DE60001321T2

DE60001321T2 - Wasserstoffbrennstoff-nachfüllmethode und -system

Info

Publication number: DE60001321T2
Application number: DE60001321T
Authority: DE
Inventors: Charlie Dong; J Fairlie; J Stewart; T Stuart; J Thorpe
Original assignee: Stuart Energy Systems Corp
Current assignee: Hydrogenics Test Systems Inc
Priority date: 1999-05-12
Filing date: 2000-04-28
Publication date: 2003-11-27
Anticipated expiration: 2020-04-29
Also published as: BR0010507A; KR20020023217A; EP1194716B2; HK1046950A1; DK1194716T3; CA2271450A1; NO331485B1; ZA200108895B; IL146271A0; ES2186645T3; CN1350626A; EP1194716A1; EP1194716B1; CN1109131C; IS6145A; US6432283B1; WO2000070262A1; AU4281900A; NO20015414D0; DE60001321T3

Description

BEREICH DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung betrifft die elektrolytische Produktion von Wasserstoff für den Einsatz insbesondere als Kraftstoff für Fahrzeuge und insbesondere ein System, das eine Elektrolysezelle für die genannte Produktion sowie ein Datennetz für Datenerfassung, Steuerung und bei Bedarf Speicherung umfasst.

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Elektrosynthese ist ein Verfahren für die Durchführung chemischer Reaktionen, die elektrisch vorangetrieben werden, indem ein elektrischer Strom, typischerweise Gleichstrom (DC), durch einen Elektrolyt zwischen einer Anodenelektrode und einer Kathodenelektrode geleitet wird. Eine elektrochemische Zelle wird für elektrochemische Reaktionen verwendet und umfasst eine Anoden- und eine Kathodenelektrode, die in einen Elektrolyt eingetaucht werden, in dem Strom von einer externen Energiequelle zwischen den Elektroden geleitet wird. Die Produktionsgeschwindigkeit ist in Abwesenheit parasitärer Reaktionen proportional zum Stromfluss. So wird beispielsweise in einer Flüssigalkali-Wasserelektrolysezelle der Gleichstrom zwischen den beiden Elektroden in einem wässrigen Elektrolyt geleitet, um Wasser, den Reaktionspartner, in Produktgaskomponenten aufzuspalten, nämlich Wasserstoff und Sauerstoff, wobei die Produktgase an den Oberflächen der jeweiligen Elektroden entstehen.
Wasserelektrolysegeräte beruhen typischerweise auf Druckregelsystemen, um den Druck zwischen den beiden Hälften einer Elektrolysezelle zu regeln, um zu gewährleisten, dass die beiden Gase, nämlich Sauerstoff und Wasserstoff, die bei der Elektrolysereaktion erzeugt wurden, getrennt gehalten werden und sich nicht mischen.
Ein solches Druckregelsystem bildet eine Wasserdichtung, um den Druck in den beiden Hälften der Zelle auszugleichen. Dies ist der Ansatz, der am häufigsten in "heimgefertigten" Elektrolysegeräten angewendet wird. Die Wasserdichtung ist gewöhnlich ein Paar Zoll tief, und daher arbeitet die Zelle mit einem Druck von ein Paar Zoll Wassersäule über atmosphärischem Druck.
Ein alternatives System umfasst einen Membranabscheider, der ein Druckdifferential zwischen den beiden Hälften der Zelle aushalten kann, ohne dass sich die Gase vermischen. Die PEM- (Polymerelektrolytmembran-) Zelle ist das beste Beispiel für diese Art von System. Die PEM-Zelle kann Druckdifferentiale von bis zu 2500 psi ohne erheblichen Gasreinheitsverlust aushalten.
Ein drittes Beispiel ist ein aktives Regelsystem, das den Druck erfasst und den Ausfluss von Gasen aus den beiden Zellen regelt. Die Regelung kann in einer von zwei verschiedenen Weisen erfolgen:
entweder durch ein mechanisches System, das auf Druckreglern beruht, wie beispielsweise einem deckenbeschickten Durchflussregler zum Regeln des Drucks zwischen den beiden Zellen, die beispielsweise den Sauerstoffdruck als Referenzdruck benutzen könnten, um den Druck in der Wasserstoffhälfte der Zelle zu regeln; und
mit einem elektronischen System, das auf der Messung des Gasdruckdifferentials zwischen den beiden Zellen beruht, um die Gasausflussraten aus den beiden Seiten der Zelle so zu regeln, dass das gewünschte Druckdifferential von gewöhnlich null oder ein geringfügig höherer Druck auf der Wasserstoffseite aufrechterhalten wird.
Gewöhnlich werden jedoch für sehr kleine kommerzielle Wasserstoffgeneratoren 10,1 Nm³/h) Elektrolysezellen des PEM-Typs bevorzugt. Die Kosten für die Zelle sind zwar weitaus höher als für konventionelle Alkalielektrolysegeräte, aber diese Kosten werden durch die Steuerelemente, die für die konventionellen Alkalisysteme benötigt werden, die mit mechanischen oder elektronischen Stellgliedern arbeiten, sowie durch die Notwendigkeit für höhere Drücke und somit Kompression in Elektrolysegeräten, die mit einem Wasserdichtungs-Druckregelsystem arbeiten, mehr als wettgemacht.
Ein Wasserstoffbrennstoff-Nachfüllsystem wird in wenigstens einer nordamerikanischen Stadt betrieben, in der eine Flotte von öffentlichen Fahrzeugen, nämlich Transportbusse, in regelmäßigen Abständen, d. h. im Allgemeinen täglich, aus Vorratstanks in einem Busdepot ausgefüllt werden.
