DE102020135043A1

DE102020135043A1 - Stromversorgungsvorrichtung und -verfahren

Info

Publication number: DE102020135043A1
Application number: DE102020135043.0A
Authority: DE
Inventors: Torsten Becker
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2020-12-29
Filing date: 2020-12-29
Publication date: 2022-06-30

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Stromversorgungsvorrichtung (10), gekennzeichnet durch mindestens eine Wasserstoffquelle (1), die mit mindestens einer Brennstoffzellenvorrichtung (2) verbindbar ist, wobei mit der Brennstoffzellenvorrichtung (2) mit Wasserstoff (H2), der aus der mindestens eine Wasserstoffquelle (1) stammt, und mit einem Brennstoff (B) Strom (I) erzeugbar ist, der über mindestens eine Adaptervorrichtung (3) an mindestens eine Stromabnahmevorrichtung (4), insbesondere eine aufladbare Batterie abgebbar ist. Die Erfindung betrifft auch ein Stromversorgungsverfahren.

Description

Die Erfindung betrifft eine Stromversorgungsvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und ein Stromversorgungsverfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 18.
Zum Betreiben von Stromabnahmevorrichtungen, wie in Fahrzeugen oder in Fortbewegungsmitteln allgemein (z.B. Kraftfahrzeuge, Flurförderfahrzeugen, Gabelstaplern, landwirtschaftlichen Fahrzeugen, Baufahrzeugen, Schiffe, Flugzeuge, Schienenfahrzeuge), wird in zunehmenden Maße Elektrizität benötigt, um z.B. die Batterien wieder aufzuladen. Eine Batterie ist ein Beispiel für eine Stromabnahmevorrichtung.
Es ist bekannt, eine Stromabnahmevorrichtung über eine Ladestation an das Stromnetz anzuschließen, wobei Ladestationen für Personenkraftwagen häufig im öffentlichen Raum aufgestellt sind.
Angesichts der stark steigenden Nachfrage nach Stromanschlüssen, insbesondere Ladestationen, ist es sinnvoll, Strom unabhängig von einem Stromnetz anzubieten.
Dies wird durch eine Stromversorgungseinrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 erreicht.
Dabei ist mindestens eine Wasserstoffquelle mit mindestens einer Brennstoffzellenvorrichtung verbindbar, wobei die Brennstoffzellenvorrichtung mit Wasserstoff, der aus der mindestens einen Wasserstoffquelle stammt, und mit einem Brennstoff Strom erzeugt. Der Strom wird über mindestens eine Adaptervorrichtung an mindestens eine Stromabnahmevorrichtung, insbesondere eine aufladbare Batterie, abgeben. Durch den Adapter können mehrere Stromabnehmer gleichzeitig und / oder hintereinander mit Strom versorgt werden. Eine von vielen möglichen Anwendungen ist die dezentrale Versorgung von Kraftfahrzeugen mit Strom, ohne dass die Stromversorgungsvorrichtung an das Stromnetz angeschlossen sein muss.
In einer Ausführungsform weist der Brennstoff Sauerstoff auf, wobei dieser z.B. in Form von Luft oder aus Sauerstoffvorratsbehältern der Brennstoffzellenvorrichtung zugeführt wird.
Der Wasserstoff kann dabei grundsätzlich einen Anschluss für einen Wasserstoffstrom aus einem Wasserstoffnetz aufweisen, d.h. die Wasserstoffquelle ist ein Leitungsanschluss. Eine solche Lösung bietet sich an, wenn ein Wasserstoffnetz verfügbar ist.
Alternativ oder zusätzlich kann die Wasserstoffquelle Wasserstoffvorratsbehälter für gasförmigen und / oder flüssigen Wasserstoff aufweisen. Hier wird der Wasserstoff über diskrete Behälter angeliefert, so dass kein Anschluss an ein Wasserstoffnetz erforderlich ist.
Für eine dezentrale Versorgung ist es sinnvoll, dass eine Ausführungsform der Stromversorgungvorrichtung durch ein Fahrzeug, insbesondere einen Lastkraftwagen, transportabel ist. So kann die Stromversorgungsvorrichtung mit den Aggregaten wie Brennstoffzellenvorrichtung, Adaptervorrichtung und Wasserstoffquelle in einem Container angeordnet sein, der leicht transportabel ist. In einer anderen Ausführungsform ist die Stromversorgungsvorrichtung ortsfest. In beiden Varianten kann sie als dezentrale autonome Anlage bzw. Ladestation ausgebildet sein, die beispielsweise dazu vorgesehen und ausgebildet ist, aufladbare Batterien beispielsweise von Kraftfahrzeugen zu laden.
