DE102016001472A1

DE102016001472A1 - Device for providing electrical energy

Info

Publication number: DE102016001472A1
Application number: DE102016001472.5A
Authority: DE
Inventors: Erich Albert Zehl; Yun Zhang
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Cellcentric GmbH and Co KG
Priority date: 2016-02-09
Filing date: 2016-02-09
Publication date: 2016-10-27

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bereitstellung von elektrischer Energie aus gespeichertem Wasserstoff, wobei der Wasserstoff in einem Druckgasspeicher (6) unter Überdruck gespeichert ist, mit wenigstens einer Brennstoffzelle (1) zur elektrochemischen Umsetzung des Wasserstoffs mit Sauerstoff, und mit einem elektrochemischen, Dekompressor (8), über welchen der Wasserstoff vom Druckgasspeicher (6) zur Brennstoffzelle (1) strömt. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem elektrochemischen Dekompressor (8) und der wenigstens einen Brennstoffzelle (1) ein Pufferspeicher (19) angeordnet ist.The invention relates to a device for providing electrical energy from stored hydrogen, wherein the hydrogen is stored in a compressed gas reservoir (6) under overpressure, with at least one fuel cell (1) for the electrochemical conversion of the hydrogen with oxygen, and with an electrochemical, decompressor ( 8), via which the hydrogen flows from the compressed gas reservoir (6) to the fuel cell (1). The device according to the invention is characterized in that a buffer store (19) is arranged between the electrochemical decompressor (8) and the at least one fuel cell (1).

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bereitstellung von elektrischer Energie aus gespeichertem Wasserstoff nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art.The invention relates to a device for providing electrical energy from stored hydrogen according to the closer defined in the preamble of claim 1.

Eine gattungsgemäße Vorrichtung zum Bereitstellen von elektrischer Energie aus Wasserstoff mit einem Druckgasspeicher sowie einer Brennstoffzelle zum elektrochemischen Umsetzen des Wasserstoffs mit Sauerstoff ist prinzipiell aus dem Stand der Technik bekannt. Aus der gattungsgemäßen WO 2010/092175 A1 ist in einem solchen Aufbau ferner ein elektrochemischer Dekompressor in Form einer elektrochemischen Zelle mit hoher Druckdifferenz bekannt. In diesem elektrochemischen Dekompressor, welcher auch umgekehrt als elektrochemischer Kompressor Verwendung finden kann, befindet sich Wasserstoff auf der einen Seite einer ionenleitenden Membran bei hohem Druck und auf der anderen Seite der ionenleitenden Membran bei niedrigem Druck. Bei der Verwendung als Dekompressor fällt dabei elektrische Energie zwischen der ionenleitenden Membran benachbarten Elektroden an, bei der Verwendung als elektrochemischer Kompressor wird diese zur Druckerhöhung benötigt.A generic device for providing electrical energy from hydrogen with a compressed gas storage and a fuel cell for the electrochemical reaction of hydrogen with oxygen is known in principle from the prior art. From the generic WO 2010/092175 A1 In such a construction, an electrochemical decompressor in the form of a high pressure differential electrochemical cell is also known. In this electrochemical decompressor, which can also be used conversely as an electrochemical compressor, hydrogen is on one side of an ion-conducting membrane at high pressure and on the other side of the ion-conducting membrane at low pressure. When used as a decompressor electrical energy falls between the ion-conducting membrane adjacent electrodes, when used as an electrochemical compressor, this is needed to increase the pressure.

Gemäß dem gattungsgemäßen Stand der Technik stellt der elektrochemische Dekompressor eine Verbesserung gegenüber andersartigen Druckregeleinheiten, insbesondere Druckregelern dar, welche den Druck des unter Überdruck in dem Druckgasspeicher gespeicherten Wasserstoffs zwar heruntersetzen, diesen nicht oder allenfalls mechanische Bauteile wie Turbinen oder dergleichen nutzen. Diese Bauteile sind entsprechend aufwändig und kompliziert.According to the generic state of the art, the electrochemical decompressor represents an improvement over other types of pressure control units, in particular pressure regulators, which indeed reduce the pressure of the hydrogen stored under overpressure in the compressed gas storage, do not use these or at most mechanical components such as turbines or the like. These components are correspondingly complicated and complicated.

In der Praxis zeigt sich nun, dass über einen elektrochemischen Dekompressor der Betrieb einer Brennstoffzelle, insbesondere für Fahrzeuganwendungen, nicht zuverlässig möglich ist.In practice, it now appears that the operation of a fuel cell, in particular for vehicle applications, is not reliably possible via an electrochemical decompressor.

