DE102013002777B4 - Device for storing gas under high pressure - Google Patents
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Abstract
Vorrichtung (1) zum Speichern von Gas unter hohem Druck, mit wenigstens einem Druckgasbehälter (2), mit einer Ventileinrichtung (3) sowie einer Sicherheitsabblaseinrichtung (4), und mit einer Auslöseeinheit (6) für die Sicherheitsabblaseinrichtung (4), wobei die Auslöseeinheit (6) eine Pyroladung (9) zum zumindest mittelbaren Auslösen der Sicherheitsabblaseinrichtung (4) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Pyroladung (9) elektrisch mittels wenigstens eines thermoelektrischen Generators (7) zur Zündung verbunden ist.Device (1) for storing gas under high pressure, with at least one compressed gas container (2), with a valve device (3) and a safety blow-off device (4), and with a triggering unit (6) for the safety blow-off device (4), the triggering unit (6) has a pyro charge (9) for at least indirectly triggering the safety blow-off device (4), characterized in that the pyro charge (9) is connected electrically by means of at least one thermoelectric generator (7) for ignition.
Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Speichern von Gas unter hohem Druck nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art. Außerdem betrifft die Erfindung die Verwendung einer derartigen Vorrichtung.The invention relates to a device for storing gas under high pressure according to the type defined in more detail in the preamble of claim 1. The invention also relates to the use of such a device.
Vorrichtungen zum Speichern von Gas unter hohem Druck sind aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt. Sie umfassen typischerweise einen oder mehrere Druckgasbehälter, welche jeweils mit einer Ventileinrichtung sowie einer Sicherheitsabblaseinrichtung mit einer Auslöseeinheit für dieselbe versehen sind. Die Behälter sind typischerweise im Wesentlichen zylindrisch ausgebildet und dienen zur Bevorratung von Gasen unter hohem Druck. Insbesondere können Druckgasbehälter zur Speicherung von Wasserstoff unter Nenndrücken in der Größenordnung von 350 oder 700 bar eingesetzt werden.Devices for storing gas under high pressure are known from the general state of the art. They typically include one or more pressurized gas containers, each of which is provided with a valve device and a safety blow-off device with a release unit for the same. The containers are typically essentially cylindrical and are used to store gases under high pressure. In particular, pressurized gas tanks can be used to store hydrogen under nominal pressures of the order of 350 or 700 bar.
Die
Die Problematik bei diesem Aufbau liegt nun insbesondere darin, dass eine örtliche Verbindung zwischen der thermischen Belastung und der Sicherheitsablasseinrichtung gegeben sein muss. Wird ein Druckgasbehälter beispielsweise als Wasserstofftank in einem Fahrzeug eingesetzt, dann befindet sich typischerweise auf einer Seite des Druckgasbehälters ein Ventil zum Befüllen und Entnehmen des Gases und in dessen Bereich ist außerdem die Sicherheitsablasseinrichtung angeordnet. Kommt es nun beispielsweise zu einem Radbrand auf der dem Ventil abgewandten Seite des Druckgasbehälters, so können im Bereich des Druckgasbehälters extrem hohe Temperaturen entstehen, ohne dass der auf der gegenüberliegenden Seite angeordnete Berstkörper ausreichend erwärmt wird, um die Sicherheitsablasseinrichtung auszulösen.The problem with this structure lies in the fact that there must be a local connection between the thermal load and the safety drain device. If a compressed gas container is used as a hydrogen tank in a vehicle, for example, then there is typically a valve for filling and removing the gas on one side of the compressed gas container and the safety discharge device is also arranged in its area. If, for example, a wheel fire occurs on the side of the compressed gas tank facing away from the valve, extremely high temperatures can occur in the area of the compressed gas tank without the bursting body on the opposite side being sufficiently heated to trigger the safety venting device.
