DE102016203336A1 - Verfahren zum Betanken eines Druckbehälters und Druckbehältersystem zum Speichern von Gas - Google Patents

Verfahren zum Betanken eines Druckbehälters und Druckbehältersystem zum Speichern von Gas Download PDF

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Abstract

Es wird ein Verfahren zum Betanken eines Druckbehälters (10) zum Speichern von Gas umfassend einen Liner (14) und eine Außenhülle (12) offenbart, wobei dem Druckbehälter (10) Gas aus einer Gasquelle solange zugeführt wird, bis der Druck des Gases im dem Druckbehälter (10) einen bestimmten Maximaldruck erreicht hat, wobei der Maximaldruck abhängig von einer erfassten Temperatur des Liners (14) und/oder des Gases im Druckbehälter (10) bestimmt wird.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betanken eines Druckbehälters, ein Druckbehältersystem 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 als auch nicht-kryogene) zum Speichern von Gas in Fahrzeugen müssen, nachdem sie entleert oder teilweise entleert wurden, immer wieder mit Gas betankt bzw. mit Gas wieder befüllt werden. Hierbei wird dem Druckbehälter solange Gas zugeführt, bis festgestellt wird, dass der Druckbehälter maximal befüllt ist. Die maximale Befüllung wird dadurch bestimmt, dass ein fest vorgegebener Maximaldruck des Gases im Druckbehälter erreicht wurde. Dann wird die Betankung gestoppt, d. h. dem Druckbehälter kein Gas mehr zugeführt. Die maximale Befüllung bzw. der maximale Befüllungsgrad ist dadurch definiert, dass bei einer weiteren Befüllung des Druckbehälters ein strukturelles Versagen des Druckbehälters bzw. Teilen hiervon zu erwarten bzw. zu befürchten ist, da zu große bzw. hohe Spannungen in dem Druckbehälter bzw. im Liner des Druckbehälters auftreten. Daher wird nach Erreichen des maximalen Befüllungsgrads, d. h. des Maximaldrucks des Gases im Druckbehälter, kein weiteres Gas dem Druckbehälter mehr zugeführt bzw. in den Druckbehälter eingebracht wird. Der Maximaldruck wird (vom Hersteller) für jeden Druckbehälter bzw. jeden Bautyp von Druckbehältern einmalig bestimmt bzw. berechnet und dieser vorgegebene Maximaldruck wird anschließend als fest vorgegebener Wert (beim Betankungsvorgang) verwendet.
  • 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 drucktragende Außenhülle (z. B. aus carbonfaserverstärktem Kunststoff) auf.
  • Nachteilig an bisher bekannten Verfahren zum Betanken bzw. Wiederauffüllen eines Druckbehälters mit Gas ist, dass zur Bestimmung, warm der Druckbehälter maximal befüllt ist, lediglich der (vom Hersteller des Druckbehälters) 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 Betanken eines Druckbehälters zum Speichern von Gas umfassend einen Liner und eine Außenhülle gelöst, wobei dem Druckbehälter Gas aus einer Gasquelle solange zugeführt wird, bis der Druck des Gases im dem Druckbehälter einen bestimmten Maximaldruck erreicht hat, wobei der Maximaldruck abhängig von einer erfassten Temperatur des Liners und/oder des Gases im Druckbehälter bestimmt wird.
  • Ein Vorteil hiervon ist, dass der Maximaldruck (bei hohen Temperaturen des Liners und/oder des Gases im Druckbehälter) und somit der maximale Befüllungsgrad des Druckbehälters/der maximale Wiederbefüllungsgrad erhöht werden kann. Für die Ermüdung bzw. Schädigung des (metallischen) Liners ist nicht der vorhandene Druck des Gases 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. bei CGH2 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 hegt 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 des Liners oder des Gases im Druckbehälter abhängig ist, kann der maximale Befüllungsgrad, d. h. die maximale Menge an Gas, die in dem Druckbehälter gespeichert ist bzw. die dem Druckbehälter zugeführt wird, erhöht werden. Hierdurch muss der Druckbehälter weniger oft gefüllt werden. Somit müssen bei einem Druckbehälter in einem Fahrzeug weniger oft Tankstopps eingelegt werden. Dies verkürzt die Reisezeit.
