EP4339505A1 - Method for filling a container with hydrogen, corresponding device and hydrogen filling station - Google Patents

Method for filling a container with hydrogen, corresponding device and hydrogen filling station Download PDF

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Publication number
EP4339505A1
EP4339505A1 EP22020439.0A EP22020439A EP4339505A1 EP 4339505 A1 EP4339505 A1 EP 4339505A1 EP 22020439 A EP22020439 A EP 22020439A EP 4339505 A1 EP4339505 A1 EP 4339505A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
hydrogen
expansion machine
machine
pressure
regulated
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP22020439.0A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Daniel Fahrner
Karl Jojo VIDIC
Daniel Schwab
Alexander Ackel
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Linde GmbH
Original Assignee
Linde GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Linde GmbH filed Critical Linde GmbH
Priority to EP22020439.0A priority Critical patent/EP4339505A1/en
Publication of EP4339505A1 publication Critical patent/EP4339505A1/en
Pending legal-status Critical Current

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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F17STORING OR DISTRIBUTING GASES OR LIQUIDS
    • F17CVESSELS FOR CONTAINING OR STORING COMPRESSED, LIQUEFIED OR SOLIDIFIED GASES; FIXED-CAPACITY GAS-HOLDERS; FILLING VESSELS WITH, OR DISCHARGING FROM VESSELS, COMPRESSED, LIQUEFIED, OR SOLIDIFIED GASES
    • F17C5/00Methods or apparatus for filling containers with liquefied, solidified, or compressed gases under pressures
    • F17C5/002Automated filling apparatus
    • F17C5/007Automated filling apparatus for individual gas tanks or containers, e.g. in vehicles

