DE102017204672A1 - Method and system for refueling a vehicle with hydrogen - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Betankung eines Fahrzeugs (1) mit Wasserstoff, wobei der Wasserstoff mittels einer Kompressionseinrichtung (15) verdichtet und über eine Verbindung (17) in einen Speichertank (5) des Fahrzeugs (1) gefördert wird, bis der Ist-Druck (P) in dem Speichertank (5) einem Soll-Druck (P) entspricht.The invention relates to a method for refueling a vehicle (1) with hydrogen, wherein the hydrogen is compressed by means of a compression device (15) and conveyed via a connection (17) in a storage tank (5) of the vehicle (1) until the actual Pressure (P) in the storage tank (5) corresponds to a desired pressure (P).

Description

Stand der TechnikState of the art

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Betankung eines Fahrzeugs mit Wasserstoff nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Ferner betrifft die Erfindung ein System zum Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens.The invention relates to a method for refueling a vehicle with hydrogen according to the preamble of claim 1. Furthermore, the invention relates to a system for carrying out the method according to the invention.

Ein Verfahren zur Betankung eines Fahrzeugs mit Wasserstoff mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 ist aus der DE 10 2011 081 178 A1 bekannt. Das bekannte Verfahren zeichnet sich durch einen PEM (proton exchange membrane) - Elektrolyseur zur Gewinnung von Wasserstoff aus, wobei der Wasserstoff über eine Kompressionseinrichtung und eine in Form eines Betankungssystems ausgebildete Verbindung in einen Speichertank des Fahrzeugs gefördert wird. Der von dem PEM-Elektrolyseur erzeugte Wasserstoff weist einen Ausgangsdruck zwischen 30bar und 50bar auf, der durch die Kompressionseinrichtung auf einen Druck von 700bar erhöht wird, der dem Soll-Druck bei einem vollen Speichertank entspricht. Dadurch, dass die Kompressionseinrichtung den Wasserstoff in einer Stufe auf den Soll-Druck verdichtet, ermöglicht es das bekannte Verfahren, den Speichertank in relativ kurzer Zeit zu befüllen, wie dies typischerweise der Fall ist, wenn ein Fahrzeug zum Betanken des Speichertanks eine Tankstelle anfährt. Die große Druckerhöhung des Wasserstoffs bedingt jedoch, dass dieser typischerweise gekühlt werden muss, damit sich beispielsweise der Speichertank beim Befüllen nicht zu stark erwärmt.A method for refueling a vehicle with hydrogen having the features of the preamble of claim 1 is known from DE 10 2011 081 178 A1 known. The known method is characterized by a PEM (proton exchange membrane) - electrolyzer for the production of hydrogen, wherein the hydrogen is conveyed via a compression device and a trained in the form of a refueling system in a storage tank of the vehicle. The hydrogen produced by the PEM electrolyzer has an output pressure between 30 bar and 50 bar, which is increased by the compression device to a pressure of 700 bar, which corresponds to the desired pressure in a full storage tank. Characterized in that the compression device compresses the hydrogen in one stage to the desired pressure, the known method makes it possible to fill the storage tank in a relatively short time, as is typically the case when a vehicle for fueling the storage tank moves to a gas station. However, the large increase in pressure of the hydrogen requires that it must be typically cooled, so that, for example, the storage tank does not overheat when filling.

Weiterhin ist es aus der DE 10 2008 025 966 A1 bekannt, Erdgas mit Wasserstoff anzureichern und den Wasserstoff mittels einer Protonenpumpe aus dem Gasgemisch wieder zurückzugewinnen. Der Volumenanteil des Wasserstoffs im Erdgas beträgt dabei typischerweise maximal ca. 5% bis 10%. Das aus der zuletzt genannten Schrift bekannte Verfahren ermöglicht es daher grundsätzlich, beispielsweise Erdgasleitungen, die zu Häusern führen und dort dem Betrieb einer Heizungsanlage dienen, als Transportmittel für Wasserstoff einzusetzen, der dann beispielsweise für einen Betankungsvorgang eines Fahrzeugs tankstellenunabhängig verwendet werden kann.Furthermore, it is from the DE 10 2008 025 966 A1 known to enrich natural gas with hydrogen and recover the hydrogen by means of a proton pump from the gas mixture again. The volume fraction of hydrogen in the natural gas is typically at most about 5% to 10%. The method known from the latter document therefore makes it possible in principle, for example, natural gas lines that lead to houses and there serve the operation of a heating system to use as a means of transport for hydrogen, which can then be used independently of gas stations, for example, for a refueling operation of a vehicle.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Betankung eines Fahrzeugs mit Wasserstoff mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, dass es einen geringen vorrichtungstechnischen Aufwand benötigt, da insbesondere auf eine Einrichtung zur Herabkühlung des Wasserstoffs beim bzw. vor dem Betanken verzichtet werden kann. Hierzu schlägt es die Erfindung sinngemäß vor, den zur Betankung des Speichertanks im Fahrzeug vorgesehenen Druck des Wasserstoffs in mehreren Schritten zu erhöhen, bis dieser dem Soll-Druck entspricht, der charakteristisch für einen vollen Speichertank ist. Dadurch findet die Betankung in mehreren Teilbetankungsschritten statt, bei denen jeweils eine Teilmenge von verdichtetem Wasserstoff in den Speichertank gefördert wird, wobei der Druck der Teilmenge jeweils um einen gewissen Betrag höher ist als der im Speicherdruck augenblicklich herrschende Ist-Druck des Wasserstoffs. Dies hat zur Folge, dass aufgrund der jeweils geringen Druckerhöhung im Speichertank bei dem jeweiligen Teilbetankungsschritt der Wasserstoff nicht heruntergekühlt werden muss, da die Erwärmung insbesondere des Speichertanks beim Befüllen relativ gering ist. Das erfindungsgemäße Verfahren ist daher vorzugsweise einsetzbar, wenn die Betankung des Speichertanks des Fahrzeugs eine längere Zeitspanne in Anspruch nehmen kann, wie dies beispielsweise der Fall ist, wenn sich das Fahrzeug im häuslichen Umfeld, insbesondere in einer Garage, befindet. Dadurch ist es möglich, das erfindungsgemäße Verfahren beispielsweise zur Betankung des Fahrzeugs über die Zeitdauer einer Nacht einzusetzen.The inventive method for refueling a vehicle with hydrogen having the features of claim 1 has the advantage that it requires a low device complexity, since in particular can be dispensed with a device for cooling down the hydrogen during or before refueling. For this purpose, the invention proposes, mutatis mutandis, to increase the intended for refueling of the storage tank in the vehicle pressure of the hydrogen in several steps until it corresponds to the desired pressure, which is characteristic of a full storage tank. As a result, the refueling takes place in several partial refueling steps, in each of which a subset of compressed hydrogen is conveyed into the storage tank, wherein the pressure of the subset is higher by a certain amount than the instantaneous prevailing in the accumulator pressure actual pressure of the hydrogen. This has the consequence that due to the respective low pressure increase in the storage tank at the respective partial refueling step, the hydrogen does not have to be cooled down, since the heating of the storage tank in particular during filling is relatively low. The inventive method is therefore preferably used when the refueling of the storage tank of the vehicle can take a longer period of time, as is the case for example when the vehicle is in a home environment, especially in a garage. This makes it possible to use the inventive method, for example, to refuel the vehicle over the period of a night.

