WO2015193111A1 - Working-fluid supply system and fuel cell arrangement and motor vehicle comprising the same - Google Patents

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WO2015193111A1
WO2015193111A1 PCT/EP2015/062429 EP2015062429W WO2015193111A1 WO 2015193111 A1 WO2015193111 A1 WO 2015193111A1 EP 2015062429 W EP2015062429 W EP 2015062429W WO 2015193111 A1 WO2015193111 A1 WO 2015193111A1
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WO
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fuel
fuel cell
supply system
compressor
supply path
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Johannes Müller
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Volkswagen Ag
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    • H01M8/04Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04089Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
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    • H01M8/04089Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
    • H01M8/04111Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants using a compressor turbine assembly
    • HELECTRICITY
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    • Y02TCLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T90/00Enabling technologies or technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02T90/40Application of hydrogen technology to transportation, e.g. using fuel cells

Definitions

  • the invention relates to a resource supply system for supplying a fuel cell or an internal combustion engine with a gaseous fuel, in particular hydrogen, and with air.
  • the invention further relates to a fuel cell assembly having such a resource supply system and a motor vehicle having such.
  • Fuel cells are operated with a gaseous fuel, mostly hydrogen, which is electrochemically reacted with an oxidant, typically oxygen, to produce electrical energy.
  • a gaseous fuel mostly hydrogen
  • an oxidant typically oxygen
  • Stored hydrogen storage which is connected via a supply path to the fuel cell.
  • the hydrogen is usually carried in high-pressure storage, in which the hydrogen is present, for example, at a pressure of 700 bar at maximum load.
  • the hydrogen is first decompressed by a throttle valve to a low pre-pressure, before a pressure control valve fine-tune to the desired
  • DE 10 2010 035 860 A1 (US 2013/0157154 A1) describes a fuel cell arrangement with an H 2 high-pressure accumulator which stores the hydrogen at a pressure of up to 700 bar, depending on the level.
  • a pressure regulator is initially a
  • Compressor which of the promotion of recirculated hydrogen in one
  • Recirculation line is used.
  • a supporting drive is provided by an electric motor.
  • From DE 101 54 637 A1 is an arrangement of a fuel cell or a
  • Combustion engine with hydrogen known, which is upstream in a pressure accumulator.
  • the pressurized hydrogen is decompressed via a turbine arranged in the hydrogen supply line before it is fed to the fuel cell or the internal combustion engine.
  • the turbine is coupled to a compressor arranged in the air line and drives it for the supply of the fuel cell or the internal combustion engine with compressed air.
  • a buffer for compressed air in the air line or in a side arm thereof is arranged between a compressor and the fuel cell input.
  • the compressor is operated at idle or in low load phases of the fuel cell as a base load on and cached the compressed air.
  • this document teaches to arrange a turbine in the cathode output line, which degrades the pressure difference between the operating pressure of the fuel cell to ambient pressure to produce mechanical or electrical energy.
  • the invention is an object of the invention to provide a resource supply system for supplying a fuel cell or an internal combustion engine with a gaseous fuel and with air, in which the energetic potential of the under
  • High-pressure stored fuel is used better.
  • the fuel supply system according to the invention for supplying a fuel cell or an internal combustion engine with a gaseous fuel and with air comprises: a fuel supply system for supplying the fuel cell or the fuel cell
  • Internal combustion engine with a gaseous fuel comprising a
  • Fuel pressure accumulator for storing the fuel
  • Fuel supply path which connects the fuel pressure accumulator to the fuel cell or the internal combustion engine, and arranged in the fuel supply path expansion machine for relaxing the fuel and an air supply system for supplying the fuel cell or the
  • An internal combustion engine with air comprising an air supply path, one in the
  • Air supply path arranged compressor for compressing the air and arranged between the compressor and the fuel cell pressure accumulator.
  • the expansion machine arranged in the fuel supply path is connected in a force-transmitting manner to the compressor arranged in the air supply path for driving the same.
  • the expansion machine which drives the compressor to compress the air to be supplied to the fuel cell or the internal combustion engine
  • part of the energy of the fuel is converted into kinetic energy and used for performing mechanical work.
  • This work in turn is used in the system for compressing the supply air, which is conveyed into the accumulator and stored in this. From this pressure accumulator, the fuel cell or the
  • the air operating pressure can be controlled or regulated independently of a current operating point-dependent fuel mass flow, whereby the compensation of load fluctuations is made possible.
  • the required operating pressure can be quickly represented by the pressure accumulator and thus the system can be operated more dynamically.
  • the air mass flow is through
  • the invention allows a reduction in fuel consumption.
  • the inertia of the compressor must be changed when the load point of the system changes
  • the air supply system further comprises a bypass line, which downstream of the compressor and upstream of the pressure accumulator of the
  • Air supply path branches off and downstream of the accumulator and upstream of the
  • Fuel cell or the internal combustion engine opens into the air supply path.
  • the bypass line thus allows bypassing the pressure accumulator.
  • the compressor may deliver the (correspondingly less compressed) air directly into the fuel cell or engine. Even in the case of a maximum filling state of the accumulator can be made use of the bypass line.
  • the air supply system has an actuating means which opens or closes the bypass line and thus allows control of the guided over the bypass line portion of the delivered air.
  • the air supply system further comprises a side arm branching off from the air supply path between the compressor and the fuel cell and connecting the air supply path to the pressure accumulator.
  • an adjusting means is preferably provided at the branch point of the side arm of the air supply path, for example, a 3-way valve which connects the pressure accumulator selectively with the fuel cell or the internal combustion engine or with the compressor or the compressor, bypassing the pressure accumulator directly to the fuel cell or the internal combustion engine connects.
  • the separator may be, for example, a clutch or an idle circuit. This allows idling of the expansion machine without the compressor being driven by it. This is useful, for example, if the air pressure accumulator has a maximum fill level.
  • the compressor is exclusively by the
  • Auxiliary drive component be provided for driving the air compressor, alone or driving the compressor together with the expansion machine.
  • an auxiliary drive component for example, an electric motor can be used.
  • an advantage of the invention is the fact that due to the performance
  • So relaxation is polytropic, whereby a cooling of the fuel takes place.
  • This cooling energy can be used with advantage in various ways.
  • the operating medium supply system is set up to pressurize the expansion machine with a fuel pressure of at least 20 bar, in particular of at least 50 bar, preferably of at least 200 bar (inlet pressure). It is particularly preferred to pressurize the expansion machine with the full, level-dependent fuel pressure of the fuel pressure accumulator. This is at current hydrogen tanks at about 700 bar, with higher pressures of 1000 bar or more are conceivable. Thus, there is preferably no pressure reduction or expansion of the fuel upstream of the expansion machine. Advantage of the highest possible input pressure to the expansion machine is that thus a particularly large mechanical power is generated by the expansion machine. The maximum output depends on the
  • the expansion machine is designed to relax the fuel polytropically, ie with a decrease in enthalpy and increase in entropy and cooling of the fuel.
  • the polytropic process allows the conversion of the enthalpy of the fuel into mechanical energy and the use of the cooled fuel for cooling.
  • the expansion machine preferably comprises all types of machines that allow polytropic expansion of gases.
  • the expansion machine is a
  • Turbomachine preferably a turbomachine (also called turboexpander or turbine), or a piston expansion machine.
  • the expansion engine undertakes the expansion of the fuel over as great a pressure difference as possible, ie to an outlet pressure which is as close as possible to the desired value desired in the fuel cell or in the internal combustion engine (ie the operating pressure).
  • the operating pressure of the fuel cell fuel is in a range of 1 to 12 bar, typically at 1, 5 to 3 bar.
  • the operating pressure of Hydrogen combustion engines tend to be slightly higher. In particular, is the
  • Output pressure of the fuel downstream of the turbine at most 20 bar, preferably at most 10 bar, more preferably at most 5 bar, above the operating pressure of the fuel cell or the internal combustion engine.
  • Preferred pressure differences across the expansion machine are at least 100 bar, in particular at least 200 bar, or even at 400 bar or above. In a particularly preferred embodiment, the maximum pressure difference of 698.5 bar is used.
  • the fuel is hydrogen.
