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Die Erfindung betrifft einen Gasspeicher, welcher insbesondere zur Speicherung von gasförmigem Kraftstoff für Kraftfahrzeuge ausgebildet ist.
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Bei einem Gasspeicher kann es sich beispielsweise um einen Wasserstoffhochdrucktank handeln. Derartige Wasserstoffhochdrucktanks werden beispielsweise zur Speicherung von Wasserstoff in Kraftfahrzeugen eingesetzt. Da Wasserstoff in Verbindung mit Sauerstoff ein entzündliches Gemisch bildet, soll vorzugsweise verhindert werden, dass unbemerkt Wasserstoff aus dem Tank austreten kann. Falls dies trotzdem passiert, sollten entsprechende Leckagen bemerkt und ausgewertet werden.
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Es ist bekannt, eine Dichte des Wasserstoffs im Tank zu messen, um mit dem bekannten Tankvolumen die Masse zu errechnen. Mithilfe einer Dichtedifferenzmessung können so Massenverluste festgestellt werden, wodurch eine unzulässige Leckage erkannt werden kann. Die Anforderung an die Genauigkeit der Messtechnik steigt dabei mit der Größe des überwachten Wasserstoffvolumens, da bei größerem Volumen Ungenauigkeiten in der Dichtemessung keine genaue Massendifferenzmessung zulassen.
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Ein anderer Weg, Leckagen eines Wasserstoffspeichersystems zu erkennen, ist die Messung einer Wasserstoffkonzentration außerhalb des Tanks mittels Wasserstoffsensoren.
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Die erwähnte Dichtemessung ist bei Weitem nicht genau genug, um die kleinen Massenverluste zu bemerken, welche bei kleineren Lecks auftreten. Die Detektion von Wasserstoffleckagen außerhalb des Tanks mit Wasserstoffsensoren ist typischerweise ebenfalls nicht mit der erforderlichen Präzision möglich, da solche Leckagen keine homogene Wasserstoffkonzentration außerhalb des Tanks bilden. Deshalb ist es bei Ausführungen gemäß dem Stand der Technik schwierig, kleine Leckagen in einem Wasserstoffspeicher mit ausreichender Genauigkeit zu detektieren.
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Es ist deshalb eine Aufgabe der Erfindung, einen Gasspeicher bereitzustellen, welcher hinsichtlich der Detektion von Leckagen verbessert ist. Dies wird erfindungsgemäß durch einen Gasspeicher nach Anspruch 1 erreicht. Vorteilhafte Ausgestaltungen können beispielsweise den Unteransprüchen entnommen werden. Der Inhalt der Ansprüche wird durch ausdrückliche Inbezugnahme zum Inhalt der Beschreibung gemacht.
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Die Erfindung betrifft einen Gasspeicher. Der Gasspeicher weist einen inneren Tank auf, welcher ein Speichervolumen umschließt. Dieses Speichervolumen kann insbesondere dazu dienen, ein zu speicherndes Gas wie beispielsweise Wasserstoff oder einen anderen gasförmigen Kraftstoff zu speichern. Der Gasspeicher weist einen äußeren Tank auf, welcher den inneren Tank vollständig umschließt, so dass zwischen dem inneren Tank und dem äußeren Tank ein Zwischenvolumen ausgebildet wird.
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Das Zwischenvolumen ist zumindest teilweise mit einer Flüssigkeit gefüllt. Der Gasspeicher weist ferner eine Detektionsvorrichtung für in dem Zwischenvolumen befindliches Gas auf.
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Mittels des erfindungsgemäßen Gasspeichers kann ein Leck in dem inneren Tank, welcher das Volumen zum Speichern eines gasförmigen Kraftstoffs umschließt bzw. definiert, besonders vorteilhaft erkannt werden. Dies liegt insbesondere daran, dass sich Gas, welches aufgrund einer Leckage aus dem inneren Tank austritt, in dem Zwischenvolumen sammelt und dabei insbesondere durch Gasblasenbildung in der Flüssigkeit in definierter Weise angesammelt und zu einem Ort geführt wird, an welchem eine Detektion besonders vorteilhaft möglich ist.