Die Anzahl der Teilbetankungsschritte kann u.a. von der Differenz zwischen dem vorhandenen Ist-Druck im Speichertank und dem Soll-Druck abhängen, sowie von anderen, beispielsweise vorrichtungstechnisch verursachten Randbedingungen. Die Anzahl der Teilbetankungsschritte beträgt typischerweise wenigstens zwei bis beispielsweise zwanzig Teilschritte, wobei auch die zeitliche Dauer, in denen die Teilschritte erfolgen bzw. die die Teilschritte benötigen, unterschiedlich sein kann.The number of partial refueling steps may include i.a. depend on the difference between the existing actual pressure in the storage tank and the desired pressure, as well as other, for example, device-technically caused boundary conditions. The number of partial refueling steps is typically at least two to, for example, twenty sub-steps, whereby the time duration in which the sub-steps take place or which require the sub-steps may also be different.

Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den Unteransprüchen aufgeführt.Advantageous developments of the method according to the invention are listed in the subclaims.

In einer ersten Ausgestaltung des soweit beschriebenen allgemeinen Erfindungsgedankens ist es vorgesehen, dass die Druckerhöhung bei den einzelnen Teilbetankungsschritten der Betankung jeweils gleich groß ist. Ein derartiges Verfahren hat den Vorteil, dass der vorrichtungstechnische bzw. steuerungstechnische Aufwand relativ gering ist, da die Kompressionseinrichtung den Wasserstoff jeweils nur um die jeweils gleiche Druckdifferenz (in Bezug zum zuletzt vorhandenen Druck des Wasserstoffs) verdichten muss.In a first embodiment of the general inventive concept described so far, it is provided that the pressure increase in the individual partial refueling steps of the refueling is in each case the same. Such a method has the advantage that the device-technical or control-technical effort is relatively low, since the compression device has to compress the hydrogen only by the same pressure difference (in relation to the last existing pressure of the hydrogen).

Bei einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens ist es vorgesehen, dass die Druckerhöhung bei den einzelnen Teilbetankungsschritten in Abhängigkeit von der Differenz zwischen dem Ist-Druck und dem Soll-Druck im Speichertank erfolgt, wobei die Druckerhöhung bei geringer werdender Differenz zwischen dem Ist-Druck und dem Soll-Druck verringert wird. Mit anderen Worten gesagt bedeutet dies, dass zu Beginn des Betankungsvorgangs, bei dem der Ist-Druck im Speichertank relativ gering ist, der Wasserstoff gegenüber diesem Ist-Druck um eine relativ hohe Druckdifferenz verdichtet wird, und dass diese Druckdifferenz in den folgenden Teilbetankungsschritten, mit zunehmender Betankung des Speichertanks bzw. steigendem Ist-Druck, verringert wird. Dadurch wird ein asymptotisches Betankungsverhalten erzeugt, bei dem insbesondere schon nach relativ geringer Zeit eine relativ große Menge von Wasserstoff in dem Speichertank getankt ist. Weiterhin ermöglicht es das soweit beschriebene Verfahren, nichtsdestotrotz auf eine Herabkühlung des Wasserstoffs zu verzichten, da zu Beginn des Betankungsvorgangs die betroffenen Bauteile noch relativ kalt sind bzw. eine relativ tiefe Temperatur aufweisen und somit thermisch relativ stark belastbar sind.In a preferred embodiment of the method, it is provided that the pressure increase takes place in the individual partial refueling steps in dependence on the difference between the actual pressure and the target pressure in the storage tank, wherein the pressure increase with decreasing difference between the actual pressure and the target pressure is reduced. In other words, this means that at the beginning of the refueling process, in which the actual pressure in the storage tank is relatively low, the hydrogen is compressed relative to this actual pressure by a relatively high pressure difference, and that this pressure difference in the following partial refueling steps, with increasing refueling of the storage tank or increasing actual pressure is reduced. As a result, an asymptotic refueling behavior is generated in which, in particular, after a relatively short time a relatively large amount of hydrogen is stored in the storage tank. Furthermore, the method described so far, nonetheless allows to dispense with a cooling down of the hydrogen, since at the beginning of the refueling process, the affected components are still relatively cold or have a relatively low temperature and thus thermally relatively strong load.

