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Die Erfindung betrifft eine Wasserstoffeinspritzvorrichtung für eine Brennstoffzelle mit passiver Rezirkulation, mit einer Wasserstoffzuführung, einer Rezirkulationsgaszuführung, einer Strahlpumpe mit Düse und Düsennadel für den Wasserstoff, einer Mischeinheit, und einem Linearaktor zum Bewegen eines Ventilkolbens mit der Düsennadel.
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Brennstoffzellen wandeln die chemische Energie eines Brennstoffs durch eine Reaktion mit Sauerstoff (oft aus der Luft) in Elektrizität um. Meist wird Wasserstoff als Brennstoff verendet. Wir werden daher im Weiteren immer „Wasserstoff“ für den Brennstoff oder Kraftstoff verwenden, schließen aber andere gasförmige Brennstoffe wie Butan, Propan, Methan, Methanol oder andere Kohlenwasserstoffe explizit mit ein.
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Bekannt sind Niedertemperaturbrennstoffzellen mit einem ionenleitenden Polymerelektrolyten, der eine Anode von einer Kathode trennt. Der Wasserstoff wird dem Anodenraum zugeführt, der Sauerstoff dem Kathodenraum. Die Wasserstoffionen wandern durch den Elektrolyten, die Elektronen wandern über einen elektrischen Stromkreis und einen Verbraucher außerhalb der Zelle. Solche PEM-Brennstoffzellen werden auch Polymerelektrolytbrennstoffzellen, Poylmer Electrolyte Fuel Cells, PEFC, Protonenaustauschmembranbrennstoffzellen, Proton Exchange Membran Fuel Cells, PEMFC oder Feststoffpolymerbrennstoffzellen, Solid Polymer Fuel Cells, SPFC genannt. Da eine Brennstoffzelle normalerweise eine Spannung von nur ca. 1 V erzeugt, werden in der Regel mehrere Zellen zu Stapeln oder Stacks verbunden, um insgesamt eine höhere Spannung zu erhalten.
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Wasserstoffbrennstoffzellen werden im Betrieb meist überstöchiometrisch mit Wasserstoff versorgt, das heißt, sie verbrauchen nicht den gesamten Wasserstoff im Anodenraum, da sich sonst flüssiges Wasser und Inertgase ansammeln würden. Um den überflüssigen Wasserstoff nicht zu verschwenden, wird er recycelt, der Wasserstoff also einer Rezirkulation zugeführt. Hierzu gibt es die Möglichkeit, den Wasserstoff aktiv mit einer mechanischen Pumpe oder einem Gebläse im Kreis zu führen. Möglich ist es auch, den Wasserstoff passiv im Kreis zu führen, indem eine Strahlpumpe mit einer Düse für den frischen Wasserstoff vorgesehen ist, die mit dem höheren Frischwasserstoffdruck den zu recycelnden Wasserstoff wieder in den Anodenraum mitreißt. Dazu sind eine Recyclingleitung, ein Saugraum, ein Mischrohr und ein Diffusor vorgesehen.
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Aus der
US 2014/008 0016 A1 ist eine Wasserstoffeinspritzvorrichtung für eine Brennstoffzelle mit passiver Rezirkulation bekannt, mit einer Wasserstoffzuführung, einer Rezirkulationsgaszuführung, einer Strahlpumpe mit Düse und Düsennadel für den Wasserstoff, einer Mischeinheit, und einem Linearaktor zum Bewegen eines Ventilkolbens mit der Düsennadel. Da die Strahlpumpe einen sehr begrenzten Arbeitsbereich hat, ist für einen großen Leistungsbereich ein verstellbarer Düsenaustrittsquerschnitt notwendig. Diese Querschnittsänderung erfolgt über eine elektrisch verstellbare Düsennadel. Die Düsennadel wird mit einem elektrischen Schrittmotor in ihrer Position verstellt. Diese Vorrichtung bildet den Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Des Weiteren muss der Betriebsdruck auf eine gewünschte Größe geregelt werden, hierzu kommt ein Druckregelventil zum Einsatz. Dies kann ein Schaltventil (auf/zu) oder ein kontinuierlich regelbares Proportionalventil sein. Meist wird auch noch ein weiteres Schaltventil verwendet, um die Wasserstoffzufuhr sicher und vollständig abzutrennen. Es handelt sich um zwei voneinander getrennte Bauteile, die beide elektrisch angesteuert werden.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine solche Vorrichtung einfacher aufzubauen, also mit weniger Bauelementen auszukommen.
