DE102012024385A1 - Einrichtung und Verfahren zur Erzeugung elektrischer Energie - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Erzeugen elektrischer Energie, mit zumindest einer Brennstoffzelle (10), die dazu ausgebildet ist, chemische Energie eines gasförmigen Brennstoffes (B) und eines Oxidationsmittels (O) in elektrische Energie (E) umzuwandeln, wobei die mindestens eine Brennstoffzelle (10) dazu ausgebildet ist, mit einem Verbraucher (80) verbunden zu werden, um den Verbraucher (80) mit elektrischer Energie (E) zu versorgen, einem Drucktank (20) zum Speichern des gasförmigen Brennstoffes (B), einer Expandereinheit (40), über die der Drucktank (20) mit der mindestens einen Brennstoffzelle (10) verbunden ist, so dass gasförmiger Brennstoff (B) aus dem Drucktank (20) in die Expandereinheit (40) und sodann in die mindestens eine Brennstoffzelle (10) einleitbar ist, wobei die Expandereinheit (40) dazu ausgebildet ist, in die Expandereinheit (40) eingeleiteten Brennstoff (B) vor dem Einleiten in die mindestens eine Brennstoffzelle (10) unter Erzeugung mechanischer Energie zu expandieren, wobei sich der Brennstoff (B) abkühlt, und einem mit der Expandereinheit (40) verbundenen Generator (60), der dazu ausgebildet ist, jene mechanische Energie in elektrische Energie (E) umzuwandeln, wobei der Generator (60) dazu ausgebildet ist, mit dem Verbraucher (80) verbunden zu werden, um den Verbraucher (80) mit elektrischer Energie (E) zu versorgen. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Erzeugung elektrischer Energie.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie mit zumindest einer Brennstoffzelle, die dazu ausgebildet ist, chemische Energie eines gasförmigen Brennstoffs und eines Oxidationsmittels in elektrische Energie umzuwandeln, wobei die mindestens eine Brennstoffzelle dazu eingerichtet und vorgesehen ist, mit einem Verbraucher verbunden zu werden, um den Verbraucher mit elektrischer Energie zu versorgen.
  • Im Unterschied zu einer Verbrennungskraftmaschine wandelt eine Brennstoffzelle insbesondere chemische Energie direkt in elektrische Energie um und unterliegt daher nicht dem schlechten Wirkungsgrad von Verbrennungskraftmaschinen.
  • Zur Erzeugung von elektrischer Energie kann in einer Brennstoffzelle z. B. Wasserstoff als Brennstoff an einer Anode katalytisch unter Abgabe von Elektronen zu Protonen oxidiert werden. Diese gelangen dann durch eine Ionen-Austausch-Membran in einen Bereich mit dem Oxidationsmittel (hier Sauerstoff). Die Elektronen werden aus der Brennstoffzelle abgeleitet und fließen über einen elektrischen Verbraucher zu einer Kathode, an der das Oxidationsmittel durch Aufnahme der Elektronen zu Anionen reduziert wird, die unmittelbar mit den Wasserstoffionen zu Wasser reagieren.
  • Der Einsatz von derartigen Brennstoffzellen in Energiesystemen der Zukunft wird seit Längerem theoretisch und praktisch diskutiert und mittlerweile auch in Kleinserie erprobt. Dabei gilt insbesondere die Nutzung von Wasserstoff als richtungsweisende Technologie zur Reduktion von Kohlendioxidemissionen, insbesondere im Transportsektor. Als einfache Technologie zum Transport von Wasserstoff hat sich dabei die Speicherung des Wasserstoffs in Drucktanks bei bis zu 700 bar etabliert.
  • Der Einsatz von Brennstoffzellen im Transportwesen verspricht eine gegenüber dem Verbrennungsmotor deutliche Verbesserung des Gesamt- oder Tank-to-Wheel-Wirkungsgrades des Antriebs. Neben den Standzeiten und Kosten von Brennstoffzellen sind auch die vergleichsweise geringen volumetrischen Speicherdichten des möglicherweise gasförmigen Kraftstoffs ein Problem. Eine Methode zur effizienteren Ausnutzung des Tankvolumens besteht in der Steigerung des Wirkungsgrads des Antriebsystems. Brennstoffzellen werden in der Regel bei geringen Überdrücken von wenigen bar oder atmosphärisch betrieben. Die derzeitige Technologie zur Speicherung von Wasserstoff sieht dessen Verdichtung auf bis zu 700 bar vor. Daher muss der Druck Treibstoffs vor Eintritt in die Brennstoffzelle reduziert werden. Im einfachsten Fall geschieht dies über eine Drosselung des Wasserstoffs. Bei diesem Drosselvorgang geht ein großer Teil der über die Kompression eingebrachten Arbeitsfähigkeit (Exergie) verloren.
  • Hiervon ausgehend liegt daher der vorliegenden Erfindung das Problem zu Grunde, eine Einrichtung bzw. ein Verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, die bzw. das hinsichtlich des vorgenannten Problemfeldes verbessert ist.
  • Dieses Problem wird durch eine Einrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
  • Danach weist die erfindungsgemäße Einrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie zumindest eine Brennstoffzelle auf, die dazu ausgebildet ist, chemische Energie eines gasförmigen Brennstoffs, insbesondere Wasserstoff, und eines Oxidationsmittels in elektrische Energie umzuwandeln, wobei die mindestens eine Brennstoffzelle dazu eingerichtet und vorgesehen ist, mit einem Verbraucher verbunden zu werden, um den Verbraucher mit elektrischer Energie zu versorgen, sowie einen Drucktank zum Speichern des gasförmigen Brennstoffs, wobei insbesondere der Brennstoff in dem Drucktank bei einem Druck gespeichert ist, der über dem Druck des gasförmigen Brennstoffs beim Einleiten in die mindestens eine Brennstoffzelle liegt. Weiterhin weist die erfindungsgemäße Einrichtung eine Expandereinheit auf, über die der Drucktank mit der mindestens einen Brennstoffzelle verbunden ist, so dass gasförmiger Brennstoff aus dem Drucktank in die Expandereinheit und sodann in die mindestens eine Brennstoffzelle einleitbar ist, wobei die Expandereinheit dazu ausgebildet ist, in die Expandereinheit eingeleiteten Brennstoff vor dem Einleiten in die mindestens eine Brennstoffzelle unter Erzeugung mechanischer Energie zu expandieren, wobei sich der Brennstoff abkühlt, sowie ferner einen mit der Expandereinheit verbundenen Generator, der dazu ausgebildet ist, jene mechanische Energie in elektrische Energie umzuwandeln, wobei der Generator dazu eingerichtet und vorgesehen ist, mit dem Verbraucher verbunden zu werden, um den Verbraucher mit elektrischer Energie zu versorgen.
  • Bei der mindestens einen Brennstoffzelle kann es sich um eine beliebige mit einem gasförmigen Brennstoff, vorzugsweise Wasserstoff, betriebene Brennstoffzelle handeln. Insbesondere kommen als Brennstoffzelle Polymerelektrolytbrennstoffzellen (PEFC), Phosphorsäurebrennstoffzellen (PAFC), Schmelzkarbonatbrennstoffzellen (MCFC) oder Festoxidbrennstoffzellen (SOFC) in Frage.
