DE102014202663B4 - Fuel cell system with thermal recuperation in the cryogenic hydrogen system - Google Patents

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Abstract

Brennstoffzellen-Anlage mit einem Kühlsystem, über das Abwärme (3) der Brennstoffzellen (2) der Brennstoffzellen-Anlage abgeführt wird, sowie mit einem Kryotank (1) mit Abblaseinrichtung (4), in dem Brennstoff für die Brennstoffzellen-Anlage in tiefkaltem Zustand gespeichert wird, wobei der Kryotank (1) eine tiefgekühlte Entnahmeleitung (5) für den Brennstoff mit einem Entnahmeventil (6) und einem Wärmetauscher (7) zur Vorkonditionierung des Brennstoffs durch Temperatureintrag aufweist, in die, nach dem Wärmetauscher (7), außerhalb des tiefkalten Bereichs, zwischen Wärmetauscher (7) und Brennstoffzellen (2) ein Druckregelventil (8) eingebaut ist, dadurch gekennzeichnet, dass ein Wärmespeicher (9) vorhanden ist, der die Abwärme (3) der Brennstoffzellen (2), sowie die Abwärme (11) wenigstens einer weiteren in der Brennstoffzellen -Anlage vorhandenen Wärmequelle (10) und außerdem eine Enthalpieänderung (12) von durch die Abblaseinrichtung (4) abgeblasenem Wasserstoff (16) speichert und dass wenigstens eine Einrichtung (14) vorhanden ist, die die Wärme (13) aus dem Wärmespeicher (9) in elektrische oder mechanische Energie (15) wandelt.Fuel cell system with a cooling system, via which waste heat (3) from the fuel cells (2) of the fuel cell system is removed, and with a cryogenic tank (1) with blow-off device (4), in which fuel for the fuel cell system is stored in a cryogenic state the cryogenic tank (1) has a deep-frozen removal line (5) for the fuel with a removal valve (6) and a heat exchanger (7) for preconditioning the fuel by temperature input, into which, downstream of the heat exchanger (7), outside the deep-cold Area between the heat exchanger (7) and fuel cells (2) a pressure control valve (8) is installed, characterized in that a heat accumulator (9) is present, the waste heat (3) of the fuel cells (2) and the waste heat (11) stores at least one further heat source (10) present in the fuel cell system and also an enthalpy change (12) of hydrogen (16) blown off by the blow-off device (4) and there ss at least one device (14) is present, which converts the heat (13) from the heat accumulator (9) into electrical or mechanical energy (15).

Description

Ein Brennstoffzellensystem kann zum Beispiel aus einem kryogenen Wasserstoffspeicher, auch als Wärmesenke bezeichnet, und Brennstoffzellen bestehen. Zum sicheren Betrieb des Wasserstoffspeichers kann nach heutigem Stand der Technik ein so genanntes Blow-Off-Management System notwendig sein, abgekürzt auch BMS genannt. Diese Abblaseeinrichtung bläst, bei unzulässigem Druckanstieg im Wasserstoffspeicher durch unerwünschten Wärmeeintrag bei längeren Standzeiten, den Wasserstoff kontrolliert ab. Der Wasserstoff wird dabei im BMS kontrolliert abgebrannt und es entsteht Wärmeenergie.A fuel cell system can, for example, consist of a cryogenic hydrogen store, also referred to as a heat sink, and fuel cells. According to the current state of the art, a so-called blow-off management system, also known as BMS for short, may be necessary for the safe operation of the hydrogen storage system. This blow-off device blows off the hydrogen in a controlled manner in the event of an impermissible increase in pressure in the hydrogen storage tank due to unwanted heat input during longer periods of standstill. The hydrogen is burned off in a controlled manner in the BMS and thermal energy is generated.

Nachdem es sich um tiefkalten Wasserstoff mit einer Temperatur bis zu 40K handelt, muss dieser, nach seiner Entnahme aus dem Wasserstoffspeicher oder auch Kryotank, über einen Wärmetauscher vorgewärmt werden, damit er in der Brennstoffzelle zum Einsatz kommen kann. Alle Leitungen vom Kryotank bis zum Wärmetauscher müssen daher tiefgekühlt und extrem gut isoliert sein. Nach der Vorkonditionierung des Wasserstoffs, das heißt, dem Temperatureintrag, wird dieser über ein Druckregelventil den Brennstoffzellen zugeführt.Since it is cryogenic hydrogen with a temperature of up to 40K, it must be preheated by a heat exchanger after it has been removed from the hydrogen storage tank or cryotank so that it can be used in the fuel cell. All lines from the cryotank to the heat exchanger must therefore be deep-frozen and extremely well insulated. After the hydrogen has been pre-conditioned, i.e. the temperature has been applied, it is fed to the fuel cells via a pressure control valve.

