DE102009039079A1

DE102009039079A1 - Tankanordnung

Info

Publication number: DE102009039079A1
Application number: DE200910039079
Authority: DE
Inventors: Benjamin Dipl.-Ing. Ruzdjak (FH)
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2009-08-27
Filing date: 2009-08-27
Publication date: 2011-03-03

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Tankanordnung (10) für einen Kraftwagen mit einer druckgasbetriebenen Brennstoffzelle (12) und einem Elektromotor (52), sowie einer Mehrzahl von der Brennstoffzelle zugeordneten Druckbehältern (14, 16, 18, 20, 22) zur Aufnahme von Druckgas, wobei jeder Druckbehälter (14, 16, 18, 20, 22) jeweilige Anschlüsse zum Einfüllen und/oder Entnehmen von Druckgas aufweist, wobei die Druckbehälter (14, 16, 18, 20, 22) in einer Reihenschaltung miteinander verbunden sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine Tankanordnung für einen Kraftwagen mit einer druckgasbetriebenen Brennstoffzelle nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.
Die WO 2006/057765 A1 beschreibt eine Tankanordnung für einen Kraftwagen, bei welchem ein einzelner Druckgastank in einer Rahmenstruktur aufgenommen ist, die sich entlang eines Mitteltunnels des Kraftwagens zieht. Bei derartigen Tankanordnungen ist das Tankvolumen im Wesentlichen durch die Bauraumgegebenheiten im Mitteltunnelbereich des Kraftwagens begrenzt. Eine bessere Volumenausnutzung kann durch die Verwendung mehrerer Tanks erzielt werden. Dies ist beispielsweise aus der US 5 370 418 bekannt. Eine Mehrzahl von Druckgasbehältern ist hier in Art einer Parallelschaltung mit einem gemeinsamen Abnehmer verbunden. Bei einer solchen Tankanordnung ist nachteiligerweise ein komplexes Ventilsystem zum Steuern der Entnahme von Kraftstoff sowie zum Nachfüllen des gasförmigen Kraftstoffes notwendig. Jeder Tank muss mit eigenen Schaltventilen versehen werden, was eine entsprechend komplexe Ventilsteuerung bedingt.
Der vorliegenden Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, eine Tankanordnung nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 1 so weiterzuentwickeln, dass das Entnehmen und Nachfüllen von Gas in die Tanks erleichtert wird.
Diese Aufgabe wird durch eine Tankanordnung mit den Merkmalen von Patentanspruch 1 gelöst.
Eine solche Tankanordnung für einen Kraftwagen mit einer druckgasbetriebenen Brennstoffzelle und einem Elektromotor umfasst eine Mehrzahl von der Brennstoffzelle zugeordneten Druckbehältern zur Aufnahme von Druckgas. Jeder Druckbehälter weist dabei jeweilige Anschlüsse zum Einfüllen und/oder Entnehmen von Druckgas auf.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Druckbehälter in einer Reihenschaltung miteinander verbunden sind. Die Druckbehälter weisen also bevorzugt jeweils zwei Anschlüsse auf und sind paarweise in Serie miteinander verbunden. Hierdurch kann die Entnahme von Druckgas aus allen Druckbehältern durch ein einziges Ventil geregelt werden. Gleiches gilt für das Nachfüllen von Druckgas. Komplexe Ventilanordnungen und dementsprechend aufwendige Steuereineinrichtungen sind also unnötig, wodurch eine derartige Tankanordnung betriebssicherer und kostengünstiger realisiert werden kann.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist wenigstens ein erster Druckgasbehälter in einem Mitteltunnel des Kraftwagens angeordnet, wobei eine Längsachse des Druckbehälters parallel zu einer Fahrzeuglängsachse ausgerichtet ist. Da in Elektrofahrzeugen im Mitteltunnel kein Bauraum für eine Abgasanlage oder eine Kardanwelle benötigt wird, da der Antrieb in der Regel über Achs- oder Nabenmotoren erfolgt, steht der Bauraum des Mitteltunnels vollständig für die Druckgasspeicherung zur Verfügung. Gleichzeitig wird durch das Unterbringen der Druckbehälter im Mitteltunnel eine Versteifung der Karosserie erzielt.
Bevorzugt ist wenigstens ein weiterer Druckbehälter in einen Endbereich des Mitteltunnels angeordnet, wobei eine Längsachse des weiteren Druckbehälter parallel zu einer Fahrzeugquerachse ausgerichtet ist. Durch die Aufteilung des Tanks für Druckgas in mehrere separate Druckbehälter und eine entsprechende Anordnung ist eine effizientere Ausnutzung des insgesamt zur Verfügung stehenden Bauraums möglich, so dass insgesamt ein größeres Tankvolumen erzielt werden kann. Kraftwagen mit einer solchen Tankanordnung weisen daher auch eine höhere Reichweite auf.