Der Wasserstoffbrennstofftank im Bus wird nur am Speichertank angeschlossen, und die zuzuführende Wasserstoffmenge wird anhand des Anfangsdrucks und des gewünschten resultierenden Drucks, der von Druckmanometern am Bus oder am Bodenvorratstank abgelesen wird, errechnet.
Am Depot werden die Wasserstofftanks von Elektrolysegeräten vor Ort, die den Wasserstoffdruck auf einem vorbestimmten Wert in den Tanks halten, mit Wasserstoff gefüllt. Die Nachfüllzeit beträgt im Allgemeinen etwa 20-30 Minuten.
Das oben genannte Wasserstoffbrennstoff-Nachfüllsystem leidet jedoch an einer erheblichen Zahl von Nachteilen, die nachfolgend aufgeführt werden.
1. Die Modulation der Elektrolysegeräte-Zellengruppe erfolgt lediglich durch manuelle Betätigung.
2. Die Zellengruppe lässt sich nicht leicht modulieren, und demgemäß muss, wenn der Bedarf an zu speicherndem Wasserstoff und zum Befüllen von Fahrzeugen in Echtzeit geringer ist als die Zellenversorgungsrate, der Wasserstoff im Allgemeinen in die Atmosphäre abgelassen werden.
3. Die Zellengruppe kann in Echtzeit nicht moduliert werden, um den Stromverbrauch zu Zeiten günstiger und reduzierter Stromkostentarife zu optimieren.
4. Jedes Fahrzeug wird nur manuell befüllt.
5. Jedes Fahrzeug wird unabhängig von anderen Fahrzeugen im Depot befüllt.
6. Der Füllvorgang läuft in Bezug auf die Füllrate aus der Zellengruppe gleichförmig ab. Beim Befüllen eines Fahrzeugtanks mit Wasserstoff haben Ausdehnung und Zusammenziehen im Tank zur Folge, dass die Gastemperatur ansteigt und dass sich somit ein falscher Wert eines hohen Drucks (Fülltank) ergibt, wenn die Füllgeschwindigkeit zu hoch ist. Nach dem Abkühlen fällt der Tankdruck ab und der Tank muss aufgefüllt werden, damit ein wirklichkeitsnäherer gewünschter Druck erreicht wird.
7. Der Gebrauch von Vorratstanks erhöht den Bedarf an notwendigem grünem Raum und Stellfläche für eine Füllstation.
8. Der Gebrauch von Vorratstanks stellt ein potentielles Sicherheitsrisiko dar, das eines sachgemäßen Managements bedarf.
Die GB2143848A von White et al. die am 20. Februar 1986 veröffentlicht wurde, beschreibt ein kombiniertes Wasserstofferzeugungs- und -verbrennungssystem, das über eine Wasserstoffvorratseinheit verbunden ist. Das System befindet sich entweder vollständig vor Ort, d. h. auf dem Boden, oder in einem Fahrzeug, wobei das System ein Endbenutzer permanent kombiniert werden und wobei gelagerter Wasserstoff zur Verwendung als Zwischenenergieversorgung dient. Die GB2143 848A macht keine Aussage über die Anwesenheit einer Zentraleinheit und einer zugehörigen Benutzeraktivierung; um den Austausch von Daten zwischen Wasserstoffgenerator und Benutzer zu ermöglichen. Die GB2143848A offenbart eine einfache Ein-Aus-Steuerung zum Steuern von Zelle, Kompressor und Gasfluss zu einem Motor.
Es besteht somit Bedarf an einem Wasserstoffbrennstoff-Nachfüllsystem, das frei von den oben genannten Nachteilen ist.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein System für die in situ Erzeugung von Wasserstoffgas nach Bedarf für die Nutzung insbesondere als Kraftstoff für Fahrzeuge bereitzustellen, bei dem nur sehr wenig Wasserstoff vor Ort gelagert zu werden braucht.
Es ist eine weitere Aufgabe, ein Wasserstoffbrennstoffnachfüllsystem bereitzustellen, das eine praktische, benutzerfreundliche Bedien- und Aktivierungsschnittstelle bereitstellt. Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, wirksame Methoden und Vorrichtungen zum Produzieren von Wasserstoff mit einem gewünschten Mindestdruck bereitzustellen.
Demgemäß wird in einem Aspekt der vorliegenden Erfindung ein Wasserstoffnachfüllsystem zum Überträgen von Wasserstoff zu einer Wasserstoffempfangsvorrichtung bereitgestellt, wobei das genannte System Folgendes umfasst:
(i) eine Elektrolysezelle zum Erzeugen von Quellwasserstoff;
(ii) einen Kompressor zum Bereitstellen von Auslasswasserstoff mit einem Auslassdruck;
(iii) Mittel zum Speisen des genannten Quellwasserstoffs zu dem genannten Kompressor;
(iv) Mittel zum Speisen des genannten Auslasswasserstoffs zu der genannten Wasserstoffempfangsvorrichtung;
(v) eine Zentraleinheit zum Steuern der genannten Zelle und des genannten Kompressors; und
(vi) Benutzeraktivierungsmittel zum funktionellen Aktivieren der genannten Zentraleinheit.
