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Die vorgestellte Erfindung betrifft ein Betankungsverfahren zum Betanken eines Wasserstofftanks und ein Tanksystem zum Speichern von Wasserstoff gemäß den beigefügten Ansprüchen.
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Stand der Technik
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Tankventile für Wasserstofftanks umfassen in der Regel einen Betankungspfad, über den während der Betankung Wasserstoff in einen Gasspeicher bzw. einen Wasserstofftank geleitet wird, und einen Entnahmepfad, über den während eines Normalbetriebs Wasserstoff aus dem Wasserstofftank einem oder mehreren verbrauchenden Systemen zugeführt wird.
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Im Betankungspfad kann sich ein Hauptrückschlagventil befinden, das einen Gasstrom nur in Richtung des Wasserstofftanks zulässt und in Gegenrichtung schließt.
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Im Entnahmepfad kann sich ein elektrisch betätigtes Absperrventil (shut-off valve, SOV) befinden, das im Normalbetrieb elektrisch aktiviert ist und entsprechend offensteht. Da dabei üblicherweise ein großer Öffnungsquerschnitt freizugeben ist, wäre zum Öffnen des Absperrventils ein sehr leistungsstarker Aktor erforderlich, dessen Bauraumbedarf den zur Verfügung stehenden Bauraum normalerweise deutlich übersteigt. Deshalb sind derartige Absperrventile üblicherweise zweistufig ausgeführt. Dies bedeutet, dass ein Pilotventil vorgesehen ist, das einen geringen Sitzdurchmesser und Hub aufweist. Das Pilotventil ist durch eine Feder mit einer in Schließrichtung wirkenden Vorspannkraft belastet.
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Im Ruhezustand stützt sich das Pilotventil mit einem Ventilelement auf einem Hauptventil, d. h., einer zweiten Ventilstufe, ab, sodass die Vorspannkraft gleichermaßen auf die Ventilelemente des Pilot- und des Hauptventils jeweils in deren Schließrichtung wirkt.
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Neben dieser Federkraft wirken drei weitere pneumatische Kräfte auf das Ventilelement des Hauptventils. An einer stromaufwärts liegenden Stirnfläche des Hauptventilelements herrscht ein Steuerraumdruck. Dieser Druck bewirkt eine schließende Kraft auf das Hauptventilelement.
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Der Steuerraum ist mit einer Zuströmseite des Absperrventils über eine sehr enge erste Drossel verbunden.
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Bei geschlossenem Pilotventil herrscht im Steuerraum derselbe Druck wie auf der Zuströmseite des Absperrventils. Die stromabwärts liegende Fläche ist durch den Dichtsitz des Hauptventils in zwei Teilflächen unterteilt. Auf der außerhalb des Dichtsitzes liegenden Teilfläche liegt der stromaufwärts des Absperrventils herrschende Druck an und bewirkt über diese Teilfläche eine öffnende Kraft auf das Ventilelement. Auf die innerhalb des Dichtsitzes liegende Teilfläche wirkt dagegen der stromabwärts des Absperrventils herrschende Druck ein und bewirkt eine weitere öffnende Kraft auf das Ventilelement.
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Ist der Druck stromaufwärts des Absperrventils größer als stromabwärts und das Pilotventil wird nicht angesteuert, so überwiegt die schließende Kraft die öffnende Kraft und das Hauptventil wird in seinen Dichtsitz gepresst und bleibt geschlossen.
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Ist der Druck auf beiden Seiten des Absperrventils gleich groß und das Pilotventil wird nicht angesteuert, so heben sich die pneumatischen Kräfte in Schließ- und Öffnungsrichtung gegenseitig auf, die Vorspannkraft der Feder wirkt aber weiterhin in Schließrichtung auf beide Ventilelemente und hält die Ventile geschlossen.
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Ist das Pilotventil angesteuert und geöffnet, so wird der Steuerraum über das geöffnete Ventil und eine zweite Drossel mit der Abströmseite des Absperrventils verbunden. Dabei ist der Durchflussquerschnitt der zweiten Drossel üblicherweise deutlich höher als jener der ersten Drossel.
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Herrscht nun auf der Abströmseite des Absperrventils ein geringerer Druck als auf der Zuströmseite, so sinkt der Druck im Steuerraum erheblich unter den Druck an der Zuströmseite des Absperrventils ab, sodass mit diesem Druck auch die pneumatische Schließkraft auf das Hauptventilelement sinkt. Das Hauptventil öffnet und Gas kann nun über den geöffneten Hauptventilsitz aus dem Wasserstofftank zu den verbrauchenden Systemen fließen.
