DE102019217069A1 - Tankvorrichtung zur Temperaturdruckentlastung eines Brennstoffzellentanks - Google Patents

Tankvorrichtung zur Temperaturdruckentlastung eines Brennstoffzellentanks Download PDF

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Abstract

Tankvorrichtung (1) zur Temperaturdruckentlastung eines Brennstoffzellentanks, wobei die Tankvorrichtung (1) mindestens zwei Tankbehälter (2) und eine mit den Tankbehältern (2) verbindbare Zufuhrleitung (4) umfasst. Jeder Tankbehälter (2) weist an einem Ende (20) mindestens ein Absperrventil (8) auf, welches Absperrventil (8) zwischen dem jeweiligen Tankbehälter (2) und der Zufuhrleitung (3) angeordnet ist und an einem anderen Ende (21) weist jeder Tankbehälter (2) mindestens ein Sicherungsventil (10) auf, welches andere Ende (21) des Tankbehälters (2) über das Sicherungsventil (10) und über eine Verbindungsleitung (11) mit einer Ablassleitung (12) verbunden ist. Darüber hinaus sind die Tankbehälter (2) von einem Ummantelungselement (24) umgeben, wobei in einem von dem Ummantelungselement (24) begrenzten Innenraum (240) eine Verdampfungsflüssigkeit (25) angeordnet ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Tankvorrichtung zur Temperaturdruckentlastung eines Brennstoffzellentanks, 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, die als Kraftstoff für ein Fahrzeug dienen, wobei die Einrichtung mindestens zwei rohrförmige Tankmodule und mindestens einen Hochdruckkraftstoffzuteiler mit mindestens einer integrierten Regel- und Sicherheitstechnik umfasst. Außerdem bestehen die mindestens zwei rohrförmigen Tankmodule aus Metall und sind mit dem mindestens einen Hochdruckkraftstoffzuteiler mit der mindestens einen integrierten Regel- und Sicherheitstechnik modular zu einem Modul in flexibler Geometrie verbunden.
  • Die Sicherheitsvorrichtungen für solch eine Einrichtung wie in DE 10 2017 212 485 A1 gezeigt, sind normiert. Dabei muss jedes Tankmodul ein automatisch absperrbares Überströmventil und ein Sicherungsventil aufweisen. So kann das Überströmventil beispielsweise bei einem Unfall mit der Einrichtung zur Speicherung von verdichteten Fluiden oder bei einem Bruch einer Leitung innerhalb der Einrichtung verschließen, so dass kein Gas aus der Speichereinheit austreten kann. Weiterhin soll das Sicherungsventil beispielsweise bei einem Brand oder einer Temperaturerhöhung über einen vorbestimmten Schwellwert hinaus sicherstellen, dass beispielsweise der Wasserstoff aus dem Tankmodul hinausgeleitet werden kann, um einer Explosion des Tankmoduls oder sogar der gesamten Einrichtung zur Speicherung von verdichteten Fluiden vorzubeugen.
  • Für diese Sicherheitsvorkehrungen ist eine Vielzahl von Ventilen notwendig, wodurch die Komplexität des gesamten Gasspeichersystems sowie dessen Kosten erhöht werden. Weiterhin muss je nach Position des Sicherungsventils sichergestellt sein, dass dieses auch auslöst, wenn sich der Brandherd nicht in der Nähe des Sicherungsventils befindet, um einer möglichen Explosion des Gasspeichersystems vorzubeugen.
  • Vorteile der Erfindung
  • Die erfindungsgemäße Tankvorrichtung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 weist demgegenüber den Vorteil auf, dass in einfacher und effizienter Weise und bei gleichzeitiger Gewährleistung aller Sicherheitsmaßnahmen der Wärmetransport in der Tankvorrichtung verbessert wird, um einen optimalen Einsatz des Sicherungsventils zu gewährleisten.
  • Dazu umfasst die Tankvorrichtung zur Temperaturdruckentlastung eines Brennstoffzellentanks mindestens zwei Tankbehälter und eine mit den Tankbehältern verbindbare Zufuhrleitung. Jeder der mindestens zwei Tankbehälter weist an einem Ende mindestens ein Absperrventil auf, welches Absperrventil zwischen dem jeweiligen Tankbehälter und der Zufuhrleitung angeordnet ist. Außerdem weist jeder der mindestens zwei Tankbehälter an einem anderen Ende mindestens ein Sicherungsventil auf, welches andere Ende über das Sicherungsventil und über eine Verbindungsleitung mit einer Ablassleitung verbunden ist. Darüber hinaus sind die mindestens zwei Tankbehälter von einem Ummantelungselement umgeben, wobei in einem von dem Ummantelungselement begrenzten Innenraum eine Verdampfungsflüssigkeit angeordnet ist.
