DE102022107090A1

DE102022107090A1 - Fuel cell device and method for operating the same

Info

Publication number: DE102022107090A1
Application number: DE102022107090.5A
Authority: DE
Inventors: Alexander Hacks; Dieter Brillert; Sebastian Schuster
Original assignee: Univ Duisburg Essen Koerperschaft Des Oeffentlichen Rechts; Universitat Duisburg-Essen Korperschaft Des Offentlichen Rechts
Current assignee: Univ Duisburg Essen Koerperschaft Des Oeffentlichen Rechts; Universitat Duisburg-Essen Korperschaft Des Offentlichen Rechts
Priority date: 2022-03-25
Filing date: 2022-03-25
Publication date: 2023-09-28

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Brennstoffzellenvorrichtung (10) und Verfahren zum Betreiben derselben. Erfindungsgemäß ist daher eine Brennstoffzellenvorrichtung (10) mit einer Brennstoffzelle (12), einem Brennstofftank (11), einem Kühlkreislauf (15) für die Brennstoffzelle (12) und einer Mehrzahl von Systemmodulen (20) vorgesehen. Die Systemmodule (20) weisen jeweils eine Turbine (22), einen mittels der Turbine (22) antreibbaren Generator (21) und einen Wärmetauscher (23) auf. Die Wärmetauscher (23) sind mit dem Nachlauf (14) des Kühlkreislaufs (15) verbunden, so dass den Wärmetauschern (23) in der Brennstoffzelle (12) erwärmtes Kühlmittel zuführbar ist. Die Turbinen (22) der in Reihe ausgeführten Systemmodule (20) werden durch wiederholtes Entspannen und Wiedererwärmen in den Wärmetauschern (23) angetrieben. Das Brennstofffluid (16) ist der Brennstoffzelle (12) unter einem Arbeitsdruck zuführbar, der geringer als der Überdruck des Brennstofffluids (16) im Brennstofftank (11) ist. Damit wird die Aufgabe gelöst, eine Brennstoffzellenvorrichtung (10) bereitzustellen, die den Wirkungsgrad der Brennstoffzellenvorrichtung (10) erhöht und ein Vereisen der Brennstoffzelle (12) verhindert.The invention relates to a fuel cell device (10) and methods for operating the same. According to the invention, a fuel cell device (10) is therefore provided with a fuel cell (12), a fuel tank (11), a cooling circuit (15) for the fuel cell (12) and a plurality of system modules (20). The system modules (20) each have a turbine (22), a generator (21) that can be driven by the turbine (22), and a heat exchanger (23). The heat exchangers (23) are connected to the follower (14) of the cooling circuit (15), so that heated coolant can be supplied to the heat exchangers (23) in the fuel cell (12). The turbines (22) of the system modules (20) designed in series are driven by repeated relaxation and reheating in the heat exchangers (23). The fuel fluid (16) can be supplied to the fuel cell (12) at a working pressure that is lower than the excess pressure of the fuel fluid (16) in the fuel tank (11). This solves the problem of providing a fuel cell device (10) which increases the efficiency of the fuel cell device (10) and prevents the fuel cell (12) from icing over.

Description

Die Erfindung betrifft eine Brennstoffzellenvorrichtung mit einer Brennstoffzelle, einem Brennstofftank, einem Kühlkreislauf für die Brennstoffzelle und mit einem Generator, einer Turbine und einem Wärmetauscher. In dem Brennstofftank ist ein Brennstofffluid unter einem Überdruck gespeichert. Der Kühlkreislauf weist einen Vorlauf auf, mit dem abgekühltes Kühlmittel der Brennstoffzelle zuführbar ist, sowie einen Nachlauf, mit dem in der Brennstoffzelle erwärmtes Kühlmittel von der Brennstoffzelle abführbar ist, und eine Wärmeabgabeeinrichtung, mit der dem von der Brennstoffzelle her kommenden Kühlmittel Wärme entziehbar ist auf. Das Brennstofffluid wird in der Turbine entspannt und treibt dabei die Turbine an, die wiederum einen Generator antreibt. Das entspannte Brennstofffluid wird anschließend in einem Wärmetauscher erwärmt und der Brennstoffzelle zugeführt. Die Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzelle bei dem das Brennstofffluid in einer Turbine entspannt und zum Antreiben eines Generators verwendet wird. Das entspannte Brennstofffluid wird danach mittels des von der Brennstoffzelle erwärmten Kühlmittels erwärmt.The invention relates to a fuel cell device with a fuel cell, a fuel tank, a cooling circuit for the fuel cell and with a generator, a turbine and a heat exchanger. A fuel fluid is stored in the fuel tank under excess pressure. The cooling circuit has a flow with which cooled coolant can be supplied to the fuel cell, as well as a follow-up with which coolant heated in the fuel cell can be removed from the fuel cell, and a heat release device with which heat can be extracted from the coolant coming from the fuel cell . The fuel fluid is expanded in the turbine and drives the turbine, which in turn drives a generator. The relaxed fuel fluid is then heated in a heat exchanger and fed to the fuel cell. The invention also relates to a method for operating a fuel cell in which the fuel fluid is expanded in a turbine and used to drive a generator. The relaxed fuel fluid is then heated using the coolant heated by the fuel cell.

