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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Versorgung eines Energiesystems mit gasförmigem Brennstoff nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art.
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Vorrichtungen zur Versorgung eines Energiesystems mit Brennstoff sind aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt. Es kann sich hierbei beispielsweise um eine Vorrichtung zur Versorgung eines Brennstoffzellensystems mit Wasserstoff handeln. Auch andersartige Energiesysteme, beispielsweise ein mit unter hohem Druck gespeicherten Gas versorgter Verbrennungsmotor oder dergleichen sind denkbar.
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Der Druck, welcher typischerweise zum Speichern des gasförmigen Brennstoffs in einem Hochdrucktank verwendet wird, liegt beispielsweise bei Wasserstoff bei einem Nenndruck von 700 bar bzw. 70 MPa. Dieser nachfolgend als Hochdruck bezeichnete Druck muss dann auf einen nachfolgend als Niederdruck bezeichneten Druck reduziert werden, welcher beispielsweise in einem Motor oder einem Brennstoffzellensystem für den Brennstoff notwendig und sinnvoll ist. Ein solcher Druck liegt insbesondere bei einem Brennstoffzellensystem beispielsweise in der Größenordnung von 3 bar bzw. 300 kPa.
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Der Stand der Technik kennt im Wesentlichen zwei verschiedene Arten von Druckreglern. Einerseits die mechanischen Druckregler, welche sehr sicher und zuverlässig arbeiten, in der Ansteuerung jedoch schwierig sind, und andererseits elektronische Druckregler, welche über ein schnell agierendes elektromagnetisches Ventil arbeiten und sehr leicht und zuverlässig angesteuert werden können. Diese haben jedoch den entscheidenden Nachteil, dass sie von einem in Strömungsrichtung des Gases nach dem Druckregler gemessenen Drucksignal abhängig sind. Gibt es Probleme bei dieser Messung, beispielsweise weil ein falscher Messwert generiert wird, der Drucksensor ausfällt oder dergleichen, können hier enorme Probleme auftreten, da der elektronische Druckregler zu viel Gas durchlässt und sich dementsprechend ein hohes oder viel zu hohes Druckniveau einstellt. Der Aufwand zur sicheren Darstellung einer elektronischen Druckregelung ist daher immens.
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Um dieser Problematik zu begegnen und einerseits die Sicherheit des mechanischen Druckreglers zu nutzen und andererseits die Steuerbarkeit des elektronischen Druckreglers ist es in der Praxis mittlerweile allgemein bekannt und üblich, Vorrichtungen zur Versorgung von Energiesystemen mit gasförmigem Brennstoff, und hier insbesondere zur Versorgung von Energiesystemen in Fahrzeugen mit gasförmigem Wasserstoff, so auszubilden, dass ausgehend von dem Hochdruckniveau in dem Hochdrucktank über einen mechanischen Druckregler der gasförmige Brennstoff auf ein mittleres Druckniveau entspannt wird. So ist beispielsweise bei Wasserstoffanlagen eine Entspannung des gasförmigen Wasserstoffs von seinem Nenndruck auf ca. 2 MPa als sogenannter Mitteldruck üblich. Die Hochdruckverrohrung, also Komponenten und Systeme, die den Hochdruck aushalten, müssen dann bis in den Bereich nach diesem mechanischen Druckregler verwendet werden. Im weiterführenden Bereich, in dem der Mitteldruck herrscht, ist dann typischerweise ein Absperrventil angeordnet, meist ein elektromagnetisches Absperrventil, mit welchem der Gasfluss insgesamt unterbrochen werden kann. Außerdem ist ein Überdruckventil vorhanden, welches ab einem gewissen Grenzdruck, welcher um einen gewissen Betrag oberhalb des Mitteldrucks liegt, das Gas an die Umgebung abgibt. In Strömungsrichtung nach dem Absperrventil befindet sich dann ein elektronisches Druckregelventil, welches die ca. 2 MPa des Mitteldrucks auf ca. 300–500 kPa des Niederdruckniveaus absenkt, um das Gas dann auf diesem Druckniveau beispielsweise zu einer Brennstoffzelle strömen zu lassen.
