DE102005006357A1

DE102005006357A1 - Brennstoffzellenanlage mit einer Dosiereinheit

Info

Publication number: DE102005006357A1
Application number: DE102005006357A
Authority: DE
Inventors: Willi Strohl; Ulrich Gottwick
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2005-02-11
Filing date: 2005-02-11
Publication date: 2006-08-24
Anticipated expiration: 2025-02-12
Also published as: DE102005006357B4; WO2006084834A1

Abstract

Es wird eine Brennstoffzellenanlage mit einer Brennstoffzelleneinheit (1), wobei eine Dosiereinheit zum Dosieren einer Stoffmenge für wenigstens eine Elektrode (3, 5) vorgesehen ist und wobei die Dosiereinheit wenigstens zwei, parallel verschaltete Dosierelemente (16, 17) umfasst, vorgeschlagen, die eine vergleichsweise feinfühlige und/oder eine relativ schnelle Kontrolle der zu dosierenden Stoffmenge ermöglicht und insbesondere eine möglichst geringe Leistungsaufnahme aufweist. Gleichzeitig ist das System diagnosefähig, d. h. eine systemschädigende Ausbildung der Druckverhältnisse ist damit erkennbar. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass ein maximaler Durchströmungsquerschnitt des ersten Dosierelementes (16) um ein Vielfaches kleiner als ein maximaler Durchströmungsquerschnitt des zweiten Dosierelementes (17) ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Brennstoffzellenanlage mit einer Brennstoffzelleneinheit, wobei eine Dosiereinheit zum Dosieren einer Stoffmenge für wenigstens eine Elektrode vorgesehen ist, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Unter den alternativen Antriebskonzepten für Kraftfahrzeuge, Schiffe oder dergleichen sowie als Energiezentralen finden zur Zeit vor allem brennstoffzellengestützte Systeme eine verstärkte Aufmerksamkeit. Diese Systeme beinhalten üblicherweise PEM-Brennstoffzellen (PEM: Polymer-Elektrolyt-Membran), die häufig mit Wasserstoff und Luft als Energieträger betrieben werden. Darüber hinaus sind auch andere Brennstoffzellensysteme bereits im Einsatz.

Einerseits wird Wasserstoff getankt und im Kraftfahrzeug gespeichert. Andererseits wird beispielsweise der Wasserstoff in einer vorgeschalteten Reformerstufe aus Kraftstoffen, wie beispielsweise Methanol, Methan, Diesel, je nach Bedarf direkt "on-board" hergestellt und entsprechend verbraucht.

In derartigen Brennstoffzellensystemen muss somit eine Vielzahl von Stoffströmen flexibel und trotzdem sehr genau dosiert werden. Dies gilt sowohl für flüssige Komponenten, wie Wasser, Kraftstoffe und auch für gasförmige Medien, wie Luft, Wasserstoff oder dergleichen.

Zur Reduzierung von Druckschwankungen aufgrund des Betriebes von Pumpen bzw. Kompressoren sind beispielsweise in einem Stoffstrang zwei in Reihe geschaltete Regelventile bereits bekannt. Entsprechend in Reihe geschaltete Ventile sind jedoch nicht geeignet auf dynamische Änderungen der von der Brennstoffzelle bzw. dem Brennstoffzellenstack angeforderte Stoffmenge im vergleichsweise weiten, benötigten Leistungsbereich zu dosieren bzw. den Druck des Anodenstoffstroms dem Druck des Kathodenstoffstroms selbsttätig nachzuführen.

Bei vielen Brennstoffzellensystemen, insbesondere bei PEM-Brennstoffzellen, ist es jedoch notwendig, eine ständige Anpassung des Anodendrucks an den Kathodendruck sicherzustellen, um eine Beeinträchtigung der vergleichsweise druckempfindlichen Membran sicher zu verhindern. Eine entsprechende Druckanpassung sollte möglichst simultan bzw. quasisimultan, d.h. die Druckanpassung sollte innerhalb einer Zeit von ca. 200 ms erfolgen. Ansonsten könnte die Membran irreversibel beschädigt werden.

Beispielsweise bei Fahrzeuganwendungen, die durch eine sehr hohe Dynamik, insbesondere bei Überholvorgängen oder dergleichen, gekennzeichnet sind, ist eine entsprechende Druckanpassung sehr anspruchsvoll.

Bei Musterausführungen werden z.B. zur Zumessung von Wasserstoff für ein Brennstoffzellensystem parallel geschaltete Wasserstoffeinblasventile, sogenannte Hydrogen Gas Injector (HGI), verwendet. Die Einblasventile werden über ein elektronisches Steuergerät, das die Drucke auf der Kathoden- und auf der Anodenseite erfasst, gesteuert, so dass sich trotz ständigem Verbrauch durch die Brennstoffzelle auf der Anodenseite des Brennstoffzellenstacks innerhalb einer erlaubten Druckdifferenz das gleiche Druckniveau einstellt wie auf der Kathodenseite. Solange der anodenseitige Druck auf gleichem Niveau wie auf der Kathodenseite gehalten wird, ist automatisch gewährleistet, dass genügend Wasserstoff zugeführt wird, da sich der Verbrauch über den Durchtritt von Protonen durch die Brennstoffzellenmembran in bestimmten Grenzen automatisch dem geforderten Bedarf anpasst.