  • Vorzugsweise weist die Einrichtung eine Mehrzahl an in Reihe geschalteten Brennstoffzellen auf, so dass eine gewünschte Spannung darstellbar ist. Der gasförmige Brennstoff wird dann entsprechend in mehrere Brennstoffzellen eingeleitet.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die Einrichtung einen mit dem Generator und/oder der mindestens einen Brennstoffzelle verbundenen Speicher aufweist, der zum Speichern der besagten elektrischen Energie ausgebildet ist, beispielsweise in Form eines Akkumulators, der elektrische Energie in Form von chemischer Energie speichert, wobei die Einrichtung bevorzugt dazu eingerichtet und vorgesehen ist, über jenen Speicher mit dem Verbraucher verbunden zu werden, um den Verbraucher mit elektrischer Energie zu versorgen.
  • Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Einrichtung ist diese dazu ausgebildet, den Brennstoff vor dem Einleiten in die Expandereinheit vorzuwärmen. Hierbei ist die Einrichtung bevorzugt dazu ausgebildet, den gasförmigen Brennstoff vor dem Einleiten in die Expandereinheit mittels durch die mindestens eine Brennstoffzelle erzeugter Wärme und/oder mittels Wärme aus der Umgebung vorzuwärmen. Hierzu verfügt die Einrichtung insbesondere über einen ersten Wärmeübertrager, der dazu ausgebildet ist, die besagte Wärme auf den gasförmigen Brennstoff stromauf der Expandereinheit zu übertragen, um den Brennstoff vorzuwärmen.
  • Weiterhin ist bevorzugt die erfindungsgemäße Einrichtung dazu ausgebildet, den durch die Expandereinheit expandierten und abgekühlten Brennstoff vor dem Einleiten in die mindestens eine Brennstoffzelle wieder zu erwärmen. Hierzu ist die Einrichtung vorzugsweise dazu ausgebildet, den Brennstoff vor dem Einleiten in die mindestens eine Brennstoffzelle mittels Wärme aus der Umgebung und/oder mittels durch die mindestens eine Brennstoffzelle erzeugter Wärme wieder zu erwärmen, wobei die Einrichtung insbesondere einen zweiten Wärmeübertrager aufweist, der dazu ausgebildet ist, jene Wärme auf den gasförmigen Brennstoff stromab der Expandereinheit zu übertragen, um den Brennstoff wieder zu erwärmen.
  • Bei der besagten, durch die mindestens eine Brennstoffzelle erzeugten Wärme handelt es sich bevorzugt um Abwärme der jeweiligen Brennstoffzelle, wobei es sich hierbei um Wärme der mindestens einen Brennstoffzelle selbst handeln kann oder um Wärme eines von der mindestens einen Brennstoffzelle ausgegebenen Abgasstroms. Des Weiteren kann die Wärmeübertragung zwischen der mindestens einen Brennstoffzelle und den Wärmeübertragern bzw. dem Brennstoff entweder direkt durch Wärmeleitung oder indirekt über eine natürlich oder erzwungen zirkulierenden Wärmeträger stattfinden, der die Abwärme aufnimmt und im jeweiligen Wärmeübertrager auf den gasförmigen Brennstoff überträgt (z. B. Heatpipe).
  • Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Einrichtung ist vorgesehen, dass die Einrichtung dazu ausgebildet ist, eine Temperatur, auf die der Brennstoff – wie oben dargelegt – vorgewärmt wird und/oder eine Temperatur, auf die der Brennstoff – wie oben beschrieben – wiedererwärmt wird, in Abhängigkeit einer in der mindestens einen Brennstoffzelle herrschenden Brennstoffzellentemperatur und/oder einer Austrittstemperatur des gasförmigen Brennstoffs beim Austreten aus dem Drucktank zu regeln.
  • In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Einrichtung ist vorgesehen, dass die Expandereinheit über mehrere Stufen zum Expandieren des Brennstoffs verfügt, die bevorzugt miteinander in Reihe verschaltet sind, so dass der gasförmige Brennstoff die besagten Stufen nacheinander durchströmt, wobei die Einrichtung dazu ausgebildet ist, den Brennstoff zwischen je zwei benachbarten Stufen einer Zwischenerwärmung zu unterziehen. Hierzu verwendet die erfindungsgemäße Einrichtung bevorzugt durch die mindestens eine Brennstoffzelle erzeugte Wärme und/oder Wärme aus einer Umgebung (siehe oben), wobei die Einrichtung zur Zwischenerwärmung des Brennstoffs zwischen zwei benachbarten Stufen bevorzugt jeweils einen weiteren Wärmeübertrager aufweist, der dazu eingerichtet und vorgesehen ist, den Brennstoff durch Übertragung jener Wärme auf den Brennstoff zu erwärmen.
  • Um eine möglichst kompakte Einrichtung zu erhalten, ist es denkbar, dass eine oder mehrere der besagten Wärmeübertrager durch zumindest einen Mehrstrom-Wärmeübertrager gebildet werden, bei dem es sich insbesondere um einen Plattenwärmeübertrager handeln kann.
  • Weiterhin kann jede der besagten Stufen als separate Expansionsmaschine ausgebildet sein, wobei die einzelnen Expansionsmaschinen bzw. Stufen geeignet miteinander verbunden sind, so dass der Brennstoff von einer Stufe zur nächsten Stufe strömen kann. Alternativ hierzu können die besagten Stufen in einer Expandereinheit in Form einer einzelnen Expansionsmaschine ausgebildet sein.
  • Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Einrichtung ist vorgesehen, dass die besagte Einrichtung für die jeweilige Stufe der Expandereinheit und/oder für die gesamte Expandereinheit jeweils eine Überbrückungsleitung aufweist, die dazu eingerichtet und vorgesehen ist, den gasförmigen Brennstoff an der jeweiligen Stufe bzw. an der gesamten Expandereinheit vorbeizuführen.
  • Weiterhin kann gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung, beispielsweise zur Kompensation des lastabhängigen Druckverlusts über die Expandereinheit und die Wärmeübertrager, vorgesehen sein, dass die Einrichtung stromauf der Brennstoffzelle und stromab der Expandereinheit, insbesondere stromab des zweiten Wärmeübertragers, eine Vorrichtung, insbesondere in Form eines Ventils, zur Regelung des Drucks des gasförmigen Brennstoffs aufweist. Hierbei weist die Einrichtung vorzugsweise eine mit der Vorrichtung bzw. dem Ventil zusammenwirkende Druckregeleinheit auf, die bevorzugt dazu eingerichtet und vorgesehen ist, die zugeordnete Vorrichtung bzw. das zugeordnete Ventil so zu stellen, dass ein stromauf der Brennstoffzelle erfasster Istwert des Drucks des gasförmigen Brennstoffs einem vordefinierbaren Sollwert des Drucks des Brennstoffs angenähert wird. Vorzugsweise weist die Einrichtung einen stromauf der mindestens einen Brennstoffzelle und stromab der Expandereinheit, insbesondere stromab des zweiten Wärmeübertragers, angeordneten Drucksensor auf, der zum Erfassen des besagten Istwertes des Brennstoffdrucks dient.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die Einrichtung stromab des Drucktanks und stromauf der Expandereinheit, insbesondere stromauf des ersten Wärmeübertragers, eine Vorrichtung, insbesondere in Form eines Ventils, zur Regelung des Drucks des Brennstoffs nach oder beim Austritt aus dem Drucktank aufweist. Hierbei weist die Einrichtung vorzugsweise eine mit jener Vorrichtung bzw. jenem Ventil zusammenwirkende Leistungsregeleinheit auf, die dazu eingerichtet und vorgesehen ist, die Vorrichtung bzw. das Ventil so zu stellen, dass ein gemessener Istwert eines vom Verbraucher aufgenommenen Stroms oder einer dazu proportionalen Größe (wie z. B. die aufgenommene elektrische Leistung) einem vordefinierbaren Sollwert angenähert wird, wobei insbesondere die Leistungsregeleinheit dazu ausgebildet ist, jenen Istwert vom Verbraucher zu empfangen.