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Der Aufbau ist relativ aufwändig und benötigt eine Vielzahl von Bauteilen, Sensoren und Leitungselementen, welche zumindest den Mitteldruck und den Niederdruck zuverlässig überwachen und zur Ansteuerung beispielsweise des elektronischen Druckregelventils und des Absperrventils genutzt werden. Sie müssen dementsprechend sicher sein, sodass typischerweise eine sehr aufwändige Überwachung und Plausibilisierung der gemessenen Druckwerte erfolgen muss. Im Falle einer Fehlfunktion kann das Absperrventil dann aktiv geschlossen und der sich im Mitteldruckbereich aufbauende Überdruck über das Überdruckventil an die Umgebung abgegeben werden.
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Die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung besteht nun darin, eine Vorrichtung zur Versorgung eines Energiesystems mit gasförmigem Brennstoff gegenüber diesem Stand der Technik weiter zu verbessern und insbesondere die genannten Nachteile zu umgehen.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung ergeben sich aus den hiervon abhängigen Unteransprüchen.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung nutzt ein elektronisches Druckregelventil, über welches der Hochdruck direkt auf ein Niederdruckniveau des Energiesystems reduziert wird. Niederdruckseitig des Druckregelventils befindet sich ein Sicherheitsventil, welches oberhalb eines vorgegebenen Druckwerts selbsttätig schließt. Der Aufbau lässt sich so sehr einfach und effizient gestalten. Er hat die gleiche Funktionalität wie der sehr komplexe eingangs im Stand der Technik beschriebene Aufbau, benötigt hierfür jedoch sehr viel weniger Bauteile. Durch die direkte Kombination des elektronischen Druckreglers mit dem Sicherheitsventil, welches oberhalb eines vorgegebenen Druckwerts selbsttätig schließt, wird ein Aufbau geschaffen, bei welchem auch beim Ausfall des elektronischen Druckregelventils kein Überdruck zu dem Energiesystem gelangen kann. Der Aufbau kann ohne nennenswerten Aufwand hinsichtlich der Überprüfung und Überwachung der generierten Druckwerte damit sehr einfach ausgestaltet werden.
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Ferner ist es so, dass weniger Komponenten auf einen Druck oberhalb des Niederdruckniveaus ausgelegt werden müssen, als bei den Aufbauten im Stand der Technik, was einen zusätzlichen Vorteil hinsichtlich der Kosten bedeutet.
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Die Vorteile des elektronischen Druckreglers, welcher kleiner und leichter als ein rein mechanischer Druckregler ist, und welcher entsprechend kostengünstiger ist, lassen sich damit ideal nutzen. Dieser kann hinsichtlich seines Abgabedrucks beispielsweise über eine geeignete Software während des Betriebs geregelt werden. Er hat also keine Beschränkung auf einen fest eingestellten Regeldruck, wie es ein mechanischer Druckregler hat. Der vermeintliche Nachteil, dass der Drucksensor die entsprechend sicher und zuverlässig gemessenen Druckwerte benötigt, wird durch die geschickte Kombination mit dem Sicherheitsventil umgangen, um den Aufbau entsprechend einfach und effizient gestalten zu können.
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Ein weiterer entscheidender Vorteil des elektronischen Druckreglers 7 liegt darin, dass dieser bei entsprechender Ansteuerung seines elektromagnetischen Ventils auch gänzlich verschlossen werden kann. Hierdurch ist es möglich, die Funktionalität des Absperrventils, welches bei den Aufbauten im Stand der Technik im Mitteldruckbereich, welcher bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung entfällt, noch vorhanden war, mit abzubilden, sodass auf ein eigenes Absperrventil bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung gänzlich verzichtet werden kann.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist es dabei so, dass das Sicherheitsventil als mechanisches Sicherheitsventil ausgebildet ist, sodass eine einfache und zuverlässige Funktionalität in jedem Fall sichergestellt ist, auch wenn beispielsweise die elektrische Energieversorgung unterbrochen wird. Auch ist der Aufbau komplett unabhängig von störanfälligen externen Sensoren, elektronischen Messungen oder dergleichen.
