DE10242804A1 - System zur Speicherung und Zumessung von Wasserstoff und Verfahren zum Betrieb des Systems - Google Patents

System zur Speicherung und Zumessung von Wasserstoff und Verfahren zum Betrieb des Systems Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Energiespeicher- und Versorgungssystem zur Speicherung von Wasserstoff unter hohem Druck und zu dessen Zumessung als Brennstoff für eine Brennkraftmaschine und/oder für ein Brennstoffzellensystem, das insbesondere zum Antrieb eines Kraftfahrzeuges vorgesehen ist. Das System umfasst einen Hochdruckspeicher und eine diesem nachgeordnete Expansionseinrichtung (6) zur Reduzierung des Speicherdrucks auf einen zur Energiewandlung in der Brennkraftmaschine und/oder dem Brennstoffzellensystem geeigneten Druck.
Es ist vorgesehen, dass die Expansionseinrichtung (6) eine Vorrichtung zur Erwärmung des Wasserstoffs während der Expansion aufweist.
Die Erfindung betrifft weiterhin ein entsprechendes Verfahren zum Betrieb eines solchen Systems.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein System zur Speicherung von Wasserstoff unter hohem Druck und zu dessen Zumessung als Brennstoff für eine Brennkraftmaschine und/oder für ein Brennstoffzellensystem gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren zur Speicherung und zur Versorgung einer Brennkraftmaschine und/oder einer Brennstoffzelle mit Wasserstoff als Brennstoff gemäß Oberbegriff des Anspruchs 10.
  • Eines der wesentlichen Probleme bei der Einführung von Wasserstoff als Energieträger im mobilen Bereich ist dessen relativ geringe Energiedichte bei der Speicherung sowie ein relativ begrenzter Wirkungsgrad bei der Speicherung und bei der Energiewandlung. Um während des Betriebs eines Fahrzeuges den als Kraftstoff verwendeten Wasserstoff zur Verfügung stellen zu können, sind Systeme zur Reformierung von wasserstoffhaltigem Kraftstoff oder Methanol bekannt. Diese bekannten Systeme zeigen jedoch noch zahlreiche praktische Probleme. Auch der Transport von verflüssigtem Wasserstoff in einem fahrzeugfesten Tank ist relativ problematisch, da der Wasserstoff aufgrund seiner geringen Molekülgröße in bedeutendem Umfang durch die Tankwände hindurch tritt, an die umgebende Atmosphäre abgegeben wird und damit eine potenzielle Gefahrenquelle darstellt.
  • Um diese Probleme zu vermeiden, ist im Fahrzeugbereich der Einsatz von Druckwasserstoff bekannt. Allerdings sind die derzeit üblichen Speicherdrücke von ca. 350 bar nicht dazu geeignet, eine ausreichende Speicherdichte zu realisieren und damit die gewünschten Reichweiten zwischen zwei Tankvorgängen zu erreichen, wie sie mittels herkömmlichen Kraftstoffen erzielt werden können. Einer möglichen Abhilfe in Form einer Vergrößerung der Tankvolumina sind konstruktive Grenzen gesetzt. Zudem stellen zu große Tankvolumina ein potenzielles Sicherheitsrisiko dar.
  • Ein weiterer möglicher Ausweg könnte in einer Erhöhung des Speicherdrucks auf bspw. mehr als ca. 700 bar liegen. Hierfür müssen jedoch einerseits geeignete Tanksysteme zur Verfügung gestellt werden, mit denen derart hohe Drücke über einen langen Betriebszeitraum sicher gehandhabt werden können. Zudem bedingt die für die weiter gehende Druckerhöhung erforderliche erhöhte Verdichtungsarbeit eine signifikante Verschlechterung des Gesamtwirkungsgrades.
  • Ein Brennstoffzellensystem mit einer Brennstoffzelle, einem Speicher und einer Verdichtereinrichtung ist in der DE 100 08 823 A1 beschrieben. Ableitungsseitig des Brennstoffspeichers ist eine Expansionseinrichtung vorgesehen. Beim Betrieb des Brennstoffzellensystems wird Brennstoff mittels der Verdichtereinrichtung unter einem solch hohen Druck in den Speicher gefördert, dass im Brennstoff enthaltenes Kohlendioxid durch Verflüssigung vom Brennstoff abgetrennt wird. Bei Abgabe des Brennstoffes aus dem Brennstoffspeicher wird der Brennstoff durch die Expansionseinrichtung geleitet. Über die geleistete Expansionsarbeit des Brennstoffes wird ein Teil der für die Verdichtung benötigten Energie zurück gewonnen.
