DE102021207716A1

DE102021207716A1 - Befüllvorrichtung für Wasserstofftanks, Wasserstofftank aufweisend die Befüllvorrichtung sowie Verfahren zur Befüllung eines Wasserstofftanks

Info

Publication number: DE102021207716A1
Application number: DE102021207716.1A
Authority: DE
Inventors: Jan Andreas
Original assignee: Argo GmbH
Current assignee: Argo GmbH
Priority date: 2021-07-20
Filing date: 2021-07-20
Publication date: 2023-01-26
Also published as: WO2023001744A1; CN115638364A; AU2022315500A1; CN216591036U; EP4285048A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Befüllvorrichtung 100 zur Befüllung eines Speicherbehälters 300, insbesondere eines Speicherbehälters eines Fahrzeugs, mit verdichtetem Wasserstoff, umfassend: einen Hauptkörper 101, insbesondere Ventilkörper, eine Röhre 110, insbesondere Injektor-Röhre, die dazu eingerichtet ist, sich in einem in einen Speicherbehälter 300 eingebrachten Zustand in eine axiale Richtung des Speicherbehälters zu erstrecken und Wasserstoff in den Speicherbehälter einzuleiten, eine Ausstoßdüse 111, die an einem Ende der Röhre 110 bereitgestellt ist, das bevorzugt in den Speicherbehälter 300 hineinragt, und zum Ausstoß des Wasserstoffs in den Speicherbehälter 300 dient, und zumindest eine Öffnung 102, die in den Hauptkörper 101 und/oder die Röhre 110 eingebracht ist und dazu eingerichtet ist, beim Einströmen des Wasserstoffs in den Speicherbehälter 300 eine Saugwirkung auf den bereits in dem Speicherbehälter 300 vorhandenen Wasserstoff zu bewirken, wodurch eine Zirkulation des im Speicherbehälter 300 vorhanden Wasserstoffs erzeugbar ist. Die vorliegende Erfindung ist ferner auf einen Speicherbehälter 300 aufweisend die erfindungsgemäße Befüllvorrichtung sowie ein Verfahren zum Befüllen eines Wasserstofftanks mit verdichtetem Wasserstoff gerichtet.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Befüllvorrichtung für Wasserstofftanks, die zur Befüllung von Wasserstofftanks mit Wasserstoff, insbesondere komprimiertem gas- und/oder dampfförmigem Wasserstoff, dient, einen Wasserstofftank (Hochdruckspeicher) aufweisend die erfindungsgemäße Befüllvorrichtung sowie ein Verfahren zur Befüllung eines Wasserstofftanks, insbesondere unter Verwendung der erfindungsgemäßen Befüllvorrichtung.
Stand der Technik
In jüngster Zeit präsentieren Immer mehr Fahrzeughersteller Kraftfahrzeuge, welche durch gasförmige Kraftstoffe wie Erdgas, Autogas oder Wasserstoff angetrieben werden. Dazu zählen nicht nur Personenkraftwagen, sondern auch Busse, Lastwagen und Gabelstapler. Parallel zu der wachsenden Anzahl an Fahrzeugen, welche mit komprimierten Gasen betrieben werden, wächst auch die Zahl der Tankstellen, insbesondere die der Wasserstofftankstellen. Die Wasserstofftankstellen werden häufiger von Privatkunden verwendet. Aufgrund der höheren Drücke und wesentlich niedrigeren Temperaturen des Wasserstoffs im Vergleich zu Erdgas oder Autogas sind insbesondere für die Betankung mit Wasserstoff neue Entwicklungen für Betankungsverfahren und andere Vorrichtungen notwendig. Zudem müssen die Kosten für die Bereitstellung des Wasserstoffs so gering wie möglich gehalten werden um die Akzeptanz gegenüber anderen Kraftstoffen zu erhöhen. Gleichzeitig soll der notwendige Betankungsvorgang mit Wasserstoff vereinfacht, dessen Sicherheit erhöht und gleichzeitig die notwendige Zeit verkürzt werden.
Es existieren bereits Wasserstofftankstellen, an denen eine Betankung eines Fahrzeugs mit gasförmigem Wasserstoff bei Drücken von bis zu 700 bar erfolgen kann. Um mehrere Fahrzeuge hintereinander und/oder gleichzeitig betanken zu können, werden im Regelfall Betankungsverfahren eingesetzt, bei denen große Mengen an unter Druck stehendem gasförmigem Wasserstoff in entsprechenden Druckpuffern (bis zu 900 bar) zwischengespeichert werden.
Bei der Hochdruck-Befüllung von Wasserstofftanks kommt es zu einer Erwärmung des Wasserstoffs. Außerdem bildet sich innerhalb des Tanks ein Temperaturgradient aus, da der kalte, eingeblasene Wasserstoff wegen seiner höheren Dichte in den unteren Bereich des Tanks strömt während heißere Schichten nach oben abgedrängt werden. Der Tankmantel (speziell der Liner aus Kunststoff) darf hierbei jedoch nicht zu stark erwärmt werden. Um lokale Temperaturspitzen in dem Wasserstofftank oder ein generelles Erreichen einer zu hohen Temperatur während des Befüllvorgangs zu vermeiden, welche beide die Integrität des Wasserstofftanks gefährden können, wird die Befüllgeschwindigkeit begrenzt, was dem Wunsch nach kürzeren Betankungsvorgängen entgegensteht. Ferner ist es notwendig, den Wasserstoff vor dem Betankungsvorgang auf niedrige Temperaturen von bis zu -40° C zu kühlen, um zu verhindern, dass der Wasserstoff sich während des Befüllvorgangs auf eine kritische Temperatur erwärmen kann.
Daher besteht ein großer Bedarf an Befüllvorrichtungen oder Befüllverfahren, welche einerseits den Temperaturanstieg innerhalb des Wasserstofftanks während der Betankung, insbesondere die Entstehung von Temperaturspitzen, vermeiden, andererseits die Möglichkeit einer schnelleren Befüllung oder höherer Durchflussraten von Wasserstoff während der Betankung bieten.
Darstellung der Erfindung
Vor dem Hintergrund des oben beschriebenen Bedarfs liegt eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, eine Befüllvorrichtung für Wasserstofftanks, einen eine erfindungsgemäße Befüllvorrichtung aufweisenden Wasserstofftank sowie ein Verfahren zur Befüllung von Wasserstofftanks mit Wasserstoff bereitzustellen, die in der Lage sind, einerseits die Ausbildung eines Temperaturgradienten innerhalb des Wasserstofftanks während der Befüllung zu vermeiden, andererseits die Möglichkeit einer schnelleren Befüllung mit höheren Durchflussraten/Einflussraten von Wasserstoff während der Betankung zu bieten, oder das oben beschriebene energieaufwendige Kühlen des Wasserstoffs vor dem Befüllvorgang auf Temperaturen von bis zu -40° C auf einen niedrigeren Wert (beispielsweise -25° C) zu reduzieren, ohne die Betankungsgeschwindigkeit reduzieren zu müssen.
Die genannte Aufgabe wird gelöst durch eine Befüllvorrichtung zur Befüllung von Wasserstofftanks mit Wasserstoff nach Anspruch 1, einen Speicherbehälter oder Wasserstofftank nach Anspruch 14 sowie ein Verfahren zur Befüllung eines Wasserstofftanks nach Anspruch 15. Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Hierbei ist einer der Grundgedanken der vorliegenden Erfindung, einen Hauptkörper und/oder eine Röhre mit zumindest einer Öffnung zu versehen, die dazu eingerichtet ist, beim Einströmen von Wasserstoff durch den Hauptkörper und die Röhre in den Speicherbehälter oder Wasserstofftank eine Saugwirkung auf den bereits in dem Speicherbehälter vorhanden Wasserstoff zu bewirken.
