DE102007022610A1

DE102007022610A1 - Passives Druckentlastungsvorrichtungssystem auf Thermobatterie-Basis für einen Druckgas-Speichertank

Info

Publication number: DE102007022610A1
Application number: DE200710022610
Authority: DE
Inventors: Thorsten Rohwer; Christian König
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2006-05-19
Filing date: 2007-05-15
Publication date: 2007-12-06
Anticipated expiration: 2027-05-16
Also published as: US20070267062A1; US7743785B2; DE102007022610B4

Abstract

Es wird ein Druckgas-Speichersystem mit integrierter Druckentlastungsvorrichtung offenbart. Das Druckgas-Speichersystem umfasst einen Tank zum Speichern eines Druckgases, eine Batterie in unmittelbarer Umgebung des Tanks, und ein Entlastungsventil, das mit dem Tank in Verbindung steht. Das Entlastungsventil ist entsprechend ausgelegt, um auf elektrischen Strom anzusprechen, der von der Batterie erzeugt wird. Die Batterie ist entsprechend ausgelegt, um einen elektrisch aktiven Zustand zu definieren, wenn sie eine Temperatur oberhalb einer maximalen, sicheren Betriebstemperatur des Druckgas-Speichersystems erreicht. Der elektrisch aktive Zustand der Batterie ist durch die Erzeugung von ausreichend elektrischem Strom gekennzeichnet, um das Entlastungsventil zu öffnen, wodurch ermöglicht wird, dass Gas aus dem Tank entweicht. In einer anderen Ausführungsform kann anstelle der Batterie ein Thermoelement in Kombination mit einem leitenden Metall verwendet werden.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein eine Druckentlastungsvorrichtung und betrifft im Besonderen ein Druckentlastungsvorrichtungssystem für ein Druckgas-Speichersystem.
KURZZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Ein Merkmal der Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung besteht darin, die Sicherheit eines Druckgas-Speichersystems durch den Einbau eines verbesserten Druckentlastungsvorrichtungssystems zu erhöhen. Andere Merkmale der Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden im Lichte der Beschreibung der hier dargestellten Erfindung ersichtlich.
KURZBESCHREIBUNG DER VERSCHIEDENEN ANSICHTEN DER ZEICHNUNGEN
Die nachfolgende, detaillierte Beschreibung spezifischer Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ist am besten in Verbindung mit den folgenden Zeichnungen verständlich, in denen gleiche Strukturelemente durch gleiche Bezugszahlen bezeichnet sind und in denen:
1 einen Druckgas-Speichertank gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht;
2 eine Verbindungsstelle eines Tanks mit der Umgebung und eine integrierte Druckentlastungsvorrichtung eines Druckgas-Speicher systems gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht; und
3 eine Folienbatterie in thermischer Verbindung mit einem Tank eines Druckgas-Speichersystems gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
Die in den Zeichnungen vorgestellten Ausführungsformen haben Beispielcharakter und sollen die Erfindung, die durch die Patentansprüche definiert ist, nicht einschränken. Überdies werden einzelne Merkmale der Zeichnungen und der Erfindung bei Betrachtung der detaillierten Beschreibung klarer ersichtlich und verständlich.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
In der folgenden, detaillierten Beschreibung von beispielhaften Ausführungsformen wird auf die beigefügten Zeichnungen Bezug genommen, welche einen Bestandteil davon darstellen, und in welchen in beispielhafter und nicht in einschränkender Weise spezifische Ausführungsformen gezeigt sind, gemäß denen die Erfindung umgesetzt werden kann. Es versteht sich, dass andere Ausführungsformen verwendet werden können und dass logische, mechanische und elektrische Veränderungen vorgenommen werden können, ohne dass dadurch von dem Geist und Umfang der vorliegenden Erfindung abgewichen wird.
