CN116490390A - 用于燃料电池箱的热压力卸载的箱设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于燃料电池箱的热压力卸载的箱设备(1)，其中，所述箱设备(1)包括至少两个箱容器(2)和能够与所述箱容器(2)连接的供应管路(4)，其中，所述至少两个箱容器(2)中的每个箱容器在一端部(20)上具有至少一个截止阀(8)，所述截止阀(8)布置在对应的箱容器(2)和所述供应管路(4)之间。根据本发明，在该箱容器(2)的另一端部(21)上布置有至少一个安全阀(10)，其中，至少所述至少两个箱容器(2)和对应的安全阀(10)至少几乎完全被壳体元件(24)包围和/或相对于周围环境(190)尤其压力密封地封装。在此，在所述壳体元件(24)、尤其内部空间(180)中存在尤其相对于周围环境(190)和/或相对于周围环境压力(191)的过压(181)，其中，所述壳体元件(24)具有温度敏感的材料(25)、尤其是塑料，其中，所述安全阀(10)在所述内部空间(180)中存在的压力、尤其是过压(181)下降的情况下打开。

Description

用于燃料电池箱的热压力卸载的箱设备
技术领域
本发明涉及一种用于燃料电池箱的热压力卸载的箱设备，该箱设备尤其用于储存氢，例如用于应用在具有燃料电池驱动装置的车辆中。
背景技术
DE 10 2017 212 485 A1说明了一种用于储存经压缩的流体的装置，所述流体用作用于车辆的燃料，其中，所述装置包括至少两个管状的箱模块和至少一个高压燃料供应器，该高压燃料供应器具有至少一个集成的调节和安全技术装置。此外，至少两个管状的箱模块由金属制成，并且与具有至少一个集成的调节和安全技术装置的至少一个高压燃料供应器模块化地连接，以形成一个呈柔性几何形状的模块。
用于这样的装置的安全设备如在DE 10 2017 212 485 A1中所示的那样是标准化的。在此，每个箱模块必须具有一个可自动截止的溢流阀和一个安全阀。因此，例如在用于存储经压缩的流体的装置发生事故或该装置内的管路破裂时，溢流阀可以关闭，使得没有气体从储存单元中逸出。此外，安全阀例如在发生火灾或温度升高超过预定的阈值时应确保，氢气例如可以从箱模块中导出，以便预防箱模块或甚至整个用于储存经压缩的流体的装置爆炸。
对于这些安全预防措施需要大量的阀，由此增加了整个储气系统的复杂性及其成本。此外，根据安全阀的位置必须确保，当火源不在安全阀附近时，该安全阀也触发，以便预防储气系统的可能爆炸。
发明内容
与之相比，具有权利要求1特征的根据本发明的箱设备具有以下优点：以结构设计上简单的方式快速且可靠地探测在箱设备上的局部热源，以确保安全阀的可靠打开。
为此，用于燃料电池箱的热压力卸载的箱设备包括至少两个箱容器和能够与箱容器连接的供应管路。至少两个箱容器中的每个箱容器在一端部上具有至少一个截止阀，该截止阀布置在相应的箱容器和供应管路之间。在箱容器的另一端部上还布置有至少一个安全阀。此外，至少两个箱容器和相应的安全阀被框架状的壳体元件至少完全包围和/或相对于周围环境，尤其压力密封地封装。在此，在壳体元件，尤其内部空间中存在过压，尤其相对于周围环境和/或周围环境压力。壳体元件具有温度敏感的材料，尤其塑料，其中，在内部空间中存在的压力，尤其过压下降的情况下，安全阀打开。
由此确保，相应的安全阀在紧急情况下，例如发生火灾的事故中，也安全打开，以便将储存的氢气从箱容器中排放并且抵抗箱容器的爆裂。在此，与热输入在哪个部位作用到箱设备上无关，因为在热输入到壳体元件上时在壳体元件的内部空间中产生压力降，尤其过压的压力降，由此可以触发安全阀。在此，框架状的壳体元件覆盖车辆的大的区域，这导致在发生火灾的情况下触发安全阀。
在第一有利的扩展方案中设置，安全阀包括可熔化介质，例如蜡，使得该安全阀尤其是一种熔化安全阀。以这种方式可以实现安全阀的成本低且紧凑的结构形式，该安全阀在紧急情况下可靠地一次性打开，并且因此，氢气可以从相应的箱的区域中排出。
在本发明的另外构型中有利地设置，安全阀的可熔化介质在周围环境温度升高时熔化并且因此打开安全阀。以这种方式可以确保，在车辆和/或箱的区域中例如由于火灾而出现温度升高的紧急情况下，可熔化介质被加热，由此，聚集态从至少几乎固态变为至少几乎液态并且可熔化介质从安全阀的区域、尤其从颈部区域运动出来，并且因此，储存在箱容器中的氢气可以从该箱容器中被排放，然后通过排放管路和/或排出阀导出到周围环境中。因此，氢气可以以简单且安全的方式从箱容器被引导到排出管路中，并且可以防止箱容器爆裂，尤其以防止在箱上的爆炸危险和因此防止整个车辆中的爆炸危险。
