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DE102021004689B3 - Device and method for filling a vehicle tank with compressed gaseous hydrogen - Google Patents

Device and method for filling a vehicle tank with compressed gaseous hydrogen Download PDF

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DE102021004689B3
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Frank Gockel
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Messer SE and Co KGaA
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Abstract

Eine Vorrichtung zum Betanken eines Fahrzeugtanks mit komprimiertem, gasförmigen Wasserstoff umfasst ein Druckspeichersystem zum Lagern von komprimiertem gasförmigen Wasserstoff sowie eine Zapfsäule, die mit einer Füllleitung samt Füllpistole zum Herstellen einer Strömungsverbindung mit einem zu befüllenden Fahrzeugtank ausgerüstet ist und mit dem Druckspeichersystem strömungsverbunden ist. Um eine vorgegebene Temperatur beim Füllen des Fahrzeugtanks nicht zu überschreiten, wird ein Teilstrom des aus dem Druckspeichersystem entnommenen Wasserstoffs mit einem kryogenen Medium gekühlt und anschließend mit einem ungekühlten Teilstrom zusammengeführt. Durch eine Mengenregulation der beiden Teilströme kann die Fülltemperatur des Wasserstoffs genau geregelt werden.A device for filling a vehicle tank with compressed, gaseous hydrogen comprises a pressure storage system for storing compressed gaseous hydrogen and a fuel pump, which is equipped with a filling line including a filling gun for establishing a flow connection with a vehicle tank to be filled and is flow-connected to the pressure storage system. In order not to exceed a specified temperature when filling the vehicle tank, a partial flow of the hydrogen taken from the pressure storage system is cooled with a cryogenic medium and then combined with an uncooled partial flow. The filling temperature of the hydrogen can be regulated precisely by regulating the quantity of the two partial flows.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Betanken eines Fahrzeugtanks mit komprimiertem, gasförmigen Wasserstoff. Die Erfindung betrifft des Weiteren ein entsprechendes Verfahren.The invention relates to a device for filling up a vehicle tank with compressed, gaseous hydrogen. The invention also relates to a corresponding method.

Bei der Befüllung eines Fahrzeugtanks aus einem Behälter mit gasförmigem Wasserstoff kommt es aufgrund des negativen Joule-Thomson-Koeffizienten im relevanten Zustandsbereich sowie der auftretenden Kompression zu einer starken Erwärmung des Wasserstoffs im Tank. Da diese Wärme während des Betankungsvorgangs nur unzureichend über die Behälterwände abgeführt werden kann, ist eine Vorkühlung erforderlich, um sicherzustellen, dass die Temperaturen im Tank innerhalb der Vorgaben des Regelwerks SAE J2601 liegen. Diese Norm schreibt vor, dass die Betankung mit Wasserstoff betriebener Fahrzeuge auf einen Enddruck von 350 bar bzw. 700 bar unter Referenzbedingungen innerhalb von drei Minuten abgeschlossen werden muss, ohne dass dabei die Temperatur des Fahrzeugtanks auf einen Wert von über 85 °C ansteigt. Gleichzeitig wird verlangt, dass sich die Temperatur des Wasserstoffs während des Betankens bei Eintritt in den zu füllenden Behälter innerhalb eines festgelegten Temperaturfensters bewegt, welches weder über-, noch unterschritten werden darf. Für die Tankstellenklasse T40, welche eine Betankung mit Wasserstoff bei minus 40°C ermöglicht, liegen die Ober- bzw. Untergrenze der Temperatur bei Eintritt in den zu füllenden Behälter bei minus 33°C bzw. minus 40°C. Des Weiteren schreibt die Norm vor, dass dieses Temperaturfenster spätestens 30 Sekunden nach Beginn des Betankungsprozesses erreicht werden muss.When filling a vehicle tank from a container with gaseous hydrogen, the negative Joule-Thomson coefficient in the relevant state range and the compression that occurs cause the hydrogen in the tank to heat up significantly. Since this heat cannot be adequately dissipated via the tank walls during the fueling process, pre-cooling is required to ensure that the temperatures in the tank are within the specifications of the SAE J2601 standard. This standard stipulates that the refueling of hydrogen-powered vehicles to a final pressure of 350 bar or 700 bar under reference conditions must be completed within three minutes without the temperature of the vehicle tank rising to a value of more than 85 °C. At the same time, it is required that the temperature of the hydrogen during refueling when it enters the container to be filled is within a specified temperature window, which may neither be exceeded nor fallen below. For the filling station class T40, which enables refueling with hydrogen at minus 40°C, the upper and lower temperature limits when entering the container to be filled are minus 33°C and minus 40°C, respectively. The standard also stipulates that this temperature window must be reached no later than 30 seconds after the start of the refueling process.

