WO2015000563A1 - Verfahren zum ermitteln eines wasserstofftankdrucks - Google Patents

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Wilfried-Henning Reese
Harald Kraus
Tobias Kederer
Michael WESTERMEIER
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Definitions

  • the invention relates to a method for determining a tank pressure in a tank before refueling the tank with pressurized gaseous hydrogen according to the preamble of claim 1.
  • Vehicles that fill up with hydrogen gas as fuel require specially designed filling stations, which conduct the hydrogen under relatively high pressure (up to 850 bar) into the vehicle tank.
  • Such filling stations may have a vacuum-insulated, cryostatic storage with liquid hydrogen (-253 ⁇ ), which serves as a reservoir for the hydrogen supply to the gas station. Since the hydrogen is to be in the gaseous phase for refueling, such a refueling station usually has gaseous storage tanks that feed from the reservoir and from which refueling of a tank (e.g., a hydrogen powered vehicle) takes place.
  • SAE J2601 envisages that hydrogen-powered vehicles will be refueled to 700 bar within three minutes without causing the temperature of the vehicle's tank to rise above 85 ⁇ .
  • the SAE J2601 standard provides that a pressure and leak test be carried out before refueling the tank, among other things to ensure that the filling station filling line has been correctly connected to the vehicle tank.
  • a pressure and leak test be carried out before refueling the tank, among other things to ensure that the filling station filling line has been correctly connected to the vehicle tank.
  • the initially unknown pressure in the tank of the vehicle is determined by the tank is briefly opened with a connected filling line by a pressure surge to effect a pressure equalization between the filling pipe and the tank of the vehicle.
  • the applied pressure in the filling line then corresponds to the tank pressure of the tank.
  • the pressure surge for the pressure and tightness test is usually carried out directly from a high-pressure gas storage tank, so that downstream elements in the filling line, such as pressure transmitter, thermometer,
  • Pressure peak in the downstream elements which is due to a pressurized residual volume in parts of the filling line.
  • Such load changes in the filling line contribute to the faster wear of the downstream elements and thus to a shortening of the life of these components.
  • the present invention is based on the problem to provide a method for determining a tank pressure in a tank, in which such load changes are reduced in the filling line.
  • the hydrogen is pumped by means of a pump from the memory in the filling line and this is measured in the filling line adjusting filling line pressure, wherein the check valve is opened when the filling line pressure exceeds the tank pressure, and wherein the tank pressure than the at Opening the check valve prevailing Arttechnischstik is determined.
  • the pump is a cryogenic pump which pumps hydrogen at a constant mass flow from the reservoir into the filling line, that reservoir in particular being a vacuum-insulated, cryostatic reservoir.
  • the liquid hydrogen is compressed by the pump before it is converted via a high-pressure evaporator into the gaseous phase, which is then fed into the filling line.
  • such a pump is preferably designed as a piston pump, which pumps a certain volume per piston stroke, which corresponds in particular to the cylinder volume of the piston pump, into the filling line.
  • the pressure in the filling line can be increased almost continuously until the filling line pressure is sufficient to press the check valve. This ensures that the pump can in particular depress the filling line to approx. 850 bar in order to open the check valve with certainty;
  • the tank of the vehicle can be depressed with hydrogen up to a maximum of 700 bar.
  • the pressure in the filling line is preferably detected by a pressure transmitter so that the time profile of the pressure in the filling line can be reconstructed.
  • the filling line pressure corresponds to the tank pressure.
  • the tank pressure is determined on the basis of the time profile of the filling line pressure.
  • the tank pressure is determined as the fill line pressure that prevails after the timing of the fill line pressure has leveled off. This is particularly the case when the check valve rises and the volume to be oppressed by the pump becomes larger, since the tank represents an additional volume to the filling line. As a result, the pressure increase at constant pump power is lower.
  • the tank starting from the determined tank pressure, is refueled with hydrogen at a predefined pressure ramp.
  • a constant pressure rate which is selected in particular according to the aforementioned standard as a function of the ambient temperature and the pressure in the vehicle tank.
  • Fig. 1 is a schematic representation of a device for filling a
  • FIG. 2 shows a schematic illustration of a pressure curve in the filling line during a pressure and leak test and the subsequent refueling of the tank;
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a device for filling a tank with gaseous hydrogen, which has a memory 1, which preferably stores liquid hydrogen.
  • the reservoir 1 is connected via a pumping line 6 to a pump 3, which is connected via a filling line 2 and a check valve 4 of the tank 5 to be refueled with the tank 5.
  • FIG. 2 shows the schematic, temporal pressure curve 11 in the filling line 2 during the implementation of the method according to the invention.
