DE102023201170A1

DE102023201170A1 - Method and device for providing electrical current

Info

Publication number: DE102023201170A1
Application number: DE102023201170.0A
Authority: DE
Inventors: Victor Hugo Rangel-Hernandez; Michael Kohles; Manuel Kleinhenz; Vincent Dirk Wichard Michiel Oldenbroek; Holger Büch; Rico Westerath; Caspar Paetz
Original assignee: Hydrogenious LOHC Technologies GmbH
Current assignee: Hydrogenious Technologies GmbH
Priority date: 2023-02-13
Filing date: 2023-02-13
Publication date: 2024-08-14
Also published as: WO2024170366A1

Abstract

Ein Verfahren zum Bereitstellen von elektrischem Strom umfasst die Verfahrensschritte Zuführen eines mit Wasserstoff beladenen Trägermaterials in einen Dehydrierreaktor (3), Freisetzen von Wasserstoffgas durch Dehydrieren des Trägermaterials in dem Dehydrierreaktor (3), Zuführen von freigesetztem Wasserstoffgas in eine Brennstoffzelle (2), Umsetzen des zugeführten Wasserstoffgases in der Brennstoffzelle (2) unter Erzeugung von elektrischem Strom und Wärme, Überführen von in der Brennstoffzelle (2) erzeugter Wärme zu dem Dehydrierreaktor (3) durch thermischen Kontakt zwischen der Brennstoffzelle (2) und dem Dehydrierreaktor (3) und/oder durch Nutzung von in Abgasen der Brennstoffzelle (2) enthaltener Wärme und/oder durch Nutzung eines Wärmeträgermediums.

A method for providing electrical current comprises the method steps of feeding a carrier material loaded with hydrogen into a dehydrogenation reactor (3), releasing hydrogen gas by dehydrogenating the carrier material in the dehydrogenation reactor (3), feeding released hydrogen gas into a fuel cell (2), converting the supplied hydrogen gas in the fuel cell (2) to generate electrical current and heat, transferring heat generated in the fuel cell (2) to the dehydrogenation reactor (3) by thermal contact between the fuel cell (2) and the dehydrogenation reactor (3) and/or by using heat contained in exhaust gases of the fuel cell (2) and/or by using a heat transfer medium.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Bereitstellen von elektrischem Strom.The invention relates to a method and a device for providing electrical current.

Es ist bekannt, elektrischen Strom bereitzustellen, indem aus einem Trägermaterial freigesetztes Wasserstoffgas in einer Brennstoffzelle verstromt wird. Insbesondere für sogenannte On-Board-Anwendungen, bei welchen sowohl die Wasserstofffreisetzung als auch die Wasserstoffverstromung auf einer beweglichen Plattform wie beispielsweise einem Schiff oder einem Zug erfolgt, besteht das Bedürfnis, den Gesamtwirkungsgrad von Trägermaterial zu elektrischem Strom zu maximieren, wobei die Anwendung zuverlässig gestartet und gestoppt werden können muss und insbesondere verschiedene Betriebspunkte möglichst dynamisch angenommen werden können müssen.It is known to provide electrical power by converting hydrogen gas released from a carrier material into electricity in a fuel cell. In particular for so-called on-board applications, in which both the hydrogen release and the hydrogen electricity generation take place on a moving platform such as a ship or a train, there is a need to maximize the overall efficiency of carrier material to electrical power, whereby the application must be able to be started and stopped reliably and, in particular, different operating points must be able to be adopted as dynamically as possible.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Gesamtwirkungsgrad von Trägermaterial zu elektrischem Strom zu erhöhen und insbesondere für On-Board-Anwendungen eine zuverlässige Beeinflussung der Anwendung, insbesondere zuverlässige Startbedingungen und Stoppbedingungen zu ermöglichen.The invention is based on the object of increasing the overall efficiency of carrier material to electrical current and, in particular for on-board applications, to enable reliable influencing of the application, in particular reliable start conditions and stop conditions.

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 14.This object is achieved according to the invention by a method having the features of claim 1 and by a device having the features of claim 14.

Der Kern der Erfindung besteht darin, dass in einem Dehydrierreaktor freigesetztes Wasserstoffgas in einer Brennstoffzelle unter Erzeugung von elektrischem Strom und Wärme vorteilhaft umgesetzt werden kann, wenn in der Brennstoffzelle erzeugte Wärme dem Dehydrierreaktor zugeführt wird. Die Zuführung der Wärme von der Brennstoffzelle zu dem Dehydrierreaktor erfolgt insbesondere mittels einer Wärmeverteileinheit. Die Wärmeübertragung kann direkt erfolgen, indem der Dehydrierreaktor in direktem thermischen Kontakt an oder in einem System der Brennstoffzelle angeordnet ist. Insbesondere ist der Dehydrierreaktor direkt, also unmittelbar, an oder in der Brennstoffzelle angeordnet. Insbesondere kann eine gemeinsam genutzte Trennwand vorhanden sein, die sowohl Teil eines Gehäuses des Dehydrierreaktors als auch Teil eines Gehäuses der Brennstoffzelle ist. Insbesondere erfolgt die Wärmeübertragung durch Wärmeleitung.The core of the invention is that hydrogen gas released in a dehydrogenation reactor can be advantageously converted in a fuel cell to generate electrical current and heat if heat generated in the fuel cell is supplied to the dehydrogenation reactor. The heat is supplied from the fuel cell to the dehydrogenation reactor in particular by means of a heat distribution unit. The heat transfer can take place directly by arranging the dehydrogenation reactor in direct thermal contact with or in a system of the fuel cell. In particular, the dehydrogenation reactor is arranged directly, i.e. immediately, on or in the fuel cell. In particular, a shared partition wall can be present which is both part of a housing of the dehydrogenation reactor and part of a housing of the fuel cell. In particular, the heat transfer takes place by thermal conduction.

Wärme in der Brennstoffzelle kann auch durch die aus der Brennstoffzelle abgeführten Abgase genutzt werden. Brennstoffzellen-Abgase sind insbesondere sauerstoffreduzierte Luft, Wasser oder Wasserdampf sowie in der Brennstoffzelle nicht umgesetztes Wasserstoffgas, das auch als unverbrauchter Wasserstoff bezeichnet wird. Diese Abgase weisen eine erhöhte Temperatur auf, die insbesondere in einer Abgaseinheit als Abgas-Wärme zurückgewonnen werden kann. Dazu weist die Abgaseinheit insbesondere mindestens einen Wärmeübertrager auf, um die Abgas-Wärme der Abgase an ein Wärmeträgermedium zu übertragen und an den Dehydrierreaktor weiterzugeben, insbesondere mittels eines weiteren Wärmeübertragers.Heat in the fuel cell can also be used by the exhaust gases discharged from the fuel cell. Fuel cell exhaust gases are in particular oxygen-reduced air, water or water vapor as well as hydrogen gas that has not been converted in the fuel cell, which is also referred to as unused hydrogen. These exhaust gases have an increased temperature, which can be recovered as exhaust heat, in particular in an exhaust unit. For this purpose, the exhaust unit has in particular at least one heat exchanger in order to transfer the exhaust heat of the exhaust gases to a heat transfer medium and pass it on to the dehydrogenation reactor, in particular by means of another heat exchanger.

Ein Wärmeträgermedium kann auch genutzt werden, um in einem geschlossenen Kreis Wärme unmittelbar von der Brennstoffzelle an den Dehydrierreaktor zu übermitteln. Zusätzlich kann das Wärmeträgermedium auch genutzt werden, um weitere Wärmesenken, insbesondere externe Wärmesenken, mit Wärme zu beliefern.A heat transfer medium can also be used to transfer heat directly from the fuel cell to the dehydrogenation reactor in a closed circuit. In addition, the heat transfer medium can also be used to supply heat to other heat sinks, especially external heat sinks.

Erfindungsgemäß wurde erkannt, dass durch gezielte Verschaltung von Komponenten der Vorrichtung und/oder gezielte Steuerung und/oder Regelung von Stoffströmen und/oder Reaktionsbedingungen der Gesamtwirkungsgrad von Trägermaterial zu elektrischem Strom gesteigert werden kann, wobei die Zuverlässigkeit des Verfahrens, insbesondere des Betriebs der Brennstoffzelle, in verschiedenen Betriebsmodi gewährleistet ist. Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung eignen sich insbesondere für On-Board-Anwendungen, insbesondere auf mobilen Plattformen wie beispielsweise Zügen oder Schiffen.According to the invention, it was recognized that the overall efficiency of carrier material to electrical current can be increased by targeted interconnection of components of the device and/or targeted control and/or regulation of material flows and/or reaction conditions, whereby the reliability of the method, in particular the operation of the fuel cell, is ensured in various operating modes. The method and the device according to the invention are particularly suitable for on-board applications, in particular on mobile platforms such as trains or ships.

Als Trägermaterial dienen insbesondere flüssige organische Kohlenwasserstoffverbindungen, die auch als LOHC (liquid organic hydrogen carrier) bezeichnet werden. In einer zumindest teilweise mit Wasserstoff beladenen Form (LOHC+) kann das Trägermaterial als Perhydro-Dibenzyltoluol (H₁₈DBT), als Perhydro-Benzyltoluol (H₁₂BT), als Dicyclohexan (C₁₂H₂₂) und/oder als Methylcyclohexan (C₇H₁₄) dienen. Das Trägermaterial kann durch katalytische Dehydrierung in eine zumindest teilweise von Wasserstoff entladene Form (LOHC-) überführt und dadurch Wasserstoffgas freigesetzt werden. In der zumindest teilweise entladenen Form liegt das Trägermaterial als Dibenzyltoluol (C₂₁H₂₀), als Benzyltoluol (C₁₄H₁₄), als Biphenyl (C₁₂H₁₀) und/oder als Toluol (C₆H₅CH₃) vor.Liquid organic hydrocarbon compounds, also known as LOHC (liquid organic hydrogen carrier), are used as carrier materials in particular. In a form that is at least partially loaded with hydrogen (LOHC+), the carrier material can serve as perhydrodibenzyltoluene (H ₁₈ DBT), as perhydrobenzyltoluene (H ₁₂ BT), as dicyclohexane (C ₁₂ H ₂₂ ) and/or as methylcyclohexane (C ₇ H ₁₄ ). The carrier material can be converted into a form that is at least partially discharged of hydrogen (LOHC-) by catalytic dehydrogenation, thereby releasing hydrogen gas. In the at least partially discharged form, the carrier material is present as dibenzyltoluene (C ₂₁ H ₂₀ ), as benzyltoluene (C ₁₄ H ₁₄ ), as biphenyl (C ₁₂ H ₁₀ ) and/or as toluene (C ₆ H ₅ CH ₃ ).

Wenn das Trägermaterial zumindest teilweise beladen ist, bedeutet dies, dass es insbesondere überwiegend beladen und insbesondere vollständig beladen ist. Der Grad der Beladung wird durch den sogenannten Hydriergrad beschrieben. Das zu dehydrierende Trägermaterial weist insbesondere einen Anfangshydriergrad von mindestens 85 %, insbesondere mindestens 90 %, insbesondere mindestens 95 %, insbesondere mindestens 98 %, insbesondere mindestens 99 % und insbesondere mindestens 99,9 % auf.If the carrier material is at least partially loaded, this means that it is in particular predominantly loaded and in particular fully loaded. The degree of loading is described by the so-called degree of hydrogenation. The carrier material to be dehydrogenated has in particular an initial degree of hydrogenation of at least 85%, in particular at least 90%, in particular at least 95%, in particular at least 98%. in particular at least 99% and in particular at least 99.9%.