Mit kryogen gespeichertem Wasserstoff betriebene Brennstoffzellensysteme zeichnen sich durch eine starke Wärmesenke, eben der kryogen gespeicherte Wasserstoff, und verschiedene Wärmequellen aus, unter anderem die Brennstoffzelle, das BMS und zum Beispiel in einem Kraftfahrzeug noch verbaute elektrische Antriebskomponenten und eine Klimaanlage. Dabei ist gewöhnlich zur Aufrechterhaltung des thermischen Haushalts durch Kühlung der Brennstoffzelle oder Heizung zur Vorkonditionierung Energie aus anderen Quellen nötig, meist elektrische Energie.Fuel cell systems operated with cryogenically stored hydrogen are characterized by a strong heat sink, i.e. the cryogenically stored hydrogen, and various heat sources, including the fuel cell, the BMS and, for example, electric drive components and an air conditioning system that are still installed in a motor vehicle. In this case, energy from other sources, mostly electrical energy, is usually required to maintain the thermal balance by cooling the fuel cell or heating for preconditioning.

Zum Stand der Technik beschreibt die DE 10 2006 025 656 A1 eine Vorrichtung zur kryogenen Speicherung und Förderung von Kraftstoff, zur Versorgung eines Verbrauchers, insbesondere einer ein Kraftfahrzeug antreibenden Brennkraftmaschine, umfassend mindestens einen Kryotank, bestehend mindestens aus einem Innenbehälter zur Aufnahme des kryogenen Mediums, der wärmeisoliert in einem Außenbehälter gehalten wird, ein kühlbares Kühlschild zwischen Innenbehälter und Außenbehälter des Kryotanks, eine Wärmesenke, die als Wärmeenergiespeichereinrichtung mit dem Kühlschild in Wärme übertragendem Kontakt steht und eine Befüll- und Entnahmeeinrichtung, mit mindestens einer den Außenbehälter durchdringenden, in den Innenbehälter mündenden Leitung, mindestens zum Befüllen mit bzw. zur Entnahme von kryogenem Medium, wobei die Wärmesenke mit der Leitung für das kryogene Medium in Wärme übertragendem Kontakt steht, um unter Wärmeabgabe den Wärmeeintrag aus der Umgebung in den Innenbehälter zu verringern. Der Kryotank ist dadurch gekennzeichnet, dass der Innenbehälter eine Ausnehmung besitzt, in der mindestens die Wärmesenke und die Leitung für das kryogene Medium so untergebracht sind, dass diese sich im Wesentlichen innerhalb der Umfangskontur des Innenbehälters befinden.The prior art describes the DE 10 2006 025 656 A1 a device for the cryogenic storage and delivery of fuel, for supplying a consumer, in particular an internal combustion engine driving a motor vehicle, comprising at least one cryotank, consisting of at least one inner container for receiving the cryogenic medium, which is kept in a thermally insulated outer container, a coolable cooling shield between Inner container and outer container of the cryotank, a heat sink, which is in heat-transferring contact as a thermal energy storage device with the cooling shield and a filling and removal device, with at least one line penetrating the outer container and opening into the inner container, at least for filling with or for removing cryogenic Medium, wherein the heat sink is in heat-transferring contact with the line for the cryogenic medium in order to reduce the heat input from the environment into the inner container while dissipating heat. The cryogenic tank is characterized in that the inner container has a recess in which at least the heat sink and the line for the cryogenic medium are accommodated in such a way that they are essentially located within the peripheral contour of the inner container.

Dieser Kryotank ist zum Beispiel mit einem zweiten Wärmetauscher versehen, der den dem Tank zu entnehmenden Wassertstoff zur Vorkonditionierung temperiert und dazu Energie benötigt.This cryogenic tank is equipped with a second heat exchanger, for example, which pre-conditions the temperature of the hydrogen to be removed from the tank and requires energy for this purpose.

