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Die Erfindung betrifft eine Tankvorrichtung zur Speicherung eines gasförmigen Mediums, insbesondere Wasserstoff, beispielsweise zur Anwendung in Fahrzeugen mit Brennstoffzellenantrieb.
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Stand der Technik
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Die
DE 10 2019 217 069 A1 beschreibt eine Einrichtung zur Speicherung eines gasförmigen Mediums, insbesondere Wasserstoff, das als Kraftstoff für ein Fahrzeug dienen, und eine mit den Tankbehältern verbindbare Zufuhrleitung umfasst. Dabei weist jeder der mindestens zwei Tankbehälter an einem ersten Ende mindestens ein Absperrventil auf, welches zwischen dem jeweiligen Tankbehälter und der Zufuhrleitung angeordnet ist. Des Weiteren ist an einem zweiten Ende des Tankbehälters mindestens ein Sicherungsventil angeordnet.
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Die Sicherheitsvorrichtungen für solch eine Einrichtung wie in
DE 10 2019 217 069 A1 gezeigt, sind normiert. Dabei muss jedes Tankmodul ein automatisch absperrbares Überströmventil und ein Sicherungsventil aufweisen. So kann das Überströmventil beispielsweise bei einem Unfall mit der Einrichtung zur Speicherung von verdichteten Fluiden oder bei einem Bruch einer Leitung innerhalb der Einrichtung verschließen, so dass kein Gas aus der Speichereinheit austreten kann. Weiterhin soll das Sicherungsventil beispielsweise bei einem Brand oder einer Temperaturerhöhung über einen vorbestimmten Schwellwert hinaus sicherstellen, dass beispielsweise der Wasserstoff aus dem Tankmodul hinausgeleitet werden kann, um einer Explosion des Tankmoduls oder sogar der gesamten Einrichtung zur Speicherung von verdichteten Fluiden vorzubeugen.
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Für diese Sicherheitsvorkehrungen ist eine Vielzahl von Ventilen, insbesondere pro Tankbehälter jeweils das Absperrventil und jeweils ein Sicherungsventil notwendig, was zu einer hohen Komplexität der Tankvorrichtung führt.
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Vorteile der Erfindung
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Erfindungsgemäß wird eine Tankvorrichtung zur Speicherung eines gasförmigen Mediums, insbesondere Wasserstoff, der im Folgenden als H2 bezeichnet wird, vorgeschlagen. Dabei weist die Tankvorrichtung mindestens zwei Tankbehälter auf, wobei die Tankbehälter zumindest mittelbar über eine Zuführleitung mit einer Brennstoffzelle und/oder einem Brennstoffzellensystem, insbesondere einem Anodenkreislauf, verbunden sind. Weiterhin weisen die mindestens zwei Tankbehälter in Richtung einer Längsachse ein erstes Ende und gegenüberliegend ein zweites Ende auf.
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Bezugnehmend auf Anspruch 1 ist die Tankvorrichtung derart ausgebildet, dass die Zuführleitung nur mit dem Tankbehälter, insbesondere einem ersten Tankbehälter, unmittelbar und fluidisch verbunden ist, insbesondere über einen Ventilblock, der sich an dem ersten Ende befindet. Auf diese Weise kann eine kompakte Bauform der Tankvorrichtung herbeigeführt werden, da eine Verbindung der Zuführleitung und somit mit dem Brennstoffzellensystem und/oder der Brennstoffzelle ausschließlich mit dem ersten Tankbehälter, insbesondere dem Ventilblock, erfolgt. Somit lässt sich der Vorteil erzielen, dass benötigter Bauraum für die Tankvorrichtung eingespart werden kann, insbesondere für Ventile zur Anbindung jedes einzelnen Tankbehälters an die Zuführleitung. Dieser Bauraum kann dann für andere Funktionen oder Komponenten verwendet werden oder alternativ kann dieser zusätzliche Bauraum als Speicherraum für H2 genutzt werden. Zudem lassen sich die Kosten für die Tankvorrichtung reduzieren, da weniger Komponenten benötigt werden.
