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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Druckbegrenzung in einem gasführenden Bereich, nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art. Außerdem betrifft die Erfindung die Verwendung einer derartigen Vorrichtung.
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Vorrichtungen zur Druckbegrenzung in einem gasführenden Bereich sind grundsätzlich aus dem Stand der Technik bekannt. So können über derartige Vorrichtungen beispielsweise aufgrund eines Fehlerfalls auftretende Drucksteigerungen, in dem gasführenden Bereich wirksam unterbunden werden, indem durch die Vorrichtungen zur Druckbegrenzung Gas an die Umgebung abgegeben wird, wodurch der Druck in dem gasführenden Bereich abgesenkt, und im Idealfall unter einem vorgegebenen Grenzdruck gehalten werden kann. Ein Problem kann darin liegen, dass sich in einem gasführenden Bereich, welcher durch eine erste Baueinheit gegenüber einem Bereich höheren Drucks und durch eine zweite Baueinheit gegenüber einem Bereich niedrigeren Drucks abgesperrt ist, in einem Nicht-Betriebszustand die eingeschlossenen Gase erwärmen können, wodurch der Druck ansteigt. Falls dieser Druck zu hoch für nachfolgende Komponenten ist, kann aus Sicherheitsgründen der Druck über die zweite Baueinheit nicht in den Bereich niedrigeren Drucks weitergegeben werden. Beispielsweise kann ein Ventil, falls die zweite Baueinheit ein solches ist, im Zweifelsfall aus Sicherheitsgründen nicht geöffnet werden. Um dennoch einen Betrieb der Anlage sicherzustellen kann dann über die Vorrichtung zur Druckbegrenzung der Druck in dem gasführenden Bereich leicht abgesenkt werden, um dann beispielsweise den regulären Betrieb wieder aufnehmen zu können.
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Aus dem allgemeinen Stand der Technik ist es nun bekannt, Druckausgleichventile einzusetzen, welche sowohl im Versagensfall für einen Druckabbau sorgen, als auch – beispielsweise in dem soeben beschriebenen Fall – den Druck nur leicht reduzieren, falls dies notwendig wird. Der Nachteil liegt dabei darin, dass, insbesondere bei einem sehr großen Druckunterschied, zwischen dem gasführenden Bereich und dem Bereich des höheren Drucks, mit welchen dieser verbunden ist, entsprechend große Querschnitte notwendig sind, um im Fehlerfall den hohen Druck schnell abzubauen und die Bereiche niedrigeren Drucks zu schützen. Solche großen Querschnitte sind aber bei Druckausgleichsventilen aufwändig, groß und teuer zu realisieren und machen das Ventil für den Fall, dass nur ein geringer Druckabbau erreicht werden soll, sehr schwer regelbar.
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Die
DE 103 06 237 A1 beschreibt den gattungsgemäßen Stand der Technik in Form eines gasführenden Bereichs in einem Brennstoffzellensystem, welcher zwischen einer für Wasserstoff permeablen Membran und der eigentlichen Brennstoffzelle liegt, und welcher von der Membran als erste Baueinheit gegenüber einem Bereich höheren Drucks und von einem Ventil als zweite Baueinheit gegenüber einem Bereich niedrigeren Drucks, nämlich dem Bereich der Brennstoffzelle selbst, abgetrennt ist. Um im Falle eines Durchbrechens der Membran, sodass der höhere Druck in den gasführenden Mitteldruckbereich gelangt, eine Drucküberlastung des Ventils und der nachfolgenden Komponenten, insbesondere der Brennstoffzelle, zu vermeiden, beschreibt der Aufbau, dass eine Überdrucksicherung eingesetzt werden kann, welche entweder als Druckausgleichsventil oder alternativ hierzu auch als Berstscheibe realisiert sein kann.
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Die Problematik wird bei Brennstoffzellensystemen, welche mit Wasserstoff aus einem Druckgasspeicher betrieben werden, nochmals deutlich verschärft, da hier der Bereich des hohen Drucks typischerweise der Bereich des Speicherdrucks ist, welcher beispielsweise bei einem Nenndruck von 70 MPa auf bis zu 105 MPa ansteigen kann. Der gasführende Bereich, welcher dann typischerweise als Mitteldruckbereich bezeichnet wird, hat typischerweise Drücke, welche unterhalb von 4 MPa liegen, sodass im Falle eines Versagens der ersten Baueinheit, typischerweise einer Hochdruckregeleinheit, sehr schnell sehr viel Gas an die Umgebung abgegeben werden muss, um den Druck im Mitteldruckbereich und im sich daran anschließenden, durch die zweite Baueinheit von diesem getrennten Niederdruckbereich, in jedem Fall unter einem sicherheitskritischen Grenzdruck zu halten.
