WO2018072912A1 - Verfahren zum betrieb einer tankanlage - Google Patents

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Helerson Kemmer
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Robert Bosch Gmbh
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    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/32—Hydrogen storage

Definitions

  • the invention relates to a method for operating a tank system, which comprises a number of at least two parallel-connected tanks, which contain a gaseous substance, and in which an internal pressure prevails
  • Supplying a consumer unit which requires at most a full load amount of the gaseous substance comprises, wherein each tank has a safety valve which shuts off the tank when a flow rate of the gaseous substance through the safety valve, a shutdown
  • the consumer unit is, for example, a fuel cell system which requires hydrogen (H2) as the fuel.
  • H2 hydrogen
  • the consumer unit and the tanks are used, for example, to drive a vehicle, in particular one
  • the safety devices of a gas tank such as a
  • Hydrogen tanks for a fuel cell system are largely standardized, for example according to EC 79/2009. According to the standard, there must be a safety valve in each tank, which ensures that the supply of hydrogen is interrupted if the extraction is too high. This avoids uncontrolled leakage, and thus an uncontrolled escape of hydrogen, especially in the event of a line break.
  • the safety valve thus shuts off the tank when a flow rate of the gaseous substance through the safety valve exceeds a shutdown. Due to the design is the shutdown of known Safety valves not constant but dependent on the internal pressure of the tank. In particular, the shutdown increases with increasing
  • the shutdown of the safety valve is usually designed so that the safety valve at a relevant for the fuel cell system
  • Full load does not respond in all conditions.
  • the tank should not be turned off when removing the full load amount at a minimum internal pressure.
  • This design of the shutdown of the safety valve can cause the safety valve responds at higher internal pressure only at a multiple of this full load.
  • a leak that causes a flow rate through the safety valve, which is greater than the full load but smaller than the shutdown at the higher internal pressure is thus not noticed until a significant reduction in internal pressure and the safety valve is closed.
  • Corresponding leaks are thus not prevented in time, and relatively large amounts of hydrogen can escape before the tank is shut down.
  • Tank system includes a number of at least two parallel
  • the tank system serves to supply one
  • each tank has a safety valve, which shuts off the tank when a flow rate of the gaseous substance through the safety valve exceeds a shutdown.
  • At least one tank of the tank system falls below a first threshold value
  • at least one other tank is switched on, which was previously switched off.
  • the number of connected tanks and the number of tanks switched off depend on the internal pressure in the tanks. The higher the
  • the shutdown quantities of the safety valves are not constant but grow with increasing internal pressure in the tanks.
  • the shutdown quantities of the safety valves are not constant but grow with increasing internal pressure in the tanks.
  • Abschaltmengen the safety valves at a predetermined minimum pressure, which is less than the first threshold, calculated such that the sum of the shutdown of the safety valves of all tanks of the tank system at this minimum pressure is greater than the full load amount, which
  • the minimum pressure is a characteristic of the relevant tank. As long as the internal pressure of the tank is at least as high as the minimum pressure, there is one more
  • the tank can thus be easily operated until it reaches the minimum pressure and thus emptied.
  • the tanks of the tank system are identical and also the
  • Safety valves at the minimum pressure corresponds to the product of the Shutdown quantity of a safety valve at the minimum pressure multiplied by the number of tanks.
  • the first threshold value is preferably calculated in such a way that the cut-off quantity of the safety valve at the first threshold value is greater than the first threshold value
  • the internal pressure in at least one tank of the tank system exceeds the first threshold
  • exactly one tank is switched on to supply the consumer unit whose internal pressure exceeds the first threshold.
  • the remaining tanks are switched off. If the internal pressure in several tanks exceeds the first threshold value, then one of these tanks is optionally switched on.
  • the connected tank is switched off when its internal pressure is the first
  • Threshold falls below. If the internal pressure in at least one other tank of the tank then exceeds the first threshold, so another tank is connected to supply the consumer unit whose internal pressure exceeds the first threshold.
  • the second threshold is preferably calculated such that the
  • shuttdown quantity of the safety valves at the second threshold is greater than half of the full load quantity.
  • the sum of the shutdown quantities of two safety valves is greater than the full load quantity.
  • the connected tanks are switched off when their internal pressure falls below the second threshold. If the internal pressure in at least two other tanks of the tank then exceeds the second threshold, so two other tanks are connected to supply the consumer unit whose internal pressure exceeds the second threshold.
  • the inventive method for operating a tank system is advantageously used in a gas-powered vehicle, in particular in a
  • the consumer unit is, for example, a fuel cell system and the tanks of the tank system contain hydrogen (H2), which the fuel cell system requires as fuel.
  • the consumer unit may also be a gas powered one
  • CNG compressed natural gas
  • the amount of escaping gas does not come from all tanks of the tank system but only from the tank
  • the consumer unit is still always the full load available, as long as the internal pressure in all tanks of the tank system exceeds the minimum pressure. By connecting another tank or several other tanks, if the internal pressure in the connected tank or in the
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a tank system connected to a consumer unit
  • FIG. 2 is a graphical representation of the dependence of the shut-off quantity of a safety valve on an internal pressure in a tank;
  • FIG. 3 shows a flow diagram of a first operating strategy of the tank installation
  • Figure 5 is a graphical representation of the dependence of the number of
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a tank system 10 connected to a consumer unit 12.
  • the tank system 10 comprises a first tank 21, a second tank 22, a third tank 23, a fourth tank 24 and a fifth tank 25 a number
  • N of tanks 21, 22, 23, 24, 25. N can be any integer greater than or equal to two, in this case N is equal to five.
