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1. WO2006084886 - BRENNSTOFFZELLENANLAGE MIT EINER DOSIEREINHEIT

Anmerkung: Text basiert auf automatischer optischer Zeichenerkennung (OCR). Verwenden Sie bitte aus rechtlichen Gründen die PDF-Version.

[ DE ]

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"BrennstoffZeilenanlage mit einer Dosiereinheit"

Die Erfindung betrifft eine BrennstoffZeilenanlage mit einer BrennstoffZeileneinheit, wobei eine Dosiereinheit zum
Dosieren einer Stoffmenge für wenigstens eine Elektrode vorgesehen ist, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Stand der Technik:

Unter den alternativen Antriebskonzepten für Kraftfahrzeuge, Schiffe oder dergleichen sowie als Energiezentralen finden zur Zeit vor allem brennstoffzellengestützte Systeme eine verstärkte Aufmerksamkeit. Diese Systeme beinhalten
üblicherweise PEM-Brennstoffzellen (PEM: Polymer-Elektrolyt-Membran) , die häufig mit Wasserstoff und Luft als
Energieträger betrieben werden. Darüber hinaus sind auch andere Brennstoffzellensysteme bereits im Einsatz .

Einerseits wird Wasserstoff getankt und im Kraftfahrzeug gespeichert. Andererseits wird beispielsweise der Wasserstoff in einer vorgeschalteten Reformerstufe aus Kraftstoffen, wie beispielsweise Methanol, Methan, Diesel, je nach Bedarf direkt "on-board" hergestellt und entsprechend verbraucht.

In derartigen BrennstoffZeilensystemen muss somit eine
Vielzahl von Stoffströmen flexibel und trotzdem sehr genau dosiert werden. Dies gilt sowohl für flüssige Komponenten, wie Wasser, Kraftstoffe und auch für gasförmige Medien, wie Luft, Wasserstoff oder dergleichen.

Zur Reduzierung von Druckschwankungen aufgrund des Betriebes von Pumpen bzw. Kompressoren sind beispielsweise in einem Stoffstrang zwei in Reihe geschaltete Regelventile bereits - 2 - R . 310875

bekannt. Entsprechend in Reihe geschaltete Ventile sind jedoch nicht geeignet auf dynamische Änderungen der von der Brennstoffzelle bzw. dem Brennstoffzellenstack angeforderte Stoffmenge im vergleichsweise weiten, benötigten
Leistungsbereich zu dosieren bzw. den Druck des
AnodenstoffStroms dem Druck des KathodenstoffStroms
selbsttätig nachzuführen.

Bei vielen BrennstoffZellensystemen, insbesondere bei PEM-Brennstoffzellen, ist es jedoch notwendig, eine ständige Anpassung des Anodendrucks an den Kathodendruck
sicherzustellen, um eine Beeinträchtigung der vergleichsweise druckempfindlichen Membran sicher zu verhindern. Eine
entsprechende Druckanpassung sollte möglichst simultan bzw. quasisimultan, d.h. die Druckanpassung sollte innerhalb einer Zeit von ca. 200 ms erfolgen. Ansonsten könnte die Membran irreversibel beschädigt werden.

Beispielsweise bei Fahrzeuganwendungen, die durch eine sehr hohe Dynamik, insbesondere bei Überholvorgängen oder
dergleichen, gekennzeichnet sind, ist eine entsprechende Druckanpassung sehr anspruchsvoll.

Bei Musterausführungen werden z.B. zur Zumessung von
Wasserstoff für ein Brennstoffzellensystem parallel
geschaltete Wasserstoffeinblasventile, sogenannte Hydrogen Gas Injector (HGI), verwendet. Die Einblasventile werden über ein elektronisches Steuergerät, das die Drucke auf der
Kathoden- und auf der Anodenseite erfasst, gesteuert, so dass sich trotz ständigem Verbrauch durch die Brennstoffzelle auf der Anodenseite des Brennstoffzellenstacks innerhalb einer erlaubten Druckdifferenz das gleiche Druckniveau einstellt wie auf der Kathodenseite. Solange der anodenseitige Druck auf gleichem Niveau wie auf der Kathodenseite gehalten wird, ist automatisch gewährleistet, dass genügend Wasserstoff zugeführt wird, da sich der Verbrauch über den Durchtritt von - 3 - R . 310875

Protonen durch die Brennstoffzellenmembran in bestimmten Grenzen automatisch dem geforderten Bedarf anpasst.

Nachteilig hierbei ist jedoch, dass zur Abdeckung der
maximalen Verbrauchsmenge und der für das System
erforderlichen Dynamik für eine typische
Brennstoffzellenfahrzeugapplikation mit z.B. ca. 75 kW etwa 4 bis 6 einzelne Einblasventile erforderlich sind. Bei höheren Leistungen werden entsprechend mehr Einblasventile benötigt. Hierdurch wird die Steuerung der zahlreichen Einblasventile vergleichsweise aufwendig.

