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Die Erfindung betrifft eine Tankvorrichtung mit einem Tank und einer Ventilvorrichtung für einen Brennstoffzellentank, insbesondere zur Speicherung von Wasserstoff, beispielsweise zur Anwendung in Fahrzeugen mit Brennstoffzellenantrieb.
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Stand der Technik
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Die nicht vorveröffentlichte
DE 10 2018 209 057 A1 beschreibt eine Tankvorrichtung zur Temperaturdruckentlastung eines Brennstoffzellentanks, wobei die Tankvorrichtung Tankbehälter mit verschiedenen Ventilen, wie beispielsweise einem Absperrventil, umfasst, welche eine ordentliche Funktionsweise beispielsweise eines Brennstoffzellensystems gewährleisten.
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Die Sicherheitsvorrichtungen für solch eine Tankvorrichtung sind normiert. Dabei muss jede Tankvorrichtung solch ein Absperrventil aufweisen. So kann das Absperrventil bei einer Beschädigung der Tankvorrichtung hervorgerufen durch einen Unfall des Fahrzeugs mit Brennstoffzellenantrieb oder bei einem Bruch einer Leitung der Tankvorrichtung die Tankbehälter verschließen, so dass kein Gas aus der Speichereinheit austreten kann.
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Diese Absperrventile müssen große Durchflussquerschnitte öffnen, um auch bei niedrigen Tankdrücken den erforderlichen maximalen Massenstrom darstellen zu können. Dafür müssen entweder große magnetische Kräfte aufgebracht werden oder es wird ein Druckausgleich vor und hinter dem Absperrventil erzielt, indem zuerst ein kleiner Querschnitt geöffnet wird, um so die Leitung zwischen dem Absperrventil und beispielsweise einem Anodenbereich einer Brennstoffzellenanordnung mit Wasserstoff zu füllen und so nahezu Tankdruck zu erreichen. Mit der geringeren Druckdifferenz zwischen dem Tank und der Leitung sinkt die erforderliche Öffnungskraft für die Öffnung des Durchflussquerschnitts.
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Die Leitung nach dem Absperrventil mit Wasserstoff zu füllen, um den entsprechenden Druck herzustellen, erfordert jedoch einen gewissen Zeitverzug zwischen dem Öffnen der beiden Durchflussquerschnitte. Dies kann je nach Volumen in der Leitung zu einer merklichen Verzögerung führen, bis der maximale Wasserstoffmassenstrom der Brennstoffzelle zur Verfügung gestellt werden kann.
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Vorteile der Erfindung
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Die erfindungsgemäße Tankvorrichtung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 weist demgegenüber den Vorteil auf, dass in konstruktiv einfacher Weise die Tankvorrichtung effizient und schnell geöffnet werden kann, um gasförmiges Medium, beispielsweise Wasserstoff für eine Brennstoffzelle, bereitzustellen.
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Dazu weist die Tankvorrichtung zur Speicherung eines gasförmigen Mediums, insbesondere Wasserstoff, mindestens einen Tank und eine Ventilvorrichtung auf, welche Ventilvorrichtung ein Ventilgehäuse aufweist. In dem Ventilgehäuse sind ein hubbeweglicher Magnetanker, ein Servokolben und ein Folgekolben angeordnet, wobei der Magnetanker und der Servokolben fest miteinander verbunden sind und der Magnetanker und der Folgekolben miteinander wirkverbunden sind. Weiterhin ist in dem Ventilgehäuse ein Steuerraum ausgebildet, welcher Steuerraum mittels einer Drossel mit dem Tank fluidisch verbunden ist. Der Servokolben wirkt zum Öffnen oder Schließen einer mit einem Anodenkanal verbundenen Kanalöffnung mit einem an dem Folgekolben ausgebildeten Servoventilsitz zusammen und der Folgekolben wirkt zum Öffnen oder Schließen einer Verbindung zwischen dem Tank und dem Anodenkanal mit einem Hauptventilsitz zusammen. Außerdem sind die Kanalöffnung und der Anodenkanal zylinderförmig ausgebildet und ein Durchmesser d der Kanalöffnung ist kleiner als ein Durchmesser D des Anodenkanals.