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Wird das Pilotventil wieder geschlossen, so steigt der Steuerraumdruck wieder auf den Druck an der Zuströmseite des Absperrventils an und die Federkraft bewirkt in der Folge auch das Schließen des Hauptventils.
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Im Betankungsfall ist das Absperrventil nicht angesteuert und auf der Abströmseite des Absperrventils wird von außen ein Druck angelegt. Übersteigt dieser Druck den Druck im Wasserstofftank, so öffnet das Hauptrückschlagventil im Betankungspfad. Da bei der Betankung ein erheblicher Massestrom an Wasserstoff über das Hauptrückschlagventil geführt wird, entsteht an diesem Ventil ein nennenswerter Druckabfall. Der Druck stromabwärts des Absperrventils wird dadurch größer als jener stromaufwärts des Absperrventils sowie im Steuerraum. Dadurch entsteht eine resultierende pneumatische Kraft in Öffnungsrichtung auf das Hauptventilelement. Übersteigt diese die Schließfederkraft, so öffnet das Hauptventil geringfügig, ohne dass das Absperrventil angesteuert wäre. In der Folge kann ein Teil des beim Tanken zugeführten Wasserstoffmassestroms rückwärts über das Absperrventil fließen.
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Da das beim Tanken zugeführte Medium auch Anteile an flüssigem Wasser enthalten kann und zudem der Wasserstoff in den engen Strömungsquerschnitten des leicht geöffneten Absperrventils lokal stark abkühlt, kann Wasser im Absperrventil zu Eis gefrieren und in der Folge das Absperrventil blockieren.
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Um dies zu verhindern, kann in Reihe zum Absperrventil stromabwärts desselben ein weiteres bzw. ein Zusatzrückschlagventil angeordnet sein. Dieses Zusatzrückschlagventil unterbindet eine Durchströmung des Entnahmepfads in Betankungsrichtung, lässt aber eine Durchströmung in Entnahmerichtung ohne großen Druckverlust zu.
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Nun liegt vor einem Betankungsvorgang der Ruhezustand vor und es herrscht überall ein Startdruck. Um den Betankungsvorgang einzuleiten, wird nun von außen auf der Abströmseite des Zusatzrückschlagventils und auf der Zuströmseite des Hauptrückschlagventils ein Druck angelegt, der größer als der Startdruck ist und ein Öffnen des Hauptrückschlagventils im Betankungspfad bewirkt. Nun wird ein durch die Tankstelle vorgegebener Wasserstoffmassestrom über das offene Hauptrückschlagventil zum Wasserstofftank geleitet, sodass der Druck im Wasserstofftank steigt. Durch diesen Massestrom entsteht ein Druckabfall am geöffneten Hauptrückschlagventil, sodass der Druck auf der Zuströmseite des Hauptrückschlagventils und damit auf der Abströmseite des Zusatzrückschlagventils nochmals höher als der Druck im Wasserstofftank ist.
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Der Betankungsvorgang wird fortgeführt, bis der Druck an der Zuströmseite des Hauptrückschlagventils einen Zielwert erreicht. Da während des Betankungsvorgangs sowohl das Zusatzrückschlagventil als auch das Absperrventil geschlossen sind, bleibt an der Abströmseite des Absperrventils und damit auch an der Zuströmseite des Zusatzrückschlagventils der anfängliche geringe Startdruck erhalten. Sowohl das Hauptventilelement des Absperrventils als auch das Ventilelement des Zusatzrückschlagventils werden folglich während des Betankungsvorgangs mit sehr hohen und immer weiter steigenden Kräften in ihren jeweiligen Dichtsitz gepresst. Dies stellt für diese Dichtsitze eine sehr hohe Belastung dar, für die sie zwar generell ausgelegt sind, die aber bei häufigerem Auftreten dennoch die zulässige Betriebsdauer des Tankventils negativ beeinträchtigen kann.
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Eine bekannte Lösung, diese hohe Sitzbelastung wiederum zu vermeiden, besteht darin, das Zusatzrückschlagventil durch ein Drosselrückschlagventil zu ersetzen. Es handelt sich damit nicht mehr um ein Rückschlagventil, sondern um ein Drosselventil. Ein solches Ventil dichtet in Rückwärtsrichtung nicht mehr ab, sondern stellt eine Drossel dar, während es in Vorwärtsrichtung den Gasstrom weitgehend ungehindert passieren lässt. Besonders vorteilhaft kann eine solche Bypass-Drossel in das Ventilelement des Drosselrückschlagventils integriert werden, sodass keine zusätzlichen Bauteile dafür benötigt werden.
