DE102016216551A1 - Method for determining the insulation quality of a pressure vessel for storing a fuel, in particular hydrogen, in a vehicle and pressure vessel system for a vehicle, comprising a pressure vessel for storing a fuel, in particular hydrogen - Google Patents
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Abstract
Es wird ein Verfahren zum Bestimmen einer Isolationsgüte eines Druckbehälters (10) zum Speichern eines Brennstoffs, insbesondere von Wasserstoff, in einem Fahrzeug aufgezeigt, wobei der Wärmemengeneintrag pro Zeiteinheit von der Umgebung in den Brennstoff in dem Druckbehälter (10) unter Berücksichtigung der gegebenenfalls stattfindenden Entnahme von Brennstoff aus dem Druckbehälter (10) bestimmt wird, wobei die Isolationsgüte des Druckbehälters (10) bestimmt wird, indem der bestimmte Wärmemengeneintrag pro Zeiteinheit in Verhältnis zur Temperatur des Brennstoffs in dem Druckbehälter (10) oder in Verhältnis zum Unterschied zwischen der Umgebungstemperatur und der Temperatur des Brennstoffs in dem Druckbehälter (10) gesetzt wird.The invention relates to a method for determining an insulation quality of a pressure vessel (10) for storing a fuel, in particular hydrogen, in a vehicle, the amount of heat input per unit of time from the environment into the fuel in the pressure vessel (10), taking into account the removal that may be required of fuel from the pressure vessel (10), wherein the isolation quality of the pressure vessel (10) is determined by the determined amount of heat input per unit time in relation to the temperature of the fuel in the pressure vessel (10) or in relation to the difference between the ambient temperature and the Temperature of the fuel in the pressure vessel (10) is set.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen der Isolationsgüte eines Druckbehälters zum Speichern eines Brennstoffs, insbesondere von Wasserstoff, in einem Fahrzeug und ein Druckbehältersystem für ein Fahrzeug, umfassend einen Druckbehälter zum Speichern eines Brennstoffs, insbesondere von Wasserstoff.The invention relates to a method for determining the insulation quality of a pressure vessel for storing a fuel, in particular hydrogen, in a vehicle and a pressure vessel system for a vehicle, comprising a pressure vessel for storing a fuel, in particular hydrogen.
Insbesondere kryogene Druckbehälter stehen nicht im thermodynamischen Gleichgewicht mit der Umgebung, sondern der Brennstoff in dem Druckbehälter befindet bei niedrigeren Temperaturen als die Umgebung. Bei bisher bekannten Druckbehältersystemen in Fahrzeugen wird der Eintrag an Wärme/Wärmemengeneintrag pro Zeiteinheit aus der Umgebung in den Brennstoff in dem oder die Druckbehälter erfasst. Je nach Isolationsgüte und thermodynamischen Zustand des Druckbehälters ist der Wärmeeintrag pro Zeiteinheit von der Umgebung in den Brennstoff unterschiedlich. Der Wärmeeintrag pro Zeiteinheit ändert sich üblicherweise mit der Zeit (z. B. bei der Entnahme von Brennstoff aus dem Druckbehälter, durch Reduzierung der thermischen Massen, Expansionskühlung und durch Degradation des evakuierten Raums, der sich zwischen einem Innenbehälter und einem Außenbehälter des Druckbehälters befindet)In particular, cryogenic pressure vessels are not in thermodynamic equilibrium with the environment, but the fuel in the pressure vessel is at lower temperatures than the environment. In previously known pressure vessel systems in vehicles, the entry of heat / heat input per unit time from the environment into the fuel in the pressure vessel (s) is detected. Depending on the quality of insulation and thermodynamic state of the pressure vessel, the heat input per unit time from the environment into the fuel is different. The heat input per unit time usually changes with time (eg, when removing fuel from the pressure vessel, by reducing thermal mass, expanding cooling, and by degrading the evacuated space located between an inner vessel and an outer vessel of the pressure vessel).
Die reine Angabe des Wärmeeintrags pro Zeiteinheit in den Brennstoff kann in bestimmten Fällen jedoch unzureichend sein, da diese Information nicht immer zuverlässige Aussagen über die Isolationsgüte des Druckbehälters ermöglicht.The mere statement of the heat input per unit time in the fuel, however, may be insufficient in certain cases, since this information does not always allow reliable statements about the isolation quality of the pressure vessel.
Es ist eine bevorzugte Aufgabe der hier offenbarten Technologie, zumindest einige Nachteile der vorbekannten Lösungen zu verringern oder zu beheben. Weitere bevorzugte Aufgaben können sich aus den vorteilhaften Effekten der hier offenbarten Technologie ergeben. Die Aufgabe(n) wird/werden gelöst durch den Gegenstand des Patentanspruchs 1 der unabhängigen Patentansprüche und durch den Gegenstand des Patentanspruch 8 der unabhängigen Patentansprüche. Die abhängigen Ansprüche stellen bevorzugte Ausgestaltungen dar.It is a preferred object of the technology disclosed herein to reduce or eliminate at least some of the disadvantages of the previously known solutions. Other preferred objects may result from the beneficial effects of the technology disclosed herein. The object (s) is / are solved by the subject matter of patent claim 1 of the independent claims and by the subject matter of claim 8 of the independent claims. The dependent claims are preferred embodiments.
