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Die Erfindung betrifft eine Brennstoffspeichervorrichtung für ein gasbetriebenes Fahrzeug mit wenigstens einem Druckgasbehälter, welcher zumindest teilweise formschlüssig in einem Gehäuse aufgenommen ist, welches ein Teil eines Unterbodens des Fahrzeugs bildet.
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Brennstoffspeichervorrichtungen für ein gasbetriebenes Fahrzeug, beispielsweise Speichervorrichtungen für komprimiertes Erdgas oder insbesondere für Wasserstoff, über welchen das Fahrzeug mit einem Verbrennungsmotor, oder im Falle von Wasserstoff bevorzugt über eine Brennstoffzelle angetrieben wird, sind aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt. Typischerweise weisen derartige Brennstoffspeichervorrichtungen wenigstens einen Druckgasbehälter auf, in welchem das Gas gespeichert ist. Insbesondere bei der Verwendung von Wasserstoff stehen diese Druckgasbehälter dabei unter hohen Drücken. Beispielsweise ist bei Wasserstoff ein Nenndruck von 70 MPa derzeit üblich. Die Entwicklung verläuft derzeit jedoch auch zu noch höheren Drücken und damit mehr Energieinhalt je Volumeneinheit des Speichers.
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Die derzeit üblichen Aufbauten nehmen Druckgasbehälter über jeweils ein Festlager und ein Loslager an ihren beiden Längsenden auf. Beispielsweise bei einem Aufbau der Druckgasbehälter als sogenannte Typ IV-Speicher bestehen die beiden Längsenden, der sogenannte Boss und der sogenannte End-Plug, typischerweise aus einem metallischen Werkstoff, welcher in die Hülle des Druckgasbehälters, welcher aus faserverstärkten Kunststoffen besteht, integriert ist. Im Bereich dieser Endabschnitte besteht also eine gute Möglichkeit, den Druckgasbehälter über lediglich zwei Lager zu lagern.
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Bei der Aufnahme der Druckgasbehälter in einem Fahrzeug wird also jeder der Druckgasbehälter an seinen beiden Längsenden über jeweils ein Loslager und ein Festlager aufgenommen. Diese Bauteile sind entsprechend schwer und müssen direkt mit dem Rahmen des Fahrzeugs verbunden werden. Dies macht die Montage bei der Herstellung des Fahrzeugs vergleichsweise aufwändig und teuer. Anschließend wird zum Schutz der Druckgasbehälter eine Beplankung an den Unterboden des Fahrzeugs montiert, um eine Beeinträchtigung durch Gegenstände, welche von unten gegen das Fahrzeug geschleudert werden, nach Möglichkeit zu verhindern.. Auch dies ist entsprechend aufwändig und teuer.
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Um dieser Problematik entgegenzutreten schlägt die gattungsgemäße
DE 10 2005 037 637 B4 das Anbringen einer Brennstoffspeichervorrichtung im Unterbodenbereich des Fahrzeugs von außerhalb des Fahrzeugs vor. Hierfür sind die Druckgasspeicher in einem ausgeschäumten Gehäuse aus einer unteren Hälfte und einem Gehäusedeckel aufgenommen. Dieses Gehäuse, in welchem die Druckgasbehälter geschützt angeordnet sind, wird dann unter das Fahrzeug, beispielsweise unter den Heckbereich des Fahrzeugs, montiert. Über Schnittstellen für Gas, Elektrik und/oder Sensordaten wird die Brennstoffspeichervorrichtung mit den entsprechenden Leitungen im Bereich des Fahrzeugs nach oder während der Montage verbunden.
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Der Aufbau ist dabei vergleichsweise groß, komplex und schwer, sodass auch hier geeignete Aufhängungen im Bereich des Fahrzeugs vorgehalten werden müssen. Außerdem benötigt das Gehäuse, insbesondere im Bereich des Gehäusedeckels mit der dort angebrachten Ausschäumung und den Lüftungsöffnungen vergleichsweise viel Bauraum.
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Die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung besteht nun darin, eine Brennstoffspeichervorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 anzugeben, welche gegenüber den Aufbauten aus dem Stand der Technik weiter verbessert ist.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Brennstoffspeichervorrichtung mit den Merkmalen im Anspruch 1 gelöst.
