DE102019202894B4 - Druckgasspeicher sowie Fahrzeug mit einem solchen Druckgasspeicher - Google Patents

Abstract

Druckgasspeicher (1), umfassend- einen ersten Druckbehälter (1.1), in welchem ein Druckgas erster Art mit einem ersten Druck (p1) speicherbar ist, und- wenigstens einen den ersten Druckbehälter (1.1) druckdicht umschließenden zweiten Druckbehälter (1.2), wobei im Zwischenraum (1.20) zwischen dem ersten Druckbehälter (1.1) und dem zweiten Druckbehälter (1.2) ein Druckgas erster Art oder ein Druckgas zweiter Art mit einem zweiten Druck (p2) speicherbar ist, wobei der erste Druck (p1) größer als der zweite Druck (p2) ist, gekennzeichnet durch- einen mäanderförmigen Rohrspeicher (1.11) als ersten Druckbehälter (1.1),- ein Gehäuse (1.21) zur Aufnahme des Rohrspeichers (1.11) als zweiten Druckbehälter (1.2), wobei- der mäanderförmige Rohrspeicher (1.11) aus zylinderförmigen Rohrspeicherabschnitten (1.110) und bogenförmigen Rohrspeicherabschnitten (1.111) zum Verbinden der zylinderförmigen Rohrspeicherabschnitte (1.110) besteht, und- die zylinderförmigen Rohrspeicherabschnitte (1.110) bezüglich einer Längsachse (S) der zylinderförmigen Rohrspeicherabschnitte (1.110) parallel angeordnet sind.

Description

• Die Erfindung betrifft einen Druckgasspeicher, insbesondere für den Einbau in ein Fahrzeug sowie ein Fahrzeug mit einem Druckgasspeicher.
• Druckgasspeicher zum Speichern von Gas unter hohem Druck sind aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt und dienen bspw. zum Speichern von Erdgas oder Wasserstoff für Brennstoffzellenfahrzeuge und/oder Hybrid-Fahrzeuge mit einem Gasmotor. Druckgasspeicher sind in verschiedenen Ausführungen bekannt. So sind flaschenförmige Speicher mit einem vergleichsweise großen Durchmesser im Verhältnis zu ihrer Länge bekannt. Sogenannte Rohrspeicher, die flaschenförmig mit einem kleinen Durchmesser im Verhältnis zur Länge ausgeführt sind, werden zu einem modularen Druckbehälter als Druckgasspeicher gefaltet.
• Die Herstellung solcher mäanderförmigen Rohrspeicher zum Speichern und Abgeben eines Druckgases sowie dessen Anordnung in einem Gehäuse ist bspw. aus der WO 2016/ 205 372 A2 und der WO 2017/ 096 283 A1 bekannt. Die Anordnung eines von einem Gehäuse aufgenommenen mäanderförmig gefalteten Rohrspeichers in einem Fahrzeug beschreibt die WO 2018/ 183 764 A1 .
• Ein gattungsbildender Druckgasspeicher mit mehreren ineinander verschachtelten Druckbehältern ist sowohl aus der DE 101 60 701 A1 als auch der US 3 282 459 A bekannt. Sowohl der innere Druckbehälter als auch der Zwischenraum zwischen dem äußeren und dem inneren Druckbehälter wird mit Flüssigkeit oder Gas befüllt, wobei der maximale Innendruck des inneren Behälters größer ist als der Druck in dem Zwischenraum zwischen dem inneren und äußeren Druckbehälter. Der innere Behälter wird durch den an seiner Außenwand anliegenden Druck entlastet und weist daher ein größeres Fassungsvermögen auf als ohne einen solchen von dem äußeren Druckbehälter erzeugten Entlastungsdruck. Es können auch mehr als zwei Druckbehälter ineinander verschachtelt werden, wobei der Druck in diesen Druckbehältern von innen nach außen abnimmt.
• Der Aufbau solcher Druckgasspeicher sowie deren Befüllung und Entleerung wird nachfolgend anhand der 2, 3 und 4 beschrieben.
• Der in den 2 und 3 dargestellte Druckgasspeicher 1 besteht aus einem zylinderförmigen ersten Druckbehälter 1.1 mit einem ersten mittleren Durchmesser dm₁ und einem diesen ersten Druckbehälter 1.1 umschließenden zweiten Druckbehälter 1.2 mit einem zweiten mittleren Durchmesser dm₂ . Bezüglich einer Längsachse S sind diese beiden Druckbehälter 1.1 und 1.2 konzentrisch angeordnet.
• Der mittlere Durchmesser dm berechnet sich gemäß der Formel $$\text{dm}=\left(\text{D}+\text{d}\right)/2,$$