Zur Optimierung des Betankungsvorgangs sowie aus Gründen der Betriebssicherheit sieht es eine vorteilhafte Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens vor, dass die Temperatur in dem Speichertank des Fahrzeugs erfasst wird, und dass der Tankvorgang bei Überschreiten einer Grenztemperatur unterbrochen wird.To optimize the refueling process and for reasons of operational safety, it provides an advantageous variant of the method according to the invention, that the temperature is detected in the storage tank of the vehicle, and that the refueling process is interrupted when a limit temperature is exceeded.

Alternativ bzw. zusätzlich kann es vorgesehen sein, dass die Temperatur in dem Speichertank erfasst wird, und dass die Druckerhöhung für einen nachfolgenden Teilbetankungsschritt bei Überschreitung eines vorgegebenen Temperaturgradienten reduziert wird. Auch dadurch wird die thermische Belastung des Speichertanks beim Betankungsvorgang reduziert bzw. optimal an den Betankungsvorgang angepasst, so dass beispielsweise die Tankzeit minimiert wird.Alternatively or additionally, it may be provided that the temperature is detected in the storage tank, and that the pressure increase for a subsequent partial refueling step is reduced if a predetermined temperature gradient is exceeded. This also reduces the thermal load on the storage tank during the refueling process or optimally adapts it to the refueling process so that, for example, the refueling time is minimized.

Wie bereits eingangs erwähnt, ermöglicht es das erfindungsgemäße Verfahren durch die Durchführung von mehreren Teilbetankungsschritten, den Wasserstoff vor dem Einbringen in den Speichertank nicht mittels einer Kühleinrichtung kühlen zu müssen. Somit wird der Energiebedarf durch die fehlende Kühleinrichtung beim Betankungsvorgang minimiert und der vorrichtungstechnische Aufwand reduziert.As already mentioned, the method according to the invention makes it possible, by carrying out several partial refueling steps, not to have to cool the hydrogen by means of a cooling device before it is introduced into the storage tank. Thus, the energy requirement is minimized by the lack of cooling device during refueling and reduces the technical complexity.

Um auf besonders einfache Art und Weise den zeitlichen Verlauf eines Teilbetankungsschritts zu steuern, so dass anschließend der Ist-Druck in dem Speichertank wieder erfasst wird und die Verdichtungseinrichtung nachfolgend eine weitere Teilmenge mit erhöhtem Druck des Wasserstoffs bereitstellt, ist es vorgesehen, dass die Verbindung zwischen der Kompressionseinrichtung und dem Speichertank jeweils nach einer bestimmten Zeitspanne unterbrochen wird. Diese Zeitspanne soll insbesondere sicherstellen, dass sich der Druck in dem Speichertank zumindest annähernd auf den von der Kompressionseinrichtung bereitgestellten Druck des Wasserstoffs für die Teilbetankungsmenge erhöht hat.In order to control in a particularly simple manner the time course of a partial refueling step, so that subsequently the actual pressure in the storage tank is detected again and the compression device subsequently provides a further subset with increased pressure of the hydrogen, it is provided that the connection between the compression device and the storage tank are each interrupted after a certain period of time. In particular, this period of time is intended to ensure that the pressure in the storage tank has increased at least approximately to the pressure of the hydrogen provided by the compression device for the partial refueling amount.

Die Erfindung umfasst auch ein System zur Betankung eines Fahrzeugs mit Wasserstoff, wobei die Vorrichtung eine Einrichtung zur Bereitstellung von Wasserstoff, eine Kompressionseinrichtung zum Verdichten des Wasserstoffs, eine Verbindung zum Einbringen des verdichteten Wasserstoffs in den Speichertank eines Fahrzeugs und eine Steuereinrichtung zur Steuerung der Kompressionseinrichtung und der Strömung durch die Verbindung aufweist. The invention also includes a system for fueling a vehicle with hydrogen, the apparatus comprising means for providing hydrogen, compression means for compressing the hydrogen, a connection for introducing the compressed hydrogen into the storage tank of a vehicle and control means for controlling the compression means and having the flow through the connection.

Hinsichtlich der Einrichtung zur Bereitstellung des Wasserstoffs für die Verdichtungseinrichtung bestehen unterschiedliche Möglichkeiten. Eine erste Möglichkeit, die die Nutzung einer ggf. vorhandenen Erdgasleitung als Transportmittel für den dem Erdgas beigefügten Wasserstoff ermöglicht, sieht vor, dass die Einrichtung zur Bereitstellung von Wasserstoff eine Protonenpumpe umfasst, die mit einer Erdgasleitung verbunden ist.There are different possibilities with regard to the device for providing the hydrogen for the compression device. A first possibility, which allows the use of a possibly existing natural gas line as a means of transport for the hydrogen added to the natural gas, provides that the device for providing hydrogen comprises a proton pump, which is connected to a natural gas line.

Alternativ kann es jedoch auch vorgesehen sein, dass die Einrichtung zur Bereitstellung von Wasserstoff einen Elektrolyseur umfasst, der mit einer Wasserquelle verbunden ist. Bei der Wasserquelle kann es sich hierbei entweder um einen Speichertank handeln, oder aber um eine Wasserleitung.Alternatively, however, it can also be provided that the device for providing hydrogen comprises an electrolyzer which is connected to a water source. The water source can either be a storage tank or a water pipe.

Zum Öffnen bzw. Unterbrechen des Betankungsvorgangs während des Durchführens der einzelnen Teilbetankungsschritte weist die Verbindung zwischen der Kompressionseinrichtung und dem Speichertank ein Sperrventil auf, das von der Steuereinrichtung ansteuerbar ist.For opening or interrupting the refueling process during the execution of the individual partial refueling steps, the connection between the compression device and the storage tank has a check valve which can be activated by the control device.

