EP4334591A1 - Vorrichtung zur kompression eines gases und verfahren zum füllen eines tanks mit einer derartigen vorrichtung - Google Patents

Vorrichtung zur kompression eines gases und verfahren zum füllen eines tanks mit einer derartigen vorrichtung

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Publication number
EP4334591A1
EP4334591A1 EP22728380.1A EP22728380A EP4334591A1 EP 4334591 A1 EP4334591 A1 EP 4334591A1 EP 22728380 A EP22728380 A EP 22728380A EP 4334591 A1 EP4334591 A1 EP 4334591A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
gas
pressure
tank
compression
compression stage
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP22728380.1A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Leo Caspers
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Van Halteren Technologies Boxtel BV
Original Assignee
Van Halteren Technologies Boxtel BV
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Van Halteren Technologies Boxtel BV filed Critical Van Halteren Technologies Boxtel BV
Publication of EP4334591A1 publication Critical patent/EP4334591A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

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    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04B—POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS
    • F04B39/00—Component parts, details, or accessories, of pumps or pumping systems specially adapted for elastic fluids, not otherwise provided for in, or of interest apart from, groups F04B25/00 - F04B37/00
    • F04B39/08—Actuation of distribution members
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04B—POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS
    • F04B25/00—Multi-stage pumps
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04B—POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS
    • F04B37/00—Pumps having pertinent characteristics not provided for in, or of interest apart from, groups F04B25/00 - F04B35/00
    • F04B37/10—Pumps having pertinent characteristics not provided for in, or of interest apart from, groups F04B25/00 - F04B35/00 for special use
    • F04B37/18—Pumps having pertinent characteristics not provided for in, or of interest apart from, groups F04B25/00 - F04B35/00 for special use for specific elastic fluids
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
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    • F04B49/00—Control, e.g. of pump delivery, or pump pressure of, or safety measures for, machines, pumps, or pumping installations, not otherwise provided for, or of interest apart from, groups F04B1/00 - F04B47/00
    • F04B49/22—Control, e.g. of pump delivery, or pump pressure of, or safety measures for, machines, pumps, or pumping installations, not otherwise provided for, or of interest apart from, groups F04B1/00 - F04B47/00 by means of valves
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04B—POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS
    • F04B9/00—Piston machines or pumps characterised by the driving or driven means to or from their working members
    • F04B9/08—Piston machines or pumps characterised by the driving or driven means to or from their working members the means being fluid
    • F04B9/10—Piston machines or pumps characterised by the driving or driven means to or from their working members the means being fluid the fluid being liquid
    • F04B9/103—Piston machines or pumps characterised by the driving or driven means to or from their working members the means being fluid the fluid being liquid having only one pumping chamber
    • F04B9/1035—Piston machines or pumps characterised by the driving or driven means to or from their working members the means being fluid the fluid being liquid having only one pumping chamber the movement of the pump piston in the two directions being obtained by two single-acting liquid motors each acting in one direction

Definitions

  • the invention relates to a device for compressing a gas that is preferably suitable for a drive, for example hydrogen, and a device for filling a tank, preferably a land vehicle, water vehicle or aircraft, with such a device.
  • hydrogen can be used as a fuel to power a hydrogen internal combustion engine (hydrogen engine) that operates in the manner of a conventional internal combustion engine.
  • hydrogen engine hydrogen internal combustion engine
  • a further disadvantage of such solutions is that the complex structure of the internal combustion engine is maintained and, moreover, increased expenditure is required for storing the fuel.
  • a problem with such concepts is that the fuel, referred to below as gas, is stored in a tank at a comparatively high pressure, so that the tank station for filling the tank must be designed accordingly.
  • 10,753,539 B2 describes a tank station in which the gas is also accommodated in a variable-volume accumulator, for example a bladder accumulator, with the pressurization also taking place hydraulically.
  • a variable-volume accumulator for example a bladder accumulator
  • the hydraulic pressure medium is sucked out of a tank and brought to the desired pressure by a pump, the outlet connection of the pump being connected to the space of the accumulator, which is filled with the hydraulic pressure medium.
  • US Pat. No. 10,753,539 B2 proposes connecting three such variable-volume stores in parallel.
  • the publication WO 2006/034748 A1 describes a device for compressing a gaseous medium, in which the compression of the gas also takes place in a compressor/accumulator, in which the gas to be compressed and an ionic liquid are accommodated, the latter via a hydraulic pump pressurized to compress the gas.
  • the ionic liquid is designed in such a way that it has a very low vapor pressure, so that the ionic liquid is not carried over into the medium to be compressed, in this case the fuel gas, only to a very small extent, so that the both components can be separated from each other with comparatively little effort.
  • the invention is based on the object of creating a device for compressing a gas, for example hydrogen, which also makes it possible to fill up tanks with a large capacity or several tanks in parallel.
  • a gas for example hydrogen
  • the invention is also based on the object of providing a corresponding method for filling a tank.
  • the device according to the invention is designed in particular for compressing a gas suitable for a drive, for example hydrogen, and has a supply pressure source or is connected to such a pressure source that provides the gas subjected to a supply pressure.
  • the device also has at least two compression stages, each having at least one (linear) compressor, in particular in the form of an accumulator and/or in the form of a booster, for the gas, with the term “accumulator” being understood to mean a compressor/storage device, which is designed to receive the gas and, for filling, for example a tank, to apply a pressure via a hydraulic drive that is above the supply pressure or outlet pressure. Accordingly, the gas within the compressors can be pressurized with the predetermined pressure via a hydraulic fluid.
  • valve logic (valve circuit) is provided on the gas side, which is designed in such a way that one or more gas connections of the compressors can be connected to a tank, for example a vehicle tank, and/or a gas connection of a compressor of a downstream stage.
  • valve logic is also designed in such a way that the pressure source can also be connected directly to the tank to be filled and/or the gas connection of a compressor.
  • valve logic is to be understood as meaning a suitable valve circuit, preferably with a pressure control valve assigned to a tank, with the assigned control/regulation by means of a control device.
  • Such a device makes it possible, according to the method according to the invention, to selectively apply the supply pressure to a compressor of a first compression stage on the gas side and to initially fill the tank with gas from the pressure source (at the supply pressure).
  • the gas received in the first compressor is then compressed via the hydraulic drive and the tank is subjected to a corresponding pressure from the first compressor.
  • a compressor of a following compression stage is prestressed/precharged, so that it is prestressed to the outlet pressure of the first compression stage.
  • the gas is then hydraulically compressed in the compressor of the second compression stage, so that the gas in the tank is compressed to the outlet pressure of the second compression stage.
  • compression is understood to mean compression/compression of the gas in the tank, with the tank also being refilled during this compression to compensate for the change in volume of the gas caused by the compression.
  • This procedure can be continued accordingly with further compression stages until the desired target pressure of, for example, about 1000 bar or 480 bar is reached in order to refuel systems with 700 bar or 350 bar tank pressure.
  • This procedure makes it possible to carry out refueling with minimal energy losses and also with minimal pressure loss via a pressure control valve connected upstream of the respective tank. Furthermore, even with comparatively small volumes of the compressors, the storage volumes and thus the dead volume can be kept to a minimum by mutual pre-filling during refueling. Due to the pressurization of the downstream compression stage during filling of the tank with the outlet pressure lower compression stage, the next refueling process can also be initiated without time-consuming loading/unloading of the compressors.
  • the compressor is a linear compressor in the form of an accumulator and/or in the form of a booster. Accordingly, embodiments are also conceivable where both accumulators and boosters are used as compressors. In this case, two boosters can be used for one accumulator, in particular, with the (total) compression volume of the compression stage being intended to be unchanged compared to the use of one accumulator.
  • the booster ratios may differ between compression stages.
  • all boosters can be operated with an identical hydraulic pressure/drive pressure (e.g. 350 bar) and the boosters can act as a kind of pressure reducer in lower compression stages, based on a pressure ratio between hydraulic pressure and pressure of the gas to be compressed, and in the upper compression stages as one Type of pressure booster, based on a pressure ratio between the hydraulic pressure and the pressure of the gas to be compressed.
  • a transmission ratio of the booster between the hydraulic pressure and the pressure of the gas to be compressed can be either greater than 1 or less than 1, depending on the location and/or purpose of use of the booster.
  • the booster can be either a two-chamber booster or a three-chamber booster.
  • a pressure increase in the pressure ratio between the hydraulic pressure and the pressure of the gas to be compressed can preferably be a two-chamber booster, and a pressure reduction in the pressure ratio between the hydraulic pressure and the pressure of the gas to be compressed can preferably be a three-chamber booster act.
  • An extension movement of the piston/stamp (compression of the gas) is caused by the hydraulic pressure or caused by an increase in hydraulic pressure.
  • a retracting movement of the piston is caused by the pressure of the gas to be compressed.
  • the retraction movement of the piston can be supported by hydraulic pressure, which is preferably applied to the circumference of the piston.
  • boosters By using boosters as compressors, it can be achieved that no or only small amounts of liquid occur in the vicinity of a dynamic rod sealing system (gas seal) or that another liquid can be used to lubricate the rod sealing system of the booster.
  • the properties of the first (driving) and second (lubricating) liquid can be chosen differently, which makes it possible to choose an inexpensive driving liquid while using a high-quality sealing liquid.
  • hydrogen escaping via the rod seal cannot get into a hydraulic main drive system, but can be drained off separately.
  • boosters as compressors
  • costs can be reduced for the hydraulic pumps and other hydraulic components for the compression stages that require gas pressures above 350 bar.
  • Hydraulic components rated under 350 bar are considered standard equipment that is widely available.
  • hydraulic pumps with a lower flow or lower flow capacity can be selected for these compression stages, which leads to a cost reduction in the hydraulic pumps that also work with a more efficient working pressure.
  • Replacing the rod seal system does not require the linear compressors (in this case the boosters) to be placed horizontally (as with the Replacing the piston seals of large accumulators), which reduces space requirements.
  • One design of the booster does not require a bolted or riveted removable cover on the high pressure side to access the sealing system, allowing for a more cost effective design.
  • valve logic is then designed to connect the gas connection of the compressor of a compression stage to the gas connection of a compressor of the following compression stage in order to carry out the pre-filling without loss of time.
  • a compressor of a first compression stage is preloaded/prefilled with the supply pressure and a compressor of a subsequent compression stage with a gas pressure corresponding to the outlet pressure of the preceding compression stage. During the subsequent operation, this pre-filling is then carried out by the preceding compression stage in parallel with the pressurization of the tank.
  • the compressor of the first compression stage is preloaded on the fluid side with low pressure, preferably ambient pressure
  • the compressor of the following compression stage is preloaded on the fluid side with a pressure corresponding to the outlet pressure of the preceding compression stage.
  • Such hydraulic logic contains all the necessary valves and units, such as pumps for pressurizing the hydraulic side of the respective compressor. This hydraulic logic is also controlled via the control unit or a separate hydraulic control unit, which of course has a data and signal connection with the gas-side control unit.
  • the invention is not limited to an embodiment with two compression stages, but almost any number of compression stages can be connected in series to bring the gas to the predetermined pressure, with these compression stages, as explained above, being in operative connection with the tank one after the other be brought, wherein the output pressure of a compression stage is in each case a pre-filling of the following compression stage.
  • all compressors of one or all sets are primed/pre-compressed to their maximum outlet pressure so that the total internal storage capacity of the system is maximized.
  • the filling of the tank can then be controlled via the valve logic, in particular via a pressure control valve, so that the pressure in the tank is controlled according to the control characteristics of this pressure control valve (or the like). It is particularly preferred if each compression stage is designed with at least two compressors, so that a corresponding number of compressor sets is provided to form the compression stages.
