AT18081U1 - Energieaufbereitungsvorrichtung - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Energieaufbereitungsvorrichtung (1) mit in einer Zuführspeichereinrichtung (2) unter hohem Eingangsdruck vorgehaltenem Energieträgermedium und einer dieses über einen Eingangsabschnitt aufnehmenden Koppelstrecke (4), die an ihrer Ausgangsseite mit einer Energiewandlervorrichtung (3) verbunden ist, in der bei niedrigerem Arbeitsdruck durch chemische Reaktion des Energieträgermediums mit einem Oxidator von einer Verbrauchereinrichtung nutzbare Energie zur Verfügung gestellt wird. In der Koppelstrecke (4) ist eine Verdichtungsvorrichtung (42) für den Oxidator angeordnet. Ferner ist mindestens eine angetriebene Expansionsvorrichtung (40) angeordnet, die mit der Verdichtungsvorrichtung (42) zu deren Antrieb in Wirkverbindung bringbar ist. Die Expansionsvorrichtung (40) weist eine Turbinenanordnung auf, die eine für höhere Massenströme ausgelegte Volllastturbine (401) und eine für niedrigere Massenströme ausgelegte Teillastturbine (402) umfasst, wobei diese auf einem gemeinsamen Wellenstrang (41) in Reihe angeordnet sind oder auf zwei Wellensträngen. Die beiden Turbinen sind einzeln über in der Koppelstrecke (4) angeordnete Ventile einer Ventilanordnung (7) zuschaltbar. Ferner betrifft die Erfindung ein Energieaufbereitungsverfahren sowie die Verwendung der genannten Energieaufbereitungsvorrichtung als Antriebsvorrichtung im Bereich des Verkehrs.

Description

Beschreibung

[0001] Die Erfindung bezieht sich auf eine Energieaufbereitungsvorrichtung mit in einer Zuführspeichereinrichtung unter einem hohen Eingangsdruck vorgehaltenem oder auf einen hohen Eingangsdruck gebrachten Energieträgermedium und einer dieses über einen Eingangsabschnitt aufnehmenden Koppelstrecke, die an ihrer Ausgangsseite mit einer Energiewandlervorrichtung in Verbindung steht, in der bei niedrigerem Arbeitsdruck durch chemische Reaktion des Energieträgermediums mit einem Oxidator von einer Verbrauchereinrichtung, insbesondere für ein Antriebssystem, nutzbare Energie zur Verfügung gestellt wird. Ferner bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zur Energieaufbereitung und eine Anwendung.

[0002] Eine Energieaufbereitungsvorrichtung dieser Art ist in der DE 10 2018 209 480 A1 angegeben. Diese zeigt eine Energieaufbereitungsvorrichtung mit einer Zuführspeichereinrichtung, die einen Speicherbehälter mit unter hohem Druck bevorratetem Brennstoff aufweist. Der Speicherbehälter ist über eine Koppelstrecke, in der vorzugsweise mehrere Turbinenvorrichtungen voneinander verschiedener Größe angeordnet sind, mit einer eine Brennstoffzelleneinrichtung umfassenden Energiewandlervorrichtung verbunden, wobei die Turbinenvorrichtungen zur Bereitstellung mechanischer Leistung nacheinander und/oder gleichzeitig mit dem gasförmigen Brennstoff aus dem Speicherbehälter durchströmbar sind. Uber ein oder mehrere Bypassventile kann zumindest ein Teil des gasförmigen Brennstoffs an der Turbinenvorrichtung vorbeigeleitet werden. Die von den Turbinenvorrichtungen bereitgestellte mechanische Leistung ist zum Komprimieren eines Oxidationsmittelgases, insbesondere Umgebungsluft, mittels einer Kompressorvorrichtung nutzbar. Um eine Leistungsanpassung der Turbinenvorrichtung vorzunehmen, ist eine Änderung der Turbinengeometrie mittels mehrerer verstellbarer Leitschaufelelemente vorgesehen.

[0003] Die DE 102010 011 556 A1 zeigt eine weitere Energieaufbereitungsvorrichtung mit einem Druckgasspeicher für Brennstoff, der über eine Koppelstrecke einer Brennstoffzelle als Antriebsaggregat zugeführt wird. In der Koppelstrecke zwischen dem Druckgasspeicher und der Brennstoffzelle ist eine insbesondere als Turbine ausgebildete Expansionsvorrichtung angeordnet. Die beim Entspannen des Brennstoffs, insbesondere Wasserstoffs, freiwerdende Energie wird zum Antreiben eines Verdichters mitgenutzt.

[0004] Die DE 10 2015 005 837 A1 zeigt eine als Brennstoffzellensystem ausgebildete Energieaufbereitungsvorrichtung mit einem Druckgasspeicher für Brennstoff bzw. Wasserstoff und wenigstens einer daran über eine Koppelstrecke zur Zuführung des Wasserstoffs angeschlossenen Brennstoffzelle, wobei in der Koppelstrecke eine Turbine als Expander und eine Bypassleitung angeordnet sind.

[0005] Eine Energieaufbereitungsvorrichtung und ein Verfahren zur Energieaufbereitung sind weiterhin in der DE 101 27 600 C2 angegeben. Dabei wird einer Energiewandlervorrichtung aus einem oder mehreren Brennstoffzellenblöcken ein in einer Zuführspeichereinrichtung unter relativ hohem Druck vorgehaltener Brennstoff (Energieträgermedium) in Form von Wasserstoff und ein Oxidator in Form von Luftsauerstoff zugeführt, um in dem Brennstoffzellenblock durch chemische Reaktion zwischen dem Brennstoff und dem Oxidator chemische Energie in elektrische Energie umzuwandeln und einem Verbraucher zur Verfügung zu stellen. Für die chemische Reaktion in dem Brennstoffzellenblock liegt der Arbeitsruck des zugeführten Wasserstoffs auf wesentlich niedrigerem Niveau als der Eingangsdruck im Ausgangsbereich der Zuführungsspeichereinrichtung bzw. im Eingangsbereich der Koppelstrecke zwischen der Zuführspeichereinrichtung und der Energiewandlervorrichtung. Der Eingangsdruck des Brennstoffs und auch der Arbeitsdruck können vorgegeben werden und die Menge des dem Brennstoffzellenblock zugeführten Brennstoffs bzw. Wasserstoffs kann durch die Leistungsaufnahme eines an den Brennstoffzellenblock angeschlossenen Verbrauchers, dem die elektrische Energie zur Verfügung gestellt wird, geregelt werden. Das Druckniveau des dem Brennstoffzellenblock zugeführten Wasserstoffs wird von einem in der Koppelstrecke angeordneten Druckminderer eingestellt, der der Zuführspeichereinrichtung nachgeschaltet ist. In der Regel liegt der Druck des dem Brennstoffzellenblock zugeführten Oxidators auf etwa dem Druckniveau des Arbeitsdrucks des Brennstoffs und ist (auch in Ab-

hängigkeit von der Anzahl der Brennstoffzellen) geringfügig höher.

