DE102016203330A1 - Verfahren zum Regeln des Drucks von Gas in einem Druckbehälter - Google Patents

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Abstract

Es wird ein Verfahren zum Regeln des Drucks von Gas in einem Druckbehälter (10) umfassend einen Liner (14) und eine Außenhülle (12) offenbart, wobei ein Sicherheitsventil (60) zur Druckentlastung des Druckbehälters (10) geöffnet wird, wenn der Druck des Gases im Druckbehälter (10) über einen bestimmten Maximaldruck steigt, wobei der Maximaldruck abhängig von einer erfassten Temperatur des Liners (14) und/oder des Gases bestimmt wird.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Regeln des Drucks von Gas in einem Druckbehälter, ein Druckbehältersystem umfassend
    einen Druckbehälter zum Speichern von Gas und ein Fahrzeug mit einem solchen Druckbehältersystem.
  • Kryogene Druckbehältersysteme sind aus dem Stand der Technik bekannt. Sie umfassen kryogene Druckbehälter. Ein solcher Druckbehälter umfasst einen Innenbehälter sowie einen diesen unter Bildung eines superisolierten (z. B. evakuierten) (Zwischen)Raumes umgebenden Außenbehälter. Kryogene Druckbehälter bzw. Drucktanks werden beispielsweise für Kraftfahrzeuge eingesetzt, in denen ein unter Umgebungsbedingungen gasförmiger Kraftstoff bzw. Brennstoff tiefkalt und somit im flüssigen oder überkritischen Aggregatszustand im Wesentlichen also mit gegenüber den Umgebungsbedingungen deutlich höherer Dichte gespeichert wird. Es sind daher hochwirksame Isolationshüllen (z. B. Vakuumhüllen) vorgesehen. Beispielsweise offenbart die EP 1 546 601 B1 einen solchen Druckbehälter.
  • Druckbehälter (kryogene und nicht-kryogene) sind jeweils für einen maximalen Druck des Gases in dem Druckbehälter ausgelegt. Sofern der Druck des Gases in dem Druckbehälter auf einen Wert oberhalb eines Maximaldrucks steigen sollte, z. B. durch Erwärmung des Gases in dem Druckbehälter und/oder durch Zuführung von weiterem Gas in den Druckbehälter, wird ein Sicherheitsventil geöffnet bzw. öffnet das Sicherheitsventil. Daraufhin kann Gas aus dem Druckbehälter (in die Umgebung) ausströmen. Hierdurch wird der Druckbehälter druckentlastet. Auf diese Weise wird ein Bersten bzw. ein strukturelles Versagen des Druckbehälters verhindert und es wird verhindert, dass der Druckbehälter undicht wird, d. h. Gas unkontrolliert den Druckbehälter verlassen kann.
  • Der Maximaldruck, bei dem das Druckventil geöffnet wird, ist für jeden Bautyp von Druckbehälter vom Hersteller bestimmt bzw. fest vorgegeben. Das Sicherheitsventil wird dann entsprechend gesteuert bzw. reagiert selbsttätig, so dass bei Überschreiten des Maximaldrucks das Sicherheitsventil geöffnet wird bzw. öffnet.
  • Druckbehälter, insbesondere Druckbehälter zum Speichern von Wasserstoff für eine Brennstoffzelle, sind oft Druckbehälter des Typs III. Druckbehälter des Typs III weisen eine Innenhülle (Liner) aus Metall bzw. einer Metalllegierung und eine Außenhülle (z. B. aus carbonfaserverstärktem Kunststoff) auf.
  • Nachteilig an bisher bekannten Verfahren zum Regeln des Drucks von Gas in einem Druckbehälter ist, dass zur Bestimmung, wann das Sicherheitsventil geöffnet werden soll bzw. muss bzw. das Sicherheitsventil öffnet, lediglich der (starre bzw. vom Hersteller fest vorgegebene) Maximaldruck des Gases im Druckbehälter berücksichtigt wird.
  • Es ist eine Aufgabe der hier offenbarten Technologie, die Nachteile der vorbekannten Lösungen zu verringern oder zu beheben. Weitere Aufgaben ergeben sich aus den vorteilhaften Effekten der hier offenbarten Technologie.
