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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Tankvorrichtung zur Speicherung eines gasförmigen Mediums, insbesondere Wasserstoff, beispielsweise für die Wasserstoffversorgung in einem Brennstoffzellensystem oder in einem Wasserstoff-Verbrennersystem. Die Erfindung kommt beispielsweise in Fahrzeugen mit Brennstoffzellenantrieb oder Fahrzeugen mit einem Wasserstoffverbrenner als Antrieb zum Einsatz.
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Stand der Technik
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Die
DE 10 2017 212 485 A1 beschreibt eine Einrichtung zur Speicherung von verdichteten Fluiden, die als Kraftstoff für ein Fahrzeug dienen, wobei die Einrichtung mindestens zwei rohrförmige Tankmodule und mindestens einen Hochdruckkraftstoffzuteiler mit mindestens einer integrierten Regel- und Sicherheitstechnik umfasst. Außerdem bestehen die mindestens zwei rohrförmigen Tankmodule aus Metall und sind mit dem mindestens einen Hochdruckkraftstoffzuteiler mit der mindestens einen integrierten Regel- und Sicherheitstechnik modular zu einem Modul in flexibler Geometrie verbunden.
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Für diese Sicherheitsvorkehrungen ist eine Vielzahl von Ventilen notwendig, wodurch die Komplexität des gesamten Gasspeichersystems sowie dessen Kosten erhöht werden. Weiterhin muss je nach Position des Sicherungsventils sichergestellt sein, dass dieses auch auslöst, wenn sich der Brandherd nicht in der Nähe des Sicherungsventils befindet, um einer möglichen Explosion des Gasspeichersystems vorzubeugen.
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Sind jedoch ein oder mehrere Tankbehälter beschädigt, kann es zu einem Austritt des verdichteten Fluids, beispielsweise Wasserstoff, oder sogar zu einem Bersten des Tankbehälters führen.
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Vorteile der Erfindung
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Die erfindungsgemäße Tankvorrichtung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 weist demgegenüber den Vorteil auf, dass die hohen Sicherheitsanforderungen, insbesondere mit dem Umgang mit Wasserstoff, zu jeder Zeit erfüllt sind und ein Bersten der Tankvorrichtung verhindert wird.
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Dazu weist die Tankvorrichtung zur Speicherung von Wasserstoff mindestens einen Tankbehälter und eine mit dem mindestens einen Tankbehälter verbindbare Zuführleitung auf. Der mindestens eine Tankbehälter ist mittels mindestens eines Ventils mit der Zuführleitung fluidisch verbunden, wobei der mindestens eine Tankbehälter über mindestens ein Ventil mit einer Verbindungsleitung fluidisch verbunden ist. Ein rahmenförmiges Gehäuseelement ist in der Tankvorrichtung angeordnet ist, welches Gehäuseelement den mindestens einen Tankbehälter und die Zuführleitung umgibt. Darüber hinaus ist das Gehäuseelement thermisch aktivierbar.
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So kann in einfacher Weise sichergestellt werden, dass auch bei Beschädigungen der Tankvorrichtung oder der Tankbehälter oder möglichem Gasaustritts, hier Wasserstoff, aus den Tankbehältern die Möglichkeit eines Brands der Tankvorrichtung oder gar eines Berstens unterbunden wird.
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In erster vorteilhafter Weiterbildung ist es vorgesehen, dass das Gehäuseelement einen Unterboden aufweist, welcher Unterboden mindestens ein Stahlblech umfasst. Vorteilhafterweise weist der Unterboden eine brandhemmende Beschichtung auf. Bei den brandhemmenden Beschichtungen kann es sich beispielsweise um Feuerschutzfarbe oder andere brandhemmende Lacke handeln. So kann in konstruktiv einfacher Weise ein Entzünden der Tankvorrichtung gehemmt werden.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist es vorteilhaft vorgesehen, dass das Gehäuseelement einen Unterboden aufweist, welcher Unterboden einen Doppelboden aus Stahlblech umfasst, welcher Doppelboden einen Zwischenraum aufweist. Vorteilhafterweise ist der Zwischenraum evakuiert. In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung ist der Zwischenraum mit Luft gefüllt. So wird ein Entweichen von Wasserstoff aus der Tankvorrichtung oder ein Eindringen von Sauerstoff in die Tankvorrichtung aus der umgebenden Luft verhindert, so dass ein möglicher Brand oder eine Knallgasreaktion verhindert werden.
