WO2023160895A1 - Verfahren zum betreiben eines druckgastanksystems sowie steuergerät - Google Patents

Verfahren zum betreiben eines druckgastanksystems sowie steuergerät Download PDF

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Johannes Schild
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Robert Bosch Gmbh
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    • F17STORING OR DISTRIBUTING GASES OR LIQUIDS
    • F17CVESSELS FOR CONTAINING OR STORING COMPRESSED, LIQUEFIED OR SOLIDIFIED GASES; FIXED-CAPACITY GAS-HOLDERS; FILLING VESSELS WITH, OR DISCHARGING FROM VESSELS, COMPRESSED, LIQUEFIED, OR SOLIDIFIED GASES
    • F17C13/00Details of vessels or of the filling or discharging of vessels
    • F17C13/04Arrangement or mounting of valves
    • F17C13/045Automatic change-over switching assembly for bottled gas systems with two (or more) gas containers

Definitions

  • the invention relates to a method for operating a compressed gas tank system, in particular a hydrogen tank system, comprising a plurality of compressed gas tanks.
  • a control device for carrying out steps of the method is proposed.
  • the compressed gas to be stored is preferably hydrogen, which is required by fuel cell vehicles.
  • the compressed gas can also be compressed natural gas (CNG, "Compressed Natural Gas”) for operating a natural gas vehicle.
  • CNG compressed Natural Gas
  • a mobile compressed gas tank system can include one or more compressed gas tanks. If the tank system has several pressurized gas containers, there is a risk that these will be filled unevenly and that this will result in an uncontrolled overflow of a full container into an empty container. The increase in pressure in this case can lead to a large increase in temperature, possibly beyond the specific limits. This problem is known, for example from the internationally valid standard SAE J2979.
  • the present invention is based on the object of specifying a method for operating a compressed-gas tank system with a plurality of compressed-gas containers which—without having to equip each compressed-gas container with a pressure sensor—enables the detection of a defective shut-off valve. In this way, the system typology should be simplified and costs saved while complying with the safety requirements.
  • a method for operating a compressed gas tank system which comprises an extraction manifold with an integrated pressure sensor and a plurality of compressed gas tanks connected to the extraction manifold and each of which can be shut off by means of a shut-off valve.
  • the following steps are carried out with simultaneous removal of compressed gas by a downstream system: a) opening a shut-off valve of a compressed gas tank and removing compressed gas from this compressed gas tank while the other shut-off valves are kept closed, and b) monitoring the pressure in the sampling manifold with the help of the pressure sensor to detect a drop in pressure, which indicates a defective shut-off valve.
  • a drop in pressure is detected in the sampling manifold in step b), this can be due to a short-term increased flow rate through the open shut-off valve or to a defect in the shut-off valve that prevents the shut-off valve from being able to be opened correctly. In the latter case, however, the pressure drop is clear and permanent, so that a corresponding conclusion can be drawn. This is especially true when the pressure in the sampling manifold falls to the pressure level of the downstream reducing system, as this is an unmistakable sign of a shut-off valve not opening correctly
  • the downstream system can in particular be an anode circuit for supplying an anode of a fuel cell stack with hydrogen.
  • the pressure level is typically below 3 MPa. If a pressure below 3 MPa is measured in step b) of the method, this can be seen as an indication that the shut-off valve is defective.
  • the open shut-off valve can be kept open for a predefined minimum period, for example several hundred milliseconds.
  • the method can be carried out taking into account the special characteristics of the shut-off valve to be tested, for example with the aid of a control unit which is appropriately calibrated so that a temporarily increased flow rate is not recognized as a defective valve. If after a few hundred milliseconds there is no significant/persistent drop in pressure, although the downstream system is removing pressurized gas, the shut-off valve is not defective.
  • the method has the advantage that a large number of shut-off valves can be tested with just one pressure sensor. Not at the same time, but one after the other.
  • the system topology can be simplified as a result. Furthermore, costs can be saved.
