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Die Erfindung betrifft ein System mit einer Einrichtung zur Dosierung eines Mediums nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art.
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Grundsätzlich sind Dosiereinrichtungen, welche ein Medium hinsichtlich eines vorgebbaren Massenstroms und eines vorgebbaren Drucks dosieren, aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt. Beispielhaft kann hierzu auf zwei im Bereich von Brennstoffzellensystemen beschriebene Einrichtungen zur Dosierung von Medien verwiesen werden. Diese werden in der deutschen Offenlegungsschrift
DE 10 2005 006 357 A1 und in der deutschen Offenlegungsschrift
DE 101 60 477 A1 beispielhaft beschrieben.
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Ein weiterer typischer Aufbau, wie er prinzipiell auch in der zweiten der genannten Offenlegungsschriften beschrieben ist, besteht nun darin, dass eine Einrichtung zur Dosierung eines Mediums sowohl zum Dosieren des Mediums als auch zum Reduzieren des Drucks in dem Medium eingesetzt wird. Bei Brennstoffzellensystemen kann dies insbesondere eine Wasserstoffdosiereinrichtung sein, welche einerseits den benötigten Massenstrom an Wasserstoff für die Brennstoffzelle dosiert und andererseits den beispielsweise in einer Hochdruckspeichereinrichtung gespeicherten gasförmigen Wasserstoff auf das für die Verwendung in dem Brennstoffzellensystem benötigte Druckniveau entspannt. Insbesondere bei solchen Wasserstoffdosiereinrichtungen hat es sich als sehr zweckmäßig erwiesen, diese aus einer – insbesondere jedoch aus zwei parallel geschalteten – getaktet betriebenen Ventileinrichtungen aufzubauen. Damit lässt sich beispielsweise über eine pulsweitenmodulierte Ansteuerung dieser Ventileinrichtungen sehr einfach und effizient der vorgegebene Massenstrom ebenso wie der benötigte Druck einstellen.
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Der Aufbau ist dabei vergleichsweise einfach und kostengünstig in seiner Ausführung und lässt sich sehr einfach und effizient durch ein pulsweitenmoduliertes Signal ansteuern.
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Allerdings hat dieser Aufbau einer Einrichtung zur Dosierung eines Mediums einen entscheidenden Nachteil. Die wenigstens eine getaktete Ventileinrichtung, insbesondere jedoch zwei getaktete Ventileinrichtungen, verursachen durch ihre getaktete Ansteuerung beim Betrieb einen gewissen Lärm, welcher in einigen Betriebsphasen eines Systems unerwünscht sein kann.
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Handelt es sich bei dem System beispielsweise um ein Brennstoffzellensystem, welches in einem Transportmittel, insbesondere in einem Kraftfahrzeug eingesetzt wird, um das Kraftfahrzeug anzutreiben, so werden während des Betriebs des Brennstoffzellensystems unterschiedliche Betriebsmodi auftreten. Insbesondere ist es bei heutigen Brennstoffzellensystemen bekannt und üblich, diese in einem sogenannten Start-/Stopp-Betrieb zu nutzen. Dies bedeutet, dass das Brennstoffzellensystem nur dann betrieben wird, wenn dies zum Vortrieb des Fahrzeugs notwendig ist. Ist dies nicht notwendig, beispielsweise beim Bergabrollen oder beim Stillstand des Fahrzeugs an einer Ampel oder dergleichen, so wird das Brennstoffzellensystem in einem Leerlauf- oder Standby-Betrieb betrieben. Dann erfolgt weiterhin eine geringfügige Versorgung des Brennstoffzellensystems mit Wasserstoff, um dieses sehr schnell wieder starten zu können. Ansonsten werden die Komponenten des Systems jedoch in einen Ruhezustand verbracht oder in einem minimalen Belastungszustand Weiterbetrieben. Nun ist es so, dass während des regulären Betriebs die Geräuschentwicklung durch die getakteten Ventileinrichtungen nicht weiter auffällt, da auch andere Komponenten des Systems vergleichsweise laut sind. Kommt es nun jedoch zu Leerlauf- beziehungsweise Standby-Phasen des Systems, dann sind die meisten Komponenten in ihrem Ruhezustand oder werden mit minimaler Leistung Weiterbetrieben. Jetzt werden die durch die getakteten Ventileinrichtungen verursachten Geräuschemissionen als sehr störend wahrgenommen.
