FR3098890A3 - Pressurized gas tank (s) filling station - Google Patents

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Abstract

Station de remplissage de réservoir(s) de gaz sous pression, notamment d’hydrogène, comprenant une source de gaz comprimé, une conduite de transfert de gaz entre la source et le réservoir à remplir, une vanne de régulation dans la conduite de transfert pour contrôler le flux de gaz à travers ladite conduite, un régulateur électronique de contrôle de la vanne de régulation comprenant un premier microprocesseur, caractérisé en ce que le régulateur électronique comprend un second microprocesseur configuré pour arrêter automatique le flux de gaz lorsqu’au moins une conditions de sécurité d’un paramètre de remplissage n’est pas remplieStation for filling pressurized gas tank (s), in particular hydrogen, comprising a source of compressed gas, a gas transfer line between the source and the tank to be filled, a regulating valve in the transfer line for controlling the flow of gas through said conduit, an electronic regulator for controlling the regulating valve comprising a first microprocessor, characterized in that the electronic regulator comprises a second microprocessor configured to automatically stop the flow of gas when at least one conditions security of a filling parameter is not fulfilled

Description

Station de remplissage de réservoir(s) de gaz sous pressionPressurized gas tank(s) filling station

L’invention concerne plus particulièrement une station de remplissage de réservoir(s) de gaz sous pression.The invention relates more particularly to a pressurized gas tank(s) filling station.

Actuellement le remplissage des réservoirs pour véhicules pile à combustible dans une station de remplissage d’hydrogène est géré par un automate standard. Cet automate, en fonction des mesures de pression en sortie de station et de température ambiante va (selon un protocole de remplissage prédéfini) piloter l’ouverture de la vanne de sortie de la station afin de respecter une rampe de pression prédéfinie en sortie de la station. Cet automate gère aussi le pré-refroidissement du gaz afin d’éviter d’avoir une surchauffe dans le réservoir et arrête le remplissage lorsqu’une pression cible est atteinte. Par ailleurs, il pilote aussi le démarrage et l’arrêt du compresseur ainsi que les ouvertures et fermetures des vannes des réservoirs tampon (pour équilibrage(s) notamment en cascade).Currently the filling of tanks for fuel cell vehicles in a hydrogen filling station is managed by a standard automaton. This automaton, depending on the pressure measurements at the outlet of the station and the ambient temperature, will (according to a predefined filling protocol) control the opening of the outlet valve of the station in order to respect a predefined pressure ramp at the outlet of the station. This automaton also manages the pre-cooling of the gas in order to avoid overheating in the tank and stops filling when a target pressure is reached. In addition, it also controls the starting and stopping of the compressor as well as the opening and closing of the buffer tank valves (for balancing(s) in particular in cascade).

En général et pour des raisons de coût, l’automate peut tomber en panne ou dysfonctionner assez fréquemment et avoir comme conséquence des conditions de remplissage de moins en moins sures. Avec le développement croissant du marché des véhicules pile à combustible, l’occurrence de pannes ou de dysfonctionnements liés à cet automate peut arriver de plus en plus souvent. Ce qui représente un risque non négligeable pour le développement futur des stations de remplissage hydrogène. D’où l’intérêt de proposer une solution économiquement viable tout en assurant un niveau de sécurité suffisant pour le remplissage en hydrogène.In general and for cost reasons, the automaton can break down or malfunction quite frequently and result in less and less safe filling conditions. With the growing development of the fuel cell vehicle market, the occurrence of breakdowns or malfunctions related to this automaton can happen more and more often. This represents a significant risk for the future development of hydrogen filling stations. Hence the interest of offering an economically viable solution while ensuring a sufficient level of safety for hydrogen filling.

Les automates ou contrôleurs électroniques utilisés actuellement pour gérer l’ensemble des fonctions dans une station de remplissage hydrogène sont de type standard. Ces automates peuvent tomber en panne ou dysfonctionner de plus en plus souvent à cause du développement rapide des véhicules piles à combustible dans le monde. Le coût d’un automate sécurisé avec les capteurs associés est nettement plus élevé que celui d’un automate standard.The automatons or electronic controllers currently used to manage all the functions in a hydrogen filling station are of the standard type. These automatons may break down or malfunction more and more often due to the rapid development of fuel cell vehicles in the world. The cost of a secure PLC with the associated sensors is significantly higher than that of a standard PLC.

