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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Liefersystem sowie ein Verfahren zur Lieferung eines gasförmig Brennstoffs, wie z.B. Wasserstoff, an einen Verbraucher, insbesondere einen Brennstoffzellenstapel, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bzw. des Anspruchs 9, wie im Wesentlichen aus der
DE 695 15 132 T2 bekannt. Die Erfindung betrifft ferner ein Brennstoffsystem.
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Die
DE 195 26 774 A1 beschreibt ein Brennstoffzellensystem, bei dem sich im Wasserstoffzuweg zu dem Brennstoffzellenstapel ein Druckminderer gefolgt von einem automatischen Ventil befinden.
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Bei der Entwicklung alternativer Antriebskonzepte für automotive Anwendungen hat der Elektroantrieb in Verbindung mit einem Niedertemperatur-Brennstoffzellensystem als elektrochemischer Energiewandler besonders an Bedeutung gewonnen. Die Wahl des Kraftstoffes hat dabei einen wesentlichen Einfluss auf die Komplexität des Brennstoffzellensystems. Bei Verwendung von organischen Kraftstoffen, wie z.B. Methanol oder Benzin, steigt die Systemkomplexität aufgrund der notwendigen Kraftstoffreformierung zu wasserstoffreichem Gas. Die Verwendung von reinem Wasserstoff hat eine wesentliche Systemvereinfachung zur Folge.
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Im Folgenden wird vornehmlich von Wasserstoff als gasförmigen Brennstoff gesprochen, die Erfindung ist aber nicht nur auf die Anwendung von Wasserstoff als gasförmigen Brennstoff beschränkt, sondern betrifft im Prinzip die Zuführung von beliebigen gasförmigen Brennstoffen an beliebige Verbraucher, die im Betrieb einen sich ändernden Bedarf an Brennstoff haben.
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Zur näheren Erläuterung der Erfindung wird ein Brennstoffzellensystem betrachtet, dass von einem Wasserstofftank mit komprimiertem Wasserstoff versorgt wird. Das Wasserstoffgas wird dann dem Brennstoffzellenstapel auf der Anodenseite lastabhängig zugeführt. Auf der Kathodenseite des Brennstoffzellenstapels wird entsprechend der Last Sauerstoff oder verunreinigter Sauerstoff (Luft) zugeführt. Der Lastsollwert ergibt sich dabei im Wesentlichen aus dem vom Fahrer gewünschten Verhalten des Gesamtfahrzeugs (Beschleunigen, Bremsen, etc.) sowie dem Leistungsbedarf der am Brennstoffzellensystem beteiligten elektrischen Verbraucher.
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Bei einem solchen Brennstoffzellensystem ist es notwendig, das Wasserstoffgas von einem hohen Druckniveau im Tank auf ein niedriges Druckniveau des Brennstoffzellensystems am Ausgang des Tanks zu begrenzen. Dabei handelt es sich bei dem niedrigen Druckniveau nicht um einen einzigen absoluten Druckpunkt, sondern um einen Druckbereich auf niedrigem Niveau.
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Die bekannten Liefersysteme zur Lieferung eines gasförmigen Brennstoffs sind bisher so ausgelegt, dass zwischen der Quelle des gasförmigen Brennstoffs mit einem höheren Druckniveau und dem Brennstoffzellensystem mindestens ein mechanisch arbeitendes Druckregelventil sowie ein Stellventil in Reihe geschaltet vorgesehen sind. Die Aufgabe des mechanisch arbeitenden Druckventils ist bisher, einen konstanten Speisedruck zu erzeugen, und das Stellventil wird entsprechend den Lastanforderungen angesteuert, um den dem Brennstoffzellenstapel zugeführten Massenstrom an Brennstoff zu steuern.
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Das Stellventil müsste ausgelegt werden, um den gesamten Druckbereich zwischen dem konstanten Speisedruck des mechanischen Druckregelventils und dem kleinsten auf der Brennstoffzellenseite des Ventils vorkommenden Druck zu beherrschen. Dies führt dazu, dass relativ hohe Anforderungen an die Qualität und Ansprechfähigkeit des Stellventils gestellt werden.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Liefersystem der eingangs genannten Art bzw. ein Brennstoffzellensystem und ein Verfahren zur Lieferung eines gasförmigen Brennstoffs so auszulegen, dass die Anforderungen an das Stellventil geringer werden, so dass preisgünstige Stellventile eingesetzt werden können und dennoch eine qualitätsmäßig hochwertige Steuerung des gelieferten Brennstoffmassenstroms erreichbar ist.