Die Brennstoffzelle ist insbesondere eine Festoxidbrennstoffzelle, die auch als SOFC (solid oxide fuel cell) bezeichnet wird. Die SOFC ist eine Hochtemperatur-Brennstoffzelle, die in einem Hochtemperaturbereich von 650 °C bis 1000 °C betrieben werden kann. Insbesondere wird die Brennstoffzelle in einem Temperaturbereich betrieben, der oberhalb der Dehydriertemperatur in dem Dehydrierreaktor liegt. Insbesondere wird die Brennstoffzelle bei einer Temperatur von mindestens 310 °C und insbesondere von mindestens 350 °C betrieben.The fuel cell is in particular a solid oxide fuel cell, which is also referred to as SOFC (solid oxide fuel cell). The SOFC is a high-temperature fuel cell that can be operated in a high temperature range of 650 °C to 1000 °C. In particular, the fuel cell is operated in a temperature range that is above the dehydrogenation temperature in the dehydrogenation reactor. In particular, the fuel cell is operated at a temperature of at least 310 °C and in particular of at least 350 °C.

Ein Verfahren gemäß Anspruch 2 ermöglicht die effiziente Nutzung von Wärme für den Dehydrierreaktor. In dem Dehydrierreaktor freigesetztes Wasserstoffgas wird zumindest anteilig einer Brenneinheit zugeführt und dort verbrannt und/oder katalytisch verwertet. Dieser Anteil beträgt insbesondere höchstens 50 %, insbesondere zwischen 1 % und 30 % und insbesondere zwischen 5 % und 15 % des in dem Dehydrierreaktor freigesetzten Wasserstoffgases. In der Brenneinheit wird Wasserstoffgas als Brennstoff thermisch verwertet. Die dabei entstehende Wärme wird vorteilhafter Weise an den Dehydrierreaktor zurückübertragen, insbesondere unter Nutzung der Wärmeverteileinheit.A method according to claim 2 enables the efficient use of heat for the dehydrogenation reactor. Hydrogen gas released in the dehydrogenation reactor is at least partially fed to a combustion unit and burned and/or catalytically utilized there. This proportion is in particular at most 50%, in particular between 1% and 30% and in particular between 5% and 15% of the hydrogen gas released in the dehydrogenation reactor. Hydrogen gas is thermally utilized as fuel in the combustion unit. The heat generated in this process is advantageously transferred back to the dehydrogenation reactor, in particular using the heat distribution unit.

Der der Brenneinheit zugeführte Volumenstrom an Wasserstoffgas kann insbesondere dadurch unmittelbar beeinflusst werden, dass zumindest ein Teilstrom des Wasserstoffgases an der Brennstoffzelle vorbeigeführt wird, insbesondere mittels einer Bypass-Leitung. Es wird also ein Teilstrom definiert, der gezielt nicht zur Umsetzung in der Brennstoffzelle vorgesehen ist. Der an der Brennstoffzelle vorbeigeführte Teilstrom beträgt höchstens 50 %, insbesondere höchstens 30 % und insbesondere zwischen 1 % und 10 % des in dem Dehydrierreaktor freigesetzten Wasserstoffgases. The volume flow of hydrogen gas supplied to the combustion unit can be directly influenced in particular by at least a partial flow of the hydrogen gas being guided past the fuel cell, in particular by means of a bypass line. A partial flow is therefore defined which is deliberately not intended for conversion in the fuel cell. The partial flow guided past the fuel cell amounts to at most 50%, in particular at most 30% and in particular between 1% and 10% of the hydrogen gas released in the dehydrogenation reactor.

Zusätzlich oder alternativ kann zumindest ein Teil des freigesetzten Wasserstoffgases dem Dehydrierreaktor erneut zugeführt werden, insbesondere durch Beimischen in die Reaktionsedukte des Dehydrierreaktors, also insbesondere in LOHC+. Das Beimischen erfolgt insbesondere mittels einer Druckerhöhungseinheit, insbesondere in Form eines Schraubenverdichters. Der Schraubenverdichter ist insbesondere dem Dehydrierreaktor vorgelagert angeordnet und ermöglicht die Zuführung von LOHC+ und rückgeführtem Wasserstoffgas aus dem Dehydrierreaktor.Additionally or alternatively, at least part of the released hydrogen gas can be fed back into the dehydrogenation reactor, in particular by mixing it into the reaction educts of the dehydrogenation reactor, i.e. in particular into LOHC+. The mixing takes place in particular by means of a pressure boosting unit, in particular in the form of a screw compressor. The screw compressor is arranged in particular upstream of the dehydrogenation reactor and enables the supply of LOHC+ and recycled hydrogen gas from the dehydrogenation reactor.

Ein Verfahren gemäß Anspruch 3 ermöglicht die Nutzung zusätzlicher, insbesondere unabhängig verfügbarer, Brennstoffe zur Wärmeerzeugung, insbesondere unabhängig von Wasserstoffgas. Als zusätzliche Brennstoffe können beispielsweise LOHC+, LOHC- und/oder fossile Treibstoffe wie Diesel dienen. Diese zusätzlichen Treibstoffe können insbesondere in einer Notfallsituation verbrannt werden, um beispielsweise einen Kaltstart der Vorrichtung zu ermöglichen, beispielsweise bei einem Schiff auf hoher See. Die initiale Bereitstellung von elektrischem Strom, insbesondere beim Starten der Vorrichtung, ist dadurch vereinfacht. Dazu weist die Brenneinheit insbesondere mindestens eine Brennkammer auf, in der Wasserstoffgas und/oder die zusätzlichen Brennstoffe verbrannt werden können. Es ist auch denkbar, dass eine Brenneinheit mehrere Brennkammern aufweist, die jeweils zum Verbrennen unterschiedlicher Brennstoffe ausgeführt sind. Da die Brenneinheit an die Wärmeverteileinheit angeschlossen ist, kann die in der Brenneinheit erzeugte Wärme vorteilhaft in der Vorrichtung verteilt und insbesondere dem Dehydrierreaktor zugeführt werden.A method according to claim 3 enables the use of additional, in particular independently available, fuels for generating heat, in particular independently of hydrogen gas. Additional fuels can be, for example, LOHC+, LOHC- and/or fossil fuels such as diesel. These additional fuels can be burned in particular in an emergency situation, for example to enable a cold start of the device, for example on a ship on the high seas. The initial provision of electrical power, in particular when starting the device, is thereby simplified. For this purpose, the combustion unit in particular has at least one combustion chamber in which hydrogen gas and/or the additional fuels can be burned. It is also conceivable for a combustion unit to have several combustion chambers, each of which is designed to burn different fuels. Since the combustion unit is connected to the heat distribution unit, the heat generated in the combustion unit can advantageously be distributed in the device and in particular fed to the dehydrogenation reactor.

In der mindestens einen Brennkammer wird der Brennstoff insbesondere bei offener Flamme verbrannt. Alternativ ist die Brennkammer als katalytischer Brenner ausgeführt. Die Regelung des Verfahrens erfolgt insbesondere derart, dass der weitere Brennstoff der Brenneinheit dann zugeführt wird, wenn eine externe Wärmezufuhr deshalb erforderlich ist, weil das freigesetzte Wasserstoffgas allein nicht ausreicht, um den Strombedarf und/oder den Wärmebedarf der Vorrichtung durch die Umsetzung des Wasserstoffgases in der Brennstoffzelle zu decken.In the at least one combustion chamber, the fuel is burned in particular with an open flame. Alternatively, the combustion chamber is designed as a catalytic burner. The method is controlled in particular in such a way that the additional fuel is supplied to the combustion unit when an external heat supply is required because the hydrogen gas released alone is not sufficient to cover the power requirement and/or the heat requirement of the device through the conversion of the hydrogen gas in the fuel cell.

Zusätzlich oder alternativ können weitere, externe Wärmequellen genutzt werden, insbesondere ein Wasserstoffverbrennungsmotor und/oder eine Wasserstoffturbine, wobei dafür benötigtes Wasserstoffgas insbesondere unmittelbar aus dem Dehydrierreaktor stammt.Additionally or alternatively, other external heat sources can be used, in particular a hydrogen combustion engine and/or a hydrogen turbine, whereby the hydrogen gas required for this comes in particular directly from the dehydrogenation reactor.

Zusätzlich oder alternativ kann an die Wärmeverteileinheit auch eine externe Wärmesenke angeschlossen sein, insbesondere in Form eines Wärmespeichers. Dadurch ist es möglich, insbesondere überschüssige, Wärme, die zu einem ersten Zeitpunkt anfällt, zu speichern und zu einem späteren zweiten Zeitpunkt, bei dem ein Wärmebedarf existiert, wieder freizugeben.Additionally or alternatively, an external heat sink can also be connected to the heat distribution unit, in particular in the form of a heat storage unit. This makes it possible to store excess heat that is generated at a first point in time and to release it again at a later point in time when there is a need for heat.

Ein Verfahren gemäß Anspruch 4 ermöglicht die Regelung des elektrischen Stroms in Abhängigkeit der Dehydrierreaktion. Insbesondere kann durch eine Beeinflussung der Prozessparameter wie Reaktionstemperatur und Reaktionsdruck in dem Dehydrierreaktor der Volumenstrom des aus dem Dehydrierreaktor abgeführten Wasserstoffgases beeinflusst werden. Zusätzlich oder alternativ können auch der Volumenstrom des in den Dehydrierreaktor zugeführten Trägermaterials LOHC+ und/oder der Volumenstrom des aus dem Dehydrierreaktor abgeführten Trägermaterials LOHC- für die Regelung des Volumenstroms des freigesetzten Wasserstoffgases genutzt werden. Zusätzlich oder alternativ ist es auch denkbar, zumindest teilweise dehydriertes Trägermaterial LOHC- in den Dehydrierreaktor zurückzuführen, um den effektiven Hydriergrad des in den Dehydrierreaktor zugeführten Trägermaterials zu verändern, insbesondere zu reduzieren.A method according to claim 4 enables the control of the electric current depending on the dehydrogenation reaction. In particular, by influencing the process parameters such as reaction temperature and reaction pressure in the dehydrogenation reactor, the volume flow of the hydrogen gas discharged from the dehydrogenation reactor can be influenced. Additionally or alternatively, the volume flow of the carrier material LOHC+ and/or the volume flow of the LOHC carrier material discharged from the dehydrogenation reactor can be used to regulate the volume flow of the hydrogen gas released. Additionally or alternatively, it is also conceivable to return at least partially dehydrogenated LOHC carrier material to the dehydrogenation reactor in order to change, in particular to reduce, the effective degree of hydrogenation of the carrier material fed into the dehydrogenation reactor.

