DE102011119077B4 - Verfahren zum betanken eines speichertanks mit druckgas und durch wasserstoff betanktes fahrzeug - Google Patents

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Abstract

Verfahren zum Betanken mit Druckgas, umfassend:Bereitstellen einer Versorgung für Druckgas;Bereitstellen eines Speichertanks mit einer Betankungsleitung (15) und einem Füllstutzen (10) der Betankungsleitung (15), wobei der Füllstutzen (10) zwischen zumindest einer Strömungsreduzierungsposition (20) und einer Position (25) für volle Kraftstoffströmung bewegbar ist;Auslösen eines Betankens von der Versorgung für Druckgas mit dem Füllstutzen (10) in der Strömungsreduzierungsposition (20) für eine vorbestimmte Zeitdauer;wenn die vorbestimmte Zeitdauer verstrichen ist, Bewegen des Füllstutzens (10) in die Position (25) für volle Kraftstoffströmung; undBetanken des Speichertanks von der Versorgung für Druckgas mit dem Füllstutzen (10) in der Position (25) für volle Kraftstoffströmung, bis das Betanken beendet ist,ferner umfassend:Bereitstellen eines Controllers;Bestimmen, ob sich der Controller in einem Betankungsmodus befindet, bevor das Betanken ausgelöst wird, und, wenn sich der Controller nicht in dem Betankungsmodus befindet, Auslösen des Betankens von der Versorgung für Druckgas mit dem Füllstutzen (10) in der Strömungsreduzierungsposition (20) und Beibehalten des Füllstutzens (10) in der Strömungsreduzierungsposition (20), bis das Tanken beendet ist.

Description

  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • Die Erfindung betrifft allgemein das Betanken von Druckgastanks und insbesondere Verfahren zum sicheren Betanken von Druckgastanks und ein durch Wasserstoff betanktes Fahrzeug.
  • Eine Schlüsselkomponente in einem Hochdruckspeichersystem für Fahrzeuganwendungen, wie Wasserstoff oder Flüssiggas (CNG von Engl.: „compressed natural gas“) ist das Tankgefäß. Ein Typ von Tankgefäß zum Speichern von komprimierten Gas bzw. Druckgas ist aus einem Faser-Verbundstoff hergestellt. Faserverbundstoffgefäße sind erstrebenswert, da sie ein gutes Verhältnis von Speicherung zu Gewicht aufweisen. Sie besitzen typischerweise zwei Schichten: eine Außenschicht, die beispielsweise aus einer Kohlefasermatrix besteht und derart ausgelegt ist, die mechanische Last zu tragen, und einer Innenschicht oder Auskleidung, die aus einer Kunststoff- oder Aluminiumblase besteht und so ausgelegt ist, um eine Leckage zu verhindern.
  • Die Geometrie der Innenauskleidung und der Fasermatrixschicht sind gewöhnlich aus Material- und Prozessgründen verschieden. Die Innenschicht kann allgemein keine Spannungskräfte aushalten. Um sicherzustellen, dass die Auskleidung fest durch die Außenschicht getragen ist, sollte stets ein minimaler Druck aufrechterhalten werden. Bei Drücken unterhalb des minimalen Drucks, beispielsweise kleiner als etwa 20 bar, können sich die beiden Schichten voneinander trennen. Wenn Kraftstoff in das Gefäß schnell unter hohem Druck unterhalb des minimalen Drucks eingeführt wird, stößt die Innenauskleidung sehr hart gegen die Fasermatrixschicht. Die Innenauskleidung könnte brechen und die Inhalte würden durch die Außenschicht in die Umgebung strömen. Zusätzlich kann Gas, das in dem Spalt zwischen den beiden Schichten gefangen ist, die Auskleidung und/oder die Fasermatrixschicht schädigen.
  • Eine Tankdruckbewertung besitzt eine gewisse Toleranz, die über die Zeit zunimmt. Beispielsweise ist die Toleranzkette die Summe verschiedener Komponenten und des Wandlers. Die Toleranz für den P-Wandler weist den A/D-Wandler, den Temperaturkompensator und den D/A-Wandler auf, was beispielsweise ± 13,5 bar sein kann. Die Toleranz für den Fahrzeugcontroller kann beispielsweise ± 18 bar sein. Somit beträgt die Signaltoleranz beispielsweise 31,5 bar. Die Schädigung über die Zeit muss ebenfalls betrachtet werden, die beispielsweise ± 2,25 bar/yr sein kann. Somit wäre für einen 4 Jahre alten p-Wandler die Toleranz die Summe derselben oder beispielsweise ± 40,5 bar.
