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Die hier offenbarte Technologie betrifft ein Brennstoffzellensystem und ein Kraftfahrzeug mit einem magnetisch gelagerten Hochdruckgasbehälter.
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Kraftfahrzeuge mit Brennstoffzellensysteme umfassen in der Regel mindestens einen Drucktank. Die Drucktanks werden in der Regel über Spannbänder oder mittels Neckmount-Konzepte befestigt. An solchen Systemen kann nachteilig sein, dass sie komplexer in der Montage bzw. im Zusammenbau sind.
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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 ein verbessertes System zur Anbringung eines Hochdruckgasbehälters in einem Kraftfahrzeug bereitzustellen. 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.
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Die hier offenbarte Technologie betrifft ein Druckbehältersystem für ein Kraftfahrzeug (z.B. Personenkraftwagen, Krafträder, Nutzfahrzeuge). Das Druckbehältersystem dient zur Speicherung von unter Umgebungsbedingungen gasförmigen 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. Das Druckbehältersystem ist mit mindestens einem Energiewandler fluidverbunden, der eingerichtet ist, die chemische Energie des Brennstoffs in andere Energieformen umzuwandeln.
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Ein solches Druckbehältersystem umfasst mindestens einen Druckbehälter, insbesondere einem composite overwrapped pressure vessel. Der Druckbehälter ist ein Hochdruckgasbehälter. Hochdruckgasbehälter sind ausgebildet, bei Umgebungstemperaturen Brennstoff dauerhaft bei einem Druck, insbesondere den nominalen Betriebsdruck (auch nominal working pressure oder NWP genannt) von mehreren hundert bar zu speichern. Z.B. bei einem Druck von ca. 350 barü (= Überdruck gegenüber dem Atmosphärendruck) oder von ca. 700 barü oder mehr zu speichern. Der Hochdruckgasbehälter umfasst i.d.R. einen Mittelbereich, der zwischen zwei Enden des Druckbehälters ausgebildet ist. Der Mittelbereich ist zweckmäßig ein Mantelbereich, der vorteilhaft zylindrisch ausgebildet sein kann.
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Der Hochdruckgasbehälter kann einen Liner umfassen. Der Liner bildet den Hohlkörper aus, in dem der Brennstoff gespeichert ist. Der Liner kann beispielsweise aus Aluminium oder Stahl oder aus deren Legierungen hergestellt sein. Ferner bevorzugt kann der Liner aus einem Kunststoff hergestellt sein. Es kann ebenso auch ein linerloser Hochdruckgasbehälter vorgesehen sein. Der Hochdruckgasbehälter kann mindestens eine faserverstärkte Schicht umfassen. Die faserverstärkte Schicht kann einen Liner zumindest bereichsweise bevorzugt vollständig umgeben. Die faserverstärkte Schicht wird oft auch als Laminat bzw. Ummantelung oder Armierung bezeichnet. Nachstehend wird meistens der Begriff „faserverstärkte Schicht“ verwendet. Als faserverstärkte Schicht kommen i.d.R. faserverstärkte Kunststoffe (=FVK bzw. FKV oder carbon fibre reinforced plastics bzw. CFRP) zum Einsatz, bspw. kohlenstofffaserverstärkte Kunststoffe (=CFK) und/oder glasfaserverstärkte Kunststoffe (=GFK). Die faserverstärkte Schicht umfasst zweckmäßig in einer Kunststoffmatrix eingebettete Verstärkungsfasern. Insbesondere Matrixmaterial, Art und Anteil an Verstärkungsfasern sowie deren Orientierung können variiert werden, damit sich die gewünschten mechanischen und/oder chemischen Eigenschaften einstellen. Bevorzugt werden Endlosfasern als Verstärkungsfasern eingesetzt, die durch Wickeln und/oder Flechten aufgebracht werden können. Die faserverstärkte Schicht weist i.d.R. mehrere Schichtlagen auf.