In einer Ausführungsform ist die Leistungsabgabe des Stroms größer als 10 kW. Dies ist beispielsweise ein Leistungsbereich, dem Kraftfahrzeuge effizient mit Strom aufgeladen werden können.
Ferner kann in einer Ausführungsform mindestens eine der Brennstoffzellenvorrichtungen reversibel ausgebildet sein. Bei reversiblen Brennstoffzellen kann der energieliefernde Arbeitsprozess umkehrbar betrieben werden. Reversible Brennstoffzellen können somit auch als Elektrolyseur betrieben werden, so dass elektrische Energie in speicherbare chemische Energie umsetzbar ist. Dabei kann z.B. derselbe Elektrodenstapel für die Erzeugung von Strom und die Elektrolyse verwendet werden. Es ist aber auch möglich, dass zwei getrennte Brennstoffzellen oder Elektrodenstapel für die Stromerzeugung und die Elektrolyse verwendet werden.
Die reversible Brennstoffzellenvorrichtung kann z.B. mit einer lokalen, insbesondere einer regenerativen Stromerzeugung mit Windkraft und / oder Solarenergie gekoppelt sein. Damit könnte lokal umweltfreundlich Strom gewonnen werden, der dann bei der Elektrolyse zur Herstellung von Wasserstoff verwendet werden. Der Wasserstoff kann dann lokal komprimiert und lokal gespeichert werden und dann später im Brennstoffverfahren verstromt werden.
Mit einer Ausführungsform der Stromversorgungsvorrichtung ist es möglich, dass die mindestens eine Stromabnahmevorrichtung mit einem Fahrzeug, insbesondere einem Kraftfahrzeug, einem Flurförderfahrzeugen, einem Gabelstapler, einem landwirtschaftlichen Fahrzeug, einem Baufahrzeug, einem Schiff, einem Flugzeug, einem Schienenfahrzeug, einem Motorrad, einem Roller oder einer Drohne gekoppelt ist. Die Stromabnahmevorrichtung kann z.B. eine aufladbare Batterie in einem Personenkraftwagen sein.
Wenn z.B. ein Personenkraftwagen geladen werden soll, werden z.B. nach der Norm IEC 61851-1 drei Arten unterschieden, wie der Personenkraftwagen und eine ladende Einheit (hier die Stromversorgungsvorrichtung) verbunden sein können:

• Das Kabel ist fest mit dem Personenkraftwegen verbunden
• Das Kabel ist beidseitig gesteckt.
• Das Kabel ist fest mit der ladenden Einheit verbunden.

Weiterhin sind in der IEC 61851 vier verschiedene Lademodi definiert.
Mode 1 verwendet normale Kabel mit entsprechenden Steckern.
Mode 2 nutzt Kabel, die über Signalisierungseinrichtungen (Widerstandscodierungen) verfügen, die der fahrzeugseitigen Ladeelektronik eine Strombegrenzung der ladenden Einheit vorgeben.
Bei Mode 3 kommunizieren ladende Einheit und Fahrzeug über das Ladekabel.
Mode 4 ist für Gleichstromladeverfahren, bei denen ebenfalls eine Kommunikation zwischen Fahrzeug- und Ladeelektronik stattfindet.
Es ist möglich, dass eine Ausführungsform der Stromversorgungvorrichtung eine Adaptervorrichtung aufweist, die einen Stromanschluss für eine extern von der Stromversorgungsvorrichtung angeordnete Stromabnahmevorrichtung aufweist. Dabei handelt es sich beispielsweise um einen Stromanschluss nach der Norm IEC Typ 1, IEC Typ 2, Combined Charging System (CCS) Combo 1 oder CCS Combo 2 und CHADEMO und / oder eine induktive Lademöglichkeit aufweist.
Für eine wirtschaftlichen Verwertung der erbrachten Stromleistung kann in einer Ausführungsform eine Steuervorrichtung einen Stromzähler zur Erfassung des abgegebenen Stroms aufweisen. Auch kann die Steuerungsvorrichtung eine Vorrichtung zur Abrechnung des abgegebenen Stroms aufweisen. In einer weiteren Ausführungsform kann die Steuerungsvorrichtung ein Lademanagementmodul aufweist, das während der Abgabe des Stroms Daten und / oder Signale von der mindestens einen Stromabnahmevorrichtung empfängt und / oder an die Stromabnahmevorrichtung sendet. Damit kann z.B. die Ladegeschwindigkeit an den Ladezustand der Stromabnahmevorrichtung angepasst werden.