Auf diese Weise kann der in dem Speicherbehälter bereits vorhandene Wasserstoff und/oder neu eingefüllte Wasserstoff in eine zirkulierende Bewegung oder Strömung versetzt werden, wodurch der in den Speicherbehälter eingebrachte oder eingeleitete Wasserstoff besser durchmischt werden kann und somit ein Temperaturgradienten innerhalb des Wasserstofftanks während der Befüllung vermieden werden kann, wodurch Temperaturspitzen unterbunden werden können, während die Möglichkeit einer schnelleren Befüllung mit höheren Durchflussraten/Einflussraten von Wasserstoff (Gramm pro Sekunde) während der Betankung realisiert werden können, oder mit niedrigeren Vorkühl-Temperaturen gleich schnell betankt werden kann.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung weist eine Befüllvorrichtung zur Befüllung eines Speicherbehälters (Wasserstofftanks), insbesondere eines Speicherbehälters eines Fahrzeugs, mit verdichtetem gas- und/oder dampfförmigem Wasserstoff, auf: einen Hauptkörper, insbesondere Ventilkörper, eine Röhre, insbesondere Injektor-Röhre, die dazu eingerichtet ist, sich in einem in einen Speicherbehälter eingebrachten Zustand in einer annähernd axialen Richtung des Speicherbehälters zu erstrecken und Wasserstoff in den Speicherbehälter einzuleiten, eine Ausstoßdüse, die an einem Ende der Röhre bereitgestellt ist, das bevorzugt in den Speicherbehälter hineinragt, und zum Ausstoß des Wasserstoffs in den Speicherbehälter dient, und zumindest eine Öffnung, die in den Hauptkörper und/oder die Röhre eingebracht ist und dazu eingerichtet ist, beim Einströmen des Wasserstoffs in den Speicherbehälter eine Saugwirkung oder einen Unterdruck auf den bereits in dem Speicherbehälter vorhandenen oder neu (kurz vorher) eingeleiteten Wasserstoff zu bewirken.
Wie oben bereits erwähnt wird es auf diese Weise ermöglicht, den in dem Speicherbehälter bereits vorhanden Wasserstoff beziehungswiese den in diesen neu (kurz vorher) eingeleiteten Wasserstoff in eine zirkulierende Bewegung, insbesondere von der Ausstoßdüse bis hin zu der Öffnung, zu versetzen, wodurch vermieden werden kann, dass sich ein Temperaturgradient im gespeicherten Wasserstoff ausbildet, welcher zu unerwünschten Temperaturspitzen führen kann. Auf diese Weise wird es ermöglicht, die Betankungsdurchflussmenge von 60 Gramm/Sekunde, wie es heute bei PKWs Standard ist, auf 120 Gramm/Sekunde oder sogar 180 Gramm/Sekunde zu steigern, ohne den Wasserstoff vor der Betankung oder Befüllung weiter runter Kühlen zu müssen (beispielsweise kann es ausreichend sein, den Wasserstoff auf weniger als -40° C, z.B. -25° C, zu kühlen).
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung umfasst der Begriff „Fahrzeug“ oder „Verkehrsmittel“ oder andere ähnliche Begriffe wie nachfolgend genutzt Kraftfahrzeuge im Allgemeinen, wie Passagierautomobile umfassend Sports Utility Vehicles (SUV), Busse, Lastwagen, verschiedene kommerzielle Fahrzeuge, Wasserfahrzeuge umfassend verschiedene Boote und Schiffe, Flugzeuge, Züge, und dergleichen, Hybridfahrzeuge, Elektrofahrzeuge, Plug-in-Hybrid-Elektrofahrzeuge, Wasserstoff-Fahrzeuge und andere alternative Fahrzeuge (z.B. Treibstoffe welche aus anderen Ressourcen als Erdöl gewonnen werden). Wie hier angeführt, ein Hybridfahrzeug ist ein Fahrzeug mit zwei oder mehreren Energieträgern, zum Beispiel benzinbetriebene und gleichzeitig elektrisch betriebene Fahrzeuge.
Hierbei kann es vorteilhaft sein, dass die Öffnung oder Ausnehmung in Form einer runden Bohrung, einer ovalen Bohrung, eines länglichen Schlitzes oder dergleichen ausgebildet ist.
Gemäß einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung kann es vorteilhaft sein, dass die Öffnung mit einem Strömungskanal strömungsführend verbunden ist, um einen Venturi-Effekt auf die Öffnung oder Ausnehmung beim Einströmen des Wasserstoffs durch die Röhre in den Speicherbehälter auszuüben.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung kann es vorteilhaft sein, dass die Öffnung so eingerichtet ist, dass eine Zirkulation des in den Speicherbehälter eingeleiteten Wasserstoffs oder des bereits darin vorhandenen Wasserstoffs von der Ausstoßdüse hin zu der Öffnung erzeugbar ist, wobei die Öffnung bevorzugt in axialer Richtung (Längsrichtung) des Speicherbehälters in eine entgegengesetzt zur Ausstoßdüse, insbesondere einer Öffnungsrichtung der Ausstoßdüse, gerichtete Richtung sich erstreckt oder ausgerichtet ist, bevorzugt in Richtung Kopffläche oder Kopfabschnitt des Speicherbehälters, in welcher der Anschlussstutzen vorgesehen ist.
Des Weiteren ist es vorteilhaft, wenn die Befüllvorrichtung als ein Injektor ausgeführt ist, der bevorzugt in ein Ventil, insbesondere ein Intankventil (im Englischen „On-Tank-Valve (OTV“), integriert ist, das dazu eingerichtet ist, an dem Speicherbehälter angebracht oder an diesem befestigt zu werden.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung kann die Vorrichtung einen Anschlussstutzen aufweisen, der dazu eingerichtet ist, in den Speicherbehälter, insbesondere einen Anschlussstutzen des Speicherbehälters, einbringbar oder einschraubbar zu sein.
Des Weiteren ist es vorteilhaft, wenn die Röhre ferner aufweist: einen ersten gebogenen Abschnitt, der sich zwischen der Ausstoßdüse und dem Hauptkörper befindet und sich in eine Richtung erstreckt, die relativ zu der axialen Richtung (Längsrichtung) des Speicherbehälters geneigt ist, und einen zweiten gebogenen Abschnitt, der bevorzugt die Ausstoßdüse aufweist, und der sich in eine Richtung erstreckt, die relativ zu der axialen Richtung (Längsrichtung) des Speicherbehälters geneigt ist.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung kann einer aus einem Neigungswinkel des ersten gebogenen Abschnitts relativ zu der axialen Richtung des Speicherbehälters und einem Neigungswinkel des zweiten gebogenen Abschnitts relativ zu der axialen Richtung des Speicherbehälters größer als 0 Grad und nicht größer als 90 Grad sein und der andere kann bevorzugt nicht kleiner als - 90 Grad und kleiner als 0 Grad sein, wenn die Röhre in einer Richtung senkrecht zu der axialen Richtung des Speicherbehälters gesehen wird.
Ferner ist es bevorzugt, dass zwischen dem ersten gebogenen Abschnitt und dem zweiten gebogenen Abschnitt ein Verbindungsabschnitt vorgesehen ist, der sich bevorzugt parallel mit der axialen Richtung des Speicherbehälters erstreckt, sodass sich die Röhre in axialer Richtung nach innen des Speicherbehälters, insbesondere weg von dem Hauptkörper erstreckt.
Auf diese Weise ist die Röhre mindestens zweimal in Richtungen gebogen, die relativ zu der axialen Richtung des Speicherbehälters geneigt sind, wobei die Röhre eine im Wesentlichen U-förmige Konfiguration zwischen dem ersten gebogenen Abschnitt und dem zweiten gebogenen Abschnitt einnimmt, und dadurch die Steifigkeit der Röhre erhöht ist.