Weiterhin umfasst das System vorzugsweise zusätzliche Mittel zur Erfassung des Drucks des Wasserstoffs und ggf. der Temperatur des Wasserstoffs in dem Speichertank des Fahrzeugs. Auch umfasst das System Kommunikationsmittel zwischen dem Fahrzeug bzw. dem Speichertank und der Steuereinrichtung zur Übermittlung des Drucks und ggf. der Temperatur. Aufgrund des Drucks bzw. der Temperatur des in dem Speichertank befindlichen Wasserstoffs kann die Steuereinrichtung somit insbesondere die Einrichtung zur Bereitstellung des Wasserstoffs und die Kompressionseinrichtung zur Durchführung der einzelnen Teilbetankungsschritte bedarfsgerecht ansteuern.Furthermore, the system preferably comprises additional means for detecting the pressure of the hydrogen and possibly the temperature of the hydrogen in the storage tank of the vehicle. The system also comprises communication means between the vehicle or the storage tank and the control device for transmitting the pressure and optionally the temperature. Due to the pressure or the temperature of the hydrogen present in the storage tank, the control device can thus control, in particular, the device for providing the hydrogen and the compression device for carrying out the individual partial refueling steps as required.

Um den Betankungsvorgang unabhängig von einer Tankstelle im häuslichen Umfeld durchführen zu können, ist es darüber hinaus von Vorteil, wenn zumindest die Kompressionseinrichtung zum Verdichten des Wasserstoffs und die Verbindung zum Einbringen des verdichteten Wasserstoffs in den Speichertank des Fahrzeugs in einer Garage angeordnet sind, die gleichzeitig der Aufnahme des zu betankenden Fahrzeugs dient. Dadurch ist es möglich, beispielsweise abends das Fahrzeug in die Garage zu stellen, die Verbindung zwischen der Kompressionseinrichtung und dem Speichertank herzustellen und bei abgeschlossener Garage den Betankungsvorgang über Nacht durchführen zu können.In order to carry out the refueling process independently of a gas station in a domestic environment, it is also advantageous if at least the compression device for compressing the hydrogen and the connection for introducing the compressed hydrogen are arranged in the storage tank of the vehicle in a garage, the same time the admission of the refueling vehicle serves. This makes it possible, for example, to put the vehicle into the garage in the evening, to establish the connection between the compression device and the storage tank and to be able to carry out the refueling operation overnight when the garage is closed.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung.Further advantages, features and details of the invention will become apparent from the following description of preferred embodiments and from the drawing.

Diese zeigt in:

  • 1 bis 3 jeweils in vereinfachten Darstellungen unterschiedliche Betankungssysteme zur Betankung eines Fahrzeugs mit Wasserstoff und
  • 4 bis 6 jeweils Ablaufdiagramme zur Erläuterung des erfindungsgemäßen Betankungsverfahrens.
This shows in:
  • 1 to 3 in simplified representations different refueling systems for refueling a vehicle with hydrogen and
  • 4 to 6 each flowchart for explaining the refueling method according to the invention.

Gleiche Elemente bzw. Elemente mit gleicher Funktion sind in den Figuren mit den gleichen Bezugsziffern versehen.The same elements or elements with the same function are provided in the figures with the same reference numerals.

In der 1 ist ein erstes System 100 zur Betankung einer Fahrzeugs 1 mit Wasserstoff stark vereinfacht dargestellt. Das System 100 kann eine Garage 2 umfassen, in der das Fahrzeug 1 abgestellt ist. Innerhalb der Garage 2 ist eine Einrichtung 10 zur Bereitstellung des Wasserstoffs vorgesehen. Die Einrichtung 10 ist in Form einer Protonenpumpe 11 ausgebildet, die über eine Zuführleitung 12 mit einer Erdgasleitung 13 verbunden ist. Der Wasserstoff ist dem Erdgas als zusätzliches Gas mit einem Volumenanteil beispielsweise zwischen maximal 5% und 10% beigefügt und wird mittels der Protonenpumpe 11, auf an sich bekannte Art und Weise, aus dem Erdgas-/Wasserstoffgemisch separiert.In the 1 is a first system 100 for refueling a vehicle 1 represented with hydrogen greatly simplified. The system 100 can a garage 2 include in which the vehicle 1 is turned off. Inside the garage 2 a means 10 for providing the hydrogen is provided. The device 10 is in the form of a proton pump 11 formed, via a feed line 12 with a gas pipeline 13 connected is. The hydrogen is added to the natural gas as additional gas with a volume fraction, for example, between a maximum of 5% and 10% and is by means of the proton pump 11 in a manner known per se, separated from the natural gas / hydrogen mixture.

Der von der Einrichtung 10 (rück-) gewonnene Wasserstoff wird anschließend über eine Kompressionseinrichtung 15 und eine Verbindungsleitung 17 als Bestandteil eines Betankungssystems einem Speichertank 5 für den Wasserstoff in dem Fahrzeug 1 zugeführt. In der Verbindung zwischen der Kompressionseinrichtung 15 und dem Speichertank 5, beispielhaft im Bereich der Verbindungsleitung 17, ist darüber hinaus ein Sperrventil 18 angeordnet, das das Strömen des von der Kompressionseinrichtung 15 verdichteten Wasserstoffs in Richtung des Speichertanks 5 steuert. Sowohl die Kompressionseinrichtung 15 als auch die Einrichtung 10 bzw. die Protonenpumpe 11 sind über Leitungen 21, 22 mit einer Steuereinrichtung 25 verbunden, die der Ansteuerung der Kompressionseinrichtung 15 sowie der Protonenpumpe 11 bzw. des Sperrventils 18 dient. Die Stromversorgung der Steuereinrichtung 25, der Einrichtung 10 sowie der Kompressionseinrichtung 15 erfolgt bevorzugt mit einer üblichen Netzspannung von 110 V bzw. 220 V (je nach Land).The one from the institution 10 (recovered) recovered hydrogen is then passed through a compression device 15 and a connection line 17 as part of a refueling system a storage tank 5 for the hydrogen in the vehicle 1 fed. In the connection between the compression device 15 and the storage tank 5 , by way of example in the area of the connecting line 17 , is beyond a check valve 18 arranged, which is the flow of the compressor 15 compressed hydrogen in the direction of the storage tank 5 controls. Both the compression device 15 as well as the decor 10 or the proton pump 11 are over lines 21 . 22 with a control device 25 connected, the control of the compression device 15 and the proton pump 11 or the check valve 18 serves. The power supply of the control device 25 , the device 10 and the compression device 15 is preferably carried out with a standard mains voltage of 110 V or 220 V (depending on the country).

