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Die Erfindung betrifft eine Tankvorrichtung zur Temperaturdruckentlastung eines Wasserstofftanks, 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, 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.
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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.
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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.
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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 eine lokale Wärmequelle an der Tankvorrichtung schnell und zuverlässig detektiert wird, um ein zuverlässiges Öffnen der Sicherungsventile zu gewährleisten.
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Dazu umfasst die Tankvorrichtung zur Temperaturdruckentlastung eines Wasserstofftanks mindestens zwei Tankbehälter und eine mit den Tankbehältern verbindbare Zuführleitung. Jeder der mindestens zwei Tankbehälter weist an einem Ende mindestens ein Absperrventil auf, welches Absperrventil zwischen dem jeweiligen Tankbehälter und der Zufuhrleitung angeordnet ist. An einem anderen Ende des Tankbehälters ist weiterhin mindestens ein Sicherungsventil angeordnet ist. Darüber hinaus ist an den Tankbehältern eine Leitungsnetzanordnung angeordnet, welche Leitungsnetzanordnung mit einem Fluid gefüllt ist. Das Sicherungsventil ist mit der Leitungsnetzanordnung fluidisch verbunden und die Tankbehälter sind mittels des jeweiligen Sicherungsventils mit einer Abführleitung verbindbar. Außerdem weist die Leitungsnetzanordnung temperatursensitive Abschnitte auf.
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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 bei Wärmeeintrag auf die Leitungsnetzanordnung über die sensitiven Abschnitte ein Druckabfall in der Leitungsnetzanordnung erzeugt wird, wodurch die Sicherungsventile ausgelöst werden können.
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In erster vorteilhafter Weiterbildung ist es vorgesehen, dass die temperatursensitiven Abschnitte aus einem Material mit einer Schmelztemperatur unterhalb der Schmelztemperatur des Materials des Tankbehälters hergestellt sind. So kann sichergestellt werden, dass das Material der Tankbehälter auch bei hohen Temperatureinwirkungen intakt bleibt. Durch die temperatursensitiven Abschnitte, deren Material bereits bei niedrigeren Temperaturen schmelzen im Vergleich zum Material der Tankbehälter, wird ein Druckabfall in der Leitungsnetzanordnung erzeugt, was wiederum die Sicherungsventile auslöst. Dadurch kann in einfacher und sicherer Weise der Wasserstoff aus den Tankbehältern in die Abführleitung geleitet und ein Bersten der Tankbehälter verhindert werden.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist es vorteilhaft vorgesehen, dass die temperatursensitiven Abschnitte aus einem Material mit höherer Wärmeausdehnung als das restliche Material der Leitungsnetzanordnung hergestellt sind. So kann ein Druckabfall in der Leitungsnetzanordnung erzeugt werden, was die Sicherungsventile auslöst. So kann auf sichere Weise der Wasserstoff aus den Tankbehältern in die Abführleitung geleitet und ein Bersten der Tankbehälter verhindert werden.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist es vorteilhaft vorgesehen, dass die temperatursensitiven Abschnitte aus einem Material mit geringerer Wärmeausdehnung als das restliche Material der Leitungsnetzanordnung hergestellt sind. So kann eine Sollbruchstelle erzeugt werden, wodurch auf sichere Weise der Wasserstoff aus den Tankbehältern in die Abführleitung geleitet und ein Bersten der Tankbehälter verhindert werden kann.
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In vorteilhafter Weiterbildung ist es vorgesehen, dass die temperatursensitiven Abschnitte Bimetalle mit Ablassventilvorrichtungen umfassen. So kann bei Wärmeeinfluss ein Verbiegen des Bimetalls zum Öffnen der Ablassvorrichtungen führen, welche das Fluid aus der Fluidleitung leiten und so ein Druckverlust in der Leitungsnetzanordnung erzeugt. Dies führt wiederum zu einem Öffnen der Sicherungsventile und damit zu einer Ableitung des Wasserstoffs aus den Tankbehältern.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist es vorteilhaft vorgesehen, dass die Leitungsnetzanordnung gitterförmig ausgebildet ist und eine Fluidleitung aufweist, in welcher Fluidleitung das Fluid angeordnet ist.