  • Bei einem warmen Liner (d. h. einem Liner mit einer Temperatur oberhalb der Mindesttemperatur, z. B. 20°C) führt der thermische Ausdehnungskoeffizient des (metallischen) Liners bzw. Linermaterials, der größer ist als der thermische Ausdehnungskoeffizient der Außenhülle (die z. B. aus einem Faserverbund besteht bzw. diesen umfasst), dazu, dass sich die mechanische Vorspannung bei Erwärmung des Druckbehälters bzw. des Liners erhöht. Dementsprechend kann (unter Berücksichtigung der thermisch bedingten Änderung der Materialkennwerte) ein höhere Betriebsdruck bzw. höherer Druck des Gases in dem Druckbehälter zugelassen werden bzw. erreicht werden, ohne die zulässigen Materialspannungen, d. h. Spannungen, bei denen strukturelles Versagen eintritt oder einzutreten droht, zu überschreiten. Der (metallische) Liner drückt bei Erhöhung der Temperatur bzw. bei warmem Liner gegen die Außenhülle des Druckbehälters. Somit werden bei warmen Liner bzw. warmem Druckbehälter höhere Vorspannungen in dem Liner erzeugt. Hierdurch kann der (zuzulassende) Maximaldruck des Gases in dem Druckbehälter erhöht werden.
  • In einer 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. die maximale Füllmenge an Gas, erhöht, wodurch dem Druckbehälter mehr Gas zugeführt werden kann bzw. in diesem gespeichert werden kann.
  • In einer weiteren Ausführungsform wird die Temperatur des Liners und/oder des Gases im Druckbehälter an mehreren Stellen, insbesondere an mehreren Stellen in den Domen des Druckbehälters, erfasst, und der bestimmte Maximaldruck wird abhängig von den erfassten Temperaturen des Liners und/oder des Gases im Druckbehälter bestimmt. Gerade während des Betankungsvorgangs, der üblicherweise maximal einige Minuten dauert, 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 meistens (bewusst) im Bereich der Dome des Druckbehälters angeordnet sind (bei einem im Wesentlichen zylindrischen bzw. zigarrenförmigen Druckbehälter), können durch die Temperaturmessungen an mehreren Stellen des Druckbehälters besonders gut berücksichtigt werden. Durch Berücksichtigung der Temperaturen, die an mehreren Stellen gemessen bzw. erfasst wird, kann der Maximaldruck und somit der maximale Befüllungsgrad bzw. der maximale Wiederbefüllungsgrad noch weiter erhöht werden.
  • In einer weiteren Ausführungsform wird bei Erreichen des bestimmten Maximaldrucks ein Betankungsstoppsignal abgegeben, um die Zuführung von Gas zu dem Druckbehälter zu stoppen. Hierdurch kann die Zuführung des Gases von der Tankstelle bzw. der Zuführungsquelle des Gases sicher und schnell unterbrochen werden. Hierdurch wird ein Austreten von Gas während des Betankungsvorgangs bzw. unmittelbar danach sicher vermieden.
  • Die Aufgabe wird auch durch Druckbehältersystem zum Speichern von Gas gelöst, umfassend einen Druckbehälter zum Speichern von Gas mit einem Liner und einer Außenhülle, einen Temperatursensor zum Erfassen der Temperatur des Liners und/oder des Gases im Druckbehälter, und eine Steuereinrichtung zum Steuern des Betankungsvorgangs des Druckbehälters mit Gas, die Steuereinrichtung derart ausgebildet ist, dass die Steuereinrichtung die Betankung des Druckbehälters derart steuert, dass dem Druckbehälter Gas solange zugeführt wird, bis der Druck des Gases im Druckbehälter einen bestimmten Maximaldruck erreicht hat, wobei die Steuereinrichtung ausgebildet ist, den Maximaldruck abhängig von der erfassten Temperatur des Liners und/oder des Gases im Druckbehälter zu bestimmen.