Des Weiteren ist es vorteilhaft, wenn die Befüllvorrichtung eine Temperatur-Erfassungsvorrichtung, insbesondere einen Temperatursensor, aufweist, die sich von dem Hauptkörper in axialer Richtung des Speicherbehälters nach innen des Speicherbehälters erstreckt, wobei sich ein Temperaturmessbereich der Temperatur-Erfassungsvorrichtung zwischen der Ausstoßdüse und dem Hauptkörper, insbesondere zwischen den beiden gebogenen Abschnitten, befindet.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist es vorteilhaft, wenn ein durch die Öffnung gebildeter Strömungskanal, der die Öffnung mit dem in der Röhre und/oder dem Hauptkörper ausgebildeten Strömungskanal strömungsführend verbindet, einen Neigungswinkel relativ zu der axialen Richtung des Speicherbehälters in einem Bereich von 15 Grad bis 45 Grad, bevorzugt von 20 Grad bis 30 Grad, bildet.
Hierbei ist es vorteilhaft, wenn die Öffnung einen Durchmesser aufweist, der ein Verhältnis im Bereich von 1:3 bis 1:2 zu dem Durchmesser der Auslassöffnung der Ausstoßdüse aufweist.
Des Weiteren kann es vorteilhaft sein, wenn die Befüllvorrichtung als eine Gas-Handhabungseinrichtung ausgebildet ist, die bevorzugt für eine Wasserstoffversorgungsanlage verwendbar ist, aufweisend: mindestens eine Temperaturerfassungseinheit, welche bevorzugt die oben beschriebene Temperatur-Erfassungsvorrichtung ist, mindestens eine Druckerfassungseinheit, und ein in ein Leitungsstück eingebundenes Sicherheitsventil, wobei das Sicherheitsventil zwischen einer geöffneten Stellung, in der Wasserstoff durch das Leitungsstück strömen kann, und einer geschlossenen Stellung, in der kein Gas durch das Leitungsstück strömen kann, verstellt werden kann, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperaturerfassungseinheit und die Druckerfassungseinheit so angeordnet sind, dass sie eine Temperatur und einen Druck des durch das Leitungsstück strömenden Wasserstoffs in einem Zustand erfassen können, in dem der Wasserstoff an dem geschlossenen Sicherheitsventil druckbeaufschlagend ansteht, und die Ventileinrichtung ferner dazu eingerichtet ist, basierend auf den erfassten Temperatur- und Druckwerten eine Dichtheitsprüfung des Leitungsstücks, insbesondere eines an das Leitungsstück angeschlossenen Gasdruckspeichersystems, durchzuführen, insbesondere im geschlossenen Zustand des Sicherheitsventils.
Hierbei kann in vorteilhafter Weise in Strömungsrichtung S1, insbesondere in Ausströmrichtung des Wasserstoffs aus dem Speicherbehälter in Richtung Verbraucher, vor dem Sicherheitsventil, ein Überschussflussventil und/oder Drosselventil vorgesehen sein.
Hierbei ist es ferner bevorzugt, dass die Befüllvorrichtung eine Kommunikationseinrichtung, insbesondere eine drahtlose Kommunikationseinrichtung unter Verwendung von Infrarot, Funk, Bluetooth, oder WLAN (drahtloses lokales Netzwerk), aufweist, die dazu eingerichtet ist, mit den elektrischen Verbrauchern, insbesondere Steuereinheiten der elektrischen Verbrauchern, oder Nutzern einer Ladestation, zu kommunizieren, insbesondere um einen Betankungsvorgang oder Ladevorgang zu starten und/oder zu steuern und/oder zu regeln. Hierbei kann die Kommunikationseinrichtung und/oder die Steuereinrichtung dazu eingerichtet werden, dass mittels dieser vor Durchführung des Betankungs- oder Ladevorgangs eine Identifikation des Nutzers bzw. eine Bezahlung erfolgt.
Des Weiteren kann es hierbei vorteilhaft sein, dass die Kommunikationseinrichtung dazu eingerichtet ist, mit der Steuereinrichtung zu kommunizieren, insbesondere mit dieser zu kommunizieren, um einen Betankungsvorgang zu starten und/oder zu steuern und/oder zu regeln.
Des Weiteren betrifft die vorliegende Erfindung einen Speicherbehälter, insbesondere Wasserstoffhochdruckspeichertank, aufweisend: einen aus einem mehrschichtigen Laminat gebildeten Hohlkörper, einen in den Hohlkörper eingebrachten Anschlussstutzen, und die oben beschriebene Befüllvorrichtung, wobei die Befüllvorrichtung bevorzugt in den Anschlussstutzen einbringbar oder einschraubbar ist.
Ferner betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Befüllung eines Wasserstofftanks mit verdichtetem gasförmigem Wasserstoff, aufweisend die Schritte:

Einleiten des verdichteten Wasserstoffs in einen Speicherbehälter über einen Hauptkörper und eine Röhre in den Speicherbehälter, und
Erzeugen einer Saugwirkung in zumindest einer Öffnung, die in dem Hauptkörper und/oder in der Röhre vorgesehen ist, mittels des Venturi-Effekts durch die Strömung des Wasserstoffs durch den Hauptkörper und/oder die Röhre beim Einströmen des Wasserstoffs in den Speicherbehälter.

Figurenliste
Weitere Merkmale und Vorteile einer Vorrichtung, einer Verwendung und/oder eines Verfahrens ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beiliegenden Figuren. Von diesen Figuren zeigt:

1 schematisch den Aufbau einer bekannten Befüllvorrichtung für Wasserstofftanks (Injektor) gemäß dem Stand der Technik,
2 schematisch die Veränderung der Temperaturverteilung innerhalb eines Speicherbehälters während des Befüllvorgangs,
3 schematisch das Geschwindigkeitsprofil des in den Speicherbehälter einströmenden Wasserstoffs während der Befüllung,
4 schematisch den Aufbau einer Befüllvorrichtung für Wasserstoff gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
5 schematisch den Aufbau einer Ventileinrichtung, insbesondere eines On-Tanke-Valves, in welche die erfindungsgemäße Befüllvorrichtung integrierbar ist,
6 ein Rohrleitungs- und Instrumentenfließschema einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Ventileinrichtung,
7 schematisch eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Gasdruckspeichersystems, und
8 ein Rohrleitungs- und Instrumentenfließschema einer weiteren Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Ventileinrichtung.

Beschreibung von Ausführungsformen
Gleiche Bezugszeichen, die in verschiedenen Figuren aufgeführt sind, benennen identische, einander entsprechende, oder funktionell ähnliche Elemente.
1 zeigt schematisch den Aufbau einer bekannten Befüllvorrichtung 600 für Wasserstofftanks (Injektor) gemäß dem Stand der Technik. Die dargestellte Befüllvorrichtung 600 ist als Ventil, insbesondere Intankventil, ausgebildet und umfasst einen Ventilhauptkörper 600 und ein Ventilrohr 602. Der Ventilhauptkörper 600 ist verbunden mit einer externen Gasversorgungsleitung und kann ein in einem Speicherbehälter gespeichertes Brenngas (Wasserstoff) einem Verbraucher zuführen. Wenn ein Kraftstoff (Wasserstoff) eingefüllt wird, wird der Ventilhauptkörper 600 mit einer externen Kraftstoffversorgungsanlage (z.B. Wasserstofftankstelle) verbunden und der Kraftstoff kann eingefüllt werden. An der äußeren Umfangsfläche des Ventilrohrs 602 ist ein Befestigungsabschnitt (zum Beispiel ein Außengewinde, das nicht dargestellt ist) ausgebildet. Mit dem Befestigungsabschnitt kann das Ventil an einem Speicherbehälter befestigt werden. An das Ventilrohr 602 sind ein Rohr 610 und ein Temperatursensor 620, die sich in axialer Richtung erstrecken, vorgesehen. Das Rohr 610 weist eine Öffnung 611 auf, über die der Wasserstoff in den Speicherbehälter eingelassen wird. Der Temperatursensor 620 dient dabei dazu, die in dem Speicherbehälter vorherrschende Temperatur des eingeleiteten Wasserstoffs zu erfassen, und falls notwendig, d.h. falls die erfasste Temperatur sich einem oberen Grenzwert nähert, den Betankungsvorgang zu pausieren oder zu beenden.
