DE102020118281A1

DE102020118281A1 - Brennstoffversorgungseinrichtung, Kraftfahrzeug und Druckminderereinheit

Info

Publication number: DE102020118281A1
Application number: DE102020118281.3A
Authority: DE
Inventors: Klaus SZOUCSEK
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2020-07-10
Filing date: 2020-07-10
Publication date: 2022-01-13

Abstract

Die hier offenbarte Technologie betrifft erfindungsgemäß eine Brennstoffversorgungseinrichtung 10 für ein Kraftfahrzeug 1 mit mehreren Druckbehältern 21, 22, 23, welche gleich groß und sinnvoll angeordnet sein können und/oder deren Massenströme durch Strömungshindernisse 200 gesteuert werden können. Die hier offenbarte Technologie betrifft erfindungsgemäß ferner ein Kraftfahrzeug 1 mit einer solchen Brennstoffversorgungseinrichtung 10 sowie eine Druckminderereinheit 100.

Description

Die hier offenbarte Technologie betrifft eine Brennstoffversorgungseinrichtung für ein Kraftfahrzeug, ein Kraftfahrzeug sowie eine Druckminderereinheit.
Brennstoffversorgungseinrichtungen können insbesondere in einem Kraftfahrzeug verwendet werden, um dieses mit Brennstoff, hier insbesondere mit gasförmigem Brennstoff, zu versorgen. Beispielsweise kann es sich dabei um Erdgas oder um Wasserstoff handeln. Eine Brennstoffversorgungseinrichtung weist hierzu typischerweise einen oder mehrere Druckbehälter auf, in welchen der gasförmige Brennstoff gelagert werden kann.
Es ist eine bevorzugte Aufgabe der hier offenbarten Technologie, zumindest einen Nachteil von einer vorbekannten Lösung zu verringern oder zu beheben oder eine alternative Lösung vorzuschlagen. Es ist insbesondere eine bevorzugte Aufgabe der hier offenbarten Technologie, eine Brennstoffversorgungseinrichtung bereitzustellen, welche einfacher herzustellen ist und/oder besser verwendet werden kann. Weitere bevorzugte Aufgaben können sich aus den vorteilhaften Effekten der hier offenbarten Technologie ergeben. Die Aufgaben werden gelöst durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche. Die abhängigen Ansprüche stellen bevorzugte Ausgestaltungen dar.
Die hier offenbarte Technologie betrifft eine Brennstoffversorgungseinrichtung für ein Kraftfahrzeug, umfassend mindestens (i) einen ersten Druckbehälter und (ii) einen zweiten Druckbehälter zur Lagerung von Brennstoff, und (iii) ein Leitungssystem, welches an dem Druckbehälter zum Betanken und zur Entnahme von Brennstoff angeschlossen ist. In einem solchen Brennstoffversorgungssystem kann gasförmiger Brennstoff in den Druckbehältern gelagert werden, und er kann beispielsweise über das Leitungssystem einem Verbraucher wie beispielsweise einer Brennstoffzelle oder einem gasbetriebenen Verbrennungsmotor zugeführt werden.
Insbesondere kann das Leitungssystem mit jedem der Druckbehälter verbunden sein. Beispielsweise können die weiter unten beschriebenen Ausführungen verwendet werden. Das Leitungssystem kann insbesondere eine oder mehrere Leitungen für den gasförmigen Brennstoff aufweisen, insbesondere um die Druckbehälter zu betanken und/oder gasförmigen Brennstoff daraus zu entnehmen und dem Verbraucher zuzuführen. Mögliche Ausführungen werden weiter unten beschrieben.
Gemäß einer Ausführung weist die Brennstoffversorgungseinrichtung auch einen dritten Druckbehälter auf. Dadurch kann mehr Brennstoff gelagert werden. Bevorzugt sind alle Druckbehälter identisch zueinander ausgeführt. Dies kann insbesondere bei einer Ausführung von drei Druckbehältern verwendet werden. Dies erlaubt selbst bei Verwendung von drei Druckbehältern eine gemeinsame Entwicklung und Herstellung aller verwendeten Druckbehälter in einem Kraftfahrzeug, wodurch separate Entwicklung und Herstellung von weiteren Druckbehältern entfallen. Beispielsweise kann eine solche Ausführung mit drei Druckbehältern vorteilhaft anstelle einer Ausführung mit einem kleineren und einem größeren Druckbehälter verwendet werden, wobei zumindest in etwa die gleiche Menge an gasförmigem Brennstoff gespeichert werden kann, die Entwicklungs- und Herstellungskosten jedoch deutlich verringert werden können.
Unter einer identischen Ausführung von Druckbehältern kann insbesondere verstanden werden, dass diese aus gleichen Materialien und mit gleichen geometrischen Parametern hergestellt werden. Fertigungstoleranzen bleiben dabei typischerweise außer Betracht.
Insbesondere können der zweite Druckbehälter und der dritte Druckbehälter so angeordnet und ausgerichtet sein, dass ihre Längsachsen identisch sind. Der erste Druckbehälter kann insbesondere so ausgerichtet sein, dass seine Längsachse quer zu den Längsachsen des zweiten Druckbehälters und des dritten Druckbehälters ausgerichtet ist. Eine solche Anordnung erlaubt beispielsweise, den ersten Druckbehälter quer zur Fahrtrichtung eines Kraftfahrzeugs zu positionieren, wobei dieser insbesondere unter einem Rücksitz bzw. einer Rücksitzbank positioniert werden kann. Dort kann der vorhandene Bauraum in vorteilhafter Weise ausgenutzt werden. Der zweite Druckbehälter und der dritte Druckbehälter können bei der genannten Anordnung mit identischen Längsachsen insbesondere in einem Mitteltunnel angeordnet werden und dort den längeren Bauraum in vorteilhafter Weise ausnutzen. Auf die Entwicklung und die Fertigung eines zusätzlichen, beispielsweise längeren Druckbehälters für einen solchen Mitteltunnel kann verzichtet werden, wodurch die Kosten gesenkt werden können.
Eine Längsachse eines Druckbehälters kann beispielsweise eine Symmetrieachse und/oder eine Achse entlang einer Längserstreckung des Druckbehälters sein, wobei der Druckbehälter beispielsweise zumindest im Wesentlichen axialsymmetrisch um die Längsachse ausgeführt sein kann. Wenn zwei Längsachsen identisch zueinander sind, kann dies insbesondere bedeuten, dass diese übereinanderliegen. Sie sind also nicht nur parallel, sondern überlappen sich auch. Geringfügige Abweichungen, welche beispielsweise auf Fertigungstoleranzen zurückführbar sein können, können hier insoweit berücksichtigt werden, als die Längsachsen trotz solcher geringfügiger Abweichungen immer noch als identisch gelten können. Gleiches gilt für eine quere Anordnung, wobei hierunter typischerweise ein Winkel von zumindest in etwa, oder auch exakt, 90° zu verstehen ist. Bei der eben beschriebenen Ausführung liegen also beispielsweise die beiden Längsachsen des zweiten und des dritten Druckbehälters, welche identisch zueinander sind, und die Längsachse des ersten Druckbehälters in einem Winkel von 90° bzw. zumindest in etwa 90° zueinander, wobei ein Toleranzbereich einer Winkelabweichung beispielsweise +/- 5° betragen kann. Die Längsachsen liegen typischerweise zumindest im Wesentlichen horizontal, wenn das Kraftfahrzeug auf einer horizontalen Oberfläche steht.
Das Leitungssystem kann gemäß einer vorteilhaften Ausführung eine Tankanschlussleitung aufweisen, die zu einem Eingangsverteiler führt. Das Leitungssystem kann insbesondere mehrere Behälteranschlussleitungen aufweisen, die den Eingangsverteiler mit den Druckbehältern verbinden. Durch eine solche Ausführung kann eine zentrale Tankanschlussleitung verwendet werden, welche beispielsweise zu einem Tankanschluss führt, über welchen das Kraftfahrzeug betankt werden kann. An einem solchen Tankanschluss kann beispielsweise ein Betankungsschlauch einer Tankstelle angeschlossen werden, um gasförmigen Brennstoff wie Wasserstoff oder Erdgas zuzuführen. Der gasförmige Brennstoff kann dann in die Druckbehälter geleitet und dort gelagert werden.
