-
Die hier offenbarte Technologie betrifft ein Brennstoffversorgungssystem zur Bereitstellung von unter Umgebungstemperaturen gasförmigen Brennstoff. Ein solches Brennstoffversorgungssystem kann insbesondere eingesetzt werden in Kraftfahrzeugen, die mit gasförmigen Brennstoff betrieben werden. Ein vorbekanntes System ist beispielsweise in der 2 gezeigt. Nachteilig an einem solchen System ist, dass im Falle einer Fehlfunktion des Druckminderers 211 der Brennstoff über das Überdruckventil 113 in die Umgebung entweicht. Ferner ist das Überdruckventil 113 vergleichsweise wartungsintensiv. Sofern auch das Überdruckventil 113 eine Fehlfunktion aufweist, könnten andere Komponenten des Systems beschädigt werden.
-
Es ist eine bevorzugte Aufgabe der hier offenbarten Technologie, zumindest einen Nachteil von einer vorbekannten Lösung zu verringern oder zu beheben oder eine alternative Lösung vorzuschlagen. Es ist insbesondere eine bevorzugte Aufgabe der hier offenbarten Technologie, ein besonders einfaches, wartungsarmes, kostengünstiges und/oder fehlersicheres System bereitzustellen, Weitere bevorzugte Aufgaben können sich aus den vorteilhaften Effekten der hier offenbarten Technologie ergeben. Die Aufgabe(n) wird/werden gelöst durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche. Die abhängigen Ansprüche stellen bevorzugte Ausgestaltungen dar.
-
Die hier offenbarte Technologie betrifft ein Brennstoffversorgungssystem für ein Kraftfahrzeug (z.B. Personenkraftwagen, Krafträder, Nutzfahrzeuge). Das Brennstoffversorgungssystem dient zur Speicherung und Bereitstellung von unter Umgebungsbedingungen gasförmigen Brennstoff. Das Brennstoffversorgungssystem kann beispielsweise in einem Kraftfahrzeug eingesetzt werden, das mit komprimiertem („Compressed Natural Gas“ = CNG) oder verflüssigtem (LNG) Erdgas oder mit Wasserstoff betrieben wird. Das Brennstoffversorgungssystem ist i.d.R. mit mindestens einem Energiewandler fluidverbunden, der eingerichtet ist, die chemische Energie des Brennstoffs in andere Energieformen umzuwandeln. Die hier offenbarte Technologie betrifft auch ein Kraftfahrzeug mit dem hier offenbarten Energiewandler und dem hier offenbarten Brennstoffversorgungssystem.
-
Ein solches Brennstoffversorgungssystem umfasst mindestens einen Druckbehälter, insbesondere einem composite overwrapped pressure vessel. Der Druckbehälter kann beispielsweise ein kryogener Druckbehälter oder ein Hochdruckgasbehälter sein. Hochdruckgasbehälter sind ausgebildet, bei Umgebungstemperaturen Brennstoff dauerhaft bei einem nominalen Betriebsdruck (auch nominal working pressure oder NWP genannt) von ca. 350 barü (= Überdruck gegenüber dem Atmosphärendruck), ferner bevorzugt von ca. 700 barü oder mehr zu speichern. Ein kryogener Druckbehälter ist geeignet, den Brennstoff bei den vorgenannten Betriebsdrücken auch bei Temperaturen zu speichern, die deutlich unter der Betriebstemperatur des Kraftfahrzeuges liegen.
-
Der mindestens eine Energiewandler ist eingerichtet, die chemische Energie des Brennstoffs in andere Energieformen umzuwandeln, beispielsweise in elektrische Energie und/oder in Bewegungsenergie. Der Energiewandler kann beispielsweise eine Brennkraftmaschine oder ein Brennstoffzellensystem/ Brennstoffzellenstapel mit mindestens eine Brennstoffzelle sein.
-
Die hier offenbarte Technologie betrifft ferner ein Tankabsperrventil (en.: shut-off valve). 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. Das Tankabsperrventil ist i.d.R. in ein On-Tank-Valve integriert. Das On-Tank-Valve ist die direkt an einem Ende des Druckbehälters montierte und mit dem Inneren des Druckbehälters direkt fluidverbundene Ventileinheit. In der Verordnung (EU) Nr. 406/2010 der Kommission vom 26. April 2010 zur Durchführung der Verordnung (EG) Nr. 79/2009 des Europäischen Parlaments und des Rates über die Typgenehmigung von wasserstoffbetriebenen Kraftfahrzeugen wird ein solches Tankabsperrventil auch als erstes Ventil bezeichnet. Für jeden Druckbehälter ist ein Tankabsperrventil vorgesehen. Das Tankabsperrventil ist eingerichtet, die Fluidverbindung zwischen dem Hochdruckleitungssystem und dem Druckbehälter zu unterbinden.