Definitions

  • the invention relates to a method for filling a container with hydrogen, a device for providing hydrogen for filling a container, as well as a hydrogen filling station and a use of the device.
  • Hydrogen which is used as fuel for vehicles, for example, can be made available via so-called hydrogen filling stations. Two basic system areas can be distinguished at a hydrogen filling station. The first system area concerns the compression of the hydrogen, its storage as well as its conditioning and cooling. The second system area includes a hydrogen dispenser and the associated refueling equipment such as the breakaway and refueling coupling and the refueling hose.
  • the hydrogen often has to be expanded from a higher to a lower pressure.
  • valves are typically used for this purpose, the so-called Joule-Thomson effect heats up the hydrogen.
  • the task is to improve the provision of hydrogen.
  • the invention is concerned with filling containers or tanks with hydrogen, such as at hydrogen filling stations.
  • hydrogen When the hydrogen is provided for this purpose, it usually has to be conditioned.
  • it is often necessary to decant or fill containers with hydrogen from another container or other source. This not only applies to refueling the tank of a hydrogen-powered vehicle, but also, for example, to filling transport containers on trucks, for example.
  • the pressure of the hydrogen usually has to be brought from a higher value (at which the hydrogen is stored, for example in a storage tank) to a lower value (which is approved for the vehicle tank, for example), i.e. the hydrogen has to be relaxed;
  • a volume flow may also need to be brought to a different value or adjusted.
  • One possibility here is to use a pressure control valve, by means of which the pressure of the hydrogen is reduced and set or regulated to a desired value.
  • the relaxation of hydrogen is an isenthal process.
  • the pressure reduction leads to heating of the hydrogen (heat is removed from the environment, which the hydrogen absorbs) and thus of the pressure control valve and possibly other parts of the device.
  • the containers or tanks that are filled with the hydrogen are not designed or suitable for such high hydrogen temperatures.
  • the heat can be dissipated, for example, by using heat exchangers such as plate heat exchangers or indirect heat exchangers with aluminum cold storage;
  • the hydrogen can also be cooled again.
  • heat exchangers such as plate heat exchangers or indirect heat exchangers with aluminum cold storage
  • This entails high costs.
  • the use of an expansion machine (or expansion machine) that is coupled to an electrical machine is now proposed.
  • the hydrogen obtained for example from a storage tank or other source
  • the hydrogen is passed through the expansion machine, from an inlet to an outlet of the expansion machine.
  • the hydrogen can then be filled into the container.
  • a pressure and/or a volume flow of the hydrogen on the outlet side are set or regulated to a predetermined value by setting or regulating at least one operating variable of the expansion machine and/or the electrical machine, for example a power provided as a generator by the electrical machine.
  • the power can, for example, be set or regulated to a specific value.
  • the pressure or the volume flow can in particular be set or regulated dynamically.
  • the electric machine can therefore be used as a generator and a braking torque is generated or applied by adjusting or regulating the output power.
  • the pressure difference falling across the expansion machine or the volume flow can be changed, in particular dynamically depending on the current requirement.
  • desired profiles such as refueling curves or refueling ramps can be set or regulated, as are often prescribed for refueling vehicles.
  • it is intended to conduct the hydrogen from the source to the container only via the expansion machine, i.e. not, for example, in parallel via a control valve.
  • the pressure and volume flow are set or regulated solely by the expansion machine.
  • the expansion machine does not have an isenthalmic process, but rather an isentropic or at least almost or quasi-isentropic process. Enthalpy or energy is removed from the hydrogen and the hydrogen cools despite the negative Joule-Thomson coefficient.
  • the power generated by the electrical machine can also be used in a suitable manner can be used, e.g. fed into a power grid, or can also be used to operate a compressor elsewhere.
  • a turbomachine in particular an axial turbomachine, is preferably used as an expansion machine.
  • the power provided by the electric machine as a generator can be set or regulated as an operating variable in order to set or regulate a pressure difference between a pressure of the hydrogen on the inlet side and on the outlet side, in order to thereby adjust the pressure of the hydrogen on the outlet side or to regulate.
  • Such a turbomachine i.e. a turbine
  • a turbomachine can, for example, be designed or designed in such a way that it delivers almost no pressure difference between the inlet and outlet at maximum speed.
  • the turbomachine then runs freely in the hydrogen stream. If the pressure of the hydrogen is then to be reduced, the brake generator can be switched on electrically by first requiring the power to be delivered by the electric machine. The higher the electrical power required, the higher the braking torque and the higher the pressure difference. This allows an adjustment or regulation of the pressure difference and thus - depending on the pressure on the inlet side - also the pressure on the outlet side.
  • the volume flow can also be adjusted or regulated via the turbomachine.
  • the electrical machine (or the generator) can, for example, be arranged completely (or only partially) within the turbomachine or turbine. Since there is a zone 0 there, there is no oxidation due to a lack of oxygen concentration and therefore no risk of ignition.
  • the turbine wheel and the rotor of the electric machine can, for example, form a unit and can, for example, be dynamically gas-mounted.
  • An example of a turbine that can be used here is, for example, in the EP 1 273 857 A1 described.
  • a piston engine with a controllable (or controlled) inlet and/or outlet valve is preferably used as an expansion machine.
  • the working stroke of the piston engine can be set or regulated as an operating variable in order to adjust or regulate the pressure of the hydrogen on the outlet side.
  • Either the inlet valve or the outlet valve or both can be controlled accordingly, so that the effective piston stroke (the working stroke), i.e. the proportion of the mechanical piston stroke with which the hydrogen is expanded, is changed while the piston stroke remains mechanically the same. Opening the inlet valve later, for example, leads to a smaller working stroke, which in turn leads to a lower pressure on the outlet side.
  • a power provided by the electric machine as a generator can be set or regulated as an operating variable in order to set or regulate the volume flow of hydrogen on the outlet side.
  • the braking torque of the electrical machine (or the generator) influences the speed of the electrical machine and thus the piston engine, which in turn has a direct influence on the volume flow.
  • the piston engine can be designed, for example, as a multi-cylinder system (i.e. multi-stage), then in particular with a small displacement (per cylinder).
  • an ionic expansion machine as an expansion machine is also conceivable.
  • an ionic compressor/expander can be used, which uses the expander or is operated as such.
  • a hydrogen filling station 100 according to the invention is shown schematically in a preferred embodiment, in which a method according to the invention can also be carried out.
  • the hydrogen filling station 100 has, for example, a storage tank 110, which is intended to serve as a source for hydrogen M.
  • the hydrogen filling station 100 also has, for example, a dispenser 130 on which, for example, refueling equipment for refueling a vehicle 150 can be provided.
  • a vehicle tank 152 of the vehicle 150 should be a container that is to be filled with hydrogen M.
  • the hydrogen M is typically stored in the storage tank 110 at a pressure p1 that is higher than a pressure p2 with which the vehicle tank 152 should or may be filled. A reduction in the pressure between the storage tank 110 and the vehicle tank 152 or even the dispenser 130 is therefore necessary.
  • the pressure p2 should not only be set or regulated at a specific value, but so-called refueling curves can also be specified, which require different values for the pressure p2 during the refueling process (i.e. filling the vehicle tank). , which must then be set or regulated accordingly.
  • a specific value for a volume flow of hydrogen M during filling can also be specified, which can also vary, for example, as part of a refueling curve.
  • the hydrogen filling station 100 now has a device 120 which is intended and set up to provide hydrogen for filling a container, here the vehicle tank 152.
  • the device 120 is a device according to the invention in a preferred embodiment, which in itself could also be used elsewhere than in the hydrogen filling station 110.
  • the device 120 has an expansion machine 122 and an electrical machine 124 coupled thereto, in particular a generator.
  • the expansion machine 122 is a turbomachine, in particular an axial turbomachine, i.e. a turbine.
  • the turbine and the electrical machine or its rotor can, for example, be designed as a unit.
  • the expansion machine 122 and the electrical machine can be coupled, for example, via a shaft, i.e. connected to one another in a torque-transmitting manner.
  • the electrical machine 124 also includes a power converter or inverter.
  • the turbomachine 122 has an inlet 122.1 for the hydrogen M and an outlet 122.2.
  • the hydrogen M is thus passed through the turbomachine 122, from the inlet 122.1 to the outlet 122.2.
  • the braking effect that the electrical machine exerts on the turbomachine 122 can be specifically adjusted or regulated, which in turn creates a pressure difference p2- p1, i.e. between inlet 122.1 and outlet 122.2, is set or regulated.
  • control unit 126 of the device 120 provided as an example can be used.
  • the control unit 126 can also be integrated into the inverter mentioned or vice versa.
  • the pressure p2 can be brought to desired values during filling or refueling, for example in such a way that a specific refueling curve is achieved.
  • the control unit 126 can also be connected to the dispenser 130 for data transmission, so that the pressure p2 can be regulated accordingly when the refueling process begins.
  • the power generated by the electrical machine 124 can then, for example, be fed into a power grid, stored in an electrical energy storage device or, for example, used in another way in the hydrogen filling station 100.
  • a compressor (not shown here) can also be operated at another location in the hydrogen filling station.
  • the expansion of the hydrogen M or the reduction of the pressure by the turbomachine 122 or generally the expansion machine creates cold, and in particular excess cold.
  • This excess cold can be used for cooling in other places, for example in the Hydrogen filling station 100 can be used, for example for cooling the mentioned compressor or for air conditioning in order to be able to maintain any necessary maximum ambient temperatures.
  • a hydrogen filling station 100 (or the device 120) can have a cold storage 132, in which the cold resulting from the expansion of the hydrogen M is stored or temporarily stored and also smoothed.
  • the hydrogen can be passed through the cold storage (only indicated here). This can be advantageous in that when the pressure difference is high, which typically occurs first, more cold is generated than when the pressure difference is low; Particularly towards the end of the refueling process, there is little to no cold at all.
  • FIG 2 A hydrogen filling station 200 according to the invention is shown schematically in a further preferred embodiment, in which a method according to the invention can also be carried out.
  • the hydrogen filling station 200 corresponds to the hydrogen filling station 100 by way of example Figure 1 , with the difference that instead of the device 120, a device 220 is provided, which is intended and set up to provide hydrogen for filling a container, here 220 vehicle tanks 152.
  • the device 120 is a device according to the invention in a preferred embodiment, which in itself could also be used elsewhere than in the hydrogen filling station 110.
  • the device 200 has an expansion machine 222 and an electrical machine 224 coupled thereto, in particular a generator.
  • the expansion machine 222 is a piston machine.
  • the piston engine 222 has, for example, two cylinder units, each of which has an inlet valve 222.1, 222.3 and an outlet valve 222.2, 222.4.
  • the hydrogen M is thus introduced into the left cylinder unit through the inlet valve 222.1, out through the outlet valve 222.2 and into the right cylinder unit through the inlet valve 222.3.
  • the hydrogen M leaves the right cylinder unit and thus the piston engine through the outlet valve 222.4.
  • the inlet valve 222.1 is therefore an inlet and the outlet valve 222.4 is an outlet of the (entire) piston engine 222. It goes without saying that more cylinder-piston units can also be provided.
  • the cylinder-piston units can be driven by a drive not specified here.
  • the piston machine or expansion machine 222 and the electrical machine 224 can, for example, be coupled via a shaft, i.e. connected to one another in a torque-transmitting manner. It should be mentioned that the electrical machine 224 also includes a power converter or inverter.
  • the braking effect that the electrical machine exerts on the piston engine 222 can be specifically adjusted or regulated, which in turn increases the speed and thus a volume flow of hydrogen M is set or regulated.
  • control unit 226 of the device 220 provided as an example can be used.
  • the control unit 226 can also be integrated into the inverter mentioned or vice versa.
  • the inlet valves 222.1, 222.3 and the outlet valves 222.2, 222.4 or, for example, only the inlet valves or only the outlet valves can be controlled, i.e. they can be opened and closed in a targeted manner.
  • the control unit 226 can also be used for this, for example. However, a separate control unit can also be provided. This allows the pressure p2 to be set or regulated.
  • the working stroke of the piston engine 222 can be changed and the pressure p2 can be brought to desired values during filling or during the refueling process, for example in such a way that a specific refueling curve is achieved becomes.
  • the control unit 226 can also be connected to the dispenser 130 for data transmission, so that the pressure p2 can be regulated accordingly when the refueling process begins.
  • the power generated by the electrical machine 224 can also, for example, be fed into a power grid, stored in an electrical energy storage device or, for example, used in another way in the hydrogen filling station 200.
  • a compressor (not shown here) can also be operated at another location in the hydrogen filling station.
  • a hydrogen filling station 200 (or the device 220) can have a cold storage 132, in which the cold resulting from the expansion of the hydrogen M is stored or temporarily stored and also smoothed.
  • the hydrogen can be passed through the cold storage (only indicated here). This can be advantageous in that when the pressure difference is high, which typically occurs first, more cold is generated than when the pressure difference is low; Particularly towards the end of the refueling process, there is little to no cold at all.

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Befüllen eines Behälters (152) mit Wasserstoff (M) unter Verwendung einer Expansionsmaschine (122), die mit einer elektrischen Maschine (124) gekoppelt ist, wobei der Wasserstoff (M) durch die Expansionsmaschine (122), von einem Einlass (122.1) zu einem Auslass (122.2) der Expansionsmaschine, geleitet wird, und wobei ein Druck (p2) und/oder ein Volumenstrom des Wasserstoffs (M) auf Seiten des Auslasses auf einen vorgegebenen Wert eingestellt oder geregelt werden, indem wenigstens eine Betriebsgröße der Expansionsmaschine (122) und/oder der elektrischen Maschine (124) eingestellt oder eingeregelt wird. Die Erfindung betrifft auch eine Vorrichtung (120) und eine Wasserstofftankstelle (100) hierfür.The invention relates to a method for filling a container (152) with hydrogen (M) using an expansion machine (122) which is coupled to an electrical machine (124), the hydrogen (M) being supplied by the expansion machine (122). an inlet (122.1) to an outlet (122.2) of the expansion machine, and wherein a pressure (p2) and / or a volume flow of hydrogen (M) on the side of the outlet are set or regulated to a predetermined value by at least one Operating size of the expansion machine (122) and / or the electrical machine (124) is set or regulated. The invention also relates to a device (120) and a hydrogen filling station (100) for this purpose.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Befüllen eines Behälters mit Wasserstoff, eine Vorrichtung zum Bereitstellen von Wasserstoff für das Befüllen eines Behälters, sowie eine Wasserstofftankstelle und eine Verwendung der Vorrichtung.The invention relates to a method for filling a container with hydrogen, a device for providing hydrogen for filling a container, as well as a hydrogen filling station and a use of the device.