    •
  • Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein System bzw. ein Verfahren zur Speicherung und zur Zumessung von Wasserstoff zur Verfügung zu stellen, das gegenüber bekannten Vorrichtungen und Verfahren hinsichtlich eines Gesamtwirkungsgrades optimiert ist.
  • Diese Aufgabe wird durch ein Energiespeicher- und Versorgungssystem gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1 bzw. durch ein Verfahren gemäß Oberbegriff des Anspruchs 10 gelöst, bei dem der Wasserstoff in der Expansionseinrichtung mit Hilfe einer Vorrichtung zur Zufuhr von Wärme erwärmt wird. Vorzugsweise erfolgt eine Erwärmung des Wasserstoffs auf ein Temperaturniveau der Umgebung oder darüber hinaus. Die Zufuhr von Wärme während des Expansionsprozesses kann signifikant dessen Wirkungsgrad verbessern, indem eine bessere Annäherung an Isothermen erfolgt.
  • In vorteilhafter Ausgestaltung kann die Vorrichtung zur Erwärmung des Wasserstoffs wenigstens einen Wärmetauscher umfassen, bspw. einen Wärmetauscher mit innenliegenden Mikrostruktur-Wärmetauscher-Flächen, der eine gleichmäßige und präzise Erwärmung des Wasserstoffs während der Expansion ermöglicht.
  • Eine alternative Ausgestaltung besteht in einer Zufuhr eines Wärmeträgerfluids in die Vorrichtung zur Erwärmung des Wasserstoffs. Als solches Wärmeträgerfluid kann bspw. Wasser eingesetzt werden. Vorzugsweise wird das Wärmeträgerfluid mit entsprechender Temperatur sehr fein verteilt und dem Wasserstoff durch Einspritzung zugeführt.
  • Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht wenigstens eine mit der Expansionseinrichtung gekoppelte Vorrichtung zur Wandlung der Expansionsleistung in mechanische Leistung vor. Als solche Vorrichtung zur Wandlung der Expansionsleistung in mechanische Leistung kommt bspw. eine Turbo- oder eine Verdrängermaschine in Frage. Die mechanische Leistung kann wahlweise in elektrische Leistung umgewandelt werden oder zur zusätzlichen Unterstützung eines Traktionsantriebs, bspw. eines Kraftfahrzeugs genutzt werden. Auf diese Weise ist eine Energierückgewinnung aus dem mitgeführten Druckwasserstoff möglich. Diese Energierückgewinnung kann bei einer Verdichtung des Wasserstoffs im Speicher auf einen Druck von ca. 700 bar bis zu 50 % der zur Verdichtung benötigten Energie ausmachen. Die rückgewonnene mechanische Energie kann onboard den Nettowirkungsgrad des Antriebssystems erhöhen und kann in Brennstoffzellensystemen vorzugsweise zur Unterstützung eines Traktionsantriebs und/oder des Antriebs der Luftversorgungsverdichter für die Kathodenseite eingesetzt werden, da an diesen Stellen mechanische Leistung zeitgleich mit der Wasserstoffexpansion erforderlich ist. Die Erhöhung des Wirkungsgrads des Antriebssystems bedingt gleichzeitig eine entsprechende Erhöhung der Reichweite eines Kraftfahrzeugs bei ansonsten unveränderten Randbedingungen.
  • Insgesamt lassen sich mit der erfindungsgemäßen Anordnung signifikante Erhöhungen des Speicherwirkungsgrads für Druckwasserstoff erreichen. Damit lassen sich die für eine Reichweitenerhöhung von Fahrzeugen unabdingbaren höheren Speicherdrücke energieeffizient realisieren. Es werden die Voraussetzungen geschaffen für eine signifikante Erhöhung der Reichweite bei gleichzeitig hohem Speicherwirkungsgrad.
  • Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Expansionseinrichtung mit einem Wärmetauscherkreislauf der Brennkraftmaschine und/oder des Brennstoffzellensystems gekoppelt ist. Auf diese Weise kann die Nutzung der bei der Expansion entstehenden Kälte zur Abfuhr bzw. zur Rückgewinnung von Abwärmeströmen, z.B. aus dem Antriebssystem genutzt werden. Damit kann die Kühlleistung des Antriebssystem signifikant verbessert werden, ohne dass bspw. eine Kühlerfrontfläche des Fahrzeugs vergrößert werden muss, was den Luftwiderstand unerwünscht erhöhen würde. Somit können in bestehende Fahrzeugskonzepte Antriebe mit höherer Leistungsdichte integriert werden.
  • Die in einer der erfindungsgemäßen Ausgestaltungen zusätzlich erzeugte mechanische Leistung kann zur Verdichtung der der Brennkraftmaschine und/oder dem Brennstoffzellensystem zugeführten Luft verwendet werden.