  • this is usually present in high-pressure reservoirs, for example with a pressure of at least 200 bar, in particular at least 500 bar, preferably at least 700 bar (in each case at the maximum fill level of the reservoir).
  • the invention further relates to a fuel cell assembly comprising a fuel cell and a resource supply system for supplying the fuel cell with a gaseous fuel, in particular hydrogen, as well as with air according to the present invention.
  • the invention relates to a motor vehicle, a fuel cell or a gas-powered internal combustion engine and the inventive
  • Equipment supply system includes.
  • FIG. 1 shows schematically a fuel cell arrangement with a fuel cell and a resource supply system for supplying the fuel cell with hydrogen and air according to a first embodiment of the invention
  • FIG. 2 schematically shows a fuel cell arrangement with a fuel cell and a resource supply system for supplying the fuel cell with hydrogen and air according to a second embodiment of the invention.
  • FIG. 1 shows a fuel cell arrangement, designated as a whole by 100, of a motor vehicle, not shown here.
  • the fuel cell assembly 100 comprises a fuel cell 10 and a resource supply system 200 according to the present invention, which supplies the fuel cell with the resources, here hydrogen as fuel and air as the oxidant.
  • the fuel cell 10 comprises an anode and a cathode, which by a
  • fuel cells include a plurality of such single cells arranged in a fuel cell stack.
  • the fuel cell 10 has an anode inlet 1 1, via which a supply of the fuel, here hydrogen, takes place. Unreacted hydrogen is released via a
  • Anode outlet 12 discharged via an anode exhaust gas line 13.
  • a recirculation line not shown here, which returns the unreacted hydrogen from the anode exhaust gas line 13.
  • the cathode chambers of the fuel cell 10 are supplied with an oxidizing agent, in this case air, via a cathode inlet 14.
  • the cathode exhaust gas and the water generated in the fuel cell reaction are removed via a cathode outlet 15 and a cathode exhaust gas line 16 connected thereto.
  • the supplied hydrogen H 2 is oxidized to protons H + at the catalytic electrodes of the anodes with the release of electrons.
  • anions is reduced at the cathode catalytic electrode of the supplied oxygen 0 2 under recording of air supplied via an external circuit electrons to 0. 2 which in turn react with the protons H + that via the proton-conducting membrane to the
  • an electric current is generated, for example, used for an electric motor drive of a vehicle or can be cached in an energy storage.
  • the fuel cell assembly 100 has a total denoted by 200
  • Equipment supply system which on the one hand, a fuel supply system 20 for supplying the fuel cell 10 with fuel (hydrogen) includes and a
  • Air supply system 30 for supplying the fuel cell 10 with air.
  • the fuel supply system 20 has a fuel supply path 21, which connects a fuel pressure accumulator 22 for storing the hydrogen with the anode inlet 11 of the fuel cell 10.
  • the reservoir 22 is preferably a high-pressure fuel reservoir in which the hydrogen is stored under high pressure. For example, at maximum level of the accumulator 22, there is a fuel pressure of 700 bar or more.
  • the fuel supply system 20 further includes an expansion engine 23, which is disposed in the fuel supply path 21 and serves to relax the fuel.
  • the expansion machine 23 is a turbomachine in the example shown here.
  • hydrogen is supplied from the reservoir 22 to the turbomachine 23 via the fuel supply path 21.
  • this is preferably applied to the unabated pressure of the memory 22, for example, with a pressure of 700 bar at maximum level of the memory.
  • a polytropic relaxation of the hydrogen takes place to an outlet pressure, which depends on the efficiency of the expansion machine 23.
  • a relaxation takes place to an outlet pressure which is substantially at the operating pressure of the fuel cell 10 or slightly above it. In this way, virtually the entire differential pressure between storage pressure and operating pressure of the hydrogen over the
  • Expansionsmaschine 23 dismantled.
  • a pressure, measuring and control device may also be arranged (not shown), which adjusts the hydrogen pressure from the outlet pressure of the expansion machine 23 to the operating pressure of the fuel cell 10.
  • the resource supply system 200 further includes the air supply system 30. This has an air supply path 31, which surrounds the environment with the air supply system 30.
  • Cathode input 14 of the fuel cell 10 connects.
  • a compressor 32 is arranged, which a compression of the conveyed air to a pressure effected above the ambient pressure.
  • the compressor 32 is force-transmitting connected to the expansion machine 23, for example via a shaft 24.
  • the expansion machine 23 drives the compressor 32, so that it is possible to dispense with an otherwise driving source, for example an electric drive motor, for the compressor 32.
  • the compressed air through the compressor 32 is conveyed into a pressure accumulator 33, which is arranged directly in the air supply path 31 in the example shown. As shown in FIG. 1, upstream and / or downstream of the pressure accumulator 33
  • Pressure control means 34, 35 may be arranged, which allow a control or regulation of the pressure and a barrier.
  • the pressure control devices 34, 35 are designed as controllable valves.
  • a separator 25 is indicated in Figure 1, which interrupts the shaft 24 and thus allows decoupling of the expansion machine 23 and the compressor 32 from each other.
  • the separator 25 may be formed, for example, as a clutch or in the form of an idle circuit. The separator 25 allows the operation of the
  • Expansion machine 23 even if a drive of the compressor 32 is not necessary or not desirable. This may be the case, for example, when the pressure accumulator 33 is filled to the maximum and can take over the sole supply of the fuel cell 10.
  • FIG. 2 shows a fuel cell arrangement 100 with an alternative embodiment of the operating medium supply system 200 according to the invention.
  • matching elements are designated by the same reference symbols as in FIG. 1 and have the functionality already described.
  • the embodiment shown in Figure 2 differs from that of Figure 1 in a bypass line 36 which branches off between the compressor 32 and the pressure accumulator 33 of the air supply path 31 and downstream of the pressure accumulator 33 and upstream of the fuel cell 10 opens again into the air supply path 31.
  • the bypass line 36 has an adjusting means 37, for example a pressure regulating valve, which allows control or regulation of the portion of the conveyed air through the bypass line 36.
  • the bypass line 36 allows a bypass of the pressure accumulator 33, for example, in operating situations when this has reached its maximum level.
  • Supply system also for gas-powered, especially hydrogen-powered

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Abstract

The invention relates to a working-fluid supply system (200) for a fuel cell (10) or an internal combustion engine comprising – a fuel supply system (20) for supplying the fuel cell (10) or the internal combustion engine with a gaseous fuel, comprising a fuel pressure accumulator (22) for storing the fuel, a fuel supply path (21) which connects the fuel pressure accumulator (22) to the fuel cell (10) or the internal combustion engine, and an expansion machine (23) arranged in the fuel supply path (21) for expanding the fuel, and - an air supply system (30) for supplying the fuel cell (10) or the internal combustion engine with air, comprising an air supply path (31), a compressor (32) arranged in the air supply path (31) for compressing the air, and a pressure accumulator (33) arranged between the compressor (32) and the fuel cell (10), wherein the expansion machine (23) arranged in the fuel supply path (21) is connected in a force transmitting way to the compressor (32) arranged in the air supply path (31) for driving the compressor.

Description

Beschreibung  description
Betriebsmittelversorgungssystem sowie Brennstoffzellenanordnung und Kraftfahrzeug mit einem solchen Equipment supply system and fuel cell assembly and motor vehicle with such
Die Erfindung betrifft ein Betriebsmittelversorgungssystem zur Versorgung einer Brennstoffzelle oder eines Verbrennungsmotors mit einem gasförmigen Brennstoff, insbesondere Wasserstoff, und mit Luft. Die Erfindung betrifft ferner eine Brennstoffzellenanordnung mit einem solchen Betriebsmittelversorgungssystem sowie ein Kraftfahrzeug, das eine solche aufweist. The invention relates to a resource supply system for supplying a fuel cell or an internal combustion engine with a gaseous fuel, in particular hydrogen, and with air. The invention further relates to a fuel cell assembly having such a resource supply system and a motor vehicle having such.
