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Die Erfindung betrifft eine Kraftstoffspeicheranlage eines Kraftfahrzeugs mit einem Haupt-Tank und einem Hilfsspeicher, wobei der Haupt-Tank mit einem unter höherem Druck stehenden Kraftstoff, beispielsweise mit Wasserstoff unter einem Druckniveau in der Größenordnung von 300 bar und mehr, befüllbar ist und eine vom Haupt-Tank zu einem Verbraucher führende und ein Sperrventil enthaltende Versorgungsleitung vorgesehen ist, an welche der Hilfsspeicher angeschlossen ist. Zum Stand der Technik wird neben der der
DE 10 2007 005 359 B4 und der
DE 10 2008 060 127 A1 auf die
DE 100 21 681 C2 verwiesen.
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Die Speichertechnologie für Wasserstoff in Kraftfahrzeugen befindet sich derzeit in umfangreicher Weiterentwicklung, da Wasserstoff als künftige Alternative zu aus Erdöl gewonnenen Kraftstoffen für die Antriebsaggregate von Kraftfahrzeugen betrachtet wird. Neben der Speicherung von Flüssig-Wasserstoff in kryogenem Zustand wird die Druckspeicherung von gasförmigen Wasserstoff sowie quasi als Kombination hiervor die Kryodruckspeicherung von tiefkaltem Wasserstoff in überkritischem Zustand weiterentwickelt. Bei den beiden letztgenannten Technologien soll der Wasserstoff unter einem Druckniveau in der Größenordnung von zumindest 300 bar, gegebenenfalls auch 600 bar, von einer Tankstelle angeboten und mit diesem Druck in den Wasserstoff-Speicherbehälter bzw. Tank des Kraftfahrzeugs eingeführt werden. Dabei sei ausdrücklich darauf hingewiesen, dass die vorliegende Erfindung nicht auf die Verwendung von Wasserstoff als Kraftstoff beschränkt ist; vielmehr kommen auch andere geeignete vorzugsweise gasförmige Stoffe als Kraftstoff in Frage. Zur Kryodruckspeicherung, bei welcher Wasserstoff im tiefkalten Zustand unter überkritischem Druck gespeichert wird, sei noch auf die oben genannte
DE 10 2008 060 127 A1 verwiesen.
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In der eingangs weiterhin genannten
DE 100 21 681 C2 ist ein Energiespeichersystem zum Speichern von insbesondere kryogenem Wasserstoff beschrieben, welches neben einem vorliegend sog. Haupt-Tank einen vorliegend sog. Hilfsspeicher aufweist. In diesem Hilfsspeicher wird Wasserstoff gespeichert, welcher aus dem als Kryo-Tank ausgebildeten Haupt-Tank abgeblasen werden muss, um einen unzulässig hohen Druckaufbau im Haupt-Tank zu verhindern, welcher Druckaufbau durch eine Erwärmung des in diesem enthaltenen Wasserstoffs aufgrund eines unvermeidbaren geringfügigen Wärmeeintrags aus der Umgebung in den Tank verursacht wird.
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Wenn ein zumindest teilweise geleerter Haupt-Tank, in dem der Kraftstoff (beispielsweise Wasserstoff) unter höherem Druck gespeichert wird, an einer Tankstelle (allgemein: Versorgungsstation) neuerlich befüllt wird, so sollte eine Versorgungsleitung, die vom Haupt-Tank zu einem Verbraucher des Kraftstoffs führt, abgesperrt werden, um mit absoluter Sicherheit auszuschließen, dass Kraftstoff mit dem von der Tankstelle bereitgestellten Druck zum Verbraucher gelangt. Zwar ist in der vom Haupt-Tank zum Verbraucher führenden Versorgungsleitung üblicherweise ein Druckregelventil vorgesehen, welches den Druck des dem Verbraucher zugeführten Kraftstoffs vom relativ hohen Druckniveau (= „Maximaldruck”) im vollständig befüllten Haupt-Tank auf ein für den Verbraucher geeignetes Niveau reduziert, jedoch ist eines solches Druckregelventil sinnvollerweise auf das genannte Maximal-Druckniveau des Haupt-Tanks ausgelegt. Eine Tankstelle mag den Kraftstoff jedoch unter noch höherem Druck bereitstellen, und zwar einerseits, um einen beispielsweise auf einen Maximaldruck in der Größenordnung von 300 bar ausgelegten Haupt-Tank in einer vertretbaren Zeitspanne vollständig befüllen zu können. Zweitens sind derzeit angepasst an die unterschiedlichen Speicher-Technologien auch verschiedene Druckniveaus für die Druckspeicherung von Wasserstoff vorgesehen, so neben den bereits genannten 300 bar (insbesondere für die genannte Kryodruckspeicherung) auch ein wesentlich höheres Druckniveau von 600 bar bis 700 bar für die reine Druckspeicherung von dann gasförmigem Wasserstoff unter Umgebungstemperatur.