Wasserstoff, der z.B. als Treibstoff für Fahrzeuge verwendet wird, kann über sog. Wasserstofftankstellen bereitgestellt werden. Bei einer Wasserstofftankstelle können zwei grundlegende Systembereiche unterschieden werden. Der erste Systembereich betrifft die Verdichtung des Wasserstoffes, dessen Speicherung sowie dessen Konditionierung und Kühlung. Der zweite Systembereich umfasst einen Wasserstoffdispenser und das dazugehörige Betankungsequipment wie beispielsweise Abreiß- und Betankungskupplung sowie den Betankungsschlauch.Hydrogen, which is used as fuel for vehicles, for example, can be made available via so-called hydrogen filling stations. Two basic system areas can be distinguished at a hydrogen filling station. The first system area concerns the compression of the hydrogen, its storage as well as its conditioning and cooling. The second system area includes a hydrogen dispenser and the associated refueling equipment such as the breakaway and refueling coupling and the refueling hose.

Bei Wasserstofftankstellen oder auch anderen Anlagen oder Einrichtungen zum Bereitstellen bzw. Umfüllen von Wasserstoff muss der Wasserstoff häufig von einem höheren auf einen niedrigeren Druck entspannt werden. Durch den sog. Joule-Thomson-Effekt wird bei der typischen Verwendung von Ventilen für diesen Zweck allerdings der Wasserstoff erwärmt. Vor diesem Hintergrund stellt sich die Aufgabe, das Bereitstellen von Wasserstoff zu verbessern.At hydrogen filling stations or other systems or facilities for providing or refilling hydrogen, the hydrogen often has to be expanded from a higher to a lower pressure. However, when valves are typically used for this purpose, the so-called Joule-Thomson effect heats up the hydrogen. Against this background, the task is to improve the provision of hydrogen.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zum Befüllen eines Behälters mit Wasserstoff, eine Vorrichtung sowie eine Wasserstofftankstelle und eine Verwendung der Vorrichtung mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Bevorzugte Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.This object is achieved by a method for filling a container with hydrogen, a device and a hydrogen filling station and a use of the device with the features of the independent patent claims. Preferred embodiments are the subject of the dependent claims and the following description.

Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention

Die Erfindung beschäftigt sich mit dem Befüllen von Behältern bzw. Tanks mit Wasserstoff wie z.B. an Wasserstofftankstellen. Beim Bereitstellen des Wasserstoffs hierfür muss diese in der Regel konditioniert werden. Insbesondere aufgrund der zunehmenden Verwendung von Wasserstoff als Treibstoff z.B. für Brennstoffzellen in Fahrzeugen ist ein Umfüllen bzw. Befüllen von Behältern mit Wasserstoff aus einem anderen Behälter oder einer sonstigen Quelle häufig nötig. Dies betrifft nicht nur das Betanken des Tanks eines wasserstoffbetriebenen Fahrzeugs, sondern z.B. auch das Befüllen von Transportbehältern auf z.B. LKWs.The invention is concerned with filling containers or tanks with hydrogen, such as at hydrogen filling stations. When the hydrogen is provided for this purpose, it usually has to be conditioned. Particularly due to the increasing use of hydrogen as fuel, e.g. for fuel cells in vehicles, it is often necessary to decant or fill containers with hydrogen from another container or other source. This not only applies to refueling the tank of a hydrogen-powered vehicle, but also, for example, to filling transport containers on trucks, for example.

Hierbei ist ein Druck des Wasserstoffs meistens von einem höheren Wert (mit dem der Wasserstoff z.B. in einem Vorratstank gespeichert ist) auf einen niedrigeren Wert (der z.B. für den Fahrzeugtank zugelassen ist) zu bringen, d.h. der Wasserstoff ist zu entspannen; auch ein Volumenstrom muss ggf. auf einen anderen Wert gebracht bzw. angepasst werden.Here, the pressure of the hydrogen usually has to be brought from a higher value (at which the hydrogen is stored, for example in a storage tank) to a lower value (which is approved for the vehicle tank, for example), i.e. the hydrogen has to be relaxed; A volume flow may also need to be brought to a different value or adjusted.

Eine Möglichkeit hierbei ist die Verwendung eines Druckregelventils, mittels dessen der Druck des Wasserstoffs reduziert und auf einen gewünschten Wert eingestellt oder eingeregelt wird. Hierbei ist die Entspannung des Wasserstoffs ein isenthalper Prozess. Da speziell Wasserstoff allerdings einen negativen Joule-Thomson-Koeffizienten aufweist, führt die Druckreduzierung zu einer Erwärmung des Wasserstoffs (der Umgebung wird Wärme entzogen, die der Wasserstoff aufnimmt) und somit des Druckregelventils sowie ggf. weiterer Teile der Vorrichtung. Insbesondere kann es aber auch vorkommen, dass die Behälter oder Tanks, die mit dem Wasserstoff befüllt werden, für solch hohe Temperaturen des Wasserstoffs gar nicht ausgelegt oder geeignet sind.One possibility here is to use a pressure control valve, by means of which the pressure of the hydrogen is reduced and set or regulated to a desired value. The relaxation of hydrogen is an isenthal process. However, since hydrogen in particular has a negative Joule-Thomson coefficient, the pressure reduction leads to heating of the hydrogen (heat is removed from the environment, which the hydrogen absorbs) and thus of the pressure control valve and possibly other parts of the device. In particular, it can also happen that the containers or tanks that are filled with the hydrogen are not designed or suitable for such high hydrogen temperatures.

Die Wärme kann z.B. durch die Verwendung von Wärmetauschern wie z.B. Plattenwärmetauscher oder indirekte Wärmetauscher mit Aluminium-Kältespeicher abgeführt werden; ebenso kann der Wasserstoff damit wieder gekühlt werden. Dies verursacht jedoch hohe Kosten.The heat can be dissipated, for example, by using heat exchangers such as plate heat exchangers or indirect heat exchangers with aluminum cold storage; The hydrogen can also be cooled again. However, this entails high costs.

Vor diesem Hintergrund wird nun die Verwendung einer Expansionsmaschine (bzw. Entspannungsmaschine) vorgeschlagen, die mit einer elektrischen Maschine gekoppelt ist. Beim Befüllen des Behälters (oder Tanks) wird der Wasserstoff, der z.B. von einem Vorratstank oder einer anderen Quelle erhalten wird, durch die Expansionsmaschine, von einem Einlass zu einem Auslass der Expansionsmaschine, geleitet. Nach der Expansionsmaschine kann der Wasserstoff dann in den Behälter gefüllt werden. Dabei werden ein Druck und/oder ein Volumenstrom des Wasserstoffs auf Seiten des Auslasses auf einen vorgegebenen Wert eingestellt oder geregelt, indem wenigstens eine Betriebsgrößer der Expansionsmaschine und/oder der elektrischen Maschine eingestellt oder eingeregelt wird, z.B. eine von der elektrischen Maschine generatorisch bereitgestellte Leistung. Die Leistung kann z.B. auf einen bestimmten Wert eingestellt oder eingeregelt werden. Der Druck bzw. der Volumenstrom können hierbei insbesondere dynamisch eingestellt oder geregelt werden.Against this background, the use of an expansion machine (or expansion machine) that is coupled to an electrical machine is now proposed. When filling the container (or tank), the hydrogen, obtained for example from a storage tank or other source, is passed through the expansion machine, from an inlet to an outlet of the expansion machine. After the expansion machine, the hydrogen can then be filled into the container. In this case, a pressure and/or a volume flow of the hydrogen on the outlet side are set or regulated to a predetermined value by setting or regulating at least one operating variable of the expansion machine and/or the electrical machine, for example a power provided as a generator by the electrical machine. The power can, for example, be set or regulated to a specific value. The pressure or the volume flow can in particular be set or regulated dynamically.

