DE102017202698A1

DE102017202698A1 - Druckbehältersystem für ein Kraftfahrzeug und Kraftfahrzeug

Info

Publication number: DE102017202698A1
Application number: DE102017202698.7A
Authority: DE
Inventors: Jan-Mark Kunberger
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2017-02-20
Filing date: 2017-02-20
Publication date: 2018-08-23

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Druckbehältersystem (1) für ein Kraftfahrzeug, mit wenigstens einem Druckbehälter (2) und wenigstens einer thermisch aktivierbaren Druckentlastungseinrichtung (3) zum Verringern des in dem wenigstens einen Druckbehälter (2) vorliegenden Drucks. Die wenigstens eine Druckentlastungseinrichtung weist (3) eine Abblaseleitung (4) auf, über welche Brennstoff (5) aus dem wenigstens einen Druckbehälter (2) in eine Umgebung (6) des Druckbehältersystems (1) abführbar ist. Das Druckbehältersystem (1) umfasst wenigstens eine Zündeinrichtung (8), welche zum Entzünden des über die Abblaseleitung (4) in die Umgebung (6) abführbaren Brennstoffs (5) ausgebildet ist. Das Entzünden ist durch das Strömen des Brennstoffs (5) bewirkbar. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Kraftfahrzeug mit einem solchen Druckbehältersystem (1).

Description

Die hier offenbarte Technologie betrifft ein Druckbehältersystem für ein Kraftfahrzeug und ein Kraftfahrzeug mit einem Druckbehältersystem.
Zum Schutz gegen ein thermisches Ereignis werden automotive Drucktankspeicher, also in Automobilen eingesetzte Druckbehälter, mit sogenannten TPRD-Systemen geschützt. Ein solches als Druckentlastungsvorrichtung dienendes TPRD-System umfasst wenigstens eine thermisch aktivierbare Druckentlastungseinrichtung (= Thermal Pressure Release Device, TPRD). Ein System zur thermischen Druckentlastung ist beispielsweise in der DE 10 2011114725 A1 oder der EP 1 655 533 B1 gezeigt.
Die Druckbehälter werden im Kraftfahrzeug zum Speichern von Treibstoff wie etwa CNG, CGH2 oder CcH2 eingesetzt. Die thermisch aktivierbare Druckentlastungseinrichtung ist in der Regel benachbart zum Druckbehälter vorgesehen. Das TPRD-System löst beim Erreichen einer Grenztemperatur von beispielsweise 110 °C aus, wenn diese Grenztemperatur über eine gewisse Zeit hinweg vorliegt. Innerhalb eines maximal zulässigen Auslösezeitraums kommt es also dann zu einer Druckentlastung des Drucktanks oder Druckbehälters. Hierbei wird ein Ausströmquerschnitt freigegeben, über welchen der in dem Druckbehälter gespeicherte Brennstoff oder Treibstoff innerhalb kurzer Zeit aus dem Druckbehälter ausströmen kann.
Bei einem thermischen Ereignis wie einem Brand des Druckbehälters besteht die Strategie also in der Einnahme eines degradiert sicheren Zustands. Hierbei wird eine gewisse Konzentration an Brennstoff oder Treibstoff in der Umgebung des Druckbehältersystems zugelassen, um ein Bersten des Druckbehälters zu vermeiden.
Eine Fehlfunktion des TPRD-Systems kann in einer ungewollten Auslösung einer thermisch aktivierbaren Druckentlastungseinrichtung (TPRD) bestehen. Es kann also unter Umständen vorkommen, dass die thermisch aktivierbare Druckentlastungseinrichtung auslöst, ohne dass die hierfür vorgesehenen Temperaturbedingungen und/oder Zeitbedingungen erfüllt sind. Es kann sich dadurch die Situation ergeben, dass eine unerwünscht große Menge an Brennstoff in die Umgebung gelangt. Dies kann nachteilig sein.
Es ist eine bevorzugte Aufgabe der hier offenbarten Technologie, zumindest einen Nachteil von einer vorbekannten Lösung zu verringern oder zu beheben oder eine alternative Lösung vorzuschlagen. Es ist insbesondere eine bevorzugte Aufgabe der hier offenbarten Technologie eine unerwünschte Ansammlung von Brennstoff in der Umgebung des Druckbehältersystems zu vermeiden. Weitere bevorzugte Aufgaben können sich aus den vorteilhaften Effekten der hier offenbarten Technologie ergeben.
Die Aufgabe(n) wird/werden gelöst durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche. Die abhängigen Ansprüche stellen bevorzugte Ausgestaltungen dar.
Das erfindungsgemäße Druckbehältersystem für ein Kraftfahrzeug umfasst wenigstens einen Druckbehälter und wenigstens eine thermisch aktivierbare Druckentlastungseinrichtung zum Verringern des in dem wenigstens einen Druckbehälter vorliegenden Drucks. Die wenigstens eine Druckentlastungseinrichtung weist eine Abblaseleitung auf, über welche Brennstoff aus dem wenigstens einen Druckbehälter in die Umgebung des Druckbehältersystems abführbar ist. Hierbei umfasst das Druckbehältersystem wenigstens eine Zündeinrichtung, welche zum Entzünden des über die Abblaseleitung in die Umgebung abführbaren Brennstoffs ausgebildet ist. Das Entzünden ist durch das Strömen des Brennstoffs bewirkbar.
