DE102006009060A1 - Im Tank befindliches Wasserstoffverteilungsventil - Google Patents

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Abstract

Es wird ein Wasserstoffverteilungsventil zum alternativen Verteilen von gasförmigem und flüssigem Wasserstoff aus einem Tank offenbart. Das Wasserstoffverteilungsventil enthält eine Ventilkammer mit einem Einlass für gasförmigen Wasserstoff, mit einem Einlass für flüssigen Wasserstoff, mit einem Wasserstoffauslass und mit einer Referenzdruckmündung zum Empfangen eines Referenzwasserstoffdrucks. In der Ventilkammer ist ein Kippventil zum alternativen Abdichten des Einlasses für gasförmigen Wasserstoff und des Einlasses für flüssigen Wasserstoff vorgesehen. Mit dem Kippventil ist ein Vorspannungsmechanismus in Eingiff, um das Kippventil in dichtenden Eingriff mit dem Einlass für flüssigen Wasserstoff vorzuspannen. In Fluidverbindung mit der Referenzdruckmündung ist eine Ventilmembran vorgesehen, die mit dem Ventilkopf in Eingriff ist, um den Ventilkopf in dichtenden Eingriff mit dem Einlass für gasförmigen Wasserstoff vorzuspannen.

Description

  • Gebiet der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Systeme zum Verteilen von flüssigem oder gasförmigem Wasserstoff aus einem Wasserstoffspeichertank zu einer Brennstoffzelle oder zu einem anderen Ziel für die Verwendung. Insbesondere bezieht sich die vorliegende Erfindung auf ein in einem Tank befindliches Wasserstoffverteilungsventil, das die automatische Strömung von gasförmigem Wasserstoff aus einem Wasserstoffspeichertank zu einer Brennstoffzelle oder zu einem anderen Ziel unter niedrigen Durchflussmengen und/oder hohen Tankdrücken und die Strömung von flüssigem Wasserstoff unter hohen Durchflussmengen und/oder niedrigen Tankdrücken ermöglicht.
  • Hintergrund der Erfindung
  • Wasserstoff wird üblicherweise in verschiedenen industriellen Anwendungen verwendet. Zum Beispiel wird Wasserstoffgas in einer Brennstoffzelle als ein Brennstoff zum Erzeugen elektrischer Leistung verwendet, die ein Fahrzeug oder andere Maschinen betreibt. Der Wasserstoff ist typisch in flüssiger Form in einem Wasserstofftank gespeichert und wird von dem Tank zur Verwendung zu der Brennstoffzelle verteilt.
  • In Tanks für flüssigen Wasserstoff ist der Wasserstoff typisch sowohl in einem flüssigen Anteil als auch in einem gasförmigen Anteil vorhanden. Die Temperatur wird bei einer sehr tiefen Temperatur (typisch etwa –250 °C) gehalten. Der Wasserstoff kann aus dem Tank z. B. entweder in gasförmiger Form oder in flüssiger Form typisch zur Verwendung in einer Brennstoffzelle verteilt werden. Obgleich einige Systeme die Verteilung ausschließlich von flüssigem oder von gasförmigem Wasserstoff aus dem Tank vorsehen, kann es erwünscht sein, je nach den Tankbedingungen zwischen der Verteilung von entweder gasförmigem oder flüssigem Wasserstoff aus dem Tank zu wechseln.
  • Während der Verteilung von gasförmigem Wasserstoff hat der Druck in dem Tank eine Tendenz, mit einer so hohen Rate abzunehmen, dass die Strömung von Wasserstoff aus dem Tank blockiert wird. Diese Erscheinung ist durch Vorsehen einer Heizeinrichtung in Wärmekontakt mit dem Tank gelöst worden. In diesem Fall verdampft die von der Heizeinrichtung in den Tank übertragene Wärme einen Teil des flüssigen Wasserstoffs in die gasförmige Phase und erhöht dadurch den Tankdruck. Allerdings verleiht das Hinzufügen einer Heizeinrichtung zu dem Tank dem System zusätzliche Komplexität.
  • Während der Verteilung von flüssigem Wasserstoff aus dem Tank hat der Tankdruck eine Tendenz, stabiler zu bleiben als in dem Fall, der sich auf den gasförmigen Wasserstoff bezieht. Allerdings hat die natürliche Übertragung von Wärme von äußeren Wärmequellen in den Tank eine Tendenz, die Temperatur des Wasserstoffs in dem Tank zu erhöhen. Falls die Durchflussmenge des flüssigen Wasserstoffs aus dem Tank niedrig ist, kann die erhöhte Temperatur zu übermäßig hohen Druckpegeln in dem Tank führen.
  • Somit ist es erwünscht, flüssigen Wasserstoff aus einem Wasserstoffspeichertank mit hohen Durchflussmengen und/oder niedrigen Tankdrücken zu verteilen und gasförmigen Wasserstoff aus dem Tank mit niedrigen Durchflussmengen und/oder hohen Tankdrücken zu verteilen.
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung ist allgemein auf ein neues Wasserstoffverteilungsventil gerichtet, das automatisch gasförmigen Wasserstoff aus einem Wasserstoffspeichertank unter den Bedingungen niedriger Wasserstoffdurchflussmenge und hohen Tankdrucks verteilen kann sowie flüssigen Wasserstoff aus dem Tank unter den Bedingungen hoher Wasserstoffdurchflussmenge und niedrigen Tankdrucks verteilen kann. Das Wasserstoffverteilungsventil enthält eine Ventilkammer, die typisch im Innern des Wasserstoffspeichertanks vorgesehen ist. Die Ventilkammer enthält einen Einlass für gasförmigen Wasserstoff und einen Einlass für flüssigen Wasserstoff. In der Ventilkammer ist ein Ventilarm mit einem Ventilkopf angelenkt. Von den gegenüberliegenden Seiten des Ventilkopfs gehen Ventilstifte aus, um je nach der Stellung des Ventilkopfs in der Ventilkammer alternativ den Einlass für gasförmigen Wasserstoff oder den Einlass für flüssigen Wasserstoff abzudichten. Eine Ventilfeder in der Kammer belastet den Ventilarm in der Weise vor, dass der entsprechende Ventilstift den Einlass für flüssigen Wasserstoff abdichtet. Eine Ventilmembran, die mit dem Ventilarm der Ventilfeder gegenüberliegend in Eingriff ist, ist auf einer Seite einem ausgewählten Wasserstoffreferenzdruck ausgesetzt, um den Ventilarm in der Weise vorzuspannen, dass der entsprechende Ventilstift den Einlass für gasförmigen Wasserstoff abdichtet. Ein zweiter Druck, der dem Tankdruck minus dem Druckabfall über das Ventil entspricht, übt einen Druck auf die gegenüberliegende Seite der Membran aus. Der Druckabfall über das Ventil ist durch die Durchflussmenge des Wasserstoffs aus dem Tank bestimmt.