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Der innere Tank kann dabei insbesondere zum Speichern von Wasserstoff im Speichervolumen ausgebildet sein. Auch andere Gase können darin jedoch grundsätzlich gespeichert werden.
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Bevorzugt ist das Zwischenvolumen zu mehr als 50 %, mehr als 80 %, mehr als 90 % oder auch vollständig mit Flüssigkeit gefüllt. Je mehr Flüssigkeit in dem Zwischenvolumen ist, desto eher bilden sich Glasblasen, was zu dem gewünschten Effekt einer Sammlung von aufgrund von Leckage austretendem Gas führt.
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Bevorzugt ist in dem Zwischenvolumen über der Flüssigkeit ein Gasraum ausgebildet. Dieser Gasraum kann insbesondere dazu benutzt werden, Gas zu sammeln, welches dann von der Detektionsvorrichtung detektiert wird.
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Die Flüssigkeit kann beispielsweise Wasser, destilliertes Wasser oder auch eine andere Flüssigkeit sein. Insbesondere destilliertes Wasser hat sich für typische Anwendungen bewährt.
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Der innere Tank kann insbesondere dazu ausgebildet sein, ein Gas mit einem Druck von 600 bar bis 800 bar, oder besonders bevorzugt 700 bar, im Speichervolumen zu halten. Gerade in einem solchen Druckbereich hat sich die hierin beschriebene Ausführung zur Leckagedetektion bewährt.
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Die Detektionsvorrichtung kann insbesondere an einer obersten Stelle des Zwischenvolumens angeordnet sein. Dies bezieht sich insbesondere auf einen typischen Einbauzustand des Gasspeichers, beispielsweise als Kraftstofftank in einem Kraftfahrzeug. Die Anordnung der Detektionsvorrichtung an einer obersten Stelle dient insbesondere dazu, ein Gas, welches typischerweise in einer Flüssigkeit nach oben steigt, an der Stelle zu detektieren, an welcher es sich bevorzugt ansammelt.
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Bevorzugt sind zum Zwischenvolumen hin weisende Wände des inneren Tanks und/oder des äußeren Tanks glatt. Dadurch kann insbesondere erreicht werden, dass sich bildende Blasen in der Flüssigkeit möglichst ungehindert nach oben steigen können.
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Bevorzugt ist der äußere Tank gasundurchlässig für im inneren Tank gespeichertes Gas ausgeführt. Dadurch kann das aufgrund von Leckagen aus dem inneren Tank austretende Gas in vorteilhafter Weise innerhalb des Gasspeichers und insbesondere innerhalb des Zwischenvolumens gehalten werden, so dass es dort detektiert werden kann.
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Die Detektionsvorrichtung kann gemäß einer Ausführung einen Glasblasendetektor beinhalten. Ein solcher Gasblasendetektor kann Gasblasen detektieren, welche sich aufgrund von durch Leckage austretendem Gas bilden.
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Der Gasblasendetektor ist bevorzugt dazu ausgebildet, mittels Ultraschall, Licht und/oder Ultraviolett-Licht Gasblasen zu detektieren. Derartige Ausführungen haben sich in typischen Anwendungen bewährt.
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Die Detektionsvorrichtung kann gemäß einer jeweiligen Ausführung einen Druckdetektor und/oder einen Volumendetektor beinhalten. Dadurch kann ein sich sammelndes Gas bzw. ein dadurch ausgelöster Druck oder eine Volumenveränderung festgestellt werden.