  • Die Aufgabe(n) wird/werden gelöst durch den Gegenstand des Patentanspruchs 1, den Gegenstand des Patentanspruchs 5 und den Gegenstand des Patentanspruchs 10. Die abhängigen Ansprüche stellen bevorzugte Ausgestaltungen dar.
  • Somit wird die Aufgabe durch ein Verfahren zum Regeln des Drucks von Gas in einem Druckbehälter umfassend einen Liner und eine Außenhülle gelöst, wobei ein Sicherheitsventil zur Druckentlastung des Druckbehälters geöffnet wird, wenn der Druck des Gases im Druckbehälter über einen bestimmten Maximaldruck steigt, wobei der Maximaldruck abhängig von einer erfassten Temperatur des Liners und/oder des Gases bestimmt wird.
  • Ein Vorteil hiervon ist, dass der Maximaldruck (bei hohen Temperaturen, d. h. Temperaturen oberhalb der Mindesttemperatur, des Liners und/oder des Gases im Druckbehälter), bei dem das Sicherheitsventil öffnet bzw. geöffnet wird, und somit der maximale Befüllungsgrad des Druckbehälters erhöht werden kann. Für die Ermüdung bzw. Schädigung des metallischen Liners ist nicht der vorhandene Druck allein entscheidend, sondern die lokale (Vergleichs-)Spannung im Liner und ihr Verhältnis zur Plastifizierungsgrenze/Fließgrenze des Liners. Die lokale (Vergleichs-)Spannung und die Plastifizierungsgrenze/Fließgrenze sind jedoch abhängig von der Temperatur. Daher entspricht zwar für die tiefste Temperatur (untere Temperaturgrenze), d. h. z. B. –40°C, bei der eine weitere Gasentnahme durch den Verbraucher (z. B. die Brennstoffzelle) unterbunden wird, die beim Maximaldruck vorhandene Spannung in dem Liner der Fließgrenze. Bei einer Temperatur oberhalb der unteren Temperaturgrenze (z. B. Raumtemperatur, d. h. ca. 20°C) liegt jedoch die auftretende Spannung in dem Liner unterhalb der Plastifizierungsgrenze/Fließgrenze, die für den jeweiligen Druck des Gases im Druckbehälter gültig sind. Die Plastifizierungsgrenze/Fließgrenze sinkt mit steigender Temperatur. Mit steigender Temperatur sinkt jedoch die auftretende Spannung in dem Liner noch stärker (als die Plastifizierungsgrenze/Fließgrenze mit steigender Temperatur sinkt). Dadurch, dass der Maximaldruck des Gases im Druckbehälter, bei dem das Sicherheitsventil öffnet bzw. geöffnet wird, nicht starr festgelegt wird, sondern von der Temperatur abhängig bestimmt wird, wird das Sicherheitsventil erst später, d. h. bei höheren Drücken, geöffnet. Hierdurch kann der maximale Befüllungsgrad, d. h. die Menge an Gas, die in dem Druckbehälter gespeichert ist, erhöht werden. Somit wird ein Ablassen bzw. Abblasen von Gas durch Öffnen des Sicherheitsventils erst bei höheren Drücken ausgeführt. Folglich geht weniger Kraftstoff verloren. Bei längeren Standzeiten eines Fahrzeugs wird auf diese Weise weniger Gas an die Umgebung abgegeben.
  • Es kann (unter Berücksichtigung der thermisch bedingten Änderung der Materialkennwerte) ein höherer Betriebsdruck bzw. höherer Druck des Gases in dem Druckbehälter zugelassen werden bzw. erreicht werden. Hierdurch kann der Maximaldruck des Gases in dem Druckbehälter, bei dem das Sicherheitsventil öffnet bzw. geöffnet wird und Gas abgelassen wird, um den Druck zu reduzieren, erhöht werden.
  • In einer Ausführungsform wird das Sicherheitsventil nach dem Öffnen wieder geschlossen, sobald der Druck des Gases in dem Druckbehälter unterhalb des bestimmten Maximaldrucks ist. Ein Vorteil hiervon ist, dass bei diesem Verfahren das Sicherheitsventil im Vergleich zu bisher bekannten Verfahren früher bzw. schneller wieder geschlossen wird, da ein höherer Maximaldruck des Gases im Druckbehälter akzeptiert wird bzw. hingenommen wird bzw. werden kann.