Ein Verfahren gemäß Anspruch 5 ermöglicht zusätzliche Einflussmöglichkeiten bei der Regelung des elektrischen Stroms. Bei einer ersten Variante wird das Verhältnis von Wärme-zu-Strom-Erzeugung des in der Brennstoffzelle umgesetzten Wasserstoffgases für die Regelung zugrunde gelegt. Insbesondere wird das in der Brennstoffzelle nicht umgesetzte Wasserstoffgas bei der Regelung nicht berücksichtigt. Dieses Verfahren ist besonderes unkompliziert und unterscheidet sich insbesondere von einem Verfahren gemäß der EP 3 375 034 A1 .A method according to claim 5 allows additional possibilities for influencing the regulation of the electric current. In a first variant, the ratio of heat to electricity generation of the hydrogen gas converted in the fuel cell is used as the basis for the regulation. In particular, the hydrogen gas not converted in the fuel cell is not taken into account in the regulation. This method is particularly uncomplicated and differs in particular from a method according to the EP 3 375 034 A1 .

Das Verhältnis von Wärme zu Strom kann insbesondere durch Steuerung und/oder Regelung von Temperatur und/oder Druck in der Brennstoffzelle beeinflusst werden. Zusätzlich oder alternativ kann eine Lastvariation der Brennstoffzelle eine Veränderung des Wärme-zu-Strom-Verhältnisses bewirken.The ratio of heat to electricity can be influenced in particular by controlling and/or regulating temperature and/or pressure in the fuel cell. Additionally or alternatively, a load variation of the fuel cell can cause a change in the heat-to-electricity ratio.

Die Lastvariation erfolgt insbesondere in einem Brennstoffzellensystem mit mehreren, insbesondere identisch ausgeführten, Brennstoffzellen. Es wurde erkannt, dass eine erforderliche Gesamtlast des Brennstoffzellensystems erreicht werden kann, wobei die einzelnen Brennstoffzellen des Brennstoffzellensystems unterschiedlich betrieben werden können. Bei gleichmäßigem Betrieb, also identischen Betriebsweisen der einzelnen Brennstoffzellen, ist deren Verlustwärme jeweils vergleichsweise reduziert und es ergibt sich ein vergleichsweise höherer Anteil der Stromerzeugung, sodass das Verhältnis von Wärme zu Strom reduziert ist. Insbesondere dient die Verlustwärme der Brennstoffzellen für eine zusätzliche Wärmezufuhr zu der Wärmeverteileinheit, insbesondere zu dem Dehydrierreaktor. Alternativ können eine oder wenige der Brennstoffzellen mit verschiedenen Leistungen betrieben werden, wobei Brennstoffzellen, die mit erhöhter Leistung betrieben werden, einen überproportional hohen Wärmeausstoß haben. In diesem Fall werden die Brennstoffzellen ungleichmäßig betrieben, woraus ein höherer Anteil der Wärmeerzeugung aufgrund erhöhter Verlustwärme resultiert. Entsprechend ist bei einer ungleichmäßigen Lastaufteilung das Wärme-zu-Strom-Verhältnis erhöht.The load variation occurs in particular in a fuel cell system with several, in particular identically designed, fuel cells. It has been recognized that a required total load of the fuel cell system can be achieved, whereby the individual fuel cells of the fuel cell system can be operated differently. With uniform operation, i.e. identical operating modes of the individual fuel cells, their heat loss is comparatively reduced and a comparatively higher proportion of electricity generation results, so that the ratio of heat to electricity is reduced. In particular, the heat loss of the fuel cells serves to provide additional heat to the heat distribution unit, in particular to the dehydrogenation reactor. Alternatively, one or a few of the fuel cells can be operated with different power outputs, whereby fuel cells that are operated with increased power have a disproportionately high heat output. In this case, the fuel cells are operated unevenly, which results in a higher proportion of heat generation due to increased heat loss. Accordingly, with an uneven load distribution, the heat-to-electricity ratio is increased.

Gemäß einer zweiten Variante kann der elektrische Strom auch in Abhängigkeit eines Verhältnisses der Abgas-Wärme zu der Wärme, die direkt aus der Brennstoffzelle abführbar ist, definiert werden. Wärme, die direkt aus der Brennstoffzelle abführbar ist, wird auch als Direkt-Wärme bezeichnet und betrifft die Wärmeübertragung durch Wärmeleitung und/oder durch Nutzung des Wärmeträgermediums. Das Verhältnis von Abgas-Wärme zu Direkt-Wärme wird insbesondere durch die stöchiometrischen Verhältnisse von Sauerstoff in der Brennstoffzelle geregelt. Die Sauerstoffzufuhr erfolgt insbesondere durch Zufuhr von Luft, insbesondere Umgebungsluft. Insbesondere dient das Maß der überstöchiometrischen Zufuhr von Sauerstoff und/oder Luft in die Brennstoffzelle als Regelungsparameter. Dieses überstöchiometrische Verhältnis wird auch als Lambda bezeichnet und ist vorzugsweise kleinstmöglich gewählt bei maximal möglicher Abfuhr von Direkt-Wärme, sodass das für den zuverlässigen Betrieb der Brennstoffzelle erforderliche Temperaturniveau gerade zuverlässig eingehalten wird.According to a second variant, the electric current can also be defined as a function of a ratio of the exhaust heat to the heat that can be dissipated directly from the fuel cell. Heat that can be dissipated directly from the fuel cell is also referred to as direct heat and relates to heat transfer through heat conduction and/or through use of the heat transfer medium. The ratio of exhaust heat to direct heat is regulated in particular by the stoichiometric ratios of oxygen in the fuel cell. The oxygen supply takes place in particular by supplying air, in particular ambient air. In particular, the degree of the superstoichiometric supply of oxygen and/or air into the fuel cell serves as a control parameter. This superstoichiometric ratio is also referred to as lambda and is preferably selected to be as small as possible with the maximum possible dissipation of direct heat, so that the temperature level required for the reliable operation of the fuel cell is reliably maintained.

Insbesondere ist Lambda kleiner als 10, insbesondere kleiner als 5, insbesondere kleiner als 2 und insbesondere kleiner als 1,5. Insbesondere ist Lambda größer als 0.In particular, lambda is less than 10, in particular less than 5, in particular less than 2 and in particular less than 1.5. In particular, lambda is greater than 0.

Insbesondere werden mindestens 40 % der Abwärme der Brennstoffzelle als Direkt-Wärme abgegeben, insbesondere mindestens 50 % und insbesondere mindestens 60 %.In particular, at least 40% of the waste heat from the fuel cell is released as direct heat, in particular at least 50% and in particular at least 60%.

Eine Mindesttemperatur in der Brennstoffzelle beträgt insbesondere zwischen 600 °C und 1000 °C.A minimum temperature in the fuel cell is in particular between 600 °C and 1000 °C.

Ein Verfahren gemäß Anspruch 6 ermöglicht eine effizientere Umsetzung des Wasserstoffgases in der Brennstoffzelle. Das in einer Konditionierungseinheit gereinigte Wasserstoffgas weist reduzierte Schadstoffanteile und/oder Verunreinigungen auf, die die Effizienz der Verstromung in der Brennstoffzelle entgegenstehen könnten. Mit der Konditionierungseinheit wird eine chemische und/oder physikalische Reinigung des Wasserstoffgases ermöglicht, insbesondere durch Wechseladsorption, insbesondere Druckwechsel- und/oder Temperaturwechseladsorption. Bei der Wechseladsorption wird ein Adsorbens mit Verunreinigungen beladen.A method according to claim 6 enables a more efficient conversion of the hydrogen gas in the fuel cell. The hydrogen gas purified in a conditioning unit has reduced pollutant levels and/or impurities that could impair the efficiency of the electricity generation in the fuel cell. The conditioning unit enables a chemical and/or physical purification of the hydrogen gas, in particular by alternating adsorption, in particular pressure swing and/or temperature swing adsorption. In alternating adsorption, an adsorbent is loaded with impurities.

Es ist insbesondere möglich, Wasserstoffgas aus dem Dehydrierreaktor gereinigt und/oder ungereinigt, insbesondere in gemischter Form, der Brennstoffzelle zuzuführen.In particular, it is possible to supply hydrogen gas from the dehydrogenation reactor to the fuel cell in purified and/or unpurified form, in particular in mixed form.

Ein Verfahren gemäß Anspruch 7 ermöglicht eine zusätzliche, besonders effiziente Wärmegewinnung. Nach fortschreitender Nutzungsdauer des Adsorbens kann dieses einen Sättigungszustand erreichen, der es erforderlich macht, die Verunreinigungen wieder von dem Adsorbens zu lösen. Dazu dient insbesondere ein Spülgas, bei dem es sich beispielsweise um gereinigtes Wasserstoffgas aus der Konditionierungseinheit und/oder wasserstoffgashaltiges Spülgas handelt. Durch das Spülen des Adorbens werden die abgetrennten Verunreinigungen von dem Adsorbens durch das Spülgas aufgenommen. Es wurde gefunden, dass sich eine besonders effiziente Wärmegewinnung dadurch ergibt, dass das Spülgas der Brenneinheit zugeführt und dort thermisch verwertet wird. Das Spülgas kann vorteilhaft zur zusätzlichen Wärmegewinnung genutzt werden. Der Gesamtwirkungsgrad des Verfahrens ist dadurch erhöht.A method according to claim 7 enables additional, particularly efficient heat recovery. As the adsorbent's service life progresses, it can reach a saturation state, which makes it necessary to remove the impurities from the adsorbent. A purge gas is used for this purpose, in particular, which is for example purified hydrogen gas from the conditioning unit and/or hydrogen gas-containing purge gas. By purging the adsorbent, the separated impurities are absorbed by the purge gas. It has been found that particularly efficient heat recovery is achieved by feeding the purge gas to the combustion unit and using it thermally there. The purge gas can be used advantageously for additional heat recovery. The overall efficiency of the process is thereby increased.

Es ist insbesondere möglich, die Menge des im Spülgas enthaltenen Wasserstoffgases für die Regelung der Wärmezufuhr an den Dehydrierreaktor zu berücksichtigen, also die Menge des im Spülgas enthaltenen Wasserstoffgases zu regeln. Insbesondere wird die Menge des im Spülgas enthaltenen Wasserstoffgases höchstens so groß gewählt, wie es für die Deckung des Wärmebedarfs des Dehydrierreaktors notwendig ist.In particular, it is possible to take into account the amount of hydrogen gas contained in the purge gas for regulating the heat supply to the dehydrogenation reactor, i.e. to regulate the amount of hydrogen gas contained in the purge gas. In particular, the amount of hydrogen gas contained in the purge gas is selected to be no more than is necessary to cover the heat requirement of the dehydrogenation reactor.

Ein Verfahren gemäß Anspruch 8 ermöglicht eine effiziente Nutzung von Wasserstoffgas, das in der Brennstoffzelle nicht umgesetzt worden ist. Dieses Wasserstoffgas wird auch als ungenutztes Wasserstoffgas bezeichnet und kann vorteilhaft der Brenneinheit und/oder dem Dehydrierreaktor zugeführt werden. Durch die Verbrennung des ungenutzten Wasserstoffgases kann unmittelbar Wärme erzeugt werden. Das ungenutzte Wasserstoffgas kann auch anderen Wärmequellen, insbesondere einem Wasserstoffgasverbrennungsmotor und/oder einer Wasserstoffgasturbine zugeführt werden. Dadurch ergeben sich zusätzliche Wärmepotentiale.A method according to claim 8 enables efficient use of hydrogen gas that has not been converted in the fuel cell. This hydrogen gas is also referred to as unused hydrogen gas and can advantageously be fed to the combustion unit and/or the dehydrogenation reactor. Heat can be generated directly by burning the unused hydrogen gas. The unused hydrogen gas can also be fed to other heat sources, in particular a hydrogen gas combustion engine and/or a hydrogen gas turbine. This results in additional heat potential.