2 zeigt schematisch die Veränderung der Temperaturverteilung innerhalb eines Speicherbehälters während des Befüllvorgangs mit einer herkömmlichen Befüllvorrichtung. Hierbei zeigt die obere Abbildung in 2 den Temperaturverteilung des Wasserstoffs innerhalb des Speicherbehälters nach einer Betankungsdauer von 20 Sekunden. Wie der oberen Abbildung entnommen werden kann, beginnt sich bereits ein Temperaturgradient von der linken oberen Ecke zum Einlass des Wasserstoffs an der rechten Seite des Speicherbehälters auszubilden. Die Temperatur im linken oberen Bereich des Speicherbehälters liegt bereits in einem Bereich von etwa 50° C, wobei am Einlass des Wasserstoffs noch Temperaturen im Bereich von etwa 20° C vorliegen.
In der unteren Abbildung von 2 sind bereits 160 Sekunden Betankung erfolgt, entsprechend stark hat sich zwischenzeitlich der Temperaturgradient ausgebildet. Am linken Ende des Speicherbehälters haben sich Temperaturspitzen von bis zu 90° C ausgebildet, wobei auf der Seite des Einlasses die Temperatur am Liner noch etwa 65° C beträgt. Die 2 veranschaulicht hierbei sehr deutlich, dass trotz schräger Einströmung des Wasserstoffs in den Speicherbehälter die Ausbildung eines Temperaturgradienten innerhalb des Speicherbehälters nicht vermieden werden kann.
3 zeigt schematisch das Geschwindigkeitsprofil des in den Speicherbehälter einströmenden Wasserstoffs während der Befüllung mit einer herkömmlichen Befüllvorrichtung. Wie den beiden Abbildungen entnommen werden kann, verringert sich mit Verlauf der Betankung und damit ansteigendem Druck des gespeicherten Wasserstoffs das Strömungsverhalten des Wasserstoffs innerhalb des Speicherbehälters, insbesondere wird mit Anstieg des Drucks die kinetische Energie des einströmenden Wasserstoffs immer schneller in Wärmeenergie umgewandelt, wodurch der einströmende Wasserstoff sich schneller erwärmt.
4 zeigt schematisch den Aufbau einer Befüllvorrichtung 100 für Wasserstoff gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die dargestellte Befüllvorrichtung weist einen Hauptkörper 101, welcher Teil eines Ventilkörper ist und eine Röhre 110 die dazu eingerichtet ist, sich in einem in einen Speicherbehälter 300 eingebrachten Zustand in eine axiale Richtung des Speicherbehälters zu erstrecken und Wasserstoff in den Speicherbehälter einzuleiten. Herkömmliche Speicherbehälter 300, insbesondere für Fahrzeuge, weisen eine längliche Zylinderform auf, wobei das Intankventil, welches bevorzugt die Befüllvorrichtung beinhaltet, an einer Stirnseite des Speicherbehälters 300 derart vorgesehen ist, dass sich die Röhre 110 entlang der Längserstreckung des Speicherbehälters 300 erstreckt.
Wie der 4 ferner entnommen werden kann, weist die Befüllvorrichtung 100, insbesondere die Röhre 110, eine Ausstoßdüse 11 auf, die an dem Ende der Röhre 110 bereitgestellt ist, das in den Speicherbehälter 300 hineinragt, und zum Ausstoß des Wasserstoffs in den Speicherbehälter 300 dient. Ferner weist die Befüllvorrichtung eine Öffnung 102 auf, die in den Hauptkörper 101 und/oder die Röhre 110 eingebracht ist und dazu eingerichtet ist, beim Einströmen des Wasserstoffs in den Speicherbehälter 300 eine Saugwirkung oder Unterdruck auf den bereits in dem Speicherbehälter 300 vorhandenen Wasserstoff zu bewirken, wodurch in dem Speicherbehälter eine zirkulierende Strömung ausgebildet wird. Die 4 zeigt ebenfalls, dass die Öffnung 102 mit einem Strömungskanal 103 strömungsführend verbunden ist, um einen Venturi-Effekt auf die Öffnung 102 beim Einströmen des Wasserstoffs durch die Röhre 110 in den Speicherbehälter 300 auszuüben, wodurch ein Teil des im Speicherbehälter 300 vorhandenen Wasserstoffs in die Öffnung 102 eingesaugt und mit dem einströmenden Wasserstoff vermischt wird. Hierbei kann es auch vorteilhaft sein über den Umfang des Hauptkörpers 101 und/oder den Umfang der Röhre 110 eine Vielzahl von Öffnungen 102 vorzusehen, insbesondere symmetrisch um den Umfang verteilt vorzusehen.
Auf diese Weise erfolgt eine homogenere Vermischung des Wasserstoffs innerhalb des Speicherbehälters, wodurch die Ausbildung eines Temperaturgradienten unterbunden werden kann.
In der dargestellten Ausführungsform erstreckt sich die Öffnung 102 in axialer Richtung (Längsrichtung) des Speicherbehälters in eine entgegengesetzt zur Ausstoßdüse 111, insbesondere einer Öffnungsrichtung der Ausstoßdüse, gerichtete Richtung oder ist in diese ausgerichtet. Mit anderen Worten erstreckt sich die Öffnung 102 bevorzugt in Richtung Kopffläche oder Stirnseite des Speicherbehälters 300, in welcher der Anschlussstutzen vorgesehen ist.
Wie der Figur ferner entnommen werden kann, kann die Befüllvorrichtung 100 eine Temperatur-Erfassungsvorrichtung 120 aufweisen, die sich von dem Hauptkörper 101 in axialer Richtung des Speicherbehälters 300 nach innen des Speicherbehälters 300 erstreckt, wobei sich ein Temperaturmessbereich 120A der Temperatur-Erfassungsvorrichtung 120 zwischen der Ausstoßdüse 111 und dem Hauptkörper 101 befindet.
5 schematisch den Aufbau einer Ventileinrichtung 400, insbesondere eines On-Tanke-Valves, in welche die erfindungsgemäße Befüllvorrichtung integrierbar ist. Die dargestellte Ventileinrichtung 400 ist als Intankventil (OTV) ausgeführt insbesondere als ein OTV-R, d.h. ein Intankventil mit Druckregelventil 407. Wie der 5 entnommen werden kann, weist das Intankventil eine Temperaturerfassungseinheit 401 und eine Druckerfassungseinheit 402 auf. Die Temperaturerfassungseinheit 401 ist direkt an einem Anschlussstutzen 411 des Intankventils, anhand dem das Intankventil an einen Gasdruckspeicher 300 befestigt ist, insbesondere in diesen hineingeschraubt ist, vorgesehen. Die Temperaturerfassungseinheit 401 ist an dem Ende des Anschlussstutzens 411 vorgesehen, welches in den Gasdruckspeicher 300 hineinragt. Entsprechend ist die Temperaturerfassungseinheit 401 in direktem Kontakt mit dem in dem Gasdruckspeicher 300 gespeicherten Kraftstoff.
Die Druckerfassungseinheit 402 ist hingegen in einer externen Komponente untergebracht, welche gasdicht an das Intankventil 400 angebunden, insbesondere angeschraubt, ist. Die Druckerfassungseinheit 402 ist über eine eigenständige Fluidleitung, welche zumindest teilweise durch den Anschlussstutzen 411 läuft mit dem gespeicherten Kraftstoff (Brenngas oder Wasserstoff) in Kontakt. Entsprechend kann die Druckerfassungseinheit 402 direkt den in dem Gasdruckspeicher oder Speicherbehälter 300 vorherrschenden Druck (Gasdruckspeicherdruck PI) erfassen bzw. messen.
Des Weiteren weist das dargestellte Intankventil 400 ein in ein Leitungsstück 403 eingebundenes Sicherheitsventil 404 auf, wobei das bevorzugt impulsgesteuerte Sicherheitsventil 404 zwischen einer geöffneten Stellung, in der Gas durch das Leitungsstück 403 strömen kann, und einer geschlossenen Stellung, in der kein Gas durch das Leitungsstück 403 strömen kann, verstellt werden kann. In der gezeigten Ausführungsform dient das Leitungsstück 403 dazu, den in dem Gasdruckspeicher 300 unter Hochdruck (bis zu 900 bar) gespeicherten Kraftstoff über einen Versorgungsanschluss A2 einem nachgeschalteten Verbraucher (nicht dargestellt) zur Verfügung zu stellen.
