WO2018033295A1 - Verfahren zum betrieb eines ventils eines druckbehältersystems sowie druckbehältersystem - Google Patents

Verfahren zum betrieb eines ventils eines druckbehältersystems sowie druckbehältersystem Download PDF

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WO2018033295A1
WO2018033295A1 PCT/EP2017/066960 EP2017066960W WO2018033295A1 WO 2018033295 A1 WO2018033295 A1 WO 2018033295A1 EP 2017066960 W EP2017066960 W EP 2017066960W WO 2018033295 A1 WO2018033295 A1 WO 2018033295A1
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valve
pressure
actual
pressure difference
pressure vessel
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PCT/EP2017/066960
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Andreas Pelger
Stefan Schott
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Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft
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    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05D—SYSTEMS FOR CONTROLLING OR REGULATING NON-ELECTRIC VARIABLES
    • G05D16/00—Control of fluid pressure
    • G05D16/028—Controlling a pressure difference
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F17—STORING OR DISTRIBUTING GASES OR LIQUIDS
    • F17C—VESSELS 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
    • F17C13/00—Details of vessels or of the filling or discharging of vessels
    • F17C13/04—Arrangement or mounting of valves
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F17—STORING OR DISTRIBUTING GASES OR LIQUIDS
    • F17C—VESSELS 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
    • F17C2250/00—Accessories; Control means; Indicating, measuring or monitoring of parameters
    • F17C2250/04—Indicating or measuring of parameters as input values
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    • F17C2260/01—Improving mechanical properties or manufacturing
    • F17C2260/015—Facilitating maintenance
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
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    • Y10T137/00—Fluid handling
    • Y10T137/7722—Line condition change responsive valves
    • Y10T137/7758—Pilot or servo controlled
    • Y10T137/7759—Responsive to change in rate of fluid flow
    • Y10T137/776—Control by pressures across flow line valve

Definitions

  • the technology disclosed herein relates to a method of operating a valve of a pressure vessel system and a pressure vessel system.
  • Pressure tank systems as such are known.
  • high-pressure gas container systems and cryogenic pressure container systems are used in motor vehicles which are operated with hydrogen.
  • Such pressure vessel systems include i.a. a Tankabsperrventil, which is designed to regulate the outflow of fuel from the pressure vessel.
  • Hydrogen-powered motor vehicles require valve tests in which the outlet pressure when opening the valve is at least 50% of the
  • Tankabsperrventils downstream of the Tankabsperrventils fuel is removed. This causes the pressure downstream of the
  • Tankabsperrventils decreases and thus the pressure difference between the inlet and outlet of the Tankabsperrventils further increases. It could thus happen that the outlet pressure when opening the valve is less than 50% of the inlet pressure. For such operating conditions, the valve would then not have been tested and released.
  • Tank shutoff valve opened in such a case it could be damaged.
  • the aforementioned requirement can be met and damage to the Tankabsperrventils be avoided by the Tankabsperrventil is designed to be robust.
  • the Tankabsperrventil is designed for a maximum operating pressure, which is twice as high as the nominal operating pressure of the pressure vessel. Such Tankabsperrventile would then be relatively expensive and / or required comparatively much space.
  • the technology disclosed herein relates to a pressure vessel system for a motor vehicle.
  • the pressure vessel system is used to store under ambient conditions gaseous fuel.
  • 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
  • Such a pressure vessel system comprises at least one pressure vessel.
  • High-pressure gas containers are formed, essentially at
  • Atmospheric pressure further preferably from about 500 barü and more preferably from about 700 barü store.
  • 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 disclosed herein further includes at least one valve fluidly connected to the at least one pressure vessel.
  • the at least one valve is a Tankabsperrventil (TAV, en: shut-off valve).
  • TAV Tankabsperrventil
  • the Tankabsperrventil is the valve whose inlet pressure (substantially) corresponds to the tank pressure.
  • the tank shut-off valve is in particular a controllable or controllable and in particular normally closed valve.
  • the tank shut-off valve is i.d.R. integrated into an on-tank valve (OTV).
  • OTV on-tank valve
  • the on-tank valve is the valve unit mounted directly at one end of the pressure vessel and directly fluidly connected to the interior of the pressure vessel.
  • Tankabsperrventil Type approval of hydrogen-powered motor vehicles, such Tankabsperrventil is also referred to as the first valve.
  • the pressure vessel system disclosed herein may further include at least one pressure sensor located downstream of the valve.
  • Pressure sensor is suitably designed to measure the pressure of the fuel at the outlet of the valve.
  • the pressure vessel system disclosed herein may further include at least one controller configured to control at least some of the components of the pressure vessel system.
  • the controller may be configured to perform the method steps disclosed herein.
  • the controller may be configured to release the valve when the value of the actual pressure difference is less than or equal to the maximum allowable pressure difference of the valve.
  • the maximum permissible pressure difference is the pressure difference between the inlet and the outlet of the valve, at which the valve is just allowed to be operated. For example, if the above-mentioned regulation is relevant, this pressure difference will be a maximum of 50% (ie the outlet pressure may not be more than 50% lower than that)
  • the safety function ensures that the valve can only be actuated if the actual pressure difference is less than the maximum permissible value
  • valve of the pressure vessel system disclosed herein may be a pilot operated valve having a pilot seat and a main seat.