Die elektrische Maschine kann also als Generator genutzt werden und durch die Einstellung bzw. Regelung der abgegebenen Leistung wird ein Bremsmoment erzeugt bzw. aufgeprägt. Es kann die über die Expansionsmaschine abfallende Druckdifferenz oder der Volumenstrom geändert werden und zwar insbesondere dynamisch je nach aktuellem Bedarf. So können z.B. gewünschte Profile wie z.B. Betankungskurven oder Betankungsrampen eingestellt bzw. eingeregelt werden, wie sie häufig für die Betankung von Fahrzeugen vorgeschrieben sind. Dabei ist insbesondere vorgesehen, den Wasserstoff von der Quelle zum Behälter nur über die Expansionsmaschine zu leiten, also nicht z.B. auch noch parallel über ein Regelventil. Der Druck bzw. Volumenstrom werden also alleine durch die Expansionsmaschine eingestellt bzw. eingeregelt.The electric machine can therefore be used as a generator and a braking torque is generated or applied by adjusting or regulating the output power. The pressure difference falling across the expansion machine or the volume flow can be changed, in particular dynamically depending on the current requirement. For example, desired profiles such as refueling curves or refueling ramps can be set or regulated, as are often prescribed for refueling vehicles. In particular, it is intended to conduct the hydrogen from the source to the container only via the expansion machine, i.e. not, for example, in parallel via a control valve. The pressure and volume flow are set or regulated solely by the expansion machine.

Anders als bei einem Druckregelventil liegt bei der Expansionsmaschine kein isenthalper Prozess vor, sondern ein isentroper oder zumindest nahezu oder quasiisentroper Prozess. Dem Wasserstoff wird also Enthalpie bzw. Energie entzogen und der Wasserstoff kühlt trotz des negativen Joule-Thomson-Koeffizienten ab.Unlike a pressure control valve, the expansion machine does not have an isenthalmic process, but rather an isentropic or at least almost or quasi-isentropic process. Enthalpy or energy is removed from the hydrogen and the hydrogen cools despite the negative Joule-Thomson coefficient.

Durch das Fehlen eines Druckregelventils, an denen sich der Wasserstoff erwärmen würde, ist die Kälteleistung immer maximal. Dies führt insbesondere dazu, dass sich der Wasserstoff nicht bzw. nur insignifikant erwärmt sowie dazu, dass nicht nur keine Wärme abgeführt bzw. weggekühlt werden muss, vielmehr entsteht in der Regel sogar ein Überschuss an Kälte bzw. Kälteenergie.Due to the lack of a pressure control valve where the hydrogen would heat up, the cooling capacity is always maximum. This leads in particular to the fact that the hydrogen does not heat up or only heats up insignificantly and to the fact that not only does no heat have to be dissipated or cooled away, but in fact there is usually even an excess of cold or cold energy.

Diese kann dann anderweitig verwendet werden, z.B. zum Kühlen einer oder mehreren Komponenten einer Wasserstofftankstelle, in der die Befüllung durchgeführt wird. Auch die an der elektrischen Maschine anfallende Leistung kann auf geeignete Weise verwendet werden, z.B. in ein Stromnetz eingespeist werden, oder kann z.B. auch zum Betrieb eines Verdichters an anderer Stelle verwendet werden.This can then be used for other purposes, for example to cool one or more components of a hydrogen filling station in which the filling is carried out. The power generated by the electrical machine can also be used in a suitable manner can be used, e.g. fed into a power grid, or can also be used to operate a compressor elsewhere.

Damit werden also nicht nur Kosten mitunter deutlich reduziert, auch der ökologische Fußabdruck wird deutlich reduziert.This not only means that costs are sometimes significantly reduced, but the ecological footprint is also significantly reduced.

Als Expansionsmaschine kommen insbesondere verschiedene Varianten in Betracht. Bevorzugt wird eine Turbomaschine, insbesondere eine axiale Turbomaschine, als Expansionsmaschine verwendet. Hierbei kann die von der elektrischen Maschine generatorisch bereitgestellte Leistung als Betriebsgröße eingestellt oder geregelt werden, um eine Druckdifferenz zwischen einem Druck des Wasserstoffs auf Seiten des Einlasses und auf Seiten des Auslasses einzustellen oder einzuregeln, um so den Druck des Wasserstoffs auf Seiten des Auslasses einzustellen oder einzuregeln.Various variants in particular can be considered as expansion machines. A turbomachine, in particular an axial turbomachine, is preferably used as an expansion machine. Here, the power provided by the electric machine as a generator can be set or regulated as an operating variable in order to set or regulate a pressure difference between a pressure of the hydrogen on the inlet side and on the outlet side, in order to thereby adjust the pressure of the hydrogen on the outlet side or to regulate.

Eine solche Turbomaschine (also eine Turbine) kann z.B. derart ausgelegt oder ausgebildet sein, dass sie bei maximaler Drehzahl nahezu keine Druckdifferenz zwischen Einlass und Auslass liefert. Die Turbomaschine läuft im Wasserstoffstrom dann frei mit. Soll der Druck des Wasserstoffs dann reduziert werden, kann der Bremsgenerator elektrisch zugeschaltet werden, indem zunächst überhaupt eine von der elektrischen Maschine abzugebende Leistung zunächst gefordert wird. Je höher die elektrische Leistung gefordert wird, desto höher ist das Bremsmoment und desto höher ist die Druckdifferenz. Dies erlaubt also eine Einstellung bzw. Regelung der Druckdifferenz und damit - in Abhängigkeit von dem Druck auf Seiten des Einlasses - auch des Drucks auf Seiten des Auslasses. Auch der Volumenstrom kann über die Turbomaschine eingestellt bzw. eingeregelt werden.Such a turbomachine (i.e. a turbine) can, for example, be designed or designed in such a way that it delivers almost no pressure difference between the inlet and outlet at maximum speed. The turbomachine then runs freely in the hydrogen stream. If the pressure of the hydrogen is then to be reduced, the brake generator can be switched on electrically by first requiring the power to be delivered by the electric machine. The higher the electrical power required, the higher the braking torque and the higher the pressure difference. This allows an adjustment or regulation of the pressure difference and thus - depending on the pressure on the inlet side - also the pressure on the outlet side. The volume flow can also be adjusted or regulated via the turbomachine.

Die elektrische Maschine (bzw. der Generator) kann dabei z.B. vollständig (oder auch nur teilweise) innerhalb der Turbomaschine bzw. Turbine angeordnet sein. Da dort eine Zone 0 vorliegt, besteht, aufgrund mangelnder Sauerstoffkonzentration keine Oxidation und somit keine Gefahr einer Entzündung. Das Turbinenrad und der Rotor der elektrischen Maschine können z.B. eine Einheit bilden und können z.B. dynamisch gasgelagert sein. Ein Beispiel für eine hier verwendbare Turbine ist z.B. in der EP 1 273 857 A1 beschrieben.The electrical machine (or the generator) can, for example, be arranged completely (or only partially) within the turbomachine or turbine. Since there is a zone 0 there, there is no oxidation due to a lack of oxygen concentration and therefore no risk of ignition. The turbine wheel and the rotor of the electric machine can, for example, form a unit and can, for example, be dynamically gas-mounted. An example of a turbine that can be used here is, for example, in the EP 1 273 857 A1 described.

