WO2020120072A1 - Verfahren zum betreiben einer tankvorrichtung zur speicherung von verdichteten fluiden - Google Patents

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    • Y02E60/32—Hydrogen storage

Definitions

  • the invention relates to a method for operating a tank device for storing compressed fluids, in particular a fuel cell tank for storing hydrogen, for example for use in vehicles with a fuel cell drive.
  • the unpublished DE 10 2018 209 057 A1 describes a tank device for relieving the temperature pressure of a fuel cell tank, the tank device comprising a tank container with various valves, such as a shut-off valve, which ensure proper operation in a fuel cell system, for example.
  • the safety devices for such a tank device are standardized. Each tank device must have such a shut-off valve. Thus, the shut-off valve can damage the tank device if the tank device is damaged by an accident of the vehicle with a fuel cell drive or if a line in the tank device breaks, so that no gas can escape from the storage unit.
  • the invention relates to a method for operating a tank device for storing compressed fluids and a device for performing the method. This ensures an intact opening or closing process of a valve device which controls a flow cross-section from the tank device, the sealing of the valve device being ensured in the event of an accident.
  • a method for operating a tank device for storing compressed fluids with a tank, a valve device, a feed line, a flow control element arranged in the feed line and a control unit the valve device comprising a magnetic device, by means of which magnetic device the opening and closing process of the valve device is controllable, the magnet device comprising a magnet coil, a map being stored in the control unit, in which map reference pressure differences with respectively associated electrical current strengths for the magnet coil are stored, the electrical current strength being selected such that the valve device is still open, whereby an initial electrical current is stored in the map, characterized by the following steps:
  • Reference pressure differences can be determined by means of the geometry of the valve device and the flow conditions on the valve device and on the flow control element, so that an electrical current strength can be determined from this, which is applied to the solenoid. This is chosen so that the pressure and flow forces on the valve device are compensated by the magnetic force generated so that the Ventilvor direction is just arranged in the open position. If, for example, a pressure difference range between the pressure po in the tank and the pressure pi in the supply line between the valve device and the flow control element is reached, caused by a break in the supply line, which is not stored, the controlled electrical current intensity is applied the magnetic coil is no longer sufficient to generate a sufficiently high magnetic force which counteracts the pressure and flow forces on the valve device.
  • the valve device is closed and no more compressed medium can escape from the tank. This can prevent uncontrolled leakage of compressed medium from the tank and optimal safety requirements can be achieved.
  • the pressure difference between the pressure po in the tank and the pressure pi in the supply line between the valve device and the flow control element is determined by the geometry of the valve device and / or a flow cross section on the flow control element becomes. Depending on the volume flow of the gaseous medium, the pressure difference can be controlled, for example, via the flow control element.
  • the pressure pi in the feed line between the valve device and the flow control element is determined by means of a flow cross section on the flow control element.
  • the pressure pi in the supply line between the valve device and the flow control element can be determined in a simple manner by means of the pressure po in the tank and / or the flow cross section of hydrogen through the valve device.
  • the pressure po in the tank is measured continuously by means of a pressure measuring unit arranged in the tank. In this way, an optimal execution of the method, adapted to the actual conditions of the tank device, can be achieved.
  • the tank comprises a tank housing with a neck area, in which neck area the valve device is arranged.
  • the valve device is integrated into the tank at the same time and thus protected against external influences such as damage from vibrations.
  • a device set up to carry out the method has the tank device and the control unit, by means of which control unit the method can be carried out.
  • the control unit comprises one control device or a plurality of control devices. The method can be carried out in a simple manner without constructive restructuring on the tank device and without additional components.
  • the described method and the device are preferably suitable in a fuel cell arrangement for supplying hydrogen to an anode area of a fuel cell.
  • Fig. 1 shows an embodiment of a tank device according to the invention in
  • Fig. 2 is a flow chart for an embodiment of an inventive
  • Fig.l shows an embodiment of a tank device 1 according to the invention for storing compressed fluids, in particular hydrogen, with a valve device 100 in longitudinal section.
  • the valve device 100 has a valve housing 6 with a longitudinal axis 18.
  • a solenoid 10 with a coil housing 8 is arranged in the valve housing 6.
  • the valve housing 6 further comprises a stop element 12 which is surrounded by the coil housing 8 and which seals the magnetic coil 10 against the interior 42 by means of sealing elements 24.
  • a movable along the longitudinal axis 18 first magnetic net anchor 14 is arranged, which cooperates with a molding 44 with a first sealing seat 32 for opening and closing the outlet opening 40.
  • the first sealing seat 32 is formed here on a shoulder 48 of the stop element 12.
  • a passage opening 20 is formed, which opens into a recess 38 at the end of the first magnet tank 14 facing away from the first sealing seat 32.
  • a movable along the longitudinal axis 18 second magnet armature 16 is received, which cooperates with a molding 46 with a two th sealing seat 34 for opening and closing the passage opening 20 in the first magnet armature 14.
  • the second sealing seat 34 is formed on the first magnet armature 14.
  • the first magnet armature 14 Due to the operative connection of the first magnet armature 14 with the second magnet armature 16, the first magnet armature 14 is pressed by means of the spring 30 against the first sealing seat 32, so that the outlet opening 40 is closed. Furthermore, the first magnet armature 14 has a shoulder 36 which interacts with a set 52 of the second magnet armature 16. Thus, the second magnet armature 16 acts when the second sealing seat 34 opens during its longitudinal movement as a driver for the first magnet armature 14, as a result of which the opening of the first sealing seat 32 is accelerated.
