DE102022206342A1 - Device and method for providing electrical energy using a hydrogen carrier medium and mobile platform with such a device - Google Patents
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Abstract
Eine Vorrichtung (5) zum Bereitstellen elektrischer Energie mittels eines Wasserstoffträgermediums umfasst eine einen ersten Dehydrierreaktor (56) aufweisende Dehydriereinheit (9) zum Freisetzen von Wasserstoffgas von dem Wasserstoffträgermedium, eine mit der Dehydriereinheit (9) fluidtechnisch verbundene Stromerzeugungseinheit (17) zum Erzeugen von elektrischem Strom aus dem freigesetzten Wasserstoffgas, eine mit der Stromerzeugungseinheit (17) elektrisch verbundene Elektronikeinheit (23) zum Speichern und/oder Steuern des erzeugten elektrischen Stroms sowie eine Aktivierungseinheit (29) zum Aktivieren der Vorrichtung (5), wobei Aktivierungseinheit (29) eine Heizeinheit (27, 28) zum Beheizen des ersten Dehydrierreaktors (56) umfasst.A device (5) for providing electrical energy by means of a hydrogen carrier medium comprises a dehydrogenation unit (9) having a first dehydrogenation reactor (56) for releasing hydrogen gas from the hydrogen carrier medium, a power generation unit (17) fluidly connected to the dehydrogenation unit (9) for generating electrical Electricity from the released hydrogen gas, an electronics unit (23) electrically connected to the power generation unit (17) for storing and/or controlling the generated electrical current and an activation unit (29) for activating the device (5), the activation unit (29) being a heating unit (27, 28) for heating the first dehydrogenation reactor (56).
Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Bereitstellen elektrischer Energie mittels eines Wasserstoffträgermediums sowie eine mobile Plattform mit einer derartigen Vorrichtung.The invention relates to a device and a method for providing electrical energy using a hydrogen carrier medium and to a mobile platform with such a device.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Bereitstellung elektrischer Energie mittels eines Wasserstoffträgermediums zu verbessern und insbesondere die Bereitstellung aus einem Ruhemodus derart zu verbessern, dass die Bereitstellung aus dem Ruhemodus autark und insbesondere ohne externe Energiezufuhr möglich ist und insbesondere die Bereitstellungszeit verkürzt ist.The invention is based on the object of improving the provision of electrical energy by means of a hydrogen carrier medium and in particular of improving the provision from a rest mode in such a way that the provision from the rest mode is possible independently and in particular without an external energy supply and in particular the provision time is shortened.
Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß gelöst durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 13.This object is achieved according to the invention by a device with the features of
Der Kern der Erfindung besteht darin, dass mittels einer Aktivierungseinheit eine Vorrichtung zum Bereitstellen elektrischer Energie mittels eines Wasserstoffträgermediums aktivierbar ist, insbesondere ohne dass andere Energie als Wasserstoffträgermedium von außerhalb der Vorrichtung für das Aktivieren zugeführt wird. Das Aktivieren erfolgt insbesondere durch Beheizen eines ersten Dehydrierreaktors einer Dehydriereinheit, die zum Freisetzen von Wasserstoffgas aus dem Wasserstoffträgermedium dient. Die Aktivierungseinheit umfasst eine Heizeinheit. Die Heizeinheit ist insbesondere eine separate Komponente und insbesondere nicht die Dehydriereinheit selbst. Das Beheizen zum Aktivieren der Vorrichtung, insbesondere der Dehydriereinheit und insbesondere des ersten Dehydrierreaktors, ist insbesondere keine Wärmerückgewinnung aus der Dehydriereinheit.The core of the invention is that a device for providing electrical energy using a hydrogen carrier medium can be activated by means of an activation unit, in particular without energy other than hydrogen carrier medium being supplied from outside the device for activation. The activation takes place in particular by heating a first dehydrogenation reactor of a dehydrogenation unit, which serves to release hydrogen gas from the hydrogen carrier medium. The activation unit includes a heating unit. The heating unit is in particular a separate component and in particular not the dehydrogenation unit itself. Heating to activate the device, in particular the dehydrogenation unit and in particular the first dehydrogenation reactor, is in particular not heat recovery from the dehydrogenation unit.
Es wurde gefunden, dass die Aktivierungseinheit den Betrieb der Vorrichtung aus einem Ruhemodus verbessert. In dem Ruhemodus ist die Dehydriereinheit und insbesondere der erste Dehydrierreaktor inaktiv. Die Aktivierungseinheit ermöglicht insbesondere einen unmittelbaren Betrieb der Vorrichtung aus dem Ruhemodus. Die Aktivierungseinheit ermöglicht einen sogenannten Kaltstart der Vorrichtung und insbesondere eines elektromotorischen Antriebs, der mit der Vorrichtung elektrisch verbunden ist. Die Aktivierungseinheit wird auch als Kaltstarteinheit bezeichnet.The activation unit has been found to improve operation of the device from a sleep mode. In the rest mode, the dehydrogenation unit and in particular the first dehydrogenation reactor is inactive. In particular, the activation unit enables the device to be operated immediately from sleep mode. The activation unit enables a so-called cold start of the device and in particular of an electric motor drive that is electrically connected to the device. The activation unit is also called a cold start unit.
Insbesondere beträgt eine Zeitverzögerung zwischen einer Anforderung eines Strombedarfs an dem elektromotorischen Antrieb bis zur Bereitstellung des elektrischen Stroms von einer Stromerzeugungseinheit höchstens zwölf Stunden, insbesondere höchstens acht Stunden und insbesondere höchstens sechs Stunden.In particular, a time delay between a request for power from the electric motor drive and the provision of electrical power from a power generation unit is a maximum of twelve hours, in particular a maximum of eight hours and in particular a maximum of six hours.
Wasserstoffgas kann von dem Wasserstoffträgermedium reversibel freigesetzt und wieder chemisch daran gebunden werden. Ein derartiges Wasserstoffträgermedium ist insbesondere flüssig und insbesondere ein flüssiges organisches Wasserstoffträgermedium (LOHC). Als besonders geeignet hat sich ein Wasserstoffträgermedium erwiesen, das in einer zumindest teilweise mit Wasserstoff beladenen Form als Perhydro-Dibenzyltoluol (H18DBT), Perhydro-Benzyltoluol (H12BT), Methylcyclohexan (C7H14), das zu Toluol (C7H8) dehydrierbar ist, und/oder Dicyclohexan vorliegt. Möglich ist auch die Verwendung einer Mischung von Wasserstoffträgermedien in der zumindest teilweise mit Wasserstoff beladenen Form von Perhydro-Diphenylmethan und Perhydro-Biphenyl. Diese Verbindungen können zu Diphenylmethan und Biphenyl dehydriert werden. Besonders vorteilhaft ist eine Mischung aus Biphenyl zu Diphenylmethan in einem Verhältnis von 30 : 70, insbesondere 35 : 65 und insbesondere 40 : 60.Hydrogen gas can be reversibly released from the hydrogen carrier medium and chemically bound to it again. Such a hydrogen carrier medium is in particular liquid and in particular a liquid organic hydrogen carrier medium (LOHC). A hydrogen carrier medium has proven to be particularly suitable, which is in an at least partially hydrogen-loaded form as perhydro-dibenzyltoluene (H 18 DBT), perhydro-benzyltoluene (H 12 BT), methylcyclohexane (C 7 H 14 ), which forms toluene (C 7 H 8 ) is dehydrogenable and/or dicyclohexane is present. It is also possible to use a mixture of hydrogen carrier media in the at least partially hydrogen-loaded form of perhydro-diphenylmethane and perhydro-biphenyl. These compounds can be dehydrogenated to diphenylmethane and biphenyl. A mixture of biphenyl to diphenylmethane in a ratio of 30:70, in particular 35:65 and in particular 40:60 is particularly advantageous.
Die Dehydrierung des Wasserstoffträgermediums in der Dehydriereinheit ist katalytisch, erfolgt also in Anwesenheit eines Katalysators. Der Katalysator umfasst einen Katalysatorträger, an dem katalytisch aktives Katalysatormaterial angeordnet und insbesondere daran befestigt ist. Das Katalysatormaterial weist insbesondere ein Metall auf, insbesondere Platin, Palladium, Nickel, Rhodium und/oder Ruthenium. Als Katalysatorträger dient insbesondere Aluminiumoxid, Siliziumoxid, Titanoxid, Zirkonoxid und/oder Aktivkohle. Der Katalysatorträger ist insbesondere ein poröser oxidischer Träger. Der Katalysatorträger ist insbesondere inert. Der Gewichtsanteil des Katalysatormaterials beträgt bezogen auf den Katalysatorträger zwischen 0,1 % bis 10 %.The dehydrogenation of the hydrogen carrier medium in the dehydrogenation unit is catalytic, i.e. takes place in the presence of a catalyst. The catalyst comprises a catalyst support on which catalytically active catalyst material is arranged and in particular attached thereto. The catalyst material in particular has a metal, in particular platinum, palladium, nickel, rhodium and/or ruthenium. In particular, aluminum oxide, silicon oxide, titanium oxide, zirconium oxide and/or activated carbon serve as catalyst supports. The catalyst support is in particular a porous oxidic support. The catalyst support is in particular inert. The proportion by weight of the catalyst material, based on the catalyst support, is between 0.1% and 10%.
Der Katalysator umfasst eine Vielzahl von Katalysatorteilchen, insbesondere Katalysatorträgerteilchen, die insbesondere als Pellets vorliegen. Die Katalysatorteilchen weisen eine mittlere Teilchengröße von 0,5 mm bis 10 mm, insbesondere von 1 mm bis 8 mm und insbesondere von 2 mm bis 4 mm auf. Die Katalysatorteilchen sind insbesondere in Form eines Festbettes angeordnet, das von dem Wasserstoffträgermedium durchströmt wird.The catalyst comprises a large number of catalyst particles, in particular catalyst support particles, which are present in particular as pellets. The catalyst particles have an average particle size of 0.5 mm to 10 mm, in particular from 1 mm to 8 mm and in particular from 2 mm to 4 mm. The catalyst particles are arranged in particular in the form of a fixed bed through which the hydrogen carrier medium flows.
Mit der Dehydriereinheit ist eine Stromerzeugungseinheit fluidtechnisch verbunden. In der Stromerzeugungseinheit wird elektrischer Strom aus dem freigesetzten Wasserstoffgas erzeugt. Vorteilhaft ist es, wenn während des Betriebs der Stromerzeugungseinheit Abwärme anfällt, wenn also die Stromerzeugungseinheit neben Strom auch Wärme erzeugt.A power generation unit is fluidly connected to the dehydrogenation unit. In the power generation unit, electrical power is generated from the released hydrogen gas. It is advantageous if waste heat is generated during operation of the power generation unit, i.e. if the power generation unit also generates heat in addition to electricity.
Insbesondere wurde gefunden, dass von der Stromerzeugungseinheit erzeugter elektrischer Strom und/oder erzeugte Wärme insbesondere für den Betrieb der Vorrichtung selbst genutzt und insbesondere an externe Verbraucher, die insbesondere außerhalb der Vorrichtung angeordnet sind, abgegeben werden kann. Insbesondere ist die Dehydriereinheit mit der Stromerzeugungseinheit in wärmeübertragender Weise verbunden. Insbesondere ist ein, insbesondere geschlossener, Wärmekreislauf vorhanden, um Abwärme der Stromerzeugungseinheit an die Dehydriereinheit zu übertragen. Der geschlossene Wärmekreislauf umfasst insbesondere mindestens ein Wärmeträgermedium, das den Prozess nicht verlässt, also verlustfrei erhalten bleibt. Insbesondere kann ein Energieverlust in Form von Anergie reduziert werden. Eine derartige Vorrichtung ist besonders energieeffizient und deshalb ökologisch und ökonomisch sinnvoll. Der Betrieb der Vorrichtung ist effizient und autark, insbesondere mit Blick auf das Aktivieren der Vorrichtung mittels der Aktivierungseinheit.In particular, it was found that electrical power and/or heat generated by the power generation unit can be used in particular for the operation of the device itself and in particular can be delivered to external consumers, which are in particular arranged outside the device. In particular, the dehydrogenation unit is connected to the power generation unit in a heat-transferring manner. In particular, a heat circuit, in particular a closed one, is present in order to transfer waste heat from the power generation unit to the dehydrogenation unit. The closed heat circuit includes in particular at least one heat transfer medium that does not leave the process and is therefore retained without loss. In particular, energy loss in the form of anergy can be reduced. Such a device is particularly energy efficient and therefore ecologically and economically sensible. The operation of the device is efficient and self-sufficient, especially with regard to activating the device using the activation unit.