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Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch eine Wasserstoffeinspritzvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung angegeben, die jeweils einzeln oder in Kombination einen Aspekt der Erfindung darstellen können.
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Erfindungsgemäß ist also eine Wasserstoffeinspritzvorrichtung für eine Brennstoffzelle oder einen Brennstoffzellenstapel mit passiver Rezirkulation vorgesehen, mit einer Wasserstoffzuführung, einer Rezirkulationsgaszuführung, einer Strahlpumpe mit Düse und Düsennadel für den Wasserstoff, einer Mischeinheit, und einem Linearaktor zum Bewegen eines Ventilkolbens mit der Düsennadel, wobei ein Wasserstoffregelventil an der Düsennadel integriert ist, das gleichzeitig als Wasserstoffdruckregelventil und Absperrventil wirken kann, und wobei eine Rückstellfeder vorgesehen ist.
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Mit der Erfindung sind bei einer Vorrichtung mit verstellbarer passiver Rezirkulation die Strahlpumpe, das Druckregelventil und das Absperrventil für Wasserstoff in einer einzigen Baueinheit vereinigt, das mit nur einem einzigen Aktor angesteuert werden kann. Dies erspart mehrere Ventile und vereinfacht die Ansteuerung. Die zusätzlich integrierte Federrückstellung ist ein weiteres Sicherheitsmerkmal und bietet eine einzigartige Kombination aus Linearaktor, Federrückstellung, Wasserstoffregelventil, verstellbarer Düsennadel, Strahlpumpe und Wasserstoffabsperrventil. Die integrierte Rückstellfeder sorgt bei einem Stromausfall oder bei anderen Problemen in der Steuerung für ein zuverlässiges Schließen der Wasserstoffzufuhr, was man neudeutsch auch mit Normally-Closed-Fail-Safe Position bezeichnen kann.
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Soll die Brennstoffzelle ein Fahrzeug antreiben, so muss der Wasserstoff mitgenommen und in einer Art Tank gespeichert werden. Dort wird er entweder flüssig oder unter Druck gelagert. Da für die Flüssiglagerung extrem tiefe Temperaturen (maximal einige Kelvin) notwendig sind, hat sich derzeit die Lagerung unter Druck (bis ca. 900 bar) durchgesetzt. Dies erfordert Ventile, die auch für diesen hohen Druckbereich ausgelegt sind. Hier sind oft starke Verstellelemente oder Aktoren notwendig, um Bewegungen gegen diese Drücke durchzuführen. In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung werden daher Ventile eingesetzt, die eine Druckkompensation des Ventilkolbens (oder des Ankers bei Magnetventilen) durchführen und damit die Verstellkräfte deutlich reduzieren. Sie können deshalb mit leichteren und schwächeren Aktoren arbeiten. In dieser Ausführung der Erfindung sind daher eine oder mehrere Überströmbohrungen im Gehäuse und/oder im Aktor vorgesehen, die Wasserstoff auf die andere Seite des Ventilkolbens gelangen lassen und so nur eine niedrigere Verstellkraft benötigen. Möglich ist es auch, eine oder mehrere Längsnuten im Kolben/Anker und/oder in der Düsennadel vorzusehen.
