DE102013015398A1

DE102013015398A1 - Vorrichtung zur Druckregelung

Info

Publication number: DE102013015398A1
Application number: DE201310015398
Authority: DE
Inventors: Thomas Baur; Mathias Kugel; Markus Pabst
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Cellcentric GmbH and Co KG
Priority date: 2013-09-17
Filing date: 2013-09-17
Publication date: 2015-03-19
Anticipated expiration: 2033-09-18
Also published as: DE102013015398B4

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (8) zur Druckregelung von unter hohem Druck stehenden Gasen aus einem Druckgasspeicher (7), mit einem Druckregelventil (15). Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass das Druckregelventil (15) elektronisch ausgebildet ist, wobei in Strömungsrichtung nach dem Druckregelventil (15) ein mechanisches Sperrventil (18) angeordnet ist, welches beim Überschreiten eines Grenzdrucks auf der in Strömungsrichtung nach dem Sperrventil (18) liegenden Seite selbsttätig schließt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Druckregelung nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art. Außerdem betrifft die Erfindung die Verwendung einer derartigen Vorrichtung.
Vorrichtungen zum Regeln von Druck sind aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt. Vorrichtungen in der hier gedachten Art werden insbesondere eingesetzt, um den Druck von unter Druck stehenden Gase, beispielsweise Wasserstoff oder unter hohem Druck komprimiertes Erdgas, welche insbesondere in einem Fahrzeug als Treibstoff eingesetzt werden, auf ein geeignetes Druckniveau für nachfolgende Komponenten, beispielsweise einen Verbrennungsmotor oder ein Brennstoffzellensystem, zu reduzieren. In der Praxis werden typischerweise mechanische Druckregelventile eingesetzt. Genauso sind elektronische Druckregelventile aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt. Ihr Einsatz, insbesondere für Fahrzeuganwendungen, ist jedoch relativ schwierig, weil sehr hohe Anforderungen an die funktionale Sicherheit von elektronischen Bauteilen in Fahrzeugen gemäß der ISO 26262 eingehalten werden müssen. Der prinzipielle Vorteil von elektronischen Bauteilen, welche eine höhere Flexibilität und ein geringeres Eigengewicht bei gleichzeitig geringeren Stückkosten aufweisen, wird durch diese Anforderungen aufgewogen oder negiert. Dies ergibt sich insbesondere aus den erhöhten Anforderungen an die funktionale Sicherheit der Druckregelfunktion und der Notwendigkeit von zusätzlichen zur Druckregelung benötigten Komponenten, um die Druckregelung durch redundante elektronische Funktionen umzusetzen. Dies erhöht die Komplexität beispielsweise eines Wasserstoffspeichersystems in einem Brennstoffzellenfahrzeug dann erheblich.
Die Aufgabe der her vorliegenden Erfindung besteht nun darin, eine Vorrichtung zur Druckregelung gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 anzugeben, welche diese Nachteile vermeidet und einen einfachen Aufbau ermöglicht, welcher die funktionale Sicherheit in allen Betriebssituationen gewährleistet.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen ergeben sich aus den hiervon abhängigen Unteransprüchen. Außerdem ist eine besonders bevorzugte Verwendung der Vorrichtung im Anspruch 7 angegeben. Vorteilhafte Weiterbildungen dieser Verwendung ergeben sich aus dem abhängigen Unteranspruch.
Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist es vorgesehen, dass das Druckregelventil elektronisch ausgebildet ist. Erfindungsgemäß ist dabei in Strömungsrichtung nach dem Druckregelventil ein mechanisches Sperrventil angeordnet, welches beim Überschreiten eines Grenzdrucks auf der in Strömungsrichtung nach dem Sperrventil liegenden Seite selbsttätig schließt. Dieser Aufbau mit dem elektronischen Druckregelventil ist entsprechend einfach, leicht und kostengünstig. Er erlaubt eine sehr flexible Druckregelung durch die elektronische Funktionalität des Druckregelventils. Um die Sicherheitsanforderungen zu erfüllen, ist bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung in Strömungsrichtung nach dem Druckregelventil ein mechanisches Sperrventil angeordnet. Dieses mechanische Sperrventil ist so ausgebildet, dass es selbsttätig, beispielsweise durch die Kraft einer Feder immer dann schließt, wenn auf seiner Niederdruckseite, also der in Strömungsrichtung nach dem Sperrventil liegenden Seite, der Druck über einen Grenzdruck ansteigt. Das mechanische Sperrventil bildet somit eine Überdrucksicherung und gewährleistet, dass bei einem Versagen des elektronischen Druckregelventils der auf der Hochdruckseite des Druckregelventils anliegende Druck nicht über das mechanische Sperrventil hinaus in das System gelangt. Durch diese erfindungsgemäße Verwirklichung einer mechanischen Überdrucksicherung über das mechanische Sperrventil können die sich aus der funktionalen Sicherheit nach ISO 26262 ergebenden Anforderungen an das elektronische Druckregelventil reduziert werden. Damit sind sehr einfache Lösungen für eine elektronische Druckregelung möglich und die Kostenvorteile und die Vorteile hinsichtlich der Flexibilität des elektronischen Druckregelventils können in vollem Umfang genutzt werden.
In einer sehr günstigen und vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist es dabei vorgesehen, dass alle Leitungselemente und Bauteile bis einschließlich des mechanischen Sperrventils auf den Nenndruck des Druckgasspeichers ausgelegt sind. Dies bedeutet, dass der Druckgasspeicher, ein eventuelles Absperrventil an dem Druckgasspeicher, welches typischerweise als sogenanntes On-Tank-Valve (OTV) ausgebildet ist, sowie die Leitungselemente, das elektronische Druckregelventil und das mechanische Sperrventil als Überdrucksicherung so ausgelegt sind, dass sie den Nenndruck in dem Druckgasspeicher sicher und zuverlässig aushalten. Typischerweise ist dabei in der Auslegung ein entsprechender Sicherheitszuschlag enthalten, sodass die Teile beispielsweise bei einem Nenndruck von 700 bar bzw. 70 MPa einschließlich aller Sicherheiten auf den typischerweise angesetzten höchsten Betriebsdruck von 105 MPa und einen nach aktuellen Reguarien üblichen Berstdruck von 175 MPa ausgelegt werden. Erst nach dem mechanischen Sperrventil, welches als Überdrucksicherung verwendet wird, sind die Leitungen dann auf das niedrigere Druckniveau, beispielsweise ein Druckniveau von 15 bar, ausgelegt. Kommt es zu einer Fehlfunktion des elektronischen Druckregelventils, dann wird das mechanische Sperrventil entsprechend absperren und der hohe Druck bleibt in dem Bereich eingeschlossen, in dem die Leitungselemente und Komponenten auf diesen hohen Druck ausgelegt sind. Eine Gefährdung der danach liegenden Leitungselemente und Bauelemente, welche auf einen sehr viel niedrigen Druck ausgelegt sind und bei Beaufschlagung mit dem hohen Druck beschädigt werden könnten, sind damit ausgeschlossen. Auch Leckagen, welche durch diese Beschädigung typischerweise verursacht werden, können somit nicht auftreten.
