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Gebiet der
Erfindung
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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.
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Hintergrund
der Erfindung
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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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.
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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.
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Kurzbeschreibungen
der Zeichnungen
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Die
Erfindung wird nun beispielhaft mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen
beschrieben, in denen:
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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;
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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;
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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;
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4 eine
schematische Ansicht eines veranschaulichenden Referenzdruck-Erzeugungssystems
ist, das zur Verwendung in Verbindung mit dem Wasserstoffverteilungsventil
der vorliegenden Erfindung geeignet ist;
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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;
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6 eine
schematische Ansicht eines Wasserstoffspeichertanks ist, bei dem
das Wasserstoffverteilungsventil aus 5 in dem
Tank vorgesehen ist;
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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
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8 eine
schematische Ansicht eines Wasserstoffspeichertanks ist, bei dem
das Wasserstoffverteilungsventil aus 7 in dem
Tank vorgesehen ist.
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Ausführliche
Beschreibung der Erfindung
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Während des
Betriebs des wie bisher anhand der 1–3 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 (1–3)
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.
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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.
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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.
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Das
im Tank befindliche Wasserstoffverteilungsventil 10a arbeitet
in der gleichen Weise wie das bisher anhand der 1–3 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.
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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 1–3 weggelassen
ist und dass die Ventilmembran 44 in eine Unterduckkammer 82 eingebaut
ist, dieselben Komponenten wie das bisher anhand der 1–3 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.
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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.