Des Weiteren beschreibt die DE 10 2009 013 776 A1 eine Kühlvorrichtung für ein Brennstofizellensystem, mit wenigstens einem Kühlkreislauf, durch welchen eine Brennstoffzelle kühlbar ist, und mit wenigstens einer Komponente, welche zumindest einen elektrischen Antriebsbereioh und einen Gasförderbereich aufweist, wobei durch den Gasförderbereioh ein Gas zu der Brennstoffzelle förderbar ist, und wobei die Komponente aktiv gekühlt ist, so, dass die Kühlung der Komponente in demselben Kühlkreislauf erfolgt, wie die Kühlung der Brennstoffzelle. Und die DE 10 1012 204 819 A1 betrifft ein Betriebsverfahren für eine Brennstoffzellen-Anlage mit einem Kühlsystem, über das Abwärme der Brennstoffzellen der Brennstoffzellen-Anlage letztlich an die Umgebungsluft abgeführt wird, sowie mit einem einen Innendruck in der Größenordnung von 150 bar standhaltenden Tank, in dem Brennstoff für die Brennstoffzellen-Anlage in tiefkaltem Zustand, insbesondere als Kryogen, gespeichert wird. Dabei weist der Tank im Speichervolumen einen Wärmetauscher auf, über den zum Ausgleich des aus der Entnahme von Brennstoff aus dem Tank resultierenden Druckabbaus, gesteuert mittels eines Wärmeträgermittels, dem gespeicherten Brennstoff Wärme zuführbar ist. Dabei wird in Betriebs-Punkten oder -Zuständen der Brennstoffzellen-Anlage, in denen die Abwärme der Brennstoffzellen nicht im erforderlichen Umfang an die Umgebung abgegeben werden kann, solange zumindest ein Teil der Abwärme der Brennstoffzellen dem Wärmetauscher im den Brennstoff speichernden Tank zugeführt, bis ein vorgegebener Grenzwert für den TankInnendruck erreicht ist. Außerdem beschreibt die US 2007 / 0 144 183 A1 ein Speichersystem für flüssige Brennstoffe für ein Elektrofahrzeug, mit einem ersten Speicherbehälter für flüssigen Wasserstoff, einem oder mehreren Luftwärmetauschern für den flüssigen Brennstoff, einem zweiten Speicherbehälter und einem Niedertemperatur Luftversorger. Der zweite Speicherbehälter umgibt außenseitig den ersten Speicherbehälter und speichert die durch den Wärmetausch erhaltene flüssige Luft. Eine Klimaanlage und/oder ein Kältespeicher des Fahrzeugs benutzen die durch die Niedertemperatur - Luftleitung gelieferte Luft.Furthermore, the DE 10 2009 013 776 A1 a cooling device for a fuel cell system, with at least one cooling circuit, through which a fuel cell can be cooled, and with at least one component, which has at least one electric drive area and a gas delivery area, wherein a gas can be delivered to the fuel cell through the gas delivery area, and wherein the component is actively cooled, so that the cooling of the component takes place in the same cooling circuit as the cooling of the fuel cell. And the DE 10 1012 204 819 A1 relates to an operating method for a fuel cell system with a cooling system, via which waste heat from the fuel cells of the fuel cell system is ultimately dissipated to the ambient air, and with a tank that can withstand an internal pressure of the order of 150 bar, in which the fuel for the fuel cell system is stored is stored in a cryogenic state, in particular as a cryogen. The tank has a heat exchanger in the storage volume, via which heat can be supplied to the stored fuel to compensate for the pressure drop resulting from the removal of fuel from the tank, controlled by a heat transfer medium. In operating points or states of the fuel cell system in which the waste heat from the fuel cells cannot be released to the environment to the required extent, at least part of the waste heat from the fuel cells is fed to the heat exchanger in the tank storing the fuel until a specified limit value for the internal tank pressure is reached. In addition, US 2007/0 144 183 A1 describes a liquid fuel storage system for an electric vehicle, with a first storage tank for liquid hydrogen, one or more air heat exchangers for the liquid fuel, a second storage tank and a low-temperature air supplier. The second storage tank surrounds the first storage tank on the outside and stores the liquid air obtained through the heat exchange. An air conditioning system and/or a cold accumulator of the vehicle use the air supplied through the low-temperature air line.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine kryogen betriebene Brennstoffzellen-Anlage so zu erweitern, dass weitere Elemente zur Energiegewinnung beitragen und so deren Wirkungsgrad verbessert wird. Vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen der Erfindung sind Inhalt der abhängigen Ansprüche.The object of the invention is to expand a cryogenically operated fuel cell system in such a way that further elements contribute to the generation of energy and thus improve its efficiency. Advantageous designs and developments of the invention are the content of the dependent claims.

