DE102020213577A1 - Tank device for storing a gaseous medium - Google Patents

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Abstract

Tankvorrichtung (1) zur Speicherung eines gasförmigen Mediums, insbesondere Wasserstoff, mit mindestens einer Ventilvorrichtung (2) und mindestens einem Tankbehälter (10). Dabei weist die Ventilvorrichtung (2) ein Ventilgehäuse (200) auf, in welchem Ventilgehäuse (200) ein entlang einer Längsachse (32) der Tankvorrichtung (1) bewegliches Vorsteuerventilelement (6) angeordnet ist. Das Vorsteuerventilelement (6) wirkt zum Öffnen und Schließen eines Durchgangskanals (13) mit einem ersten Dichtsitz (18) zusammen und bildet so ein Vorsteuerventil (60) aus. Die Ventilvorrichtung (2) umfasst weiterhin eine Magnetspule (24), durch welche Magnetspule (24) das Vorsteuerventilelement (6) entlang der Längsachse (32) bewegbar ist. In dem Ventilgehäuse (200) ist ein im Wesentlichen zylinderförmiges Hauptventilelement (8) angeordnet, welches Hauptventilelement (8) zum Öffnen und Schließen eines Versorgungskanals (25) mit einem zweiten Dichtsitz (20) zusammenwirkt und so ein Hauptventil (80) ausbildet. Das Vorsteuerventilelement (6) ist in einer Ausnehmung (31) des Hauptventilelements (8) angeordnet, wobei das Hauptventilelement (8) an einem dem zweiten Dichtsitz (20) zugewandten Ende zumindest abschnittsweise konisch ausgebildet ist. Das Hauptventilelement (8) weist in einem dem zweiten Dichtsitz (20) zugewandten Bereich (11) eine Ausnehmung (23) auf, welche Ausnehmung (23) als eine magnetische Drosselstelle des Hauptventilelements (8) ausgebildet ist.Tank device (1) for storing a gaseous medium, in particular hydrogen, with at least one valve device (2) and at least one tank container (10). The valve device (2) has a valve housing (200), in which valve housing (200) a pilot valve element (6) movable along a longitudinal axis (32) of the tank device (1) is arranged. The pilot valve element (6) interacts with a first sealing seat (18) to open and close a passage (13) and thus forms a pilot valve (60). The valve device (2) further comprises a magnetic coil (24), through which magnetic coil (24) the pilot valve element (6) can be moved along the longitudinal axis (32). An essentially cylindrical main valve element (8) is arranged in the valve housing (200), which main valve element (8) interacts with a second sealing seat (20) to open and close a supply channel (25) and thus forms a main valve (80). The pilot valve element (6) is arranged in a recess (31) of the main valve element (8), the main valve element (8) being at least partially conical at an end facing the second sealing seat (20). The main valve element (8) has a recess (23) in a region (11) facing the second sealing seat (20), which recess (23) is designed as a magnetic throttle point of the main valve element (8).

Description

Die Erfindung betrifft eine Tankvorrichtung zur Speicherung eines gasförmigen Mediums, insbesondere Wasserstoff, beispielsweise zur Anwendung in Fahrzeugen mit Brennstoffzellenantrieb oder zur Anwendung in Fahrzeugen mit einem Wasserstoff-Verbrenner als Antrieb.The invention relates to a tank device for storing a gaseous medium, in particular hydrogen, for example for use in vehicles with a fuel cell drive or for use in vehicles with a hydrogen combustion engine as the drive.

Stand der TechnikState of the art

Die DE 10 2018 201 055 A1 beschreibt eine Tankvorrichtung mit mindestens zwei Speichereinheiten, welche jeweils ein Steuerventil aufweisen, und welche über ein Leitungssystem mit einer Ausgangsleitung verbunden sind. Dabei ist mindestens ein Steuerventil mindestens einer Speichereinheit als Hauptventil ausgebildet, und mindestens ein Steuerventil mindestens einer Speichereinheit ist als Nebenventil ausgebildet, wobei das Hauptventil und das Nebenventil unterschiedlich ausgebildet sind.the DE 10 2018 201 055 A1 describes a tank device with at least two storage units, which each have a control valve and which are connected to an outlet line via a line system. At least one control valve of at least one storage unit is designed as a main valve, and at least one control valve of at least one storage unit is designed as a secondary valve, with the main valve and the secondary valve being designed differently.

Die Sicherheitsvorrichtungen für solch eine Tankvorrichtung sind normiert. Dabei muss jede Tankvorrichtung solch ein Absperrventil aufweisen. So kann das Absperrventil bei einer Beschädigung der Tankvorrichtung hervorgerufen durch einen Unfall des Fahrzeugs, beispielsweise mit Brennstoffzellenantrieb, oder bei einem Bruch einer Leitung der Tankvorrichtung die Tankbehälter verschließen, so dass kein Gas aus der Tankvorrichtung austreten kann.The safety devices for such a tank device are standardized. Each tank device must have such a shut-off valve. In the event of damage to the tank device caused by an accident of the vehicle, for example with a fuel cell drive, or if a line of the tank device breaks, the shut-off valve can close the tank container so that no gas can escape from the tank device.

Aufgrund der hohen Sicherheitsanforderungen an die Absperrventile und aufgrund hoher Systemdrücke von beispielsweise 800 bar oder mehr sind solche Absperrventile konstruktiv sehr herausfordernd und weisen einen großen Bauraum auf. Dies erhöht wiederum das Gesamtgewicht der gesamten Tankvorrichtung, was im Falle eines Unfalls des Fahrzeugs mit Brennstoffzellenantrieb zu hohen auftretenden Beschleunigungskräften und möglichen Verformungen der Ventilvorrichtung oder der Tankvorrichtung führen kann.Due to the high safety requirements for the shut-off valves and due to high system pressures of, for example, 800 bar or more, such shut-off valves are structurally very challenging and have a large installation space. This in turn increases the total weight of the entire tank device, which in the event of an accident involving the vehicle with a fuel cell drive can lead to high acceleration forces occurring and possible deformation of the valve device or the tank device.