Da beim Brennstoffzellenprozess Abwärme entsteht, weist eine weitere Ausführungsform der Stromversorgungsvorrichtung eine Vorrichtung zur Abfuhr von Abwärme der Brennstoffzellenvorrichtung und / oder eine Vorrichtung zur Herstellung von destilliertem Wasser und / oder eine thermoelektrische Vorrichtung zur Umwandlung der Abwärme in Strom auf.
Auch kann die Stromversorgungvorrichtung eine Sensorvorrichtung zur Überwachung des Wasserstoffgehaltes in der Luft in der Stromversorgungsvorrichtung und / oder der Umgebung der Stromversorgungsvorrichtung aufweisen. Damit können u.U. gefährliche Betriebszustände erkannt werden, so dass ggf. Gegenmaßnahmen eingeleitet werden können. So kann die Sensorvorrichtung mit einer Brandschutzvorrichtung und / oder einer Abschaltautomatik gekoppelt sein, so dass bei Überschreiten mindestens eines vorbestimmten Grenzwertes für einen Messwert automatisch die Brandschutzvorrichtung und / oder die Abschaltautomatik aktivierbar ist.
Da eine Stromabnahme im realen Betrieb nicht immer kontinuierlich gewährleistet ist, kann in einer Ausführungsform mindestens eine Stromspeichervorrichtung vorgesehen sein, die mit der Brennstoffzellenvorrichtung koppelbar ist, um im Betrieb nicht abgenommenen Strom zu speichern.
Die Aufgabe wird auch durch ein Stromversorgungsverfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 18 gelöst.
Ausführungsformen für Stromversorgungsvorrichtungen oder Stromversorgungsverfahren werden im Zusammenhang mit den Figuren beispielhaft beschrieben. Dabei zeigt

1 eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform einer Stromversorgungsvorrichtung mit einer Wasserstoffvorratsbehälterversorgung einer Brennstoffzellenvorrichtung;
2 eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform einer Stromversorgungvorrichtung mit einer kontinuierlichen Wasserstoffquelle für eine Brennstoffzellenvorrichtung;
3 eine schematische Darstellung einer dritten Ausführungsform einer Stromversorgungsvorrichtung mit einer hybriden Wasserstoffversorgung einer Brennstoffzellenvorrichtung;
4 eine schematische Darstellung eines Kreislaufbetriebs mit einer Ausführungsform unter Verwendung einer reversiblen Brennstoffzellenvorrichtung und grünem Wasserstoff.

In 1 ist eine Stromversorgungsvorrichtung 10 dargestellt, die z.B. dafür verwendet werden kann, eine Stromabnahmevorrichtung 4 dezentral mit Strom zu versorgen.
Stromabnahmevorrichtungen 4 können z.B. in Personenkraftwagen angeordnet sein, die ihre Antriebsenergie ganz oder teilweise aus Batterien beziehen. Die hier dargestellten Ausführungsformen der Stromversorgungsvorrichtungen 10 sind jedoch nicht auf Stromabnahmevorrichtungen 4 für Personenkraftwagen beschränkt. So können auch Lastkraftwagen, Schienenfahrzeuge, Schiffe, Motorräder, E-Roller oder Flugzeuge, also generell Fortbewegungsmittel, dezentral mit Strom versorgt werden.
Es ist dabei nicht zwingend notwendig, dass die Stromversorgung diskontinuierlich - wie z.B. bei Personenkraftwagen üblich - erfolgt. Die hier dargestellten Ausführungsformen sind auch dazu geeignet, eine Stromabnahmevorrichtung 4 kontinuierlich mit Strom zu versorgen.
Die Stromerzeugung erfolgt dabei über eine Brennstoffzellenvorrichtung 2, die aus Wasserstoff (H₂) und einem Brennstoff B Strom I erzeugt. Als Nebenprodukt entsteht Wasser H₂O. In der hier dargestellten Ausführungsform wird eine Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle (Proton Exchange Fuel Cell/Polymer-Elektrolyt-Membran=PEMFC) oder kurz PEM-Zelle verwendet. Der Elektrolyt ist ein Fest-Polymer, das mobile Ion Wasserstoff H⁺. Die optimale Betriebstemperatur kann bei 80 °C bis 85 °C liegen und der Zellwirkungsgrad erreicht, je nach Leistungsabgabe, zwischen 35 % bis 70 %.
