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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 die bevorzugte Verwendung der Vorrichtung.
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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. Nun ist es so, dass von derartigen Vorrichtungen zum Speichern eines unter hohem Druck stehenden Gases im Falle eines Unfalls und einer Verformung, insbesondere des mit dem Speicherbehälter ausgerüsteten Bereich des Fahrzeugs, eine entsprechende Gefahr von den Speicherbehältern ausgeht. Insbesondere können diese durch die Verformung latent geschwächt oder beschädigt sein. Durch das unter hohem Druck in ihnen gespeicherte Gas kann es dann, typischerweise zeitlich verzögert nach dem eigentlichen Unfall, zu einem Bersten des Speicherbehälters kommen. Herumfliegende Teile und/oder die Druckwelle sowie das austretende Gas können dann Fahrzeuginsassen oder um das Fahrzeug herum befindliche Personen, beispielsweise Rettungspersonal oder Ersthelfer, erheblich verletzen bzw. gefährden.
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Aus dem Stand der Technik sind daher 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
DE 10 2008 003 607 A1 beschrieben.
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Nachteilig dabei ist die Tatsache, dass über das PRD als thermische Sicherung lediglich die Fälle abgedeckt werden können, in denen eine extreme Erwärmung des Speichers, beispielsweise infolge eines Brands oder dergleichen, auftritt. Eine lediglich in einer Verformung und damit einer gegebenenfalls latenten Beschädigung der Speicherhülle einhergehende Beeinträchtigung des Speicherbehälters lässt sich über das thermisch aktivierte Sicherheitsventil nicht abfangen.
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Zum weiteren 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.
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Hierdurch wird zwar die Zugänglichkeit der Ventile zum manuellen Entleeren der Speicherbehälter verbessert, dennoch ist der Zugang zu dem Speicherbehälter beispielsweise durch das Rettungspersonal notwendig. Wenn dieser durch den Unfall bereits vorgeschädigt wurde, und dies ist bei einer Deformation des Teils des Fahrzeugs, welches den Speicherbehälter aufweist, durchaus zu erwarten, dann geht von dem so vorgeschädigten Speicherbehälter eine Gefahr aus. Sich diesem Speicherbehälter dann zu nähern, um diesen manuell zu entleeren, ist extrem gefährlich und sollte nach Möglichkeit vermieden werden.
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Aus der US-Anmeldung 2007/0095392 A1 zum weiteren allgemeinen Stand der Technik 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.
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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.
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Die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung besteht nun darin, eine Vorrichtung zum Speichern eines unter einem hohen Druck stehenden Gases bereitzustellen, welche die genannten Nachteile umgeht und in jedem Fall ein sicheres und zuverlässiges Entleeren der Vorrichtung im Falle eines Unfalls mit dem Fahrzeug gewährleistet.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die Vorrichtung mit den Merkmalen im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 gelöst. Besonders bevorzugte Ausgestaltungen der Vorrichtung sind in den abhängigen Unteransprüchen angegeben. Eine besonders bevorzugte Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ergibt sich aus Anspruch 9, eine entsprechende Weiterbildung lässt sich dem abhängigen Anspruch entnehmen.
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Erfindungsgemäß ist es nun so, dass die Einrichtung zum Entleeren des Speicherbehälters wenigstens einen im Bereich des Speicherbehälters angeordneten Dorn umfasst, welcher so ausgelegt ist, dass er den Speicherbehälter beim Kontakt mit dem Dorn leck schlägt. Der Aufbau sieht also vor, dass der Speicherbehälter durch eine gezielte Zerstörung beziehungsweise das gezielte Einbringen einer Leckage soweit gezielt geschwächt wird, dass sich der in ihm befindliche hohe Druck abbaut und von dem Speicherbehälter, nach einem Crash des mit ihm ausgerüsteten Fahrzeugs, keine Gefahr mehr ausgeht.
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Gemäß einer besonders günstigen und vorteilhaften Weiterbildung der Vorrichtung ist es dabei vorgesehen, dass um den Speicherbehälter in Längsrichtung und um den Umfang verteilt mehrere Dorne angeordnet sind. So verteilte Dorne, stellen sicher, dass an mehreren Stellen des Speicherbehälters Dorne vorhanden sind, so dass im Crashfall wenigstens einer der Dorne aufschlägt und so vergleichsweise sicher und zuverlässig eine Leckage in dem Speicherbehälter durch das Aufschlagen des/der Dorn -s/-e erreicht wird.
