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DE102008002698A1 - Electrical and/or mechanical energy producing device i.e. gas cell system, has compressor arranged upstream to reactor, and storage provided between compressor and reactor for intermediate storage of compressed gaseous initial substance - Google Patents

Electrical and/or mechanical energy producing device i.e. gas cell system, has compressor arranged upstream to reactor, and storage provided between compressor and reactor for intermediate storage of compressed gaseous initial substance Download PDF

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DE102008002698A1
DE102008002698A1 DE102008002698A DE102008002698A DE102008002698A1 DE 102008002698 A1 DE102008002698 A1 DE 102008002698A1 DE 102008002698 A DE102008002698 A DE 102008002698A DE 102008002698 A DE102008002698 A DE 102008002698A DE 102008002698 A1 DE102008002698 A1 DE 102008002698A1
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
reactor
compressor
starting substance
fuel cell
gaseous starting
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.)
Withdrawn
Application number
DE102008002698A
Other languages
German (de)
Inventor
Florian Wahl
Ulrich Gottwick
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.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch 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 Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
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Publication of DE102008002698A1 publication Critical patent/DE102008002698A1/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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Abstract

The device i.e. i.e. gas cell system (10) has a compressor (24) compressing a gaseous initial substance e.g. oxygen, and arranged upstream to a reactor (12). A storage (34) is provided between the compressor and the reactor for intermediate storage of the compressed gaseous initial substance. A pressure sensor (40) is integrated into the storage, and a turbine (30) is provided for recuperation of the compression energy in direction of flow of the gaseous initial substance, where the turbine is arranged downstream to the reactor. An independent claim is also included for a method for operating a device for producing electrical or mechanical energy.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Erzeugung mechanischer oder elektrischer Energie sowie auf ein Verfahren zum Betrieb derselben nach dem Oberbegriff der unabhängigen Ansprüche.The The present invention relates to a device for generating mechanical or electrical energy and a method for Operation of the same according to the preamble of the independent Claims.

Stand der TechnikState of the art

In jüngster Zeit erfahren Brennstoffzellensysteme eine zunehmend größere Aufmerksamkeit in Hinblick auf mögliche Anwendungen als Antriebseinheit für Fahrzeuge sowie zur umweltfreundlichen Bereitstellung elektrischer Energie.In Fuel cell systems are experiencing an increasing trend recently greater attention with regard to possible Applications as a drive unit for vehicles as well as for environmentally friendly provision of electrical energy.

Ihre Wirkungsweise beruht auf der elektrochemischen Umsetzung von insbesondere gasförmigen Kraftstoffen wie Wasserstoff, Erdgas, Methanol- oder Benzindämpfen. Diese in einer sogenannten Halbzelle der Brennstoffzelle ablaufenden Reaktionen werden mit einer zweiten Halbzellenreaktion gekoppelt, bei der eine elektrochemische Reduktion von Sauerstoff stattfindet.Your Mode of action is based on the electrochemical reaction of particular gaseous fuels such as hydrogen, natural gas, methanol or Gasoline vapors. These in a so-called half cell of the Fuel cell reactions taking place with a second Coupled half-cell reaction, in which an electrochemical reduction of Oxygen takes place.

Üblicherweise werden derartige Brennstoffzellensysteme mit einem gegenüber Atmosphärendruck erhöhten Druck betrieben, um eine höhere Gesamteffizienz der Brennstoffzelle zu erreichen. Dazu müssen jedoch die der Brennstoffzelle zugeführten kraftstoffhaltigen bzw. sauerstoffhaltigen Gasströme komprimiert werden.Usually Such fuel cell systems are compared with one Atmospheric pressure operated at elevated pressure to achieve a higher overall efficiency of the fuel cell. For this purpose, however, the fuel cell supplied fuel-containing or oxygen-containing gas streams are compressed.

Während der kraftstoffhaltige Gasstrom üblicherweise in Gasdruckspeichern mitgeführt wird und somit naturgemäß einen entsprechend erhöhten Druck aufweist, muss der der Brennstoffzelle zugeführte sauerstoffhaltige Gasstrom (üblicherweise Luft) erst komprimiert werden. Die dazu benötigte elektrische Leistung beträgt oft mehr als 2 kW.While the fuel-containing gas stream usually in gas pressure accumulators is carried along and thus naturally a has correspondingly increased pressure, the fuel cell supplied oxygen-containing gas stream (usually air) be compressed first. The required electrical Power is often more than 2 kW.