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Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen der im Anspruch 1 angegebenen Tankvorrichtung möglich. Die Unteransprüche betreffen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Tankvorrichtung sind die Tankbehälter an Ihrem zweiten Ende mittels einer jeweiligen Verbindungsleitung mit einem Leitungsverbindungsspeicher, der insbesondere als ein Rail ausgeführt ist, verbunden. Dabei verbindet der Leitungsverbindungsspeicher den ersten Tankbehälter, einen zweiten Tankbehälter und mögliche weitere Tankbehälter zumindest mittelbar fluidisch miteinander. Auf diese Weise kann der Vorteil erzielt werden, dass sich alle Tankbehälter als Verbund zusammenschließen lassen, der nur über einen einzigen ersten Tankbehälter mit weiteren externen Verbrauchern, insbesondere dem Brennstoffzellensystem, oder eines Befüllsystems, insbesondere einer externen Versorgungseinrichtung, fluidisch verbinden lassen. Somit kann jeweils ein separates Absperrventil pro Tankbehälter entfallen, wodurch sich die Gesamtkosten der Tankvorrichtung reduzieren lassen. Weiterhin bietet die Ausführung der Verbindungsleitung als Rail den Vorteil, dass das Druckniveau von beispielsweise zumindest nahezu 700 bar aus den Tankbehälter auch im Rail vorherrscht. Somit können Verluste, insbesondere Druckverluste reduziert werden und somit der Wirkungsgrad der Tankvorrichtung beim Entleeren und/oder Befüllen erhöht werden.
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Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung weist der zweite Tankbehälter an dem ersten Ende ein Sicherungsventil auf, bei dem es sich insbesondere um ein Schmelzsicherungsventil oder ein thermisches Ablassventil (TPRD) handelt. Auf diese Weise kann eine kompakte Bauform der Tankvorrichtung herbeigeführt werden, da eine Verbindung einer Abführleitung und mit dem Ablassventil und/oder einer Umgebung ausschließlich mittels des zweiten Tankbehälters über das an seinem ersten Ende angefügte Sicherungsventil erfolgt. Weitere Sicherungsventile an den jeweils anderen Tankbehältern werden nicht mehr benötigt und können eingespart werden. Somit lässt sich der Vorteil erzielen, dass benötigter Bauraum für die Tankvorrichtung eingespart werden kann, insbesondere für Sicherungsventile an den jeweils anderen Tankbehältern zur Anbindung jedes einzelnen Tankbehälters an die Abführleitung. Dieser Bauraum kann dann für andere Funktionen oder Komponenten verwendet werden oder alternativ kann ein dieser zusätzliche Bauraum als Speicherraum für H2 genutzt werden. Zudem lassen sich die Kosten für die Tankvorrichtung reduzieren, da weniger Komponenten benötigt werden.
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Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Tankvorrichtung weist der Ventilblock das Absperrventil und/oder ein Ventilteil auf, wobei das Absperrventil insbesondere als ein 3-Wege-Ventil ausgeführt ist. Auf diese Weise kann auf eine zuverlässige und kostengünstige Weise die Funktionen abgedeckt werden, dass zum ersten Wasserstoff über eine Betankungsleitung in den ersten Tankbehälter und alle weiteren Behälter geleitet werden kann. Zum zweiten kann die Funktion abgedeckt werden, dass der Wasserstoff aus dem ersten und den weiteren Tankbehältern über die Zuführleitung zur Brennstoffzelle gelangen kann. Und zum dritten lässt sich eine Absperrfunktion des Ventilblocks erreichen, bei dem kein Wasserstoff in die Tankbehälter hin oder aus diesen heraus gelangen kann.
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Gemäß einer besonders vorteilhaften Weiterbildung der Tankvorrichtung ist der Ventilblock über ein in einen Flaschenhals des ersten Tankbehälters hineinragendes Ventilteil fluidisch und /oder mechanisch mit dem ersten Tankbehälter verbunden ist. Auf diese Weise kann ein kompakt konstruiertes, einfachschaltendes Absperrventil erzielt werden, das aufgrund nahezu vollständiger Integration in den Halsbereich des Tanks besser gegen mechanische Belastungen von außen, insbesondere im Falle eines Unfalls des Gesamtfahrzeugs geschützt ist. Der Ventilblock befindet sich dabei in Richtung der Längsachse zumindest teilweise im Halsbereich des Tanks und ist durch ein Tankgehäuse des Tanks gegen mechanische und auch thermische Kraft geschützt. Somit kann bei einem Unfall des Gesamtfahrzeugs die Auftretenswahrscheinlichkeit von austretendem Wasserstoff und somit das Risiko eines Entzündens des Wasserstoffs reduziert werden, wodurch das Gesamtfahrzeug beschädigt werden könnte.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Tankvorrichtung ist der zweite Tankbehälter mittels des Sicherungsventils mit der Abführleitung verbindbar. Auf diese Weise kann sichergestellt werden, dass m Falle einer Fehlfunktion des Sicherheitsventils zumindest noch der Wasserstoff aus der Tankvorrichtung abgelassen werden kann.