Die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung besteht deshalb darin, eine Vorrichtung zur Bereitstellung von elektrischer Energie aus gespeichertem Wasserstoff anzugeben, welche gegenüber dem Stand der Technik weiter verbessert ist.The object of the present invention is therefore to provide a device for providing electrical energy from stored hydrogen, which is further improved over the prior art.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen im Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen ergeben sich aus den hiervon abhängigen Unteransprüchen. Im Anspruch 7 ist außerdem eine besonders bevorzugte Verwendung einer derartigen Vorrichtung angegeben.According to the invention this object is achieved by a device having the features in claim 1. Advantageous embodiments and further developments emerge from the subclaims dependent thereon. In claim 7, a particularly preferred use of such a device is also indicated.

Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist es so, dass, vergleichbar wie im gattungsgemäßen Stand der Technik, Wasserstoff unter Überdruck in einem Druckgasspeicher gespeichert ist. Dieser wird einer Brennstoffzelle zugeführt, in welcher eine elektrochemische Umsetzung des Wasserstoffs mit Sauerstoff, beispielsweise dem Sauerstoff in der Luft, stattfindet. Zwischen der Brennstoffzelle und dem Druckgasspeicher ist dabei ein elektrochemischer Dekompressor angeordnet, über welchen der Wasserstoff vom Druckgasspeicher zur Brennstoffzelle strömt, und in welchem der Druck vom Nenndruck des Druckgasspeichers, welcher beispielsweise bei 35 MPa oder 70 MPa liegt, auf ein für die Brennstoffzelle geeignetes Druckniveau abgesenkt wird. Ein solches Druckniveau kann beispielsweise in der Größenordnung von 200 kPa bei der direkten Umsetzung des Wasserstoffs in der Brennstoffzelle (Niederdruckniveau) liegen, oder beispielsweise in einer Größenordnung von 1 bis 2 MPa (Mitteldruckniveau), wenn eine Anordnung zur Rezirkulation mit einer Gasstrahlpumpe als Anodenrezirkulationseinrichtung zum Einsatz kommt, da diese einen höheren Vordruck benötigt. Im Bereich der Brennstoffzelle selbst herrscht dann wieder Niederdruck.In the device according to the invention, it is such that, comparable to the generic state of the art, hydrogen is stored under excess pressure in a compressed gas storage. This is supplied to a fuel cell, in which an electrochemical reaction of the hydrogen with oxygen, for example, the oxygen in the air takes place. Between the fuel cell and the compressed gas storage an electrochemical decompressor is arranged, via which the hydrogen flows from the compressed gas storage to the fuel cell, and in which the pressure of the nominal pressure of the compressed gas storage, which is for example 35 MPa or 70 MPa, to a suitable for the fuel cell pressure level is lowered. Such a pressure level may, for example, be on the order of 200 kPa for the direct conversion of hydrogen in the fuel cell (low pressure level) or, for example, on the order of 1 to 2 MPa (medium pressure level) for a recirculation arrangement with a gas jet pump as anode recirculation means Use comes because this requires a higher form. In the area of the fuel cell itself, low pressure prevails again.