  • the compressors in particular in the form of accumulators, can be pressurized on the fluid side via the hydraulic logic and at least one pump and optionally via a booster in order to set the desired pressure on the gas side.
  • each compression stage of one or more sets is optionally assigned a hydraulic pump or motor-pump unit.
  • these pumps can also be connected in parallel in order to supply the respective compressors with pressure medium.
  • the motor-pump unit is designed in such a way that a large number of hydraulic pumps are driven by a common motor. The drive can take place directly via the motor shaft or an interposed gear or the like.
  • the gas-side valve logic is designed in such a way that the gas connections of the respective sets of compressors can be connected to a corresponding number of tanks or to a larger tank, so that simultaneous refueling of several vehicles/tanks or a large tank is possible in a short time is.
  • the compressors of each compression stage have approximately the same structure. It is particularly advantageous if the outlet pressure of each compression stage is approximately twice the respective inlet pressure.
  • the compressors can be in the form of piston accumulators, bladder accumulators, membrane accumulators or can be operated with an ionic fluid.
  • the device according to the invention is designed with two or four compression stages. Some or all of the compression stages can be biased/driven via a booster.
  • the gas flow can be cooled between the compressors or towards the tank.
  • the compressors per se can be designed with cooling.
  • a separator can also be provided downstream of the last compression stage, via which fluid components in the gas or—particularly in the case of a piston accumulator—parts introduced into the gas side by evaporated lubricants can be separated.
  • the pumps for driving the hydraulic side of the compressor can preferably be variable displacement pumps or constant pumps with a variable-speed drive or a motor-pump unit, so that different APRR characteristics (average pressure ramp rate profiles) can be set according to the control of the pump(s).
  • the pumps can be adjustable hydraulic pumps, which can be controlled in their flow rate and from a conventional one Electric motor can be driven. All pump shafts of the pumps can be driven by an electric motor.
  • the electric motors can be controlled by an engine controller, with energy recovery being enabled via the engine controller.
  • storage buffer capacities can also be assigned to the compressors, through which further APRR variants can be set.
  • the gas side of the compressors can be pre-compressed/pre-charged before connection to the tank, in which case the above-described APRR characteristic is then controlled via a suitable valve arrangement, for example a pressure directional valve, after connection to the tank.
  • a suitable valve arrangement for example a pressure directional valve
  • This compression of the gas within the compressor can continue if the pressure difference across the pressure control valve falls below a minimum.
  • This situation can be relevant, for example, when the refueling process is stopped or interrupted (e.g. by the user) before the gas is compressed within the compressor.
  • the compressors are controlled in such a way that their maximum capacity for filling the tank(s) can be utilized at any time.
  • each tank is preceded by a pressure control valve or another valve of a suitable type for pressure control, whereby the controller can be designed in such a way that if the pressure drop across this valve falls below a predetermined level, the compressor from which the tank is supplied is compressed .
  • FIG. 1 shows a hydraulic circuit of a device according to the invention for refueling/filling vehicle tanks
  • FIG. 2 shows a detailed illustration of a subsystem of the circuit according to FIG. 1;
  • FIG. 3 shows a diagram in which the pressure in compressors of the circuit according to FIGS. 1 and 2 is shown over time;
  • FIG. 4 shows a hydraulic circuit of a device according to the invention for refueling/filling vehicle tanks in an alternative embodiment.
  • Figure 5 shows a booster according to a first embodiment
  • FIG. 6 shows a booster according to a second embodiment.
  • Figure 1 shows an example of a circuit diagram of a tank station 1, which is designed for filling up tanks 2, 4 of two vehicles and which is designed with a device 6 according to the invention for compressing/compressing hydrogen or another gas.
  • the invention is in no way limited to an application for filling up vehicle tanks, but can also be used, for example, to fill up other tanks, for example tanks arranged on trailers or containers, for example with a capacity of 1200 kg.
  • the inventive system can also be used to smaller tanks, for example with a Capacity of 2 x 40 kg or 1 x 80 kg to be refueled simultaneously or across all sets.
  • the device 6 is connected to a supply network, referred to below as supply pressure source 8 , hydrogen being provided at a supply pressure pO of, for example, 60 bar via this pressure source 8 .
  • supply pressure source 8 hydrogen being provided at a supply pressure pO of, for example, 60 bar via this pressure source 8 .
  • This pressure is of course too low to fill tanks 2, 4 with the required tank pressure, for example 350 bar or 700 bar, so that a compressor/accumulator arrangement 10 is provided accordingly in order to build up the required tank pressure.
  • the accumulator arrangement has four compression stages 12, 14, 16, 18, each compression stage having a set (subsystem) with two identical accumulators 20a, 20b; 22a, 22b; 24a, 24b and 26a, 26b.
  • the gas is compressed from the supply pressure pO to an intermediate pressure p1, which is approximately 120 bar, for example.
  • this intermediate pressure p1 is compressed to a higher pressure p2, which is approximately 240 bar, for example.
  • the gas is then compressed from the further pressure p2 to a first tank pressure p3 of approximately 480 bar and via the set 18 from this first tank pressure p3 to a high tank pressure p4 of approximately 1000 bar.
  • vehicles that require a tank pressure of approximately 350 bar can then be refueled via the compression stage 16 with the first tank pressure p3, while the compression stage 18 is used to refuel vehicles that require a tank pressure of approximately 700 bar.
  • the accumulators are each designed as a piston accumulator, with the piston in each case separating a gas chamber that absorbs the hydrogen from a fluid chamber filled with hydraulic fluid, which is connected to the pressure connection of a hydraulic pump or to a Tank can be connected in order to apply pressure to the gas-side pressure chamber or to relieve pressure.
  • the sets each form compression stages 12, 14, 16, 18, so that in the exemplary embodiment shown, four compression stages are provided in order to compress the gas, starting from the supply pressure p0, to the high pressure p4.
  • the gas is compressed from the comparatively low pressure p2 to the comparatively high pressures p3 and p4 with the aid of a booster 48, 50, which is connected to the working lines 44, 46 and their outlet connection 52, 54 via a Booster logic 56 is connected to the compression stages 16, 18.
  • boosters 48, 50 can also be dispensed with, so that the compression/increase takes place essentially with the aid of the accumulators 20, 22, 24, 26 and the hydraulic pumps 28, 30, 32, 34.
  • boosters can also be used for support in the low-pressure range (compression stages 12, 14), so that the hydraulic pumps 28, 30,
  • 32, 34 can be designed with a lower maximum pressure.
  • hydraulic pumps 28, 30, 32, 34 can be designed, for example, as variable displacement pumps or as constant pumps with a variable-speed drive.
  • valves of the hydraulic logic 38 and the booster logic 56 are activated via one or more control units 58.
  • a special feature of the concept according to the invention is that in the individual compression stages 12, 14, 16, 18 the outlet pressure (p1, p2, p3) of an accumulator 20, 22, 24 is used to compress the hydrogen in the tank 2, 4 and on the other hand for prestressing/orfilling the accumulator of the following compression stage 14, 16, 18, so that no separate pressure accumulator or at most pressure accumulators with a minimum storage capacity are required for this prestressing.
  • valve logic 68 with the pressure control valves for the tanks 2, 4 is also controlled via the central control device 58 or via a further control device. According to the invention, this control is carried out in such a way that accumulators 20a, 22a, 24a, 26a are used to fill tank 2, depending on the desired tank pressure, and accumulators 20b, 22b, 24b, 26b are used to fill tank 4, so that the Accumulators marked "a" and "b" each form a subsystem / set.
  • the above-described pre-filling is controlled in such a way that the outlet/gas pressure of the first-mentioned subsystem (“a”) is used to preload/pre-fill the compression stages of the second sub-system (“b”). This means that both tanks 2, 4 can be filled in parallel, but slightly offset in time, with several compression stages being able to be implemented.
  • FIG. 2 shows in a detailed view that part of the circuit according to FIG. 1 with which the tanks 2, 4 can be filled with gas which has a maximum pressure p2, which is 240 bar, for example.
  • the accumulators 20a, 22a and 20b, 22b each have a subsystem ("a", "b"), the subsystem "a” being designed for filling the tank 2 and the subsystem "b” for filling the tank 4.
  • a large tank can also be filled via the two subsystems "a” and "b", in which case both subsystems are then alternately actively connected to the tank.
  • the accumulators 20, 22 are designed as piston accumulators, with the pistons each separating a gas space 70a, 70b, 72a, 72b of the accumulator sets from a fluid space 74a, 74b or 76a, 76b.
  • the fluid spaces 74, 76 are pressurized via the hydraulic logic 38, which is connected to the fluid spaces 74, 76 via the working lines 40a, 40b, 42a, 42b.
  • the gas connections 60a, 60b, 62a, 62b can be optionally connected to the tank 2 and/or 4 via the valve logic 68 indicated by dashed lines.
  • valve logic 68 is essentially formed by check valves (check valve), which allow a flow of pressure medium in one direction and block it in the other direction, and by pilot-controlled check valves, which allow a flow of pressure medium in one direction in the manner of a non-pilot-controlled check valve and which can be opened in the other direction via the pilot control.
  • check valves check valve
  • pilot-controlled check valves which allow a flow of pressure medium in one direction in the manner of a non-pilot-controlled check valve and which can be opened in the other direction via the pilot control.
  • the pressure source 8 which provides a supply pressure pO, is connected to two supply lines 78, 80, which lead to the tanks 2 and 4, respectively.
  • the supply line 78 is connected to the gas connection 60a via a gas line 82a and to the gas connection 62a of the accumulator 22a of the second compression stage 14 via a further gas line 84a.
  • the further supply line 80 is connected to the gas connection 60b of the accumulator 20b via a gas line 82b and to the gas connection 62b of the accumulator 22b of the second compression stage 14 via a further gas line 84b.
  • the two gas lines 82a and 84b are connected to one another via a prestressing line 86a and, correspondingly, the two gas lines 82b and 84a are connected to one another via a prestressing line 86b tied together.
  • Check valves 88a, 88b, 90a, 90b and 92a, 92b are provided before and after the branches of the gas lines 82, 84 from the supply lines 78, 80, which open in the direction of the tank 2, 4.
  • Pilot-controlled check valves 96a, 96b, 98a, 98b are arranged in the gas lines 82a, 82b, 84a, 84b branching off from the supply lines 78, 80, the pilot control not being shown for the sake of simplicity.
  • a check valve 100a, 100b is also provided in each of the two preload lines 86a, 86b, which opens in the direction of the compression stage with the higher pressure and closes in the opposite direction. In a corresponding manner, a return flow from the tank 2, 4 in the direction of the pressure source 8 is blocked via the check valves 88, 90, 92.
  • pressure control valves via which the APRR characteristic can be additionally influenced and which are arranged on the outlet side upstream of the tanks 2, 4.
  • subsystem “a” Before the start of the refueling process, subsystem “a” is pre-filled with hydrogen, with the supply pressure being present in gas space 70a and the mean pressure, i.e. pressure p1 (e.g. 120 bar), being present in gas space 72a.
  • the subsystem “b” is acted upon via the hydraulic side, the ambient pressure being present in the fluid chamber 74b and a fluid pressure corresponding to the pressure p1 being present in the fluid chamber 76b.
  • the tank 2 of the first vehicle is filled with hydrogen via the pressure control valve (not shown), this being supplied at the pressure p0 via the valves 88a, 90a and 92a.
  • the gas chamber 70b is acted upon by the supply pressure pO via the valves 88b and 96b, so that the hydraulic fluid is displaced from the fluid chamber 74b.
  • the hydraulic logic 38 and the associated hydraulic pump 28, 30, 32 or 34 pressurize the fluid chamber 74a with pressure medium, so that the hydrogen in the gas chamber 70a is compressed from the pressure p0 to the pressure p1 and via the valves 96a, 90a and 92a to the tank 2, so that the hydrogen in the tank 2 is compressed from the supply pressure pO to the pressure p1.
