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Die
Erfindung betrifft ein System mit einer Wasserstoff konsumierenden
Einheit. Eine typische Anwendung ist ein Brennstoffzellensystem,
bei dem von einer oder mehreren Brennstoffzellen Wasserstoff zu
Wasser verbrannt und hierbei elektrische Energie gewonnen wird.
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Die
Erfindung findet Anwendung insbesondere in einem Kraftfahrzeug.
Der Wasserstoff konsumierenden Einheit muss im Betrieb Wasserstoff
zugeführt werden. Der Wasserstoff wird in Speichern gespeichert.
Vorliegend geht es um ein System, das einen ersten und einen zweiten
Speicher aufweist. Über eine erste Leitung wird Wasserstoff
aus dem ersten Speicher entnommen und über eine zweite Leitung
Wasserstoff aus einem zweiten Speicher entnommen. Die Leitungen
werden bevorzugt vor der Wasserstoff konsumierenden Einheit zusammengeführt
und münden in eine dritte Leitung, die dann zu der Wasserstoff
konsumierenden Einheit führt.
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Die
Erfindung ist bevorzugt dann einsetzbar, wenn für den ersten
und den zweiten Speicher unterschiedliche Speichermechanismen verwendet
werden. In Brennstoffzellensystemen ist man dazu übergegangen,
neben dem üblichen Hochdrucktank (Druckgasspeicher) auch
einen Feststoffspeicher, in dem Wasserstoff unter Wärmeabgabe
gespeichert und unter Wärmeaufnahme abgegeben werden kann,
zu verwenden. Ein typischer Feststoffspeicher ist ein so genannter
Metallhydridspeicher, in dem Metallhydrid z. B. pulverförmig
oder körnig angeordnet ist.
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Ein
System der bisher beschriebenen Art ist in der
US 2002/0100518 A1 wie
auch in der
DE
10 2006 020 392 A1 beschrieben. In dem System aus der
US 2002/0100518 A1 ist
in der ersten und der zweiten Leitung jeweils ein Druckgasregler
angeordnet. Die
DE
10 2006 020 392 A1 schlägt vor, eine Entnahme
aus dem ersten und dem zweiten Speicher abhängig von einer
thermischen Anforderung des gesamten Feststoffspeichersystems oder
auch der wasserstoffkonsumierenden Einheit zu machen. Die
DE 10 2006 020 392
A1 weist darauf hin, dass Mittel vorgesehen sein können,
um gezielt eine Wasserstoffabgabe oder eine Wasserstoffaufnahme
aus dem ersten und dem zweiten Speicher zu bewirken.
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Es
ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein solches Mittel konkret
zu benennen.
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Die
Aufgabe wird dadurch gelöst, dass in der ersten Leitung
und der zweiten Leitung jeweils ein Gasdruckregler angeordnet ist,
wobei ein Gasdruckregler bekanntlich Gas auf der Ausgangsseite,
vorliegend also auf der Seite der dritten Leitung, auf einen Solldruck
regelt. Die Auslegung der Gasdruckregler, also bei nicht einstellbarem
Solldruck der baubedingte Solldruck und bei einstellbarem Solldruck
der eingestellte Solldruck, soll so sein, dass der Solldruck bei
dem Gasdruckregler in der zweiten Leitung größer
als bei dem Gasdruckregler in der ersten Leitung ist.
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Diese
Maßnahme bewirkt, dass Wasserstoff ständig über
die zweite Leitung entnommen wird und nicht über die erste
Leitung. Erst, wenn die entsprechende Wasserstoffquelle, im Zweifel
der zweite Speicher allein, erschöpft ist, sinkt der Druck
in der dritten Leitung unter den Solldruck des Gasdruckreglers in
der ersten Leitung, und dieser ist dann im Weiteren nicht nur dazu
ausgelegt, das Gas auf seinen niedrigeren Solldruck zu regeln, sondern
tut dies auch tatsächlich.
