DE102022132019A1 - Wasserstoff-Brennstoffzellensystem - Google Patents

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Wasserstoff-Brennstoffzellensystem (1) umfassend eine Hochdrucktankanordnung (2), eine Injektor-Druckminderungseinheit (3) mit mindestens einem Druckminderungsinjektor (11), eine Strahlpumpeneinheit (4) mit mindestens einem Strahlpumpeninjektor (16) und eine Brennstoffzellenanordnung (5) mit einem Anodengaszulauf (22) und einem Anodengasablauf (25). Der mindestens eine Druckminderungsinjektor (11) ist als Ventil mit genau zwei möglichen diskreten Schaltzuständen ausgeführt und in einen diskreten geöffneten Zustand und in einen diskreten geschlossenen Zustand bringbar. Der mindestens eine Strahlpumpeninjektor (16) ist zwischen einem Treibgaseinlass (14) und einer Treibgasdüse (17) angeordnet. Der mindestens eine Druckminderungsinjektor (11) und der mindestens eine Strahlpumpeninjektor (16) sind mittels Ansteuerung durch das Steuergerät (6) jeweils unabhängig voneinander in einen geöffneten Zustand oder in einen geschlossenen Zustand bringbar.

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft ein Wasserstoff-Brennstoffzellensystem.
• Wasserstoff-Brennstoffzellensysteme kommen in mannigfaltigen Ausführungsformen in stationären und mobilen Anwendungen (in Fahrzeugen zu Wasser, zur Luft und zu Land) zum Einsatz, um einen Stromverbraucher mit elektrischer Energie zu versorgen. Hierzu kann das Wasserstoff-Brennstoffzellensystem mit Wasserstoff gespeist (betankt) werden und ist in der Lage diesen in einer Hochdrucktankanordnung zu speichern und bedarfsgerecht an eine Brennstoffzellenanordnung abzugeben, damit der Wasserstoff dort unter Freisetzung von elektrischer Energie zu Wasser umgesetzt wird.
• Der Wasserstoff liegt dabei in der Hochdrucktankanordnung typischerweise auf einem Hochdruckniveau von bis zu 1000 bar vor. Da der Wasserstoff allerdings in die Brennstoffzellenanordnung lediglich auf einem Niederdruckniveau von typischerweise 1 bis 5 bar eintritt, ist ein Druckminderer vorzusehen, um den Wasserstoffdruck entsprechend abzusenken. Typischerweise werden hierzu sogenannte mechanische (ein- oder mehrstufige) Druckminderer verwendet, die mittels eines Membran-Ventil-Mechanismus' den Wasserstoffdruck auf ein Mitteldruckniveau von typischerweise 12 bis 16 bar reduzieren. Die Membran ist dabei mechanisch mit dem proportional arbeitenden Ventil (Proportionalventil) gekoppelt und steuert kontinuierlich dessen Ventilhub. Der Ausgangsdruck des Druckminderers, also hier der Mitteldruck, wirkt dabei derart auf die Membran, dass mit steigendem Mitteldruck das Proportionalventil weiter geschlossen und somit der Ventilhub verringert wird. Dem Mitteldruck entgegen wirkt eine Rückstellkraft auf die Membran. Bauartbedingt beeinflusst dabei der Eingangsdruck, also das Hochdruckniveau und damit der Füllgrad der Hochdrucktankanordnung, das an der Membran wirkende Kräfteverhältnis und damit das Mitteldruckniveau. Mit fallendem Hochdruckniveau steigt daher typischerweise das Mitteldruckniveau an. Dies kann bei derartigen mechanischen Druckminderern bauartbedingt zu unerwünschten Schwankungen des Mitteldruckniveaus führen.
• Aus Effizienzgründen kann in Wasserstoff-Brennstoffzellensystemen oftmals das Anodenabgas rezirkuliert werden. Hierzu wird aus einem Anodengasablauf der Brennstoffzelle entnommenes Anodenabgas mit Wasserstoff vom Hochdrucktank vermischt und dann über den Anodengaszulauf erneut der Brennstoffzelle zugeführt. Um diese Zirkulation des Anodenabgases zu ermöglichen, weisen Wasserstoff-Brennstoffzellensysteme oftmals eine Strahlpumpe (auch Ejektor genannt) auf. Eine Strahlpumpe ist dabei eine Pumpe, in der die Pumpwirkung durch einen Treibstrahl erzeugt wird, der durch Impulsaustausch ein Saugmedium ansaugt und beschleunigt. Das Gemisch aus Treib- und Saugmedium (Mischgas) verlässt die Strahlpumpe dann über deren Mischgasauslass. Als Treibmedium (welches den Treibstrahl bildet) fungiert dabei der Wasserstoff aus der Hochdrucktankanordnung, als Saugmedium das Anodenabgas. Als (Anodengas-)Rezirkulationsrate bezeichnet man dabei den Massenstromanteil des einströmenden Saugmediums am Massenstrom des die Strahlpumpe verlassenden Gemisches aus Saugmedium und Treibmedium.
• Wenn in einem Wasserstoff-Brennstoffzellensystem ein mechanischer Druckminderer in Kombination mit einer Strahlpumpe zur Anodengasrezirkulation zum Einsatz kommt, ist zwischen diesen beiden Komponenten typischerweise eine Dosierventileinheit vorgesehen. Mittels dieser Dosierventileinheit kann zum einen der Druck des Wasserstoffs vom Mitteldruckniveau auf das Niederdruckniveau herabgesetzt werden und zum anderen die Dosierung des Wasserstoffs geregelt werden. Die Dosierventileinheit regelt damit unmittelbar den Massenstrom des Treibmediums der Strahlpumpe. Aus der Vielzahl der Veröffentlichungen, die derart aufgebaute Wasserstoff-Brennstoffzellensysteme beschreiben, sei exemplarisch auf DE 10 2022 105485 A1 verwiesen. Die zwischen dem Druckminderer und der Strahlpumpe angeordnete Dosierventileinheit umfasst hier zwei fluidisch parallel geschaltete Injektoren.
• Angesichts der extrem hohen Drücke, der Flüchtigkeit und Brennbarkeit (sowie des damit verbundenen hohen Explosionsrisikos) des Wasserstoffs und der Werkstoffbelastungen durch die Wasserstoffdiffusion stellt die Handhabung von Wasserstoff dabei extrem hohe Anforderungen an das Wasserstoff-Brennstoffzellensystem. Vor diesem Hintergrund können Lösungen aus dem CNG-Bereich (Compressed Natural Gas) oder dem Methanol-Bereich typischerweise nicht übernommen werden.
• Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde ein Wasserstoff-Brennstoffzellensystem der eingangs beschriebenen Art bereitzustellen, welches sich durch eine verbesserte Praxistauglichkeit auszeichnet, insbesondere in Bezug auf die Lebensdauer, die Teillastfähigkeit, die Regelbarkeit, die Notlauffähigkeit sowie die Wirtschaftlichkeit.
• Diese Aufgabe wird gelöst durch das erfindungsgemäße Wasserstoff-Brennstoffzellensystem gemäß Anspruch 1, durch das Verfahren zum Ansteuern von Injektoren in einem Wasserstoff-Brennstoffzellensystem gemäß Anspruch 9 sowie durch das Computerprogrammprodukt gemäß Anspruch 10. Besonders vorteilhafte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen beschrieben.
• Das Wasserstoff-Brennstoffzellensystem umfasst
• - eine Hochdrucktankanordnung,
• - eine Injektor-Druckminderungseinheit mit einem Hochdruckzulauf, einem Mitteldruckablauf und mindestens einem Druckminderungsinjektor,
• - eine Strahlpumpeneinheit mit einem Treibgaseinlass, mindestens einem Strahlpumpeninjektor, einer Treibgasdüse, einem Sauggaseinlass und einem Mischgasauslass,
• - eine Brennstoffzellenanordnung mit einem Anodengaszulauf und einem Anodengasablauf,
• - eine Hochdruckleitung, die die Hochdrucktankanordnung mit dem Hochdruckzulauf der Injektor-Druckminderungseinheit fluidisch verbindet,
• - eine Mitteldruckleitung, die den Mitteldruckablauf der Injektor-Druckminderungseinheit mit dem Treibgaseinlass der Strahlpumpeneinheit fluidisch verbindet,
• - eine Niederdruckleitung, die den Mischgasauslass der Strahlpumpeneinheit mit dem Anodengaszulauf der Brennstoffzellenanordnung fluidisch verbindet,
• - eine Rezirkulationsleitung, die den Anodengasablauf der Brennstoffzellenanordnung mit dem Sauggaseinlass der Strahlpumpeneinheit fluidisch verbindet, und
• - ein Steuergerät, wobei
• - der mindestens eine Druckminderungsinjektor jeweils mit seinem Zulauf fluidisch mit der Hochdruckleitung verbunden und mit seinem Ablauf fluidisch mit der Mitteldruckleitung verbunden ist und als Ventil mit genau zwei möglichen diskreten Schaltzuständen (Schaltventil) ausgeführt ist und in einen diskreten geöffneten Zustand und in einen diskreten geschlossenen Zustand bringbar ist,
• - der mindestens eine Strahlpumpeninjektor zwischen dem Treibgaseinlass und der Treibgasdüse angeordnet ist, der Zulauf des mindestens einen Strahlpumpeninjektors fluidisch mit der Mitteldruckleitung verbunden ist und sein Ablauf fluidisch mit der Treibgasdüse verbunden ist,
• - der mindestens eine Strahlpumpeninjektor in mindestens einen geöffneten Zustand und in einen geschlossenen Zustand bringbar ist (Schaltventil oder Proportionalventil), und
• - der mindestens eine Druckminderungsinjektor und der mindestens eine Strahlpumpeninjektor mittels Ansteuerung durch das Steuergerät jeweils unabhängig voneinander in den geöffneten Zustand oder in den geschlossenen Zustand bringbar sind.
• Die Erfindung basiert dabei maßgeblich auf der Erkenntnis, dass sich durch die Kombination der Injektor-Druckminderungseinheit mit der Strahlpumpeneinheit mit einem eigenen Strahlpumpeninjektor im synergetischen Zusammenspiel eine einzigartige Vorteilskombination realisieren lässt:
• Zum einen ermöglicht es die Erfindung, dass der Mitteldruck unabhängig vom Füllgrad der Hochdrucktanks (und somit unabhängig vom Hochdruckniveau) auf einem konstanten Niveau gehalten wird. Dies gelingt durch eine entsprechende hochdruckabhängige Anpassung der Ansteuerung des mindestens einen Druckminderungsinjektors. Diese konstante Mitteldruckhaltung wirkt sich vorteilhaft auf die Lebensdauer der Brennstoffzellenanordnung aus, die typischerweise empfindlich auf Druckschwankungen reagiert.
• Zum anderen kann das Mitteldruckniveau gezielt in einem weiten Bereich (also beispielsweise zwischen 5 bar und dem Hochdruckniveau) exakt und schnell vorgabengemäß eingestellt werden, um die Brennstoffzellenanordnung gezielt in einen gewünschten Betriebszustand zu versetzen, indem der (mindestens eine) Druckminderungsinjektor vom Steuergerät entsprechend angesteuert wird (gezielte Mitteldruckanpassung bzw. Mitteldruckabsenkung).
• Weiterhin kann durch entsprechendes Ansteuern des Strahlpumpeninjektors der Massenstrom des Treibstrahls sowie das Niederdruckniveau eingestellt werden (flexible Treibstrahlformung). Durch einen größeren (aggregierten) Öffnungsgrad des Strahlpumpeninjektors kann dabei auch bei einem geringeren Mitteldruckniveau der (gemittelte) Massenstrom des Treibstrahls sowie das (gemittelte) Niederdruckniveau konstant gehalten werden. Der (aggregierte) Öffnungsgrad (des Strahlpumpeninjektors) beträgt dabei 0%, wenn der Injektor während des Betrachtungszeitraums dauerhaft geschlossen ist, und 100 %, wenn der Injektor während des Betrachtungszeitraums dauerhaft geöffnet ist. Innerhalb dieser Grenzen kann der (aggregierte) Öffnungsgrad variiert werden, indem die Zeitspannen, in denen der Injektor geöffnet ist, angepasst werden und/oder indem der Ventilhub des Injektors angepasst wird.
• Dabei verändert sich das Impuls-Profil des Treibstrahls dahingehend, dass es bei einem geringeren Mitteldruckniveau weniger stark ausgeprägt ist (der Treibstrahl ist also weniger stark gepulst), was (überraschenderweise) eine Reduzierung der Rezirkulationsrate mit sich bringt. Unter einem gepulsten Treibstrahl wird dabei ein Treibstrahl verstanden, der innerhalb eines Betrachtungszeitraums sowohl Phasen eines relativ großen Massenstroms als auch Phasen eines relativ kleinen Massenstroms an Treibgas aufweist. Bei einem kontinuierlichen Treibstrahl hingegen ist der Massenstrom des Treibgases im Betrachtungszeitraum (im Wesentlichen) konstant.
• Dadurch, dass einerseits das Mitteldruckniveau und damit der Vordruck der Strahlpumpeneinheit flexibel und gezielt angepasst werden kann (flexible Mitteldruckanpassung) und andererseits das Niederdruckniveau, der Massenfluss sowie das Impuls-Profil des Treibstrahls der Strahlpumpeneinheit durch den Strahlpumpeninjektor separat gesteuert werden kann (flexible Treibstrahlformung), kann der Wasserstoffzustrom zur Brennstoffzelle sowie die (Anodengas-)Rezirkulationsrate in einem sehr weiten Bereich variiert werden. Dies ermöglicht einen Betrieb der Brennstoffzelle in einem sehr breiten Lastbereich und verbessert die Regelbarkeit.
• Dieses Prinzip soll im Folgenden beispielhaft erläutert werden. Die Erfindung ermöglicht es, ein und denselben Treibstrahlmassenfluss sowohl durch die Kombination eines (relativ) hohen Mitteldrucks mit einem (relativ) geringen (aggregierten) Öffnungsgrad des Strahlpumpeninjektors als auch durch die Kombination eines (relativ) niedrigen Mitteldrucks mit einem (relativ) hohen (aggregierten) Öffnungsgrad des Strahlpumpeninjektors bereitzustellen. Dabei haben die Erfinder erkannt, dass sich auf diese Weise die (Anodengas- )Rezirkulationsrate beeinflussen lässt: Wird ein (relativ) hoher Mitteldruck mit einem (relativ) geringen (aggregierten) Öffnungsgrad des Strahlpumpeninjektors kombiniert, stellen sich ein (relativ) stark gepulster Treibstrahl und eine (relativ) hohe Rezirkulationsrate ein. Wird hingegen ein (relativ) geringer Mitteldruck mit einem (relativ) hohen (aggregierten) Öffnungsgrad des Strahlpumpeninjektors kombiniert, stellen sich ein (relativ) kontinuierlicher Treibstrahl und eine (relativ) geringe Rezirkulationsrate ein. Bei einer entsprechenden gezielten Absenkung des Mitteldrucks (auf etwa 4 bis 10 bar, insbesondere auf etwa 6 bis 8 bar) kann die Rezirkulationsrate sogar auf nahezu null reduziert werden. Dies kann insbesondere beim Kaltstart der Brennstoffzelle von Vorteil sein, da während dieser Betriebsphase Rezirkulation typischerweise unerwünscht ist.
• Die Erfindung ermöglicht es demnach, dass über eine geeignete Wahl des Mitteldrucks bzw. über eine entsprechende Ansteuerung der Injektoren die Rezirkulationsrate gezielt beeinflusst und gesteuert werden kann. Dadurch wird einen effizienteren Betrieb des Brennstoffzellensystems ermöglicht.
• Weiterhin ermöglicht die Erfindung einen Betrieb der Brennstoffzellenanordnung bei sehr geringer Teillast. Die untere Grenze der Teillastfähigkeit einer Brennstoffzelle wird oftmals durch den Injektor bestimmt, der den Treibstrahlmassenfluss formt; denn typischerweise können Injektoren in einem Öffnungsgradbereich von größer 0% und kleiner 5% nicht mit der notwendigen Regelungsgenauigkeit betrieben werden. Der betreffende Injektor ist also entweder dauerhaft geschlossen (aggregierter Öffnungsgrad 0%) oder aber er weist einen (minimalen) aggregierter Öffnungsgrad von mindestens 5% auf. Der sich bei diesem (minimalen) aggregierten Öffnungsgrad von 5% einstellende Treibgasmassenstrom definiert damit die untere Grenze der Teillastfähigkeit der Brennstoffzelle. Durch eine von der Erfindung ermöglichte gezielte Absenkung des Mitteldrucks kann in dieser Situation bei unverändertem minimalen aggregierten Öffnungsgrad des Strahlpumpeninjektors der Treibstrahlmassenfluss weiter verringert werden, wodurch die untere Grenze der Teillastfähigkeit weiter nach unten verschoben wird. Auf diese Weise kann Wasserstoff eingespart und die Lebensdauer verlängert werden.
• Darüber hinaus kann mit einer gezielten Erhöhung des Mitteldrucks der Wasserstoffzufluss zur Brennstoffzelle temporär erhöht werden, wodurch die maximale elektrische Leistung der Brennstoffzelle kurzzeitig gesteigert werden kann (kurzzeitiger Leistungsboost).
• Ferner lässt sich durch eine entsprechende zeitliche Synchronisation des Öffnens der Druckminderungsinjektoren und des Strahlpumpeninjektors erreichen, dass sich eine durch das schlagartige Öffnen der Druckminderungsinjektoren erzeugte (Wasserstoff-)Druckwelle durch die Mitteldruckleitung und den (im richtigen Moment geöffneten) Strahlpumpeninjektor hindurch bis in die Treibgasdüse der Strahlpumpeneinheit und die Brennstoffzellenanordnung hinein fortpflanzt. Diese pulsierende Beschickung der Treibgasdüse der Strahlpumpe mit Wasserstoff kann in gewissen Betriebsphasen der Brennstoffzellenanordnung vorteilhaft sein, um beispielsweise die Rezirkulationsrate (noch weiter) zu erhöhen oder das Spülen des Anodengaskreislaufs zu verbessern.
• Die gezielte Mitteldruckabsenkung ermöglicht weiterhin, dass das Wasserstoff-Brennstoffzellensystem in einem erweiterten Notbetrieb betrieben werden kann. Bei konventionellen Wasserstoff-Brennstoffzellensystemen kann der Hochdrucktankanordnung im Normalbetrieb typischerweise lediglich bis zu einem Tankdruck von ca. 20 bis 40 bar Wasserstoff entnommen und der Brennstoffzellenanordnung zugeführt werden. Dieser minimale Tankentnahmedruck wird dabei meist durch den verwendeten Druckminderer begrenzt, da das Hochdruckniveau technisch bedingt nicht unter das vom Druckminderer definierte Mitteldruckniveau fallen kann. Beim erfindungsgemäßen Wasserstoff-Brennstoffzellensystem hingegen kann durch die gezielte Mitteldruckabsenkung das Mitteldruckniveau in solchen Fällen weiter abgesenkt werden, was ein weiteres Entleeren der Hochdrucktanks und somit einen erweiterten Notbetrieb ermöglicht. Kommt das Wasserstoff-Brennstoffzellensystem in einem Fahrzeug zum Einsatz, kann durch diesen erweiterten Notbetrieb beispielsweise ermöglicht werden, dass das Fahrzeug eine Gefahrenstelle aus eigener Kraft verlassen und selbstständig eine Tankstelle anfahren kann.
• Um die beschriebenen Effekte zu erzielen, ist es dabei unverzichtbar, dass der Mitteldruck nicht unmittelbar den durch die Treibgasdüse tretenden Treibstrahl bestimmt, sondern mit dem Strahlpumpeninjektor ein weiteres ansteuerbares Ventil zwischen der Injektor-Druckminderungseinheit und der Treibgasdüse zwischengeschaltet ist, welches den Treibstrahl bezogen auf seinen Massenstrom und sein Druckniveau formt und bestimmt.