  • This gradual compression ensures that the pressure drop across the pressure control valve and the associated losses are minimal.
  • a partial flow of the hydrogen is conducted via the valve 100a to the gas space 72b of the accumulator 22b of the second compression stage 14, so that a pre-filling with the pressure p1 takes place.
  • the tank 2 is then completely filled, with the pressure p2 being present in it.
  • the tank 4 of the second vehicle is first filled in a corresponding manner in the first step with the supply pressure pO, this filling taking place via the valves 88b, 90b, 92b and possibly the pressure control valve (not shown).
  • the compression of the hydrogen in the tank 4 then takes place in accordance with the above statements in stages according to the above-described steps 2 and 3 (stage compression of the hydrogen in the tank, which is first pressurized with the pressure p1 and then with the pressure p2), with the The subsystems “a” and “b” are controlled in the opposite way to the filling of the tank 2 described above.
  • check valves described above can also be replaced by conventional direct or pilot-operated directional control valves or other valves.
  • accumulators can be preloaded with the aid of a pressure control valve, via which the filling process is controlled.
  • the hydraulic logic 38, the valve logic 68 and the booster logic 56 are activated via the control unit 58, for example as a function of a predetermined APRR characteristic that is stored in the control unit or is specified by the vehicle when it is connected.
  • the function of the pilot-controlled valves 96, 98 and the boosters 48, 50 or the flydraulic pumps 28, 30, 32, 34 is then controlled in a suitable manner via this control unit 58.
  • the pressure medium flowing back from the boosters 48, 50 can also be fed directly to a fluid tank or used in another area of the hydraulic system.
  • the same applies to the pressurized pressure medium during of the refueling process is displaced by the hydrogen during compression stages 2, 3 and the following from the respective accumulator.
  • the pressure curve in the above-described compressors here by way of example in the form of accumulators (see FIG. 1), is shown over time.
  • the two diagonals 104, 106 represent the APRR characteristics, which are generated in the manner described above by appropriate activation of the hydraulic logic 38, the booster logic 56 and the valve logic 68 as well as the flydro pumps 28, 30, 32, 34 and the pressure control valves (or the like) is adjustable.
  • the pressure curves are shown for clarification such that the pressure difference between the tank 2, 4 and the respectively connected accumulator is zero.
  • the accumulators 20a, 20b, 22a, 22b, 24a, 24b of the first three compression stages 12, 14, 16 each have a compression which is characterized by a pressure rise above the current level.
  • These three compression stages also have an active fill phase where the outlet pressure is constant to prime the accumulator of the next compression stage of the second subsystem.
  • each accumulator of the three compression stages 12, 14, 16 has a passive filling phase, which is carried out at a constant inlet pressure.
  • the accumulators of the last compression stage in the present case the fourth compression stage 18, have no active filling phase since no accumulator of a higher compression stage is connected downstream.
  • the compression ratios between the individual compression stages are selected in such a way that the compression ratio is 1:2, so that the pressure at the outlet of a compression stage is twice as high as the outlet pressure of the previous compression stage. This compression ratio enables efficient cooling of the hydrogen between the compression stages, since the heat of compression released within the individual compression stages is then approximately the same and also for the Compression in each compression stage approximately the same compression work and thus power is required.
  • the hydraulic logic 38, the booster logic 56 and the valve logic 68 as well as the control unit 58 are designed in such a way that the tanks 2, 4 of several vehicles are supplied via the supply system (pressure source 8) and via each accumulator of the compression stages 12, 14, 16, 18 can be charged.
  • the supply pressure i.e. the pressure of the pressure source 8
  • the pressure curves in FIG. 3 are shown in a greatly simplified manner. In reality, there may be a significant drop in pressure between the compressor and the tank during the refueling process.
  • the fourth compression stage 18 is not required, so that the tanks 2, 4 are filled via the compression stages 12, 14 and 16, the latter delivering the hydrogen or the gas at a pressure of over 480 applied bar, so that filling the tanks 2, 4 is made possible by 350-bar vehicles.
  • FIG. 4 shows the filling station 1 in an alternative embodiment.
  • the tank station 1 shown in FIG. 4 is designed with the compressor arrangement 10 .
  • the embodiment shown includes four compression stages 12, 14, 16, 18, each compression stage containing a set (subsystem) with two identical booster assemblies 108a, 108b, 110a, 110b, 112a, 112b, 114a, 114b.
  • a booster module contains at least one booster (see FIG. 5 or FIG. 6).
  • a booster module preferably contains two boosters of the same construction, which are connected in parallel.
  • the booster assemblies can be made up of several hydraulic pumps from a pump group 28, 30, 32, 34 are driven. Alternatively, each booster assembly can be driven by an individual hydraulic pump, or each booster can be driven by a hydraulic pump/pump group. Another alternative is to operate all booster assemblies with a hydraulic pump.
  • FIG. 5 shows the booster 116 in a first embodiment.
  • the booster 116 is a three-chamber booster 116 .
  • the booster 116 of the first embodiment is a three-chamber hydraulic cylinder.
  • the booster 116 contains a (hydraulic) fluid chamber 118, which is connected to the working line 40a, 40b, 42a, 42b, 44a, 44b, 46a, 46b and is provided and configured via the working line 40a, 40b, 42a, 42b, 44a , 44b, 46a, 46b to be fed with the hydraulic fluid and pressurized. As shown in FIG. 4, the application of pressure is controlled via the hydraulic logic 38 .
  • the fluid space 118 is delimited by a hollow shaft 120 and a hollow-cylindrical plunger 122 .
  • the plunger 122 is guided on a lateral surface of the shank 120 and can move linearly relative to the shank 120 .
  • Fluid space 118 is separated from a gas space 126 by a plunger base 124 .
  • the plunger 122 moves and compresses the gas contained in the gas space 126 .
  • the pressure of the gas in the gas chamber 126 is lower than the pressure in the fluid chamber 118.
  • a further chamber 128 is formed adjacent to a lateral surface of the plunger 122 and can be filled with cooling liquid for cooling the booster 116 or alternatively with the Hydraulic fluid can be filled to support retraction of the ram.
  • FIG. 6 shows the booster 130 in a second embodiment.
  • the booster 130 in FIG. 6 is a two-chamber booster.
  • the booster 130 includes a (hydraulic) fluid chamber 118, which is connected to the working line 40a, 40b, 42a, 42b, 44a, 44b, 46a, 46b and is provided and configured via the working line 40a, 40b, 42a, 42b, 44a , 44b, 46a, 46b to be fed with the hydraulic fluid and pressurized.
  • the application of pressure is controlled via the hydraulic logic 38 .
  • the plunger 132 moves and compresses the gas contained in the gas space 126 .
  • the pressure of the gas in the gas chamber 126 is higher than the pressure in the fluid chamber 118.
  • a further chamber 128 is formed adjacent to a lateral surface of the plunger 122 and can be filled with cooling liquid for cooling the booster 130 or alternatively with the Hydraulic fluid can be filled to support retraction of the ram.

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Abstract

Offenbart sind eine Vorrichtung zur Kompression eines für einen Antrieb geeigneten Gases und ein Verfahren zum Füllen eines Tanks mit einer derartigen Vorrichtung, wobei das Befüllen über mehrere Kompressionsstufen erfolgt, wobei beim Befüllen über eine Kompressionsstufe auch ein Vorfüllen eines Verdichters der folgenden Kompressionsstufe erfolgt.

Description

Vorrichtung zur Kompression eines Gases und Verfahren zum Füllen eines Tanks mit einer derartigen Vorrichtung
Beschreibung
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Kompression eines, vorzugsweise für einen Antrieb geeigneten Gases, beispielsweise Wasserstoff, und eine Vorrichtung zum Füllen eines Tanks, vorzugsweise eines Land-, Wasser- oder Luftfahrzeugs, mit einer derartigen Vorrichtung.
Im Zuge der zunehmenden Erhöhung der Abgasgrenzwerte besteht seit einigen Jahren ein Trend dazu, herkömmliche Verbrennungsmotoren, die mit Benzin- oder Dieselkraftstoffen betrieben werden, durch alternative Antriebe zu ersetzen. Nicht zuletzt aufgrund steuerlicher Anreize und der Subventionierung haben sich als Alternative weitgehend elektrische Antriebe durchgesetzt, die während der Nutzung nahezu emissionsfrei sind und somit die Umweltbelastung in stark besiedelten Gebieten verringern können. Problematisch bei diesen elektrischen Antrieben ist jedoch, dass bei Berücksichtigung der Aufwendungen und Emissionen, die mit der Herstellung der Batterien einhergehen, die gesamte Energie-/Schadstoffbilanz nicht wesentlich besser als bei herkömmlichen Dieselkonzepten ist. Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass bisher noch wenige tragfähige Lösungen vorhanden sind, die eine umweltverträgliche Entsorgung/Wiederaufbereitung der defekten Batterien ermöglichen.
Es besteht daher ein Bedarf an weiteren alternativen Antriebstechnologien, wobei die Verwendung von Wasserstoff als Energieträger eines der erfolgsversprechendsten Konzepte ist. Wasserstoff kann beispielsweise als Kraftstoff zum Betrieb eines Wasserstoffverbrennungsmotors (Wasserstoffmotors) verwendet werden, der nach Art eines herkömmlichen Verbrennungsmotors betrieben wird. Da bei dieser Verbrennung nur eine geringe Menge von beispielsweise durch Schmierstoffe eingetragenen Kohlenstoff anfällt, sind derartige Wasserstoffmotoren herkömmlichen Verbrennungsmotoren im Hinblick auf die Emissionen von kohlenstoffhaltigen Schadstoffen überlegen. Dennoch werden nicht unerhebliche Mengen an Stickoxiden ausgestoßen. Ein weiterer Nachteil derartiger Lösungen ist, dass der komplexe Aufbau der Verbrennungsmotoren aufrechterhalten wird und des Weiteren ein erhöhter Aufwand für die Speicherung des Brennstoffs erforderlich ist.
Vielversprechender sind daher Entwicklungen, die auf einem Antriebssystem mit einer Wasserstoff-Sauerstoff-Brennstoffzelle und einem Elektromotor beruhen, der von der Brennstoffzelle mit Energie versorgt wird. Selbstverständlich können außer Wasserstoff auch andere Brennstoffe, beispielsweise Methanol, Butan, Erdgas oder dergleichen verwendet werden.
Ein Problem bei derartigen Konzepten ist, dass der Brennstoff, im Folgenden Gas genannt, mit einem vergleichsweise hohen Druck in einem Tank gespeichert wird, so dass die Tankstation zum Füllen des Tanks entsprechend ausgelegt sein muss.
In der Druckschrift DE 298 16811 U1 ist ein System zur Kompression/Speicherung von derartigen Brennstoffen/Gasen beschrieben, bei dem das Gas in einem volumenveränderlichen Speicher aufgenommen ist, der beispielsweise durch einen als Verdichter wirkenden Kolben- oder Blasenspeicher ausgebildet ist, wobei über den Kolben bzw. die Blase das Gas von einem antreibenden Medium, beispielsweise Hydraulikfluid, getrennt ist. Zwischen dem Tank des Fahrzeugs und dem Verdichter (auch Akkumulator genannt) kann noch ein so genannter Booster zur weiteren Druckerhöhung des Gases vorgesehen werden. Beschrieben ist auch ein so genanntes 3-Bank-Verfahren, bei dem drei Speicher mit unterschiedlicher Druckstufe kaskadenweise während des Tankens zugeschaltet werden. Der Gasdruck im jeweiligen Speicher wird bei dieser bekannten Lösung jeweils hydraulisch konstant gehalten. In der US 10,753,539 B2 ist eine Tankstation beschrieben, bei der das Gas ebenfalls in einem volumenveränderlichen Speicher, beispielsweise einem Blasenspeicher, aufgenommen ist, wobei die Druckbeaufschlagung ebenfalls hydraulisch erfolgt. Bei dieser bekannten Lösung wird das hydraulische Druckmittel aus einem Tank angesaugt und über eine Pumpe auf den gewünschten Druck gebracht, wobei der Ausgangsanschluss der Pumpe mit dem Raum des Speichers verbunden ist, der mit dem hydraulischen Druckmittel gefüllt ist. Zur Erhöhung der Speicherkapazität des Speichers wird in der US 10,753,539 B2 vorgeschlagen, drei derartiger volumenveränderlicher Speicher parallel zu schalten.