Brennstoffzellen setzen die chemische Reaktionsenergie eines in der Regel kontinuierlich zugeführten Brennstoffs und eines Oxidationsmittels in elektrische Energie um. Brennstoffzellen können kompakt gebaut werden und aufgrund dessen stellen sie einen alternative Antriebsmöglichkeit im Bereich der Elektromobilität dar. Die Brennstoffzelle steht dabei über ein Absperrventil und ein Druckregelventil mit einem Tank in Verbindung, in dem sich der Brennstoff unter Hochdruck befindet. Da die Brennstoffzelle bei einem Arbeitsdruck betrieben wird, der niedriger als der Speicherdruck ist, muss der unter Hochdruck stehende Brennstoff über einen Druckminderer entspannt werden. Zusätzlich muss die Brennstoffzelle über einen Kühlkreislauf aktiv gekühlt werden. Brennstoffzellen weisen im Allgemeinen eine hohe Verlustleistung in Form von Abwärme und benötigter Energie für den Luftverdichter und damit einhergehend einen niedrigen Wirkungsgrad auf.Fuel cells convert the chemical reaction energy of a generally continuously supplied fuel and an oxidizing agent into electrical energy. Fuel cells can be built compactly and therefore represent an alternative drive option in the field of electromobility. The fuel cell is connected via a shut-off valve and a pressure control valve to a tank in which the fuel is under high pressure. Since the fuel cell is operated at a working pressure that is lower than the storage pressure, the high-pressure fuel must be expanded using a pressure reducer. In addition, the fuel cell must be actively cooled via a cooling circuit. Fuel cells generally have a high power loss in the form of waste heat and the energy required for the air compressor and, as a result, a low level of efficiency.

Die EP 359 8551 A1 beschreibt eine Vorrichtung zum Betreiben einer Brennstoffzelleneinheit umfassend einen Betriebsmittelbehälter, welcher zur Aufbewahrung eines unter Hochdruck befindlichen Betriebsmittels zum Betreiben der Brennstoffzelleneinheit eingerichtet ist, und ein Brennstoffzellensystem, welches die Brennstoffzelleneinheit und eine Brennstoffzellenleitung aufweist, wobei der Betriebsmittelbehälter mittels einer Hochdruckleitung, einer Versorgungsleitung und der Brennstoffzellenleitung zum Führen des Betriebsmittels mit der Brennstoffzelleneinheit fluidtechnisch gekoppelt ist. Die Vorrichtung umfasst ferner zumindest eine Überführungseinheit, welche fluidtechnisch zwischen dem Betriebsmittelbehälter und der Brennstoffzelleneinheit angeordnet und mit der Hochdruckleitung, der Versorgungsleitung und/oder der Brennstoffzellenleitung gekoppelt ist und welche derart ausgebildet ist, dass beim Durchgang des Betriebsmittels durch die Überführungseinheit Zustandsenergie des Betriebsmittels auf eine Komponente der Überführungseinheit überführbar ist. Das in der Überführungseinheit entspannte Gas weist jedoch eine zu niedrige Temperatur auf, um in der Brennstoffzelle genutzt zu werden. Die Brennstoffzelle kann aufgrund der niedrigen Temperatur des entspannten Gases vereisen.The EP 359 8551 A1 describes a device for operating a fuel cell unit comprising a resource container which is set up to store a high-pressure resource for operating the fuel cell unit, and a fuel cell system which has the fuel cell unit and a fuel cell line, wherein the resource container is provided by means of a high-pressure line, a supply line and the fuel cell line is fluidly coupled to the fuel cell unit for guiding the operating medium. The device further comprises at least one transfer unit, which is arranged fluidly between the operating medium container and the fuel cell unit and is coupled to the high-pressure line, the supply line and / or the fuel cell line and which is designed such that when the operating medium passes through the transfer unit, state energy of the operating medium is transferred to a Component of the transfer unit can be transferred. However, the gas expanded in the transfer unit has a temperature that is too low to be used in the fuel cell. The fuel cell can ice up due to the low temperature of the expanded gas.

Davon ausgehend ist es die Aufgabe der Erfindung, eine Brennstoffzellenvorrichtung und ein Verfahren zum Betreiben derselben bereitzustellen, die den Wirkungsgrad der Brennstoffzellenvorrichtung erhöht und ein Vereisen der Brennstoffzelle verhindert.Proceeding from this, the object of the invention is to provide a fuel cell device and a method for operating the same, which increases the efficiency of the fuel cell device and prevents the fuel cell from icing over.

Diese Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen finden sich in den Unteransprüchen.This task is solved by the subject matter of the independent patent claims. Preferred further training can be found in the subclaims.