Um dieser Problematik abzuhelfen, schlägt die deutsche Patentschrift
Im Prinzip ist diese Funktionalität zu begrüßen. Der in der deutschen Patentschrift beschriebene Aufbau weist jedoch drei gravierende Nachteile auf. Er funktioniert über einen Druckabfall in der Hochdruckleitung. Ein Zerstören der Hochdruckleitung, ohne dass dies durch einen thermischen Notfall erfolgt ist, öffnet ebenfalls das Entlastungsventil und lässt das Gas aus dem Druckgasbehälter unkontrolliert und gegebenenfalls ungewünscht ab. Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass der Hochdruckschlauch beispielsweise beim Einsatz in einem Fahrzeug, wenn es zu einem Unfall kommt, eingeklemmt werden kann. Damit ist eine Druckentlastung zwischen dem geklemmten Bereich und dem Entlastungsventil nicht mehr möglich, sofern der Hochdruckschlauch nicht zufällig in diesem Bereich zerstört wird. Liegt der Bereich des Einklemmens zwischen dem Entlastungsventil und der ersten Auslöseeinheit, dann kann es dazu kommen, dass die Auslöseeinheit nicht sicher und zuverlässig funktioniert und der Druckbehälter entgegen der gewünschten Wirkungsweise verschlossen bleibt. Die Sicherheitsvorrichtung gemäß der Patentschrift kann außerdem nur die Bereiche überwachen, in denen mit dem Hochdruckschlauch verbundene Berstkörper angeordnet werden. Soll der Bereich des Ventils zusätzlich überwacht werden, so ist hier eine weitere Sicherheitsvorrichtung, wie sie beispielsweise oben beschrieben worden ist, notwendig. Zur Überwachung eines Druckgasbehälters an zwei oder drei Stellen sind damit zwei oder drei Berstkörper mit den entsprechenden Verschlusselementen notwendig. Dies ist aufwändig, teuer und benötigt einen vergleichsweisen großen Baurraum.In principle, this functionality is to be welcomed. However, the structure described in the German patent has three serious disadvantages. It works via a pressure drop in the high-pressure line. Destruction of the high-pressure line without this having occurred as a result of a thermal emergency also opens the relief valve and releases the gas from the compressed gas tank in an uncontrolled and possibly undesired manner. Another disadvantage is that the high-pressure hose can become trapped, for example when used in a vehicle, if an accident occurs. This means that pressure relief between the pinched area and the relief valve is no longer possible unless the high-pressure hose is accidentally destroyed in this area. If the pinching area is between the relief valve and the first release unit, the release unit may not function safely and reliably and the pressure vessel may remain closed contrary to the desired mode of operation. In addition, the safety device according to the patent can only monitor the areas in which bursting bodies connected to the high-pressure hose are arranged. If the area of the valve is also to be monitored, a further safety device, such as that described above, is necessary here. For monitoring a compressed gas tank on two or three Two or three bursting bodies with the corresponding closure elements are therefore required. This is complex, expensive and requires a comparatively large installation space.
Zum weiteren allgemeinen Stand der Technik soll außerdem auf die deutsche Offenlegungsschrift
Die
Aus dem weiteren allgemeinen Stand der Technik in Form der
Nun ist es aber insbesondere beim Einsatz von Druckgasbehältern in Fahrzeugen so, dass die Sicherheit auch dann gewährleistet werden muss, wenn das Fahrzeug nicht in Betrieb ist. Dabei kann nicht immer sichergestellt werden, dass eine ausreichende elektrische Leistungsversorgung vorhanden ist. Dies stellt einen gravierenden Nachteil dar, da ohne ausreichende elektrische Versorgung eine starke Beeinträchtigung der Sicherheitsfunktion auftritt bzw. auftreten kann.However, particularly when using pressurized gas tanks in vehicles, safety must also be guaranteed when the vehicle is not in operation. In this case, it cannot always be ensured that an adequate electrical power supply is available. This represents a serious disadvantage, since the safety function is severely impaired or can occur without an adequate electrical supply.