Ein autarker Betrieb während des Aktivierens bedeutet, dass externe Energie, also Energie von außerhalb der Vorrichtung, ausschließlich in Form des Wasserstoffträgermediums zugeführt wird. In der Vorrichtung gespeicherte elektrische Energie kann für den Betrieb der Aktivierungseinheit genutzt werden.Autonomous operation during activation means that external energy, i.e. energy from outside the device, is supplied exclusively in the form of the hydrogen carrier medium. Electrical energy stored in the device can be used to operate the activation unit.
Mit der Stromerzeugungseinheit ist eine Elektronikeinheit elektrisch verbunden. Die Elektronikeinheit dient zum Speichern und/oder Steuern des in der Stromerzeugungseinheit erzeugten elektrischen Stroms. Die Stromerzeugungseinheit umfasst insbesondere ein Stromspeicherelement, insbesondere eine Batterie.An electronics unit is electrically connected to the power generation unit. The electronic unit is used to store and/or control the electrical power generated in the power generation unit. The power generation unit includes in particular a power storage element, in particular a battery.
Es wurde insbesondere gefunden, dass der Volumenbedarf für Wasserstoffgas-Pufferspeicher in der Vorrichtung reduziert und insbesondere vermieden werden kann. Insbesondere ist es nicht erforderlich, Wasserstoffgas selbst in geringen Mengen in der Vorrichtung vorzuhalten, um einen Kaltstart zu ermöglichen. Gleichwohl kann Wasserstoffgas in geringen Mengen beispielsweise in Fluidleitungen auch im Ruhemodus der Vorrichtung vorhanden sein. Der Volumenbedarf für den Wasserstoffgas-Pufferspeicher wird dadurch aber nicht erhöht.In particular, it was found that the volume requirement for hydrogen gas buffer storage in the device can be reduced and, in particular, avoided. In particular, it is not necessary to keep hydrogen gas even in small quantities in the device in order to enable a cold start. Nevertheless, hydrogen gas can be present in small quantities, for example in fluid lines, even in the rest mode of the device. However, this does not increase the volume requirement for the hydrogen gas buffer storage.
Die Dehydriereinheit umfasst insbesondere den ersten Dehydrierreaktor, der als Starterreaktor oder als Reaktor erster Stufe bezeichnet wird, sowie einen zweiten Dehydrierreaktor, der als Hauptreaktor oder Dehydrierreaktor zweiter Stufe bezeichnet wird. Der zweite Dehydrierreaktor ist dem ersten Dehydrierreaktor nachgeschaltet. Die beiden Dehydrierreaktoren sind in einer Reihenschaltung angeordnet. Es ist möglich, in der Reihenschaltung zwischen dem Starterreaktor und dem Hauptreaktor weitere zwischengeschaltete Dehydrierreaktoren anzuordnen. Der erste und der zweite Dehydrierreaktor können baulich voneinander getrennt oder als integrierte Reaktoreinheit in einem gemeinsamen Gehäuse ausgeführt sein.The dehydrogenation unit includes in particular the first dehydrogenation reactor, which is referred to as a starter reactor or a first-stage reactor, and a second dehydrogenation reactor, which is referred to as a main reactor or a second-stage dehydrogenation reactor. The second dehydrogenation reactor is connected downstream of the first dehydrogenation reactor. The two dehydrogenation reactors are arranged in a series connection. It is possible to arrange further intermediate dehydrogenation reactors in the series connection between the starter reactor and the main reactor. The first and second dehydrogenation reactors can be structurally separate from one another or designed as an integrated reactor unit in a common housing.
Beim Aktivieren der Vorrichtung ist die Aktivierungseinheit insbesondere mit dem Starterreaktor für dessen Aufheizen gekoppelt. Zusätzlich kann beim Aktivieren auch der Hauptreaktor aufgeheizt werden. Im regulären Betriebsverfahren, also nach dem Aktivieren, wird im Wesentlichen ausschließlich und insbesondere ausschließlich der Hauptreaktor beheizt. Während des Aktivierens ist der Starterreaktor insbesondere der einzige Dehydrierreaktor, der betrieben wird.When activating the device, the activation unit is coupled in particular to the starter reactor for heating it. In addition, the main reactor can also be heated when activated. In the regular operating procedure, i.e. after activation, essentially exclusively and in particular exclusively the main reactor is heated. During activation, the starter reactor is in particular the only dehydrogenation reactor that is operated.
Im regulären Betriebsverfahren kann die Dehydriereinheit mehrstufig, insbesondere zweistufig, betrieben werden, indem der Starterreaktor als Dehydrierreaktor erster Stufe dem Hauptreaktor als Dehydrierreaktor zweiter Stufe vorgeschaltet ist. In dem Starterreaktor wird zumindest teilweise beladenes Wasserstoffträgermedium zunächst teilweise dehydriert und durchläuft dann den aktivierten Hauptreaktor zur weiteren Dehydrierung.In the regular operating process, the dehydrogenation unit can be operated in multiple stages, in particular in two stages, in that the starter reactor as a first stage dehydrogenation reactor is connected upstream of the main reactor as a second stage dehydrogenation reactor. In the starter reactor, at least partially loaded hydrogen carrier medium is first partially dehydrated and then passes through the activated main reactor for further dehydrogenation.
Im regulären Betriebsverfahren ist insbesondere ein Kaskadenstartverfahren möglich, bei dem der Dehydrierreaktor der nächsthöheren Stufe immer dann aktiviert wird, wenn der Dehydrierreaktor der vorherigen Stufe vollständig aktiviert ist, und insbesondere eine veränderlich festlegbare Leistungsschwelle erreicht oder überschritten hat. Diese Leistungsschwelle kann beispielsweise mindestens 50 % der Nennleistung des jeweiligen Dehydrierreaktors oder mehr sein. Für das Kaskadenstartverfahren ist es energetisch vorteilhaft, wenn die Baugröße der Dehydrierreaktoren entlang der Fluidströmungsrichtung von dem Starterreaktor zu dem Hauptreaktor, insbesondere kontinuierlich, zunimmt. Vorteilhaft ist es also, wenn der Starterreaktor das kleinste und der Hauptreaktor das größte Reaktionsvolumen aufweisen.In the regular operating procedure, a cascade start method is possible in particular, in which the dehydrogenation reactor of the next higher stage is always activated when the dehydrogenation reactor of the previous stage is fully activated, and in particular has reached or exceeded a variably definable performance threshold. This power threshold can, for example, be at least 50% of the nominal power of the respective dehydrogenation reactor or more. For the cascade start process, it is energetically advantageous if the size of the dehydrogenation reactors is along the fluid flow direction from the starter reactor to the main reactor, especially continuously, increases. It is therefore advantageous if the starter reactor has the smallest reaction volume and the main reactor has the largest reaction volume.
Eine Vorrichtung gemäß Anspruch 2 vereinfacht die unmittelbare Bereitstellung von Wärme zum Beheizen der Dehydriereinheit. Eine Wärmeerzeugungseinheit kann beispielsweise elektrisch ausgeführt sein. Das bedeutet, dass mittels elektrischem Strom Wärme erzeugt wird. In diesem Fall ist die Wärmeerzeugungseinheit insbesondere mit einer Stromquelle elektrisch verbunden. Die Stromquelle kann ein Anschluss an ein elektrisches Netz, insbesondere ein lokales oder globales Stromleitungsnetz sein. Die Stromquelle kann auch eine Stromspeichereinheit, insbesondere in Form einer Batterie sein, die den autarken Betrieb der Vorrichtung vereinfacht. Zusätzlich oder alternativ kann der elektrische Strom auch aus der von der Stromerzeugungseinheit gespeisten Elektronikeinheit stammen, wobei die Elektronikeinheit insbesondere zu einem früheren Zeitpunkt mit elektrischem Strom, der von der Stromerzeugungseinheit erzeugt worden ist, gespeist wurde.A device according to
Die Wärme kann vorteilhaft mittels einer Wärmeübertragungseinheit an die Dehydriereinheit übertragen werden. Eine Wärmeübertragungseinheit kann beispielsweise einen ein Wärmeträgerfluid führenden Wärmeträgerkreislauf umfassen, wobei als Wärmeträgerfluid insbesondere Thermalöl dient. Das Wärmeträgerfluid wird von der Wärmeerzeugungseinheit, insbesondere der elektrischen Heizung, unmittelbar erwärmt und mittels der Wärmeübertragungseinheit zu der Dehydriereinheit gefördert. Das Wärmeträgerfluid kann die Wärme an die Dehydriereinheit abgeben und zur Wärmeerzeugungseinheit zurückgefördert und insbesondere erneut aufgeheizt werden.The heat can advantageously be transferred to the dehydrogenation unit by means of a heat transfer unit. A heat transfer unit can, for example, comprise a heat transfer circuit carrying a heat transfer fluid, with thermal oil in particular serving as the heat transfer fluid. The heat transfer fluid is heated directly by the heat generation unit, in particular the electric heater, and conveyed to the dehydration unit by means of the heat transfer unit. The heat transfer fluid can give off the heat to the dehydrogenation unit and be conveyed back to the heat generation unit and in particular be heated again.
Die Wärmeerzeugungseinheit kann auch einen chemischen Reaktor umfassen, insbesondere einen Oxidationsreaktor. Beispielsweise kann das ohnehin in der Vorrichtung vorhandene Wasserstoffträgermedium zumindest teilweise oxidiert werden. Diese Oxidationsreaktion ist exotherm und ermöglicht die Bereitstellung von Wärme für die Dehydriereinheit. Zusätzlich oder alternativ ist eine vollständige Oxidation des Wasserstoffträgermediums durch Verbrennung möglich.The heat generation unit can also include a chemical reactor, in particular an oxidation reactor. For example, the hydrogen carrier medium that is already present in the device can be at least partially oxidized. This oxidation reaction is exothermic and allows heat to be provided to the dehydrogenation unit. Additionally or alternatively, complete oxidation of the hydrogen carrier medium by combustion is possible.
Die Wärmeerzeugungseinheit kann alternativ auch in der Stromerzeugungseinheit und/oder in einer Nachbehandlungseinheit integriert angeordnet sein, insbesondere als untergeordnete Einheit der Stromerzeugungseinheit und/oder der Nachbehandlungseinheit.The heat generation unit can alternatively also be arranged integrated in the power generation unit and/or in an aftertreatment unit, in particular as a subordinate unit of the power generation unit and/or the aftertreatment unit.
Für das Aktivieren der Vorrichtung, insbesondere des ersten Dehydrierreaktors und insbesondere weiterer Einheiten der Vorrichtung, sind elektrischer Strom und Wärme erforderlich. Im regulären Betrieb der Vorrichtung, also nachdem die Vorrichtung mittels der Aktivierungseinheit aktiviert worden ist und sich in einem quasi-stationären Dehydriermodus befindet, werden weiterhin Strom und Wärme benötigt. Insbesondere erfolgt das Dehydrieren in der Dehydriereinheit endotherm, also mittels Wärmezufuhr. Sowohl für den Betrieb der Vorrichtung im Aktivierungsmodus als auch im regulären Dehydriermodus sind also eine Wärmeerzeugungseinheit, eine Wärmeübertragungseinheit und eine Stromerzeugungseinheit vorteilhaft.Electrical current and heat are required to activate the device, in particular the first dehydrogenation reactor and in particular other units of the device. During regular operation of the device, i.e. after the device has been activated by the activation unit and is in a quasi-stationary dehydration mode, electricity and heat are still required. In particular, the dehydrogenation in the dehydrogenation unit takes place endothermically, i.e. by supplying heat. A heat generation unit, a heat transfer unit and a power generation unit are therefore advantageous for both the operation of the device in the activation mode and in the regular dehydration mode.