Darüber hinaus ist von Nachteil, dass entsprechende
Einblasventile bei maximaler Stoffmenge bzw. im voll
geöffneten Zustand etwa 1 A Strom benötig. Dies führt
einerseits dazu, dass bei einer Vielzahl von Ventilen ein entsprechend aufwendiges Steuergerät erforderlich ist und andererseits dass ein vergleichsweise hoher Eigenverbrauch der Dosierung bzw. vergleichsweise hohe, sogenannte
parasitäre Leistungen vorhanden sind.

Aufgabe und Vorteile der Erfindung:

Aufgabe der Erfindung ist es demgegenüber, eine
BrennstoffZeilenanlage mit einer BrennstoffZeileneinheit, wobei eine Dosiereinheit zum Dosieren einer Stoffmenge für wenigstens eine Elektrode vorgesehen ist und wobei die
Dosiereinheit wenigstens zwei, parallel verschaltete
Dosierelemente umfasst, vorzuschlagen, die die Kontrolle der zu dosierenden Stoffmenge vereinfacht und insbesondere eine vergleichsweise feinfühlige und/oder eine relativ schnelle Kontrolle der zu dosierenden Stoffmenge ermöglicht bzw. einen möglichst geringen Eigenverbrauch aufweist. Insbesondere sollte das System gegebenenfalls auch diagnosefähig sein, d.h. eine für das System nachteilige oder schädigend wirkende - 4 - R . 310875

Ausbildung der Druckverhältnisse im Brennstoffzellen-Stack sollte als Fehler erkennbar sein.

Diese Aufgabe wird, ausgehend von einer
BrennstoffZeilenanlage der einleitend genannten Art, durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Durch die in den Unteransprüchen genannten Maßnahmen sind
vorteilhafte Ausführungen und Weiterbildungen der Erfindung möglich.

Dementsprechend zeichnet sich eine erfindungsgemäße
Brennstoffzellenanlage dadurch aus, dass das erste
Dosierelement als Kontrollelement zum Kontrollieren des
Durchströmungsquerschnitts des zweiten Dosierelementes ausgebildet ist.

Mit Hilfe der Erfindung ist besonders von Vorteil, dass sich die Kontrolle der zu dosierenden Stoffmenge vereinfacht und insbesondere mit besonders geringem elektrischen
Energieeinsatz bzw. elektrischer Leistung die Stoffmenge kontrollierbar ist. Dies kann insbesondere über den gesamten Bereich der zu dosierenden Stoffmenge verwirklicht werden. Dies führt beispielsweise zu einer vorteilhaften Einsparung an elektrischer Energie beim Zudosieren gemäß der Erfindung im Vergleich zum Stand der Technik.

Darüber hinaus kann in besonders vorteilhafter Weise gemäß der Erfindung ausgenützt werden, dass die zu dosierende
Stoffmenge des ersten Dosierelementes besonders genau bzw. mit relativ kleinen Toleranzen dosierbar ist. Hierdurch kann mittels des ersten Dosierelementes die gesamte zu dosierende Stoffmenge genau kontrolliert werden. Dementsprechend exakt kann die zu dosierende Stoffmenge eingestellt werden.

Vorteilhafterweise weist das erste Dosierelement eine relativ kleine durchströmbare Stoffmenge und das zweite Dosierelement - 5 - R . 310875

eine relativ große durchströmbare Stoffmenge auf. Hierfür wird beispielsweise bei einer Variante der Erfindung das erste Dosierelement mit einem im Vergleich mit dem Druck des zweiten Dosierelementes geringeren Druck beaufschlagt.
Hiermit kann eine Art Verstärkerprinzip realisiert werden, so dass sowohl vergleichsweise schnell als auch mit einem vergleichsweise großen Bereich die Stoffmenge der
BrennstoffZeileneinheit zudosierbar ist. Dies ist gerade bei Fahrzeuganwendungen mit vergleichsweise hoher Dynamik als besonders vorteilhaft zu bewerten.

Darüber hinaus ist denkbar, zusätzlich zur erfindungsgemäßen Kontrolle und/oder Kopplung eine elektronische Kontrolle und/oder Kopplung zwischen dem ersten Dosierelement und dem zweiten Dosierelement vorzusehen. Beispielsweise könnte eine elektronische Kontrolleinheit den und/oder die
Durchströmungsquerschnitte des ersten und/oder des zweiten Dosierelementes kontrollieren bzw. verändern und/oder die durchströmende bzw. zu dosierende Stoffmenge an den Bedarf der BrennstoffZeileneinheit anpassen.

Vorteilhafterweise ist zwischen dem ersten Dosierelement und dem zweiten Dosierelement eine pneumatische
Kopplungsvorrichtung zum Koppeln des Betriebs wenigstens der beiden Dosierelemente vorgesehen. Hiermit wird eine
vorteilhafte Abhängigkeit der beiden
Durchströmungsquerschnitte und somit der beiden zu
dosierenden Teilstoffmengen erreichbar. Bei einer
pneumatischen Kopplungsvorrichtung ist besonders von Vorteil, dass die Steuerung hierfür keine weitere elektrische Energie benötigt .

