DE102016223253A1 - Method, controller and system for providing hydrogen for refueling a vehicle - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bereitstellen von Wasserstoff zum Betanken eines Fahrzeugs (190). Das Verfahren weist einen Schritt des Erwärmens von in zumindest teilweise flüssigem Zustand gespeichertem Wasserstoff auf, um gasförmigen Wasserstoff mit einem ersten Druck zu erzeugen. Auch weist das Verfahren einen Schritt des Entspannens des gasförmigen Wasserstoffs von dem ersten Druck auf einen zweiten Druck, wobei der gasförmige Wasserstoff durch eine elektrochemische Vorrichtung (110) geleitet wird. Die elektrochemische Vorrichtung (110) weist eine protonenleitfähige Membraneinheit (112) mit einer ersten Seite und einer zweiten Seite, eine an der ersten Seite der Membraneinheit (112) aufgebrachte erste Elektrode (114), eine an der zweiten Seite der Membraneinheit (112) aufgebrachte zweite Elektrode (116) und zumindest einen mit der ersten Elektrode (114) und der zweiten Elektrode (116) elektrisch verbindbaren oder verbundenen elektrischen Speicher (120) und/oder Verbraucher (120) auf. Der erste Druck ist höher als der zweite Druck. Der gasförmige Wasserstoff mit dem ersten Druck liegt an der ersten Seite der Membraneinheit (112) an. Der gasförmige Wasserstoff mit dem zweiten Druck liegt an der zweiten Seite der Membraneinheit (112) an. Das Verfahren weist ferner einen Schritt des Sammelns des gasförmigen Wasserstoffs mit dem zweiten Druck für eine Ausgabe zum Betanken des Fahrzeugs (190) auf.The invention relates to a method for providing hydrogen for refueling a vehicle (190). The method includes a step of heating hydrogen stored in at least a partially liquid state to produce gaseous hydrogen at a first pressure. Also, the method includes a step of relaxing the gaseous hydrogen from the first pressure to a second pressure, wherein the gaseous hydrogen is passed through an electrochemical device (110). The electrochemical device (110) comprises a proton conductive membrane unit (112) having a first side and a second side, a first electrode (114) applied to the first side of the membrane unit (112), and a second side of the membrane unit (112) second electrode (116) and at least one with the first electrode (114) and the second electrode (116) electrically connectable or connected electrical memory (120) and / or consumers (120). The first pressure is higher than the second pressure. The gaseous hydrogen at the first pressure is applied to the first side of the membrane unit (112). The gaseous hydrogen at the second pressure is applied to the second side of the membrane unit (112). The method further includes a step of collecting the gaseous hydrogen at the second pressure for refueling the vehicle (190).
Description
Stand der TechnikState of the art
Die Erfindung geht aus von einer Vorrichtung oder einem Verfahren nach Gattung der unabhängigen Ansprüche. Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist auch ein Computerprogramm.The invention is based on a device or a method according to the preamble of the independent claims. The subject of the present invention is also a computer program.
Mit Wasserstoff betriebene Fahrzeuge, insbesondere Fahrzeuge mit Brennstoffzelle, können üblicherweise mit gasförmigen Wasserstoff an hierfür vorgesehenen Tankstellen betankt werden.Vehicles powered by hydrogen, in particular vehicles with a fuel cell, can usually be refueled with gaseous hydrogen at filling stations provided for this purpose.
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Vor diesem Hintergrund werden mit dem hier vorgestellten Ansatz ein Verfahren, weiterhin ein Steuergerät, das dieses Verfahren verwendet, eine System, eine Verwendung sowie schließlich ein entsprechendes Computerprogramm gemäß den Hauptansprüchen vorgestellt. Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im unabhängigen Anspruch angegebenen Vorrichtung möglich.Against this background, with the approach presented here, a method, furthermore a control unit which uses this method, a system, a use and finally a corresponding computer program according to the main claims are presented. The measures listed in the dependent claims advantageous refinements and improvements of the independent claim device are possible.