  • In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die Einrichtung stromab des Drucktanks und stromauf der Expandereinheit, insbesondere stromauf des ersten Wärmeübertragers, eine Vorrichtung (z. B. ein Ventil) zur Regelung des Drucks des Brennstoffs nach oder beim Austritt aus dem Drucktank aufweist. Hierbei weist die Einrichtung vorzugsweise eine mit jener Vorrichtung bzw. jenem Ventil zusammenwirkende Druckregeleinheit auf, die dazu eingerichtet und vorgesehen ist, die zugeordnete Vorrichtung bzw. das zugeordnete Ventil so zu stellen, dass ein stromauf der Expandereinheit erfasster Istwert des Drucks des gasförmigen Brennstoffs einem vordefinierbaren Sollwert des Drucks angenähert wird. Vorzugsweise weist die Einrichtung einen stromauf der Expandereinheit und stromab des Drucktanks, angeordneten Drucksensor auf, der zum Erfassen des besagten Istwertes des Brennstoffdrucks dient. Hintergrund hierzu ist insbesondere der Umstand, dass einige Expander ein näherungsweise konstantes Druckverhältnis benötigen, so dass ggf. eine Androsselung des im Drucktank herrschenden Druckes erforderlich ist.
  • In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Einrichtung ist vorgesehen, dass die Einrichtung dazu ausgebildet ist, die Durchströmung und das Druckverhältnis der einzelnen Stufen der Expandereinheit durch Öffnen und/oder Schließen einer oder mehrerer der besagten Überbrückungsleitungen zu regeln. Wenn z. B. das gesamte Druckverhältnis zu klein wird, können Stufen der Expandereinheit umgangen werden, um die verbleibenden Stufen mit einem hinreichenden Druckverhältnis weiterbetreiben zu können. In diesem Fall wird der gasförmige Brennstoff nach dem Drucktank z. B. direkt in die zweite Stufe gegeben. Die erste wird dann nicht mehr durchströmt.
  • In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Einrichtung ist vorgesehen, dass die Einrichtung dazu ausgebildet ist, die durch die Einrichtung für den jeweiligen Verbraucher bereitgestellte elektrische Leistung durch Öffnen und/oder Schließen einer oder mehrerer der besagten Überbrückungsleitungen zu regeln.
  • Die vorgenannten Regelungsmethoden können auch beliebig miteinander kombiniert werden.
  • In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Einrichtung ist vorgesehen, dass die Einrichtung eine Überbrückungsleitung für die gesamte Expandereinheit mit einer zugeordneten Drosseleinrichtung zum Entspannen des Brennstoffs aufweist, wobei insbesondere die Einrichtung dazu eingerichtet und vorgesehen ist, den Brennstoff über die Überbrückungsleitung zu führen und über die Drosseleinrichtung dabei zu entspannen, wenn der Speicher vollständig oder auf ein vorbestimmtes Maß mit elektrischer Energie aufgeladen ist.
  • Alternativ oder ergänzend hierzu kann vorgesehen sein, dass die erfindungsgemäße Einrichtung eine Kupplungsvorrichtung zum Abkoppeln der Expandereinheit vom Generator aufweist, wobei insbesondere die Einrichtung dazu ausgebildet ist, die Expandereinheit vom Generator abzukoppeln, wenn der besagte Speicher vollständig oder auf ein vorbestimmtes Maß mit elektrischer Energie aufgeladen ist.
  • Weiterhin wird das erfindungsgemäße Problem durch ein Verfahren zum Erzeugen elektrischer Energie, insbesondere unter Verwendung einer erfindungsgemäßen Einrichtung, mit den Merkmalen des Anspruchs 15 gelöst.
  • Danach ist bei dem erfindungsgemäßen Verfahren vorgesehen, dass ein gasförmiger, unter Druck stehender Brennstoff, insbesondere Wasserstoff, aus einem Drucktank entnommen wird und unter Erzeugung mechanischer Energie expandiert wird, wobei sich der Brennstoff abkühlt, und wobei jene mechanische Energie in elektrische Energie umgewandelt wird und insbesondere in einem Speicher zum Speichern elektrischer Energie gespeichert wird, und wobei der expandierte Brennstoff zumindest einer Brennstoffzelle zugeführt wird, in der mittels des Brennstoffs und einem Oxidationsmittel elektrische Energie erzeugt wird, die insbesondere in dem besagten Speicher gespeichert wird, wobei insbesondere ein elektrischer Verbraucher mit elektrischer Energie aus dem besagten Speicher versorgt bzw. betrieben wird.
  • Bei dem vorgenannten Verbraucher, der mittels der erfindungsgemäßen Einrichtung bzw. des erfindungsgemäßen Verfahrens betrieben werden soll, handelt es sich bevorzugt um eine Funktionskomponente eines Fahrzeuges, insbesondere Kraftfahrzeuges, und zwar bevorzugt um einen Motor, der zum Antreiben des betreffenden Fahrzeugs ausgebildet ist. Ein weiterer Erfindungsgedanke betrifft demnach ein Fahrzeug, insbesondere Kraftfahrzeug, das eine erfindungsgemäße Einrichtung aufweist, die den Motor bzw. den besagten Verbraucher des Fahrzeugs mit elektrischer Energie versorgt, so dass insbesondere der Motor des Fahrzeugs das Fahrzeug antreiben kann.
  • Gemäß einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass der Brennstoff nach der Entnahme aus dem Drucktank und vor dem Expandieren mittels durch die mindestens eine Brennstoffzelle erzeugter Wärme und/oder Wärme aus einer Umgebung vorgewärmt wird.
  • Gemäß einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass der expandierte, abgekühlte Brennstoff vor dem Einleiten in die mindestens eine Brennstoffzelle mittels durch die Brennstoffzelle erzeugter Wärme und/oder Wärme aus einer Umgebung wieder erwärmt wird.
  • Wie bereits beschrieben, kann es sich bei der besagten, durch die mindestens eine Brennstoffzelle erzeugten Wärme um Wärme bzw. Abwärme der mindestens einen Brennstoffzelle selbst handeln oder um Wärme eines Abgasstromes der mindestens einen Brennstoffzelle. Die Wärmeübertragung zwischen der mindestens einen Brennstoffzelle kann entweder direkt durch Wärmeleitung oder indirekt über einen natürlich oder erzwungen zirkulierenden Wärmeträger vorgenommen werden (siehe oben).
  • Gemäß einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass eine Temperatur, auf die der gasförmige Brennstoff beim besagten Vorwärmen vorgewärmt wird, und/oder dass eine Temperatur, auf die der gasförmige Brennstoff beim besagten Wiedererwärmen erwärmt wird, in Abhängigkeit der Brennstoffzellentemperatur der mindestens einen Brennstoffzelle und/oder der Austrittstemperatur des gasförmigen Brennstoffes beim Austreten aus dem Drucktank geregelt wird.
