DE112010003103T5

DE112010003103T5 - Gasfüllsystem und Gasfüllvorrichtung

Info

Publication number: DE112010003103T5
Application number: DE112010003103T
Authority: DE
Inventors: Shusuke Inagi; Tomoyuki Mori
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2009-07-30
Filing date: 2010-06-17
Publication date: 2012-10-25
Also published as: CN102472432A; WO2011012939A1; US20120125480A1; JP2011033069A; JP5489573B2

Abstract

Eine Gasfüllvorrichtung (2) in einem Gasfüllsystem (1) umfasst einen Vorkühler (18) zum Kühlen von Wasserstoffgas, das von einer Gaszufuhrquelle (11) zugeführt werden soll und gibt das vom Vorkühler (18) gekühlte Wasserstoffgas aus, um das Wasserstoffgas in einen Gastank (30) zu füllen. Die Temperatur des vom Vorkühler (18) gekühlten Wasserstoffgases wird von einem Gastemperatursensor (T) erfasst, der stromaufwärts des Gastanks (30) eine Temperatur des vom Vorkühler (18) gekühlten Wasserstoffgases erfasst. Eine Durchflussratensteuerung (16) steuert eine Füllflussrate des in den Gastank (30) zu füllenden Wasserstoffgases basierend auf der erfassten Temperatur des Wasserstoffgases. Wenn die erfasste Temperatur des Wasserstoffgases beispielsweise hoch ist, wird die Füllflussrate, im Vergleich dazu, wenn die erfasste Temperatur des Wasserstoffgases niedriger ist, verringert.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein Gasfüllsystem um Gas mittels einer Gasfüllvorrichtung, die in einer Wasserstoff Tankstelle installiert ist, beispielsweise in einen Gastank zu füllen, der z. B. an einem Fahrzeug montiert ist.
2. Beschreibung des Standes der Technik
Zum Zeitpunkt des Betankens mit Brenngas fährt ein mit Gas betriebenes Fahrzeug, an dem ein Gastank montiert ist, z. B. ein Brennstoffzellenfahrzeug, in eine Gas Tankstelle und der Gastank wird durch einen Tankrüssel einer Gasfüllvorrichtung mit Brenngas befüllt. Es ist bekannt, dass, wenn das Brenngas Wasserstoffgas ist, die Temperatur ansteigt, wenn das Brenngas eingefüllt wird. Eine in der japanischen Patentanmeldung JP 2005-83567 ( JP-A-2005-83567 ) beschriebene Wasserstoffgasfüllvorrichtung ist mit einer Kühleinrichtung (einem so genannten Vorkühler) ausgestattet, um das Wasserstoffgas vermittels Wärmeaustausch mit einem Kühlmittel vorzukühlen, und das gekühlte Wasserstoffgas wird in den Gastank gefüllt, so dass die Betankungs- bzw. Befüllzeit verringert wird. Bei der Wasserstoffgasfüllvorrichtung wird, um das Auftreten von Kondensation zu vermeiden, wenn das Wasserstoffgas überkühlt wird, der Zufuhrdruck des Wasserstoffgases erfasst und die Flussrate und die Temperatur des der Kühleinrichtung zugeführten Kühlmittels wird basierend auf dem Erfassungsergebnis gesteuert.
Wenn jedoch beispielsweise eine Mehrzahl von Brennstoffzellenfahrzeugen nacheinander befüllt bzw. betankt werden, ist es möglich, dass die Flussrate etc. des Kühlmittels, das der Kühleinrichtung zugeführt wird, nicht in geeignetem Maße gesteuert wird, und die Temperatur des Kühlmittels in der Kühleinrichtung eine vorgegebene Temperatur übersteigt. Wenn daher das nicht ausreichend gekühlte Wasserstoffgas in den Gastank gefüllt wird, fürchtet man, dass die Temperatur im Gastank ansteigt und die Bemessungstemperatur (z. B. 85°C) vor dem Abschluss des Befüllens erreicht. Wenn dagegen das Befüllen aufgrund unzureichender Kühlung gestoppt wird, fürchtet man, dass der Fahrer warten muss.
KURZFASSUNG DER ERFINDUNG
Die Erfindung schlägt daher ein Gasfüllsystem sowie eine Gasfüllvorrichtung vor, die geeignet sind, das Füllen eines Gastanks mit Gas über eine mit einer Kühlvorrichtung versehene Gasfüllvorrichtung zu optimieren.
Ein Gasfüllsystem gemäß der Erfindung weist auf: einen Gastank; eine Gasfüllvorrichtung mit einer Kühlvorrichtung zum Kühlen von Gas, das von einer Gaszufuhrquelle zugeführt wird, und zum Ausgeben des von der Kühlvorrichtung gekühlten Gases um das Gas in den Gastank zu füllen; einen Gastemperatursensor, der stromaufwärts des Gastanks eine Temperatur des von der Kühlvorrichtung gekühlten Gases erfasst; und eine Durchflussratensteuerung, die eine Füllflussrate des in den Gastank zu füllenden Gases basierend auf der vom Gastemperatursensor erfassten Temperatur steuert.
Eine Gasfüllvorrichtung gemäß der Erfindung weist auf: eine Kühlvorrichtung zum Kühlen von Gas, das von einer Gaszufuhrquelle zugeführt wird, und zum Ausgeben des von der Kühlvorrichtung gekühlten Gases um das Gas in einen Gastank zu füllen. Die Gasfüllvorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass sie ferner aufweist: einen Gastemperatursensor, der stromaufwärts des Gastanks eine Temperatur des von der Kühlvorrichtung gekühlten Gases erfasst; und eine Durchflussratensteuerung, die eine Füllflussrate des in den Gastank zu füllenden Gases basierend auf der vom Gastemperatursensor erfassten Temperatur steuert.