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Bei der erfindungsgemäßen Brennstoffspeichervorrichtung ist das Gehäuse, welches auch hier einen Teil des Unterbodens des Fahrzeugs bildet, im bestimmungsgemäßen Einsatz in Richtung der Schwerkraft oben, also dem Inneren des Fahrzeugs zugewandt, offen ausgebildet. Es besteht damit lediglich aus einer Wanne, welche aus einem faserverstärkten Kunststoff hergestellt ist. Diese Wanne aus faserverstärktem Kunststoff ist außerordentlich leicht und dennoch entsprechend stabil. Sie kann beispielsweise aus einem Kunststoffmaterial bestehen, welches mit Glasfasern, Aramidfasern oder insbesondere Kohlenfasern sowie Mischungen hiervon verstärkt ist. Durch den leichten und stabilen Aufbau können die Druckgasbehälter einfach und effizient in dieser Wanne montiert werden. Die Wanne kann anschließend an das Fahrzeug montiert werden und kann aufgrund ihrer Stabilität gleichzeitig einen Teil des Tragrahmens des Fahrzeugs ausbilden. Alles in allem ist der Aufbau dabei außerordentlich leicht und hinsichtlich der Teilevielfalt sehr effizient, da keine eigenen Lagereinrichtungen für den oder die Druckgasbehälter benötigt werden, weil diese entsprechend formschlüssig in der Wanne aufgenommen werden können.
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Anders als im gattungsgemäßen Stand der Technik, bei dem eine Ausschäumung der Wanne zur Aufnahme des wenigstens einen Druckgasbehälters vorgesehen ist, ist gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Brennstoffspeichervorrichtung der wenigstens eine Druckgasbehälter auf Rippen in der Wanne, welche um einen Teil seinen Umfangs verlaufen, formschlüssig aufgelegt. Eine solche formschlüssige Auflage auf Rippen ist besonders einfach. Durch die Verringerung der Anzahl von Lagerpunkten, beispielsweise auf eine überschaubare Anzahl von zwei bis vier oder fünf Rippen je Druckgasbehälter, lässt sich die Last des Druckgasbehälters einerseits gut verteilen und andererseits bleibt genügend Spielraum für den Druckgasbehälter, um sich entsprechend auszudehnen oder zusammenziehen zu können, was bei Temperaturunterschieden und in Abhängigkeit der eingefüllten Gasmenge in jedem Fall auftritt. Bei dem Aufbau gemäß dem Stand der Technik würde dies dazu führen, dass die formschlüssige Lagerung nicht mehr gegeben ist, sodass der Druckgasbehälter sich unerwünscht bewegen könnte.
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Darüber hinaus ist es so, dass durch das faserverstärkte Kunststoffmaterial ein mechanischer Schutz für die Druckgasbehälter nach unten ausgebildet ist. Die Druckgasbehälter sind also beispielsweise vor Steinschlag oder ähnlichem mechanisch geschützt. Darüber hinaus wird auch ein gewisser thermischer Schutz erzielt, sodass im Falle eines Feuers unterhalb des Fahrzeugs die Erwärmung der Druckgasbehälter durch die geschlossene Wanne aus dem faserverstärktem Kunststoffmaterial zumindest hinausgezögert wird. Hierdurch werden also weitere Funktionalitäten von der Wanne mit übernommen, welche ansonsten gegebenenfalls durch andere Bauteile realisiert werden müssten. Der Vorteil besteht darin, dass auf diese Bauteile verzichtet werden kann, was einerseits Gewicht und andererseits Kosten und Montageaufwand einspart.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung dieser Idee ist es dabei vorgesehen, dass die Rippen quer zur längsten Ausdehnung des Druckgasbehälters verlaufen. Hierdurch wird die Lagerung noch weiter verbessert, da der Druckgasbehälter, wenn er auf quer zu seiner längsten Ausdehnung verlaufenden Rippen formschlüssig aufliegt, in einer Längsrichtung in Abhängigkeit von Druck und Temperatur eine Ausdehnung oder ein Zusammenziehen erfahren kann, ohne hierdurch die Lagerung zu beeinträchtigen.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Idee kann der wenigstens eine Druckgasbehälter dabei über Bänder im Bereich der Rippen gehalten sein. Eine solche Halterung des Druckgasbehälters über Bänder im Bereich der Rippen ermöglicht neben der formschlüssigen Auflage auf den Rippen, und hier insbesondere auf geeigneten Ausnehmungen in den Rippen, eine Befestigung auch in Richtung der Schwerkraft nach oben durch das Band, während die Rippen selbst die Befestigung in Richtung der Schwerkraft nach unten und quer zur Schwerkraft übernehmen. Die Belastung des Bandes ist dabei entsprechend gering, da die meisten Kräfte aufgrund von Gewichtskräften oder Querbeschleunigungen im Fahrzeug in Richtung der Schwerkraft nach unten oder schräg hierzu auftreten. Dagegen ist typischerweise mit Belastungen in Richtung der Schwerkraft nach oben oder schräg hierzu nur in sehr eingeschränktem Maße zu rechnen, sodass die Befestigung über einfach zu montierende und leicht und kostengünstig zu realisierende Bänder bei weitem ausreicht.