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In einer besonders günstigen und vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist es ferner vorgesehen, dass die Dorne so um den Speicherbehälter angeordnet sind, dass zumindest einige der Dorne bei einer Verformung des den Speicherbehälter aufweisenden Teils des Fahrzeugs mit dem Speicherbehälter in Kontakt kommen. Insbesondere sind Speicherbehälter für Betriebsmedien, in diesem Fall für ein unter hohem Druck stehendes Gas, häufig im Heckbereich des Fahrzeugs angeordnet. Kommt es bei einem entsprechenden Unfall, beispielsweise einem Auffahrunfall auf das betroffene Fahrzeug nun zu einer Deformation des Heckbereichs, so können die um den Speicherbehälter angeordneten Dorne durch die Deformation selbst, also passiv, in den Bereich des Speicherbehälters bewegt werden und schlagen diesen dann gezielt Leck, um den in dem Speicherbehälter befindlichen Druck abzubauen, bevor von diesem eine Gefahr für die Insassen des Fahrzeugs oder andere am Unfall oder an eventuellen Hilfsmaßnahmen für Verletzte beteiligte Personen entsteht.
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Gemäß einer sehr günstigen und vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann es außerdem vorgesehen sein, dass die Dorne über Sprengladungen aktiv in Kontakt mit dem Speicherbehälter bringbar sind, wobei ein Signal zum Zünden der Sprengladungen von einem aktiven Sicherheitssystem des Fahrzeugs ausgeht.
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Heute ist es häufig so, dass in Fahrzeugen aktive Sicherheitssysteme vorhanden sind, welche über Sensoren, beispielsweise Crash-Sensoren oder dergleichen, für die Aktivierung von aktiven Sicherheitselementen, wie beispielsweise zum Auslösen eines Airbags, eines Gurtstraffers oder dergleichen, ausgerüstet sind. Nun kann über ein derartiges aktives Sicherheitssystem außerdem ein Signal zum Zünden einer Sprengladung ausgelöst werden, ähnlich wie bei einem Airbag. Die Sprengladung wird bei der erfindungsgemäßen Ausgestaltung der Vorrichtung dann die Dorne oder zumindest einige der Dorne in Richtung des Speicherbehälters treiben und diesen gezielt Leck schlagen. Damit kann auch dann, wenn keine ausreichende Verformung zur Kontaktierung der Dorne mit dem Speicherbehälter in dem entsprechenden Bereich des Fahrzeugs vorliegt, aktiv durch das Sicherheitssystem ein Leckschlagen des Speicherbehälters ausgelöst werden.
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Als typischen Auslöser für das Zünden der Sprengladung können wie erwähnt Crashsensoren des Sicherheitssystems herangezogen werden. Wenn diese Crashsensoren ansprechen, kann vergleichbar der Auslösung eines Airbags die Auslösung der Zündung bewirkt werden. Vergleichbar wie beim Einsatz eines Airbags können dabei unterschiedliche Situationen und/oder Aufprallgeschwindigkeiten mit ausgewertet werden, sodass bei leichten Auffahrunfällen keine Auslösung erfolgt.
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Alternativ oder ergänzend kann die Auslösung 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.
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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 die Sprengladung ausgelöst werden, um ein Bersten des Speicherbehälters aufgrund eines zu starken Druckanstiegs zu verhindern.
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Außerdem wäre es natürlich auch denkbar, dass das aktive Sicherheitssystem des Fahrzeugs ein zur Auslösung der Sprengladung 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 die Sprengladung gezündet und der Speicherbehälter leck geschlagen wird, um beispielsweise Sicherheitspersonal beim Bergen von verletzten Personen aus dem Fahrzeug vor einem eventuell berstenden Speicherbehälter zu schützen.
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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.