  • Der Signaltoleranz muss die ungünstige Toleranzspanne zusammen mit einer Sicherheitsspanne hinzugefügt werden. Somit kann es erforderlich werden, dass aus Sicherheitsgründen die Wasserstofffreisetzung bei einem Tankdruck von 65 bar durch den Fahrzeugcontroller gestoppt werden muss (z.B. 20 bar Minimumdruck + 31,5 Signaltoleranz + 9 bar Schädigung + 4,5 bar Sicherheitsspanne = 65 bar). Jedoch kann bei dem berechneten Abschaltdruck der „echte“ Tankdruck ein beliebiger Wert zwischen 20 bar und 105 bar sein, wie in 1 gezeigt ist. Daher resultiert in allen nicht den ungünstigsten Fall betreffenden Situationen die ungünstigste Toleranzspanne in einer reduzierten nutzbaren Wasserstoffmasse und somit einer reduzierten Fahrzeugreichweite von bis zu 14 %.
  • Typischerweise tankt der Fahrer des Fahrzeugs an einer Tankstelle. Einige Tankstellen besitzen die Fähigkeit, den Gefäßfüllgrad zu erkennen, während andere dies nicht tun. Wenn die Tankstelle eine Infrarot-(IR)-Schnittstelle, einen Computer und eine Zuordnung besitzt, kann die Tankstelle die richtige Betankung steuern. Der Fahrzeugspeichertank ist mit der Fülldüse bzw. dem Füllstutzen der Tankstelle verbunden und erzeugt einen „Kurzschluss“ zwischen dem leeren Gefäß und den 875 bar Druck der Tankstelle. Der „Kurzschluss“ zwischen dem leeren Gefäß und der Quelle mit 875 bar erzeugt einen sehr starken Drucksprung und eine sehr hohe Gasströmung. Eine langsame Füllung besitzt eine reduzierte Strömung im Vergleich zu der regulären schnellen Füllung. Derzeit ist eine langsame Füllung nur an einem Wartungsknotenpunkt mit trainiertem Personal und spezieller Ausstattung (H2-Flasche, Strömungsbegrenzer, Druckmesseinrichtung) möglich.
  • Ferner wird angenommen, dass eine schnelle Füllung in einigen Situationen, beispielsweise ohne Kenntnis, ohne Verfolgung und/oder ohne Instrumentierung, unkorrekt durchgeführt worden wird.
  • US 2002 / 0 014 277 A1 offenbart ein Verfahren zum schnellen Befüllen des Wasserstofftanks eines Fahrzeugs, wobei beim Betanken des Tanks die Wasserstoffgas-Füllrate in Abhängigkeit von dem Druck im Tank verändert wird, um eine starke Wärmeerzeugung zu Beginn des Betankens zu vermeiden. JP 2005 - 89 474 A beschreibt ebenfalls ein Wasserstoffbetankungsverfahren mit unterschiedlichen Füllraten.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Aufgabe der Erfindung ist es, ein verbessertes Verfahren zum Betanken eines Speichertanks mit Druckgas und ein verbessertes durch Wasserstoff betanktes Fahrzeug bereitzustellen.
  • Zur Lösung der Aufgabe sind ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und ein Fahrzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 7 vorgesehen. Vorteilhafte Ausbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen zu entnehmen.
  • Figurenliste
    • 1 ist ein Schaubild, das die Größe der Reichweite zeigt, die als Funktion des Drucks des Gefäßes verloren geht.
    • 2 ist eine Darstellung der einen Ausführungsform der Erfindung.
    • 3 ist ein Schaubild, das einen Vergleich des gegenwärtigen Betankungsprozesses und des Betankungsprozesses gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
  • Die vorliegende Erfindung sieht eine sichere Druckzunahme in allen Betankungssituationen vor, da anstatt der Tankstelle das Fahrzeug den Füllmodus steuert. Unterhalb eines minimalen Druckniveaus wird eine langsame Füllung ausgeführt. Ein Ventil beschränkt die Füllung mit einer definierten Öffnung. Die langsame Befüllung wird für eine festgelegte Periode, beispielsweise etwa 20 Sekunden oder bis ein minimaler Druck erhalten ist, ausgeführt. Danach folgt die schnelle Füllung. In Fällen ohne Kenntnis der Gefäßfüllung wird die langsame Füllung automatisch ausgeführt. Wenn das Speichergefäß anfänglich das erforderliche minimale Druckniveau besitzt, kann die schnelle Füllung von Beginn an ausgeführt werden.