• Somit ermöglicht es die vorliegende Erfindung beispielsweise, dass für ein vorgegebenes Hochdruckniveau in der Hochdruckleitung
• - der mindestens eine Druckminderungsinjektor mittels eines ersten Steuersignals oder mittels eines zweiten Steuersignals durch das Steuergerät ansteuerbar ist, wobei
• - bei Ansteuerung des mindestens einen Druckminderungsinjektors mittels des ersten Steuersignals, sich in der Mitteldruckleitung ein erster Mitteldruck einstellt und sich im Anodengaskreislauf der Brennstoffzellenanordnung eine erste Rezirkulationsrate einstellt, und
• - bei Ansteuerung des mindestens einen Druckminderungsinjektors mittels des zweiten Steuersignals, sich in der Mitteldruckleitung ein zweiter Mitteldruck einstellt, der kleiner ist als der erste Mitteldruck, und sich im Anodengaskreislauf der Brennstoffzellenanordnung eine zweite Rezirkulationsrate einstellt, die kleiner ist als die erste Rezirkulationsrate.
• Im Folgenden soll auf einzelne Merkmale des erfindungsgemäßen Wasserstoff-Brennstoffzellensystems detaillierter eingegangen werden.
• Die Hochdrucktankanordnung umfasst einen oder mehrere Hochdrucktanks, die jeweils geeignet sind, Wasserstoff auf einem Hochdruckniveau (typischerweise bis zu 1000 bar) über die Hochdruckleitung bereitzustellen. Weiterhin kann die Hochdrucktankanordnung ein Absperrventil (Shut-Off-Valve) aufweisen, welches dazu eingerichtet ist, den Hochdrucktank (oder die Hochdrucktanks) fluidisch mit der Hochdruckleitung zu verbinden bzw. von der Hochdruckleitung zu trennen. Alternativ oder zusätzlich kann auch ein Absperrventil zwischen der Injektor-Druckminderungseinheit und der Strahlpumpeneinheit vorgesehen sein, um die fluidische Verbindung zwischen dem Mitteldruckablauf der Injektor-Druckminderungseinheit und dem Treibgaseinlass der Strahlpumpeneinheit herzustellen bzw. zu unterbrechen.
• Ein Injektor ist ein Ventil, das in einen geöffneten Zustand und in einen geschlossenen Zustand bringbar ist, indem ein elektronisch ansteuerbarer (insbesondere elektromagnetischer) Aktuator einen Ventilkörper in eine geöffnete Position oder eine geschlossene Position bewegt und damit eine fluidische Verbindung zwischen dem Zulauf und dem Ablauf des Injektors freigibt oder unterbricht. Typischerweise sind Injektoren dabei derart ausgeführt, dass sich der Ventilkörper im stromlosen Zustand (also wenn der Aktuator nicht angeregt ist) in der geschlossenen Position befindet. Um den Injektor in den geöffneten Zustand zu bringen, ist durch den Aktuator eine Öffnungskraft auf den Ventilkörper auszuüben, die typischerweise mit dem zulaufseitigen Druck und der Größe des Ventilkörpers (bzw. mit der Fläche des Ventilkörpers, auf die der zulaufseitige Druck wirkt) ansteigt.
• Ein Injektor kann dabei als ein Schaltventil oder ein Proportionalventil ausgeführt sein. Ein als Schaltventil ausgeführter Injektor ist in genau zwei diskrete Schaltzustände bringbar, und zwar in einen diskreten geöffneten Zustand (Ventilhub 100%) und einen diskreten geschlossenen Zustand (Ventilhub 0%). Der mindestens eine Druckminderungsinjektor ist jeweils als ein Schaltventil ausgeführt.
• Ein als Proportionalventil ausgeführter Injektor hingegen kann auch Zustände zwischen dem vollständig geschlossenen Zustand und dem vollständig geöffneten Zustand einnehmen. Der Ventilhub kann dabei kontinuierlich geregelt werden. Ein derartiger Injektor ist somit mindestens in einen geöffneten Zustand oder einen geschlossenen Zustand bringbar. Der mindestens eine Strahlpumpeninjektor kann jeweils als Schaltventil oder als Proportionalventil ausgeführt sein.
• Für alle Injektoren gilt, dass im geöffneten Zustand der Zulauf mit dem Ablauf des jeweiligen Injektors fluidisch verbunden ist und im geschlossenen Zustand der Zulauf vom Ablauf des jeweiligen Injektors fluidisch getrennt ist.
• Die Erfindung ermöglicht, dass Injektoren, die nur disktrete Schaltzustände zulassen (Schaltventile) und damit relativ einfach und sehr robust aufgebaut sind, als Druckminderungsinjektoren verwendet werden können, um den Mitteldruck unabhängig vom Hochdruck konstant zu halten oder gezielt flexibel anzupassen. Dies beeinflusst auf vorteilhafte Weise die Zuverlässigkeit sowie die Wirtschaftlichkeit der Druckminderungseinheit im Speziellen und des Wasserstoff-Brennstoffzellensystems im Allgemeinen.
• Der maximale Massenfluss durch einen Injektor wird auch als maximale Ventildurchflussrate eines Injektors bezeichnet und hängt von den Strömungsquerschnitten des jeweiligen Injektors ab. Große maximale Ventildurchflussraten werden dabei typischerweise mit großen Strömungsquerschnitten unter Verwendung von großen Ventilkörpern realisiert. Vor diesem Hintergrund kann gesagt werden, dass mit wachsenden maximalen Ventildurchflussraten eines Injektors auch die benötigte Öffnungskraft zur Bewegung des Ventilkörpers steigt.
• Mittels der Injektor-Druckminderungseinheit kann der Druck des Wasserstoffs vom Hochdruckniveau (welches in der Hochdruckleitung herrscht) auf das Mitteldruckniveau (welches in der Mitteldruckleitung herrscht) reduziert werden. Es ist weiterhin denkbar, dass fluidisch parallel zur Druckminderungseinheit ein konventioneller mechanischer Druckminderer und/oder ein als Druckminderer fungierendes Proportionalventil angeordnet ist.
• Die Strahlpumpeneinheit weist mindestens einen Treibgaseinlass, mindestens einen Strahlpumpeninjektor, eine Treibgasdüse, einen Sauggaseinlass und einen Mischgasauslass auf. Über den Treibgaseinlass strömt das Treibgas Wasserstoff auf dem Mitteldruckniveau durch die Mitteldruckleitung von der Hochdrucktankanordnung in die Strahlpumpeneinheit. Der mindestens eine Strahlpumpeninjektor ist zwischen dem Treibgaseinlass und der Treibgasdüse angeordnet und formt bzw. bestimmt gemäß seiner Ansteuerung durch das Steuergerät den Massenfluss des Wasserstoffs durch die Treibgasdüse (und somit den Massenfluss des Treibstrahls), das Impuls-Profil des Treibstrahls und den sich in der Niederdruckleitung einstellenden Niederdruck. Der Treibstrahl tritt mit dem Passieren der Treibgasdüse in eine sogenannte Mischkammer ein. Durch den (in die Mischkammer mündenden) Sauggaseinlass tritt über die Rezirkulationsleitung auch das Sauggas (Anodenabgas) aus der Brennstoffzellenanordnung in die Mischkammer ein. Aufgrund des Impulsaustausches zwischen dem Treibstrahl und dem Sauggas (Anodenabgas) wird das Sauggas beschleunigt und mit dem Treibgas vermischt. Das Mischgas aus Sauggas (Anodenabgas) und Treibgas (Wasserstoff) verlässt die Stahlpumpeneinheit dann über deren Mischgasauslass und strömt über die Niederdruckleitung der Brennstoffzellenanordnung über den Anodengaszulauf zu. In der Niederdruckleitung herrscht das Niederdruckniveau.
• Weiterhin ist es denkbar, dass eine Bypassleitung vorgesehen ist, mittels der der Treibgaseinlass und der Mischgasauslass fluidisch verbindbar sind. In der Bypassleitung ist dabei ein ansteuerbares Schalt- oder Proportionalventil angeordnet, durch das Wasserstoff an der Strahlpumpeneinheit vorbei der Brennstoffzellenanordnung zugeführt werden kann.
• Die Brennstoffzellenanordnung umfasst eine oder mehrere (in Reihe oder parallel geschaltete) Brennstoffzellen und weist einen Anodengaskreislauf und einen Kathodengaskreislauf auf. Über den Anodengaskreislauf wird die Brennstoffzellenanordnung mit Wasserstoff, über den Kathodengaskreislauf mit Sauerstoff versorgt, die dann unter Freisetzung von elektrischer Energie in Wasser umgesetzt werden. Mittels der Rezirkulationsleitung kann erreicht werden, dass Wasserstoff, der nicht zu Wasser umgesetzt wurde und die Brennstoffzellenanordnung über den Anodengasablauf verlässt, erneut dem Anodengaskreislauf zugeführt werden kann. Auf diese Weise kann der Grad der Wasserstoffausnutzung und somit die Effizienz der Brennstoffzellenanordnung erhöht werden.
• Das Steuergerät ist mit dem mindestens einen Druckminderungsinjektor und dem mindestens einen Strahlpumpeninjektor wirkverbunden und dazu eingerichtet, die Injektoren unabhängig voneinander anzusteuern und sie damit unabhängig voneinander jeweils in ihren geöffneten Zustand oder ihren geschlossenen Zustand zu bringen.
• Das Ansteuern der Injektoren durch das Steuergerät erfolgt dabei sinnvollerweise insbesondere auch in Abhängigkeit davon, welche elektrische Leistung die Brennstoffzellenanordnung momentan erbringt bzw. erbringen soll, welche Drücke in der Hochdruckleitung, der Mitteldruckleitung und der Niederdruckleitung momentan herrschen bzw. herrschen sollen und welche (Anodengas-)Rezirkulationsrate derzeit erwünscht ist. In Abhängigkeit von den entsprechenden SOLL- bzw. ISTWerten erfolgt die Ansteuerung der Injektoren insbesondere mittels eines hierzu hinterlegten Kennfeldes. Die IST-Werte der Drücke in der Hochdruckleitung, der Mitteldruckleitung und der Niederdruckleitung werden dabei insbesondere durch entsprechend positionierte Drucksensoren erfasst und an das Steuergerät übermittelt, wo sie dann eingelesen werden.
• Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass der mindestens eine Strahlpumpeninjektor jeweils als Ventil mit genau zwei möglichen diskreten Schaltzuständen ausgeführt ist und in einen diskreten geöffneten Zustand und in einen diskreten geschlossenen Zustand bringbar ist.
• Auf diese Weise können Injektoren, die nur disktrete Schaltzustände zulassen (Schaltventile) und damit relativ einfach und sehr robust aufgebaut sind, auch als Strahlpumpeninjektoren verwendet werden, was die Wirtschaftlichkeit und die Zuverlässigkeit des Wasserstoff-Brennstoffzellensystems weiter verbessern kann.
• Gemäß einer anderen bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass der mindestens eine Druckminderungsinjektor und optional der mindestens eine Strahlpumpeninjektor mittels getakteter, insbesondere mittels pulsweitenmodulierter oder frequenzmodulierter, Ansteuerung durch das Steuergerät in den geöffneten Zustand oder den geschlossenen Zustand bringbar ist.
• Das Mitteldruck- und das Niederdruckniveau sind somit mittels des Steuergeräts auf den gewünschten Wert regelbar, indem durch eine Anpassung der Taktung der Injektoren, insbesondere durch eine Modulation der Pulsweiten des pulsweitenmodulierten Ansteuerungssignals (Pulsweitenmodulation) oder durch Modulation der Frequenz, beeinflusst wird, wie lange die Injektoren jeweils ihren geöffneten bzw. geschlossenen Zustand einnehmen.
• Die Pulsweitenmodulation (PWM) wird dabei auch als Pulslängenmodulation, Pulsdauermodulation oder Pulsbreitenmodulation bezeichnet. Ein Injektor, der mittels Pulsweitenmodulation (PWM) ansteuerbar ist, wird auch als PWM-Injektor bezeichnet.
• Dabei gilt, dass mit steigender Dauer, die ein Injektor seinen geöffneten Zustand einnimmt, sich das Druckniveau seines Zulaufs weiter dem Druckniveau seines Ablaufs annähert.
• Weiterhin weist bei dem erfindungsgemäßen Wasserstoff-Brennstoffzellensystem die Mitteldruckleitung bevorzugt ein Puffervolumen von insbesondere 0,5 l (Liter) bis 2 l (Liter), bevorzugt von 0,8 l (Liter) bis 1,6 l (Liter), auf.
• Durch das Puffervolumen kann erreicht werden, dass sich die Strömungsverhältnisse des Wasserstoffs des Mitteldruckniveaus beruhigen und harmonisieren. Auf diese Weise kann ein besonders konstantes Mitteldruckniveau realisiert werden, was vorteilhaft für die Lebensdauer der Brennstoffzellenanordnung sein kann. Weiterhin kann dadurch ein kontinuierlicher und konstanter Zulauf von Wasserstoff auf dem Mitteldruckniveau zum (mindestens einen) Strahlpumpeninjektor realisiert werden, wodurch wiederrum ein besonders kontinuierlicher und konstanter Treibstrahl ermöglicht wird und insbesondere der Regelaufwand in Bezug auf den (mindestens einen) Strahlpumpeninjektor reduziert werden kann. Dies kann einem kontinuierlichen und gleichmäßigen Betrieb der Brennstoffzellenanordnung sowie der Realisierung einer geringen Rezirkulationsrate zuträglich sein.
• Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Wasserstoff-Brennstoffzellensystems weist die Injektor-Druckminderungseinheit mindestens zwei Druckminderungsinjektoren auf.
• Die mindestens zwei Druckminderungsinjektoren sind dabei jeweils mit ihrem Zulauf fluidisch mit der Hochdruckleitung verbunden und mit ihrem Ablauf fluidisch mit der Mitteldruckleitung verbunden. Die mindestens zwei Druckminderungsinjektoren sind somit fluidisch parallelgeschaltet.
• Dadurch, dass mindestens zwei fluidisch parallelgeschaltete, unabhängig voneinander ansteuerbare Druckminderungsinjektoren (statt eines einzigen Druckminderungsinjektors mit einer entsprechend größeren maximalen Ventildurchflussrate) zum Einsatz kommen, können eine Reihe von Vorteilen im Zusammenhang mit der flexiblen Mitteldruckanpassung realisiert werden:
• Je kleiner die maximale Ventildurchflussrate eines Druckminderungsinjektors, desto geringer ist die Öffnungskraft, die aufgewendet werden muss, um den Ventilkörper des (normal geschlossenen) Injektors vom geschlossenen Zustand gegen den hochdruckseitigen Wasserstoffdruck in den geöffneten Zustand zu bewegen. Der die Öffnungskraft aufbringende (elektromagnetische) Aktuator kann demnach entsprechend kleiner dimensioniert werden. Durch die fluidisch parallele Anordnung mehrerer Druckminderungsinjektoren kann somit die durch den Aktuator aufzubringende Öffnungskraft (im Vergleich zu einem einzigen entsprechend größeren Injektor) signifikant reduziert werden. Auf diese Weise kann die Größe des Aktuators in vorteilhafterweise reduziert und/oder der maximal mögliche Öffnungsdruck der Druckminderungsinjektoren (= der maximale hochdruckseitige Druck, bei dem der jeweilige Injektor durch den Aktuator geöffnet werden kann) erhöht werden. Darüber hinaus können Injektoren mit kleinen Ventilkörpern schneller und präziser angesteuert werden, da Massenträgheitseffekte weniger stark ins Gewicht fallen.
• Weiterhin kann durch die separate, individuelle Ansteuerung der Druckminderungsinjektoren erreicht werden, dass der gewünschte Mitteldruck (weitestgehend) unabhängig vom momentanen Hochdruck realisiert werden kann. So kann beispielsweise bei einem sehr hohen Hochdruckniveau nur ein einziger der Druckminderungsinjektoren (insbesondere der Druckminderungsinjektor mit der kleinsten maximalen Ventildurchflussrate) vom Steuergerät angesteuert werden, während der oder die anderen Druckminderungsinjektoren dauerhaft geschlossen sind. Sinkt das Hochdruckniveau unter eine gewisse Schwelle, dann können vom Steuergerät auch der oder die anderen Druckminderungsinjektoren angesteuert (und geöffnet werden), um den gewünschten Massenstrom und damit das gewünschte Mitteldruckniveau zu realisieren.
• Dadurch schafft die Injektor-Druckminderungseinheit den Spagat, dass sie einerseits bei (auch) einem sehr hohen Hochdruckniveau einsetzbar ist und andererseits (auch) bei einem relativ niedrigen Hochdruckniveau ausreichend große Wasserstoff-Massenströme ermöglichen kann. Denn durch deren Parallelschaltung können relativ kleine Druckminderungsinjektoren (mit einem entsprechend hohen maximalen Ventil-Öffnungsdruck) zum Einsatz kommen, die auch angesichts eines sehr hohen Hochdruckniveaus geöffnet werden können, weil selbst dann die entsprechenden Öffnungskräfte angesichts der geringen Größe der Druckminderungsinjektoren überschaubar sind. Gleichzeitig ermöglicht die Parallelschaltung der Druckminderungsinjektoren, dass auch bei einem relativ niedrigen Hochdruckniveau der gewünschte Wasserstoff-Massenstrom realisiert werden kann, indem mehrere (bzw. alle) Druckminderungsinjektoren geöffnet werden und sich auf diese Weise der dem Wasserstoff zur Verfügung stehende Strömungsquerschnitt additiv vergrößern lässt.
• Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Wasserstoff-Brennstoffzellensystems, weist die Injektor-Druckminderungseinheit drei Druckminderungsinjektoren auf.
• In besonders vorteilhafter Weise sind die mindestens zwei Druckminderungsinjektoren baugleich.
• Auf diese Weise können die Vorteile einer Gleichteilstrategie realisiert werden, insbesondere im Hinblick auf Einkaufsvorteile und eine Reduzierung der Systemkomplexität.
• Alternativ oder zusätzlich können
• - mindestens zwei der Druckminderungsinjektoren unterschiedliche maximale Ventildurchflussraten (Ventilströmungsraten), insbesondere unterschiedliche Ventil-Durchflusskoeffizienten K_VS aufweisen, und/oder
• - mindestens zwei der Druckminderungsinjektoren unterschiedliche maximale Ventil-Öffnungsdrücke aufweisen.
• Damit kann erreicht werden, dass auch bei einem sehr hohen Hochdruckniveau bei Ansteuerung des „kleinsten“ Druckminderungsinjektors (= jener Druckminderungsinjektor mit der kleinsten maximalen Ventil-Durchflussrate) unter Einsatz moderater Öffnungskräfte eine fluidische Verbindung zwischen der Hochdruckleitung und der Mitteldruckleitung hergestellt werden kann. Die durch die Aktuatoren der Injektoren bereitzustellende Öffnungskraft kann damit reduziert werden, was sich vorteilhaft auf die Größe des Injektors und dessen Wirtschaftlichkeit auswirkt.