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Während des Tankens herrscht nun stromabwärts des Absperrventils derselbe Druck wie stromaufwärts des Hauptrückschlagventils. Ist der Druckabfall am Hauptrückschlagventil so groß, dass das Hauptventil des Absperrventils öffnet, so öffnet es nur so weit, dass ein sehr geringer Gasstrom über die Reihenschaltung aus dem Drosselrückschlagventil und dem Absperrventil fließt.
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Durch den Druckabfall an der Drossel des Drosselrückschlagventils sinkt der Gasdruck am Ausgang des Absperrventils mit zunehmendem Volumenstrom mehr und mehr ab, sodass sich bei einem geringen, im Wesentlichen durch die Drossel des Drosselrückschlagventils bestimmten Gasstrom über das Absperrventil rückwärts ein Gleichgewicht einstellt.
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Entsprechend wird durch das Drosselrückschlagventil ein Gasstrom über das Absperrventil in Rückwärtsrichtung zwar nicht unterbunden, aber doch erheblich reduziert. Dadurch wird die Gefahr eines Eindringens von flüssigem Wasser in das Absperrventil und in der Folge eines Vereisens des Absperrventils deutlich reduziert. Ein Restrisiko bleibt bei dieser Lösung nach dem Stand der Technik jedoch bestehen.
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Offenbarung der Erfindung
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Im Rahmen der vorgestellten Erfindung werden ein Betankungsverfahren und ein Tanksystem vorgestellt. Weitere Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Betankungsverfahren beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Tanksystem und jeweils umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird bzw. werden kann.
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Die vorgestellte Erfindung dient insbesondere dazu, ein Durchströmen eines Absperrventils eines Tanksystems beim Betanken in Rückwärtsrichtung vollständig zu unterbinden, ohne dass dadurch eine hohe Sitzbelastung im Hauptventil des Absperrventils sowie im Zusatzrückschlagventil auftritt. Insbesondere dient die vorgestellte Erfindung dazu, jeweilige Dichtungen bzw. Dichtsitze eines Tanksystems zu schonen und, dadurch bedingt, ein besonders robustes Tanksystem bereitzustellen.
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Es wird somit gemäß einem ersten Aspekt der vorgestellten Erfindung ein Betankungsverfahren zum Betanken eines Wasserstofftanks vorgestellt.
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Das vorgestellte Betankungsverfahren umfasst das Zuführen von Wasserstoff in den Wasserstofftank über einen Betankungspfad eines Tankventils des Wasserstofftanks und das Öffnen eines Pilotventils eines im Entnahmepfad des Tankventils angeordneten Absperrventils, während ein Druck in dem Wasserstofftank ansteigt.
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Das vorgestellte Betankungsverfahren basiert auf dem Öffnen eines Pilotventils eines im Entnahmepfad des Tankventils angeordneten Absperrventils. Durch das Öffnen des Pilotventils strömt Gas aus dem Steuerraum des Absperrventils über dessen Ablaufdrossel in das Gasvolumen zwischen dem Absperrventil und dem Zusatzrückschlagventil ein. Dadurch gleicht sich der Druck in diesem Gasvolumen dem Druck im Wasserstofftank an. Da dieser wegen eines Druckabfalls an einem Hauptrückschlagventil etwas geringer ist als der Druck an der Abströmseite des Zusatzrückschlagventils, bleibt das Zusatzrückschlagventil aber stets geschlossen und es kann kein Gas über die Abströmseite in das Pilotventil des Absperrventils und damit in das Absperrventil an sich eindringen.
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Es kann vorgesehen sein, dass das Pilotventil derart geöffnet wird, dass Fluid aus einem ersten Raum zwischen dem Wasserstofftank und dem Pilotventil in einen zweiten Raum nach dem Pilotventil und vor einem in dem Entnahmepfad angeordneten Zusatzrückschlagventil strömt, sodass das Fluid eine Druckdifferenz zwischen dem zweiten Raum und einem dritten Raum minimiert, wobei der dritte Raum sich zwischen dem Zusatzrückschlagventil und einem in dem Entnahmepfad angeordneten Hauptrückschlagventil befindet.
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Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass das Pilotventil für einen Zeitraum zwischen 50 Millisekunden und 5 Sekunden, insbesondere zwischen 100 Millisekunden und 500 Millisekunden geöffnet wird.