In alternativen Ausführungsformen können auch alkalische Brennstoffzellen (AFC), Phosphorsäure-Brennstoffzellen (PAFC) oder oxidkeramische Brennstoffzellen (SOFC) verwendet werden, die ebenfalls mit Wasserstoff und Sauerstoff arbeiten. Grundsätzlich ist es auch möglich, dass die Brennstoffzellenvorrichtung 2 Brennstoffzellen unterschiedlicher Bauart verwendet.
Für die hier angestrebten Einsatzzwecke ist es sinnvoll, wenn die Leistungsabgabe der Brennstoffzellenvorrichtung 2 mehr als 10 kW beträgt.
Als Wasserstoffquelle 1 dient bei den hier dargestellten Ausführungsformen Wasserstoff, der über eine Vielzahl von Vorratsbehältern gasförmig (z.B. Druckbehälter, Druckgasflaschen, Kartuschen) oder flüssig zur Verfügung gestellt wird. Diese Wasserstoffquelle 1 ist mit der Brennstoffzellenvorrichtung 2 verbindbar ist. Grundsätzlich kann der Wasserstoff in gasförmigen Zustand und / oder flüssigen Zustand in Wasserstoffvorratsbehälter 21 bereitgestellt werden. Es ist heute durchaus möglich, gasförmigen Wasserstoff in Behältern bei 1000 bar (100 MPa) zur Verfügung zu stellen.
Bei 700 bar (70 MPa) hat Wasserstoff eine Dichte von 42 kg H₂/m³ bzw. 42 g H₂/I, unter Atmosphärendruck nur 0,090 kg H₂/m³. Somit können 2,5 kg Wasserstoff in einem 60 I Tank gespeichert werden. Das reicht für eine Pkw-Reichweite von rund 200 bis 250 km aus. Die volumetrische Energiedichte von 700 bar gasförmigen Wasserstoff beträgt etwa 1,4 kWh/l.
Das Gesamtgewicht eines Wasserstoffvorratsbehälters 21 wird überwiegend vom Gewicht des in der Regel zylindrischen Druckkörpers bestimmt, der z.B. aus einem Verbundmaterial hergestellt sein kann. Der Gewichtsanteil des Wasserstoffs am Gesamtgewicht des Wasserstoffvorratsbehälters 21 kann zwischen 5 und 7 % betragen. Die gravimetrische Energiedichte des Tanksystems liegt damit bei rund 1,8 kWh/kg. Bei einer geeigneten Bauweise von Wasserstoffvorratsbehältern (z.B. in Carbonbauweise) können mit einer LKW-Ladung Wasserstoff 300 bis 400 Personenkraftwagen mit Strom versorgt werden.
Ein Wasserstoffvorratsbehälter 21 für gasförmigen Wasserstoff mit einem Fülldruck von 700 bar kann durchaus ein guter Kompromiss zwischen Behältergewicht und Wasserstoffinhalt darstellen. Dabei ist zu berücksichtigen, dass sich bei dermaßen hohen Drücken der Wasserstoff abweichend vom idealen Gasgesetz als Realgas verhält. Da der Realgasfaktor größer als 1 ist, wächst die Dichte langsamer als der Druck D.
Die Wasserstoffvorratsbehälter 21 können dabei z.B. aus Metall bestehen, das mit einer Faserbewicklung verstärkt ist. Auch ist es möglich, dass ein nicht-metallischer Wasserstoffvorratsbehälter 21 z.B. aus Kunststoff oder einem Verbundwerkstoff (z.B. Karbonfaserverbundwerkstoff) verwendet wird, der über eine Faserbewicklung verfügt. Der Wasserstoff kann auch in einer Flüssigkeit oder einem anderen Medium gebunden sein und vor der Entnahme von dem „Vorratsmaterial“ getrennt werden.
Es ist auch möglich, dass Wasserstoff in gasförmiger und flüssiger Form als Wasserstoffquelle 1 bereitgestellt wird, wobei eine Steuervorrichtung 5 dafür sorgt, dass der Wasserstoff in der richtigen Form in der Brennstoffzellenvorrichtung 2 zur Reaktion gebracht wird.
