DE102020125732A1

DE102020125732A1 - energy conditioning device

Info

Publication number: DE102020125732A1
Application number: DE102020125732.5A
Authority: DE
Inventors: Markus Kordel; Nicolas Muck
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2020-10-01
Filing date: 2020-10-01
Publication date: 2022-04-07
Anticipated expiration: 2040-10-02
Also published as: DE102020125732B4

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Energieaufbereitungsvorrichtung (1) mit in einer Zuführspeichereinrichtung (2) unter einem hohen Eingangsdruck vorgehaltenem oder auf einen hohen Eingangsdruck gebrachten Energieträgermedium und einer dieses über einen Eingangsabschnitt aufnehmenden Koppelstrecke (4), die an ihrer Ausgangsseite mit einer Energiewandlervorrichtung (3) in Verbindung steht, in der bei niedrigerem Arbeitsdruck durch chemische Reaktion des Energieträgermediums mit einem Oxidator von einer Verbrauchereinrichtung, insbesondere für ein Antriebssystem, nutzbare Energie zur Verfügung gestellt wird. Zu einem effizienten Betrieb tragen die Maßnahmen bei, dass in der Koppelstrecke (4) eine durch das Druckgefälle des Energieträgermediums zwischen dem Eingangsdruck und dem Arbeitsdruck betriebene Verdichtungsvorrichtung (42) für den der Energiewandlervorrichtung (3) zugeführten Oxidator angeordnet ist (Fig. 1).The invention relates to an energy processing device (1) with an energy carrier medium held in a supply storage device (2) under a high inlet pressure or brought to a high inlet pressure and a coupling section (4) receiving this via an inlet section, which is connected on its outlet side to an energy converter device (3rd ) is connected in which, at a lower working pressure, usable energy is made available by a chemical reaction of the energy carrier medium with an oxidizer from a consumer device, in particular for a drive system. Efficient operation is facilitated by the fact that a compression device (42) for the oxidizer fed to the energy converter device (3) is arranged in the coupling section (4) and is operated by the pressure drop in the energy carrier medium between the inlet pressure and the working pressure (Fig. 1).

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Energieaufbereitungsvorrichtung mit in einer Zuführspeichereinrichtung unter einem hohen Eingangsdruck vorgehaltenem oder auf einen hohen Eingangsdruck gebrachten Energieträgermedium und einer dieses über einen Eingangsabschnitt aufnehmenden Koppelstrecke, die an ihrer Ausgangsseite mit einer Energiewandlervorrichtung in Verbindung steht, in der bei niedrigerem Arbeitsdruck durch chemische Reaktion des Energieträgermediums mit einem Oxidator von einer Verbrauchereinrichtung, insbesondere für ein Antriebssystem, nutzbare Energie zur Verfügung gestellt wird. Ferner bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zur Energieaufbereitung und eine Anwendung.The invention relates to an energy processing device with an energy carrier medium that is stored in a supply storage device under a high inlet pressure or brought to a high inlet pressure and a coupling path that receives this via an inlet section and is connected on its outlet side to an energy converter device in which, at a lower working pressure, chemical Reaction of the energy carrier medium is provided with an oxidizer from a consumer device, in particular for a drive system, usable energy. Furthermore, the invention relates to a method for energy processing and an application.

Eine Energieaufbereitungsvorrichtung und ein Verfahren dieser Art sind in der DE 101 27 600 C2 angegeben. Dabei wird einer Energiewandlervorrichtung aus einem oder mehreren Brennstoffzellenblöcken ein in einer Zuführspeichereinrichtung unter relativ hohem Druck vorgehaltener Brennstoff (Energieträgermedium) in Form von Wasserstoff und ein Oxidator in Form von Luftsauerstoff zugeführt, um in dem Brennstoffzellenblock durch chemische Reaktion zwischen dem Brennstoff und dem Oxidator chemische Energie in elektrische Energie umzuwandeln und einem Verbraucher zur Verfügung zu stellen. Für die chemische Reaktion in dem Brennstoffzellenblock liegt der Arbeitsruck des zugeführten Wasserstoffs auf wesentlich niedrigerem Niveau als der Eingangsdruck im Ausgangsbereich der Zuführungsspeichereinrichtung bzw. im Eingangsbereich der Koppelstrecke zwischen der Zuführspeichereinrichtung und der Energiewandlervorrichtung. Der Eingangsdruck des Brennstoffs und auch der Arbeitsdruck können vorgegeben werden und die Menge des dem Brennstoffzellenblock zugeführten Brennstoffs bzw. Wasserstoffs kann durch die Leistungsaufnahme eines an den Brennstoffzellenblock angeschlossenen Verbrauchers, dem die elektrische Energie zur Verfügung gestellt wird, geregelt werden. Das Druckniveau des dem Brennstoffzellenblock zugeführten Wasserstoffs wird von einem in der Koppelstrecke angeordneten Druckminderer eingestellt, der der Zuführspeichereinrichtung nachgeschaltet ist. In der Regel liegt der Druck des dem Brennstoffzellenblock zugeführten Oxidators auf etwa dem Druckniveau des Arbeitsdrucks des Brennstoffs und ist (auch in Abhängigkeit von der Anzahl der Brennstoffzellen) geringfügig höher.A power conditioning device and method of this type are in the DE 101 27 600 C2 specified. In this case, an energy converter device consisting of one or more fuel cell blocks is supplied with fuel (energy carrier medium) in the form of hydrogen and an oxidizer in the form of atmospheric oxygen, which is stored under relatively high pressure in a supply storage device, in order to generate chemical energy in the fuel cell block by chemical reaction between the fuel and the oxidizer to convert it into electrical energy and make it available to a consumer. For the chemical reaction in the fuel cell block, the working pressure of the supplied hydrogen is at a significantly lower level than the inlet pressure in the outlet area of the feed storage device or in the inlet area of the coupling path between the feed storage device and the energy converter device. The inlet pressure of the fuel and also the working pressure can be specified and the amount of fuel or hydrogen supplied to the fuel cell block can be regulated by the power consumption of a consumer connected to the fuel cell block, to which the electrical energy is made available. The pressure level of the hydrogen supplied to the fuel cell block is adjusted by a pressure reducer which is arranged in the coupling section and is connected downstream of the supply storage device. As a rule, the pressure of the oxidizer fed to the fuel cell block is approximately at the pressure level of the working pressure of the fuel and is slightly higher (also depending on the number of fuel cells).

Auch in der DE 20 2005 021 908 U1 ist eine Energieaufbereitungsvorrichtung gezeigt, bei der eine Energiewandlervorrichtung als Brennstoffzelleneinrichtung ausgebildet ist. Auch hierbei wird Brennstoff in Form von Wasserstoff aus einer Zuführspeichereinrichtung mit hohem Eingangsdruck über eine Koppelstrecke einem oder mehreren Brennstoffzellenblöcken (Brennstoffzellenstapeln) zugeführt, um darin bei niedrigerem Arbeitsdruck durch chemische Reaktion mit einem Oxidator (insbesondere Luftsauerstoff) elektrische Energie ausgangsseitig bereitzustellen, die von einem Verbraucher, insbesondere für einen Antrieb, nutzbar ist. Die Menge des dem Brennstoffzellenblock zugeführten Brennstoffs wird dabei ebenfalls durch die Leistungsaufnahme des (externen) Verbrauchers geregelt, wobei ähnliche Verhältnisse vorliegen, wie gemäß der vorstehend genannten DE 101 27 600 C2 . Der Wasserstoff ist dabei zum Beispiel in einem Metallhydridspeicher in gebundener Form gespeichert und kann durch Erhitzen ausgetrieben werden, wodurch im Ausgangsbereich der Zuführspeichereinrichtung und damit auch im Eingangsbereich der Koppelstrecke ein entsprechender Eingangsdruck entsteht.Also in the DE 20 2005 021 908 U1 an energy processing device is shown, in which an energy converter device is designed as a fuel cell device. Here, too, fuel in the form of hydrogen is fed from a supply storage device with a high input pressure via a coupling path to one or more fuel cell blocks (fuel cell stacks) in order to provide electrical energy on the output side at a lower working pressure through a chemical reaction with an oxidizer (in particular atmospheric oxygen), which is supplied by a consumer , In particular for a drive, can be used. The amount of fuel supplied to the fuel cell block is also regulated by the power consumption of the (external) consumer, the conditions being similar to those mentioned above DE 101 27 600 C2 . The hydrogen is stored in bound form in a metal hydride reservoir, for example, and can be expelled by heating, as a result of which a corresponding inlet pressure is produced in the outlet area of the supply storage device and thus also in the inlet area of the coupling path.

In der DE 20 2007 010 044 U1 sind verschiedene Ausgestaltungsvarianten von Energiewandlervorrichtungen mit Brennstoffzellen bzw. Brennstoffzellenstapeln mit geeigneten Brennstoffen und ihre Funktionsweise näher erläutert.In the DE 20 2007 010 044 U1 various configuration variants of energy converter devices with fuel cells or fuel cell stacks with suitable fuels and their mode of operation are explained in more detail.