  • Unter den Bedingungen sich erhöhenden Drucks in dem Tank oder niedriger Wasserstoffdurchflussmengen aus dem Tank wirkt der durch die Ventilfeder ausgeübte Druck zusammen mit dem Tankdruck minus der Druckdifferenz über das Ventil (die auf eine Oberfläche der Ventilmembran ausgeübt wird) dem durch den Referenzdruck auf die andere Oberfläche der Ventilmembran auf den Ventilarm ausgeübten Vorspannungsdruck entgegen. Dies ermöglicht die Strömung von gasförmigem Wasserstoff aus dem Tank, durch den Einlass für gasförmigen Wasserstoff und in die Ventilkammer bzw. daraufhin aus der Ventilkammer. Unter den Bedingungen sich verringernden Drucks in dem Tank oder hoher Wasserstoffdurchflussmengen aus dem Tank wird der in Reaktion auf den Wasserstoffreferenzdruck auf eine Oberfläche der Ventilmembran durch die Ventilmembran auf den Ventilarm ausgeübte Druck dem durch die Ventilfeder auf den Ventilarm ausgeübten Vorspannungsdruck zusammen mit dem Tankdruck minus dem Druckabfall über das Ventil, wie auf die gegenüberliegende Oberfläche der Ventilmembran angewendet, entgegen. Somit dichtet der Ventilkopf den Einlass für gasförmigen Wasserstoff ab und öffnet den Einlass für leichten Wasserstoff. Dies ermöglicht die Strömung von flüssigem Wasserstoff aus dem Tank, durch den Einlass für flüssigen Wasserstoff und in die Ventilkammer bzw. daraufhin aus der Ventilkammer.
  • Kurzbeschreibungen der Zeichnungen
  • Die Erfindung wird nun beispielhaft mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, in denen:
  • 1 ein Querschnitt einer veranschaulichenden Ausführungsform eines Wasserstoffverteilungsventils gemäß der vorliegenden Erfindung ist, bei dem der Einlass für flüssigen Wasserstoff geschlossen und der Einlass für gasförmigen Wasserstoff geöffnet ist, um die Strömung von gasförmigem Wasserstoff in und durch die Ventilkammer zu ermöglichen;
  • 2 ein Querschnitt des Wasserstoffverteilungsventils ist, bei dem der Einlass für gasförmigen Wasserstoff geschlossen ist und der Einlass für flüssigen Wasserstoff geöffnet ist, um die Strömung von flüssigem Wasserstoff in und durch die Ventilkammer zu ermöglichen;
  • 3 eine schematische Ansicht eines Wasserstoffspeichertanks ist, bei dem das Wasserstoffverteilungsventil in dem Tank vorgesehen ist und bei dem die Strömung von gasförmigem Wasserstoff aus dem Tank und in den Einlass für gasförmigen Wasserstoff veranschaulicht ist;
  • 4 eine schematische Ansicht eines veranschaulichenden Referenzdruck-Erzeugungssystems ist, das zur Verwendung in Verbindung mit dem Wasserstoffverteilungsventil der vorliegenden Erfindung geeignet ist;
  • 5 ein Querschnitt einer weiteren Ausführungsform des Wasserstoffverteilungsventils ist, bei dem der Einlass für flüssigen Wasserstoff geschlossen ist und der Einlass für gasförmigen Wasserstoff geöffnet ist, um die Strömung von gasförmigem Wasserstoff in und durch die Ventilkammer zu ermöglichen;
  • 6 eine schematische Ansicht eines Wasserstoffspeichertanks ist, bei dem das Wasserstoffverteilungsventil aus 5 in dem Tank vorgesehen ist;
  • 7 ein Querschnitt einer nochmals weiteren Ausführungsform des Wasserstoffverteilungsventils ist, bei dem der Einlass für flüssigen Wasserstoff geschlossen ist und der Einlass für gasförmigen Wasserstoff geöffnet ist, um die Strömung von gasförmigem Wasserstoff in und durch die Ventilkammer zu ermöglichen; und
  • 8 eine schematische Ansicht eines Wasserstoffspeichertanks ist, bei dem das Wasserstoffverteilungsventil aus 7 in dem Tank vorgesehen ist.
  • Ausführliche Beschreibung der Erfindung
  • Anfangs anhand von 1 und 2 ist eine veranschaulichende Ausführungsform des Wasserstoffverteilungsventils, im Folgenden des Ventils, der vorliegenden Erfindung allgemein mit dem Bezugszeichen 10 bezeichnet. Das Ventil 10 enthält eine typisch lang gestreckte Ventilkammer 12 mit einer Kammerwand 14, die ein Kammerinneres 16 definiert. Angrenzend an ein Ende der Ventilkammer 12 erstreckt sich durch den unteren Abschnitt der Kammerwand 14 typisch ein Einlass 18 für flüssigen Wasserstoff, der mit dem Kammerinnern 16 in Verbindung steht. Dem Einlass 18 für flüssigen Wasserstoff gegenüberliegend erstreckt sich durch die Kammerwand 14 gleichfalls ein Einlass 20 für gasförmigen Wasserstoff. An dem gegenüberliegenden Ende der Ventilkammer 12 erstreckt sich durch die Kammerwand 14 ein Wasserstoffauslass 22.