Der Eingangsverteiler kann in seiner einfachsten Form beispielsweise eine einfache Zusammenführung der Behälteranschlussleitungen und der Tankanschlussleitung sein, welche beispielsweise an einem Knoten erfolgen kann. Es können jedoch auch komplexere Ausführungen verwendet werden, wobei beispielsweise ein Gehäuse verwendet werden kann und/oder Komponenten zum Steuern des Drucks verwendet werden können. An dem Eingangsverteiler wird typischerweise ein über die Tankanschlussleitung von einer Tankstelle zugeführter Massenstrom auf die Druckbehälter aufgeteilt. Die Behälteranschlussleitungen sind dabei typischerweise sowohl am Eingangsverteiler wie auch an jedem der Druckbehälter angeschlossen, wobei typischerweise je eine Behälteranschlussleitung von einem der Druckbehälter zu dem Eingangsverteiler führt. Dies schließt nicht aus, dass sich zumindest Teile der Behälteranschlussleitungen überlappen bzw. identisch zueinander ausgeführt sind, beispielsweise wie dies weiter unten beschrieben wird.
Die Behälteranschlussleitungen können zwischen Eingangsverteiler und den Druckbehältern insbesondere gleich lang sein, oder sie können eine Längendifferenz von höchstens 5 % oder 10 % haben. Dies hat sich als vorteilhaft herausgestellt, da dadurch eine gleichmäßige Betankung der Druckbehälter erreicht werden kann. Durch die große Ähnlichkeit der Längen wird wirkungsvoll vermieden, dass die Druckbehälter mit unterschiedlichen Massenströmen betankt werden und dadurch beispielsweise während eines für alle gleich lang dauernden Tankvorgangs mit einem unterschiedlichen Druck versehen werden. Die genannten Längendifferenzen haben sich insbesondere deshalb als vorteilhaft herausgestellt, weil bei einer Längendifferenz von höchstens 10 %, beispielsweise gemessen zwischen längster Behälteranschlussleitung und kürzester Behälteranschlussleitung, nur geringfügige Druckunterschiede in den Druckbehältern auftreten, welche nicht zu Problemen im Betrieb führen.
Die Brennstoffversorgungseinrichtung kann insbesondere eine Druckminderereinheit aufweisen. Die Druckminderereinheit kann insbesondere einen Druckminderer, einen ersten hochdruckseitigen Anschluss und einen zweiten hochdruckseitigen Anschluss aufweisen. Die hochdruckseitigen Anschlüsse und ein Eingang des Druckminderers können insbesondere in der Druckminderereinheit fluidisch miteinander verbunden sein. Durch eine solche Druckminderereinheit wird eine Einheit erreicht, welche nicht nur die Funktionalität eines Druckminderers hat, sondern zusätzlich auch noch eine Weiterleitungs- und/oder Verteilungsfunktion für gasförmigen Brennstoff haben kann. Hierzu dienen die beiden hochdruckseitigen Anschlüsse, welche grundsätzlich so miteinander verbunden sind, dass eine Leitung faktisch hindurchgehen kann, indem Abschnitte dieser Leitung an die hochdruckseitigen Anschlüsse angeschlossen werden. Ein Eingang des Druckminderers kann insbesondere derjenige Eingang sein, an welchem der höhere Druck anliegt, so dass er auf einen niedrigeren Druck, beispielsweise einen Mitteldruck, herabgesetzt werden kann. Beispielsweise kann ein Eingang dafür ausgelegt sein, einen Druck von mehreren Hundert bar, beispielsweise 700 bar, aufzunehmen und auf einen Mitteldruck von beispielsweise 50 bar herabzusetzen. Ein Druckminderer ist typischerweise ausgebildet, den am Eingang des Druckminderers anliegenden Brennstoff-Eingangsdruck auf einen am Ausgang des Druckminderers anliegenden Brennstoff-Ausgangsdruck bzw. Hinterdruck zu reduzieren. In der Regel umfasst der Druckminderer ein Druckminderungsventil, das trotz unterschiedlicher Eingangsdrücke dafür sorgt, dass auf der Ausgangsseite ein bestimmter Ausgangsdruck nicht überschritten wird. Im Druckminderer expandiert typischerweise der Brennstoff.
Gemäß einer Ausführung kann der erste hochdruckseitige Anschluss an einem ersten Abschnitt einer Behälteranschlussleitung angeschlossen sein und der zweite hochdruckseitige Anschluss kann an einem zweiten Abschnitt dieser Behälteranschlussleitung angeschlossen sein. Dies kann einem Fall entsprechen, in welchem die Behälteranschlussleitung durch die Druckminderereinheit durchführt, so dass die fluidische Verbindung, beispielsweise ein Kanal, im Inneren der Druckminderereinheit zwischen erstem hochdruckseitigem Anschluss und zweitem hochdruckseitigem Anschluss einen Teil der Behälteranschlussleitung bildet. Dadurch kann ein Behälter in vorteilhafter Weise angeschlossen werden, und an einer bestimmten Stelle entlang der entsprechenden Behälteranschlussleitung kann die Druckminderereinheit positioniert werden, über welche eine Abzweigung zum Mitteldruck erfolgen kann. Dies erlaubt beispielsweise die Positionierung der Druckminderereinheit geometrisch vorteilhaft neben einem Druckbehälter, ohne dass hierzu längere Behälteranschlussleitungen erforderlich wären. Eine Positionierung neben einem Druckbehälter kann beispielsweise bedeuten, dass sich der Druckbehälter und die Druckminderereinheit zumindest teilweise entlang einer Längsrichtung des Kraftfahrzeugs überlappend bzw. auf gleicher Position angeordnet sind.
Gemäß einer Ausführung kann die Druckminderereinheit den Eingangsverteiler bilden. Insbesondere in diesem Fall kann die Tankanschlussleitung an dem ersten hochdruckseitigen Anschluss angeschlossen sein und mindestens eine Behälteranschlussleitung an dem zweiten hochdruckseitigen Anschluss angeschlossen sein. Dadurch kann die Druckminderereinheit als Eingangsverteiler verwendet werden, was beispielsweise in Fällen vorteilhaft sein kann, in welchen diese Druckminderereinheit verhältnismäßig weit vorne im Kraftfahrzeug positioniert wird und von dort aus mindestens eine Behälteranschlussleitung abgeht. Die Behälteranschlussleitung kann sich beispielsweise verzweigen und dann zu unterschiedlichen Druckbehältern führen, so dass Behälteranschlussleitungen unterschiedlicher Druckbehälter in diesem Fall beispielsweise überlappen können.
Die bisher beschriebenen Ausführungen der Behälteranschlussleitungen können insbesondere in einer Weise verwendet werden, dass keine separaten Entnahmeleitungen vorhanden sind, so dass Betankung und Entnahme über die gleichen Leitungen erfolgen. Beispielweise kann hierzu wie bereits erwähnt die Druckminderereinheit verwendet werden, über welche eine Verbindung zu einem Mitteldruckbereich hergestellt werden kann, an welchem wiederum ein Verbraucher wie beispielsweise ein gasbetriebener Verbrennungsmotor oder eine Brennstoffzelle angeschlossen sein kann.
Gemäß einer Ausführung weist das Leitungssystem mehrere Entnahmeleitungen auf, die zur Entnahme von Brennstoff aus den Druckbehältern an jeweils einem Druckbehälter angeschlossen sind. Die Entnahmeleitungen sind dabei insbesondere zu den Behälteranschlussleitungen separat. Dadurch können Betankung und Entnahme über unterschiedliche Leitungen erfolgen. Diese können beispielsweise hinsichtlich ihres Durchmessers oder auch sonst bezüglich ihrer Leitungskapazität oder sonstiger Parameter für den jeweiligen Zweck angepasst werden. Außerdem wird die Verwendung weiterer Anschlusselemente zu den Druckbehältern ermöglicht. Beispielsweise kann eine Entnahmeleitung an einem Tankabsperrventil angeschlossen sein, wohingegen eine Behälteranschlussleitung, welche ausschließlich zum Betanken verwendet wird, an einem Rückschlagventil angeschlossen sein kann, welches lediglich einen Massenstrom in das Innere des Druckbehälters erlaubt.
Gemäß einer möglichen Ausführung weist die Brennstoffversorgungseinrichtung eine Druckminderereinheit auf. Die Druckminderereinheit kann insbesondere einen Druckminderer, einen ersten hochdruckseitigen Anschluss und einen zweiten hochdruckseitigen Anschluss aufweisen. Die hochdruckseitigen Anschlüsse und ein Eingang des Druckminderers können insbesondere in der Druckminderereinheit fluidisch miteinander verbunden sein. Bezüglich der Ausführung der Druckminderereinheit sei auf die weiter oben bereits gegebene Beschreibung verwiesen.
Insbesondere bei der Ausführung mit getrennten Entnahmeleitungen kann der erste hochdruckseitige Anschluss an einer Entnahmeleitung angeschlossen sein und der zweite hochdruckseitige Anschluss kann an einer weiteren Entnahmeleitung angeschlossen sein. Dies erlaubt ein Zusammenführen eines Entnahmemassenstroms in der Druckminderereinheit. Auf zusätzliche Komponenten kann vorteilhaft verzichtet werden.
Eine Druckminderereinheit kann insbesondere eine oder mehrere der folgenden Komponenten aufweisen:

- hochdruckseitiger Temperatursensor,
- hochdruckseitiger Drucksensor,
- hochdruckseitige Druckentlastungseinrichtung,
- hochdruckseitiger Filter,
- mitteldruckseitige Druckentlastungseinrichtung,
- mitteldruckseitiger Drucksensor,
- mitteldruckseitiger Temperatursensor,
- Anschluss für Mitteldruckleitung,
- Gehäuse, das die anderen Komponenten der Druckminderereinheit ganz oder teilweise umgibt und/oder in dem die Anschlüsse ausgebildet sind.

Derartige Komponenten können die Funktionalität einer Druckminderereinheit deutlich erhöhen. Hochdruckseitige Komponenten sind dabei typischerweise am Eingang des Druckminderers angeschlossen und/oder stromaufwärts dieses Eingangs angeordnet. Mitteldruckseitige Komponenten sind typischerweise am Ausgang des Druckminderers angeschlossen und/oder stromabwärts dieses Ausgangs angeordnet.
Ein Temperatursensor dient insbesondere zum Messen der Temperatur des gasförmigen Brennstoffs. Ein Drucksensor dient insbesondere zum Messen des Drucks des gasförmigen Brennstoffs. Eine hochdruckseitige Druckentlastungseinrichtung kann beispielsweise als Überstromventil bezeichnet werden. Sie kann beispielsweise dazu ausgelegt sein, ab einem vorbestimmten Berstdruck gasförmigen Brennstoff in die Umgebung abzulassen. Eine mitteldruckseitige Druckentlastungseinrichtung kann beispielsweise auch als Mid-Pressure Relief Valve (MPRV) bezeichnet werden. Durch das Vorsehen einer hochdruckseitigen Druckentlastungseinrichtung zusätzlich zur mitteldruckseitigen Druckentlastungseinrichtung kann insbesondere erreicht werden, dass die mitteldruckseitige Druckentlastungseinrichtung entlastet wird und/oder kleiner ausgeführt werden kann.
Derartige Druckentlastungseinrichtungen können insbesondere gasförmigen Brennstoff ablassen, wenn der Druck einen Schwellenwert übersteigt, beispielsweise einen Schwellenwert, der einer Auslegung nicht mehr entsprechen würde. Kommt es beispielsweise aufgrund einer Fehlfunktion einer anderen Komponente und/oder durch eine äußere thermische und/oder mechanische Einwirkung (zum Beispiel Unfall, lokale Flamme, etc.) zu einem Störfall, so ist die Druckentlastungseinrichtung eingerichtet, den Druck zu verringern. Eine Druckentlastungseinrichtung kann zweckmäßig eingerichtet sein, zur Druckentlastung einen Brennstoffentnahmemassenstrom zu ermöglichen, der größer (zum Beispiel mindestens um den Faktor 2, 5, 10 oder höher) ist als der maximale Brennstoffentnahmemassenstrom durch einen Entnahmestrom zu mindestens einem Verbraucher. Die Druckentlastungseinrichtung kann auch thermisch aktivierbar sein, wobei sie insbesondere in diesem Fall auch als Thermal Pressure Relief Device (TPRD) oder Thermosicherung bezeichnet werden kann. Bei Hitzeeinwirkung (zum Beispiel durch Flammen) kann durch das TPRD der in den Leitungen und eventuell zusätzlich in den Druckbehältern gespeicherte Brennstoff in die Umgebung abgelassen werden. Die Druckentlastungseinrichtung lässt den Brennstoff ab, sobald die Auslösetemperatur des TPRD überschritten wird (= wird thermisch aktiviert). Es können ferner Auslöseleitungen vorgesehen sein. Ein solches System zur thermischen Druckentlastung ist beispielsweise in der deutschen Patentanmeldung mit der Veröffentlichungsnummer DE 10 2015 222 252 A1 gezeigt.
Ein Filter kann beispielsweise das durchströmende Gas filtern und somit verhindern, dass Verunreinigungen wie beispielsweise mitgeführte Teilchen zum Druckminderer oder zu stromabwärts liegenden Komponenten gelangen. Ein Anschluss für die Mitteldruckleitung kann beispielsweise ähnlich ausgeführt sein wie die hochdruckseitigen Anschlüsse und kann dazu dienen, eine Leitung anzuschließen, welche zu einem Verbraucher führt. Das Gehäuse kann die anderen Komponenten insbesondere vollständig umgeben. Außerdem können die Anschlüsse darin ausgebildet sein. Beispielsweise können Komponenten wie Temperatursensor, Drucksensor, Druckentlastungseinrichtung oder Filter innerhalb des Gehäuses ausgebildet sein. Die Anschlüsse können beispielsweise durch entsprechende Vorsprünge am Gehäuse ausgebildet sein.
Die beiden hochdruckseitigen Anschlüsse können insbesondere einen Verteiler bilden, durch welchen gasförmiger Brennstoff verteilt werden kann.
Die Brennstoffversorgungseinrichtung kann eines oder mehrere eingangsseitige Strömungshindernisse aufweisen. Diese können jeweils im Strömungspfad zwischen dem Eingangsverteiler und einem Druckbehälter angeordnet sein. Durch derartige Strömungshindernisse kann beispielsweise eine Strömung zu einem bestimmten Druckbehälter gezielt verringert werden. Dadurch kann beispielsweise die Tatsache kompensiert werden, dass eine Behälteranschlussleitung zu diesem Druckbehälter kürzer ist als andere Behälteranschlussleitungen. Trotz unterschiedlich langer Behälteranschlussleitungen kann somit durch Verwendung von einem oder mehreren eingangsseitigen Strömungshindernissen eine gleichmäßige Befüllung der Druckbehälter sichergestellt werden. Eingangsseitige Strömungshindernisse sind dabei diejenigen, welche wie erwähnt im Strömungspfad zwischen Eingangsverteiler und Druckbehälter angeordnet sind und typischerweise bei der Betankung ihre Wirkung entfalten. Damit grenzen sie sich sprachlich von den weiter unten erwähnten ausgangsseitigen und zentralen Strömungshindernissen ab.
Die Brennstoffversorgungseinrichtung kann eines oder mehrere ausgangsseitige Strömungshindernisse aufweisen, die zweckmäßig jeweils im Strömungspfad zwischen einem Druckbehälter und einer stromabseitigen Verbindung der Entnahmeleitungen angeordnet sind. Eine solche stromabseitige Verbindung kann insbesondere eine Verbindung sein, welche die bereits weiter oben erwähnten Entnahmeleitungen an einem bestimmten Punkt zusammenführt, um dann einen gemeinsamen Entnahmemassenstrom in Richtung auf einen Verbraucher zu erzeugen. Eine solche stromabseitige Verbindung kann beispielsweise in einer Druckminderereinheit wie weiter oben beschrieben angeordnet sein. Durch die Verwendung derartiger ausgangsseitiger Strömungshindernisse kann auch ein Entnahmemassenstrom eines bestimmten Druckbehälters gezielt verringert werden, beispielsweise um eine kürzere Entnahmeleitung auszugleichen und somit eine gleichmäßige Entnahme aus allen verwendeten Druckbehältern sicherzustellen.
Eines, einige oder alle ausgangsseitigen Strömungshindernisse können insbesondere in einem On-Tank-Valve eines Druckbehälters bzw. des jeweiligen Druckbehälters angeordnet sein. Dies erlaubt eine einfache Integration. Eines, einige oder alle ausgangsseitigen Strömungshindernisse können beispielsweise im Strömungspfad zwischen einem Tankabsperrventil und einem Innenraum des Druckbehälters angeordnet sein oder können außenseitig zum Tankabsperrventil angeordnet sein. Insbesondere können die ausgangsseitigen Strömungshindernisse dabei so angeordnet sein, dass sie nicht in einem Betankungspfad liegen, also beispielsweise einen über ein Betankungsventil oder ein Rückschlagventil einströmenden Gasmassenstrom nicht behindern.
Die Brennstoffversorgungseinrichtung kann beispielsweise mindestens ein zentrales Strömungshindernis aufweisen, das hochdruckseitig oder mitteldruckseitig zum Druckminderer angeordnet ist. Dadurch kann der gesamte Entnahmemassenstrom begrenzt werden, wodurch beispielsweise eine langsamere Gasabgabe erreicht werden kann. Insbesondere kann das zentrale Strömungshindernis so angeordnet sein, dass jeglicher Entnahmemassenstrom von den Druckbehältern zum Verbraucher über das zentrale Strömungshindernis fließt.
Eines, einige oder alle der Strömungshindernisse können beispielsweise als Drossel ausgebildet sein. Dies kann beispielsweise als Verengung an einer bestimmten Stelle in einer Leitung realisiert sein, beispielsweise durch einen lokal verringerten Durchmesser. Dieser kann sich beispielsweise abrupt oder auch kontinuierlich verringern. Sie können jedoch auch beispielsweise als Filter oder als Sinterfilter ausgebildet sein. Derartige Filter dienen zusätzlich der Filterung und können ebenfalls den durchströmenden Massenstrom begrenzen oder verringern.
Grundsätzlich ist ein Strömungshindernis ein Element, welches in eine Leitung eingebracht wird oder an einer Leitung angeschlossen ist und den durchfließenden Massenstrom im Vergleich zu einem Zustand ohne Strömungshindernis begrenzt. Dies kann wie erwähnt unterschiedlich ausgeführt sein.
Druckbehälter können insbesondere zur Speicherung von unter Umgebungsbedingungen gasförmigem Brennstoff ausgebildet sein. Die Druckbehälter können beispielsweise in einem Kraftfahrzeug eingesetzt werden, das mit komprimiertem (auch Compressed Natural Gas oder CNG genannt) oder verflüssigtem (auch Liquid Natural Gas oder LNG genannt) Erdgas oder mit Wasserstoff betrieben wird. Die Druckbehälter bzw. die Brennstoffversorgungseinrichtung können insbesondere mit mindestens einem Energiewandler fluidverbunden sein, der eingerichtet ist, die chemische Energie des Brennstoffs in andere Energieformen umzuwandeln. Die Druckbehälter können insbesondere als Composite Overwrapped Pressure Vessel ausgebildet sein. Die Druckbehälter können beispielsweise als kryogene Druckbehälter oder als Hochdruckgasbehälter ausgebildet sein. Hochdruckgasbehälter sind ausgebildet, bei Umgebungstemperaturen Brennstoff dauerhaft bei einem nominalen Betriebsdruck (auch Nominal Working Pressure oder NWP genannt) von mindestens 350 barü (= Überdruck gegenüber dem Atmosphärendruck) oder mindestens 700 barü zu speichern. Ein kryogener Druckbehälter ist geeignet, den Brennstoff bei den vorgenannten Betriebsdrücken auch bei Temperaturen zu speichern, die deutlich (zum Beispiel mehr als 50 K oder mehr als 100 K) unter der Betriebstemperatur des Kraftfahrzeugs liegen.
Ein Tankabsperrventil ist insbesondere ein Ventil, dessen Eingangsdruck (im Wesentlichen) dem Behälterdruck entspricht. Das Tankabsperrventil ist insbesondere ein steuerbares bzw. regelbares und insbesondere stromlos geschlossenes Ventil. Das Tankabsperrventil ist in der Regel in ein On-Tank-Valve integriert. In der Verordnung (EU) Nr. 406/2010 der Kommission vom 26. April 2010 zur Durchführung der Verordnung (EG) Nr. 79/2009 des Europäische Parlaments und des Rates über die Typgenehmigung von wasserstoffbetriebenen Kraftfahrzeugen wird ein solches Tankabsperrventil auch als erstes Ventil bezeichnet.
Als On-Tank-Valve (OTV) wird typischerweise eine Kombination aus einem elektromagnetisch betätigten Ventil, einem manuell betätigten Ventil und einer thermischen Druckentlastungsvorrichtung (TPRD) bezeichnet. Das elektromagnetisch betätigte Ventil und das manuell betätigte Ventil können insbesondere in Reihe verschaltet sein, wobei eines davon ein Tankabsperrventil darstellen kann. Des Weiteren umfasst ein On-Tank-Valve typischerweise noch einen Bleed Port oder ein Bleed Valve. Ein Bleed Port ist typischerweise ein Anschluss, über den Gas aus einem Druckbehälter auch beim Versagen der Ventile abgelassen werden kann. Ein Bleed Valve ist ein Ventil mit einer solchen Funktionalität. Das On-Tank-Valve ist typischerweise die direkt an einem Ende des Druckbehälters montierte und mit dem Inneren des Druckbehälters direkt fluidverbundene Ventileinheit.
Die hier offenbarte Technologie betrifft ferner ein Kraftfahrzeug mit einer Brennstoffversorgungseinrichtung wie hierin beschrieben. Dabei können alle beschriebenen Ausführungen verwendet werden. Das Kraftfahrzeug kann somit in vorteilhafter Weise mit gasförmigem Brennstoff versorgt werden, wobei die oben erwähnten Vorteile erreicht werden können.