Nachteilig hierbei ist jedoch, dass zur Abdeckung der maximalen Verbrauchsmenge und der für das System erforderlichen Dynamik für eine typische Brennstoffzellenfahrzeugapplikation mit z.B. ca. 75 kW etwa 4 bis 6 einzelne Einblasventile erforderlich sind. Bei höheren Leistungen werden entsprechend mehr Einblasventile benötigt. Hierdurch wird die Steuerung der zahlreichen Einblasventile vergleichsweise aufwendig.

Darüber hinaus ist von Nachteil, dass entsprechende Einblasventile bei maximaler Stoffmenge bzw. im voll geöffneten Zustand etwa 1 A Strom benötig. Dies führt einerseits dazu, dass bei einer Vielzahl von Ventilen ein entsprechend aufwendiges Steuergerät erforderlich ist und andererseits dass ein vergleichsweise hoher Eigenverbrauch der Dosierung bzw. vergleichsweise hohe, sogenannte parasitäre Leistungen vorhanden sind.

Aufgabe und Vorteile der Erfindung:

Aufgabe der Erfindung ist es demgegenüber, eine Brennstoffzellenanlage mit einer Brennstoffzelleneinheit, wobei eine Dosiereinheit zum Dosieren einer Stoffmenge für wenigstens eine Elektrode vorgesehen ist und wobei die Dosiereinheit wenigstens zwei, parallel verschaltete Dosierelemente umfasst, vorzuschlagen, die eine vergleichsweise feinfühlige und/oder eine relativ schnelle Kontrolle der zu dosierenden Stoffmenge ermöglicht und insbesondere einen möglichst geringen Eigenverbrauch aufweist. Insbesondere sollte das System gegebenenfalls diagnosefähig sein, d.h. eine für das System nachteilige Ausbildung der Druckverhältnisse im Brennstoffzellen-Stack sollte als Fehler erkennbar sein.

Diese Aufgabe wird, ausgehend von einer Brennstoffzellenanlage der einleitend genannten Art, durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Durch die in den Unteransprüchen genannten Maßnahmen sind vorteilhafte Ausführungen und Weiterbildungen der Erfindung möglich.

Dementsprechend zeichnet sich eine erfindungsgemäße Brennstoffzellenanlage dadurch aus, dass ein maximaler Durchströmungsquerschnitt des ersten Dosierelementes um ein Vielfaches kleiner als ein maximaler Durchströmungsquerschnitt des zweiten Dosierelementes ist. Beispielsweise ist der maximale Durchströmungsquerschnitt des ersten Dosierelementes etwa um einen Faktor 3, 10, 100 oder 1000 kleiner als ein maximaler Durchströmungsquerschnitt des zweiten Dosierelementes. Beispielsweise weist das erste Dosierelement einen maximalen Durchströmungsquerschnitt mit einem Durchmesser im Millimeterbereich und das zweite Dosierelement einen maximalen Durchströmungsquerschnitt im Zentimeterbereich auf.

Mit Hilfe der unterschiedlich großen maximalen Durchströmungsquerschnitte der Dosierelemente kann gerade bzw. ausschließlich in Kombination mit der parallelen Verschaltung der Dosierelemente insbesondere erreicht werden, dass eine sehr hohe Dynamik bezüglich der dosierbaren Stoffmenge über einen weiten Bereich des zu dosierenden Volumenstoffstromes umsetzbar ist. Dies ist vor allem bei Fahrzeuganwendungen ein bedeutender Vorteil gegenüber dem Stand der Technik.

Beispielsweise wird im oberen Leistungsbereich bzw. im maximalen Volumenstoffstrombereich der von der Brennstoffzelleneinheit benötigte Bedarf im Wesentlichen vom zweiten Dosierelement mit dem vergleichsweise großen maximalen Durchströmungsquerschnitt gedeckt. Gegebenenfalls kann das erste Dosierelement eine zusätzliche Stoffmenge der Brennstoffzelleneinheit zudosieren. Denkbar ist jedoch auch, dass bei maximalem Bedarf der Brennstoffzelleneinheit das erste Dosierelement keinen bzw. einen weniger relevanten Beitrag an der zu dosierenden Stoffmenge leistet.

Darüber hinaus kann gemäß der Erfindung erreicht werden, dass eine vergleichsweise exakte Dosierung der Stoffmenge über einen besonders weiten Bereich der Stoffmenge umgesetzt werden kann. Beispielsweise weisen relativ große, veränderbare Durchströmungsquerschnitte bezüglich der durchströmenden Stoffmenge im Allgemeinen vergleichsweise große Toleranzen auf. Dagegen weisen im Allgemeinen vergleichsweise kleine, veränderbare Durchströmungsquerschnitte kleine Toleranzen bezüglich der durchströmenden Stoffmenge bzw. Volumenströme auf.

Gemäß der Erfindung kann durch das Zusammenwirken und/oder durch die Addition der durch beide Dosierelemente durchströmenden Stoffmengen, die gemeinsam der Elektrode der Brennstoffzelleneinheit zuzuführen sind, eine insgesamt relativ kleine Toleranz bezüglich der Stoffmenge bzw. des Volumenstoffstromes über den gesamten Bereich hinweg auf. Mit Hilfe der kleinen Toleranz des ersten Dosierelementes ist die relativ große Toleranz des zweiten Dosierelementes in vorteilhafter Weise ausgleichbar. Dementsprechend wird die Genauigkeit der Dosierung über den gesamten Bereich der zudosierbaren Stoffmenge im Vergleich zum Stand der Technik deutlich verbessert.

