DE102021203643A1

DE102021203643A1 - Fahrzeugtank zum Speichern und Konditionieren von gasförmigem Treibstoff

Info

Publication number: DE102021203643A1
Application number: DE102021203643.0A
Authority: DE
Inventors: Richard Keuschnigg
Original assignee: Fronius International GmbH
Current assignee: Fronius International GmbH
Priority date: 2021-04-13
Filing date: 2021-04-13
Publication date: 2022-10-13

Abstract

Fahrzeugtank (1) zum Speichern und Konditionieren von gasförmigem Treibstoff für den Verbrauch durch eine Verbrennungseinheit (2) eines Fahrzeuges (3) während dessen Fahrzeugbetriebes, wobei der Fahrzeugtank (1) aufweist:- einen Aufnahmebehälter (1A) mit einem Tankventil (9) zur Aufnahme des gasförmigen Treibstoffes in einem Betankungsvorgang zum Betanken des Fahrzeugtanks (1) und- mindestens eine Wärmetauscheinheit (1B), die innerhalb des Aufnahmebehälters (1A) des Fahrzeugtanks (1) angeordnet ist und von einem Wärmetauschmedium durchströmt wird, welches während des Betankungsvorganges dem in dem Aufnahmebehälter (1A) enthaltenen Treibstoff zu dessen Kühlung Wärme entzieht und/oder während des Fahrbetriebes des Fahrzeuges (3) die Betriebstemperatur des in dem Aufnahmebehälter (1A) enthaltenen Treibstoffes regelt.

Description

Die Erfindung betrifft einen Fahrzeugtank zum Speichern und aktiven Konditionieren von gasförmigem Treibstoff für den Verbrauch durch eine Verbrennungseinheit eines Fahrzeuges während dessen Fahrzeugbetriebes.
Fahrzeuge werden zunehmend mit gasförmigem Treibstoff betrieben. Dabei wird der gasförmige Treibstoff durch eine Verbrennungseinheit des Fahrzeuges während des Fahrzeugbetriebes verbrannt. Bei dem gasförmigen Treibstoff handelt es sich beispielsweise um Wasserstoff, der durch eine Brennstoffzelle als Verbrennungseinheit des Fahrzeuges während des Fahrzeugbetriebes verbrannt wird. Verbrennung umfasst sowohl eine elektrochemische Umsetzung, die auch als kalte Verbrennung bezeichnet wird, als auch eine herkömmliche Verbrennung in Verbrennungskraftmaschinen. Der gasförmige Treibstoff wird in mindestens einem Fahrzeugtank des Fahrzeuges zur Verbrennung gespeichert. Während des Fahrzeugbetriebes wird somit gasförmiger Treibstoff verbraucht, der aus dem Fahrzeugtank entnommen wird. Der Fahrzeugtank kann an einer Tank- oder Füllstelle wieder aufgetankt werden.
Für eine schnelle Betankung des Fahrzeugtanks mit dem gasförmigen Treibstoff werden herkömmlicherweise unter Einhaltung von erlaubten Druck- und Temperaturgrenzen eigene Kälteaggregate zur Vorkühlung des gasförmigen Treibstoffes vor Eintritt in den Fahrzeugtank eingesetzt. Handelt es sich bei dem gasförmigen Treibstoff beispielsweise um Wasserstoff, wird der Wasserstoff auf unter 0°C, meist sogar -40°C, gekühlt, um einer möglichen Wärmeentwicklung im fahrzeugseitigen Aufnahmebehälter des Fahrzeugtanks entgegenzuwirken. Die maximale Temperatur des gasförmigen Treibstoffes darf gewisse maximale Temperaturgrenzen nicht überschreiten. Bei modernen Fahrzeugtanks, beispielsweise des Typs 3 oder des Typs 4, darf beispielsweise die maximale Temperatur des Wasserstoffs 85°C (Materialgrenzen) nicht überschreiten. Je schneller die Enthalpiezufuhr in Abhängigkeit von dem zugeführten Wasserstoffmassenstrom bei gegebener Temperatur erfolgt, desto höher steigen die Temperaturen im Fahrzeugtank während des Betankungsvorganges. Bei der gekühlten Betankung mit Wasserstoff können somit in Abhängigkeit von den jeweiligen herrschenden Umgebungsbedingungen Betankungszeiten von weniger als fünf Minuten für Fahrzeuge erreicht werden. Ist allerdings keine Betankungskühlung vorgesehen, muss der Eintrittsmassenstrom in den Fahrzeugtank verringert werden, um eine maximale Speichertemperatur von beispielsweise 85°C nicht zu überschreiten. Dies kann dazu führen, dass je nach Anfangsbedingungen die vorläufige Betankungszeit für den Betankungsvorgang mehr als 30 Minuten beträgt. Umgekehrt bedeutet eine Betankungsvorkühlung auf beispielsweise -20°C bzw. -40°C aufgrund des schlechten Wirkungsgrades der vorgesehenen Tiefkälteaggregate eine ungewollte zusätzliche Leistungsaufnahme durch das Kühlaggregat. Diese Kühlleistung kann beispielsweise bis zu 50 kW bei Betankung eines PKW-Fahrzeuges betragen.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Fahrzeugtank zum Speichern von gasförmigem Treibstoff für den Verbrauch durch eine Verbrennungseinheit eines Fahrzeuges während des Fahrzeugbetriebes zu schaffen, bei dem während des Betankungsvorganges keine externe Vorkühlung erfolgen muss und durch den die erforderliche Betankungszeit zur Betankung des Fahrzeuges reduziert wird.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Fahrzeugtank mit den in Patentanspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst.
Die Erfindung schafft demnach einen Fahrzeugtank zum Speichern von gasförmigem Treibstoff für den Verbrauch durch eine Verbrennungseinheit eines Fahrzeuges während dessen Fahrzeugbetriebes, wobei der Fahrzeugtank aufweist:

einen Aufnahmebehälter mit einem Tankventil zur Aufnahme des gasförmigen Treibstoffes in einem Betankungsvorgang zum Betanken des Fahrzeugtanks und
mindestens eine Wärmetauscheinheit, die innerhalb des Aufnahmebehälters des Fahrzeugtanks angeordnet ist und von einem Wärmetauschmedium durchströmt wird, welches während des Betankungsvorganges dem in dem Aufnahmebehälter enthaltenen Treibstoff zu dessen Kühlung Wärme entzieht und/oder während des Fahrbetriebes des Fahrzeuges die Betriebstemperatur des in dem Aufnahmebehälter enthaltenen Treibstoffes regelt.

Bei dem erfindungsgemäßen Fahrzeugtank erfolgt im Gegensatz zur herkömmlichen Betankungsvorkühlung des gasförmigen Treibstoffes, beispielsweise Wasserstoffes, die erforderliche Kühlung des Treibstoffes direkt innerhalb des Fahrzeugtanks. Dabei erfolgt via konventioneller Rückkühlung (anlagen- oder fahrzeugseitig) eine Wärmeabfuhr an die Umgebung während des Betankungsvorganges mithilfe einer Wärmetauscheinheit. Diese Wärmetauscheinheit befindet sich innerhalb des Aufnahmebehälters des Fahrzeugtanks. Die innerhalb des Aufnahmebehälters des Fahrzeugstanks angeordnete Wärmetauscheinheit wird von einem Wärmetauschmedium durchströmt. Bei diesem Wärmetauschmedium handelt es sich beispielsweise um ein Wasser-Glykol-Gemisch. Während des Betankungsvorganges wird dem in dem Aufnahmebehälter enthaltenen Treibstoff zu dessen Kühlung mithilfe des Wärmetauschmediums Wärme entzogen. Umgekehrt wird während des Fahrbetriebes des Fahrzeuges die Betriebstemperatur des in dem Aufnahmebehälter enthaltenen Treibstoffes mithilfe des Wärmetauschmedium auf eine geeignete Betriebstemperatur geregelt.