In 1, auf welche als erstes Bezug genommen wird, ist ein Druckgas-Speichertank 10 veranschaulicht. Der Tank 10 kann einen Hohlkörper 30 zum Speichern von druckbeaufschlagtem Gas umfassen. Ein Beispiel für ein Gas, das typischerweise in dem Tank gespeichert werden könnte, ist Wasserstoff, es könnten jedoch ebenso gut andere Gase, wie beispielsweise Naturgas, in dem Tank gespeichert werden. Der Hohlkörper 30 ist durch eine Auskleidung 40 bzw. eine Gaspermeationssperrschicht defi niert, die den Tank 10 abdichtet. Die Auskleidung 40 kann aus einem hochmolekularen Polymermaterial, wie beispielsweise Polyethylen hoher Dichte (HDPE) bestehen. Ein Verbundmaterial 50 umgibt die Auskleidung 40 und trägt damit zur Aufrechterhaltung des Gasdrucks bei. Das Verbundmaterial 50 kann aus einer Ummantelung aus Kohlenstoff-Verbundmaterial, wie beispielsweise Kohlenstofffasern plus Kunstharz, bestehen. Der Tank 10 ist typischerweise in der Lage, Gase mit einem Druck von annähernd 1.969 kg/cm² (10.000 Pfund pro Quadratzoll oder psi), oder 700 Bar zu speichern. Eine Verbindungsstelle 20 zwischen dem Hohlkörper 30 des Tanks 10 und der Außenumgebung erlaubt das Befüllen des Tanks 10 und das Entnehmen von Gas aus diesem.
2 veranschaulicht die Verbindungsstelle 20. Die Verbindungsstelle 20 kann sich in den Hohlkörper 30 des Tanks 10 hinein erstrecken, wie in 2 veranschaulicht, oder kann sich nur bis zu der Auskleidung 40 hin erstrecken. In den meisten Fällen sind die Verbindungsstelle 20 und der Tank 10 aus unterschiedlichen Materialien gefertigt. Die Temperatur an der Verbindungsstelle 20 kann über einen Betriebstemperaturgradienten hinweg variieren. Im Fall von Wasserstoff kann beispielsweise die Temperatur beim Befüllen des Tanks 10 auf annähernd 80° C ansteigen und kann beim Entnehmen von Wasserstoff aus dem Tank 10 die Temperatur auf annähernd –80° C fallen. Dieser Betriebstemperaturgradient ist eine Funktion aus dem Volumen des Tanks 10 und der Auslegung der Druckgas-Ein- und -Auslassplombierung an der Verbindungsstelle 20. Der Betriebstemperaturgradient stellt die Temperaturschwankungsbreite dar, welcher der Tank 10 von leer bis voll bis leer ausgesetzt ist und erstreckt sich von einer minimalen Betriebstemperatur zu einer maximalen Betriebstemperatur.
Innerhalb der Verbindungsstelle 20 ist eine Druckentlastungsvorrichtung 60 vorhanden, die das in dem Hohlkörper 30 des Tanks 10 befindliche Gas in die Umgebung ablässt. Die Druckentlastungsvorrichtung 60 verschließt eine der Verbindungen zwischen dem Inneren des Tanks 10 und der äußeren Umgebung. Die Druckentlastungsvorrichtung 60 ist dafür gedacht, dass sie durch äußere Wärmeentwicklung in nächster Nähe bzw. in der unmittelbaren Umgebung des Tanks 10 aktiviert (d.h. geöffnet) wird.
Der Zweck der Druckentlastungsvorrichtung 60 ist es, den Druck des Tanks 10 zu entlasten, bevor die Struktur des Tanks 10 durch die Wärmeentwicklung in dessen Nähe beträchtlichen Schaden nimmt. Bei der Druckentlastungsvorrichtung 60 kann es sich beispielsweise um ein elektrisch betätigtes Ventil handeln, das sich in Ansprechen auf einen durch eine Batterie generierten, elektrischen Strom öffnet. In einer Ausführungsform kann das Ventil durch eine Thermobatterie 100 aktiviert werden. In einer anderen Ausführungsform kann eine Kombination aus Thermoelementen, die an einer gut wärmeleitenden Metallfolie, wie beispielsweise Aluminium, befestigt sind, und einem elektronischen Schaltkreis (nicht dargestellt) das Ventil aktivieren.
In einer Ausführungsform und im Fall von zunehmend hohen Temperaturen kann die Thermobatterie 100 durch die zunehmende Wärme elektrisch aktiviert werden. Da die Thermobatterie 100 elektrisch aktiv wird, beginnt sie ihrerseits, elektrischen Strom zu erzeugen. Wenn die Temperatur in der unmittelbaren Umgebung des Tanks 10 eine Maximaltemperatur des Tanks 10 übersteigt, kann von der Thermobatterie 100 ein ausreichender elektrischer Strompegel erzeugt werden. Wird die maximale, sichere Betriebstemperatur des Tanks 10 beträchtlich überschritten, so wird die Thermobatterie 100 aktiviert und die Druckentlastungsvorrichtung 60 öffnet sich. Sobald die Druckentlastungsvorrichtung 60 sich öffnet, wird das in dem Tank 10 befindliche Gas in die Umgebung abgelassen, um den Druck innerhalb des Tanks 10 zu entlasten.
