WO2019145099A1 - Verfahren zur entnahme von brennstoff aus einem druckbehältersystem mit mehreren druckbehältern sowie druckbehältersystem - Google Patents

Verfahren zur entnahme von brennstoff aus einem druckbehältersystem mit mehreren druckbehältern sowie druckbehältersystem Download PDF

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Klaus Szoucsek
Olivier Cousigne
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Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft
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    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/32—Hydrogen storage

Definitions

  • Pressure vessel system with multiple pressure vessels as well
  • the technology disclosed herein relates to a method of extracting fuel from a pressure vessel system having a plurality of pressure vessels.
  • Pressure tank systems as such are known. They serve for example for the storage of hydrogen in motor vehicles.
  • the hydrogen is stored under high pressure. By removing hydrogen, the pressure vessel cools down.
  • Pressure vessel system is to take care that the temperature of the
  • Pressure vessel is always above a minimum temperature for which the pressure vessels were designed. Depending on the design of the pressure vessels
  • Pressure vessel system can be particularly low
  • the technology disclosed herein relates to a pressure vessel system for a motor vehicle (e.g., automobiles, motorcycles, utility vehicles).
  • the pressure vessel system is used for storing under
  • the pressure vessel system can be used, for example, in a motor vehicle that is operated with compressed natural gas (CNG) or liquefied (LNG) natural gas or with hydrogen.
  • CNG compressed natural gas
  • LNG liquefied
  • NWP nominal working pressure
  • a cryogenic pressure vessel is suitable to store the fuel at the aforementioned operating pressures even at temperatures well below the operating temperature of the motor vehicle.
  • the pressure vessel system comprises at least a first pressure vessel and a second pressure vessel. Suitably form the first
  • Pressure vessel and the second pressure vessel parallel fuel flow paths.
  • the flow paths of two connecting lines can be formed.
  • the two connecting lines may each be at one end with a pressure vessel opening of the respective Be connected pressure vessel and open in a common flow path.
  • the aforementioned flow paths or connecting lines can at least form a fluid connection between the first pressure vessel and the second pressure vessel.
  • no pressure reducer is provided in the fluid connection.
  • the at least two pressure vessels are preferably provided in the high-pressure region of the anode subsystem.
  • the pressure vessel system is designed such that during refueling at least the first pressure vessel and the second pressure vessel can be filled with fuel.
  • the system disclosed herein further includes at least one controller.
  • the control unit is u.a. set up to perform the process steps disclosed herein.
  • the controller based on provided signals, the actuators of the system at least partially and preferably fully regulate (engl closed loop control) or control (engl open loop control).
  • the controller may affect at least the pressure vessel system.
  • the control unit may also be integrated in another control unit, e.g. in a higher-level control unit.
  • the control unit can with other control devices of the
  • the controller may be configured to control the pressure vessel system such that fuel is withdrawn from the first pressure vessel, and that the extracted fuel is partially supplied to an energy converter and the second pressure vessel.
  • the pressure vessel system is configured to perform one or more of the methods disclosed herein.
  • the technology disclosed herein includes a method of removing fuel from a pressure vessel system, particularly the pressure vessel system for a motor vehicle disclosed herein.
  • the method includes the step of removing fuel from the first pressure vessel, and then partially delivering the extracted fuel to the energy converter and the second pressure vessel.
  • the extraction mass flow of fuel taken from the first pressure vessel is divided into:
  • the extracted fuel may heat the second pressure vessel.
  • the at least one energy converter is set up to convert the chemical energy of the fuel into other forms of energy, for example electrical energy and / or kinetic energy.
  • the energy converter For example, an internal combustion engine or a
  • the technology disclosed herein may include the step of removing the extracted fuel from the first pressure vessel to the second
  • Pressure vessel is supplied only at times in which the
  • Fuel temperature in the second pressure vessel is lower than that
  • Fuel temperature in the first pressure vessel it is thus ensured that the extracted fuel is only supplied to the other pressure vessel when the supplied fuel also always heats the pressure vessel.
  • the method disclosed herein may include the step of removing the fuel from the first pressure vessel and supplying it to the second pressure vessel only until the fuel temperature in the first pressure vessel reaches a fuel limit temperature.
  • Fuel limit temperature is and in particular a lower
  • the fuel limit temperature is expediently chosen such that thermal damage from the pressure vessel system,
  • the fuel limit temperature may be -30 ° C, -35 ° C, -40 ° C, -50 ° C or -60 ° C.
  • the fuel temperature may be determined by detecting a value indicative of the fuel temperature. This detected value can be compared in one embodiment with a value that is indicative of the fuel limit temperature. For example, the fuel temperature at the pressure vessel outlet, in particular at the on-tank Valve, to be captured. In a further embodiment, the temperature of the pressure vessel inner wall or from the on-tank valve
  • the method disclosed herein may include the step of extracting fuel from the second pressure vessel and delivering it to the energy converter after the fuel temperature in the first pressure vessel has reached the fuel limit temperature.
  • the method may thus comprise the step, after which removal from the first pressure vessel is stopped and removal from the second pressure vessel is started, if the temperature of the fuel in the first pressure vessel reaches or exceeds the fuel limit temperature.
