DE102015222777A1 - Motor vehicle with fuel discharge openings and method for discharging fuel - Google Patents
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Abstract
Die hier offenbarte Technologie betrifft ein Kraftfahrzeug 10 mit: mindestens einer Ausströmöffnung 3 sowie ein Verfahren zum Abblasen von Brennstoff aus einem Kraftfahrzeug 10. Das Verfahren umfasst den Schritt: Ablassen von Brennstoff in die Umgebungsluft 1 aus einem brennstoffführenden Bereich 2 des Kraftfahrzeugs 10 durch mehrere Ausströmöffnungen 3.The technology disclosed herein relates to a motor vehicle 10 having: at least one exhaust port 3 and a method for blowing fuel from a motor vehicle 10. The method comprises the step of discharging fuel into the ambient air 1 from a fuel-carrying region 2 of the motor vehicle 10 through a plurality of exhaust ports third
Description
Die hier offenbarte Technologie betrifft ein Kraftfahrzeug mit Ausström-öffnungen für Brennstoff und ein Verfahren zum Ablassen von Brennstoff.The technology disclosed herein relates to a motor vehicle having exhaust ports for fuel and a method for discharging fuel.
Kraftfahrzeuge mit kryogenen Druckbehältersystemen (werden auch „CcH2-Systeme” genannt) sind aus dem Stand der Technik bekannt. Kryogene Druckbehältersysteme werden bspw. für Kraftfahrzeuge eingesetzt, in denen ein unter Umgebungsbedingungen gasförmiger Kraftstoff bzw. Brennstoff tiefkalt und somit im flüssigen oder überkritischen Aggregatszustand gespeichert wird. Ein Druckbehälter eines solchen Systems umfasst einen Innenbehälter sowie einen diesen unter Bildung eines superisolierten (z. B. evakuierten) (Zwischen)Raumes umgebenden Außenbehälter. Es sind daher hochwirksame Isolationshüllen (z. B. Vakuumhüllen) vorgesehen. Beispielsweise offenbart die
Trotz guter thermischer Isolation erwärmt sich der gespeicherte Brennstoff langsam. Dabei steigt zeitgleich der Druck im Druckbehälter langsam an. Wird ein Grenzdruck überschritten, so muss der Brennstoff über geeignete Sicherheitseinrichtungen entweichen, um eine Schädigung des kryogenen Druckbehälters zu vermeiden, was auch als Abblasen von Blow-Off-Gas bezeichnet werden kann. Hierzu werden druckbetätigte Entlastungsventile eingesetzt, die ein schrittweises Entweichen des Mediums erlauben. Den Entlastungsventilen nachgeschaltet kann beispielsweise ein sogenanntes Blow-Off Management-System bzw. Boil-Off-Management-System (nachstehend: BMS) zum Einsatz kommen. Ein BMS kann einen katalytischen Konverter bzw. Katalysator aufweisen, der Brennstoff (beispielsweise Wasserstoff) mit dem Sauerstoff aus der Umgebungsluft umsetzen (im Fall von Wasserstoff ist das Reaktionsprodukt Wasser).Despite good thermal insulation, the stored fuel heats up slowly. At the same time, the pressure in the pressure vessel rises slowly. If a limit pressure is exceeded, the fuel must escape via suitable safety devices in order to avoid damage to the cryogenic pressure vessel, which can also be referred to as blow-off of blow-off gas. For this purpose, pressure-operated relief valves are used, which allow a gradual escape of the medium. Downstream of the relief valves, for example, a so-called blow-off management system or boil-off management system (hereinafter BMS) can be used. A BMS may include a catalytic converter or catalyst that converts fuel (eg, hydrogen) with oxygen from the ambient air (in the case of hydrogen, the reaction product is water).
Ein solches Blow-Off-Management-System ist relativ aufwendig und benötigt einen relativ teuren Katalysator mit Edelmetallen. Der Brennstoff, z. B. Wasserstoff, darf andererseits auch nicht direkt in die Umgebungsluft geleitet werden, da sonst lokal die Zündfähigkeitsgrenze (z. B. 4 Vol-% Wasserstoff in Luft) überschritten werden könnte und es dann zu ”Jetflammen” kommen könnte, also zum Brand von kontinuierlich ausströmenden Brennstoff, ähnlich wie bei einem Gasbrenner.Such a blow-off management system is relatively expensive and requires a relatively expensive catalyst with precious metals. The fuel, z. On the other hand, hydrogen, on the other hand, must not be conducted directly into the ambient air, since otherwise the ignitability limit (eg 4% by volume of hydrogen in air) could be exceeded and "jet flames" could then occur, ie the fire of continuously flowing fuel, similar to a gas burner.