Andererseits ist bei der pneumatischen Kopplungsvorrichtung darüber hinaus von Vorteil, dass bei dem im Allgemeinen als Fluid insbesondere als Gas ausgebildeten Stoff in
synergistischer Weise die Kopplung mit Hilfe des zu - 6 - R . 310875

dosierenden Stoffs bzw. Brennstoffs verwirklichbar ist.
Hierdurch kann sich die Umsetzung der Erfindung sowohl in konstruktiver als auch in regelungstechnischer Weise
vorteilhaft vereinfachen.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist ein maximaler Durchströmungsquerschnitt des ersten
Dosierelementes um ein Vielfaches kleiner als ein maximaler Durchströmungsquerschnitt des zweiten Dosierelementes.
Beispielsweise ist der maximale Durchströmungsquerschnitt des ersten Dosierelementes etwa um einen Faktor 3, 10, 100 oder 1000 kleiner als ein maximaler Durchströmungsquerschnitt des zweiten Dosierelementes.

Mit Hilfe der unterschiedlich großen maximalen
Durchströmungsquerschnitte der Dosierelemente kann gerade bzw. ausschließlich in Kombination mit der parallelen
Verschaltung der Dosierelemente insbesondere erreicht werden, dass eine sehr hohe Dynamik bezüglich der dosierbaren
Stoffmenge über einen weiten Bereich des zu dosierenden
VolumenstoffStromes umsetzbar ist. Dies ist vor allem bei Fahrzeuganwendungen ein bedeutender Vorteil gegenüber dem Stand der Technik.

Beispielsweise wird im oberen Leistungsbereich bzw. im maximalen VolumenstoffStrombereich der von der
BrennstoffZeileneinheit benötigte Bedarf im Wesentlichen vom zweiten Dosierelement mit dem vergleichsweise großen
maximalen Durchströmungsquerschnitt gedeckt. Gegebenenfalls kann das erste Dosierelement eine zusätzliche Stoffmenge der BrennstoffZeileneinheit zudosieren. Denkbar ist jedoch auch, dass bei maximalem Bedarf der Brennstoffzelleneinheit das erste Dosierelement keinen bzw. einen weniger relevanten Beitrag an der zu dosierenden Stoffmenge leistet.

Darüber hinaus kann gemäß der Erfindung erreicht werden, dass - 7 - R . 310875

eine vergleichsweise exakte Dosierung der Stoffmenge über einen besonders weiten Bereich der Stoffmenge umgesetzt werden kann. Beispielsweise weisen relativ große,
veränderbare Durchströmungsquerschnitte bezüglich der
durchströmenden Stoffmenge im Allgemeinen vergleichsweise große Toleranzen auf. Dagegen weisen im Allgemeinen
vergleichsweise kleine, veränderbare
Durchströmungsquerschnitte kleine Toleranzen bezüglich der durchströmenden Stoffmenge bzw. Volumenströme auf.

Gemäß der Erfindung kann durch das Zusammenwirken und/oder durch die Addition der durch beide Dosierelemente
durchströmenden Stoffmengen, die gemeinsam der Elektrode der BrennstoffZeileneinheit zuzuführen sind, eine insgesamt relativ kleine Toleranz bezüglich der Stoffmenge bzw. des VolumenstoffStromes über den gesamten Bereich hinweg auf. Mit Hilfe der kleinen Toleranz des ersten Dosierelementes ist die relativ große Toleranz des zweiten Dosierelementes in
vorteilhafter Weise ausgleichbar. Dementsprechend wird die Genauigkeit der Dosierung über den gesamten Bereich der zudosierbaren Stoffmenge im Vergleich zum Stand der Technik deutlich verbessert.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst die Kopplungsvorrichtung wenigstens zwei mit einer Trennwand voneinander getrennte Druckkammern. Beispielsweise sind die Druckkammern Teil der parallelen Stoffzweige bzw. der
parallelen Leitungen, in denen die beiden Dosierelemente angeordnet sind.

Vorteilhafterweise ist die Trennwand verstellbar,
insbesondere verschiebbar ausgebildet. Hiermit können
beispielsweise Druckschwankungen von einer Kammer auf die andere Kammer in vorteilhafter Weise pneumatisch übertragen werden. Vorteilhafterweise ist die Trennwand als Kolben in einem Zylinder oder dergleichen ausgebildet.

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Vorzugsweise ist die Trennwand als insbesondere flexible und/oder dehnbare Membran ausgebildet. Mit Hilfe dieser
Variante der Erfindung ist eine besonders einfache und wirkungsvolle pneumatische Kopplung der beiden Dosierelemente realisierbar. Vorzugsweise ist die Membran wenigstens
senkrecht zur Membranfläche verstellbar ausgebildet.

In einer besonderen Weiterbildung der Erfindung verändert eine Verstellung der Trennwand, insbesondere senkrecht zur Fläche der Trennwand bzw. Membran, den
Durchströmungsquerschnitt eines der Dosierelemente,
insbesondere den Durchströmungsquerschnitt des zweiten
Dosierelementes. Mit Hilfe dieser Maßnahme wird in besonders eleganter Weise eine pneumatische Kopplung der beiden
Dosierelemente und insbesondere die Kontrolle des
Durchströmungsquerschnitts des zweiten Dosierelementes mit Hilfe des ersten Dosierelementes verwirklichbar.