  • Partially restored pressure vessel This is particularly advantageous if at this time the temperature of the fuel in the first pressure vessel is lower than the temperature of the fuel in the second pressure vessel. Consequently, the second pressure vessel now heats the first pressure vessel.
  • fuel may be provided to the at least one energy converter depending on the respective fuel temperature in the first and second pressure vessels from either the first pressure vessel or the second pressure vessel, with further fuel removed from the fuel providing pressure vessel and the non-fuel source
  • Pressure vessel can be supplied.
  • Fig. 1 is a schematic representation of a pressure vessel system
  • Fig. 2 is a schematic representation of the pressure
  • Fig. 1 shows schematically the pressure vessel system disclosed herein.
  • Fuel is stored in the pressure vessels 1, 2, e.g. Hydrogen at 700 bar.
  • the pressure vessels 1, 2 provide hydrogen for the energy converter, here a fuel cell stack 300 with a plurality of fuel cells, which are operated at a lower pressure level.
  • Pressure vessel openings of the pressure vessel 1, 2 are here each one
  • a pressure reducer 240 is further provided.
  • the pressure reducer 240 reduces the pressure from 700 bar to a lower pressure level.
  • the first pressure tank is connected to the second pressure vessel 2 via a fluid connection.
  • the fluid connection is formed here by the fluid lines 211, 212.
  • the fluid lines 211, 212 are formed parallel to one another, wherein the term "parallel" does not refer to geometrical parallelism.
  • the fluid lines 211, 212 here connect the pressure vessels 1, 2 and the Tankabsperrventile 251, 252 with the pressure reducer 240.
  • the fluid system upstream of the pressure reducer 240 is also referred to as the high-pressure region of the anode subsystem. Downstream of the pressure reducer 240, a jet pump 234 is provided here in the anode inflow path 215.
  • Anode inflow path 215 terminates in anode A from fuel cell stack 300. After the electrochemical reaction in fuel cell stack 300, the anode exhaust gas leaves fuel cell stack 300
  • the purge gas leaves the fuel cell system through the anode scavenging line 239 via the anode scavenging valve 238.
  • air is sucked and compressed via the compressor 410, which is cooled in the charge air cooler 420.
  • cathode-side stack shut-off valves 430, 440 and the bypass line 460 are also shown.
  • FIG. 2 schematically shows the pressure and temperature profiles which result in the implementation of the technology disclosed here.
  • the pressure profiles of the fuel pressure in the first pressure vessel 1 and the second pressure vessel 2 are shown over time.
  • the dashed line shows the pressure curve in the second pressure vessel 2 and the solid line shows the pressure curve in the first
  • Pressure vessel 1 to be closed by the time t1. Due to the fuel extraction from the second pressure vessel 2 decrease
  • Temperature T2X and pressure p2X from the fuel in the second pressure vessel 2 whereas the temperature Tix and the pressure pix from the fuel in the first pressure vessel 1 are substantially constant up to time t1.
  • the pressure pi 1 in the first pressure vessel 1 is higher than the pressure p21 in the second pressure vessel.
  • Pressure equalization corresponds to the pressure p1 T in the first pressure vessel 1 substantially the pressure p21 'in the second pressure vessel 2.
  • the first pressure vessel is the fuel cell stack 300 above the
  • Fuel temperature in the first pressure vessel from the original value Tn to a T emperatur Ti 1, which is lower than the temperature T21 'in the second pressure vessel 2. However, the temperature T 1 1 is higher than that
  • Fuel limit temperature TG is then closed until the time t2 and fuel is discharged from the first
  • Period E2C the fuel again taken from the second pressure vessel 2, wherein at the same time the first Tankabsperrventil 251 is closed.
  • Fuel supply system in particular for the supply of hydrogen, which comprises a plurality of pressure vessels or pressure tanks.
  • the fuel can be removed simultaneously from both pressure tanks simultaneously. But you can also first from a pressure tank and then from the other Pressure tank done, for example, when limit parameters are reached in the first pressure tank.
  • the pressure tank 2 is the tank from which you first takes fuel and the first pressure tank 1 is the tank from which you want to remove fuel. In the period tO - 11, first only the pressure tank 2 is taken. With this removal, the pressure tank 2 will cool down until it reaches the lowest possible or allowed temperature TG.
  • the pressure tank 2 is cold and the pressure tank 1 is warm. Since previously removed from pressure tank 2 and not from pressure tank 1, the pressure in the pressure tank 2 is lower than in pressure tank 1.
  • the warm-up of a pressure tank is accelerated. This can be done by the cold pressure tank 2 is filled with hot fuel from the pressure tank 1 by brief overflow. A part of the fuel from the pressure tank 1 is used to supply the drive unit of the motor vehicle. The second part of the removed
  • Fuel from the pressure tank 1 is used to fill the pressure tank 2. This "refueling" of pressure tank 2 is done easily with the The pressure difference between the pressure tank 1 and 2.
  • the refueling of the pressure tank 2 with warm fuel from the pressure tank 1 will accelerate the warming up of the pressure tank 2 for two reasons: First, warm fuel is flowed into the pressure tank 2 and mixed with the existing cold fuel. This increases the mixing temperature. Second, the pressure in the pressure tank 2 is increased and the heat of compression heats the fuel further. With this concept, the pressure tank 2 is warmed up more quickly and will become operational again faster.