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In vorteilhafter Weiterbildung ist es vorgesehen, dass das Sicherungsventil senkrecht zu einer Längsachse einer Tankausführleitung angeordnet ist und einen Dichtkolben und ein Faltenbalgelement aufweist. Vorteilhafterweise ist der Dichtkolben in der Tankausführleitung zumindest teilweise angeordnet und ragt einerseits in die Fluidleitung und andererseits in die Abführleitung hinein. So kann in konstruktiv einfacher Weise das Sicherungsventil mit der Leitungsnetzanordnung fluidisch verbunden werden.
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In vorteilhafter Weiterbildung ist es vorgesehen, dass das Faltenbalgelement in der Tankausführleitung angeordnet ist.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist es vorteilhaft vorgesehen, dass das Faltenbalgelement in der Fluidleitung angeordnet ist.
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In vorteilhafter Weiterbildung ist es vorgesehen, dass der Dichtkolben eine konische Anformung aufweist, welche konische Anformung mit einer Öffnung der Abführleitung zum Öffnen und Schließen einer Verbindung zwischen der Tankausführleitung und der Abführleitung zusammenwirkt. So kann das Sicherungsventil in konstruktiv einfacher Weise ausgestaltet werden.
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In vorteilhafter Weiterbildung ist es vorgesehen, dass in der Tankvorrichtung eine Feder angeordnet ist, welche Feder den Öffnungsvorgang der Verbindung zwischen der Tankausführleitung und der Abführleitung begünstigt. So kann in einfacher Weise der Öffnungsvorgang der Abführleitung mittels des Dichtkolbens über die Kraft der Feder beschleunigt werden.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist es vorteilhaft vorgesehen, dass die mindestens zwei Tankbehälter aus Stahl gefertigt sind. Durch die Wahl des Materials wird so eine Kostenersparnis erzielt.
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In vorteilhafter Weiterbildung ist es vorgesehen, dass die mindestens zwei Tankbehälter über das Absperrventil mit einem Zulaufbereich eines Verbrauchersystems verbindbar sind.
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Die beschriebene Tankvorrichtung eignet sich vorzugsweise in einem Brennstoffzellensystem zur Speicherung von Wasserstoff für den Betrieb einer Brennstoffzelle.
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In vorteilhaften Verwendungen kann die Tankvorrichtung in Fahrzeugen mit einem Brennstoffzellenantrieb verwendet werden.
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Figurenliste
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In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele einer erfindungsgemäßen Tankvorrichtung zur Temperaturdruckentlastung eines Wasserstofftanks dargestellt. Es zeigt in
- 1 eine Draufsicht auf die erfindungsgemäße Tankvorrichtung,
- 2a ein erstes Ausführungsbeispiel eines Sicherungsventils in der erfindungsgemäßen Tankvorrichtung aus 1 im Längsschnitt,
- 2b das Ausführungsbeispiel aus der 2a mit alternativer Anordnung der Feder,
- 3a ein zweites Ausführungsbeispiel eines Sicherungsventils in der erfindungsgemäßen Tankvorrichtung aus 1 im Längsschnitt,
- 3b das Ausführungsbeispiel aus der 3a mit alternativer Anordnung der Feder.
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Beschreibung der Ausführungsbeispiele
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l zeigt ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Tankvorrichtung 1 in einer Draufsicht. Die Tankvorrichtung 1 weist mehrere Tankbehälter 10 mit einem Tankgehäuse 100 auf, welche im Wesentlichen zylinderförmig ausgebildet und aus Stahl gefertigt sind. Die jeweiligen Enden 26, 27 des jeweiligen Tankbehälters 10 weisen eine konische Verjüngung und somit eine typische Flaschenhalsstruktur auf.
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Mit dem einen Ende 26 ist der jeweilige Tankbehälter 10 mittels eines Absperrventils 8 mit einer Zuführleitung 4 verbunden. Diese Zuführleitung 4 ist mittels eines weiteren Ventils 2 beispielsweise mit einem Zulaufbereich eines Verbrauchersystems verbunden. So kann die Tankvorrichtung 1 beispielsweise Wasserstoff für eine in einem Brennstoffzellensystem angeordnete Brennstoffzelle bereitstellen.