  • Die vorliegende Erfindung kann eine sichere Betankung in Situationen bereitstellen, einschließlich, jedoch nicht darauf beschränkt, Situationen mit sehr geringem Druck, wo der Füllgrad der Gefäße nicht bekannt ist, sowie Tankstellen mit beschädigter Kommunikation zwischen dem Fahrzeug und der Tankstelle.
  • Die vorliegende Erfindung kann ein oder mehrere Vorteile besitzen. Sie kann ein sicheres Betanken bei jedem Druck, nicht nur oberhalb des minimalen Drucks, bereitstellen. Folglich kann die Fahrreichweite z.B. bis zu etwa 14 % erhöht werden. Die Toleranzkette des p-Signals besitzt keinen Effekt auf die vorliegende Erfindung. Es kann ein regulärer Betankungsbetrieb verwendet werden, sogar wenn der Fahrer das Fahrzeug über die Niedrigpegelwarnung hinaus betreibt, so dass weniger als der minimale Druck vorhanden ist. Es existieren weniger Anforderungen für die Tankstelle, da das langsame und schnelle Tanken durch das Fahrzeug und nicht durch die Tankstelle gesteuert werden. Ein langsames Füllen ist an jeder Tankstelle zulässig; es ist kein trainiertes Personal oder spezielle Ausstattung erforderlich. Zu Beginn des Betankens reduziert der Strömungsbegrenzer die Strömung auf geringeren Druck für eine vorbestimmte Zeitdauer oder bis ein minimaler Druck erhalten ist. Jedoch steigt die Betankungszeit geringfügig, und es sind ein zusätzlicher Füllstutzen und optional zugeordnete Steuerungen erforderlich.
  • Wie in 2 gezeigt ist, ist das Fahrzeug mit einem Füllstutzen 10 in der Betankungsleitung 15 ausgestattet, der zwischen zumindest einer Strömungsreduzierungsposition 20 und einer Position 25 mit voller Betankungsströmung schalten kann. Der Füllstutzen befindet sich hinter dem Gegendruckventil, das während des Betankens durch Gegendruck geschlossen und durch Strömung geöffnet wird. Der Füllstutzen kann beispielsweise federbelastet oder angetrieben sein. Mit einem federbelasteten Füllstutzen ist die Standardposition, wenn der Aktuator nicht erregt ist, die Strömungsreduzierungsposition. Ein angetriebener Füllstutzen öffnet und schließt auf Anweisung. Die nicht angetriebene Position ist die Strömungsreduzierungsposition. Zur Strömungsreduzierung ist die Öffnung so kalibriert, dass die Druckbeaufschlagung des Tanksystems beginnend von dem geringsten Abschaltdruck (z.B. 5 bar) mit vollem Lieferdruck (z.B. 800 bar) innerhalb einer festgelegten Zeitdauer (z.B. etwa 20 Sekunden) eine langsame Druckbeaufschlagung auf den minimalen Druck, bei dem eine Strömungsreduzierung (z.B. 20 bar) während der Betankung nicht notwendig ist, zulässt (siehe Berechnung unten). Wenn die Betankung detektiert wird oder der Tankdruck für eine Betankung mit hoher Rate erreicht ist, schaltet der Fahrzeugcontroller das Ventil von der Strömungsreduzierungsposition in die Position für volle Kraftstoffströmung. Das Ventil kann ein Ventil mit zwei Positionen sein, wie oben beschrieben ist. Alternativ dazu kann nach Bedarf das Ventil ein oder mehrere zusätzliche Positionen besitzen, wie eine Absperrposition. Alternativ dazu kann das Ventil ein proportionales Strömungsreduzierungsventil sein, bei dem die Öffnung von zumindest einer Strömungsreduzierungsposition zu einer Position für volle Strömung variiert werden kann. Die Öffnung kann auch als ein Absperrventil wirken und die Strömung vollständig schließen.
  • Der durch unkorrekte Betankung bewirkte Schaden kann verhindert werden. Wenn der Fahrzeugcontroller nicht in dem Betankungsmodus ist, wird der Füllstutzen in die Strömungsreduzierungsposition eingestellt und bleibt über das Betanken dort. Es ist kein Auskleidungsschaden möglich, da das Betanken sehr langsam auftritt.