Im Bereich des Speichertanks 5 sind ein Drucksensor 26 sowie ein Temperatursensor 27 vorgesehen, die den Ist-Druck PIst sowie die Temperatur Tist des Wasserstoffs in dem Speichertank 5 erfassen. Der Drucksensor 26 und der Temperatursensor 27 leiten ihre Signale an eine Schnittstelle 28 weiter, die im Bereich des Fahrzeugs 1 angeordnet ist, um die Daten des Temperatursensors 27 und des Drucksensors 26 an die Steuereinrichtung 25 zu übermitteln. Hierzu kann es vorgesehen sein, dass die Übermittlung mit Hilfe drahtloser Kommunikationsmittel 29, 31 erfolgt, die im Bereich der Schnittstelle 28 bzw. Steuereinrichtung 25 vorgesehen sind.In the area of the storage tank 5 are a pressure sensor 26 and a temperature sensor 27 which is the actual pressure P actual and the temperature T is the hydrogen in the storage tank 5 to capture. The pressure sensor 26 and the temperature sensor 27 route their signals to an interface 28 continue in the area of the vehicle 1 is arranged to the data of the temperature sensor 27 and the pressure sensor 26 to the controller 25 to convey. For this purpose, it may be provided that the transmission by means of wireless communication means 29 . 31 takes place in the area of the interface 28 or control device 25 are provided.

Alternativ kann es beispielsweise auch vorgesehen sein, dass die Verbindungsleitung 17 eine entsprechende Schnittstelle aufweist, die eine im Bereich einer Einfüllöffnung für den Wasserstoff im Bereich des Fahrzeugs 1 befindliche Schnittstelle zur Signalübertragung z.B. mechanisch kontaktiert oder aber drahtlos mit dieser kommuniziert.Alternatively, it can also be provided, for example, that the connecting line 17 has a corresponding interface, one in the region of a filling opening for the hydrogen in the region of the vehicle 1 located interface for signal transmission, for example mechanically contacted or wirelessly communicates with this.

In der 2 ist ein System 100a dargestellt, das sich von dem System 100 gemäß der 1 dadurch unterscheidet, dass anstelle einer Erdgasleitung 13 eine Wasserleitung 33 vorgesehen ist, die über eine Zuführleitung 34 mit einer als Elektrolyseur 35 ausgebildeten Einrichtung 10 zur Bereitstellung des Wasserstoffs gekoppelt ist. Der Elektolyseur 35 gewinnt den Wasserstoff aus Wasser durch Elektrolyse.In the 2 is a system 100a that is different from the system 100 according to the 1 it differs in that instead of a gas pipeline 13 a water pipe 33 is provided, which via a supply line 34 with one as an electrolyzer 35 trained facility 10 coupled to provide the hydrogen. The electrolyzer 35 recovers the hydrogen from water by electrolysis.

Bei dem in der 3 dargestellten System 100b ist es hingegen vorgesehen, dass das Wasser im Bereich eines Wassertanks 36 gespeichert ist, der den Elektrolyseur 35 mit Wasser versorgt.In the in the 3 illustrated system 100b On the other hand, it is intended that the water in the area of a water tank 36 is stored, which supplies the electrolyzer 35 with water.

Mittels des soweit beschriebenen Systems 100, 100a, 100b ist es möglich, den Speichertank 5 in dem Fahrzeug 1 mit Wasserstoff zu betanken, bis der Speichertank 5 voll ist bzw. einen Druck PSoll aufweist, der charakteristisch für einen vollen Speichertank 5 ist. Es besteht somit die Aufgabe, den Speichertank 5 mit Wasserstoff derart zu befüllen, dass der im Speichertank 5 vorhandene Ist-Druck PIst bis auf den Soll-Druck PSoll erhöht wird.By means of the system described so far 100 . 100a . 100b it is possible to the storage tank 5 in the vehicle 1 to refuel with hydrogen until the storage tank 5 is full or has a pressure P Soll , which is characteristic of a full storage tank 5 is. It is therefore the task of the storage tank 5 to fill with hydrogen in such a way that the in the storage tank 5 existing actual pressure P is up to the setpoint pressure P setpoint is increased.

Mit Blick auf den Betankungsvorgang wird nachfolgend zunächst auf das Ablaufdiagramm der 4 eingegangen. Hierbei ist es in dem Schritt 200 vorgesehen, dass der Betankungsvorgang initiiert wird. Die Initialisierung erfolgt durch eine Kommunikation über die angesprochenen Schnittstelle 28 bzw. die drahtlosen Kommunikationsmittel 29, 31. Hierzu wird beispielsweise auch überprüft, ob der Speichertank 5 über die Verbindungsleitung 17 mit der Kompressionseinrichtung 15 gekoppelt ist.With regard to the refueling process, the flowchart of FIG 4 received. Here it is in the step 200 provided that the refueling process is initiated. The initialization takes place via a communication via the addressed interface 28 or the wireless communication means 29 . 31 , For this purpose, for example, also checks whether the storage tank 5 over the connecting line 17 is coupled to the compression device 15.