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Um diese Aufgabe zu lösen, wird erfindungsgemäß ein Liefersystem vorgesehen, bei dem der genannte auf der Verbraucherseite des Stellventils herrschende Druck oder ein diesem proportionaler oder entsprechender Wert über eine Steuerleitung dem mechanischen Druckregelventil zur Ergänzung der auf das Ventilglied des Druckregelventils wirkenden Federvorspannung diesem zuführbar ist.
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Zur Lösung dieser Aufgabe wird weiterhin ein Brennstoffzellensystem nach Anspruch 7 sowie ein Verfahren nach Anspruch 9 vorgesehen.
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Durch die erfindungsgemäß getroffene Maßnahme wird der Druck am Ausgang des mechanischen Druckregelventils entsprechend den Druckänderungen stromab des Stellventils im gleichen Sinne mit verändert, wodurch die Druckdifferenz zwischen der Eingangsseite des Stellventils und der Ausgangsseite des Stellventils kleiner wird. Damit sinken die Anforderungen an das Stellventil, das zwischen dem mechanischen Druckregelventil und dem Verbraucher bzw. den Brennstoffzellenstapel lastabhängig die benötigte Menge an gasförmigen Brennstoff einstellt.
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Es ist nicht zwingend erforderlich, dass die Steuerleitung den eigentlichen Druck auf der Ausgangsseite des Stellventils zum mechanischen Druckregelventil zurückführt, sondern es genügt, einen Druck am mechanischen Druckregelventil als Steuerdruck anzulegen, der sich entsprechend dem Druckniveau am Ausgang des Stellventils verhält, d.h. im gleichen Sinne wie das Druckniveau am Ausgang des Stellventils verändert, vorzugsweise proportional zu diesem Druck verändert. Durch die konkrete Auslegung der Fläche, die bei der zusätzlichen druckabhängigen Vorspannung des Ventilglieds im mechanischen Druckregelventil wirksam ist, kann die erforderliche Anpassung des Ausgangsdrucks des mechanischen Druckregelventils an den Ausgangsdruck auf der Ausgangsseite des Stellventils erreicht werden. Demzufolge kann die Steuerleitung von einer beliebigen Stelle auf der Anodenseite des Brennstoffzellenstapels abzweigen, z.B. am Ausgang des Stellventils selbst, an der Leitung zwischen dem Stellventil und dem Anodeneingang des Brennstoffzellenstapels, von einer Verteilerpassage des Brennstoffzellenstapels auf der Anodenseite oder von einer Ausgangsleitung, die vom Anodenausgang des Brennstoffzellenstapels zu einem Ablassventil führt, oder sogar von einer Stelle in einem Rückströmungspfad zwischen dem Anodenausgang und dem Anodeneingang des Brennstoffzellenstapels, wenn ein solcher Rückströmungspfad vorgesehen ist.
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Da die Sauerstoffzufuhr auf der Kathodenseite des Brennstoffzellensystems ebenfalls lastabhängig angesteuert wird, kann die Steuerleitung auch von einer Stelle auf der Kathodenseite des Brennstoffzellenstapels stromab des üblicherweise vorgesehenen Luftkompressors, der als Sauerstoffquelle für den Brennstoffzellenstapel dient, abgezweigt werden, sofern die Abzweigung an einer Stelle erfolgt, wo die Druckänderungen phasengleich mit den Druckänderungen auf der Anodenseite des Brennstoffzellenstapels erfolgen.
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Die Erfindung wird nachfolgend näher erläutert anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die einzige Zeichnung, welche in schematischer Form ein Brennstoffzellensystem 10 darstellt, das entsprechend der Erfindung ausgelegt ist.