Der erste Druckbehälter kann insbesondere quer zu einer Längsachse des Kraftfahrzeugs eingebaut sein und der zweite Druckbehälter und der dritte Druckbehälter können insbesondere längs zur Längsachse des Kraftfahrzeugs eingebaut sein. Dadurch kann insbesondere eine Anordnung realisiert werden, in welche der erste Druckbehälter unter einer Rücksitzbank verbaut ist und/oder wobei der zweite Druckbehälter und der dritte Druckbehälter unter einem Mitteltunnel verbaut sind. Dies hat sich als besonders vorteilhafte Anordnung erwiesen, wobei vorhandener Platz bestmöglich ausgenutzt wird und außerdem Entwicklungs- und Herstellungskosten eingespart werden, da die gleichen Druckbehälter verwendet werden können. Ein Mitteltunnel verläuft typischerweise zumindest partiell unterhalb des Fahrgastraums entlang der Längsachse. Eine Rücksitzbank ist typischerweise quer zur Längsrichtung eingebaut und ermöglicht, dass Passagiere hinter den Vordersitzen mitfahren.
Ventile der Druckbehälter können im Mitteltunnel insbesondere nach hinten, d.h. entgegen der Fahrtrichtung, gerichtet sein. Ventile können insbesondere an einem Tankanschluss neben einem Neckmount positioniert sein, weil dann an dieser Stelle ein Festlager ist. Dadurch kann beispielsweise verhindert werden, dass Anschlussleitungen durch die Tankausdehnung bei Druckerhöhung deformiert werden. Technisch ist es möglich, den Neckmount auch an der anderen Seite des Druckbehälters anzubringen, also dort, wo beispielsweise kein On-Tank-Valve ist.
Der erste Druckbehälter kann beispielsweise mittels einem oder mehreren Spannbändern befestigt sein. Bei einer Anordnung quer zur Fahrtrichtung genügt dies typischerweise, um ihn zuverlässig zu befestigen. Der zweite Druckbehälter und der dritte Druckbehälter können beispielsweise mittels jeweils eines Neckmounts und mindestens eines Spannbands befestigt sein. Dadurch können diese besser gegen Verrutschen bei den in Längsrichtung typischerweise höheren zu erwartenden Beschleunigungen gesichert werden. Ein On-Tank-Valve und ein Neckmount können insbesondere auf der gleichen Seite angeordnet sein. Insbesondere können diese in Fahrtrichtung nach hinten weisen.
Die hier offenbarte Technologie betrifft ferner eine Druckminderereinheit umfassend einen Druckminderer, einen ersten hochdruckseitigen Anschluss und einen zweiten hochdruckseitigen Anschluss. Die hochdruckseitigen Anschlüsse und ein Eingang des Druckminderers in der Druckminderereinheit können insbesondere fluidisch miteinander verbunden sein. Bezüglich möglicher Ausführungen dieser Druckminderereinheit sei auf die weiter oben bereits gegebenen Ausführungen verwiesen.
Eine Druckminderereinheit kann beispielsweise an einem der hochdruckseitigen Eingänge ein Rückschlagventil aufweisen, welches in Richtung zum Eingang des Druckminderers hin durchlässt. Dies kann insbesondere dann verwendet werden, wenn eine Tankanschlussleitung an diesem Anschluss angeschlossen wird, so dass ein Durchlass nur in einer Richtung möglich ist.
Zum Leitungssystem sei insbesondere angemerkt, dass gemeinsame Befüll- und Entnahmeleitungen, in der oben beschriebenen Ausführung beispielsweise bei Verwendung der Tankanschlussleitungen sowohl zum Befüllen wie auch zur Entnahme, insbesondere dann von Vorteil sind, wenn eine größere Anzahl an Tanks bzw. Druckbehältern verwendet wird, da dann weniger Komponenten benötigt werden. Insbesondere bei der Verwendung von drei Druckbehältern ist es jedoch trotzdem durchaus noch möglich, getrennte Leitungen zu verwenden. Vorteilhaft daran ist insbesondere, dass ein schneller Druckausgleich zwischen Druckbehältern verhindert wird. Dies hilft beispielsweise, wenn man sehr unterschiedliche Leitungslängen bzw. Druckverluste beim Betanken zwischen den verschiedenen Druckbehältern hat. Die bereits erwähnte Druckminderereinheit kann insbesondere einen Druckminderer bzw. Druckregler, ein MPRV (Überdruck-Sicherheitsventil für Mitteldruck-Bereich), ein EFV (Excessive Flow Valve), einen Filter auf Einlass-Seite und/oder eventuell Temperatur- oder Drucksensoren aufweisen. Zudem ist auf der Eingangsseite beispielsweise noch ein vorgeschalteter Gasverteiler mit beispielsweise zwei Anschlüssen, beispielsweise zu einem Vier-Wege-Verteiler, möglich. Es ist vorteilhaft, wenn eine Druckminderereinheit möglichst weit hinten im Fahrzeug angeordnet ist, damit ein Mitteldruckbereich ein ausreichend großes Volumen hat und dadurch der Druckreglerausgangsdruck innerhalb des Toleranzbands bleibt, auch wenn die Entnahmemenge schnell und stark schwankt. Durch die Verwendung gleicher Tanks und eine Integration eines Drei-Wege-Verteilers in die Druckminderereinheit können Kosten reduziert werden und die Anzahl an potenziellen Leckagestellen kann ebenfalls reduziert werden.
Allgemein sei erwähnt, dass beispielsweise über ein Receptacle bzw. einen Tankanschluss Wasserstoff oder ein anderes Gas in einem Rohr zu einem Verteiler strömen kann. Dort kann der Massenstrom beispielsweise auf zwei oder mehr Tanks verteilt werden. Der Massenstrom teilt sich abhängig von den Tankinnenvolumina und gegebenenfalls Einflüssen durch Leitungslängen auf. Druckverluste können daher leicht unterschiedlich sein.
Unterschiedliche Leitungslängen können Druckverluste aufgrund unterschiedlicher Tankvolumina sogar noch verstärken.
Die unterschiedlichen Druckverluste können insbesondere zu mehreren Problemen führen. Der größte Gesamt-Druckverlust zwischen Tankstellendrucksensor und Druckbehältern im Kraftfahrzeug ergibt sich am Anfang der Betankung (ca. 100 bar), weil die Tankstellen-Ausgangstemperatur des Gases noch relativ hoch ist und die Dichte des Gases noch relativ gering ist. Beides führt zu relativ großen Strömungsgeschwindigkeiten. Der absolute Druckunterschied zwischen den Druckbehältern ist hier auch am größten, beispielsweise 20 bar. Wenn also die Betankung hier gestoppt wird oder aufgrund eines Tankstellenfehlers abbricht, dann sind in einem Druckbehälter 20 bar mehr Druck als im anderen. Bei der darauffolgenden Fahrt wird erstmal nur ein Druckbehälter geleert, bis kein Druckunterschied mehr vorhanden ist. Erst danach werden beide geleert. Bei Entnahme aus nur einem Druckbehälter wird typischerweise der gesamte Antriebs-Massenstrom von einem Druckbehälter geliefert. Das Risiko für die Schädigung eines Liners durch Buckling oder Blistering steigt oder muss beispielsweise durch Leistungsreduktion verhindert werden. Wenn der Druck in den Druckbehältern unterschiedlich schnell ansteigt, dann steigt auch die Temperatur unterschiedlich schnell an. Dies führt zu einem Temperaturunterschied von zum Beispiel 5 °C. Der Temperaturunterschied kann durch unterschiedliche Tankabmessungen weiter vergrößert, aber auch verkleinert werden. Es stellt sich die Frage, welchen Temperaturwert man an die Tankstelle über eine Kommunikationsschnittstelle übermittelt. Die Tankstelle nutzt den empfangenen Wert, um bei beispielsweise 85 °C selbständig abzuschalten und für eines von drei Kriterien für das Betankungsende. Übermittelt man den großen Temperaturwert, profitiert man über den Sicherheitszugewinn der Tankstellenabschaltung, man hat jedoch den Nachteil, dass der andere Druckbehälter überfüllt werden könnte. Übermittelt man den kleineren Temperaturwert, dann schützt man zwar die Druckbehälter vor Überfüllung, man hat aber den Nachteil, dass die Betankung etwas früher gestoppt wird und sich damit weniger Gasmasse in den Druckbehältern befindet.
Um dies zu verhindern, können beispielsweise die weiter oben erwähnten Strömungshindernisse verwendet werden. Dadurch können unterschiedliche Leitungslängen und/oder Druckbehältervolumina ausgeglichen werden und es kann eine gleichmäßige Betankung sichergestellt werden. Leitungsverlegung kann sich dabei beispielsweise auf die Erfordernisse des verfügbaren Bauraums und andere Aspekte beschränken, da die Druckverluste unterschiedlich kompensiert werden können. Wenn mehr als zwei Druckbehälter vorhanden sind, dann lässt sich über zwei beispielsweise unterschiedliche Strömungshindernisse zu zwei der Druckbehälter diese Idee ebenso anwenden.
Durch ein Strömungshindernis kann der Gesamtdruckverlust in einer Betankungsleitung (insbesondere zwischen Tankstellendrucksensor und den Druckbehältern) größer werden. Dies wird vor allem am Ende der Betankung relevant. In diesem Fall kann der Druckverlust am Betankungsende beispielsweise 26 bar betragen. Damit ist er ca. 5 bar größer als ohne Drossel bzw. Strömungshindernis. Dadurch wird weniger Dichte in den Tanks erreicht. Dies kann dadurch kompensiert werden, dass beispielsweise eine dickere Leitung zwischen Tankanschluss und Verteiler bzw. einer Stelle an oder vor den Druckbehältern verwendet wird. Dadurch kann diese Einbuße kompensiert werden. Beispielsweise kann ein Innendurchmesser von 3 mm auf 4 mm vergrößert werden. Die Umsetzung der Idee ist auch bei gemeinsamer Befüll- und Entnahmeleitung möglich.
Es gibt jedoch auch Gründe, zusätzlich oder alternativ Drosseln bzw. Strömungshindernisse in einem Entnahmepfad vorzusehen. Ein Strömungshindernis kann so ausgewählt werden, dass eine Obergrenze beim Entnahmemassenstrom nicht überschritten wird. Dadurch wird sichergestellt, dass ein Liner eines Druckbehälters nicht überlastet wird und beispielsweise durch die Schädigungsmechanismen Buckling und Blistering beschädigt wird. Das Strömungshindernis kann beispielsweise für jeden Druckbehälter innerhalb eines Tanksystems individuell angepasst werden. Wenn also beispielsweise zwei Druckbehälter vorhanden sind und insgesamt 100 1 Innenvolumen haben, sowie wenn sich diese zu 60:40 auf die einzelnen Druckbehälter aufteilen und das Tanksystem insgesamt maximal 10 kg/h Wasserstoff-Entnahmemassenstrom an eine Brennstoffzelle liefern soll, dann bedeutet dies, dass ein Druckbehälter maximal 6 kg/h liefert und der zweite maximal 4 kg/h. Für den ersten Druckbehälter kann also eine etwas größere Drossel (zum Beispiel Durchmesser 0,5 mm) und für den zweiten Druckbehälter eine etwas kleinere Drossel (zum Beispiel Durchmesser 0,3 mm) verwendet werden. Wenn die gleichen Druckbehälter für ein anderes Tanksystem eines zweiten Fahrzeugderivats verwendet werden, können die Drosseln übernommen werden.
Strömungshindernisse können auch so verwendet werden, dass sie nicht einen Entnahmemassenstrom pro Druckbehälter, sondern einen über mehrere oder alle Druckbehälter entweichenden Entnahmemassenstrom begrenzen. Für den Fall der Verwendung einer gemeinsamen Befüll- und Entnahmeleitung kann eine Variante mit einer Einbauposition des Strömungshindernisses in einem Verteiler der Entnahmeleitung typischerweise nicht verwendet werden, weil die Strömungshindernisse für Entnahmemassenstrom deutlich kleiner sind und dadurch den Betankungsmassenstrom zu sehr einschränken würden. Andere Varianten sind hier jedoch möglich.
Vorteilhaft kann auf eine elektronische Überwachung des Massenstroms pro Druckbehälter oder pro mehreren Druckbehältern verzichtet werden. Es ist daher auch keine Massenstromermittlung erforderlich, weder an den Druckbehältern noch an einem Verbraucher. Ein weiterer Vorteil ergibt sich beim Fehlerfall „ein On-Tank-Valve öffnet fehlerhaft nicht“. Hier kann es passieren, dass der gesamte Massenstrom, welchen das System abliefert, aus den verbleibenden Druckbehältern entnommen wird. Diese können dadurch überlastet werden. In diesem Fehlerfall kann man ebenfalls auf die Überwachung verzichten, denn die verbleibenden Druckbehälter schützen sich mit ihren Strömungshindernissen selbst. Der erwähnte Selbstschutz schützt beispielsweise auch im Service, wenn die Druckbehälter entleert werden sollen, beispielsweise um eine Komponente zu tauschen.
Die hier offenbarte Technologie wird nun anhand der Figuren erklärt. Es zeigen:

1: ein Kraftfahrzeug,
2: ein weiteres Kraftfahrzeug,
3: eine Anordnung aus drei Druckbehältern,
4: ein weiteres Kraftfahrzeug,
5: eine Druckminderereinheit,
6: eine weitere Druckminderereinheit,
7: eine weitere Druckminderereinheit,
8: eine weitere Druckminderereinheit,
9: einen Verteiler,
10: eine Einbausituation eines Strömungshindernisses,
11: eine weitere Einbausituation eines Strömungshindernisses, und
12: eine weitere Einbausituation eines Strömungshindernisses.

1 zeigt ein Kraftfahrzeug 1. Das Kraftfahrzeug 1 weist eine Brennstoffversorgungseinrichtung 10 auf. Die Brennstoffversorgungseinrichtung 10 weist einen ersten Druckbehälter 21, einen zweiten Druckbehälter 22 und einen dritten Druckbehälter 23 auf. Die Brennstoffversorgungseinrichtung 10 weist ferner ein Leitungssystem 50 auf, auf welches nachfolgend eingegangen wird.
Der erste Druckbehälter 21 ist wie gezeigt quer zu einer Längsachse des Kraftfahrzeugs 1 angeordnet, wobei die Längsachse des Kraftfahrzeugs 1 diejenige ist, in welcher das Kraftfahrzeug vorliegend seine längste Ausdehnung hat und welche auch die Richtung vorgibt, in welche das Kraftfahrzeug 1 bei gerade stehenden gelenkten Rädern fährt.
Durch die Anordnung des ersten Druckbehälters 21 quer zur Längsachse des Kraftfahrzeugs 1 kann dieser beispielsweise unter einer Rücksitzbank des Kraftfahrzeugs 1 verbaut werden, wobei dort bei typischen Kraftfahrzeugen, insbesondere bei größeren Kraftfahrzeugen wie Sports Utility Vehicles, ein ausreichender Bauraum für einen solchen Druckbehälter vorhanden ist.
Der zweite Druckbehälter 22 und der dritte Druckbehälter 23 sind hingegen parallel zur Längsachse des Kraftfahrzeugs 1 ausgerichtet, so dass sich auch ihre jeweiligen Längsachsen überlappen bzw. identisch zueinander sind. Die zweiten und dritten Druckbehälter 22, 23 sind dabei mittig angeordnet und sind insbesondere unter einem Mitteltunnel des Kraftfahrzeugs 1 angeordnet. Dort ist ebenfalls in typischen, insbesondere größeren, Kraftfahrzeugen ausreichend Platz für derartige Druckbehälter.
Durch die gezeigte Anordnung der Druckbehälter 21, 22, 23 wird eine besonders gute Ausnutzung von typischerweise vorhandenen Bauräumen erreicht. Zwar könnte anstelle des zweiten Druckbehälters 22 und des dritten Druckbehälters 23 auch ein längerer Druckbehälter in einem Mitteltunnel verwendet werden, dieser würde jedoch zu zusätzlichem Entwicklungs- und Herstellungsaufwand führen. Durch die Verwendung der drei identischen Druckbehälter 21, 22, 23 kann somit in erheblicher Weise Aufwand eingespart werden.
In 1 ist eine Ausführung des Leitungssystems 50 dargestellt, in welcher Betankungs- und Entnahmeleitungen gemeinsam, also nicht separat voneinander ausgeführt sind. Das Leitungssystem 50 weist eine Tankanschlussleitung 60 auf. Diese beginnt bei einem Tankanschluss 62, an welchem beispielsweise ein Betankungsschlauch einer Tankstelle angeschlossen werden kann, welcher also insbesondere als Anschlussstutzen oder sonstige Anschlussmöglichkeit für einen solchen Betankungsschlauch ausgebildet ist. Von diesem Tankanschluss 62 aus führt die Tankanschlussleitung 60 zu einem Rückschlagventil 64, welches wiederum am Eingang eines Eingangsverteilers 70 angeordnet ist. Wird das Kraftfahrzeug 1 über den Tankanschluss 62 betankt, so fließt der Gasstrom über das Rückschlagventil 64 zu dem Eingangsverteiler 70. Von dem Eingangsverteiler 70 führen Behälteranschlussleitungen 80 des Leitungssystems 50 zu jedem der Druckbehälter 21, 22, 23. Bei den beiden nach hinten führenden Behälteranschlussleitungen 80 verlaufen diese dabei über eine gewisse Strecke bis zu einem Verteiler 83 identisch, d.h. die beiden Behälteranschlussleitungen 80 teilen sich zwischen dem Eingangsverteiler 70 und dem Verteiler 83 eine physische Leitung. Erst ab dem Verteiler 83 teilen sie sich auf und führen zu dem ersten Druckbehälter 21 und dem zweiten Druckbehälter 22 separat. Die nach vorne verlaufende Behälteranschlussleitung 80 verläuft hingegen durch eine Druckminderereinheit 100, auf welche weiter unten mit Bezug auf die 5 ff. näher eingegangen wird. Die Behälteranschlussleitung 80, welche nach vorne weist, teilt sich in einen ersten Abschnitt 81 und einen zweiten Abschnitt 82 auf. Der erste Abschnitt 81 ist wie gezeigt zwischen dem dritten Druckbehälter 23 und der Druckminderereinheit 100 angeordnet. Der zweite Abschnitt 82 ist demgegenüber zwischen der Druckminderereinheit 100 und dem Eingangsverteiler 70 angeordnet. Zu einem geringen Teil verläuft die nach vorne weisende Behälteranschlussleitung 80 durch die Druckminderereinheit 100.
Wie gezeigt sind in der vorliegenden Ausführung die drei Behälteranschlussleitungen 80 zwischen dem Eingangsverteiler 70 und den Druckbehältern 21, 22, 23 gleich lang. Dadurch wird eine gleichmäßige Betankung erreicht und ein unterschiedlicher Druckaufbau in den Druckbehältern 21, 22, 23 vermieden.
Jeder der Druckbehälter 21, 22, 23 weist ein nicht detailliert dargestelltes On-Tank-Valve 31, 32, 33 auf, an welchem die jeweilige Behälteranschlussleitung 80 angeschlossen ist.
Das Kraftfahrzeug 1 weist ferner einen Energiewandler in Form einer Brennstoffzelle 5 auf. Diese wird mit dem in den Druckbehältern 21, 22, 23 gelagerten gasförmigen Kraftstoff, beispielsweise Wasserstoff, betrieben. Eine Verbraucheranschlussleitung 85 führt von der Druckminderereinheit 100 zu der Brennstoffzelle 5. Die Druckminderereinheit 100 setzt einen vergleichsweise hohen Druck, welcher in den Behälteranschlussleitungen 80 anliegt, auf einen Mitteldruck herunter, welcher für die Brennstoffzelle 5 verarbeitbar ist. An der Verbraucheranschlussleitung 85 ist auch ein Drucksensor 87 angebracht.
An dem Eingangsverteiler 70 ist ein Drucksensor 72 angebracht. Dieser überwacht den Druck in den Behälteranschlussleitungen 80.
2 zeigt ein Kraftfahrzeug 1 gemäß einem alternativen Ausführungsbeispiel, bei welchem zur Betankung verwendete Behälteranschlussleitungen 80 und Entnahmeleitungen getrennt voneinander ausgeführt sind. Die Tankanschlussleitung 60 sowie die Behälteranschlussleitungen 80 sind dabei entsprechend 1 ausgeführt. Zusätzlich sind nun jedoch Entnahmeleitungen 90 vorhanden, welche von den Druckbehältern 21, 22, 23 zu der Druckminderereinheit 100 führen. Die Entnahmeleitungen 90 zum Anschluss des ersten Druckbehälters 21 und des zweiten Druckbehälters 22 sind dabei an einem Entnahmeverteiler 93 zusammengeführt und verlaufen nach vorne identisch zueinander, d.h. in einem gemeinsamen Abschnitt 92 zur Druckminderereinheit 100. Die Entnahmeleitung 90 zum Anschluss des dritten Druckbehälters 23 verläuft von der Druckminderereinheit 100 zum dritten Druckbehälter 23. Durch die Verwendung separater Behälteranschlussleitungen 80 und Entnahmeleitungen 90, welche auch jeweils separat an den Druckbehältern 21, 22, 23 angeschlossen sind, können die jeweiligen Anschlüsse an den Druckbehältern 21, 22, 23 auf den jeweiligen Verwendungszweck hin optimiert werden und ein zu schneller Druckausgleich nach dem Betanken kann vermieden werden.
3 zeigt die Druckbehälter 21, 22, 23, wie sie bereits in den 1 und 2 zu sehen sind, separat und mit Befestigungselementen. Der erste Druckbehälter 21 ist dabei mittels zweier Spannbänder 25 befestigt, was typischerweise für den vorliegenden Einbau quer zur Fahrtrichtung ausreicht. In dieser Richtung treten typischerweise keine hohen Beschleunigungen auf, so dass die Befestigung mittels der gezeigten Spannbänder 25 ausreichend ist. Der zweite Druckbehälter 22 und der dritte Druckbehälter 23 sind hingegen mit jeweils einem Spannband 25 und einem Neckmount 35 befestigt. Der jeweilige Neckmount 35 ist dabei am jeweiligen - in Fahrtrichtung gesehen - rückseitigen Ende des Druckbehälters 22, 23 befestigt, wobei ein solcher Neckmount 35 den jeweiligen Druckbehälter 22, 23 nicht nur in bestimmten Richtungen fixiert, sondern vollständig starr mit der Karosserie des Kraftfahrzeugs 1 verbindet. Dadurch wird die Stabilität deutlich erhöht, so dass auch bei den in Längsrichtung zu erwartenden deutlich größeren Beschleunigungen kein Verrutschen der Druckbehälter 22, 23 zu befürchten ist. Die Anordnung auf der Rückseite führt dazu, dass die Leitungslängen vorteilhafter sind bzw. einfacher gleich lang gestaltet werden können, wie dies beispielsweise anhand von 1 ersichtlich ist. Grundsätzlich wäre es jedoch auch möglich, den Neckmount 35 nach vorne in Fahrtrichtung weisend an dem jeweiligen Druckbehälter 22, 23 anzubringen.