Weiterhin kommt es insbesondere beim Betrieb von Brennstoffzellenfahrzeugen mit großer Lastspreizung im Fall einer niedrigen Last zu Betriebszuständen an der Brennstoffzelle, bei der eine Degradation der Zellkomponenten eintreten kann. Dies ist beispielsweise dann der Fall, wenn die Brennstoffzelle im Leerlauf betrieben wird. Wird, um diese Schädigung zu vermeiden, der Brennstoffzellenstack künstlich elektrisch belastet, wirkt sich dies wiederum negativ auf den Systemwirkungsgrad des Brennstoffzellensystems aus.Farther it comes in particular in the operation of fuel cell vehicles with large load spread in the case of a low load too Operating conditions on the fuel cell, in which a Degradation of cell components can occur. This is for example then the case when the fuel cell is operated at idle. To avoid this damage, the fuel cell stack artificially electrically charged, this in turn affects negatively affect the system efficiency of the fuel cell system.

Um die zur Kompression des der Brennstoffzelle zugeführten sauerstoffhaltigen Gasstroms benötigte Energie möglichst gering zu halten, wird beispielsweise in der DE 10 2005 009 674 A1 vorgeschlagen, die bei der Expansion von in einem Druckgasspeicher gespeichertem Wasserstoff freigesetzte Energie mechanisch oder elektrisch mit einem Kompressor zu koppeln, der der Vorverdichtung sauerstoffhaltiger Gase für die Brennstoffzelle dient. Dieses vorgeschlagene System löst jedoch nicht die bereits beschriebene Leerlaufproblematik.To keep the energy required for the compression of the oxygen-containing gas stream supplied to the fuel cell as low as possible, is for example in the DE 10 2005 009 674 A1 proposed to mechanically or electrically couple the energy released during the expansion of stored hydrogen in a compressed gas storage with a compressor, which serves for the pre-compression of oxygen-containing gases for the fuel cell. However, this proposed system does not solve the idling problem already described.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung zur Erzeugung mechanischer oder elektrischer Energie bereitzustellen, die bei einem erhöhten Innendruck betrieben werden kann und dennoch einen ausreichend guten Gesamtwirkungsgrad aufweist.task The present invention is an apparatus for producing mechanical or electrical energy to be provided during an increased internal pressure can be operated and still has a sufficiently good overall efficiency.

Diese Aufgabe wird ausgehend von einer Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer oder mechanischer Energie sowie durch ein Verfahren zum Betrieb derselben mit den kennzeichnenden Merkmalen der unabhängigen Ansprüche in vorteilhafter Weise gelöst.These Task is based on a device for generating electrical or mechanical energy, as well as a method of operation same with the distinguishing features of the independent ones Claims solved in an advantageous manner.

Dies beruht insbesondere darauf, dass zwischen einem Reaktor, der der Umsetzung mindestens einer gasförmigen Ausgangssubstanz unter Freisetzung der mechanischen oder elektrischen Energie dient, und einem Verdichter zur Kompression der gasförmigen Ausgangssubstanz ein Speicher zur Zwischenspeicherung der komprimierten gasförmigen Ausgangssubstanz vorgesehen ist.This is based in particular on the fact that between a reactor, the Implementation of at least one gaseous starting substance to release the mechanical or electrical energy, and a compressor for the compression of the gaseous starting substance a memory for temporarily storing the compressed gaseous Starting substance is provided.

Der besondere Vorteil dieser Anordnung besteht darin, dass insbesondere in Betriebszuständen, die einem Leerlauf der Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer oder mechanischer Energie entsprechen, die Möglichkeit besteht, mittels des Verdichters die erwähnte gasförmige Ausgangssubstanz zu verdichten und diese zwischenzuspeichern. Auf diese Weise kann auch im Leerlaufbetrieb der Vorrichtung eine elektrische Grundlast durch den Verdichter gewährleistet werden, so dass es nicht zu einer Degradation der Vorrichtung kommen kann, sondern diese einer ausreichend hohen Grundlast unterworfen wird.Of the particular advantage of this arrangement is that in particular in operating states that are idling the device correspond to the generation of electrical or mechanical energy, the possibility exists, by means of the compressor, the mentioned to compress gaseous starting substance and to buffer them. In this way, even when idling the device a ensures basic electrical load through the compressor be so that it does not come to a degradation of the device can, but subjected to a sufficiently high base load becomes.