Gemäß Ausführungsformen kann insbesondere hinsichtlich einer zur Betankung von Fahrzeugen vorgesehenen Wasserstoffinfrastruktur bei der Verdampfung von flüssigem Wasserstoff für den Betankungsvorgang eine Energierückgewinnung bzw. Energieumwandlung durchgeführt werden. Hierbei kann insbesondere eine protonenleitfähige Membran genutzt werden, um einen Differenzdruck zwischen zwei mit Wasserstoff gefüllten Behältnissen bzw. zwischen zwei Seiten der Membran zur Energiegewinnung zu nutzen.According to embodiments, energy recovery or energy conversion can be carried out in particular with regard to a hydrogen infrastructure provided for refueling vehicles during the evaporation of liquid hydrogen for the refueling operation. In this case, in particular a proton-conductive membrane can be used to use a differential pressure between two containers filled with hydrogen or between two sides of the membrane for energy.
Vorteilhafterweise kann gemäß Ausführungsformen beispielsweise eine sogenannte Well-to-Wheel-Bilanz bzw. Bilanz von Bohrloch bis zum Rad hinsichtlich Wasserstoffmobilität verbessert werden. In einer Well-to-Wheel-Bilanzierung kann insbesondere ein CO2-Ausstoß eines Fahrzeugs so beispielsweise um etwa 15 bis 20 Prozent gesenkt werden. Hierzu kann insbesondere Energie, welche zum Verflüssigen des Wasserstoffs aufgewendet wurde, beim Verdampfen des Wasserstoffs an einer Tankstelle oder dergleichen zurückgewonnen und in Form von elektrischem Strom zur Verfügung gestellt werden. Eine hierzu verwendete, die protonenleitfähige Membran aufweisende elektrochemische Vorrichtung kann ohne bewegte Teile auskommen, wartungsfrei sein und Gleichstrom direkt und ohne elektromechanische Komponenten, beispielsweise einen Generator oder dergleichen, erzeugen. Aufgrund der Vermeidung mechanisch bewegter Teile kann beispielsweise ein Wartungsaufwand reduziert bzw. minimiert werden. Es kann insbesondere auch eine geräuscharme oder geräuschlose Vorrichtung in einem sensiblen Umfeld bereitgestellt werden. Ein Wegfall mechanisch bewegter Teile in einer die protonenleitfähige Membran aufweisenden elektrochemischen Vorrichtung induziert auch einen Wegfall von Schmierstoffen, wie sie in mechanischen Expansionseinheiten vorkämen. Somit kann eine Kontamination des Wasserstoffs mit Schmierstoffen verhindert werden und eine geforderte Reinheit von Wasserstoff für Fahrzeuge zuverlässig eingehalten werden.Advantageously, according to embodiments, for example, a so-called well-to-wheel balance or balance from well to wheel can be improved in terms of hydrogen mobility. In a well-to-wheel balance, for example, a CO 2 emission of a vehicle can be reduced by about 15 to 20 percent, for example. For this purpose, in particular, energy which has been used for liquefying the hydrogen, can be recovered on evaporation of the hydrogen at a filling station or the like and made available in the form of electric current. A used for this purpose, the proton conductive membrane having electrochemical device can do without moving parts, be maintenance-free and DC directly and without electromechanical components, such as a generator or the like produce. Due to the avoidance of mechanically moving parts, for example, a maintenance effort can be reduced or minimized. In particular, it is also possible to provide a low-noise or noiseless device in a sensitive environment. The elimination of mechanically moving parts in an electrochemical device having the proton-conductive membrane also induces the elimination of lubricants, as would occur in mechanical expansion units. Thus, contamination of the hydrogen with lubricants can be prevented and a required purity of hydrogen for vehicles can be reliably maintained.
