EP4619678A1 - Verfahren zum betreiben eines brenngastanksystems, steuergerät - Google Patents

Verfahren zum betreiben eines brenngastanksystems, steuergerät

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EP4619678A1
EP4619678A1 EP23792923.7A EP23792923A EP4619678A1 EP 4619678 A1 EP4619678 A1 EP 4619678A1 EP 23792923 A EP23792923 A EP 23792923A EP 4619678 A1 EP4619678 A1 EP 4619678A1
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EP
European Patent Office
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valve
fuel gas
shut
gas tank
pressure
Prior art date
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Pending
Application number
EP23792923.7A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Christian Kuhnert
Stefan Kieferle
Markus Strasser
Christian Seibel
Sonny Tran
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Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
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Filing date
Publication date
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Pending legal-status Critical Current

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    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
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    • Y02T90/40—Application of hydrogen technology to transportation, e.g. using fuel cells

Definitions

  • the invention relates to a method for operating a fuel gas tank system, comprising at least one fuel gas tank for storing fuel gas under high pressure and a valve assembly inserted into the fuel gas tank for removing fuel gas from the fuel gas tank.
  • the invention also relates to a control device for a fuel gas tank system.
  • the preferred area of application is mobile fuel gas tank systems, in particular fuel cell and/or gas vehicles that are powered by a fuel gas.
  • the fuel gas can in particular be hydrogen or natural gas, which is stored in a fuel gas tank under high pressure.
  • Mobile fuel gas tank systems with at least one fuel gas tank for storing fuel gas, such as hydrogen or natural gas, are known.
  • the fuel gas tank is usually designed as a high-pressure tank.
  • a high-pressure tank always requires a shut-off valve to seal the tank tightly when the vehicle is not in use.
  • the shut-off valve is always designed as a valve that is closed when the power is off.
  • a flow limiting valve can be installed upstream of the shut-off valve, which severely restricts the flow in the event of damage and thus enables controlled blow-off of fuel gas from the fuel gas tank.
  • the shut-off valve and the flow limiting valve are usually integrated into a valve assembly that can be inserted as a compact unit into the fuel gas tank, particularly in the area of a bottle neck of the fuel gas tank.
  • the integration occurs in a sampling path of the valve assembly, which flows into a gas line.
  • other components in particular other valves, are usually integrated into the sampling path.
  • the pressure loss when removing fuel gas from the fuel gas tank increases with the number of components in the extraction path.
  • the pressure threshold for activating the flow limiting valve hereinafter referred to as the activation threshold, must therefore be selected to be lower than the differential pressure across the entire valve assembly. This increases the risk that the flow limiting valve will be activated inadvertently and the flow will be limited by the open shut-off valve when the shut-off valve is activated. This risk is particularly present when there is an increase in pressure in the fuel gas tank and/or a drop in pressure in the gas line, so that the difference between the pressure in the fuel gas tank and the pressure in the gas line is particularly high.
  • the flow limiting valve is activated, the flow is limited, so that the requested amount of fuel gas cannot be removed from the fuel gas tank. In a fuel gas tank system with several fuel gas tanks, this means that the missing amount is taken from a fuel gas tank where activation of the flow limiting valve is least likely. This can result in uneven emptying of the several fuel gas tanks.
  • the present invention is concerned with the task of preventing a flow limitation due to an activated flow limiting valve when removing fuel gas from a fuel gas tank, or at least of reducing the negative consequences of such a flow limitation.
  • the method with the features of claim 1 is proposed.
  • Advantageous further developments of the invention can be found in the subclaims.
  • a control device for carrying out steps of the method according to the invention is specified.
  • a method for operating a fuel gas tank system comprising at least one fuel gas tank for storing fuel gas under high pressure and a valve assembly inserted into the fuel gas tank for removing fuel gas from the fuel gas tank.
  • a shut-off valve is activated and opened to remove fuel gas, which is integrated in the removal direction downstream of a flow limiting valve in a removal path of the valve assembly that opens into a gas line.
  • a check is carried out in a step (a) to determine whether activation of the flow limiting valve is to be expected. If activation of the flow limiting valve is to be expected, the shut-off valve is activated several times in succession in a step (b) at certain time intervals.
  • the shut-off valve By activating the shut-off valve several times, the shut-off valve is opened several times in succession. Between two opening phases, the shut-off valve is closed so that no fuel gas is taken from the fuel gas tank. This means that between two opening phases, the high flow through the flow limiting valve and thus its activation are stopped. The flow limiting valve then opens again so that the shut-off valve can be activated or opened again to remove fuel gas. If the flow limiting valve is activated again, the control of the shut-off valve is interrupted again until the activation of the flow limiting valve has ended and the removal of fuel gas from the fuel gas tank can continue.