In einer anderen Ausführungsform führen zunehmend hohe Umgebungstemperaturen zu einer erhöhten thermoelektrischen Spannungsabgabe seitens der Kombination von Thermoelementen. Diese erhöhte thermoelektrische Spannungsabgabe führt ihrerseits zu einer elektrischen Aktivierung der Druckentlastungsvorrichtung 60 und bewirkt, dass die Druckentlastungsvorrichtung 60 sich öffnet, wodurch das Gas in dem Tank 10 an die Umgebung abgelassen wird und der Druck in dem Tank 10 entlastet wird.
3 veranschaulicht eine Ausführungsform einer thermisch aktivierten Thermobatterie 100, die das Öffnen der Druckentlastungsvorrichtung 60 auslösen kann. Die thermisch aktivierte Batterie 100 umfasst eine Kathode 110 und eine Anode 120, die durch einen Elektrolyten 130 getrennt sind. Die Batterie 100 ist in nächster Nähe zu dem Tank 10 platziert und reagiert auf Temperaturen außerhalb des Tanks 10. Der Elektrolyt 130 ist nicht ionenleitfähig und ist unter normalen Umgebungsbedingungen (d.h. Temperaturen von etwa –25° C bis etwa 50° C) gefroren und daher nicht ionenleitfähig. Wenn der Elektrolyt 130 gefroren ist, ist die Batterie 100 elektrisch inaktiv und zeigt daher keine elektrische Entladung.
Im Fall eines Brandes oder anderweitig zunehmend hoher Temperaturen in nächster Nähe des Tanks 10 erwärmt sich der Tank 10, was dazu führt, dass die Batterie 100 ebenfalls erwärmt wird, was wiederum bewirkt, dass der Elektrolyt 130 schmilzt. Während der Elektrolyt 130 schmilzt, wird die Batterie 100 allmählich elektrisch aktiv. Während die Batterie 100 elektrisch aktiv wird, wird ein elektrischer Strom erzeugt. An einem Schwellenwertpunkt erzeugt die elektrisch aktive Batterie 100 einen entsprechenden elektrischen Strom, um das Druckentlastungsventil 60 zu öffnen und durch Ablassen des Gases von dem Tank 10 in die Umgebung den Gasdruck in dem Tank 10 zu entlasten.
In einer Ausführungsform ist eine Folienbatterie 100 an dem unterhalb des Tanks 10 gelegenen Schlagschutz befestigt. Der Schlagschutz kann aus fiberglasverstärktem Kunststoff oder aus jedem beliebigen anderen in der Technik bekannten Material bestehen. In einer anderen Ausführungsform ist die Folienbatterie 100, wie in 3 dargestellt, um den Tank 10 herum gewickelt und kann durch punktuelle Wärmequellen ausgelöst werden, die eine Druckentlastung herbeiführen könnten, bevor es zu einer Explosion oder zu einem Schaden an der Struktur des Tanks 10 kommt. In beiden Ausführungsformen bedeckt die Batterie 100 einen beträchtlichen Abschnitt der Oberfläche des Tanks 10. Durch Bedecken eines größeren Oberflächenbereichs kann der Tank 10 umfassender gegen hohe Wärmequellen geschützt werden.
In einer anderen Ausführungsform ist die Kombination aus Thermoelementen und Metallfolienanordnung an dem unterhalb des Tanks 10 befindlichen Schlagschutz befestigt. In noch einer weiteren Ausführungsform ist die Kombination aus Thermoelementen und Metallfolienanordnung um den Tank 10 herum gewickelt. Die Thermoelement-Ausführungsform bietet denselben Schutz gegen äußere Wärmequellen wie die Thermobatterie 100, indem sie die Druckentlastungsvorrichtung 60 elektrisch aktiviert, bevor der Tank 10 durch äußere Wärmeeinwirkung beschädigt wird.
Es sei angemerkt, dass Begriffe wie "vorzugsweise", "üblicherweise" und "typischerweise" hier nicht dazu verwendet werden, um den Umfang der beanspruchten Erfindung einzuschränken, oder um anzudeuten, dass gewisse Merkmale entscheidend, wesentlich oder auch nur wichtig für den Aufbau oder die Funktion der beanspruchten Erfindung seien. Mit diesen Begriffen sollen vielmehr nur alternative oder zusätzliche Merkmale her vorgehoben werden, die in einer bestimmten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet werden können oder auch nicht.