Hierbei sind wie der 5 entnommen werden kann, die Temperaturerfassungseinheit 401 und die Druckerfassungseinheit 402 so angeordnet, dass sie eine Temperatur und einen Druck des durch das Leitungsstück 403 strömenden Gases in einem Zustand erfassen können, in dem das Gas an dem geschlossenen Sicherheitsventil 404 druckbeaufschlagend ansteht. Mit anderen Worten, die beiden Erfassungseinheiten, welche als Sensoren ausgebildet sind, können direkt die Temperatur und den Druck des in dem Gasdruckspeicher durch das Sicherheitsventil 404 eingesperrten Kraftstoffes erfassen.
Wird das Sicherheitsventil 404, geöffnet, so strömt der in dem Gasdruckspeicher oder Speicherbehälter 300 unter Hochdruck, etwa 350 bar, 700 bar, 875 bar, oder 900 bar, gespeicherte Kraftstoff über das Leitungsstück 403 in Richtung Versorgungsanschluss A2, wodurch der gespeicherte Kraftstoff einem nachgeschalteten Verbraucher zur Verfügung gestellt wird. Vor dem Erreichen des Sicherheitsventils 404 strömt der gespeicherte Kraftstoff erst durch einen Filter 406, um in dem gespeicherten Kraftstoff vorhandene Verunreinigungen zu entfernen. Danach strömt der Kraftstoff durch ein Überschussflussventil 405, wodurch der maximale Durchfluss des aus dem Gasdruckspeicher 300 ausströmenden Kraftstoffes begrenzt wird, insbesondere derart begrenzt wird, dass der maximale Durchfluss etwas höher bestimmt ist wie der seitens der angeschlossenen Verbraucher maximal benötigte Durchfluss.
Auf diese Weise wird einerseits ein für die Versorgung des nachgeschalteten Verbrauchers bzw. der nachgeschalteten Verbraucher ausreichend großer Kraftstoffdurchfluss gewährleistet, andererseits wird der Durchfluss soweit wie möglich begrenzt, so dass im Falle einer Störung nicht ungewollt viel Kraftstoff entweicht.
Nach dem Sicherheitsventil 404 ist in Strömungsrichtung S1 in dem Leitungsstück 403 das Druckregelventil 407 vorgesehen, das den seitens des Gasdruckspeichers 300 eingeleiteten Gasdruck (Gasdruckspeicherdruck) Pl auf einen voreingestellten bzw. an die Arbeitslast des nachgeschalteten Verbrauchers angepassten Arbeitsdruck P2 reduziert und/oder reguliert.
Zwischen dem Sicherheitsventil 404 und dem Druckregelventil 407 ist ein Rückschlagventil derart angeordnet, dass ein Rückfluss von dem Druckregelventil 407 in Richtung Sicherheitsventil 404 unterbunden wird.
Des Weiteren ist in der dargestellten Ausführungsform ein weiteres, bevorzugt magnetisches, Sicherheitsventil nach dem Druckregelventil 407 angeordnet, wobei es mittels dieses Sicherheitsventils möglich ist, in der Ventileinrichtung 400, insbesondere dem Intankventil, den bereits auf Arbeitsdruck P2 reduzierten Kraftstoff, abzuriegeln bzw. einzuschließen und den danach angeordneten Verbraucher, beispielsweise ein Brennstoffzellensystem leer zu fahren. Mit anderen Worten den Kraftstoff aus dem Brennstoffzellensystem zu entfernen und somit den anliegenden Druck abzubauen. Hierbei ist es ferner vorteilhaft, wenn das weitere Sicherheitsventil derart gestaltet ist, dass es lediglich bis zu einem vorbestimmten Druck wie beispielsweise 50 bar öffnen kann, also einem Druck der einerseits niedriger als der im Gasdruckspeicher 300 vorherrschende Maximaldruck von 350 bar, 700 bar, 875 bar oder 900 bar ist und andererseits größer als der vom nachgeschalteten Verbraucher benötigte Arbeitsdruck P2 ist.
Ferner weist das dargestellte Intankventil 400 eine erste Überdruckvorrichtung 410 in Form eines Überdruckventils auf, welches in der dargestellten Ausführungsform auf einen Druck von 19 bar eingestellt ist, damit wird der an dem nachgeschalteten Verbraucher anliegende Arbeitsdruck P2 auf 19 bar begrenzt. Weist das Druckregelventil 407 eine Störung auf und reduziert beispielsweise den Druck des Kraftstoffes lediglich auf 50 bar, öffnet das Überdruckventil 410 und entlässt den überschüssigen Kraftstoff über den Entlastungsanschluss A3 an die Umgebung.
Wie der 5 weiter zu entnehmen ist, weist das dargestellte Intankventil 400 ferner eine zweite Überdruckvorrichtung 408 auf, die als eine Berstscheibe ausgebildet ist und dazu eingerichtet ist, den an das Intankventil 400 angeschlossenen Gasdruckspeicher 300 vor Überdruck zu schützen.
Des Weiteren weist das Intankventil 400 eine thermische Druckentlastungsvorrichtung 409 auf, die dazu eingerichtet ist, bei einen vorbestimmten Temperatur-Grenzwert zu öffnen, d.h. ein standardmäßig geschlossenes Ventil der Druckentlastungsvorrichtung 409 zu öffnen, um den in dem Gasdruckspeicher 300 gespeicherten Kraftstoff über den Entlastungsanschluss A3 an die Umgebung abzulassen. Hierbei ist die Druckentlastungsvorrichtung 409 derart ausgestaltet, dass der Kraftstoff nicht zu schnell entweichen kann, um den Gasdruckspeicher 300 vor Schäden zu schützen, den Kraftstoff dennoch in einer ausreichenden hohen Geschwindigkeit, in der Regel innerhalb von 3 bis 5 Minuten entweichen zu lassen, so dass die Integrität des Gasdruckspeichers 300 bis zur vollständigen Entleerung gewährleistet werden kann.
Die Druckentlastungsvorrichtung 409 kann wie in der dargestellten Ausführungsform gezeigt parallel zu der zweiten Überdruckvorrichtung 408 (Berstscheibe) und der Druckerfassungseinheit 402 in einem Fluidstrang angeordnet sein, welcher den Entlastunganschluss A3 mit dem Innenraum (Speicherraum) des Gasdruckspeichers 300 fluidführend verbindet. Des Weiteren kann die Druckentlastungsvorrichtung 409 irreversible durch Bersten eines Glaskörpers betätigt, d.h. geöffnet werden, wobei das Bersten des Glaskörpers so eingestellt ist, dass das Bersten bei einer vorbestimmten Temperatur und gegebenenfalls erst nach Vorliegen der vorbestimmten Temperatur für eine vorgegebene Zeitdauer geschieht. Hierbei ist es aus Sicherheitsgründen vorteilhaft, wenn das Betätigen bzw. Auslösen der Druckentlastungsvorrichtung irreversibel erfolgt, damit ein ungewünschtes Schließen nach einmaliger Betätigung bzw. Auslösung der Druckentlastungsvorrichtung ausgeschlossen werden kann. Das Betätigen der Druckentlastungsvorrichtung kann jedoch auch durch einen externen Impuls oder durch Ansteuern erfolgen.