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Das Bezugszeichen 12 deutet auf den Brennstoffzellenstapel, der aus mehreren einzelnen Brennstoffzellen besteht, die schematisch mit 14 gekennzeichnet sind. Der Brennstoffzellenstapel 12 weist eine Anodenseite 16 mit Anodeneingang 18 und Anodenausgang 20 sowie eine Kathodenseite 22 mit Kathodeneingang 24 und Kathodenausgang 26 auf.
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In an sich bekannter Weise weist jede einzelne Brennstoffzelle 14 eine Anode, eine Kathode und dazwischen eine Membran (nicht gezeigt) auf, wobei jede so genannte MEA (Membrane Electrode Assembly) bestehend aus einer Anode, einer Kathode und einer dazwischen angeordneten Membran, zwischen zwei sogenannten bipolaren Platten gehalten ist (ebenfalls nicht gezeigt). Zwischen der einen bipolaren Platte und der Kathode sind Strömungskanäle für Sauerstoff oder Luftsauerstoff vorgesehen, während zwischen der anderen bipolaren Platte und der Anode ebenfalls Strömungskanäle vorgesehen sind, die für die Zufuhr von Wasserstoff an die Anode sorgen.
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Die Strömungskanäle auf der Anodenseite der Brennstoffzellen sind zusammengeschaltet, damit alle Brennstoffzellen gleichzeitig mit Brennstoff über den Anodeneingang 18 versorgt werden können, wobei überschüssiger Wasserstoff sowie andere Abgase der Brennstoffzellen, wie beispielsweise Wasser in Dampfform und Stickstoff, der von der auf der Kathodenseite gelieferten Luftsauerstoff kommt, aus dem Brennstoffzellenstapel am Anodenausgang 20 über die Leitung 55 herausgeführt werden können. Die Durchströmung der Anoden der zusammen geschalteten Brennstoffzellen ist schematisch in der Figur mit der Linie 28 gezeigt. In ähnlicher Weise sind die Strömungspassagen auf der Kathodenseite der Brennstoffzellen zusammen geschlossen, um einen Strömungspfad 30 vom Kathodeneingang 24 zum Kathodenausgang 26 im Brennstoffzellenstapel 12 zu bilden, wobei die auf der Kathodenseite 22 anfallenden Abgase uber die Leitung 25 in die Atmosphäre abgegeben werden können. Die bipolaren Platten der einzelnen Brennstoffzellen 14 sind in Reihe und/oder parallel zueinander geschaltet. Im Betrieb entsteht eine Spannung an den zwei Ausgangsklemmen 32 und 34. Diese Spannung steht nicht dargestellten Einrichtungen, z.B. für den Antrieb eines Kraftfahrzeugs, in dem das Brennstoffzellensystem eingebaut ist sowie für den Antrieb von anderen Aggregaten, die zum Betrieb des Brennstoffzellensystems notwendig sind, als Leistungsquelle zur Verfügung.
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Die Auslegung von Brennstoffzellenstapeln bzw. der darin enthaltenen Brennstoffzellen sind bestens aus verschiedenen Schriften bekannt, so dass es nicht notwendig ist, hier näher auf die konkrete Auslegung des Brennstoffzellenstapels einzugehen.
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Wesentlich ist, dass der Anodenseite 16 des Brennstoffzellenstapels 12 ein gasförmiger Brennstoff zugeführt werden muss, wobei im Falle der Verwendung von Wasserstoff der Wasserstoff möglicherweise von einer Quelle in Form eines Wasserstofftanks 36 entnommen wird. Konkret kommt der Wasserstoff vom Wasserstofftank 36 über ein mechanisches Druckregelventil 38 sowie über ein Solenoid betätigtes Abschaltventil 40 und ein manuell betätigbares Absperrventil 42 zu einem Stellventil 44, das den frischen Wasserstoff über eine Leitung 46 dem Anodeneingang 18 des Brennstoffzellenstapels 12 zuführt.
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Im Betrieb wird das Stellventil 44 bei geöffneten Ventilen 40 und 42 je nach der vom Fahrer des Kraftfahrzeugs geforderten Leistung über eine Steuerung 48 angesteuert, um den erforderlichen Massenstrom an frischem Wasserstoff in die Anodenseite des Brennstoffzellenstapels 12 einzuspeisen.
