DE102014016962A1 - Device for storing gases - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (11) zum Speichern von Gasen mit mehreren Druckgasbehältern (13) mit jeweils wenigstens einer eigenen Ventileinrichtung (14) und einem gemeinsamen Einfüllstutzen (17), welcher über eine Füllleitung (16) mit den Druckgasbehältern (13) verbunden ist, wobei sich die Füllleitung (16) in mehrere Zweigleitungen (15) zu den jeweiligen Druckgasbehältern (13) aufteilt. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich der Zweigleitungen (15) oder im Bereich der Ventileinrichtungen (14) ein Ausgleichselement angeordnet ist, das einen Strömungsquerschnitt (19, 23) aufweist, welcher in Abhängigkeit des Volumens des jeweiligen Druckgasbehälters (13), des Volumens der jeweiligen Zuleitung (15) und/oder der Einbausituation des jeweiligen Druckgasbehälters vorgegeben ist.The invention relates to a device (11) for storing gases with a plurality of compressed gas containers (13) each having at least one own valve device (14) and a common filler neck (17) which is connected via a filling line (16) with the compressed gas containers (13) , wherein the filling line (16) divides into a plurality of branch lines (15) to the respective compressed gas containers (13). The device according to the invention is characterized in that in the region of the branch lines (15) or in the region of the valve devices (14) a compensation element is arranged, which has a flow cross-section (19, 23) which depends on the volume of the respective compressed gas container (13), the volume of the respective supply line (15) and / or the installation situation of the respective compressed gas container is predetermined.
Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Speichern von Gasen nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art. Außerdem betrifft die Erfindung die Verwendung einer derartigen Vorrichtung gemäß Anspruch 8.The invention relates to a device for storing gases according to the closer defined in the preamble of
Vorrichtungen zum Speichern von Gasen sind aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt. Es kann sich bei derartigen Vorrichtungen beispielsweise um Vorrichtungen zum Speichern von komprimiertem Erdgas oder Wasserstoff für gasbetriebene Fahrzeuge handeln. Insbesondere bei der Speicherung von Wasserstoff, welcher typischerweise bei Nenndrücken von ca. 700 bar gespeichert wird, sind zur maximalen Ausnutzung des zur Verfügung stehenden Bauvolumens in dem Fahrzeug mehrere einzelne Druckgasbehälter innerhalb der Vorrichtung zum Speichern von Wasserstoff üblich. Im Normalfall weist jeder dieser Druckgasbehälter eine eigene Ventileinrichtung auf und ausgehend von einer gemeinsamen Füllleitung mit einem Einfüllstutzen werden die einzelnen Druckgasbehälter über Zweigleitungen, welche aus dieser gemeinsamen Füllleitung abzweigen, aufgetankt. Aus dem allgemeinen Stand der Technik soll hierzu beispielhaft auf die
Neben dieser Aufgabenstellung, welche im Allgemeinen eher als „exotisch” anzusehen ist, ist ein bekanntes Problem bei Vorrichtungen zum Speichern von Gas mit mehreren Druckgasbehältern die unterschiedliche Betankung der Druckgasbehälter, in Abhängigkeit der unterschiedlichen Größen der einzelnen Druckgasbehälter sowie der Volumina der Zweigleitungen bzw. der Leitungslänge zwischen dem Einfüllstutzen und dem jeweiligen Druckgasbehälter. Die hierdurch entstehenden Nachteile sind eine unnötig lange Betankung, und eine teilweise sehr unterschiedliche Betankung der einzelnen Druckgasbehälter, welche letztlich in einer unzureichenden Ausnutzung des insgesamt zur Verfügung stehenden Tankvolumens resultiert. Insbesondere bei der Speicherung von Wasserstoff, welcher aufgrund seiner vergleichsweise geringen Energiedichte in möglichst hoher Menge beim Betanken gespeichert werden sollte, stellt dies einen nicht unerheblichen Nachteil dar.In addition to this task, which is generally regarded as rather "exotic" is a well-known problem in devices for storing gas with multiple gas cylinders, the different refueling of compressed gas tank, depending on the different sizes of the individual compressed gas tank and the volumes of the branch lines or the Cable length between the filler neck and the respective compressed gas tank. The resulting disadvantages are an unnecessarily long refueling, and a sometimes very different refueling of the individual compressed gas tank, which ultimately results in insufficient utilization of the total available tank volume. In particular, in the storage of hydrogen, which should be stored due to its relatively low energy density in the highest possible amount during refueling, this represents a significant disadvantage.