  • Die Temperatur des Liners und/oder des Gases in dem Druckbehälter kann an mehreren Stellen erfasst werden und der Maximaldruck abhängig von einer oder mehreren erfassten Temperaturen bestimmt werden. Es können erhebliche Temperaturunterschiede des Liners bzw. des Gases zwischen verschiedenen Stellen bzw. Orten des Liners des Druckbehälters auftreten. Dies führt zu unterschiedlich hohen Spannungen in dem Liner an den verschiedenen Orten bzw. verschiedenen Bereichen. Insbesondere Spannungen an strukturellen Schwachstellen, die im Bereich der Dome des Druckbehälters angeordnet sein können (bei einem im Wesentlichen zylindrischen bzw. zigarrenförmigen Druckbehältern), können durch die Temperaturmessungen an mehreren Stellen des Druckbehälters besonders gut berücksichtigt werden. Durch Berücksichtigung der Temperaturen, die an mehreren Stellen gemessen bzw. erfasst werden, kann der Maximaldruck noch weiter erhöht werden. Hierdurch wird das Sicherheitsventil später und seltener geöffnet.
  • In einer weiteren Ausführungsform wird der Maximaldruck derart abhängig von der erfassten Temperatur des Liners und/oder des Gases im Druckbehälter bestimmt, dass je höher die erfasste Temperatur oder die erfassten Temperaturen sind, desto höher der bestimmte Maximaldruck ist. Bei hohen Temperaturen des Liners bzw. des Gases im Druckbehälter wird somit der Maximaldruck, d. h. der Druck, bei dessen Überschreiten Gas mittels des Sicherheitsventils an die Umgebung abgegeben wird, erhöht, wodurch das Sicherheitsventil später und seltener geöffnet wird.
  • Die Aufgabe wird auch durch ein Druckbehältersystem umfassend einen Druckbehälter zum Speichern von Gas gelöst, wobei der Druckbehälter einen metallischen Liner und eine Außenhülle aufweist, ein Sicherheitsventil zum Ablassen von Gas aus dem Druckbehälter, einen Temperatursensor zum Erfassen der Temperatur des Liners und/oder des Gases im Druckbehälter, und eine Steuereinrichtung, die derart ausgebildet ist, dass, wenn der Druck des Gases im Druckbehälter einen bestimmten Maximaldruck überschreitet, das Sicherheitsventil öffnet, wobei die Steuereinrichtung ausgebildet ist, den Maximaldruck abhängig von einer erfassten Temperatur des Liners und/oder des Gases im Druckbehälter zu bestimmen.
  • Ein Vorteil hiervon ist, dass der Maximaldruck (bei hohen Temperaturen, d. h. Temperaturen oberhalb der Mindesttemperatur, des Liners und/oder des Gases im Druckbehälter), bei dem das Sicherheitsventil öffnet bzw. geöffnet wird, und somit der maximale Befüllungsgrad des Druckbehälters erhöht werden kann. Somit wird auch der maximale Befüllungsgrad des Druckbehälters erhöht. Für die Ermüdung bzw. Schädigung des Liners ist nicht der vorhandene Druck allein entscheidend, sondern die lokale (Vergleichs-)Spannung und ihr Verhältnis zur Plastifizierungsgrenze/Fließgrenze des metallischen Liners. Die lokale (Vergleichs-)Spannung und die Plastifizierungsgrenze/Fließgrenze sind jedoch abhängig von der Temperatur. Daher entspricht zwar für die tiefste Temperatur (untere Temperaturgrenze), d. h. z. B. –40°C, bei der eine weitere Gasentnahme durch den Verbraucher (z. B. die Brennstoffzelle) unterbunden wird, die beim Maximaldruck vorhandene Spannung in dem Liner der Fließgrenze. Bei einer Temperatur oberhalb der unteren Temperaturgrenze liegt jedoch die auftretende Spannung in dem Liner (weit) unterhalb der Plastifizierungsgrenze/Fließgrenze, die für den jeweiligen Druck des Gases im Druckbehälter gültig sind. Die Plastifizierungsgrenze/Fließgrenze sinkt mit steigender Temperatur. Mit steigender Temperatur sinkt jedoch die auftretende Spannung in dem Liner noch stärker (als die Plastifizierungsgrenze/Fließgrenze mit steigender Temperatur sinkt). Dadurch, dass der Maximaldruck des Gases im Druckbehälter, nicht starr festgelegt wird, sondern von der Temperatur abhängig bestimmbar ist bzw. bestimmt wird, öffnet das Sicherheitsventil später, d. h. erst bei höheren Drücken. Somit kann der maximale Befüllungsgrad, d. h. die Menge an Gas, die in dem Druckbehälter gespeichert ist, erhöht werden. Folglich wird ein Ablassen bzw. Abblasen von Gas durch Öffnen des Sicherheitsventils erst bei höheren Drücken ausgeführt. Folglich geht weniger Kraftstoff verloren. Bei längeren Standzeiten eines Fahrzeugs mit einem solchen Druckbehältersystem wird weniger Gas an die Umgebung abgegeben.