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Dies gilt dabei selbstverständlich nicht nur für Brennstoffzellensysteme, welche in Transportmitteln eingesetzt werden, sondern prinzipiell für alle Systeme in die ein Medium über getaktete Ventileinrichtungen dosiert wird, und welche mit Leerlauf- oder Standby-Phasen betrieben werden, in denen die Geräuschemissionen als entsprechend störend empfunden werden.
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Es ist nun die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung, ein System mit einer Einrichtung zum Dosieren eines Mediums zu schaffen, welches diese Nachteile vermeidet und in einem Standby- beziehungsweise Leerlauf-Betrieb mit minimalen Geräuschemissionen betrieben werden kann.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die im kennzeichnenden Teil von Anspruch 1 genannten Merkmale gelöst. Eine vorteilhafte Verwendung für das erfindungsgemäße System ergibt sich dabei aus dem Verwendungsanspruch 8. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des Systems und/oder der Verwendung ergeben sich jeweils aus den hiervon abhängigen Unteransprüchen.
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Die erfindungsgemäße Lösung sieht vor, dass ein Strömungsweg parallel zu der wenigstens einen Ventileinrichtung ausgebildet ist, wobei in dem Strömungsweg eine nicht getaktet betreibbar Ventileinrichtung angeordnet ist. Dieser Aufbau mit einem parallelen Strömungsweg, welcher insbesondere als Bypass um diese Ventileinrichtung ausgebildet sein kann, erlaubt es, bei Nichtbetrieb der getaktet betriebenen Ventileinrichtung über diese weitere Ventileinrichtung, welche insbesondere nicht getaktet betrieben wird, einen zumindest eingeschränkten Massenstrom bei vorgegebenem Druck in das System zu dosieren. Dies ermöglicht es in Betriebszuständen des Systems, welche beispielsweise einen Leerlauf-Betrieb oder einen Standby-Betrieb umfassen, eine vorgegebene Menge durch die nicht getaktet betreibbare Ventileinrichtung zu dosieren. Dies kann dabei insbesondere erfolgen, ohne dass durch das Takten der Ventileinrichtung auftretende Lärmemissionen verursacht werden. Der Betrieb über den zusätzlichen Strömungsweg mit der nicht getaktet betreibbaren Ventileinrichtung erlaubt es so also, das System mit einer geringen Menge an zudosiertem Medium zu betreiben, ohne die getakteten Ventile nutzen zu müssen. Damit lässt sich beispielsweise für einen Leerlauf-Betrieb, einen Standby-Betrieb oder dergleichen ein sehr leiser Betrieb des Systems realisieren.
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Die nicht getaktet betreibbare Ventileinrichtung kann dabei entsprechend unterschiedlicher Ausgestaltungsvarianten des erfindungsgemäßen Systems beispielsweise als Proportionalventil oder als Schaltventil ausgebildet sein. Diese Arten von Ventilen lassen sich mit sehr geringen Geräuschemissionen betätigen. Über das Proportionalventil kann dennoch ein gewünschter Druck- und Volumenstrom zumindest in gewissen Grenzen eingestellt werden. Auch über ein Schaltventil ist dies möglich, wenn dieses gelegentlich geöffnet und wieder geschlossen wird. Anders als bei einem getakteten Ventil erfolgen diese Öffnungen und Schließungen des Ventils dabei in vergleichsweise großen Zeitabständen zueinander. Damit muss die schnelle Beweglichkeit eines Ventilstößels oder dergleichen nicht mehr gegeben sein, sodass die Konstruktion eines reinen Schaltventils so ausgestaltet werden kann, dass dieses Öffnen und Schließen funktioniert, ohne dass es zu Geräuschmissionen kommt.