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In vorteilhafter Weiterbildung ist der Zwischenraum mit einer isolierenden Flüssigkeit oder einem Gel oder einem isolierenden Feststoff gefüllt. Im Falle eines Wärmeeintrags würde der Feststoff beispielsweise durch einen Phasenübergang in eine brandhemmende Flüssigkeit oder Gel umgewandelt werden und so ein Brand der Tankvorrichtung unterbunden werden.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist es vorteilhaft vorgesehen, dass in dem Gehäuseelement Hohlräume zwischen den Tankbehältern, der Zuführleitung, der Verbindungsleitung, den Ventilen und anderen Anbaukomponenten der Tankvorrichtung ausgebildet sind, in welchen Hohlräumen brandhemmende oder wärmeisolierende Materialien angeordnet sind. So kann in einfacher Weise ein Brand der Tankvorrichtung unterbunden werden. Insbesondere können so empfindliche Stellen in der Tankvorrichtung, wie Ventile oder Leitungen sowie weitere Komponenten wie beispielsweise Steuereinrichtungen geschützt werden.
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In vorteilhafter Weiterbildung ist es vorgesehen, dass die brandhemmenden oder wärmeisolierenden Materialien Steinwolle, Glasfaser oder andere Faser, wie beispielsweise Naturfaser mit brandhemmenden oder wärmeisolierenden Eigenschaften, umfassen. Vorteilhafterweise umfassen die brandhemmenden oder wärmeisolierenden Materialien thermisch aktivierbare Substanzen. So kann in einfacher Weise ein Brand der Tankvorrichtung unterbunden werden.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist es vorteilhaft vorgesehen, dass die thermisch aktivierbaren Substanzen ein Granulat aufweisen, durch welches Granulat beispielsweise mittels einer chemischen Reaktion ein Gas oder ein brandhemmender Schaum freisetzbar ist.
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In vorteilhafter Weiterbildung sind der mindestens eine Tankbehälter aus Stahl gefertigt. So wird in einfacher Weise durch den Materialeinsatz eine Kostenersparnis erzielt.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist es vorteilhaft vorgesehen, dass der mindestens eine Tankbehälter ein Absperrventil und/oder ein Sicherheitsventil aufweist. Auf diese Weise kann sichergestellt werden, dass bei einem Unfall des Gesamtfahrzeugs, bei dem eine Beschädigung eines der Tankbehälter mittels des jeweiligen Ventils an dem jeweiligen Tankbehälter dieser vom Rest der Tankvorrichtung zumindest fluidisch getrennt werden können. Weiterhin kann verhindert werden, dass aus zumindest mehr als einem Tankbehälter der Kraftstoff entweichen kann, wodurch die Unfallgefahr und Explosionsgefahr nach einem erfolgten Unfall des Gesamtfahrzeugs durch austretenden Kraftstoff verhindert oder zumindest verringert werden kann.
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In vorteilhafter Weiterbildung ist es vorgesehen, dass die Tankvorrichtung über die Zuführleitung mit einem Verbrauchersystem, beispielsweise einem Anodenbereich einer Brennstoffzellenanordnung oder einem Wasserstoff-Verbrennersystem, fluidisch verbunden ist.
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Die beschriebene Tankvorrichtung eignet sich vorzugsweise in einer Brennstoffzellenanordnung zur Speicherung von Wasserstoff für den Betrieb einer Brennstoffzelle.
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In vorteilhaften Verwendungen kann die Tankvorrichtung in Fahrzeugen mit einem Brennstoffzellenantrieb verwendet werden.
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In vorteilhaften Verwendungen kann die Tankvorrichtung in Fahrzeugen mit einem Wasserstoffantrieb verwendet werden, beispielsweise in einem Fahrzeug mit Wasserstoff-Verbrenner als Antrieb.
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Figurenliste
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Anhand der Zeichnung wird die Erfindung nachstehend eingehender beschrieben.
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Es zeigt:
- 1 eine schematische Draufsicht einer erfindungsgemäßen Tankvorrichtung,
- 2 eine Seitenansicht einer aus Tankbehältern bestehenden erfindungsgemäßen Tankvorrichtung zum Speichern von einem gasförmigen Medium mit einem Gehäuseelement,
- 3 eine vergrößerte Ansicht des Gehäuseelements aus der 2,
- 4 die schematische Draufsicht der erfindungsgemäßen Tankvorrichtung aus 1 mit brandhemmenden oder wärmeisolierenden Materialien.