  • Dadurch ist sichergestellt, dass das jeweilige Sicherungsventil im Notfall wie beispielsweise einem Unfall mit ausgebrochenem Feuer auch sicher öffnet, um den gespeicherten Wasserstoff aus den Tankbehältern abzulassen und so einem Bersten der Tankbehälter entgegenzuwirken. Dabei ist es unabhängig davon, an welcher Stelle der Wärmeeintrag auf die Tankvorrichtung einwirkt, da über die Verdampfungsflüssigkeit ein schneller und effektiver Wärmetransport zu den Sicherungsventilen erfolgt, so dass dieses ausgelöst werden kann.
  • In erster vorteilhafter Weiterbildung ist es vorgesehen, dass das Ummantelungselement aus Kupfer hergestellt ist. So unterstützt in einfacher Weise die Wärmeleitfähigkeit des Ummantelungselements den Wärmetransport bei möglichen Wärmeeintragungen auf die Tankvorrichtung zu den Sicherungsventilen.
  • In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist es vorteilhaft vorgesehen, dass es sich bei der Verdampfungsflüssigkeit um Wasser oder Ammoniak handelt. Vorteilhafterweise ist der Innenraum zur Hälfte mit der Verdampfungsflüssigkeit gefüllt. Die in dem Ummantelungselement eingeschlossene Verdampfungsflüssigkeit stellt so ein hermetisch abgeriegeltes System dar. So kann in einfacher Weise ein Wärmetransport innerhalb der Heizröhre mittels Verdampfungswärme der Verdampfungsflüssigkeit realisiert werden und dient so als wichtiger Sicherheitsfaktor für eine ordentliche Funktionsweise und ein bewährtes Auslösen des Sicherungsventils.
  • In vorteilhafter Weiterbildung sind die mindestens zwei Tankbehälter aus Stahl gefertigt. So wird in einfacher Weise durch den Materialeinsatz eine Kostenersparnis erzielt.
  • In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist es vorteilhaft vorgesehen, dass das Sicherungsventil ein schmelzendes Medium wie beispielsweise Wachs umfasst. So wird bei einem Wärmeeintrag auf das Sicherungsventil durch das Schmelzen des Wachses ein Öffnen des Sicherungsventils bei Überschreiten einer vorbestimmten Temperatur sichergestellt.
  • In vorteilhafter Weiterbildung ist in der Zufuhrleitung mindestens ein weiteres Ventil angeordnet, durch welches die mindestens zwei Tankbehälter mit einem Anodenbereich eines Brennstoffzellensystems verbindbar sind.
  • In vorteilhafter Weiterbildung ist es vorgesehen, dass jeder Tankbehälter an dem anderen Ende das Sicherungsventil aufweist, welches andere Ende des Tankbehälters über das Sicherungsventil und über eine Verbindungsleitung mit einer Ablassleitung verbunden ist.
  • In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist es vorteilhaft vorgesehen, dass jeder Tankbehälter an dem anderen Ende über eine Verbindungsleitung mit einer Ablassleitung verbunden ist, in welcher Ablassleitung das Sicherungsventil angeordnet ist. So kann in platzsparender Weise ein gemeinsames Sicherungsventil verwendet werden.
  • Die beschriebene Tankvorrichtung eignet sich vorzugsweise in einer Brennstoffzellenanordnung zur Speicherung von Wasserstoff für den Betrieb einer Brennstoffzelle.
  • In vorteilhaften Verwendungen kann die Tankvorrichtung in Fahrzeugen mit einem Brennstoffzellenantrieb verwendet werden.
  • Figurenliste
  • In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele einer erfindungsgemäßen Tankvorrichtung zur Temperaturdruckentlastung eines Brennstoffzellentanks dargestellt. Es zeigt in
    • 1a eine Seitenansicht eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Tankvorrichtung,
    • 1b eine Seitenansicht eines alternativen Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Tankvorrichtung,
    • 2a eine Seitenansicht durch das Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Tankvorrichtung aus der 1a,
    • 2b eine Draufsicht auf die Tankbehälter in der erfindungsgemäßen Tankvorrichtung aus der 1a,
    • 3a eine Seitenansicht beispielhaft auf einen einzelnen Tankbehälter in der erfindungsgemäßen Tankvorrichtung während eines Wärmeeintrags auf den Tankbehälter,
    • 3b eine Seitenansicht beispielhaft auf einen einzelnen Tankbehälter in der erfindungsgemäßen Tankvorrichtung während eines Wärmeeintrags auf den Tankbehälter,
    • 3c eine Seitenansicht beispielhaft auf einen einzelnen Tankbehälter in der erfindungsgemäßen Tankvorrichtung während eines Wärmeeintrags auf den Tankbehälter.