Gemäß der Erfindung wird die Füllflussrate basierend auf der Temperatur des von der Kühlvorrichtung gekühlten Gases variiert, so dass es möglich wird, ein entsprechend der Kühlleitung der Kühlvorrichtung optimales Befüllen durchzuführen. Es ist daher möglich, eine vorbestimmte Gasmenge (sowohl im Falle der Füllmenge für einen vollen Tank als auch im Falle der Füllmenge für eine bestimmte Füllmenge) in einer minimalen Zeitspanne in den Gastank zu füllen, während das Innere des Gastanks stabil gehalten werden kann.
Die Durchflussratensteuerung kann die Füllflussrate derart steuern, dass die Füllflussrate abnimmt, wenn die Temperatur des Gases zunimmt. Daher wird es möglich, das Einfüllen einer bestimmten Gasfüllmenge in einer kurzen Zeitdauer abzuschließen, während verhindert wird, dass die Temperatur des Gastanks die Bemessungstemperatur erreicht, wenn die Gastemperatur, beispielsweise aufgrund wiederholter Tankvorgänge, hoch ist. Wenn dagegen die Gastemperatur niedrig ist, ist es möglich, das Einfüllen einer bestimmten Gasfüllmenge in einer kürzeren Zeitdauer abzuschließen als im Falle einer hohen Gastemperatur.
Das Gasfüllsystem kann ferner einen Gastanksensor aufweisen, der Informationen bezüglich der Innenseite des Gastanks erfasst, wobei die Durchflussratensteuerung die Füllflussrate auch basierend auf den vom Gastanksensor erhaltenen Informationen steuern kann. Mit dieser Konfiguration ist es möglich, das Betanken gemäß dem Zustand im zu füllenden Gastank auszuführen. Zudem ist es, da die Information im Gastank erfasst wird, möglich, die Steuerung der Füllflussrate mit höherer Genauigkeit auszuführen als in dem Fall, wo eine derartige Information geschätzt wird.
Der Gastanksensor kann dabei zumindest einen Gastanktemperatursensor und/oder einen Gastankdrucksensor umfassen. Mit dieser Konfiguration ist es beispielsweise möglich, wenn festgestellt wird, dass die Temperatur im Gastank hoch ist, einen weiteren Temperaturanstieg im Gastank durch Verringern der Füllflussrate zu verhindern.
Das Gasfüllsystem kann weiterhin eine Mehrzahl von Gastanks umfassen, wobei der Gastanksensor Informationen für jeden Gastank erfassen kann, und die Durchflussratensteuerung die Füllflussrate, ausgehend von Informationsteilen, die vom Gastanksensor erfasst wurden, basierend auf den Informationen zu dem Gastank steuern kann, in dem die Temperatur am höchsten ist, oder basierend auf den Informationen zu dem Gastank steuern kann, in dem der Druck am niedrigsten ist. Mit dieser Konfiguration ist es möglich, das Füllen einer vorgegebenen Gasmenge in kurzer Zeit zu beenden während verhindert wird, dass die Temperatur aller Gastanks die Bemessungstemperatur erreicht.
Der Gastemperatursensor kann die Temperatur des Gases in der Kühlvorrichtung erfassen. Mit dieser Konfiguration ist es möglich, das Befüllen auf Basis der Temperatur des Gases in der Kühlvorrichtung zu optimieren.
Der Gastemperatursensor kann die Temperatur des Gases erfassen, nachdem das Gas aus der Gasfüllvorrichtung zum Gastank ausgegeben wurde. Mit dieser Konfiguration ist es nicht länger notwendig, den Einfluss etwaiger Störungen in der Gasfüllvorrichtung bezüglich des erfassen Wertes der Temperatur des Gases, das gekühlt wurde, zu berücksichtigen. Anders ausgedrückt: es ist möglich, die Temperatur des Gases unmittelbar vor der Befüllung, die den Zustand des Gastanks am meisten beeinflusst, zu erfassen, wodurch es möglich wird, die Füllflussrate mit hoher Genauigkeit zu steuern.
Das Gasfühllsystem kann ferner eine Verbindungseinheit zum Verbinden des Gastanks und der Gasfüllvorrichtung zum Zeitpunkt des Füllens aufweisen, wobei der Gastemperatursensor die Temperatur des Gases an der Verbindungseinheit erfassen kann. Mit dieser Konfiguration ist es, ähnlich zum vorgenannten Fall, möglich, den Einfluss von Störungen auf den erfassten Wert der Temperatur des gekühlten Gases zu minimieren. Zudem ist es möglich, die Anwendbarkeit zu erhöhen, das bedeutet, es ist beispielsweise möglich, die Verbindungseinheit zu nutzen, um den Gastemperatursensor zu installieren.
Die Verbindungseinheit kann eine Anschlussdose auf der Seite des Tanks und einen Füllrüssel auf der Seite der Gasfüllvorrichtung aufweisen, der mit der Anschlussdose verbunden ist, und der Gastemperatursensor kann die Temperatur des Gases an dem Füllrüssel oder an der Anschlussdose erfassen.
