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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Diese Erfindung betrifft allgemein das Steuern von verdichteten Versorgungsgasen und insbesondere das Steuern des Drucks an dem Einlass einer Brennstoffzelle oder einer anderen Vorrichtung, die eine Druckgasversorgung nutzt.
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Elektrochemische Umwandlungszellen, die üblicherweise als Brennstoffzellen bezeichnet werden, erzeugen elektrische Energie durch Verarbeitung von Reaktanten, beispielsweise durch die Oxidation und Reduktion von Wasserstoff und Sauerstoff. Die Gase werden häufig aus druckbeaufschlagten Speichertanks in die Brennstoffzellen eingeleitet.
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Zum Steuern des Drucks am Einlass zu der Brennstoffzelle oder der anderen Vorrichtung werden mechanische Druckregler verwendet. Mechanische Druckregler sind aber mit einer Reihe von Problemen behaftet. Die Federkraft des mechanischen Druckreglers nimmt über die Lebensdauer des Reglers ab und kann auch durch Temperatur beeinträchtigt werden. Der wirksame Druck des Reglers wird durch den Durchsatz durch den Regler beeinflusst. Die Steifigkeit der Membran des Federkraftreglers ändert sich bei Alterung und Verschlechterung des Materials mit der Zeit. Aufgrund dieser Wirkungen ändert sich der Sollwert des Druckreglers und weicht mit der Zeit von dem geforderten Wert ab. Wenn der Druckregler aber seinen Sollwert ändert, kann diese Abweichung nicht durch den mechanischen Druckregler korrigiert werden. Ferner unterliegen die mechanischen Teile dem Haftgleiteffekt, da die Reibung bei einer hohen Strömungstransiente anders ist. Weiterhin können Lecks in einer Leitung nicht vermieden werden, da federbeaufschlagte Druckregler nicht sehr dicht schließen. Ferner besteht für eine Druckreduzierung von einem hohen Druckwert (z. B. 700 bar) hinunter auf einen niedrigen Druckwert (z. B. 2 bar absolut) typischerweise Bedarf nach mehreren Druckschritten. Um bei dem Zieldruck eine kleine Toleranz zu erreichen, wurden bei federbeaufschlagten mechanischen Druckreglern mehrere Reduzierungsschritte eingebaut.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Eine Ausgestaltung der Erfindung ist ein Brennstoffzufuhrsystem für eine Brennstoffzelle. Eine Ausführungsform des Brennstoffzufuhrsystems umfasst einen Brennstoffzufuhrbehälter; eine Brennstoffausgabeleitung, die mit dem Brennstoffzufuhrbehälter und der Brennstoffzelle in Fluidverbindung steht; einen piezoelektrischen Injektor, der mit der Brennstoffausgabeleitung in Fluidverbindung steht; und einen Drucksensor, der mit der Brennstoffausgabeleitung verbunden und zwischen dem Brennstoffzufuhrbehälter und der Brennstoffzelle positioniert ist.
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Eine andere Ausgestaltung der Erfindung ist ein Verfahren zum Steuern eines Drucks zu einer Brennstoffzelle. Das Verfahren umfasst das Vorsehen eines Brennstoffzufuhrsystems, welches umfasst: einen Brennstoffzufuhrbehälter; eine Brennstoffausgabeleitung, die mit dem Brennstoffzufuhrbehälter und der Brennstoffzelle in Fluidverbindung steht; einen piezoelektrischen Injektor, der mit der Brennstoffausgabeleitung in Fluidverbindung steht; und einen Drucksensor, der mit der Brennstoffausgabeleitung verbunden und zwischen dem Brennstoffzufuhrbehälter und der Brennstoffzellen positioniert ist; das Vorsehen einer Gasströmung von dem Brennstoffzufuhrbehälter durch die Brennstoffausgabeleitung; das Messen eines Drucks mit dem Drucksensor; das Vergleichen des gemessenen Drucks mit einem Bezugsdruck; und das Steuern des piezoelektrischen Injektors beruhend auf einer Differenz zwischen dem gemessenen Druck und dem Bezugsdruck.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 ist eine Veranschaulichung einer Ausführungsform eines Brennstoffzufuhrsystems für eine Brennstoffzelle.
