EP4733655A1

EP4733655A1 - Füllsystem für einen druckbehälter und verfahren zum betreiben des füllsystems

Info

Publication number: EP4733655A1
Application number: EP24208959.7A
Authority: EP
Inventors: Arne Holz; Simon THERES; Michael Kaminski
Original assignee: Nproxx BV
Current assignee: Nproxx BV
Priority date: 2024-10-25
Filing date: 2024-10-25
Publication date: 2026-04-29
Also published as: WO2026087683A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Füllsystem für einen Druckbehälter und ein Verfahren zur Limitierung einer Füllrate eines Druckbehälters, insbesondere für die Befüllung eines Hochdruckbehälters für ein Gas. Ein erfindungsgemäßes Füllsystem (100) zum Befüllen eines Hochdruckbehälters (4) mit einem Fluid mit einer variablen Füllrate, wobei der Hochdruckbehälter (4) insbesondere ein Hochdruckbehälter (4) für die Speicherung eines Gases mit einem Innenbehälter und einer den Innenbehälter umschließenden Verstärkungsschicht ist, in Abhängigkeit eines in dem Hochdruckbehälter (4) herrschenden Innendrucks pi,H, mit einer über ein befüllseitiges Magnetventil (1) absperrbaren Hauptleitung (2) weist eine Hauptleitung (2) mit einem Hauptleitungsbypass (5) mit einer Fülldruckreduktionsvorrichtung (6) zur Reduktion des Fülldrucks auf, wobei der Hauptleitungsbypass (5) in Strömungsrichtung x des Fluids beim Befüllen des Hochdruckbehälters (4) gesehen vor dem befüllseitigen Magnetventil (1) von der Hauptleitung (2) abzweigt. Weiter weist das erfindungsgemäße Füllsystem (100) eine Innendruckbestimmungsvorrichtung (10) und eine Steuergerät (11) auf, wobei die Steuergerät (11) dazu eingerichtet ist, einen Innendruckwert pi,H von der Innendruckbestimmungsvorrichtung (10) zu empfangen und mit einem vorgegebenen ersten Schwellwert pSchwell,1 und einem vorgegebenen zweiten Schwellwert pSchwell,2 zu vergleichen, wobei die Steuergerät (11) weiter dazu eingerichtet ist, das befüllseitige Magnetventil (1) zu öffnen, sofern der Innendruck pi,H in dem Hochdruckbehälter (4) mindestens dem vorgegebenen ersten Schwellwert pSchwell,1 entspricht und das befüllseitige Magnetventil (1) zu schließen, sofern der Innendruck pi,H in dem Hochdruckbehälter (4) unter dem vorgegebenen zweiten Schwellwert pSchwell,2 liegt.

Description

Gebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Füllsystem für einen Druckbehälter und ein Verfahren zur Limitierung einer Füllrate eines Druckbehälters, insbesondere für die Befüllung eines Hochdruckbehälters für ein Gas.
Unter der Füllrate wird hier der Volumenstrom verstanden, mit dem der Druckbehälter befüllt wird. Der Volumenstrom ist über die in der zur Füllung dienenden Hauptleitung herrschen Druck beeinflussbar.

Hintergrund der Erfindung

In den letzten Jahren ist das Interesse an der Verwendung alternativer Brennstoffe in der Fahrzeugindustrie enorm gestiegen. Aus diesem Grund kommen immer mehr Fahrzeuge, die durch gasförmige Kraftstoffe wie Erdgas, Autogas oder Wasserstoff angetrieben werden, auf den Markt. Dies bezieht sich auf alle möglichen Fahrzeuge, wie Kraftfahrzeuge, hier insbesondere Personenkraftfahrzeuge, aber auch Nutzfahrzeuge, wie beispielsweise Lastkraftwagen oder Busse, Arbeitsmaschinen oder auch schienengebundene Fahrzeuge, als auch auf Wasserfahrzeuge, Luftfahrzeuge und Raumfahrzeuge. Darüber hinaus macht eine zunehmende Förderung von Erdgas und Fracking-Gas speziell in Ländern ohne entsprechendes Pipelinenetz eine Speicherung in Druckbehältern erforderlich.
Gegenwärtig benutzte zylinderförmige Hochdruckbehälter besitzen eine Verstärkungsschicht aus Faserverbundmaterial aus Fasern eingebettet in einem Matrixmaterial, die als Außenschicht mittels eines Wickelverfahrens auf einen Innenbehälter (den sogenannten Liner) des Hochdruckbehälters, der als Wickelkern fungiert, aufgewickelt wird. Während der Innenbehälter beispielsweise die Gasdichtigkeit des Hochdruckbehälters garantiert, verleiht die Verstärkungsschicht aus Faserverbundmaterial dem Hochdruckbehälter die notwendige mechanische Stabilität. Bei den Hochdruckbehältern des Typs 3 wird ein metallischer Innenbehälter (metallischer Liner) z.B. aus Aluminium oder Stahl eingesetzt, bei Hochdruckbehältern des Typs 4 ist der Innenbehälter (Liner) aus Kunststoff. Es sind aber auch Druckbehälter bekannt, die nur aus einem oder mehreren metallischen Werkstoffen bestehen. Die Begriffe Liner und Innenbehälter werden in diesem Dokument synonym verwendet.
Druckbehälter werden mit Füllgas gefüllt. Da vor allem bei Wasserstofftankstellen einerseits sehr hohe Drücke und niedrige Temperaturen herrschen können, andererseits Wasserstoff in Verbindung mit Sauerstoff hoch reaktiv ist, sind an Wasserstofftankanlagen hohe Anforderungen zu stellen. Ferner muss an Tankstellen die Sicherheit bei der Befüllung der Fahrzeuge und das nacheinander Befüllen diverser Behälter gewährleistet werden.
Der maximale Betriebsdruck insbesondere bei der Befüllung eines Hochdruckbehälters bzw. Hochdruckbehältersystems mit Wasserstoff kann je nach Anwendung beispielsweise zwischen 200 und 1200 bar, typischerweise zwischen 350 und 875 bar, betragen. Dabei besteht ein Hochdruckbehältersystem aus einer Mehrzahl einzelner Hochdruckbehälter, wobei die einzelnen Hochdruckbehälter üblicherweise aus einer gemeinsamen Hauptleitung befüllt werden, wodurch in den einzelnen Hochdruckbehältern derselbe Innendruck herrscht. Aus diesem Hochdruckbehälter oder Hochdruckbehältersystem kann dann eine Brennstoffzelle oder ein Verbrennungsmotor mit Wasserstoff versorgt werden.
Insbesondere bei Hochdruckbehältern Typ 4 kann das Problem auftreten, dass es bei einer Befüllung eines leeren Hochdruckbehälters mit den genannten Drücken zu einer Beschädigung des Liners kommt. Als leer wird in diesem Dokument ein Hochdruckbehälter mit einem Innendruck unter einem Schwellwert, beispielsweise 20 bar, verstanden. Der Liner kann sich bei einem Innendruck von 20 bar und darunter zumindest lokal von der Verstärkungsschicht lösen. Wird ein solcher Hochdruckbehälter mit einem Innendruck von 20 bar oder weniger mit einem Fülldruck von beispielsweise 800 bar schlagartig beaufschlagt, kann es zu einem explosionsartigen Wiederanlegen des Liners an die Verstärkungsschicht kommen, wobei auch eventuelle Falten in der abgelösten Wandung des Innenbehälters schlagartig ausgefaltet werden. Wegen lokal unzulässig hoher Dehnraten kann es zu hohen Spannungen in dem Linermaterial kommen, insbesondere kann durch eine lokale Überschreitung der zulässigen Spannung des Linermaterials der Liner Schaden nehmen.
Aus dem Bereich von Druckbehältern für medizinischen Sauerstoff ist es bekannt, das Entnahmeventil als Restdruckventil auszuführen. Dieses Restdruckventil kann verhindern, dass der Druckbehälter vollständig entleert wird, indem es bei einem vorgegebenen Restdruck schließt und eine weitere Entnahme des gespeicherten Gases verhindert. Bei Druckflaschen für medizinischen Sauerstoff liegt diese Restdruckschwelle üblicherweise bei sieben bar. Dabei gilt es, eine vollständige Entleerung der Druckflasche zu verhindern, da es bei vollständiger Entleerung und offenem Entnahmeventil zu einem Eindringen von Umgebungsluft in die Druckflasche und damit zu einer Verkeimung in der Druckflasche kommen könnte. Druckflaschen für medizinischen Sauerstoff sind dabei üblicherweise Stahlflaschen, die keinen Liner aufweisen.
Bei Hochdruckbehältern, insbesondere bei Hochdruckbehältern, die nicht für die Speicherung medizinischer Gase verwendet werden und daher eine mögliche Verkeimung kein Problem darstellt, ist es wünschenswert, dass die Speicherkapazität vollständig nutzbar ist, d.h. dass der Hochdruckbehälter komplett entleerbar und anschließend wiederbefüllbar ist. Weiterhin ist es wünschenswert, dass das Füllsystem oder das Füllsystem und der Hochdruckbehälter spülbar ist, beziehungsweise sind. Soll der Hochdruckbehälter beispielsweise für die Speicherung reaktionsfreudiger Fluide, insbesondere für Wasserstoff, genutzt werden, so muss für die Durchführung von Wartungs- und/oder Reparaturarbeiten ein Gasaustausch in dem Füllsystem oder dem Füllsystem und dem Hochdruckbehälter vornehmbar sein, so dass das Füllsystem oder das Füllsystem und der Hochdruckbehälter mit einem nicht brennbaren Gas, beispielsweise Stickstoff inertisierbar ist. Darüber hinaus kann es erforderlich sein, den Hochdruckbehälter und das Füllsystem zu spülen, bevor der Hochdruckbehälter mit einem anderen Fluid als dem vorher gespeicherten wiederbefüllt werden soll. Dies trifft auch auf den Fall zu, dass der Hochdruckbehälter beispielsweise für Wartungszwecke mit einem Inertgas gefüllt ist und nun wieder ein Brennstoff, beispielsweise Wasserstoffgas, eingefüllt werden soll.