Der elektrochemische Dekompressor hat dabei den Vorteil, dass beim Dekompressieren, also der Herabsetzung des Drucks des gespeicherten Wasserstoffs auf ein Niederdruck- oder Mitteldruckniveau elektrische Energie anfällt. Diese elektrische Energie kann ergänzend zur Energie der Brennstoffzelle verwendet werden, sodass der Gesamtwirkungsgrad der erfindungsgemäßen Vorrichtung verbessert wird bzw. dass bei gleicher Leistungsabgabe die Fläche der Brennstoffzelle verringert werden kann, sodass hier Kosten eingespart werden können. Erfindungsgemäß ist es dabei so, dass zwischen dem elektrochemischen Dekompressor und der wenigstens einen Brennstoffzelle ein Pufferspeicher angeordnet ist. Dieser Pufferspeicher, welcher als Speichervolumen zusätzlich zu einem prinzipbedingt notwendigen Volumen auf der Niederdruckseite des elektrochemischen Dekompressors vorhanden ist, ermöglicht eine Zwischenspeicherung von Wasserstoff auf dem mittleren oder niedrigen Druckniveau. Der elektrochemische Dekompressor kann damit durchgängig auf einem mittleren Leistungsniveau betrieben werden. Auch eine zeitlich dynamisch hinsichtlich der benötigten elektrischen Energie angesteuerte Brennstoffzelle kann dann immer ausreichend mit Wasserstoff versorgt werden, ohne dass die Dynamik der Brennstoffzelle durch die Dynamik des elektrochemischen Dekompressors limitiert wird.The electrochemical decompressor has the advantage that electrical energy is obtained during decompression, ie the reduction of the pressure of the stored hydrogen to a low pressure or medium pressure level. This electrical energy can be used in addition to the energy of the fuel cell, so that the overall efficiency of the device according to the invention is improved or that at the same power output, the surface of the fuel cell can be reduced, so that costs can be saved here. According to the invention, a buffer store is arranged between the electrochemical decompressor and the at least one fuel cell. This buffer memory, which is present as a storage volume in addition to an inherently necessary volume on the low pressure side of the electrochemical decompressor, allows intermediate storage of hydrogen at the middle or low pressure level. The electrochemical decompressor can thus be operated continuously at a medium power level. A dynamically controlled in terms of the required electrical energy fuel cell can then always be sufficiently supplied with hydrogen, without the dynamics of the fuel cell is limited by the dynamics of the electrochemical decompressor.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Idee kann es dabei ferner vorgesehen sein, dass der Pufferspeicher über eine Ventileinrichtung mit einem von der Niederdruckseite des elektrochemischen Dekompressors zu einem Anodenraum der Brennstoffzelle führenden Leitungselement verbunden ist. Diese einfache Anbindung über eine Ventileinrichtung an ein Leitungselement ermöglicht einen einfachen Aufbau und eine sehr effiziente Nutzung des Pufferspeichers. Solange ausreichend Wasserstoff zur Verfügung steht, kann dieser direkt über das Leitungselement vom elektrochemischen Dekompressor zu der Brennstoffzelle geleitet werden. Ist ein Wasserstoffüberschuss vorhanden, dann kann das Ventil geöffnet werden und dieser lässt sich in dem Pufferspeicher einspeichern. Bei erhöhtem Wasserstoffbedarf kann Wasserstoff aus dem Pufferspeicher zurück in die Leitung strömen und so die Dynamik der Brennstoffzelle gegenüber der maximal möglichen Dynamik des elektrochemischen Dekompressors erhöhen. Über die Ventileinrichtung kann außerdem Wasserstoff in dem Pufferspeicher eingeschlossen werden. Dies ermöglicht nach dem Abstellen der Vorrichtung eine Zwischenspeicherung von Wasserstoff in dem Pufferspeicher über einen längeren Zeitraum. Ein Start der Brennstoffzelle und eine Bereitstellung von elektrischer Leistung ist dann auch möglich, wenn der elektrochemische Dekompressor noch nicht bzw. noch nicht vollständig in Betrieb gegangen ist, sodass dieser die Schnellstartfähigkeit der Vorrichtung nicht limitiert.According to an advantageous development of the idea, it may further be provided that the buffer memory is connected via a valve device to a line element leading from the low-pressure side of the electrochemical decompressor to an anode chamber of the fuel cell. This simple connection via a valve device a line element allows a simple construction and a very efficient use of the buffer memory. As long as sufficient hydrogen is available, it can be routed directly via the line element from the electrochemical decompressor to the fuel cell. If there is an excess of hydrogen, then the valve can be opened and this can be stored in the buffer memory. With increased hydrogen demand, hydrogen can flow from the buffer storage back into the line, thus increasing the dynamics of the fuel cell over the maximum possible dynamics of the electrochemical decompressor. In addition, hydrogen can be trapped in the buffer reservoir via the valve device. This allows after stopping the device caching of hydrogen in the buffer memory over a longer period. A start of the fuel cell and a provision of electrical power is also possible if the electrochemical decompressor has not yet or has not fully gone into operation, so that it does not limit the quick start capability of the device.

Gemäß einer weiteren sehr günstigen und vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann es nun ferner vorgesehen sein, dass parallel zu dem elektrochemischen Dekompressor eine Bypassleitung mit einem Druckregler bzw. Druckminderer angeordnet ist. Über solch eine Bypassleitung mit einem Druckregler kann bei Bedarf in herkömmlicher Art und Weise Wasserstoff aus dem Druckgasspeicher auf ein niedriges oder mittleres Druckniveau entspannt werden, um ihn der Brennstoffzelle zur Verfügung zu stellen. Dies kann beispielsweise dann eingesetzt werden, wenn der elektrochemische Dekompressor keine ausreichende Dynamik erzielt, weil sehr schnell und über einen vergleichsweise langen Zeitraum sehr viel elektrische Leistung von der Brennstoffzelle gefordert ist. Über die Bypassleitung mit dem Druckregler, welche typischerweise über eine Ventileinrichtung ergänzend oder alternativ zum Strömungsweg durch den elektrochemischen Dekompressor schaltbar ist, kann Wasserstoff auch dann bereitgestellt werden, wenn der elektrochemische Dekompressor eine Störung aufweist und seiner Funktionalität nicht nachkommen kann, sodass in diesem Fall unabhängig von einer solchen Störung die Brennstoffzelle weiter betrieben werden kann.According to a further very favorable and advantageous embodiment of the device according to the invention, it can now also be provided that a bypass line with a pressure regulator or pressure reducer is arranged parallel to the electrochemical decompressor. If required, hydrogen can be released from the compressed gas reservoir to a low or medium pressure level via such a bypass line with a pressure regulator in order to make it available to the fuel cell. This can be used, for example, when the electrochemical decompressor does not achieve sufficient dynamics, because a great deal of electrical power is required from the fuel cell very quickly and over a comparatively long period of time. Hydrogen can also be provided via the bypass line with the pressure regulator, which is typically switchable via a valve device in addition or alternatively to the flow path through the electrochemical decompressor, if the electrochemical decompressor has a fault and can not fulfill its functionality, so that in this case from such a fault, the fuel cell can continue to operate.