-
Die hier offenbarte Technologie umfasst ferner mindestens einen Druckminderer, der fluidverbunden ist mit dem mindestens einen Druckbehälter. Der Druckminderer ist stromab vom mindestens einen Druckbehälter und stromauf von dem mindestens einen Energiewandler im Brennstoffversorgungssystem 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.
-
Bevorzugt wird ein erster Druckminderer (= high pressure regulator) und stromab ein zweiter oder weiterer Druckminderer (=z.B. Brennstoffinjektor) eingesetzt.
-
Das Brennstoffversorgungssystem umfasst mindestens ein Druckventil. Ein Druckventil dient zum Regeln, Begrenzen oder Mindern eines Druckes oder zum Schalten in Abhängigkeit von einem Signaldruck. Es gibt verschiedene Arten von Druckventilen. Beispielsweise kann ein solches Druckventil direkt vor dem Energiewandler zur Dosierung des Brennstoffs eingesetzt werden. Das Druckventil ist stromab vom Druckminderer vorgesehen und ist über das Mitteldruckleitungssystem mit dem Druckminderer fluidverbunden. In einer Ausgestaltung kann die Funktion des Druckventils von dem weiteren Druckminderer ausgeübt werden, der eingerichtet ist, einen im Mitteldruckleitungssystem herrschenden Brennstoffdruck zu mindern auf einen Betriebsdruck eines Energiewandlers. Alternativ oder zusätzlich kann ein regelbares Ventil diese Aufgabe übernehmen. Das Druckventil kann beispielsweise ein Injektor sein.
-
Das Hochdruckleitungssystem umfasst alle brennstoffführenden Komponenten stromauf vom Druckminderer und das Mitteldruckleitungssystem alle brennstoffführenden Komponenten stromab vom Druckminderer und stromauf vom Druckventil.
-
Der Druck im Hochdruckleitungssystem ist im funktionsgemäßen Normalbetrieb höher als der Druck im Mitteldruckleitungssystem. Je nach Ausgestaltung des Brennstoffversorgungssystems (Anzahl der Druckstufen) kann der Druck im Mitteldruckleitungssystem dem Druck im Energiewandler entsprechen oder der Druck im Mitteldruckleitungssystem kann höher sein als in einem nachgelagerten Niederdruckbereich.
-
Gemäß der hier offenbarten Technologie sind das Innenvolumen des Hochdruckleitungssystems und das Innenvolumen des Mitteldruckleitungssystems so gewählt, dass bei geschlossenem Tankabsperrventil bzw. Tankabsperrventilen durch Druckausgleich zwischen dem Hochdruckleitungssystem und Mitteldruckleitungssystem nur ein resultierender Brennstoffdruck einstellbar ist, der zu keiner Beschädigung von brennstoffführenden Komponenten des Brennstoffversorgungssystems führt, die mit dem Mitteldruckleitungssystem und dem Hochdruckleitungssystem fluidverbunden sind, wobei kein Brennstoff während des Druckausgleichs aus dem Mitteldruckleitungssystem und aus dem Hochdruckleitungssystems abgeführt wird. Der max. resultierende Druck ergibt sich aus dem durch den Druckminderer vorgegebenen Mitteldruck, dem maximalen Druck im Hochdruckleitungssystem (i.d.R. entspricht dieser max. Druck dem max. Betankungsdruck), sowie den Innenvolumina vom Hochdruckleitungssystem und Mitteldruckleitungssystem. Diese Systemparameter sind bereits bei der Auslegung bekannt. Somit kann der max. resultierende Druck bestimmt werden.
-
Zweckmäßig kann der Druckminderer in dem On-Tank-Valve integriert sein. Somit kann das Innenvolumen vom Hochdruckleitungssystem besonders gering sein.
-
Die brennstoffführenden Komponenten der Mitteldruckleitungssystems können dann so ausgelegt sein, dass die Komponenten dem max. resultierenden Druck ohne Beschädigung Stand halten.
