DE102007022610B4

DE102007022610B4 - Druckgas-Speichersystem mit Druckentlastungseinrichtung auf Thermobatterie-basis sowie Verfahren zur wärmeaktivierten Druckentlastung

Info

Publication number: DE102007022610B4
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: 2010-04-08
Anticipated expiration: 2027-05-16
Also published as: US20070267062A1; US7743785B2; DE102007022610A1

Abstract

Druckgas-Speichersystem umfassend einen Tank (10) zum Speichern eines Druckgases, eine Batterie (100), die so in nächster Nähe des Tanks (10) angeordnet ist, dass sie sich mit zunehmender Temperatur des Tanks (10) erwärmt, und ein Entlastungsventil (60), das mit dem Tank (10) in Verbindung steht, wobei:
das Entlastungsventil (60) entsprechend ausgelegt ist, um auf elektrischen Strom anzusprechen, der von der Batterie (100) erzeugt wird;
die Batterie (100) entsprechend ausgelegt ist, um einen elektrisch aktiven Zustand so zu definieren, dass sie beginnt, einen elektrischen Strom zu erzeugen, wenn die Temperatur in der nächsten Nähe des Tanks (10) eine Maximaltemperatur des Tanks (10) übersteigt; und
der elektrisch aktive Zustand der Batterie (100) sich dadurch auszeichnet, dass die Erzeugung des elektrischen Stroms ausreicht, um das Entlastungsventil (60) zu öffnen, wenn die maximale, sichere Betriebstemperatur des Tanks (10) überschritten ist, so dass das Druckgas aus dem Tank (10) entweicht.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Druckgas-Speichersystem, Fahrzeuge damit und ein Verfahren zur wärmeaktivierten Druckentlastung eines Druckgas-Speichersystems. Sie bezieht sich allgemein die Druckentlastung von Druckgas-Speichersystemen.
STAND DER TECHNIK
Aus der DE 686 778 A ist es bekannt, dass ein Ventil durch den Strom eines Thermoelements geöffnet werden kann. Ferner ist es aus der WO 2004/014683 A1 bekannt, eine Gasflasche an ihrem Ein- und Auslassventil mit einem Heizmittel auszustatten, das in Ansprechen auf eine temperaturbedingte Bestromung seine Gestalt bzw. seinen Zustand ändert, so dass Gas aus dem Zylinder entweichen kann.
AUFGABE DER ERFINDUNG
Die Aufgabe 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.
Gelöst wird die Aufgabe durch ein Druckgas-Speichersystem, das die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist Fahrzeuge mit den Merkmalen des Ansprüche 15 und 19, sowie ein Verfahren, das die Merkmale des Anspruchs 20 aufweist.
Vorteilhafte Ausgestaltungen dazu sind in den Unteransprüchen genannt.
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-Speichersystems 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 Einze1heiten der Zeichnungen und der Erfindung werden bei Betrachtung der detaillierten Beschreibung klarer ersichtlich und verständlich.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
In 1, auf welche als erstes Bezug genommen wird, ist ein Druckgas-Speichertank/Tank 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 Erdgas, in dem Tank gespeichert werden. Der Hohlkörper 30 ist durch eine Auskleidung 40 bzw. eine Gaspermeationssperrschicht definiert, 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/Batterie 100 aktiviert werden.
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.
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/Batterie 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 beträchtli chen Abschnitt der Oberfläche des Tanks 10. Durch Bedecken eines größeren Oberflächenbereichs kann der Tank 10 umfassender gegen hohe Wärmequellen geschützt werden.
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.