Ebenso wird bevorzugt eine Kolbenmaschine mit steuerbarem (oder gesteuertem) Einlass- und/oder Auslassventil als Expansionsmaschine verwendet. Hierbei kann Arbeitshub der Kolbenmaschine als Betriebsgröße eingestellt oder geregelt werden, um den Druck des Wasserstoffs auf Seiten des Auslasses einzustellen oder einzuregeln. Hierbei können entweder das Einlassventil oder das Auslassventil oder beide entsprechend angesteuert werden, sodass bei mechanisch gleichbleibendem Kolbenhub der effektive Kolbenhub (der Arbeitshub), also der Anteil des mechanischen Kolbenhubs, mit dem der Wasserstoff entspannt wird, verändert wird. Ein späteres Öffnen des Einlassventils führt z.B. zu einem geringeren Arbeitshub, dieser wiederum zu einem geringeren Druck auf Seiten des Auslasses.Likewise, a piston engine with a controllable (or controlled) inlet and/or outlet valve is preferably used as an expansion machine. Here you can The working stroke of the piston engine can be set or regulated as an operating variable in order to adjust or regulate the pressure of the hydrogen on the outlet side. Either the inlet valve or the outlet valve or both can be controlled accordingly, so that the effective piston stroke (the working stroke), i.e. the proportion of the mechanical piston stroke with which the hydrogen is expanded, is changed while the piston stroke remains mechanically the same. Opening the inlet valve later, for example, leads to a smaller working stroke, which in turn leads to a lower pressure on the outlet side.

Ebenso kann z.B. eine von der elektrischen Maschine generatorisch bereitgestellte Leistung als Betriebsgröße eingestellt oder geregelt werden, um den Volumenstrom des Wasserstoffs auf Seiten des Auslasses einzustellen oder einzuregeln. Durch ein Bremsmoment der elektrischen Maschine (bzw. des Generators) wird die Drehzahl der elektrischen Maschine und damit der Kolbenmaschine beeinflusst, was wiederum direkten Einfluss auf den Volumenstrom hat.Likewise, for example, a power provided by the electric machine as a generator can be set or regulated as an operating variable in order to set or regulate the volume flow of hydrogen on the outlet side. The braking torque of the electrical machine (or the generator) influences the speed of the electrical machine and thus the piston engine, which in turn has a direct influence on the volume flow.

Um etwaige auftretende Druckstöße zu reduzieren, kann die Kolbenmaschine z.B. als Mehrzylindersystem (also mehrstufig) ausgebildet sein, dann insbesondere mit (je Zylinder) geringem Hubraum.In order to reduce any pressure surges that may occur, the piston engine can be designed, for example, as a multi-cylinder system (i.e. multi-stage), then in particular with a small displacement (per cylinder).

Auch die Verwendung einer ionischen Expansionsmaschine als Expansionsmaschine ist denkbar. Beispielsweise kann ein ionischer Kompressor/Entspanner eingesetzt werden, von dem der Entspanner genutzt bzw. der als solcher betrieben wird.The use of an ionic expansion machine as an expansion machine is also conceivable. For example, an ionic compressor/expander can be used, which uses the expander or is operated as such.

Die Erfindung ist anhand eines Ausführungsbeispiels in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben.The invention is shown schematically in the drawing using an exemplary embodiment and is described below with reference to the drawing.

Kurze Beschreibung der ZeichnungShort description of the drawing

Figur 1Figure 1
zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Wasserstofftankstelle in einer bevorzugten Ausführungsform.shows schematically a hydrogen filling station according to the invention in a preferred embodiment.
Figur 2Figure 2
zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Wasserstofftankstelle in einer weiteren bevorzugten Ausführungsform.shows schematically a hydrogen filling station according to the invention in a further preferred embodiment.
Ausführliche Beschreibung der ZeichnungDetailed description of the drawing

In Figur 1 ist schematisch eine erfindungsgemäßen Wasserstofftankstelle 100 in einer bevorzugten Ausführungsform dargestellt, bei der auch ein erfindungsgemäßes Verfahren durchführbar ist. Die Wasserstofftankstelle 100 weist beispielhaft eine Vorratstank 110 auf, der als Quelle für Wasserstoff M dienen soll. Die Wasserstofftankstelle 100 weist weiterhin beispielhaft einen Dispenser 130 auf, an der z.B. Betankungsequipment zum Betanken eines Fahrzeugs 150 vorgesehen sein kann. Beispielhaft soll ein Fahrzeugtank 152 des Fahrzeugs 150 ein Behälter sein, der mit Wasserstoff M befüllt werden soll.In Figure 1 A hydrogen filling station 100 according to the invention is shown schematically in a preferred embodiment, in which a method according to the invention can also be carried out. The hydrogen filling station 100 has, for example, a storage tank 110, which is intended to serve as a source for hydrogen M. The hydrogen filling station 100 also has, for example, a dispenser 130 on which, for example, refueling equipment for refueling a vehicle 150 can be provided. By way of example, a vehicle tank 152 of the vehicle 150 should be a container that is to be filled with hydrogen M.

In dem Vorratstank 110 ist der Wasserstoff M typischerweise mit einem Druck p1 gespeichert, der höher ist als ein Druck p2, mit dem der Fahrzeugtank 152 befüllt werden soll oder werden darf. Es ist also eine Reduzierung des Drucks zwischen dem Vorratstank 110 und dem Fahrzeugtank 152 bzw. auch schon dem Dispenser 130 erforderlich. Insbesondere kann auch vorgesehen sein, dass der Druck p2 nicht nur auf einem bestimmten Wert eingestellt oder eingeregelt werden soll, sondern es können auch sog. Betankungskurven vorgegeben sein, die während des Betankungsvorgangs (also dem Befüllen des Fahrzeugtanks) verschiedene Werte für den Druck p2 fordern, die dann entsprechend einzustellen oder einzuregeln sind. Auch ein bestimmter Wert für einen Volumenstrom des Wasserstoffs M beim Befüllen kann vorgegeben sein, der z.B. ebenfalls im Rahmen einer Betankungskurve variieren kann.The hydrogen M is typically stored in the storage tank 110 at a pressure p1 that is higher than a pressure p2 with which the vehicle tank 152 should or may be filled. A reduction in the pressure between the storage tank 110 and the vehicle tank 152 or even the dispenser 130 is therefore necessary. In particular, it can also be provided that the pressure p2 should not only be set or regulated at a specific value, but so-called refueling curves can also be specified, which require different values for the pressure p2 during the refueling process (i.e. filling the vehicle tank). , which must then be set or regulated accordingly. A specific value for a volume flow of hydrogen M during filling can also be specified, which can also vary, for example, as part of a refueling curve.

Hierzu weist die Wasserstofftankstelle 100 nun eine Vorrichtung 120 auf, die zur Bereitstellung von Wasserstoff für das Befüllen eines Behälters, hier des Fahrzeugtanks 152, vorgesehen und eingerichtet ist. Bei der Vorrichtung 120 handelt es sich um eine erfindungsgemäße Vorrichtung in einer bevorzugten Ausführungsform, die an sich auch anderweitig als in der Wasserstofftankstelle 110 verwendet werden könnte.For this purpose, the hydrogen filling station 100 now has a device 120 which is intended and set up to provide hydrogen for filling a container, here the vehicle tank 152. The device 120 is a device according to the invention in a preferred embodiment, which in itself could also be used elsewhere than in the hydrogen filling station 110.