-
Das Innenvolumen des Mitteldruckleitungssystems kann beispielsweise um den Faktor 5 bis 105, oder um den Faktor 10 bis 75 oder um den Faktor 20 bis 45 größer sein als das Innenvolumen des Hochdruckleitungssystems. Für gängige 700 bar Druckbehälter und gängige Mittedruckwertebereiche ergeben sich nach einem Druckausgleich somit vorteilhafte resultierende Drücke, die
- i) außerhalb des im funktionsgemäßen Normalbetrieb auftretenden Druckwertebereichs liegen, und
- ii) gleichzeitig nicht zu hohe Absolutwerte darstellen.
-
Läge der resultierende Druck im Druckwertebereich vom Normalbetrieb, wäre die Fehlfunktion vom Druckminderer nicht so einfach erfassbar. Zu hohe Absolutwerte für den resultierenden Druck erfordern wiederum dementsprechend dimensionierte Komponenten, die dadurch schwerer, größer und teurer werden.
-
Die hier offenbarte Technologie kann mindestens einen Speicherbehälter umfassen, wobei der Speicherbehälter einen Teil des Innenvolumens vom Mitteldruckleitungssystem ausmacht. Der Speicherbehälter kann jeder geeignete Speicherbehälter sein, beispielsweise kann der Speicherbehälter aufgebaut sein wie der hier offenbarte Druckbehälter. Ebenso ist denkbar, dass ein Aluminiumbehälter Anwendung findet. Der Speicherbehälter kann eine Öffnung oder an jedem Ende eine Öffnung aufweisen. Beispielsweise kann die eine Öffnung mit einer Mitteldruckleitung verbunden sein und die andere Öffnung mit einer Schnittstelle. Vorteilhaft kann durch eine solche Ausgestaltung gegenüber Mitteldruckleitungen mit größerem Innendurchmesser Gewicht eingespart werden, da der Speicherbehälter hinsichtlich Material und Formgebung optimiert werden kann.
-
Zweckmäßig kann kein Überdruckventil unmittelbar fluidverbunden sein mit dem Mitteldruckleitungssystem. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass keine Komponente, insbesondere kein Überdruckventil, im Mitteldruckleitungssystem vorgesehen ist, mittels derer der Brennstoff aus Mitteldruckleitungssystem direkt in die Fahrzeugumgebung entweichen kann.
-
Die hier offenbarte Technologie umfasst ferner ein Steuergerät, wobei das Steuergerät eingerichtet ist, ein Drucksignal zu verarbeiten, das indikativ für den Druck im Mitteldruckleitungssystem ist, und wobei das Steuergerät ein für einen fehlerhaften Druckminderer indikatives Fehlersignal erzeugt, falls das Drucksignal indikativ für einen Druck ist, der oberhalb von einem oberen Grenzwert liegt. Hierzu kann das Steuergerät basierend auf bereitgestellten Signalen die Aktuatoren des Systems zumindest teilweise und bevorzugt vollständig regeln (engl. closed loop control) oder steuern (engl. open loop control). Das Steuergerät könnte auch in einem anderen Steuergerät mit integriert sein, z.B. in einem übergeordneten Steuergerät. Das Steuergerät kann mit weiteren Steuergeräten des Kraftfahrzeuges interagieren. Das Steuergerät kann eingerichtet sein, die hier offenbarten Verfahrensschritte durchzuführen. Der obere Grenzwert kann im Wesentlichen dem resultierenden max. Brennstoffdruck entsprechen. Der Begriff „im Wesentlichen“ umfasst dabei den resultierenden max. Brennstoffdruck sowie geringe Abweichungen, die für die Fehlererkennung unerheblich sind, wie beispielsweise Messtoleranzen.
-
Das Steuergerät kann eingerichtet sein, während einer Phase der Nichtbenutzung des Energiewandlers bzw. des Kraftfahrzeugs, das Drucksignal zu verarbeiten. Eine Phase der Nichtbenutzung des Energiewandlers bzw. des Kraftfahrzeugs ist indes eine bzgl. der Fortbewegung inaktive Phase des Kraftfahrzeugs. Mit anderen Worten ist die Phase der Nichtbenutzung beispielsweise ein (längeres) Zeitintervall, während dessen das Kraftfahrzeug vom Benutzer aktiv keine (Fahr)Anweisung erhält, die das Betreiben der Brennstoffzelle bzw. des Kraftfahrzeuges erfordert. Dies ist beispielsweise der Fall, wenn ein Kraftfahrzeug geparkt ist.