Wie die 5 weiter zeigt, weist das dargestellte Intankventil eine Steuerungsvorrichtung 420 auf, die dazu dienen kann, die von den Erfassungseinrichtungen 401 und 402 erfassten Werte auszuwerten und gegebenenfalls zu protokollieren und basierend auf den erfassten Werten einen Integritätszustand des Gasdruckspeichers 300 und des Intankventils 400 zu ermitteln. Die Steuerungsvorrichtung 420 ist ferner dazu eingerichtet, basierend auf den erfassten Werten einen Kraftstoffversorgungsvorgang des nachgeschalteten Verbrauchers zu steuern, insbesondere das Druckregelventil 407 entsprechend zu öffnen bzw. zu schließen. Hierbei kann, um unterschiedliche Drücke einstellen zu können, das Druckregelventil auch teilweise geöffnet bzw. geschlossen werden, so dass Öffnungsgrade zwischen 0% und 100% ebenfalls möglich sind.
Des Weiteren weist das in 5 dargestellte Intankventil 400 eine Kommunikationsvorrichtung auf, die beispielsweise eine Bluetooth- und eine WLAN-Antenne aufweist, anhand der das Intankventil 400 mit externen Nutzern drahtlos kommunizieren kann. Ferner weist das gezeigte Intankventil eine wie oben bereits im Detail beschriebene Leckage-Erfassungseinrichtung auf.
Abschließend weist das gezeigte Intankventil 400 einen Betankungsanschluss (Befüllungsanschluss) A1 auf, mittels dessen der Gasdruckspeicher mit Gas, insbesondere Kraftstoff, befüllt werden kann. Hierzu verfügt das dargestellte Intankventil 400 über einen separaten Betankungskanal, in dem der eingeleitete Kraftstoff in Strömungsrichtung S2 in den Gasdruckspeicher 300 geleitet wird. In dem Betankungskanal ist wiederum ein Filter vorgesehen, um Verunreinigungen, die in dem einzufüllenden Kraftstoff vorhanden sind, daran zu hindern, in den Gasdruckspeicher 300 zu gelangen und darin zu akkumulieren. In Strömungsrichtung S2 hinter dem Filter ist ferner ein Rückschlagventil oder sind mehrere hintereinander geschaltete Rückschlagventile angeordnet, welche(s) ein Zurückströmen des eingefüllten Kraftstoffes zu dem Filter unterbindet. Ferner ist am dem Gasdruckspeicher 300 zugewandten Ende des Betankungskanals ein weiteres Rückschlagventil vorgesehen, das ein Entweichen des eingefüllten Kraftstoffes über den Betankungsanschluss A1 unterbindet.
Nach dem gezeigten Rückschlagventil kann die in 4 dargestellte erfindungsgemäße Befüllvorrichtung vorgesehen sein, um den in den Speicherbehälter 300 eingeleiteten Wasserstoff während der Betankung oder Befüllung in eine zirkulierende Strömung zu versetzten, um mögliche Temperaturgradienten in dem im Speicherbehälter 300 gespeicherten Wasserstoff zu unterbinden.
6 zeigt ein Rohrleitungs- und Instrumentenfließschema einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Ventileinrichtung 400, wobei die dargestellte Ventileinrichtung in ihrem grundsätzlichen Aufbau dem in 3 dargestellten Intankventil 400 entspricht.
Wie der 6 entnommen werden kann, weist die gezeigte Ventileinrichtung 400, insbesondere Gas-Handhabungseinrichtung, sechs Schnittstellen auf, mit denen die Ventileinrichtung 400 mit externen Komponenten verbunden werden kann, insbesondere fluidführend verbunden werden kann. Hierbei dient beispielsweise die Schnittstelle 1 zum Anschluss eines einzelnen Gasdruckspeichers 300 oder eines Gasdruckspeichersystems an die Ventileinrichtung 100. Entsprechend weist die Schnittstelle 1 eine Zuführleitung (Nebenversorgungsleitung) auf, über welche der Gasdruckspeicher 300 mit Kraftstoff befüllt werden kann, einen Hauptversorgungsstrang, über den der in dem Gasdruckspeicher 300 unter Hochdruck gespeicherte Kraftstoff einem Verbraucher zugeführt werden kann, und zwei Mess- und Diagnosepfade. Der erste Mess- und Diagnosepfad verbindet den Innenraum (Kraftstofffüllung) des Gasdruckspeichers 300 mit einem in der Ventileinrichtung vorgesehenen Temperaturelement (Temperaturerfassungseinheit 401), mittels dessen die Temperatur des Kraftstoffes im Gasdruckspeicher 300 erfasst werden kann. Der zweite Mess- und Diagnosepfad teilt sich auf drei parallel angeordnete Pfade / Leitungen auf, an einem der drei Pfade ist einerseits eine Schnittstelle 5 ausgebildet, an der ein auswechselbares/montierbares Drucksensorelement (Druckerfassungseinheit 402) angeschlossen ist. Das an die Schnittstelle 5 angeschlossene Drucksensorelement erfasst über den zweiten Mess- und Diagnosepfad den Druck innerhalb des Gasdruckspeichers 300. In einem zweiten Pfad ist eine Berstscheibe (Überdruckvorrichtung 408) angeordnet, welche den angeschlossenen Gasdruckspeicher 300 vor Überdruck schützt. Mit anderen Worten, erreicht beispielsweise während der Befüllung des Gasdruckspeichers aufgrund einer fehlerhaften Betankungsanlage der Druck innerhalb des Gasdruckspeichers 300 einen vorbestimmten Grenzwert, beispielsweise 900 bar, so zerbricht die Berstscheibe und öffnet dadurch den Zugang zu der Schnittstelle 4 (Entlastungsanschluss A3), über welche der Kraftstoff in die Umgebungsluft abgegeben werden kann.
An dem dritten Pfad ist eine thermische Druckentlastungsvorrichtung (TPRD) vorgesehen, welche beim Erreichen eines vorbestimmten Grenzwertes / maximal Temperatur, beispielsweise im Falle eines Unfalls mit Brandfolge, ebenfalls einen Zugang zu der Schnittstelle 4 (Entlastungsanschluss A3) öffnet, wodurch der im Gasdruckspeicher 300 gespeicherte Kraftstoff kontrolliert an die Umgebung abgegeben/abgelassen werden kann. Hierbei kann eine kanalisierte Freisetzung an die Umgebung erfolgen. Darunter ist zu verstehen, dass die Richtung der Freisetzung derart gewählt wird, dass der ausströmende Kraftstoff in einer Richtung freigesetzt wird, in der keine Bauteile und/oder Personen gefährdet werden.
Wie der 6 ferner entnommen werden kann, sind innerhalb des Gasdruckspeichers 300 ein Filter F2, ein Rückschlagventil CV2 und ein Überschussflussventil EFV angeordnet, deren Funktion bereits in Zusammenhang mit 3 beschrieben wurde.
In dem Hauptversorgungsstrang sind in Strömungsrichtung zu einer Schnittstelle 3, an welche ein nachgeschalteter Verbraucher wie beispielsweise ein Brennstoffzellensystem angeschlossen werden kann, ein Sicherheitsventil SV1, ein Rückschlagventil CV3, ein Druckregelventil PR und ein weiteres Sicherheitsventil SV2 angeordnet, wobei beide Sicherheitsventile als Magnetventile ausgebildet sind.
Des Weiteren ist in Strömungsrichtung hinter dem zweiten Sicherheitsventil SV2 eine Überdruckvorrichtung PRV angebunden, welche beim Erreichen eins voreingestellten Maximaldrucks, welcher so gewählt ist, dass der nachgeschaltete Verbraucher nicht beschädigt werden kann, auslöst und im betätigten Zustand einen Zugang zu der Schnittstelle 4 (Entlastungsanschluss A3) öffnet, wodurch der überschüssige Kraftstoff nach außen abgelassen werden kann.
Zusätzlich weist die gezeigte Ventileinrichtung 400 eine Schnittstelle 2 auf, über welche beispielsweise eine Betankungsanlage mit der Ventileinrichtung 400 zur Befüllung des Gasdruckspeichers 300 verbunden werden kann. In Strömungsrichtung von der Schnittstelle 2 zur Schnittstelle 1, an welcher der Gasdruckspeicher 300 angeschlossen ist, sind ein Filter F1, ein Rückschlagventil CV1 und das im Gasdruckspeicher 300 vorgesehene Rückschlagventil CV2 angeordnet. Hierbei ist in vorteilhafterweise die Zuführleitung (Nebenversorgungsleitung) über ein Rückschlagventil CV4 mit der Hauptversorgungsleitung verbunden, insbesondere zwischen dem Rückschlagventil CV3 und dem Druckregelventil PR.
