DE102021207189A1 - Speichervorrichtung zur Speicherung eines gasförmigen Mediums - Google Patents

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Jochen Wessner
Matthias Kuntz
Friedrich Muehleder
Udo Schaich
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Abstract

Speichervorrichtung (1) zur Speicherung eines gasförmigen Mediums, insbesondere Wasserstoff, mit mindestens einem Tankbehälter (2) und mit einer mit dem mindestens einem Tankbehälter (2) verbindbare Zuführleitung (4), wobei der mindestens eine Tankbehälter (2) mittels mindestens eines Ventils (8, 10) mit der Zuführleitung (4) fluidisch verbunden ist. Der mindestens eine Tankbehälter (2) ist über mindestens ein Ventil (8, 10) mit einer Verbindungsleitung (11) fluidisch verbunden, wobei ein rahmenförmiges Gehäuseelement (24) in der Speichervorrichtung (1) angeordnet ist, welches Gehäuseelement (24) den mindestens einen Tankbehälter (2) und die Zuführleitung (4) umgibt. Darüber hinaus ist in der Speichervorrichtung (1) mindestens eine thermisch aktivierbare Kapsel (50) angeordnet.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Speichervorrichtung 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.
  • Stand der Technik
  • Die DE 10 2017 212 485 A1 beschreibt eine Einrichtung zur Speicherung von verdichteten Fluiden, die als Kraftstoff für ein Fahrzeug dienen, wobei die Einrichtung mindestens zwei rohrförmige Tankmodule und mindestens einen Hochdruckkraftstoffzuteiler mit mindestens einer integrierten Regel- und Sicherheitstechnik umfasst. Außerdem bestehen die mindestens zwei rohrförmigen Tankmodule aus Metall und sind mit dem mindestens einen Hochdruckkraftstoffzuteiler mit der mindestens einen integrierten Regel- und Sicherheitstechnik modular zu einem Modul in flexibler Geometrie verbunden.
  • Sind ein oder mehrere Tankbehälter beschädigt, kann dies zu einem Austritt des verdichteten Fluids, beispielsweise Wasserstoff, oder sogar zu einem Bersten des Tankbehälters führen.
  • Vorteile der Erfindung
  • Die erfindungsgemäße Speichervorrichtung 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 Speichervorrichtung verhindert wird.
  • Dazu weist die Speichervorrichtung 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 Speichervorrichtung angeordnet, welches Gehäuseelement den mindestens einen Tankbehälter und die Zuführleitung umgibt. Darüber hinaus ist in der Speichervorrichtung mindestens eine thermisch aktivierbare Kapsel angeordnet.
  • So kann in einfacher Weise sichergestellt werden, dass auch bei Beschädigungen der Speichervorrichtung oder der Tankbehälter oder möglichem Gasaustritts aus den Tankbehältern die Möglichkeit eines Brands der Speichervorrichtung oder gar eines Berstens unterbunden wird.
  • In erster vorteilhafter Weiterbildung ist es vorgesehen, dass die Kapsel eine thermisch aktivierbare Hülle, beispielsweise aus einem Thermoplasten, umfasst. Vorteilhafterweise ist die Kapsel mit einem Gas, einer Flüssigkeit oder einem Schaum gefüllt. So kann beispielsweise durch die genannten brandhemmenden Materialien ein Brand in der Speichervorrichtung unterbunden oder zumindest gemindert werden.
  • In vorteilhafter Weiterbildung ist es vorgesehen, dass in dem Gehäuseelement Hohlräume zwischen den Tankbehältern, der Zuführleitung, der Verbindungsleitung, den Ventilen und anderen Anbaukomponenten der Speichervorrichtung ausgebildet sind, in welchen Hohlräumen die Kapsel angeordnet ist. So kann in einfacher Weise sichergestellt werden, dass besonders empfindliche Stellen der Speichervorrichtung, wie beispielsweise Ventile oder Leitungen oder Steuereinrichtungen vor einem möglichen Wärmeeintrag geschützt sind.
  • In weiterer Ausgestaltung ist es vorteilhaft vorgesehen, dass der mindestens eine Tankbehälter aus Stahl gefertigt ist. So wird in einfacher Weise durch den Materialeinsatz eine Kostenersparnis erzielt.
  • 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 kann. 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.
  • In vorteilhafter Weiterbildung ist es vorgesehen, dass die Speichervorrichtung über die Zuführleitung mit einem Verbrauchersystem, beispielsweise einem Anodenbereich einer Brennstoffzellenanordnung oder einem Wasserstoff-Verbrennersystem, fluidisch verbunden ist.
  • Die beschriebene Speichervorrichtung eignet sich vorzugsweise in einer Brennstoffzellenanordnung zur Speicherung von Wasserstoff für den Betrieb einer Brennstoffzelle.
  • In vorteilhaften Verwendungen kann die Speichervorrichtung in Fahrzeugen mit einem Brennstoffzellenantrieb verwendet werden.
  • In vorteilhaften Verwendungen kann die Speichervorrichtung in Fahrzeugen mit einem Wasserstoffantrieb verwendet werden, beispielsweise in einem Fahrzeug mit Wasserstoff-Verbrenner als Antrieb.
  • Figurenliste
  • Anhand der Zeichnung wird die Erfindung nachstehend eingehender beschrieben.
  • Es zeigt:
    • 1 eine schematische Draufsicht einer erfindungsgemäßen Speichervorrichtung,
    • 2 eine Seitenansicht einer aus Tankbehältern bestehenden erfindungsgemäßen Speichervorrichtung zum Speichern von einem gasförmigen Medium mit einem Gehäuseelement,
    • 3 die schematische Draufsicht der erfindungsgemäßen Speichervorrichtung aus 1 mit thermisch aktivierbaren Kapseln.
  • Alle Figuren sind lediglich schematische Darstellungen der erfindungsgemäßen Speichervorrichtung bzw. seiner Bestandteile gemäß Ausführungsbeispielen der Erfindung. Insbesondere Abstände und Größenrelationen sind in den Figuren nicht maßstabsgetreu wiedergegeben.
  • Beschreibung des Ausführungsbeispiels
  • Die Darstellung gemäß 1 zeigt eine schematische Draufsicht einer erfindungsgemäßen Speichervorrichtung 1 für ein Brennstoffzellensystem 31. Die Speichervorrichtung 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.
  • In einer beispielhaften Ausführungsform der Speichervorrichtung 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.
  • 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 Speichervorrichtung 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.
  • 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 Speichervorrichtung 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.
  • 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.
  • Des Weiteren kann sich im Bereich der Verbindungsleitung 11, insbesondere zwischen dem Sicherheitsventil 10 und dem Ablassventil 12 ein weiteres Ventil befinden.
  • 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.
  • In 2 ist ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Speichervorrichtung 1 in einer Seitenansicht gezeigt. Die Speichervorrichtung 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.
  • 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 Speichervorrichtung 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 Speichervorrichtung 1 verbessert werden kann. Zudem kann derart eine Fixierung der einzelnen Röhren im Gehäuse und eine Positionierung zueinander erzielt werden.
  • 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.
  • 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.
  • 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 Speichervorrichtung 1 an ein externes Betankungssystem verbessert werden, da die Zugänglichkeit zur Speichervorrichtung 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.
  • 3 zeigt das Ausführungsbeispiel aus der 1, eine schematische Draufsicht der erfindungsgemäßen Speichervorrichtung 1 für ein Brennstoffzellensystem 31 mit thermisch aktivierbaren Kapseln 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 Speichervorrichtung 1 ausgebildet. Es ist von Vorteil, diese Stellen im Falle eines Brandes besonders zu schützen und die Brandausbreitung in der Speichervorrichtung 1 so zu unterbinden.
  • Die Kapseln 50 weisen thermisch aktivierbare Hüllen auf, welche beispielsweise aus einem Thermoplasten hergestellt sind. Weiterhin sind die Kapseln 50 mit einem Gas, einer Flüssigkeit oder einem Schaum gefüllt. So kann beispielsweise durch einen brandhemmenden Schaum oder durch die Flüssigkeit oder dem Gas der notwendige Sauerstoff verdrängt und eine Knallgasreaktion bzw. ein Brand unterbunden werden.
  • 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.
  • 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.
  • Die Speichervorrichtung 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.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 102017212485 A1 [0002]