Erfindungsgemäß ist also eine Brennstoffzellenvorrichtung vorgesehen mit einer Brennstoffzelle, einem Brennstofftank, einem Kühlkreislauf für die Brennstoffzelle und einer Mehrzahl von Systemmodulen, wobei in dem Brennstofftank ein Brennstofffluid unter einem Überdruck speicherbar ist, der Kühlkreislauf einen Vorlauf, mit dem abgekühltes Kühlmittel der Brennstoffzelle zuführbar ist, einen Nachlauf aufweist, mit dem in der Brennstoffzelle erwärmtes Kühlmittel von der Brennstoffzelle abführbar ist, und eine Wärmeabgabeeinrichtung aufweist, mit der dem von der Brennstoffzelle her kommenden Kühlmittel Wärme entziehbar ist, die Systemmodule jeweils eine Turbine, einen mittels der Turbine antreibbaren Generator und einen Wärmetauscher aufweisen, die Wärmetauscher der Systemmodule mit dem Nachlauf des Kühlkreislaufs verbunden sind, so dass den Wärmetauschern in der Brennstoffzelle erwärmtes Kühlmittel zuführbar ist, die Turbine eines ersten Systemmoduls mit dem Brennstofftank verbunden ist, so dass sich von dem Brennstofftank her kommendes Brennstofffluid in der Turbine entspannt und dabei die Turbine antreibt, der Wärmetauscher des ersten Systemmoduls mit der Turbine des ersten Systemmoduls verbunden ist, so dass von der Turbine her kommendes Brennstofffluid in dem Wärmetauscher erwärmt wird, die Systemmodule derart in Reihe geschaltet sind, dass die Turbine eines _jeden dem ersten Systemmodul nachgeschalteten Systemmoduls mit dem Wärmetauscher des jeweiligen vorhergehenden Systemmoduls verbunden ist, so dass sich vom dem Wärmetauscher des jeweiligen vorhergehenden Systemmoduls her kommendes Brennstofffluid in der Turbine weiter entspannt und dabei die Turbine antreibt, und die Wärmetauscher eines jeden dem ersten Systemmodul nachgeschalteten Systemmoduls mit der Turbine des jeweiligen Systemmoduls verbunden ist, so dass von der Turbine her kommendes Brennstofffluid in dem Wärmetauscher erwärmt wird, und der Wärmetauscher des letzten Systemmoduls der Reihenschaltung mit der Brennstoffzelle verbunden ist, so dass das entspannte Brennstofffluid der Brennstoffzelle unter einem Arbeitsdruck zuführbar ist, der geringer als der Überdruck des Brennstofffluids im Brennstofftank ist.According to the invention, a fuel cell device is provided with a fuel cell, a fuel tank, a cooling circuit for the fuel cell and a plurality of system modules, wherein a fuel fluid can be stored under excess pressure in the fuel tank, the cooling circuit has a flow with which cooled coolant can be fed to the fuel cell, has a follower, with which coolant heated in the fuel cell can be removed from the fuel cell, and has a heat release device with which heat can be removed from the coolant coming from the fuel cell, the system modules each have a turbine, a generator that can be driven by the turbine and a heat exchanger have, the heat exchangers of the system modules are connected to the afterflow of the cooling circuit, so that heated coolant can be supplied to the heat exchangers in the fuel cell, the turbine of a first system module is connected to the fuel tank, so that fuel fluid coming from the fuel tank relaxes in the turbine and thereby drives the turbine, the heat exchanger of the first system module is connected to the turbine of the first system module, so that fuel fluid coming from the turbine is heated in the heat exchanger, the system modules are connected in series in such a way that the turbine of _each is connected to the first System module downstream system module is connected to the heat exchanger of the respective previous system module, so that from the heat exchanger of Fuel fluid coming from the respective preceding system module is further relaxed in the turbine and thereby drives the turbine, and the heat exchanger of each system module connected downstream of the first system module is connected to the turbine of the respective system module, so that fuel fluid coming from the turbine is heated in the heat exchanger, and the heat exchanger of the last system module of the series connection is connected to the fuel cell, so that the expanded fuel fluid can be supplied to the fuel cell at a working pressure that is lower than the excess pressure of the fuel fluid in the fuel tank.

Somit wird eine Brennstoffzellenvorrichtung bereitgestellt, die durch das Betreiben von mehreren in Reihe ausgeführten Systemmodulen einen zusätzlichen Strom mittels Generatoren erzeugt, welcher mit dem in der Brennstoffzelle erzeugten Strom kombiniert werden kann, um den Wirkungsgrad der Brennstoffzellenvorrichtung zu erhöhen. Des Weiteren wird durch das Erwärmen des Brennstofffluids in den Wärmetauschern ein Vereisen der Brennstoffzelle auf sehr sichere Weise vermieden.A fuel cell device is thus provided which, by operating a plurality of system modules arranged in series, generates additional electricity by means of generators, which can be combined with the electricity generated in the fuel cell in order to increase the efficiency of the fuel cell device. Furthermore, heating the fuel fluid in the heat exchangers prevents the fuel cell from freezing in a very safe manner.

Grundsätzlich kann die Brennstoffzellenvorrichtung mit einer unterschiedlichen Anzahl an Systemmodulen ausgebildet sein. Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist die Brennstoffzellenvorrichtung jedoch mit drei in Reihe ausgeführten Systemmodulen versehen. Die drei in Reihe ausgeführten Systemmodule erhöhen dabei die Ausbeute des generierten Stroms aus den Druckdifferenzen zwischen dem Brennstofftank und dem ersten Systemmodul und zwischen den Systemmodulen, die kleiner sind als die Druckdifferenz zwischen dem Brennstofftank und dem Arbeitsdruck der Brennstoffzelle. Mit Arbeitsdruck der Brennstoffzelle ist dabei der Druck gemeint, unter dem die Brennstoffzelle im Regelbetrieb betrieben wird. Die ermöglichte Anordnung ermöglicht somit ein stufenweises Absenken des Drucks des Brennstofffluids.In principle, the fuel cell device can be designed with a different number of system modules. However, according to a preferred development of the invention, the fuel cell device is provided with three system modules designed in series. The three system modules designed in series increase the yield of the electricity generated from the pressure differences between the fuel tank and the first system module and between the system modules, which are smaller than the pressure difference between the fuel tank and the working pressure of the fuel cell. The working pressure of the fuel cell means the pressure under which the fuel cell is operated in regular operation. The arrangement made possible thus enables the pressure of the fuel fluid to be gradually reduced.