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Durch die Konstruktion als nach oben offene Wanne ist es ferner möglich, den im Fahrzeug zur Verfügung stehenden Platz ideal auszunutzen. Der Druckgasbehälter muss nicht mit seinem kompletten Durchmesser innerhalb der Wanne zu liegen kommen. Vielmehr kann es gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Idee vorgesehen sein, dass wenigstens einer der Druckgasbehälter die Wanne im montierten Zustand des Druckgasbehälters in Richtung des Fahrzeugs überragt. Der Druckgasbehälter kann also teilweise in die Rahmenkonstruktion des Fahrzeugs hineinragen und in verfügbare freie Volumina im Innenraum des Fahrzeugs, beispielsweise unter den Rücksitzen, in den Mitteltunnel oder ähnliches, nutzen. Dies wird ohne großen Aufwand hinsichtlich eines komplex geformten Deckels eines Gehäuses durch die Ausgestaltung als nach oben offene Wanne ermöglicht. Dies hat den entscheidenden Vorteil, dass das zur Verfügung stehende Bauvolumen in dem Fahrzeug ideal ausgenutzt werden kann. Letztlich können dadurch mehr und/oder größere Druckgasbehälter eingesetzt werden, sodass die Reichweite des Fahrzeugs erhöht wird. Dies ist ein entscheidender Vorteil, insbesondere für mit Wasserstoff betriebene Fahrzeuge, da hier bei herkömmlichen Aufbauten die Reichweite des Fahrzeugs häufig noch nicht so groß ist, wie es wünschenswert wäre.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Brennstoffspeichervorrichtung kann es außerdem vorgesehen sein, dass weitere Komponenten wie Druckregler, Filter, Ventileinrichtungen oder ähnliches, in der Wanne positioniert sind. Neben dem einen oder mehreren Druckgasbehältern können also derartige Vorrichtungen, beispielsweise Druckregler bzw. Druckminderer, Filter und ähnliches mit in der Wanne positioniert werden. Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Idee sind auch diese Komponenten zumindest teilweise formschlüssig in der Wanne aufgenommen, bzw. liegen auf geeigneten Elementen formschlüssig auf und/oder sind durch Bänder gehalten. Dies ermöglicht den Aufbau der gesamten Brennstoffspeichervorrichtung einschließlich notwendiger Nebenkomponenten in der Art, dass lediglich eine Betankungsleitung und eine Verbrauchsleitung für das gespeicherte Gas mit dem Fahrzeug verbunden werden muss, um das System fluidisch anzubinden. Darüber hinaus können weitere Verbindungen wie beispielsweise eine elektrische Erdung, eine Datenleitung für den Informationsaustausch zwischen Sensoren und einer Fahrzeugsteuerung oder ähnliches über einfache Steckvorrichtungen realisiert werden.
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Beim Einbau geeigneter Druckminderer ist es hier sogar insbesondere möglich, dass die gesamte Hochdruckverrohrung mehrerer Druckgasbehälter innerhalb der Wanne erfolgt, sodass die Schnittstelle zwischen der Wanne und dem Fahrzeug nicht auf den entsprechende hohen Nenndruck, beispielsweise 70 MPa bei der Verwendung von Wasserstoff, ausgelegt werden muss, sondern dass diese bereits auf einem mittleren oder niedrigen Druckniveau, beispielsweise in der Größenordnung von 1 bis 2 MPa liegen kann.
