DE102010006516A1 - High pressure gas i.e. high pressure hydrogen gas, storing device for use in vehicle, has deflation unit deflating storage vessel with breaking point that is disrupted by ignition of explosive charge under formation of discharge opening - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Speichern eines unter hohem Druck stehenden Gases in einem Fahrzeug nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art. Außerdem betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Entleeren einer derartigen Vorrichtung. Letztlich betrifft die Erfindung außerdem die bevorzugte Verwendung der Vorrichtung und/oder des Verfahrens.The invention relates to a device for storing a high-pressure gas in a vehicle according to the closer defined in the preamble of claim 1. The invention also relates to a method for emptying such a device. Finally, the invention also relates to the preferred use of the device and / or method.
Aus dem allgemeinen Stand der Technik sind Fahrzeuge bekannt, welche in einem Speicher unter hohem Druck stehende Gase mit sich führen. Dies können beispielsweise Erdgasfahrzeuge oder insbesondere Wasserstofffahrzeuge sein, welche als Treibstoff Wasserstoff in einem unter hohem Druck, beispielsweise mehr als 300 bar, stehenden Speicherbehälter mit sich führen. Wie es bei heutigen Fahrzeugen üblich ist, können die Fahrzeuge außerdem über ein aktives Sicherheitssystem verfügen, welches über ein Steuergerät oder ein in die Fahrzeugsteuerung integriertes Steuergerät und geeignete Crashsensoren feststellt, ob das Fahrzeug in einen Unfall verwickelt ist. Über ein solches aktives Sicherheitssystem des Fahrzeugs werden dann im Falle eines schweren Unfalls Signale zur Auslösung von Airbags, Gurtstraffern und dergleichen bewirkt.From the general state of the art, vehicles are known which carry high pressure gases in a reservoir. These may be, for example, natural gas vehicles or, in particular, hydrogen vehicles, which carry hydrogen as fuel in a storage vessel under high pressure, for example more than 300 bar. As is usual in today's vehicles, the vehicles may also have an active safety system, which determines via a control unit or integrated into the vehicle control unit and suitable crash sensors, whether the vehicle is involved in an accident. About such an active safety system of the vehicle signals for triggering airbags, belt tensioners and the like are then effected in the event of a major accident.
Aus der US-Anmeldung 2007/0095392 A1 ist ein Druckbehälter zur Aufnahme von komprimiertem Gas in einem Fahrzeug bekannt. Dieser verfügt über ein Sicherheitsventil, welches im Normalfall geschlossen ist und lediglich bei Ansteuerung über ein elektronisches Signal des Airbagsystems entsprechend betätigt wird, um sich zu öffnen. Im Crashfall, sobald der Airbag auslöst, kann so über das Ventil eine Entleerung des Druckgasspeichers, beispielsweise eines Wasserstoffspeichers, erreicht werden. Damit ist keine unkontrollierte Explosion des Speichers durch eine Beschädigung im Crashfall mehr zu erwarten.US application 2007/0095392 A1 discloses a pressure vessel for receiving compressed gas in a vehicle. This has a safety valve, which is normally closed and only actuated when actuated via an electronic signal of the airbag system to open. In the event of a crash, as soon as the airbag triggers, can be achieved via the valve emptying of the compressed gas storage, such as a hydrogen storage. Thus, no uncontrolled explosion of the memory is expected by damage in the event of a crash more.
Das in der US-Anmeldung beschriebene System weist dabei einen gravierenden Nachteil auf. Das als im Normalfall geschlossenes Druckventil ausgebildete Sicherheitsventil muss beim Vorliegen eines Entleerungssignals, hier also eines Signals zur Auslösung des Airbags, aktiv geöffnet werden. Hierfür sind entsprechende Aktuatoren notwendig. Im dargestellten Fall handelt es sich dabei um ein System aus Federn und einem Elektromagneten. Nun kann es jedoch vorkommen, dass im Crashfall bereits eine Verformung des Druckbehälters aufgetreten ist, sodass die über Federn, mechanische Stößel und den Elektromagnet betätigten Elemente nicht mehr oder nicht in der gewünschten Art betätigbar sind. Durch den im Normalfall geschlossenen Zustand wird das Druckventil also in diesem Zustand verharren und eine sichere und zuverlässige Entleerung des in dem Speicherbehälter herrschenden Drucks ist nicht gewährleistet.The system described in the US application has a serious disadvantage. The safety valve designed as a normally closed pressure valve must be actively opened in the presence of an emptying signal, in this case a signal for triggering the airbag. For this purpose, appropriate actuators are necessary. In the illustrated case, this is a system of springs and an electromagnet. However, it may happen that a deformation of the pressure vessel has already occurred in the event of a crash, so that the elements actuated by means of springs, mechanical tappets and the electromagnet are no longer or not actuatable in the desired manner. By normally closed state, the pressure valve will thus remain in this state and a safe and reliable emptying of the pressure prevailing in the storage tank pressure is not guaranteed.