  • FIG. 3 schematically shows a flowchart for carrying out the technology disclosed here.
  • the process starts with step S100.
  • step S200 it is determined whether the temperature of the fuel in the pressure vessel 1 is higher than the fuel limit temperature TG. If this is the case, then in
  • Step S300 allowed the removal from the pressure vessel 1. If this is not the case, however, a pressure equalization between the first and second pressure vessels 1, 2 is achieved in step S210. In this case, fuel taken from the comparatively warm pressure vessel 2 flows into the pressure vessel 1. In step S400 it is checked whether the temperature of the fuel in the pressure vessel two is greater than that
  • step S500 Fuel limit temperature TG. If so, then in step S500
  • step S600 checked whether the current temperature of the fuel in the first
  • Pressure vessel 1 and the second pressure vessel 2 are larger than that

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Abstract

Die hier offenbarte Technologie betrifft ein Verfahren zur Entnahme von Brennstoff aus einem Druckbehältersystem eines Kraftfahrzeuges. Das Druckbehältersystem umfasst mindestens einen ersten Druckbehälter (1) und einen zweiten Druckbehälter (2), wobei der erste Druckbehälter (1) und der zweite Druckbehälter (2) zumindest bereichsweise parallele Brennstoffströmungspfade (211, 212) ausbilden. Das Verfahren umfasst den Schritt, wonach aus dem ersten Druckbehälter (1) Brennstoff entnommen wird, und wonach der entnommene Brennstoff teilweise mindestens einem Energiewandler 300 und dem zweiten Druckbehälter (2) zugeführt wird.

Description

Verfahren zur Entnahme von Brennstoff aus einem
Druckbehältersystem mit mehreren Druckbehältern sowie
Druckbehältersystem
Die hier offenbarte Technologie betrifft ein Verfahren zur Entnahme von Brennstoff aus einem Druckbehältersystem mit mehreren Druckbehältern.
Druckbehältersysteme als solche sind bekannt. Sie dienen beispielsweise zur Speicherung von Wasserstoff in Kraftfahrzeugen. In den Druckbehältern ist der Wasserstoff unter hohem Druck gespeichert. Durch die Entnahme von Wasserstoff kühlt sich der Druckbehälter ab. Beim Betrieb des
Druckbehältersystems ist darauf zu achten, dass die Temperatur des
Druckbehälters immer oberhalb einer Mindesttemperatur liegt, für die die Druckbehälter ausgelegt wurden. Je nach Auslegung des
Druckbehältersystems kann insbesondere bei niedrigen
Umgebungstemperaturen der Fall eintreten, dass der maximal mögliche Entnahmemassenstrom eingeschränkt werden muss, um eine zu starke Abkühlung des Druckbehälters zu vermeiden
Es ist eine bevorzugte Aufgabe der hier offenbarten Technologie,
zumindest einen Nachteil von einer vorbekannten Lösung zu verringern oder zu beheben oder eine alternative Lösung vorzuschlagen. Es ist insbesondere eine bevorzugte Aufgabe der hier offenbarten Technologie, ein Verfahren zur Entnahme von Brennstoff sowie ein Druckbehältersystem vorzuschlagen, das einen erhöhten Entnahmemassenstrom an Brennstoff ermöglicht, ohne dass während der Entnahme das Druckbehältersystem thermisch geschädigt wird. Weitere bevorzugte Aufgaben können sich aus den vorteilhaften Effekten der hier offenbarten Technologie ergeben. Die Aufgabe(n) wird/werden gelöst durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche. Die abhängigen Ansprüche stellen bevorzugte
Ausgestaltungen dar.
Die hier offenbarte Technologie betrifft ein Druckbehältersystem für ein Kraftfahrzeug (z.B. Personenkraftwagen, Krafträder, Nutzfahrzeuge). Das Druckbehältersystem dient zur Speicherung von unter
Umgebungsbedingungen gasförmigen Brennstoff. Das Druckbehältersystem kann beispielsweise in einem Kraftfahrzeug eingesetzt werden, das mit komprimiertem („Compressed Natural Gas“ = CNG) oder verflüssigtem (LNG) Erdgas oder mit Wasserstoff betrieben wird.
Ein solches Druckbehältersystem umfasst mindestens einen Druckbehälter, insbesondere einem composite overwrapped pressure vessel (=COPV). Der Druckbehälter kann beispielsweise ein kryogener Druckbehälter (= CcH2 oder COP) oder ein Hochdruckgasbehälter (= CGH2) sein.
Hochdruckgasbehälter sind ausgebildet, bei Umgebungstemperaturen Brennstoff dauerhaft bei einem nominalen Betriebsdruck (auch nominal working pressure oder NWP genannt) von ca. 350 barü (= Überdruck gegenüber dem Atmosphärendruck), ferner bevorzugt von ca. 700 barü oder mehr zu speichern. Ein kryogener Druckbehälter ist geeignet, den Brennstoff bei den vorgenannten Betriebsdrücken auch bei Temperaturen zu speichern, die deutlich unter der Betriebstemperatur des Kraftfahrzeuges liegen.