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Die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung besteht nun darin, den Aufbau aus dem Stand der Technik in der Art so weiterzubilden, dass dieser einerseits sehr sicher im Fehlerfall und andererseits sehr leicht regelbar bei den regulär auftretenden Betriebssituationen ist.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen im Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen ergeben sich aus den hiervon abhängigen Unteransprüchen. Im Anspruch 9 ist außerdem eine bevorzugte Verwendung der Vorrichtung angegeben, im hiervon abhängigen Unteranspruch ist eine vorteilhafte Ausgestaltung dieser Verwendung beschrieben.
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Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist es vorgesehen, dass ein Druckausgleichventil und eine Berstscheibe parallel zueinander vorhanden und angeordnet sind. Anders als bei den Aufbauten im Stand der Technik werden hier also beide Bauteile zusammen eingesetzt. Die Berstscheibe übernimmt die Aufgabe einer Druckentlastung im Fehlerfall. Sie kann gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung einen durchströmbaren Querschnitt bei ausgelöster Berstscheibe aufweisen, welcher größer, insbesondere sehr viel größer, als der Querschnitt bei maximal geöffnetem Druckausgleichsventil ist. Dies ermöglicht einen Aufbau, welcher anders als im eingangs genannten allgemeinen Stand der Technik ein Druckausgleichsventil mit einem vergleichsweise kleinen durchströmbaren Querschnitt ermöglicht. Das Druckausgleichsventil kann hierdurch sehr klein und einfach realisiert werden und kann durch den kleinen durchströmbaren Querschnitt sehr effizient und genau geregelt werden. Die Berstscheibe, welche im ausgelösten Zustand einen sehr viel größeren Querschnitt als das Druckausgleichsventil aufweist, insbesondere eine Querschnittsfläche, welcher mehr als 10-mal, bevorzugt mehr als 40-mal größer ist, sorgt im Falle eines Versagens der ersten Baueinheit dann sicher und zuverlässig dafür, dass der Druck im gasführenden Bereich außerordentlich schnell abgebaut wird, und damit eine Gefährdung der zweiten Baueinheit und insbesondere der nach der zweiten Baueinheit liegenden Bereiche durch Überdruck sicher und zuverlässig ausgeschlossen werden kann.
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Gemäß einer weiteren sehr günstigen Ausgestaltung der Idee ist das Druckausgleichsventil dabei als mechanisches Regelventil aufgebaut. Dieses mechanische Regelventil kann gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Idee einen Ansprechdruck aufweisen, welcher kleiner als der Ansprechdruck der Berstscheibe ist. Die Berstscheibe hat also einen höheren Ansprechdruck und löst damit erst aus, wenn das Druckausgleichsventil bereits ganz geöffnet ist. So kann ein ungewünschtes Auslösen der Berstscheibe für die Fälle, in denen die Druckreduzierung auch über das Druckausgleichsventil hätte erfolgen können, sicher und zuverlässig vermieden werden. Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Idee ist es dabei vorgesehen, dass der Ansprechdruck der Berstscheibe um wenigstens 30%, bevorzugt um wenigstens 50% höher als der Ansprechdruck des Druckausgleichsventils ist.