Zusammenfassung der Erfindung

Der hier vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Stand der Technik zu verbessern. Insbesondere ist es Aufgabe der Erfindung, ein Füllsystem für einen Hochdruckbehälter, insbesondere für die Befüllung eines Hochdruckbehälters für ein Gas, zur Verfügung zu stellen, mit dem die Gefahr der Schädigung des Liners durch die Befüllung minimiert wird, wobei das Füllsystem oder das Füllsystem und der Hochdruckbehälter spülbar sein soll beziehungsweise sein sollen.
Nach einem ersten Aspekt löst die gestellte Aufgabe ein Füllsystem zum Befüllen eines Hochdruckbehälters mit einem Fluid mit einer variablen Füllrate, wobei der Hochdruckbehälter insbesondere ein Hochdruckbehälter für die Speicherung eines Gases mit einem Innenbehälter und einer den Innenbehälter umschließenden Verstärkungsschicht wie beispielsweise ein Hochdruckbehälter vom Typ 4, ist, in Abhängigkeit eines in dem Hochdruckbehälter herrschenden Innendrucks p_i,H mit einer über ein befüllseitiges Magnetventil absperrbaren Hauptleitung. Die Hauptleitung weist einen Hauptleitungsbypass mit einer Fülldruckreduktionsvorrichtung zur Reduktion des Fülldrucks auf, wobei der Hauptleitungsbypass in Strömungsrichtung des Fluids beim Befüllen des Hochdruckbehälters gesehen vor einem befüllseitigen Magnetventil, über das die Hauptleitung absperrbar ist, von der Hauptleitung abzweigt. Weiter weist das Füllsystem einen Fluidablass und eine Schnittstelle zur Einspeisung eines Fluids sowie ein abführseitiges Ventil, eine Schnittstelle zur Fluideinspeisung, eine Ablassöffnung, eine Schnittstelle zum Hochdruckbehälter mit Ventil, einen hochdruckseitigen Drucksensor, über den ein in der Hauptleitung in Strömungsrichtung des Fluids gesehen hinter dem befüllseitigen Magnetventil anliegenden Druck bestimmbar ist, einen niederdruckseitigen Drucksensor und ein Steuergerät auf, wobei die Steuergerät dazu eingerichtet ist, einen Innendruckwert p_i,H von dem hochdruckseitigen Drucksensor zu empfangen und mit einem vorgegebenen ersten Schwellwert p_Schwell,1 und einem vorgegebenen zweiten Schwellwert p_Schwell,2 zu vergleichen, wobei die Steuergerät weiter dazu eingerichtet ist, das befüllseitige Magnetventil zu öffnen, sofern der Innendruck p_i,H in dem Hochdruckbehälter mindestens dem vorgegebenen ersten Schwellwert p_Schwell,1 entspricht und das befüllseitige Magnetventil zu schließen, sofern der Innendruck p_i,H in dem Hochdruckbehälter unter dem vorgegebenen zweiten Schwellwert p_Schwell,2 liegt.
Begrifflich sei hierzu Folgendes erläutert:
Zunächst sei ausdrücklich darauf hingewiesen, dass im Rahmen der hier vorliegenden Patentanmeldung unbestimmte Artikel und Zahlenangaben wie "ein", "zwei" usw. im Regelfall als "mindestens"-Angaben zu verstehen sein sollen, also als "mindestens ein...", "mindestens zwei... " usw., sofern sich nicht aus dem jeweiligen Kontext ausdrücklich ergibt oder es für den Fachmann offensichtlich oder technisch zwingend ist, dass dort nur "genau ein...", "genau zwei... " usw. gemeint sein können. Weiterhin sind alle Zahlenangaben sowie Angaben zu Verfahrensparametern und/oder Vorrichtungsparametern im technischen Sinne zu verstehen, d.h. als mit den üblichen Toleranzen versehen zu verstehen. Auch aus der expliziten Angabe der Einschränkung "wenigstens" oder "mindestens" o.ä. darf nicht geschlossen werden, dass bei der einfachen Verwendung von "ein", also ohne die Angabe von "wenigstens" o.ä., ein "genau ein" gemeint ist.
Unter einem Druckbehälter wird hier jeder geschlossene oder schließbare Behälter mit einem Innenvolumen verstanden, wobei in dem Innenvolumen ein Fluid unter einem Druck höher als der Umgebungsdruck speicherbar ist. Dabei muss es sich nicht um einen einzelnen Behälter handeln. Auch ein miteinander verschaltetes System von mehreren Druckbehältern kann für das erfindungsgemäße Füllsystem bzw. das erfindungsgemäße Verfahren zur Limitierung der Füllrate als ein einzelner Druckbehälter behandelt werden, sofern die mehreren Druckbehälter an derselben Hauptleitung angeschlossen sind, wobei in diesem Fall in allen Druckbehältern derselbe Innendruck herrscht. Insbesondere wird unter einem Hochdruckbehälter ein Druckbehälter verstanden, in dessen Innenvolumen ein Fluid unter einem Druck, der mindestens zwei Größenordnungen höher als der Umgebungsdruck ist, speicherbar ist. Insbesondere stellt ein Druckbehälter Typ 4 einen solchen Hochdruckbehälter dar, wobei ein solcher Druckbehälter einen Innenbehälter aus Kunststoff, der beispielsweise die Gasdichtigkeit des Druckbehälters garantiert, und eine Verstärkungsschicht aus einem Faserverbundmaterial aufweist, die dem Druckbehälter die notwendige mechanische Stabilität verleiht. Bei dem Fluid kann es sich um ein Gas handeln, insbesondere um Wasserstoff. Ist im Folgenden von einem Hochdruckbehälter die Rede, soll hierunter auch ein System von Hochdruckbehältern verstanden sein.
Unter einer Hauptleitung wird hier eine rohrförmige Leitung verstanden, durch die das Fluid beim Befüllvorgang in den Hochdruckbehälter geleitet wird. In der Hauptleitung herrscht dabei der von einem äußeren System zur Verfügung gestellte Fülldruck. Dieses äußere System kann beispielsweise eine Pumpvorrichtung aufweisen. Der Fülldruck kann aber beispielsweise auch aus einem externen Drucksystem, beispielsweise einem Hochdrucksystem, stammen.
Unter einer Füllrate wird hier ein Volumenstrom des Fluids verstanden, mit dem der Hochdruckbehälter befüllt wird.
Unter einem Bypass wird hier eine Umgehungsleitung verstanden, mit der zumindest ein Teil einer Leitung umgehbar ist.
Ein Magnetventil ist ein Ventil, das von einem Elektromagneten betätigt wird. Das Magnetventil kann als vorgesteuertes Magnetventil ausgeführt sein. Ein vorgesteuertes Magnetventil benötigen zum Öffnen und Schließen eine Druckdifferenz des Betriebsdruckes. Das Vorsteuersystem wirkt als Verstärker, so dass mit einem Magneten mit geringer Kraft Fluide mit großen Volumenströmen bei höheren Drücken gesteuert werden können.
Unter einer Fülldruckreduktionsvorrichtung wird eine Vorrichtung verstanden, die eine Füllrate, d.h. einen Füllvolumenstrom und damit den Fülldruck, reduzieren kann. Bei einer mechanischen Fülldruckreduktionsvorrichtung arbeitet sie rein mechanisch. Ein Beispiel für eine mechanische Fülldruckreduktionsvorrichtung ist eine Blende. Der gleichförmige Durchfluss eines Fluids in einer Rohrleitung wird durch die Blende eingeschnürt, d.h. es kommt zu einer Querschnittsverengung des Fluidstroms, sodass sich an dieser Stelle die Geschwindigkeit erhöht. Die Zunahme der Geschwindigkeit an der Einschnürstelle bewirkt entsprechend der bernoullischen Energiegleichung eine Verringerung des statischen Druckes.
Unter einem vorgegebenen Schwellwert wird hier ein Wert, insbesondere ein Druckwert, verstanden, der von außen dem System vorgebbar ist. Dabei kann das Magnetventil öffnen, sofern der Innendruck in dem Hochdruckbehälter mindestens einem vorgegebenen ersten Schwellwert entspricht und das Magnetventil schließen, sofern der Innendruck in dem Hochdruckbehälter unter einem vorgegebenen zweiten Schwellwert liegt. Erster und zweiter Schwellwert können dabei identisch sein. Üblicherweise ist aber eine Art Hysterese zu beobachten, wobei der zweite Schwellwert typischerweise ca. 4 bar niedriger gewählt wird als der ersten Schwellwert. Beispielsweise kann der vorgegebene erste Schwellwert 20 bar und der vorgegebene zweite Schwellwert 16 bar betragen.
Unter einer kontinuierlichen Bestimmung des Innendrucks soll in diesem Dokument nicht nur eine ständige Bestimmung des Innendrucks, sondern auch eine in regelmäßigen Abständen erfolgende Bestimmung des Innendrucks verstanden werden.
Aus dem in der Hauptleitung in Strömungsrichtung des Fluids gesehen hinter dem befüllseitigen Magnetventil anliegenden Druck kann auf den im Hochdruckbehälter herrschenden Innendruck geschlossen werden. Zusätzlich oder alternativ kann der in dem Hochdruckbehälter herrschende Innendruck auch direkt mit einer Innendruckbestimmungsvorrichtung gemessen werden.
Mit dem erfindungsgemäßen Füllsystem kann in Abhängigkeit eines in dem Hochdruckbehälter herrschenden Innendrucks die Hauptleitung abgesperrt werden, wenn der in dem Hochdruckbehälter herrschende Innendruck unterhalb eines zweiten Schwellwertes liegt. In diesem Fall schließt das befüllseitige Magnetventil die Hauptleitung, so dass die Füllung nur noch über den Hauptleitungsbypass erfolgen kann. Da sich in dem Hauptleitungsbypass eine Fülldruckreduktionsvorrichtung zur Reduktion der Füllrate befindet, erfolgt die Befüllung mit einer durch die Fülldruckreduktionsvorrichtung vorgegebenem reduzierten Füllrate, wobei die reduzierte Füllrate derart vorgebbar ist, dass eine Schädigung des Liners durch die Befüllung verhinderbar ist. Sofern der bestimmte Innendruck mindestens einem vorgegebenen ersten Schwellwert entspricht, öffnet das befüllseitige Magnetventil und das Fluid nimmt zur Befüllung den Weg des geringsten Widerstands, d.h. durch die Hauptleitung. Die Befüllung erfolgt ab diesem Punkt mit der vollen zur Verfügung stehenden Füllrate, wodurch die Befüllung deutlich schneller erfolgen kann.
Darüber hinaus kann mit dem erfindungsgemäßen Füllsystem ein erstes Fluid innerhalb des Füllsystems oder des Füllsystems und des Hochdruckbehälters mit einem zweiten Fluid ausgetauscht werden. Dazu können alle Ventile geschlossen werden. An der Schnittstelle zur Fluideinspeisung ist eine Fluidquelle für das zweite Fluid anschließbar. Ist die Ablassöffnung und die Schnittstelle zum Hochdruckbehälter geöffnet, entweicht das erste Fluid aus dem Füllsystem und dem Hochdruckbehälter. Dies kann erfolgen, bis ein Mindestdruck im Hochdruckbehälter, der beispielsweise dem ersten oder dem zweiten Schwellwert entsprechen kann, und der über die Innendruckbestimmungsvorrichtung zur Druckmessung im Hochdruckbehälter ermittelbar ist, erreicht ist. Wird nun das abführseitige Ventil geschlossen und im Anschluss daran das befüllseitige Magnetventil geöffnet, strömt das zweite Fluid aus der Fluidquelle, das beispielsweise ein Inertgas wie beispielsweise Stickstoff sein kann, durch das Füllsystem in den Hochdruckbehälter. Dies kann geschehen, bis ein vorgegebener Referenzdruck im Hochdruckbehälter, der über die Innendruckbestimmungsvorrichtung zur Druckmessung im Hochdruckgehälter ermittelbar ist, erreicht ist. Nun kann das befüllseitige Magnetventil wieder geschlossen werden. Diese Schritte können wiederholt werden, bis eine vordefinierte Zyklenzahl erreicht ist, welche die gewünschte Konzentration des zweiten Fluids sicherstellt. Vorteilhafterweise kann der Fluidaustausch auf den Austausch der Fluide in dem Füllsystem beschränkt werden, d.h. es kann ein Fluidsystem nur im Füllsystem erreicht werden, wobei das ursprüngliche, beispielsweise erste, Fluid in dem Hochdruckbehälter erhalten bleibt. Dazu wird der oben beschriebene Ablauf insoweit geändert, als dass die Schnittstelle zum Hochdruckbehälter während des gesamten Vorgangs geschlossen bleibt. Dadurch wird verhindert, dass das sich in dem Hochdruckbehälter befindliche Fluid entweicht. Nur das in dem Füllsystem enthaltene Fluid entweicht über die Ablassöffnung. Dies kann geschehen, bis ein vorgegebener Referenzdruck im Füllsystem, der über den hochdruckseitigen Drucksensor und/oder über den niederdruckseitigen Drucksensor ermittelbar ist, erreicht ist. Nun kann das befüllseitige Magnetventil wie oben bereits beschrieben wieder geschlossen werden. Diese Schritte können wiederholt werden, bis eine vordefinierte Zyklenzahl erreicht ist, welche die gewünschte Konzentration des zweiten Fluids sicherstellt.
Somit ist über die hier vorgestellte Erfindung kostengünstig sichergestellt, dass Druckbehälter zum einen bei der Befüllung beispielsweise durch eine Fehlbedienung nicht überbeansprucht werden. Zum anderen kann mit geringem Personalaufwand ein einfacher Gasaustausch erfolgen. In der einfachsten Form kann eine einfache Gasflasche direkt an der Schnittstelle zur Fluideinspeisung angeschlossen werden. Eine sichere Inertisierung des Füllsystems oder des Füllsystems und des Hochdruckbehälters kann an verschiedensten Orten ohne speziell geschultes Personal erfolgen.
In einer vorteilhaften Ausführungsform ist das befüllseitige Magnetventil im spannungslosen Zustand geschlossen. Dadurch erfolgt die Befüllung auch beispielsweise bei einem Spannungsausfall auf jeden Fall mit der reduzierten Füllrate, so dass eine Schädigung des Liners durch die Befüllung auch bei einer Störung, beispielsweise einem Spannungsausfall, verhinderbar ist.
In einer vorteilhaften Ausführungsform ist das befüllseitige Magnetventil ein vorgesteuertes Magnetventil. Ein vorgesteuertes Magnetventil benötigt zum Öffnen und Schließen nur eine Druckdifferenz des Betriebsdruckes. Der Antrieb erfüllt hier lediglich eine Vorsteuerfunktion, durch die das Hauptdichtelement entlastet wird. Der Mediumdruck, bzw. die vorhandene Druckdifferenz hebt die Hauptdichtung an. Bei dieser Steuerungsart können mit kleinen Magneten hohe Drücke bei großen Nennweiten gesteuert werden.
In einer vorteilhaften Ausführungsform ist die Fülldruckreduktionsvorrichtung zur Reduktion der Füllrate eine mechanische Fülldruckreduktionsvorrichtung. Durch die Verwendung einer mechanische Fülldruckreduktionsvorrichtung ist das System einfach und damit zuverlässig und wartungsarm aufgebaut. Darüber hinaus ist die Gefahr einer Funkenbildung durch elektrische Kontakte o.ä. minimiert, was gerade bei der Arbeit mit entzündlichen, insbesondere leicht entzündlichen Gasen wie Wasserstoff, vorteilhaft ist.
