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DE102019219826A1 - Verfahren zur Betankung eines Fahrzeugs - Google Patents

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Helerson Kemmer
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Robert Bosch GmbH
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Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Betankung eines Fahrzeugs (60), oder eines autonom fahrenden Fahrzeugs (60). Im Fahrzeug (60) ist mindestens ein gasförmigen Wasserstoff aufnehmender Wasserstofftank (10) integriert. Bei der Durchführung des Verfahrens werden nachfolgende Verfahrensschritte durchlaufen: Das Fahrzeug (60) befährt einen Betankungsbereich (24). Es erfolgt die Durchführung eines Betankungsschrittes (28; 78, 80, 82) am Fahrzeug (60). Anschließend wird eine erste Tanktemperaturüberprüfung (30) des Tankinhalts des mindestens einen Wasserstofftanks (10) vorgenommen. Falls eine Temperatur (74) des Tankinhalts des mindestens einen Wasserstofftanks (10) einen Temperaturgrenzwert (32) überschreitet, wird das Fahrzeug (60) in einen Abkühlungsbereich (36) überführt. Dort wird nach einer Abkühlphase eine zweite Tanktemperaturüberprüfung (44) vorgenommen. Liegt die Tanktemperatur (74) unterhalb eines Temperaturgrenzwerts, erfolgt eine Tankdrucküberprüfung (48). Liegt der Tankdruck (76) in dem mindestens einen Wasserstofftank (10) unterhalb eines Tankdruckgrenzwerts, wird das Fahrzeug (60) zur Durchführung einer weiteren Betankung in den Betankungsbereich (24) überführt; liegt der Tankdruck (76) im Bereich des Tankdruckgrenzwerts, erfolgt ein Betankungsende (52).

Description

  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Betankung eines Fahrzeugs, insbesondere eines autonom fahrenden Fahrzeugs mit gasförmigem Wasserstoff, wobei das Fahrzeug mindestens einen im Fahrzeug integrierten Wasserstofftank aufweist. Des Weiteren bezieht sich die Erfindung auf die Verwendung des Verfahrens zur Betankung eines autonom oder nicht autonom fahrenden Fahrzeugs mit Brennstoffzellenantrieb und mindestens einem Wasserstofftank.
  • Stand der Technik
  • Brennstoffzellensysteme, die auf einem gasförmigen Brennstoff, wie beispielsweise Wasserstoff, basieren, gelten als Mobilitätskonzept der Zukunft, da sie nur Wasser als Abgas emittieren und schnelle Betankungszeiten ermöglichen. Aufgrund seiner geringen Dichte ist die Speicherung von Wasserstoff im Fahrzeug eine Herausforderung. Es haben sich verschiedene Tanktypen etabliert, wobei heute insbesondere bei mobilen Anwendungen eine Speicherung des gasförmigen Wasserstoffs bei Drücken zwischen 350 bar oder 700 bar die Regel ist. Der Betankungsvorgang ist durch international gültige Normen standardisiert, so zum Beispiel durch die SAE TIR J2601. Gemäß dieser Standardnorm wird der gasförmige Wasserstoff an einer Tankstelle auf eine Temperatur von -40° C vorgekühlt. Wasserstoff wärmt sich bei einer Expansion auf. Darin liegt auch der Grund für eine steigende Temperatur des Fahrzeugstanks beziehungsweise von dessen Tankinhalt während eines Betankungsvorgangs. Um eine Überhitzung, die mit einer Aufweichung der Kohlenfaserbindungen oder eines Metallgefüges einhergeht, zu verhindern, wird der Wasserstoff auf -40° C vorgekühlt und ein Wasserstoffdurchfluss aus der Tankstelle in den Tank gedrosselt. Die Vorkühlung bedarf eines Energieeinsatzes von mindestens 0,5 kWh pro Kilogramm Wasserstoff, was ca. 1,5 % des Energieinhalts ausmacht. Ferner kann dieser Energieeinsatz bei einer geringen Auslastung der Tankstelle und/oder an Sommertagen die Energiemenge des getankten Wasserstoffs übersteigen. Das führt zu erhöhten Betriebskosten bei der Unterhaltung von Wasserstofftankstellen, was wiederum zu erhöhten Gestehungskosten für die Versorgung mit Wasserstoff für den Endnutzer führt.