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Der Druckdetektor kann gemäß einer Ausführung eine überwachte dehnbare Membran aufweisen. Dadurch kann ein erhöhter Druck aufgrund von austretendem Gas anhand einer Dehnung der Membran detektiert werden. Hierbei können beispielsweise kapazitive Detektoren zum Überwachen einer Dehnung der Membran verwendet werden. Außerdem kann ein Druckmessstreifen oder eine Anordnung aus mehreren Druckmessstreifen hierfür verwendet werden.
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Der Volumendetektor kann insbesondere ein über der Flüssigkeit befindliches und/oder entstehendes Gasvolumen detektieren. Dieses bildet sich typischerweise dann, wenn der innere Tank eine unerwünschte Leckage aufweist.
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Die Detektionsvorrichtung kann gemäß einer Ausführung einen Wasserstoffdetektor beinhalten. Damit kann unmittelbar spezifisch Wasserstoff detektiert werden, was insbesondere dann vorteilhaft ist, wenn in dem inneren Tank Wasserstoff gelagert wird.
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Es sei erwähnt, dass die genannten Ausführungen einer Detektionsvorrichtung auch in beliebiger Weise kombiniert werden können.
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Der äußere Tank ist im Übrigen auch ein zusätzlicher Sicherheitsaspekt, da bei einer Undichtigkeit des inneren Tanks das Gas in definierter Weise innerhalb des äußeren Tanks gehalten wird. Der innere Tank wird dadurch zusätzlich abgeschirmt.
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Allgemein kann es als Konzept aufgefasst werden, mithilfe eines zweiten Behälters um einen Behälter ein Zwischenvolumen zu erzeugen, um Leckagen aufzufangen. Um die Leckagen besser auswerten zu können, können Gasmassen oder Wasserstoffmassen zu einem Detektionspunkt geleitet werden, damit sie quantifiziert werden können. Dazu kann das entstehende Zwischenvolumen mit einer Flüssigkeit wie beispielsweise destilliertem Wasser gefüllt werden. Da bei Umgebungsbedingungen die Flüssigkeit flüssig ist und der Wasserstoff gasförmig vorliegt, haben die beiden Fluide einen sehr großen Dichteunterschied. Dadurch steigt das leichtere Gas in der Flüssigkeit nach oben.
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Die Wasserstoffblasen in der Flüssigkeit oder allgemein Gasblasen entstehen auf zwei unterschiedliche Weisen. Durch ein lokales Leck strömt Wasserstoff aus. Dadurch kommt es zu einer erzwungenen Blasenbildung. Der andere Weg, wie Wasserstoffblasen entstehen, ist durch Übersättigung der Flüssigkeit. Gase haben in einer Flüssigkeit eine bestimmte Löslichkeitsobergrenze. Wenn diese überschritten wird, kommt es zu einer Übersättigung und es bilden sich Blasen des übersättigten Gases.
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Wie bereits erwähnt, steigen die Wasserstoffblasen oder allgemein Gasblasen aufgrund des Dichteunterschieds nach oben. Dadurch werden sie immer zum höchsten Punkt des Zwischenvolumens geleitet. Der äußere, zweite Behälter ist dabei bevorzugt so konstruiert, dass die Blasen ungehindert nach oben gelangen und nirgendwo aufgehalten werden oder stecken bleiben können. Zusätzlich sind die Innenwand des äußeren Behälters sowie die Oberfläche des inneren Behälters bzw. Hochdrucktanks für die einfache Blasenweiterleitung ausgelegt. Die Blasen sollen insbesondere nicht an der Oberfläche haften, sondern sich lösen, damit sie weiter nach oben zum Detektionspunkt treiben können. Dazu sollten die beiden Oberflächen bevorzugt glatt sein. Zusätzlich sollte der äußere Behälter bevorzugt eine Gas- bzw. Wasserstoffpermeation verhindern. Um eine Leckage feststellen zu können, können die Gas- bzw. Wasserstoffmassen gemessen werden. Diese Auswertung der nach oben steigenden Blasen kann auf unterschiedliche Weise geschehen.