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Auf diese Weise kann der Zeitverzug bis zum Darstellen des maximalen Massenstroms minimiert werden. Hierzu wird ebenfalls die Leitung zwischen der Ventilvorrichtung und dem Anodenbereich mit Wasserstoff befüllt und auf Druck gebracht und weiterhin der Druck in einem Steuerraum abgesenkt. Aufgrund des kleinen Volumens des Steuerraums kann dies in kurzer Zeit erfolgen, so dass in effizienter Weise zeitnah der große Querschnitt geöffnet werden kann und der maximale Massenstrom dargestellt wird.
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In erster vorteilhafter Weiterbildung ist es vorgesehen, dass die Kanalöffnung in dem Folgekolben ausgebildet ist und die Kanalöffnung in den Anodenkanal mündet. So wird konstruktiv in einfacher Weise eine kompakte Ventilvorrichtung erzielt.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist es vorteilhaft vorgesehen, dass eine Schließfeder vorhanden ist, welche Schließfeder den Magnetanker zusammen mit dem Servokolben an den Servoventilsitz drückt und der Servokolben dadurch an dem Servoventilsitz anliegt. So kann in konstruktiv einfacher Weise eine Wirkverbundenheit zwischen dem Magnetanker und dem Servokolben hergestellt werden.
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In vorteilhafter Weiterbildung ist es vorgesehen, dass die Drossel als eine Verengung einer Verbindungsleitung, welche Verbindungsleitung in einen Tankkanal des Tanks mündet, ausgebildet ist. So kann in konstruktiv einfacher Weise die Strömung aus dem Tank in Richtung des Steuerraums gedrosselt werden.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist es vorteilhaft vorgesehen, dass der Hauptventilsitz an einem Hubeinstellelement ausgebildet ist, wobei das Hubeinstellelement zwischen dem Folgekolben und dem Ventilgehäuse angeordnet ist. Vorteilhafterweise ist zwischen dem Folgekolben und dem Hubeinstellelement eine Feder angeordnet, welche Feder den Folgekolben mit einer Kraft in Richtung des Servokolbens beaufschlagt. So ist in einfacher Weise eine Wirkverbundenheit zwischen dem Servokolben und dem Folgekolben herstellbar.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist es vorteilhaft vorgesehen, dass der Servokolben eine mittige Kolbenöffnung aufweist, welche Kolbenöffnung in eine Querbohrung übergeht und über diese in einen Steuerraum mündet. In vorteilhafter Weise weist der Magnetanker eine mittige Ankeröffnung auf, welche Ankeröffnung in die Kolbenöffnung des Servokolbens mündet. So kann das gasförmige Medium die Ventilvorrichtung in einfacher Weise durchströmen.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist es vorteilhaft vorgesehen, dass der Magnetanker mittels einer Magnetspule hubbewegbar ist. So ist die Bewegung des Magnetankers aktiv steuerbar.
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Die beschriebene Tankvorrichtung zur Speicherung von verdichteten Fluiden eignet sich vorzugsweise in einer Brennstoffzellenanordnung zur Speicherung von Wasserstoff für den Betrieb einer Brennstoffzelle.
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Die beschriebene Tankvorrichtung zur Speicherung von verdichteten Fluiden eignet sich vorzugsweise in einem Fahrzeug mit einem Antrieb mit gasförmigen Kraftstoffen.
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Figurenliste
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In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele einer erfindungsgemäßen Tankvorrichtung zur Speicherung eines gasförmigen Mediums, insbesondere Wasserstoff, dargestellt. Es zeigt in:
- Fig. ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Tankvorrichtung mit einem Tank und einer Ventilvorrichtung im Längsschnitt.
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Beschreibung des Ausführungsbeispiels
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Fig. zeigt ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Tankvorrichtung 1 beispielsweise zur Anwendung in Fahrzeugen mit Brennstoffzellenantrieb im Querschnitt.
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Die Tankvorrichtung 1 weist einen Tank 14 und eine Ventilvorrichtung 100 auf. Die Ventilvorrichtung 100 weist dabei ein mehrteiliges Ventilgehäuse 101 auf, in dem ein hubbeweglicher Magnetanker 12, ein hubbeweglicher Servokolben 11 und ein hubbeweglicher Folgekolben 10 angeordnet sind.
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Weiterhin umfasst das Ventilgehäuse 101 ein Spulengehäuse 102, in dem eine Magnetspule 3 angeordnet ist, wodurch die Hubbewegung des Magnetankers 12 aktiv gesteuert werden kann.