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Prinzipiell ist es auch denkbar, zwei getaktet betriebene Ventileinrichtungen parallel zueinander anzuordnen und eine davon so auszubilden, dass diese auch nicht getaktet betrieben werden kann, also in der Art eines reinen Schaltventils. Auch dann kann ein zumindest im Vergleich zu zwei parallelen getaktet betriebenen Ventileinrichtungen vergleichsweise leiser bei reduzierter Menge an dosiertem Medium Betrieb realisiert werden.
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In einer besonders günstigen und vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Systems ist es dabei vorgesehen, dass dieses als Brennstoffzellensystem ausgebildet ist. Insbesondere in Brennstoffzellensystemen spielen getaktet angesteuerte Ventileinrichtungen, welche beispielsweise über eine Pulsweitenmodulation hinsichtlich des sie passierenden Massenstroms einfach und effizient steuerbar sind, eine entscheidende Rolle. Daher spielt auch das erfindungsgemäße System, welches über die Einrichtung zur Dosierung eines Mediums in der erfindungsgemäßen Ausgestaltung einen sehr leisen Betrieb des Systems ermöglicht, bei derartigen Brennstoffzellensystemen eine wichtige Rolle.
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In einer besonders günstigen und vorteilhaften Weiterbildung hiervon ist es dann vorgesehen, dass die Einrichtung zur Dosierung eines Mediums als Einrichtung zur Wasserstoffdosierung in dem Brennstoffzellensystem ausgebildet ist. Insbesondere bei der Dosierung von Wasserstoff, welcher bei der Verwendung von Wasserstoffspeichern typischerweise unter einem sehr hohen Druck gespeichert wird, spielt die Einrichtung zur Dosierung des Wasserstoffs eine erhebliche Rolle und muss einfach und effizient aufgebaut sein und dennoch sicher und zuverlässig funktionieren. Die erfindungsgemäße Ausgestaltung ermöglicht hier einen sicheren und zuverlässigen Betrieb des Systems mit sehr exakter Dosierung eines Wasserstoff-Massenstroms auf vorgegebenem Druck. Für einen Leerlauf- oder Standby-Betrieb kann außerdem ein sehr leises Versorgen mit einer vorgegebenen Minimalmenge an Wasserstoff über den zusätzlichen Strömungsweg realisiert werden.
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Eine besonders günstige und vorteilhafte Verwendung des erfindungsgemäßen Systems, und hier insbesondere des Brennstoffzellensystems, liegt daher in der Verwendung in einem Transportmittel. Dieses Transportmittel kann prinzipiell als jede Art von Transportmittel auf dem Wasser, auf dem Lande oder in der Luft ausgebildet sein. Insbesondere ist das Transportmittel jedoch als Kraftfahrzeug ausgebildet, welches zumindest einen Teil seiner Antriebsleistung von dem Brennstoffzellensystem erhält.