Vorteilhafterweise ist wenigstens eine Rückstellvorrichtung, wie beispielsweise eine Feder, ein Gewicht oder dergleichen, vorgesehen, die in vorteilhafter Weise eine Ver- bzw.
Rückstellung der Trennwand in eine Ruheposition ermöglicht. Hiermit wird gewährleistet, dass beispielsweise ein
definierter Ausgangszustand der Kopplungsvorrichtung bzw. der Dosiereinheit vorgesehen ist. Beispielsweise wird im
Ausgangszustand bzw. im Ruhezustand der Dosiereinheit bzw. der Kopplungsvorrichtung ein vollständiges Verschließen eines der Dosierelemente, vorzugsweise des zweiten Dosierelementes, vorgesehen. Vorzugsweise ist die Rückstelleinheit mit dem Ventilkörper des entsprechenden Dosierelementes bzw. Ventils insbesondere mechanisch gekoppelt bzw. verbunden, so dass der Ventilkörper auf dem entsprechenden Ventilsitz ruht bzw. den Durchströmungsquerschnitt des entsprechenden Ventils
vollständig verschließt.

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Ein als Ventil ausgebildetes Dosierelement kann insbesondere einen kegelförmigen, kugelförmigen oder ähnlich ausgebildeten Ventilkörper aufweisen. Andererseits ist auch eine Art Blende denkbar, die eine Veränderung des Durchströmungsquerschnitts ermöglicht .

Vorteilhafterweise ist in einem der Dosierelemente und parallel zu dem anderen Dosierelement wenigstens ein
Drosselelement zum Verändern des Drucks angeordnet. Hiermit wird in vorteilhafter Weise gewährleistet, dass sich der Druck in diesem Strang bzw. in der entsprechenden Druckkammer derart vorteilhaft auf- bzw. abbauen kann, dass eine
vorteilhafte Anpassung der Dosiereinheit an den gesamten Bereich der der BrennstoffZeileneinheit zudosierenden
Stoffmenge einstellbar ist. Insbesondere kann hiermit in vorteilhafter Weise die Dynamik des Systems und/oder das Druckmaximum eingestellt werden.

In einer vorteilhaften Variante der Erfindung ist wenigstens eine Kontrolleinheit zum Kontrollieren des ersten und/oder des zweiten Dosierelementes vorgesehen. Gegebenenfalls kann eine pneumatische Kontrolleinheit umgesetzt werden, die beispielsweise als pneumatische Vergleichseinheit zum
Vergleich des Kathodendrucks mit dem Anodendruck ausgebildet ist. Beispielsweise kann mit Hilfe eines veränderbaren
Stellelementes, das pneumatisch sowohl mit der Kathode als auch mit der Anode der Brennstoffzelleneinheit verbunden ist, ein Vergleich des Kathodendrucks mit dem Anodendruck und/oder eine Kontrolle des bzw. der Dosierelemente verwirklicht werden. Vorzugsweise wird eine elektronische Kontrolleinheit zum Kontrollieren des bzw. der Dosierelemente vorgesehen.

In einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist
wenigstens ein erster Drucksensor zur Erfassung des
Kathodendrucks und ein zweiter Drucksensor zur Erfassung des Anodendrucks vorgesehen. Vorzugsweise erzeugen die - 10 - R . 310875

Drucksensoren elektrische Signale und übermitteln diese an eine elektronische Vergleichs- und/oder Kontrolleinheit.

Es gibt auch Differenzdrucksensoren, die Δp = pA - pκ messen. Mit einem Drucksensor zur Erfassung von pA und einem Δp-Sensor kann die Erfindung ebenfalls vorteilhaft verwirklicht werden.

Vorteilhafterweise ist die Kontrolleinheit zum Vergleich des Kathodendrucks mit dem Anodendruck ausgebildet.

In einer besonderen Ausführungsform der Erfindung ist der Kathodendruck als Führungsgröße der Kontrolleinheit
ausgebildet. Dies bedeutet, dass der Anodendruck als
Kathodendruck nachgeführt wird. Der Kathodendruck wird gemessen oder abgeschätzt aus Verdichtergrößen und
Drosselelementen. Dieser Druck wird als Sollwert für die Regelung des Anodendrucks verwendet.

Vorzugsweise ist wenigstens das erste Dosierelement als
Gaseinblasventil ausgebildet. Es hat sich in der Praxis gezeigt, dass gerade ein als Gaseinblasventil ausgebildetes erstes Dosierelement, das vorzugsweise das zweite
Dosierelement vorteilhaft steuert, sich besonders bewährt.

Gegebenenfalls ist das Drosselelement als Gaseinblasventil ausgebildet. Ein entsprechendes als Drosselelement
ausgebildetes Gaseinblasventil ist vorzugsweise im stromlosen Zustand als offen zu realisieren.