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Der Aktor, der die Linearbewegung des Ventilkolbens bewirkt, kann auf an sich bekannte Weise arbeiten. Er kann hydraulisch oder pneumatisch angetrieben sein und so den Kolben auf- und ab oder hin und her in die gewünschten Stellungen (ganz auf, ganz zu, proportional ein bisschen auf oder weiter geöffnet) bewegen. Bevorzugt arbeitet der Linearaktor mit elektromagnetischer Kraft, enthält also zum Beispiel einen Elektromagneten, der bei Strombeaufschlagung einer Spule den in der Spule befindlichen Ventilkolben (dort oft auch Anker genannt) über die elektromagnetische Kraft vorwärts und/oder rückwärts bewegt. Möglich ist, dass der Kolben vom Stromfluss in eine Richtung bewegt wird, während eine Rückstellfeder oder ein ähnlich wirkendes rückstellendes Bauelement die Bewegung in die Gegenrichtung veranlasst. So eine Rückstellfeder arbeitet stromunabhängig und ist daher für den Fail-Safe-Betrieb vorteilhaft. Wenn der Elektromagnet den Kolben in zwei Richtungen bewegt, kann jedoch auch auf die die Rückstellfeder verzichtet werden. Bevorzugt ist der Elektromagnet mit einer mit Kennlinienbeeinflussung ausgestattet, die zur optimalen Druck-Regelperformance und zu linearem Verhalten gegenüber der Rückstellfeder dient.
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Die Bestandteile der Wasserstoffeinspritzvorrichtung können je einzeln hergestellt, geliefert und eingebaut werden. Bevorzugt ist jedoch, dass die Vorrichtung aus drei Modulen aufgebaut ist, nämlich dem Linearaktor, der Verstelleinheit (Wasserstoffregelventil mit Düsenverstellung) und der Mischeinheit (Rezirkulationsgaszuführung, Saugraum, Mischrohr und Diffusor). Diese drei Module sind entweder miteinander integriert oder sie sind einzeln (zum Beispiel ins Mischrohr) ein- oder anschraubbar. Die Verstelleinheit kann dann im Mischrohr integriert sein.
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Um die Absperrfunktion für den Wasserstoff zuverlässig erfüllen zu können, kann vorgesehen sein, dass dem Wasserstoffregelventil ein abdichtender Ventilsitz zugeordnet ist. So kann zum Beispiel im vorderen Anschlag des Aktors ein Sitzventil vorgesehen sein. Der Sitz kann ein Kegelsitz oder eine plane Ventilfläche sein. Es können auch Dichtelemente vorgesehen sein, wie ein oder mehrere O-Ringe, umspritzte Sitze oder ein umspritzter Ventilschieber.
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Die Düsennadel kann eine an sich bekannte Form aufweisen, nämlich die eines sehr schlanken Konus oder Kegels. Bevorzugt weist die Düsennadel jedoch drei Funktionsbereiche auf, nämlich Sitzventil für den vollständigen Abschluss der Wasserstoffzufuhr, Druck- und Mengenregelung (der freigegebene Querschnitt der Wasserstoffzuführung wird mit dieser Druckregelkontur beeinflusst) und Veränderung des Düsenaustrittsquerschnitts (dieser Bereich kann einfach oder mehrfach einen zylindrischen Bereich oder einen kegeligen Bereich oder einen Freiformbereich aufweisen). Durch die Auslegung dieser Kontur kann eine Unabhängigkeit zwischen Düsenaustrittsquerschnitt und Wasserstoffzuführungsquerschnitt erreicht werden.
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Die Regelung der Wasserstoffzufuhr kann auf an sich bekannte Weise erfolgen. Bevorzugt kann sie über eine Druckmessung im Anodenraum oder kurz vor dem Anodenraum erfolgen. Dazu kann ein Drucksensor vorgesehen sein, zum Beispiel in der Mischeinheit oder am Ende des Diffusors oder in dem zum Brennstoffzellenstapel führenden Gasauslass. Dieser Sensor kann zur Closed-Loop-Druckregelung des Wasserstoffregelventils integriert sein. Die Ausführung ist auch als Smart Aktuator möglich. Die axiale Schieberposition wird dann zum Regeln erfasst.