Es ist eine Aufgabe der hier offenbarten Technologie, die Nachteile der vorbekannten Lösungen zu verringern oder zu beheben. Weitere Aufgaben ergeben sich aus den vorteilhaften Effekten der hier offenbarten Technologie. Die Aufgabe(n) wird/werden gelöst durch den Gegenstand des Patentanspruchs 1. Die abhängigen Ansprüche stellen bevorzugte Ausgestaltungen dar.It is an object of the technology disclosed herein to reduce or eliminate the disadvantages of the prior art solutions. Other objects arise from the beneficial effects of the technology disclosed herein. The object (s) is / are solved by the subject matter of
Der hier offenbarten Technologie liegt die Überlegung zugrunde, dass ein ausreichend vermischtes Wasserstoff-Luft-Gemisch sich unter Umgebungsbedingungen nicht wieder entmischt. Folglich kann Brennstoff ohne katalytische Umsetzung entsorgt werden, wenn für eine ausreichende und prozesssichere Vermischung von Brennstoff und Luft Sorge getragen wird.The technology disclosed here is based on the consideration that a sufficiently mixed hydrogen-air mixture does not separate again under ambient conditions. Consequently, fuel can be disposed of without catalytic conversion, if sufficient and reliable mixing of fuel and air care is taken.
Die hier offenbarte Technologie betrifft ein Kraftfahrzeug, bevorzugt ein mit einem Brennstoffzellensystem angetriebenes Kraftfahrzeug. Das Kraftfahrzeug umfasst mindestens eine Ausströmöffnung, die ausgebildet ist, Brennstoff aus einem brennstoffführenden Bereich des Kraftfahrzeugs in die Umgebungsluft abzulassen.The technology disclosed herein relates to a motor vehicle, preferably a motor vehicle powered by a fuel cell system. The motor vehicle comprises at least one outflow opening, which is designed to discharge fuel from a fuel-carrying region of the motor vehicle into the ambient air.
Der brennstoffführende Bereich ist insbesondere ein Bereich, in dem sich Brennstoff ansammelt, bevorzugt ein Bereich, in dem Brennstoff geführt und/oder gespeichert wird, bevorzugt die brennstoffführenden Komponenten des Druckbehältersystems und/oder des Brennstoffzellensystems.The fuel-carrying region is in particular an area in which fuel accumulates, preferably an area in which fuel is conducted and / or stored, preferably the fuel-carrying components of the pressure vessel system and / or of the fuel cell system.
Die Umgebungsluft ist dabei die Luft, die das Kraftfahrzeug umgibt. Nicht zur Umgebungsluft zählt dabei die im Innenraum bzw. im brennstoffführenden Bereich eventuell vorhandene Luft. Als Umgebungsluft wird also insbesondere nicht die Abluft aus der Kathode und/oder Anode der Brennstoffzelle angesehen. Zweckmäßig wird die mindestens eine Ausströmöffnung von aus der externen Fahrzeugumgebung angesaugter Umgebungsluft umströmt.The ambient air is the air that surrounds the motor vehicle. The ambient air, which may be present in the interior or in the fuel-carrying area, does not belong to the ambient air. As the ambient air so in particular not the exhaust air from the cathode and / or anode of the fuel cell is considered. Suitably, the at least one outflow opening flows around ambient air sucked in from the external vehicle environment.
Bevorzugt umfasst das Kraftfahrzeug mehrere Ausströmöffnungen, die ausgebildet sind, Brennstoff aus einem brennstoffführenden Bereich des Kraftfahrzeugs in die Umgebungsluft abzulassen.Preferably, the motor vehicle comprises a plurality of outflow openings, which are designed to discharge fuel from a fuel-carrying region of the motor vehicle into the ambient air.
