DE102020215929A1 - Tankvorrichtung zur Temperaturdruckentlastung eines Wasserstofftanks - Google Patents
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Abstract
Tankvorrichtung (1) zur Temperaturdruckentlastung eines Wasserstofftanks, wobei die Tankvorrichtung (1) mindestens zwei Tankbehälter (10) und eine mit den Tankbehältern (10) verbindbare Zuführleitung (4) umfasst. Jeder der mindestens zwei Tankbehälter (10) weist an einem Ende (26) mindestens ein Absperrventil (8) auf, welches Absperrventil (8) zwischen dem jeweiligen Tankbehälter (10) und der Zufuhrleitung (4) angeordnet ist. Darüber hinaus sind die Tankbehälter (10) von einem Gehäuseelement (12) vollständig umschlossen und/oder zu einer Umgebung (120), insbesondere druckdicht, gekapselt, wobei mindestens ein Opfer-Behälter (14) in der Tankvorrichtung (1) angeordnet ist, welcher Opfer-Behälter (14) mittels eines Überdruckventils (13) mit den Tankbehältern (10) fluidisch verbunden ist.
Description
- Die Erfindung betrifft eine Tankvorrichtung zur Temperaturdruckentlastung eines Wasserstofftanks, beispielsweise zur Anwendung in Fahrzeugen mit Brennstoffzellenantrieb oder in Fahrzeugen mit Wasserstoff-Antrieb.
- Stand der Technik
- Die
DE 10 2017 212 485 A1 beschreibt eine Einrichtung zur Speicherung von verdichteten Fluiden, die als Kraftstoff für ein Fahrzeug dienen, wobei die Einrichtung mindestens zwei rohrförmige Tankmodule und mindestens einen Hochdruckkraftstoffzuteiler mit mindestens einer integrierten Regel- und Sicherheitstechnik umfasst. Außerdem bestehen die mindestens zwei rohrförmigen Tankmodule aus Metall und sind mit dem mindestens einen Hochdruckkraftstoffzuteiler mit der mindestens einen integrierten Regel- und Sicherheitstechnik modular zu einem Modul in flexibler Geometrie verbunden. - So kann das Überströmventil beispielsweise bei einem Unfall mit der Einrichtung zur Speicherung von verdichteten Fluiden oder bei einem Bruch einer Leitung innerhalb der Einrichtung verschließen, so dass kein Gas aus der Speichereinheit austreten kann. Weiterhin soll das Sicherungsventil beispielsweise bei einem Brand oder einer Temperaturerhöhung über einen vorbestimmten Schwellwert hinaus sicherstellen, dass beispielsweise der Wasserstoff aus dem Tankmodul hinausgeleitet werden kann, um einer Explosion des Tankmoduls oder sogar der gesamten Einrichtung zur Speicherung von verdichteten Fluiden vorzubeugen.
- Für diese Sicherheitsvorkehrungen ist eine Vielzahl von Ventilen notwendig, wodurch die Komplexität des gesamten Gasspeichersystems sowie dessen Kosten erhöht werden. Weiterhin muss je nach Position des Sicherungsventils sichergestellt sein, dass dieses auch auslöst, wenn sich der Brandherd nicht in der Nähe des Sicherungsventils befindet, um einer möglichen Explosion des Gasspeichersystems vorzubeugen.
- Vorteile der Erfindung
- Die erfindungsgemäße Tankvorrichtung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 weist demgegenüber den Vorteil auf, dass in konstruktiv einfacher Weise bei Hitzeeinwirkungen auf die Tankvorrichtung in einfacher und schneller Weise die Tankvorrichtung entleert wird, wobei durch gezieltes Ablassen des gasförmigen Mediums, beispielsweise Wasserstoff, ein Bersten der Tankvorrichtung verhindert wird.