In einer sehr günstigen Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist es dabei vorgesehen, dass das elektronische Druckregelventil als im Normalfall geschlossenes Ventil ausgebildet ist. Eine solche Ausbildung des elektronischen Druckregelventils als im Normalfall geschlossen bedeutet, dass das Ventil ohne Einwirkung der Kraft eines Aktuators in seinem geschlossenen Zustand verharrt. Im Falle eines Fehlers ist dieses Ventil also geschlossen. Ein Drucksensor, der zur Druckregelung verwendet wird, würde somit entweder einen Überdruck detektieren und das Ventil aktiv schließen oder das elektronische Druckregelventil wäre als Folge einer fehlenden Aktivierung eines Aktuators ohnehin in seiner im Normalfall geschlossenen Position. Es ermöglicht damit einen sehr sicheren Betrieb, welcher im Falle eines Fehlers immer eine geschlossene Position des elektronischen Druckregelventils verursacht. Das mechanische Sperrventil als Überdrucksicherung kann dann als redundante Absperrung gesehen werden, sodass die Systemsicherheit nochmals weiter erhöht wird. In einer weiteren sehr günstigen Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann es nun außerdem vorgesehen sein, dass das mechanische Sperrventil in Strömungsrichtung des Gases unmittelbar auf das elektronische Druckregelventil folgt. Insbesondere kann das mechanische Sperrventil und das elektronische Druckregelventil angeflanscht oder mit diesem zu einem Bauteil integriert ausgebildet sein. Durch diesen Aufbau werden sehr kurze Wegstrecken zwischen dem elektronischen Druckregelventil und dem Sperrventil erreicht, sodass im Falle eines Versagens des elektronischen Druckregelventils und dem fehlerhaften Durchschalten des erhöhten Drucks das unmittelbar danach angeordnete mechanische Sperrventil sehr schnell reagieren kann, um so die maximale Sicherheit zu gewährleisten. Außerdem erlaubt es dieser Aufbau, auf unnötige Wegelängen, welche bei den Leitungselementen auf den hohen Druck ausgelegt werden müssen, zu verzichten, da entgegen dem normalen Aufbau bei dem hier vorgestellten Aufbau idealerweise die Leitungslängen bis nach dem mechanischen Sperrventil auf den hohen Druck ausgelegt sind. Dadurch, dass die Leitungslänge zwischen dem Druckregelventil und dem mechanischen Sperrventil, welche ansonsten bereits auf den niedrigeren Druck ausgelegt wäre, außerordentlich kurz ausgeführt wird, wird dieser Nachteil durch diese besonders günstige Anordnung der beiden Ventile minimiert.
Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Druckregelung von unter hohem Druck stehenden Gasen aus einem Druckgasspeicher entsteht also ein sehr einfacher, kostengünstiger und dennoch sehr sicherer Aufbau. Die Vorrichtung ist demnach insbesondere geeignet, um die Druckregelung von unter Hochdruck gespeichertem Wasserstoff in einem Brennstoffzellensystem vorzunehmen. Bei Wasserstoff sind aufgrund der geringen Dichte des Wasserstoffs sehr hohe Drücke allgemein bekannt und üblich, da nur so eine ausreichende Speicherdichte erzielt werden kann. Gleichzeitig ist Wasserstoff hinsichtlich der Ausbildung von explosiven und brennbaren Gemischen vergleichsweise kritisch, da im schlimmsten Fall Knallgas entsteht, was mit sehr hoher Energie explodiert, falls es gezündet wird. Daher hat die erfindungsgemäße Vorrichtung mit ihrem einfachen und sicheren Aufbau insbesondere zur Druckregelung von unter Hochdruck gespeichertem Wasserstoff ihre entscheidenden Vorteile.
In einer besonders günstigen und vorteilhaften Weiterbildung dieser Verwendung kann es vorgesehen sein, dass das Brennstoffzellensystem in einem Fahrzeug angeordnet und zur Bereitstellung von elektrischer Antriebsleistung eingesetzt ist. Insbesondere ein Fahrzeug mit einem Brennstoffzellensystem und einem Wasserstoffspeicher, in welcher der Wasserstoff unter Hochdruck gespeichert ist, hat vergleichsweise hohe Anforderungen an die Sicherheit, da es typischerweise mit Personen besetzt ist und in bewohnten Gebieten eingesetzt wird. Gleichzeitig ist bei einem Fahrzeug nie ganz auszuschließen, dass es nicht in einen Unfall verwickelt wird, sodass bei Fahrzeugen besonders hohe Sicherheitsanforderungen gelten. Diese können durch die erfindungsgemäße Vorrichtung auf sehr einfache und kostengünstige Art erfüllt werden, sodass hier die besonders bevorzugte Verwendung der Vorrichtung zu sehen ist.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung sowie ihrer Verwendung ergeben sich aus den restlichen abhängigen Unteransprüchen und werden anhand des Ausführungsbeispiels deutlich, welches nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren näher beschrieben ist.
Dabei zeigen:
1 ein Fahrzeug mit einem sehr stark schematisiert angedeuteten Brennstoffzellensystem; und
2 eine Vorrichtung zur Druckregelung gemäß der Erfindung.