Nach der Erfindung ist eine Brennstoffzellen-Anlage mit einem Kühlsystem, über das Abwärme der Brennstoffzellen der Brennstoffzellen-Anlage abgeführt wird, sowie mit einem Kryotank mit Abblaseinrichtung, in dem Brennstoff für die Brennstoffzellen-Anlage in tiefkaltem Zustand gespeichert wird, wobei der Kryotank eine tiefgekühlte Entnahmeleitung für den Brennstoff mit einem Entnahmeventil und einem Wärmetauscher zur Vorkonditionierung des Brennstoffs durch Temperatureintrag aufweist, in die, nach dem Wärmetauscher, außerhalb des tiefkalten Bereichs, zwischen Wärmetauscher und Brennstoffzellen ein Druckregelventil eingebaut ist, dadurch gekennzeichnet, dass ein Wärmespeicher vorhanden ist, der die Abwärme der Brennstoffzellen, sowie die Abwärme wenigstens einer weiteren in der Brennstoffzellen -Anlage vorhandenen Wärmequelle und außerdem eine Enthalpieänderung von durch die Abblaseinrichtung abgeblasenem Wasserstoff speichert und dass wenigstens eine Einrichtung vorhanden ist, die die Wärme aus dem Wärmespeicher in elektrische oder mechanische Energie wandelt.According to the invention, a fuel cell system is provided with a cooling system, via which waste heat from the fuel cells of the fuel cell system is removed, and with a cryotank with a blow-off device, in which fuel for the fuel cell system is stored in a cryogenic state, with the cryotank being a cryogenic tank Extraction line for the fuel with an extraction valve and a heat exchanger for preconditioning the fuel by temperature input, in which, downstream of the heat exchanger, outside the cryogenic area, between the heat exchanger and the fuel cells, a pressure control valve is installed, characterized in that there is a heat accumulator which Waste heat from the fuel cells and the waste heat from at least one other heat source present in the fuel cell system and also stores an enthalpy change in hydrogen blown off by the blow-off device, and that at least one device is present that controls the Wä Heat from the heat accumulator converts into electrical or mechanical energy.

Das hat den Vorteil, dass in der Brennstoffzellen-Anlage noch mehr thermische Energie aus Verlustwärme zurück gewonnen und gespeichert werden kann unter Ausnutzung von systembedingten Temperaturdifferenzen, insbesondere zu kryogenem Wasserstoff und weiteren Wärmepotentialen. Eine solche Effizienzsteigerung des Gesamtsystems Brennstoffzellen mit kryogenem Wasserstoff ermöglicht bei Einbau der Brennstoffzellen-Anlage in einem Kraftfahrzeug vorteilhafterweise eine Erhöhung der Fahrzeugreichweite, die Nutzung der gespeicherten Wärme für einen erneuten Systemstart, was das Kaltstartverhalten verbessert, die Gewinnung elektrischer Energie aus dem thermischen Haushalt und die Nutzung des Energieinhaltes des Blow-Off-Wasserstoffs mittels der Abblaseeinrichtung.This has the advantage that in the fuel cell system even more thermal energy can be recovered from heat loss and stored using system-related temperature differences, in particular to cryogenic hydrogen and other heat potentials. When the fuel cell system is installed in a motor vehicle, such an increase in efficiency of the entire fuel cell system with cryogenic hydrogen advantageously enables an increase in the vehicle range, the use of the stored heat for a new system start, which improves the cold start behavior, the generation of electrical energy from the thermal household and the Use of the energy content of the blow-off hydrogen by means of the blow-off device.

Bei bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung ist der Wärmespeicher ein Latentwärmespeicher, ein sensibler Wärmespeicher oder ein thermochemischer Speicher und die Einrichtung, die Wärme aus dem Wärmespeicher in Energie wandelt, ein Thermo-Elektrischer-Generator und/oder eine Stirling-Maschine und/oder ein ORC-Aggregat/Turbine. Dabei ist es zusätzlich von Vorteil, wenn der Wärmetauscher mit Wärme aus dem Wärmespeicher beheizbar ist und wenn weitere, in der Brennstoffzellen-Anlage vorhandene Wärmequellen wenigstens eine elektrische Antriebskomponente und/oder eine Klimaanlage und/oder ein Verbrennungsmotor sind.In preferred embodiments of the invention, the heat accumulator is a latent heat accumulator, a sensible heat accumulator or a thermochemical accumulator and the device that converts heat from the heat accumulator into energy is a thermoelectric generator and/or a Stirling engine and/or an ORC aggregate/turbine. It is also advantageous if the heat exchanger can be heated with heat from the heat accumulator and if other heat sources present in the fuel cell system are at least one electrical drive component and/or an air conditioning system and/or an internal combustion engine.