  • steps a) and b) are each repeated with a different shut-off valve, so that all shut-off valves are opened and closed again one after the other, with the previously opened shut-off valve being closed again when step a) is repeated.
  • This ensures that only one shut-off valve is ever open when the method is carried out. In this way, all shut-off valves can be checked one after the other.
  • the method is preferably carried out when the downstream system which takes off compressed gas is in a partial-load operating state. Because in this case the flow rate through the open shut-off valve is so low that the required amount of compressed gas can be taken from a single compressed gas tank. If this is still quite full, the method can be carried out over a correspondingly large operating range of the downstream system.
  • the current operating state of the downstream system is preferably determined on the basis of the currently removed and/or requested quantity of compressed gas. For this purpose, corresponding information can be transmitted from the downstream system to the compressed gas tank system. With knowledge of the current operating state of the downstream system, step a) of the method according to the invention can then be initiated at the right point in time.
  • the method is preferably interrupted if the downstream system removes and/or requests a quantity of compressed gas that is below a defined minimum value or above a defined maximum value. If the amount of compressed gas taken/requested falls below the minimum value, the flow rate through the shut-off valve to be checked is so low that a defect may no longer be recognizable. If the amount of compressed gas taken/requested exceeds the maximum value, it may no longer be available from a single compressed gas tank. This applies in particular if this is no longer completely full.
  • the previous results of the test should be stored, preferably in a control device. As soon as the conditions for carrying out the method are present again, the test can be continued with a shut-off valve that has not yet been tested.
  • a control unit which is set up to carry out steps of a method according to the invention.
  • the shut-off valves to be tested can be controlled individually, so that they can be subjected to a test one after the other.
  • the measurement data from the pressure sensor can also be evaluated with the help of the control unit, see above that a pressure drop due to a defective valve is detected.
  • the control device can be calibrated in such a way that a specific shut-off valve characteristic is taken into account in the evaluation.
  • the control device can be used to monitor whether the conditions for carrying out the method are present. If this is not the case or is no longer the case, the method can be interrupted using the control unit.
  • the results of the previous test can then be stored in a memory of the control unit. Then, when the conditions for performing the procedure are present again, the control unit knows which shut-off valve still needs to be checked. To check whether the conditions for carrying out the method are present, a minimum value and a maximum value of a removed/requested quantity of compressed gas can be stored in the control device.
  • the compressed gas tank system 1 shown comprises a plurality of compressed gas tanks 5i, 52, ... 5n , which are each connected to a common removal manifold 2 via a shut-off valve 4i, 42, ... 4n .
  • a pressure sensor 3 is integrated in the sampling manifold 2 .
  • the extraction manifold 2 is connected via a pressure reducer 6 to a downstream system 7 which is supplied with compressed gas, for example hydrogen, via the compressed gas tank system 1 .
  • the downstream system 7 can be, for example, an anode circuit of a fuel cell stack (not shown), which requires hydrogen, among other things, to generate electrical energy. Depending on the current operating state of the fuel cell stack, the downstream system 7 requires more or less hydrogen.
  • the compressed gas tank system 1 shown also includes a control unit 8, with the help of which the shut-off valves 4i, 42, ... 4n can be controlled individually. Furthermore, the pressure sensor 3 transmits its measurement data to the control device 8 for evaluation. From the downstream system 7, the control device 8 also receives information about the currently used/requested quantity of compressed gas. Using this information, control unit 8 can check whether the conditions for carrying out the method according to the invention are present. The control unit 8 preferably not only carries out this check, but also during the execution of the method, so that it is recognized in good time whether the method may have to be interrupted.