  • In der inneren Oberfläche der Kammerwand 14 ist, typisch zwischen dem Einlass 20 für gasförmigen Wasserstoff und dem Wasserstoffauslass 22, ein Federsitz 24 vorgesehen. In dem Federsitz 24 sitzt eine Schraubenventilfeder 40, die sich für Zwecke, die im Folgenden beschrieben werden, in das Kammerinnere 16 erstreckt. In der inneren Oberfläche der Kammerwand 14 ist in voneinander beabstandeter Beziehung zu dem Einlass 18 für flüssigen Wasserstoff und zu dem gegenüberliegenden Federsitz 24 ein Membransitz 26 vorgesehen. An der Kammerwand 14 ist eine federnde Ventilmembran 44 befestigt, die z. B. ein (aus Stahl hergestellter) Faltenbalg sein kann und in dem Membransitz 26 enthalten ist. Durch die Kammerwand 14 erstreckt sich für Zwecke, die im Folgenden beschrieben werden, eine Referenzdrucköffnung 28, die mit dem Membransitz 26 in Verbindung steht. Dementsprechend schafft die Ventilmembran 44 eine fluiddichte Sperre zwischen dem Kammerinnern 16 und der Referenzdrucköffnung 28.
  • Ein in dem Kammerinnern 16 vorgesehenes Kippventil 29 enthält einen lang gestreckten Ventilarm 30, der mittels eines Drehstifts 32 in dem Kammerinnern 16 angelenkt ist. Der Drehstift 32 verläuft typisch durch eine (nicht gezeigte) Öffnung an einem Ende des Ventilarms 30 und ist angrenzend an den Wasserstoffauslass 22 mit der Kammerwand 14 in Eingriff. Die in dem Federsitz 24 sitzende Ventilfeder 40 ist mit einer Seite des Ventilarms 30 in Eingriff. Ein Membranschaft 42 ist mit der gegenüberliegenden Seite des Ventilarms 30 in Eingriff und ist mit der Ventilmembran 44 in Eingriff.
  • An einem dem Drehstift 32 gegenüberliegenden Ende des Ventilarms 30 ist ein Ventilkopf 34 des Kippventils 29 vorgesehen. Von einer Oberfläche des Ventilkopfs 34 geht ein Ventilstift 36 aus, um mit dem Einlass 20 für gasförmigen Wasserstoff lösbar in Eingriff zu gelangen und ihn abzudichten. Von der gegenüberliegenden Oberfläche des Ventilkopfs 34 geht ein Ventilstift 38 aus, um mit dem Einlass 18 für flüssigen Wasserstoff lösbar in Eingriff zu gelangen und ihn abzudichten.
  • Nachfolgend anhand von 3 kann das Ventil 10 in das Tankinnere 54 eines Wasserstoffspeichertanks 52 eingebaut sein. Das Tankinnere 54 ist so konstruiert, dass es in seinem unteren Abschnitt eine Zufuhr von flüssigem Wasserstoff 46 und in seinem oberen Abschnitt eine Zufuhr von gasförmigem Wasserstoff 48 enthält. Der gasförmige Wasserstoff 48 ist von dem flüssigen Wasserstoff 46 getrennt. Vorzugsweise ist das Ventil 10 in den oberen Abschnitt des Tankinnern 54 eingebaut.
  • Von dem Einlass 18 für flüssigen Wasserstoff der Ventilkammer 12 verläuft typisch ein Einlassrohr 56 für flüssigen Wasserstoff nach unten in den unteren Abschnitt des Wasserstoffspeichertanks 52. Von dem Wasserstoffauslass 22 der Ventilkammer 12 und von dem Wasserstoffspeichertank 52 geht ein Wasserstoffauslassrohr 62 aus, um gasförmigen oder flüssigen Auslasswasserstoff 50 z. B. zu einem (nicht gezeigten) Brennstoffzellenstapel oder zu einem anderen Ziel zur Verwendung zu führen. Von der Referenzdruckmündung 28 der Ventilkammer 12 und von dem Wasserstoffspeichertank 52 geht ein Referenzdruckrohr 72 aus, um, wie im Folgenden beschrieben wird, Referenzdruckwasserstoff 50a mit einem Druck von einem konstanten Betrag zu der Referenzdruckmündung 28 zu führen.
  • Im Betrieb ermöglicht das Ventil 10 alternativ die Strömung des gasförmigen Wasserstoffs 48 bzw. des flüssigen Wasserstoffs 46 durch das Ventil 10 und von dem Wasserstoffspeichertank 52 durch das Wasserstoffauslassrohr 62. Das Wasserstoffauslassrohr 62 führt den gasförmigen Wasserstoff 48 oder den flüssigen Wasserstoff 46 zu einem (nicht gezeigten) Brennstoffzellenstapel oder zu einem anderen Ziel zur Verwendung. Die Stellung des Ventilkopfs 34 in dem Kammerinnern 16 und somit die Strömung entweder von gasförmigem Wasserstoff 48 oder von flüssigem Wasserstoff 46 in und durch das Kammerinnere 16 und aus dem Wasserstoffspeichertank 52 hängen von dem Druck des gasförmigen Wasserstoffs 48 in dem Tankinnern 54 ab. Dieser bestimmt wiederum den Betrag des Druckabfalls über das Ventil 10 und somit die Durchflussmenge des Wasserstoffs durch das Ventil 10 und aus dem Wasserstoffspeichertank 52. Somit entspricht der Druck, der auf die Ventilmembran 44 in dem Kam merinnern 16 ausgeübt wird und der dem Referenzdruck 50a auf der gegenüberliegenden Seite der Membran 44 entgegen wirkt, dem Druck in dem Tankinnern 54 minus dem Druckabfall über das Ventil 10 (oder der Druckdifferenz zwischen dem Einlass 18 für flüssigen Wasserstoff oder dem Einlass 20 für gasförmigen Wasserstoff und dem Wasserstoffauslass 22.