Die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung besteht nun darin, eine Vorrichtung zum Speichern von Gasen in der beschriebenen Art gemäß dem Oberbegriff des Anspruch 1 anzugeben, welche diese Nachteile vermeidet.The object of the present invention is now to provide a device for storing gases in the manner described according to the preamble of
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen im Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen ergeben sich aus den hiervon abhängigen Unteransprüchen. Im Anspruch 8 ist außerdem eine besonders bevorzugte Verwendung der Vorrichtung angegeben. Auch hier ergeben sich bevorzugte Weiterbildungen dieser Verwendung aus den abhängigen Unteransprüchen.According to the invention this object is achieved by a device having the features in
Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist es vorgesehen, dass im Bereich der Zweigleitungen oder im Bereich der dem jeweiligen Druckgasbehälter zugeordneten Ventileinrichtungen, welche insbesondere als sogenannte On-Tank-Valves (OTV) ausgebildet sind, ein Ausgleichselement angeordnet ist, das einen Strömungsquerschnitt aufweist, welcher in Abhängigkeit des Volumens des Druckgasbehälters, des Volumens der Zuleitung und/oder der Einbausituation des Druckgasbehälters vorgegeben ist. Durch sehr einfache Ausgleichselemente, deren Strömungsquerschnitte gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung als Bohrungen oder feste Blende ausgebildet sein können, lässt sich eine sehr gleichmäßige Betankung der einzelnen Druckgasbehälter der Speichervorrichtung erzielen. Der Strömungsquerschnitt der jeweiligen Ausgleichselemente kann dabei über eine Simulation und/oder über Versuche ermittelt werden. Er wird in erster Näherung insbesondere in etwa proportional zu dem Volumen des jeweiligen Druckgasbehälters sein. Das über den Einfüllstutzen und eine gemeinsame Füllleitung anströmende Gasvolumen teilt sich dann entsprechend der Druckverluste durch diese Ausgleichselemente bzw. die in diesen dem jeweiligen Druckgasbehälter angepassten Strömungsquerschnitte gleichmäßig auf die einzelnen Druckgasbehälter auf. Hierdurch wird idealerweise das gesamte zur Verfügung stehende Speichervolumen optimal ausgenützt, sodass eine schnelle, effiziente und gleichmäßige Betankung der Vorrichtung möglich wird.In the device according to the invention, it is provided that in the region of the branch lines or in the region of the valve devices associated with the respective compressed gas tank, which are designed in particular as so-called on-tank valves (OTV), a compensating element is provided which has a flow cross section which in Dependence of the volume of the compressed gas container, the volume of the supply line and / or the installation situation of the compressed gas container is predetermined. By very simple compensation elements, the flow cross-sections can be formed according to a preferred embodiment of the device according to the invention as holes or fixed aperture, a very uniform fueling of the individual compressed gas tank of the storage device can be achieved. The flow cross section of the respective compensation elements can be determined via a simulation and / or through experiments. In a first approximation, it will in particular be approximately proportional to the volume of the respective compressed gas container. The gas volume flowing in via the filler neck and a common filling line then divides uniformly among the individual compressed gas containers in accordance with the pressure losses through these compensating elements or the flow cross-sections adapted in the respective compressed gas container. As a result, ideally, the entire available storage volume is optimally utilized, so that a fast, efficient and uniform refueling of the device is possible.