Der hierin verwendete Begriff "Zelle", "elektrochemische Zelle" oder "Elektrolysegerät" betrifft eine Konstruktion, die wenigstens ein Paar Elektroden mit einer Anode und einer Kathode umfasst, die jeweils auf geeignete Weise in einem Gehäuse montiert sind, durch das Elektrolyt zirkuliert und Produkt freigegeben wird. Die Zelle beinhaltet eine Abscheiderbaugruppe mit geeigneten Mitteln zum Verschließen und mechanischen Lagern des Abscheiders in dem Gehäuse. Mehrere Zellen können entweder in Reihe oder parallel zu einem Zellenstapel verbunden werden, und die Zahl der Zellen, die gestapelt werden können, ist unbegrenzt. In einem Stapel werden die Zellen auf ähnliche Weise entweder parallel oder in Reihe verbunden. Ein Zellenblock ist eine Einheit, die einen oder mehrere Zellenstapel umfasst, und mehrere Zellenblöcke werden durch eine externe Sammelschiene miteinander verbunden. Ein funktionelles Elektrolysegerät umfasst eine oder mehrere Zellen, die parallel, in Reihe oder in einer Kombination aus diesen miteinander verbunden sind.
Die Elektrolysezelle kann das Kompressionsmittel in seinem Aufbau umfassen, da in einer Ausgestaltung Wasserstoffdruck in der Zelle auf den resultierenden gewünschten Benutzerdruck aufgebaut wird und wobei der Auslasswasserstoff Quellwasserstoffumfasst.
Das System gemäß der Erfindung ist von besonderem Wert zum Füllen von Wasserstoffbrennstoff in ein Fahrzeug wie beispielsweise einen Pkw, einen Lkw, einen Bus und dergleichen.
Die Erfindung stellt somit in einem bevorzugten Aspekt das System wie oben definiert bereit, wobei das genannte Mittel (iv) Vorrichtungen umfasst, vorzugsweise Fahrzeuganschlussmittel, die an die Vorrichtung (das Fahrzeug) angeschlossen werden können, um der Vorrichtung (dem Fahrzeug) den Auslasswasserstoff als Brenn- (Kraft-) stoff zuzuflibren. Demgemäß wird ein System wie oben definiert bereitgestellt, bei dem Mittel (iv) zum Speisen des genannten Auslasswasserstoffs zu der genannten Wasserstoffempfangsvorrichtung Rohrleitungen und Fitting-Anschlusselemente aufweist, die so gestaltet sind, dass sie von der genannten Vorrichtung in Dichtungseingriff aufgenommen werden.
In einer alternativen Ausgestaltung wird ein System wie oben definiert bereitgestellt, bei dem die Rohrleitungen und Fitting-Anschlussmittel eine Mehrzahl von Rohrleitungen und Fitting-Anschlusselementen umfasst, die so gestaltet sind, dass sie eine Mehrzahl von Wasserstoffempfangsvorrichtungen aufnehmen.
Der Quellwasserstoff wird vorzugsweise durch eine Rohrleitung zum Kompressor gepumpt.
Die CPU umfasst ein System wie oben definiert, bei dem die Zentraleinheit ein Zellensteuermittel zum Aktivieren der genannten Zelle umfasst, um den genannten Quellwasserstoff bereitzustellen, wenn der genannte Auslassdruck auf einen vorgewählten Wert abfällt. Die CPU umfasst vorzugsweise Benutzeraktivierungsmittel mit Datenempfangsmitteln, deren Aufgabe es ist, Daten von einem Übertragungsmittel zu empfangen, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus einer elektronischen Datenkarte, Sprachaktivierungsmitteln, manuell zu betätigenden Auswahl- und Steuermitteln, Strahlungswellenlänge und elektronischer oder elektrischer Übertragung. Die CPU umfasst vorzugsweise Mittel zum Empfangen und Verarbeiten physikalischer Parameterdaten, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Temperatur, Drücken, Anolyt- und Katolytflüssigkeitspegeln, Buskontinuität, KOH-Konzentration, Gasunreinheiten und Prozessventilpositionen der Zelle, sowie Modulieren und Steuern der Zelle infolge der genannten Verarbeitung der genannten Zelldaten. Sie umfasst ferner Mittel zum Empfangen und Verarbeiten von physikalischen Parameterdaten, die ausgewählt wurden aus der Gruppe bestehend aus Temperatur, Ein- und Auslasswasserstoffdrücken und Ventilstatus des Kompressors; sowie Modulieren und Steuern des Kompressors infolge der genannten Verarbeitung der Kompressionsmitteldaten. Die CPU umfasst vorzugsweise Mittel zum Empfangen und Verarbeiten von Daten, die ausgewählt wurden aus der Gruppe bestehend aus Wasserstoftbedarf der Wasserstoffempfangsvorrichtung; und Mittel zum Bestimmen von Menge, Zuführungsrate und Zuführungsdauer von Wasserstoff zu der genannten Vorrichtung infolge der genannten Wasserstoftbedarfsdaten. Die CPU umfasst vorzugsweise Speichermittel zum Speichern von Daten, ausgewählt aus Wasserstoffbedarfsdaten; Datumsangaben, Tages- und Nachtzeiten sowie Anzahl von Wasserstoffempfangsvorrichtungen.
Am meisten bevorzugt wird, wenn die CPU über elektrische Leitungen in direkter elektrischer oder elektronischer Kommunikation mit Zelle, Kompressor und Benutzeraktivierungsmitteln ist.
Somit stellen die Steuermittel und Aktivierungsmittel eine praktische Benutzeroberfläche dar.
Das oben definierte System ist vorzugsweise auch dort nützlich, wo die Rohrleitungsmittel und Fitting-Anschlussmittel eine Mehrzahl von Rohrleitungen und Fitting- Anschlusselementen umfassen, die so gestaltet sind, dass sie eine Mehrzahl der Wasserstoffempfangsvorrichtungen aufnehmen, z. B. eine Mehrzahl von Fahrzeugen an einer kommerziellen, industriellen oder ähnlichen Tankstelle.