Aus dem weiteren allgemeinen Stand der Technik sind außerdem Aufbauten bekannt, bei denen Druckgasspeicher, insbesondere Wasserstoffspeicher, mit thermisch aktivierten Sicherheitsventilen oder Druckentlastungsventilen ausgestattet sind. Solche thermisch aktivierten Sicherheitsventile, auch PRD genannt, aktivieren sich selbst, beispielsweise indem eine Lotmasse oder dergleichen aufschmilzt, sobald eine entsprechend hohe Temperatur im Bereich des Sicherheitsventils vorliegt. Über solche Sicherheitsventile kann beispielsweise im Brandfall erreicht werden, dass der Druckgasbehälter sich entleert, ehe sich über eine zu hohe Temperatur im Bereich des Druckgasbehälters einen so hohen Innendruck entwickelt, dass dieser explodieren würde. Derartige Ventile im Allgemeinen und in einer besonders bevorzugten Ausführungsform sind durch die deutsche Anmeldung
Zum weiteren allgemeinen Stand der Technik soll außerdem auf die US-Anmeldung 2009/0078706 A1 verwiesen werden. Auch diese beschäftigt sich mit der Thematik der Sicherheit von Druckgastanks, welche in Fahrzeugen eingesetzt werden. Der Druckgastank weist dabei ein manuell betätigbares Entleerungsventil auf, welches im Crashfall vom Bediener oder von Sicherheitspersonal entleert werden muss. Um die Zugänglichkeit auch bei gegebenenfalls verformter Karosserie des Fahrzeugs zu gewährleisten, sind mehrere derartige Ventile in verschiedenen Bereichen eines jeden Druckspeichers angeordnet.For further general state of the art, reference should also be made to US application 2009/0078706 A1. This also deals with the topic of the safety of compressed gas tanks, which are used in vehicles. The compressed gas tank has a manually operable drain valve, which must be emptied in the event of a crash by the operator or security personnel. In order to ensure the accessibility even with possibly deformed body of the vehicle, a plurality of such valves are arranged in different areas of each pressure accumulator.
Die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung besteht nun darin, eine Vorrichtung zum Speichern eines unter einem hohen Druck stehenden Gases gemäß dem eingangs genannten Stand der Technik bereitzustellen, welches die dort genannten Nachteile des eventuellen Versagens des Sicherheitsventils aufgrund von crashbedingten Verformungen oder dergleichen umgeht und in jedem Fall ein sicheres und zuverlässiges Entleeren der Vorrichtung gewährleistet. Außerdem soll ein Verfahren zum Entleeren einer derartigen Vorrichtung sowie eine besonders bevorzugte Verwendung für eine derartige Vorrichtung angegeben werden.The object of the present invention is now to provide a device for storing a high-pressure gas according to the aforementioned prior art, which circumvents the disadvantages mentioned there of the possible failure of the safety valve due to crash-induced deformations or the like and in each Case ensures a safe and reliable emptying of the device. In addition, a method for emptying such a device as well as a particularly preferred use for such a device should be specified.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Vorrichtung mit den Merkmalen im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 gelöst. Ein erfindungsgemäßes Verfahren ist in Anspruch 8 angegeben. Die bevorzugte Verwendung findet sich im Anspruch 9. Für die Vorrichtung und die Verwendung sind vorteilhafte Ausgestaltungen in den abhängigen Ansprüchen angegeben.This object is achieved by the device with the features in the characterizing part of claim 1. A method according to the invention is specified in
Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist es vorgesehen, dass die Einrichtung zum Entleeren des Speicherbehälters durch die Wirkung einer Sprengladung aktiviert wird. Die Sprengladung wird dabei von dem aktiven Sicherheitssystem des Fahrzeugs analog beispielsweise einem Airbag oder einem Gurtstraffer ausgelöst. Durch die Sprengladung kann dann eine entsprechende Öffnung zum Entleeren des Speicherbehälters freigegeben werden. Der Vorteil liegt darin, dass der Speicherbehälter gezielt während des Crashs entleert werden kann, sodass durch einen verformten oder beschädigten Speicherbehälter keine Gefahr für die Insassen des Fahrzeugs und/oder zur Hilfe eilende Personen ausgeht. In the device according to the invention, it is provided that the device for emptying the storage container is activated by the action of an explosive charge. The explosive charge is triggered by the active safety system of the vehicle analogously, for example, an airbag or a belt tensioner. By the explosive charge then a corresponding opening for emptying the storage container can be released. The advantage is that the storage container can be specifically emptied during the crash, so that poses no danger to the occupants of the vehicle and / or help hurrying people by a deformed or damaged storage container.
