DE102019213627A1 - Tankvorrichtung zur Speicherung eines gasförmigen Mediums - Google Patents

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Abstract

Tankvorrichtung (1) zur Speicherung eines gasförmigen Mediums, insbesondere Wasserstoff, mit mindestens einem Tank (14) und einer Ventilvorrichtung (100), welche Ventilvorrichtung (100) ein Ventilgehäuse (101) aufweist, in welchem Ventilgehäuse (101) ein entlang einer Längsachse (28) der Tankvorrichtung (1) beweglicher Ventilkolben (11) angeordnet ist. Der Ventilkolben (11) wirkt mit einem Hauptventilsitz (111) zum Öffnen und Schließen einer Verbindung zwischen dem Tank (14) und einem Anodenkanal (17) zusammen und der Ventilkolben (11) begrenzt zusammen mit dem Ventilgehäuse (11) einen Steuerraum (5), wobei der Steuerraum (5) mittels einer Drossel (6) mit einem Tankkanal (23) des Tanks (14) verbunden ist und wobei der Steuerraum (5) mittels eines Piezo-Ventils (7) mit einem Zulaufkanal (26) fluidisch verbindbar ist, welcher Zulaufkanal (26) in den Anodenkanal (17) mündet.

Description

  • 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.
  • Stand der Technik
  • Die DE 10 2017 212 485 A1 beschreibt eine Einrichtung zur Speicherung von verdichteten Fluiden für ein Fahrzeug mit einem Antrieb mit gasförmigen Kraftstoffen. Die Einrichtung umfasst mindestens zwei rohrförmige Tankmodule und mindestens einen Hochdruckkraftstoffzuteiler mit mindestens einer integrierten Regel- und Sicherheitstechnik.
  • Die Sicherheitsvorrichtungen für solch eine Tankvorrichtung sind normiert. Dabei muss jede Tankvorrichtung 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.
  • 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.
  • 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.
  • Weiterhin werden typischerweise zur Öffnung der Absperrventile Elektromagneten verwendet, die während der gesamten Zeit, in der das Absperrventil geöffnet ist, bestromt werden müssen. Dies führt zu einer Erwärmung der verwendeten Magnetspulen und damit zu höheren Spulenwiderständen, was wiederum insgesamt zu einem erhöhten Stromverbrauch führt.
  • Vorteile der Erfindung
  • 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, wobei gleichzeitig eine Kostenersparnis erzielt wird.
  • Dazu weist die Tankvorrichtung zur Speicherung eines gasförmigen Mediums, insbesondere Wasserstoff, mindestens einen Tank und eine Ventilvorrichtung auf. Die Ventilvorrichtung weist ein Ventilgehäuse auf, in welchem Ventilgehäuse ein entlang einer Längsachse der Tankvorrichtung beweglicher Ventilkolben angeordnet ist. Der Ventilkolben wirkt mit einem Hauptventilsitz zum Öffnen und Schließen einer Verbindung zwischen dem Tank und einem Anodenkanal zusammen und begrenzt zusammen mit dem Ventilgehäuse einen Steuerraum. Dieser Steuerraum ist mittels einer Drossel mit einem Tankkanal des Tanks verbunden und ist mittels eines Piezo-Ventils mit einem Zulaufkanal fluidisch verbindbar, wobei der Zulaufkanal in den Anodenkanal mündet.
  • 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. Aufgrund des kleinen Volumens eines Steuerraums kann dort ein Druckabfall in kurzer Zeit erfolgen, so dass in effizienter Weise zeitnah der große Querschnitt geöffnet werden kann und der maximale Massenstrom dargestellt wird. Zusätzlich wird eine Piezo-Aktorik verwendet, die im Vergleich zu einer Magnet-Aktorik lediglich in der kurzen Zeit während der Schaltvorgänge Energie verbraucht und nicht während des gesamten Zeitraums, in dem die Ventilvorrichtung geöffnet ist. So wird der Energiebedarf beispielsweise bei langen Öffnungszeiten minimiert.