-
Die hier offenbarte Technologie betrifft auch ein Verfahren zur Überprüfung der Dichtheit des Druckminderers des Brennstoffversorgungssystems, umfassend die Schritte:
- Verarbeiten eines Drucksignals, das indikativ für den Druck in dem Mitteldruckleitungssystem des Brennstoffversorgungssystems ist,
- Erzeugen eines für einen fehlerhaften Druckminderer indikativen Fehlersignals, falls das Drucksignal indikativ ist für einen Druck, der oberhalb von einem oberen Grenzwert liegt, wobei der obere Grenzwert im Wesentlichen dem resultierenden Brennstoffdruck entspricht.
- Das Verfahren kann den Schritt umfassen, wonach das Drucksignal während einer Phase der Nichtbenutzung des Energiewandlers verarbeitet wird.
-
Mit anderen Worten betrifft die hier offenbarte Technologie einen Zylinder. Der Zylinder kann an einem seitlichen Abzweig der Brennstoffleitung oder Inline von einem Brennstoffpfad angeordnet sein. Der Brennstoffpfad kann beispielsweise ein so genannter Service-Port sein, also eine Schnittstelle, über die das Leitungssystem stromab vom mindestens einen Druckbehälter für Service- oder Wartungsarbeiten zugänglich ist. Gemäß der hier offenbarten Technologie wird anstatt eines Überdruckventils ein Zylinder in die Mitteldruckleitung (=Mitteldruckleitungssystem) eingesetzt. Dadurch wird das Volumen der Mitteldruckleitung vergrößert. Durch die Vergrößerung des Gesamtvolumens von Mitteldruckleitung und Hochdruckleitung kann der nach dem Druckausgleich resultierender Druck verringert werden. Vorteilhaft ist der resultierende Druck aber so hoch, dass der resultierende Druck oberhalb von den Druckwerten liegt, die während des normalen Betriebs auftreten können. Stellt sich der resultierende Druck oberhalb dieser Druckwerte ein, so startet die Brennstoffzelle nicht mehr auf. Daher würde der Fehler beim Fahrtantritt erkannt. Sollte der Druckregler während der Fahrt versagen, sind alle Überwachungssysteme aktiv und der Fehler würde sofort erkannt werden. Zweckmäßig kann der Zylinder bzw. das Innenvolumen vom Mitteldruckleitungssystem so gestaltet werden, dass weitere Komponenten wie beispielsweise Injektoren oder Proportionalventile nicht beschädigt werden. Gemäß der hier offenbarten Technologie kann vorteilhaft verhindert werden, dass Wasserstoff in die Umgebung abgelassen wird. Ferner kann auf ein vergleichsweise wartungsintensives und/oder teures Überdruckventil verzichtet werden. Ferner vorteilhaft kann das größere Volumen in der Mitteldruck-Leitung Schwingungen hinter dem Druckminderer dämpfen. Wird ein zusätzlicher Speicherbehälter stromab vom Druckminderer eingesetzt, so kann die Mitteldruck-Leitung kürzer ausgebildet sein bzw. der Druckminderer kann in unmittelbarer Nähe vom Druckminderer vorgesehen sein.
-
Die hier offenbarte Technologie wird nun anhand der Figuren erläutert. Es zeigen:
- 1 ein schematisches Schaubild der hier offenbarten Technologie; und
- 2 ein schematisches Schaubild einer vorbekannten Lösung.