Schnittstelle 6 illustriert eine Signalanbindung, mittels der die Sicherheitsventile SV1 und SV2, das Druckregelventil PR und die Sensorelemente PT, TE mit einer Steuerungseinrichtung verbunden werden können, wobei die Steuerungseinrichtung mit in die Ventileinrichtung 400 integriert seit kann.
7 schematisch eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Gasdruckspeichersystems 500, das beispielhaft aus zwei Gasdruckspeichern 300, zwei Intankventilen 450, die jeweils in einen Gasdruckspeicher 300 eingeschraubt sind, und einer Ventileinrichtung 400, die als Gas-Handhabungseinrichtung ausgebildet ist, besteht. Die Gas-Handhabungseinrichtung umfasst sämtliche in Bezug zu dem in 5 gezeigten Intankventil 400 beschriebenen Komponenten bzw. damit verbundene Funktionen.
Die zwei dargestellten Intankventile 450 hingegen sind auf minimal notwendige Sicherheitsfunktionen begrenzt. So weißen die beiden Intankventile 450 jeweils ein Sicherheitsventil 454 auf, mittels dessen ein ungewolltes Ausströmen des Kraftstoffes aus den einzelnen Gasdruckspeichern 300 unterbunden werden kann, insbesondere im Falle eines Unfalls. Entsprechend sind die Schutzventile 454, wie auch das Schutzventil 404 der Gas-Handhabungseinrichtung 400, selbstschließende Ventile. Des Weiteren umfassen die Intankventile 450 jeweils ein Überschussflussventil 456, das dazu eingerichtet ist, das Ausströmen des Kraftstoffes auf einen vorbestimmten Maximalwert zu begrenzen. Ferner weisen die Intankventile 450 einen Betankungskanal 457 auf, der mit einem Rückschlagventil versehen ist. Ferner ist noch vor dem Sicherheitsventil 454, insbesondere vor dem Überschussflussventil 456, ein Filter 455 angeordnet. Abschließend weisen die beiden Intankventile 450 noch eine Temperatur- und/oder Druckerfassungseinrichtung 451 auf.
Die den Intankventilen 400 in Ausströmrichtung S1 nachgeschaltete Gas-Handhabungseinrichtung 400 weist ebenfalls ein Überschussflussventil 406 auf, das dazu dient, die durch die Vielzahl von angebundenen Gasdruckspeichern 300 (hier zwei) akkumulierte Durchflussmenge an Kraftstoff zu limitieren. Des Weiteren weist die Gas-Handhabungseinrichtung 400 einen Anschlussbereich 430 auf, mittels dessen die beiden Intankventile 450 elektrisch und elektronisch mit der Gas-Handhabungseinrichtung 400, insbesondere deren Steuerungseinrichtung 420, verbunden sind. Auf diese Weise kann die Steuerungseinrichtung 420 auf die mittels der Temperatur- und/oder Druckerfassungseinrichtung 451 ermittelten Werte oder Daten zugreifen und entsprechend die Sicherheitsventile 454 falls notwendig betätigen.
8 zeigt ein Rohrleitungs- und Instrumentenfließschema einer weiteren Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Ventileinrichtung 400, wobei die gezeigte Ventileinrichtung eine Weiterbildung der in den 3 bis 5 gezeigten Ventileinrichtung ist. Die in 8 gezeigte Ventileinrichtung weist ebenfalls die Schnittstellen 1 bis 4 auf, lediglich die Schnittstellen 5 (Druckerfassungseinheit 102) und 6 (Signalanbindung) fehlen. Dies liegt daran, dass die Steuerungsvorrichtung 420 und die Druckerfassungseinheit 402 direkt in die Ventileinrichtung 400 integriert sind.
Wie der 8 ferner entnommen werden kann, sind in der dargestellten Ausführungsform der Ventileinrichtung 400 in Strömungsrichtung von der Schnittstelle 1 zu der Schnittstelle 3, an welcher ebenfalls ein Verbraucher angeschlossen werden kann, in dem Hauptversorgungsstrang ein Überschussflussventil EFV1.1, ein erstes manuelles Ventil (Sicherheitsventil) MV1.1, ein Filter F1.1, ein Magnetventil XV 1.1, ein Druckregelventil PRV1.1, ein zweiter Filter F1.2 und ein zweites manuelles Ventil MV1.4. Wie in 6, ist auch hier eine Überdruckvorrichtung PSV1 nach dem Druckregelventil PRV1.1 vorgesehen, welches über die Schnittstelle 4 überschüssigen Kraftstoff nach außen ablassen kann.
Der große Unterschied zur in 6 beschriebenen Ventileinrichtung liegt einerseits darin, dass nicht nur vor dem Druckregelventil PRV1.1 ein Drucksensor PT1.1 und ein Temperatursensor TT1.1 vorgesehen sind, sondern auch in Strömungsrichtung hinter dem Druckregelventil PRV1.1 ein Drucksensor PT1.2 und ein Temperatursensor TT1.2 vorgesehen sind. Diese Ausbildung ist insbesondere vorteilhaft, wenn die Ventileinrichtung 400 eine Temperiervorrichtung 470 aufweist. In diesem Fall kann mittels des zweiten Sensorpaars PT1.2, TT1.2 der Zustand (Temperatur und Druck) des Kraftstoffes nach erfolgter Druckminderung durch das Druckregelventil PRV1.1 erfasst werden und entsprechend die Temperiervorrichtung 470 gesteuert werden. Auf diese Weise ist es möglich, den Kraftstoff für den nachfolgenden Verbraucher optimiert zu konditionieren. Ferner können die zusätzlich ermittelten Zustandsinformationen für die Durchführung der Dichtheitsprüfung verwendet werden. Auf diese Weise kann insbesondere während des Betriebs des nachgeschalteten Verbrauchers, insbesondere des Brennstoffzellensystems, d.h. während eines kontinuierlichen Ausströmens des im Gasdruckspeicher 300 gespeicherten Kraftstoffes, die Dichtheitsprüfung, insbesondere die Dichtheitsprüfung des Gasdruckspeichers 300 und/oder des Gasdruckspeichersystems 500, zuverlässiger durchgeführt werden.
Bezugszeichenliste

100: Befüllvorrichtung
101: Hauptkörper
102: Öffnung
102A: Strömungskanal
103: Strömungskanal
104: Anschlussstutzen
110: Röhre
111: Ausstoßdüse
112: erster gebogener Abschnitt
113: zweiter gebogener Abschnitt
114: Verbindungsabschnitt
120: Temperaturerfassungsvorrichtung
120A: Temperaturmessbereich
121: Temperatursensor
300: Speicherbehälter
301: Hohlkörper
302: Anschlussstutzen
400: Gas-Handhabungsvorrichtung
401: Temperaturerfassungseinheit
402: Druckerfassungseinheit 40
403: Leitungsstück
404: Sicherheitsventil
405: Überschussflussventil

Claims

Befüllvorrichtung (100) zur Befüllung eines Speicherbehälters (300), insbesondere eines Speicherbehälters eines Fahrzeugs, mit verdichtetem, insbesondere gas- oder dampfförmigem, Wasserstoff, umfassend: einen Hauptkörper (101), insbesondere Ventilkörper, eine Röhre (110), insbesondere Injektor-Röhre, die dazu eingerichtet ist, sich in einem in einen Speicherbehälter (300) eingebrachten Zustand bevorzugt in einer annährend axialen Richtung des Speicherbehälters zu erstrecken und Wasserstoff in den Speicherbehälter einzuleiten, eine Ausstoßdüse (111), die an einem Ende der Röhre (110) bereitgestellt ist, das bevorzugt in den Speicherbehälter (300) hineinragt, und zum Ausstoß des Wasserstoffs in den Speicherbehälter (300) dient, und zumindest eine Öffnung (102), die in den Hauptkörper (101) und/oder die Röhre (110) eingebracht ist und dazu eingerichtet ist, beim Einströmen des Wasserstoffs in den Speicherbehälter (300) eine Saugwirkung oder Unterdruck auf den bereits in dem Speicherbehälter (300) vorhandenen Wasserstoff zu bewirken.