Das Gasfüllsystem der Erfindung kann ferner eine Anzeigevorrichtung aufweisen, die eine Anzeige ausgibt, dass die Füllflussrate basierend auf der Temperatur des Gases gesteuert wird, die vom Gastemperatursensor erfasst wird, oder eine Anzeige ausgibt, dass die Füllflussrate basierend auf der Temperatur des Gases gesteuert wurde. In diesem Fall kann die Anzeigevorrichtung in der Gasfüllvorrichtung oder in einem mobilen Körper vorgesehen sein, an dem der Gastank montiert ist. Mit dieser Konfiguration ist es möglich sicher zu stellen, dass das optimale Befüllen entsprechend der Kühlleistung der Kühlvorrichtung in der Gasfüllvorrichtung oder dem mobilen Körper ausgeführt wird oder ausgeführt wurde.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die vorstehende sowie weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der Erfindung werden anhand der nachfolgenden Beschreibung von beispielhaften Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen ersichtlich, in denen gleiche Bezugszeichen dafür verwendet werden, um gleiche Bestandteile zu kennzeichnen. Hierbei zeigt:
1 eine schematische Darstellung eines Gasfüllsystems gemäß einer Ausführungsform;
2 eine Darstellung der Konfiguration des Gasfüllsystems gemäß der Ausführungsform;
3 ein Flussdiagramm, das einen Ablauf des Füllbetriebs im Gasfüllsystem gemäß der Ausführungsform zeigt; und
4 eine Darstellung eines Beispiels eines Füllflussraten-Kennfelds, das bei dem Füllbetrieb gemäß der Ausführungsform zur Anwendung kommt.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSFORMEN
Ein Gasfüllsystem gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Hierbei wird ein Beispiel eines Gasfüllsystems beschrieben, bei dem Wasserstoffgas über eine Gasfüllvorrichtung in einen Gastank eines mit einem Brennstoffzellensystem ausgestatteten Brennstoffzellenfahrzeugs gefüllt wird. Wie hinlänglich bekannt ist, umfassen Brennstoffzellensysteme Brennstoffzellen, die vermittels einer elektrochemischen Reaktion aus Brenngas (z. B. Wasserstoffgas) und Oxidationsgas (z. B. Luft) Strom erzeugen.
Wie in 1 dargestellt ist, umfasst das Gasfüllsystem 1 eine Gasfüllvorrichtung 2, die beispielsweise in einer Wasserstoff-Station bzw. -Tankstelle vorgesehen ist, sowie ein Fahrzeug 3, das mit Wasserstoffgas von der Gasfüllvorrichtung 2 versorgt wird.
Wie in 2 dargestellt, hat die Gasfüllvorrichtung 2 gebündelte Zylinder (Gaszufuhrquelle) 11, die Wasserstoffgas speichern, einen Tankrüssel 12, der Wasserstoffgas in einen fahrzeuggestützten Gastank 30 abgibt, sowie eine Gasleitung 13, die die gebündelten Zylinder 11 und den Tankrüssel 12 verbindet. Der Tankrüssel 12, der auch als Füll- bzw. Befüllkupplung bezeichnet wird, wird mit einer Anschlussdose bzw. Tankbuchse 32 des Fahrzeugs 3 verbunden, wenn Wasserstoffgas eingefüllt wird. Der Tankrüssel 12 und die Anschlussdose 32 bilden eine Verbindungseinheit, welche die Gasfüllvorrichtung 2 und den Gastank 30 verbindet.
Die Gasleitung 13 ist, in dieser Reihenfolge ausgehend von den gebündelten Zylindern 11, mit einem Kompressor 14 ausgestattet, der das von den gebündelten Zylindern 11 gelieferte Wasserstoffgas verdichtet und ausgibt, sowie mit einem Akku 15, der Wasserstoffgas, das vom Kompressor 14 auf einen bestimmten Druck gebracht wurde, speichert, mit einem Flussraten-Steuerventil 16, das die Flussrate des vom Akku 15 gelieferten Wasserstoffgases steuert, mit einem Durchflussmesser 17, der die Flussrate des Wasserstoffgases misst, mit einem Vorkühler 18, der das durch die Gasleitung 13 strömende Wasserstoffgas vorkühlt, und einem Temperatursensor T, der die Temperatur des Wasserstoffgases stromab bzw. unterhalb oder nach des/dem Vorkühler(s) 18 erfasst. Die Gasfüllvorrichtung 2 umfasst eine Kommunikationsvorrichtung 21, eine Anzeigevorrichtung 22, einen Umgebungstemperatursensor 23 sowie eine Steuerung 24. Verschiedene Vorrichtungen sind elektrisch mit der Steuerung 24 verbunden. Obgleich nicht explizit dargestellt, ist ein Sperrventil, das die Gasleitung 13 während des Betankens bzw. Füllens öffnet, in oder stromab bzw. nach dem Druckspeicher bzw. Akku 15 angeordnet.
Das Flussraten-Steuerventil 16 ist ein elektrisch betätigtes Ventil und enthält beispielsweise einen Schrittmotor als Antriebsquelle. Der Öffnungsgrad des Flussraten-Steuerventils 16 wird durch den Schrittmotor gemäß der Anweisung der Steuerung 24 geändert, so dass die Flussrate des Wasserstoffgases gesteuert wird. Auf diese Weise wird die Füllflussrate, mit der Wasserstoffgas in den Gastank 30 gefüllt wird, gesteuert. Die derart gesteuerte Füllflussrate wird vom Durchflussmesser 17 gemessen und die Steuerung 24 erhält das Messergebnis und führt eine Rückkopplungssteuerung bzw. Regelung des Flussraten-Steuerventils 16 aus, um die gewünschte Füllflussrate zu erreichen. Es ist auch möglich, andere Flussratensteuerungen als das Flussraten-Steuerventil 16 zu verwenden.