Die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung besteht nun darin, diese Nachteile zu vermeiden und eine Vorrichtung zum Speichern von Gas unter hohem Druck anzugeben, welche einfach, effizient und sicher realisiert werden kann.The object of the present invention is now to avoid these disadvantages and to specify a device for storing gas under high pressure, which can be implemented simply, efficiently and safely.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die Merkmale im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Vorrichtung sind in den hiervon abhängigen Unteransprüchen angegeben. Eine besonders bevorzugte Verwendung ist im Anspruch 10 angegeben.According to the invention, this object is achieved by the features in the characterizing part of claim 1. Further advantageous configurations of the device are specified in the dependent claims. A particularly preferred use is specified in
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Speichern von Gas unter hohem Druck umfasst, vergleichbar mit den Vorrichtungen gemäß dem Stand der Technik, wenigstens einen Druckgasbehälter sowie eine Sicherheitsabblaseinrichtung mit einer Auslöseeinheit für diese. Erfindungsgemäß ist es nun vorgesehen, dass die Auslöseeinheit eine Pyroladung zum zumindest mittelbaren Auslösen der Sicherheitsabblaseinrichtung aufweist, wobei die Pyroladung elektrisch mit wenigstens einem thermoelektrischen Generator zur Zündung verbunden ist. Einer oder bevorzugt mehrere thermoelektrische Generatoren können über den Bauraum der erfindungsgemäßen Vorrichtung verteilt angeordnet sein. Sie erzeugen im Falle einer Erhitzung, beispielsweise durch Flammen oder die durch Flammen erzeugte Wärme, eine elektrische Spannung, welche dann sehr einfach und effizient zum Zünden der pyrolytischen Ladung bzw. Sprengladung eingesetzt wird. Diese dient dann zum Öffnen der Sicherheitsabblaseinrichtung, beispielsweise indem sie im Bereich einer Sollbruchstelle einen Teil einer Rohrleitung aufsprengt, einen einen Stopfen in der Rohrleitung festgehaltenen Sperrkörper durch die Sprengung zerstört oder dergleichen. Der Aufbau hat dabei den Vorteil, dass die thermoelektrischen Generatoren als Sensoren für eine starke thermische Erwärmung beispielsweise durch Flammen sehr einfach und effizient eingesetzt werden können. Sie gewährleisten außerdem, dass sie die zur Zündung der Pyroladung benötigte elektrische Spannung bei Wärmeeinwirkung selbsttätig erzeugen, sodass keine zusätzliche Energiequelle notwendig ist, welche beispielsweise ausfallen könnte oder deren Energieinhalt aufgebraucht sein könnte. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist damit auch ohne eine Anbindung an eine Energieversorgung autonom, sicher und zuverlässig.Comparable to the devices according to the prior art, the device according to the invention for storing gas under high pressure comprises at least one compressed gas container and a safety blow-off device with a triggering unit for this. According to the invention, it is now provided that the triggering unit has a pyro charge for at least indirectly triggering the safety blow-off device, the pyro charge being electrically connected to at least one thermoelectric generator for ignition. One or preferably several thermoelectric generators can be distributed over the installation space of the device according to the invention. If they are heated, for example by flames or the heat generated by flames, they generate an electrical voltage which is then used very simply and efficiently to ignite the pyrolytic charge or explosive charge. This is then used to open the safety blow-off device, for example by blasting open part of a pipeline in the area of a predetermined breaking point, destroying a blocking body held in place by the blasting of a plug in the pipeline, or the like. The structure has the advantage that the thermoelectric generators can be used very easily and efficiently as sensors for strong thermal heating, for example by flames. They also ensure that they automatically generate the electrical voltage required to ignite the pyro charge when exposed to heat, so that no additional energy source is necessary, which could fail, for example, or whose energy content could be used up. The device according to the invention is therefore autonomous, safe and reliable even without being connected to an energy supply.
