus of power in the area of the conveyor which can not be used.
Ein weiteres Problem beim Antreiben der Luftfördereinrichtung über eine mit dem Brennstoff aus dem Druckgasspeicher angetriebenen Expansionsvorrichtung besteht darin, dass eine geeignete Abdichtung des expandierten Brennstoffs gegenüber der Luft notwenig ist, da eine Vermischung von Luft und Brennstoff in jedem Fall zu vermeiden ist. Dies ist, insbesondere beim Einsatz von Wasserstoff als Brennstoff, äußerst aufwendig, da die Baueinheiten gemäß der Ausführungsform auf einer gemeinsamen Welle angeordnet sind und damit die Welle mit einer wasserstoffdichten Drehdurchführung umgeben werden muss.Another problem in driving the air conveyor over an expansion device driven by the fuel from the pressurized gas storage tank is that proper sealing of the expanded fuel with respect to the air is necessary since mixing of air and fuel must be avoided in any event. This is, especially when using hydrogen as a fuel, extremely expensive, since the units are arranged according to the embodiment on a common shaft and thus the shaft must be surrounded with a hydrogen-tight rotary feedthrough.
Ferner ist es aus der DE 10 2006 003 799 A1 bekannt, eine Turbine zum Entspannen eines Brennstoffs aus einem Druckgasspeicher so einzusetzen, dass die Turbine eine Rezirkulationsfördereinrichtung für eine Anodenrezirkulation des Brennstoffzellensystems antreibt. Da sowohl im Bereich der Rezirkulationsfördereinrichtung als auch der rezirkulierten Abgase Wasserstoff vorhanden ist, spielt bei diesem Aufbau die Dichtung keine Rolle. Der Aufbau ist jedoch hinsichtlich der sehr schnell laufenden Turbine, aufgrund der Trägheitsmasse der Turbine und der Rezirkulationsfördereinrichtung vergleichsweise schwierig anzusteuern. Ein weiteres Problem ist auch hier die Tatsache, dass gewünschte Rezirkulationsförderraten und Brennstoffversorgung nicht immer miteinander korrespondieren. Fair diese Fälle sind dann zusätzliche Rezirkulationsfördereinrichtungen notwendig, wie sie beispielsweise als Gasstrahlpumpe oder Rezirkulationsgebläse optional in der genannten Schrift beschrieben sind.Furthermore, it is from the DE 10 2006 003 799 A1 It is known to use a turbine for expanding a fuel from a compressed gas storage so that the turbine drives a recirculation conveyor for an anode recirculation of the fuel cell system. Since hydrogen is present both in the region of the recirculation conveyor and the recirculated exhaust gases, in this structure, the seal plays no role. However, the structure is relatively difficult to control in terms of the turbine running very fast, due to the inertial mass of the turbine and the recirculation conveyor. Another problem here is the fact that desired recirculation rates and fuel supply do not always correspond. Fair these cases are then additional recirculation conveyors necessary, as described for example as a gas jet pump or Rezirkulationsgebläse optionally in the cited document.
Aus dem allgemeinen Stand der Technik sind außerdem Motoren bekannt, welche als Freikolbenmotoren mit einem doppelwirkenden oder einem einseitig wirkenden Kolben ausgebildet sind. Die Aufbauten gehen dabei bereits auf das Jahr 1912 zurück und wurden seinerzeit von Junkers zum Patent angemeldet. Eine entsprechende Weiterbildung einer solchen Freikolbenbrennkraftmaschine ist beispielsweise in der DE 32 24 723 A1 beschrieben. Der dort beschriebene Freikolbenmotor weist einen integrierten Generator auf, welcher als Linear-Generator ausgebildet ist und die Möglichkeit liefert, mit dem Motor einfach und effizient elektrische Energie bereitzustellen. Ferner ist es in der genannten Offenlegungsschrift beschrieben, dass neben den Arbeitsräumen zum Expandieren des verdichteten und gezündeten Luft/Treibstoffgemischs außerdem Druckräume beziehungsweise Druckkammern vorhanden sein können, um gleichzeitig zur Erzeugung von elektrischer Energie Druckluft beispielsweise für Steuerungszwecke oder dergleichen bereitzustellen.Motors are also known from the general state of the art, which are designed as free-piston engines with a double-acting or a single-acting piston. The superstructures date back to 1912 and were registered by Junkers for a patent. A corresponding development of such a free piston internal combustion engine is for example in the DE 32 24 723 A1 described. The free-piston engine described therein has an integrated generator, which is designed as a linear generator and provides the ability to easily and efficiently provide electrical energy with the engine. Furthermore, it is described in the cited Offenlegungsschrift that in addition to the work spaces for expanding the compressed and ignited air / fuel mixture also pressure chambers or pressure chambers may be present to simultaneously provide for the production of electrical energy compressed air, for example, for control purposes or the like.
Die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung besteht nun darin, ein Brennstoffzellensystem anzugeben, welches einfach und energieeffizient betrieben werden kann.The object of the present invention is now to provide a fuel cell system, which can be operated easily and energy efficient.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die im kennzeichnenden Teil von Anspruch 1 genannten Merkmale gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems ergeben sich aus den restlichen hiervon abhängigen Unteransprüchen.According to the invention this object is achieved by the features mentioned in the characterizing part of claim 1. Advantageous embodiments and further developments of the fuel cell system according to the invention will become apparent from the remaining dependent claims.
Die erfindungsgemäße Lösung sieht vor, dass die Expansionsvorrichtung wenigstens einen Expander mit einem beweglichen Kolben in Freikolbenbauart aufweist. Der Aufbau eines Freikolbenmotors wird also zum Einsatz in dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem in seiner Funktionsweise umgekehrt, um so einen Freikolben-Expander zu erhalten, welcher sehr einfach und effizient zur Rückgewinnung von Druckenergie aus dem in dem Druckgasspeicher bevorrateten Brennstoff geeignet ist.The solution according to the invention provides that the expansion device has at least one expander with a movable piston in free-piston design. The construction of a free piston engine is thus reversed for use in the fuel cell system according to the invention in its operation, so as to obtain a free piston expander, which is very simple and efficient for recovering pressure energy from the stored in the compressed gas storage fuel is suitable.