Durch den Einsatz des erfindungsgemäßen Fahrzeugtanks kann die Betankungszeit zur Betankung des Fahrzeugtanks minimiert bzw. reduziert werden, ohne dass eine aufwendige Betankungsvorkühlung erforderlich ist.
Bei einer möglichen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Fahrzeugtanks weist der Aufnahmebehälter des Fahrzeugtanks mindestens einen Temperatursensor auf, welcher die aktuelle Temperatur des in dem Aufnahmebehälter befindlichen Treibstoffes kontinuierlich oder in regelmäßigen Zeitabständen misst.
Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Fahrzeugtanks weist der Aufnahmebehälter des Fahrzeugtanks ein Notventil auf, welches sich automatisch öffnet, sobald die Temperatur des in dem Aufnahmebehälter enthaltenen Treibstoffes einen vorgegebenen Schwellenwert überschreitet.
Durch das Vorsehen eines Notventils kann die Betriebssicherheit des Fahrzeugtanks erhöht werden.
Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Fahrzeugtanks weist der Aufnahmebehälter des Fahrzeugtanks eine Behälterwand auf, die eine interne gasdichte Sperrschicht und eine äußere druckfeste Mantelschicht aufweist.
Bei einer alternativen Ausführungsform kann die Behälterwand nur eine äußere druckfeste Mantelschicht aufweisen.
Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Fahrzeugtanks besteht die innere gasdichte Sperrschicht der Behälterwand aus einem hochdichten Polymerliner.
Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Fahrzeugtanks besteht die äußere druckfeste Mantelschicht der Behälterwand aus einem Glasfaserverbundwerkstoff.
Die Verwendung eines Glasfaserverbundwerkstoffes bietet den Vorteil, dass das Gewicht des Fahrzeugtanks reduziert werden kann, wodurch wiederum der Verbrauch des Treibstoffes während des Fahrzeugbetriebes des Fahrzeuges gesenkt wird.
Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Fahrzeugtanks strömt während des Betankungsvorganges des Fahrzeugtanks der in einem externen Speicherbehälter einer Tank- oder Füllstelle unter hohem Druck stehende gasförmige Treibstoff über eine Tankleitung und das geöffnete Tankventil des Fahrzeugtanks in dessen Aufnahmebehälter hinein, wobei der hineinströmende Treibstoff durch das Wärmetauschmedium gekühlt wird, welches durch die Wärmetauscheinheit des Fahrzeugtanks hindurchströmt.
Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Fahrzeugtanks ist die innerhalb des Aufnahmebehälters des Fahrzeugtanks vorgesehene Wärmetauscheinheit während des Betankungsvorganges und/oder während des Fahrzeugbetriebes an einen Wärmetauschkreislauf für das Wärmetauschmedium angeschlossen. Während des Fahrzeugbetriebes ist die Wärmetauscheinheit an einen fahrzeuginternen Wärmetauschkreislauf angeschlossen.
Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Fahrzeugtanks weist der für das Wärmetauschmedium vorgesehene fahrzeuginterne oder fahrzeugexterne Wärmetauschkreislauf mindestens eine steuerbare Pumpe zum Einstellen einer Strömungsrate des durch die Wärmetauscheinheit hindurchströmenden Wärmetauschmediums auf.
Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Fahrzeugtanks ist die Wärmetauscheinheit während des Betankungsvorganges an einen externen Wärmetauschkreislauf der Tank- oder Füllstelle angeschlossen.
Umgekehrt ist die Wärmetauscheinheit während des Fahrbetriebes an einen fahrzeuginternen bzw. integrierten Wärmetauschkreislauf des Fahrzeuges angeschlossen. Nach Abschluss des Betankungsvorganges erfolgt vorzugsweise ein automatisches Umschalten von dem fahrzeugexternen Wärmetauschkreislauf der Tank- oder Füllstelle zu dem fahrzeuginternen Wärmetauschkreislauf des Fahrzeuges.
Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Fahrzeugtanks weist die in dem Aufnahmebehälter angeordnete Wärmetauscheinheit eine Wärmetauschoberfläche auf. Das stellt eine Grundbedingung für Funktion der internen Betankungskühlung dar. Ohne Wärmetauschfläche kann kein Wärmeübergang stattfinden.
Diese Wärmetauschoberfläche wird bei einer möglichen Ausführungsform durch die Oberfläche von mindestens einem Wärmetauschrohr gebildet. Dieses Wärmetauschrohr kann beispielsweise gerade, U-förmig oder meanderförmig ausgebildet sein.
Bei einer weiteren alternativen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Fahrzeugtanks wird die Wärmetauschoberfläche durch die Oberfläche von mindestens einer Wärmetauschplatte gebildet.
Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Fahrzeugtanks ist die mindestens eine Wärmetauscheinheit in den Aufnahmebehälter des Fahrzeugtanks einsetzbar oder einschraubbar (auf einer von beiden Behälterseiten).
Diese Ausführungsform bietet den Vorteil, dass die Wärmetauscheinheit in einfacher Weise montiert werden kann und bei Bedarf auch zu Wartungs- und Reparaturzwecken ausgetauscht werden kann.
Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Fahrzeugtanks wird während des Fahrbetriebes des Fahrzeuges die Strömungsrate des durch die Wärmetauscheinheit des Fahrzeugtanks hindurchströmenden Wärmetauschmediums in Abhängigkeit eines momentanen Lastzustandes der Verbrennungseinheit des Fahrzeuges zur Regelung der Betriebstemperatur des in dem Aufnahmebehälter des Fahrzeugtanks enthaltenen Treibstoffes durch eine Temperaturmanagementeinheit des Fahrzeuges eingestellt.
Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Fahrzeugtanks überträgt der Temperatursensor des Aufnahmebehälters die gemessene Temperatur des in dem Aufnahmebehälter enthaltenen Treibstoffes an die Temperaturmanagementeinheit des Fahrzeuges, wobei die durch den Temperatursensor des Aufnahmebehälters gemessene Temperatur des in dem Aufnahmebehälter befindlichen Treibstoffes vor und/oder während des Betankungsvorganges über eine Schnittstelle an eine Steuerung der Tank- oder Füllstelle übertragen wird.
Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Fahrzeugtanks stellt die Steuerung der Tank- oder Füllstelle die Strömungsrate des während des Tankvorganges aus dem Lagertank der Tank- oder Füllstelle über die Tankleitung und das geöffnete Tankventil des Fahrzeugtanks in den Aufnahmebehälter des Fahrzeugtanks hineinströmenden Treibstoffes ein.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform erfolgt die Einstellung der Strömungsrate durch die Steuerung der Tank- oder Füllstelle in Abhängigkeit der gemessenen Temperatur des in dem Aufnahmebehälter vor dem Tankvorgang noch befindlichen restlichen Treibstoffes, einem Füllvolumen des Aufnahmebehälters und/oder in Abhängigkeit einer verfügbaren Betankungszeit. Man kann auch die Temperatur des Kühlmediums (zwischen Ein- und Austritt) für die Regelung der Betankung heranziehen.
Die Erfindung schafft ferner gemäß einem weiteren Aspekt ein Fahrzeug mit mindestens einem erfindungsgemäßen Fahrzeugtank und mit einer Verbrennungseinheit, insbesondere einer Brennstoffzelle, welche während des Fahrbetriebes des Fahrzeuges den in dem Aufnahmebehälter des Fahrzeugtanks enthaltenen Treibstoff, insbesondere Wasserstoff, zur Erzeugung von elektrischer Energie verbrennt.
Im Weiteren werden mögliche Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Fahrzeugtanks unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren näher erläutert.
Es zeigen:

1A,1B eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Fahrzeuges mit unterschiedlichen Wärmetauschkreisen, wobei das Fahrzeug einen erfindungsgemäßen Fahrzeugtank beinhaltet, der an einer Tank- oder Füllstelle aufgetankt werden kann;
2 eine weitere schematische Ansicht eines Fahrzeuges mit einem erfindungsgemäßen Fahrzeugtank, der an einer Tank- oder Füllstelle aufgetankt werden kann;
3 eine teilweise geschnittene Ansicht auf ein mögliches Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Fahrzeugtanks;
4 eine weitere schematische Ansicht eines Fahrzeugs mit einem erfindungsgemäßen Fahrzeugtank, der an einer Tank- oder Füllstelle aufgetankt werden kann.