Un but de la présente invention est de pallier tout ou partie des inconvénients de l’art antérieur relevés ci-dessus.An object of the present invention is to overcome all or part of the drawbacks of the prior art noted above.

A cette fin, la station de remplissage de réservoir(s) de gaz sous pression, notamment d’hydrogène, comprend une source de gaz comprimé, une conduite de transfert de gaz entre la source et le réservoir à remplir, une vanne de régulation dans la conduite de transfert pour contrôler le flux de gaz a travers ladite conduite, un régulateur électronique de contrôle de la vanne de régulation comprenant un premier microprocesseur, le régulateur électronique comprenant un second microprocesseur configuré pour arrêter automatique le flux de gaz lorsqu’au moins une conditions de sécurité d’un paramètre de remplissage n’est pas remplie.To this end, the filling station for reservoir(s) of pressurized gas, in particular hydrogen, comprises a source of compressed gas, a gas transfer pipe between the source and the reservoir to be filled, a regulating valve in the transfer line for controlling the flow of gas through said line, an electronic regulator controlling the regulator valve comprising a first microprocessor, the electronic regulator comprising a second microprocessor configured to automatically stop the flow of gas when at least one security conditions of a padding parameter is not met.

L’invention concerne également un procédé de remplissage mettant un œuvre les particularités précitées ou ci-dessous.The invention also relates to a filling method implementing the features mentioned above or below.

L’invention peut concerner également tout dispositif ou procédé alternatif comprenant toute combinaison des caractéristiques ci-dessus ou ci-dessous dans le cadre des revendications.The invention may also relate to any alternative device or method comprising any combination of the characteristics above or below within the scope of the claims.

D’autres particularités et avantages apparaîtront à la lecture de la description ci-après.Other features and advantages will appear on reading the description below.

La station comprend un dispositif de sécurité pour l’arrêt automatique de remplissage d’hydrogène lorsque certaines conditions de sécurité ne sont pas remplies.The station includes a safety device for automatically stopping hydrogen filling when certain safety conditions are not met.

L’invention concerne notamment un dispositif (microcontrôleur ou microprocesseur) capable d’envoyer un signal d’arrêt automatique de remplissage de gaz lors de remplissage de véhicule pile à combustible si les conditions de sécurité ne sont pas remplies. Les conditions de sécurité concernent au moins l’un parmi : la température maximale de paroi interne, la masse volumique maximale de ce gaz à l’intérieur du réservoir du véhicule. En effet la température limite maximale de paroi interne pour un réservoir en composite est généralement de 85°C. Ces données (température paroi interne et masse volumique du gaz dans la bouteille) sont très difficilement mesurables surtout à l’intérieur d’un réservoir à haute pression. Le moyen le plus adéquat de les estimer est de se baser sur un modèle physique (thermodynamique) qui sera décrit un peu plus bas.The invention relates in particular to a device (microcontroller or microprocessor) capable of sending an automatic gas filling stop signal when filling a fuel cell vehicle if the safety conditions are not met. The safety conditions concern at least one of: the maximum internal wall temperature, the maximum density of this gas inside the vehicle tank. In fact, the maximum internal wall temperature limit for a composite tank is generally 85°C. These data (internal wall temperature and density of the gas in the bottle) are very difficult to measure, especially inside a high-pressure tank. The most adequate way to estimate them is to rely on a physical model (thermodynamics) which will be described a little further down.

Il faut noter que la masse volumique limite du gaz dans le réservoir dépend de la pression de service de celui-ci et bien sûr de la nature du gaz. Pour une pression de service du réservoir du véhicule de 350 barg et pour l’hydrogène, cela correspond à une masse volumique limite du gaz de 24.1 kg/m3. Pour une pression de service du réservoir du véhicule de 700 barg et aussi pour l’hydrogène, la masse volumique limite du gaz est de 40.2 kg/m3.It should be noted that the limiting density of the gas in the tank depends on the service pressure of the latter and of course on the nature of the gas. For a vehicle tank operating pressure of 350 barg and for hydrogen, this corresponds to a limit gas density of 24.1 kg/m3. For a vehicle tank operating pressure of 700 barg and also for hydrogen, the gas density limit is 40.2 kg/m3.