Wenn das ungenutzte Wasserstoffgas dem Dehydrierreaktor zurückgeführt wird, wird er insbesondere in Reaktionsedukten für den Dehydrierreaktor, insbesondere LOHC+, beigemischt. Dazu dient insbesondere die Druckerhöhungseinheit, insbesondere in Form des Schraubenverdichters.When the unused hydrogen gas is returned to the dehydrogenation reactor, it is mixed in particular into reaction educts for the dehydrogenation reactor, in particular LOHC+. The pressure boosting unit, in particular in the form of the screw compressor, is used for this purpose.

Ein Verfahren gemäß Anspruch 9 ermöglicht eine zusätzliche und unabhängige Speicherfunktion, indem nicht benötigtes und/oder überschüssiges Wasserstoffgas, insbesondere in Form von in der Brennstoffzelle nicht umgesetztes Wasserstoffgas und/oder von dem Dehydrierreaktor freigesetztes Wasserstoffgas, einem Hydrierreaktor zugeführt wird. Dieses, insbesondere überschüssige, Wasserstoffgas kann zur Hydrierung von zumindest teilweise dehydriertem Trägermaterial LOHC- dienen. Das beladene Wasserstoffträgermedium LOHC+ kann für spätere Dehydriervorgänge verwendet werden. Besonders vorteilhaft ist es, wenn Abwärme der exothermen Hydrierreaktion für die Dehydrierreaktion an dem Dehydrierreaktor abgeführt und dort genutzt werden kann.A method according to claim 9 enables an additional and independent storage function by supplying unused and/or excess hydrogen gas, in particular in the form of hydrogen gas not converted in the fuel cell and/or hydrogen gas released by the dehydrogenation reactor, to a hydrogenation reactor. This, in particular excess, hydrogen gas can be used to hydrogenate at least partially dehydrogenated carrier material LOHC-. The loaded hydrogen carrier medium LOHC+ can be used for subsequent dehydrogenation processes. It is particularly advantageous if waste heat from the exothermic hydrogenation reaction can be dissipated for the dehydrogenation reaction at the dehydrogenation reactor and used there.

Ein Verfahren gemäß Anspruch 10 ermöglicht eine effiziente und insbesondere unmittelbare Regelung der Stromerzeugung in der Brennstoffzelle. Ungenutztes Wasserstoffgas kann unmittelbar der Brennstoffzelle zurückgeführt werden. Dadurch ist es möglich, eine fortwährende Verstromung zu gewährleisten, ohne dass zusätzlich eine Dehydrierung erfolgen muss. Für die Rückführung des Wasserstoffgases in die Brennstoffzelle dient insbesondere eine Rückführleitung, die insbesondere einen Wasserstoffgaspufferspeicher aufweisen kann, um Wasserstoffgas zumindest vorrübergehend zwischenzuspeichern. Damit kann die Dynamik des Verfahrens besser geregelt werden. Zusätzlich oder alternativ kann entlang der Rückführleitung eine Reinigungseinheit und/oder eine Konditionierungseinheit angeordnet sein. Es kann sich dabei insbesondere auch um die ohnehin bereits vorhandene Konditionierungseinheit handeln.A method according to claim 10 enables efficient and, in particular, direct control of the power generation in the fuel cell. Unused hydrogen gas can be returned directly to the fuel cell. This makes it possible to ensure continuous power generation without additional dehydrogenation having to take place. A return line, which can in particular have a hydrogen gas buffer storage unit in order to at least temporarily store hydrogen gas, is used to return the hydrogen gas to the fuel cell. This allows the dynamics of the process to be better controlled. Additionally or alternatively, a cleaning unit and/or a conditioning unit can be arranged along the return line. This can in particular also be the conditioning unit that is already present.

Es wurde insbesondere gefunden, dass das Verhältnis von genutztem zu ungenutztem Wasserstoffgas in der Brennstoffzelle geregelt werden kann, indem Kathodenabgas der Brennstoffzelle in die Brennstoffzelle rückgeführt wird. Unter Kathodenabgas wird in der Brennstoffzelle sauerstoffreduzierte Restluft verstanden. Wenn die sauerstoffreduzierte Restluft erneut der Brennstoffzelle zugeführt wird, sinkt die Sauerstoffkonzentration in der Brennstoffzelle, sodass weniger Wasserstoffgas in der Brennstoffzelle zu Strom und Wärme umgesetzt wird.In particular, it was found that the ratio of used to unused hydrogen gas in the fuel cell can be regulated by feeding cathode exhaust gas from the fuel cell back into the fuel cell. Cathode exhaust gas is understood to be oxygen-reduced residual air in the fuel cell. When the oxygen-reduced residual air is fed back into the fuel cell, the oxygen concentration in the fuel cell drops, so that less hydrogen gas is converted into electricity and heat in the fuel cell.

Je höher die Menge des rezirkulierten Kathodenabgases ist, desto geringer ist die umgesetzte Menge an Wasserstoffgas in der Brennstoffzelle.The higher the amount of recirculated cathode exhaust gas, the lower the amount of hydrogen gas converted in the fuel cell.

Ein Verfahren gemäß Anspruch 11 oder 12 ermöglicht einen schonenden Betrieb der Brennstoffzelle. Durch die Zuführung von Wasserdampf zu dem Wasserstoffgas, das der Brennstoffzelle zuzuführen ist, kann das Dampf-zu-Kohlenstoffverhältnis des verunreinigten Wasserstoffgases geregelt werden. Der dafür verwendete Wasserdampf ist insbesondere aus einem wasserhaltigen Abgas aus der Brennstoffzelle gewonnen. Durch die Erhöhung des Dampf-zu-Kohlenstoff-Verhältnisses wird die Reformation von Kohlenstoffverbindungen zu Synthesegas, gefördert, um die Haltbarkeit der Brennstoffzelle zu verbessern. Insbesondere wurde gefunden, dass die Menge an Kohlenstoffverbindungen im Wasserstoffstrom gemessen oder zumindest abgeschätzt werden kann, um die Zufuhr von Wasserdampf in die Anodengaszirkulation zu regeln. Es wurde gefunden, dass zu Gunsten des Gesamtwirkungsgrads von Trägermaterial zu elektrischem Strom die Zuführung des Wasserdampfes in die Anodengaszirkulation möglichst gering gehalten wird, sodass eine akzeptable Degradierung der Brennstoffzelle gerade noch zuverlässig gewährleistet wird. Insbesondere beträgt der Volumenanteil des Wasserdampfes bezogen auf den Gesamtstrom höchstens 50 %.A method according to claim 11 or 12 enables gentle operation of the fuel cell. By supplying water vapor to the hydrogen gas that is to be supplied to the fuel cell, the steam-to-carbon ratio of the contaminated hydrogen gas can be regulated. The water vapor used for this is obtained in particular from a water-containing exhaust gas from the fuel cell. By increasing the steam-to-carbon ratio, the reformation of carbon compounds to synthesis gas is promoted in order to improve the durability of the fuel cell. In particular, it was found that the amount of carbon compounds in the hydrogen stream can be measured or at least estimated in order to regulate the supply of water vapor to the anode gas circulation. It was found that in favor of the overall efficiency of carrier material to electrical current, the supply of water vapor to the anode gas circulation is kept as low as possible, so that an acceptable degradation of the fuel cell is just reliably guaranteed. In particular, the volume fraction of water vapor in relation to the total flow is not more than 50%.

Ein Verfahren gemäß Anspruch 13 erweitert die Flexibilität bei der Regelung der Dynamik des Verfahrens. Zwischengespeicherte Energie kann jederzeit angefordert werden, um elektrische Verbraucher zu betreiben, insbesondere um das Anfahrverhalten der Vorrichtung zu verbessern. Energie kann in einer Batterie und/oder als Wasserstoffgas in dem Wasserstoffgaspufferspeicher und/oder als LOHC+ nach erneuter Hydrierung mit überschüssigem Wasserstoffgas in dem Hydrierreaktor vorhanden sein.A method according to claim 13 increases the flexibility in controlling the dynamics of the method. Intermediately stored energy can be requested at any time to operate electrical consumers, in particular to improve the start-up behavior of the device. Energy can be present in a battery and/or as hydrogen gas in the hydrogen gas buffer storage and/or as LOHC+ after renewed hydrogenation with excess hydrogen gas in the hydrogenation reactor.

Alternativ ist es möglich, dass die Dynamik bei der Bereitstellung des elektrischen Stroms durch die Leistung des Dehydrierreaktors, also die Menge an freigesetztem Wasserstoffgas, geregelt wird. Die Regelung des bereitgestellten elektrischen Stroms erfolgt insbesondere derart, dass ein maximaler Wirkungsgrad von Trägermaterial zu Strom erzielt wird, insbesondere momentan oder als Mittelwert über einen definierten Zeitraum, und/oder dass der Sekundärenergieverbrauch minimal ist, und/oder dass das Verfahren eine geschwindigkeitsoptimierte Dynamik aufweist, und/oder dass das Verfahren reduzierte, insbesondere minimale, CO₂-Emissionen aufweist. Sekundärenergieverbrauch bedeutet, dass in der Brenneinheit externe Kraftstoffe verbrannt werden und/oder elektrische Energie aus dem Energiespeicher, also aus der Batterie, entnommen wird. Ein Verfahren weist eine schnelle Dynamik auf, wenn neue Betriebspunkte kurzfristig erreicht werden können, insbesondere in weniger als 30 Minuten, insbesondere in weniger als 15 Minuten, insbesondere in weniger als 10 Minuten, insbesondere in weniger als einer Minute und insbesondere in weniger als 10 Sekunden.Alternatively, it is possible that the dynamics in the provision of the electrical current are regulated by the output of the dehydrogenation reactor, i.e. the amount of hydrogen gas released. The regulation of the electrical current provided is carried out in particular in such a way that a maximum efficiency of carrier material to electricity is achieved, in particular instantaneously or as an average over a defined period of time, and/or that the secondary energy consumption is minimal, and/or that the process has speed-optimized dynamics, and/or that the process has reduced, in particular minimal, _CO2 emissions. Secondary energy consumption means that external fuels are burned in the combustion unit and/or electrical energy is taken from the energy storage device, i.e. from the battery. A process has fast dynamics if new operating points can be reached at short notice, in particular in less than 30 minutes, in particular in less than 15 minutes, in particular in less than 10 minutes, in particular in less than one minute and in particular in less than 10 seconds.

Eine Vorrichtung gemäß Anspruch 14 weist im Wesentlichen die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens auf, worauf hiermit verwiesen wird. A device according to claim 14 essentially has the advantages of the method according to the invention, to which reference is hereby made.

Eine Wärmeverteileinheit ist insbesondere vorteilhaft dazu ausgeführt, Wärme, die in der Brennstoffzelle erzeugt worden ist, an den Dehydrierreaktor zu übertragen.A heat distribution unit is particularly advantageously designed to transfer heat generated in the fuel cell to the dehydrogenation reactor.