  • Zusammenfassend ergeben sich die folgenden Aspekte der Erfindung. Eine ein- oder mehrstufige Expansionsmaschine wandelt den Druck des im Tank mitgeführten Hochdruckwasserstoffs auf einen für die Anwendung bei der Energiewandlung benötigten Druck. Diese Expansionsmaschine kann bspw. als Turbo- oder Verdrängermaschine ausgeführt sein und weist geeignete Vorrichtungen zur Zufuhr von Wärme während der Expansion auf. Dies könne bspw. wärmezuführende Oberflächen innerhalb, zwischen oder nach den einzelnen Expansionsstufen und/oder Einspritzvorrichtungen zur Einbringung von Einspritzfluiden und/oder wärmeabstrahlende Flächen in Kontakt mit dem zu expandierenden Wasserstoff sein. Die ein- oder mehrstufige Expansion kann in jeder Stufe zur Abgabe von Wellenleistung genutzt werden. Zugleich wird Wärme über geeignete Vorrichtungen zugeführt, bspw. mittels Wärmetauschern. Die Einbringung von Wärme während der bzw. im Verlauf der bzw. nach der Expansion ist zentraler Bestandteil der Erfindung. Vorzugsweise wird der Wasserstoff durch die Wärmezufuhr wieder in die Nähe seiner Ursprungstemperatur oder darüber hinaus rückerwärmt.
    •
  • Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:
  • 1 ein schematisches Blockschaltbild einer ersten Variante des erfindungsgemäßen Systems zur Speicherung und Zumessung von Wasserstoff,
  • 2 eine zweite Variante des erfindungsgemäßen Systems und
  • 3 eine dritte Variante des erfindungsgemäßen Systems.
  • 1 zeigt eine erste Variante eines erfindungsgemäßen Systems zur Speicherung und zur Zumessung von Wasserstoff bzw. ein Verfahren zum Betrieb des Systems. In einem Hochdruckspeicher 4 ist Wasserstoff unter hohem Druck von mehr als 200 bar bis zu 700 bar oder mehr gespeichert. Eine Verbindungsleitung führt zu einer Expansionseinrichtung 6, in welcher der Wasserstoff auf einen für einen Verbraucher 10 verarbeitbaren Druck gebracht werden kann. Der Verbraucher 10 kann bspw. eine Brennkraftmaschine (BKM) oder ein Brennstoffzellensystem (BZS) o. dgl. sein. Zwischen der Expansionseinrichtung und dem Verbraucher können eine oder mehrere weitere Expansionsstufen 8 vorgesehen sein zur weiteren Entspannung des Wasserstoffs. Die Expansionseinrichtung 6 und die optional vorhandenen weiteren Expansionsstufen 8 bilden eine erste Systemgrenze 1, welche die Expansion zwischen dem hohen Speicherdruck im Speicher 4 und dem niedrigen Druck in der Brennkraftmaschine bzw. dem Brennstoffzellensystem charakterisiert. Eine zweite Systemgrenze 2 um das gesamte erfindungsgemäße System kann bspw. ein Kraftfahrzeug o. dgl. sein, in dem das erfindungsgemäße System eingesetzt wird.
  • 2 zeigt eine Variante des erfindungsgemäßen Systems, bei dem der Expansionseinrichtung 6 ein Wandler 14 vorgeschaltet ist, der die Expansionsarbeit des unter hohen Druck stehenden Wasserstoffs in mechanische Leistung bzw. in Wellenleistung umwandeln kann. Diese Wandlereinrichtung 14 kann bspw. eine Turbine oder eine Verdrängermaschine o. dgl. sein. Die Wellenleistung kann in vorteilhafter Weise zur Erhöhung des Gesamtwirkungsgrades des Systems genutzt werden, bspw. indem ein elektrischer Generator oder eine Einrichtung zur zusätzlichen Traktionsunterstützung im Fahrzeug damit betrieben wird. Wahlweise kann lediglich eine, mehrere oder alle der vorhandenen Expansionsstufen 6, 8 einen solchen Wandler 14 zur Erzeugung mechanischer Wellenleistung aufweisen.
  • 3 zeigt eine dritte Variante des erfindungsgemäßen Systems, bei dem im Verbraucher 10 (BKM/BZS) ein zweiter Wärmetauscher 16 vorgesehen ist, der mit dem ersten Wärmetauscher 12 der Expansionseinrichtung 6 gekoppelt ist. Auf diese Weise kann bspw. die Motorabwärme der Brennkraftmaschine in vorteilhafter Weise zur Erwärmung des Wasserstoffs in der Expansionseinrichtung 6 genutzt werden. Gleichzeitig kann die Motorwärme effizienter abgeführt werden, wodurch ggf. eine Kühlerfläche eines Fahrzeugs verkleinert werden kann, ohne den Motorwirkungsgrad dabei zu verschlechtern. Auf diese Weise kann eine deutliche Reduzierung eines Luftwiderstands eines Fahrzeugs erreicht werden.