  • the filling line pressure p is plotted on the ordinate
  • the abscissa shows the time t during the pressure or tightness test and the subsequent refueling of the tank 5.
  • a pressure increase is recorded 7, by pressing the

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ermitteln eines Tankdrucks (12) in einem Tank (5) vor einem Betanken des Tanks (5) mit unter Druck stehendem, gasförmigem Wasserstoff, bei dem ein Speicher (1), in dem der zum Betanken zu verwendende Wasserstoff als flüssiger Wasserstoff gespeichert ist, über eine Füllleitung (2) sowie ein nachfolgendes Rückschlagventil (4) des Tanks (5) mit dem Tank (5) verbunden ist, wobei mittels einer Pumpe (3) Wasserstoff aus dem Speicher (1) in die Füllleitung (2) gepumpt wird und der sich hierbei in der Füllleitung (2) einstellende Füllleitungsdruck (11) gemessen wird, wobei das Rückschlagventil (4) geöffnet wird, wenn der Füllleitungsdruck (11) den Tankdruck (12) überschreitet, und wobei der Tankdruck (12) als der beim Öffnen des Rückschlagventils (4) herrschende Füllleitungsdruck (11) bestimmt wird.

Description

Beschreibung Verfahren zum Ermitteln eines Wasserstofftankdrucks
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ermitteln eines Tankdrucks in einem Tank vor einem Betanken des Tanks mit unter Druck stehendem, gasförmigem Wasserstoff gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Fahrzeuge, die als Treibstoff gasförmigen Wasserstoff tanken, benötigen speziell ausgebildete Tankstellen, die den unter vergleichsweise hohem Druck stehenden Wasserstoff (bis zu 850 bar) in den Fahrzeug Tank leiten. Derartige Tankstellen können einen vakuumisolierten, kryostatischen Speicher mit flüssigem Wasserstoff (-253 Ό) aufweisen, der als Reservoir für die Wass erstoffversorgung der Tankstelle dient. Da der Wasserstoff für die Betankung in der gasförmigen Phase vorliegen soll, verfügt eine solche Tankstelle für gewöhnlich über Gaspufferspeicher, die sich aus dem Reservoir speisen und aus denen dann die Betankung eines Tanks (z.B. eines wasserstoffbetriebenen Fahrzeugs) stattfindet.
Um die Sicherheit (Explosionsgefahr) für die Umwelt beim Betanken von Fahrzeugen dieser Art zu gewährleisten und um einen Standard für den Betankungsprozess zu schaffen, einigte sich ein Konsortium bestehend aus mehreren Fahrzeugherstellern auf den Standard SAE J2601. Der Standard gibt u.a. sicherheitsrelevante Grenzen und Leistungsanforderungen für den Tankvorgang insbesondere von Fahrzeugen ohne fahrzeugseitige Kommunikation vor. SAE J2601 sieht vor, dass wasserstoffgetriebene Fahrzeuge innerhalb von drei Minuten auf 700 bar betankt werden ohne dass dabei die Temperatur des Tanks des Fahrzeugs über eine Temperatur von 85 Ό ansteigt.
Des Weiteren sieht der Standard SAE J2601 vor, dass vor dem Betanken des Tanks ein Druck- und Dichtheitstest durchgeführt wird, unter anderem um zu gewährleisten, dass die Füllleitung der Tankstelle korrekt am Fahrzeugtank angeschlossen wurde. Bei besagtem Drucktest wird der zunächst unbekannte Druck im Tank des Fahrzeugs ermittelt, indem der Tank bei angeschlossener Füllleitung durch einen Druckstoß kurz geöffnet wird, um einen Druckausgleich zwischen der Füllleitung und dem Tank des Fahrzeugs zu bewirken. Der in der Füllleitung anliegende Druck entspricht dann dem Tankdruck des Tanks. Der Druckstoß für den Druck- und Dichtheitstest wird für gewöhnlich direkt von einem unter Hochdruck stehenden Gaspufferspeicher durchgeführt, so dass nachgeschaltete Elemente in der Füllleitung, wie z.B. Drucktransmitter, Thermometer,
Durchflussmessgeräte, Ventile und Schraubverbindungen diesem Druckstoß (ca. 850 bar) unmittelbar ausgesetzt sind. Des Weiteren kommt es bei einem solchen Drucktest beim Start des eigentlichen Betankungsvorgangs oftmals zu einem weiteren
Druckpeak in den nachgeschalteten Elementen, der auf ein unter Druck stehendes Restvolumen in Teilen der Füllleitung zurückzuführen ist. Derartige Lastwechsel in der Füllleitung tragen zur schnelleren Abnutzung der nachgeschalteten Elemente und damit zu einer Verkürzung der Lebensdauer dieser Komponenten bei.