Das Druckbehältersystem umfasst mindestens einen ersten Druckbehälter und einen zweiten Druckbehälter. Zweckmäßig bilden der erste
Druckbehälter und der zweite Druckbehälter parallele Brennstoff- Strömungspfade aus. Insbesondere können die Strömungspfade von zwei Verbindungsleitungen ausgebildet werden. Die zwei Verbindungsleitungen können jeweils an einem Ende mit einer Druckbehälteröffnung des jeweiligen Druckbehälters verbunden sein und in einem gemeinsamen Strömungspfad münden. Die vorgenannten Strömungspfade bzw. Verbindungsleitungen können eine Fluidverbindung zwischen dem ersten Druckbehälter und den zweiten Druckbehälter zumindest mit ausbilden. Zweckmäßig ist in der Fluidverbindung kein Druckminderer vorgesehen. Mithin herrscht in der Fluidverbindung bei geöffneten Ventilen der Druckbehälter und im quasistationären Zustand derselbe Druck wie in den Druckbehältern. Mit anderen Worten sind also die mindestens zwei Druckbehälter bevorzugt im Hochdruckbereich des Anodensubsystems vorgesehen. Zweckmäßig ist das Druckbehältersystem derart ausgebildet, dass während der Betankung mindestens der erste Druckbehälter und der zweite Druckbehälter mit Brennstoff befüllbar sind.
Das hier offenbarte System umfasst ferner mindestens ein Steuergerät. Das Steuergerät ist u.a. eingerichtet, die hier offenbarten Verfahrensschritte durchzuführen. Hierzu kann das Steuergerät basierend auf bereitgestellten Signalen die Aktuatoren des Systems zumindest teilweise und bevorzugt vollständig regeln (engl closed loop control) oder steuern (engl open loop control). Das Steuergerät kann zumindest das Druckbehältersystem beeinflussen. Alternativ oder zusätzlich kann das Steuergerät auch in einem anderen Steuergerät mit integriert sein, z.B. in einem übergeordneten Steuergerät. Das Steuergerät kann mit weiteren Steuergeräten des
Kraftfahrzeuges interagieren.
Das Steuergerät kann eingerichtet sein, das Druckbehältersystem derart zu regeln bzw. zu steuern, dass aus dem ersten Druckbehälter Brennstoff entnommen wird, und dass der entnommene Brennstoff teilweise einem Energiewandler und dem zweiten Druckbehälter zugeführt wird. Das Druckbehältersystem ist eingerichtet, eines oder mehrere der hier offenbarten Verfahren durchzuführen.
Gleichsam umfasst die hier offenbarte Technologie ein Verfahren zur Entnahme von Brennstoff aus einem Druckbehältersystem, insbesondere dem hier offenbarten Druckbehältersystem für ein Kraftfahrzeug. Das Verfahren umfasst den Schritt, wonach aus dem ersten Druckbehälter Brennstoff entnommen wird, und wonach der entnommene Brennstoff teilweise dem Energiewandler und dem zweiten Druckbehälter zugeführt wird. Mithin wird also gemäß der hier offenbarten Technologie der dem ersten Druckbehälter entnommene Entnahme-Massenstrom an Brennstoff aufgeteilt in:
- einen Energiewandler-Massenstrom, der dem Energiewandler
zugeführt wird; und
- einen Druckbehälter-Massenstrom, der dem zweiten Druckbehälter zugeführt wird.
Noch mal anders ausgedrückt wird also gemäß der hier offenbarten
Technologie der dem ersten Druckbehälter entnommene Brennstoff zeitgleich dem mindestens einen Energiewandler und dem zweiten
Druckbehälter zugeführt. Vorteilhaft kann gemäß der hier offenbarten Technologie der entnommene Brennstoff den zweiten Druckbehälter erwärmen.
Der mindestens eine Energiewandler ist eingerichtet, die chemische Energie des Brennstoffs in andere Energieformen umzuwandeln, beispielsweise in elektrische Energie und/oder in Bewegungsenergie. Der Energiewandler kann beispielsweise eine Brennkraftmaschine oder ein
Brennstoffzellensystem/ Brennstoffzellenstapel mit mindestens eine
Brennstoffzelle sein.
Die hier offenbarte Technologie kann den Schritt umfassen, wonach der entnommene Brennstoff aus dem ersten Druckbehälter dem zweiten
Druckbehälter nur zu Zeitpunkten zugeführt wird, in denen die
Brennstofftemperatur im zweiten Druckbehälter geringer ist als die
Brennstofftemperatur im ersten Druckbehälter. Mit anderen Worten wird also gemäß dem hier offenbarten Verfahren sichergestellt, dass der entnommene Brennstoff dem anderen Druckbehälter nur zugeführt wird, wenn der zugeführte Brennstoff auch immer den Druckbehälter erwärmt.
Das hier offenbarte Verfahren kann den Schritt umfassen, wonach aus dem ersten Druckbehälter nur solange der Brennstoff entnommen und dem zweiten Druckbehälter zugeführt wird, bis die Brennstofftemperatur im ersten Druckbehälter eine Brennstoffgrenztemperatur erreicht. Die
Brennstoffgrenztemperatur ist und insbesondere eine untere
Grenztemperatur. Die Brennstoffgrenztemperatur ist zweckmäßig so gewählt, dass eine thermische Beschädigung vom Druckbehältersystem,
insbesondere vom Druckbehälter, mit Sicherheit ausgeschlossen werden kann. Beispielsweise kann die Brennstoffgrenztemperatur -30 °C, -35 °C, - 40 °C, -50 °C oder -60 °C betragen.