  • the proposed control strategy prevents flow limitation due to unintentional activation of the flow limiting valve. If the flow limiting valve is already activated, the flow limitation can be quickly removed again using the proposed control strategy, so that fuel gas can be removed from the fuel gas tank even under unfavorable pressure conditions. In mobile fuel gas tank systems, system availability and thus the full range of the vehicle are thus restored. In fuel gas tank systems with several fuel gas tanks, uneven emptying of the fuel gas tanks can be prevented using the proposed control strategy.
  • the proposed control strategy results in reduced requirements for the valve assembly installed in the fuel gas tank. The design of the valve assembly is simplified accordingly.
  • the current pressure in the fuel gas tank and/or the current pressure in the gas line is/are recorded by sensors for the test in step (a). Based on the current pressure in the fuel gas tank or the current pressure in the gas line, it can be estimated in certain cases whether activation of the flow limiting valve is to be expected.
  • Such a case can arise, for example, if the fuel gas tank was exposed to sunlight for a long time while the vehicle was parked, so that the heating leads to a noticeably high increase in pressure in the fuel gas tank. This can be detected by sensors and, if necessary, compared with a maximum pressure value that is normally reached. A significantly higher value then indicates that the flow limiting valve is expected to be activated when the shut-off valve is activated, even without knowing the current pressure in the gas line.
  • the sensory detection of the pressure in the fuel gas tank and in the gas line requires appropriate sensors.
  • a fuel gas tank is not always equipped with appropriate sensors, in particular a tank pressure sensor.
  • the pressure in the fuel gas tank be determined using another parameter, in particular the temperature.
  • the pressure in the fuel gas tank can then be estimated based on the temperature curve.
  • the temperature in the fuel gas tank and the pressure in the gas line can be recorded and stored by sensors before the vehicle is switched off and before the shut-off valve is closed.
  • T1 the temperature in the fuel gas tank before switching off
  • T2 the current temperature in the fuel gas tank
  • the differential pressure across the valve assembly i.e. the difference between the pressure in the fuel gas tank and the pressure in the gas line.
  • step (b) Based on the differential pressure determined before the shut-off valve is activated, it can be checked very precisely whether activation of the flow limiting valve is to be expected when the shut-off valve is activated and opened. The higher the differential pressure, the greater the flow through the flow limiting valve and thus the risk of unintentional activation of the flow limiting valve or flow limitation. It is further proposed that after the shut-off valve has been activated in step (b), the control of the shut-off valve is interrupted until the flow limiting valve has finished being activated. This means that the shut-off valve is only opened again when there is no longer any flow limitation. This ensures that fuel gas can be taken from the fuel gas tank again, at least until the flow limiting valve is activated again.
  • the time interval between two control phases for opening the shut-off valve is therefore selected depending on the reaction time of the flow limiting valve.
  • the pressure difference across the valve assembly is preferably determined before each activation of the shut-off valve in step (b).
  • This procedure has the advantage that the control strategy can be adapted to the pressure difference currently determined ("dynamic control strategy"), in particular with regard to the control duration and/or the duration of the interruption of the control.
  • the pressure equalization between the pressure in the fuel gas tank and the pressure in the gas line can be accelerated in this way.
  • the frequency of actuation of the shut-off valve and/or interruptions is determined depending on the pressure difference across the valve assembly before the first actuation.
  • an activation threshold of the flow limiting valve is determined and the shut-off valve for removing fuel gas is only activated when the activation threshold is undershot, preferably taking a safety margin into account.
  • the activation threshold of the flow limiting valve should be taken into account in particular in fuel gas tank systems with several fuel gas tanks.
  • the requested amount of fuel gas can be taken from another fuel gas tank, provided that it is ensured that the flow limiting valve is not expected to be activated when the shut-off valve is activated.
  • the fuel gas is therefore preferably taken from the fuel gas tank in which the pressure is lowest. The removal of fuel gas leads to an increase in pressure in the gas line, so that a certain pressure equalization is achieved between the pressure in the gas line and the tank pressure of the other fuel gas tanks.
  • shut-off valves of the other fuel gas tanks can then also be controlled and opened so that they are emptied evenly.
  • a deactivation threshold of the flow limiting valve is determined and that the shut-off valve is only activated again after an interruption of the control when the value falls below the deactivation threshold. This measure ensures that the flow limitation is removed before the shut-off valve is activated or opened again.
  • a control device for a fuel gas tank system is also proposed, which is set up to carry out steps of a method according to the invention.
  • the control device can be used to determine the time and frequency of the activation of a shut-off valve.
  • an activation threshold and/or a deactivation threshold of a flow limiting valve can be stored in the control device.
  • the order in which the shut-off valves are activated can be determined depending on the differential pressures determined for each tank.