-
Ein Brennstoffversorgungssystem gemäß der hier offenbarten Technologie ist in der 1 gezeigt. In dem Druckbehälter 200 ist Brennstoff gespeichert, z.B. Wasserstoff bei bis zu 700 bar. Der Druckbehälter 200 stellt Wasserstoff bereit für einen Energiewandler 300, z.B. einem Brennstoffzellenstapel mit einer Vielzahl an Brennstoffzellen, welche auf einem niedrigeren Druckniveau betrieben werden, z.B. 0,5 bis 1 barü (= Überdruck gegenüber dem Atmosphärendruck). An einem Ende des Druckbehälters 200 ist ein Tankabsperrventil 210 vorgesehen. Anstatt lediglich einem Druckbehälter 200 mit einem Tankabsperrventil 210 könnten ebenso mehrere Druckbehälter 200 mit mehreren Tankabsperrventilen 210 vorgesehen sein. In dem hier dargestellten System sind ferner zwei Druckstufen vorgesehen, welche jeweils mit einem Druckminderer 211, 212 arbeiten. Der Druckminderer 211 senkt den Druck von 700 bar auf ein Mitteldruckniveau (Mitteldruckbereich). Die zweite Druckstufe senkt den Druck vom Mitteldruck auf einen Niederdruck der Brennstoffzellen (z.B. 0,5 barü bis 1,0 barü). Als Druckminderer 211 kann hier ein mechanischer Proportionaldruckregler eingesetzt werden. In der zweiten Druckstufe können verschiedene Technologien für den weiteren Druckminderer 212 zum Einsatz kommen. Ein solcher weiterer Druckminderer 212 muss nicht vorgesehen sein. Es ist ebenfalls vorstellbar, dass der Druckminderer 211 den Druck bereits soweit absenkt, dass der Brennstoff direkt dem Energiewandler 300 zugeführt werden kann. Ebenfalls fakultativ sind: i) der Injektor 234 zwischen dem weiteren Druckminderer 212 und der Anode A des Energiewandlers 300; und ii) die Anodenrezirkulationspumpe 236, der Wasserabscheider 232 sowie das Anodenspülventil 238 im Anodenrezirkulationskreis. Während der Betankung des Brennstoffversorgungssystems strömt durch die Betankungskupplung 221 und den Betankungsleitungsabschnitt 220 Brennstoff in den Druckbehälter 200. Die Strömungsrichtung des Brennstoffs während der Entnahme ist hier mit einem Pfeil AP dargestellt.
-
Der Druckbehälter 200 ist an das Hochdruckleitungssystem HP angeschlossen. Die brennstoffführenden Leitungen stromauf vom Druckminderer 211 gehören zum Hochdruckleitungssystem HP, wohingegen die brennstoffführenden Leitungen stromab vom Druckminderer 211 und stromauf vom Druckventil (hier als weiterer Druckminderer 212 ausgebildet) zum Mitteldruckleitungssystem MP gehören. Die brennstoffführenden Leitungen des Hochdruckleitungssystems HP bilden das Innenvolumen des Hochdruckleitungssystems HP aus. Das Innenvolumen des Mitteldruckleitungssystems MP wird hier von den entsprechenden Leitungen sowie von dem Speicherbehälter 213 ausgebildet. Tritt nun eine Fehlfunktion beim Druckminderer 211 auf, so kann es beim geschlossenen Tankabsperrventil 210 zu einem Druckausgleich zwischen dem Hochdruckleitungssystem HP und dem Mitteldruckleitungssystem MP kommen. Sofern der Brennstoff nicht anderweitig entweichen kann, stellt sich ein resultierender Druck in beiden Leitungssystemen HP, MP ein, der im Wesentlichen von den Ausgangsdrücken und den Innenvolumina abhängt. Durch das zusätzliche Volumen vom Speicherbehälter 213, wird gemäß der hier offenbarten Technologie der resultierende Druck im Vergleich zu vorbekannten Lösung verringert. Gleichsam schlägt die hier offenbarte Technologie vor, die brennstoffführenden Komponenten, die fluidverbunden sind mit dem Mitteldruckleitungssystem MP, mindestens für den resultierenden Druck auszulegen, der im ungünstigsten Fall auftreten kann.
-
Der ungünstigste Fall wäre, wenn in dem Hochdruckleitungssystem MP während der Fehlfunktion des Druckminderers der maximale Betankungsdruck (Z.B. 875 bar) anliegt. Der Speicherbehälter 213 kann lediglich eine Öffnung aufweisen, über die der Speicherbehälter 213 fluidverbunden ist mit der Mitteldruckleitung. Alternativ kann vorgesehen sein, dass der Speicherbehälter 213 zwei Öffnungen aufweist und von Brennstoff durchströmbar ist. In der hier dargestellten Lösung beispielsweise ist an einem zweiten Ende des Speicherbehälters 213 eine zweite Öffnung vorgesehen, die mit einer externen Schnittstelle fluidverbunden ist. Diese externe Schnittstelle kann beispielsweise für Service- oder Wartungsarbeiten genutzt werden. Über diese Schnittstelle kann das Brennstoffversorgungssystem enttankt werden.
-
Die 2 zeigt ein Brennstoffversorgungssystem gemäß dem Stand der Technik. Anstatt des Speicherbehälters 213 ist hier ein Druckentlastungsventil bzw. Überdruckventil 113 vorgesehen. Kommt es zu einer Fehlfunktion des Druckminderers 211, so steigt der Druck in der Mitteldruckleitung so stark an, dass das Überdruckventil 113 geöffnet wird und Brennstoff ablässt, falls ein Grenzdruck überschritten wird.
-
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.