• Die maximale Ventildurchflussrate eines Injektors wird oftmals durch einen (Ventil-)Durchflusskoeffizient bezeichnet. Der Ventil-)Durchflusskoeffizient ist dabei ein Maß für den erzielbaren Durchsatz einer Flüssigkeit oder eines Gases durch ein Ventil und dient zur Auswahl und Dimensionierung des Ventils. Der sogenannte Ventil-)Durchflusskoeffizient K_V (K_V-Wert) entspricht gemäß VDI/VDE-Richtlinie 2173 dabei dem Wasserdurchfluss in m³/h durch ein Ventil bei einer Druckdifferenz von 1 bar und einer Wassertemperatur von 5 bis 40°C. Der K_V-Wert ist dabei abhängig vom zugehörigen Ventilhub. Der K_V-Wert bei Nennhub, was einem vollständig geöffneten Ventil und somit einem Ventilhub von 100% entspricht, wird als K_VS-Wert oder Kv100 bezeichnet und definiert den maximal möglichen Durchsatz des Ventils. Der K_V-Wert bzw. K_VS-Wert ist dabei im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung gemäß VDI/VDE-Richtlinie 2173 (Stand: September 2007) zu bestimmen, selbst wenn die verwendeten Injektoren außerhalb des Anwendungsbereichs der Richtlinie liegen sollten.
• Weiterhin kann das Wasserstoff-Brennstoffzellensystem ein oder mehrere Überdruckventile aufweisen, die dazu geeignet sind, das Druckniveau in der Hochdruckleitung, in der Mitteldruckleitung bzw. in der Niederdruckleitung auf einen jeweiligen Maximaldruckwert zu begrenzen. Derartige Überdruckventile werden typischerweise aus Sicherheitsgründen vorgesehen und stellen eine übliche und dem Fachmann bekannte Praxis dar.
• Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung umfasst das Wasserstoff-Brennstoffzellensystem
• - einen portablen Wasserstoff-Reservetank mit einem Kupplungsstutzen, der einen Stutzenkanal aufweist, in dem ein Kupplungsventil angeordnet ist,
• - eine mit dem Kupplungsstutzen korrespondierenden Kupplungsstutzenaufnahme, die einen Aufnahmekanal aufweist, und
• - eine Reservetankleitung, die den Aufnahmekanal der Kupplungsstutzenaufnahme mit dem Hochdruckzulauf oder dem Mitteldruckablauf der Injektor-Druckminderungseinheit fluidisch verbindet, wobei
• - der Kupplungsstutzen mit dem Kupplungsstutzenanschluss koppelbar ist (gekoppelter Zustand) und von diesem entkoppelbar ist, und
• - im gekoppelten Zustand, der Stutzenkanal und der Aufnahmekanal fluidisch verbunden sind,
• - sodass der Wasserstoff-Reservetank bei geöffnetem Kupplungsventil über den Stutzenkanal, den Aufnahmekanal und die Reservetankleitung mit dem Hochdruckzulauf oder dem Mitteldruckablauf der Injektor-Druckminderungseinheit fluidisch verbunden ist.
• Wenn die Hochdrucktankanordnung soweit entleert ist, dass die Brennstoffzellenanordnung nicht mehr mit Wasserstoff versorgt werden kann, kann auf diese Weise der portable Wasserstoff-Reservetank (insbesondere durch den Fahrzeugführer) über einen (aus dem Kupplungsstutzen und der Kupplungsstutzenaufnahme bestehenden) Kupplungsmechanismus fluidisch mit dem Wasserstoff-Brennstoffzellensystem verbunden werden. Der Wasserstoff des Wasserstoff-Reservetanks kann dann in das Wasserstoff-Brennstoffzellensystem einströmen und an die Brennstoffzellenanordnung abgegeben werden, um somit deren Weiterbetrieb im Reservebetrieb zu ermöglichen (insbesondere ein Weiterfahren des zugehörigen Fahrzeugs bis zur nächsten Tankstelle). Der Wasserstoff im Wasserstoff-Reservetank liegt dabei vorteilhafterweise auf einem relativ niedrigen Druckniveau (insbesondere bis maximal 50 bar) vor, um eine einfache und kostengünstige Konstruktion zu ermöglichen. Die Möglichkeit den Mitteldruck mittels der Injektor-Druckminderungseinheit gezielt abzusenken, ermöglicht dabei in vorteilhafter Weise die Verwendung eines Wasserstoff-Reservetanks mit einem besonders niedrigen Druckniveau und/oder dessen weitestgehende Entleerung.
• Der Wasserstoff-Reservetank weist dabei bevorzugt Abmessungen auf, die eine Handhabung durch eine einzige Person ermöglichen, insbesondere beträgt die Längserstreckung des Reservetanks weniger als 100 cm, bevorzugt weniger als 50 cm.
• Weiterhin manifestiert sich die Erfindung in dem Verfahren zum Ansteuern von Druckminderungsinjektoren eines erfindungsgemäßen Wasserstoff-Brennstoffzellensystems mit den folgenden Schritten:
• - Einlesen eines in der Hochdruckleitung anliegenden IST-Hochdruckwerts in das Steuergerät,
• - Bereitstellen eines Hochdruck-Schwellwerts im Steuergerät,
• - Vergleichen des IST-Hochdruckwerts mit dem Hochdruck-Schwellwert durch das Steuergerät,
• - Wenn der IST-Hochdruckwert größer ist als der Hochdruck-Schwellwert, dann Ansteuern eines ersten der Druckminderungsinjektoren durch das Steuergerät, derart, dass der erste Druckminderungsinjektor seinen geschlossenen Zustand einnimmt, und Ansteuern eines zweiten der Druckminderungsinjektoren durch das Steuergerät durch Übermitteln eines getakteten, insbesondere pulsweitenmodulierten, Signals, und
• - Wenn der IST-Hochdruck kleiner gleich dem Hochdruck-Schwellwert ist, dann Ansteuern der mindestens zwei Druckminderungsinjektoren durch das Steuergerät durch Übermitteln jeweils eines getakteten, insbesondere pulsweitenmodulierten, Signals an jeden Druckminderungsinjektor.
• Die im Zusammenhang mit bevorzugten Ausführungsformen des Wasserstoff-Brennstoffzellensystems beschriebenen Merkmale lassen sich auch in analoger Weise auf entsprechende bevorzugte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Ansteuern von Injektoren in einem Wasserstoff-Brennstoffzellensystem übertragen.
• Ferner zeigt sich die Erfindung in dem Computerprogrammprodukt, welches zur Ausführung auf einem Steuergerät eines erfindungsgemäßen Wasserstoff-Brennstoffzellensystems geeignet ist und Befehle umfasst, die bei der Ausführung bewirken, dass das Steuergerät das erfindungsgemäße Verfahren ausführt.
• Nachfolgend werden mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt
• 1 ein erfindungsgemäßes Wasserstoff-Brennstoffzellensystem,
• 2A, 2B verschiedene Injektor-Druckminderungseinheiten erfindungsgemäßer Wasserstoff-Brennstoffzellensysteme,
• 3 ein erfindungsgemäßes Wasserstoff-Brennstoffzellensystem mit einem Wasserstoff-Reservetank, und
• 4 ein Prozessflussdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Ansteuern von Injektoren in einem erfindungsgemäßen Wasserstoff-Brennstoffzellensystem.
• 1 ist eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Wasserstoff-Brennstoffzellensystems 1 mit einer Hochdrucktankanordnung 2, einer Injektor-Druckminderungseinheit 3, einer Strahlpumpeneinheit 4, einer Brennstoffzellenanordnung 5 und einem Steuergerät 6.
• Die Hochdrucktankanordnung 2 ist über eine Hochdruckleitung 7 mit einem Hochdruckzulauf 8 der Injektor-Druckminderungseinheit 3 fluidisch verbunden. Die Hochdrucktankanordnung 2 ist dazu eingerichtet Wasserstoff auf einem Hochdruckniveau über die Hochdruckleitung 7 bereitzustellen. An der Hochdruckleitung 7 ist ein erster Drucksensor 9 angeordnet, der dazu eingerichtet ist, den in der Hochdruckleitung 7 anliegenden Hochdruck zu erfassen und einen erfassten IST-Hochdruckwert über eine Signalleitung S an das Steuergerät 6 zu übermitteln.
• Die Injektor-Druckminderungseinheit 3 weist neben dem Hochdruckzulauf 8, einen Mitteldruckablauf 10 und drei Druckminderungsinjektoren 11 auf, die mit ihren (Injektor- )Zuläufen 11Z jeweils fluidisch mit dem Hochdruckzulauf 8 (und somit mit der Hochdruckleitung 7) verbunden und mit ihren (Injektor-)Abläufen 11A fluidisch mit dem Mitteldruckablauf 10 verbunden sind.
• Die Druckminderungsinjektoren 11 sind jeweils baugleich und als ein Ventil mit genau zwei möglichen diskreten Schaltzuständen ausgeführt und jeweils in einen geöffneten Zustand und in einen geschlossenen Zustand bringbar. Im geöffneten Zustand ist der (Injektor-)Zulauf 11Z mit dem (Injektor-)Ablauf 11A des jeweiligen Injektors fluidisch verbunden, im geschlossenen Zustand ist der Zulauf 11Z vom Ablauf 11A des jeweiligen Injektors fluidisch getrennt. Die Druckminderungsinjektoren 11 sind mit dem Steuergerät 6 über Steuerleitungen 11S wirkverbunden und mittels (elektronischer) pulsweitenmodulierter Ansteuerung durch das Steuergerät 6 unabhängig voneinander in ihren geöffneten Zustand oder ihren geschlossenen Zustand bringbar.
• Eine Mitteldruckleitung 12 weist ein Puffervolumen 13 auf und verbindet den Mitteldruckauflauf 10 der Injektor-Druckminderungseinheit 3 fluidisch mit einem Treibgaseinlass 14 der Strahlpumpeneinheit 4. An der Mitteldruckleitung 12 ist ein zweiter Drucksensor 15 angeordnet, der dazu eingerichtet ist, den in der Mitteldruckleitung 12 anliegenden Mitteldruck (Mitteldruckniveau) zu erfassen und einen erfassten IST-Mitteldruckwert über die Signalleitung S an das Steuergerät 6 zu übermitteln.
• Die Strahlpumpeneinheit 4 weist neben dem Treibgaseinlass 14, einen Strahlpumpeninjektor 16, eine Treibgasdüse 17, einen Sauggaseinlass 18, eine Mischkammer 19 und einen Mischgasauslass 20 auf. Der Strahlpumpeninjektor 16 ist zwischen dem Treibgaseinlass 14 und der Treibgasdüse 17 angeordnet. Der (Strahlpumpeninjektor-)Zulauf 16Z des Strahlpumpeninjektors ist fluidisch mit der Mitteldruckleitung 12 verbunden, der (Strahlpumpeninjektor-)Ablauf 16A des Strahlpumpeninjektors ist fluidisch mit dem Mischgasauslass 20 verbunden.