In einer vorteilhaften Ausführungsform weist die mechanische Fülldruckreduktionsvorrichtung zur Reduktion der Füllrate eine Blende auf. Hierdurch lässt sich die Füllrate auf einfache zuverlässige Weise reduzieren.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des Füllsystems ist der hochdruckseitige Drucksensor dazu eingerichtet, den in der Hauptleitung herrschenden Innendruck in Strömungsrichtung des Fluids beim Befüllen gesehen hinter dem Magnetventil zu bestimmen. Der Fülldruck kann in der Hauptleitung in Strömungsrichtung des Fluids beim Befüllen gesehen hinter dem Magnetventil an einer Stelle nah an der Fülldruckreduktionsvorrichtung bestimmt werden. Da auch in dem Fall, dass mehrere Hochdruckbehälter gleichzeitig gefüllt werden sollen, in der Hauptleitung in Strömungsrichtung des Fluids beim Befüllen gesehen hinter dem Magnetventil derselbe Druck wie in dem bzw. den Hochdruckbehältern herrscht, reicht es aus, an dieser Stelle den Druck zu bestimmen.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des Füllsystems weist das Füllsystem einen Druckschalter auf, der der hochdruckseitige Drucksensor und das Steuergerät aufweist. Ein solcher Druckschalter ist einfach und robust aufgebaut und benötigt nur eine Spannungsversorgung von beispielsweise ± 5V DC, ± 12V DC oder ± 24V DC, die sich leicht, beispielsweise auch in einem Fahrzeug, realisieren lässt. Die Bordspannung in einem heutigen PKW beträgt üblicherweise 12 V DC, in einem Nutzfahrzeug üblicherweise 24 V DC. Werden diese Spannungen benutzt, benötigt das Füllsystem also keine eigene Spannungsquelle und keinen Spannungswandler.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des Füllsystems weist das Steuergerät ein digitales Steuerungssystem auf. Der Druckschalter kann beispielsweise als digitaler Druckschalter ausgeführt sein. Weist ein übergeordnetes System bereits ein digitales Steuerungssystem auf, kann die Steuerung des Magnetventils einfach und ohne großen Aufwand in dieses Steuerungssystem integriert werden.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des Füllsystems weist die Hauptleitung ein Rückschlagventil auf. Hierdurch wird verhindert, dass das Fluid zurückströmen kann. Zusätzlich kann auch der Hauptleitungsbypass ein Rückschlagventil aufweisen, so dass auch verhindert wird, dass das Fluid über den Hauptleitungsbypass zurückströmen kann. Dies könnte ohne das Rückschlagventil beispielsweise geschehen, wenn ein Hochdruckbehälter an das Füllsystem angeschlossen wird, der einen höheren Innendruck aufweist, als in dem Füllsystem herrscht.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des Füllsystems ist das Magnetventil vorgesteuert. Ein vorgesteuertes Magnetventil benötigen zum Öffnen und Schließen eine Druckdifferenz des Betriebsdruckes. Das Vorsteuersystem wirkt als Verstärker, so dass mit einem Magneten mit geringer Kraft Fluide mit großen Volumenströmen bei höheren Drücken gesteuert werden können.
Nach einem weiteren Aspekt löst die gestellte Aufgabe ein Verfahren zur Limitierung einer Füllrate bei der Befüllung eines Hochdruckbehälters, insbesondere eines Hochdruckbehälters für die Speicherung eines Gases mit einem Innenbehälter und einer den Innenbehälter umschließenden Verstärkungsschicht, in Abhängigkeit eines in dem Hochdruckbehälter herrschenden Innendrucks, über ein Füllsystem mit einer über ein Magnetventil absperrbaren Hauptleitung und einem Hauptleitungsbypass mit einer mechanischen Fülldruckreduktionsvorrichtung zur Reduktion der Füllrate aufweist, wobei das befüllseitige Magnetventil im spannungslosen Zustand geschlossen ist, wobei der Innendruck in der Hauptleitung in Fließrichtung x gesehen hinter dem befüllseitigen Magnetventil kontinuierlich bestimmt und mit vorgegebenen ersten und zweiten Schwellwerten p_Schwell,1, p_Schwell,2 verglichen wird, wobei das befüllseitige Magnetventil geöffnet wird bzw. bleibt, sofern der bestimmte Innendruck mindestens dem vorgegebenen ersten Schwellwert p_Schwell,1 entspricht und das befüllseitige Magnetventil geschlossen wird bzw. bleibt, sofern der bestimmte Innendruck unter dem vorgegebenen zweiten Schwellwert p_Schwell,2 liegt.
Unter einer kontinuierlichen Bestimmung des Innendrucks soll in diesem Dokument nicht nur eine ständige Bestimmung des Innendrucks, sondern auch eine in regelmäßigen Abständen erfolgende Bestimmung des Innendrucks verstanden werden. So kann beispielsweise der Innendruck über ein getaktetes Verfahren in im Wesentlichen regelmäßigen Abständen bestimmt werden, wobei der Takt auch in Abhängigkeit der Differenz des bestimmten Innendrucks von dem vorgegebenen ersten beziehungsweise zweiten Schwellwert veränderlich gestaltet sein kann. So ist es beispielsweise möglich, den Innendruck häufiger zu bestimmen, wenn die Differenz zwischen dem bestimmten Innendruck und dem vorgegebenen ersten Schwellwert beziehungsweise vorgegebenen zweiten Schwellwert klein, beispielsweise in einer Größenordnung von unter 20 bar, ist und den Takt zu vergrößern, wenn die Differenz zwischen dem bestimmten Innendruck und dem vorgegebenen ersten Schwellwert beziehungsweise vorgegebenen zweiten Schwellwert größer ist.
Die Innenddruckbestimmungsvorrichtung zur direkten Druckmessung im Hochdruckbehälter ist optional. Das befüllseitige Magnetventil ist geschlossen, wenn der von dem hochdruckseitigen Drucksensor gemessene Druck unter dem zweiten Schwellwert p_Schwell,2 liegt. Genauso ist das befüllseitige Magnetventil geschlossen, wenn der von der Innenddruckbestimmungsvorrichtung zur direkten Druckmessung im Hochdruckbehälter gemessene Innendruck unter dem zweiten Schwellwert p_Schwell,2 liegt. Dabei ist das befüllseitige Magnetventil vorzugsweise geschlossen, selbst wenn der von der Innenddruckbestimmungsvorrichtung zur direkten Druckmessung im Hochdruckbehälter gemessene Innendruck über dem ersten Schwellwert p_Schwell,1 liegt, aber der von dem hochdruckseitigen Drucksensor gemessene Druck unter dem zweiten Schwellwert p_Schwell,2 liegt. Das befüllseitige Magnetventil ist hingegen geöffnet, wen der von dem hochdruckseitigen Drucksensor gemessene Druck über dem ersten Schwellwert p_Schwell,1 liegt.
Wenn der in dem Hochdruckbehälter herrschende Innendruck unterhalb eines zweiten Schwellwertes liegt, wird also die Hauptleitung über das befüllseitige Magnetventil abgesperrt und die Füllung erfolgt über den Hauptleitungsbypass. Da sich in dem Hauptleitungsbypass eine Fülldruckreduktionsvorrichtung zur Reduktion der Füllrate befindet, erfolgt die Befüllung mit einer durch die Fülldruckreduktionsvorrichtung vorgegebenem reduzierten Füllrate, wobei die reduzierte Füllrate derart vorgebbar ist, dass eine Schädigung des Liners durch die Befüllung verhinderbar ist. Sofern der bestimmte Innendruck mindestens einem vorgegebenen ersten Schwellwert entspricht, öffnet das Magnetventil und das Fluid nimmt zur Befüllung den Weg des geringsten Widerstands, d.h. durch die Hauptleitung. Die Befüllung erfolgt ab diesem Punkt mit der vollen zur Verfügung stehenden Füllrate, wodurch die Befüllung deutlich schneller erfolgen kann.
In einer vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Füllrate durch das Durchströmen des Fluids bei der Befüllung durch eine Fülldruckreduktionsvorrichtung, beispielsweise eine Blende, limitiert, sofern der bestimmte Innendruck p_i,H, unter einem vorgegebenen zweiten Schwellwert p_Schwell,2 liegt.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt das kontinuierliche Bestimmen des Innendrucks über einen hochdruckseitigen Drucksensor, die den Innendruck in der Hauptleitung in Strömungsrichtung des Fluids beim Befüllen gesehen hinter dem Magnetventil bestimmt.
Dabei kann aus dem von dem hochdruckseitigen Drucksensor gemessenen Druck in dem hochdruckseitigen Leitungssystem bezüglich des Schutzes des Innenbehälters des Hochdruckbehälters auf den Innendruck p_i,H in dem Hochdruckbehälter geschlossen werden. Selbst wenn die Schnittstelle beziehungsweise das in ihr enthaltene Ventil zum Hochdruckbehälter geschlossen sein sollte, kann der Innendruck p_i,H in dem Hochdruckbehälter nicht niedriger als der von dem hochdruckseitigen Drucksensor gemessenen Druck in dem hochdruckseitigen Leitungssystem sein, da andernfalls über den Befüllbypass mit dem in ihm enthaltenen Rückschlagventil ein Druckausgleich stattfinden würde.
Nach einem weiteren Aspekt löst die Aufgabe der Erfindung ein Verfahren zum Fluidaustausch in dem erfindungsgemäßen Füllsystem mit den folgenden Schritten auf:
Zunächst wird ein Zähler in dem Steuergerät auf 0 gesetzt und in einem nächsten Schritt um 1 erhöht.
Anschließend wird sichergestellt, dass das befüllseitige Magnetventil, das abführseitige Ventil und die Schnittstelle zum Hochdruckbehälter geschlossen sind. Dazu kann das Steuergerät die Ventilstellung abfragen. Sollte eines oder mehrere dieser Ventile offen sein, werden diese Ventile geschlossen.
Anschließend wird sichergestellt, dass eine Fluidquelle, die ein zweites Fluid enthält, an der Schnittstelle zur Fluideinspeisung angeschlossen ist und die Schnittstelle zur Fluideinspeisung geöffnet ist. Die Schnittstelle zur Fluideinspeisung kann beispielsweise ein Anschlussstück mit einem Ventil aufweisen, wobei der Innendruck in dem Anschlussstück in Strömungsrichtung bei der Befüllung gesehen vor dem Ventil durch das Steuergerät abfragbar sein kann. Weiterhin kann vorgesehen sein, dass die Ventilstellung in dem Anschlussstück beispielsweise durch das Steuergerät abfragbar oder auf einer Anzeige beispielsweise optisch angezeigt wird und änderbar ist. Sollte das Ventil in dem Anschlussstück geschlossen sein, wird es beispielsweiseüber das Steuergerät oder manuell geöffnet.
Anschließend wird sichergestellt, dass die Ablassöffnung geöffnet ist. Die Ablassöffnung kann beispielsweise ein Ventil aufweisen, wobei die Ventilstellung durch das Steuergerät abfragbar und änderbar ist. Sollte das Ventil geschlossen sein, wird es über das Steuergerät geöffnet. Der Vorgang kann analog wie im vorherigen Schritt ausgeführt werden.
Nun wird das abführseitige Ventil beispielsweise über das Steuergerät geöffnet.
Der Druck in dem Füllsystem wird kontinuierlich ermittelt und beispielsweise in dem Steuergerät mit einem vorbestimmten Mindestdruck verglichen, wobei das abführseitige Ventil beispielsweise über das Steuergerät geschlossen wird, wenn der ermittelte Druck in dem Füllsystem kleiner oder gleich dem vorbestimmte Mindestdruck ist.
Nachdem das abführseitige Ventil geschlossen wurde, wird das befüllseitige Magnetventil beispielsweise über das Steuergerät geöffnet und der kontinuierliche ermittelten Druck in dem Füllsystem beispielsweise in dem Steuergerät mit einem vorbestimmten Referenzdruck verglichen, wobei das befüllseitige Magnetventil beispielsweise über das Steuergerät geschlossen wird, wenn der kontinuierliche ermittelte Druck in dem Füllsystem gleich oder größer dem vorbestimmten Referenzdruck ist.
Nun wird der Zählerinhalt mit einer vordefinierten Zykluszahl beispielsweise in dem Steuergerät verglichen und die Schritte des Erhöhens des Zählerinhalts um 1 bis zum Schließen des befüllseitigen Magnetventils wiederholt, wenn der Zählerinhalt kleiner der vordefinierten Zykluszahl ist.
Somit ist über dieses Verfahren sichergestellt, dass mit geringem Personalaufwand und kostengünstig ein einfacher Gasaustausch in dem Füllsystem beispielsweise für Wartungs- und/oder Reparaturzwecke erfolgen kann. Da eine einfache Gasflasche mit dem zweiten Fluid direkt an der Schnittstelle zur Fluideinspeisung angeschlossen werden kann, ist eine sichere Inertisierung des Füllsystems an verschiedensten Orten ohne speziell geschultes Personal erfolgen möglich.
Nach einem weiteren Aspekt löst die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe ein Verfahren zum Fluidaustausch in dem erfindungsgemäßen Füllsystem und einem an das erfindungsgemäße Füllsystem über die Schnittstelle zum Hochdruckbehälter angeschlossenen Hochdruckbehälter mit den folgenden Schritten:
Zunächst wird ein Zähler in dem Steuergerät auf 0 gesetzt und in einem nächsten Schritt um 1 erhöht.
Anschließend wird sichergestellt, dass das befüllseitige Magnetventil, das abführseitige Ventil und die Schnittstelle zum Hochdruckbehälter geschlossen sind. Dazu kann das Steuergerät die Ventilstellung abfragen. Sollte eines oder mehrere dieser Ventile offen sein, werden diese Ventile geschlossen.
Anschließend wird sichergestellt, dass eine Fluidquelle, die ein zweites Fluid enthält, an der Schnittstelle zur Fluideinspeisung angeschlossen ist und die Schnittstelle zur Fluideinspeisung geöffnet ist. Die Schnittstelle zur Fluideinspeisung kann beispielsweise ein Anschlussstück mit einem Ventil aufweisen, wobei der Innendruck in dem Anschlussstück in Strömungsrichtung bei der Befüllung gesehen vor dem Ventil durch das Steuergerät abfragbar ist. Weiterhin kann vorgesehen sein, dass die Ventilstellung in dem Anschlussstück durch das Steuergerät abfragbar und änderbar ist. Sollte das Ventil in dem Anschlussstück geschlossen sein, wird es beispielsweise über das Steuergerät geöffnet.
Anschließend wird sichergestellt, dass die Ablassöffnung geöffnet ist. Die Ablassöffnung kann beispielsweise ein Ventil aufweisen, wobei die Ventilstellung durch das Steuergerät abfragbar und änderbar ist. Sollte das Ventil geschlossen sein, wird es über das Steuergerät geöffnet.
Nun wird das abführseitige Ventil beispielsweise über das Steuergerät geöffnet.
Nun wird die Schnittstelle zum Hochdruckbehälter geöffnet. Die Schnittstelle zum Hochdruckbehälter kann beispielsweise ein Anschlussstück mit einem Ventil aufweisen, wobei die Ventilstellung in dem Anschlussstück durch das Steuergerät abfragbar und änderbar ist.
Der Druck in dem Füllsystem wird kontinuierlich ermittelt und beispielsweise in dem Steuergerät mit einem vorbestimmten Mindestdruck verglichen, wobei das abführseitige Ventil beispielsweise über das Steuergerät geschlossen wird, wenn der ermittelte Druck in dem Füllsystem kleiner oder gleich dem vorbestimmte Mindestdruck ist.
Nachdem das abführseitige Ventil geschlossen wurde, wird das befüllseitige Magnetventil beispielsweise über das Steuergerät geöffnet und der kontinuierliche ermittelten Druck in dem Füllsystem beispielsweise in dem Steuergerät mit einem vorbestimmten Referenzdruck verglichen, wobei das befüllseitige Magnetventil beispielsweise über das Steuergerät geschlossen wird, wenn der kontinuierliche ermittelte Druck in dem Füllsystem gleich oder größer dem vorbestimmten Referenzdruck ist.
Nun wird der Zählerinhalt mit einer vordefinierten Zykluszahl beispielsweise in dem Steuergerät verglichen und die Schritte des Erhöhens des Zählerinhalts um 1 bis zum Schließen des befüllseitigen Magnetventils wiederholt, wenn der Zählerinhalt kleiner der vordefinierten Zykluszahl ist.
Das Verfahren zum Fluidaustausch in dem erfindungsgemäßen Füllsystem unterscheidet sich also von dem Verfahren zum Fluidaustausch in dem erfindungsgemäßen Füllsystem und in einem an das erfindungsgemäße Füllsystem angeschlossenen Hochdruckbehälter dadurch, dass nach dem Öffnen des abführseitigen Ventils gemäß Schritt f. und vor dem kontinuierlichen Ermitteln des Drucks in dem Füllsystem und Vergleichen des ermittelten Drucks mit einem vorbestimmten Mindestdruck, wobei das abführseitige Ventil geschlossen wird, wenn der ermittelte Druck in dem Füllsystem kleiner oder gleich dem vorbestimmte Mindestdruck ist gemäß Schritt g. die Schnittstelle zum Hochdruckbehälter geöffnet wird.
Somit ist über dieses Verfahren sichergestellt, dass mit geringem Personalaufwand und kostengünstig ein einfacher Gasaustausch in dem Füllsystem und dem Hochdruckbehälter beispielsweise für Wartungs- und/oder Reparaturzwecke oder wenn ein zweiter Druckbehälter mit einem zweiten Fluid befüllt werden soll, nachdem vorher ein erstes Fluid in einen ersten Druckbehälter gefüllt worden ist, wobei erstes und zweites Fluid nicht vermischt werden sollen, erfolgen kann. Da eine einfache Gasflasche mit dem zweiten Fluid direkt an der Schnittstelle zur Fluideinspeisung angeschlossen werden kann, ist eine sichere Inertisierung des Füllsystems und des zweiten Druckbehälters an verschiedensten Orten ohne speziell geschultes Personal erfolgen möglich.
Nach einem weiteren Aspekt löst die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe ein Verfahren zur Restdruckabsicherung bei der Entnahme eines Fluids aus dem Hochdruckbehälter mit dem erfindungsgemäßen Füllsystem mit den Schritten:

Kontinuierliches Bestimmen des Innendrucks p_i,H in der Hauptleitung in Fließrichtung x gesehen hinter dem befüllseitigen Magnetventil und
Abfragen, ob der Innendruck p_i,H kleiner dem vorgegebenen zweiten Schwellwert p_Schwell,2 ist, wobei diese Abfrage so oft wiederholt wird, bis diese Bedingung erfüllt ist und im Falle, dass der Innendruck p_i,H kleiner dem vorgegebenen zweiten Schwellwert p_Schwell,2 ist, Schließen des abführseitigen Ventils.

Die Entnahme des Fluids aus dem Hochdruckbehälter erfolgt über das abführseitige Ventil. Dabei kann es vorkommen, dass die Entnahme so lange fortgeführt wird, dass ein vorgegebener zweiter Schwellwert p_schwell,2 unterschritten wird, so dass die Gefahr gegeben ist, dass sich der Liner zumindest lokal von der Verstärkungsschicht löst und damit wie anfangs beschrieben bei der Wiederbefüllung Schaden nimmt.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird die Entnahme des Fluids gestoppt, bevor der Innendruck p_i,H in dem Hochdruckbehälter unter den zweiten Schwellwert p_Schwell,2 abfällt, so dass das geschilderte Risiko vermieden wird.
Weitere Vorteile, Besonderheiten und zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Darstellung bevorzugter Ausführungsbeispiele anhand der Abbildungen.
Es zeigen

Fig.1:: eine Prinzipskizze des erfindungsgemäßen Füllsystems;
Fig.2:: eine Prinzipskizze des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Limitierung einer Füllrate eines Hochdruckbehälters für die Speicherung eines Gases;
Fig.3:: eine Prinzipskizze des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Fluidaustausch in dem erfindungsgemäßen Füllsystem;
Fig.4:: eine Prinzipskizze des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Fluidaustausch in dem erfindungsgemäßen Füllsystem und in einem an das erfindungsgemäße Füllsystem angeschlossenen Hochdruckbehälters;
Fig. 5:: eine Prinzipskizze des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Restdruckabsicherung bei der Entnahme eines Fluids aus dem Hochdruckbehälter mit dem erfindungsgemäßen Füllsystem.