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Das Druckbehältersystem umfasst mindestens eine magnetische Lagerung zur Lagerung des Hochdruckgasbehälters. Die magnetische Lagerung kann jede geeignete Lagerung sein. Zweckmäßig ist die magnetische Lagerung eingerichtet, zumindest zeitweise und zumindest bereichsweise, bevorzugt vollständig, den Hochdruckgasbehälter schwebend bzw. berührungslos zu lagern.
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Die magnetische Lagerung kann eingerichtet sein, im Mittelbereich des Hochdruckgasbehälters Kräfte und/oder Momente zu übertragen, insbesondere derart, dass der Hochdruckgasbehälter zumindest bereichsweise und zumindest zeitweise schwebend bzw. berührungslos gelagert ist.
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Alternativ oder zusätzlich kann die magnetische Lagerung an einem oder an beiden Enden des Druckbehälters vorgesehen sein. In einer bevorzugten Ausgestaltung kann vorgesehen sein, dass an einem Ende des Druckbehälters (insbesondere an dem Ende, an dem der Brennstoff entnommen wird) ein Festlager, insbesondere nicht berührungslos befestigtes Festlager (beispielsweise mittels Befestigungsmittel wie Schrauben etc.), vorgesehen ist. Bevorzugt ist an diesem Ende des Druckbehälters eine Öffnung zur Befüllung und Entnahme von Brennstoff vorgesehen sein. Das andere Ende kann dann bevorzugt die hier offenbarte magnetische Lagerung aufweisen.
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Die magnetische Lagerung kann mindestens ein Magnetelement umfassen, welches eingerichtet ist, den Hochdruckgasbehälter magnetisch zu lagern. Das mindestens eine Magnetelement kann an der Karosserie des Kraftfahrzeugs oder am Hochdruckgasbehälter selbst vorgesehen sein. Zweckmäßig interagiert das mindestens eine Magnetelement mit einem korrespondierenden Element, das aus einem ferromagnetischen Material (z.B. Eisen,) hergestellt ist oder selbst ein Magnetelement ist.
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Das Magnetelement kann in der Einbaulage ein repulsives Magnetelement sein. Mit anderen Worten kann das Magnetelement eingerichtet sein, einen anderen Körper, i.d.R. einen Element des Druckbehälters oder der Karosserie abzustoßen. Die vom Magnetelement ausgehende Kraft wirkt also vom Magnetelement weg.
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Das mindestens eine Magnetelement kann einen Elektromagneten umfassen. Ein Elektromagnet umfasst zweckmäßig eine Spule, in der sich bei Stromdurchfluss ein magnetisches Feld bildet. In der Spule kann sich ein offener Eisenkern befinden, der das Magnetfeld führt und verstärkt. Solche Elektromagneten sind dem Fachmann bekannt.
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Das hier offenbarte System umfasst ferner mindestens ein Steuergerät. Das Steuergerät eingerichtet ist, während einer Phase der Nichtbenutzung des Kraftfahrzeugs den Elektromagneten zumindest zeitweise stromlos zu halten und während der Benutzung des Kraftfahrzeugs zumindest zeitweise zu bestromen. Hierzu kann das Steuergerät basierend auf bereitgestellten Signalen die Aktuatoren des Systems zumindest teilweise und bevorzugt vollständig regeln (engl. closed loop control) oder steuern (engl. open loop control). Das Steuergerät kann zumindest das Druckbehältersystem beeinflussen. Alternativ oder zusätzlich kann das Steuergerät auch in einem anderen Steuergerät mit integriert sein, z.B. in einem übergeordneten Steuergerät. Das Steuergerät kann mit weiteren Steuergeräten des Kraftfahrzeuges interagieren.
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Eine Phase der Benutzung des Kraftfahrzeugs ist eine Phase, in der ein Benutzer des Kraftfahrzeugs das Kraftfahrzeug (aktiv) nutzt. Mithin beispielsweise also der Fahrbetrieb des Kraftfahrzeugs durch den Benutzer oder (teil)autonom.