  • In erster vorteilhafter Weiterbildung ist es vorgesehen, dass der Ventilkolben eine Ventilkugel umfasst, welche Ventilkugel mit dem Hauptventilsitz zum Öffnen und Schließen der Verbindung zwischen dem Tank und dem Anodenkanal zusammenwirkt. So kann der Verbund zwischen dem Ventilkolben und dem Hauptventilsitz in konstruktiv einfacher Weise umgesetzt werden.
  • In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist es vorteilhaft vorgesehen, dass der Ventilkolben zumindest teilweise in einem Federraum angeordnet ist, in welchem Federraum eine Feder angeordnet ist, welche Feder den Ventilkolben mit einer Kraft in Richtung des Hauptventilsitzes beaufschlagt.
  • In vorteilhafter Weiterbildung ist der Federraum von einem Hubeinstellelement begrenzt, an welchem Hubeinstellelement der Hauptventilsitz ausgebildet ist. So kann in einfacher Weise durch geeignete Wahl der Geometrie des Hubeinstellelements der Hub des Ventilkolbens eingestellt werden.
  • In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist es vorteilhaft vorgesehen, dass das Piezo-Ventil senkrecht zu der Längsachse der Tankvorrichtung angeordnet ist und einen Piezo-Stack und einen Servoventilkolben aufweist, welcher Servoventilkolben zum Öffnen und Schließen einer Verbindung zwischen dem Steuerraum und dem Zulaufkanal mit einem Servoventilsitz zusammenwirkt.
  • In vorteilhafter Weiterbildung ist ein Öffnungsquerschnitt an gasförmigem Medium an dem Hauptventilsitz größer als ein Öffnungsquerschnitt an gasförmigem Medium an dem Servoventilsitz. So können schnelle und effiziente Schaltvorgänge der Ventilvorrichtung erzielt werden.
  • In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist es vorteilhaft vorgesehen, dass der Servoventilkolben in einem Servoventilraum angeordnet ist, welcher Servoventilraum in den Zulaufkanal mündet und welcher Servoventilraum mittels des Servoventilkolbens mit dem Steuerraum verbindbar ist. Vorteilhafterweise ist in dem Servoventilraum eine Feder angeordnet, welche Feder sich einerseits an dem Servoventilkolben und andererseits an dem Ventilgehäuse abstützt und so den Servoventilkolben an den Servoventilsitz drückt.
  • In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist es vorteilhaft vorgesehen, dass der Servoventilsitz an dem Ventilgehäuse ausgebildet ist. Vorteilhafterweise weist der Servoventilkolben ein tellerförmiges Ende auf, welches tellerförmige Ende mit dem Servoventilsitz zusammenwirkt.
  • In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist es vorteilhaft vorgesehen, dass die Drossel als eine Verengung eines Verbindungskanals zwischen dem Tankkanal und dem Steuerraum ausgebildet ist. So kann in konstruktiv einfacher Weise die Strömung aus dem Tank in Richtung des Steuerraums gedrosselt werden.
  • In vorteilhafter Weiterbildung ist es vorgesehen, dass der Tankkanal über eine Verbindungsleitung mit dem Federraum fluidisch verbunden ist.
  • Die beschriebene Tankvorrichtung zur Speicherung von verdichteten Fluiden eignet sich vorzugsweise in einer Brennstoffzellenanordnung zur Speicherung von Wasserstoff für den Betrieb einer Brennstoffzelle.
  • Die beschriebene Tankvorrichtung zur Speicherung von verdichteten Fluiden eignet sich vorzugsweise in einem Fahrzeug mit einem Antrieb mit gasförmigen Kraftstoffen.
  • Figurenliste
  • In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele einer erfindungsgemäßen Tankvorrichtung zur Speicherung eines gasförmigen Mediums, insbesondere Wasserstoff, dargestellt. Es zeigt in
    • 1 ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Tankvorrichtung mit einem Tank und einer Ventilvorrichtung im Längsschnitt,
    • 2 das Ausführungsbeispiel aus der 1 mit geöffnetem Servoventilsitz und geöffnetem Hauptventilsitz im Längsschnitt.
  • Beschreibung des Ausführungsbeispiels
  • l zeigt ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Tankvorrichtung 1 beispielsweise zur Anwendung in Fahrzeugen mit Brennstoffzellenantrieb im Querschnitt.