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Durch ein kurzzeitiges während des gesamten Befüllens des Wasserstofftanks mit Wasserstoff wiederholtes Öffnen und Schließen des Pilotventils, insbesondere jeweils für eine Dauer von 200ms, kommt es nicht zu einem Öffnen des Hauptventils des Absperrventils. Selbst wenn es zu einem Öffnen des Hauptventils des Absperrventils kommen sollte, weil ein Ansteuerimpuls des Pilotventils etwas länger gewählt wurde und/oder weil das Volumen zwischen dem Absperrventil und dem Zusatzrückschlagventil etwas größer ist als üblich, was einen längeren Druckeinbruch im Steuerraum des Absperrventils verursachen würde, bliebe das Zusatzrückschlagventil geschlossen.
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Selbst bei offenem Hauptventil des Absperrventils kann der Druck zwischen Absperrventil und dem Zusatzrückschlagventil nie größer werden als jener im Wasserstofftank, während an einer Abströmseite des Zusatzrückschlagventils ein etwas höherer Betankungsdruck anliegt.
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Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass das Pilotventil wiederholt geöffnet und geschlossen wird.
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Ein Wiederholen der kurzen Ansteuerimpulse für das Pilotventil des Absperrventils während des gesamten Befüllens des Wasserstofftanks mit Wasserstoff bewirkt, dass sich über das Absperrventil und das Zusatzrückschlagventil jeweils maximal eine Druckdifferenz aufbauen kann, die so groß ist wie der Druckanstieg im Wasserstofftank während eines Zeitintervalls zwischen zwei Ansteuerimpulsen. Die Sitzbelastung für einen Dichtsitz des Hauptventils des Absperrventils und einen Dichtsitz des Zusatzrückschlagventils während des Befüllens des Wasserstofftanks mit Wasserstoff wird gegenüber einem Vorgang des Befüllens des Wasserstofftanks mit Wasserstoff ohne Öffnen des Pilotventils um ein Vielfaches reduziert. Entsprechend verlängert sich eine Lebensdauer der Dichtsitze signifikant.
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Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass das Pilotventil derart geöffnet wird, dass sich ein Hauptventil des Absperrventils nicht öffnet.
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Zum Verhindern des Öffnens des Hauptventils des Absperrventils kann eine Dauer eines Ansteuerimpulses für das Pilotventil derart gewählt werden, dass sich das Pilotventil öffnet, es jedoch zu keiner Bewegung des Hauptventils des Absperrventils kommt. Dazu hat sich insbesondere eine Dauer von 200ms als geeignet erwiesen.
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Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass das Pilotventil während des Befüllens des Wasserstofftanks mit Wasserstoff dauerhaft geöffnet wird.
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Durch ein dauerhaftes Öffnen des Pilotventils während des Befüllens des Wasserstofftanks mit Wasserstoff folgt ein Druck im Volumen zwischen Absperrventil und dem Zusatzrückschlagventil einem langsam ansteigenden Druck im Wasserstofftank kontinuierlich. In diesem Fall kann zwar ein Öffnen auch des Hauptventils des Absperrventils nicht mehr ausgeschlossen werden, das Zusatzrückschlagventil bleibt aber in jedem Fall geschlossen, sodass ein Betankungsgasstrom zu 100% über den Betankungspfad mit einem Hauptrückschlagventil geleitet wird. Entsprechend fließt lediglich ein Gasstrom in Vorwärtsrichtung über das Pilotventil und ggf. teilweise auch über ein Hauptventil des Absperrventils, der für den langsamen Druckaufbau zwischen dem Absperrventil und dem Zusatzrückschlagventil benötigt wird. Dieser Gasstrom wird nicht aus dem Betankungsgasstrom abgezweigt, sondern aus dem Wasserstofftank entnommen. Er steht zum Betankungsgasstrom im selben Verhältnis wie das Gasvolumen zwischen dem Absperrventil und dem Zusatzrückschlagventil zum Gasvolumen im Wasserstofftank. Eine Vereisungsgefahr besteht hier in keinem Fall.
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Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass das Pilotventil zu einem vorgegebenen Zeitpunkt nach Beginn des Zuführens von Wasserstoff in den Wasserstofftank geöffnet wird.
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Ein vorgegebener Zeitraum, wie bspw. 200ms, der nach einem Beginn des Zuführens von Wasserstoff in den Wasserstofftank vergeht, bis das Pilotventil geöffnet wird, ermöglicht einen Aufbau eines Drucks in dem Betankungspfad des Tankventils, sodass das Pilotventil nach einem Ansteuerungsimpuls wieder schließt.
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Gemäß einem zweiten Aspekt betrifft die vorgestellte Erfindung ein Tanksystem zum Speichern von Wasserstoff.