  

  wobei D der äußere Durchmesser und d der innere Durchmesser eines zylinderförmigen Druckbehälters ist.
• Sowohl der erste Druckbehälter 1.1 als auch der zweite Druckbehälter 1.2 werden mit einem Druckgas erster Art, bspw. mit Wasserstoff, Erdgas oder Autogas befüllt, jedoch mit unterschiedlichen Druckniveaus. Zum Befüllen und Entleeren des Druckgasspeichers 1 befindet sich gemäß 2 an einem Ende des Druckgasspeichers 1 ein Tankventil 2, mit welchem der innere erste Druckbehälter 1.1 und der Zwischenraum 1.20 zwischen dem ersten Druckbehälter 1.1 und dem zweiten Druckbehälter 1.2 mit dem Druckgas erster Art befüllt und wieder entleert werden kann.
• Im befüllten Zustand des Druckgasspeichers 1 befindet sich Druckgas erster Art im ersten Druckbehälter 1.1 mit einem ersten Druck p₁ und gleichzeitig im zweiten Druckbehälter 1.2, also in dem Zwischenraum 1.20 zwischen dem ersten und zweiten Druckbehälter 1.1 und 1.2, mit einem zweiten Druck p₂ , wobei der erste Druck p₁ größer als der zweite Druck p₂ ist: p₁ > p₂ .
• Mit der sogenannten Kesselformel lässt sich die Tangentialspannung σ_t in der Behälterwand eines zylinderförmigen Druckbehälters berechnen: $${\mathrm{\sigma }}_t=\frac{P\ast dm}{2\ast t},$$

  

  mit
• σ_t = Tangential-Spannung in N/mm²
• p = Druck in MPa
• dm = mittlere Durchmesser in mm
• t = Wandstärke
• Mit dieser auf den ersten Druckbehälter 1.1 des Druckgasspeichers 1 angewendeten Kesselformel und folgenden beispielhaft angegebenen Größen (das Verhältnis von p₁ zu p₂ kann variieren):
• p₁ = 70 MPa,
• p₂ = 35 MPa,
• dm₁ = 350 mm, und
• einer zulässigen Tangentialspannung σ_t = 500 N/mm²
• ergibt sich für die Wandstärke t₁:
$$t_1=\frac{\left(70Mpa-35MPa\right)\ast 350\text{ mm}}{2\ast 500N/m{m}^2}=\mathrm{12,25}mm.$$

• Im Vergleich hierzu ergibt sich für die Wandstärke t₀ eines Druckbehälters gleicher Größe, jedoch ohne einen diesen umgebenden weiteren Druckbehälter mit den Größen
• p₁ = 70 MPa,
• dm₁ = 350 mm, und
• einer zulässigen Tangentialspannung σ_t = 500 N/mm²
• eine Wandstärke to:
$$t_0=\frac{70Mpa\ast 350\text{ mm}}{2\ast 500N/m{m}^2}=\mathrm{24,50}mm.$$

• Daraus folgt, dass die Wandstärke t₁ des ersten Druckbehälters 1.1 des Druckgasspeichers 1 nur 50 % der Dicke eines Druckbehälters ohne einen denselben umgebenden zweiten Druckbehälter entspricht: $$t_1=\mathrm{0,5}\ast t_0.$$