Insbesondere wird die Aufgabe durch ein Verfahren zum Bestimmen einer Isolationsgüte eines Druckbehälters zum Speichern eines Brennstoffs, insbesondere von Wasserstoff, in einem Fahrzeug gelöst, wobei der Wärmemengeneintrag pro Zeiteinheit von der Umgebung in den Brennstoff in dem Druckbehälter unter Berücksichtigung der gegebenenfalls stattfindenden Entnahme von Brennstoff aus dem Druckbehälter bestimmt wird, wobei die Isolationsgüte des Druckbehälters bestimmt wird, indem der bestimmte Wärmemengeneintrag pro Zeiteinheit in Verhältnis zur Temperatur des Brennstoffs in dem Druckbehälter oder in Verhältnis zum Unterschied zwischen der Umgebungstemperatur und der Temperatur des Brennstoffs in dem Druckbehälter gesetzt wird.In particular, the object is achieved by a method for determining an isolation quality of a pressure vessel for storing a fuel, in particular hydrogen, in a vehicle, wherein the heat quantity entry per unit time from the environment into the fuel in the pressure vessel taking into account the possibly taking place of fuel from the pressure vessel is determined, the insulation quality of the pressure vessel is determined by the determined amount of heat per unit time is set in relation to the temperature of the fuel in the pressure vessel or in relation to the difference between the ambient temperature and the temperature of the fuel in the pressure vessel.
Ein Vorteil hiervon ist, dass sicher, d. h. unter Berücksichtigung der Umgebungstemperatur, festgestellt werden kann, wie gut die Isolation bzw. Isolationsgüte des Druckbehälters ist. Somit kann entschieden werden, zu welchem Zeitpunkt die Dichte in dem evakuierten Raum des Druckbehälters zwischen dem Innenbehälter und dem Außenbehälter des Druckbehälters durch erneutes Evakuieren des Raums verringert werden soll bzw. der evakuierte Raum (erneut) evakuiert werden soll, um die Isolationsgüte zu erhöhen bzw. die ursprüngliche Isolationsgüte des Druckbehälters wiederherzustellen. Bei der Entscheidung, wann der evakuierte Raum (erneut) evakuiert werden soll, kann berücksichtigt werden, ob Fahrten des Fahrzeugs über längere Strecken (z. B. mehr als 100 km oder mehr als 200 km am Stück) geplant sind und/oder ob eine Befüllung des Druckbehälters mit warmen (d. h. nicht-kryogenen) Brennstoff vorerst ausreichend ist. „In Verhältnis setzen” kann insbesondere eine Berechnung der Isolationsgüte auf Grundlage des bestimmten Wärmemengeneintrags pro Zeiteinheit unter Berücksichtigung der Temperatur des Brennstoffs in dem Druckbehälter oder unter Berücksichtigung des Unterschieds zwischen der Umgebungstemperatur und der Temperatur des Brennstoffs in dem Druckbehälter umfassen bzw. sein. Die Bestimmung der Isolationsgüte muss nicht durch Bildung eines festen Verhältnisses zwischen den genannten Werten erfolgen, sondern die Isolationsgüte kann auf Grundlage der genannten Werte durch eine Formel/einen Algorithmus und/oder mittels Kennlinien bestimmt werden.An advantage of this is that for sure, d. H. taking into account the ambient temperature, it can be determined how good the insulation or insulation quality of the pressure vessel is. Thus, it can be decided at which point in time the density in the evacuated space of the pressure vessel between the inner container and the outer container of the pressure vessel should be reduced by evacuating the space again, or the evacuated space should be (again) evacuated in order to increase the isolation quality to restore the original insulation quality of the pressure vessel. When deciding when to evacuate the evacuated space, it may be considered whether vehicle journeys are planned over longer distances (eg more than 100 km or more than 200 km at a time) and / or if one is Filling the pressure vessel with warm (ie non-cryogenic) fuel is sufficient for the time being. In particular, "ratioing" may include calculating the isolation quality based on the determined amount of heat input per unit time taking into account the temperature of the fuel in the pressure vessel or taking into account the difference between the ambient temperature and the temperature of the fuel in the pressure vessel. The determination of the isolation quality does not have to take place by forming a fixed ratio between the stated values, but the isolation quality can be determined on the basis of the stated values by a formula / an algorithm and / or by means of characteristic curves.
Die Bestimmung des Wärmemengeneintrags pro Zeiteinheit kann während des Betriebs des Fahrzeugs durchgeführt werden. Ein Vorteil hiervon ist, dass das Fahrzeug nicht geparkt oder außer Betrieb gesetzt werden muss, um die Isolationsgüte zu bestimmen. Dies führt zu aktuelleren Werten der Isolationsgüte.The determination of the amount of heat input per unit time can be carried out during the operation of the vehicle. An advantage of this is that the vehicle need not be parked or taken out of service to determine the isolation quality. This leads to more recent values of the insulation quality.
Zur Berücksichtigung der gegebenenfalls stattfindenden Entnahme von Brennstoff aus dem Druckbehälter bei der Bestimmung des Wärmemengeneintrags pro Zeiteinheit können die Temperatur und/oder die Masse des dem Druckbehälter entnommenen Brennstoffs bestimmt werden. Hierdurch kann die Entnahme von Brennstoff aus dem Druckbehälter besonders präzise bei der Bestimmung der Isolationsgüte berücksichtigt werden. Somit kann die Isolationsgüte noch präziser bestimmt werden.In order to take into account the optionally taking of fuel from the pressure vessel in the determination of the amount of heat input per unit time, the temperature and / or the mass of the fuel removed from the pressure vessel can be determined. As a result, the removal of fuel from the pressure vessel can be taken into account particularly precisely in the determination of the insulation quality. Thus, the isolation quality can be determined even more precisely.