[0006] Auch in der DE 20 2005 021 908 U1 ist eine Energieaufbereitungsvorrichtung gezeigt, bei der eine Energiewandlervorrichtung als Brennstoffzelleneinrichtung ausgebildet ist. Auch hierbei wird Brennstoff in Form von Wasserstoff aus einer Zuführspeichereinrichtung mit hohem Eingangsdruck über eine Koppelstrecke einem oder mehreren Brennstoffzellenblöcken (Brennstoffzellenstapeln) zugeführt, um darin bei niedrigerem Arbeitsdruck durch chemische Reaktion mit einem Oxidator (insbesondere Luftsauerstoff) elektrische Energie ausgangsseitig bereitzustellen, die von einem Verbraucher, insbesondere für einen Antrieb, nutzbar ist. Die Menge des dem Brennstoffzellenblock zugeführten Brennstoffs wird dabei ebenfalls durch die Leistungsaufnahme des (externen) Verbrauchers geregelt, wobei ähnliche Verhältnisse vorliegen, wie gemäß der vorstehend genannten DE 101 27 600 C2. Der Wasserstoff ist dabei zum Beispiel in einem Metallhydridspeicher in gebundener Form gespeichert und kann durch Erhitzen ausgetrieben werden, wodurch im Ausgangsbereich der Zuführspeichereinrichtung und damit auch im Eingangsbereich der Koppelstrecke ein entsprechender Eingangsdruck entsteht.

[0007] In der DE 20 2007 010 044 U1 sind verschiedene Ausgestaltungsvarianten von Energiewandlervorrichtungen mit Brennstoffzellen bzw. Brennstoffzellenstapeln mit geeigneten Brennstoffen und ihre Funktionsweise näher erläutert.

[0008] Die DE 10 2012 018 877 A1 zeigt eine Vorrichtung zur Energie- (Rück-) Gewinnung in einem Brennstoffzellensystem, mit einem in eine Komponente des Brennstoffzellensystems integrierten Abluftkatalysator und mit einer in Strömungsrichtung nach dem Abluftkatalysator angeordneten Abgasturbine.

[0009] In der DE 10 2018 112 443 A1 ist ein Antriebssystem mit Brennstoffzelle und Turbolader gezeigt, wobei der Turbinenrotor und der Verdichterrotor des Turboladers wellenlos direkt miteinander verbunden sind. Der Turbolader ist Bestandteil eines Antriebssystems, welches als Antriebsaggregat eine Brennstoffzelle, insbesondere eine Wasserstoff- Sauerstoff- Brennstoffzelle umfasst. Abgas der Brennstoffzelle, nämlich Wasserdampf, wird in der Turbine des Turboladers entspannt und in dem Verdichter des Turboladers wird Luft verdichtet, die dem Brennstoffzellenprozess zugeführt wird.

[0010] Die E 35 304 B zeigt einen Gasturbinenmotor, bei dem eine Gasturbine mit einem Luftkompressor vorhanden ist und an einem inneren Gehäuse, in das auch Druckluft geführt ist, eine Brennstoffdüse befestigt ist, durch welche Brennstoff in das Innere des inneren Gehäuses geleitet wird, und wobei zusätzlich eine Wasserstrahldüse vorgesehen ist, durch welche Wasserstrahlen in das Inneren des inneren Gehäuses geleitet werden. Die mit Wasserstoff betriebene Gasturbine weist eine Zündkerze zur Zündung des Wasserstoffgases auf und in einer Mischzone werden die Wasserstrahlen mithilfe des gezündeten Wasserstoffgases in Dampf umgewandelt, um die Verbrennungsenergie des gezündeten Wasserstoffgases und die durch Verdampfung der Wasserstrahlen erzeugte Dampfenergie in Kombination zum Erzielen mechanischer dynamischer Energie zu verwenden.

[0011] Die DE 34 03 132 A1 zeigt einen Druckgasmotor in Konzeption eines Drehkolbenmotors, der mit einem von außen zugeführten Druckgas oder durch Treibstoffverbrennung angetrieben werden kann.

[0012] Die DE 103 23 534 A1 zeigt einen Druckgasmotor für Fahrzeuge, bei dem flüssige Luft in einer Druckkammer verdampft und durch eine Verbrennung des Brennstoffs erhitzt wird und das erhitzte Druckgas einen zweistufigen Drehschiebermotor treibt, also bei der Verbrennung freiwerdende Energie genutzt wird.

[0013] Auch in der DE 34 11 987 A1 ist angegeben, bei einer Verbrennungskraftmaschine, einem Druckgasmotor oder Kompressor in Form eines Kolbenmotors Kolben mit einem Verbrennungsdruck zu beaufschlagen.

[0014] Die DE 10 2012 010 909 A1 zeigt eine Maschine zur thermomechanischen Energieumwandlung durch Druck-, Temperatur- und Querschnittsdifferenzen, wobei eine thermomechani-

sche Energieumwandlung durch zwei geschlossene Kreisprozesse erfolgt, in denen jeweils ein anderes Kältemittel zum Einsatz kommt.

[0015] Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Energieaufbereitungsvorrichtung der eingangs genannten Art bereitzustellen, mit der eine möglichst hohe, nutzbare Energieausbeute, insbesondere der Energiewandlervorrichtung, bei unterschiedlichen Leistungsanforderungen erreicht wird, und ein entsprechendes Verfahren sowie geeignete Anwendungen zur Verfügung zu stellen.

[0016] Diese Aufgabe wird bei der Energieaufbereitungsvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1, bei einem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 12 und bei Anwendungen mit den Merkmalen des Anspruchs 13 gelöst.

[0017] Hierbei ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass in der Koppelstrecke eine (zumindest teilweise) durch das Druckgefälle des Energieträgermediums zwischen dem Eingangsdruck und dem Arbeitsdruck betriebene Verdichtungsvorrichtung für den der Energiewandlervorrichtung zugeführten Oxidator angeordnet ist.

