CN109312898A - 用于运行压力容器系统的阀的方法以及压力容器系统 - Google Patents

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Abstract

这里公开的技术涉及一种用于运行压力容器系统的阀(210)的方法。该方法包括步骤：A)测定在阀(210)的入口处的入口压力(pE)和阀(210)的出口处的出口压力(pA)之间的实际压力差；和B)当实际压力差的值小于或等于阀(210)的最大允许的压力差时，释放所述阀(210)。

Description

用于运行压力容器系统的阀的方法以及压力容器系统
技术领域
这里公开的技术涉及一种用于运行压力容器系统的阀的方法以及一种压力容器系统。
背景技术
压力容器系统本身是已知的。例如，高压气体容器系统和低温压力容器系统用在用氢运行的机动车中。这样的压力容器系统还包括储箱截止阀，该储箱截止阀构成为用于调节燃料从压力容器的流出。
委员会于2010年4月26日的用于实施欧洲议会和理事会的(EG)第79/2009号关于用氢运行的机动车的型号批准的法令的(EU)第406/2010号法令规定了阀测试，在这些机动车中在阀打开时的初始压力必须等于入口压力的至少50％。在压力容器系统的运行中可能发生如下情形，即，在储箱截止阀关闭之后在储箱截止阀下游还取出燃料。这导致在储箱截止阀下游的压力减小并且因此在储箱截止阀入口和出口之间的压差进一步升高。因此可能出现如下情况，即，在打开阀时的出口压力小于入口压力的50％。对于这样的运行条件，便不会测试和释放阀。如果储箱截止阀在这样的情况下会打开，则可能损坏该储箱截止阀。
可以通过如下方式遵守前述规定并且避免损坏储箱截止阀，即，将储箱截止阀设计成相应健壮的。为此可以规定，储箱截止阀针对最高运行压力而设计，该最高运行压力是压力容器的标称运行压力的两倍那么高。但这样的储箱截止阀便比较昂贵和/或需要比较多的结构空间。
发明内容
这里公开的技术的一种优选的目的在于，减少或克服在先已知的技术方案的至少一个缺点。尤其是，这里公开的技术的一个优选的目的在于，提供一种运行可靠的阀，该阀需要比较少的结构空间、比较轻和/或成本比较低廉。进一步优选的目的可以从这里公开的技术的有利效应得出。这个(这些)目的通过独立权利要求的技术方案实现。从属权利要求构成优选的实施方案。
这里公开的技术涉及一种用于机动车的压力容器系统。压力容器系统用于储存在环境条件下呈气态的燃料。压力容器系统例如可以用在用压缩天然气(CNG)或液化天然气(LNG)或用氢运行的机动车中。
这样的压力容器系统包括至少一个压力容器。压力容器例如是低温压力容器(＝CcH2)或高压气体容器(＝CGH2)。
高压气体容器构成为基本上在环境温度下使用持久地在高于约350巴过压(barü)(＝相对于大气压的过压)、进一步优选高于约500巴过压和特别优选高于约700巴过压的标称运行压力(也称为标称工作压力或NWP)下储存燃料。低温压力容器适合于即使在明显低于机动车运行温度的温度下也在前述的运行压力下储存燃料。
这里公开的压力容器系统还包括至少一个阀，该阀与所述至少一个压力容器流体连通。优选地，所述至少一个阀是储箱截止阀(TAV：英语为shut-off valve)。储箱截止阀是其入口压力(基本上)等于容器压力的阀。储箱截止阀尤其是可开环控制或可闭环控制的并且尤其是常闭的阀。储箱截止阀通常集成在箱载阀(OTV)中。箱载阀是直接装配在压力容器端部上的并且与压力容器内部直接流体连通的阀单元。在委员会于2010年4月26日的用于实施欧洲议会和理事会的(EG)第79/2009号关于用氢运行的机动车的型号批准的法令的(EU)第406/2010号法令中，这样的储箱截止阀也称为第一阀。
这里公开的压力容器系统还可以包括至少一个压力传感器，该压力传感器设置在阀下游。压力传感器适宜地构成为用于测量阀出口处的燃料压力。
这里公开的压力容器系统还可以包括至少一个控制器，该控制器设置用于闭环控制或开环控制压力容器系统的至少其中几个部件。尤其是，控制器可以设置用于执行这里公开的方法步骤。控制器可以设置用于，当实际压力差的值小于或等于阀的最大允许的压力差时，释放所述阀。
最大允许的压力差在此是在阀入口和出口之间的刚好尚允许运行所述阀时的压力差。只要开头所述的法令是相关的，该压力差例如最大为50％(亦即，出口压力允许比阀的入口压力低最多50％)。