Eine Vorrichtung gemäß Anspruch 15 vereinfacht die Steuerung und/oder die Regelung der Vorrichtung. Die Steuerungs-/Regelungseinheit ist mit allen relevanten Komponenten der Vorrichtung in Signalverbindung, insbesondere in bidirektionaler Signalverbindung. Die Signalverbindung kann kabellos und/oder kabelgebunden erfolgen. Insbesondere ist die Steuerungs-/Regelungseinheit in bidirektionaler Signalverbindung mit dem Dehydrierreaktor, der Brennstoffzelle, der Brenneinheit, der Konditionierungseinheit, der Wärmeverteileinheit und der Abgaseinheit. Zusätzlich kann die Steuerungs-/Regelungseinheit mit Sensoren, die Prozessparameter in den Komponenten erfassen, in Signalverbindung stehen. Zusätzlich kann die Steuerungs-/Regelungseinheit mit fluidströmungsbeeinflussenden Komponenten, insbesondere Ventile, Pumpen und/oder Absperrelementen in Signalverbindung stehen, um insbesondere einen automatisierbaren Ablauf des Verfahrens zu ermöglichen.A device according to claim 15 simplifies the control and/or regulation of the device. The control/regulation unit is in signal connection with all relevant components of the device, in particular in bidirectional signal connection. The signal connection can be wireless and/or wired. In particular, the control/regulation unit is in bidirectional signal connection with the dehydrogenation reactor, the fuel cell, the combustion unit, the conditioning unit, the heat distribution unit and the exhaust gas unit. In addition, the control/regulation unit can be in signal connection with sensors that record process parameters in the components. In addition, the control/regulation unit can be in signal connection with components that influence fluid flow, in particular valves, pumps and/or shut-off elements, in order to enable an automated sequence of the method.

Eine Vorrichtung gemäß Anspruch 16 ermöglicht eine verbesserte Wärmeerzeugung. Vorteilhaft ist es, wenn die Brenneinheit mehrere Brennkammern umfasst. Dadurch können verschiedene Brennstoffe effizient zur Wärmeerzeugung genutzt werden.A device according to claim 16 enables improved heat generation. It is advantageous if the combustion unit comprises several combustion chambers. This allows different fuels to be used efficiently to generate heat.

Eine Vorrichtung gemäß Anspruch 17 ermöglicht einerseits die Bereitstellung von Wasserstoffgas erhöhter Reinheit und andererseits die effiziente Nutzung von Verunreinigungen aufweisendem Spülgases zur Wärmeerzeugung.A device according to claim 17 enables, on the one hand, the provision of hydrogen gas of increased purity and, on the other hand, the efficient use of purge gas containing impurities for heat generation.

Sowohl die in den Patentansprüchen angegebenen Merkmale als auch die in dem Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung angegebenen Merkmale sind jeweils für sich alleine oder in Kombination miteinander geeignet, den erfindungsgemäßen Gegenstand weiterzubilden. Die jeweiligen Merkmalskombinationen stellen hinsichtlich der Weiterbildung des Erfindungsgegenstands keine Einschränkung dar, sondern weisen im Wesentlichen lediglich beispielhaften Charakter auf.Both the features specified in the patent claims and the features specified in the embodiment of a device according to the invention are suitable, either alone or in combination with one another, for developing the subject matter according to the invention. The respective combinations of features do not represent any restriction with regard to the development of the subject matter of the invention, but essentially only have an exemplary character.

Weitere Merkmale, Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung. Es zeigen:

1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.

Further features, advantages and details of the invention emerge from the following description of embodiments based on the drawing. They show:

1 a schematic representation of a device according to the invention.

Eine in 1 insgesamt mit 1 gekennzeichnete Vorrichtung dient zum Bereitstellen von elektrischem Strom durch das Umsetzen von Wasserstoffgas in einer Brennstoffzelle 2. Die Brennstoffzelle 2 ist insbesondere eine SOFC-Brennstoffzelle, könnte aber auch durch eine andersartige Brennstoffzelle ausgeführt sein. Es ist insbesondere möglich, ein Brennstoffzellensystem mit mehreren Brennstoffzellen 2 zur Verfügung zu stellen, wobei die einzelnen Brennstoffzellen 2 des Brennstoffzellensystems gleichartig, also gleichen Typs und/oder andersartig, unterschiedlichen Typs ausgeführt sein können. Die gleichartigen Brennstoffzellen 2 können insbesondere identischen dimensioniert ausgeführt sein, also mit gleichen Leistungswerten.One in 1 The device, which is marked with 1 overall, serves to provide electrical current by converting hydrogen gas in a fuel cell 2. The fuel cell 2 is in particular an SOFC fuel cell, but could also be implemented by a different type of fuel cell. It is in particular possible to provide a fuel cell system with several fuel cells 2, whereby the individual fuel cells 2 of the fuel cell system can be of the same type, i.e. of the same type, and/or of a different type. The similar fuel cells 2 can in particular be of identical dimensions, i.e. with the same performance values.

Die Vorrichtung 1 umfasst einen Dehydrierreaktor 3, in dem mit Wasserstoff beladenes Trägermaterial LOHC+ katalytisch dehydriert werden kann. Infolge der katalytischen Dehydrierreaktion wird Wasserstoffgas freigesetzt.The device 1 comprises a dehydrogenation reactor 3 in which hydrogen-loaded carrier material LOHC+ can be catalytically dehydrogenated. As a result of the catalytic dehydrogenation reaction, hydrogen gas is released.

Die Brennstoffzelle 2 ist mit dem Dehydrierreaktor 3 fluidtechnisch verbunden. Mit einer Wasserstoffgas-Leitung 4 ist an dem Dehydrierreaktor 3 eine Konditionierungseinheit 5 angeschlossen. Die Konditionierungseinheit 5 weist insbesondere eine Adsorptionseinheit 6 auf. Die Konditionierungseinheit 5 ist mit einer weiteren Wasserstoffgasleitung 4 zur Zuführung von gereinigtem Wasserstoffgas in die Brennstoffzelle 2 angeschlossen. Der Dehydrierreaktor 2 und die Konditionierungseinheit 5, insbesondere mit der Adsorptionseinheit 6, bilden eine Trägermaterial-Dehydriereinheit 29.The fuel cell 2 is fluidically connected to the dehydrogenation reactor 3. A conditioning unit 5 is connected to the dehydrogenation reactor 3 via a hydrogen gas line 4. The conditioning unit 5 has in particular an adsorption unit 6. The conditioning unit 5 is connected to a further hydrogen gas line 4 for supplying purified hydrogen gas to the fuel cell 2. The dehydrogenation reactor 2 and the conditioning unit 5, in particular with the adsorption unit 6, form a carrier material dehydrogenation unit 29.

Das in dem Dehydrierreaktor 3 freigesetzte Wasserstoffgas kann auch mittels einer Bypass-Leitung 7 an der Konditionierungseinheit 5 vorbei und in die Brennstoffzelle 2 geleitet werden.The hydrogen gas released in the dehydrogenation reactor 3 can also be passed past the conditioning unit 5 and into the fuel cell 2 by means of a bypass line 7.

Zusätzlich ist der Dehydrierreaktor 3 fluidtechnisch mit einer Brenneinheit 8 verbunden. In der Brenneinheit 8 kann Brennstoff bei offener Flamme verbrannt oder mittels eines katalytischen Brenners in Wärme umgesetzt werden. Die Brenneinheit 8 weist mindestens eine und insbesondere mehrere Brennkammern auf.In addition, the dehydrogenation reactor 3 is fluidically connected to a combustion unit 8. In the combustion unit 8, fuel can be burned with an open flame or converted into heat by means of a catalytic burner. The combustion unit 8 has at least one and in particular several combustion chambers.

Die Adsorptionseinheit 6 ist mit einer Abgasleitung 9 an eine Abgaseinheit 10 und zusätzlich an die Brenneinheit 8 angeschlossen. Die Brennstoffzelle 2 ist ebenfalls mit einer Abgasleitung 9 an die Abgaseinheit 10 angeschlossen. Außerdem ist an die Abgasleitung 9 eine Abgas-Rückführleitung 11 angeschlossen, um insbesondere in der Brennstoffzelle 2 erzeugtes Abgas, insbesondere sauerstoffreduzierte Luft, in die Brennstoffzelle 2 zurückzuführen. Dazu kann die Abgas-Rückführleitung 11 in eine Sauerstoffzuführleitung 12 münden, über die sauerstoffhaltiges Medium, insbesondere Luft und insbesondere Umgebungsluft, aus einer Luftquelle 13 in die Brennstoffzelle 2 zugeführt wird. Die Luftquelle 13 ist insbesondere die Umgebung der Brennstoffzelle 2. Die Luftquelle 13 ist mit einer weiteren Sauerstoffzuführleitung 12 an die Brenneinheit 8 angeschlossen.The adsorption unit 6 is connected to an exhaust gas unit 10 and additionally to the combustion unit 8 by an exhaust gas line 9. The fuel cell 2 is also connected to the exhaust gas unit 10 by an exhaust gas line 9. In addition, an exhaust gas recirculation line 11 is connected to the exhaust gas line 9 in order to return exhaust gas generated in the fuel cell 2, in particular oxygen-reduced air, to the fuel cell 2. For this purpose, the exhaust gas recirculation line 11 can open into an oxygen supply line 12, via which oxygen-containing medium, in particular air and in particular ambient air, is supplied from an air source 13 to the fuel cell 2. The air source 13 is in particular the environment of the fuel cell 2. The air source 13 is connected to the combustion unit 8 by a further oxygen supply line 12.

Die Brennstoffzelle 2 ist mittels einer weiteren Wasserstoffgasleitung 4 mit der Brenneinheit 8 verbunden.The fuel cell 2 is connected to the combustion unit 8 by means of another hydrogen gas line 4.

Außerdem ist an die Brennstoffzelle 2 eine Rückführleitung 14 angeschlossen, um in der Brennstoffzelle 2 ungenutztes Wasserstoffgas in die Brennstoffzelle 2 und/oder in die Konditionierungseinheit 5 und/oder in den Dehydierreaktor 3 zurückzuführen. Entlang der Rückführleitung 14 kann ein Wassergaspufferspeicher 15 angeordnet sein. Entlang der Rückführleitung 14 kann eine zusätzliche Konditionierungseinheit, insbesondere mit Adsorptionseinheit, angeordnet sein, um rückgeführtes Wasserstoffgas zu reinigen. Es ist auch denkbar, in der Konditionierungseinheit 12 gereinigtes Wasserstoffgas in den Dehydrierreaktor 3 mittels einer separaten Leitung zurückzuführen.In addition, a return line 14 is connected to the fuel cell 2 in order to return unused hydrogen gas in the fuel cell 2 to the fuel cell 2 and/or to the conditioning unit 5 and/or to the dehydrogenation reactor 3. A water gas buffer storage unit 15 can be arranged along the return line 14. An additional conditioning unit, in particular with an adsorption unit, can be arranged along the return line 14 in order to purify returned hydrogen gas. It is also conceivable to return hydrogen gas purified in the conditioning unit 12 to the dehydrogenation reactor 3 by means of a separate line.