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Alle Figuren sind lediglich schematische Darstellungen der erfindungsgemäßen Tankvorrichtung bzw. seiner Bestandteile gemäß Ausführungsbeispielen der Erfindung. Insbesondere Abstände und Größenrelationen sind in den Figuren nicht maßstabsgetreu wiedergegeben.
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Beschreibung des Ausführungsbeispiels
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Die Darstellung gemäß 1 zeigt eine schematische Draufsicht einer erfindungsgemäßen Tankvorrichtung 1 für ein Brennstoffzellensystem 31. Die Tankvorrichtung 1 weist dabei mindestens zwei Tankbehälter 2 zur Speicherung von Wasserstoff auf, sowie ein rahmenförmiges Gehäuseelement 24 und eine mit den Tankbehältern 2 verbindbare Zuführleitung 4 auf. Dabei umgibt das rahmenförmige Gehäuseelement 24 die mindestens zwei Tankbehälter 2 und die Zuführleitung 4, wobei die mindestens zwei Tankbehälter 2 parallel zu einer Längsachse 9 verlaufen. Dabei weist jeder der mindestens zwei Tankbehälter 2, welche im Wesentlichen zylinderförmig ausgebildet und aus Stahl gefertigt sind, mindestens ein Ventil 8, 10 auf. Bei diesem mindestens einen Ventil 8, 10 handelt es sich um ein Absperrventil 8 und/oder um ein Sicherheitsventil 10.
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In einer beispielhaften Ausführungsform der Tankvorrichtung 1 weisen die mindestens zwei Tankbehälter 2 jeweils an einem ersten Ende 20 das Absperrventil 8 und an einem zweiten Ende 21 das Sicherheitsventil 10 auf, wobei sich die jeweiligen Enden 20, 21 in Richtung der Längsachse 9 am jeweiligen Tankbehälter 2 befinden. Die beiden Tankbehälter 2 sind dabei röhrenförmig ausgeführt.
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Weiterhin ist in 1 dargestellt, dass das Absperrventil 8 zwischen dem jeweiligen Tankbehälter 2 und der Zuführleitung 4 angeordnet ist, wobei die Zuführleitung 4 die jeweiligen Tankbehälter 2 mit dem Brennstoffzellensystem 31, insbesondere einer Brennstoffzelle 29, verbindet. In einer beispielhaften Ausführungsform des Brennstoffzellensystems 31 kann der Wasserstoff aus der Tankvorrichtung 1, der insbesondere unter einem hohen Druck von zumindest nahezu 700 bar steht, über die Zuführleitung 4 zu einer Düse und/oder einem Ansaugbereich einer Strahlpumpe des Brennstoffzellensystem 31 gelangen. Zudem kann sich ein Ventil 5 im Bereich der Zuführleitung 4 befinden, insbesondere zwischen dem Absperrventil 8 und dem Brennstoffzellensystem 31, insbesondere einem Anodenbereich des Brennstoffzellensystems 31 und/oder zumindest mittelbar mit der Brennstoffzelle 29. Dabei kann sich das Ventil 5 innerhalb oder außerhalb des rahmenförmigen Gehäuseelements 24 befinden.
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Im Bereich des zweiten Endes 21 des jeweiligen Tankbehälters 2, auf der der Tankbehälter 2 das Sicherheitsventil 10 aufweist, ist der Tankbehälter 2 über das das Sicherheitsventil 10 mit einer Verbindungsleitung 11 verbunden. Die Verbindungsleitung 11 dient dazu im Falle eines Unfalls und/oder eines Feuers, Wasserstoff aus dem jeweiligen Tankbehälter 2 aus der Tankvorrichtung 1 herauszuleiten und so einem Bersten des jeweiligen Tankbehälters 2 entgegenzuwirken. Am dem Sicherheitsventil 10 und/oder dem Tankbehälter 2 abgewandten Ende der Verbindungsleitung 11, insbesondere ihrem stromabwärtigen Ende kann sich ein Ablassventil 12 befinden, über den, im Falle eines Unfalls oder Brandes, der Wasserstoff in eine Umgebung 33 des Fahrzeugs abgelassen werden kann, insbesondere in einen Bereich, in dem sich entzündender Wasserstoff das Gesamtfahrzeug und die Insassen nicht mehr schädigen oder verletzen kann.