Gegebenenfalls ist eine elektronische Kontrolle und/oder Kopplung zwischen dem ersten Dosierelement und dem zweiten Dosierelement vorgesehen. Beispielsweise könnte eine elektronische Kontrolleinheit den und/oder die Durchströmungsquerschnitte des ersten und/oder des zweiten Dosierelementes kontrollieren bzw. verändern und/oder die durchströmende bzw. zu dosierende Stoffmenge an den Bedarf der Brennstoffzelleneinheit anpassen.

Vorteilhafterweise ist zwischen dem ersten Dosierelement und dem zweiten Dosierelement eine pneumatische Kopplungsvorrichtung zum Koppeln des Betriebs wenigstens der beiden Dosierelemente vorgesehen. Hiermit wird eine vorteilhafte Abhängigkeit der beiden Durchströmungsquerschnitte und somit der beiden zu dosierenden Teilstoffmengen erreichbar. Bei einer pneumatischen Kopplungsvorrichtung ist besonders von Vorteil, dass die Steuerung hierfür keine weitere elektrische Energie benötigt.

Andererseits ist bei der pneumatischen Kopplungsvorrichtung darüber hinaus von Vorteil, dass bei dem im Allgemeinen als Fluid, insbesondere als Gas ausgebildeten Stoff, in synergistischer Weise die Kopplung mit Hilfe des zu dosierenden Stoffs bzw. Brennstoffs verwirklichbar ist. Hierdurch kann sich die Umsetzung der Erfindung sowohl in konstruktiver als auch in regelungstechnischer Weise vorteilhaft vereinfachen.

Vor allem alternativ oder in Kombination zur zuvor genannten Variante der Erfindung kann bei einer besonderen Weiterbildung der Erfindung das erste Dosierelement mit dem kleinen maximalen Durchströmungsquerschnitt als Kontrollelement zum Kontrollieren des Durchströmungsquerschnitts des zweiten Dosierelementes ausgebildet werden. Bei dieser Variante der Erfindung ist besonders von Vorteil, dass einerseits vergleichsweise exakt bzw. feinfühlig und andererseits mit relativ geringem, insbesondere elektrischem Energieeinsatz bzw. elektrischer Leistung die Stoffmenge kontrollierbar ist. Dies kann insbesondere über den gesamten Bereich der zu dosierenden Stoffmenge verwirklicht werden. Dies führt zu einer weiteren Einsparung an elektrischer Energie beim Zudosieren gemäß der Erfindung im Vergleich zum Stand der Technik.

Darüber hinaus wird in besonders vorteilhafter Weise bei dieser Variante der Erfindung ausgenützt, dass mit Hilfe der relativ kleinen Toleranzen des ersten Dosierelementes die gesamte zu dosierende Stoffmenge kontrollierbar ist. Dementsprechend exakt kann die zu dosierende Stoffmenge eingestellt werden.

Weiterhin wird gemäß dieser Ausführungsvariante der Erfindung eine Art Verstärkerprinzip realisierbar, so dass sowohl vergleichsweise schnell als auch mit einem vergleichsweise großen Bereich die Stoffmenge der Brennstoffzelleneinheit zudosierbar ist. Dies ist gerade bei Fahrzeuganwendungen mit vergleichsweise hoher Dynamik als besonders vorteilhaft zu bewerten.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst die Kopplungsvorrichtung wenigstens zwei mit einer Trennwand voneinander getrennte Druckkammern. Beispielsweise sind die Druckkammern Teil der parallelen Stoffzweige bzw. der parallelen Leitungen, in denen die beiden Dosierelemente angeordnet sind.

Vorteilhafterweise ist die Trennwand verstellbar, insbesondere verschiebbar ausgebildet. Hiermit können beispielsweise Druckschwankungen von einer Kammer auf die andere Kammer in vorteilhafter Weise pneumatisch übertragen werden. Vorteilhafterweise ist die Trennwand als Kolben in einem Zylinder oder dergleichen ausgebildet.

Vorzugsweise ist die Trennwand als insbesondere flexible und/oder dehnbare Membran ausgebildet. Mit Hilfe dieser Variante der Erfindung ist eine besonders einfache und wirkungsvolle pneumatische Kopplung der beiden Dosierelemente realisierbar. Vorzugsweise ist die Membran wenigstens senkrecht zur Membranfläche verstellbar ausgebildet.

In einer besonderen Weiterbildung der Erfindung verändert eine Verstellung der Trennwand, insbesondere senkrecht zur Fläche der Trennwand bzw. Membran, den Durchströmungsquerschnitt eines der Dosierelemente, insbesondere den Durchströmungsquerschnitt des zweiten Dosierelementes. Mit Hilfe dieser Maßnahme wird in besonders eleganter Weise eine pneumatische Kopplung der beiden Dosierelemente und insbesondere die Kontrolle des Durchströmungsquerschnitts des zweiten Dosierelementes mit Hilfe des ersten Dosierelementes verwirklichbar.