Die Isolationsgüte kann dem Fahrer in einer Anzeige, insbesondere graphisch, vorzugsweise in einer farblich differenzierten Anzeige, dargestellt werden. Hierdurch können der Fahrer und/oder ein Werkstattmitarbeiter die Isolationsgüte technisch einfach und schnell erfassen. Somit kann die Entscheidung, wann der evakuierte Raum des Druckbehälters erneut evakuiert wird, noch einfacher getroffen werden. Zudem kann bei einem unvorhergesehenen Ereignis (z. B. einem Unfall, einem Auffahrunfall mit niedriger Geschwindigkeit, einer Beschädigung des Unterbodens des Fahrzeugs oder ähnlichem) schnell und sicher, auch von Laien, die Isolationsgüte und/oder die Änderung der Isolationsgüte (vor dem Unfall/nach dem Unfall) erkannt werden. Auf Grundlage dieser Information kann dann die Entscheidung getroffen werden, ob eine Werkstatt zeitnah aufgesucht werden soll bzw. muss. Auch für einen Laien ist durch eine graphische Anzeige, die insbesondere einen Farbverlauf von der Farbe „rot” (geringe Isolationsgüte) zu der Farbe „grün” (hohe Isolationsgüte) aufweist, schnell und einfach erkennbar, wie hoch oder niedrig die Isolationsgüte des Druckbehälters ist.The isolation quality can be displayed to the driver in a display, in particular graphically, preferably in a color-differentiated display become. As a result, the driver and / or a workshop employee can detect the insulation quality technically simple and fast. Thus, the decision as to when the evacuated space of the pressure vessel is evacuated again can be made even easier. In addition, in an unforeseen event (eg, an accident, a collision with low speed, damage to the underbody of the vehicle or the like) quickly and safely, even by laymen, the insulation quality and / or the change in the insulation quality (before the accident / after the accident) are detected. Based on this information, the decision can then be made as to whether a workshop should be visited promptly. Even for a layman is by a graphic display, which in particular a color gradient of the color "red" (low isolation quality) to the color "green" (high isolation quality), quickly and easily recognizable how high or low the insulation quality of the pressure vessel ,
Die Bestimmung des Wärmemengeneintrags pro Zeiteinheit kann, insbesondere in vorgegebenen zeitlichen Abständen, wiederholt bestimmt werden. Hierdurch entspricht die erfasste bzw. angezeigte Isolationsgüte stets im Wesentlichen der tatsächlich momentan vorhandenen Isolationsgüte.The determination of the amount of heat input per unit of time can be repeatedly determined, in particular at predetermined time intervals. As a result, the detected or indicated insulation quality always essentially corresponds to the insulation quality actually present.
Wenn festgestellt wird, dass die Isolationsgüte unterhalb eines Grenzwerts liegt, kann das Befüllen des Druckbehälters mit kaltem Brennstoff verhindert werden oder ein Befüllungsvorgang des Druckbehälters mit Brennstoff vor Erreichen der maximal möglichen Brennstoffdichte in dem Druckbehälter beendet werden. Ein Vorteil hiervon ist, dass verhindert wird, dass kryogener Brennstoff in den Druckbehälter eingebracht bzw. getankt wird, obwohl die Isolationsgüte des Druckbehälters nicht ausreichend bzw. nicht ausreichend hoch ist. Die Befüllung mit kryogenem Brennstoff bzw. mit einer großen Menge an kryogenem Brennstoff bei nicht ausreichender Isolationsgüte des Druckbehälters würde zu einer raschen Erwärmung des Brennstoffs führen und daraufhin zu einem Druckanstieg des Brennstoffs in dem Druckbehälter bis zu dem maximalen Betriebsdruck des Druckbehälters. Bei Erreichen bzw. Überschreiten des maximalen Betriebsdrucks des Druckbehälters müsste dann Brennstoff abgeblasen werden (und z. B. mit einem Blow-Off-Management-System umgesetzt werden). Folglich würde Brennstoff verschwendet, da dieser in den Druckbehälter eingebracht würde, obwohl absehbar ist, dass dieser nicht verbraucht wird (z. B. durch die Brennstoffzelle), bevor aufgrund eines zu großen Drucks des Brennstoffs in dem Druckbehälter Brennstoff abgeblasen werden muss (sogenannter blow-off oder boil-off). Somit wird Brennstoff eingespart. Der Grenzwert kann fest vorgegeben sein oder berechnet werden.If it is determined that the isolation quality is below a threshold value, the filling of the pressure vessel with cold fuel can be prevented or a filling process of the pressure vessel with fuel can be ended before the maximum possible fuel density in the pressure vessel. An advantage of this is that cryogenic fuel is prevented from being introduced into the pressure vessel, although the quality of isolation of the pressure vessel is insufficient or not sufficiently high. The filling with cryogenic fuel or with a large amount of cryogenic fuel with insufficient isolation quality of the pressure vessel would lead to a rapid heating of the fuel and then to a pressure increase of the fuel in the pressure vessel up to the maximum operating pressure of the pressure vessel. If the maximum operating pressure of the pressure vessel is reached or exceeded, then fuel would have to be blown off (and reacted, for example, with a blow-off management system). Consequently, fuel would be wasted as it would be introduced into the pressure vessel, although it is foreseeable that it will not be consumed (eg by the fuel cell) before fuel has to be blown off due to excessive pressure of the fuel in the pressure vessel -off or boil-off). Thus fuel is saved. The limit value can be fixed or calculated.