Um eine bestmögliche ideale Befüllung der einzelnen Druckgasbehälter des Speichervolumens zu erzielen ist es gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Vorrichtung vorgesehen, dass die Summe der Strömungsquerschnitte der Ausgleichselemente kleiner oder gleich, insbesondere kleiner, als der minimale durchströmbare Querschnitt der Füllleitung und des Einfüllstutzens sind. Durch diese besondere Ausgestaltung steht also immer ausreichend oder insbesondere mehr Gas zur Verfügung, als in die einzelnen Druckgasbehälter durch die Strömungsquerschnitte der Ausgleichselemente einströmen kann, sodass eine schnelle und gleichmäßige Betankung gewährleistet ist.In order to achieve the best possible ideal filling of the individual compressed gas containers of the storage volume, it is provided according to an advantageous development of the device that the sum of the flow cross sections of the compensating elements are smaller than or equal to, in particular smaller, than the minimum flow-through cross section of the filling line and the filler neck. By this particular configuration is thus always sufficient or more gas in particular available than in the individual compressed gas tank through the Flow cross sections of the compensation elements can flow, so that a fast and uniform refueling is guaranteed.
Wie bereits erwähnt, können die unterschiedlichen Strömungsquerschnitte insbesondere durch Blenden oder Bohrungen realisiert werden. Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist die Ventileinrichtung als On-Tank-Valve im jeweiligen Druckgasbehälter realisiert. Die Ausgleichselemente sind dann als Einlegeteil oder Blende realisiert, welche in das On-Tank-Valve integriert bzw. auswechselbar eingelegt werden kann. Insbesondere kann so bei der Montage des On-Tank-Valves je nach Speichervolumen des jeweiligen Druckgasbehälters und in Abhängigkeit des Nenndrucks und des zu speichernden Gases ein geeignetes Ausgleichselement ausgesucht und einfach mit eingelegt werden, um später bei der Komplettierung der Vorrichtung zum Speichern von Gasen sehr einfach und effizient einen Aufbau zu bekommen, welcher die gleichmäßige Befüllung der einzelnen Druckgasspeicher gewährleistet.As already mentioned, the different flow cross sections can be realized in particular by diaphragms or bores. According to an advantageous development of the device according to the invention, the valve device is realized as an on-tank valve in the respective compressed gas container. The compensation elements are then realized as an insert or panel, which can be integrated into the on-tank valve or inserted interchangeably. In particular, a suitable compensating element can thus be selected and easily inserted with the mounting of the on-tank valve, depending on the storage volume of the respective compressed gas container and depending on the nominal pressure and the gas to be stored later, very much in the completion of the device for storing gases easy and efficient to get a structure, which ensures the uniform filling of the individual compressed gas storage.
Eine alternative Ausführungsform sieht es vor, dass die Füllleitung insbesondere als gemeinsame Gasleitung, in der Art einer Common Rail, ausgeführt ist. Ausgehend von dieser Füllleitung zweigen dann unterschiedliche Zuleitungen ab, beispielsweise indem in der Rail unterschiedliche Bohrungen angebracht sind, welche in genormte Anschlussbereiche für die jeweilige Zuleitung münden. Durch das Einbringen unterschiedlicher Bohrungen in die Rail sind dann die unterschiedlichen Strömungsquerschnitte der Ausgleichselemente sehr einfach und effizient realisiert, da entsprechend der eingesetzten Speichervolumina nur die Rail mit den entsprechenden Bohrungen bei der Herstellung bzw. Montage der Vorrichtung versehen werden muss.An alternative embodiment provides that the filling line is designed in particular as a common gas line, in the manner of a common rail. Starting from this filling line then different supply lines branch off, for example by different holes are mounted in the rail, which open into standardized connection areas for the respective supply line. By introducing different holes in the rail, the different flow cross sections of the compensating elements are then implemented very simply and efficiently, since, according to the storage volumes used, only the rail must be provided with the corresponding bores during manufacture or assembly of the device.