  • each individual shut-off valve 4i, 42, . . . The test is carried out individually for each shut-off valve 4i, 42, . . . 4n , one after the other. Since only a single pressure sensor 3 is required for testing, the system topology can be simplified. As a result, costs can also be reduced.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Druckgastanksystems (1), das eine Entnahme-Sammelleitung (2) mit integriertem Drucksensor (3) sowie mehrere, an die Entnahme-Sammelleitung (2) angeschlossene und jeweils mittels eines Absperrventils (41, 42 …4n) absperrbare Druckgasbehälter (51, 52 …5n) umfasst, wobei zur Erkennung eines defekten Absperrventils (41, 42 …4n) folgende Schritte bei gleichzeitiger Abnahme von Druckgas durch ein nachgelagertes System (7) durchgeführt werden: a) Öffnen eines Absperrventils (41) eines Druckgasbehälters (51) und Entnahme von Druckgas aus diesem Druckgasbehälter (51), während die anderen Absperrventile (42, …4n) geschlossen gehalten werden, und b) Überwachen des Drucks in der Entnahme-Sammelleitung (2) mit Hilfe des Drucksensors (3) zur Detektion eines Druckabfalls, der auf ein defektes Absperrventil (41) schließen lässt. Die Erfindung betrifft ferner ein Steuergerät (8) zur Ausführung von Schritten des Verfahrens.

Description

Beschreibung
Titel:
Verfahren zum Betreiben eines Druckgastanksystems sowie Steuergerät
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Druckgastanksystems, insbesondere eines Wasserstoff-Tanksystems, umfassend mehrere Druckgasbehälter. Darüber hinaus wird ein Steuergerät zur Ausführung von Schritten des Verfahrens vorgeschlagen.
Bei dem zu speichernden Druckgas handelt es sich bevorzugt um Wasserstoff, der von Brennstoffzellenfahrzeugen benötigt wird. Das Druckgas kann aber auch komprimiertes Erdgas (CNG, „Compressed Natural Gas“) zum Betreiben eines Erdgasfahrzeugs sein.
Stand der Technik
Ein mobiles Druckgastanksystem kann einen oder mehrere Druckgasbehälter umfassen. Sofern das Tanksystem mehrere Druckgasbehälter aufweist, besteht die Gefahr, dass diese ungleichmäßig befüllt sind und es dadurch zu einem unkontrollierten Überströmen eines vollen Behälters in einen leeren Behälter kommt. Der Druckanstieg kann in diesem Fall zu einer starken Erhöhung der Temperatur führen, möglicherweise über die spezifischen Grenzen hinaus. Diese Problematik ist bekannt, beispielsweise aus der international gültigen Norm SAE J2979.
Ferner ist bekannt, den Druck in einem Druckgasbehälter mit Hilfe eines Drucksensors zu überwachen. Ist in jedem Druckgasbehälter ein entsprechender Druckgassensor vorgesehen, kann von abweichenden Druckwerten auf eine ungleichmäßige Befüllung geschlossen werden. Sofern diese nicht bewusst herbeigeführt wurde, kann die Ursache hierfür nur ein fehlerhaft schließendes Absperrventil sein. Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betreiben eines Druckgastanksystems mit mehreren Druckgasbehältern anzugeben, das - ohne jeden Druckgasbehälter mit einem Drucksensor ausstatten zu müssen - die Detektion eines defekten Absperrventils ermöglicht. Unter Einhaltung der Sicherheitsanforderungen sollen auf diese Weise die Systemtypologie vereinfacht und Kosten eingespart werden.
Zur Lösung der Aufgabe wird das Verfahren zum Betreiben eines Druckgastanksystems mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vorgeschlagen. Vorteilhafte Weiterbildungen sind den Unteransprüchen zu entnehmen. Darüber hinaus wird ein Steuergerät zur Ausführung von Schritten des Verfahrens angegeben.
Offenbarung der Erfindung
Vorgeschlagen wird ein Verfahren zum Betreiben eines Druckgastanksystems, das eine Entnahme-Sammelleitung mit integriertem Drucksensor sowie mehrere, an die Entnahme-Sammelleitung angeschlossene und jeweils mittels eines Absperrventils absperrbare Druckgasbehälter umfasst. Zur Erkennung eines defekten Absperrventils werden dabei folgende Schritte bei gleichzeitiger Abnahme von Druckgas durch ein nachgelagertes System durchgeführt: a) Öffnen eines Absperrventils eines Druckgasbehälters und Entnahme von Druckgas aus diesem Druckgasbehälter, während die anderen Absperrventile geschlossen gehalten werden, und b) Überwachen des Drucks in der Entnahme-Sammelleitung mit Hilfe des Drucksensors zur Detektion eines Druckabfalls, der auf ein defektes Absperrventil schließen lässt.