  • Fig. 1 is a schematic representation of a fuel gas tank system which can be operated according to the method according to the invention
  • Fig. 2 is a schematic longitudinal section through a valve assembly of a fuel gas tank of the fuel gas tank system of Figure 1 and
  • Fig. 3 is a diagram showing the control of the shut-off valve integrated in the valve assembly of Figure 2 as a function of the differential pressure (dp) between the fuel gas tank and the gas line.
  • Figure 1 shows a simplified representation of a fuel gas tank system 1 with several fuel gas tanks 2.
  • the fuel gas tank system 1 shown serves to supply a fuel cell stack 8 with fuel gas, preferably hydrogen.
  • a valve assembly 3 is inserted into each fuel gas tank 2, via which the respective fuel gas tank 2 is connected to a gas line 7.
  • the gas lines 7 are brought together so that essentially the same pressure prevails in the gas lines 7. This is measured using a pressure sensor 9.
  • a further pressure sensor 9 is integrated into each fuel gas tank 2. Instead of a pressure sensor 9, only one temperature sensor 10 can be provided in each fuel gas tank 2.
  • Figure 2 shows an enlarged view of a valve assembly 3 of a fuel gas tank 2.
  • a removal path 6 leads through the valve assembly 3 and opens into the gas line 7.
  • a shut-off valve 4 and - upstream of the shut-off valve 4 in the removal direction - a flow limiting valve 5 are integrated into the removal path 6.
  • a further flow limiting valve 11 for limiting the flow in the opposite flow direction and a filter 12 are arranged.
  • Downstream of the shut-off valve 4 a manually operated valve 13 and a further filter 14 are also integrated.
  • a refueling path 15 branches off from the withdrawal path 6.
  • the flow direction in the refueling path 15 is determined by an integrated check valve 16.
  • the check valve 16 prevents This prevents fuel gas from flowing out of the fuel gas tank 2 via the refueling path 15.
  • the valve assembly 3 shown in Figure 2 also has a relief path 17 in which further valves 18, 19 are arranged.
  • another manually operated valve 18 is provided, which leads past all valves and is also referred to as a "bleed valve".
  • the valve 19 is a safety valve for reducing any excess pressure.
  • shut-off valve 4 If the shut-off valve 4 is initially still closed (see curve A), there is a pressure pTank in the fuel gas tank 2 and a pressure pi_eitun g in the gas line 7 that is significantly below the pressure pTank, resulting in a differential pressure dp. If the shut-off valve 4 is now activated to open it (see curve A), fuel gas flows from the fuel gas tank 2 into the gas line 7, causing the pressure pi_eitun g to rise steeply. This means that the flow through the shut-off valve 4 and the flow limiting valve 5 is very high. After a slight delay (see arrow 20), this leads to the activation of the flow limiting valve 5 (see curve B), limiting the flow.
  • the pressure pi_eitun g in the gas line 7 therefore only rises slightly.
  • the control of the shut-off valve 4 is interrupted (see curve A) so that the flow is completely blocked and the pressure PLeitun g in the gas line 7 does not increase any further. This ultimately leads to the activation of the flow limiting valve 5 being canceled, so that the shut-off valve 4 can be controlled and opened again until a pressure equalization between the pressure pTank and the pressure pi_eitun g is achieved.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Filling Or Discharging Of Gas Storage Vessels (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Brenngastanksystems (1), umfassend mindestens einen Brenngastank (2) zur Speicherung von Brenngas unter Hochdruck und eine in den Brenngastank (2) eingesetzte Ventilbaugruppe (3) zur Entnahme von Brenngas aus dem Brenngastank (2), wobei zur Entnahme von Brenngas ein Absperrventil (4) angesteuert und geöffnet wird, das in Entnahmerichtung stromabwärts eines Durchflussbegrenzungsventils (5) in einen Entnahmepfad (6) der Ventilbaugruppe (3) integriert ist, der in eine Gasleitung (7) mündet. Erfindungsgemäß wird vor dem Ansteuern des Absperrventils (4) in einem Schritt (a) geprüft, ob eine Aktivierung des Durchflussbegrenzungsventils (5) zu erwarten ist und bei einer zu erwartenden Aktivierung des Durchflussbegrenzungsventils (5) wird in einem Schritt (b) das Absperrventil (4) in bestimmten zeitlichen Abständen mehrfach hintereinander angesteuert. Die Erfindung betrifft ferner ein Steuergerät zur Ausführung von Schritten des Verfahrens.

Description

Beschreibung
Verfahren zum Betreiben eines Brenngastanksystems, Steuergerät
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Brenngastanksystems, umfassend mindestens einen Brenngastank zur Speicherung von Brenngas unter Hochdruck und eine in den Brenngastank eingesetzte Ventilbaugruppe zur Entnahme von Brenngas aus dem Brenngastank. Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Steuergerät für ein Brenngastanksystem.