  • the first tank 21 has a first control valve 41 and a first
  • the second tank 22 has a second control valve 42 and a second safety valve 32.
  • the third tank 23 has a third control valve 43 and a third safety valve 33.
  • the fourth tank 24 has a fourth control valve 44 and a fourth safety valve 34.
  • the fifth tank 25 has a fifth control valve 45 and a fifth safety valve 35.
  • the tanks 21, 22, 23, 24, 25 contain a gaseous substance, in the present case hydrogen (Hb), which is under pressure. Thus, in each of the tanks 21, 22, 23, 24, 25 there is an internal pressure PX.
  • the tanks 21, 22, 23, 24, 25 are connected in parallel and connected to a manifold 14.
  • Bus 14 is also connected to the consumer unit 12, which in the present case is a fuel cell system. Via the collecting line 14, the consumer unit 12 can be supplied with the gaseous substance from the tanks 21, 22, 23, 24, 25 of the tank system 10.
  • the control valves 41, 42, 43, 44, 45 which are presently designed as solenoid valves, the tanks 21, 22, 23, 24, 25 are switched on independently and turned off.
  • a tank 21, 22, 23, 24, 25 is switched on when he with the manifold 14 and thus with the
  • a tank 21, 22, 23, 24, 25 is switched off when it is not connected to the bus 14 and the consumer unit 12.
  • the safety valves 31, 32, 33, 34, 35 switch off the respective tank 21, 22, 23, 24, 25 when a flow rate of the gaseous substance through the safety valve 31, 32, 33, 34, 35 exceeds a shutdown quantity MA.
  • the safety valves 31, 32, 33, 34, 35 switch off the respective tank 21, 22, 23, 24, 25 in particular when, due to a leakage, for example in the collecting line 14, the flow rate becomes greater than the switch-off quantity MA.
  • the shutdown quantity MA of the safety valves 31, 32, 33, 34, 35 is not constant but depends on the internal pressure PX of the tanks 21, 22, 23, 24, 25.
  • Figure 2 shows a graphical representation of the dependence of the shutdown MA of a safety valve 31, 32, 33, 34, 35 of an internal pressure PX in a tank 21, 22, 23, 24, 25.
  • the internal pressure PX is on the X-axis
  • the shutdown MA is plotted on the Y axis.
  • the tanks 21, 22, 23, 24, 25 of the tank system 10 are identical and also the safety valves 31, 32, 33, 34, 35 are identical.
  • the consumer unit 12 requires at most a full load quantity MV of the gaseous substance.
  • the safety valves 31, 32, 33, 34, 35 are set so that the sum of the shutdown amounts MA of all safety valves 31, 32, 33, 34, 35 at a minimum pressure PM corresponds to a maximum amount MM which is greater than the full load MV.
  • the minimum pressure PM at which emptying of the tanks 21, 22, 23, 24, 25 for supplying the consumer unit 12 is still possible is presently 15 bar.
  • the full load MV is about 4 g / s.
  • the shutdown amount MA of the safety valves 31, 32, 33, 34, 35 at the minimum pressure PM is presently about 1 g / s.
  • the maximum amount MM is thus presently about 5 g / s.
  • MM N * MA (PM)> MV
  • a first threshold PI in this case about 375 bar, is the
  • the shutdown MA of the safety valves 31, 32, 33, 34, 35 is half the maximum amount MM.
  • the Shutdown amount MA of the safety valves 31, 32, 33, 34, 35 one third as large as the maximum amount MM.
  • the shutdown MA of the safety valves 31, 32, 33, 34, 35 is a quarter as large as the maximum amount MM.
  • FIG. 3 shows a flow diagram of a first operating strategy of the tank installation 10.
  • a first prerequisite 101 is tested, according to which the internal pressure PX in at least one tank 21, 22, 23, 24, 25 is the first
  • Threshold PI exceeds.
  • Execution step 103 exactly one of the tanks 21, 22, 23, 24, 25 connected, the internal pressure PX exceeds the first threshold PI. At the same time, the remaining tanks 21, 22, 23, 24, 25 are switched off. After the first execution step 103 so exactly one tank 21, 22, 23, 24, 25 of
  • Tank system 10 switched on.
  • a first test step 105 the internal pressure PX of the connected tank 21, 22, 23, 24, 25 of the tank system 10 is measured. As long as the internal pressure PX of the connected tanks 21, 22, 23, 24, 25 exceeds the first threshold value PI, this tank 21, 22, 23, 24, 25 remains switched on.
  • Threshold PI exceeds. As long as the first condition 101 is still met, in the first execution step 103 exactly one other tank 21, 22, 23, 24, 25 is switched on whose internal pressure PX exceeds the first threshold value PI.
  • FIG. 4 shows a flow chart of a second operating strategy of the tank installation 10.
  • a second prerequisite 201 is checked, according to which the internal pressure PX in all tanks 21, 22, 23, 24, 25 falls below the first threshold value PI and into at least two tanks 21, 22, 23, 24, 25 exceeds the second threshold P2.
  • a second execution step 203 exactly two of the tanks 21, 22, 23, 24, 25 are switched on whose internal pressure PX exceeds the second threshold value P2. At the same time, the remaining tanks 21, 22, 23, 24, 25 are switched off. After the second execution step 203, exactly two tanks 21, 22, 23, 24, 25 of the tank system 10 are switched on.
  • a second test step 205 the internal pressure PX of the connected tanks 21, 22, 23, 24, 25 of the tank system 10 is measured. As long as the internal pressure PX of the connected tanks 21, 22, 23, 24, 25 the second Threshold P2 still exceeds, remain these tanks 21, 22, 23, 24, 25 connected.