  
• Dieses Ergebnis erklärt sich dadurch, dass der zweite Druck p₂ in dem Zwischenraum zwischen dem ersten Druckbehälter 1.1 und dem zweiten Druckbehälter 1.2 dem ersten Druck p₁ entgegenwirkt und somit den ersten Druckbehälter abstützt. Der zweite Druck p₂ wirkt damit als Stützdruck für den inneren, also den ersten Druckbehälter 1.1. Infolgedessen kann die Wandstärke t₁ reduziert werden, wie dies anhand des oben aufgeführten Berechnungsbeispiels gezeigt ist. In diesem Fall kann die Wandstärke um 50 % reduziert werden.
• Der mit einer geringeren Wandstärke t₁ hergestellte erste Druckbehälter 1.1 weist natürlich auch ein geringeres Gewicht im Vergleich zu einem Druckbehälter ohne einen denselben umgebenden weiteren Druckbehälter auf.
• Für die Herstellung eines solchen Druckbehälters 1.1, unabhängig vom Typ des Druckbehälters, ist der Materialaufwand deutlich reduziert, was sich nicht nur auf das Gewicht sondern auch auf die Herstellkosten positiv auswirkt. Für die Herstellung eines Druckbehälters 1.1 nach Typ 3 oder 4 aus faserverstärkten Verbundmaterialien sind somit weniger Kohlenstofffasern erforderlich, was zu geringen Herstellungskosten und einem reduzierten Gewicht führt, zusätzlich wird mehr Volumen für Druckgas als Kraftstoff oder Energieträger geschaffen.
• Auch der zweite Druckbehälter 1.2 kann aufgrund des geringeren zweiten Druckes p₂ im Vergleich zu einem Druckbehälter mit einem Druck p₁ mit einer geringeren Wandstärke t₂ hergestellt werden.
• Ein solcher Druckgasspeicher 1 mit einem ersten und zweiten Druckbehälter 1.1 und 1.2 kann als Typ 1-, Typ 2-, Typ 3- oder Typ 4-Druckbehälter hergestellt werden. Für den Einsatz in einem Fahrzeug ist es besonders gewichtssparend, wenn ein solcher Druckgasspeicher 1 als Typ 3- oder Typ 4-Druckbehälter aus faserverstärkten Verbundmaterialien mit Kohlenstofffasern hergestellt wird. Gemäß 2 weist der zweite Druckbehälter 1.2 auf seiner Innenwandung einen Kunststoffliner 1.2a als Innenauskleidung auf, welche eine Ausdiffundierung des Druckgases, bspw. von Wasserstoff verhindert.
• Zum Befüllen des Druckgasspeichers 1 weist dieser gemäß 2 ein Tankventil 2 mit einer ersten Einströmlanze 2.1 zum Befüllen des ersten Druckbehälters 1.1 und mit einer zweiten Einströmlanze 2.2 zum Befüllen des zweiten Druckbehälters 1.2, d. h. des Zwischenraum 1.20 zwischen dem ersten und zweiten Druckbehälter 1.1 und 1.2. Eine Versorgungsleitung 2.4 zum Zuführen des Druckgases erster Art ist über ein elektromagnetisches Absperrventil 2.5 sowohl mit der ersten als auch mit der zweiten Einströmlanze 2.1 und 2.2 verbindbar. In der zweiten Einströmlanze 2.2 ist ein federbelastetes Überdruckventil (auch Druckbegrenzungsventil genannt) 2.3 angeordnet.
• Die Befüllung des Druckgasspeichers 1 nach 2 wird gemäß der DE 101 60 701 A1 mit folgenden Verfahrensschritten durchgeführt, wobei der erste Druckbehälter 1.1 bis zu einem ersten Druck p₁ und der zweite Druckbehälter 1.2 bis zu einem zweiten Druck p₂ befüllt wird.
• Zunächst wird bei offenem Absperrventil 2.5 gleichzeitig sowohl der erste Druckbehälter 1.1 als auch der zweite Druckbehälter 1.2 mit dem Druckgas erster Art bis zum zweiten Druck p₂ befüllt. Das Überdruckventil 2.3 ist so eingestellt, dass es bei diesem zweiten Druck p₂ die zweite Einströmlanze 2.2 sperrt und somit der Druck in diesem Zwischenraum 1.20 zwischen dem ersten und zweiten Druckbehälter 1.1 und 1.2 auf den zweiten Druck p₂ begrenzt wird.
• Der Befüllvorgang wird weitergeführt, indem der erste Druckbehälter 1.1 weiter bis zum ersten Druck p₁ über die erste Einströmlanze 2.1 mit dem Druckgas erster Art befüllt wird. Mit dem Erreichen des ersten Druckes p₁ wird der Befüllvorgang abgeschlossen.
• Ist dem Absperrventil 2.5 ein Rückschlagventil parallel geschaltet, kann der Befüllvorgang über dieses Rückschlagventil auch bei geschlossenem Tankventil 2, also bei geschlossenem Absperrventil 2.5 durchgeführt werden.
• Die Entleerung des Druckgasspeichers 1 erfolgt in umgekehrter Weise, indem zunächst über das geöffnete Absperrventil 2.5 der erste Druckbehälter 1.1 bis auf den zweiten Druck p₂ entleert wird. Mit dem Erreichen dieses zweiten Druckes p₂ öffnet das Überdruckventil 2.3, wodurch beide Druckbehälter 1.1 und 1.2 gemeinsam entleert werden.
• Der Druckgasspeicher 1 gemäß den 2 und 3 kann auch mit unterschiedlichen Gasarten befüllt werden. So kann der erste Druckbehälter 1.1 mit einem Druckgas erster Art, also bspw. Wasserstoff, Erdgas oder Autogas befüllt werden und der zweite Behälter 1.2 aus Sicherheitsgründen mit einem Druckgas zweiter Art, also bspw. einem Inertgas, wie Stickstoff befüllt werden. Hierzu ist jedoch das Tankventil 2 entsprechend anzupassen.
• Der in 4 dargestellte Druckgasspeicher 1 unterscheidet sich von demjenigen gemäß 3 dadurch, dass ein weiterer Druckbehälter 1.3 vorgesehen ist, welcher den zweiten Druckbehälter 1.2 umschließt. Auch dieser Druckgasspeicher 1 gemäß 4 eignet sich für den Einbau in ein Fahrzeug.
• Damit besteht dieser Druckgasspeicher 1 gemäß 4 aus einem ersten zylinderförmigen Druckbehälter 1.1 mit einem ersten mittleren Durchmesser dm₁ , einem diesen ersten Druckbehälter 1.1 umschließenden zweiten zylinderförmigen Druckbehälter 1.2 mit einem zweiten mittleren Durchmesser dm₂ und einem den zweiten Druckbehälter 1.2 umschließenden dritten zylinderförmigen Druckbehälter 1.3 mit einem dritten mittleren Durchmesser dm₃ . Bezüglich einer Längsachse S sind diese 3 Druckbehälter 1.1, 1.2 und 1.3 konzentrisch angeordnet. Für die mittleren Durchmesser dm₁ , dm₂ und dm₃ gilt: $${\text{dm}}_1<{\text{dm}}_2<{\text{dm}}_3.$$

  
• Wie in dem Druckgasspeicher 1 gemäß den 2 und 3 wird auch in diesem Druckgasspeicher 1 gemäß 4 Druckgas erster Art mit unterschiedlichen Druckniveaus in den drei Druckbehältern 1.1, 1.2 und 1.3 gespeichert.
• Der erste Druckbehälter 1.1 wird mit einem ersten Druck p₁ , der zweite Druckbehälter 1.2, also der Zwischenraum 1.20 zwischen dem ersten und zweiten Druckbehälter 1.1 und 1.2 mit einem zweiten Druck p₂ und der dritte Druckbehälter 1.3, also der Zwischenraum 1.30 zwischen dem zweiten und dritten Druckbehälter 1.2 und 1.3 mit einem dritten Druck p₃ befüllt, wobei für diese Drücke gilt: $${\text{p}}_1>{\text{p}}_2>{\text{p}}_3\dots >{\text{p}}_{\text{i}},$$