  • Darstellung der Erfindung
  • Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zur Betankung eines Fahrzeugs oder eines autonom fahrenden Fahrzeugs mit gasförmigem Wasserstoff vorgeschlagen, welches mindestens einen im Fahrzeug integrierten Wasserstofftank aufweist, wobei nachfolgende Verfahrensschritte durchlaufen werden:
    1. a) Befahren eines Betankungsbereichs durch das Fahrzeug,
    2. b) Durchführung eines Betankungsschritts am Fahrzeug,
    3. c) Durchführung einer ersten Temperaturüberprüfung des Tankinhalts des mindestens einen Wasserstofftanks,
    4. d) Überführen des Fahrzeugs in einen Abkühlungsbereich, falls eine Temperatur des Tankinhalts des mindestens einen Wasserstofftanks einen Temperaturgrenzwert überschreitet,
    5. e) Durchführung einer zweiten Temperaturüberprüfung,
    6. f) Durchführung einer Tankdrucküberprüfung, falls die Temperatur des Tankinhalts des mindestens einen Wasserstofftanks einen Temperaturgrenzwert unterschreitet,
    7. g) Verzweigung zu Verfahrensschritt a), falls der Tankdruck des mindestens einen Wasserstofftanks einen Tankdruckgrenzwert u nterschreitet,
    8. h) Erreichen eines Betankungsendes, falls der Tankdruck den Tankdruckgrenzwert erreicht.
  • Durch das erfindungsgemäß vorgeschlagene Verfahren kann eine Betankung eines Brennstoffzellen-betriebenen Fahrzeugs mit Brennstoff, bei dem es sich vorzugsweise um gasförmigen Wasserstoff handelt, während einer Zeitspanne vorgenommen werden, während der das Fahrzeug in der Regel geparkt ist und nicht gebraucht wird.
  • In weiterer Ausgestaltung des der Erfindung zugrundeliegenden Gedankens erfolgt gemäß Verfahrensschritt b) der Betankungsschritt während der Nacht mit nicht vorgekühltem gasförmigem Wasserstoff. Wird beim erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahren nicht vorgekühlter Wasserstoff verwendet, so kann die Wasserstofftankstelle dahingehend vereinfacht gestaltet werden, dass der mit einer Vorkühlung auf Temperaturen bis zu -40° C verbundene Aufwand bei der Herstellung der Wasserstofftankstelle eingespart werden kann.
  • In Weiterbildung des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahrens erfolgt zur Durchführung des Verfahrensschritts b) der Anschluss des Fahrzeugs an eine robotorartige Betankungsvorrichtung auf automatischem oder halbautomatischem Wege.
  • In Weiterbildung des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahrens kann in vorteilhafter Weise gemäß Verfahrensschritt c) der Betankungsschritt gemäß Verfahrensschritt a) eine erste Tanktemperaturüberprüfung vorgenommen werden, wobei bei Erreichen einer Aufheizung des Tankinhalts des mindestens einen Wasserstofftanks auf einen ersten Temperaturwert, zum Beispiel 85° C, eine Unterbrechung des Betankungsvorgangs und eine Überführung des Fahrzeugs in einen Abkühlungsbereich erfolgt. Dies erfolgt beispielsweise autonom, ohne dass es des Eingriffs eines Fahrers oder einer Aufsichtsperson bedarf.
  • In Weiterführung des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahrens erfolgt im Abkühlungsbereich gemäß Verfahrensschritt d) eine Einleitung aktiver oder passiver Abkühlmaßnahmen des Tankinhalts des mindestens einen Wasserstofftanks. Die aktiven Abkühlungsmaßnahmen können eine Kühlung des mindestens einen Wasserstofftanks mit einem Fahrzeugkühlkreis umfassen, ferner kann eine aktive Abkühlungsmaßnahme durch Aktivierung eines internen Gebläses des Fahrzeugs gegeben sein oder es besteht die Möglichkeit, das Fahrzeug mit einem außerhalb des Fahrzeugs gelegenen, d. h. mit einem externen Gebläse zu verbinden, so dass der Tankinhalt des mindestens eine Wasserstofftanks signifikant abgekühlt werden kann.