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2 ist eine Veranschaulichung eines Teils einer Ausführungsform eines Brennstoffzufuhrbehälters.
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3 ist eine Veranschaulichung einer Ausführungsform einer Drucksteuerungsanordnung für ein Brennstoffzufuhrsystem.
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4A–B sind Veranschaulichungen einer Drucksteuerungsanordnung mit gesteuerter Pulsfrequenz und dem sich ergebenden Druck.
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5A–B sind Veranschaulichungen einer Drucksteuerungsanordnung mit der gesteuerten Strömungspulsweite und dem sich ergebenden Druck.
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6A–B sind Veranschaulichungen einer Drucksteuerungsanordnung mit gesteuerter Pulsfrequenz und Strömungspulsweite und dem sich ergebenden Druck.
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7 ist eine Veranschaulichung einer anderen Ausführungsform eines Brennstoffzufuhrsystems für eine Brennstoffzelle.
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8 ist eine Veranschaulichung einer anderen Ausführungsform eines Brennstoffzufuhrsystems für eine Brennstoffzelle.
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EINGEHENDE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Es wird ein piezoelektrischer Injektor verwendet, um den Druck vor dem Brennstoffzellensystem-Einlass zu steuern. Dies erlaubt einen variablen Drucksollwert für das Versorgungssystem. Die Verwendung von piezoelektrischen Injektoren vermeidet die Abweichung, die bei mechanischen Druckreglern durch die Federn verursacht über die Lebensdauer des Reglers auftritt. Sie verringert auch die Anzahl an Komponenten in dem Speichersystem, da nicht mehrere Druckregler erforderlich sind. Piezoelektrische Injektoren verbessern die Signalqualität des Drucks an dem Brennstoffzellensystem-Einlass sowie die Genauigkeit der Drucksteuerung. Sie werden nicht durch die Temperatur oder den Durchsatz des Gases beeinflusst. Eine Druckzunahme zwischen mehreren Druckreglern ist nicht möglich, da zwischen dem Behälter und der Brennstoffzelle keine mechanischen Druckregler vorhanden sind und dadurch kein Kriechen von Gas in die mehreren Stufen möglich ist. Der Druck an dem Drucksensor steigt nicht, da das Brennstoffzellensystem ein Entlastungsventil aufweist. Das Verwenden eines piezoelektrischen Injektors ermöglicht die Verwendung eines Drucksensors, der eine kleinere Druckendskala mit einem sehr kleinen Toleranzband aufweist, was eine bessere Druckmessung zulässt.
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In einer Ausführungsform kann ein Behälter mit einem mit der Brennstoffzelle gekoppelten piezoelektrischen Injektor vorhanden sein. Alternativ können mehr als ein Brennstoffzufuhrbehälter mit der Brennstoffzelle verbunden sein. Wenn mehr als ein Behälter verwendet wird, kann jeder Behälter seinen eigenen eingebauten piezoelektrischen Injektor aufweisen. Dies lässt ein separates Steuern der Brennstoffzufuhrbehälter zu (um zum Beispiel eine Brennstoffreserve sicherzustellen). Alternativ kann die Ausgabe von mehreren Brennstoffzufuhrbehältern durch einen piezoelektrischen Injektor gesteuert werden. Das System kann ein optionales Absperrventil zwischen dem piezoelektrischen Injektor und dem Drucksensor umfassen, um sicherzustellen, dass die Brennstoffausgabeleitung vollständig geschlossen werden kann. Es können ein optionaler Filter und/oder eine optionale Abschirmung vorhanden sein, um das Eindringen einer Verunreinigung in den piezoelektrischen Injektor zu verhindern.
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Derzeitige Fahrzeuge und Systeme nutzen mehrere Druckregler für mehrere Druckstufen (schrittweise Reduktion). An Stelle von zwei oder mehr mechanischen Druckreglern kann ein piezoelektrischer Injektor verwendet werden. Der piezoelektrische Injektor bietet die Fähigkeit, den sich ergebenden Druck an dem Einlass der Brennstoffzelle zu steuern.