Gemäß einer weiteren sehr vorteilhaften Ausgestaltung der Idee kann es dabei ferner vorgesehen sein, dass der elektrochemische Dekompressor mehrere Stufen aufweist. Um beispielsweise dem Druck von einem Nenndruck von 70 MPa zu einem für die direkte Verwendung in der Brennstoffzelle geeigneten Druck in der Größenordnung von 200 kPa zu reduzieren, ist ein vergleichsweise großer Drucksprung über die ionenleitende Membran des elektrochemischen Dekompressors notwendig. Um diesen extrem hohen Drucksprung zu vermeiden bzw. in seiner Größe zu reduzieren, kann es deshalb vorgesehen sein, mehrere elektrochemische Dekompressoren in Stufen seriell hintereinander zu schalten, sodass sich der gesamte notwendige Drucksprung auf mehrere Teilsprünge aufteilt und die Bauteile dementsprechend einfacher und robuster gestaltet werden können.According to a further very advantageous embodiment of the idea, it may further be provided that the electrochemical decompressor has a plurality of stages. For example, to reduce the pressure from a nominal pressure of 70 MPa to a pressure suitable for direct fuel cell use of the order of 200 kPa, a relatively large pressure jump across the ion conducting membrane of the electrochemical decompressor is necessary. In order to avoid or reduce in size this extremely high pressure jump, it may therefore be envisaged to connect several electrochemical decompressors in series one behind the other, so that the entire necessary pressure jump is divided into several partial jumps and the components are accordingly made simpler and more robust can.

Die bei der Dekompression des Wasserstoffs anfallende elektrische Energie kann, wie bereits erwähnt, ergänzend zur Energie der Brennstoffzelle genutzt werden. Deshalb kann es gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung vorgesehen sein, dass der elektrochemische Dekompressor über einen elektrischen Wandler mit einem Stromnetz der Brennstoffzelle verbunden ist. Ein solcher Wandler kann insbesondere als DC/DC-Wandler ausgestaltet sein und mit dem Hochspannungsnetz der Brennstoffzelle in Verbindung stehen.The electrical energy generated during the decompression of the hydrogen can, as already mentioned, be used in addition to the energy of the fuel cell. Therefore, it can be provided according to an advantageous embodiment of the device according to the invention that the electrochemical decompressor is connected via an electrical converter to a power grid of the fuel cell. Such a converter may in particular be configured as a DC / DC converter and be in communication with the high-voltage network of the fuel cell.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung erlaubt, insbesondere in den beschriebenen besonders vorteilhaften Weiterbildungen der Idee, eine außerordentlich hohe Dynamik bei der Bereitstellung der elektrischen Energie. Eine solche hohe zeitliche Dynamik bei der bereitgestellten elektrischen Energie ist insbesondere in einem Fahrzeug von besonderem Vorteil, da hier die Antriebsleistung je nach Fahrsituation häufig sehr schnell und mit sehr großen Unterschieden zwischen Abbremsen einerseits und starker Beschleunigung andererseits wechseln kann. Die besonders bevorzugte Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist daher ihr Einsatz zur Bereitstellung von elektrischer Antriebsleistung in einem Fahrzeug. Ein solches Fahrzeug kann dabei sowohl ein gleisloses Landfahrzeug, beispielsweise ein Personenkraftwagen, ein Nutzfahrzeug wie ein Lastkraftwagen oder ein Omnibus, oder auch ein gleisgebundenes Fahrzeug sein. Ebenso ist der Einsatz in Wasser- und Luftfahrzeugen denkbar.The inventive device allows, especially in the described particularly advantageous developments of the idea, an extremely high dynamics in the provision of electrical energy. Such a high temporal dynamics in the electrical energy provided is particularly advantageous in a vehicle, since the drive power can often change very rapidly depending on the driving situation and with very large differences between deceleration on the one hand and strong acceleration on the other hand. The particularly preferred use of the device according to the invention is therefore its use for providing electrical drive power in a vehicle. Such a vehicle may be both a trackless land vehicle, such as a passenger car, a commercial vehicle such as a truck or a bus, or even a track-bound vehicle. Likewise, the use in watercraft and aircraft is conceivable.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung sowie ihrer Verwendung ergeben sich aus den weiteren abhängigen Unteransprüchen und werden ferner anhand der Ausführungsbeispiele deutlich, welche nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren näher dargestellt ist.Further advantageous embodiments of the device according to the invention and its use will become apparent from the further dependent claims and will be further apparent from the embodiments, which is shown in more detail below with reference to the figures.