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In einer besonders günstigen und vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind die Dorne dabei im Querschnitt mit einem Profil versehen, welches wenigstens einen Hohlraum und/oder wenigstens eine Ausnehmung aufweist. Ein solcher Aufbau der Dorne mit einem Hohlraum oder einer Ausnehmung, also beispielsweise in der Art eines Rohrs, eines U- oder T- oder Doppelt-T-Profils, erlaubt es, dass die Dorne nach dem Eindringen in den Speicherbehälter immer noch einen ausreichenden Querschnitt freilassen, sodass die Dorne den Speicherbehälter im Bereich der von ihnen geschlagenen Leckagen nicht verschließen. Durch die Hohlräume oder Ausnehmungen im Querschnitt der Dorne verbleibt also immer ein ausreichender Strömungsweg für das in dem Speicherbehälter befindliche Gas, sodass dieses nach dem Leckschlagen auch sicher entweichen kann.
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In einer ergänzenden oder alternativen Ausgestaltung der Vorrichtung kann es außerdem vorgesehen sein, dass die Dorne sich in Längsrichtung von der Spitze aus zuerst verbreitern und dann wieder verjüngen. Diese Ausgestaltung, welche beispielsweise doppelkonisch oder mit einer sich verbreiternden Spitze der Dorne realisiert werden kann, dient entweder alleine oder in Kombination mit den soeben beschriebenen Ausführungsformen der Dorne ebenfalls dazu, dass die Dorne die von ihnen geschlagenen Öffnungen nicht verschließen und so das Abströmen des unter hohem Druck stehenden Gases aus dem Speicherbehälter nach dem Leckschlagen in jedem Fall sichergestellt ist.
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In einer weiteren sehr günstigen Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann es letztlich auch vorgesehen sein, dass der Speicherbehälter selbst in dem Bereich, in dem er mit den Dornen in Kontakt kommen kann, Sollbruchstellen aufweist. Solche Sollbruchstellen im Bereich, in dem ein eventueller Kontakt mit den Dornen im Crashfall des Fahrzeugs auftritt, kann das Eindringen der Dornen in den Speicherbehälter entsprechend erleichtern, um so sicher und zuverlässig eine Leckage des Speicherbehälters im Crashfall zu erreichen.
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Die bevorzugte Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung 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 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.
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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.
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Dabei zeigen:
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1 ein stark schematisiert angedeutetes Fahrzeug mit einem Brennstoffzellensystem;
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2 ein Brennstoffzellensystem in einer möglichen Ausführungsform;
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3 eine Vorrichtung zum Speichern von unter hohem Druck stehendem Wasserstoff;
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4 die Vorrichtung gemäß 3 in einer Seitenansicht in einem a) geschlossenen und b) geöffneten Zustand;
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5 mögliche Ausführungsformen a)–d) von Dornen.
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In 1 ist sehr stark schematisiert ein Fahrzeug 1 dargestellt, welches über einen elektrischen Antriebsmotor 2, welcher zwei hier angedeutete Räder 3 antreibt, bewegt werden kann. Das Fahrzeug 1 verfügt über ein Brennstoffzellensystem 4, welches die elektrische Antriebsenergie für den Motor 2 und damit letztlich zum Antrieb des Fahrzeugs 1 zur Verfügung stellt. Dies ist in der Darstellung der 1 über elektrische Leitungen angedeutet, welche das Brennstoffzellensystem 4 und den Antriebsmotor 2 über eine Elektronikeinheit 5 miteinander verbinden. Wie durch die beiden gestrichelten Pfeile angedeutet, steht die Elektronikeinheit 5 außerdem in Korrespondenz mit dem Brennstoffzellensystem 4, um beispielsweise Werte von Sensoren in dem Brennstoffzellensystem 4, welche dieses hinsichtlich Druck, Temperatur und Ähnlichem überwachen, abfragen zu können. Die Elektronikeinheit 5 steht außerdem in korrespondierender Verbindung mit einem Fahrzeugsteuergerät 6, welches in an sich bekannter Art und Weise zur Steuerung des Fahrzeugs vorgesehen ist. Auch dieses Fahrzeugsteuergerät 6 steht über hier nicht dargestellte Sensoren und Aktuatoren mit dem Fahrzeug 1 in Verbindung und kann beispielsweise Beschleunigungswerte, eine Fahrpedalstellung als Referenz für die vom Fahrer gewünschte Leistungsanforderung und dergleichen auswerten.
