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Die hier offenbarte Technologie betrifft ein Kraftfahrzeug und ein Verfahren zum Fördern von Brennstoff zu einem Brennstoffverbraucher eines Kraftfahrzeugs mit einem Druckbehältersystem.
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Hochdruckgasbehältersysteme (auch „CGH2-Systeme“ genannt) und kryogene Druckbehältersysteme (auch „CcH2-Systeme“ genannt) sind ausgebildet, bei Umgebungstemperaturen gasförmigen Brennstoff dauerhaft bei einem Druck von mehreren hundert bar zu speichern. Beiden Systemen ist gemeinsam, dass unterhalb einer gewissen Mindest-Druckdifferenz zwischen dem mindestens einen Druckbehälter und dem Brennstoffverbraucher (i.d.R. mindestens eine Brennstoffzelle) diese Mindest-Druckdifferenz nicht mehr ausreicht, um die Brennstoffzelle in allen Betriebspunkten mit ausreichend Brennstoff zu versorgen. Vorbekannte Systeme lassen daher einen Betrieb des Brennstoffzellenverbrauchers bei hoher Leistung unterhalb der Mindest-Druckdifferenz nicht zu. Dies bedeutet, dass stets eine Restmenge an Brennstoff in dem Tank verbleibt und für den Betrieb des Brennstoffzellenfahrzeugs nicht zur Verfügung steht. Bei aktuellen 700 bar CGH2-Systemen entspricht die Restmenge etwa einer Reichweite von 20 bis 30 km.
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Es ist eine bevorzugte Aufgabe der hier offenbarten Technologie, zumindest einen Nachteil der vorbekannten Lösungen zu verringern oder zu beheben. Insbesondere ist es eine Aufgabe der hier offenbarten Technologie, die Reichweite von Brennstoffzellenfahrzeuge zu verbessern. Weitere bevorzugte Aufgaben können sich aus den vorteilhaften Effekten der hier offenbarten Technologie ergeben. Die Aufgabe(n) wird/werden gelöst durch den Gegenstand des Patentanspruchs 1. Die abhängigen Ansprüche stellen bevorzugte Ausgestaltungen dar.
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Die hier offenbarte Technologie betrifft ein Kraftfahrzeug mit mindestens einen Druckbehälter zur Speicherung von Brennstoff und mindestens einen Brennstoffverbraucher.
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Der mindestens eine Brennstoffverbraucher kann ein Brennstoffzellensystem sein. Ein Brennstoffzellensystem weist mindestens einer Brennstoffzelle auf. Das Brennstoffzellensystem ist beispielsweise für mobile Anwendungen wie Kraftfahrzeuge gedacht, insbesondere zur Bereitstellung der Energie für mindestens eine Antriebsmaschine zur Fortbewegung des Kraftfahrzeugs. In ihrer einfachsten Form ist eine Brennstoffzelle ein elektrochemischer Energiewandler, der Brennstoff und Oxidationsmittel in Reaktionsprodukte umwandelt und dabei Elektrizität und Wärme produziert. Die Brennstoffzelle umfasst eine Anode und eine Kathode, die durch einen ionenselektiven bzw. ionenpermeablen Separator getrennt sind. Die Anode weist eine Zufuhr für einen Brennstoff zur Anode auf. Bevorzugte Brennstoffe sind: Wasserstoff, niedrigmolekularer Alkohol, Biokraftstoffe, oder verflüssigtes Erdgas. Die Kathode weist beispielsweise eine Zufuhr für Oxidationsmittel auf. Bevorzugte Oxidationsmittel sind bspw. Luft, Sauerstoff und Peroxide. Der ionenselektive Separator kann bspw. als Protonenaustauschmembran (proton exchange membrane, PEM) ausgebildet sein. Bevorzugt kommt eine kationenselektive Polymerelektrolytmembran zum Einsatz. Materialien für eine solche Membran sind beispielsweise: Nafion®, Flemion® und Aciplex®. Insbesondere handelt es sich um ein System, bei dem der Brennstoff nicht weiter reformiert werden muss. Ein Brennstoffzellensystem umfasst mindestens eine Brennstoffzelle sowie periphere Systemkomponenten (BOP-Komponenten), die beim Betrieb der mindestens einen Brennstoffzelle zum Einsatz kommen können. In der Regel sind mehrere Brennstoffzellen zu einem Brennstoffzellenstapel bzw. Stack zusammengefasst.