  • Unter den Bedingungen schnell abnehmenden Drucks in dem Tankinnern 54 und hoher Wasserstoffdurchflussmengen aus dem Wasserstofftank 52 belastet die Ventilfeder 40 den Ventilarm 30 anfangs in die in 1 gezeigte untere Stellung vor. Dieser Vorspanndruck der Ventilfeder 40 zusammen mit dem Druck auf die Ventilmembran 44 in dem Kammerinnern 16 (der dem Druck in dem Tankinnern 54 minus dem Druckabfall über das Ventil 10 entspricht) übersteigt die nach oben gerichtete Kraft des Referenzdruckwasserstoffs 50a auf den Ventilarm 30 über die Ventilmembran 44 und wirkt ihr entgegen. Somit ist der Ventilstift 36 aus dem Einlass 20 für gasförmigen Wasserstoff zurückgezogen, während der Ventilstift 38 mit dem Einlass 18 für flüssigen Wasserstoff in Eingriff ist und ihn abdichtet. Dies ermöglicht, dass gasförmiger Wasserstoff 48 aus dem Tankinnern 54 durch den nicht versperrten Einlass 20 für gasförmigen Wasserstoff bzw. durch das Kammerinnere 16 und aus dem Kammerinnern 12 durch den Wasserstoffauslass 22 und das Wasserstoffauslassrohr 62 als Auslasswasserstoff 50 strömt. Das Wasserstoffauslassrohr 62 verteilt den Auslasswasserstoff 50 zu einer (nicht gezeigten) Brennstoffzelle oder zu einem anderen Ziel zur Verwendung.
  • Während der gasförmige Wasserstoff 48 aus dem Tankinnern 54 durch den Einlass 20 für gasförmigen Wasserstoff bzw. durch das Kammerinnere 16 strömt, wird der Druck in dem Tankinnern 54 zunehmend verringert. Allerdings bleibt der Druck in dem Tankinnern 54 minus dem Druckabfall über das Ventil 10 für eine Zeitdauer ausreichend hoch, so dass die nach unten gerichtete Kraft, die sich aus diesem Druck und der Ventilfeder 40 auf den Ventilarm 30 ergibt, die nach oben gerichtete Kraft, die wegen des Wasserstoffs 50a mit konstantem Referenzdruck durch die Ventilmembran 44 auf den Ventilarm 30 erteilt wird, überwindet. Somit reicht der Druck, der der Tankinnendruck minus dem Druckabfall über das Ventil 10 ist und auf die Ventilmembran 44 in dem Kammerinnern 16 ausgeübt wird, zusammen mit der nach unten gerichteten Kraft, die durch die Ventilfeder 40 auf den Ventilarm 30 ausgeübt wird, wenn der Druck in dem Tankinnern 54 und die Durchflussmenge des Wasserstoffs aus dem Tankinnern 54 unter einem bestimmten Pegel fallen, nicht aus, um die nach oben gerichtete Vorspannung zu überwinden, die durch den Referenzdruckwasserstoff 50a über die Ventilmembran 44 auf den Ventilarm 30 ausgeübt wird. Somit dreht die Ventilmembran 44 den Ventilarm 30 an dem Drehstift 32 über den Membranschaft 42 in die nach oben gerichtete Stellung aus 2, so dass der Ventilstift 38 aus dem Einlass 18 für flüssigen Wasserstoff zurückgezogen wird, während gleichzeitig der Ventilstift 36 mit dem Einlass 20 für gasförmigen Wasserstoff in Eingriff gelangt und ihn abdichtet. Folglich wird die weitere Strömung des gasförmigen Wasserstoffs 48 in das Kammerinnere 16 durch den Einlass 20 für gasförmigen Wasserstoff gesperrt, während die Strömung von flüssigem Wasserstoff 46 in das Kammerinnere 16 durch den Einlass 18 für flüssigen Wasserstoff zulässig ist. Der flüssige Wasserstoff 46 strömt als Auslasswasserstoff 50 durch den Wasserstoffauslass 22 aus dem Kammerinnern 16. Das Wasserstoffauslassrohr 62 verteilt den Auslasswasserstoff 50 an den (nicht gezeigten) Brennstoffzellenstapel oder an ein anderes Ziel zur Verwendung.
  • Während der flüssige Wasserstoff 46 aus dem Tankinnern 54 durch das Ventil 10 strömt, steigt der Druck des gasförmigen Wasserstoffs 48 in dem Tankinnern 54 ständig an. Folglich überwindet schließlich der Tankdruck minus dem Druckabfall über das Ventil 10 (wie er auf die Ventilmembran 44 in dem Kammerinnern 16 ausgeübt wird) zusammen mit der nach unten gerichteten Kraft der Ventilfeder 40 auf den Ventilarm 30 den durch den Referenzwasserstoffdruck 50a über die Ventilmembran 44 auf den Ventilarm 30 ausgeübten nach oben gerichteten Druck. Somit dreht sich der Ventilarm 30 an dem Drehstift 32 aus der oberen Stellung aus 2 in die untere Stellung aus 1. Dementsprechend gelangt der Ventilstift 38 mit dem Einlass 18 für flüssigen Wasserstoff in Eingriff und dichtet ihn ab, um eine weitere Strömung des flüssigen Wasserstoffs 46 durch das Ventil 10 zu verhindern. Gleichzeitig wird der Ventilstift 36 aus dem Einlass 20 für gasförmigen Wasserstoff zurückgezogen, wodurch ermöglicht wird, dass gasförmiger Wasserstoff 48 weiter aus dem Tankinnern 54 und durch das Ventil 10 bzw. durch den Wasserstoffauslass 62 strömt.
  • Der Übergangspunkt zwischen der Stellung des Ventilkopfs 34, in der der Ventilstift 36 den Einlass 20 für gasförmigen Wasserstoff abdichtet, und der Stellung, in der der Ventilstift 38 den Einlass 18 für flüssigen Wasserstoff abdichtet, hängt hauptsächlich von dem Druck in dem Tankinnern 54 ab. Allerdings ist der relevante Druck der Druck bei der Ventilmembran 44 in dem Kammerinnern 16 des Ventils 10. Dieser entspricht dem Druck in dem Tankinnern 54 minus den Druckabfall über das Ventil 10. Dieser Druckabfall hängt wiederum von der Wasserstoffdurchflussmenge durch das Ventil 10 ab. Diese bestimmt den Übergang zwischen der Stellung des Ventilkopfs 34, in der ermöglicht wird, dass gasförmiger Wasserstoff 48 in das Kammerinnere 16 eintritt, und der Stellung, in der ermöglicht wird, dass flüssiger Wasserstoff 46 in das Kammerinnere 16 eintritt. Somit hängt der Umschaltpunkt des Kippventils 29 von der Wasserstoffdurchflussmenge durch das Ventil 10 ab.
