DE102021210310A1 - Device for storing a gaseous medium - Google Patents

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Abstract

Vorrichtung (1) zur Speicherung eines gasförmigen Mediums, beispielsweise Wasserstoff, umfassend mindestens einen Tankbehälter (6), welcher Tankbehälter (6) ein thermisch aktivierbares Ventil (80) aufweist. Darüber hinaus ist der Tankbehälter (6) mit einer Leitschicht (61) überzogen.Device (1) for storing a gaseous medium, for example hydrogen, comprising at least one tank container (6), which tank container (6) has a thermally activatable valve (80). In addition, the tank container (6) is covered with a conductive layer (61).

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Speicherung eines gasförmigen Mediums, beispielsweise Wasserstoff. Bei der Verwendung mit Wasserstoff dient die Vorrichtung zur Anwendung in Fahrzeugen mit Brennstoffzellenantrieb oder in Fahrzeugen mit einem Wasserstoff-Verbrenner als Antrieb.The invention relates to a device for storing a gaseous medium, for example hydrogen. When used with hydrogen, the device is used in vehicles with a fuel cell drive or in vehicles with a hydrogen combustion engine as the drive.

Stand der TechnikState of the art

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.The DE 10 2017 212 485 A1 describes a device for storing compressed fluids that serve as fuel for a vehicle, the device comprising at least two tubular tank modules and at least one high-pressure fuel rail with at least one integrated control and safety technology. In addition, the at least two tubular tank modules are made of metal and are modularly connected to the at least one high-pressure fuel rail with the at least one integrated control and safety technology to form a module with flexible geometry.

Sind ein oder mehrere Tankmodule beschädigt, beispielsweise durch Hitzeeinwirkungen wie Feuer, kann dies zu einem unkontrolliertem Austritt des verdichteten Fluids, beispielsweise Wasserstoff, oder sogar zu einem Bersten der Tankmodule führen.If one or more tank modules are damaged, for example due to the effects of heat such as fire, this can lead to an uncontrolled escape of the compressed fluid, for example hydrogen, or even to the tank modules bursting.

Vorteile der ErfindungAdvantages of the Invention

Die erfindungsgemäße Vorrichtung 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 Vorrichtung verhindert wird.The device according to the invention with the characterizing features of claim 1 has the advantage that the high safety requirements, particularly when dealing with hydrogen, are met at all times and the device is prevented from bursting.

Dazu weist die Vorrichtung zur Speicherung eines gasförmigen Mediums, beispielsweise Wasserstoff, mindestens einen Tankbehälter auf, welcher Tankbehälter ein thermisch aktivierbares Ventil aufweist. Darüber hinaus ist der Tankbehälter mit einer Leitschicht überzogen.For this purpose, the device for storing a gaseous medium, for example hydrogen, has at least one tank container, which tank container has a thermally activatable valve. In addition, the tank container is covered with a conductive layer.

So kann die Wärme auf die Behälteroberfläche gleichmäßig verteilt werden, so dass die Ausbreitung im Wasserstoff über freie Konvektion unterbunden wird, und andererseits die Hitzeeinwirkungen über Wärmeleitung an das thermisch aktivierbare Ventil schnellstmöglich weitergeleitet werden. Dies ist insbesondere für metallische Tankbehälter von Vorteil. So kann in einfacher Weise bei Hitzeeinwirkungen wie beispielsweise Feuer ein unkontrolliertes Ausströmen von gasförmigem Medium, wie beispielsweise Wasserstoff, verhindert und ein mögliches Bersten der Vorrichtung unterbunden werden.In this way, the heat can be evenly distributed over the container surface, so that the propagation in the hydrogen via free convection is prevented, and on the other hand, the heat effects are passed on to the thermally activatable valve as quickly as possible via thermal conduction. This is particularly advantageous for metallic tank containers. In this way, an uncontrolled outflow of gaseous medium, such as hydrogen, can be prevented in a simple manner in the event of the effects of heat, such as fire, and a possible bursting of the device can be prevented.