Vorteilhafterweise ist wenigstens eine Rückstellvorrichtung, wie beispielsweise eine Feder, ein Gewicht oder dergleichen, vorgesehen, die in vorteilhafter Weise eine Ver- bzw. Rückstellung der Trennwand in eine Ruheposition ermöglicht. Hiermit wird gewährleistet, dass beispielsweise ein definierter Ausgangszustand der Kopplungsvorrichtung bzw. der Dosiereinheit vorgesehen ist. Beispielsweise wird im Ausgangszustand bzw. im Ruhezustand der Dosiereinheit bzw. der Kopplungsvorrichtung ein vollständiges Verschließen eines der Dosierelemente, vorzugsweise des zweiten Dosierelementes, vorgesehen. Vorzugsweise ist die Rückstelleinheit mit dem Ventilkörper des entsprechenden Dosierelementes bzw. Ventils insbesondere mechanisch gekoppelt bzw. verbunden, so dass der Ventilkörper auf dem entsprechenden Ventilsitz ruht bzw. den Durchströmungsquerschnitt des entsprechenden Ventils vollständig verschließt.

Ein als Ventil ausgebildetes Dosierelement kann insbesondere einen kegelförmigen, kugelförmigen oder ähnlich ausgebildeten Ventilkörper aufweisen. Andererseits ist auch eine Art Blende denkbar, die eine Veränderung des Durchströmungsquerschnitts ermöglicht.

Vorteilhafterweise ist in einem der Dosierelemente und parallel zu dem anderen Dosierelement wenigstens ein Drosselelement zum Verändern des Drucks angeordnet. Hiermit wird in vorteilhafter Weise gewährleistet, dass sich der Druck in diesem Strang bzw. in der entsprechenden Druckkammer derart vorteilhaft auf- bzw. abbauen kann, dass eine vorteilhafte Anpassung der Dosiereinheit an den gesamten Bereich der der Brennstoffzelleneinheit zudosierenden Stoffmenge einstellbar ist. Insbesondere kann hiermit in vorteilhafter Weise die Dynamik des Systems und/oder das Druckmaximum eingestellt werden.

In einer vorteilhaften Variante der Erfindung ist wenigstens eine Kontrolleinheit zum Kontrollieren des ersten und/oder des zweiten Dosierelementes vorgesehen. Gegebenenfalls kann eine pneumatische Kontrolleinheit umgesetzt werden, die beispielsweise als pneumatische Vergleichseinheit zum Vergleich des Kathodendrucks mit dem Anodendruck ausgebildet ist. Beispielsweise kann mit Hilfe eines veränderbaren Stellelementes, das pneumatisch sowohl mit der Kathode als auch mit der Anode der Brennstoffzelleneinheit verbunden ist, ein Vergleich des Kathodendrucks mit dem Anodendruck und/oder eine Kontrolle des bzw. der Dosierelemente verwirklicht werden. Vorzugsweise wird eine elektronische Kontrolleinheit zum Kontrollieren des bzw. der Dosierelemente vorgesehen.

In einer bevorzugter Weiterbildung der Erfindung ist wenigstens ein erster Drucksensor zur Erfassung des Kathodendrucks und ein zweiter Drucksensor zur Erfassung des Anodendrucks vorgesehen. Vorzugsweise erzeugen die Drucksensoren elektrische Signale und übermitteln diese an eine elektronische Vergleichs- und/oder Kontrolleinheit.

Vorteilhafterweise ist die Kontrolleinheit zum Vergleich des Kathodendrucks mit dem Anodendruck ausgebildet.

Es gibt Differenzdrucksensoren, die Δp = p_A – p_K messen. Mit einem Drucksensor zur Erfassung von p_A und einem Δp-Sensor kann die Erfindung ebenfalls vorteilhaft verwirklicht werden.

In einer besonderen Ausführungsform der Erfindung ist der Kathodendruck als Führungsgröße der Kontrolleinheit ausgebildet. Dies bedeutet, dass der Anodendruck dem Kathodendruck nachgeführt wird. Der Kathodendruck wird in vorteilhafter Weise gemessen oder abgeschätzt z.B. aus Verdichtergrößen und Drosselelementen. Dieser Druck wird vorzugsweise als Sollwert für die Regelung des Anodendrucks verwendet.

Vorzugsweise ist wenigstens das erste Dosierelement als Gaseinblasventil ausgebildet. Es hat sich in der Praxis gezeigt, dass gerade ein als Gaseinblasventil ausgebildetes erstes Dosierelement, das vorzugsweise das zweite Dosierelement vorteilhaft steuert, sich besonders bewährt.