  • the interior 42 is divided by the first magnet armature 14 and the second magnet armature 16 into an outer annular space 422, an inner annular space 420 and a spring space 421.
  • the outer annular space 422 is limited by the stop element 12 and the first magnet armature 14, whereas the inner annular space 420 is limited by the first magnetic armature 14 and the second magnetic armature 16.
  • the valve device 100 is part of a tank device 1 with a tank 2.
  • the tank 2 has a tank housing 3, in which a tank interior 4 is formed.
  • the tank housing 3 has a neck region 28 in which the Ventilvorrich device 100 is arranged. This is integrated into the tank housing 3 and thus closes the tank interior 4 to the outside.
  • the tank interior 4 is sealed by means of sealing elements 26 between the valve housing 6 of the valve device 100 and the tank housing 3 of the tank 2, so that gaseous medium, in particular hydrogen, can only flow in and out of the tank 2 via the valve device 100.
  • a flow cross section of the gaseous medium at the first sealing seat 32 is larger than a flow cross section of the gaseous medium at the second sealing seat 34, since the diameter of the cylindrical outlet opening 40 is larger than the diameter of the cylindrical passage opening 20.
  • the second sealing seat 34 can are released by a low magnetic force, the pressure conditions at the first sealing seat 32 being changed by opening the second sealing seat 34 so that the magnetic force required to open the first sealing seat 32 is no longer as high as when the second sealing seat is omitted 34 and the second magnet armature 16. Overall, a small magnetic force is necessary for the opening of the valve device 100.
  • the outlet opening 40 is fluidly connected to a feed line 29, wherein a flow control element 27 is arranged in the feed line 29, which the compressed fluid in the direction of a consumer 31 controls, here a fuel cell arrangement, with hydrogen from the tank device 1.
  • a flow control element 27 is arranged in the feed line 29, which the compressed fluid in the direction of a consumer 31 controls, here a fuel cell arrangement, with hydrogen from the tank device 1.
  • a pressure pi In the feed line 29 between the flow control element 27 and the valve device 100, there is a pressure pi.
  • a pressure measuring unit 43 is arranged in the tank interior 4, so that a pressure po in the tank interior 4 can be determined and monitored.
  • the pressure pi can thus be determined by means of the pressure po in the tank interior 4, the flow cross section of hydrogen at the valve device 100 with a known geometry of the valve device 100 and the flow cross section of hydrogen at the pressure control element 27.
  • a device 65 with a control unit 64 which is operatively connected to the pressure control element 27, the pressure measuring unit 43 and the solenoid 10.
  • the pressure po is present in the tank 2.
  • the difference between po and pi is determined by the outflow cross sections at the first sealing seat 32 and at the second sealing seat 34 of the compressed fluid in the valve device 100, caused by the geometry of the valve device 100 and a flow cross section at the flow control element 27.
  • the difference between po and pi, that is to say the pressure and flow forces in the valve device 100, the tank 2 and the feed line 29, acts as a closing force on the first magnet armature 14, so that a larger magnetic force is required to secure the first sealing seat 32 to open or keep it open.
  • the magnetic force is adapted to the pressure and flow forces to be expected on the first magnet armature 14 and limits in the case of pressure differences which arise, for example, in the event of a line break or a faulty flow control element 27, the magnetic force is no longer sufficient to keep the first sealing seat 32 open. An outflow of hydrogen from the tank 2 is prevented.
  • FIG. 2 shows a flow chart of a method 200 according to the invention for operating the tank device 1 for storing compressed fluids, the flow chart being explained below:
  • a map 80 is stored, in which reference pressure differences 70 are stored, each with associated electrical currents for the magnetic coil 10.
  • the electric current is selected so that the valve device is still open, i.e. that the magnetic force on the first magnet armature 14 and the second magnet armature 16 is just sufficient to keep the first sealing seat 32 and the second sealing seat 34 open.
  • an initial electrical current strength is stored in the characteristic diagram 80, which may correspond to a value of 0 A, for example.
  • the value range of this initial electrical current strength can also be in a range that is typically stored in the characteristic diagram 80 for the reference pressure differences 70.
  • This initial electrical current strength is applied to the magnetic coil 10 in a first step of the method 200 (application 60).
  • application 60 By means of the pressure measuring unit 43 and / or by known geometry of the valve device 100 and / or the flow cross section on the flow control element 27, the pressure po in the tank 2 and the pressure pi in the supply line 29 between the valve device 100 and the flow control element 27 determined (Ermiteln 61).
  • the difference between the pressure po in the tank 2 and the pressure pi in the supply line between the valve device 100 and the flow control element 27 is determined (determining 62).
  • the determined difference between the pressure po in the tank 2 and the pressure Pi in the feed line between the valve device 100 and the flow control element 27 is now assigned to one of the reference pressure differences 70 in the characteristic diagram 80 (assignment 63). This is done in such a way that if the determined difference between the pressure po in the tank 2 and the pressure pi in the feed line 29 between the valve device 100 and the flow control element 27 can be assigned to one of the reference pressure differences 70, then one of the determined reference pressure difference 70 assigned electrical current strength selected for the solenoid 10 (select 64) and applied to the solenoid 10 (apply 65). Thereafter, all of the steps mentioned for an effective functioning of the entire tank device 1 are repeated cyclically (cyclical repetition 66).