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Grundsätzlich kann ein Kraftfahrzeug mit einem auf einen Maximaldruck von (beispielsweise) 300 bar ausgelegtem Kryodrucktank als Haupt-Tank, der zur Aufnahme von tiefkaltem Wasserstoff im überkritischen Zustand ausgelegt ist, durchaus auch an einer Tankstelle (bzw. Versorgungsstation), welche lediglich gasförmigen Wasserstoff bspw. unter Umgebungstemperatur mit einem Druckniveau von 700 bar anbietet, befüllt werden. Dann ist beim Befüllen jedoch dafür Sorge zu tragen, dass sich im Haupt-Tank kein Druck größer als der Grenzdruck von 300 bar ergibt und dass kein Druckstoß, der den Wert von 300 bar überschreitet, zum genannten Druckregelventil in der genannten Versorgungsleitung gelangt, da dieses einen solchen Druckstoß möglicherweise nicht abbauen oder zurückhalten könnte, wonach der Verbraucher durch einen solchen Druckstoß geschädigt werden könnte. Um dies zu vermeiden, ist in der Versorgungsleitung stromauf des Druckregelventils ein Sperrventil vorzusehen, welches beim Befüllen des Haupt-Tanks geschlossen wird. Ferner ist für ein solches Befüllen eines Kryodrucktanks mit gasförmigem Wasserstoff an einer Tankstelle, welche ausschließlich gasförmigen Wasserstoff mit einem den Maximaldruck des Kryodrucktanks signifikant überschreitenden Druckniveau anbietet, in einer Befüll-Leitung des Haupt-Tanks, über die Wasserstoff von der Tankstelle in den Haupt-Tank gelangt, ein sog. Tankabsperrventil vorzusehen, welches rechtzeitig geschlossen wird, wenn sich der Druck im Haupt-Tank dem Maximaldruck des Haupt-Tanks von (bspw.) 300 bar nähert. Dieses Tankabsperrventil wird vorzugsweise gesteuert durch eine elektronische Steuereinheit dann geschlossen, sobald im Haupt-Tank mittels eines Druckmessfühlers ein Druck nahe des genannten bzw. dessen Maximaldrucks festgestellt wird.
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Wenn das vorhergehend genannte Sperrventil in der Versorgungsleitung während eines Befüllvorgangs des Haupt-Tanks geschlossen ist, kann (selbstverständlich) der Verbraucher nicht mehr aus dem Haupt-Tank versorgt werden. Insbesondere im Falle einer Brennstoffzelle als Verbraucher ist jedoch eine Versorgung des Verbrauchers auch während eines Befüllens des Tanks wünschenswert, da das Abstellen und Wiederanfahren einer Brennstoffzelle aufwändiger ist als beispielsweise das Stillsetzen und Neustarten eines bislang üblicherweise als Antriebsaggregat von Kraftfahrzeugen vorgesehenen Verbrennungsmotors. Hier Abhilfe zu schaffen ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung.
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Die Lösung dieser Aufgabe ist dadurch gekennzeichnet, dass der Hilfsspeicher stromab des besagten Sperrventils in der Versorgungsleitung, welches bei einem Befüllvorgang des Haupt-Tanks geschlossen ist, solchermaßen an die Versorgungsleitung angeschlossen ist, dass der Verbraucher bei geschlossenem Sperrventil mit Kraftstoff aus dem Hilfsspeicher weiter betreibbar ist.