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In der Darstellung der 1 ist im Bereich des Fahrzeugsteuergeräts 6 außerdem ein aktives Sicherheitssystem 60 beziehungsweise ein Steuergerät hierzu prinzipmäßig dargestellt. Dieses aktive Sicherheitssystem 60 ist über strichpunktierte Leitungen mit einer Mehrzahl von Sensoren 61 verbunden. Diese Sensoren, welche sowohl im Bereich des Fahrzeugs 1 als auch im Bereich des Brennstoffzellensystems 4 angeordnet sein können, liefern dem aktiven Sicherheitssystem entsprechende Werte über Beschleunigungen und Verzögerungen, Temperaturen, Drücke und dergleichen. Sie dienen in an sich bekannter Art und Weise dazu, über das aktive Sicherheitssystem 60 Airbags, Gurtstraffer oder dergleichen in dem Fahrzeug 1 auszulösen. Außerdem ist mit dem aktiven Sicherheitssystem 60 ein Funkempfänger 62 verbunden, auf dessen Funktionalität später noch näher eingegangen werden wird.
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In der Darstellung der 2 ist nun ein beispielhaftes Brennstoffzellensystem 4 detaillierter dargestellt. Den Kern des Brennstoffzellensystems 4 bildet dabei eine Brennstoffzelle 7, welche hier als Stapel von PEM-Brennstoffzellen aufgebaut sein soll. Entsprechend dieser Bauweise weist die Brennstoffzelle 7 einen Kathodenraum 8 sowie einen Anodenraum 9 auf, welche durch die protonenleitenden Membranen 10 voneinander getrennt sind. Dem Kathodenraum 8 wird von einer Luftfördereinrichtung 11, welche als volumetrischer Verdichter, beispielsweise als Schrauben- oder Rootsverdichter oder als Strömungsverdichter ausgebildet sein kann, über eine Zuluftleitung 12 ein Luftmassenstrom zur Verfügung gestellt. Der in diesem Luftmassenstrom enthaltene Sauerstoff reagiert nun zumindest teilweise im Bereich der Brennstoffzelle 7 mit einem dem Anodenraum 9 der Brennstoffzelle 7 zugeführten Brenngasstrom. Dieser Brenngasstrom soll in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel ein Wasserstoffstrom sein. Dieser wird dem Anodenraum 9 der Brennstoffzelle 7 aus einem Speicherbehälter 13 über eine Ventileinrichtung 14 auf einem steuerbar vorgegebenen Druckniveau zur Verfügung gestellt. Der Speicherbehälter 13 ist dabei insbesondere als Hochdruckspeicher ausgebildet, in welcher der Wasserstoff unter einem sehr hohen Druck, beispielsweise 350 oder 700 bar, gespeichert ist.
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Im Bereich der Brennstoffzelle 7 reagiert nun der Sauerstoff in dem Luftmassenstrom und der Wasserstoff miteinander, wobei die elektrische Leistung erzeugt wird, welche dann über die in 1 dargestellte Elektronikeinheit 5 weiter genutzt wird. Außerdem entsteht im Bereich der Brennstoffzelle 7, und hier insbesondere im Bereich des Kathodenraums 8 der Brennstoffzelle 7, Produktwasser, welches mit einem Abgasstrom über eine Abgasleitung 15 aus dem Kathodenraum 8 abgeführt wird.
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Im Anodenraum 9 der Brennstoffzelle 7 wird der Wasserstoff typischerweise nicht vollständig umgesetzt, da alleine schon um sämtliche Bereiche der Anode gleichmäßig mit Wasserstoff zu versorgen, ein entsprechender Überschuss an Wasserstoff über die Ventileinrichtung 14 in den Anodenraum 9 dosiert wird. Der unverbrauchte Wasserstoff wird in dem hier dargestellten beispielhaften Aufbau über eine Rezirkulationsleitung 16 sowie eine Rezirkulationsfördereinrichtung 17 zurückgeführt und gelangt mit frischem aus der Speichereinrichtung 13 stammendem Wasserstoff zurück in den Anodenraum 9. Die Rezirkulationsfördereinrichtung 17 soll in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel als Wasserstoffzirkulationsgebläse 17 ausgebildet sein, welches elektromotorisch angetrieben wird.