  • pilot operated or indirect valves are known.
  • pilot control actuator e.g., solenoid, lever, foot switch, .
  • Controller may be configured to open the tax rate to reduce the actual pressure difference.
  • the pilot seat has a smaller opening cross-section compared to the headquarters. On such a
  • Opening cross-section occur lower forces and moments, which may be uncritical even at high pressure differences. Opening the
  • Pilot seat however, already causes a certain pressure equalization, which causes the actual pressure difference decreases.
  • the pilot valve can this purpose by a suitable actuator, for example by means of
  • Pulse width modulation are provided.
  • the pilot control can also be just one impulse - which may be up to the desired pressure increase (repeated after the valve).
  • the pressure vessel system disclosed herein may further include a bypass valve.
  • the bypass valve can branch upstream of the (main) valve or start directly in the pressure vessel and open downstream of the valve. In other words, the bypass valve is thus arranged fluidly parallel to the valve.
  • the bypass valve itself is preferably dimensioned so that it has lower flow cross-sections compared to the valve.
  • the maximum mass flow of fuel through the bypass valve may be at least a factor of 10, preferably by a factor of 100 or 1000, less than the maximum mass flow of fuel the valve.
  • the bypass valve can otherwise be constructed the same as the valve.
  • control unit can be set up to open the bypass valve for pressure equalization, in particular if the actual pressure difference is greater than the maximum permissible pressure difference.
  • bypass valve is operated manually, for example, by appropriately trained service personnel.
  • Such a bypass valve is cheaper, smaller and lighter than the valve due to the smaller flow cross-sections.
  • this valve for much larger
  • the pressure vessel system disclosed herein may further include a
  • Pressure relief device which may be arranged upstream or fluidly parallel to the valve, in particular to Tankabsperrventil.
  • the pressure relief device may be configured to release fuel to reduce the actual pressure difference. It is preferably a reversibly resealable pressure relief device.
  • Pressure relief device may be, for example, a bleed port, which is arranged fluidically between the Tankabsperrventil and in the pressure vessel.
  • a bleed port may be a mechanically operable valve.
  • the pressure vessel system disclosed herein may include at least one
  • the pressure vessel system disclosed here can have at least one service port.
  • a service port can be provided, for example, in the anode subsystem. He can
  • a service port can be arranged in the medium-pressure range.
  • the service port on a different coupling than the
  • the pressure vessel system may further comprise other components of a
  • Anodensubsystems a fuel cell system include.
  • Anode subsystem is formed from the fuel-carrying components.
  • An anode subsystem may comprise the at least one pressure vessel, the at least one valve, at least one pressure reducer, at least one anode feed line leading to the anode inlet, an anode space in the
  • AWS water separator
  • APV purge valve
  • ARE or ARB active or passive fuel recirculation pump
  • ARE or ARB active or passive fuel recirculation pump
  • the method may include the step of reducing the actual pressure difference to a value below the maximum allowable pressure difference prior to releasing the valve, in particular without the valve or a main seat of the valve being opened.
  • the method may further comprise the step of comprising the method of reducing the actual pressure difference to a value below the maximum allowable pressure difference of at least one of the following steps:
  • the actual pressure difference can be determined by measuring the pressure values at the inlet and at the outlet of the valve.
  • the pressure at the inlet of the valve is determined by the following method:
  • a safety factor can preferably be added that takes into account that the pressure values at the input were not measured, but calculated.
  • the method disclosed herein may further include the step of informing a user of the pressure vessel system or a service station (e.g., garage, dealer, etc.) that a user of the pressure vessel system or a service station (e.g., garage, dealer, etc.) that a user of the pressure vessel system or a service station (e.g., garage, dealer, etc.) that a user of the pressure vessel system or a service station (e.g., garage, dealer, etc.) that a
  • the method of operation may further comprise the step of: closing the at least one valve in the anode subsystem before the Fuel consumption (ie, fuel conversion) was terminated downstream of the valve (in particular the pressure reduction by the at least one pressure reducer, the electrochemical reaction of the at least one fuel cell and / or the operation of the anode vent valve, etc.), so that between the output and the input of the valve a
  • Pressure difference (preferably a desired pressure difference) for the closed valve adjusts.
  • a desired pressure difference may be used, for example, for diagnostic purposes, e.g. a leak test, be used.
  • Tank check valve where the pressure in both areas is detected (via corresponding sensors) or the pressure in one of them
  • enclosed volume can lead to a pressure change.
  • the removal is blocked, ie the valve is not activated). Only by an at least partial pressure equalization, in particular by filling the high pressure line after the Shut-off valve, the removal is released again. This can be done either by refueling (here is the
  • Pressure equalization (could be controlled manually or automatically). This valve could be correspondingly simple,
  • Pilot operated valve briefly actuated the pilot seat
  • Fig. 1 shows schematically the pressure vessel system disclosed herein. Fuel is stored in the pressure vessel 100, e.g. Hydrogen at 700 bar. The pressure vessel 100 provides hydrogen for one
  • Pressure vessel 200 a Tankabsperrventil 210 is provided.
  • a pressure vessel 100 with a tank shut-off valve 210 a plurality of pressure vessels 100 with a plurality of tank shut-off valves 210 could likewise be provided. In the system shown here are also two
  • the first pressure level reduces the pressure from 700 bar to a
  • Medium pressure level for example, 1 1 to 13 bar (medium pressure range).
