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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Tanksystem für Wasserstoffanwendungen. Weiterhin findet das Tanksystem in einer Brennstoffzellenanordnung oder in einem Wasserstoff-Verbrennungsmotor-System Anwendung. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Fahrzeug mit Brennstoffzellenantrieb und ein wasserstoffbetriebenes Fahrzeug. Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Messung einer mittleren Temperatur in einem Tanksystem.
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Stand der Technik
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Die
DE 10 2017 212 485 A1 beschreibt eine Einrichtung zur Speicherung von verdichteten Fluiden, die als Kraftstoff für ein Fahrzeug dienen, wobei die Einrichtung mindestens zwei rohrförmige Tankbehälter und mindestens einen Hochdruckkraftstoffzuteiler mit mindestens einer integrierten Regel- und Sicherheitstechnik umfasst.
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Für eine schnelle und sichere Befüllung der Einrichtung mit den verdichteten Fluiden, beispielsweise Wasserstoff, um diesen beispielsweise einem Verbrauchersystem wie einer Brennstoffzellenanordnung oder einem Wasserstoff-Verbrennungsmotorsystem zur Verfügung zu stellen, ist die präzise Bestimmung beispielsweise der Temperatur oder des Drucks von Vorteil. Diese Größen beeinflussen die Einströmrate in die Einrichtung und somit die Geschwindigkeit der Befüllung.
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Weiterhin ist für eine sichere Befüllung eine ständige Überwachung beispielsweise der Temperatur von Vorteil, da die Einrichtung zur Speicherung von verdichteten Fluiden typischerweise auf Temperaturen für kohlefaserverstärkte Behälter ausgelegt ist, welche 85 Grad Celsius nicht überschreiten dürfen. Während der Befüllung mit Wasserstoff sind jedoch aufgrund des negativen Joule-Thomson-Effekts Temperaturschwankungen möglich, welche bei Temperaturüberschreitungen beispielsweise oberhalb von 85 Grad Celsius zu Schäden an der Einrichtung führen können. Daher wird der Wasserstoff vor der Befüllung durch die Tankstelle auf -40 Grad Celsius heruntergekühlt, um eine Überhitzung der Behälter zu minimieren. Die dann tatsächlich vorherrschende Temperatur in dem Behälter hängt von Tanktemperatur, Tankdruck, aber auch der Außentemperatur ab.
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Für die Messung der Temperatur wird bisher auf konventionelle Thermoelemente oder Messwiderstände zurückgegriffen. So kann allerdings lediglich die Temperatur in der unmittelbaren Umgebung des Temperatursensors ermittelt werden. Aufgrund der stark variierenden Temperatur innerhalb des Behälters während der Betankung ist jedoch die Messung der Temperatur über ein größeres Volumen innerhalb des Behälters erstrebenswert.
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Zusätzlich folgt das Messsignal der konventionellen Sensorik der realen Temperatur nur stark verzögert. Dies wird durch die Wärmekapazität und die begrenzte Wärmeleitfähigkeit des Sensor-Materials selbst verursacht. Weiterhin wird dies in der mobilen Anwendung aufgrund der unvermeidbaren Schwingungsbelastung und der daraus resultierenden mechanischen Auslegung eines solchen Sensors verstärkt.
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Vorteile der Erfindung
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Das erfindungsgemäße Tanksystem mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 weist demgegenüber den Vorteil auf, dass durch die Anwendung eines alternativen Sensorkonzepts eine präzise und schnelle Messung der Tanktemperatur, insbesondere während der Betankung des Tanksystems, erzielt wird.
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Dazu weist das Tanksystem wenigstens einen Tankbehälter zur Speicherung von Wasserstoff und eine Ventilanordnung auf. Der mindestens eine Tankbehälter und die Ventilanordnung stehen in Wirkzusammenhang und sind miteinander fluidisch verbunden. Der mindestens eine Tankbehälter weist einen Tankbehälterinnenraum auf, welcher Tankbehälterinnenraum mittels der Ventilanordnung mit Wasserstoff befüllbar ist. Das Tanksystem weist außerdem ein Sensorelement zum Messen der Temperatur innerhalb des Tankbehälterinnenraums auf. Darüber hinaus umfasst das Sensorelement ein Schall-Wandlerelement.
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So kann in effizienter Weise die Temperatur innerhalb des Tankbehälterinnenraums nahezu verzögerungsfrei ermittelt werden. Weiterhin wird so auch die Temperatur an verschiedenen Stellen innerhalb des Tankbehälterinnenraums berücksichtigt und so eine mittlere Temperatur des Tankbehälterinnenraums ermittelt.