Der Wasserstoff reagiert in der Brennstoffzellenvorrichtung 2 mit einem Brennstoff B, hier dem Sauerstoff der Umgebungsluft, der über ein Verdichtersystem 13 zur Brennstoffzellenvorrichtung 2 gefördert wird. Das Verdichtersystem 13 liefert abhängig von der angeforderten Leistung der Brennstoffzellenvorrichtung 2 die angesaugte Lauft in einem optimierten Druck und / oder einer optimierten Menge. Bevor die komprimierte Luft der Brennstoffzelle zugeführt wird, kann sie zunächst mittels eines Ladeluftkühlers heruntergekühlt und mittels einer Befeuchtereinheit befeuchtet werden. Im Befeuchter kann in der Brennstoffzelle entstehendes Produktwasser von der Abluftleitung auf die Luftansaugseite transportiert werden.
Bei der Reaktion in der Brennstoffzellenvorrichtung 2 entsteht Strom I, der dann über mindestens eine Adaptervorrichtung 3 an die mindestens eine Stromabnehmervorrichtung 4, insbesondere eine aufladbare Batterie abgebbar ist.
Die Abwärme der Brennstoffzellenvorrichtung 2 wird entweder über einen hier nicht dargestellten Wärmetauscher an die Umgebung abgeführt oder für die Herstellung von destilliertem Wasser genutzt oder über thermoelektrische Elemente in Strom umgewandelt. Dieser Strom kann z.B. zum Betrieb von Hilfsaggregaten oder zum Betrieb der Steuervorrichtung 5 verwendet werden.
Die Gesamtreaktion einer solchen Reaktion mit gasförmigem Wasserstoff lautet grundsätzlich $H_{2} + \frac{1}{2} O_{2} \to H_{2} O (I), E = 1,184 V$
wobei bei der Redoxreaktion 2 Elektronen je eingesetztem Wasserstoffmolekül fließen. Bei der Reaktion wird elektrische Energie abgegeben.
Bei einer reversiblen Brennstoffzellenvorrichtung 2 kann der Prozess umgekehrt werden, d.h. die Brennstoffzellenvorrichtung 2 kann unter Energiezufuhr E als Elektrolyseur betrieben werden: 2 H₂O + E → 2 H₂ + O₂
Wenn die Brennstoffzellenvorrichtung 2 reversibel ausgebildet ist, kann lokal Wasserstoff erzeugt und gespeichert werden, der dann wieder verströmt werden kann. Dies kann z.B. dann genutzt werden, wenn für einen gewissen Zeitraum keine Stromabnahme erfolgt.
Die Steuervorrichtung 5 kann dabei Ventilvorrichtungen 11 zur Steuerung des Wasserstoffflusses und / oder des Brennstoffflusses automatisch ansteuern. Auch verfügt die Steuervorrichtung 5 über eine Sensorvorrichtung 12, mit der z.B. der Wasserstoffgehalt in der Stromversorgungsvorrichtung 10 (z.B. in einem Container) oder in der Umgebung gemessen wird. Dies ist sinnvoll, da Wasserstoff z.B. mit Luft oder Sauerstoff ein explosives Gemisch bilden kann. Wenn ein bestimmter Grenzwert erreicht wird, kann die Stromversorgungsvorrichtung 10 automatisch abgeschaltet werden oder es wird ggf. eine Brandschutzvorrichtung aktiviert.
Mit einer solchen Stromversorgungsvorrichtung 10 können an sich bekannte E-Mobile dezentral effizient mit Strom I versorgt werden. Insbesondere ist die Stromversorgungsvorrichtung 10 autonom ausgebildet, da sie an kein bestehendes Netz für Wasserstoff oder Strom angeschlossen ist. Die Wasserstoffquelle 1 selbst ist Teil der Stromversorgungsvorrichtung 10, so dass ein Anschluss an ein Wasserstoffnetz nicht erforderlich ist. Da Wasserstoff CO₂-neutral herstellbar ist (sogenannter „grüner Wasserstoff“), kann diese dezentrale Stromversorgung insbesondere umwelt- und klimaschonend betrieben werden. Grundsätzlich ist es aber möglich, jede Art von Wasserstoff zu verwenden.
Der Wasserstoff in Wasserstoffvorratsbehältern 21 lässt z.B. mit wasserstoff- oder elektrobetriebenen Lastkraftwagen anliefern, so dass auch hier eine hohe Umweltverträglichkeit erreicht wird. Da im Betrieb einer solchen Stromversorgungsvorrichtung 10 auch keine schädlichen, insbesondere keine klimaschädlichen Emissionen entstehen, ist eine solche Stromversorgungsvorrichtung 10 besonders umweltfreundlich.
Da die Brennzellenvorrichtung 8 Gleichstrom abgibt, ist es auch nicht erforderlich, Gleichrichter oder ähnliche Vorrichtungen zu verwenden.