  • Die in den 1 bis 3 dargestellte Expansionseinrichtung 6 kann bspw. einen Wärmetauscher 12 oder eine andere geeignete Einrichtung zur Einbringung von Wärme während des Expansionsprozesses aufweisen. Eine solche Einrichtung kann in einer Zuführvorrichtung für ein fein verteiltes Wärmeträgerfluid in den Wasserstoffstrom sein. Als solches Wärmeträgerfluid kommt bspw. Wasser in Frage. Als Wärmetauscher 12 kommt insbesondere ein solcher mit innenliegenden Wärmetauscherflächen mit einer Mikrostruktur in Frage, der eine gleichmäßige und definierte Temperierung des Wasserstoffs in der Expansionsstufe 6 ermöglicht.
  • Insgesamt ermöglichen alle die gezeigten Varianten des erfindungsgemäßen Systems eine deutliche Erhöhung des Speicherwirkungsgrades und damit eine Erhöhung einer Fahrzeugreichweite gegenüber bekannten Systemen mit Wasserstoff als Brennstoff eines Fahrzeugantriebes.

Claims (16)

  1. Energiespeicher- und Versorgungssystem zur Speicherung von Wasserstoff unter hohem Druck und zu dessen Zumessung als Brennstoff für eine Brennkraftmaschine und/oder für ein Brennstoffzellensystem, insbesondere eines Kraftfahrzeuges, mit einem Hochdruckspeicher und einer diesem nachgeordneten Expansionseinrichtung zur Reduzierung des Speicherdrucks auf einen zur Energiewandlung in der Brennkraftmaschine und/oder dem Brennstoffzellensystem geeigneten Druck, dadurch gekennzeichnet, dass die Expansionseinrichtung (6) eine Vorrichtung zur Erwärmung des Wasserstoffs während der Expansion aufweist.
  2. System nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Erwärmung des Wasserstoffs auf ein Temperaturniveau der Umgebung oder darüber hinaus.
  3. System nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zur Erwärmung des Wasserstoffs wenigstens einen Wärmetauscher (12) umfasst.
  4. System nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch eine Zufuhr eines Wärmeträgerfluids in die Vorrichtung zur Erwärmung des Wasserstoffs.
  5. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch wenigstens eine mit der Expansionseinrichtung (6) gekoppelte Vorrichtung (14) zur Wandlung der Expansionsleistung in mechanische Leistung.
  6. System nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch eine Energiewandlung der mechanischen Wellenleistung in elektrische Leistung.
  7. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Expansionseinrichtung (6) mit einem Wärmetauscherkreislauf der Brennkraftmaschine (BKM) und/oder des Brennstoffzellensystems (BZS) gekoppelt ist.
  8. Verfahren zur Speicherung und zur Versorgung einer Brennkraftmaschine und/oder einer Brennstoffzelle mit Wasserstoff als Brennstoff, bei dem Wasserstoff unter hohem Druck gespeichert und in einer Expansionseinrichtung auf einen zur Energiewandlung geeigneten Druck gebracht wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Wasserstoff in der Expansionseinrichtung (6) zusätzlich erwärmt wird.
  9. Verfahren nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch eine Erwärmung des Wasserstoffs auf ein Temperaturniveau der Umgebung oder darüber hinaus.
  10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, gekennzeichnet durch eine Zufuhr eines Wärmeträgerfluids in die Vorrichtung zur Erwärmung des Wasserstoffs.
  11. Verfahren nach Anspruch 10, gekennzeichnet durch eine fein verteilte Einspritzung des Wärmeträgerfluids in die Vorrichtung zur Erwärmung des Wasserstoffs.
  12. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 11, gekennzeichnet durch eine Wandlung der Expansionsleistung in mechanische Leistung.
  13. Verfahren nach Anspruch 12, gekennzeichnet durch eine Nutzung der mechanischen Leistung zur Verdichtung von der Brennkraftmaschine (BKM) und/oder dem Brennstoffzellensystem (BZS) zugeführter Luft.
  14. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 oder 13, gekennzeichnet durch eine Wandlung der mechanischen Wellenleistung in elektrische Leistung.
  15. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 14, gekennzeichnet durch eine Nutzung der Expansionskälte innerhalb der Expansionseinrichtung (6).
  16. Verfahren nach Anspruch 15, gekennzeichnet durch eine Koppelung des Wärmetauschers (12) der Expansionseinrichtung (6) mit einem Wärmetauscherkreislauf der Brennkraftmaschine (BKM) und/oder des Brennstoffzellensystems (BZS).
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