Die Vorrichtung 120 weist eine Expansionsmaschine 122 und eine damit gekoppelte elektrische Maschine 124, insbesondere eine Generator, auf. Beispielhaft handelt es sich bei der Expansionsmaschine 122 um eine Turbomaschine, insbesondere ein axiale Turbomaschine, also eine Turbine. Wie bereits erwähnt, können die Turbine und die elektrische Maschine oder deren Rotor z.B. als eine Einheit ausgebildet sein.The device 120 has an expansion machine 122 and an electrical machine 124 coupled thereto, in particular a generator. By way of example, the expansion machine 122 is a turbomachine, in particular an axial turbomachine, i.e. a turbine. As already mentioned, the turbine and the electrical machine or its rotor can, for example, be designed as a unit.

Ebenso können die Expansionsmaschine 122 und die elektrische Maschine aber z.B. über eine Welle gekoppelt, also miteinander drehmomentübertragend verbunden sein. Es sei erwähnt, dass die elektrische Maschine 124 auch einen Stromrichter oder Inverter umfasst.Likewise, the expansion machine 122 and the electrical machine can be coupled, for example, via a shaft, i.e. connected to one another in a torque-transmitting manner. It should be mentioned that the electrical machine 124 also includes a power converter or inverter.

Die Turbomaschine 122 weist einen Einlass 122.1 für den Wasserstoff M auf sowie einen Auslass 122.2. Der Wasserstoff M wird damit also durch die Turbomaschine 122, von dem Einlass 122.1 zu dem Auslass 122.2, geleitet.The turbomachine 122 has an inlet 122.1 for the hydrogen M and an outlet 122.2. The hydrogen M is thus passed through the turbomachine 122, from the inlet 122.1 to the outlet 122.2.

Durch gezielte Ansteuerung der elektrischen Maschine 124, und zwar insbesondere durch Einstellen oder Regeln einer von der elektrischen Maschine generatorisch bereitgestellten Leistung kann die Bremswirkung, die die elektrische Maschine auf die Turbomaschine 122 ausübt, gezielt eingestellt bzw. eingeregelt werden, wodurch wiederum eine Druckdifferenz p2-p1, also zwischen Einlass 122.1 und Auslass 122.2, eingestellt bzw. eingeregelt wird.By specifically controlling the electrical machine 124, in particular by adjusting or regulating a power provided by the electrical machine as a generator, the braking effect that the electrical machine exerts on the turbomachine 122 can be specifically adjusted or regulated, which in turn creates a pressure difference p2- p1, i.e. between inlet 122.1 and outlet 122.2, is set or regulated.

Hierzu kann z.B. die beispielhaft vorgesehene Steuereinheit 126 der Vorrichtung 120 verwendet werden. Die Steuereinheit 126 kann auch in den erwähnten Inverter integriert sein oder umgekehrt. Auf diese Weise kann also der Druck p2 beim Befüllen bzw. beim Betankungsvorgangs auf gewünschte Werte gebracht werden, z.B. auch derart, dass eine bestimmte Betankungskurve erreicht wird. Hierzu kann z.B. auch die Steuereinheit 126 datenübertragend mit dem Dispenser 130 verbunden sein, sodass bei einem Beginn des Betankungsvorgangs eine Regelung des Drucks p2 entsprechend erfolgen kann.For this purpose, for example, the control unit 126 of the device 120 provided as an example can be used. The control unit 126 can also be integrated into the inverter mentioned or vice versa. In this way, the pressure p2 can be brought to desired values during filling or refueling, for example in such a way that a specific refueling curve is achieved. For this purpose, for example, the control unit 126 can also be connected to the dispenser 130 for data transmission, so that the pressure p2 can be regulated accordingly when the refueling process begins.

Die von der elektrischen Maschine 124 erzeugte Leistung kann dann z.B. in ein Stromnetz eingespeist, in einem elektrischen Energiespeicher gespeichert oder z.B. auch anderweitig in der Wasserstofftankstelle 100 verwendet werden. Beispielsweise kann damit auch ein (hier nicht gezeigter) Verdichter an anderer Stelle der Wasserstofftankstelle betrieben werden.The power generated by the electrical machine 124 can then, for example, be fed into a power grid, stored in an electrical energy storage device or, for example, used in another way in the hydrogen filling station 100. For example, a compressor (not shown here) can also be operated at another location in the hydrogen filling station.

Wie erwähnt, entsteht durch die Entspannung des Wasserstoffs M bzw. der Reduzierung des Drucks durch die Turbomaschine 122 bzw. allgemein die Expansionsmaschine Kälte, und zwar insbesondere auch überschüssige Kälte. Diese überschüssige Kälte kann z.B. zum Kühlen an anderen Stellen z.B. in der Wasserstofftankstelle 100 verwendet werden, z.B. auch zum Kühlen des erwähnten Verdichters oder auch für eine Klimatisierung, um ggf. nötige, maximale Umgebungstemperaturen einhalten zu können.As mentioned, the expansion of the hydrogen M or the reduction of the pressure by the turbomachine 122 or generally the expansion machine creates cold, and in particular excess cold. This excess cold can be used for cooling in other places, for example in the Hydrogen filling station 100 can be used, for example for cooling the mentioned compressor or for air conditioning in order to be able to maintain any necessary maximum ambient temperatures.

Weiterhin kann ein Wasserstofftankstelle 100 (oder auch die Vorrichtung 120) einen Kältespeicher 132 aufweisen, in welchem die durch die Entspannung des Wasserstoffs M entstehende Kälte gespeichert bzw. zwischengespeichert und auch geglättet wird. Hierzu kann der Wasserstoff durch den Kältespeicher geführt werden (hier nur angedeutet). Dies kann insofern vorteilhaft sein, als bei hoher Druckdifferenz, wie sie typischerweise zuerst auftritt, mehr Kälte erzeugt wird, als bei geringer Druckdifferenz; insbesondere gegen Ende des Betankungsvorgangs entsteht kaum bis gar keine Kälte mehr.Furthermore, a hydrogen filling station 100 (or the device 120) can have a cold storage 132, in which the cold resulting from the expansion of the hydrogen M is stored or temporarily stored and also smoothed. For this purpose, the hydrogen can be passed through the cold storage (only indicated here). This can be advantageous in that when the pressure difference is high, which typically occurs first, more cold is generated than when the pressure difference is low; Particularly towards the end of the refueling process, there is little to no cold at all.

In Figur 2 ist schematisch eine erfindungsgemäßen Wasserstofftankstelle 200 in einer weiteren bevorzugten Ausführungsform dargestellt, bei der auch ein erfindungsgemäßes Verfahren durchführbar ist. Die Wasserstofftankstelle 200 entspricht beispielhaft der Wasserstofftankstelle 100 aus Figur 1, mit dem Unterschied, dass anstelle der Vorrichtung 120 eine Vorrichtung 220 vorgesehen ist, die zur Bereitstellung von Wasserstoff für das Befüllen eines Behälters, hier 220 Fahrzeugtanks 152, vorgesehen und eingerichtet ist. Bei der Vorrichtung 120 handelt es sich um eine erfindungsgemäße Vorrichtung in einer bevorzugten Ausführungsform, die an sich auch anderweitig als in der Wasserstofftankstelle 110 verwendet werden könnte.In Figure 2 A hydrogen filling station 200 according to the invention is shown schematically in a further preferred embodiment, in which a method according to the invention can also be carried out. The hydrogen filling station 200 corresponds to the hydrogen filling station 100 by way of example Figure 1 , with the difference that instead of the device 120, a device 220 is provided, which is intended and set up to provide hydrogen for filling a container, here 220 vehicle tanks 152. The device 120 is a device according to the invention in a preferred embodiment, which in itself could also be used elsewhere than in the hydrogen filling station 110.