Bevorzugter Anwendungsbereich sind mobile Brenngastanksysteme, insbesondere Brennstoffzellen- und/oder Gasfahrzeuge, die mit Hilfe eines Brenngases angetrieben werden. Bei dem Brenngas kann es sich insbesondere um Wasserstoff oder Erdgas handeln, das in einem Brenngastank unter Hochdruck gespeichert wird.
Stand der Technik
Bekannt sind mobile Brenngastanksysteme mit mindestens einem Brenngastank zur Speicherung von Brenngas, beispielsweise Wasserstoff oder Erdgas. Der Brenngastank ist dabei in der Regel als Hochdrucktank ausgelegt. Ein Hochdrucktank benötigt immer ein Absperrventil, um den Tank dicht abzusperren, wenn das Fahrzeug nicht in Betrieb ist. Aus Gründen der Sicherheit ist das Absperrventil grundsätzlich als stromlos geschlossenes Ventil ausgeführt. Zur weiteren Absicherung kann dem Absperrventil ein Durchflussbegrenzungsventil vorgeschaltet sein, das im Schadensfall den Durchfluss stark drosselt und somit ein kontrolliertes Abblasen von Brenngas aus dem Brenngastank ermöglicht.
Das Absperrventil und das Durchflussbegrenzungsventil sind üblicherweise in eine Ventilbaugruppe integriert, die als kompakte Einheit in den Brenngastank, insbesondere im Bereich eines Flaschenhalses des Brenngastanks, einsetzbar ist. Die Integration erfolgt in einen Entnahmepfad der Ventilbaugruppe, der in eine Gasleitung mündet. Neben dem Absperrventil und dem Durchflussbegrenzungsventil sind in der Regel weitere Komponenten, insbesondere weitere Ventile, in den Entnahmepfad integriert.
Mit der Anzahl der Komponenten im Entnahmepfad steigt der Druckverlust bei der Entnahme von Brenngas aus dem Brenngastank. Die Druckschwelle zur Aktivierung des Durchflussbegrenzungsventils, nachfolgend als Aktivierungsschwelle bezeichnet, muss demnach niedriger als der Differenzdruck über die gesamte Ventilbaugruppe gewählt werden. Damit steigt bei einer Ansteuerung des Absperrventils die Gefahr, dass das Durchflussbegrenzungsventil unbeabsichtigt aktiviert und der Durchfluss durch das geöffnete Absperrventil limitiert wird. Die Gefahr besteht insbesondere bei einem Druckanstieg im Brenngastank und/oder einem Druckabfall in der Gasleitung, so dass die Differenz zwischen dem Druck im Brenngastank und dem Druck in der Gasleitung besonders hoch ist. Ist das Durchflussbegrenzungsventil aktiviert, ist der Durchfluss limitiert, so dass dem Brenngastank nicht die angeforderte Menge Brenngas entnommen werden kann. In einem Brenngastanksystem mit mehreren Brenngastanks führt dies dazu, dass die fehlende Menge einem Brenngastank entnommen wird, bei dem eine Aktivierung des Durchflussbegrenzungsventils am wenigsten zu erwarten ist. In der Folge kann es daher zu einer ungleichmäßigen Entleerung der mehreren Brenngastanks kommen.
Die vorliegende Erfindung ist mit der Aufgabe befasst, bei der Entnahme von Brenngas aus einem Brenngastank eine Durchflusslimitierung aufgrund eines aktivierten Durchflussbegrenzungsventils zu verhindern oder zumindest die negativen Folgen einer solchen Durchflusslimitierung zu mindern. Zur Lösung der Aufgabe wird das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vorgeschlagen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen. Des Weiteren wird ein Steuergerät zur Ausführung von Schritten des erfindungsgemäßen Verfahrens angegeben.
Offenbarung der Erfindung
Vorgeschlagen wird ein Verfahren zum Betreiben eines Brenngastanksystems, das mindestens einen Brenngastank zur Speicherung von Brenngas unter Hochdruck und eine in den Brenngastank eingesetzte Ventilbaugruppe zur Entnahme von Brenngas aus dem Brenngastank umfasst. Bei dem Verfahren wird zur Entnahme von Brenngas ein Absperrventil angesteuert und geöffnet, das in Entnahmerichtung stromabwärts eines Durchflussbegrenzungsventils in einen Entnahmepfad der Ventilbaugruppe integriert ist, der in eine Gasleitung mündet. Erfindungsgemäß wird vor dem Ansteuern des Absperrventils in einem Schritt (a) geprüft, ob eine Aktivierung des Durchflussbegrenzungsventils zu erwarten ist. Bei einer zu erwartenden Aktivierung des Durchflussbegrenzungsventils wird in einem Schritt (b) das Absperrventil in bestimmten zeitlichen Abständen mehrfach hintereinander angesteuert.