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Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Tankvorrichtung ist der Ventilblock fluidisch mit dem ersten Tank, mit der Betankungsleitung und mit der Zuführleitung verbindbar. Auf diese Weise kann mittels einer einzelnen Komponente die Funktion kombiniert werden, die Tankvorrichtung mit dem Brennstoffzellensystem und mit einer Betankungsvorrichtung zu verbinden. Dies führt zu einer reduzierten Komplexität der Tankvorrichtung und somit einer Kostenersparnis.
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Die beschriebene Tankvorrichtung eignet sich vorzugsweise in einem Brennstoffzellensystem zur Speicherung von Wasserstoff für den Betrieb einer Brennstoffzelle und/oder eines Wasserstoff-Verbrennungsmotors.
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In vorteilhaften Verwendungen kann die Tankvorrichtung in Fahrzeugen mit einem Brennstoffzellenantrieb verwendet werden.
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Figurenliste
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In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele einer erfindungsgemäßen Tankvorrichtung zur Temperaturdruckentlastung eines Brennstoffzellentanks dargestellt. Es zeigt in
- 1 eine schematische Draufsicht einer erfindungsgemäßen Tankvorrichtung,
- 2 eine Draufsicht der erfindungsgemäßen Tankvorrichtung mit mindestens zwei Tankbehältern und einem Leitungsverbindungsspeicher,
- 3 eine schematische Darstellung eines Fahrzeugs mit einer im Fahrzeugboden eingebauten, aus quer angeordneten Tankbehältern bestehenden Tankvorrichtung zur Speicherung von einem gasförmigen Medium.
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Alle Figuren sind lediglich schematische Darstellungen einer erfindungsgemäßen Tankvorrichtung, des erfindungsgemäßen Verfahrens bzw. seiner Bestandteile gemäß Ausführungsbeispielen der Erfindung. Insbesondere Abstände und Größenrelationen sind in den Figuren nicht maßstabsgetreu wiedergegeben.
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Beschreibung der Ausführungsbeispiele
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1 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Tankvorrichtung 1 in einer Draufsicht. Die Tankvorrichtung 1 zur Speicherung eines gasförmigen Mediums, insbesondere Wasserstoff, weist mehrere Tankbehälter 2 auf, welche im Wesentlichen zylinderförmig ausgebildet und beispielsweise aus Stahl oder einem anderen Material gefertigt sind.
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Der Darstellung gemäß 1 ist eine schematische Draufsicht der erfindungsgemäßen Tankvorrichtung 1 für ein Brennstoffzellensystem 31. Die Tankvorrichtung 1 weist dabei mindestens zwei Tankbehälter 2 zur Speicherung von Wasserstoff auf und eine mit mindestens einen Tankbehältern 2 verbindbare Zuführleitung 4. Die mindestens zwei Tankbehälter 2 verlaufen dabei zumindest annähernd parallel zu einer Längsachse 9. Dabei ist jeder der mindestens zwei Tankbehälter 2 im Wesentlichen zylinderförmig und/oder röhrenförmig ausgebildet gefertigt.
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Weiterhin zeigt 1 die Tankvorrichtung 1 mit mindestens zwei Tankbehältern 2, wobei die Tankbehälter 2 zumindest mittelbar über die Zuführleitung 4 mit einer Brennstoffzelle 29 und/oder dem Brennstoffzellensystem 31, insbesondere einem Anodenkreislauf, verbunden sind, wobei die mindestens zwei Tankbehälter 2 in Richtung einer Längsachse 9 ein erstes Ende 20 und gegenüberliegend ein zweites Ende 21 aufweisen. Dabei ist die Zuführleitung 4 nur mit einem einzelnen Tankbehälter 2, insbesondere einem ersten Tankbehälter 2a, unmittelbar und fluidisch verbunden ist, insbesondere über einen Ventilblock 5, der sich an dem ersten Ende 20 befindet. Zudem sind die Tankbehälter 2 an Ihrem zweiten Ende 21 mittels einer jeweiligen Verbindungsleitung 7 mit einem Leitungsverbindungsspeicher 14, der insbesondere als ein Rail 14 ausgeführt ist, verbunden. In einer alternativen Ausführungsform können die Tankbehälter 2 auch untereinander direkt verbunden sein beispielsweise mit mindestens einer Verbindungsleitung 7. Dieses Rail 14 ist dabei derart ausgeführt, dass es mit mindestens dem in den Tankbehältern 2 vorherrschenden Druck beaufschlagbar ist. In einer beispielhaften Ausführungsform kann der vorherrschende Druck in einem Bereich von 700 bar liegen. Dabei verbindet der Leitungsverbindungsspeicher 14 den ersten Tankbehälter 2a, den zweiten Tankbehälter 2b und mögliche weitere Tankbehälter 2 zumindest mittelbar oder unmittelbar fluidisch miteinander.