Es kann vorteilhaft sein, genau eine Wärmeerzeugungseinheit, genau eine Wärmeübertragungseinheit und genau eine Stromerzeugungseinheit bereitzustellen, die für beide Betriebsmodi genutzt werden. Alternativ kann auch mindestens eine, mehrere oder sämtliche Einheiten mehrfach bereitgestellt werden, um diese separat in dem jeweiligen Betriebsmodus zu betreiben.It can be advantageous to provide exactly one heat generation unit, exactly one heat transfer unit and exactly one power generation unit, which are used for both operating modes. Alternatively, at least one, several or all units can be provided multiple times in order to operate them separately in the respective operating mode.
Eine Vorrichtung gemäß Anspruch 3 ermöglicht die verbesserte Wärmebereitstellung für den Kaltstart. Die integrierte Anordnung der Aktivierungseinheit in der Dehydriereinheit, insbesondere in dem Dehydrierreaktor erster Stufe, ermöglicht eine kompakte und kleinbauende Vorrichtung. Wärmeübertragungsverluste sind reduziert. Es ist insbesondere möglich, dass die Wärmeerzeugungseinheit, insbesondere in Form des Oxidationsreaktors und/oder in Form einer Verbrennungseinheit, in der Dehydriereinheit integriert, insbesondere in dem Dehydrierreaktor erster Stufe, angeordnet sind.A device according to
Besonders vorteilhaft ist die Ausgestaltung des Dehydrierreaktors erster Stufe mit mindestens einem doppelwandigen Rohr, so dass ein innerer Reaktionsraum und ein äußerer Reaktionsraum, der den inneren Reaktionsraum umgibt, gebildet werden. In einem der Reaktionsräume kann die Dehydrierreaktion stattfinden. In dem jeweils anderen Reaktionsraum kann die Wärmeerzeugung und/oder die Wärmeübertragung stattfinden. Besonders vorteilhaft ist es, wenn der äußere Reaktionsraum ein Reaktionsrohr des Dehydrierreaktors erster Stufe ist. In dem Reaktionsrohr ist insbesondere Katalysatormaterial vorhanden, um mit dem zumindest teilweise beladenen Wasserstoffträgermedium zu dessen Dehydrierung kontaktiert zu werden. Der innere Reaktionsraum dient zum Erzeugen und/oder Übertragen von Wärme, insbesondere von einem Wärmeträgerfluid. Bei dieser Ausgestaltung kann der äußere Reaktionsraum also von innen, insbesondere von dem Wärmeträgerfluid, und an einer Außenseite von einem insbesondere zusätzlichen Wärmeträgerfluid umströmt und erwärmt werden. In dem inneren Reaktionsraum kann auch unmittelbar die exotherme Oxidationsreaktion und/oder eine Verbrennung stattfinden.It is particularly advantageous to design the first stage dehydrogenation reactor with at least one double-walled tube, so that an inner reaction space and an outer reaction space that surrounds the inner reaction space are formed. The dehydrogenation reaction can take place in one of the reaction spaces. Heat generation and/or heat transfer can take place in the other reaction space. It is particularly advantageous if the external reaction space is a reaction tube of the first stage dehydrogenation reactor. In particular, catalyst material is present in the reaction tube in order to be contacted with the at least partially loaded hydrogen carrier medium for its dehydrogenation. The inner reaction space is used to generate and/or transfer heat, in particular a heat transfer fluid. In this embodiment, the outer reaction space can therefore be flowed around and heated from the inside, in particular by the heat transfer fluid, and on an outside by an in particular additional heat transfer fluid. In the inside The exothermic oxidation reaction and/or combustion can also take place directly in the reaction space.
Eine fluidtechnische Verbindung der Aktivierungseinheit mit der Dehydriereinheit gemäß Anspruch 4 ermöglicht die Bereitstellung von Wasserstoffgas aus der Dehydriereinheit zum Betrieb der Aktivierungseinheit. Insbesondere ist der Dehydrierreaktor erster Stufe mit der Aktivierungseinheit fluidtechnisch verbunden. Die Aktivierungseinheit kann unmittelbar mit dem in dem Dehydrierreaktor erster Stufe bereitgestellten Wasserstoff betrieben werden und damit Strom und Wärme für das Aktivieren der Vorrichtung bereitgestellt werden. Insbesondere ist die Dehydriereinheit mehrstufig, insbesondere zweistufig, ausgeführt. Beim Aktivieren der Vorrichtung fungiert der Starterreaktor als Freisetzungsvorrichtung. Nach dem Aktivieren der Vorrichtung kann der Starterreaktor als Vorstufe für den Hauptreaktor der Dehydriereinheit dienen.A fluid connection of the activation unit with the dehydrogenation unit according to
Insbesondere kann der Starterreaktor mit einem Rekuperator in einem Apparat baulich kombiniert sein. Ein derartiger Apparat, der die erste Dehydrier-Stufe repräsentiert, wird von drei verschiedenen Medien durchströmt. Als erstes Medium dient zumindest teilweise beladenes Wasserstoffträgermedium, das dehydriert wird. Während der Aktivierung durchläuft den Apparat flüssiges Wärmeträgermedium in einem zweiten Medienbereich als zweites Medium. Als drittes Medium dient zumindest teilweise entladenes Wasserstoffträgermedium, das insbesondere aus dem Hauptreaktor stammt. Als drittes Medium dient also insbesondere das Reaktionsprodukt aus dem Hauptreaktor, insbesondere zumindest teilweise entladenes Wasserstoffträgermedium, das zur Wärmeabgabe, insbesondere im Gegenstrom, durch den Starterreaktor als integrierter Rekuperator geführt werden kann.In particular, the starter reactor can be structurally combined with a recuperator in one apparatus. Such an apparatus, which represents the first dehydration stage, has three different media flowing through it. The first medium used is at least partially loaded hydrogen carrier medium, which is dehydrated. During activation, liquid heat transfer medium passes through the apparatus in a second media area as a second medium. The third medium is at least partially discharged hydrogen carrier medium, which comes in particular from the main reactor. The third medium used is in particular the reaction product from the main reactor, in particular at least partially discharged hydrogen carrier medium, which can be passed through the starter reactor as an integrated recuperator to release heat, in particular in countercurrent.
Nach dem Aktivieren durchläuft das dritte Medium einen dritten Medienbereich. Der zweite Medienbereich kann ungenutzt bleiben oder zusätzlich von flüssigem und/oder gasförmigem Wärmeträgermedium durchströmt werden. Vorteilhaft ist, wenn der zweite Medienbereich innenliegend, also insbesondere zentral und konzentrisch bzgl. des ersten Medienbereichs in dem Starterreaktor angeordnet ist. Anstelle eines Wärmeträgermediums wie beispielsweise Thermalöl können zentrisch auch Heizstäbe angeordnet sein, um das flüssige Wärmeträgermedium zu beheizen.After activation, the third media passes through a third media area. The second media area can remain unused or additionally have liquid and/or gaseous heat transfer medium flowing through it. It is advantageous if the second media area is arranged on the inside, i.e. in particular centrally and concentrically with respect to the first media area in the starter reactor. Instead of a heat transfer medium such as thermal oil, heating elements can also be arranged centrally in order to heat the liquid heat transfer medium.
Es ist vorteilhaft, die in der Dehydriereinheit, insbesondere zwischen dem Starterreaktor und dem Hauptreaktor, erzeugten Stoffströme je nach Betriebsmodus der Aktivierungseinheit bzw. der Stromerzeugungseinheit zuzuführen. Dazu ist es vorteilhaft, wenn entsprechende Ventile und/oder Pumpen vorhanden sind, um die Stoffströme, insbesondere mittels einer Steuerungseinheit gesteuert, insbesondere automatisiert zu führen. Bei der mehrstufigen Ausführung der Dehydriereinheit hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn ein Verhältnis der Dehydrierleistung des Starterreaktors zu der Dehydrierleistung Hauptreaktors so festgelegt ist, dass die zwischengespeicherte elektrische Energie, die für die Aktivierung erforderlich ist, weniger als 100 kWh je MW-Dehydrierleistung ist und die Dauer der Aktivierung weniger als 6 h beträgt.It is advantageous to feed the material streams generated in the dehydrogenation unit, in particular between the starter reactor and the main reactor, to the activation unit or the power generation unit, depending on the operating mode. For this purpose, it is advantageous if appropriate valves and/or pumps are present in order to guide the material flows, in particular controlled, in particular automatically, by means of a control unit. In the multi-stage design of the dehydrogenation unit, it has proven to be advantageous if a ratio of the dehydrogenation power of the starter reactor to the dehydrogenation power of the main reactor is set such that the temporarily stored electrical energy required for activation is less than 100 kWh per MW dehydrogenation power and the duration of activation is less than 6 hours.
Eine Vorrichtung gemäß Anspruch 5 ermöglicht die Erhöhung des Gesamtwirkungsgrades. Eine Reinigungseinheit ist stromabwärts der Dehydriereinheit angeordnet und dient zum Reinigen des in der Dehydriereinheit freigesetzten Wasserstoffgases. Während des Aktivierungsbetriebs der Vorrichtung wird ausschließlich in dem Starterreaktor freigesetztes Wasserstoffgas der Reinigungseinheit zugeführt. Im regulären Betrieb der Vorrichtung wird der Reinigungseinheit ein Wasserstoffgasstrom zugeführt, der im Starterreaktor und/im Hauptreaktor erzeugt worden ist. Das die Reinigungseinheit verlassende Wasserstoffgas weist eine Reinheit von mindestens 98 %, insbesondere mindestens 99 %, insbesondere mindestens 99,9 %, insbesondere mindestens 99,99 % und insbesondere mindestens 99,999 % auf. Eine Reinheit von 99 % bedeutet, dass der Anteil von Verunreinigungen im Wasserstoffgasstrom 1 % beträgt. Die Reinigungseinheit ist insbesondere stromaufwärts der Stromerzeugungseinheit angeordnet. Ein derart reiner Wasserstoffgasstrom kann besonders effizient verstromt werden. Die Reinigungseinheit ist insbesondere als Druckwechseladsorptionsapparat ausgeführt.A device according to
Eine Nachbehandlungseinheit gemäß Anspruch 6 gewährleistet eine zielgerichtete Behandlung von Stoffströmen. Die Nachbehandlungseinheit umfasst insbesondere einen Wasserstoffbrenner und kann beispielsweise zur Wärmebereitstellung für die Dehydriereinheit genutzt werden. Die Nachbehandlungseinheit ist insbesondere stromabwärts der Dehydriereinheit und insbesondere stromabwärts der Reinigungseinheit angeordnet. Insbesondere kann in der Reinigungseinheit von dem Wasserstoffgas abgetrenntes Restgas, das auch als Offgas bezeichnet wird, an die Nachbehandlungseinheit abgeführt und dort verbrannt werden. Besonders vorteilhaft ist eine Steuerung insbesondere derart, dass in der Reinigungseinheit eine erforderliche Menge an Wasserstoff im Offgas abgetrennt wird, die in dem Wasserstoffbrenner der Nachbehandlungseinheit erforderlich ist. Als vorteilhaft hat sich ein Offgas-Anteil aus der Reinigungseinheit von mindestens 5 %, insbesondere mindestens 10 % und insbesondere mindestens 30 % erwiesen. Die Ausgestaltung der Reinigungseinheit, insbesondere in Form eines Druckwechseladsorptionsapparats, ist dadurch besonders unkompliziert, platzsparend und kosteneffizient möglich.An after-treatment unit according to
Die Druckwechseladsorption ermöglicht die Abgabe von Wasserstoffgas insbesondere mit verbesserter Reinheit. Dazu dienen insbesondere häufige Druckwechsel, die kurze Zykluszeiten bewirken. Bei einer erhöhten Menge an Adsorbensmaterial kann die Reinheit des Wasserstoffgases zusätzlich erhöht werden. Zusätzlich oder alternativ kann ein relativ großer Druckunterschied bei den Druckwechseln eine zusätzliche Verbesserung der Wasserstoffreinheit bewirken. Im Umkehrschluss bedeutet dies, dass bei gleichbleibender Reinheit des Wasserstoffgases und beispielsweise häufigeren Druckwechseln die Menge an Adsorbensmaterial und/oder der relative Druckunterschied und der damit verbundene Stromverbrauch für Vakuumpumpe und/oder Kompression reduziert werden können.Pressure swing adsorption enables the release of hydrogen gas, particularly with improved purity. This is particularly achieved by frequent pressure changes, which result in short cycle times. With an increased amount of adsorbent material, the purity of the hydrogen gas can be further increased. Additionally or alternatively, a relatively large pressure difference during the pressure changes can bring about an additional improvement in the hydrogen purity. Conversely, this means that with the same purity of the hydrogen gas and, for example, more frequent pressure changes, the amount of adsorbent material and/or the relative pressure difference and the associated power consumption for the vacuum pump and/or compression can be reduced.