[0018] Bei diesem Aufbau bzw. dieser Vorgehensweise wird die in Folge des Druckunterschieds des Energieträgermediums zwischen Eingangsdruck am Ausgang der Zuführspeichereinrichtung bzw. Eingang der Koppelstrecke und an deren Ausgang und damit eingangsseitig der Energiewandlervorrichtung vorliegende Druckdifferenz des Energieträgermediums, d. h. die damit gegebene potentielle Energie, gezielt als mechanische, z. B. rotatorische, Energie zum Betreiben der Verdichtungsvorrichtung für den Oxidator und darüber zur Nutzbarmachung für den Verbraucher über die Energiewandlervorrichtung verwertet. Dabei ist auch zum Beispiel eine geregelte Verwertung unter Abstimmung auf vorliegende Druckverhältnisse und/oder vom Verbraucher genutzte, von der Energiewandlervorrichtung zur Verfügung gestellte Energie möglich. Auch kann überschüssige Energie aus dem Druckgefälle darüber hinaus zusätzlich verwertet werden. Im Unterschied zu der bisher üblichen Druckanpassung mittels Druckminderer wird mit den erfindungsgemäßen Maßnahmen eine deutlich höhere Effizienz des Gesamtsystems der Energieaufbereitungsvorrichtung erreicht.

[0019] Vorteilhafte Ausgestaltungen der Energieaufbereitungsvorrichtung hinsichtlich Aufbau, Funktion und Anwendung ergeben sich dadurch, dass die Energiewandlervorrichtung eine Brennstoffzelleneinrichtung und/oder eine Verbrennungskraftmaschine aufweist.

[0020] Eine für die praktische Nutzung, insbesondere auch im Zusammenhang mit einem mit Energie zu versorgenden Antriebssystem, vorteilhafte Ausbildung sieht vor, dass das Energieträgermedium ein gasförmiges Fluid, insbesondere Wasserstoff oder Erdgas, aufweist oder in einem solchen besteht.

[0021] Verschiedene vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich ferner dadurch, dass die Verdichtungsvorrichtung einen translatorisch oder rotatorisch angetriebenen und/oder translatorisch oder rotatorisch arbeitenden Kompressionsmechanismus aufweist. Im Zusammenhang damit sind verschiedene Antriebsmechanismen für die Verdichtungsvorrichtung, wie zum Beispiel Rotationskolben, Membranpumpe oder Kolben-/Zylindereinheit einsetzbar.

[0022] Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass in der Koppelstrecke mindestens eine von dem Druckgefälle zwischen Eingangsdruck und Arbeitsdruck angetriebene Expansionsvorrichtung angeordnet ist, die mit der Verdichtungsvorrichtung zu deren Antrieb in Wirkverbindung gebracht oder bringbar ist. So kann z. B. ein kompaktes System aus Turbinenrotor und Verdichterrotor aufgebaut und mit vorteilhafter Energieverwertung und Antriebsfunktion realisiert werden.

[0023] Eine Nutzung der Druckdifferenz bei unterschiedlichen Leistungsanforderungen an die Energiewandlervorrichtung von der Verbraucherseite (z. B. Fahrzeugantrieb) und/oder über die Koppelstrecke eingebundenen Komponenten wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass die Turbinenanordnung mindestens eine für höhere Massenströme ausgelegte Volllastturbine und mindestens eine dieser gegenüber für niedrigere Massenströme ausgelegte Teillastturbine umfasst. Beispielsweise kann durch diesen Aufbau, nach Art einer Turboladervorrichtung, ein Be-

triebsbereich durch Verschieben der Belastungsgrenzen, insbesondere der Pump- und Stopfgrenze, z. B. gegenüber einer Ausführung mit Einzelturbine, vorteilhaft erweitert werden, insbesondere wird ein breiteres Fenster der Parameter Druckverhältnis und Volumenstrom ermöglicht, und es kann so ein breiter Leistungsbereich des/der Verbraucher angesprochen werden. Bei einem Brennstoffzellenfahrzeug ist dies besonders vorteilhaft, da z. B. während der Beschleunigungsphasen bzw. durch einen transienten Betriebsmodus ein weiter Bereich an WasserstoffGasverbräuchen abzudecken ist und gleichzeitig proportional dazu ein entsprechend weiter Bereich an komprimierten Zuluft-Massenströmen bereitgestellt werden muss. Andererseits sind die Phasen mit konstanter Geschwindigkeit und somit geringerem Massenstrom häufiger zu erwarten. Die Pumpgrenze begrenzt ein Verdichterkennfeld eines Turboladers (Druckverhältnis am Ausgang und Eingang des Verdichters über dem Massenstrom) am linken Rand, während die Stopfgrenze das Verdichterkennfeld durch den maximalen Volumenstrom (bei Schallgeschwindigkeit des Volumenstroms an der engsten Stelle), also am rechten Rand, begrenzt (vgl. Fig. 5).

[0024] Erfindungsgemäße alternative Ausgestaltungen bestehen dabei darin, dass die mindestens eine Volllastturbine und die mindestens eine Teillastturbine auf einem gemeinsamen Wellenstrang in Reihe angeordnet sind oder dass die mindestens eine Volllastturbine und die mindestens eine Teillastturbine auf zwei Wellensträngen, einem ersten Wellenstrang und einem dazu (wirkungsmäßig) parallelen zweiten Wellenstrang, angeordnet sind. Ein gemeinsamer Wellenstrang kann dabei z. B. aus einer einstückigen Welle oder (z. B. über einen Getriebe- und oder Kupplungsmechanismus) gekoppelten Wellenabschnitten bestehen.

[0025] Vorteilhafte Steuerungs- oder Regelungsmöglichkeiten der Voll- und Teillastturbine(n) unter verschiedenen Einsatzbedingungen ergeben sich dadurch, dass bei Anordnung der mindestens einen Vollastturbine und der mindestens einen Teillastturbine auf einem gemeinsamen Wellenstrang zumindest zwischen einer Vollastturbine und einer Teillastturbine eine Kupplung angeordnet ist, mittels deren die Vollastturbine zuschaltbar ist, insbesondere wenn eine Leistungsgrenze der Teillastturbine erreicht ist. Die Kupplung benötigt zwar eine zusätzliche Ansteuerung, ist allerdings z. B. beim Anfahren zweckmäßig, da im Anfahrverhalten die Teillastturbine angesprochen wird und diese ohne Kupplung durch die Massenträgheit der Volllastturbine belastet wäre.

[0026] Vorteilhafte betriebliche Anpassungsmöglichkeiten ergeben sich auch dadurch, dass bei zwei Wellensträngen jedem Wellenstrang ein Luftverdichter zugeordnet ist.

[0027] Erfindungsgemäß besteht die Energieaufbereitungsvorrichtung weiterhin darin, dass die mindestens eine Volllastturbine und die mindestens eine Teillastturbine einzeln über in der Koppelstrecke angeordnete Ventile einer Ventilanordnung zuschaltbar sind. Dadurch wird eine vorteilhafte Steuerung und/oder Regelung erreicht.

[0028] Erweiterte Betriebsmöglichkeiten werden dadurch erhalten, dass der Koppelstrecke eine Bypassstrecke mit einer Fluidleitungsanordnung und einer Bypassventilanordnung zugeordnet ist, wobei mittels der Bypassstrecke ein Massenstrom des Energieträgermediums über eine Leistungsgrenze des Systems aus Expansionsvorrichtung und Verdichtungsvorrichtung hinaus ermöglicht ist und/oder eine Entkopplung zwischen Energieträgermediumseite und Oxidatorseite ermöglicht ist.