Les données d’entrée de ce dispositif de sécurité peuvent être les valeurs issues des mesures en entrée du gaz dans le flexible de la conduite de transfert pour (température du gaz, pression du gaz et température ambiante).The input data of this safety device can be the values resulting from the measurements at the gas inlet in the hose of the transfer pipe for (gas temperature, gas pressure and ambient temperature).

La température de du gaz est mesurée par exemple au niveau du gaz sortant de la station de remplissage juste avant le flexible de raccordement avec le véhicule.The temperature of the gas is measured for example at the level of the gas leaving the filling station just before the connection hose with the vehicle.

La pression est mesurée par exemple au même endroit que la température de dispenser.The pressure is measured for example at the same place as the dispensing temperature.

La température ambiante est mesurée par exemple au niveau de la station.The ambient temperature is measured, for example, at the station.

Le dispositif ou module de sécurité calcule en temps réel pendant le remplissage selon un modèle physique (connu) : la température de paroi interne dans le réservoir du véhicule ainsi que la masse volumique du gaz à l’intérieur de ce réservoir et vérifie que les deux ne dépassent pas les limites autorisées (par exemple 85°C, 24.1 kg/m3 ou 40.2 kg/m3 selon la pression de service du réservoir 350 barg ou 700 barg respectivement).The safety device or module calculates in real time during filling according to a (known) physical model: the internal wall temperature in the tank of the vehicle as well as the density of the gas inside this tank and checks that the two do not exceed permitted limits (e.g. 85°C, 24.1 kg/m3 or 40.2 kg/m3 depending on tank working pressure 350 barg or 700 barg respectively).

Ce calcul se fait à chaque pas de temps (de l’ordre de la seconde par exemple) et se base sur les mesures citées auparavant. Si au moins un dépassement de température ou de masse volumique est détecté, le module de sécurité envoie un signal de sortie pour arrêter automatiquement le remplissage du véhicule.This calculation is done at each time step (of the order of a second for example) and is based on the measurements mentioned above. If at least one temperature or density overrun is detected, the safety module sends an output signal to automatically stop filling the vehicle.

Le modèle physique utilisé par le module de sécurité peut se baser sur les équations connues de bilans d'énergie appliqués au gaz dans le réservoir et à la paroi de celui-ci.The physical model used by the security module can be based on the known energy balance equations applied to the gas in the tank and to the wall thereof.

Ce bilan peut faire intervenir la masse du gaz dans le réservoir, l’énergie interne massique du gaz dans ce réservoir, l’échange de chaleur entre le gaz dans le réservoir et la paroi interne de celui-ci avec le coefficient d’échange et la surface interne de ce réservoir ainsi que l’enthalpie massique entrante du gaz dans le réservoir. A ce titre les températures moyennes spatiales du gaz dans le volume du réservoir et de la paroi de celui-ci peuvent être calculées.This balance can involve the mass of the gas in the tank, the internal mass energy of the gas in this tank, the heat exchange between the gas in the tank and the internal wall of the latter with the exchange coefficient and the internal surface of this tank as well as the incoming mass enthalpy of the gas in the tank. As such, the average spatial temperatures of the gas in the volume of the tank and of the wall thereof can be calculated.

L’équation de bilan d’enthalpie peut être appliquée à la paroi du réservoir.The enthalpy balance equation can be applied to the tank wall.

Ce bilan peut faire intervenir la masse de la paroi du réservoir, sa capacité calorifique et l’échange de chaleur entre la paroi externe du réservoir et le milieu ambiant autour du réservoir avec le coefficient d’échange total et la surface externe de ce réservoir.This balance can involve the mass of the tank wall, its heat capacity and the heat exchange between the external wall of the tank and the ambient environment around the tank with the total exchange coefficient and the external surface of this tank.

En divisant les deux équations de bilan précédentes par le volume du gaz dans le réservoir et en faisant intervenir la masse volumique moyenne du gaz dans le réservoir on obtient deux équations différentielles.By dividing the two preceding balance equations by the volume of the gas in the reservoir and by involving the average density of the gas in the reservoir, two differential equations are obtained.