  • In einer weiteren Ausführungsform ist die Steuereinrichtung derart ausgebildet, dass die Steuereinrichtung das Sicherheitsventil nach dem Öffnen wieder schließt, sobald der Druck des Gases unter den vorgegebenen Maximaldruck gesunken ist. Ein Vorteil hiervon ist, dass bei diesem Druckbehältersystem das Sicherheitsventil im Vergleich zu bisher bekannten Druckbehältersystemen früher bzw. schneller wieder geschlossen wird, da ein höherer Maximaldruck des Gases im Druckbehälter akzeptiert wird bzw. hingenommen wird.
  • In einer weiteren Ausführungsform wurde der Liner des Druckbehälters einem Autofrettage-Verfahren zur Festigkeitssteigerung unterzogen. Thermisch bedingte Unterschiede in der Vorspannung entstehen durch die Autofrettage zur Festigkeitssteigerung. Hierdurch kann der Maximaldruck des Gases im Druckbehälter weiter erhöht werden. Bei der Autofrettage wird der metallische Liner bzw. der Druckbehälter einem vorbestimmten (hohen) Druck ausgesetzt, wodurch Teile des metallischen Liners plastifizieren. Nach Druckentlastung des metallischen Liners entstehen Zugspannungen in dem Liner. Insbesondere diese Zugspannungen erlauben den Maximaldruck bei hohen Temperaturen des Liners bzw. des Gases im Druckbehälter zu erhöhen. Hierdurch wird das Sicherheitsventil besonders spät und seltener geöffnet.
  • Das Druckbehältersystem kann ferner mehrere Temperatursensoren zur Erfassung der Temperatur des Liners und/oder des Gases im Druckbehälter an mehreren Stellen umfassen, wobei die Steuereinrichtung derart ausgebildet ist, dass diese den Maximaldruck abhängig von den erfassten Temperaturen des Liners und/oder des Gases im Druckbehälter bestimmt. Hierdurch kann besonders zuverlässig vermieden werden, dass die Fließgrenze bzw. Plastifizierungsgrenze des Liners erreicht bzw. überschritten wird. Daher kann das Sicherheitsventil besonders spät geöffnet werden, wenn die Temperatur des Liners und somit die Spannungen des Liners erfasst wird und die erfasste Temperatur(en) den Maximaldruck des Gases im Druckbehälter mitbestimmt.
  • In einer weiteren Ausführungsform ist die Steuereinrichtung derart ausgebildet und eingerichtet, dass die Abhängigkeit des bestimmten Maximaldrucks von der erfassten Temperatur oder den erfassten Temperaturen derart ist, dass je höher die erfasste Temperatur oder die erfassten Temperaturen sind, desto höher der bestimmte Maximaldruck ist. Bei hohen Temperaturen des Liners bzw. des Gases im Druckbehälter wird somit der Maximaldruck, d. h. der Druck, bei dem das Sicherheitsventil Gas abbläst, erhöht, wodurch das Sicherheitsventil später, d. h. erst bei höheren Drücken und/oder Temperaturen, geöffnet wird.
  • Die Aufgabe wird auch durch ein Fahrzeug mit einem solchen Druckbehältersystem gelöst.