Anschließend wird in einem Schritt 202 der im Speichertank 5 vorhandene Ist-Druck PIst des Wasserstoffs und ggf. die Temperatur TIst erfasst und an die Steuereinrichtung 35 übermittelt. In der Steuereinrichtung 25 ist der Soll-Druck PSoll abgespeichert, der vorhanden sein muss, damit der Speichertank 5 vollständig mit Wasserstoff befüllt ist, beispielsweise ein Druck PSoll von 700 bar.Subsequently, in one step 202 in the storage tank 5 existing actual pressure P Is of the hydrogen and possibly the temperature T Ist detected and transmitted to the control device 35. In the control device 25 is the target pressure P set stored, which must be present so that the storage tank 5 completely filled with hydrogen, for example, a pressure P target of 700 bar.

In dem anschließenden Schritt 204 wird geprüft, ob der Ist-Druck PIst dem Soll-Druck PSoll entspricht. Ist dies der Fall, wechselt die Steuereinrichtung 25 in den Schritt 206 und beendet den Betankungsvorgang. Entspricht der Ist-Druck PIst (noch) nicht dem Soll-Druck PSoll, so wird in den Schritt 208 gewechselt. In dem Schritt 208 wird mittels der Einrichtung 10 eine bestimmte Menge Wasserstoff erzeugt bzw. rückgewonnen, die anschließend in dem Schritt 210 mittels der Kompressionseinrichtung 15 verdichtet, d.h. auf einen gegenüber der Erzeugung des Wasserstoffs durch die Einrichtung 10 erhöhten Druck gebracht wird.In the subsequent step 204 it is checked whether the actual pressure P actual corresponds to the target pressure P target . If this is the case, the controller changes 25 in step 206 and terminates the refueling process. Corresponds to the actual pressure P is not (yet) is the target pressure P set in the step so 208 changed. In step 208, by means of the device 10 a certain amount of hydrogen generated or recovered, which is subsequently in the step 210 compressed by means of the compression device 15, that is, to one against the generation of hydrogen through the device 10 increased pressure is brought.

Die Druckerhöhung erfolgt dabei erfindungsgemäß nicht in einem einzigen Schritt auf den Soll-Druck PSoll, der charakteristisch für einen vollen Speichertank 5 ist, sondern auf einen (Zwischen-) Druck P, der unterhalb des Drucks PSoll liegt. Wird beispielsweise bei der ersten Messung des Ist-Druck PIst ein Druck von 100bar im Speichertank 5 detektiert, und ist ein Soll-Druck PSoll von 700bar angestrebt, so kann es beispielhaft vorgesehen sein, dass die Kompressionseinrichtung 15 in einem ersten Teilbetankungsschritt den von der Einrichtung 10 gewonnenen Wasserstoff auf einen Druck von 200bar erhöht. Dieser Druck P wird in dem Schritt 212 erfasst. Ist der Druck P, der von der Kompressionseinrichtung 15 erzeugt wird, geringer als der angesprochene Druck P von beispielsweise 200bar, so wird in den Schritt 208 zurückgewechselt.The pressure increase is carried out according to the invention not in a single step to the target pressure P Soll , which is characteristic of a full storage tank 5 but to an (intermediate) pressure P, which is below the pressure P target . If, for example, the first measurement of the actual pressure P actual is a pressure of 100 bar in the storage tank 5 detected, and is a target pressure P target of 700bar sought, it may be provided by way of example that the compression device 15 in a first partial refueling step by the facility 10 gained hydrogen increased to a pressure of 200bar. This pressure P is detected in step 212. Is the pressure P coming from the compression device 15 is generated, lower than the mentioned pressure P of, for example, 200 bar, so in the step 208 changed back.

Ist hingegen der Druck P für den ersten Teilbetankungsschritt erreicht, so wird in einem Schritt 214 die Verbindungsleitung 17 zur Betankung des Wasserstoffs in den Speichertank 5 durch entsprechende Ansteuerung des Sperrventils 18 freigegeben. Dadurch strömt der auf den Druck P von 200bar komprimierte Wasserstoff in den Speichertank 5. Zur Beendigung des Teilbetankungsschritts wird anschließend in einem Schritt 216 geprüft, ob die Verbindung zum Speichertank 5 bereits eine Dauer Δt überschritten hat. Ist dies der Fall, wird in einem Schritt 218 der Betankungsvorgang durch Schließen des Sperrventils 18 unterbrochen.If, on the other hand, the pressure P is reached for the first partial refueling step, then in one step 214 the connection line 17 to refuel the hydrogen in the storage tank 5 by appropriate control of the check valve 18 Approved. As a result, the compressed to the pressure P of 200 bar hydrogen flows into the storage tank 5 , To terminate the partial refueling step is then in one step 216 checked whether the connection to the storage tank 5 has already exceeded a duration .DELTA.t. If this is the case, it will be in one step 218 the refueling process by closing the shut-off valve 18 interrupted.

Anschließend wird erneut in dem Schritt 202 der augenblickliche Ist-Druck PIst des Wasserstoffs in dem Speichertank 5 erfasst und an die Steuereinrichtung 25 übermittelt. Daraufhin werden entsprechend dem vorher Beschriebenen weitere Teilbetankungsvorgänge ausgeführt, bei denen der Druck des Wasserstoffs in den Speichertank 5 jeweils um einen bestimmten Betrag erhöht wird, bis dieser letztlich dem Soll-Druck PSoll aufweist bei dem der Speichertank 5 voll ist.Subsequently, in the step again 202 the instantaneous actual pressure P is the hydrogen in the storage tank 5 recorded and sent to the controller 25 transmitted. Thereupon, further partial refueling operations are carried out according to what has been described above, in which the pressure of the hydrogen in the storage tank 5 is increased by a certain amount until it finally has the target pressure P Soll at which the storage tank 5 is full.