  • the second pressure level lowers the pressure from the medium pressure to the low pressure of the fuel cells.
  • Refueling coupling 221 and the refueling line 220 fuel into the pressure vessel 200.
  • the refueling 220 is connected to the output of Tankabsperrventils 210. Is now too large actual pressure difference between the inlet and outlet of Tankabsperrventils 210 of the
  • Control 400 has been detected, a user or trained service personnel may increase the pressure in the anode subsystem, for example, by depressing the refueling line 220 and / or the anode feeder 215.
  • the refueling coupling 221 or a may increase the pressure in the anode subsystem, for example, by depressing the refueling line 220 and / or the anode feeder 215.
  • This bleed port 219 also opens into the pressure vessel 100 and is thus arranged fluidly parallel to the tank shut-off valve 210.
  • the bleed port 219 can be actuated manually here, so that the pressure in the pressure vessel 100 can be reduced by this bleed port 219.
  • the pressure relief unit disclosed herein need not be designed as bleed port 219.
  • a bypass valve 218 can also be provided, which is electrically actuated here.
  • the components shown here with the reference numerals 100, 210, 21 1, 212, 213, 214, 215, 218, 219, 220, 221, 232, 234, 236, 238 (and partially) 300 are part of the anode subsystem A.
  • the flow direction of the fuel is shown here with an arrow.
  • step S100 the actual pressure difference between the input and the output of the valve is determined directly or indirectly.
  • both pressure values can be measured.
  • only pressure values downstream of the valve are measured, from which values are then calculated on the input.
  • step 300 the actual pressure difference with the max. allowable pressure difference of the valve 210 compared. If the actual pressure difference is greater than the max. allowed
  • step S400 Pressure difference, the pressure difference is reduced in step S400, for example, by the anode subsystem is depressed downstream of the valve 210 and / or by the fuel from the at least one
  • step S500 an output may be made to a user of the motor vehicle or to a service force.
  • step S200 follows again. If the actual pressure difference is smaller than the max. permissible pressure difference, the valve 210 can be released. The valve 210 may then be opened or continued to operate.
  • the control unit 400 is set up, the

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Abstract

Die hier offenbarte Technologie betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Ventils (210) eines Druckbehältersystems. Es umfasst die Schritte: A) Ermitteln einer Ist-Druckdifferenz zwischen einem Eingangsdruck (pE) am Eingang des Ventils (210) und einem Ausgangsdruck (pA) am Ausgang des Ventils (210); und B) Freigeben des Ventils (210), wenn der Wert der Ist-Druckdifferenz kleiner oder gleich ist einer maximal zulässigen Druckdifferenz des Ventils (210).

Description

Verfahren zum Betrieb eines Ventils eines Druckbehältersystems sowie Druckbehältersystem
Die hier offenbarte Technologie betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Ventils eines Druckbehältersystems sowie ein Druckbehältersystem.
Druckbehältersysteme als solche sind bekannt. Beispielsweise werden Hochdruckgasbehältersysteme und kryogene Druckbehältersysteme in Kraftfahrzeugen eingesetzt, die mit Wasserstoff betrieben werden. Solche Druckbehältersysteme umfassen u.a. ein Tankabsperrventil, welches ausgebildet ist, das Ausströmen von Brennstoff aus dem Druckbehälter zu regeln.
Die Verordnung (EU) Nr. 406/2010 der Kommission vom 26. April 2010 zur Durchführung der Verordnung (EG) Nr. 79/2009 des Europäischen
Parlaments und des Rates über die Typgenehmigung von
wasserstoffbetriebenen Kraftfahrzeugen schreibt Ventiltests vor, bei denen der Ausgangsdruck beim Öffnen des Ventils mindestens 50% des
Eingangsdruckes betragen muss. Es kann im Betrieb des
Druckbehältersystems vorkommen, dass nach dem Schließen des
Tankabsperrventils stromab des Tankabsperrventils weiterhin Brennstoff entnommen wird. Dies führt dazu, dass der Druck stromab des
Tankabsperrventils abnimmt und somit die Druckdifferenz zwischen Eingang und Ausgang des Tankabsperrventils weiter ansteigt. Es könnte somit der Fall eintreten, dass der Ausgangsdruck beim Öffnen des Ventils weniger als 50 % des Eingangsdruckes beträgt. Für solche Betriebsbedingungen wäre das Ventil dann nicht getestet und freigegeben worden. Würde das
Tankabsperrventil in einem solchem Fall geöffnet, könnten es beschädigt werden. Die vorgenannte Vorschrift kann eingehalten und eine Beschädigung des Tankabsperrventils vermieden werden, indem das Tankabsperrventil entsprechend robust ausgelegt wird. Hierzu kann vorgesehen sein, dass das Tankabsperrventil für einen maximalen Betriebsdruck ausgelegt ist, der doppelt so hoch ist wie der nominelle Betriebsdruck des Druckbehälters. Solche Tankabsperrventile wären dann aber vergleichsweise teuer und/oder benötigten vergleichsweise viel Bauraum.