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Erfindungsgemäß wird der Verbraucher aus dem Hilfsspeicher versorgt, wenn das genannte Sperrventil in der Versorgungsleitung geschlossen ist. Hierfür ist der Hilfsspeicher geeignet an die Versorgungsleitung angeschlossen, d. h. der Hilfsspeicher ist stromab des besagten Sperrventils über eine sog. Speiseleitung solchermaßen mit der zum Verbraucher führenden Versorgungsleitung verbunden, dass Kraftstoff aus dem Hilfsspeicher durch diese Speiseleitung in die Versorgungsleitung und durch diese zum Verbraucher gelangen kann. Vorteilhafterweise kann der Hilfsspeicher über diese Speiseleitung auch wieder befüllt werden, wenn das genannte Sperrventil in der Versorgungsleitung wieder geöffnet ist.
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Es kann der Hilfsspeicher stromab oder stromauf eines Druckregelventils an die Versorgungsleitung angeschlossen sein, wobei im erstgenannten Fall der Hilfsspeicher dem Maximaldruck des Haupt-Tanks standhalten muss, während dies im zweitgenannten Fall nicht erforderlich ist. Dafür kann im erstgenannten Fall in einem kleineren Speichervolumen eine größere Kraftstoffmasse gespeichert werden als im zweitgenannten Fall. Im zweitgenannten Fall können jedoch auch andersartige Speichertechnologien verwendet werden, d. h. es kann der Hilfsspeicher beispielsweise als ein Metallhydridspeicher oder ein anderer Feststoffspeicher für Wasserstoff ausgebildet sein.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung ist der Hilfsspeicher über ein nur bedarfsweise offenes Betankungs-Hilfsventil an eine Befüll-Leitung des Haupt-Tanks stromauf eines in dieser vorgesehenen Tankabsperrventils anschließbar. Damit kann das Entstehen schädlicher Druckstöße bei einem Befüllvorgang des Haupt-Tanks verhindert werden, wie im Folgenden erläutert wird. Es wurde bereits dargestellt, dass ein beispielsweise auf ein Druckniveau von 300 bar ausgelegter Kryodrucktank für tiefkalten Wasserstoff grundsätzlich auch an einer Tankstelle befüllt werden kann, die gasförmigen Wasserstoff unter Umgebungstemperatur mit einem noch höheren Druck von beispielsweise 700 bar bereitstellt. Dabei muss dafür Sorge getragen werden, dass die Verbindung zwischen der Tankstelle und dem Haupt-Tank des Kraftfahrzeugs unterbrochen wird, sobald im Haupt-Tank ein Druck knapp unterhalb von dessen Maximaldruck von bspw. 300 bar herrscht. Hierfür ist in der mit der Tankstelle verbindbaren Befüllleitung des Haupt-Tanks, die ein Bestandteil einer erfindungsgemäßen Kraftstoffspeicheranlage eines Kraftfahrzeugs ist, ein weiter oben ebenfalls bereits genanntes Tankabsperrventil vorgesehen. Wird dieses Tankabsperrventil geschlossen, so wird von Seiten der Tankstelle die Zufuhr von Wasserstoff in die Befüllleitung beendet, jedoch kann sich dann, wenn ein solches Tankabsperrventil während eines Befüllvorganges des Haupt-Tanks praktisch schlagartig geschlossen wird, als Folge dieses schnellen Schließens ein Druckstoß im System ergeben, der sich insbesondere bis zur Tankstelle hin fortpflanzen und dort einen Schaden verursachen kann. Ein solcher Druckstoß kann im wesentlichen verhindert bzw. zumindest ausreichend bedämpft werden, wenn mit dem Schließen des besagten Tankabsperrventils die Befüllleitung in deren stromauf des Tankabsperrventils liegendem (und somit der Tankstelle zugewandten) Abschnitt mit dem Hilfsspeicher verbunden wird. In einer entsprechenden Verbindungsleitung ist hierfür ein geeignetes sog. Betankungs-Hilfsventil vorgesehen, welches dann, nämlich mit oder kurz vor Entstehen eines Druckstoßes öffnet. Dies Öffnen kann selbsttätig oder vorzugsweise elektronisch/elektrisch gesteuert erfolgen.