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Eine Phase der Nichtbenutzung des Kraftfahrzeugs ist indes eine bzgl. der Fortbewegung inaktive Phase des Kraftfahrzeugs. Mit anderen Worten ist die Phase der Nichtbenutzung beispielsweise ein (längeres) Zeitintervall, während dessen das Kraftfahrzeug vom Benutzer aktiv keine (Fahr)Anweisung erhält, die das Betreiben der Brennstoffzelle bzw. des Kraftfahrzeuges erfordert. Dies ist beispielsweise der Fall, wenn ein Kraftfahrzeug geparkt ist.
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In Richtung der Fahrzeughochachse kann mindestens ein Anschlagelement vorgesehen sein, an welches der Hochdruckgasbehälter mittels der magnetischen Lagerung gedrückt wird. Vorteilhaft kann das Anschlagelement aus einem elastischen Material ausgebildet sein, insbesondere aus einem elastischen Kunststoff (z.B. ein Gummimaterial oder ein geschäumter Kunststoff).
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Mit anderen Worten betrifft die hier offenbarte Technologie Druckbehälter, die schwebend in das Fahrzeug vorgesehen sind. Eine magnetische Fläche (z.B. Metall Blech) kann auf dem Tank befestigt sein. Im Kraftfahrzeug sind starke Magnetelemente (Magnete) eingebaut, die eingerichtet sind, den Tank schwebend zu halten. Alternativ ist vorstellbar, dass die Magnetelemente am Tank vorgesehen sind, die mit magnetischen Flächen in der Tankumgebung so zusammenwirken, dass der Tank schwebend gehalten wird. Entlang vom Hochdruckgasbehälter können insbesondere im unteren Bereich repulsive Magnete vorgesehen sein, um den Tank aufzuheben und in der Luft zu halten. Bevorzugt sind 1, 2 oder 3 Magnete in Umfangsrichtung vorgesehen. Über die Länge des Druckbehälters können entweder mehrere Magnete oder ein einziger langer Magnet vorgesehen sein. Im oberen Bereich des Tanks kann eine Gummi- oder Schaumauflage vorgesehen sein, damit der Hochdruckgasbehälter nicht die Fahrzeugkarosserie kontaktiert. Alternativ kann zur Fahrzeugkarosserie bzw. in der Einbaulage des Druckbehälters oberhalb vom Hochdruckgasbehälter ein drittes Magnetelement vorgesehen werden. An beiden Enden des Druckbehälters können auch Magnetelemente vorgesehen sein, die auch einen repulsiven Effekt haben aufweisen können. Diese sollten die Verschiebung des Tanks in axiale Richtung verhindern. Alternativ wäre eine herkömmliche mechanische Anbindung, z.B. ein Neckmount, insbesondere auf der OTV-Seite (mit Möglichkeit einer Verschiebung in Z-Richtung, vertikal) und eine magnetische Lagerung auf der anderen Seite vom Hochdruckgasbehälter vorstellbar.
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Um Strom zu sparen (falls die Magnete mit Strom versorgt werden müssen) könnten die Magnete beim Ausschalten des Fahrzeugs progressiv deaktiviert werden. Der Tanks würde dann direkt auf einer Auflage liegen.
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Vorteilhaft können Vorteile erzielt werden:
- - vereinfachte und fehlersichere Montage;
- - kürzere Montagezeiten;
- - weniger oder keine Schraubverbindungen mehr;
- - verbesserte Korrosionsbeständigkeit;
- - kaum oder kein direkter Kontakt bzw. keine direkte Verbindung zwischen Hochdruckgasbehälter und Karosserie;
- - Kontaktlose bzw. fast kontaktlose Tankbefestigung;
- - verringerte Wahrscheinlichkeit von Korrosion;
- - verringerte Wahrscheinlichkeit von Vibrationen;
- - betriebsbedingte Ausdehnung vom Drucktank kann besser kompensiert werden;
- - Druckbehälteranbindung kann auch nach dem Serviceeinsatz wiederverwendet werden; und/oder
- - geringerer Einsatz von alternden Materialien wie Gummi.