  

  wobei dies für beliebig viele Druckbehälter 1.i (i ∈ N) gilt.
• Auch bei diesem Druckgasspeicher 1 gemäß 4 wirkt der zweite Druck p₂ entgegen des ersten Druckes p₁ und damit als Stützdruck für diesen ersten Druck p₁ . Wie oben im Zusammenhang mit dem Druckgasspeicher gemäß den 2 und 3 mittels der Kesselformel gezeigt, kann die Wandstärke t₁ des ersten Druckbehälters 1.1 geringer ausgeführt werden im Vergleich zu einem Druckbehälter mit einem Druck p₁ .
• Entsprechendes gilt auch für den zweiten Druckbehälter 1.2, welcher von dem dritten Druckbehälter 1.3 umschlossen wird. So wirkt der dritte Druck p₃ in dem Zwischenraum 1.30 zwischen dem zweiten und dritten Druckbehälter 1.2 und 1.3 entgegen des zweiten Druckes p₂ und damit ebenso als Stützdruck. Infolgedessen kann die Wandstärke t₂ des zweiten Druckbehälters 2 geringer ausfallen als ohne einen solchen dritten Druckbehälter 1.3. Schließlich kann auch die Wandstärke t₃ des dritten Druckbehälters 1.3 aufgrund des niedrigen dritten Druckes p₃ im Vergleich zu einem Druckbehälter mit einem dem ersten oder zweiten Druck p₁ oder p₂ entsprechenden Innendruck geringer gewählt werden.
• Die Befüllung des Druckgasspeichers 1 nach 4 wird mit folgenden Verfahrensschritten durchgeführt, wobei der erste Druckbehälter 1.1 bis zu einem ersten Druck p₁ , der zweite Druckbehälter 1.2 bis zu einem zweiten Druck p₂ und der dritte Druckbehälter 1.3 bis zu einem dritten Druck p₃ befüllt wird.
• Zunächst wird gleichzeitig der erste Druckbehälter 1.1, der zweite Druckbehälter 1.2 und der dritte Druckbehälter 1.3 mit dem Druckgas erster Art bis zum dritten Druck p₃ befüllt. Wenn der dritte Druck p₃ erreicht ist, wird der Druck in diesem Zwischenraum 1.30 zwischen dem zweiten und dritten Druckbehälter 1.2 und 1.3 auf diesen dritten Druck p₃ begrenzt.
• Der Befüllvorgang wird weitergeführt, indem gleichzeitig der erste Druckbehälter 1.1 und der zweite Druckbehälter 1.2 weiter bis zu dem zweiten Druck p₂ befüllt werden. Mit dem Erreichen des zweiten Druckes p₂ wird der Druck in dem Zwischenraum 1.20 zwischen dem ersten und zweiten Druckbehälter 1.1 und 1.2 auf diesen zweiten Druck p₂ begrenzt.
• Der Befüllvorgang wird zu Ende geführt, indem der erste Druckbehälter 1.1 weiter bis zum ersten Druck p₁ mit dem Druckgas erster Art befüllt wird.
• Die Entleerung des Druckgasspeichers 1 erfolgt in umgekehrter Weise, indem zunächst der erste Druckbehälter 1.1 bis auf den zweiten Druck p₂ entleert wird. Anschließend werden der erste und zweite Druckbehälter 1.1 und 1.2 gemeinsam bis auf den dritten Druck p₃ entleert. Mit dem Erreichen dieses dritten Druckes p₃ werden alle drei Druckbehälter 1.1, 1.2 und 1.3 gemeinsam entleert.
• Ein Tankventil zum Befüllen und Entleeren des Druckgasspeichers 1 gemäß 4 ist entsprechend demjenigen gemäß 2 aufgebaut und weist lediglich zusätzlich eine dritte Einströmlanze mit einem zugehörigen Überdruckventil bzw. Druckbegrenzungsventil auf. Dieses weitere Überdruckventil ist auf den dritten Druck p₃ eingestellt.
• Des Weiteren ist aus der DE 11 2012 001 789 T5 ein Druckgasspeicher bekannt, welcher einen inneren Druckbehälter umfasst, der von einem äußeren Druckbehälter mit einer höheren Feuerbeständigkeit als der innere Druckbehälter umgeben ist. Der innere Druckbehälter wird mit Gas mit einem höheren Druck als der äußere Druckbehälter befüllt. Der äußere Druckbehälter weist eine Druckentlastungsvorrichtung zum Kontrollieren von Lecks des inneren Druckbehälters auf.
• Schließlich beschreibt auch die US 3 252 610 A einen Druckgasspeicher mit einem wendelförmigen Rohrspeicher als ersten Druckbehälter und einem Gehäuse zur Aufnahme des Rohrspeichers als zweiten Druckbehälter, wobei der Druck innerhalb des ersten Druckbehälters größer als der Druck im zweiten Druckbehälter ist.
• Der Vollständigkeit halber sei noch auf die US 2015 / 345 708 A1 sowie die DE 10 2007 052 639 A1 verwiesen, aus welchen Einströmlanzen und Versorgungsleitungen zum Befüllen und Entleeren von Druckspeichern bekannt sind.
• Es ist Aufgabe der Erfindung einen Druckgasspeicher zum Speichern eines Druckgases, wie bspw. Wasserstoff oder Erdgas anzugeben, mit welchem eine hohe Gewichtseffizienz und eine hohe Raumausnutzung erzielt wird. Ferner ist es Aufgabe der Erfindung ein Fahrzeug mit einem erfindungsgemäßen Druckgasspeicher anzugeben.