Die DE 10 2012 018 877 A1 zeigt eine Vorrichtung zur Energie- (Rück-) Gewinnung in einem Brennstoffzellensystem, mit einem in eine Komponente des Brennstoffzellensystems integrierten Abluftkatalysator und mit einer in Strömungsrichtung nach dem Abluftkatalysator angeordneten Abgasturbine.the DE 10 2012 018 877 A1 shows a device for energy (recovery) recovery in a fuel cell system, with an exhaust air catalyst integrated into a component of the fuel cell system and with an exhaust gas turbine arranged downstream of the exhaust air catalyst.

In der DE 10 2018 112 443 A1 ist ein Antriebssystem mit Brennstoffzelle und Turbolader gezeigt, wobei der Turbinenrotor und der Verdichterrotor des Turboladers wellenlos direkt miteinander verbunden sind. Der Turbolader ist Bestandteil eines Antriebssystems, welches als Antriebsaggregat eine Brennstoffzelle, insbesondere eine Wasserstoff- Sauerstoff- Brennstoffzelle umfasst. Abgas der Brennstoffzelle, nämlich Wasserdampf, wird in der Turbine des Turboladers entspannt und in dem Verdichter des Turboladers wird Luft verdichtet, die dem Brennstoffzellenprozess zugeführt wird.In the DE 10 2018 112 443 A1 A fuel cell turbocharger propulsion system is shown, wherein the turbine rotor and the compressor rotor of the turbocharger are directly connected to each other without shafts. The turbocharger is part of a drive system which includes a fuel cell, in particular a hydrogen-oxygen fuel cell, as the drive unit. Exhaust gas from the fuel cell, namely water vapor, is expanded in the turbine of the turbocharger and air that is supplied to the fuel cell process is compressed in the compressor of the turbocharger.

Die AT 35 304 B zeigt einen Gasturbinenmotor, bei dem eine Gasturbine mit einem Luftkompressor vorhanden ist und an einem inneren Gehäuse, in das auch Druckluft geführt ist, eine Brennstoffdüse befestigt ist, durch welche Brennstoff in das Innere des inneren Gehäuses geleitet wird, und wobei zusätzlich eine Wasserstrahldüse vorgesehen ist, durch welche Wasserstrahlen in das Inneren des inneren Gehäuses geleitet werden. Die mit Wasserstoff betriebene Gasturbine weist eine Zündkerze zur Zündung des Wasserstoffgases auf und in einer Mischzone werden die Wasserstrahlen mithilfe des gezündeten Wasserstoffgases in Dampf umgewandelt, um die Verbrennungsenergie des gezündeten Wasserstoffgases und die durch Verdampfung der Wasserstrahlen erzeugte Dampfenergie in Kombination zum Erzielen mechanischer dynamischer Energie zu verwenden.the AT 35 304 B shows a gas turbine engine in which there is a gas turbine with an air compressor and a fuel nozzle is attached to an inner casing into which compressed air is also fed, through which fuel is fed into the interior of the inner casing, and a water jet nozzle is additionally provided , through which jets of water are directed into the interior of the inner casing. The hydrogen-powered gas turbine has a spark plug for igniting the hydrogen gas, and in a mixing zone, the water jets are converted into steam using the ignited hydrogen gas delt to use the combustion energy of the ignited hydrogen gas and the steam energy generated by evaporation of the water jets in combination to obtain mechanical dynamic energy.

Die DE 34 03 132 A1 zeigt einen Druckgasmotor in Konzeption eines Drehkolbenmotors, der mit einem von außen zugeführten Druckgas oder durch Treibstoffverbrennung angetrieben werden kann.the DE 34 03 132 A1 shows a compressed gas engine in the conception of a rotary piston engine, which can be driven by compressed gas supplied from the outside or by fuel combustion.

Die DE 103 23 534 A1 zeigt einen Druckgasmotor für Fahrzeuge, bei dem flüssige Luft in einer Druckkammer verdampft und durch eine Verbrennung des Brennstoffs erhitzt wird und das erhitzte Druckgas einen zweistufigen Drehschiebermotor treibt, also bei der Verbrennung freiwerdende Energie genutzt wird.the DE 103 23 534 A1 shows a compressed gas engine for vehicles in which liquid air evaporates in a pressure chamber and is heated by burning the fuel and the heated compressed gas drives a two-stage rotary valve engine, i.e. the energy released during combustion is used.

Auch in der DE 34 11 987 A1 ist angegeben, bei einer Verbrennungskraftmaschine, einem Druckgasmotor oder Kompressor in Form eines Kolbenmotors Kolben mit einem Verbrennungsdruck zu beaufschlagen.Also in the DE 34 11 987 A1 is specified to apply a combustion pressure to pistons in an internal combustion engine, a compressed gas engine or a compressor in the form of a piston engine.

Die DE 10 2012 010 909 A1 zeigt eine Maschine zur thermomechanischen Energieumwandlung durch Druck-, Temperatur- und Querschnittsdifferenzen, wobei eine thermomechanische Energieumwandlung durch zwei geschlossene Kreisprozesse erfolgt, in denen jeweils ein anderes Kältemittel zum Einsatz kommt.the DE 10 2012 010 909 A1 shows a machine for thermomechanical energy conversion through pressure, temperature and cross-section differences, with thermomechanical energy conversion taking place through two closed cycle processes in which a different refrigerant is used in each case.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Energieaufbreitungsvorrichtung der eingangs genannten Art bereitzustellen, mit dem eine erhöhte, nutzbare Energieausbeute, insbesondere der Energiewandlervorrichtung, erreicht wird, und ein entsprechendes Verfahren sowie geeignete Anwendungen zur Verfügung zu stellen.The object of the present invention is to provide an energy processing device of the type mentioned at the outset, with which an increased, usable energy yield, in particular of the energy converter device, is achieved, and to provide a corresponding method and suitable applications.

Diese Aufgabe wird bei der Energieaufbereitungsvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1, bei einem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 17 und bei Anwendungen mit den Merkmalen des Anspruchs 18 gelöst.This object is achieved in the energy processing device with the features of claim 1, in a method with the features of claim 17 and in applications with the features of claim 18.

Hierbei ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass in der Koppelstrecke eine (zumindest teilweise) durch das Druckgefälle des Energieträgermediums zwischen dem Eingangsdruck und dem Arbeitsdruck betriebene Verdichtungsvorrichtung für den der Energiewandlervorrichtung zugeführten Oxidator angeordnet ist.It is provided according to the invention that a (at least partially) operated by the pressure gradient of the energy carrier medium between the inlet pressure and the working pressure compression device for the oxidizer supplied to the energy converter device is arranged in the coupling path.

Bei diesem Aufbau bzw. dieser Vorgehensweise wird die in Folge des Druckunterschieds des Energieträgermediums zwischen Eingangsdruck am Ausgang der Zuführspeichereinrichtung bzw. Eingang der Koppelstrecke und an deren Ausgang und damit eingangsseitig der Energiewandlervorrichtung vorliegende Druckdifferenz des Energieträgermediums, d. h. die damit gegebene potentielle Energie, gezielt als mechanische, z. B. rotatorische, Energie zum Betreiben der Verdichtungsvorrichtung für den Oxidator und darüber zur Nutzbarmachung für den Verbraucher über die Energiewandlervorrichtung verwertet. Dabei ist auch zum Beispiel eine geregelte Verwertung unter Abstimmung auf vorliegende Druckverhältnisse und/oder vom Verbraucher genutzte, von der Energiewandlervorrichtung zur Verfügung gestellte Energie möglich. Auch kann überschüssige Energie aus dem Druckgefälle darüber hinaus zusätzlich verwertet werden. Im Unterschied zu der bisher üblichen Druckanpassung mittels Druckminderer wird mit den erfindungsgemäßen Maßnahmen eine deutlich höhere Effizienz des Gesamtsystems der Energieaufbereitungsvorrichtung erreicht.With this construction or this procedure, the pressure difference of the energy carrier medium, i. H. the potential energy thus given, specifically as mechanical, e.g. B. rotational, energy to operate the compression device for the oxidizer and exploited to make it available to the consumer on the energy converter device. In this case, for example, regulated utilization is also possible, coordinated with existing pressure conditions and/or energy used by the consumer and made available by the energy converter device. Excess energy from the pressure drop can also be additionally utilized. In contrast to the previously customary pressure adjustment by means of a pressure reducer, a significantly higher efficiency of the overall system of the energy processing device is achieved with the measures according to the invention.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Energieaufbereitungsvorrichtung hinsichtlich Aufbau, Funktion und Anwendung ergeben sich dadurch, dass die Energiewandlervorrichtung eine Brennstoffzelleneinrichtung und/oder eine Verbrennungskraftmaschine aufweist.Advantageous configurations of the energy processing device with regard to structure, function and use result from the fact that the energy converter device has a fuel cell device and/or an internal combustion engine.