  • the second condition 201 is checked again, according to which the internal pressure PX in all tanks 21, 22, 23, 24, 25 falls below the first threshold value PI and exceeds the second threshold value P2 in at least two tanks 21, 22, 23, 24, 25. As long as the second condition 201 is still met, in the second execution step 203 exactly two other tanks 21, 22, 23, 24, 25 are switched on whose internal pressure PX exceeds the second threshold value P2.
  • Figure 5 shows a graphical representation of the dependence of the number i of the connected tanks 21, 22, 23, 24, 25 of the internal pressure PX in the tanks 21, 22, 23, 24, 25.
  • the internal pressure PX is plotted on the X-axis and the number i of the connected tanks 21, 22, 23, 24, 25 is plotted on the Y-axis.
  • Threshold P2 falls below and exceeds the third threshold P3, so at least three tanks 21, 22, 23, 24, 25, preferably exactly three tanks 21, 22, 23, 24, 25 are switched on.
  • Threshold P4 below and exceeds the minimum pressure PM, all five tanks 21, 22, 23, 24, 25 are switched on.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Filling Or Discharging Of Gas Storage Vessels (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Tankanlage (10), umfassend eine Anzahl von mindestens zwei parallel geschalteten Tanks (21, 22, 23, 24, 25), welche einen gasförmigen Stoff enthalten, und in welchen ein Innendruck (PX) herrscht, zur Versorgung einer Verbrauchereinheit (12), welche maximal eine Volllastmenge des gasförmigen Stoffs benötigt, wobei jeder Tank (21, 22, 23, 24, 25) ein Sicherheitsventil (31, 32, 33, 34, 35) aufweist, welches den Tank (21, 22, 23, 24, 25) abschaltet, wenn eine Durchflussmenge des gasförmigen Stoffs durch das Sicherheitsventil (31, 32, 33, 34, 35) eine Abschaltmenge überschreitet. Wenn der Innendruck (PX) in mindestens einem Tank (21, 22, 23, 24, 25) einen ersten Schwellwert unterschreitet, so wird mindestens ein anderer Tank (21, 22, 23, 24, 25) zugeschaltet, welcher zuvor abgeschaltet war.

Description

Verfahren zum Betrieb einer Tankanlage
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Tankanlage, die eine Anzahl von mindestens zwei parallel geschalteten Tanks, welche einen gasförmigen Stoff enthalten, und in welchen ein Innendruck herrscht, zur
Versorgung einer Verbrauchereinheit, welche maximal eine Volllastmenge des gasförmigen Stoffs benötigt, umfasst, wobei jeder Tank ein Sicherheitsventil aufweist, welches den Tank abschaltet, wenn eine Durchflussmenge des gasförmigen Stoffs durch das Sicherheitsventil eine Abschaltmenge
überschreitet.
Stand der Technik
Zur Versorgung von Verbrauchereinheiten mit einem gasförmigen Stoff, beispielsweise ein Brennstoff, ist es bekannt, mehrere Tanks parallel zu schalten. Die Verbrauchereinheit ist beispielsweise ein Brennstoffzellensystem, welches als Brennstoff Wasserstoff (H2) benötigt. Die Verbrauchereinheit sowie die Tanks dienen Beispielsweise zum Antrieb eines Fahrzeugs, insbesondere eines
Personenkraftwagens oder eines Busses.
Die Sicherheitsvorrichtungen eines Gastanks, beispielsweise eines
Wasserstofftanks für ein Brennstoffzellensystem, sind weitestgehend normiert, beispielsweise nach EC 79/2009. In jedem Tank muss sich dabei laut Norm ein Sicherheitsventil befinden, das dafür sorgt, dass die Zufuhr von Wasserstoff bei einer zu hoher Entnahme unterbrochen wird. Damit wird eine unkontrollierte Leckage, und damit ein unkontrollierter Austritt von Wasserstoff, insbesondere bei einem Leitungsbruch, vermieden.
Das Sicherheitsventil schaltet also den Tank ab, wenn eine Durchflussmenge des gasförmigen Stoffs durch das Sicherheitsventil eine Abschaltmenge überschreitet. Konstruktionsbedingt ist dabei die Abschaltmenge von bekannten Sicherheitsventilen nicht konstant sondern von dem Innendruck des Tanks abhängig. Insbesondere wächst die Abschaltmenge mit zunehmendem
Innendruck in dem Tank. Die Abschaltmenge des Sicherheitsventils wird in der Regel so ausgelegt, dass das Sicherheitsventil bei einer für das Brennstoffzellensystem relevanten
Volllastmenge unter allen Bedingungen noch nicht anspricht. Insbesondere soll der Tank bei Entnahme der Volllastmenge bei einem minimalen Innendruck nicht abgeschaltet werden.
Diese Auslegung der Abschaltmenge des Sicherheitsventils kann dazu führen, dass das Sicherheitsventil bei höherem Innendruck erst bei einem Vielfachen dieser Volllastmenge anspricht. Eine Leckage, die eine Durchflussmenge durch das Sicherheitsventil verursacht, die größer als die Volllastmenge aber kleiner als die Abschaltmenge bei dem höheren Innendruck ist, wird somit erst nach einer deutlichen Absenkung des Innendrucks bemerkt und das Sicherheitsventil wird geschlossen. Entsprechende Leckagen werden somit nicht rechtzeitig verhindert, und verhältnismäßig große Mengen an Wasserstoff können entweichen, bevor der Tank abgeschaltet wird.