Befüllvorrichtung (100) nach Anspruch 1, wobei die Öffnung (102) mit einem Strömungskanal (103) strömungsführend verbunden ist, um einen Venturi-Effekt auf die Öffnung (102) beim Einströmen des Wasserstoffs durch die Röhre (110) in den Speicherbehälter (300) auszuüben.
Befüllvorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei die Öffnung (102) so eingerichtet ist, dass eine Zirkulation des in den Speicherbehälter (300) eingeleiteten Wasserstoffs von der Ausstoßdüse (111) hin zu der Öffnung (102) erzeugbar ist, wobei die Öffnung (102) bevorzugt in axialer Richtung des Speicherbehälters in eine entgegengesetzt zur Ausstoßdüse (111) gerichtete Richtung sich erstreckt oder ausgerichtet ist.
Befüllvorrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Befüllvorrichtung (100) als ein Injektor ausgeführt ist, der bevorzugt in ein Ventil (200), insbesondere ein Intankventil, integriert ist, das dazu eingerichtet ist, an dem Speicherbehälter (300) angebracht zu werden.
Befüllvorrichtung (100) nach Anspruch 4, ferner aufweisend einen Anschlussstutzen (104), der dazu eingerichtet ist, in den Speicherbehälter (300), insbesondere einen Anschlussstutzen (301) des Speicherbehälters (300), einbringbar oder einschraubbar zu sein.
Befüllvorrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Röhre (110) ferner umfasst: einen ersten gebogenen Abschnitt (112), der sich zwischen der Ausstoßdüse (111) und dem Hauptkörper (101) befindet und sich in eine Richtung erstreckt, die relativ zu der axialen Richtung des Speicherbehälters (300) geneigt ist, und einen zweiten gebogenen Abschnitt (113), der bevorzugt die Ausstoßdüse (111) aufweist, und der sich in eine Richtung erstreckt, die relativ zu der axialen Richtung des Speicherbehälters (300) geneigt ist.
Befüllvorrichtung (100) nach Anspruch 6, wobei einer aus einem Neigungswinkel des ersten gebogenen Abschnitts (112) relativ zu der axialen Richtung des Speicherbehälters (300) und einem Neigungswinkel des zweiten gebogenen Abschnitts (113) relativ zu der axialen Richtung größer als 0 Grad und nicht größer als 90 Grad ist und der andere nicht kleiner als - 90 Grad und kleiner als 0 Grad ist, wenn die Röhre (110) in einer Richtung senkrecht zu der axialen Richtung des Speicherbehälters gesehen wird.
Befüllvorrichtung (100) nach Anspruch 6 oder 7, wobei zwischen dem ersten gebogenen Abschnitt (112) und dem zweiten gebogenen Abschnitt (113) ein Verbindungsabschnitt (114) vorgesehen ist, der sich bevorzugt parallel mit der axialen Richtung des Speicherbehälters (300) erstreckt, sodass sich die Röhre (110) in axialer Richtung nach innen des Speicherbehälters (300), insbesondere weg von dem Hauptkörper (101) erstreckt.
Befüllvorrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend eine Temperatur-Erfassungsvorrichtung (120), insbesondere Temperatursensor (121), die sich von dem Hauptkörper (101) in axialer Richtung des Speicherbehälters (300) nach innen des Speicherbehälters (300) erstreckt, wobei sich ein Temperaturmessbereich (120A) der Temperatur-Erfassungsvorrichtung (120) zwischen der Ausstoßdüse (111) und dem Hauptkörper (101), insbesondere zwischen den beiden gebogenen Abschnitten (112, 113), befindet.
Befüllvorrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein durch die Öffnung (102) gebildeter Strömungskanal (102A), der die Öffnung (102) mit dem in der Röhre (110) und/oder dem Hauptkörper (101) ausgebildeten Strömungskanal (103) strömungsführend verbindet, einen Neigungswinkel relativ zu der axialen Richtung des Speicherbehälters (300) in einem Bereich von 15 Grad bis 45 Grad, bevorzugt von 20 Grad bis 30 Grad, bildet.
Befüllvorrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Öffnung (102) einen Durchmesser aufweist, der ein Verhältnis im Bereich von 1:3 bis 1:2 zu dem Durchmesser der Auslassöffnung der Ausstoßdüse (111) aufweist.
Befüllvorrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Befüllvorrichtung (100) als eine Gas-Handhabungseinrichtung (400) ausgebildet ist, die bevorzugt für eine Wasserstoffversorgungsanlage verwendbar ist, umfassend: mindestens eine Temperaturerfassungseinheit (401), mindestens eine Druckerfassungseinheit (402), und ein in ein Leitungsstück (403) eingebundenes Sicherheitsventil (404), wobei das Sicherheitsventil (404) zwischen einer geöffneten Stellung, in der Wasserstoff durch das Leitungsstück (403) strömen kann, und einer geschlossenen Stellung, in der kein Gas durch das Leitungsstück (403) strömen kann, verstellt werden kann, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperaturerfassungseinheit (401) und die Druckerfassungseinheit (402) so angeordnet sind, dass sie eine Temperatur und einen Druck des durch das Leitungsstück (403) strömenden Wasserstoffs in einem Zustand erfassen können, in dem der Wasserstoff an dem geschlossenen Sicherheitsventil (404) druckbeaufschlagend ansteht, und die Ventileinrichtung (400) ferner dazu eingerichtet ist, basierend auf den erfassten Temperatur- und Druckwerten eine Dichtheitsprüfung des Leitungsstücks (403), insbesondere eines an das Leitungsstück (403) angeschlossenen Gasdruckspeichersystems (500), durchzuführen, insbesondere im geschlossenen Zustand des Sicherheitsventils (404).
Befüllvorrichtung (100) nach Anspruch 12, bei der in Strömungsrichtung (S1), insbesondere in Ausströmrichtung des Wasserstoffs aus dem Speicherbehälter (300) in Richtung Verbraucher, vor dem Sicherheitsventil (404), ein Überschussflussventil (405) und/oder Drosselventil vorgesehen ist.
Speicherbehälter (300), insbesondere Wasserstoffhochdruckspeichertank, umfassend: einen aus einem mehrschichtigen Laminat gebildeten Hohlkörper (301), einen in den Hohlkörper (301) eingebrachten Anschlussstutzen (302), und eine Befüllvorrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 13, wobei die Befüllvorrichtung (100) bevorzugt in den Anschlussstutzen (302) einbringbar ist.
Verfahren zur Befüllung eines Wasserstofftanks mit verdichtetem, insbesondere gas- oder dampfförmigem, Wasserstoff, umfassend die Schritte: Einleiten des verdichteten Wasserstoffs in einen Speicherbehälter (300) über einen Hauptkörper (101) und eine Röhre (110) in den Speicherbehälter (300), und Erzeugen einer Saugwirkung in zumindest einer Öffnung (102), die in dem Hauptkörper (101) und/oder in der Röhre (110) vorgesehen ist, mittels des Venturi-Effekts durch die Strömung des Wasserstoffs durch den Hauptkörper (101) und/oder die Röhre (110) beim Einströmen des Wasserstoffs in den Speicherbehälter (300).
Verfahren nach Anspruch 15, bei dem durch die erzeugte Saugwirkung in der Öffnung (102), die bevorzugt in der Befüllvorrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 12 vorgesehen ist, ein in dem Wasserstofftank bereits vorhandener oder gespeicherter, verdichteter Wasserstoff in eine zirkulierende Bewegung oder Strömung versetzt wird, insbesondere durch die Öffnung (102) hindurch.