Die Brennstofftemperatur kann beispielsweise bestimmt werden, indem ein für die Brennstofftemperatur indikativer Wert erfasst wird. Dieser erfasste Wert kann in einer Ausgestaltung verglichen werden mit einem Wert, der indikativ ist für die Brennstoffgrenztemperatur. Beispielsweise kann die Brennstofftemperatur am Druckbehälterauslass, insbesondere am On-Tank- Valve, erfasst werden. In einer weiteren Ausgestaltung kann die Temperatur der Druckbehälterinnenwand bzw. vom On-Tank-Valve
selbst erfasst werden und mit einem entsprechenden Referenzwert für die Brennstoffgrenztemperatur verglichen werden.
Das hier offenbarte Verfahren kann den Schritt umfassen, wonach aus dem zweiten Druckbehälter Brennstoff entnommen und dem Energiewandler zugeführt wird, nachdem die Brennstofftemperatur im ersten Druckbehälter die Brennstoffgrenztemperatur erreicht hat. Vorteilhaft ist somit also sichergestellt, dass das Druckbehältersystem weiterhin Brennstoff für den mindestens einen Energiewandler des Kraftfahrzeugs auch dann
bereitstellen kann, wenn aus dem ersten Druckbehälter nicht mehr entnommen werden kann. Mit anderen Worten kann das Verfahren also den Schritt umfassen, wonach die Entnahme aus dem ersten Druckbehälter unterbunden wird und mit der Entnahme aus dem zweiten Druckbehälter begonnen wird, falls die Temperatur vom Brennstoff im ersten Druckbehälter die Brennstoffgrenztemperatur erreicht oder überschreitet. Hierzu kann beispielsweise das erste Tankabsperrventil des ersten Druckbehälters geschlossen und gleichzeitig oder kurz danach das zweite Tankabsperrventil des zweiten Druckbehälters geöffnet werden.
Besonders bevorzugt wird, gleichzeitig zur Brennstoffbereitstellung an den mindestens einen Energiewandler und nachdem die Brennstofftemperatur im ersten Druckbehälter die Brennstoffgrenztemperatur erreicht hat, der aus dem zweiten Druckbehälter entnommene Brennstoff dem ersten
Druckbehälter teilweise wieder zugeführt. Dies ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn zu diesem Zeitpunkt die Temperatur vom Brennstoff im ersten Druckbehälter geringer ist als die Temperatur vom Brennstoff im zweiten Druckbehälter. Mithin erwärmt nun also der zweite Druckbehälter den ersten Druckbehälter.
Gemäß der hier offenbarten Technologie kann dem mindestens einen Energiewandler in Abhängigkeit von der jeweiligen Brennstofftemperatur im ersten und zweiten Druckbehälter entweder aus dem ersten Druckbehälter oder aus dem zweiten Druckbehälter Brennstoff bereitgestellt werden, wobei gleichzeitig aus dem Brennstoff bereitstellenden Druckbehälter weiterer Brennstoff entnommen und dem nicht Brennstoff bereitstellenden
Druckbehälter zugeführt werden kann.
Die hier offenbarte Technologie wird nun anhand der Figuren erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Druckbehältersystems;
Fig. 2 eine schematische Darstellung der Druck- und
Temperaturverläufe; und
Fig. 3 eine schematisches Ablaufdiagramm.
Die Fig. 1 zeigt schematisch das hier offenbarte Druckbehältersystem. In den Druckbehältern 1 , 2 ist Brennstoff gespeichert, z.B. Wasserstoff bei 700 bar. Die Druckbehälter 1 , 2 stellen Wasserstoff bereit für den Energiewandler, hier ein Brennstoffzellenstapel 300 mit einer Vielzahl an Brennstoffzellen, welche auf einem niedrigeren Druckniveau betrieben werden. An den
Druckbehälteröffnungen der Druckbehälter 1 , 2 sind hier jeweils ein
Tankabsperrventil 251 , 252 vorgesehen. In dem hier dargestellten System ist ferner ein Druckminderer 240 vorgesehen. Der Druckminderer 240 senkt den Druck von 700 bar auf ein geringeres Druckniveau. Der erste Druckbehälterl ist mit dem zweiten Druckbehälter 2 über eine Fluidverbindung verbunden. Die Fluidverbindung wird hier durch die Fluidleitungen 211 , 212 ausgebildet. Die Fluidleitungen 211 , 212 sind parallel zueinander ausgebildet, wobei der Begriff„parallel“ sich hier nicht bezieht auf geometrische Parallelität. Die Fluidleitungen 211 , 212 verbinden hier die Druckbehälter 1 , 2 bzw. die Tankabsperrventile 251 , 252 mit dem Druckminderer 240. Das Fluidsystem stromauf vom Druckminderer 240 wird auch als Hochdruckbereich vom Anodensubsystem bezeichnet. Stromab vom Druckminderer 240 ist hier im Anodenzuströmpfad 215 eine Strahlpumpe 234 vorgesehen. Der
Anodenzuströmpfad 215 mündet in der Anode A vom Brennstoffzellenstapel 300. Nach der elektrochemischen Reaktion in dem Brennstoffzellenstapel 300 verlässt das Anodenabgas den Brennstoffzellenstapel 300. Im
Wasserabscheider 232 wird das Produktwasser abgeschieden. Über das Anodenspülventil 238 verlässt das Purge-Gas das Brennstoffzellensystem durch die Anodenspülleitung 239. Kathodenseitig wird über den Kompressor 410 Luft angesaugt und verdichtet, die in dem Ladeluftkühler 420 gekühlt wird. Ferner dargestellt sind die kathodenseitigen Stapel-Absperrventile 430, 440 sowie die Bypassleitung 460.