• Die erstgenannte Aufgabe wird gelöst durch einen Druckgasspeicher mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.
• Ein solcher Druckgasspeicher umfasst
• - einen ersten Druckbehälter, mit welchem ein Druck aus erster Art mit einem ersten Druck speicherbar ist, und
• - wenigstens einen den ersten Druckbehälter druckdicht umschließenden zweiten Druckbehälter, wobei im Zwischenraum zwischen dem ersten Druckbehälter und dem zweiten Druckbehälter ein Druckgas erster Art oder ein Druckgas zweiter Art mit einem zweiten Druck speicherbar ist, wobei der erste Druck größer als der zweite Druck ist.
• Erfindungsgemäß ist ein mäanderförmige Rohrspeicher als erste Druckbehälter und ein Gehäuse zur Aufnahme des Rohrspeichers als zweiter Druckbehälter vorgesehen, wobei
• - der mäanderförmige Rohrspeicher aus zylinderförmigen Rohrspeicherabschnitten und bogenförmigen Rohrspeicherabschnitten zum Verbinden der zylinderförmigen Rohrspeicherabschnitte besteht, und
• - die zylinderförmigen Rohrspeicherabschnitte bezüglich einer Längsachse der zylinderförmigen Rohrspeicherabschnitte parallel angeordnet sind.
• Bei einem solchen Druckgasspeicher wird nicht nur der erste Druckbehälter mit einem Druckgas erster Art, wie bspw. Wasserstoff, Erdgas (CNG) oder Autogas (LPG), sondern auch der zweite Druckbehälter, d. h. der Zwischenraum zwischen dem ersten Druckbehälter und dem zweiten Druckbehälter mit einem Druckgas erster Art, wie bspw. Wasserstoff, Erdgas oder Autogas oder einem Druckgas zweiter Art, nämlich einem nichtbrennbaren Gas(Inertgas), bspw. Stickstoff befüllt, jedoch mit einem geringeren Druck im Vergleich zum ersten Druckbehälter. Mit dem in dem Zwischenraum zwischen dem ersten und zweiten Druckbehälter aufgebauten Gasdruck erfolgt eine Abstützung des ersten Druckbehälters mit der Folge, dass der erste Druckbehälter mit einer geringeren Wandstärke ausgeführt werden kann im Vergleich zu einem Druckbehälter mit gleichem Durchmesser, jedoch ohne einen denselben umgebenden zweiten Druckbehälter. Hierbei wird die Wandstärke des zweiten Druckbehälters aufgrund des niedrigeren zweiten Drucks ebenso mit einer geringeren Wandstärke im Vergleich zu einem mit dem ersten Druck gefüllten Druckbehälter.
• Eine maximale Befüllung des Druckgasspeichers dadurch erreicht, dass auch in dem Zwischenraum zwischen dem ersten und zweiten Druckbehälter ein Druck Druckgas erster Art, wie bspw. Wasserstoff, Erdgas oder Autogas gespeichert wird. Bei hohen Sicherheitsanforderungen kann dieser Zwischenraum auch mit einem nichtbrennbaren Druckgas(Inertgas) bspw. Stickstoff gefüllt sein.
• Nach einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung sind die zylinderförmigen Rohrspeicherabschnitte mit einem weiteren zylinderförmigen Druckbehälter umgeben.
• Ein solcher Druckgasspeicher mit einem ersten und zweiten Druckbehälter kann entsprechend der bekannten Typisierung nach Typ 1 bis Typ 4 hergestellt werden, insbesondere aus faserverstärkten Verbundmaterialien mit Kohlenstofffasern mit einem Metall- oder Kunststoffliner als Innenauskleidung für den Einsatz in Fahrzeugen (Typ 3 und 4).
• In vorteilhafter Weise können bei diesem erfindungsgemäßen Druckgasspeicher auch die Hohlräume in dem Gehäuse zur Speicherung des Druckgases des erster Art, wie bspw. Wasserstoff, Erdgas oder Autogas oder zur Speicherung des Druckgases zweiter Art, wie bspw. einem Inertgas, wie Stickstoff genutzt werden.
• Hierbei kann für das Gehäuse des mäanderförmige Rohrspeichers jede passende geometrische äußere Form eingesetzt werden, wie bspw. quaderförmig oder zylinderförmig.
• Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung umfasst der Druckgasspeicher ein Tankventil mit
• - einer ersten Einströmlanze zum Befüllen und Entleeren des ersten Druckbehälters,
• - wenigstens einer zweiten Einströmlanze mit einem zur Druckbegrenzung vorgesehenen Überdrückventil zum Befüllen und Entleeren des zweiten Druckbehälters, und
• - einer Versorgungsleitungen zum Zuführen und Abführen des Druckgases erster Art oder zweiter Art.