4 zeigt ein Kraftfahrzeug 1 gemäß noch einer weiteren Ausführung. Dabei sind Tankanschluss 62 und Druckminderereinheit 100 weiter vorne angebracht, was bei bestimmten Fahrzeugkonzepten eine bessere Lage des Tankanschlusses 62 erlaubt. Die Tankanschlussleitung 60 verläuft dabei vom Tankanschluss 62 zur Druckminderereinheit 100, wobei an deren Eingang ein Rückschlagventil 150 mit Durchlassrichtung zur Druckminderereinheit 100 hin vorhanden ist, so dass die Druckbehälter 21, 22, 23 über die Druckminderereinheit 100 betankt werden können. Von dort aus verlaufen die Behälteranschlussleitungen 80 zu den Druckbehältern 21, 22, 23, wobei sie sich an Verteilern 83, 84 verzweigen.
5 zeigt rein schematisch eine Druckminderereinheit 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Dabei ist zentral ein Druckminderer 105 angeordnet, welcher wie üblich ausgeführt ist und funktioniert. Der Druckminderer 105 weist einen Eingang 106 und einen Ausgang 107 auf, wobei am Eingang 106 ein Hochdruck anliegt, welcher beispielsweise mehrere Hundert bar betragen kann und auf einen definierten Mitteldruck am Ausgang 107 von beispielsweise 50 bar verringert wird.
Die Druckminderereinheit 100 weist ein Gehäuse 101 auf, welches die Druckminderereinheit 100 umschließt. Innerhalb des Gehäuses 101 ist insbesondere der Druckminderer 105 angeordnet.
Die Druckminderereinheit 100 weist einen ersten hochdruckseitigen Anschluss 110 und einen zweiten hochdruckseitigen Anschluss 120 auf. Diese sind mittels eines hochdruckseitigen Kanals 102 miteinander verbunden, welcher auch mit dem Eingang 106 des Druckminderers 105 verbunden ist. In dem hochdruckseitigen Kanal 102 ist ein Filter 134 angeordnet, welcher in den Druckminderer 105 einströmendes Gas filtert.
Hochdruckseitig sind ferner ein Temperatursensor 132 sowie eine Druckentlastungseinrichtung 130 angeordnet. Die Druckentlastungseinrichtung 130 dient dazu, einen eventuell zu hohen Druck an dieser Stelle, also insbesondere im hochdruckseitigen Kanal 102, abzulassen. Sie kann beispielsweise auch als Excessive Flow Valve bezeichnet werden.
Mitteldruckseitig ist ein mitteldruckseitiger Kanal 103 angeordnet, welcher den Ausgang 107 des Druckminderers 105 mit einem Ausgangsanschluss 140 verbindet. Der Ausgangsanschluss 140 ist in einer Einbausituation mit der bereits erwähnten Verbraucheranschlussleitung 85 verbunden. Mitteldruckseitig sind ebenfalls ein Temperatursensor 142 sowie eine Druckentlastungseinrichtung 144 in Form eines Mid-Pressure Relief Valve angeordnet. Des Weiteren ist mitteldruckseitig ein Drucksensor 146 angeordnet, um den Druck in der Verbraucheranschlussleitung 85 zu überwachen.
6 zeigt die Druckminderereinheit 100 gemäß einer weiteren Ausführung. Im Gegensatz zur Ausführung von 5 fehlen dabei die beiden Temperatursensoren 132, 142. 7 zeigt eine Druckminderereinheit gemäß noch einem weiteren Ausführungsbeispiel. Im Gegensatz zur Ausführung von 6 wurde dabei auch auf den Drucksensor 146 verzichtet.
8 zeigt eine Druckminderereinheit 100 gemäß noch einem weiteren Ausführungsbeispiel. In Abwandlung zur Ausführung von 7 ist dabei zusätzlich am ersten hochdruckseitigen Anschluss 110 das bereits erwähnte Rückschlagventil 150 ausgebildet. Dies kann insbesondere vorteilhaft sein, wenn eine Betankungsmassenstrom über den ersten hochdruckseitigen Anschluss 110 von einer Tankstelle einströmt, wie bereits weiter oben mit Bezug auf 4 erläutert.
9 zeigt einen Eingangsverteiler 70 gemäß einer möglichen Ausführung. Es handelt sich hierbei insbesondere um eine Ausführung, welche dann verwendet werden kann, wenn Behälteranschlussleitungen vom Eingangsverteiler 70 zu jeweiligen Druckbehältern unterschiedlich lang sind. Der Eingangsverteiler 70 weist einen Verteilereingang 75 zum Anschluss der Tankanschlussleitung 60 auf. Des Weiteren weist der Eingangsverteiler 70 drei Behälteranschlüsse 76 auf, an welchen die Behälteranschlussleitungen 80 angeschlossen werden können.
In einem der drei Behälteranschlüsse 76 ist ein Strömungshindernis in Form einer Drossel 200 ausgebildet. Die Drossel 200 verengt ein Leitungsstück an dem Behälteranschluss 76, wodurch ein Durchfluss durch die Drossel 200 verringert wird. Dadurch kann insbesondere ausgeglichen werden, wenn beispielsweise eine an diesem Behälteranschluss 76 angeschlossene Behälteranschlussleitung 80 kürzer ist als die anderen Behälteranschlussleitungen 80, wobei durch die Drossel 200 trotzdem für eine gleichmäßige Betankung gesorgt werden kann.
10 zeigt eine alternative Anordnung einer Drossel 200 in einem On-Tank-Valve eines Druckbehälters, wobei hier beispielhaft das On-Tank-Valve 31 des ersten Druckbehälters 21 gezeigt ist. Es sei erwähnt, dass ein On-Tank-Valve grundsätzlich auch noch weitere Komponenten haben kann, welche hier nicht dargestellt sind.
In dem On-Tank-Valve 31 ist ein eingangsseitiges Rückschlagventil 210 vorhanden, an welchem bei Ausführung mit getrennter Betankungs- und Entnahmeleitung eine Behälteranschlussleitung zum Betanken des Druckbehälters angeschlossen werden kann. Ein Innenraum des Druckbehälters befindet sich in der Ausführung von 10 links von dem gezeigten On-Tank-Valve 31. Das Rückschlagventil 210 lässt dabei ausschließlich einen Betankungsmassenstrom durch.
Im ausgangsseitigen Pfad weist das On-Tank-Valve 31 ein Tankabsperrventil 220 sowie die bereits erwähnte Drossel 200 auf. Diese hat hier die Wirkung, den Entnahmemassenstrom zu begrenzen, so dass beispielsweise einer kürzeren Entnahmeleitung Rechnung getragen werden kann und eine gleichmäßige Entnahme aus allen Druckbehältern sichergestellt wird. Die Drossel 200 könnte alternativ auch linksseitig zum Tankabsperrventil 220 angeordnet sein, also zwischen dem Tankabsperrventil 220 und dem Innenraum des Druckbehälters 21. Typischerweise ist sie jedoch vom Betankungspfad getrennt, d.h. dass ein durch das Rückschlagventil 210 einströmender Betankungsmassenstrom nicht durch die Drossel 200 strömt. Dadurch wird verhindert, dass der Betankungsmassenstrom durch die Drossel 200 begrenzt wird.
11 zeigt rein schematisch eine alternative Ausführung, wobei hier eine Drossel 200 stromab eines Druckminderers 105 vorgesehen ist. Hierbei handelt es sich somit um eine zentrale Drossel 200 bzw. ein zentrales Strömungshindernis, welches in einem Mitteldruckbereich angeordnet ist.
12 zeigt eine zu derjenigen von 11 alternative Ausführung, wobei die Drossel 200 hier stromauf des Druckminderers 105 angeordnet ist.
Bei den Ausführungen der 11 und 12 wird der gesamte Entnahmemassenstrom durch die Drossel 200 geleitet. Dieser kann somit begrenzt werden.
Es sei erwähnt, dass das Prinzip der Verwendung einer Drossel 200 bzw. allgemeiner eines Strömungshindernisses auch an anderen Stellen angeordnet sein kann, beispielsweise an Verteilern, an welchen Betankungsmassenströme auseinanderlaufen oder Entnahmemassenströme zusammenlaufen. Damit kann grundsätzlich unterschiedlichen Leitungslängen und/oder unterschiedlichen Innenvolumina von Druckbehältern Rechnung getragen werden, wodurch die weiter oben bereits beschriebenen Vorteile erreicht werden können.
Aus Gründen der Leserlichkeit wurde vereinfachend der Ausdruck „mindestens ein(e)“ teilweise weggelassen. Sofern ein Merkmal der hier offenbarten Technologie in der Einzahl bzw. unbestimmt beschrieben ist (z.B. der/ein Druckbehälter, die/eine Drossel, etc.) so soll gleichzeitig auch deren Mehrzahl mit offenbart sein (z.B. der mindestens eine Druckbehälter, die mindestens eine Drossel, etc.).
Die vorhergehende Beschreibung der vorliegenden Erfindung dient nur zu illustrativen Zwecken und nicht zum Zwecke der Beschränkung der Erfindung. Im Rahmen der Erfindung sind verschiedene Änderungen und Modifikationen möglich, ohne den Umfang der Erfindung sowie ihrer Äquivalente zu verlassen.
Bezugszeichenliste