Brennstoffzellen werden mit einem gasförmigen Brennstoff, zumeist Wasserstoff, betrieben, der elektrochemisch mit einem Oxidationsmittel, in der Regel Sauerstoff, umgesetzt wird, wobei elektrische Energie erzeugt wird. Der Wasserstoff wird in einem entsprechenden Fuel cells are operated with a gaseous fuel, mostly hydrogen, which is electrochemically reacted with an oxidant, typically oxygen, to produce electrical energy. The hydrogen is in a corresponding
Wasserstoffspeicher bevorratet, welcher über einen Zuleitungspfad mit der Brennstoffzelle verbunden ist. Insbesondere in mobilen Anwendungen wird der Wasserstoff üblicherweise in Hochdruckspeichern mitgeführt, in denen der Wasserstoff beispielsweise bei einem Druck von 700 bar bei maximaler Beladung vorliegt. Zur Versorgung der Brennstoffzelle wird in bekannten Anwendungen der Wasserstoff zunächst durch ein Drosselventil auf einen niedrigen Vordruck entspannt, bevor ein Druckregelventil eine Feinabstimmung auf den gewünschten Stored hydrogen storage, which is connected via a supply path to the fuel cell. In particular, in mobile applications, the hydrogen is usually carried in high-pressure storage, in which the hydrogen is present, for example, at a pressure of 700 bar at maximum load. To supply the fuel cell, in known applications, the hydrogen is first decompressed by a throttle valve to a low pre-pressure, before a pressure control valve fine-tune to the desired
Betriebsdruck der Brennstoffzelle vornimmt. In derzeitigen Wasserstofffahrzeugen wird das energetische Potential des Hockdruckwasserstoffs nicht genutzt. Entsprechendes gilt für Verbrennungsmotoren, die mit Wasserstoff als Brennstoff betrieben werden. Operating pressure of the fuel cell makes. In current hydrogen vehicles, the energetic potential of high-pressure hydrogen is not used. The same applies to combustion engines that are operated with hydrogen as fuel.
DE 10 2010 035 860 A1 (US 2013/0157154 A1 ) beschreibt eine Brennstoffzellenanordnung mit einem H2-Hochdruckspeicher, der den Wasserstoff abhängig von dem Füllstand mit einem Druck von bis zu 700 bar bevorratet. Mittels eines Druckreglers erfolgt zunächst eine DE 10 2010 035 860 A1 (US 2013/0157154 A1) describes a fuel cell arrangement with an H 2 high-pressure accumulator which stores the hydrogen at a pressure of up to 700 bar, depending on the level. By means of a pressure regulator is initially a
Entspannung des Wasserstoffs auf einen Druck von 8 bis 15 bar, ehe dieser einer in der Wasserstoffzufuhrleitung angeordnete Turbine zugeführt wird. Die Turbine treibt einen Relaxation of the hydrogen to a pressure of 8 to 15 bar before it is fed to a arranged in the hydrogen supply line turbine. The turbine drives you
Verdichter an, welcher der Förderung von rezirkuliertem Wasserstoff in einer Compressor, which of the promotion of recirculated hydrogen in one
Rezirkulationsleitung dient. In Betriebspunkten, in denen der Druckabfall in der Turbine für einen Antrieb nicht ausreicht, erfolgt ein unterstützender Antrieb durch einen Elektromotor. Recirculation line is used. In operating points where the pressure drop in the turbine is insufficient for a drive, a supporting drive is provided by an electric motor.
Einen sehr ähnlichen Aufbau beschreibt DE 10 2006 003 799 A1 , wobei hier anstelle des Druckreglers der Turbine ein Dosierventil, beispielsweise in Form einer Laval-Düse, vorgeschaltet ist, über welches nahezu der gesamte Druck des Wasserstoffspeichers abgebaut wird, ehe der Wasserstoff auf die Turbine trifft. A very similar structure is described in DE 10 2006 003 799 A1, wherein here instead of the pressure regulator of the turbine a metering valve, for example in the form of a Laval nozzle, upstream of which almost all the pressure of the hydrogen storage is reduced before the hydrogen hits the turbine.
Aus DE 101 54 637 A1 ist eine Anordnung einer Brennstoffzelle oder eines From DE 101 54 637 A1 is an arrangement of a fuel cell or a
Verbrennungsmotors mit Wasserstoff bekannt, der in einem Druckspeicher vorgelagert wird. Der unter Druck stehende Wasserstoff wird über eine in der Wasserstoffzuleitung angeordnete Turbine entspannt, ehe er der Brennstoffzelle bzw. dem Verbrennungsmotor zugeführt wird. Die Turbine ist mit einem in der Luftleitung angeordneten Kompressor gekoppelt und treibt diesen für die Versorgung der Brennstoffzelle bzw. des Verbrennungsmotors mit komprimierter Luft an. Combustion engine with hydrogen known, which is upstream in a pressure accumulator. The pressurized hydrogen is decompressed via a turbine arranged in the hydrogen supply line before it is fed to the fuel cell or the internal combustion engine. The turbine is coupled to a compressor arranged in the air line and drives it for the supply of the fuel cell or the internal combustion engine with compressed air.
DE 10 2008 002 698 A1 beschreibt ein Brennstoffzellenanordnung, bei der ein DE 10 2008 002 698 A1 describes a fuel cell arrangement in which a
Zwischenspeicher für komprimierte Luft in der Luftleitung oder in einem Seitenarm von dieser zwischen einem Kompressor und dem Brennstoffzelleneingang angeordnet ist. Dabei wird der Kompressor im Leerlauf oder in Niedriglastphasen der Brennstoffzelle als Grundlast weiter betrieben und die komprimierte Luft zwischengespeichert. Zudem lehrt diese Schrift, eine Turbine in der Kathodenausgangsleitung anzuordnen, welche die Druckdifferenz zwischen Betriebsdruck der Brennstoffzelle um Umgebungsdruck unter Erzeugung mechanischer oder elektrischer Energie abbaut. A buffer for compressed air in the air line or in a side arm thereof is arranged between a compressor and the fuel cell input. In this case, the compressor is operated at idle or in low load phases of the fuel cell as a base load on and cached the compressed air. In addition, this document teaches to arrange a turbine in the cathode output line, which degrades the pressure difference between the operating pressure of the fuel cell to ambient pressure to produce mechanical or electrical energy.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Betriebsmittelversorgungssystem zur Versorgung einer Brennstoffzelle oder eines Verbrennungsmotors mit einem gasförmigen Brennstoff sowie mit Luft zu schaffen, in welcher das energetische Potential des unter The invention is an object of the invention to provide a resource supply system for supplying a fuel cell or an internal combustion engine with a gaseous fuel and with air, in which the energetic potential of the under
Hochdruck bevorrateten Brennstoffs besser genutzt wird. High-pressure stored fuel is used better.
Diese Aufgabe wird durch ein Betriebsmittelversorgungssystem, eine This object is achieved by a resource supply system, a
Brennstoffzellenanordnung sowie ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. Fuel cell arrangement and a motor vehicle with the features of the independent claims solved.
Das erfindungsgemäße Betriebsmittelversorgungssystem zur Versorgung einer Brennstoffzelle oder eines Verbrennungsmotors mit einem gasförmigen Brennstoff sowie mit Luft umfasst: - ein Brennstoffversorgungssystem zur Versorgung der Brennstoffzelle oder des The fuel supply system according to the invention for supplying a fuel cell or an internal combustion engine with a gaseous fuel and with air comprises: a fuel supply system for supplying the fuel cell or the fuel cell
Verbrennungsmotors mit einem gasförmigen Brennstoff, umfassend einen  Internal combustion engine with a gaseous fuel, comprising a
Brennstoffdruckspeicher zur Bevorratung des Brennstoffs, einen  Fuel pressure accumulator for storing the fuel, a
Brennstoffversorgungspfad, welcher den Brennstoffdruckspeicher mit der Brennstoffzelle oder dem Verbrennungsmotor verbindet, und eine in dem Brennstoffversorgungspfad angeordnete Expansionsmaschine zur Entspannung des Brennstoffs sowie - ein Luftversorgungssystem zur Versorgung der Brennstoffzelle oder des Fuel supply path which connects the fuel pressure accumulator to the fuel cell or the internal combustion engine, and arranged in the fuel supply path expansion machine for relaxing the fuel and an air supply system for supplying the fuel cell or the
Verbrennungsmotors mit Luft, umfassend einen Luftversorgungspfad, einen in dem  An internal combustion engine with air, comprising an air supply path, one in the
Luftversorgungspfad angeordneten Verdichter zur Verdichtung der Luft sowie einen zwischen dem Verdichter und der Brennstoffzelle angeordneten Druckspeicher.  Air supply path arranged compressor for compressing the air and arranged between the compressor and the fuel cell pressure accumulator.
