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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
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.
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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.
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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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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.
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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, wobei gleichzeitig eine Kostenersparnis erzielt wird.
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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 eines Piezo-Ventils mit einem Zulaufkanal fluidisch verbindbar, wobei der Zulaufkanal in den Anodenkanal mündet. Der Steuerraum ist darüber hinaus mittels des Piezo-Ventils über eine erste Verbindungsleitung mit einem Tankkanal des Tanks verbindbar.
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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. 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.
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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.
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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.
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In vorteilhafter Weiterbildung ist es vorgesehen, dass der Federraum von einem Hubeinstellelement begrenzt ist, 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.
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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.
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In vorteilhafter Weiterbildung ist es vorgesehen, dass der Servoventilkolben zum Öffnen und Schließen der Verbindung zwischen dem Steuerraum und dem Tankkanal über die erste Verbindungsleitung mit einem an dem Ventilgehäuse ausgebildeten Verbindungsleitungsventilsitz zusammenwirkt.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist es vorteilhaft vorgesehen, dass ein Öffnungsquerschnitt an gasförmigem Medium an dem Hauptventilsitz größer ist als ein Öffnungsquerschnitt an gasförmigem Medium an dem Servoventilsitz. So können schnelle und effiziente Schaltvorgänge der Ventilvorrichtung erzielt werden.
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In vorteilhafter Weiterbildung ist es 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.
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In vorteilhafter Weiterbildung ist der Servoventilsitz an dem Ventilgehäuse ausgebildet. Vorteilhafterweise weist der Servoventilkolben ein tellerförmiges Ende auf, welches tellerförmige Ende mit dem Servoventilsitz zusammenwirkt.
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In vorteilhafter Weiterbildung ist der Tankkanal über eine zweite Verbindungsleitung mit dem Federraum fluidisch verbunden.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist es vorteilhaft vorgesehen, dass in dem Zulaufkanal ein Rückschlagventil angeordnet ist, welches Rückschlagventil einen Kolben und eine Feder aufweist, wobei der Kolben mit einem Absatz des Zulaufkanals das Rückschlagventil ausbildet. Dieses verschließbare und passiv geschaltete Rückschlagventil minimiert so mögliche Schwingungen des Ventilkolbens und/oder der Ventilkugel, welche dadurch auftreten können, wenn das Piezo-Ventil nicht konstant in Öffnungsstellung gehalten wird. Daher muss der Druck im Steuerraum konstant kleiner als der Druck im Federraum bzw. im Anodenkanal sein, um das Piezo-Ventil offenhalten zu können.
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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
- 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.
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Beschreibung des Ausführungsbeispiels
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l zeigt ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Tankvorrichtung 1 beispielsweise zur Anwendung in Fahrzeugen mit Brennstoffzellenantrieb im Querschnitt.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Der Steuerraum 5 ist 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.
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Weiterhin ist der Steuerraum 5 mittels eines ersten Verbindungskanals 32 mit einem Tankkanal 23 über das Piezo-Ventil 7 fluidisch verbunden. Dabei wirkt das tellerförmige Ende 34 des Servoventilkolbens 9 zum Öffnen und Schließen einer Verbindung zwischen dem Tankkanal 23 und dem Steuerraum 5 über eine erste Verbindungsleitung 27 mit einem an dem Ventilgehäuse 101 ausgebildeten Verbindungsleitungsventilsitz 32 zusammen.
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Der Tankkanal 23 mündet in den Tank 14 und ist außerdem über eine zweite Verbindungsleitung 24 mit dem Federraum 30 verbunden. Weiterhin weist der Tank 14 ein Tankgehäuse 140 auf, welches mit dem Ventilgehäuse 101 fest verbunden ist.
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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.
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Über einen Zulaufkanal 26 ist der Servoventilraum 10 mit dem Anodenkanal 17 mittels eines in dem Zulaufkanal 26 ausgebildeten Rückschlagventils 38 fluidisch verbunden. Dabei weist das Rückschlagventil 38 einen Kolben 381 und eine Feder 380 auf, wodurch das Rückschlagventil 38 mittels pneumatischer Kräfte geöffnet oder geschlossen werden kann. Dabei wirkt die Kraft der Feder 380 in Schließrichtung, so dass der Kolben 381 an einem Absatz 260 des Zulaufkanals 26 anliegt und diesen sperrt, solange der pneumatische Druck innerhalb des Zulaufkanals 26 auf das Rückschlagventil 38 gleichmäßig ausgebildet ist.
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Funktionsweise der Tankvorrichtung
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Ist keine elektrische Spannung an das Piezo-Ventil 7 angelegt, so ist der Servoventilsitz 12 aufgrund der fluidischen Druckverhältnisse und der Feder 20 gesperrt. Weiterhin 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 aufgrund der ersten Verbindungsleitung 27.
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Darüber hinaus herrscht im Federraum 30 aufgrund der zweiten 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 den Anodenkanal 17 nicht freigegeben ist.
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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 in die Zulaufleitung 26. Gleichzeitig wird die Verbindung zwischen dem Steuerraum 5 und dem Tank 14 über die erste Verbindungsleitung 27 gesperrt, da der Servoventilkolben 9 durch seine Hubbewegung nun auf dem Verbindungsleitungsventilsitz 32 anliegt. Durch die Druckveränderung in dem Zulaufkanal 26 auf das Rückschlagventil 38 wird die Kraft der Feder 380 überkompensiert, so dass der Kolben 381 von dem Absatz 260 der Zulaufleitung 26 abhebt und eine Verbindung zwischen dem Steuerraum 5 und dem Anodenkanal 17 freigibt.
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Dies führt mit der Zeit 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, welcher hier durch die Öffnung des Servoventilsitzes 12 und der Verbindung mit dem Steuerraum 5 immer mehr ansteigt. 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 zweite Verbindungsleitung 24 und dem Federraum 30 in den Anodenkanal 17 strömen und einem Anodenbereich 15 der Brennstoffzelle zugeführt werden.
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Steigt der Druck im Zulaufkanal 26 weiter an, so wird in Abhängigkeit der Kraft der Feder 381 des Rückschlagventils 38 ab einer gewissen Druckdifferenz zwischen dem Druck im Steuerraum 5 und dem Druck im Zulaufkanal 26 und dem Anodenkanal 17 das Rückschlagventil 38 wieder geschlossen. Somit bleibt der Druck im Steuerraum 5 bis zum Schließen des Servoventilsitzes 12 konstant, so dass der Hauptventilsitz 111 geöffnet bleibt. Zur Vermeidung einer Druckerhöhung im Steuerraum 5 muss die Leckage in den Steuerraum 5 minimiert werden.
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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 und die Verbindung zwischen dem Tank 14 und dem Steuerraum 5 über die erste Verbindungsleitung 27 wieder freigegeben 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.
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Der Öffnungsquerschnitt an dem Servoventilsitz 12 ist hier kleiner als der Öffnungsquerschnitt an dem Hauptventilsitz 111.
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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 102017212485 A1 [0002]