Vorteile der ErfindungAdvantages of the Invention

Die erfindungsgemäße Tankvorrichtung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 weist demgegenüber den Vorteil auf, dass in konstruktiv einfacher Weise ein kompakt ausgelegtes Sicherheitsventil mit geringem Energiebedarf erzielt wird.In contrast, the tank device according to the invention with the characterizing features of claim 1 has the advantage that a compactly designed safety valve with low energy consumption is achieved in a structurally simple manner.

Dazu weist die Tankvorrichtung zur Speicherung eines gasförmigen Mediums, insbesondere Wasserstoff, mindestens eine Ventilvorrichtung und mindestens einen Tankbehälter auf. Die Ventilvorrichtung weist ein Ventilgehäuse auf, in welchem Ventilgehäuse ein entlang einer Längsachse der Tankvorrichtung bewegliches Vorsteuerventilelement angeordnet ist. Das Vorsteuerventilelement wirkt zum Öffnen und Schließen eines Durchgangskanals mit einem ersten Dichtsitz zusammen und bildet so ein Vorsteuerventil aus. Außerdem umfasst die Ventilvorrichtung eine Magnetspule, durch welche Magnetspule das Vorsteuerventilelement entlang der Längsachse bewegbar ist. Weiterhin ist in dem Ventilgehäuse ein im Wesentlichen zylinderförmiges Hauptventilelement angeordnet, welches Hauptventilelement zum Öffnen und Schließen eines Versorgungskanals mit einem zweiten Dichtsitz zusammenwirkt und so ein Hauptventil ausbildet. Das Vorsteuerventilelement ist darüber hinaus in einer Ausnehmung des Hauptventilelements angeordnet, wobei das Hauptventilelement an einem dem zweiten Dichtsitz zugewandten Ende zumindest abschnittsweise konisch ausgebildet ist. Weiterhin weist das Hauptventilelement in einem dem zweiten Dichtsitz zugewandten Bereich eine Ausnehmung auf, welche Ausnehmung als eine magnetische Drosselstelle des Hauptventilelements ausgebildet ist.For this purpose, the tank device for storing a gaseous medium, in particular hydrogen, has at least one valve device and at least one tank container. The valve device has a valve housing, in which valve housing a pilot valve element that can be moved along a longitudinal axis of the tank device is arranged. The pilot valve element interacts with a first sealing seat to open and close a passage channel and thus forms a pilot valve. In addition, the valve device includes a magnetic coil, by means of which magnetic coil the pilot valve element can be moved along the longitudinal axis. Furthermore, an essentially cylindrical main valve element is arranged in the valve housing, which main valve element interacts with a second sealing seat to open and close a supply channel and thus forms a main valve. The pilot valve element is also arranged in a recess of the main valve element, wherein the main valve element is at least partially conical at an end facing the second sealing seat. Furthermore, the main valve element has a recess in a region facing the second sealing seat, which recess is designed as a magnetic throttle point of the main valve element.

So kann in einfacher Weise die Effizienz und die Funktionsweise der Ventilvorrichtung bei gleichzeitiger Kostenersparnis durch Minimierung der notwendigen magnetischen Kräfte für die Öffnung der Ventilvorrichtung optimiert werden. Weiterhin wird durch optimale Auslegung des magnetischen Flusses aufgrund optimierter Materialwahl, der Querschnittsdimensionierungen und der Gestaltung der Oberflächenstrukturen der Ventilvorrichtung der Magnetkreis verbessert und so eine kompakte und kostengünstige Ventilvorrichtung erzielt.In this way, the efficiency and the functioning of the valve device can be optimized in a simple manner while at the same time saving costs by minimizing the necessary magnetic forces for opening the valve device. Furthermore, the magnetic circuit is improved by optimal design of the magnetic flux based on optimized material selection, cross-sectional dimensions and the design of the surface structures of the valve device, and a compact and cost-effective valve device is thus achieved.

In erster vorteilhafter Weiterbildung ist es vorgesehen, dass das Vorsteuerventilelement eine Ausnehmung aufweist, in welcher Ausnehmung eine Feder angeordnet ist, welche Feder das Vorsteuerventilelement mit einer Kraft in Richtung des ersten Dichtsitzes beaufschlagt.In a first advantageous development, it is provided that the pilot valve element has a recess, in which recess a spring is arranged, which spring acts on the pilot valve element with a force in the direction of the first sealing seat.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist es vorteilhaft vorgesehen, dass der erste Dichtsitz an einem ersten Dichtkörper ausgebildet ist, welcher erste Dichtkörper aus einem Kunststoff hergestellt und an dem Hauptventilelement angeordnet ist.In a further embodiment of the invention, it is advantageously provided that the first sealing seat is formed on a first sealing body, which first sealing body is made of a plastic and is arranged on the main valve element.

In vorteilhafter Weiterbildung ist der zweite Dichtsitz an einem zweiten Dichtkörper ausgebildet, welcher zweite Dichtkörper aus einem Kunststoff hergestellt und an dem Ventilgehäuse angeordnet ist.In an advantageous development, the second sealing seat is formed on a second sealing body, which second sealing body is made of a plastic and is arranged on the valve housing.

So kann in einfacher Weise die Dichtheit an den Dichtkörpern gewährleistet werden.In this way, the tightness of the sealing bodies can be ensured in a simple manner.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist es vorteilhaft vorgesehen, dass das Vorsteuerventilelement einen Durchlasskanal aufweist, welcher Durchlasskanal in die Ausnehmung des Vorsteuerventilelements und in eine Querbohrung des Vorsteuerventilelements mündet.In a further embodiment of the invention, it is advantageously provided that the pilot valve element has a passage, which passage opens into the recess of the pilot valve element and into a transverse bore of the pilot valve element.