Dabei zeigen:Showing:

1 eine mögliche Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung; 1 a possible embodiment of the device according to the invention;

2 eine prinzipmäßige Funktionsskizze des Dekompressors; und 2 a principle functional sketch of the decompressor; and

3 eine weitere mögliche Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung sowie ihrer Anwendung. 3 another possible embodiment of the device according to the invention and its application.

In der Darstellung der 1 ist eine schematisierte Ausführungsvariante der erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer möglichen Ausgestaltung dargestellt. Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Erzeugung von elektrischer Leistung umfasst dabei eine Brennstoffzelle 1, welche insbesondere als Stapel von PEM-Brennstoffzellen, als sogenannter Brennstoffzellenstack, aufgebaut sein kann. Rein beispielhaft ist in der Darstellung der 1 ein gemeinsamer Anodenraum 2 sowie ein gemeinsamer Kathodenraum 3 der Brennstoffzelle 1 angedeutet. Dem Kathodenraum 3 wird über eine Luftfördereinrichtung 4 Luft als Sauerstofflieferant zugeführt. Nicht verbrauchte Luft gelangt als Abluft über eine Abluftleitung 5 aus der Brennstoffzelle 1. Dem Anodenraum 2 der Brennstoffzelle 1 wird Wasserstoff aus einem Druckgasspeicher 6 zugeführt. Der Wasserstoff strömt über ein Dosierventil 7 in einen Dekompressor 8 ein, in welchem auf elektrochemischem Wege eine Aufspaltung der Wasserstoffmoleküle in Elektronen und Wasserstoffionen erfolgt. Die Wasserstoffionen treten durch eine mit 9 bezeichnete protonenleitende Membran hindurch und werden mit Elektronen auf der gegenüberliegenden Seite der Membran 9 wieder zu Wasserstoffmolekülen kombiniert. Dieser Wasserstoff, welcher in seinem Druckniveau beispielsweise ausgehend von einem Nenndruck von 70 MPa in dem Druckgasspeicher 6 auf ca. 200 kPa reduziert worden ist, strömt dann über eine Verbindungsleitung 10 in den Anodenraum 2 der Brennstoffzelle 1 und wird hier entsprechend umgesetzt. Eventuelle inerte Gase und gegebenenfalls nicht vollständig umgesetzter Wasserstoff gelangen über eine Abgasleitung 11 aus der Brennstoffzelle 1.In the presentation of the 1 a schematic variant of the device according to the invention is shown in a possible embodiment. The inventive device for generating electrical power comprises a fuel cell 1 , which can be constructed in particular as a stack of PEM fuel cells, as a so-called fuel cell stack. Purely by way of example is in the representation of 1 a common anode space 2 and a common cathode compartment 3 the fuel cell 1 indicated. The cathode compartment 3 is via an air conveyor 4 Air supplied as an oxygen supplier. Unused air passes as exhaust air via an exhaust air line 5 from the fuel cell 1 , The anode compartment 2 the fuel cell 1 becomes hydrogen from a compressed gas storage 6 fed. The hydrogen flows through a metering valve 7 in a decompressor 8th in which electrochemically dissociates the hydrogen molecules into electrons and hydrogen ions. The hydrogen ions pass through one 9 designated proton-conducting membrane and are electrons on the opposite side of the membrane 9 combined again to hydrogen molecules. This hydrogen, which in its pressure level, for example, starting from a nominal pressure of 70 MPa in the compressed gas storage 6 has been reduced to about 200 kPa, then flows through a connecting line 10 in the anode compartment 2 the fuel cell 1 and will be implemented here accordingly. Any inert gases and possibly not completely converted hydrogen pass through an exhaust pipe 11 from the fuel cell 1 ,