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In erster vorteilhafter Weiterbildung ist es vorgesehen, dass das Schall-Wandlerelement ein Ultraschall-Wandlerelement ist.
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In vorteilhafter Weiterbildung ist es vorgesehen, dass das Schall-Wandlerelement mehrteilig ausgebildet ist, wobei das Schall-Wandlerelement einen Sender zum Senden eines Schallsignals und einen Empfänger zum Empfangen eines Schallsignals umfasst. So kann beispielsweise eine Komponente des Schall-Wandlerelements als Sender und eine andere Komponente des Schall-Wandlerelements als Empfänger ausgebildet sein.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist es vorteilhaft vorgesehen, dass der Tankbehälter an einem der Ventilanordnung gegenüberliegenden Ende ein Endplugelement aufweist, in welchem Endplugelement das Schall-Wandlerelement angeordnet ist.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist es vorteilhaft vorgesehen, dass das Schall-Wandlerelement in der Ventilanordnung angeordnet ist.
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In vorteilhafter Weiterbildung ist es vorgesehen, dass das Schall-Wandlerelement in einem Wandbereich des Tankbehälters angeordnet ist.
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So kann in konstruktiv einfacher Weise das Schall-Wandlerelement in das Tanksystem integriert und eine kompakte Bauweise des Tanksystems erzielt werden.
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Das beschriebene Tanksystem eignet sich vorzugsweise in einer Brennstoffzellenanordnung zur Speicherung von Wasserstoff für den Betrieb einer Brennstoffzelle.
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Das beschriebene Tanksystem eignet sich vorzugsweise in einem Wasserstoff-Verbrennungsmotorsystem zur Speicherung von Wasserstoff für den Betrieb eines Wasserstoff-Verbrennungsmotors.
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In vorteilhaften Verwendungen kann das Tanksystem in Fahrzeugen mit einem Brennstoffzellenantrieb verwendet werden.
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In vorteilhaften Verwendungen kann das Tanksystem in Fahrzeugen mit einem Wasserstoffantrieb verwendet werden.
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Weiterhin umfasst die Erfindung ein Verfahren zur Messung einer mittleren Temperatur in einem oben beschriebenen Tanksystem, mit den folgenden Schritten:
- a. Ermitteln des Gas-Drucks innerhalb des Tankbehälters und der Schallgeschwindigkeit eines vom Schall-Wandlerelement abgegebenen Schallsignals;
- b. Bestimmen der Gas-Temperatur innerhalb des Tankbehälters aus dem ermittelten Gas-Druck und der Schallgeschwindigkeit aus Schritt a und hinterlegten Referenzwerten für den Zusammenhang zwischen Schallgeschwindigkeit, Gas-Druck und Gas-Temperatur und/oder einem physikalischen Modell für den Zusammenhang zwischen Schallgeschwindigkeit, Gas-Druck und Gas-Temperatur.
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In vorteilhafter Weiterbildung wird die Schallgeschwindigkeit des vom Schall-Wandlerelement abgegebenen Schallsignals über eine Laufzeitmessung mit den folgenden Schritten ermittelt:
- a. Aussenden eines kurzen pulsartigen Schallsignals in den Tankbehälter durch das Schall-Wandlerelement;
- b. Aufnehmen des Schallsignals durch das Schall-Wandlerelement nach Reflexion an einer dem Schall-Wandlerelement gegenüberliegenden Element;
- c. Ermitteln einer Laufzeit des Schallsignals über die Zeitdifferenz zwischen dem Aussenden des Schallsignals und dem Aufnehmen des Schallsignals;
- d. Bestimmen der Schallgeschwindigkeit des Schallsignals mittels der ermittelten Laufzeit aus Schritt c und einer Geometrie des Tankbehälters.
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In vorteilhafter Weiterbildung wird die Schallgeschwindigkeit des vom Schall-Wandlerelement abgegebenen Schallsignals über eine gepulste Resonanzfrequenz-Messung mit den folgenden Schritten ermittelt:
- a. Aussenden eines Schallsignals mit breitbandigem Frequenzspektrum in den Tankbehälter durch das Schall-Wandlerelement für eine vorgegebene Zeitspanne;
- b. Erfassen des nach Ende der Zeitspanne vorherrschenden Frequenzspektrums im abklingenden Schallfeld in dem Tankbehälter durch das Schall-Wandlerelement;
- c. Ermitteln einer Resonanzfrequenz im abklingenden Schallfeld des Tankbehälters.