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Die primäre Aufgabe insbesondere der Berstscheibe ist es, wie oben bereits erwähnt, im Falle eines Versagens der ersten Baueinheit das Gas aus dem gasführenden Bereich sicher und zuverlässig in die Umgebung abzublasen, um so die zweite Baueinheit und die Bereiche niedrigeren Drucks nach der zweiten Baueinheit sicher und zuverlässig zu schützen. Im Falle einer solchen Problematik geht nun vergleichsweise viel Gas verloren, wenn in dem Bereich höheren Drucks in Strömungsrichtung vor der ersten Baueinheit entsprechend viel Gas vorhanden ist, beispielsweise wenn es sich hierbei um einen Gasspeicher oder einen direkt mit einem Gasspeicher verbundenen Bereich handelt. Um die Menge an austretendem Gas zu reduzieren, kann es daher gemäß einer besonders günstigen Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung vorgesehen sein, dass in Strömungsrichtung zwischen der ersten Baueinheit und der Berstscheibe sowie dem Druckausgleichsventil ein Sperrventil angeordnet ist, welches beim Überschreiten eines Grenzdrucks auf der in Strömungsrichtung nach dem Sperrventil liegenden Seite selbsttätig und irreversibel schließt. Ein solches Ventil, welches in diesem Fall selbsttätig schließt, kann das weitere Nachströmen von Gas aus dem Bereich höheren Drucks verhindern, sodass die über die Berstscheibe in die Umgebung abgegebene Menge an Gas entsprechend reduziert wird. Gleichzeitig vermindert sich dabei auch der Druck auf der Niederdruckseite des Sperrventils. Es muss daher irreversibel schließen, da verhindert werden muss, dass es mit abfallendem Druck auf der Niederdruckseite wieder öffnet. Irreversibel im Sinne der hier vorliegenden Ausgestaltung der Erfindung bedeutet also, dass das Sperrventil schließt und in jedem Fall geschlossen bleibt, auch wenn auf der Niederdruckseite der Druck abfällt bzw. durch die geborstene Berstscheibe nach kurzer Zeit der Umgebungsdruck vorliegt. Irreversibel im Sinne der hier vorliegenden Ausgestaltung der Erfindung bedeutet jedoch nicht, dass das Sperrventil nicht wieder zurückgestellt werden kann, beispielsweise manuell, nachdem eine neue Berstscheibe eingesetzt und der Fehler behoben worden ist.
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Eine besonders bevorzugte Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sieht es vor, dass diese in einem System zur Wasserstoffversorgung einer Brennstoffzelle eingesetzt wird, wobei der Bereich höheren Drucks mit einem Druckgasspeicher für den Wasserstoff und der Bereich niedrigeren Drucks mit der Brennstoffzelle verbunden ist. Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann also insbesondere in einem sogenannten Mitteldruckbereich einer Wasserstoffversorgung für eine Brennstoffzelle eingesetzt werden. Bei Druckgasspeichern für Wasserstoff sind heute Nenndrücke in der Größenordnung von 70 MPa üblich. Für den Betrieb der Brennstoffzelle sind dabei Drücke in der Größenordnung bis maximal ca. 200 bis 300 kPa üblich. Der gasführende Bereich, welcher in diesem Fall einen Mitteldruckbereich darstellt, wird im regulären Betrieb der Brennstoffzelle typischerweise Drücke in der Größenordnung von ca. 1,5 MPa bzw. 1500 kPa aufweisen.
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Insbesondere für solche Anwendungen mit einem vergleichsweise hohen Druckunterschied zwischen der Hochdruckseite und der Mitteldruckseite ist die Vorrichtung besonders effizient. Bei den genannten Druckwerten können zwischen der Hochdruckseite und der Mitteldruckseite Druckdifferenzen von 100 MPa auftreten, wenn der Druckgasspeicher frisch betankt ist und einer entsprechenden Erwärmung, beispielsweise durch Sonneneinstrahlung, ausgesetzt ist. Für einen solchen Fall würden beim Versagen der ersten Baueinheit, welche insbesondere ein Hochdruckregelventil bzw. eine Hochdruckregeleinheit sein kann, und welche typischerweise einen durchströmbaren Maximaldurchmesser von 2 mm aufweist, 450 bis 500 kg Wasserstoff pro Stunde in den gasführenden Bereich einströmen. Um diese Menge an Gas abzubauen, ohne dass der Druck im Mitteldruckbereich über einen kritischen Grenzdruck von beispielsweise 4 MPa ansteigt, ist ein entsprechend großer Querschnitt notwendig. Dieser kann sehr einfach und effizient durch die Berstscheibe realisiert werden, beispielsweise eine Berstscheibe, welche im geborstenen Fall einen durchströmbaren Querschnitt mit einem Durchmesser von ca. 10 mm aufweist. Dies reicht aus, um den Druck ausreichend stark zu begrenzen. Im regulären Betrieb kann es in dem Mitteldruckbereich bei einer entsprechenden Erwärmung des Gases und aufgrund, insbesondere bei Wasserstoff, unvermeidbaren Undichtheiten zwischen dem Hochdruckbereich und dem Mitteldruckbereich zu einem Druckanstieg kommen, welcher beispielsweise über einen unteren Grenzwert von 2 MPa reicht. In einem solchen Fall würde bei einem Druck von mehr als 2 MPa beispielsweise die als Ventil ausgebildete zweite Baueinheit aus Sicherheitsgründen nicht öffnen, da der Druck zu hoch ist. Er würde zwar im regulären Betrieb wieder abgebaut, dennoch blockiert eine Sicherheitssteuerung in diesem Fall bei Wasserstoffsystemen das Öffnen eines als zweite Baueinheit eingesetzten Ventils. In diesem Fall muss der Druck zuerst unter diesen Grenzwert von 2 MPa abgebaut werden. Dies kann nun insbesondere mit dem Druckausgleichventil erfolgen, welches bei einem derartigen Druck anspricht und eine kleine Menge an Wasserstoff in die Umgebung abgibt, sodass der Druck unter den unteren Grenzwert fällt und das als zweite Baueinheit genutzte Ventil gefahrlos geöffnet werden kann.