In dem Dehydrierreaktor 3 freigesetztes Wasserstoffgas kann mittels einer Dehydrierreaktor-Rückführleitung 16 einer Druckerhöhungseinheit 17 zugeführt werden, die insbesondere einen Schraubenverdichter aufweist. Über die Dehydrierreaktor-Rückführleitung 16 kann Wasserstoffgas beladenem Trägermaterial LOHC+, das über eine Trägermaterialzuführleitung 18 aus einer Trägermaterial-Quelle 19 dem Dehydrierreaktor 3 zugeführt wird, zugesetzt werden. Die Trägermaterial-Quelle 19 ist ein Speicherbehälter, insbesondere für Flüssigkeiten. In dem Speicherbehälter ist insbesondere LOHC+ gespeichert. Zusätzlich kann in dem Speicherbehälter auch LOHC-, also zumindest teilweise entladenes Trägermaterial, gespeichert werden. Dazu kann der Speicherbehälter getrennte Speicherkammern aufweisen, die insbesondere mit einer beweglichen Trennwand voneinander separiert sind. Es ist auch denkbar, mehrere, insbesondere separat ausgeführte Speicherbehälter zu verwenden.Hydrogen gas released in the dehydrogenation reactor 3 can be fed by means of a dehydrogenation reactor return line 16 to a pressure booster unit 17, which in particular has a screw compressor. Via the dehydrogenation reactor return line 16, hydrogen gas can be added to loaded carrier material LOHC+, which is fed to the dehydrogenation reactor 3 via a carrier material feed line 18 from a carrier material source 19. The carrier material source 19 is a storage container, in particular for liquids. In particular, LOHC+ is stored in the storage container. In addition, LOHC-, i.e. at least partially discharged carrier material, can also be stored in the storage container. For this purpose, the storage container can have separate storage chambers, which are separated from one another in particular by a movable partition. It is also conceivable to use several, in particular separately designed, storage containers.

Über eine Trägermaterial-Abführleitung 20 kann in dem Dehydrierreaktor 3 dehydriertes Trägermaterial LOHC- in die Trägermaterial-Quelle 19 abgeführt werden.Dehydrated carrier material LOHC- in the dehydrogenation reactor 3 can be discharged into the carrier material source 19 via a carrier material discharge line 20.

Die Trägermaterial-Quelle 19 ist mit einer weiteren Trägermaterial-Zuführleitung 18 an die Brenneinheit 8 angeschlossen. Insbesondere ist die mindestens eine Brennkammer der Brenneinheit 8 derart ausgeführt, dass auch andere Brennstoffe außer Wasserstoffgas zur Wärmeerzeugung genutzt werden können. Andere Brennstoffe sind insbesondere fossile Brennstoffe wie beispielsweise Dieselkraftstoff. Diese Brennstoffe sind insbesondere in einem separaten Speicherbehälter 21 bevorratet, der mittels einer Fluidleitung 22 an die Brenneinheit 8 angeschlossen ist.The carrier material source 19 is connected to the combustion unit 8 by a further carrier material supply line 18. In particular, the at least one combustion chamber of the combustion unit 8 is designed in such a way that other fuels than hydrogen gas can also be used to generate heat. Other fuels are in particular fossil fuels such as diesel fuel. These fuels are stored in particular in a separate storage container 21, which is connected to the combustion unit 8 by means of a fluid line 22.

Die Trägermaterial-Quelle 19 ist über eine entsprechende TrägermaterialZuführleitung 18 und eine weitere Trägermaterial-Abführleitung 20 mit einem Hydrierreaktor 23 fluidtechnisch verbunden. Die Brennstoffzelle 2 ist mit einer weiteren Wasserstoffgasleitung 4 mit dem Hydrierreaktor 23 verbunden, um insbesondere ungenutztes Wasserstoffgas aus der Brennstoffzelle 2 dem Hydrierreaktor 23 zuzuführen.The carrier material source 19 is fluidically connected to a hydrogenation reactor 23 via a corresponding carrier material supply line 18 and a further carrier material discharge line 20. The fuel cell 2 is connected to the hydrogenation reactor 23 via a further hydrogen gas line 4 in order to supply unused hydrogen gas from the fuel cell 2 to the hydrogenation reactor 23.

Die Vorrichtung 1 umfasst eine Wärmeverteileinheit 24, die für ein geregeltes Wärmemanagement der Vorrichtung 1 mit der in 1 rein schematisch dargestellten Steuerungs-/Regelungseinheit 25 in, insbesondere bidirektionaler, Signalverbindung steht. Die Wärmeströme innerhalb der Vorrichtung 1, insbesondere zu der Wärmeverteileinheit 24 hin und von der Wärmeverteileinheit 24 weg, sind mit strichpunktierten Linien in 1 dargestellt. Die Signalverbindung kann kabelgebunden oder kabellos, beispielsweise per Funk, ausgeführt sein.The device 1 comprises a heat distribution unit 24, which is used for a controlled heat management of the device 1 with the 1 purely schematically shown control/regulation unit 25 in, in particular bidirectional, signal connection. The heat flows within the device 1, in particular towards the heat distribution unit 24 and away from the heat distribution unit 24, are shown with dash-dotted lines in 1 The signal connection can be wired or wireless, for example via radio.

In der Brennstoffzelle 2 erzeugter elektrischer Strom wird mittels einer elektrischen Leitung 26 an einen elektrischen Verbraucher 27 abgegeben und/oder insbesondere in einer Batterie 28 zwischengespeichert.Electric current generated in the fuel cell 2 is delivered to an electrical consumer 27 by means of an electrical line 26 and/or temporarily stored in particular in a battery 28.

Die in der Brennstoffzelle 2 erzeugte Wärme kann zu dem Dehydrierreaktor 3 in verschiedener Weise übertragen werden. Beispielsweise ist Wärmeleitung möglich, indem der Dehydrierreaktor 3 an oder in der Brennstoffzelle 2 angeordnet ist. Ferner ist eine Wärmeübertragung mittels eines Wärmeträgermediums möglich, insbesondere in einem geschlossenen Wärmeträgermediumkreislauf, der Teil der Wärmeverteileinheit 24 ist. Entsprechend kann in den Abgasen der Brennstoffzelle 2 enthaltene Wärme, sogenannte Abgas-Wärme, in der Abgaseinheit 10 gewonnen und mittels eines Wärmeträgermediums an die Wärmeverteileinheit 24 übertragen werden.The heat generated in the fuel cell 2 can be transferred to the dehydrogenation reactor 3 in various ways. For example, heat conduction is possible by arranging the dehydrogenation reactor 3 on or in the fuel cell 2. Furthermore, heat transfer by means of a heat transfer medium is possible, in particular in a closed heat transfer medium circuit that is part of the heat distribution unit 24. Accordingly, heat contained in the exhaust gases of the fuel cell 2, so-called exhaust heat, can be recovered in the exhaust unit 10 and transferred to the heat distribution unit 24 by means of a heat transfer medium.

Da die in dem Hydrierreaktor 23 durchgeführte Hydrierreaktion exotherm ist, wird dort anfallende Wärme, insbesondere ebenfalls mittels eines Wärmeträgermediums, der Wärmeverteileinheit 24 zur Verfügung gestellt.Since the hydrogenation reaction carried out in the hydrogenation reactor 23 is exothermic, the heat generated there is made available to the heat distribution unit 24, in particular also by means of a heat transfer medium.

Zudem kann die Vorrichtung 1 zusätzliche, externe Wärmequellen 30 aufweisen wie beispielsweise einen Wasserstoffgasverbrennungsmotor oder eine Wasserstoffgasturbine. Vorteilhaft ist es, wenn in dem Dehydrierreaktor 3 freigesetztes Wasserstoffgas, das insbesondere mittels der Konditionierungseinheit 5 gereinigt worden ist, mittels einer Wasserstoffgasleitung 4 der externen Wärmequelle 30 zugeleitet wird.In addition, the device 1 can have additional, external heat sources 30 such as a hydrogen gas combustion engine or a hydrogen gas turbine. It is advantageous if hydrogen gas released in the dehydrogenation reactor 3, which has been cleaned in particular by means of the conditioning unit 5, is fed to the external heat source 30 by means of a hydrogen gas line 4.

Darüber hinaus weist die Vorrichtung 1 mindestens eine Wärmesenke 31 auf, die insbesondere als Wärmespeicher ausgeführt ist. Die Wärmesenke 31 ist zum Austausch von Wärme, insbesondere bidirektional, mit der Wärmeverteileinheit 24 verbunden.In addition, the device 1 has at least one heat sink 31, which is designed in particular as a heat accumulator. The heat sink 31 is connected to the heat distribution unit 24 for the exchange of heat, in particular bidirectionally.

Insbesondere ist die Wärmeverteileinheit 24 dazu ausgeführt, Wärme an den Dehydrierreaktor 3 abzugeben, insbesondere mittels eines Wärmeträgermediums.In particular, the heat distribution unit 24 is designed to deliver heat to the dehydrogenation reactor 3, in particular by means of a heat transfer medium.

Die Steuerungs-/Regelungseinheit 25 ist mit sämtlichen Komponenten der Vorrichtung 1, insbesondere mit der Brennstoffzelle 2, dem Dehydrierreaktor 3, der Konditionierungseinheit 5, der Adsorptionseinheit 6, der Brenneinheit 8, der Abgaseinheit 10, dem Wasserstoffgaspufferspeicher 15, der Druckerhöhungseinheit 17, der Trägermaterial-Quelle 19, dem Speicherbehälter 21, dem Hydrierreaktor 23, der Wärmeverteileinheit 24, dem elektrischen Verbraucher 27, der Batterie 28, der externen Wärmequelle 30 und/oder der Wärmesenke 31 in Signalverbindung. Darüber hinaus ist die Steuerungs-/Regelungseinheit 25 mit sämtlichen Aggregaten zur Beeinflussung von Fluidflüssen in der Vorrichtung 1, insbesondere Pumpen, Ventilen und/oder Druckerzeugungsmitteln in Signalverbindung.The control/regulation unit 25 is in signal connection with all components of the device 1, in particular with the fuel cell 2, the dehydrogenation reactor 3, the conditioning unit 5, the adsorption unit 6, the combustion unit 8, the exhaust gas unit 10, the hydrogen gas buffer storage 15, the pressure increase unit 17, the carrier material source 19, the storage container 21, the hydrogenation reactor 23, the heat distribution unit 24, the electrical consumer 27, the battery 28, the external heat source 30 and/or the heat sink 31. In addition, the control/regulation unit 25 is in signal connection with all units for influencing fluid flows in the device 1, in particular pumps, valves and/or pressure generating means.

Nachfolgend wird ein Verfahren zum Bereitstellen von elektrischem Strom mittels der Vorrichtung 1 näher erläutert.A method for providing electrical current by means of the device 1 is explained in more detail below.