  • Beschreibung der Ausführungsbeispiele
  • 1a zeigt ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Tankvorrichtung 1 in einer Seitenansicht. Die Tankvorrichtung 1 weist mehrere Tankbehälter 2 auf, welche im Wesentlichen zylinderförmig ausgebildet und aus Stahl gefertigt sind. Die jeweiligen Enden 20, 21 des jeweiligen Tankbehälters 2 weisen eine konische Verjüngung und somit eine typische Flaschenhalsstruktur auf.
  • Mit dem einen Ende 20 ist der jeweilige Tankbehälter 2 mittels eines Absperrventils 8 mit einer Zulaufleitung 4 verbunden. Diese Zulaufleitung 4 ist mittels eines weiteren Ventils 5 beispielsweise mit einem Anodenbereich eines Brennstoffzellensystems verbunden. So kann die Tankvorrichtung 1 beispielsweise Wasserstoff für eine in dem Brennstoffzellensystem angeordnete Brennstoffzelle bereitstellen.
  • Mit dem anderen Ende 21 ist der jeweilige Tankbehälter 2 über eine Verbindungsleitung 11 mit einer Ablassleitung 12 verbunden. In der Verbindungsleitung 11 ist jeweils für jeden Tankbehälter 2 ein Sicherungsventil 10 angeordnet. Bei dem Sicherungsventil 10 handelt es sich um ein sogenanntes TPRD (Thermal Pressure Relief Device) Ventil, welches ein schmelzendes Medium wie beispielsweise Wachs aufweist, um im Ernstfall bei Wärmeeinträgen auf die Tankbehälter 2 ein Öffnen des Sicherungsventils 10 durch das Schmelzen des Wachses auszulösen.
  • In einer alternativen Ausführung kann das Sicherungsventil 10 in der Verbindungsleitung 11 bei jedem Tankbehälter 2 entfallen. Stattdessen ist ein gemeinsames Sicherungsventil 10 in der Ablassleitung 12 vorhanden, wie in 1b gezeigt.
  • 2a und 2b zeigen eine weitere Seitenansicht durch das Ausführungsbeispiel aus der 1 und eine Draufsicht auf das Ausführungsbeispiel aus der 1. Die Tankbehälter 2 sind von einem Ummantelungselement 24 umgeben, so dass dieses einen Innenraum 240 begrenzt, welcher zur Hälfte mit einer Verdampfungsflüssigkeit 25 gefüllt ist. Bei der Verdampfungsflüssigkeit 25 handelt es sich beispielsweise um Wasser oder Ammoniak. Weiterhin stellt der abgeschlossene Innenraum 240 so ein hermetisch abgeriegeltes System dar.
  • Funktionsweise der Tankvorrichtung
  • 3a, 3b und 3c zeigen eine Seitenansicht der erfindungsgemäßen Tankvorrichtung 1 während eines Wärmeeintrags beispielhaft auf einen Tankbehälter 2 und veranschaulichen die Funktionsweise der Tankvorrichtung 1.
  • Bei einer ordentlichen Funktionsweise des Brennstoffzellensystems wird die Brennstoffzelle mit Wasserstoff aus den Tankbehältern 2 versorgt. Dabei werden die Absperrventile 8 so ausgelegt, dass eine sichere Zufuhr zu der Brennstoffzelle gewährleistet ist.
  • Erfolgt, beispielsweise verursacht durch Feuer, ein Wärmeeintrag 26 auf die Tankbehälter 2, so sollen die Sicherungsventile 10 bzw. das gemeinsame Sicherungsventil 10 möglichst schnell nach Auftreten des Wärmeeintrags 26 auslösen, so dass der Wasserstoff aus den Tankbehältern 2 über die Verbindungsleitung 11 in die Ablassleitung 12 geleitet werden kann, um beispielsweise einer Explosion der Tankbehälter 2 vorzubeugen. Dabei wird in der Regel auch der Stromzufuhr zu den Absperrventilen 8 unterbrochen, so dass kein Wasserstoff mehr aus den Tankbehältern 2 entweichen kann.