Die zwischengespeicherte komprimierte gasförmige Ausgangssubstanz wiederum steht für Betriebszustände zur Verfügung, bei denen eine Maximallast an die Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer oder mechanischer Energie angelegt wird. Bei Erreichen derartiger Betriebszustände kann der Verdichter in seiner Leistung gedrosselt oder zumindest kurzzeitig ganz abgeschaltet werden und die Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer oder mechanischer Energie partiell oder in Gänze mit der im Speicher zwischengespeicherten komprimierten gasförmigen Ausgangssubstanz versorgt werden. Auf diese Weise ist eine maximale Leistung der Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer oder mechanischer Energie realisierbar, ohne dass es zu Leistungsverlusten bedingt durch die fortlaufende Komprimierung der gasförmigen Ausgangssubstanz kommt.The cached compressed gaseous starting substance in turn is available for operating states, in which a maximum load to the device for generating electrical or mechanical energy is applied. Upon reaching such Operating conditions, the compressor in its performance throttled or at least temporarily switched off completely and the device for generating electrical or mechanical energy partially or completely with the cached in the memory be supplied compressed gaseous starting substance. In this way, maximum performance of the device for generating electrical or mechanical energy can be realized without it loss of performance due to continuous compression the gaseous starting substance comes.

Ein weiterer vorteilhafter Aspekt ist darin zu sehen, dass insbesondere bei abrupten Lastwechselvorgängen, bspw. bei einem sogenannten Kick down, die für eine hohe Leistungsabgabe einer Brennstoffzelle bspw. benötigte Luft in kürzester Zeit zur Verfügung gestellt werden kann. Während bei üblichen Brennstoffzellensystemen bei einem Lastwechselvorgang zunächst der Verdichter beschleunigt werden muss, wobei ein Zeitverzug von ca. 500 ms auftritt, kann die vorliegende Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie in diesem Zeitraum aus dem integrierten Speicher mit zwischengespreicherter Luft als Ausgangssubstanz versorgt werden.One Another advantageous aspect is the fact that in particular in abrupt load changes, eg. In a so-called Kick down, for a high output of a fuel cell For example, needed air in a short time available can be made. While in conventional fuel cell systems during a load change process, the compressor first accelerates must be, with a time delay of about 500 ms may occur the present device for generating electrical energy in this Period from the integrated memory with intermediate enriched Air are supplied as a starting substance.

Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.Further advantageous embodiments of the present invention emerge from the dependent claims.

So ist es von Vorteil, wenn der Speicher zur Zwischenspeicherung der komprimierten gasförmigen Ausgangssubstanz einen Drucksensor aufweist. Mit diesem ist eine deutlich effektivere Steuerung des aus Reaktor, Verdichter und Zwischenspeicher gebildeten Systems möglich.So it is beneficial if the memory is for caching the compressed gaseous starting substance a pressure sensor having. With this is a much more effective control of the Reactor, compressor and buffer formed system possible.

Weiterhin ist von Vorteil, wenn dem Reaktor in Strömungsrichtung der gasförmigen Ausgangssubstanz nachgeordnet eine Turbine zur Rekuperation von Kompressionsenergie vorgesehen ist. Dies ermöglicht die Rückgewinnung von Kompressionsenergie auf Basis des erhöhten Restdrucks der den Reaktor verlassenden Abgase. Die Kompressionsenergie steht wiederum für die Kompression weiterer gasförmiger Ausgangssubstanzen zur Verfügung.Farther is advantageous if the reactor in the flow direction the gaseous starting substance downstream of a turbine is provided for recuperation of compression energy. this makes possible the recovery of compression energy based on the increased residual pressure of the exhaust gases leaving the reactor. The compression energy in turn stands for the compression additional gaseous starting substances available.

Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist der erwähnte Zwischenspeicher eine weitere Ableitung für die komprimierte gasförmige Ausgangssubstanz auf. Dies bietet den Vorteil, dass die zwischengespeicherte gasförmige Ausgangssubstanz für weitere Anwendungen, wie beispielsweise die Aufladung eines Verbrennungsmotors oder pneumatische Anwendungen, zur Verfügung steht.According to one particularly advantageous embodiment of the present invention Invention, the aforementioned buffer has another Derivation for the compressed gaseous starting substance. This offers the advantage that the cached gaseous Starting substance for other applications, such as the charging of an internal combustion engine or pneumatic applications, is available.

Kurze Beschreibung der ZeichnungShort description of the drawing

Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigtA Embodiment of the present invention is in the drawing shown and in the following description in more detail explained. It shows

1 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer oder mechanischer Energie gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. 1 a schematic representation of an apparatus for generating electrical or mechanical energy according to an embodiment of the present invention.

Ausführungsformen der Erfindungembodiments the invention

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in 1 grafisch verdeutlicht. Dabei ist die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer oder mechanischer Energie als Brennstoffzellensystem ausgeführt. Es sei jedoch darauf hingewiesen, dass die Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer oder mechanischer Energie beispielsweise auch einen Verbrennungsmotor oder eine Gasturbine aufweisen kann.An embodiment of the invention is in 1 graphically illustrated. In this case, the device according to the invention for generating electrical or mechanical energy is designed as a fuel cell system. It should be noted, however, that the device for generating electrical or mechanical energy may, for example, also comprise an internal combustion engine or a gas turbine.

Das Brennstoffzellensystem 10 umfasst eine Brennstoffzelle 12, die beispielsweise eine erste Halbzelle 12a sowie eine zweite Halbzelle 12b umfasst. Dabei ist beispielsweise eine Vielzahl von Brennstoffzellen 12 zu einem sogenannten Brennstoffzellenstack zusammengefasst. Die Brennstoffzelle 12 dient der Erzeugung elektrischer Energie auf elektrochemischem Wege. Dazu wird die Brennstoffzelle 12 mit einem beispielsweise gasförmigen Brennstoff sowie mit einem sauerstoffhaltigen Gas wie beispielsweise Luft versorgt. Der gasförmige Brennstoff ist vorzugsweise in einem entsprechenden Drucktank 14 gespeichert. Er kann über einen sogenannten Anodenpfad 16, der vorzugsweise einen Druckminderer bzw. Druckregler 18 aufweist, der ersten Halbzelle 12a zugeführt werden.The fuel cell system 10 includes a fuel cell 12 for example, a first half cell 12a and a second half cell 12b includes. In this case, for example, a plurality of fuel cells 12 combined into a so-called fuel cell stack. The fuel cell 12 serves to generate electrical energy by electrochemical means. For this, the fuel cell 12 supplied with an example gaseous fuel and with an oxygen-containing gas such as air. The gaseous fuel is preferably in a corresponding pressure tank 14 saved. He can via a so-called anode path 16 , which is preferably a pressure reducer or pressure regulator 18 has, the first half cell 12a be supplied.

Die mittels der Brennstoffzelle 12 gewonnene elektrische Energie wird beispielsweise einem Elektromotor 20 zugeführt, der beispielsweise als Antrieb eines Kraftfahrzeugs ausgestaltet sein kann. Weiterhin wird die Brennstoffzelle 12 mit Luft oder einem sonstigen sauerstoffhaltigen Gas über einen sogenannten Kathodenpfad 22 versorgt. Da die Halbzellen 12a, 12b der Brennstoffzelle 12 vorzugsweise mit einem gegenüber dem Luftdruck erhöhten Gasdruck beaufschlagt werden, wird die der zweiten Halbzelle 12b zugeführte Luft zuvor komprimiert. Dies geschieht beispielsweise mittels eines Verdichters oder Kompressors 24.The means of the fuel cell 12 obtained electrical energy, for example, an electric motor 20 supplied, which may be configured, for example, as a drive of a motor vehicle. Furthermore, the fuel cell 12 with air or other oxygen-containing gas via a so-called cathode path 22 provided. Because the half cells 12a . 12b the fuel cell 12 Preferably, be subjected to a relative to the air pressure increased gas pressure, which is the second half-cell 12b supplied air previously compressed. This happens for example by means of a compressor or compressor 24 ,