Par exemple, ces équations différentielles sont d’ordre un en temps et font intervenir trois coefficients qui dépendent des caractéristiques géométriques et de la capacité calorifique du réservoir ainsi que les coefficients d’échange entre la paroi du réservoir et le gaz dans le réservoir et aussi celui avec le milieu ambiant.For example, these differential equations are of order one in time and involve three coefficients which depend on the geometric characteristics and the calorific capacity of the tank as well as the coefficients of exchange between the wall of the tank and the gas in the tank and also that with the surrounding environment.

Un coefficient dépend du débit du gaz entrant dans le réservoir qui peut varier en fonction du temps à travers la variation du coefficient d’échange convectif entre le gaz et la paroi interne.A coefficient depends on the flow rate of the gas entering the tank which can vary as a function of time through the variation of the convective exchange coefficient between the gas and the internal wall.

Le débit du gaz entrant dépend fortement de la rampe de pression. Plus cette rampe est importante, plus le débit entrant est important et plus le coefficient d’échange et donc le coefficient concerné sont importants.The incoming gas flow is highly dependent on the pressure ramp. The greater this ramp, the greater the incoming flow and the greater the exchange coefficient and therefore the coefficient concerned.

A la suite de plusieurs calculs détaillés de remplissage de réservoir, on constate que le second coefficient peut être lissé sous forme polynomiale en fonction de la rampe de pression en entrée dans le réservoir. Un polynôme d’ordre deux avec la rampe de pression est suffisant pour exprimer la variation du second coefficient en fonction de cette rampe.Following several detailed tank filling calculations, it can be seen that the second coefficient can be smoothed in polynomial form as a function of the pressure ramp at the inlet to the tank. A polynomial of order two with the pressure ramp is sufficient to express the variation of the second coefficient according to this ramp.

Parmi les trois coefficients envisagés, seul le second coefficient dépend du temps à travers la dépendance de la rampe de pression avec le temps. Pour pouvoir résoudre le système d’équations différentielles non linéaires, on peut le discrétiser en remplaçant les dérivées temporelles par des différences finies. On obtient ainsi deux équations discrétisées.Among the three coefficients considered, only the second coefficient depends on time through the dependence of the pressure ramp with time. To be able to solve the system of nonlinear differential equations, it can be discretized by replacing the time derivatives by finite differences. We thus obtain two discrete equations.

A partir de la discrétisation numérique de ces deux équations de bilan, ce modèle peut calculer pour chaque pas de temps la température de paroi du réservoir ainsi que le produit masse volumique du gaz dans le réservoir et l’énergie interne massique du gaz et ceci en se basant sur les trois mesures de paramètres citées auparavant et aussi sur les valeurs des variables à l’instant d’avant.From the numerical discretization of these two balance equations, this model can calculate for each time step the wall temperature of the tank as well as the product density of the gas in the tank and the specific internal energy of the gas and this by based on the three parameter measurements mentioned above and also on the values of the variables at the previous moment.

Il faut noter que pour un gaz donné, l’énergie interne massique, l’enthalpie massique ainsi que la masse volumique du gaz sont souvent tabulées en fonction de la pression et de la température du gaz ou bien ajustés avec des fonctions connues de la pression et de la température. D’autre part, la pression initiale du réservoir est celle mesurée lorsque le remplissage démarre. Quant à la température initiale du gaz et de la paroi du réservoir, c’est une fonction de la température ambiante initiale selon la préconisation de la norme J2601 pour le remplissage de véhicules pile à combustible.It should be noted that for a given gas, the specific internal energy, the specific enthalpy as well as the density of the gas are often tabulated according to the pressure and the temperature of the gas or adjusted with known functions of the pressure. and temperature. On the other hand, the initial pressure of the tank is that measured when the filling starts. As for the initial temperature of the gas and the wall of the tank, it is a function of the initial ambient temperature according to the recommendation of the J2601 standard for the filling of fuel cell vehicles.

La pression du gaz dans le réservoir est supposée égale à chaque instant à celle mesurée au niveau du dispenser.The gas pressure in the reservoir is assumed to be equal at all times to that measured at the level of the dispenser.