[0029] Hierbei bestehen für den Aufbau und die Funktion der Energieaufbereitungsvorrichtung weitere vorteilhafte Ausgestaltungen darin, dass die Ventilanordnung ein im Eingangsbereich der Koppelstrecke angeordnetes Zuleitungsventil für das Energieträgermedium, ein in der Bypassstrecke angeordnetes Bypassventil und ein stromauf der Volllastturbine vorgeschaltetes Abschottventil aufweist und dass das Energieträgermedium durch die Teillastturbine bei offenem Bypassventil und geschlossenem Zuleitungsventil im Kreis förderbar und die Volllastturbine bei offener Kupplung und geschlossenem Abschottventil entkoppelt ist.

[0030] Für den Betrieb der Energieaufbereitungsvorrichtung trägt vorteilhaft bei, dass bei Ausbildung der Energiewandlervorrichtung als Brennstoffzelleneinrichtung in einem Trocknungsmodus eine Trocknung derselben bei ihrem Abschalten bzw. in ihrem abgeschalteten Zustand durch-

führbar ist.

[0031] Für die Energieverwertung aus dem über die Koppelstrecke vorliegenden Druckgefälle ist des Weiteren vorteilhaft vorgesehen, dass auf mindestens einem Wellenstrang eine elektrische Maschine angeordnet ist. Mit der elektrischen Maschine (Motor oder Generator bzw. Motor- oder Generatorbetrieb) lässt sich beispielsweise ergänzende Energie für die Verdichtungsvorrichtung bedarfsweise zuführen bzw. anfallende Energie für weitere Aggregate (z. B. Gebläse, Kühl- oder Heizvorrichtung) zusätzlich verwerten. Für die Energieeffizienz des Gesamtsystems ist des Weiteren vorteilhaft vorgesehen, dass auf mindestens einem Wellenstrang eine einer Abgasführung zugeordnete Abgas-Expansionsmaschine, insbesondere mindestens eine Abgasturbine, zur zusätzlichen Energiegewinnung angeordnet ist.

[0032] Eine vorteilhafte Nutzung der Energie ergibt sich durch Verwendung der Energieaufbereitungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11 oder Anwendung des Verfahrens nach Anspruch 12 für eine Antriebsvorrichtung im Bereich des Verkehrs, insbesondere für straßen- oder schienengebundene Fahrzeuge, für Flugzeuge oder für Schiffe.

[0033] Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

[0034] Fig. 1 Ein erstes Ausführungsbeispiel einer Energieaufbereitungsvorrichtung mit einer über einer Koppelstrecke mit einer Zuführspeichereinrichtung gekoppelten Energiewandlervorrichtung, wobei in die Koppelstrecke eine Expansionsvorrichtung und eine mit ihrer Antriebsseite an diese angeschlossene Verdichtungsvorrichtung eingebunden sind, in schematischer Darstellung,

[0035] Fig. 2 ein weiteres Ausführungsbeispiel für eine Energieaufbereitungsvorrichtung mit einer über eine Koppelstrecke an eine Zuführspeichereinrichtung gekoppelten Energiewandlervorrichtung nach Fig. 1, wobei zusätzlich antriebsseitig an die Verdichtungsvorrichtung eine die Abgasenergie der Energiewandlervorrichtung aufnehmende Abgas-Expansionsmaschine angeschlossen ist, in schematischer Darstellung,

[0036] Fig. 3 eine nähere Darstellung einer Energieaufbereitungsvorrichtung mit einer Zuführspeichereinrichtung und einer daran über eine Koppelstrecke angeschlossenen Energiewandlervorrichtung mit modifizierter Expansionsvorrichtung und weiteren Komponenten,

[0037] Fig. 4 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Energieaufbereitungsvorrichtung in näherer Darstellung mit einer Zuführspeichereinrichtung und einer daran über eine Koppelstrecke angeschlossenen Energiewandlervorrichtung mit einer weiter modifizierten Expansionsvorrichtung und weiteren Komponenten und

[0038] Fig. 5 ein (an sich bekanntes) Verdichterkennfeld zur Erläuterung einer Pump- und Stopfgrenze einer Turboladervorrichtung.

[0039] Bei dem in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel einer Energieaufbereitungsvorrichtung 1 ist eine Energiewandlervorrichtung 3, ausgebildet als Brennstoffzelleneinrichtung 30, über eine Koppelstrecke 4 mit einer Zuführspeichereinrichtung 2 für ein der Energiewandlervorrichtung 3 zuzuführendes Energieträgermedium, vorliegend Wasserstoff, verbunden. Das Energieträgermedium liegt in einem Ausgangsabschnitt der Zuführspeichereinrichtung 2 bzw. an einem Eingangsabschnitt der Koppelstrecke 4 als gasförmiges Fluid unter einem relativ hohen Eingangsdruck vor und wird am Ausgang der Koppelstrecke 4 der Energiewandlervorrichtung 3 unter einem relativ zum Eingangsdruck deutlich niedrigeren Arbeitsdruck zugeführt, um eine chemische Reaktion mit einem der Energiewandlervorrichtung 3 ebenfalls zugeführten Oxidator, insbesondere Sauerstoff bzw. Luft, zu erzeugen. Beispielsweise beträgt der Eingangsdruck einer Energieaufbereitungsvorrichtung 1 mit Wasserstoff als Energieträgermedium bis zu ca. 700 bar und der Arbeitsdruck der als Brennstoffzellenstapel ausgebildeten Energiewandlervorrichtung 3 (u.a. abhängig von der Anzahl der Brennstoffzellen in einem Brennstoffzellenstapel) zwischen ca. 1 bis 3 bar, wodurch

sich über der Koppelstrecke 4 ein entsprechend hohes Druckgefälle (Druckdifferenz zwischen Eingangsdruck und Arbeitsdruck) ergibt.