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Des Weiteren zeigt 1, dass ein zweiter Tankbehälter 2b an einem ersten Ende 20 ein Sicherungsventil 10 aufweist, bei dem es sich insbesondere um ein Schmelzsicherungsventil 10 oder ein thermisches Ablassventil (TPRD) 10 handelt. Weiterhin weist der Ventilblock 5 ein Absperrventil 8 und/oder ein Ventilteil 17 auf, wobei das Absperrventil 8 insbesondere als ein 3-Wege-Ventil 8 ausgeführt ist. Weitere Sicherungsventile 10 können sich darüber hinaus an weiteren Stellen der Tankvorrichtung 1 oder des Brennstoffzellensystems 31 befinden. Zudem ist der zweite Tankbehälter 2b mittels des Sicherungsventils 10 mit einer Abführleitung 11 verbindbar, die wiederum das gasförmige Medium aus den anderen Tankbehältern 2 über den zweiten Tankbehälter 2b, das Sicherungsventil 10 und die Abführleitung 11 zum Ablassventil 12 und/oder zu einer Umgebung 190. Somit kann im Falle eines Unfalls eines Gesamtfahrzeugs 24 oder eines Feuers im Bereich der Tankvorrichtung 1 das gasförmige Medium aus den Tankbehältern 2 über das Sicherungsventil 10 und die Abführleitung 11 zum Ablassventil 12 und in einen Bereich der Umgebung 190 abgelassen werden. Erfolgt, beispielsweise verursacht durch Feuer, ein Wärmeeintrag auf die Tankvorrichtung 1 bzw. die Tankbehälter 2, so löst das Sicherungsventil 10 möglichst schnell nach Auftreten des Wärmeeintrags aus, so dass der Wasserstoff aus den Tankbehältern 2 geleitet werden kann, um beispielsweise einem Bersten der Tankbehälter 2 vorzubeugen. Auf diese Weise lässt sich ein Bersten der Tankbehälter 2 durch sich entzündenden Wasserstoff verhindern und somit eine Schädigung der Tankvorrichtung 1. Dabei ist zu berücksichtigen, dass durch eine Hitzeeinwirkung die Struktur der Tankeinrichtung 1 geschwächt werden kann, so dass auch schon geringere Drücke zu einem Bersten führen können, als die Drücke, für die die Tankbehälter 2 normalerweise ausgelegt sind.
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Des Weiteren zeigt 1, dass der Ventilblock 5 fluidisch mit dem ersten Tank 2a, mit einer Betankungsleitung 6 verbindbar ist, wobei die Tankvorrichtung 1 über die Betankungsleitung 6 von einer externen Versorgungseinrichtung 33, beispielsweise einer Wasserstofftankstelle 33, mit Wasserstoff versorgt werden kann. Das Absperrventil 8 kann dabei in eine erste Stellung geschaltet werden, bei dem die Tankvorrichtung 1 nur mit der Versorgungseinrichtung 33 verbunden wird und wobei die Tankvorrichtung 1 betankt wird. Des Weiteren kann das Absperrventil 8 in eine zweite Stellung geschaltet werden, bei dem die Tankvorrichtung 1 nur mit der Brennstoffzelle 29 und/oder dem Brennstoffzellensystem 31 verbindbar ist, wobei die Brennstoffzelle 29 und/oder das Brennstoffzellensystem 31 mit Wasserstoff versorgbar ist. In einer alternativen Ausführungsform kann es sich beim Ventil 8 auch um eine andere Ausführungsform handeln, bei der keine aktive Schaltung erfolgt, sondern bei dem verschiedenen Druckgesteuerte und/oder drucköffnende Ventile mittels diverser Leitungen miteinander verbunden sind, so dass beispielsweise eine Betankung der Tankvorrichtung 1 durch die externe Versorgungseinheit 33 abhängig vom Druck in der Betankungsleitung 6 erfolgt. Somit kann bei einem Überschreiten eines bestimmten Druckniveaus in der Betankungsleitung eine Ventil 8 derart öffnen, dass das gasförmige Medium in den Tankbehälter 2, 2a gelangen kann.