Die Stromversorgungseinrichtung 1 kann z.B. in einem Container angeordnet sein, der transportabel ist. Transportabel bedeutet hier, dass der Container z.B. von einem Lastkraftwagen von einem Ort zu einem anderen Ort transportierbar ist, so dass z.B. eine Stromversorgung von Personenkraftwagen auf einem Parkplatz möglich ist. Damit ist es möglich, Strom bedarfsgerecht dezentral anzubieten.
Nach der deutschen Ladesäulenverordnung muss Ladestrom für Elektrofahrzeuge - also Stromabnahmevorrichtungen 4 - nach Kilowattstunden abgerechnet werden. Da die Stromversorgungsvorrichtung 10 für das Laden von wechselnden Fahrzeugen ausgelegt ist, muss der Strom nutzerspezifisch abgerechnet werden. Das kann einerseits durch direktes Zahlen an der Stromversorgungsvorrichtung 10 über ein Abrechnungsmodul (mittels Kreditkarte, o.ä.) realisiert werden oder es müssen wechselnde Nutzer authentifiziert und dann über ein zentrales Abrechnungssystem außerhalb der Stromversorgungsvorrichtung 10 verarbeitet werden. Diese Kommunikation mit verschiedenen Abrechnungssystemen kann von Roaming-Dienstleistern, wie Intercharge von Hubject oder e-clearing, betrieben werden. Für die Authentifizierung und die Übermittlung von Abrechnungsdaten muss die Stromversorgungsvorrichtung 10 über ein Kommunikationsmodul verfügen, das neben der Übermittlung von Abrechnungsdaten auch für die Zustandsüberwachung der Stromversorgungsvorrichtung verwendet werden kann.
Für die Abrechnung von anderen Stromabnehmern oder Stromabnehmern in anderen Ländern gilt sinngemäß das Gleiche.
Die hier dargestellte Ausführungsform einer Stromversorgungsvorrichtung 10 weist eine Steuervorrichtung 5 mit einem Stromzähler 6 zur Erfassung des abgegebenen Stroms I auf.
Auch kann eine Vorrichtung 7 zur Abrechnung des abgegebenen Stroms I verwendet werden. Die Vorrichtung 7 zur Abrechnung des abgegebenen Stroms weist sowohl eine Benutzerschnittstelle zum Fahrzeug oder Fahrzeugführer als auch ein Kommunikationsmodul auf, mit dem z.B. Daten mit dem Kunden, mit einer Kreditkartengesellschaft oder einem anderen Abrechnungsdienst ausgetauscht werden.
Die Steuerungsvorrichtung 5 weist ferner ein Lademanagementsystem 8 auf, mit dem z.B. die Art der Stromversorgung der Stromabnahmevorrichtung 4 gesteuert werden kann. Dazu zählen z.B. Strom-Spannungs-Laden (I/U-Verfahren, CC-CV-Verfahren) Strom-Spannungs-Laden (I/U-Verfahren, CC-CV-Verfahren), Pulsladeverfahren oder andere Verfahren. Das Lademanagementsystem 8 kann z.B. auch Strom aus einer Stromspeichervorrichtung 14 verwenden, die mit der Brennstoffzellenvorrichtung 2 gekoppelt ist. In der Stromspeichervorrichtung 14 kann z.B. Strom gespeichert werden, der zwar von der Brennstoffzellenvorrichtung 2 erzeugt wurde, aber noch abgegeben wurde.
Der Strom wird in dem hier dargestellten Beispiel über eine Adaptervorrichtung 3 an einen Personenkraftwagen abgegeben, wobei die Adaptervorrichtung einen Stromanschluss nach der Norm IEC Typ 2, CCS und CHADEMO oder für induktives Laden aufweist. Grundsätzlich können natürlich auch andere Anschlussarten verwendet werden.
In der 2 ist eine Variante der Ausführungsform gemäß 1 dargestellt, so dass auf die entsprechende Beschreibung Bezug genommen werden kann.
Im Unterschied liegt hier ein Anschluss 9 an ein Wasserstoffnetz vor, so dass die Wasserstoffquelle 1 nicht einzelne Wasserstoffvorratsbehälter 21 sind. Vielmehr wird hier ein Wasserstoffstrom der Brennzellenvorrichtung 2 zugeführt, wobei eine Ventilvorrichtung 11 - gesteuert durch die Steuervorrichtung 5 - den Zufluss regelt.