在有利的扩展方案中设置，各安全阀具有压力传感器，该压力传感器在内部空间中发生压力变化时激活加热元件，该加热元件加热安全阀的可熔化介质。以这种方式可以确保，在内部空间中压力下降时，可熔化介质变化为至少近似液态的聚集态，并且因此打开安全阀，可熔化介质在所述安全阀中熔化，使得氢气能够从箱中排出。
在本发明的另外构型中有利地设置，温度敏感的材料具有低于箱容器材料的熔化温度的熔化温度。以这种方式可以确保，壳体元件的材料熔化并且因此在壳体元件内的压力下降，由此打开安全阀并且在至少一个箱的材料失效并且箱可能爆裂之前从至少一个箱中排出氢气。以这种方式可以防止箱的爆炸和/或爆裂，尤其在整个车辆发生事故和/或发生火灾的情况下。
在有利的扩展方案中设置，至少一个阀，尤其是压力限制阀，位于至少两个箱容器中的至少一个箱容器上，其中，该阀导致氢气从相应的箱容器连续释放到内部空间中。以这种方式可以实现如下优点：可能在壳体元件上出现的泄漏(在泄漏时尤其每小时仅溢出少量处于壳体元件内部空间中的气体，例如小于1％重量份额)可以如此得到补偿，其方式是：该泄漏通过处于相应的箱容器中的气体来补偿并且因此壳体元件的内部空间中的压力不下降和/或至少几乎可以保持。因此，防止安全阀的错误和意外的打开，尤其在没有紧急情况，例如发生火灾的事故时，使得防止在没有紧急情况时从箱中排出氢气。
在有利的扩展方案中设置，每个相应的箱容器能够借助相应的安全阀与排出管路连接。因此可以确保，每个箱容器都有自己的安全阀，由此在安全阀发生故障的情况下，至少还可以从其他箱容器中排出氢气。
所描述的箱设备优选适用于燃料电池系统中，用于储存用于运行燃料电池的氢气。
在有利的使用中，箱设备可以使用在具有燃料电池驱动装置的车辆中。
附图说明
在附图中示出根据本发明的用于燃料电池箱的热压力卸载的箱设备的实施例。附图示出了：
图1：根据本发明的箱设备的示意性俯视图，
图2：根据本发明的箱设备的俯视图，该箱设备具有至少两个箱容器和包围的框架状的壳体元件，
图3：根据本发明的箱设备的侧视图，该箱设备具有至少两个箱容器和包围的框架状的壳体元件，
图4：安全阀的剖视图。
所有附图仅是本发明的箱设备、根据本发明的方法或其根据本发明实施例的组成部分的示意图。尤其，距离和尺寸关系在图中没有按照比例真实再现。
具体实施方式
图1示出根据本发明的箱设备1的一个实施例的俯视图。箱设备1具有多个箱容器2，这些箱容器基本上柱形地构造并且由钢制成。
根据图1的示图是根据本发明的用于燃料电池系统31的箱设备1的示意图。在此，箱设备1具有至少两个箱容器2，用于储存氢气，以及具有框架状的壳体元件24和能够与箱容器2连接的供应管路4。在此，框架状的壳体元件24至少部分地包围至少两个箱容器2和供应管路4，其中，至少两个箱容器2平行于纵轴线9延伸。在此，至少两个箱容器2中的每个箱容器具有至少一个阀8、10，所述箱容器基本上柱形地构造并且由钢制成。所述至少一个阀8、10是截止阀8和/或安全阀10。
在箱设备1的一个示例性的实施方式中，至少两个箱容器2分别在第一端部20上具有截止阀8并且在第二端部21上具有安全阀10，其中，各端部20、21沿纵轴线9的方向分别位于相应的箱容器2上。在此，两个箱容器2至少近似管状地实施。
此外，在图1中示出，截止阀8布置在相应的箱容器2和供应管路4之间，其中，供应管路4位于相应的箱容器2与燃料电池系统31、尤其燃料电池29之间。在燃料电池系统31的示例性的实施方式中，氢气可以从箱设备1(该箱设备尤其处于至少几乎700bar的高压下)经由供应管路4到达燃料电池系统31的喷射泵的喷嘴和/或吸入区域。此外，供应阀5可以位于供应管路4的区域中，尤其在截止阀8和燃料电池系统31、尤其燃料电池系统31的阳极区域之间和/或至少间接地与燃料电池29之间。在此，供应阀5可以位于框架状的壳体元件24之内或之外。