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Bei dem Sicherungsventil 10 kann es sich in einer beispielhaften Ausführungsform um ein sogenanntes TPRD (Thermal Pressure Relief Device) Ventil 10, welches ein temperaturempfindliches Element aufweist, handeln, um im Ernstfall bei Wärmeeinträgen auf die Tankbehälter 2 ein Öffnen des Sicherungsventils 10 auszulösen. Somit ist der jeweilige Tankbehälter 2 in dieser beispielhaften Ausführungsform mit seinem ersten Ende 20 über das Absperrventil 8 mit der Zuführleitung 4 verbunden und/oder mit seinem zweiten Ende 21 über das Sicherheitsventil 10, das insbesondere als ein Schmelzsicherheitsventil 10 ausgeführt ist, mit der Verbindungsleitung 11 verbunden.
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Des Weiteren kann sich im Bereich der Verbindungsleitung 11, insbesondere zwischen dem Sicherheitsventil 10 und dem Ablassventil 12 ein weiteres Ventil befinden.
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In vorteilhafter Weise wird für die Herstellung der rohrförmigen Tankmodule 2 Stahl verwendet. Stahl ist einerseits sehr robust und andererseits sehr kostengünstig. Vorteilhaft ist, dass Stahl sehr einfach zu verarbeiten ist. Aufgrund der hohen Duktilität von Stahl ergibt sich eine verbesserte Crash-Sicherheit von Fahrzeugen mit rohrförmigen Tankmodulen.
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In 2 ist ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Tankvorrichtung 1 in einer Seitenansicht gezeigt. Die Tankvorrichtung 1 weist dabei mehrere Tankbehälter 2 auf, welche im Wesentlichen zylinderförmig ausgebildet ist. Die jeweiligen Enden 20, 21 des jeweiligen Tankbehälters 2 weisen eine konische Verjüngung 6 und somit eine typische Flaschenhalsstruktur auf.
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Dabei ist in 2 gezeigt, dass das rahmenförmige Gehäuseelement 24, in das die Tankbehälter 2 eingebaut werden, eine Umfangswand 26 und eine Bodenwand 25 aufweist, wobei sich die Bodenwand 25 an der geodätisch tiefsten Stelle in der Tankvorrichtung 1 und/oder im Fahrzeug befindet. Die Umfangswand 26 des rahmenförmigen Gehäuseelements 24 weist dabei eine Vorderwand 28, eine linke Wand 32, eine rechte Wand 34 und eine Rückwand 30 auf. Des Weiteren sind die Tankbehälter 2 vor der Montage als ein Tankbehältermodul, das aus mindestens zwei Tankbehältern 2 samt Ventilen 8, 10 und weiteren Bauteilen bestehen kann, vormontiert. Die Bodenwand 25 weist dabei mindestens eine Rippe 27, insbesondere mindestens eine Versteifungsrippe 27, auf, wobei die mindestens eine Rippe 27 parallel zur Längsachse 9 und/oder den Tankbehältern 2 und über zumindest nahezu die gesamte Länge der Bodenwand 25 verlaufen, insbesondere im Bereich eines Zwischenraums 14 zwischen den mindestens zwei Tankbehältern 2. Dabei steht die mindestens eine Rippe 27 mit mindestens zwei Tankbehältern 2 in Anlage, insbesondere zumindest nahezu orthogonal zur Längsachse 9, wobei auf diese Weise die Stabilität und die Crash-Sicherheit der erfindungsgemäßen Tankvorrichtung 1 verbessert werden kann. Zudem kann derart eine Fixierung der einzelnen Röhren im Gehäuse und eine Positionierung zueinander erzielt werden.
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Zudem ist in 2 gezeigt, dass das rahmenförmige Gehäuseelement 24 auf der der Bodenwand 25 abgewandten Seite der Umfangswand 26 einen umlaufenden Absatz 15 aufweist, wobei der Absatz 15 parallel zur Bodenwand 25 verläuft und mindestens zwei Bohrungen 17 aufweist. Diese Bohrungen 17 verlaufen zumindest nahezu orthogonal zur Ebene der Bodenwand 25 und/oder der Ebene des Absatzes 15, wobei sich das rahmenförmige Gehäuseelement 24 mittels der Bohrungen 17 und beispielsweise Verschraubungen an dem Gesamtfahrzeug montieren lässt.