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Wie bereits mehrfach angesprochen, kann eine Verwendung der Druckgasbehälter für Gas bei einem Nenndruck von insbesondere mehr als 25 MPa, bei Wasserstoff derzeit vorzugsweise 70 MPa, vorgesehen sein.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Idee ergeben sich außerdem aus dem Ausführungsbeispiel, welches nachfolgend vereinfacht und stark schematisiert anhand der Figuren dargestellt ist.
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Dabei zeigen:
- 1 ein prinzipmäßig angedeutetes Fahrzeug in einer Ansicht von unten;
- 2 eine Schnittdarstellung gemäß der Linie II - II in 1; und
- 3 eine Darstellung analog 2 mit montierten Druckgasbehältern und Komponenten.
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In der Darstellung der 1 ist ein in seiner Gesamtheit mit 1 bezeichnetes Fahrzeug in einer Ansicht von unten zu erkennen. An sich bekannte Elemente des Fahrzeugs 1 in der Ansicht von unten sind dabei nicht dargestellt, sondern es ist lediglich der Umriss des Fahrzeugs gezeigt. Im Bereich des Unterbodens befindet sich nun eine in ihrer Gesamtheit mit 2 bezeichnete Wanne, welche ein teilweises Gehäuse um in der Darstellung der 3 erkennbare Druckgasbehälter 3 ausbildet, und welche dementsprechend Teil einer Brennstoffspeichervorrichtung 4, wie es in der Darstellung der 3 in ihrer Gesamtheit zu erkennen ist, darstellt. Die Wanne 2 ist dabei entsprechend der Linie II - II in 2 nochmals in einer prinzipmäßigen Schnittdarstellung zu erkennen.
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Die Wanne 2 bildet einen Teil des Unterbodens des Fahrzeugs 1 und schließt diesen nach unten ab. Die Wanne 2, welche aus einem faserverstärkten Kunststoffmaterial, beispielsweise einem mit Glasfasern, Kohlefasern und/oder Aramidfasern verstärkten Kunststoff, hergestellt ist, ist entsprechend leicht und weist dennoch eine hohe Festigkeit auf. Diese Festigkeit wird durch die Formgebung weiter unterstützt. So hat die Wanne 2 in ihrem mittleren Abschnitt einen mit 5 bezeichneten abgesenkten Bereich und in ihren Seitenbereichen Ausbuchtungen 6, welche die Stabilität ebenfalls erhöhen. Ferner sind Querrippen 7 in der Wanne 2 vorgesehen, welche quer zur Fahrtrichtung F des Fahrzeugs 1 verlaufen. Auch diese Querrippen 7 verstärken den Aufbau der Wanne 2 aus dem faserverstärkten Kunststoffmaterial. Ferner sind Längsrippen 8 in dem Aufbau der Wanne 2 mit vorgesehen, welche ebenfalls in der Darstellung der 1 angedeutet sind. Die Darstellung in der 1 zeigt die Wanne dabei von unten, sodass die Längsrippen 8 und die Querrippen 7 lediglich gestrichelt eingezeichnet sind, da diese innerhalb der Wanne liegen, um so den cw-Wert des Fahrzeugs 1 nicht nachteilig zu beeinflussen.
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Die prinzipmäßige Schnittdarstellung durch die Wanne 2 in der Darstellung der 2 zeigt neben diesem abgesenkten Bereich 5 und den Einbuchtungen 6 nochmals die Querrippen 7 sowie eine der Längsrippen 8. Die Längsrippen 8 weisen dabei halbkreisförmige Ausnehmungen auf, ebenso wie die Querrippen 7. Die halbkreisförmigen Ausnehmungen sind in ihrer gesamten Formgebung dabei lediglich in der einen dargestellten Querrippe 8 gut zu erkennen, während diese durch die Schnittdarstellung in den Querrippen 7 lediglich ansatzweise zu erkennen sind. Die Wanne 2 soll nun Teil der bereits erwähnten Brennstoffspeichervorrichtung 4 sein.