In erster vorteilhafter Weiterbildung ist es vorgesehen, dass die Leitschicht mit dem thermisch aktivierbaren Ventil kraftschlüssig und/oder formschlüssig und/oder stoffschlüssig verbunden ist. So kann in konstruktiv einfacher Weise über Wärmeleitung eine schnelle und zuverlässige Betätigung des thermisch aktivierbaren Ventils gesichert und ein kontrolliertes Ablassen des gasförmigen Mediums aus den Tankbehältern ermöglicht werden.In a first advantageous development, it is provided that the conductive layer is connected to the thermally activatable valve in a force-fitting and/or form-fitting and/or cohesive manner. In this way, in a structurally simple manner, rapid and reliable actuation of the thermally activatable valve can be ensured via heat conduction, and controlled discharge of the gaseous medium from the tank containers can be made possible.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist es vorteilhaft vorgesehen, dass die Leitschicht unterschiedliche Dicken aufweist. So werden Wärmeausbreitungen bei möglichen Hitzeeinwirkungen, beispielsweise durch ein Feuer, in Richtung des Tankinneren der Tankbehälter verlangsamt, während eine Verjüngung der Dicke einen raschen Temperaturausgleich in dem jeweiligen Bereich fördert. So kann der Tankbehälter optimal geschützt werden.In a further embodiment of the invention, it is advantageously provided that the conductive layer has different thicknesses. This slows down the spread of heat in the event of possible heat effects, for example from a fire, in the direction of the inside of the tank container, while a reduction in thickness promotes rapid temperature equalization in the respective area. In this way, the tank container can be optimally protected.

In vorteilhafter Weiterbildung ist es vorgesehen, dass der Tankbehälter zylinderförmig ausgebildet ist.In an advantageous further development, it is provided that the tank container has a cylindrical design.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist es vorteilhaft vorgesehen, dass die Leitschicht eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweist. So ist eine schnelle Betätigung des thermisch aktivierbaren Ventils gesichert.In a further embodiment of the invention, it is advantageously provided that the conductive layer has a high thermal conductivity. This ensures quick actuation of the thermally activatable valve.

In vorteilhafter Weiterbildung ist der Tankbehälter aus Stahl gefertigt.In an advantageous development, the tank container is made of steel.

In vorteilhafter Weiterbildung ist der Tankbehälter aus einem kohlefaserverstärktem Material hergestellt. Bei thermischer Last schmilzt dieser, so dass im günstigsten Fall lokale Defekte entstehen, welche ein Entweichen des gasförmigen Mediums ermöglichen und so ein Bersten des Tankbehälters verhindern.In an advantageous development, the tank container is made from a carbon-fibre-reinforced material. Under thermal load, this melts, so that in the most favorable case, local defects occur which allow the gaseous medium to escape and thus prevent the tank container from bursting.

In vorteilhafter Weiterbildung ist es vorgesehen, dass der Tankbehälter ein Absperrventil aufweist, über welches Absperrventil gasförmiges Medium aus dem mindestens einen Tankbehälter in Richtung eines Verbrauchersystems, beispielsweise eines Brennstoffzellensystems, zuführbar ist.In an advantageous development, it is provided that the tank container has a shut-off valve, via which shut-off valve gaseous medium can be fed from the at least one tank container in the direction of a consumer system, for example a fuel cell system.

Die beschriebene Vorrichtung eignet sich vorzugsweise in einem Brennstoffzellensystem zur Speicherung von Wasserstoff für den Betrieb einer Brennstoffzelle.The device described is preferably suitable in a fuel cell system for storing hydrogen for the operation of a fuel cell.

Die beschriebene Vorrichtung zur Speicherung von Wasserstoff für den Betrieb einer Brennstoffzelle eignet sich weiterhin vorteilhaft in einem brennstoffzellenbetriebenen Fahrzeug.The device described for storing hydrogen for the operation of a fuel cell is also advantageously suitable in a fuel cell-powered vehicle.

Die beschriebene Vorrichtung zur Speicherung von Wasserstoff eignet sich weiterhin vorteilhaft in einem wasserstoffbetriebenen Fahrzeug, d.h. in einem Fahrzeug mit einem Wasserstoff-Verbrenner als Antrieb.The device described for storing hydrogen is also advantageously suitable in a hydrogen-powered vehicle, ie in a vehicle powered by a hydrogen combustion engine.