  • Als ein Beispiel kann der Übergang von gasförmigem Wasserstoff zu flüssigem Wasserstoff bei sehr niedrigen Wasserstoffdurchflussmengen bei einem Druck in dem Tankinnern 54 von 6 Bar und bei einem Druckabfall über das Ventil 10 von 0,2 Bar stattfinden. Somit beträgt der auf die Ventilmembran 44 in dem Kammerinnern 16 ausgeübte Druck bei dem Übergangspunkt 5,8 Bar. Bei einer höheren Wasserstoffdurchflussmenge kann sich der Druckabfall über das Ventil 10 auf 0,8 Bar erhöhen. In diesem Fall geht das Kippventil 29 dann über, wenn der Druck in dem Tankinnern 54 6,6 Bar beträgt und der auf die Ventilmembran 44 in dem Kammerinnern 16 ausgeübte Druck 5,8 Bar beträgt.
  • Während der Strömung von gasförmigem Wasserstoff 48 durch das Ventil 10 sind der Wasserstoffdruck in dem Tankinnern 54 und somit der Druckabfall über das Ventil 10 und die Wasserstoffdurchflussmenge anfangs verhältnismäßig hoch und nehmen ständig ab. Es ist an diesem Punkt (hohe Wasserstoffdurchflussmenge, niedriger Wasserstoffdruck), dass der Druck des Wasserstoffs in dem Tankinnern 54 bis zu dem Punkt abnimmt, an dem der Einlass 20 für gasförmigen Wasserstoff geschlossen wird und der Einlass 18 für flüssigen Wasserstoff geöffnet wird, um die Strömung des flüssigen Wasserstoffs 46 durch das Ventil 10 zu ermöglichen. Umgekehrt sind der Wasserstoffdruck in dem Tankinnern 54 und somit der Druckabfall über das Ventil 10 und die Wasserstoffdurchflussmenge während der Strömung von flüssigem Wasserstoff 46 durch das Ventil 10 verhältnismäßig niedrig. Der Druck des gasförmigen Wasserstoffs 48 in dem Tankinnern 54 nimmt ständig zu. An diesem Punkt (niedrige Wasserstoffdurchflussmenge, hoher Wasserstoffdruck) erfolgt der Übergang von der Strömung des flüssigen Wasserstoffs 46 zur Strömung des gasförmigen Wasserstoffs 48 durch das Ventil 10, um eine hohe Durchflussmenge des gasförmigen Wasserstoffs aus dem Tankinnern 54 fortzusetzen.
  • Nachfolgend ist anhand von 4 ein veranschaulichendes Referenzdruck-Generatorsystem 60 gezeigt, das zur Verwendung in Verbindung mit dem Ventil 10 geeignet ist. Das Referenzdruck-Generatorsystem 60 enthält ein Wasserstoffnebenschlussrohr 64, das von dem Wasserstoffauslassrohr 62 ausgeht. In einem Brennstoffzellenfahrzeug kann z. B. ein Brennstoffzellenstapel-Einlassrohr 74 über das Wasserstoffauslassrohr 62 hinausgehen, um Auslasswasserstoff 50 zu einem (nicht gezeigten) Brennstoffzellestapel zu verteilen. In dem Wasserstoffnebenschlussrohr 64 ist eine Pumpe 66 vorgesehen. Von dem Wasserstoffnebenschlussrohr 64 geht unterstromig der Pumpe 66 ein Überdruckrohr 68 aus und tritt oberstromig der Pumpe 66 wieder in das Wasserstoffnebenschlussrohr 64 ein. In dem Überdrückrohr 68 ist ein Überdrückventil 70 vorgesehen. Das Referenzdruckrohr 72 geht von dem Wasserstoffnebenschlussrohr 64 über den Verzweigungspunkt des Überdruckrohrs 68 hinaus aus. Das Referenzdruckrohr 72 tritt in das Tankinnere 54 des Wasserstoffspeichertanks 52 ein und ist, wie in 3 gezeigt ist, in Fluidverbindung mit der Referenzdruckmündung 28 des Ventils 10 angeordnet.
  • Während des Betriebs des wie bisher anhand der 13 beschriebenen Ventils 10 komprimiert die Pumpe 66 den Referenzdruckwasserstoff 50a in dem Wasserstoffnebenschlussrohr 64 auf einen gewählten Druck, der höher als der Druck des Auslasswasserstoffs 50 ist, der durch das Wasserstoffauslassrohr 62 strömt. Der Referenzdruckwasserstoff 50a strömt durch das Referenzdruckrohr 72 und tritt in die Referenzdruckmündung 28 (13) des Ventils 10 ein, wo der Referenzdruckwasserstoff 50a den gewählten konstanten voreingestellten Druck auf das Ventildiaphragma 44 ausübt. Das Überdruckventil 70 in dem Überdruckrohr 68 hält den Druck des Referenzdruckwasserstoffs 50a auf dem gewählten voreinge stellten Druckwert. Der Wasserstoff 50b in dem Überdruckrohr 68 kann in das Wasserstoffnebenschlussrohr 64 entlüftet werden.