Durch mehrfaches Ansteuern des Absperrventils, wird das Absperrventil mehrfach hintereinander geöffnet. Zwischen zwei Öffnungsphasen ist das Absperrventil geschlossen, so dass kein Brenngas aus dem Brenngastank entnommen wird. Das heißt, dass zwischen zwei Öffnungsphasen der hohe Durchfluss durch das Durchflussbegrenzungsventil und damit dessen Aktivierung gestoppt werden. In der Folge öffnet das Durchflussbegrenzungsventil wieder, so dass das Absperrventil erneut angesteuert bzw. geöffnet werden kann, um Brenngas zu entnehmen. Kommt es zu einer wiederholten Aktivierung des Durchflussbegrenzungsventils wird die Ansteuerung des Absperrventils erneut unterbrochen, bis die Aktivierung des Durchflussbegrenzungsventils beendet ist und die Entnahme von Brenngas aus dem Brenngastank fortgesetzt werden kann.
Die vorgeschlagene Ansteuerstrategie verhindert eine Durchflusslimitierung aufgrund einer unbeabsichtigten Aktivierung des Durchflussbegrenzungsventils. Sofern das Durchflussbegrenzungsventil bereits aktiviert ist, kann mit Hilfe der vorgeschlagenen Ansteuerstrategie die Durchflusslimitierung schnell wieder aufgehoben werden, so dass selbst bei ungünstigen Druckverhältnissen dem Brenngastank Brenngas entnommen werden kann. In mobilen Brenngastanksystemen ist somit die Systemverfügbarkeit und damit die volle Reichweite des Fahrzeugs wieder hergestellt. Bei Brenngastanksystemen mit mehreren Brenngastanks kann mit Hilfe der vorgeschlagenen Ansteuerstrategie eine ungleichmäßige Entleerung der Brenngastanks verhindert werden. Durch die vorgeschlagene Ansteuerstrategie ergeben sich reduzierte Anforderungen für die in den Brenngastank eingesetzte Ventilbaugruppe. Entsprechend vereinfacht sich die Auslegung der Ventilbaugruppe.
Bevorzugt wird bzw. werden zur Prüfung in Schritt (a) der aktuelle Druck im Brenngastank und/oder der aktuelle Druck in der Gasleitung sensorisch erfasst. Anhand des aktuellen Drucks im Brenngastank bzw. des aktuellen Drucks in der Gasleitung kann in bestimmten Fällen bereits abgeschätzt werden, ob eine Aktivierung des Durchflussbegrenzungsventils zu erwarten ist.
Ein solcher Fall kann beispielsweise gegeben sein, wenn der Brenngastank bei abgestelltem Fahrzeug über längere Zeit der Sonneneinstrahlung ausgesetzt war, so dass die Erwärmung zu einem auffällig hohen Druckanstieg im Brenngastank führt. Dieser kann sensorisch erfasst werden und ggf. mit einem maximalen Druckwert verglichen werden, der im Normalfall erreicht wird. Ein deutlich höherer Wert lässt dann auf eine zu erwartende Aktivierung des Durchflussbegrenzungsventils bei Ansteuerung des Absperrventils schließen, und zwar auch ohne Kenntnis des aktuellen Drucks in der Gasleitung.
Ein solcher Fall kann des Weiteren gegeben sein, wenn die Gasleitung eine Leckage aufweist, so dass es zu einem auffällig hohen Druckabfall in der Gasleitung kommt. Auch dieser kann sensorisch erfasst und ggf. mit einem minimalen Druckwert verglichen werden, der im Normalfall erreicht wird. Ein deutlich geringerer Wert lässt dann wiederum auf eine zu erwartende Aktivierung des Durchflussbegrenzungsventils bei Ansteuerung des Absperrventils schließen. Die Kenntnis des aktuellen Drucks im Brenngastank ist hierfür nicht erforderlich.