Die mindestens eine, bevorzugt mehreren, Ausströmöffnung(en) können derart ausgebildet sein, dass sie den Brennstoffmassenstrom limitieren, der aus jeder der Ausströmöffnungen entweichen kann. Der maximale Brennstoffmassenstrom kann insbesondere so gewählt sein, dass der maximale Brennstoffmassenstrom in die Umgebungsluft unterhalb des Brennstoffmassenstromgrenzwertes liegt, der eine Brennstoffflamme erhalten und/oder entstehen lassen kann. Der Brennstoffmassenstromgrenzwert gibt also den minimalen Massenstrom an, der für den Erhalt oder für das Entstehen einer Brennstoffflamme notwendig ist („fame quenching limit”). Falls Wasserstoff als Brennstoff eingesetzt wird, kann die mindestens eine Ausströmöffnung derart ausgebildet sein, dass ein maximaler Wasserstoffmassenstrom von weniger als 0,028 mg/s, bevorzugt weniger als 0,005 mg/s und besonders bevorzugt weniger als 0,003 mg/s aus jeder der mindestens einen Ausströmöffnung entweichen kann. Liegt der Massenstrom an Wasserstoff in die Umgebungsluft unter diesen Wert, so kann auch unter idealen Bedingungen keine Wasserstoffflamme mehr erhalten werden bzw. entstehen. Dies ist in der wissenschaftlichen Literatur bekannt und beispielsweise im folgenden Artikel beschrieben:
Die mindestens eine Ausströmöffnung kann von mindestens einer wasserstoffpermeablen Membran ausgebildet werden. Bevorzugt ist die Membran wasserstoffpermeabel und wasserdicht. Beispielsweise kann ein Stoffmaterial eingesetzt werden, das wasserdicht und wasserstoffdurchlässig ist.The at least one outflow opening can be formed by at least one hydrogen-permeable membrane. Preferably, the membrane is hydrogen permeable and waterproof. For example, a fabric material can be used which is waterproof and permeable to hydrogen.
An der mindestens einen Ausströmöffnung kann ein Ventil vorgesehen sein. Das mindestens eine Ventil kann ausgebildet sein, das Ausströmen von Brennstoff zu steuern oder zu regeln. Bevorzugt ist das Ventil ein passives Ventil, insbesondere rein mechanisches Ventil. Das mindestens eine Ventil kann den Brennstoff zweckmäßig in die Umgebung ablassen, wenn ein Druckgrenzwert im brennstoffführenden Bereich überschritten wird. Das mindestens eine Ventil kann insbesondere als Rückschlagventil ausgebildet sein, das einen Rückstrom von Brennstoff und das Eindringen von Umgebungsluft in einen brennstoffführenden Bereich unterbindet. Das Ventil kann beispielsweise eine elastische Schicht umfassen. Die elastische Schicht kann ausgebildet sein, die mindestens eine Ausströmöffnung freizugeben, wenn der Druck im brennstoffführenden Bereich den Druckgrenzwert übersteigt. Beispielsweise können in der elastischen Schicht Perforationen bzw. Löcher vorgesehen sein, die bei Atmosphärendruck verschlossen sind, und die sich ab dem Druckgrenzwert, z. B. 1,5 barü (also 1,5 bar Überdruck gegenüber dem Atmosphärendruck), bevorzugt 0,5 barü und besonders bevorzugt 0,1 barü, öffnen.At the at least one outflow opening, a valve may be provided. The at least one valve may be configured to control or regulate the outflow of fuel. Preferably, the valve is a passive valve, in particular purely mechanical valve. The at least one valve may expediently discharge the fuel into the environment when a pressure limit in the fuel-carrying region is exceeded. The at least one valve may in particular be designed as a check valve which prevents a return flow of fuel and the penetration of ambient air into a fuel-carrying area. The valve may for example comprise an elastic layer. The elastic layer may be configured to release the at least one outflow opening when the pressure in the fuel-carrying area exceeds the pressure limit value. For example, perforations or holes may be provided in the elastic layer, which are closed at atmospheric pressure, and from the pressure limit, z. B. 1.5 bar ü (ie 1.5 bar over atmospheric pressure), preferably 0.5 bar ü and more preferably 0.1 bar ü , open.