Insbesondere wurde erkannt, dass auch vergleichsweise häufige Druckwechsel, also kurze Zykluszeiten, mit Blick auf die Gesamteffizienz des Verfahrens unproblematisch sind, obwohl häufigere Druckwechsel und kurze Zykluszeiten eine verringerte Ausbeute an gereinigtem Wasserstoffgas und somit einem erhöhten Offgasstrom bedeuten. Als vorteilhaft hat es sich erwiesen, wenn der Offgas-Anteil aus der Reinigungseinheit höchstens 10 % und insbesondere höchstens 5 % beträgt. Vorteilhaft ist, wenn der Offgas-Anteil möglichst klein ist. Es wurde aber erkannt, dass ein vergleichsweise großer Offgas-Anteil akzeptiert werden kann, da der Offgasstrom vorteilhaft in der Nachbehandlungseinheit thermisch genutzt werden kann.In particular, it was recognized that comparatively frequent pressure changes, i.e. short cycle times, are not problematic with regard to the overall efficiency of the process, although more frequent pressure changes and short cycle times mean a reduced yield of purified hydrogen gas and thus an increased off-gas flow. It has proven to be advantageous if the off-gas share from the cleaning unit is at most 10% and in particular at most 5%. It is advantageous if the offgas share is as small as possible. However, it was recognized that a comparatively large off-gas share can be accepted since the off-gas stream can advantageously be used thermally in the aftertreatment unit.
Die Nachbehandlungseinheit dient insbesondere als Filter- und/oder Brennereinheit, deren Abwärme in der Vorrichtung effizient genutzt werden kann.The aftertreatment unit serves in particular as a filter and/or burner unit, the waste heat of which can be used efficiently in the device.
Eine Brennstoffzelle gemäß Anspruch 7 ermöglicht eine unmittelbare und effiziente Verstromung des freigesetzten Wasserstoffgases. Die Gesamteffizienz der Vorrichtung kann insbesondere dadurch erhöht werden, wenn verschiedene Betriebspunkte der Vorrichtung geeignet definiert werden. Von einem Volllast-Betriebspunkt, bei dem die Dehydriereinheit mit nominell maximaler Freisetzungsrate betrieben wird, kann die Vorrichtung zu einem Teillast- oder Minimallast-Betriebspunkt hingesteuert werden, indem der Reaktionsdruck und die Wasserstoffgasfreisetzungsrate reduziert und der Dehydrierhub in der Dehydriereinheit erhöht werden. Zusätzlich oder alternativ können in der Stromerzeugungseinheit, insbesondere in der Brennstoffzelle, der Eingangsdruck verringert, die Degradation verringert und/oder die Effizienz erhöht werden.A fuel cell according to
Die Brennstoffzelle ist insbesondere eine Protonenaustauschmembran (PEM)-Brennstoffzelle. Vorteilhaft ist es, wenn zusätzlich zur PEM-Brennstoffzelle ein, insbesondere katalytischer, Wasserstoffbrenner in wärmeübertragender Weise mit der Dehydriereinheit verbunden ist. Dieser Wasserstoffbrenner dient als Wärmequelle, insbesondere sowohl beim Aktivieren als auch im regulären Betriebsmodus. Zumindest ein Anteil des in der Dehydriereinheit freigesetzten Wasserstoffgasstroms kann dem Wasserstoffgasbrenner zugeführt, verbrannt und dadurch Wärme erzeugt werden, die für den Betrieb der Dehydriereinheit genutzt werden kann.The fuel cell is in particular a proton exchange membrane (PEM) fuel cell. It is advantageous if, in addition to the PEM fuel cell, a hydrogen burner, in particular a catalytic one, is connected to the dehydrogenation unit in a heat-transferring manner. This hydrogen burner serves as a heat source, especially both when activated and in regular operating mode. At least a portion of the hydrogen gas stream released in the dehydrogenation unit can be fed to the hydrogen gas burner, burned and thereby generate heat that can be used to operate the dehydrogenation unit.
Die Betriebstemperatur der PEM-Brennstoffzelle liegt typischerweise zwischen 60°C und 120°C. Die PEM-Brennstoffzelle kann als Hochtemperatur- oder Niedertemperatur-PEM-Brennstoffzelle ausgeführt sein.The operating temperature of the PEM fuel cell is typically between 60°C and 120°C. The PEM fuel cell can be designed as a high-temperature or low-temperature PEM fuel cell.
Alternativ kann die Brennstoffzelle auch als Festoxid-Brennstoffzelle (SOFC) und/oder als Feststoff-Säure-Brennstoffzelle (SAFC) ausgeführt sein.Alternatively, the fuel cell can also be designed as a solid oxide fuel cell (SOFC) and/or as a solid acid fuel cell (SAFC).
Es ist insbesondere denkbar, unterschiedliche Brennstoffzellen-Komponenten in einer Brennstoffzelleneinheit zu kombinieren. Beispielsweise kann eine derartige Brennstoffzelleneinheit mindestens ein SOFC-Element, das auch als SOFC-Stack bezeichnet wird, und mindestens ein PEM-Brennstoffzellenelement, das als PEM-Stack bezeichnet wird, umfassen. Das PEM-Stack vereinfacht insbesondere den Kaltstart der Vorrichtung, da die Betriebstemperatur gegenüber der SOFC reduziert ist. Abwärme der SOFC kann dann im Sinne der Wärmerückgewinnung für die Wasserstofffreisetzung in der Dehydriereinheit vorteilhaft genutzt werden.It is particularly conceivable to combine different fuel cell components in a fuel cell unit. For example, such a fuel cell unit can include at least one SOFC element, also referred to as a SOFC stack, and at least one PEM fuel cell element, which is referred to as a PEM stack. The PEM stack particularly simplifies the cold start of the device because the operating temperature is reduced compared to the SOFC. Waste heat from the SOFC can then be used advantageously in the sense of heat recovery for the release of hydrogen in the dehydrogenation unit.
Mit einer Hochtemperatur-Brennstoffzelle, insbesondere SOFC, SAFC oder eine Hochtemperatur-PEM-Brennstoffzelle, kann Abwärme besonders vorteilhaft auf die Dehydriereinheit übertragen und genutzt werden. Insbesondere kann mit Abgas aus der Hochtemperatur-Brennstoffzelle, insbesondere mit verbrauchter Luft, Wärme für die Dehydriereinheit bereitgestellt werden.With a high-temperature fuel cell, in particular SOFC, SAFC or a high-temperature PEM fuel cell, waste heat can be particularly advantageously transferred to the dehydrogenation unit and used. In particular, heat for the dehydrogenation unit can be provided with exhaust gas from the high-temperature fuel cell, in particular with used air.
Es ist insbesondere denkbar, dass eine zusätzliche Wärmegewinnung dadurch erfolgt, dass Abgas aus der Brennstoffzelle an die Nachbehandlungseinheit abgegeben und unverbrauchtes Wasserstoffgas in der Nachbehandlungseinheit oxidiert wird. Insbesondere kann die Nachbehandlungseinheit derart flexibel betrieben werden, dass Abgas aus der Brennstoffzelle und/oder aus der Reinigungseinheit genutzt wird. Zusätzlich oder alternativ kann in der Nachbehandlungseinheit auch Wasserstoffgas, insbesondere aus der Dehydriereinheit, unmittelbar zur Wärmeerzeugung genutzt werden.It is particularly conceivable that additional heat is generated by releasing exhaust gas from the fuel cell to the aftertreatment unit and unused hydrogen gas being oxidized in the aftertreatment unit. In particular, the aftertreatment unit can be operated flexibly in such a way that exhaust gas from the fuel cell and/or from the cleaning unit is used. Additionally or alternatively, water can also be used in the after-treatment unit material gas, in particular from the dehydrogenation unit, can be used directly to generate heat.
Es wurde gefunden, dass die von der Brennstoffzelle bereitgestellte Wärme für die Dehydriereinheit vorteilhaft genutzt werden kann, wenn das Luft-Wasserstoff-Verhältnis in der Hochtemperatur-Brennstoffzelle höchstens 10, insbesondere höchstens 5, und insbesondere höchstens 3 beträgt. Es wurde gefunden, dass ein wesentlicher Teil der als Abwärme in der Stromerzeugungseinheit anfallenden thermischen Energie in der Dehydriereinheit besonders vorteilhaft durch direkte Wärmeauskopplung zur Verfügung gestellt werden kann. Insbesondere wird Abwärme aus dem Abgasstrom der Stromerzeugungseinheit entzogen und/oder Wärme über einen geschlossenen Wärmekreislauf von der Stromerzeugungseinheit auf die Dehydriereinheit übertragen. In diesem Fall ergibt sich an der Stromerzeugungseinheit ein reduzierter Luft-Überschuss, der in einem reduzierten Luft-Wasserstoff-Verhältnis resultiert. Die Abwärme wird aus der Hochtemperatur-Brennstoffzelle zuverlässig abgeführt. Der in der Dehydriereinheit erforderliche Wärmebedarf für die Dehydrierreaktion kann bis zu 100 % durch die Abwärme der Hochtemperatur-Brennstoffzelle gedeckt werden.It was found that the heat provided by the fuel cell can be used advantageously for the dehydrogenation unit if the air-hydrogen ratio in the high-temperature fuel cell is at most 10, in particular at most 5, and in particular at most 3. It was found that a significant portion of the thermal energy produced as waste heat in the power generation unit can be made available in the dehydrogenation unit particularly advantageously through direct heat extraction. In particular, waste heat is removed from the exhaust gas stream of the power generation unit and/or heat is transferred from the power generation unit to the dehydrogenation unit via a closed heat circuit. In this case, there is a reduced excess of air at the power generation unit, which results in a reduced air-hydrogen ratio. The waste heat is reliably dissipated from the high-temperature fuel cell. Up to 100% of the heat required in the dehydrogenation unit for the dehydrogenation reaction can be covered by the waste heat from the high-temperature fuel cell.
Zusätzlich oder alternativ zu einer Brennstoffzelle kann die Stromerzeugungseinheit ein Wasserstoff-Blockheizkraftwerk, einen katalytischen Wasserstoffbrenner, einen konventionellen Wasserstoffbrenner, eine Gasturbine und/oder einen Wasserstoff-Verbrennungsmotor umfassen. Der Wasserstoff-Verbrennungsmotor und/oder die Gasturbine können jeweils zur Verstromung mit mindestens einem Generator, insbesondere einem Turbogenerator, gekoppelt sein.In addition or as an alternative to a fuel cell, the power generation unit may include a hydrogen cogeneration plant, a catalytic hydrogen burner, a conventional hydrogen burner, a gas turbine and/or a hydrogen internal combustion engine. The hydrogen internal combustion engine and/or the gas turbine can each be coupled to at least one generator, in particular a turbo generator, for generating electricity.
Die an der Stromerzeugungseinheit anfallende Abwärme kann zusätzlich oder alternativ als thermische Energie innerhalb der Vorrichtung, insbesondere in der Dehydriereinheit, oder außerhalb der Vorrichtung genutzt und entsprechend bereitgestellt werden.The waste heat generated at the power generation unit can additionally or alternatively be used as thermal energy within the device, in particular in the dehydrogenation unit, or outside the device and made available accordingly.