Der Vorkühler 18 kühlt das vom Akku 15 mit annähernd Raumtemperatur zugeführte Wasserstoffgas mittels Wärmeaustausch auf eine vorgegebene niedrige Temperatur (z. B. –20°C). Die Art des Wärmeaustauschs im Vorkühler 18 kann indirekt erfolgen, unter Verwendung eines Zwischenmediums oder regenerativ, wobei jede bekannte Struktur verwendet werden kann. Beispielsweise hat der Vorkühler 18 einen Leitungsabschnitt, durch den das Wasserstoffgas strömt, wobei der Leitungsabschnitt im Vorkühler 18 in einem Behälter aufgenommen ist, in dem ein Kühlmittel fließt, so dass Wärme zwischen dem Wasserstoffgas und dem Kühlmittel ausgetauscht werden kann. In diesem Fall kann die Kühltemperatur des Wasserstoffgases durch Steuern der Menge und Temperatur des in den Behälter eingebrachten Kühlmittels gesteuert werden. Auf diese Weise wird die Temperatur des von dem Vorkühler 18 gekühlten Wasserstoffgases vom Temperatursensor T erfasst und ein das Erfassungsergebnis anzeigendes Signal wird an die Steuerung 24 ausgegeben.
Die Kommunikationsvorrichtung 21 hat eine Kommunikationsschnittstelle zum Durchführen von drahtloser Kommunikation, beispielsweise Infrarot-Daten-Kommunikation. Die Anzeigevorrichtung 22 zeigt verschiedene Informationsteile, beispielsweise Informationen zur Füllflussrate während des Füllens, auf einem Schirm an. Die Anzeigevorrichtung 22 kann mit einem Bedienfeld ausgestattet sein, um die gewünschte Füllmenge auf dem Anzeigeschirm auszuwählen oder zu bestimmen.
Die Steuerung 24 besteht aus einem Mikrocomputer mit einem Prozessor (CPU), einem Festspeicher (ROM) und einem Arbeitsspeicher (RAM). Die CPU führt gewünschte Berechnungen entsprechend einem Steuerprogramm aus, um verschiedene Prozesse und Steuervorgänge auszuführen. Das ROM speichert das Steuerprogramm, das von der CPU ausgeführt wird, sowie Steuerdaten. Das RAM wird hauptsächlich dazu verwendet, verschiedene Arbeitsbereiche zum Durchführen der Steuerprozesse bereitzustellen. Die Steuerung 24 ist, zusätzlich zur Kommunikationsvorrichtung 21, elektrisch mit den gebündelten Zylindern 11, dem Kompressor 14, dem Druckspeicher bzw. Akku 15 und dem Vorkühler 18 etc. verbunden, die mit der Steuerung über Steuerleitungen verbunden sind, die durch gestrichelte Linien in 2 dargestellt sind, und steuert die gesamte Gasfüllvorrichtung 2. Zudem übermittelt die Steuerung 24 über die Kommunikationsvorrichtung 21 von der Gasfüllvorrichtung 2 erhaltbare Informationen an das Fahrzeug 3.
Das Fahrzeug 3 umfasst den Gastank 30 und die Anschlussdose bzw. Tankbuchse 32. Der Gastank ist eine Gaszufuhrquelle zum Zuführen von Brennstoff zur Brennstoffzelle. Der Gastank 30 ist ein Hochdrucktank, der geeignet ist, Wasserstoffgas beispielsweise bei 35 MPa oder 70 MPa zu speichern. Das Wasserstoffgas aus dem Gastank 30 wird der Brennstoffzelle über eine (nicht dargestellte) Zufuhrleitung zugeführt. Die Zufuhr von Wasserstoffgas zum Gastank 30 wird vermittels der Gasfüllvorrichtung 2 über die Anschlussdose 32 und eine Tankleitung 34 bewerkstelligt. Die Tankleitung 34 ist mit einem Rückschlagventil 36 ausgebildet, um beispielsweise zu verhindern, dass Wasserstoffgas zurück strömt. Ein Temperatursensor 40 und ein Drucksensor 42 erfassen jeweils die Temperatur und den Druck des Wasserstoffgases im Gastank 30 und sind in der Zufuhrleitung oder der Tankleitung 34 angeordnet.
Das Fahrzeug 3 umfasst: eine Kommunikationsvorrichtung 44, die verschiedene Informationen von der Kommunikationsvorrichtung 21 der Gasfüllvorrichtung 2 empfängt und an diese überträgt; eine Steuerung 46 bestehend aus einem ähnlichen Mikrocomputer wie die Steuerung 24 der Gasfüllvorrichtung 2; sowie eine Anzeigevorrichtung 48, die verschiedene Informationen auf einem Schirm anzeigt. Die Kommunikationsvorrichtung 44 ist zu der Kommunikationsvorrichtung 21 kompatibel und hat eine Kommunikationsschnittstelle zum Durchführen von drahtloser Kommunikation, beispielsweise Infrarot-Daten-Kommunikation. Die Kommunikationsvorrichtung 44 ist in der Anschlussdose 32 aufgenommen oder ist an einem Tankdeckel des Fahrzeugs 3 befestigt, so dass es möglich ist, einen Kommunikation zwischen den Kommunikationsvorrichtungen 44 und 21 herzustellen, wenn der Tankrüssel 12 mit der Anschlussdose 32 verbunden ist. Die Steuerung 46 erhält die Erfassungsergebnisse von verschiedenen Sensoren einschließlich des Temperatursensors 40 und des Drucksensors 42 und steuert das Fahrzeug 3. Die Steuerung 46 übermittelt im Fahrzeug 3 erhaltbare Informationen über die Kommunkationsvorrichtung 44 an die Gasfüllvorrichtung 2. Die Anzeigevorrichtung 48 kann beispielsweise als Teil eines Fahrzeugnavigationssystems verwendet werden.