Die 1A,1B zeigen schematisch einen Fahrzeugtank 1 gemäß der Erfindung, wobei der Fahrzeugtank 1 in einem Fahrzeug 3 integriert ist und an einer Tank- oder Füllstelle 8 aufgetankt werden kann.
Die Hauptvariante für eine erfindungsgemäße Konditionierung eines Treibstoffes mittels eines Fahrzeugtanks 1 ist in 4 dargestellt. In den meisten Anwendungsfällen besteht kaum eine Möglichkeit in den bestehenden, in der Fahrzeugkarosserie eines Fahrzeuges 3 verbauten, Kühlkreislauf einzugreifen. Man verwendet in diesem Fall vorzugsweise einen bestehenden internen Kühlkreislauf 10-3,10-4 des Fahrzeuges 3, wie in der Hauptvariante gemäß 4 dargestellt. Die BetankungsKühlung (bzw. H2-Konditionierung im Fahrzeugbetrieb) kann bei einer möglichen Ausführungsform durch einen irgendwo in der Fahrzeugkarosserie des Fahrzeuges 3 enthaltenen Kühlkreislauf 10-3,10-4 erfolgen. Dieser kann sich an der Stelle des Fahrzeugtanks 1 befinden oder an anderer Stelle verbaut sein. Als Kühlkreis kann auch beispielsweise ein zusätzlicher On-Board Kühlkreis verwendet werden, der sich von dem eigentlichen Fahrzeug-Kühlkreis 10-3, 10-4) unterscheidet und getrennt davon realisiert wird.
In Ausnahmefällen können die fahrzeuginternen Kühlkreisläufe des Fahrzeuges 3 zur Unterstützung der Konditionierung des Treibstoffes angepasst werden. Die 1A,1B,2 zeigen beispielhaft mögliche fahrzeuginterne Kühlkreisläufe bzw. Wärmetauschkreisläufe 10-3,10-4, welche die Konditionierung des Treibstoffes fördern können.
Der Fahrzeugtank 1 dient zum Speichern von gasförmigem Treibstoff für den Verbrauch durch eine Verbrennungseinheit 2 des Fahrzeuges 3 während dessen Fahrzeugbetriebes. Bei der Verbrennungseinheit 2 kann es sich beispielsweise um eine Brennstoffzelle handeln, die gasförmigen Treibstoff, insbesondere Wasserstoff, welcher sich innerhalb des Fahrzeugtanks 1 befindet, verbrennt.
Der Fahrzeugtank 1 weist einen Aufnahmebehälter 1A auf. Dieser Aufnahmebehälter 1A ist vorzugsweise mit einem Tankventil 9 zur Aufnahme des gasförmigen Treibstoffes, insbesondere Wasserstoffes, in einem Betankungsvorgang zum Betanken des Fahrzeugtanks 1 versehen. Der Fahrzeugtank 1 weist mindestens eine Wärmetauscheinheit 1B auf, die innerhalb des Aufnahmebehälters 1A des Fahrzeugtanks 1 angeordnet ist. Diese Wärmetauscheinheit 1B wird von einem Wärmetauschmedium durchströmt. Bei dem Wärmetauschmedium kann es sich beispielsweise um ein Wasser-Glykol-Gemisch handeln. Das Wärmetauschmedium entzieht während des Betankungsvorganges dem in dem Aufnahmebehälter 1A enthaltenen Treibstoff zu dessen Kühlung Wärme. Darüber hinaus kann während des Fahrbetriebes des Fahrzeuges 3 mithilfe des Wärmetauschmediums die Betriebstemperatur des in dem Aufnahmebehälter 1A enthaltenen Treibstoffes, beispielsweise Wasserstoffes, geregelt werden.
Wie in 3 dargestellt, weist der Aufnahmebehälter 1A mindestens einen Temperatursensor 4 auf, welcher die Temperatur des in dem Aufnahmebehälter 1A enthaltenen Treibstoffes misst. Zusätzlich kann der Aufnahmebehälter 1A ein Notventil 5 aufweisen, welches sich automatisch öffnet, sobald die Temperatur T des in dem Aufnahmebehälter 1A enthaltenen Treibstoffes einen vorgegebenen Schwellenwert TTH überschreitet.
Während des Betankungsvorganges des Fahrzeugtanks 1 strömt der in einem externen Speicherbehälter 7 der Tank- oder Füllstelle unter hohem Druck stehende gasförmige Treibstoff über eine Tankleitung 11 und das geöffnete Tankventil 9 des Fahrzeugtanks 1 in dessen Aufnahmebehälter 1A. Dabei wird der hineinströmende gasförmige Treibstoff, beispielsweise Wasserstoff, durch das Wärmetauschmedium gekühlt, welches durch die Wärmetauscheinheit 1B des Fahrzeugtanks 1 hindurchströmt. Die in dem Aufnahmebehälter 1A enthaltene Wärmetauscheinheit 1B weist eine Wärmeaustauschoberfläche auf, die durch die Oberfläche von mindestens einem Wärmeaustauschrohr R gebildet werden kann, wie in 1 schematisch dargestellt. Bei dem in 1 dargestellten Beispiel weist die Wärmetauscheinheit 1B mehrere Rohre R1, R2, R3, R4 auf. Diese Wärmeaustauschrohre R können beispielsweise gerade, U-förmig oder meanderförmig ausgebildet sein. Alternativ kann die Oberfläche der Wärmetauscheinheit 1B auch durch eine oder mehrere Wärmetauschplatten gebildet werden. Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist die mindestens eine Wärmetauscheinheit 1B in den Aufnahmebehälter 1A des Fahrzeugtanks 1 einschraubbar. Beispielsweise können U-förmige Rohre R der Wärmetauscheinheit 1B stirnseitig an der Seite des Tankventils 9 in einen zylinderförmigen Aufnahmebehälter 1A eingeschraubt werden. Dies erlaubt es, bei Bedarf die Wärmetauscheinheit 1B zu Wartungs- oder Reparaturzwecken oder zur Veränderung von Wärmeaustauschparametern in einfacher Weise auszutauschen.
Während des Betankungsvorganges ist die innerhalb des Aufnahmebehälters 1A des Fahrzeugtanks 1 vorgesehene Wärmeaustauscheinheit 1B an einen Wärmetauschkreislauf 10 für das Wärmetauschmedium angeschlossen.
Während des Betankungsvorganges ist die Wärmetauscheinheit 1B vorzugsweise an einen externen Wärmetauschkreislauf 10-2 der Tank- oder Füllstelle 8 angeschlossen. Umgekehrt ist die Wärmetauscheinheit 1B während des normalen Fahrbetriebes des Fahrzeuges 3 an einen in dem Fahrzeug 3 integrierten Wärmetauschkreislauf 10-3, 10-4 angeschlossen. Sobald der Betankungsvorgang an der Tank- oder Füllstelle 8 abgeschlossen ist, kann ein automatisches Umschalten zwischen dem fahrzeugexternen Wärmetauschkreislauf 10-2 der Tank- oder Füllstelle 8 und dem fahrzeuginternen Wärmetauschkreislauf 10-3, 10-4 des Fahrzeuges 3 erfolgen. Dies geschieht vorzugsweise mithilfe steuerbarer Ventile.