Es ist eine bevorzugte Aufgabe der hier offenbarten Technologie, zumindest einen Nachteil der vorbekannten Lösungen zu verringern oder zu beheben. Insbesondere ist es eine bevorzugte Aufgabe der hier offenbarten
Technologie, ein betriebssicheres Ventil bereitzustellen, dass
vergleichsweise wenig Bauraum benötigt, vergleichsweise leicht ist und/oder vergleichsweise kostengünstig ist. 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. 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. Der Druckbehälter kann beispielsweise ein kryogener Druckbehälter (= CcH2) oder ein Hochdruckgasbehälter (= CGH2) sein.
Hochdruckgasbehälter sind ausgebildet, im Wesentlichen bei
Umgebungstemperaturen Brennstoff dauerhaft bei einem nominalen
Betriebsdruck verwenden (auch nominal working pressure oder NWP genannt) von über ca. 350 barü (= Überdruck gegenüber dem
Atmosphärendruck), ferner bevorzugt von über ca. 500 barü und besonders bevorzugt von über ca. 700 barü 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 hier offenbarte Druckbehältersystem umfasst ferner mindestens ein Ventil, das mit dem mindestens einen Druckbehälter fluidverbunden ist. Bevorzugt ist das mindestens eine Ventil ein Tankabsperrventil (TAV; en. : shut-off valve). Das Tankabsperrventil ist das Ventil, dessen Eingangsdruck (im Wesentlichen) dem Behälterdruck entspricht. Das Tankabsperrventil ist insbesondere ein steuerbares bzw. regelbares und insbesondere stromlos geschlossenes Ventil. Das Tankabsperrventil ist i.d.R. in ein On-Tank-Valve (OTV) integriert. Das On-Tank-Valve ist die direkt an einem Ende des Druckbehälters montierte und mit dem Inneren des Druckbehälters direkt fluidverbundene Ventileinheit. In der Verordnung (EU) Nr. 406/2010 der Kommission vom 26. April 2010 zur Durchführung der Verordnung (EG) Nr. 79/2009 des Europäischen Parlaments und des Rates über die
Typgenehmigung von wasserstoffbetriebenen Kraftfahrzeugen wird ein solches Tankabsperrventil auch als erstes Ventil bezeichnet. Das hier offenbarte Druckbehältersystem kann ferner mindestens einen Drucksensor umfassen, der stromab vom Ventil angeordnet ist. Der
Drucksensor ist zweckmäßig ausgebildet, den Druck des Brennstoffs am Ausgang des Ventils zu messen.
Das hier offenbarte Druckbehältersystem kann ferner mindestens ein Steuergerät umfassen, welches eingerichtet ist, zumindest einige der Komponenten des Druckbehältersystems zu regeln bzw. zu steuern.
Insbesondere kann das Steuergerät eingerichtet sein, die hier offenbarten Verfahrensschritte durchzuführen. Das Steuergerät kann eingerichtet sein, das Ventil freizugeben, wenn der Wert der Ist-Druckdifferenz kleiner oder gleich ist der maximal zulässigen Druckdifferenz des Ventils.
Die maximal zulässige Druckdifferenz ist dabei die Druckdifferenz zwischen dem Eingang und dem Ausgang des Ventils, bei der das Ventil gerade noch betrieben werden darf. Sofern die eingangs genannte Verordnung einschlägig ist, beträgt diese Druckdifferenz beispielsweise maximal 50 % (i.e. der Ausgangsdruck darf um maximal 50% niedriger sein als der
Eingangsdruck des Ventils).
Es kann also in dem Steuergerät eine Sicherheitsfunktion hinterlegt sein. Die Sicherheitsfunktion stellt sicher, dass das Ventil nur betätigt werden kann, wenn die Ist-Druckdifferenz geringer ist als die maximal zulässige
Druckdifferenz des Ventils. Somit können vergleichsweise leichte und platzsparende Ventile eingesetzt werden. Das Ventil des hier offenbarten Druckbehältersystems kann insbesondere ein vorgesteuertes Ventil sein, welches ein Vorsteuersitz und ein Hauptsitz aufweist. Solche vorgesteuerten bzw. indirekten Ventile sind bekannt.
Die Aufgabe des vorsteuernden Betätigungselements (z.B. Magnetspule, Hebel, Fußschalter, ...) ist es, nur eine kleine Vorsteuerbohrung des
Vorsteuersitz zu öffnen, bzw. zu schließen. Die eigentliche Aufgabe, die Bewegung des Hauptkolbens, übernimmt dann der Brennstoff. Das
Steuergerät kann eingerichtet sein, den Steuersatz zum Verringern der Ist- Druckdifferenz zu öffnen. Der Vorsteuersitz weist im Vergleich zum Hauptsitz einen geringeren Öffnungsquerschnitt auf. An einem solchen
Öffnungsquerschnitt treten geringere Kräfte und Momente auf, die auch bei hohen Druckdifferenzen unkritisch sein können. Das Öffnen des
Vorsteuersitzes bewirkt allerdings schon einen gewissen Druckausgleich, der dazu führt, dass die Ist- Druckdifferenz abnimmt. Das Vorsteuerventil kann hierzu durch einen geeigneten Steller, beispielsweise mittels
Pulsweitenmodulation gestellt werden. Die Vorsteuerung kann auch nur ein Impuls sein - der ggf. bis zur gewünschten Druckerhöhung (nach dem Ventil wiederholt) wird.