1: Kraftfahrzeug
5: Brennstoffzelle
10: Brennstoffversorgungseinrichtung
21, 22, 23: Druckbehälter
25: Spannband
31, 32, 33: On-Tank-Valve
35: Neckmount
50: Leitungssystem
60: Tankanschlussleitung
62: Tankanschluss
64: Rückschlagventil
70: Eingangsverteiler
72: Drucksensor
75: Verteilereingang
76: Behälteranschlüsse
80: Behälteranschlussleitungen
81: erster Abschnitt
82: zweiter Abschnitt
83: Verteiler
84: Verteiler
85: Verbraucherleitung
90: Entnahmeleitungen
92: gemeinsamer Abschnitt
93: Entnahmeverteiler
100: Druckminderereinheit
101: Gehäuse
102: Kanal
103: Kanal
105: Druckminderer
106: Eingang
107: Ausgang
110: erster hochdruckseitiger Anschluss
120: zweiter hochdruckseitiger Anschluss
130: Druckentlastungseinrichtung
132: hochdruckseitiger Temperatursensor
134: Filter
140: mitteldruckseitiger Anschluss
142: mitteldruckseitiger Temperatursensor
144: mitteldruckseitige Druckentlastungseinrichtung
146: mitteldruckseitiger Drucksensor
150: Rückschlagventil
200: Drossel
210: Rückschlagventil
220: Tankabsperrventil