  • Die Tankvorrichtung 1 weist eine Längsachse 28, einen Tank 14 und eine Ventilvorrichtung 100 auf. Die Ventilvorrichtung 100 weist dabei ein mehrteiliges Ventilgehäuse 101 auf, in dem ein entlang der Längsachse 28 beweglicher Ventilkolben 11 angeordnet ist.
  • Der Ventilkolben 11 ist im Wesentlichen zylinderförmig ausgebildet und weist eine ebenfalls zylinderförmige Anformung 36 auf, in der eine Ventilkugel 110 teilweise aufgenommen ist. Die Ventilkugel 110 wirkt zum Öffnen und Schließen einer Verbindung zwischen dem Tank 14 und einem Anodenkanal 17 mit einem Hauptventilsitz 111 zusammen. Der Hauptventilsitz 111 ist an einem Hubeinstellelement 22 ausgebildet.
  • Das Hubeinstellelement 22 ist in einem Federraum 30 angeordnet, in dem auch teilweise der Ventilkolben 11 angeordnet ist. Weiterhin ist in dem Federraum 30 eine Feder 4 angeordnet, welche den Ventilkolben 11 mit einer Kraft in Richtung des Hauptventilsitzes 111 beaufschlagt, wodurch die Ventilkugel 110, wie hier in 1 gezeigt, an dem Hauptventilsitz 111 anliegt. Die Feder 4 stützt sich dabei neben dem Ventilkolben 11 an Absätzen 102, 103 des Ventilgehäuses 101 ab.
  • An einem dem Hauptventilsitz 111 entgegengesetzten Ende des Ventilkolbens 11 ist der Ventilkolben 11 in den Absätzen 102, 103 des Ventilgehäuses 101 aufgenommen und begrenzt so zusammen mit dem Ventilgehäuse 101 einen Steuerraum 5.
  • Der Steuerraum 5 ist mittels eines Verbindungskanals 32, in der eine Drossel 6 ausgebildet ist, mit einem Tankkanal 23 fluidisch verbunden. Die Drossel 6 ist dabei als eine Verengung des Verbindungskanals 32 ausgebildet. Der Tankkanal 23 mündet in den Tank 14 und ist außerdem über eine Verbindungsleitung 24 mit dem Federraum 30 verbunden. Weiterhin weist der Tank 14 ein Tankgehäuse 140 auf, welches mit dem Ventilgehäuse 101 fest verbunden ist.
  • Weiterhin ist der Steuerraum 5 über ein Piezo-Ventil 7 mit einem Servoventilraum 10 verbindbar. Das Piezo-Ventil 7 ist hier senkrecht zu der Längsachse 28 der Tankvorrichtung 1 angeordnet und weist einen Piezo-Stack 8 und einen Servoventilkolben 9 auf. Dieser Servoventilkolben 9 weist ein tellerförmiges Ende 34 auf, welches zum Öffnen und Schließen einer Verbindung zwischen dem Steuerraum 5 und dem Servoventilraum 10 mit einem an dem Ventilgehäuse 101 ausgebildeten Servoventilsitz 12 zusammenwirkt.
  • In dem Servoventilraum 10 ist eine Feder 20 angeordnet, welche sich einerseits an dem Servoventilkolben 9 und andererseits an dem Ventilgehäuse 101 abstützt und so den Servoventilkolben 9 mit einer Kraft in Richtung des Servoventilsitzes 12 beaufschlagt, so dass der Servoventilkolben 9 mit seinem tellerförmigen Ende 34, wie in 1 gezeigt, an dem Servoventilsitz 12 anliegt.
  • Über einen Zulaufkanal 26 ist der Servoventilraum 10 mit dem Anodenkanal 17 fluidisch verbunden.
  • Funktionsweise der Tankvorrichtung
  • Ist keine elektrische Spannung an das Piezo-Ventil 7 angelegt, so ist aufgrund der fluidischen Druckverhältnisse und der Feder 4 am Ventilkolben 11 der Hauptventilsitz 111 geschlossen und somit eine Verbindung zwischen dem Tank 14 und dem Anodenkanal 17 gesperrt. Dabei entspricht der Druck im Steuerraum 5 dem Druck im Tank 14. Darüber hinaus herrscht im Federraum 30 aufgrund der Verbindungsleitung 24 derselbe Druck wie im Tank 14. Der Druck des gasförmigen Mediums im Anodenkanal 17 ist geringer als der Druck im Tank 14. Dies resultiert insgesamt in eine schließende Kraft auf den Ventilkolben 11, so dass der Öffnungsquerschnitt in Richtung des Anodenkanals 17 nicht freigegeben ist.