• Der Strahlpumpeninjektor 16 ist als ein Ventil mit genau zwei möglichen diskreten Schaltzuständen ausgeführt und jeweils in einen geöffneten diskreten Zustand und in einen geschlossenen diskreten Zustand bringbar. Im geöffneten Zustand ist der Zulauf 16Z mit dem Ablauf 16A des Strahlpumpeninjektors 16 fluidisch verbunden, im geschlossenen Zustand ist der Zulauf 16Z vom Ablauf 16A des Strahlpumpeninjektors 16 fluidisch getrennt. Der Strahlpumpeninjektor 16 ist mit dem Steuergerät 6 wirkverbunden und mittels (elektronischer) Ansteuerung durch das Steuergerät über eine (Strahlpumpeninjektor-)Steuerleitung 16S unabhängig von den Druckminderungsinjektoren in seinen geöffneten Zustand oder seinen geschlossenen Zustand bringbar.
• Eine Niederdruckleitung 21 verbindet den Mischgasauslass 20 der Strahlpumpeneinheit 4 fluidisch mit einem Anodengaszulauf 22 der Brennstoffzellenanordnung 5. An der Niederdruckleitung 21 ist ein dritter Drucksensor 23 angeordnet, der dazu eingerichtet ist, den in der Niederdruckleitung 21 anliegenden Niederdruck (Niederdruckniveau) zu erfassen und einen erfassten IST-Niederdruckwert über die Steuerleitung S an das Steuergerät 6 zu übermitteln.
• Eine Rezirkulationsleitung 24 verbindet einen Anodengasablauf 25 der Brennstoffzellenanordnung 5 fluidisch mit dem Saugeinlass 18 der Strahlpumpeneinheit 4.
• Die Brennstoffzellenanordnung 5 weist weiterhin noch einen Kathodengaszulauf 26 und einen Kathodengasablauf 27 auf.
• Das Steuergerät 5 weist eine Speichereinheit und eine Prozessoreinheit auf und ist dazu eingerichtet die von dem ersten, zweiten und dritten Drucksensor 9, 15, 23 übermittelte Niederdruck-, Mitteldruck- und Hochdruckwerte einzulesen. Weiterhin ist das Steuergerat 5 dazu eingerichtet, die Druckminderungsinjektoren 11 und den Strahlpumpeninjektor 16 mittels eines getakteten, insbesondere mittels eines pulsweitenmodulierten, Signals anzusteuern.
• In den 2A und 2B sind schematisch jeweils verschiedene Injektor-Druckminderungseinheiten 3 von erfindungsgemäßen Wasserstoff-Brennstoffzellensystemen 1 dargestellt. Im Folgenden soll dabei nur auf die wesentlichen Unterschiede im Vergleich zur Injektor-Druckminderungseinheit 3 gemäß 1 eingegangen werden. Bezugszeichen, die im Zusammenhang mit 1 eingeführt wurden, bezeichnen auch bei den 2A und 2B identische Komponenten.
• Die Injektor-Druckminderungseinheit 3 gemäß 2A weist drei Druckminderungsinjektoren auf. Der erste Druckminderungsinjektor 11.1 und der zweite Druckminderungsinjektor 11.2 sind baugleich. Der dritte Druckminderungsinjektor 11.3 weist eine kleinere Ventildurchflussrate, insbesondere einen kleineren Ventil-Durchflusskoeffizienten K_VS, auf als der erste bzw. der zweite Druckminderungsinjektor 11.1, 11.2. Der maximale Ventil-Öffnungsdruck des dritten Druckminderungsinjektors 11.3 ist größer als der maximale Ventil-Öffnungsdruck des ersten bzw. des zweiten Druckminderungsinjektors 11.1, 11.2.
• Die Injektor-Druckminderungseinheit 3 gemäß 2B weist zusätzlich noch einen vierten Druckminderungsinjektor 11.4 auf, der zu dem ersten, zweiten und dritten Druckminderungsinjektor 11.1, 11.2, 11.3 fluidisch parallelgeschaltet ist. Der vierte Druckminderungsinjektor 11.4 ist dabei baugleich zum dritten Druckminderungsinjektor 11.3.
• Die 3 zeigt im Wesentlichen das Wasserstoff-Brennstoffzellensystem 1 gemäß 1, wobei zusätzlich ein portabler Wasserstoff-Reservetank 28 über ein Umschaltventil U mit dem Wasserstoff-Brennstoffzellensystem 1 fluidisch verbindbar ist. Im Folgenden soll vor allem auf die wesentlichen Unterschiede im Vergleich zum Wasserstoff-Brennstoffzellensystem 1 gemäß 1 eingegangen werden.
• Der Wasserstoff-Reservetank 28 weist einen Kupplungsstutzen 29 mit einem Stutzenkanal 30 auf, in dem ein Kupplungsventil 31 vorgesehen ist. Der Kupplungsstutzen 29 korrespondiert mit der Kupplungsstutzenaufnahme 32 und kann mit dieser gekoppelt (zeichnerisch dargestellter gekoppelter Zustand) und von dieser entkoppelt werden. Die Kupplungsstutzenaufnahme 32 weist einen Aufnahmekanal 33 auf, der im dargestellten gekoppelten Zustand fluidisch mit dem Stutzenkanal 30 verbunden ist. Im Aufnahmekanal 33 ist ferner ein Reservetank-Rückschlagventil 34 vorgesehen, welches verhindert, dass der Wasserstoff-Reservetank 28 versehentlich befüllt wird.
• Das Umschaltventil U ist in der Hochdruckleitung 7 angeordnet und unterteilt diese in einen ersten Hochdruckleitungsabschnitt 7.1 und einen zweiten Hochdruckleitungsabschnitt 7.2. Das Umschaltventil U weist einen ersten Zulauf 35.1, einen zweiten Zulauf 35.2 und einen Ablauf 36 auf. Der erste Zulauf 35.1 ist über den ersten Hochdruckleitungsabschnitt 7.1 mit der Hochdrucktankanordnung 2 fluidisch verbunden. Der zweite Zulauf 35.2 ist über eine Reservetankleitung 37 fluidisch mit dem Aufnahmekanal 33 verbunden. Der Ablauf 36 ist über den zweiten Hochdruckleitungsabschnitt 7.2 fluidisch mit dem Hochdruckzulauf 18 der Injektor-Druckminderungseinheit 3 verbunden.
• Das Umschaltventil U kann in zwei Schaltpositionen gebracht werden. In der ersten Schaltposition ist der erste Zulauf 35.1 mit dem Ablauf 36 fluidisch verbunden, in der zweiten Schaltposition ist der zweite Zulauf 35.2 mit dem Ablauf 36 fluidisch verbunden.
• Im Normalbetrieb befindet sich das Umschaltventil U in der ersten Schaltstellung. Die Hochdrucktankanordnung 2 ist somit mit dem Ablauf 36 des Umschaltventils U verbunden und Wasserstoff aus der Hochdrucktankanordnung 2 kann der Brennstoffzellenanordnung 5 zugeführt werden.
• Im Reservebetrieb hingegen befindet sich das Umschaltventil U in der zweiten Schaltstellung. Nun ist der Wasserstoff-Reservetank 28 über die Reservetankleitung 37 fluidisch mit dem Ablauf 36 des Umschaltventils U verbunden. Wasserstoff aus dem Wasserstoff-Reservetank 28 kann damit der Brennstoffzellenanordnung 5 zugeführt werden und somit deren Reservebetrieb ermöglichen. Das Umschaltventil U verhindert dabei, dass im Reservebetrieb Wasserstoff aus dem Wasserstoff-Reservetank 28 in die Hochdrucktankanordnung 5 strömt.
• Beim in 3 dargestellten Wasserstoff-Brennstoffzellensystem 1 ist der Wasserstoff-Reservetank 28 über das Umschaltventil U fluidisch mit dem Hochdruckzulauf 8 der Injektor-Druckminderungseinheit 3 verbindbar. Alternativ kann allerdings ebenso vorgesehen sein, dass die Reservetankleitung 37 (und damit auch der Wasserstoff-Reservetank 28) über das Umschaltventil U fluidisch mit dem Mitteldruckablauf 10 der Druckminderungseinheit 3 verbindbar ist. Darüber hinaus kann bei beiden Varianten jeweils auf das Umschaltventil verzichtet werden und die Reservetankleitung 37 direkt mit der Hochdruckleitung oder der Mitteldruckleitung fluidisch verbunden werden.
• 4 zeigt ein Prozessflussdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Ansteuern von Injektoren eines erfindungsgemäßen Wasserstoff-Brennstoffzellensystems.
• Schritt 100: Einlesen eines in der Hochdruckleitung anliegenden IST-Hochdruckwerts in das Steuergerät.
• Schritt 200: Bereitstellen eines Hochdruck-Schwellwerts im Steuergerät.
• Der Hochdruck-Schwellwert wurde dabei im Vorfeld im Steuergerät hinterlegt.
• Schritt 300: Vergleichen des IST-Hochdruckwerts mit dem Hochdruck-Schwellwert durch das Steuergerät.
• Abhängig davon, wie das Ergebnis dieses Vergleichs ausfällt, wird das Verfahren bei Schritt 400A oder bei Schritt 400 B fortgesetzt.
• Schritt 400A: Wenn der IST-Hochdruckwert größer ist als der Hochdruck-Schwellwert, dann Ansteuern eines ersten der Druckminderungsinjektoren durch das Steuergerät, derart, dass der erste Druckminderungsinjektor seinen geschlossenen Zustand einnimmt, und Ansteuern eines zweiten der Druckminderungsinjektoren durch das Steuergerät durch Übermitteln eines getakteten, insbesondere pulsweitenmodulierten, Signals.
• Schritt 400B: Wenn der IST-Hochdruck kleiner gleich dem Hochdruck-Schwellwert ist, dann Ansteuern der mindestens zwei Druckminderungsinjektoren durch das Steuergerät durch Übermitteln jeweils eines getakteten, insbesondere pulsweitenmodulierten, Signals an jeden Druckminderungsinjektor.
• Dabei sei an dieser Stelle explizit darauf hingewiesen, dass im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung das Steuergerät eine Prozessoreinheit und eine Speichereinheit umfasst. Die Verfahrensschritte „Einlesen“, „Vergleichen“, „Ansteuern“ werden dabei durch die Prozessoreinheit ausgeführt. Wenn ein Schwellwert im Steuergerät bereitgestellt wird, ist damit gemeint, dass dieser in der Speichereinheit des Steuergeräts bereitgestellt wird.
• Bezugszeichenliste