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Mit dem anderen Ende 27 ist der jeweilige Tankbehälter 10 über eine Tankausführleitung 13 mit einer Abführleitung 12 verbunden, wie in 2a und 2b detaillierter gezeigt. In der Tankausführleitung 13 ist jeweils für jeden Tankbehälter 10 ein Sicherungsventil 7 angeordnet. Weiterhin ist an den Tankbehältern 10 eine gitterförmige Leitungsnetzanordnung 5 angeordnet, welches eine Fluidleitung 18 aufweist, in der ein Fluid 180 angeordnet ist, wie ebenfalls in 2a und 2b detaillierter gezeigt. Die Leitungsnetzanordnung 5 ist darüber hinaus mit den jeweiligen Sicherungsventilen 7 der Tankbehälter 7 fluidisch verbunden und weist temperatursensitive Abschnitte 30 auf.
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Diese temperatursensitiven Abschnitte 30 sind aus einem Material hergestellt, das eine Schmelztemperatur aufweist, welche unterhalb der Schmelztemperatur des Materials des Tankbehälters 10 liegt. Die temperatursensitiven Abschnitte 30 weisen beispielsweise eine Schmelztemperatur von über 100 Grad Celsius oder 150 Grad Celsius auf.
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In einer alternativen Ausführung sind die temperatursensitiven Abschnitte 30 aus einem Material mit höherer Wärmeausdehnung als das restliche Material der Leitungsnetzanordnung 5 hergestellt. So ist sichergestellt, dass die temperatursensitiven Abschnitte 30 zum Bersten gebracht werden, wenn von außen Wärme an die Leitungsnetzanordnung 5 gebracht wird und es so in diesem zu einem Druckabfall kommt.
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In einer alternativen Ausführung sind die temperatursensitiven Abschnitte 30 aus einem Material mit geringerer Wärmeausdehnung als das restliche Material der Leitungsnetzanordnung 5 hergestellt. So ist sichergestellt, dass die temperatursensitiven Abschnitte 30 zum Bersten gebracht werden, wenn von außen Wärme an die Leitungsnetzanordnung 5 gebracht wird und es so in dieser zu einem Druckabfall kommt.
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In einer weiteren alternativen Ausführung umfassen die temperatursensitiven Abschnitte 30 Bimetalle mit Ablassventilvorrichtungen.
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2a zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel des Sicherungsventils 7 in der erfindungsgemäßen Tankvorrichtung 1 im Längsschnitt. Das Sicherungsventil 7 des jeweiligen Tankbehälters 10 ist senkrecht zu einer Längsachse 32 der Tankausführleitung 13 angeordnet und weist einen Dichtkolben 16 und ein Faltenbalgelement 14 auf.
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Der Dichtkolben 16 weist eine konische Anformung 22 auf, welche mit einer Öffnung 24 der Abführleitung 12 zum Öffnen und Schließen einer Verbindung zwischen der Tankausführleitung 13 und der Abführleitung 12 zusammenwirkt und so das Sicherungsventil 7 ausbildet.
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Der Dichtkolben 16 ist dabei teilweise in der Tankausführleitung 13 angeordnet und ragt einerseits in die Fluidleitung 18 und andererseits in die Abführleitung 12 hinein. Das Faltenbalgelement 14 ist in der Tankausführleitung 13 angeordnet und weist einen Balginnenraum 28 auf, welcher mit dem Fluid 180 aus der Fluidleitung 18 gefüllt ist. Das Faltenbalgelement 14 stellt eine fluidische Trennung zwischen der Tankausführleitung 13 und der Fluidleitung 18 dar. Weiterhin führen die auf das Faltenbalgelement 14 wirkenden Druckverhältnisse im normalen Betrieb, wenn die Leitungsnetzanordnung 5 ein geschlossenes fluidisches System darstellt, zu einem Schließen der Sicherungsventile 7, so dass der Dichtkolben 16 in der Öffnung 24 der Abführleitung 12 anliegt und diese sperrt. Darüber hinaus ist in der Abführleitung 12 eine Feder 55 angeordnet, welche sich einerseits an dem Faltenbalgelement 14 und andererseits an einem Absatz 56 der Abführleitung 12 abstützt. Die Feder 55 ist bei gesperrter Öffnung 24 zusammengedrückt und unterstützt durch ihre Entspannung den Öffnungsvorgang der Öffnung 24. Im normalen Betrieb des Verbrauchersystems, beispielsweise eines Brennstoffzellensystems entweicht daher kein Wasserstoff über die Abführleitung 12, sondern bleibt in den Tankbehältern 10 beispielsweise für die Versorgung der Brennstoffzelle gespeichert.