Dem liegt die Erkenntnis zugrunde, dass es durch eine fehlerhaft ausgelöste thermisch aktivierbare Druckentlastungseinrichtung zu einer sicherheitskritischen Situation kommen kann, da gegebenenfalls eine kritische Menge an Brennstoff wie etwa Wasserstoff in die Umgebung gelangen kann. Die fehlerhaft ausgelöste thermisch aktivierbare Druckentlastungseinrichtung kann nämlich zu einem Ablassen beziehungsweise Abführen des Brennstoffs aus dem Druckbehälter führen, ohne dass ein thermisches Ereignis wie etwa ein Brand vorliegt. In einem solchen Fall kann es vorkommen, dass der austretende Brennstoff nicht abgebrannt wird, da keine entsprechende Zündquelle etwa in Form des thermischen Ereignisses beziehungsweise Brands vorhanden ist. In dieser Situation sorgt die wenigstens eine Zündeinrichtung für Abhilfe. Durch das Entzünden des über die Abblaseleitung in die Umgebung austretenden Brennstoffs wird nämlich eine unerwünschte Ansammlung von Brennstoff in der Umgebung des Druckbehältersystems vermieden.
Es wird also durch das TPRD-Zündsystem sichergestellt, dass der aus dem wenigstens einen Druckbehälter austretende Brennstoff, beispielsweise ein Wasserstoff-Hauptmassenstrom, gezündet und in der Folge abgebrannt wird. Entsprechend wird die Bildung einer großen Menge eines zündfähigen Gemischs von Brennstoff und Luft verhindert. Dies liegt daran, dass der Brennstoff gleich beim Ausströmen aus der Abblaseleitung abgebrannt wird. Das Verhindern des Entstehens einer großen Menge eines zündfähigen Gemischs von Brennstoff und Luft, insbesondere von Wasserstoff und Luft, ist insbesondere in schlecht belüfteten Räumen wie etwa in Tiefgaragen, Parkhäusern oder Tunnels von Vorteil. Es kann nämlich so vermieden werden, dass ein zündfähiges Brennstoff-Luft-Gemisch unkontrolliert mittels einer weiteren Zündquelle entzündet wird.
Die hier offenbarte Technologie betrifft demnach ein Druckbehältersystem für ein Kraftfahrzeug. Das Druckbehältersystem dient zur Speicherung von unter Umgebungsbedingungen gasförmigem Brennstoff. Das Druckbehältersystem kann beispielsweise in einem Kraftfahrzeug eingesetzt werden, das mit komprimiertem („Compressed Natural Gas“ = CNG) oder verflüssigtem (LNG) Erdgas oder mit Wasserstoff betrieben wird. Ein solches Druckbehältersystem wird auch als CHS-System bezeichnet (en: compressed hydrogen storage system = CHS-System)
Ein solches Druckbehältersystem umfasst mindestens einen Druckbehälter. Der Druckbehälter kann beispielsweise ein kryogener Druckbehälter (= CcH2) oder ein Hochdruckgasbehälter (= CGH2) sein.
Hochdruckgasbehälter sind ausgebildet, im Wesentlichen bei Umgebungstemperaturen Brennstoff dauerhaft bei einem nominalen Betriebsdruck (auch nominal working pressure oder NWP genannt) von ca. 350 barü (= Überdruck gegenüber dem Atmosphärendruck), ferner bevorzugt von ca. 700 barü oder mehr zu speichern. Ein kryogener Druckbehälter ist geeignet, den Brennstoff bei den vorgenannten Betriebsdrücken auch bei Temperaturen zu speichern, die deutlich unter der Betriebstemperatur des Kraftfahrzeuges liegen.
Durch das Anbringen der wenigstens einen Zündeinrichtung insbesondere am Austritt oder Auslass der Abblaseleitung kann eine Zündung des Brennstoffs am Austritt oder in der Nähe des Austritts, insbesondere Wasserstoffaustritts, sichergestellt werden. Dadurch, dass das Entzünden durch das Strömen des Brennstoffs selber bewirkt wird, ist zudem eine selbsttätige beziehungsweise automatische Zündung des Brennstoffs mit einer geringen Ausfallwahrscheinlichkeit gewährleistet.
Vorzugsweise umfasst das Druckbehältersystem wenigstens eine stromaufwärts der wenigstens einen Zündeinrichtung angeordnete Zuführeinrichtung zum Zuführen eines Oxidationsmittels zu dem Brennstoff. So kann durch ein gezieltes Zuführen oder Zumischen des Oxidationsmittels sichergestellt werden, dass im Bereich der Zündeinrichtung ein zündfähiges Gemisch von Brennstoff und Oxidationsmittel vorliegt. Die wenigstens eine Zuführeinrichtung macht somit das Entzünden des Brennstoffs besonders funktionssicher.
Besonders einfach ist es, wenn mittels der wenigstens einen Zuführeinrichtung als Oxidationsmittel Luft aus der Umgebung dem Brennstoff zugeführt beziehungsweise mit dem Brennstoff gemischt wird. Die Mischung des Brennstoffs, insbesondere Wasserstoffs, mit der Luft aus der Umgebung kann insbesondere in der Nähe der Stelle erfolgen, an welcher der Brennstoff in die Umgebung austritt, beispielsweise im Endbereich der Abblaseleitung oder auch kurz nach beziehungsweise unmittelbar nach dem Brennstoffaustritt.
Die wenigstens eine Zuführeinrichtung kann eine Venturidüse umfassen. So lässt sich besonders einfach dafür sorgen, dass das Hindurchströmen des Brennstoffs durch eine derartige Engstelle zum Ansaugen des Oxidationsmittels, insbesondere der Luft aus der Umgebung führt.
Als weiter vorteilhaft hat es sich gezeigt, wenn die wenigstens eine Zündeinrichtung an einer Zweigleitung angeordnet ist, welche von der Abblaseleitung abzweigt. So kann über die Zweigleitung ein Brennstoff-Teilstrom abgezweigt werden, welcher dann der Zündeinrichtung zugeführt wird. Es muss also nur ein für die Zündung relevanter beziehungsweise ausreichender Brennstoffmassenstrom, insbesondere Wasserstoff-Massenstrom, verarbeitet werden. So lässt sich besonders zuverlässig sicherstellen, dass die Zündeinrichtung das Entzünden des über die Zweigleitung abgeführten Brennstoffs bewirkt.