Figurenlistecharacter list

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Speicherung eines gasförmigen Mediums, insbesondere Wasserstoff, dargestellt. Es zeigt in

  • 1 ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Speicherung eines gasförmigen Mediums im Längsschnitt,
  • 2 das Ausführungsbeispiel aus der 1 mit Hitzeeinwirkungen im Längsschnitt,
  • 3 ein Fahrzeug mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Speicherung eines gasförmigen Mediums in vereinfachter schematischer Ansicht.
The drawing shows an exemplary embodiment of a device according to the invention for storing a gaseous medium, in particular hydrogen. It shows in
  • 1 an embodiment of a device according to the invention for storing a gaseous medium in longitudinal section,
  • 2 the embodiment from the 1 with heat effects in longitudinal section,
  • 3 a vehicle with a device according to the invention for storing a gaseous medium in a simplified schematic view.

Beschreibung des AusführungsbeispielsDescription of the embodiment

i und 2 zeigen ein mögliches Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 zur Speicherung eines gasförmigen Mediums, beispielsweise Wasserstoff, in vereinfachter schematischer Ansicht. i and 2 show a possible embodiment of a device 1 according to the invention for storing a gaseous medium, for example hydrogen, in a simplified schematic view.

Die Vorrichtung 1 weist hier einen Tankbehälter 6 mit einem Absperrventil 5 und einem thermisch aktivierbaren Ventil 80 auf.The device 1 here has a tank container 6 with a shut-off valve 5 and a thermally activatable valve 80 .

Über das Absperrventil 5 ist der Tankbehälter 6 mit einem Verbrauchersystem 70 wie beispielsweise einem Anodenbereich einer Brennstoffzelle in einem Brennstoffzellensystem 73, verbunden und stellt diesem das gasförmige Medium zur Verfügung.The tank container 6 is connected to a consumer system 70 such as, for example, an anode region of a fuel cell in a fuel cell system 73 via the shut-off valve 5 and makes the gaseous medium available to it.

In einer alternativen Ausführung handelt es sich bei dem Verbrauchersystem 70 um ein Wasserstoffverbrennersystem.In an alternative embodiment, the consumer system 70 is a hydrogen combustor system.

Eine Betankung des Tankbehälters 6 erfolgt ebenfalls über das Absperrventil 5. Dabei wird dieses beispielsweise mit einer externen Tankstelle verbunden, die so das nötige gasförmige Medium zur Verfügung stellt.The tank container 6 is also refueled via the shut-off valve 5. This is connected, for example, to an external gas station, which thus makes the necessary gaseous medium available.

Weiterhin ist der Tankbehälter 6 zylinderförmig ausgebildet und aus Stahl hergestellt.Furthermore, the tank container 6 has a cylindrical shape and is made of steel.

In einer alternativen Ausführung ist der Tankbehälter 6 aus einem kohlefaserverstärktem Material hergestellt. Bei thermischer Last schmilzt dieser, so dass im günstigsten Fall lokale Defekte entstehen, welche ein Entweichen des gasförmigen Mediums ermöglichen und so ein Bersten des Tankbehälters verhindern.In an alternative embodiment, the tank container 6 is made from a carbon fiber reinforced material. Under thermal load, this melts, so that in the most favorable case, local defects occur which allow the gaseous medium to escape and thus prevent the tank container from bursting.

Der Tankbehälter 6 weist einen zylinderförmigen Körper 65 und eine Tankbehälterwand 60 auf. An einem Ende 66 ist das Absperrventil 5 angeordnet, um über dieses gasförmiges Medium, beispielsweise Wasserstoff, in oder aus dem Tankbehälter 6 zu fördern. An einem anderen Ende 67 des jeweiligen Tankbehälters 6 ist das thermisch aktivierbares Ventil 80 (Englisch, Thermal pressure relief device (TPRD)), welches bei Hitzeeinwirkungen 50, wie in i und 2 gezeigt, beispielsweise ausgelöst durch ein Feuer, ein sicheres Ableiten des gasförmigen Mediums aus dem Tankbehälter 6 gewährleistet.The tank container 6 has a cylindrical body 65 and a tank container wall 60 . The shut-off valve 5 is arranged at one end 66 in order to convey hydrogen, for example, into or out of the tank container 6 via this gaseous medium. At another end 67 of the respective tank container 6 is the thermally activatable valve 80 (Thermal pressure relief device (TPRD)), which in the event of heat effects 50, as in i and 2 shown, triggered for example by a fire, a safe discharge of the gaseous medium from the tank 6 is guaranteed.