Es wird ein Verfahren zum Bereitstellen von Wasserstoff zum Betanken eines Fahrzeugs vorgestellt, wobei das Verfahren zumindest folgende Schritte aufweist:A method for providing hydrogen for refueling a vehicle is presented, wherein the method has at least the following steps:
Erwärmen von in zumindest teilweise flüssigem Zustand gespeichertem Wasserstoff, um gasförmigen Wasserstoff mit einem ersten Druck zu erzeugen;Heating hydrogen stored in at least a partially liquid state to produce gaseous hydrogen at a first pressure;
Entspannen des gasförmigen Wasserstoffs von dem ersten Druck auf einen zweiten Druck, wobei der gasförmige Wasserstoff durch eine elektrochemische Vorrichtung geleitet wird, wobei die elektrochemische Vorrichtung eine protonenleitfähige Membraneinheit mit einer ersten Seite und einer zweiten Seite, eine an der ersten Seite der Membraneinheit aufgebrachte erste Elektrode, eine an der zweiten Seite der Membraneinheit aufgebrachte zweite Elektrode und zumindest einen mit der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode elektrisch verbindbaren oder verbundenen elektrischen Speicher und zusätzlich oder alternativ Verbraucher aufweist, wobei der erste Druck höher als der zweite Druck ist, wobei der gasförmige Wasserstoff mit dem ersten Druck an der ersten Seite der Membraneinheit anliegt, wobei der gasförmige Wasserstoff mit dem zweiten Druck an der zweiten Seite der Membraneinheit anliegt; undRelaxing the gaseous hydrogen from the first pressure to a second pressure, wherein the gaseous hydrogen is passed through an electrochemical device, the electrochemical device comprising a proton conductive membrane unit having a first side and a second side, a first electrode applied to the first side of the membrane unit , a second electrode applied to the second side of the membrane unit and at least one electrical memory electrically connectable or connected to the first electrode and the second electrode and additionally or alternatively having consumers, the first pressure being higher than the second pressure, the gaseous hydrogen with the first pressure applied to the first side of the membrane unit, the gaseous hydrogen with the second pressure being applied to the second side of the membrane unit; and
Sammeln des gasförmigen Wasserstoffs mit dem zweiten Druck für eine Ausgabe zum Betanken des Fahrzeugs.Collecting the gaseous hydrogen at the second pressure for an output to refuel the vehicle.
Dieses Verfahren kann beispielsweise in Software oder Hardware oder in einer Mischform aus Software und Hardware beispielsweise in einem Steuergerät implementiert sein. Im Schritt des Erwärmens kann Energie an eine Vorrichtung zum Erwärmen angelegt werden. Im Schritt des Entspannens kann ein Strömen von Wasserstoff durch die elektrochemische Vorrichtung hindurch bewirkt oder ermöglicht werden. Im Schritt des Entspannens und zusätzlich oder alternativ im Schritt des Sammelns kann zumindest ein Ventil oder dergleichen angesteuert werden, um ein Strömen von Wasserstoff zu steuern. Die Membraneinheit kann zumindest eine Membran aufweisen, die für Protonen durchlässig ist. Der elektrische Speicher und/oder Verbraucher kann einen elektrisch zwischen die erste Elektrode und die zweite Elektrode geschalteten, elektrischen Widerstand repräsentieren. Optional kann die elektrochemische Vorrichtung die Membraneinheit, die erste Elektrode und die zweite Elektrode aufweisen, wobei der elektrische Speicher und/oder Verbraucher als eine von der elektrochemischen Vorrichtung gesonderte oder getrennte Einheit vorgesehen sein kann. This method can be implemented, for example, in software or hardware or in a mixed form of software and hardware, for example in a control unit. In the step of heating, energy may be applied to a device for heating. In the step of relaxing, a flow of hydrogen through the electrochemical device may be effected or enabled. In the step of relaxing and additionally or alternatively in the collecting step, at least one valve or the like can be controlled to control a flow of hydrogen. The membrane unit may have at least one membrane which is permeable to protons. The electrical storage and / or consumer may represent an electrical resistance electrically connected between the first electrode and the second electrode. Optionally, the electrochemical device may comprise the membrane unit, the first electrode and the second electrode, wherein the electrical memory and / or consumer may be provided as a separate or separate unit from the electrochemical device.