Prinzipiell kann die Kühlung des Kühlmittels auf verschiedene Weisen erfolgen. Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist jedoch vorgesehen, dass der Wärmetauscher des letzten Systemmoduls der Reihenschaltung direkt mit dem Nachlauf des Kühlkreislaufs verbunden ist und alle Wärmetauscher der dem letzten Systemmodul in der Reihenschaltung vorgeschalteten Wärmetauscher jeweils mit dem Wärmetauscher des dem jeweiligen Systemmodul vorgeschalteten Systemmoduls verbunden sind und der Wärmetauscher des ersten Systemmoduls in der Reihenschaltung mit der Wärmeabgabeeinrichtung verbunden ist, so dass von dem Nachlauf her kommendes Kühlmittel nach Durchlaufen der Wärmetauscher der Systemmodule in der Wärmeabgabeeinrichtung abkühlbar und dann über den Vorlauf des Kühlkreislaufs der Brennstoffzelle wieder zuführbar ist. Vorteilhaft hier ist, dass die Kühlung der Brennstoffzellenvorrichtung geringer dimensioniert werden oder ggf. ganz wegfallen kann.In principle, the coolant can be cooled in various ways. According to a preferred development of the invention, however, it is provided that the heat exchanger of the last system module of the series connection is connected directly to the follow-up of the cooling circuit and all heat exchangers of the heat exchangers connected upstream of the last system module in the series connection are each connected to the heat exchanger of the system module connected upstream of the respective system module and the heat exchanger of the first system module is connected in series with the heat emission device, so that coolant coming from the afterflow can be cooled in the heat emission device after passing through the heat exchanger of the system modules and can then be fed back to the fuel cell via the flow of the cooling circuit. The advantage here is that the cooling of the fuel cell device can be made smaller or possibly eliminated entirely.

Es ist möglich verschiedene Turbinen und verschiedene Beschaufelungen der Turbinen der Systemmodule zu verwenden. Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist jedoch vorgesehen, dass die Turbinen als Gleichdruckturbinen in Impulsbeschaufelung ausgeführt sind. Die Ausführung der Turbinen als Gleichdruckturbinen in Impulsbeschaufelung ermöglicht das Ausströmen des Brennstofffluids aus der Düse mit Schallgeschwindigkeit, wodurch zusammen mit der Gleichdruckturbine in Impulsbeschaufelung der größtmögliche Übertrag des Impulses des Fluids auf die Turbinenschaufeln ermöglicht wird. Dazu können die Turbinen als Peltonturbinen ausgeführt sein.It is possible to use different turbines and different blading of the turbines of the system modules. According to a preferred development of the invention, however, it is provided that the turbines are designed as constant pressure turbines with pulse blading. The design of the turbines as constant-pressure turbines with impulse blading enables the fuel fluid to flow out of the nozzle at the speed of sound, which, together with the constant-pressure turbine with impulse blading, enables the greatest possible transfer of the momentum of the fluid to the turbine blades. For this purpose, the turbines can be designed as Pelton turbines.

Grundsätzlich können verschiedene Turbine-Generator Ausbildungen verwendet werden. Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist jedoch vorgesehen, dass Turbine und Generator eines Systemmoduls eine einzelne einstufige Turbine mit einem Generator bilden. Durch die Druckdifferenzen in den verschiedenen Stufen der Gasentspannung, die verschieden sind in den einzelnen Systemmodulen, rotieren die jeweiligen Turbinen mit unterschiedlichen Umdrehungszahlen. Dies wird entsprechend der bevorzugten Weiterbildung durch einzelne einstufige Turbine-Generator Ausbildungen kompensiert.In principle, different turbine generator designs can be used. According to a preferred development of the invention, however, it is provided that the turbine and generator of a system module form a single single-stage turbine with a generator. Due to the pressure differences in the various stages of gas expansion, which are different in the individual system modules, the respective turbines rotate at different speeds. This is compensated for in accordance with the preferred further training by individual single-stage turbine generator training.

Die Turbine und der Generator eines Systemmoduls können beliebig angeordnet sein. Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist jedoch vorgesehen, dass die Turbine und der Generator eines Systemmoduls in einem hermetischen Gehäuse angeordnet sind. Ein hermetisch abgeschlossenes Gehäuse ist dabei ein absolut dichtes, insbesondere den Austausch von Wasser und Luft verhinderndes Gehäuse.The turbine and generator of a system module can be arranged anywhere. According to a preferred development of the invention, however, it is provided that the turbine and the generator of a system module are arranged in a hermetic housing. A hermetically sealed housing is an absolutely tight housing that, in particular, prevents the exchange of water and air.

Erfindungsgemäß umfasst das Verfahren folgende Verfahrensschritte: Entspannen eines Brennstofffluids in einer ersten Turbine zum Antreiben eines ersten Generators und Erwärmen des entspannten Brennstofffluids mittels von der Brennstoffzelle erwärmtem Kühlmittel, Entspannen des Brennstofffluids in wenigstens einer weiteren, der ersten Turbine nachgeschalteten Turbine zum Antreiben eines jeweiligen weiteren Generators und Erwärmen des in der jeweiligen Turbine entspannten Brennstofffluids mittels von der Brennstoffzelle erwärmtem Kühlmittel und Zuführen des Brennstofffluids an die Brennstoffzelle, nachdem das Brennstofffluid die letzte Turbine durchlaufen hat und danach mittels von der Brennstoffzelle erwärmtem Kühlmittel erwärmt worden ist.According to the invention, the method comprises the following method steps: expanding a fuel fluid in a first turbine to drive a first generator and heating the expanded fuel fluid by means of coolant heated by the fuel cell, expanding the fuel fluid in at least one further turbine connected downstream of the first turbine to drive a respective further generator and heating the fuel fluid expanded in the respective turbine by means of coolant heated by the fuel cell and supplying the fuel fluid to the fuel cell after the fuel fluid has passed through the last turbine and thereafter by means of has been heated by coolant heated by the fuel cell.

Grundsätzlich können für das Verfahren verschiedene Schritte durchgeführt werden, um das Brennstofffluid zu erwärmen. Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist jedoch vorgesehen, dass das Erwärmen des Brennstofffluids jeweils in einem Wärmetauscher erfolgt, der jeweils mit von der Brennstoffzelle erwärmtem Kühlmittel beaufschlagt wird.In principle, various steps can be carried out for the process in order to heat the fuel fluid. According to a preferred development of the invention, however, it is provided that the heating of the fuel fluid takes place in a heat exchanger, which is supplied with coolant heated by the fuel cell.