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In einer alternativen Ausführung, wie in 2b gezeigt, ist die Feder 55 in der Tankausführleitung 13 angeordnet, wobei sich die Feder 55 dabei an einem Absatz 57 des Faltenbalgelements 14 abstützt. Die Feder 55 ist dabei wie auch in der Ausführung aus der 2a bei gesperrter Öffnung 24 zusammengedrückt und unterstützt durch ihre Entspannung den Öffnungsvorgang der Öffnung 24.
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3a zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel des Sicherungsventils 7 in der erfindungsgemäßen Tankvorrichtung 1 im Längsschnitt. Das zweite Ausführungsbeispiel entspricht in Funktion und Aufbau bis auf die Anordnung des Faltenbalgelements 14 weitestgehend dem ersten Ausführungsbeispiel. Hier ist das Faltenbalgelement 14 in der Fluidleitung 18 angeordnet und weist einen Balginnenraum 28 auf, welcher mit dem Medium des Tankbehälters 10, hier Wasserstoff, befüllt ist. Die Feder 55 entfällt hier, da deren Funktion von dem Faltenbalgelement 14 übernommen wird und über das Faltenbalgelement 14 sichergestellt ist, dass die öffnende Kraft ausreicht, um den Dichtkolben 16 aus der Öffnung 24 der Abführleitung zu heben.
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In einer alternativen Ausführung, wie in 3b gezeigt, ist eine Feder 55 in der Tankausführleitung 13 angeordnet, wobei sich die Feder 55 dabei an einem Absatz 57 des Faltenbalgelements 14 abstützt. Die Feder 55 ist dabei bei gesperrter Öffnung 24 zusammengedrückt und unterstützt durch ihre Entspannung den Öffnungsvorgang der Öffnung 24.
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Die Funktionsweise der Tankvorrichtung 1 ist die folgende: Bei einer ordentlichen Funktionsweise des Brennstoffzellensystems wird die Brennstoffzelle mit Wasserstoff aus den Tankbehältern 10 versorgt. Dabei werden die Absperrventile 8 so ausgelegt, dass eine sichere Zufuhr zu der Brennstoffzelle gewährleistet ist.
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Erfolgt, beispielsweise verursacht durch Feuer, ein Wärmeeintrag auf die Tankvorrichtung 1 bzw. die Tankbehälter 10, so sollen die Sicherungsventile 7 möglichst schnell nach Auftreten des Wärmeeintrags auslösen, so dass der Wasserstoff aus den Tankbehältern 10 über die Tankausführleitung 13 in die Abführleitung 12 geleitet werden kann, um beispielsweise einer Explosion der Tankbehälter 10 vorzubeugen. Dabei wird in der Regel auch der Stromzufuhr zu den Absperrventilen 8 unterbrochen, so dass kein Wasserstoff mehr aus den Tankbehältern 10 entweichen kann.
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Um sicherzustellen, dass die Sicherungsventile 7 auch auslösen, wenn beispielsweise ein Wärmeeintrag nicht in der Nähe der Sicherungsventile 7 auftritt, beispielsweise ein Wärmeeintrag an dem einen Ende 26 der Tankbehälter 10 erfolgt, so wird durch die Leitungsnetzanordnung 5 ein zuverlässiges Öffnen der Sicherungsventile 7 sichergestellt.