  • Die hier offenbarte Technologie betrifft einen Druckbehälter, der ein kryogener Druckbehälter sein kann. Der kryogene Druckbehälter bzw. Drucktank kann Brennstoff im flüssigen oder überkritischen Aggregatszustand speichern. Als überkritischer Aggregatszustand wird ein thermodynamischer Zustand eines Stoffes bezeichnet, der eine höhere Temperatur und einen höheren Druck als der kritische Punkt aufweist. Der kritische Punkt bezeichnet den thermodynamischen Zustand, bei dem die Dichten von Gas und Flüssigkeit des Stoffes zusammenfallen, dieser also einphasig vorliegt. Während das eine Ende der Dampfdruckkurve in einem p–T-Diagramm durch den Tripelpunkt gekennzeichnet ist, stellt der kritische Punkt das andere Ende dar. Bei Wasserstoff liegt der kritische Punkt bei 33,18 K und 13,0 bar. Ein kryogener Druckbehälter ist insbesondere geeignet, den Brennstoff bei Temperaturen zu speichern, die deutlich unter der Betriebstemperatur (gemeint ist der Temperaturbereich der Fahrzeugumgebung, in dem das Fahrzeug betrieben werden soll) des Kraftfahrzeuges liegt, beispielsweise mind. 50 Kelvin, bevorzugt mindestens 100 Kelvin bzw. mindestens 150 Kelvin unterhalb der Betriebstemperatur des Kraftfahrzeuges (i. d. R. ca. –40°C bis ca. +85°C). Der Brennstoff kann beispielsweise Wasserstoff sein, der bei Temperaturen von ca. 30 K bis 360 K im kryogenen Druckbehälter gespeichert wird. Der Druckbehälter kann in einem Kraftfahrzeug eingesetzt werden, das beispielsweise mit komprimiertem („Compressed Natural Gas” = CNG) oder verflüssigtem (LNG) Erdgas betrieben wird. Der kryogene Druckbehälter kann insbesondere einen Innenbehälter umfassen, der ausgelegt ist für Speicherdrücke bis ca. 350 barü, bevorzugt bis ca. 500 barü, und besonders bevorzugt bis ca. 700 barü. Bevorzugt umfasst der kryogene Druckbehälter ein Vakuum mit einem Absolutdruck im Bereich von 10–9 mbar bis 10–1 mbar, ferner bevorzugt von 10–1 mbar bis 10–3 mbar und besonders bevorzugt von ca. 10–5 mbar. Die Speicherung bei Temperaturen (knapp) oberhalb des kritischen Punktes hat gegenüber der Speicherung bei Temperaturen unterhalb des kritischen Punktes den Vorteil, dass das Speichermedium einphasig vorliegt. Es gibt also beispielsweise keine Grenzfläche zwischen flüssig und gasförmig.
  • Der Druckbehälter kann auch ein nicht-kryogener Druckbehälter, z. B. ein (warmer) Druckbehälter zum Speichern von CGH2 oder ein Druckbehälter zum Speichern von LH2 sein.
  • Die hier offenbarte Technologie wird nun anhand der Figuren erläutert. Es zeigen:
  • 1 eine schematische Querschnittsansicht einer ersten Ausführungsform des hier offenbarten Druckbehältersystems;
  • 2 ein schematisches Diagramm der Zugspannung des Liners (y-Achse) aufgetragen gegen den Druck des Gases in dem Druckbehälter (x-Achse); und
  • 3 ein schematisches Diagramm des Drucks des Gases in dem Druckbehälter (y-Achse) aufgetragen gegen die Temperatur des Liners bzw. des Gases in dem Druckbehälter (x-Achse).
  • 1 zeigt eine schematische Querschnittsansicht einer ersten Ausführungsform des hier offenbarten Druckbehältersystems 1. Das Druckbehältersystem 1 umfasst einen Druckbehälter 10. Der Druckbehälter 10 wiederum umfasst einen metallischen Liner (Innenhülle) 14 und eine Außenhülle 12. Das Gas wird im Innern des Liners 14 bzw. im Innenraum 16 des Liners 14 bzw. des Druckbehälters 10 gespeichert. Der Druckbehälter 10 dient zum Speichern von Gas. Insbesondere ist der Druckbehälter 10 ein Typ III-Druckbehälter zum Speichern von Wasserstoff für eine Brennstoffzelle. Das Gas kann CcH2, CGH2 oder LH2 sein. Vorstellbar ist auch, dass der Liner 14 aus anderen Materialen besteht bzw. diese umfasst.