1

Wasserstoff-Brennstoffzellensystem

2

Hochdrucktankanordnung

3

Injektor-Druckminderungseinheit

4

Strahlpumpeneinheit

5

Brennstoffzellenanordnung

6

Steuergerät

7

Hochdruckleitung

7.1

Ersten Hochdruckleitungsabschnitt

7.2

Zweiten Hochdruckleitungsabschnitt

8

Hochdruckzulauf

9

Erster Drucksensor

S

Signalleitung

10

Mitteldruckablauf

11

Druckminderungsinjektoren

11A

(Injektor-)Ablauf

11S

Steuerleitung

11Z

(Injektor-)Zulauf

12

Mitteldruckleitung

13

Puffervolumen

14

Treibgaseinlass

15

Zweiter Drucksensor

16

Strahlpumpeninjektor

16A

(Strahlpumpeninjektor-)Ablauf

16S

(Strahlpumpeninjektor-)Steuerleitung

16Z

(Strahlpumpeninjektor-)Zulauf

17

Treibgasdüse

18

Sauggaseinlass

19

Mischkammer

20

Mischgasauslass

21

Niederdruckleitung

22

Anodengaszulauf

23

Dritter Drucksensor

24

Rezirkulationsleitung

25

Anodengasablauf

26

Kathodengaszulauf

27

Kathodengasablauf

28

Wasserstoff-Reservetank

U

Umschaltventil

29

Kupplungsstutzen

30

Stutzenkanal

31

Kupplungsventil

32

Kupplungsstutzenaufnahme

33

Aufnahmekanal

34

Reservetank-Rückschlagventil

35.1

Ersten Zulauf

35.2

Zweiten Zulauf

36

Ablauf

37

Reservetankleitung

• ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
• Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
• Zitierte Patentliteratur
• DE 102022105485 A1 [0005]