[0040] Das Energieträgermedium wird z. B. in einem Hochdruckspeicher bzw. Hochdrucktank, vorliegend also Wasserstoff-Hochdrucktank, vorgehalten. Alternativ sind auch andere Speichervorrichtungen möglich, z. B. (wie in dem eingangs genannten Stand der Technik erwähnt) in einem Metallhydridspeicher oder in einem Kryotank. In diesen Fällen wird der so bevorratete Wasserstoff in der Zuführspeichereinrichtung 2 in die Gasphase mit entsprechend hohem Eingangsdruck zur Einleitung in die Koppelstrecke 4 übergeführt. Zur definierten Druckanpassung kann am Ausgang der Zuführspeichereinrichtung 2 oder im Eingangsabschnitt der Koppelstrecke 4 ein Vordruck-Druckminderer 11 und/oder im Ausgangsabschnitt der Koppelstrecke 4 oder Eingangsbereich der Energiewandlervorrichtung 3 ein Hinterdruck-Druckminderer 12 angeordnet sein. Im Gegensatz zu bekannten Ausführungen wird bei vorliegender Energieaufbereitungsvorrichtung 1 der Eingangsdruck von beispielsweise bis zu 700 bar jedoch nicht durch Druckminderer auf das erforderliche Druckniveau für die chemische Reaktion in der Energiewandlervorrichtung 3, vorliegend also des Brennstoffzellenstapels, gebracht, sondern die Druckminderer werden allenfalls zu einer Feinjustierung bzw. genauen Einregelung des Druckniveaus verwendet.

[0041] Bei vorliegender Energieaufbereitungsvorrichtung 1 wird das Druckgefälle des Energieträgermediums zwischen Eingangsdruck und Arbeitsdruck bzw. die in dem komprimierten Gas enthaltene potenzielle Energie weitgehend oder vollständig in der Koppelstrecke 4 zur Erhöhung der Effizienz der Energieaufbereitungsvorrichtung 1, insbesondere der Energiewandlervorrichtung 3, umgesetzt. Hierzu ist in der Koppelstrecke 4, die auch erforderliche Leitungsmittel für die Zuführung des Energieträgermediums von der Zuführspeichereinrichtung 2 zu der Energiewandlervorrichtung 3 und eine gegebenenfalls erforderliche Ventilanordnung 7 (vgl. Fig. 3 und 4) umfasst, eine mittels der durch das Druckgefälle gegebenen Energie (vollständig oder zusätzlich) angetriebene Verdichtungsvorrichtung 42 für den Oxidator, insbesondere Sauerstoff bzw. diesen enthaltende Luft, angeordnet.

[0042] Die Verdichtungsvorrichtung 42 kann dabei unterschiedlich, z. B. als translatorisch oder rotatorisch angetriebene Kompressionsmaschine beispielsweise mit Kolben-/Zylindereinheit, Rotationskolben oder Membranpumpe, ausgebildet sein. Als Antrieb der Verdichtungsvorrichtung 42 kann ebenfalls ein translatorisch oder rotatorisch arbeitender Mechanismus, vorzugsweise in Ausbildung als Expansionsvorrichtung 40 mit Expansionsmaschine, insbesondere als Turbinenanordnung mit mindestens einer Turbine, eingesetzt sein, wobei für den Antrieb die aus dem Druckgefälle gewonnene Arbeitsenergie genutzt wird.

[0043] Mittels der Verdichtungsvorrichtung 42 bzw. des von dieser der Energiewandlervorrichtung 3 komprimiert zugeführten Oxidators kann der Wirkungsgrad der Energiewandlervorrichtung 3, beispielsweise in Form der Brennstoffzelleneinrichtung 30, und damit die Effizienz des Gesamtsystems der Energieaufbereitungsvorrichtung 1 wesentlich erhöht werden.

[0044] Die Verdichtungsvorrichtung 42 ist z. B. über einen Wellenstrang 41 mit der Expansionsvorrichtung 40 mechanisch gekoppelt, wobei die von der Expansionsmaschine abgegebene Energie, insbesondere durch die aus dem Druckgefälle bzw. der Druckenergie gewonnene Rotationsenergie, auf den Wellenstrang 41 zum Antrieb der Verdichtungsvorrichtung 42 übertragen wird. Der Wellenstrang 41 zwischen der Expansionsvorrichtung 40 und der Verdichtungsvorrichtung 42 kann dabei als einstückige Welle ausgebildet oder mit einem mechanischen Getriebe oder einem Kupplungsmechanismus versehen sein. Da das Verhältnis des Oxidator- bzw. Luftbedarfs und des Bedarfs an Energieträgermedium, wie Wasserstoffbedarf des Brennstoffzellenstapels, durch die chemische Reaktion vorgegeben und konstant ist, kann ein konstantes Übersetzungsverhältnis bzw. eine konstante Getriebeübersetzung zwischen der Expansionsvorrichtung 40 und der Verdichtungsvorrichtung 42 realisiert werden. Wird eine elektrisch betriebene Verdichtungsvorrichtung 42 verwendet, wird die potentielle Energie des komprimierten Energieträgermediums zusätzlich zum Betrieb der Verdichtungsvorrichtung 42 genutzt.

[0045] Alternativ zu der Ausgestaltung der Energieaufbereitungsvorrichtung 1 mit der Brennstoffzelleneinrichtung 30, kann als Energiewandlervorrichtung 3 z. B. ein mit Erdgas als Energieträ-

germedium betriebener Verbrennungsmotor verwendet werden, wobei in der Zuführspeichereinrichtung 2 das Erdgas vorgehalten und an deren Ausgangsbereich bzw. im Eingangsbereich der Koppelstrecke 4 unter entsprechend hohem Eingangsdruck zugeführt wird, um in dem Verbrennungsmotor bei niedrigerem Arbeitsdruck durch eine chemische Verbrennungsreaktion mit dem komprimierten Oxidator umgewandelte Energie einem angeschlossenen Verbraucher zur Verfügung zu stellen. Eine solche alternative Ausgestaltungsmöglichkeit kommt auch für die weiteren Ausführungsbeispiele in Betracht.

[0046] Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 weist die Energieaufbereitungsvorrichtung 1 im Unterschied zur Ausführung nach Fig. 1 eine zweite Expansionsmaschine, insbesondere in Ausbildung einer Abgasturbine 430, auf, die zusätzlich die Energie des Abgases der Energiewandlervorrichtung 3 zurückgewinnt, um auch diese zur Kompression des Oxidators mittels der Verdichtungsvorrichtung 42 zu verwenden. Die Kopplung mit der Verdichtungsvorrichtung 42 erfolgt dabei beispielsweise über den gleichen oder über einen zusätzlichen Wellenstrang, der mit dem Wellenstrang 41 vorzugsweise mechanisch gekoppelt ist. Bei der Ausführung der Energieaufbereitungsvorrichtung 1 z. B. mit einem Brennstoffzellenstapel wird damit auch die Energie des austretenden Wasserdampf-Luftgemischs zurückgewonnen und zur Kompression verwendet. Hierbei wird zusätzlich zu der potenziellen Energie des Energieträgermediums bzw. Wasserstoffs auch die Energie des Produktwasser-/Luft- Gemisches in mechanische Energie umgewandelt und zum Antrieb der Verdichtungsvorrichtung 42 bzw. der Kompressionsmaschine verwendet. Dies trägt zur weiteren Erhöhung des Wirkungsgrades der Energiewandlervorrichtung 3 bei.