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Mit der Zeit reichert sich im Bereich dieser Anodenrezirkulation nun Inertgas an, welches durch die Membranen 10 hindurch aus dem Bereich des Kathodenraums 8 in den Anodenraum 9 diffundiert ist. Außerdem entsteht ein Teil des Produktwassers im Anodenraum 9. Um dieses Wasser und das Inertgas von Zeit zu Zeit aus der Anodenrezirkulation ablassen zu können, ist in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel des Brennstoffzellensystems 4 ein Ventil 18 vorgesehen, über welches diskontinuierlich von Zeit zu Zeit Wasser und/oder Gas aus dem Bereich der Anodenrezirkulation abgelassen werden kann. Anstelle des hier dargestellten einen Ventils 18, welches als kombiniertes Ventil für den sogenannten Drain (das Ablassen von Wasser) und den Purge (das Ablassen von Gas) genutzt wird, wären selbstverständlich auch zwei Ventile denkbar, welche einerseits für das Ablassen von Wasser und andererseits für das Ablassen von Gas vorgesehen sind. in bevorzugter Variante können diese beiden Funktionalitäten jedoch in dem Ventil 18 vereinigt sein, welches hierfür in bevorzugter Art und Weise in einem Wasserabscheider, welcher hier nicht dargestellt ist, angeordnet wird. Das über das Ventil 18 abgelassene Wasser und/oder Gas gelangt dann in den Bereich der Zuluftleitung 12, um zusammen mit der über die Luftfördereinrichtung 11 geförderten Zuluft in den Kathodenraum 8 zu gelangen. Im Kathodenraum 8 wird in dem über das Ventil 18 ausgetragenen Gas eventuell verbliebener Restwasserstoff an den dortigen Elektrokatalysatoren mit dem Sauerstoff der Luft umgesetzt, sodass keine Wasserstoffemissionen aus dem Brennstoffzellensystem 4 heraus auftreten. Das eingetragene Wasser wird in der trockenen und nach der Luftfördereinrichtung 11 heißen Zuluft entsprechend verdampft und befeuchtet diese. Überschüssiges Wasser wird zusammen mit dem Produktwasser über die Abgasleitung 15 ausgetragen.
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In der Darstellung der 2 ist außerdem ein optionaler Befeuchter 19 zu erkennen. In einem solchen Befeuchter 19 können beispielsweise für Wasserdampf durchlässige, für Luft und Abgas jedoch undurchlässige Membranen angeordnet sein. Auf der einen Seite der Membranen strömt nun der Luftmassenstrom in der Zuluftleitung 12, während auf der anderen Seite der Membranen der feuchte mit dem Produktwasser beladene Abgasstrom in der Abgasleitung 15 strömt. Dadurch kommt es zu einem Feuchtigkeitsausgleich zwischen den einzelnen Masseströmen, sodass die nach der Luftfördereinrichtung 11 typischerweise heiße und trockene Zuluft durch das in dem Abgasstrom vorhandene Produktwasser befeuchtet wird. Die so abgekühlte und befeuchtete Zuluft ist für die Membranen 10 weitaus besser verträglich, als eine nicht befeuchtete Luft. Je nach Einsatz von Membranenmaterial und Temperaturniveau kann auf den hier optional dargestellten Befeuchter 19 jedoch auch verzichtet werden.
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Wird das Fahrzeug 1 während der Fahrt nun in einen Unfall verwickelt, so werden ab einer bestimmten Schwere des Unfalls in an sich bekannter Art und Weise über das aktive Sicherheitssystem 60 des Fahrzeugs und die Auswertung der Daten von den Sensoren 61.1 bis 61.3 entsprechende Sicherheitsmaßnahmen ausgelöst, beispielsweise Airbags und/oder Gurtstraffer aktiviert. Da in dem Speicherbehälter 13 nun Wasserstoff unter einem sehr hohen Druck, beispielsweise unter einem Druck von 700 bar vorliegt und da ein derartiger Speicherbehälter 13 häufig im Heckbereich des Fahrzeugs beispielsweise unterhalb eines Kofferraums oder dergleichen angeordnet ist, kann dieser Bereich durch den Unfall beziehungsweise den Crash des Fahrzeugs 1 mit betroffen sein. Dadurch, dass der Speicherbehälter 13 bei dem Unfall deformiert oder beschädigt werden kann, ohne dass Wasserstoff austritt, geht von dieser latenten Beschädigung eine erhebliche Gefahr aus, welche beispielsweise zu einem zeitlich verzögerten Zerbersten des Speicherbehälters 13 führen kann. Ein solches unkontrolliertes Zerbersten könnte durch herumfliegende Teile Insassen des Fahrzeugs 1 und/oder zu Hilfe eilende Personen erheblich gefährden.