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Mit einem Gasblasendetektor können die Blasen erkannt werden und ihre Größe kann bestimmt werden. Dies kann beispielsweise mit einem Licht- oder Ultraschallsignal geschehen.
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Die nach oben steigenden Wasserstoffblasen können eine Gasphase über der Flüssigkeit bilden, die nur aus Wasserstoff besteht. Durch Messung des Druckanstiegs, infolge der Massenzunahme durch die nachströmenden Blasen, kann die Wasserstoffmasse errechnet werden. Der Druckanstieg kann auf unterschiedliche Arten gemessen werden, beispielsweise kapazitiv oder mit Dehnungsmessstreifen.
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Alternativ kann auch die Volumenzunahme der Gasphase berechnet werden. Durch ein elastisches Volumen über der Flüssigkeit kommt es zu einem Druckausgleich mit der Umgebung. Da die Gas- bzw. Wasserstoffmasse über der Flüssigkeit durch die nachströmenden Blasen anwächst, wächst auch das Volumen der Gasphase. Die Volumenänderung kann ebenfalls gemessen werden, beispielsweise mit Dehnungsmessstreifen. Alternativ kann bei konstanter Grundfläche die Höhe des Volumens durch eine Abstandsmessung mithilfe eines Laserstrahls gemessen werden, wodurch sich das Volumen berechnen lässt.
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Die Wasserstoffmassen können alternativ auch mit einem Wasserstoffsensor gemessen werden. Falls sich Luft in einem geschlossenen Volumen über der Flüssigkeit befindet, kann mithilfe eines Wasserstoffsensors die Wasserstoffkonzentration errechnet werden. Dadurch können Rückschlüsse auf die Leckage gezogen werden.
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Ein zusätzlicher Vorteil ist die Sicherheit. Durch den zusätzlichen Behälter und die Leitung der Leckagen ist das Risiko, dass sich ein entzündliches Gasgemisch außerhalb des Tanksystems bildet, deutlich geringer. Zusätzlich kann durch die Ansammlung des Wasserstoffs infolge der Leckageleitung der Wasserstoff an bestimmten Stellen in die Umgebung entlassen werden. Zusätzliche Sicherheit würde hier eine katalytische Umsetzung zu Wasserdampf darstellen.
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Weitere Merkmale und Vorteile wird der Fachmann den nachfolgend mit Bezug auf die beigefügte Zeichnung beschriebenen Ausführungsbeispielen entnehmen. Dabei zeigen:
- 1: einen Gasspeicher gemäß einem Ausführungsbeispiel,
- 2: eine Detektionsvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel, und
- 3: eine Detektionsvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel.
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1 zeigt einen Gasspeicher 5 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Bei dieser und auch bei den anderen Figuren sei erwähnt, dass es sich um schematische Darstellungen handelt.
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Der Gasspeicher 5 weist einen inneren Tank 10 auf. Dieser umschließt ein Speichervolumen 12. Der innere Tank 10 ist dabei insbesondere dazu ausgebildet, in dem Speichervolumen 12 Wasserstoff unter Druck, beispielsweise bei 700 bar, zu speichern.
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Dem inneren Tank 10 ist eine Ablassvorrichtung 15 zugeordnet, mittels welcher in kontrollierter Weise Wasserstoff aus dem Speichervolumen 12 abgelassen werden kann.
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Der Gasspeicher 5 weist einen äußeren Tank 20 auf. Dieser umgibt den inneren Tank 10 vollständig. Dadurch wird zwischen dem inneren Tank 10 und dem äußeren Tank 20 ein Zwischenvolumen 30 ausgebildet.
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In dem Zwischenvolumen 30 ist eine Flüssigkeit 35 eingefüllt, welche vorliegend destilliertes Wasser ist.