Ansonsten weist diese Ausführungsform die Merkmale und Funktionen der Ausführungsform gemäß 1 auf.
In 3 ist eine Kombination der Ausführungsformen aus den 1 und 2 dargestellt, da hier die Wasserstoffquelle 1 sowohl durch diskrete Wasserstoffvorratsbehälter 21 als auch durch einen Anschluss 9 an ein Wasserstoffnetz gebildet wird.
In 4 ist eine Ausführungsform einer Stromversorgungsvorrichtung 10 dargestellt, die über eine reversible Brennstoffzellenvorrichtung entsprechend der Brennstoffzellenvorrichtung 2 der 1 bis 3 verfügt. Diese kann - wie oben beschrieben - mittels einer lokalen Windkraftvorrichtung 33 und / oder einer lokalen Solarstromanlage 34 Strom erzeugen, um Wasserstoff lokal herzustellen, der dann gemäß der bereits beschriebenen Ausführungsformen der Stromversorgungsvorrichtungen 10 verstromt wird, um eine Stromabnahmevorrichtung 4 zu laden.
In der dargestellten Ausführungsform wird der größte Teil des benötigten Wasserstoffes über Wasserstoffvorratsbehälter 21 zur Stromversorgungsvorrichtung 10 transportiert. Dies kann z.B. - wie symbolisch dargestellt - über Schiffe oder Lastkraftwagen erfolgen. Die entleerten Wasserstoffvorratsbehälter 21' werden dann zur einer Elektrolysevorrichtung 30 zurück transportiert.
Die Elektrolysevorrichtung 30 stellt aus Wasser u.a. Wasserstoff in an sich bekannter Weise her, wobei der dazu benötigte Strom z.B. von Offshore-Windkraftanlagen 31 und / oder Solarstromanlagen 32 erzeugt wird. Da diese Wasserstoffherstellung ohne Erzeugung von Kohlendioxid abläuft, wird von der Elektrolysevorrichtung 30 sogenannter „grüner Wasserstoff“ erzeugt, der dann mittels der Wasserstoffvorratsbehälter 21 zu der Stromversorgungsvorrichtung 10 transportiert wird.
Wenn der Transport der Wasserstoffvorratsbehälter 21, 21' z.B. durch Lastkraftwagen bewerkstelligt wird, die mit grünem Wasserstoff betrieben werden, liegt eine durchweg kohlendioxidfreie, dezentrale Stromversorgung vor.
Bezugszeichenliste

1: Wasserstoffquelle
2: Brennstoffzellenvorrichtung
3: Adaptervorrichtung
4: Stromabnahmevorrichtung
5: Steuervorrichtung
6: Stromzähler
7: Vorrichtung zur Abrechnung des Stroms
8: Lademanagementmodul
9: Anschluss für Wasserstoffnetz
10: Stromversorgungsvorrichtung
11: Ventilvorrichtung
12: Sensorvorrichtung
13: Verdichtersystem
14: Stromspeichervorrichtung
20: Anschluss für einen Wasserstoffstrom
21: Wasserstoffvorratsbehälter
30: Elektrolysevorrichtung
31: Offshore-Windkraftanlage
32: Solarstromanlage, insbesondere Photovoltatische-Anlage
33: lokale Windkraftanlage an Stromversorgungsvorrichtung
34: lokale Solarstromanlage an Stromversorgungsvorrichtung
B: Brennstoff
H2: Wasserstoff
I: Strom
Q: Abwärme

Claims

Stromversorgungsvorrichtung (10), gekennzeichnet durch mindestens eine Wasserstoffquelle (1), die mit mindestens einer Brennstoffzellenvorrichtung (2) verbindbar ist, wobei mit der Brennstoffzellenvorrichtung (2) mit Wasserstoff (H₂), der aus der mindestens einen Wasserstoffquelle (1) stammt, und mit einem Brennstoff (B) Strom (I) erzeugbar ist, der über mindestens eine Adaptervorrichtung (3) an mindestens eine Stromabnahmevorrichtung (4), insbesondere eine aufladbare Batterie abgebbar ist.
Stromversorgungsvorrichtung (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennstoff (B) Sauerstoff aufweist, z.B. in Form von Luft oder aus Sauerstoffvorratsbehältern.
Stromversorgungsvorrichtung (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Wasserstoffquelle (1) mindestens einen Anschluss (9) für einen Wasserstoffstrom (20) aus einem Wasserstoffnetz aufweist.