  • Um sicherzustellen, dass die Sicherungsventile 10 bzw. das gemeinsame Sicherungsventil 10 auch auslösen, wenn beispielsweise ein Wärmeeintrag 26 an dem einen Ende 20 der Tankbehälter 2 erfolgt, an dem die Sicherungsventile 10 bzw. das gemeinsame Sicherungsventil 10 nicht angeordnet sind, sind die Tankbehälter 2 hier von einem Ummantelungselement 24 umgeben und umschlossen. Das Ummantelungselement 24 ist hier aus Kupfer hergestellt.
  • Der Wärmeeintrag 26 am Ende 20 des Tankbehälters 2 führt dazu, dass die Verdampfungsflüssigkeit 25 in dem Innenraum 240 verdampft, wobei sich der heiße Dampf im gesamten Innenraum 240 um den Tankbehälter 2 herum verteilt. An den Enden des Innenraums 240, was hier durch das Ummantelungselement 24 gebildet wird, und in der Nähe des Sicherungsventils 10 kondensiert der heiße Dampf der Verdampfungsflüssigkeit 25 und überträgt so die Wärme auf das Ummantelungselement 24 und das Sicherungsventil 10. Dies führt bei hoher Wärmezufuhr zu einem Schmelzen des Wachses an dem Sicherungsventil 10 und damit zu dessen Öffnung. So kann der gespeicherte Wasserstoff aus dem Tankbehälter 2 über die Verbindungsleitung 11 in die Ablassleitung 12 geleitet werden.
  • Dies geschieht ja nach Wärmeeintrag 26 separat für jeden Tankbehälter 2 über dessen Sicherungsventil 10, so dass gegebenenfalls auch nur ein Teil des in der Tankvorrichtung 1 gespeicherten Wasserstoffs abgeführt werden kann.
  • 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, 0003]

Claims (11)

  1. Tankvorrichtung (1) zur Temperaturdruckentlastung eines Brennstoffzellentanks, wobei die Tankvorrichtung (1) mindestens zwei Tankbehälter (2) und eine mit den Tankbehältern (2) verbindbare Zufuhrleitung (4) umfasst, wobei jeder der mindestens zwei Tankbehälter (2) an einem Ende (20) mindestens ein Absperrventil (8) aufweist, welches Absperrventil (8) zwischen dem jeweiligen Tankbehälter (2) und der Zufuhrleitung (4) angeordnet ist, wobei an einem anderen Ende (21) des Tankbehälters (2) mindestens ein Sicherungsventil (10) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens zwei Tankbehälter (2) von einem Ummantelungselement (24) umgeben sind, wobei in einem von dem Ummantelungselement (24) begrenzten Innenraum (240) eine Verdampfungsflüssigkeit (25) angeordnet ist.
  2. Tankvorrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Ummantelungselement (24) aus Kupfer hergestellt ist.
  3. Tankvorrichtung (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der Verdampfungsflüssigkeit (25) um Wasser oder Ammoniak handelt.
  4. Tankvorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Innenraum (240) zur Hälfte mit der Verdampfungsflüssigkeit (25) gefüllt ist.
  5. Tankvorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens zwei Tankbehälter (2) aus Stahl gefertigt sind.
  6. Tankvorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Sicherungsventil (10) ein schmelzendes Medium wie beispielsweise Wachs umfasst.
  7. Tankvorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der Zufuhrleitung (4) mindestens ein weiteres Ventil (5) angeordnet ist, durch welches die mindestens zwei Tankbehälter (2) mit einem Anodenbereich eines Brennstoffzellensystems verbindbar sind.
  8. Tankvorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Tankbehälter (2) an dem anderen Ende (21) das Sicherungsventil (10) aufweist, welches andere Ende (21) des Tankbehälters (2) über das Sicherungsventil (10) und über eine Verbindungsleitung (11) mit einer Ablassleitung (12) verbunden ist.
  9. Tankvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Tankbehälter (2) an dem anderen Ende (21) über eine Verbindungsleitung (11) mit einer Ablassleitung (12) verbunden ist, in welcher Ablassleitung (12) das Sicherungsventil (10) angeordnet ist.
  10. Brennstoffzellensystem mit einer Tankvorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
  11. Brennstoffzellenbetriebenes Fahrzeug mit einer Tankvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9.
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