• Mit einem solchen Tankventil kann sowohl das Befüllen als auch das Entleeren durchgeführt werden. Mit dem Überdruckventil der zweiten Einströmlanze erfolgt eine selbstregelnde Befüllung bzw. Entleerung des zweiten Druckbehälters, welches auf den zweiten Druck eingestellt ist. Wird beim Befüllen dieser zweite Druck erreicht, schließt dieses Überdruckventil. Beim Entleeren des Druckgasspeichers öffnet das Überdruckventil, wenn der zweite Druck erreicht wird. Entsprechendes gilt bei einem Druckgasspeicher mit einem dritten Druckbehälter, bei welchem das Tankventil eine dritte Einströmlanze mit einem auf das dritte Druckniveau eingestellten Überdruckventil aufweist. Vorzugsweise ist das Tankventil als selbstregelndes Tankventil, als federrückstellbares Tankventil, als elektrisch steuerbares Tankventil oder als mechanisch voreingestelltes Tankventil ausgebildet.
• Die zweitgenannte Aufgabe wird gelöst durch ein Fahrzeug mit den Merkmalen des Patentanspruches 5 und mit den Merkmalen des Patentanspruchs 6.
• Der erfindungsgemäße Druckgasspeicher kann mit Vorteil in Fahrzeugen aller Art eingesetzt werden.
• Nach der erstgenannten Lösung ist ein solches einen erfindungsgemäßen Druckgasspeicher aufweisendes Fahrzeug mit einem Gasmotor als Fahrmotor oder zur Reichweitenverlängerung (Range-Extender) ausgebildet, wobei
• - das Druckgas erster Art des Druckgasspeichers als Treibstoff dem Erdgasmotor zuführbar ist, und
• - zur Realisierung einer Druckminderungsfunktion der Druckgasspeicher mit Druckgas erster Art im zweiten oder dritten Druckbehälter mit einem zweiten oder dritten Druck befüllt ist, welcher dem Arbeitsdruck des Erdgasmotors entspricht.
• Damit wird mit einem solchen erfindungsgemäßen Druckgasspeicher für eine nachfolgende Komponente, in diesem Fall für einen Gasmotor eine Druckminderungsfunktion realisiert. Damit entfällt ein separates Bauteil für die Druckminderung, wodurch sowohl Bauraum und Gewicht als auch Kosten eingespart werden. Dieser Gasmotor ist entweder als Fahrmotor für ein Fahrzeug oder als Range-Extender eingesetzt, mit welchem die Reichweite des Fahrzeugs erhöht wird. Mit einem Gasmotor des Range-Extenders wird entweder ein Akkumulator oder ein Elektromotor als Fahrmotor des Fahrzeugs mit Strom versorgt.
• Nach der zweitgenannten Lösung ist ein solches einen erfindungsgemäßen Druckgasspeicher aufweisendes Fahrzeug mit einer Brennstoffzelle und einem Elektromotor als Fahrmotor ausgebildet, wobei
• - das Druckgas erster Art des Druckgasspeichers als Energieträger der Brennstoffzelle zuführbar ist, und
• - zur Realisierung einer Druckminderungsfunktion der Druckgasspeicher mit Druckgas erster Art im zweiten oder dritten Druckbehälter mit einem zweiten oder dritten Druck befüllt ist, welcher dem Arbeitsdruck der Brennstoffzelle entspricht.
• Auch bei diesem Brennstoffzellenfahrzeug wird mit diesem erfindungsgemäßen Druckgasspeicher eine Druckminderungsfunktion für die nachfolgende Komponente, in diesem Fall für die Brennstoffzelle reaktiviert. Damit entfällt ein separates Bauteil für die Druckminderung, wodurch sowohl Bauraum und Gewicht als auch Kosten eingespart werden.
• Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnungen. Dabei zeigen:
• 1 eine perspektivische Darstellung eines Druckgasspeichers mit einem in einem Gehäuse angeordneten mäanderförmigen Rohrspeicher als Ausführungsbeispiel,
• 2 eine Teildarstellung eines Druckgasspeichers mit einem ersten und zweiten Druckbehälter einschließlich eines Tankventils in einem Längsschnitt gemäß Stand der Technik,
• 3 eine Schnittdarstellung des Schnittes I-I des in 2 dargestellten Druckgasspeichers,
• 4 eine Schnittdarstellung eines Druckgasspeichers mit einem ersten, zweiten und dritten Druckbehälter gemäß Stand der Technik.
• Der in den 2, 3 und 4 dargestellte Druckgasspeicher 1 ist bereits in der Beschreibungseinleitung beschrieben.
• Der in 1 dargestellte Druckgasspeicher 1 ist für den Einbau in ein Brennstoffzellen-Fahrzeug oder in ein Fahrzeug mit einem Gasmotor geeignet.
• Bei dem Druckgasspeicher 1 gemäß 1 ist ein mäanderförmiger Rohrspeicher 1.11 als erster Druckbehälter 1.1 in einem druckfesten Gehäuse 1.21 als zweiter Druckbehälter 1.2 angeordnet.
• Gemäß 1 ist dieses Gehäuse 1.21 quaderförmig dargestellt. Das Gehäuse 1.21 kann auch mit anderen geometrischen Formen, wie bspw. als Zylinder oder als Kugel realisiert werden.
• Dieser mäanderförmige Rohrspeicher 1.11 besteht aus zylinderförmigen Rohrspeicherabschnitten 1.110, die bezüglich ihrer Längsachse S parallel in mehreren Lagen übereinander in dem Gehäuse 1.21 angeordnet sein können.