In der Druckschrift WO 2006/034748 A1 ist eine Vorrichtung zur Kompression eines gasförmigen Mediums beschrieben, bei dem die Verdichtung des Gases ebenfalls in einem Verdichter/Akkumulator erfolgt, in dem das zu verdichtende Gas und eine ionische Flüssigkeit aufgenommen sind, wobei letztere über eine Hydraulikpumpe mit Druck beaufschlagt wird, um das Gas zu verdichten. Bei der bekannten Lösung ist die ionische Flüssigkeit so ausgelegt, dass sie einen sehr geringen Dampfdruck aufweist, so dass eine Verschleppung der ionischen Flüssigkeit in das zu verdichtende Medium, im vorliegenden Fall das Brenngas, nicht oder nur in sehr geringem Umfang erfolgt, so dass die beiden Komponenten mit vergleichsweise geringem Aufwand voneinander getrennt werden können.
Nachteilig bei diesen Lösungen ist, dass vor jedem Betanken der jeweilige Verdichter/Akkumulator aufgeladen werden muss, so dass je nach der Designkapazität des installierten Verdichters eine erhebliche Zeit vergehen kann, bis der nächste Tankvorgang begonnen werden kann. Dies ist insbesondere dann problematisch, wenn ein Fahrzeug mit einem vergleichsweise großen Tank betankt werden muss, dessen Kapazität größer ist als die Restkapazität des Verdichters/Akkumulators.
Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zum Verdichten eines Gases, beispielsweise Wasserstoff, zu schaffen, die es ermöglicht, auch Tanks mit großer Kapazität oder mehrere Tanks parallel zu betanken. Der Erfindung liegt des Weiteren die Aufgabe zugrunde, ein entsprechendes Verfahren zum Füllen eines Tanks bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird im Hinblick auf die Vorrichtung durch die Merkmalskombination des Patentanspruches 1 und im Hinblick auf das Verfahren durch die Merkmalskombination des nebengeordneten Patentanspruches 14 gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist insbesondere zum Verdichten eines für einen Antrieb geeigneten Gases, beispielsweise Wasserstoff, ausgelegt und hat eine Versorgungs-Druckquelle oder ist an eine derartige Druckquelle angeschlossen, die das mit einem Versorgungsdruck beaufschlagte Gas bereitstellt. Die Vorrichtung hat des Weiteren zumindest zwei, jeweils zumindest einen (linearen) Verdichter, insbesondere in Form eines Akkumulator und/oder in Form eines Boosters, für das Gas aufweisende Kompressionsstufen, wobei unter dem Begriff „Akkumulator“ ein Verdichter/Speicher verstanden werden soll, der dazu ausgelegt ist, das Gas aufzunehmen und zum Füllen, beispielsweise eines Tanks, über einen hydraulischen Antrieb mit einem Druck zu beaufschlagen, der oberhalb des Versorgungsdrucks oder Ausgangsdrucks liegt. Dementsprechend kann das Gas innerhalb der Verdichter über ein Hydraulikfluid mit dem vorbestimmten Druck beaufschlagt werden. Erfindungsgemäß ist gasseitig eine Ventillogik (Ventilschaltung) vorgesehen, die derart ausgelegt ist, dass wahlweise jeweils ein oder mehrere Gasanschlüsse der Verdichter mit einem Tank, beispielsweise einem Fahrzeugtank, und/oder einem Gasanschluss eines Verdichters einer nachgeordneten Stufe verbindbar ist / sind.
Die Ventillogik ist des Weiteren so ausgelegt, dass die Druckquelle auch direkt mit dem zu füllenden Tank und/oder dem Gasanschluss eines Verdichters verbunden werden kann. Unter dem Begriff „Ventillogik“ ist eine geeignete Ventilschaltung, vorzugsweise mit einem jeweils einem Tank zugeordneten Druckregelventil, mit der zugeordneten Steuerung/Regelung mittels eines Steuergerätes zu verstehen.
Eine derartige Vorrichtung ermöglicht es, gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren wahlweise einen Verdichter einer ersten Kompressionsstufe gasseitig mit dem Versorgungsdruck zu beaufschlagen und den Tank zunächst mit Gas aus der Druckquelle (mit dem Versorgungsdruck) zu füllen. In einem folgenden Schritt wird dann das im ersten Verdichter aufgenommene Gas über den hydraulischen Antrieb verdichtet und der Tank mit einem entsprechenden Druck aus dem ersten Verdichter beaufschlagt. Gleichzeitig erfolgt ein Vorspannen/Vorfüllen eines Verdichters einer folgenden Kompressionsstufe, so dass diese auf den Ausgangsdruck der ersten Kompressionsstufe vorgespannt ist. Anschließend wird das Gas im Verdichter der zweiten Kompressionsstufe hydraulisch verdichtet, so dass das Gas im Tank auf den Ausgangsdruck der zweiten Kompressionsstufe komprimiert wird. Unter dem Begriff „Komprimieren“ wird dabei eine Verdichtung/Kompression des Gases im Tank verstanden, wobei während dieser Kompression auch eine Nachfüllung des Tanks zum Ausgleich der durch die Kompression verursachten Volumenänderung des Gases erfolgt.
Diese Vorgehensweise kann entsprechend mit weiteren Kompressionsstufen weitergeführt werden, bis der gewünschte Solldruck von beispielsweise etwa 1000 bar oder 480 bar erreicht ist, um Systeme mit 700 bar bzw. 350 bar Tankdruck zu betanken.
Diese Vorgehensweise ermöglicht es, das Tanken mit minimalen Energieverlusten und auch mit einem minimalen Druckverlust über ein dem jeweiligen Tank vorgeschaltetes Druckregelventil durchzuführen. Des Weiteren können auch bei vergleichsweise geringen Volumina der Verdichter durch das wechselseitige Vorfüllen während des Betankens die Speichervolumina und somit das Totvolumen minimal gehalten werden. Aufgrund der Druckbeaufschlagung der nachgeordneten Kompressionsstufe während des Füllens des Tanks mit dem Ausgangsdruck der niedrigeren Kompressionsstufe kann der nächste Tankvorgang auch ohne zeitintensives LadenA/orspannen der Verdichter eingeleitet werden.
Bei dem Verdichter handelt es sich in der vorliegenden Erfindung um einen Linearverdichter in Form des Akkumulators und/oder in Form des Boosters. Es sind demnach auch Ausführungsformen vorstellbar, wo sowohl Akkumulatoren als auch Booster als Verdichter zum Einsatz kommen. Hierbei können insbesondere vorzugsweise zwei Booster für einen Akkumulator eingesetzt werden, wobei das (Gesamt-) Kompressionsvolumen der Kompressionsstufe im Vergleich zum Einsatz eines Akkumulators unverändert sein soll.
Für den Fall, dass es sich bei dem Verdichter um einen Booster/Druckverstärker handelt, können sich die Übersetzungsverhältnisse der Boosterzwischen den Kompressionsstufen unterscheiden. Vorzugsweise können alle Booster mit einem identischen Hydraulikdruck/Antriebsdruck (beispielsweise 350 bar) betrieben werden und die Booster können in unteren Kompressionsstufen als eine Art Druckminderer, bezogen auf ein Druckverhältnis zwischen Hydraulikdruck und Druck des zu komprimierenden Gases, fungieren und in den oberen Kompressionsstufen als eine Art Druckerhöher, bezogen auf ein Druckverhältnis zwischen Hydraulikdruck und Druck des zu komprimierenden Gases, fungieren. In anderen Worten kann ein Übersetzungsverhältnis des Boosters zwischen Hydraulikdruck und Druck des zu komprimierenden Gases, je nach Einsatzort und/oder Einsatzzweck des Boosters sowohl größer 1 als auch kleiner 1 sein.
Bei dem Booster kann es sich sowohl um einen zwei Kammer Booster als auch um einen drei Kammer Booster handeln. Bei einer Druckerhöhung des Druckverhältnisses zwischen dem Hydraulikdruck und dem Druck des zu komprimierenden Gases kann es sich bevorzugt um einen zwei Kammer Booster handeln und bei einer Druckverringerung des Druckverhältnisses zwischen dem Hydraulikdruck und dem Druck des zu komprimierenden Gases kann es sich bevorzugt um einen drei Kammer Booster handeln. Eine Ausfahrbewegung des Kolbens/Stempels (Komprimieren des Gases) wird dabei durch den Hydraulikdruck bzw. durch eine Erhöhung des Hydraulikdrucks verursacht. Eine Einfahrbewegung des Kolbens wird durch Druck des zu komprimierenden Gases verursacht. Optional kann die Einfahrbewegung des Kolbens durch einen Hydraulikdruck unterstützt werden, welcher vorzugsweise umfangsseitig auf den Kolben aufgebracht wird.
Durch eine Verwendung von Boostern als Verdichter kann erreicht werden, dass keine oder nur geringe Flüssigkeitsmengen in einer Nähe eines dynamischen Stangendichtungssystems (Gasdichtung) auftreten oder eine weitere Flüssigkeit zur Schmierung des Stangendichtsystems des Boosters verwendet werden kann. In diesem Fall können die Eigenschaften der ersten (Antriebs-) und der zweiten (Schmier-) Flüssigkeit unterschiedlich gewählt werden, was ermöglicht, eine kostengünstige Antriebsflüssigkeit bei gleichzeitiger Verwendung einer hochwertigen Dichtungsflüssigkeit zu wählen. Weiterhin kann, beispielsweise bei Verwendung eines kleinen hydraulischen Flilfsantriebssystems zur Schmierung der Stangendichtung, über die Stangendichtung austretender Wasserstoff nicht in ein hydraulisches Hauptantriebssystem gelangen, sondern separat abgeleitet werden.
Ein Weiterer Vorteil bei einer Verwendung von Boostern als Verdichter liegt darin, dass Kosten bei den Hydraulikpumpen und anderen Hydraulikkomponenten für die Kompressionsstufen reduziert werden können, die Gasdrücke über 350bar benötigen. Hydraulikkomponenten mit einem Nenndruck von unter 350 bar gelten als Standardausrüstung, die weithin verfügbar ist.
Wenn drei Kammer Booster für die Stufen mit niedrigerem Druck verwendet werden, können für diese Kompressionsstufen Hydraulikpumpen mit einem geringeren Durchfluss bzw. mit geringerer Durchflusskapazität gewählt werden, was zu einer Kostenreduzierung bei den Hydraulikpumpen führt, die zudem mit einem effizienteren Arbeitsdruck arbeiten.
Ein Austausch des Stangendichtungssystems erfordert nicht, dass die Linearverdichter (in diesem Fall die Booster) horizontal aufgestellt werden (wie beim Austausch der Kolbendichtungen großer Akkumulatoren), was den Platzbedarf reduziert.
Eine Überwachung des stationären Stangendichtungssystems ist durchführbar, während das bewegliche Dichtungssystem von Akkumulatoren nur sehr schwer oder gar nicht überwacht werden kann.