Dabei ist die im Brennstoffversorgungspfad angeordnete Expansionsmaschine kraftübertragend mit dem in dem Luftversorgungspfad angeordneten Verdichter zum Antrieb desselben verbunden.  In this case, the expansion machine arranged in the fuel supply path is connected in a force-transmitting manner to the compressor arranged in the air supply path for driving the same.
Durch den Einsatz der Expansionsmaschine, die den Verdichter zur Kompression der der Brennstoffzelle bzw. dem Verbrennungsmotor zuzuführenden Luft antreibt, wird ein Teil der Energie des Brennstoffs, genauer ein Teil der Enthalpie, in Bewegungsenergie umgesetzt und diese zur Verrichtung mechanischer Arbeit genutzt. Diese Arbeit wiederum wird im System zur Verdichtung der Versorgungsluft genutzt, welche in den Druckspeicher gefördert und in diesem bevorratet wird. Von diesem Druckspeicher wird die Brennstoffzelle bzw. der By using the expansion machine, which drives the compressor to compress the air to be supplied to the fuel cell or the internal combustion engine, part of the energy of the fuel, more precisely part of the enthalpy, is converted into kinetic energy and used for performing mechanical work. This work in turn is used in the system for compressing the supply air, which is conveyed into the accumulator and stored in this. From this pressure accumulator, the fuel cell or the
Verbrennungsmotor versorgt. Durch die Nutzung der Druckenergie des Brennstoffs wird der Systemwirkungsgrad erhöht. Durch den Druckspeicher kann der Luftbetriebsdruck unabhängig von einem aktuellen, betriebspunktabhängigen Brennstoffmassenstrom gesteuert oder geregelt werden, wodurch der Ausgleich von Lastschwankungen ermöglicht wird. Insbesondere bei schnellen Lastanstiegen an der Brennstoffzelle bzw. dem Verbrennungsmotor kann der erforderliche Betriebsdruck schnell durch den Druckspeicher dargestellt werden und das System somit dynamischer betrieben werden. Der Luftmassenstrom wird durch Internal combustion engine supplied. By utilizing the pressure energy of the fuel, the system efficiency is increased. Through the accumulator, the air operating pressure can be controlled or regulated independently of a current operating point-dependent fuel mass flow, whereby the compensation of load fluctuations is made possible. In particular, with rapid increases in load on the fuel cell or the internal combustion engine, the required operating pressure can be quickly represented by the pressure accumulator and thus the system can be operated more dynamically. The air mass flow is through
Zwischenspeicherung in dem Druckspeicher somit von dem Verdichterbetriebspunkt entkoppelt, so dass bei Anwendung zum Antrieb eines Kraftfahrzeugs eine gesteigerte Fahrperformance durch die unabhängig von dem Verdichterbetriebspunkt verfügbare Leistung erzielt wird. Caching in the pressure accumulator thus decoupled from the compressor operating point, so that when used to drive a motor vehicle, an increased driving performance is achieved by the power available independently of the compressor operating point.
Zudem ermöglicht die Erfindung eine Absenkung des Brennstoffverbrauchs. Durch die In addition, the invention allows a reduction in fuel consumption. By the
Massenträgheit des Verdichters muss bei Lastpunktänderungen des Systems das The inertia of the compressor must be changed when the load point of the system changes
Verdichterlaufrad nämlich erst hochlaufen, was bis zu etwa einer Sekunde dauern kann Namely, run up the compressor impeller, which can take up to about one second
(„Turboloch"). In dieser Zeit kann das System keine erhöhte Leistung liefern. Der Luftpfad ist an dieser Stelle der trägste Pfad. Für einen schnellen Hochlauf wird eine hohe Antriebsleistung benötigt, zum Teil mehr als die doppelte Leistung als für den stationären Betrieb notwendig wäre. Dieser dynamische Anteil der Verdichterleistung wird durch die Erfindung verringert, da der Luftvorrat im Druckspeicher vorhanden ist. Da die Brennstoff-Turbinenleistung in der Regel kleiner ist als die erforderliche Verdichterleistung, muss der Verdichter im Stand der Technik zusätzlich elektrisch betrieben werden. Daher kann durch den Druckspeicher ein Teil der elektrischen Energie und damit auch Brennstoff eingespart werden. In bevorzugter Ausführung weist das Luftversorgungssystem ferner eine Bypassleitung auf, welche stromab des Verdichters und stromauf des Druckspeichers von dem During this time, the system can not provide increased power, the air path is the sluggish path at this point, and high drive power is required for a fast start-up, sometimes more than double the power required for steady-state operation This dynamic proportion of the compressor capacity is reduced by the invention, since the air reservoir is present in the pressure accumulator Since the fuel turbine power is usually smaller than the required compressor power, the compressor in the prior art must additionally be electrically operated be saved by the pressure accumulator part of the electrical energy and thus fuel. In a preferred embodiment, the air supply system further comprises a bypass line, which downstream of the compressor and upstream of the pressure accumulator of the
Luftversorgungspfad abzweigt und stromab des Druckspeichers und stromauf der Air supply path branches off and downstream of the accumulator and upstream of the
Brennstoffzelle bzw. des Verbrennungsmotors in den Luftversorgungspfad mündet. Die Bypassleitung ermöglicht somit eine Umgehung des Druckspeichers. Somit kann beispielsweise in Betriebspunkten niedriger Last der Verdichter die (entsprechend geringer komprimierte) Luft direkt in die Brennstoffzelle bzw. den Verbrennungsmotor fördern. Auch im Fall eines maximalen Füllzustands des Druckspeichers kann von der Bypassleitung Gebrauch gemacht werden. Vorzugsweise weist das Luftversorgungssystem ein Stellmittel auf, welches die Bypassleitung öffnet oder schließt und somit eine Steuerung des über die Bypassleitung geführten Anteils der geförderten Luft ermöglicht. Fuel cell or the internal combustion engine opens into the air supply path. The bypass line thus allows bypassing the pressure accumulator. Thus, for example, at low load operating points, the compressor may deliver the (correspondingly less compressed) air directly into the fuel cell or engine. Even in the case of a maximum filling state of the accumulator can be made use of the bypass line. Preferably, the air supply system has an actuating means which opens or closes the bypass line and thus allows control of the guided over the bypass line portion of the delivered air.
In alternativer Ausgestaltung weist das Luftversorgungssystem ferner einen zwischen dem Verdichter und der Brennstoffzelle von dem Luftversorgungspfad abzweigenden Seitenarm auf, welcher den Luftversorgungspfad mit dem Druckspeicher verbindet. Hier ist vorzugsweise an der Abzweigungsstelle des Seitenarms von dem Luftversorgungspfad ein Stellmittel vorgesehen, beispielsweise ein 3-Wege-Ventil, welches den Druckspeicher wahlweise mit der Brennstoffzelle bzw. dem Verbrennungsmotor oder mit dem Verdichter verbindet oder den Verdichter unter Umgehung des Druckspeichers direkt mit der Brennstoffzelle bzw. dem Verbrennungsmotor verbindet. In an alternative embodiment, the air supply system further comprises a side arm branching off from the air supply path between the compressor and the fuel cell and connecting the air supply path to the pressure accumulator. Here, an adjusting means is preferably provided at the branch point of the side arm of the air supply path, for example, a 3-way valve which connects the pressure accumulator selectively with the fuel cell or the internal combustion engine or with the compressor or the compressor, bypassing the pressure accumulator directly to the fuel cell or the internal combustion engine connects.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist das According to an advantageous embodiment of the invention, the
Betriebsmittelversorgungssystem eine Trenneinrichtung auf, welche eine Entkopplung der Expansionsmaschine und des Verdichters voneinander ermöglicht. Die Trenneinrichtung kann beispielsweise eine Kupplung oder eine Leerlaufschaltung sein. Hierdurch wird ein Leerlauf der Expansionsmaschine ermöglicht, ohne dass der Verdichter durch diese angetrieben wird. Dies ist beispielsweise dann sinnvoll, wenn der Luftdruckspeicher einen maximalen Füllstand aufweist.  Betriebsmittelsversorgungssystem on a separator, which allows a decoupling of the expansion machine and the compressor from each other. The separator may be, for example, a clutch or an idle circuit. This allows idling of the expansion machine without the compressor being driven by it. This is useful, for example, if the air pressure accumulator has a maximum fill level.