Für gewöhnlich wird die erforderliche Kälteleistung dabei von einer Kältemaschine zur Verfügung gestellt. Kritisch ist jedoch der kurzzeitig anfallende Spitzenleistungsbedarf insbesondere zu Beginn der Betankung, der um ein Vielfaches höher liegen kann als der durchschnittliche Leistungsbedarf und Kühlsysteme mit Kältemaschine vor große Herausforderungen stellt. Um diesen Herausforderungen zu begegnen, kommen derzeit zwei Strategien zur Anwendung. Die erste Strategie sieht vor, einen Wärmeüberträger mit großer thermischer Masse, der als Kältepuffer fungiert, mit einer vergleichsweise leistungsschwachen Kältemaschine zu paaren, die den Kältepuffer kontinuierlich auflädt. Kühlsysteme, die dieser Strategie folgen, sind kostengünstig, kommen aber bei mehreren aufeinanderfolgenden Betankungsprozessen an ihre Grenzen. Die zweite Strategie sieht eine „just-in-time“-Kühlung mithilfe einer leistungsstarken Kältemaschine vor. Solche Systeme tragen durch hohe Investitionskosten jedoch erheblich zu den Gesamtinvestitionskosten einer Wasserstoff-Tankstelle bei.The required cooling capacity is usually provided by a refrigeration machine. Critical, however, is the short-term peak power requirement, especially at the beginning of refueling, which can be many times higher than the average power requirement and poses great challenges to cooling systems with chillers. Two strategies are currently being used to meet these challenges. The first strategy envisages pairing a heat exchanger with a large thermal mass, which acts as a cold buffer, with a comparatively low-performance chiller that continuously charges the cold buffer. Cooling systems that follow this strategy are inexpensive, but reach their limits when there are several consecutive refueling processes. The second strategy envisages "just-in-time" cooling using a powerful chiller. Due to the high investment costs, however, such systems contribute significantly to the total investment costs of a hydrogen filling station.

Eine andere Möglichkeit besteht darin, den Wasserstoff vor Ort im tiefkalt verflüssigten Zustand zu bevorraten und die niedrige Temperatur des flüssigen Wasserstoffs ganz oder teilweise zur Erreichung der geforderten Zieltemperatur des zur Betankung vorgesehenen Wasserstoffgases zu nutzen. Eine Vorrichtung dieser Art ist aus der WO 2013 / 020 665 A1 bekannt. Dabei wird tiefkalter flüssiger Wasserstoff in einem Speichertank bevorratet. Vor Beginn einer Betankung wird ein Teil des Wasserstoffs entnommen und mittels einer Kryopumpe auf den jeweiligen Fülldruck verdichtet, wobei er zunächst jedoch immer noch bei einer im Vergleich zur geforderten Fülltemperatur niedrigen Temperatur von etwa 50K bis 60K vorliegt. Durch Beheizen eines Teilstroms und anschließende Zusammenführung mit dem unbeheizten Teilstrom kann eine Zieltemperatur zwischen -33°C und -40°C erreicht werden.Another possibility is to store the hydrogen on site in the cryogenic liquefied state and to use the low temperature of the liquid hydrogen in whole or in part to achieve the required target temperature of the hydrogen gas intended for refueling. A device of this type is from WO 2013 / 020 665 A1 famous. Here, cryogenic liquid hydrogen is stored in a storage tank. Before refueling begins, part of the hydrogen is removed and compressed to the respective filling pressure by means of a cryopump, although initially it is still at a temperature of around 50K to 60K, which is low compared to the required filling temperature. A target temperature of between -33°C and -40°C can be achieved by heating a partial flow and then combining it with the unheated partial flow.

Ein ähnliches Verfahren ist aus der DE 10 2016 005 220 A1 bekannt. Dabei wird Wasserstoff aus einem Speicher für flüssigen Wasserstoff entnommen und mittels einer Kryopumpe verdichtet. Anschließend wird der Wasserstoffstrom in einen ersten und zweiten Teilstrom aufgeteilt, wobei letzterer einen Wärmetauscher durchläuft. Beide Teilströme werden anschließend an einer Mischstelle zusammengeführt. Durch eine Regelung der Mengenströme beider Teilströme wird sichergestellt, dass die Temperatur des resultierenden Gasgemisches die genannten Anforderungen erfüllt. Zudem wird die Möglichkeit beschrieben, überschüssigen Wasserstoff aus dem zweiten Teilstrom, der den Wärmetauscher durchlaufen hat, in Hochdruckspeichern zwischenzulagern.A similar procedure is from DE 10 2016 005 220 A1 famous. Hydrogen is taken from a storage tank for liquid hydrogen and compressed using a cryopump. The hydrogen flow is then divided into a first and second partial flow, with the latter passing through a heat exchanger. Both partial streams are then brought together at a mixing point. By controlling the flow rates of both partial flows, it is ensured that the temperature of the resulting gas mixture meets the specified requirements. In addition, the possibility of temporarily storing excess hydrogen from the second partial flow, which has passed through the heat exchanger, in high-pressure storage facilities is described.

In der DE 11 2019 005 717 T5 wird ein Verfahren zum Steuern der Temperatur eines Nicht-Petroleum-Kraftstoffes, beispielsweise Wasserstoff, beschrieben, bei dem ein im flüssigen oder überkritischen Zustand gelagerter Kraftstoff verdichtet und in zwei Teilströme aufgeteilt wird. Nach Beheizen eines der Teilströme in einem Wärmetauscher werden beide Teilströme wieder vermischt und zwecks Betankung einem Fahrzeugtank zugeführt. Die Beheizung des einen Teilstroms erfolgt beispielsweise mit Dampf, Elektrizität, Gas oder Umgebungsluft.In the DE 11 2019 005 717 T5 describes a method for controlling the temperature of a non-petroleum fuel, such as hydrogen, in which a fuel stored in the liquid or supercritical state is compressed and divided into two partial streams. After one of the partial flows has been heated in a heat exchanger, both partial flows are mixed again and fed to a vehicle tank for refueling. One partial flow is heated, for example, with steam, electricity, gas or ambient air.