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Das Brennstoffzellensystem umfasst ein Anodensubsystem. Das Anodensubsystem wird aus den brennstoffführenden Bauelementen gebildet. Ein Anodensubsystem kann mindestens einen Druckbehälter, mindestens einen Druckminderer, mindestens eine zum Anodeneinlass führende Anodenzuleitung, mindestens eine vom Anodenauslass wegführende Anodenabgasleitung, einen Anodenraum im Brennstoffzellenstapel, mindestens ein Purge-Ventil, mindestens eine Rezirkulationsleitung sowie weitere Elemente aufweisen. Hauptaufgabe des Anodensubsystems ist die Heranführung und Verteilung von Brennstoff an die elektrochemisch aktiven Flächen des Anodenraums und die Abfuhr von Anodenabgas.
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Die hier offenbarte Technologie betrifft ein Kraftfahrzeug mit mindestens einen Druckbehälter zur Speicherung von unter Umgebungsbedingungen gasförmigen Brennstoff. Ein solcher Druckbehälter ist insbesondere ein in ein Kraftfahrzeug eingebauter bzw. einbaubarer Druckbehälter. Der Druckbehälter kann in einem Kraftfahrzeug eingesetzt werden, das beispielsweise mit komprimiertem („Compressed Natural Gas“ = CNG) oder verflüssigtem (LNG) Erdgas oder mit Wasserstoff betrieben wird. Der Druckbehälter kann beispielsweise ein kryogener Druckbehälter (CcH2) oder ein Hochdruckgasbehälter (CGH2) sein. Hochdruckgasbehälter sind ausgebildet, im Wesentlichen bei Umgebungstemperaturen Brennstoff (z.B. Wasserstoff) dauerhaft bei einem nominellen Betriebsdruck (auch nominal operating pressure MOP genannt) von über ca. 350 barü (= Überdruck gegenüber dem Atmosphärendruck) und besonders bevorzugt von ca. 700 barü und mehr zu speichern. Ein kryogener Druckbehälter ist insbesondere geeignet, den Brennstoff bei Temperaturen zu speichern, die deutlich unter der Betriebstemperatur (gemeint ist der Temperaturbereich der Fahrzeugumgebung, in dem das Fahrzeug betrieben werden soll) des Kraftfahrzeuges liegen, beispielsweise mind. 50 Kelvin, bevorzugt mindestens 100 Kelvin bzw. mindestens 150 Kelvin unterhalb der Betriebstemperatur des Kraftfahrzeuges (i.d.R. ca. –40°C bis ca. +85°C).
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Die hier offenbarte Technologie betrifft kann ein Tankabsperrventil (TAV; en.: shut-off valve) umfassen. Das Tankabsperrventil ist das Ventil, dessen Eingangsdruck (im Wesentlichen) dem Behälterdruck entspricht. Das Tankabsperrventil ist insbesondere ein steuerbares bzw. regelbares und insbesondere stromlos geschlossenes Ventil.
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Die hier offenbarte Technologie umfasst ferner einen Verdichter. Verdichter als solche sind bekannt. Ein Verdichter bzw. Kompressor ist eine Fluidenergiemaschine, die man zum Komprimieren von Gasen verwendet. Prinzipiell ist jeder Verdichter einsetzbar, der geeignet ist, den Brennstoff zu fördern. Bevorzugt ist der Verdichter ein Schraubenverdichter, Kolbenverdichter, Membranverdichter, ionischer Verdichter.
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Der Verdichter ist im Anodensubsystem stromab vom mindestens einen Druckbehälter und stromauf vom mindestens einen Brennstoffverbraucher angeordnet. Der Verdichter ist ausgebildet, den Brennstoff aus dem Druckbehälter zum Brennstoffverbraucher zu fördern. Insbesondere handelt es sich nicht um einen Verdichter, der zur Rezirkulation eingesetzt wird.