Bei dem vorstehend beschriebenen Gasfüllsystem 1 wird, wenn Wasserstoffgas in den Gastank 30 des Fahrzeugs 3 gefüllt werden soll, zunächst der Tankrüssel 12 mit der Anschlussdose bzw. Tankbuchse 32 verbunden. Dann wird die Gasfüllvorrichtung 2 aktiviert. Nach der Aktivierung wird das im Akku 15 gespeicherte Wasserstoffgas vom Vorkühler 18 gekühlt, und dann wird das Wasserstoffgas vom Tankrüssel 12 zum Gastank 30 ausgegeben, wodurch das Wasserstoffgas in dem Gastank 30 gefüllt wird. Das Gasfüllsystem 1 der vorliegenden Ausführungsform steuert die Füllflussrate entsprechend der Temperatur des gekühlten Wasserstoffgases.
Nachfolgend wird, Bezug nehmend auf das Flussdiagramm der 3, die Steuerung der Füllflussrate im Gasfüllsystem 1 beschrieben.
Zunächst verbindet der Tankwart bzw. Befüller den Tankrüssel 12 mit der Anschlussdose bzw. Tankbuchse 32 und es wird, wenn der Betankungsstartvorgang ausgeführt wird, vermittels dem das Ausgeben von Wasserstoffgas von der Gasfüllvorrichtung 2 in den Gastank 30 freigegeben wird, das (Be-)Füllen gestartet (Schritt S1). Das im Akku 15 gespeicherte Wasserstoffgas wird im Vorkühler 18 gekühlt und dann in den Gastank 30 ausgegeben.
Unmittelbar nach dem Start des Betanken werden der Tankdruck, die Tanktemperatur und die Vorkühlertemperatur eingelesen. Der Tankdruck ist der Druck des Wasserstoffgases im Gastank 30 und wird vom Drucksensor 42 erfasst. Die Tanktemperatur ist die Temperatur des Wasserstoffgases im Gastank 30 und wird vom Temperatursensor 40 erfasst. Die Signale, die die Ergebnisse der Erfassung des Tankdrucks und der Tanktemperatur anzeigen werden an die Steuerung 46 ausgegeben. Die Steuerung 46 überträgt die erfassten Werte des Tankdrucks und der Tanktemperatur an die Gasfüllvorrichtung 2 unter Verwendung der Kommunikationsvorrichtung 44. Die Steuerung 24 der Gasfüllvorrichtung 2 erhält somit, unmittelbar nach dem Start des Füllvorgangs, den Tankdruck und die Tanktemperatur. Die Vorkühler-Temperatur ist die Temperatur des Wasserstoffgases im Vorkühler 18 und wird vom Temperatursensor T erfasst. Die Steuerung 24, die das Signal, das das Ergebnis der Erfassung der Vorkühler-Temperatur anzeigt, direkt erhält, erhält somit die Vorkühler-Temperatur unmittelbar nach dem Start des Füllvorgangs.
Nachdem diese drei Informationsteile erhalten wurden, bestimmt die Steuerung 24 die Füllflussrate basierend auf einem im ROM gespeicherten Füllflussraten-Kennfeld oder dergleichen (Schritt S2). Das Füllflussraten-Kennfeld Ma, von dem Beispiele in 4 dargestellt sind, ist ein Kennfeld, bei dem eine vertikale Achse den Tankdruck darstellt und eine horizontale Achse die Tanktemperatur darstellt. Das Füllflussraten-Kennfeld ist für jede einer Mehrzahl von Vorkühler-Temperaturen (T1, T2, T3, welche beispielsweise die Beziehung T₁ < T₂ < T₃ erfüllen) eingestellt. Wenn beispielsweise die erfasste Vorkühler-Temperatur T₁ ist, der Tankdruck 40 MPa ist und die Tanktemperatur 0°C, wählt die Steuerung 24 beispielsweise D4 (m³/min) als Füllflussrate.
Die Füllflussrate im Füllflussraten-Kennfeld Ma ist eine Flussrate, die ein gleichmäßiges Einfüllen von Wasserstoffgas in den Gastank 30 mit hoher Geschwindigkeit bei gegebenen Bedingungen für den Tankdruck, die Tanktemperatur und die Vorkühler-Temperatur ermöglicht. Genauer gesagt ist jede der Füllflussraten im Füllflussraten-Kennfeld Ma die Flussrate, die ein Einfüllen einer maximalen Menge an Wasserstoffgas (beispielsweise die Füllmenge für einen vollen Tank) in einer minimalen Zeitdauer ermöglicht, während vermieden wird, dass die Temperatur im Gastank 30 einen vorgegebenen oberen Grenzwert (z. B. 85°C) erreicht. Beim Füllflussraten-Kennfeld Ma ist der Tankdruck in Intervallen von 10 MPa eingestellt und die Tanktemperatur ist in Intervallen von 10°C eingestellt. Diese Intervalle können jedoch beliebig eingestellt werden. Auch kann die Vorkühler-Temperatur beispielsweise beliebig in Intervallen von 2 bis 3°C, 5°C oder 10°C eingestellt werden.
Zwei die Reihenfolge der Werte der Füllflussrate im Füllflussraten-Kennfeld Ma betreffende Punkte werden nachfolgen beschrieben. Erstens ist, wenn die Bedingungen hinsichtlich Tankdruck und Tanktemperatur gleich sind, je höher die Vorkühler-Temperatur ist, der Wert für die Füllflussrate umso niedriger. Wenn beispielsweise der Tankdruck 40 MPa und die Tanktemperatur 0°C ist, ist die Füllflussrate bei der Vorkühler-Temperatur T2 niedriger als die Füllflussrate D4 bei der Vorkühler-Temperatur T₁. Wenn eine derart verringerte Füllflussrate verwendet wird ist es möglich, das Befüllen in einer minimalen Zeitspanne zu beenden während verhindert wird, dass die Temperatur im Gastank 30 einen oberen Grenzwert erreicht, selbst wenn die Vorkühler-Temperatur in Folge wiederholter Betankungsvorgänge zunimmt.