Um zumindest einen Teil der aufgewendeten Kompressionsenergie zurückzugewinnen, wird in den die Halbzelle 12b verlassenden Kathodenabgaspfad 28 beispielsweise eine Turbine 30 integriert. Diese dient der Rekuperation der Druckenergie unter Bereitstellung mechanischer oder weiterer elektrischer Energie. Weiterhin wird im Kathodenabgaspfad 28 auskondensiertes Wasser über eine Rückführleitung 32 dem Kathoden- bzw. Anodenpfad 16, 22 zur Befeuchtung der gasförmigen Ausgangssubstanzen der Brennstoffzelle 12 zugeführt.In order to recover at least a portion of the applied compression energy, the half-cell is included in the 12b leaving the cathode exhaust path 28 for example, a turbine 30 integrated. This serves to recuperate the pressure energy while providing mechanical or further electrical energy. Furthermore, in the cathode exhaust gas path 28 condensed water via a return line 32 the cathode or anode path 16 . 22 for humidifying the gaseous starting substances of the fuel cell 12 fed.

Zur Optimierung des Systemgesamtwirkungsgrades ist vorzugsweise in den Kathodenpfad 22 ein Zwischenspeicher 34 integriert. Dieser ist im vorliegenden Beispiel über einen Seitenpfad 36 mit dem Kathodenpfad 22 verbunden.To optimize the overall system efficiency is preferably in the cathode path 22 a cache 34 integrated. This is in the present example via a page path 36 with the cathode path 22 connected.

Alternativ kann der Zwischenspeicher 34 jedoch auch direkt in den Kathodenpfad 22 integriert sein, so dass die im Kathodenpfad 22 geführte Luft komplett den Zwischenspeicher 34 passiert. Dabei ist der Zwischenspeicher 34 im Kathodenpfad 22 zwischen dem Verdichter 24 und dem Brennstoffzellenstack 12 positioniert. Somit ermöglicht der Zwischenspeicher 34 die Zwischenspeicherung bereits vorkomprimierter Luft. Um eine bessere Regelung der Zwischenspeicherung zu ermöglichen, ist der Seitenpfad 36 beispielsweise über ein geeignetes 3-Wege-Ventil 38 mit dem Kathodenpfad 22 verbunden.Alternatively, the cache 34 but also directly into the cathode path 22 integrated so that's in the cathode path 22 guided air completely the cache 34 happens. Here is the cache 34 in the cathode path 22 between the compressor 24 and the fuel cell stack 12 positioned. Thus, the cache allows 34 Caching already precompressed air. For a better caching control, the side path is 36 for example, via a suitable 3-way valve 38 with the cathode path 22 connected.

Dabei ist das 3-Wege-Ventil 38 vorzugsweise mit einer Rückschlagfunktion ausgestattet, die verhindert, dass komprimierte Luft den Verdichter 24 in falscher Richtung durchströmen kann. Da üblicherweise in der Brennstoffzelle 12 ein im Vergleich zum Zwischenspeicher 34 abweichendes Druckniveau herrscht, ist das 3-Wege-Ventil 38 weiterhin vorzugsweise mit einer geeigneten Druckregelfunktion versehen. Diese kann beispielsweise durch einen Taktbetrieb oder durch eine entsprechende Proportionalfunktion gewährleistet werden.Here is the 3-way valve 38 preferably equipped with a non-return function, which prevents compressed air from the compressor 24 can flow in the wrong direction. Usually in the fuel cell 12 one compared to the cache 34 deviating pressure level prevails, is the 3-way valve 38 furthermore preferably provided with a suitable pressure control function. This can be ensured for example by a clock mode or by a corresponding proportional function.