  • the method 200 according to the invention is carried out by the control unit 64, which can comprise one control device or a plurality of control devices. Furthermore, the control of the solenoid 10, the control of the flow control element 27 and the control of the pressure measuring units 43, 45 can be controlled by the control unit 64.
  • the method and the device described are suitable, for example, in a fuel cell arrangement for controlling a hydrogen supply to an anode region of a fuel cell.

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Abstract

Verfahren (200) zum Betreiben einer Tankvorrichtung (1) zur Speicherung von verdichteten Fluiden mit einem Tank (2), einer Ventilvorrichtung (100), einer Zuführleitung (29), einem in der Zuführleitung (29) angeordnetem Durchflussregelungselement (27) und einer Steuereinheit (64), wobei die Ventilvorrichtung (100) eine Magneteinrichtung (11) umfasst, mittels welcher Magneteinrichtung (11) der Öffnungs- und Schließvorgang der Ventilvorrichtung (100) steuerbar ist, wobei die Magneteinrichtung (11) eine Magnetspule (10) umfasst, wobei in der Steuereinheit (64) ein Kennfeld (80) hinterlegt ist, in welchem Kennfeld (80) Referenzdruckdifferenzen (70) mit jeweils zugeordneten elektrischen Stromstärken für die Magnetspule (10) gespeichert sind, wobei die elektrische Stromstärke so gewählt ist, dass die Ventilvorrichtung (100) noch geöffnet ist, wobei im Kennfeld (80) eine initiale elektrische Stromstärke hinterlegt ist, gekennzeichnet durch die nachfolgenden Schritte: a. Anlegen (60) der initialen elektrischen Stromstärke an die Magnetspule (10); b. Ermitteln (61) eines Drucks p0 in dem Tank (2) und Ermitteln (61) eines Drucks p1 in der Zuführleitung (29) zwischen der Ventilvorrichtung (100) und dem Durchflussregelungselement (27); c. Bestimmen (62) der Differenz zwischen dem Druck p0 in dem Tank (2) und dem Druck p1 in der Zuführleitung (29) zwischen der Ventilvorrichtung (100) und dem Durchflussregelungselement (27); d. Zuordnen (63) der bestimmten Differenz zwischen dem Druck p0 in dem Tank (2) und dem Druck p1 in der Zuführleitung (29) zwischen der Ventilvorrichtung (100) und dem Durchflussregelungselement (27) zu einem der Referenzdruckdifferenzen (70) in dem Kennfeld (80) dergestalt, dass - wenn die bestimmte Differenz zwischen dem Druck p0 in dem Tank (2) und dem Druck p1 in der Zuführleitung (29) zwischen der Ventilvorrichtung (100) und dem Durchflussregelungselement (27) zu einem der Referenzdruckdifferenzen (70) zugeordnet werden kann: i. Auswählen (64) einer der bestimmten Referenzdruckdifferenz (70) zugeordneten elektrischen Stromstärke für die Magnetspule (10); ii. Anlegen (65) der ausgewählten elektrischen Stromstärke an der Magnetspule (10); iii. Zyklisches Wiederholen (66) der Schritte a. bis d.. - wenn die bestimmte Differenz zwischen dem Druck p0 in dem Tank (2) und dem Druck p1 in der Zuführleitung (29) zwischen der Ventilvorrichtung (100) und dem Durchflussregelungselement (27) nicht zu einem der Referenzdruckdifferenzen (70) zugeordnet werden kann: Zurückspringen (67) auf Schritt a..

Description

Beschreibung
Verfahren zum Betreiben einer Tankvorrichtung zur Speicherung von verdichte- ten Fluiden
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Tankvorrichtung zur Speicherung von verdichteten Fluiden, insbesondere einen Brennstoffzellentank zur Speicherung von Wasserstoff, beispielsweise zur Anwendung in Fahrzeugen mit Brennstoffzellenantrieb.
Stand der Technik
Die nicht vorveröffentlichte DE 10 2018 209 057 Al beschreibt eine Tankvorrich tung zur Temperaturdruckentlastung eines Brennstoffzellentanks, wobei die Tankvorrichtung einen Tankbehälter mit verschiedenen Ventilen, wie beispiels weise einem Absperrventil, umfasst, welche eine ordentliche Funktionsweise bei spielsweise eines Brennstoffzellensystems gewährleisten.
Die Sicherheitsvorrichtungen für solch eine Tankvorrichtung sind normiert. Dabei muss jede Tankvorrichtung solch ein Absperrventil aufweisen. So kann das Ab sperrventil bei einer Beschädigung der Tankvorrichtung hervorgerufen durch ei nen Unfall des Fahrzeugs mit Brennstoffzellenantrieb oder bei einem Bruch einer Leitung der Tankvorrichtung die Tankbehälter verschließen, so dass kein Gas aus der Speichereinheit austreten kann.
Um eine ordentliche Funktionsweise solch eines Absperrventils zu gewährleisten, muss ein intakter Öffnungs- bzw. Schließvorgang des Absperrventils gewährleis tet sein. Anderenfalls kann es zu ungeregeltem Austritt von Wasserstoff aus dem Tankbehälter führen. Vorteile der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Tankvorrichtung zur Speicherung von verdichteten Fluiden und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens. Dadurch kann ein intakter Öffnungs- bzw. Schließvorgang einer Ventilvorrichtung gewährleistet werden, der einen Strömungsquerschnitt aus der Tankvorrichtung steuert, wobei die Abdichtung der Ventilvorrichtung bei einem Unfall gewährleistet ist.