Gemäß einer besonders günstigen und vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung weist der Speicherbehälter dabei Sollbruchstellen auf, entlang welchen er durch die Zündung der wenigstens einen Sprengladung unter Ausbildung einer großflächigen Entleerungsöffnung zerstörbar ist. Aus dem Speicher wird also ein zuvor festgelegter Teil durch das Zünden der Sprengladung herausgesprengt beziehungsweise abgesprengt, sodass eine großflächige Entleerungsöffnung entsteht, durch welche sich das unter hohem Druck stehende Gas aus dem Speicher innerhalb kürzester Zeit entleert. Dadurch wird sichergestellt, dass nach einem Unfall von einem gegebenenfalls beschädigten Speicherbehälter keine Gefahr ausgeht.According to a particularly favorable and advantageous embodiment of the device according to the invention, the storage container has predetermined breaking points along which it can be destroyed by the ignition of the at least one explosive charge to form a large-area discharge opening. From the memory so a predetermined part is blasted out or blown off by the ignition of the explosive charge, so that a large-scale discharge opening is formed, through which empties the gas under high pressure from the memory within a very short time. This ensures that after an accident of an optionally damaged storage container no danger.
Alternativ oder ergänzend kann gemäß einer besonders günstigen Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung die Einrichtung zum Entleeren als Anschlusselement an dem Speicherbehälter ausgebildet sein, in welchem durch das Zünden der wenigstens einen Sprengladung eine Entleerungsöffnung freigegeben wird. Der Vorteil bei diesem Aufbau liegt nun darin, dass nicht Teile des Speicherelements selbst, sondern gezielt ein Teil eines Anschlusselements herausgesprengt wird. Damit wird die Gefahr von herumfliegenden Teilen reduziert, sodass die Sicherheit beim Entleeren des Speicherbehälters noch weiter erhöht werden kann.Alternatively or additionally, according to a particularly advantageous further development of the device according to the invention, the device for emptying can be designed as a connection element on the storage container, in which an emptying opening is released by the ignition of the at least one explosive charge. The advantage of this design is that not parts of the memory element itself, but specifically a part of a connection element is blown out. This reduces the risk of flying parts, so that the safety when emptying the storage container can be further increased.
In einer besonders günstigen und vorteilhaften Weiterbildung dieser Idee kann es außerdem vorgesehen sein, dass im Bereich des Anschlusselements eine an sich bekannte und übliche thermische Sicherung angebracht ist. Diese auch als PRD bezeichnete thermische Sicherung dient beim Erhitzen des Speicherbehälters über einen vorgegebenen Wert dazu, durch ein Aufschmelzen oder Zersetzen eines Materials in der thermischen Sicherung einen Strömungsweg für das Gas aus dem Speicherbehälter freizugeben. Erfindungsgemäß kann es nun gemäß der vorteilhaften Ausgestaltung vorgesehen werden, dass der durchströmbare Querschnitt nicht nur durch eine thermische Überlastung der Sicherung freigegeben werden kann, sondern auch durch das Zünden der Sprengladung aktiv freigebbar ist. Damit wird ein Aufbau erreicht, bei dem durch eine einfache Maßnahme, beispielsweise eine Sprengschnur als Sprengladung im Bereich der thermischen Sicherung, die eingangs beschriebene Absicherung des Aufbaus im Crashfall erreicht wird. Aufgrund der ohnehin vorhandenen thermischen Sicherung ist der Aufwand bei der Herstellung der Vorrichtung zum Speichern eines Gases unter hohem Druck vergleichsweise gering, da lediglich eine beispielsweise mit einem Auslöser für einen Airbag verbundene Sprengladung im Bereich der thermischen Sicherung installiert werden muss.In a particularly favorable and advantageous development of this idea, it can also be provided that a per se known and conventional thermal fuse is mounted in the region of the connecting element. This thermal fuse, also referred to as PRD, serves to heat the storage container above a predetermined value to release a flow path for the gas from the storage container by melting or decomposing a material in the thermal fuse. According to the invention it can now be provided according to the advantageous embodiment that the flow-through cross-section can not only be released by a thermal overload of the fuse, but also actively activated by the ignition of the explosive charge. For a construction is achieved in which by a simple measure, such as a detonating cord as explosive charge in the field of thermal protection, the protection of the structure described above is achieved in the event of a crash. Due to the already existing thermal fuse the effort in the production of the device for storing a gas under high pressure is comparatively low, since only one, for example, connected to a trigger for an airbag explosive charge must be installed in the thermal fuse.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Entleeren einer derartigen Vorrichtung sieht es nun vor, dass das aktive Sicherheitssystem des Fahrzeugs das Entleerungssignal auslöst, wenn zumindest einer der nachfolgenden Fälle auftritt. In einem solchen Fall wird dann über das Entleerungssignal die wenigstens eine Sprengladung gezündet.The inventive method for emptying such a device, it now provides that the active safety system of the vehicle triggers the emptying signal when at least one of the following cases occurs. In such a case, the at least one explosive charge is then ignited via the emptying signal.