Eine für die praktische Nutzung, insbesondere auch im Zusammenhang mit einem mit Energie zu versorgenden Antriebssystem, vorteilhafte Ausbildung sieht vor, dass das Energieträgermedium ein gasförmiges Fluid, insbesondere Wasserstoff oder Erdgas, aufweist oder in einem solchen besteht.A configuration that is advantageous for practical use, in particular also in connection with a drive system to be supplied with energy, provides that the energy carrier medium has or consists of a gaseous fluid, in particular hydrogen or natural gas.

Verschiedene vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich ferner dadurch, dass die Verdichtungsvorrichtung einen translatorisch oder rotatorisch angetriebenen und/oder translatorisch oder rotatorisch arbeitenden Kompressionsmechanismus aufweist. Im Zusammenhang damit sind verschiedene Antriebsmechanismen für die Verdichtungsvorrichtung, wie zum Beispiel Rotationskolben, Membranpumpe oder Kolben-/Zylindereinheit einsetzbar.Various advantageous configurations also result from the fact that the compression device has a compression mechanism that is driven in a translatory or rotary manner and/or works in a translatory or rotary manner. In connection with this, various drive mechanisms can be used for the compression device, such as rotary pistons, diaphragm pumps or piston/cylinder units.

Ist vorgesehen, dass in der Koppelstrecke mindestens eine von dem Druckgefälle zwischen Eingangsdruck und Arbeitsdruck angetriebene Expansionsvorrichtung angeordnet ist, die mit der Verdichtungsvorrichtung zu deren Antrieb in Wirkverbindung gebracht oder bringbar ist, so kann z. B. ein kompaktes System aus Turbinenrotor und Verdichterrotor aufgebaut und mit vorteilhafter Energieverwertung und Antriebsfunktion realisiert werden.If it is provided that at least one expansion device driven by the pressure drop between the inlet pressure and the working pressure is arranged in the coupling section, which expansion device is brought or can be brought into operative connection with the compression device to drive it, e.g. B. a compact system of turbine rotor and compressor rotor can be constructed and implemented with advantageous energy utilization and drive function.

Eine vorteilhafte Nutzung der Druckdifferenz bei unterschiedlichen Leistungsanforderungen an die Energiewandlervorrichtung von der Verbraucherseite (z. B. Fahrzeugantrieb) und/oder über die Koppelstrecke eingebundenen Komponenten wird dadurch erreicht, dass die Turbinenanordnung mindestens eine für höhere Massenströme ausgelegte Volllastturbine und mindestens eine dieser gegenüber für niedrigere Massenströme ausgelegte Teillastturbine umfasst. Beispielsweise kann durch diesen Aufbau, nach Art einer Turboladervorrichtung, ein Betriebsbereich durch Verschieben der Belastungsgrenzen, insbesondere der Pump- und Stopfgrenze, z. B. gegenüber einer Ausführung mit Einzelturbine, vorteilhaft erweitert werden, insbesondere kann ein breiteres Fenster der Parameter Druckverhältnis und Volumenstrom ermöglicht werden, und es kann so ein breiter Leistungsbereich des/der Verbraucher angesprochen werden. Bei einem Brennstoffzellenfahrzeug ist dies besonders vorteilhaft, da z. B. während der Beschleunigungsphasen bzw. durch einen transienten Betriebsmodus ein weiter Bereich an Wasserstoff-Gasverbräuchen abzudecken ist und gleichzeitig proportional dazu ein entsprechend weiter Bereich an komprimierten Zuluft-Massenströmen bereitgestellt werden muss. Andererseits sind die Phasen mit konstanter Geschwindigkeit und somit geringerem Massenstrom häufiger zu erwarten. Die Pumpgrenze begrenzt ein Verdichterkennfeld eines Turboladers (Druckverhältnis am Ausgang und Eingang des Verdichters über dem Massenstrom) am linken Rand, während die Stopfgrenze das Verdichterkennfeld durch den maximalen Volumenstrom (bei Schallgeschwindigkeit des Volumenstroms an der engsten Stelle), also am rechten Rand, begrenzt (vgl. 5).An advantageous use of the pressure difference in the case of different power requirements for the energy converter device from the consumer side (eg vehicle drive) and/or components integrated via the coupling path achieved in that the turbine arrangement comprises at least one full-load turbine designed for higher mass flows and at least one partial-load turbine designed for lower mass flows. For example, with this structure, in the manner of a turbocharger device, an operating range by shifting the load limits, in particular the surge and choke limit, z. B. compared to an embodiment with a single turbine, can be expanded advantageously, in particular, a wider window of the parameters pressure ratio and volume flow can be made possible, and it can thus address a wide power range of the / consumers. In a fuel cell vehicle, this is particularly advantageous because z. B. during the acceleration phases or by a transient operating mode, a wide range of hydrogen gas consumption must be covered and at the same time a correspondingly wide range of compressed supply air mass flows must be provided proportionally to this. On the other hand, the phases with constant speed and thus lower mass flow are to be expected more frequently. The surge limit limits a compressor map of a turbocharger (pressure ratio at the outlet and inlet of the compressor over the mass flow) on the left edge, while the choke limit limits the compressor map by the maximum volume flow (at the speed of sound of the volume flow at the narrowest point), i.e. on the right edge ( see. 5 ).

Vorteilhafte alternative Ausgestaltungen bestehen dabei darin, dass die mindestens eine Volllastturbine und die mindestens eine Teillastturbine auf einem gemeinsamen Wellenstrang in Reihe angeordnet sind oder dass die mindestens eine Volllastturbine und die mindestens eine Teillastturbine auf zwei Wellensträngen, einem ersten Wellenstrang und einem dazu (wirkungsmäßig) parallelen zweiten Wellenstrang, angeordnet sind. Ein gemeinsamer Wellenstrang kann dabei z. B. aus einer einstückigen Welle oder (z. B. über einen Getriebe- und oder Kupplungsmechanismus) gekoppelten Wellenabschnitten bestehen.Advantageous alternative configurations consist in the at least one full-load turbine and the at least one part-load turbine being arranged in series on a common shaft train, or in that the at least one full-load turbine and the at least one part-load turbine on two shaft trains, a first shaft train and a (functionally) parallel one second shafting, are arranged. A common shafting can z. B. consist of a one-piece shaft or (z. B. via a gear and or clutch mechanism) coupled shaft sections.

Vorteilhafte Steuerungs- oder Regelungsmöglichkeiten der Voll- und Teillastturbine(n) unter verschiedenen Einsatzbedingungen ergeben sich dadurch, dass bei Anordnung der mindestens einen Vollastturbine und der mindestens einen Teillastturbine auf einem gemeinsamen Wellenstrang zumindest zwischen einer Vollastturbine und einer Teillastturbine eine Kupplung angeordnet ist, mittels deren die Vollastturbine zuschaltbar ist, insbesondere wenn eine Leistungsgrenze der Teillastturbine erreicht ist. Die Kupplung benötigt zwar eine zusätzliche Ansteuerung, ist allerdings z. B. beim Anfahren zweckmäßig, da im Anfahrverhalten die Teillastturbine angesprochen wird und diese ohne Kupplung durch die Massenträgheit der Volllastturbine belastet wäre.Advantageous control or regulation options for the full-load and part-load turbine(s) under different operating conditions result from the fact that when the at least one full-load turbine and the at least one part-load turbine are arranged on a common shaft train, a clutch is arranged at least between a full-load turbine and a part-load turbine, by means of which the full-load turbine can be switched on, in particular when a performance limit of the part-load turbine has been reached. The clutch requires an additional control, but z. B. expedient when starting, since the part-load turbine is addressed in the starting behavior and this would be loaded without the clutch by the inertia of the full-load turbine.

Vorteilhafte betriebliche Anpassungsmöglichkeiten ergeben sich auch dadurch, dass bei zwei Wellensträngen jedem Wellenstrang ein Luftverdichter zugeordnet ist.Advantageous operational adjustment options also result from the fact that, with two shaft trains, each shaft train is assigned an air compressor.

Eine für die Steuerung- und/oder Regelung vorteilhafte weitere Ausgestaltung wird dadurch erhalten, dass die mindestens eine Volllastturbine und die mindestens eine Teillastturbine einzeln über in der Koppelstrecke angeordnete Ventile einer Ventilanordnung zuschaltbar sind.A further refinement that is advantageous for control and/or regulation is obtained in that the at least one full-load turbine and the at least one part-load turbine can be switched on individually via valves of a valve arrangement arranged in the coupling section.

Erweiterte Betriebsmöglichkeiten werden dadurch erhalten, dass der Koppelstrecke eine Bypassstrecke mit einer Fluidleitungsanordnung und einer Bypassventilanordnung zugeordnet ist, wobei mittels der Bypassstrecke ein Massenstrom des Energieträgermediums über eine Leistungsgrenze des Systems aus Expansionsvorrichtung und Verdichtungsvorrichtung hinaus ermöglicht ist und/oder eine Entkopplung zwischen Energieträgermediumseite und Oxidatorseite ermöglicht ist.Extended operating options are obtained in that the coupling section is assigned a bypass section with a fluid line arrangement and a bypass valve arrangement, with the bypass section enabling a mass flow of the energy carrier medium beyond a performance limit of the system made up of expansion device and compression device and/or enabling decoupling between the energy carrier medium side and the oxidizer side is.