Offenbarung der Erfindung
Es wird ein Verfahren zum Betrieb einer Tankanlage vorgeschlagen. Die
Tankanlage umfasst dabei eine Anzahl von mindestens zwei parallel
geschalteten Tanks, welche einen gasförmigen Stoff enthalten, und in welchen ein Innendruck herrscht. Die Tankanlage dient zur Versorgung einer
Verbrauchereinheit, welche maximal eine Volllastmenge des gasförmigen Stoffs benötigt. Dabei weist jeder Tank ein Sicherheitsventil auf, welches den Tank abschaltet, wenn eine Durchflussmenge des gasförmigen Stoffs durch das Sicherheitsventil eine Abschaltmenge überschreitet.
Erfindungsgemäß wird, wenn der Innendruck in mindestens einem Tank der Tankanlage einen ersten Schwellwert unterschreitet, mindestens ein anderer Tank zugeschaltet, welcher zuvor abgeschaltet war. Die Anzahl der zugeschalteten Tanks sowie die Anzahl der abgeschalteten Tanks hängen dabei von dem Innendruck in den Tanks ab. Je höher der
Innendruck in den Tanks der Tankanlage ist, umso weniger Tanks werden zugeschaltet und umso mehr Tanks werden abgeschaltet.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird, wenn der
Innendruck in mindestens einem Tank den ersten Schwellwert überschreitet, mindestens ein anderer Tank abgeschaltet.
Solange also der Innendruck in mindestens einem Tank der Tankanlage den ersten Schwellwert überschreitet, sind nicht alle Tanks gleichzeitig mit der Verbrauchereinheit verbunden. Die Tanks der Tankanlage werden also in diesem Fall nicht gleichzeitig sondern nacheinander zur Versorgung der
Verbrauchereinheit entleert.
Die Abschaltmengen der Sicherheitsventile sind nicht konstant sondern wachsen mit zunehmendem Innendruck in den Tanks. Vorzugsweise sind die
Abschaltmengen der Sicherheitsventile bei einem vorgegebenen Minimaldruck, welcher geringer als der erste Schwellwert ist, derart berechnet, dass die Summe der Abschaltmengen der Sicherheitsventile aller Tanks der Tankanlage bei diesem Minimaldruck größer ist als die Volllastmenge, welche die
Verbrauchereinheit maximal benötigt.
Der Minimaldruck ist dabei eine Kenngröße des betreffenden Tanks. Solange der Innendruck des Tanks mindestens so groß ist wie der Minimaldruck, ist noch eine
Entleerung des Tanks zur Versorgung der Verbrauchereinheit möglich. Der Tank kann also problemlos bis zum Erreichen des Minimaldrucks betrieben und damit entleert werden. Üblicherweise sind die Tanks der Tankanlage baugleich und auch die
Sicherheitsventile der Tanks sind baugleich. Die Abschaltmengen der
Sicherheitsventile bei dem Minimaldruck sind dann gleichartig berechnet und weisen einen gleichen Wert auf. Die Summe der Abschaltmengen aller
Sicherheitsventile bei dem Minimaldruck entspricht dann dem Produkt aus der Abschaltmenge eines Sicherheitsventils bei dem Minimaldruck multipliziert mit der Anzahl der Tanks.
Solange der Innendruck in allen Tanks der Tankanlage den Minimaldruck überschreitet, werden vorteilhaft mindestens so viele Tanks zugeschaltet, dass die Summe der Abschaltmengen der Sicherheitsventile der zugeschalteten Tanks größer ist als die Volllastmenge. Somit steht der Verbrauchereinheit stets die Volllastmenge zur Verfügung, solange der Innendruck in allen Tanks den Minimaldruck überschreitet.
Der erste Schwellwert ist bevorzugt derart berechnet, dass die Abschaltmenge des Sicherheitsventils bei dem ersten Schwellwert größer ist als die
Volllastmenge. Wenn also der Innendruck in einem Tank der Tankanlage den ersten Schwellwert überschreitet, so kann dieser Tank alleine die Volllastmenge liefern und die Verbrauchereinheit versorgen.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird daher, wenn der Innendruck in mindestens einem Tank der Tankanlage den ersten Schwellwert überschreitet, genau ein Tank zur Versorgung der Verbrauchereinheit zugeschaltet, dessen Innendruck den ersten Schwellwert überschreitet. Die übrigen Tanks werden dabei abgeschaltet. Wenn der Innendruck in mehreren Tanks den ersten Schwellwert überschreitet, so wird wahlweise einer dieser Tanks zugeschaltet. Der zugeschaltete Tank wird abgeschaltet, wenn dessen Innendruck den ersten
Schwellwert unterschreitet. Wenn der Innendruck in mindestens einem anderen Tank der Tankanlage dann den ersten Schwellwert überschreitet, so wird ein anderer Tank zur Versorgung der Verbrauchereinheit zugeschaltet, dessen Innendruck den ersten Schwellwert überschreitet.
Wenn der Innendruck in allen Tanks der Tankanlage den ersten Schwellwert unterschreitet und in mindestens zwei Tanks einen zweiten Schwellwert überschreitet, so werden genau zwei Tanks zur Versorgung der
Verbrauchereinheit zugeschaltet, deren Innendruck den ersten Schwellwert unterschreitet und den zweiten Schwellwert überschreitet. Wenn der Innendruck in mehreren Tanks den zweiten Schwellwert überschreitet, so werden wahlweise zwei dieser Tanks zugeschaltet.
Der zweite Schwellwert ist vorzugsweise derart berechnet, dass die
Abschaltmenge der Sicherheitsventile bei dem zweiten Schwellwert größer ist als die Hälfte der Volllastmenge. Damit ist die Summe der Abschaltmengen von zwei Sicherheitsventilen größer als die Volllastmenge. Wenn also der Innendruck in zwei Tanks der Tankanlage den zweiten Schwellwert überschreitet, so können diese zwei Tanks zusammen die Volllastmenge liefern und die
Verbrauchereinheit versorgen.