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Gleichzeitig mit der lastabhängigen Ansteuerung des Stellventils 44 durch die Steuerung 48 wird über die Steuerung 48 einen Elektromotor 50 angesteuert, der einen Kompressor 52 antreibt und Lüftsauerstoff über eine Leitung 54 und den Kathodeneingang 24 in die Kathodenseite 22 des Brennstoffzellenstapels 12 einspeist.
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Im Brennstoffzellenstapel 12 wandern Protonen, die vom zugeführten Wasserstoff geliefert werden, von der Anodenseite 16 der einzelnen Brennstoffzellen durch die Membran zu der Kathodenseite 22 und reagieren an dort vorgesehenen Katalysatoren mit dem zugeführten Luftsauerstoff, um Wasser zu bilden. Diese Reaktion führt dazu, das elektrische Spannungen an den Bipolarplatten entstehen, die in summierter Form für die an den Klemmen 32 und 34 abnehmbare Leistung sorgen.
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Während der elektro-chemischen Reaktion in den einzelnen Brennstoffzellen diffundieren Stickstoffmoleküle von der Kathodenseite zur Anodenseite und verlassen die Anodenseite 16 über den Anodenausgang 20 zusammen mit dem unverbrauchten Wasserstoff und Wasserdampf. Diese Anodenabgase können kontinuierlich über ein Anodenabgasventil 56 abgelassen werden. Sie werden dann normalerweise zur Wärmegewinnung über eine Leitung 57 einem katalytischen Brenner (nicht gezeigt) zugeführt und dort mit Luftsauerstoff zur Erzeugung von Wärme umgesetzt, wobei die nach dem Brenner vorhandenen Abgase bestehend aus Stickstoff und Wasserdampf bedenkenlos in die Atmosphäre abgegeben werden können. Das Anodenabgasventil 56 kann aber auch diskontinuierlich geöffnet werden, um von Zeit zu Zeit Abgase aus dem Brennstoffzellenstapel 12 abzulassen, beispielsweise dann wenn die Stickstoffkonzentration auf der Anodenseite des Brennstoffzellenstapels 12 auf ein Niveau angestiegen ist, bei dem der effiziente Betrieb des Brennstoffzellenstapels leiden würde. Es ist auch bekannt, die Anodenabgase der Kathodenseite 22 des Brennstoffzellenstapels 12 zuzuführen, damit der Wasserstoffanteil auf der Kathodenseite direkt mit Sauerstoff zu Wasser reagiert und auf diese Weise entsorgt wird, wobei die vorliegende Erfindung auch mit einem solchen System anwendbar ist.
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Es besteht aber auch die Möglichkeit, eine Rückführleitung zwischen dem Anodenausgang 20 und dem Anodeneingang 18 vorzusehen, und zwar mit einer Pumpe 60, die dafür sorgt, dass die rückgeführten Gase ein angepasstes Druckniveau am Anodeneingang 18 aufweisen, um die Strömung aufrecht zu erhalten. Auch bei Anwendung einer solchen Rückführung kann ein Anteil der Anodenabgase entweder kontinuierlich oder diskontinuierlich über das Anodenabgasventil 56 und die Leitung 57 abgelassen werden.
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In der Figur sind der Wasserstofftank 36, das mechanische Druckregelventil 38, das Solenoid betätigte Abschaltventil 40 sowie das manuell betätigbare Absperrventil 42 in einem Rahmen 62 gezeigt. Da dieses Teil häufig von spezialisierten Zulieferern geliefert wird, ist es an sich bekannt.
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Das mechanische Druckregelventil 38 sorgt dafür, das höhere Druckniveau P3 im Wasserstofftank 36, das beispielsweise bei 350 Bar liegen kann, auf ein niedrigeres Druckniveau P2, das beispielsweise nur etwas über 1 Bar liegen kann, herunter zu regeln.