Die Fig. 2 zeigt schematisch die Druck- und Temperaturverläufe, die sich bei der Durchführung der hier offenbarten Technologie ergeben. Im oberen Abschnitt der Figur sind jeweils die Druckverläufe vom Brennstoffdruck im ersten Druckbehälter 1 und zweiten Druckbehälter 2 über die Zeit dargestellt. Die gestrichelte Linie zeigt dabei den Druckverlauf im zweiten Druckbehälter 2 und die durchgehende Linie zeigt den Druckverlauf im ersten
Druckbehälter 1. Analog hierzu sind im unteren Abschnitt der Figur die Temperaturverläufe vom Brennstoff im ersten Druckbehälter 1 (als
gepunktete Linie gezeigt) und im zweiten Druckbehälter 2 (als
strichpunktierte Linie gezeigt) über die Zeit dargestellt. Hier wird vereinfachend davon ausgegangen, dass zum Zeitpunkt tO beide Druckbehälter 1 , 2 denselben Druck und dieselbe Temperatur aufweisen. Zu diesem Zeitpunkt tO wird mit der Brennstoffentnahme aus dem zweiten Druckbehälter 2 begonnen. Während der Brennstoffentnahme aus dem Druckbehälter 2 soll zunächst das Tankabsperrventil 251 vom ersten
Druckbehälter 1 bis zum Zeitpunkt t1 geschlossen sein. Aufgrund der Brennstoffentnahme aus dem zweiten Druckbehälter 2 verringern sich
Temperatur T2X und Druck p2X vom Brennstoff im zweiten Druckbehälter 2, wohingegen die Temperatur Tix und der Druck pix vom Brennstoff im ersten Druckbehälter 1 hier bis zum Zeitpunkt t1 im Wesentlichen konstant sind.
Zum Zeitpunkt t1 ist der Druck pi 1 im ersten Druckbehälter 1 höher als der Druck p21 im zweiten Druckbehälter.
In dem hier dargestellten Beispiel wird nun angenommen, dass die
Temperatur T2X vom Brennstoff im zweiten Druckbehälter 2 zum Zeitpunkt t1 die Brennstoffgrenztemperatur TG erreicht hat. Ist dies der Fall, so wird das erste Tankabsperrventil 251 auch geöffnet. Es wird somit eine
Fluidverbindung zwischen den beiden Druckbehältern 1 , 2 hergestellt und es kommt zum Druckausgleich. Dabei strömt der aus dem ersten Druckbehälter 1 entnommene Brennstoff in den zweiten Druckbehälter 2. Nach dem
Druckausgleich entspricht der Druck p1 T im ersten Druckbehälter 1 im Wesentlichen dem Druck p21‘ im zweiten Druckbehälter 2. Zeitgleich stellt der erste Druckbehälter dem Brennstoffzellenstapel 300 über dem
Anodenzuströmpfad 215 Brennstoff bereit. Dies muss aber nicht so sein. Gleichsam könnte dem Brennstoffzellenstapel 300 auch mit etwas Verzug Brennstoff bereitgestellt werden. Durch den Druckausgleich erwärmt sich der Brennstoff im zweiten Druckbehälter 2 schlagartig von der Temperatur T21 = TG auf die Temperatur T21‘. Dies ist darauf zurückzuführen, dass vergleichsweise warmer Brennstoff in den zweiten Druckbehälter 2 strömt und gleichzeitig durch die Kompression im zweiten Druckbehälter 2
Kompressionswärme entsteht. Die Entnahme aus dem ersten Druckbehälter 1 zum Zeitpunkt t1 bewirkt zeitgleich einen schlagartigen Abfall der
Brennstofftemperatur im ersten Druckbehälter vom ursprünglichen Wert Tn auf eine T emperatur Ti 1 , die niedriger ist als die T emperatur T21‘ im zweiten Druckbehälter 2. Jedoch ist die Temperatur T 1 1 höher als die
Brennstoffgrenztemperatur TG. Somit kann also nach dem Druckausgleich weiterhin Brennstoff bereitgestellt werden aus dem ersten oder zweiten Druckbehälter 1 , 2. Zweckmäßig wird nun das zweite Tankabsperrventil 252 bis zum Zeitpunkt t2 geschlossen und Brennstoff wird aus dem ersten
Druckbehälter 1 entnommen bis die Temperatur Tix vom Brennstoff im ersten Druckbehälter 1 zum Zeitpunkt t2 wieder die
Brennstoffgrenztemperatur TG erreicht. Ist dies der Fall, so werden erneut beide Tankabsperrventil 251 , 251 geöffnet und es kommt wieder zum
Druckausgleich zwischen dem Druckbehältern 1 ,2. Anschließend wird in dem
Zeitraum E2C der Brennstoff wieder aus dem zweiten Druckbehälter 2 entnommen, wobei gleichzeitig das erste Tankabsperrventil 251 geschlossen ist.