因此可以在控制器中寄存安全功能。安全功能确保，仅当实际压力差小于阀的最大允许的压力差时，才可以操纵所述阀。因此，可以使用比较轻的并且节省空间的阀。
这里公开的压力容器系统的阀可以尤其是受先导控制的阀，该受先导控制的阀具有先导控制座和主座。这样的受先导控制的或者说间接的阀是已知的。进行先导控制的操纵元件(例如电磁线圈、杆、脚开关等等)的任务在于，仅打开或关闭先导控制座的小的先导控制孔。燃料便承担真正的任务、使主活塞运动。控制器可以设置用于打开用来减小实际压力差的控制组。先导控制座具有比主座小的打开横截面。在这样的打开横截面上出现即使在高的压力差时也可以是不关键的较小的力和力矩。不过，先导控制座的打开已经引起一定的压力补偿，该压力补偿导致实际压力差减小。为此，先导控制阀可以通过合适的调整器、例如借助脉宽调制来调整。先导控制也可以仅仅是脉冲，该脉冲必要时重复直至(在阀后面)所希望的压力提高。
这里公开的压力容器系统还可以具有旁通阀。该旁通阀可以在(主)阀上游分支或者说直接在压力容器中开始并且从阀下游通入。换言之，旁通阀因此设置成与所述阀在流体技术上并联。旁通阀本身优选这样确定尺寸，使得该旁通阀具有比所述阀小的通流横截面。例如，通过旁通阀的最大燃料质量流量可以至少以因子10、优选以因子100或1000小于通过所述阀的最大燃料质量流量。除了不同的最大质量流量之外，旁通阀在其他方面可以构造成与所述阀相同的。优选，控制器可以设置用于，尤其是当实际压力差大于最大允许的压力差时，打开旁通阀，用以补偿压力。但也可以规定，旁通阀被手动操纵，例如通过相应的受过培训的维修人员。这样的旁通阀由于较小的流动横截面而比所述阀更有利、更小并且更轻。优选，这个阀可以针对比所述阀明显更大的压力差而设计。
这里公开的压力容器系统还可以具有压力卸载装置，该压力卸载装置可以设置在所述阀、尤其是储箱截止阀上游或者与所述阀、尤其是储箱截止阀在流体技术上并联。压力卸载装置可以设置用于排出燃料，用以减小实际压力差。优选涉及能可逆地反复关闭的压力卸载装置。压力卸载装置例如可以是在流体技术上设置在储箱截止阀和压力容器之间的“出血口”。适宜地，这样的“出血口”可以是能机械操纵的阀。但也可设想其他的解决方案。
这里公开的压力容器系统可以包括至少一个加料管路，该加料管路与阀的出口这样流体连通，使得通过经由加料管路进行加料能提高所述阀下游的压力。因此可以适宜地提高在所述阀的出口处的压力，由此减小实际压力差。
替代地或附加地，这里公开的压力容器系统可以包括至少一个维修口。这样的维修口例如可以设置在阳极子系统中。该维修口例如可以用于输入或输出燃料。适宜地，这样的维修口可以设置在中压区域内。优选地，维修口具有与加料管路的加料耦联器不同的耦联器。因此可以降低滥用的危险。
压力容器系统还可以包括燃料电池系统的阳极子系统的其他部件。阳极子系统由引导燃料的结构元件形成。阳极子系统可以具有所述至少一个压力容器、所述至少一个阀、至少一个减压器、至少一个通至阳极入口的阳极输入管、在燃料电池堆中的阳极腔、至少一个从阳极出口引出的阳极排气管、至少一个水分离器(＝AWS)、至少一个吹扫阀(＝APV)、至少一个主动或被动的燃料再循环泵(＝ARE或ARB)和/或至少一个再循环管以及其他元件。阳极子系统的主要任务是将燃料引导给和分配给阳极腔的电化学活性面和导出阳极排气。
这里公开的技术还涉及一种用于运行这里公开的压力容器系统的阀的方法。该方法包括步骤：
——测定在阀的入口处的入口压力pE和阀的出口处的出口压力(pA)之间的实际压力差；和
——当实际压力差的值小于或等于阀的最大允许的压力差时，释放所述阀。
本方法可以包括如下步骤，根据该步骤，在释放所述阀之前，将实际压力差减小到低于最大允许的压力差的值，尤其是在此不打开所述阀或所述阀的主座。
本方法还可以包括如下步骤，根据该步骤，本方法为了将实际压力差减小到低于最大允许的压力差的值而包括至少一个如下步骤：
——打开所述阀的先导控制座；
——打开旁通阀，该旁通阀在所述阀上游分支出来并且从所述阀下游通入；
——对所述阀上游的燃料管路卸载压力；和/或
——提高在所述阀下游的燃料管路中的压力。
在一种实施方案中可以通过测量在阀入口处和出口处的压力值来测定实际压力差。
优选地，通过如下方式测定所述阀入口处的压力：
——在第一时刻t1确定燃料的入口压力pE1和温度T1，其中，第一时刻t1是阀上一次打开时的先前的时刻，其中，在阀打开时利用压力传感器在阀下游测定入口压力，必要时一同考虑在阀本身上的压力损失，并且必要时存储在第一时刻测定的值；