In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems ist es außerdem vorgesehen, dass der bewegliche Kolben einen Läufer ausbildet oder mit einem solchen verbunden ist, wobei der Läufer zusammen mit einem Statur eine elektrodynamische Maschine bildet. Der Expander in Freikolbenbauart kann also insbesondere als elektrodynamische Maschine ausgebildet sein beziehungsweise mit einer solchen direkt zusammenarbeiten. Insbesondere ist er dabei in der Art einer Linear-Maschine ausgebildet. Damit lässt sich Druckenergie von dem aus dem Druckgasspeicher stammenden Brennstoff immer in maximalem Maße zurückgewinnen, wenn Brennstoff benötigt wird. Der Brennstoff wird in der benötigten Menge in dem Expander entspannt. Die dabei anfallende Energie wird in elektrische Energie umgewandelt und kann anderweitig genutzt oder gespeichert werden. Damit ist, anders als bei einer direkten mechanischen Leistungsabnahme durch eine mechanisch angetriebene Komponente, immer die maximale Energieausbeute möglich, da unabhängig von anderen Volumenströmen und Randbedingungen in dem Brennstoffzellensystem die Energie zurückgewonnen werden kann.In a particularly advantageous embodiment of the fuel cell system according to the invention, it is also provided that the movable piston forms a rotor or is connected to such, wherein the rotor forms an electrodynamic machine together with a stature. The expander in free piston design can thus in particular as electrodynamic machine be trained or work directly with such. In particular, it is designed in the manner of a linear machine. Pressure energy can thus always be recovered to the maximum extent from the fuel originating from the compressed gas reservoir when fuel is needed. The fuel is released in the required amount in the expander. The resulting energy is converted into electrical energy and can be used or stored elsewhere. Thus, unlike a direct mechanical power decrease by a mechanically driven component, always the maximum energy yield possible, since the energy can be recovered independently of other flow rates and boundary conditions in the fuel cell system.
In einer sehr günstigen Weiterbildung des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems ist es ferner vorgesehen, dass der Expander wenigstens eine integrierte Verdichtungseinrichtung als Rezirkulationsfördereinrichtung einer Anodenrezirkulation aufweist. Alternativ oder insbesondere auch ergänzend zu der Rückgewinnung von Druckenergie aus dem in dem Druckgastank gespeicherten Brennstoff – in Form elektrischer Energie – ist es so möglich, durch eine funktional einfache Integration einer Verdichtungseinrichtung in den Freikolben-Expander die Rezirkulatiansfördereinrichtung für den Anodenabgasstrom, welcher rezirkuliert werden soll, mit zu integrieren. Da in beiden Gasströmen Wasserstoff vorhanden ist und diese nach der Förderung miteinander vermischt einem Anodenraum der Brennstoffzelle zugeführt werden, spielt hier eine Abdichtung der beiden Gasströme gegeneinander keine Rolle. Vielmehr können diese im Bereich des Freikolben-Expanders beispielsweise in einem hierfür eigens ausgebildeten Druckraum oder einem der Arbeitsräume, welcher als Druckraum genutzt wird, miteinander vermischt und dem Anodenraum zugeführt werden.In a very favorable development of the fuel cell system according to the invention, it is further provided that the expander has at least one integrated compression device as a recirculation conveyor of an anode recirculation. Alternatively or in particular also in addition to the recovery of pressure energy from the fuel stored in the compressed gas tank - in the form of electrical energy - it is possible by a functionally simple integration of a compression device in the free-piston expander Rezirkulatiansfördereinrichtung for the anode exhaust stream, which is to be recirculated to integrate with. Since hydrogen is present in both gas streams and these are mixed with one another after being conveyed to an anode space of the fuel cell, a sealing of the two gas streams against one another is of no importance here. Rather, in the region of the free-piston expander, they can be mixed with one another and supplied to the anode chamber, for example in a pressure chamber specially designed for this purpose or one of the working chambers, which is used as a pressure chamber.
Die Verdichtungseinrichtung kann gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung beispielsweise durch einen zusätzlichen Druckraum oder einen der Arbeitsräume, welcher als Druckraum ausgebildet ist, realisiert werden. Dieser beziehungsweise diese sind dann mit dem beziehungsweise den Arbeitsräumen über entsprechende Überstromleitungen verbunden. In einer sehr günstigen Ausgestaltung hiervon kann es vorgesehen sein, dass der bewegliche Kolben im Bereich des wenigstens einen Druckraums einen anderen wirksamen Querschnitt aufweist, als im Bereich des wenigstens einen Arbeitsraums. Dadurch lässt sich, ähnlich wie bei hydraulischen Kolben mit unterschiedlichen Durchmessern, eine „Übersetzung” der Druckverhältnisse zueinander realisieren. Insbesondere können durch einen geeigneten Durchmesser beim Expandieren des unter Druck stehenden Brennstoffs und einen davon abweichenden Durchmesser im Druckraum, unterschiedliche Druckniveaus der beiden Vorgänge berücksichtigt werden. Durch das Expandieren des unter Druck stehenden Brennstoffs kann so einfach und effizient die Rezirkulationsfördereinrichtung für den Anodenkreislauf angetrieben werden.The compression device can be realized according to an advantageous development, for example by an additional pressure chamber or one of the working spaces, which is designed as a pressure chamber. This or these are then connected to the or the workrooms via corresponding overcurrent lines. In a very favorable embodiment of this, it can be provided that the movable piston in the region of the at least one pressure chamber has a different effective cross-section than in the region of the at least one working chamber. As a result, similar to hydraulic pistons with different diameters, a "translation" of the pressure ratios to each other can be realized. In particular, by a suitable diameter when expanding the pressurized fuel and a different diameter in the pressure chamber, different pressure levels of the two processes can be considered. By expanding the pressurized fuel, the recirculation conveyor for the anode circuit can thus be simply and efficiently driven.
