Titel

Speichersystem zum Speichern von Wasserstoff und Herstellungsverfahren zu dessen Herstellung

Die vorgestellte Erfindung betrifft ein Speichersystem zum Speichern von Wasserstoff und ein Herstellungsverfahren zur Herstellung eines Speichersystems zum Speichern von Wasserstoff.

Stand der Technik

Speichersysteme zum Speichern von Wasserstoff für bspw. Brennstoffzellensysteme, die in beengten Bauräumen, wie bspw. in einem Fahrzeug angeordnet werden, umfassen in der Regel Speicher in verschiedenen Größen mit entsprechenden unterschiedlichen Speichervolumina.

Beim Befüllen bzw. Betanken von Speichersystem mit Speichern unterschiedlicher Größe kommt es häufig zu Situationen, in denen ein jeweilig kleinster Speicher bereits vollständig gefüllt ist und ein jeweilig größerer Speicher noch befüllt wird. Entsprechend kann es bei einem nicht vollständigen Befüllungsvorgang zu Situationen kommen, in denen ein Speicher voll und ein weiterer Speicher nur teilweise gefüllt ist, sodass eine Beurteilung eines Füllstands des Speichersystems nur schwer bzw. ungenau möglich ist.

Weiterhin ergeben sich durch unterschiedliches Befüllungsverhalten verschiedener Speicher eines Speichersystems Probleme, da eine Zeit zum Befüllen des Speichersystems nicht minimal ist oder lediglich eine teilweise Füllung bei einer vorgegebenen Befüllungsdauer erreicht wird. Ferner können sich durch unterschiedlich gefüllte Speicher Probleme durch funktionale Einschränkungen, wie bspw. eine verlängerte Startbereitschaftszeit aufgrund von verzögerten Öffnungszeiten von Ventilen der verschiedenen Speicher ergeben.

Offenbarung der Erfindung

Im Rahmen der vorgestellten Erfindung werden ein Speichersystem und ein Herstellungsverfahren zum Herstellen des Speichersystems 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 Herstellungsverfahren beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Speichersystem und jeweils umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird bzw. werden kann.

Die vorgestellte Erfindung dient insbesondere dazu, ein Speichersystem für Wasserstoff bereitzustellen, dass schnell zu befüllen ist.

Es wird somit gemäß einem ersten Aspekt der vorgestellten Erfindung ein Speichersystem zum Speichern von Wasserstoff vorgestellt. Das Speichersystem umfasst einen ersten Speicher, mindestens einen weiteren Speicher, eine zentrale Füllschnittstelle, einen ersten Versorgungspfad, der den ersten Speicher mit der Füllschnittstelle verbindet und mindestens einen weiteren Versorgungspfad, der den mindestens einen weiteren Speicher mit der Füllschnittstelle verbindet.

Ein Speichervolumen des ersten Speichers unterscheidet sich von einem Speichervolumen des mindestens einen weiteren Speichers, wobei der erste Versorgungspfad dazu konfiguriert ist, einen ersten Massenstrom zu dem ersten Speicher zu leiten, der proportional zu dem Speichervolumen des ersten Speichers ist, und der mindestens eine weitere Versorgungspfad dazu konfiguriert ist, mindestens einen weiteren Massenstrom zu dem mindestens einen weiteren Speicher zu leiten, der proportional zu dem Speichervolumen des mindestens einen weiteren Speichers ist.

Unter einem Speicher ist im Kontext der vorgestellten Erfindung ein Fluidspeicher zum Speichern von Wasserstoff zu verstehen. Ein Speicher kann bspw. eine Druckgasflasche bzw. ein Druckgastank sein.

Unter einem Versorgungspfad ist im Kontext der vorgestellten Erfindung eine fluidleitende Verbindung eines Speichers mit einer Füllschnittstelle zu verstehen. Ein Versorgungspfad umfasst daher eine Anzahl Leitungen zum Leiten eines durch die Füllschnittstelle bereitzustellenden Wasserstoffstroms und, optional, eine Anzahl Drosseln, wie bspw. Ventile zum Drosseln bzw. Reduzieren eines durch die Leitungen strömenden Massenstroms.

Die vorgestellte Erfindung basiert auf dem Prinzip, dass unterschiedliche große Speicher eines Speichersystems bei einem Befüllungsvorgang mit unterschiedlichen starken Massenströmen befüllt werden, sodass die unterschiedlich großen Speicher sich zeitgleich bzw. gleichmäßig füllen.

