DE102006034508A1

DE102006034508A1 - Schnellbetankungsvorrichtung eines Hochdrucktanks

Info

Publication number: DE102006034508A1
Application number: DE102006034508A
Authority: DE
Inventors: Steffen Dipl.-Phys. Maus; David Dipl.-Ing. Wenger
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2006-07-26
Filing date: 2006-07-26
Publication date: 2008-01-31

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Schnellbetankungsvorrichtung eines Hochdrucktanks, insbesondere eines Wasserstoffgasdrucktanks, mit einem Gehäuse (12), das einen feststoffspeicherfrei ausgebildeten Aufnahmebereich (16) für ein Druckgas (26) aufweist, wobei ein in eine Längsrichtung (18) des Aufnahmebereichs (16) weisendes Strömungseintrittsmittel (20) vorgesehen ist, das mit einer Eintauchtiefe (24) von mindestens 50% der Längserstreckung (18) in den Aufnahembereich (16) eintaucht, wobei entlang der Eintauchtiefe (24) eine Mehrzahl von Eintrittsöffnungen (22) für das Druckgas (26) in den Aufnahmebereich (16) vorgesehen ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Schnellbetankungsvorrichtung eines Hochdrucktanks nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Neben Feststoffspeichern für Wasserstoff, wie z.B. in der DE 35 14 500 C1 offenbart ist, sind auch feststoffspeicherfreie Hochdrucktanks bekannt, in denen das Wasserstoffgas in einem Hohlraum im Innern eines Gehäuses gespeichert wird. Das Gas wird üblicherweise über einen kurzen Einfüllstutzen in den Tank eingeführt. Bei diesen Hockdrucktanks für gasförmigen Wasserstoff sind bekanntermaßen lange Betankungszeiten notwendig, um eine ungleichmäßige Strömungs- und Temperaturverteilung des einströmenden Wasserstoffgases zu vermeiden, das sich beim Einfüllen in den Tank erwärmt. Diese Effekte erschweren die Füllstandsmessung des Wasserstoffs im Tank und machen diese sehr ungenau. Bei sehr langen Tanks können unerwünschterweise überhitzte Bereiche auftreten, die zur Beschädigung des Wandmaterials des Tanks führen können. Häufig werden daher die Tanks mit geringeren Füllmengen befüllt als es deren maximalen Fassungsvermögen entsprechen würde. Gerade bei gasbetriebenen Fahrzeugen sind jedoch sowohl die Betankungszeit als auch die Reichweite einer Tankfüllung Kriterien, die für eine Vermarktung wichtig sind.
Weiterhin muss bei der Betankung stets die höchste auftretende Temperatur berücksichtigt werden. Neben der Verlangsamung des Befüllens des Tanks ist es im Fall von Druckwasserstoff bekannt, diesen an einer Tankstelle auf sehr niedrige Temperaturen abzukühlen, um die Erwärmung beim Betanken wenigstens teilweise zu kompensieren, was einen hohen Kühlbedarf erfordert.
Aufgabe der Erfindung ist die Bereitstellung einer Schnellbetankungsvorrichtung, welche die geschilderten Probleme des Standes der Technik verbessert und mit geringem fertigungstechnischem Aufwand herstellbar ist.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der weiteren Ansprüche.