Da das Druckniveau des Brennstoffs typischerweise sehr hoch ist, beispielsweise bei 700 bar liegt, während der Betriebsdruck der Brennstoffzelle typischerweise unterhalb von 10 bar liegt, kann bei den üblichen Volumenströmen an Wasserstoff zu der Brennstoffzelle im Allgemeinen zusätzlich zur Förderung des Abgasstroms in der Anodenrezirkulation außerdem elektrische Energie in der oben beschriebenen Art zurückgewonnen werden, wenn der Freikolben-Expander darauf eingerichtet ist. Somit lässt sich die maximale Energieausbeute aus dem zum Betreiben der Brennstoffzelle ohnehin zu entspannenden Brennstoff gewinnen. Dadurch wird zumindest ein Teil der beim Verdichten des Brennstoffs, beispielsweise in einer Tankanlage, aufgewandten Energie zurückgewonnen und es entsteht ein sehr energieeffizienter Betrieb des Brennstoffzellensystems.Since the pressure level of the fuel is typically very high, for example at 700 bar, while the operating pressure of the fuel cell is typically below 10 bar, the usual volume flows of hydrogen to the fuel cell generally in addition to promoting the exhaust gas flow in the anode recirculation also electrical Energy can be recovered in the manner described above, when the free-piston expander is set up on it. Thus, the maximum energy yield from the fuel for operating the fuel cell anyway to relax relaxing fuel. As a result, at least part of the energy consumed in compressing the fuel, for example in a tank system, is recovered and a very energy-efficient operation of the fuel cell system results.
In einer weiteren günstigen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems kann die Expansionsvorrichtung mehrere Expander aufweisen, wobei wenigstens zwei der Expander jeweils gemäß einem oder mehreren der oben genannten Ansprüche unterschiedlich gestaltet sind. Der Aufbau ermöglicht es, das Entspannen des Brennstoffs aus dem Druckgasspeicher über mehrere Expander zu realisieren. Beispielsweise können vier Expander so miteinander verschaltet werden, dass ohne zusätzlichen Aufwand hinsichtlich der Ventileinrichtungen ein Betrieb der vier Expander möglich ist, um so den verdichteten Brennstoff mit hoher Energierückgewinnung zu entspannen. Dabei kann beispielsweise einer der Expander anders ausgebildet sein als die anderen. So ist es beispielsweise möglich, einen der Expander so auszubilden, dass dieser als Rezirkulationsfördereinrichtung genutzt werden kann, welche von dem sich entspannenden Brennstoff entsprechend angetrieben wird. Die anderen Expander des Aufbaus können dann insbesondere in der Art von Linear-Generatoren ausgebildet sein, um elektrische Energie aus der Expansionsarbeit zurückzugewinnen. Der Aufbau wird durch den Einsatz mehrerer Expander insgesamt zwar etwas größer, jeder einzelne der Freikolben-Expander lässt sich jedoch einfacher und effizienter ausbilden, da er jeweils nur eine der benötigten Funktionalitäten aufweisen muss, während andere Funktionalitäten von anderen Expandern, welche dann typischerweise parallel oder in Reihe zueinander verschaltet sind, übernommen werden können.In a further favorable refinement of the fuel cell system according to the invention, the expansion device can have a plurality of expanders, wherein at least two of the expanders are each designed differently in accordance with one or more of the abovementioned claims. The structure makes it possible to realize the relaxation of the fuel from the compressed gas storage via several expander. For example, four expanders can be interconnected so that operation of the four expanders is possible without additional expense in terms of valve means so as to relax the compressed fuel with high energy recovery. In this case, for example, one of the expander be designed differently than the other. For example, it is possible to design one of the expander so that it can be used as a recirculation conveyor, which is driven accordingly by the relaxing fuel. The other expanders of the construction can then be designed in particular in the manner of linear generators in order to recover electrical energy from the expansion work. Although the overall structure is somewhat larger due to the use of several expanders, each individual free-piston expander can be made simpler and more efficient since it only has to have one of the required functionalities, while other functionalities of other expanders, which then typically parallel or connected in series with each other, can be taken over.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems ergeben sich aus den restlichen abhängigen Patentansprüchen und werden aus den Ausführungsbeispielen deutlich, welche nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren näher beschrieben sind.Further advantageous embodiments of the fuel cell system according to the invention result themselves from the remaining dependent claims and will become apparent from the embodiments, which are described below with reference to the figures.
Dabei zeigen:Showing:
1 eine Prinzipdarstellung eines Teils eines Brennstoffzellensystem in einem angedeuteten Fahrzeug; 1 a schematic representation of a portion of a fuel cell system in an indicated vehicle;
2 eine Darstellung einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Expanders; 2 a representation of a first embodiment of the expander according to the invention;
3 eine Darstellung einer zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Expanders; 3 a representation of a second embodiment of the expander according to the invention;
4 eine Darstellung einer dritten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Expanders; 4 a representation of a third embodiment of the expander according to the invention;
5 eine Darstellung einer vierten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Expanders; 5 a representation of a fourth embodiment of the expander according to the invention;
6 eine Darstellung einer fünften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Expanders; 6 a representation of a fifth embodiment of the expander according to the invention;
7 eine Darstellung einer sechsten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Expanders; und 7 a representation of a sixth embodiment of the expander according to the invention; and
8 eine mögliche Verschaltung von mehreren Expandern. 8th a possible interconnection of several expanders.
In der Darstellung der 1 ist stark schematisiert ein Ausschnitt aus einem Brennstoffzellensystem 1 zu erkennen. Dieser Ausschnitt des Brennstoffzellensystems 1 ist in einem prinzipmäßig angedeuteten Fahrzeug 2 angeordnet und soll vorzugsweise zur Bereitstellung von Antriebsenergie für das Fahrzeug dienen. Das Brennstoffzellensystem 1 umfasst eine Brennstoffzelle 3, mit einem Anodenraum 4 und einem Kathodenraum 5. Dem Kathodenraum 5 wird über eine Luftfördereinrichtung 6 Luft als Sauerstofflieferant zugeführt. Nicht verbrauchte Abluft gelangt zusammen mit in der Brennstoffzelle 3 entstehendem Produktwasser in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel an die Umgebung.In the presentation of the 1 is highly schematic a section of a fuel cell system 1 to recognize. This section of the fuel cell system 1 is in a principle indicated vehicle 2 arranged and should preferably serve to provide drive power for the vehicle. The fuel cell system 1 includes a fuel cell 3 , with an anode compartment 4 and a cathode compartment 5 , The cathode compartment 5 is via an air conveyor 6 Air supplied as an oxygen supplier. Unused exhaust air gets along with in the fuel cell 3 resulting product water in the embodiment shown here to the environment.