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Um zu verhindern, dass die Berstscheibe unnötig auslöst, kann es nun, wie oben bereits vorgeschlagen, auch bei dieser Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer besonders bevorzugten Ausgestaltung vorgesehen sein, dass ihr Ansprechdruck entsprechend höher ist, beispielsweise bei 3 MPa liegt, um so potenziell kritische Drücke oberhalb des Ansprechdrucks der Berstscheibe sicher und zuverlässig zu verhindern.
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Gemäß einer besonders bevorzugten Weiterbildung der erfindungsgemäßen Verwendung kann es nun ferner vorgesehen sein, dass die Brennstoffzelle zur Bereitstellung von elektrischer Antriebsleistung in einem Fahrzeug genutzt wird. Insbesondere bei solchen Fahrzeugsystemen sind Sicherheitsaspekte besonders wichtig, da das Fahrzeug typischerweise im Straßenverkehr unterwegs ist und nicht in allen Situationen zuverlässig vor Passanten abgesperrt werden kann. Darüber hinaus hat das Fahrzeug Insassen, die ebenfalls vor sicherheitskritischen Situationen zu bewahren sind. Sicherheitsrelevante Aspekte spielen daher bei einer derartigen besonders bevorzugten Anwendung in einem Fahrzeug eine weitaus höhere Rolle als sie dies bei einer stationären Anlage, welche entsprechend abgesichert werden können, tun. Ungeachtet dessen kann die Erfindung selbstverständlich auch bei einer stationären Anlage eingesetzt werden.
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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.
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Dabei zeigen:
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1 ein Fahrzeug mit einem sehr stark schematisiert angedeuteten Brennstoffzellensystem;
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2 einen Mitteldruckbereich der Wasserstoffversorgung eines solchen Brennstoffzellensystems in einer Ausführung gemäß dem Stand der Technik; und
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3 einen Mitteldruckbereich der Wasserstoffversorgung eines solchen Brennstoffzellensystems in einer Ausführung gemäß der Erfindung.
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In der Darstellung der 1 ist sehr stark schematisiert ein Fahrzeug 1 angedeutet, welches mit einem prinzipmäßig angedeuteten Brennstoffzellensystem 2 zur Bereitstellung von elektrischer Antriebsleistung ausgestattet ist. Den Kern des Brennstoffzellensystems 2 bildet dabei 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, sodass hierauf nicht weiter eingegangen werden muss.