Gemäß einer sehr vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann es dabei vorgesehen sein, dass in der elektrischen Verbindung zwischen dem einen thermoelektrischen Generator und der Pyroladung eine Zenerdiode angeordnet ist. Eine solche Zenerdiode gewährleistet eine definierte elektrische Spannung, da sie bekanntermaßen erst ab einer vorgegebenen Grenzspannung „durchschaltet“, und stellt damit einerseits eine zuverlässige elektrische Auslösung der Pyroladung sicher und ermöglicht auf der anderen Seite bei zu geringen Spannungen, dass die Pyroladung nicht versehentlich ausgelöst wird.According to a very advantageous development of the device according to the invention, it can be provided that a zener diode is arranged in the electrical connection between the one thermoelectric generator and the pyro charge. Such a zener diode ensures a defined electrical voltage, as it is known that it only "switches through" above a predetermined limit voltage, and thus on the one hand ensures reliable electrical triggering of the pyro charge and on the other hand enables the pyro charge not to be accidentally triggered if the voltage is too low .
In einer weiteren außerordentlich günstigen Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann es nun außerdem vorgesehen sein, dass der thermoelektrische Generator flächig ausgebildet ist, wobei auf seiner einen Fläche eine Beschichtung zur Ablationskühlung angeordnet ist. Eine solche Beschichtung zur Ablationskühlung auf einer Seite des flächig ausgebildeten thermoelektrischen Generators ermöglicht eine zuverlässige Funktion des thermoelektrischen Generators. Egal von welcher Seite aus der thermoelektrische Generator beispielsweise mit der Flamme oder der von der Flamme erzeugten thermischen Energie in Kontakt gerät führt dieser Aufbau dazu, dass die Beschichtung bei Wärmeeinwirkung entsprechend schmilzt. Das Aufschmelzen der Beschichtung benötigt dabei eine gewisse thermische Energie, welche zumindest zum Teil der mit der Beschichtung versehenen Fläche des thermoelektrischen Generators entzogen wird. Damit ist sichergestellt, dass die mit der Beschichtung zur Ablationskühlung versehene Fläche bei einer Wärmeeinwirkung auf den thermoelektrischen Generator aktiv gekühlt wird und damit in jedem Fall kühler ist, als die gegenüberliegende Fläche, sodass die Erzeugung der gewünschten Spannung durch den thermoelektrischen Generator gewährleistet ist. Die Beschichtung zur Ablationskühlung kann dabei insbesondere ein Niedertemperatur-Weichlot sein, welches so ausgebildet ist, dass es bei einer kritischen Temperatur für die Vorrichtung aufschmilzt. Damit erfolgt das Auslösen der Sicherheitsabblaseinrichtung bei einer durch die Wahl des Niedertemperatur-Weichlosts vorgegebenen Temperaturgrenze.In a further extraordinarily favorable embodiment of the device according to the invention, it can now also be provided that the thermoelectric generator has a flat design, with a coating for ablation cooling being arranged on one of its surfaces. Such a coating for ablation cooling on one side of the flat thermoelectric generator enables the thermoelectric generator to function reliably. Regardless of which side the thermoelectric generator comes into contact with, for example, the flame or the thermal energy generated by the flame, this structure causes the coating to melt when exposed to heat. The melting of the coating requires a certain amount of thermal energy, which is at least partially withdrawn from the surface of the thermoelectric generator provided with the coating. This ensures that the surface provided with the coating for ablation cooling is actively cooled when the thermoelectric generator is exposed to heat and is therefore always cooler than the opposite surface, so that the generation of the desired voltage by the thermoelectric generator is guaranteed. In this case, the coating for ablation cooling can in particular be a low-temperature soft solder which is designed in such a way that it melts at a critical temperature for the device. This triggers the safety blow-off device at a temperature limit specified by the selection of the low-temperature soft mustard.