Dies wird erreicht mit einem Verfahren zum Betreiben einer Tankvorrichtung zur Speicherung von verdichteten Fluiden mit einem Tank, einer Ventilvorrichtung, einer Zuführleitung, einem in der Zuführleitung angeordnetem Durchflussrege lungselement und einer Steuereinheit, wobei die Ventilvorrichtung eine Mag neteinrichtung umfasst, mittels welcher Magneteinrichtung der Öffnungs- und Schließvorgang der Ventilvorrichtung steuerbar ist, wobei die Magneteinrichtung eine Magnetspule umfasst, wobei in der Steuereinheit ein Kennfeld hinterlegt ist, in welchem Kennfeld Referenzdruckdifferenzen mit jeweils zugeordneten elektri schen Stromstärken für die Magnetspule gespeichert sind, wobei die elektrische Stromstärke so gewählt ist, dass die Ventilvorrichtung noch geöffnet ist, wobei im Kennfeld eine initiale elektrische Stromstärke hinterlegt ist, gekennzeichnet durch die nachfolgenden Schritte:
a. Anlegen der initialen elektrischen Stromstärke an die Magnetspule; b. Ermitteln eines Drucks po in dem Tank und Ermitteln eines Drucks pi in der Zuführleitung zwischen der Ventilvorrichtung und dem Durch flussregelungselement;
c. Bestimmen der Differenz zwischen dem Druck po in dem Tank und dem Druck pi in der Zuführleitung zwischen der Ventilvorrichtung und dem Durchflussregelungselement;
d. Zuordnen der bestimmten Differenz zwischen dem Druck po in dem Tank und dem Druck pi in der Zuführleitung zwischen der Ventilvor richtung und dem Durchflussregelungselement zu einem der Refe renzdruckdifferenzen in dem Kennfeld dergestalt, dass • wenn die bestimmte Differenz zwischen dem Druck po in dem Tank und dem Druck pi in der Zuführleitung zwischen der Ven tilvorrichtung und dem Durchflussregelungselement zu einem der Referenzdruckdifferenzen zugeordnet werden kann:
i. Auswählen einer der bestimmten Referenzdruckdiffe renz zugeordneten elektrischen Stromstärke für die Magnetspule;
ii. Anlegen der ausgewählten elektrischen Stromstärke an der Magnetspule;
iii. Zyklisches Wiederholen der Schritte a. bis d..
• wenn die bestimmte Differenz zwischen dem Druck po in dem Tank und dem Druck pi in der Zuführleitung zwischen der Ven tilvorrichtung und dem Durchflussregelungselement nicht zu einem der Referenzdruckdifferenzen zugeordnet werden kann: Zurückspringen auf Schritt a..
Mittels der Geometrie der Ventilvorrichtung und den Strömungsverhältnissen an der Ventilvorrichtung und an dem Durchflussregelungselement können Referenz druckdifferenzen ermittelt werden, so dass hieraus eine elektrische Stromstärke ermittelbar ist, welche an der Magnetspule angelegt wird. Dabei wird dies so ge wählt, dass durch die erzeugte magnetische Kraft die Druck- und Strömungs kräfte an der Ventilvorrichtung so ausgeglichen werden, so dass die Ventilvor richtung gerade in Öffnungsstellung angeordnet ist. Wird nun beispielsweise aus gelöst durch einen Bruch in der Zuführleitung einen Druckdifferenzbereich zwi schen dem Druck po in dem Tank und dem Druck pi in der Zuführleitung zwi schen der Ventilvorrichtung und dem Durchflussregelungselement erreicht, wel che nicht hinterlegt ist, so wird die angesteuerte elektrische Stromstärke an der Magnetspule nicht mehr ausreichen, um eine genügend hohe magnetische Kraft zu erzeugen, welche den Druck- und Strömungskräften an der Ventilvorrichtung entgegen wirkt. Die Folge ist, dass die Ventilvorrichtung geschlossen wird und kein verdichtetes Medium mehr aus dem Tank entweichen kann. So kann ein un geregelter Austritt von verdichtetem Medium aus dem Tank verhindert und opti male Sicherheitsanforderungen erzielt werden. ln einer ersten vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist es vorgesehen, dass die Druckdifferenz zwischen dem Druck po in dem Tank und dem Druck pi in der Zuführleitung zwischen der Ventilvorrichtung und dem Durchflussregelungsele ment durch die Geometrie der Ventilvorrichtung und/oder einem Strömungsquer schnitt an dem Durchflussregelungselement bestimmt wird. So kann je nach Vo lumenstrom des gasförmigen Mediums beispielsweise über das Durchflussrege lungselement die Druckdifferenz gesteuert werden.
In vorteilhafter Weiterbildung ist es vorgesehen, dass der Druck pi in der Zuführ leitung zwischen der Ventilvorrichtung und dem Durchflussregelungselement mit tels eines Strömungsquerschnitts an dem Durchflussregelungselement ermittelt wird. So kann in einfacher Weise der Druck pi in der Zuführleitung zwischen der Ventilvorrichtung und dem Durchflussregelungselement mittels dem Druck po in dem Tank und/oder dem Strömungsquerschnitt an Wasserstoff durch die Ventil vorrichtung bestimmt werden.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist es vorteilhaft vorgesehen, dass der Druck po in dem Tank mittels einer in dem Tank angeordneten Druckmesseinheit kontinuierlich gemessen wird. So kann eine optimale Durchführung des Verfah rens, angepasst an die tatsächlichen Gegebenheiten der Tankvorrichtung, erzielt werden.