Fig. 1 zeigt eine Prinzipskizze des erfindungsgemäßen Füllsystems 100. Das Füllsystem 100 weist eine Schnittstelle zur Fluideinspeisung 3 auf, über die eine Fluidquelle 18 anschließbar ist. Die Fluidquelle 18 kann dabei im einfachsten Fall aus einem Fluidspeicher, beispielsweise einer Gasflasche bestehen. Als Fluidquelle 18 kann aber auch eine Pipeline, in der Fluid transportiert wird, dienen. Die Schnittstelle 3 ist beispielsweise mit einem Ventil reversibel verschließbar. Ist eine Fluidquelle 18 angeschlossen und die Schnittstelle zur Fluideinspeisung 3 geöffnet, kann Fluid, beispielsweise ein Gas wie beispielsweise Wasserstoff, in der mit dem Pfeil angedeuteten Fließrichtung x durch das Füllsystem 100 fließen.
In Fließrichtung x gesehen in der Schnittstelle zur Fluideinspeisung 3 kann das Fluid zunächst durch eine Hauptleitung 2 fließen. Die Hauptleitung 2 ist mit einem befüllseitigen Magnetventil 1 verschließbar. In Fließrichtung x gesehen vor dem befüllseitigen Magnetventil 1 zweigt ein Hauptleitungsbypass 5 von der Hauptleitung 2 ab. In dem Hauptleitungsbypass 5 ist eine Fülldruckreduktionsvorrichtung 6 angeordnet. Die Fülldruckreduktionsvorrichtung 6 ist hier als mechanische Fülldruckreduktionsvorrichtung 6 in Form einer Blende ausgeführt und kann die den Volumenstrom des sie durchströmenden Fluids reduzieren, was zu einer Füllratenreduktion und damit zu einer Reduktion des Aufbaus eines Fülldrucks in einem über eine Schnittstelle zum Hochdruckbehälter 17 angeschlossenen Hochdruckbehälter 4 führt. Durch die Verwendung einer mechanische Fülldruckreduktionsvorrichtung ist das System einfach und damit zuverlässig und wartungsarm aufgebaut. Darüber hinaus ist die Gefahr einer Funkenbildung durch elektrische Kontakte o.ä. minimiert, was gerade bei der Arbeit mit entzündlichen, insbesondere leicht entzündlichen Gasen wie Wasserstoff, vorteilhaft ist. In Fließrichtung x gesehen hinter der Fülldruckreduktionsvorrichtung 6 ein Hauptleitungsbypassventil 13 angeordnet, mit dem der Hauptleitungsbypass verschließbar ist. Weiterhin ist in dem Hauptleitungsbypass 5 in Fließrichtung x gesehen hinter dem Hauptleitungsbypassventil 13 ein Rückschlagventil 20 angeordnet. Auch in der Hauptleitung 2 ist in Fließrichtung x gesehen hinter dem befüllseitigen Magnetventil 1 ein Rückschlagventil 19 angeordnet. Auf das Hauptleitungsbypassventil 13 kann zur Vereinfachung des Füllsystems auch verzichtet werden. Auch auf das Rückschlagventil 20 im Hauptleitungsbypass 5 kann verzichtet werden, sofern eine eventuell auftretende geringe Leckageströmung akzeptabel ist.
In Fließrichtung x gesehen hinter dem in der Hauptleitung 2 angeordneten Rückschlagventil 19 und hinter der Stelle, an der der Hauptleitungsbypass 5 wieder in die Hauptleitung 2 mündet befindet sich ein Abzweig, der über einen Druckminderer 14 und ein abführseitiges Ventil 7 zu einer Ablassöffnung 9 führt. Die Ablassöffnung 9 ist beispielsweise über ein weiteres Ventil reversibel verschließbar. In diesem Abzweig ist in der gezeigten Ausführungsform in Fließrichtung x gesehen hinter dem abführseitigen Ventil 7 ein Verbraucher 8 angeordnet.
Die Befüllung des Hochdruckbehälters 4 kann über einen Hauptleitungsbypass 21 erfolgen. Dieser Hauptleitungsbypass 21 zweigt in der Schnittstelle zum Hochdruckbehälter 17 ab und gewährleistet die Möglichkeit, den Hochdruckbehälter 4 mit einem höheren Volumenstrom zu befüllen als den, den das Magnetventil in der Schnittstelle 17 zulässt. Über diesen Hauptleitungsbypass 21 ist nur ein Befüllen des Hochdruckbehälters 4 möglich, da in dem Hauptleitungsbypass 21 ein weiteres Rückschlagventil 22 angeordnet ist, dass ein Zurückströmen von Fluid aus dem Hochdruckbehälter 4 verhindert. Eine Entnahme von Fluid aus dem Hochdruckbehälter 4 ist nur über die Schnittstelle 17 möglich. Die Entnahme erfolgt aber üblicherweise mit einem geringeren Volumenstrom als er zur schnellen Befüllung erwünscht ist.
Das Füllsystem 100 kann beispielsweise in einem Fahrzeug, beispielsweise einem mit Wasserstoff antreibbaren Fahrzeug, angeordnet sein. Bei dem Fahrzeug kann es sich um ein Straßenfahrzeug, Schienenfahrzeug, Wasserfahrzeug oder auch eine Arbeitsmaschine wie beispielsweise eine Baumaschine handeln. Der Verbraucher 8 ist in diesem Fall der Antriebsmotor des Fahrzeugs, das seine Antriebsenergie beispielsweise aus in dem Hochdruckbehälter 4 gespeicherten Wasserstoff bezieht. Das Füllsystem 100 dient in diesem Fall nicht nur der Befüllung des Hochdruckbehälters 4 im Sinne einer Betankung, sondern auch der Entnahme des Wasserstoffs aus dem Hochdruckbehälter 4 und Zuleitung des Brennstoffs zur Antriebsmaschine. Dabei kann der Wasserstoff in der Antriebsmaschine unmittelbar verbrannt werden. In anderen Ausführungsformen ist die Antriebsmaschine eine elektrische Maschine, wobei der Antriebsstrom mittels einer Brennstoffzelle gewonnen wird, die aus dem Wasserstoff elektrischen Strom produziert.
In dem gezeigten Ausführungsbeispiel sind das befüllseitige Magnetventil 1, das abführseitige Ventil 7, das Hauptleitungsbypassventil 13 und das Ventil in der Schnittstelle zum Hochdruckbehälter 17 als vorgesteuerte Magnetventile, die in spannungslosem Zustand geschlossen sind, ausgeführt. Alle Ventile werden in dem gezeigten Ausführungsbeispiel von einem Steuergerät 11 gesteuert, wie über die gestrichelten Leitungen in der Figur angedeutet. Das Füllsystem 100 weist einen hochdruckseitigen Drucksensor 15 angeordnet in Fließrichtung x gesehen vor dem Druckminderer 14 auf. Zusätzlich weist das in der Figur gezeigte Füllsystem als zusätzliche Druckbestimmungsvorrichtung eine Innendruckbestimmungsvorrichtung 10 zur Druckmessung direkt im Hochdruckbehälter 4 und einen niederdruckseitigen Drucksensor 16, angeordnet in Fließrichtung x gesehen hinter dem Druckminderer 14, auf, wobei diese Druckbestimmungsvorrichtungen mit dem Steuergerät kommunizieren können, wie über die gestrichelten Leitungen in der Figur angedeutet ist.
Mit dem erfindungsgemäßen Füllsystem 100 kann in Abhängigkeit eines in dem Hochdruckbehälter 4 herrschenden Innendrucks die Hauptleitung 2 abgesperrt werden, wenn der in dem Hochdruckbehälter 4 herrschende Innendruck unterhalb eines zweiten Schwellwertes p_Schwell,2 liegt. In diesem Fall schließt das befüllseitige Magnetventil 1 die Hauptleitung 2, so dass die Füllung nur noch über den Hauptleitungsbypass 5 und somit über die Fülldruckreduktionsvorrichtung zur Reduktion der Füllrate 6 mit reduzierter Füllrate erfolgen kann. Die reduzierte Füllrate ist dabei derart vorgebbar, dass eine Schädigung des Liners durch die Befüllung verhinderbar ist. Sofern der bestimmte Innendruck mindestens einem vorgegebenen ersten Schwellwert p_Schwell,1 entspricht, öffnet das befüllseitige Magnetventil 1 und das Fluid nimmt zur Befüllung den Weg des geringsten Widerstands, d.h. durch die Hauptleitung 2. Die Befüllung erfolgt ab diesem Punkt mit der vollen zur Verfügung stehenden Füllrate, wodurch die Befüllung deutlich schneller erfolgen kann.
Die Innenddruckbestimmungsvorrichtung 10 zur Druckmessung im Hochdruckbehälter 4 ist optional.
Das befüllseitige Magnetventil 1 ist geschlossen, wenn der von dem hochdruckseitigen Drucksensor 15 gemessene Druck unter dem zweiten Schwellwert p_Schwell,2 liegt. Genauso ist das befüllseitige Magnetventil 1 geschlossen, wenn der von der Innenddruckbestimmungsvorrichtung 10 zur Druckmessung im Hochdruckbehälter 4 gemessene Innendruck unter dem zweiten Schwellwert p_Schwell,2 liegt. Dabei ist das befüllseitige Magnetventil 1 vorzugsweise geschlossen, selbst wenn der von der Innenddruckbestimmungsvorrichtung 10 zur Druckmessung im Hochdruckbehälter 4 gemessene Innendruck über dem ersten Schwellwert p_Schwell,1 liegt, aber der von dem hochdruckseitigen Drucksensor 15 gemessene Druck unter dem zweiten Schwellwert p_Schwell,2 liegt.
Das befüllseitige Magnetventil 1 ist hingegen geöffnet, wen der von dem hochdruckseitigen Drucksensor 15 gemessene Druck über dem ersten Schwellwert p_Schwell,1 liegt.
Darüber hinaus kann mit dem erfindungsgemäßen Füllsystem 100 ein erstes Fluid innerhalb des Füllsystems 100 und des Hochdruckbehälters 4 oder nur innerhalb des Füllsystems 100 mit einem zweiten Fluid ausgetauscht werden. Detaillierte Verfahrensbeschreibungen finden sich in den Beschreibungen der folgenden Figuren.
Fig. 2 zeigt eine Prinzipskizze des erfindungsgemäßen Verfahrens 200 zur Limitierung einer Füllrate eines Hochdruckbehälters 4 für die Speicherung eines Gases mit einem Innenbehälter und einer den Innenbehälter umschließenden Verstärkungsschicht, in Abhängigkeit eines in dem Hochdruckbehälter (4) herrschenden Innendrucks p_i,H mittels des erfindungsgemäßen Füllsystems. Dabei kann aus einem mit einem hochdruckseitigen Drucksensor 15 in der Hauptleitung 2 in Fließrichtung x des Fluids gesehen hinter dem befüllseitigen Magnetventil 1 gemessenen Druck auf den Innendruck p_i,H im Hochdruckbehälter 4 geschlossen werden. Zusätzlich oder alternativ kann der Innendruck p_i,H im Hochdruckbehälter 4 mit einer Innendruckbestimmungsvorrichtung 10 zur Druckmessung im Hochdruckbehälter 4 auch direkt gemessen werden. Im ersten Schritt 210 wird der Innendruck p_i,H in der Hauptleitung 2 in Fließrichtung x gesehen hinter dem befüllseitigen Magnetventil 1 beziehungsweise im Hochdruckbehälter 4 kontinuierlich bestimmt. Anschließend wird im nächsten Schritt 220 abgefragt, ob der Innendruck p_i,H in der Hauptleitung 2 in Fließrichtung x gesehen hinter dem befüllseitigen Magnetventil 1 beziehungsweise im Hochdruckbehälter 4 größer oder gleich einem vorgegebenen ersten Schwellwert p_Schwell,1 ist. Ist dies nicht der Fall, wird zu Schritt 240 versprungen und das befüllseitige Magnetventil 1 geöffnet. Wird die Abfrage in Schritt 220 aber mit ja beantwortet, wird als nächstes in Schritt 230 das befüllseitige Magnetventil geschlossen beziehungsweise. geschlossen gelassen und anschließend in Schritt 225 abgefragt, ob der Innendruck p_i,H in der Hauptleitung 2 in Fließrichtung x gesehen hinter dem befüllseitigen Magnetventil 1 beziehungsweise im Hochdruckbehälter 4 kleiner einem vorgegebenen zweiten Schwellwert p_Schwell,2 ist. Ist dies der Fall, wird nun zu Schritt 230 gesprungen und das befüllseitige Magnetventil 1 geschlossen. Ist der Innendruck p_i,H in der Hauptleitung 2 in Fließrichtung x gesehen hinter dem befüllseitigen Magnetventil 1 beziehungsweise im Hochdruckbehälter 4 aber größer oder gleich dem vorgegebenen zweiten Schwellwert p_Schwell,2, also die Abfrage in Schritt 225 mit nein beantwortet, wird Schritt 225, also die Abfrage, ob der Innendruck p_i,H in der Hauptleitung 2 in Fließrichtung x gesehen hinter dem befüllseitigen Magnetventil 1 beziehungsweise im Hochdruckbehälter 4 kleiner einem vorgegebenen zweiten Schwellwert p_Schwell,2 ist, so oft wiederholt, bis das Ergebnis der Abfrage 225 ja heißt.
Wenn der in dem Hochdruckbehälter 4 herrschende Innendruck p_i,H unterhalb des zweiten Schwellwertes liegt, wird also die Hauptleitung 2 über das befüllseitige Magnetventil 1 abgesperrt und die Füllung erfolgt über den Hauptleitungsbypass 5. Da sich in dem Hauptleitungsbypass 5 eine Fülldruckreduktionsvorrichtung 6 zur Reduktion der Füllrate befindet, erfolgt die Befüllung mit einer durch die Fülldruckreduktionsvorrichtung 6 vorgegebenem reduzierten Füllrate, wobei die reduzierte Füllrate derart vorgebbar ist, dass eine Schädigung des Liners durch die Befüllung verhinderbar ist. Sofern der bestimmte Innendruck p_i,H mindestens dem vorgegebenen ersten Schwellwert entspricht, öffnet das befüllseitige Magnetventil 1 und das Fluid nimmt zur Befüllung den Weg des geringsten Widerstands, d.h. durch die Hauptleitung 2. Zusätzlich kann das Hauptleitungsbypassventil 13 geschlossen werden, so dass kein Fluid mehr durch den Hauptleitungsbypass fließen kann. Das Hauptleitungsbypassventil 13 kann aber auch eingespart werden, da das Fluid automatisch den Weg des geringsten Widerstands nehmen wird, d.h. bei geöffnetem befüllseitigen Magnetventil 1 durch die Hauptleitung 2 strömen wird. Sollte dennoch ein Teil des Fluids durch den Hauptleitungsbypass 5 strömen, ist dies nicht weiter schädlich. Die Befüllung erfolgt ab dem Moment, in dem das befüllseitige Magnetventil 1 geöffnet ist, in jedem Fall mit der vollen zur Verfügung stehenden Füllrate, wodurch die Befüllung deutlich schneller erfolgen kann. Die Abfrage des Innendrucks p_i,H, der Vergleich des Innendrucks p_i,H mit den Schwellwerten und die Steuerung des befüllseitigen Magnetventils 1 erfolgt dabei über das Steuergerät 11.