Wird in Schritt b) ein Druckabfall in der Entnahme-Sammelleitung detektiert, kann dieser auf eine kurzfristig erhöhte Durchflussrate durch das geöffnete Absperrventil zurückzuführen sein oder aber auf einen Defekt des Absperrventils, der verhindert, dass das Absperrventil korrekt geöffnet werden kann. Im letztgenannten Fall ist der Druckabfall jedoch deutlich und andauernd, so dass ein entsprechender Rückschluss zulässig ist. Dies gilt insbesondere, wenn der Druck in der Entnahme-Sammelleitung auf das Druckniveau des nachgelagerten abnehmenden Systems fällt, da dies ein untrügliches Zeichen für ein nicht korrekt öffnendes Absperrventil ist
Bei dem nachgelagerten System kann es sich insbesondere um einen Anodenkreis zur Versorgung einer Anode eines Brennstoffzellenstapels mit Wasserstoff handeln. In diesem Fall liegt das Druckniveau typischerweise unter 3 MPa. Wird demnach in Schritt b) des Verfahrens ein Druck unter 3 MPa gemessen, kann dies als Indiz dafür gesehen werden, dass das Absperrventil defekt ist.
Zur Sicherstellung, dass ein etwaiger Druckabfall nicht auf eine kurzzeitig erhöhte Durchflussrate, sondern auf ein defektes Absperrventil zurückzuführen ist, kann in Schritt a) das geöffnete Absperrventil für eine vorab definierte Mindestdauer offengehalten werden, beispielsweise für mehrere Hundert Millisekunden.
Das Verfahren kann unter Berücksichtigung der besonderen Charakteristik des zu prüfenden Absperrventils durchgeführt werden, beispielsweise mit Hilfe eines Steuergeräts, das entsprechend kalibriert ist, so dass eine kurzzeitig erhöhte Durchflussrate nicht als defektes Ventil erkannt wird. Erfolgt nach einigen Hundert Millisekunden kein deutlicher/anhaltender Druckabfall, obwohl das nachgelagerte System Druckgas abnimmt, ist das Absperrventil nicht defekt.
Das Verfahren besitzt den Vorteil, dass mit nur einem Drucksensor eine Vielzahl von Absperrventilen geprüft werden können. Zwar nicht zeitgleich, aber nacheinander. Die Systemtopologie kann dadurch vereinfacht werden. Ferner können Kosten eingespart werden.
In Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass die Schritte a) und b) jeweils mit einem anderen Absperrventil wiederholt werden, so dass nacheinander alle Absperrventile einmal geöffnet und wieder geschlossen werden, wobei mit Wiederholung von Schritt a) das zuvor geöffnete Absperrventil wieder geschlossen wird. Dadurch ist sichergestellt, dass bei Durchführung des Verfahrens immer nur ein Absperrventil geöffnet ist. Auf diese Weise können nacheinander alle Absperrventile geprüft werden. Bevorzugt wird das Verfahren durchgeführt, wenn sich das Druckgas abnehmende nachgelagerte System in einem Teillast-Betriebszustand befindet. Denn in diesem Fall ist die Durchflussrate durch das geöffnete Absperrventil so gering, dass die benötigte Druckgasmenge einem einzigen Druckgasbehälter entnommen werden kann. Ist dieser noch recht voll, kann das Verfahren über einen entsprechend großen Betriebsbereich des nachgelagerten Systems durchgeführt werden.
Der aktuelle Betriebszustand des nachgelagerten Systems wird vorzugsweise anhand der aktuell abgenommenen und/oder angeforderten Druckgasmenge bestimmt. Hierzu kann eine entsprechende Information von dem nachgelagerten System an das Druckgastanksystem übermittelt werden. In Kenntnis des aktuellen Betriebszustands des nachgelagerten Systems kann dann zum richtigen Zeitpunkt Schritt a) des erfindungsgemäßen Verfahrens eingeleitet werden.