Zweitens kann, wenn die Vorkühler-Temperatur gleich ist, die Füllflussrate erhöht werden, wenn der Tankdruck zunimmt. In diesem Fall kann die Füllflussrate erhöht werden, wenn die Tanktemperatur abnimmt. Wenn beispielsweise die Vorkühler-Temperatur T1 ist, ist von den Füllflussraten A1 bis H8 des Füllflussraten-Kennfelds Ma die Füllflussrate H1 (Tankdruck 80 MPa und Tanktemperatur –30°C) die höchste, und die Füllflussrate A8 (Tankdruck 10 MPA und Tanktemperatur 40°C) ist die niedrigste. Wenn daher eine verringerte Füllflussrate verwendet wird wenn der Tankdruck niedrig ist oder die Tanktemperatur hoch ist, ist es möglich, das Befüllen in einer minimalen Zeitspanne zu beenden während verhindert wird, dass die Temperatur im Gastank 30 einen oberen Grenzwert erreicht.
In Schritt S3 steuert die Steuerung 24 die Gasfüllvorrichtung 2 derart, dass die Füllflussrate an das Ventil angelegt wird, die in Schritt S2 bestimmt wurde. Genauer gesagt steuert die Steuerung 24, während sie das Messergebnis vom Durchflussmesser 17 überwacht, den Öffnungsgrad des Flussraten-Steuerungsventils 16, so dass die Füllflussrate auf den vorbestimmten Wert gebracht wird. Auf diese Weise wird Wasserstoffgas bei einer Füllflussrate in den Gastank 30 gefüllt, die den gegebenen Bedingungen des Tankdrucks, der Tanktemperatur und der Vorkühler-Temperatur entsprechen.
Während des Füllvorgangs zeigt zumindest die Anzeigevorrichtung 22 der Gasfüllvorrichtung 2 und/oder die Anzeigevorrichtung 48 des Fahrzeugs 3, dass das Befüllen bzw. Betanken mit der in Schritt S2 bestimmten Füllflussrate ausgeführt wird. Anders ausgedrückt, Der die Befüllung Durchführende kann durch die Anzeige auf zumindest einer der Anzeigevorrichtungen 22 und 48 des Gasfüllsystems 1 sicherstellen, dass die Füllflussrate basierend auf Zuständen gesteuert wird, die die Vorkühler-Temperatur beinhalten.
Anschließend wird, wenn eine bestimmte Füllmenge (die Menge an einzufüllendem Gas, die vom Tankwart/die Befüllung Durchführenden bestimmt wurde, oder die Füllmenge für einen vollen Tank) in den Gastank 30 gefüllt wurde, die Zufuhr von Wasserstoffgas von der Gasfüllvorrichtung 2 gestoppt und das Befüllen beendet (Schritt S4). Auch – oder nur – nach Abschluss des Befüllens wird eine zur vorgenannten Anzeige ähnliche Anzeige ausgegeben, das bedeutet, es wird beispielsweise auf zumindest einer der Anzeigevorrichtungen 22 und 48 angezeigt, dass die Füllflussrate basierend auf den Bedingungen gesteuert wurden, die die Vorkühler-Temperatur beinhalten.
Gemäß dem Gasfüllsystem 1 der vorstehend beschriebenen Ausführungsform ist es möglich, Wasserstoffgas in den Gastank 30 mit einer Flussrate einzufüllen, die dem Tankdruck, der Tanktemperatur und der Vorkühler-Temperatur entspricht. Insbesondere ist es gemäß dieser Ausführungsform möglich, obgleich es sein kann, dass die Wasserstofftemperatur nach dem Kühlen abhängig von der Leistung des Vorkühlers variiert, die Vorkühler-Temperatur zu erfassen und die Füllflussrate gemäß der erfassten Vorkühler-Temperatur zu steuern. Es ist somit möglich, den Betankungsvorgang optimal entsprechend der Kühlleistung der Vorkühlers 18 auszuführen, und daher ist es möglich, eine vorgegebene Füllmenge an Gas in minimaler Zeit in den Gastank 30 zu füllen während das Gastankinnere stabil gehalten wird.
Wie vorstehend beschrieben wurde ist es, beispielsweise wenn die Steuerung derart ausgeführt wird, dass die Füllflussrate verringert wird, wenn die Vorkühler-Temperatur zunimmt, möglich, eine gleichmäßige und schnelle Befüllung zu gewährleisten, während verhindert wird, dass die Temperatur im Gastank 30 eine obere Grenztemperatur übersteigt. Anders ausgedrückt kann. dieser Effekt wie folgt dargestellt werden: Selbst wenn das Kühlen auf einen bestimmten Wert nicht durch den Vorkühler 18 ausgeführt wurde, besteht keine Notwendigkeit, den Befüllvorgang zu unterbrechen oder anzuhalten, und es besteht keine Notwendigkeit, dass der die Befüllung Durchführende oder der Fahrer warten müssen. Zudem ist es möglich, eine Mehrzahl von Fahrzeugen 3 nacheinander zu befüllen. Andererseits ist es, wenn die Vorkühler-Temperatur relativ gering ist, möglich, durch Einstellen einer entsprechend höheren Füllflussrate ein gleichmäßiges Befüllen in einer kürzeren Zeitspanne zu erzielen, während verhindert wird, dass die Temperatur im Gastank 30 eine obere Grenztemperatur übersteigt.
Zudem ist es, da die das Gastankinnere betreffende Informationen, d. h. der Tankdruck und die Tanktemperatur, effektiv erfasst werden, um die Füllflussrate zu bestimmen, möglich, eine im Vergleich zu dem Fall, wo diese Werte geschätzt werden, weiter optimierte Füllflussrate zu bestimmen. Bei einer alternativen Ausführungsform kann eine Steuerung ausgeführt werden, nachdem die Füllflussrate gemäß der Vorkühler-Temperatur bestimmt wurde, ohne den Tankdruck und/oder die Tanktemperatur zu berücksichtigen.