  • Nachfolgend ist anhand der 5 und 6 eine weitere Ausführungsform des im Tank befindlichen Wasserstoffverteilungsventils der vorliegenden Erfindung allgemein mit dem Bezugszeichen 10a bezeichnet. Das Wasserstoffverteilungsventil 10a enthält eine Ventilkammer 12a mit einer Kammerwand 14a, die ein Kammerinneres 16a definiert. In der Kammerwand 14a sind ein Einlass 18a für flüssigen Wasserstoff, ein Einlass 20a für gasförmigen Wasserstoff und ein Wasserstoffauslass 22a vorgesehen. In dem Kammerinnern 16a ist ein Kolben 80 gleitfähig zur Hin- und Herbewegung darin angebracht. Dementsprechend ist der Kolben 80 wie gezeigt in einer unteren Stellung positioniert, in der der Kolben 80 die Verbindung zwischen dem Einlass 18a für flüssigen Wasserstoff und dem Wasserstoffauslass 22a sperrt und gleichzeitig eine Verbindung zwischen dem Einlass 20a für flüssigen Wasserstoff und dem Wasserstoffauslass 22 herstellt. Alternativ ist der Kolben 80 in einer oberen Stellung (nicht gezeigt) positioniert, in der der Kolben 80 die Verbindung zwischen dem Einlass 20a für gasförmigen Wasserstoff und dem Wasserstoffauslass 22a sperrt und gleichzeitig eine Verbindung zwischen dem Einlass 18a für flüssigen Wasserstoff und dem Wasserstoffauslass 22a herstellt. In Fluidverbindung mit dem Kammerinnern 16a ist unter dem Kolben 80 eine Referenzdruckmündung 28a vorgesehen, die mit einem Referenzdruck-Generatorsystem 60a (6) verbunden ist.
  • Normalerweise spannt eine Ventilfeder 40a den Kolben 80 in die untere Stellung in dem Kammerinnern 16 so vor, dass der Kolben 80 die Verbindung zwischen dem Einlass 18a für flüssigen Wasserstoff und dem Wasserstoffauslass 22a sperrt und gleichzeitig eine Verbindung zwischen dem Einlass 20a für gasförmigen Wasserstoff 20a und dem Wasserstoffauslass 22a herstellt. In das Kammerinnere 16a ist eine Ventilmembran 44a eingebaut, die dem Druck von dem Referenzdruckgenerator 60a über die Referenzdruckmündung 28a unterliegt. Die Ventilmembran 44a ist über einen Membranschaft 42a mit dem Kolben 80 verbunden. Dementsprechend übt der durch den Referenzdruckgenerator 60a auf die Ventilmembran 44 an der Referenzdruckmündung 28a ausgeübte Referenzdruck über den Membranschaft 42a einen Druck nach oben auf den Kolben 80 aus.
  • Das im Tank befindliche Wasserstoffverteilungsventil 10a arbeitet in der gleichen Weise wie das bisher anhand der 13 beschriebene im Tank befindliche Wasserstoffverteilungsventil 10, wobei der Kolben 80 des Ventils 10a funktional analog dem Kippventil 29 des Ventils 10 ist. Somit wird der Kolben 80 während Zeitdauern niedriger Wasserstoffdurchflussmengen aus dem Wasserstoffspeichertank 52a und zunehmender Drücke in dem Wasserstoffspeichertank 52a durch die Ventilfeder 40a gegen den Kolben 80 durch den Referenzdruck auf die Ventilmembran 44a ausgeübten nach oben gerichteten Druck in der Stellung nach unten vorbelastet. Dies ermöglicht die Strömung von gasförmigem Wasserstoff 48a aus dem Tankinnern 54a (6) und durch das Kammerinnere 16a bzw. durch den Wasserstoffauslass 22a des Ventils 10a, während es die Strömung von flüssigem Wasserstoff 46a aus dem Tankinnern 54a sperrt. Umgekehrt wird der Kolben 80 während Zeitdauern hoher Wasserstoffdurchflussmengen aus dem Wasserstoffspeichertank 52a und verringernder Drücke in dem Wasserstoffspeichertank 52a durch den Referenzdruck über die Ventilmembran 44a auf die Ventilfeder 40a in die obere Stellung vorbelastet. Dies ermöglicht die Strömung von flüssigem Wasserstoff 46a aus dem Tankinnern 54a und durch das Kammerinnere 16a bzw. durch den Was serstoffauslass 22a des Ventils 10a, während es die Strömung von gasförmigem Wasserstoff 48a aus dem Tankinnern 54a sperrt.
  • Nachfolgend anhand der 7 und 8 enthält ein in einem Tank befindliches Wasserstoffverteilungsventil 10b in einer nochmals weiteren Ausführungsform der Erfindung abgesehen davon, dass die Referenzdruckmündung 28 des Ventils 10 der 13 weggelassen ist und dass die Ventilmembran 44 in eine Unterduckkammer 82 eingebaut ist, dieselben Komponenten wie das bisher anhand der 13 beschriebene im Tank befindliche Wasserstoffverteilungsventil 10. Wenn das Ventil 10b bei Zimmertemperatur hergestellt wird, wird die Unterdruckkammer 82 mit Luft gefüllt. Nachdem das Ventil 10b in das Tankinnere 54b eines Wasserstoffspeichertanks 54 (8) eingebaut worden ist, wird der Wasserstoffspeichertank 54 bis auf typisch etwa –250 Grad Celsius heruntergekühlt. Dementsprechend gefriert die Luft in der Unterdruckkammer 82, wodurch sich darin ein Unterdruck bildet.
  • Obgleich oben die bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung beschrieben worden sind, wird anerkannt und ist selbstverständlich, dass an der Erfindung verschiedene Änderungen vorgenommen werden können und dass die beigefügten Ansprüche alle diese Änderungen, die im Erfindungsgedanken und im Umfang der Erfindung liegen, umfassen sollen.

Claims (28)

  1. Wasserstoffverteilungsventil, das umfasst: eine Ventilkammer mit einem Einlass für gasförmigen Wasserstoff, mit einem Einlass für flüssigen Wasserstoff und mit einem Wasserstoffauslass sowie mit einer Referenzdruckmündung zum Empfangen eines Referenzwasserstoffdrucks; ein Kippventil, das in der Ventilkammer zum abwechselnden Abdichten des Einlasses für gasförmigen Wasserstoff und des Einlasses für flüssigen Wasserstoff vorgesehen ist; einen Vorspannungsmechanismus, der mit dem Kippventil in Eingriff ist, um das Kippventil in dichtenden Eingriff mit dem Einlass für flüssigen Wasserstoff vorzuspannen; und eine Ventilmembran, die in Fluidverbindung mit der Referenzdruckmündung vorgesehen ist und die mit dem Ventilkopf in Eingriff ist, um den Ventilkopf in dichtenden Eingriff mit dem Einlass für gasförmigen Wasserstoff vorzuspannen.