Dabei kann aus dem von dem hochdruckseitigen Drucksensor 15 gemessenen Druck in dem hochdruckseitigen Leitungssystem bezüglich des Schutzes des Innenbehälters des Hochdruckbehälters 4 auf den Innendruck p_i,H in dem Hochdruckbehälter 4 geschlossen werden. Selbst wenn die Schnittstelle 17 beziehungsweise das in ihr enthaltene Ventil zum Hochdruckbehälter 4 geschlossen sein sollte, kann der Innendruck p_i,H in dem Hochdruckbehälter 4 nicht niedriger als der von dem hochdruckseitigen Drucksensor 15 gemessenen Druck in dem hochdruckseitigen Leitungssystem sein, da andernfalls über den Befüllbypass 21 mit dem in ihm enthaltenen Rückschlagventil 22 ein Druckausgleich stattfinden würde.
Fig. 3 zeigt eine Prinzipskizze des erfindungsgemäßen Verfahrens 300 zum Fluidaustausch in dem erfindungsgemäßen Füllsystem 100. In einem ersten Schritt 310 wird ein Zähler in dem Steuergerät 11 auf den Wert 0 gesetzt, um anschließend in Schritt 311 um 1 erhöht zu werden. Im nächsten Schritt 315 erfolgt die Abfrage, ob das befüllseitige Magnetventil 1, das abführseitige Ventil 7 und die Schnittstelle zum Hochdruckbehälter 17 geschlossen sind. Ist mindestens eines dieser Ventile offen, d.h. die Abfrage 315 mit nein beantwortet, wird zu Schritt 316 gesprungen, in dem die Ventile 1 und 7 sowie die Schnittstelle zum Hochdruckbehälter 17 geschlossen werden. Von hier wird wieder zur bereits beschriebenen Abfrage 315 gesprungen, die nun mit ja beantwortet wird. Im nächsten Schritt 320 wird abgefragt, ob eine Fluidquelle 18 mit einem zweiten Fluid an der Schnittstelle 3 zur Fluideinspeisung angeschlossen ist. Die Fluidquelle kann aus einem Speicherbehälter, beispielsweise einer Gasflasche bestehen. Auch ein Anschluss an eine Pipeline für das zweite Fluid ist als Fluidquelle 18 denkbar. Ist keine Fluidquelle mit dem zweiten Fluid angeschlossen, wird in Schritt 321 eine solche Fluidquelle an die Schnittstelle 3 zur Fluideinspeisung angeschlossen und anschließend wieder zur vorbeschriebenen Abfrage 320 gesprungen, die nun mit ja beantwortet wird. Anschließend wird in Schritt 322 abgefragt, ob die Schnittstelle 3 zur Fluideinspeisung geöffnet ist und sie im Falle, dass sie nicht geöffnet ist, in Schritt 323 geöffnet. Anschließend wird wieder zur vorbeschriebenen Abfrage 322 gesprungen, die nun mit ja beantwortet wird. Anschließend wird in Schritt 330 abgefragt, ob die Ablassöffnung 9 geöffnet ist und sie im Falle, dass sie nicht geöffnet ist, in Schritt 331 geöffnet. Anschließend wird wieder zur vorbeschriebenen Abfrage 330 gesprungen, die nun mit ja beantwortet wird. Anschließend wird in Schritt 340 das abführseitige Ventil 7 geöffnet und im nächsten Schritt 350 der Druck im Füllsystem 100 kontinuierlich über den hochdruckseitiger Drucksensor 15 und/oder den niederdruckseitiger Drucksensor 16 und das Steuergerät ermittelt. Unter kontinuierlicher Ermittlung soll auch hier nicht nur nicht nur eine ständige Bestimmung des Innendrucks, sondern auch eine in regelmäßigen Abständen erfolgende Bestimmung des Innendrucks verstanden werden. Anschließend wird in Schritt 360 abgefragt, ob der ermittelte Druck kleiner oder gleich einem vorbestimmten Mindestdruck ist. Wird diese Abfrage mit nein beantwortet, wird weiter kontinuierlich der im Füllsystem 100 bestimmt und die Abfrage 360 so lange wiederholt, bis die Bedingung erfüllt ist. Dadurch, dass das abführseitige Ventil 7 geöffnet ist, entweicht Fluid aus dem Füllsystem 100, so dass der Druck in dem Füllsystem 100 sinkt. Solange der ermittelte Druck größer dem vorbestimmten Mindestdruck ist, die Abfrage 360 also mit nein beantwortet wird, wird zum Schritt 350, der kontinuierlichen Bestimmung des Drucks in dem Füllsystem 100 zurückgesprungen. Ist der ermittelte Druck kleiner oder gleich dem vorbestimmten Mindestdruck, wird die Abfrage 360 mit ja beantwortet und zu Schritt 361 vorgerückt, in dem das abführseitige Ventil 7 geschlossen wird. Anschließend wird in Schritt 362 das befüllseitige Magnetventil 1 geöffnet, so dass das zweites Fluid in das Füllsystem 100 strömen kann. In dem folgenden Abfrageschritt 370 wird nun abgefragt, ob der kontinuierlich ermittelte Druck im Füllsystem 100 gleich oder größer einem vorbestimmten Referenzdruck ist, wobei die Abfrage so lange wiederholt wird, bis die Abfrage 370 mit ja beantwortet wird, der ermittelte Druck im Füllsystem 100 also gleich oder größer dem vorbestimmten Referenzdruck ist. Ist diese Bedingung erfüllt, wird im folgenden Schritt 371 das befüllseitige Ventil 1 geschlossen und in der Abfrage 380 überprüft, ob der Zählerinhalt kleiner vordefinierten Zykluszahl ist. Ist dies der Fall, wird zurück zur Erhöhung der Zählerzahl um 1 des Schritts 311 gesprungen und der vorbeschriebene Ablauf erneut durchlaufen. Ist das Ergebnis der Abfrage 380 aber nein, d.h. der Zählerinhalt gleich der vordefinierten Zykluszahl, so ist das Verfahren des Fluidaustauschs im Füllsystem 100 mit Schritt 390 abgeschlossen.
Es können nun also Wartungs- und/oder Reparaturarbeiten an dem Füllsystem 100 gefahrlos durchgeführt werden, auch wenn das Füllsystem 100 vorher mit einem reaktionsfreudigen Fluid, beispielsweise Wasserstoff, gefüllt gewesen sein sollte. Ebenfalls kann das Verfahren verwendet werden, um ein mit inertem Gas gefülltes System nach durchgeführten Arbeiten wieder mit einem brennbaren Prozessgas zu befüllen, um beispielsweise sicher zu stellen, dass eine geforderte Wasserstoffkonzentration vorliegt.
Das Verfahren kann vollautomatisch beispielsweise von dem Steuergerät 11 gesteuert durchgeführt werden. Eine sichere Inertisierung des Füllsystems 100 kann damit an verschiedensten Orten ohne speziell geschultes Personal erfolgen.
Fig. 4 zeigt eine Prinzipskizze des erfindungsgemäßen Verfahrens 400 zum Fluidaustausch in dem erfindungsgemäßen Füllsystem 100 und in einem an das erfindungsgemäße Füllsystem 100 angeschlossenen Hochdruckbehälters 4. Analog zu dem zuvor beschriebenen Verfahren wird in einem ersten Schritt 410 ein Zähler in dem Steuergerät 11 auf den Wert 0 gesetzt, um anschließend in Schritt 411 um 1 erhöht zu werden. Im nächsten Schritt 415 erfolgt die Abfrage, ob das befüllseitige Magnetventil 1, das abführseitige Ventil 7 und die Schnittstelle zum Hochdruckbehälter 17 geschlossen sind. Ist mindestens eines dieser Ventile offen, d.h. die Abfrage 415 mit nein beantwortet, wird zu Schritt 416 gesprungen, in dem die Ventile 1 und 7 sowie die Schnittstelle zum Hochdruckbehälter 17 geschlossen werden. Von hier wird wieder zur bereits beschriebenen Abfrage 415 gesprungen, die nun mit ja beantwortet wird. Im nächsten Schritt 420 wird abgefragt, ob eine Fluidquelle 18 mit einem zweiten Fluid an der Schnittstelle 3 zur Fluideinspeisung angeschlossen ist. Die Fluidquelle kann aus einem Speicherbehälter, beispielsweise einer Gasflasche bestehen. Auch ein Anschluss an eine Pipeline für das zweite Fluid ist als Fluidquelle 18 denkbar. Ist keine Fluidquelle mit dem zweiten Fluid angeschlossen, wird in Schritt 421 eine solche Fluidquelle an die Schnittstelle 3 zur Fluideinspeisung angeschlossen und anschließend wieder zur vorbeschriebenen Abfrage 420 gesprungen, die nun mit ja beantwortet wird. Anschließend wird in Schritt 422 abgefragt, ob die Schnittstelle 3 zur Fluideinspeisung geöffnet ist und sie im Falle, dass sie nicht geöffnet ist, in Schritt 423 geöffnet. Anschließend wird wieder zur vorbeschriebenen Abfrage 422 gesprungen, die nun mit ja beantwortet wird. Anschließend wird in Schritt 430 abgefragt, ob die Ablassöffnung 9 geöffnet ist und sie im Falle, dass sie nicht geöffnet ist, in Schritt 431 geöffnet. Anschließend wird wieder zur vorbeschriebenen Abfrage 430 gesprungen, die nun mit ja beantwortet wird. Anschließend wird in Schritt 440 das abführseitige Ventil 7 geöffnet und im nächsten Schritt 450 die Schnittstelle 17 zum Hochdruckbehälter 4 geöffnet. Im folgenden Schritt 460 wird der Druck im Füllsystem 100 kontinuierlich über den hochdruckseitiger Drucksensor 15 und/oder den niederdruckseitiger Drucksensor 16 und das Steuergerät 11 ermittelt. Unter kontinuierlicher Ermittlung soll auch hier nicht nur nicht nur eine ständige Bestimmung des Innendrucks, sondern auch eine in regelmäßigen Abständen erfolgende Bestimmung des Innendrucks verstanden werden. Anschließend wird in Schritt 470 abgefragt, ob der ermittelte Druck kleiner oder gleich einem vorbestimmten Mindestdruck ist. Wird diese Abfrage mit nein beantwortet, wird der Druck im Füllsystem 100 weiter kontinuierlich in Schritt 450 ermittelt und die Abfrage 470 so lange wiederholt, bis die Bedingung erfüllt ist. Dadurch, dass das abführseitige Ventil 7 geöffnet ist, entweicht Fluid aus dem Füllsystem 100, so dass der Druck in dem Füllsystem 100 sinkt. Solange der ermittelte Druck größer dem vorbestimmten Mindestdruck ist, die Abfrage 470 also mit nein beantwortet wird, wird zum Schritt 460, der kontinuierlichen Bestimmung des Drucks in dem Füllsystem 100, zurückgesprungen. Ist der ermittelte Druck kleiner oder gleich dem vorbestimmten Mindestdruck, wird die Abfrage 470 mit ja beantwortet und zu Schritt 471 vorgerückt, in dem das abführseitige Ventil 7 geschlossen wird. Anschließend wird in Schritt 472 das befüllseitige Magnetventil 1 geöffnet, so dass zweites Fluid in das Füllsystem 100 strömen kann. In dem folgenden Abfrageschritt 480 wird nun abgefragt, ob der kontinuierlich ermittelte Druck im Füllsystem 100 gleich oder größer einem vorbestimmten Referenzdruck ist, wobei die Abfrage so lange wiederholt wird, bis die Abfrage 480 mit ja beantwortet wird, der ermittelte Druck im Füllsystem 100 also gleich oder größer dem vorbestimmten Referenzdruck ist. Ist diese Bedingung erfüllt, wird im folgenden Schritt 481 das befüllseitige Ventil 1 geschlossen und in der Abfrage 490 überprüft, ob der Zählerinhalt kleiner einer vordefinierten Zykluszahl ist. Ist dies der Fall, wird zurück zur Erhöhung der Zählerzahl um 1 des Schritts 411 gesprungen und der vorbeschriebene Ablauf erneut durchlaufen. Ist das Ergebnis der Abfrage 490 aber nein, d.h. der Zählerinhalt gleich der vordefinierten Zykluszahl, so ist das Verfahren 400 des Fluidaustauschs im Füllsystem 100 und Hochdruckbehälter 4 mit Schritt 500 abgeschlossen.
Es können nun also Wartungs- und/oder Reparaturarbeiten an dem Füllsystem 100 und dem Hochdruckbehälter 4 gefahrlos durchgeführt werden, auch wenn das Füllsystem 100 vorher mit einem reaktionsfreudigen Fluid, beispielsweise Wasserstoff, gefüllt gewesen sein sollte.
Das Verfahren kann vollautomatisch beispielsweise von dem Steuergerät 11 gesteuert durchgeführt werden. Eine sichere Inertisierung des Füllsystems 100 und des Hochdruckbehälters 4 kann damit an verschiedensten Orten ohne speziell geschultes Personal erfolgen. Ebenfalls kann das Verfahren verwendet werden, um ein mit inertem Gas gefülltes System nach durchgeführten Arbeiten wieder mit einem brennbaren Prozessgas zu befüllen, um beispielsweise sicher zu stellen, dass eine geforderte Wasserstoffkonzentration vorliegt.
Fig. 5 zeigt eine Prinzipskizze des erfindungsgemäßen Verfahrens 600 zur Restdruckabsicherung bei der Entnahme eines Fluids aus dem Hochdruckbehälter 4 mit dem erfindungsgemäßen Füllsystem 100. Zunächst erfolgt kontinuierlich ein Bestimmen 610 des Innendrucks p_i,H in der Hauptleitung in Fließrichtung x gesehen hinter dem befüllseitigen Magnetventil. Anschließend wird abgefragt 620, ob der Innendruck p_i,H kleiner dem vorgegebenen zweiten Schwellwert p_Schwell,2 ist, wobei diese Abfrage 620 so oft wiederholt wird, bis diese Bedingung erfüllt ist und im Falle, dass der Innendruck p_i,H kleiner dem vorgegebenen zweiten Schwellwert p_Schwell,2 ist, erfolgt ein Schließen 630 des abführseitigen Ventils.
Die hier gezeigten Ausführungsformen stellen nur Beispiele für die vorliegende Erfindung dar und dürfen daher nicht einschränkend verstanden werden. Alternative durch den Fachmann in Erwägung gezogene Ausführungsformen sind gleichermaßen vom Schutzbereich der vorliegenden Erfindung umfasst.