- d. Bestimmen der Schallgeschwindigkeit des Schallsignals mittels der ermittelten Resonanzfrequenz aus Schritt c und einer Geometrie des Tankbehälters.
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In vorteilhafter Weiterbildung wird die Schallgeschwindigkeit des vom Schall-Wandlerelement abgegebenen Schallsignals über eine Resonanzfrequenz-Messung mit den folgenden Schritten ermittelt:
- a. Aussenden eines kontinuierlichen Schallsignals in den Tankbehälter durch das Schall-Wandlerelement;
- b. Erfassen der Resonanzfrequenz in dem Tankbehälter mittels Variierens der Schallfrequenz des Schallsignals und der Auswertung der eingekoppelten Leistung;
- c. Bestimmen der Schallgeschwindigkeit des Schallsignals mittels der erfassten Resonanzfrequenz aus Schritt b und einer Geometrie des Tankbehälters.
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So kann mittels eines alternativen Sensorkonzepts zur Ermittlung der Temperatur innerhalb des Tanksystems durch die Schallgeschwindigkeit die Temperatur des Wasserstoffs ermittelt werden. Weiterhin ist durch die Ausbreitung des Schallsignals in dem gesamten Tankbehälterinnenraum nahezu in Echtzeit die mittlere Temperatur des Wasserstoffs in dem Tankbehälter ermittelbar. Bei dem Schallsignal handelt es sich in einer bevorzugten Ausführung um ein Ultraschall-Signal.
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Weiterhin betrifft die Erfindung eine Speichereinheit eingerichtet zur Durchführung des oben beschriebenen Verfahrens, wobei in der Speichereinheit die Referenzwerte für den Zusammenhang zwischen Schallgeschwindigkeit, Gas-Druck und Gas-Temperatur hinterlegt sind.
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Bei der Speichereinheit kann es sich beispielsweise um ein Steuergerät handeln, insbesondere das Steuergerät des Tanksystems oder das Steuergerät des Verbrauchersystems, wie beispielsweise die Brennstoffzellenanordnung oder das Wasserstoff-Verbrennungsmotorsystem.
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In einer alternativen Ausführung kann die Speichereinheit bzw. das Steuergerät auch integraler Bestandteil des Sensorelements selbst sein.
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Kurze Beschreibung der Zeichnung
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Anhand der Zeichnung wird die Erfindung nachstehend eingehender beschrieben.
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Es zeigt:
- 1a eine schematische Draufsicht eines erfindungsgemäßen Tanksystems in einer ersten Ausführungsform,
- 1b eine schematische Draufsicht eines erfindungsgemäßen Tanksystems in einer zweiten Ausführungsform,
- 1c eine schematische Draufsicht eines erfindungsgemäßen Tanksystems in einer dritten Ausführungsform,
- 2 Ablaufplan eines erfindungsgemäßen Verfahrens,
- 3 Ablaufplan eines erfindungsgemäßen Verfahrens,
- 4 Ablaufplan eines erfindungsgemäßen Verfahrens,
- 5 Ablaufplan eines erfindungsgemäßen Verfahrens,
- 6 wasserstoffbetriebenes Fahrzeug mit einer Brennstoffzellenanordnung oder einem Wasserstoff-Verbrennungsmotorsystem mit einem erfindungsgemäßen Tanksystem in vereinfachter schematischer Ansicht.
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Alle Figuren sind lediglich schematische Darstellungen des erfindungsgemäßen Tanksystems bzw. seiner Bestandteile gemäß Ausführungsbeispielen der Erfindung. Insbesondere Abstände und Größenrelationen sind in den Figuren nicht maßstabsgetreu wiedergegeben.
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Beschreibung der Ausführungsbeispiele
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1a zeigt eine schematische Draufsicht auf ein erfindungsgemäßes Tanksystem 100 für Wasserstoffanwendungen in einer ersten Ausführungsform. Das Tanksystem 100 weist in diesem Ausführungsbeispiel einen Tankbehälter 200 mit einer Längsachse 400 zur Speicherung von Wasserstoff auf. In einer alternativen Ausführung kann das Tanksystem 100 mehrere Tankbehälter 200 aufweisen, welche über eine Verbindungsleitung in fluidischem Kontakt stehen können.