- Dabei weist die Tankvorrichtung zur Temperaturdruckentlastung eines Wasserstofftanks mindestens zwei Tankbehälter und eine mit den Tankbehältern verbindbare Zuführleitung auf. Jeder der mindestens zwei Tankbehälter weist an einem Ende mindestens ein Absperrventil auf, welches Absperrventil zwischen dem jeweiligen Tankbehälter und der Zufuhrleitung angeordnet ist. Darüber hinaus sind die Tankbehälter von einem Gehäuseelement vollständig umschlossen und/oder zu einer Umgebung, insbesondere druckdicht, gekapselt, wobei mindestens ein Opfer-Behälter in der Tankvorrichtung angeordnet ist. Der Opfer-Behälter ist mittels eines Überdruckventils mit den Tankbehältern fluidisch verbunden.
- So kann in einfacher Weise sichergestellt werden, dass im Falle eines Notfalls, beispielsweise mit ausgebrochenem Feuer, der sich aufbauende Druck in den Tankbehältern über den Opfer-Behälter reduziert werden kann. Denn steigt der Druck in den Tankbehältern aufgrund des Wärmeeintrags an, so löst das Überdruckventil an dem Opfer-Behälter aus, so dass Wasserstoff aus den Tankbehältern in den Opfer-Tankbehälter abgelassen werden kann. Auf diese Weise wird der sich aufbauende Druck in den Tankbehältern mittels einer oder mehrerer Opfer-Behältern reduziert. So kann ein Bersten der Tankvorrichtung verhindert werden.
- In erster vorteilhafter Weiterbildung ist es vorgesehen, dass der Opfer-Behälter ausschließlich mit 1 bar Stickstoff gefüllt ist. So kann in einfacher Weise ein Druckabbau der Tankbehälter realisiert werden.
- In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist es vorteilhaft vorgesehen, dass der Opfer-Behälter ausschließlich mit 1 bar Wasserstoff gefüllt ist. So kann in einfacher Weise ein Druckabbau der Tankbehälter realisiert werden.
- Weiterhin sollte aufgrund der Knallgas-Reaktion bei einer Verbindung von Wasserstoff und Sauerstoff sichergestellt sein, dass der Opfer-Behälter keinen Sauerstoff enthält.
- In vorteilhafter Weiterbildung ist es vorgesehen, dass an einem anderen Ende des Tankbehälters mindestens ein Sicherungsventil angeordnet ist.
- So kann in einfacher Weise sichergestellt werden, dass im Falle eines Notfalls, beispielsweise mit ausgebrochenem Feuer, genügend Zeit vorhanden ist, damit das Sicherungsventil sicher öffnen kann, um den gespeicherten Wasserstoff abzulassen. Denn je nach Wärmeeintrag auf die Tankvorrichtung, d.h. je nach dem wie weit der Wärmeeintrag von der Umgebung der Sicherungsventile entfernt ist, verzögert sich die Auslösung dieser. Steigt jedoch nun der Druck in den Tankbehältern aufgrund des Wärmeeintrags an, so löst das Überdruckventil an dem Opfer-Behälter aus, so dass Wasserstoff aus den Tankbehältern in den Opfer-Tankbehälter abgelassen werden kann. Auf diese Weise wird der sich aufbauende Druck in den Tankbehältern mittels einer oder mehrerer Opfer-Behältern reduziert. So kann auch mit möglicherweise verzögertem Auslösen der Sicherungsventile ein Bersten der Tankvorrichtung verhindert werden bzw. je nach Wärmeeintrag und Druckaufbau kann eine Öffnung der Sicherungsventile nicht mehr notwendig sein.
- In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist es vorteilhaft vorgesehen, dass das Sicherungsventil eine fluidgefüllte Glasampulle aufweist, so dass bei einer Temperaturerhöhung der Umgebung die Glasampulle zum Bersten gebracht wird und so das Sicherungsventil entsperrbar ist.
- In vorteilhafter Weiterbildung ist es vorgesehen, dass das Sicherungsventil ein schmelzbares Medium, beispielsweise Wachs, umfasst, wobei das schmelzbare Medium bei einer Temperaturerhöhung der Umgebung schmilzt und so das Sicherungsventil entsperrbar ist.
- Auf diese Weise ist sichergestellt, dass das Sicherungsventil in einem Notfall zuverlässig einmal geöffnet werden kann und der Wasserstoff aus den Tankbehältern abgeführt wird, um ein Bersten der Tankvorrichtung zu verhindern.