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Insbesondere fördert der Verdichter also ausschließlich Brennstoff, der dem mindestens einen Druckbehälter entnommen wurde, und der nicht zumindest teilweise bereits den mindestens einen Brennstoffverbraucher durchströmt hat.
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Die hier offenbarte Technologie kann mindestens einen ersten Druckminderer umfassen. Der Druckminderer ist stromab vom mindestens einen Druckbehälter und stromauf vom mindestens einen Brennstoffverbraucher im Anodensubsystem angeordnet. Der Druckminderer ist ausgebildet, den am Eingang des Druckminderers anliegenden Brennstoff-Eingangsdruck auf einen am Ausgang des Druckminderers anliegenden Brennstoff-Ausgangsdruck bzw. Hinterdruck zu reduzieren. In der einfachsten Form kann es sich dabei um eine Drossel handeln. In der Regel umfasst der Druckminderer ein Druckminderungsventil, das trotz unterschiedlicher Eingangsdrücke dafür sorgt, dass auf der Ausgangsseite ein bestimmter Ausgangsdruck nicht überschritten wird. Im Druckminderer expandiert der Brennstoff.
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Zusätzlich zum ersten Druckminderer kann das hier offenbarte Anodensubsystem ferner einen zweiten Druckminderer aufweisen. Der zweite Druckminderer kann stromab vom ersten Druckminderer und stromauf vom Brennstoffverbraucher angeordnet sein. Mit anderen Worten stellen der ersten Druckminderer und der zweite Druckminderer die Druckstufen des Anodensubsystems dar. Beispielsweise kann in einer ersten Druckstufe vom Innendruck des mindestens einen Druckbehälters auf einen Mitteldruck reduziert werden, der beispielsweise 10 bar bis 15 bar, bevorzugt 11 bar bis 13 bar, umfasst. In der zweiten Druckstufe kann dieser Mitteldruck reduziert werden auf den Druck des Brennstoffverbrauchers, z.B. 1,5 bar bis 2 bar Atmosphärendruck.
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Der Verdichter kann stromab vom ersten Druckminderer und bevorzugt stromauf vom zweiten Druckminderer angeordnet sein. Mit anderen Worten ist der Verdichter bevorzugt in der Mitteldruckstufe angeordnet. In einem Verdichter ist der erzielbaren Druck i.d.R. abhängig vom Volumenstrom, den der Verdichter fördert. Ist der Verdichter im Mitteldruckbereich angeordnet, so kann der zweite Druckminderer weiterhin die Regelung des Massenstroms übernehmen. Der Verdichter dient dann bevorzugt lediglich dem Druckabbau.
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Die hier offenbarte Technologie betrifft ferner ein Verfahren zum Fördern von Brennstoff zu einem Brennstoffverbraucher eines Kraftfahrzeugs. Gemäß dem hier offenbarten Verfahren fördert der Verdichter den Brennstoff aus dem Druckbehälter direkt zum Brennstoffverbraucher,
- – wenn eine Mindest-Druckdifferenz zwischen einem den Druck im Druckbehälter repräsentierenden Druck und einem den Druck im Brennstoffverbraucher repräsentierenden Druck erreicht bzw. unterschritten wird; und/oder
- – wenn ein dem Brennstoffverbraucher zuführbarer Mindest-Massenstrom an Brennstoff erreicht bzw. unterschritten wird.
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Die Mindest-Druckdifferenz errechnet sich aus der Differenz zwischen einem den Innendruck des Druckbehälters repräsentierenden Druck und einem den Druck im Brennstoffverbraucher repräsentierenden Druck. Der den Innendruck des Druckbehälters repräsentierenden Druck kann Innendruck des Druckbehälters selbst sein oder aber ein anderer Druck des Anodensubsystems (z.B. der Druck am Tankabsperrventil oder am ersten Druckminderer), solange dieser Druck Aufschluss gibt über den Druck im Druckbehälter.