  2. Wasserstoffverteilungsventil nach Anspruch 1, bei dem der Vorspannungsmechanismus eine Ventilfeder umfasst.
  3. Wasserstoffverteilungsventil nach Anspruch 1, bei dem das Kippventil einen lang gestreckten Ventilarm, der in der Ventilkammer angelenkt ist, und einen Ventilkopf, der zum alternativen Abdichten des Einlasses für gasförmigen Wasserstoff und des Einlasses für flüssigen Wasserstoff von dem Ventilarm geführt ist, umfasst.
  4. Wasserstoffverteilungsventil nach Anspruch 3, das ferner einen ersten Ventilstift, der für den lösbaren Eingriff mit dem Einlass für gasförmigen Wasserstoff und für das Abdichten des Einlasses für gasförmigen Wasserstoff von dem Ventilkopf geführt ist, und einen zweiten Ventilstift, der für den lösbaren Eingriff mit dem Einlass für flüssigen Wasserstoff und für das Abdichten des Einlasses für flüssigen Wasserstoff von dem Ventilkopf geführt ist, umfasst.
  5. Wasserstoffverteilungsventil nach Anspruch 1, das ferner einen Membranschaft umfasst, der von der Ventilmembran geführt ist und mit dem Kipparm in Eingriff ist.
  6. Wasserstoffverteilungsventil nach Anspruch 1, das ferner ein Referenzdruck-Generatorsystem umfasst, das funktional mit der Referenzdruckmündung verbunden ist, um in der Referenzdruckmündung einen Referenzwasserstoffdruck auf die Ventilmembran zu erzeugen.
  7. Wasserstoffverteilungsventil nach Anspruch 6, bei dem der Referenzdruckgenerator eine Pumpe zum Empfangen einer Zufuhr von Wasserstoff umfasst und in Fluidverbindung mit der Referenzdruckmündung vorgesehen ist, um den Referenzwasserstoffdruck zu erzeugen, und ein Überdruckventil umfasst, das in Fluidverbindung mit der Pumpe vorgesehen ist, um den Referenzwasserstoffdruck zu regulieren.
  8. Wasserstoffverteilungsventil nach Anspruch 7, bei dem der Wasserstoffauslass in Fluidverbindung mit der Pumpe vorgesehen ist, um die Zufuhr von Wasserstoff zu der Pumpe zu verteilen.
  9. Wasserstoffverteilungsventil, das umfasst: eine Ventilkammer mit einem Einlass für gasförmigen Wasserstoff und mit einem Einlass für flüssigen Wasserstoff, die in gegenüberliegender Beziehung zueinander angrenzend an ein erstes Ende der Kammer angeordnet sind, mit einem Wasserstoffauslass, der an einem zweiten Ende der Kammer vorgesehen ist, und mit einer Referenzdruckmündung, die an den Wasserstoffauslass angrenzt, um einen Referenzwasserstoffdruck zu empfangen; ein Kippventil, das in der Ventilkammer vorgesehen ist, um alternativ den Einlass für gasförmigen Wasserstoff und den Einlass für flüssigen Wasserstoff abzudichten; einen Vorspannungsmechanismus, der mit dem Kippventil in Eingriff ist, um das Kippventil in dichtenden Eingriff mit dem Einlass für flüssigen Wasserstoff vorzuspannen; und eine Ventilmembran, die in Fluidverbindung mit der Referenzdruckmündung vorgesehen ist und die mit dem Ventilkopf in Eingriff ist, um den Ventilkopf in dichtenden Eingriff mit dem Einlass für gasförmigen Wasserstoff vorzuspannen.
  10. Wasserstoffverteilungsventil nach Anspruch 9, das ferner einen Federsitz umfasst, der in der Ventilkammer vorgesehen ist, wobei der Vorspannungsmechanismus eine Ventilfeder umfasst, die in dem Federsitz sitzt.
  11. Wasserstoffverteilungsventil nach Anspruch 10, das ferner einen Membransitz umfasst, der in der Ventilkammer dem Federsitz gegenüberliegend vorgesehen ist, wobei die Ventilmembran in dem Membransitz vorgesehen ist.
  12. Wasserstoffverteilungsventil nach Anspruch 11, das ferner einen Membranschaft umfasst, der von der Ventilmembran geführt ist und mit dem Kipparm in Eingriff ist.
  13. Wasserstoffverteilungsventil nach Anspruch 9, bei dem das Kippventil einen lang gestreckten Ventilarm, der in der Ventilkammer angelenkt ist, und einen Ventilkopf, der von dem Ventilarm für das alternative Abdichten des Einlasses für gasförmigen Wasserstoff und des Einlasses für flüssigen Wasserstoff geführt ist, umfasst, wobei der Vorspannungsmechanismus mit dem Ventilarm in Eingriff ist.
  14. Wasserstoffverteilungsventil nach Anspruch 13, das ferner einen ersten Ventilstift, der für den lösbaren Eingriff mit dem Einlass für gasförmigen Wasserstoff und für das Abdichten des Einlasses für gasförmigen Wasserstoff von dem Ventilkopf geführt ist, und einen zweiten Ventilstift, der für den lösbaren Eingriff mit dem Einlass für flüssigen Wasserstoff und für das Abdichten des Einlasses für flüssigen Wasserstoff von dem Ventilkopf geführt ist, umfasst.
  15. Wasserstoffverteilungsventil nach Anspruch 9, das ferner ein Referenzdruck-Generatorsystem umfasst, das funktional mit der Referenzdruckmündung verbunden ist, um in der Referenzdruckmündung einen Referenzwasserstoffdruck auf die Ventilmembran zu erzeugen.