Das hier offenbarte Druckbehältersystem kann ferner ein Bypassventil aufweisen. Das Bypassventil kann stromauf vom (Haupt)Ventil abzweigen bzw. direkt im Druckbehälter beginnen und stromab vom Ventil münden. Mit anderen Worten ist das Bypassventil also fluidisch parallel zum Ventil angeordnet. Das Bypassventil selbst ist bevorzugt so dimensioniert, dass es im Vergleich zum Ventil geringere Durchflussquerschnitte aufweist.
Beispielsweise kann der maximale Massenstrom an Brennstoff durch das Bypassventil mindestens um den Faktor 10, bevorzugt um den Faktor 100 oder 1000, geringer sein als der maximale Massenstrom an Brennstoff durch das Ventil. Abgesehen von den unterschiedlichen maximale Massenstrom kann das Bypassventil ansonsten gleich aufgebaut sein wie das Ventil.
Bevorzugt kann das Steuergerät eingerichtet sein, dass Bypassventil zum Druckausgleich zu öffnen, insbesondere wenn die Ist-Druckdifferenz größer ist als die maximal zulässige Druckdifferenz. Es kann aber auch vorgesehen sein, dass das Bypassventil händisch betätigt wird, beispielsweise durch entsprechend geschultes Service-Personal. Ein solches Bypassventil ist aufgrund der kleineren Strömungsquerschnitte günstiger, kleiner und leichter als das Ventil. Bevorzugt kann dieses Ventil für wesentlich größere
Druckdifferenzen ausgelegt sein als das Ventil.
Das hier offenbarte Druckbehältersystem kann ferner eine
Druckentlastungseinrichtung aufweisen, die stromauf oder fluidisch parallel zum Ventil, insbesondere zum Tankabsperrventil angeordnet sein kann. Die Druckentlastungseinrichtung kann eingerichtet sein, zum Verringern der Ist- Druckdifferenz Brennstoff abzulassen. Bevorzugt handelt es sich um eine reversibel wiederverschließbare Druckentlastungseinrichtung. Eine
Druckentlastungseinrichtung kann beispielsweise ein Bleed-Port sein, der fluidisch zwischen dem Tankabsperrventil und im Druckbehälter angeordnet ist. Zweckmäßig kann ein solcher Bleed-Port ein mechanisch betätigbares Ventil sein. Es sind aber auch andere Lösungen vorstellbar.
Das hier offenbarte Druckbehältersystem kann mindestens eine
Betankungsleitung umfassen, die mit dem Ausgang des Ventils so
fluidverbunden ist, dass der Druck stromab des Ventils durch eine Betankung über die Betankungsleitung erhöht werden kann. Zweckmäßig kann somit der Druck am Ausgang des Ventils erhöht werden, wodurch sich die Ist- Druckdifferenz verringert. Alternativ oder zusätzlich kann das hier offenbarte Druckbehältersystem mindestens einen Service-Port aufweisen. Ein solcher Service-Port kann beispielsweise im Anodensubsystem vorgesehen sein. Er kann
beispielsweise dazu dienen, Brennstoff zu- bzw. abzuführen. Zweckmäßig kann ein solcher Service-Port im Mitteldruckbereich angeordnet sein.
Bevorzugt weist der Service-Port eine andere Kupplung auf als die
Betankungskupplung der Betankungsleitung. Somit kann die Gefahr des Missbrauchs verringert werden.
Das Druckbehältersystem kann ferner weitere Komponenten eines
Anodensubsystems eines Brennstoffzellensystems umfassen. Das
Anodensubsystem wird aus den brennstoffführenden Bauelementen gebildet. Ein Anodensubsystem kann den mindestens einen Druckbehälter, das mindestens eine Ventil, mindestens einen Druckminderer, mindestens eine zum Anodeneinlass führende Anodenzuleitung, einen Anodenraum im
Brennstoffzellenstapel, mindestens eine vom Anodenauslass wegführende Anodenabgasleitung, mindestens einen Wasserabscheider (=AWS), mindestens ein Purgeventil (=APV), mindestens ein aktive oder passive Brennstoff-Rezirkulationspumpe (=ARE bzw. ARB) und/oder mindestens eine Rezirkulationsleitung sowie weitere Elemente aufweisen. Hauptaufgabe des Anodensubsystems ist die Heranführung und Verteilung von Brennstoff an die elektrochemisch aktiven Flächen des Anodenraums und die Abfuhr von Anodenabgas. Die hier offenbarte Technologie betrifft ferner ein Verfahren zum Betreiben des Ventils des hier offenbarten Druckbehältersystems. Das Verfahren umfasst die Schritte:
- Ermitteln der Ist-Druckdifferenz zwischen dem Eingangsdruck PE an dem Eingang des Ventils und dem Ausgangsdruck (PA) an dem Ausgang des Ventils; und
- Freigeben des Ventils, wenn der Wert der Ist-Druckdifferenz kleiner oder gleich ist einer maximal zulässigen Druckdifferenz des Ventils.
Das Verfahren kann den Schritt umfassen, wonach vor dem Freigeben des Ventils die Ist-Druckdifferenz auf einen Wert unterhalb der maximal zulässigen Druckdifferenz verringert wird, insbesondere ohne dass dabei das Ventil bzw. ein Hauptsitz des Ventils geöffnet wird.