In der 5 ist ein Ablaufdiagramm dargestellt, das zusätzlich der Überwachung der Temperatur Tist des Wasserstoffs in dem Speichertank 5 dient, um beispielsweise aus Sicherheitsgründen bei einer Überschreitung einer Grenztemperatur TGrenz den Tankvorgang abzubrechen. Hierzu ist es in einem Schritt 300 vorgesehen, dass die Tanktemperatur TIst mittels des Temperatursensors 27 erfasst und an die Steuereinrichtung 25 als Eingangsgröße zugeführt wird. Anschließend wird in einem Schritt 302 überprüft, ob die Temperatur TIst des Wasserstoffs den angesprochenen Grenzwert TGrenz erreicht hat oder nicht. Ist dies der Fall, wird in einem Schritt 304 der Tankvorgang unterbrochen. Ist dies demgegenüber nicht der Fall, wird in den Schritt 300 zurückgewechselt.In the 5 is shown a flowchart, which is additionally the monitoring of the temperature T is the hydrogen in the storage tank 5 serves, for example, for safety reasons in case of exceeding a temperature limit T limit the refueling process. For this purpose, it is provided in a step 300 that the tank temperature T actual is detected by the temperature sensor 27 and sent to the control device 25 is supplied as input. Subsequently, in one step 302 checks whether the temperature T actual of the hydrogen has reached the mentioned threshold T limit or not. If this is the case, it will be in one step 304 the refueling process is interrupted. If this is not the case, the process returns to step 300.

Alternativ oder zusätzlich hierzu ist es auch denkbar, die Geschwindigkeit, mit der sich der Wasserstoff in dem Speichertank 5 bei der Betankung erwärmt, als Sicherheitskriterium für einen Abbruch des Tankvorgangs heranzuziehen. Hierzu ist es entsprechend dem Ablaufdiagramm der 6 vorgesehen, dass in Analogie zum Schritt 300 in einem Schritt 400 die aktuelle Temperatur TIst des Wasserstoffs erfasst und an die Steuereinrichtung 25 übermittelt wird. Diese Abfrage wird beispielhaft in gleichmäßigen Zeitabständen durchgeführt, so dass die Steuereinrichtung 25 in einem Schritt 402 überprüfen kann, ob der Temperaturgradient (Erwärmungsgeschwindigkeit) des Wasserstoffs einen kritischen Grenzwert erreicht hat oder nicht. Ist dies der Fall, wird in einem Schritt 404 die Druckerhöhung bei einem nächsten Teilbetankungsschritt vermindert, um den Temperaturgradienten zu verringern.Alternatively or additionally, it is also conceivable, the speed at which the hydrogen in the storage tank 5 warmed up during refueling, as a safety criterion for aborting the refueling process. For this it is according to the flowchart of 6 provided that in analogy to the step 300 in one step 400 the actual temperature T ist of the hydrogen detected and sent to the control device 25 is transmitted. This query is performed by way of example at regular intervals, so that the control device 25 in one step 402 check whether the temperature gradient (heating rate) of the hydrogen has reached a critical limit or not. If this is the case, it will be in one step 404 the pressure increase is reduced at a next partial refueling step to reduce the temperature gradient.

Das soweit beschriebene System 100, 100a, 100b sowie das Betankungsverfahren können in vielfältiger Art und Weise abgewandelt bzw. modifiziert werden, ohne vom Erfindungsgedanken abzuweichen. Dieser besteht darin, den Betankungsvorgang in mehreren zeitlich aufeinanderfolgenden Teilbetankungsschritten vorzunehmen, bei der der Druck des zur Betankung vorgesehenen Wasserstoffs jeweils schrittweise erhöht wird, bis (in einem letzten Teilbetankungsschritt) der Druck des Wasserstoffs in dem Speichertank 5 dem gewünschten Soll-Druck PSoll entspricht.The system described so far 100 . 100a . 100b as well as the refueling process can be modified or modified in many ways without deviating from the inventive idea. This consists in carrying out the refueling operation in several successive partial refueling steps in which the pressure of the hydrogen intended for refueling is in each case gradually increased until (in a last partial refueling step) the pressure of the hydrogen in the storage tank 5 the desired target pressure P target corresponds.

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • DE 102011081178 A1 [0002]DE 102011081178 A1 [0002]
  • DE 102008025966 A1 [0003]DE 102008025966 A1 [0003]

Claims (13)