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In der in 1 gezeigten Ausführungsform ist ein Behälter 10 vorhanden, der das verdichtete Gas, wie etwa H2 oder verdichtetes Erdgas (CNG), enthält. Das verdichtete Gas wird durch eine Brennstoffausgabeleitung 15, die von dem Behälter 10 zu der Brennstoffzelle 20 verläuft, zugeführt. Zum Steuern des Drucks des Gases in der Brennstoffausgabeleitung ist ein piezoelektrischer Injektor 25 vorhanden. Der piezoelektrische Injektor 25 kann sich (wie gezeigt) in dem Behälter 10 oder außerhalb des Behälters (siehe zum Beispiel 8) befinden. Wenn sich der piezoelektrische Injektor 25 in dem Behälter 10 befindet, ist keine lecksichere Dichtung erforderlich, da jedes Lecken in den Behälter erfolgen würde. Wenn der piezoelektrische Injektor 25 zwischen dem Behälter 10 und der Brennstoffzelle 15 in der Brennstoffausgabeleitung 15 positioniert ist, würde die Funktion der Dichtigkeit gegenüber der Umgebung durch die Brennstoffausgabeleitung 15 erfüllt werden.
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Das verdichtete Gas enthält häufig Verunreinigung, was potentiell einen Defekt aufgrund leckender Ventile verursachen kann. Wie in 2 gezeigt lassen sich in vielen Teilen von Brennstoffzellensystemen, einschließlich der Brennstoffzufuhrleitung und dem Brennstoffeinlass, dem Behälter, Filtern und anderen Teilen, Partikel 60 finden. Im Allgemeinen befinden sich die Partikel an der Bodenfläche des Behälters 10. Um den piezoelektrischen Injektor 25 vor dieser Verunreinigung zu schützen, ist der Einlass für den piezoelektrischen Injektor 25 in der Mitte des Behälters 10 oder höher positioniert.
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Um den Schutz zu verbessern, könnte ein optionaler Filter 55 vor dem Einlass des piezoelektrischen Injektors 25 positioniert werden. Da das Ausströmen aus dem Behälter bei Betrieb viel geringer als die Strömung der Brennstoffzufuhrleitung zum Füllen des Behälters ist, könnten für den Filter 55 vor dem piezoelektrischen Injektor 25 kleinere Siebmaschenweiten verwendet werden, um die Sauberkeit des in den piezoelektrischen Injektor eindringenden Gases sicherzustellen.
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Es könnte optional auch eine Abschirmung 65 vor dem Filter 55 vorhanden sein, um zusätzlichen Schutz vor Partikeln in dem Behälter zu bieten. Die Abschirmung kann aus einem beliebigen Material bestehen, das das Eindringen von Partikeln in den Filter 55 und den piezoelektrischen Injektor 25 hinter ihm hemmen kann. Geeignete Materialien umfassen Edelstahl, Kunststoff oder Faserstoff, sind aber nicht darauf beschränkt.
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Die Strömung durch den Filter 55 kann bei Bedarf nur in einer Richtung erfolgen, um zusätzlichen Schutz zu bieten.
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Wenn sich der piezoelektrische Injektor 25 in dem Behälter 10 befindet, kann er wie in 2 gezeigt in dem Vorsprung 70 positioniert sein. Die (nicht gezeigte) Brennstoffzufuhrleitung für den Behälter 10 könnte bei Bedarf in den Vorsprung 70 integriert werden. Es sollte darauf geachtet werden, dass mit der Brennstoffzufuhr eingebrachte Partikel nicht in die Brennstoffausgabeleitung 15 und, wichtiger noch, nicht in den piezoelektrischen Injektor 25 eindringen. Eine Möglichkeit, dies zu verwirklichen, wäre das Trennen des Brennstoffzufuhreinlasses von den Auslasskomponenten. In einer anderen Ausführungsform könnte der piezoelektrische Injektor als Brennstoffzufuhreinlass für den Behälter verwendet werden.