Die Speicherung des Wasserstoffs in tiefkalt verflüssigter Form ist jedoch mit nicht unerheblichen Verdampfungsverlusten verbunden, die sich insbesondere in Zeiten längerer Betriebspausen, etwa an Wochenenden, bemerkbar machen. Zudem ist der Investitionsaufwand erheblich.However, storing the hydrogen in cryogenic, liquefied form is associated with not inconsiderable evaporation losses, which are particularly noticeable during longer periods of non-operation, such as at weekends. In addition, the investment costs are considerable.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, ein System zum Betanken eines Fahrzeugtanks mit Wasserstoff anzugeben, das sich durch eine hohe Verfügbarkeit und eine augenblicklich abrufbereite und regulierbare Kühlleistung auszeichnet, zugleich kosteneffizient arbeitet und mit geringen verdampfungsbedingten Verlusten an Wasserstoff verbunden ist.The invention is therefore based on the object of specifying a system for filling up a vehicle tank with hydrogen characterized by a high level of availability and a cooling capacity that is immediately ready for use and can be regulated, while at the same time working cost-effectively and associated with low evaporation-related losses of hydrogen.

Gelöst ist diese Aufgabe durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 6. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.This object is achieved by a device having the features of patent claim 1 and by a method having the features of patent claim 6. Advantageous refinements of the invention are specified in the dependent claims.

Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Betanken eines Fahrzeugtanks mit komprimiertem, gasförmigen Wasserstoff weist also ein Druckspeichersystem auf, das aus mindestens einem Druckbehälter besteht, etwa einem Lagertank oder einem Flaschenbündel, in dem gasförmiger Wasserstoff bei einem Druck gespeichert wird, der höher als der Fülldruck eines zu füllenden Fahrzeugtanks ist. Das Druckspeichersystem kann auch mehrere Druckbehälter aufweisen, in denen gasförmiger Wasserstoff jeweils bei unterschiedlichen Drücken gespeichert wird. Das Druckspeichersystem kann auch einen Konditionierbehälter aufweisen, der vor Beginn eines Betankungsvorgangs mittels eines Kompressors mit Wasserstoff aus einem Lagertank oder einer Pipeline auf einen entsprechenden Fülldruck gebracht wird. Weiterhin weist die Vorrichtung eine mit einer Füllleitung samt Füllpistole zum Herstellen einer Strömungsverbindung mit einem zu befüllenden Fahrzeugtank ausgerüstete Zapfsäule, eine erste Teilleitung zum Fördern eines Teilstroms von Wasserstoff aus dem Druckspeichersystem zur Zapfsäule und eine zweite Teilleitung zum Fördern eines zweiten Teilstroms von Wasserstoff aus dem Druckspeichersystem zur Zapfsäule auf, wobei die erste Teilleitung eine Kühleinrichtung durchläuft. Die beiden Teilleitungen müssen dabei nicht notwendigerweise jeweils direkt Druckbehälter und Zapfsäule miteinander verbinden, sondern können auch als eine Verzweigung einer einzigen Verbindungsleitung zwischen Druckbehälter und Zapfsäule ausgebildet sein. Zudem weist das Druckspeichersystem eine Regeleinrichtung auf, die zum Regeln des Mengenverhältnisses zwischen dem erstem und dem zweiten Teilstrom in Abhängigkeit von einer bevorzugt stromab zur Zapfsäule, etwa im Fahrzeugtank oder in der Füllleitung, gemessenen oder ermittelten Temperatur des dem Fahrzeugtank zugeführten Wasserstoffs dient, und die dazu mit einem Temperatursensor, einer Steuereinheit und motorbetriebenen Stellventilen in den Teilleitungen ausgerüstet ist.A device according to the invention for filling a vehicle tank with compressed, gaseous hydrogen thus has a pressure storage system which consists of at least one pressure container, such as a storage tank or a bundle of cylinders, in which gaseous hydrogen is stored at a pressure that is higher than the filling pressure of one to be filled vehicle tanks is. The pressure storage system can also have a number of pressure vessels in which gaseous hydrogen is stored at different pressures. The pressure accumulator system can also have a conditioning container, which is brought to an appropriate filling pressure by means of a compressor with hydrogen from a storage tank or a pipeline before the start of a refueling process. Furthermore, the device has a fuel pump equipped with a filling line including a filling gun for establishing a flow connection to a vehicle tank to be filled, a first partial line for conveying a partial flow of hydrogen from the pressure storage system to the fuel pump and a second partial line for conveying a second partial flow of hydrogen from the pressure storage system to the gas pump, the first partial line passing through a cooling device. The two partial lines do not necessarily have to connect the pressure vessel and fuel pump directly to one another, but can also be designed as a branch of a single connecting line between the pressure vessel and fuel pump. In addition, the pressure accumulator system has a control device which is used to control the quantitative ratio between the first and the second partial flow as a function of a temperature of the hydrogen supplied to the vehicle tank, which is preferably measured or determined downstream of the fuel pump, for example in the vehicle tank or in the filling line, and which equipped with a temperature sensor, a control unit and motor-driven control valves in the sub-lines.

Während also der zweite Teilstrom beispielsweise ungefähr auf Umgebungstemperatur vorliegt, wird der erste Teilstrom mittels der Kühleinrichtung gekühlt. Durch die Regelung des Mengenverhältnisses der beiden Teilströme und deren Zusammenführung kann die Temperatur des insgesamt dem zu befüllenden Fahrzeugtank zugeführten Wasserstoff sehr genau definiert werden.Thus, while the second partial flow is approximately at ambient temperature, for example, the first partial flow is cooled by means of the cooling device. The temperature of all the hydrogen supplied to the vehicle tank to be filled can be defined very precisely by controlling the quantity ratio of the two partial flows and combining them.