  • In Weiterführung des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahrens kann nach Abkühlung des Tankinhalts des mindestens einen Wasserstofftanks, beispielsweise auf Umgebungstemperatur, nach Verfahrensschritt d) und Durchführung einer zweiten Tanküberprüfung gemäß Verfahrensschritt e) das Fahrzeug erneut autonom zum Betankungsbereich überführt werden, so dass ein erneuter Betankungsschritt gemäß Verfahrensschritt b) durchgeführt werden kann.
  • Ist der weitere Betankungsschritt abgeschlossen wird bei Erreichen eines ersten Temperaturwertes von beispielsweise 85°C des Tankinhalts des mindestens einen Wasserstofftanks das Fahrzeug in den Abkühlungsbereich überführt, wo der Tankinhalt erneut einer Abkühlung durch aktive oder passive Abkühlungsmaßnahmen unterzogen wird. Im vorliegenden Zusammenhang ist beispielsweise die natürliche Konvektion oder die Wärmeleitung eine passive Abkühlungsmaßnahme.
  • Beim erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahren werden die Verfahrensschritte a) bis e) durchlaufen, wobei eine Tankdrucküberprüfung erfolgt, bis der Tankdruck beispielsweise bei Umgebungstemperatur im Bereich des Tankdruckgrenzwertes liegt; sodann wird die Betankung des mindestens einen Wasserstofftank aufweisenden Fahrzeugs abgeschlossen.
  • Weiterhin kann die erfindungsgemäß vorgeschlagene Vorgehensweise nach einer definierten Zeitspanne („timeout“) oder Überschreitung einer Uhrzeit oder bei Empfang eines sofort ausführbaren Einsatzbefehls abgebrochen werden, auch wenn das Betankungsende noch nicht erreicht ist.
  • Die Erfindung bezieht sich darüber hinaus auf die Verwendung des Verfahrens zur Betankung eines autonom fahrenden oder nicht-autonom fahrenden Fahrzeugs mit Brennstoffzellenantrieb und mindestens einem Wasserstofftank, in dem gasförmiger Wasserstoff gespeichert werden kann.
  • Vorteile der Erfindung
  • Durch das erfindungsgemäß vorgeschlagene Verfahren kann in vorteilhafter Weise erreicht werden, dass die Gestehungskosten für gasförmigen Wasserstoff für den Endabnehmer reduziert werden. Die Vorkühlung des gasförmigen Wasserstoffs an Wasserstofftankstellen entfällt, wodurch sich die Investitionskosten und die Betriebskosten, die für derartige Tankstellen erforderlich sind, reduzieren. Dies führt zu einer weiteren Reduzierung der Kosten für den gasförmigen Wasserstoff für den Endverbraucher. Durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung kann eine Erhöhung der Reichweite eines Brennstoffzellen-betriebenen Fahrzeugs erreicht werden. Unter Anwendung des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahrens ist es nämlich möglich, dass die Betankung des Brennstoffzellen-betriebenen Fahrzeugs nicht beendet werden muss, wenn der maximale Tankdruck von beispielsweise 875 bar erstmals erreicht worden ist. Dieser Druck bei einer Temperatur von 85° C entspricht dem nominalen Druck von 700 bar bei 20° C. Dieser Überdruck wird im Betankungsprozess unter Einschluss einer Vorkühlung zugelassen, was bedeutet, dass der Tank für diesen Druck ausgelegt und freigegeben ist.