In vorteilhafter Weiterbildung umfasst der Tank ein Tankgehäuse mit einem Hals bereich, in welchem Halsbereich die Ventilvorrichtung angeordnet ist. So ist die Ventilvorrichtung gleichzeitig in den Tank integriert und so vor äußeren Einflüs sen wie beispielsweise Beschädigungen durch Erschütterungen geschützt.
Eine Vorrichtung eingerichtet zur Durchführung des Verfahrens weist die Tank vorrichtung und die Steuereinheit auf, durch welche Steuereinheit das Verfahren ausgeführt werden kann. In vorteilhafter Weiterbildung umfasst die Steuereinheit ein Steuergerät oder mehrere Steuergeräte. So kann das Verfahren in einfacher Weise ohne konstruk tive Umstrukturierungen an der Tankvorrichtung und ohne zusätzliche Bauteile ausgeführt werden.
Das beschriebene Verfahren und die Vorrichtung eignen sich vorzugsweise in ei ner Brennstoffzellenanordnung für die Wasserstoffversorgung zu einem Anoden bereich einer Brennstoffzelle.
Zeichnungen
In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele einer erfindungsgemäßen Tankvor richtung zur Speicherung von verdichteten Fluiden und ein Ablaufplan eines Ver fahrens zum Betreiben solch einer Tankvorrichtung dargestellt. Es zeigt in
Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Tankvorrichtung im
Längsschnitt,
Fig. 2 ein Ablaufplan für ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen
Verfahrens zum Betreiben einer Tankvorrichtung.
Beschreibung des Ausführungsbeispiels
Fig.l zeigt ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Tankvorrichtung 1 zur Speicherung von verdichteten Fluiden, insbesondere Wasserstoff, mit einer Ventilvorrichtung 100 im Längsschnitt.
Die Ventilvorrichtung 100 weist ein Ventilgehäuse 6 mit einer Längsachse 18 auf. In dem Ventilgehäuse 6 sind eine Einlassöffnung 22 und eine Auslassöffnung 40 ausgebildet, welche in einen Innenraum 42 münden. Weiterhin ist in dem Ventil gehäuse 6 eine Magnetspule 10 mit einem Spulengehäuse 8 angeordnet. Das Ventilgehäuse 6 umfasst weiterhin ein Anschlagselement 12, welches von dem Spulengehäuse 8 umgeben ist und welches mittels Dichtelementen 24 die Mag netspule 10 gegen den Innenraum 42 abdichtet. In dem Innenraum 42 ist ein entlang der Längsachse 18 bewegbarer erster Mag netanker 14 angeordnet, welcher mit einer Anformung 44 mit einem ersten Dicht sitz 32 zum Öffnen und Schließen der Auslassöffnung 40 zusammenwirkt. Der erste Dichtsitz 32 ist hier an einem Absatz 48 des Anschlagselements 12 ausge bildet. In dem ersten Magnetanker 14 ist eine Durchlassöffnung 20 ausgebildet, welche an dem dem ersten Dichtsitz 32 abgewandten Ende des ersten Magne tankers 14 in eine Ausnehmung 38 mündet.
In der Ausnehmung 38 ist ein entlang der Längsachse 18 bewegbarer zweiter Magnetanker 16 aufgenommen, welcher mit einer Anformung 46 mit einem zwei ten Dichtsitz 34 zum Öffnen und Schließen der Durchlassöffnung 20 in dem ers ten Magnetanker 14 zusammenwirkt. Der zweite Dichtsitz 34 ist an dem ersten Magnetanker 14 ausgebildet.
Mittels einer Feder 30, welche in einer Ausnehmung 50 des Ventilgehäuses 6 an geordnet ist und sich zwischen dem zweiten Magnetanker 16 und dem Ventilge häuse 6 abstützt, wird der zweite Magnetanker 16 mit einer Kraft in Richtung des zweiten Dichtsitzes 34 beaufschlagt, so dass der zweite Magnetanker 16 an dem zweiten Dichtsitz 34 aufliegt. Die Durchlassöffnung 20 ist somit geschlossen.
Durch die Wirkverbundenheit des ersten Magnetankers 14 mit dem zweiten Mag netanker 16 wird der erste Magnetanker 14 mittels der Feder 30 gegen den ers ten Dichtsitz 32 gedrückt, so dass die Auslassöffnung 40 geschlossen ist. Weiter hin weist der erste Magnetanker 14 einen Absatz 36 auf, welcher mit einem Ab satz 52 des zweiten Magnetankers 16 zusammenwirkt. Somit wirkt der zweite Magnetanker 16 bei Öffnung des zweiten Dichtsitzes 34 bei dessen Längsbewe gung als Mitnehmer für den ersten Magnetanker 14, wodurch die Öffnung des ersten Dichtsitzes 32 beschleunigt wird.
Der Innenraum 42 ist durch den ersten Magnetanker 14 und den zweiten Mag netanker 16 in einen äußeren Ringraum 422, einen inneren Ringraum 420 und einen Federraum 421 aufgeteilt. Der äußere Ringraum 422 ist dabei durch das Anschlagselement 12 und den ersten Magnetanker 14 begrenzt, wohingegen der innere Ringraum 420 durch den ersten Magnetanker 14 und den zweiten Mag netanker 16 begrenzt ist.
