DE102019200445A1 - Verfahren zur Befüllung eines Kryo-Druckgasspeichers und Brennstoffzellenvorrichtung - Google Patents

Verfahren zur Befüllung eines Kryo-Druckgasspeichers und Brennstoffzellenvorrichtung Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Befüllung eines Kryo-Druckgasspeichers für eine Brennstoffzellenvorrichtung, umfassend die Schritte:- Bestimmen der zu betankenden Menge an Wasserstoff unter Berücksichtigung eines voraussichtlichen Verbrauchs und einer voraussichtlichen Abstellzeit, so dass nach Ablauf der Abstellzeit ein Druck im Kryo-Druckgasspeicher kleiner oder gleich eines vorgegebenen oder vorgebbaren Maximaldrucks ist (105) und- Befüllen des Druckgasspeichers mit der bestimmten Menge an Wasserstoff (107).Die Erfindung betrifft darüber hinaus eine Brennstoffzellenvorrichtung.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Befüllung eines Kryo-Druckgasspeichers. Die Erfindung betrifft darüber hinaus eine Brennstoffzellenvorrichtung mit einem Kryo-Druckgasspeicher.
  • Brennstoffzellenvorrichtungen mit einem Brennstoffzellenstapel dienen als Energiequelle insbesondere für Kraftfahrzeuge. Ein derartiger Brennstoffzellenstapel weist eine Mehrzahl von Brennstoffzellen auf. Die Brennstoffzellen wandeln dabei in einer Redoxreaktion Wasserstoff und Sauerstoff zu Wasser und elektrischer Energie um. Der Wasserstoff muss folglich in der Brennstoffzellenvorrichtung mitgeführt werden. Dies geschieht entweder in Drucktanks, in denen der Wasserstoff gasförmig unter Druck gespeichert wird, oder in Flüssigwasserstofftanks, in denen der Wasserstoff in einem flüssigen Zustand bei einer niedrigen Temperatur gespeichert wird. Schließlich gibt es noch kombinierte Kryo-Druckgasspeicher, in denen der Wasserstoff sowohl in einem flüssigen als auch in einem gasförmigen Zustand gespeichert wird.
  • Die DE 10 2015 217 085 A1 , die DE 10 2012 218 857 A1 und die DE 10 2014 211 503 A1 beschreiben Verfahren, in denen die zu betankende Menge an Wasserstoff bestimmt wird.
  • Nachteilig ist hierbei, dass sich der Wasserstoff beim Abstellen der Brennstoffzellenvorrichtung bzw. des Kraftfahrzeugs erwärmt und so von der flüssigen Phase in die gasförmige Phase übergeht. Dies führt zu einer Druckerhöhung im Kryo-Druckgasspeicher, weswegen bei einer längeren Abstellzeit ein nicht unerheblicher Teil des gespeicherten Wasserstoffs über eine Entlastungsleitung an die Umgebung abgeführt werden muss, damit der Druck im Kryo-Druckgasspeicher nicht über einen kritischen Druck ansteigt.
  • Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Brennstoffzellenvorrichtung bereitzustellen, bei denen ein Ablassen von Wasserstoff verhindert oder reduziert werden kann.
  • Die das Verfahren betreffende Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Die die Brennstoffzellenvorrichtung betreffende Aufgabe wird durch eine Brennstoffzellenvorrichtung nach Anspruch 8 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
  • Das Verfahren zur Befüllung eines Kryo-Druckgasspeichers für eine Brennstoffzellenvorrichtung zeichnet sich insbesondere durch die folgenden Schritte aus:
    • - Bestimmen der zu betankenden Menge an Wasserstoff unter Berücksichtigung eines voraussichtlichen Verbrauchs und einer voraussichtlichen Abstellzeit, sodass nach Ablauf der Abstellzeit ein Druck im Kryo-Druckgasspeicher kleiner oder gleich eines vorgegebenen oder vorgebbaren Maximaldrucks ist, und
    • - Befüllung des Druckerspeichers mit der bestimmten Menge an Wasserstoff.
  • Dies ermöglicht es, den Kryo-Druckgasspeicher derart zu befüllen, dass bei einem Abstellen der Brennstoffzellenvorrichtung, d. h. bei einer Unterbrechung oder Trennung der Zufuhr des Brennstoffs und des Kathodengases vom Brennstoffzellenstapel, insbesondere einer Unterbrechung oder Trennung über einen längeren Zeitraum, die Menge an Wasserstoff im Kryo-Druckgasspeicher derart angepasst ist, dass ein Ablassen von Wasserstoff aufgrund des Drucksanstiegs im Kryo-Druckgasspeicher verhindert oder zumindest hinausgezögert wird.