Die sensorische Erfassung des Drucks im Brenngastank und in der Gasleitung setzt eine entsprechende Sensorik voraus. Nicht immer ist jedoch ein Brenngastank mit einer entsprechenden Sensorik, insbesondere einem Tankdrucksensor, ausgestattet. Alternativ oder ergänzend wird daher vorgeschlagen, dass der Druck im Brenngastank anhand eines weiteren Parameters, insbesondere der Temperatur, ermittelt wird. Der Druck im Brenngastank kann dann anhand des Temperaturverlaufs geschätzt werden. In Ermangelung eines Tankdrucksensors können beispielsweise vor dem Abstellen des Fahrzeugs und vor dem Schließen des Absperrventils die Temperatur im Brenngastank und der Druck in der Gasleitung sensorisch erfasst und gespeichert werden. Vor einem erneuten Start des Fahrzeugs wird dann wiederholt die Temperatur im Brenngastank sensorisch erfasst, so dass unter Berücksichtigung der Temperaturänderung während der Abstellphase und des Drucks in der Gasleitung der zu erwartende Druck im Brenngastank nach der folgenden Formel berechnet werden kann: p2 = p1 x T2/T1 mit p1 = der Druck in der Gasleitung vor dem Abstellen p2 = der aktuelle Druck im Brenngastank
T1 = die Temperatur im Brenngastank vor dem Abstellen
T2 = die aktuelle Temperatur im Brenngastank
In Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass zur Prüfung in Schritt (a) der Differenzdruck über die Ventilbaugruppe, das heißt die Differenz zwischen dem Druck im Brenngastank und dem Druck in der Gasleitung, ermittelt wird. Hierzu kann folgende Formel verwendet werden: dp = p2 - p3 mit p2 = der aktuelle Druck im Brenngastank p3 = der aktuelle Druck in der Gasleitung
Anhand des ermittelten Differenzdrucks vor einer Ansteuerung des Absperrventils kann sehr genau geprüft werden, ob eine Aktivierung des Durchflussbegrenzungsventils zu erwarten ist, wenn das Absperrventil angesteuert und geöffnet wird. Denn je höher der Differenzdruck ist, desto größer ist der Durchfluss durch das Durchflussbegrenzungsventil und damit die Gefahr einer unbeabsichtigten Aktivierung des Durchflussbegrenzungsventils bzw. einer Durchflusslimitierung. Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass nach einer Ansteuerung des Absperrventils in Schritt (b) die Ansteuerung des Absperrventils so lange unterbrochen wird, bis die Aktivierung des Durchflussbegrenzungsventils beendet ist. Das heißt, dass das Absperrventil erst wieder geöffnet wird, wenn keine Durchflusslimitierung mehr gegeben ist Dadurch ist sichergestellt, dass dem Brenngastank wieder Brenngas entnommen werden kann, zumindest bis zu einer erneuten Aktivierung des Durchflussbegrenzungsventils. Denn die Aktivierung des Durchflussbegrenzungsventils erfolgt mit einer gewissen Verzögerung. Aufgrund dieser Verzögerung kommt es bereits zu einem gewissen Druckausgleich zwischen dem Druck im Brenngastank und dem Druck in der Gasleitung, so dass ggf. eine weitere Aktivierung des Durchflussbegrenzungsventils vermieden werden kann.
Bevorzugt wird daher der zeitliche Abstand zwischen zwei Ansteuerphasen zum Öffnen des Absperrventils in Abhängigkeit von der Reaktionszeit des Durchflussbegrenzungsventils gewählt.
Ferner bevorzugt wird vor jeder Ansteuerung des Absperrventils in Schritt (b) die Druckdifferenz über die Ventilbaugruppe ermittelt. Diese Vorgehensweise besitzt den Vorteil, dass die Ansteuerstrategie an die jeweils aktuell ermittelte Druckdifferenz angepasst werden kann („dynamische Ansteuerstrategie“), insbesondere im Hinblick auf Ansteuerdauer und/oder der Dauer der Unterbrechung der Ansteuerung. Der Druckausgleich zwischen dem Druck im Brenngastank und dem Druck in der Gasleitung kann auf diese Weise beschleunigt werden.
Bevorzugt wird die Häufigkeit der Ansteuerung des Absperrventils und/oder der Unterbrechungen abhängig von der Druckdifferenz über die Ventilbaugruppe vor der ersten Ansteuerung bestimmt.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird eine Aktivierungsschwelle des Durchflussbegrenzungsventils bestimmt und das Absperrventil zur Entnahme von Brenngas wird nur dann angesteuert, wenn die Aktivierungsschwelle, vorzugsweise unter Berücksichtigung eines Sicherheitsvorhalts, unterschritten wird. Durch diese Maßnahme ist sichergestellt, dass es nicht zu einer Durchflusslimitierung kommt. Eine entsprechende Berücksichtigung der Aktivierungsschwelle des Durchflussbegrenzungsventils bietet sich insbesondere bei Brenngastanksystemen mit mehreren Brenngastanks an. Denn in diesem Fall kann die angeforderte Menge Brenngas einem anderen Brenngastank entnommen werden, sofern sichergestellt ist, dass mit der Ansteuerung des Absperrventils keine Aktivierung des Durchflussbegrenzungsventils zu erwarten ist. Vorzugsweise wird daher das Brenngas dem Brenngastank entnommen, in dem der geringste Druck herrscht. Die Entnahme von Brenngas führt zu einer Druckanhebung in der Gasleitung, so dass ein gewisser Druckausgleich zwischen dem Druck in der Gasleitung und dem Tankdruck der jeweils anderen Brenngastanks erreicht wird.
Mit fortschreitendem Druckausgleich können dann auch die Absperrventile der anderen Brenngastanks angesteuert und geöffnet werden, so dass diese gleichmäßig entleert werden.
Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass eine Deaktivierungsschwelle des Durchflussbegrenzungsventils bestimmt wird und das Absperrventil nach einer Unterbrechung der Ansteuerung erst wieder angesteuert wird, wenn die Deaktivierungsschwelle unterschritten wird. Durch diese Maßnahme ist sichergestellt, dass die Durchflusslimitierung aufgehoben ist, bevor das Absperrventil erneut angesteuert bzw. geöffnet wird.
Zur Lösung der eingangs genannten Aufgabe wird darüber hinaus ein Steuergerät für ein Brenngastanksystem vorgeschlagen, das dazu eingerichtet ist, Schritte eines erfindungsgemäßen Verfahrens auszuführen. Mit Hilfe des Steuergeräts können Zeitpunkt und Häufigkeit der Ansteuerung eines Absperrventils bestimmt werden. In dem Steuergerät können hierzu eine Aktivierungsschwelle und/oder eine Deaktivierungsschwelle eines Durchflussbegrenzungsventils hinterlegt sein. Bei einem Brenngastanksystem mit mehreren Brenngastanks kann abhängig von den tankspezifisch ermittelten Differenzdrücken die Reihenfolge der Ansteuerung der Absperrventile festgelegt werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren sowie seine Vorteile werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Diese zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Brenngastanksystems, das nach dem erfindungsgemäßen Verfahren betreibbar ist, Fig. 2 einen schematischen Längsschnitt durch eine Ventilbaugruppe eines Brenngastanks des Brenngastanksystems der Figur 1 und
Fig. 3 ein Diagramm zur Darstellung der Ansteuerung des in die Ventilbaugruppe der Figur 2 integrierten Absperrventils in Abhängigkeit vom Differenzdruck (dp) zwischen Brenngastank und Gasleitung.
Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
Der Figur 1 ist eine vereinfachte Darstellung eines Brenngastanksystems 1 mit mehreren Brenngastanks 2 zu entnehmen. Das dargestellte Brenngastanksystem 1 dient der Versorgung eines Brennstoffzellenstapels 8 mit Brenngas, vorzugsweise Wasserstoff.
In jeden Brenngastank 2 ist eine Ventilbaugruppe 3 eingesetzt, über die der jeweilige Brenngastank 2 mit einer Gasleitung 7 verbunden ist. Die Gasleitungen 7 werden zusammengeführt, so dass in den Gasleitungen 7 im Wesentlichen der gleiche Druck herrscht. Dieser wird mit Hilfe eines Drucksensors 9 gemessen. In jeden Brenngastank 2 ist jeweils ein weiterer Drucksensor 9 integriert. Anstelle eines Drucksensors 9 kann in jedem Brenngastank 2 auch nur ein Temperatursensor 10 vorgesehen sein.
Der Figur 2 ist eine vergrößerte Darstellung einer Ventilbaugruppe 3 eines Brenngastanks 2 zu entnehmen. Durch die Ventilbaugruppe 3 führt ein Entnahmepfad 6, der in die Gasleitung 7 mündet. In den Entnahmepfad 6 sind ein Absperrventil 4 sowie - in Entnahmerichtung stromaufwärts des Absperrventils 4 - ein Durchflussbegrenzungsventil 5 integriert. Zwischen dem Durchflussbegrenzungsventil 5 und dem Absperrventil 4 sind ein weiteres Durchflussbegrenzungsventil 11 zur Durchflussbegrenzung in umgekehrter Strömungsrichtung sowie ein Filter 12 angeordnet. Stromabwärts des Absperrventils 4 sind ferner ein manuell betätigbares Ventil 13 sowie ein weiterer Filter 14 integriert.
In Entnahmerichtung stromabwärts des Absperrventils 4 zweigt ein Betankungspfad 15 vom Entnahmepfad 6 ab. Die Strömungsrichtung im Betankungspfad 15 ist durch ein integriertes Rückschlagventil 16 vorgegeben. Das Rückschlagventil 16 verhindert auf diese Weise ein Ausströmen von Brenngas aus dem Brenngastank 2 über den Betankungspfad 15.
Die in der Figur 2 dargestellte Ventilbaugruppe 3 weist darüber hinaus einen Entlastungspfad 17 auf, in welchem weitere Ventile 18, 19 angeordnet sind. Zum einen ist ein weiteres manuell betätigbares Ventil 18 vorgesehen, das an allen Ventilen vorbeiführt und auch als „Bleed Valve“ bezeichnet wird. Bei dem Ventil 19 handelt es sich um ein Sicherheitsventil zum Abbau eines etwaigen Überdrucks.
Wesentliche Komponenten zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens sind das in der Figur 2 dargestellte Absperrventil 4 sowie das vorgeschaltete Durchflussbegrenzungsventil 5. Die ferner dargestellten Komponenten sind optional und für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens nicht zwingend erforderlich.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird nachfolgend anhand der Figur 3 erläutert.