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Die jeweiligen Enden 20, 21 des jeweiligen Tankbehälters 2 weisen eine konische Verjüngung und somit eine typische Flaschenhalsstruktur auf.
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2 zeigt eine Draufsicht der erfindungsgemäßen Tankvorrichtung 1 mit mindestens zwei Tankbehältern 2 und dem Leitungsverbindungsspeicher 14. Die Tankbehälter 2 weisen dabei an ihrem zweiten Ende 21 den Leitungsspeicher 14 auf. Der Leitungsspeicher 14, bei dem es sich insbesondere um das Rail 14 handelt, ist dabei über die jeweils mindestens eine Verbindungsleitungen 7 mit dem jeweiligen Tankbehälter 2 verbunden. In einer beispielhaften Ausführungsform der Tankvorrichtung 1 können die Verbindungsleitungen 7 entfallen und der Leitungsverbindungsspeicher 14 ist zumindest nahezu direkt mit den Tankbehältern 2 verbunden. In einer weiteren beispielhaften Ausführungsform können die Tankbehälter auch direkt ausschließlich über die Verbindungsleitung 7 miteinander verbinden.
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Zudem ist in 2 gezeigt, dass der Ventilblock 5 und/oder das Sicherungsventil 10 mit einem Steuergerät 16 verbunden sind, wobei der Ventilblock 5 und/oder das Sicherungsventil 10 über das Steuergerät 16 ansteuerbar und/oder öffenbar sind. Bei dem Steuergerät 16 kann es sich entweder dabei um das zentrale Steuergerät 16 des gesamten Brennstoffzellensystems 31 handeln oder in einer alternativen Ausführungsform kann das Steuergerät 16 mit einem Gesamtsteuergerät des Gesamtfahrzeugs 24 und/oder des gesamten Brennstoffzellensystems 31 verbunden sein. Der erste Tankbehälter 2a weist an seinem ersten Ende 20 den Ventilblock 5 auf, wobei der Ventilblock 5 über ein in einen Flaschenhals 19 des ersten Tankbehälters 2a hineinragendes Ventilteil 17 fluidisch und /oder mechanisch mit dem ersten Tankbehälter 2a verbunden ist. Der zweite Tankbehälter 2b weist an seinem ersten Ende 20 das Sicherungsventil 10 auf.
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3 zeigt eine schematische Darstellung des Gesamtfahrzeugs 24 mit einer im Fahrzeugboden eingebauten, aus quer angeordneten Tankbehältern 2 bestehenden Tankvorrichtung 1 zur Speicherung von einem gasförmigen Medium. Dabei weist die erfindungsgemäße Tankvorrichtung 1 in einer beispielhaften Ausführungsform mindestens zwei Tankbehälter 2 und ein umgebendes rahmenförmiges Gehäuseelement 34 auf. Dabei ist gezeigt, dass sich die Tankbehälter 2 in einer Ebene nebeneinander angeordnet sind, wobei des Gehäuseelement 34 die Tankbehälter 2 umgibt. Zudem dient die gezeigte Tankvorrichtung 1 zur Speicherung von einem verdichteten gasförmigen Medium und besteht aus einer Reihe von aus Metall oder einem anderen Material angefertigten Tankbehältern 2, die quer zur Fahrtrichtung des Gesamtfahrzeugs 24 angeordnet sind. Die einzelnen Tankbehältern 2 sind zumindest mittelbar fluidisch verbunden, insbesondere durch das Rail 14 wobei im Bereich des rahmenförmigen Elements 34 Regel- und Sicherheitstechnik integriert ist. Die Tankbehälter 2 zusammen bilden mindestens ein Rohrbündel 32 aus, das in den Unterboden des Gesamtfahrzeugs 24 integriert ist. Die Anordnung der Tankbehälter 2 unterhalb der Fahrgastzelle des Gesamtfahrzeugs 24 ist besonders unfallsicher, da die energieverzehrenden Bereiche des Gesamtfahrzeugs 24, die sogenannten Knautschzonen, vor und hinter der Fahrgastzelle angeordnet sind. Somit werden die Fahrgastzelle und damit auch die Tankbehälter 2 in einem Unfall besonders vor Beschädigungen geschützt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102019217069 A1 [0002, 0003]