Die Kühleinrichtung weist bevorzugt einen Wärmetauscher auf, der mit einem kryogenen Medium, wie beispielsweise flüssiger Stickstoff oder ein anderes tiefkalt verflüssigtes Gas, in Wärmeverbindung steht. Die Kühlung des ersten Teilstroms erfolgt also durch indirekten thermischen Kontakt mit dem kryogenen Medium.The cooling device preferably has a heat exchanger which is in thermal communication with a cryogenic medium, such as liquid nitrogen or another cryogenic liquefied gas. The first partial flow is therefore cooled by indirect thermal contact with the cryogenic medium.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass das Druckspeichersystem mehrere Druckbehälter aufweist, in denen der Wasserstoff gasförmig, jedoch bei unterschiedlichen Betriebsdrücken gelagert wird. Beispielsweise weist das Druckspeichersystem einen Druckbehälter zum Speichern von Wasserstoff bei einem niedrigen Druck zwischen 20 bar und 200 bar, einen weiteren Druckbehälter zum Speichern von Wasserstoff bei einem mittleren Druck zwischen 200 bar und 450 bar und einen dritten Druckbehälter zum Speichern von Wasserstoff bei einem hohen Druck zwischen 450 und 700 bar auf. Als Druckbehälter können insbesondere für die entsprechenden Betriebsdrücke zugelassene Tanks oder Druckgasflaschenbündel zum Einsatz kommen.An advantageous embodiment of the invention provides that the pressure accumulator system has a plurality of pressure vessels in which the hydrogen is stored in gaseous form, but at different operating pressures. For example, the pressure storage system has a pressure vessel for storing hydrogen at a low pressure between 20 bar and 200 bar, a further pressure vessel for storing hydrogen at an intermediate pressure between 200 bar and 450 bar and a third pressure vessel for storing hydrogen at a high pressure between 450 and 700 bar. In particular, tanks or bundles of compressed gas cylinders approved for the corresponding operating pressures can be used as pressure vessels.

In einer gleichfalls vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist ein dem Druckspeichersystem vorgeschalteter zusätzlicher Lagertank vorgesehen, in dem der Wasserstoff flüssig oder gasförmig bei einem niedrigeren Druck, als es dem Betriebsdruck des Druckbehälters bzw. den Betriebsdrücken der Druckbehälter entspricht, gespeichert und aus dem der Wasserstoff zwecks Wiederbefüllung des Druckbehälters oder der Druckbehälter entnommen wird. In diesem Lagertank wird Wasserstoff in einer vielfachen Menge der Kapazität eines Druckbehälters bevorratet. Der oder die Druckbehälter wird/werden in regelmäßigen Zeitabständen oder unmittelbar vor einem Füllvorgang mittels eines Kompressors aus dem Lagertank gefüllt. Dadurch kann der Druckbehälter bzw. können die Druckbehälter vergleichsweise klein und damit kostengünstig ausgeführt werden.In an equally advantageous development of the invention, an additional storage tank is provided upstream of the pressure storage system, in which the hydrogen is stored in liquid or gaseous form at a lower pressure than the operating pressure of the pressure vessel or the operating pressures of the pressure vessels, and from which the hydrogen is stored for the purpose of refilling of the pressure vessel or vessels is removed. In this storage tank, hydrogen is stored in a multiple of the capacity of a pressure vessel. The pressure vessel or vessels is/are filled from the storage tank by means of a compressor at regular time intervals or immediately before a filling process. As a result, the pressure vessel or pressure vessels can be made comparatively small and therefore inexpensive.

Alternativ oder ergänzend zur vorgenannten Ausgestaltung kann das Druckspeichersystem auch an eine Wasserstoffleitung angeschlossen sein, aus der der oder die Druckbehälter bei Bedarf unter Zuhilfenahme eines Kompressors befüllt werden kann/können.As an alternative or in addition to the aforementioned embodiment, the pressure accumulator system can also be connected to a hydrogen line, from which the pressure container or containers can be filled with the aid of a compressor if required.

Die Aufgabe der Erfindung wird auch durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 6 gelöst.The object of the invention is also achieved by a method having the features of claim 6.

Ein Verfahren zum Betanken eines Fahrzeugtanks mit komprimiertem, gasförmigen Wasserstoff, bei dem gasförmiger Wasserstoff unter Druck in einem Druckspeichersystem gespeichert und zwecks Befüllung eines Fahrzeugstanks einer Zapfsäule zugeführt wird, ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, dass ein erster Teilstrom des der Zapfsäule zugeführten Wasserstoffs einer Kühleinrichtung zugeführt, dort im indirekten thermischen Kontakt mit einem kryogenen Medium gekühlt, anschließend mit einem zweiten, ungekühlten Teilstrom zusammengeführt und der zusammengeführte Strom der Zapfsäule zugeführt wird, wobei das Mengenverhältnis zwischen erstem und zweitem Teilstrom von einer Regeleinrichtung in Abhängigkeit von einer gemessenen Temperatur geregelt wird.A method for filling a vehicle tank with compressed, gaseous hydrogen, in which gaseous hydrogen is stored under pressure in a pressure storage system and fed to a fuel pump for the purpose of filling a vehicle tank, is characterized according to the invention in that a first partial flow of the hydrogen fed to the fuel pump is fed to a cooling device, cooled there in indirect thermal contact with a cryogenic medium, then combined with a second, uncooled partial flow and the combined flow is fed to the dispenser, with the quantitative ratio between the first and second partial flow being regulated by a control device as a function of a measured temperature.