Der erste Druckbehälter in Reihenfolge der Reihenschaltung ist bevorzugt über eine Hochdruckleitung mit der Brennstoffzelle verbunden, wobei in der Hochdruckleitung ein aktives Ventil vorgesehen ist. Mit diesem einzelnen aktiven Ventil kann bereits der Druckgasstrom aus allen Druckbehältern reguliert werden. Die Verschaltung ist daher besonders einfach.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist es möglich, zusätzlich in jeder Leitung zwischen jeweils zwei Druckbehältern ein passives Ventil vorzusehen. Dieses muss nicht aktiv angesteuert werden, sondern reagiert lediglich auf den vom aktiven Ventil vorgegebenen Gasfluss. Hierdurch werden im Ruhezustand des Kraftwagens die Druckbehälter voneinander abgetrennt, wodurch Effusionsverluste verringert und die Sicherheit der Tankanlage erhöht wird.
Der letzte Druckbehälter in Reihenfolge der Reihenschaltung ist weiterhin bevorzugt über eine weitere Leitung mit einem Einfüllventil verbunden. Dieses Einfüllventil genügt aufgrund der seriellen Anordnung der Druckbehälter, um das Nachfüllen von Druckgas zu regulieren. Weitere aktive Ventile sind auch hier nicht notwendig, so dass die Tankanordnung insgesamt sehr einfach gestaltet werden kann.
In der Hochdruckleitung ist bevorzugt weiterhin ein Druckregler zum Reduzieren eines Gasdrucks in der Leitung vorgesehen. Damit kann der an die Brennstoffzelle weitergegebene Gasdruck und Gasfluss exakt auf die jeweiligen Betriebsbedingungen eingestellt werden, wobei die Regelung beispielsweise in Abhängigkeit von der Position eines Fahrpedals des Kraftwagens erfolgen kann.
Die Druckbehälter sind in weiterer Ausgestaltung der Erfindung über eine Notablassleitung mit einem Notablassventil, welches bei einem vorgegebenen Überdruck automatisch betätigbar ist, verbunden. Dies erhöht die Sicherheit der Tankanordnung. Dehnt sich das in den Druckbehältern enthaltene Gas beispielsweise aufgrund eines Feuers nach einem Unfall aus, wird über die Notablassleitung und das Notablassventil automatisch eine Druckreduktion herbeigeführt, so dass ein Bersten der Tanks vermieden wird. Auch die Niederdruckseite des Druckreglers in der Hochdruckleitung ist bevorzugt über eine weitere Notablassleitung mit dem Notablassventil verbunden, so dass im Fall eines gefährlichen Überdrucks daraus resultierende Explosionsgefahr das gesamte Gas aus dem System des Kraftwagens entlassen werden kann.
Das Notablassventil ist dabei bevorzugt im Bereich einer Hinterachse des Kraftwagens angeordnet, um ein Ausströmen des Gases vom Kraftwagen weg zu ermöglichen und die Fahrzeuginsassen bei einem Notablass nicht zu gefährden.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist parallel zu dem automatisch betätigbaren Notablassventil ein weiteres, manuell betätigbares Notablassventil angeordnet. Dieses kann im Falle eines Unfalls von Hilfskräften betätigt werden, um eventuelle Gefährdungen, die während einer Bergung der Fahrzeuginsassen vom Druckgas ausgehen könnten, zu beseitigen. Bevorzugt ist dieses manuell betätigbare Notablassventil im Bereich eines Fahrzeughecks angeordnet. Aufgrund des geringen spezifischen Gewichts von Wasserstoff steigt dieser senkrecht nach oben auf und entfernt sich daher beim Ausströmen am Heck schnell vom Fahrzeug. Gegebenenfalls kann der Wasserstoff hier auch kontrolliert abgebrannt werden.
Im Folgenden soll die Erfindung und ihre Ausführungsformen anhand der Zeichnung näher erläutert werden. Hierbei zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Tankanordnung,
2 eine perspektivische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Tankanordnung,
3 der Bereich einer Hinterachse eines Kraftwagens mit einem Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Tankanordnung,
4 ein Kraftwagen mit der Tankanordnung gemäß 2 in Draufsicht und
5 den Kraftwagen aus 4 in Seitenansicht.