Der Anodenraum 4 der Brennstoffzelle 3 wird mit Wasserstoff als Brennstoff aus einem Druckgasspeicher 7 versorgt. Der Druckgasspeicher 7 steht über ein Absperrventil 8, das sogenannte Systemabsperrventil (System Isolation Valve), mit einer Expansionseinrichtung 9 zum Reduzieren des Drucks des in dem Druckgasspeicher 7 gespeicherten Wasserstoffs, welcher typischerweise bei 350 oder 700 bar liegt, auf den in der Brennstoffzelle 3 benötigten Druck, welcher typischerweise in der Größenardnung von 1 bis 3 bar liegt, in Verbindung. Nach der Expansionseinrichtung 9 gelangt der Wasserstoff in den Anodenraum 4 und wird in diesem typischerweise nur teilweise umgesetzt. Dies hat den Vorteil, dass die zur Verfügung stehende aktive Fläche des Anodenraums 4 ideal mit Wasserstoff versorgt werden kann. Restwasserstoff gelangt zusammen mit inerten Gasen, welche durch die Membranen der Brennstoffzelle 3 vom Kathodenraum 5 in den Anodenraum 4 diffundiert sind sowie einem kleinen Teil des in dem Anodenraum 4 anfallenden Produktwassers der Brennstoffzelle 3, über eine Rezirkulationsleitung 10 aus dem Anodenraum 4 zurück zum Eingang des Anodenraums und wird dort zusammen mit frischem Wasserstoff vermischt dem Anodenraum 4 erneut zugeführt. Um die Druckverluste im Anodenraum 4 und in der Rezirkulationsleitung 10 auszugleichen, ist eine Rezirkulationsfördereinrichtung 11 vorgesehen, welche in der Darstellung der 1 lediglich prinzipmäßig angedeutet ist. Auf ihren konkreten Aufbau wird später ebenso wie auf den Aufbau der Expansionseinrichtung 9 noch eingegangen.The anode compartment 4 the fuel cell 3 is using hydrogen as fuel from a compressed gas storage 7 provided. The compressed gas storage 7 is via a shut-off valve 8th , the so-called System Isolation Valve, with an expansion device 9 for reducing the pressure of the in the compressed gas storage 7 stored hydrogen, which is typically at 350 or 700 bar, to that in the fuel cell 3 required pressure, which is typically in the scale of 1 to 3 bar, in conjunction. After the expansion device 9 the hydrogen enters the anode compartment 4 and is typically only partially implemented in this. This has the advantage that the available active area of the anode space 4 can be ideally supplied with hydrogen. Residual hydrogen enters together with inert gases passing through the membranes of the fuel cell 3 from the cathode compartment 5 in the anode compartment 4 are diffused and a small part of the anode in the space 4 accumulating product water of the fuel cell 3 , via a recirculation line 10 from the anode compartment 4 back to the entrance of the anode compartment and there is mixed with fresh hydrogen the anode compartment 4 fed again. To the pressure losses in the anode space 4 and in the recirculation line 10 is a recirculation conveyor 11 provided, which in the representation of 1 merely indicated in principle. On their concrete structure will later as well as on the construction of the expansion device 9 still received.
Im Bereich der Rezirkulationsleitung 10 ist in an sich bekannter Art und Weise ein Wasserabscheider 12 angeordnet, um flüssiges Produktwasser in dem Abgasstrom des Anodenraums 4 abzuscheiden. Dieses wird von Zeit zu Zeit oder entsprechend dem Füllstand in dem Wasserabscheider 12 über eine Ventileinrichtung 13 abgelassen. Dabei kann auch Gas mit abgelassen werden, da durch das sich mit der Zeit anreichernde inerte Gas die Konzentration an Wasserstoff in der Rezirkulation absinkt und dadurch die Performance der Brennstoffzelle 3 leidet. Wird dieses Gas von Zeit zu Zeit oder in Abhängigkeit beispielsweise der Wasserkonzentration abgelassen, dann kann die Wasserstoffkonzentration in der Anodenrezirkulation wieder ansteigen und die Performance der Brennstoffzelle verbessert sich beziehungsweise bleibt aufrechterhalten. All dies ist so aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt und üblich. Die hier beschriebene Neuerung liegt nun im Wesentlichen im Bereich der Expansionseinrichtung 9 und/oder der Rezirkulationsfördereinrichtung 11.In the area of the recirculation line 10 is in a conventional manner a water separator 12 arranged to liquid product water in the exhaust stream of the anode compartment 4 deposit. This will from time to time or according to the level in the water separator 12 via a valve device 13 drained. In this case, gas can also be drained off, since the concentration of hydrogen in the recirculation drops due to the inert gas that accumulates over time and thus the performance of the fuel cell 3 suffers. If this gas is discharged from time to time or depending on, for example, the water concentration, then the hydrogen concentration in the anode recirculation can increase again and the performance of the fuel cell is improved or maintained. All of this is well known and commonplace in the art. The innovation described here is now essentially in the area of the expansion device 9 and / or the recirculation conveyor 11 ,
Um beim Mindern des Drucks des Wasserstoffs vom Druckniveau des Druckgasspeichers 7 auf das Druckniveau für die Brennstoffzelle 3 die in dem Wasserstoff enthaltene Druckenergie weitmöglichst zurückzugewinnen, ist die Expansionseinrichtung 9 vorgesehen. Die Expansionseinrichtung 9 soll dabei wenigstens einen Expander 14 in Freikolbenbauart zum Entspannen des Brennstoffs aus dem Druckgasspeicher 7 enthalten. In der Darstellung der 2 ist eine erste mögliche Ausführungsform eines solchen Freikolben-Expanders 14 dargestellt, welcher hier mit dem Bezugszeichen 141 versehen ist. Nachfolgend wird der Freikolben-Expander an sich, unabhängig von seiner Bauart, jeweils mit dem Bezugszeichen 14 bezeichnet. Die einzelnen nachfolgend erläuternden Ausführungsformen dieses Freikolben-Expanders 14 werden mit dem Bezugszeichen 141, 142 fortfolgende bezeichnet.To reduce the pressure of hydrogen from the pressure level of the compressed gas storage 7 to the pressure level for the fuel cell 3 To recover the pressure energy contained in the hydrogen as much as possible, is the expansion device 9 intended. The expansion device 9 should at least one expander 14 in Freikolbenbauart for relaxing the fuel from the compressed gas storage 7 contain. In the presentation of the 2 is a first possible embodiment of such a free-piston expander 14 represented, which here by the reference numeral 141 is provided. Hereinafter, the free-piston expander per se, regardless of its design, each with the reference numeral 14 designated. The individual embodiments of this free-piston expander explained below 14 are denoted by the reference numeral 141 . 142 hereinafter referred to.