Der Tankbehälter 6 ist mit einer Leitschicht 61 überzogen, welche mit dem thermisch aktivierbaren Ventil 80 kraftschlüssig und/oder formschlüssig und/oder stoffschlüssig verbunden ist.The tank container 6 is covered with a conductive layer 61 which is connected to the thermally activatable valve 80 in a non-positive and/or positive and/or cohesive manner.

Die Leitschicht 61 weist unterschiedliche Dicken auf, welche dafür sorgt, dass die Wärmeausbreitung bei möglichen Hitzeeinwirkungen 50, beispielsweise durch ein Feuer, in Richtung des Tankinneren der Tankbehälter 6 verlangsamt wird, während eine Verjüngung der Dicke einen raschen Temperaturausgleich in dem jeweiligen Bereich fördert.The conductive layer 61 has different thicknesses, which ensures that the spread of heat in the event of possible heat effects 50, for example from a fire, in the direction of the interior of the tank container 6 is slowed down, while a reduction in thickness promotes rapid temperature equalization in the respective area.

Die optimale Dicke der Leitschicht 61 an dem jeweiligen Bereich des Tankbehälters 6 sowie die Materialauswahl kann simulativ erfolgen.The optimal thickness of the conductive layer 61 in the respective area of the tank container 6 as well as the material selection can be carried out by simulation.

Unter Hitzeeinwirkungen 50, wie beispielsweise Feuer, breitet sich die Wärme in den Tankbehälter 6 aufgrund von freier Konvektion aus, die durch ein Temperaturgefälle im Tankbehälter 6 hervorgerufen wird.Under the effects of heat 50, such as fire, the heat spreads into the tank container 6 due to free convection caused by a temperature gradient in the tank container 6.

Dies basiert auf dem Vorgang der Rayleigh-Benard-Konvektion. Liegt zwischen zwei Seiten eines Behälters in dem gasförmigen Medium eine ausreichende Temperaturdifferenz vor, so entsteht Auftrieb aufgrund der Dichteunterschiede über die Höhe. Es bilden sich Rezirkulationszellen oder sogenannte Rayleigh-Zellen, die für einen konvektiven Wärmetransport sorgen.This is based on the process of Rayleigh-Benard convection. If there is a sufficient temperature difference between two sides of a container in the gaseous medium, buoyancy occurs due to the density differences over the height. Recirculation cells or so-called Rayleigh cells are formed, which ensure convective heat transport.

Entfällt diese Temperaturdifferenz bzw. wird sie möglichst geringgehalten, so ist der Auftrieb dementsprechend klein und der Wärmetransport erfolgt überwiegend durch Wärmeleitung. Da die Wärmeleitfähigkeit von Wasserstoff um mehrere Größenordnungen kleiner ist als beispielsweise die von Stahl, erfolgt die Wärmeabfuhr hauptsächlich über Wärmeleitung in der Tankbehälterwand 60 des Tankbehälters 6. Um den Temperaturausgleich zwischen der lokal thermisch belasteter Tankbehälterwand 60 und der restlichen Oberfläche der Tankbehälterwand 60 zu beschleunigen, wird der Tankbehälter 6 mit einer Leitschicht 61 mit hoher Wärmeleitfähigkeit überzogen. Durch die Verbindung zu dem thermisch aktivierbaren Ventil 80 ist eine zügige Entleerung des jeweiligen Tankbehälters 6 gewährleistet, so dass ein Bersten der Tankbehälter 6 verhindert wird.If this temperature difference does not occur or if it is kept as low as possible, the buoyancy is correspondingly small and the heat transport takes place mainly through heat conduction. Since the thermal conductivity of hydrogen is several orders of magnitude lower than that of steel, for example, the heat is dissipated mainly via heat conduction in the tank container wall 60 of the tank container 6. In order to accelerate the temperature equalization between the locally thermally loaded tank container wall 60 and the remaining surface of the tank container wall 60, the tank container 6 is covered with a conductive layer 61 with high thermal conductivity. Through the connection to the thermal valve 80 that can be activated ensures rapid emptying of the respective tank container 6, so that the tank container 6 is prevented from bursting.