Für das Verfahren können verschiedene Schritte durchgeführt werden, um das Brennstofffluid zu erwärmen. Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist jedoch vorgesehen, dass das Erwärmen des Brennstofffluids jeweils in einem Wärmetauscher erfolgt, der jeweils mit von der Brennstoffzelle erwärmtem Kühlmittel beaufschlagt wird.For the process, various steps can be performed to heat the fuel fluid. According to a preferred development of the invention, however, it is provided that the heating of the fuel fluid takes place in a heat exchanger, which is supplied with coolant heated by the fuel cell.

Prinzipiell können für das Verfahren verschiedene Schritte durchgeführt werden, um dem Wärmetauscher ein Fluid zuzuführen, dass wärmer ist, als das Brennstofffluid. Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist jedoch vorgesehen, dass der Wärmetauscher, der von dem Brennstofffluid zuletzt durchlaufen wird, mit direkt von der Brennstoffzelle her kommendem Kühlmittel beaufschlagt wird.In principle, various steps can be carried out for the method in order to supply the heat exchanger with a fluid that is warmer than the fuel fluid. According to a preferred development of the invention, however, it is provided that the heat exchanger through which the fuel fluid last passes is supplied with coolant coming directly from the fuel cell.

Das Kühlmittel kann grundsätzlich in jeder Richtung durch die Wärmetauscher geführt werden. Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist jedoch vorgesehen, dass die Wärmetauscher von dem Brennstofffluid in einer Richtung durchlaufen werden, die der Richtung, in der das Brennstofffluid die Turbinen durchläuft, entgegengesetzt ist.The coolant can basically be guided through the heat exchanger in any direction. According to a preferred development of the invention, however, it is provided that the fuel fluid passes through the heat exchangers in a direction that is opposite to the direction in which the fuel fluid passes through the turbines.

Der in den Generatoren erzeugte Strom kann beliebig verwendet werden. Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist jedoch vorgesehen, dass der in den Generatoren erzeugte Strom mit dem in der Brennstoffzelle erzeugten Strom zusammengeführt wird. Dadurch wird Wirkungsgrad der Brennstoffzellenvorrichtung erhöht.The electricity generated in the generators can be used in any way. According to a preferred development of the invention, however, it is provided that the electricity generated in the generators is combined with the electricity generated in the fuel cell. This increases the efficiency of the fuel cell device.

Nachfolgend wir die Erfindung anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnungen weiter im Detail erläutert.Below we will explain the invention in further detail using a preferred exemplary embodiment with reference to the drawings.

In der Zeichnung zeigen

1 schematisch eine Brennstoffzellenvorrichtung gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
2 schematisch mehrere Systemmodule der Brennstoffzellenvorrichtung gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung und
3 schematisch ein Systemmodul der Brennstoffzellenvorrichtung gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Show in the drawing

1 schematically a fuel cell device according to a preferred embodiment of the invention,
2 schematically several system modules of the fuel cell device according to the preferred embodiment of the invention and
3 schematically a system module of the fuel cell device according to the preferred embodiment of the invention.

Aus 1 ist schematisch eine Brennstoffzellenvorrichtung 10 mit einer Brennstoffzelle 12 gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung ersichtlich. Die Brennstoffzellenvorrichtung 10 weist einen Brennstofftank 11 auf, in dem das Brennstofffluid 16, vorliegend Wasserstoff, unter einem Überdruck gespeichert ist. Der Brennstofftank 11 ist fluidtechnisch über ein Absperrventil 18 mit im Folgenden im Detail beschriebenen Systemmodulen 20 verbunden. Die Systemmodule 20 sind außerdem fluidtechnisch verbunden mit dem Vorlauf 13 eines Kühlkreislaufs 15 für die Brennstoffzelle 12 und dem Nachlauf 14 des Kühlkreislaufs 15. Die Systemmodule 20 sind außerdem fluidtechnisch über ein Druckregelventil 17 mit der Brennstoffzelle 12 verbunden. Bevor das Brennstofffluid 16 der Brennstoffzelle 12 zugeführt wird, wird das Brennstofffluid 16 ausgehend vom Brennstofftank 11 in die Systemmodule 20 geleitet. Das Absperrventil 18 kann dabei das Überströmen des Brennstofffluids 16 hemmen. Innerhalb der Systemmodule 20 entspannt sich das Brennstofffluid 16 jeweils, um dann, im letzten Systemmodul 20 entspannt auf einen Arbeitsdruck, in die Brennstoffzelle 12 geleitet zu werden.Out of 1 A fuel cell device 10 with a fuel cell 12 according to a preferred exemplary embodiment of the invention can be seen schematically. The fuel cell device 10 has a fuel tank 11 in which the fuel fluid 16, in this case hydrogen, is stored under excess pressure. The fuel tank 11 is fluidly connected via a shut-off valve 18 to the system modules 20 described in detail below. The system modules 20 are also fluidly connected to the flow 13 of a cooling circuit 15 for the fuel cell 12 and the downstream 14 of the cooling circuit 15. The system modules 20 are also fluidly connected to the fuel cell 12 via a pressure control valve 17. Before the fuel fluid 16 is supplied to the fuel cell 12, the fuel fluid 16 is passed from the fuel tank 11 into the system modules 20. The shut-off valve 18 can inhibit the overflow of the fuel fluid 16. Within the system modules 20, the fuel fluid 16 expands in each case and is then fed into the fuel cell 12, expanded to a working pressure in the last system module 20.