Die mindestens eine Ausströmöffnung und/oder das mindestens eine Ventil können zumindest bereichsweise an der Fahrzeugaußenhaut bzw. an der Außenkontur des Kraftfahrzeuges vorgesehen sein, insbesondere in einem Bereich der Außenkontur, der in vertikaler Richtung nicht oder nur in einem geringem Maß von einer weiteren Komponente verdeckt wird. Besonders bevorzugt sind die mindestens eine Ausströmöffnung und/oder das mindestens eine Ventil am Fahrzeugdach, an der Motorhaube, an der Kofferraumabdeckung, an einem Heckspoiler, und/oder an einem Front- bzw. Heckflügel vorgesehen. Vorteilhaft kann somit der Brennstoff schnell und sicher aus dem Kraftfahrzeug entweichen, ohne dass sich an weiteren Fahrzeugkomponenten Brenngas ansammelt. Die mindestens eine Ausströmöffnung und/oder das mindestens eine Ventil können zur Fahrzeugumgebung hin freiliegend ausgebildet sein. Ferner kann eine Abdeckung zum Sichtschutz und/oder Witterungsschutz vorgesehen sein, wobei dann bevorzugt die hier offenbarte Vorrichtung zur Steigerung der Strömungsrate der Umgebungsluft an der mindestens einen Ausströmöffnung ebenfalls vorhanden sein kann.The at least one outflow opening and / or the at least one valve can be provided at least partially on the outer skin of the vehicle or on the outer contour of the motor vehicle, in particular in a region of the outer contour which does not cover in the vertical direction or only to a small extent by another component becomes. The at least one outflow opening and / or the at least one valve are particularly preferably provided on the vehicle roof, on the engine hood, on the boot cover, on a rear spoiler, and / or on a front or rear wing. Advantageously, the fuel can thus escape quickly and safely from the motor vehicle without fuel gas accumulating on other vehicle components. The at least one outflow opening and / or the at least one valve may be designed to be exposed to the vehicle surroundings. Furthermore, a cover can be provided for visual protection and / or weather protection, in which case preferably the device disclosed here for increasing the flow rate of the ambient air at the at least one outflow opening can likewise be present.
Die hier offenbarte Technologie betrifft ferner eine Vorrichtung zur Steigerung der Strömungsrate der Umgebungsluft an der mindestens einen Ausströmöffnung. Die Vorrichtung zur Steigerung der Strömungsrate kann insbesondere ausgebildet sein, an der mindestens einen Ausströmöffnung während einer inaktiven Phase des Kraftfahrzeuges eine Strömung der Umgebungsluft zu erzeugen, bevorzugt eine turbulente Strömung. Unter dem Begriff „inaktive Phase des Kraftfahrzeuges” ist eine Phase der Nichtbenutzung anzusehen, insbesondere ein längeres Zeitintervall, während dessen das Kraftfahrzeug vom Fahrzeugführer aktiv keine Anweisung erhält, die das Betreiben der Brennstoffzelle erfordert. Eine inaktive Phase des Kraftfahrzeuges ist beispielsweise das Parken des Kraftfahrzeuges, insbesondere über einen längeren Zeitraum. Mit anderen Worten ist eine inaktive Phase des Kraftfahrzeuges eine Phase, in der keine Fahrzeugkomponente – außer den Komponenten des Brennstoffzellensystems einschließlich des kryogenen Druckbehältersystems – Energie von der Brennstoffzelle aktiv anfordert.The technology disclosed herein further relates to a device for increasing the flow rate of the ambient air at the at least one outflow opening. The device for increasing the flow rate may in particular be designed to generate a flow of the ambient air at the at least one outflow opening during an inactive phase of the motor vehicle, preferably a turbulent flow. The term "inactive phase of the motor vehicle" is to be regarded as a phase of non-use, in particular a longer time interval during which the motor vehicle actively receives no instruction from the vehicle driver which requires the operation of the fuel cell. An inactive phase of the motor vehicle is, for example, the parking of the motor vehicle, in particular over a longer period. In other words, an inactive phase of the motor vehicle is a phase in which no vehicle component - except the components of the fuel cell system including the cryogenic pressure vessel system - actively requests energy from the fuel cell.