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Dem Anodenraum 5 der Brennstoffzelle 3 wird Wasserstoff aus einem Druckgasspeicher 7 zur Verfügung gestellt. Der Druckgasspeicher 7 ist mit einem Tankventil 8 versehen. In Strömungsrichtung des unter Druck stehenden von dem Druckgasspeicher 7 zum Anodenraum 5 der Brennstoffzelle 3 strömenden Wasserstoffs folgt auf dieses Tankventil 8 eine geregelte Druckreduzierung 9, welche den bis dahin vorliegenden Hochdruck, welcher bei einem Nenndruck des Wasserstoffs in dem Druckgasspeicher 7 von 70 MPa bei bis zu 105 MPa liegen kann, auf ein sogenanntes Mitteldruckniveau von ca. 1,5 MPa im regulären Betrieb reduziert. Der Mitteldruckbereich weist dabei eine mit 10 bezeichnete Vorrichtung zur Druckreduzierung auf. Auf diese folgt ein sogenanntes Systemabsperrventil 11, welches den Mitteldruckbereich begrenzt. Nach dem Systemabsperrventil 11 folgt dann entweder in Kombination mit dem Systemabsperrventil 11 oder unmittelbar nach diesem eine Druckregel- und Dosiereinheit 12, welche je nach Ausgestaltung des Brennstoffzellensystems 2 auch lediglich als Dosiereinheit ausgebildet sein kann, wenn, wie es hier dargestellt ist, eine Gasstrahlpumpe 13 mit dem auf dem Mitteldruckniveau stehenden Wasserstoff betrieben wird. Im Bereich der Gasstrahlpumpe 13 wird der Druck dann auf das Niederdruckniveau für die Brennstoffzelle 3 bzw. den Kathodenraum 5 der Brennstoffzelle 3 reduziert. Die Gasstrahlpumpe 13, welche hier rein beispielhaft zu verstehen ist, ist ferner Teil eines sogenannten Anodenkreislaufs, welcher nicht verbrauchten Wasserstoff vom Anodenraum 5 über die Gasstrahlpumpe 13 vermischt mit frischem Wasserstoff dem Anodenraum 5 wieder zuführt. In einer sogenannten Rezirkulationsleitung 14 dieses Anodenkreislaufs befindet sich außerdem ein Wasserabscheider 15 mit einem Abblasventil 16. Dieser Aufbau ist dem Fachmann für Brennstoffzellensysteme soweit geläufig, sodass hierauf nicht weiter eingegangen werden muss.
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In den nachfolgenden Figuren soll nun der Mitteldruckbereich zwischen der Druckreduzierung 9 und dem Systemabsperrventil 11 näher dargestellt werden. In der Darstellung der 2 ist dabei eine Ausführungsform gezeigt, wie sie im eingangs genannten Stand der Technik beschrieben ist. Zwischen der Druckreduzierung 9 und dem Systemabsperrventil 11 zweigt aus der mit 17 bezeichneten Leitung ein Leitungsabschnitt mit einem Druckausgleichsventil 18 ab. Dieses Druckausgleichsventil 18 erlaubt im vollständig geöffneten Zustand einer vergleichsweise großen Menge an Wasserstoff, wie sie durch den mit 19 bezeichneten Pfeil angedeutet ist, in die Umgebung abzuströmen, wenn das Druckausgleichventil, welches beispielsweise als mechanisches Regelventil ausgebildet sein kann, anspricht. Die Aufgabe des Druckausgleichsventils 18 ist dabei die, dass im Falle eines Versagens der Druckreduzierung 9 der dann im Leitungsabschnitt 17 vorliegende viel zu hohe Druck schnellstmöglich abgebaut wird, insbesondere ohne das Systemabsperrventil 11 und insbesondere ohne den danach folgenden Niederdruckbereich zu überlasten. Dies führt letztlich dazu, dass in dem Druckausgleichsventil 18 ein vergleichsweise großer durchströmbarer Querschnitt beispielsweise mit einem mittleren Durchmesser von mindestens 3 mm notwendig ist. Im Falle eines Versagens der Druckreduzierung 9 soll so der Druck abgebaut werden, um einen Druckanstieg im Mitteldruckbereich über einen Druck von beispielweise 4 MPa auszuschließen und so das Systemabsperrventil 11 und insbesondere die in Strömungsrichtung danach kommenden Komponenten des Niederdruckbereichs vor einem Überdruck zu schützen. In der Praxis erweist sich der angegebene Durchmesser häufig als zu klein. Noch größere Durchmesser sind jedoch sehr schwer zu realisieren. Besonders kritisch wäre ein Überdruck im Niederdruckbereich für die Brennstoffzelle 3, bei welcher die Membranen vom Anodenbereich in Richtung Kathodenbereich durchgedrückt würden, wodurch die Brennstoffzelle 3 dauerhaft zerstört wäre.