  • Wird eine elektrische Spannung an das Piezo-Ventil 7 angelegt, so dehnt sich der Piezo-Stack 8 aus und überdrückt die Kraft der Feder 20, so dass der Servoventilkolben 9 aus dem Servoventilsitz 12 gedrückt wird und diesen freigibt, wie in 2 gezeigt. So strömt nun gasförmiges Medium, beispielsweise Wasserstoff, aus dem Steuerraum 5 über den Servoventilsitz 12 und die Zulaufleitung 26 in den Anodenkanal 17 in Richtung einer Brennstoffzelle.
  • Ist der Massenstrom an gasförmigem Medium, welcher aus dem Steuerraum 5 in Richtung des Anodenkanals 26 strömt größer als der Massenstrom an gasförmigem Medium, welcher über die Drossel 6 aus dem Tank 14 in den Steuerraum 5 strömt, führt dies zu einem Absenken des Drucks im Steuerraum 5. Je nach Wahl des Steuerraumvolumens, welches hier sehr klein gewählt ist, sinkt der Druck im Steuerraum 5 innerhalb von sehr kurzer Zeit etwa auf den Druck im Anodenkanal 17. Dies führt dazu, dass auf den Ventilkolben 11 insgesamt eine öffnende Kraft wirkt, so dass dieser von dem Hauptventilsitz 111 abhebt und diesen freigibt. So kann nun auch gasförmiges Medium aus dem Tank 14 über die Verbindungsleitung 24 und dem Federraum 30 in den Anodenkanal 17 strömen und einem Anodenbereich 15 der Brennstoffzelle zugeführt werden.
  • Der Öffnungsquerschnitt am Hauptventilsitz 111 bleibt so lange geöffnet, so lange die resultierende Druckkraft auf den Ventilkolben 11 größer ist als die schließende Kraft der Feder 4. Wird im Anodenkanal 17 Tankdruck erreicht, so wirkt die resultierende Kraft auf den Ventilkolben 11 wieder in Schließrichtung, so dass dieser den Hauptventilsitz 111 sperrt und den Öffnungsquerschnitt nicht mehr freigibt. Fällt der Druck daraufhin im Anodenkanal 17 wieder ab, so wird der Hauptventilsitz 111 wieder freigegeben.
  • Soll die Ventilvorrichtung 100 dauerhaft geschlossen werden, so wird die Spannungszufuhr zu dem Piezo-Ventil 7 unterbrochen. Infolgedessen wird der Servoventilkolben 9 wieder in den Servoventilsitz 12 gedrückt, so dass die Verbindung zwischen dem Steuerraum 5 und dem Zulaufkanal 26 des Anodenkanals 17 gesperrt ist. Dies führt wieder zu einem Druckanstieg im Steuerraum 5, so dass dieser in kurzer Zeit wieder das Tankdruckniveau erreicht. So überwiegen wieder die schließenden Kräfte auf den Ventilkolben 11, so dass dieser wieder an dem Hauptventilsitz 111 anliegt und die Verbindung zwischen dem Federraum 30 und dem Anodenkanal 17 schließt.
  • Der Öffnungsquerschnitt an dem Servoventilsitz 12 ist hier kleiner als der Öffnungsquerschnitt an dem Hauptventilsitz 111.
  • 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.