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Mit der zunehmenden Bedeutung von Emissionen sowohl an Schadstoffen als auch an Lärm und der zunehmenden Anforderung auch an Brennstoffzellen-Fahrzeuge, mit dem eingesetzten Kraftstoff möglichst effizient umzugehen, werden bei Fahrzeugen zunehmend Start-/Stopp-Systeme eingesetzt. Dies bedeutet, dass in Phasen, in denen das Brennstoffzellensystem 1 keine Leistung zum Antrieb des Fahrzeugs liefern muss, dieses in einen Standby-Betrieb wechselt. In einer solchen Standby-Phase des Brennstoffzellensystems 1 wird dieses weiterhin mit Wasserstoff auf einem minimalen Druckniveau und mit einem minimalen Massenstrom versorgt, um schnell wieder starten zu können. Alle anderen Komponenten werden entweder abgeschaltet oder ebenfalls auf einem deutlich reduzierten Niveau Weiterbetrieben. In diesen Phasen fällt das Geräusch, welches durch getaktet betriebene Ventileinrichtungen verursacht wird, besonders negativ auf. Eine besonders bevorzugte Verwendung gemäß der Erfindung liegt daher darin, dass das Transportmittel, insbesondere das Kraftfahrzeug, mit Phasen eines erhöhten Leistungsbedarfs und mit den Leerlauf- oder Standby-Phasen des Brennstoffzellensystems betrieben wird, wobei in den Leerlauf- oder Standby-Phasen die Wasserstoffversorgung des Brennstoffzellensystems reduziert wird, indem die wenigstens eine getaktet betriebene Ventileinrichtung geschlossen wird. Die wenigstens eine getaktet betriebene Ventileinrichtung in geschlossenem Zustand stellt sicher, dass diese keine unerwünschten Geräuschemissionen verursacht. Über den zusätzlichen Strömungsweg kann dennoch eine Versorgung des Brennstoffzellensystems mit den benötigten vergleichsweise geringen Mengen an Wasserstoff aufrechterhalten werden, um dieses im Bedarfsfall, also beispielsweise wenn die Ampel auf „grün” springt, sehr schnell wieder starten zu können.
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In einer sehr günstigen und vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Verwendung kann es außerdem vorgesehen sein, dass in den Leerlauf- oder Standby-Phasen des Brennstoffzellensystems ein Druckbereich für die Wasserstoffversorgung des Brennstoffzellensystems in Abhängigkeit der Konstruktion der nicht getaktet betreibbaren Ventileinrichtung vorgegeben wird. Für die nicht getaktet betreibbare Ventileinrichtung kann, wie oben bereits erwähnt, ein Proportionalventil eingesetzt werden oder ein Schaltventil beziehungsweise ein zumindest vorübergehend als Schaltventil genutztes getaktetes Ventil. Je nach konstruktivem Aufbau kann so der Massenstrom und der Druck im Bereich des Brennstoffzellensystems, und hier insbesondere im Bereich eines Anodenraums einer Brennstoffzelle des Brennstoffzellensystems, entsprechend vorgegeben werden.
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Wird beispielsweise ein Proportionalventil eingesetzt, so reicht ein vergleichsweise kleiner Druckbereich aus, da das Proportionalventil annähernd stufenlos eingestellt werden kann. Wird dagegen ein Schaltventil eingesetzt, so macht es Sinn, für den Anodenraum der Brennstoffzelle des Brennstoffzellensystems einen etwas größeren Druckbereich vorzugeben, sodass durch ein Öffnen des Schaltventils ein Druckanstieg bis zum vorgegebenen Maximaldruck ermöglicht wird. Wenn das Ventil dann geschlossen wird, kann der Druck durch Verbrauchsvorgänge und dergleichen im Bereich des Brennstoffzellensystems langsam auf einen vorgegebenen Minimaldruck absinken. Erst dann muss das Schaltventil wieder geöffnet werden. Der Unterschied zwischen minimalem und maximalem Druck kann also genutzt werden, um die Anzahl der Wechsel zwischen den Schaltstellungen des Schaltventils zu beeinflussen. Je größer der vorgegebene Druckbereich ist, desto weniger Wechsel wird es im Bereich des Schaltventils geben. Falls das Schaltventil, welches auch geräuscharm konstruiert werden kann, also dennoch gewisse Geräuschemissionen verursacht, so können diese durch eine Verringerung der Schaltungen aufgrund eines breiteren vorgegebenen Druckbereichs für den Anodenraum der Brennstoffzelle des Brennstoffzellensystems in der Leerlauf- oder Standby-Phase weiter verringert werden.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den restlichen abhängigen Ansprüchen und werden anhand des Ausführungsbeispiels deutlich, welches nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren näher beschrieben wird.
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Dabei zeigen:
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1 eine mögliche Ausführungsform eines Brennstoffzellensystems als erfindungsgemäßes System;
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2 ein Fahrzeug mit einem solchen Brennstoffzellensystem; und
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3 eine Einrichtung zur Dosierung eines Mediums.