  • Der voraussichtliche Verbrauch der Brennstoffzellenvorrichtung wird dabei vorzugsweise bestimmt anhand einer Länge der geplanten Strecke und/oder Daten aus einem Navigationsgerät und/oder Wetterdaten und/oder eine Außentemperatur und/oder einer Gesamtstrecke und/oder einer Anzahl an Teilstrecken. Diese Daten werden dem Navigationsgerät entweder entnommen oder sie werden vom Nutzer der Brennstoffzellenvorrichtung abgefragt. Er kann die abgefragten Informationen/Daten beispielsweise auf einer Schaltfläche eingeben, oder die Daten werden durch einen akustischen Sensor aufgenommen.
  • Umgekehrt ist es möglich, dass eine mögliche Abstellzeit der Brennstoffzellenvorrichtung anhand eines aktuellen Füllstands an Wasserstoff im Kryo-Druckgasspeicher ermittelt und/oder angezeigt wird. Dies ermöglicht bei nicht geplanten Aufenthalten/Pausen ein Ablassen von Wasserstoff zu verhindern.
  • Insbesondere ist es von Vorteil, dass beim Bestimmen der zu betankenden Menge der aktuelle Füllstand im Kryo-Druckgasspeicher abgefragt und/oder berücksichtigt wird. Dabei kann die Abfrage des aktuellen Füllstands entweder mittels eines im Kryo-Druckgasspeichers angeordneten Schwimmers oder mittels einer Druckmessung im Kryo-Druckgasspeicher erfolgen. Darüber hinaus kann der aktuelle Füllstand anhand einer vorher betankten Menge und anhand einer im Anschluss entnommenen Menge (Verbrauch und Ablass) bestimmt werden.
  • Insbesondere ist es in diesem Zusammenhang vorgesehen, dass der aktuelle Füllstand an eine den Kryo-Druckgasspeicher zu betankende Wasserstofftankstelle übermittelt wird. Dies ermöglicht es, dass die Wasserstofftankstelle die zu betankende Menge bestimmen kann. In diesem Zusammenhang ist es auch von Vorteil, wenn ein Maximalfüllstand des Kryo-Druckgasspeichers abgefragt und an eine den Kryo-Druckgasspeicher zu betankende Wasserstofftankstelle übermittelt wird. Dies verhindert ein Überfüllen des Kryo-Druckgasspeichers und ermöglicht wiederum eine exaktere Bestimmung der zu betankenden Menge. Dies ist insbesondere deswegen von Vorteil, weil Kryo-Druckgasspeicher in unterschiedlichen Abmessungen hergestellt und verbaut werden.
  • Die Brennstoffzellenvorrichtung umfasst einen befüllbaren Kryo-Druckgasspeicher zur Speicherung von Wasserstoff, der eine Tanköffnung aufweist und eine Überwachungseinheit. Die Überwachungseinheit ist mit dem Kryo-Druckgasspeicher verbunden und dient der Bestimmung einer zu betankenden Menge von Wasserstoff unter Berücksichtigung eines voraussichtlichen Verbrauchs und einer voraussichtlichen Abstellzeit, sodass nach Ablauf der Abstellzeit ein Druck im Kryo-Druckgasspeicher kleiner oder gleich eines vorgegebenen oder vorgebbaren Maximaldrucks ist. Dies ermöglicht den Verbrauch von Wasserstoff für eine Brennstoffzellenvorrichtung zu reduzieren und verhindert oder reduziert ein Ablassen von Wasserstoff aus dem Kryo-Druckgasspeicher.
  • Insbesondere ist eine mit der Überwachungseinheit verbundene und mit einer Wasserstofftankstelle verbindbare Kommunikationseinheit zur Datenübertragung zwischen der Überwachungseinheit und einer den Kryo-Druckgasspeicher zu betankende Wasserstofftankstelle vorgesehen. Dies ermöglicht einen Maximalfüllstand oder einen aktuellen Füllstand an die Wasserstofftankstelle zu übermitteln sowie die optimale zu betankende Menge an Wasserstoff an die Wasserstofftankstelle zu übermitteln.
  • Weiterhin ist es von Vorteil, wenn eine Anzeigevorrichtung vorhanden ist zur Anzeige einer möglichen Abstellzeit. Dies visualisiert dem Nutzer der Brennstoffzellenvorrichtung bzw. dem Fahrer eines Kraftfahrzeugs mit einer Brennstoffzellenvorrichtung, wie lange er die Brennstoffzellenvorrichtung abstellen kann, d.h. die Wasserstoff- und Kathodengaszufuhr unterbrechen kann, bevor der Druck im Kryo-Druckgasspeicher größer als ein Maximaldruck ist.
  • Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform sowie anhand der Zeichnung. Dabei zeigt:
    • 1 eine schematische Darstellung des Ablaufs des Verfahrens zur Befüllung eines Kryo-Druckgasspeichers.
  • Die nicht näher dargestellte Brennstoffzellenvorrichtung umfasst einen befüllbaren Kryo-Druckgasspeicher zur Speicherung von Wasserstoff, der eine Tanköffnung aufweist. Die Brennstoffzellenvorrichtung weist zudem eine Überwachungseinheit auf, mittels welcher ein Maximalfüllstand sowie ein aktueller Füllstand ermittelt werden können. Zudem kann die Überwachungseinheit anhand eines voraussichtlichen Verbrauchs und einer möglichen/vorraussichtlichen Abstellzeit die zu betankende Menge an Wasserstoff bestimmen. Die entsprechenden Informationen können dabei von der Überwachungseinheit abgefragt und/oder durch einen Nutzer der Brennstoffzellenvorrichtung zur Verfügung gestellt oder eingegeben werden. Weiterhin ist eine Kommunikationseinheit vorgesehen, wobei die Kommunikationseinheit mit der Überwachungseinheit verbindbar ist und eine Datenverbindung mit einer Wasserstofftankstelle bzw. mit einer Zapfsäule einer Wasserstofftankstelle aufbauen kann zur Übertragung der zu betankenden Menge an Wasserstoff und/oder des aktuellen Füllstands und/oder eines Maximalfüllstands. Schließlich weist die Brennstoffzellenvorrichtung noch eine Anzeigenvorrichtung auf, die die Länge einer möglichen Abstellzeit visualisiert.
  • 1 zeigt exemplarisch den Ablauf des Verfahrens zur Befüllung des Kryo-Druckgasspeichers. Zunächst wird in Schritt 101 der aktuelle Füllstand von Wasserstoff im Kryo-Druckgasspeicher mittels der Überwachungseinheit abgefragt bzw. bestimmt. Der Füllstand kann dabei entweder über einen im Kryo-Druckgasspeicher angeordneten Schwimmer oder mittels einer Druckmessung oder rechnerisch anhand des zuletzt bestimmten aktuellen Füllstand, der zuletzt hinzugefügten Menge an Wasserstoff und einer im Anschluss entnommenen Menge bestimmt werden.
  • Der aktuelle Füllstand wird nun mittels der Kommunikationseinheit in Schritt 102 an die Wasserstofftankstelle übermittelt. In Schritt 103 wird ein Maximalfüllstand des Kryo-Druckgasspeichers abgefragt. Dieser kann dann ebenfalls an die Wasserstofftankstelle bzw. deren Zapfstelle in Schritt 104 übermittelt werden, um sicher zu stellen, dass der Kryo-Druckgasspeicher beim Befüllen nicht überfüllt wird, da Kryo-Druckgasspeicher unterschiedliche Volumina aufweisen können.
  • Im Anschluss wird in Schritt 105 mittels der Überwachungseinheit die zu betankende Menge an Wasserstoff unter Berücksichtigung eines voraussichtlichen Verbrauchs und unter Berücksichtigung einer voraussichtlichen Abstellzeit derart bestimmt, dass nach Ablauf der Abstellzeit ein Druck im Kryo-Druckgasspeicher kleiner oder gleich eines vorgegebenen oder vorgebbaren Maximaldrucks ist. Der Verbrauch kann dabei bestimmt bzw. abgefragt werden, indem der Nutzer der Brennstoffzellenvorrichtung oder des Kraftfahrzeugs eine Länge der geplanten Strecke angibt, also beispielsweise eine Kurzstrecke oder eine Langstrecke und/oder Daten aus dem Navigationsgerät automatisch übernommen werden und/oder Wetterdaten berücksichtigt werden, die sich auf den Verbrauch auswirken, Staudaten und/oder die Außentemperatur und/oder eine Gesamtstrecke und/oder eine Anzahl an Teilstrecken.
  • Bei der Bestimmung der zu betankenden Menge kann zusätzlich der aktuelle Füllstand mitberücksichtigt werden. Die Überwachungseinheit berechnet anhand der oben genannten abgefragten Parameter die zu betankende Menge an Wasserstoff und übermittelt sie in Schritt 106 mittels der Kommunikationseinheit an die Wasserstofftankstelle. Die Wasserstofftankstelle bzw. deren Zapfsäule befüllt den Druckgasspeicher im Anschluss in Schritt 107 mit der so bestimmten Menge an Wasserstoff. Dies ermöglicht den Kryo-Druckgasspeicher so zu füllen, dass die Menge an Wasserstoff, welche unter Umständen beim Abstellen der Brennstoffzellenvorrichtung abgelassen werden müsste, reduziert wird und so der Verbrauch der Brennstoffzellenvorrichtung verringert wird.