Wie bereits erwähnt kann es dabei sehr günstig sein, wenn mehrere thermoelektrische Generatoren an verschiedenen Stellen der Vorrichtung verteilt angeordnet sind, da dann eine flächige Überwachung erfolgen kann. Die Problematik, dass lediglich eine Seite der Vorrichtung erwärmt wird und das Auslöseelement auf der anderen Seite angeordnet ist und hierdurch keine Auslösung der Sicherheitsabblaseinrichtung erfolgt, kann damit sicher und zuverlässig ausgeschlossen werden.As already mentioned, it can be very favorable if several thermoelectric generators are distributed at different points of the device, since then monitoring can take place over a wide area. The problem that only one side of the device is heated and the triggering element is arranged on the other side and the safety blow-off device is not triggered as a result can thus be ruled out safely and reliably.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung lässt sich also entsprechend einfach und zuverlässig aufbauen. Sie kann sowohl während des Betriebs eines sie umgebenden Systems als auch während des Stillstands eines solchen Systems sicher für das Ablassen des unter Druck stehenden Gases über die Sicherheitsabblaseinrichtung sorgen, da sie ohne eigene Energieversorgung auskommt und über ein autonom arbeitendes Sicherheitsüberwachungssystem verfügt. Sie ist daher insbesondere geeignet, um als Vorrichtung zur Speicherung von Wasserstoff in einem mit Wasserstoff als Brennstoff betriebenen Fahrzeug eingesetzt zu werden. Ein solches Fahrzeug kann beispielsweise ein Brennstoffzellenfahrzeug aber auch ein mit Druckwasserstoff über einen Verbrennungsmotor angetriebenes Fahrzeug sein. Aufgrund der vergleichsweise geringen Dichte von Wasserstoff sind Druckgasbehälter mit hohem Druck notwendig, um eine ausreichende Reichweite des Fahrzugs sicherzustellen. Gleichzeitig geht von diesen Druckbehältern mit Wasserstoff ein gewisses Risiko aus, da diese beispielsweise bei einem Unfall mit anschließendem Brand durch thermische Ausdehnung des Wasserstoffs zerbersten können und sich Teile des Behälters geschossartig in die Umgebung verteilen. Daher ist es insbesondere bei derartigen Anwendungen sowohl während des Betriebs als auch im Stillstand des Fahrzeugs zwingend notwendig, ein gutes Sicherheitssystem vorzuhalten, welches dieser Problematik entgegenwirkt, indem in kritischen Situationen der unter hohem Druck stehende Wasserstoff abgelassen wird, um so ein Bersten der Druckgasbehälter zu vermeiden. Dies kann durch die erfindungsgemäße Vorrichtung in idealer Weise erfüllt werden.The device according to the invention can therefore be constructed in a correspondingly simple and reliable manner. It can ensure that the pressurized gas is released via the safety blow-off device both during operation of a system surrounding it and when such a system is at a standstill, since it does not have its own power supply and has an autonomously working safety monitoring system. It is therefore particularly suitable for use as a device for storing hydrogen in a vehicle that is operated with hydrogen as the fuel. Such a vehicle can be a fuel cell vehicle, for example, but also a vehicle powered by compressed hydrogen via an internal combustion engine. Due to the comparatively low density of hydrogen, compressed gas tanks with high pressure are necessary to ensure that the vehicle has a sufficient range. At the same time, these pressure vessels with hydrogen pose a certain risk, since they can burst, for example, in the event of an accident with a subsequent fire due to thermal expansion of the hydrogen, and parts of the vessel can be projected into the environment like bullets. It is therefore essential, especially in such applications, both during operation and when the vehicle is stationary, to have a good safety system in place that counteracts this problem by releasing the high-pressure hydrogen in critical situations in order to prevent the compressed gas tank from bursting avoid. This can be fulfilled in an ideal manner by the device according to the invention.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung ergeben sich aus den restlichen abhängigen Unteransprüchen und werden anhand des Ausführungsbeispiels deutlich, welches nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren näher beschrieben ist.Further advantageous configurations of the device according to the invention result from the remaining dependent subclaims and are clear from the exemplary embodiment, which is described in more detail below with reference to the figures.