Für die Zwecke des Beschreibens und Definierens der vorliegenden Erfindung sei angemerkt, dass der Begriff "Vorrichtung" hier verwendet wird, um eine Kombination von Teilen und Einzelbauelementen darzustellen, und zwar ungeachtet dessen, ob die Teile mit anderen Teilen kombiniert sind.
Für die Zwecke des Beschreibens und Definierens der vorliegenden Erfindung sei angemerkt, dass der Begriff "im Wesentlichen" hier verwendet wird, um den spezifischen Grad an Ungewissheit darzustellen, der jeglichem quantitativen Vergleich, jedem Wert und jeder Messung oder anderen Darstellung zugemessen werden kann. Der Begriff "im Wesentlichen" wird hier auch dazu verwendet, um den Grad darzustellen, um den eine quantitative Darstellung von einem angegebenen Referenzwert abweichen kann, ohne dass dies zu einer Veränderung bei der Basisfunktion des in Rede stehenden Sachverhalts führt.
Nach erfolgter, detaillierter Beschreibung der Erfindung unter Bezugnahme auf spezifische Ausführungsformen davon, ist es offensichtlich, dass Modifikationen und Variationen möglich sind, ohne dass dadurch von dem in den beigefügten Patentansprüchen definierten Umfang der Erfindung abgewichen wird. Es werden zwar im Spezielleren gewisse Aspekte der vorliegenden Erfindung hier als bevorzugt oder besonders vorteilhaft bezeichnet, es wird jedoch nicht erwogen, dass die vorliegende Erfindung notwendigerweise auf diese bevorzugten, erfindungsgemäßen Aspekte beschränkt sein soll.

Claims

Druckgas-Speichersystem umfassend einen Tank zum Speichern eines Druckgases, eine Batterie in nächster Nähe des Tanks, und ein Entlastungsventil, das mit dem Tank in Verbindung steht, wobei: das Entlastungsventil entsprechend ausgelegt ist, um auf elektrischen Strom anzusprechen, der von der Batterie erzeugt wird; die Batterie entsprechend ausgelegt ist, um einen elektrisch aktiven Zustand zu definieren, wenn sie eine Temperatur oberhalb einer maximalen, sicheren Betriebstemperatur des Druckgas-Speichersystems erreicht; und der elektrisch aktive Zustand der Batterie sich durch die Erzeugung von ausreichend elektrischem Strom auszeichnet, um das Entlastungsventil zu öffnen, wodurch ermöglicht wird, dass Gas aus dem Tank entweicht.
Druckgas-Speichersystem nach Anspruch 1, wobei das Speichersystem einen Betriebstemperaturgradienten definiert, der sich von einer minimalen Betriebstemperatur zu einer maximalen Betriebstemperatur erstreckt.
Druckgas-Speichersystem nach Anspruch 1, wobei die maximale, sichere Betriebstemperatur zumindest hoch genug ist, so dass sie die maximale Betriebstemperatur des Druckgas-Speichersystems übersteigt.
Druckgas-Speichersystem nach Anspruch 1, wobei das Druckgas-Speichersystem einen Betriebstemperaturgradienten definiert.
Druckgas-Speichersystem nach Anspruch 1, wobei eine maximale, sichere Betriebstemperatur um zumindest 20° C höher ist als der Temperaturgradient.
System nach Anspruch 1, wobei es sich bei der Batterie um eine Folienbatterie handelt, die um den Druckgastank herum in physischem Kontakt mit diesem steht.
System nach Anspruch 1, wobei es sich bei der Batterie um ein Thermoelement handelt, das um den Druckgastank herum in physischem Kontakt mit diesem steht.
System nach Anspruch 1, wobei die Batterie sich unterhalb des Druckgastanks und in physischem Kontakt mit diesem befindet, indem sie an einem Schlagschutz befestigt ist, der mit dem Druckgas-Speichersystem verbunden ist.
System nach Anspruch 1, wobei die Batterie Folgendes umfasst: eine Kathode; eine Anode; und einen thermisch aktivierten Elektrolyten, der die Kathode von der Anode trennt.
System nach Anspruch 9, wobei der Elektrolyt unter normalen Umgebungstemperaturen gefroren ist.