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Die hier offenbarte Technologie wird nun anhand der Figuren erläutert. Es zeigen:
- 1 eine schematische Schnittansicht einer ersten Variante;
- 2 eine schematische Schnittansicht einer zweiten Variante;
- 3 eine schematische Schnittansicht einer dritten Variante;
- 4 einen schematischen Längsschnitt einer Variante;
- 5 einen schematischen Längsschnitt einer weiteren Variante;
- 6 eine schematische Ergänzung der ersten Variante (vgl. 1 );
- 7 eine schematische Ergänzung der ersten Variante (vgl. 1 );
- 8 eine schematische erste Ergänzung der Variante der 5; und
- 9 eine schematische erste Ergänzung der Variante der 5;
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Bei der nachfolgenden Beschreibung der in 1 bis 9 dargestellten alternativen Ausführungsbeispiele werden für gleiche oder korrespondierende Merkmale gleiche Bezugszeichen verwendet. Sofern diese Merkmale nicht nochmals detailliert erläutert werden, entspricht deren Ausgestaltung und/oder Wirkweise der Ausgestaltung und/oder Wirkweise der vorstehend bereits beschriebenen Merkmale.
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Die 1 zeigt eine schematische Schnittansicht einer ersten Variante. In dieser Ausgestaltung ist ein Querschnitt senkrecht zur Druckbehälterlängsachse A-A (vgl. 4) gezeigt. Das Magnetelement 120 ist hier im Querschnitt derart bogenförmig bzw. C-förmig ausgebildet, dass zumindest ein Teil des Druckbehälters 100 im Inneren des Magnetelementes 120 angeordnet ist. Das Magnetelement 120 erzeugt eine magnetische Kraft, die im Zusammenspiel mit einem Element bzw. Bereich des Druckbehälters 100 (nicht schematisch gezeigt) bewirkt, dass der Hochdruckgasbehälter 100 in diesem Querschnitt berührungslos gelagert ist. Insbesondere kann sich zwischen dem Hochdruckgasbehälter 100 und dem Magnetelement 120 ein Spalt von ca. 2 mm bis 20 mm oder bevorzugt ein Spalt von ca. 5 mm bis 10 mm einstellen. Die hier gezeigte bogenförmige bzw. C-förmige Ausgestaltung bewirkt, dass der Hochdruckgasbehälter 100 nicht nur in Richtung der Fahrzeughochachse Z, sondern auch in Richtung der Fahrzeugquerachse gelagert wird. Eine solche Ausgestaltung ist besonders platzsparend. Das Magnetelement 120 könnte gleichsam umlaufend oder im Wesentlichen umlaufend bzw. umschließend ausgebildet sein.
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Die 2 zeigt eine schematische Schnittansicht einer zweiten Variante. Anstatt eines im Querschnitt bogenförmig bzw. C-förmig ausgebildeten Magnetelementes 120 sind hier drei einzelne Magnetelemente 120 im Querschnitt dargestellt, die im Wesentlichen dieselbe Funktion ausüben wie das Magnetelement 120 der 1. Diese Ausgestaltung kann hinsichtlich der Fertigung und hinsichtlich der Kosten vorteilhaft sein. Beispielsweise könnten die Magnetelemente 120 unterschiedlich gestaltet sein.
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Die 3 zeigt eine schematische Schnittansicht einer dritten Variante. In dieser Variante ist das mittlere Magnetelement 120 gemäß der Ausgestaltung der 2 nicht vorgesehen worden. Diese Ausgestaltung kann insbesondere hinsichtlich der Kosten und des Bauraumbedarfs (insbesondere in Richtung der Fahrzeughochachse) vorteilhaft sein.
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Die 4 zeigt einen schematischen Längsschnitt einer weiteren Variante entlang der Fahrzeuglängsachse bzw. Druckbehälterlängsachse A-A. In diesem Längsschnitt ist ein einziges Magnetelement 120 vorgesehen, das überwiegend im Mittelbereich M (vgl. 8) des Druckbehälters 100 angeordnet ist. Es könnten aber ebenso weitere Magnetelemente 120 in Umfangsrichtung verteilt vorgesehen sein (vgl. 2 und 3).