Die erfindungsgemäße Schnellbetankungsvorrichtung eines Hochdrucktanks, insbesondere eines Wasserstoffgasdrucktanks, weist ein Gehäuse auf, das einen feststoffspeicherfrei ausgebildeten hohlen Aufnahmebereich für ein Druckgas aufweist, wobei ein in einer Längsrichtung des Aufnahmebereichs weisendes Strömungseintrittsmittel vorgesehen ist, das mit einer Eintauchtiefe von mindestens 50% der Längserstreckung in den Aufnahmebereich eintaucht, wobei eine Mehrzahl von Eintrittsöffnungen für das Druckgas in den Aufnahmebereich vorgesehen ist. Der Hochdrucktank ist bevorzugt zylinderförmig, wobei sich das Strömungseintrittsmittel bevorzugt entlang einer Zylinderachse des Hochdrucktanks erstreckt. Das Druckgas tritt dann entsprechend nahe der Zylinderachse in den Hochdrucktank. Das Eintreten des Druckgases in den Hochdrucktank erfolgt wesentlich gleichförmiger als im Stand der Technik mit der Folge, dass lokale Überhitzungen vermieden werden können. Die Betankung kann zum einen schneller ablaufen, zum anderen kann eine Vorkühltemperatur des Druckgases erhöht werden, was zu einer Energieeinsparung auf der Tankstellenseite führt. Durch die gleichmäßige Einströmung des Druckgases über eine größere Eintauchtiefe und den Radius des Hochdrucktanks wird eine gleichmäßigere Erwärmung des Druckgases im gesamten Tankvolumen erreicht. Gleichzeitig ist die heißeste Zone stets an der Tankwand, wodurch die Wärmeübertragung nach außen verbessert wird. Durch die gleichmäßigere Temperaturverteilung des Druckgases im Tank kann die Füllstandsmessung wesentlich genauer erfolgen. Es können schnellere Betankungszeiten und/oder höhere Füllgrade realisiert werden. Gleichzeitig bietet das Strömungseintrittsmittel einen geringen Fertigungsaufwand sowie einen geringen Testaufwand.
Besonders günstig ist, wenn beim Befüllen entlang der Eintauchtiefe des Strömungseintrittsmittels ein Massenstrom des Druckgases aus dem Strömungseintrittsmittel in den Aufnahmebereich im Wesentlichen konstant ist. Der Massenstrom aus den Eintrittsöffnungen des Strömungseintrittsmittels soll dabei über die Eintauchtiefe um höchstens 20% variieren.
Vorteilhaft kann mit zunehmender Eintauchtiefe ein Eintrittsquerschnitt für das Druckgas pro Längeneinheit des Strömungseintrittsmittels zunehmen. Damit kann der Massenstrom des Druckgases aus dem Strömungseintrittsmittel in den Aufnahmebereich weitgehend konstant gehalten werden.
Nimmt pro Längeneinheit des Strömungseintrittsmittels ein Produkt aus der Anzahl der Eintrittsöffnungen und dem Querschnitt der Eintrittsöffnungen mit zunehmender Eintauchtiefe quadratisch zu, lässt sich ein konstanter Massenstrom aus dem Strömungseintrittsmittel in den Aufnahmebereich erreichen.
Es kann der Querschnitt der Eintrittsöffnungen quadratisch zunehmen. Vorzugsweise kann dann die Anzahl der Eintrittsöffnungen konstant sein. Alternativ oder zusätzlich kann die Anzahl der Eintrittsöffnungen quadratisch zunehmen. In diesem Fall kann der jeweilige Querschnitt der Eintrittsöffnungen konstant bleiben.
Bevorzugt kann das Druckgas quer zur Längserstreckung bzw. Eintauchtiefe des Strömungseintrittsmittels in den Aufnahmebereich eintreten, wodurch eine verbesserte Gleichmäßigkeit der Temperaturverteilung und der Einströmung des Druckgases erreicht wird.
Vorteilhaft ist, wenn das Strömungseintrittsmittel sich durch mindestens 90% des Aufnahmebereichs erstreckt. Dadurch kann eine verbesserte Vergleichmäßigung der Einströmung und der Temperaturverteilung des Druckgases erreicht werden und das gesamte Volumen des Hochdrucktanks zur Vergleichmäßigung der Strömung und der Temperatur des Druckgases verwendet werden.
Vorzugsweise kann das Strömungseintrittsmittel einseitig geschlossen sein. Die Einströmung des Druckgases in den Aufnahmebereich erfolgt vorteilhaft über die Mantelfläche des Strömungseintrittsmittels.
Das Strömungseintrittsmittel kann aus Sintermetall mit Poren gebildet sein, welche die Eintrittsöffnungen bilden. Die Porenzahl und/oder der Porendurchmesser kann entlang der Eintauchtiefe des Strömungseintrittsmittels variiert werden.