Damit sichergestellt ist, dass der Brennstoffzelle 12 ausschließlich Brennstofffluid 16 mit einem Druck entsprechend dem gewünschten Arbeitsdruck der Brennstoffzelle 12 zugeführt wird, sind die Systemmodule 20 fluidtechnisch mit einem Druckregelventil 17 verbunden, das seinerseits fluidtechnisch mit der Brennstoffzelle 12 verbunden ist. Durch das Entspannen des Brennstofffluids 16 in den Systemmodulen 20 kühlt das Brennstofffluid 16 ab. Damit ein Vereisen der Brennstoffzelle 12 vermieden werden kann, muss das Brennstofffluid 16 daher erwärmt werden. Dazu wird gemäß dem hier beschriebenen bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung aus dem Nachlauf 14 des Kühlkreislaufs 15 erwärmtes Kühlmittel in die Systemmodule 20 geführt. Das Kühlmittel, das vom Nachlauf 14 des Kühlkreislaufs 15 kommt, wird also durch die Systemmodule 20 hindurch in den Vorlauf 13 des Kühlkreislaufs 15 geleitet. Das Kühlmittel strömt dann von dem letzten durchlaufenen Systemmodul 20 über einen Radiator 111 hin zu einer Kühlmittelpumpe 110. Die Kühlmittelpumpe 110 ist ihrerseits fluidtechnisch verbunden mit der Brennstoffzelle 12 und fördert das Kühlmittel zu derselben.To ensure that the fuel cell 12 is supplied exclusively with fuel fluid 16 at a pressure corresponding to the desired working pressure of the fuel cell 12, the system modules 20 are fluidly connected to a pressure control valve 17, which in turn is fluidly connected to the fuel cell 12. By relaxing the fuel fluid 16 in the system modules 20, the fuel fluid 16 cools down. In order to avoid freezing of the fuel cell 12, the fuel fluid 16 must therefore be heated. For this purpose, according to the preferred exemplary embodiment of the invention described here, heated coolant is fed from the follower 14 of the cooling circuit 15 into the system modules 20. The coolant that comes from the afterflow 14 of the cooling circuit 15 is therefore passed through the system modules 20 into the flow 13 of the cooling circuit 15. The coolant then flows from the last system module 20 passed through via a radiator 111 to a coolant pump 110. The coolant pump 110 is in turn fluidly connected to the fuel cell 12 and delivers the coolant to the same.

Der in der Brennstoffzellenvorrichtung 10 generierte Strom wird teilweise zur Verdichtung der Luft der Luftversorgung 112 vor dem Eintritt in die Brennstoffzelle 12 verwendet. Die Brennstoffzelle 12 ist fluidtechnisch mit dem Ablassventil 19 verbunden und die in der Brennstoffzelle 12 entstandenen Abgase werden über das Ablassventil 19 aus der Brennstoffzellenvorrichtung 10 abgeführt. Nicht vollständig verbrauchtes Brennstofffluid 16 wird der Brennstoffzelle 12 in Form eines Bypasses über die Rezirkulationspumpe 113 erneut zugeführt. Die Rezirkulationspumpe 113 ist dazu fluidtechnisch mit einem Ende der Brennstoffzelle 12 verbunden, sodass nicht verbrauchtes Brennstofffluid 16 ausgehend von der Brennstoffzelle 12 zur Rezirkulationspumpe 113 hin strömt und von dieser über eine fluidtechnische Verbindung stromabwärts des Druckregelventils 17 der Brennstoffzelle 12 erneut zugeführt wird.The electricity generated in the fuel cell device 10 is used in part to compress the air of the air supply 112 before entering the fuel cell 12. The fuel cell 12 is fluidly connected to the drain valve 19 and the fuel cell 12 created Exhaust gases are discharged from the fuel cell device 10 via the drain valve 19. Fuel fluid 16 that is not completely consumed is fed again to the fuel cell 12 in the form of a bypass via the recirculation pump 113. For this purpose, the recirculation pump 113 is fluidly connected to one end of the fuel cell 12, so that unused fuel fluid 16 flows from the fuel cell 12 to the recirculation pump 113 and is fed again to the fuel cell 12 via a fluidic connection downstream of the pressure control valve 17.

In 2 sind Systemmodule 20 des hier beschriebenen bevorzugten Ausführungsbeispiels schematisch im Detail abgebildet. Jedes Systemmodul 20 weist eine Turbine 22, einen Generator und einen Wärmetauscher 23 auf, wobei das Folgende gilt: Das Brennstofffluid 16 entspannt sich in der Turbine 22 und treibt diese an. Die Turbine 22 ist über eine Energieübertragungseinheit in Form einer hier nicht weiter dargestellten Welle mit dem Generator 21 verbunden. Durch die Rotation der Turbine 22 wird die Welle in Rotation versetzt. Turbine 22 und Generator 21 des Systemmoduls 20 sind dabei auf einer gemeinsamen Welle angeordnet. Die Turbine 22 ist fluidtechnisch verbunden mit dem Wärmetauscher 23, und das in der Turbine 22 entspannte Brennstofffluid 16 wird in den Wärmetauscher 23 geleitet. In dem Wärmetauscher 23 wird das entspannte und damit abgekühlte Brennstofffluid 16 wieder erwärmt.In 2 System modules 20 of the preferred exemplary embodiment described here are shown schematically in detail. Each system module 20 has a turbine 22, a generator and a heat exchanger 23, whereby the following applies: The fuel fluid 16 expands in the turbine 22 and drives it. The turbine 22 is connected to the generator 21 via an energy transmission unit in the form of a shaft, not shown here. The rotation of the turbine 22 causes the shaft to rotate. Turbine 22 and generator 21 of the system module 20 are arranged on a common shaft. The turbine 22 is fluidly connected to the heat exchanger 23, and the fuel fluid 16 expanded in the turbine 22 is passed into the heat exchanger 23. The relaxed and thus cooled fuel fluid 16 is heated again in the heat exchanger 23.