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In der Darstellung der 1 ist ein Brennstoffzellensystem 1 zu erkennen. Der Kern des Brennstoffzellensystems 1 ist eine Brennstoffzelle 2, welche einen Kathodenraum 3 aufweist, welcher durch protonenleitende Membranen 4 von einem Anodenraum 5 getrennt ist. Die Brennstoffzelle 2 soll dabei in bevorzugter Ausführungsform als PEM-Brennstoffzellenstapel ausgebildet sein. Der Brennstoffzelle 2 beziehungsweise dem Kathodenraum 3 der Brennstoffzelle 2 wird über eine Luftfördereinrichtung 6 Luft zugeführt. In der Brennstoffzelle 2 wird der Sauerstoff in dieser Luft dann zusammen mit Wasserstoff aus einer Wasserstoffspeichereinrichtung 7 in elektrische Leistung und Produktwasser umgesetzt. Dies erfolgt durch die Membranen 4 hindurch. Der Wasserstoff aus der Wasserstoffspeichereinrichtung 7 wird dazu über eine Einrichtung zur Wasserstoffdosierung 8 dem Anodenraum 5 der Brennstoffzelle 2 dosiert zugeführt.
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Um die Brennstoffzelle 2 in allen Bereichen immer mit einer ausreichenden Menge an Wasserstoff versorgen zu können, wird typischerweise mehr Wasserstoff in den Anodenraum 5 eingeleitet, als in diesem umgesetzt werden kann. Der verbleibende Restwasserstoff gelangt dann über eine Rezirkulationsleitung 9 und eine Rezirkulationsfördereinrichtung 10 zurück in den Bereich des Eingangs des Anodenraums 5. Von hier strömt er zusammen mit frischem Wasserstoff aus der Wasserstoffspeichereinrichtung 7 erneut in den Bereich des Anodenraums 5. Dieser sogenannte Anodenkreislauf ist dabei aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt. Mit der Zeit reichert sich in diesem Anodenkreislauf Stickstoff beziehungsweise inertes Gas an, welches aus dem Kathodenraum 3 durch die Membranen 4 hindurch in den Anodenraum 5 diffundiert. Außerdem fällt im Bereich der Rezirkulationsleitung 9 Wasser an, welches im Anodenraum 5 entsteht. Dies ist zwar nicht eine so große Menge an Produktwasser, wie sie im Kathodenraum 3 entsteht, durch die Kreislaufführung reichert sich inertes Gas und Wasser jedoch in dem Kreislauf an. Je mehr Wasser und inertes Gas im Kreislauf befindlich sind, desto kleiner wird die Konzentration des Wasserstoffs, sodass hierunter die Performance der Brennstoffzelle 2 mit der Zeit leidet. Daher ist ein Ablassventil 11 vorgesehen, um Wasser und/oder inertes Gas über eine Ablassleitung 12 abzulassen. Dieses Abgas aus dem Anodenraum 5 wird dabei der Zuluft zu dem Kathodenraum 3 zugeführt. Da über das Ablassventil 11 immer auch ein gewisser Rest an Wasserstoff mit abgelassen wird, kann dieser dann an den Elektrokatalysatoren im Kathodenraum 3 abreagieren, sodass dieser nicht an die Umgebung gelangt. Auch diese Vorgehensweise ist aus dem allgemeinen Stand der Technik bei Brennstoffzellensystem 1 bekannt. Außerdem ist in der Darstellung der 1 ein Absperrventil 13 zu erkennen, über welches die Wasserstoffspeichereinrichtung 7, welche typischerweise unter sehr hohem Druck steht, im Falle des Stillstands des Brennstoffzellensystem 1 entsprechend abgesperrt werden kann. Dieses Absperrventil 13 ist dabei während des Betriebs des Brennstoffzellensystems 1 grundsätzlich offen und während eines echten Stillstands, also nicht in einer Standby- oder Leerlauf-Phase des Brennstoffzellensystems 1, ständig geschlossen.