Gegebenenfalls ist das Drosselelement als Gaseinblasventil ausgebildet. Ein entsprechendes als Drosselelement ausgebildetes Gaseinblasventil ist vorzugsweise im stromlosen Zustand als offen zu realisieren.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird anhand der Figuren nachfolgend näher erläutert.
Im Einzelnen zeigt:
1 ein schematisches Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Brennstoffzellenanlage und
2 ein schematisches Blockschaltbild einer zweiten erfindungsgemäßen Brennstoffzellenanlage.
In 1 wird ein Brennstoffzellenstack 1 einerseits mit Wasserstoff 2 für eine Anode 3 und andererseits mit Luft 4 für eine Kathode 5 versorgt.
Die Luft 4 wird mittels einem Verdichter 6 verdichtet und anschließend mittels eines Befeuchters 7 mit Wasser befeuchtet, so dass eine Membran 8 des Brennstoffzellenstacks 1 einerseits nicht austrocknet und andererseits nicht zu nass wird.
Der Brennstoffzellenstack 1 weist einen Ausgang 9 auf, an dem eine Drossel 10 zur Einstellung der Ausströmmenge bzw. zum Erzeugen eines Staudrucks vorgesehen ist. Auf der Anodenseite des Brennstoffzellenstacks 1 ist ein Ventil 11 vorgesehen, das im Normalbetrieb geschlossen und z.B. zum Spülen der Anode 3 geöffnet wird. Letzteres wird insbesondere zum Spülen von sich auf der Anodenseite akkumulierendem Stickstoff, etc. verwendet.
Der Wasserstoff 2 wird in einem Hochdrucktank 12 bei dieser Ausführungsvariante gespeichert, der mittels eines Absperrventils 13 verschließbar ist. Im Hochdrucktank 12 wird beispielsweise der Wasserstoff 2 mit etwa 350 bar oder 700 bar gespeichert. Alternativ zu einem Hochdrucktank 12 kann der Tank 12 auch als Niederdrucktank beispielsweise als Metallhydridspeicher oder Zwischenspeicher eines Wasserstoffreformats, u.s.w. ausgebildet werden.
Vorzugsweise ist ein Druckminderer 14 zur Reduzierung des Speicherdrucks des Hochdrucktankes 12 vorgesehen. In Strömungsrichtung des Wasserstoffs 2 nach dem Druckminderer 14 liegt ein Vordruck p_V an. Der Wasserstoff 2 wird ab einer Verzweigung 15 einerseits zu einem ersten Dosierelement 16 und andererseits zu einem zweiten Dosierelement 17 geleitet. Das Dosierelement 16 ist beispielsweise als Schaltventil mit Auf-/Zu-Funktion bzw. als sogenanntes HGI 16 (Hydrogen Gas Injector) ausgebildet. Das Dosierelement 17 ist beispielsweise als Ventil 17 mit einem Ventilkörper 18, insbesondere einem kegelförmigen Ventilkörper 18 ausgebildet, der einen Ventilsitz 19 verschließt bzw. öffnet.
Beide Ventile 16 und 17 werden von einer Baueinheit 20 umfasst, die als Druckreduzierventil 20 ausgebildet ist. Die Baueinheit 20 umfasst zwei von einer Membran 21 getrennte Kammern K₁ und K₂ in denen entsprechend ein Druck p₁ und p₂ ansteht. Die Membran 21 ist mit dem Ventilkörper 18 mechanisch gekoppelt, so dass eine Auslenkung der Membran 21, insbesondere senkrecht zur Membranfläche, ein Verstellen bzw. ein Verschließen und/oder Öffnen des Ventilsitzes 19 bewirkt.
Darüber hinaus ist in der Kammer K₁ eine Feder 22 vorgesehen, die einerseits gegen ein Gehäuse der Baueinheit 20 und andererseits gegen die Membran 21 drückt. Die Feder 22 bewirkt somit eine Vorspannung des Ventils 17, so dass das Ventil 17 bei einem Gleichgewichtsdruck, bei dem p₁ = p₂ ist, verschlossen ist. Die Membran 21 ist beispielsweise durch ein Bördeln zweier Gehäusehälften der Baueinheit 20 sicher und weitestgehend druckdicht fixiert.
In Strömungsrichtung hinter der Kammer K₂ ist eine Abströmdrossel 23 angeordnet. In Strömungsrichtung hinter der Kammer K₁ und der Abströmdrossel 23 ist eine zweite Verzweigung 24 vorgesehen, so dass ein Strömungspfad 25 parallel zum Strömungspfad 26 verschaltet ist. Im Strömungspfad 25 ist das Dosierelement 16, die Kammer K₂ sowie die Abströmdrossel 23 angeordnet und im Strömungspfad 26 ist das Ventil 17, die Feder 22 und die Kammer K₁ angeordnet. Das Dosierelement 16 und die Abströmdrossel 23 sind in Reihe im Strömungspfad 25 verschaltet. Die beiden Strömungspfade 25, 26 werden durch die beiden Verzweigungen 15, 24 definiert.
Darüber hinaus ist im Kathoden- bzw. Luftpfad ein Drucksensor 27 für die Ermittlung des Kathodendrucks p_K und im Anoden- bzw. Wasserstoffpfad ein Sensor 28 für die Ermittlung des Anodendrucks p_A vorgesehen. Die beiden Sensoren 27, 28 sind mittels einer Kontrolleinheit 29 bzw. eines elektronischen Steuergeräts regelungstechnisch verbunden. Die Kontrolleinheit 29 ist zum Vergleich der beiden Drucke p_K und p_A ausgebildet, wobei p_K als Führungsgröße für p_A verwendet wird.
Die Kontrolleinheit 29 ist weiterhin mit dem Dosierelement 16 bzw. dem HGI 16 regelungstechnisch verbunden, so dass der Durchströmungsquerschnitt bzw. die zudosierte Menge Wasserstoff 2 des Dosierelementes 16 von der Kontrolleinheit 29 kontrolliert wird. Durch die zudosierte Menge Wasserstoff 2 des HGI 16 wird der Druck p₂in der Kammer K₂ definiert. Eine Änderung des Druckes p₂ und/oder eine Änderung des Druckes p₁ bewirkt eine entsprechende Auslenkung der Membran 21, so dass ein Durchströmungsquerschnitt des Ventils 17 des Ventilsitzes 19 verändert bzw. durch das HGI 16 kontrolliert wird. Dementsprechend ist das Ventil 16 und das Ventil 17 pneumatisch gekoppelt.
Im in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel ist im Unterschied zu dem in 1 dargestellten ein zweites Einblasventil 30 bzw. ein zweites HGI 30 anstelle der Abströmdrossel 23 gemäß 1 vorgesehen. Vorzugsweise ist das zweite HGI 30 gemäß 2 im stromlosen Zustand offen geschaltet.