Während des Fahrbetriebes des Fahrzeuges 3 wird bei einer möglichen Ausführungsform die Strömungsrate des durch die Wärmetauscheinheit 1B des Fahrzeugtanks 1 hindurchströmende Wärmetauschmediums in Abhängigkeit eines momentanen Lastzustandes der Verbrennungseinheit 2 des Fahrzeuges 3 zur Regelung der Betriebstemperatur T des in dem Aufnahmebehälter 1A des Fahrzeugtanks 1 enthaltenen Treibstoffes durch eine Temperaturmanagementeinheit des Fahrzeuges 3 eingestellt. Hierzu liefert beispielsweise der Temperatursensor 4 des Aufnahmebehälters 1A die gemessene Temperatur T des in dem Aufnahmebehälter 1A enthaltenen Treibstoffes an die Temperaturmanagementeinheit des Fahrzeuges 3. Ferner kann der Temperatursensor 4 des Aufnahmebehälters 1A die gemessene Temperatur T des in dem Aufnahmebehälter 1A befindlichen Treibstoffes während des Betankungsvorganges über eine drahtgebundene Schnittstelle bzw. Kommunikationsschnittstelle an eine Steuerung der Tank- oder Füllstelle 8 übertragen. Bei einer möglichen Ausführungsform kann der Temperatursensor 4 bzw. die Temperaturmanagementeinheit des Fahrzeuges 3 auch bereits vor dem Betankungsvorgang die momentan gemessene Temperatur T des in dem Aufnahmebehälter 1A befindlichen Treibstoffes über eine drahtlose Schnittstelle an eine Steuerung der Tank- oder Füllstelle 8 übertragen. Weitere Parameter können an die Steuerung der Tank- oder Füllstelle 8 vor oder während des Betankungsvorganges übermittelt werden, beispielsweise der in dem Aufnahmebehälter 1A des Fahrzeugtanks 1 herrschende Druck P des restlichen gasförmigen Treibstoffes. Ein weiterer möglicher Parameter, der vor oder während des Betankungsvorganges seitens der Temperaturmanagementeinheit des Fahrzeuges 3 an die Steuerung der Tank- oder Füllstelle 8 übermittelt wird, kann eine gewünschte Betankungszeit und/oder Betankungszeitdauer beinhalten. Diese Soll-Betankungszeit kann durch die Steuerung der Tank- oder Füllstelle 8 während des Betankungsvorganges berücksichtigt werden. Die Steuerung der Tank- oder Füllstelle 8 kann die Strömungsrate des während des Tankvorganges aus dem Lagertank 7 der Tank- oder Füllstelle 8 über die Tankleitung 11 und das geöffnete Tankventil 9 des Fahrzeugtanks 1 in den Aufnahmebehälter 1A des Fahrzeugtanks 1 hineinströmenden Treibstoffes bei einer möglichen Ausführungsform in Abhängigkeit der gemessenen und an die Steuerung übermittelten Temperatur T des in dem Aufnahmebehälter 1A vor dem Tankvorgang noch befindlichen restlichen Treibstoffes, einem Füllvolumen V des Aufnahmebehälters 1A sowie in Abhängigkeit einer verfügbaren oder gewünschten Betankungszeitdauer Δt automatisch einstellen. Je geringer die verfügbare Betankungszeit Δt ist, desto höher wird die Strömungsrate des während des Tankvorganges aus dem Lagertank 7 in den Aufnahmebehälter 1A hineinströmenden Treibstoffes eingestellt. Dabei wird mithilfe eines Kühlmediums bzw. Wärmeaustauschmediums dem einströmenden Treibstoff automatisch Wärme Q entzogen, damit keine kritische Temperatur T während des Betankungsvorganges auftreten kann.
Die 1A,1B zeigen schematisch mögliche Ausführungsformen eines Fahrzeuges 3 mit einem Fahrzeugtank 1, der durch eine Tank- oder Füllstelle 8 aufgetankt werden kann. Das Fahrzeug 3 verfügt über einen oder mehrere Fahrzeugtanks 1, die jeweils aus einem Aufnahmebehälter 1A und einer darin befindlichen Wärmetauscheinheit 1B bestehen. Die 1A,1B zeigen mehrere Wärmetauschkreisläufe 10. Der Fahrzeugtank 1 beinhaltet einen internen bzw. integrierten Wärmetauschkreislauf 10-1. Bei den in den 1A,1B dargestellten Ausführungsbeispielen befindet sich in dem internen Wärmetauschkreislauf 10-1 die Wärmetauscheinheit 1B mit den von dem Wärmetauschmedium durchströmten Rohren R1, R2, R3, R4. Die Rohre R1, R2 der Wärmetauscheinheit 1B innerhalb des Wärmetauschkreislaufes 10-1 erhalten von außen das Wärmeaustauschmedium, während die Rohre R3, R4 den Rücklauf bilden, über welche das Wärmeaustauschmedium wieder nach außen entweder in einen fahrzeuginternen Wärmetauschkreislauf 10-2 oder in fahrzeuginterne Wärmetauschkreisläufe 10-3, 10-4 abgegeben werden kann. Die Wärmetauschkreisläufe 10-3,10-4 unterscheiden sich bei den in den 1A,1B dargestellten beiden Ausführungsvarianten. Bei dem in 1B dargestellten Ausführungsbeispiel ist ein Mischventil 16 mit der Leitung 21 verbunden. Die Wärmtauschkreise 10-3,10-4 können somit unterschiedlich ausgestaltet und für den jeweiligen Anwendungsfall angepasst werden.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform kann für die Konditionierung des Treibstoffes mindestens ein bereits in dem Fahrzeug 3 vorhandener Kühlkreislauf 10-3,10-4 ohne weitere Anpassung als Wärmetauschkreislauf herangezogen werden, wie in 4 schematisch dargestellt.
Während des Betankungsvorganges entzieht das durch den Wärmetauschkreislauf 10-1 strömende Wärmeaustauschmedium dem in dem Aufnahmebehälter 1A befindlichen Treibstoff, beispielsweise Wasserstoff, bzw. dem einströmenden Treibstoff Wärme, um ihn zu kühlen. Während des Fahrbetriebes des Fahrzeuges 3 nach Beendigung des Betankungsvorganges kann der Wärmetauschkreislauf 10-1 mithilfe seiner Wärmetauscheinheit 1B, beispielsweise den in den Figuren dargestellten Rohren R1 bis R4, die Betriebstemperatur T des in dem Aufnahmebehälter 1A enthaltenen Treibstoffes, beispielsweise Wasserstoffes, auf eine optimale Betriebstemperatur regeln. Hierzu kann vorzugsweise die Strömungsrate des den Wärmetauschkreislauf 10-1 durch strömenden Wärmeaustauschmediums durch eine Steuerung des Fahrzeuges 3 eingestellt werden. Während des Fahrzeugbetriebs wird dem Fahrzeugtank 1 Treibstoff entnommen, welcher durch das Tankventil 9 und ein Tankventil 12 sowie eine Leitung bzw. ein Rohr 13 zu der Verbrennungseinheit 2, insbesondere einer Brennstoffzelle 2, des Fahrzeuges 3 zur Verbrennung des gasförmigen Treibstoffes gelangt. Das Fahrzeug 3 verfügt über einen eigenen Kühlkreis bzw. Wärmetauschkreis 10-3, wie in den Figuren dargestellt. Dieser Wärmetauschkreis 10-3 verfügt bei einer möglichen beispielhaften Ausführungsform über eine Kühlmittelpumpe 14, die über eine Leitung 15 an einen Ausgang der Brennstoffzelle bzw. Verbrennungseinheit 2 angeschlossen ist. Darüber hinaus kann der Wärmetauschkreis bzw. Kühlkreis 10-3 des Fahrzeuges 3 über einen Wärmetauscher 43 erfügen, der bei der in 1A dargestellten Ausführungsvariante über eine Leitung 17 und eine Pumpe 40 mit einem Stellventil 18, insbesondere einem 3/2-Wegeventil 18, verbunden ist. Der Kühlkreis 10-3 des Fahrzeuges 3 verfügt ferner über einen Rückkühler 19, der über eine Leitung 20 an die Kühlmittelpumpe 14 angeschlossen ist, wie in 1 dargestellt. Darüber hinaus ist der Rückkühler 19 über den Wärmetauscher 43 und eine Leitung 21 an ein weiteres Stellventil 22, insbesondere ein 3/2-Wegeventil, angeschlossen, das über eine Querleitung 23 mit der Verbindungsleitung 15 zwischen der Brennstoffzelle 2 und der Kühlmittelpumpe 14 verbunden ist. Weiterhin ist das Stellventil 22 über eine Leitung 24 mit einem Eingang der Brennstoffzelle bzw. Verbrennungseinheit 2 verbunden, wie in 1A,1B ebenfalls dargestellt. Der Wärmetauscher 43 des Wärmeaustauschkreises 10-3 ist weiter über eine Leitung 25 mit einem weiteren steuerbaren Stellventil, insbesondere einem 3/2-Wegeventil 26, verbunden, wie in 1A gezeigt. Das Stellventil 18 und das Stellventil 26 sind an Anschlussstellen bzw. Anschlussverbindungen 27, 28 zur Verbindung mit einem fahrzeugexternen Wärmetauschkreislauf 10-2 verbunden. Zwischen dem Anschluss 27 für das Wärmeaustauschmedium , bei dem es sich beispielsweise um ein Wasser-Glykol-Gemisch handelt, und dem Stellventil 18 ist eine Leitung 29 für das Wärmeaustauschmedium vorgesehen. In gleicher Weise ist zwischen dem Stellventil 26 und dem Abgabeanschluss 28 für das Wärmeaustauschmedium eine Leitung 30 vorgesehen, wie in 1 dargestellt. Das Stellventil 18 ist ferner über eine Leitung 31 mit dem fahrzeugtankinternen Wärmetauschkreislauf 10-1 verbunden, wie in 1 schematisch dargestellt. Der interne Wärmetauschkreislauf 10-1 des Fahrzeugtanks 1, welcher die Wärmetauscheinheit 1B beinhaltet, ist ferner über eine Leitung 32 an das steuerbare Stellventil 26 angeschlossen, wie in 1 ebenfalls schematisch dargestellt. Das Betankungs- bzw. Tankventil 9 des Fahrzeugtanks 1 ist über eine Gasleitung für den gasförmigen Treibstoff 32 mit dem Gasanschluss 34 verbunden, wie in den Figuren gezeigt.