  • Der metallische Liner 14 besteht bzw. umfasst Aluminium und/oder Stahl. Die Außenhülle 12 kann carbonfaserverstärkter Kunststoff (CFK) bzw. kohlenstofffaserverstärkter Kunststoff sein bzw. diesen umfassen. Der Druckbehälter 10 kann einen Außenbehälter (nicht gezeigt) umfassen, der den Liner 14 und die Außenhülle 12 umschließt, wobei ein evakuierter Raum zur Wärmeisolierung zwischen Außenbehälter und Außenhülle 12 angeordnet ist. Die Form des Druckbehälters 10 ist zigarrenförmig bzw. im Wesentlichen zylinderförmig. Andere Formen sind vorstellbar. An den beiden gegenüberliegenden Enden des Druckbehälters 10 sind sogenannte Dome 24, 25 (abgerundete Bereiche) angeordnet. An einem dieser Dome 24, 25 ist eine Tankkupplung 50 angeordnet. Diese dient zum Einbringen von Gas in den Druckbehälter 10 und zum Ausbringen von Gas aus dem Druckbehälter 10 zu dem Verbraucher (z. B. der Brennstoffzelle).
  • Das Druckbehältersystem 1 umfasst mehrere Temperatursensoren 30–34. Die Temperatursensoren 30–34 erfassen die Temperatur des Liners 14 und/oder die Temperatur des Gases in dem Druckbehälter 10. Das Druckbehältersystem 1 umfasst ferner eine Steuereinrichtung 40. Die Steuereinrichtung 40 empfängt die Werte der Temperatursensoren 30–34 drahtgebunden (über die Verbindungsleitung 42) oder drahtlos.
  • Die Temperatursensoren 30–34 sind an verschiedenen Stellen des Druckbehälters 10 angeordnet. Insbesondere in den Domen 24, 25 ist eine Vielzahl von Temperatursensoren 30–34 angeordnet, da diese mechanisch bzw. strukturell besonders empfindlich sind. Bei zu großen Drücken und somit zu großen Spannungen im Liner 14 können hier Beschädigungen bzw. Undichtigkeiten des Liners 14 auftreten. Insbesondere die Dome 24, 25 können mittels einer großen Vielzahl von Temperatursensoren 30–34 verfügen (z. B. 10, 20, 30, 50, 100 etc. Temperatursensoren).
  • 2 zeigt ein schematisches Diagramm, wobei die Zugspannung des Liners 14 (y-Achse) (in willkürlichen Einheiten) gegen den Druck des Gases in dem Druckbehälter 10 (x-Achse) (in willkürlichen Einheiten) aufgetragen ist.
  • Ein Parallelogramm im linken Teil der 2 zeigt den Bereich, in dem sich die Eigenschaften des Druckbehälters 10 üblicherweise (gemäß dem Stand der Technik) aufhalten. Beim Entnehmen und Wiederauffüllen von Gas wird im Stand der Technik der Bereich des Parallelogramms nicht verlassen. Als Untergrenze ist Tmin gestrichtelt dargestellt. Tmin gibt die Minimaltemperatur an. Bei kryogenen Druckbehälter 10 ist Tmin nach unten nicht begrenzt, d. h. kann theroretisch den absoluten Nullpunkt erreichen. Bei CGH2-Druckbehältern 10 wird die Temperatur durch eine Steuereinrichtung 40 begrenzt, so dass diese z. B. –40°C nicht unterschreitet. Bei Erreichen dieser Mindesttemperatur wird ein weiteres Entnehmen von Gas aus dem Druckbehälter 10, was zu einem weiteren Absinken der Temperatur führen würde, verhindert. Tamb gibt die Umgebungstemperatur wieder. Tmax stellt die Maximaltemperatur des Druckbehälters 10 bzw. des Gases in dem Druckbehälter 10 dar. Bei Überschreiten der Maximaltemperatur abhängig von dem Druck wird Gas abgelassen, um die Temperatur und den Druck zu senken.
  • NWP gibt den Nennbetriebsdruck an, z. B. 350 bar. Ein Überschreiten des NWPs wird im Stand der Technik verhindert, durch Ablassen von Gas aus dem Druckbehälter 10.
  • Die grundlegende Idee der hier offenbarten Technologie ist, den Maximaldruck des Gases in dem Druckbehälter 10 abhängig von der Temperatur zu bestimmen, so dass dieser (über den NWP hinaus) erhöht werden kann. Der Maximaldruck ist der Druck des Gases in dem Druckbehälter 10, bei dessen Überschreiten das Sicherheitsventil 60 öffnet und Gas in die Umgebung ablässt.