  • Darüber hinaus kann anhand des aktuellen Füllstands ermittelt werden, wie lange die Brennstoffzellenvorrichtung abgestellt werden kann, ohne dass ein Ablassen von Wasserstoff notwendig ist. Dies kann dem Nutzer der Brennstoffzellenvorrichtung mittels der Anzeigevorrichtung visualisiert werden.
  • In einer alternativen Ausführungsform ist es auch möglich, das zunächst der Füllstand und der Maximalfüllstand abgefragt werden und dann im Anschluss an die Bestimmung der zu betankenden Menge gemeinsam mit der bestimmten Menge an zu betankenden Wasserstoff an die Wasserstofftankstelle übermittelt wird.
  • In einer weiteren alternativen Ausführungsform wird die zu betankende Menge an Wasserstoff nicht durch die Überwachungseinheit der Brennstoffzellenvorrichtung sondern mittels der Wasserstofftankstelle, insbesondere mittels deren der Zapfsäule bestimmt. Die dazu notwendigen oben genannten Informationen/Daten/Parameter können von der Überwachungseinheit der Brennstoffzellenvorrichtung mittels der Kommunikationseinheit an die Zapfsäule der Tankstelle übermittelt werden, oder aber direkt in einen Controller/Schaltfläche der Zapfsäule eingegeben werden.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 102015217085 A1 [0003]
    • DE 102012218857 A1 [0003]
    • DE 102014211503 A1 [0003]

Claims (10)

  1. Verfahren zur Befüllung eines Kryo-Druckgasspeichers für eine Brennstoffzellenvorrichtung, umfassend die Schritte: - Bestimmen der zu betankenden Menge an Wasserstoff unter Berücksichtigung eines voraussichtlichen Verbrauchs und einer voraussichtlichen Abstellzeit, so dass nach Ablauf der Abstellzeit ein Druck im Kryo-Druckgasspeicher kleiner oder gleich eines vorgegebenen oder vorgebbaren Maximaldrucks ist (105) und - Befüllen des Druckgasspeichers mit der bestimmten Menge an Wasserstoff (107).
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der voraussichtliche Verbrauch der Brennstoffzellenvorrichtung bestimmt wird anhand einer Länge der geplanten Strecke und/oder Daten aus einem Navigationsgerät und/oder Wetterdaten und/oder einer Außentemperatur und/oder einer Gesamtstrecke und/oder einer Anzahl an Teilstrecken.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine mögliche Abstellzeit der Brennstoffzellenvorrichtung anhand eines aktuellen Füllstands an Wasserstoff im Kryo-Druckspeicher ermittelt und/oder angezeigt wird.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass beim Bestimmen der zu betankenden Menge der aktuelle Füllstand abgefragt (101) und/oder berücksichtigt wird.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Abfrage des aktuellen Füllstands mittels eines im Kryo-Druckspeicher angeordneten Schwimmers oder mittels einer Druckmessung im Kryo-Druckgasspeicher erfolgt.
  6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass der aktuelle Füllstand an eine den Kryo-Druckgasspeicher zu betankende Wasserstofftankstelle übermittelt wird (102).
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein Maximalfüllstand des Kryo-Druckgasspeichers abfragt (103) und/oder an eine den Kryo-Druckgasspeicher zu betankende Wasserstofftankstelle übermittelt wird (104).
  8. Brennstoffzellenvorrichtung mit einem befüllbaren Kryo-Druckgasspeicher zur Speicherung von Wasserstoff, der eine Tanköffnung aufweist und mit einer Überwachungseinheit, die mit dem Kryo-Druckgasspeicher verbunden ist zur Bestimmung einer zu betankenden Menge unter Berücksichtigung eines voraussichtlichen Verbrauchs und einer voraussichtlichen Abstellzeit, so dass nach Ablauf der Abstellzeit ein Druck im Kryo-Druckgasspeicher kleiner oder gleich eines vorgegebenen oder vorgebbaren Maximaldrucks ist.
  9. Brennstoffzellenvorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine mit der Überwachungseinheit verbundene und mit einer Wasserstofftankstelle verbindbare Kommunikationseinheit zur Datenübertragung zwischen der Überwachungseinheit und einer den Kryo-Druckgasspeicher zu betankende Wasserstofftankstelle vorhanden ist.
  10. Brennstoffzellenvorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass eine Anzeigevorrichtung vorhanden ist zur Anzeige einer möglichen Abstellzeit.
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