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Dieser bis hierher beschriebene Aufbau ist so aus dem Stand der Technik bekannt. Das Brennstoffzellensystem 1 kann beispielsweise als stationäres Brennstoffzellensystem ausgebildet sein. Es kann insbesondere jedoch auch zum Antrieb eines Transportmittels 14, also eines beliebigen beweglichen Mittels auf dem Wasser, auf dem Land oder in der Luft eingesetzt werden. Ein bevorzugter Einsatz des Brennstoffzellensystems 1 liegt insbesondere in der Nutzung zur Bereitstellung von elektrischer Antriebsenergie für ein solches Transportmittel 14, insbesondere ein Kraftfahrzeug 14, beispielsweise ein Personenkraftwagen oder ein Nutzfahrzeug. in der Darstellung der 2 ist beispielhaft ein solches Fahrzeug 14 dargestellt. In dem Fahrzeug 14 sind dabei das Brennstoffzellensystem 1 und die Wasserstoffspeichereinrichtung 7 zu erkennen. Das Brennstoffzellensystem 1 kann so aufgebaut sein, wie es in der Darstellung der 1 beschrieben ist. Die elektrische Leistung, welche von dem Brennstoffzellensystem 1 erzeugt wird, gelangt über eine Elektronikeinheit 15 zu einem elektrischen Fahrmotor 16, welcher hier beispielhaft im Bereich eines der Räder des Fahrzeugs 14 angedeutet ist. Über diesen elektrischen Fahrmotor 16 kann das Fahrzeug 14 nun in Abhängigkeit einer entsprechenden Vorgabe des Fahrers des Fahrzeuges 14 angetrieben werden. Außerdem weist das Fahrzeug 14 typischerweise eine elektrische Energiespeichereinrichtung 17 auf, welche ebenfalls mit der Elektronikeinheit 15 verbunden und so in die Leistungsverteilung in dem Fahrzeug 14 mit eingebunden ist. Diese elektrische Energiespeichereinrichtung 17 kann beispielsweise in Form einer Batterie und/oder in Form von Hochleistungskondensatoren aufgebaut sein. Sie kann in dem Brennstoffzellensystem 1 anfallende elektrische Leistung vorübergehend speichern, falls diese nicht für den Antrieb des Fahrzeugs 14 benötigt wird. Außerdem kann beim Abbremsen des Fahrzeugs 14 in an sich bekannter Art und Weise der elektrische Fahrmotor 16 als Generator betrieben werden, um mit seinem Schleppmoment eine Bremswirkung zu erzielen. Die dabei entstehende elektrische Energie kann ebenfalls in der elektrischen Energiespeichereinrichtung 17 gespeichert werden. Dieser Vorgang wird im Allgemeinen als Rekuperation bezeichnet. Die in der elektrischen Energiespeichereinrichtung 17 vorliegende elektrische Energie kann dann verwendet werden, um das Fahrzeug 14 beispielsweise zu beschleunigen, entweder ergänzend zu der Leistung des Brennstoffzellensystems 1 oder, falls das Brennstoffzellensystem 1 noch nicht voll betriebsfähig ist, kann auch mit elektrischer Energie aus der elektrischen Energiespeichereinrichtung 1 alleine (an-)gefahren werden.