Gemäß einer Ausführungsform kann im Schritt des Entspannens unter Verwendung der elektrochemischen Vorrichtung Kompressionsenergie in elektrische Energie umgewandelt werden. Eine solche Ausführungsform bietet den Vorteil, dass durch Ausnutzung eines Druckunterschiedes zwischen erster Seite und zweiter Seite der Membraneinheit nutzbare Energie bereitgestellt werden kann.In one embodiment, in the step of relaxing using the electrochemical device, compression energy may be converted to electrical energy. Such an embodiment offers the advantage that usable energy can be provided by utilizing a pressure difference between the first side and the second side of the membrane unit.
Auch kann im Schritt des Erwärmens der Wasserstoff auf eine Temperatur von mindestens 0 Grad Celsius erwärmt werden. Eine solche Ausführungsform bietet den Vorteil, dass ein Vereisen der Membraneinheit verhindert und somit eine zuverlässige Energieumwandlung erreicht werden kann.Also, in the step of heating, the hydrogen may be heated to a temperature of at least 0 degrees Celsius. Such an embodiment offers the advantage that icing of the membrane unit is prevented and thus reliable energy conversion can be achieved.
Der hier vorgestellte Ansatz schafft ferner ein Steuergerät, das ausgebildet ist, um die Schritte einer Variante eines hier vorgestellten Verfahrens in entsprechenden Einrichtungen durchzuführen, anzusteuern bzw. umzusetzen. Auch durch diese Ausführungsvariante der Erfindung in Form eines Steuergeräts kann die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe schnell und effizient gelöst werden.The approach presented here also creates a control unit which is designed to execute, to control or to implement the steps of a variant of a method presented here in corresponding devices. Also by this embodiment of the invention in the form of a control device, the object underlying the invention can be achieved quickly and efficiently.
Hierzu kann das Steuergerät zumindest eine Recheneinheit zum Verarbeiten von Signalen oder Daten, zumindest eine Speichereinheit zum Speichern von Signalen oder Daten, zumindest eine Schnittstelle zu einem Sensor oder einem Aktor zum Einlesen von Sensorsignalen von dem Sensor oder zum Ausgeben von Steuersignalen an den Aktor und/oder zumindest eine Kommunikationsschnittstelle zum Einlesen oder Ausgeben von Daten aufweisen, die in ein Kommunikationsprotokoll eingebettet sind. Die Recheneinheit kann beispielsweise ein Signalprozessor, ein Mikrocontroller oder dergleichen sein, wobei die Speichereinheit ein Flash-Speicher, ein EEPROM oder eine magnetische Speichereinheit sein kann. Die Kommunikationsschnittstelle kann ausgebildet sein, um Daten drahtlos und/oder leitungsgebunden einzulesen oder auszugeben, wobei eine Kommunikationsschnittstelle, die leitungsgebundene Daten einlesen oder ausgeben kann, diese Daten beispielsweise elektrisch oder optisch aus einer entsprechenden Datenübertragungsleitung einlesen oder in eine entsprechende Datenübertragungsleitung ausgeben kann.For this purpose, the control unit can have at least one arithmetic unit for processing signals or data, at least one memory unit for storing signals or data, at least one interface to a sensor or an actuator for reading sensor signals from the sensor or for outputting control signals to the actuator and / or or at least a communication interface for reading or outputting data embedded in a communication protocol. The arithmetic unit may be, for example, a signal processor, a microcontroller or the like, wherein the memory unit may be a flash memory, an EEPROM or a magnetic memory unit. The communication interface can be designed to read or output data wirelessly and / or by line, wherein a communication interface that can read or output line-bound data, for example, electrically or optically read this data from a corresponding data transmission line or output in a corresponding data transmission line.