Das Verfahren kann ferner den Schritt umfassen, wonach das Verfahren zum Verringern der Ist-Druckdifferenz auf einen Wert unterhalb der maximal zulässigen Druckdifferenz mindestens einer der folgenden Schritte umfasst:
- Öffnen des Vorsteuersitzes des Ventils;
- Öffnen des Bypassventils, welches stromauf vom Ventil abzweigt und stromab vom Ventil mündet;
- Druckentlasten der Brennstoffleitung stromauf vom Ventil; und/oder
- Erhöhen des Drucks in der Brennstoffleitung stromab vom Ventil.
In einer Ausgestaltung kann die Ist- Druckdifferenz ermittelt werden, indem die Druckwerte am Eingang und am Ausgang des Ventils gemessen werden. Bevorzugt wird der Druck am Eingang des Ventils durch folgendes Verfahren ermittelt:
- Bestimmen des Eingangsdrucks ρει und der Temperatur Ti des
Brennstoffs in einem ersten Zeitpunkt ti , wobei der erste Zeitpunkt ti ein vorheriger Zeitpunkt ist, bei dem das Ventil zuletzt geöffnet war, wobei der Eingangsdruck beim geöffneten Ventil mit einem Drucksensor stromab des Ventils ermittelt wird, wobei gegebenenfalls der
Druckverlust am Ventil selbst mit berücksichtigt wird, und wobei die im ersten Zeitpunkt ermittelten Werte gegebenenfalls gespeichert werden;
- Messen des aktuellen tatsächlichen Eingangsdruck pBst, zu einem
Zeitpunkt, in dem das Ventil bzw. der Hauptsitz des Ventils geschlossen ist und evtl. geöffnet werden soll;
- Vergleichen des aktuellen tatsächlichen Eingangsdrucks pEist mit dem Eingangsdruck ρει in einem ersten Zeitpunkt ti , insbesondere indem der eine Wert von dem anderen Wert subtrahiert wird.
Bei der Bestimmung der Druckdifferenz nach diesem Verfahren kann bevorzugt ein Sicherheitsfaktor aufgeschlagen werden, der berücksichtigt, dass die Druckwerte am Eingang nicht gemessen, sondern berechnet wurden.
Das hier offenbarte Verfahren kann ferner den Schritt umfassen, wonach ein Benutzer des Druckbehälterssystems bzw. des Kraftfahrzeugs oder eine Servicestelle (z.B. Werkstatt, Händler, etc.) informiert wird, dass eine
Fehlfunktion des Ventils vorliegt. Hierzu kann jegliche Art der
Informationsdarstellung genutzt werden und jeder geeignete Text
Anwendung finden.
Das Betriebsverfahren kann ferner den Schritt umfassen: Schließen des mindestens einen Ventils im Anodensubsystem, bevor der Brennstoffverbrauch (d.h. Brennstoffumwandlung) stromab des Ventils beendet wurde (insbesondere die Druckminderung durch den mindestens einen Druckminderer, die elektrochemische Reaktion der mindestens einen Brennstoffzelle und/oder der Betrieb des Anodenlüftungsventil, etc.), so dass sich zwischen dem Ausgang und dem Eingang des Ventils eine
Druckdifferenz (bevorzugt eine Soll-Druckdifferenz) für das geschlossene Ventil einstellt. Eine solche Soll-Druckdifferenz kann beispielsweise für Diagnosezwecke, z.B. einer Dichtheitsprüfung, genutzt werden.
Mit anderen Worten betrifft die hier offenbarte Technologie ein
Druckbehältersystem und ein Verfahren zum Betreiben eines
Tankabsperrventils, bei dem der Druck in beiden Bereichen erfasst wird (über entsprechende Sensoren) oder der Druck in einem der beiden
Bereiche erfasst wird und beim Abstellvorgang des Fahrzeuges (bzw. beim Beenden der Entnahme der Druck im nicht erfassten Bereich gemerkt wird. Das ist möglich, da das Ventil im Entnahmemodus in der Stellung offen ist und beim Einschaltvorgang (vor dem Öffnen des Ventiles) der gemerkte Druck mit dem gemessenen verglichen werden kann. Bevorzugt wird dabei ein Sicherheitsfaktor berücksichtig, da Temperaturänderungen im
eingeschlossenen Volumen zu einer Druckänderung führen können.
Alternativ zu dem Sicherheitsfaktor kann eine Berechnung (Temperatur und Volumen sind beim Abstellen und Starten bekannt) des aktuellen Drucks in den entsprechenden Volumina herangezogen werden.
Sollte die Abweichung größer als 50% sein (inkl. etwaiger
Sicherheitsfaktoren) wird die Entnahme gesperrt, d.h. das Ventil wird nicht angesteuert). Erst durch einen zumindest teilweisen Druckausgleich, insbesondere durch das Befüllen der Hochdruckleitung nach dem Absperrventil, wird die Entnahme wieder freigegeben. Dies kann entweder durch eine Betankung geschehen (hier wird die
Hochdruckleitung auch bedrückt) oder durch einen speziell hierfür vorgesehenen Zugangspunkt (z.B. Service Port an der Hochdruckleitung). Theoretisch könnte auch ein "Bypass Ventil" am Tanksystem diesen
Druckausgleich herstellen (könnte manuell oder automatisch ansteuerbar sein). Dieses Ventil könnte entsprechend einfach aufgebaut sein,
da es keine großen Massenströme (wie sie bei der Entnahme notwendig sind) schalten muss. Alternativ kann bevorzugt auch bei einem
vorgesteuerten Ventil kurzzeitig der Vorsteuersitz angesteuert
werden, ggf. mehrmals, und dadurch ein Druckausgleich hergestellt werden, ohne den Hauptsitz zu öffnen.