Das Strömungseintrittsmittel kann aus einem Metallschaum mit Poren gebildet sein, welche die Eintrittsöffnungen bilden. Der Metallschaum ist vorzugsweise aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung. Die Porenzahl und/oder der Porendurchmesser kann entlang der Eintauchtiefe des Strömungseintrittsmittels variiert werden.
Das Strömungseintrittsmittel kann eine dichte Oberfläche aufweisen, in welche Bohrungen und/oder Nuten eingebracht sind, welche die Eintrittsöffnungen bilden. Es sind auch Kombinationen der verschiedenen Ausgestaltungen des Strömungseintrittsmittels möglich. Für diese Ausgestaltungen ist das Strömungseintrittsmittel besonders bevorzugt als Rohr ausgebildet.
Das Strömungseintrittsmittel kann als ein Rohr oder mehrere Rohre ausgebildet sein und/oder durch Leitbleche und/oder Strömungsverteiler und/oder Düsen oder auch durch andere geeignete Vorrichtungen gebildet sein.
Die Erfindung ist im Folgenden anhand eines in einer Zeichnung dargestellten bevorzugten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
Dabei zeigt die einzige Figur einen bevorzugten Hochdrucktank mit einer bevorzugten Schnellbetankungsvorrichtung.
Wie aus der Figur zu entnehmen ist, umfasst ein bevorzugter Hochdrucktank 10, der vorzugsweise als Wasserstoffgasdrucktank für Drücke über 100 bar, vorzugsweise über 250 bar ausgebildet ist, eine Schnellbetankungsvorrichtung in Form eines rohrförmig ausgebildeten Strömungseintrittsmittels 20, das sich an einen Füllstutzen 14 anschließt, der an einem Gehäuse 12 des Hochdrucktanks 10 angeordnet ist. Das Strömungseintrittsmittel 20 erstreckt sich entlang einer Längsrichtung 18 in einen Aufnahmebereich 16.
Der Aufnahmebereich 16 ist feststoffspeicherfrei ausgebildet und nimmt ein Druckgas 26 auf, das über den Füllstutzen in das Strömungseintrittsmittel 20 in den Aufnahmebereich 16 geleitet wird. Das Strömungseintrittsmittel 20 kann auch als Entnahmemittel für das Druckgas 26 genutzt werden.
Das Strömungseintrittsmittel 20 weist in die Längsrichtung 18 des Aufnahmebereichs 16 und taucht bevorzugt mit einer Eintauchtiefe 24 in den Aufnahmebereich 16 ein, die praktisch der ganzen Tiefe des Aufnahmebereichs 16 entspricht. Der Hochdrucktank 10 ist zylinderförmig, wobei sich das Strömungseintrittsmittel 20 in dessen Zylinderachse befindet.
Entlang der Eintauchtiefe 24 des rohrförmigen Strömungseintrittsmittels 20 in den Aufnahmebereich 16 ist eine Mehrzahl von zeichnerisch nur angedeuteten Eintrittsöffnungen 22 für das Druckgas 26 in den Aufnahmebereich 16 vorgesehen, wobei das Druckgas 26 quer zur Längserstreckung 18 in den Aufnahmebereich 16 eintritt und von dessen Mitte zum Gehäuse 12 strömt.
Beim Befüllen tritt entlang der Eintauchtiefe 24 bevorzugt ein konstanter Massenstrom des Druckgases 26 aus dem Strömungseintrittsmittel 20 in den Aufnahmebereich 16 ein, wobei mit zunehmender Eintauchtiefe 24 ein Eintrittsquerschnitt für das Druckgas 26 pro Längeneinheit des Strömungseintrittsmittels 20 zunimmt. Dies kann erfolgen, indem pro Längeneinheit des rohrförmigen Strömungseintrittsmittels 20 ein Produkt aus der Anzahl der Eintrittsöffnungen 22 und dem Querschnitt der Eintrittsöffnungen 22 mit zunehmender Eintauchtiefe 24 quadratisch zunimmt. So kann der Querschnitt der Eintrittsöffnungen 22 und/oder die Anzahl der Eintrittsöffnungen 22 quadratisch zunehmen.