Während des Betankungsvorganges fließt aus dem Lagertank 7 der Tank- oder Füllstelle 8 über die Tankleitung 11 und den Treibstoffanschluss 34 sowie die interne Gasleitung 33 der Treibstoff bzw. der Wasserstoff über das geöffnete Tankventil 9 in den Aufnahmebehälter 1B des Fahrzeugtanks 1. Dabei wird der einströmende Treibstoff bzw. Wasserstoff durch den Wärmetauschkreislauf 10-1 mithilfe des Wärmeaustauschmediums, welches durch die Rohre R1 bis R4 strömt, fortlaufend gekühlt. Während des Betankungsvorganges kann der fahrzeugtankinterne Wärmetauschkreislauf 10-1 mit dem externen Wärmetauschkreislauf 10-2 über die Anschlüsse 27, 28 für das Wärmeaustauschmedium verbunden sein. Hierzu werden die Steuerventile 18, 26 entsprechend angesteuert. Der fahrzeugexterne Wärmetauschkreislauf 10-2 beinhaltet eine Pumpe 35 für das Wärmeaustauschmedium, insbesondere Wasser. Darüber hinaus verfügt der externe Wärmetauschkreislauf 10-2 über einen Rückkühler 36, wie in den Figuren gezeigt. Das Bezugszeichen 36 kann alternativ auch ein gekoppeltes Kühlaggregat darstellen, das nicht unbedingt gegen die Umgebung gekühlt sein muss. Die Pumpe 35 des externen Wärmetauschkreislaufes 10-2 ist über eine Leitung 37 für das Wärmeaustauschmedium bzw. Wasser-Glykol-Gemisch an den Anschluss 27 angeschlossen. Der Anschluss 28 zur Abgabe des Wärmeaustauschmediums aus dem Fahrzeug 3 in den externen Wärmetauschkreislauf 10-2 ist über eine Leitung 38 an den Rückkühler 36 angeschlossen, welcher das Wärmeaustauschmedium bzw. Wasser-Glykol-Gemisch über eine Leitung 39 der Pumpe 35 zuführt.
Der Fahrzeugtank 1 verfügt über einen internen Wärmetauschkreislauf 10-1. Der Fahrzeugbehälter bildet somit gewissermaßen einen eigenständigen Wärmetauscher mit einem integrierten Wärmetauschkreislauf 10-1. Das Medium zur Durchführung des Wärmeaustausches, beispielsweise ein Wasser-Glykol-Gemisch, fließt in den Rohren R1 bis R4 und führt dem in dem Aufnahmebehälter 1A befindlichen Treibstoff, insbesondere Wasserstoff, je nach einem momentanen Betriebsmodus Wärme zu oder führt Wärme ab. Die steuerbaren Stellventile 18, 26 regeln den Zu- bzw. den Abfluss des Wärmeaustauschmediums zu den Zuführleitungen R1, R2 bzw. Abführleitungen R3, R4 des in dem Aufnahmebehälter 1A befindlichen Wärmetauschkreislaufes 10-1. Während der Betankung erfolgt eine Behälterkühlung, d.h. eine Kühlung des in dem Aufnahmebehälter 1A befindlichen Treibstoffes mithilfe des integrierten Wärmetauschkreislaufes 10-1. Hierdurch kann eine Vorkühlung des Treibstoffes, beispielsweise eine Wasserstoffvorkühlung, auf -40°C vor Eintritt des Wärmeaustauschmediums in das Fahrzeug 3 entfallen, da der gasförmige Treibstoff durch den integrierten Wärmetauschkreislauf 10-1 direkt innerhalb des Aufnahmebehälters 1A des Fahrzeugtanks 1 gekühlt wird. Der in dem Aufnahmebehälter 1A integrierte Wärmetauschkreislauf 10-1 kann anlagenseitig von dem fahrzeugexternen Wärmetauschkreislauf 10-2 mit dem Wärmeaustauschmedium, insbesondere während des Betankungsvorganges, versorgt werden. Optional kann auch der Wärmetauschkreislauf 10-3,10-4 , der in dem Fahrzeug 3 verbaut ist, für die Betankungskühlung verwendet werden. Dies stellt auch eine Form der Wasserstoffkonditionierung im Tank dar. Während des Fahrbetriebes und nach Beendigung des Betankungsvorganges kann der Wärmetauschkreislauf 10-1 auch durch die fahrzeuginternen Wärmetauschkreisläufe 10-3 bzw. 10-4 mit dem Wärmeaustauschmedium versorgt werden. Die Wärmetauschkreisläufe 10-3, 10-4 bilden jeweils durch Flüssigkeitsleitungen gebildete Zirkulationseinheiten bzw. Zirkulationskreisläufe, die eine fahrzeuginterne Pumpe, insbesondere die in 1A,1B, 2 dargestellte Fahrzeugpumpen 14,40 beinhalten. Während der Fahrt des Fahrzeuges 3 kann der Fahrzeugbehälter bzw. Fahrzeugtank 1 beispielsweise durch Ansteuerung des Mischventils 16 durch die Wärmetauschkreisläufe 10-1, 10-3, 10-4 konditioniert bzw. gesteuert werden, wobei die Betriebstemperatur T des in dem Aufnahmebehälter 1A enthaltenen Treibstoffes geregelt wird. Dabei ist es auch möglich, dass die Betriebstemperatur T des in dem Aufnahmebehälter 1A enthaltenen Treibstoffes erhöht wird bzw. der Treibstoff beheizt wird, um eine günstige Betriebstemperatur während der Fahrt des Fahrzeugs 3 zu erreichen.