Hierbei bestehen für den Aufbau und die Funktion der Energieaufbereitungsvorrichtung weitere vorteilhafte Ausgestaltungen darin, dass die Ventilanordnung ein im Eingangsbereich der Koppelstrecke angeordnetes Zuleitungsventil für das Energieträgermedium, ein in der Bypassstrecke angeordnetes Bypassventil und ein stromauf der Volllastturbine vorgeschaltetes Abschottventil aufweist und dass das Energieträgermedium durch die Teillastturbine bei offenem Bypassventil und geschlossenem Zuleitungsventil im Kreis förderbar und die Volllastturbine bei offener Kupplung und geschlossenem Abschottventil entkoppelt ist.There are further advantageous configurations for the structure and function of the energy processing device in that the valve arrangement has a supply valve for the energy carrier medium arranged in the input area of the coupling section, a bypass valve arranged in the bypass section and a shutoff valve upstream of the full-load turbine and that the energy carrier medium flows through the part-load turbine can be conveyed in the circuit when the bypass valve is open and the feed line valve is closed, and the full-load turbine is decoupled when the clutch is open and the shut-off valve is closed.

Für den Betrieb der Energieaufbereitungsvorrichtung trägt vorteilhaft bei, dass bei Ausbildung der Energiewandlervorrichtung als Brennstoffzelleneinrichtung in einem Trocknungsmodus eine Trocknung derselben bei ihrem Abschalten bzw. in ihrem abgeschalteten Zustand durchführbar ist.The fact that, when the energy converter device is designed as a fuel cell device in a drying mode, it can be dried when it is switched off or in its switched-off state is advantageous for the operation of the energy processing device.

Für die Energieverwertung aus dem über die Koppelstrecke vorliegenden Druckgefälle ist des Weiteren vorteilhaft vorgesehen, dass auf mindestens einem Wellenstrang eine elektrische Maschine angeordnet ist. Mit der elektrischen Maschine (Motor oder Generator bzw. Motor- oder Generatorbetrieb) lässt sich beispielsweise ergänzende Energie für die Verdichtungsvorrichtung bedarfsweise zuführen bzw. anfallende Energie für weitere Aggregate (z. B. Gebläse, Kühl- oder Heizvorrichtung) zusätzlich verwerten. Für die Energieeffizienz des Gesamtsystems ist des Weiteren vorteilhaft vorgesehen, dass auf mindestens einem Wellenstrang eine einer Abgasführung zugeordnete Abgas-Expansionsmaschine, insbesondere mindestens eine Abgasturbine, zur zusätzlichen Energiegewinnung angeordnet ist.For the energy utilization from the pressure drop present across the coupling section, it is also advantageously provided that an electric machine is arranged on at least one shaft assembly. With the electric machine (motor or generator or motor or generator operation), for example, additional energy for the compression device can be supplied as required or energy can be additionally utilized for other units (e.g. fan, cooling or heating device). For the energy efficiency of the overall system is also advantageously provided that on at least one shafting a one Exhaust routing associated exhaust gas expansion machine, in particular at least one exhaust gas turbine, is arranged for additional energy generation.

Eine vorteilhafte Nutzung der Energie ergibt sich durch Verwendung der Energieaufbereitungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 16 oder Anwendung des Verfahrens nach Anspruch 17 für eine Antriebsvorrichtung im Bereich des Verkehrs, insbesondere für straßen- oder schienengebundene Fahrzeuge, für Flugzeuge oder für Schiffe.Advantageous use of the energy results from using the energy processing device according to one of claims 1 to 16 or using the method according to claim 17 for a drive device in the field of traffic, in particular for road or rail-bound vehicles, for airplanes or for ships.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

1 Ein erstes Ausführungsbeispiel einer Energieaufbereitungsvorrichtung mit einer über einer Koppelstrecke mit einer Zuführspeichereinrichtung gekoppelten Energiewandlervorrichtung, wobei in die Koppelstrecke eine Expansionsvorrichtung und eine mit ihrer Antriebsseite an diese angeschlossene Verdichtungsvorrichtung eingebunden sind, in schematischer Darstellung,
2 ein weiteres Ausführungsbeispiel für eine Energieaufbereitungsvorrichtung mit einer über eine Koppelstrecke an eine Zuführspeichereinrichtung gekoppelten Energiewandlervorrichtung nach 1, wobei zusätzlich antriebsseitig an die Verdichtungsvorrichtung eine die Abgasenergie der Energiewandlervorrichtung aufnehmende Abgas-Expansionsmaschine angeschlossen ist, in schematischer Darstellung,
3 eine nähere Darstellung einer Energieaufbereitungsvorrichtung mit einer Zuführspeichereinrichtung und einer daran über eine Koppelstrecke angeschlossenen Energiewandlervorrichtung mit modifizierter Expansionsvorrichtung und weiteren Komponenten,
4 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Energieaufbereitungsvorrichtung in näherer Darstellung mit einer Zuführspeichereinrichtung und einer daran über eine Koppelstrecke angeschlossenen Energiewandlervorrichtung mit einer weiter modifizierten Expansionsvorrichtung und weiteren Komponenten und
5 ein (an sich bekanntes) Verdichterkennfeld zur Erläuterung einer Pump- und Stopfgrenze einer Turboladervorrichtung.

The invention is explained in more detail below using exemplary embodiments with reference to the drawings. Show it:

1 A first exemplary embodiment of an energy processing device with an energy converter device coupled to a feed storage device via a coupling path, wherein an expansion device and a compression device connected to it with its drive side are integrated in the coupling path, in a schematic representation,
2 a further exemplary embodiment of an energy processing device with an energy converter device coupled to a feed storage device via a coupling path 1 , wherein an exhaust gas expansion machine absorbing the exhaust gas energy of the energy converter device is additionally connected to the compression device on the drive side, in a schematic representation,
3 a more detailed representation of an energy processing device with a supply storage device and an energy converter device connected to it via a coupling path with a modified expansion device and other components,
4 a further exemplary embodiment of an energy processing device in more detail with a supply storage device and an energy converter device connected to it via a coupling path with a further modified expansion device and further components and
5 a compressor map (known per se) to explain a surge and choke limit of a turbocharger device.

Bei dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel einer Energieaufbereitungsvorrichtung 1 ist eine Energiewandlervorrichtung 3, ausgebildet als Brennstoffzelleneinrichtung 30, über eine Koppelstrecke 4 mit einer Zuführspeichereinrichtung 2 für ein der Energiewandlervorrichtung 3 zuzuführendes Energieträgermedium, vorliegend Wasserstoff, verbunden. Das Energieträgermedium liegt in einem Ausgangsabschnitt der Zuführspeichereinrichtung 2 bzw. an einem Eingangsabschnitt der Koppelstrecke 4 als gasförmiges Fluid unter einem relativ hohen Eingangsdruck vor und wird am Ausgang der Koppelstrecke 4 der Energiewandlervorrichtung 3 unter einem relativ zum Eingangsdruck deutlich niedrigeren Arbeitsdruck zugeführt, um eine chemische Reaktion mit einem der Energiewandlervorrichtung 3 ebenfalls zugeführten Oxidator, insbesondere Sauerstoff bzw. Luft, zu erzeugen. Beispielsweise beträgt der Eingangsdruck einer Energieaufbereitungsvorrichtung 1 mit Wasserstoff als Energieträgermedium bis zu ca. 700 bar und der Arbeitsdruck der als Brennstoffzellenstapel ausgebildeten Energiewandlervorrichtung 3 (u.a. abhängig von der Anzahl der Brennstoffzellen in einem Brennstoffzellenstapel) zwischen ca. 1 bis 3 bar, wodurch sich über der Koppelstrecke 4 ein entsprechend hohes Druckgefälle (Druckdifferenz zwischen Eingangsdruck und Arbeitsdruck) ergibt.At the in 1 The exemplary embodiment of an energy processing device 1 shown is an energy converter device 3, embodied as a fuel cell device 30, connected via a coupling path 4 to a supply storage device 2 for an energy carrier medium to be supplied to the energy converter device 3, in this case hydrogen. The energy carrier medium is present in an outlet section of the feed storage device 2 or at an inlet section of the coupling section 4 as a gaseous fluid under a relatively high inlet pressure and is supplied to the energy converter device 3 at the outlet of the coupling section 4 under a working pressure that is significantly lower than the inlet pressure in order to initiate a chemical reaction with an oxidizer, in particular oxygen or air, which is also supplied to the energy converter device 3 . For example, the inlet pressure of an energy processing device 1 with hydrogen as the energy carrier medium is up to approx. 700 bar and the working pressure of the energy converter device 3 designed as a fuel cell stack is between approx Coupling section 4 results in a correspondingly high pressure drop (pressure difference between inlet pressure and working pressure).