Vorteilhafterweise regelt die Kontrolleinheit 29 den Anodendruck p_A mit Hilfe der Führungsgröße p_K derart, dass p_A im Wesentlichen p_K entspricht. Hierfür wird in vorteilhafter Weise das Dosierelement 16 bzw. das HGI 16 durch entsprechendes takten gesteuert.
Der Durchströmungsquerschnitt des HGI 16 ist wesentlich kleiner als der Durchströmungsquerschnitt des Ventilsitzes 19 bzw. Ventils 17. Aufgrund dessen kann insbesondere durch den Strömungspfad 26 eine deutlich größeres Stoffstrommenge als durch den Strömungspfad 25 durchströmen.
Das HGI 16 zeichnet sich durch eine besonders hohe Genauigkeit bzw. eine vergleichsweise gute Dosierbarkeit des durch den Strömungspfad 25 durchströmende Stoffmenge aus, so dass der Druck p₂ in der Kammer K₂ sehr exakt einstellbar ist. Dementsprechend kann die Auslenkung der Membran 21 exakt eingestellt werden, wodurch die durch den Strömungspfad 26 durchströmende, vergleichsweise große Stoffmenge des Wasserstoffs 2 relativ genau einstellbar ist. Darüber hinaus wirkt durch die Steuerung einer relativ großen Stoffmenge des Strömungspfades 26 mit Hilfe einer vergleichsweise kleinen Stoffmenge des Strömungspfades 25 die Anordnung bzw. die Baueinheit 20 als Verstärker bzw. Multiplizierer.
Die Membran 21 ist kräftemäßig im Gleichgewicht, wenn der Differenzdruck der Kammern K₁ und K₂, d.h. Δp = p₂ – p₁, gleich der durch die Membranwirkfläche dividierten Federkraft plus der durch den Differenzdruck Δp_V = p_V – p₁ auf den Ventilkörper 18 wirkende Kraft ist. Die Federkraft wird durch die Feder 22 erzeugt.
Das Ventil 17 ist so ausgelegt, dass es in diesem Gleichgewichtszustand geöffnet ist bzw. gerade öffnet und dem Brennstoffzellenstack 1 gemäß dem freigegebenen Ventilöffnungsquerschnitt über die Kammer K₁ Wasserstoff 2 zugeführt wird.
Die Kammer K₂ wird vom Druckminderer 14 über das HGI 16 mit Wasserstoff 2 gespeist, der dann über die Abströmdrossel 23 zur Anodenseite des Brennstoffzellenstacks 1 strömt. Durch eine vorteilhafte Dimensionierung bzw. Anpassung/Eichung der Abströmdrossel 23 lässt sich über das Taktverhältnis der Ansteuerung des HGI 16, d.h. über die in Kammer K₂ einströmende Menge der Druck p₂ in Kammer K₂ zumindest in gewissen Grenzen einstellen. Das HGI 16 stellt zusammen mit der Abströmdrossel 23 eine Druckteilerschaltung dar, bei der der Druck p₂ zwischen dem HGI 16 und der Drossel 23, d.h. in der Kammer K₂, von der durchströmenden Wasserstoffmenge abhängig ist.
Im Gleichgewichtszustand ergibt sich dann auch der Druck p₁ in Kammer K₁ gemäß dem oben dargestellten Zusammenhang. Das bedeutet, dass über das Taktverhältnis sich der Druck p₁ bzw. der Anodendruck p_A verändern, wobei p₁ im Wesentlichen p_A entspricht. Die Kontrolleinheit 29 ist derart vorteilhaft programmiert, dass sie den Druck p_A durch Veränderung des Taktverhältnisses des HGI 16 an einen Solldruck p_K anzupassen trachtet.
Das Regelverhalten wird nachfolgend durch die Beschreibung von Störungen der Gleichgewichtslage näher erläutert.
Fall A) Der kathodenseitige Solldruck p_K erhöht sich:
Der Druck p₁ ist nun kleiner als der Solldruck p_K. Die Kontrolleinheit 29 taktet das HGI 16 weiter auf, so dass sich p₂ erhöht. Auf den höheren Druck p₂ in der Kammer K₂ wird die Membran 21 dergestalt ausgelenkt, dass der Ventilkörper 18 öffnet bzw. einen größeren Querschnitt freigibt. Es fließt nun mehr Wasserstoff 2 in die Kammer K₁ und p₁ erhöht sich bis sich der Gleichgewichtszustand wieder eingestellt hat, d.h. bis p₁ bzw. p_A = p_K ist.
Fall B) Der kathodenseitige Solldruck p_K verringert sich:
Der Druck p₁ ist nun größer als der Solldruck p_K. Die Kontrolleinheit 29 taktet das HGI 16 weniger weit auf bzw. ganz zu, so dass sich p₂ verringert. Durch den niedrigen Druck p₂ in Kammer K₂ wird die Membran 21 dergestalt ausgelenkt, dass der Ventilkörper 18 eine kleineren Öffnungsquerschnitt freigibt oder ganz schließt. Es fließt nunmehr weniger Wasserstoff 2 in Kammer K₁ und p₁ verringert sich bis sich die Gleichgewichtslage wieder eingestellt hat.
Fall C) Die vom Brennstoffzellenstack 1 verbrauchte Wasserstoffmenge erhöht sich:
Der Druck p₁ sinkt zunächst, da nicht mehr genügend Menge Wasserstoff 2 über das Ventil 16 nachströmen kann, um den Verbrauch des Brennstoffzellenstacks 1 abzudecken. Durch den niedrigen Druck p₁ in Kammer K₁ wird die Membran 21 dergestalt ausgelenkt, dass der Ventilkörper 18 einen größeren Öffnungsquerschnitt freigibt. Es fließt nun mehr Wasserstoff 2 in Kammer K₁ und p₁ erhöht sich bis sich der Gleichgewichtszustand wieder eingestellt hat. Der Vorgang wird noch dadurch beschleunigt, dass auch ein Takten des HGI 16 gemäß dem oben genannten Fall A) einsetzt, was die Membran 21 in die gleiche Richtung bewegt.
Fall D) Die vom Brennstoffzellenstack 1 verbrauchte Menge verringert sich:
Der Druck p₁ steigt, da mehr Menge Wasserstoff 2 über das Ventil 17 nachströmt, als vom Brennstoffzellenstack 1 verbraucht wird. Durch den höheren Druck p₁ in der Kammer K₁ wird die Membran 21 dergestalt ausgelenkt, dass der Ventilkörper 18 einen kleineren Öffnungsquerschnitt freigibt oder ganz schließt. Es fließt nun weniger oder gar kein Wasserstoff 2 in die Kammer K₁ und p₁ verringert sich bis sich die Gleichgewichtslage wieder eingestellt hat. Der Vorgang wird noch dadurch beschleunigt, dass auch das Takten des HGI 16 gemäß dem oben genannten Fall B) reduziert wird oder das HGI ganz schließt, was die Membran 21 in die gleiche Richtung bewegt.