  • Unter Anwendung des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahrens beträgt der Tankdruck ca. 700 bar, beispielsweise nach einem dritten Abkühlungszyklus und einer entsprechend damit einhergehenden Abkühlung des Tankinhalts. Wird ein weiterer Zyklus daran angeschlossen, kann der Tankdruck von den erreichten 700 bar wieder auf beispielsweise 875 bar erhöht werden - bei einer maximal zu erwartenden Umgebungstemperatur von beispielsweise 45° C, wie sie im Sommer erreicht wird. Damit wird die Füllung des mindestens einen Wasserstofftanks um einen Faktor (875 bar * 293 K/318 K) / 700 bar = 1,15 erhöht, wodurch sich eine entsprechende Erhöhung der Reichweite um ca. 15 % erreichen ließe.
  • Eine weitere, zusätzliche Erhöhung der Reichweite eines Brennstoffzellen-betriebenen Fahrzeugs wäre dadurch möglich, dass bei der obenstehenden Kalkulation eine geringere maximale Umgebungstemperatur als 318 K, d. h. 45° C angenommen würde. Ferner kann durch die erfindungsgemäße Lösung erreicht werden, dass der Kunde nicht mehr zur Tankstelle fahren muss, was den Komfort erhöht. Ferner kann Bedienungspersonal an den Tankstellen eingespart und diese können platzsparender ausgelegt werden.
  • Figurenliste
  • Ausführungsformen der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
  • Es zeigen:
    • 1.1-1.4 Ausführungsvarianten von Wasserstofftanks,
    • 2 ein Ablaufdiagramm des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahrens,
    • 3 eine aktive Kühlungsmaßnahme an einem Fahrzeug mittels eines Fahrzeugkühlkreises,
    • 4 eine aktive Kühlungsmaßnahme mit einem externen Gebläse und
    • 5 einen Tanktemperaturverlauf sowie einen Tankdruckverlauf während einer Betankung nach dem erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahren.
  • Ausführungsformen der Erfindung
  • In der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsformen der Erfindung werden gleiche oder ähnliche Elemente mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente in Einzelfällen verzichtet wird. Die Figuren stellen den Gegenstand der Erfindung nur schematisch dar.
  • 1.1-1.4 zeigen Ausführungsvarianten eines Wasserstofftanks 10 mit einer Ummantelung 12. Die Ummantelung 12 ist durch eine Netzstruktur 14 gegeben, die aus einem Kompositmaterial 16 gefertigt ist. Der in 1 dargestellte Wasserstofftank 10 ist bis zu einem Druck von 700 bar mit gasförmigem Wasserstoff beaufschlagbar. In einer weiteren Ausführungsvariante eines Wasserstofftanks 10, weist dieser ebenfalls eine Ummantelung 12 auf, die durch eine Netzstruktur 14 gegeben ist. Der Wasserstofftank 10 ist aus einem Polymermaterial 18 gefertigt, die Netzstruktur 14 aus einem Kompositmaterial 16. 1.1 zeigt einen Wasserstofftank 10 mit einem Mantel 20 aus Metall und einem Anschluss 21; 1.3 zeigt einen Wasserstofftank 10 mit einem Mantel 20 aus Metall und einer Ummantelung 12 durch eine Netzstruktur 14 sowie einen Anschluss 21.
  • 2 zeigt ein Ablaufschema des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahrens zur Betankung eines Fahrzeugs. Das Fahrzeug erreicht zu Betankungsanfang 22 einen Betankungsbereich 24. Dort wird das Fahrzeug mit einer Betankungsvorrichtung 26 verbunden, an dieser angedockt und eingerastet. Bei der Betankungsvorrichtung 26 handelt es sich insbesondere um eine roboterartige automatisch oder halbautomatisch betriebene Vorrichtung. Nach den Betankungsvorbereitungen im Betankungsbereich 24 erfolgt ein Betankungsschritt 28. Erreicht der Tankinhalt aufgrund der Aufheizung einen Temperaturgrenzwert 32, zum Beispiel 85° C, wird die Betankung unterbrochen. Der Temperaturgrenzwert 32 wird im Rahmen einer ständigen Temperaturüberprüfung 30 ermittelt. Falls eine Temperatur 74 des Tankinhalts des mindestens einen Wasserstofftanks 10 den Temperaturgrenzwert 32 überschreitet, wird die Betankung unterbrochen und das Fahrzeug fährt autonom aus dem Betankungsbereich 24 zu einem Abkühlungsbereich 36. Dort wird der Tankinhalt des mindestens einen Wasserstofftanks 10 abgekühlt.