<Abwandlungen>
Nachfolgend werden einige Abwandlungen des Gasfüllsystems 1 der Ausführungsform beschrieben. Jede Abwandlung kann, entweder für sich alleine oder in Kombination mit anderen Abwandlungen, auf die Ausführungsform angewandt werden.
Bei einer ersten Abwandlung können der Tankdruck und die Tanktemperatur geschätzt werden, wenn die Füllflussrate bestimmt wird. In diesem Fall können der Tankdruck und die Tankflussrate unter Verwendung einer Vorrichtung oder Vorrichtungen auf Seiten der Gasfüllvorrichtung 2 geschätzt werden. Beispielsweise kann, hinsichtlich des Tankdrucks, ein Drucksensor in der Gasleitung 13 der Gasfüllvorrichtung 2 vorgesehen sein, und der Gasdruck kann basierend auf einem Erfassungsergebnis des Drucksensors unmittelbar nach dem Start des Befüllens geschätzt werden. Daneben kann die Tanktemperatur basierend auf dem Erfassungsergebnis des Umgebungstemperatursensors 23 unmittelbar nach dem Start des Befüllens geschätzt werden. Ein derartiges, den Abschätzvorgang nutzendes Verfahren ist dann nützlich, wenn weder die Gasfüllvorrichtung 2 noch das Fahrzeug 3 mit Kommunikationseinrichtungen (den vorstehend beschriebenen Kommunikationsvorrichtungen 21 und 44) versehen ist.
Bei einer zweiten Abwandlung kann die Position des Temperatursensors T, der die Vorkühler-Temperatur erfasst, verändert werden. Um die Füllflussrate entsprechend der Temperatur des Wasserstoffgases, nachdem dieses durch das Durchströmen des Vorkühlers 18 gekühlt wurde, zu optimieren, ist es ausreichend, dass der Temperatursensor T die Temperatur des Wasserstoffgases zwischen dem Vorkühler 18 und einem Punkt stromaufwärts bzw. oberhalb des Gastanks 30 erfasst. Daher kann der Temperatursensor T in der Anschlussdose 32 oder der Tankleitung 34 im Fahrzeug 3 angeordnet sein. Alternativ kann der Temperatursensor T die Temperatur des Wasserstoffgases erfassen, nachdem dieses von der Gasfüllvorrichtung 2 zum Gastank 30 ausgegeben wurde. Bei einer anderen Ausführungsform kann der Temperatursensor T im Tankrüssel 12 vorgesehen sein und die Temperatur des Wasserstoffgases am Tankrüssel 12 erfassen.
Wenn die Erfassung durch den Temperatursensor an einer derartigen Position stattfindet, ist es nicht notwendig, den Einfluss von Störungen in der Gasfüllvorrichtung 2 auf den Erfassungswert der Temperatur des gekühlten Wasserstoffgases zu berücksichtigen. Anders ausgedrückt: Wenn der Abstand zwischen dem Vorkühler 18 und dem Tankrüssel 12 groß ist, kann man davon ausgehen, dass die Temperatur des Wasserstoffgases, das im Vorkühler 18 gekühlt wurde, am Tankrüssel 12 die Temperatur unmittelbar unterhalb bzw. stromab des Vorkühlers 18 aufgrund eines Wärmeeintrags in der Leitung der Gasleitung 13 übersteigen kann. Wenn jedoch die Wasserstoffgastemperatur an einer Stelle stromab des Tankrüssels 12 erfasst wird, kann ein derartiger Einfluss vermieden werden und es ist möglich, die Temperatur des Wasserstoffgases unmittelbar vor dem Einfüllen zu erfassen, das den Zustand des Gastankinneren am meisten beeinflusst. Daher ist es möglich, die Füllflussrate genauer zu steuern.
Bei einer dritten Abwandlung kann eine Mehrzahl von Gastanks 30 vorgesehen sein. Wenn eine Mehrzahl von Gastanks im Fahrzeug 3 montiert ist, variiert die Wärmeabstrahlung abhängig von der Montagestellt und die Entlademenge der einzelnen Gastanks variiert abhängig von der Art und Weise, in der das Gas der Brennstoffzelle zugeführt wird. Daher kann, wenn eine Mehrzahl von Gastanks 30 vorgesehen ist, die Füllflussrate anhand des Füllflussraten-Kennfelds Ma basierend auf der Vorkühler-Temperatur und der Information (Tanktemperatur und Tankdruck) des Tanks, dessen Temperatur von der Mehrzahl der Gastanks am höchsten ist oder dessen Druck von der Mehrzahl der Gastanks am niedrigsten ist, bestimmt werden. Auf diese Weise ist es möglich, das Einfüllen einer vorgegebenen Füllmenge an Gas in einer kurzen Zeitspanne zu erledigen, während verhindert wird, dass die Temperatur eines jeden Gastanks eine obere Grenztemperatur übersteigt.
Im Fall der dritten Abwandlung können die Tanktemperatur und der Tankdruck eines jeden Gastanks durch Vorsehen eines Temperatursensors 40 und eines Drucksensors 42 für jeden Gastank erfasst werden, oder diese Werte können durch die Verwendung eines einzelnen Temperatursensors 40 und eines einzelnen Drucksensors 42 für alle Tanks erfasst werden. Alternativ können, wie in Zusammenhang mit der zweiten Abwandlung beschrieben, die Tanktemperatur und der Tankdruck durch Abschätzung für jeden Gastank bestimmt werden.