Eine im Ganzen mit 10 bezeichnete Tankanordnung für einen Kraftwagen mit einer Brennstoffzelle 12 umfasst fünf Druckwasserstofftanks 14, 16, 18, 20, 22. Diese sind nach Art einer Reihenschaltung jeweils paarweise über Hochdruckleitungen 24 verbunden. Der in Reihenfolge der Reihenschaltung erste Druckwasserstofftank 22 ist über eine weitere Hochdruckleitung 26 mit einem Druckregler 28 verbunden. Niederdruckseitig vom Druckregler 28 führt eine Niederdruckleitung 30 über ein Absperrventil 32 zur Brennstoffzelle 12. Zusätzlich zur Verbindung der Tanks 14 bis 22 über die Hochdruckleitungen 24 sind die Tanks 14 bis 22 ebenfalls paarweise über weitere Leitungen 34 verbunden. Die Leitung 34 vereinigt sich mit einer weiteren, niederdruckseitig vom Druckregler 28 abgehenden Leitung 36 und münden in eine Notablassleitung 38. Der in Richtung der Reihenschaltung erst letzte Tank 14 ist über eine Einfüllleitung 40 mit einem Tankeinfüllstutzen 42 verbunden.
In der Leitung 26 ist ein in der 1 nicht dargestelltes aktiv regelbares Ventil vorgesehen, um den Treibstoffstrom zur Brennstoffzelle 12 einstellen zu können. In den Leitungen 24 bzw. 34 sind lediglich zusätzliche passive Ventile vorgesehen, die keiner eigenen Ansteuerung bedürfen. Die Tankeinfüllleitung 40 bzw. der Einfüllstutzen 42 ist ebenfalls mit einem Einfüllventil gekoppelt. Die Ventile sowie der Druckregler 28 werden von einer Tanksteuereinrichtung 44 kontrolliert, welche über einen Fahrzeugbus 46 mit einer zentralen Steuereinheit 48 des Kraftwagens in Verbindung steht. Über den Ventilen, sowie der Brennstoffzelle können weiterhin Wasserstoffsensoren angebracht sein, die das Ausströmen von Wasserstoffdetektieren und an die Steuereinrichtung 48 bzw. die Tanksteuereinrichtung 44 Weitermelden. In diesem Fall können die Ventile geschlossen werden, um ein weiteres Ausströmen zu verhindern. Verhindert das Schließen der Ventile den Ausstrom von Wasserstoff nicht, so kann dieser kontrolliert über die Notablassleitung 38 abgelassen werden.
2 zeigt die Tankanordnung 10 in perspektivischer Darstellung. Der Einfüllstutzen 42 ist oberhalb des ersten Tanks 14 angebracht, dessen Längsachse in Richtung der Fahrzeugquerachse verläuft. Die weiteren Tanks 16 bis 22 sind gegenüber dem ersten Tank 14 um 90° gedreht und verlaufen mit ihrer Längsachse parallel zu Fahrzeuglängsachse. Die Tanks sind bevorzugt als Typ 3 Druckwasserstofftanks mit einem HDPE-Liner und einer Kohlefaserummantelung ausgebildet. Insgesamt beinhalten die Tanks 5,18 kg nutzbaren Wasserstoff bei einem Innendruck von 700 bar. Die Tanks 16, 18 sind als große Druckbehälter mit 320 mm Durchmesser, die Tanks 14, 20 und 22 als kleine Druckbehälter mit 230 mm Durchmesser ausgebildet.
Tanks und Leitungen halten in dieser Ausführungsform Drücken von bis zu 875 bar statt. Ein kritischer Innendruck der Tanks 14 bis 22 wird erst bei Temperaturen oberhalb von 1200° C erzielt. Beim Erreichen des kritischen Drucks werden die Ventile von der Tanksteuereinheit 44 automatisch geöffnet, so dass der Wasserstoff über die im Bereich einer Hinterachse 50 des Kraftwagens, die gleichzeitig einen Achsmotor 52 trägt, ausströmen kann. Zusätzlich ist im Heckbereich ein manuelles Ablassventil 54 vorgesehen, welches in einen kurzen Ablassstutzen 56, der aus dem Fahrzeugheck ragt, mündet. Über das manuelle Ablassventil kann bei einem Unfall durch Hilfspersonal sicher der Wasserstoff abgelassen werden. Dies ist selbst bei einem brennenden Fahrzeug möglich, da der aus dem Ablassstutzen 56 ausströmende Wasserstoff aufgrund seines spezifischen Gewichts direkt nach oben hin ausströmt und somit gefahrlos abgefackelt werden kann.
Aus 3 ist weiterhin die Anordnung des Tanks 14 parallel zur Hinterachse 50 des Kraftwagens zu entnehmen. Die Druckleitungen 26, 34 verlaufen entlang des Mitteltunnels 58 des Kraftwagens parallel zu den Tanks 16 bis 22. Wie in der Seitenansicht in 5 zu erkennen, sind die Tanks 14 bis 22 sehr tief bezüglich der Fahrzeughochachse angeordnet. Durch die Anordnung der Tanks über beinahe die gesamte Fahrzeuglänge hinweg sowie durch den tiefen Schwerpunkt des Tanksystems wird eine sehr gute Gewichtsverteilung des gesamten Kraftwagens erzielt. Hierdurch verringert sich insbesondere das Wankmoment des Kraftwagens, was sich unmittelbar positiv auf die Fahrdynamik auswirkt. Gleichzeitig sind die Tanks 14 bis 22 vorteilhafterweise gleichzeitig so angeordnet, dass sie sich bei einem Unfall zwar bewegen können, jedoch nicht in die Fahrgastzelle eintauchen. Vielmehr werden die Tanks 14 bis 22 aufgrund ihrer Anordnung nach unten und hinten hin verschoben, so dass sie unter der Fahrgastzelle des Kraftwagens wegtauchen können.
Bezugszeichenliste