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Der Magnetanker 12 weist eine mittige zylinderförmige Ankeröffnung 16 auf, in der eine Schließfeder 4 angeordnet ist, wobei die Schließfeder 4 den Magnetanker 12 mit einer Kraft in Richtung des Folgekolbens 10 beaufschlagt, wobei der Magnetanker 12 mit dem Servokolben 11 fest verbunden ist, beispielsweise als einteilige Baukomponente ausgeführt, verschweißt oder verpresst. An einem Ende der Ankeröffnung 16 in Richtung des Servokolbens 11 weist die Ankeröffnung 16 einen geringeren Durchmesser als an jeder anderen Stelle auf. Die Schließfeder 4 stützt sich dabei an einem Stützelement 2 in dem Ventilgehäuse 101 ab, wobei das Stützelement 2 in einem Ankerraum 21 angeordnet ist.
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Der Servokolben 11 weist eine mittige zylinderförmige Kolbenöffnung 13 auf, die in eine Querbohrung 22 übergeht und über diese in einen Steuerraum 5 mündet. Der Steuerraum 5 umgibt dabei den Servokolben 11 und wird durch den Magnetanker 12 und den Folgekolben 10 begrenzt.
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Der Folgekolben 10 weist eine mittige zylinderförmige Kanalöffnung 19 auf, welche mit einem zylinderförmigen Anodenkanal 17 verbunden ist. Der Anodenkanal 17 führt gasförmiges Medium, beispielsweise Wasserstoff, in Richtung eines Anodenbereichs 15 einer Brennstoffzelle. Dabei ist der Durchmesser d der Kanalöffnung 19 kleiner als der Durchmesser D des Anodenkanals 17.
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Weiterhin ist in dem Ventilgehäuse 101 ein Hubeinstellelement 9 angeordnet, welches zusammen mit dem Folgekolben 10 einen Federraum 25 begrenzt, in dem eine Feder 20 angeordnet ist. Diese Feder 20 stützt sich einerseits an dem Hubeinstellelement 9 und andererseits an dem Folgekolben 10 ab und drückt diesen so gegen den Servokolben 11, so dass der Folgekolben 10 mit dem Servokolben 11 wirkverbunden ist.
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Der Steuerraum 5 ist über eine Drossel 6 mit einer Verbindungsleitung 24 verbunden, welche in einen Tankkanal 23 des Tanks 14 mündet. Die Drossel 6 ist dabei als eine Verengung der Verbindungsleitung 24 ausgebildet.
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Der Tankkanal 23 mündet in den Federraum 25, welcher so ebenfalls mit der Verbindungsleitung 24 fluidisch verbunden ist.
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An dem Folgekolben 10 ist ein Servoventilsitz 7 ausgebildet, welcher zum Öffnen oder Schließen der Kanalöffnung 19 und damit einer Verbindung zwischen dem Steuerraum 5 und dem Anodenkanal 17 mit dem Servokolben 11 zusammenwirkt. Bei unbestromten Zustand der Magnetspule 3 ist die Verbindung zwischen dem Steuerraum 5 und dem Anodenkanal 17 geschlossen, da der Servokolben 11 auf dem Folgekolben 10 anliegt und so kein gasförmiges Medium aus dem Steuerraum 5 in den Anodenkanal 17 strömen kann.
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Weiterhin ist an dem Hubeinstellelement 9 ein Hauptventilsitz 8 ausgebildet, welcher zum Öffnen oder Schließen einer Verbindung zwischen dem Federraum 25 und dem Anodenkanal 17 und damit einer Verbindung zwischen dem Tank 14 und dem Anodenkanal 17 mit dem Folgekolben 10 zusammenwirkt. Der Hauptventilsitz 8 ist bei unbestromter Magnetspule 3 gesperrt.