Fall E) Die vom Brennstoffzellenstack 1 verbrauchte Menge liegt im Bereich der über das HGI 16 eingeblasenen Menge:
Der Differenzdruck p₂ – p₁ wird kleiner als die Federkraft, so dass die Feder 22 das Ventil 17 bzw. den Ventilsitz 19 schließt. Die Regelung erfolgt jetzt bei geschlossenem Ventil 17 nur noch durch das getaktete Ansteuern des HGI 16 durch die Kontrolleinheit 29, so dass p_A auf den Sollwert p_K eingeregelt wird. Das bedeutet, dass der Strömungspfad 26 vollständig geschlossen und lediglich der Strömungspfad 25 Wasserstoff 2 durchströmen lässt.
Fall F) Die vom Brennstoffzellenstack verbrauchte Menge wird gleiche Null, z.B. im Abstellfall:
Die Kontrolleinheit 29 steuert das HGI 16 nicht an. Damit fließt in die Kammer K₂ nichts nach. Über die Drossel 23 gleichen sich die Drucke p₁, p₂ in den Kammern K₁ und K₂ aus. Das bedeutet, dass der Differenzdruck p₂ – p₁ gleich Null wird und auf die Membran 21 wirkt nun lediglich die Federkraft der Feder 22. Diese Federkraft schließt nun das Ventil 17 und hält es geschlossen, bis wieder Wasserstoff 2 vom Brennstoffzellenstack 1 angefordert wird.
Prinzipiell ist von Vorteil, wenn der Vordruck p_V, der am Ausgang des Druckreduzierventils 20 bzw. der Baueinheit 20 ansteht und sowohl vor dem Ventil 17 als auch am Einlass des HGI 16 anliegt, größer als der maximal zu regelnde Anodendruck p_A ist. In der Regel wird p_V im Bereich von etwa 4 bis 15 bar und p_K bzw. p_A etwa im Bereich von 1 bis etwa 3 bar liegen.
Die Sitzfläche des Ventilsitzes 19 sollte kleiner als die Membranwirkfläche sein, sie sollte in vorteilhafter Weise deutlich kleiner sein. Insbesondere sollte die maximale vom Ventil 17 freigegebene Fläche groß genug sein, so dass bei minimalem Vordruck p_V und maximalem Druck im Brennstoffzellenstack 1 die geforderte maximale Verbrauchsmenge und die erforderlicher Regeldynamik gewährleistet werden kann.
Der Querschnitt der Abströmdrossel 23 sollte mit dem vom HGI 16 maximal freigegebenen Querschnitt in vorteilhafter Weise derart abgestimmt werden, dass die Druckteilerschaltung von HGI 16 und der Drossel 23 über das Taktverhältnis des HGI 16 den gesamten im Brennstoffzellenstack 1 vorkommenden Druckbereich vorteilhaft anfahren kann.
Der Ventilsitz 19 bzw. der Ventilkörper 18 können beliebige Geometrien aufweisen. Beispielsweise können auch Kugel- oder Flachsitzventile, Schlitzventile und andere verwirklicht werden.
Die Membran 21 kann aus einem beliebigen flexiblen Material bestehen, sie sollte den Anforderungen an Druckfestigkeit, Gasbeständigkeit und Dichtheit genügen, z.B. Metall, Kunststoff oder kunststoffbeschichtetes Gewebe. Da die Kammern K₁ und K₂ beidseitig mit dem selben Gas umströmt sind, ist eine relativ große Permeation durch das Membranmaterial bis in Größenordnungen von etwa 1/10 der Massenströme durch das Einblasventil 16 möglich.
Alternativ zum getakteten Schaltventil 16 bzw. HGI 16 kann auch ein Proportionalventil 16 oder dergleichen mit entsprechend kleinen Massenströmen verwendet werden.
Generell können neben Wasserstoff 2 auch andere Betriebsgase bzw. Fluide verwendet werden. Bei einem vergleichsweise großen positiven oder negativen Joule-Thomson-Effekt, ist es von Vorteil, bei relativ großen entsprechenden Temperaturänderungen bei der Gasexpansion in der Kammer K₁ eine vorteilhafte Wärmeabfuhr oder Wärmezufuhr vorzusehen, wie dies beispielsweise mit Hilfe eines Wärmetauschers oder dergleichen in nicht näher dargestellter Weise möglich ist.
Grundsätzlich kann gemäß der Erfindung der anodenseitige Druck p_A durch gezielte Zuführung von Wasserstoff 2 oder dergleichen mit dem als Führungsgröße ausgebildeten kathodenseitigen Druck p_K ausgeglichen werden. Durch die Nachführung des anodenseitigen Druckes p_A ist, insbesondere auch bei konstantem Verbrauch gewährleistet, dass dem Brennstoffzellenstack 1 immer genau soviel Stoffmenge zugeführt wird, wie dieser verbraucht. Die Zumessung ergibt sich also nahezu automatisch aus der Nachführung bzw. Konstanthaltung des anodenseitigen Druckes p_A gemäß der Erfindung.
Von besonderem Vorteil ist gemäß der Erfindung insbesondere, dass gerade bei Systemen mit hoher Leistung und hohen Anforderungen an die Dynamik eine kostengünstige Lösung mit nur einem elektronisch gesteuerten bzw. kontrollierten Ventil 16 erforderlich ist. Die Anforderungen an das Steuergerät bzw. an die Kontrolleinheit 29 bleiben auch bei hohen Stoffmengen konstant. Beispielsweise wird bei der oben genannten Ausführungsvariante unter Verwendung lediglich eines HGI 16 maximal 1 A zur Steuerung benötigt, was sich ebenfalls stark kostenreduzierend gegenüber dem Stand der Technik auswirkt.
Darüber hinaus lassen sich auch kleine Mengen, z.B. im Leerlauf oder Teillastbereich, mit der gleichen Genauigkeit einblasen wie beim Stand der Technik, da sich hier eine direkte Zumessung über das HGI 16 ergibt.
Darüber hinaus ist das vorgeschlagene System gemäß der Erfindung voll diagnosefähig, da durch die Ermittlung der Drucke p_A und p_K bei einer nachteiligen Abweichung sofort auf Fehler im System geschlossen werden kann. Vorzugsweise ist das Dosierelement 16 bzw. HGI im stromlosen Zustand geschlossen ausgebildet, so dass bei Fehlern im Systemverbund eine hohe Sicherheit gewährleistet wird.