- In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist es vorteilhaft vorgesehen, dass die Tankbehälter mittels des Sicherungsventils mit einer Abführleitung verbindbar sind. So kann in einfacher Weise im Falle eines Notfalls das gasförmige Medium, beispielsweise Wasserstoff, aus den Tankbehältern abgeführt und beispielsweise in die Umgebung abgegeben werden.
- In vorteilhafter Weiterbildung ist es vorgesehen, dass die mindestens zwei Tankbehälter aus Stahl gefertigt sind. Durch die Wahl des Materials wird so eine Kostenersparnis erzielt.
- In vorteilhafter Weiterbildung ist es vorgesehen, dass die mindestens zwei Tankbehälter über das Absperrventil mit einem Zulaufbereich eines Verbrauchersystems verbindbar sind, vorzugsweise einem Anodenbereich eines Brennstoffzellensystems.
- Die beschriebene Tankvorrichtung eignet sich vorzugsweise in einem Brennstoffzellensystem zur Speicherung von Wasserstoff für den Betrieb einer Brennstoffzelle.
- In vorteilhaften Verwendungen kann die Tankvorrichtung in Fahrzeugen mit einem Brennstoffzellenantrieb verwendet werden.
- In vorteilhaften Verwendungen kann die Tankvorrichtung in Fahrzeugen mit Wasserstoff als Antrieb verwendet werden.
- Figurenliste
- In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele einer erfindungsgemäßen Tankvorrichtung zur Temperaturdruckentlastung eines Wasserstofftanks dargestellt. Es zeigt in
- Fig. lein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Tankvorrichtung in schematischer Ansicht,
-
2ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Tankvorrichtung in schematischer Ansicht. - Beschreibung der Ausführungsbeispiele
-
1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Tankvorrichtung 1 in schematischer Ansicht. Die Tankvorrichtung 1 weist mehrere Tankbehälter 10 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. Außerdem ist in der Tankvorrichtung 1 neben den Tankbehältern ein Opfer-Behälter 14 angeordnet, welcher mittels eines Überdruckventils 13 mit den Tankbehältern 10 fluidisch verbunden ist. Der Opfer-Behälter 14 ist ausschließlich mit 1 bar Stickstoff gefüllt. Weiterhin sollte aufgrund der Knallgas-Reaktion bei einer Verbindung von Wasserstoff und Sauerstoff sichergestellt sein, dass der Opfer-Behälter keinen Sauerstoff enthält. Der Opfer-Behälter 14 ist daher auf Atmosphärendruck. In einer alternativen Ausführung kann der Opfer-Behälter 14 auch ausschließlich mit 1 bar Wasserstoff gefüllt sein. - In weiteren Ausführungen kann eine beliebige Anzahl an Opfer-Behältern 14 in der Tankvorrichtung 1 angeordnet sein.
- Weiterhin sind die Tankbehälter 10 und der Opfer-Behälter 14 von einem Gehäuseelement 12 vollständig umschlossen und zu einer Umgebung 120 druckdicht gekapselt.
- 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, beispielsweise einem Anodenbereich eines Brennstoffzellensystems, verbunden. So kann die Tankvorrichtung 1 beispielsweise Wasserstoff für eine in einem Brennstoffzellensystem angeordnete Brennstoffzelle bereitstellen.
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2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Tankvorrichtung 1 in schematischer Ansicht. Das zweite Ausführungsbeispiel entspricht in Funktion und Aufbau weitestgehend dem ersten Ausführungsbeispiel. - Zusätzlich ist hier der jeweilige Tankbehälter 10 mit dem anderen Ende 27 über eine Tankausführleitung 71 mit einer Abführleitung 70 verbunden. In der Tankausführleitung 71 ist jeweils für jeden Tankbehälter 10 ein Sicherungsventil 7 angeordnet.
- Die Sicherungsventile 7 weisen eine fluidgefüllte Glasampulle auf, so dass bei einer Temperaturerhöhung der Umgebung 120 die Glasampulle zum Bersten gebracht wird und so das Sicherungsventil 7 entsperrt und geöffnet wird.
- In alternativen Ausführungen weist das Sicherungsventil 7 ein schmelzbares Medium, beispielsweise Wachs, auf, so dass dieses bei einer Temperaturerhöhung der Umgebung 120 schmilzt und so das Sicherungsventil 7 entsperrbar ist.