Als typischen Auslöser für das Entleerungssignal können beispielsweise Crashsensoren des Sicherheitssystems herangezogen werden. Wenn diese Crashsensoren ansprechen, kann vergleichbar der Auslösung eines Airbags die Auslösung des Entleerungssignals bewirkt werden. Vergleichbar wie beim Einsatz eines Airbags können dabei unterschiedliche Situationen und/oder Aufprallgeschwindigkeiten mit ausgewertet werden, sodass bei leichten Auffahrunfällen keine Auslösung des Entleerungssignals erfolgt.As a typical trigger for the emptying signal, for example, crash sensors of the security system can be used. If these crash sensors respond, the triggering of the discharge signal can be effected in a similar manner to the triggering of an airbag. Similar to the use of an airbag different situations and / or impact speeds can be evaluated, so that in light collision accidents no triggering of the discharge signal takes place.
Alternativ oder ergänzend kann die Auslösung des Entleerungssignals auch durch einen Temperatursensor im Bereich des Speicherbehälters erfolgen, sobald dieser eine Temperatur oberhalb einer vorgegebenen Grenztemperatur erfasst. Damit kann eine bisher in der Art einer thermischen Sicherung eingesetzte Temperatursicherung, welche einen starken Druckanstieg aufgrund einer Erwärmung durch Brand oder dergleichen verhindert, durch das erfindungsgemäße Verfahren mit abgefedert werden. Auf eine derartige thermische Sicherung kann dann gegebenenfalls verzichtet werden oder diese kann als redundantes System vorhanden sein.Alternatively or additionally, the triggering of the emptying signal can also be effected by a temperature sensor in the region of the storage container as soon as it detects a temperature above a predetermined limit temperature. Thus, a temperature fuse previously used in the manner of a thermal fuse, which prevents a strong pressure increase due to heating by fire or the like, are cushioned by the inventive method with. On such a thermal fuse can then be optionally waived or this can be present as a redundant system.
Dasselbe gilt für einen Drucksensor. Auch hier ist es möglich, über einen im Bereich des Speicherbehälters oder insbesondere im Speicherbehälter angeordneten Drucksensor den Druck im Speicherbehälter zu überwachen. Sobald dieser Sensor einen Wert erfasst, welcher oberhalb eines vorgegebenen Grenzdrucks liegt, kann das Entleerungssignal ausgelöst werden, um ein Bersten des Speicherbehälters aufgrund eines zu starken Druckanstiegs zu verhindern.The same applies to a pressure sensor. Here too it is possible to monitor the pressure in the storage container via a pressure sensor arranged in the region of the storage container or in particular in the storage container. Once this sensor detects a value which is above a predetermined limit pressure, the discharge signal can be triggered to prevent bursting of the storage container due to excessive pressure increase.