Es wird vermieden, dass das Ventil über die Auslegungsgrenze hinaus beansprucht wird. Somit wird der Bauteilschutz mit einfachen Mitteln wirksam geschützt. Theoretisch könnte man ein Ventil immer so auslegen (oder auch gegen geringere Druckdifferenzen) und dadurch die Ventile einfacher (nicht so robust) bauen, bzw. den Verschleiß reduzieren. Es wird ein Verfahren vorgeschlagen, dass überwacht, ob am Absperrventil eine zulässige
Druckdifferenz vorherrscht. Das Verfahren gibt das Absperrventil erst frei, wenn die Druckdifferenz im zulässigen Bereich liegt.
Die hier offenbarte Technologie wird nun anhand der Fig. 1 und 2 erläutert.
Die Fig. 1 zeigt schematisch das hier offenbarte Druckbehältersystem. In dem Druckbehälter 100 ist Brennstoff gespeichert, z.B. Wasserstoff bei 700 bar. Der Druckbehälter 100 stellt Wasserstoff bereit für einen
Brennstoffzellenstapel mit einer Vielzahl an Brennstoffzellen 300, welche auf einem niedrigeren Druckniveau betrieben werden, z.B. 0 bis 2 barü (= Überdruck gegenüber dem Atmosphärendruck). An einem Ende des
Druckbehälters 200 ist ein Tankabsperrventil 210 vorgesehen. Anstatt lediglich einem Druckbehälter 100 mit einem Tankabsperrventil 210 könnten ebenso mehrere Druckbehälter 100 mit mehreren Tankabsperrventilen 210 vorgesehen sein. In dem hier dargestellten System sind ferner zwei
Druckstufen vorgesehen, welche jeweils mit einem Druckminderer 21 1 , 212 arbeiten. Die erste Druckstufe senkt den Druck von 700 bar auf ein
Mitteldruckniveau von beispielsweise 1 1 bis 13 bar (Mitteldruckbereich). Die zweite Druckstufe senkt den Druck vom Mitteldruck auf den Niederdruck der Brennstoffzellen. Um eine unzulässige Belastung der Rohrleitungen bei Fehlfunktion der Druckminderer 21 1 , 212 zu verhindern ist auf der
Niederdruckseite jeweils ein Druckentlastungsventil 213, 214 vorgesehen. Während der Betankung des Druckbehältersystems strömt durch die
Betankungskupplung 221 und der Betankungsleitung 220 Brennstoff in den Druckbehälter 200. Die Betankungsleitung 220 ist mit dem Ausgang des Tankabsperrventils 210 verbunden. Ist nun eine zu große Ist-Druckdifferenz zwischen Eingang und Ausgang des Tankabsperrventils 210 von der
Steuerung 400 erkannt worden, so kann ein Benutzer oder geschultes Service-Personal den Druck im Anodensubsystem erhöhen, beispielsweise indem die Betankungsleitung 220 und/oder die Anodenzuleitung 215 bedrückt werden. Hierzu kann die Betankungskupplung 221 oder ein
Service-Port (hier nicht gezeigt) genutzt werden. Gestrichelt gezeigt ist ein Bleed-Port 219. Dieser Bleed-Port 219 mündet ebenfalls im Druckbehälter 100 und ist also fluidisch parallel zum Tankabsperrventil 210 angeordnet. Der Bleed-Port 219 kann hier manuell aktuiert werden, so dass durch diesen Bleed-Port 219 der Druck im Druckbehälter 100 reduziert werden kann. Die hier offenbarte Druckentlastungseinheit muss aber nicht als Bleed-Port 219 ausgeführt sein. Alternativ oder zusätzlich zum Bleed-Port 219 kann ferner ein Bypassventil 218 vorgesehen sein, das hier elektrisch betätigt wird.
Die hier gezeigten Komponenten mit den Bezugszeichen 100, 210, 21 1 , 212, 213, 214, 215, 218, 219, 220, 221 , 232, 234, 236, 238 (und teilweise) 300 sind Bestandteil des Anodensubsystems A. Die Strömungsrichtung des Brennstoffs ist hier mit einem Pfeil dargestellt.