Die Einführung des Benutzeraktivierungsmittels in Kombination mit der CPU ermöglicht den vorteilhaften Austausch von Daten zwischen Zelle(n), Kompressor, Fahrzeug(en) und verschiedenen Prozesssteuerventilen und Rohrleitungen. Diese Benutzeroberfläche ermöglicht:
1. Definieren des Bedarfs, in Echtzeit, an Wasserstoff für alle Fahrzeuge, eines oder mehrere, die an der Zellengruppe angeschlossen sind;
2. Definieren der Zeit zum Befüllen jedes Fahrzeugs, das an der Zellengruppe angeschlossen ist;
3. Modulieren der Zellengruppe, um die genaue Wasserstoffzufuhr zu gewährleisten, die im Laufe der Zeit von allen Fahrzeugen benötigt wird;
4. Modulieren des Kompressors in Verbindung mit der Zellengruppe, um eine ausreichende Wasserstoffzufuhr zu allen Fahrzeugen in Abwesenheit von Vorratstanks zu gewährleisten, so dass Sicherheitsgefährdungen reduziert werden;
5. Modulieren der Füllrate jedes Fahrzeugs über die dynamische Steuerung des Befüllens, um eine variable Füllrate zum Stabilisieren der Temperatur des Gases innerhalb des/der Fahrzeuge(s) bereitzustellen und einen korrekten Echtzeitwert des Drucks zu gewährleisten, um einen Füllstand des Tanks (d. h. halbvoll, voll usw.) und einen erfolgreichen Abschluss des Füllvorgangs zu beurteilen;
6. Erzielen der oben genannten Punkte (1) bis (5) ohne manuellen Benutzereingriff;
7. Speichern/Aufzeichnen der fertigen Datenhistorie über den Betrieb der Zellengruppe und des Kompressors in Laufzeitstunden, damit Wartungsarbeiten geplant werden können, und
8. Speichern/Aufzeichnen einer kompletten Datenhistorie des Vorrats j edes Fahrzeugs. Die Erfindung ist von besonderem Wert in einer Ausgestaltung, bei der die Vorrichtung eine Zelle zum Bereitstellen von Wasserstoff mit einem gewünschten Mindestdruck umfasst, umfassend
eine Anolytlösung mit einem Anolytflüssigkeitspegel;
eine Katolytlösung mit einem Katolytflüssigkeitspegel;
Sauerstofferzeugungsmittel zum Erzeugen von Sauerstoff mit einem Sauerstoffdruck über dem genannten Anolyt;
Wasserstofferzeugungsmittel zum Erzeugen von Wasserstoff mit einem Wasserstoffdruck über dem genannten Katolyt;
Auslassmittel für erzeugten Wasserstoff;
und umfassend Druckmittel zum Heben des Sauerstoffs über den Anolyt, um ein positives Flüssigkeitspegel-Druckdifferential zwischen dem genannten Katolytflüssigkeitspegel und dem genannten Anolytflüssigkeitspegel auf einen vorgewählten Wert zu bewirken, um das Schließen des genannten Wasserstoffauslassmittels und eine Erhöhung des Wasserstoffdrucks auf einen Wert zu bewirken, der das Öffnen des genannten Wasserstoffauslassmittels bewirkt, damit Wasserstoff mit dem genannten gewünschten Mindestdruck durch das genannte Auslassmittel bereitgestellt wird.
Dieser bevorzugte Aspekt der Erfindung wie oben definiert beruht auf der Erzeugung eines Flüssigkeitspegel-Druckdifferentials zwischen dem Pegel der Katolytflüssigkeit und dem der Anolytflüssigkeit durch Bewirken eines Aufbaus von Sauerstoffdruck über den Anolyt und eines Abfallens des Anolytflüssigkeitspegels und eines entsprechenden Anstiegs des Katolytpegels, während Wasserstoff die Zelle verlassen kann, bis entweder (a) der Anolytpegel auf einen vorgewählten Pegel abfällt, um ein Steuerventil auszulösen, um die Freisetzung von Wasserstoff aus der Zelle zu verhindern, oder (b) der Katolytpegel ansteigt, um ebenso das Steuerventil auszulösen, um ebenso zu verhindern, dass Wasserstoff aus der Zelle freigesetzt wird. Ein nachfolgendes Aufbauen von Wasserstoffdruck über den Katolyt kehrt die jeweiligen Flüssigkeitspegel um und bewirkt ein Öffnen der Steuerventile, um Wasserstoff mit dem gewünschten Mindestdruck bereitzustellen. Der Wasserstoffdruck baut sich unter der Situation mit geschlossenem Auslassventil auf, weil im Elektrolyseprozess zwei Mole Wasserstoff pro Mol Sauerstoff erzeugt werden.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Damit die Erfindung besser verständlich wird, werden nachfolgend bevorzugte Ausgestaltungen, jedoch nur beispielhaft, mit Bezug auf die Begleitzeichnungen beschrieben. Dabei zeigt:
Fig. 1 ein Blockdiagramm der Hauptmerkmale eines Wasserstoffbrennstoff- Zufuhrsystems gemäß der Erfindung;
Fig. 2 ein logisches Blockdiagramm des Steuerprogramms einer Ausgestaltung des Systems gemäß der Erfindung;
Fig. 3 ein logisches Blockdiagramm einer Zellenblockregelschleife des Steuerprogramms von Fig. 2;
Fig. 4 ein Blockdiagramm eines Elektrolysegerätes gemäß der Erfindung;
Fig. 5 eine alternative Ausgestaltung eines Elektrolysegerätes gemäß der Erfindung; und wobei dieselben Bezugsziffern gleiche Teile bezeichnen.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSGESTALTUNGEN

Fig. 1 zeigt ein System gemäß der vorliegenden Erfindung, allgemein mit 100 bezeichnet, mit einer Elektrolysezelle 112, die Quellwasserstoff mit einem gewünschten Druck P1 erzeugt, der durch die Rohrleitung 116 zum Kompressor 114 gespeist wird. Der Kompressor 114 speist komprimierten Auslasswasserstoff mit einem Druck P2 durch die Rohrleitung 118 zur Vorrichtung 120, in diesem Beispiel ein Fahrzeug, das über eine Anschlussvorrichtung 122 angeschlossen ist. Zelle 112, Kompressor 114 und Benutzer 124 sind über eine Computerprozessorsteuerung 126 für Datenerfassung und Prozesssteuerung miteinander verbunden.
Ausführlicher ausgedrückt, der Benutzer 124 definiert einen Bedarf zum Befüllen des Fahrzeugs 120. Der Benutzer 124 kann seinen Bedarf mit Hilfe einer (i) Kreditkarte, (ii) einer Chip-Karte, (iii) eines Sprachaktivierungssystems, (iv) durch eine manuelle Aktivierung über eine Fronttafelbedienung und durch Übertragung beispielsweise per Leitung oder Infrarot- oder andere geeignete Strahlung von dem Fahrzeug 120 selbst übertragen.
Nach dem Empfang der Bedarfsdaten bestimmt die CPU 126 den Status der elektrochemischen Zelle 112, und diese anfängliche Statusprüfung beinhaltet die Überwachung der Prozessparameter zum Starten der Zelle 112 und insbesondere von Temperatur, Druck, Anolytflüssigkeitspegel, Katolytflüssigkeitspegel, Buskontinuität, KOH-Konzentration und Prozessventilstatus. Ferner bestimmt die CPU 126 nach dem Empfang der Bedarfsdaten den Anfangsstatus des Kompressors 114. Solche Anfangschecks beinhalten die Überwachung von Temperatur, Ein- und Auslassdruck in einer oder in mehreren Phasen.
Nachdem die CPU 126 den Anfangsstatus von Zelle 112 und Kompressor 114 bestimmt hat, analysiert die CPU 126, ob die Erfordernisse des Benutzers 124 im Hinblick auf die zu fördernde Wasserstoffmenge, die Förderrate und die Förderzeit zum Fahrzeug 120 erfüllt werden. Die CPU 126 initiiert dann die Startsequenz für die Zelle 112, um die Bedarfsdaten des Benutzers 124 zu gewährleisten. Die Zelle 112 wird mit Strom versorgt, und die Prozessparameter Temperatur, Druck, Anolytflüssigkeitspegel, Katolytflüssigkeitspegel, KOH-Konzentration und Prozessventilstatus werden überwacht und so geregelt, dass ein sicherer Betrieb der Zelle 112 bei der Erzeugung von Wasserstoff und Sauerstoffgasen mit einigen minimalen Unreinheiten ermöglicht wird. Ein falscher Status eines der oben erwähnten Betriebsparameter oder im Hinblick auf Qualität/Reinheit der Produktgase veranlasst die CPU 126, den Betrieb der Zelle 112 zu ändern oder zu unterbrechen, bis ein angemessener Zustand erreicht ist.
Nach einem erfolgreichen Betrieb der Zelle 112 überwacht die CPU 126 dann den Druck P1 in der Rohrleitung zwischen Zelle 112 und Kompressor 114 über einen in der Leitung 116 installierten Drucksensor. Nach dem Erreichen eines Mindestdrucks P* in der Rohrleitung 116 schaltet die CPU 126, nachdem sie zuvor einen angemessenen Status für den Kompressor 114 erkannt hat, den Kompressor 114 ein und beginnt mit der Ausgabe von Gas in die Rohrleitung 118 mit einem gewissen Druck P&sub2;* Die CPU 126 überwacht dann den Druck in der Rohrleitung 118 über einen Drucksensor (nicht dargestellt), um zu gewährleisten, dass der Druck P&sub2; einen gewissen Mindestdruck P&sub2;* für eine geeignete Abgabe zum Fahrzeug 120 gemäß Bedarfsdaten des Benutzers 124 erreicht.
Der Betrieb von Zelle 112 und Kompressor 114 kann von der CPU 126 über entsprechende Prozessventile auf geeignete Weise moduliert und gesteuert werden, um die kleinste Wasserstoffmenge mit der geringsten Förderrate über die geringste Zeitdauer gemäß Vorgabe durch den Benutzer 124 zu bewirken, so dass die Anforderungen des Fahrzeugs 120 erfüllt werden. Nach dem Erhalt einer Meldung vom Fahrzeug 120, dass die Anforderungen erfüllt wurden, weist die CPU 126 Zelle 112 und Kompressor 114 an, den Betrieb zu beenden und eventuellen Restdruck auf einen bestimmten akzeptablen Minimalwert P&sub2;** in der Rohrleitung 118 abzubauen, so dass der Benutzer 124 die Rohrleitung 118 leicht vom Fahrzeug 120 abtrennen und den Füllvorgang beenden kann.
Fig. 2 zeigt die logischen Kontrollschritte beim Betrieb des Systems insgesamt, Fig. 3 zeigt die spezifische Zellenregelschleifenuntereinheit, wobei ein logisches Blockdiagramm des Steuerprogramms einer Ausgestaltung des Systems gemäß der vorliegenden Erfindung.
Dabei bedeuten:
PMS - Startdruck des Kompressors;
PL - Stoppdruck des Kompressors;
PLL - Niedriger Einlassdruck;
PMO - Druck bei vollem Tank;
ΔP - Druckschalter-Totband;
PMM - Maximaler zulässiger Zellendruck;
LL - Minimaler zulässiger Zellenflüssigkeitspegel;
PHO - Zellenausgangsdruck auf der Wasserstoffseite; und
PC - Kompressorauslassdruck.
Ausführlicher ausgedrückt, Fig. 2 zeigt das logische Ablaufdiagramm des Steuerprogramms für den Betrieb. Nach dem Start der Anlage erzeugt die Zelle 112 Wasserstoffgas mit einem gewissen Ausgangsdruck PHO. Anhand der Höhe eines solchen Drucks PHO wird der Betrieb des Kompressors 114 moduliert. Wenn PHO geringer ist als ein bestimmter Mindestdruck PLL in Bezug auf den Flüssigkeitspegel in der Zelle 112, dann wird ein Niederdruckalarm erzeugt und es erfolgt eine Anlagenabschaltfolge. Wenn der Ausgangsdruck PHO höher ist als PLL, dann erfolgt ein weiterer Vergleich. Wenn der Ausgangsdruck PHO höher ist als PMS, den Mindesteingangsdruck zum Starten des Prozessors 114, dann beginnt Letzterer mit einer Startfolge. Wenn der Ausgangsdruck geringer ist als ein Mindestdruck PL, dann bleibt der Kompressor 114 im Ruhezustand (gestoppt), bis der Wert von PHO den von PMS überschreitet, um den Kompressorbetrieb zu starten.
Nach dem Start des Kompressors 114 wird das Wasserstoffgas in einer oder mehreren Stufen zum Erreichen eines Ausgangsdruck PC vom Ausgang des Kompressors 114 komprimiert. Wenn der Ausgangsdruck PC einen Sicherheitsschwellenwert PMO überschreitet, dann wird der Betrieb des Kompressors 114 beendet. Wenn der Ausgang PC geringer ist als ein gewünschter Mindestdruck, PMO - ΔP, dann beginnt der Kompressor 114 mit der Förderung und Ausgabe von Wasserstoff.