Des Weiteren bevorzugt wird das Verfahren unterbrochen, wenn durch das nachgelagerte System eine Druckgasmenge abgenommen und/oder angefordert wird, die unter einem definierten Minimalwert oder über einem definierten Maximalwert liegt. Sinkt die abgenommene/angeforderte Druckgasmenge unter den Minimalwert, ist die Durchflussrate durch das zu prüfende Absperrventil so gering, dass ggf. ein Defekt nicht mehr erkennbar ist. Steigt die abgenommene/angeforderte Druckgasmenge über den Maximalwert, kann sie ggf. nicht mehr über einen einzigen Druckgasbehälter zur Verfügung gestellt werden. Dies gilt insbesondere, wenn dieser nicht mehr ganz voll ist.
Ferner wird vorgeschlagen, dass bei einer Unterbrechung des Verfahrens die bisherigen Ergebnisse der Prüfung gespeichert werden, vorzugsweise in einem Steuergerät. Sobald dann die Bedingungen zur Durchführung des Verfahrens wieder vorliegen, kann dann die Prüfung mit einem Absperrventil fortgesetzt werden, das noch keiner Prüfung unterzogen worden ist.
Darüber hinaus wird ein Steuergerät vorgeschlagen, das dazu eingerichtet ist, Schritte eines erfindungsgemäßen Verfahrens auszuführen. Mit Hilfe des Steuergeräts können insbesondere die zu prüfenden Absperrventile einzeln angesteuert werden, so dass diese nacheinander einer Prüfung unterzogen werden können. Mit Hilfe des Steuergeräts können zudem die Messdaten des Drucksensors ausgewertet werden, so dass ein auf ein defektes Ventil zurückzuführender Druckabfall erkannt wird. Das Steuergerät kann hierzu in der Weise kalibriert sein, dass eine bestimmte Absperrventil-Charakteristik bei der Auswertung Berücksichtigung findet Ferner kann mit Hilfe des Steuergeräts überwacht werden, ob die Bedingungen zur Durchführung des Verfahrens vorliegen. Ist dies nicht oder nicht mehr der Fall, kann das Verfahren mit Hilfe des Steuergeräts unterbrochen werden. In einem Speicher des Steuergeräts können dann die Ergebnisse der bisherigen Prüfung gespeichert werden. Wenn dann die Bedingungen zur Durchführung des Verfahrens wieder vorliegen, weiß das Steuergerät, welches Absperrventil noch zu prüfen ist. Zur Prüfung, ob die Bedingungen zur Durchführung des Verfahrens vorliegen, können im Steuergerät ein Minimalwert und ein Maximalwert einer abgenommenen/angeforderten Druckgasmenge hinterlegt sein.
Nachfolgend werden die Erfindung und ihre Vorteile anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert. Diese zeigt eine schematische Darstellung eines Druckgastanksystems, das zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet bzw. nach diesem Verfahren betreibbar ist.