Vorzugsweise weist die Zweigleitung einen geringeren durchströmbaren Querschnitt auf als die Abblaseleitung. Dann ist nämlich der Brennstoffmassenstrom durch die Zweigleitung kleiner, insbesondere wesentlich kleiner, als der Brennstoff-Hauptmassenstrom, welcher zur Druckentlastung des Druckbehälters aus dem Druckbehälter ausströmt. So kann der abgezweigte Brennstoff-Massenstrom besonders einfach und prozesssicher auf die Funktionen der Zündung beziehungsweise der Ansaugung und Mischung mit insbesondere der Luft aus der Umgebung als Oxidationsmittel ausgelegt werden. Des Weiteren wird so ein Blockieren der Abblaseleitung durch die wenigstens eine Zündeinrichtung sicher verhindert. Dadurch ist auch gewährleistet, dass sich die Wahrscheinlichkeit eines Ausfalls der thermisch aktivierbaren Druckentlastungseinrichtung in Form einer Fehlfunktion, bei welcher die Druckentlastungseinrichtung nicht öffnet, nicht aufgrund des Vorsehens der wenigstens einen Zündeinrichtung beziehungsweise des Zündsystems erhöht.
Hierbei hat es sich als vorteilhaft gezeigt, wenn ein Auslass der Zweigleitung einen Abstand von einem Auslass der Abblaseleitung aufweist, welcher derart bemessen ist, dass ein Entzünden des aus der Zweigleitung austretenden Brennstoffs das Entzünden des aus der Abblaseleitung austretenden Brennstoffs bewirkt. So kann einfach und sicher dafür gesorgt werden, dass der gesamte aus dem wenigstens einen Druckbehälter abgelassene Brennstoff abbrennt und sich nicht unerwünscht in der Umgebung des Druckbehältersystems ansammeln kann.
Die wenigstens eine Zündeinrichtung kann zumindest einen Zündstein umfassen, wobei eine Relativbewegung zwischen dem zumindest einen Zündstein und wenigstens einer weiteren Komponente der Zündeinrichtung durch das Strömen des Brennstoffs bewirkt werden kann. Bei einer derartigen, mechanischen Zündeinrichtung ist die sehr geringe Auswahlwahrscheinlichkeit vorteilhaft. Zudem kann die Funktion der Zündeinrichtung regelmäßig und einfach geprüft werden, beispielsweise durch Durchführen der Relativbewegung zwischen dem Zündstein und der weiteren Komponente der Zündeinrichtung. Es kann so insbesondere das Auftreten eines schlafenden, also unbemerkten Fehlers, erheblich vermindert werden.
Die weitere Komponente kann als Reibrad und/oder als Rotor ausgebildet sein. Hierbei kann vorgesehen sein, dass das Reibrad und/oder der Rotor durch das Strömen des Brennstoffs antreibbar ist. Eine Achse des Reibrads kann hierbei senkrecht zur Strömungsrichtung des Brennstoffs verlaufen, und eine Achse des Rotors, welcher bevorzugt eine Mehrzahl von Rotorblättern aufweist, kann im Wesentlichen mit der Strömungsrichtung des Brennstoffs zusammenfallen. So kann besonders einfach durch das Strömen des Brennstoffs das Entzünden des Brennstoffs bewirkt werden.
Zusätzlich oder alternativ kann die wenigstens eine Zündeinrichtung einen Katalysator umfassen, mittels welchem das Entzünden des Brennstoffs bewirkbar ist. Am Katalysator findet eine katalytische Oxidation des Brennstoffs statt, und dadurch wird auch das Abbrennen des nachströmenden Brennstoffs bewirkt. So kann ein besonders effizientes Umsetzen des gesamten Brennstoffs bewirkt werden. Insbesondere kann nämlich durch den Katalysator eine Initialzündung des Brennstoffs bewirkt werden.
Das Vorsehen des Katalysators ist des Weiteren dahingehend vorteilhaft, dass hierbei keine bewegten Teile für das Zünden des Brennstoffs zu sorgen brauchen. Dementsprechend kann es auch zu keiner Fehlfunktion von bewegten Teilen kommen.
Als weiter vorteilhaft hat es sich gezeigt, wenn die wenigstens eine Zündeinrichtung ein Heizelement und/oder wenigstens eine Zündelektrode umfasst, welches beziehungsweise welche von einem durch das Strömen des Brennstoffs antreibbaren Generator mit elektrischer Energie beaufschlagbar ist. Auch so kann auf besonders einfache Weise eine ausfallsichere Zündeinrichtung bereitgestellt werden. Wenn der Generator der wenigstens einen Zündelektrode elektrische Energie zur Verfügung stellt, so kann die Zündelektrode einen Zündfunken bilden und dementsprechend das Entzünden des Brennstoffs bewirken. Der Zündfunke kann zwischen zwei Zündelektroden überschlagen, welche an den Generator angeschlossen sind, oder zwischen einer Zündelektrode und einem auf Masse liegenden Bauteil. Zusätzlich oder alternativ kann das Beaufschlagen des beispielsweise als Heizdraht oder Heizwiderstand ausgebildeten Heizelements mit der elektrischen Energie zu einer lokalen Temperaturerhöhung führen, welche das Entzünden des Brennstoffs bewirkt.
Als vorteilhaft hat es sich hierbei gezeigt, wenn in einer elektrischen Leitung, welche das Heizelement und/oder die wenigstens eine Zündelektrode mit dem Generator verbindet, eine Schalteinrichtung angeordnet ist. Die Schalteinrichtung ist in eine Schaltstellung überführbar, in welcher eine elektrisch leitende Verbindung zwischen dem Generator und dem Heizelement und/oder zwischen dem Generator und der wenigstens einen Zündelektrode unterbrochen ist. Durch eine derartige Schalteinrichtung kann bei Bedarf, etwa durch Rettungskräfte, dafür gesorgt werden, dass es nicht automatisch durch das Strömen des Brennstoffs durch die Abblaseleitung zum Entzünden des Brennstoffs kommt. Beispielsweise kann ein solches Szenario vorteilhaft sein, wenn sich ein mit dem Druckbehältersystem ausgestattetes Kraftfahrzeug in einer gut belüfteten Umgebung befindet.