Fig. 3 zeigt ein Blockdiagramm der Wasserstoffbrennstoff-Nachfüllvorrichtung, allgemein mit 200 bezeichnet, die zum Zuführen von Wasserstoff und/oder Sauerstoffgas mit einem gewünschten Mindestdruck verwendet wird. Die Vorrichtung 200 beinhaltet einen Gleichrichter 210 zum Umwandeln eines Wechselstromeingangssignals in ein gewünschtes Gleichstromausgangssignal, eine Sammelschiene 212, Elektrolysezelle(n) 112, Mittel zum Messen von Sauerstoff 214 und Wasserstoffdruck 216 jeweils in den Rohrleitungen 218 und 220, Ventile jeweils zum Regeln des Flusses von Sauerstoff 222 und Wasserstoff 224, und einen Prozess/Instrument-Controller 226 zum Gewährleisten des gewünschten Betriebs von Elektrolysezelle(n) 112 mit geeigneten Anlagenabschaltalarmen 228.
Fig. 3 umfasst auch ein Prozessablaufdiagramm für den Zellenblock von Fig. 2. Nach dem Start der Anlage stellt der Gleichrichter 210 einen sicheren Zustand her, indem er den Status des Anlagenalarms 228 auf Druck- und Pegelsteuerelemente untersucht. Wenn der Alarm einen sicheren Zustand feststellt, dann werden Strom und Spannung (Leistung) über die Zellensammelschiene 212 vom Gleichrichter 210 zur Elektrolysezelle 112 übertragen. Unter Verwendung einer geeigneten Strom-/Spannungsquelle erfolgt eine Elektrolyse in der/den Elektrolysezelle(n) 112 mit der resultierenden Aufspaltung von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoffgasprodukt. Das Sauerstoffgas wird über die Rohrleitung 218 transportiert, in der ein Sauerstoffdruckmittel 214 Sauerstoffdruck PO zu jedem Zeitpunkt überwacht, und um den Sauerstoffdruck über eine Modulation des Ventils 222 zu regeln. Ebenso wird das Wasserstoffgas über die Rohrleitung 220 transportiert, in der das Mittel 216 Wasserstoffdruck PH zu jedem beliebigen Zeitpunkt überwacht und Wasserstoffdruck über das Steuerventil 224 regelt. Beim Betrieb der Elektrolysezelle(n) 112 werden der Anolytpegel der Zelle auf der Sauerstoffseite LO und der Katolytpegel auf der Wasserstoffseite LH mit dem P/I-Controller 226 erfasst, um ein Steuersignal an das Ventil 224 anzulegen, um die Zufuhr von Wasserstoff und/oder Sauerstoffgas mit einem gewünschten Druck zu erleichtern.
Fig. 4 zeigt allgemein bei 10 ein Elektrolysegerät mit einer Sauerstoffgas-Produktkammer 11 über dem Anolyt 12, einer Wasserstoffgas-Produktkammer 13 über dem Katolyt 14, einer Zellmembran 15, elektrischen Anschlüssen 16 mit einer Solarenergiequelle 18, und jeweils Wasserstoff und Sauerstoffdruck-Ablasslüftungen 20 und 22. Die Sauerstoffproduktleitung 24 hat ein Reglerrückschlagventil 26, das auf einen gewünschten vorgewählten Wert eingestellt ist, während die Wasserstoffproduktleitung 28 einen Auslass 30 hat, um einen Bobber oder eine Schwimmkugel 32 auf der Katolytoberfläche in dichtendem Eingriff damit wie nachfolgend erörtert aufzunehmen.
Die Wasserstoffauslass-Produktleitung 28 führt in der gezeigten Ausgestaltung durch ein Abtrennfitting 36 zu einer Metallhydridkammer 34. Die Anolytzellenhälfte 38 hat einen elektrischen Sicherheitsschalter 40 für niedrigen Flüssigkeitspegel, der über die elektrische Leitung 42 mit der Energiequelle 18 verbunden ist.
Beim Betrieb baut sich Sauerstoffgas in der Kammer 11 auf, da die Sauerstofffreigabe durch den Regler 26 geregelt wird, der auf einen gewünschten Druck von gewöhnlich bis zu 100 psi und vorzugsweise etwa 60 psi eingestellt ist.
Der erzeugte Wasserstoff entweicht aus der Kammer 13 durch den offenen Auslass 30, während sich der Sauerstoffdruck in der Kammer 11 aufbaut und so bewirkt, dass der Anolytflüssigkeitspegel von seinem anfänglichen Startpegel P&sub1; auf einen niedrigeren Betriebspegel P&sub2; abfällt, während gleichzeitig der Katolytpegel von seinem Startpegel Q&sub1; auf den Abdichtpegel Q&sub2; ansteigt, so dass die Schwimmerkugel 32 den Auslass 30 verschließt. Da jedoch Wasserstoffgas in der Zelle 10 volumenmäßig zweimal so schnell erzeugt wird wie Sauerstoffgas, baut sich Wasserstoffdruck bis auf einen Wert auf, der ein Absinken des Katolytpegels bis auf ein Maß erzwingt, das den Bobber 32 zwingt, den Auslass 30 teilweise freizugeben und Wasserstoff mit dem durch den Regler 26 vorbestimmten Wert freizusetzen.
Demgemäß wird eine stetige Zufuhr von Wasserstoff mit einem gewünschten Mindestdruck zur Metallhydridproduktionseinheit 34 oder anderweitig nach Bedarf bereitgestellt.
Wasserstoffprodukt kann unter Druck durch das Ventil 26 oder die Lüftung 20 abgenommen werden.
Druckablassmerkmale werden in der Form von Balgsystem 42, Lüftungen 20, 22 und Niedrigpegelschalter 40 gegeben, der die Energiezufuhr zur Zelle 10 unterbricht, wenn sich zu viel Sauerstoffdruck in der Kammer 11 aufbaut.
Unabhängig von der Fähigkeit der Zelle 10 gemäß der vorliegenden Erfindung, Wasserstoff und Sauerstoff mit einem gewünschten Mindestdruck bereitzustellen, ist das Druckdifferential über die Zellmembran 15 niedrig.
Gemäß der in Fig. 5 gezeigten alternativen Ausgestaltung hat die Zelle 10 grundsätzlich eine Wasserstoffproduktionsleitung 28 unter Ventilsteuerung, nicht durch einen schwimmenden Bobber 32, sondern durch ein tatsächliches Anolytpegelerfassungs- und assoziiertes -steuermittel.
Ausführlicher ausgedrückt, in dieser Ausgestaltung hat die Zelle 10 ein Paar 50, 52 Pegelerfassungsgeräte jeweils für hohe und niedrige Pegel für die Anolyt- Wasserstoffproduktleitung 28. Anolytpegelsensoren 50, 52 sind funktionell durch das Steuermittel 54 verbunden, um ein Magnetventil 56 zu aktivieren, das so positioniert ist, dass der obere Sensor 50 das Ventil 56 offen hält, bis sich der Sauerstoffdruck in der Kammer 11 aufbaut und veranlasst, dass der Anolytpegel auf einen gewünschten vorgewählten Wert abfällt, wo er den Sensor 52 und die Steuerung 54 aktiviert, das den Sensor 50 zum Schließen von Ventil 56 umgeht. Der Aufbau von Wasserstoffdruck bewirkt, dass der Sensor 52 durch einen Anstieg des Anolytpegels inaktiviert wird und zum Sensor 50 verzögert, der bewirkt, dass das Ventil 56 öffnet und Produktwasserstoff mit dem gewünschten Mindestwert freisetzt. Eine stetige Aktivierung und Deaktivierung kann gewährleistet werden, wenn Flüssigkeitspegeldruckdifferentiale schwanken, ansonsten wird Wasserstoffgas kontinuierlich mit dem benötigten Mindestdruck gefördert, der vom Sauerstoffregler 26 eingestellt wird.