Die zugeschalteten Tanks werden abgeschaltet, wenn deren Innendruck den zweiten Schwellwert unterschreitet. Wenn der Innendruck in mindestens zwei anderen Tanks der Tankanlage dann den zweiten Schwellwert überschreitet, so werden zwei andere Tanks zur Versorgung der Verbrauchereinheit zugeschaltet, deren Innendruck den zweiten Schwellwert überschreitet.
Da erfindungsgemäße Verfahren zum Betrieb einer Tankanlage findet vorteilhaft Verwendung in einem gasbetriebenen Fahrzeug, insbesondere in einem
Personenkraftwagen oder in einem Bus. Die Verbrauchereinheit ist dabei beispielsweise ein Brennstoffzellensystem und die Tanks der Tankanlage enthalten Wasserstoff (H2), welchen das Brennstoffzellensystem als Brennstoff benötigt. Alternativ kann die Verbrauchereinheit auch ein gasbetriebener
Verbrennungsmotor sein und die Tanks enthalten Erdgas (Compressed Natural Gas, CNG), welches der Verbrennungsmotor als Brennstoff benötigt.
Vorteile der Erfindung
Im Fall einer Leckage in der Tankanlage kommt die Menge des austretenden Gases nicht von allen Tanks der Tankanlage sondern nur von den
zugeschalteten Tanks. Dadurch ist die durch die Leckage verursachte
Durchflussmenge durch die Sicherheitsventile der zugeschalteten Tanks erhöht. Dadurch wird bei einer Leckage die Abschaltmenge der Sicherheitsventile der zugeschalteten Tanks früher überschritten. Somit wird bei dem
erfindungsgemäßen Verfahren zum Betrieb einer Tankanlage eine Leckage verhältnismäßig frühzeitig erkannt und die Menge an ausgetretenem Brennstoff in Fall einer Leckage wird signifikant reduziert.
Der Verbrauchereinheit steht trotzdem stets die Volllastmenge zur Verfügung, solange der Innendruck in allen Tanks der Tankanlage den Minimaldruck überschreitet. Durch Zuschalten eines anderen Tanks oder mehrere anderer Tanks, wenn der Innendruck in dem zugeschalteten Tank oder in den
zugeschalteten Tanks einen Schwellwert unterschreitet, ist auch gewährleistet, dass die Tanks der Tankanlage annähernd gleichmäßig geleert werden. Dadurch bleibt der Innendruck in den einzelnen Tanks während des Betriebs annähernd gleich.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Ausführungsformen der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Es zeigen:
Figur 1 eine schematische Darstellung einer mit einer Verbrauchereinheit verbundenen Tankanlage,
Figur 2 eine grafische Darstellung der Abhängigkeit der Abschaltmenge eines Sicherheitsventils von einem Innendruck in einem Tank,
Figur 3 ein Ablaufdiagramm einer ersten Betriebsstrategie der Tankanlage,
Figur 4 ein Ablaufdiagramm einer zweiten Betriebsstrategie der Tankanlage und
Figur 5 eine grafische Darstellung der Abhängigkeit der Anzahl der
zugeschalteten Tanks von dem Innendruck in den Tanks.
Ausführungsformen der Erfindung In der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsformen der Erfindung werden gleiche oder ähnliche Elemente mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente in Einzelfällen verzichtet wird. Die Figuren stellen den Gegenstand der Erfindung nur schematisch dar.
Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung einer mit einer Verbrauchereinheit 12 verbundenen Tankanlage 10. Die Tankanlage 10 umfasst vorliegend einen ersten Tank 21, einen zweiten Tank 22, einen dritten Tank 23, einen vierten Tank 24 und einen fünften Tank 25. Allgemein umfasst die Tankanlage 10 eine Anzahl
N von Tanks 21, 22, 23, 24, 25. N kann eine beliebige ganze Zahl größer oder gleich zwei sein, vorliegend ist N gleich fünf.
Der erste Tank 21 weist ein erstes Steuerventil 41 und ein erstes
Sicherheitsventil 31 auf. Der zweite Tank 22 weist ein zweites Steuerventil 42 und ein zweites Sicherheitsventil 32 auf. Der dritte Tank 23 weist ein drittes Steuerventil 43 und ein drittes Sicherheitsventil 33 auf. Der vierte Tank 24 weist ein viertes Steuerventil 44 und ein viertes Sicherheitsventil 34 auf. Der fünfte Tank 25 weist ein fünftes Steuerventil 45 und ein fünftes Sicherheitsventil 35 auf.
Die Tanks 21, 22, 23, 24, 25 enthalten einen gasförmigen Stoff, vorliegend Wasserstoff (Hb), welcher unter einen Druck steht. Somit herrscht in jedem der Tanks 21, 22, 23, 24, 25 ein Innendruck PX. Die Tanks 21, 22, 23, 24, 25 sind parallel geschaltet und mit einer Sammelleitung 14 verbunden. Die
Sammelleitung 14 ist auch mit der Verbrauchereinheit 12 verbunden, welche vorliegend ein Brennstoffzellensystem ist. Über die Sammelleitung 14 kann die Verbrauchereinheit 12 mit dem gasförmigen Stoff aus den Tanks 21, 22, 23, 24, 25 der Tankanlage 10 versorgt werden. Mittels der Steuerventile 41, 42, 43, 44, 45, welche vorliegend als Magnetventile ausgebildet sind, können die Tanks 21, 22, 23, 24, 25 unabhängig voneinander zugeschaltet sowie abgeschaltet werden. Ein Tank 21, 22, 23, 24, 25 ist dabei zugeschaltet, wenn er mit der Sammelleitung 14 und somit auch mit der
Verbrauchereinheit 12 verbunden ist. Ein Tank 21, 22, 23, 24, 25 ist abgeschaltet, wenn er nicht mit der Sammelleitung 14 und der Verbrauchereinheit 12 verbunden ist.