In vorteilhafter Weiterbildung ist es vorgesehen, dass das Hauptventilelement mindestens eine Querbohrung aufweist, welche Querbohrung in einen Vorsteuerraum mündet, in welchen Vorsteuerraum die Querbohrung des Vorsteuerventilelements mündet. Durch diese geometrische Ausformung wird eine optimale Funktionsweise der Ventilvorrichtung begünstigt.In an advantageous development, it is provided that the main valve element has at least one transverse bore, which transverse bore opens into a pilot control chamber, into which pilot control chamber the transverse bore of the pilot control valve element opens. This geometric shape promotes optimal functioning of the valve device.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist es vorteilhaft vorgesehen, dass der zylinderförmige Durchgangskanal in dem Hauptventilelement ausgebildet ist und in den zylinderförmigen Versorgungskanal mündet, wobei der Durchmesser des Durchgangskanals kleiner ist als der Durchmesser des Versorgungskanals. So kann der Fluss des gasförmigen Mediums in einfacher Weise gesteuert werden. Weiterhin wird eine schnelle und effiziente Öffnung der gesamten Ventilvorrichtung ermöglicht, da nur geringe magnetische Kräfte für die Öffnung notwendig sind.In a further embodiment of the invention, it is advantageously provided that the cylindrical through-channel is formed in the main valve element and opens into the cylindrical supply channel, the diameter of the through-channel being smaller than the diameter of the supply channel. The flow of the gaseous medium can thus be controlled in a simple manner. Furthermore, a quick and efficient opening of the entire valve device is made possible, since only small magnetic forces are required for the opening.

In vorteilhafter Weiterbildung weist die Ventilvorrichtung einen Ventilgehäusetopf auf, welcher Ventilgehäusetopf fest mit dem Ventilgehäuse verbunden ist und welcher Ventilgehäusetopf in einem Halsbereich der Tankvorrichtung angeordnet und gegen einen Tankboden innerhalb des Halsbereichs gepresst ist.In an advantageous development, the valve device has a valve housing pot, which valve housing pot is firmly connected to the valve housing and which valve housing pot is arranged in a neck area of the tank device and pressed against a tank bottom within the neck area.

Aufgrund der konstruktiven Auslegung der Ventilvorrichtung innerhalb des Halsbereichs wird eine geringere Druckangriffsfläche erzielt, was geringere axiale Druckkräfte der Ventilvorrichtung zur Folge hat. Bei hohen Drücken stellen geringere Druckangriffsflächen eine hohe Entlastung bezüglich Bauteilbelastungen dar, was sich in geringeren Verformungen, weniger Verschleiß und Dichtheitseinflüssen und einer erhöhten Lebensdauer der gesamten Tankvorrichtung und der Ventilvorrichtung widerspiegelt.Due to the structural design of the valve device within the neck area, a smaller pressure application area is achieved, which results in lower axial pressure forces of the valve device. At high pressures, smaller pressure contact areas represent a high relief with regard to component loads, which is reflected in lower deformations, less wear and sealing effects and an increased service life of the entire tank device and the valve device.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist es vorteilhaft vorgesehen, dass in dem Tankboden und in dem Ventilgehäusetopf eine Durchgangsöffnung ausgebildet ist, welche Durchgangsöffnung in die Ausnehmung des Vorsteuerventilelements mündet. So kann das Innere der Ventilvorrichtung in einfacher Weise mit einem Tankinnenraum der Tankvorrichtung verbunden werden.In a further embodiment of the invention, it is advantageously provided that a through-opening is formed in the tank bottom and in the valve housing pot, which through-opening opens into the recess of the pilot valve element. The interior of the valve device can thus be connected in a simple manner to a tank interior of the tank device.

In vorteilhafter Weiterbildung ist es vorgesehen, dass der Tankbehälter einen Tankinnenraum aufweist, welcher Tankinnenraum mittels der Ventilvorrichtung und mittels einer Zulaufleitung mit einem Verbrauchersystem, beispielsweise mit einem Anodenbereich eines Brennstoffzellensystems verbindbar ist.In an advantageous development, it is provided that the tank container has a tank interior, which tank interior can be connected to a consumer system, for example to an anode area of a fuel cell system, by means of the valve device and by means of an inlet line.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist es vorteilhaft vorgesehen, dass der Tankinnenraum mittels der Ventilvorrichtung und mittels der Zulaufleitung mit einer Tankstelle verbindbar ist. Somit kann in konstruktiv einfacher Weise der Tankinnenraum über dieselbe Ventilvorrichtung und dieselbe Zulaufleitung mit Wasserstoff befüllt werden wie dieser dem Zulaufbereich eines Verbrauchersystems, beispielsweise einem Anodenbereich eines Brennstoffzellensystems, zur Verfügung gestellt wird.In a further embodiment of the invention, it is advantageously provided that the tank interior can be connected to a gas station by means of the valve device and by means of the feed line. Thus, in a structurally simple manner, the tank interior can be filled with hydrogen via the same valve device and the same feed line as is made available to the feed area of a consumer system, for example an anode area of a fuel cell system.

Die beschriebene Tankvorrichtung eignet sich vorzugsweise in einem Brennstoffzellensystem zur Speicherung von Wasserstoff für den Betrieb einer Brennstoffzelle.The tank device described is preferably suitable in a fuel cell system for storing hydrogen for the operation of a fuel cell.

Die beschriebene Tankvorrichtung zur Speicherung von Wasserstoff für den Betrieb einer Brennstoffzelle eignet sich weiterhin vorteilhaft in einem brennstoffzellenbetriebenen Fahrzeug.The tank device described for storing hydrogen for operating a fuel cell is also advantageously suitable in a fuel cell-powered vehicle.

Die beschriebene Tankvorrichtung zur Speicherung von Wasserstoff eignet sich weiterhin vorteilhaft in einem wasserstoffbetriebenen Fahrzeug.The tank device described for storing hydrogen is also advantageously suitable in a hydrogen-powered vehicle.

Figurenlistecharacter list

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Tankvorrichtung zur Speicherung eines gasförmigen Mediums, insbesondere Wasserstoff, dargestellt. Es zeigt in

  • 1 ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Tankvorrichtung zur Speicherung eines gasförmigen Mediums, insbesondere Wasserstoff, im Längsschnitt.
The drawing shows an exemplary embodiment of a tank device according to the invention for storing a gaseous medium, in particular hydrogen. It shows in
  • 1 an embodiment of a tank device according to the invention for storing a gaseous medium, in particular hydrogen, in longitudinal section.