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Eine weitere Aufgabe des Druckausgleichsventils 18 ist es nun aber auch, wenn im regulären Betrieb, beispielsweise im Stillstand des Fahrzeugs 1, der Druck in dem Leitungsabschnitt 17 über einen unteren Grenzwert von beispielsweise 2 MPa ansteigt, diesen zu begrenzen. In diesem Fall kann durch Sicherheitsabfragen das Systemabsperrventil 11 nämlich nicht mehr geöffnet werden, da der druckseitig an diesem Ventil anstehende Druck höher ist als zulässig. Dies kann relativ häufig auftreten, insbesondere bei einer entsprechenden Erwärmung des Fahrzeugs 1, wenn dies im Stillstand unter Sonneneinstrahlung abgestellt ist. Außerdem ist weder das Tankventil 8 noch die Druckreduzierung 9 dauerhaft so dicht, dass nicht ein geringer Druckanstieg auch durch Wasserstoffleckagen in dem Leitungsabschnitt 17 auftreten könnte. Für diesen Fall muss über das Druckausgleichsventil 18 der Druck unter den Grenzwert abgebaut werden, beispielsweise von einem Druck von 2,1 MPa auf 1,9 MPa. Diese vergleichsweise feine Druckregelung sollte entsprechend zuverlässig erfolgen. Dies ist bei einem Druckausgleichsventil mit einer mittleren Nennweite von 3 mm jedoch vergleichsweise schwierig, da dies aufgrund der Nennweite entsprechend schlecht zu regeln bzw. zu regulieren ist. Hierdurch besteht die Gefahr, dass mehr Wasserstoff in die Umgebung abgegeben wird, als eigentlich notwendig ist. Dies kann einerseits sicherheitskritische Wasserstoffkonzentrationen auslösen und stellt andererseits eine unnötige Verschwendung des wertvollen Energieträgers Wasserstoff in dem Fahrzeug 1 dar. Hierdurch wird schlimmstenfalls die Reichweite des Fahrzeugs reduziert, was einen erheblichen Nachteil für den Nutzer darstellt.
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Um dieser Problematik entgegenzuwirken ist der Mitteldruckbereich vorzugsweise so aufgebaut, wie er in der Darstellung der 3 zu erkennen ist. Das Druckausgleichsventil 18 ist wieder vorhanden, ist jedoch erkennbar kleiner ausgeführt als in dem zuvor im Rahmen der 2 beschriebenen Ausführungsbeispiel. Parallel dazu, vorzugsweise in Strömungsrichtung der Gase vom Hochdruckbereich zum Niederdruckbereich mit einer Abzweigung vor der Abzweigung für das Druckausgleichsventil 18 befindet sich eine mit 20 bezeichnete Berstscheibe. Diese hat eine vergleichsweise große Nennweite, beispielsweise eine Nennweite von 10 mm, während die Nennweite des Druckausgleichsventils 18 gegenüber dem zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiel deutlich reduziert werden kann, beispielsweise auf ca. 1,5 mm. Solange sich nun der Druck innerhalb des Leitungsabschnitts 17, also im Mitteldruckbereich der Wasserstoffversorgung, in einer Größenordnung unterhalb eines oberen Grenzwertes von 3 MPa bewegt, entspricht die Funktionalität der, dass zur Druckregelung bzw. zum Druckausgleich über das Druckausgleichsventil 18 eine geringe Menge an Wasserstoff in die Umgebung abgegeben wird. Dies kann aufgrund der vergleichsweise kleinen Nennweite von beispielsweise nur 1,5 mm sehr gut regelbar und zuverlässig erfolgen. Hierdurch lassen sich die im regulären Betrieb auftretenden Druckerhöhungen problemlos abfedern. Im Falle eines Versagens der Druckreduzierung 9 würde der Druck im Leitungsabschnitt 17 jedoch sehr schnell weiter ansteigen. Bei einer Bohrung mit einer Nennweite von 2 mm im Bereich der Druckreduzierung 9 und einem Eingangsdruck von beispielsweise ca. 90 MPa würden ca. 450–500 kg/h an Wasserstoff in den Leitungsabschnitt 17 einströmen. Der Druck würde hier sehr schnell ansteigen. Beispielsweise bei einem Auslösedruck von 3 MPa würde nun zusätzlich zu dem bei bereits 2 MPa öffnenden Druckausgleichsventil 