Anders ausgedrückt handelt es dabei um Phasen, in denen das Brennstoffzellensystem mit Blick auf andere elektrische Verbraucher des Kraftfahrzeuges ausgeschaltet bleiben könnte, wenn nicht abzulassender Brennstoff zu entsorgen wäre. Gemeint sind insbesondere nicht-fahrende Betriebszustände des Kraftfahrzeuges. Das hier offenbarte Kraftfahrzeug umfasst ferner eine Steuerung, die ausgebildet ist, die Vorrichtung im inaktiven Zustand des Kraftfahrzeuges zu betreiben. Die Steuerung kann ausgebildet sein, die Vorrichtung zu aktivieren, wenn der Druck im kryogenen Druckbehälter größer ist als ein Abblasegrenzdruck. Der Abblasegrenzdruck ist der Druck, ab dem Brennstoff aus dem kryogenen Druckbehälter abgelassen werden soll. Der Abblasegrenzdruck kann beispielsweise ca. 5% oder ca. 10% über dem maximalen Betriebsdruck des Druckbehälters liegen. Gerade in der inaktiven Phase des Kraftfahrzeuges fällt Blow-Off Gas an, das abzublasen ist. Mit der hier offenbarten Vorrichtung kann an der Außenkontur das Blow-Off Gas mit der Umgebungsluft sicher vermischt werden, ohne dass dabei ein zündfähiges Gemisch entsteht. Die Vorrichtung kann mindestens einen Umgebungsluftdruckspeicher, mindestens einen Ventilator eines Kühlsystems, und/oder mindestens einen Oxidationsmittelförderer eines Brennstoffzellensystems umfassen. Ein Umgebungsluftdruckspeicher ist beispielsweise in der auf die Anmelderin zurückgehenden deutschen Patentanmeldung
Das Kraftfahrzeug kann mindestens einen kryogenen Druckbehälter (
Die hier offenbarte Technologie betrifft ferner ein Verfahren zum Abblasen von Brennstoff aus einem Kraftfahrzeug
Mit anderen Worten betrifft die hier offenbarte Technologie ein System, das eine ausreichende Durchmischung des Wasserstoffs mit der Umgebungsluft erzielt. Durch Gasförderer zur Steigerung der Strömungsrate und die kontrollierte Zugabe von Wasserstoff in eine idealerweise turbulente Strömung lässt sich ebenfalls eine gute Vermischung von viel Luft und wenig Wasserstoff erreichen. Durch eine Vielzahl an Ausströmoffnungen zur Umgebungsluft, die einen ausreichenden Abstand voneinander haben können, lässt sich der Abblaswasserstoff in die Umgebungsluft abgeben, ohne dass es zu einem Überschreiten bzw. Erreichen der Zündfähigkeitsgrenze kommt. Die Ausströmöffnungen können sich dabei bevorzugt auf der Fahrzeugaußenhaut befinden. Bevorzugt befindet sich jeweils eine Einrichtung an den Ausströmöffnungen, die eine Ventilfunktion ausüben kann und/oder ein Rückströmen von Luft in den wasserstoffführenden Bereich ausschließen kann. Bevorzugt wird dies durch eine starre Außenhaut mit einer entsprechend perforierten elastischen Unterschicht erreicht. Maßnahmen zur Steigerung der Luftaustauschrate in geschlossenen Räumen (z. B. Garagen), sind beispielsweise in der auf die Anmelderin zurückgehenden deutschen Patentanmeldung
Die hier offenbarte Technologie wird nun anhand der Figuren erläutert. Es zeigen:The technology disclosed herein will now be explained with reference to the figures. Show it:
Die
Die
Die
Die
Die
Auch die
Anstatt einer flächigen Ausgestaltung der mindestens einen Ausströmöffnung
Die voranstehende Beschreibung und die Patentansprüche führen die Elemente teilweise in der Einzahl an. Gleichzeitig soll dann aber auch deren Mehrzahl umfasst sein. Ist beispielsweise die Rede von dem brennstoffführenden Bereich
Die vorhergehende Beschreibung der vorliegenden Erfindung dient nur zu illustrativen Zwecken und nicht zum Zwecke der Beschränkung der Erfindung. Im Rahmen der Erfindung sind verschiedene Änderungen und Modifikationen möglich, ohne den Umfang der Erfindung sowie ihrer Äquivalente zu verlassen.The foregoing description of the present invention is for illustrative purposes only, and not for the purpose of limiting the invention. Various changes and modifications are possible within the scope of the invention without departing from the scope of the invention and its equivalents.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- Umgebungsluftambient air
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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