Unter einem Steuergerät kann vorliegend ein elektrisches Gerät verstanden werden, das Sensorsignale verarbeitet und in Abhängigkeit davon Steuer- und/oder Datensignale ausgibt. Das Steuergerät kann eine Schnittstelle aufweisen, die hard- und/oder softwaremäßig ausgebildet sein kann. Bei einer hardwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen beispielsweise Teil eines sogenannten System-ASICs sein, der verschiedenste Funktionen des Steuergeräts beinhaltet. Es ist jedoch auch möglich, dass die Schnittstellen eigene, integrierte Schaltkreise sind oder zumindest teilweise aus diskreten Bauelementen bestehen. Bei einer softwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen Softwaremodule sein, die beispielsweise auf einem Mikrocontroller neben anderen Softwaremodulen vorhanden sind.In the present case, a control device can be understood as meaning an electrical device which processes sensor signals and outputs control and / or data signals in dependence thereon. The control unit may have an interface, which may be formed in hardware and / or software. In the case of a hardware-based embodiment, the interfaces can be part of a so-called system ASIC, for example, which contains various functions of the control unit. However, it is also possible that the interfaces are their own integrated circuits or at least partially consist of discrete components. In a software training, the interfaces may be software modules that are present, for example, on a microcontroller in addition to other software modules.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung erfolgt durch das Steuergerät eine Steuerung eines Bereitstellens von Wasserstoff zum Betanken eines Fahrzeugs. Hierzu kann das Steuergerät beispielsweise auf Sensorsignale wie Temperatursignale und Drucksignale zugreifen. Die Ansteuerung erfolgt über Aktoren wie Heizelemente und Ventile oder dergleichen.In an advantageous embodiment, the control device is used to control the provision of hydrogen for refueling a vehicle. For this purpose, the control unit can access, for example, sensor signals such as temperature signals and pressure signals. The control takes place via actuators such as heating elements and valves or the like.
Es wird auch ein System zum Bereitstellen von Wasserstoff zum Betanken eines Fahrzeugs vorgestellt, wobei das System zumindest folgende Merkmale aufweist:
- eine Ausführungsform des vorstehend genannten Steuergeräts;
- die elektrochemische Vorrichtung;
- eine erste Schnittstelle zu mindestens einem Speicherbehälter für Wasserstoff in zumindest teilweise flüssigem Zustand;
- mindestens eine Vorrichtung zum Erwärmen des Wasserstoffs in dem mindestens einen Speicherbehälter und zusätzlich oder alternativ zwischen dem mindestens einen Speicherbehälter und der elektrochemischen Vorrichtung; und
- eine zweite Schnittstelle zu mindestens einem Sammelbehälter für den gasförmigen Wasserstoff mit dem zweiten Druck,
- wobei die elektrochemische Vorrichtung fluidisch zwischen die erste Schnittstelle und die zweite Schnittstelle geschaltet ist, wobei das Steuergerät
- signalübertragungsfähig zumindest mit der mindestens einen Vorrichtung zum Erwärmen verbindbar oder verbunden ist.
- an embodiment of the aforementioned control device;
- the electrochemical device;
- a first interface to at least one storage tank for hydrogen in at least partially liquid state;
- at least one device for heating the hydrogen in the at least one storage container and additionally or alternatively between the at least one storage container and the electrochemical device; and
- a second interface to at least one gaseous hydrogen sump having the second pressure,
- wherein the electrochemical device is fluidically connected between the first interface and the second interface, wherein the control device
- signal transmission capability is connectable or connected at least with the at least one device for heating.
In Verbindung mit dem System kann eine Ausführungsform des vorstehend genannten Steuergerätes vorteilhaft eingesetzt oder verwendet werden, um das Bereitstellen von Wasserstoff zum Betanken eines Fahrzeugs zu bewirken oder zu steuern.In connection with the system, an embodiment of the aforementioned controller may be advantageously used or used to effect or control the provision of hydrogen for refueling a vehicle.