Hiervon ausgehend liegt daher der vorliegenden Erfindung das Problem zugrunde, ein Verfahren zum Ermitteln eines Tankdrucks in einem Tank zu schaffen, bei dem derartige Lastwechsel in der Füllleitung gemindert sind.
Dieses Problem wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Danach ist vorgesehen, dass der Wasserstoff mittels einer Pumpe aus dem Speicher in die Füllleitung gepumpt wird und der sich hierbei in der Füllleitung einstellende Füllleitungsdruck gemessen wird, wobei das Rückschlagventil geöffnet wird, wenn der Füllleitungsdruck den Tankdruck überschreitet, und wobei der Tankdruck als der beim Öffnen des Rückschlagventils herrschende Füllleitungsdruck bestimmt wird. Bevorzugt handelt es sich bei der Pumpe um eine kryogene Pumpe, die Wasserstoff mit einem konstanten Massenstrom aus dem Speicher in die Füllleitung pumpt, wobei jener Speicher insbesondere ein vakuumisolierter, kryostatischer Speicher ist.
Vorzugsweise wird der flüssige Wasserstoff durch die Pumpe verdichtet, bevor er über einen Hochdruckverdampfer in die gasförmige Phase überführt wird, die dann in die Füllleitung eingespeist wird.
Des Weiteren ist eine solche Pumpe vorzugsweise als Kolbenpumpe ausgebildet, die pro Kolbenhub ein bestimmtes Volumen, das insbesondere dem Zylindervolumen der Kolbenpumpe entspricht, in die Füllleitung pumpt. Auf diese Weise kann annährend kontinuierlich der Druck in der Füllleitung erhöht werden, und zwar solange, bis der Füllleitungsdruck ausreicht, um das Rückschlagventil aufzudrücken. Dabei wird sichergestellt, dass die Pumpe die Füllleitung insbesondere auf ca. 850 bar bedrücken kann, um das Rückschlagventil mit Sicherheit zu öffnen; der Tank des Fahrzeugs kann mit Wasserstoff bis maximal 700 bar bedrückt sein.
Der Druck in der Füllleitung wird vorzugsweise durch einen Drucktransmitter erfasst, so dass der zeitliche Verlauf des Drucks in der Füllleitung rekonstruiert werden kann. Insbesondere wenn das Rückschlagventil geöffnet ist, entspricht der Füllleitungsdruck dem Tankdruck. In einer Variante der Erfindung wird daher der Tankdruck anhand des zeitlichen Verlaufs des Füllleitungsdrucks ermittelt.
Diesbezüglich wird in einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung der Tankdruck als der Füllleitungsdruck bestimmt, der nach einem Abflachen des zeitlichen Verlaufs des Füllleitungsdrucks herrscht. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn das Rückschlagventil aufgeht und das durch die Pumpe zu bedrückende Volumen größer wird, da der Tank ein zusätzliches Volumen zur Füllleitung darstellt. Dadurch wird der Druckanstieg bei gleichbleibender Pumpleistung geringer.
In einer Variante der Erfindung wird nach einem Ermitteln des Tankdrucks zur
Durchführung eines Dichtheitstests der Füllleitung über eine vordefinierte Zeitspanne von vorzugsweise 5 bis 25 Sekunden zunächst kein weiterer Wasserstoff in den Tank gepumpt, wobei insbesondere bei einem konstanten zeitlichen Verlauf des
Füllleitungsdrucks über jene Zeitspanne auf eine dichte Füllleitung geschlossen wird. Hier wird insbesondere getestet, ob die Füllleitung korrekt an den Fahrzeugtank angeschlossen ist, und ob ein Leck in der Verbindung zum Tank, das ein Ausströmen von u.U. erheblichen Mengen von Wasserstoff während des sich anschließenden Betankungsvorgangs zur Folge hätte, ausgeschlossen werden kann.