In der Darstellung der 2 ist in einer vergrößerten Darstellung der Dekompressor 8 nochmals dargestellt, um sein Funktionsprinzip zu erläutern. Der mit 12 bezeichnete Pfeil symbolisiert dabei den höheren Druck, beispielsweise einen Druck von 70 MPa, wie oben angedeutet. Der Wasserstoff, bestehend aus H₂-Molekülen, gelangt dann in den Bereich einer ersten Elektrode 13, der Anode. Diese ist über die protonenleitende Membran 9 von einer zweiten Elektrode 14, der Kathode, getrennt. Damit der unter hohem Druck stehende Wasserstoff die Membran 9 passieren kann, müssen die H₂-Moleküle aufgespalten werden. Die Elektronen e^– wandern durch einen mit 15 bezeichneten angedeuteten Stromkreis um die ionenleitende Membran 9 herum. Die Wasserstoffionen H⁺ durchdringen die ionenleitende Membran 9. Im Bereich der anderen Elektrode 14 werden die Ionen wieder mit den Elektronen kombiniert. Es entstehen wiederum Wasserstoffmoleküle H₂, diesmal auf dem durch einen Pfeil 16 bezeichneten niedrigeren Druckniveau von beispielsweise 200 kPa. Der elektrochemische Dekompressor 8 kann also Wasserstoff unter hohem Druck aufnehmen und gibt entsprechend Wasserstoff unter niedrigerem Druck ab. Die Elektronen sorgen dabei für einen Stromfluss in dem Stromkreis 15, sodass gleichzeitig mit der Verringerung des Drucks des Wasserstoffs elektrische Energie gewonnen werden kann. Der auf dem niedrigeren Druckniveau befindliche Wasserstoff strömt dann, wie in der Darstellung der 1 zu erkennen, über die Verbindungsleitung 10 in den Anodenraum der Brennstoffzelle und kann hier umgesetzt werden. Im Gegensatz zu einem herkömmlichen Druckregler bzw. Druckminderer entsteht in dem elektrochemischen Dekompressor 8 also zusätzlich elektrische Energie, welche in der Darstellung der 1 über einen DC/DC-Wandler 17 in ein angedeutetes Stromnetz 18 der Brennstoffzelle 1 eingespeist wird und so zusätzlich zu der von der Brennstoffzelle erzeugten elektrischen Leistung zur Verfügung steht.In the presentation of the 2 is in an enlarged view of the decompressor 8th shown again to explain its principle of operation. The one with 12 designated arrow symbolizes the higher pressure, for example, a pressure of 70 MPa, as indicated above. The hydrogen, consisting of H ₂ molecules, then passes into the region of a first electrode 13 , the anode. This is via the proton-conducting membrane 9 from a second electrode 14 , the cathode, separated. So that the high-pressure hydrogen, the membrane 9 can happen, the H ₂ molecules must be split. The electrons e ^- migrate through one 15 indicated indicated circuit around the ion-conducting membrane 9 around. The hydrogen ions H ⁺ penetrate the ion-conducting membrane 9 , In the area of the other electrode 14 the ions are combined again with the electrons. Hydrogen molecules H ₂ are formed again, this time on an arrow 16 designated lower pressure level of for example 200 kPa. The electrochemical decompressor 8th can thus absorb hydrogen under high pressure and releases hydrogen at a lower pressure. The electrons thereby ensure a flow of current in the circuit 15 so that electric energy can be obtained simultaneously with the reduction of the pressure of hydrogen. The hydrogen which is at the lower pressure level then flows as shown in FIG 1 to recognize, over the connecting line 10 in the anode compartment of the fuel cell and can be implemented here. In contrast to a conventional pressure regulator or pressure reducer is formed in the electrochemical decompressor 8th So additional electrical energy, which in the representation of the 1 via a DC / DC converter 17 in an indicated power grid 18 the fuel cell 1 is fed and so is available in addition to the electric power generated by the fuel cell.

Um für den Betrieb der Brennstoffzelle 1 eine hohe Dynamik zu erzielen, ist in der inIn order for the operation of the fuel cell 1 To achieve a high dynamic, is in the in

1 dargestellten Vorrichtung in Verbindung mit der Verbindungsleitung 10 außerdem ein Pufferspeicher 19 angeordnet, welcher insbesondere über eine Ventileinrichtung 20 mit der Verbindungsleitung 10 verbunden ist. In diesem Pufferspeicher 19 kann Wasserstoff auf dem niedrigen Druckniveau in Strömungsrichtung des Wasserstoffs nach dem elektrochemischen Dekompressor 8 zwischengespeichert werden, sodass dynamische Bedarfsspitzen der Brennstoffzelle an Wasserstoff nicht durch eine zu geringe Dynamik des elektrochemischen Dekompressors 8 verhindert bzw. beeinträchtigt werden können. 1 illustrated device in connection with the connecting line 10 also a cache 19 arranged, which in particular via a valve device 20 with the connection line 10 connected is. In this cache 19 can hydrogen at the low pressure level in the direction of flow of hydrogen after the electrochemical decompressor 8th be cached so that dynamic demand peaks of the fuel cell to hydrogen not by too low dynamics of the electrochemical decompressor 8th can be prevented or impaired.