Der Freikolben-Expander 141 gemäß 2 ist dabei als Einkolbenversion ausgebildet. Er weist einen Kolben 15 auf, welcher in einem Gehäuse 16 geführt ist, und welcher an seiner einen Stirnseite mit dem Gehäuse 16 einen Arbeitsraum 17 einschließt. Im Bereich seiner anderen Stirnseite ist der Kolben 15 über ein Federmittel 18 am Gehäuse 16 abgestützt. Über eine erste Ventileinrichtung 19 kann nun bei geöffnetem Systemabsperrventil 8 Wasserstoff unter hohem Druck in den Arbeitsraum 17 einströmen. Bei geschlossener zweiter Ventileinrichtung 20 wird der unter Druck stehende Wasserstoff den Kolben 15 dabei in der in 2 dargestellten Ansicht nach rechts gegen die Kraft des Federmittels 18 bewegen. Die Druckenergie in dem in dem Arbeitsraum 17 enthaltenen Wasserstoff wird so reduziert. Sobald diese auf ein ausreichendes Druckniveau reduziert ist, wird die zweite Ventileinrichtung 20 geöffnet und der Wasserstoff kann in Richtung des Anodenraums 4 der Brennstoffzelle 3 strömen. Das Federmittel 18 stellt den Kolben 15 dann zurück und der Vorgang beginnt von Neuem. Der Kolben 15 wird sich daher oszillierend zwischen seinen beiden Totpunkten hin und her bewegen. Diese Bewegung lässt sich nun nutzen, um elektrische Energie durch eine geeignete Ausgestaltung des Expanders 14 zu gewinnen. Beispielhaft sollen hierzu Permanentmagnete 21 im Bereich des beweglichen Kolbens 15 angeordnet sein, welche zusammen mit Wicklungen 22 im Bereich des Gehäuses 16 eine elektrodynamische Maschine ausbilden. Diese funktioniert hier in der Art eines Linear-Generators und kann so die bei der Reduzierung des Drucks des Brennstoffs entstehende Energie in elektrische Energie umwandeln. Diese elektrische Energie wird über hier nicht dargestellte Leitungen und eine entsprechende Elektronik beziehungsweise einen Leistungswandler abgeführt und gegebenenfalls aufbereitet. Sie kann dann anderen Komponenten des Brennstoffzellensystems 1 zur Verfügung gestellt werden, und/oder kann unterstützend zum Antrieb des Fahrzeugs 2 genutzt werden. Selbstverständlich ist es auch möglich, die Energie beispielsweise in Kondensatoren und/oder Batterien zwischenzuspeichern, um diese zu einem späteren Zeitpunkt zu nutzen. Durch die Möglichkeit, die elektrische Leistungsentnahme aus dem Freikolben-Expander 14 entsprechend variieren zu können, lässt sich das im Bereich hinter der Ventileinrichtung 20 erzielte Druckniveau nicht nur durch den konstruktiven Aufbau, sondern auch durch die gezielte elektrische Leistungsentnahme beeinflussen.The free-piston expander 141 according to 2 is designed as a single-piston version. He has a piston 15 on which in a housing 16 is guided, and which at its one end face with the housing 16 a workroom 17 includes. In the area of its other end face is the piston 15 about a spring means 18 on the housing 16 supported. Via a first valve device 19 can now with the system shutoff valve open 8th Hydrogen under high pressure in the work space 17 flow. When the second valve device is closed 20 the pressurized hydrogen becomes the piston 15 while in the in 2 illustrated view to the right against the force of the spring means 18 move. The pressure energy in the working space 17 contained hydrogen is thus reduced. Once this is reduced to a sufficient pressure level, the second valve device 20 opened and the hydrogen can be in the direction of the anode compartment 4 the fuel cell 3 stream. The spring means 18 puts the piston 15 then back and the process begins again. The piston 15 will therefore oscillate between its two dead centers back and forth. This movement can now be used to generate electrical energy through a suitable design of the expander 14 to win. As an example, permanent magnets should be used 21 in the area of the movable piston 15 be arranged, which together with windings 22 in the area of the housing 16 form an electrodynamic machine. This works here in the manner of a linear generator and can thus convert the energy produced by the reduction of the pressure of the fuel into electrical energy. This electrical energy is dissipated via lines not shown here and a corresponding electronics or a power converter and optionally processed. It can then be used by other components of the fuel cell system 1 be made available, and / or may assist to drive the vehicle 2 be used. Of course, it is also possible to temporarily store the energy in, for example, capacitors and / or batteries in order to use them at a later time. By the possibility of electrical power extraction from the free-piston expander 14 can vary accordingly, can be in the area behind the valve device 20 The pressure level achieved can be influenced not only by the structural design, but also by the targeted electrical power consumption.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Ventileinrichtungen 19, 20 nach Möglichkeit in das Gehäuse 16 des Expanders 14 integriert ausgebildet sind. Leitungswege und Leitungsverbindungen, welche gegen den hier eingesetzten Wasserstoff entsprechend abgedichtet werden müssen, können dann weitgehend eingespart werden. Prinzipiell ist es auch denkbar, die Ventileinrichtungen 19, 20 über entsprechende Schlitze beziehungsweise Öffnungen in dem Gehäuse 16 so zu realisieren, dass diese beim Erreichen der jeweiligen Totpunkte des Kolbens 15 selbsttätig freigegeben werden. Die Verwendung von derartigen Schlitzen hat dabei Vorteile hinsichtlich der Kosten und des Bauraums. Der Einsatz von eigenständigen Ventilen, welche leichter vergleichsweise dicht geschlossen werden können, kann Vorteile hinsichtlich des Wirkungsgrades haben.It is particularly advantageous if the valve devices 19 . 20 if possible in the housing 16 of the expander 14 are formed integrated. Cable routes and line connections, which must be sealed against the hydrogen used here, can then be largely eliminated. In principle, it is also conceivable, the valve devices 19 . 20 via corresponding slots or openings in the housing 16 to realize that this when reaching the respective dead centers of the piston 15 be released automatically. The use of such slots has advantages in terms of cost and space. The use of independent valves, which can be closed relatively easily, can have advantages in terms of efficiency.