[0047] Bei der in Fig. 3 gezeigten weiteren Ausführungsvariante der Energieaufbereitungsvorrichtung 1 ist in der Koppelstrecke 4 zwischen der Zuführspeichereinrichtung 2 und der Energiewandlervorrichtung 3 eine Expansionsvorrichtung 40 mit einer Turbinenanordnung aus einer Volllastturbine 401 und einer Teillastturbine 402 angeordnet, die auf einem gemeinsamen Wellenstrang 41 liegen. Dabei ist bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel vorteilhaft (aber nicht notwendigerweise) eine mechanische Kupplung 44 angeordnet, die zusätzliche Steuerungs- oder Regelungsmöglichkeiten bietet. Auf dem Wellenstrang 41 ist dabei auch die Verdichtungsvorrichtung 42 für den Oxidator (insbesondere aus Umgebungsluft) angeordnet. Ferner kann auf den Wellenstrang 41, insbesondere zwischen der Teillastturbine 402 und der Verdichtungsvorrichtung 42, eine elektrische Maschine 6 angeordnet sein, die als Motor oder Generator ausgebildet ist oder wahlweise als Motor oder Generator betrieben werden kann.

[0048] Zudem sind nach Fig. 3 in den Leitungsmitteln der Koppelstrecke 4 verschiedene Ventile einer Ventilanordnung 7 angeordnet, über die verschiedene Zuführungswege für das Energieträgermedium von der Zuführspeichereinrichtung 2 zu der Energiewandlervorrichtung 3, also z. B. von einem Wasserstoffdruckspeicher zu einer Brennstoffzelleneinrichtung 30, oder auch eine Kreisführung innerhalb der Koppelstrecke 4 mittels entsprechender Ansteuerung der einzelnen Ventile hergestellt werden können. Ferner ist auch bei diesem Ausführungsbeispiel am Ausgang der Energiewandlervorrichtung 3 eine Abgasexpansionsmaschine 43, insbesondere in Ausbildung als Abgasturbine 430, zur Nutzung der Energie des Abgases der Energiewandlervorrichtung 3 angeordnet.

[0049] Die Ventilanordnung 7 umfasst in einem Leitungsabschnitt zwischen dem Ausgang der Zuführspeichereinrichtung 2 und der Expansionsvorrichtung 40 in Strömungsrichtung des Energieträgermediums zunächst ein Energieträgermedium-Zuleitungsventil 70 und weiterhin zwei an einer diesem nachfolgenden Abzweigstelle über dort angeschlossene Leitungsabschnitte eingebundene Ventile, nämlich das in der dort angeschlossenen Bypassleitung liegende Energieträgermedium-Bypassventil 73 und ein in einer an die Volllastturbine 401 angeschlossenen Zweigleitung liegendes Abschottventil 71 für die Volllastturbine 401. Zudem führt von der genannten Abzweigstelle ein Leitungsabschnitt zum Eingang der Teillastturbine 402.

[0050] Das zugeführte gasförmige Energieträgermedium, insbesondere in Form von Wasserstoff, kann mittels der Volllastturbine 401 und der Teillastturbine 402 entspannt werden. Die dabei auf demselben Wellenstrang 41, insbesondere derselben Welle, mit der Verdichtungsvorrichtung 42 liegende Teillastturbine 402 treibt mittels der aus dem Druckgefälle gewonnenen Energie die Ver-

dichtungsvorrichtung 42 an und kann somit direkt zur Verdichtung des Oxidators, insbesondere der Luft aus der Umgebung, verwendet werden. Mittels der zusätzlich auf diesem Wellenstrang 41 angeordneten Abgasturbine 430 wird aus dem Abgasmassenstrom zusätzlich Energie zurückgewonnen. Die an dem Wellenstrang 41 angekoppelte, z. B. angeflanschte, elektrische Maschine 6, beispielsweise ein Elektromotor, kann die Verdichtungsvorrichtung 42 insbesondere bei niedrigen Wasserstoffmassenströmen unterstützen und ermöglicht z. B. eine Trocknung des Brennstoffzellenstapels der Brennstoffzelleneinrichtung 30 beim Abschalten derselben.

[0051] Mittels der mechanischen Kupplung 44 kann die Volllastturbine 401 zugeschaltet werden. Auf diese Weise kann während eines Teillastbetriebs ausgeschlossen werden, dass die Turbinenschaufeln bei Lastwechseln mitbewegt werden müssen, und Schleppmomente der Volllastturbine 401 werden vermieden. Ein Bypassventil 73 der Ventilanordnung 7 ist in einem Bypassweg parallel zu der Expansionsvorrichtung 40 mit der Volllastturbine 401 und der Teillastturbine 402 angeordnet, sodass ein Massenstrom des Energieträgermediums über eine Belastungsgrenze (Stopfgrenze) der Volllastturbine 401 hinaus ermöglicht wird.

[0052] In Kombination mit dem Energieträgermedium-Zuleitungsventil 70 und der mechanischen Kupplung 44 lässt sich mit dem Bypassventil 73 zusätzlich die Oxidatorseite bzw. Luftseite mit der Verdichtungsvorrichtung 42 und ggf. der (nicht notwendigerweise vorhandenen) Abgasturbine 430 von der Seite des Energieträgermediums bzw. der Wasserstoffseite entkoppeln, indem die Teillastturbine 402 das Fluid in Form des Energieträgermediums bei offenem Bypassventil 73 und geschlossenem Energieträger-Zuleitungsventil 70 im Kreis fördert und die Volllastturbine 401 bei offener Kupplung 44 und geschlossenem Abschottventil 71 entkoppelt ist. Auf diese Weise kann ein Trocknen des Brennstoffzellenstapels beim Abschalten bzw. im abgeschalteten Zustand der Brennstoffzelleneinrichtung 30 realisiert werden.