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Der piezoelektrische Injektor 25 erzeugt dahinter kleine Druckpulse. Um diese Pulse zu filtern, wird ein Druckpulsfilter vorgesehen. Der Druckpulsfilter ist freier Raum, der die Pulse filtern kann. Zum Beispiel ist bei derzeitigen Fahrzeugen die Brennstoffausgabeleitung 15 langer als 4 m. Dies sieht ein großes Volumen zum Filtern der Pulse vor, und es könnte als Druckpulsfilter verwendet werden. Wenn die Brennstoffausgabeleitung 15 zu kurz ist und/oder der Innendurchmesser zu klein ist, könnte das sich ergebende Volumen nicht ausreichend Volumen zum Filtern der Pulse vorsehen. Um die Filterfunktion sicherzustellen, könnte ein zusätzliches Volumen, wie etwa ein Behältnis 30, aufgenommen werden. Bei Bedarf kann auch eine Durchflussdrossel 35 vorhanden sein. Alternativ könnte die Durchflussdrossel der Auslass für das Behältnis 30 sein.
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Der Drucksensor 40 misst den Druck an dem Einlass der Brennstoffzelle 20. Ein Druckentlastungsventil 45 kann vorhanden sein, das den Drucksensor 40 und die Brennstoffzelle 20 vor hohem Druck schützt. Das Druckentlastungsventil 45 vermeidet einen Druckanstieg, wenn die Brennstoffzelle nicht arbeitet.
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Zwischen dem Behälter 10 und dem piezoelektrischen Injektor 25 kann nach Bedarf ein optionales Absperrventil 50 vorhanden sein.
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3 ist eine Veranschaulichung einer Ausführungsform eines geeigneten Drucksteuerkreises 100. In dieser Ausführungsform ist das Steuerprinzip eine klassische Regelung unter Verwenden des sich ergebenden Drucks. Der piezoelektrische Injektor 25 steuert die Strömung in der Brennstoffausgabeleitung 15. Der Druck an der Brennstoffzelle 20 wird von dem Drucksensor 40 gemessen und mit einem erwünschten Nenndruck bei 105 verglichen. Ein Steuergerät 110 steuert den piezoelektrischen Injektor 25 beruhend auf der Differenz zwischen dem geforderten Druck an dem Brennstoffzelleneinlass und dem gemessenen Druck. Das Steuergerät 110 verändert den Strömungspuls allein oder die Frequenz oder beide, wie nachstehend erläutert wird. Daher wird der benötigte Druck an dem Brennstoffzelleneinlass durch den tatsächlichen Messwert, nicht einen berechneten Wert, gesteuert. Es könnten auch andere Steuerschemata verwendet werden.
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Das Injektorprinzip steuert die Gasströmung, und das Ergebnis der gesteuerten Strömung ist ein Druck. Es können verschiedene Strategien zur Drucksteuerung verwendet werden. Zum Beispiel kann die Strömungspulsbreite fest sein und die Pulsfrequenz gesteuert werden, wie in 4A gezeigt ist. Der sich ergebende Druck ist in 4B gezeigt. Alternativ kann die Pulsfrequenz fest sein, während die Strömungspulsbreite verändert wird, wie in 5A–B gezeigt ist. Eine andere Art der Steuerung umfasst das Verändern sowohl der Strömungspulsbreite als auch der Frequenz, wie in 6A–B gezeigt ist.
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7 zeigt eine Ausführungsform, bei der mehr als ein Brennstoffzufuhrbehälter 10 vorhanden ist, der die Brennstoffzelle 20 versorgt. Wie gezeigt sind drei Behälter 10 vorhanden, jeder mit seinem eigenen piezoelektrischen Injektor 25 und Filter 55, was ein separates Steuern jedes Behälters erlauben würde. Zum Beispiel könnte ein Behälter als Brennstoffreserve verwendet werden. In dieser Ausführungsform befinden sich die piezoelektrischen Injektoren 25 in den Behältern 10. Die Ausgaben von den drei piezoelektrischen Injektoren 25 werden in die gleiche Brennstoffausgabeleitung 15 vereint. Es kann ein optionales Absperrventil 50, gefolgt von dem Behältnis 30 und der Durchflussdrossel 35 vorhanden sein, wie vorstehend erläutert wurde. Vor der Brennstoffzelle 20 befindet sich ein Druckentlastungsventil 45 und ein Drucksensor 40.