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Besonders
wirkungsvoll arbeitet das System, wenn die erste Leitung mit der
zweiten Leitung (insbesondere an in Strömungsrichtung des
Wasserstoffs vor den jeweiligen Gasdruckreglern angeordneten Stellen) über
eine vierte Leitung verbunden ist, in der ebenfalls ein Gasdruckregler
angeordnet ist, dessen Ausgangsseite die Seite des zweiten Speichers
ist, der also das Gas auf der Seite der zweiten Leitung auf einen
vorbestimmten Solldruck zu regeln ausgelegt ist. Dann lässt
sich für den zweiten Speicher ein Druck definieren, der
nicht unterschritten werden soll. Wie oben erwähnt, wird
der Wasserstoff konsumierenden Einheit wegen der Definition der Solldrücke
Wasserstoff eigentlich über die zweite Leitung zugeführt.
Dieser Wasserstoff wird so lange dem zweiten Speicher entnommen,
bis der Solldruck des Gasdruckreglers in der vierten Leitung erreicht
ist. Im Weiteren wird dann Wasserstoff aus dem ersten Speicher über
die vierte Leitung, die zweite Leitung und die dritte Leitung der
Wasserstoff konsumierenden Einheit zugeführt. Damit ist
gewährleistet, dass der Druck im zweiten Speicher genau
einen bestimmten Wert hat.
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Möchte
man den zweiten Speicher vollständig leeren, sollte bei
Vorhandensein der vierten Leitung eine Möglichkeit zur
Schließung dieser Leitung bestehen, insbesondere durch
das Bereitstellen eines Ventils in dieser vierten Leitung. Damit
wird die Situation hergestellt, bei der es die vierte Leitung gar nicht
gibt. Ventile können in vorteilhafter Weise auch in der
ersten, zweiten und/oder dritten Leitung angeordnet sein.
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Die
gesamte oben beschriebene Anordnung ist insbesondere dann sinnvoll,
wenn der zweite Speicher ein Feststoffspeicher wie etwa ein Metallhydridspeicher
ist und der erste Speicher mit einem unterschiedlichen Speichermechanismus
arbeitet, insbesondere ein Druckgasspeicher ist, bei dem der Wasserstoff
unter einem extrem hohen Druck gespeichert ist.
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Für
den Spezialfall, dass bei einem der Gasdruckregler in der ersten
und der zweiten Leitung oder auch bei beiden der Solldruck einstellbar
ist, besteht die Lösung der oben genannten Aufgabe auch in
einem Verfahren gemäß Patentanspruch 6, nämlich
in einem Einstellen zumindest eines Gasdruckreglers derart, dass
der Solldruck, auf den Gasdruckregler in der zweiten Leitung zu
regeln vorgesehen (bei Nicht-Einstellbarkeit) oder eingestellt (bei
Einstellbarkeit) ist, größer als der Solldruck
ist, auf den der Gasdruckregler in der ersten Leitung zu regeln vorgesehen
(bei Nicht-Einstellbarkeit) oder eingestellt (bei Einstellbarkeit)
ist. Im weiteren Betrieb des (Brennstoffzellen-)Systems können
in vorteilhafter Weise geeignete Ventile geschlossen und geöffnet werden.
Dies gilt insbesondere für den Fall der Bereitstellung
der vierten Leitung für ein in dieser vierten Leitung angeordnetes
Ventil.
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Nachfolgend
wird eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung unter
Bezug auf die Zeichnung beschrieben, in der die einzige Figur schematisch
den Aufbau eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems
unter Angabe beispielhafter Druckwerte zeigt.