Wenn festgestellt wird, dass die Isolationsgüte unterhalb eines Grenzwerts liegt, kann ein evakuierter Raum zwischen einem Innenbehälter zum Speichern des Brennstoffs und einem Außenbehälter des Druckbehälters mittels einer Vakuumpumpe zur Erhöhung der Isolationsgüte evakuiert werden. Vorteilhaft hieran ist, dass die Isolationsgüte des Druckbehälters, insbesondere auch während der Fahrt bzw. Betriebs des Fahrzeugs, wieder erhöhbar ist, ohne das Fahrzeug in eine Werkstatt zu bringen und/oder ohne weitere Vorrichtungen bzw. Vakuumpumpen an das Fahrzeug anzuschließen. Der evakuierte Raum kann alternativ intervallartig bzw. in fest vorgegebenen Zyklen mittels der Vakuumpumpe evakuiert werden oder wenn die Isolationsgüte unter einen Grenzwert fällt. Der Grenzwert kann fest vorgegeben sein oder berechnet werden.If it is determined that the isolation quality is below a threshold value, an evacuated space between an inner tank for storing the fuel and an outer tank of the pressure vessel can be evacuated by means of a vacuum pump to increase the insulation quality. The advantage of this is that the isolation quality of the pressure vessel, especially during travel or operation of the vehicle, can be increased again without bringing the vehicle to a workshop and / or connect to the vehicle without further devices or vacuum pumps. The evacuated space can alternatively be evacuated at intervals or in fixed predetermined cycles by means of the vacuum pump or when the insulation quality falls below a limit. The limit value can be fixed or calculated.
Insbesondere wird die Aufgabe auch durch ein Druckbehältersystem für ein Fahrzeug, umfassend einen Druckbehälter zum Speichern eines Brennstoffs, insbesondere von Wasserstoff, gelöst, folgendes aufweisend: eine Messvorrichtung zum Bestimmen des Wärmemengeneintrags pro Zeiteinheit unter Berücksichtigung der gegebenenfalls stattfindende Entnahme von Brennstoff aus dem Druckbehälter; und eine Steuerungseinrichtung zum Bestimmen der Isolationsgüte des Druckbehälters mittels des Wärmemengeneintrags pro Zeiteinheit, wobei die Steuerungseinrichtung derart ausgebildet ist, dass die Isolationsgüte bestimmbar ist, indem der Wärmemengeneintrag pro Zeiteinheit in Verhältnis zur Temperatur des Brennstoffs in dem Druckbehälter oder in Verhältnis zum Unterschied zwischen der Umgebungstemperatur und der Temperatur des Brennstoffs in dem Druckbehälter gesetzt wird.In particular, the object is also achieved by a pressure vessel system for a vehicle, comprising a pressure vessel for storing a fuel, in particular hydrogen, comprising: a measuring device for determining the amount of heat input per unit time taking into account the optionally taking out of fuel from the pressure vessel; and a control device for determining the insulation quality of the pressure vessel by means of the heat quantity input per unit time, wherein the control device is designed such that the isolation quality can be determined by the heat quantity input per unit time in relation to the temperature of the fuel in the pressure vessel or in relation to the difference between the ambient temperature and the temperature of the fuel in the pressure vessel is set.
Ein Vorteil hiervon ist, dass sicher, d. h. unter Berücksichtigung der Umgebungstemperatur, festgestellt werden kann, wie gut die Isolation bzw. Isolationsgüte des Druckbehälters ist. Somit kann entschieden werden, zu welchem Zeitpunkt die Dichte in dem evakuierten Raum des Druckbehälters zwischen dem Innenbehälter und dem Außenbehälter des Druckbehälters durch (erneutes) Evakuieren des Raums verringert werden soll, um die Isolationsgüte zu erhöhen bzw. die ursprüngliche Isolationsgüte des Druckbehälters wiederherzustellen. Bei der Entscheidung, wann der evakuierte Raum (erneut) evakuiert werden soll, kann berücksichtigt werden, ob Fahrten des Fahrzeugs über längere Strecken (z. B. mehr als 100 km oder mehr als 200 km am Stück) geplant sind und/oder ob ein Betrieb des Druckbehälters mit warmen (d. h. nicht-kryogenen) Brennstoff vorerst ausreichend ist.An advantage of this is that for sure, d. H. taking into account the ambient temperature, it can be determined how good the insulation or insulation quality of the pressure vessel is. Thus, it can be decided at which time the density in the evacuated space of the pressure vessel between the inner vessel and the outer vessel of the pressure vessel is to be reduced by (re) evacuating the space to increase the isolation quality or restore the original isolation quality of the pressure vessel. In deciding when to evacuate the evacuated space, it may be taken into account whether trips of the vehicle are planned over long distances (eg more than 100 km or more than 200 km at a time) and / or whether Operation of the pressure vessel with warm (ie non-cryogenic) fuel is sufficient for now.