In der Darstellung der 3 ist eine alternative Ausführungsform eines solchen Freikolben-Expanders 14 zu erkennen. Sie ist mit dem Bezugszeichen 142 bezeichnet. Sämtliche, auch im Bereich des bereits beschriebenen Expanders 141 vorkommenden Bauteile, sind wiederum mit denselben Bezugszeichen versehen, wie in der Darstellung der 2. Zusätzlich weist der Expander 142 zwei weitere Ventileinrichtungen 23, 24 auf, welche analog zu den Ventileinrichtungen 19 und 20 mit dem Arbeitsraum 17, mit einem weiteren Arbeitsraum 25 verbunden sind. Dieser Arbeitsraum 25 liegt auf der gegenüberliegenden Stirnseite des Kolbens 15 wie der Arbeitsraum 17. Auf das beim Expander 141 an dieser Stelle angeordnete Federmittel 18 wird hier verzichtet. Die Funktionalität ist nun so, dass beiden Arbeitsräumen 17, 25 abwechselnd über die Ventileinrichtungen 19, 23 Wasserstoff unter Druck zugeführt wird, welcher ebenfalls abwechselnd über die Ventileinrichtungen 20, 24 entsprechend abgeführt und dem Anodenraum 4 zugeführt wird. Ansonsten ist der Aufbau des Expanders 142 in der Darstellung der 3 analog zu dem oben beschriebenen Aufbau zu verstehen und weist im Wesentlichen dieselbe Funktionalität auf. Insbesondere ist er als Linear-Generator ausgebildet und kann aus der Druckenergie des in dem Druckgasspeicher 7 gespeicherten Brennstoffs elektrische Energie beim Entspannen des Brennstoffs gewinnen.In the presentation of the 3 is an alternative embodiment of such a free-piston expander 14 to recognize. It is with the reference number 142 designated. All, including in the area of the already described expander 141 occurring components, in turn, provided with the same reference numerals, as in the illustration of 2 , In addition, the expander points 142 two more valve devices 23 . 24 on, which analogous to the valve devices 19 and 20 with the workspace 17 , with another working space 25 are connected. This workroom 25 lies on the opposite end of the piston 15 like the workroom 17 , On the expander 141 arranged at this point spring means 18 is omitted here. The functionality is now such that both work spaces 17 . 25 alternately over the valve devices 19 . 23 Hydrogen is supplied under pressure, which also alternately via the valve means 20 . 24 discharged accordingly and the anode compartment 4 is supplied. Otherwise, the structure of the expander 142 in the presentation of the 3 to understand analogous to the structure described above and has essentially the same functionality. In particular, it is designed as a linear generator and can from the pressure energy of the pressure in the gas storage 7 stored fuel to recover electrical energy while relaxing the fuel.
In der Darstellung der 4 ist ein alternatives Ausführungsbeispiel eines hier mit dem Bezugszeichen 143 bezeichneten Expanders 14 zu erkennen. Der Expander 143 ist dabei in seiner Funktionalität ähnlich zu dem Expander 141 in der Darstellung der 2 aufgebaut. Er weist ebenfalls einen Arbeitsraum 17 auf, welcher über eine erste Ventileinrichtung 19 mit unter Druck stehendem Wasserstoff versorgt wird. Zusätzlich ist in diesem Arbeitsraum 17 ein Federmittel 26 angeordnet. Auf der gegenüberliegenden Seite des Kolbens 15 ist wiederum das Federmittel 18 zu erkennen, welches hier in einem als Druckraum beziehungsweise Druckkammer bezeichneten Raum 27 angeordnet ist. Dieser Druckraum 27 steht über ein erstes Rückschlagventil 28 mit dem Anodenraum 4 der Brennstoffzelle 3 in Verbindung. Über ein zweites Rückschlagventil 29 steht der Druckraum 27 außerdem mit der Rezirkulationsleitung 10 in Verbindung.In the presentation of the 4 is an alternative embodiment of one here by the reference numeral 143 designated expander 14 to recognize. The expander 143 is similar in functionality to the expander 141 in the presentation of the 2 built up. He also has a workspace 17 on, which via a first valve device 19 is supplied with pressurized hydrogen. In addition, in this workroom 17 a spring means 26 arranged. On the opposite side of the piston 15 is again the spring means 18 to recognize which here in a designated as a pressure chamber or pressure chamber space 27 is arranged. This pressure room 27 stands over a first check valve 28 with the anode compartment 4 the fuel cell 3 in connection. Via a second check valve 29 is the pressure room 27 also with the recirculation line 10 in connection.