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Der den Druck im Brennstoffverbraucher repräsentierenden Druck kann ein gemessener oder auf andere Weise bestimmter Druck im Brennstoffverbraucher oder in dessen Zuleitung vor oder hinter dem gegebenenfalls vorhanden zweiten Druckminderer sein. Der den Druck im Brennstoffverbraucher repräsentierenden Druck basiert bevorzugt auf einen Wert stromab vom Verdichter (z.B: Mitteldruck oder Niederdruck) wohingegen der den Innendruck des Druckbehälters repräsentierende Wert auf einen Wert stromauf vom Verdichter basiert.
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Letztendlich ist die Mindest-Druckdifferenz so gewählt, dass für alle Betriebspunkte des Brennstoffzellenverbrauchers aufgrund der Druckdifferenz zwischen Druckbehälter und Brennstoffzellenverbrauchers ein ausreichend hoher Massenstrom bereitgestellt werden kann. Der dazu erforderliche Druckbehälter-Mindestdruck variiert je nach Auslegung des Brennstoffzellensystems. Beispielsweise kann der Druckbehälter-Mindestdruck ca. 20 bar betragen.
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Alternativ oder zusätzlich zur Mindest-Druckdifferenz kann auch der Mindest-Massenstrom herangezogen werden. Sofern das Brennstoffzellensystem den Mindest-Massenstrom als Führungsgröße heranzieht, kann der Verdichter also den Brennstoff aktiv fördern, wenn festgestellt wird, dass nicht in allen Lastpunkten ausreichend Brennstoff allein aufgrund der Druckdifferenz zwischen Druckbehälter und Brennstoffversorger bereitgestellt werden kann. Denkbar, dass der Verdichter nur für solche Lastpunkte Brennstoff bereitstellt, in denen der aufgrund der Druckdifferenz bereitgestellte Massenstrom nicht ausreicht. Beispielsweise kann hierzu eine prädiktive Erfassung zukünftiger Lastpunkt erfolgen, beispielsweise anhand von Routeninformationen und/oder Fahrerinformation.
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Die hier offenbarte Technologie betrifft ferner ein Verfahren, wonach der Verdichter generatorisch betrieben wird, wenn die Druckdifferenz oberhalb der Mindest-Druckdifferenz und/oder der Massenstrom oberhalb des Mindest-Massenstroms liegt/liegen. Vorteilhaft ist der hier offenbarte Verdichter also auch in der Lage, die bei der Expansion des Brennstoffs freiwerdende Druckenergie in eine andere Energieform, z.B. elektrische Energie, umzuwandeln und diese dem Kraftfahrzeug bereitzustellen. Ebenso wäre es denkbar, einen Bypass zum Verdichter vorzusehen, durch welchen der Brennstoff fließt, werden die Druckdifferenz oberhalb der Mindest-Druckdifferenz und/oder der Massenstrom oberhalb des Mindest-Massenstroms liegt/liegen.
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Der hier offenbarte Verdichter kann ferner eine Fluidenergiemaschine sein, die eingerichtet ist, die vorgenannten Verfahrensschritte durchzuführen. Eine Fluidenergiemaschine ist eine Maschine, in der mechanische Arbeit mit einem Fluid, also einem Gas oder einer Flüssigkeit, ausgetauscht wird. Die Fluidenergiemaschine überträgt die Arbeit also entweder von außen auf das Fluid, oder entzieht dem Fluid Energie, die dann nach außen als mechanische Arbeit abgegeben wird. Die hier offenbarte Fluidenergiemaschine ist insbesondere ausgebildet,
- – bei einer Druckdifferenz bzw. einem Massenstrom oberhalb von der Mindest-Druckdifferenz bzw. vom Mindest-Massenstrom dem Brennstoff Energie zu entziehen und dem Brennstoffzellensystem bzw. der Kraftfahrzeug bereitzustellen (= generatorischer Betrieb); und
- – bei einer Druckdifferenz bzw. einem Massenstrom unterhalb von der Mindest-Druckdifferenz bzw. vom Mindest-Massenstrom den Brennstoff zu verdichten.