  • Weiterhin kann die erfindungsgemäße Tankvorrichtung 1 auch in einem Fahrzeug mit beispielsweise Brennstoffzellenantrieb Verwendung finden.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 102017212485 A1 [0002]

Claims (14)

  1. Tankvorrichtung (1) zur Speicherung eines gasförmigen Mediums, insbesondere Wasserstoff, mit mindestens einem Tank (14) und einer Ventilvorrichtung (100), welche Ventilvorrichtung (100) ein Ventilgehäuse (101) aufweist, in welchem Ventilgehäuse (101) ein entlang einer Längsachse (28) der Tankvorrichtung (1) beweglicher Ventilkolben (11) angeordnet ist, welcher Ventilkolben (11) mit einem Hauptventilsitz (111) zum Öffnen und Schließen einer Verbindung zwischen dem Tank (14) und einem Anodenkanal (17) zusammenwirkt und welcher Ventilkolben (11) zusammen mit dem Ventilgehäuse (11) einen Steuerraum (5) begrenzt, welcher Steuerraum (5) mittels einer Drossel (6) mit einem Tankkanal (23) des Tanks (14) verbunden ist und welcher Steuerraum (5) mittels eines Piezo-Ventils (7) mit einem Zulaufkanal (26) fluidisch verbindbar ist, wobei der Zulaufkanal (26) in den Anodenkanal (17) mündet.
  2. Tankvorrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilkolben (11) eine Ventilkugel (110) umfasst, welche Ventilkugel (110) mit dem Hauptventilsitz (111) zum Öffnen und Schließen der Verbindung zwischen dem Tank (14) und dem Anodenkanal (17) zusammenwirkt.
  3. Tankvorrichtung (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilkolben (11) zumindest teilweise in einem Federraum (30) angeordnet ist, in welchem Federraum (30) eine Feder (4) angeordnet ist, welche Feder (4) den Ventilkolben (11) mit einer Kraft in Richtung des Hauptventilsitzes (111) beaufschlagt.
  4. Tankvorrichtung (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Federraum (30) von einem Hubeinstellelement (22) begrenzt ist, an welchem Hubeinstellelement (22) der Hauptventilsitz (111) ausgebildet ist.
  5. Tankvorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Piezo-Ventil (7) senkrecht zu der Längsachse (28) der Tankvorrichtung (1) angeordnet ist und einen Piezo-Stack (8) und einen Servoventilkolben (9) aufweist, welcher Servoventilkolben (9) zum Öffnen und Schließen einer Verbindung zwischen dem Steuerraum (5) und dem Zulaufkanal (26) mit einem Servoventilsitz (12) zusammenwirkt.
  6. Tankvorrichtung (1) nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass ein Öffnungsquerschnitt an gasförmigem Medium an dem Hauptventilsitz (111) größer ist als ein Öffnungsquerschnitt an gasförmigem Medium an dem Servoventilsitz (12).
  7. Tankvorrichtung (1) Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Servoventilkolben (9) in einem Servoventilraum (10) angeordnet ist, welcher Servoventilraum (10) in den Zulaufkanal (26) mündet und welcher Servoventilraum (10) mittels des Servoventilkolbens (9) mit dem Steuerraum (5) verbindbar ist.
  8. Tankvorrichtung (1) nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Servoventilraum (10) eine Feder (20) angeordnet ist, welche Feder (20) sich einerseits an dem Servoventilkolben (10) und andererseits an dem Ventilgehäuse (101) abstützt und so den Servoventilkolben (10) an den Servoventilsitz (12) drückt.
  9. Tankvorrichtung (1) nach Anspruch 5, 6, 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Servoventilsitz (12) an dem Ventilgehäuse (101) ausgebildet ist.
  10. Tankvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 5, 6, 7, 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Servoventilkolben (9) ein tellerförmiges Ende (34) aufweist, welches tellerförmige Ende (34) mit dem Servoventilsitz (12) zusammenwirkt.
  11. Tankvorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Drossel (6) als eine Verengung eines Verbindungskanals (32) zwischen dem Tankkanal (23) und dem Steuerraum (5) ausgebildet ist.
  12. Tankvorrichtung (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Tankkanal (23) über eine Verbindungsleitung (24) mit dem Federraum (30) fluidisch verbunden ist.
  13. Brennstoffzellenanordnung mit einer Tankvorrichtung (1) zur Speicherung von Wasserstoff für den Betrieb einer Brennstoffzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
  14. Fahrzeug mit einem Antrieb mit gasförmigen Kraftstoffen und mit einer Tankvorrichtung (1) zur Speicherung von verdichteten Fluiden nach einem der Ansprüche 1 bis 12.
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