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Gemäß einer sehr vorteilhaften Ausgestaltung dieser Idee wird der vorgegebene Druckwert dabei zwischen dem Niederdruckniveau und einem Wert von maximal 1 MPa festgelegt. Damit ist in jedem Fall sichergestellt, dass keinerlei Drücke oberhalb dieses vorgegebenen Druckwerts im Niederdruckbereich anlangen, sodass im Rahmen der Auslegung des Niederdruckbereichs alle dort befindlichen Komponenten diese Drücke entsprechend aushalten. Sind empfindlichere Bauteile vorhanden, kann das Druckniveau entsprechend niedriger gewählt werden. Es sollte jedoch immer zumindest minimal über dem eigentlichen Niederdruckniveau, also dem Betriebsdruck des Energiesystems, liegen, um ein unnötiges Ansprechen zu verhindern.
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Gemäß einer sehr günstigen und bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist es vorgesehen, dass das elektronische Druckregelventil als einziges Druckregelorgan der Vorrichtung ausgebildet ist. Auf weitere Einrichtungen, insbesondere ein zweites redundantes elektronisches Druckregelventil und/oder insbesondere auch einen mechanischen Druckregler soll bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung also bewusst verzichtet werden, um den Aufbau möglichst einfach, effizient und kostengünstig zu halten.
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Das Druckniveau des Hochdruckbereichs soll gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung dabei bei mehr als 60 MPa und das Druckniveau des Niederdrucks bei weniger als 600 kPa liegen. Insbesondere für derartige sehr hohe Unterschiede zwischen dem Eingangsdruck des elektronischen Druckreglers auf der Hochdruckseite und dem Ausgangsdruck auf der Niederdruckseite liegen dabei die besonderen Vorteile des Aufbaus, da hiermit auch bei solchen sehr starken Differenzen zwischen den beiden Druckniveaus eine sichere und zuverlässige Funktionalität erzielt werden kann.
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In einer weiteren günstigen Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann es nun ferner vorgesehen sein, dass niederdruckseitig des Sicherheitsventils ein Überdruckventil angeordnet ist, welches ab einer vorgegebenen Druckschwelle zur Umgebung hin öffnet. Ein solches Überdruckventil, welches gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung insbesondere mechanisch ausgebildet ist, und damit unabhängig von einer Energieversorgung, ermittelten Messwerten oder dergleichen arbeitet, kann niederdruckseitig des Sicherheitsventils dafür sorgen, dass im Falle eines zu hohen Druckes, dieser Druck an die Umgebung abgegeben werden kann. Dies kann Auftreten, wenn das Sicherheitsventil und der elektronische Druckregler defekt sind oder wenn das Sicherheitsventil anspricht, sich aber kurzzeitig ein etwas höherer Druck als gewünscht auf der Niederdruckseite aufbaut, weil insbesondere der Druckwert, ab welchem das Sicherheitsventil anspricht, über dem eigentlichen Niederdruckniveau liegt. Hierfür ist es wünschenswert, dass das Überdruckventil zusammen mit oder kurz nach dem Sicherheitsventil, also auf einem minimal höheren Druckniveau, anspricht.
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Der Aufbau ist dabei so konzipiert, dass im Gegensatz zu den Aufbauten aus dem Stand der Technik eine Abgabe von größeren Wasserstoffmengen an die Umgebung, was aus Sicherheitsgründen prinzipiell unerwünscht ist, immer nur dann erfolgt, wenn sowohl der elektronische Druckregler als auch das Sicherheitsventil ausfallen; da nur in solchen Situationen ein Druck oberhalb des Druckwerts des Sicherheitsventils bis zu dem Überdruckventil gelangen kann. In allen anderen Fällen schließt das Sicherheitsventil und/oder das Druckregelventil den Aufbau zuverlässig ab.