Zum Einstellen eines einem jeweiligen Speicher zugeführten Massenstroms ist ein dem jeweiligen Speicher zugeordneter Versorgungspfad proportional zu dem Speichervolumen des jeweiligen Speichers ausgestaltet. Dies bedeutet, dass der jeweilige Versorgungspfad bei einem Befüllungsvorgang einen Massenstrom bedingt, der sich proportional zu einem Speichervolumen des jeweiligen Speichers verhält. Insbesondere ist der Durchmesser des jeweiligen Versorgungspfads, d. h., der Durchmesser der Leitungen eines jeweiligen Versorgungspfads, proportional zu einem Speichervolumen des jeweiligen Speichers. Je größer das Speichervolumen eines Speichers, je größer die Summe der Durchmesser der Leitungen des Versorgungspfads für diesen Speicher. Entsprechend werden größere Speicher bzw. Speicher mit größerem Speichervolumen schneller befüllt als kleinere Speicher bzw. Speicher mit kleinerem Speichervolumen, sodass sich ein Befüllungsverhalten verschieden großer Speicher angleicht und die verschiedenen Speicher sich gleichzeitig und mit einer gleichen Füllungsrate füllen. Es kann vorgesehen sein, dass der erste Versorgungspfad ein erstes Speicherventil umfasst, und der mindestens eine weitere Versorgungspfad mindestens ein weiteres Speicherventil umfasst, wobei das erste Speicherventil dazu konfiguriert ist, den Massenstrom des ersten Versorgungspfads in Abhängigkeit des Speichervolumens des ersten Speichers einzustellen, und wobei das mindestens eine weitere Speicherventil dazu konfiguriert ist, den Massenstrom des mindestens einen weiteren Versorgungspfads in Abhängigkeit des Speichervolumens des mindestens einen weiteren Speichers einzustellen.

Mittels eines Speicherventils kann ein durch einen Versorgungspfad strömender Massenstrom gedrosselt und entsprechend eingestellt werden. Entsprechend ermöglicht die Verwendung eines Speicherventils zum Einstellen eines speicherspezifischen Massenstroms die Verwendung gleicher Leitungen, d.h. jeweilige Leitungen mit gleichem Querschnitt bzw. gleicher Länge für verschieden große Speicher.

Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass der erste Speicher einen Füllstandssensor umfasst und der mindestens eine weitere Speicher einen Füllstandssensor umfasst, und das Speichersystem weiterhin eine Recheneinheit umfasst, wobei die Recheneinheit dazu konfiguriert ist, das Speichervolumen des ersten Speichers anhand von durch den Füllstandssensor ermittelten Messwerten dynamisch zu ermitteln, und die Recheneinheit weiterhin dazu konfiguriert ist, das Speichervolumen des mindestens einen weiteren Speichers anhand von durch den Füllstandssensor des mindestens einen weiteren Speichers ermittelten Messwerten dynamisch zu ermitteln.

Durch Füllstandssensoren zum Erfassen eines aktuellen Füllstands eines jeweiligen Speichers kann ein noch zur Verfügung stehendes Speichervolumen bzw. ein Restspeichervolumen ermittelt werden. Da sich ein Restspeichervolumen bzw. in Abhängigkeit einer Temperatur des Speichersystems und/oder eines Verbrauchs eines mit dem Speichersystem gekoppelten Verbrauchers dynamisch ändert, können jeweilige durch Füllstandssensoren ermittelt Werte verwendet werden, um ein aktuelles Restspeichervolumen eines jeweiligen Speichers zu berechnen und einen dem Speicher zuzuführenden Massenstrom dynamisch anzupassen. Zum Anpassen eines einem jeweiligen Speicher zuzuführenden Massenstroms kann bspw. eine Drossel, insbesondere ein Ventil verwendet werden, das bspw. von einer Recheneinheit gesteuert wird. Dabei kann die Recheneinheit Teil der Drossel oder ein Steuergerät des Speichersystems bzw. eines das Speichersystem umfassenden Brennstoffzellensystems sein. Selbstverständlich eignen sich auch andere Stellelemente als Drossel, wie bspw. Schieber oder Klappen.

Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass mindestens eine Größe der folgenden Liste an Größen des ersten Versorgungspfads proportional zu dem Speichervolumen des ersten Speichers ist, und mindestens eine Größe der folgenden Liste an Größen des mindestens einen weiteren Versorgungspfads proportional zu dem Speichervolumen des mindestens einen weiteren Speichers ist: Leitungslänge, Leitungsquerschnitt, Drosselwirkung im Bereich zwischen der Füllschnittstelle und dem ersten Speicher, Drosselwirkung im Bereich zwischen der Füllschnittstelle und dem zweiten Speicher.

Durch eine speicherspezifische Leitungsgeometrie, d.h. Leitungen eines Versorgungspfads zum Versorgen eines jeweiligen Speichers, die einen spezifischen von einem Speichervolumen des Speichers abhängigen Querschnitt und/oder eine spezifische von dem Speichervolumen des Speichers abhängige Länge aufweisen, kann ein dem jeweiligen Speicher zugeführten Massenstrom exakt auf das Speichervolumen des jeweiligen Speichers eingestellt werden, sodass auf eine komplexe Steuerung zum Steuern einer variablen bzw. einstellbaren Drossel verzichtet werden kann.

Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass der erste Versorgungspfad und/oder der mindestens eine weitere Versorgungspfad mindestens eine Drossel umfassen.

Alternativ oder zusätzlich zu einer spezifischen Leitungsgeometrie kann eine spezifische Drossel, wie bspw. eine Lochscheibe, deren Loch einen spezifischen, exakt auf das Speichervolumen des jeweiligen Speichers abgestimmten Querschnitt aufweist, in die Leitungsgeometrie eingebracht werden. Insbesondere kann eine Drossel am Ausgang der zentralen Füllschnittstelle angeordnet sein

Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass ein Massenstromverhältnis eines durch den ersten Versorgungspfad maximal durchzuleitenden Massenstroms zu einem durch mindestens einen weiteren Versorgungspfad maximal durchzuleitenden Massenstrom einem Volumenverhältnis des Speichervolumens des ersten Speichers und des Speichervolumens des mindestens einen weiteren Speichers entspricht.

Für den Fall, dass ein Massenstromverhältnis einem Volumenverhältnis entspricht, befüllen sich die verschiedenen Speicher des vorgestellten Speichersystems automatisch proportional zueinander, d.h. mit einer gleichen Füllrate, sodass die verschiedenen Speicher des Speichersystems bei einem Befüllungsvorgang gleichmäßig befüllt werden und ein Füllstand der verschiedenen Speicher pro Speichervolumeneinheit für die verschiedenen Speicher identisch ist.

Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass bei einer Befüllung des Speichersystems ein Differenzdruck zwischen einem Druck an der Füllschnittstelle und einem Druck an einer Einlassöffnung des ersten Speichers einem Differenzdruck zwischen dem Druck an der Füllschnittstelle und einem Druck an einer Einlassöffnung des mindestens einen weiteren Speichers entspricht.

Für den Fall, dass ein Differenzdruck in dem ersten Versorgungspfad einem Differenzdruck in dem mindestens einen weiteren Versorgungspfad entspricht, befüllen sich die verschiedenen Speicher des vorgestellten Speichersystems automatisch proportional zueinander, d.h. mit einer gleichen Füllrate, sodass die verschiedenen Speicher des Speichersystems bei einem Befüllungsvorgang gleichmäßig befüllt werden und ein Füllstand der verschiedenen Speicher pro Speichervolumeneinheit für die verschiedenen Speicher identisch ist. Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass der erste Speicher über den ersten Versorgungspfad und der mindestens eine weitere Speicher über den mindestens einen weiteren Versorgungspfad pneumatisch parallel an der Füllschnittstelle angeschlossen sind.

Durch einen pneumatisch parallelen Anschluss der jeweiligen Speicher des vorgestellten Speichersystems an die Füllschnittstelle wird sichergestellt, dass die jeweiligen Speicher parallel, d.h. gleichzeitig durch die Füllschnittstelle mit Wasserstoff versorgt werden.

Gemäß einem zweiten Aspekt betrifft die vorgestellte Erfindung ein Herstellungsverfahren zur Herstellung eines Speichersystems zum Speichern von Wasserstoff. Das Herstellungsverfahren umfasst das Verbinden eines ersten Speichers über einen ersten Versorgungspfad mit einer zentralen Füllschnittstelle und das Verbinden mindestens eines weiteren Speichers über mindestens einen weiteren Versorgungspfad mit der zentralen Füllschnittstelle, wobei ein Speichervolumen des ersten Speichers sich von einem Speichervolumen des mindestens einen weiteren Speichers unterscheidet.

Das Herstellungsverfahren umfasst ferner das Anpassen des ersten Versorgungspfads in Abhängigkeit des Speichervolumens des ersten Speichers und des mindestens einen weiteren Versorgungspfads in Abhängigkeit des Speichervolumens des mindestens einen weiteren Speichers derart, dass bei einer Befüllung der Füllschnittstelle mit einem Wasserstoffstrom der erste Speicher mit einer Füllrate befüllt wird, die einer Füllrate entspricht, mit der der weitere Speicher befüllt wird.

Das vorgestellte Herstellungsverfahren basiert auf einem Anpassungsschritt, bei dem jeweilige Versorgungspfade des Speichersystems in Abhängigkeit des Speichervolumens jeweiliger Speicher angepasst, d.h. konstruiert bzw. geformt werden, sodass sich die Füllraten mit denen jeweilige Speicher des Speichersystems gefüllt werden, angleichen und die jeweiligen Speicher gleichzeitig voll werden denselben Füllungsverlauf über die Zeit hinweg zeigen. Es kann vorgesehen sein, dass das Anpassen durch Auswählen geeigneter Größen der folgenden Liste an Größen für den ersten Versorgungspfad und den mindestens einen weiteren Versorgungspfad erfolgt: Leitungslänge, Leitungsquerschnitt, Drosselwirkung, oder das Anpassen durch dynamisches Einstellen einer Drosselwirkung des ersten Versorgungspfads und/oder des mindestens einen weiteren Versorgungspfads mittels einer verstellbaren Drossel, insbesondere einem Ventil erfolgt.