Ausführungsbeispiel : - 11 - R . 310875

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird anhand der Figuren nachfolgend näher erläutert .

Im Einzelnen zeigt:

Figur 1 ein schematisches Blockschaltbild einer
erfindungsgemäßen Brennstoffzellenanlage und

Figur 2 ein schematisches Blockschaltbild einer
zweiten erfindungsgemäßen
Brennstoffzellenanlage .

In Figur 1 wird ein Brennstoffzellenstack 1 einerseits mit Wasserstoff 2 für eine Anode 3 und andererseits mit Luft 4 für eine Kathode 5 versorgt.

Die Luft 4 wird mittels einem Verdichter 6 verdichtet und anschließend mittels eines Befeuchters 7 mit Wasser
befeuchtet, so dass eine Membran 8 des Brennstoffzellenstacks 1 einerseits nicht austrocknet und andererseits nicht zu nass wird.

Der Brennstoffzellenstack 1 weist einen Ausgang 9 auf, an dem eine Drossel 10 zur Einstellung der Ausströmmenge bzw. zum Erzeugen eines Staudrucks vorgesehen ist. Auf der Anodenseite des Brennstoffzellenstacks 1 ist ein Ventil 11 vorgesehen, das im Normalbetrieb geschlossen und z.B. zum Spülen der Anode 3 geöffnet wird. Letzteres wird insbesondere zum Spülen von sich auf der Anodenseite akkumulierendem Stickstoff, etc. verwendet .

Der Wasserstoff 2 wird in einem Hochdrucktank 12 bei dieser Ausführungsvariante gespeichert, der mittels eines
Absperrventils 13 verschließbar ist. Im Hochdrucktank 12 wird - 12 - R . 310875

beispielsweise der Wasserstoff 2 mit 350 bar oder 700 bar gespeichert. Alternativ zu einem Hochdrucktank 12 kann der Tank 12 auch als Niederdrucktank beispielsweise als
Metallhydridspeicher oder Zwischenspeicher eines
Wasserstoffreformats, u.s.w. ausgebildet werden.

Vorzugsweise ist ein Druckminderer 14 zur Reduzierung des Speicherdrucks des Hochdrucktankes 12 vorgesehen. In
Strömungsrichtung des Wasserstoffs 2 nach dem Druckminderer 14 liegt ein Vordruck pv an. Der Wasserstoff 2 wird ab einer Verzweigung 15 einerseits zu einem ersten Dosierelement 16 und andererseits zu einem zweiten Dosierelement 17 geleitet. Das Dosierelement 16 ist beispielsweise als Schaltventil mit Auf-/Zu-Funktion bzw. als sogenanntes HGI 16 (Hydrogen Gas Injector) ausgebildet. Das Dosierelement 17 ist
beispielsweise als Ventil 17 mit einem Ventilkörper 18, insbesondere einem kegelförmigen Ventilkörper 18 ausgebildet, der einen Ventilsitz 19 verschließt bzw. öffnet.

Beide Ventile 16 und 17 werden von einer Baueinheit 20 umfasst, die als Druckreduzierventil 20 ausgebildet ist. Die Baueinheit 20 umfasst zwei von einer Membran 21 getrennte Kammern Ki und K2 in denen entsprechend ein Druck pi und p2 ansteht. Die Membran 21 ist mit dem Ventilkörper 18
mechanisch gekoppelt, so dass eine Auslenkung der Membran 21, insbesondere senkrecht zur Membranfläche, ein Verstellen bzw. ein Verschließen und/oder Öffnen des Ventilsitzes 19 bewirkt.

Darüber hinaus ist in der Kammer Ki eine Feder 22 vorgesehen, die einerseits gegen ein Gehäuse der Baueinheit 20 und andererseits gegen die Membran 21 drückt. Die Feder 22 bewirkt somit eine Vorspannung des Ventils 17, so dass das Ventil 17 bei einem Gleichgewichtsdruck, bei dem pi = p2 ist, verschlossen ist. Die Membran 21 ist beispielsweise durch ein Bördeln zweier Gehäusehälften der Baueinheit 20 sicher und weitestgehend druckdicht fixiert.

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In Strömungsrichtung hinter der Kammer K2 ist eine
Abströmdrossel 23 angeordnet. In Strömungsrichtung hinter der Kammer Ki und der Abströmdrossel 23 ist eine zweite
Verzweigung 24 vorgesehen, so dass ein Strömungspfad 25 parallel zum Strömungspfad 26 verschaltet ist. Im
Strömungspfad 25 ist das Dosierelement 16, die Kammer K2 sowie die Abströmdrossel 23 angeordnet und im Strömungspfad 26 ist das Ventil 17, die Feder 22 und die Kammer K1
angeordnet. Das Dosierelement 16 und die Abströmdrossel 23 sind in Reihe im Strömungspfad 25 verschaltet. Die beiden Strömungspfade 25, 26 werden durch die beiden Verzweigungen 15, 24 definiert.