Beschreibung des AusführungsbeispielsDescription of the embodiment

l zeigt ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Tankvorrichtung 1 mit einer Ventilvorrichtung 2 und einer Längsachse 32 im Längsschnitt. Die Tankvorrichtung 1 weist ein Tankgehäuse 101 auf, das einen Halsbereich 36 aufweist, welcher über eine Durchgangsöffnung 15 in einen Tankinnenraum 100 mündet. Dabei ist die Durchgangsöffnung 15 in einem Tankboden 37 der Tankvorrichtung 1 ausgebildet, welcher den Halsbereich 36 von dem Tankinnenraum 100 trennt. l shows an embodiment of a tank device 1 according to the invention with a valve device 2 and a longitudinal axis 32 in longitudinal section. The tank device 1 has a tank housing 101 which has a neck region 36 which opens into a tank interior 100 via a through-opening 15 . The through-opening 15 is formed in a tank bottom 37 of the tank device 1 which separates the neck area 36 from the tank interior 100 .

Die Ventilvorrichtung 2 ist in dem Halsbereich 37 der Tankvorrichtung 1 angeordnet. Dabei weist die Ventilvorrichtung 2 ein Ventilgehäuse 200 und ein Ventilgehäusetopf 27 auf, mit welchem Ventilgehäusetopf 27 die Ventilvorrichtung 2 in dem Halsbereich 36 eingebettet ist und an dem Tankboden 37 anliegt. Der Ventilgehäusetopf 27 weist eine Durchgangsöffnung 43 auf, welche in die Durchgangsöffnung 15 mündet. Das Ventilgehäuse 200 und das Tankgehäuse 101 sind dabei mittels Verspannelementen 34 fest miteinander verbunden.The valve device 2 is arranged in the neck area 37 of the tank device 1 . The valve device 2 has a valve housing 200 and a valve housing pot 27, with which valve housing pot 27 the valve device 2 in the Neck area 36 is embedded and rests against tank bottom 37 . The valve housing pot 27 has a through-opening 43 which opens into the through-opening 15 . The valve housing 200 and the tank housing 101 are firmly connected to one another by means of bracing elements 34 .

In der Ventilvorrichtung 2 ist ein entlang der Längsachse 32 bewegliches Vorsteuerventilelement 6 angeordnet, welches zusammen mit einem ersten Dichtsitz 18 ein Vorsteuerventil 60 ausbildet. Das Vorsteuerventilelement 6 weist einen zylinderförmigen Durchlasskanal 14 auf, welche in eine zylinderförmige Ausnehmung 28 übergeht, wobei der Durchmesser der Ausnehmung 28 größer ist als der Durchmesser des Durchlasskanals 14.A pilot valve element 6 that is movable along the longitudinal axis 32 is arranged in the valve device 2 and forms a pilot valve 60 together with a first sealing seat 18 . The pilot valve element 6 has a cylindrical passage 14, which merges into a cylindrical recess 28, the diameter of the recess 28 being larger than the diameter of the passage 14.

In der Ausnehmung 28 ist eine Feder 12 angeordnet, welche sich einerseits an dem Vorsteuerventilelement 6 und andererseits an dem Ventilgehäusetopf 27 abstützt und das Vorsteuerventilelement 6 mit einer Kraft in Richtung des ersten Dichtsitzes 18 beaufschlagt. Die Ausnehmung 28 mündet außerdem in die Durchgangsöffnung 43. Das Vorsteuerventilelement 6 weist darüber hinaus eine Querbohrung 26 auf, welche in den Durchlasskanal 14 mündet.A spring 12 is arranged in the recess 28 and is supported on the pilot valve element 6 on the one hand and on the valve housing pot 27 on the other hand and applies a force to the pilot valve element 6 in the direction of the first sealing seat 18 . The recess 28 also opens into the passage opening 43. The pilot valve element 6 also has a transverse bore 26, which opens into the through-channel 14.

Weiterhin ist in der Ventilvorrichtung 2 koaxial zu dem Vorsteuerventilelement 6 ein im Wesentlichen zylinderförmig ausgebildetes Hauptventilelement 8 angeordnet, welches zusammen mit einem zweiten Dichtsitz 20 ein Hauptventil 80 ausbildet.Also arranged in the valve device 2 coaxially to the pilot valve element 6 is an essentially cylindrical main valve element 8 which forms a main valve 80 together with a second sealing seat 20 .

Der erste Dichtsitz 18 ist hier an einem ersten Dichtkörper 17 ausgebildet, welcher an dem Hauptventilelement 8 angeordnet und mit diesem fest verbunden ist.The first sealing seat 18 is formed here on a first sealing body 17, which is arranged on the main valve element 8 and is firmly connected to it.

Der zweite Dichtsitz 20 ist an einem zweiten Dichtkörper 19 ausgebildet, welcher an dem Ventilgehäuse 200 angeordnet und mit diesem fest verbunden ist.The second sealing seat 20 is formed on a second sealing body 19 which is arranged on the valve housing 200 and is firmly connected to it.

Sowohl der erste Dichtkörper 17 als auch der zweite Dichtkörper 19 sind beispielsweise aus einem Kunststoff hergestellt.Both the first sealing body 17 and the second sealing body 19 are made of a plastic, for example.

Das Hauptventilelement 8 weist zudem eine Ausnehmung 31 auf, in welcher das Vorsteuerventilelement 6 aufgenommen ist. An einem dem zweiten Dichtsitz 20 zugewandten Ende ist das Hauptventilelement 8 abschnittsweise konisch ausgebildet, wobei sich dem konischen Bereich eine Ausnehmung 23 anschließt, welche durch eine Dünndrehung des Hauptventilelements 8 als eine magnetische Drosselstelle des Hauptventilelements 8 ausgebildet ist.The main valve element 8 also has a recess 31 in which the pilot valve element 6 is accommodated. At one end facing the second sealing seat 20, the main valve element 8 is conical in sections, with the conical area adjoining a recess 23 which is formed as a magnetic throttle point of the main valve element 8 by turning the main valve element 8 thin.