  • Ein Vorteil hiervon ist, dass bei dem Druckbehältersystem der Maximaldruck (bei hohen Temperaturen des Liners und/oder des Gases im Druckbehälter) und somit der maximale Befüllungsgrad des Druckbehälters und der maximale Wiederbefüllungsgrad erhöht werden kann. Für die Ermüdung bzw. Schädigung des Liners ist nicht der vorhandene Druck des Gases im Druckbehälter allein entscheidend, sondern die lokale (Vergleichs-)Spannung 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. bei CGH2 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, bei dem der Betankungsvorgang bzw. Wiederauffüllvorgang beendet wird, nicht starr festgelegt wird, sondern von der Temperatur abhängig bestimmt bzw. festgelegt wird, kann der maximale Befüllungsgrad, d. h. die Menge an Gas, die in dem Druckbehälter gespeichert ist bzw. die dem Druckbehälter zugeführt wird, erhöht werden. Hierdurch muss der Druckbehälter weniger oft gefüllt werden. Somit müssen bei einem Druckbehälter in einem Fahrzeug weniger oft Tankstopps eingelegt werden. Dies verkürzt die Reisezeit.
  • In einer Ausführungsform umfasst das Druckbehälter System ferner mehrere Temperatursensoren zur Erfassung der Temperatur des Liners und/oder des Gases im Druckbehälter an mehreren Stellen, insbesondere an mehreren Stellen der Dome des Druckbehälters, wobei die Steuereinrichtung derart ausgebildet ist, dass diese den Maximaldruck abhängig von den erfassten Temperaturen des Liners und/oder des Gases im Druckbehälter bestimmt. Gerade während des Betankungsvorgangs, der üblicherweise maximal einige Minuten dauert, können erhebliche Temperaturunterschiede des Liners bzw. des Gases an 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 meistens (bewusst) im Bereich der Dome des Druckbehälters angeordnet (bei einem im Wesentlichen zylindrischen bzw. zigarrenförmigen Druckbehälter), können durch die Temperaturmessungen an mehreren Stellen des Druckbehälters besonders gut berücksichtigt werden. Durch Berücksichtigung der Temperaturen, die an mehreren Stellen gemessen bzw. erfasst wird, kann der Maximaldruck des Gases in dem Druckbehälter und folglich der maximale Befüllungsgrad bzw. der maximale Wiederbefüllungsgrad noch weiter erhöht werden.
  • Der Druckbehälter kann eine im Wesentlichen zylindrische Form aufweisen, und die Temperatursensoren können derart angeordnet sein, dass die Temperatur des Liners und/oder des Gases in einem oder beidem Domen des Druckbehälters erfasst wird. Insbesondere die Abschnitte bzw. die Bereiche der Dome (eines zigarrenförmigen Druckbehälters) sind strukturschwach. Oft kommt es bei zu hohen Spannungen hier zu einem strukturellen Versagen des Druckbehälters. Daher kann der Maximaldruck und folglich der maximale Befüllungsgrad bzw. maximale Wiederbefüllungsgrad besonders stark erhöht werden, wenn die Temperatur des Liners und somit die Spannungen des Liners im Bereich der Dome erfasst wird und die erfasste Temperatur(en) den Maximaldruck des Gases im Druckbehälter mitbestimmt.
  • Der Druckbehälter kann dem Autofrettage-Verfahren unterzogen worden sein. Thermisch bedingte Unterschiede in der Vorspannung entstehen durch die Autofrettage des Druckbehälters 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 bzw. verflüssigen. Nach Wiedererhärten des (metallischen) Liners nach Druckentlastung entstehen Zugspannungen in dem (metallischen) Liner. Insbesondere diese Zugspannungen erlauben den Maximaldruck bei hohen Temperaturen (d. h. Temperaturen oberhalb der Mindesttemperatur) des Liners bzw. des Gases im Druckbehälter zu erhöhen.