  • In allen anderen Betankungsmoden befindet sich der Fahrzeugcontroller in dem Betankungsmodus. Das Betanken wird bei einem Zustand mit geringem Druck mit dem Füllstutzen in der Strömungsreduzierungsposition für eine festgelegte Zeitdauer (z.B. 20 Sekunden) oder bis das gewünschte Druckniveau erreicht ist, gestartet. Der Fahrzeugcontroller detektiert die Betankung durch Druckanstieg. Es können verschiedene Drucksensoren in dem Speichertank vorhanden sein. Eine Zunahme des Drucks wird durch den Fahrzeugcontroller unabhängig der Drucksignaltoleranzen bestimmt. Die Toleranz bezüglich der Druck-„Bewegung“ ist wesentlich kleiner als das Absoluttoleranzthema. Wenn die Zeitdauer für einen sicheren Druckanstieg bei geringeren Drücken verstrichen ist oder wenn der Drucksensor angibt, dass der Tankdruck oberhalb des minimalen Drucks für eine Betankung mit hoher Strömung ist, dann schaltet der Fahrzeugcontroller das Ventil in die Position für volle Betankungsströmung. Die Druckzunahme in einem leeren Gefäß wird nicht in einem großen Drucksprung von geringem Druck mit voller Strömung auf hohen Druck durchgeführt. Die Strömungsspitze zu Beginn der Betankung wird reduziert, was das Betankungsgeräusch reduziert. Die Zunahme der mechanischen Spannung von einer im Wesentlichen spannungslosen Situation zu einer Hochspannungssituation wird in einen längeren Zeitrahmen gedehnt.
  • Das Betanken kann fortgesetzt werden, bis es beendigt ist. Die Tankstelle kann signalisieren, dass der Tank voll ist, und das Betanken beenden. Alternativ dazu kann der Kunde das Betanken zu einem beliebigen Zeitpunkt stoppen oder unterbrechen. Es existiert kein Auskleidungsschaden, und die Betankungszeit ist minimiert (die Zeit ist nur durch die Größe der anfänglichen Zeitdauer zum langsamen Füllen, wenn überhaupt, erhöht).
  • 3 zeigt einen Vergleich des Betankens mit dem vorliegenden System und des Betankens unter Verwendung des Strömungsreduzierungs-Füllstutzens der vorliegenden Erfindung. Die Zeitzunahme zum Betanken beträgt etwa 20 Sekunden (oder irgendeine andere Zeitperiode).
  • Die Größe der Öffnung kann bestimmt werden wie folgt:
    • Wähle den geringst angenommenen Tankdruck - z.B. 5 bar
    • Wähle das Druckniveau zur Betankung mit voller Strömung - z.B. 20 bar
    • Dichtedifferenz bei der Temperatur - z.B. 20°C - 1,5 g/l
    • Tankvolumen - z.B. 117 1
    • Bestimme Menge an H2 - z.B. etwa 180 g
    • Wähle Zeit zur langsamen Druckbeaufschlagung - z.B. 20 s
    • Betankungsdruck - 800 bar
    • Bestimme Strömungsreduzierungsöffnung - etwa 0,5 mm
  • Obwohl die Diskussion oben Bezug auf Speichertanks für Fahrzeuge genommen hat, erkennt der Fachmann, dass die Erfindung auf jegliche Druckgasspeicherungs- und Nachfüllanwendungen, ob mobil oder stationär, Anwendung findet.
  • Es sei angemerkt, dass die Begriffe wie „bevorzugt“, „üblicherweise“ und „typischerweise“ hier nicht dazu verwendet sind, den Schutzumfang der beanspruchten Erfindung zu beschränken oder zu implizieren, dass gewisse Merkmale kritisch, wesentlich oder sogar wichtig für den Aufbau oder die Funktion der beanspruchten Erfindung sind. Vielmehr sind diese Begriffe lediglich dazu bestimmt, alternative oder zusätzliche Merkmale hervorzuheben, die in einer bestimmten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet werden können, jedoch nicht müssen.
  • Für die Zwecke der Beschreibung und Definition der vorliegenden Erfindung sei angemerkt, dass der Begriff „Vorrichtung“ hier dazu verwendet ist, eine Kombination aus Komponenten und einzelnen Komponenten darzustellen, ungeachtet dessen, ob die Komponenten mit anderen Komponenten kombiniert sind. Zum Beispiel kann eine „Vorrichtung“ gemäß der vorliegenden Erfindung eine elektrochemische Umwandlungsanordnung oder Brennstoffzelle, ein Fahrzeug, das eine elektrochemische Umwandlungsanordnung gemäß der vorliegenden Erfindung enthält, etc. umfassen.