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Im letztgenannten Fall wird durch eine elektronische Steuereinheit der Druckaufbau im Haupt-Tank während eines Befüllvorgangs desselben vorzugsweise mittels eines geeignet platzierten Druckmessfühlers überwacht und dann, wenn mit weiterer Befüllung des Haupt-Tanks die Gefahr des Überschreitens von dessen Maximaldruck besteht, eine weitere Befüllung durch Schließen des genannten Tankabsperrventil verhindert. Im wesentlichen gleichzeitig mit dem Schließen dieses Tankabsperrventils, sicherheitshalber jedoch eine geringe Zeit zuvor wird der Hilfsspeicher mit der Befüllleitung stromauf dieses Tankabsperrventils verbunden, so dass nun der von der Tankstelle/Versorgungsstation gelieferte Kraftstoff in den Hilfsspeicher gelangt. Dieser Hilfsspeicher ist darauf ausgelegt, dem maximalen Druckniveau, welches von Tankstellen für (vorliegend) gasförmigen Wasserstoff üblicherweise angeboten wird, standzuhalten. Weiter oben ist als beispielhafter bzw. derzeitiger Zahlenwert für dieses maximale Druckniveau ein Wert in der Größenordnung von 600 bar bis 700 bar genannt. In dem Hilfsspeicher, welcher vorzugsweise ein relativ geringes Speichervolumen besitzt, baut sich dann relativ kurzfristig, aber immerhin derart langsam, dass das Befüllsystem der Tankstelle in üblicher Weise hierauf reagieren kann, ein Druck auf, der sich dem von der Tankstelle angebotenen Maximaldruck (von 600–700 bar) nähert. In der Tankstelle bzw. von deren Befüllsystem elektronisch gesteuert wird daraufhin analog wie beim Befüllen anderer Drucktanks anderer Kraftfahrzeuge, die für die Aufnahme von gasförmigem Wasserstoff unter einem derart hohen Druckniveau ausgelegt sind, ein sanftes Abschalten des Befüllvorgangs eingeleitet.
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Ein wie zuletzt beschrieben eingesetzter Hilfsspeicher enthält schließlich Kraftstoff unter einem Druck von bis zu 700 bar und muss selbstverständlich hierfür geeignet ausgelegt sein. Wenn aus diesem Hilfsspeicher der Verbraucher mit Kraftstoff versorgt und dabei das Druckregelventil in der zum Verbraucher führenden Versorgungsleitung mit diesem Druck beaufschlagt wird, kann dies möglicherweise zu einer Überbeanspruchung dieses Druckregelventils führen. Um dies zu verhindern kann in der vom Hilfsspeicher zum Druckregelventil in der Versorgungsleitung führenden Speiseleitung eine mechanische Drossel vorgesehen sein, welche eine Beaufschlagung des Druckregelventils mit weit oberhalb eines Maximaldrucks des Haupt-Tanks liegenden Druckwerten verhindert. Die Drossel ist also solchermaßen dimensioniert, dass in dieser ein signifikanter Druckverlust bzw. Druckabbau erfolgt, wobei ein geeignetes auch absperrbares Ventil die Funktion dieser mechanischen Drossel übernehmen kann. Möglicherweise ist aufgrund der starken Drosselung ein Betrieb des Verbrauchers mit maximaler Leistung nicht möglich, was aber insbesondere dann unerheblich ist, wenn der Verbraucher während des Befüllens des Haupt-Tanks mit Kraftstoff aus dem Hilfsspeicher versorgt wird.
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Im übrigen kann der Hilfsspeicher vorteilhafterweise noch eine weitere Funktion übernehmen, nämlich analog dem nächstkommenden Stand der Technik eine ggf. aus dem Haupt-Tank abzuführende Teilmenge von Kraftstoff (= sog. „blow-off-Menge”, die auch bei einem Kryodrucktank zur Verhinderung eines unzulässig hohen Druckanstiegs im Tank anfallen kann) für eine spätere Verwendung speichern.