Eine Vorrichtung gemäß Anspruch 8 ermöglicht eine besonders effiziente Wärmeabfuhr von der Stromerzeugungseinheit, insbesondere von der Brennstoffzelle und insbesondere der Festoxid-Brennstoffzelle, von der Gasturbine und/oder von dem Wasserstoff-Verbrennungsmotor, und die Übertragung der Wärme an die Dehydriereinheit. Alternativ kann die Wärme der Stromerzeugungseinheit, insbesondere von der Brennstoffzelle und insbesondere der Festoxid-Brennstoffzelle, von der Gasturbine und/oder von dem Wasserstoff-Verbrennungsmotor, auch an eine andere Wärmesenke, insbesondere an einen weiteren Wärmetauscher abgeführt werden. Die Vorrichtung ermöglicht zumindest teilweise einen direkten Wärmeentzug von der Stromerzeugungseinheit, insbesondere von der Brennstoffzelle und insbesondere der Festoxid-Brennstoffzelle, von der Gasturbine und/oder von dem Wasserstoff-Verbrennungsmotor, wodurch die Gesamteffizienz des Verfahrens verbessert ist.A device according to
Für die Wärmeübertragung ist ein, insbesondere geschlossener, Wärmekreislauf in der Vorrichtung angeordnet. Es versteht sich, dass der Wärmekreislauf auch dadurch ausgeführt sein kann, dass mindestens zwei Wärmeträgermedien mit mindestens einem dazwischen geschalteten Zwischen-Wärmeüberträger ausgeführt sein kann, also insbesondere als sogenannter offener Wärmekreislauf, um beispielsweise einzelne Wärmeübertragungsschritte zeitlich und/oder örtlich voneinander zu entkoppeln.For heat transfer, a heat circuit, in particular a closed one, is arranged in the device. It is understood that the heat circuit can also be designed in that at least two heat transfer media can be designed with at least one intermediate heat exchanger connected in between, i.e. in particular as a so-called open heat circuit, for example in order to decouple individual heat transfer steps from one another in terms of time and/or location.
Eine Vorrichtung gemäß Anspruch 9 ermöglicht eine robuste Dehydrierreaktion. Insbesondere kann die Dehydriereinheit unkompliziert bezüglich ihrer Leistung skaliert werden. Insbesondere ist die Integration der Aktivierungseinheit in die Dehydriereinheit vereinfacht, indem die Reaktionsrohre, insbesondere des Starterreaktors, als Doppelwandrohre ausgeführt werden. Da die Dehydrierreaktion eine katalytische Reaktion ist, ist der Katalysator im mindestens einen Reaktionsrohr angeordnet. Der Rohrbündelreaktor umfasst insbesondere mehrere Reaktionsrohre, insbesondere mindestens 5, insbesondere mindestens 10, insbesondere mindestens 15, insbesondere mindestens 25, insbesondere mindestens 40, insbesondere mindestens 50, insbesondere mindestens 100, insbesondere mindestens 200, insbesondere mindestens 500 und insbesondere höchstens 1000 Reaktionsrohre.A device according to
Bei dem Hauptreaktor können die Reaktionsrohre unkompliziert und insbesondere ohne Doppelwand ausgeführt sein. Der Hauptreaktor ist insbesondere ein Rohrbündelreaktor, wie er in
Ein Betriebsmittelaggregat gemäß Anspruch 10 ermöglicht die Erhöhung eines Autarkiegrades. Die Vorrichtung ermöglicht insbesondere die Erzeugung und Bereitstellung von Druckluft, Stickstoff und/oder Kühlwasser mit der Vorrichtung selbst. Druckluft wird insbesondere mittels eines Kompressors erzeugt.A resource unit according to
Eine Steuerungseinheit gemäß Anspruch 11 ermöglicht einen gesteuerten und insbesondere vollautomatischen Betrieb der Vorrichtung. Insbesondere ermöglicht die Steuerungseinheit eine steuerungstechnische Kopplung mit dem elektromotorischen Antrieb.A control unit according to
Als energetischer Autarkiegrad wird der Anteil der Energie verstanden, die über eine Primärenergieform, also mittels des Wasserstoffträgermediums, bereitgestellt wird, bezogen auf die insgesamt der Vorrichtung zugeführten Energie, insbesondere das Aktivieren inbegriffen. Der energetische Autarkiegrad beträgt insbesondere mindestens 50 %, insbesondere mindestens 90 % und insbesondere 100 %.The degree of energetic self-sufficiency is understood as the proportion of energy that comes via a primary form of energy, i.e. by means of the hydrogen carrier medium, is provided, based on the total energy supplied to the device, in particular including activation. The energetic degree of self-sufficiency is in particular at least 50%, in particular at least 90% and in particular 100%.
Eine mobile Plattform gemäß Anspruch 12 weist im Wesentlichen die Vorteile der erfindungsgemäßen Vorrichtung auf, worauf hiermit verwiesen wird. Die mobile Plattform weist die Vorrichtung auf und ist mittels des elektromotorischen Antriebs, der von der Vorrichtung mit elektrischem Strom versorgt wird, autark antreibbar. Die mobile Plattform ist insbesondere ein Fahrzeug, insbesondere ein Landfahrzeug wie ein Kraftfahrzeug oder ein Lastkraftwagen, ein Schienenfahrzeug wie ein Zug oder ein Wasserfahrzeug wie ein Schiff. Die mobile Plattform kann auch ein Flugzeug oder Helikopter sein. Insbesondere ist der elektromotorische Antrieb mit der Stromerzeugungseinheit der Vorrichtung elektrisch verbunden. Insbesondere ist die Steuerungseinheit der Vorrichtung mit einer Zentralsteuerung der mobilen Plattform verbunden oder darin integriert.A mobile platform according to claim 12 essentially has the advantages of the device according to the invention, to which reference is hereby made. The mobile platform has the device and can be driven independently by means of the electric motor drive, which is supplied with electrical power by the device. The mobile platform is in particular a vehicle, in particular a land vehicle such as a motor vehicle or a truck, a rail vehicle such as a train or a watercraft such as a ship. The mobile platform can also be an airplane or helicopter. In particular, the electric motor drive is electrically connected to the power generation unit of the device. In particular, the control unit of the device is connected to or integrated into a central control of the mobile platform.
Ein Verfahren gemäß Anspruch 13 weist im Wesentlichen die Vorteile der erfindungsgemäßen Vorrichtung auf, worauf hiermit verwiesen wird. Das Verfahren vereinfacht einen Kaltstart der Stromerzeugungseinheit. A method according to claim 13 essentially has the advantages of the device according to the invention, to which reference is hereby made. The method simplifies a cold start of the power generation unit.
Insbesondere wird das Aktivieren der Vorrichtung mittels der Aktivierungseinheit verbessert, in dem der erste Dehydrierreaktor mittels der Heizeinheit beheizt wird. Der erste Dehydrierreaktor bildet während des Aktivierens einen Starterreaktor. Mit dem Starterreaktor wird zunächst eine kleine Menge an Wasserstoffgas freigesetzt, wobei dieses anfänglich freigesetzte Wasserstoffgas zur Bereitstellung von zusätzlicher Wärme und/oder elektrischem Strom genutzt werden kann, um weitere Wärme oder Aktivierungsenergie in anderer Form bereitzustellen.In particular, the activation of the device by means of the activation unit is improved by heating the first dehydrogenation reactor by means of the heating unit. The first dehydrogenation reactor forms a starter reactor during activation. The starter reactor initially releases a small amount of hydrogen gas, whereby this initially released hydrogen gas can be used to provide additional heat and/or electrical power in order to provide further heat or activation energy in another form.
Die Vorrichtung kann in einem sogenannten Hot-Standby-Modus betrieben werden, indem mindestens und insbesondere genau so viel thermische und elektrische Energie erzeugt werden, die für die Aufrechterhaltung eines autarken Betriebsmodus erforderlich sind. Insbesondere werden im Hot-Standby-Modus so viel thermische und elektrische Energie erzeugt, dass Wärmeverluste und Betriebsenergie kompensiert werden. Der hierfür erforderliche Energiebedarf beträgt insbesondere höchstens 25 % der nominellen Energieerzeugungsleistung und insbesondere höchstens 10 % der nominellen Energieerzeugungsleistung und insbesondere mindestens 3 % der nominellen Energieerzeugungsleistung.The device can be operated in a so-called hot standby mode by generating at least and in particular as much thermal and electrical energy as is required to maintain a self-sufficient operating mode. In particular, in hot standby mode, so much thermal and electrical energy is generated that heat losses and operating energy are compensated for. The energy requirement required for this is in particular a maximum of 25% of the nominal energy production output and in particular a maximum of 10% of the nominal energy production output and in particular at least 3% of the nominal energy production output.
Ein energetisch vorteilhafter Betrieb der Vorrichtung ergibt sich dadurch, dass Komponenten der Vorrichtung, deren Oberflächen auf einem Temperaturniveau von mindestens 200°C liegen in einem ersten Raum und Komponenten, deren Oberflächen auf einem Temperaturniveau von weniger als 200°C liegen, in einem zweiten Raum angeordnet sind. Der erste Raum weist eine erste Raumtemperatur von höchstens 90°C, insbesondere höchstens 70°C, auf. Der zweite Raum weist eine zweite Raumtemperatur auf, die insbesondere höchstens 60°C und insbesondere höchstens 45°C aufweist. Der erste und/oder der zweite Raum sind insbesondere klimatisiert. An energetically advantageous operation of the device results from components of the device whose surfaces are at a temperature level of at least 200 ° C in a first room and components whose surfaces are at a temperature level of less than 200 ° C in a second room are arranged. The first room has a first room temperature of at most 90°C, in particular at most 70°C. The second room has a second room temperature, which in particular is at most 60°C and in particular at most 45°C. The first and/or the second room are in particular air-conditioned.
In dem ersten Raum sind insbesondere die Dehydriereinheit mit dem Starterreaktor und dem Hauptreaktor, der Rekuperator, die Heizeinheit, insbesondere Wärmefluidleitungen und/oder weitere Komponenten der Wärmefluidanlage, die Nachbehandlungseinheit, insbesondere zumindest teilweise, und/oder die Stromerzeugungseinheit, insbesondere zumindest teilweise in der Form als Hochtemperatur-Brennstoffzellensystem angeordnet.In the first room, in particular, the dehydrogenation unit with the starter reactor and the main reactor, the recuperator, the heating unit, in particular thermal fluid lines and / or further components of the thermal fluid system, the after-treatment unit, in particular at least partially, and / or the power generation unit, in particular at least partially in the form arranged as a high-temperature fuel cell system.
In dem zweiten Raum sind insbesondere Speicherbehälter für das zumindest teilweise beladene und/oder zumindest teilweise entladene Wasserstoffträgermedium, die Steuerungseinheit, die Reinigungseinheit und/oder weitere Teile des Hochtemperatur-Brennstoffzellensystems angeordnet.In particular, storage containers for the at least partially loaded and/or at least partially discharged hydrogen carrier medium, the control unit, the cleaning unit and/or other parts of the high-temperature fuel cell system are arranged in the second room.
Ein Verfahren gemäß Anspruch 14 ermöglicht eine besonders vorteilhafte Nutzung der Vorrichtung. Insbesondere wurde erkannt, dass der Starterreaktor auch für einen regulären Betrieb der Vorrichtung als Bestandteil der Dehydriereinheit genutzt werden kann. Die Dehydriereinheit umfasst insbesondere einen zweiten Dehydrierreaktor, der dem ersten Dehydrierreaktor nachgeschaltet ist. Es wurde insbesondere erkannt, dass der Starterreaktor in zwei verschiedenen Funktionen genutzt werden kann, nämlich neben der initialen Dehydrierung zur anfänglichen Bereitstellung von Wasserstoffgas zum Aktivieren der Vorrichtung auch als Dehydrierreaktor erster Stufe in der mehrstufigen Dehydriereinheit.A method according to
Ein Verfahren gemäß Anspruch 15 erhöht die Flexibilität beim Kaltstart, insbesondere bei der Auswahl der Heizeinheit.A method according to claim 15 increases flexibility during cold starting, especially when selecting the heating unit.