Bei dem Expander 143 handelt es sich um die in der Darstellung der 1 mit 11 bezeichnete Rezirkulationsfördereinrichtung. Hierfür wird der Arbeitsraum 17 in der bereits beschriebenen Art mit Wasserstoff unter hohem Druck durch das Öffnen der ersten Ventileinrichtung 19 geflutet. Gegen die Kraft der Feder 18 und unter Kompression des über die Rezirkulationsleitung 10 und das Rückschlagventil 29 in den Druckraum 27 eingeströmten Anodenabgases wird der Kolben 15 in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel nach unten bewegt. Der Expander 143 weist außerdem eine Überströmleitung 30 auf, welche hier in zwei Teilabschnitte 30.1 und 30.2 aufgeteilt ist. Der Teilabschnitt 30.2 ist in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel in den Kolben 15 integriert ausgeführt, während der zweite Teil der Überströmleitung 30.1 in das Gehäuse 16 integriert ist. Sobald der Kolben 15 eine Position erreicht, in welcher die beiden Teilabschnitte 30.1 und 30.2 der Überströmleitung in Kontakt zueinander kommen, wird der in dem Arbeitsraum 17 befindliche, mittlerweile auf das untere Druckniveau, entspannte Wasserstoff durch die Überströmleitung 30 in den Druckraum 27 einströmen. Er strömt dann zusammen mit dem in dem Druckraum 27 verdichteten Abgas über das erste Rückschlagventil 28 weiter zum Anodenraum 4 der Brennstoffzelle 3. Anschließend beginnt dieser Vorgang von Neuem. Dadurch wird eine Förderung des Anodenabgases in der Anodenrezirkulation über den Expander 143 als Rezirkulationsfördereinrichtung 11 realisiert. Auch hier können die Ventileinrichtung 19 und die Rückschlagventile 28, 29 wiederum in das Gehäuse 16 des Expanders 143 integriert ausgeführt sein, um entsprechende Leitungslängen und die Notwendigkeit einer Abdichtung weitgehend einzusparen. Neben der hier dargestellten Form der Überströmleitung 30 wäre es selbstverständlich auch denkbar, diese einteilig und beispielsweise in das Gehäuse 16 integriert zu realisieren.With the expander 143 are those in the representation of the 1 With 11 designated recirculation conveyor. This is the work space 17 in the manner already described with hydrogen under high pressure by opening the first valve device 19 flooded. Against the force of the spring 18 and under compression of the via the recirculation line 10 and the check valve 29 in the pressure room 27 Inflowed anode exhaust gas is the piston 15 moved down in the embodiment shown here. The expander 143 also has an overflow line 30 on, which here in two sections 30.1 and 30.2 is divided. The subsection 30.2 is in the embodiment shown here in the piston 15 integrated, while the second part of the overflow 30.1 in the case 16 is integrated. As soon as the piston 15 reached a position in which the two sections 30.1 and 30.2 the overflow line come into contact with each other, which is in the working space 17 located, now on the lower pressure level, relaxed hydrogen through the overflow 30 in the pressure room 27 flow. He then flows together with the one in the pressure room 27 compressed exhaust gas via the first check valve 28 continue to the anode room 4 the fuel cell 3 , Then this process starts again. This will promote the anode exhaust gas in the anode recirculation via the expander 143 as a recirculation conveyor 11 realized. Again, the valve device 19 and the check valves 28 . 29 turn in the case 16 of the expander 143 be designed integrated to largely reduce the corresponding line lengths and the need for a seal. In addition to the form of the overflow line shown here 30 Of course, it would also be possible to use these in one piece and, for example, in the housing 16 integrated to realize.
Dabei weist der Expander 143 die zwei Federmittel 18, 26 auf. Diese unterstützen die jeweilige Bewegung beziehungsweise die Rückstellbewegung und ermöglichen außerdem ein weiches Abfedern der Bewegung des Kolbens 15, sodass dieser an seinen Endpunkten nicht hart gegen das Gehäuse 16 anschlägt, was einerseits zu einer hohen mechanischen Belastung und andererseits zu hohen Lärmemissionen führen würde.In this case, the expander 143 the two spring means 18 . 26 on. These support the respective movement or the return movement and also allow a soft cushioning of the movement of the piston 15 so that it does not hit the case hard at its end points 16 strikes, which would lead on the one hand to a high mechanical load and on the other hand to high noise emissions.
In der Darstellung der 5 ist eine weitere mögliche Ausführungsform eines mit 144 bezeichneten Expanders 14 dargestellt. Seine Funktionalität entspricht im Wesentlichen der bereits beschriebenen Funktionalität des Expanders 143. Allerdings weist er nicht nur einen Druckraum 27, sondern einen weiteren Druckraum 31 auf. Dieser ist parallel zum Druckraum 27 angeschlossen und so dimensioniert, dass er das über ein Rückschlagventil 32 aus der Rezirkulationsleitung 10 eingeströmte Gas entsprechend verdichtet und über ein Rückschlagventil 33 dem Anodenraum 4 der Brennstoffzelle 3 zuführt. Die Überströmleitung 30 ist hier wiederum lediglich zwischen dem Arbeitsraum 17 und dem Druckraum 27 ausgebildet und funktioniert in der oben bereits beschriebenen Art und Weise.In the presentation of the 5 is another possible embodiment of a with 144 designated expander 14 shown. Its functionality corresponds essentially to the already described functionality of the expander 143 , However, he does not just have a pressure room 27 but another pressure chamber 31 on. This is parallel to the pressure chamber 27 connected and dimensioned so that it has a check valve 32 from the recirculation line 10 Infused gas compressed accordingly and via a check valve 33 the anode compartment 4 the fuel cell 3 supplies. The overflow line 30 Here again is only between the workspace 17 and the pressure room 27 trained and works in the manner already described above.
Zusätzlich sind in dem Gehäuse 16 des hier dargestellten Expanders 144 Temperierungsmittel 34 zum Beheizen und/oder Kühlen des Expanders 144 angeordnet. Diese können beispielsweise in Form von elektrischen Widerstandsheizelementen oder Peltierelementen ausgebildet sein. Sie können insbesondere dazu dienen, für den Kaltstartfall des Brennstoffzellensystems 1 bei Temperaturen unterhalb des Gefrierpunkts eine entsprechende Beheizung des Expanders 144 zu realisieren, um diesen möglichst schnell betreiben zu können beziehungsweise ggf. Wasser auftauen zu können, um einen schnellen Betrieb zu ermöglichen. Neben der beschriebenen Ausführungsform der Temperierungsmittel 34 als elektrische Mittel ist es selbstverständlich auch denkbar, die Temperierungsmittel 34 als Wärmetauscher auszubilden, um das Gehäuse 16 beispielsweise an den Kühlkreislauf der Brennstoffzelle 3 anzubinden, um den Expander 144 mit der Abwärme der Brennstoffzelle beheizen zu können.In addition, in the housing 16 of the expander shown here 144 tempering 34 for heating and / or cooling the expander 144 arranged. These may be formed, for example, in the form of electrical resistance heating elements or Peltier elements. They can serve in particular for the cold start case of the fuel cell system 1 at temperatures below freezing, a corresponding heating of the expander 144 to realize this to be able to operate as quickly as possible or possibly thawing water to allow rapid operation. In addition to the described embodiment of the tempering 34 As an electrical means, it is of course also conceivable, the tempering 34 as a heat exchanger form around the housing 16 For example, to the cooling circuit of the fuel cell 3 connect to the expander 144 to heat with the waste heat of the fuel cell.