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Die Wasserstoffzufuhr kann über ein übliches Leitungs- oder Rohrsystem erfolgen. Das Gas trifft dann zum Beispiel radial von einer Seite her kommend auf den Ventilkolben und drückt ihn radial in die Gegenrichtung, was zu erhöhter Reibung beim Öffnen und Schließen führen kann. Deshalb ist in einer bevorzugten Ausführung eine Druckkompensation des Wasserstoffregelventils vorgesehen. Dies kann durch gegenüberliegende Wasserstoffzuführung(en) oder durch einen Ringkanal erfolgen. Bei zum Beispiel zwei sich gegenüberliegenden Gaseinlässen heben sich die beiden radial wirkenden Kräfte auf, der Kolben wird nicht an die Wand gedrückt, vor allem, wenn die beiden Einlässe geometrisch gleich sind. Auch bei einem Ringkanal treten keine resultierenden Radialkräfte auf.
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Die Zuführleitungen für den Wasserstoff können wie üblich geformt sein. Bevorzugt hat/haben die einzelnen/mehreren Wasserstoffzuführung(en) und/oder der Ringkanal den Querschnitt eines Kreises, eines Ovals, eines Rechtecks oder eines Rechtecks mit Abrundungen.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann vorwiegend aus Metall oder aus Kunststoff hergestellt sein. Dichtungen natürlich aus elastischen Materialien.
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Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele exemplarisch erläutert, wobei die nachfolgend dargestellten Merkmale sowohl jeweils einzeln als auch in Kombination einen Aspekt der Erfindung darstellen können. Es zeigen:
- 1: eine erfindungsgemäße Wasserstoffeinspritzvorrichtung,
- 2: eine andere Ausführung einer solchen Vorrichtung,
- 3: eine weitere Ausführung einer solchen Vorrichtung,
- 4 bis 6: eine weitere Ausführung in drei Schaltzuständen und
- 7: drei unterschiedliche Düsennadeln.
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1 zeigt eine erfindungsgemäße Wasserstoffeinspritzvorrichtung für eine Brennstoffzelle mit passiver Rezirkulationseinheit. Die erfindungsgemäße Vorrichtung besteht im Wesentlichen aus drei Modulen, nämlich dem Linearaktor 28 mit Elektromagnet 48, der Verstelleinheit 50 mit Wasserstoffregelventil 32, Düse 16 und Düsennadel 18, und der Mischeinheit 20.
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Der Linearaktor 28 enthält neben der mit Strom zu beaufschlagender Spule einen (Tauch-) Anker 30, der als Ventilkolben linear beweglich ausgebildet ist und in den Elektromagneten 48 eintaucht, und die Rückstellfeder 34, die den Anker 30 nach rechts in die absolute Schließstellung schiebt.
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In der Verstelleinheit 50 befinden sich in einem Gehäuse, das den Anker 30 führen kann, die Wasserstoffzuführung 10, die Strahlpumpe 14 sowie der Ventilsitz 52 und die Überströmbohrung 40 zur Druckkompensation. Der Anker 30, der Ventilsitz 52 und die Druckregelkontur 54 sind in den eher schematischen 1 bis 3 nicht maßstabsgerecht gezeichnet. Sie liegen näher beieinander, wie in den 4 bis 6 gezeigt ist, nämlich so, dass die Druckregelkontur 54 des beweglichen Ankers 30 den Ventilsitz 52 in der rechten Endstellung berührt und damit das Wasserstoffregelventil 32 zuverlässig abschließt.
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In der Mischeinheit 20 befinden sich die Rezirkulationsgaszuführung 12 vom Anodenraum des Stacks sowie der Saugraum 22, das Mischrohr 24, der Diffusor 26, der Drucksensor 36 und der Gasauslass 38 zum Anodenraum des Stacks.