Mit anderen Worten betrifft die hier offenbarte Technologie eine
Kraftstoffversorgungsanlage, insbesondere zur Versorgung mit Wasserstoff, die mehrere Druckbehälter bzw. Drucktanks umfasst. Die Brennstoff- Entnahme kann parallel aus beiden Drucktanks gleichzeitig erfolgen. Sie kann aber auch zuerst aus einem Drucktank und dann aus dem anderen Drucktank erfolgen, beispielsweise wenn Grenzparameter in dem ersten Drucktank erreicht werden.
Der Drucktank 2 ist der Tank, aus dem man zuerst Brennstoff entnimmt und der erste Drucktank 1 ist der Tank, aus dem man Brennstoff entnehmen will. Im Zeitraum tO - 11 wird zuerst nur aus dem Drucktank 2 entnommen. Mit dieser Entnahme wird sich der Drucktank 2 abkühlen bis er die tiefste mögliche bzw. erlaubte Temperatur TG erreicht.
Ab diesem Zeitpunkt t1 wird im Zeitraum t1 - 12 Brennstoff nur aus dem Drucktank 1 entnommen. Dieser Zustand kann auch als Ei bezeichnet werden. Der Drucktank 1 wird sich auch mit dieser Entnahme progressiv abkühlen. Gleichzeitig wird sich der Drucktank 2 aber aufwärmen, da kein Brennstoff mehr aus dem Drucktank 1 entnommen wird. Wenn der Drucktank
1 seine tiefste mögliche/erlaubte Temperatur TG erreicht hat, wird im
Zeitraum t2 - 13 Brennstoff wieder aus dem Drucktank 2 entnommen
(Zustand E2).
Gemäß der hier offenbarten Technologie ist zum Zeitpunkt t1 Drucktank 2 kalt und Drucktank 1 warm. Da vorher aus Drucktank 2 entnommen wurde und aus Drucktank 1 nicht, ist der Druck im Drucktank 2 niedriger als in Drucktank 1. Bevorzugt wird gemäß der hier offenbarten Technologie das Aufwärmen eines Drucktanks beschleunigt. Dieses ist kann dadurch geschehen, das der kalte Drucktank 2 mit warmen Brennstoff aus dem Drucktank 1 durch kurzzeitigen Überströmvorgang befüllt wird. Ein Teil des Brennstoffs aus dem Drucktank 1 wird verwendet, um das Antriebsaggregat des Kraftfahrzeugs zu versorgen. Der zweite Teil des entnommenen
Brennstoffs aus dem Drucktank 1 wird verwendet, um den Drucktank 2 zu befüllen. Diese„Betankung“ von Drucktank 2 erfolgt einfach mit der Druckdifferenz zwischen Drucktank 1 und 2. Die Betankung vom Drucktank 2 mit warmen Brennstoff aus dem Drucktank 1 wird das Aufwärmen des Drucktanks 2 aus zwei Gründen beschleunigen: Erstens, es wird warmer Brennstoff in den Drucktank 2 eingeströmt und mit dem vorhandenen kalten Brennstoff vermischt. Dadurch wird die Mischtemperatur erhöht. Zweitens, es wird der Druck im Drucktank 2 erhöht und durch die Kompressionswärme wird der Brennstoff weiter erwärmt. Mit diesem Konzept wird der Drucktank 2 schneller aufgewärmt und wird schneller wieder betriebsfähig werden.
Wenn der Drucktank 1 zu kalt wird, kann dieselbe Betriebsstrategie für den Drucktank 1 angewendet werden. Damit kann man vermeiden, dass beide Drucktanks die untere Temperaturgrenze erreichen, bevor sie ganz leer geworden sind. Fahrbereitschaftsstörungen mit z.B. halbvollen Drucktank werden vermieden. Das Tanksystem kann ohne Einschränkung auch bei sehr kalten Umgebungstemperaturen restlos entleert werden. t
Die Fig. 3 zeigt schematisch ein Ablaufdiagramm zur Durchführung der hier offenbarten Technologie. Der Prozess startet mit dem Schritt S100. Im Schritt S200 wird festgestellt, ob die Temperatur vom Brennstoff im Druckbehälter 1 höher ist als die Brennstoffgrenztemperatur TG. Ist dies der Fall, so wird im
Schritt S300 die Entnahme aus dem Druckbehälter 1 zugelassen. Ist dies indes nicht der Fall, so wird im Schritt S210 ein Druckausgleich zwischen dem ersten und zweiten Druckbehälter 1 , 2 erzielt. Dabei strömt aus dem vergleichsweise warmen Druckbehälter 2 entnommener Brennstoff in den Druckbehälter 1 ein. Im Schritt S400 wird überprüft, ob die Temperatur vom Brennstoff im Druckbehälter zwei größer ist als die
Brennstoffgrenztemperatur TG. Ist dies der Fall so wird im Schritt S500
Brennstoff aus dem Druck Behälter zwei entnommen und dem
Energiewandler zugeführt. Ist dies indes nicht der Fall, so wird im Schritt S600 geprüft ob die aktuelle Temperatur vom Brennstoff im ersten
Druckbehälter 1 und im zweiten Druckbehälter 2 größer sind als die
Brennstoffgrenztemperatur TG. Ist dies nicht der Fall, so wird im Schritt S700 die Entnahme aus beiden Druckbehältern 1 , 2 untersagt und ein
entsprechender Hinweis über eine Benutzerschnittstelle ausgegeben. Ist indes die Temperatur im ersten Druckbehälter größer als die
Brennstoffgrenztemperatur TG, so wird im Schritt S610 erneut ein
Druckausgleich zwischen den beiden Druckbehältern erzielt. Dabei strömt nun aus dem ersten Druckbehälter 1 Brennstoff in den zweiten Druckbehälter 2 ein. Das Verfahren wird dann mit dem Schritt S200 fortgesetzt.