18 die Berstscheibe 20 bersten und so den durchströmbaren Querschnitt mit der vergleichsweise großen Nennweite von 10 mm freigeben. Dieses Größenverhältnis ist auch beispielhaft durch die beiden Pfeile 19, 21 illustriert. Der Pfeil 19 stellt wiederum die Gasmenge, welche durch das Druckausgleichsventil 18 abströmt, dar. Durch die Berstscheibe 20 im geborstenen Zustand kann, wie bereits erwähnt, sehr viel mehr Gas abströmen, was durch den entsprechend größeren Pfeil 21 angedeutet ist. Ein weiterer Druckanstieg, insbesondere ein Druckanstieg auf mehr als 4 MPa, kann so sicher und zuverlässig vermieden werden. Der nachfolgende Aufbau des Systemabsperrventils und insbesondere der auf diesen folgende Niederdruckaufbau mit der Brennstoffzelle 3 als druckempfindliches und teures Bauteil kann so sehr sicher und zuverlässig geschützt werden. Außerdem ist auch für den Nutzer des Fahrzeugs 1 ein solcher Drucknotfall erkennbar, da durch das Platzen der Berstscheibe 20 eine Öffnung des Mitteldruckbereichs in die Umgebung geschaffen worden ist, welche ohne Reparaturmaßnahmen irreversibel ist. Dadurch, dass dies einerseits auffällt und andererseits kein Druckaufbau in der Wasserstoffversorgung mehr möglich ist, wird so für den Nutzer des Fahrzeugs einfach und effizient erkennbar, dass ein entsprechender Notfall aufgetreten ist, sodass dieser geeignete Maßnahmen ergreifen kann, um beispielsweise das Fahrzeug 1 in einer Werkstatt überprüfen zu lassen.
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Um nun insbesondere das Austreten einer großen Menge von Wasserstoff in die Umgebung zu verhindern, kann es ferner vorgesehen sein, dass zwischen der Druckreduzierung 9 und der Berstscheibe 20 in dem Leitungsabschnitt 17 ein Sperrventil 22 vorgesehen ist. Dieses optionale Sperrventil 22 ist in der Darstellung der 3 gestrichelt eingezeichnet. Dieses mechanische Sperrventil 22 ist so ausgebildet, dass es bei einem Überschreiten eines Grenzdrucks auf der in Strömungsrichtung nach dem Sperrventil liegenden Seite, also seiner Niederdruckseite, dadurch reagiert, dass es sich selbsttätig und im regulären Betrieb irreversibel schließt. Über eine solche Maßnahme kann im Notfall die Verbindung zum Druckgasspeicher 7 durch das Sperrventil 22 unterbrochen werden. Hierdurch wird einerseits verhindert, dass Gas in den Leitungsabschnitt 17 nachströmt, welches dann in die Umgebung abströmen würde. Dies stellt neben einem energetischen Vorteil auch einen Sicherheitsvorteil dar. Außerdem kann, sofern das optionale Sperrventil 22 entsprechend feinfühlig und schnell anspricht, gegebenenfalls sogar das Bersten der Berstscheibe 20 verhindert werden, da durch den abgestellten Zustrom an Gas durch die defekte Druckreduzierung 9 mittels des Absperrventils 22 die Gasmenge in dem Leitungsabschnitt 17 so gering bleibt, dass das Druckausgleichsventil 18 alleine mit der Druckentlastung klar kommt. In diesem Fall kann das Bersten der Berstscheibe 20 verhindert und der Reparaturaufwand minimiert werden. Das Sperrventil 22 kann dabei so ausgeführt sein, dass es manuell wieder zurückgestellt werden kann. Es muss jedoch insofern irreversibel sein, dass es im regulären Betrieb durch ein Abfallen des Drucks auf seiner in Strömungsrichtung nach dem Sperrventil 22 liegenden Seite nicht selbsttätig wieder öffnet, da, wenn die Berstscheibe 20 geborsten ist, in diesem Bereich Umgebungsdruck vorliegt und somit das Sperrventil 22 öffnen würde, was in dieser Situation nicht erwünscht ist. Ein manuelles Zurücksetzen des Sperrventils 22, beispielsweise im Rahmen einer Reparaturmaßnahme, kann jedoch vorgesehen sein.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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