Claims

Brennstoffzellenanlage mit einer Brennstoffzelleneinheit (1), wobei eine Dosiereinheit (6, 16, 17) zum Dosieren einer Stoffmenge für wenigstens eine Elektrode (3, 5) vorgesehen ist und wobei die Dosiereinheit wenigstens zwei, parallel verschaltete Dosierelemente (16, 17) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass ein maximaler Durchströmungsquerschnitt des ersten Dosierelementes (16) um ein Vielfaches kleiner als ein maximaler Durchströmungsquerschnitt des zweiten Dosierelementes (17) ist.
Brennstoffzellenanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem ersten Dosierelement (16) und dem zweiten Dosierelement (17) eine pneumatische Kopplungsvorrichtung (21, K₁, K₂) zum Koppeln des Betriebs wenigstens der beiden Dosierelemente (16, 17) vorgesehen ist.
Brennstoffzellenanlage nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Dosierelement (16) mit dem kleinen maximalen Durchströmungsquerschnitt als Kontrollelement zum Kontrollieren des Durchströmungsquerschnitts des zweiten Dosierelementes (17) ausgebildet ist.
Brennstoffzellenanlage nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kopplungsvorrichtung (21) wenigstens zwei mit einer Trennwand (21) voneinander getrennte Druckkammern (K₁, K₂) umfasst.
Brennstoffzellenanlage nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Trennwand (21) als Membran (21) ausgebildet ist.
Brennstoffzellenanlage nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Verstellung der Trennwand (21) den Durchströmungsquerschnitt des zweiten Dosierelementes (17) verändert.
Brennstoffzellenanlage nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in Reihe zu einem der Dosierelemente (16) und parallel zu dem anderen Dosierelement (17) wenigstens ein Drosselelement (23, 30) zum Verändern des Drucks angeordnet ist.
Brennstoffzellenanlage nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kontrolleinheit (29) zum Kontrollieren des ersten Dosierelementes (16) vorgesehen ist.
Brennstoffzellenanlage nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein erster Drucksensor (27) zur Erfassung des Kathodendrucks und ein zweiter Drucksensor (28) zur Erfassung des Anodendrucks vorgesehen ist.
Brennstoffzellenanlage nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontrolleinheit (29) zum Vergleich des Kathodendrucks mit dem Anodendruck ausgebildet ist.
Brennstoffzellenanlage nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kathodendruck als Führungsgröße der Kontrolleinheit (29) ausgebildet ist.
Brennstoffzellenanlage nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Dosierelement (16) als Gaseinblasventil (16) ausgebildet ist.