Weiterhin kann im Zwischenspeicher 34 ein Drucksensor 40 vorgesehen sein. Dieser dient der Erfassung des Speicherdrucks im Zwischenspeicher 34 und unterstützt eine wirkungsgradoptimierte Steuerung der Vorrichtung 10 zur Erzeugung elektrischer oder mechanischer Energie. Alternativ zur Positionierung eines Drucksensors 40 im Zwischenspeicher 34 kann eine entsprechende zur Steuerung der Vorrichtung 10 ausgelegte, nicht dargestellte Steuereinheit mit einem Funktionsalgorithmus ausgestattet werden, der auf der Basis beispielsweise der Ansteuerung des 3-Wege-Ventils 38, eines nicht dargestellten Drucksensors im Kathodenpfad 22 und auf Basis der Ansteuerung des Verdichters 24 ein Schätzwert des Drucks im Zwischenspeicher 34 berechnet.Furthermore, in the cache 34 a pressure sensor 40 be provided. This serves to detect the accumulator pressure in the buffer 34 and supports an efficiency-optimized control of the device 10 for generating electrical or mechanical energy. Alternatively to positioning a pressure sensor 40 in the cache 34 may be a corresponding one for controlling the device 10 designed, not shown control unit are equipped with a functional algorithm based on, for example, the control of the 3-way valve 38 , A pressure sensor, not shown, in the cathode path 22 and based on the control of the compressor 24 an estimate of the pressure in the cache 34 calculated.

Weiterhin kann der Zwischenspeicher 34 einen nicht dargestellten zweiten Auslass für komprimierte Luft aufweisen, der eine Funktion als Druckminderer erfüllt bzw. der Bereitstellung vorverdichteter Luft für pneumatische Zwecke oder zur Aufladung eines entsprechenden Verbrennungsmotors dient. Weitere Anwendungen der im Zwischenspeicher 34 gespeicherten komprimierten Luft können in der mobilen Bereitstellung von Druckluft für Maschinenanwendungen oder für Geräte im handwerklichen Bereich bestehen. Der Zwischenspeicher 34 umfasst beispielsweise ein Innenvolumen von 2 bis 100 Litern, vorzugsweise von 10 bis 60 Liter und insbesondere von 15 bis 30 Liter.Furthermore, the cache 34 a second outlet for compressed air, not shown, which performs a function as a pressure reducer or the provision of precompressed air for pneumatic purposes or for charging a corresponding internal combustion engine is used. Other applications in the cache 34 stored compressed air can exist in the mobile supply of compressed air for machine applications or for craft equipment. The cache 34 For example, it has an internal volume of 2 to 100 liters, preferably 10 to 60 liters, and more preferably 15 to 30 liters.

Die Positionierung des Zwischenspeichers 34 im Kathodenpfad 22 dient insbesondere der Vermeidung kritischer Betriebszustände im Leerlauf der Brennstoffzelle 12. Üblicherweise werden Brennstoffzellen in einem Leerlaufzustand entweder mit ganz geringen Gasströmen betrieben, wobei die Gefahr einer Degradation der elektrochemischen Halbzellen 12a, 12b besteht, oder die Brennstoffzellen werden künstlich mit einer Last beaufschlagt, die einen Grundumsatz der Brennstoffzellen bewirkt.The positioning of the cache 34 in the cathode path 22 in particular serves to avoid critical operating states when the fuel cell is idling 12 , Normally, fuel cells are operated in an idling state either with very low gas flows, with the risk of degradation of the electrochemical half-cells 12a . 12b or the fuel cells are artificially charged with a load that causes a basal metabolic rate of the fuel cells.

Demgegenüber wird im erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel beispielsweise in einem Leerlaufbetriebszustand der Verdichter 24 als Grundlast weiter betrieben und die dabei komprimierte Luft im Zwischenspeicher 34 gespeichert. Auf diese Weise kann die im Leerlaufbetrieb der Brennstoffzelle 12 erzeugte elektrische Energie in Form von Druckenergie für nachfolgende Betriebszustände gespeichert werden. Dies erhöht den Gesamtwirkungsgrad des Brennstoffzellensystems. Allgemein wird der Verdichter 24 in Phasen geringer Last an der Brennstoffzelle 12 weiter betrieben und dient der Befüllung des Zwischenspeichers 34.In contrast, in the embodiment according to the invention, for example, in an idle operating state of the compressor 24 operated as base load and the compressed air in the buffer 34 saved. In this way, the idle operation of the fuel cell 12 generated electrical energy in the form of pressure energy for subsequent operating conditions are stored. This increases the overall efficiency of the fuel cell system. General is the compressor 24 in phases of low load on the fuel cell 12 operated and used to fill the cache 34 ,