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Ein
im Ganzen mit 10 bezeichnetes Brennstoffzellensystem weist
eine Brennstoffzelle 12 auf, in der Wasserstoff zu Wasser
umgesetzt werden wird. Der Wasserstoff wird der Brennstoffzelle 12 aus
Speichern zugeführt. Das Brennstoffzellensystem weist einen
ersten Speicher 14 auf, der als Hochdrucktank ausgebildet
ist, in dem sich der Wasserstoff unter einem Druck von 70 MPa befindet,
sowie einen Metallhydridspeicher 16. Im Metallhydridspeicher
soll im Normalzustand ein Druck von 10 MPa herrschen, dieser Druck
kann bei Entleerung unterschritten werden.
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Vom
ersten Speicher 14 führt eine Leitung 18 zu
einem Verbindungspunkt 20, in dem sich die Leitung 18 mit
einer von dem zweiten Speicher 16 ausgehenden Leitung 22 vereinigt
und in eine dritte Leitung 24 mündet, welche zur
Brennstoffzelle 12 führt. In der Leitung 18 ist
ein Ventil 26 angeordnet sowie ein Gasdruckregler 28,
der so gebaut oder eingestellt ist, dass er den Gasdruck auf der
der dritten Leitung 24 zugewandten Seite der Leitung 18 auf
einen Druck von 0,9 MPa regelt, so lange dieser Druck nicht ohnehin
höher als dieser Solldruckwert ist, und somit ein Unterschreiten
des Solldruckwerts von 0,9 MPa verhindert. In der Leitung 22 ist
ein Ventil 30 angeordnet sowie ein Gasdruckregler 32,
der so gebaut oder eingestellt ist, dass er den Gasdruck auf seiner der
dritten Leitung 24 zugewandten Seite auf einen Druck von
1,1 MPa hochregelt. In der dritten Leitung 24 ist ein Ventil 34 angeordnet.
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Von
einer Stelle 36 in der ersten Leitung 18 geht
eine vierte Leitung 38 zu einer Stelle 40 in der zweiten
Leitung 22 ab. Die Stelle 36 ist in Strömungsrichtung
des Wasserstoffs vom ersten Speicher 14 zur Brennstoffzelle 12 vor
dem Druckregler 28 angeordnet und die Stelle 40 in
Strömungsrichtung des Wasserstoffs von dem zweiten Speicher 16 zur Brennstoffzelle 12 vor
dem Druckregler 32 angeordnet, d. h. die Stellen 36 und 40 sind
auf der Speicherseite der Druckregler 28 bzw. 32 angeordnet.
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In
der vierten Leitung 38 ist ein Druckregler 42 angeordnet,
der den Druck auf seiner der Leitung 22 zugewandten (und
damit dem Speicher 16 zugewandten) Seite auf einen Solldruckwert
von 10 MPa regelt, also auf den Wert, der der normale Druckwert im
zweiten Speicher 16 sein soll. Auch hier ist die Regelung
ein Hochregeln, d. h. es wird der Druck von 10 MPa nur erreicht,
wenn der Druck in der zweiten Leitung 22 nicht höher
als dieser Wert ist, sondern ihn eben genau erreicht oder kurzfristig
unterschreitet und so ein Nachregeln durch den Druckregler 42 bewirkt.
In der vierten Leitung 38 ist neben dem Gasdruckregler 42 ein
Ventil 44 angeordnet.
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Der
zweite Speicher 16 ist mit einem Kühlkreislauf 46 gekoppelt,
in dem ein Ventil 48 bereitgestellt ist, bei dessen Öffnung
ein Kühlfluid in dem Kühlkreislauf 46 zirkuliert.
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Bei
einem herkömmlichen Fahrzeugstart werden alle Ventile (26, 30, 34, 44 und
gegebenenfalls auch 48) geöffnet. Die Brennstoffzelle 12 verbraucht
Wasserstoff, wobei der typische Wasserstoffdruck in der Brennstoffzelle
0,3 MPa beträgt. Da der Solldruck (1,1 MPa) des Gasdruckreglers 32 in
der zweiten Leitung 22 höher als der Solldruck
(0,9 MPa) des Gasdruckreglers 28 in der ersten Leitung 18 ist, wird
Wasserstoff quasi ausschließlich über den Gasdruckregler 32 zugeführt.