Aus dem Druckspeichersystem, bei dem es sich bevorzugt um ein Druckspeichersystem der zuvor beschriebenen Art handelt, wird also Wasserstoff in zwei Teilströmen der Zapfsäule zugeführt. Während der zweite Teilstrom beispielsweise bei Umgebungstemperatur vorliegt, wird der erste Teilstrom durch den Kontakt mit dem kryogenen Medium auf eine Temperatur von bevorzugt zwischen minus 80°C und minus 160°C gekühlt. Beim Zusammenführen beider Teilströme kann durch entsprechende Regulierung der Mengenströme die Temperatur des insgesamt dem Speichertank zugeführten Wasserstoffs sehr genau festgelegt werden. Insbesondere können so die Anforderungen der SAE J2601 leicht eingehalten werden. Gemessen wird die Temperatur bevorzugt am Ausgang der Zapfsäule oder in einer die Strömungsverbindung zum Fahrzeugtank herstellenden Füllpistole, damit der gemessene Wert die Temperatur des Wasserstoffs beim Eintritt in den Fahrzeugtank möglichst genau abbildet.From the pressure accumulator system, which is preferably a pressure accumulator system of the type described above, hydrogen is therefore supplied to the fuel pump in two partial streams. While the second partial flow is at ambient temperature, for example, the first partial flow is cooled to a temperature of preferably between minus 80° C. and minus 160° C. through contact with the cryogenic medium. When the two partial flows are brought together, the temperature of all of the hydrogen fed to the storage tank can be determined very precisely by appropriate regulation of the quantity flows. In particular, the requirements of SAE J2601 can easily be met. The temperature is preferably measured at the outlet of the petrol pump or in a filling pistol that establishes the flow connection to the vehicle tank, so that the measured value reflects the temperature of the hydrogen as precisely as possible when it enters the vehicle tank.

Die Erfindung ermöglicht ein Betankungssystem mit geringen Installations- und Wartungskosten, wobei eine Erweiterung bei steigendem Bedarf an gasförmigem Medium einfach zu realisieren ist. Da die Kälteleistung sofort zur Verfügung steht und eine große Menge an Kälteenergie in Form des kryogenen Kältemittels vorrätig ist, ermöglicht die Erfindung eine schnelle Betankung und eine Mehrzahl an rasch aufeinanderfolgenden Tankvorgängen.The invention enables a refueling system with low installation and maintenance costs, with expansion being easy to implement as the need for gaseous medium increases. Since the refrigerating capacity is immediately available and a large quantity of refrigerating energy is available in the form of the cryogenic refrigerant, the invention enables rapid refueling and a large number of refueling processes in quick succession.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich besonders für Wasserstofftankstellen mit geringem oder moderatem Wasserstoffdurchsatz von beispielsweise unter 300kg/Tag. Beispielsweise eignet sie sich für die Betankung von Arbeitsfahrzeugen, wie beispielsweise Flurförderer, an einem Logistikstandort, für kleinere Busflotten mit bis zu 10 Fahrzeugen oder für kleinere regionale Eisenbahnnetze, die mit wasserstoffbetriebenen Fahrzeugen bedient werden.The device according to the invention and the method according to the invention are particularly suitable for hydrogen filling stations with a low or moderate hydrogen throughput of, for example, less than 300 kg/day. For example, it is suitable for refueling work vehicles, such as industrial trucks, at a logistics location, for smaller bus fleets with up to 10 vehicles or for smaller regional railway networks that are served with hydrogen-powered vehicles.

Anhand der Zeichnung soll ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert werden.An embodiment of the invention will be explained in more detail with reference to the drawing.

Die einzige Zeichnung (1) zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Betanken eines Fahrzeugtanks mit Wasserstoff.The only drawing ( 1 ) schematically shows a device according to the invention for filling a vehicle tank with hydrogen.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 weist ein Druckspeichersystem 2 zum Speichern von gasförmigem Wasserstoff unter Druck auf. Im hier gezeigten Ausführungsbeispiel umfasst das Druckspeichersystem 2 drei Druckbehälter 3, 4, 5, in denen Wasserstoff bei unterschiedlichen Drücken gelagert wird. Beispielsweise handelt es sich beim Druckbehälter 3 um einen Hochdruckbehälter, in dem Wasserstoff bei 700 bar oder mehr bevorratet wird, beim Druckbehälter 4 um einen Mitteldruckbehälter, in dem Wasserstoff bei einem Druck zwischen 450 bar und 500 bar bevorratet wird, und beim Druckbehälter 5 um einen Niederdruckbehälter zum Speichern von Wasserstoff bei einem Druck zwischen 20 bar und 200 bar. Im Übrigen kann das Druckspeichersystem 2 mehr oder weniger Druckbehälter als hier gezeigt aufweisen. Zudem ist der Begriff „Druckbehälter“ hier sehr allgemein zu verstehen und umfasst jeden Speichertyp, aus der gasförmiger Wasserstoff beim entsprechenden Druck entnommen werden kann. Beispielsweise handelt es sich bei den Druckbehältern 3, 4, 5 jeweils um einen einzelnen Druckspeicher oder um eine Mehrzahl auf gekoppelter Behälter, wie etwa ein Druckgasflaschenbündel. The device 1 according to the invention has a pressure storage system 2 for storing gaseous hydrogen under pressure. In the exemplary embodiment shown here, the pressure accumulator system 2 comprises three pressure vessels 3, 4, 5, in which hydrogen is stored at different pressures. For example, pressure vessel 3 is a high-pressure vessel in which hydrogen is stored at 700 bar or more, pressure vessel 4 is a medium-pressure vessel in which hydrogen is stored at a pressure of between 450 bar and 500 bar, and pressure vessel 5 is one Low-pressure vessels for storing hydrogen at a pressure between 20 bar and 200 bar. Incidentally, the pressure accumulator system 2 can have more or fewer pressure vessels than shown here. In addition, the term "pressure vessel" is to be understood here in a very general manner and includes any type of storage from which gaseous hydrogen can be removed at the appropriate pressure. For example, the pressure tanks 3, 4, 5 are each a single pressure accumulator or a plurality of coupled tanks, such as a bundle of compressed gas cylinders.