Ein Verfahren gemäß Anspruch 16 ermöglicht eine besonders vorteilhafte Energierückgewinnung, insbesondere im regulären Betrieb der Vorrichtung. In dem ersten Dehydrierreaktor findet neben der Dehydrierreaktion erster Stufe insbesondere auch eine integrierte Wärmeübertragung auf die Reaktionsrohre im Dehydrierreaktor statt. Als Wärmeträgerfluid dient insbesondere ein Produktstrom des zweiten Dehydrierreaktors. In dem ersten Dehydrierreaktor findet eine Rekuperation statt.A method according to
Ein Verfahren gemäß Anspruch 17 ermöglicht ein vorteilhaftes und insbesondere automatisiertes und insbesondere vollautomatisches Wechseln der Betriebsweisen, insbesondere von einem Aktivierungsmodus in den regulären Betrieb und/oder von dem regulären Betrieb in einen Ruhe- oder Standby-Betrieb. Der Wechsel dieser Betriebsmodi betrifft insbesondere den ersten Dehydrierreaktor und/oder den zweiten Dehydrierreaktor.A method according to
Insbesondere kann bei einem Erreichen einer Schalt-Temperatur in dem zweiten Dehydrierreaktor der erste Dehydrierreaktor von dem Aktivierungsmodus in den regulären Betriebsmodus geschaltet werden. Der erste Dehydrierreaktor ist dann der Starterreaktor für die mehrstufige Dehydriereinheit. Die Schalt-Temperatur in dem zweiten Dehydrierreaktor beträgt insbesondere mindestens 280 °C, insbesondere mindestens 300 °C und insbesondere mindestens 320 °C.In particular, when a switching temperature is reached in the second dehydrogenation reactor, the first dehydrogenation reactor can be switched from the activation mode to the regular operating mode. The first dehydrogenation reactor is then the starter reactor for the multi-stage dehydrogenation unit. The switching temperature in the second dehydrogenation reactor is in particular at least 280 ° C, in particular at least 300 ° C and in particular at least 320 ° C.
Zusätzlich oder alternativ ist ein Umschalten auch in Abhängigkeit der Wasserstoffgas-Freisetzungsleistung in dem ersten Dehydrierreaktor möglich. Ein Mindestwert für die Wasserstoffgas-Freisetzungsleistung beträgt insbesondere 50 % einer nominalen Wasserstoffgas-Freisetzungsleistung des ersten Dehydrierreaktors, insbesondere mindestens 70 %, insbesondere mindestens 90 % und insbesondere 100 % der nominalen Wasserstoffgas-Freisetzungsleistung. Die Wasserstoffgas-Freisetzungsleistung ist eine projektspezifische und/oder reaktorspezifische Größe und ist insbesondere abhängig vom jeweiligen Reaktorvolumen und/oder vom Katalysatorbedarf.Additionally or alternatively, switching is also possible depending on the hydrogen gas release capacity in the first dehydrogenation reactor. A minimum value for the hydrogen gas release capacity is in particular 50% of a nominal hydrogen gas release capacity of the first dehydrogenation reactor, in particular at least 70%, in particular at least 90% and in particular 100% of the nominal hydrogen gas release capacity. The hydrogen gas release rate is a project-specific and/or reactor-specific quantity and is particularly dependent on the respective reactor volume and/or the catalyst requirement.
Insbesondere ist es möglich, den ersten Dehydrierreaktor aus dem regulären Betriebsmodus zurück in den Aktivierungsmodus oder in einen Ruhe- oder Standby-Modus zu schalten, wenn die Schalt-Temperatur in dem zweiten Dehydrierreaktor und/oder die Wasserstoffgas-Freisetzungsleistung die oben genannten Mindestwerte unterschreiten.In particular, it is possible to switch the first dehydrogenation reactor from the regular operating mode back to the activation mode or to a rest or standby mode if the switching temperature in the second dehydrogenation reactor and/or the hydrogen gas release power fall below the above-mentioned minimum values.
Sowohl die in den Patentansprüchen angegebenen Merkmale als auch die in dem Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung angegebenen Merkmale sind jeweils für sich alleine oder in Kombination miteinander geeignet, den erfindungsgemäßen Gegenstand weiterzubilden. Die jeweiligen Merkmalskombinationen stellen hinsichtlich der Weiterbildungen des Erfindungsgegenstands keine Einschränkung dar, sondern weisen im Wesentlichen lediglich beispielhaften Charakter auf.Both the features specified in the patent claims and the features specified in the exemplary embodiment of a device according to the invention are each suitable, alone or in combination with one another, for further developing the subject matter according to the invention. The respective combinations of features do not represent any restrictions with regard to the developments of the subject matter of the invention, but are essentially only of an exemplary nature.
Weitere Merkmale, Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der Zeichnung. Es zeigen:
-
1 eine schematische Darstellung einer mobilen Plattform mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, -
2 eine Draufsicht auf einen Dehydrierreaktor erster Stufe einer Dehydriereinheit der Vorrichtung gemäßAnspruch 1, -
3 eine Schnittdarstellung gemäß Schnittlinie III-III in2 , -
4 eine vergrößerte Detailansicht des Details IV in3 , -
5 eine um 90° gedrehte Schnittdarstellung gemäß Schnittlinie V-V in2 , -
6 eine vergrößerte Detailansicht des Details VI in5 .
-
1 a schematic representation of a mobile platform with a device according to the invention, -
2 a top view of a first stage dehydrogenation reactor of a dehydrogenation unit of the device according toclaim 1, -
3 a sectional view according to section line III-III in2 , -
4 an enlarged detailed view of detail IV in3 , -
5 a sectional view rotated by 90° according to section line VV in2 , -
6 an enlarged detailed view of detail VI in5 .
Eine in
Die mobile Plattform 1 weist eine Zentralsteuerung 3 auf, die mit dem Antrieb 2 in, insbesondere bidirektionaler, Signalverbindung steht. Die bidirektionale Signalverbindung ist durch den Doppelpfeil 4 in
Die mobile Plattform 1 weist eine als Ganzes mit 5 gekennzeichnete Vorrichtung auf. Die Vorrichtung 5 dient zum Bereitstellen elektrischer Energie mittels eines Wasserstoffträgermediums. Die Vorrichtung 5 ist mit dem Antrieb 2 mittels Elektroleitungen 6 elektrisch verbunden.The
Die Vorrichtung 5 umfasst einen Speicherbehälter 7, der mittels einer ersten Fluidleitung 8 mit einer Dehydriereinheit 9 verbunden ist. In der Dehydriereinheit 9 wird Wasserstoffträgermedium dehydriert und dadurch Wasserstoffgas freigesetzt.The
Die Dehydriereinheit 9 ist gemäß dem gezeigten Ausführungsbeispiel mehrstufig, insbesondere zweistufig, ausgeführt. Die Dehydriereinheit 9 umfasst einen ersten Dehydrierreaktor 56, der als Starterreaktor bezeichnet wird, und einen zweiten Dehydrierreaktor 57, der als Hauptreaktor bezeichnet wird.According to the exemplary embodiment shown, the
Die Dehydrierreaktoren 56, 57 sind fluidtechnisch miteinander verbunden, insbesondere mittels einer Fluidleitung.The
Die Dehydriereinheit 9, insbesondere der erste Dehydrierreaktor 56 und/oder der zweite Dehydrierreaktor 57, ist über eine Rückführleitung 10 mit dem ersten Speicherbehälter 7 fluidtechnisch verbunden. Der Speicherbehälter 7 weist eine erste Teilkammer 11 auf, in der zumindest teilweise beladenes Wasserstoffträgermedium bevorratet ist, und eine zweite Teilkammer 12 auf, in der zumindest teilweise entladenes Wasserstoffträgermedium bevorratet ist. Die Teilkammern 11, 12 sind durch eine Trennwand 13, insbesondere fluiddicht, voneinander getrennt. Die Trennwand 13 kann auch teildurchlässig ausgeführt sein. Die Trennwand 13 kann in dem Speicherbehälter 7 auch veränderlich anordenbar ausgeführt sein, um die Volumina der Teilkammern 11, 12 anzupassen.The
Es ist denkbar, den Speicherbehälter 7 als sogenannten Schichtenspeicher auszuführen. Ein derartiger Schichtenspeicher ist offenbart in
Es ist alternativ auch möglich, zusätzlich zu dem Speicherbehälter 7 einen weiteren, nicht dargestellten Speicherbehälter vorzusehen. In diesem Fall ist der Speicherbehälter 7 für die Bevorratung des zumindest teilweise beladenen Speichermediums und der weitere Speicherbehälter zur Bevorratung des zumindest teilweise entladenen Wasserstoffträgermediums ausgeführt.Alternatively, it is also possible to provide a further storage container, not shown, in addition to the
An die Dehydriereinheit 9 ist mittels einer zweiten Fluidleitung 14 eine Reinigungseinheit 15 angeschlossen. Insbesondere sind sowohl der erste Dehydrierreaktor 56 als auch der zweite Dehydrierreaktor 57 jeweils unmittelbar mit der Reinigungseinheit 15 in Fluidverbindung. Je nach Betriebsweise der Vorrichtung 5 können entweder der erste Dehydrierreaktor 56 und/oder der zweite Dehydrierreaktor 57 mit der Reinigungseinheit 15 verbunden werden. Die Reinigungseinheit 15 ist gemäß dem gezeigten Ausführungsbeispiel als Druckwechseladsorptionsapparat ausgeführt.A
Es ist möglich, zwischen der Dehydriereinheit 9 und der Reinigungseinheit 15 eine nicht dargestellte Abtrenneinheit anzuordnen, um, insbesondere dampfförmige und/oder tröpfchenförmige, Bestandteile des Wasserstoffträgermediums aus dem Wasserstoffgas abzutrennen. Die Abtrenneinheit weist insbesondere einen Kondensator auf.It is possible to arrange a separation unit (not shown) between the
In der Reinigungseinheit 15 wird das in der Dehydriereinheit 9 freigesetzte Wasserstoffgas gereinigt und mittels einer dritten Fluidleitung 16 einer Stromerzeugungseinheit 17 zugeführt. Die Stromerzeugungseinheit 17 weist eine Brennstoffzelle 18 auf, die gemäß dem gezeigten Ausführungsbeispiel als Protonenaustauschmembran (PEM)-Brennstoffzelle ausgeführt ist. Die dritte Fluidleitung 16 mündet insbesondere in die Brennstoffzelle 18.In the
Die Stromerzeugungseinheit 17 weist ferner eine Erwärmungseinheit 19 auf, die in wärmeübertragender Weise mit der Dehydriereinheit 9 gekoppelt ist, so dass ein Wärmestrom Q von der Erwärmungseinheit 19 zu der Dehydriereinheit 9 möglich ist. Die Erwärmungseinheit 19 ist mittels einer vierten Fluidleitung 20 an die Reinigungseinheit 15 angeschlossen.The
Die Erwärmungseinheit 19 ist optional. Insbesondere wenn die Brennstoffzelle 18 als Hochtemperatur-Brennstoffzelle ausgeführt ist, kann die Abwärme der Hochtemperatur-Brennstoffzelle als zusätzliche Erwärmungseinheit dienen, um insbesondere Wärme an die Dehydriereinheit 9 und/oder andere Komponenten der Vorrichtung 5 abgeben zu können. Jedenfalls ist eine separate Erwärmungseinheit bei der Ausführung einer Hochtemperatur-Brennstoffzelle entbehrlich.The
An die Reinigungseinheit 15 ist ferner eine Nachbehandlungseinheit 21 mittels einer fünften Fluidleitung 22 angeschlossen. Die Stromerzeugungseinheit 17 ist mittels einer Abgasleitung 54 mit der Nachbehandlungseinheit fluidtechnisch verbunden. In der Stromerzeugungseinheit 17, insbesondere in der Brennstoffzelle 18 erzeugtes Abgas kann unmittelbar an die Nachbehandlungseinheit 21 abgegeben und dort oxidiert, also in Wärme umgewandelt werden.An