Außerdem weist das Hauptventilelement 8 eine Querbohrung 21 auf, welche in die Querbohrung 26 des Vorsteuerventilelements 6 mündet. Neben der Querbohrung 26 weist das Hauptventilelement 8 einen zylinderförmig ausgebildeten Durchgangskanal 13 auf, welcher in einen in dem Ventilgehäuse 200 ausgebildeten zylinderförmigen Versorgungskanal 25 mündet. Der Durchmesser des Versorgungskanals 25 ist dabei größer als der Durchmesser des Durchgangskanals 13.In addition, the main valve element 8 has a transverse bore 21 which opens into the transverse bore 26 of the pilot valve element 6 . In addition to the transverse bore 26 , the main valve element 8 has a cylindrical through-channel 13 which opens into a cylindrical supply channel 25 formed in the valve housing 200 . The diameter of the supply channel 25 is larger than the diameter of the through channel 13.

Das Hauptventilelement 8 wirkt zum Öffnen und Schließen des Versorgungskanals 25 mit dem zweiten Dichtsitz 20 zusammen, wobei ein Öffnungsquerschnitt des Versorgungskanals 25 in Verbindung mit dem zweiten Dichtsitz 20 größer ist als ein Öffnungsquerschnitt des Durchgangskanals 13 in Verbindung mit dem ersten Dichtsitz 18, da der Durchmesser des Versorgungskanals 25 größer ist als der Durchmesser des Durchgangskanals 13.The main valve element 8 interacts with the second sealing seat 20 to open and close the supply channel 25, with an opening cross section of the supply channel 25 in connection with the second sealing seat 20 being larger than an opening cross section of the through channel 13 in connection with the first sealing seat 18, since the diameter of the supply channel 25 is larger than the diameter of the through-channel 13.

Der Öffnungsquerschnitt an dem zweiten Dichtsitz 20 verbindet dabei einen von dem Ventilgehäuse 200 und dem Hauptventilelement 8 begrenzten Hauptsteuerraum 33 mit dem Versorgungskanal 25. Der Hauptsteuerraum 33 ist über die Durchgangsöffnung 15 und der Durchgangsöffnung 43 mit dem Tankinnenraum 100 fluidisch verbunden.The opening cross section on the second sealing seat 20 connects a main control chamber 33 delimited by the valve housing 200 and the main valve element 8 to the supply channel 25. The main control chamber 33 is fluidically connected to the tank interior 100 via the through-opening 15 and the through-opening 43.

Der Versorgungskanal 25 ist beispielsweise mit einem Zulaufbereich 40 eines Verbrauchersystems, beispielsweise eines Brennstoffzellensystems verbunden, um eine in dem Brennstoffzellensystem angeordneten Brennstoffzelle mit Wasserstoff zu versorgen.The supply channel 25 is connected, for example, to an inlet area 40 of a consumer system, for example a fuel cell system, in order to supply hydrogen to a fuel cell arranged in the fuel cell system.

Das Vorsteuerventilelement 6 und das Hauptventilelement 8 begrenzen einen Vorsteuerraum 30, welcher fluidisch mit der Querbohrung 26 des Vorsteuerventilelements 6 und mit der Querbohrung 21 des Hauptventilelements 8 verbunden ist.The pilot valve element 6 and the main valve element 8 define a pilot chamber 30 which is fluidly connected to the transverse bore 26 of the pilot valve element 6 and to the transverse bore 21 of the main valve element 8 .

Der Durchgangskanal 13 ist darüber hinaus ebenfalls in dem ersten Dichtkörper 17 ausgebildet, so dass eine fluidische Verbindung zwischen dem Durchgangskanal 13 und dem Vorsteuerraum 30 über den ersten Dichtsitz 18 steuerbar ist.The through channel 13 is also formed in the first sealing body 17 so that a fluidic connection between the through channel 13 and the pilot chamber 30 can be controlled via the first sealing seat 18 .

Das dem ersten Dichtsitz 18 zugewandte Ende des Vorsteuerventilelements 6 ist konisch ausgebildet und wirkt mit dem ersten Dichtsitz 18 zum Öffnen und Schließen des Durchgangskanals 13 zusammen.The end of the pilot valve element 6 facing the first sealing seat 18 is conical and interacts with the first sealing seat 18 to open and close the passage channel 13 .

Weiterhin ist in der Ventilvorrichtung 2 eine Magnetspule 24 angeordnet, welche in der Ventilvorrichtung 2 zur Stromversorgung einen elektrischen Anschluss aufweist. Die Magnetspule 24 bildet zusammen mit dem Vorsteuerventilelement 6 bzw. dem Hauptventilelement 8 und dem Ventilgehäusetopf 27 bzw. dem Ventilgehäuse 200 einen Elektromagneten aus. Das Vorsteuerventilelement 6 und das Hauptventilelement 8 sind vorzugsweise aus Metall hergestellt.Furthermore, a magnetic coil 24 is arranged in the valve device 2, which has an electrical connection in the valve device 2 for the power supply. The magnetic coil 24 forms together with the pilot valve element 6 or the main valve element 8 and the valve housing pot 27 and the valve housing 200 from an electromagnet. The pilot valve element 6 and the main valve element 8 are preferably made of metal.

Zwischen der Magnetspule 24, dem Ventilgehäuse 200 und dem Ventilgehäusetopf 27 ist ein magnetisches Trennelement 29 angeordnet.A magnetic separating element 29 is arranged between the magnet coil 24 , the valve housing 200 and the valve housing pot 27 .