• Benachbarte Rohrspeicherabschnitte 1.110 werden endseitig mittels bogenförmigen Rohrspeicherabschnitten 1.111 verbunden.
• Auch bei diesem Druckgasspeicher 1 nach 1 wird sowohl der mäanderförmige Rohrspeicher 1.11 als erster Druckbehälter 1.1 als auch das Gehäuse 1.21 als zweiter Druckbehälter 1.2 mit Druckgas erster Art befüllt. Somit wird nicht nur der Rohrspeicher 1.11 zur Speicherung von Druckgas, sondern auch der Zwischenraum zwischen dem Rohrspeicher 1.11 und der Gehäusewand des Gehäuses 1.21 zur Speicherung genutzt. So wird der Rohrspeicher 1.11 mit einem ersten Druck p₁ und das Gehäuse 1.21, also die Zwischenräume in diesem Gehäuse 1.21 mit einem zweiten Druck p₂ befüllt. Bspw. beträgt der erste Druck p₁ 70 MPa und der zweite Druck p₂ 20 MPa.
• Der Vorteil dieses Druckgasspeichers 1 nach 1 besteht darin, dass der mäanderförmige Rohrspeicher 1.11 auf einen geringeren Druck und damit mit einer geringeren Wandstärke ausgelegt werden kann, da der zweite Druck p₂ im Inneren des Gehäuses 1.21 als Stützdruck für den ersten Druck p₁ im Rohrspeicher 1.11 wirkt. Damit ergeben sich einerseits Potentiale für Einsparungen an Gewicht, Kosten und Fasern bei der Herstellung des Rohrspeichers aus faserverstärktem Kunststoff und andererseits für die Erhöhung von nutzbarer Gasmasse.
• Das Befüllen und das Entleeren des Druckgasspeichers nach 1 erfolgt mittels eines Tankventil 2, welches im Aufbau dem Tankventil 2 gemäß 2 entspricht. Damit wird der Befüllvorgang in gleicher Weise durchgeführt.
• Zunächst wird der mäanderförmige Rohrspeicher 1.11 als auch das Gehäuse 1.21 mit dem Druckgas erster Art bis zum zweiten Druck p₂ befüllt. Wird dieser zweiten Druck p₂ erreicht, wird der Druck in dem Zwischenraum des Gehäuses 1.21 auf den zweiten Druck p₂ begrenzt.
• Der Befüllvorgang wird weitergeführt, indem der mäanderförmige Rohrspeicher 1.11 weiter bis zum ersten Druck p₁ mit dem Druckgas erster Art befüllt wird. Mit dem Erreichen des ersten Druckes p₁ wird das Tankventil 2 geschlossen, falls es geöffnet war. Der Befüllvorgang kann auch bei geschlossenem Tankventil 2 durchgeführt werden, wenn ein Rückschlagventil vorgesehen ist.
• Der Druckgasspeicher 1 gemäß 1 kann auch mit unterschiedlichen Gasarten befüllt werden. So kann der mäanderförmige Rohrspeicher 1.11 mit einem Druckgas erster Art, also bspw. Wasserstoff, Erdgas oder Autogas und das Gehäuse 1.21 aus Sicherheitsgründen mit einem Druckgas zweiter Art, also bspw. einem Inertgas, wie Stickstoff befüllt werden.
• Der Druckgasspeicher 1 gemäß 1 kann auch derart weit entwickelt werden, dass die zylinderförmigen Rohrspeicherabschnitte 1.11 entsprechend von 3 mit einem weiteren zylinderförmigen Druckbehälter umgeben werden, welcher ebenso mit dem gleichen Druckgas wie die Rohrspeicherabschnitte 1.11 befüllt wird, jedoch mit einem niedrigeren Druck im Vergleich zu dem ersten Druck p₁ als Innendruck des Rohrspeicherabschnittes 1.11. Falls der Zwischenraum im Gehäuse 1.21 ebenso mit Druckgas befüllt wird, ist der Innendruck natürlich kleiner als der einen Rohrspeicherabschnitt 1.11 umschließenden Druckbehälter.
• Die Druckgasspeicher 1 gemäß des oben beschriebenen Ausführungsbeispieles sind geeignet für den Einsatz in Fahrzeugen mit einer Brennstoffzelle zur Erzeugung elektrischer Energie für eine elektrische Antriebsmaschine oder in Fahrzeugen mit einem Gasmotor als Fahrmotor oder als Rang-Extender zur Reichweitenerhöhung. Das Druckgas erster Art des Druckgasspeichers 1 wird als Treibstoff der Brennstoffzelle oder dem Gasmotor zugeführt. Zur Realisierung einer Druckminderungsfunktion wird der Druckgasspeicher 1 mit Druckgas erster Art im zweiten oder dritten Druckbehälter 1.2 oder 1.3 mit einem zweiten oder dritten Druck p₂ oder p₃ befüllt, welcher einem Arbeitsdruck p_A der Brennstoffzelle oder des Erdgasmotors entspricht.
• Damit wird mit einem solchen erfindungsgemäßen Druckgasspeicher mit einem Arbeitsdruck p_A für eine nachfolgende Komponente, in diesem Fall für den Gasmotor oder die Brennstoffzelle eine Druckminderungsfunktion realisiert. Damit entfällt ein separates Bauteil für die Druckminderung, wodurch sowohl Bauraum und Gewicht als auch Kosten eingespart werden.
• Bezugszeichenliste