10: Tankanordnung
12: Brennstoffzelle
14, 16, 18, 20, 22: Druckwasserstofftanks
24, 26: Hochdruckleitungen
28: Druckregler
30: Niederdruckleitung
32: Absperrventil
34, 36: Leitungen
38: Notablassleitung
40: Einfüllleitung
42: Tankeinfüllstutzen
44: Tanksteuereinrichtung
46: Fahrzeugbus
48: Steuereinheit
50: Hinterachse
52: Achsmotor
54: Ablassventil
56: Ablassstutzen
58: Mitteltunnel

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

WO 2006/057765 A1 [0002]
US 5370418 [0002]

Claims

Tankanordnung (10) für einen Kraftwagen mit einer druckgasbetriebenen Brennstoffzelle (12) und einem Elektromotor (52), sowie einer Mehrzahl von der Brennstoffzelle zugeordneten Druckbehältern (14, 16, 18, 20, 22) zur Aufnahme von Druckgas, wobei jeder Druckbehälter (14, 16, 18, 20, 22) jeweilige Anschlüsse zum Einfüllen und/oder Entnehmen von Druckgas aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckbehälter (14, 16, 18, 20, 22) in einer Reihenschaltung miteinander verbunden sind.
Tankanordnung (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein erster Druckbehälter (16, 18) in einem Mitteltunnel des Kraftwagens angeordnet ist, wobei eine Längsachse des Druckbehälters (16, 18) parallel zu einer Fahrzeuglängsachse ausgerichtet ist.
Tankanordnung (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein weiterer Druckbehälter (14, 20, 22) in einem Endbereich des Mitteltunnels angeordnet ist, wobei eine Längsachse des weiteren Druckbehälters (14, 20, 22) parallel zu einer Fahrzeugquerachse ausgerichtet ist.
Tankanordnung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Druckbehälter (22) in Reihenfolge der Reihenschaltung über eine Hochdruckleitung (26) mit der Brennstoffzelle (12) verbunden ist, wobei in der Hochdruckleitung (26) ein aktives Ventil (32) vorgesehen ist.
Tankanordnung (10) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass in jeder Leitung (24) zwischen jeweils zwei Druckbehältern (14, 16, 18, 20, 22) ein passives Ventil vorgesehen ist.
Tankanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der letzte Druckbehälter (14) in Reihenfolge der Reihenschaltung über eine weitere Leitung (40) mit einem Einfüllventil (42) verbunden ist.
Tankanordnung (10) nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass in der Hochdruckleitung (26) ein Druckregler (28) zum Reduzieren eines Gasdrucks in der Leitung (26) vorgesehen ist.
Tankanordnung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckbehälter (14, 16, 18, 20, 22) über eine Notablassleitung (34) mit einem Notablassventil (38), welches bei einem vorgegebenen Überdruck automatisch betätigbar ist, verbunden sind.
Tankanordnung (10) nach Anspruch 8 in Rückbezug auf Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Niederdruckseite des Druckreglers (28) über eine weitere Notablassleitung (36) mit dem Notablassventil (38) verbunden ist.
Tankanordnung (10) nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Notablassventil (38) im Bereich einer Hinterachse (50) angeordnet ist.
Tankanordnung (10) nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass parallel zu dem automatisch betätigbaren Notablassventil (38) ein weiteres, manuell betätigbares Notablassventil (54) angeordnet ist.
Tankanordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das manuell betätigbare Notablassventil (54) im Bereich eines Fahrzeughecks angeordnet ist.