Darüber hinaus ist im Kathoden- bzw. Luftpfad ein Drucksensor 27 für die Ermittlung des Kathodendrucks pκ und im Anodenbzw. Wasserstoffpfad ein Sensor 28 für die Ermittlung des Anodendrucks pA vorgesehen. Die beiden Sensoren 27, 28 sind mittels einer Kontrolleinheit 29 bzw. eines elektronischen Steuergerätes regelungstechnisch verbunden. Die
Kontrolleinheit 29 ist zum Vergleich der beiden Drucke pκ und pA ausgebildet, wobei pκ als Führungsgröße für pA verwendet wird.

Die Kontrolleinheit 29 ist weiterhin mit dem Dosierelement 16 bzw. dem HGI 16 regelungstechnisch verbunden, so dass der Durchströmungsquerschnitt bzw. die zudosierte Menge
Wasserstoff 2 des Dosierelementes 16 von der Kontrolleinheit 29 kontrolliert wird. Durch die zudosierte Menge Wasserstoff 2 des HGI 16 wird der Druck p2 in der Kammer K2 definiert. Eine Änderung des Druckes p2 und/oder eine Änderung des
Druckes pi bewirkt eine entsprechende Auslenkung der Membran 21, so dass ein Durchströmungsquerschnitt des Ventils 17 des Ventilsitzes 19 verändert bzw. durch das HGI 16 kontrolliert wird. Dementsprechend ist das Ventil 16 und das Ventil 17 pneumatisch gekoppelt.

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Im in Figur 2 dargestellten Ausführungsbeispiel ist im
Unterschied zu dem in Figur 1 dargestellten ein zweites
Einblasventil 30 bzw. ein zweites HGI 30 anstelle der
Abströmdrossel 23 gemäß Figur 1 vorgesehen. Vorzugsweise ist das zweite HGI 30 gemäß Figur 2 im stromlosen Zustand offen geschaltet .

Vorteilhafterweise regelt die Kontrolleinheit 29 den
Anodendruck pA mit Hilfe der Führungsgröße pκ derart, dass pA im Wesentlichen pκ entspricht. Hierfür wird in vorteilhafter Weise das Dosierelement 16 bzw. das HGI 16 durch
entsprechendes Takten gesteuert.

Der Durchströmungsquerschnitt des HGI 16 ist wesentlich kleiner als der Durchströmungsquerschnitt des Ventilsitzes 19 bzw. Ventils 17. Aufgrund dessen kann insbesondere durch den Strömungspfad 26 eine deutlich größeres Stoffstrommenge als durch den Strömungspfad 25 durchströmen.

Das HGI 16 zeichnet sich durch eine besonders hohe
Genauigkeit bzw. eine vergleichsweise gute Dosierbarkeit des durch den Strömungspfad 25 durchströmende Stoffmenge aus, so dass der Druck p2 in der Kammer K2 sehr exakt einstellbar ist. Dementsprechend kann die Auslenkung der Membran 21 exakt eingestellt werden, wodurch die durch den Strömungspfad 26 durchströmende, vergleichsweise große Stoffmenge des
Wasserstoffs 2 relativ genau einstellbar ist. Darüber hinaus wirkt durch die Steuerung einer relativ großen Stoffmenge des Strömungspfades 26 mit Hilfe einer vergleichsweise kleinen Stoffmenge des Strömungspfades 25 die Anordnung bzw. die Baueinheit 20 als Verstärker bzw. Multiplizierer.

Die Membran 21 ist kräftemäßig im Gleichgewicht, wenn der Differenzdruck der Kammern Ki und K2, d.h. Δp = p2 - pi, - 15 - R . 310875

gleich der durch die Membranwirkfläche dividierten Federkraft plus der durch den Differenzdruck Δpv = Pv - Pi auf den
Ventilkörper 18 wirkenden Kraft wird. Die Federkraft wird durch die Feder 22 erzeugt.

Das Ventil 17 ist so ausgelegt, dass es in diesem
Gleichgewichtszustand geöffnet ist bzw. gerade öffnet und dem Brennstoffzellenstack 1 gemäß dem freigegebenen
Ventilöffnungsquerschnitt über die Kammer Ki Wasserstoff 2 zugeführt wird.

Die Kammer K2 wird vom Druckminderer 14 über das HGI 16 mit Wasserstoff 2 gespeist, der dann über die Abströmdrossel 23 zur Anodenseite des BrennstoffZeilenstacks 1 strömt. Durch eine vorteilhafte Dimensionierung bzw. Anpassung/Eichung der Abströmdrossel 23 lässt sich über das Taktverhältnis der Ansteuerung des HGI 16, d.h. über die in Kammer K2
einströmende Menge der Druck p2 in Kammer K2 zumindest in gewissen Grenzen einstellen. Das HGI 16 stellt zusammen mit der Abströmdrossel 23 eine Druckteilerschaltung dar, bei der der Druck p2 zwischen dem HGI 16 und der Drossel 23, d.h. in der Kammer K2, von der durchströmenden Wasserstoffmenge abhängig ist.