Die Sicherheitsventile 31, 32, 33, 34, 35 schalten den jeweiligen Tank 21, 22, 23, 24, 25 ab, wenn eine Durchflussmenge des gasförmigen Stoffs durch das Sicherheitsventil 31, 32, 33, 34, 35 eine Abschaltmenge MA überschreitet. Die Sicherheitsventile 31, 32, 33, 34, 35 schalten den jeweiligen Tank 21, 22, 23, 24, 25 insbesondere dann ab, wenn aufgrund einer Leckage, beispielsweise in der Sammelleitung 14, die Durchflussmenge größer wird als die Abschaltmenge MA. Die Abschaltmenge MA der Sicherheitsventile 31, 32, 33, 34, 35 ist nicht konstant sondern von dem Innendruck PX der Tanks 21, 22, 23, 24, 25 abhängig.
Figur 2 zeigt eine grafische Darstellung der Abhängigkeit der Abschaltmenge MA eines Sicherheitsventils 31, 32, 33, 34, 35 von einem Innendruck PX in einem Tank 21, 22, 23, 24, 25. Der Innendruck PX ist dabei auf der X-Achse
aufgetragen und die Abschaltmenge MA ist auf der Y-Achse aufgetragen.
Vorliegend sind die Tanks 21, 22, 23, 24, 25 der Tankanlage 10 baugleich und auch die Sicherheitsventile 31, 32, 33, 34, 35 sind baugleich. Die
Abschaltmengen MA der Sicherheitsventile 31, 32, 33, 34, 35 sind ebenfalls gleich.
Die Verbrauchereinheit 12 benötigt maximal eine Volllastmenge MV des gasförmigen Stoffs. Die Sicherheitsventile 31, 32, 33, 34, 35 sind so eingestellt, dass die Summe der Abschaltmengen MA aller Sicherheitsventile 31, 32, 33, 34, 35 bei einem Minimaldruck PM einer Maximalmenge MM entspricht, welche größer als die Vollastmenge MV ist.
Der Minimaldruck PM, bei welchem eine Entleerung der Tanks 21, 22, 23, 24, 25 zur Versorgung der Verbrauchereinheit 12 noch möglich ist, beträgt vorliegend 15 bar. Vorliegend beträgt die Vollastmenge MV etwa 4 g/s. Die Abschaltmenge MA der Sicherheitsventile 31, 32, 33, 34, 35 bei dem Minimaldruck PM beträgt vorliegend etwa 1 g/s. Die Maximalmenge MM beträgt somit vorliegend etwa 5 g/s. Es gilt allgemein: MM = N * MA(PM) > MV
Bei einem ersten Schwellwert PI, vorliegend etwa 375 bar, ist die
Abschaltmenge MA der Sicherheitsventile 31, 32, 33, 34, 35 gleich der
Maximalmenge MM. Bei einem zweiten Schwellwert P2, vorliegend etwa 94 bar, ist die Abschaltmenge MA der Sicherheitsventile 31, 32, 33, 34, 35 halb so groß wie die Maximalmenge MM. Bei einem dritten Schwellwert P3, vorliegend etwa 42 bar, ist die Abschaltmenge MA der Sicherheitsventile 31, 32, 33, 34, 35 ein Drittel so groß wie die Maximalmenge MM. Bei einem vierten Schwellwert P4, vorliegend etwa 23 bar, ist die Abschaltmenge MA der Sicherheitsventile 31, 32, 33, 34, 35 ein Viertel so groß wie die Maximalmenge MM.
Figur 3 zeigt ein Ablaufdiagramm einer ersten Betriebsstrategie der Tankanlage 10. Vorbereitend wird eine erste Voraussetzung 101 geprüft, wonach der Innendruck PX in mindestens einem Tank 21, 22, 23, 24, 25 den ersten
Schwellwert PI überschreitet.
Wenn die erste Voraussetzung 101 erfüllt ist, so wird in einem ersten
Ausführungsschritt 103 genau einer der Tanks 21, 22, 23, 24, 25 zugeschaltet, dessen Innendruck PX den ersten Schwellwert PI überschreitet. Gleichzeitig werden die übrigen Tanks 21, 22, 23, 24, 25 abgeschaltet. Nach dem ersten Ausführungsschritt 103 ist also genau ein Tank 21, 22, 23, 24, 25 der
Tankanlage 10 zugeschaltet.
Nachfolgend wird in einem ersten Prüfschritt 105 der Innendruck PX des zugeschalteten Tanks 21, 22, 23, 24, 25 der Tankanlage 10 gemessen. Solange der Innendruck PX des zugeschalteten Tanks 21, 22, 23, 24, 25 den ersten Schwellwert PI noch überschreitet, bleibt dieser Tank 21, 22, 23, 24, 25 zugeschaltet.
Wenn der Innendruck PX des zugeschalteten Tanks 21, 22, 23, 24, 25 den ersten Schwellwert PI unterschreitet, so wird in einem ersten Schaltschritt 107 dieser zugeschaltete Tank 21, 22, 23, 24, 25 abgeschaltet. Anschließend wird wieder die erste Voraussetzung 101 geprüft, wonach der Innendruck PX in mindestens einem Tank 21, 22, 23, 24, 25 den ersten
Schwellwert PI überschreitet. Solange die erste Voraussetzung 101 noch erfüllt ist, wird in dem ersten Ausführungsschritt 103 genau einer anderer Tank 21, 22, 23, 24, 25 zugeschaltet, dessen Innendruck PX den ersten Schwellwert PI überschreitet.