Die wenigstens eine Zündeinrichtung kann von einer gasdichten Hülle umgeben sein. So ist die Zündeinrichtung gut vor Verschmutzung und Korrosion geschützt, sodass eine langfristige Funktionstüchtigkeit der Zündeinrichtung sichergestellt werden kann. Insbesondere bei Ausbildung der Zündeinrichtung als Katalysator kann die Hülle eine Oxidation und somit eine Alterung von Katalysatormaterial verhindern, ebenso wie ein Vorhandensein von Feuchtigkeit und/oder Schmutz auf dem Katalysator. Dadurch lässt sich die Ausfallwahrscheinlichkeit der Zündeinrichtung besonders gering halten.
Bevorzugt lässt sich die gasdichte Hülle durch das Strömen des Brennstoffs öffnen. Dann sorgt das Strömen des Brennstoffs zugleich für das Freilegen der Zündeinrichtung.
Schließlich hat es sich als vorteilhaft gezeigt, wenn sich innerhalb der Hülle wenigstens ein Inertgas befindet. Durch ein solches Inertgas kann besonders gut eine Oxidation beziehungsweise Korrosion beziehungsweise eine Verschmutzung der Zündeinrichtung, insbesondere des Katalysators, verhindert werden.
Das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug weist ein erfindungsgemäßes Druckbehältersystem auf. Die für das Druckbehältersystem beschriebenen Vorteile und bevorzugten Ausführungsformen gelten auch für das Kraftfahrzeug.
Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, den Figuren und der Figurenbeschreibung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar.
Die hier offenbarte Technologie wird nun anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

1 stark schematisiert ein Druckbehältersystem eines Kraftfahrzeugs, bei welchem an einer Abblaseleitung einer thermisch aktivierbaren Druckentlastungseinrichtung eine Zündeinrichtung installiert ist;
2 schematisch einen Schnitt entlang einer Linie II-II in 1;
3 schematisch eine alternative Zündeinrichtung;
4 schematisch eine Venturidüse zum Zumischen von Luft aus der Umgebung zu dem durch die Abblaseleitung strömenden Brennstoff;
5 schematisch eine Variante, bei welcher von der Abblaseleitung eine Zweigleitung abzweigt, in welche die Luft aus der Umgebung eingebracht wird, und an welcher die Zündeinrichtung ausgangsseitig angeordnet ist;
6 schematisch eine weitere Variante, bei welcher von der Abblaseleitung die Zweigleitung abzweigt, wobei eine alternative Mischeinrichtung zum Mischen des Brennstoffs mit der Luft aus der Umgebung vorgesehen ist;
7 schematisch die Mischeinrichtung gemäß 6 in einer vergrößerten Detailansicht;
8 schematisch eine weitere, alternativ verwendbare Mischeinrichtung zum Mischen des Brennstoffs mit der Luft aus der Umgebung;
9 schematisch eine Frontalansicht auf einen Rotor der Mischeinrichtung gemäß 8;
10 schematisch einen Ausschnitt des Rotors gemäß 9;
11 schematisch eine weitere Variante, bei welcher von der Ablassleitung die Zweigleitung abzweigt;
12 schematisch einen alternativen, elektrischen Zündmechanismus für die in 11 gezeigte Variante;
13 schematisch einen Heizdraht und ein Elektrodenpaar als Zündmechanismus für die in 11 gezeigte Variante; und
14 schematisch die elektrische Verbindung zwischen einem Generator der Variante gemäß 11 und einem Heizdraht beziehungsweise Heizwiderstand.

Ein in 1 stark schematisiert gezeigtes Druckbehältersystem 1, welches etwa zur Verwendung in einem Kraftfahrzeug vorgesehen ist, umfasst einen Druckbehälter 2. Um im Falle eines thermischen Ereignisses wie etwa eines Brands den Druck eines in dem Druckbehälter 2 gespeicherten Brennstoffs 5 wie etwa Wasserstoff zu verringern, also um den Wasserstoff aus dem Druckbehälter 2 abzulassen, ist an dem Druckbehälter 2 beziehungsweise in der Nähe des Druckbehälters 2 eine thermisch aktivierbare Druckentlastungseinrichtung 3 vorgesehen.
Die thermisch aktivierbare Druckentlastungseinrichtung 3 wird auch als TPRD (= Thermal Pressure Release Device) bezeichnet. Etwa aufgrund von Flammen, löst die Druckentlastungseinrichtung 3 aus. Dann wird durch eine Abblaseleitung 4 beziehungsweise ein Abblaserohr der Brennstoff 5, welcher in dem Druckbehälter 2 unter Druck gespeichert ist, in eine Umgebung 6 des Druckbehältersystems 1 abgelassen. In 1 ist ein Endabschnitt 7 der Abblaseleitung 4 schematisch und vergrößert gezeigt, während der an die Druckentlastungseinrichtung 3 angeschlossene Abschnitt der Abblaseleitung 4 in 1 lediglich als Linie dargestellt ist.