  • Gemäß einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens bzw. erfindungsgemäßen Vorrichtung ist vorgesehen, dass der gasförmige Brennstoff, insbesondere Wasserstoff, bei Umgebungstemperatur oder einer Temperatur nahe der Umgebungstemperatur oder bei einer Temperatur im Bereich von –30°C bis +40°C dem Druckspeicher entnommen wird.
  • Gemäß einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens bzw. der erfindungsgemäßen Einrichtung ist vorgesehen, dass der gasförmige Brennstoff, insbesondere Wasserstoff, auf eine Temperatur im Bereich von +50°C bis +250°C vorgewärmt wird.
  • Gemäß einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens bzw. der erfindungsgemäßen Einrichtung ist vorgesehen, dass der expandierte, abgekühlte Brennstoff auf eine Temperatur in einem Bereich von der Umgebungstemperatur bis zur Brennstoffzellentemperatur der mindestens einen Brennstoffzelle oder im Bereich von 5°C bis 50°C wieder erwärmt wird.
  • Gemäß einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass der Brennstoff in mehreren Stufen der Expandereinheit expandiert wird, wobei der Brennstoff zwischen je zwei benachbarten Stufen erwärmt wird, und zwar insbesondere mittels Wärmeübertragung von durch die Brennstoffzelle erzeugter Wärme und/oder von Wärme aus einer Umgebung auf den Brennstoff (siehe oben).
  • Gemäß einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass die Vorwärmung, die besagte Wiedererwärmung, und oder die Erwärmung zwischen zwei Stufen mittels zumindest eines Mehrstromwärmeübertragers, insbesondere in Form eines Plattenwärmeübertragers, vorgenommen wird.
  • Die einzelnen Stufen können, wie oben dargelegt, als separate Expansionsmaschinen ausgebildet sein. Alternativ können die Stufen in einer Expandereinheit realisiert sein, die durch eine einzelne Expansionsmaschine gebildet ist.
  • Gemäß einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass der Druck des Brennstoffs, insbesondere zur Kompensation des lastabhängigen Druckverlustes über die Expandereinheit und ggf. vorhandene Wärmeübertrager, vor dem Einleiten in die mindestens eine Brennstoffzelle mittels einer stromauf der mindestens einen Brennstoffzelle und stromab der Expandereinheit, insbesondere stromab des zweiten Wärmeübertragers, vorgesehenen Vorrichtung (z. B. Ventil) eingestellt wird, wobei insbesondere jene Vorrichtung so eingestellt wird, dass ein stromauf der mindestens einen Brennstoffzelle gemessener Istwert des Drucks des gasförmigen Brennstoffes einem vordefinierbaren Sollwert des Drucks des Brennstoffes angenähert wird, wobei insbesondere der Istwert mittels eines stromauf der mindestens einen Brennstoffzelle und stromab der Expandereinheit, insbesondere stromab des zweiten Wärmeübertragers, angeordneten Drucksensors gemessen wird.
  • Gemäß einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass der Druck des Brennstoffs nach oder beim Austritt aus dem Drucktank mittels einer stromab des Drucktanks und stromauf der Expandereinheit, insbesondere stromauf des ersten Wärmeübertragers, angeordneten Vorrichtung (z. B. Ventil) eingestellt wird, wobei insbesondere jene Vorrichtung so eingestellt wird, dass ein gemessener Istwert eines vom Verbraucher aufgenommenen Stromes oder einer dazu proportionalen Größe (z. B. elektrische Leistung) einem vordefinierbaren Sollwert angenähert wird.
  • Gemäß einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass der Druck des Brennstoffs nach oder beim Austritt aus dem Drucktank mittels einer stromab des Drucktanks und stromauf der Expandereinheit, insbesondere stromauf des ersten Wärmeübertragers, vorgesehenen Vorrichtung (z. B. Ventil) eingestellt wird, wobei insbesondere jene Vorrichtung so eingestellt wird, dass ein stromauf der Expandereinheit gemessener Istwert des Drucks des gasförmigen Brennstoffes einem vordefinierbaren Sollwert des Drucks des Brennstoffes angenähert wird, wobei insbesondere der Istwert mittels eines stromauf der Expandereinheit und stromab des Drucktanks, insbesondere stromauf des ersten Wärmeübertragers, angeordneten Drucksensors gemessen wird.
  • Gemäß einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass eine oder mehrere der Stufen der Expandereinheit (z. B. auch die gesamte Expandereinheit) überbrückt wird bzw. werden, um den Brennstoff an der oder den besagten Stufe bzw. der gesamten Expandereinheit vorbeizuführen.
  • Gemäß einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass die für den Verbraucher bereitgestellte elektrische Leistung durch ein derartiges Überbrücken geregelt wird.
  • Gemäß einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass die Durchströmung und das Druckverhältnis der einzelnen Stufen der Expandereinheit durch ein derartiges Überbrücken geregelt wird. Das Druckverhältnis meint hierbei das Verhältnis zwischen dem Druck des Brennstoffes vor der jeweiligen Stufe und dem Druck des Brennstoffes nach der jeweiligen Stufe. Gemäß einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass – wenn der Speicher vollständig oder auf ein vordefiniertes Maß aufgeladen ist – der Brennstoff an der Expandereinheit mittels einer Überbrückungsleitung vorbeigeführt wird und entspannt wird.
  • Gemäß einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass die Expandereinheit vom Generator abgekoppelt wird, wenn der Speicher vollständig bzw. auf ein vordefiniertes Maß aufgeladen ist.
  • Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung sollen durch die nachfolgenden Figurenbeschreibungen von Ausführungsbeispielen anhand der Figuren erläutert werden.
  • Es zeigen:
  • 1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Einrichtung zur Erzeugung von elektrischer Energie mittels einer Brennstoffzelle;
  • 2 ein Diagramm eines beispielhaften Verlaufs der spezifischen Energieabgabe einer Brennstoffzelle und einer Expandereinheit einer erfindungsgemäßen Einrichtung;
  • 3 eine schematische Darstellung einer Abwandlung der in der 1 gezeigten Einrichtung, bei der die Expandereinheit mehrstufig ausgebildet ist;
  • 4 eine schematische Darstellung einer Abwandlung der in der 3 gezeigten Einrichtung, bei der die Expandereinheit mehrstufig ausgebildet ist, wobei die einzelnen Stufen in einer einzelnen Expansionsmaschine realisiert sind;
  • 5 eine schematische Darstellung einer Abwandlung der in der 1 gezeigten Einrichtung, bei der stromab der Expandereinheit eine Druckregeleinheit vorgesehen ist;
  • 6 eine schematische Darstellung einer Abwandlung der in der 1 gezeigten Einrichtung, bei der eine Leistungsregeleinheit stromab des Drucktanks angeordnet ist; und
  • 7 eine schematische Darstellung einer Abwandlung der in der 1 gezeigten Einrichtung, bei der der Druck des Brennstoffes stromauf der Expandereinheit auf einen gewünschten Sollwert geregelt wird.