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Bei einem solchen mechanischen Druckregelventil wird über eine Justierschraube 64 eine Feder 66, die eine Kraft auf einen Kolben ausübt, vorgespannt. Der Kolben treibt beispielsweise dann ein Ventilglied an, das mit einem Gegenstück oder Ventilsitz (nicht gezeigt) im mechanischen Druckregelventil zusammenarbeitet und die eigentliche Regelfunktion ausübt. Solche mechanischen Druckregelventile verfügen normalerweise über einen Anschluss an die Atmosphäre, der als Referenzdruck dient.
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Bei manchen Systemen 62, wie sie vom Zulieferer erhalten werden können, wird auf der Tankseite des Druckregelventils ein zweites mechanisches Druckregelventil in Reihe mit dem hier gezeigten mechanischen Druckregelventil 38 vorgesehen, da es schwierig ist, mit einem mechanischen Druckregelventil die Herabsetzung des Drucks P3 von etwa 350 Bar auf etwas über 1 Bar zu realisieren. Wenn ein zweites mechanisches Druckregelventil vorgesehen ist, ist es auch bekannt, eine Steuerleitung von der Ausgangsseite des mechanischen Druckregelventils 38 auf den Referenzeingang des zweiten Druckregelventils zu führen, wie später näher erläutert wird.
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Nach der vorliegenden Erfindung führt eine Steuerleitung 70 von der Ausgangsseite des Stellventils 44 zum Referenzdruckeingang des Druckregelventils 38, so dass, wenn der Druck an der Brennstoffzellenseite des Stellventils 44 fällt, der Referenzdruck am mechanischen Druckregelventil 38 ebenfalls fällt. Da die Kraft vom Referenzeingang in die gleiche Richtung wirkt wie die Feder führt dies dazu, dass der Ausgangsdruck P2 des mechanischen Druckregelventils 38 und daher auch der Druck auf der Eingangsseite des Stellventils 44 ebenfalls fällt, wodurch die Druckdifferenz am Stellventil 44 zwischen dessen Eingangs- und Ausgangsseite kleiner wird. Hierdurch wird der Druckdifferenzbereich, der vom Stellventil 44 beherrscht werden muss, stets klein gehalten, was die Anforderungen an das Stellventil 44 herabsetzt. Dies bedeutet nicht, dass die Druckdifferenz selbst klein sein muss, sondern dass die Schwankungen der Druckdifferenz stets klein gehalten werden sollen.
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Wie gesagt wird durch die Justierschraube 64 die Feder 66, die eine Kraft auf den Kolben ausübt, vorgespannt. Der Druck P1 in der Steuer- bzw. Referenzleitung 70 wirkt im Druckregelventil 38 mit einer Kraft gleich P1 x A, wo A die wirksame Fläche für die angelegt Steuerdruck P1 im Druckregelventil ist, in die gleiche Richtung wie die Feder 66. Entgegen den beiden Kräften (Feder, Druck der Steuerleitung) wirkt der Ventilausgangsdruck P2. Je nach Druck bewegt sich ein das Ventilglied darstellende oder betätigende Kolben in eine „Auf“ oder „Zu“ Stellung.
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Im Betriebsmodus, mit dem elektromagnetisch betätigbaren Abschaltventil 40 und dem Absperrventil 42 offen, fordern die Anoden der Brennstoffzellen je nach Lastanforderung Wasserstoffgas an. Dieses Wasserstoffgas wird von dem Ventil 44 eingestellt.
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Das Verbinden der Steuerleitung 70 von der Anodenseite 16 mit dem Druckregelventil 38 hat den Vorteil, dass der Druck am Tankausgang P2 relativ zum Atmosphärendruck nicht konstant gehalten wird, sondern sich entsprechend des Anodendrucks P1 ändert. Dies bedeutet, dass der Differenzdruck (P2-P1) während des Brennstoffzellenbetriebes über dem Stellventil 44 deutlich weniger variiert als bei der bisherigen Lösung. Durch den weniger variierenden Differenzdruck P2-P1 über dem Ventil 44 sinken die Anforderungen an den Betriebsbereich dieses Ventils, was zu einer Kostenreduzierung führt. Darüber hinaus ist bei Verwendung eines zweistufigen Tankreglers, d.h. mit zwei in Reihe geschalteten Druckregelventilen auch ein stabileres Regelverhalten zu erwarten. Wie gesagt, kann die Steuerleitung 70 an einer beliebigen Stelle zwischen Ventil 56 und Ventil 44 angeschlossen werden, zu bevorzugen ist jedoch der Punkt direkt am Ausgang des Ventils 44.