Die vorhergehende Beschreibung der vorliegenden Erfindung dient nur zu illustrativen Zwecken und nicht zum Zwecke der Beschränkung der
Erfindung. Im Rahmen der Erfindung sind verschiedene Änderungen und Modifikationen möglich, ohne den Umfang der Erfindung sowie ihrer
Äquivalente zu verlassen.

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zur Entnahme von Brennstoff aus einem
Druckbehältersystem eines Kraftfahrzeuges, wobei das
Druckbehältersystem mindestens einen ersten Druckbehälter (1 ) und einen zweiten Druckbehälter (2) aufweist, wobei der erste
Druckbehälter (1 ) und der zweite Druckbehälter (2) zumindest bereichsweise parallele Brennstoffströmungspfade (211 , 212) ausbilden, umfassend den Schritt, wonach aus dem ersten
Druckbehälter (1 ) Brennstoff entnommen wird, und wonach der entnommene Brennstoff teilweise mindestens einem Energiewandler (300) und dem zweiten Druckbehälter (2) zugeführt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , wobei der entnommene Brennstoff aus dem ersten Druckbehälter (1 ) dem zweiten Druckbehälter (2) nur zu
Zeitpunkten zugeführt wird, in denen die Brennstofftemperatur (Ϊ2C) im zweiten Druckbehälter (2) geringer ist als die Brennstofftemperatur (T1X) im ersten Druckbehälter (1 ).
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei aus dem ersten
Druckbehälter (1 ) nur solange der Brennstoff entnommen und dem zweiten Druckbehälter (2) zugeführt wird, bis die Brennstofftemperatur
(T1X) im ersten Druckbehälter (1 ) eine Brennstoffqrenztemperatur (TGu) erreicht.
4. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, ferner umfassend im Schritt, wonach es zu einem Druckausgleich zwischen dem ersten und zweiten Druckbehälter (1 , 2) kommt, nachdem die
Brennstofftemperatur (Tix) im ersten Druckbehälter (1 ) eine bzw. die Brennstoffqrenztemperatur (TGu) erreicht hat.
5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, wobei aus dem zweiten
Druckbehälter (2) Brennstoff entnommen und dem Energiewandler
(300) zugeführt wird, nachdem die Brennstofftemperatur (Tix) im ersten Druckbehälter (1 ) die Brennstoffgrenztemperatur (TG) erreicht hat, und/oder nachdem es zum Druckausgleich zwischen dem ersten und zweiten Druckbehälter (1 , 2) kam.
6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, wobei nach dem Druckausgleich der Energiewandler (300) solange aus dem zweiten Druckbehälter (2) mit Brennstoff versorgt wird, bis die Brennstofftemperatur (T2X) im zweiten Druckbehälter (2) die Brennstoffgrenztemperatur (TG) erreicht.
7. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei dem
Energiewandler (300) in Abhängigkeit von der jeweiligen
Brennstofftemperatur im ersten und zweiten Druckbehälter (1 ,2) entweder aus dem ersten Druckbehälter (1 ) oder aus dem zweiten Druckbehälter (2) Brennstoff bereitgestellt wird, und wobei gleichzeitig aus dem Brennstoff bereitstellenden Druckbehälter weiterer Brennstoff entnommen und dem nicht Brennstoff bereitstellenden Druckbehälter zugeführt wird.
8. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der erste und zweite Druckbehälter (1 , 2) über eine Fluidverbindung miteinander fluidverbunden sind, wobei in der Fluidverbindung kein Druckminderer vorgesehen ist.
9. Druckbehältersystem zur Speicherung von Brennstoff, mit mindestens einem ersten Druckbehälter (1 ) und einem zweiten Druckbehälter (2), wobei das Druckbehältersystem eingerichtet ist, mindestens ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8 durchzuführen.
10. Druckbehältersystem zur Speicherung von Brennstoff, umfassend:
- mindestens einen ersten Druckbehälter (1 ) und einen zweiten
Druckbehälter (2), wobei der erste Druckbehälter (1 ) und der zweite Druckbehälter (2) zumindest bereichsweise parallele
Brennstoffströmungspfade (21 1 , 212) ausbilden; und
- mindestens ein Steuergerät,
wobei das Steuergerät eingerichtet ist, das Druckbehältersystem derart zu regeln und/oder zu steuern, dass aus dem ersten
Druckbehälter (1 ) Brennstoff entnommen wird, und dass der entnommene Brennstoff teilweise mindestens einem Energiewandler (300) und dem zweiten Druckbehälter (2) zugeführt wird.
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