[0053] Bei dem in Fig. 4 gezeigten Ausführungsbeispiel der Energieaufbereitungsvorrichtung 1 sind im Unterschied zu der Ausführung nach Fig. 3 die Volllastturbine 401 und die Teillastturbine 402 auf zwei Wellensträngen, einem ersten Wellenstrang 410 und einem weiteren Wellenstrang 411, in ihrer Wirkungsweise parallel angeordnet. Dabei ist auf dem ersten Wellenstrang 410 die Volllastturbine 401 und ein erster Oxidatorverdichter 420 (Luftverdichter, insbesondere für Umgebungsluft) und auf dem weiteren Wellenstrang 411 die Teillastturbine 402 mit einem zweiten Oxidatorverdichter 421 (Luftverdichter, insbesondere für Umgebungsluft) angeordnet. Zudem sind bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel (aber nicht notwendigerweise) auf dem ersten Wellenstrang 410 und dem weiteren Wellenstrang 411 eine erste elektrische Maschine 61 bzw. zweite elektrische Maschine 62 und eine (ebenfalls vorteilhaft, aber nicht notwendigerweise) erste Abgasturbine 431 bzw. eine zweite Abgasturbine 432 angeordnet. Die Ventilanordnung 7 umfasst auch hierbei ein in einem Leitungsabschnitt am Ausgang der Zuführspeichereinrichtung 2 angeordnetes Energieträgermedium-Zuleitungsventil 70 und an einer dieser nachgeordneten Abzweigungsstelle in jeweiligen Leitungsabschnitten angeordnete Ventile, nämlich in einer Bypassleitung 5 ein Energieträgermedium-Bypassventil 73, ein in einem Leitungsabschnitt zwischen der Abzweigstelle und dem Eingang der Volllastturbine 401 angeordnetes Abschottventil 71 für die Volllastturbine 401 und zudem ein in einem Leitungsabschnitt zwischen der Abzweigungsstelle und dem Eingang der Teillastturbine 402 angeordnetes weiteres Abschottventil 72 für die Teillastturbine 402.

[0054] Auch in dieser Ausführungsvariante wird das komprimierte gasförmige Energieträgermedium, vorliegend Wasserstoff, unter einem hohen Eingangsdruck am Ausgang der Zuführspeichereinrichtung 2 bzw. am Eingang der Koppelstrecke 4 vorgehalten und über die Expansionsvorrichtung 40 mit der Volllastturbine 401 und der dazu wirkungsmäßig parallel liegenden Teillastturbine 402 entspannt und unter relativ geringem Arbeitsdruck in der Energiewandlervorrichtung 3, vorliegend dem Brennstoffzellenstapel, vermittels chemischer Reaktion mit dem Oxidator in z. B. elektrische Energie gewandelt. Der für die Reaktion benötigte Oxidator wird über die Verdichtungsvorrichtung 42 mit dem ersten Oxidatorverdichter 420 (Volllastluftverdichter) und dem zweiten Oxidatorverdichter 421 (Teillastluftverdichter) der Energiewandlervorrichtung 3 bzw. dem Brennstoffzellenstapel komprimiert zugeführt. Das aus der Energiewandlervorrichtung bzw. der Brennstoffzelleneinrichtung 30 ausströmende Abgas mit komprimierter Luft und Produktwasser

wird über die erste Abgasturbine 431 (Abgasturbine Volllast) und die zweite Abgasturbine 432 (Abgasturbine Teillast) entspannt und die in dem Abgas enthaltene zusätzliche Energie kann so zurückgewonnen werden.

[0055] Bei diesem Aufbau kann die als Elektromotor wirkende erste elektrische Maschine 61 im ersten Wellenstrang (Volllast) und die als Elektromotor betriebene zweite elektrische Maschine 62 im weiteren Wellenstrang 411 (Teillast) in Betriebsmodi mit hohem Oxidatorbedarf bzw. Luftbedarf (z. B. Trocknung beim Abstellen) die Oxidatorverdichter 420, 421 unabhängig vom Massenstrom des gasförmigen Energieträgermediums bzw. des Wasserstoffs betreiben. Zusätzlich kann hierüber überschüssige Energie generatorisch als elektrische Energie in das Bordnetz zurückgespeist werden. Alle Komponenten des ersten Wellenstrangs 410 (Volllaststrang) und alle Komponenten des weiteren Wellenstrangs 411 (Teillaststrang) können dabei jeweils auf einer gemeinsamen einstückigen Welle, d. h. die Volllastkomponenten auf einer Volllastwelle und die Teillastkomponenten auf einer davon getrennten Teillastwelle, angeordnet sein, wodurch ein kompakter Aufbau der Energieaufbereitungsvorrichtung 1 begünstigt wird.

[0056] Entsprechend dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 können durch das Energieträgermedium-Zuleitungsventil 70, das weitere Abschottventil 72 für die Teillastturbine, das Abschottventil 71 für die Volllastturbine und das Energieträgermedium-Bypassventil 73 die Seite des Energieträgermediums bzw. Wasserstoffseite und die Oxidatorseite bzw. Luftseite unabhängig voneinander betrieben werden.

[0057] Die beschriebene Energieaufbereitungsvorrichtung ist vorteilhaft für den Einsatz in straBengebundenen Fahrzeugen z. B. mit Brennstoffzellen- oder Erdgasantrieb geeignet. Die Vorrichtung bzw. das Verfahren kann insbesondere dann angewendet werden, wenn eine Energiewandlervorrichtung gasförmigen Energieträger (Kraftstoff, Brennstoff) und einen komprimierten, gasförmigen Oxidator als Betriebsstoff benötigt und ein Druckgefälle zwischen der Zuführspeichereinrichtung 2 bzw. einem Speicher für das Energieträgermedium und der Energiewandlervorrichtung 3 vorliegt. Anwendungsgebiete sind z. B. Brennstoffzellen- und Erdgas-Antriebstechnologien im Verkehrsbereich, nämlich für straßen- und schienengebundene Fahrzeuge, Flugzeuge und/oder Schiffe.

Claims (1)

1. Ansprüche

   1. Energieaufbereitungsvorrichtung (1) mit in einer Zuführspeichereinrichtung (2) unter einem hohen Eingangsdruck vorgehaltenem oder auf einen hohen Eingangsdruck gebrachten Energieträgermedium und einer dieses über einen Eingangsabschnitt aufnehmenden Koppelstrecke (4), die an ihrer Ausgangsseite mit einer Energiewandlervorrichtung (3) in Verbindung steht, in der bei niedrigerem Arbeitsdruck durch chemische Reaktion des Energieträgermediums mit einem Oxidator von einer Verbrauchereinrichtung, insbesondere für ein Antriebssystem, nutzbare Energie zur Verfügung gestellt wird, wobei - In der Koppelstrecke (4) eine zumindest teilweise durch das Druckgefälle des Energieträ-

   germediums zwischen dem Eingangsdruck und dem Arbeitsdruck betriebene Verdichtungsvorrichtung (42) für den der Energiewandlervorrichtung (3) zugeführten Oxidator angeordnet ist,

   - In der Koppelstrecke (4) mindestens eine von dem Druckgefälle angetriebene Expansionsvorrichtung (40) angeordnet ist, die mit der Verdichtungsvorrichtung (42) zu deren Antrieb in Wirkverbindung gebracht oder bringbar ist,

   - die Expansionsvorrichtung (40) eine Turbinenanordnung aufweist, die mindestens eine für höhere Massenströme ausgelegte Volllastturbine (401) und mindestens eine dieser gegenüber für niedrigere Massenströme ausgelegte Teillastturbine (402) umfasst,

   dadurch gekennzeichnet, dass

   - die mindestens eine Volllastturbine (401) und die mindestens eine Teillastturbine 402) auf einem gemeinsamen Wellenstrang (41) in Reihe angeordnet sind oder die mindestens eine Volllastturbine (401) und die mindestens eine Teillastturbine (402) auf zwei Wellensträngen, einem ersten Wellenstrang (410) und einem dazu parallelen zweiten Wellenstrang (411), angeordnet sind und

   - die mindestens eine Volllastturbine (401) und die mindestens eine Teillastturbine (402) einzeln über in der Koppelstrecke (4) angeordnete Ventile einer Ventilanordnung (7) zuschaltbar sind.