Das Gasfüllsystem 1 der vorliegenden Erfindung kann nicht nur für Wasserstoffgas verwendet werden, sondern kann auch bei einem Gas verwendet werden, dessen Temperatur während des Füllens ansteigt. Zudem kann das Gasfüllsystem 1 nicht nur für ein Fahrzeug 3 verwendet werden sondern ebenso bei einem mobilen Körper wie einem Flugzeug, einem Schiff, einem Roboter oder dergleichen Anwendung finden, in denen ein Gastank montiert ist, der mit von Außen zugeführtem Gas befüllt werden muss.
Die Erfindung wurde lediglich zum besseren Verständnis unter Bezugnahme auf beispielhafte Ausführungsformen beschrieben. Es ist jedoch klar, dass diese Beschreibung nicht dazu gedacht ist, den Umfang der Erfindung einzuschränken, und dass die Erfindung zur Verwendung in anderen Systemen und Anwendungen Anwendung finden kann. Der Umfang der Erfindung umfasst auch zahlreiche Abwandlungen und äquivalente Anordnungen, denen der Fachmann gewahr wird.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

JP 2005-83567 [0002]
JP 2005-83567 A [0002]

Claims

Gasfüllsystem, dadurch gekennzeichnet, dass es aufweist: einen Gastank; eine Gasfüllvorrichtung, aufweisend: eine Kühlvorrichtung zum Kühlen von Gas, das von einer Gaszufuhrquelle zugeführt wird, und zum Ausgeben des von der Kühlvorrichtung gekühlten Gases um das Gas in den Gastank zu füllen; einen Gastemperatursensor, der stromaufwärts des Gastanks eine Temperatur des von der Kühlvorrichtung gekühlten Gases erfasst; und eine Durchflussratensteuerung, die eine Füllflussrate des in den Gastank zu füllenden Gases basierend auf der vom Gastemperatursensor erfassten Temperatur steuert.
Gasfüllsystem nach Anspruch 1, wobei die Durchflussratensteuerung die Füllflussrate derart steuert, dass die Füllflussrate abnimmt, wenn die Temperatur des Gases zunimmt.
Gasfüllsystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass sie weiter aufweist: einen Gastanksensor, der Informationen bezüglich einer Innenseite des Gastanks erfasst, wobei die Durchflussratensteuerung die Füllflussrate auch basierend auf den vom Gastanksensor erhaltenen Informationen steuert.
Gasfüllsystem nach Anspruch 3, wobei der Gastanksensor zumindest einen Gastanktemperatursensor und/oder einen Gastankdrucksensor umfasst.
Gasfüllsystem nach Anspruch 3 oder 4, wobei: das Gasfüllsystem eine Mehrzahl von Gastanks umfasst; der Gastanksensor Informationen für jeden Gastank erfasst; und die Durchflussratensteuerung die Füllflussrate, ausgehend von Informationsteilen, die vom Gastanksensor erfasst wurden, basierend auf den Informationen zu dem Gastank steuert, in dem die Temperatur am höchsten ist, oder basierend auf den Informationen zu dem Gastank steuert, in dem der Druck am niedrigsten ist.
Gasfüllsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der Gastemperatursensor die Temperatur des Gases in der Kühlvorrichtung erfasst.
Gasfüllsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der Gastemperatursensor die Temperatur des Gases erfasst, nachdem das Gas aus der Gasfüllvorrichtung zum Gastank ausgegeben wurde.
Gasfüllsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass es ferner aufweist: eine Verbindungseinheit zum Verbinden des Gastanks und der Gasfüllvorrichtung zum Zeitpunkt des Füllens, wobei der Gastemperatursensor die Temperatur des Gases an der Verbindungseinheit erfasst.
Gasfüllsystem nach Anspruch 8, wobei: die Verbindungseinheit eine Anschlussdose auf der Seite des Tanks und einen Füllrüssel auf der Seite der Gasfüllvorrichtung aufweist, der mit der Anschlussdose verbunden ist; und der Gastemperatursensor die Temperatur des Gases an dem Füllrüssel erfasst.
Gasfüllsystem nach Anspruch 8, wobei: die Verbindungseinheit eine Anschlussdose auf der Seite des Tanks und einen Füllrüssel auf der Seite der Gasfüllvorrichtung aufweist, der mit der Anschlussdose verbunden ist; und der Gastemperatursensor die Temperatur des Gases an der Anschlussdose erfasst.
Gasfüllsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass sie ferner aufweist: eine Anzeigevorrichtung, die eine Anzeige ausgibt, dass die Füllflussrate basierend auf der Temperatur des Gases gesteuert wird, die vom Gastemperatursensor erfasst wird, oder eine Anzeige ausgibt, dass die Füllflussrate basierend auf der Temperatur des Gases gesteuert wurde, die vom Gastemperatursensor erfasst wurde.
Gasfüllsystem nach Anspruch 11, wobei die Anzeigevorrichtung in der Gasfüllvorrichtung vorgesehen ist.
Gasfüllsystem nach Anspruch 11, wobei die Anzeigevorrichtung in einem mobilen Körper vorgesehen ist, an dem der Gastank montiert ist.
Gasfüllvorrichtung mit einer Kühlvorrichtung zum Kühlen von Gas, das von einer Gaszufuhrquelle zugeführt wird, und zum Ausgeben des von der Kühlvorrichtung gekühlten Gases um das Gas in einen Gastank zu füllen, dadurch gekennzeichnet, dass die Gasfüllvorrichtung aufweist: einen Gastemperatursensor, der stromaufwärts des Gastanks eine Temperatur des von der Kühlvorrichtung gekühlten Gases erfasst; und eine Durchflussratensteuerung, die eine Füllflussrate des in den Gastank zu füllenden Gases basierend auf der vom Gastemperatursensor erfassten Temperatur steuert.