DE102004048862A1

DE102004048862A1 - Energiewandler, insbesondere Brennstoffzelle oder Gasmotor, mit Gasdosiereinheit

Info

Publication number: DE102004048862A1
Application number: DE102004048862A
Authority: DE
Inventors: Ian Faye; Ulrich Gottwick; Rainer Saliger
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2004-10-07
Filing date: 2004-10-07
Publication date: 2006-04-20

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Energiewandler, insbesondere Brennstoffzelle oder Gasmotor, mit Gasdosiereinheit für die Bereitstellung des wandlerseitigen Gas-Betriebsdrucks bei überwiegender Hochdruck-Gasversorgung. Sie ist dadurch gekennzeichnet, dass die Gasdosiereinheit als Hochdruckschaltventil ausgebildet ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Energiewandler, insbesondere eine Brennstoffzelle oder einen Gasmotor mit Gasdosiereinheit nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Energiewandler wie Brennstoffzellen oder Gasmotoren benötigen für Ihren Betrieb gasförmigen Brennstoff, der in Hochdruckspeichern mit Drücken bis zu 700 bar bei der Speicherung von Wasserstoff, bzw. bei Drücken bis zu 220 bar bei Erdgas versorgungsseitig gespeichert wird. Für die Versorgung des Energiewandlers wird dieses hochkomprimierte Gas zuerst mit einem Druckminderer auf einen Systemdruck von ca. 6 bar bis 20 bar entspannt und anschließend über Gasventile dem Gasmotor zugeführt. Im Fall von Brennstoffzellen-Systemen wird der Gasdruck mit einem Druckregler auf einen variablen Betriebsdruck zwischen 1 bar und 3 bar abgesenkt.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die Bereitstellung des Betriebsdrucks für Energiewandler, insbesondere für Brennstoffzellen-Systeme bzw. Gasmotoren zu vereinfachen.

Diese Aufgabe wird durch die technische Lehre des Anspruchs 1 gelöst. Aus den Unteransprüchen gehen vorteilhafte Weiterbildungen und zusätzliche Merkmale der Erfindung hervor.

Erfindungsgemäß wird die Bereitstellung des Gas-Betriebsdrucks für einen Energiewandler nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 dadurch erreicht, dass die Gasdosiereinheit als Hochdruckschaltventil ausgebildet ist. Die Dosierung des Gas-Betriebsdrucks für den Energiewandler erfolgt dabei durch Öffnen und Schließen des Hochdruckschaltventils, ohne dass eine nachfolgende Druckminderer- oder Druckreglereinheit erforderlich wäre.

Dieser Vorgehensweise liegt die Erkenntnis zugrunde, dass durch den hohen Druckunterschied zwischen dem Gaszufuhr- bzw. Speicherbereich und dem Betriebsdruck in der Brennstoffzelle bzw. im Gasmotor im Ventilbereich eine sogenannte "überkritische" Strömung (z.B. P nach Ventil/P vor Ventil « 0,5) vorherrscht. Im überkritischen Bereich ist die pro Takt eingeblasene Menge an Gas im Wesentlichen proportional zum Vordruck. Bei 700 bar Vordruck ist somit die Menge des in das Betriebszellen-System eingeblasenen Gases 35 Mal größer als bei 20 bar Vordruck. Soll pro Takt die gleiche Menge Gas eingeblasen werden, so muss die Gesamt-Öffnungszeit (korrigiert um die Öffnungs- und Schließzeiten) bei 700 bar ca. 35 mal kürzer sein als bei 20 bar. Abschätzungen aus Simulationen ergaben zulässige Gesamt-Öffnungszeiten bei Brennstoffzellen-Systemen von größer 200 ms (bei 5 bar Vordruck und Massenströmen von 1 Gramm/Sekunde (g/s)). Bei 700 bar sind somit Ansteuerzeiten von ca. 6 ms für die gleiche Menge erforderlich.

Für die Realisierung des Hochdruckschaltventils kommen mehrere Ausführungsformen mit unterschiedlichen Modifikationen zur Anwendung, die nachfolgend näher erläutert werden. Vorteilhaft ist es dabei, wenn das Hochdruckventil Ansteuer- und Abfallzeiten im Bereich von weniger als 100 μs hat, dann sind die entstehenden Fehler in der Ansteuerzeit bei Brennstoffzellen-Systemen vernachlässigbar, bei Direkteinblasung in Gasmotoren können sogar Mehrfacheinblasungen durchgeführt werden.

Demnach ist die Ansteuerzeit im Wesentlichen nur durch den Vordruck bestimmt, da bei massiv höherem Vordruck im Vergleich zum Betriebsdruck die höhere Gasdichte pro Takt die Durchflussmenge bestimmt. Der geringe Gegendruck des Betriebsdrucks ist in diesem Betriebszustand nahezu vernachlässigbar.