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In der Darstellung 3 ist die Wanne 2, analog zur Darstellung in 2, nochmals dargestellt. Allerdings sind in die halbkreisförmigen Ausnehmungen der Längsrippen 8 und der Querrippen 7 jeweils die Druckgasbehälter 3 eingelegt. Die Ausnehmungen in den Längsrippen 8 bzw. Querrippen 7 nehmen nun die Druckgasbehälter 3 jeweils formschlüssig auf, und stützen diese sowohl in Richtung der Schwerkraft g nach unten als auch in Richtung der Schwerkraft g seitlich, also in der Darstellung der 3 senkrecht zur Blattebene. Im Bereich der Quer- und Längsrippen 7, 8 sind die beiden Druckgasbehälter 3 jeweils über angedeutete Bänder 9 in den Ausnehmungen der Quer- und Längsrippen 7, 8 gehalten. Die Bänder 9 halten die Druckgasbehälter 3 dabei entgegen der Richtung der Schwerkraft g, also nach oben auf das Fahrzeug 1 zu. Da die Haltekräfte hier bei weitem nicht so hoch sind, reicht der Aufbau mit vergleichsweise einfacher und leichter Ausgestaltung über die Bänder 9 aus.
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In der Darstellung der 3 sind außerdem in ihrer Allgemeinheit mit 10 bezeichnete Komponenten angedeutet, welche ebenfalls über Bänder 9 in der Wanne 2 gehalten werden. Bei diesen Komponenten kann es sich um Druckregler bzw. Druckminderer, Ventileinrichtungen, Filter oder dergleichen handeln. Idealerweise sind innerhalb der Wanne 2 alle notwendigen Komponenten für die Brennstoffspeichervorrichtung 4 mit angeordnet, sodass lediglich eine elektrische Schnittstelle, eine Datenschnittstelle, welche gegebenenfalls auch zusammengefasst werden können, und zwei Gasschnittstellen, einerseits für die Betankung und andererseits für die Abgabe von Gas, beispielsweise an einen Verbrennungsmotor oder vorzugsweise eine Brennstoffzelle, vorgesehen sein müssen. Die gesamte Brennstoffspeichervorrichtung 4 mit der Wanne 2 und den darin angeordneten Druckgasbehältern 3 wird dann in den Unterboden des Fahrzeugs 1 integriert. Aufgrund der hohen Festigkeit der Wanne 2, da diese aus einem faserverstärkten Kunststoff ausgebildet ist, kann die Wanne 2 dabei auch als tragendes Teil innerhalb der Konstruktion des Fahrzeugs 1, also beispielsweise als Ersatz für tragende Rahmenteile, fungieren. Hierdurch wird der Aufbau besonders einfach, effizient und leicht, da neben den Lagerkomponenten für die Druckgasbehälter 3, im Bereich des Fahrzeugrahmens und/oder Deckeln für die Wanne 2, weitere massive und schwere Träger im Bereich des Fahrgestells des Fahrzeugs 1 eingespart werden können.
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In der Darstellung der 3 ist rein beispielhaft der in Fahrtrichtung F vorne liegende Druckgasbehälter 3 mit einem kleineren Durchmesser ausgeführt, sodass er in seiner Gesamtheit unterhalb der Oberkante der Wanne 2 zu liegen kommt. Der andere Druckgasbehälter 3, welcher quer zur Fahrtrichtung F in Fahrtrichtung F hinten angeordnet ist, hat dabei einen Durchmesser, welcher entsprechend größer ist. Er ragt also entgegen der Richtung der Schwerkraft g nach oben, also auf das Fahrzeug 1 zu, über die Wanne 2 hinaus. Hierdurch kann in dem Fahrzeug 1 zur Verfügung stehender Bauraum ideal ausgenutzt werden. Beispielsweise kann dieser in Fahrtrichtung F hintere Druckgasbehälter 3 unterhalb eines Rücksitzes bzw. einer Rücksitzbank des Fahrzeugs 1 positioniert sein. Er kann also Platz innerhalb des Fahrzeugs mit nutzen, obwohl er einfach und effizient in der Wanne 2 vormontiert wurde.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102005037637 B4 [0005]