  • 1 zeigt eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Einrichtung 1 bzw. des erfindungsgemäßen Verfahrens. Dabei wird in einem Drucktank 20 gespeicherter Brennstoff B in Form von Wasserstoff, Methan oder Erdgas gasförmig nahe der Umgebungstemperatur entnommen, optional mit einer Androsselvorrichtung (z. B. Ventil) 23 zur Druckerniedrigung angedrosselt (dies kann auch bei den weiteren Ausführungsbeispielen vorgenommen werden), und in einem mit dem Drucktank 20 verbundenen ersten Wärmeübertrager 30 auf ein möglichst hohes Temperaturniveau vorgewärmt. Als Wärmequelle hierzu dient zumindest ein Teil einer Abwärme Q aus zumindest einer nachgeschalteten Brennstoffzelle 10. Der solchermaßen vorgewärmte Brennstoffstrom B wird im Anschluss in einer Expandereinheit 40 arbeitsleistend entspannt (die Androsselvorrichtung 23 kann auch stromab des ersten Wärmeübertragers 30 und stromauf der Expandereinheit 40 vorgesehen sein). Die mechanische Nutzleistung der Entspannung wird in einem Generator 60 in elektrische Energie E umgesetzt und einem elektrischen Speicher 70 zugeführt. Die durch die Expansion inhärente Abkühlung des Brennstoffs bzw. Wasserstoffs B kann in einem zweiten Wärmeübertrager 31 durch Rückererwärmung auf nahezu Umgebungs- oder auch Brennstoffzellentemperatur kompensiert werden. Auch in diesem Fall dient ein Teil der Abwärme Q der mindestens einen Brennstoffzelle 10 als Wärmequelle. Der Brennstoff B wird nun in der mindestens einen Brennstoffzelle 10 mit einem Oxidationsmittel (z. B. Luft) in Abgas A, Kondensat K, Abwärme Q und elektrische Energie E umgesetzt. Der Abgasstrom A besteht hauptsächlich aus Inertgasen und den Reaktionsprodukten. Er kann aber auch den eingesetzten Brennstoff B in größeren Mengen enthalten. Die Abwärme Q für die besagte Wärmeübertragung kann entweder direkt aus der Brennstoffzelle 10 oder auch indirekt aus dem Abgasstrom A stammen. Die elektrische Energie E, die durch die Brennstoffzelle 10 produziert wird, wird ebenfalls dem elektrischen Speicher 70 zugeführt und dort elektrochemisch gespeichert. Der elektrische Endverbraucher 80 bezieht dann seine Leistungsversorgung aus dem Speicher 70. Bei einem solchen Verbraucher 80 handelt es sich bevorzugt um eine Funktionskomponente eines Fahrzeugs bzw. Kraftfahrzeugs, bevorzugt um einen Motor zum Antreiben des Fahrzeugs bzw. Kraftfahrzeugs. Die erfindungsgemäße Einrichtung 1 kann natürlich auch in anderen Bereichen eingesetzt werden.
  • Anhand eines Beispiels soll im Folgenden das Potenzial des Leistungszuwachses durch das erfindungsgemäße Verfahren bzw. die erfindungsgemäße Einrichtung 1 aufgezeigt werden. Dabei werden die folgenden grundlegenden Annahmen gemäß Tabelle 1 getroffen: Tabelle 1
    Brennwert Wasserstoff 33.3 kWh/kg
    Isentroper Wirkungsgrad Expander 75%
    El. Wirkungsgrad Generator 97%
    Temperatur Drucktank 20°C
    Vordruck Eintritt Brennstoffzelle 200 mbar (g)
  • Das Diagramm gemäß 2 zeigt nun den exemplarischen Verlauf der spezifischen elektrischen Energieabgabe E (in kWh/kgH2) der Brennstoffzelle 10 und der Expandereinheit 40 für eine Brennstoffzelle 10 der Einrichtung 1 in Form einer Polymerelektrolytbrennstoffzelle (PEFZ) über dem Druck P (in bar) im Drucktank 20. Die Energieabgabe der Expandereinheit 40 ist dabei über einen großen Druckbereich nahezu konstant und bricht erst bei geringen Drücken P im Drucktank 20 weg.
  • Die Ergebnisse für diverse Brennstoffzellentypen sind unten in Tabelle 2 angegeben. Tabelle 2
    in PEFC PAFC MCFC SOFC
    el. Wirkungsgrad Brennstoffzelle 10 % 35 38 48 47
    Arbeitstemperatur Brennstoffzelle °C 80 250 650 900
    Spez. Energie Brennstoffzelle KWh/KgH2 11,7 12,7 16,0 15,7
    Spez. Abwärme Brenntstoffzelle KWh/KgH2 21,6 20,6 17,3 17,7
    Vorwärmtemperatur Expandereinheit °C 70 240 640 890
    El. Leistung Expandereinheit und Generator KWh/KgH2 1,8 2,9 5,5 6,9
    Wärmebedarf Vorwärmung Expandereinheit KWh/KgH2 1,8 3,0 6,0 8,1
    Mittlerer Leistungszuwachs % 15,5 23,0 34,2 46,1
    Anteil der genutzten Abwärme der Brennstoffzelle % 8,3 14,4 34,7 43,9
  • Je nach Ausführung der Brennstoffzelle 10 ist demnach ein Leistungszuwachs zwischen 15% und 45% zu erwarten. Dies entspricht einem Zuwachs im Wirkungsgrad von etwa 5 bis 22 Prozentpunkten.
  • Die Expandereinheit 40 ist bevorzugt als eine Fluid-Energiemaschine ausgebildet. Vorzugsweise ist sie als eine kleinskalige Turbomaschine, wie z. B. eine Mikrogasturbine, ein Mikroexpander oder auch ein Abgasturbolader, ausgebildet. Neben einer turbinenartigen Bauform ist auch der Einsatz von Maschinen mit einem Funktionsprinzip ähnlich rückwärts laufender Verdichter im Kolben-, Scroll-, Roll-Kolben oder Schraubenbauweise denkbar.
  • Um der inhärenten Gegebenheit sinkender Vordrücke bzw. Druckverhältnisse während des Betriebs der Einrichtung 1 entgegenzuwirken, ist es in einer weiteren Ausführungsform gemäß 3 vorgesehen, die Expandereinheit 40 in mehrstufiger Form mit Zwischenerhitzung des Brennstoffs B vorzusehen. Darüber hinaus kann die Expandereinheit 40 gemäß 4 alternativ auch direkt beheizt werden. Zusätzlich besteht die Möglichkeit, den Druck vor Eintritt in die Expandereinheit anzudrosseln (siehe oben).