Im Gleichgewichtszustand ergibt sich dann auch der Druck pi in Kammer Ki gemäß dem oben dargestellten Zusammenhang. Das bedeutet, dass über das Taktverhältnis sich der Druck pi bzw. der Anodendruck pA verändern, wobei pi im Wesentlichen pA entspricht. Die Kontrolleinheit 29 ist derart vorteilhaft programmiert, dass sie den Druck pA durch Veränderung des Taktverhältnisses des HGI 16 an einen Solldruck pκ anzupassen trachtet .

Das Regelverhalten wird nachfolgend durch die Beschreibung von Störungen der Gleichgewichtslage näher erläutert.

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Fall A) Der kathodenseitige Solldruck pκ erhöht sich:
Der Druck pi ist nun kleiner als der Solldruck pκ. Die
Kontrolleinheit 29 taktet das HGI 16 weiter auf, so dass sich P2 erhöht. Auf den höheren Druck p2 in der Kammer K2 wird die Membran 21 dergestalt ausgelenkt, dass der Ventilkörper 18 öffnet bzw. einen größeren Querschnitt freigibt. Es fließt nun mehr Wasserstoff 2 in die Kammer Ki und pi erhöht sich bis sich der Gleichgewichtszustand wieder eingestellt hat, d.h. bis pi bzw. pA = PK ist.

Fall B) Der kathodenseitige Solldruck pκ verringert sich: Der Druck pi ist nun größer als der Solldruck pκ. Die
Kontrolleinheit 29 taktet das HGI 16 weniger weit auf bzw. ganz zu, so dass sich P2 verringert. Durch den niedrigen Druck p2 in Kammer K2 wird die Membran 21 dergestalt
ausgelenkt, dass der Ventilkörper 18 eine kleineren
Öffnungsquerschnitt freigibt oder ganz schließt. Es fließt nunmehr weniger Wasserstoff 2 in Kammer Ki und pi verringert sich bis sich die Gleichgewichtslage wieder eingestellt hat.

Fall C) Die vom Brennstoffzellenstack 1 verbrauchte
Wasserstoffmenge erhöht sich:
Der Druck pi sinkt zunächst, da nicht mehr genügend Menge Wasserstoff 2 über das Ventil 16 nachströmen kann, um den Verbrauch des Brennstoffzellenstacks 1 abzudecken. Durch den niedrigen Druck pi in Kammer Ki wird die Membran 21
dergestalt ausgelenkt, dass der Ventilkörper 18 einen
größeren Öffnungsquerschnitt freigibt. Es fließt nun mehr Wasserstoff 2 in Kammer Ki und pi erhöht sich bis sich der Gleichgewichtszustand wieder eingestellt hat. Der Vorgang wird noch dadurch beschleunigt, dass auch ein Takten des HGI 16 gemäß dem oben genannten Fall A) einsetzt, was die Membran 21 in die gleiche Richtung bewegt.

Fall D) Die vom Brennstoffzellenstack 1 verbrauchte Menge verringert sich: - 17 - R . 310875

Der Druck pi steigt, da mehr Menge Wasserstoff 2 über das Ventil 17 nachströmt, als vom Brennstoffzellenstack 1
verbraucht wird. Durch den höheren Druck pi in der Kammer Ki wird die Membran 21 dergestalt ausgelenkt, dass der
Ventilkörper 18 einen kleineren Öffnungsquerschnitt freigibt oder ganz schließt. Es fließt nun weniger oder gar kein
Wasserstoff 2 in die Kammer Ki und pi verringert sich bis sich die Gleichgewichtslage wieder eingestellt hat. Der
Vorgang wird noch dadurch beschleunigt, dass auch das Takten des HGI 16 gemäß dem oben genannten Fall B) reduziert wird oder das HGI ganz schließt, was die Membran 21 in die gleiche Richtung bewegt.

Fall E) Die vom Brennstoffzellenstack 1 verbrauchte Menge liegt im Bereich der über das HGI 16 eingeblasenen Menge: Der Differenzdruck p2 - pi wird kleiner als die Federkraft, so dass die Feder 22 das Ventil 17 bzw. den Ventilsitz 19 schließt. Die Regelung erfolgt jetzt bei geschlossenem Ventil 17 nur noch durch das getaktete Ansteuern des HGI 16 durch die Kontrolleinheit 29, so dass pA auf den Sollwert pκ eingeregelt wird. Das bedeutet, dass der Strömungspfad 26 vollständig geschlossen und lediglich der Strömungspfad 25 Wasserstoff 2 durchströmen lässt.

Fall F) Die vom Brennstoffzellenstack verbrauchte Menge wird gleiche Null, z.B. im Abstellfall:
Die Kontrolleinheit 29 steuert das HGI 16 nicht an. Damit fließt in die Kammer K2 nichts nach. Über die Drossel 23 gleichen sich die Drucke pi, P2 in den Kammern Ki und K2 aus. Das bedeutet, dass der Differenzdruck p2 - pi gleich Null wird und auf die Membran 21 wirkt nun lediglich die
Federkraft der Feder 22. Diese Federkraft schließt nun das Ventil 17 und hält es geschlossen, bis wieder Wasserstoff 2 vom Brennstoffzellenstack 1 angefordert wird.