In bevorzugter Ausführung der Erfindung wird der Verdichter ausschließlich durch die In a preferred embodiment of the invention, the compressor is exclusively by the
Expansionsmaschine angetrieben, das heißt, es ist keine Hilfsantriebskomponente vorhanden. Hierdurch wird die Systemkomplexität und der Bauraumbedarf minimiert und ein zusätzlicher Leistungsbedarf für den Antrieb vermieden. Alternativ kann jedoch eine Expansionsmaschine driven, that is, there is no auxiliary drive component available. As a result, the system complexity and space requirements is minimized and an additional power requirement for the drive is avoided. Alternatively, however, a
Hilfsantriebskomponente zum Antrieb des Luftverdichters vorgesehen sein, die allein oder zusammen mit der Expansionsmaschine den Verdichter antreibt. Als Hilfsantriebskomponente kann beispielsweise ein Elektromotor Anwendung finden. Auxiliary drive component be provided for driving the air compressor, alone or driving the compressor together with the expansion machine. As an auxiliary drive component, for example, an electric motor can be used.
Ferner ist ein Vorteil der Erfindung darin zu sehen, dass aufgrund der Verrichtung Furthermore, an advantage of the invention is the fact that due to the performance
mechanischer Arbeit bei der Gasentspannung die Enthalpie des Gases abnimmt, die mechanical work in the gas relaxation decreases the enthalpy of the gas, the
Entspannung also polytrop erfolgt, wodurch eine Abkühlung des Brennstoffs erfolgt. Auch diese Kälteenergie kann mit Vorteil auf verschiedene Weise genutzt werden. So relaxation is polytropic, whereby a cooling of the fuel takes place. This cooling energy can be used with advantage in various ways.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung ist das Betriebsmittelversorgungssystem eingerichtet, die Expansionsmaschine mit einem Brennstoffdruck von zumindest 20 bar, insbesondere von zumindest 50 bar, vorzugsweise von zumindest 200 bar zu beaufschlagen (Eingangsdruck). Ganz besonders bevorzugt ist, die Expansionsmaschine mit dem vollen, füllstandsabhängigen Brennstoffdruck des Brennstoffdruckspeichers zu beaufschlagen. Dieser liegt bei aktuellen Wasserstofftanks bei etwa 700 bar, wobei auch höhere Drücke von 1000 bar oder mehr denkbar sind. Vorzugsweise erfolgt somit keinerlei Druckminderung bzw. Entspannung des Brennstoffs stromauf der Expansionsmaschine. Vorteil eines möglichst hohen Eingangsdrucks an der Expansionsmaschine ist, dass somit eine besonders große mechanische Leistung durch die Expansionsmaschine generiert wird. Die maximal erzeugbare Leistung hängt vom According to a preferred embodiment, the operating medium supply system is set up to pressurize the expansion machine with a fuel pressure of at least 20 bar, in particular of at least 50 bar, preferably of at least 200 bar (inlet pressure). It is particularly preferred to pressurize the expansion machine with the full, level-dependent fuel pressure of the fuel pressure accumulator. This is at current hydrogen tanks at about 700 bar, with higher pressures of 1000 bar or more are conceivable. Thus, there is preferably no pressure reduction or expansion of the fuel upstream of the expansion machine. Advantage of the highest possible input pressure to the expansion machine is that thus a particularly large mechanical power is generated by the expansion machine. The maximum output depends on the
Wirkungsgrad der Expansionsmaschine ab. Efficiency of the expansion machine from.
In bevorzugter Ausführung der Erfindung ist die Expansionsmaschine ausgelegt, den Brennstoff polytrop, also unter Abnahme der Enthalpie und Zunahme der Entropie sowie unter Abkühlung des Brennstoffs zu entspannen. Die polytrope Verfahrensführung ermöglicht die Umwandlung der Enthalpie des Brennstoffs in mechanische Energie und die Nutzung des abgekühlten Brennstoffs zur Kühlung. In a preferred embodiment of the invention, the expansion machine is designed to relax the fuel polytropically, ie with a decrease in enthalpy and increase in entropy and cooling of the fuel. The polytropic process allows the conversion of the enthalpy of the fuel into mechanical energy and the use of the cooled fuel for cooling.
Die Expansionsmaschine umfasst vorzugsweise sämtliche Maschinentypen, die eine polytrope Entspannung von Gasen ermöglichen. Insbesondere ist die Expansionsmaschine eine The expansion machine preferably comprises all types of machines that allow polytropic expansion of gases. In particular, the expansion machine is a
Strömungsmaschine, vorzugsweise eine Turbomaschine (auch Turboexpander oder Turbine genannt), oder eine Kolbenexpansionsmaschine. Turbomachine, preferably a turbomachine (also called turboexpander or turbine), or a piston expansion machine.
Es ist ferner bevorzugt, dass die Expansionsmaschine die Entspannung des Brennstoffs über eine möglichst große Druckdifferenz vornimmt, also auf einen Ausgangsdruck, der möglichst nahe an dem in der Brennstoffzelle bzw. in dem Verbrennungsmotor gewünschten Sollwert (also dem Betriebsdruck) liegt. Der Betriebsdruck des Brennstoffs von Brennstoffzellen liegt in einem Bereich von 1 bis 12 bar, typischerweise bei 1 ,5 bis 3 bar. Der Betriebsdruck von Wasserstoffverbrennungsmotoren liegt tendenziell etwas höher. Insbesondere liegt der It is further preferred that the expansion engine undertakes the expansion of the fuel over as great a pressure difference as possible, ie to an outlet pressure which is as close as possible to the desired value desired in the fuel cell or in the internal combustion engine (ie the operating pressure). The operating pressure of the fuel cell fuel is in a range of 1 to 12 bar, typically at 1, 5 to 3 bar. The operating pressure of Hydrogen combustion engines tend to be slightly higher. In particular, is the
Ausgangsdruck des Brennstoffs stromab der Turbine höchstens 20 bar, vorzugsweise höchstens 10 bar, besonders bevorzugt höchstens 5 bar, oberhalb des Betriebsdrucks der Brennstoffzelle bzw. des Verbrennungsmotors. Mit anderen Worten wird über die Output pressure of the fuel downstream of the turbine at most 20 bar, preferably at most 10 bar, more preferably at most 5 bar, above the operating pressure of the fuel cell or the internal combustion engine. In other words, over the
Expansionsmaschine praktisch der gesamte Druck des Brennstoffdruckspeichers abgebaut. Auf diese Weise kann eine besonders hohe Menge an mechanischer bzw. elektrischer Energie gewonnen werden und auch eine besonders starke Abkühlung des Gases erzielt werden. Die Druckdifferenz (Δρ) über die Expansionsmaschine wird so groß wie möglich realisiert. Expander virtually all the pressure of the fuel pressure accumulator degraded. In this way, a particularly high amount of mechanical or electrical energy can be obtained and also a particularly strong cooling of the gas can be achieved. The pressure difference (Δρ) via the expansion machine is realized as large as possible.
Bevorzugte Druckdifferenzen über die Expansionsmaschine liegen bei mindestens 100 bar, insbesondere mindestens 200 bar, oder sogar bei 400 bar oder darüber. In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung wird die maximale Druckdifferenz von 698,5 bar genutzt. Preferred pressure differences across the expansion machine are at least 100 bar, in particular at least 200 bar, or even at 400 bar or above. In a particularly preferred embodiment, the maximum pressure difference of 698.5 bar is used.