Während der Ausführung der ersten Betriebsstrategie der Tankanlage 10 ist also immer genau einer der Tanks 21, 22, 23, 24, 25 der Tankanlage 10 zugeschaltet. Die Tanks 21, 22, 23, 24, 25 werden dadurch nacheinander aber annähernd gleichmäßig entleert. Der Innendruck PX in den einzelnen Tanks 21, 22, 23, 24, 25 bleibt während der Ausführung der ersten Betriebsstrategie somit annähernd gleich.
Wenn die erste Voraussetzung 101 nicht mehr erfüllt ist, wenn also der
Innendruck PX in jedem Tank 21, 22, 23, 24, 25 den ersten Schwellwert PI unterschreitet, so wird in einem ersten Wechselschritt 109 die Betriebsstrategie der Tankanlage 10 gewechselt.
Figur 4 zeigt ein Ablaufdiagramm einer zweiten Betriebsstrategie der Tankanlage 10. Vorbereitend wird eine zweite Voraussetzung 201 geprüft, wonach der Innendruck PX in allen Tanks 21, 22, 23, 24, 25 den ersten Schwellwert PI unterschreitet und in mindestens zwei Tanks 21, 22, 23, 24, 25 den zweiten Schwellwert P2 überschreitet.
Wenn die zweite Voraussetzung 201 erfüllt ist, so werden in einem zweiten Ausführungsschritt 203 genau zwei der Tanks 21, 22, 23, 24, 25 zugeschaltet, deren Innendruck PX den zweiten Schwellwert P2 überschreiten. Gleichzeitig werden die übrigen Tanks 21, 22, 23, 24, 25 abgeschaltet. Nach dem zweiten Ausführungsschritt 203 sind also genau zwei Tanks 21, 22, 23, 24, 25 der Tankanlage 10 zugeschaltet.
Nachfolgend wird in einem zweiten Prüfschritt 205 der Innendruck PX der zugeschalteten Tanks 21, 22, 23, 24, 25 der Tankanlage 10 gemessen. Solange der Innendruck PX der zugeschalteten Tanks 21, 22, 23, 24, 25 den zweiten Schwellwert P2 noch überschreitet, bleiben diese Tanks 21, 22, 23, 24, 25 zugeschaltet.
Wenn der Innendruck PX der zugeschalteten Tanks 21, 22, 23, 24, 25 den zweiten Schwellwert P2 unterschreitet, so werden in einem zweiten Schaltschritt 207 diese zugeschalteten Tanks 21, 22, 23, 24, 25 abgeschaltet.
Anschließend wird wieder die zweite Voraussetzung 201 geprüft, wonach der Innendruck PX in allen Tanks 21, 22, 23, 24, 25 den ersten Schwellwert PI unterschreitet und in mindestens zwei Tanks 21, 22, 23, 24, 25 den zweiten Schwellwert P2 überschreitet. Solange die zweite Voraussetzung 201 noch erfüllt ist, werden in dem zweiten Ausführungsschritt 203 genau zwei andere Tanks 21, 22, 23, 24, 25 zugeschaltet, deren Innendruck PX den zweiten Schwellwert P2 überschreitet.
Während der Ausführung der zweiten Betriebsstrategie der Tankanlage 10 sind also immer genau zwei der Tanks 21, 22, 23, 24, 25 der Tankanlage 10 zugeschaltet. Die Tanks 21, 22, 23, 24, 25 werden dadurch nacheinander aber annähernd gleichmäßig entleert. Der Innendruck PX in den einzelnen Tanks 21,
22, 23, 24, 25 bleibt während der Ausführung der zweiten Betriebsstrategie somit annähernd gleich.
Wenn die zweite Voraussetzung 201 nicht mehr erfüllt ist, wenn also der
Innendruck PX in jedem Tank 21, 22, 23, 24, 25 den zweiten Schwellwert P2 unterschreitet, so wird in einem zweiten Wechselschritt 209 die Betriebsstrategie der Tankanlage 10 gewechselt.
Analog zu der hier vorgestellten ersten und zweiten Betriebsstrategie werden in weiteren, hier nicht explizit erläuterten Betriebsstrategien drei, vier oder fünf Tanks 21, 22, 23, 24, 25 gleichzeitig zugeschaltet. Eine Anzahl i der
zugeschalteten Tanks hängt dabei von dem Innendruck PX in den Tanks 21, 22,
23, 24, 25 ab.
Figur 5 zeigt eine grafische Darstellung der Abhängigkeit der Anzahl i der zugeschalteten Tanks 21, 22, 23, 24, 25 von dem Innendruck PX in den Tanks 21, 22, 23, 24, 25. Der Innendruck PX ist dabei auf der X-Achse aufgetragen und die Anzahl i der zugeschalteten Tanks 21, 22, 23, 24, 25 ist auf der Y-Achse aufgetragen.
Wenn der Innendruck PX in den Tanks 21, 22, 23, 24, 25 den ersten Schwellwert PI überschreitet, so ist mindestens ein Tank 21, 22, 23, 24, 25, vorzugsweise genau ein Tank 21, 22, 23, 24, 25 zugeschaltet.
Wenn der Innendruck PX in den Tanks 21, 22, 23, 24, 25 den ersten Schwellwert PI unterschreitet und den zweiten Schwellwert P2 überschreitet, so sind mindestens zwei Tanks 21, 22, 23, 24, 25, vorzugsweise genau zwei Tanks 21,
22, 23, 24, 25 zugeschaltet.