Ausführliche Beschreibung der Zeichnung
Das dargestellte Druckgastanksystem 1 umfasst mehrere Druckgasbehälter 5i , 52, ...5n, die jeweils über ein Absperrventil 4i, 42, ...4n an eine gemeinsame Entnahme- Sammelleitung 2 angeschlossen sind. In der Entnahme-Sammelleitung 2 ist ein Drucksensor 3 integriert. Über einen Druckminderer 6 ist die Entnahme-Sammelleitung 2 mit einem nachgelagerten System 7 verbunden, das über das Druckgastanksystem 1 mit Druckgas, beispielsweise mit Wasserstoff, versorgt wird. Bei dem nachgelagerten System 7 kann es sich beispielsweise um einen Anodenkreis eines Brennstoffzellenstapels (nicht dargestellt) handeln, der zur Erzeugung elektrischer Energie unter anderem Wasserstoff benötigt. Abhängig vom aktuellen Betriebszustand des Brennstoffzellenstapels benötigt das nachgelagerte System 7 mehr oder weniger Wasserstoff. Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es erforderlich, dass die benötigte Menge aus einem einzigen Druckgasbehälter 5i, Ö2, ...5n zur Verfügung gestellt werden kann, da während der durchzuführenden Prüfung immer nur ein Absperrventil 4i, 42, ...4n geöffnet sein darf. Das dargestellte Druckgastanksystem 1 umfasst darüber hinaus ein Steuergerät 8, mit dessen Hilfe die Absperrventile 4i, 42, ...4n einzeln angesteuert werden können. Ferner übermittelt der Drucksensor 3 seine Messdaten an das Steuergerät 8 zur Auswertung. Von dem nachgelagerten System 7 erhält das Steuergerät 8 zudem Informationen über die aktuell abgenommene/angeforderte Druckgasmenge. Anhand dieser Informationen kann das Steuergerät 8 prüfen, ob die Bedingungen zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens vorliegen. Diese Prüfung nimmt das Steuergerät 8 vorzugsweise nicht nur vor, sondern auch während der Durchführung des Verfahrens vor, so dass rechtzeitig erkannt wird, ob das Verfahren ggf. unterbrochen werden muss.
Auf diese Weise kann mit nur einem in der Entnahme-Sammelleitung 2 angeordneten Drucksensor 3 die Funktion jedes einzelnen Absperrventils 4i, 42, ...4n geprüft werden. Die Prüfung wird für jedes Absperrventil 4i , 42, ...4n einzeln durchgeführt, und zwar nacheinander. Da nur ein einziger Drucksensor 3 für die Prüfung benötigt wird, kann die Systemtopologie vereinfacht werden. In der Folge können auch die Kosten gesenkt werden.

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zum Betreiben eines Druckgastanksystems (1), das eine Entnahme- Sammelleitung (2) mit integriertem Drucksensor (3) sowie mehrere, an die Entnahme- Sammelleitung (2) angeschlossene und jeweils mittels eines Absperrventils (4i, 42 ...4n) absperrbare Druckgasbehälter (5i, Ö2 ...5n) umfasst, wobei zur Erkennung eines defekten Absperrventils (4i, 4j ...4n) folgende Schritte bei gleichzeitiger Abnahme von Druckgas durch ein nachgelagertes System (7) durchgeführt werden: a) Öffnen eines Absperrventils (4i) eines Druckgasbehälters (5i) und Entnahme von Druckgas aus diesem Druckgasbehälter (5i), während die anderen Absperrventile (42, ...4n) geschlossen gehalten werden, und b) Überwachen des Drucks in der Entnahme-Sammelleitung (2) mit Hilfe des Drucksensors (3) zur Detektion eines Druckabfalls, der auf ein defektes Absperrventil (4i) schließen lässt.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass Wiederholen der Schritte a) und b) jeweils mit einem anderen Absperrventil (42), so dass nacheinander alle Absperrventile (4i , 42, ...4n) einmal geöffnet und wieder geschlossen werden, wobei mit Wiederholung von Schritt a) das zuvor geöffnete Absperrventil (4i) wieder geschlossen wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren durchgeführt wird, wenn sich das nachgelagerte System (7) in einem Teillast-Betriebszustand befindet.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der aktuelle Betriebszustand des nachgelagerten Systems (7) anhand der aktuell abgenommenen und/oder angeforderten Druckgasmenge bestimmt wird.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren unterbrochen wird, wenn durch das nachgelagerte System eine Druckgasmenge abgenommen und/oder angefordert wird, die unter einem definierten Minimalwert oder über einem definierten Maximalwert liegt.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Unterbrechung des Verfahrens die bisherigen Ergebnisse der Prüfung gespeichert werden, vorzugsweise in einem Steuergerät (8).
7. Steuergerät (8), das dazu eingerichtet ist, Schritte eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6 auszuführen.
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