  • Im Abkühlungsbereich 36 erfolgt eine Einleitung 38 von Abkühlungsmaßnahmen. Dabei kann es sich um aktive Abkühlungsmaßnahmen 40 oder passive Abkühlungsmaßnahmen 42 handeln. Einerseits kann ein aktiver Fahrzeugkühlkreis 65 genutzt werden, andererseits könnte auch ein externes Gebläse 70 zur Abkühlung eingesetzt werden. Nach Abkühlung des Tankinhalts des mindestens einen Wasserstofftanks 10 auf die Umgebungstemperatur wird das Fahrzeug erneut zum Betankungsbereich 24 gefahren. Dies kann autonom erfolgen; das Fahrzeug kann auch vom Fahrer bewegt werden. Es erfolgt eine erneute Durchführung eines Betankungsschritts 28. Die Betankung erfolgt so lange, bis die Temperatur des Tankinhalts beispielsweise ein Temperaturgrenzwert 32 von 85° C erreicht. Danach erfolgt erneut die Überführung des Fahrzeugs in den Abkühlungsbereich 36, was ebenfalls auf autonomem Wege erfolgen kann. Dieser Prozess kann mehrmals durchgeführt werden, bis der mindestens eine Wasserstofftank 10 vollständig gefüllt ist. Dies wird festgestellt, indem überprüft wird, ob der Druck innerhalb des mindestens einen Wasserstofftanks 10 oberhalb eines Tankdruckgrenzwertes liegt.
  • Für den Fall, dass der Druck im mindestens einen Wasserstofftank 10 im Bereich des Druckgrenzwertes liegt, erfolgt eine Verzweigung zum Betankungsende 52 und die Betankung ist beendet; liegt der Tankdruck 76 unterhalb des zulässigen Tankdruckgrenzwertes, wird das Fahrzeug erneut zum Betankungsbereich 24 überführt und nochmals betankt. Beim erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahren muss die Betankung des Fahrzeugs nicht zwangsläufig beendet werden, wenn ein maximaler Tankdruck von beispielsweise 875 bar erstmals erreicht worden ist. Dieser Druckwert bei einer Temperatur von 85° C entspricht dem nominalen Druck von 700 bar bei einer Temperatur von 20° C. Dieser Überdruck wird im Betankungsprozess mit Vorkühlung zugelassen, d. h. der mindestens eine Wasserstofftank wird für diesen Druck ausgelegt und freigegeben. Durch das erfindungsgemäß vorgeschlagene Verfahren beträgt der Tankdruck beispielsweise 700 bar nach beispielsweise einem dritten durchgeführten Abkühlungszyklus (vgl. Darstellung gemäß 5) und einer entsprechend erreichten Abkühlung. Wird daran ein vierter Abkühlungszyklus angeschlossen, so kann der Druck innerhalb des mindestens einen Wasserstofftanks 10 wieder auf 875 bar erhöht werden, mit einer entsprechenden Temperaturerhöhung. Dieser Vorgang kann mehrmals wiederholt werden, bis 875 bar bei der maximal zu erwartenden Umgebungstemperatur von zum Beispiel 45° C vorherrschen. Dadurch wird die Füllung des mindestens einen Wasserstofftanks 10 um einen Faktor (875 bar * 293 K/318 K) / 700 bar = 1,15 erhöht. Dies geht mit einer entsprechenden Erhöhung der Reichweite des Fahrzeugs um 15 % einher.
  • Eine zusätzliche, weitere Erhöhung der Reichweite des Fahrzeugs ist dann möglich, wenn eine geringere maximale Umgebungstemperatur angenommen wird als die in die obenstehende Berechnung eingegangenen 318 K, die einer Umgebungstemperatur von zum Beispiel 45° C entsprechen.
  • 3 zeigt eine aktive Kühlungsmaßnahme mittels eines Fahrzeugkühlkreises.