1

Druckgasspeicher

1.1

erster Druckbehälter des Druckgasspeichers 1

1.11

Rohrspeicher

1.110

zylinderförmige Rohrspeicherabschnitte des Rohrspeichers 1.11

1.111

bogenförmige Rohrspeicherabschnitte des Rohrspeichers 1.11

1.2

zweiter Druckbehälter des Druckgasspeichers 1

1.2a

Kunststoffliner

1.21

Gehäuse des mäanderförmigen Rohrspeichers 1.11

1.20

Zwischenraum zwischen dem ersten und zweiten Druckbehälter 1.1, 1.2

1.3

dritter Druckbehälter des Druckgasspeichers 1

1.30

Zwischenraum zwischen dem zweiten und dritten Druckbehälter 1.2, 1.3

2

Tankventil

2.1

erste Einströmlanze

2.2

zweite Einströmlanze

2.3

Überdruckventil

2.4

Versorgungsleitung

2.5

Absperrventil

dm₁

erster Durchmesser

dm₂

zweiter Durchmesser

dm₃

dritter Durchmesser

p₁

erster Druck

p₂

zweiter Druck

p₃

dritter Druck

S

Längsachse des zylinderförmigen Rohrspeicherabschnittes 1.110

Claims (6)

1. Druckgasspeicher (1), umfassend - einen ersten Druckbehälter (1.1), in welchem ein Druckgas erster Art mit einem ersten Druck (p₁) speicherbar ist, und - wenigstens einen den ersten Druckbehälter (1.1) druckdicht umschließenden zweiten Druckbehälter (1.2), wobei im Zwischenraum (1.20) zwischen dem ersten Druckbehälter (1.1) und dem zweiten Druckbehälter (1.2) ein Druckgas erster Art oder ein Druckgas zweiter Art mit einem zweiten Druck (p₂) speicherbar ist, wobei der erste Druck (p₁) größer als der zweite Druck (p₂) ist, gekennzeichnet durch - einen mäanderförmigen Rohrspeicher (1.11) als ersten Druckbehälter (1.1), - ein Gehäuse (1.21) zur Aufnahme des Rohrspeichers (1.11) als zweiten Druckbehälter (1.2), wobei - der mäanderförmige Rohrspeicher (1.11) aus zylinderförmigen Rohrspeicherabschnitten (1.110) und bogenförmigen Rohrspeicherabschnitten (1.111) zum Verbinden der zylinderförmigen Rohrspeicherabschnitte (1.110) besteht, und - die zylinderförmigen Rohrspeicherabschnitte (1.110) bezüglich einer Längsachse (S) der zylinderförmigen Rohrspeicherabschnitte (1.110) parallel angeordnet sind.
2. Druckgasspeicher (1) nach Anspruch 1, bei welchem die zylinderförmigen Rohrspeicherabschnitte (1.110) mit einem weiteren zylinderförmigen Druckbehälter umgeben sind.
3. Druckgasspeicher (1) nach Anspruch 1 oder 2, umfassend ein Tankventil (2) mit - einer ersten Einströmlanze (2.1) zum Befüllen und Entleeren des ersten Druckbehälters (1.1), - wenigstens einer zweiten Einströmlanze (2.2) mit einem zur Druckbegrenzung vorgesehenen Überdruckventil (2.3) zum Befüllen und Entleeren des zweiten Druckbehälters (1.2), und - einer Versorgungsleitung (2.4) zum Zuführen und Entleeren des Druckgases erster Art oder zweiter Art.
4. Druckgasspeicher (1) nach Anspruch 3, bei welchem das Tankventil (2) als selbstregelndes Tankventil, als federrückstellbares Tankventil, als elektrisch steuerbares Tankventil oder als mechanisch voreingestelltes Tankventil ausgebildet ist.
5. Fahrzeug mit - einem Druckgasspeicher gemäß den Ansprüchen 1 bis 4, und - einem Gasmotor als Fahrmotor oder zur Reichweitenerhöhung, wobei - das Druckgas erster Art des Druckgasspeichers (1) als Treibstoff dem Erdgasmotor zuführbar ist, und - zur Realisierung einer Druckminderungsfunktion der Druckgasspeicher (1) mit Druckgas erster Art im zweiten Druckbehälter (1.2) mit einem zweiten Druck (p₂) befüllt ist, welcher dem Arbeitsdruck (p_A) des Erdgasmotors entspricht.
6. Fahrzeug mit - einem Druckgasspeicher gemäß den Ansprüchen 1 bis 4, und - einer Brennstoffzelle und einem Elektromotor als Fahrmotor, wobei - das Druckgas erster Art des Druckgasspeichers (1) als Energieträger der Brennstoffzelle zuführbar ist, und - zur Realisierung einer Druckminderungsfunktion der Druckgasspeicher (1) mit Druckgas erster Art im zweiten Druckbehälter mit einem zweiten Druck (p₂) befüllt ist, welcher dem Arbeitsdruck (p_A) der Brennstoffzelle entspricht.

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