Vorzugsweise handelt es sich bei dem Brennstoff um Wasserstoff. Im Falle von Wasserstoff ist von Vorteil, dass dieser üblicherweise in Hochdruckspeichern, beispielsweise mit einem Druck von mindestens 200 bar, insbesondere mindestens 500 bar, vorzugsweise mindestens 700 bar (jeweils bei maximalem Füllstand des Speichers) vorliegt. Diese hohen Speicherdrücke erlauben eine besonders effektive Nutzung des energetischen Potentials im Sinne der Preferably, the fuel is hydrogen. In the case of hydrogen, it is advantageous that this is usually present in high-pressure reservoirs, for example with a pressure of at least 200 bar, in particular at least 500 bar, preferably at least 700 bar (in each case at the maximum fill level of the reservoir). These high storage pressures allow a particularly effective use of the energy potential in the sense of
Erfindung. Invention.
Die Erfindung betrifft ferner eine Brennstoffzellenanordnung, welche eine Brennstoffzelle sowie ein Betriebsmittelversorgungssystem zur Versorgung der Brennstoffzelle mit einem gasförmigen Brennstoff, insbesondere Wasserstoff, sowie mit Luft gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst. The invention further relates to a fuel cell assembly comprising a fuel cell and a resource supply system for supplying the fuel cell with a gaseous fuel, in particular hydrogen, as well as with air according to the present invention.
Schließlich betrifft die Erfindung ein Kraftfahrzeug, das eine Brennstoffzelle oder einen gasbetriebenen Verbrennungsmotor sowie das erfindungsgemäße Finally, the invention relates to a motor vehicle, a fuel cell or a gas-powered internal combustion engine and the inventive
Betriebsmittelversorgungssystem umfasst. Equipment supply system includes.
Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen, in den Unteransprüchen genannten Merkmalen. Further preferred embodiments of the invention will become apparent from the remaining, mentioned in the dependent claims characteristics.
Die verschiedenen in dieser Anmeldung genannten Ausführungsformen der Erfindung sind, sofern im Einzelfall nicht anders ausgeführt, mit Vorteil miteinander kombinierbar. The various embodiments of the invention mentioned in this application are, unless otherwise stated in the individual case, advantageously combinable with each other.
Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen The invention is described below in embodiments with reference to the associated
Zeichnungen erläutert. Es zeigen: Figur 1 schematisch eine Brennstoffzellenanordnung mit einer Brennstoffzelle und einem Betriebsmittelversorgungssystem zur Versorgung der Brennstoffzelle mit Wasserstoff und Luft gemäß einer ersten Ausgestaltung der Erfindung und Drawings explained. Show it: 1 shows schematically a fuel cell arrangement with a fuel cell and a resource supply system for supplying the fuel cell with hydrogen and air according to a first embodiment of the invention and
Figur 2 schematisch eine Brennstoffzellenanordnung mit einer Brennstoffzelle und einem Betriebsmittelversorgungssystem zur Versorgung der Brennstoffzelle mit Wasserstoff und Luft gemäß einer zweiten Ausgestaltung der Erfindung. 2 schematically shows a fuel cell arrangement with a fuel cell and a resource supply system for supplying the fuel cell with hydrogen and air according to a second embodiment of the invention.
Figur 1 zeigt eine insgesamt mit 100 bezeichnete Brennstoffzellenanordnung eines hier nicht dargestellten Kraftfahrzeugs. Die Brennstoffzellenanordnung 100 umfasst eine Brennstoffzelle 10 sowie eine Betriebsmittelversorgungssystem 200 gemäß der vorliegenden Erfindung, welches die Brennstoffzelle mit den Betriebsmitteln, hier Wasserstoff als Brennstoff sowie Luft als Oxidationsmittel versorgt. FIG. 1 shows a fuel cell arrangement, designated as a whole by 100, of a motor vehicle, not shown here. The fuel cell assembly 100 comprises a fuel cell 10 and a resource supply system 200 according to the present invention, which supplies the fuel cell with the resources, here hydrogen as fuel and air as the oxidant.
Die Brennstoffzelle 10 umfasst eine Anode sowie eine Kathode, welche durch eine The fuel cell 10 comprises an anode and a cathode, which by a
ionenleitfähige, insbesondere protonenleitfähige Membran voneinander getrennt sind (nicht im Einzelnen dargestellt). Üblicherweise umfassen Brennstoffzellen eine Vielzahl von derartigen Einzelzellen, die in einem Brennstoffzellenstapel angeordnet sind. ion-conducting, in particular proton-conductive membrane are separated from each other (not shown in detail). Typically, fuel cells include a plurality of such single cells arranged in a fuel cell stack.
Die Brennstoffzelle 10 weist einen Anodeneingang 1 1 auf, über welchen eine Zufuhr des Brennstoffs, hier Wasserstoff, erfolgt. Nicht umgesetzter Wasserstoff wird über einen The fuel cell 10 has an anode inlet 1 1, via which a supply of the fuel, here hydrogen, takes place. Unreacted hydrogen is released via a
Anodenausgang 12 über eine Anodenabgasleitung 13 abgeführt. Darüber hinaus kann noch eine hier nicht dargestellte Rezirkulationsleitung vorhanden sein, welche den nicht umgesetzten Wasserstoff aus der Anodenabgasleitung 13 rückführt. Auf der anderen Seite erfolgt eine Versorgung der Kathodenräume der Brennstoffzelle 10 mit einem Oxidationsmittel, hier Luft, über einen Kathodeneingang 14. Das Kathodenabgas sowie das in der Brennstoffzellenreaktion erzeugte Wasser werden über einen Kathodenausgang 15 und eine daran angeschlossene Kathodenabgasleitung 16 abgeführt. Anode outlet 12 discharged via an anode exhaust gas line 13. In addition, there may be a recirculation line, not shown here, which returns the unreacted hydrogen from the anode exhaust gas line 13. On the other hand, the cathode chambers of the fuel cell 10 are supplied with an oxidizing agent, in this case air, via a cathode inlet 14. The cathode exhaust gas and the water generated in the fuel cell reaction are removed via a cathode outlet 15 and a cathode exhaust gas line 16 connected thereto.
Im Betrieb der Brennstoffzelle 10 wird an katalytischen Elektroden der Anoden der zugeführte Wasserstoff H2 unter Abgabe von Elektronen zu Protonen H+ oxidiert. Gleichzeitig wird an katalytischen Elektroden der Kathoden der zugeführte Sauerstoff 02 unter Aufnahme der über einen externen Stromkreis zugeführten Elektronen zu 02"-Anionen reduziert. Diese wiederum reagieren mit den Protonen H+, welche über die protonenleitende Membran auf die During operation of the fuel cell 10, the supplied hydrogen H 2 is oxidized to protons H + at the catalytic electrodes of the anodes with the release of electrons. At the same time "anions is reduced at the cathode catalytic electrode of the supplied oxygen 0 2 under recording of air supplied via an external circuit electrons to 0. 2 which in turn react with the protons H + that via the proton-conducting membrane to the
Kathodenseite gelangen, zu Wasser H20. Auf diese Weise wird ein elektrischer Strom erzeugt, der beispielsweise für einen elektromotorischen Antrieb eines Fahrzeugs genutzt oder in einem Energiespeicher zwischengespeichert werden kann. Reach the cathode side, to water H 2 0. In this way, an electric current is generated, for example, used for an electric motor drive of a vehicle or can be cached in an energy storage.
Die Brennstoffzellenanordnung 100 weist ein insgesamt mit 200 bezeichnetes The fuel cell assembly 100 has a total denoted by 200
Betriebsmittelversorgungssystem auf, welches einerseits ein Brennstoffversorgungssystem 20 zur Versorgung der Brennstoffzelle 10 mit Brennstoff (Wasserstoff) umfasst sowie ein Equipment supply system, which on the one hand, a fuel supply system 20 for supplying the fuel cell 10 with fuel (hydrogen) includes and a
Luftversorgungssystem 30 zur Versorgung der Brennstoffzelle 10 mit Luft. Air supply system 30 for supplying the fuel cell 10 with air.