Eine Alternative besteht darin, im Leerlaufbetrieb des Brennstoffzellenstacks 12 den Verdichter 24 zumindest weitgehend außer Betrieb zu nehmen und die zweite elektrochemische Halbzelle 12b mit im Zwischenspeicher 34 gespeicherter komprimierter Luft zu versorgen. Auf diese Weise kann eine Abschaltung der Brennstoffzelle 12 bei Stillstand beispielsweise eines entsprechenden, das Brennstoffzellensystem 10 enthaltenden Fahrzeugs erfolgen und die damit einhergehende Stackalterung bzw. Verkürzung der Lebensdauer des Brennstoffzellenstacks 12 bei geringem Effizienzverlust vermieden werden.An alternative is to idle the fuel cell stack 12 the compressor 24 at least largely out of service and take the second electrochemical half cell 12b with in the cache 34 store stored compressed air. In this way, a shutdown of the fuel cell 12 at standstill, for example, a corresponding, the fuel cell system 10 vehicle contained and the associated stack aging or shortening the life of the fuel cell stack 12 be avoided with little loss of efficiency.

Die während des Leerlaufbetriebs im Zwischenspeicher 34 zwischengespeicherte Luft kann beispielsweise der Brennstoffzelle 12 bei hohen Lastanforderungen zusätzlich zu der bereits mittels des Verdichters 24 zur Verfügung gestellten Luft zugeführt werden oder sie kann als alleinige Luftversorgung der zweiten elektrochemischen Halbzelle 12b dienen.During idle operation in the buffer 34 cached air, for example, the fuel cell 12 at high load requirements in addition to the already using the compressor 24 supplied air or it can be used as the sole air supply of the second electrochemical half-cell 12b serve.

Grundsätzlich ist eine Befüllung des Zwischenspeichers 34 mit komprimierter Luft immer dann möglich, wenn die mittels des Verdichters 24 bereitgestellte Menge an komprimierter Luft sowohl dem aktuellen Bedarf der Brennstoffzelle 12 genügt als auch eine zusätzliche Einspeicherung im Zwischenspeicher 34 ermöglicht.Basically, a filling of the cache 34 with compressed air whenever possible by means of the compressor 24 provided amount of compressed air both the current needs of the fuel cell 12 is sufficient as well as an additional storage in the cache 34 allows.

Dies ermöglicht einen alternierenden Betrieb des Verdichters 24. So wird in Phasen einer geringen an der Brennstoffzelle 12 anliegenden Last der Verdichter 24 zugeschaltet und in Phasen hoher am Brennstoffzellenstack 12 anliegender Lasten die Leistung des Kompressors 24 heruntergefahren bzw. dieser ausgeschaltet. Der notwendige Druckaufbau im Kathodenpfad 22 erfolgt dann partiell oder ausschließlich mittels des Zwischenspeichers 34.This allows an alternate operation of the compressor 24 , Thus, in phases of low fuel cell 12 applied load of the compressor 24 switched on and in phases higher on the fuel cell stack 12 applied loads the performance of the compressor 24 shut down or turned off. The necessary pressure buildup in the cathode path 22 then takes place partially or exclusively by means of the buffer 34 ,

Die Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer oder mechanischer Energie kann anstelle einer Brennstoffzelle alternativ auch einen Verbrennungsmotor oder eine Gasturbine umfassen. So kann der Verdichter 24 bspw. auch der Aufladung eines Verbrennungsmotors dienen. Auch bei Positionierung eines Zwischenspeichers zwischen dem Verdichter 24 und einem anstelle der Brennstoffzelle 12 vorgesehenen Verbrennungsmotor bzw. einer Gasturbine, lässt sich das vorbeschriebene Betriebsverfahren im Wesentlichen unverändert bei dieser Anordnung anwenden. Es resultieren die bereits anhand von 1 erläuterten Vorteile einer Verbesserung des Gesamtwirkungsgrades der Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer oder mechanischer Energie in analoger Weise.The device for generating electrical or mechanical energy may alternatively also comprise an internal combustion engine or a gas turbine instead of a fuel cell. So can the compressor 24 For example, also serve the charging of an internal combustion engine. Also when positioning a buffer between the compressor 24 and one instead of the fuel cell 12 provided internal combustion engine or a gas turbine, the above-described operating method can apply substantially unchanged in this arrangement. It results already on the basis of 1 explained advantages of improving the overall efficiency of the device for generating electrical or mechanical energy in an analogous manner.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • - DE 102005009674 A1 [0007] DE 102005009674 A1 [0007]