System nach Anspruch 10, wobei der Elektrolyt unter normalen Umgebungsbedingungen nicht ionenleitend ist.
System nach Anspruch 1, wobei der Druckgastank Wasserstoffgas speichert.
System nach Anspruch 12, wobei der Druckgastank Wasserstoffgas an eine Brennstoffzelle liefert.
System nach Anspruch 13, wobei die maximale, sichere Betriebstemperatur oberhalb der maximalen Betriebstemperatur der Brennstoffzelle gelegen ist.
Fahrzeug umfassend das Druckgas-Speichersystem nach Anspruch 1, wobei das Druckgas-Speichersystem Wasserstoff an ein Brennstoffzellensystem liefert, wobei das Brennstoffzellensystem dem Fahrzeug als Antriebskraftquelle dient.
System nach Anspruch 15, wobei die maximale, sichere Betriebstemperatur zumindest hoch genug ist, so dass sie eine maximale Betriebstemperatur des Brennstoffzellensystems übersteigt.
System nach Anspruch 1, wobei der Druckgastank Naturgas speichert.
System nach Anspruch 17, wobei der Druckgastank Naturgas an eine Brennkraftmaschine liefert.
Fahrzeug umfassend das Druckgas-Speichersystem nach Anspruch 1, wobei das Druckgas-Speichersystem Naturgas an eine Brennkraftmaschine liefert, wobei die Brennkraftmaschine dem Fahrzeug als Antriebskraftquelle dient.
Verfahren zur wärmeaktivierten Druckentlastung eines Druckgas-Speichersystems, wobei das Verfahren Folgendes umfasst: Schmelzen eines Elektrolyten, der zwischen einer Anode und einer Kathode einer Batterie positioniert ist, die sich in nächster Nähe zu einem Tank zum Speichern eines Druckgases befindet, und zwar infolge dessen, dass die Batterie eine Temperatur oberhalb einer maximalen, sicheren Betriebstemperatur des Druckgas-Speichersystems erreicht; elektrisches Aktivieren der Batterie durch das Schmelzen des Elektrolyten zwischen der Anode und der Kathode; Erzeugen eines elektrischen Stroms durch die elektrische Aktivierung der Batterie; Öffnen eines Entlastungsventils, das entsprechend ausgelegt ist, um auf die ausreichende Erzeugung von elektrischem Strom durch die Batterie anzusprechen, wobei das Entlastungsventil sich in der unmittelbaren Umgebung des Tanks befindet; und Ablassen von Gas aus dem Tank durch das Öffnen des Entlastungsventils, um den Druck im Inneren des Tanks zu verringern.
Verfahren nach Anspruch 20, wobei es sich bei der Batterie um eine Folienbatterie handelt, die um den Tank herum in physischem Kontakt mit diesem steht und auf Punkterwärmung des Tanks anspricht.
Verfahren nach Anspruch 20, weiterhin umfassend: Anbringen der Batterie durch Befestigen der Batterie an einem Schlagschutz, der mit dem Druckgas-Speichersystem verbunden ist.
Verfahren nach Anspruch 20, weiterhin umfassend: Zuführen des Druckgases zu einer Brennstoffzelle, wobei die Brennstoffzelle als Antriebskraftquelle für ein Fahrzeug dient.
Verfahren nach Anspruch 20, weiterhin umfassend: Zuführen des Druckgases zu einer Brennkraftmaschine, wobei die Brennkraftmaschine als Antriebskraftquelle für ein Fahrzeug dient.
Druckgas-Speichersystem umfassend einen Tank zum Speichern eines Druckgases, ein in nächster Nähe des Tanks gelegenes Thermoelement in Kombination mit einem leitenden Metall, und ein Entlastungsventil, das mit dem Tank in Verbindung steht, wobei: das Entlastungsventil entsprechend ausgelegt ist, um auf elektrischen Strom anzusprechen, der von dem Thermoelement erzeugt wird; das Thermoelement entsprechend ausgelegt ist, um einen elektrisch aktiven Zustand zu definieren, wenn es eine Temperatur oberhalb einer maximalen, sicheren Betriebstemperatur des Druckgas-Speichersystems erreicht; und der elektrisch aktive Zustand des Thermoelements sich durch die Erzeugung von ausreichend elektrischem Strom auszeichnet, um das Entlastungsventil zu öffnen, wodurch ermöglicht wird, dass Gas aus dem Tank entweicht.