  16. Wasserstoffverteilungsventil nach Anspruch 15, bei dem der Referenzdruckgenerator eine Pumpe zum Empfangen einer Zufuhr von Wasserstoff umfasst und in Fluidverbindung mit der Referenzdruckmündung vorgesehen ist, um den Referenzwasserstoffdruck zu erzeugen, und ein Überdruckventil umfasst, das in Fluidverbindung mit der Pumpe vorgesehen ist, um den Referenzwasserstoffdruck zu regulieren.
  17. Wasserstoffverteilungsventil nach Anspruch 16, bei dem der Wasserstoffauslass in Fluidverbindung mit der Pumpe vorgesehen ist, um die Zufuhr von Wasserstoff zu der Pumpe zu verteilen.
  18. Verfahren zum Verteilen von gasförmigem und flüssigem Wasserstoff aus einem Wasserstoffspeichertank, wobei das Verfahren umfasst: Vorsehen eines Wasserstoffverteilungsventils in dem Tank; Verteilen des gasförmigen Wasserstoffs aus dem Tank durch das Ventil unter den Bedingungen hohen Tankdrucks; und Abschließen des Verteilens des gasförmigen Wasserstoffs aus dem Tank durch das Ventil und Verteilen des flüssigen Wasserstoffs aus dem Tank durch das Ventil unter den Bedingungen niedrigen Tankdrucks.
  19. Verfahren nach Anspruch 18, bei dem das Wasserstoffverteilungsventil eine Ventilkammer mit einem Einlass für gasförmigen Wasserstoff und mit einem Einlass für flüssigen Wasserstoff und einen Kipparm, der in der Ventilkammer vorgesehen ist, umfasst, wobei das Verteilen des gasförmigen Wasserstoffs aus dem Tank durch das Ventil das Vorspannen des Kipparms in dichtenden Eingriff mit dem Einlass für flüssigen Wasserstoffumfasst.
  20. Verfahren nach Anspruch 19, bei dem das Abschließen der Verteilung des gasförmigen Wasserstoffs aus dem Tank durch das Ventil und das Verteilen des flüssigen Wasserstoffs aus dem Tank durch das Ventil das Vorsehen eines Referenzwasserstoffdrucks und das Anlegen des Referenzwasserstoffdrucks auf den Kipparm, um den Kipparm aus dem dichtenden Eingriff mit dem Einlass für flüssigen Wasserstoff zu lösen und den Kipparm in dichtenden Eingriff mit dem Einlass für gasförmigen Wasserstoff vorzuspannen, umfasst.
  21. Verfahren nach Anspruch 20, bei dem das Vorsehen eines Referenzwasserstoffdrucks das Vorsehen einer Pumpe, das Vorsehen eines Überdruckventils in Fluidverbindung mit der Pumpe, das Verteilen von Wasserstoff aus dem Wasserstoffverteilungsventil zu der Pumpe und das Verteilen des Wasserstoffs aus der Pumpe zu dem Wasserstoffverteilungsventil umfasst.
  22. Wasserstoffverteilungsventil, das umfasst: eine Ventilkammer mit einem Einlass für gasförmigen Wasserstoff, mit einem Einlass für flüssigen Wasserstoff, mit einem Wasserstoffauslass und mit einer Referenzdruckmündung zum Empfangen eines Referenzwasserstoffdrucks; einen Kolben, der in der Ventilkammer für das alternative Abdichten des Einlasses für gasförmigen Wasserstoff und des Einlasses für flüssigen Wasserstoff vorgesehen ist; einen Vorspannungsmechanismus, der zum Vorspannen des Kolbens in dichtenden Eingriff mit dem Einlass für flüssigen Wasserstoff mit dem Kolben in Eingriff ist; und eine Ventilmembran, die in Fluidverbindung mit der Referenzdruckmündung vorgesehen ist und die mit dem Kolben in Eingriff ist, um den Kolben in dichtenden Eingriff mit dem Einlass für gasförmigen Wasserstoff vorzuspannen.
  23. Wasserstoffverteilungsventil nach Anspruch 22, bei dem der Vorspannungsmechanismus eine Ventilfeder umfasst.
  24. Wasserstoffverteilungsventil nach Anspruch 22, das ferner einen Membranschaft umfasst, der von der Ventilmembran geführt ist und mit dem Kolben in Eingriff ist.
  25. Wasserstoffverteilungsventil nach Anspruch 22, das ferner ein Referenzdruck-Generatorsystem umfasst, das funktional mit der Referenzdruckmündung verbunden ist, um in der Referenzdruckmündung einen Referenzwasserstoffdruck auf die Ventilmembran zu erzeugen.
  26. Wasserstoffverteilungsventil nach Anspruch 25, bei dem der Referenzdruckgenerator eine Pumpe zum Empfangen einer Zufuhr von Wasserstoff umfasst und in Fluidverbindung mit der Referenzdruckmündung vorgesehen ist, um den Referenzwasserstoffdruck zu erzeugen, und ein Überdruckventil umfasst, das in Fluidverbindung mit der Pumpe vorgesehen ist, um den Referenzwasserstoffdruck zu regulieren.
  27. Wasserstoffverteilungsventil nach Anspruch 26, bei dem der Wasserstoffauslass in Fluidverbindung mit der Pumpe vorgesehen ist, um die Zufuhr von Wasserstoff zu der Pumpe zu verteilen.
  28. Wasserstoffverteilungsventil, das umfasst: eine Ventilkammer mit einem Einlass für gasförmigen Wasserstoff, mit einem Einlass für flüssigen Wasserstoff, mit einem Wasserstoffauslass und mit einer Unterdruckkammer, damit diese einen Unterdruck enthält; ein Kippventil, das in der Ventilkammer zum alternativen Abdichten des Einlasses für gasförmigen Wasserstoff und des Einlasses für flüssigen Wasserstoff vorgesehen ist; einen Vorspannungsmechanismus, der mit dem Kippventil in Eingriff ist, um das Kippventil in dichtenden Eingriff mit dem Einlass für flüssigen Wasserstoff vorzuspannen; und eine Ventilmembran, die in Fluidverbindung mit der Unterdruckkammer vorgesehen ist, um den Ventilkopf in dichtenden Eingriff mit dem Einlass für gasförmigen Wasserstoff vorzuspannen.
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