Das Energieträgermedium wird z. B. in einem Hochdruckspeicher bzw. Hochdrucktank, vorliegend also Wasserstoff-Hochdrucktank, vorgehalten. Alternativ sind auch andere Speichervorrichtungen möglich, z. B. (wie in dem eingangs genannten Stand der Technik erwähnt) in einem Metallhydridspeicher oder in einem Kryotank. In diesen Fällen wird der so bevorratete Wasserstoff in der Zuführspeichereinrichtung 2 in die Gasphase mit entsprechend hohem Eingangsdruck zur Einleitung in die Koppelstrecke 4 übergeführt. Zur definierten Druckanpassung kann am Ausgang der Zuführspeichereinrichtung 2 oder im Eingangsabschnitt der Koppelstrecke 4 ein Vordruck-Druckminderer 11 und/oder im Ausgangsabschnitt der Koppelstrecke 4 oder Eingangsbereich der Energiewandlervorrichtung 3 ein Hinterdruck-Druckminderer 12 angeordnet sein. Im Gegensatz zu bekannten Ausführungen wird bei vorliegender Energieaufbereitungsvorrichtung 1 der Eingangsdruck von beispielsweise bis zu 700 bar jedoch nicht durch Druckminderer auf das erforderliche Druckniveau für die chemische Reaktion in der Energiewandlervorrichtung 3, vorliegend also des Brennstoffzellenstapels, gebracht, sondern die Druckminderer werden allenfalls zu einer Feinjustierung bzw. genauen Einregelung des Druckniveaus verwendet.The energy medium is z. B. in a high-pressure accumulator or high-pressure tank, in this case a high-pressure hydrogen tank. Alternatively, other storage devices are also possible, e.g. B. (as mentioned in the prior art mentioned) in a metal hydride storage or in a cryotank. In these cases, the hydrogen stored in this way in the supply storage device 2 is converted into the gas phase with a correspondingly high inlet pressure for introduction into the coupling section 4 . For defined pressure adjustment, an upstream pressure reducer 11 can be arranged at the outlet of the feed storage device 2 or in the inlet section of the coupling section 4 and/or an outlet pressure pressure reducer 12 in the outlet section of the coupling section 4 or inlet area of the energy converter device 3 . In contrast to known designs, however, in the present energy processing device 1 the input pressure of up to 700 bar, for example, is not brought to the required pressure level for the chemical reaction in the energy converter device 3, i.e. the fuel cell stack in the present case, by means of a pressure reducer, but the pressure reducers are used at best for fine adjustment or precise regulation of the pressure level.

Bei vorliegender Energieaufbereitungsvorrichtung 1 wird das Druckgefälle des Energieträgermediums zwischen Eingangsdruck und Arbeitsdruck bzw. die in dem komprimierten Gas enthaltene potenzielle Energie weitgehend oder vollständig in der Koppelstrecke 4 zur Erhöhung der Effizienz der Energieaufbereitungsvorrichtung 1, insbesondere der Energiewandlervorrichtung 3, umgesetzt. Hierzu ist in der Koppelstrecke 4, die auch erforderliche Leitungsmittel für die Zuführung des Energieträgermediums von der Zuführspeichereinrichtung 2 zu der Energiewandlervorrichtung 3 und eine gegebenenfalls erforderliche Ventilanordnung 7 (vgl. 3 und 4) umfasst, eine mittels der durch das Druckgefälle gegebenen Energie (vollständig oder zusätzlich) angetriebene Verdichtungsvorrichtung 42 für den Oxidator, insbesondere Sauerstoff bzw. diesen enthaltende Luft, angeordnet.In the present energy processing device 1, the pressure gradient of the energy carrier medium between the input pressure and working pressure or the potential energy contained in the compressed gas is largely or completely converted in the coupling section 4 to increase the efficiency of the energy processing device 1, in particular the energy converter device 3. For this purpose, in the coupling section 4, which also requires line means for the supply of the energy carrier medium from the feed storage device 2 to the Energy converter device 3 and a valve arrangement 7 that may be required (cf. 3 and 4 ) comprises a compression device 42 for the oxidizer, in particular oxygen or air containing it, which is driven (entirely or additionally) by means of the energy provided by the pressure drop.

Die Verdichtungsvorrichtung 42 kann dabei unterschiedlich, z. B. als translatorisch oder rotatorisch angetriebene Kompressionsmaschine beispielsweise mit Kolben-/ Zylindereinheit, Rotationskolben oder Membranpumpe, ausgebildet sein. Als Antrieb der Verdichtungsvorrichtung 42 kann ebenfalls ein translatorisch oder rotatorisch arbeitender Mechanismus, vorzugsweise in Ausbildung als Expansionsvorrichtung 40 mit Expansionsmaschine, insbesondere als Turbinenanordnung mit mindestens einer Turbine, eingesetzt sein, wobei für den Antrieb die aus dem Druckgefälle gewonnene Arbeitsenergie genutzt wird.The compression device 42 can be different, z. B. as a translationally or rotationally driven compression machine, for example, with a piston / cylinder unit, rotary piston or diaphragm pump. A translatory or rotary mechanism can also be used to drive the compression device 42, preferably in the form of an expansion device 40 with an expansion machine, in particular as a turbine arrangement with at least one turbine, the working energy obtained from the pressure drop being used for the drive.

Mittels der Verdichtungsvorrichtung 42 bzw. des von dieser der Energiewandlervorrichtung 3 komprimiert zugeführten Oxidators kann der Wirkungsgrad der Energiewandlervorrichtung 3, beispielsweise in Form der Brennstoffzelleneinrichtung 30, und damit die Effizienz des Gesamtsystems der Energieaufbereitungsvorrichtung 1 wesentlich erhöht werden.The efficiency of the energy converter device 3, for example in the form of the fuel cell device 30, and thus the efficiency of the overall system of the energy processing device 1 can be significantly increased by means of the compression device 42 or the oxidizer fed compressed by it to the energy converter device 3.

Die Verdichtungsvorrichtung 42 ist z. B. über einen Wellenstrang 41 mit der Expansionsvorrichtung 40 mechanisch gekoppelt, wobei die von der Expansionsmaschine abgegebene Energie, insbesondere durch die aus dem Druckgefälle bzw. der Druckenergie gewonnene Rotationsenergie, auf den Wellenstrang 41 zum Antrieb der Verdichtungsvorrichtung 42 übertragen wird. Der Wellenstrang 41 zwischen der Expansionsvorrichtung 40 und der Verdichtungsvorrichtung 42 kann dabei als einstückige Welle ausgebildet oder mit einem mechanischen Getriebe oder einem Kupplungsmechanismus versehen sein. Da das Verhältnis des Oxidator- bzw. Luftbedarfs und des Bedarfs an Energieträgermedium, wie Wasserstoffbedarf des Brennstoffzellenstapels, durch die chemische Reaktion vorgegeben und konstant ist, kann ein konstantes Übersetzungsverhältnis bzw. eine konstante Getriebeübersetzung zwischen der Expansionsvorrichtung 40 und der Verdichtungsvorrichtung 42 realisiert werden. Wird eine elektrisch betriebene Verdichtungsvorrichtung 42 verwendet, wird die potentielle Energie des komprimierten Energieträgermediums zusätzlich zum Betrieb der Verdichtungsvorrichtung 42 genutzt.The compression device 42 is z. B. mechanically coupled via a shaft assembly 41 with the expansion device 40, wherein the energy emitted by the expansion machine, in particular through the rotational energy obtained from the pressure drop or the pressure energy, is transmitted to the shaft assembly 41 to drive the compression device 42. The shaft assembly 41 between the expansion device 40 and the compression device 42 can be designed as a one-piece shaft or can be provided with a mechanical transmission or a clutch mechanism. Since the ratio of the oxidizer or air requirement and the requirement for energy carrier medium, such as hydrogen requirement of the fuel cell stack, is predetermined and constant by the chemical reaction, a constant gear ratio or a constant gear ratio between the expansion device 40 and the compression device 42 can be implemented. If an electrically operated compression device 42 is used, the potential energy of the compressed energy carrier medium is also used to operate the compression device 42 .

Alternativ zu der Ausgestaltung der Energieaufbereitungsvorrichtung 1 mit der Brennstoffzelleneinrichtung 30, kann als Energiewandlervorrichtung 3 z. B. ein mit Erdgas als Energieträgermedium betriebener Verbrennungsmotor verwendet werden, wobei in der Zuführspeichereinrichtung 2 das Erdgas vorgehalten und an deren Ausgangsbereich bzw. im Eingangsbereich der Koppelstrecke 4 unter entsprechend hohem Eingangsdruck zugeführt wird, um in dem Verbrennungsmotor bei niedrigerem Arbeitsdruck durch eine chemische Verbrennungsreaktion mit dem komprimierten Oxidator umgewandelte Energie einem angeschlossenen Verbraucher zur Verfügung zu stellen. Eine solche alternative Ausgestaltungsmöglichkeit kommt auch für die weiteren Ausführungsbeispiele in Betracht.As an alternative to the embodiment of the energy processing device 1 with the fuel cell device 30, as an energy converter device 3 z. B. an internal combustion engine operated with natural gas as an energy carrier medium can be used, with the natural gas being kept available in the supply storage device 2 and fed to its output area or in the input area of the coupling section 4 under a correspondingly high inlet pressure in order to be able to react in the internal combustion engine at a lower working pressure by means of a chemical combustion reaction the compressed oxidizer to make converted energy available to a connected consumer. Such an alternative design option can also be considered for the other exemplary embodiments.