Gemäß einer Ausführungsform kann der zumindest eine elektrische Speicher und zusätzlich oder alternativ Verbraucher eine galvanische Zelle, einen elektrischen Kondensator oder einen elektrischen Spannungswandler aufweisen. Eine solche Ausführungsform bietet den Vorteil, dass je nach konkretem Anwendungsfall die aus der Kompressionsenergie umgewandelte elektrische Energie in geeigneter Weise genutzt bzw. für eine Nutzung bereitgestellt werden kann.According to one embodiment, the at least one electrical storage and additionally or alternatively consumers can have a galvanic cell, an electrical capacitor or an electrical voltage converter. Such an embodiment offers the advantage that, depending on the specific application, the electrical energy converted from the compression energy can be used in a suitable manner or made available for use.
Ferner kann die Membraneinheit der elektrochemischen Vorrichtung einen Katalysator aufweisen. Hierbei kann auf zumindest eine für protonendurchlässige Membran der Membraneinheit ein Katalysatormaterial aufgebracht sein. Eine solche Ausführungsform bietet den Vorteil, dass eine Aufspaltung und Rekombination des Wasserstoffs erleichtert und beschleunigt werden kann.Furthermore, the membrane unit of the electrochemical device may comprise a catalyst. In this case, a catalyst material may be applied to at least one proton-permeable membrane of the membrane unit. Such an embodiment offers the advantage that a splitting and recombination of the hydrogen can be facilitated and accelerated.
Es wird ferner eine Verwendung einer elektrochemischen Vorrichtung, die eine protonenleitfähige Membraneinheit mit einer ersten Seite und einer zweiten Seite, eine an der ersten Seite der Membraneinheit aufgebrachte erste Elektrode, eine an der zweiten Seite der Membraneinheit aufgebrachte zweite Elektrode und zumindest einen mit der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode elektrisch verbindbaren oder verbundenen elektrischen Speicher und zusätzlich oder alternativ Verbraucher aufweist, zum Entspannen von verdampftem, gasförmigem Wasserstoff bei einem Bereitstellen von Wasserstoff zum Betanken eines Fahrzeugs vorgestellt, wobei Kompressionsenergie in elektrische Energie umgewandelt wird.There is also a use of an electrochemical device comprising a proton conductive membrane unit having a first side and a second side, a first electrode applied to the first side of the membrane unit, a second electrode applied to the second side of the membrane unit and at least one to the first electrode and the second electrode comprises electrically connectable or connected electrical storage and additionally or alternatively consumers, for expanding vaporized gaseous hydrogen upon providing hydrogen for fueling a vehicle, wherein compression energy is converted to electrical energy.
Von Vorteil ist auch ein Computerprogrammprodukt oder Computerprogramm mit Programmcode, der auf einem maschinenlesbaren Träger oder Speichermedium wie einem Halbleiterspeicher, einem Festplattenspeicher oder einem optischen Speicher gespeichert sein kann und zur Durchführung, Umsetzung und/oder Ansteuerung der Schritte des Verfahrens nach einer der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen verwendet wird, insbesondere wenn das Programmprodukt oder Programm auf einem Computer oder einer Vorrichtung ausgeführt wird.Also of advantage is a computer program product or computer program with program code which can be stored on a machine-readable carrier or storage medium such as a semiconductor memory, a hard disk memory or an optical memory and for carrying out, implementing and / or controlling the steps of the method according to one of the embodiments described above is used, especially when the program product or program is executed on a computer or a device.
Ausführungsbeispiele des hier vorgestellten Ansatzes sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt:
-
1 eine schematische Darstellung eines Systems zum Bereitstellen von Wasserstoff gemäß einem Ausführungsbeispiel für einen Betankungsvorgang eines Fahrzeugs; -
2 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Bereitstellen gemäß einem Ausführungsbeispiel; -
3 eine schematische Darstellung einer elektrochemischen Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel; und -
4 eine schematische Darstellung eines Systems zum Bereitstellen von Wasserstoff gemäß einem Ausführungsbeispiel.