Das Druckbehältersystem kann ferner eine Anzeigevorrichtung, insbesondere eine graphische Anzeige, vorzugsweise eine farblich differenzierte Anzeige, zum Anzeigen der Isolationsgüte an den Fahrer des Fahrzeugs umfassen. Somit kann die Entscheidung, wann der evakuierte Raum des Druckbehälters erneut evakuiert wird, noch einfacher getroffen werden. Zudem kann bei einem unvorhergesehenen Ereignis (z. B. einem Unfall, einem Auffahrunfall mit niedriger Geschwindigkeit, einer Beschädigung des Unterbodens des Fahrzeugs oder ähnlichem) schnell und sicher, auch von Laien, die Isolationsgüte und/oder die Änderung der Isolationsgüte (vor dem Unfall/nach dem Unfall) erkannt werden. Auf Grundlage dieser Information kann dann die Entscheidung getroffen werden, ob eine Werkstatt zeitnah aufgesucht werden soll bzw. muss. Auch für einen Laien ist durch eine graphische Anzeige, die insbesondere einen Farbverlauf von der Farbe „rot” (geringe Isolationsgüte) zu der Farbe „grün” (hohe Isolationsgüte) aufweist, schnell und einfach erkennbar, wie hoch oder niedrig die Isolationsgüte des Druckbehälters ist.The pressure vessel system may further comprise a display device, in particular a graphic display, preferably a color-differentiated display, for displaying the insulation quality of the Include driver of the vehicle. Thus, the decision as to when the evacuated space of the pressure vessel is evacuated again can be made even easier. In addition, in an unforeseen event (eg, an accident, a collision with low speed, damage to the underbody of the vehicle or the like) quickly and safely, even by laymen, the insulation quality and / or the change in the insulation quality (before the accident / after the accident) are detected. Based on this information, the decision can then be made as to whether a workshop should be visited promptly. Even for a layman is by a graphic display, which in particular a color gradient of the color "red" (low isolation quality) to the color "green" (high isolation quality), quickly and easily recognizable how high or low the insulation quality of the pressure vessel ,
Die Steuerungseinrichtung kann zum Vergleichen der Isolationsgüte mit einem, insbesondere von der Temperatur des Brennstoffs oder von dem Unterschied zwischen der Umgebungstemperatur und der Temperatur des Brennstoffs abhängigen, Grenzwert ausgebildet sein, wobei die Steuerungseinrichtung ferner derart ausgebildet ist, dass die Steuerungseinrichtung, wenn festgestellt wird, dass die Isolationsgüte unter dem Grenzwert liegt, das Befüllen des Druckbehälters mit kaltem Brennstoff verhindert oder einen Befüllungsvorgang des Druckbehälters mit Brennstoff vor Erreichen der maximal möglichen Brennstoffdichte in dem Druckbehälter beendet. Ein Vorteil hiervon ist, dass verhindert wird, dass kryogener Brennstoff in den Druckbehälter eingebracht bzw. getankt wird, obwohl die Isolationsgüte des Druckbehälters nicht ausreichend bzw. nicht ausreichend hoch ist. Die Befüllung mit kryogenem Brennstoff bzw. mit einer großen Menge an kryogenem Brennstoff bei nicht ausreichender Isolationsgüte würde zu einer raschen Erwärmung des Brennstoffs führen, daraufhin zu einem Druckanstieg des Brennstoffs in dem Druckbehälter bis zu dem maximalen Betriebsdruck des Druckbehälters. Bei Erreichen bzw. Überschreiten des maximalen Betriebsdrucks des Druckbehälters müsste dann Brennstoff abgeblasen werden (und z. B. mit einem Blow-Off-Management-System umgesetzt werden). Folglich würde Brennstoff verschwendet, da dieser in den Druckbehälter eingebracht würde, obwohl absehbar ist, dass dieser nicht verbraucht wird (z. B. durch die Brennstoffzelle), bevor aufgrund eines zu großen Drucks des Brennstoffs Brennstoff abgeblasen werden muss (sogenannter blow-off oder boil-off). Somit wird Brennstoff eingespart.The control device may be designed to compare the insulation quality with a limit, in particular depending on the temperature of the fuel or on the difference between the ambient temperature and the temperature of the fuel, the control device being further configured such that the control device, if determined, that the insulation quality is below the limit value, prevents the filling of the pressure vessel with cold fuel or terminates a filling process of the pressure vessel with fuel before reaching the maximum possible fuel density in the pressure vessel. An advantage of this is that cryogenic fuel is prevented from being introduced into the pressure vessel, although the quality of isolation of the pressure vessel is insufficient or not sufficiently high. The filling with cryogenic fuel or with a large amount of cryogenic fuel with insufficient isolation quality would lead to a rapid heating of the fuel, then to a pressure increase of the fuel in the pressure vessel up to the maximum operating pressure of the pressure vessel. If the maximum operating pressure of the pressure vessel is reached or exceeded, then fuel would have to be blown off (and reacted, for example, with a blow-off management system). Consequently, fuel would be wasted as it would be introduced into the pressure vessel, although it is foreseeable that it will not be consumed (eg, by the fuel cell) before fuel has to be blown off due to excessive fuel pressure (so-called blow-off or boil-off). Thus fuel is saved.