Solange der Druck im zweiten Speicher 16 höher
als er Normaldruck von 10 MPa ist, wird Wasserstoff aus diesem zweiten
Speicher 16 nachgeliefert. Wird der Normaldruck von 10 MPa
erreicht, wird hingegen der Wasserstoff über den Gasdruckregler 32 und über
das Ventil 44 aus dem ersten Tank 14 nachgeliefert.
Dies ist der Normalzustand: Der Metallhydridspeicher soll dazu dienen,
wegen der endothermen Freigabe von Wasserstoff auf Bedarf als Wärmesenke
zu fungieren. Solange dieser Bedarf nicht besteht, wird der Wasserstoff aus
dem Hochdrucktank 14 zugeführt.
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Wird
der Metallhydridspeicher als Wärmesenke benötigt,
so wird einfach das Ventil 44 in der vierten Leitung 38 geschlossen.
Gleichzeitig muss das Ventil 48 geöffnet sein
oder werden. Der Druckregler 32 kann nur dann auf den Solldruck
von 1,1 MPa regeln, wenn ausreichend viel Wasserstoff auf seiner
dem zweiten Speicher 16 zugewandten Seite (Eingangsseite)
zur Verfügung steht. Wird nun das Kühlfluid im
Kühlkreislauf 46 durch eine Wärmequelle,
z. B. die Brennstoffzelle 12, erwärmt, gelangt
das warme Kühlfluid in den Metallhydridspeicher 16.
Dort wird die Wärme aufgenommen und dient zur Freigabe
von Wasserstoff.
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Ist
die Wärmeübertragungsrate zu klein oder der Metallhydridspeicher
irgendwann entleert, kann der Druckregler 32 nicht mehr
auf den Druck von 1,1 MPa nachregeln, und der Druck in der dritten
Leitung 24 sinkt dann irgendwann auf einen Wert von kleiner als
0,9 MPa. Dann wird der Druckregler 28 aktiv und führt
Wasserstoff aus dem ersten Speicher 14 zu. Somit ist gewährleistet,
dass in jedem Fall für die Brennstoffzelle 12 ausreichend
viel Wasserstoff zur Verfügung steht. Die Situation mit
geschlossenem Ventil 44 entspricht der Situation, dass
es die vierte Leitung 38 gar nicht gibt. Auch in dieser
Situation ist dann eben die ausreichende Versorgung der Brennstoffzelle 12 mit
Wasserstoff gewährleistet.
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Das
Ventil 44 wird auch geschlossen, wenn ein Kaltstart vorbereitet
werden soll, denn bei einem Kaltstart soll der Metallhydridspeicher 16 möglichst geleert
sein.
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Der
erste Speicher 14 und der zweite Speicher 16 können
eine Mehrzahl von Speicherteilen umfassen. Die erste und die zweite
Leitung 18 bzw. 22 können dann in mehrere
Teilleitungen aufgespaltet sein, wobei in jeder der Teilleitungen
ein Ventil wie das Ventil 26 bzw. 30 angeordnet
sein kann. Hochdruck- und Metallhydridspeicher können sowohl
in Reihe als auch parallel geschaltet sein. Als vorteilhaft hat
sich eine parallele Anordnung mehrerer Hochdruckspeicher erwiesen.
Je nach Betriebsweise (Sommer/Winter etc.) können Speicherteile
zu- oder abgeschaltet werden.
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Es
wurde oben darauf verzichtet eine Situation zu beschreiben, in der
Ventile 26, 30 oder 34 geschlossen sind.
Das Vorhandensein dieser Ventile ist jedoch sinnvoll, auch wenn
die Erfindung ohne diese Ventile ausgeführt sein kann.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - US 2002/0100518
A1 [0004, 0004]
- - DE 102006020392 A1 [0004, 0004, 0004]