Sowohl der innere Ringraum 420 als auch der äußere Ringraum 422 münden in den Federraum 421, wobei der Federraum 421 die Ausnehmung 50 des Ventil gehäuses 6 umfasst und in die Einlassöffnung 22 übergeht.
Die Ventilvorrichtung 100 ist Teil einer Tankvorrichtung 1 mit einem Tank 2. Der Tank 2 weist ein Tankgehäuse 3 auf, in dem ein Tankinnenraum 4 ausgebildet ist. Das Tankgehäuse 3 weist einen Halsbereich 28 auf, in dem die Ventilvorrich tung 100 angeordnet ist. Dabei ist diese in das Tankgehäuse 3 integriert und ver schließt so den Tankinnenraum 4 nach außen. Mittels Dichtelemente 26 zwi schen des Ventilgehäuses 6 der Ventilvorrichtung 100 und dem Tankgehäuse 3 des Tanks 2 ist der Tankinnenraum 4 abgedichtet, so dass gasförmiges Medium, insbesondere Wasserstoff, lediglich über die Ventilvorrichtung 100 aus dem Tank 2 ein- bzw. ausströmen kann.
Der erste Magnetanker 14 und der zweite Magnetanker 16 bilden zusammen mit der Magnetspule 10 und dem Spulengehäuse 8 eine Magneteinrichtung 11 aus.
Ein Strömungsquerschnitt des gasförmigen Mediums an dem ersten Dichtsitz 32 ist dabei größer als ein Strömungsquerschnitt des gasförmigen Mediums an dem zweiten Dichtsitz 34, da der Durchmesser der zylinderförmig ausgebildeten Aus lassöffnung 40 größer ist als der Durchmesser der zylinderförmigen Durchlassöff nung 20. Der zweite Dichtsitz 34 kann so durch eine geringe magnetische Kraft freigegeben werden, wobei durch Öffnung des zweiten Dichtsitzes 34 die Druck verhältnisse an dem ersten Dichtsitz 32 so verändert werden, dass die benötigte magnetische Kraft zur Öffnung des ersten Dichtsitzes 32 nicht mehr so hoch ist als bei Wegfall des zweiten Dichtsitzes 34 und des zweiten Magnetankers 16. So ist insgesamt für die Öffnung der Ventilvorrichtung 100 eine geringe magnetische Kraft notwendig.
Die Auslassöffnung 40 ist mit einer Zuführleitung 29 fluidisch verbunden, wobei in der Zuführleitung 29 ein Durchflussregelungselement 27 angeordnet ist, das das verdichtete Fluid in Richtung eines Verbrauchers 31 steuert, hier eine Brennstoff zellenanordnung, mit Wasserstoff aus der Tankvorrichtung 1. In der Zuführleitung 29 zwischen dem Durchflussregelungselement 27 und der Ventilvorrichtung 100 herrscht ein Druck pi.
Weiterhin ist in dem Tankinnenraum 4 eine Druckmesseinheit 43 angeordnet, so dass ein Druck po in dem Tankinnenraum 4 ermittelt und überwacht werden kann.
Der Druck pi kann so mittels des Drucks po in dem Tankinnenraum 4, dem Strö mungsquerschnitt an Wasserstoff an der Ventilvorrichtung 100 bei bekannter Ge ometrie der Ventilvorrichtung 100 und dem Strömungsquerschnitt an Wasserstoff an dem Druckregelungselement 27 bestimmt werden.
Außerdem ist eine Vorrichtung 65 mit einer Steuereinheit 64 vorhanden, die mit dem Druckregelungselement 27, der Druckmesseinheit 43 und der Magnetspule 10 wirkverbunden ist.
In dem Tank 2 liegt der Druck po vor. Ist die Ventilvorrichtung 100 in geöffneter Position, d.h. der erste Dichtsitz 32 und der zweite Dichtsitz 34 sind freigegeben und der Tank 2 ist mit der Zuführleitung 29 fluidisch verbunden, und steuert das Durchflussregelungselement 27 kein verdichtetes Fluid in Richtung des Verbrau chers 31, so liegt auch in der Zuführleitung 29 zwischen der Ventilvorrichtung 100 und dem Durchflussregelungselement 27 derselbe Druck wie im Tank 2 vor. Das heißt, po=pi.
Steuert das Durchflussregelungselement 27 verdichtetes Fluid in Richtung des Verbrauchers 31, so verringert sich der Druck pi in der Zuführleitung 29 zwischen der Ventilvorrichtung 100 und dem Durchflussregelungselement 27, d.h. po>Pi. Dabei wird die Differenz zwischen po und pi durch die Abströmquerschnitte am ersten Dichtsitz 32 und am zweiten Dichtsitz 34 des verdichteten Fluids in der Ventilvorrichtung 100, hervorgerufen durch die Geometrie der Ventilvorrichtung 100 und einem Strömungsquerschnitt an dem Durchflussregelungselement 27 mitbestimmt. Die Differenz zwischen po und pi, also die Druck- und Strömungskräfte in der Ventilvorrichtung 100, dem Tank 2 und der Zuführleitung 29, wirkt als schlie ßende Kraft auf den ersten Magnetanker 14, so dass eine größere Magnetkraft benötigt wird, um den ersten Dichtsitz 32 zu öffnen oder diesen offen zu halten.