Die verschiedenen Systemmodule 20 sind nun fluidtechnisch derart miteinander verbunden, dass das in dem Wärmetauscher 23 eines zuerst durchlaufenen Systemmoduls 20 erwärmtes Brennstofffluid 16 der Turbine 22 eines nachgeschalteten Systemmoduls 20 zugeführt wird. In diesem nachgeschalteten Systemmodul 20 erfolgt dann der gleiche Prozess, wie in dem davor geschalteten. Dies setzt sich so für alle nachgeschalteten Systemmodule 20 weiter fort, bis das Brennstofffluid 16 schließlich mit dem angestrebten Arbeitsdruck und mit einer gewünschten Arbeitstemperatur der Brennstoffzelle 12 zugeführt wird.The various system modules 20 are now fluidly connected to one another in such a way that the fuel fluid 16 heated in the heat exchanger 23 of a system module 20 that has passed through first is fed to the turbine 22 of a downstream system module 20. The same process then takes place in this downstream system module 20 as in the one connected before it. This continues for all downstream system modules 20 until the fuel fluid 16 is finally supplied to the fuel cell 12 at the desired working pressure and at a desired working temperature.

Wie in 2 gezeigt, wird das Kühlmittel aus dem Nachlauf 14 des Kühlkreislaufs 15 dem letzten Wärmetauscher 23 den Systemmodulen 20 entgegengesetzt zu der Richtung zugeführt, in der das Brennstofffluid 16 die Systemmodule 20 durchströmt. Dazu sind die Wärmetauscher 23 der Systemmodule 20 derart fluidtechnisch miteinander verbunden, dass Kühlmittel aus dem Nachlauf 14 des Kühlkreislaufs 15 über, in Richtung des Durchflusses des Brennstofffluids 16 durch die Systemmodule 20 gesehen, den letzten Wärmetauscher 23, die weiteren Wärmetauscher 23, den ersten Wärmetauscher 23 und dann über den Radiator 111 und die Kühlmittelpumpe 110 wieder in den Vorlauf 13 des Kühlkreislaufs 15 strömt.As in 2 shown, the coolant from the afterflow 14 of the cooling circuit 15 is fed to the last heat exchanger 23 to the system modules 20 in the opposite direction to the direction in which the fuel fluid 16 flows through the system modules 20. For this purpose, the heat exchangers 23 of the system modules 20 are fluidly connected to one another in such a way that coolant from the afterflow 14 of the cooling circuit 15 via, viewed in the direction of the flow of the fuel fluid 16 through the system modules 20, the last heat exchanger 23, the further heat exchangers 23, the first heat exchanger 23 and then flows back into the flow 13 of the cooling circuit 15 via the radiator 111 and the coolant pump 110.

Durch die Wärmetauscher 23 in den Systemmodulen 20 wird also in jedem Systemmodul 20 eine Zwischenerhitzung realisiert. Dadurch kann die Temperatur des Brennstofffluids 16 und die Temperatur des Kühlmittels des Vorlaufs 13 des Kühlkreislaufs 15 gesteuert werden. Hierbei liegen eine besonders vorteilhafte Temperatur, also die bevorzugte Arbeitstemperatur des Brennstofffluids 16 bei 25° C und eine besonders vorteilhafte Temperatur für das Kühlmittel des Vorlaufs 13 des Kühlkreislaufs 15 bei 40° C. So kann beispielsweise bei einem initialen Druck von 700 bar und acht Systemmodulen eine durchschnittliche (bezogen auf den durchschnittlichen Druck des Brennstofftanks) Erhöhung von 6 % des Wirkungsgrads der Brennstoffzellenvorrichtung erzielt werden.Intermediate heating is therefore implemented in each system module 20 by the heat exchangers 23 in the system modules 20. This allows the temperature of the fuel fluid 16 and the temperature of the coolant of the flow 13 of the cooling circuit 15 to be controlled. Here, a particularly advantageous temperature, i.e. the preferred working temperature of the fuel fluid 16, is 25° C. and a particularly advantageous temperature for the coolant of the flow 13 of the cooling circuit 15 is 40° C. For example, with an initial pressure of 700 bar and eight system modules an average (based on the average pressure of the fuel tank) increase of 6% in the efficiency of the fuel cell device can be achieved.

In 3 ist schließlich noch ein einzelnes Systemmodul 20 gemäß dem hier beschriebenen bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Die Turbine 22 und der Generator 21 (in 3 nicht gezeigt) sind in einem hermetischen Gehäuse 31 angeordnet. Die abgebildete Turbine 22 ist vorliegend eine Peltonturbine. Das zugeführte Brennstofffluid 16 entspannt dabei über die Düse 32 und strömt mit einer Geschwindigkeit > 1000 m/s in die Turbine 22 und deren Beschaufelung, so dass diese mit Drehzahlen >> 100000 rpm (Umdrehungen die Minute) angetrieben wird. Das entspannte Brennstofffluid 16 wird dann aus dem hermetischen Gehäuse 31 abgeführt und strömt dem Wärmetauscher 23 des Systemmoduls 20 zu. Im Wärmetauscher 23 wird das Brennstofffluid 16 mittels des Kühlmittels aus dem Nachlauf 14 des Kühlkreislaufs 15 erwärmt. Das Brennstofffluid 16 wird darauffolgend einem weiteren Systemmodul 20 oder der Brennstoffzelle 12 zugeführt.In 3 Finally, a single system module 20 is shown according to the preferred exemplary embodiment of the invention described here. The turbine 22 and the generator 21 (in 3 not shown) are arranged in a hermetic housing 31. The turbine 22 shown here is a Pelton turbine. The supplied fuel fluid 16 relaxes via the nozzle 32 and flows into the turbine 22 and its blades at a speed of > 1000 m/s, so that it is driven at speeds of >> 100,000 rpm (revolutions per minute). The relaxed fuel fluid 16 is then removed from the hermetic housing 31 and flows to the heat exchanger 23 of the system module 20. In the heat exchanger 23, the fuel fluid 16 is heated by means of the coolant from the afterflow 14 of the cooling circuit 15. The fuel fluid 16 is then supplied to a further system module 20 or the fuel cell 12.