Nachfolgend soll insofern nur auf die Vorrichtung 220 sowie insbesondere deren Unterschiede zur Vorrichtung 120 eingegangen werden. Im Übrigen gelten die Ausführungen zur Figur 1 entsprechend, insbesondere sind gleiche Komponenten der Wasserstofftankstelle 200 auch mit gleichen Bezugszeichen wie bei der Wasserstofftankstelle 100 bezeichnet.Below, only the device 220 and in particular its differences from the device 120 will be discussed. Otherwise, the comments apply Figure 1 accordingly, in particular the same components of the hydrogen filling station 200 are also designated with the same reference numbers as in the hydrogen filling station 100.

Die Vorrichtung 200 weist eine Expansionsmaschine 222 und eine damit gekoppelte elektrische Maschine 224, insbesondere eine Generator, auf. Beispielhaft handelt es sich bei der Expansionsmaschine 222 um eine Kolbenmaschine. Die Kolbenmaschine 222 weist beispielhaft zwei Zylinder-Einheiten auf, die je ein Einlassventil 222.1, 222.3 sowie ein Auslassventil 222.2, 222.4 aufweisen.The device 200 has an expansion machine 222 and an electrical machine 224 coupled thereto, in particular a generator. By way of example, the expansion machine 222 is a piston machine. The piston engine 222 has, for example, two cylinder units, each of which has an inlet valve 222.1, 222.3 and an outlet valve 222.2, 222.4.

Der Wasserstoff M wird somit durch das Einlassventil 222.1 in die linke Zylinder-Einheit eingeleitet, dort durch das Auslassventil 222.2 heraus und durch das Einlassventil 222.3 in die rechte Zylinder-Einheit. Durch das Auslassventil 222.4 verlässt der Wasserstoff M die rechte Zylinder-Einheit und damit die Kolbenmaschine. Damit handelt es sich beim Einlassventil 222.1 um einen Einlass und beim Auslassventil 222.4 um einen Auslass der (gesamten) Kolbenmaschine 222. Es versteht sich, dass auch mehr Zylinder-Kolbeneinheiten vorgesehen sein können. Die Zylinder-Kolbeneinheiten können durch einen hier nicht bezeichneten Antrieb angetrieben sein.The hydrogen M is thus introduced into the left cylinder unit through the inlet valve 222.1, out through the outlet valve 222.2 and into the right cylinder unit through the inlet valve 222.3. The hydrogen M leaves the right cylinder unit and thus the piston engine through the outlet valve 222.4. The inlet valve 222.1 is therefore an inlet and the outlet valve 222.4 is an outlet of the (entire) piston engine 222. It goes without saying that more cylinder-piston units can also be provided. The cylinder-piston units can be driven by a drive not specified here.

Die Kolbenmaschine bzw. Expansionsmaschine 222 und die elektrische Maschine 224 können z.B. über eine Welle gekoppelt, also miteinander drehmomentübertragend verbunden sein. Es sei erwähnt, dass die elektrische Maschine 224 auch einen Stromrichter oder Inverter umfasst.The piston machine or expansion machine 222 and the electrical machine 224 can, for example, be coupled via a shaft, i.e. connected to one another in a torque-transmitting manner. It should be mentioned that the electrical machine 224 also includes a power converter or inverter.

Durch gezielte Ansteuerung der elektrischen Maschine 224, und zwar insbesondere durch Einstellen oder Regeln einer von der elektrischen Maschine generatorisch bereitgestellten Leistung kann die Bremswirkung, die die elektrische Maschine auf die Kolbenmaschine 222 ausübt, gezielt eingestellt bzw. eingeregelt werden, wodurch wiederum eine Drehzahl und damit ein Volumenstrom des Wasserstoffs M eingestellt bzw. eingeregelt wird.By specifically controlling the electrical machine 224, in particular by adjusting or regulating a power provided by the electrical machine as a generator, the braking effect that the electrical machine exerts on the piston engine 222 can be specifically adjusted or regulated, which in turn increases the speed and thus a volume flow of hydrogen M is set or regulated.

Hierzu kann z.B. die beispielhaft vorgesehene Steuereinheit 226 der Vorrichtung 220 verwendet werden. Die Steuereinheit 226 kann auch in den erwähnten Inverter integriert sein oder umgekehrt.For this purpose, for example, the control unit 226 of the device 220 provided as an example can be used. The control unit 226 can also be integrated into the inverter mentioned or vice versa.

Weiterhin sind die Einlassventile 222.1, 222.3 und die Auslassventile 222.2, 222.4 oder z.B. auch nur die Einlassventile oder nur die Auslassventile steuerbar, d.h. sie können gezielt geöffnet und geschlossen werden. Auch hierfür kann z.B. die Steuereinheit 226 verwendet werden. Ebenso kann aber eine separate Steuereinheit vorgesehen sein. Damit kann der Druck p2 eingestellt bzw. eingeregelt werden.Furthermore, the inlet valves 222.1, 222.3 and the outlet valves 222.2, 222.4 or, for example, only the inlet valves or only the outlet valves can be controlled, i.e. they can be opened and closed in a targeted manner. The control unit 226 can also be used for this, for example. However, a separate control unit can also be provided. This allows the pressure p2 to be set or regulated.

Auf diese Weise kann der Arbeitshub der Kolbenmaschine 222 verändert werden und so der Druck p2 beim Befüllen bzw. beim Betankungsvorgangs auf gewünschte Werte gebracht werden, z.B. auch derart, dass eine bestimmte Betankungskurve erreicht wird. Hierzu kann z.B. auch die Steuereinheit 226 datenübertragend mit dem Dispenser 130 verbunden sein, sodass bei einem Beginn des Betankungsvorgangs eine Regelung des Drucks p2 entsprechend erfolgen kann.In this way, the working stroke of the piston engine 222 can be changed and the pressure p2 can be brought to desired values during filling or during the refueling process, for example in such a way that a specific refueling curve is achieved becomes. For this purpose, for example, the control unit 226 can also be connected to the dispenser 130 for data transmission, so that the pressure p2 can be regulated accordingly when the refueling process begins.

Die von der elektrischen Maschine 224 erzeugte Leistung kann ebenfalls z.B. in ein Stromnetz eingespeist, in einem elektrischen Energiespeicher gespeichert oder z.B. auch anderweitig in der Wasserstofftankstelle 200 verwendet werden. Beispielsweise kann damit auch ein (hier nicht gezeigter) Verdichter an anderer Stelle der Wasserstofftankstelle betrieben werden.The power generated by the electrical machine 224 can also, for example, be fed into a power grid, stored in an electrical energy storage device or, for example, used in another way in the hydrogen filling station 200. For example, a compressor (not shown here) can also be operated at another location in the hydrogen filling station.

Auch bei der Kolbenmaschine entsteht durch die Entspannung des Wasserstoffs M bzw. der Reduzierung des Drucks Kälte, und zwar insbesondere auch überschüssige Kälte. Diese überschüssige Kälte kann z.B. zum Kühlen an anderen Stellen z.B. in der Wasserstofftankstelle 200 verwendet werden, z.B. auch zum Kühlen des erwähnten Verdichters.In the case of the piston engine, too, cold occurs due to the expansion of the hydrogen M or the reduction in pressure, and in particular excess cold. This excess cold can be used, for example, for cooling in other places, for example in the hydrogen filling station 200, for example also for cooling the mentioned compressor.

Weiterhin kann ein Wasserstofftankstelle 200 (oder auch die Vorrichtung 220) einen Kältespeicher 132 aufweisen, in welchem die durch die Entspannung des Wasserstoffs M entstehende Kälte gespeichert bzw. zwischengespeichert und auch geglättet wird. Hierzu kann der Wasserstoff durch den Kältespeicher geführt werden (hier nur angedeutet). Dies kann insofern vorteilhaft sein, als bei hoher Druckdifferenz, wie sie typischerweise zuerst auftritt, mehr Kälte erzeugt wird, als bei geringer Druckdifferenz; insbesondere gegen Ende des Betankungsvorgangs entsteht kaum bis gar keine Kälte mehr.Furthermore, a hydrogen filling station 200 (or the device 220) can have a cold storage 132, in which the cold resulting from the expansion of the hydrogen M is stored or temporarily stored and also smoothed. For this purpose, the hydrogen can be passed through the cold storage (only indicated here). This can be advantageous in that when the pressure difference is high, which typically occurs first, more cold is generated than when the pressure difference is low; Particularly towards the end of the refueling process, there is little to no cold at all.