Weiterhin können die Druckbehälter 3, 4, 5 in hier nicht gezeigter Weise über eine Verdampfungseinheit mit einem Behälter für flüssigen Wasserstoff strömungsverbunden sein, oder es kann, ebenfalls hier nicht gezeigt, eine Strömungsverbindung zu einer Wasserstoffleitung (Pipeline) bestehen, wobei ein Druckaufbausystem den der Wasserstoffleitung oder dem Flüssigbehälter entnommenen Wasserstoff komprimiert und so den Betriebsdruck in den jeweiligen Druckbehältern 3, 4, 5 herstellt.Furthermore, the pressure vessels 3, 4, 5 can be flow-connected via an evaporation unit to a tank for liquid hydrogen in a manner not shown here, or there can be a flow connection to a hydrogen line (pipeline), also not shown here, with a pressure build-up system using the Hydrogen line or the liquid container taken hydrogen compressed and so the operating pressure in the respective pressure vessels 3, 4, 5 produces.

Vom Druckspeichersystem 2 führt eine Druckgasleitung 6 zu einer Zapfsäule 7. Die Zapfsäule 7 ist mit einem Füllschlauch 8 ausgestattet, der in an sich bekannter Weise über eine Füllpistole 9 zum Verbinden mit einem Fahrzeugtank 10 eines Fahrzeugs 11 verfügt. Beim Fahrzeug 11 handelt es sich im hier gezeigten Ausführungsbeispiel um ein Kraftfahrzeug; es kann sich jedoch beispielsweise auch um ein Schienenfahrzeug, ein Flugzeug oder um ein Schiff handeln.A compressed gas line 6 leads from the pressure accumulator system 2 to a gas pump 7. The gas pump 7 is equipped with a filling hose 8, which has a filling gun 9 for connection to a vehicle tank 10 of a vehicle 11 in a manner known per se. In the exemplary embodiment shown here, the vehicle 11 is a motor vehicle; however, it can also be a rail vehicle, an airplane or a ship, for example.

Die Druckgasleitung 6 verzweigt sich stromab zum Druckspeichersystem 2 in zwei Teilleitungen 12, 13, die sich stromauf zur Zapfsäule 7 an einem Leitungsabschnitt 14 wieder vereinen. In der Teilleitung 12 ist ein Wärmetauscher 15 zur indirekten Kühlung des durch die Teilleitung 12 geführten Wasserstoffs angeordnet. Zur Kühlung des Wasserstoffs im Wärmetauscher 15 dient dabei ein kryogenes Kühlmedium, beispielsweise flüssiger Stickstoff, der in einem Vorratstank 16 gespeichert und über eine Leitung 17 zum Wärmetauscher 15 geführt wird. Das im Wärmetauscher 15 erwärmte Kühlmedium wird über eine Leitung 18 abgeführt und in die Atmosphäre entlassen oder einer anderweitigen Verwendung zugeführt.The compressed gas line 6 branches downstream to the pressure accumulator system 2 in two partial lines 12, 13, which unite again upstream to the gas pump 7 at a line section 14. In the sub-line 12 is a heat exchanger 15 for indirect th cooling of the guided through the partial line 12 hydrogen arranged. A cryogenic cooling medium, for example liquid nitrogen, is used to cool the hydrogen in the heat exchanger 15 and is stored in a storage tank 16 and fed to the heat exchanger 15 via a line 17 . The cooling medium heated in the heat exchanger 15 is discharged via a line 18 and released into the atmosphere or supplied for some other use.

Im Übrigen kann anstelle der hier gezeigten Ausführungsform der Wasserstoff auch in anderer Weise gekühlt werden, beispielsweise mit einer konventionellen Kältemaschine oder mit einem anderen kryogenen Medium als Kühlmedium.Otherwise, instead of the embodiment shown here, the hydrogen can also be cooled in a different way, for example with a conventional refrigeration machine or with another cryogenic medium as the cooling medium.

Im Betrieb der Vorrichtung 1 wird die Füllpistole 9 an einen zu befüllenden Fahrzeugtank 10 angeschlossen. An der Zapfsäule 7 werden die Daten der Befüllung (Gesamtmenge und Druck des einzufüllenden Wasserstoffs) eingegeben. Mittels hier nicht gezeigter Sensoren können darüber hinaus weitere für den Füllvorgang erforderliche und/oder zweckmäßige Informationen automatisch erfasst werden, beispielsweise der Typ, der aktuelle Füllstand, das Volumen und/oder der maximale Fülldruck des Fahrzeugtanks 10 und/oder das Bestehen einer sicheren und gasdichten Verbindung zwischen Füllpistole 9 und Fahrzeugtank 10.During operation of the device 1, the filling gun 9 is connected to a vehicle tank 10 to be filled. The filling data (total quantity and pressure of the hydrogen to be filled) are entered at the pump 7 . By means of sensors not shown here, further information required and/or useful for the filling process can also be automatically recorded, for example the type, the current fill level, the volume and/or the maximum filling pressure of the vehicle tank 10 and/or the existence of a safe and gas-tight tank Connection between filling gun 9 and vehicle tank 10.