So ist in der Brennstoffzellen-Anlage eine thermische Rekuperation integriert, so dass thermische Energie aus Verlustwärme unter Ausnutzung von systembedingten Temperaturdifferenzen genutzt werden kann. Dazu werden die im kryogenen Brennstoffzellen-System vorhanden Wärmeenergien unterschiedlicher Wärmequellen in einen Wärmespeicher-Reservoir zusammengeführt und die Wärme wird gespeichert und kann aus Wärmepotentialen zurück gewonnen werden. Im System vorhandene Temperaturdifferenzen und Wärmepotentiale können so zur Gewinnung von elektrischer oder mechanischer Energie herangezogen werden. Zusätzlich dient der kryogen gespeicherte Wasserstoff als Kältereservoir bzw. Wärmesenke und die gespeicherte Wärme wird zur Erwärmung des kryogenen Wasserstoffs herangezogen.A thermal recuperation is integrated in the fuel cell system, so that thermal energy from heat loss can be used by utilizing system-related temperature differences. For this purpose, the heat energies from different heat sources present in the cryogenic fuel cell system are brought together in a heat storage reservoir and the heat is stored and can be recovered from heat potentials. Temperature differences and heat potentials present in the system can thus be used to generate electrical or mechanical energy. In addition, the cryogenically stored hydrogen serves as a cold reservoir or heat sink and the stored heat is used to heat the cryogenic hydrogen.

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung beschreibt die nachfolgende Beschreibung mit der zugehörigen Zeichnung. Die 1 zeigt schematisch ein Diagramm mit eingezeichneten Energieflüssen einer erfindungsgemäßen Brennstoffzellen-Anlage, zum Beispiel in einem Kraftfahrzeug. In 2 ist ein Konzept zur technischen Realisierung der Kombination von kryogenem Wasserstoff, thermoelektrischem Generator und Latentwärmespeicher in Form einer zylindrischen Anordnung beispielhaft dargestellt.A preferred embodiment of the invention describes the following description with the accompanying drawing. the 1 shows a schematic diagram with energy flows of a fuel cell system according to the invention, for example in a motor vehicle. In 2 a concept for the technical realization of the combination of cryogenic hydrogen, thermoelectric generator and latent heat storage device in the form of a cylindrical arrangement is presented as an example.

Eine Brennstoffzellen-Anlage, wie sie aus dem Stand der Technik bekannt ist, besteht aus elektrische Energie 18 erzeugenden Brennstoffzellen 2 und aus einem kryogenen Wasserstoffspeicher oder auch Kryotank 1, in dem Brennstoff für die Brennstoffzellen-Anlage in tiefkaltem Zustand gespeichert wird und der eine Wärmesenke darstellt. Zum sicheren Betrieb des Kryotanks 1 ist nach heutigem Stand der Technik als Abblaseeinrichtung 4 ein sogenanntes Blow-Off-Management System notwendig. Dieses bläst bei unzulässigem Druckanstieg im Kryotank 1 durch unerwünschten Wärmeeintrag bei längeren Standzeiten den Wasserstoff 16 kontrolliert ab. Der Wasserstoff 16 wird dabei im Blow-Off-Management-System kontrolliert abgebrannt und es entsteht Wärmeenergie durch die Enthalpieänderung 12 des Wasserstoffs 16.A fuel cell system, as is known from the prior art, consists of fuel cells 2 that generate electrical energy 18 and a cryogenic hydrogen storage tank or cryotank 1, in which fuel for the fuel cell system is stored in a cryogenic state and which has a heat sink represents. According to the current state of the art, a so-called blow-off management system is necessary as the blow-off device 4 for safe operation of the cryotank 1 . This blows off the hydrogen 16 in a controlled manner if the pressure in the cryotank 1 rises impermissibly as a result of undesirable heat input during longer periods of standstill. The hydrogen 16 is burned off in a controlled manner in the blow-off management system and heat energy is generated by the enthalpy change 12 of the hydrogen 16.