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Wie bereits mehrfach ausgeführt ist durch die erfindungsgemäße Vorrichtung ein sehr einfacher, kostengünstiger und dennoch sehr kompakter und außerordentlich sicherer Aufbau möglich. Die bevorzugte Anwendung eines solchen Aufbaus liegt daher im Bereich eines Fahrzeugs, in welchem über die erfindungsgemäße Vorrichtung Brennstoff für ein Energiesystem bereitgestellt wird, welches in dem Fahrzeug zumindest teilweise zur Bereitstellung von Antriebsleistung vorgesehen ist. Insbesondere bei solchen Fahrzeuganwendungen sind kleine, kompakte und kostengünstige Systeme, welche eine hohe Sicherheit ermöglichen, ein entscheidender Vorteil, da in Fahrzeugen typischerweise der Bauraum immer knapp ist und aufgrund der hohen Stückzahlen eine einfache und kostengünstige Bereitstellung der Vorrichtung entscheidend ist. Außerdem sind an Fahrzeuge immer sehr hohe Sicherheitsanforderungen zu richten, da diese durch ihre ständige Bewegung, die unterschiedlichen klimatischen Bedingungen, auftretende Vibrationen und dergleichen besonders störanfällig sind, und insbesondere bei der Verwendung von gasförmigen Brennstoffen unter hohem Druck sehr sicher ausgestaltet werden müssen.
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Gemäß dieser Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann das Energiesystem dabei als Brennstoffzellensystem mit wenigstens einer Brennstoffzelle ausgebildet sein, welche dann vorzugsweise mit Wasserstoff als gasförmigen Brennstoff versorgt wird. Insbesondere solche Systeme, bei welchen im Hochdrucktank Wasserstoff bei einem Nenndruck von 700 bar oder mehr gespeichert ist, sind ideal für den Einsatz der erfindungsgemäßen Vorrichtung geeignet, da diese entsprechend einfach, effizient und sicher realisiert werden kann, was insbesondere bei der Verwendung von Wasserstoff entscheidend ist, da dieser zusammen mit dem Sauerstoff in der Luft brennbare oder gar explosive Gemische bilden kann, wenn er unkontrolliert im Bereich des Energiesystems austritt. Außerdem stellt die Brennstoffzelle des Brennstoffzellensystems einen vergleichsweise teuren und sehr empfindlichen Teil des Energiesystems dar, welcher bei zu hohen Drücken leicht Schaden nimmt, sodass auch aus diesen Gesichtspunkten heraus eine zuverlässige und sichere Bereitstellung des Niederdrucks unumgänglich ist. Diese lässt sich mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung außerordentlich einfach, zuverlässig und effizient realisieren.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung ergeben sich auch aus dem Ausführungsbeispiel, welches nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figur näher beschrieben ist.
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Die einzige beigefügte Figur zeigt eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Versorgung eines Energiesystems mit gasförmigem Brennstoff.
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In der Darstellung der 1 ist sehr stark schematisiert ein Fahrzeug 1 angedeutet, dessen elektrische Antriebsleistung zumindest zum Teil von einem Brennstoffzellensystem 2 bereitgestellt werden soll. In dem ebenfalls nur angedeuteten Brennstoffzellensystem 2 ist eine Brennstoffzelle 3 gezeigt, welche beispielsweise als Stapel von PEM-Einzelzellen aufgebaut sein soll. Ein solches Brennstoffzellensystem 2 ist aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt, sodass hierauf nicht näher eingegangen werden muss. Die Darstellung ist außerordentlich stark schematisiert und vereinfacht. Für die hier vorliegende Erfindung ist es aber lediglich relevant, dass dieses System über eine Brennstoffleitung 4 mit einem gasförmigen Brennstoff auf einem Druckniveau von typischerweise weniger als 500 kPa versorgt wird. Hierfür ist die Wasserstoffzuleitung 4 mit einer Vorrichtung 5 zur Bereitstellung von gasförmigem Wasserstoff verbunden.