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 102015222252 A1 [0023]
EP 406/2010 [0033]

Claims

Brennstoffversorgungseinrichtung (10) für ein Kraftfahrzeug (1), umfassend - mindestens einen ersten Druckbehälter (21) und einen zweiten Druckbehälter (22) zur Lagerung von Brennstoff, und - ein Leitungssystem (50), welches an den Druckbehältern (21, 22, 23) zum Betanken und zur Entnahme von Brennstoff angeschlossen ist.
Brennstoffversorgungseinrichtung (10) nach Anspruch 1, - wobei die Brennstoffversorgungseinrichtung (10) auch einen dritten Druckbehälter (23) aufweist, und - wobei alle Druckbehälter (21, 22, 23) identisch zueinander ausgeführt sind.
Brennstoffversorgungseinrichtung (10) nach Anspruch 2, - wobei der zweite Druckbehälter (22) und der dritte Druckbehälter (23) so angeordnet und ausgerichtet sind, dass ihre Längsachsen identisch sind, und - der erste Druckbehälter (21) so ausgerichtet ist, dass seine Längsachse quer zu den Längsachsen des zweiten Druckbehälters (22) und des dritten Druckbehälters (23) ausgerichtet ist.
Brennstoffversorgungseinrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, - wobei das Leitungssystem (50) eine Tankanschlussleitung (60) aufweist, die zu einem Eingangsverteiler (70) führt, und - wobei das Leitungssystem (50) mehrere Behälteranschlussleitungen (80) aufweist, die den Eingangsverteiler (70) mit den Druckbehältern (21, 22, 23) verbinden.
Brennstoffversorgungseinrichtung (10) nach Anspruch 4, wobei die Behälteranschlussleitungen (80) zwischen Eingangsverteiler (70) und den Druckbehältern (21, 22, 23) gleich lang sind oder eine Längendifferenz von höchstens 5 % oder 10 % haben.
Brennstoffversorgungseinrichtung (10) nach Anspruch 4 oder 5, - wobei die Brennstoffversorgungseinrichtung (10) eine Druckminderereinheit (100) aufweist, - wobei die Druckminderereinheit (100) einen Druckminderer (105), einen ersten hochdruckseitigen Anschluss (110) und einen zweiten hochdruckseitigen Anschluss (120) aufweist, - wobei die hochdruckseitigen Anschlüsse (110, 120) und ein Eingang (106) des Druckminderers (105) in der Druckminderereinheit (100) fluidisch miteinander verbunden sind; und - wobei der erste hochdruckseitige Anschluss (110) an einem ersten Abschnitt (81) einer Behälteranschlussleitung (80) angeschlossen ist und der zweite hochdruckseitige Anschluss (120) an einem zweiten Abschnitt (82) dieser Behälteranschlussleitung (80) angeschlossen ist, oder - wobei die Druckminderereinheit (100) den Eingangsverteiler (70) bildet, die Tankanschlussleitung (60) an dem ersten hochdruckseitigen Anschluss (110) angeschlossen ist und mindestens eine Behälteranschlussleitung (80) an dem zweiten hochdruckseitigen Anschluss (120) angeschlossen ist.
Brennstoffversorgungseinrichtung (10) nach Anspruch 4 oder 5, - wobei das Leitungssystem (50) mehrere Entnahmeleitungen (90) aufweist, die zur Entnahme von Brennstoff aus den Druckbehältern (21, 22, 23) an jeweils einem Druckbehälter (21, 22, 23) angeschlossen sind, und - wobei die Entnahmeleitungen (90) zu den Behälteranschlussleitungen (80) separat sind.
Brennstoffversorgungseinrichtung (10) nach Anspruch 7, - wobei die Brennstoffversorgungseinrichtung (10) eine Druckminderereinheit (100) aufweist, - wobei die Druckminderereinheit (100) einen Druckminderer (105), einen ersten hochdruckseitigen Anschluss (110) und einen zweiten hochdruckseitigen Anschluss (120) aufweist, - wobei die hochdruckseitigen Anschlüsse (110, 120) und ein Eingang (106) des Druckminderers (105) in der Druckminderereinheit (100) fluidisch miteinander verbunden sind, und - wobei der erste hochdruckseitige Anschluss (110) an einer Entnahmeleitung (90) angeschlossen ist und der zweite hochdruckseitige Anschluss (120) an einer weiteren Entnahmeleitung (90) angeschlossen ist.
Brennstoffversorgungseinrichtung (10) nach Anspruch 6 oder 8, wobei die Druckminderereinheit (100) eine oder mehrere der folgenden Komponenten aufweist: - hochdruckseitiger Temperatursensor (132), - hochdruckseitiger Drucksensor, - hochdruckseitige Druckentlastungseinrichtung (130), - hochdruckseitiger Filter (134), - mitteldruckseitige Druckentlastungseinrichtung (144), - mitteldruckseitiger Drucksensor (146), - mitteldruckseitiger Temperatursensor (142), - Anschluss (140) für Mitteldruckleitung, - Gehäuse (101), das die anderen Komponenten der Druckminderereinheit (100) ganz oder teilweise umgibt und/oder in dem die Anschlüsse (110, 120, 140) ausgebildet sind.
Brennstoffversorgungseinrichtung (10) nach einem der Ansprüche 4 bis 9, wobei die Brennstoffversorgungseinrichtung (10) eines oder mehrere eingangsseitige Strömungshindernisse (200) aufweist, die jeweils im Strömungspfad zwischen dem Eingangsverteiler (70) und einem Druckbehälter (21, 22, 23) angeordnet sind.
Brennstoffversorgungseinrichtung (10) nach Anspruch 7 oder einem davon abhängigen Anspruch, wobei die Brennstoffversorgungseinrichtung (10) eines oder mehrere ausgangsseitige Strömungshindernisse (200) aufweist, die jeweils im Strömungspfad zwischen einem Druckbehälter (21, 22, 23) und einer stromabseitigen Verbindung der Entnahmeleitungen (90) angeordnet sind.
Brennstoffversorgungseinrichtung (10) nach Anspruch 11, - wobei eines, einige oder alle ausgangsseitigen Strömungshindernisse (200) in einem On-Tank-Valve (31, 32, 33) eines Druckbehälters (21, 22, 23) angeordnet sind, und/oder - wobei eines, einige oder alle ausgangsseitigen . Strömungshindernisse (200) im Strömungspfad zwischen einem Tankabsperrventil (220) und einem Innenraum des Druckbehälters (21, 22, 23) angeordnet sind oder außenseitig zum Tankabsperrventil (220) angeordnet sind.
Brennstoffversorgungseinrichtung (10) nach Anspruch 6 oder 8 oder einem von mindestens einem dieser Ansprüche abhängigen Anspruch, wobei die Brennstoffversorgungseinrichtung (10) mindestens ein zentrales Strömungshindernis (200) aufweist, das hochdruckseitig oder mitteldruckseitig zum Druckminderer (105) angeordnet ist.
Brennstoffversorgungseinrichtung (10) nach einem der Ansprüche 10 bis 13, - wobei eine, einige oder alle Strömungshindernisse (200) als Drossel ausgebildet sind, und/oder - wobei eine, einige oder alle Strömungshindernisse (200) als Filter oder Sinterfilter ausgebildet sind.
Kraftfahrzeug (1), aufweisend eine Brennstoffversorgungseinrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Kraftfahrzeug (1) nach Anspruch 15 sowie nach Anspruch 3 oder einem davon abhängigen Anspruch, wobei der erste Druckbehälter (21) quer zu einer Längsachse des Kraftfahrzeugs (1) eingebaut ist und der zweite Druckbehälter (22) und der dritte Druckbehälter (23) längs zur Längsachse des Kraftfahrzeugs (1) eingebaut sind.
Kraftfahrzeug (1) nach Anspruch 16, wobei der erste Druckbehälter (21) unter einer Rücksitzbank verbaut ist, und/oder wobei der zweite Druckbehälter (22) und der dritte Druckbehälter (23) unter einem Mitteltunnel verbaut sind.
Kraftfahrzeug (1) nach Anspruch 16 oder 17, wobei der erste Druckbehälter (21) mittels einem oder mehreren Spannbändern befestigt ist, und/oder wobei der zweite Druckbehälter (22) und der dritte Druckbehälter (23) jeweils mittels einem Neckmount und mindestens einem Spannband befestigt sind.
Druckminderereinheit (100), umfassend einen Druckminderer (105), einen ersten hochdruckseitigen Anschluss (110) und einen zweiten hochdruckseitigen Anschluss (120), wobei die hochdruckseitigen Anschlüsse (110, 120) und ein Eingang (106) des Druckminderers (105) in der Druckminderereinheit (100) fluidisch miteinander verbunden sind.
Druckminderereinheit (100) nach Anspruch 19, wobei die Druckminderereinheit (100) eine oder mehrere der folgenden Komponenten aufweist: - hochdruckseitiger Temperatursensor (132), - hochdruckseitiger Drucksensor, - hochdruckseitige Druckentlastungseinrichtung (130), - hochdruckseitiger Filter (134), - mitteldruckseitige Druckentlastungseinrichtung (144), - mitteldruckseitiger Drucksensor (146), - mitteldruckseitiger Temperatursensor (142), - Anschluss (140) für Mitteldruckleitung, - Gehäuse (101), das die anderen Komponenten der Druckminderereinheit (100) ganz oder teilweise umgibt und/oder in dem die Anschlüsse (110, 120, 140) ausgebildet sind.