——测量当前的实际入口压力pEist，在阀或阀的主座关闭时或有可能应该打开时的时刻；
——将当前的实际入口压力pEist与在第一时刻t1的入口压力pE1进行比较，尤其是通过将其中一个值减去另一个值。
在根据该方法确定压力差时，优选可以起用安全因子，该安全因子考虑：不是测量、而是计算在入口处的压力值。
这里公开的方法还可以包括如下步骤，根据该步骤，压力容器系统的或机动车的用户或者维修点(例如车间、手工作坊等等)被告知存在阀的错误功能。为此可以利用任意类型的信息显示以及可以应用任何合适的文本。
运行方法还可以包括步骤：在结束阀下游的燃料消耗(亦即燃料转换)之前(尤其是通过所述至少一个减压器的减压、所述至少一个燃料电池的电化学反应和/或阳极通风阀的运行等等)，关闭阳极子系统中的所述至少一个阀，从而在阀的出口和入口之间形成用于关闭的阀的压力差(优选设定压力差)。这样的设定压力差例如可以用于诊断目的、例如密封性检查。
换言之，这里公开的技术涉及一种压力容器系统和一种用于运行储箱截止阀的方法，其中，检测在两个区域内的压力(经由相应的传感器)或检测在两个区域之一中的压力以及在车辆停止过程中(或在取出结束时)觉察到在未被检测的区域内的压力。这是可能的，因为在取出模式下阀在该位置中是打开的并且在接通过程中(在打开阀之前)可以将觉察到的压力与测得的压力进行比较。优选，在此考虑安全因子，因为在封闭容积中的温度变化会导致压力变化。代替安全因子，可以计算在相应容积中的当前压力(温度和体积在停止和起动时是已知的)。
如果偏差大于50％(包括可能的安全因子)，则将取出截止，这就是说，不操控所述阀。只有通过至少部分的压力补偿，尤其是通过对在截止阀下游的高压管路加料，才重新释放取出。这可以通过加料来实现(在这里，高压管路也被加压)或者通过专门为此设置的可接近点(例如在高压管处的维修口)来实现。理论上，“旁通阀”也可以在储箱系统上建立该压力平衡(可以是可手动或自动操控的)。该阀可以相应简单地构造，因为该阀不必切换大的质量流量(如在取出时需要该大的质量流量)。替代地，优选即使在受先导控制的阀中也可以短时间地操控先导控制座，必要时多次，并且由此可以建立压力平衡，而不打开主座。
避免了所述阀承受超过设计极限的应力。因此，利用简单的手段有效地保护构件保护。理论上，人们可以总是如此设计阀(或者也针对较小的压力差)和并由此更简单地(不是如此健壮地)构建阀或减小磨损。建议一种方法，该方法监控在截止阀上是否存在允许的压力差。只有当压力差在允许的范围内时，本方法才释放截止阀。
附图说明
现在依据图1和2阐述这里公开的技术。
具体实施方式
图1示意性示出这里公开的压力容器系统。在压力容器100中储存有燃料、例如700巴下的氢。压力容器100为具有多个燃料电池单体300的燃料电池单体堆提供氢，这些燃料电池单体在较低的压力水平下、例如0至2巴过压(＝相对于大气压的过压)下运行。在压力容器200的一个端部设有一个储箱截止阀210。代替仅仅一个具有一个储箱截止阀210的压力容器100，同样可以设有多个具有多个储箱截止阀210的压力容器100。在这里所示的系统中，还设有两个压力级，这两个压力级分别利用一个减压器211、212工作。第一压力级将700巴的压力降低到例如11至13巴(中等压力范围)的中等压力水平。第二压力级将压力从中等压力降低到燃料电池单体的低压。为了在减压器211、212功能故障时减小对管路的不允许的载荷，在低压侧分别设有一个压力卸载阀213、214。在对压力容器系统进行加料时，燃料通过加料耦联器221和加料管路220流入到压力容器200中。加料管路220与储箱截止阀210的出口连接。如果现在控制装置400已经识别出在储箱截止阀210的入口和出口之间的实际压力差过大，则用户或受过培训的维修人员可以提高阳极子系统中的压力，例如通过对加料管路220和/或阳极输入管215加压。为此可以使用加料耦联器221或维修口(在这里未示出)。用虚线示出“出血口”219。该“出血口”219同样通入压力容器100中并且因此设置成与储箱截止阀210在流体技术上并联。出血口219在这里可以被手动操纵，从而通过该出血口219可以减小压力容器100中的压力。但，这里公开的压力卸载单元不必构造成“出血口”219。
代替“出血口”219或附加于该出血口，还可以设有旁通阀218，该旁通阀在这里被电气操纵。