Die Funktionsweise der Tankvorrichtung 1 ist wie folgt: Bei einer Bestromung der Magnetspule 24 bildet sich ein magnetisches Feld aus, welches durch das Vorsteuerventilelement 6, das Hauptventilelement 8, den Ventilgehäusetopf 27 und das Ventilgehäuse 200 geleitet wird. Eine magnetische Trennung wird durch das magnetische Trennelement 29 gewährleistet. So bildet sich an der dem ersten Dichtsitz 18 zugewandten Seite des Vorsteuerventilelements 6 und an der dem zweiten Dichtsitz 20 zugewandten Seite des Hauptventilelements 8 im Luftspalt eine magnetische Kraft aus.The functioning of the tank device 1 is as follows: when the magnetic coil 24 is energized, a magnetic field is formed which is conducted through the pilot valve element 6 , the main valve element 8 , the valve housing pot 27 and the valve housing 200 . A magnetic separation is ensured by the magnetic separation element 29. A magnetic force is thus formed in the air gap on the side of the pilot valve element 6 facing the first sealing seat 18 and on the side of the main valve element 8 facing the second sealing seat 20 .

Bei ausreichend hoher Magnetkraft hebt das Vorsteuerventilelement 6 von dem ersten Dichtsitz 18 ab und gibt den Öffnungsquerschnitt am Durchgangskanal 13 frei. So strömt nun gasförmiges Medium, beispielsweise Wasserstoff, aus dem Tankinnenraum 100 über die Durchgangsöffnung 15 des Tankbodens 37, die Durchgangsöffnung 43 des Ventilgehäusetopfs 27, die Ausnehmung 28 des Vorsteuerventilelements 6, den Durchlasskanal 14 und die Querbohrung 26 des Vorsteuerventilelements 10 und den Vorsteuerraum 30 in den Durchgangskanal 13 in Richtung des Versorgungskanals 25.If the magnetic force is sufficiently high, the pilot valve element 6 lifts off the first sealing seat 18 and releases the opening cross section on the passage channel 13 . Gaseous medium, for example hydrogen, now flows from the tank interior 100 via the through-opening 15 in the tank bottom 37, the through-opening 43 in the valve housing pot 27, the recess 28 in the pilot valve element 6, the passage duct 14 and the transverse bore 26 in the pilot valve element 10 and the pilot control chamber 30 in the passage channel 13 in the direction of the supply channel 25.

Dies führt zu einem Druckausgleich zwischen dem Tankinnenraum 100 und einem Systemdruck eines Verbrauchersystems, beispielsweise eines Brennstoffzellensystems. Dadurch bildet sich je nach Medienabnahme des Verbrauchersystems ein ausgleichendes Druckniveau um das Hauptventilelement 8 aus.This leads to a pressure equalization between the tank interior 100 and a system pressure of a consumer system, for example a fuel cell system. As a result, depending on the consumption of media by the consumer system, a compensating pressure level is formed around the main valve element 8 .

Gleichzeitig wirkt auf das von dem Hauptventilelement 6 umgebene Vorsteuerventilelement 6 weiterhin eine öffnende magnetische Kraft aus, was zusätzlich ein Abheben des Hauptventilelements 8 von dem zweiten Dichtsitz 20 begünstigt, auch wenn im Falle eines Druckabfalls am ersten Dichtsitz 18 aufgrund des abgenommenen Massestroms des gasförmigen Mediums der zweite Dichtsitz 20 nicht vollständig druckunterwandert wird. Darüber hinaus wird durch die magnetische Drosselstelle an dem Hauptventilelement 8 der magnetische Streufluss reduziert und gezielt in den zylindrischen Teil des Hauptventilelements 8 geleitet, um die magnetische Kraft auf das Hauptventilelement 8 zu erhöhen.At the same time, an opening magnetic force continues to act on the pilot valve element 6 surrounded by the main valve element 6, which also promotes a lifting of the main valve element 8 from the second sealing seat 20, even if in the event of a pressure drop at the first sealing seat 18 due to the reduced mass flow of the gaseous medium second sealing seat 20 is not completely under pressure. In addition, the magnetic stray flux is reduced by the magnetic throttle point on the main valve element 8 and directed into the cylindrical part of the main valve element 8 in order to increase the magnetic force on the main valve element 8 .

Durch Abheben des Hauptventilelements 8 von dem zweiten Dichtsitz 20 wird der große Öffnungsquerschnitt, eine Verbindung zwischen dem Versorgungskanal 25 und dem Hauptsteuerraum 33 freigegeben. So strömt nun beispielsweise Wasserstoff beispielsweise zur Versorgung einer Brennstoffzelle in Richtung des Zulaufbereichs 40 des Verbrauchersystems, in dem Falle eines Brennstoffzellensystems.By lifting the main valve element 8 from the second sealing seat 20, the large opening cross section, a connection between the supply channel 25 and the main control chamber 33, is released. For example, hydrogen now flows, for example to supply a fuel cell, in the direction of the inlet area 40 of the consumer system, in the case of a fuel cell system.

Wird die Bestromung der Magnetspule 24 unterbrochen, so bricht das magnetische Feld zusammen und es wird eine schließende Kraft auf das Vorsteuerventilelement 6 und das Hauptventilelement 8 durch die Feder 12 und ggfs. den pneumatischen Druckverhältnissen in der Ventilvorrichtung 2 ausgeübt. Das Vorsteuerventilelement 6 und das Hauptventilelement 8 bewegen sich dadurch wieder in Richtung des ersten Dichtsitzes 18 bzw. des zweiten Dichtsitzes 20 und dichten so wieder die Öffnungsquerschnitte an dem ersten Dichtsitz 18 und dem zweiten Dichtsitz 20 ab. Gasförmiges Medium strömt nun nicht mehr aus der Tankvorrichtung 1 über die Ventilvorrichtung 2 in Richtung des Zulaufbereichs 40 des Verbrauchersystems.If the energization of the magnet coil 24 is interrupted, the magnetic field collapses and a closing force is exerted on the pilot valve element 6 and the main valve element 8 by the spring 12 and possibly the pneumatic pressure conditions in the valve device 2 . The pilot valve element 6 and the main valve element 8 thus move again in the direction of the first sealing seat 18 and the second sealing seat 20 and thus seal the opening cross sections on the first sealing seat 18 and the second sealing seat 20 again. Gaseous medium now no longer flows out of the tank device 1 via the valve device 2 in the direction of the inlet area 40 of the consumer system.