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Insbesondere kann der hier offenbarte mindestens eine Druckminderer oder der hier offenbarte mindestens zweite Druckminderer als Fluidenergiemaschine bzw. Verdichter ausgebildet sein. Vorteilhaft kann somit eine Komponente eingespart werden. Besonders bevorzugt ist der erste Druckminderer als Verdichter/Generator ausgebildet. In der ersten Druckstufe wird meistens eine größere Druckstufe überwunden. Somit kann ein generatorisch betrieben der Verdichter hier am meisten Druckenergie in elektrische Energie umwandeln. Überdies stellt der zweite Druckminderer sicher, dass die vom Brennstoffzellenverbraucher gewünschten Massenströme und Drücke bereitgestellt werden kann. Das hier offenbarte Verfahren kann den Schritt umfassen, wonach aufgezeichnet wird, wie oft der Verdichter Brennstoff zum Brennstoffzellenverbraucher fördert. Die mechanische Beanspruchung des mindestens einen Druckbehälters hängt ab von der maximalen Druckdifferenz, die der Druckbehälter ausgesetzt ist. Im normalen Betrieb des Druckbehälters kann beispielsweise vorgesehen sein, dass dieser nur bis zu einem minimalen Behälterdruck von 20 bar enttankt wird. Lediglich in äußersten Notfällen, wenn anders die nächste Tankstelle nicht erreicht werden kann, kann die Reichweite durch gezieltes Fördern von Brennstoff durch den Verdichter erhöht werden. Langfristig kann diese gesteigerte Entnahme jedoch die Druckbehälterstruktur schädigen. Vorteilhaft kann daher vorgesehen sein, dass das Steuergerät mitzählt, wie oft der Druckbehälter vollständig enttankt wurde. Die Anzahl an vollständigen Entleerung kann bei der Bestimmung der Lebensdauer des Druckbehälters dann mit einschließen.
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Mit anderen Worten betrifft die hier offenbarte Technologie einen Wasserstoff-Verdichter, der den ansonsten im Druckbehälter verbleibenden Brennstoff nutzbar macht. Aufgrund der Beschaffenheit der Brennstoffzellen muss stets ein gewisser Eingangsdruck gewährleistet sein. Sollte unterhalb von einem Mindest-Behälterdruck von beispielsweise 20 bar der Brennstoffzelleneingangsdruck und der nötige Brennstoff-Massenstrom nicht mehr systeminherent gewährleistet sein, könnte dieser zusätzliche Verdichter eine Steigerung der Gesamtreichweite des Fahrzeuges ermöglichen.
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Hier offenbarten Technologie ist es vorteilhaft möglich, die Reichweite eines Kraftfahrzeuges mit einem Brennstoffzellensystem um ca. 20–30 km zu steigern.
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Die hier offenbarte Technologie wird nun anhand der schematischen 1 erläutert.
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Die 1 zeigt schematisch das hier offenbarte Druckbehältersystem. In dem Druckbehälter 20 ist Brennstoff gespeichert, z.B. Wasserstoff bei 700 bar. Der Druckbehälter 20 stellt den Wasserstoff bereit für einen Brennstoffzellenstapel 30 mit einer Vielzahl an Brennstoffzellen welche auf einem niedrigen Druckniveau betrieben werden, z.B. 0,5 bis 1 barü (= Überdruck gegenüber dem Atmosphärendruck). An einem Ende des Druckbehälters 20 ist ein Tankabsperrventil 21 vorgesehen. Anstatt lediglich einem Druckbehälter 20 mit einem Tankabsperrventil 21 können ebenso mehrere Druckbehälter 20 mit mehreren Tankabsperrventilen 21 vorgesehen sein. In dem hier dargestellten System sind ferner zwei Druckstufen vorgesehen, welche jeweils mit separaten Druckminderern 11, 12 arbeiten. Die erste Druckstufe senkt den Druck von 700 bar auf ein Mitteldruckniveau von beispielsweise 11 bis 13 bar. Die zweite Druckstufe senkt den Druck vom Mitteldruck auf den Niederdruck der Brennstoffzellen. Als erster Druckminderer 11 wird ein mechanischer Proportionaldruckregler eingesetzt. In der zweiten Druckstufe können verschiedene Technologien für den zweiten Druckregler 12 zum Einsatz kommen, z.B. Injektoren, Venturidüsen und mechanische Druckregler. Um ein Bersten der Rohrleitungen bei Fehlfunktion der Druckminderer 11, 12 zu verhindern ist auf der Niederdruckseite jeweils ein Druckentlastungsventil 13, 14 vorgesehen. Die hier gezeigten Komponenten mit dem Bezugszeichen 11, 12, 13, 14, 15, 18, 20, 21, 22 (und teilweise) 30 sind alle Bestandteile des Anodensubsystems A. Die Strömungsrichtung des Brennstoffs ist hier mit einem Pfeil dargestellt. Während der Betankung des Druckbehältersystems strömt durch den Betankungsleitungsabschnitt 22 Brennstoff in den Druckbehälter 20.