Ferner ist in der Darstellung der 1 zu erkennen, dass der elektrochemische Dekompressor 8 über eine Bypassleitung 21 mit einem Bypassventil 22 von dem ganzen oder zumindest einem Teil des Wasserstoffs umgangen werden kann. In der Bypassleitung 21 befindet sich ein Druckregler bzw. Druckminderer 23, sodass der Wasserstoff auch in der Bypassleitung 21 von dem hohen Druckniveau des Druckgasspeichers 6 auf das benötigte niedrige Druckniveau der Brennstoffzelle 1 entspannt werden kann. Über die Bypassleitung 21 kann so Wasserstoff parallel zu dem elektrochemischen Dekompressor 8 zu der Brennstoffzelle 1 gelangen. Dies kann beispielsweise dann von Vorteil sein, wenn trotz des Pufferspeichers 19 die Wasserstoffversorgung der Brennstoffzelle 1 keine ausreichende Dynamik für eine entsprechende dynamische Lastanforderung an die Brennstoffzelle 1 sicherstellen kann. Außerdem ermöglicht der Aufbau den Betrieb der Brennstoffzelle 1 auch dann, wenn der elektrochemische Dekompressor 8 nicht betriebsbereit ist, beispielsweise weil dieser defekt ist oder dergleichen.Furthermore, in the illustration of the 1 to realize that the electrochemical decompressor 8th via a bypass line 21 with a bypass valve 22 can be bypassed by the whole or at least part of the hydrogen. In the bypass line 21 there is a pressure regulator or pressure reducer 23 so that the hydrogen is also in the bypass line 21 from the high pressure level of the compressed gas storage 6 to the required low pressure level of the fuel cell 1 can be relaxed. About the bypass line 21 So can hydrogen in parallel to the electrochemical decompressor 8th to the fuel cell 1 reach. This can be advantageous, for example, if despite the buffer memory 19 the hydrogen supply of the fuel cell 1 insufficient dynamics for a corresponding dynamic load request to the fuel cell 1 can ensure. In addition, the structure enables the operation of the fuel cell 1 even if the electrochemical decompressor 8th is not ready, for example because this is defective or the like.

Eine alternative Ausführungsform der Vorrichtung 1 sowie eine bevorzugte Verwendung ist in der Darstellung der 3 zu erkennen. Die Vorrichtung 1 ist dabei als ein in seiner Gesamtheit mit 24 bezeichnetes Brennstoffzellensystem ausgebildet, welches in einem angedeuteten Fahrzeug 25 zur Bereitstellung von elektrischer Antriebsleistung dient. Den Kern des Brennstoffzellensystems 24 bildet dabei wiederum die Brennstoffzelle 1 mit ihrem Kathodenraum 3 und ihrem Anodenraum 2. Die Luftfördereinrichtung 4 ist hier als Teil eines sogenannten elektrischen Turboladers ausgebildet, und ist zusammen mit einer Abluftturbine 26 sowie einer elektrischen Maschine 27 auf einer Welle angeordnet. Über diesen Aufbau kann Luft zum Kathodenraum 3 der Brennstoffzelle 1 gefördert werden. Druckenergie und thermische Energie in der Abluft werden über die Abluftturbine 26 zumindest teilweise zurückgewonnen und unterstützen zusammen mit der elektrischen Maschine 27 im motorischen Betrieb den Antrieb der Luftfördereinrichtung 4. In der Darstellung ist außerdem ein sogenannter Gas/Gas-Befeuchter 28 zu erkennen, welcher die trockene zu dem Kathodenraum 3 der Brennstoffzelle 1 strömende Zuluft durch die feuchte Abluft in an sich bekannter Art und Weise befeuchtet. An alternative embodiment of the device 1 and a preferred use is in the illustration of 3 to recognize. The device 1 is as one in its entirety with 24 designated fuel cell system is formed, which in an indicated vehicle 25 serves to provide electrical drive power. The core of the fuel cell system 24 again forms the fuel cell 1 with her cathode compartment 3 and her anode room 2 , The air conveyor 4 is here formed as part of a so-called electric turbocharger, and is together with an exhaust air turbine 26 as well as an electric machine 27 arranged on a shaft. About this structure, air to the cathode compartment 3 the fuel cell 1 be encouraged. Pressure energy and thermal energy in the exhaust air are transmitted via the exhaust air turbine 26 at least partially recovered and support together with the electric machine 27 in motor operation, the drive of the air conveyor 4 , In the illustration is also a so-called gas / gas humidifier 28 to recognize which is the dry to the cathode space 3 the fuel cell 1 flowing supply air moisturized by the moist exhaust air in a conventional manner.