- In einer alternativen Ausführung ist es auch möglich, dass der Opfer-Behälter 14 mit den einzelnen Tankbehältern 10 über jeweils ein Überdruckventil 13 fluidisch verbunden ist.
- 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.
- Erfolgt, beispielsweise verursacht durch Feuer, ein Wärmeeintrag auf die Tankvorrichtung 1 bzw. die Tankbehälter 10, so soll im ersten Ausführungsbeispiel der sich aufbauende Druck in den Tankbehältern 10 möglichst schnell reduziert werden, 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.
- Der Druck in dem jeweiligen Tankbehälter 10 steigt bereits mit Einwirken des Wärmeeintrags auf die Tankbehälter 1 an. Um ein Bersten der Tankbehälter 10 zu verhindern, ist daher hier der Opfer-Behälter 14 mittels des Überdruckventils 13 mit den Tankbehältern 10 fluidisch verbunden. Bei zu hohem vorgegebenem Druck in den Tankbehältern 10 wird das Überdruckventil geöffnet und Wasserstoff kann nun zum Druckabbau von den Tankbehältern 10 in den Opfer-Behälter 14 strömen. Der Opfer-Behälter 14 ist auf Atmosphärendruck und enthält ausschließlich Stickstoff oder Wasserstoff, so dass der aufgrund des Wärmeeintrags entstandene überschüssige Druck in den Tankbehältern 10 in den Opfer-Behälter 14 abgegeben werden kann.
- Erfolgt, beispielsweise verursacht durch Feuer, ein Wärmeeintrag auf die Tankvorrichtung 1 bzw. die Tankbehälter 10, so sollen im zweiten Ausführungsbeispiel die Sicherungsventile 7 möglichst schnell nach Auftreten des Wärmeeintrags auslösen, so dass der Wasserstoff aus den Tankbehältern 10 über die Tankausführleitung 71 in die Abführleitung 70 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.
- Je nach dem in welchem Bereich der Tankvorrichtung der Wärmeeintrag erfolgt, kann zu einer gewissen Verzögerungszeit führen, bis die Sicherungsventile 7 aufgrund des Wärmeeintrags und der entsprechenden Wärmeleitung öffnen. Der Druck in dem jeweiligen Tankbehälter 10 steigt jedoch bereits mit Einwirken des Wärmeeintrags auf die Tankbehälter 1 an. Um ein Bersten der Tankbehälter 10 zu verhindern, ist daher hier der Opfer-Behälter 14 mittels des Überdruckventils 13 bzw. mittels jeweils eines Überdruckventils 13 für jeden Tankbehälter 10 mit den Tankbehältern 10 fluidisch verbunden. Der Opfer-Behälter 14 ist in einem Vakuum-Zustand, so dass der aufgrund des Wärmeeintrags entstandene überschüssige Druck in den Tankbehältern 10 in den Opfer-Behälter 14 abgegeben werden kann.
- So kann der entstehende Druck im Überhitzungsfall auf die Tankbehälter 10 über den Opfer-Behälter 14 zumindest teilweise abgegeben werden und der Druck in den Tankbehältern 10 verringert werden. So wird mehr Zeit für den Wärmetransport zu den Sicherungsventilen 7 und ein sicheres Auslösen des Sicherungsventils 7 ermöglicht. Der Druck zum Öffnen des Überdruckventils 13 ist dabei etwas größer als der maximale zulässige Druck in den Tankbehältern 10, jedoch kleiner als der Berstdruck der Tankbehälter 10, d.h. dass die Tankbehälter 10 aufgrund des Wärmeeintrags nicht zum Bersten gebracht werden. Dies liegt somit in dem Sicherheitsbereich der Tankbehälter 10. Damit wird gerade so viel Druck abgebaut, so dass der jeweilige Tankbehälter 10 nicht beschädigt wird.