2 zeigt eine weitere Ausführungsvariante des Fahrzeuges 3 mit einem darin integrierten Fahrzeugtank 1 gemäß der Erfindung. Bei der in 2 dargestellten Variante verfügt der fahrzeuginterne Wärmetauschkreislauf 10-4 ebenfalls über eine eigene Pumpe 40 zur Verbindung mit dem Wärmetauschkreislauf 10-3. Im Übrigen zeigen die weiteren Bezugszeichen die entsprechenden Elemente der Ausführungsformen gemäß 1A,1B. Wie man in 2 erkennen kann, ist der Rückkühler 19 des Wärmetauschkreislaufes 10-3 direkt mit dem Eingang der Brennstoffzelle 2 verbunden. Mit der in 2 dargestellten Konfiguration ist eine Betankungskühlung mithilfe des Fahrzeug-Wärmetauschers bzw. Rückkühlers 36 möglich, ohne dass die Kühlmitteltemperatur des Kühlkreislaufes der Brennstoffzelle 2 beeinflusst wird.
3 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Fahrzeugtanks 1, welcher in einem Fahrzeug 3 verwendet werden kann. Bei dem in 3 dargestellten Ausführungsbeispiel verfügt der Fahrzeugtank 1 neben dem Temperatursensor 4 zusätzlich auch über einen Drucksensor 41. Man erkennt schematisch einen Einlass 31 für das Wärmetauschmedium und einen Auslass 32 für das Wärmetauschmedium, insbesondere Wasser-Glykol-Gemisch. Der Aufnahmebehälter 1A weist eine Behälterwand 6 auf. Diese Behälterwand 6 weist bei einer möglichen Ausführungsform eine innere gasdichte Sperrschicht 6A und eine äußere druckfeste Mantelschicht 6B auf. Alternativ können auch Behältertypen verwendet werden, die keine dezidierte Sperrschicht aufweisen (Typ 1, 2 Fahrzeugtank). Bei einer möglichen Ausführungsform besteht die innere gasdichte Sperrschicht 6A der Behälterwand 6 des Aufnahmebehälters 1A aus einem hochdichten Polymerliner. Ferner kann die äußere druckfeste Mantelschicht 6B der Behälterwand 6 des Aufnahmebehälters 1A aus einem Glasfaserverbundwerkstoff hergestellt sein. Hierdurch kann das Eigengewicht des Fahrzeugtanks 1 reduziert werden. Der in 3 dargestellte Fahrzeugtank 1 ist ein Fahrzeugtank des Typs 4 mit einer maximalen Betriebstemperatur von beispielsweise 85°C. Das Wärmeaustauschmedium, insbesondere ein Wasser-Glykol-Gemisch, kann sowohl anlagenseitig oder fahrzeugseitig über den Einlass 31 in den integrierten Wärmetauschkreislauf 10-1 eingespeist werden. Hierdurch kann insbesondere während eines Betankungsvorganges eine Betankungsvorkühlung des Treibstoffes anlagenseitig entfallen. Der interne Wärmetauschkreislauf 10-1 kann ein oder mehrere Rohre R beinhalten, die beispielsweise U-förmig ausgebildet sind, wie auch in den schematischen Darstellungen gemäß 1, 2 angedeutet. Diese Rohre R1 bis R4 weisen eine Wärmetauschoberfläche auf zum Wärmeaustausch mit dem in dem Fahrzeugtank 1 befindlichen Treibstoff. Ein derartiger Rohr- bzw. Wärmetauscher kann mit dem Alu-Boss des Fahrzeugtanks 1 verbunden sein, wie auch in 3 dargestellt. Die Betankung des Aufnahmebehälters 1A kann unter Hochdruck erfolgen, beispielsweise kann bei der Betankung ein Druck P von bis zu 875 bar herrschen. Ein Druck P von 875 bar bei 85 °C entspricht einem Druck P von ca. 700 bar bei einer Temperatur von 20 °C (Zielwert). Der Grund für die Verwendung von Drücken über 700 bar hängt direkt mit der Tanktemperatur zusammen: Ziel ist beispielsweise ein Druck P von 700 bar bei einer Temperatur T von 20 °C. Demzufolge muss bei einer Temperatur T von beispielsweise 80°C mehr Druck P in dem Fahrzeugtank 1 anstehen, um nach der Abkühlung den jeweiligen Zielwert zu erreichen. Somit besteht ein weiterer Vorteil der internen Betankungskühlung darin, dass ein geringerer Überdruck aufgrund der aktiven Beeinflussung der Tanktemperatur T besteht (im Idealfall benötigt man beispielsweise nur noch einen Druck von 700 bar, oder bei einer Kühlung unter 20 °C sogar noch weniger Druck, z.B. 650 bar bei 0 °C oder 600 bar bei -20°C). Somit können anlagenseitig geringere Speicherdrücke realisiert werden (z.B. einen Speicherdruck der Anlage von weniger als 900 bar). Der dabei auftretende Druck P kann beispielsweise mithilfe des Drucksensors 41 bei einer möglichen Ausführungsform überwacht werden. Der Alu-Boss des Fahrzeugtanks 1 befindet sich vorzugsweise sowohl an der vorderen als auch an der rückseitigen Stirnseite des zylinderförmigen Aufnahmebehälters 1A, wie in 3 dargestellt. An dem vorderen Alu-Boss 42A sind sowohl die Zuführ- als auch Abführanschlüsse für das Wärmeaustauschmedium vorgesehen. Darüber befindet sich an der vorderen Stirnseite auch das Tankventil 9, welches zur Betankung des Aufnahmebehälters 1A geöffnet wird. An der vorderen Stirnseite befinden sich zudem das TPRD-Ventil (TPRD, Thermal and Pressure Relief Device), welches als Notventil 5 fungiert. Auch der Drucksensor 41 kann an der vorderen Stirnseite des Fahrzeugtanks 1 vorgesehen sein, wie in 3 dargestellt. Bei einer möglichen Ausführungsform kann die Wärmetauscheinheit 1B mit den U-förmigen Rohren R von der vorderen Stirnseite her zusammen mit den Anschlüssen in den Aufnahmebehälter 1A eingeschraubt werden. Mithilfe des erfindungsgemäßen Fahrzeugtanks 1, wie er beispielsweise in 3 dargestellt ist, findet der Wärmeaustausch mit dem Treibstoff direkt innerhalb des Aufnahmebehälters 1A statt. Per konventioneller Rückkühlung (anlagen- oder fahrzeugseitig) kann die Wärmeabfuhr bzw. Wärmezufuhr mithilfe von durchströmten Rohren R innerhalb des Fahrzeugtanks 1 erfolgen, um einen Wärmeaustausch zu erreichen. Durch das höhere Temperaturniveau innerhalb des Fahrzeugtanks (< 85°C) kann ein Wärmeaustausch stets mit der Umgebung stattfinden. Somit ist nur ein Energieaufwand für die Pumpen bzw. ggf. zusätzliche Lüfter aufzubringen. Mithilfe des erfindungsgemäßen Fahrzeugtanks 1 kann eine schnellere Betankung des Fahrzeuges 3 erreicht werden.
Bei der in 3 dargestellten Ausführungsform befinden sich der Einlass 31 und der Auslass 32 des Wärmetauschkreislaufes 10-1 auf derselben Seite des Fahrzeugtanks 1. Alternativ können der Einlass 31 und der Auslass 32 auf gegenüberliegenden Seiten des Fahrzeugtanks 1 vorgesehen sein und über gerade Rohre R miteinander verbunden sein.
Durch die Betankung beispielsweise in Rennsportserien kann bei Kühlung mit tiefen Temperaturen, beispielsweise -20°C, aufgrund der erhöhten Temperaturdifferenz und des damit verbundenen verbesserten Wärmeübergangs bei hohen Volumenströmen kühlmedienseitig eine noch schnellere Betankung des Fahrzeuges 3 erzielt werden. Fahrzeugseitig ist man mit diesem Konzept daher in der Lage, aktiv auf das Temperaturniveau des innerhalb des Aufnahmebehälters 1A befindlichen Treibstoffes Einfluss zu nehmen.