  • Bei einer Zwischenerhitzung gemäß 3 ist der Drucktank 20 über den ersten Wärmeübertrager 30 mit einer ersten separaten Stufe 41 der Expandereinheit 40 verbunden, die wiederum über einen weiteren Wärmeübertrager 32 mit einer zweiten Stufe 42 der Expandereinheit 40 verbunden ist, die wiederum über einen weiteren Wärmeübertrager 33 mit einer dritten Stufe 43 der Expandereinheit 40 verbunden ist, die mit dem besagten zweiten Wärmeübertrager 31 verbunden ist. Der gasförmige Brennstoff B kann somit nacheinander durch die einzelnen Stufen 41, 42, 43 der Expandereinheit 40 geleitet und dort jeweils arbeitsleistend expandiert werden. Um dabei den individuellen Arbeitsbereich der in Reihe geschalteten Stufen 41, 42, 43 optimal ausnutzen zu können, ist die Möglichkeit einer individuellen Umgehung bzw. Überbrückung (so genannter Bypass) einzelner Stufen 41, 42, 43 vorgesehen. Hierzu ist gemäß 3 eine erste Überbrückungsleitung 100 für die erste Stufe 41 vorgesehen, die stromab des ersten Wärmeübertragers 30 und stromauf der ersten Stufe 41 abzweigt, so dass Brennstoff B über ein Ventil 91 der ersten Überbrückungsleitung 100 an der ersten Stufe 41 und dem weiteren Wärmeübertrager 32 vorbeigeführt werden kann, wobei der Brennstoff B über die besagte erste Überbrückungsleitung 100 über ein weiteres Ventil 92 stromab des weiteren Wärmeübertragers 32 und stromauf der zweiten Stufe 42 der zweiten Stufe 42 zugeführt werden kann. Um bei einer Überbrückung der ersten Stufe 41 diese absperren zu können, ist vorzugsweise stromauf der ersten Stufe 41 ein entsprechendes Ventil 99 vorgesehen (ein solches Ventil 99 kann auch vor den weiteren Stufen 42, 43 vorgesehen sein, was jedoch in der 3 nicht gezeigt ist). Die besagte erste Überbrückungsleitung 100 verzweigt in eine zweite Überbrückungsleitung 101, mit der die zweite Stufe 42 in analoger Weise überbrückbar ist, d. h., über ein weiteres Ventil 93 kann der gasförmige Brennstoff B stromab des weiteren Wärmeübertragers 33 und stromauf der dritten Stufe 43 der dritten Stufe 43 zugeführt werden. Die zweite Überbrückungsleitung 101 verzweigt wiederum in eine dritte Überbrückungsleitung 102, mit der die dritte Stufe 43 in analoger Weise über ein weiteres Ventil 94 überbrückbar ist. Mittels der drei Überbrückungsleitungen 100, 101, 102 kann daher auch die gesamte Expandereinheit 40 überbrückt werden – die drei Überbrückungsleitungen 100, 101, 102 bilden also eine Überbrückungsleitung für die gesamte Expandereinheit 40, wobei das Ventil 94 der dritten Überbrückungsleitung 102 insbesondere zum Drosseln des Brennstoffes B dient, derart, dass die gleiche Entspannung des Brennstoffs B möglich ist, die durch die Expandereinheit 40 erzielt werden kann. Eine solche Drosselung des gasförmigen Brennstoffs B über das Ventil bzw. die Drosseleinheit 94 ist z. B. denkbar, wenn der Speicher 70 zum Speichern elektrischer Energie vollständig aufgeladen ist und daher eine weitere Energieerzeugung über die Expandereinheit 40 nicht notwendig ist.
  • 4 zeigt eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Einrichtung 1 bzw. des erfindungsgemäßen Verfahrens, bei der die Expandereinheit 40 mehrstufig ausgebildet ist, die Mehrstufigkeit jedoch in einer einzelnen einheitlichen Expansionsmaschine 40 dargestellt ist. Hierbei kann der Brennstoff B über je einen ersten Abschnitt 106 bzw. 108 einer ersten bzw. zweiten Rückführleitung aus der Expansionsmaschine 40 abgezogen werden, jeweils einem zugeordneten weiteren Wärmeübertrager 32 bzw. 33 zugeführt werden und sodann über einen zweiten Abschnitt 107 bzw. 109 der ersten bzw. zweiten Rückführleitung in die Expansionsmaschine 40 zurückgeführt werden.
  • Auch hier besteht die Möglichkeit, die gesamte Expandereinheit 40 mittels einer Überbrückungsleitung 103 zu überbrücken, die zwei Ventile 95 und 98 aufweist, wobei das Ventil 98 eine Drosseleinheit bildet, mittels der eine Drosselung des gasförmigen Brennstoffs B möglich ist, die anstelle einer Drosselung durch die Expansionsmaschine 40 erfolgen kann. Von den ersten Abschnitten 106 bzw. 108 der Rückführleitungen zweigt jeweils eine Leitung 104 bzw. 105 ab, wobei jene Leitungen 104, 105 jeweils mit einem Ventil 96 bzw. 97 ausgestattet sind und in die Überbrückungsleitung 103 münden, so dass mittels den Leitungen 103, 104 und dem zweiten Abschnitt 107 der ersten Rückführleitung die erste Stufe 41 der Expandereinheit 40 und mittels den Leitungen 103, 105 sowie dem zweiten Abschnitt 109 der zweiten Rückführleitung die zweite Stufe 42 der Expandereinheit 40 überbrückbar ist. Mittels der Überbrückungsleitung 103 und ggf. einer der Leitungen 104, 105 kann weiterhin die dritte Stufe 43 überbrückt werden. Zum Absperren der Brennstoffzuleitung zur Expandereinheit 40 ist insbesondere wiederum ein stromauf der Expandereinheit 40 vorgesehenes Ventil 99 vorhanden. Solche Ventile 99 können auch jeweils in den zweiten Abschnitten 107, 109 vorgesehen sein, was jedoch in der 4 nicht gezeigt ist.
  • Die Wärmeübertragung zwischen der jeweiligen Brennstoffzelle 10 und den Wärmeübertragern 30, 31, 32, 33 kann entweder direkt durch Kontakt des Brennstoffs B mit warmen Bauteilen der Brennstoffzelle 10 (Wärmeleitung), oder indirekt über einen natürlich oder erzwungen zirkulierenden Wärmeträger, z. B. in Form einer Heatpipe, geschehen. Eine Regelung kann über die Temperatur der mindestens einen Brennstoffzelle 10 und/oder die Austrittstemperatur des Brennstoffs B beim Austritt aus dem Drucktank 20 geschehen. Weiterhin ist die kombinierte Vor- und Zwischenerhitzung des Brenngasstroms B in kompakten Mehrstromwärmetauschern, z. B. in Plattenbauweise, denkbar.
  • Weiterhin ist gemäß einer in der 5 gezeigten weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Einrichtung 1 bzw. des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Kompensation des lastabhängigen Druckverlusts über die Expandereinheit 40 und die Wärmeübertrager 30 bis 33 der insbesondere kombinierte Einsatz einer Druckregelung vor dem Eintritt in die mindestens eine Brennstoffzelle 10 vorgesehen. Hierbei ist stromauf der Brennstoffzelle 10 ein Ventil 200 zum Einstellen des Brennstoffstroms B vorgesehen, das mit einer Druckregeleinheit 201 zusammenwirkt, die einen mittels eines Drucksensors 202 erfassten Istwert des Drucks des Brennstoffs B empfängt und dabei das Ventil 200 so stellt, dass jener Istwert auf einen vorgegebenen Sollwert geregelt wird.
  • Weiterhin ist gemäß der in der 6 gezeigten Ausführungsform die Leistungsregelung der Einrichtung 1 bzw. des Gesamtsystems über die Regelung des Brennstoffstroms B nach dem Austritt aus dem Druckspeicher 20 vorgesehen. Hierzu ist stromab des Druckspeichers 20 ein Ventil 203 angeordnet, mit dessen Hilfe der Brennstoffstrom B drossel- bzw. einstellbar ist, wobei jenes Ventil 203 mit einer Leistungsregeleinheit 204 zusammenwirkt, die von dem Verbraucher 80 einen durch den Verbraucher 80 aufgenommenen elektrischen Strom I bzw. eine dazu proportionale Größe (z. B. Leistung) empfängt und das Ventil 203 so einstellt, dass ein gemessener Istwert des besagten Stroms (oder der besagten Größe) einem vordefinierten Sollwert bzw. einer vordefinierten Leistung angeglichen wird.