- Wird der Wärmeeintrag auf die Tankbehälter 10 beendet bzw. ist der Wärmeeintrag auf die Tankbehälter 10 nicht so stark, dass es zu einem so hohen Überdruck kommt, dass die Sicherungsventile 7 öffnen, so ist eine Abführung des Wasserstoffs aus den Tankbehältern 10 in den Opfer-Behälter 14 ausreichend und die Sicherungsventile 7 bleiben weiterhin geschlossen. Es wird somit kein Wasserstoff in die Umgebung 120 abgegeben. Dies ist insbesondere dann von Vorteil, wenn das mit Wasserstoff betriebene Fahrzeug in einem geschlossenen Raum, wie beispielsweise einer Garage abgestellt wird. So wird einer möglichen Gefahrenlage in dem geschlossenen Raum aufgrund von austretendem Wasserstoff vorgebeugt.
- Ist der Wärmeeintrag auf die Tankbehälter 10 jedoch zu hoch, so lösen die Sicherungsventile 7 aus und gasförmiges Medium, Wasserstoff, strömt aus den Tankbehältern 10 in Richtung der Abführleitung 12 und werden sicher in die Umgebung 120 entleert.
- Die Öffnung des Sicherungsventils 7 ist 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.
- 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.
- 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
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- DE 102017212485 A1 [0002]
Claims (12)
- Tankvorrichtung (1) zur Temperaturdruckentlastung eines Wasserstofftanks, wobei die Tankvorrichtung (1) mindestens zwei Tankbehälter (10) und eine mit den Tankbehältern (10) verbindbare Zuführleitung (4) umfasst, wobei jeder der mindestens zwei Tankbehälter (10) an einem Ende (26) mindestens ein Absperrventil (8) aufweist, welches Absperrventil (8) zwischen dem jeweiligen Tankbehälter (10) und der Zufuhrleitung (4) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Tankbehälter (10) von einem Gehäuseelement (12) vollständig umschlossen und/oder zu einer Umgebung (120), insbesondere druckdicht, gekapselt sind, wobei mindestens ein Opfer-Behälter (14) in der Tankvorrichtung (1) angeordnet ist, welcher Opfer-Behälter (14) mittels eines Überdruckventils (13) mit den Tankbehältern (10) fluidisch verbunden ist.
- Tankvorrichtung (1) nach
Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Opfer-Behälter (14) ausschließlich mit 1 bar Stickstoff gefüllt ist. - Tankvorrichtung (1) nach
Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Opfer-Behälter (14) ausschließlich mit 1 bar Wasserstoff gefüllt ist. - Tankvorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an einem anderen Ende (27) des Tankbehälters (10) mindestens ein Sicherungsventil (7) angeordnet ist.
- Tankvorrrichtung (1) nach
Anspruch 4 , dadurch gekennzeichnet, dass das Sicherungsventil (7) eine fluidgefüllte Glasampulle aufweist, so dass bei einer Temperaturerhöhung der Umgebung (120) die Glasampulle zum Bersten gebracht wird und so das Sicherungsventil (7) entsperrbar ist. - Tankvorrichtung (1) nach
Anspruch 4 , dadurch gekennzeichnet, dass das Sicherungsventil (7) ein schmelzbares Medium, beispielsweise Wachs, umfasst, wobei das schmelzbare Medium bei einer Temperaturerhöhung der Umgebung (120) schmilzt und so das Sicherungsventil (7) entsperrbar ist. - Tankvorrichtung (1) nach einem der
Ansprüche 4 ,5 oder6 , dadurch gekennzeichnet, dass die Tankbehälter (10) mittels des Sicherungsventils (7) mit einer Abführleitung (70) verbindbar sind. - Tankvorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens zwei Tankbehälter (2) aus Stahl gefertigt sind.
- Tankvorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens zwei Tankbehälter (2) über das Absperrventil (8) und der Zuführleitung (4) mit einem Zulaufbereich eines Verbrauchersystems verbindbar sind, vorzugsweise einem Anodenbereich eines Bren nstoffzel lensystems.
- Brennstoffzellensystem mit einer Tankvorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
- Brennstoffzellenbetriebenes Fahrzeug mit einer Tankvorrichtung (1) nach einem der
Ansprüche 1 bis9 . - Wasserstoffbetriebenes Fahrzeug mit einer Tankvorrichtung (1) nach einem der
Ansprüche 1 bis9 .
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