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Um ein solches Szenario mit einer Gefährdung durch den Speicherbehälter 13 mit dem Wasserstoff unter hohem Druck zu vermeiden, ist im Bereich des Speicherbehälters 13 eine Einrichtung zum Entleeren desselben vorgesehen. In der Darstellung der 3 ist eine solche Einrichtung an einem Ausführungsbeispiel des Speicherbehälters 13 beispielhaft dargestellt Die 3 zeigt dabei den Speicherbehälter 13 in seinem geschlossenen Aufbau, wie er üblicherweise eingesetzt wird. Der Speicherbehälter 13 besteht im Wesentlichen aus einem hier zylindrischen rohrförmigen Grundkörper 13.1 sowie zwei im Wesentlichen gewölbten Domen 13.2, welche diesen rohrförmigen Grundkörper 13.1 an seinen beiden Enden verschließen. Der Aufbau des Speicherbehälters 13 besteht, insbesondere beim Einsatz für Wasserstoff, typischerweise aus einem Verbundmaterial, sodass metallische Schichten und Schichten aus Faserverbundwerkstoff zu dem Speicherbehälter 13 zusammengefügt sind. Der Speicherbehälter 13 weist typischerweise im Bereich wenigstens eines der Dome 13.2 dabei entsprechende Anschlusselemente 20 auf. Die Darstellung des Speicherbehälters 13 gemäß 3 weist beispielhaft ein derartiges Anschlusselement 20 im Bereich eines seiner Dome 13.2 auf. Dieses Anschlusselement 20 ist über ein Leitungselement mit der Ventileinrichtung 14 verbunden und dient der Wasserstoffversorgung der Brennstoffzelle 7.
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Im Bereich des Speicherbehälters 13 sind außerdem in Längsrichtung über den Speicherbehälter 13, und hier insbesondere über den rohrförmigen Grundkörper 13.1 verteilt, Dorne 21 zu erkennen. Diese Dorne 21, welche in der Darstellung der 3 nur prinzipmäßig angedeutet sind, sind so in Längsrichtung über den rohrförmigen Grundkörper 13.1 des Speicherbehälters verteilt. Sie können, wie in der Darstellung 4 zu erkennen ist, außerdem über den Umfang des Speicherbehälters 13 ebenso verteilt sein. Die Dorne 21 dienen dazu, den Speicherbehälter 13 im Falle einer Verformung des mit dem Speicherbehälter 13 ausgerüsteten Teils des Fahrzeugs 1 diesen Leck zu schlagen, um den in dem Speicherbehälter 13 unter hohem Druck gespeicherten Wasserstoff entweichen zu lassen. Dann kann von dem Speicherbehälter 13 keine Gefahr durch ein Zerbersten aufgrund des hohen Drucks in dem Speicherbehälter 13 mehr ausgehen. Die Dorne 21 können dazu, wie beispielhaft in den 3 und 4 zu erkennen ist, so im Bereich des Speicherbehälters 13 angeordnet sein, dass diese im Crashfall durch die Verformung des mit dem Speicherbehälter 13 ausgerüsteten Bereichs, wenn es zu einer solchen kommt, in Richtung des Speicherbehälters 13 bewegt werden und diesen Leck schlagen. Die Dorne 21 dringen dazu in die Außenhaut des Speicherbehälters 13 ein, insbesondere im Bereich des rohrförmigen Grundkörpers 13.1, welcher im Allgemeinen die mechanisch schwächste Stelle des Speicherbehälters 13 ist. In der Darstellung der 4b ist ein solch Leck geschlagener Speicherbehälter zu erkennen, bei dem in dem dargestellten Ausführungsbeispiel zwei der Dorne 21 in den Speicherbehälter 13 eingedrungen sind. Durch die so entstehenden Öffnungen entweicht der Wasserstoff entlang den hier prinzipmäßig angedeuteten Pfeilen.