In einer alternativen Ausführung weist die Vorrichtung 1 zur Speicherung eines gasförmigen Mediums weitere Tankbehälter 6 auf.In an alternative embodiment, the device 1 for storing a gaseous medium has additional tank containers 6 .

Die Vorrichtung 1 zur Speicherung eines gasförmigen Mediums kann neben brennstoffzellenbetriebenen Fahrzeugen 90 beispielsweise auch zur Wasserstoff-Speicherung in Fahrzeugen 91 mit einem Wasserstoff-Verbrenner als Antrieb verwendet werden, wie in 3 gezeigt.The device 1 for storing a gaseous medium can be used not only in vehicles 90 powered by fuel cells, but also, for example, for storing hydrogen in vehicles 91 with a hydrogen combustion engine as the drive, as in 3 shown.

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Zitierte PatentliteraturPatent Literature Cited

  • DE 102017212485 A1 [0002]DE 102017212485 A1 [0002]

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Vorrichtung (1) zur Speicherung eines gasförmigen Mediums, beispielsweise Wasserstoff, umfassend mindestens einen Tankbehälter (6), welcher Tankbehälter (6) ein thermisch aktivierbares Ventil (80) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Tankbehälter (6) mit einer Leitschicht (61) überzogen ist.Device (1) for storing a gaseous medium, for example hydrogen, comprising at least one tank container (6), which tank container (6) has a thermally activatable valve (80), characterized in that the tank container (6) has a conductive layer (61) is covered. Vorrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitschicht (61) mit dem thermisch aktivierbaren Ventil (80) kraftschlüssig und/oder formschlüssig und/oder stoffschlüssig verbunden ist.Device (1) after claim 1 , characterized in that the conductive layer (61) with the thermally activatable valve (80) is non-positively and/or positively and/or integrally connected. Vorrichtung (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitschicht (61) unterschiedliche Dicken aufweist.Device (1) after claim 1 or 2 , characterized in that the conductive layer (61) has different thicknesses. Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Tankbehälter (6) zylinderförmig ausgebildet ist.Device (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the tank container (6) is cylindrical. Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitschicht (61) eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweist.Device (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the conductive layer (61) has a high thermal conductivity. Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Tankbehälter (6) aus Stahl gefertigt ist.Device (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the tank container (6) is made of steel. Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Tankbehälter (6) aus einem kohlefaserverstärkten Material hergestellt ist.Device (1) according to one of Claims 1 until 5 , characterized in that the tank container (6) is made of a carbon fiber reinforced material. Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Tankbehälter (6) ein Absperrventil (5) aufweist, über welches Absperrventil (5) gasförmiges Medium aus dem mindestens einen Tankbehälter (6) in Richtung eines Verbrauchersystems (70), beispielsweise eines Brennstoffzellensystems (73), zuführbar ist.Device (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the tank container (6) has a shut-off valve (5), via which shut-off valve (5) gaseous medium from the at least one tank container (6) in the direction of a consumer system (70), for example a fuel cell system (73), can be supplied. Brennstoffzellensystem (73) mit einer Vorrichtung (1) zur Speicherung von Wasserstoff für den Betrieb einer Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 8.Fuel cell system (73) with a device (1) for storing hydrogen for the operation of a fuel cell according to one of Claims 1 until 8th . Brennstoffzellenbetriebenes Fahrzeug (90) mit einer Tankvorrichtung (1) zur Speicherung von Wasserstoff für den Betrieb einer Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 8.Fuel cell-powered vehicle (90) with a tank device (1) for storing hydrogen for operating a fuel cell according to one of Claims 1 until 8th . Wasserstoffbetriebenes Fahrzeug (91) mit einer Vorrichtung (1) zur Speicherung von Wasserstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 8.Hydrogen-powered vehicle (91) with a device (1) for storing hydrogen according to one of Claims 1 until 8th .
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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