Claims

1. Wasserstoffnachfüllsystem (100) zum Übertragen von Wasserstoff zu einer Wasserstoffempfangsvorrichtung (120), wobei das genannte System Folgendes umfasst:

(i) eine Elektrolysezelle (112) zum Erzeugen von Quellwasserstoff;

(ii) einen Kompressor (114) zum Bereitstellen von Auslasswasserstoff mit einem Auslassdruck;

(iii) Mittel (116) zum Speisen des genannten Quellwasserstoffs zu dem genannten Kompressor (114);

(iv) Mittel (118) zum Speisen des genannten Auslasswasserstoffs zu der genannten Wasserstoffempfangsvorrichtung, wobei die Verbesserung Folgendes umfasst:

(v) eine Zentraleinheit (126) zum Steuern der genannten Zelle (112) und des genannten Kompressors (114), umfassend Mittel zum Empfangen und Verarbeiten von Daten physikalischer Parameter des Kompressors, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Temperatur, Ein- und Auslasswasserstoffdruck und Ventilstatus des genannten Kompressors (114); sowie Modulieren und Steuern des genannten Kompressors (114) als Folge der genannten Verarbeitung der genannten Kompressordaten; und

(vi) Benutzeraktivierungsmittel (124) zum funktionellen Aktivieren der genannten Steuerverarbeitungseinheit (126).

2. System nach Anspruch 1, bei dem das genannte Mittel zum Speisen des genannten Quellwasserstoffs zu dem genannten Kompressor Rohrleitungsmittel (116) und Pumpmittel (113) umfasst.

3. System nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, bei dem das genannte Mittel (iv) zum Speisen des genannten Auslasswasserstoffs zu der genannten Wasserstoffempfangsvorrichtung (120) Rohrleitungsmittel (118) und Fitting- Anschlussmittel (122) umfasst, die so gestaltet sind, dass sie von der genannten Vorrichtung (120) in dichtendem Eingriff aufgenommen werden.

4. System nach Anspruch 3, bei dem das genannte Rohrleitungsmittel (118) und das Fitting-Anschlussmittel (122) eine Mehrzahl von Rohrleitungen (118) und Fitting- Anschlusselementen (122) aufweist, die so gestaltet sind, dass sie eine Mehrzahl der genannten Wasserstoffempfangsvorrichtungen (122) aufnehmen.