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Die Dorne 21 werden bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 3 also mechanisch durch die Verformung des Fahrzeugs 1 in den Bereich des Speicherbehälters 13 bewegt und schlagen diesen Leck. Das System nutzt also die beim Aufprall des Fahrzeugs 1 entstehende Energie dazu, den Speicherbehälter 13 gezielt Leck zu schlagen.
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In der Darstellung der 4a ist eine alternative oder ergänzende Ausführungsform zu erkennen. Auf der dem Speicherbehälter 13 abgewandten Seite der Dorne 21 sind hier jeweils symbolisiert angedeutete Sprengladungen 22 angeordnet. Diese Sprengladungen können durch das aktive Sicherheitssystem 60 entsprechend gezündet werden, beispielsweise dann, wenn auch ein Airbag des Fahrzeugs gezündet wird. In diesem Fall werden die Dorne 21 durch die von den Sprengladungen 22 erzeugte Energie in Richtung des Speicherbehälters 13 getrieben und schlagen diesen gezielt, durch aktiven Eingriff des Sicherheitssystems 60, Leck. Dies kann die Sicherheit in dem Fahrzeug 1 weiter erhöhen, da hierdurch auch in Situationen, in denen der mit dem Speicherbehälter 13 ausgerüstete Teil des Fahrzeugs 1 nicht unmittelbar verformt wird, ein gezieltes Leckschlagen des Speicherbehälters 13 erreicht werden kann, um beispielsweise im Falle eines Brands oder dergleichen den Wasserstoff schnell aus dem Bereich des Fahrzeugs 1 zu leiten. Er kann dabei durch entsprechende Rohrleitungen und/oder Hohlräume in dem Fahrzeug aus dem Bereich des Speicherelements 13 beziehungsweise der in das Speicherelement 13 geschlagenen Leckagen gezielt aus dem Fahrzeug 1 abgeführt werden.
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Der in 4 dargestellte Aufbau des Speicherbehälters 13 mit Sprengladungen 22, welcher durch das aktive Sicherheitssystem 60 des Fahrzeugs 1 gezündet werden kann, lässt sich so in Kombination mit den bereits beschriebenen typischen Crashsensoren, welche in der 1 mit 61.1 bis 61.3 bezeichnet sind, verwenden. Dabei kann ähnlich wie beim Auslösen eines Airbags anhand der Sensorwerte klassifiziert werden, wie schwer der Unfall ist, sodass nicht bereits bei leichten Auffahrunfällen eine Zündung der Sprengladung 22 zur Entleerung des Wasserstofftanks erfolgt. Ergänzend oder zusätzlich zu diesen typischen Crashsensoren können weitere Sensoren vorhanden sein, welche in der Darstellung der 1 im Bereich des Brennstoffzellensystems 4 angeordnet sind und mit 61.4 und 61.5 bezeichnet wurden. Diese Sensoren 61.4 und 61.5 können dabei insbesondere im Bereich des Speicherbehälters 13 angeordnet sein. So kann beispielsweise der Sensor 61.4 als Temperatursensor im Bereich des Speicherbehälters ausgebildet sein. Wenn die Temperatur im Bereich des Speicherbehälters über einen zulässigen Grenzwert ansteigt, beispielsweise im Fall eines Brandes oder dergleichen, dann kann auch über diesen Sensor alternativ oder ergänzend zu den Crashsensoren 61.1 bis 61.3 eine Auslösung der Sprengladungen 22 und damit zu einem Entleeren des Speicherbehälters 13 erfolgen. Der in der Darstellung der 1 mit 61.5 bezeichnete Sensor soll einen Drucksensor darstellen. Auch ein solcher kann optional im Bereich des – oder insbesondere – im Speicherbehälter 13 vorhanden sein. Ein solcher Drucksensor 61.5 kann den Druck im Speicherbehälter erfassen. Kommt es beispielsweise zu einem Brand oder dergleichen, so wird der Druck im Inneren des Speicherbehälters 13 über einen vorgegebenen Grenzwert ansteigen. Wenn ein solcher oberhalb des Grenzwerts liegender Wert von dem Drucksensor 61.5 erfasst wird, dann kann über das aktive Sicherheitssystem 60 ebenfalls die direkte oder mittelbare Zündung der Sprengladungen 22 ausgelöst werden.