Claims (10)

  1. Speichervorrichtung (1) zur Speicherung eines gasförmigen Mediums, insbesondere Wasserstoff, mit mindestens einem Tankbehälter (2) und mit einer mit dem mindestens einem Tankbehälter (2) verbindbare Zuführleitung (4), wobei der mindestens eine Tankbehälter (2) mittels mindestens eines Ventils (8, 10) mit der Zuführleitung (4) fluidisch verbunden ist, wobei der mindestens eine Tankbehälter (2) über mindestens ein Ventil (8, 10) mit einer Verbindungsleitung (11) fluidisch verbunden ist, wobei ein rahmenförmiges Gehäuseelement (24) in der Speichervorrichtung (1) angeordnet ist, welches Gehäuseelement (24) den mindestens einen Tankbehälter (2) und die Zuführleitung (4) umgibt, dadurch gekennzeichnet, dass in der Speichervorrichtung (1) mindestens eine thermisch aktivierbare Kapsel (50) angeordnet ist.
  2. Speichervorrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kapsel (50) eine thermisch aktivierbare Hülle, beispielsweise aus einem Thermoplasten, umfasst.
  3. Speichervorrichtung (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kapsel (50) mit einem Gas, einer Flüssigkeit oder einem Schaum gefüllt ist.
  4. Speichervorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Gehäuseelement (24) Hohlräume (14) zwischen den Tankbehältern (2), der Zuführleitung (4), der Verbindungsleitung (11), den Ventilen (8, 10) und anderen Anbaukomponenten der Speichervorrichtung (1) ausgebildet sind, in welchen Hohlräumen (14) die Kapsel (50) angeordnet ist.
  5. Speichervorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Tankbehälter (2) aus Stahl gefertigt sind.
  6. Speichervorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Tankbehälter (2) ein Absperrventil (8) und/oder ein Sicherheitsventil (10) aufweist.
  7. Speichervorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Speichervorrichtung (1) über die Zuführleitung (4) mit einem Verbrauchersystem, beispielsweise einem Anodenbereich einer Brennstoffzellenanordnung oder einem Wasserstoff-Verbrennersystem, fluidisch verbunden ist.
  8. Brennstoffzellenanordnung mit einer Speichervorrichtung (1) zur Speicherung von Wasserstoff für den Betrieb einer Brennstoffzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
  9. Brennstoffzellenbetriebenes Fahrzeug mit einer Speichervorrichtung (1) zur Speicherung von Wasserstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 7.
  10. Wasserstoffbetriebenes Fahrzeug mit einer Speichervorrichtung (1) zur Speicherung von Wasserstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 7.
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