  • Für die Zwecke der Beschreibung und Definition der vorliegenden Erfindung sei angemerkt, dass der Begriff „im Wesentlichen“ hier dazu verwendet ist, den inhärenten Grad an Unsicherheit anzugeben, der einem quantitativen Vergleich, Wert, Messung oder einer anderen Darstellung zugewiesen werden kann. Der Begriff „im Wesentlichen“ ist hier auch dazu verwendet, den Grad zu repräsentieren, um den eine quantitative Darstellung von einer festgelegten Referenz abweichen kann, ohne in einer Änderung der Grundfunktion des betreffenden Gegenstandes zu resultieren.
  • Mit der detaillierten Beschreibung der Erfindung und durch Bezugnahme auf spezifische Ausführungsformen derselben wird offensichtlich, dass Modifikationen und Variationen ohne Abweichung von dem Schutzumfang der Erfindung, der in den angefügten Ansprüchen definiert ist, möglich sind. Genauer ist es, obwohl einige Aspekte der vorliegenden Erfindung hier als bevorzugt oder besonders vorteilhaft festgestellt sind, denkbar, dass die vorliegende Erfindung nicht unbedingt auf diese bevorzugten Aspekte der Erfindung beschränkt ist.

Claims (7)

  1. Verfahren zum Betanken mit Druckgas, umfassend: Bereitstellen einer Versorgung für Druckgas; Bereitstellen eines Speichertanks mit einer Betankungsleitung (15) und einem Füllstutzen (10) der Betankungsleitung (15), wobei der Füllstutzen (10) zwischen zumindest einer Strömungsreduzierungsposition (20) und einer Position (25) für volle Kraftstoffströmung bewegbar ist; Auslösen eines Betankens von der Versorgung für Druckgas mit dem Füllstutzen (10) in der Strömungsreduzierungsposition (20) für eine vorbestimmte Zeitdauer; wenn die vorbestimmte Zeitdauer verstrichen ist, Bewegen des Füllstutzens (10) in die Position (25) für volle Kraftstoffströmung; und Betanken des Speichertanks von der Versorgung für Druckgas mit dem Füllstutzen (10) in der Position (25) für volle Kraftstoffströmung, bis das Betanken beendet ist, ferner umfassend: Bereitstellen eines Controllers; Bestimmen, ob sich der Controller in einem Betankungsmodus befindet, bevor das Betanken ausgelöst wird, und, wenn sich der Controller nicht in dem Betankungsmodus befindet, Auslösen des Betankens von der Versorgung für Druckgas mit dem Füllstutzen (10) in der Strömungsreduzierungsposition (20) und Beibehalten des Füllstutzens (10) in der Strömungsreduzierungsposition (20), bis das Tanken beendet ist.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Füllstutzen (10) federbelastet ist.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Füllstutzen (10) angetrieben ist.
  4. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Füllstutzen (10) ein proportionales Strömungsreduzierungsventil ist.
  5. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Bewegen des Füllstutzens (10) durch einen Controller gesteuert wird.
  6. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Speichertank sich in einem Fahrzeug befindet und wobei das Druckgas Wasserstoff oder Erdgas ist.
  7. Fahrzeug, das durch Wasserstoff betankt wird, umfassend: dass das Fahrzeug einen Kraftstofftank mit einer Betankungsleitung (15), einen Füllstutzen (10) in der Betankungsleitungsströmung, wobei der Füllstutzen (10) zwischen zumindest einer Strömungsreduzierungsposition (20) und einer Position (25) für volle Kraftstoffströmung bewegbar ist, und einen Controller aufweist, der den Füllstutzen (10) steuert, wobei, wenn sich der Controller in einem Betankungsmodus befindet, bevor das Betanken ausgelöst wird, der Füllstutzen (10) bei einem Auslösen eines Betankens für eine vorbestimmte Zeitdauer die Strömungsreduzierungsposition (20) einnimmt und, wenn die vorbestimmte Zeitdauer verstrichen ist, in die Position (25) für volle Kraftstoffströmung geschaltet wird, und, wenn sich der Controller nicht in dem Betankungsmodus befindet, der Füllstutzen (10) bei einem Auslösen eines Betankens die Strömungsreduzierungsposition (20) einnimmt und diese beibehält, bis das Tanken beendet ist.
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