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In der Darstellung der 5 sind vier mögliche Ausführungsformen von Dorne 21 zum Leckschlagen des Speicherbehälters 13 zu erkennen. Die Spitze des Dorns 21 ist in allen vier Fällen a)–d) unten, wobei in den Fällen c) und d) zusätzlich der Querschnitt des Dorns 21 mit dargestellt ist. Der in 5a) dargestellte Dorn 21 weist im Wesentlichen eine doppelkonische Form auf, sodass dieser sich von der unten liegenden Spitze ausgehend zuerst verbreitert und dann wieder verjüngt. Dadurch wird sichergestellt, dass der Dorn 21 die von ihm in dem Speicherbehälter 13 geschlagene Leckage nicht wieder verschließt, sondern dass entlang des Dorns 21 Wasserstoff aus dem Speicherbehälter 13 entweichen kann. Vergleichbares gilt für den in 5b) dargestellten Dorn 21, welcher eine pfeilförmige Spitze aufweist und so ebenfalls einen relativ breiten Bereich zur Erzielung eines großen Durchmessers der Leckage, worauf dann entlang des verjüngten Bereichs der Wasserstoff entströmen kann. Die in 5c) und 5d) dargestellten Varianten nutzen dagegen Dorne 21, welche im Querschnitt rohrförmig ausgebildet sind, so wie in 5d) dargestellt, oder welche anstelle einer Öffnung im Querschnitt eine Ausnehmung im Querschnitt aufweisen, wie der in 5c) dargestellte Dorn 21, welcher im Querschnitt ein U-förmiges Profil aufweist. Solche Dorne sind dabei besonders einfach und kostengünstig herzustellen, da hierfür handelsübliche U-Stahl-Profile oder Rohre eingesetzt werden können. Auch bei den mit einer Öffnung beziehungsweise mit einer Ausnehmung versehenen Querschnitten ist dabei in jedem Fall sichergestellt, dass ein Teil der Wand des Speicherbehälters 13 so ausgestanzt oder verformt wird, dass diese leicht vom ausströmenden Wasserstoff in einer Art verformt werden kann, dass der unter hohem Druck stehende Wasserstoff vergleichsweise schnell und mit hohem Volumenstrom aus dem Speicherbehälter 13 ausströmen kann.
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Die Einrichtung zum Entleeren des Speicherbehälters 13 im Notfall kann entweder passiv über das Eindringen der Dorne 21 durch eine Verformung des Bereichs im Crashfall des Fahrzeugs 1 oder aktiv über die Sensoren 61.1 bis 61.5 und das aktive Sicherheitssystem 60 im Crashfall oder beim Auftreten eines Überdrucks oder einer zu hohen Temperatur ausgelöst werden. Zusätzlich ist es denkbar, dass die Sprengladungen 22 über einen Funkempfänger 62 von außerhalb des Fahrzeugs gezündet werden können. Hierfür muss der ebenfalls mit dem Sicherheitssystem 60 verbundene Funkempfänger 62 ein geeignetes Signal empfangen, welches über das Sicherheitssystem 60 ein Entleerungssignal generiert. Ein solches Signal kann beispielsweise über einen geeigneten Funksender ausgelöst werden, welcher von Sicherheitskräften, Krankenwagenbesatzungen, Notärzten oder der Feuerwehr mitgeführt werden kann.
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Sollte diese sich einem Fahrzeug mit Wasserstofftank nähern müssen und sollte noch nicht klar sein, ob von dem Speicherbehälter 13 eine Gefahr ausgeht, so kann über ein entsprechendes Funksignal ein Entleerungssignal generiert werden, welches, sofern die Sprengladungen 22 noch nicht gezündet sind, diese zündet und somit für ein gezieltes und geplantes Leckschlagen des Speicherbehälters 13 sorgt. Nachdem dieses erfolgt ist, kann durch das Rettungspersonal, die Feuerwehr oder dergleichen gefahrlos in der Nähe des Fahrzeugs 1 und/oder im Inneren des Fahrzeugs agiert werden, um beispielsweise in dem Fahrzeug 1 befindliche Personen zu befreien, medizinisch zu versorgen oder dergleichen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102008003607 A1 [0003]