在这里示出的具有附图标记100、210、211、212、213、214、215、218、219、220、221、232、234、236、238(和部分地)300的部件是阳极子系统A的组成部分。燃料的流动方向在这里用箭头示出。
现在依据图2阐述在这里公开的方法。本方法以步骤S100开始。首先直接或间接确定在阀的入口和出口之间的实际压力差。为此可以测量两个压力值。优选仅测量阀下游的压力值，从这些压力值便计算出在入口处的值。然后，在步骤300中将实际压力差与阀210的最大允许的压力差进行比较。如果实际压力差大于最大允许的压力差，则在步骤S400中减小压力差，例如通过对阀210下游的阳极子系统加压和/或通过从所述至少一个压力容器100排出燃料。在步骤S500中可以给机动车的用户亦或给维修人力进行输出。接着重新进行步骤S200。如果实际压力差小于最大允许的压力差，则可以释放阀210。然后可以打开或继续运行阀210。控制器400设置用于执行前述步骤。
出于可读性的原因，简化地将术语“至少一个”部分省去。如果这里公开的技术的特征以单数或者不定地描述(例如所述/一压力容器、所述/一阀、所述/一旁通阀等)，则同时也应一同公开了其复数(例如所述至少一个压力容器、所述至少一个阀、所述至少一个旁通阀等)。
本发明的上述说明仅用于阐述目的，而不是用于限制本发明的目的。在本发明的框架内，不同的变化和修改是可能的，而不偏离本发明的范围及其等价方案。

Claims (10)

1.用于运行压力容器系统的阀(210)的方法，其包括步骤：
——测定在阀(210)的入口处的入口压力(pE)和阀(210)的出口处的出口压力(pA)之间的实际压力差；和
——当实际压力差的值小于或等于阀(210)的最大允许的压力差时，释放所述阀(210)。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，在释放所述阀(210)之前，将实际压力差减小到低于最大允许的压力差的值。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，所述方法为了将实际压力差减小到低于最大允许的压力差的值而包括至少一个如下步骤：
——打开所述阀(210)的先导控制座；
——打开旁通阀(218)；
——对所述阀(210)上游的燃料管路卸载压力；和/或
——提高在所述阀(210)下游的燃料管路中的压力。
4.根据前述权利要求之一所述的方法，其中，测定实际压力差包括步骤：
——在第一时刻(t1)确定燃料的入口压力(pE1)和温度(T1)，其中，第一时刻(t1)是阀(210)上一次打开时的时刻；
——测量当前的实际入口压力(pEist)；
——将当前的实际入口压力(pEist)与在第一时刻(t1)的入口压力(pE1)进行比较。
5.压力容器系统，包括：
——至少一个压力容器(100)，用于储存燃料；和
——至少一个阀(210)，该阀与压力容器(100)流体连通；和
——至少一个控制器(400)；
其中，所述控制器(400)设置用于测定在阀(210)的入口处的入口压力(pE)和阀(210)的出口处的出口压力(pA)之间的实际压力差；并且
所述控制器(400)设置用于，当实际压力差的值小于或等于阀(210)的最大允许的压力差时释放所述阀(210)。
6.根据权利要求5所述的压力容器系统，其中，所述阀(210)是受先导控制的具有先导控制座和主座的阀(210)，并且所述控制器(400)设置用于打开先导控制座以减小实际压力差。
7.根据权利要求5或6所述的压力容器系统，其中，所述压力容器系统还包括相对于所述阀(210)而言的旁通阀(218)。
8.根据权利要求5至7之一所述的压力容器系统，还包括压力卸载装置(219)，该压力卸载装置设置在所述阀(210)上游或设置成与所述阀呈流体并联的，所述压力卸载装置(219)设置用于为了减小实际压力差而排出燃料。
9.根据权利要求5至8之一所述的压力容器系统，还包括至少一个加料管路(220)，该加料管路与阀(210)的出口是流体连通的，使得能提高所述阀(210)下游的压力。
10.根据权利要求5至9之一所述的压力容器系统，还包括至少一个维修口，该维修口与阀(210)的出口是流体连通的，使得能提高所述阀(210)下游的压力。
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