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Zur Funktion anhand des Einsatzes in einem Fahrzeug: Im Linearaktor 28 wird der Anker 30 und damit der Kolben des Wasserstoffregelventils 32 im stromlosen Ruhezustand von der Rückstellfeder 34 nach rechts gedrückt und verschließt die Wasserstoffzufuhr. Rechts am Anschlag oder Ventilsitz 52 schließt das Wasserstoffregelventil 32 die Wasserstoffzufuhr an der Wasserstoffzuführung 10 also zuverlässig ab. Legt man Strom an den Elektromagneten 48 wird der Anker 30 vom Elektromagneten 48 nach links bewegt. Beim elektromagnetischen nach links Ziehen des Ankers 30 öffnet sich die Wasserstoffzuführung 10 und die Düsennadel 18 öffnet die Düse 16 der Strahlpumpe 14. Frischer, zusätzlicher Wasserstoff wird über die nun etwas geöffnete Wasserstoffzuführung 10 zugeführt. Der frische Wasserstoff steht unter hohem Druck und reißt im Saugraum 22 zu recycelndes Gas aus dem Anodenraum über die Rezirkulationszuführung 12 mit, vermischt das Gas mit frischem Wasserstoff im Mischrohr 24 zu einem neuen Gasgemisch mit höherem Wasserstoffgehalt und gibt es durch den Diffusor 26 zum Gasauslass 38 zum Anodenraum des Stacks. Dort in der Brennstoffzelle erfolgt die Reaktion des Wasserstoffs mit Luftsauerstoff zur Erzeugung elektrischer Energie zum Antrieb des Elektromotors des Fahrzeugs.
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2 zeigt eine andere Ausführung einer erfindungsgemäßen Wasserstoffeinspritzvorrichtung. Unterschiedlich zur Ausführung der 1 ist hier die Frischwasserstoffzufuhr. Während der frische Wasserstoff in 1 über die Wasserstoffzuführung 10 nur von oben kommt, also den Anker 30 und den Ventilkolben radial nach unten drückt, ist hier eine zweite, gegenüberliegende Wasserstoffzuführung 42 vorgesehen, in der der Wasserstoff radial nach oben drückt, und so den vorgenannten Druck kompensiert oder aufhebt. Der Ventilkolben oder Anker 30 wird so nicht seitlich oder radial belastet und an die Gehäusewand gedrückt, sondern kann sich frei von Radialkräften hin und her bewegen. Mit anderen Worten: Diese Druckkompensation erlaubt den Einsatz von Aktoren mit weniger Kraft und damit mit weniger Energieverbrauch.
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3 zeigt eine weitere Ausführung einer solchen Vorrichtung. Unterschiedlich zu den Ausführungen der 1 und 2 ist auch hier die Frischwasserstoffzufuhr. Während sie in 1 über die Wasserstoffzuführung 10 nur von oben kommt, also den Anker 30 radial nach unten drückt, ist in 3 eine Ringkanal 44 vorgesehen, in dem der Wasserstoff radial rundum an den Ventilkolben drückt, so dass sich alle Radialdruckkomponenten gegenseitig aufheben. Der Kolben oder Anker 30 wird so nicht seitlich oder radial belastet und an die Gehäusewand gedrückt, sondern kann sich freier von links nach rechts bewegen. Mit anderen Worten: Diese Druckkompensation erlaubt den Einsatz von Aktoren mit weniger Kraft und damit mit weniger Energieverbrauch.
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4 bis 6 zeigen eine weitere Ausführung einer erfindungsgemäßen Wasserstoffeinspritzvorrichtung in drei verschiedenen Schaltzuständen.
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Die Vorrichtung der 4 besteht im Wesentlichen aus drei Modulen, nämlich dem Linearaktor 28, der Verstelleinheit 50 und der Mischeinheit 20.
Der Linearaktor 28 enthält neben der mit Strom zu beaufschlagender Spule den (Tauch-) Anker 30, der als Ventilkolben linear beweglich ausgebildet ist und in den Elektromagneten 48 eintaucht, die Rückstellfeder 34, die den Anker 30 nach rechts in die absolute Schließstellung geschoben hat.