  • Die Steuereinrichtung kann derart ausgebildet sein, dass ein Betankungsstoppsignal erzeugt wird und das Betankungsstoppsignal an eine Förderanlage, die das Gas dem Druckbehälter zuführt, gesendet wird. Hierdurch kann die Zuführung des Gases von der Tankstelle bzw. der Zuführungsquelle des Gases sicher und schnell unterbrochen werden. Hierdurch wird ein Austreten von Gas während des Betankungsvorgangs bzw. unmittelbar danach sicher vermieden.
  • 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 10–7 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 Speicher 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; und
  • 2 ein schematisches Diagramm der Zugspannung des Liners (y-Achse) aufgetragen gegen den Druck 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 drucktragende Außenhülle 12. 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. Das Gas wird im Innenraum 16 des Liners 14 bzw. Druckbehälters 10 gespeichert.
  • Der metallische Liner 14 besteht bzw. umfasst Aluminium und/oder Stahl. Die drucktragende 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. 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 kann in einem Fahrzeug (z. B. PKW, LKW) angeordnet sein.
  • 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 gemessenen Temperaturwerte 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 die Dome 24, 25 mechanisch bzw. strukturell besonders empfindlich sind. Bei zu großen Drücke und somit zu großen Spannungen im Liner 14 treten hier üblicherweise zuerst Beschädigungen bzw. Undichtigkeiten des Liners 14 auf. Die Temperatur des Liners kann sehr kleinflächig mit einer Vielzahl von Temperatursensoren (z. B. 10, 20, 30, 40, 50, 100 etc.) erfasst werden.
  • 2 zeigt ein schematisches Diagramm, bei dem 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.
  • Das 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 Parallelograms 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 NWP wird im Stand der Technik verhindert, durch Ablassen von Gas aus dem Druckbehälter 10.
  • Der nach unten zeigende Pfeil in 2 zeigt an, dass die Spannungen in dem Liner 14 mit steigender Temperatur des Liners 14 sinken. Der rechte obere Punkt des Parallelogramms in 2 wird bei einer niedrigeren Temperatur erreicht (nämlich bei T = Tmin), während der rechte untere Punkt des Parallelogramms bei einer höheren Temperatur erreicht wird (nämlich bei T = Tmax).
  • Die grundlegende Idee der hier offenbarten Technologie ist, den Maximaldruck des Gases in dem Druckbehälter 10 abhängig von der Temperatur zu bestimmen, so dass der Maximaldruck über (über den NWP hinaus) erhöht werden kann.
  • Die Fließgrenze bzw. Plastifizierungsgrenze, d. h. bei dem der Liner 14 oder Teile des Lines sich verflüssigen, ist temperaturabhängig. Die Fließgrenze ist durch die gestrichelte Linie Rp(T) im rechten Bereich der 2 dargestellt. Oberhalb bzw. bei dieser Linie verflüssigen sich Bereiche des metallischen Liners 14 und beginnen zu fließen. Dies führt zu einer Undichtigkeit bzw. Bersten des Liners 14 bzw. Druckbehälters 10.
  • 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 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. Der Druck kann über diesen Wert bei MOP nicht weiter erhöht werden, da dann auch bei T = Tmax die Fließgrenze bzw. Plastifizierungsgrenze erreicht bzw. überschritten wird.
  • Dies führt dazu, dass gemäß der hier offenbarten Technologie sich 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 von dem 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.
  • 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 erfasst wird, und ein Kennfeld bzw. 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, wieviel Gas maximal in dem Druckbehälter 10 vorgehalten bzw. eingeführt werden kann, sondern eine Grenzspannung bzw. Maximalspannung des Liners 14 bestimmt den Maximaldruck, den maximalen Befüllungsgrad bzw. die Maximalmenge an Gas, die in dem Druckbehälter 10 vorgehalten werden kann. Die Grenzspannung liegt (knapp) unterhalb der Spannung, bei der (abhängig vom Druck und der Temperatur) ein Verflüssigen des Liners 14 eintritt.