Auf der Anodenseite des Brennstoffzellensystems 24 ist wiederum der Druckgasspeicher 6 mit dem Dosierventil 7 zu erkennen. Insbesondere beim Einsatz in Fahrzeugen 25 wird der Druckgasspeicher 6 dabei typischerweise aus mehreren parallel geschalteten Einzelbehältern bestehen, was zur Vereinfachung der Darstellung hier nicht gezeigt ist. Auf das Dosierventil 7 folgt dann, wie oben bereits beschrieben, der elektrochemische Dekompressor 8 sowie die Verbindungsleitung 10 mit dem Pufferspeicher 19, welcher beispielhaft in einer Zweigleitung hiervon angeordnet ist. In der Ausführungsvariante gemäß 3 wird über den elektrochemischen Dekompressor 8 ein entsprechend höheres Druckniveau von beispielsweise ca. 1 bis 2 MPa erzeugt. Der Wasserstoff auf diesem mittleren Druckniveau strömt dann in eine sogenannte Gasstrahlpumpe 29 ein, in welcher er als Treibgasstrom dient. Er wird hierin weiter entspannt und strömt dann zum Anodenraum 2 der Brennstoffzelle 1. Nicht verbrauchter Wasserstoff gelangt zusammen mit Feuchtigkeit und inerten Gasen über eine sogenannte Rezirkulationsleitung 30 zurück zur Gasstrahlpumpe 29, sodass das Abgas von dem Treibgasstrom, durch Impulsaustausch und Unterdruck angetrieben, vermischt mit dem frischen Wasserstoff erneut dem Anodenraum 2 der Brennstoffzelle 1 zugeführt wird. Dieser im Allgemeinen auch als Anodenkreislauf bzw. Anodenloop bezeichnete Aufbau ist dabei für den Fachmann bekannt, sodass hierauf nicht in weiterem Detail eingegangen werden muss.On the anode side of the fuel cell system 24 is again the compressed gas storage 6 with the dosing valve 7 to recognize. Especially when used in vehicles 25 becomes the compressed gas storage 6 typically consist of several parallel-connected individual containers, which is not shown here for simplicity of illustration. On the metering valve 7 then follows, as already described above, the electrochemical decompressor 8th as well as the connecting line 10 with the cache 19 , which is arranged by way of example in a branch line thereof. In the embodiment according to 3 is via the electrochemical decompressor 8th generates a correspondingly higher pressure level of, for example, about 1 to 2 MPa. The hydrogen at this mean pressure level then flows into a so-called gas jet pump 29 in which it serves as a propellant gas stream. It is further relaxed herein and then flows to the anode compartment 2 the fuel cell 1 , Unconsumed hydrogen, together with moisture and inert gases, passes through a so-called recirculation line 30 back to the gas jet pump 29 such that the exhaust gas from the propellant gas stream, driven by momentum exchange and negative pressure, is mixed with the fresh hydrogen again to the anode compartment 2 the fuel cell 1 is supplied. This structure, which is generally also referred to as an anode circuit or anode loop, is known to the person skilled in the art, so that it need not be discussed in further detail.

Die Brennstoffzelle 1 selbst und der elektrochemische Dekompressor 8 sind dabei wiederum mit einem angedeuteten Stromnetz 18 verbunden, über welches das Fahrzeug 25 mit elektrischer Antriebsleistung versorgt wird. Hierfür weist das Stromnetz 18 verschiedene Bauteile auf, wie beispielsweise eine Leistungselektronik, einen elektrischen Antriebsmotor, eine Batterie zur Zwischenspeicherung von elektrischer Energie und Ähnliches. Auch dies ist dem Fachmann bekannt, sodass hierauf nicht weiter eingegangen werden muss.The fuel cell 1 itself and the electrochemical decompressor 8th are in turn with an indicated power grid 18 connected, over which the vehicle 25 is supplied with electrical drive power. This is indicated by the power grid 18 various components, such as a power electronics, an electric drive motor, a battery for temporary storage of electrical energy and the like. This too is known to the person skilled in the art, so that it need not be discussed further here.

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

WO 2010/092175 A1 [0002]

Claims

Device for providing electrical energy from stored hydrogen, wherein the hydrogen in a compressed gas reservoir ( 6 ) is stored under overpressure, with at least one fuel cell ( 1 ) for the electrochemical conversion of hydrogen with oxygen, and with an electrochemical, decompressor ( 8th ), via which the hydrogen from the compressed gas storage ( 6 ) to the fuel cell ( 1 ) flows, characterized in that between the electrochemical decompressor ( 8th ) and the at least one fuel cell ( 1 ) a buffer memory ( 19 ) is arranged.

Apparatus according to claim 1, characterized in that the buffer memory ( 19 ) via a valve device ( 20 ) with one of the low pressure side of the electrochemical decompressor ( 8th ) to the anode side ( 2 ) of the at least one fuel cell ( 1 ) leading line element ( 10 ) connected is.

Apparatus according to claim 1 or 2, characterized in that parallel to the electrochemical decompressor ( 8th ) a bypass line ( 21 ) with a pressure regulator ( 23 ) is arranged.

Apparatus according to claim 1, 2 or 3, characterized in that the electrochemical decompressor ( 8th ) has several stages.

Device according to one of claims 1 to 4, characterized in that the electrochemical decompressor ( 8th ) via an electrical converter ( 17 ) with a power grid ( 18 ) of the at least one fuel cell ( 1 ) connected is.

Device according to one of claims 1 to 5, characterized in that the overpressure is more than 30 MPa, in particular more than 60 MPa, nominal pressure.

Use of a device according to one of claims 1 to 6, for providing electrical drive power in a vehicle ( 25 ).