Das Prinzip des selbstständigen Verschließens der Ventilvorrichtung 2 wirkt auch bei einem Notfall, wenn beispielsweise die Stromzufuhr unterbrochen ist. So kann sichergestellt werden, dass der Wasserstoff in der Tankvorrichtung 1 eingeschlossen ist und dieser nicht unkontrolliert in die Umgebung abgegeben wird.The principle of the automatic closing of the valve device 2 also works in an emergency, for example if the power supply is interrupted. In this way it can be ensured that the hydrogen is enclosed in the tank device 1 and that it is not released into the environment in an uncontrolled manner.

Im Betankungsfall wird der Versorgungskanal 25 über eine Tankeinheit mit Druck versorgt. Dabei ist der anstehende Druck im Versorgungskanal 25 höher als in der Ventilvorrichtung 2 und dem Tankinnenraum 100. Die unterschiedlichen Druckverhältnisse führen dazu, dass das Hauptventilelement 8, entgegen der Kraft der Feder 12, aus dem zweiten Dichtsitz 20 gedrückt wird und der große Öffnungsquerschnitt an dem zweiten Dichtsitz 20 freigegeben wird. Der Tankinnenraum 100 kann nun mit Wasserstoff befüllt werden.When refueling, the supply channel 25 is supplied with pressure via a tank unit. The pressure present in the supply channel 25 is higher than in the valve device 2 and the tank interior 100. The different pressure conditions mean that the main valve element 8 is pressed out of the second sealing seat 20 against the force of the spring 12 and the large opening cross section on the second sealing seat 20 is released. The tank interior 100 can now be filled with hydrogen.

Wird der Tankvorgang beendet, so gleicht sich der Druck in dem Versorgungskanal 25 wieder dem Druck in der Ventilvorrichtung 2 und dem Tankinnenraum 100 an, so dass sich das Hauptventilelement 8, unterstützt durch die Kraft der Feder 12, in Richtung des zweiten Dichtsitzes 20 bewegt und diesen wieder verschließt. Somit kann der Tankinnenraum 100 über die Zuführleitung 4, welche hier dann an eine Tankstelle 41 angeschlossen wird, über dieselbe Ventilvorrichtung 2 mit Wasserstoff befüllt werden, wie der Wasserstoff für das Verbrauchersystem zur Verfügung gestellt wird.When the refueling process is completed, the pressure in the supply channel 25 equalizes the pressure in the valve device 2 and the tank interior 100 again, so that the main valve element 8, supported by the force of the spring 12, moves in the direction of the second sealing seat 20 and closes it again. Thus, the tank interior 100 can be filled with hydrogen via the supply line 4, which is then connected here to a gas station 41, via the same valve device 2 as the hydrogen is made available for the consumer system.

Die Tankvorrichtung 1 zur Speicherung eines gasförmigen Mediums kann neben brennstoffzellenbetriebenen Fahrzeugen beispielsweise auch zur Wasserstoff-Speicherung in Fahrzeugen mit einem Wasserstoff-Verbrenner als Antrieb verwendet werden.The tank device 1 for storing a gaseous medium can, for example, in addition to fuel cell-powered vehicles Hydrogen storage in vehicles with a hydrogen combustion engine used as a drive.

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Zitierte PatentliteraturPatent Literature Cited

  • DE 102018201055 A1 [0002]DE 102018201055 A1 [0002]

Claims (14)