  • Bei einem Fahrzeug 60, bei dem es sich um ein autonom fahrendes Fahrzeug 60 handeln kann, ist der mindestens eine zu betankende Wasserstofftank 10 im Fahrzeugboden 62 aufgenommen. Das Fahrzeug 60 gemäß der schematischen Darstellung in 3 umfasst einen Fahrzeugkühlkreis 65, der einen Lüfter 64 einschließt. Wie aus der Darstellung gemäß 3 hervorgeht, erfolgt hier eine aktive Kühlmaßnahme 40, indem der Fahrzeugkühlkreis 65 zur Kühlung des Tankinhalts des im Fahrzeugboden 62 verbauten mindestens einen Wasserstofftanks 10 herangezogen wird.
  • 4 zeigt alternativ zur Darstellung gemäß 3, dass das Fahrzeug 60 ebenfalls im Fahrzeugboden 62 mindestens einen Wasserstofftank 10 aufweist. Dieser wird mit einem außerhalb des Fahrzeugs 60 angeordneten externen Gebläse 70, welches ein oder mehrere Lüfterräder 66 umfassen kann, verbunden, so dass eine externe Kühlung, d. h. eine aktive Kühlmaßnahme 40 von außerhalb des Fahrzeugs 60 erfolgt.
  • 5 zeigt eine Gegenüberstellung eines Tanktemperaturverlaufs und eines Tankdruckverlaufs an mindestens einem Wasserstofftank aufgetragen über die Zeitachse.
  • Wie aus 5 hervorgeht, lässt sich der Betankungsvorgang in eine erste Betankungsphase 78, eine sich daran anschließende zweite Betankungsphase 80 sowie eine dritte Betankungsphase 82 unterteilen. In der Darstellung gemäß 5 sind jeweils über die Zeitachse aufgetragen ein Wasserstoffdurchfluss 72, eine Tanktemperatur 74 sowie ein im Inneren des Wasserstofftanks 10 herrschender Tankdruck 76.
  • Nach Initiierung der Betankung im Betankungsbereich 24 erfolgt während des ersten Betankungsschrittes 28 ein erster Temperaturanstieg 84 des Tankinhalts aufgrund der Expansion des Wasserstoffs. Dies geht mit einem ersten Tankdruckanstieg 86 einher. Nach Abschluss der Wasserstoffeinströmung in den Wasserstofftank 10 erfolgt eine erste Abkühlphase 88 innerhalb des Abkühlbereiches 36. Die Abkühlung erfolgt durch die Einleitung von Abkühlungsmaßnahmen 38, wie aktive Kühlmaßnahmen 40 sowie passive Kühlmaßnahmen 42. Die passiven Kühlmaßnahmen 42 können neben einer natürlichen Konvektion auch Wärmeleitung umfassen.
  • Die Tanktemperatur 74 nimmt nach Ende der Betankung des Wasserstofftanks 10 mit gasförmigem Wasserstoff ab, was während der ersten Abkühlphase 88 erfolgt. Damit geht ein Rückgang des Tankdrucks 36 einher. Ein Tankdruckniveau 102 bezeichnet den im mindestens einen Wasserstofftank 10 herrschenden Tankdruck 76 während der ersten Betankungsphase 78.
  • An die erste Betankungsphase 78 schließt sich eine zweite Betankungsphase 80 an. Es erfolgt ein zweiter Temperaturanstieg 90 des Tankinhalts des mindestens einen Wasserstofftanks 10, was wieder mit einem zweiten Druckanstieg 92 einhergeht. Nach Ende des Wasserstoffdurchflusses 72 während der zweiten Betankungsphase 80 erfolgt eine zweite Abkühlphase 94, während derer der Tankinhalt des mindestens einen Wasserstofftanks 10 abgekühlt wird, was durch die bereits erwähnte Einleitung von Abkühlmaßnahmen 38 erfolgt, seien es aktive Kühlmaßnahmen 40 oder passive Kühlmaßnahmen 42. Auch in der zweiten Betankungsphase 80 ist ein Tankdruckniveau 104, welches während der zweiten Betankungsphase 80 herrscht, gestrichelt wiedergegeben. Bei der ersten Betankungsphase 78 steigt die Temperatur des Tankinhalts gemäß dem ersten Temperaturanstieg 84 beispielsweise bis auf den Temperaturwert von 85° C an, während der aktuelle Tankdruck 76 bis beispielsweise auf 300 bar zunimmt. Nach der ersten Abkühlphase 88 durch eine aktive Abkühlungsmaßnahme 40 beispielsweise (externes Gebläse) wird der Tankinhalt auf ca. 25° C abgekühlt und es schließt sich die zweite Betankungsphase 80 an. Während dieser steigt gemäß dem zweiten Temperaturanstieg 90 die Temperatur des Tankinhalts des mindestens einen Wasserstofftanks 10 beispielsweise wieder auf 85° C an, während der Druck auf ein höheres Niveau, nämlich auf ein Druckniveau von 600 bar zunimmt.