Dabei zeigen:
-
1 eine stark schematisierte Vorrichtung zum Speichern von Gas unter hohem Druck; -
2 einen Schnitt durch eine mögliche Ausführungsform eines thermoelektrischen Generators; -
3 eine erste mögliche Ausführungsform einer Sicherheitsabblaseinrichtung in einem ersten Zustand; -
4 einer Sicherheitsabblaseinrichtung gemäß3 in einem zweiten Zustand; -
5 eine weitere mögliche Ausführungsform einer Sicherheitsabblaseinrichtung in einem ersten Zustand; und -
6 dieSicherheitsabblaseinrichtung gemäß 5 in einem zweiten Zustand.
-
1 a highly schematized device for storing gas under high pressure; -
2 a section through a possible embodiment of a thermoelectric generator; -
3 a first possible embodiment of a safety blow-off device in a first state; -
4 according to a safety blow-offdevice 3 in a second state; -
5 a further possible embodiment of a safety blow-off device in a first state; and -
6 the safety blow-off device according to5 in a second state.
In der Darstellung der
In der Darstellung der
Um eine sichere und zuverlässige Auslösung des thermoelektrischen Generators 7 oberhalb einer vorgegebenen Temperatur zu erzielen, ist es nun vorgesehen, dass eine Seite des plattenförmigen Materials 10, in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel die oben liegende Seite, mit einer Beschichtung 14 versehen ist. Diese Beschichtung 14 dient zur Ablationskühlung und kann beispielsweise ein Niedertemperatur-Weichlot sein, welches bei einer vorgegebenen Temperatur beispielsweise in der Größenordnung von 200 - 400° C schmilzt. Durch das Aufschmelzen der Beschichtung 14 wird der Oberseite des plattenförmigen Materials 10 des thermoelektrischen Generators 7 Wärme entzogen, während die Unterseite weiterhin beispielsweise durch Flammen erhitzt wird. In diesem Fall wird durch die Temperaturdifferenz eine vergleichsweise hohe Spannung von dem thermoelektrischen Generator 7 erzeugt. Diese passiert die Zenerdiode 13 und kann über die Auslöseeinheit 6 die Pyroladung 9 auslösen. Diese gibt dann in später noch näher beschriebener Art und Weise die Sicherheitsabblaseinrichtung 4 in der Art frei, dass der Wasserstoff aus dem Druckgasbehälter 2 austreten kann.In order to achieve safe and reliable triggering of the
Wie es aus der Darstellung der
In der Darstellung der
Idealerweise wird der Wasserstoff über eine weitere Rohrleitung aus dem Bereich der Vorrichtung 1 abgeleitet, beispielsweise bei ihrem Einsatz in einem Brennstoffzellenfahrzeug in einem Dachbereich oder in einem anderen Bereich, in dem sich typischerweise keine Fahrgäste aufhalten.Ideally, the hydrogen is discharged from the area of the device 1 via a further pipeline, for example when used in a fuel cell vehicle in a roof area or in another area in which there are typically no passengers.
Eine weitere alternative Möglichkeit zur Realisierung der Sicherheitsabblaseinrichtung 4 ist in den Darstellungen der
Alles in allem bietet die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 somit ein sicher und zuverlässig arbeitendes Sicherheitssystem, wobei neben den beschriebenen Ausgestaltungen der Sicherheitsabblaseinrichtung 4 sicherlich auch andere Ausgestaltungen, welche über eine Pyroladung 9 geöffnet werden können, denkbar und für den Fachmann geläufig sind.All in all, the device 1 according to the invention thus offers a safety system that works safely and reliably, in addition to the described configurations of the safety blow-off
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