Die Anpassung eines jeweiligen Versorgungspfads an einen jeweiligen Speicher bzw. dessen Speichervolumen kann mathematisch bereits bei einer Planung bzw. Konstruktion des Speichersystems erfolgen oder physisch beim Zusammenbau des Speichersystems.

Bspw. kann ein jeweiliger Versorgungspfad eine Schnittstelle zum Anpassen eines durchströmbaren Massenstroms umfassen, wobei in die Schnittstelle bspw. Drosseln, insbesondere Lochscheiben einbringbar sind, um den Massenstrom einzustellen.

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.

Es zeigen:

Figur 1 eine schematische Darstellung einer möglichen Ausgestaltung des vorgestellten Speichersystems,

Figur 2 eine mögliche Ausgestaltung des vorgestellten Herstellungsverfahrens. Beschreibung der Ausführungsbeispiele

In Figur 1 ist ein Speichersystem 100 zum Speichern von Wasserstoff dargestellt Das Speichersystem 100 umfasst einen ersten Speicher 101 und einen weiteren Speicher 103.

Der erste Speicher 101 wird bei einem Befüllungsvorgang durch einen ersten Versorgungspfad 105 mit Wasserstoff aus einer Füllschnittstelle 107 versorgt

Der weitere Speicher 103 wird bei einem Befüllungsvorgang durch einen weiteren Versorgungspfad 109 mit Wasserstoff aus der Füllschnittstelle 107 versorgt.

Der erste Speicher 101 hat ein geringeres Speichervolumen wie der weitere Speicher 103.

Um ein Befüllungsverhalten des ersten Speichers 101 und des weiteren Speichers 103 anzugleichen, sodass diese sich zeitgleich füllen, ist der erste Versorgungspfad 105 dazu konfiguriert, einen Massenstrom an den ersten Speicher 101 zu leiten, der proportional zu dem Speichervolumen des ersten Speichers 101 ist.

Entsprechend ist der weitere Versorgungspfad 109 dazu konfiguriert, einen Massenstrom an den weiteren Speicher 13 zu leiten, der proportional zu dem Speichervolumen des weiteren Speichers 103 ist. Dies bedeutet, dass der weitere Versorgungspfad 109 dazu konfiguriert ist, einen größeren Massenstrom zu leiten als der erste Versorgungspfad 105.

Die unterschiedliche Konfiguration des ersten Versorgungspfads 105 und des weiteren Versorgungspfads 109 wird vorliegend, exemplarisch, durch Drosseln in Form eines ersten Speicherventils 111 an dem ersten Speicher 101 und eines weiteren Speicherventils 113 an dem weiteren Speicher 103 erreicht. Dabei ist das erste Speicherventil 111 weiter geschlossen als das weitere Speicherventil 113, sodass ein durch den ersten Versorgungspfad 105 strömender Massenstrom geringer ist als ein durch den weiteren Versorgungspfad 109 strömender Massenstrom.

In Figur 2 ist ein Herstellungsverfahren 200 dargestellt. Das Herstellungsverfahren 200 umfasst einen ersten Verbindungsschritt 201 , bei dem ein erster Speicher über einen ersten Versorgungspfad mit einer zentralen Füllschnittstelle 107 verbunden wird, und einen zweiten Verbindungsschritt 203, bei dem mindesten ein weiterer Speicher über mindestens einen weiteren Versorgungspfad mit der zentralen Füllschnittstelle verbunden wird, wobei ein Speichervolumen des ersten Speichers sich von einem Speichervolumen des mindestens einen weiteren Speichers unterscheidet.

Das Herstellungsverfahren 200 umfasst ferner einen Anpassungsschritt 205, bei dem der erste Versorgungspfad in Abhängigkeit des Speichervolumens des ersten Speichers und der mindestens eine weitere Versorgungspfad in Abhängigkeit des Speichervolumens des mindestens einen weiteren Speichers derart, angepasst wird, dass bei einer Befüllung der Füllschnittstelle mit einem Wasserstoffstrom der erste Speicher mit einer Füllrate befüllt wird, die einer Füllrate entspricht, mit der der weitere Speicher befüllt wird.

Entsprechend ist ein prozentualer bzw. auf das Speichervolumen des ersten Speichers bezogener Füllstand des ersten Speichers stets gleich wie ein prozentualer Füllstand bzw. ein auf das Speichervolumen des weiteren Speichers bezogener Füllstand des weiteren Speichers.