In dem Endabschnitt 7 ist vorliegend eine Zündeinrichtung 8 installiert, welche ein Entzünden des über die Abblaseleitung 4 in die Umgebung 6 abführbaren Brennstoffs 5 bewirkt. Der in den Endabschnitt 7 einströmende Brennstoff 5 ist in 1 durch einen Pfeil veranschaulicht. In der Umgebung 6 führt das Entzünden beziehungsweise Verbrennen des Brennstoffs 5 zur Ausbildung einer Flamme 9, welche in 1 schematisch dargestellt ist. Im Bereich der Flamme 9 wird also Feuer und Wärme freigesetzt, bei Verwendung von Wasserstoff als Brennstoff etwa durch die Reaktion des Wasserstoffs mit Sauerstoff aus der sich in der Umgebung 6 befindenden Luft zu H₂O. Durch dieses Abbrennen des Brennstoffs 5 wird dafür gesorgt, dass sich in der Umgebung 6 das Druckbehältersystems 1 keine unerwünscht hohe Konzentration an Brennstoff 5, also beispielsweise an Wasserstoff, ansammeln kann.
Bei der in 1 gezeigten Variante ist ein mechanischer Zünder vorgesehen, welcher ein sich drehendes Reibrad 10 beziehungsweise einen derartigen Rotor umfasst. Eine Ansaugung und Mischung des Brennstoffs 5 mit Luft 11, welche in 6 ebenfalls durch einen Pfeil veranschaulicht ist, erfolgt vor dem mechanischen Zünder. Hierfür weist die Abblaseleitung 4 im Bereich des Reibrads 10 eine Öffnung 12 auf (vergleiche 2), über welche die Luft 11 in das Innere der Abblaseleitung 4 gelangen kann. Das Strömen des Brennstoffs 5 und auch das Strömen des Gemischs aus dem Brennstoff 5 und der Luft 11 sorgt bei dieser Ausgestaltung des Druckbehältersystems 1 für die Drehung beziehungsweise Bewegung des Reibrads 10. Eine Drehrichtung des Reibrads 10 ist in 1 durch einen weiteren Pfeil 13 veranschaulicht.
Das mechanische Entzünden des Brennstoffs 5 erfolgt bei dieser Variante über einen Zündstein 14 oder Feuerstein, welcher beispielsweise mittels einer Feder 15 gegen das sich drehende Reibrad 10 gedrückt wird. Wie aus 2 ersichtlich ist, ist hierbei die Feder 15 an einer Innenseite 16 der Abblaseleitung 4 abgestützt. Der Rotor beziehungsweise das Reibrad 10 wird durch den Hauptmassenstrom des Brennstoffs 5 (und zusätzlich durch die angesaugte Luft 11) in Rotation versetzt. Der Zündstein 14 beziehungsweise der Feuerstein reibt auf einer an dem Reibrad 10 vorgesehenen Reibfläche und erzeugt auf diese Weise Funken. Diese Funken bewirken das Entzünden des Brennstoffs 5 beziehungsweise eines Gemischs des Brennstoffs 5 mit der angesaugten Luft 11.
Die Funktion dieses mechanischen Zünders kann regelmäßig etwa durch einfaches manuelles Drehen des Rotors oder Reibrads 10 beispielsweise im Rahmen einer Wartung beziehungsweise bei einem Service des Druckbehältersystems 1 überprüft werden. Zum Ansaugen der Luft 11 kann anstelle der durch das sich drehende Reibrad 10 in Verbindung mit der Öffnung 12 bereitgestellten Zuführeinrichtung zum Zuführen der Luft 11 oder zusätzlich zu einer solchen Zuführeinrichtung auch eine Venturidüse 17 vorgesehen sein, wie sie beispielhaft in 4 gezeigt ist. Des Weiteren kann vorgesehen sein, dass die Ansaugung der Luft 11 und auch das Zünden des Brennstoffs 5 in einem separaten, durch eine Zweigleitung 18 bereitgestellten Strömungspfad erfolgen kann, welcher beispielhaft in 5 gezeigt ist.
Darüber hinaus kann vorgesehen sein, dass bei der mechanischen Zündeinrichtung, wie sie beispielhaft in 1 gezeigt ist, auch die Relativbewegung zwischen dem Zündstein 14 und der Reibfläche, also beispielsweise die Rotationsbewegung des Rotors oder Reibrads 10, durch den Hauptmassenstrom des Brennstoffs 5 erzeugt wird. Der Hauptmassenstrom ist der Anteil des Brennstoffs 5, welcher durch die Abblaseleitung 4 strömt und an einem Auslass 19 der Abblaseleitung 4 in die Umgebung 6 austritt. Demgegenüber kann die Ansaugung, Mischung und Zündung eines Teilstroms des Brennstoffs 5, also eines Anteils des Brennstoffs 5, welcher durch die Zweigleitung 18 strömt (vergleiche 5), in der Zweigleitung 18 erfolgen. Dementsprechend kann beispielsweise die in 1 gezeigte Zündeinrichtung 8, welche das Reibrad 10 beziehungsweise den Rotor oder eine derartige Komponente umfasst, auch in der Zweigleitung 18 angeordnet sein, insbesondere an einem Auslass 20 der Zweigleitung 18.
Bei einer weiteren Ausprägung beziehungsweise Variante der Zündeinrichtung 8, welche in 3 gezeigt ist, sind vorteilhafterweise keine bewegten Teile vorgesehen. Hierbei erfolgt die Zündung eines Gemischs der Luft 11 mit dem Brennstoff 5 an einem Katalysator 21. Der Katalysator 21 ist stromaufwärts des Auslasses 19 in der Abblaseleitung 4 angeordnet. Wiederum stromaufwärts des Katalysators 21 erfolgt die Zufuhr der Luft 11, etwa über eine entsprechende in der Abblaseleitung 4 vorgesehene Öffnung (vergleiche 3), welche insbesondere im Bereich einer Venturidüse 17 (vergleiche 4) ausgebildet sein kann. In 3 ist zudem ein Mischbereich 22 schematisch veranschaulicht, in welchem eine Durchmischung des Brennstoffs 5 mit der Luft 11 vor dem Eintritt in den Katalysator 21 stattfindet.