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8 zeigt eine andere Ausführungsform, bei der mehr als ein Brennstoffzufuhrbehälter 10 die Brennstoffzelle 20 versorgt. In dieser Ausführungsform wird die Ausgabe von drei Behältern 10 in der Brennstoffausgabeleitung 15 vereint. Wenn sich der piezoelektrische Injektor 25 nicht in dem Brennstoffzufuhrbehälter befindet, weist jeder Behälter 10 einen internen Durchflussbegrenzer (oder eine Durchflussdrossel) 75 auf. Der Durchflussbegrenzer 75 am Auslass des Behälters 10 ist ein wünschenswertes Sicherheitsmerkmal. Diese Durchflussbegrenzer 75 begrenzen im Fall eines Berstens des Behälters/der Behälter die Gasfreisetzung. Das piezoelektrische Ventil 25 ist selbst gegenüber der Umgebung dicht oder es kann in die Brennstoffausgabeleitung 15 integriert sein. Wenn das piezoelektrische Ventil in der Brennstoffausgabeleitung 15 integriert ist, geht die Funktion ”Dichtung gegenüber der Umgebung” auf die Brennstoffausgabeleitung über. Die Dichtheit gegenüber der Umgebung muss immer sichergestellt sein. Vor dem piezoelektrischen Injektor 25 kann sich bei Bedarf ein optionaler Filter 55 befinden. Das optionale Absperrventil 50, das Behältnis 30, die Durchflussdrossel 35, das Druckentlastungsventil 45 und der Drucksensor 40 schließen an.
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Bei Druckgassystemen in Fahrzeugen könnte die den piezoelektrischen Injektor enthaltende Konstruktion in einen kleineren Raum als bei mehreren mechanischen Druckreglern integriert werden.
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Zu beachten ist, dass Begriffe wie ”bevorzugt”, ”üblicherweise” und ”typischerweise” hierin nicht genutzt werden, um den Schutzumfang der beanspruchten Erfindung zu beschränken oder um zu implizieren, dass bestimmte Merkmale ausschlaggebend, wesentlich oder auch wichtig für die Struktur oder Funktion der beanspruchten Erfindung sind. Vielmehr sollen diese Begriffe lediglich alternative oder zusätzliche Merkmale betonen, die in einer bestimmten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung genutzt werden können, aber nicht genutzt werden müssen.
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Für die Zwecke des Beschreibens und Darlegens der vorliegenden Erfindung wird festgestellt, dass der Begriff ”Vorrichtung” hierin genutzt wird, um eine Kombination von Komponenten und einzelne Komponenten darzustellen, unabhängig davon, ob die Komponenten mit anderen Komponenten kombiniert sind. Zum Beispiel kann eine erfindungsgemäße ”Vorrichtung” eine elektrochemische Umwandlungsbaugruppe oder Brennstoffzelle, ein Fahrzeug, das eine elektrochemische Umwandlungsbaugruppe gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst, etc. umfassen.
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Für die Zwecke des Beschreibens und Darlegens der vorliegenden Erfindung wird festgestellt, dass der Begriff ”im Wesentlichen” hierin genutzt wird, um den inhärenten Grad an Unsicherheit darzustellen, der einem quantitativen Vergleich, einem Wert, einer Messung oder einer anderen Darstellung zugeordnet sein kann. Der Begriff ”im Wesentlichen” wird hierin auch genutzt, um den Grad darzustellen, um den eine quantitative Darstellung von einem genannten Bezugswert abweichen kann, ohne zu einer Änderung der Grundfunktion des betreffenden Gegenstands zu führen.
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Nach erfolgter ausführlicher Beschreibung der Erfindung unter Verweis auf bestimmte Ausführungsformen derselben, versteht sich, dass Abwandlungen und Änderungen möglich sind, ohne vom Schutzumfang der in den beigefügten Ansprüchen dargelegten Erfindung abzuweichen. Auch wenn im Einzelnen einige Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung hierin als bevorzugt oder besonders vorteilhaft bezeichnet sind, wird erwogen, dass die vorliegende Erfindung nicht unbedingt auf diese bevorzugten Ausgestaltungen der Erfindung beschränkt ist.