Bei der Entnahme des tiefkalten Wasserstoffs, mit Temperaturen bis zu 40K, aus dem Kryotank 1, muss der Wasserstoff über einen Wärmetauscher 7 an der Entnahmeleitung 5 vorgewärmt werden, bevor er in den Brennstoffzellen 2 zum Einsatz kommt. Die Entnahmeleitung 5 mit Entnahmeventil 6 vor dem Wärmetauscher 7, der zur Vorkonditionierung des Brennstoffs durch Temperatureintrag dient, muss daher vom Kryotank 1 bis zum Wärmetauscher 7 tiefgekühlt und extrem gut isoliert sein. Nach der Vorkonditionierung des Wasserstoffs durch Temperatureintrag, wird dieser über ein Druckregelventil 8 den Brennstoffzellen 2 zugeführt.When removing the cryogenic hydrogen, with temperatures of up to 40K, from the cryogenic tank 1, the hydrogen must be preheated via a heat exchanger 7 on the removal line 5 before it is used in the fuel cells 2. The extraction line 5 with extraction valve 6 in front of the heat exchanger 7, which is used to pre-condition the fuel by temperature input, must therefore run from the cryogenic tank 1 to the heat exchanger 7 must be deep-frozen and extremely well insulated. After the hydrogen has been pre-conditioned by temperature input, it is fed to the fuel cells 2 via a pressure control valve 8 .

Die Brennstoffzellen-Anlage besitzt auch ein Kühlsystem, über das Abwärme 3 der Brennstoffzellen 2 der Brennstoffzellen-Anlage abgeführt wird. Des Weiteren ist ein Wärmespeicher 9 vorhanden, der die Abwärme 3 der Brennstoffzellen 2, sowie die Abwärme 11 wenigstens einer weiteren in der Brennstoffzellen -Anlage vorhandenen Wärmequelle 10 und außerdem die Enthalpieänderung 12 von durch die Abblaseinrichtung 4 abgeblasenem Wasserstoff 16 speichert. Durch wenigstens eine Einrichtung 14 wird die Wärme 13 aus dem Wärmespeicher 9 in elektrische oder mechanische Energie 15 gewandelt.The fuel cell system also has a cooling system, via which waste heat 3 from the fuel cells 2 of the fuel cell system is dissipated. There is also a heat store 9 which stores the waste heat 3 from the fuel cells 2 and the waste heat 11 from at least one other heat source 10 present in the fuel cell system and also the enthalpy change 12 from hydrogen 16 blown off by the blow-off device 4 . The heat 13 from the heat accumulator 9 is converted into electrical or mechanical energy 15 by at least one device 14 .

Bei einer solchen Brennstoffzellen-Anlage werden die im System vorhanden Temperaturdifferenzen und Wärmepotentiale genutzt, um durch einen weiteren Energiewandler 14 elektrische und/oder mechanische Energie zu gewinnen. Die im System vorhandenen Wärmeenergien unterschiedlicher Wärmequellen werden in dem Wärmespeicher 9 zusammengeführt und deren Wärme 3, 11, 12 wird dort gespeichert. Außerdem dient der kryogen gespeicherte Wasserstoff als Kältereservoir bzw. Wärmesenke und die gespeicherte Wärme 17 wird zur Vorkonditionierung des kryogenen Wasserstoffs herangezogen. In 1 ist eine beispielhafte Anordnung der beschriebenen Komponenten dargestellt.In such a fuel cell system, the temperature differences and heat potentials present in the system are used in order to obtain electrical and/or mechanical energy using a further energy converter 14 . The heat energies present in the system from different heat sources are brought together in the heat accumulator 9 and their heat 3, 11, 12 is stored there. In addition, the cryogenically stored hydrogen serves as a cold reservoir or heat sink, and the stored heat 17 is used for preconditioning the cryogenic hydrogen. In 1 an exemplary arrangement of the described components is shown.