Nur bei stark reduziertem Druck auf der Versorgungsseite, also beispielsweise bei stark entleertem Hochdruckspeicher wird ein Druckbereich einer sogenannten "unterkritischen" Strömung erreicht, bei der der auf der Ventilauslassseite entgegenstehende Betriebsdruck für die Ansteuerzeit des Hochdruckschaltventils berücksichtigt werden muss, um einen ordnungsgemäßen Betrieb des Energiewandlers zu gewährleisten. Für diesen Fall ist es erforderlich, die beiden Drücke (Versorgungsdruck und Betriebsdruck) abzuschätzen oder zu erfassen und ihr Verhältnis bei der Ansteuerung des Hochdruckventils zu berücksichtigen.

Ausgehend von dieser Erkenntnis ist in einer ersten Ausführungsform der Erfindung für das Hochdruckschaltventil eine Impulssteuerung und/oder Taktsteuerung vorgesehen.

Durch eine zeitabhängige Betätigung des Hochdruckschaltventils in einer zweiten Ausführungsform ist es möglich, Einfluss auf das Verhältnis zwischen Öffnungszeit und Schließzeit (Taktzeit oder Taktverhältnis) zu nehmen.

In einer nächsten Ausführungsform kann es vorgesehen sein, dass das Hochdruckschaltventil druckabhängig betätigbar ist. Selbstverständlich ist es aber auch möglich, dass sowohl eine Zeitabhängigkeit als auch eine Druckabhängigkeit für die Ansteuerung des Hochdruckschaltventiles vorgesehen sind.

Bei den druckabhängigen Ausführungsformen kann es sein, dass lediglich der zufuhrseitige Druck direkt durch Erfassen oder Abschätzen berücksichtigt wird. In einer demgegenüber erweiterten Ausführungsform kann es vorgesehen sein, dass aber auch der Betriebsdruck berücksichtigt wird. Dies ist insbesondere dann von Vorteil, wenn es vorgesehen ist, den Hochdruckspeicher stark zu entleeren, so dass der in Gasflussrichtung nach dem Ventil vorherrschende Betriebsdruck sich immer stärker auf den Durchfluss des gasförmigen Brennstoffes auswirkt.

Mit einer solchen Gasdosiereinheit ist es auch möglich, den Hochdruck-Gasspeicher deutlich tiefer zu entleeren als dies nach den eingangs erwähnten, bisher gebräuchlichen Druckreduziersystemen mit Druckminderern bzw. Druckreglern möglich ist.

Damit ergibt sich also ein weiterer Vorteil, der im mobilen Einsatz eine höhere Reichweite und im stationären Einsatz eine längere Betriebsdauer der Anlage ermöglicht, als dies vergleichsweise mit aktuell üblichen Systemen möglich ist.

Als Hochdruckschaltventile können beispielsweise Ventile verwendet werden, wie sie aus der Common-Rail-Technik bei Dieselverbrennungsmotoren oder auch bei der Benzin-Direkteinspritzung bekannt sind.

Aufgrund der großen Druckdifferenzen werden starke Gasströme erreicht, wobei sich auf der Seite, auf der sich die Gase entspannen, gemäß dem Joule-Thomoson-Koeffizienten eine Temperaturänderung für das Gas ergibt. Dieser Effekt muss je nach Gasart berücksichtigt werden. Bei Erdgas führt dieser physikalische Effekt zu einer starken Temperaturabsenkung und bedarf daher je nach Anwendung einer Nacherwärmung. Dementsprechend kann bei einer weiteren Ausführungsform eine Heizvorrichtung vorgesehen sein, um diesem Effekt entgegenzuwirken. Eine lokale Erwärmung der Komponenten kann aber bis zu einem begrenzten Maß für Erdgas vorteilhaft sein, da damit gegebenenfalls eine äußere Vereisung der Komponenten durch lokal entstehende Kälte vermieden werden kann. Grundsätzlich ist kaltes Erdgas beim Verbrennungsmotor aber vorteilhaft. Dadurch wird der Füllgrad im Verbrennungsmotor-Zylinder verbessert, es gelangt bei kalten Gasen mehr Gemisch in den Zylinderraum.

In einer nächsten Ausführungsform kann es vorgesehen sein, dass ein Kälteabsorber vorgesehen ist. Mit diesem Kälteabsorber kann beispielsweise der Wirkungsgrad der Anlage verbessert werden.

Um zu gewährleisten, dass die Komponenten auch bei Drücken von weit über 200 bar noch einwandfrei öffnen, kann es in besonderen Ausführungsformen vorgesehen sein, dass ein Piezoeeffekt-Ventil eingesetzt wird. In weiteren Ausführungsformen können Magnetventile, pneumatisch gesteuerte Ventile oder auch hydraulisch gesteuerte Ventile vorgesehen sein. Mit diesen Ausführungsformen ist es möglich, die Hochdruckschaltventile auch unter Einfluss starker Gegenkräfte exakt anzusteuern, so dass ein einwandfreier Betrieb gewährleistet werden kann.