Das Druckbehältersystem kann ferner eine Temperaturmessvorrichtung zum Messen der Temperatur des aus dem Druckbehälter entnommenen Brennstoffs und/oder eine Durchflussmessvorrichtung zum Messen des Durchflussmassenstroms an Brennstoff durch eine Entnahmeleitung zur Berücksichtigung der gegebenenfalls stattfindenden Entnahme von Brennstoff aus dem Druckbehälter bei der Bestimmung des Wärmemengeneintrag pro Zeiteinheit. Hierdurch kann die Entnahme von Brennstoff aus dem Druckbehälter besonders präzise bei der Bestimmung der Isolationsgüte berücksichtigt werden. Somit kann die Isolationsgüte noch präziser bestimmt werden.The pressure vessel system may further comprise a temperature measuring device for measuring the temperature of the fuel removed from the pressure vessel and / or a flow measuring device for measuring the flow mass flow of fuel through a withdrawal line to take account of any removal of fuel from the pressure vessel when determining the amount of heat input per unit time. As a result, the removal of fuel from the pressure vessel can be taken into account particularly precisely in the determination of the insulation quality. Thus, the isolation quality can be determined even more precisely.
Der Druckbehälter kann einen Innenbehälter zum Speichern des Brennstoffs, einen Außenbehälter und einen evakuierten Raum zwischen dem Innenbehälter und dem Außenbehälter zur Wärmeisolierung umfassen, wobei das Druckbehältersystem ferner eine Vakuumpumpe zum Erhöhen der Isolationsgüte des Druckbehälters durch Evakuieren des evakuierten Raums umfasst. Vorteilhaft hieran ist, dass die Isolationsgüte des Druckbehälters wieder erhöhbar ist, ohne das Fahrzeug in eine Werkstatt zu bringen und/oder ohne weitere Vorrichtungen bzw. Vakuumpumpen an das Fahrzeug anzuschließen. Der evakuierte Raum kann intervallartig bzw. in fest vorgegebenen Zyklen mittels der Vakuumpumpe evakuiert werden oder wenn die Isolationsgüte unter einen Grenzwert fällt.The pressure vessel may include an inner container for storing the fuel, an outer container and an evacuated space between the inner container and the outer container for heat insulation, the pressure container system further comprising a vacuum pump for increasing the isolation quality of the pressure container by evacuating the evacuated space. The advantage of this is that the isolation quality of the pressure vessel can be increased again, without bringing the vehicle in a workshop and / or connect without further devices or vacuum pumps to the vehicle. The evacuated space can be evacuated at intervals or in fixed predetermined cycles by means of the vacuum pump or if the insulation quality falls below a limit.
Unter kaltem Brennstoff ist insbesondere kryogener Brennstoff zu verstehen. Unter nicht-kaltem bzw. warmem Brennstoff ist insbesondere nicht-kryogener Brennstoff zu verstehen.By cold fuel is meant in particular cryogenic fuel. By non-cold or warm fuel is meant in particular non-cryogenic fuel.
Der Brennstoff kann ein (bei Standarddruck von 1,000 bar und Standardtemperatur von 0°C) gasförmiger Brennstoff, insbesondere Wasserstoff, sein.The fuel may be a (at standard pressure of 1,000 bar and standard temperature of 0 ° C) gaseous fuel, in particular hydrogen.
Der Wärmemengeneintrag pro Zeiteinheit in den Brennstoff in dem Druckbehälter kann insbesondere durch ein Verfahren beschrieben werden, das in der
Die hier offenbarte Technologie betrifft ein Druckbehältersystem (en: Compressed hydrogen storage system (= CHS-System)) zur Speicherung von unter Umgebungsbedingungen gasförmigen Brennstoff. Ein solcher Druckbehälter ist insbesondere ein in ein Kraftfahrzeug eingebauter bzw. einbaubarer Druckbehälter. Der Druckbehälter kann in einem Kraftfahrzeug eingesetzt werden, das beispielsweise mit komprimiertem („Compressed Natural Gas” = CNG) oder verflüssigtem (LNG) Erdgas oder mit Wasserstoff betrieben wird. Ein solcher Druckbehälter kann beispielsweise ein kryogener Druckbehälter (= CcH2-System) oder ein Hochdruckgasbehälter (= CGH2-System) sein.The technology disclosed herein relates to a compressed hydrogen storage (CHS) system for storing gaseous fuel under ambient conditions. Such a pressure vessel is in particular a pressure vessel which is installed or can be installed in a motor vehicle. The pressure vessel can be used in a motor vehicle, which is operated for example with compressed ("compressed natural gas" = CNG) or liquefied (LNG) natural gas or with hydrogen. Such a pressure vessel may be, for example, a cryogenic pressure vessel (= CcH2 system) or a high-pressure gas vessel (= CGH2 system).
Hochdruckgasbehältersysteme (= CGH2-Systeme) sind ausgebildet, im Wesentlichen bei Umgebungstemperaturen Brennstoff (z. B. Wasserstoff) dauerhaft bei einem max. Betriebsdruck (auch maximum operating pressure oder MOP genannt) von über ca. 350 barü (= Überdruck gegenüber dem Atmosphärendruck), ferner bevorzugt von über ca. 500 barü und besonders bevorzugt von über ca. 700 barü zu speichern. High-pressure gas container systems (= CGH2 systems) are designed, essentially at ambient temperatures, fuel (eg hydrogen) permanently at a max. Operating pressure (also called maximum operating pressure or MOP) of about 350 barü (= overpressure relative to the atmospheric pressure), further preferably of about 500 barü and more preferably of about 700 barü store.