  • Der Maximaldruck wird abhängig von der bzw. den erfassten Temperatur(en) von der Steuereinrichtung 40 bestimmt. Sobald der Maximaldruck erreicht wurde, gibt die Steuereinrichtung 40 ein Betankungsstoppsignal ab, so dass von der Betankungsvorrichtung bzw. Tankstelle kein weiteres Gas dem Druckbehälter 10 zugeführt wird. Das Betankungsstoppsignal kann drahtgebunden oder drahtlos an die Betankungsvorrichtung bzw. Tankstelle gesandt werden.
  • Die Steuereinrichtung 40 erfasst den Druck des Gases in dem Druckbehälter 10 über einen oder mehrere Drucksensoren.
  • Die Steuereinrichtung 40 kann z. B. einen Computer bzw. Rechner und/oder einen Mikrocontroller aufweisen.
  • 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
  • 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 Betanken eines Druckbehälters (10) zum Speichern von Gas umfassend einen Liner (14) und eine Außenhülle (12), wobei dem Druckbehälter (10) Gas aus einer Gasquelle solange zugeführt wird, bis der Druck des Gases im dem Druckbehälter (10) einen bestimmten Maximaldruck erreicht hat, dadurch gekennzeichnet, dass der Maximaldruck abhängig von einer erfassten Temperatur des Liners (14) und/oder des Gases im Druckbehälter (10) bestimmt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, 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.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Temperatur des Liners (14) und/oder des Gases im Druckbehälter (10) an mehreren Stellen erfasst wird, und der bestimmte Maximaldruck abhängig von den erfassten Temperaturen des Liners (14) und/oder des Gases im Druckbehälter (10) bestimmt wird.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei bei Erreichen des bestimmten Maximaldrucks ein Betankungsstoppsignal abgegeben wird, um die Zuführung von Gas zu dem Druckbehälter (10) zu stoppen.
  5. Druckbehältersystem (1) zum Speichern von Gas, umfassend einen Druckbehälter (10) zum Speichern von Gas mit einem Liner (14) und einer Außenhülle (12), einen Temperatursensor (30–34) zum Erfassen der Temperatur des Liners (14) und/oder des Gases im Druckbehälter (10), und eine Steuereinrichtung (40) zum Steuern des Betankungsvorgangs des Druckbehälters (10) mit Gas, die Steuereinrichtung (40) derart ausgebildet ist, dass die Steuereinrichtung (40) die Betankung des Druckbehälters (10) derart steuert, dass dem Druckbehälter (10) Gas solange zugeführt wird, bis der Druck des Gases im Druckbehälter (10) einen bestimmten Maximaldruck erreicht hat, 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, ferner umfassend mehrere Temperatursensoren (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.
  7. Druckbehältersystem (1) nach Anspruch 5 oder 6, wobei der Druckbehälter (10) eine im Wesentlichen zylindrische Form aufweist, und die Temperatursensoren (30–34) derart angeordnet sind, dass die Temperatur des Liners (14) und/oder des Gases in einem oder beidem Domen (24, 25) des Druckbehälters (10) erfasst wird.
  8. Druckbehältersystem (1) nach einem der Ansprüche 5–7, wobei der Druckbehälter (10) dem Autofrettage-Verfahren unterzogen wurde.
  9. Druckbehältersystem (1) nach einem der Ansprüche 5–8, wobei die Steuereinrichtung (40) derart ausgebildet ist, dass ein Betankungsstoppsignal erzeugt wird und das Betankungsstoppsignal an eine Förderanlage, die das Gas dem Druckbehälter (10) zuführt, gesendet wird.
  10. Fahrzeug mit einem Druckbehältersystem (1) nach einem der Ansprüche 5–9.
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