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In dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Verdichter 18 zu dem ersten Druckminderer 11 und dem zweiten Druckminderer 12 angeordnet. Alternativ kann vorgesehen sein, dass der Verdichter 18 beispielsweise den ersten Druckminderer 11 oder den zweiten Druckminderer 12 ersetzt. Der Verdichter 18 wäre dann bevorzugt als Fluidenergiemaschine ausgebildet, die die hier offenbarten Verfahrensschritte ausführen kann.
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Das Steuergerät 40 kann ausgebildet sein, den Druck an verschiedenen Stellen des Anodensubsystems zu messen. Beispielsweise kann das Steuergerät 40 den Druck unmittelbar stromauf oder stromab vom Tankabsperrventil 21 messen. Alternativ oder zusätzlich kann das Steuergerät 40 ausgebildet sein, den Druck im Mitteldruckbereich, also zwischen dem ersten Druckminderer 11 und dem zweiten Druckminderer 12, stromauf von der Brennstoffzelle zu bestimmen. Ferner kann das Steuergerät 40 eingerichtet sein, den Brennstoff-Massenstrom zu ermitteln, dass Anodensubsystem strömt.
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Sofern das Steuergerät 40 erkennt, dass die Druckdifferenz unterhalb der Mindestdruckdifferenz liegt (bzw. den gleichen Wert annimmt) und/oder dass der Massenstrom an Brennstoff zu den Brennstoffzellen unterhalb von einem Mindest-Massenstrom liegt (bzw. den gleichen Wert annimmt), so kann das Steuergerät den Verdichter 18 derart ansteuern, dass der Verdichter 18 Brennstoff zu den Brennstoffzellen fördert.
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Sofern das Steuergerät 40 erkennt, dass die Druckdifferenz oberhalb der Mindest-Druckdifferenz liegt und/oder das der Massenstrom an Brennstoff zu den Brennstoffzellen oberhalb von einem Mindest-Massenstrom liegt, so kann das Steuergerät 40 den Verdichter 18 generatorisch betreiben.
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Aus Gründen der Leserlichkeit wurde vereinfachend der Ausdruck „mindestens ein(e)“ teilweise weggelassen. Sofern ein Merkmal der hier offenbarten Technologie in der Einzahl bzw. unbestimmt beschrieben ist (z.B. der/ein Druckbehälter, der/ein Brennstoffverbraucher, die/eine Brennstoffzelle, der/ein Verdichter, der/ein kryogene Druckbehälter, der/ein Hochdruckgasbehälter, der/ein erste Druckminderer, der/ein zweite Druckminderer, das/ein Steuergerät, das/ein Druckentlastungsventil, etc.) so soll gleichzeitig auch deren Mehrzahl mit offenbart sein (z.B. der mindestens eine Druckbehälter, der mindestens eine Brennstoffverbraucher, die mindestens eine Brennstoffzelle, der mindestens eine Verdichter, der mindestens eine kryogene Druckbehälter, der mindestens eine Hochdruckgasbehälter, der mindestens eine erste Druckminderer, der mindestens eine zweite Druckminderer, das mindestens eine Steuergerät, das mindestens eine Druckentlastungsventil etc.).
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Die vorhergehende Beschreibung der vorliegenden Erfindung dient nur zu illustrativen Zwecken und nicht zum Zwecke der Beschränkung der Erfindung. Im Rahmen der Erfindung sind verschiedene Änderungen und Modifikationen möglich, ohne den Umfang der Erfindung sowie ihrer Äquivalente zu verlassen.