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Die 5 zeigt einen schematischen Längsschnitt einer Variante entlang der Fahrzeuglängsachse bzw. Druckbehälterlängsachse A-A. In diesem Längsschnitt sind drei Magnetelemente 120 vorgesehen, die überwiegend im Mittelbereich M (vgl. 8) des Druckbehälters 100 vorgesehen sind. Es könnten aber ebenso weitere Magnetelemente 120 in Umfangsrichtung verteilt vorgesehen sein (vgl. 2 und 3).
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Die 6 zeigt eine schematische Ergänzung der ersten Variante der 1. Hier ist in Richtung der Fahrzeughochachse Z ein Anschlagelement 112 vorgesehen, an welches der Hochdruckgasbehälter 100 gedrückt wird. Vorteilhaft kann das Anschlagelement aus einem elastischen Material ausgebildet sein, insbesondere aus einem elastischen Kunststoff (z.B. ein Gummimaterial oder ein geschäumter Kunststoff). Hier ist ein einziges Anschlagelement 112 gezeigt. Es ist vorstellbar, dass zu vielen oder allen hier offenbarten Magnetelementen 120 jeweils ein korrespondierendes Anschlagelement vorgesehen ist.
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Die 7 zeigt eine schematische Ergänzung der ersten Variante der 1. Hier ist das Anschlagelement 112 ersetzt durch ein weiteres Magnetelement 110, welches eine Gegenkraft zum Magnetelement 120 aufbringt und somit die Funktion des Anschlagelementes 112 übernimmt. Vorteilhaft kann somit der Hochdruckgasbehälter 100 vollständig schwebend angeordnet sein.
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Die 8 und die 9 zeigen jeweils eine schematische erste Ergänzung der Variante der 5. Die 8 und 9 zeigen jeweils Lagerungen an den Enden des Druckbehälters, die gleichsam auf die anderen Ausgestaltungen anwendbar sind. Auch könnten diese Lagerungen alleine ohne weitere magnetische Lager im Mittelbereich M eingerichtet sein, den Hochdruckgasbehälter 100 zu lagern. Die 8 und 9 thematisieren die Lagerung in Richtung der Druckbehälterlängsachse A-A.
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In der Ausgestaltung der 8 ist an beiden Enden des Druckbehälters 100 eine magnetische Lagerung durch Magnetelemente 132, 134 vorgesehen. In der 9 indes ist nur das Lager 132 gegenüber der Öffnung des Druckbehälters 100 als magnetische Lager 134 ausgebildet und das Lager 132 ist eine Lagerung 160 mittels Befestigungsmittel.
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Aus Gründen der Leserlichkeit wurde vereinfachend der Ausdruck „mindestens ein(e)“ teilweise weggelassen. Sofern ein Merkmal der hier offenbarten Technologie in der Einzahl bzw. unbestimmt beschrieben ist (z.B. der/ein Hochdruckgasbehälter, das/ein Magnetelement, der/ein Elektromagnet, etc.) so soll gleichzeitig auch deren Mehrzahl mit offenbart sein (z.B. der mindestens eine Hochdruckgasbehälter, das mindestens eine Magnetelement, der mindestens eine Elektromagnet, etc.).
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Der Begriff „im Wesentlichen“ (z.B. „im Wesentlichen senkrechte Achse“) umfasst im Kontext der hier offenbarten Technologie jeweils die genaue Eigenschaft bzw. den genauen Wert (z.B. „senkrechte Achse“) sowie jeweils für die Funktion der Eigenschaft/ des Wertes unerhebliche Abweichungen (z.B. „tolerierbare Abweichung von senkrechte Achse“). Die Magnetelemente 120 sind hier stark vereinfacht als Platten bzw. Rechtecke dargestellt. Bevorzugt können diese Magnetelemente 102 derart gewölbt ausgebildet sein, dass sie sich besser an den i.d.R. zylindrischen Hochdruckgasbehälter 100 anpassen.
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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.