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Alternativ kann die Steuerleitung 70 des Druckregelventils 38 auch an einen beliebigen Punkt auf der Kathodenseite des Brennstoffzellensystems angeschlossen werden. Voraussetzung hierfür ist, dass sich das Druckniveau der Kathode mit der Anode Phasengleich ändert, d.h., die Druckdifferenz zwischen Kathode und Anode bis auf Sensorfehler konstant bleibt.
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Verschiedene Möglichkeiten die Steuerleitung 70 an das Brennstoffzellensystem anzuschließen sind durch die Stichleitungen, die mit dem Bezugszeichen 70A, 70B, 70C, 70D, 70E und 70F bezeichnet sind, angedeutet. Die Stichleitung 70A liegt unmittelbar am Anodeneingang 18 des Brennstoffzellenstapels 12, die Stichleitung 70B dagegen unmittelbar vor dem Anodenabgasventil 56. Die Stichleitung 70C ist auf der Anodenausgangsseite des Brennstoffzellenstapels 12 an der Rückführleitung 65 angeschlossen, während die Stichleitung 70D an der Rückführleitung 58 nach der Pumpe 60 vorgesehen ist. Die Stichleitung 70F ist auf der Kathodeneingangsseite des Brennstoffzellensystems 12 vorgesehen, während die Stichleitung 70F auf der Kathodenausgangsseite des Brennstoffzellenstapels vorgesehen ist, und zweigt bspw. von der Ausgangsleitung 25 ab.
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Bei dem bekannten System mit zwei in Reihe geschalteten Druckregelventilen kommunizieren beide Druckregelventile über eine Steuer- bzw. Referenzleitung miteinander, um ein dynamisches Druckregelverhalten des Druckes P2 bei variierenden Wasserstoffentnahmen über Leitung 72 zu erreichen. Dabei funktionieren die zwei Druckregelventile der folgt:
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Das zweite Druckregelventil, d.h. das Druckregelventil das näher am Brennstoffzellenstapel angeordnet ist, besitzt wie auch bei dem erfindungsgemäß eingesetzten Druckregelventil 38 eine Steuer- bzw. Referenzleitung, die aber atmosphärisch betrieben wird. Das heißt, dass die zweite Druckstufe keine Information von der Anode bekommen kann, sondern die Atmosphäre als Referenz Messpunkt nutzt und somit immer auf einen durch die Federvorspannung eingestellten Differenzdruck zur Atmosphäre regelt. Die Folge davon ist, dass bei Verwendung des bekannten Systems bei variierendem Anodendruck die Druckdifferenz über dem Stellventil 44 variiert und somit der Arbeitsbereich des Stellventils 44 unnötig erhöht wird. Diesen Nachteil vermeidet die erfindungsgemäße Konstruktion wie oben erläutert.
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Die Konstruktion von geeigneten mechanischen Druckregelventilen
38 ist an sich bekannt. Ein Beispiel eines solchen Druckregelventils ist aus der europäischen Patentschrift
EP 0 585 810 B 1 bekannt. Dort ist der Referenzanschluss
64 entweder mit der Atmosphäre verbunden oder es kann dort ein höherer Druck von einer Pumpe angelegt werden, falls der Einbau des Druckregelventils dies erforderlich macht. Allerdings ist in der
EP 0 585 810 B1 der Referenzanschluss zum Zweck der vorliegenden Erfindung auf der falschen Seite der Membran vorgesehen. Das Ventil könnte jedoch zum Zwecke der vorliegenden Erfindung dadurch umgebaut werden, das eine Unterdruck Dose, der der Steuerdruck
P1 zugeführt wird, auf der anderen Seite des Ventilgliedes von der Feder angeordnet wird und über einen koaxial zum Ventilsitz geführten Stift auf das mit der Membran gekoppelte von der Feder vorgespanntem Ventilglied sowohl in Zugrichtung wie auch in Druckrichtung einwirkt.