Die Wärmeenergie 3 von Brennstoffzellen 2 und sonstigen Wärmequellen 10 im Kraftfahrzeug wird durch ein nicht gezeichnetes Kühlmedium dem Wärmespeicher 9 zugeführt, wobei das Kühlmedium Teil des Wärmespeichers 9 sein kann. Als Wärmespeicher 9 ist ein Latentwärmespeicher vorgesehen, dessen kalte Seite mit den tiefkalten, Wasserstoff führenden Bauteilen verbunden wird. Ein Energiewandler 14, in der Ausführung eines thermoelektrischen Generators, erzeugt nach dem Seebeck Effekt aus dieser Temperaturdifferenz elektrische Energie 15. Der Energiewandler 14 kann unterschiedliche Ausprägungen haben: als thermoelektrischer Generator wird über eine Temperaturdifferenz aus Wärmeenergie elektrische Energie. In einem ORC-Aggregat/Turbine wird aus Wärmeenergie mechanische und/oder elektrische Energie. Ein Stirling-Motor setzt über eine Temperaturdifferenz Wärmeenergie in mechanische und/ oder elektrische Energie um. Des Weiteren besteht die Möglichkeit zur Vorkonditionierung des Fahrzeuges oder Fahrzeugelementen, zum Beispiel Interieur, Hochvolt-Speicher, Brennstoffzellen 2, Wasserstoff-Vorkonditionierung über Wärmespeicher 9 und Blow-Off-Management-System 4. Es kann auch eine geeignete Kombination aus Latentwärmespeichern und Thermoelektrischen Generatoren integriert sein.The thermal energy 3 from fuel cells 2 and other heat sources 10 in the motor vehicle is supplied to the heat accumulator 9 by a cooling medium (not shown), it being possible for the cooling medium to be part of the heat accumulator 9 . A latent heat accumulator is provided as the heat accumulator 9, the cold side of which is connected to the cryogenic, hydrogen-carrying components. An energy converter 14, in the form of a thermoelectric generator, generates electrical energy 15 from this temperature difference according to the Seebeck effect. The energy converter 14 can have different characteristics: as a thermoelectric generator, heat energy becomes electrical energy via a temperature difference. In an ORC unit/turbine, thermal energy is converted into mechanical and/or electrical energy. A Stirling engine converts thermal energy into mechanical and/or electrical energy via a temperature difference. There is also the option of preconditioning the vehicle or vehicle elements, for example the interior, high-voltage storage, fuel cells 2, hydrogen preconditioning via heat storage 9 and blow-off management system 4. A suitable combination of latent heat storage and thermoelectric generators can also be used be integrated.

Da während der Standzeit des Kraftfahrzeugs die Brennstoffzellen 2 im Allgemeinen nicht aktiv sind, kann über das Blow-Off-Management-System 4 im Falle eines erforderlichen Abblasens von Wasserstoff 16 elektrische Energie gewonnen und dem Niedervoltenergiebordnetz zugeführt und damit die Batterie geladen werden.Since the fuel cells 2 are generally not active while the motor vehicle is stationary, if hydrogen 16 needs to be blown off, electrical energy can be obtained via the blow-off management system 4 and fed to the low-voltage on-board electrical system, thereby charging the battery.

Ein Konzept zur technischen Realisierung der Kombination von kryogenem Wasserstoff, thermoelektrischem Generator und Latentwärmespeicher in Form einer zylindrischen Anordnung wird anhand 2 beispielhaft erläutert.A concept for the technical realization of the combination of cryogenic hydrogen, thermoelectric generator and latent heat storage in the form of a cylindrical arrangement is presented 2 explained as an example.

Im Inneren der zylindrischen Anordnung befindet sich eine Leitung 20 mit tiefkaltem Wasserstoff, ein Kältereservoir. Um diese Leitung 20 herum ist der thermoelektrische Generator 21 in radial-zylindrischer Geometire angeordnet. Auf der äußeren Seite des thermoelektrischen Generators 21 ist der Latentwärmespeicher 22 in Form eines Phase Change Materials angebracht. Im äußersten Ring 23 befindet sich ein Fluid als Wärmequelle, über das die Wärmeenergie der Wärmeerzeuger zugeführt wird. Dabei kann die geometrische Anordnung auch von der Zylinderform abweichen, zum Beispiel auch plan oder in Schichten angeordnet sein. Neben dem Latentwärmespeicher 22 können auch sensible Wärmespeicher, wie Wasser oder Thermoöle oder thermochemische Wärmespeicher zur Anwendung kommen. Die Anordnung des Wärme- und Kältereservoirs ist dabei flexibel. Es kann sowohl Wärme innen und Kälte außen, als auch Kälte innen und Wärme außen angeordnet sein.Inside the cylindrical arrangement is a line 20 with cryogenic hydrogen, a cold reservoir. The thermoelectric generator 21 is arranged around this line 20 in a radial-cylindrical geometry. The latent heat accumulator 22 in the form of a phase change material is attached to the outer side of the thermoelectric generator 21 . In the outermost ring 23 there is a fluid as a heat source, via which the heat energy is supplied to the heat generator. The geometric arrangement can also deviate from the cylindrical shape, for example it can also be arranged flat or in layers. In addition to the latent heat accumulator 22, sensitive heat accumulators such as water or thermal oils or thermochemical heat accumulators can also be used. The arrangement of the heat and cold reservoir is flexible. It can be heat inside and cold outside, as well as cold inside and heat outside.