Die Überprüfung eines schlafenden Fehlers ist bei der in 3 gezeigten Variante etwas schwieriger. Denn die Ursachen für eine Fehlfunktion können vor allem in einer Oxidation des Katalysators 21 liegen, also in einer Alterung des Katalysators 21, oder durch Feuchtigkeit auf dem Katalysator 21 beziehungsweise eine Verschmutzung des Katalysators 21 bewirkt sein. Um einer solchen Verschmutzung oder Oxidation des Katalysators 21 vorzubeugen, kann ein Bereich der Abblaseleitung 4, welcher die Mischeinrichtung und die katalytische Zündeinrichtung 8 umfasst, in einer inerten Atmosphäre gehalten werden. Hierfür kann beispielsweise eine gasdichte Verpackung beziehungsweise Hülle vorgesehen sein, welche insbesondere den Katalysator 21 umhüllt, und in welcher sich ein Inertgas wie etwa Stickstoff befindet. Hierbei kann vorgesehen sein, dass die Hülle durch den Brennstoff 5, welcher durch die Abblaseleitung 4 strömt, geöffnet beziehungsweise entfernt wird.
Mit Bezug auf 5 soll nochmals die Anordnung des Untersystems, welches die Ansaugung, Mischung und Zündung eines Teilstroms des Brennstoffs 5 bewirkt, in dem separaten Abzweigkanal beziehungsweise der Zweigleitung 18 erläutert werden. Hierbei muss für die Zündung lediglich der geringe Teilstrom des Brennstoffs 5 verarbeitet werden, welcher in die Zweigleitung 18 eintritt. Dieser Teilstrom ist wesentlich kleiner als der Hauptmassenstrom des Wasserstoffs, welcher zur Druckentlastung aus dem Druckbehälter 2 ausströmt. Es lässt sich also der abgezweigte Wasserstoff-Massenstrom besonders gut auf die Funktionen der Ansaugung, Mischung und Zündung auslegen. Des Weiteren ist bevorzugt die Zweigleitung 18 so ausgestaltet beziehungsweise angeordnet, dass ein Abstand des Auslasses 20 der Zweigleitung 18 von dem Auslass 19 der Abblaseleitung 4 vergleichsweise gering ist. Wenn nämlich das Zündsystem der Zweigleitung 18 beziehungsweise des Abzweigkanals sich in der Nähe der Austrittsstelle beziehungsweise des Auslasses 19 befindet, über welchen der Großteil des Brennstoffs 5 aus dem Druckbehälter 2 in die Umgebung 6 gelangt, so lässt sich mittels der Flamme 9 auch sicher dafür sorgen, dass sich der Hauptstrom des Brennstoffs 5 entzündet. Eine entsprechende, größere Flamme 23 ist in 5 schematisch dargestellt. Auch stromabwärts des Auslasses 19 der Abblaseleitung 4 erfolgt eine Zumischung von Luft 11 zu dem Brennstoff 5, welcher aus der Abblaseleitung 4 austritt. Nach diesem Zumischen der Luft 11 in den Brennstoff 5 bildet sich die Flamme 23 unter Vermittlung der Flamme 9 aus.
Das Ansaugsystem, Mischsystem und Zündsystem, welches in dem separaten Abzweigkanal beziehungsweise der Zweigleitung 18 ausgebildet ist, kann auch so gestaltet sein, dass es an einer TPRD-Abblasestelle beziehungsweise einer entsprechenden Abblaseleitung 4 nachgerüstet werden kann. Eine solche Nachrüstung kann insbesondere durch Anbringen der Zweigleitung 18 an der Abblaseleitung 4 durch Verschrauben, Kleben, Schweißen oder andere dem Fachmann bekannte Verbindungstechniken erfolgen. Wenn eine zerstörungsfrei lösbare Verbindung der Zweigleitung 18 mit der Abblaseleitung 4 vorgesehen ist, so kann der Zündmechanismus auch regelmäßig im Rahmen einer Wartung ausgetauscht werden, um einem schlafenden, also unbemerkten Fehler vorzubeugen.
6 zeigt eine weitere Variante, bei welcher an der Abblaseleitung 4 die Zweigleitung 18 angeordnet ist. Jedoch ist hier im Endbereich der Zweigleitung 18 eine Mischeinrichtung 24 vorgesehen, wobei stromabwärts dieser Mischeinrichtung 24 die Zündeinrichtung 8 vorgesehen ist.
In 7 ist eine mögliche Ausgestaltung dieser Mischeinrichtung 24 schematisch gezeigt. So weist die Abblaseleitung 4 an ihrem Ende eine (vorliegend kleiner als der durchströmbare Querschnitt der Abblaseleitung 4 ausgebildete) Durchtrittsöffnung 25 auf, über welche der Brennstoff 5 in einen von einer (bei dieser Ausgestaltung weitgehend geschlossenen) Haube 26 begrenzten Raum eintreten kann. Die Haube 26 ist über Streben 27 an der Abblaseleitung 4 gehalten. Über den offenen Endbereich der Haube 26 kann Luft 11 hin zu einem Mischbereich 28 gelangen, in welchem die Mischung des aus der Durchtrittsöffnung 25 ausgetretenen Brennstoffs 5 mit der Luft 11 stattfindet. Stromabwärts dieses Mischbereichs 28 ist wiederum die Zündeinrichtung 8 angeordnet. Die entsprechende Zündeinrichtung 8 kann hierbei ein katalytisches Entzünden des Brennstoffs 5 bewirken, etwa durch Vorsehen des Katalysators 21 (vergleiche 3), oder es kann eine mechanische Zündung vorgesehen sein, etwa mittels des mit Bezug auf 1 und 2 erläuterten Mechanismus, welcher den Zündstein 14 umfasst.