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Erfolgt ein Wärmeeintrag auf die Tankbehälter 10 und die Leitungsnetzanordnung 5 an den Tankbehältern 10, so führt dies nach gewisser Zeit zu einer Beschädigung der temperatursensitiven Abschnitte 30 bis hin zu deren Bersten.
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Denn steigt der Temperatur zumindest lokal auf Grenztemperaturen, wie beispielsweise auf die Schmelztemperatur des Materials, aus dem die temperatursensitiven Abschnitte 30 hergestellt sind bzw. führt der Anstieg der Temperatur durch den Wärmeeintrag zu einer Wärmeausdehnung des Materials an den temperatursensitiven Abschnitte 30 bzw. führt die Temperatur des Wärmeeintrags zu einem Verbiegen des Bimetalls, welches die Ablassventilvorrichtungen an dem temperatursensitiven Abschnitt 30 auslöst, so führt dies zu einem Druckabfall innerhalb der Fluidleitung 18 in der Leitungsnetzanordnung 5.
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Der Druckabfall in der Fluidleitung 18 führt im ersten Ausführungsbeispiel ebenso zu einem Druckabfall in dem Balginnenraum 28. Dies wiederum führt zu veränderten Druckverhältnissen an dem Faltenbalgelement 14 bedingt durch die Druckdifferenz zwischen der Fluidleitung 18 und der Abführleitung 12. Durch das Zusammendrücken des Faltenbalgelements 14 und unterstützt durch die Kraft der Feder 55 wird der Dichtkolben 16 aus der Öffnung 24 der Abführleitung 12 gehoben und öffnet so eine Verbindung zwischen der Tankausführleitung 13 und der Abführleitung 12. Gasförmiges Medium, Wasserstoff, kann nun aus den Tankbehältern 10 in Richtung der Abführleitung 12 strömen, so dass diese im Brandfall sicher entleert werden.
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Im zweiten Ausführungsbeispiel ist das Faltenbalgelement 14 in der Fluidleitung 18 angeordnet und der Balginnenraum 28 ebenfalls in der Fluidleitung 18 ausgebildet. Der Balginnenraum 28 ist jedoch fluidisch nicht mit der Fluidleitung 18, sondern mit der Tankausführleitung 13 verbunden.
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Erfolgt nun ein Druckabfall in der Fluidleitung 18 aufgrund eines Wärmeeintrags und der temperatursensitiven Abschnitte 30, erfährt das Faltenbalgelement 14 durch die unterschiedlichen Druckverhältnisse außen an dem Faltenbalgelement 14 und innen im Balginnenraum 28 eine Krafteinwirkung, wodurch das Faltenbalgelement 14 zusammengedrückt wird. Dadurch öffnet das Sicherungsventil 7, da der Dichtkolben 16 aus der Öffnung 24 der Abführleitung 12 abhebt und die Verbindung zwischen der Tankausführleitung 13 und der Abführleitung 12 öffnet.
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Um in beiden Ausführungsbeispielen druckunabhängig vom Druck in den Tankbehältern 10 zu sein, muss der Sitzdurchmesser des Dichtkolbens 16 dem hydraulisch wirksamen Durchmesser des Faltenbalgelements 14 entsprechen. Der Druck in den Tankbehältern 10 kann beispielsweise zwischen 50 bar und 600 bar, je nach Anwendungsbereich variieren.
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Die Öffnung des Sicherungsventils 7 ist in beiden Ausführungsbeispielen irreversibel, da im Brandfall die Tankbehälter 10 schnell und effizient entleert werden und für die Sicherstellung einer vollständigen Entleerung das Sicherungsventil 7 im geöffneten Zustand bleiben soll.
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Die Funktionsweise der Tankvorrichtung 1 wurde hier beispielhaft an einem Brennstoffzellensystem gezeigt.
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Die Tankvorrichtung 1 zur Speicherung eines gasförmigen Mediums kann jedoch neben brennstoffzellenbetriebenen Fahrzeugen beispielsweise auch zur Wasserstoff-Speicherung in Fahrzeugen mit einem Wasserstoff-Verbrenner als Antrieb verwendet werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102017212485 A1 [0002, 0003]