  • Die Fließgrenze bzw. Plastifizierungsgrenze ist temperaturabhängig. Dies ist durch die gestrichelte Linie Rp(T) im rechten Bereich der 2 dargestellt. Oberhalb dieser Linie beginnen Bereiche des (metallischen) Liners 14 zu fließen.
  • Gemäß der hier offenbarten Technologie kann der Maximaldruck über den NWP hinaus abhängig von der erfassten Temperatur des Liners 14 bzw. des Gases im Liner 14 erhöht werden. Je höher die gemessene Temperatur des Liners 14 bzw. des Gases im Druckbehälter 10 ist, desto höher kann der Maximaldruck erhöht werden. Der maximale Betriebsdruck bei der höchsten Temperatur Tmax ist MOP und mit einer gestrichelten Linie in 2 dargestellt. Falls der Druck über diesen Wert erhöht wird, dann erfüllt der Druckbehälter 10 aufgrund der eintretenden Plastifizierung nicht mehr die geforderte Betriebsfestigkeit.
  • Dies führt dazu, dass gemäß der hier offenbarten Technologie der Druckbehälter 10 bzw. das Gas in dem Druckbehälter 10 nicht nur in dem in 2 links angeordneten Parallelogramm während des Betankens und des Entleerens des Druckbehälters 10 „bewegt”, sondern zusätzlich in dem im Wesentlichen dreiecksförmigen Bereich, der sich rechts vom Parallelogramm in 2 befindet. Hierbei weist dieser Bereich an seiner oberen Grenze, die ein Stück bzw. etwas unterhalb der (temperaturabhängigen) Fließgrenze Rp(T) liegt, einen bogenförmigen Verlauf auf. Der Bereich hat somit die Form eines (auf der oberen Seite) eingedellten Dreiecks.
  • Erst bei Überschreiten des (von der Temperatur abhängigen) Maximaldrucks wird das Sicherheitsventil 60 geöffnet. Durch Öffnen des Sicherheitsventils 60 sinkt der Druck des Gases in dem Druckbehälter 10 (und auch die Temperatur des Gases in dem Druckbehälter 10). Sobald der Druck unterhalb des Maximaldrucks (der abhängig von der aktuellen Temperatur) gesunken ist, wird das Sicherheitsventil 60 umgehend wieder geschlossen. Somit wird gegenüber dem Stand der Technik später Gas mittels des Sicherheitsventils 60 abgeblasen und es wird auch eine geringere Menge an Gas abgeblasen. Auf diese Weise wird die maximale Standzeit eines Fahrzeugs mit einem solchen Druckbehältersystem 1 verlängert. Auch das Parken in (Sammel-)Garagen wird hierdurch erleichtert bzw. ermöglicht.
  • Der Druckbehälter 10 wurde einem Autofrettage-Vorgang zur Festigkeitssteigerung des Liners 14 unterzogen, so dass sich Spannungen in dem Liner 14 ausgebildet haben.
  • Anstatt oder zusätzlich zum Erfassen der Temperatur des Liners 14 und/oder des Gases in dem Druckbehälter 10 an mehreren verschiedenen Stellen ist auch denkbar, dass die Temperatur des Liners 14 und/oder Gases in dem Druckbehälter 10 an einer Stelle des Druckbehälters 10 erfasst wird, und ein Kennfeld bzw. mathematisches bzw. physikalisches Modell des Druckbehälters 10 verwendet wird, um die Spannungen in den verschiedenen Bereichen des Liners 14 zu berechnen bzw. abzuschätzen.
  • Somit bestimmt im Endeffekt nicht ein (fester) Maximaldruck, wann das Sicherheitsventil 60 geöffnet wird (und folglich wieviel Gas maximal in dem Druckbehälter 10 vorgehalten bzw. eingeführt werden kann), sondern eine Grenzspannung bzw. Maximalspannung des Liners 14 bestimmt den Maximaldruck, bei dessen Überschreiten das Sicherheitsventil 60 geöffnet wird.