Mit der Stromerzeugungseinheit 17 ist eine Elektronikeinheit 23 mittels einer weiteren Elektroleitung 6 elektrisch verbunden. Die Elektronikeinheit 23 umfasst ein Stromspeicherelement 24, insbesondere eine Batterie. Die Elektronikeinheit 23 umfasst eine Steuerungseinheit 25. Die Steuerungseinheit 25 steht insbesondere in bidirektionaler Signalverbindung 26 mit der Zentralsteuerung 3 der mobilen Plattform 1.An
Der Antrieb 2 ist mittels der Elektroleitungen insbesondere elektrisch an die Stromerzeugungseinheit 17, insbesondere die Brennstoffzelle 18, und/oder die Elektronikeinheit 23, insbesondere das Stromspeicherelement 24, elektrisch angeschlossen.The
Die Vorrichtung 5 weist eine Wärmeerzeugungseinheit 27 auf, die gemäß dem gezeigten Ausführungsbeispiel als Elektroheizung ausgeführt ist. Die Wärmeerzeugungseinheit 27 steht mit einer Wärmeübertragungseinheit 28 in Wirkverbindung. Die Wärmeübertragungseinheit 28 ist als Wärmeträgerkreislauf, insbesondere als geschlossener Wärmeträgerkreislauf, ausgeführt. Als Wärmeträgerfluid dient insbesondere Thermalöl. Das Wärmeträgerfluid wird in der Wärmeerzeugungseinheit 27 erhitzt, mittels der Wärmeübertragungseinheit 28 an oder in die Dehydriereinheit 9 gefördert und gibt dort Wärme Q an die Dehydriereinheit 9 ab. Der Wärmestrom Q ist in
Wenn die Stromerzeugungseinheit 17, insbesondere die Brennstoffzelle 18, als Hochtemperatur-Brennstoffzelle, insbesondere als SOFC-Brennstoffzelle, ausgeführt ist, kann ein geschlossener Wärmekreislauf 55 zur Wärmeübertragung von der SOFC-Brennstoffzelle 18 an die Dehydriereinheit 9 vorhanden sein. Der geschlossene Wärmekreislauf 55 ist insbesondere entsprechend und insbesondere identisch zu der Wärmeübertragungseinheit 27 ausgeführt. Insbesondere umfasst der geschlossene Wärmekreislauf 55 ein Wärmeträgerfluid, insbesondere Thermalöl, das stofflich getrennt von den weiteren Medien der Vorrichtung 5 gehandhabt wird. Der geschlossene Wärmekreislauf 55 ermöglicht die direkte Wärmeübertragung und damit eine verbesserte Wärmeabfuhr von der SOFC-Brennstoffzelle 18 an die Dehydriereinheit 9, die eine Wärmesenke darstellt.If the
Insbesondere ist die Wärmeerzeugungseinheit 27 als Heizelement, insbesondere als elektrische Heizung ausgeführt, die insbesondere mit der Elektronikeinheit 23 elektrisch verbunden ist. Von der Elektronikeinheit 23, insbesondere von dem Stromspeicherelement 24, kann elektrischer Strom zu Betrieb der Wärmeerzeugungseinheit 27 bereitgestellt werden.In particular, the heat generating unit 27 is designed as a heating element, in particular as an electrical heater, which is electrically connected in particular to the
Die Wärmeerzeugungseinheit kann neben dem Heizelement in Form der elektrischen Heizung weitere Komponenten umfassen, insbesondere die Nachbehandlungseinheit 21 und/oder die Stromerzeugungseinheit 17, insbesondere die Brennstoffzelle 18 und/oder die Erwärmungseinheit 19.In addition to the heating element in the form of the electric heater, the heat generation unit can comprise further components, in particular the
Im Folgenden wird anhand von
Der erste Dehydrierreaktor 56 ist als Rohrbündelreaktor ausgeführt. Der Rohrbündelreaktor weist ein im Wesentlichen bezüglich einer Längsachse 30 hohlzylindrisches Gehäuse 31 auf. In dem Gehäuse 31 sind mehrere, gemäß dem gezeigten Ausführungsbeispiel 57, Reaktionsrohre 32 angeordnet. Die Reaktionsrohre 32 sind in einem im Wesentlichen regelmäßigen, insbesondere wabenartigen, Raster angeordnet. Insbesondere ist ein Reaktionsrohr 32 von mehreren Reaktionsrohren 32 umgeben, deren Rohrlängsachsen 33 in einer Ebene senkrecht zur Längsachse 30 die Eckpunkte eines regelmäßigen Sechsecks bilden. Vorteilhaft ist es, wenn die Reaktionsrohre 32 möglichst flächenfüllend im Querschnitt des Gehäuses 31 des ersten Dehydrierreaktors 56 angeordnet sind.The
In den Reaktionsrohren 32 ist jeweils der Katalysator angeordnet.The catalyst is arranged in the
Der erste Dehydrierreaktor 56 weist eine Wasserstoffträgermedium-Eintrittskammer 34 auf, in die eine Wasserstoffträgermedium-Zuführleitung 35 mündet. Die Wasserstoffträgermedium-Zuführleitung 35 ist als Rohrstutzen mit angeformtem Flansch ausgeführt, der an einer äußeren Zylindermantelfläche des Gehäuses 31 befestigt und insbesondere angeschweißt ist. Die Wasserstoffträgermedium-Eintrittskammer 34 ist an einem ersten stirnseitigen Ende 36 des Gehäuses 31 angeordnet. An einem zweiten stirnseitigen Ende 37, das dem ersten Ende 36 gegenüberliegend an dem Gehäuse 31 angeordnet ist, mündet eine Wasserstoffträgermedium-Abführleitung 38 aus dem Gehäuse 31. Die Wasserstoffträgermedium-Abführleitung 38 ist als Rohrstutzen mit angeformtem Flansch ausgeführt und insbesondere an die zweite Fluidleitung 14 angeschlossen. Über die Wasserstoffträgermedium-Abfiihrleitung 38 wird insbesondere zumindest teilweise entladendes Wasserstoffträgermedium und Wasserstoffgas abgeführt. Zur Abtrennung von, insbesondere dampfförmigen, Partikeln des zumindest teilweise entladenen Wasserstoffträgermediums aus dem Wasserstoffgasstrom kann eine zusätzliche Abtrenneinheit, insbesondere zwischen dem ersten Dehydrierreaktor 56 und der Reinigungseinheit 15 angeordnet sein. Eine Wasserstoffträgermedium-Strömungsrichtung 39 wird durch die Wasserstoffträgermedium-Zuführleitung 35 und die Wasserstoffträgermedium-Abführleitung 38 vorgegeben und ist gemäß
Jeweils stirnseitig ist an den Reaktionsrohren 32 ein Halteelement 40 angeordnet. Das Halteelement 40 verhindert, dass der Katalysator aus dem Reaktionsrohr 32 in die Wasserstoffträgermedium-Eintrittskammer 34 und/oder zu der Wasserstoffträgermedium-Zuführleitung 35 gelangen kann. Die Halteelemente 40 halten den Katalysator zuverlässig in den Reaktionsrohren 32. Die Halteelemente 40 sind insbesondere jeweils als durchgängiges Gitter ausgeführt, das sich im Wesentlichen über die gesamte Querschnittsfläche des Gehäuses 31 erstreckt. Die Gitterelemente haben eine Maschenweite, die klein genug ist, um die Katalysatorteilchen zurückzuhalten, und/oder die groß genug ist, das flüssige Wasserstoffträgermedium durchzulassen.A holding
An das Gehäuse 31 ist die Wärmeübertragungseinheit 28 mit einer Wärmeträgerfluid-Zuführleitung 41 und mit einer Wärmeträgerfluid-Abführleitung 42 angeschlossen. Die Wärmeträgerfluid-Zuführleitung 41 mündet in eine Wärmeträgerfluid-Eintrittskammer 43, die sich in einer Ebene senkrecht zur Längsachse 30 über eine Querschnittsfläche des Gehäuses 31 erstreckt, wobei diese Querschnittsfläche insbesondere der Querschnittsfläche des Gehäuses 31 entspricht. In axialer Richtung bezogen auf die Längsachse 30 ist die Wärmeträgerfluid-Kammer durch zwei Trennwände 44 in dem Gehäuse 31 abgetrennt. An die Wärmeträgerfluid-Kammer 43 sind mehrere Wärmeträgerfluid-Führungsleitungen 45 angeschlossen. Jeweils eine Wärmeträgerfluid-Führungsleitung 45 ist innerhalb eines Reaktionsrohres 32 angeordnet, insbesondere konzentrisch dazu. Die Anbindung der Wärmeträgerfluid-Führungsleitungen 45 an die Wärmeträgerfluid-Kammer 43 erfolgt mittels eines, insbesondere gebogenen, Anbindungsabschnitts 46, der zumindest abschnittsweise quer zur Längsachse 30 des Gehäuses 31 verläuft und in die Wärmeträgerfluid-Kammer 43 mündet. Der Anbindungsabschnitt 46 ist abgedichtet aus dem Reaktionsrohr 32 herausgeführt. Das Reaktionsrohr 32 ist von der Wärmeträgerfluid-Kammer 43 getrennt. Die Stoffströme des Wasserstoffträgermediums und des Wärmeträgerfluid sind voneinander separiert.The
Die Wärmeträgerfluid-Strömungsrichtung 47 ist von der Wärmeträgerfluid-Zuführleitung 41 zu der Wärmeträgerfluid-Abführleitung 42 gerichtet, also gemäß
Der Rohrbündelreaktor wird insbesondere derart aufgestellt und betrieben, dass die Längsachse 30 horizontal orientiert ist. Der Rohrbündelreaktor kann mit der Längsachse 30 auch gegenüber der Horizontalen geneigt angeordnet sein, wobei der Neigungswinkel insbesondere zwischen 0° und 90° beträgt und der Rohrbündelreaktor insbesondere auch vertikal orientiert sein kann.The tube bundle reactor is in particular set up and operated in such a way that the
Die Wärmeträgerfluid-Zuführleitung 41 und die Wärmeträgerfluid-Abführleitung 42 sind insbesondere als Rohrstutzen mit angeformtem Flansch ausgeführt.The heat transfer
Die Reaktionsrohre 32 sind als doppelwandige Rohre ausgeführt, wobei das Wasserstoffträgermedium entlang des ringförmigen Querschnitts und das Wärmeträgerfluid entlang des inneren Rohrquerschnitts strömt, insbesondere in zueinander entgegengesetzten Richtungen 39, 47.The
Die Wärmeübertragungseinheit 28, insbesondere die Wärmeträgerfluid-Führungsleitungen 45, sind in der Dehydriereinheit 9 und insbesondere in dem ersten Dehydrierreaktor 56 integriert. Insbesondere ist in jedem Reaktionsrohr 32 eine Wärmeträgerfluid-Führungsleitung 45 integriert und insbesondere konzentrisch darin angeordnet. Die Wärmeträgerfluid-Führungsleitung 45 ermöglicht somit ein Aufheizen des Reaktionsrohres 32 von innen. Die Wärmeübertragung ist dadurch verbessert.The
Gemäß einem nicht dargestellten Ausführungsbeispiel ist es insbesondere denkbar, dass die Wärmeerzeugungseinheit 27 unmittelbar in der Dehydriereinheit 9 und insbesondere in dem ersten Dehydrierreaktor 56 integriert angeordnet ist. Eine Wärmeübertragungseinheit ist in diesem Fall entbehrlich. Eine integrierte Wärmeerzeugungseinheit 27 kann insbesondere durch eine Oxidationseinheit zum Oxidieren des Wasserstoffträgermediums und insbesondere zum Verbrennen des Wasserstoffträgermediums ausgeführt sein.According to an exemplary embodiment not shown, it is particularly conceivable that the heat generation unit 27 is arranged integrated directly in the
Die Wärmeträgerfluid-Führungsleitungen 45 sind in axialer Richtung bezogen auf die Längsachse 30 durch das am ersten stirnseitigen Ende 36 angebrachte Halteelement 40 und die sich anschließende Wasserstoffträgermedium-Eintrittskammer 34 hindurchgeführt. Die Wärmeträgerfluid-Führungsleitungen 45 sind an einem quer, insbesondere senkrecht zur Längsachse 30 orientierten Rohrboden 53 befestigt.The heat transfer
Die Wasserstoffträgermedium-Eintrittskammer 34 ist in axialer Richtung insbesondere durch das Halteelement 40 und den Rohrboden 53 begrenzt.The hydrogen carrier
In axialer Richtung bezogen auf die Längsachse 30 ist zwischen der dem zweiten stirnseitigen Ende 37 abgewandten Trennwand 44 und dem Halteelement 40 an der Wasserstoffträgermedium-Eintrittskammer 34 eine Wasserstoffdampfkammer 48 begrenzt. Die Wasserstoffdampfkammer 48 ist durch die zwischen den Reaktionsrohren 32 verbleibenden Zwischenräume gebildet. Die Wasserstoffdampfkammer 48 weist eine Wasserstoffdampfzuführleitung 49 und eine Wasserstoffdampfabführleitung 50 auf, die gemäß den zuvor beschriebenen Leitungen als Rohrstutzen mit angeformtem Flansch ausgeführt sind. Die Wasserstoffdampf-Zuführleitung 49 und die Wasserstoffdampf-Abführleitung 50 geben eine Wasserstoffdampf-Strömungsrichtung vor, die gemäß
Nachfolgend wird ein Verfahren zum Bereitstellen elektrischer Energie mittels eines Wasserstoffträgermediums näher erläutert.A method for providing electrical energy using a hydrogen carrier medium is explained in more detail below.