Claims

Druckgas-Speichersystem umfassend einen Tank (10) zum Speichern eines Druckgases, eine Batterie (100), die so in nächster Nähe des Tanks (10) angeordnet ist, dass sie sich mit zunehmender Temperatur des Tanks (10) erwärmt, und ein Entlastungsventil (60), das mit dem Tank (10) in Verbindung steht, wobei: das Entlastungsventil (60) entsprechend ausgelegt ist, um auf elektrischen Strom anzusprechen, der von der Batterie (100) erzeugt wird; die Batterie (100) entsprechend ausgelegt ist, um einen elektrisch aktiven Zustand so zu definieren, dass sie beginnt, einen elektrischen Strom zu erzeugen, wenn die Temperatur in der nächsten Nähe des Tanks (10) eine Maximaltemperatur des Tanks (10) übersteigt; und der elektrisch aktive Zustand der Batterie (100) sich dadurch auszeichnet, dass die Erzeugung des elektrischen Stroms ausreicht, um das Entlastungsventil (60) zu öffnen, wenn die maximale, sichere Betriebstemperatur des Tanks (10) überschritten ist, so dass das Druckgas aus dem Tank (10) 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 2, 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 eine Temperaturschwankungsbreite definiert.
Druckgas-Speichersystem nach Anspruch 4, wobei eine maximale, sichere Betriebstemperatur um zumindest 20°C höher ist als Temperaturschwankungsbreite.
Druckgas-Speichersystem nach Anspruch 1, wobei es sich bei der Batterie (100) um eine Folienbatterie handelt, die um den Tank (10) herum in physischem Kontakt mit diesem steht.
Druckgas-Speichersystem nach Anspruch 1, wobei es sich bei der Batterie (100) um eine Thermobatterie handelt, die um den Tank (10) herum in physischem Kontakt mit diesem steht.
Druckgas-Speichersystem nach Anspruch 1, wobei die Batterie (100) sich unterhalb des Tanks (10) und in physischem Kontakt mit diesem befindet, indem sie an einem Schlagschutz befestigt ist, der mit dem Druckgas-Speichersystem verbunden ist.
Druckgas-Speichersystem nach Anspruch 1, wobei die Batterie Folgendes umfasst: eine Kathode (110); eine Anode (120); und einen thermisch aktivierten Elektrolyten (130), der die Kathode (110) von der Anode (120) trennt.
Druckgas-Speichersystem nach Anspruch 9, wobei der Elektrolyt (130) unter normalen Umgebungstemperaturen gefroren ist.
Druckgas-Speichersystem nach Anspruch 10, wobei der Elektrolyt (130) unter normalen Umgebungsbedingungen nicht ionenleitend ist.
Druckgas-Speichersystem nach Anspruch 1, wobei der Tank (10) Wasserstoffgas speichert.
Druckgas-Speichersystem nach Anspruch 12, wobei der Tank (10) 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.
Fahrzeug nach Anspruch 15, wobei die maximale, sichere Betriebstemperatur zumindest hoch genug ist, so dass sie eine maximale Betriebstemperatur des Brennstoffzellensystems übersteigt.
Druckgas-Speichersystem nach Anspruch 1, wobei der Tank (10) Erdgas speichert.
Druckgas-Speichersystem nach Anspruch 17, wobei der Tank (10) Erdgas an eine Brennkraftmaschine liefert.
Fahrzeug umfassend das Druckgas-Speichersystem nach Anspruch 1, wobei das Druckgas-Speichersystem Erdgas 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 (130), der zwischen einer Anode (120) und einer Kathode (110) einer Batterie (100) positioniert ist, die sich so in nächster Nähe zu einem Tank (10) zum Speichern eines Druckgases befindet, dass sie sich mit zunehmender Temperatur des Tanks (10) erwärmt, und zwar infolge dessen, dass die Batterie (100) eine Temperatur oberhalb einer maximalen, sicheren Betriebstemperatur des Tanks (10) erreicht; – elektrisches Aktivieren der Batterie (100) durch das Schmelzen des Elektrolyten zwischen der Anode (120) und der Kathode (110); – Erzeugen eines elektrischen Stroms durch die elektrische Aktivierung der Batterie (100); – Öffnen eines Entlastungsventils (60), das entsprechend ausgelegt ist, um auf die ausreichende Erzeugung des elektrischen Stroms durch die Batterie (100) anzusprechen, wobei das Entlastungsventil (60) sich in der unmittelbaren Umgebung des Tanks (10) befindet; und – Ablassen von Gas aus dem Tank (10) durch das Öffnen des Entlastungsventils, um den Druck im Inneren des Tanks (10) zu verringern.
Verfahren nach Anspruch 20, wobei es sich bei der Batterie (100) um eine Folienbatterie handelt, die um den Tank (10) herum in physischem Kontakt mit diesem steht und auf Punkterwärmung des Tanks (10) anspricht.
Verfahren nach Anspruch 20, weiterhin umfassend: Anbringen der Batterie (100) durch Befestigen der Batterie (100) 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.