Claims (10)

1. Wasserstoff-Brennstoffzellensystem (1) umfassend - eine Hochdrucktankanordnung (2), - eine Injektor-Druckminderungseinheit (3) mit einem Hochdruckzulauf (8), einem Mitteldruckablauf (10) und mindestens einem Druckminderungsinjektor (11), - eine Strahlpumpeneinheit (4) mit einem Treibgaseinlass (14), mindestens einem Strahlpumpeninjektor (16), einer Treibgasdüse (17), einem Sauggaseinlass (18) und einem Mischgasauslass (20), - eine Brennstoffzellenanordnung (5) mit einem Anodengaszulauf (22) und einem Anodengasablauf (25), - eine Hochdruckleitung (7), die die Hochdrucktankanordnung (2) mit dem Hochdruckzulauf (8) der Injektor-Druckminderungseinheit (3) fluidisch verbindet, - eine Mitteldruckleitung (12), die den Mitteldruckablauf (10) der Injektor-Druckminderungseinheit (3) mit dem Treibgaseinlass (14) der Strahlpumpeneinheit (4) fluidisch verbindet, - eine Niederdruckleitung (21), die den Mischgasauslass (20) der Strahlpumpeneinheit (4) mit dem Anodengaszulauf (22) der Brennstoffzellenanordnung (5) fluidisch verbindet, - eine Rezirkulationsleitung (24), die den Anodengasablauf (22) der Brennstoffzellenanordnung (5) mit dem Sauggaseinlass (18) der Strahlpumpeneinheit (4) fluidisch verbindet, und - ein Steuergerät (6), wobei - der mindestens eine Druckminderungsinjektor (11) jeweils mit seinem Zulauf (11Z) fluidisch mit der Hochdruckleitung (7) verbunden und mit seinem Ablauf (11A) fluidisch mit der Mitteldruckleitung (12) verbunden ist und als Ventil mit genau zwei möglichen diskreten Schaltzuständen ausgeführt ist und in einen diskreten geöffneten Zustand und in einen diskreten geschlossenen Zustand bringbar ist, - der mindestens eine Strahlpumpeninjektor (16) zwischen dem Treibgaseinlass (14) und der Treibgasdüse (17) angeordnet ist, der Zulauf (16Z) des mindestens einen Strahlpumpeninjektors (16) fluidisch mit der Mitteldruckleitung (12) verbunden ist und sein Ablauf (16A) fluidisch mit der Treibgasdüse (17) verbunden ist, - der mindestens eine Strahlpumpeninjektor (16) in mindestens einen geöffneten Zustand und in einen geschlossenen Zustand bringbar ist, und - der mindestens eine Druckminderungsinjektor (11) und der mindestens eine Strahlpumpeninjektor (16) mittels Ansteuerung durch das Steuergerät (6) jeweils unabhängig voneinander in den geöffneten Zustand oder in den geschlossenen Zustand bringbar sind.
2. Wasserstoff-Brennstoffzellensystem (1) nach Anspruch 1, wobei der mindestens eine Strahlpumpeninjektor (16) jeweils als Ventil mit genau zwei möglichen diskreten Schaltzuständen ausgeführt ist und in einen diskreten geöffneten Zustand und in einen diskreten geschlossenen Zustand bringbar ist.
3. Wasserstoff-Brennstoffzellensystem (1) nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei der mindestens eine Druckminderungsinjektor (11) und optional der mindestens eine Strahlpumpeninjektor (16) mittels getakteter, insbesondere mittels pulsweitenmodulierter oder frequenzmodulierter, Ansteuerung durch das Steuergerät (6) in den geöffneten Zustand oder den geschlossenen Zustand bringbar ist.
4. Wasserstoff-Brennstoffzellensystem (1) nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei die Mitteldruckleitung (12) ein Puffervolumen (13) von insbesondere 0,5 l bis 2 l, bevorzugt von 0,8 l bis 1,6 l, aufweist.
5. Wasserstoff-Brennstoffzellensystem (1) nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei die Injektor-Druckminderungseinheit (3) mindestens zwei Druckminderungsinjektoren (11) aufweist.
6. Wasserstoff-Brennstoffzellensystem (1) nach Anspruch 5, wobei die mindestens zwei Druckminderungsinjektoren (11) baugleich sind.
7. Wasserstoff-Brennstoffzellensystem (1) nach Anspruch 5 oder 6, wobei - mindestens zwei der Druckminderungsinjektoren (11) unterschiedliche maximale Ventildurchflussraten (Ventilströmungsraten), insbesondere unterschiedliche Ventil-Durchflusskoeffizienten K_VS aufweisen, und/oder - mindestens zwei der Druckminderungsinjektoren (11) unterschiedliche maximale Ventil-Öffnungsdrücke aufweisen.
8. Wasserstoff-Brennstoffzellensystem (1) nach einem der voranstehenden Ansprüche, umfassend - einen portablen Wasserstoff-Reservetank (28) mit einem Kupplungsstutzen (29), der einen Stutzenkanal (30) aufweist, in dem ein Kupplungsventil (31) angeordnet ist, - eine mit dem Kupplungsstutzen (29) korrespondierende Kupplungsstutzenaufnahme (32), die einen Aufnahmekanal (33) aufweist, und - eine Reservetankleitung (37), die den Aufnahmekanal (33) der Kupplungsstutzenaufnahme (32) mit dem Hochdruckzulauf (8) oder dem Mitteldruckablauf (10) der Injektor-Druckminderungseinheit (3) fluidisch verbindet, wobei - der Kupplungsstutzen (29) mit der Kupplungsstutzenaufnahme (32) koppelbar ist (gekoppelter Zustand) und von diesem entkoppelbar ist, und - im gekoppelten Zustand der Stutzenkanal (30) und der Aufnahmekanal (33) fluidisch verbunden sind, - sodass der Wasserstoff-Reservetank (28) bei geöffnetem Kupplungsventil (31) über den Stutzenkanal (30), den Aufnahmekanal (33) und die Reservetankleitung (37) mit dem Hochdruckzulauf (8) oder dem Mitteldruckablauf (10) der Injektor-Druckminderungseinheit (3) fluidisch verbunden ist.
9. Verfahren zum Ansteuern von Druckminderungsinjektoren (11) eines Wasserstoff-Brennstoffzellensystems (1) gemäß einem der Ansprüche 5 bis 8 mit den folgenden Schritten: - Einlesen eines in der Hochdruckleitung (7) anliegenden IST-Hochdruckwerts in das Steuergerät (6), - Bereitstellen eines Hochdruck-Schwellwerts im Steuergerät (6), - Vergleichen des IST-Hochdruckwerts mit dem Hochdruck-Schwellwert durch das Steuergerät (6), - Wenn der IST-Hochdruckwert größer ist als der Hochdruck-Schwellwert, dann Ansteuern eines ersten der Druckminderungsinjektoren (11) durch das Steuergerät (6), derart, dass der erste Druckminderungsinjektor (11) seinen geschlossenen Zustand einnimmt, und Ansteuern eines zweiten der Druckminderungsinjektoren (11) durch das Steuergerät (6) durch Übermitteln eines getakteten, insbesondere pulsweitenmodulierten, Signals, und - Wenn der IST-Hochdruck kleiner gleich dem Hochdruck-Schwellwert ist, dann Ansteuern der mindestens zwei Druckminderungsinjektoren (11) durch das Steuergerät (6) durch Übermitteln jeweils eines getakteten, insbesondere pulsweitenmodulierten, Signals an jeden Druckminderungsinjektor (11).
10. Computerprogrammprodukt geeignet zur Ausführung auf einem Steuergerät (6) eines Wasserstoff-Brennstoffzellensystems (1) nach einem der Ansprüche 5 bis 8, umfassend Befehle, die bei der Ausführung bewirken, dass das Steuergerät (6) das Verfahren gemäß Anspruch 9 ausführt.

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