Bei zunächst noch geschlossenem Absperrventil 4 (siehe Kurve A) herrscht im Brenngastank 2 ein Druck pTank und in der Gasleitung 7 ein Druck pi_eitung, der deutlich unter dem Druck pTank liegt, so dass sich ein Differenzdruck dp ergibt. Wird nun das Absperrventil 4 angesteuert, um dieses zu öffnen (siehe Kurve A), strömt Brenngas aus dem Brenngastank 2 in die Gasleitung 7, so dass der Druck pi_eitung steil ansteigt. Das heißt, dass der Durchfluss durch das Absperrventil 4 und das Durchflussbegrenzungsventil 5 sehr groß ist. Dies führt mit etwas Verzögerung (siehe Pfeil 20) zur Aktivierung des Durchflussbegrenzungsventils 5 (siehe Kurve B), so dass der Durchfluss limitiert ist. Der Druck pi_eitung in der Gasleitung 7 steigt daher nur noch geringfügig an. Zur schnellen Aufhebung der Durchflusslimitierung wird die Ansteuerung des Absperrventils 4 unterbrochen (siehe Kurve A), so dass der Durchfluss gänzlich gesperrt ist und der Druck PLeitung in der Gasleitung 7 nicht weiter ansteigt. Dies führt schließlich zur Aufhebung der Aktivierung des Durchflussbegrenzungsventils 5, so dass im weiteren Verlauf das Absperrventil 4 erneut angesteuert und geöffnet werden kann, bis ein Druckausgleich zwischen dem Druck pTank und dem Druck pi_eitung erreicht ist.
Sollte auf dem Weg zum Druckausgleich das Druckbegrenzungsventil 5 erneut aktiviert werden, kann die Ansteuerung des Absperrventils 4 wiederholt unterbrochen werden.

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zum Betreiben eines Brenngastanksystems (1), umfassend mindestens einen Brenngastank (2) zur Speicherung von Brenngas unter Hochdruck und eine in den Brenngastank (2) eingesetzte Ventilbaugruppe (3) zur Entnahme von Brenngas aus dem Brenngastank (2), wobei zur Entnahme von Brenngas ein Absperrventil (4) angesteuert und geöffnet wird, das in Entnahmerichtung stromabwärts eines Durchflussbegrenzungsventils (5) in einen Entnahmepfad (6) der Ventilbaugruppe (3) integriert ist, der in eine Gasleitung (7) mündet, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Ansteuern des Absperrventils (4) in einem Schritt (a) geprüft wird, ob eine Aktivierung des Durchflussbegrenzungsventils (5) zu erwarten ist und bei einer zu erwartenden Aktivierung des Durchflussbegrenzungsventils (5) in einem Schritt (b) das Absperrventil (4) in bestimmten zeitlichen Abständen mehrfach hintereinander angesteuert wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass zur Prüfung in Schritt (a) der aktuelle Druck (pTank) im Brenngastank (2) und/oder der aktuelle Druck (pi_eitung) in der Gasleitung (7) sensorisch erfasst wird bzw. werden.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der aktuelle Druck (pTank) im Brenngastank (2) anhand eines weiteren Parameters, insbesondere der Temperatur, ermittelt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass zur Prüfung in Schritt (a) der aktuelle Differenzdruck (dp) über die Ventilbaugruppe (3), das heißt die Differenz zwischen dem Druck (pTank) im Brenngastank (2) und dem Druck (pi_eitung) in der Gasleitung (7), ermittelt wird.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass nach einer Ansteuerung des Absperrventils (4) in Schritt (b) die Ansteuerung des Absperrventils (4) so lange unterbrochen wird, bis die Aktivierung des Durchflussbegrenzungsventils (5) beendet ist.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass vor jeder Ansteuerung des Absperrventils (4) in Schritt (b) die Druckdifferenz (dp) über die Ventilbaugruppe (3) ermittelt wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Häufigkeit der Ansteuerung des Absperrventils (4) und/oder der Unterbrechungen abhängig von der Druckdifferenz (dp) über die Ventilbaugruppe (3) vor der ersten Ansteuerung bestimmt wird.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Aktivierungsschwelle (dpAktiv) des Durchflussbegrenzungsventils (5) bestimmt wird und das Absperrventil (4) zur Entnahme von Brenngas nur dann angesteuert wird, wenn die Aktivierungsschwelle (dpAktiv), vorzugsweise unter Berücksichtigung eines Sicherheitsvorhalts, unterschritten wird.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Deaktivierungsschwelle (dpDeaktiv) des Durchflussbegrenzungsventils (5) bestimmt wird und das Absperrventil (4) nach einer Unterbrechung der Ansteuerung erst wieder angesteuert wird, wenn die Deaktivierungsschwelle (dpDeaktiv) unterschritten wird.
10. Steuergerät für ein Brenngastanksystem (1), das dazu eingerichtet ist, Schritte eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche auszuführen.
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