Eine Konstruktion des Boosters erfordert keinen geschraubten oder genieteten abnehmbaren Deckel auf der Hochdruckseite, um Zugang zum Dichtungssystem zu erhalten, was eine kostengünstigere Konstruktion ermöglicht.
Bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung wird es bevorzugt, zwei Sets von Verdichtern mit unterschiedliche Kompressionsstufen vorzusehen, wobei jede Kompressionsstufe zumindest zwei etwa baugleiche Verdichter aufweist. Die Ventillogik ist dann ausgelegt, den Gasanschluss des Verdichters einer Kompressionsstufe mit dem Gasanschluss eines Verdichters der folgenden Kompressionsstufe zu verbinden, um so die Vorfüllung ohne Zeitverlust durchzuführen.
Je nach Anzahl der Sets können dann mehrere Fahrzeuge im Wesentlichen gleichzeitig oder ein großer Tank betankt werden, wobei die Vorspannung von Verdichtern der höheren Kompressionsstufen über Verdichter der niedrigeren Kompressionsstufe erfolgt.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn in einer Ausgangsposition ein Verdichter einer ersten Kompressionsstufe mit dem Versorgungsdruck und ein Verdichter einer folgenden Kompressionsstufe mit einem dem Ausgangsdruck der vorhergehenden Kompressionsstufe entsprechenden Gasdruck vorgespannt/vorgefüllt ist. Während des anschließenden Betriebs wird diese Vorfüllung dann jeweils durch die vorhergehende Kompressionsstufe parallel zur Druckbeaufschlagung des Tanks durchgeführt.
Bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist es vorgesehen, bei einer vorbeschriebenen gasseitigen Vorspannung den Verdichter der ersten Kompressionsstufe über eine Hydrauliklogik fluidseitig mit Niederdruck, vorzugsweise Umgebungsdruck, und den Verdichter der folgenden Kompressionsstufe fluidseitig mit einem dem Ausgangsdruck der vorhergehenden Kompressionsstufe entsprechenden Druck vorzuspannen. Eine derartige Hydrauliklogik enthält alle erforderlichen Ventile und Aggregate, beispielsweise Pumpen zur Druckbeaufschlagung der Hydraulikseite der jeweiligen Verdichter. Die Ansteuerung dieser Hydrauliklogik erfolgt ebenfalls wieder über das Steuergerät oder ein eigenes Hydraulik-Steuergerät, das selbstverständlich mit dem gasseitigen Steuergerät in Daten- und Signalverbindung steht.
Die Erfindung ist dabei nicht auf eine Ausführung mit zwei Kompressionsstufen begrenzt, sondern es können nahezu beliebig viele Kompressionsstufen hintereinander geschaltet werden, um das Gas auf den vorbestimmten Druck zu bringen, wobei diese Kompressionsstufen, wie vorstehend erläutert, auf einander folgend in Wirkverbindung mit dem Tank gebracht werden, wobei über den Ausgangsdruck einer Kompressionsstufe jeweils eine Vorfüllung der folgenden Kompressionsstufe erfolgt.
Bei einer alternativen Lösung werden alle Verdichter eines oder aller Sets auf ihren maximalen Ausgangsdruck vorgefüllt/vorkomprimiert, so dass die gesamte interne Speicherkapazität des Systems maximiert ist. Das Füllen des Tanks kann dann über die Ventillogik, insbesondere über ein Druckregeventil geregelt werden, so dass der Druck im Tank entsprechend der Regelcharakteristik dieses Druckregelventils (oder dergleichen) geregelt ist. Dabei wird es besonders bevorzugt, wenn jede Kompressionsstufe mit zumindest zwei Verdichter ausgeführt ist, so dass eine entsprechende Anzahl von Verdichter- Sets zur Ausbildung der Kompressionsstufen vorgesehen ist.
Wie vorstehend erwähnt, können die Verdichter, insbesondere in Form von Akkumulatoren, fluidseitig über die Hydrauliklogik und zumindest eine Pumpe und optional über einen Booster mit Druck beaufschlagt werden, um den gasseitig gewünschten Druck einzustellen.
Dabei wird es besonders bevorzugt, wenn jeder Kompressionsstufe eines oder mehrerer Sets wahlweise eine Hydropumpe oder Motor-Pumpeinheit zugeordnet ist. Selbstverständlich können diese Pumpen auch parallel geschaltet werden, um die jeweiligen Verdichter mit Druckmittel zu versorgen. Bei einem Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, die Motor-Pumpeneinheit so auszulegen, dass eine Vielzahl von Hydropumpen über einen gemeinsamen Motor angetrieben wird. Dabei kann der Antrieb direkt über die Motorwelle oder ein zwischengeschaltetes Getriebe oder dergleichen erfolgen.
Die gasseitige Ventillogik ist bei einem Ausführungsbeispiel so ausgelegt, dass die Gasanschlüsse der jeweiligen Sets von Verdichtern mit einer entsprechenden Anzahl von Tanks oder mit einem größerem Tank verbunden werden können, so dass eine gleichzeitige Betankung mehrerer Fahrzeuge/Tanks oder eines großen Tanks in kurzer Zeit ermöglicht ist.
Dabei wird es besonders bevorzugt, wenn die Verdichter jeder Kompressionsstufe in etwa den gleichen Aufbau besitzen. Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Ausgangsdruck jeder Kompressionsstufe etwa das Doppelte des jeweiligen Eingangsdrucks beträgt. Die Verdichter können bei einer Ausbildung als Akkumulator als Kolbenspeicher, Blasenspeicher, Membranspeicher ausgebildet sein oder mit einem ionischen Fluid betrieben werden.
Bei einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die erfindungsgemäße Vorrichtung mit zwei oder vier Kompressionsstufen ausgeführt. Dabei können einige oder alle Kompressionsstufen über einen Booster vorgespannt/angetrieben sein.
Bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist es vorgesehen, die Abgabe des Gases an den Tank über ein Druckregelventil oder dergleichen zu steuern oder zu regeln.
Zur Verbesserung des thermodynamischen Wirkungsgrades kann die Gasströmung zwischen den Verdichtern oder zum Tank hin gekühlt werden. Alternativ können die Verdichter per se mit einer Kühlung ausgeführt sein.
Zur Vermeidung von Verunreinigungen kann des Weiteren stromabwärts der letzten Kompressionsstufe ein Abscheider vorgesehen sein, über den Fluidanteile im Gas oder - insbesondere bei einem Kolbenspeicher - durch verdampfte Schmierstoffe in die Gasseite eingetragene Anteile abgeschieden werden können.
Die Pumpen zum Antrieb der Hydraulikseite der Verdichter können vorzugsweise Verstellpumpen oder Konstantpumpen mit drehzahlvariablem Antrieb oder eine Motor-Pumpenheinheit sein, so dass entsprechend der Ansteuerung der Pumpe(n) unterschiedliche APRR-Charakteristika (Average Pressure Ramp Rate Profiles) einstellbar sind.
Bei den Pumpen kann es sich um einstellbare Hydraulikpumpen handeln, die in ihrer Durchflussmenge gesteuert werden können und von einem herkömmlichen Elektromotor angetrieben werden können. Alle Pumpenwellen der Pumpen können von einem Elektromotor angetrieben werden. Die Elektromotoren können von einer Motorsteuerung gesteuert werden, wobei eine Energierückgewinnung über die Motorsteuerung ermöglicht ist.
Zum Betanken von großen Tankvolumina können den Verdichtern auch Speicherpufferkapazitäten zugeordnet werden, durch die weitere APRR-Varianten einstellbar sind.
Bei einer alternativen Vorgehensweise kann die Gasseite der Verdichter vor der Verbindung mit dem Tank vorkomprimiert/vorgefüllt werden, wobei dann nach der Verbindung mit dem Tank die vorbeschriebene APRR-Charakteristik über eine geeignete Ventilanordnung, beispielsweise ein Druckwegeventil geregelt wird. Diese Kompression des Gases innerhalb des Verdichters kann weiter durchgeführt werden, wenn eine minimale Druckdifferenz über dem Druckregelventil unterschritten wird. Diese Situation kann beispielsweise dann relevant sein, wenn der Tankvorgang gestoppt oder unterbrochen wird (beispielsweise durch den Nutzer) bevor das Gas innerhalb des Verdichters komprimiert ist. Dementsprechend sind die Verdichter gemäß dieser Vorgehensweise derart angesteuert, dass deren maximale Kapazität für das Füllen des Tanks/der Tanks zu jeder Zeit ausgenutzt werden kann.
Zur Druckregelung ist bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung jedem Tank ein Druckregelventil oder ein sonstiges Ventil geeigneter Bauart vorgeschaltet, wobei die Steuerung so ausgelegt sein kann, dass bei Unterschreiten eines vorbestimmten Druckabfalls über diesem Ventil eine Kompression des Verdichters erfolgt, aus dem der Tank versorgt wird.
Die Anmelderin behält sich vor, auf diese Merkmale eigene Ansprüche zu richten. Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand schematischer Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Figur 1 eine Hydraulikschaltung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Betanken/Füllen von Fahrzeugtanks;
Figur 2 eine Detaildarstellung eines Teilsystems der Schaltung gemäß Figur 1 ;
Figur 3 ein Diagramm, in dem der Druck in Verdichtern der Schaltung gemäß den Figuren 1 und 2 über der Zeit dargestellt ist;
Figur 4 eine Hydraulikschaltung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Betanken/Füllen von Fahrzeugtanks in einer alternativen Ausführungsform.
Figur 5 einen Booster gemäß einer ersten Ausführungsform und
Figur 6 einen Booster gemäß einer zweiten Ausführungsform.
Figur 1 zeigt beispielhaft ein Schaltschema einer Tankstation 1, die zur Betankung von Tanks 2, 4 zweier Fahrzeuge ausgelegt ist und die mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 6 zur Kompression/Verdichtung von Wasserstoff oder eines anderen Gases ausgeführt ist.
Die Erfindung ist jedoch keinesfalls auf eine Anwendung zum Betanken von Fahrzeugtanks beschränkt, sondern kann beispielsweise auch verwendet werden, um andere Tanks, beispielsweise auf Trailern oder Containern angeordnete Tanks, beispielsweise mit einer Kapazität von 1200 kg zu betanken. Das erfindungsgemäße System kann auch verwendet werden, um kleinere Tanks, beispielsweise mit einer Kapazität von 2 x 40 kg oder 1 x 80 kg gleichzeitig beziehungsweise über alle Sets zu betanken.
Die Vorrichtung 6 ist an ein Versorgungsnetz, im Folgenden Versorgungs- Druckquelle 8 genannt, angeschlossen, wobei über diese Druckquelle 8 Wasserstoff mit einem Versorgungsdruck pO von beispielsweise 60 bar bereitgestellt wird. Dieser Druck ist selbstverständlich zu gering, um Tanks 2, 4 mit dem erforderlichen Tankdruck, beispielsweise 350 bar oder 700 bar, zu befüllen, so dass entsprechend eine Verdichter-/Akkumulatoranordnung 10 vorgesehen ist, um den erforderlichen Tankdruck aufzubauen. Beim dargestellten Ausführungsbeispiel hat die Akkumulatoranordnung vier Kompressionsstufen 12, 14, 16, 18, wobei jede Kompressionsstufe jeweils ein Set (Subsystem) mit zwei baugleichen Akkumulatoren 20a, 20b; 22a, 22b; 24a, 24b und 26a, 26b enthält.