Das Strömungseintrittsmittel 20 kann aus Sintermetall gebildet sein oder aus einem Metallschaum mit Mikroporen, wobei die Poren die Eintrittsöffnungen 22 bilden. Besonders günstig ist in dieser Ausgestaltung, wenn das Strömungseintrittsmittel 20 als Rohr ausgebildet ist.
Das Strömungseintrittsmittel 20 kann auch eine dichte Oberfläche aufweisen, in welche Bohrungen und/oder Nuten eingebracht sind, welche die Eintrittsöffnungen 22 bilden. Auch hier ist eine Ausbildung als Rohr vorteilhaft. Gegebenenfalls können jedoch auch Leitbleche, Strömungsverteiler, Düsen vorgesehen sein, oder auch mehrere Rohre, oder auch Kombinationen von einzelnen oder mehreren Komponenten, die in ihrer Gesamtheit das Strömungseintrittsmittel 20 bilden.

Claims

Schnellbetankungsvorrichtung eines Hochdrucktanks, insbesondere eines Wasserstoffgasdrucktanks, mit einem Gehäuse (12), das einen feststoffspeicherfrei ausgebildeten Aufnahmebereich (16) für ein Druckgas (26) aufweist, wobei ein in eine Längsrichtung (18) des Aufnahmebereichs (16) weisendes Strömungseintrittsmittel (20) vorgesehen ist, das mit einer Eintauchtiefe (24) von mindestens 50% der Längserstreckung (18) in den Aufnahmebereich (16) eintaucht, wobei entlang der Eintauchtiefe (24) eine Mehrzahl von Eintrittsöffnungen (22) für das Druckgas (26) in den Aufnahmebereich (16) vorgesehen ist.
Schnellbetankungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass beim Befüllen entlang der Eintauchtiefe (24) des Strömungseintrittsmittels (20) ein Massenstrom des Druckgases (26) aus dem Strömungseintrittsmittel (20) in den Aufnahmebereich (16) konstant ist.
Schnellbetankungsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass mit zunehmender Eintauchtiefe (24) ein Eintrittsquerschnitt für das Druckgas (26) pro Längeneinheit des Strömungseintrittsmittels (20) zunimmt.
Schnellbetankungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass pro Längeneinheit des Strömungseintrittsmittels (20) ein Produkt aus der Anzahl der Eintrittsöffnungen (22) und dem Querschnitt der Eintrittsöffnungen (22) mit zunehmender Eintauchtiefe (24) quadratisch zunimmt.
Schnellbetankungsvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Querschnitt der Eintrittsöffnungen (22) quadratisch zunimmt.
Schnellbetankungsvorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl der Eintrittsöffnungen (22) quadratisch zunimmt.
Schnellbetankungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Druckgas (26) quer zur Längserstreckung (18) in den Aufnahmebereich (16) eintritt.
Schnellbetankungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Strömungseintrittsmittel (20) sich durch mindestens 90% des Aufnahmebereichs (16) erstreckt.
Schnellbetankungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Strömungseintrittsmittel (20) rohrförmig ausgebildet ist.
Schnellbetankungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Strömungseintrittsmittel (20) einseitig geschlossen ist.
Schnellbetankungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Strömungseintrittsmittel (20) aus Sintermetall mit Poren gebildet ist, welche die Eintrittsöffnungen (22) bilden.
Schnellbetankungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Strömungseintrittsmittel (20) aus einem Metallschaum mit Poren gebildet ist, welche die Eintrittsöffnungen (22) bilden.
Schnellbetankungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Strömungseintrittsmittel (20) eine dichte Oberfläche aufweist, in welche Bohrungen und/oder Nuten eingebracht sind, welche die Eintrittsöffnungen (22) bilden.
Schnellbetankungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Strömungseintrittsmittel (20) aus Leitblechen und/oder Strömungsverteilern und/oder Düsen gebildet ist.