Das Brennstoffversorgungssystem 20 weist einen Brennstoffversorgungspfad 21 auf, welcher einen Brennstoffdruckspeicher 22 zur Bevorratung des Wasserstoffs mit dem Anodeneingang 1 1 der Brennstoffzelle 10 verbindet. Bei dem Speicher 22 handelt es sich vorzugsweise um einen Hochdruckbrennstoffspeicher, in welchem der Wasserstoff unter Hochdruck bevorratet wird. Beispielsweise liegt bei maximalem Füllstand des Speichers 22 ein Brennstoffdruck von 700 bar oder mehr vor. The fuel supply system 20 has a fuel supply path 21, which connects a fuel pressure accumulator 22 for storing the hydrogen with the anode inlet 11 of the fuel cell 10. The reservoir 22 is preferably a high-pressure fuel reservoir in which the hydrogen is stored under high pressure. For example, at maximum level of the accumulator 22, there is a fuel pressure of 700 bar or more.
Das Brennstoffversorgungssystem 20 umfasst ferner eine Expansionsmaschine 23, welche in dem Brennstoffversorgungspfad 21 angeordnet ist und der Entspannung des Brennstoffs dient. Die Expansionsmaschine 23 ist im hier dargestellten Beispiel eine Turbomaschine. Im Betrieb der Brennstoffzellenanordnung 100 wird der Wasserstoff aus dem Speicher 22 über den Brennstoffversorgungspfad 21 der Turbomaschine 23 zugeführt. Dabei wird diese vorzugsweise mit dem unverminderten Druck des Speichers 22 beaufschlagt, beispielsweise mit einem Druck von 700 bar bei maximalem Füllstand des Speichers. In der Expansionsmaschine 23 findet eine polytrope Entspannung des Wasserstoffs auf einen Ausgangsdruck statt, welcher von dem Wirkungsgrad der Expansionsmaschine 23 abhängt. Beispielsweise erfolgt eine Entspannung auf einen Ausgangsdruck, der im Wesentlichen bei dem Betriebsdruck der Brennstoffzelle 10 liegt oder geringfügig oberhalb von diesem. Auf diese Weise wird praktisch der gesamte Differenzdruck zwischen Speicherdruck und Betriebsdruck des Wasserstoffs über die The fuel supply system 20 further includes an expansion engine 23, which is disposed in the fuel supply path 21 and serves to relax the fuel. The expansion machine 23 is a turbomachine in the example shown here. During operation of the fuel cell assembly 100, hydrogen is supplied from the reservoir 22 to the turbomachine 23 via the fuel supply path 21. In this case, this is preferably applied to the unabated pressure of the memory 22, for example, with a pressure of 700 bar at maximum level of the memory. In the expansion machine 23, a polytropic relaxation of the hydrogen takes place to an outlet pressure, which depends on the efficiency of the expansion machine 23. For example, a relaxation takes place to an outlet pressure which is substantially at the operating pressure of the fuel cell 10 or slightly above it. In this way, virtually the entire differential pressure between storage pressure and operating pressure of the hydrogen over the
Expansionsmaschine 23 abgebaut. Optional kann stromab der Expansionsmaschine 23 ferner eine Druck-, Mess- und Regeleinrichtung angeordnet sein (nicht dargestellt), welche den Wasserstoffdruck von dem Ausgangsdruck der Expansionsmaschine 23 auf den Betriebsdruck der Brennstoffzelle 10 einstellt. Expansionsmaschine 23 dismantled. Optionally, downstream of the expansion machine 23, a pressure, measuring and control device may also be arranged (not shown), which adjusts the hydrogen pressure from the outlet pressure of the expansion machine 23 to the operating pressure of the fuel cell 10.
Das Betriebsmittelversorgungssystem 200 umfasst ferner das Luftversorgungssystem 30. Dieses weist einen Luftversorgungspfad 31 auf, welcher die Umgebung mit dem The resource supply system 200 further includes the air supply system 30. This has an air supply path 31, which surrounds the environment with the
Kathodeneingang 14 der Brennstoffzelle 10 verbindet. In dem Luftversorgungspfad 31 ist ein Verdichter 32 angeordnet, welcher eine Kompression der geförderten Luft auf einen Druck oberhalb des Umgebungsdruckes bewirkt. Der Verdichter 32 ist kraftübertragend mit der Expansionsmaschine 23, beispielsweise über eine Welle 24 verbunden. Auf diese Weise treibt die Expansionsmaschine 23 den Verdichter 32 an, sodass auf eine anderweitige Antriebsquelle, beispielsweise einen elektrischen Antriebsmotor, für den Verdichter 32 verzichtet werden kann. Die durch den Verdichter 32 verdichtete Luft wird in einen Druckspeicher 33 gefördert, der im dargestellten Beispiel direkt in dem Luftversorgungspfad 31 angeordnet ist. Wie in Figur 1 dargestellt, können stromauf und/oder stromab des Druckspeichers 33 Cathode input 14 of the fuel cell 10 connects. In the air supply path 31, a compressor 32 is arranged, which a compression of the conveyed air to a pressure effected above the ambient pressure. The compressor 32 is force-transmitting connected to the expansion machine 23, for example via a shaft 24. In this way, the expansion machine 23 drives the compressor 32, so that it is possible to dispense with an otherwise driving source, for example an electric drive motor, for the compressor 32. The compressed air through the compressor 32 is conveyed into a pressure accumulator 33, which is arranged directly in the air supply path 31 in the example shown. As shown in FIG. 1, upstream and / or downstream of the pressure accumulator 33
Drucksteuereinrichtungen 34, 35 angeordnet sein, welche eine Steuerung oder Regelung des Drucks sowie eine Absperrung erlauben. Beispielsweise sind die Drucksteuereinrichtungen 34, 35 als regelbare Ventile ausgestaltet. Pressure control means 34, 35 may be arranged, which allow a control or regulation of the pressure and a barrier. For example, the pressure control devices 34, 35 are designed as controllable valves.
Ferner ist in Figur 1 eine Trenneinrichtung 25 angedeutet, welche die Welle 24 unterbricht und somit eine Entkopplung der Expansionsmaschine 23 und des Verdichters 32 voneinander ermöglicht. Die Trenneinrichtung 25 kann beispielsweise als Kupplung ausgebildet sein oder in Form einer Leerlaufschaltung. Die Trenneinrichtung 25 ermöglicht den Betrieb der Further, a separator 25 is indicated in Figure 1, which interrupts the shaft 24 and thus allows decoupling of the expansion machine 23 and the compressor 32 from each other. The separator 25 may be formed, for example, as a clutch or in the form of an idle circuit. The separator 25 allows the operation of the
Expansionsmaschine 23 auch dann, wenn ein Antrieb des Verdichters 32 nicht notwendig oder nicht erwünscht ist. Dies kann beispielsweise der Fall sein, wenn der Druckspeicher 33 maximal gefüllt ist und die alleinige Versorgung der Brennstoffzelle 10 übernehmen kann. Expansion machine 23, even if a drive of the compressor 32 is not necessary or not desirable. This may be the case, for example, when the pressure accumulator 33 is filled to the maximum and can take over the sole supply of the fuel cell 10.
Figur 2 zeigt eine Brennstoffzellenanordnung 100 mit einer alternativen Ausführung des erfindungsgemäßen Betriebsmittelversorgungssystems 200. Dabei sind übereinstimmende Elemente mit den gleichen Bezugszeichen wie in Figur 1 bezeichnet und weisen die bereits beschriebene Funktionsweise auf. Die in Figur 2 dargestellte Ausführung unterscheidet sich von der gemäß Figur 1 in einer Bypassleitung 36, welche zwischen dem Verdichter 32 und dem Druckspeicher 33 von dem Luftversorgungspfad 31 abzweigt und stromab des Druckspeichers 33 und stromauf der Brennstoffzelle 10 wieder in den Luftversorgungspfad 31 mündet. Die Bypassleitung 36 weist ein Stellmittel 37 auf, beispielsweise ein Druckregelventil, welches eine Steuerung oder Regelung des Anteils der geförderten Luft durch die Bypassleitung 36 ermöglicht. Die Bypassleitung 36 erlaubt eine Umgehung des Druckspeichers 33 beispielsweise in Betriebssituationen, wenn dieser seinen maximalen Füllstand erreicht hat. FIG. 2 shows a fuel cell arrangement 100 with an alternative embodiment of the operating medium supply system 200 according to the invention. In this case, matching elements are designated by the same reference symbols as in FIG. 1 and have the functionality already described. The embodiment shown in Figure 2 differs from that of Figure 1 in a bypass line 36 which branches off between the compressor 32 and the pressure accumulator 33 of the air supply path 31 and downstream of the pressure accumulator 33 and upstream of the fuel cell 10 opens again into the air supply path 31. The bypass line 36 has an adjusting means 37, for example a pressure regulating valve, which allows control or regulation of the portion of the conveyed air through the bypass line 36. The bypass line 36 allows a bypass of the pressure accumulator 33, for example, in operating situations when this has reached its maximum level.