Stromversorgungsvorrichtung (10) nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wasserstoffquelle (1) mindestens einen Wasserstoffvorratsbehälter (21) für gasförmigen und / oder flüssigen Wasserstoff aufweist.
Stromversorgungsvorrichtung (10) nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass diese durch ein Fahrzeug, insbesondere einen Lastkraftwagen, transportabel ist und/oder als dezentrale autonome Anlage ausgebildet ist.
Stromversorgungsvorrichtung (10) nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Leistungsabgabe des Stroms (I) größer als 10 kW ist.
Stromversorgungsvorrichtung (10) nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der Brennstoffzellenvorrichtungen (2) reversibel ausgebildet ist.
Stromversorgungsvorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die reversible Brennstoffzellenvorrichtung (2) mit einer lokalen, insbesondere einer regenerativen Stromerzeugung mit Windkraft und / oder Solarenergie gekoppelt ist.
Stromversorgungsvorrichtung (10) nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Stromabnahmevorrichtung (4) mit einem Fahrzeug, insbesondere einem Kraftfahrzeug, einem Flurförderfahrzeug, einem Gabelstapler, einem landwirtschaftlichen Fahrzeug, einem Baufahrzeug, einem Schiff, einem Flugzeug, einem Schienenfahrzeug, einem Motorrad, einem E-Roller oder einer Drohne gekoppelt ist.
Stromversorgungsvorrichtung (10) nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Adaptervorrichtung (3) einen Stromanschluss für eine extern von der Stromversorgungsvorrichtung (10) angeordnete Stromabnahmevorrichtung (4), insbesondere einen Stromanschluss nach der Norm IEC Typ 1, IEC Typ 2, Combined Charging System (CCS) Combo 1 oder CCS Combo 2 und CHADEMO und / oder eine induktive Lademöglichkeit aufweist.
Stromversorgungsvorrichtung (10) nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch mindestens eine Steuervorrichtung (5), die einen Stromzähler (6) zur Erfassung abgegebenen Stroms (I) aufweist.
Stromversorgungsvorrichtung (10) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungsvorrichtung (5) eine Vorrichtung (7) zur Abrechnung des abgegebenen Stroms (I) und /oder ein Kommunikationsmodul zu einem Abrechnungsdienst und / oder zu einer Zustandsüberwachung aufweist.
Stromversorgungsvorrichtung (10) nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungsvorrichtung (5) eine Lademanagementmodul (8) aufweist, das während der Abgabe des Stroms (I) Daten und / oder Signale von der mindestens einen Stromabnahmevorrichtung (4) empfängt und / oder an die mindestens eine Stromabnahmevorrichtung (4) sendet.
Stromversorgungvorrichtung (10) nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Vorrichtung zur Abfuhr von Abwärme der Brennstoffzellenvorrichtung (2) und / oder zur Erzeugung von destilliertem Wasser und / oder eine thermoelektrische Vorrichtung zur Umwandlung der Abwärme in Strom.
Stromversorgungvorrichtung (10) nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Sensorvorrichtung (12) zur Überwachung des Wasserstoffgehaltes in der Luft in der Stromversorgungsvorrichtung (10) und / oder der Umgebung der Stromversorgungsvorrichtung (10).
Stromversorgungsvorrichtung (10) nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorvorrichtung (12) mit einer Brandschutzvorrichtung und / oder Abschaltautomatik gekoppelt ist, so dass bei Überschreiten mindestens eines vorbestimmten Grenzwertes für einen Messwert automatisch die Brandschutzvorrichtung und / oder die Abschaltautomatik aktivierbar ist.
Stromversorgungseinrichtung (10) nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch mindestens eine Stromspeichervorrichtung (14), die mit mindestens einer der Brennstoffzellenvorrichtungen (2) koppelbar ist, um im Betrieb nicht abgenommenen Strom zu speichern und z.B. für den Betrieb der reversiblen Brennstoffzelle Strom bereitzustellen.
Stromversorgungsverfahren, gekennzeichnet durch a) mindestens eine Wasserstoffquelle (1), die mit mindestens einer Brennstoffzellenvorrichtung (2) verbunden ist, wobei mit der Brennstoffzellenvorrichtung (2) mit gasförmigem Wasserstoff (H₂), der aus der mindestens eine Wasserstoffquelle (1) stammt, und mit einem Brennstoff (B) Strom (I) erzeugt wird, der b) über mindestens eine Adaptervorrichtung (3) an mindestens eine Stromabnahmevorrichtung (4), insbesondere eine aufladbare Batterie abgegeben wird.