-
1 a schematic representation of a system for providing hydrogen according to an embodiment for a refueling operation of a vehicle; -
2 a flowchart of a method for providing according to an embodiment; -
3 a schematic representation of an electrochemical device according to an embodiment; and -
4 a schematic representation of a system for providing hydrogen according to an embodiment.
Bevor nachfolgend Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die Figuren beschrieben werden, wird zunächst kurz auf Hintergründe und Grundlagen von Ausführungsbeispielen eingegangen.Before embodiments of the invention are described below with reference to the figures, first a brief discussion of the background and principles of exemplary embodiments will be given.
Wasserstoff ist für viele Industrien, z. B. die Mineralölindustrie bzw. die chemische Industrie, ein etablierter chemischer Grundstoff in großen Mengen, beispielsweise mehr als 500 Milliarden Nm3/a. Der verwendete Wasserstoff wird beispielsweise häufig vor Ort mittels Dampfreformierung aus fossilem Erdgas in großtechnischen Anlagen hergestellt. Für die aufkommende Mobilität auf Basis von PEM-Brennstoffzellen (PEM = Proton Exchange Membran; Protonenaustauschmembran) ist insbesondere eine Wasserstoffinfrastruktur notwendig. Dies induziert den Transport von Wasserstoff zu Tankstellen. Bereits üblich sind beispielsweise LKW-Transporte mit Drucktanks für bis zu 880bar bzw. kryogener Wasserstoff bei ca. -253° C. Drucktanks können aufgrund der geringen Dichte von Wasserstoff (8,9 g/Nm3) beides Weise lediglich geringe gravimetrische Transportmengen pro LKW-Ladung bedingen. Daher bevorzugt die Industrie in der Wasserstofflogistik beispielsweise flüssigen Wasserstoff mit einer gravimetrischen Energiedichte von 71kg/m3. Kryogener Wasserstoff ist energieintensiv in der Herstellung, deren Anteil bis zu 30 % vom Heizwert betragen kann. Kryogener Wasserstoff wird bisher üblicherweise vor der Befüllung in den Tank eines Fahrzeugs durch Zufuhr von Wärme verdampft und auf beispielsweise ca. minus 40 Grad Celsius vorgewärmt. Durch die Verdampfung des kryogenen Wasserstoffs entsteht eine natürliche Druckerhöhung, welche die Grundlage für die druckbehaftete Speichertechnik (z. B. 700bar) im Fahrzeug ist. Die Energiemenge zur Verflüssigung des Wasserstoffs kann eine sogenannte Well-to-Wheel-CO2-Bilanz (Well-to-Wheel-Bilanz = Bilanz vom Bohrloch bis zum Rad) von Brennstoffzellenfahrzeugen beeinflussen. Bekannte Technologien zur Energieumwandlung sind beispielsweise Verdrängermaschinen bzw. thermische Strömungsmaschinen. Diese wären für den Betrieb unter Wasserstoffatmosphäre auszulegen, um der Wasserstoffkorrosion widerstehen zu können. Die genannten Technologien generieren einen Wartungsaufwand und sind geräuschbehaftet. Weiter sind sie auf einen einzelnen Betriebsdruck optimiert.Hydrogen is for many industries, eg. For example, the mineral oil industry or the chemical industry, an established chemical commodity in large quantities, for example, more than 500 billion Nm 3 / a. For example, the hydrogen used is often produced on site by means of steam reforming from fossil natural gas in large-scale plants. For the emerging mobility based on PEM fuel cells (PEM = Proton exchange membrane; Proton exchange membrane) in particular a hydrogen infrastructure is necessary. This induces the transport of hydrogen to gas stations. Are already available, for example truck transports with pressure tanks for up to 880bar or cryogenic hydrogen at about -253 ° C.-pressure tank, due to the low density of hydrogen (8.9 g / Nm 3) both way only small gravimetric transport volumes per truck Charge condition. For this reason, the industry in hydrogen logistics prefers, for example, liquid hydrogen with a gravimetric energy density of 71 kg / m 3 . Cryogenic hydrogen is energy-intensive in production, up to 30% of its calorific value. Cryogenic hydrogen is usually vaporized prior to filling in the tank of a vehicle by supplying heat and preheated to, for example, about minus 40 degrees Celsius. The evaporation of the cryogenic hydrogen results in a natural pressure increase, which is the basis for the pressure-sensitive storage technology (eg, 700 bar) in the vehicle. The amount of energy used to liquefy hydrogen can affect a so-called well-to-wheel CO 2 (fuel-to-wheel balance) record of fuel cell vehicles. Known technologies for energy conversion are, for example, displacement machines or thermal turbomachines. These would have to be designed for operation under a hydrogen atmosphere in order to be able to withstand hydrogen corrosion. The technologies mentioned generate maintenance and are noisy. Furthermore, they are optimized for a single operating pressure.