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Das Fahrzeug 14 in der Darstellung der 3 soll nun über ein sogenanntes Start/Stopp-System verfügen. Ein solches Start/Stopp-System sorgt dafür, dass ein Antriebsaggregat des Fahrzeugs 14, hier also das Brennstoffzellensystem 1 immer dann in eine Standby- beziehungsweise Leerlauf-Phase wechselt, wenn vorübergehend keine Leistungsanforderung an das Brennstoffzellensystem 1 gestellt wird. Dies kann beispielsweise bei einem Ampelstopp, beim Ausrollen oder bei einer Bergabfahrt mit rollendem Fahrzeug 14 der Fall sein. Dadurch, dass das Brennstoffzellensystem 1 dann in die Standby-Phase wechselt, in dem es deutlich weniger Energie benötigt und weniger Emissionen sowohl an Schadstoffen als auch an Geräuschen verursacht, entsteht durch ein solches Start/Stopp-System ein sehr energiesparendes und komfortables Fahrzeug 14. Derartige Start/Stopp-Systeme mit ihren Vorteilen sind dabei aus dem allgemeinen Stand der Technik sowohl für Fahrzeuge mit Brennstoffzellensystemen als auch Fahrzeuge mit Verbrennungsmotoren bekannt.
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Die Einrichtung zur Wasserstoffdosierung 8 ist in der Darstellung der 3 nochmals näher beschrieben. Sie weist zwei getaktet betriebene Ventileinrichtungen 18, 19 auf, welche parallel zueinander geschaltet sind und über welche der für den Anodenraum 5 der Brennstoffzelle 2 benötigte Massenstrom an Wasserstoff dosiert wird. Gleichzeitig übernimmt die Einrichtung zur Wasserstoffdosierung 8 die benötigte Reduzierung des Wasserstoffdrucks von dem Druck in der Hochdruckumgebung der Wasserstoffspeichereinrichtung 7 auf das für den Betrieb der Brennstoffzelle 2 benötigte sehr viel niedrigere Druckniveau. Die getaktet betriebenen Ventileinrichtungen 18, 19 werden dabei typischerweise von einer Steuerungselektronik 20 des Brennstoffzellensystems 1 pulsweitenmoduliert angesteuert, um so Massenstrom und Druck des zum Anodenraum 5 gelangenden frischen Wasserstoffs einstellen beziehungsweise regeln zu können. Diese Art der Wasserstoffdosierung über zwei getaktet betriebene Ventile 18, 19 ist dabei aus dem Stand der Technik bekannt und hat sich als besonders einfache, kostengünstige und sehr effiziente Art der Wasserstoffdosierung bewährt.
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Der Nachteil der getakteten Ventileinrichtungen 18, 19 besteht nun jedoch darin, dass diese vergleichsweise laut sind. Da in dem Brennstoffzellensystem 1 und insbesondere in dem Fahrzeug 14 diverse Nebenaggregate, Hilfsaggregate und dergleichen in Betrieb sind, fällt das durch die Taktventile 18, 19 verursachte Geräusch im Allgemeinen nicht auf. In den Leerlauf- beziehungsweise Standby-Phasen des Brennstoffzellensystems 1, also beispielsweise wenn das Brennstoffzellensystem 1 während eines Ampelstopps in die Standby-Phase wechselt, wird der Druck und Massenstrom des Wasserstoffs zum Anodenraum 5 zwar deutlich reduziert, jedoch auf niedrigem Niveau aufrechterhalten. Damit müssen auch die beiden getaktet betriebenen Ventileinrichtungen 18, 19 weiterhin betrieben werden. Da in dieser Phase die anderen Komponenten und Nebenaggregate entweder abgeschaltet sind oder auf einem minimalen Leistungsniveau weiterlaufen, ist insbesondere in diesen Leerlauf- und Standby-Phasen des Brennstoffzellensystems 1 die Geräuschemission durch die getaktet betriebenen Ventileinrichtungen 18, 19 sehr störend. Um dies zu vermeiden, kann es nun vorgesehen sein, dass in dem erfindungsgemäßen Aufbau des Brennstoffzellensystems 1 die Einrichtung zur Wasserstoffdosierung 8 neben den beiden getaktet betriebenen Ventilen 18, 19 einen zusätzlichen Strömungsweg 21 aufweist.