在各箱容器2的第二端部21的区域中(在该区域上箱容器2具有安全阀10)，箱容器2通过安全阀10与连接管路11连接。连接管路11在发生事故和/或火灾的情况下用于将氢气从箱设备1从相应的箱容器2中排出并且因此抵抗各箱容器2的爆裂。在连接管路11的背离安全阀10和/或箱容器2的端部、尤其是其下游的端部上，可以有一个排出阀12，通过该排出阀，在发生事故或火灾时的情况下，氢气可以排放到车辆的周围环境190中，尤其排放到引燃的氢气不再能够损害或伤害整个车辆和乘员的区域中。在箱设备1的进一步示例性的实施方式中，每个相应的箱容器2能够借助相应的安全阀10与排出管路11连接。
在一个示例性的实施方式中，安全阀10可以是所谓的熔化安全阀10和/或TPRD(热熔泄压装置)阀10，其具有熔化介质如蜡，以便在紧急情况下在热输入到箱容器2上时通过蜡的熔化触发安全阀10的打开。因此，在该示例性的实施方式中，各箱容器2以其第一端部20通过截止阀8与供应管路4连接和/或以其第二端部21通过安全阀10(该安全阀尤其实施为熔化安全阀10)与连接管路11连接。
此外，在连接管路11的区域中，尤其在安全阀10和排出阀12之间，可以有一个另外的阀。该另外的阀和/或排出阀12在此可以位于框架状的壳体元件24之内或之外。
各箱容器2的相应的端部20、21具有锥形的变细部并且因此具有典型的瓶颈结构。
在此，在图1中所示的箱设备1用于燃料电池箱的热压力卸载。根据本发明，在此，至少两个箱容器2和相应的安全阀10至少几乎完全被壳体元件24包围和/或相对于周围环境190尤其压力密封地封装。在壳体元件24中，尤其是内部空间180中，存在过压181，尤其相对于周围环境190和/或相对于周围环境压力191。在此，在内部空间180中的过压181相对于周围环境191的周围环境压力190的压差例如可以为至少0.1bar，其中，周围环境190也可以是在整个车辆190外的周围环境190。在此，壳体元件24包括至少一种温度敏感的材料25、尤其是塑料。安全阀10的可熔化介质71在此可以在内部空间180中存在的压力、尤其过压181下降时熔化，并且因此打开安全阀10。作用机制链在此是，在由于在箱设备1和/或整个车辆的区域中发生事故而出现火灾或温度升高的情况下，在壳体元件24的任意部位处发生这种温度输入，使得温度敏感的材料25熔化，并且因此，在壳体元件24中有一个开口，气态介质通过该开口从内部空间180逸出，尤其进入到周围环境190中，并且因此，过压181减小并且至少几乎与周围环境压力191平衡。通过内部空间180中的压力降现在至少间接地打开安全阀10并且将处于箱容器2中的氢气经由排放管路11和排出阀12从箱设备1中导出，使得氢气对于箱设备1和整个车辆是无危险的，例如由于由事故触发的火灾。在此有利的是，由于箱设备1的根据本发明的构型，安全阀10不是在本身通过火灾直接在安全阀10处的温度输入而打开时才触发，而是将由火灾引起的温度输入导致安全阀10打开的区域扩大，例如在整个框架状的壳体元件24的区域中。因此，氢气可以从在氢气达到安全阀10和/或相应的箱容器2之前在相应时间点更早地被排出。这降低了由火灾引燃的氢气和/或箱容器2爆裂而引起的严重事故的危险，因为氢气已经可以更早地从箱设备1和/或整个车辆中被排出。
箱设备1的工作方式如下：在燃料电池系统31的正常工作方式中，燃料电池29从箱容器2被供给以氢气。在此，截止阀8如此设计，使得确保向燃料电池29的安全供应。
如果，例如由火引起而发生到箱设备1或箱容器2上的热输入，则应在发生热输入之后尽可能快地触发安全阀10，使得氢气能够从箱容器2中导出，以便例如预防箱容器2的爆炸。在此，向截止阀8的电流供应通常也被中断，使得氢气不再能够从箱容器2中逸出。
为了确保，当例如热输入不在安全阀10附近出现，例如热输入发生在箱容器2的第一端部上时，安全阀10也触发，因此，箱设备1的具有在壳体元件24内的过压181的本发明构型保证安全阀10的可靠打开。
图2示出根据本发明的箱设备1的俯视图，该箱设备具有至少两个箱容器2和包围的框架状的壳体元件24。在此，在箱设备1的一个示例性的实施方式中，各安全阀10可以位于箱设备1的大地测量学上的最低点处。在此，安全阀10具有可熔化介质71，例如蜡71，使得安全阀尤其是熔化安全阀10。此外，在周围环境190的温度升高时，安全阀7的可熔化介质71熔化，由此安全阀10打开。在此，框架状的壳体元件24具有温度敏感材料25，其中，温度敏感材料25的熔化温度低于相应的箱容器2的材料的熔化温度。