Über das erste Akkumulatoren-Set (Kompressionsstufe 12) erfolgt eine Verdichtung des Gases vom Versorgungsdruck pO auf einen Zwischendruck p1 , der beispielsweise etwa 120 bar beträgt. In der zweiten Kompressionsstufe 14 erfolgt die Verdichtung dieses Zwischendrucks p1 auf einen höheren Druck p2, der beispielsweise etwa 240 bar beträgt. Über die beiden weiteren Kompressionsstufen 16, 18 wird das Gas dann von dem weiteren Druck p2 auf einen ersten Tankdruck p3 in Höhe von etwa 480 bar und über das Set 18 von diesem ersten Tankdruck p3 auf einen Tankhochdruck p4 von etwa 1000 bar verdichtet. Über die Kompressionsstufe 16 mit dem ersten Tankdruck p3 können dann beispielsweise Fahrzeuge betankt werden, die einen Tankdruck von etwa 350 bar voraussetzen, während die Kompressionsstufe 18 genutzt wird, um Fahrzeuge zu betanken, die einen Tankdruck von etwa 700 bar voraussetzen. Selbstverständlich sind durch entsprechende Ausgestaltung der Akkumulatoren auch andere Druckverhältnisse realisierbar. Wie im Folgenden noch näher beschrieben, sind die Akkumulatoren jeweils als Kolbenspeicher ausgeführt, wobei der Kolben jeweils einen den Wasserstoff aufnehmenden Gasraum von einem mit Hydraulikflüssigkeit befüllten Fluidraum trennt, der mit dem Druckanschluss einer Hydraulikpumpe oder mit einem Tank verbindbar ist, um den gasseitigen Druckraum mit Druck zu beaufschlagen oder zu entspannen.
Beim dargestellten Ausführungsbeispiel sind vier derartiger Hydropumpen 28, 30, 32, 34 vorgesehen, deren Druckanschluss 36 (lediglich ein Druckanschluss in Figur 1 mit einem Bezugszeichen versehen) über eine Hydrauliklogik 38 und über Arbeitsleitungen 40a, 40b, 42a, 42b, 44 bzw. 46 mit dem jeweiligen Set verbindbar ist. Dementsprechend bilden die Sets jeweils Kompressionsstufen 12, 14, 16, 18 aus, so dass beim dargestellten Ausführungsbeispiel vier Kompressionsstufen vorgesehen sind, um das Gas ausgehend vom Versorgungsdruck pO auf den Hochdruck p4 zu verdichten. Beim dargestellten Ausführungsbeispiel erfolgt die Verdichtung/Kompression des Gases von dem vergleichsweise geringen Druck p2 auf die vergleichsweise hohen Drücke p3 und p4 jeweils mit Hilfe eines Boosters 48, 50, der an die Arbeitsleitungen 44, 46 angeschlossen ist und deren Ausgangsanschluss 52, 54 über eine Boosterlogik 56 mit den Kompressionsstufen 16, 18 verbunden ist. Prinzipiell kann auf diese Booster 48, 50 auch verzichtet werden, so dass die KompressionA/erdichtung im Wesentlichen mit Hilfe der Akkumulatoren 20, 22, 24, 26 und der Hydropumpen 28, 30, 32, 34 erfolgt. Im Prinzip können auch im Niederdruckbereich (Kompressionsstufen 12, 14) Booster zur Unterstützung eingesetzt werden, so dass entsprechend die Hydropumpen 28, 30,
32, 34 mit einem geringeren Maximaldruck ausgelegt sein können.
Diese Hydropumpen 28, 30, 32, 34 können beispielsweise als Verstellpumpen oder als Konstantpumpe mit drehzahlvariablem Antrieb ausgeführt sein.
Die Ansteuerung der Ventile der Hydrauliklogik 38 und der Boosterlogik 56 erfolgt über ein oder mehrere Steuergeräte 58.
Eine Besonderheit des erfindungsgemäßen Konzeptes besteht darin, dass in den einzelnen Kompressionsstufen 12, 14, 16, 18 der Ausgangsdruck (p1, p2, p3) eines Akkumulators 20, 22, 24 zum einen zur Kompression des Wasserstoffs im Tank 2, 4 und zum anderen zum VorspannenA/orfüllen des Akkumulators der folgenden Kompressionsstufe 14, 16, 18 verwendet wird, so dass für diese Vorspannung keine eigenen Druckspeicher oder allenfalls Druckspeicher mit einer minimalen Speicherkapazität erforderlich sind.
Je nach Ansteuerung der Hydraulikseite werden dann die Druckquelle 8 und Gasanschlüsse 60a, 60b, 62a, 62b, 64a, 64b, 66a, 66b der Akkumulatoren 20, 22,
24, 26 kaskadierend über eine gasseitige Ventillogik 68 mit den Tanks 2, 4 verbunden, so dass diese mit Gas vorgefüllt und dieses sukzessive auf den erforderlichen Tankdruck komprimiert wird, wobei diese Kompression mit dem Ausgangsdruck (p1, p2, p3, p4) der jeweiligen Kompressionsstufen 12, 14, 16, 18 erfolgt. Wie vorstehend erläutert, erfolgt die Vorfüllung der folgenden Kompressionsstufen 14, 16, 18 jeweils über den Ausgangsdruck der vorhergehenden Kompressionsstufe. Die Druckregelung erfolgt dabei über ein dem Tank 2, 4 vorgeschaltetes, nicht dargestelltes Druckregelventil.
Auch die Ventillogik 68 mit den Druckregelventilen für den Tank 2, 4 wird, wie in Figur 1 angedeutet, über das zentrale Steuergerät 58 oder über ein weiteres Steuergerät angesteuert. Diese Ansteuerung erfolgt erfindungsgemäß derart, dass zur Befüllung des Tanks 2 je nach gewünschtem Tankdruck die Akkumulatoren 20a, 22a, 24a, 26a und für die Füllung des Tanks 4 die Akkumulatoren 20b, 22b, 24b, 26b verwendet werden, so dass die mit dem Bezugszeichen „a“ und „b“ gekennzeichneten Akkumulatoren jeweils ein Subsystem / Set ausbilden. Dabei wird die vorbeschriebene Vorfüllung derart gesteuert, dass Ausgangs-/Gasdruck des erst genannten Subsystems („a“) zur VorspannungA/orfüllung der Kompressionsstufen des zweiten Subsystems („b“) verwendet werden. Dies führt dazu, dass beide Tanks 2, 4 parallel, jedoch zeitlich leicht versetzt zu einander befüllt werden können, wobei auch mehrere Kompressionsstufen realisierbar sind.
Figur 2 zeigt in detaillierter Ansicht denjenigen Teil der Schaltung gemäß Figur 1 , mit dem die Tanks 2, 4 mit Gas gefüllt werden können, das einen maximalen Druck p2 aufweist, der beispielsweise 240 bar beträgt. Wie vorstehend erläutert, bilden dabei die Akkumulatoren 20a, 22a und 20b, 22b jeweils ein Subsystem („a“, „b“), wobei das Subsystem „a“ zum Füllen des Tanks 2 und das Subsystem „b“ zum Füllen des Tanks 4 ausgelegt ist. Selbstverständlich kann über die beiden Subsysteme „a“ und „b“ auch ein großer Tank gefüllt werden, wobei dann beide Subsysteme wechselweise in Wirkverbindung mit dem Tank sind.
Beim dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Akkumulatoren 20, 22 als Kolbenspeicher ausgeführt, wobei die Kolben jeweils einen Gasraum 70a, 70b, 72a, 72b der Akkumulator-Sets von einem Fluidraum 74a, 74b, bzw. 76a, 76b trennen. Die Druckbeaufschlagung der Fluidräume 74, 76 erfolgt gemäß der Darstellung in Figur 2 über die Hydrauliklogik 38, wobei diese über die Arbeitsleitungen 40a, 40b, 42a, 42b mit den Fluidräumen 74, 76 verbunden ist. Die Gasanschlüsse 60a, 60b, 62a, 62b können über die gestrichelt angedeutete Ventillogik 68 wahlweise mit dem Tank 2 und/oder 4 verbunden werden.
Beim dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Ventillogik 68 im Wesentlichen durch Rückschlagventile (check valve), die eine Druckmittelströmung in einer Richtung zulassen und in der anderen Richtung sperren und durch vorgesteuerte Rückschlagventile ausgebildet, die eine Druckmittelströmung in eine Richtung nach Art eines nicht vorgesteuerten Rückschlagventils zulassen und die in der anderen Richtung über die Vorsteuerung aufsteuerbar sind.
Demgemäß ist die Druckquelle 8, die einen Versorgungsdruck pO bereitstellt, an zwei Versorgungsleitungen 78, 80 angeschlossen, die zum Tank 2 bzw. 4 führen. Die Versorgungsleitung 78 ist über eine Gasleitung 82a mit dem Gasanschluss 60a und über eine weitere Gasleitung 84a mit dem Gasanschluss 62a des Akkumulators 22a der zweiten Kompressionsstufe 14 verbunden. In entsprechender weise ist die weitere Versorgungsleitung 80 über eine Gasleitung 82b mit dem Gasanschluss 60b des Akkumulators 20b und über eine weitere Gasleitung 84b mit dem Gasanschluss 62b des Akkumulators 22b der zweiten Kompressionsstufe 14 verbunden. Die beiden Gasleitungen 82a und 84b sind über eine Vorspannleitung 86a und entsprechend die beiden Gasleitungen 82b und 84a über eine Vorspannleitung 86b mit einander verbunden. Vor und nach den Abzweigungen der Gasleitungen 82, 84 von den Versorgungsleitungen 78, 80 sind jeweils Rückschlagventile 88a, 88b, 90a, 90b und 92a, 92b vorgesehen, die in Richtung zum Tank 2, 4 öffnen. In den von den Versorgungsleitungen 78, 80 abzweigenden Gasleitungen 82a, 82b, 84a, 84b sind jeweils vorgesteuerte Rückschlagventile 96a, 96b, 98a, 98b angeordnet, wobei die Vorsteuerung der Einfachheit halber nicht dargestellt ist.
In den beiden Vorspannleitungen 86a, 86b ist ebenfalls jeweils ein Rückschlagventil 100a, 100b vorgesehen, das in Richtung der Kompressionsstufe mit dem höheren Druck öffnet und in Gegenrichtung schließt. In entsprechender Weise wird über die Rückschlagventile 88, 90, 92 eine Rückströmung aus dem Tank 2, 4 in Richtung zur Druckquelle 8 gesperrt.
Nicht dargestellt in Figur 2 sind Druckregelventile, über die die APRR-Charakteristik zusätzlich beeinflussbar ist und die ausgangsseitig stromaufwärts der Tanks 2, 4 angeordnet sind.
Vor Beginn des Tankvorgangs wird das Subsystem „a“ mit Wasserstoff vorgefüllt, wobei im Gasraum 70a der Versorgungsdruck und im Gasraum 72a der mittlere Druck, d.h. der Druck p1 (beispielsweise 120 bar) anliegt. Das Subsystem „b“ wird über die Hydraulikseite beaufschlagt, wobei im Fluidraum 74b der Umgebungsdruck und im Fluidraum 76b ein dem Druck p1 entsprechender Fluiddruck anliegt.
In einer ersten Kompressionsstufe 12 wird der Tank 2 des ersten Fahrzeugs über das nicht dargestellte Druckregelventil mit Wasserstoff gefüllt, wobei dieser mit dem Druck pO über die Ventile 88a, 90a und 92a zugeführt wird. Im Subsystem „b“ wird dabei der Gasraum 70b über die Ventile 88b und 96b mit dem Versorgungsdruck pO beaufschlagt, so dass das Hydraulikfluid aus dem Fluidraum 74b verdrängt wird. In einem zweiten Schritt wird dann über die Hydrauliklogik 38 und die zugeordnete Hydropumpe 28, 30, 32 oder 34 der Fluidraum 74a mit Druckmittel beaufschlagt, so dass der Wasserstoff im Gasraum 70a vom Druck pO auf den Druck p1 komprimiert und über die Ventile 96a, 90a und 92a zum Tank 2 geleitet wird, so dass der Wasserstoff im Tank 2 vom Versorgungsdruck pO auf den Druck p1 verdichtet ist. Durch diese stufenweise Komprimierung ist gewährleistet, dass der Druckabfall über dem Druckregelventil und die damit einhergehenden Verluste minimal sind.