BezugszeichenlisteReference symbol list

1010: BrennstoffzellenvorrichtungFuel cell device
1111: BrennstofftankFuel tank
1212: BrennstoffzelleFuel cell
1313: Vorlaufleader
1414: Nachlauftrailing
1515: KühlkreislaufCooling circuit
1616: BrennstofffluidFuel fluid
1717: DruckregelventilPressure control valve
1818: AbsperrventilShut-off valve
1919: Ablassventildrain valve
110110: Kühlmittelpumpecoolant pump
111111: Radiatorradiator
112112: LuftversorgungAir supply
113113: RezirkulationspumpeRecirculation pump
2020: SystemmoduleSystem modules
2121: Generatorgenerator
2222: Turbineturbine
2323: WärmetauscherHeat exchanger
3131: Hermetisches GehäuseHermetic housing
3232: Düsejet

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

EP 3598551 A1 [0003]

Claims

Fuel cell device (10) with a fuel cell (12), a fuel tank (11), a cooling circuit (15) for the fuel cell (12) and a plurality of system modules (20), wherein A fuel fluid (16) can be stored in the fuel tank (11) under excess pressure, the cooling circuit (15) has a flow (13) with which cooled coolant can be fed to the fuel cell (12), a follow-up (14) with which coolant heated in the fuel cell (12) can be removed from the fuel cell (12), and has a heat emission device with which heat can be extracted from the coolant coming from the fuel cell (12), the system modules (20) each have a turbine (22), a generator (21) that can be driven by the turbine (22), and a heat exchanger (23), the heat exchangers (23) of the system modules (20) are connected to the follower (14) of the cooling circuit (15), so that heated coolant can be supplied to the heat exchangers (23) in the fuel cell (12), the turbine (22) of a first system module (20) is connected to the fuel tank (11), so that fuel fluid (16) coming from the fuel tank (11) expands in the turbine (22) and thereby drives the turbine (22). , the heat exchanger (23) of the first system module (20) is connected to the turbine (22) of the first system module (20), so that fuel fluid (16) coming from the turbine (22) is heated in the heat exchanger (23), the system modules (20) are connected in series in such a way that the turbine (22) of each system module (20) connected downstream of the first system module (20) is connected to the heat exchanger (23) of the respective preceding system module (20), so that from The fuel fluid (16) coming from the heat exchanger (23) of the respective preceding system module (20) is further expanded in the turbine (22) and thereby drives the turbine (22), and the heat exchangers (23) of each downstream of the first system module (20). System module (20) is connected to the turbine (22) of the respective system module (20), so that fuel fluid (16) coming from the turbine (22) is heated in the heat exchanger (23), and the heat exchanger (23) of the last System module (20) of the series connection is connected to the fuel cell (12), so that the relaxed fuel fluid (16) can be supplied to the fuel cell (12) at a working pressure that is lower than the excess pressure of the fuel fluid (16) in the fuel tank (11). .

Fuel cell device (10) according to one of the preceding claims, wherein the plurality of system modules are three system modules (20) designed in series.

Fuel cell device (10) according to the previous claim, wherein the heat exchanger (23) of the last system module (20) of the series connection is connected directly to the follower (14) of the cooling circuit (15) and all heat exchangers (23) of the last system module (20) in The heat exchanger (23) connected upstream of the series connection is each connected to the heat exchanger (23) of the system module (20) connected upstream of the respective system module (20) and the heat exchanger (23) of the first system module (20) is connected in the series connection to the heat output device, so that coolant coming from the afterflow can be cooled in the heat output device after passing through the heat exchanger (23) of the system modules (20) and can then be fed back to the fuel cell (12) via the flow (13) of the cooling circuit (15).

Fuel cell device (10) according to one of the preceding claims, wherein the turbines (22) are designed as constant pressure turbines with pulse blading.

Fuel cell device (10) according to one of the preceding claims, wherein the turbine (22) and the generator (21) of a system module (20) form a single single-stage turbine (22) with a generator (21).

Fuel cell device (10). Claim 5 , wherein the turbine (22) and the generator (21) of a system module (20) are arranged in a hermetic housing (31).

Method for operating a fuel cell (12) with the following process steps: Expanding a fuel fluid in a first turbine (22) to drive a first generator (21) and heating the expanded fuel fluid using coolant heated by the fuel cell (12), Expanding the fuel fluid in at least one further turbine (22) connected downstream of the first turbine (22) to drive a respective further generator (21) and heating the expanded fuel fluid in the respective turbine (22) by means of coolant heated by the fuel cell (12) and Supplying the fuel fluid to the fuel cell after the fuel fluid (16) has passed through the last turbine (22) and has then been heated by means of coolant heated by the fuel cell (12).

Method for operating a fuel cell device (10) according to the previous claim, wherein the heating of the fuel fluid takes place in a heat exchanger (23), which is supplied with coolant heated by the fuel cell (12).

Method for operating a fuel cell device (10). Claim 8 , wherein the heat exchanger (23), which is last passed through by the fuel fluid (16), is supplied with coolant coming directly from the fuel cell (12).

Method for operating a fuel cell device (10). Claim 9 , wherein the heat exchangers (23) are passed through by the fuel fluid (16) in a direction that is opposite to the direction in which the fuel fluid (16) passes through the turbines (22).

Method for operating a fuel cell device (10) according to one of Claims 7 until 10 , wherein the electricity generated in the generators (21) is combined with the electricity generated in the fuel cell (12).