  • 3 zeigt ein schematisches Diagramm des Drucks des Gases in dem Druckbehälter 10 (y-Achse) aufgetragen gegen die Temperatur des Liners 14 bzw. des Gases in dem Druckbehälter 10 (x-Achse). Die gestrichelte Linie in 3 zeigt die Druckgrenze, bei deren Überschreiten das Sicherheitsventil 60 geöffnet wird, gemäß dem Stand der Technik. Die durchgezogene Linie in 3 zeigt die Druckgrenze, bei deren Überschreiten das Sicherheitsventil 60 geöffnet wird.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Druckbehältersystem
    10
    Druckbehälter
    12
    Außenhülle
    14
    Liner
    16
    Innenraum des Druckbehälters
    24, 25
    Dome des Druckbehälters
    30–34
    Temperatursensoren
    40
    Steuereinrichtung
    42
    Verbindungsleitung zwischen Steuereinrichtung und Temperatursensor
    50
    Tankkupplung
    60
    Sicherheitsventil
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • EP 1546601 B1 [0002]

Claims (10)

  1. Verfahren zum Regeln des Drucks von Gas in einem Druckbehälter (10) umfassend einen Liner (14) und eine Außenhülle (12), wobei ein Sicherheitsventil (60) zur Druckentlastung des Druckbehälters (10) geöffnet wird, wenn der Druck des Gases im Druckbehälter (10) über einen bestimmten Maximaldruck steigt, dadurch gekennzeichnet, dass der Maximaldruck abhängig von einer erfassten Temperatur des Liners (14) und/oder des Gases bestimmt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Sicherheitsventil (60) nach dem Öffnen wieder geschlossen wird, sobald der Druck des Gases in dem Druckbehälter (10) unterhalb des bestimmten Maximaldrucks ist.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Temperatur des Liners (14) und/oder des Gases in dem Druckbehälter (10) an mehreren Stellen erfasst wird und der Maximaldruck abhängig von einer oder mehreren erfassten Temperaturen bestimmt wird.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Maximaldruck derart abhängig von der erfassten Temperatur des Liners (14) und/oder des Gases im Druckbehälter (10) bestimmt wird, dass je höher die erfasste Temperatur oder die erfassten Temperaturen sind, desto höher der bestimmte Maximaldruck ist.
  5. Druckbehältersystem (1) umfassend einen Druckbehälter (10) zum Speichern von Gas, wobei der Druckbehälter (10) einen Liner (14) und eine Außenhülle (12) aufweist, ein Sicherheitsventil (60) zum Ablassen von Gas aus dem Druckbehälter (10), einen Temperatursensor (30–34) zum Erfassen der Temperatur des Liners (14) und/oder des Gases im Druckbehälter (10), und eine Steuereinrichtung (40), die derart ausgebildet ist, dass, wenn der Druck des Gases im Druckbehälter (10) einen bestimmten Maximaldruck überschreitet, das Sicherheitsventil (60) öffnet, wobei die Steuereinrichtung (40) ausgebildet ist, den Maximaldruck abhängig von der erfassten Temperatur des Liners (14) und/oder des Gases im Druckbehälter (10) zu bestimmen.
  6. Druckbehältersystem (1) nach Anspruch 5, wobei die Steuereinrichtung (40) derart ausgebildet ist, dass die Steuereinrichtung (40) das Sicherheitsventil (60) nach dem Öffnen wieder schließt, sobald der Druck des Gases unter den vorgegebenen Maximaldruck gesunken ist.
  7. Druckbehältersystem (1) nach Anspruch 5 oder 6, wobei der Liner (14) des Druckbehälters (10) einem Autofrettage-Verfahren zur Festigkeitssteigerung unterzogen wurde.
  8. Druckbehältersystem (1) nach einem der Ansprüche 5–7, ferner umfassend mehrere Temperatursensor (30–34) zur Erfassung der Temperatur des Liners (14) und/oder des Gases im Druckbehälter (10) an mehreren Stellen, wobei die Steuereinrichtung (40) derart ausgebildet ist, dass diese den Maximaldruck abhängig von den erfassten Temperaturen des Liners (14) und/oder des Gases im Druckbehälter (10) bestimmt.
  9. Druckbehältersystem (1) nach einem der Ansprüche 5–8, wobei die Steuereinrichtung (40) derart ausgebildet und eingerichtet ist, dass die Abhängigkeit des bestimmten Maximaldrucks von der erfassten Temperatur oder den erfassten Temperaturen derart ist, dass je höher die erfasste Temperatur oder die erfassten Temperaturen sind, desto höher der bestimmte Maximaldruck ist.
  10. Fahrzeug mit einem Druckbehältersystem (1) nach einem der Ansprüche 5–9.
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