Claims (14)

Verfahren zum Befüllen eines Behälters (152) mit Wasserstoff (M) unter Verwendung einer Expansionsmaschine (122, 222), die mit einer elektrischen Maschine (124, 224) gekoppelt ist, wobei der Wasserstoff (M) durch die Expansionsmaschine (122, 222), von einem Einlass (122.1, 222.1) zu einem Auslass (122.2, 222.4) der Expansionsmaschine, geleitet wird, und
wobei ein Druck (p2) und/oder ein Volumenstrom des Wasserstoffs (M) auf Seiten des Auslasses auf einen vorgegebenen Wert eingestellt oder geregelt werden, indem wenigstens eine Betriebsgröße der Expansionsmaschine (122, 222) und/oder der elektrischen Maschine (124, 224) eingestellt oder eingeregelt wird.
Method for filling a container (152) with hydrogen (M) using an expansion machine (122, 222) coupled to an electrical machine (124, 224), the hydrogen (M) being fed through the expansion machine (122, 222). , from an inlet (122.1, 222.1) to an outlet (122.2, 222.4) of the expansion machine, and
wherein a pressure (p2) and/or a volume flow of hydrogen (M) on the outlet side are set or regulated to a predetermined value by at least one operating variable of the expansion machine (122, 222) and/or the electrical machine (124, 224 ) is set or regulated.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei eine Turbomaschine, insbesondere eine axiale Turbomaschine, als Expansionsmaschine (122) verwendet wird.Method according to claim 1, wherein a turbomachine, in particular an axial turbomachine, is used as an expansion machine (122). Verfahren nach Anspruch 2, wobei eine von der elektrischen Maschine generatorisch bereitgestellte Leistung als Betriebsgröße eingestellt oder geregelt wird, um eine Druckdifferenz zwischen einem Druck (p1) des Wasserstoffs auf Seiten des Einlasses und dem Druck (p2) auf Seiten des Auslasses einzustellen oder einzuregeln, um so den Druck (p2) des Wasserstoffs auf Seiten des Auslasses einzustellen oder einzuregeln.Method according to claim 2, wherein a power provided by the electric machine as a generator is set or regulated as an operating variable in order to set or regulate a pressure difference between a pressure (p1) of the hydrogen on the inlet side and the pressure (p2) on the outlet side, in order to adjust or regulate the pressure (p2) of the hydrogen on the outlet side. Verfahren nach Anspruch 1, wobei eine Kolbenmaschine mit steuerbarem Einlass-und/oder Auslassventil als Expansionsmaschine (222) verwendet wird.Method according to claim 1, wherein a piston engine with a controllable inlet and/or outlet valve is used as an expansion machine (222). Verfahren nach Anspruch 4, wobei eine von der elektrischen Maschine generatorisch bereitgestellte Leistung als Betriebsgröße eingestellt oder geregelt wird, um den Volumenstrom des Wasserstoffs (M) auf Seiten des Auslasses einzustellen oder einzuregeln.Method according to claim 4, wherein a power provided by the electric machine as a generator is set or regulated as an operating variable in order to set or regulate the volume flow of the hydrogen (M) on the outlet side. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, wobei ein Arbeitshub der Kolbenmaschine als Betriebsgröße eingestellt oder geregelt wird, um den Druck (p2) des Wasserstoffs auf Seiten des Auslasses einzustellen oder einzuregeln.Method according to claim 4 or 5, wherein a working stroke of the piston engine is set or regulated as an operating variable in order to set or regulate the pressure (p2) of the hydrogen on the outlet side. Verfahren nach Anspruch 1, wobei eine ionische Expansionsmaschine als Expansionsmaschine verwendet wird.A method according to claim 1, wherein an ionic expansion machine is used as the expansion machine. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Wasserstoff von einer Quelle (110) erhalten und zu dem zu befüllenden Behälter (152) nur durch die Expansionsmaschine (122, 222) geleitet wird.A method according to any preceding claim, wherein the hydrogen is obtained from a source (110) and supplied to the container (152) to be filled only through the expansion machine (122, 222). Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei beim Befüllen des Behälters (152) der Druck und/oder der Volumenstrom gemäß einem vorgegebenen Verlauf, insbesondere einer Betankungskurve, eingestellt oder eingeregelt werden.Method according to one of the preceding claims, wherein when filling the container (152), the pressure and/or the volume flow are set or regulated according to a predetermined course, in particular a refueling curve. Vorrichtung (120, 220) zur Bereitstellung von Wasserstoff (M) für das Befüllen eines Behälters (152), aufweisend eine Expansionsmaschine (122, 222) und eine damit gekoppelte elektrische Maschine (124, 224), wobei die Expansionsmaschine einen Einlass (122.1, 222.1) und einen Auslass (122.2, 222.4) für Wasserstoff aufweist, die derart angeordnet sind, dass der Wasserstoff durch die Expansionsmaschine (122, 222), von dem Einlass zu dem Auslass leitbar ist,
wobei die Vorrichtung (120, 220) eingerichtet ist, einen Druck (p2) und/oder einen Volumenstrom des Wasserstoffs auf Seiten des Auslasses auf einen vorgegebenen Wert einzustellen oder einzuregeln, indem wenigstens eine Betriebsgröße der Expansionsmaschine (122, 222) und/oder der elektrischen Maschine (124, 224) eingestellt oder eingeregelt wird.
Device (120, 220) for providing hydrogen (M) for filling a container (152), comprising an expansion machine (122, 222) and an electrical machine (124, 224) coupled thereto, the expansion machine having an inlet (122.1, 222.1) and an outlet (122.2, 222.4) for hydrogen, which are arranged such that the hydrogen can be conducted through the expansion machine (122, 222) from the inlet to the outlet,
wherein the device (120, 220) is set up to set or regulate a pressure (p2) and/or a volume flow of the hydrogen on the outlet side to a predetermined value by at least one operating variable of the expansion machine (122, 222) and/or the electric machine (124, 224) is set or regulated.
Vorrichtung (120, 220) nach Anspruch 10, wobei die Expansionsmaschine als Turbomaschine, insbesondere als axiale Turbomaschine, oder als Kolbenmaschine mit steuerbarem Einlass- und/oder Auslassventil, oder als ionische Expansionsmaschine ausgebildet ist.Device (120, 220) according to claim 10, wherein the expansion machine is designed as a turbomachine, in particular as an axial turbomachine, or as a piston machine with a controllable inlet and / or outlet valve, or as an ionic expansion machine. Wasserstofftankstelle (100, 200) mit einer Vorrichtung (120, 220) nach Anspruch 10 oder 11.Hydrogen filling station (100, 200) with a device (120, 220) according to claim 10 or 11. Wasserstofftankstelle (100, 200) nach Anspruch 12, die eingerichtet ist, mittels bei der Bereitstellung des Wasserstoffs (M) erhaltenen Kälte eine oder mehrere Komponenten der Wasserstofftankstelle zu kühlen.Hydrogen filling station (100, 200) according to claim 12, which is set up to cool one or more components of the hydrogen filling station by means of the cold obtained when the hydrogen (M) is provided. Verwendung einer Vorrichtung (120, 220) nach Anspruch 10 oder 11 zum Betanken eines Fahrzeugs (150) mit Wasserstoff (M).Use of a device (120, 220) according to claim 10 or 11 for refueling a vehicle (150) with hydrogen (M).
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