  • Während der dritten Betankungsphase 82 gemäß der Darstellung in 5 wird eine Druckobergrenze erreicht (vgl. Tankdruckniveau 106 während der dritten Betankungsphase 82), der gesamte Betankungsvorgang wird abgeschlossen. Das Fahrzeug 60 fährt von der Tankstelle weg, die Abkühlungskurve (vgl. dritte Abkühlphase 100 während der dritten Betankungsphase 82) verläuft deutlich flacher. Zu diesem Zeitpunkt werden keine aktiven Abkühlungsmaßnahmen 40 mehr eingesetzt.
  • Durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung wird die Betankung des Fahrzeugs 60 nicht beendet, sobald der maximale Tankdruck von 875 bar erstmals erreicht worden ist. Dieser bei einer Temperatur z.B. von 85° C erreichte Druckwert von 875 bar entspricht einem nominalen Druck von 700 bar, der bei einer Temperatur von 20° C herrscht. Dieser Überdruck, d. h. ein Δp von 175 bar wird im Betankungsprozess mit Vorkühlung zugelassen, d. h. der Wasserstofftank 10 wird für diesen Druck ausgelegt und freigegeben. Unter Anwendung des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahrens beträgt der Tankdruck ca. 700 bar nach der dritten Abkühlungsphase 100, d. h. nach Abschluss der dritten Betankungsphase 82. Wird hieran ein vierter Betankungszyklus angeschlossen, kann der Tankdruck wieder auf ein Druckniveau von 875 bar erhöht werden, was mit einer entsprechenden Temperaturerhöhung einhergeht. Der Vorgang kann mehrmals wiederholt werden, bis ein Druckniveau von 875 bar bei der maximal zu erwartenden Umgebungstemperatur von zum Beispiel 45° C vorherrschen. Damit wird die Füllung des Tanks um einen Faktor (875 bar * 293 K/318 K) / 700 bar = 1,15 erhöht, was mit einer entsprechenden Reichweitenerhöhung um 15 % einhergeht.
  • Eine zusätzliche Erhöhung der Reichweite lässt sich erreichen, wenn eine geringere maximale Umgebungstemperatur angenommen wird, die von der in der obigen Beziehung wiedergegebenen 318 K (45° C) signifikant abweichen sollte.
  • Die Erfindung ist nicht auf die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele und die darin hervorgehobenen Aspekte beschränkt. Vielmehr ist innerhalb des durch die Ansprüche angegebenen Bereichs eine Vielzahl von Abwandlungen möglich, die im Rahmen fachmännischen Handelns liegen.