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In der Darstellung der 3 ist also neben den beiden getaktet betriebenen Ventileinrichtungen 18, 19 der zusätzliche Strömungsweg 21 zu erkennen. Dieser umfasst eine Ventileinrichtung 22, welche insbesondere als nicht getaktet betreibbare Ventileinrichtung 22 ausgebildet ist. Beim Wechsel des Brennstoffzellensystems 1 in eine Leerlauf- oder Standby-Phase können die beiden getaktet betriebenen Ventileinrichtungen 18, 19 geschlossen werden. Die Ventileinrichtung 22 kann beispielsweise als Proportionalventil ausgebildet sein, welche in ihrem durchströmbaren Querschnitt annähernd stufenlos einstellbar ist. Damit kann über den Strömungsweg 21 und die Ventileinrichtung 22 ein Massestrom und ein Druck des Wasserstoffs eingestellt werden, welcher in den Bereich des Anodenraums 5 der Brennstoffzelle 2 strömt. Dies ist dabei annähernd lautlos möglich, da die Ventileinrichtung 22 in ihrer Ausbildung als Proportionalventil keine Geräusche verursacht. Im vergleichsweise eingeschränkten Druckbereich und dem vergleichsweise kleinen Volumenstrom, welcher für die Leerlauf- oder Standby-Phase benötigt wird, lässt sich der Aufbau über die Ventileinrichtung 22 als Proportionalventil und den Strömungsweg 21 problemlos realisieren.
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Anstelle eines vergleichsweise teuren Proportionalventils kann die Ventileinrichtung 22 auch als Schaltventil ausgebildet sein. Ein solcher Aufbau der Ventileinrichtung 22 als Schaltventil würde dann ein periodisches Öffnen und Schließen des Schaltventils notwendig machen, um den erforderlichen Massenstrom und Druck im Bereich des Anodenraums 5 einzustellen. Da dies im Gegensatz zum getakteten Betrieb der Ventileinrichtungen 18, 19 in einer sehr viel kleineren Frequenz erfolgt, kann die als Schaltventil ausgebildete Ventileinrichtung 22 so konstruiert werden, dass von einem Schalten der Ventileinrichtung 22 keine oder nur minimale Geräuschemissionen ausgehen.
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Der Aufbau ist somit geeignet, um in Leerlauf- oder Standby-Phasen einen sicheren und zuverlässigen Betrieb in der gewünschten Art und Weise zu realisieren, ohne dabei die vergleichsweise lauten getakteten Ventileinrichtungen 18, 19 nutzen zu müssen. Dennoch bleibt der Aufbau vergleichsweise einfach und kompakt und kann leicht angesteuert werden.
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Typischerweise ist für die Leerlauf- oder Standby-Phase ein Druckniveau im Anodenraum 5 der Brennstoffzelle 2 vorgegeben. Da regelungstechnische und messtechnische Gegebenheiten niemals zu einem absolut exakten Druck führen, wird hier typischerweise nicht ein Druckniveau, sondern ein Druckbereich mit einem minimalen Druckwert und einem maximalen Druckwert vorgegeben. Dieses Toleranzband des Druckniveaus hat dabei entscheidenden Einfluss auf die Anzahl der Schaltwechsel bei der Verwendung eines Schaltventils als Ventileinrichtung 22 im Strömungsweg 21. Je größer das Toleranzband für das Druckniveau vorgegeben wird, desto seltener wird das Schaltventil schalten. Daher kann bei der Ausgestaltung der Ventileinrichtung 22 als Schaltventil durch die Vorgabe eines vergleichsweise großen Toleranzbandes für das Druckniveau bei einem häufigen Schalten der Ventileinrichtung 22 und damit gegebenenfalls verbundenen Geräuschemissionen entgegengewirkt werden.
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Bei der alternativen Ausgestaltung der Ventileinrichtung 22 als Proportionalventil ist ein solch breites Toleranzband des Drucks nicht notwendig, da dieses eine vergleichsweise exakte Einstellung eines vorgegebenen Druckniveaus ohne Verursachung von Geräuschen durch ruckartige Bewegungen eines Ventilstößels oder dergleichen erlaubt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102005006357 A1 [0002]
- DE 10160477 A1 [0002]