Zumindest teilweise beladenes Trägermaterial LOHC+ wird aus der Trägermaterial-Quelle 19 dem Dehydrierreaktor 3 zugeführt und dort dehydriert. Das dabei freigesetzte Wasserstoffgas wird unmittelbar, also direkt der Brennstoffzelle 2 zugeführt oder davor in der Konditionierungseinheit 5, insbesondere der Adsorptionseinheit 6, gereinigt. In der Brennstoffzelle 2 wird das Wasserstoffgas in elektrischen Strom und Wärme umgesetzt, wobei der elektrische Strom in der Batterie 28 zwischengespeichert und/oder von einem elektrischen Verbraucher 27 angefordert wird. Der elektrische Verbraucher ist insbesondere ein Antriebsmotor für die mobile Plattform.At least partially loaded carrier material LOHC+ is fed from the carrier material source 19 to the dehydrogenation reactor 3 and dehydrogenated there. The hydrogen gas released in this process is fed directly to the fuel cell 2 or is cleaned beforehand in the conditioning unit 5, in particular the adsorption unit 6. In the fuel cell 2, the hydrogen gas is converted into electrical current and heat, with the electrical current being temporarily stored in the battery 28 and/or requested by an electrical consumer 27. The electrical consumer is in particular a drive motor for the mobile platform.

Die in der Brennstoffzelle 2 erzeugte Wärme wird durch direkte Wärmeübertragung, über die Abgaseinheit 10 und insbesondere über die Wärmeverteileinheit 24 dem Dehydrierreaktor 3 zur Verfügung gestellt. Mittels einer Brenneinheit 8, in der Wasserstoffgas oder andere Brennstoffe, insbesondere Diesel und/oder LOHC, verbrannt und/oder katalytisch umgesetzt werden, wird zusätzlich Wärme erzeugt, die der Wärmeverteileinheit 24 bereitgestellt wird. Abgase der Brenneinheit 8 werden zur thermischen Verwertung der Abgaseinheit 10 zugeführt.The heat generated in the fuel cell 2 is made available to the dehydrogenation reactor 3 by direct heat transfer, via the exhaust gas unit 10 and in particular via the heat distribution unit 24. By means of a combustion unit 8, in which hydrogen gas or other fuels, in particular diesel and/or LOHC, are burned and/or catalytically converted, additional heat is generated, which is made available to the heat distribution unit 24. Exhaust gases from the combustion unit 8 are fed to the exhaust gas unit 10 for thermal utilization.

Zur Erhöhung des Gesamtwirkungsgrads von Trägermaterial zu elektrischem Strom sind verschiedene Regelungsverfahren möglich, die jeweils eine dem Regelungsverfahren entsprechende Verschaltung der Komponenten der Vorrichtung 1 miteinander erfordert. Die Vorrichtung 1 ist insbesondere derart ausgeführt, dass die verschiedenen Komponenten flexibel, also veränderlich, miteinander verschaltet werden können. Das bedeutet, dass in einer ersten Regelungsvariante beispielsweise zwei Komponenten miteinander fluidtechnisch verbunden sind und in einer anderen Regelungsvariante genau diese beiden Komponenten fluidtechnisch voneinander getrennt sind. Gleiches gilt für Wärmeübertragungen zwischen verschiedenen Komponenten, die je nach Regelungszustand ermöglicht oder verhindert werden.To increase the overall efficiency of carrier material to electrical current, various control methods are possible, each of which requires the components of the device 1 to be connected to one another in a manner corresponding to the control method. The device 1 is designed in particular in such a way that the various components can be connected to one another flexibly, i.e. variably. This means that in a first control variant, for example, two components are fluidically connected to one another and in another control variant, precisely these two components are fluidically separated from one another. The same applies to heat transfers between different components, which can be enabled or prevented depending on the regulatory status.

Gemäß einer ersten Regelungsvariante wird der bereitgestellte elektrische Strom in Abhängigkeit des von dem Dehydrierreaktor 3 abgegebenen Volumenstroms an Wasserstoffgas und durch Anpassen des Verhältnisses von Wärme-zu-Strom des in der Brennstoffzelle 2 umgesetzten Wasserstoffgases geregelt. Der Volumenstrom wird insbesondere dadurch angepasst, dass zumindest ein Teil des freigesetzten Wasserstoffgases nicht der Brennstoffzelle 2, sondern zumindest anteilig auch der Brenneinheit 8 zugeführt wird. Eine Anpassung des Verhältnisses von Wärme-zu-Strom des umgesetzten Wasserstoffgases kann durch eine Anpassung von Temperatur und/oder Druck des Brennstoffs in der Brennstoffzelle 2 erfolgen. Zusätzlich oder alternativ kann die Lastverteilung in einem aus mehreren Brennstoffzellen 2 bestehenden Brennstoffzellensystem angepasst werden.According to a first control variant, the electrical current provided is controlled as a function of the volume flow of hydrogen gas delivered by the dehydrogenation reactor 3 and by adjusting the ratio of heat to current of the hydrogen gas converted in the fuel cell 2. The volume flow is adjusted in particular by supplying at least part of the released hydrogen gas not to the fuel cell 2, but at least partially to the combustion unit 8. The ratio of heat to current of the converted hydrogen gas can be adjusted by adjusting the temperature and/or pressure of the fuel in the fuel cell 2. Additionally or alternatively, the load distribution in a fuel cell system consisting of several fuel cells 2 can be adjusted.

Das Verhältnis von Wärme-zu-Strom kann auch dadurch beeinflusst werden, dass das Verhältnis aus Abgas-Wärme und Direkt-Wärme der Brennstoffzelle 2 durch überstöchiometrische Zufuhr von Sauerstoff bzw. Luft, insbesondere aus der Luftquelle 13 verändert wird.The heat-to-electricity ratio can also be influenced by changing the ratio of exhaust heat and direct heat of the fuel cell 2 by a superstoichiometric supply of oxygen or air, in particular from the air source 13.

Gemäß einem alternativen Regelverfahren, das insbesondere dann Anwendung findet, wenn der bereitzustellende elektrische Strom oder der Wärmebedarf des Dehydrierreaktors 3 oder der Brennstoffzelle 2 stark von einem Sollwert abweicht und/oder diese Abweichung sich besonders schnell verkleinem soll, beruht auf der Anpassung des Volumenstroms des freigesetzten Wasserstoffgases und dem Anpassen des Wasserstoffanteils, der aus dem Dehydrierreaktor 3 unmittelbar mittels der Bypass-Leitung 7 in die Brenneinheit 8 zugeführt wird, also ohne der Brennstoffzelle 2 zugeführt zu werden.According to an alternative control method, which is used in particular when the electrical current to be provided or the heat requirement of the dehydrogenation reactor 3 or the fuel cell 2 deviates greatly from a target value and/or this deviation is to be reduced particularly quickly, is based on the adjustment of the volume flow of the released hydrogen gas and the adjustment of the hydrogen content that is fed from the dehydrogenation reactor 3 directly into the combustion unit 8 by means of the bypass line 7, i.e. without being fed to the fuel cell 2.

Mittels eines Spülgases, insbesondere Wasserstoffgas, insbesondere aus dem Dehydrierreaktor 3, werden Verunreinigungen des Adsorbens in der Adsorptionseinheit 6 ausgespült und entweder der Abgaseinheit 10 und/oder der Brenneinheit 8 jeweils zur Wärmegewinnung zugeführt.By means of a purge gas, in particular hydrogen gas, in particular from the dehydrogenation reactor 3, impurities of the adsorbent in the adsorption unit 6 are flushed out and fed either to the exhaust gas unit 10 and/or the combustion unit 8, each for heat recovery.

Eine weitere Regelungsvariante beruht darauf, dass die Menge des im Spülgas abgeführten Wasserstoffgases entsprechend eines aktuellen Wärmebedarfs des Dehydrierreaktors 3 geregelt wird.A further control variant is based on the fact that the amount of hydrogen gas discharged in the purge gas is regulated according to the current heat requirement of the dehydrogenation reactor 3.

Ein weiteres Regelungsverfahren beruht darauf, dass das Verhältnis des in der Brennstoffzelle 2 umgesetzten Wasserstoffgases zu dem nicht umgesetzten Wasserstoffgas dadurch reguliert wird, dass die Menge der Kathodenabgase der Brennstoffzelle 2, also Restluft mit reduziertem Sauerstoffgehalt, rezirkuliert wird, insbesondere über die Abgas-Rückführleitung 11 und die Sauerstoffzuführleitung 12. Je größer die Menge rezirkulierten Kathodenabgases ist, desto mehr sinkt die Sauerstoffkonzentration in der Brennstoffzelle 2 und damit die Umsetzungsrate von Wasserstoffgas in elektrischen Strom und Wärme von Wasserstoffgas in elektrischen Strom und Wärme.A further control method is based on the ratio of the hydrogen gas converted in the fuel cell 2 to the unreacted hydrogen gas being regulated by recirculating the amount of cathode exhaust gases from the fuel cell 2, i.e. residual air with a reduced oxygen content, in particular via the exhaust gas return line 11 and the oxygen supply line 12. The greater the amount of recirculated cathode exhaust gas, the more the oxygen concentration in the fuel cell 2 decreases and thus the conversion rate of hydrogen gas into electrical current and heat.

Gemäß einer weiteren Regelungsvariante werden die externen Wärmequellen 30 und/oder die zusätzlichen Brennstoffe aus der Trägermaterial-Quelle 19 und dem Speicherbehälter 21 genutzt, um den Gesamtwirkungsgrad des Trägermaterials zu elektrischem Strom zu maximieren. Insbesondere werden die zusätzlichen Brennstoffe außer Wasserstoff nur dann eingesetzt, wenn der Strombedarf und der Wärmebedarf durch die Verwendung von Wasserstoffgas allein nicht gedeckt werden kann.According to a further control variant, the external heat sources 30 and/or the additional fuels from the carrier material source 19 and the storage container 21 are used to maximize the overall efficiency of the carrier material to electrical power. In particular, the additional fuels other than hydrogen are only used when the electricity demand and the heat demand cannot be covered by the use of hydrogen gas alone.

Eine weitere Regelungsvariante berücksichtigt die vergleichsweise träge Dynamik des Dehydrierreaktors 3 gegenüber der Brennstoffzelle 2 und/oder gegenüber der Batterie 28. Die Anordnung des Dehydrierreaktors 3 mit Brennstoffzelle 2 und Hydrierreaktor 23 ermöglicht eine Erweiterung der Regelungsvariante, bei der ein reduzierter Bedarf an elektrischem Strom ermöglicht ist, ohne dass molekular gespeicherter Wasserstoff angehäuft wird oder eine besonders große Batteriekapazität zur Zwischenspeicherung bereitgehalten werden müsste. Insbesondere kann aktuell nicht benötigtes Wasserstoffgas in dem Hydrierreaktor 23 zur Hydrierung von zumindest teilweise entladenem Trägermaterial LOHC- effizient genutzt werden, wobei insbesondere die Abwärme der exothermen Hydrierreaktion in der Wärmeverteileinheit 24 genutzt werden kann. Insbesondere erfolgt die Betriebsweise so, dass die Leistung des Dehydrierreaktors 3 für eine veränderlich festlegbare Dauer auf einem veränderlich festlegbaren Leistungsniveau, insbesondere unter Volllast, betrieben wird. Während dieser Dauer wird eine dynamische Verwendung des Hydrierreaktors 23 alleine oder in Kombination mit weiteren schon beschriebenen Regelungsvarianten zur Beeinflussung der Menge des bereitgestellten Stroms genutzt.A further control variant takes into account the comparatively sluggish dynamics of the dehydrogenation reactor 3 compared to the fuel cell 2 and/or the battery 28. The arrangement of the dehydrogenation reactor 3 with fuel cell 2 and hydrogenation reactor 23 enables an extension of the control variant in which a reduced demand for electrical current is possible without molecularly stored hydrogen being accumulated or a particularly large battery capacity having to be kept ready for intermediate storage. In particular, hydrogen gas that is not currently required in the hydrogenation reactor 23 can be used LOHC-efficiently to hydrogenate at least partially discharged carrier material, whereby in particular the waste heat from the exothermic hydrogenation reaction can be used in the heat distribution unit 24. In particular, the mode of operation is such that the output of the dehydrogenation reactor 3 is operated for a variably definable period at a variably definable output level, in particular under full load. During this period, a dynamic use of the hydrogenation reactor 23 alone or in combination with other control variants already described is used to influence the amount of electricity provided.