Das kryogene Druckbehältersystem (= CcH2-System) umfasst einen kryogenen Druckbehälter. Der kryogene Druckbehälter 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 liegen, 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. 34 K bis 360 K im kryogenen Druckbehälter gespeichert wird. Der kryogene Druckbehälter kann insbesondere einen Innenbehälter umfassen, der ausgelegt ist für max. Betriebsdrücke (auch maximum operating pressure oder MOP genannt) bis ca. 350 barü (= Überdruck gegenüber dem Atmosphärendruck), bevorzugt bis ca. 500 barü, und besonders bevorzugt bis ca. 700 barü. Im Innenbehälter ist der Brennstoff gespeichert. Der Außenbehälter schließt den Druckbehälter bevorzugt nach außen hin ab. 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, dass zumindest bereichsweise zwischen dem Innenbehälter und dem Außenbehälter in einem evakuierten (Zwischen) Raum bzw. Vakuum V angeordnet ist. 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.The cryogenic pressure vessel system (= CcH2 system) comprises a cryogenic pressure vessel. The cryogenic pressure vessel may store fuel in the liquid or supercritical state. A supercritical state of aggregation is a thermodynamic state of a substance which has a higher temperature and a higher pressure than the critical point. The critical point denotes the thermodynamic state in which the densities of gas and liquid of the substance coincide, that is, it is single-phase. While one end of the vapor pressure curve in a pT diagram is marked by the triple point, the critical point represents the other end. For hydrogen, the critical point is 33.18 K and 13.0 bar. A cryogenic pressure vessel is particularly suitable for storing the fuel at temperatures significantly below the operating temperature (meaning the temperature range of the vehicle environment in which the vehicle is to be operated) of the motor vehicle, for example at least 50 Kelvin, preferably at least 100 Kelvin or At least 150 Kelvin below the operating temperature of the motor vehicle (usually about -40 ° C to about + 85 ° C). The fuel may be, for example, hydrogen, which is stored at temperatures of about 34 K to 360 K in the cryogenic pressure vessel. The cryogenic pressure vessel may in particular comprise an inner container which is designed for max. Operating pressures (also called maximum operating pressure or MOP) to about 350 barü (= overpressure relative to the atmospheric pressure), preferably up to about 500 barü, and particularly preferably up to about 700 barü. The fuel is stored in the inner container. The outer container preferably closes off the pressure vessel to the outside. Preferably, the cryogenic pressure vessel comprises a vacuum with an absolute pressure in the range of 10 -9 mbar to 10 -1 mbar, further preferably from 10 -7 mbar to 10 -3 mbar and particularly preferably from about 10 -5 mbar that at least partially between the inner container and the outer container in an evacuated (intermediate) space or vacuum V is arranged. Storage at temperatures (just) above the critical point has the advantage over storage at temperatures below the critical point that the storage medium is present in a single phase. For example, there is no interface between liquid and gaseous.
Die hier offenbarte Technologie wird nun anhand der Figuren erläutert. Es zeigen:The technology disclosed herein will now be explained with reference to the figures. Show it:
Der Wasserstoff kann kryogener Wasserstoff sein. Der Druckbehälter kann ein Druckbehälter für kryogenen Wasserstoff sein. Auch nicht-kryogener Wasserstoff oder CNG sind als Brennstoff vorstellbar.The hydrogen can be cryogenic hydrogen. The pressure vessel may be a cryogenic hydrogen pressure vessel. Non-cryogenic hydrogen or CNG are also conceivable as fuel.
Die Isolationsgüte des Druckbehälters
Der Wärmemengeneintrag pro Zeiteinheit entspricht der zeitlichen Veränderungsrate der im Brennstoff gespeicherten Wärmemenge, d. h. z. B. wieviel Joule pro Minute in den Brennstoff eingebracht werden aufgrund des Temperaturunterschieds zwischen dem Brennstoff und der Umgebung. Je höher die Differenz bzw. der Unterschied zwischen der Umgebungstemperatur und der Temperatur des Brennstoffs ist, desto größer ist der Wärmemengeneintrag (bei gleicher Isolationsgüte).The amount of heat input per unit time corresponds to the time rate of change of the amount of heat stored in the fuel, i. H. z. For example, how much Joule per minute are introduced into the fuel due to the temperature difference between the fuel and the environment. The higher the difference or the difference between the ambient temperature and the temperature of the fuel, the greater the amount of heat input (with the same insulation quality).