Bei dem Ausführungsbeispiel nach 2 weist die Energieaufbereitungsvorrichtung 1 im Unterschied zur Ausführung nach 1 eine zweite Expansionsmaschine, insbesondere in Ausbildung einer Abgasturbine 430, auf, die zusätzlich die Energie des Abgases der Energiewandlervorrichtung 3 zurückgewinnt, um auch diese zur Kompression des Oxidators mittels der Verdichtungsvorrichtung 42 zu verwenden. Die Kopplung mit der Verdichtungsvorrichtung 42 erfolgt dabei beispielsweise über den gleichen oder über einen zusätzlichen Wellenstrang, der mit dem Wellenstrang 41 vorzugsweise mechanisch gekoppelt ist. Bei der Ausführung der Energieaufbereitungsvorrichtung 1 z. B. mit einem Brennstoffzellenstapel wird damit auch die Energie des austretenden Wasserdampf-Luftgemischs zurückgewonnen und zur Kompression verwendet. Hierbei wird zusätzlich zu der potenziellen Energie des Energieträgermediums bzw. Wasserstoffs auch die Energie des Produktwasser-/LuftGemisches in mechanische Energie umgewandelt und zum Antrieb der Verdichtungsvorrichtung 42 bzw. der Kompressionsmaschine verwendet. Dies trägt zur weiteren Erhöhung des Wirkungsgrades der Energiewandlervorrichtung 3 bei.In the embodiment according to 2 shows the energy processing device 1 in contrast to the embodiment 1 a second expansion machine, in particular in the form of an exhaust gas turbine 430, which additionally recovers the energy of the exhaust gas from the energy converter device 3 in order to also use this for compressing the oxidizer by means of the compression device 42. The coupling to the compression device 42 takes place, for example, via the same shafting or via an additional shafting, which is preferably mechanically coupled to the shafting 41 . In the execution of the energy processing device 1 z. B. with a fuel cell stack so that the energy of the exiting water vapor-air mixture is recovered and used for compression. Here, in addition to the potential energy of the energy carrier medium or hydrogen, the energy of the product water/air mixture is also converted into mechanical energy and used to drive the compression device 42 or the compression machine. This contributes to further increasing the efficiency of the energy converter device 3 .

Bei der in 3 gezeigten weiteren Ausführungsvariante der Energieaufbereitungsvorrichtung 1 ist in der Koppelstrecke 4 zwischen der Zuführspeichereinrichtung 2 und der Energiewandlervorrichtung 3 eine Expansionsvorrichtung 40 mit einer Turbinenanordnung aus einer Volllastturbine 401 und einer Teillastturbine 402 angeordnet, die auf einem gemeinsamen Wellenstrang 41 liegen. Dabei ist bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel vorteilhaft (aber nicht notwendigerweise) eine mechanische Kupplung 44 angeordnet, die zusätzliche Steuerungs- oder Regelungsmöglichkeiten bietet. Auf dem Wellenstrang 41 ist dabei auch die Verdichtungsvorrichtung 42 für den Oxidator (insbesondere aus Umgebungsluft) angeordnet. Ferner kann auf den Wellenstrang 41, insbesondere zwischen der Teillastturbine 402 und der Verdichtungsvorrichtung 42, eine elektrische Maschine 6 angeordnet sein, die als Motor oder Generator ausgebildet ist oder wahlweise als Motor oder Generator betrieben werden kann.At the in 3 An expansion device 40 with a turbine arrangement consisting of a full-load turbine 401 and a part-load turbine 402 is arranged in the coupling section 4 between the supply storage device 2 and the energy converter device 3. In the exemplary embodiment shown, a mechanical clutch 44 is advantageously (but not necessarily) arranged, which offers additional control or regulation options. The compression device 42 for the oxidizer (in particular from ambient air) is also arranged on the shaft assembly 41 . Furthermore, an electrical machine 6 can be arranged on the shaft train 41, in particular between the part-load turbine 402 and the compression device 42, which is designed as a motor or generator or can be optionally operated as a motor or generator.

Zudem sind nach 3 in den Leitungsmitteln der Koppelstrecke 4 verschiedene Ventile einer Ventilanordnung 7 angeordnet, über die verschiedene Zuführungswege für das Energieträgermedium von der Zuführspeichereinrichtung 2 zu der Energiewandlervorrichtung 3, also z. B. von einem Wasserstoffdruckspeicher zu einer Brennstoffzelleneinrichtung 30, oder auch eine Kreisführung innerhalb der Koppelstrecke 4 mittels entsprechender Ansteuerung der einzelnen Ventile hergestellt werden können. Ferner ist auch bei diesem Ausführungsbeispiel am Ausgang der Energiewandlervorrichtung 3 eine Abgasexpansionsmaschine 43, insbesondere in Ausbildung als Abgasturbine 430, zur Nutzung der Energie des Abgases der Energiewandlervorrichtung 3 angeordnet.In addition, after 3 arranged in the line means of the coupling section 4 different valves of a valve assembly 7, via the different supply paths for the energy carrier medium from the supply storage device 2 to the energy converter device 3, ie z. B. from a hydrogen accumulator to a fuel cell device 30, or a circuit within the coupling section 4 can be produced by means of appropriate control of the individual valves. Furthermore, in this exemplary embodiment as well, an exhaust gas expansion machine 43 , in particular in the form of an exhaust gas turbine 430 , is arranged at the output of the energy converter device 3 in order to use the energy in the exhaust gas of the energy converter device 3 .

Die Ventilanordnung 7 umfasst in einem Leitungsabschnitt zwischen dem Ausgang der Zuführspeichereinrichtung 2 und der Expansionsvorrichtung 40 in Strömungsrichtung des Energieträgermediums zunächst ein Energieträgermedium-Zuleitungsventil 70 und weiterhin zwei an einer diesem nachfolgenden Abzweigstelle über dort angeschlossene Leitungsabschnitte eingebundene Ventile, nämlich das in der dort angeschlossenen Bypassleitung liegende Energieträgermedium-Bypassventil 73 und ein in einer an die Volllastturbine 401 angeschlossenen Zweigleitung liegendes Abschottventil 71 für die Volllastturbine 401. Zudem führt von der genannten Abzweigstelle ein Leitungsabschnitt zum Eingang der Teillastturbine 402.In a line section between the outlet of the supply storage device 2 and the expansion device 40 in the direction of flow of the energy carrier medium, the valve arrangement 7 firstly comprises an energy carrier medium feed valve 70 and then two valves connected at a branch point downstream of this via line sections connected there, namely the valve located in the bypass line connected there energy carrier medium bypass valve 73 and a shut-off valve 71 for the full-load turbine 401, which is located in a branch line connected to the full-load turbine 401. In addition, a line section leads from the branch point mentioned to the inlet of the partial-load turbine 402.

Das zugeführte gasförmige Energieträgermedium, insbesondere in Form von Wasserstoff, kann mittels der Volllastturbine 401 und der Teillastturbine 402 entspannt werden. Die dabei auf demselben Wellenstrang 41, insbesondere derselben Welle, mit der Verdichtungsvorrichtung 42 liegende Teillastturbine 402 treibt mittels der aus dem Druckgefälle gewonnenen Energie die Verdichtungsvorrichtung 42 an und kann somit direkt zur Verdichtung des Oxidators, insbesondere der Luft aus der Umgebung, verwendet werden. Mittels der zusätzlich auf diesem Wellenstrang 41 angeordneten Abgasturbine 430 wird aus dem Abgasmassenstrom zusätzlich Energie zurückgewonnen. Die an dem Wellenstrang 41 angekoppelte, z. B. angeflanschte, elektrische Maschine 6, beispielsweise ein Elektromotor, kann die Verdichtungsvorrichtung 42 insbesondere bei niedrigen Wasserstoffmassenströmen unterstützen und ermöglicht z. B. eine Trocknung des Brennstoffzellenstapels der Brennstoffzelleneinrichtung 30 beim Abschalten derselben.The supplied gaseous energy carrier medium, in particular in the form of hydrogen, can be expanded by means of the full-load turbine 401 and the part-load turbine 402 . The part-load turbine 402 lying on the same shaft train 41, in particular the same shaft, with the compression device 42 drives the compression device 42 by means of the energy obtained from the pressure drop and can thus be used directly for compressing the oxidizer, in particular the air from the environment. Additional energy is recovered from the exhaust gas mass flow by means of the exhaust gas turbine 430 additionally arranged on this shafting 41 . The coupled to the shafting 41, z. B. flanged electric machine 6, for example an electric motor, can support the compression device 42 in particular at low hydrogen mass flows and allows z. B. drying of the fuel cell stack of the fuel cell device 30 when the same is switched off.