Im Folgenden wird ein Verfahren beschrieben, bei dem bei typischen Betrieb der Tankvorrichtung 1 die Magnetkraft auf die zu erwartenden Druck- und Strö mungskräfte auf den ersten Magnetanker 14 angepasst wird und bei Druckdiffe renzen, welche beispielsweise bei einem Leitungsbruch oder einem fehlerhaften Durchflussregelungselement 27 entstehen, die Magnetkraft nicht mehr ausrei chend ist, um den ersten Dichtsitz 32 offen zu halten. So wird ein Abfluss von Wasserstoff aus dem Tank 2 verhindert.
Fig.2 zeigt einen Ablaufplan eines erfindungsgemäßen Verfahrens 200 zum Be treiben der Tankvorrichtung 1 zur Speicherung von verdichteten Fluiden, wobei der Ablaufplan im Folgenden erläutert wird:
In der Steuereinheit 64 ist ein Kennfeld 80 hinterlegt, in dem Referenzdruckdiffe renzen 70 mit jeweils zugeordneten elektrischen Stromstärken für die Magnet spule 10 gespeichert sind. Die elektrische Stromstärke ist dabei so gewählt, dass die Ventilvorrichtung noch geöffnet ist, d.h. dass die magnetische Kraft auf den ersten Magnetanker 14 und den zweiten Magnetanker 16 gerade noch ausreicht, um den ersten Dichtsitz 32 und den zweiten Dichtsitz 34 offen zu halten.
Weiterhin ist im Kennfeld 80 eine initiale elektrische Stromstärke hinterlegt, die beispielsweise einen Wert von 0 A entsprechen kann. Der Wertebereich dieser initialen elektrischen Stromstärke kann auch in einem Bereich liegen, die typi scherweise im Kennfeld 80 für die Referenzdruckdifferenzen 70 hinterlegt sind.
Diese initiale elektrische Stromstärke wird in einem ersten Schritt des Verfahrens 200 an die Magnetspule 10 angelegt (Anlegen 60). Mitels der Druckmesseinheit 43 und/oder durch bekannte Geometrie der Ventil vorrichtung 100 und/oder dem Strömungsquerschnit an dem Durchflussrege lungselement 27 werden der Druck po in dem Tank 2 und der Druck pi in der Zu führleitung 29 zwischen der Ventilvorrichtung 100 und dem Durchflussregelungs element 27 ermitelt (Ermiteln 61).
Es wird die Differenz zwischen dem Druck po in dem Tank 2 und dem Druck pi in der Zuführleitung zwischen der Ventilvorrichtung 100 und dem Durchflussrege lungselement 27 bestimmt (Bestimmen 62).
Der bestimmten Differenz zwischen dem Druck po in dem Tank 2 und dem Druck Pi in der Zuführleitung zwischen der Ventilvorrichtung 100 und dem Durchflussre gelungselement 27 wird nun zu einem der Referenzdruckdifferenzen 70 in dem Kennfeld 80 zugeordnet (Zuordnen 63). Dies erfolgt dergestalt, dass wenn die bestimmte Differenz zwischen dem Druck po in dem Tank 2 und dem Druck pi in der Zuführleitung 29 zwischen der Ventilvorrichtung 100 und dem Durchflussre gelungselement 27 zu einem der Referenzdruckdifferenzen 70 zugeordnet wer den kann, dann wird einer der bestimmten Referenzdruckdifferenz 70 zugeordne ten elektrischen Stromstärke für die Magnetspule 10 ausgewählt (Auswählen 64) und an die Magnetspule 10 angelegt (Anlegen 65). Danach werden alle genann ten Schrite für eine effektive Funktionsweise der gesamten Tankvorrichtung 1 zyklisch wiederholt (Zyklisches Wiederholen 66).
Falls es nicht möglich ist, die bestimmte Differenz zwischen dem Druck po in dem Tank 2 und dem Druck pi in der Zuführleitung 29 zwischen der Ventilvorrichtung 100 und dem Durchflussregelungselement 27 zu einem der Referenzdruckdiffe renzen 70 zuzuordnen (Zuordnen 63), dann wird das Verfahren 200 wieder von vorne durchgeführt (Zurückspringen 67).
Dieser Fall trit beispielsweise ein, wenn für die bestimmte Differenz zwischen dem Druck po in dem Tank 2 und dem Druck pi in der Zuführleitung 29 zwischen der Ventilvorrichtung 100 und dem Durchflussregelungselement 27 kein Wer tebereich hinterlegt ist, da dieser Wert im typischen Betriebsverfahren nicht vor kommt. So können dann die Magnetkraft, die von der Magnetspule 10 erzeugt wird und auf den ersten Magnetanker 14 und den zweiten Magnetanker 16 wirkt, auf die tatsächlich herrschenden Druck- und Strömungskräfte in der Tankvorrichtung 1 angepasst werden. Werden jedoch Druckdifferenzen zwischen po und pi erreicht, welche nicht als Referenzdruckdifferenzen 70 in der Steuereinheit 64 hinterlegt sind, so reicht die angelegte elektrische Stromstärke an der Magnetspule 10 nicht mehr aus, um den ersten Dichtsitz 32 und den zweiten Dichtsitz 34 offenzu halten. Die Ventilvorrichtung 100 schließt und es gelangt kein verdichtetes Fluid aus dem Tank 2. So kann sichergestellt werden, dass beispielsweise bei einer fehlerhaften Funktionsweise des Durchflussregelungselements 27 oder bei mög lichen Beschädigungen an der Tankvorrichtung 1 die Ventilvorrichtung 100 ge schlossen ist und der Tank 2 verschlossen wird. Das erfindungsgemäße Verfahren 200 wird durch die Steuereinheit 64 ausge führt, die ein Steuergerät oder mehrere Steuergeräte umfassen kann. Weiterhin kann durch die Steuereinheit 64 die Ansteuerung der Magnetspule 10, die An steuerung des Durchflussregelungselements 27 sowie die Ansteuerung der Druckmesseinheiten 43, 45 geregelt werden.