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Die Vorrichtung 5 umfasst in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel zwei Hochdrucktanks 6 in welchen der gasförmige Wasserstoff bei einem Nenndruck von beispielsweise 70 MBa gespeichert ist. Über Hochdruckleitungen gelangt der Wasserstoff aus den Hochdrucktanks 6 zu einem elektronischen Druckregler 7 bzw. elektronischen Druckregelventil 7. Im Bereich dieses elektronischen Druckregelventils 7 befindet sich in an sich bekannter Art ein sehr schnell agierendes elektromagnetisches Ventil. Über ein Steuersignal wird dieses elektromagnetische Ventil so lange geöffnet bis der gewünschte Ausgangsdruck des elektronischen Druckreglers 7 erreicht ist. Dieser entspricht typischerweise dem über einen Drucksensor 8 aufgenommenen sogenannten Niederdruck, mit welchem die Wasserstoffzuleitung 4 entsprechend versorgt wird. Wenn das Gas auf der Ausgangsseite entnommen wird, dann sinkt der Druck weiter ab und das Ventil wird wiederum so lange geöffnet, bis sich dieser gewünschte Ausgangsdruck wieder einstellt. Durch ein schnelles öffnen und Schließen ist dabei eine sehr genaue Regelung des Ausgangsdruckes, also des Niederdrucks, möglich. Es lässt sich dabei einerseits eine sehr hohe Genauigkeit erreichen, welche sehr viel höher ist als bei rein mechanischen Druckreglern und es lässt sich außerdem während des Betriebs eine Anpassung des Drucks, beispielsweise an eine Leistungskurve der Brennstoffzelle 3 oder in Abhängigkeit der gewünschten Leistung für das Fahrzeug 1 erreichen.
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Niederdruckseitig des elektronischen Druckreglers 7 befindet sich ein vorzugsweise mechanisch ausgebildetes Sicherheitsventil 9, welches so ausgestaltet ist, dass es ab einem vorgegebenen Druckwert automatisch schließt. Der Aufbau der Vorrichtung 5, soweit er bisher beschrieben ist, ist dabei mit einer strichpunktierten Linie umgeben. In diesem Bereich können Drücke bis zum Hochdruckniveau der Hochdrucktanks 6 vorliegen, sodass Leitungen und Komponenten dementsprechend auf diese Drücke ausgelegt sind. Niederdruckseitig des Sicherheitsventils 9 können dann lediglich Drücke bis zum Druckniveau des Niederdrucks vorliegen. Dieser mit einer strichzweipunktierten Linie umgebene Bereich ist also der Niederdruckbereich. Die Komponenten innerhalb dieses Bereichs müssen lediglich auf dieses Niederdruckniveau ausgelegt werden. Niederdruckseitig des Sicherheitsventils 9 befindet sich dabei der bereits angesprochene Drucksensor 8, welcher den Niederdruck erfasst und entsprechend an den elektronischen Druckregler 7 zurückmeldet, um den Druck regeln zu können. Dies ist über eine Steuerleitung prinzipmäßig angedeutet. Außerdem befindet sich niederdruckseitig des Sicherheitsventils 9 ein Überdruckventil 10, welches bevorzugt als mechanisches Überdruckventil 10 ausgebildet ist. Die Druckschwelle, ab welcher das mechanische Überdruckventil öffnet und den Druck entsprechend dem mit 11 bezeichneten Pfeil zur Umgebung der Vorrichtung 5 ableitet, ist dabei so gewählt, dass diese in jedem Fall etwas höher ist, als der Druckwert des Sicherheitsventils 9, sodass sichergestellt ist, dass das Überdruckventil immer nur dann öffnet, wenn das Sicherheitsventil 9 – gegebenenfalls nach dem Durchlassen einer kleinen Gasmenge bei zu hohem Druck, bis es angesprochen hat – bereits geschlossen oder defekt ist. Der dann im Niederdruckbereich vorliegende Druck, welcher gegebenenfalls zu hoch für das Brennstoffzellensystem 2 sein kann, wird dann zur Umgebung hin abgebaut.
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Der Aufbau ist dabei so konzipiert, dass im Gegensatz zu den Aufbauten aus dem Stand der Technik eine Abgabe einer nennenswerten Menge an von Wasserstoff in die Umgebung, was aus Sicherheitsgründen prinzipiell unerwünscht ist, immer nur dann erfolgt, wenn sowohl der Druckregler 7 als auch das Sicherheitsventil 9 ausfallen, da nur in solchen Situationen ein Druck oberhalb des Druckwerts des Sicherheitsventils 9 bis zu dem Überdruckventil gelangen kann. In allen anderen Fällen schließt das Sicherheitsventil 9 und/oder das Druckregelventil den Aufbau zuverlässig ab, sodass kein die Brennstoffzelle 3 eventuell schädigendes Druckniveau in diesem Bereich anlangt.