Die manuell eingegebenen und/oder automatisch erfassten Informationen werden einer Steuereinheit 20 übermittelt. In Abhängigkeit von den eingegebenen und/oder erfassten Informationen ergeht von der Steuereinheit 20 nach einem vorgegebenen Programm ein Steuerbefehl zur Abgabe von Wasserstoff aus den Druckbehältern 3, 4, 5. Zu diesem Zweck steht die Steuereinheit mit Ventilen 19a, 19b, 19c an den Ausgängen der Druckbehälter 3 ,4 5 sowie mit einem Drucksensor 21 im Leitungsabschnitt 14 in Datenverbindung. Während der Befüllung ermittelt die Steuereinheit 20 den jeweils optimalen Druckwert im Leitungsabschnitt 14 bzw. dem Füllschlauch 8 und sorgt automatisch dafür, dass das entsprechende Ventil 19a, 19b, 19c geöffnet oder geschlossen wird. Auf diese Weise kann insbesondere die Abfolge der Zuführung von komprimiertem Gas aus den Druckbehältern 3, 4, 5 in den Fahrzeugtank 10 mit einem minimalen Zeit- und Energieaufwand geregelt werden.The manually entered and/or automatically recorded information is transmitted to a control unit 20 . Depending on the information entered and/or recorded, the control unit 20 issues a control command for dispensing hydrogen from the pressure vessels 3, 4, 5 according to a predetermined program. For this purpose, the control unit with valves 19a, 19b, 19c is at the outputs the pressure vessel 3, 4, 5 and with a pressure sensor 21 in the line section 14 in data connection. During the filling, the control unit 20 determines the optimal pressure value in the line section 14 or the filling hose 8 and automatically ensures that the corresponding valve 19a, 19b, 19c is opened or closed. In this way, in particular, the sequence in which compressed gas is fed from the pressure vessels 3, 4, 5 into the vehicle tank 10 can be regulated with a minimum expenditure of time and energy.

Um die Temperatur des Wasserstoffs beim Eintritt in den Fahrzeugtank 10 auf einen vorgegebenen Wert zu halten, findet eine kontinuierliche Temperaturregelung statt. Dazu wird die Temperatur des Wasserstoffs im Leitungsabschnitt 14 an einem Temperatursensor 22 ermittelt und sodann in Abhängigkeit von einer Solltemperatur das Verhältnis der durch die Teilleitungen 12, 13 geführten Wasserstoff-Teilströme durch Ansteuern von Ventilen 23, 24 in den Teilleitungen 12, 13 eingestellt. Der Temperatursensor 22 ist im hier gezeigten Ausführungsbeispiel im Leitungsabschnitt 14 angeordnet. In diesem Fall berechnet die Steuereinheit 20 aus dem gemessenen Temperaturwert die Temperatur beim Eintritt des Wasserstoffs in den Fahrzeugtank 10 nach einem vorgegebenen Programm. Der Temperatursensor 22 kann jedoch auch stromab zur Zapfsäule 7, etwa im Bereich der Füllpistole 9 angeordnet sein, und so die Temperatur des Wasserstoffs beim Eintritt in den Fahrzeugtank 10 direkt messen.In order to keep the temperature of the hydrogen at a predetermined value when it enters the vehicle tank 10, a continuous temperature control takes place. For this purpose, the temperature of the hydrogen in the line section 14 is determined at a temperature sensor 22 and then, depending on a target temperature, the ratio of the hydrogen partial streams conducted through the partial lines 12, 13 is set by controlling valves 23, 24 in the partial lines 12, 13. In the exemplary embodiment shown here, the temperature sensor 22 is arranged in the line section 14 . In this case, the control unit 20 uses the measured temperature value to calculate the temperature when the hydrogen enters the vehicle tank 10 according to a predetermined program. However, the temperature sensor 22 can also be arranged downstream of the fuel pump 7, for example in the area of the filling gun 9, and can thus directly measure the temperature of the hydrogen as it enters the vehicle tank 10.

Beispielsweise weist die Temperatur des durch die Leitung 12 geführten Wasserstoffs am Austritt aus dem Wärmetauscher 15 einen Wert zwischen minus 80°C und minus 160°C auf, während die Temperatur des durch die Leitung 13 geführten Wasserstoffs bei Umgebungstemperatur oder darüber liegt. Das Verhältnis der beiden durch die Teilleitungen 12, 13 geführten Mengenströme wird anschließend so eingestellt, dass die Temperatur des Wasserstoffs beim Eintritt in den Fahrzeugtank 10 beispielsweise einen vom Betankungsprotokoll SAE J2601 geforderten Sollwert zwischen minus 33°C bis minus 40°C erreicht. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass die Temperatur des dem Fahrzeugtank 10 zugeführten Wasserstoffs zuverlässig die geforderte Solltemperatur aufweist.For example, the temperature of the hydrogen conducted through line 12 at the outlet from the heat exchanger 15 has a value between minus 80° C. and minus 160° C., while the temperature of the hydrogen conducted through line 13 is at ambient temperature or above. The ratio of the two mass flows guided through the sub-lines 12, 13 is then adjusted so that the temperature of the hydrogen when it enters the vehicle tank 10, for example, reaches a target value between minus 33° C. and minus 40° C. required by the fueling protocol SAE J2601. In this way it is ensured that the temperature of the hydrogen supplied to the vehicle tank 10 reliably has the required setpoint temperature.