Gemäß einer alternativen Variante kann die Freisetzungsleistung des Dehydrierreaktors 3 gezielt durch einen Druckaufbau begrenzt werden. Wenn der Strombedarf und der Wasserstoffgasbedarf sinken, wird dem Dehydrierreaktor 3 weniger Wasserstoffgas entnommen. Da in dem Dehydrierreaktor 3 aber weiterhin Wasserstoffgas durch Dehydrierung des Trägermaterials freigesetzt wird, steigt der Wasserstoffgasdruck in dem Dehydrierreaktor 3 an. Dadurch werden die Reaktionsbedingungen für die Wasserstoffgasfreisetzung in dem Dehydrierreaktor 3 nachteilig beeinflusst. Die Dehydrierreaktion wird ausgebremst und damit weniger Wasserstoffgas freigesetzt. Diese Beeinflussung ist insbesondere möglich, ohne dass ein Hydrierreaktor 23 erforderlich ist. Diese Beeinflussung basiert vorrangig auf dem Reaktionsgleichgewicht im Dehydrierreaktor 3 selbst.According to an alternative variant, the release capacity of the dehydrogenation reactor 3 can be specifically limited by a pressure build-up. If the power requirement and the hydrogen gas requirement decrease, less hydrogen gas is removed from the dehydrogenation reactor 3. However, since hydrogen gas continues to be released in the dehydrogenation reactor 3 by dehydrogenation of the carrier material, the hydrogen gas pressure in the dehydrogenation reactor 3 increases. This has a detrimental effect on the reaction conditions for the release of hydrogen gas in the dehydrogenation reactor 3. The dehydrogenation reaction is slowed down and thus less hydrogen gas is released. This influence is possible in particular without the need for a hydrogenation reactor 23. This influence is based primarily on the reaction equilibrium in the dehydrogenation reactor 3 itself.

Dadurch kann einerseits die Menge an zwischengespeichertem Wasserstoffgas bei gleichem Volumen erhöht werden, wodurch ein Vorrat an Wasserstoffgas für eine spätere Dynamik in der Brennstoffzelle 2 aufgebaut wird. Andererseits kann zumindest teilweise entladenes Trägermaterial LOHC- zur späteren Verwendung zwischengespeichert werden, insbesondere bei Betriebspunkten der Vorrichtung mit geringerem Leistungsbedarf. Auch dadurch kann die Menge an molekular gespeichertem Wasserstoff reduziert werden.On the one hand, this allows the amount of temporarily stored hydrogen gas to be increased for the same volume, thereby building up a supply of hydrogen gas for later dynamics in the fuel cell 2. On the other hand, at least partially discharged LOHC carrier material can be temporarily stored for later use, in particular at operating points of the device with lower power requirements. This also allows the amount of molecularly stored hydrogen to be reduced.

In einer weiteren Regelungsvariante ist eine Rückführung des Wasserstoffgases, insbesondere in einem Wasserstoffgaspufferspeicher 15 zur Zwischenspeicherung ausgeführt. Zwischen einem minimalen und einem maximalen Druck kann die Menge des zwischengespeicherten Wasserstoffgases gezielt verändert werden. Sinkt oder steigt der Wasserstoffbedarf in einer Geschwindigkeit, die die Dehydriereinheit 3 oder die Hydriereinheit 23 nicht leisten können, weil sie zu träge sind, dient der Wasserstoffgaspufferspeicher 15 zur Aufnahme und Abgabe von Wasserstoffgas. In dynamischen Betriebsmodi werden die verschiedenen Puffer entsprechend Ihres dynamischen Regimes genutzt, wobei das Anpassen des Dehydrierreaktors 3 die höchste Priorität hat.In a further control variant, the hydrogen gas is returned, in particular in a hydrogen gas buffer storage 15 for intermediate storage. The amount of hydrogen gas stored temporarily can be changed in a targeted manner between a minimum and a maximum pressure. If the hydrogen demand falls or rises at a rate that the dehydrogenation unit 3 or the hydrogenation unit 23 cannot handle because they are too slow, the hydrogen gas buffer storage 15 is used to absorb and release hydrogen gas. In dynamic operating modes, the various buffers are used according to their dynamic regime, with the adaptation of the dehydrogenation reactor 3 having the highest priority.

Bei einer weiteren Regelungsvariante wird zu Gunsten des Gesamtwirkungsgrads des Trägermaterials zu elektrischem Strom die Zuführung von Wasserdampf in eine Anodengaszirkulation möglichst gering gehalten, sodass eine noch akzeptable Degradierung der Brennstoffzelle 2 gerade noch zuverlässig gewährleistet wird. Entsprechend des aktuellen Betriebsmodus des Dehydrierreaktors 3 kann das Maß an Kohlenstoffverbindungen im Wasserstoffstrom abgeschätzt und die Zufuhr von Wasserdampf in die Anodengaszirkulation angepasst werden. Alternativ wird die Menge an Kohlenstoffverbindungen im Wasserstoffstrom gemessen und diese Messung zur Regelung verwendet.In another control variant, the supply of water vapor to an anode gas circulation is kept as low as possible in favor of the overall efficiency of the carrier material to electrical current, so that an acceptable degradation of the fuel cell 2 is just about reliably guaranteed. Depending on the current operating mode of the dehydrogenation reactor 3, the amount of carbon compounds in the hydrogen flow can be estimated and the supply of water vapor to the anode gas circulation can be adjusted. Alternatively, the amount of carbon compounds in the hydrogen flow is measured and this measurement is used for control.

Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht verschiedene Betriebspunkte der Vorrichtung 1, die über verschiedene Regelungsverfahren erreicht werden können. Je nach Anforderung kann ein bestimmter Regelungspfad mit dem geringsten Gesamtenergieverbrauch, mit dem geringsten Sekundärenergieverbrauch, mit den geringsten Kohlendioxid-Emissionen oder eine Kombination verschiedener Anforderungen ausgewählt werden.The method according to the invention enables different operating points of the device 1, which can be achieved via different control methods. Depending on the requirement, a specific control path with the lowest total energy consumption, with the lowest secondary energy consumption, with the lowest carbon dioxide emissions or a combination of different requirements can be selected.

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

EP 3375034 A1 [0020]

Claims

Method for providing electrical current comprising the method steps - feeding a carrier material loaded with hydrogen into a dehydrogenation reactor (3), - releasing hydrogen gas by dehydrogenating the carrier material in the dehydrogenation reactor (3), - feeding released hydrogen gas into a fuel cell (2), - converting the supplied hydrogen gas in the fuel cell (2) to generate electrical current and heat, - transferring heat generated in the fuel cell (2) to the dehydrogenation reactor (3) by - thermal contact between the fuel cell (2) and the dehydrogenation reactor (3) and/or - using heat contained in exhaust gases from the fuel cell (2) and/or - using a heat transfer medium.

Procedure according to Claim 1 , characterized in that released hydrogen gas is fed to a combustion unit (8) and thermally utilized there, wherein heat generated in particular is transferred to the dehydrogenation reactor (3).

Procedure according to Claim 2 , characterized in that at least one further fuel, in particular the carrier material and/or diesel, is burned in the combustion unit (8).

Method according to one of the preceding claims, characterized in that the generated electrical current is regulated by means of a control/regulation unit (25) as a function of a volume flow of the hydrogen gas discharged from the dehydrogenation reactor (3).

Procedure according to Claim 4 , characterized in that the regulation of the generated electrical current takes place as a function of - a ratio of heat to electricity generation of the hydrogen gas converted in the fuel cell (2) and/or - a ratio of the exhaust gas heat of the fuel cell (2) to heat that can be dissipated directly from the fuel cell (2), and/or - the volume flow of the hydrogen gas supplied to the combustion unit (8).

Process according to one of the preceding claims, characterized in that the hydrogen gas discharged from the dehydrogenation reactor (3) is purified in a conditioning unit (5), in particular by alternating adsorption in an adsorption unit (6).

Procedure according to Claim 6 , characterized by purging the adsorption unit (6), whereby contaminated purge gas from the adsorption unit (6) is burned in the combustion unit (8) and the heat generated thereby is transferred to the dehydrogenation reactor (3).

Method according to one of the preceding claims, characterized in that hydrogen gas not converted in the fuel cell (2) is fed to the combustion unit (8) and/or the dehydrogenation reactor (3).

Method according to one of the preceding claims, characterized in that hydrogen gas not converted in the fuel cell (2) and/or hydrogen gas released from the dehydrogenation reactor (3) is fed to a hydrogenation reactor (23), wherein in particular heat is transferred from the hydrogenation reactor (23) to the dehydrogenation reactor (3).

Method according to one of the preceding claims, characterized in that hydrogen gas not converted in the fuel cell (2) is returned to the fuel cell (2), in particular via a hydrogen gas buffer storage (17) and/or via a cleaning unit, which is in particular the conditioning unit (5).

Method according to one of the preceding claims, characterized in that water vapor is added to the hydrogen gas supplied to the fuel cell (2).

Procedure according to Claim 10 and 11 , characterized in that the water vapor is added to the hydrogen gas returned to the fuel cell (2), wherein in particular the amount of water vapor added is regulated as a function of the amount of carbon compounds in the hydrogen stream.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that the dynamics of the electrical current provided is regulated by - temporarily storing energy as electrical energy in a battery (28) and/or as hydrogen gas in the hydrogen gas buffer storage (17) and/or for hydrogenation in the hydrogenation reactor (23) and/or - regulating the output of the dehydrogenation reactor (3).

Device for providing electrical current comprising a. a dehydrogenation reactor (3) connected to a carrier material source (19) for releasing hydrogen gas by dehydrogenation of the carrier material rials, b. a fuel cell (2) fluidly connected to the dehydrogenation reactor (3) for converting the supplied hydrogen gas in the fuel cell (2) to generate electrical current and heat, c. a heat distribution unit (24) for transferring heat generated in the fuel cell (2) to the dehydrogenation reactor (3).

Device according to Claim 14 , characterized by a control/regulation unit (25) for controlling and/or regulating material flows and/or reaction conditions in the device (1).

Device according to Claim 14 or 15 , characterized by a combustion unit (8) which is fluidically connected to the dehydrogenation reactor (3) and has at least one combustion chamber.

Device according to one of the Claims 14 until 16 , characterized by a conditioning unit (5) fluidically connected to the dehydrogenation reactor (3), which has an adsorption unit (6) for alternating adsorption.