In der Darstellung der 1 ist sehr stark schematisiert ein Fahrzeug 1 angedeutet, welches mit einem prinzipmäßig dargestellten Brennstoffzellensystem 2 zur Bereitstellung von elektrischer Antriebsleistung ausgestattet ist. Den Kern des Brennstoffzellensystems 2 bildet eine Brennstoffzelle 3, welche einen Kathodenraum 4 sowie einen Anodenraum 5 aufweist. Dem Kathodenraum 4 wird Luft als Sauerstofflieferant über eine Luftfördereinrichtung 6 zugeführt. Abluft gelangt in dem hier dargestellten sehr stark vereinfachten Ausführungsbeispiel direkt aus dem Kathodenraum 4 in die Umgebung. Hier könnten weitere Komponenten wie beispielsweise Ladeluftkühler, Befeuchter, eine Abluftturbine oder dergleichen vorhanden sein. Dies ist dem Fachmann allgemein bekannt und geläufig, und es ist für die hier vorliegende Erfindung von untergeordneter Bedeutung.
Dem Anodenraum 5 der Brennstoffzelle 3 wird Wasserstoff aus einem Druckgasspeicher 7 zur Verfügung gestellt. Der Wasserstoff wird nach dem Druckgasspeicher über eine Vorrichtung 8 zur Druckregelung auf einen geringeren in dem Brennstoffzellensystem 2 benötigten Druck heruntergeregelt, um dann über ein Dosierventil 9 dem Anodenraum 5 der Brennstoffzelle 3 zugeführt zu werden. Nicht verbrauchter Wasserstoff gelangt zusammen mit Inertgasen und Wasser aus dem Anodenraum 5 und wird über eine Gasstrahlpumpe 10 als Rezirkulationsfördereinrichtung vermischt mit dem frischen zudosierten Wasserstoff dem Anodenraum 5 erneut zugeführt. Dieser Aufbau ist aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt und wird als Anodenkreislauf bezeichnet. Um Wasser aus dem rezirkulierten Gas abzuscheiden, kann ferner ein Wasserabscheider 11 vorgesehen sein, welcher über eine Ventileinrichtung 12 beispielsweise von Zeit zu Zeit oder in Abhängigkeit des Füllstands entleert wird. Dabei kann außerdem Gas mit abgelassen werden, um die Wasserstoffkonzentration in dem Anodenkreislauf aufrechtzuerhalten. All dies ist aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt, sodass hierauf nicht weiter eingegangen werden muss.
In 2 ist nun die Vorrichtung 8 welche in der Darstellung der 1 lediglich angedeutet war, nochmals in einem expliziten Ausführungsbeispiel dargestellt. In 2 ist dabei ganz links nochmals der Druckgasspeicher 7 für den Wasserstoff zu erkennen. An dem Druckgasspeicher 7 angebracht befindet sich ein Absperrventil 13, welches typischerweise als sogenanntes OTV (On-Tank-Valve) ausgeführt und direkt mit dem Druckgasspeicher verschraubt ist. Das On-Tank-Valve kann dabei zumindest teilweise in den Druckgasspeicher ragen, um so im Falle einer mechanischen Beschädigung beispielsweise bei einem Unfall des Fahrzeugs 1 entsprechend geschützt zu sein. An das Absperrventil 13 schließt sich ein Leitungselement 14 an, in welchem ein Druckregelventil 15 angedeutet ist. Dieses Druckregelventil 15 wird elektronisch über eine Steuerungselektronik 16 gesteuert, welche den vom Druckregelventil 15 erzeugten Druck über einen Drucksensor 17 abfragt und daraus eine entsprechende Ansteuerung des Druckregelventils 15 generiert. In Strömungsrichtung nach dem Druckregelventil 15 befindet sich ein mit 18 bezeichnetes mechanisches Sperrventil. Das mechanische Sperrventil ist dabei so ausgebildet, dass es immer dann schließt, wenn auf seiner Niederdruckseite, also der dem Druckgasspeicher 7 abgewandten Seite, ein Druck anliegt, welcher oberhalb eines konstruktiv vorgegebenen Grenzdrucks liegt. In diesem Fall schließt das mechanische Sperrventil und der zwischen dem Druckgasspeicher 7 und dem mechanischen Sperrventil 18 anliegende Druck wird in diesem Bereich der Leitungen eingeschlossen. In diesem Bereich herrscht dann beispielsweise ein Nenndruck von p = 750 bar, auf welchen alle Bauteile und Komponenten entsprechend ausgelegt sind. Nach dem mechanischen Sperrventil 18 kommt ein weiteres Leitungselement 19, welches dann zu dem hier nicht mehr dargestellten Dosierventil 9 führt. Ab dem mechanischen Sperrventil 18 sind Leitungen und Komponenten dabei auf ein sehr viel niedrigeres Druckniveau von beispielsweise p₁ = 15 bar ausgelegt. Im weiteren Verlauf wird der beispielsweise bei dem Druck p₁ = 15 bar dosierte Wasserstoff dann in die Gasstrahlpumpe 10 als Treibstrahl eindosiert und reduziert durch Impulsaustausch und Druckeffekte seinen Druck weiter und fördert dabei das rezirkulierte Abgas aus dem Anodenraum 5 in an sich bekannter Art und Weise.