Prinzipiell ist von Vorteil, wenn der Vordruck pv, der am - 18 - R . 310875

Ausgang des Druckreduzierventils 20 bzw. der Baueinheit 20 ansteht und sowohl vor dem Ventil 17 als auch am Einlass des HGI 16 anliegt, größer als der maximal zu regelnde
Anodendruck pA ist. In der Regel wird pv im Bereich von etwa 4 bis 15 bar und pκ bzw. pA etwa im Bereich von 1 bis etwa 3 bar liegen.

Die Sitzfläche des Ventilsitzes 19 sollte kleiner als die Membranwirkfläche sein, sie sollte in vorteilhafter Weise deutlich kleiner sein. Insbesondere sollte die maximale vom Ventil 17 freigegebene Fläche groß genug sein, so dass bei minimalem Vordruck pv und maximalem Druck im
Brennstoffzellenstack 1 die geforderte maximale
Verbrauchsmenge und die erforderlicher Regeldynamik
gewährleistet werden kann.

Der Querschnitt der Abströmdrossel 23 sollte mit dem vom HGI 16 maximal freigegebenen Querschnitt in vorteilhafter Weise derart abgestimmt werden, dass die Druckteilerschaltung von HGI 16 und der Drossel 23 über das Taktverhältnis des HGI 16 den gesamten im Brennstoffzellenstack 1 vorkommenden
Druckbereich vorteilhaft anfahren kann.

Der Ventilsitz 19 bzw. der Ventilkörper 18 können beliebige Geometrien aufweisen. Beispielsweise können auch Kugel- oder Flachsitzventile, Schlitzventile und andere verwirklicht werden.

Die Membran 21 kann aus einem beliebigen flexiblen Material bestehen, sie sollte den Anforderungen an Druckfestigkeit, Gasbeständigkeit und Dichtheit genügen, z.B. Metall,
Kunststoff oder kunststoffbeschichtetes Gewebe. Da die
Kammern Ki und K2 beidseitig mit dem selben Gas umströmt sind, ist eine relativ große Permeation durch das
Membranmaterial bis in Größenordnungen von etwa 1/10 der Massenströme durch das Einblasventil 16 möglich.

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Alternativ zum getakteten Schaltventil 16 bzw. HGI 16 kann auch ein Proportionalventil 16 oder dergleichen mit
entsprechend kleinen Massenströmen verwendet werden.

Generell können neben Wasserstoff 2 auch andere Betriebsgase bzw. Fluide verwendet werden. Bei einem vergleichsweise großen positiven oder negativen Joule-Thomson-Effekt, ist es von Vorteil, bei relativ großen entsprechenden
Temperaturänderungen bei der Gasexpansion in der Kammer Ki eine vorteilhafte Wärmeabfuhr oder Wärmezufuhr vorzusehen, wie dies beispielsweise mit Hilfe eines Wärmetauschers oder dergleichen in nicht näher dargestellter Weise möglich ist.

Grundsätzlich kann gemäß der Erfindung der anodenseitige Druck pA durch gezielte Zuführung von Wasserstoff 2 oder dergleichen mit dem als Führungsgröße ausgebildeten
kathodenseitigen Druck pκ ausgeglichen werden. Durch die Nachführung des anodenseitigen Druckes pA ist, insbesondere auch bei konstantem Verbrauch gewährleistet, dass dem
Brennstoffzellenstack 1 immer genau soviel Stoffmenge
zugeführt wird, wie dieser verbraucht. Die Zumessung ergibt sich also nahezu automatisch aus der Nachführung bzw.
Konstanthaltung des anodenseitigen Druckes pA gemäß der
Erfindung.

Von besonderem Vorteil ist gemäß der Erfindung insbesondere, dass gerade bei Systemen mit hoher Leistung und hohen
Anforderungen an die Dynamik eine kostengünstige Lösung mit nur einem elektronisch gesteuerten bzw. kontrollierten Ventil 16 erforderlich ist. Die Anforderungen an das Steuergerät bzw. an die Kontrolleinheit 29 bleiben auch bei hohen
Stoffmengen konstant. Beispielsweise wird bei der oben genannten Ausführungsvariante unter Verwendung lediglich eines HGI 16 maximal 1 A zur Steuerung benötigt, was sich ebenfalls stark kostenreduzierend gegenüber dem Stand der - 20 - R . 310875

Technik auswirkt.

Darüber hinaus lassen sich auch kleine Mengen, z.B. im
Leerlauf oder Teillastbereich, mit der gleichen Genauigkeit einblasen wie beim Stand der Technik, da sich hier eine direkte Zumessung über das HGI 16 ergibt.

Darüber hinaus ist das vorgeschlagene System gemäß der
Erfindung voll diagnosefähig, da durch die Ermittlung der Drucke pA und pκ bei einer nachteiligen Abweichung sofort auf Fehler im System geschlossen werden kann. Vorzugsweise ist das Dosierelement 16 bzw. HGI im stromlosen Zustand
geschlossen ausgebildet, so dass bei Fehlern im Systemverbund eine hohe Sicherheit gewährleistet wird.