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Das rahmenförmige Gehäuseelement 24 umschließt dabei die Tankbehälter 2 und oder das Tankbehältermodul mit Anbauteilen zumindest nahezu vollständig und ist mittels eines Befestigungselements 3 mit den Tankbehältern 2 fest verbunden. Außerdem schützt das rahmenförmige Gehäuseelement 24 diese somit vor:
- ▪ Umwelteinflüssen, wie beispielsweise korrosiven Medien, Feuchte,
- ▪ Mechanischen Belastungen, wie beispielsweise Kontakt mit der Fahrbahn oder Steinschlag,
- ▪ Thermischen Belastungen, wie beispielsweise Feuer, Heißluft, Strahlung oder Konvektion.
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Das rahmenförmige Gehäuseelement 24 kann dabei beispielsweise so ausgeführt sein, dass es zusätzlich eine versteifende Funktion für die Karosserie des Fahrzeugs übernimmt. Des Weiteren kann mittels des rahmenförmige Gehäuseelements 24 ein Anschluss der Tankvorrichtung 1 an ein externes Betankungssystem verbessert werden, da die Zugänglichkeit zur Tankvorrichtung 1 verbessert wird. Zudem kann mittels des rahmenförmige Gehäuseelements 24 eine einfachere Integration von Sensorik und/oder Ventilen und/oder Leitungssystemen und/oder weiteren Bauteilen gewährleistet werden. Das Gehäuseelement 24 weist darüber hinaus einen Unterboden 24a auf, welcher ein Stahlblech umfasst. Weiterhin ist das Gehäuseelement 24 thermisch aktivierbar, um bei möglichen Hitzeeinwirkungen einen Brand oder ein Bersten der Tankvorrichtung 1 zu verhindern. Dabei weist der Unterboden 24a des Gehäuseelements 24 eine brandhemmende Beschichtung 24b auf.
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Weiterhin weist in einer weiteren Ausführung, wie in 3 gezeigt, der Unterboden 24a des Gehäuseelements 24 einen Doppelboden 24c auf, welcher einen Zwischenraum 24d aufweist. Der Doppelboden 24c kann beispielsweise aus einem Stahlblech hergestellt sein.
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Der Zwischenraum 24d kann beispielsweise für die Isolierung der Tankvorrichtung evakuiert oder mit Luft gefüllt sein. Weiterhin kann der Zwischenraum 24d in alternativen Ausführungen mit einer isolierenden Flüssigkeit oder einem Gel oder einem isolierenden Feststoff gefüllt sein.
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4 zeigt das Ausführungsbeispiel aus der i, eine schematische Draufsicht der erfindungsgemäßen Tankvorrichtung 1 für ein Brennstoffzellensystem 31 mit brandhemmende oder wärmeisolierende Materialien 50. Diese sind in dem Gehäuseelement 24 ausgebildeten Hohlräumen 14 zwischen den Tankbehältern 2, der Zuführleitung 4, der Verbindungsleitung 11, den Ventilen 8, 10 und anderen Anbaukomponenten der Tankvorrichtung 1 ausgebildet. Es ist von Vorteil, diese Stellen im Falle eines Brandes besonders zu schützen.
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Die brandhemmenden oder wärmeisolierenden Materialien 50 umfassen Steinwolle, Glasfaser oder andere Faser, wie beispielsweise Naturfaser mit brandhemmenden oder wärmeisolierenden Eigenschaften.
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In einer alternativen Ausführung umfassen die brandhemmenden oder wärmeisolierenden Materialien 50 thermisch aktivierbare Substanzen, welche ein Granulat aufweisen, durch welches Granulat beispielsweise mittels einer chemischen Reaktion ein Gas oder ein brandhemmender Schaum freisetzbar ist. Im Falle eines Wasserstoffaustritts aus den Tankbehältern 2 wird so der zum Brand notwendige Sauerstoff verdrängt und eine Knallgasreaktion bzw. ein Brand verhindert.
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Die brandhemmende Wirkung kann noch verbessert werden, wenn die Freigabe der brandhemmenden Substanzen über einen gewissen Zeitraum und nicht sofort in vollen Umfang freigesetzt werden.
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Die Tankvorrichtung 1 zur Speicherung eines gasförmigen Mediums kann neben brennstoffzellenbetriebenen Fahrzeugen beispielsweise auch zur Wasserstoff-Speicherung in Fahrzeugen mit einem Wasserstoff-Verbrenner als Antrieb verwendet werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102017212485 A1 [0002]