Das hier offenbarte Verfahren wird nun anhand der Fig. 2 erläutert. Das Verfahren startet mit dem Schritt S100. Zunächst wird die Ist-Druckdifferenz zwischen dem Eingang und dem Ausgang des Ventils direkt oder indirekt bestimmt. Hierzu können beide Druckwerte gemessen werden. Bevorzugt werden lediglich Druckwerte stromab vom Ventil gemessen, aus denen dann auf die Werte am Eingang berechnet werden. Im Schritt 300 wird dann die Ist-Druckdifferenz mit der max. zulässigen Druckdifferenz des Ventils 210 verglichen. Ist die Ist-Druckdifferenz größer als die max. zulässige
Druckdifferenz, so wird im Schritt S400 die Druckdifferenz verringert, beispielsweise indem das Anodensubsystem stromab vom Ventil 210 bedrückt wird und/oder indem Brennstoff aus dem mindestens einen
Druckbehälter 100 abgelassen wird. Im Schritt S500 kann eine Ausgabe an einen Benutzer des Kraftfahrzeuges oder aber an eine Service-Kraft erfolgen. Anschließend folgt der erneut der Schritt S200. Ist die Ist- Druckdifferenz kleiner als die max. zulässige Druckdifferenz, so kann das Ventil 210 freigegeben werden. Das Ventil 210 kann dann geöffnet oder weiter betrieben werden. Das Steuergerät 400 ist eingerichtet, die
vorgenannten Schritte durchzuführen. Aus Gründen der Leserlichkeit wurde vereinfachend der Ausdruck
„mindestens ein(e)" teilweise weggelassen. Sofern ein Merkmal der hier offenbarten Technologie in der Einzahl bzw. unbestimmt beschrieben ist (z.B. der/ein Druckbehälter, das/ein Ventil, das/ein Bypassventil, etc.) so soll gleichzeitig auch deren Mehrzahl mit offenbart sein (z.B. der mindestens eine Druckbehälter, das mindestens eine Ventil, das mindestens eine
Bypassventil etc.).
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

Patentansprüche
1 . Verfahren zum Betrieb eines Ventils (21 0) eines Druckbehältersystems, umfassend die Schritte:
- Ermitteln einer Ist-Druckdifferenz zwischen einem Eingangsdruck (PE) am Eingang des Ventils (21 0) und einem Ausgangsdruck (PA) am Ausgang des Ventils (21 0) ; und
- Freigeben des Ventils (21 0), wenn der Wert der Ist-Druckdifferenz kleiner oder gleich ist einer maximal zulässigen Druckdifferenz des Ventils (21 0) .
2. Verfahren nach Anspruch 1 , wobei vor dem Freigeben des Ventils (21 0) die Ist-Druckdifferenz auf einen Wert unterhalb der maximal zulässigen Druckdifferenz verringert wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei das Verfahren zum Verringern der Ist-Druckdifferenz auf einen Wert unterhalb der maximal zulässigen Druckdifferenz mindestens einer der Schritte umfasst:
- Öffnen eines Vorsteuersitzes des Ventils (210) ;
- Öffnen eines Bypassventils (218) ;
- Druckentlasten der Brennstoffleitung stromauf vom Ventil (21 0) ; und/oder
- Erhöhen des Drucks in der Brennstoffleitung stromab vom Ventil (21 0).
4. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das Ermitteln der Ist-Druckdifferenz die Schritte umfasst:
- Bestimmen des Eingangsdrucks (ρει) und der Temperatur (T-i) des Brennstoffs in einem ersten Zeitpunkt (ti), wobei der erste Zeitpunkt (t-i) ein Zeitpunkt ist, bei dem das Ventil (21 0) zuletzt geöffnet war;
- Messen des aktuellen tatsächlichen Eingangsdruck (pBst) ;
- Vergleichen des aktuellen tatsächlichen Eingangsdrucks (pBst) mit dem Eingangsdruck (ρει) in einem ersten Zeitpunkt (ti).
5. Druckbehältersystem, umfassend:
- mindestens einen Druckbehälter (1 00) zur Speicherung von
Brennstoff; und
- mindestens ein Ventil (21 0), das mit dem Druckbehälter (1 00)
fluidverbunden ist; und
- mindestens ein Steuergerät (400), wobei das Steuergerät (400) eingerichtet ist, eine Ist-Druckdifferenz zwischen einem Eingangsdruck (ρε) am Eingang des Ventils (21 0) und einem Ausgangsdruck (PA) am Ausgang des Ventils (21 0) zu ermitteln; und wobei das Steuergerät (400) eingerichtet ist, das Ventil (210)
freizugeben, wenn der Wert der Ist-Druckdifferenz kleiner oder gleich ist einer maximal zulässigen Druckdifferenz des Ventils (21 0).
6. Druckbehältersystem nach Anspruch 5, wobei das Ventil (21 0) ein
vorgesteuertes Ventil (21 0) mit einem Vorsteuersitz und einem
Hauptsitz ist, und wobei das Steuergerät (400) eingerichtet ist, den Vorsteuersitz zum Verringern der Ist-Druckdifferenz zu öffnen.
7. Druckbehältersystem nach Anspruch 5 oder 6, wobei das
Druckbehältersystem ferner ein Bypassventil (218) zum Ventil (210) umfasst.
8. Druckbehältersystem nach einem der Ansprüche 5 bis 7, ferner
umfassend eine Druckentlastungseinrichtung (219), die stromauf oder fluidisch parallel zum Ventil (210) angeordnet ist, wobei die
Druckentlastungseinrichtung (219) eingerichtet ist, zum Verringern der Ist-Druckdifferenz Brennstoff abzulassen.
9. Druckbehältersystem nach einem der Ansprüche 5 bis 8, ferner
umfassend mindestens eine Betankungsleitung (220), die mit dem Ausgang des Ventils (210) so fluidverbunden ist, dass der Druck stromab des Ventils (210) erhöht werden kann.
10. Druckbehältersystem nach einem der Ansprüche 5 bis 9, ferner
umfassend mindestens einen Service-Port, der mit dem Ausgang des Ventils (210) so fluidverbunden ist, dass der Druck stromab des Ventils (210) erhöht werden kann.
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