Zumindest teilweise beladendes Wasserstoffträgermedium wird aus der ersten Teilkammer 11 des Speicherbehälters 7 in die Dehydriereinheit 9 gefördert und dort katalytisch dehydriert. Zumindest teilweise entladenes Wasserstoffträgermedium wird über die Rückführleitung 10 in die zweite Teilkammer 12 des Speicherbehälters 7 zurückgefördert.At least partially loaded hydrogen carrier medium is conveyed from the first
Das in der Dehydriereinheit 9 freigesetzte Wasserstoffgas wird in die Reinigungseinheit 15 gefördert und dort gereinigt. Die in der Reinigungseinheit 15 abgetrennten Verunreinigungen werden in die Nachbehandlungseinheit 21 gefördert und insbesondere verbrannt. Der gereinigte Wasserstoffgasstrom wird zu der Stromerzeugungseinheit 17 und insbesondere in die Brennstoffzelle 18 geführt und dort verstromt. Es kann vorteilhaft sein, wenn zumindest ein Teilstrom des Wasserstoffgases der Erwärmungseinheit zugeführt wird, um einen Wärmestrom Q für die Dehydriereinheit 9 bereitzustellen.The hydrogen gas released in the
Der in der Brennstoffzelle 18 erzeugte elektrische Strom wird mittels Elektroleitungen 6 entweder unmittelbar und/oder mittelbar über die Elektronikeinheit 23 dem Antrieb 2 zur Verfügung gestellt. Insbesondere kann elektrischer Strom zumindest vorübergehend in dem Stromspeicherelement 24 zwischengespeichert werden.The electrical current generated in the
Besonders vorteilhaft ist eine Betriebsweise der Vorrichtung 1 unter Nutzung der Aktivierungseinheit 29, die ein Aktivieren, insbesondere ein Beheizen, der Dehydriereinheit 9 unkompliziert ermöglicht, insbesondere wenn die Vorrichtung 1 sich zuvor in einem Ruhemodus befunden hat, die Dehydriereinheit 9 also nicht betrieben worden ist. Für einen sogenannten Kaltstart wird zunächst elektrischer Strom aus der Elektronikeinheit 23, insbesondere aus dem Stromspeicherelement 24, zur Verfügung gestellt, um die Wärmeerzeugungseinheit 27 zu betreiben. In der Wärmeerzeugungseinheit 27 wird das Wärmeträgerfluid, also das Thermalöl, erhitzt und mittels nicht näher dargestellter Pumpe über die Wärmeträgerfluid-Zuführleitung 4 in die Wärmeträgerfluid-Kammer 43 und von dort in die einzelnen Wärmeträgerfluid-Führungsleitungen 45 gepumpt. Außerdem wird elektrischer Strom aus der Elektronikeinheit 23, insbesondere dem Stromspeicherelement 24, zum Betreiben von Pumpen genutzt, um das Wasserstoffträgermedium aus dem Speicherbehälter 7 in die Dehydriereinheit 9, insbesondere in den ersten Dehydrierreaktor 56, zu fördern. In dem Aktivierungsmodus wird also ausschließlich der erste Dehydrierreaktor 56 der Dehydriereinheit 9 betrieben.A mode of operation of the
Sobald Wasserstoffgas in dem ersten Dehydrierreaktor 56 freigesetzt wird, kann dieses in der Stromerzeugungseinheit 17 genutzt und elektrischer Strom erzeugt werden. Zusätzlich wird in der Stromerzeugungseinheit 17 Wärme erzeugt. In der Stromerzeugungseinheit 17 erzeugter Strom und Wärme können dann genutzt werden, um den weiteren, konstanten und insbesondere autarken Betrieb der Dehydriereinheit 9 durchzuführen und zu gewährleisten. Anschließend kann zusätzlich bereitgestellte Energie genutzt werden, um insbesondere weitere Dehydrierreaktoren, insbesondere den zweiten Dehydrierreaktor 57, und/oder andere Systemkomponenten in Betriebsbereitschaft zu versetzen.As soon as hydrogen gas is released in the
Im Aktivierungsmodus wird der zweite Dehydrierreaktor 57 nicht betrieben. Im Aktivierungsmodus findet in dem zweiten Dehydrierreaktor 57 keine Dehydrierreaktion statt. Der zweite Dehydrierreaktor 57 kann im Aktivierungsmodus aber vorgeheizt werden.In activation mode, the
Um den ersten Dehydrierreaktor 56 initial zu aktivieren, kann elektrische Energie aus dem Stromspeicherelement 24 zum Betrieb der elektrischen Heizung der Wärmeerzeugungseinheit 27 genutzt werden. Die elektrische Heizung dient zum Beheizen des ersten Dehydrierreaktors 56. Zusätzlich kann der elektrische Strom aus dem Stromspeicherelement 24 zum Schalten und Betreiben weiterer Komponenten der Vorrichtung 5 genutzt werden. Durch das Aktivieren des ersten Dehydrierreaktors 56 kann dort Wasserstoffgas, zunächst in geringen Mengen, freigesetzt werden.In order to initially activate the
Das in dem ersten Dehydrierreaktor 56 freigesetzte Wasserstoffgas wird an die Reinigungseinheit 15 gefördert und von dort anteilig an die Stromerzeugungseinheit 17, insbesondere die Brennstoffzelle 18 und/oder die Erwärmungseinheit 19, sowie an die Nachbehandlungseinheit 21 abgegeben. In der Stromerzeugungseinheit 17 erzeugter elektrischer Strom wird an die Elektronikeinheit geleitet. In der Elektronikeinheit 23, insbesondere in dem Stromspeicherelement 24, kann elektrische Energie zwischengespeichert werden. Die elektrische Energie kann aber auch unmittelbar an die Wärmeerzeugungseinheit 27 in Form der elektrischen Heizung abgegeben werden, um Wärme zu produzieren, die mittels der Wärmeübertragungseinheit 28 an den ersten Dehydrierreaktor 56 abgegeben wird. Die Wärmeübertragungseinheit 28 wird also im Aktivierungsmodus insbesondere von der Wärmeerzeugungseinheit, insbesondere der elektrischen Heizung 27 und/oder der Nachbehandlungseinheit 21 mit Wärme gespeist. Die Wärmeübertragungseinheit 28 kann im Aktivierungsmodus Wärme abgeben an den ersten Dehydrierreaktor 56 zum Aktivieren, an den zweiten Dehydrierreaktor 57 zum Vorheizen und/oder an die Stromerzeugungseinheit 17, insbesondere die Brennstoffzelle 18, zum Aufwärmen.The hydrogen gas released in the
Im regulären Betrieb der Dehydriereinheit 9 können Reaktionsprodukte, insbesondere aus dem zweiten Dehydrierreaktor 57 und/oder weiteren nachgelagerten Dehydrierreaktoren, dem ersten Dehydrierreaktor 56, insbesondere dessen Wasserstoffdampfkammer 48, zugeführt werden. Diese Stoffströme dienen insbesondere zur Wärmerückgewinnung, um die Reaktionsrohre 32 an ihrer äußeren Mantelfläche zu erwärmen. Diese Betriebsstoffe dienen also zum Erwärmen der Reaktionsrohre 32 von außen. Die Wasserstoffdampfkammer 48 dient insbesondere als Rekuperator, der insbesondere in dem ersten Dehydrierreaktor 56 integriert angeordnet ist.During regular operation of the
Im regulären Betrieb der Vorrichtung 5, also insbesondere nachdem ausreichend Energie und Wärme durch die Vorrichtung 5 selbst bereitgestellt worden ist, um den zweiten Dehydrierreaktor 57 zu betreiben, kann die Aktivierungseinheit 29 deaktiviert werden. Insbesondere wird die elektrische Heizung der Wärmeerzeugungseinheit 27 nicht mehr betrieben, um den Gesamtenergieaufwand der Vorrichtung 5 zu reduzieren. Die Wärmeerzeugungseinheit 27 wird in diesem Betriebsmodus durch die Nachbehandlungseinheit 21 und zusätzlich durch die Stromerzeugungseinheit 17, insbesondere die Brennstoffzelle 18, gebildet.During regular operation of the
Aufgrund der Versorgung der Brennstoffzelle 18 mit ausreichend freigesetztem Wasserstoffgas aus der Dehydriereinheit 9 fällt in der Stromerzeugungseinheit 17, insbesondere in der Brennstoffzelle 18 Abwärme an, die unmittelbar an die Wärmeübertragungseinheit 27 übertragen wird. Von der Wärmeübertragungseinheit 27 wird die Wärme, insbesondere unmittelbar, an den zweiten Dehydrierreaktor 57 übertragen. Zusätzlich wird Wärme an den ersten Dehydrierreaktor 56 von dem zweiten Dehydrierreaktor 57 und/oder von der Wärmeübertragungseinheit 27 übertragen.Due to the supply of the
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
- DE 102020102923 A1 [0002]DE 102020102923 A1 [0002]
- DE 102015219305 A1 [0050]DE 102015219305 A1 [0050]
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Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE102013223588A1 (en) | 2013-11-19 | 2015-05-21 | Hydrogenious Technologies Gmbh | Plant and method for storing energy |
| DE102015219305A1 (en) | 2015-10-06 | 2017-04-06 | Hydrogenious Technologies Gmbh | Reactor device for dehydrating a carrier medium |
| DE102015225394A1 (en) | 2015-12-16 | 2017-06-22 | Siemens Aktiengesellschaft | Method for power generation and power generation device, in particular for mobile applications |
| DE102018213689A1 (en) | 2018-08-14 | 2020-02-20 | Hydrogenious Lohc Technologies Gmbh | Device and method for providing hydrogen gas |
Family Cites Families (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP5632050B1 (en) * | 2013-07-12 | 2014-11-26 | 株式会社辰巳菱機 | Dehydrogenation system |
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| DE102016206106A1 (en) | 2016-04-12 | 2017-10-12 | Hydrogenious Technologies Gmbh | Storage device for hydrogen carrier medium, system comprising such a storage device and method for storing hydrogen carrier medium |
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-
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-
2023
- 2023-06-21 WO PCT/EP2023/066797 patent/WO2023247626A1/en unknown
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE102013223588A1 (en) | 2013-11-19 | 2015-05-21 | Hydrogenious Technologies Gmbh | Plant and method for storing energy |
| DE102015219305A1 (en) | 2015-10-06 | 2017-04-06 | Hydrogenious Technologies Gmbh | Reactor device for dehydrating a carrier medium |
| DE102015225394A1 (en) | 2015-12-16 | 2017-06-22 | Siemens Aktiengesellschaft | Method for power generation and power generation device, in particular for mobile applications |
| DE102018213689A1 (en) | 2018-08-14 | 2020-02-20 | Hydrogenious Lohc Technologies Gmbh | Device and method for providing hydrogen gas |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2023247626A1 (en) | 2022-06-23 | 2023-12-28 | Hydrogenious Lohc Technologies Gmbh | Device and method for providing electrical energy by means of a hydrogen carrier medium, and mobile platform having such a device |
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