   2. Energieaufbereitungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Energiewandlervorrichtung (3) eine Brennstoffzelleneinrichtung (30) und/oder eine Brennkraftmaschine aufweist.

   3. Energieaufbereitungsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Energieträgermedium ein gasförmiges Fluid, insbesondere Wasserstoff oder Erdgas, aufweist oder in einem solchen besteht.

   4. Energieaufbereitungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdichtungsvorrichtung (42) einen translatorisch oder rotatorisch angetriebenen und/oder translatorisch oder rotatorisch arbeitenden Kompressionsmechanismus aufweist.

   5. Energieaufbereitungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei Anordnung der mindestens einen Vollastturbine (401) und der mindestens einen Teillastturbine (402) auf einem gemeinsamen Wellenstrang (41) zumindest zwischen einer Vollastturbine (401) und einer Teillastturbine (402) eine Kupplung (44) angeordnet ist, mittels deren die Vollastturbine (401) zuschaltbar ist, insbesondere wenn eine Leistungsgrenze der Teillastturbine (402) erreicht ist.

   6. Energieaufbereitungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei zwei Wellensträngen (410,411) jedem Wellenstrang (410, 411) ein Luftverdichter (420 bzw. 421) zugeordnet ist.

   10.

   11.

   12.

   Ästerreichisches AT 18 081 U1 2023-12-15

   Energieaufbereitungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,

   dadurch gekennzeichnet,

   dass der Koppelstrecke (4) eine Bypassstrecke (5) mit einer Fluidleitungsanordnung (50) und einer Bypassventilanordnung (7°) zugeordnet ist, wobei mittels der Bypassstrecke (5) ein Massenstrom des Energieträgermediums über eine Leistungsgrenze des Systems aus Expansionsvorrichtung (40) und Verdichtungsvorrichtung (42) hinaus ermöglicht ist und/oder eine Entkopplung zwischen Energieträgermediumseite und Oxidatorseite ermöglicht ist.

   Energieaufbereitungsvorrichtung nach Anspruch 7,

   dadurch gekennzeichnet,

   dass die Ventilanordnung (7) ein im Eingangsbereich der Koppelstrecke (4) angeordnetes Zuleitungsventil (70) für das Energieträgermedium, ein in der Bypassstrecke (5) angeordnetes Bypassventil (73) und ein stromauf der Volllastturbine (401) vorgeschaltetes Abschottventil (71) aufweist und

   dass das Energieträgermedium durch die Teillastturbine (402) bei offenem Bypassventil (73) und geschlossenem Zuleitungsventil (70) im Kreis förderbar und die Volllastturbine (401) bei offener Kupplung (44) und geschlossenem Abschottventil (71) entkoppelt ist.

   Energieaufbereitungsvorrichtung nach Anspruch 8,

   dadurch gekennzeichnet,

   dass bei Ausbildung der Energiewandlervorrichtung (3) als Brennstoffzelleneinrichtung (30) in einem Trocknungsmodus eine Trocknung derselben bei ihrem Abschalten durchführbar ist.

   Energieaufbereitungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,

   dadurch gekennzeichnet,

   dass auf mindestens einem Wellenstrang (41; 410, 411) eine elektrische Maschine (6; 61, 62) angeordnet ist.

   Energieaufbereitungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,

   dadurch gekennzeichnet,

   dass auf mindestens einem Wellenstrang (41; 410, 411) eine einer Abgasführung (8) zugeordnete Abgas-Expansionsmaschine (43), insbesondere mindestens eine Abgasturbine (430; 431, 432), zur zusätzlichen Energiegewinnung angeordnet ist.

   Energieaufbereitungsverfahren, bei dem ein Energieträgermedium mit hohem Eingangsdruck aus einer Zuführspeichereinrichtung (2) in einen Eingangsabschnitt einer Koppelstrecke (4) eingeleitet und über diese über eine Ausgangsseite in eine Energiewandlervorrichtung (83) geführt wird, in der bei niedrigem Arbeitsdruck durch chemische Reaktion des

   Energieträgermediums mit einem Oxidator nutzbare Energie für eine Verbrauchereinrich-

   tung, insbesondere umfassend ein Antriebssystem, zur Verfügung gestellt wird, wobei

   - In der Koppelstrecke (4) unter Nutzung des Druckgefälles des Energieträgermediums zwischen dem Eingangsdruck und dem Arbeitsdruck eine Verdichtungsvorrichtung (42) betrieben wird, mittels deren der Energiewandlervorrichtung (3) der für die chemische Reaktion erforderliche Oxidator komprimiert zugeführt wird,

   - In der Koppelstrecke (4) mindestens eine von dem Druckgefälle angetriebene Expansionsvorrichtung (40) angeordnet ist, die mit der Verdichtungsvorrichtung (42) zu deren Antrieb in Wirkverbindung gebracht wird,

   - die Expansionsvorrichtung (40) eine Turbinenanordnung aufweist, die mindestens eine für höhere Massenströme ausgelegte Volllastturbine (401) und mindestens eine dieser gegenüber für niedrigere Massenströme ausgelegte Teillastturbine (402) umfasst,

   - die mindestens eine Volllastturbine (401) und die mindestens eine Teillastturbine 402) auf einem gemeinsamen Wellenstrang (41) in Reihe angeordnet sind oder die mindestens eine Volllastturbine (401) und die mindestens eine Teillastturbine (402) auf zwei Wellensträngen, einem ersten Wellenstrang (410) und einem dazu parallelen zweiten Wellenstrang (411), angeordnet sind und

   - ein Betriebsbereich durch Verschieben der Belastungsgrenzen erweitert wird, indem die mindestens eine Volllastturbine (401) und die mindestens eine Teillastturbine (402) einzeln über in der Koppelstrecke (4) angeordnete Ventile einer Ventilanordnung (7) zugeschaltet werden.

   13. Verwendung der Energieaufbereitungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11 oder Anwendung des Verfahrens nach Anspruch 12 für eine Antriebsvorrichtung im Bereich des Verkehrs, insbesondere für straßen- oder schienengebundene Fahrzeuge, für Flugzeuge oder für Schiffe.

   Hierzu 4 Blatt Zeichnungen