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In der beigefügten Prinzipskizze ist eine erfindungsgemäße Kraftstoffspeicheranlage eines Kraftfahrzeugs schematisch dargestellt. Dabei ist mit der Bezugsziffer 1 ein als Kryodrucktank ausgebildeter Haupt-Tank zur Speicherung von Wasserstoff im tiefkalten überkritischen Zustand unter Druckwerten bis zu 300 bar (= „Maximaldruck”) gekennzeichnet. Über eine Befüllleitung 2, in der ein Tankabsperrventil 3 vorgesehen ist, ist dieser Haupt-Tank 1 an einer Tankstelle (Versorgungsstation) befüllbar. Vom Haupt-Tank 1 führt eine Versorgungsleitung 4, in der ein Druckregelventil 5 vorgesehen ist, zu einem Verbraucher 6, insbesondere in Form einer Brennstoffzelle. Das Druckregelventil 5 senkt den im Haupt-Tank 1 herrschenden Wasserstoff-Druck auf ein für den Verbraucher 6 verträgliches Niveau. Nahe des Haupt-Tanks 1 ist in der Versorgungsleitung 4 ein Sperrventil 7 vorgesehen, welches aus den weiter oben erläuterten Gründen geschlossen wird, wenn der Haupt-Tank 1 an einer Tankstelle befüllt wird.
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Um auch bei geschlossenem Sperrventil 7 den Verbraucher 6 für eine gewisse Zeitspanne weiter betreiben zu können, ist ein Hilfsspeicher 8 vorgesehen, der über eine Speiseleitung 9, in der ein Drosselventil 12 vorgesehen ist, mit der Versorgungsleitung 4 stromab des Sperrventils 7, d. h. auf der dem Verbraucher 6 zugewandten Seite desselben, stromauf des Druckregelventils 5 sowie eines weiteren Ventils 13, auf dessen Funktion noch eingegangen wird, verbunden ist. Das Drosselventil 12 kann vollständig geschlossen werden, aber auch in eine solche Ventilposition gebracht werden, dass dieses Drosselventil 12 als mechanische Drossel mit derart hohen Drosselverlusten fungiert, dass ein im Hilfsspeicher 8 vorliegender Kraftstoffdruck von bspw. 700 bar stromab dieser Drossel auf ein Druckniveau in der Höhe des Maximaldrucks des Haupt-Tanks 1 reduziert wird.
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Weiterhin ist der Hilfsspeicher 8 über eine Verbindungsleitung 11 mit der Befülleitung 2 verbindbar, indem ein in der Verbindungsleitung 11 vorgesehenes sog. Betankungs-Hilfsventil 10 geöffnet wird. Der technische Hintergrund hierfür, nämlich die Verhinderung eines sich während eines Befüllvorgangs des Haupt-Tanks 1 mit einem Schließen des Tankabsperrventils 3 ergebenden Druckstoßes stromauf des Tankabsperrventils 3 wurde weiter oben bereits erläutert.
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Wenn bei nicht betriebenen Verbraucher 6 (und insbesondere bei abgestelltem Kraftfahrzeug) das Ventil 13 (sowie selbstverständlich auch die Ventile 10 und 3) geschlossen sind und die Ventile 7 und 12 geöffnet werden oder sind, so kann ein insbesondere aus einem Wärmeeintrag in den Haupt-Tank 1 resultierender Druckaufbau im Haupt-Tank 1, durch den dessen Maximaldruck überschritten werden könnte, in den Hilfsspeicher 8 hinein ohne Verlust von gespeichertem Kraftstoff abgebaut werden, indem aus dem Haupt-Tank 1 sicherheitshalber über das dann geöffnete Sperrventil 7 abgeführter Kraftstoff durch die Speiseleitung 9 in den Hilfsspeicher 8 gelangt und dort solange zwischengespeichert wird, bis der Verbraucher 6 aus dem Hilfsspeicher 8 mit Kraftstoff versorgt wird.
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Vorzugsweise wird nach einem vollständigen Befüllen des Haupt-Tanks 1 das Sperrventil 7 noch solange geschlossen gehalten und somit der Verbraucher 6 aus dem Hilfsspeicher 8 versorgt, bis der Druck im Hilfsspeicher 8 zumindest auf den Maximaldruck des Haupt-Tanks 1 abgefallen ist, womit gewährleistet ist, dass der Hilfsspeicher 8 seine weiter oben beschriebenen Zusatz-Funktionen erfüllen kann, nämlich zum einen eine zur Verhinderung eines unzulässig hohen Druckaufbaus aus dem Haupt-Tank abgeführte Teilmenge von Kraftstoff aufzunehmen und bei Befüllen des Haupt-Tanks 1 einen Druckstoß beim Schließen des Tankabsperrventils 3 zu verhindern.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102007005359 B4 [0001]
- DE 102008060127 A1 [0001, 0002]
- DE 10021681 C2 [0001, 0003]