  • Weiterhin ist gemäß 7 die Möglichkeit vorgesehen, dass die Einrichtung 1 stromab des Drucktanks 20 und stromauf der Expandereinheit 40, vorliegend stromauf des ersten Wärmeübertragers 30, ein Ventil 205 zur Regelung des Drucks des gasförmigen Brennstoffs B nach oder beim Austritt aus dem Drucktank 20 aufweist, wobei eine mit dem Ventil 205 zusammenwirkende Druckregeleinheit 206 vorgesehen ist, die dazu ausgebildet ist, das Ventil 205 so zu stellen, dass ein stromauf der Expandereinheit 40 mittels eines Drucksensors 207 erfasster Istwert des Drucks des gasförmigen Brennstoffs B einem vordefinierbaren Sollwert des Drucks angenähert wird. Hierdurch ist eine ggf. notwendige, definierte Androsselung des Drucks des Brennstoffes B vor Eintritt in die Expandereinheit 40 möglich.
  • Die vorgenannten Regelungsmethoden können ggf. auch miteinander kombiniert werden.
  • Neben der Verwendung der erfindungsgemäßen Einrichtung 1 bzw. des erfindungsgemäßen Verfahrens auf Wasserstoffantriebe ist auch eine generelle Ausweitung auf alle mit gasförmigen Brenn- bzw. Kraftstoffen betriebenen Brennstoffzellen denkbar, solange die Speicherung des gasförmigen Brennstoffs B unter Druck geschieht.
  • Für den Fall, dass der elektrische Speicher 70 vollständig bzw. bis auf ein vordefiniertes Maß gefüllt ist, kann eine entsprechende Entkopplung des mechanischen Leistungserzeugers bzw. Generators 60 über eine Überbrückungsleitung 100, 101, 102 bzw. 103 mit Drosselorgan 94 bzw. 98 oder eine Kupplungsvorrichtung 50 vorgesehen werden, die den Generator 60 ggf. von der Expandereinheit 40 abkoppelt.
  • Die Hauptanwendung der Erfindung betrifft sämtliche Kraft- und Wärmekraftanlagen, in denen druckbehafteter Brennstoff druckarm in einer Brennstoffzelle 10 umgesetzt werden soll. Der Einsatz einer solchen Konfiguration könnte zukünftig insbesondere im mobilen Bereich eine Rolle spielen. Die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens bzw. der erfindungsgemäßen Einrichtung beschränkt sich nicht auf die explizit benannten Typen von Brennstoffzellen. Diese sollen lediglich der exemplarischen Abschätzung des Leistungszuwachses dienen. Bezugszeichenliste
    1 Einrichtung
    10 Brennstoffzelle
    20 Drucktank
    23 Androsselvorrichtung (z. B. Ventil)
    30 Erster Wärmeübertrager
    31 Zweiter Wärmeübertrager
    32, 33 Weitere Wärmeübertrager
    40 Expandereinheit
    41, 42, 43 Stufen der Expandereinheit
    50 Kupplungsvorrichtung
    60 Generator
    70 Speicher
    80 Verbraucher
    91–99 Ventile
    100–109 Überbrückungsleitung
    200 Ventil
    201, 206 Druckregeleinheit
    202, 207 Drucksensor
    203, 205 Ventil
    204 Leistungsregeleinheit
    A Abgas
    K Kondensat
    O Oxidationsmittel (z. B. Luft)
    E Elektrische Energie
    B Brennstoff (z. B. Wasserstoff)
    Q Wärme bzw. Abwärme der Brennstoffzelle

Claims (15)

  1. Einrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie, mit: – zumindest einer Brennstoffzelle (10), die dazu ausgebildet ist, chemische Energie eines gasförmigen Brennstoffes (B) und eines Oxidationsmittels (O) in elektrische Energie (E) umzuwandeln, wobei die mindestens eine Brennstoffzelle (10) dazu ausgebildet ist, mit einem Verbraucher (80) verbunden zu werden, um den Verbraucher (80) mit elektrischer Energie (E) zu versorgen, – einem Drucktank (20) zum Speichern des gasförmigen Brennstoffes (B), – einer Expandereinheit (40), über die der Drucktank (20) mit der mindestens einen Brennstoffzelle (10) verbunden ist, so dass gasförmiger Brennstoff (B) aus dem Drucktank (20) in die Expandereinheit (40) und sodann in die mindestens eine Brennstoffzelle (10) einleitbar ist, wobei die Expandereinheit (40) dazu ausgebildet ist, in die Expandereinheit (40) eingeleiteten Brennstoff (B) vor dem Einleiten in die mindestens eine Brennstoffzelle (10) unter Erzeugung mechanischer Energie zu expandieren, wobei sich der Brennstoff (B) abkühlt, und – einem mit der Expandereinheit (40) verbundenen Generator (60), der dazu ausgebildet ist, jene mechanische Energie in elektrische Energie (E) umzuwandeln, wobei der Generator (60) dazu ausgebildet ist, mit dem Verbraucher (80) verbunden zu werden, um den Verbraucher (80) mit elektrischer Energie (E) zu versorgen.
  2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung (1) einen mit dem Generator (60) und/oder der mindestens einen Brennstoffzelle (10) verbundenen Speicher (70) aufweist, der zum Speichern der besagten elektrischen Energie (E) ausgebildet ist, wobei die Einrichtung (1) dazu ausgebildet ist, über jenen Speicher (70) mit dem Verbraucher (80) verbunden zu werden, um den Verbraucher (80) mit elektrischer Energie (E) zu versorgen.
  3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung (1) dazu ausgebildet ist, den Brennstoff (B) vor dem Einleiten in die Expandereinheit (40) vorzuwärmen, wobei insbesondere die Einrichtung (1) dazu ausgebildet ist, den Brennstoff (B) vor dem Einleiten in die Expandereinheit (40) mittels durch die mindestens eine Brennstoffzelle (10) erzeugter Wärme (Q) und/oder mittels Wärme aus der Umgebung vorzuwärmen, wobei insbesondere die Einrichtung (1) einen ersten Wärmeübertrager (30) aufweist, der dazu ausgebildet ist, jene Wärme (Q) auf den Brennstoff (B) stromauf der Expandereinheit (40) zu übertragen, um den Brennstoff (B) vorzuwärmen.
  4. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung (1) dazu ausgebildet ist, den durch die Expandereinheit (40) expandierten und abgekühlten Brennstoff (B) vor dem Einleiten in die mindestens eine Brennstoffzelle (10) wieder zu erwärmen, wobei insbesondere die Einrichtung (1) dazu ausgebildet ist, den Brennstoff (B) vor dem Einleiten in die mindestens eine Brennstoffzelle (10) mittels durch die Brennstoffzelle (10) erzeugter Wärme und/oder mittels Wärme aus der Umgebung wieder zu erwärmen, wobei insbesondere die Einrichtung (1) einen zweiten Wärmeübertrager (30) aufweist, der dazu ausgebildet ist, jene Wärme (Q) auf den Brennstoff (B) stromab der Expandereinheit (40) zu übertragen, um den Brennstoff (B) wieder zu erwärmen.
  5. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung (1) dazu ausgebildet ist, eine Temperatur, auf die der Brennstoff (B) vorgewärmt wird und/oder eine Temperatur, auf die der Brennstoff (B) wieder erwärmt wird, in Abhängigkeit einer Brennstoffzellentemperatur und/oder einer Austrittstemperatur des Brennstoffes (B) beim Austreten aus dem Drucktank (20) zu regeln.