BezugszeichenlisteReference List

11
Vorrichtungcontraption
22
Druckspeichersystemaccumulator system
33
Druckbehälterpressure vessel
44
Druckbehälterpressure vessel
55
Druckbehälterpressure vessel
66
Druckgasleitungcompressed gas line
77
Zapfsäulepump
88th
Füllschlauchfilling hose
99
Füllpistolefilling gun
1010
Fahrzeugtankvehicle tank
1111
Fahrzeugvehicle
1212
Teilleitungpartial line
1313
Teilleitungpartial line
1414
Leitungsabschnittline section
1515
Wärmetauscherheat exchanger
1616
Vorratstankstorage tank
1717
LeitungManagement
1818
LeitungManagement
19a, 19b, 19c19a, 19b, 19c
VentilValve
2020
Steuereinheitcontrol unit
2121
Drucksensorpressure sensor
2222
Temperatursensortemperature sensor
2323
VentilValve
2424
VentilValve

Claims (6)

Vorrichtung zum Betanken eines Fahrzeugtanks mit komprimiertem, gasförmigen Wasserstoff, mit einem Druckspeichersystem (2) zum Lagern von komprimiertem gasförmigen Wasserstoff, einer Zapfsäule (7), die mit einer Füllleitung (8) samt Füllpistole (9) zum Herstellen einer Strömungsverbindung mit einem zu befüllenden Fahrzeugtank (10) ausgerüstet ist, einer ersten, eine Kühleinrichtung (15) durchlaufende Teilleitung (12) zum Fördern eines ersten Teilstroms an Wasserstoff aus dem Druckspeichersystem (2) zur Zapfsäule (7), einer zweiten Teilleitung (13) zum Fördern eines zweiten Teilstroms an Wasserstoff aus dem Druckspeichersystem (2) zur Zapfsäule (7), und eine Regeleinrichtung (20) zum Regeln des Mengenverhältnisses zwischen erstem und zweitem Teilstrom in Abhängigkeit von einer Temperatur des dem Fahrzeugtank (10) zugeführten Wasserstoffs.Device for filling up a vehicle tank with compressed, gaseous hydrogen, with a pressure storage system (2) for storing compressed gaseous hydrogen, a fuel pump (7) which is equipped with a filling line (8) including a filling gun (9) for establishing a flow connection with a tank to be filled vehicle tank (10), a first partial line (12) running through a cooling device (15) for conveying a first partial flow of hydrogen from the pressure storage system (2) to the petrol pump (7), a second partial line (13) for conveying a second partial flow of hydrogen from the pressure storage system (2) to the gas pump (7), and a control device (20) for controlling the quantitative ratio between the first and second partial flow depending on a temperature of the vehicle tank (10) supplied hydrogen. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühleinrichtung (15) einen mit einem kryogenen Medium in Wärmeverbindung stehenden Wärmetauscher umfasst.device after claim 1 , characterized in that the cooling device (15) comprises a heat exchanger in thermal communication with a cryogenic medium. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Druckspeichersystem (2) mehrere Druckbehälter (3, 4, 5) aufweist, in denen der Wasserstoff bei unterschiedlichen Drücken speicherbar ist.device after claim 1 or 2 , characterized in that the pressure storage system (2) has a plurality of pressure vessels (3, 4, 5) in which the hydrogen can be stored at different pressures. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dem Druckspeichersystem (2) einen Lagertank vorgeschaltet ist, in dem der Wasserstoff im verflüssigten Zustand und/oder bei einem niedrigeren Druck als im Druckbehälter bzw. in den Druckbehältern (3, 4, 5) gespeichert wird.Device according to one of the preceding claims, characterized in that the pressure storage system (2) is preceded by a storage tank in which the hydrogen is stored in the liquefied state and/or at a lower pressure than in the pressure container or in the pressure containers (3, 4, 5). is saved. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Druckspeichersystem (2) an eine Wasserstoffleitung angeschlossen ist.Device according to one of the preceding claims, characterized in that the pressure accumulator system (2) is connected to a hydrogen line. Verfahren zum Betanken eines Fahrzeugtanks mit komprimiertem, gasförmigen Wasserstoff, bei dem gasförmiger Wasserstoff unter Druck in einem Druckspeichersystem (2) gespeichert und zwecks Befüllung eines Fahrzeugstanks (10) einer Zapfsäule (7) zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass ein erster Teilstrom des der Zapfsäule (7) zugeführten Wasserstoffs einer Kühleinrichtung (15) zugeführt, dort in Kontakt mit einem kryogenen Medium gekühlt und anschließend zusammen mit einem zweiten, ungekühlten Teilstrom der Zapfsäule (7) zugeführt wird, wobei das Mengenverhältnis zwischen erstem und zweitem Teilstrom in Abhängigkeit von einer gemessenen Temperatur geregelt wird.Method for filling a vehicle tank with compressed, gaseous hydrogen, in which gaseous hydrogen is stored under pressure in a pressure storage system (2) and fed to a fuel pump (7) for the purpose of filling a vehicle tank (10), characterized in that a first partial flow of the fuel pump (7) supplied hydrogen to a cooling device (15), where it is cooled in contact with a cryogenic medium and then fed to the dispenser (7) together with a second, uncooled partial flow, with the quantitative ratio between the first and second partial flow depending on a measured temperature is regulated.
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