Tankvorrichtung (1) zur Speicherung eines gasförmigen Mediums, insbesondere Wasserstoff, mit mindestens einer Ventilvorrichtung (2) und mindestens einem Tankbehälter (10), wobei die Ventilvorrichtung (2) ein Ventilgehäuse (200) aufweist, in welchem Ventilgehäuse (200) ein entlang einer Längsachse (32) der Tankvorrichtung (1) bewegliches Vorsteuerventilelement (6) angeordnet ist, welches Vorsteuerventilelement (6) zum Öffnen und Schließen eines Durchgangskanals (13) mit einem ersten Dichtsitz (18) zusammenwirkt und so ein Vorsteuerventil (60) ausbildet, wobei die Ventilvorrichtung (2) eine Magnetspule (24) umfasst, durch welche Magnetspule (24) das Vorsteuerventilelement (6) entlang der Längsachse (32) bewegbar ist, wobei in dem Ventilgehäuse (200) ein im Wesentlichen zylinderförmiges Hauptventilelement (8) angeordnet ist, welches Hauptventilelement (8) zum Öffnen und Schließen eines Versorgungskanals (25) mit einem zweiten Dichtsitz (20) zusammenwirkt und so ein Hauptventil (80) ausbildet, wobei das Vorsteuerventilelement (6) in einer Ausnehmung (31) des Hauptventilelements (8) angeordnet ist, wobei das Hauptventilelement (8) an einem dem zweiten Dichtsitz (20) zugewandten Ende zumindest abschnittsweise konisch ausgebildet ist und das Hauptventilelement (8) in einem dem zweiten Dichtsitz (20) zugewandten Bereich (11) eine Ausnehmung (23) aufweist, welche Ausnehmung (23) als eine magnetische Drosselstelle des Hauptventilelements (8) ausgebildet ist.Tank device (1) for storing a gaseous medium, in particular hydrogen, with at least one valve device (2) and at least one tank container (10), the valve device (2) having a valve housing (200), in which valve housing (200) a A movable pilot valve element (6) is arranged along the longitudinal axis (32) of the tank device (1), which pilot valve element (6) interacts with a first sealing seat (18) to open and close a through-channel (13) and thus forms a pilot valve (60), the The valve device (2) comprises a magnetic coil (24), by means of which magnetic coil (24) the pilot valve element (6) can be moved along the longitudinal axis (32), with an essentially cylindrical main valve element (8) being arranged in the valve housing (200), which The main valve element (8) for opening and closing a supply channel (25) interacts with a second sealing seat (20) and thus forms a main valve (80). det, wherein the pilot valve element (6) is arranged in a recess (31) of the main valve element (8), wherein the main valve element (8) is at least partially conical at an end facing the second sealing seat (20) and the main valve element (8) in has a recess (23) in a region (11) facing the second sealing seat (20), which recess (23) is designed as a magnetic throttle point of the main valve element (8). Tankvorrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Vorsteuerventilelement (6) eine Ausnehmung (28) aufweist, in welcher Ausnehmung (28) eine Feder (12) angeordnet ist, welche Feder (12) das Vorsteuerventilelement (6) mit einer Kraft in Richtung des ersten Dichtsitzes (18) beaufschlagt.Tank device (1) after claim 1 , characterized in that the pilot valve element (6) has a recess (28), in which recess (28) a spring (12) is arranged, which spring (12) the pilot valve element (6) with a force in the direction of the first sealing seat ( 18) applied. Tankvorrichtung (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Dichtsitz (18) an einem ersten Dichtkörper (17) ausgebildet ist, welcher erste Dichtkörper (17) aus einem Kunststoff hergestellt und an dem Hauptventilelement (8) angeordnet ist.Tank device (1) after claim 1 or 2 , characterized in that the first sealing seat (18) is formed on a first sealing body (17), which first sealing body (17) is made of a plastic and is arranged on the main valve element (8). Tankvorrichtung (1) nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Dichtsitz (20) an einem zweiten Dichtkörper (19) ausgebildet ist, welcher zweite Dichtkörper (19) aus einem Kunststoff hergestellt und an dem Ventilgehäuse (200) angeordnet ist.Tank device (1) after claim 1 , 2 or 3 , characterized in that the second sealing seat (20) is formed on a second sealing body (19), which second sealing body (19) is made of a plastic and is arranged on the valve housing (200). Tankvorrichtung (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Vorsteuerventilelement (6) einen Durchlasskanal (14) aufweist, welcher Durchlasskanal (14) in die Ausnehmung (28) des Vorsteuerventilelements (6) und in eine Querbohrung (26) des Vorsteuerventilelements (6) mündet.Tank device (1) after claim 2 , characterized in that the pilot valve element (6) has a passage (14), which passage (14) opens into the recess (28) of the pilot valve element (6) and into a transverse bore (26) of the pilot valve element (6). Tankvorrichtung (1) nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das Hauptventilelement (8) mindestens eine Querbohrung (21) aufweist, welche Querbohrung (21) in einen Vorsteuerraum (30) mündet, in welchen Vorsteuerraum (30) die Querbohrung (26) des Vorsteuerventilelements (6) mündet.Tank device (1) according to the preceding claim, characterized in that the main valve element (8) has at least one transverse bore (21), which transverse bore (21) opens into a pilot control chamber (30), in which pilot control chamber (30) the transverse bore (26) of the pilot valve element (6) opens out. Tankvorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zylinderförmige Durchgangskanal (13) in dem Hauptventilelement (8) ausgebildet ist und in den zylinderförmigen Versorgungskanal (25) mündet, wobei der Durchmesser des Durchgangskanals (13) kleiner ist als der Durchmesser des Versorgungskanals (25).Tank device (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the cylindrical through-channel (13) is formed in the main valve element (8) and opens into the cylindrical supply channel (25), the diameter of the through-channel (13) being smaller than that Diameter of the supply channel (25). Tankvorrichtung (1) nach Anspruch 2 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Ventilvorrichtung (2) einen Ventilgehäusetopf (27) aufweist, welcher Ventilgehäusetopf (27) fest mit dem Ventilgehäuse (100) verbunden ist und welcher Ventilgehäusetopf (27) in einem Halsbereich (36) der Tankvorrichtung (1) angeordnet und gegen einen Tankboden (37) innerhalb des Halsbereichs (36) gepresst ist.Tank device (1) after claim 2 or 5 , characterized in that the valve device (2) has a valve housing pot (27), which valve housing pot (27) is fixedly connected to the valve housing (100) and which valve housing pot (27) is arranged in a neck area (36) of the tank device (1) and pressed against a tank bottom (37) within the neck area (36). Tankvorrichtung (1) nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Tankboden (37) und in dem Ventilgehäusetopf (36) eine Durchgangsöffnung (15) ausgebildet ist, welche Durchgangsöffnung (15) in die Ausnehmung (28) des Vorsteuerventilelements (6) mündet.Tank device (1) according to the preceding claim, characterized in that a through-opening (15) is formed in the tank bottom (37) and in the valve housing pot (36), which through-opening (15) fits into the recess (28) of the pilot valve element (6). flows. Tankvorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Tankbehälter (10) einen Tankinnenraum (100) aufweist, welcher Tankinnenraum (100) mittels der Ventilvorrichtung (2) und mittels einer Zulaufleitung (4) mit einem Verbrauchersystem, beispielsweise mit einem Anodenbereich eines Brennstoffzellensystems verbindbar ist.Tank device (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the tank container (10) has a tank interior (100), which tank interior (100) by means of the valve device (2) and by means of an inlet line (4) with a consumer system, for example with an anode area of a fuel cell system can be connected. Tankvorrichtung (1) nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der Tankinnenraum (100) mittels der Ventilvorrichtung (2) und mittels der Zulaufleitung (4) mit einer Tankstelle (54) verbindbar ist.Tank device (1) according to the preceding claim, characterized in that the tank interior (100) can be connected to a filling station (54) by means of the valve device (2) and by means of the feed line (4). Brennstoffzellensystem mit einer Tankvorrichtung (1) zur Speicherung von Wasserstoff für den Betrieb einer Brennstoffzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche.Fuel cell system with a tank device (1) for storing hydrogen for the operation of a fuel cell according to one of the preceding claims. Brennstoffzellenbetriebenes Fahrzeug mit einer Tankvorrichtung (1) zur Speicherung von Wasserstoff für den Betrieb einer Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 11.Fuel cell-powered vehicle with a tank device (1) for storing water hydrogen for the operation of a fuel cell according to one of Claims 1 until 11 . Wasserstoffbetriebenes Fahrzeug mit einer Tankvorrichtung (1) zur Speicherung von Wasserstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 11.Hydrogen-powered vehicle with a tank device (1) for storing hydrogen according to one of Claims 1 until 11 .
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