Die Vorrichtung 8 zur Druckregelung kann dabei besonders einfach und effizient so ausgebildet werden, dass das elektronische Druckregelventil 15 eingesetzt wird, da dieses entsprechend einfach, kompakt und kostengünstig zu realisieren ist. Außerdem lässt sich durch eine entsprechende Programmierung in der Steuerelektronik 16 eine sehr hohe Flexibilität bei dem Aufbau erzielen. Um die bekannten Probleme hinsichtlich der funktionalen Sicherheit von elektronischen Bauteilen auszugleichen, wird das mechanische Sperrventil 18 eingesetzt, um so bei hoher Flexibilität hinsichtlich des elektronischen Druckregelventils 15 dennoch alle Anforderungen an die funktionale Sicherheit nach ISO 26262 zu erfüllen.
Um die Leitungslänge der gegenüber einem herkömmlichen System zusätzlich auf Hochdruck ausgelegten Leitungen zu reduzieren, kann es in einer vorteilhaften Weiterbildung des in 2 beschriebenen Aufbaus außerdem vorgesehen sein, dass das mechanische Sperrventil 18 direkt an das elektronische Druckregelventil 15 angeflanscht oder mit diesem in einem Bauteil zusammengefasst wird. Die gegenüber den herkömmlichen Aufbauten zusätzliche Leitungslänge an auf Hochdruck ausgelegten Leitungen zwischen den beiden Komponenten kann dann entfallen. Dementsprechend würde der Drucksensor 17 auf die Niederdruckseite des mechanischen Sperrventils 18 wandern.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur

ISO 26262 [0002]
ISO 26262 [0005]
ISO 26262 [0017]

Claims

Vorrichtung (8) zur Druckregelung von unter hohem Druck stehenden Gasen aus einem Druckgasspeicher (7), mit einem Druckregelventil (15), dadurch gekennzeichnet, dass das Druckregelventil (15) elektronisch ausgebildet ist, wobei in Strömungsrichtung nach dem Druckregelventil (15) ein mechanisches Sperrventil (18) angeordnet ist, welches beim Überschreiten eines Grenzdrucks auf der in Strömungsrichtung nach dem Sperrventil (18) liegenden Seite selbsttätig schließt.
Vorrichtung (8) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass alle Leitungselemente (14) und Bauteile (13, 15, 18) bis einschließlich des mechanischen Sperrventils (18) auf den Nenndruck des Druckgasspeichers (7) ausgelegt sind.
Vorrichtung (8) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das elektronische Druckregelventil (15) als im Normalfall geschlossenes Ventil ausgebildet ist.
Vorrichtung (8) nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das mechanische Sperrventil (18) in Strömungsrichtung des Gases unmittelbar auf das elektronische Druckregelventil (15) folgt.
Vorrichtung (8) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das mechanische Sperrventil (18) an das elektronische Druckregelventil (15) angeflanscht oder mit diesem zu einem Bauteil integriert ausgebildet ist.
Vorrichtung (8) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass in Strömungsrichtung der Gase zwischen dem Druckgasspeicher (7) und dem elektronischen Druckregelventil (15) ein Absperrventil (13) angeordnet ist.
Verwendung der Vorrichtung (8) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, zur Druckregelung von unter Hochdruck gespeichertem Wasserstoff in einem Brennstoffzellensystem (2).
Verwendung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Brennstoffzellensystem (2) in einem Fahrzeug (1) angeordnet und zur Bereitstellung von elektrischer Antriebsleistung eingesetzt ist.