Wie aus einer Zusammenschau von 6 und 7 hervorgeht, wird das in 7 dargestellte TPRD-Zündsystem vorteilhafterweise in dem Abzweigkanal beziehungsweise in der Zweigleitung 18 angebracht. So kann sichergestellt werden, dass der Hauptmassenstrom des Brennstoffs 5 in der Nähe der Abblaseaustrittsstelle, also in der Nähe des Auslasses 19 (vergleiche 6) der Abblaseleitung 4 gezündet wird. Wie aus 6 in diesem Zusammenhang ersichtlich ist, erfolgt das Entzünden des Brennstoff-Hauptmassenstroms beziehungsweise Wasserstoff-Hauptmassenstroms erst in einem gewissen axialen Abstand, also erst in einer gewissen Entfernung von dem Auslass 19. Denn bei der Verwendung von Wasserstoff als Brennstoff ist möglicherweise die Wasserstoffkonzentration direkt am Auslass 19 der Abblaseleitung 4 für eine Zündung zu hoch.
8 zeigt eine alternative Mischeinrichtung 24, wie sie beispielsweise bei der in 6 gezeigten Variante des TPRD-Zündsystems zum Einsatz kommen kann. Hierbei ist wiederum eine Haube 26 über entsprechende Streben 27 an der Abblaseleitung 4 gehalten. Innerhalb der Haube 26, beispielsweise im Bereich des Auslasses 19 der Abblaseleitung 4, befindet sich bei dieser Variante jedoch ein Lager 29 für eine Welle 30 eines Rotors 31. Von dem Rotor 31 sind in 8 schematisch Rotorblätter 32 gezeigt. Der strömende Brennstoff 5 und die in die Haube 26 eintretende Luft 11 sorgen für die Rotation des Rotors 31.
Aus der Frontalansicht in 9 ist ersichtlich, dass die Haube 26 frontseitig nicht geschlossen ist, sondern lediglich einzelne Streben 33 aufweist, welche der Befestigung beziehungsweise Halterung des Lagers 29 dienen. An diesen Streben 33 sind zudem mehrere Zündsteine 34 angeordnet, wobei die Position der Zündsteine 34 in 9 lediglich schematisch veranschaulicht ist. Wie aus der Detailansicht in 10 besser ersichtlich ist, können die Zündsteine 34 mittels einer jeweiligen Feder 35 gegen den Rotor 31 beziehungsweise die sich drehenden Rotorblätter 32 gedrückt werden. Auf diese Weise werden die Funken erzeugt, welche zum Entzünden des zwischen den Streben 33 austretenden Brennstoffs führen. In 9 ist zudem eine Drehbewegung des Rotors 31 durch einen Pfeil 36 veranschaulicht.
11 zeigt schematisch eine weitere Variante, bei welcher das Entzünden des Brennstoffs 5 durch ein elektrisches Zündsystem erfolgt. Auch hierbei kann die entsprechende Zündeinrichtung 8 im Bereich der Zweigleitung 18 vorgesehen sein. Komponenten der elektrischen Zündeinrichtung 8 sind in 12 schematisch gezeigt. So umfasst die elektrische Zündeinrichtung 8 einen elektrischen Generator 37, welcher durch das Strömen des Brennstoffs 5 und die in die Zweigleitung 18 eintretende Luft 11 angetrieben werden kann. Ein Rotor des Generators 37 kann auch so wie dies für den Rotor 31 in 9 erläutert ist, angetrieben werden. Der Rotor des Generators 37 kann insbesondere das Zuführen der Luft 11 in die Zweigleitung 18 unterstützen, wobei die eintretende Luft 11 in 12 wiederum durch einen Pfeil veranschaulicht ist.
Über eine (in 12 nicht gezeigte) elektrische Leitung 38 (vergleiche 14) ist der Generator 37 mit einem Zündmechanismus gekoppelt, welcher mit elektrischer Energie des Generators 37 beaufschlagt werden kann. Bei dem Zündmechanismus kann es sich beispielsweise um ein Heizelement insbesondere in Form eines Heizwiderstands oder Heizdrahts 39 handeln. Wird der Heizdraht 39 von elektrischem Strom durchflossen, so sorgt die hierbei freigesetzte Hitze für das Entzünden des Gemischs aus Brennstoff 5 und Luft 11. Zusätzlich oder alternativ kann als Zündmechanismus eine Zündkerze beziehungsweise in Paar Zündelektroden 40 vorgesehen sein (vergleiche 13), welche im Betrieb des Generators 37 mit einer elektrischen Spannung beaufschlagt werden können. So kann an den Zündelektroden 40 ein Zündfunke für das Entzünden des Gemischs aus dem Brennstoff 5 und der Luft 11 sorgen.
Wie aus der schematischen Darstellung in 14 ersichtlich ist, kann in der elektrischen Leitung 38, welche den Generator 37 mit beispielsweise dem Heizdraht 39 verbindet, eine Schalteinrichtung 41 etwa in Form eines Bügels vorgesehen sein. Durch Ziehen an dem Bügel kann die elektrische Verbindung von dem Generator 37 zu dem Heizdraht 39 unterbrochen werden. Die Schalteinrichtung 41 kann also in eine Schaltstellung überführt werden, in welcher die elektrisch leitende Verbindung unterbrochen ist. So können beispielsweise Rettungskräfte dafür sorgen, dass der aus der Abblaseleitung 4 beziehungsweise der Zweigleitung 18 austretende Brennstoff 5 nicht automatisch elektrisch gezündet wird. Ein derartiges Vorgehen ist beispielsweise dann vorteilhaft, wenn sich das mit dem Druckbehältersystem 1 ausgestattete Kraftfahrzeug im Freien beziehungsweise an einer gut belüfteten Stelle befindet und ein Abbrennen des Brennstoffs 5 aufgrund der Situation nachteilig ist.