Außerdem wäre es natürlich auch denkbar, dass das aktive Sicherheitssystem des Fahrzeugs ein zur Auslösung des Entleerungssignals vorgegebenes Funksignal empfängt. Auf diese Art kann beispielsweise durch Rettungskräfte, Polizei und Feuerwehr beim Erreichen eines Unfalls mit einem Fahrzeug mit einem derartigen Speicherbehälter durch ein entsprechendes Signal, welches aktiv durch die Sicherheitskräfte ausgelöst wird, erreicht werden, dass das Entleerungssignal ausgelöst und die Sprengladung gezündet wird, um beispielsweise Sicherheitspersonal beim Bergen von verletzten Personen aus dem Fahrzeug vor einem eventuell berstenden Speicherbehälter zu schützen. In addition, it would of course also conceivable that the active safety system of the vehicle receives a predetermined signal for triggering the emptying signal radio signal. In this way, for example, by rescue workers, police and fire department when reaching an accident with a vehicle with such a storage container by a corresponding signal which is actively triggered by the security forces, be achieved that the emptying signal is triggered and the explosive charge is ignited, for example To protect security personnel from the eventual bursting of a storage container when recovering injured persons from the vehicle.
Die Verarbeitung dieser Signale in dem aktiven Sicherheitssystem des Fahrzeugs kann dabei in der bisher bekannten und üblichen Art der Signalverarbeitung erfolgen. So können beispielsweise einzelne Signale nur dann ausgewertet werden, wenn andere Signale bereits einen bestimmten Level erreicht haben, beispielsweise das Druck- und Temperatur nur im Falle eines bereits erfolgten Crashs zur Auslösung eines Entleerungssignals genutzt werden. Ergänzend oder alternativ hierzu können die Signale auch alle einzeln oder nur einzelne der Signale für das erfindungsgemäße Verfahren genutzt werden.The processing of these signals in the active safety system of the vehicle can be carried out in the previously known and conventional type of signal processing. Thus, for example, individual signals can only be evaluated if other signals have already reached a certain level, for example, the pressure and temperature are used only in the event of an already made crash to trigger a discharge signal. Additionally or alternatively, the signals can also be used individually or only individually of the signals for the method according to the invention.
Die bevorzugte Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung und/oder des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt nun in einem im Wasserstoff betriebenen Fahrzeug, wobei der Wasserstoff das in dem Speicherbehälter unter hohem Druck gespeicherte Gas ist. Bei diesem Aufbau eines Wasserstofffahrzeugs, beispielsweise mit einem Wasserstoffverbrennungsmotor oder einem Brennstoffzellensystem zur Bereitstellung von elektrischer Antriebsleistung für das Fahrzeug, ist der Einsatz der erfindungsgemäßen Vorrichtung und des erfindungsgemäßen Verfahrens besonders sinnvoll. Aufgrund der vergleichsweise geringen Energiedichte im Wasserstoff wird dieser, anders als beispielsweise Erdgas oder dergleichen, unter sehr hohen Drücken, im Allgemeinen deutlich mehr als 300 bar, gespeichert, sodass von ihm eine besonders hohe Gefahr bei einem eventuellen Bersten des Speicherbehälters ausgeht. Daher spielt das hier beschriebene Verfahren und die eingangs beschriebene Vorrichtung zur Absicherung von Fahrzeugen mit derartigen Wasserstoffspeichern eine besonders wichtige Rolle.The preferred use of the device according to the invention and / or of the method according to the invention is now in a hydrogen-powered vehicle, wherein the hydrogen is the gas stored in the storage container under high pressure. In this construction of a hydrogen vehicle, for example with a hydrogen combustion engine or a fuel cell system for providing electrical drive power for the vehicle, the use of the device according to the invention and the method according to the invention is particularly useful. Due to the comparatively low energy density in hydrogen, unlike, for example, natural gas or the like, it is stored under very high pressures, generally well above 300 bar, so that it poses a particularly high risk in the event of a bursting of the storage container. Therefore, the method described here and the device described above for securing vehicles with such hydrogen storage plays a particularly important role.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung sowie der Verwendung ergeben sich aus den restlichen abhängigen Unteransprüchen und werden anhand der nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispiele deutlich. Diese werden unter Bezugnahme auf die Figuren näher erläutert.Further advantageous embodiments of the device according to the invention and the use will become apparent from the remaining dependent claims and will be apparent from the embodiments described below. These will be explained in more detail with reference to the figures.
Dabei zeigen:Showing:
In
In der Darstellung der
In der Darstellung der
Im Bereich der Brennstoffzelle
Im Anodenraum
Mit der Zeit reichert sich im Bereich dieser Anodenrezirkulation nun Inertgas an, welches durch die Membranen
In der Darstellung der
Wird das Fahrzeug
Um ein solches Szenario mit einer Gefährdung durch den Speicherbehälter
In der Darstellung der
Außerdem befindet sich im Bereich des Anschlusselements
Die in den
In der Darstellung der
Die Einrichtung zum Entleeren des Speicherbehälters
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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