Ein Teilstrom des Wasserstoffs wird erfindungsgemäß über das Ventil 100a zum Gasraum 72b des Akkumulators 22b der zweiten Kompressionsstufe 14 geführt, so dass eine Vorfüllung mit dem Druck p1 erfolgt.
Zeitgleich wird Wasserstoff über den hydraulikseitigen Antrieb des Akkumulators 22a vom Druck p1 auf den Druck p2 komprimiert und über die Ventile 98a und 92a wird der Wasserstoff im Tank 2 in dem dritten Schritt auf den Druck p2 komprimiert.
Nach dem Tankvorgang ist dann der Tank 2 komplett gefüllt, wobei in diesem der Druck p2 anliegt.
Parallel zu dieser Betankung wird der Tank 4 des zweiten Fahrzeugs in entsprechender Weise zunächst in dem ersten Schritt mit dem Versorgungsdruck pO gefüllt, wobei diese Füllung über die Ventile 88b, 90b, 92b und ggf. das nicht dargestellte Druckregelventil erfolgt. In der Folge erfolgt die Kompression des Wasserstoffs im Tank 4 dann entsprechend den vorgehenden Ausführungen stufenweise nach dem vorbeschriebenen Schritten 2 und 3 (stufenweise Kompression des Wasserstoffs im Tank, der zunächst mit dem Druck p1 und dann mit dem Druck p2 beaufschlagt ist), wobei die Ansteuerung der Subsysteme „a“ und „b“ in umgekehrter Weise wie beim oben beschriebenen Befüllen des Tanks 2 erfolgt. D.h. über den hydraulischen Antrieb und die Hydrauliklogik 38 wird der Gasraum 70b des Akkumulators 20b mit dem Druck p1 beaufschlagt und der Wasserstoff im Tank 4 dann über die Ventile 96b, 90b und 92b komprimiert. Ein Teilstrom des Wasserstoffs wird über die Vorspannleitung 36b und das Rückschlagventil 100b abgezweigt, so dass entsprechend der Akkumulator 22a des Subsystems „a“ mit dem Druck p1 vorgefüllt wird. In dem dritten Schritt wird dann, wie vorstehend beschrieben, über den hydraulischen Antrieb der Wasserstoff im Gasraum 72b des Akkumulators 22b auf den Druck p2 verdichtet und über die Ventile 98b, 92b der Wasserstoff im Tank 4 auf den Druck p2 komprimiert.
In dem Fall, in dem mehr als zwei Stufen (siehe Figur 2) vorgesehen sind, erfolgt die stufenweise Kompression des Wasserstoffs in den Tanks 2 bzw. 4 in entsprechender Weise, wobei jeweils der Ausgangsdruck eines Akkumulators einer niedrigeren Kompressionsstufe eines Subsystems zum Vorfüllen eines Akkumulators einer höheren Kompressionsstufe des weiteren Subsystems verwendet wird.
Die vorbeschriebenen Rückschlagventile können auch durch herkömmliche direkt- oder vorgesteuerte Wegeventile oder sonstige Ventile ersetzt werden. Wie vorstehend erläutert, können vor der Herstellung der Druckmittelverbindung zum Tank 2, 4 der jeweiligen Fahrzeuge Akkumulatoren mit Hilfe eines Druckregelventils vorgespannt werden, über das der Füllvorgang geregelt wird.
Wie eingangs erwähnt, erfolgt die Ansteuerung der Hydrauliklogik 38, der Ventillogik 68 und der Boosterlogik 56 über das Steuergerät 58, beispielsweise in Abhängigkeit von einer vorbestimmten APRR-Charakteristik, die im Steuergerät abgelegt ist oder aber fahrzeugseitig beim Anschließen vorgegeben ist. Über dieses Steuergerät 58 wird dann entsprechend die Funktion der vorgesteuerten Ventile 96, 98 und der Booster 48, 50 bzw. der Flydraulikpumpen 28, 30, 32, 34 in geeigneter Weise gesteuert.
In dem Fall, in dem die Akkumulatoren über die Booster 48, 50 angetrieben sind, kann das von den Boostern 48, 50 zurückströmende Druckmittel auch direkt einem Fluidtank zugeführt oder in einem anderen Bereich des Hydrauliksystems genutzt werden. Das gleiche gilt auch für das druckbeaufschlagte Druckmittel, das während des Tankvorgangs durch den Wasserstoff während der Verdichtungsstufen 2, 3 und folgende aus dem jeweiligen Akkumulator verdrängt wird.
In dem Diagramm gemäß Figur 3 ist der Druckverlauf in den vorbeschriebenen Verdichtern, hier beispielhaft in Form von Akkumulatoren (siehe Figur 1), über der Zeit dargestellt. Dabei repräsentieren die beiden Diagonalen 104, 106 die APRR- Charakteristik, die in der vorbeschriebenen Weise durch eine entsprechende Ansteuerung der Hydrauliklogik 38, der Boosterlogik 56 und der Ventillogik 68 sowie der Flydropumpen 28, 30, 32, 34 und der nicht dargestellten Druckregelventile (oder dergleichen) einstellbar ist.
In Figur 3 sind die Druckverläufe zur Klarstellung so dargestellt, dass die Druckdifferenz zwischen dem Tank 2, 4 und dem jeweils angeschlossenen Akkumulator Null ist. Wie den einzelnen Druckverläufen entnehmbar ist, haben die Akkumulatoren 20a, 20b, 22a, 22b, 24a, 24b der ersten drei Kompressionsstufen 12, 14, 16 jeweils eine Kompressions, die durch einen Druckanstieg über derzeit gekennzeichnet ist. Diese drei Kompressionsstufen haben des Weiteren eine aktive Füllphase, bei der der Ausgangsdruck konstant ist, um den Akkumulator der nächsten Kompressionsstufe des zweiten Subsystems vorzufüllen. Jeder Akkumulator der drei Kompressionsstufen 12, 14, 16 hat des Weiteren eine passive Füllphase, die bei einem konstanten Eingangsdruck durchgeführt wird. Die Akkumulatoren der letzten Kompressionsstufe, im vorliegenden Fall der vierten Kompressionsstufe 18, haben keine aktive Füllphase, da kein Akkumulator einer höheren Kompressionsstufe nachgeschaltet ist. Wie eingangs erwähnt, sind die Kompressionsverhältnisse zwischen den einzelnen Kompressionsstufen jeweils so gewählt, dass das Kompressionsverhältnis 1:2 beträgt, so dass entsprechend der Druck im Ausgang einer Kompressionsstufe doppelt so hoch ist wie der Ausgangsdruck der vorhergehenden Kompressionsstufe. Dieses Kompressionsverhältnis ermöglicht eine effiziente Kühlung des Wasserstoffs zwischen den Kompressionsstufen, da die frei werdende Kompressionswärme innerhalb der einzelnen Verdichtungsstufen dann in etwa gleich ist und auch zur Verdichtung in jeder Kompressionsstufe in etwa die gleiche Kompressionsarbeit und somit Leistung erforderlich ist.
Wie vorstehend erwähnt, sind die Hydrauliklogik 38, die Boosterlogik 56 und die Ventillogik 68 sowie das Steuergerät 58 so ausgelegt, dass die Tanks 2, 4 mehrerer Fahrzeuge über das Versorgungssystem (Druckquelle 8) und über jeden Akkumulator der Kompressionsstufen 12, 14, 16, 18 aufgeladen werden können. Gemäß den Druckverläufen in Figur 3 beträgt der Versorgungsdruck, d.h. der Druck der Druckquelle 8 etwa 60 bar, wobei ein Maximaldruck von ca. 1000 bar erreicht wird, um Fahrzeuge mit einem 700-bar-System zu füllen. Zur Klarstellung sei darauf hingewiesen, dass die Druckverläufe in Figur 3 stark vereinfacht dargestellt sind. In der Realität kann es Vorkommen, dass während des Tankvorgangs ein erheblicher Druckabfall zwischen dem Kompressor und dem Tank vorliegt. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn der Tank nicht vollständig entleert ist oder mit einem relativ hohen internen Druck beaufschlagt ist, so dass der Druck der Druckquelle 8 nicht ausreichend ist, den Tank 2, 4 zu füllen. Bei Fahrzeugen mit einem 350-bar-System wird die vierte Kompressionsstufe 18 nicht benötigt, so dass das Füllen der Tanks 2, 4 über die Kompressionsstufen 12, 14 und 16 erfolgt, wobei letztere den Wasserstoff bzw. das Gas mit einem Druck von über 480 bar beaufschlagt, so dass ein Füllen der Tanks 2, 4 von 350-bar-Fahrzeugen ermöglicht ist.
Figur 4 zeigt die Tankstation 1 in einer alternativen Ausführungsform. Auf eine erneute Beschreibung von bereits in Figur 1 beschriebenen Baugruppen und Elementen wird an dieser Stelle verzichtet und explizit auf Unterschiede zu der Tankstation 1 der Figur 1 eingegangen. Die in Figur 4 dargestellte Tankstation 1 ist mit der Verdichteranordnung 10 ausgebildet. Die dargestellte Ausführungsform beinhaltet vier Kompressionsstufen 12, 14, 16, 18, wobei jede Kompressionsstufe jeweils ein Set (Subsystem) mit zwei baugleichen Boosterbaugruppen 108a, 108b, 110a, 110b, 112a, 112b, 114a, 114b beinhaltet. Eine Boosterbaugruppe beinhaltet dabei zumindest einen Booster (siehe Figur 5 bzw. Figur 6). Vorzugsweise beinhaltet eine Boosterbaugruppe zwei baugleiche Booster, welche parallelgeschaltet sind. Die Boosterbaugruppen können von einer Pumpengruppe aus mehreren Hydropumpen 28, 30, 32, 34 angetrieben werden. Alternativ kann jede Boosterbaugruppe von einer einzelnen Hydropumpe angetrieben werden oder jeder Booster von einer Hydropumpe/Pumpengruppe angetrieben werden. Weiter alternativ ist vorstellbar, alle Boosterbaugruppen mit einer Hydropumpe zu betreiben.
Figur 5 zeigt den Booster 116 in einer ersten Ausführungsform. Bei dem Booster 116 handelt es sich um einen Booster 116 mit drei Kammern. Anders ausgedrückt ist der Booster 116 der ersten Ausführungsform ein hydraulischer Zylinder mit drei Kammern. Der Booster 116 beinhaltet einen (Hydraulik-) Fluidraum 118, welche mit der Arbeitsleitung 40a, 40b, 42a, 42b, 44a, 44b, 46a, 46b verbunden und vorgesehen und ausgebildet ist, über die Arbeitsleitung 40a, 40b, 42a, 42b, 44a, 44b, 46a, 46b mit dem Hydraulikfluid gespeist und mit Druck beaufschlagt zu werden. Die Druckbeaufschlagung wird, wie in Figur 4 dargestellt, über die Hydrauliklogik 38 gesteuert. Der Fluidraum 118 ist von einem hohlen Schaft 120 und einem hohlzylindrischen Stempel 122 begrenzt. Der Stempel 122 ist auf einer Mantelfläche des Schafts 120 geführt und kann sich relativ zu dem Schaft 120 linear bewegen. Fluidraum 118 ist durch einen Stempelboden 124 von einem Gasraum 126 getrennt. Durch die Druckbeaufschlagung des Fluidraums 118 verfährt der der Stempel 122 und komprimiert das in dem Gasraum 126 beinhaltete Gas. Der Druck des Gases im Gasraum 126 ist in der hier gezeigten Ausführungsform geringer als der Druck im Fluidraum 118. Anliegend an eine Mantelfläche des Stempels 122 ist eine weitere Kammer 128 ausgebildet, welche mit Kühlflüssigkeit zur Kühlung des Boosters 116 gefüllt sein kann oder alternativ mit dem Hydraulikfluid gefüllt sein kann, um ein Einfahren des Stempels zu unterstützen.