Claims (11)

Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer oder mechanischer Energie, umfassend einen Reaktor (12), dem mindestens eine gasförmige Ausgangssubstanz zugeführt und in diesem umgesetzt wird unter Freisetzung der mechanischen oder elektrischen Energie, sowie mit mindestens einem dem Reaktor (12) vorgeschalteten Verdichter (24) zur Kompression der gasförmigen Ausgangssubstanz, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Verdichter (24) und dem Reaktor (12) ein Speicher (34) zur Zwischenspeicherung der komprimierten gasförmigen Ausgangssubstanz vorgesehen ist.Device for generating electrical or mechanical energy, comprising a reactor ( 12 ), to which at least one gaseous starting substance is supplied and reacted therein with the release of mechanical or electrical energy, and with at least one reactor ( 12 ) upstream compressor ( 24 ) for the compression of the gaseous starting substance, characterized in that between the compressor ( 24 ) and the reactor ( 12 ) a memory ( 34 ) is provided for the intermediate storage of the compressed gaseous starting substance. Vorrichtung nach Anspruch 1, dass die gasförmige Ausgangssubstanz Luft oder Sauerstoff ist.Device according to claim 1, characterized in that the gaseous Starting substance is air or oxygen. Vorrichtung nach Anspruch 1, dass in den Speicher (34) ein Drucksensor (40) integriert ist.Device according to claim 1, that in the memory ( 34 ) a pressure sensor ( 40 ) is integrated. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass in Strömungsrichtung der gasförmigen Ausgangssubstanz dem Reaktor (12) nachgeordnet eine Turbine (30) zur Rekuperation von Kompressionsenergie vorgesehen ist.Apparatus according to claim 2, characterized in that in the flow direction of the gaseous starting substance, the reactor ( 12 ) downstream of a turbine ( 30 ) is provided for recuperation of compression energy. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Speicher (34) mittels eines rückschlaggesicherten Dreiwegeventils (38) mit dem Verdichter (24) und dem Reaktor (12) in fluidleitendem Kontakt steht.Device according to one of claims 1 to 3, characterized in that the memory ( 34 ) by means of a check-back-protected three-way valve ( 38 ) with the compressor ( 24 ) and the reactor ( 12 ) is in fluid-conducting contact. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Zwischenspeicher (34) eine weitere Ableitung für die komprimierte gasförmige Ausgangssubstanz aufweist.Device according to one of the preceding claims, characterized in that the temporary storage ( 34 ) has a further derivative for the compressed gaseous starting substance. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Reaktor (12) eine Brennstoffzelle ist.Device according to one of the preceding claims, characterized in that the reactor ( 12 ) is a fuel cell. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Reaktor (12) ein Verbrennungsmotor oder eine Gasturbine ist.Device according to one of the preceding claims, characterized in that the reactor ( 12 ) is an internal combustion engine or a gas turbine. Verfahren zum Betrieb einer Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer oder mechanischer Energie nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Reaktor (12) zeitweilig zumindest partiell aus dem Zwischenspeicher (34) mit einer gasförmigen Ausgangssubstanz versorgt wird.Method for operating an apparatus for generating electrical or mechanical energy according to one of Claims 1 to 8, characterized in that the reactor ( 12 ) temporarily at least partially from the cache ( 34 ) is supplied with a gaseous starting substance. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdichter (24) in Phasen einer geringen am Reaktor (12) anliegenden elektrischen oder mechanischen Last betrieben wird.Method according to claim 9, characterized in that the compressor ( 24 ) in phases of low on the reactor ( 12 ) is applied adjacent electrical or mechanical load. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass eine Leistungsreduzierung oder Abschaltung des Verdichters (24) bei Vorliegen eines vorbestimmten Füllgrades des Zwischenspeichers (34) erfolgt.A method according to claim 9 or 10, characterized in that a power reduction or shutdown of the compressor ( 24 ) in the presence of a predetermined degree of filling of the buffer ( 34 ) he follows.
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