Vorzugsweise wird im Falle einer dichten Füllleitung der Tank, ausgehend vom ermittelten Tankdruck, mit einer vordefinierten Druckrampe mit Wasserstoff betankt. Dies geschieht insbesondere mit einer konstanten Druckrate, die insbesondere nach dem vorgenannten Standard in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur und dem Druck im Fahrzeugtank gewählt wird. Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung sollen durch die nachfolgenden Figurenbeschreibungen eines Ausführungsbeispiels anhand der Figuren erläutert werden. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Einrichtung zum Befüllen eines
Tanks mit gasförmigem Wasserstoff; und Fig. 2 eine schematische Darstellung eines Druckverlaufs in der Füllleitung während eines Druck- und Dichtheitstests und der anschließenden Betankung des Tanks;
Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Einrichtung zum Befüllen eines Tanks mit gasförmigem Wasserstoff, die einen Speicher 1 aufweist, der vorzugsweise flüssigen Wasserstoff speichert. Der Speicher 1 ist dabei über eine Pumpleitung 6 mit einer Pumpe 3 verbunden, die über eine Füllleitung 2 und einem Rückschlagventil 4 des zu betankenden Tanks 5 mit dem Tank 5 verbunden ist. Figur 2 zeigt den schematischen, zeitlichen Druckverlauf 11 in der Füllleitung 2 während der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Dabei ist auf der Ordinate der Füllleitungsdruck p aufgetragen, die Abszisse zeigt die Zeit t während des Druck- bzw. Dichtigkeitstests und der nachfolgenden Betankung des Tanks 5. Zunächst ist ein Druckanstieg 7 zu verzeichnen, der durch das Bedrücken der
Füllleitung 2 mittels der Pumpe 3 zustande kommt, aber anfänglich zu gering ist, um das Rückschlagventil 4 des Tanks 5 zu öffnen. Sobald das Rückschlagventil 4 durch fortlaufendes Pumpen der Pumpe 3 geöffnet ist, flacht der Druckanstieg 8 ab, da ein zusätzliches Volumen, nämlich das des Tanks 5, bedrückt werden muss. Der im Tank 5 herrschende Tankdruck 12 ist nunmehr der in der Füllleitung 2 gemessene
Füllleitungsdruck p. Nach Feststellen des abgeflachten Druckanstiegs 8, folgt der Dichtheitstest 9, bei dem über einen vordefinierten Zeitraum kein weiterer Wasserstoff in den Tank 5 gepumpt wird. Bleibt der Druck 9 in der Füllleitung 2 idealerweise konstant, kann auf eine dichte Füllleitung 2 bzw. Verbindung zum Tank 5 geschlossen werden. Sobald der Dichtheitstest 9 erfolgreich durchgeführt wurde, beginnt der eigentliche Tankvorgang mit einer vordefinierten Druckrampe 10.
Bezugszeichenliste
1 Speicher
2 Füllleitung
3 Pumpe
4 Rückschlagventil
5 Tank
6 Pumpleitung
7 Druckanstieg in der Füllleitung
8 Abflachen des Druckanstiegs
9 Dichtheitstest
10 Druckrampe
11 Druckverlauf
12 Tankdruck
P Füllleitungsdruck
T Zeit
V Hochdruckverdampfer

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Ermitteln eines Tankdrucks (12) in einem Tank (5) vor einem Betanken des Tanks (5) mit unter Druck stehendem, gasförmigem Wasserstoff, bei dem ein Speicher (1 ), in dem der zum Betanken zu verwendende Wasserstoff als flüssiger Wasserstoff gespeichert ist, über eine Füllleitung (2) sowie ein
nachfolgendes Rückschlagventil (4) des Tanks (5) mit dem Tank (5) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass mittels einer Pumpe (3) Wasserstoff aus dem Speicher (1 ) in die Füllleitung (2) gepumpt wird und der sich hierbei in der
Füllleitung (2) einstellende Füllleitungsdruck (1 1 ) gemessen wird, wobei das Rückschlagventil (4) geöffnet wird, wenn der Füllleitungsdruck (11 ) den Tankdruck (12) überschreitet, und wobei der Tankdruck (12) als der beim Öffnen des
Rückschlagventils (4) herrschende Füllleitungsdruck (11 ) bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der flüssige
Wasserstoff stromab der Pumpe (3) in die gasförmige Phase überführt wird, insbesondere mittels eines Hochdruckverdampfers (V), die dann in die Füllleitung (2) eingespeist wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der
Tankdruck (12) anhand des zeitlichen Verlaufs des Füllleitungsdrucks (11 ) ermittelt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass der Tankdruck (12) als der Füllleitungsdruck (1 1 ) bestimmt wird, der nach einem Abflachen (8) des zeitlichen Verlaufs des Füllleitungsdrucks (11 ) herrscht.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass nach einem Ermitteln des Tankdrucks (12) zur Durchführung eines
Dichtheitstests (9) der Füllleitung (2) über eine vordefinierte Zeitspanne zunächst kein weiterer Wasserstoff in den Tank (5) gepumpt wird, wobei insbesondere bei einem konstanten zeitlichen Verlauf des Füllleitungsdrucks (11 ) über jene
Zeitspanne auf eine dichte Füllleitung (2) geschlossen wird. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Tank (5) ausgehend vom ermittelten Tankdruck (12) mit einer vordefinierten Druckrampe (10) mit Wasserstoff betankt wird.
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