Bezugszeichenliste:

1: Befüllseitiges Magnetventil
2: Hauptleitung
3: Schnittstelle zur Fluideinspeisung
4: Hochdruckbehälter
5: Hauptleitungsbypass
6: Fülldruckreduktionsvorrichtung
7: abführseitiges Ventil
8: Verbraucher
9: Ablassöffnung
10: Innendruckbestimmungsvorrichtung zur Druckmessung im Hochdruckbehälter
11: Steuergerät
12: Schnittstelle
13: Hauptleitungsbypassventil
14: Druckminderer
15: hochdruckseitiger Drucksensor
16: niederdruckseitiger Drucksensor
17: Schnittstelle zum Hochdruckbehälter
18: Fluidquelle
19: Rückschlagventil in der Hauptleitung
20: Rückschlagventil im Hauptleitungsbypass
21: Befüllbypass
22: Rückschlagventil im Befüllbypass
100: Füllsystem

200: Verfahren zur Limitierung einer Füllrate eines Hochdruckbehälters für die Speicherung eines Gases
210: kontinuierlichen Bestimmen des Innendrucks p_i,H in der Hauptleitung in Fließrichtung x gesehen hinter dem befüllseitigen Magnetventil
220: Abfrage: Ist der Innendruck p_i,H in der Hauptleitung in Fließrichtung x gesehen hinter dem befüllseitigen Magnetventil größer oder gleich einem vorgegebenen ersten Schwellwert p_Schwell,1?
225: Abfrage: Ist der Innendruck p_i,H in der Hauptleitung in Fließrichtung x gesehen hinter dem befüllseitigen Magnetventil kleiner einem vorgegebenen zweiten Schwellwert p_Schwell,2?
230: Schließen des befüllseitigen Magnetventils
240: Öffnen des befüllseitigen Magnetventils

300: Verfahren zum Fluidaustausch in dem erfindungsgemäßen Füllsystem
310: Setzen eines Zählers in dem Steuergerät auf 0
311: Erhöhen des Zählers in dem Steuergerät um 1
315: Abfrage: sind das befüllseitige Magnetventil, das abführseitige Ventil und die Schnittstelle zum Hochdruckbehälter geschlossen?
316: Schließen vom befüllseitigen Magnetventil, abführseitigem Ventil und der Schnittstelle zum Hochdruckbehälter
320: Abfrage: Ist eine Fluidquelle enthaltend ein zweites Fluid an der Schnittstelle zur Fluideinspeisung angeschlossen
321: Anschließen einer Fluidquelle enthaltend ein zweites Fluid an der Schnittstelle zur Fluideinspeisung
322: Abfrage: Ist die Schnittstelle zur Fluideinspeisung geöffnet?
323: Schnittstelle zur Fluideinspeisung öffnen
330: Abfrage: Ist die Ablassöffnung geöffnet?
331: Ablassöffnung öffnen
340: Öffnen des abführseitigen Ventils;
350: Kontinuierliches Ermitteln des Drucks in dem Füllsystem
360: Abfrage: Ist der ermittelte Druck kleiner oder gleich einem vorbestimmten Mindestdruck
361: Schließen des abführseitigen Ventils
362: Öffnen des befüllseitigen Magnetventils
370: Abfrage: Ist der kontinuierlich ermittelte Druck im Füllsystem gleich oder größer einem vorbestimmten Referenzdruck?
371: Schließen des befüllseitige Magnetventils
380: Abfrage: Ist der Zählerinhalt kleiner vordefinierten Zykluszahl?
390: Fluidaustausch abgeschlossen

400: Verfahren zum Fluidaustausch in dem erfindungsgemäßen Füllsystem und in einem an das erfindungsgemäße Füllsystem angeschlossenen Hochdruckbehälter
410: Setzen eines Zählers in dem Steuergerät auf 0
411: Erhöhen des Zählers in dem Steuergerät um 1
415: Abfrage: sind das befüllseitige Magnetventil, das abführseitige Ventil und die Schnittstelle zum Hochdruckbehälter geschlossen?
416: Schließen vom befüllseitigen Magnetventil, abführseitigem Ventil und der Schnittstelle zum Hochdruckbehälter
420: Abfrage: Ist eine Fluidquelle enthaltend ein zweites Fluid an der Schnittstelle zur Fluideinspeisung angeschlossen
421: Anschließen einer Fluidquelle enthaltend ein zweites Fluid an der Schnittstelle zur Fluideinspeisung
422: Abfrage: Ist die Schnittstelle zur Fluideinspeisung geöffnet?
423: Schnittstelle zur Fluideinspeisung öffnen
430: Abfrage: Ist die Ablassöffnung geöffnet?
431: Ablassöffnung öffnen
440: Öffnen des abführseitigen Ventils;
450: Öffnen der Schnittstelle zum Hochdruckbehälter
460: Kontinuierliches Ermitteln des Drucks in dem Füllsystem
470: Abfrage: Ist der ermittelte Druck kleiner oder gleich einem vorbestimmten Mindestdruck
471: Schließen des abführseitigen Ventils
472: Öffnen des befüllseitigen Magnetventils
480: Abfrage: Ist der kontinuierlich ermittelte Druck im Füllsystem gleich oder größer einem vorbestimmten Referenzdruck?
481: Schließen des befüllseitige Magnetventils
490: Abfrage: Ist der Zählerinhalts kleiner vordefinierten Zykluszahl?
500: Fluidaustausch abgeschlossen

600: Verfahren zur Restdruckabsicherung bei der Entnahme eines Fluids aus einem Hochdruckbehälter mit dem erfindungsgemäßen Füllsystem
610: kontinuierlichen Bestimmen des Innendrucks pi_,H der Hauptleitung in Fließrichtung x gesehen hinter dem befüllseitigen Magnetventil
620: Vergleichen des bestimmten Innendrucks p_i,H mit einem vorgegebenen zweiten Schwellwert p_Schwell,2: Ist p_i,H < p_schwell,2?
630: Schließen des abführseitigen Ventils

pi,H: Innendruck Hauptleitung in Fließrichtung x gesehen hinter dem befüllseitigen Magnetventil beziehungsweise im Hochdruckbehälter
pschwell,1: Erster Druckschwellwert
pschwell,2: Zweiter Druckschwellwert
x: Strömungsrichtung des Fluids beim Befüllen