Verfahren zur Betankung eines Fahrzeugs (1) mit Wasserstoff, wobei der Wasserstoff mittels einer Kompressionseinrichtung (15) verdichtet und über eine Verbindung (17) in einen Speichertank (5) des Fahrzeugs (1) gefördert wird, bis der Ist-Druck (Pist) in dem Speichertank (5) einem Soll-Druck (Psoll) entspricht, dadurch gekennzeichnet, dass der Betankungsvorgang in mehreren Teilbetankungsschritten unter Einbringung jeweils einer bereitgestellten Teilmenge von Wasserstoff in den Speichertank (5) erfolgt, wobei zwischen den Teilbetankungsschritten kein Strömen von Wasserstoff in den Speichertank (5) erfolgt, und dass bei den einzelnen Teilbetankungsschritten der Druck (P) des jeweils bereitgestellten Wasserstoffs gegenüber einem vorangegangenen Teilbetankungsschritt erhöht wird, bis dieser in einem letzten Teilbetankungsschritt dem Soll-Druck (Psoll) entspricht, worauf der Betankungsvorgang abgeschlossen wird.A method for refueling a vehicle (1) with hydrogen, wherein the hydrogen is compressed by means of a compression device (15) and via a connection (17) in a storage tank (5) of the vehicle (1) is conveyed until the actual pressure (P is ) in the storage tank (5) corresponds to a desired pressure (P soll ), characterized in that the refueling operation takes place in several partial refueling steps with the introduction of a respective provided partial amount of hydrogen into the storage tank (5), wherein between the partial refueling steps no flow of hydrogen into the storage tank (5), and that in the individual partial refueling steps, the pressure (P) of the respectively provided hydrogen is increased compared to a previous partial refueling step until it corresponds to the target pressure (P soll ) in a last partial refueling step, whereupon the refueling operation is completed becomes. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckerhöhung des Wasserstoffs zwischen den einzelnen Teilbetankungsschritten jeweils gleich groß ist.Method according to Claim 1 , characterized in that the pressure increase of the hydrogen between the individual partial refueling steps is equal in each case. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckerhöhung des Wasserstoffs zwischen den einzelnen Teilbetankungsschritten in Abhängigkeit von der Differenz zwischen dem Ist-Druck (Pist) und dem Soll-Druck (Psoll) erfolgt, wobei die Druckerhöhung bei geringer werdender Differenz verringert wird.Method according to Claim 1 , Characterized in that the pressure increase of the hydrogen between the individual filling steps in dependence on the difference between the actual pressure (P ist) and the set pressure (P soll), whereby the pressure increase is reduced with decreasing amount of difference. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur (Tist) in dem Speichertank (5) erfasst wird, und dass der Tankvorgang bei Überschreiten einer Grenztemperatur (TGrenz) unterbrochen wird.Method according to one of Claims 1 to 3 , characterized in that the temperature (T ist ) in the storage tank (5) is detected, and that the refueling operation is interrupted when a limit temperature (T limit ) is exceeded. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur (Tist) in dem Speichertank (5) erfasst wird, und dass die Druckerhöhung für einen nachfolgenden Teilbetankungsschritt bei Überschreitung eines Temperaturgradienten reduziert wird.Method according to one of Claims 1 to 4 , characterized in that the temperature (T ist ) in the storage tank (5) is detected, and that the pressure increase for a subsequent partial refueling step is reduced when a temperature gradient is exceeded. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Wasserstoff vor dem Einbringen in den Speichertank (5) nicht mittels einer Kühleinrichtung gekühlt wird.Method according to one of Claims 1 to 5 , characterized in that the hydrogen is not cooled by means of a cooling device prior to introduction into the storage tank (5). Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Wasserstoff nach dem Verdichten durch die Kompressionseinrichtung (15) ohne Zwischenspeicherung unmittelbar über die Verbindung (17) in den Speichertank (5) gefördert wird.Method according to one of Claims 1 to 6 , characterized in that the hydrogen after compression by the compression means (15) without intermediate storage directly via the connection (17) in the storage tank (5) is conveyed. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindung (17) zwischen der Kompressionseinrichtung (15) und dem Speichertank (5) nach Beginn eines Teilbetankungsschritts jeweils nach einer bestimmten Zeitspanne (Δt) unterbrochen wird.Method according to one of Claims 1 to 7 , characterized in that the connection (17) between the compression device (15) and the storage tank (5) after the beginning of a partial refueling step in each case after a certain period of time (At) is interrupted. System (100; 100a; 100b) zur Betankung eines Fahrzeugs (1) mit Wasserstoff, mit einer Einrichtung (10) zur Bereitstellung von Wasserstoff, einer Kompressionseinrichtung (15) zum Verdichten des Wasserstoffs, einer Verbindung (17) zum Einbringen des verdichteten Wasserstoffs in einen Speichertank (5) des Fahrzeugs (1), und mit einer Steuereinrichtung (25) zur Steuerung der Einrichtung (10) zur Bereitstellung von Wasserstoff, der Kompressionseinrichtung (15) und der Verbindung (17), dadurch gekennzeichnet, dass das System (100; 100a; 100b) nach einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8 arbeitet.A system (100; 100a; 100b) for refueling a vehicle (1) with hydrogen, comprising means (10) for supplying hydrogen, compression means (15) for compressing the hydrogen, a connection (17) for introducing the compressed hydrogen into a storage tank (5) of the vehicle (1), and a control device (25) for controlling the means (10) for providing hydrogen, the compression device (15) and the connection (17), characterized in that the system (100 100a, 100b) according to a method according to one of Claims 1 to 8th is working. System nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung (10) zur Bereitstellung von Wasserstoff eine Protonenpumpe (11) umfasst, der mit einer Erdgasleitung (13) verbunden ist, oder dass die Einrichtung (10) zur Bereitstellung von Wasserstoff einen Elektrolyseur (35) umfasst, der mit einer Wasserquelle (33; 36) verbunden ist.System after Claim 9 characterized in that said means (10) for providing hydrogen comprises a proton pump (11) connected to a natural gas line (13), or wherein said means (10) for providing hydrogen comprises an electrolyzer (35) with a water source (33; 36) is connected. System nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass in der Verbindung (17) ein von der Steuereinrichtung (25) ansteuerbares Sperrventil (18) für den Wasserstoff angeordnet istSystem according to one of Claims 8 to 10 , characterized in that in the connection (17) from the control device (25) controllable shut-off valve (18) is arranged for the hydrogen System nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass ein Drucksensor (26) zur Erfassung des Ist-Drucks (Pist) und ggf. ein Temperatursensor (27) zur Erfassung der Temperatur (Tist) des Wasserstoffs in dem Speichertank (5) vorgesehen sind, sowie mit Kommunikationsmittel (29, 31) zwischen dem Fahrzeug (1) bzw. dem Speichertank (5) und der Steuereinrichtung (25).System according to one of Claims 8 to 11 , characterized in that a pressure sensor (26) for detecting the actual pressure (P is ) and optionally a temperature sensor (27) for detecting the temperature (T is ) of the hydrogen in the storage tank (5) are provided, as well as with communication means (29, 31) between the vehicle (1) and the storage tank (5) and the control device (25). System nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest die Kompressionseinrichtung (15) zum Verdichten des Wasserstoffs und die Verbindung (17) zum Einbringen des verdichteten Wasserstoffs in einen Speichertank (5) des Fahrzeugs (1) in einer Garage (2) angeordnet sind, die gleichzeitig der Aufnahme des zu betankenden Fahrzeugs (1) dient.System after Claim 12 , characterized in that at least the compression means (15) for compressing the hydrogen and the connection (17) for introducing the compressed hydrogen into a storage tank (5) of the vehicle (1) are arranged in a garage (2) simultaneously receiving of the vehicle to be refueled (1) is used.
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