Claims (12)

  1. Verfahren zur Betankung eines Fahrzeugs (60), oder eines autonom fahrenden Fahrzeugs, mit gasförmigem Wasserstoff, welches mindestens einen im Fahrzeugboden (62) des Fahrzeugs (60) integrierten Wasserstofftank (10) aufweist, mit nachfolgenden Verfahrensschritten: a) Befahren eines Betankungsbereichs (24) durch das Fahrzeug (60), b) Durchführung eines Betankungsschritts (28; 78, 80, 82) am Fahrzeug (60), c) Durchführung einer ersten Temperaturüberprüfung (30) des mindestens einen Wasserstofftanks (10), d) Überführen des Fahrzeugs (60) in einen Abkühlungsbereich (36), falls eine Temperatur (74) des Tankinhalts des mindestens einen Wasserstofftanks (10) einen Temperaturgrenzwert (32) überschreitet, e) Durchführung einer zweiten Temperaturüberprüfung (44), f) Durchführung einer Tankdrucküberprüfung (48), falls die Temperatur (74) des Tankinhalts des mindestens einen Wasserstofftanks (10) einen Temperaturgrenzwert (32) unterschreitet, g) Verzweigung zu Verfahrensschritt a), falls der Tankdruck (76) des mindestens einen Wasserstofftanks (10) einen Tankdruckgrenzwert u nterschreitet, h) Erreichen eines Betankungsendes (52), falls der Tankdruck (76) den Tankdruckgrenzwert erreicht.
  2. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass gemäß Verfahrensschritt b) der Betankungsschritt (28; 78, 80, 82) mit nicht vorgekühltem gasförmigem Wasserstoff durchgeführt wird.
  3. Verfahren gemäß den Ansprüchen 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass zur Durchführung des Verfahrensschritts b) eine roboterartige Betankungsvorrichtung (26) automatisch oder halbautomatisch am Fahrzeug (60) angeschlossen wird.
  4. Verfahren gemäß den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass im Abkühlungsbereich (36) gemäß Verfahrensschritt d) eine Einleitung (38) aktiver Abkühlungsmaßnahmen (40) oder passiver Abkühlungsmaßnahmen (42) des Tankinhalts des mindestens einen Wasserstofftanks (10) erfolgt.
  5. Verfahren gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die aktiven Abkühlungsmaßnahmen (40) ein Abkühlen des mindestens einen Wasserstofftanks (10) mit einem Fahrzeugkühlkreis (65), einem internen Gebläse (68) des Fahrzeugs (60) oder mit einem extern des Fahrzeugs (60) vorgesehenen Gebläse (70) umfassen.
  6. Verfahren gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die passiven Abkühlungsmaßnahmen (42) eine Wärmeabgabe des mindestens einen Wasserstofftanks (10) durch natürliche Konvektion und/ oder Wärmeleitung umfassen.
  7. Verfahren gemäß den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass nach Abkühlung des Tankinhalts des mindestens einen Wasserstofftanks (10) auf Umgebungstemperatur nach Verfahrensschritt d) und Durchführung einer zweiten Tanktemperaturüberprüfung (44) gemäß Verfahrensschritt e) das Fahrzeug (60) erneut entweder autonom zum Betankungsbereich (24) fährt oder aktiv dorthin gefahren wird und ein erneuter Betankungsschritt gemäß Verfahrensschritt b) durchgeführt wird.
  8. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass nach Durchführung des weiteren Betankungsschritts (28; 78, 80, 82) bei Erreichen des ersten Temperaturwerts von beispielsweise 85 °C des Tankinhalts des mindestens einen Wasserstofftanks (10) das Fahrzeug (60) in den Abkühlungsbereich (36) überführt wird.
  9. Verfahren gemäß den Ansprüchen 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Verfahrensschritte a) bis e) durchgeführt werden, während eine Tankdrucküberprüfung (48) erfolgt.
  10. Verfahren gemäß Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem Tankdruck (76) unterhalb eines Tankdruckgrenzwerts ein weiterer Betankungsschritt (28; 78, 80, 82) folgt, oder bei Erreichen eines Tankdruckgrenzwerts die Betankung abgeschlossen wird.
  11. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Verfahrensschritte a) bis h) nach einer definierten Zeitspanne („timeout“), oder Überschreiten einer Uhrzeit oder bei Empfang eines sofort ausführbaren Einsatzbefehles abgebrochen werden, auch wenn Verfahrensschritt h) noch nicht erreicht ist.
  12. Verwendung des Verfahrens gemäß einem der vorstehenden Ansprüche zur Betankung eines autonom oder nicht autonom fahrenden Fahrzeugs (60) mit Brennstoffzellenantrieb und mindestens einem mit gasförmigem Wasserstoff befüllbaren Wasserstofftank (10).
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