Der Wärmemengeneintrag pro Zeiteinheit oder die zeitliche Veränderungsrate wird von einer Steuerungseinrichtung
Mittels der erfassten Werte des Brennstoffs kann der Wärmemengeneintrag pro Zeiteinheit aus der Umgebung in den Brennstoff unter Berücksichtigung der gegebenenfalls stattfindenden Entnahme von Brennstoff aus dem Druckbehälter
Der Wärmemengeneintrag pro Zeiteinheit kann insbesondere durch ein Verfahren beschrieben werden, das in der
Die von der Steuerungseinrichtung
Wenn die Isolationsgüte einen Wert im Bereich „unzulässig schlecht” aufweist, kann die Steuerungseinrichtung
Wenn die Isolationsgüte einen Wert im Bereich „unzulässig schlecht” aufweist, kann zudem eine Vakuumpumpe, die in dem Fahrzeug angeordnet ist, gestartet werden, und der evakuierte Raum (erneut) evakuiert werden, um die Isolationsgüte zu erhöhen. Auch ein intervallartiges Betreiben (unabhängig von der bestimmten Isolationsgüte) der Vakuumpumpe ist vorstellbar. Bei der Bestimmung, wann die Vakuumpumpe aktiviert wird, kann berücksichtigt werden, dass durch eine Kaltbetankung, d. h. eine Betankung mit kryogenem Brennstoff bzw. Wasserstoff, das Vakuum bzw. der evakuierte Raum verbessert wird und somit die Isolationsgüte erhöht wird.In addition, if the insulation quality has a value in the range of "improperly poor", a vacuum pump disposed in the vehicle can be started, and the evacuated space can be (re) evacuated to increase the insulation performance. Also, an interval-like operation (regardless of the specific insulation quality) of the vacuum pump is conceivable. In determining when to activate the vacuum pump, it may be considered that by cold refueling, i. H. a refueling with cryogenic fuel or hydrogen, the vacuum or the evacuated space is improved and thus the insulation quality is increased.
Durch die graphische Anzeigevorrichtung
Der Fahrer bzw. das Werkstattpersonal kann auf Grundlage der bestimmten Anzeigegüte bzw. der Anzeige entscheiden, ob die aktuelle Isolationsgüte bzw. Isolationsqualität des Druckbehälters
Falls die aktuelle Isolationsgüte ausreichend ist, kann der Druckbehälter
Die bestimmte Isolationsgüte kann über eine drahtlose Verbindung, z. B. Internet und/oder Mobilfunk, an eine Werkstatt übersandt werden. Die Werkstatt kann dann den Fahrer informieren, wenn ein erneutes Evakuieren des evakuierten Raums notwendig oder sinnvoll ist.The specific isolation quality can be achieved via a wireless connection, eg. As Internet and / or mobile, be sent to a workshop. The workshop can then inform the driver if a new evacuation of the evacuated space is necessary or useful.
Die Bestimmung der Isolationsgüte, d. h. wie gut die Wärmeisolierung des Druckbehälters
Drei Kennlinien (Kennlinie geringer Wärmemengeintrag pro Zeiteinheit
Dementsprechend zeigt der Zeiger
Die Kennlinien
Aus Gründen der Leserlichkeit wurde vereinfachend der Ausdruck „mindestens ein(e)” teilweise weggelassen. Sofern ein Merkmal der hier offenbarten Technologie in der Einzahl bzw. unbestimmt beschrieben ist (z. B. der/ein Druckbehälter) so soll gleichzeitig auch deren Mehrzahl mit offenbart sein (z. B. der mindestens eine Druckbehälter).For the sake of legibility, the term "at least one" has been omitted for simplicity. If a feature of the technology disclosed here is described in the singular or indefinite (eg the / a pressure vessel), then at the same time its plurality should also be disclosed (eg the at least one pressure vessel).
Die vorhergehende Beschreibung der vorliegenden Erfindung dient nur zu illustrativen Zwecken und nicht zum Zwecke der Beschränkung der Erfindung. Im Rahmen der Erfindung sind verschiedene Änderungen und Modifikationen möglich, ohne den Umfang der Erfindung sowie ihrer Äquivalente zu verlassen.The foregoing description of the present invention is for illustrative purposes only, and not for the purpose of limiting the invention. Various changes and modifications are possible within the scope of the invention without departing from the scope of the invention and its equivalents.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 55
- DruckbehältersystemPressure vessel system
- 1010
- Druckbehälterpressure vessel
- 1515
- Entnahmeleitungwithdrawal line
- 1717
- Tankabsperrventiltank shutoff valve
- 3030
- Brennstoffzellefuel cell
- 4040
- Steuerungseinrichtungcontrol device
- 4343
- TemperaturmessvorrichtungTemperature measuring device
- 4444
- MessleitungMeasurement line
- 4747
- DurchflussmessvorrichtungFlow measurement device
- 4848
- Steuerleitungcontrol line
- 4949
- MessleitungMeasurement line
- 6060
- Anzeigevorrichtungdisplay device
- 6262
- Zeigerpointer
- 6464
- AnzeigehintergrundDisplay background
- 6666
- TrennungslinieDividing line
- 7070
- Kennlinie geringer Wärmemengeintrag pro ZeiteinheitCharacteristic low heat input per unit time
- 75 75
- Kennlinie mittlerer Wärmemengeintrag pro ZeiteinheitCharacteristic mean heat input per unit time
- 8080
- Kennlinie hoher Wärmemengeintrag pro ZeiteinheitCharacteristic high heat input per unit time
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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.This list of the documents listed by the applicant has been generated automatically and is included solely for the better information of the reader. The list is not part of the German patent or utility model application. The DPMA assumes no liability for any errors or omissions.
Zitierte PatentliteraturCited patent literature
- DE 102016216525 [0021, 0035] DE 102016216525 [0021, 0035]
Claims (12)
Priority Applications (1)
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DE102016216551.8A DE102016216551A1 (en) | 2016-09-01 | 2016-09-01 | Method for determining the insulation quality of a pressure vessel for storing a fuel, in particular hydrogen, in a vehicle and pressure vessel system for a vehicle, comprising a pressure vessel for storing a fuel, in particular hydrogen |
Applications Claiming Priority (1)
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-
2016
- 2016-09-01 DE DE102016216551.8A patent/DE102016216551A1/en active Pending
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Legal Events
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