  6. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Expandereinheit (40) mehrere Stufen (41, 42, 43) zum Expandieren des Brennstoffes (B) aufweist, die so miteinander verschaltet sind, dass der Brennstoff (B) die Stufen (41, 42, 43) nacheinander durchströmt, wobei die Einrichtung (1) dazu ausgebildet ist, den Brennstoff (B) zwischen je zwei benachbarten Stufen (41, 42; 42, 43) einer Zwischenerwärmung zu unterziehen, insbesondere mittels durch die mindestens eine Brennstoffzelle (10) erzeugter Wärme (Q) und/oder mittels Wärme aus der Umgebung, wobei insbesondere die Einrichtung (1) zur Zwischenerwärmung des Brennstoffes (B) zwischen zwei benachbarten Stufen (41, 42; 42, 43) jeweils einen weiteren Wärmeübertrager (32, 33) aufweist, wobei insbesondere der jeweilige weitere Wärmeübertrager (32, 33) dazu ausgebildet ist, den Brennstoff (B) durch Übertragung jener Wärme (Q) auf den Brennstoff (B) zu erwärmen.
  7. Einrichtung nach einem Ansprüche 3 bis 4, 6, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Wärmeübertrager (30), der zweite Wärmeübertrager (31) und/oder zumindest einer der weiteren Wärmeübertrager (32, 33) durch zumindest einen Mehrstromwärmeübertrager, insbesondere in Form eines Plattenwärmeübertragers, gebildet ist bzw. sind.
  8. Einrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass jede Stufe (41, 42, 43) als separate Expansionsmaschine ausgebildet ist, oder dass die Stufen (41, 42, 43) in einer Expandereinheit (40) ausgebildet sind, die durch eine einzelne Expansionsmaschine gebildet ist.
  9. Einrichtung nach Anspruch 6 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung (1) für die jeweilige Stufe (41, 42, 43) und/oder die Expandereinheit (40) jeweils eine Überbrückungsleitung (100–109) aufweist, die dazu ausgebildet ist, Brennstoff (B) an der jeweiligen Stufe (41, 42, 43) bzw. Expandereinheit (40) vorbeizuführen.
  10. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung (1) stromauf der mindestens einen Brennstoffzelle (10) und stromab der Expandereinheit (40), insbesondere stromab des zweiten Wärmeübertragers (31), eine Vorrichtung (200), insbesondere in Form eines Ventils, zur Regelung des Drucks des Brennstoffs (B) aufweist, wobei insbesondere die Einrichtung (1) eine mit der Vorrichtung (200) zusammenwirkende Druckregeleinheit (201) aufweist, die dazu ausgebildet ist, die Vorrichtung (200) so einzustellen, dass ein stromauf der mindestens einen Brennstoffzelle (10) gemessener Istwert des Drucks des Brennstoffes (B) einem vordefinierbaren Sollwert des Drucks des Brennstoffes (B) angenähert wird, wobei insbesondere die Einrichtung (1) einen stromauf der mindestens einen Brennstoffzelle (10) und stromab der Expandereinheit (40), insbesondere stromab des zweiten Wärmeübertragers (31), angeordneten Drucksensor (202) aufweist, der zum Erfassen des besagten Istwertes ausgebildet ist.
  11. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung (1) stromab des Drucktanks (20) und stromauf der Expandereinheit (40), insbesondere stromauf des ersten Wärmeübertragers (30), eine Vorrichtung (203; 205), insbesondere in Form eines Ventils, zur Regelung des Drucks des Brennstoffs (B) nach oder beim Austritt aus dem Drucktank (20) aufweist, wobei insbesondere die Einrichtung (1) eine mit der Vorrichtung (203) zusammenwirkende Leistungsregeleinheit (204) aufweist, die dazu ausgebildet ist, die Vorrichtung (203) so einzustellen, dass ein gemessener Istwert eines vom Verbraucher (80) aufgenommenen Stromes (I) oder einer dazu proportionalen Größe einem vordefinierbaren Sollwert angenähert wird, wobei insbesondere die Leistungsregeleinheit (204) dazu ausgebildet ist, jenen Istwert vom Verbraucher (80) zu empfangen, oder wobei insbesondere die Einrichtung (1) eine mit der Vorrichtung (205) zusammenwirkende Druckregeleinheit (206) aufweist, die dazu ausgebildet ist, die Vorrichtung (205) so einzustellen, dass ein stromauf der mindestens einen Brennstoffzelle (10) gemessener Istwert des Drucks des Brennstoffes (B) einem vordefinierbaren Sollwert des Drucks des Brennstoffes (B) angenähert wird.
  12. Einrichtung nach Anspruch 9 oder nach einem der Ansprüche 10 bis 11 soweit rückbezogen auf Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung (1) dazu ausgebildet ist, die durch die Einrichtung (1) für den Verbraucher (80) bereitgestellte elektrische Leistung durch Öffnen und/oder Schließen von Überbrückungsleitungen (100–109) zu regeln.
  13. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung (1) eine Überbrückungsleitung (100, 101, 102) für die Expandereinheit (40) mit einer Drosseleinrichtung (94) zum Entspannen des Brennstoffes (B) aufweist, wobei insbesondere die Einrichtung (1) dazu ausgebildet ist, den Brennstoff (B) über die Überbrückungsleitung (100, 101, 102) zu führen und über die Drosseleinrichtung (94) zu entspannen, wenn der Speicher (70) vollständig oder auf ein vorbestimmtes Maß mit elektrischer Energie (E) aufgeladen ist.
  14. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung (1) eine Kupplungsvorrichtung (50) zum Abkoppeln der Expandereinheit (40) vom Generator (60) aufweist, wobei insbesondere die Einrichtung (1) dazu ausgebildet ist, die Expandereinheit (40) vom Generator (60) abzukoppeln, wenn der Speicher (70) vollständig oder auf ein vorbestimmtes Maß mit elektrischer Energie (E) aufgeladen ist.
  15. Verfahren zum Erzeugen elektrischer Energie (E), bei dem ein gasförmiger Brennstoff (B), insbesondere Wasserstoff, aus einem Drucktank (20) entnommen wird und unter Erzeugung mechanischer Energie expandiert wird, wobei sich der Brennstoff (B) abkühlt, und wobei jene mechanische Energie in elektrische Energie (E) umgewandelt wird und insbesondere in einem Speicher (70) zum Speichern elektrischer Energie gespeichert wird, und wobei der expandierte Brennstoff (B) der mindestens einen Brennstoffzelle (10) zugeführt wird, in der mittels des Brennstoffes (B) und einem Oxidationsmittel (O) elektrische Energie (E) erzeugt wird, die insbesondere in dem besagten Speicher (70) gespeichert wird, wobei insbesondere ein elektrischer Verbraucher (80) mit elektrischer Energie (E) aus dem Speicher (70) versorgt wird.
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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WO2021104912A3 (de) * 2019-11-29 2021-07-22 Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. Energiebereitstellungssystem, fahrzeug, betankungsvorrichtung, verfahren zur bereitstellung von energie und verfahren zum betreiben einer betankungsvorrichtung
WO2022219509A1 (en) * 2021-04-11 2022-10-20 Cheesecake Energy Ltd Pressure exergy recovery from vehicle hydrogen tanks

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