Bevorzugt werden die vorstehend beschriebenen TPRD-Zündsysteme beziehungsweise Zündeinrichtungen 8 durch eine entsprechende Verpackung beziehungsweise Hülle, welche insbesondere mit einem Inertgas gefüllt sein kann, vor Umwelteinflüssen geschützt, insbesondere also vor Verschmutzung und Korrosion. Bevorzugt geht diese Verpackung beziehungsweise Hülle durch das Auslösen der Druckentlastungseinrichtung 3 unter.
Das Zünden des Brennstoffs 5, insbesondere des aus der Abblaseleitung 4 austretenden Brennstoffhauptmassenstroms beziehungsweise Wasserstoff-Hauptmassenstroms, kann auch durch eine alternative chemische Oxidationsreaktion erfolgen. Beispielsweise kann Wasserstoff mit einem Reaktanden wie etwa Fluor beziehungsweise Fluorverbindungen reagieren und hierbei Wärme freisetzen. Diese Reaktion kann dann nach Art einer Initialzündung die Aktivierungsenergie zur Verbrennung des Wasserstoff-Hauptmassenstroms mit Luftsauerstoff liefern.
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.
Bezugszeichenliste

1: Druckbehältersystem
2: Druckbehälter
3: Druckentlastungseinrichtung
4: Abblaseleitung
5: Brennstoff
6: Umgebung
7: Endabschnitt
8: Zündeinrichtung
9: Flamme
10: Reibrad
11: Luft
12: Öffnung
13: Pfeil
14: Zündstein
15: Feder
16: Innenseite
17: Venturidüse
18: Zweigleitung
19: Auslass
20: Auslass
21: Katalysator
22: Mischbereich
23: Flamme
24: Mischeinrichtung
25: Durchtrittsöffnung
26: Haube
27: Strebe
28: Mischbereich
29: Lager
30: Welle
31: Rotor
32: Rotorblatt
33: Strebe
34: Zündstein
35: Feder
36: Pfeil
37: Generator
38: Leitung
39: Heizdraht
40: Zündelektroden
41: Schalteinrichtung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102011114725 A1 [0002]
EP 1655533 B1 [0002]

Claims

Druckbehältersystem für ein Kraftfahrzeug, mit wenigstens einem Druckbehälter (2) und wenigstens einer thermisch aktivierbaren Druckentlastungseinrichtung (3) zum Verringern des in dem wenigstens einen Druckbehälter (2) vorliegenden Drucks, wobei die wenigstens eine Druckentlastungseinrichtung (3) eine Abblaseleitung (4) aufweist, über welche Brennstoff (5) aus dem wenigstens einen Druckbehälter (2) in eine Umgebung (6) des Druckbehältersystems (1) abführbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Druckbehältersystem (1) wenigstens eine Zündeinrichtung (8) umfasst, welche zum Entzünden des über die Abblaseleitung (4) in die Umgebung (6) abführbaren Brennstoffs (5) ausgebildet ist, wobei das Entzünden durch das Strömen des Brennstoffs (5) bewirkbar ist.
Druckbehältersystem nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch wenigstens eine stromaufwärts der wenigstens einen Zündeinrichtung (8) angeordnete Zuführeinrichtung zum Zuführen eines Oxidationsmittels, insbesondere zum Zuführen von Luft (11) aus der Umgebung (6), zu dem Brennstoff (5).
Druckbehältersystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Zuführeinrichtung eine Venturidüse (17) umfasst.
Druckbehältersystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Zündeinrichtung (8) an einer, insbesondere einen geringeren durchströmbaren Querschnitt als die Abblaseleitung (4) aufweisenden, Zweigleitung (18) angeordnet ist, welche von der Abblaseleitung (4) abzweigt.
Druckbehältersystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein Auslass (20) der Zweigleitung (18) einen Abstand von einem Auslass (19) der Abblaseleitung (4) aufweist, welcher derart bemessen ist, dass ein Entzünden des aus der Zweigleitung (18) austretenden Brennstoffs (5) das Entzünden des aus der Abblaseleitung (4) austretenden Brennstoffs (5) bewirkt.
Druckbehältersystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Zündeinrichtung (8) zumindest einen Zündstein (14, 34) umfasst, wobei eine Relativbewegung zwischen dem zumindest einen Zündstein (14, 34) und wenigstens einer weiteren Komponente der Zündeinrichtung (8) durch das Strömen des Brennstoffs (5) bewirkbar ist.
Druckbehältersystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine weitere Komponente als Reibrad (10) und/oder als Rotor (31) ausgebildet ist, wobei das Reibrad (10) und/oder der Rotor (31) durch das Strömen des Brennstoffs (5) antreibbar ist.
Druckbehältersystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Zündeinrichtung (8) einen Katalysator (21) umfasst, mittels welchem das Entzünden des Brennstoffs (5) bewirkbar ist.
Druckbehältersystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Zündeinrichtung (8) ein Heizelement 39) und/oder wenigstens eine Zündelektrode (40) umfasst, welches beziehungsweise welche von einem durch das Strömen des Brennstoffs (5) antreibbaren Generator (37) mit elektrischer Energie beaufschlagbar ist.
Druckbehältersystem nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass in einer elektrischen Leitung (38), welche das Heizelement(39) und/oder die wenigstens eine Zündelektrode (40) mit dem Generator (37) verbindet, eine Schalteinrichtung (41) angeordnet ist, welche in eine Schaltstellung überführbar ist, in welcher eine elektrisch leitende Verbindung zwischen dem Generator (37) und dem Heizelement (39) und/oder zwischen dem Generator (37) und der wenigstens einen Zündelektrode (40) unterbrochen ist.
Druckbehältersystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Zündeinrichtung (8) von einer, insbesondere durch das Strömen des Brennstoffs (5) zu öffnenden, gasdichten Hülle umgeben ist.
Druckbehältersystem nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass sich innerhalb der Hülle wenigstens ein Inertgas befindet.
Kraftfahrzeug mit einem Druckbehältersystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.