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Das vorgestellte Tanksystem umfasst einen Wasserstofftank, ein Tankventil und eine Recheneinheit, wobei das Tankventil einen Betankungspfad und einen Entnahmepfad umfasst, wobei in dem Betankungspfad ein Hauptrückschlagventil angeordnet ist, wobei in dem Entnahmepfad ein Absperrventil und ein Zusatzrückschlagventil angeordnet sind, wobei das Absperrventil ein Pilotventil und ein Hauptventil umfasst, und wobei die Recheneinheit dazu konfiguriert ist, bei einem Betankungsvorgang zum Befüllen des Wasserstofftanks mit Wasserstoff, das Pilotventil zu öffnen, während ein Druck in dem Wasserstofftank ansteigt.
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Das vorgestellte Tanksystem dient insbesondere zum Durchführen des vorgestellten Betankungsverfahrens.
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Entsprechend kann vorgesehen sein, dass die Recheneinheit dazu konfiguriert ist, das Pilotventil gemäß einer möglichen Ausgestaltung des vorgestellten Betankungsverfahrens zu öffnen.
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Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass die Recheneinheit dazu konfiguriert ist, eine Schließbewegung des Pilotventils freizugeben, sobald das Befüllen des Wasserstofftanks mit Wasserstoff beendet ist.
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Zum Freigeben einer Schließbewegung des Pilotventils kann bspw. ein Ansteuerungsimpuls zum Ansteuern des Pilotventils unterbrochen werden.
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Vorteile, die zu dem Betankungsverfahren zum Betanken eines Wasserstofftanks gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung ausführlich beschrieben werden, gelten gleichermaßen bei dem Tanksystem zum Speichern von Wasserstoff gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung im Einzelnen beschrieben sind. Dabei können die in den Ansprüchen und in der Beschreibung erwähnten Merkmale jeweils einzeln für sich oder in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein.
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Zeichnungen
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Es zeigen:
- 1 eine mögliche Ausgestaltung des vorgestellten Betankungsverfahrens,
- 2 eine mögliche Ausgestaltung des vorgestellten Tanksystems.
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Beschreibung der Ausführungsbeispiele
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In 1 ist ein Betankungsverfahren 100 zum Betanken eines Wasserstofftanks dargestellt.
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Das Betankungsverfahren 100 umfasst einen Betankungsschritt 101, bei dem Wasserstoff in den Wasserstofftank über einen Betankungspfad eines Tankventils des Wasserstofftanks eingeleitet wird.
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Ferner umfasst das Betankungsverfahren 100 einen Öffnungsschritt 103, bei dem ein Pilotventil eines im Entnahmepfad des Tankventils angeordneten Absperrventils geöffnet wird, während ein Druck in dem Wasserstofftank ansteigt.
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In 2 ist ein Tanksystem 200 zum Speichern von Wasserstoff dargestellt.
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Das Tanksystem 200 umfasst einen Wasserstofftank 201, ein Tankventil 203 und eine Recheneinheit 205.
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Das Tankventil 203 wiederum umfasst einen Betankungspfad 207 und einen Entnahmepfad 209, wobei in dem Betankungspfad 207 ein Hauptrückschlagventil 211 angeordnet ist und in dem Entnahmepfad 209 ein Absperrventil 213 und ein Zusatzrückschlagventil 215 angeordnet sind.
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Das Absperrventil 213 umfasst ein Pilotventil 217 und ein Hauptventil 219.
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Die Recheneinheit 205 ist dazu konfiguriert, bei einem Betankungsvorgang zum Befüllen des Wasserstofftanks 201 mit Wasserstoff, das Pilotventil 217 zu öffnen, während ein Druck in dem Wasserstofftank 201 ansteigt. Dadurch strömt Gas aus einem Steuerraum des Absperrventils 213 über dessen Ablaufdrossel in ein Gasvolumen zwischen dem Absperrventil 213 und dem Zusatzrückschlagventil 215 ein. Dadurch gleicht sich der Druck in diesem Gasvolumen dem Druck im Wasserstofftank 201 an. Da dieser Druck wegen eines Druckabfalls an dem Hauptrückschlagventil 211 etwas geringer ist als ein Druck an der Abströmseite des Zusatzrückschlagventils 215, bleibt das Zusatzrückschlagventil 215 aber stets geschlossen und es kann kein Gas über die Abströmseite in das Pilotventil 217 des Absperrventils 213 und damit in das Absperrventil 213 an sich eindringen. Entsprechend wird eine Vereisung des Absperrventils 213 beim Befüllen des Wasserstofftanks 201 mit Wasserstoff verhindert.