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Weiterhin weist der Tankbehälter 200 eine Ventilanordnung 5 auf, welche mit dem Tankbehälter 200 in Wirkzusammenhang steht und welche miteinander fluidisch verbunden sind. Die Ventilanordnung 5 ist dabei in einem Halsbereich 26 des Tankbehälters 200 integriert und ragt in einen Tankbehälterinnenraum 20 des Tankbehälters 200 hinein. Über die Ventilanordnung 5 ist der Tankbehälterinnenraum 20 mit Wasserstoff beispielsweise von einer externen Tankstelle befüllbar. Weiterhin kann über die Ventilanordnung 5 Wasserstoff aus dem Tankbehälterinnenraum 20 in Richtung eines Verbrauchersystems, beispielsweise einer Brennstoffzellenanordnung 70 oder einem Wasserstoff-Verbrennungsmotorsystem 71, geleitet werden.
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An einem der Ventilanordnung 20 gegenüberliegenden Ende 25 weist der Tankbehälter 200 ein Endplugelement 9 auf. In diesem Endplugelement 9 ist ein Sensorelement 8 integriert. Das Sensorelement 8 umfasst zur Messung der Temperatur innerhalb des Tankbehälters 200 ein Schall-Wandlerelement 80. In alternativen Ausführungen ist kann es vorgesehen sein, dass das Schall-Wandlerelement 80 mehrteilig ausgebildet ist, wobei das Schall-Wandlerelement 80 einen Sender zum Senden eines Schallsignals und einen Empfänger zum Empfangen eines Schallsignals umfasst. So kann beispielsweise eine Komponente des Schall-Wandlerelements 80 als Sender und eine andere Komponente des Schall-Wandlerelements 80 als Empfänger ausgebildet sein.
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Weiterhin handelt es sich hier bei dem Schall-Wandlerelement 80 um ein Ultraschall-Wandlerelement.
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1b zeigt eine schematische Draufsicht auf ein erfindungsgemäßes Tanksystem 100 für ein wasserstoffbetriebenes Fahrzeug in einer zweiten Ausführungsform. Die zweite Ausführungsform entspricht im Wesentlichen der ersten Ausführungsform aus 1a. Sie unterscheiden sich lediglich in der Anordnung des Sensorelements 8 umfassend das Schall-Wandlerelement 80. In der zweiten Ausführungsform ist das Sensorelement 8 umfassend das Schall-Wandlerelement 80 in der Ventilanordnung 5 integriert.
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1c zeigt eine schematische Draufsicht auf ein erfindungsgemäßes Tanksystem 100 für ein wasserstoffbetriebenes Fahrzeug in einer dritten Ausführungsform. Die dritte Ausführungsform entspricht im Wesentlichen der ersten Ausführungsform aus 1a. Sie unterscheiden sich lediglich in der Anordnung des Sensorelements 8 umfassend das Schall-Wandlerelement 80. In der dritten Ausführungsform ist das Sensorelement 8 umfassend das Schall-Wandlerelement 80 in einem Wandbereich 202 des Tankbehälters 200 integriert.
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Die Funktionsweise des Sensorelements 8 umfassend das Schall-Wandlerelement 80 ist wie folgt: Zur Messung einer mittleren Temperatur in dem Tanksystem 100 wird im Folgenden ein Verfahren 500 mit den folgenden Schritten, wie auch in 2 als Ablaufplan gezeigt, vorgestellt:
- a. Ermitteln 40 des Gas-Drucks innerhalb des Tankbehälters 200 und der Schallgeschwindigkeit eines vom Schall-Wandlerelement 80 abgegebenen Schallsignals;
- b. Bestimmen 41 der Gas-Temperatur innerhalb des Tankbehälters 200 aus dem ermittelten Gas-Druck und der Schallgeschwindigkeit aus Schritt a und hinterlegten Referenzwerten für den Zusammenhang zwischen Schallgeschwindigkeit, Gas-Druck und Gas-Temperatur und/oder einem physikalischen Modell für den Zusammenhang zwischen Schallgeschwindigkeit, Gas-Druck und Gas-Temperatur.
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Bei Verwendung eines physikalischen Modells für den Zusammenhang zwischen der Schallgeschwindigkeit, dem Gas-Druck und der Gas-Temperatur werden die Referenzwerte erst zur Laufzeit des physikalischen Modells bzw. aktuell ermittelt.
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Die Schallgeschwindigkeit des vom Schall-Wandlerelement 80 abgegebenen Schallsignals wird beispielsweise, wie in 3 als Ablaufplan gezeigt, über eine Laufzeitmessung mit den folgenden Schritten ermittelt:
- a. Aussenden 42 eines kurzen pulsartigen Schallsignals in den Tankbehälter 200 durch das Schall-Wandlerelement 80;
- b. Aufnehmen 43 des Schallsignals durch das Schall-Wandlerelement 80 nach Reflexion an einer dem Schall-Wandlerelement 80 gegenüberliegenden Element;
- c. Ermitteln 44 einer Laufzeit des Schallsignals über die Zeitdifferenz zwischen dem Aussenden des Schallsignals und dem Aufnehmen des Schallsignals;
- d. Bestimmen 45 der Schallgeschwindigkeit des Schallsignals mittels der ermittelten Laufzeit aus Schritt c und einer Geometrie des Tankbehälters 200.