Figur 6 zeigt den Booster 130 in einer zweiten Ausführungsform. Bei dem Booster 130 in Figur 6 handelt es sich um einen Booster mit zwei Kammern. Der Booster 130 beinhaltet einen (Hydraulik-) Fluidraum 118, welche mit der Arbeitsleitung 40a, 40b, 42a, 42b, 44a, 44b, 46a, 46b verbunden und vorgesehen und ausgebildet ist, über die Arbeitsleitung 40a, 40b, 42a, 42b, 44a, 44b, 46a, 46b mit dem Hydraulikfluid gespeist und mit Druck beaufschlagt zu werden. Die Druckbeaufschlagung wird, wie in Figur 4 dargestellt, über die Hydrauliklogik 38 gesteuert. Im Unterschied zu dem drei Kammer Booster 116 in Figur 5 weist der zwei Kammer Booster 130 einen massiven Stempel 132 auf, der den Fluidraum 118 von dem Gasraum 126 trennt. Durch die Druckbeaufschlagung des Fluidraums 118 verfährt der der Stempel 132 und komprimiert das in dem Gasraum 126 beinhaltete Gas. Der Druck des Gases im Gasraum 126 ist in der hier gezeigten Ausführungsform höher als der Druck im Fluidraum 118. Anliegend an eine Mantelfläche des Stempels 122 ist eine weitere Kammer 128 ausgebildet, welche mit Kühlflüssigkeit zur Kühlung des Boosters 130 gefüllt sein kann oder alternativ mit dem Hydraulikfluid gefüllt sein kann, um ein Einfahren des Stempels zu unterstützen.
Offenbart sind eine Vorrichtung zur Kompression eines insbesondere für einen Antrieb geeigneten Gases und ein Verfahren zum Füllen eines Tanks mit einer derartigen Vorrichtung, wobei das Befüllen über mehrere Kompressionsstufen erfolgt, wobei beim Befüllen über eine Kompressionsstufe auch ein Vorfüllen eines Akkumulators der folgenden Kompressionsstufe erfolgt.
Bezugszeichenliste:
1 Tankstation
2 Tank
4 Tank
6 Vorrichtung
9 Druckquelle
10 Verdichteranordnung
12 Kompressionsstufe 14 Kompressionsstufe 16 Kompressionsstufe 18 Kompressionsstufe 20 Akkumulator
22 Akkumulator
24 Akkumulator
26 Akkumulator
28 Hydropumpe
30 Hydropumpe
32 Hydropumpe
34 Hydropumpe
36 Druckanschluss 38 Hydrauliklogik 40 Arbeitsleitung 42 Arbeitsleitung 44 Arbeitsleitung 46 Arbeitsleitung 48 Booster
50 Booster
52 Ausgangsanschluss 54 Ausgangsanschluss 56 Boosterlogik
58 Steuergerät
60 Gasanschluss 62 Gasanschluss Gasanschluss
Gasanschluss
Ventillogik
Gasraum
Gasraum
Fluidraum
Fluidraum
Versorgungsleitung
Versorgungsleitung
Gasleitung weitere Gasleitung
Vorfüllleitung
Rückschlagventil
Rückschlagventil
Rückschlagventil
Rückschlagventil vorgesteuertes Rückschlagventil vorgesteuertes Rückschlagventil
Rückschlagventil
Rückschlagventil
Diagonale
Diagonale
Boosterbaugruppe
Boosterbaugruppe
Boosterbaugruppe
Boosterbaugruppe
Booster
Fluidraum
Schaft
Stempel
Stempelboden
Gasraum
Kammer 130 Booster 132 Stempel

Claims

Patentansprüche
1 . Vorrichtung zur Kompression eines vorzugsweise für einen Antrieb geeigneten Gases, beispielsweise Wasserstoff, mit einer Versorgungs-Druckquelle (8), die das mit einem Versorgungsdruck beaufschlagte Gas bereitstellt und mit zumindest zwei, jeweils zumindest einen Verdichter (20, 22, 24, 26) für das Gas aufweisenden Kompressionsstufen (12, 14, 16, 18), wobei das Gas zum Füllen eines Tanks (2,4) über ein Hydraulikfluid innerhalb jedes Verdichters (20, 22, 24, 26) hydraulisch mit Druck beaufschlagbar ist, gekennzeichnet durch eine gasseitige Ventillogik (68), die ausgelegt ist, wahlweise jeweils einen oder mehrere Gasanschlüsse (60, 62) der Verdichter (20, 22, 24, 26) mit dem Tank (2, 4) und/oder mit dem Verdichter (20, 22, 24, 26) einer nachgeordneten Kompressionsstufe (12, 14, 16, 18) oder die Druckquelle (8) mit dem Tank (2, 4) und/oder dem Gasanschluss (60, 62) zu verbinden.
2. Vorrichtung nach Patentanspruch 1 , wobei zumindest zwei Sets von Verdichtern (20a, 20b; 22a, 22b; 24a, 24b; 26a, 26b) zur Ausbildung von Kompressionsstufen (12, 14, 16, 18) vorgesehen sind, wobei die Ventillogik (68) ausgelegt ist, den Gasanschluss (60a, 60b, 62a, 62b, 64a, 64b) der Verdichter (20, 22, 24, 26) eines ersten Sets mit dem Gasanschluss (62a, 62b, 64a, 64b, 66a, 66b) der folgenden Kompressionsstufe (12, 14, 16, 18) des ersten oder weiteren Sets zu verbinden.
3. Vorrichtung nach Patentanspruch 1 oder 2, wobei in einem Ausgangszustand ein Verdichter (20) einer Kompressionsstufe (12) mit dem Versorgungsdruck (pO) und ein Verdichter (20, 22, 24, 26) folgender Kompressionsstufen (12, 14, 16, 18) mit einem dem Ausgangsdruck der vorhergehenden Kompressionsstufe (12, 14, 16, 18) entsprechenden Gasdruck vorgespannt ist.
4. Vorrichtung nach Patentanspruch 2, wobei ein oder beide Sets nach Patentanspruch 3 vorgefüllt sind und der Verdichter (20b) der ersten Kompressionsstufe des zweiten Sets über eine Hydrauliklogik (38) fluidseitig mit Niederdruck (pO), vorzugsweise Umgebungsdruck einem Ausgangsdruck und der Verdichter (22a, 24a, 26a) der folgenden Kompressionsstufe (12, 14, 16, 18) mit einem dem Ausgangsdruck (p1, p2, p3) der vorhergehenden Kompressionsstufe (12, 14, 16, 18) entsprechenden Druck vorgespannt ist.
5. Vorrichtung nach Patentanspruch 1 oder 2, wobei die Verdichter (20, 22, 24, 26) jedes Sets auf ihren vorbestimmten Ausgangsdruck vorgespannt/vorgefüllt sind.
6. Vorrichtung nach einem der Patentansprüche 2 bis 5, mit weiteren Kompressionsstufen (12, 14, 16, 18), in denen jeweils zwei oder mehr Verdichter (20a, 20b, 22a, 22b, 24a, 24b, 26a, 26b) angeordnet sind.
7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, wobei die Verdichter (20, 22, 24, 26) fluidseitig über eine Hydrauliklogik (38) und zumindest eine Hydropumpe (28, 30, 32, 34) oder eine Motor-Pumpeinheit und optional über einen Booster (48, 50) mit Druck beaufschlagt sind.
8. Vorrichtung nach einem der Patentansprüche 2 bis 7, wobei jeder Kompressionsstufe eines oder mehrerer Sets eine Hydropumpe oder Motor- Pumpeinheit (28, 30, 32, 34) zugeordnet ist.
9. Vorrichtung nach einem der Patentansprüche 2 bis 8, wobei die gasseitige Ventillogik (68) ausgelegt ist, Gasanschlüsse (62, 64, 66) der Sets, insbesondere Gasanschlüsse der letzten Kompressionsstufe (14, 16, 18) mit einer entsprechenden Anzahl von Tanks (2, 4) oder mit einem Tank zu verbinden.
10. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, wobei der Ausgangsdruck jeder Kompressionsstufe (12, 14, 16, 18) etwa das Doppelte des jeweiligen Eingangsdrucks beträgt.
11. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, wobei die Verdichter (20, 22, 24, 26) als Kolbenspeicher, Blasenspeicher, Membranspeicher ausgebildet oder mit einem ionischen Fluid betrieben sind.
12. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, wobei zwei oder vier Kompressionsstufen (12, 14, 16, 18) vorgesehen sind.
13. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, wobei die Ventillogik (68) ein dem Tank (2, 4) vorgeschaltetes Druckregelventil oder dergleichen hat.
14. Verfahren zum Füllen eines Tanks (2, 4) mit einer Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, mit den Schritten: a) gasseitiges Vorfüllen eines Verdichters (20) einer ersten Kompressionsstufe (12) oder aller Verdichter (20, 22, 24, 26) mit einem Versorgungsdruck; b) Füllen des Tanks (2, 4) mit dem mit dem Versorgungsdruck (pO) beaufschlagten Gas; c) Kompression des Gases in einer Kompressionsstufe (12, 14, 16, 18) und vorzugsweise gleichzeitige Kompression des Gases im Tank (2, 4) mit dem Gas aus der Kompressionsstufe (12, 14, 16, 18) und Vorspannen/Vorfüllen eines Verdichters (20, 22, 24, 26) einer folgenden Kompressionsstufe (12, 14, 16, 18) auf den Ausgangsdruck der vorhergehenden Kompressionsstufe (12, 14, 16, 18) und d) Kompression des Gases mittels der folgenden Kompressionsstufe (12, 14, 16, 18) und Kompression des Gases im Tank (2, 4) mit dem auf den Ausgangsdruck dieser Kompressionsstufe (12, 14, 16, 18) verdichteten Gas.
Wiederholen der Schritte c), d) bis ein vorbestimmter Tankdruck erreicht ist.
15. Verfahren nach Patentanspruch 13, wobei zumindest zwei Sets von Verdichtern (20a, 20b, 22a, 22b, 24a, 24b, 26a, 26b) zur Ausbildung von Kompressionsstufen (12, 14, 16, 18) vorgesehen sind, wobei bei der Kompression des Gases im Tank (2, 4) mit dem Gas aus der ersten Kompressionsstufe (12, 14, 16) eines Sets auch eine Vorfüllung des Verdichters (20, 22, 24, 26) einer folgenden Kompressionsstufe (14, 16, 18) des gleichen oder zweiten Sets erfolgt.
16. Verfahren nach Patentanspruch 15, wobei über die Sets ein oder zumindest zwei Tanks (2, 4) während zeitlich überlappenden Zeiträumen mit Gas versorgt werden.
17. Verfahren nach einem der Patentansprüche 14 bis 16, wobei die Kompression des Gases über weitere Kompressionsstufen (12, 14, 16, 18) mit jeweils zumindest einem Verdichter (22a, 22b, 24a, 24b, 26a, 26b) erfolgt, wobei die Kompressionsstufen (12, 14, 16, 18) auf einanderfolgend mit dem zu füllenden Tank (2, 4) in Wirkverbindung gebracht werden.
18. Verfahren nach einem der Patentansprüche 13 bis 17, wobei die gasseitige Kompression der Verdichter (20, 22, 24, 26) auch ohne Verbindung zum Tank (2, 4) erfolgen kann.
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