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Funktionsweise der Tankvorrichtung
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Im unbestromten Zustand der Magnetspule 3 weist der Steuerraum 5 denselben Druck an gasförmigem Medium auf wie der Tank 14. Der Druck im Tank 14 und somit im Steuerraum 5 ist größer als der an dem Folgekolben 10 anstehende Druck des gasförmigen Mediums infolge des Anodenkanals 17. So wirkt auf den Servokolben 11 infolgedessen und aufgrund der Kraft der Schließfeder 4, welche aufgrund der festen Verbindung zwischen dem Magnetanker 12 und dem Servokolben 11 über den Magnetanker 12 auf den Servokolben 11 übertragen wird, eine Kraft in Richtung des Servoventilsitzes 7. Diese Kraft wird aufgrund der Wirkverbundenheit von dem Servokolben 11 auf den Folgekolben 10 übertragen, so dass der Folgekolben 10 in Richtung des Hauptventilsitzes 8 kraftbeaufschlagt wird. Die Kraft der Feder 20 wirkt dieser Kraft auf den Folgekolben 10 entgegen, wobei die Kraft der Feder 20 so ausgelegt wird, dass diese kleiner ist als die von dem Servokolben 11 übertragene Kraft auf den Folgekolben 10. Somit wirkt insgesamt eine schließende Kraft auf den Folgekolben 10, sodass der Hauptventilsitz 8 gesperrt ist. Die schließende Kraft des Servokolbens 11 hat weiterhin zur Folge, dass der Servoventilsitz 7 ebenfalls gesperrt ist.
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Wird die Magnetspule 3 bestromt, so wird eine magnetische Kraft erzeugt, welche auf den Magnetanker 12 einwirkt und diesen zu einer Hubbewegung veranlasst. Dazu bewegt sich der Magnetanker 12 in Richtung des Stützelements 2 - in der Fig. nach links. Aufgrund der festen Verbindung des Servokolbens 11 mit dem Magnetanker 12 bewegt sich der Servokolben 11 zusammen mit dem Magnetanker 12 in Richtung des Stützelements 2. Der Servokolben 11 hebt dabei von dem Servoventilsitz 7 ab, so dass die Verbindung zwischen dem Steuerraum 5 und der Kanalöffnung 19 freigegeben wird und so gasförmiges Medium aus dem Steuerraum 5 in den Anodenkanal 17 strömt.
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Der Folgekolben 10 bleibt zunächst aufgrund des höheren Drucks im Steuerraum 5 im Vergleich zum Anodenkanal 17 in seiner Ruheposition, so dass der Hauptventilsitz 8 gesperrt ist. Die Drossel 6 ist jedoch so ausgelegt, dass die Zulaufmenge an gasförmigem Medium aus dem Tank 14 in den Steuerraum 5 kleiner ist als die Ablaufmenge aus dem Steuerraum 5 in den Anodenkanal 17. Daher sinkt der Druck an gasförmigem Medium im Steuerraum 5, so dass sich dieser immer mehr an dem Druck des gasförmigen Mediums in dem Anodenkanal 17 anpasst. Dies hat zur Folge, dass die Feder 20, welche den Folgekolben 10 in Öffnungsrichtung, also in Richtung des Servokolbens 11 kraftbeaufschlagt, den Folgekolben 10 aus dem Hauptventilsitz 8 anhebt und die Verbindung zwischen dem Tankkanal 23 und dem Anodenkanal 17 freigibt. Nun ist auch der große Öffnungsquerschnitt freigegeben, so dass gasförmiges Medium direkt aus dem Tank 14 in den Anodenkanal 17 strömt.
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Bei genügend langer Öffnungsdauer gleicht sich der Druck im Steuerraum 5 dem Druck im Anodenkanal 17 an.
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Zum Schließen der Ventilvorrichtung 100 wird die Magnetspule 3 nicht mehr bestromt, so dass keine magnetische Kraft mehr auf den Magnetanker 12 wirkt. Dieser wird aufgrund der Kraft der Schließfeder 4 in Richtung des Folgekolbens 10 gedrückt, wodurch der Servokolben 11 wieder an den Servoventilsitz 7 gedrückt wird und dieser gesperrt wird. Infolgedessen drückt der Servokolben 11 den Folgekolben 10 wieder in den Hauptventilsitz 8, so dass dieser ebenfalls gesperrt wird.
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Darüber hinaus ist die Ventilvorrichtung 100 so ausgelegt, dass der Hauptventilsitz 8 beim Betanken überdrückt werden kann, so dass gasförmiges Medium in den Tank 14 eingebracht werden kann.
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Die erfindungsgemäße Tankvorrichtung 1 zur Speicherung von verdichteten Fluiden eignet sich in besonderem Maße als Tankvorrichtung 1 zur Speicherung von Wasserstoff in einer Brennstoffzellenanordnung für den Betrieb einer Brennstoffzelle.
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Weiterhin kann die erfindungsgemäße Tankvorrichtung 1 auch in einem Fahrzeug mit beispielsweise Brennstoffzellenantrieb Verwendung finden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102018209057 A1 [0002]