5. System nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem die genannte Zentraleinheit (126) ein Zellensteuermittel zum Aktivieren der genannten Zelle (112) umfasst, um den genannten Quellwasserstoff bereitzustellen, wenn der genannte Auslassdruck auf einen vorgewählten Wert abfällt.

6. System nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem das genannte Benutzeraktivierungsmittel (124) Datenempfangsmittel umfasst, deren Aufgabe es ist, Daten von einem Übertragungsmittel zu empfangen, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus einer elektronischen Datenkarte, Sprachaktivierungsmitteln, manuell zu betätigenden Auswahl- und Steuermitteln, gestrahlter Wellenlänge und elektronischer oder elektrischer Übertragung.

7. System nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem die genannte Zentraleinheit (126) Mittel zum Empfangen und Verarbeiten physikalischer Parameterdaten umfasst, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Temperatur, Drücken, Anolyt- und Katolytflüssigkeitspegeln, Buskontinuität, KOH-Konzentration, Gasunreinheiten und Prozessventilpositionen der genannten Zelle (112); sowie Modulieren und Steuern der genannten Zelle (112) infolge der genannten Verarbeitung der genannten Zelldaten.

8. System nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem die genannte Zentraleinheit (126) Mittel zum Empfangen und Verarbeiten von Daten umfasst, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Wasserstoftbedarf der genannten Wasserstoffempfangsvorrichtung; und Mittel zum Bestimmen von Menge, Zuführungsrate und Zuführungsdauer von Wasserstoff zu der genannten Vorrichtung infolge der genannten Wasserstoffbedarfsdaten.

9. System nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei dem die genannte Zentraleinheit (126) Speichermittel zum Speichern von Daten umfasst, ausgewählt aus den Wasserstoffbedarfsdaten, Datumsangaben, Tages- und Nachtzeiten sowie Anzahlen von Wasserstoffempfangsvorrichtungen.

10. System nach einem der Ansprüche 1 bis 9, bei dem die genannte Elektrolysezelle (112) das genannte Kompressionsmittel (114) umfasst, wobei der genannte Auslasswasserstoff Quellwasserstoff umfasst und der genannte Schritt (iii) von der genannten Zelle (112) gebildet wird.

11. System nach einem der Ansprüche 1 bis 10, umfassend ein Elektrolysegerät (10) zum Bereitstellen von Wasserstoff mit einem gewünschten Mindestdruck, das Folgendes umfasst:

eine Anolytlösung (12) mit einem Anolytflüssigkeitspegel (PiP&sub2;); eine Katolytlösung (14) mit einem Katolytflüssigkeitspegel (QIQ2);

Sauerstofferzeugungsmittel (10) zum Erzeugen von Sauerstoff mit einem Sauerstoffdruck über dem genannten Anolyt (12);

Wasserstofferzeugungsmittel (10) zum Erzeugen von Wasserstoff mit einem Wasserstoffdruck über dem genannten Katolyt (14);

Auslassmittel (30) für erzeugten Wasserstoff;

Wasserstoffauslass-Schließmittel (32); Sauerstoffdruckmittel (26) zum Heben des Sauerstoffdrucks über den Anolyt, um ein positives Flüssigkeitspegel-Druckdifferential zwischen dem genannten Katolytflüssigkeitspegel QIQ2) und dem genannten Anolytflüssigkeitspegel (P&sub1;P&sub2;) auf einen vorgewählten Wert zu bewirken, um das Schließen des genannten Wasserstoffauslassmittels (32) und eine nachfolgende Erhöhung des Wasserstoffdrucks auf einen Wert zu bewirken, der das Öffnen des genannten Wasserstoffauslassmittels (32) bewirkt, damit Wasserstoff mit dem genannten gewünschten Mindestdruck durch das genannte Auslassmittel (32) bereitgestellt wird.

12. System nach einem der Ansprüche 1 bis 11, umfassend ein Elektrolysegerät (10) zum Bereitstellen von Wasserstoff mit einem gewünschten Mindestdruck von dem genannten Elektrolysegerät (10), das Folgendes umfasst:

eine Anolytlösung (12) mit einem Anolytflüssigkeitspegel (P&sub1;P&sub2;); eine Katolytlösung (14) mit einem Katolytflüssigkeitspegel (Q&sub1;Q&sub2;); Wasserstoffauslassmittel (30);

Sauerstoffauslassmittel (24);

Sauerstofferzeugungsmittel (10) zum Bereitstellen von Sauerstoff, der mit einem Sauerstoffdruck über dem genannten Anolyt (12) erzeugt wurde;

Wasserstofferzeugungsmittel (10) zum Bereitstellen von Wasserstoff, der mit einem Wasserstoffdruck über dem genannten Katolyt (14) erzeugt wurde, für die Passage durch das Wasserstoffauslassmittel (30);

Mittel (26) zum funktionellen Heben des Sauerstoffdrucks über den Anolyt (12), um ein Flüssigkeitspegel-Druckdifferential zwischen dem genannten Katolytpegel (Q, Q2) und dem genannten Anolytpegel (P&sub1;P&sub2;) bis auf einen vorgewählten Wert zu bewirken, um die Schließung des genannten Wasserstoffauslassmittels (32) und eine Erhöhung des Wasserstoffdrucks auf einen Wert zu bewirken, der ein Öffnen des genannten Wasserstoffauslassmittels (32) bewirkt, um Wasserstoff mit dem genannten gewünschten Mindestdruck bereitzustellen.

13. System nach Definition in einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei die genannte Wasserstoffempfangsvorrichtung ein Fahrzeug (120) ist.