Mittels der mechanischen Kupplung 44 kann die Volllastturbine 401 zugeschaltet werden. Auf diese Weise kann während eines Teillastbetriebs ausgeschlossen werden, dass die Turbinenschaufeln bei Lastwechseln mitbewegt werden müssen, und Schleppmomente der Volllastturbine 401 werden vermieden. Ein Bypassventil 73 der Ventilanordnung 7 ist in einem Bypassweg parallel zu der Expansionsvorrichtung 40 mit der Volllastturbine 401 und der Teillastturbine 402 angeordnet, sodass ein Massenstrom des Energieträgermediums über eine Belastungsgrenze (Stopfgrenze) der Volllastturbine 401 hinaus ermöglicht wird.The full-load turbine 401 can be switched on by means of the mechanical clutch 44 . In this way, it can be ruled out during part-load operation that the turbine blades also have to be moved when the load changes, and drag torques of the full-load turbine 401 are avoided. A bypass valve 73 of the valve arrangement 7 is arranged in a bypass path parallel to the expansion device 40 with the full-load turbine 401 and the part-load turbine 402, so that a mass flow of the energy carrier medium beyond a load limit (choke limit) of the full-load turbine 401 is made possible.

In Kombination mit dem Energieträgermedium-Zuleitungsventil 70 und der mechanischen Kupplung 44 lässt sich mit dem Bypassventil 73 zusätzlich die Oxidatorseite bzw. Luftseite mit der Verdichtungsvorrichtung 42 und ggf. der (nicht notwendigerweise vorhandenen) Abgasturbine 430 von der Seite des Energieträgermediums bzw. der Wasserstoffseite entkoppeln, indem die Teillastturbine 402 das Fluid in Form des Energieträgermediums bei offenem Bypassventil 73 und geschlossenem Energieträger-Zuleitungsventil 70 im Kreis fördert und die Volllastturbine 401 bei offener Kupplung 44 und geschlossenem Abschottventil 71 entkoppelt ist. Auf diese Weise kann ein Trocknen des Brennstoffzellenstapels beim Abschalten bzw. im abgeschalteten Zustand der Brennstoffzelleneinrichtung 30 realisiert werden.In combination with the energy carrier medium supply valve 70 and the mechanical coupling 44, the bypass valve 73 can also be used to decouple the oxidizer side or air side with the compression device 42 and, if necessary, the exhaust gas turbine 430 (which is not necessarily present) from the side of the energy carrier medium or the hydrogen side by the part-load turbine 402 circulating the fluid in the form of the energy carrier medium when the bypass valve 73 is open and the energy carrier supply valve 70 is closed, and the full-load turbine 401 is decoupled when the clutch 44 is open and the shut-off valve 71 is closed. In this way, the fuel cell stack can be dried when the fuel cell device 30 is switched off or in the switched off state.

Bei dem in 4 gezeigten Ausführungsbeispiel der Energieaufbereitungsvorrichtung 1 sind im Unterschied zu der Ausführung nach 3 die Volllastturbine 401 und die Teillastturbine 402 auf zwei Wellensträngen, einem ersten Wellenstrang 410 und einem weiteren Wellenstrang 411, in ihrer Wirkungsweise parallel angeordnet. Dabei ist auf dem ersten Wellenstrang 410 die Volllastturbine 401 und ein erster Oxidatorverdichter 420 (Luftverdichter, insbesondere für Umgebungsluft) und auf dem weiteren Wellenstrang 411 die Teillastturbine 402 mit einem zweiten Oxidatorverdichter 421 (Luftverdichter, insbesondere für Umgebungsluft) angeordnet. Zudem sind bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel (aber nicht notwendigerweise) auf dem ersten Wellenstrang 410 und dem weiteren Wellenstrang 411 eine erste elektrische Maschine 61 bzw. zweite elektrische Maschine 62 und eine (ebenfalls vorteilhaft, aber nicht notwendigerweise) erste Abgasturbine 431 bzw. eine zweite Abgasturbine 432 angeordnet. Die Ventilanordnung 7 umfasst auch hierbei ein in einem Leitungsabschnitt am Ausgang der Zuführspeichereinrichtung 2 angeordnetes Energieträgermedium-Zuleitungsventil 70 und an einer dieser nachgeordneten Abzweigungsstelle in jeweiligen Leitungsabschnitten angeordnete Ventile, nämlich in einer Bypassleitung 5 ein Energieträgermedium-Bypassventil 73, ein in einem Leitungsabschnitt zwischen der Abzweigstelle und dem Eingang der Volllastturbine 401 angeordnetes Abschottventil 71 für die Volllastturbine 401 und zudem ein in einem Leitungsabschnitt zwischen der Abzweigungsstelle und dem Eingang der Teillastturbine 402 angeordnetes weiteres Abschottventil 72 für die Teillastturbine 402.At the in 4 shown embodiment of the energy processing device 1 are different from the embodiment 3 the full-load turbine 401 and the part-load turbine 402 on two shaft trains, a first shaft train 410 and a further shaft train 411, arranged in parallel in their mode of operation. The full-load turbine 401 and a first oxidizer compressor 420 (air compressor, in particular for ambient air) are arranged on the first shafting 410, and the part-load turbine 402 with a second oxidizer compressor 421 (air compressor, in particular for ambient air) is arranged on the further shafting 411. In addition, in the exemplary embodiment shown (but not necessarily), a first electric machine 61 or second electric machine 62 and a (likewise advantageous, but not necessarily) first exhaust gas turbine 431 or a second exhaust gas turbine are on the first shafting 410 and the further shafting 411 432 arranged. Here, too, the valve arrangement 7 comprises an energy carrier medium feed valve 70 arranged in a line section at the outlet of the feed storage device 2 and valves arranged at a downstream branching point in the respective line sections, namely an energy carrier medium bypass valve 73 in a bypass line 5, in a line section between the branching point and the inlet of the full-load turbine 401 arranged shut-off valve 71 for the full-load turbine 401 and also in a line section between the branch point and further shut-off valve 72 for part-load turbine 402 arranged at the inlet of part-load turbine 402.

Auch in dieser Ausführungsvariante wird das komprimierte gasförmige Energieträgermedium, vorliegend Wasserstoff, unter einem hohen Eingangsdruck am Ausgang der Zuführspeichereinrichtung 2 bzw. am Eingang der Koppelstrecke 4 vorgehalten und über die Expansionsvorrichtung 40 mit der Volllastturbine 401 und der dazu wirkungsmäßig parallel liegenden Teillastturbine 402 entspannt und unter relativ geringem Arbeitsdruck in der Energiewandlervorrichtung 3, vorliegend dem Brennstoffzellenstapel, vermittels chemischer Reaktion mit dem Oxidator in z. B. elektrische Energie gewandelt. Der für die Reaktion benötigte Oxidator wird über die Verdichtungsvorrichtung 42 mit dem ersten Oxidatorverdichter 420 (Volllastluftverdichter) und dem zweiten Oxidatorverdichter 421 (Teillastluftverdichter) der Energiewandlervorrichtung 3 bzw. dem Brennstoffzellenstapel komprimiert zugeführt. Das aus der Energiewandlervorrichtung bzw. der Brennstoffzelleneinrichtung 30 ausströmende Abgas mit komprimierter Luft und Produktwasser wird über die erste Abgasturbine 431 (Abgasturbine Volllast) und die zweite Abgasturbine 432 (Abgasturbine Teillast) entspannt und die in dem Abgas enthaltene zusätzliche Energie kann so zurückgewonnen werden.In this embodiment variant, too, the compressed gaseous energy carrier medium, in this case hydrogen, is held available under a high inlet pressure at the outlet of the supply storage device 2 or at the inlet of the coupling section 4 and expanded via the expansion device 40 with the full-load turbine 401 and the part-load turbine 402, which is functionally parallel thereto, and under pressure relatively low working pressure in the energy converter device 3, in this case the fuel cell stack, by means of a chemical reaction with the oxidizer in z. B. electrical energy converted. The oxidizer required for the reaction is supplied in compressed form via the compression device 42 with the first oxidizer compressor 420 (full-load air compressor) and the second oxidizer compressor 421 (part-load air compressor) to the energy converter device 3 or the fuel cell stack. The exhaust gas with compressed air and product water flowing out of the energy converter device or the fuel cell device 30 is expanded via the first exhaust gas turbine 431 (exhaust gas turbine full load) and the second exhaust gas turbine 432 (exhaust gas turbine part load) and the additional energy contained in the exhaust gas can thus be recovered.