De plus, on suppose que la température d’entrée du gaz dans le réservoir est égale à chaque instant à celle mesurée au niveau du dispenser.In addition, it is assumed that the gas inlet temperature in the reservoir is equal at all times to that measured at the level of the dispenser.

Afin de pouvoir estimer à chaque pas de temps la température de paroi du réservoir mais aussi la masse volumique du gaz, le modèle a besoin de connaître les caractéristiques géométriques du réservoir du véhicule. Ces caractéristiques ne sont pas forcément transmises systématiquement du véhicule vers la station au moment du remplissage et d’autre part la fiabilité de ces données n’est pas assurée. Par conséquent, le modèle peut considérer le réservoir le plus critique en terme d’échauffement de la paroi pendant le remplissage et aussi celui qui maximise la masse volumique du gaz durant le remplissage.In order to be able to estimate at each time step the tank wall temperature but also the density of the gas, the model needs to know the geometric characteristics of the vehicle tank. These characteristics are not necessarily transmitted systematically from the vehicle to the station at the time of filling and on the other hand the reliability of this data is not guaranteed. Therefore, the model can consider the most critical tank in terms of wall heating during filling and also the one that maximizes the gas density during filling.

A chaque pas de temps, le modèle peut calculer la température de paroi en se servant des valeurs à l’instant d’avant d’après l’équation concernée. De plus, ce modèle peut calculer pour chaque pas de temps le produit en utilisant l’équation concernée et en déduit la température du gaz dans le réservoir d’après la fonction suivante.At each time step, the model can calculate the wall temperature using the values at the time before according to the equation concerned. In addition, this model can calculate for each time step the product using the equation concerned and deduce the temperature of the gas in the reservoir according to the following function.

Cette fonction peut être ajustée d’après les propriétés thermo-physiques du gaz qui dépendent de la pression et de la température de celui-ci. La température du gaz à chaque instant est utile pour calculer entre autres la fonction masse volumique du gaz qui apparait dans les deux équations.This function can be adjusted according to the thermo-physical properties of the gas which depend on its pressure and temperature. The temperature of the gas at each instant is useful for calculating, among other things, the density function of the gas which appears in the two equations.

L’enthalpie massique du gaz est aussi une fonction connue de la température et de la pression.The specific enthalpy of gas is also a known function of temperature and pressure.

On peut ainsi calculer l’enthalpie massique du gaz entrant dans la bouteille qui apparait dans l’équation en remplaçant les valeurs de température et pression par celles mesurées en sortie de station de remplissage.We can thus calculate the specific enthalpy of the gas entering the bottle which appears in the equation by replacing the temperature and pressure values with those measured at the outlet of the filling station.

Donc finalement le modèle calcule à chaque pas de temps les température, masse volumique et vérifie si ces deux valeurs ne dépassent pas les limites prédéfinies. Si ces deux limites ne sont pas dépassées, le remplissage se poursuit. Par contre, si au moins une des deux limites est dépassée, le modèle envoie un signal d’arrêt du remplissage.So finally the model calculates at each time step the temperature, density and checks if these two values do not exceed the predefined limits. If these two limits are not exceeded, the filling continues. On the other hand, if at least one of the two limits is exceeded, the model sends a signal to stop filling.

Claims (1)

Station de remplissage de réservoir(s) de gaz sous pression, notamment d’hydrogène, comprenant une source de gaz comprimé, une conduite de transfert de gaz entre la source et le réservoir à remplir, une vanne de régulation dans la conduite de transfert pour contrôler le flux de gaz à travers ladite conduite, un régulateur électronique de contrôle de la vanne de régulation comprenant un premier microprocesseur, caractérisé en ce que le régulateur électronique comprend un second microprocesseur configuré pour arrêter automatique le flux de gaz lorsqu’au moins une conditions de sécurité d’un paramètre de remplissage n’est pas remplie.Station for filling pressurized gas tank (s), in particular hydrogen, comprising a source of compressed gas, a gas transfer line between the source and the tank to be filled, a regulating valve in the transfer line for controlling the flow of gas through said conduit, an electronic regulator for controlling the regulating valve comprising a first microprocessor, characterized in that the electronic regulator comprises a second microprocessor configured to automatically stop the flow of gas when at least one conditions security of a padding parameter is not met.
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