Claims (7)

Brennstoffzellen-Anlage mit einem Kühlsystem, über das Abwärme (3) der Brennstoffzellen (2) der Brennstoffzellen-Anlage abgeführt wird, sowie mit einem Kryotank (1) mit Abblaseinrichtung (4), in dem Brennstoff für die Brennstoffzellen-Anlage in tiefkaltem Zustand gespeichert wird, wobei der Kryotank (1) eine tiefgekühlte Entnahmeleitung (5) für den Brennstoff mit einem Entnahmeventil (6) und einem Wärmetauscher (7) zur Vorkonditionierung des Brennstoffs durch Temperatureintrag aufweist, in die, nach dem Wärmetauscher (7), außerhalb des tiefkalten Bereichs, zwischen Wärmetauscher (7) und Brennstoffzellen (2) ein Druckregelventil (8) eingebaut ist, dadurch gekennzeichnet, dass ein Wärmespeicher (9) vorhanden ist, der die Abwärme (3) der Brennstoffzellen (2), sowie die Abwärme (11) wenigstens einer weiteren in der Brennstoffzellen -Anlage vorhandenen Wärmequelle (10) und außerdem eine Enthalpieänderung (12) von durch die Abblaseinrichtung (4) abgeblasenem Wasserstoff (16) speichert und dass wenigstens eine Einrichtung (14) vorhanden ist, die die Wärme (13) aus dem Wärmespeicher (9) in elektrische oder mechanische Energie (15) wandelt.Fuel cell system with a cooling system, via which waste heat (3) from the fuel cells (2) of the fuel cell system is removed, and with a cryogenic tank (1) with blow-off device (4), in which fuel for the fuel cell system is stored in a cryogenic state the cryogenic tank (1) has a deep-frozen removal line (5) for the fuel with a removal valve (6) and a heat exchanger (7) for preconditioning the fuel by temperature input, into which, downstream of the heat exchanger (7), outside the deep-cold Area between the heat exchanger (7) and the fuel cell (2) a pressure control valve (8) is installed, characterized in that a heat accumulator (9) is present which uses the waste heat (3) from the fuel cells (2) and the waste heat (11) at least one further heat source (10) present in the fuel cell system and also an enthalpy change (12) from the blow-off device (4) stores blown hydrogen (16) and that at least one device (14) is present, which converts the heat (13) from the heat accumulator (9) into electrical or mechanical energy (15). Brennstoffzellen-Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass diese in einem Kraftfahrzeug eingebaut ist.fuel cell system claim 1 , characterized in that it is installed in a motor vehicle. Brennstoffzellen-Anlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmespeicher (9) ein Latentwärmespeicher, ein sensibler Wärmespeicher oder ein thermochemischer Speicher ist.fuel cell system claim 1 or 2 , characterized in that the heat accumulator (9) is a latent heat accumulator, a sensible heat accumulator or a thermochemical accumulator. Brennstoffzellen-Anlage nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung (14) aus einem ThermoElektrischen-Generator und/oder aus einer Stirling-Maschine und/oder aus einem mit organischem Arbeitsfluid betriebenem Aggregat und/oder aus einer mit organischem Arbeitsfluid betriebener Turbine besteht.Fuel cell system according to one of Claims 1 until 3 , characterized in that the device (14) consists of a thermoelectric generator and/or a Stirling engine and/or a unit operated with organic working fluid and/or a turbine operated with organic working fluid. Brennstoffzellen-Anlage nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher (7) mit Wärme (17) aus dem Wärmespeicher (9) beheizbar istFuel cell system according to one of Claims 1 until 4 , characterized in that the heat exchanger (7) with heat (17) from the heat accumulator (9) can be heated . Brennstoffzellen-Anlage nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass weitere, in der Brennstoffzellen -Anlage vorhandenen Wärmequellen (10) wenigstens eine elektrische Antriebskomponente und/oder eine Klimaanlage und/oder ein Verbrennungsmotor sind.. Fuel cell system according to one of Claims 1 until 5 , characterized in that other heat sources (10) present in the fuel cell system are at least one electrical drive component and/or an air conditioning system and/or an internal combustion engine. Brennstoffzellen-Anlage nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Leitung (20) mit tiefkaltem Wasserstoff in planarer oder zylindrischer Anordnung umgeben ist von einem thermoelektrischen Generator (21) und dieser wiederum von einem Latentwärmespeicher (22).Fuel cell system according to one of Claims 1 until 6 , characterized in that at least one line (20) with cryogenic hydrogen in a planar or cylindrical arrangement is surrounded by a thermoelectric generator (21) and this in turn by a latent heat accumulator (22).
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