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Das dem Schall-Wandlerelement 80 gegenüberliegenden Element kann dabei die Innenwand des Tankbehälters 200 oder auch ein an der Innenwand des Tankbehälters 200, in dem Endplugelement 9 angeordnetes oder in den Tankbehälter 200 hineinragendes Spiegelelement sein.
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In einer alternativen Ausführung kann die Schallgeschwindigkeit des vom Schall-Wandlerelement 80 abgegebenen Schallsignals beispielsweise, wie in 4 als Ablaufplan gezeigt, über eine gepulste Resonanzfrequenz-Messung mit den folgenden Schritten ermittelt werden:
- a. Aussenden 46 eines Schallsignals mit breitbandigem Frequenzspektrum in den Tankbehälter 200 durch das Schall-Wandlerelement 80 für eine vorgegebene Zeitspanne;
- b. Erfassen 47 des nach Ende der Zeitspanne vorherrschenden Frequenzspektrums im abklingenden Schallfeld in dem Tankbehälter 200 durch das Schall-Wandlerelement 80;
- c. Ermitteln 48 einer Resonanzfrequenz im abklingenden Schallfeld des Tankbehälters 200.
- d. Bestimmen 49 der Schallgeschwindigkeit des Schallsignals mittels der ermittelten Resonanzfrequenz aus Schritt c und einer Geometrie des Tankbehälters 200.
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In einer alternativen Ausführung kann die Schallgeschwindigkeit des vom Schall-Wandlerelement 80 abgegebenen Schallsignals beispielsweise, wie in 5 als Ablaufplan gezeigt, über eine Resonanzfrequenz-Messung mit den folgenden Schritten ermittelt werden:
- a. Aussenden 50 eines kontinuierlichen Schallsignals in den Tankbehälter 200 durch das Schall-Wandlerelement 80;
- b. Erfassen 51 der Resonanzfrequenz in dem Tankbehälter 200 mittels Variieren der Schallfrequenz des Schallsignals und der Auswertung der eingekoppelten Leistung;
- c. Bestimmen 52 der Schallgeschwindigkeit des Schallsignals mittels der erfassten Resonanzfrequenz aus Schritt b und einer Geometrie des Tankbehälters 200.
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Die Referenzwerte für den Zusammenhang zwischen Schallgeschwindigkeit, Gas-Druck und Gas-Temperatur sind beispielsweise in einer Speichereinheit 12 hinterlegt. Bei der Speichereinheit 12 kann es sich beispielsweise um ein Steuergerät handeln, insbesondere das Steuergerät des Tanksystems 100 oder das Steuergerät des Verbrauchersystems, wie beispielsweise die Brennstoffzellenanordnung 70 oder das Wasserstoff-Verbrennungsmotorsystem 71.
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In einer alternativen Ausführung kann die Speichereinheit 12 bzw. das Steuergerät auch integraler Bestandteil des Sensorelements selbst sein.
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Bei dem Schallsignal handelt es sich in einer bevorzugten Ausführung um ein Ultraschall-Signal.
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6 zeigt in vereinfachter schematischer Ansicht ein wasserstoffbetriebenes Fahrzeug 72, welches beispielsweise mit einer Brennstoffzellenanordnung 70, ein brennstoffzellenbetriebenes Fahrzeug 73, oder einem Wasserstoff-Verbrennungsmotorsystem 71 betrieben werden kann. Die Brennstoffzellenanordnung 70 bzw. das Wasserstoff-Verbrennungsmotorsystem 71 weist für die Bereitstellung von Wasserstoff das erfindungsgemäße Tanksystem 100 auf.
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Neben den oben beschriebenen mobilen Einsatzgebieten kann das oben beschriebene Tanksystem 100 auch bei stationären Anwendungen wie beispielsweise SOFC (Solid Oxide Fuel Cell, Festoxid-Brennstoffzelle) - Anwendungen oder auch Elektrolyse-Anwendungen als möglicher Speicher bei der Erzeugung von Wasserstoff eingesetzt werden. Darüber hinaus ist ein Einsatz des erfindungsgemäßen Tanksystems 100 in der Schifffahrt oder in Flugzeugen ebenfalls möglich.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102017212485 A1 [0002]