Claims

Ein Füllsystem (100) zum Befüllen eines Hochdruckbehälters (4) mit einem Fluid mit einer variablen Füllrate, wobei der Hochdruckbehälter (4) insbesondere ein Hochdruckbehälter (4) für die Speicherung eines Gases mit einem Innenbehälter und einer den Innenbehälter umschließenden Verstärkungsschicht ist, in Abhängigkeit eines in dem Hochdruckbehälter (4) herrschenden Innendrucks, mit einer über ein befüllseitiges Magnetventil (1) absperrbaren Hauptleitung (2), wobei das Füllsystem (100) weiterhin einen Fluidablass (9) und eine Schnittstelle (3) zur Einspeisung eines Fluids sowie ein abführseitiges Ventil (7), eine Schnittstelle (3) zur Fluideinspeisung, eine Ablassöffnung (9), eine Schnittstelle (17) zum Hochdruckbehälter (4) mit Ventil, einen hochdruckseitigen Drucksensor (15) und einen niederdruckseitigen Drucksensor (16) aufweist,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Hauptleitung (2) einen Hauptleitungsbypass (5) mit einer Füllratenreduktionsvorrichtung (6) zur Reduktion der Füllrate aufweist, wobei der Hauptleitungsbypass (5) in Strömungsrichtung (x) des Fluids beim Befüllen des Hochdruckbehälters (4) gesehen vor dem befüllseitigen Magnetventil (1) von der Hauptleitung (2) abzweigt, und weiter einen hochdruckseitigen Drucksensor (15), über den ein in der Hauptleitung (2) in Strömungsrichtung x des Fluids gesehen hinter dem befüllseitigen Magnetventil (1) anliegenden Druck bestimmbar ist, und ein Steuergerät (11) aufweist, wobei das Steuergerät (11) dazu eingerichtet ist, einen Innendruckwert von dem hochdruckseitigen Drucksensor (15) zu empfangen und mit einem vorgegebenen ersten Schwellwert p_Schwell,1 und vorgegebenen zweiten Schwellwert p_Schwell,2 zu vergleichen, wobei das Steuergerät (11) weiter dazu eingerichtet ist, das befüllseitige Magnetventil (1) zu öffnen, sofern der Innendruck mindestens dem vorgegebenen ersten Schwellwert p_Schwell,1 entspricht und das befüllseitige Magnetventil (1) zu schließen, sofern der von dem hochdruckseitigen Drucksensor (15) empfangene Innendruck unter dem vorgegebenen zweiten Schwellwert p_Schwell,2 liegt.
Das Füllsystem (100) gemäß Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass das befüllseitige Magnetventil (1) im spannungslosen Zustand geschlossen ist.
Das Füllsystem (100) gemäß einem der vorherigen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass das befüllseitige Magnetventil (1) ein vorgesteuertes Magnetventil ist.
Das Füllsystem (100) gemäß einem der vorherigen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Fülldruckreduktionsvorrichtung (6) zur Reduktion der Füllrate eine mechanische Fülldruckreduktionsvorrichtung (6) ist.
Das Füllsystem (100) gemäß Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet,
dass die mechanische Fülldruckreduktionsvorrichtung (6) zur Reduktion der Füllrate eine Blende aufweist.
Das Füllsystem (100) gemäß einem der vorherigen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
der hochdruckseitige Drucksensor (15) dazu eingerichtet ist, den in der Hauptleitung (2) herrschenden Innendruck in Strömungsrichtung (x) des Fluids beim Befüllen gesehen hinter dem befüllseitigen Magnetventil (1) zu bestimmen.
Das Füllsystem (100) gemäß einem der vorherigen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Füllsystem (100) einen Druckschalter aufweist, der den hochdruckseitigen Drucksensor (15) und das Steuergerät (11) aufweist.
Das Füllsystem (100) gemäß einem der vorherigen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Steuergerät (11) ein digitales Steuerungssystem aufweist.
Füllsystem (100) gemäß einem der vorherigen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Hauptleitung (2) ein Rückschlagventil (19) aufweist.
Das Füllsystem (100) gemäß Anspruch 9,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Hauptleitungsbypass (5) ein weiteres Rückschlagventil (20) aufweist.
Ein Verfahren (200) zur Limitierung einer Füllrate bei der Befüllung eines Hochdruckbehälters (4), insbesondere eines Hochdruckbehälters (4) für die Speicherung eines Gases mit einem Innenbehälter und einer den Innenbehälter umschließenden Verstärkungsschicht, in Abhängigkeit eines in dem Hochdruckbehälter (4) herrschenden Innendrucks p_i,H über das Füllsystem (100) gemäß einem der vorherigen Ansprüche,
gekennzeichnet durch die Schritte
a. Kontinuierliches Bestimmen des Innendrucks p_i,H (210) in der Hauptleitung (2) in Fließrichtung x gesehen hinter dem befüllseitigen Magnetventil (1) und Vergleichen des bestimmten Innendrucks p_i,H, mit einem vorgegebenen ersten Schwellwert p_Schwell,1 (220) und einem vorgegebenen zweiten Schwellwert p_Schwell,2 (225);

b. Öffnen (240) des befüllseitigen Magnetventils (1), sofern der bestimmte Innendruck p_i,H mindestens dem vorgegebenen ersten Schwellwert p_Schwell,1 entspricht und Schließen (230) des befüllseitigen Magnetventils (1), sofern der bestimmte Innendruck p_i,H unter dem vorgegebenen ersten Schwellwert p_Schwell,1 liegt;

c. Abfragen (225), ob der Innendruck p_i,H kleiner dem vorgegebenen zweiten Schwellwert p_Schwell,2 ist, wobei diese Abfrage (225) so oft wiederholt wird, bis diese Bedingung erfüllt ist und im Falle, dass der Innendruck p_i,H kleiner dem vorgegebenen zweiten Schwellwert p_Schwell,2 ist, Schließen (230) des befüllseitigen Magnetventils (1).
Das Verfahren (200) gemäß Anspruch 11,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Füllrate durch das Durchströmen des Fluids bei der Befüllung durch eine Fülldruckreduktionsvorrichtung (6) limitiert wird, sofern der bestimmte Innendruck p_i,H unter einem vorgegebenen zweiten Schwellwert p_Schwell,2 liegt.
Das Verfahren (200) gemäß einem der Ansprüche 11 oder 12,
dadurch gekennzeichnet,
dass das kontinuierliche Bestimmen (210) des Innendrucks p_i,H über n hochdruckseitigen Drucksensor (15) erfolgt, die den Innendruck in der Hauptleitung (2) in Strömungsrichtung x des Fluids beim Befüllen gesehen hinter dem befüllseitigen Magnetventil (1) bestimmt.
Ein Verfahren (300) zum Fluidaustausch in dem Füllsystem (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10,
gekennzeichnet durch die Schritte
a. Setzen eines Zählers (310) in dem Steuergerät (11) auf 0;

b. Erhöhen des Zählers (311) in dem Steuergerät (11) um 1;

c. Sicherstellen, dass das befüllseitige Magnetventil (1), das abführseitige Ventil (7) und die Schnittstelle (17) zum Hochdruckbehälter geschlossen sind (315, 316);

d. Sicherstellen, dass eine Fluidquelle (18) enthaltend ein zweites Fluid an der Schnittstelle (3) zur Fluideinspeisung angeschlossen ist (320, 321) und die Schnittstelle (3) zur Fluideinspeisung geöffnet ist (322, 323);

e. Sicherstellen, dass die Ablassöffnung (9) geöffnet ist (330, 331);

f. Öffnen (340) des abführseitigen Ventils (7);

g. Kontinuierliches Ermitteln (350) des Drucks in dem Füllsystem (100) und Vergleichen des ermittelten Drucks mit einem vorbestimmten Mindestdruck (360), wobei das abführseitige Ventil (7) geschlossen wird (361), wenn der ermittelte Druck in dem Füllsystem (100) kleiner oder gleich dem vorbestimmte Mindestdruck ist;

h. Nachdem das abführseitige Ventil (7) in dem vorherigen Schritt geschlossen wurde, Öffnen (362) des befüllseitigen Magnetventils (1) und Vergleichen des kontinuierlich ermittelten Drucks in dem Füllsystem (100) mit einem vorbestimmten Referenzdruck (370), wobei das befüllseitige Magnetventil (1) geschlossen wird (371), wenn der kontinuierlich ermittelte Druck in dem Füllsystem (100) gleich oder größer dem vorbestimmten Referenzdruck ist;

i. Vergleichen des Zählerinhalts mit einer vordefinierten Zykluszahl (380) und Wiederholen der Schritte a. bis h., wenn der Zählerinhalt kleiner der vordefinierten Zykluszahl ist.
Das Verfahren (400) gemäß Anspruch 14 zum Fluidaustausch in dem Füllsystem (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10 und in einem an das Füllsystem (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10 über die Schnittstelle (17) angeschlossenen Hochdruckbehälters (4),
gekennzeichnet durch die Schritte
a. Setzen eines Zählers (410) in dem Steuergerät (11) auf 0;

b. Erhöhen des Zählers (411) in dem Steuergerät (11) um 1;

c. Sicherstellen, dass das befüllseitige Magnetventil (1), das abführseitige Ventil (7) und die Schnittstelle (17) zum Hochdruckbehälter geschlossen sind (415, 416);

d. Sicherstellen, dass eine Fluidquelle (18) enthaltend ein zweites Fluid an der Schnittstelle (3) zur Fluideinspeisung angeschlossen ist (420, 421) und die Schnittstelle (3) zur Fluideinspeisung geöffnet ist (422, 423);

e. Sicherstellen, dass die Ablassöffnung (9) geöffnet ist (430, 431);

f. Öffnen (440) des abführseitigen Ventils (7);

g. Öffnen (450) der Schnittstelle (17) zum Hochdruckbehälter (4);

h. Kontinuierliches Ermitteln (460) des Drucks in dem Füllsystem (100) und Vergleichen des ermittelten Drucks mit einem vorbestimmten Mindestdruck (470), wobei das abführseitige Ventil (7) geschlossen wird (471), wenn der ermittelte Druck in dem Füllsystem (100) kleiner oder gleich dem vorbestimmte Mindestdruck ist;

i. Nachdem das abführseitige Ventil (7) in dem vorherigen Schritt geschlossen wurde, Öffnen (472) des befüllseitigen Magnetventils (1) und Vergleichen des kontinuierlich ermittelten Drucks in dem Füllsystem (100) mit einem vorbestimmten Referenzdruck (480), wobei das befüllseitige Magnetventil (1) geschlossen wird (481), wenn der kontinuierlich ermittelte Druck in dem Füllsystem (100) gleich oder größer dem vorbestimmten Referenzdruck ist;

j. Vergleichen des Zählerinhalts mit einer vordefinierten Zykluszahl (490) und Wiederholen der Schritte a. bis i., wenn der Zählerinhalt kleiner der vordefinierten Zykluszahl ist.
Ein Verfahren (600) zur Restdruckabsicherung bei der Entnahme eines Fluids aus dem Hochdruckbehälter (4) mit dem Füllsystem (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, gekennzeichnet durch die Schritte
a. Kontinuierliches Bestimmen (610) des Innendrucks p_i,H (210) in der Hauptleitung (2) in Fließrichtung x gesehen hinter dem befüllseitigen Magnetventil (1);

b. Abfragen (620), ob der Innendruck p_i,H kleiner dem vorgegebenen zweiten Schwellwert p_Schwell,2 ist, wobei diese Abfrage (620) so oft wiederholt wird, bis diese Bedingung erfüllt ist und im Falle, dass der Innendruck p_i,H kleiner dem vorgegebenen zweiten Schwellwert p_Schwell,2 ist, Schließen (630) des abführseitigen Ventils (7).