Dies kommt insbesondere dann zum Tragen, wenn der Hochdruckbereich der Gasversorgung, beispielsweise bei Wasserstoffbetrieb etwa zwischen 20 bar und 700 bar liegt, aber auch bei Erdgasbetrieb mit etwa 6 bar bis 220 bar, wobei der Betriebsdruck des Energiewandlers etwa zwischen 1 bar und 3 bar bei Brennstoffzellen liegt, und zwischen 6 bar und 20 bar bei Gasmotoren.

Ausführungsbeispiel:
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird in der Zeichnung dargestellt und anhand der Figur näher erläutert.
Die beigefügte Figur zeigt schematisch die Anordnung eines Energiewandlers mit der erfindungsgemäßen Gasdosiereinheit im Hochdruck-Gasversorgungszweig.
Die Darstellung in der beigefügten Figur zeigt beispielhaft einen Energiewandler 1, bestehend aus einer Brennstoffzelle 2, mit einer Gasdosiereinheit 3 in der Form des erfindungsgemäßen Hochdruckschaltventiles 3 und einem Hochdruck-Gastank 4. Das unter Hochdruck stehende Gas wird zum Hochdruckschaltventil 3 geführt, welches so geschaltet wird, dass es ausgangsseitig den geforderten Betriebsdruck P2 zur Verfügung stellt.
Je nach Ausführungsform kann zur Versorgung der Brennstoffzelle 2 eine Betriebsdruckleitung 6 zwischen dem Hochdruckventil 3 und dem Energiewandler 2 vorgesehen sein. Diese kann wiederum je nach Ausführungsform, falls erforderlich, auch als Pufferspeicher genutzt werden, der Druckschwankungen im betriebsdruckseitigen Gasbereich entgegenwirken kann.
Mit dem Positionszeichen 5.1 ist die Hochdruckerfassung P1 dargestellt, mit dem Positionszeichen 6.1 die Betriebsdruckerfassung P2. Beide liefern ihre Werte an die Kontrolleinheit 8, die ihrerseits kontrollierend auf das Hochdruckschaltventil 3 einwirkt. Das Betriebsgas wird der Anode 2.1 der Brennstoffzelle zugeführt, welche durch die Membran 2.2 von der Kathode getrennt ist, die ihrerseits über die Luftzufuhr 7 mit Luft versorgt wird.
Damit ist eine mögliche Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Gasdosiereinheit für einen Energiewandler beschrieben, die stellvertretend für eine Vielzahl von Ausführungsformen steht.

1: Energiewandler
2: Brennstoffzelle
2.1: Anode
2.2: Membran
2.3: Kathode
3: Gasdosiereinheit
4: Hochdruck-Gastank
5: Hochdruckleitung
5.1: Hochdruckerfassung
6: Betriebsdruckleitung
6.1: Betriebsdruckerfassung
7: Luftzufuhr
8: Kontrolleinheit

Claims

Energiewandler, insbesondere Brennstoffzelle oder Gasmotor, mit Gasdosiereinheit für die Bereitstellung des wandlerseitigen Gas-Betriebsdrucks bei überwiegender Hochdruck-Gasversorgung, dadurch gekennzeichnet, dass die Gasdosiereinheit als Hochdruckschaltventil ausgebildet ist.
Energiewandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass für das Hochdruckschaltventil eine Impulsansteuerung und/oder eine Taktansteuerung vorgesehen ist.
Energiewandler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Hochdruckschaltventil zeitabhängig betätigbar ist.
Energiewandler nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Hochdruckschaltventil druckabhängig betätigbar ist.
Energiewandler nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass am Hochdruckschaltventil eine Heizvorrichtung vorgesehen ist.
Energiewandler nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass am Hochdruckschaltventil ein Kälteabsorber vorgesehen ist.
Energiewandler nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Hochdruckschaltventil als Piezoeffektventil ausgebildet ist.
Energiewandler nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Hochdruckschaltventil als Magnetventil ausgebildet ist.
Energiewandler nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Hochdruckschaltventil als pneumatisch gesteuertes Ventil ausgebildet ist.
Energiewandler nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Hochdruckschaltventil als hydraulisch gesteuertes Ventil ausgebildet ist.
Energiewandler nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Hochdruckbereich der Gasversorgung bei Wasserstoffbetrieb etwa zwischen 20 bar und 700 bar liegt, bei Erdgasbetrieb etwa zwischen 6 bar und 220 bar, und der Betriebsdruck des Energiewandlers etwa zwischen 1 bar und 3 bar bei Brennstoffzellen, und zwischen 6 bar und 20 bar bei Gasmotoren.