In der nachfolgenden Beschreibung günstiger Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden für die in den verschiedenen Figuren dargestellten und ähnlich wirkenden Elemente gleiche oder ähnliche Bezugszeichen verwendet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente verzichtet wird.In the following description of favorable embodiments of the present invention, the same or similar reference numerals are used for the elements shown in the various figures and similar acting, with a repeated description of these elements is omitted.
Das System
Gemäß einem Ausführungsbeispiel weist die elektrochemische Vorrichtung
Das System
Gemäß dem in
Die zweite Schnittstelle
Das System
Das Steuergerät
Insbesondere ist das Steuergerät
In einem Schritt
Insbesondere wird im Schritt
In
Die Nernst-Gleichung (Gl. 1) beschreibt die Konzentrationsabhängigkeit des Elektrodenpotentials im idealen Fall (keine Verluste, z. B. ohmsche Verluste). Der Quotient aus der Aktivität der Redoxpartner (aOx und aRed) ist mit der Konzentration des Wasserstoffs in den Behältnissen auf Anodenseite und Kathodenseite gleichzusetzen. Bei reinem Wasserstoff bedingt dies, dass der Quotient auch aus den Absolutdrücken zwischen Katode und Anode ermittelt werden kann (P2/P1). Durch Anlegen einer elektrischen Spannung oberhalb des Standardelektrodenpotentials E° kann auch mittels der elektrochemischen Vorrichtung
Dabei ist eine erste der Heizvorrichtungen
Der elektrische Verbraucher
Der absolute Druck auf der Kathodenseite und der Druckunterschied zwischen Kathoden und Anodenseite ist abhängig von einem Druck im Wasserstoffspeicher auf der Anodenseite und von einem elektrischen Widerstand bzw. Spannungsabfall bei gegebenem Strom zwischen den Elektroden
Umfasst ein Ausführungsbeispiel eine „und/oder“-Verknüpfung zwischen einem ersten Merkmal und einem zweiten Merkmal, so ist dies so zu lesen, dass das Ausführungsbeispiel gemäß einer Ausführungsform sowohl das erste Merkmal als auch das zweite Merkmal und gemäß einer weiteren Ausführungsform entweder nur das erste Merkmal oder nur das zweite Merkmal aufweist.If an exemplary embodiment comprises a "and / or" link between a first feature and a second feature, then this is to be read so that the embodiment according to one embodiment, both the first feature and the second feature and according to another embodiment either only first feature or only the second feature.
Claims (10)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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Citations (2)
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US20070246373A1 (en) * | 2006-04-20 | 2007-10-25 | H2 Pump Llc | Integrated electrochemical hydrogen separation systems |
EP2396846B1 (en) * | 2009-02-16 | 2014-11-05 | Hyet Holding B.V. | Hydrogen fed power system comprising an electrochemical pressure converter and method for generating power |
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- 2016-11-24 DE DE102016223253.3A patent/DE102016223253A1/en not_active Withdrawn
Patent Citations (2)
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