此外，在图2中示出，至少一个阀13，尤其是压力限制阀13，位于至少两个箱容器2中的至少一个上，其中，阀13导致氢气从各箱容器2连续释放到内部空间180中。这在壳体元件24上发生可能的泄漏(在泄漏时处于内部空间180中的少量气体逸出到周围环境190中)时可以通过处于箱容器2中的气体进行补偿，该气体通过阀13引导到内部空间180中。在此可以防止，过压181在没有事故和/或火灾时下降并且因此将安全阀10触发。如果由于壳体元件24的小刺穿而存在泄漏，尤其可以是这种情况。在此，保持内部空间180内的压力水平。
图3示出根据本发明的箱设备1的俯视图，该箱设备具有至少两个箱容器2和包围的框架状的壳体元件24。在此示出，箱容器2在一平面中彼此并排地布置，其中，壳体元件24包围箱容器2，并且在壳体元件24的内部空间180中形成过压181，尤其相对于周围环境压力191。
在图4中示出箱设备1和/或安全阀10的一个示例性的实施方式，各安全阀10具有压力传感器72，该压力传感器在内部空间180中发生压力变化时激活加热元件173，该加热元件加热安全阀10的可熔化介质71。在此，传感器72与加热元件73例如借助布设线缆连接，一旦内部空间180中的压力、尤其过压181低于极限值，传感器72就操控加热元件73和/或向加热元件73供给能量。随后，可熔化介质71由于温度输入而熔化、流出，尤其朝排出管路11的方向流出，并且因此安全阀10打开，使得氢气能够从箱容器2中逸出。在此，加热元件73可以围绕着中心轴线6套筒形地构造，因此，可熔化介质71处于加热元件73的内部。
在所有实例中，各安全阀10的打开是不可逆的，因为在火灾情况下，箱容器2被快速并有效地排空，并且为了确保完全排空，安全阀10应保持在打开状态中。

Claims (9)

1.一种用于燃料电池箱的热压力卸载的箱设备(1)，其中，所述箱设备(1)包括至少两个箱容器(2)和能够与所述箱容器(2)连接的供应管路(4)，其中，所述至少两个箱容器(2)中的每个箱容器在一端部(20)上具有至少一个截止阀(8)，所述截止阀(8)布置在对应的箱容器(2)和所述供应管路(4)之间，其中，在该箱容器(2)的另一端部(21)上布置有至少一个安全阀(10)，其特征在于，至少所述至少两个箱容器(2)和对应的安全阀(10)至少几乎完全被壳体元件(24)包围和/或相对于周围环境(190)尤其压力密封地封装，其中，在所述壳体元件(24)、尤其内部空间(180)中存在尤其相对于周围环境(190)和/或相对于周围环境压力(191)的过压(181)，其中，所述壳体元件(24)具有温度敏感的材料(25)、尤其是塑料，其中，所述安全阀(10)在所述内部空间(180)中存在的压力、尤其是过压(181)下降的情况下打开。
2.根据权利要求1所述的箱设备(1)，其特征在于，所述安全阀(10)包括可熔化介质(71)，例如蜡(71)，使得所述安全阀尤其是熔化安全阀(10)。
3.根据权利要求1或2所述的箱设备(1)，其特征在于，所述安全阀(10)的可熔化介质(71)在所述周围环境(190)的温度升高时熔化并且因此安全阀(10)打开。
4.根据权利要求1或2所述的箱设备(1)，其特征在于，各安全阀(10)具有压力传感器(72)，所述压力传感器在所述内部空间(180)中发生压力变化时激活加热元件(73)，所述加热元件加热所述安全阀(10)的可熔化介质(71)。
5.根据前述权利要求中任一项所述的箱设备(1)，其特征在于，所述温度敏感的材料(25)的熔化温度低于所述箱容器(2)的材料的熔化温度。
6.根据权利要求1所述的箱设备(1)，其特征在于，至少一个阀(13)位于至少所述两个箱容器(2)中的至少一个箱容器上，所述至少一个阀尤其是压力限制阀(13)，其中，该阀(13)导致氢气从对应的箱容器(2)连续释放到所述内部空间(180)中。
7.根据权利要求1所述的箱设备(1)，其特征在于，每个对应的箱容器(2)能够借助对应的安全阀(10)与排出管路(11)连接。
8.一种燃料电池系统(31)，具有根据前述权利要求中任一项所述的箱设备(1)。
9.一种燃料电池运行的车辆，具有根据权利要求1至7中任一项所述的箱设备(1)。
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