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Sollte aufgrund einer Leckage in dem inneren Tank 10 Wasserstoff aus dem Speichervolumen 12 in das Zwischenvolumen 30 gelangen, so bilden sich in der Flüssigkeit 35 Gasblasen 40. Aufgrund der Wirkung der Schwerkraft und ihrer wesentlich geringeren Dichte im Vergleich zur Flüssigkeit 35 steigen diese Gasblasen 40 nach oben.
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An der obersten Stelle des äußeren Tanks 20 befindet sich eine Detektionsvorrichtung 50. Die Detektionsvorrichtung 50 ist vorliegend als Gasblasendetektor 52 ausgeführt. Dieser ist dazu ausgebildet, den Wasserstoff, welcher sich in der Flüssigkeit 35 in Form von Gasblasen 40 gesammelt hat, welche nach oben gestiegen sind, zu detektieren. Hierzu wird Licht durch die Flüssigkeit 35 geleitet, deren Transmissionseigenschaften sich in Abhängigkeit von der Anzahl vorhandener Gasblasen verändern. Dadurch kann eine Leckage in dem inneren Tank 10 in besonders vorteilhafter Weise detektiert werden, so dass entsprechende Schutzmaßnahmen eingeleitet werden können oder eine Reparatur des inneren Tanks 10 veranlasst werden kann.
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Die Detektionsvorrichtung 50 kann auch auf andere Arten ausgeführt werden. Beispielhafte Ausführungen sind nachfolgend mit Bezug auf die 2 und 3 beschrieben. Diese können mit den sonstigen in 1 dargestellten Komponenten kombiniert werden.
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2 zeigt eine Detektionsvorrichtung 50 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel sowie umgebende Komponenten. Die Detektionsvorrichtung 50 ist als Volumendetektor 54 ausgeführt, welcher hier lediglich schematisch dargestellt ist und dazu ausgebildet ist, ein über der Flüssigkeit 35 befindliches Gasvolumen 45, welches sich durch die nach oben gestiegenen Gasblasen 40 gebildet hat, zu detektieren. Hierzu wird eine Länge des flexiblen Volumendetektors 54 detektiert, wobei der Volumendetektor 54 umso länger wird, je größer das Gasvolumen 45 ist. Dadurch kann das Vorhandensein von gasförmigem Wasserstoff zuverlässig detektiert werden, was wiederum auf ein Leck in dem inneren Tank 10 hinweist.
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Obenseitig ist des Weiteren ein Ablassventil 25 ausgebildet, mittels welchem das Gasvolumen 45 in definierter Weise abgelassen werden kann. Dadurch kann beispielsweise die Bildung eines explosionsfähigen Gemisches außerhalb des Gasspeichers 5 verhindert werden.
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3 zeigt eine Detektionsvorrichtung 50 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel sowie umgebende Komponenten.
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Im Gegensatz zum ersten Ausführungsbeispiel ist die Detektionsvorrichtung 50 als Druckdetektor 56 mit einer Membran 58 ausgeführt, welche über dem Gasvolumen 45 angeordnet ist. Bei Vorhandensein des Gasvolumens 45, insbesondere aufgrund eines Lecks in dem inneren Tank 10, wird die Membran 58 gedehnt, was beispielsweise mittels eines nicht dargestellten Dehnungsmessstreifens erkannt werden kann. Auf diese Weise kann ebenfalls ein Leck in dem inneren Tank 10 detektiert werden.
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Die hierin beschriebenen Ausführungen dienen insbesondere dazu, ein Leck in dem inneren Tank 10 zu detektieren, und bieten dabei eine wesentlich niedrigere Nachweisgrenze als aus dem Stand der Technik bekannte Verfahren. Dadurch kann ein Leck frühzeitig erkannt werden und es können geeignete Sicherheitsmaßnahmen eingeleitet werden. Die Sicherheit eines Gasspeichers, welcher beispielsweise mit brennbarem gasförmigem Kraftstoff gefüllt sein kann, wird dadurch erheblich erhöht.