Bei diesem Aufbau kann die als Elektromotor wirkende erste elektrische Maschine 61 im ersten Wellenstrang (Volllast) und die als Elektromotor betriebene zweite elektrische Maschine 62 im weiteren Wellenstrang 411 (Teillast) in Betriebsmodi mit hohem Oxidatorbedarf bzw. Luftbedarf (z. B. Trocknung beim Abstellen) die Oxidatorverdichter 420, 421 unabhängig vom Massenstrom des gasförmigen Energieträgermediums bzw. des Wasserstoffs betreiben. Zusätzlich kann hierüber überschüssige Energie generatorisch als elektrische Energie in das Bordnetz zurückgespeist werden. Alle Komponenten des ersten Wellenstrangs 410 (Volllaststrang) und alle Komponenten des weiteren Wellenstrangs 411 (Teillaststrang) können dabei jeweils auf einer gemeinsamen einstückigen Welle, d. h. die Volllastkomponenten auf einer Volllastwelle und die Teillastkomponenten auf einer davon getrennten Teillastwelle, angeordnet sein, wodurch ein kompakter Aufbau der Energieaufbereitungsvorrichtung 1 begünstigt wird.With this design, the first electrical machine 61 acting as an electric motor in the first shaft assembly (full load) and the second electrical machine 62 operated as an electric motor in the further shaft assembly 411 (partial load) can be used in operating modes with a high oxidizer requirement or air requirement (e.g. drying when parked ) The oxidizer compressors 420, 421 operate independently of the mass flow of the gaseous energy carrier medium or of the hydrogen. In addition, excess energy can be fed back into the vehicle electrical system as a generator as electrical energy. All components of the first shaft assembly 410 (full load assembly) and all components of the other shaft assembly 411 (partial load assembly) can each be mounted on a common one-piece shaft, d. H. the full-load components can be arranged on a full-load shaft and the part-load components can be arranged on a part-load shaft that is separate therefrom, which promotes a compact design of the energy processing device 1 .

Entsprechend dem Ausführungsbeispiel nach 3 können durch das Energieträgermedium-Zuleitungsventil 70, das weitere Abschottventil 72 für die Teillastturbine, das Abschottventil 71 für die Volllastturbine und das Energieträgermedium-Bypassventil 73 die Seite des Energieträgermediums bzw. Wasserstoffseite und die Oxidatorseite bzw. Luftseite unabhängig voneinander betrieben werden.According to the embodiment 3 the energy carrier medium supply valve 70, the additional shutoff valve 72 for the part-load turbine, the shutoff valve 71 for the full-load turbine and the energy carrier medium bypass valve 73 can be used to operate the side of the energy carrier medium or hydrogen side and the oxidizer side or air side independently of one another.

Die beschriebene Energieaufbereitungsvorrichtung ist vorteilhaft für den Einsatz in straßengebundenen Fahrzeugen z. B. mit Brennstoffzellen- oder Erdgasantrieb geeignet. Die Vorrichtung bzw. das Verfahren kann insbesondere dann angewendet werden, wenn eine Energiewandlervorrichtung gasförmigen Energieträger (Kraftstoff, Brennstoff) und einen komprimierten, gasförmigen Oxidator als Betriebsstoff benötigt und ein Druckgefälle zwischen der Zuführspeichereinrichtung 2 bzw. einem Speicher für das Energieträgermedium und der Energiewandlervorrichtung 3 vorliegt. Anwendungsgebiete sind z. B. Brennstoffzellen- und Erdgas-Antriebstechnologien im Verkehrsbereich, nämlich für straßen- und schienengebundene Fahrzeuge, Flugzeuge und/oder Schiffe.The energy conditioning device described is advantageous for use in road vehicles z. B. suitable with fuel cell or natural gas drive. The device and the method can be used in particular when an energy converter device requires a gaseous energy carrier (fuel, combustible fuel) and a compressed, gaseous oxidizer as fuel and there is a pressure drop between the supply storage device 2 or a storage device for the energy carrier medium and the energy converter device 3 . Areas of application are e.g. B. fuel cell and natural gas drive technologies in the transport sector, namely for road and rail vehicles, aircraft and / or ships.

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DE 102012010909 A1 [0011]

Claims

Energy processing device (1) with an energy carrier medium held in a supply storage device (2) under a high inlet pressure or brought to a high inlet pressure and a coupling section (4) receiving this via an inlet section, which is connected on its outlet side to an energy converter device (3). which, at a lower working pressure, is made available through a chemical reaction of the energy carrier medium with an oxidizer by a consumer device, in particular for a drive system, usable energy, characterized in that in the coupling section (4) a pressure drop that is at least partially caused by the pressure drop in the energy carrier medium between the inlet pressure and the working pressure operated compression device (42) for the energy converter device (3) supplied oxidizer is arranged.

Energy conditioning device according to claim 1 , characterized in that the energy converter device (3) has a fuel cell device (30) and / or an internal combustion engine.

Energy conditioning device according to claim 1 or 2 , characterized in that the energy carrier medium has or consists of a gaseous fluid, in particular hydrogen or natural gas.

Energy processing device according to one of the preceding claims, characterized in that the compression device (42) has a translationally or rotationally driven and/or translationally or rotationally working compression mechanism.

Energy processing device according to one of the preceding claims, characterized in that at least one expansion device (40) driven by the pressure drop is arranged in the coupling section (4) and is or can be brought into operative connection with the compression device (42) to drive it.

Energy processing device according to claim 5 , characterized in that the expansion device (40) has a turbine arrangement with at least one turbine or at least one piston engine.

Energy processing device according to claim 6 , characterized in that the turbine arrangement comprises at least one full-load turbine (401) designed for higher mass flows and at least one partial-load turbine (402) designed for lower mass flows.

Energy processing device according to claim 7 , characterized in that the at least one full-load turbine (401) and the at least one part-load turbine (402) are arranged in series on a common shaft train (41) or that the at least one full-load turbine (401) and the at least one part-load turbine (402) are arranged on two shaft trains , a first shaft assembly (410) and a second shaft assembly parallel thereto (411) are arranged.

Energy processing device according to claim 8 , characterized in that when the at least one full-load turbine (401) and the at least one part-load turbine (402) are arranged on a common shafting (41), a clutch (44) is arranged at least between a full-load turbine (401) and a part-load turbine (402), by means of which the full-load turbine (401) can be switched on, in particular when a power limit of the part-load turbine (402) has been reached.

Energy processing device according to claim 8 , characterized in that with two shaft trains (410,411) each shaft train (410, 411) is assigned an air compressor (420 or 421).

Energy conditioning device according to one of Claims 7 until 9 , characterized in that the at least one full-load turbine (401) and the at least one part-load turbine (402) can be switched on individually via valves of a valve arrangement (7) arranged in the coupling section (4).

Energy conditioning device according to one of Claims 5 until 11 , characterized in that the coupling section (4) is associated with a bypass section (5) with a fluid line arrangement (50) and a bypass valve arrangement (7 '), wherein by means of the bypass section (5) a mass flow of the energy carrier medium over a performance limit of the system of expansion device ( 40) and compression device (42) is also made possible and/or a decoupling between the energy carrier medium side and the oxidizer side is made possible.

Energy processing device according to claim 12 , characterized in that the valve arrangement (7) has a supply valve (70) for the energy carrier medium arranged in the inlet area of the coupling section (4), a bypass valve (73) arranged in the bypass section (5) and a bypass valve (73) arranged upstream of the full-load turbine (401). switched shut-off valve (71) and that the energy carrier medium can be conveyed in a circuit through the part-load turbine (402) when the bypass valve (73) is open and the supply line valve (70) is closed and the full-load turbine (401) is decoupled when the clutch (44) is open and the shut-off valve (71) is closed is.

Energy processing device according to Claim 13 , characterized in that when the energy converter device (3) is designed as a fuel cell device (30) in a drying mode, drying of the same can be carried out when it is switched off.

Energy conditioning device according to one of Claims 8 until 14 , characterized in that an electrical machine (6; 61, 62) is arranged on at least one shaft assembly (41; 410, 411).

Energy conditioning device according to one of Claims 8 until 15 , characterized in that an exhaust gas expansion machine (43), in particular at least one exhaust gas turbine (430; 431, 432), assigned to an exhaust gas duct (8) is arranged on at least one shaft train (41; 410, 411) for additional energy generation.

Energy processing method, in which an energy carrier medium with a high inlet pressure is introduced from a supply storage device (2) into an inlet section of a coupling line (4) and is guided via this via an outlet side into an energy converter device 83), in which, at low working pressure, the energy carrier medium reacts chemically with a Oxidizer usable energy for a consumer device, in particular comprising a drive system, is made available, characterized in that in the coupling section (4) using the pressure gradient of the energy carrier medium between the inlet pressure and the working pressure, a compression device (42) is operated, by means of which the the energy converter device (3) is supplied with the oxidizer required for the chemical reaction in compressed form.

Use of the energy conditioning device according to one of Claims 1 until 16 or application of the procedure Claim 17 for a drive device in the field of transport, in particular for road or rail vehicles, for aircraft or for ships.