Wenn der Innendruck PX in den Tanks 21, 22, 23, 24, 25 den zweiten
Schwellwert P2 unterschreitet und den dritten Schwellwert P3 überschreitet, so sind mindestens drei Tanks 21, 22, 23, 24, 25, vorzugsweise genau drei Tanks 21, 22, 23, 24, 25 zugeschaltet.
Wenn der Innendruck PX in den Tanks 21, 22, 23, 24, 25 den dritten Schwellwert P3 unterschreitet und den vierten Schwellwert P4 überschreitet, so sind mindestens vier Tanks 21, 22, 23, 24, 25, vorzugsweise genau vier Tanks 21, 22,
23, 24, 25 zugeschaltet.
Wenn der Innendruck PX in den Tanks 21, 22, 23, 24, 25 den vierten
Schwellwert P4 unterschreitet und den Minimaldruck PM überschreitet, so sind alle fünf Tanks 21, 22, 23, 24, 25 zugeschaltet.
Die Erfindung ist nicht auf die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele und die darin hervorgehobenen Aspekte beschränkt. Vielmehr ist innerhalb des durch die Ansprüche angegebenen Bereichs eine Vielzahl von Abwandlungen möglich, die im Rahmen fachmännischen Handelns liegen.

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zum Betrieb einer Tankanlage (10),
umfassend eine Anzahl von mindestens zwei parallel geschalteten
Tanks (21, 22, 23, 24, 25),
welche einen gasförmigen Stoff enthalten, und
in welchen ein Innendruck (PX) herrscht,
zur Versorgung einer Verbrauchereinheit (12),
welche maximal eine Volllastmenge (MV) des gasförmigen Stoffs benötigt,
wobei jeder Tank (21, 22, 23, 24, 25) ein Sicherheitsventil (31, 32, 33, 34, 35) aufweist,
welches den Tank (21, 22, 23, 24, 25) abschaltet, wenn eine
Durchflussmenge des gasförmigen Stoffs durch das Sicherheitsventil (31, 32, 33, 34, 35) eine Abschaltmenge (MA) überschreitet, dadurch gekennzeichnet, dass
wenn der Innendruck (PX) in mindestens einem Tank (21, 22, 23, 24, 25) einen ersten Schwellwert (PI) unterschreitet,
mindestens ein anderer Tank (21, 22, 23, 24, 25) zugeschaltet wird, welcher zuvor abgeschaltet war.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass
wenn der Innendruck (PX) in mindestens einem Tank (21, 22, 23, 24,
25) den ersten Schwellwert (PI) überschreitet,
mindestens ein anderer Tank (21, 22, 23, 24, 25) abgeschaltet wird. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass
die Abschaltmengen (MA) der Sicherheitsventile (31, 32, 33, 34, 35) bei einem vorgegebenen Minimaldruck (PM), welcher geringer als der erste Schwellwert (PI) ist,
derart berechnet sind, dass
die Summe der Abschaltmengen (MA) der Sicherheitsventile (31, 32, 33, 34, 35) aller Tanks (21, 22, 23, 24, 25) bei Minimaldruck (PM) größer ist als die Volllastmenge (MV).
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass
solange der Innendruck (PX) in allen Tanks (21, 22, 23, 24, 25) den Minimaldruck (PM) überschreitet,
mindestens so viele Tanks (21, 22, 23, 24, 25) zugeschaltet werden, dass
die Summe der Abschaltmengen (MA) der Sicherheitsventile (31, 32, 33, 34, 35) der zugeschalteten Tanks (21, 22, 23, 24, 25) größer ist als die Volllastmenge (MV).
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass
der erste Schwellwert (PI) derart berechnet ist, dass
die Abschaltmenge (MA) des Sicherheitsventils (31, 32, 33, 34, 35) bei dem ersten Schwellwert (PI)
größer ist als die Volllastmenge (MV).
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass
wenn der Innendruck (PX) in mindestens einem Tank (21, 22, 23, 24,
25) den ersten Schwellwert (PI) überschreitet,
genau ein Tank (21, 22, 23, 24, 25) zugeschaltet wird, dessen
Innendruck (PX) den ersten Schwellwert (PI) überschreitet.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass
der zugeschaltete Tank (21, 22, 23, 24, 25) abgeschaltet wird, wenn dessen Innendruck (PX) den ersten Schwellwert (PI) unterschreitet.
8. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
wenn der Innendruck (PX) in allen Tanks (21, 22, 23, 24, 25) den ersten Schwellwert (PI) unterschreitet und in mindestens zwei Tanks (21, 22, 23, 24, 25) einen zweiten Schwellwert (P2) überschreitet,
genau zwei Tanks (21, 22, 23, 24, 25) zugeschaltet werden, deren Innendruck (PX) den ersten Schwellwert (PI) unterschreitet und den zweiten Schwellwert (P2) überschreitet.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass
der zweite Schwellwert (P2) derart berechnet ist, dass
die Abschaltmenge (MA) der Sicherheitsventile (31, 32, 33, 34, 35) bei dem zweiten Schwellwert (P2)
größer ist als die Hälfte der Volllastmenge (MV).
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass
die zugeschalteten Tanks (21, 22, 23, 24, 25) abgeschaltet werden, wenn deren Innendruck (PX) den zweiten Schwellwert (P2)
unterschreitet.
11. Verwendung des Verfahrens nach einem der vorstehenden Ansprüche in einem gasbetriebenen Fahrzeug.
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