Als besonders bevorzugte Verwendung für die erfindungsgemäße Vorrichtung lässt sich die Speicherung von Wasserstoff oder Erdgas als Brennstoff in einem Fahrzeug angeben. Insbesondere in Fahrzeugen wird häufig, vor allem bei der Speicherung von Wasserstoff, der gesamte zur Verfügung stehende Bauraum für die Speicherung ausgenutzt. Dabei werden typischerweise mehrere Druckgasspeicher unterschiedlicher Größe und gegebenenfalls Form eingesetzt, um so zu gewährleisten, dass in sämtlichen Totvolumina in dem Fahrzeug ein entsprechender Druckgasspeicher eingepasst und angeordnet werden kann. Diese Druckgasspeicher sind dann mit sehr unterschiedlich langen Zweigleitungen verbunden und weisen ihrerseits sehr unterschiedlich große Volumina auf. Um diese Druckgasspeicher dennoch ideal auszunutzen und gleichmäßig betanken zu können, eignet sich die erfindungsgemäße Vorrichtung besonders gut.As a particularly preferred use for the device according to the invention, the storage of hydrogen or natural gas can be specified as fuel in a vehicle. Especially in vehicles, the entire available space for storage is often exploited, especially in the storage of hydrogen. In this case, a plurality of compressed gas reservoirs of different sizes and, if appropriate, molds are typically used, so as to ensure that a corresponding compressed gas reservoir can be fitted and arranged in all dead volumes in the vehicle. These compressed gas reservoirs are then connected to branch lines of very different lengths and in turn have very different volumes. Nevertheless, in order to make optimum use of these compressed gas reservoirs and to be able to refuel evenly, the device according to the invention is particularly well suited.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung dieser bevorzugten Verwendung wird in der Vorrichtung Wasserstoff bei einem Nenndruck von mehr 600 bar gespeichert. Der Wasserstoff kann gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung insbesondere als Brennstoff für ein Brennstoffzellensystem dienen, welches die elektrische Antriebsleistung für das Fahrzeug liefert.According to an advantageous development of this preferred use, hydrogen is stored in the device at a nominal pressure of more than 600 bar. The hydrogen can serve in particular according to an advantageous development as a fuel for a fuel cell system, which supplies the electrical drive power for the vehicle.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung ergeben sich aus den restlichen abhängigen Unteransprüchen und werden, ebenso wie die besonders bevorzugte Verwendung, anhand der Ausführungsbeispiele deutlich, welche nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren näher beschrieben sind.Advantageous embodiments and further developments of the device according to the invention will become apparent from the remaining dependent subclaims and, as well as the particularly preferred use, clear on the basis of the embodiments, which are described in more detail below with reference to the figures.
Dabei zeigen:Showing:
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Speicherung von Gasen soll nachfolgend anhand einer Vorrichtung zur Speicherung von Wasserstoff beispielhaft beschreiben werden. Sie kann genauso gut für andere Gase, beispielsweise für komprimiertes Erdgas in einem Fahrzeug oder auch für anderweitig genutzte Gase außerhalb von Fahrzeuganwendungen, eingesetzt werden.The device according to the invention for storing gases will be described below by way of example by means of a device for storing hydrogen. It can equally well be used for other gases, such as compressed natural gas in a vehicle or otherwise used outside of vehicle applications.
In der Darstellung der
Das Brennstoffzellensystem
Anodenseitig wird die Brennstoffzelle
Die Vorrichtung
Um eine gleichmäßige Betankung der einzelnen Druckgasbehälter
Der Strömungsquerschnitt
Eine alternative Ausführungsform der Speichervorrichtung
Die Drücke in den einzelnen Druckgasbehältern
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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