Das beschriebene Verfahren und die Vorrichtung eignen sich beispielsweise in einer Brennstoffzellenanordnung zum Steuern einer Wasserstoffzufuhr zu einem Anodenbereich einer Brennstoffzelle.

Claims

Ansprüche
1. Verfahren (200) zum Betreiben einer Tankvorrichtung (1) zur Speicherung von verdichteten Fluiden mit einem Tank (2), einer Ventilvorrichtung (100), einer Zuführleitung (29), einem in der Zuführleitung (29) angeordnetem Durchflussregelungselement (27) und einer Steuereinheit (64), wobei die Ventilvorrichtung (100) eine Magneteinrichtung (11) umfasst, mittels welcher Magneteinrichtung (11) der Öffnungs- und Schließvorgang der Ventilvorrich tung (100) steuerbar ist, wobei die Magneteinrichtung (11) eine Magnetspule (10) umfasst, wobei in der Steuereinheit (64) ein Kennfeld (80) hinterlegt ist, in welchem Kennfeld (80) Referenzdruckdifferenzen (70) mit jeweils zugeord neten elektrischen Stromstärken für die Magnetspule (10) gespeichert sind, wobei die elektrische Stromstärke so gewählt ist, dass die Ventilvorrichtung (100) noch geöffnet ist, wobei im Kennfeld (80) eine initiale elektrische Strom stärke hinterlegt ist, gekennzeichnet durch die nachfolgenden Schritte: a. Anlegen (60) der initialen elektrischen Stromstärke an die Magnet spule (10);
b. Ermitteln (61) eines Drucks po in dem Tank (2) und Ermitteln (61) ei nes Drucks pi in der Zuführleitung (29) zwischen der Ventilvorrichtung (100) und dem Durchflussregelungselement (27);
c. Bestimmen (62) der Differenz zwischen dem Druck po in dem Tank (2) und dem Druck pi in der Zuführleitung (29) zwischen der Ventilvor richtung (100) und dem Durchflussregelungselement (27); d. Zuordnen (63) der bestimmten Differenz zwischen dem Druck po in dem Tank (2) und dem Druck pi in der Zuführleitung (29) zwischen der Ventilvorrichtung (100) und dem Durchflussregelungselement (27) zu einem der Referenzdruckdifferenzen (70) in dem Kennfeld (80) dergestalt, dass
• wenn die bestimmte Differenz zwischen dem Druck po in dem Tank (2) und dem Druck pi in der Zuführleitung (29) zwischen der Ventilvorrichtung (100) und dem Durchflussregelungsele ment (27) zu einem der Referenzdruckdifferenzen (70) zuge ordnet werden kann: i. Auswählen (64) einer der bestimmten Referenzdruck differenz (70) zugeordneten elektrischen Stromstärke für die Magnetspule (10);
ii. Anlegen (65) der ausgewählten elektrischen Strom stärke an der Magnetspule (10);
iii. Zyklisches Wiederholen (66) der Schritte a. bis d..
• wenn die bestimmte Differenz zwischen dem Druck po in dem Tank (2) und dem Druck pi in der Zuführleitung (29) zwischen der Ventilvorrichtung (100) und dem Durchflussregelungsele ment (27) nicht zu einem der Referenzdruckdifferenzen (70) zugeordnet werden kann: Zurückspringen (67) auf Schritt a..
2. Verfahren (200) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckdiffe renz zwischen dem Druck po in dem Tank (2) und dem Druck pi in der Zuführlei tung (29) zwischen der Ventilvorrichtung (100) und dem Durchflussregelungsele ment (27) durch die Geometrie der Ventilvorrichtung (100) und/oder dem einem Strömungsquerschnitt an dem Durchflussregelungselement (27) bestimmt wird.
3. Verfahren (200) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, dass der Druck pi in der Zuführleitung (29) zwischen der Ventilvorrich tung (100) und dem Durchflussregelungselement (27) mittels eines Strömungs querschnitts an dem Durchflussregelungselement (27) ermittelt wird.
4. Verfahren (200) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, dass der Druck po in dem Tank (2) mittels einer in dem Tank (2) ange ordneten Druckmesseinheit (43) kontinuierlich gemessen wird.
5. Verfahren (200) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, dass der Tank (2) ein Tankgehäuse (3) mit einem Halsbereich (28) um fasst, in welchem Halsbereich (28) die Ventilvorrichtung (100) angeordnet ist.
6. Vorrichtung (65) eingerichtet zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, aufweisend die Tankvorrichtung (1) und die Steuer einheit (64), durch welche Steuereinheit (64) die Schritte a. bis d. des Verfahrens nach Anspruch 1 ausgeführt werden.
7. Vorrichtung (65) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerein heit (64) ein Steuergerät oder mehrere Steuergeräte umfasst.
8. Brennstoffzellenanordnung mit einer Vorrichtung (65) nach einem der Ansprüche 6 oder 7.
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