Obwohl die Erfindung vorstehend im Zusammenhang mit der Versorgung einer Brennstoffzelle mit Brennstoff dargestellt wurde, ist eine Anwendung des erfindungsgemäßen Although the invention has been presented above in connection with the supply of fuel to a fuel cell, an application of the invention
Versorgungssystems auch für gasbetriebene, insbesondere wasserstoffbetriebene Supply system also for gas-powered, especially hydrogen-powered
Verbrennungsmotoren möglich. Bezugszeichenliste Internal combustion engines possible. LIST OF REFERENCE NUMBERS
Brennstoffzellenanordnung A fuel cell assembly
Brennstoffzelle  fuel cell
Anodeneingang  anode input
Anodenausgang  anode output
Anodenabgasleitung  Anode exhaust gas line
Kathodeneingang  cathode input
Kathodenausgang  cathode output
Kathodenabgasleitung  Cathode exhaust gas line
Betriebsmittelversorgungssystem  Working fluid supply system
Brennstoffversorgungssystem  Fuel supply system
Brennstoffversorgungspfad  Fuel supply path
Hochdruck-Brennstoffspeicher  High-pressure fuel reservoir
Expansionsmaschine / Turbomaschine  Expansion machine / turbo machine
Welle  wave
Trenneinrichtung / Kupplung  Separator / clutch
Luftversorgungssystem  Air supply system
Luftversorgungspfad  Air supply path
Verdichter  compressor
Druckspeicher  accumulator
Drucksteuereinrichtung  Pressure control device
Drucksteuereinrichtung  Pressure control device
Bypassleitung  bypass line
Stellmittel  actuating means

Claims

Patentansprüche claims
1 . Betnebsmittelversorgungssystem (200) für eine Brennstoffzelle (10) oder einen 1 . A fuel supply system (200) for a fuel cell (10) or a fuel cell
Verbrennungsmotor, umfassend  Internal combustion engine, comprising
- ein Brennstoffversorgungssystem (20) zur Versorgung der Brennstoffzelle (10) oder des Verbrennungsmotors mit einem gasförmigen Brennstoff, umfassend einen  - A fuel supply system (20) for supplying the fuel cell (10) or the internal combustion engine with a gaseous fuel, comprising a
Brennstoffdruckspeicher (22) zur Bevorratung des Brennstoffs, einen  Fuel pressure accumulator (22) for storing the fuel, a
Brennstoffversorgungspfad (21 ), welcher den Brennstoffdruckspeicher (22) mit der Brennstoffzelle (10) oder dem Verbrennungsmotor verbindet, und eine in dem  Fuel supply path (21) which connects the fuel pressure accumulator (22) with the fuel cell (10) or the internal combustion engine, and one in the
Brennstoffversorgungspfad (21 ) angeordnete Expansionsmaschine (23) zur  Fuel supply path (21) arranged expansion machine (23) for
Entspannung des Brennstoffs, sowie  Relaxation of the fuel, as well
- ein Luftversorgungssystem (30) zur Versorgung der Brennstoffzelle (10) oder des  - An air supply system (30) for supplying the fuel cell (10) or the
Verbrennungsmotors mit Luft, umfassend einen Luftversorgungspfad (31 ), einen in dem Luftversorgungspfad (31 ) angeordneten Verdichter (32) zur Verdichtung der Luft sowie einen zwischen dem Verdichter (32) und der Brennstoffzelle (10) angeordneten Druckspeicher (33),  An internal combustion engine with air, comprising an air supply path (31), a compressor (32) arranged in the air supply path (31) for compressing the air and an accumulator (33) arranged between the compressor (32) and the fuel cell (10),
wobei die im Brennstoffversorgungspfad (21 ) angeordnete Expansionsmaschine (23) kraftübertragend mit dem in dem Luftversorgungspfad (31 ) angeordneten Verdichter (32) zum Antrieb desselben verbunden ist.  wherein the expansion machine (23) arranged in the fuel supply path (21) is connected in a force-transmitting manner to the compressor (32) arranged in the air supply path (31) for driving the same.
2. Betriebsmittelversorgungssystem (200) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Luftversorgungssystem (30) ferner eine Bypassleitung (36) aufweist, welche stromab des Verdichters (32) und stromauf des Druckspeichers (33) von dem Luftversorgungspfad (31 ) abzweigt und stromab des Druckspeichers (33) und stromauf der Brennstoffzelle (10) oder des Verbrennungsmotors in den Luftversorgungspfad (31 ) mündet. The utility supply system (200) of claim 1, characterized in that the air supply system (30) further includes a bypass line (36) which branches downstream of the compressor (32) and upstream of the accumulator (33) from the air supply path (31) and downstream of the pressure accumulator (33) and upstream of the fuel cell (10) or the internal combustion engine in the air supply path (31) opens.
3. Betriebsmittelversorgungssystem (200) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Luftversorgungssystem (30) ferner einen zwischen dem Verdichter (32) und der Brennstoffzelle (10) von dem Luftversorgungspfad (31 ) abzweigenden Seitenarm aufweist, welcher den Luftversorgungspfad (31 ) mit dem Druckspeicher (33) verbindet. 3. A resource supply system (200) according to claim 1, characterized in that the air supply system (30) further comprises a between the compressor (32) and the fuel cell (10) branched off from the air supply path (31) side arm, which the air supply path (31) the pressure accumulator (33) connects.
4. Betriebsmittelversorgungssystem (200) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Trenneinrichtung (25) vorgesehen ist, welche eine Entkopplung der Expansionsmaschine (23) und des Verdichters (32) voneinander ermöglicht. 4. resource supply system (200) according to any one of the preceding claims, characterized in that a separating device (25) is provided which allows decoupling of the expansion machine (23) and the compressor (32) from each other.
5. Betnebsmittelversorgungssystem (200) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdichter (32) ausschließlich durch die 5. Betnebsmittelversorgungssystem (200) according to any one of the preceding claims, characterized in that the compressor (32) exclusively by the
Expansionsmaschine (23) antreibbar ist.  Expansion machine (23) is drivable.
6. Betriebsmittelversorgungssystem (200) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, 6. resource supply system (200) according to any one of the preceding claims,
dadurch gekennzeichnet, dass das Betriebsmittelversorgungssystem (200) eingerichtet ist, die Expansionsmaschine (23) mit einem Brennstoffdruck von zumindest 20 bar zu beaufschlagen, vorzugsweise mit dem vollen Brennstoffdruck des Brennstoffdruckspeichers (22).  characterized in that the resource supply system (200) is arranged to pressurize the expander (23) with a fuel pressure of at least 20 bar, preferably with the full fuel pressure of the fuel pressure accumulator (22).
7. Betriebsmittelversorgungssystem (200) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, 7. resource supply system (200) according to any one of the preceding claims,
dadurch gekennzeichnet, dass die Expansionsmaschine (23) ausgelegt ist, den  characterized in that the expansion machine (23) is designed, the
Brennstoff polytrop entspannen.  Polytrop fuel relax.
8. Brennstoffzellenanordnung (100) mit einer Brennstoffzelle (10) und einer 8. Fuel cell assembly (100) with a fuel cell (10) and a
Betriebsmittelversorgungssystem (200) nach einem der Ansprüche 1 bis 7.  A resource supply system (200) according to any one of claims 1 to 7.
9. Kraftfahrzeug mit einer Brennstoffzelle (10) oder einem gasbetriebenen 9. Motor vehicle with a fuel cell (10) or a gas-powered
Verbrennungsmotor sowie einem Betriebsmittelversorgungssystem (200) nach einem der Ansprüche 1 bis 7.  An internal combustion engine and a resource supply system (200) according to any one of claims 1 to 7.
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