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In der Verstelleinheit 50 befinden sich die Wasserstoffzuführung 10, die Strahlpumpe 14 mit Düse 16 und Düsennadel 18, das Wasserstoffregelventil 32, sowie der Ventilsitz 52. Zur Druckkompensation ist hier eine Überströmbohrung 46 vorgesehen.
In der Mischeinheit 20 befinden sich die Rezirkulationsgaszuführung 12 vom Anodenraum des Stacks sowie der Saugraum 22, das Mischrohr 24, der Diffusor 26, der Drucksensor 36 und der Gasauslass 38 zum Stack.
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In 4 ist der Linearaktor 28 stromlos. Deshalb drückt die Rückstellfeder 34 den Anker 30 ganz nach rechts in der Schließstellung des Wasserstoffregelventils 32, das hier mit seinem Kegelsitz am Ventilsitz 52 die weitere Zufuhr von Wasserstoff zuverlässig absperrt. Die Brennstoffzellen erhalten keinen frischen Wasserstoff.
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5 zeigt die Wasserstoffeinspritzvorrichtung der 4 in einem anderen Schaltzustand. In 5 hat der Linearaktor 28 den Anker 30 etwas nach links aus der Schließstellung des Wasserstoffregelventils 32 gezogen, so dass das Wasserstoffregelventil 32 teilweise geöffnet ist, was zu einer mittleren Wasserstoffzufuhr führt. In der mitbewegten Düse 16 ist von der Düsennadel 18 ein mittlerer Düsenquerschnitt freigegeben worden. Die Brennstoffzellen arbeiten im Teillastbetrieb.
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6 zeigt die Wasserstoffeinspritzvorrichtung der 4 in einem anderen Schaltzustand. In 6 hat der Linearaktor 28 den Anker 30 ganz nach links an seinen linken Anschlag gezogen, so dass das Wasserstoffregelventil 32 vollständig geöffnet ist, was zu einer maximalen Wasserstoffzufuhr führt. In der mitbewegten Düse 16 ist von der Düsennadel 18 ein maximaler Düsenquerschnitt freigegeben. Die Brennstoffzellen arbeiten unter Volllast oder mit voller Leistung.
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Zusammenfassend kann also gesagt werden, dass das einfache, lineare Verschieben des Kolbens des Druckregelventil 32 die Leistung des Stacks von Null auf 100 % so einfach bedienbar regeln kann wie das lineare „Gas geben“ eines PKW oder das „Aufdrehen“ eines Verstärkers einer Musikanlage.
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7 zeigt drei unterschiedliche erfinderische Anker 30 mit unterschiedlichen Düsennadeln 18. Während oben eine gerade verlaufende Düsennadel 18 mit konischer Spitze gezeigt ist, ist in der Mitte eine abschnittsweise gerade verlaufende mit einer stetig verlaufenden Verjüngung in der vorderen Hälfte und konischer Spitze gezeigt. Unten ist eine Düsennadel 18 mit einem abgesetzt verlaufenden schlankeren Mittelteil zwischen Aktorhauptteil und der konischen Nadelspitze gezeigt.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Wasserstoffzuführung
- 12
- Rezirkulationsgaszuführung
- 14
- Strahlpumpe
- 16
- Düse
- 18
- Düsennadel
- 20
- Mischeinheit
- 22
- Saugraum
- 24
- Mischrohr
- 26
- Diffusor
- 28
- Linearaktor
- 30
- Anker
- 32
- Wasserstoffregelventil
- 34
- Rückstellfeder
- 36
- Drucksensor
- 38
- Gasauslass zum Stack
- 40
- Überströmbohrung
- 42
- gegenüberliegende Wasserstoffzuführung
- 44
- Ringkanal
- 46
- Überströmbohrung
- 48
- Elektromagnet
- 50
- Verstelleinheit
- 52
- Ventilsitz
- 54
- Druckregelkontur
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2014/0080016 A1 [0005]