In der Darstellung der 6 ist ein mit 145 bezeichneter Expander 14 in einer weiteren Ausführungsform zu erkennen. Er entspricht in seinem Aufbau im Wesentlichen dem Expander 143, welcher in 4 dargestellt ist. Die Überströmleitung 30 ist hierbei einteilig im Bereich des Gehäuses 16 ausgeführt. Außerdem ist der Kolben 15 wiederum mit Permanentmagneten 21 versehen, wie es vom Expander 141 bereits bekannt ist. In dem Gehäuse 16 sind wiederum Wicklungen 22 angeordnet, sodass der Expander 145 neben seiner Funktionalität als Rezirkulationsfördereinrichtung 11 gleichzeitig einen Linear-Generator ausbildet. Diese Kombination aus Rezirkulationsfördereinrichtung und elektrodynamischer Maschine vereint die Funktionalitäten und Vorteile der beiden Ausführungsformen der Expander 141, 142 mit denen der Expander 143, 144. Ansonsten ergibt sich die Funktionalität analog zu den dort beschriebenen Funktionalitäten.In the presentation of the 6 is one with 145 designated expander 14 to recognize in a further embodiment. In its construction, it essentially corresponds to the expander 143 which is in 4 is shown. The overflow line 30 is here in one piece in the area of the housing 16 executed. Besides, the piston is 15 again with permanent magnets 21 provided as it is by the expander 141 already known. In the case 16 are in turn windings 22 arranged so that the expander 145 in addition to its functionality as a recirculation conveyor 11 simultaneously forms a linear generator. This combination of recirculation conveyor and electrodynamic machine combines the functionalities and advantages of both expander embodiments 141 . 142 with which the expander 143 . 144 , Otherwise, the functionality is analogous to the functionalities described there.
In der Darstellung der 7 ist ein weiterer Expander 146 prinzipmäßig dargestellt. Er vereint letzten Endes die beim Expander 142 und beim Expander 144 beschriebenen Ausführungsformen in einer alternativen konstruktiven Ausgestaltung. Der Kolben 15 ist wieder als Stufenkolben ausgeführt und weist an seinen beiden Stirnseiten die Arbeitsräume 17, 25 auf. Diese Arbeitsräume 17, 25 sind über Überströmleitungen 30 jeweils mit Druckräumen 27, 31 verbunden. Der Aufbau stellt also einen doppelwirkenden Aufbau dar, welcher über die beiden Arbeitsräume 17, 25 und das darin einströmende verdichtete Gas einen Antrieb des Kolbens 15 ermöglicht. Gleichzeitig wird über die Druckkammern 27, 31 über die Rezirkulationsleitung 10 und Rückschlagventile 29, 32 in der jeweiligen Position des Kolbens 15 einströmendes Gas verdichtet und zusammen mit dem Gas aus den Überströmleitungen 30 über die Rückschlagventile 28, 33 dem Anodenraum 4 zugeführt. Auch hier sind Permanentmagnete 21 in dem Kolben 15 angeordnet, hier beispielhaft in dem mittleren Abschnitt des Kolbens 15 mit größerem Durchmesser. Entsprechende Spulen 22 befinden sich wiederum in dem Gehäuse 16.In the presentation of the 7 is another expander 146 shown in principle. He finally unites the expander 142 and at the expander 144 described embodiments in an alternative structural design. The piston 15 is again executed as a stepped piston and has at its two end faces the work spaces 17 . 25 on. These workrooms 17 . 25 are over overflow lines 30 each with pressure chambers 27 . 31 connected. The structure thus represents a double-acting structure, which over the two working spaces 17 . 25 and the compressed gas flowing therein drives the piston 15 allows. At the same time, the pressure chambers 27 . 31 via the recirculation line 10 and check valves 29 . 32 in the respective position of the piston 15 inflowing gas compressed and together with the gas from the overflow 30 over the check valves 28 . 33 the anode compartment 4 fed. Again, permanent magnets 21 in the piston 15 arranged here, for example in the middle section of the piston 15 with a larger diameter. Corresponding coils 22 are in turn in the housing 16 ,
Jeder der Expander 14 kann dabei für sich alleine oder mit anderen Expanders 14 kombiniert, die in 1 beschriebene Expansionseinrichtung 9 ausbilden. Die in der 8 beispielhaft gezeigte Expansionsvorrichtung 9 besteht in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel aus vier Expander 14, von welchen alle vier beispielsweise in der Ausführungsvariante des Expanders 142 realisiert sein sollen. Die Expander 14 sind dabei so angeschlossen, dass sie mit lediglich zwei Ventileinrichtungen 19, 23 zur Wasserstoffversorgung auskommen. Ebenso sind lediglich zwei Ventileinrichtungen 20, 24 in der Zuleitung zum Anodenraum 4 vorhanden. Die Funktionalität ist nun so, dass die einzelnen Expander 142 parallel zueinander arbeiten. Beim Einsatz eines Expanders 143 kann außerdem neben der Bereitstellung von elektrischer Leistung über die Expander 142 Anodenabgas rezirkuliert werden. Je nachdem, wie die Kostenverhältnisse zwischen Ventilen, Expander 14 und gegebenenfalls einer notwendigen Wandlerelektronik zur Aufbereitung der erzeugten elektrischen Leistung sind, konnte eine solche Verschaltung mehrerer einzelner Expander 14 miteinander im Hinblick auf Kosten, Leistung und Sicherheit, aufgrund der möglichen Systemredundanz, von Vorteil sein.Each of the expander 14 can do it alone or with other expander 14 combined that in 1 described expansion device 9 form. The in the 8th expansion device shown by way of example 9 consists in the embodiment shown here of four expanders 14 of which all four, for example, in the embodiment of the expander 142 should be realized. The expander 14 are connected so that they only have two valve devices 19 . 23 get along to the hydrogen supply. Likewise, only two valve devices 20 . 24 in the supply line to the anode compartment 4 available. The functionality is now such that the individual expander 142 work parallel to each other. When using an expander 143 In addition, besides providing electrical power through the expander 142 Anode exhaust be recirculated. Depending on how the cost ratios between valves, expander 14 and possibly a necessary converter electronics for processing the generated electrical power, such an interconnection of several individual expander could 14 cost, performance and security, because of the potential system redundancy.
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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DE 10154637 A1 [0002] DE 10154637 A1 [0002]
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DE 102006003799 A1 [0005] DE 102006003799 A1 [0005]
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DE 3224723 A1 [0006] DE 3224723 A1 [0006]