Bei dem in dem Aufnahmebehälter 1A befindlichen Treibstoff handelt es sich vorzugsweise um Wasserstoff. Allerdings ist der erfindungsgemäße Fahrzeugtank 1 nicht darauf beschränkt. Bei einer möglichen Ausführungsform kann in den Aufnahmebehälter 1A des Fahrzeugtanks auch ein andersartiger gasförmiger Treibstoff aufgenommen werden, insbesondere auch ein fossiler Treibstoff, welcher durch einen Verbrennungsmotor als Verbrennungseinheit 2 verbrannt wird.
Das Fahrzeug 3 kann mehrere Fahrzeugtanks 1 gemäß der Erfindung beinhalten. Jeder der Fahrzeugtanks 1 weist dabei einen integrierten Wärmetauschkreislauf 10-1 auf. Diese können seriell und/oder parallel an einen ersten und zweiten Kühlkreislauf 10-3, 10-4 des Fahrzeuges 3 über steuerbare Ventile angeschlossen sein. Bei einer möglichen Ausführungsform verfügt das Fahrzeug 3 über eine interne Steuerung mit einer Temperaturmanagementeinheit. Die Temperatursensoren 4 der Aufnahmebehälter 1A der verschiedenen Fahrzeugtanks 1 können über Signalleitungen bzw. einen Bus mit der Temperaturmanagementeinheit des Fahrzeuges 3 verbunden sein. Die Temperaturmanagementeinheit überwacht die momentanen Temperaturen T des in den Aufnahmebehältern 1A befindlichen Treibstoffes während des Fahrbetriebes. Weiterhin kann die gemessene Temperatur T des in dem Aufnahmebehälter 1A befindlichen Treibstoffes vor und/oder während des Betankungsvorganges über eine drahtlose oder drahtgebundene Schnittstelle an eine externe Steuerung innerhalb der Tank- oder Füllstelle 8 gemeldet werden, um den Betankungsvorgang zu optimieren. Die externe Steuerung der Tank- oder Füllstelle 8 kann beispielsweise die Strömungsrate des während des Tankvorganges aus dem Lagertank 7 der Tank- oder Füllstelle 8 über die Tankleitung 11 und das geöffnete Tankventil 9 des Fahrzeugtanks 1 in den Aufnahmebehälter 1A des Fahrzeugtanks 1 hineinströmenden Treibstoffes in Abhängigkeit der gemessenen Temperatur T des in dem Aufnahmebehälter 1A vor dem Tankvorgang noch befindlichen restlichen Treibstoffes, einem Füllvolumen des Aufnahmebehälters 1A sowie in Abhängigkeit einer verfügbaren oder gewünschten Betankungszeit automatisch einstellen.
Der erfindungsgemäße Fahrzeugtank 1 kann insbesondere in Kraftfahrzeugen 3 verwendet werden. Darüber hinaus kann der Fahrzeugtank 1 auch in Luft- oder Wasserfahrzeugen Verwendung finden, die mit einem gasförmigen Treibstoff, insbesondere Wasserstoff, angetrieben werden.
Der Fahrzeugtank 1 kann in dem Fahrzeug 3 integral eingebaut sein. Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform kann auch der Fahrzeugtank 1 austauschbar in einer Karosserie des Fahrzeuges 3 vorgesehen sein. Bei dieser Ausführungsform ist auch eine Betankung außerhalb des Fahrzeuges 3 mithilfe einer Füll- oder Tankanlage 8 möglich. Nach Schließen des Tankventils 9 kann dann der gefüllte Fahrzeugtank 1 in das Fahrzeug 3 eingesetzt werden. Vorzugsweise erfolgt die Betankung des Fahrzeugtanks 1 während er sich in einer Karosserie des Fahrzeuges 3 befindet. Mithilfe der Sensoren, insbesondere der Temperatur- und Drucksensoren, kann die Steuerung des Fahrzeuges 3 ständig die in dem Fahrzeugtank 1 noch befindliche Menge des gasförmigen Treibstoffes überwachen. Sobald eine Mindestmenge des Treibstoffes erreicht wird, kann eine Warnung erfolgen. Beispielsweise wird ein Fahrer des Fahrzeuges 3 über eine Nutzerschnittstelle darüber informiert, dass der Fahrzeugtank 1 eine kritische Minimalmenge des gasförmigen Treibstoffes unterschritten hat. Dann kann der Fahrer mithilfe eines Navigationssystems zu der nächsten Tank- oder Füllstelle 8 navigiert werden. Bei einer möglichen Ausführungsform kann über eine drahtlose Schnittstelle oder eine drahtlose Kommunikationsverbindung, insbesondere das Mobiltelefonnetz, die Steuerung der Tank- und Füllstelle 8 im Vorfeld des Betankungsvorganges darüber informiert werden, dass sich ein Fahrzeug 3 mit einem nahezu leeren Fahrzeugtank 1 zur Betankung annähert. Bei einer möglichen Ausführungsform kann sich das Fahrzeug 3 über eine Kommunikationsschnittstelle und über die Steuerung der Tank- und Fülleinheit 8 identifizieren. Dabei können weitere Parameter übertragen werden, insbesondere das Füllvolumen des in dem Fahrzeug 3 befindlichen Fahrzeugtanks 1. Darüber hinaus kann eine momentane Temperatur T und ein momentan in dem Fahrzeugtank 1 herrschender Druck P an die Steuerung der Tank- und Füllstelle 8 bereits während der Annäherung an die Tankstelle 8 übertragen werden. Weiterhin kann eine gewünschte Betankungszeit Δt von der Steuerung des Fahrzeuges 3 an die Steuerung der Tankstelle 8 übermittelt werden. Sobald der Fahrzeugtank 1 sich leert kann der Fahrzeugtank 1 mit dem Kühlmittelkreis (der im Fahrzeug 3 verbaut ist) aktiv beheizt werden (z.B. 80 °C) und somit die Reichweite erhöht werden. Dies führt zu einem Druckanstieg in dem Fahrzeugbehälter aufgrund des Temperaturanstieges (umgekehrter Effekt im Vergleich zur Betankungskühlung). Anhand dieser Parameter kann die Steuerung der Tank-bzw. Füllstelle 8 nach dem Anschluss des Fahrzeugtanks 1 an die Tank- oder Füllstelle 8 unmittelbar mit dem Betankungsvorgang beginnen und dabei die übermittelten Parameter berücksichtigen. Beispielsweise kann im Vorfeld die Steuerung der Tank- bzw. Füllstelle 8 auch die Temperatur T des Wärmeaustauschmediums im externen Wärmetauschkreislauf 10-2 entsprechend den übermittelten Parametern einstellen bzw. anpassen, um den Betankungsvorgang zu optimieren, insbesondere um die Betankungszeit zu minimieren. Aufgrund der übertragenen Parameter, insbesondere dem erforderlichen Füllvolumen des Aufnahmebehälters 1A, kann zudem die Steuerung der Tank- bzw. Füllstelle 8 dem sich annähernden Fahrzeug 3 auch verfügbare Timeslots bzw. Zeitfenster für den Betankungsvorgang zuweisen. Darüber hinaus kann das sich nähernde Fahrzeug 3 an eine geeignete Ladesäule bzw. Betankungssäule der Füll- bzw. Tankstelle 8 geleitet werden. Für eine Vielzahl von Fahrzeugen 3, die an einer Tank- bzw. Füllstelle 8 betankt werden, kann hierdurch der Durchsatz von betankten Fahrzeugen 3 deutlich gesteigert werden. Vorzugsweise kann bei einer möglichen Ausführungsform die Steuerung des Fahrzeuges 3 über eine Kommunikationsschnittstelle auch mit einer Steuerung eines anderen Fahrzeuges 3 kommunizieren. Dabei kann die Steuerung des Fahrzeuges 3 beispielsweise mitteilen, wann sein Betankungsvorgang vollständig abgeschlossen ist, sodass die Betankungssäule für das andere Fahrzeug verfügbar wird.
Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform kann es sich bei dem Fahrzeug 3 auch um ein Tankfahrzeug handeln, das eine Vielzahl von auftankbaren Fahrzeugtanks 1 gemäß der Erfindung beinhaltet, welche von dem Tankfahrzeug 3 zu Zielorten transportiert werden. An dem Zielort kann beispielsweise ein austauschbarer befüllter Fahrzeugtank 1 für eine entsprechende Aufnahme eines anderen Fahrzeuges, beispielsweise eines PKWs, eingesetzt werden. Dies erlaubt eine zentrale Betankung einer Vielzahl von Fahrzeugtanks 1 an einer zentralen Tank- oder Füllstelle 8, die dann durch Tankfahrzeuge 3 dezentral verteilt werden. Das Tankfahrzeug 3 kann über eine eigene Brennstoffzelle 2 verfügen, die Treibstoff aus einem der Fahrzeugtanks 1 während des Fahrzeugbetriebes entnimmt.

Claims

Fahrzeugtank (1) zum Speichern und Konditionieren von gasförmigem Treibstoff für den Verbrauch durch eine Verbrennungseinheit (2) eines Fahrzeuges (3) während dessen Fahrzeugbetriebes, wobei der Fahrzeugtank (1) aufweist: - einen Aufnahmebehälter (1A) mit einem Tankventil (9) zur Aufnahme des gasförmigen Treibstoffes in einem Betankungsvorgang zum Betanken des Fahrzeugtanks (1) und - mindestens eine Wärmetauscheinheit (1B), die innerhalb des Aufnahmebehälters (1A) des Fahrzeugtanks (1) angeordnet ist und von einem Wärmetauschmedium durchströmt wird, welches während des Betankungsvorganges dem in dem Aufnahmebehälter (1A) enthaltenen Treibstoff zu dessen Kühlung Wärme entzieht und/oder während des Fahrbetriebes des Fahrzeuges (3) die Betriebstemperatur des in dem Aufnahmebehälter (1A) enthaltenen Treibstoffes regelt.
Fahrzeugtank nach Anspruch 1, wobei der Aufnahmebehälter (1A) mindestens einen Temperatursensor (4) aufweist, welcher die Temperatur, T, des in dem Aufnahmebehälter (1A) enthaltenen Treibstoffes misst.
Fahrzeugtank nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Aufnahmebehälter (1A) ein Notventil (5) aufweist, welches sich automatisch öffnet, sobald die Temperatur, T, des in dem Aufnahmebehälter (1A) enthaltenen Treibstoffes einen vorgegebenen Schwellenwert, T_TH, überschreitet.
Fahrzeugtank nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 3, wobei der Aufnahmebehälter (1A) eine Behälterwand (6) aufweist, die eine innere gasdichte Sperrschicht (6A) und eine äußere druckfeste Mantelschicht (6B) aufweist.
Fahrzeugtank nach Anspruch 4, wobei die innere gasdichte Sperrschicht (6A) der Behälterwand (6) aus einem hochdichten Polymerliner besteht und wobei die äußere druckfeste Mantelschicht (6B) der Behälterwand (6) aus einem Glasfaserverbundwerkstoff besteht.
Fahrzeugtank nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei während des Betankungsvorganges des Fahrzeugtanks (1) der in einem externen Speicherbehälter (7) einer Tank-oder Füllstelle (8) unter hohem Druck stehende gasförmige Treibstoff über eine Tankleitung (11) und das geöffnete Tankventil (9) des Fahrzeugtanks (1) in dessen Aufnahmebehälter (1A) hineinströmt und dabei durch das Wärmetauschmedium gekühlt wird, welches durch die Wärmetauscheinheit (1B) des Fahrzeugtanks (1) hindurchströmt.
Fahrzeugtank nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die innerhalb des Aufnahmebehälters (1A) des Fahrzeugtanks (1) vorgesehene Wärmetauscheinheit (1B) während des Betankungsvorganges und/oder während des Fahrzeugbetriebes an einen Wärmetauschkreislauf (10) für das Wärmetauschmedium angeschlossen ist.
Fahrzeugtank nach Anspruch 7, wobei der für das Wärmetauschmedium vorgesehene fahrzeuginterne oder fahrzeugexterne Wärmetauschkreislauf (10) mindestens eine steuerbare Pumpe (14, 35, 40) zum Einstellen einer Strömungsrate des durch die Wärmetauscheinheit (1B) hindurchströmenden Wärmetauschmediums aufweist.
Fahrzeugtank nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Wärmetauscheinheit (1B) während des Betankungsvorganges an einen externen Wärmetauschkreislauf (10-2) der Tank- oder Füllstelle (8) und/oder an einen internen Wärmetauschkreislauf (10-3,10-4) des Fahrzeuges(3)und während des Fahrbetriebes an einen in dem Fahrzeug (3) integrierten Wärmetauschkreislauf (10-3, 10-4) angeschlossen wird
Fahrzeugtank nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die in dem Aufnahmebehälter (1A) angeordnete Wärmetauscheinheit (1B) eine Wärmeaustausch-Oberfläche aufweist, die durch die Oberfläche von mindestens einem Wärmetauschrohr (R), das U-förmig, gerade oder meanderförmig ausgebildet ist, oder durch die Oberfläche von mindestens einer Wärmetauschplatte gebildet wird.
Fahrzeugtank nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die mindestens eine Wärmetauscheinheit (1B) in den Aufnahmebehälter (1A) des Fahrzeugtanks (1) einsetzbar oder einschraubbar ist.
Fahrzeugtank nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei während des Fahrbetriebes des Fahrzeuges (3) die Strömungsrate des durch die Wärmetauscheinheit (1B) des Fahrzeugtanks (1) hindurchströmenden Wärmetauschmediums in Abhängigkeit eines momentanen Lastzustandes der Verbrennungseinheit (2) des Fahrzeuges (3) zur Regelung der Betriebstemperatur, T, des in dem Aufnahmebehälter (1A) des Fahrzeugtanks (1) enthaltenen Treibstoffes durch eine Temperaturmanagementeinheit des Fahrzeuges (3) einstellbar ist.
Fahrzeugtank nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Temperatursensor (4) des Aufnahmebehälters (1A) die gemessene Temperatur des in dem Aufnahmebehälter (1A) enthaltenen Treibstoffes an die Temperaturmanagementeinheit des Fahrzeuges (3) überträgt und/oder wobei der Temperatursensor (4) des Aufnahmebehälters (1A) die gemessene Temperatur, T, des in dem Aufnahmebehälter (1A) befindlichen Treibstoffes vor und/oder während des Betankungsvorganges über eine Schnittstelle an eine Steuerung der Tank- oder Füllstelle (8) überträgt.
Fahrzeugtank nach Anspruch 13, wobei die Steuerung der Tank- oder Füllstelle (8) die Strömungsrate des während des Tankvorganges aus dem Lagertank (7) der Tank-oder Füllstelle (8) über die Tankleitung (11) und das geöffnete Tankventil (9) des Fahrzeugtanks (1) in den Aufnahmebehälter (1A) des Fahrzeugtanks (1) hineinströmenden Treibstoffes in Abhängigkeit der gemessenen Temperatur, T, des in dem Aufnahmebehälter (1A) vor dem Tankvorgang noch befindlichen restlichen Treibstoffes, einem Füllvolumen des Aufnahmebehälters (1A) und/oder in Abhängigkeit einer verfügbaren Betankungszeit einstellt.
Fahrzeug (3) mit mindestens einem Fahrzeugtank (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 14 und mit einer Verbrennungseinheit (2), insbesondere einer Brennstoffzelle, welche während eines Fahrbetriebes des Fahrzeuges (3) den in dem Aufnahmebehälter (1A) des Fahrzeugtanks (1) enthaltenen Treibstoff, insbesondere Wasserstoff, zur Erzeugung von elektrischer Energie verbrennt.