DE102022203607A1 - Storage device, fuel cell assembly, hydrogen internal combustion engine system and hydrogen powered vehicle - Google Patents
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Abstract
Speichervorrichtung (1), umfassend mindestens zwei Tankbehälter (2) zur Speicherung von Wasserstoff, wenigstens eine Verbindungsleitung (52) und eine mit den Tankbehältern (2) mittels der Verbindungsleitung (52) verbindbare Zuführleitung (4). Die Tankbehälter (2) weisen jeweils Enden (20, 21) auf, an welchen Enden (20, 21) die Tankbehälter (2) jeweils eine Tankbehälter-Öffnung (54) aufweisen. Darüber hinaus ist in der Tankbehälter-Öffnung (54) eine Adapter-Vorrichtung (400) angeordnet.Die Erfindung betrifft weiterhin eine Brennstoffzellenanordnung (70), ein Wasserstoff-Verbrennungsmotorsystem (71) und ein wasserstoffbetriebenes Fahrzeug (72) mit einer solchen Speichervorrichtung (1).Storage device (1), comprising at least two tank containers (2) for storing hydrogen, at least one connecting line (52) and a supply line (4) which can be connected to the tank containers (2) by means of the connecting line (52). The tank containers (2) each have ends (20, 21), at which ends (20, 21) the tank containers (2) each have a tank container opening (54). In addition, an adapter device (400) is arranged in the tank container opening (54). The invention further relates to a fuel cell arrangement (70), a hydrogen internal combustion engine system (71) and a hydrogen-powered vehicle (72) with such a storage device (1 ).
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Speichervorrichtung zur Speicherung von Wasserstoff, insbesondere zur Anwendung in einer Brennstoffzellenanordnung oder in einem Wasserstoff-Verbrennungsmotorsystem. Diese kommen beispielsweise in wasserstoffbetriebenen Fahrzeugen zum Einsatz.The present invention relates to a storage device for storing hydrogen, in particular for use in a fuel cell arrangement or in a hydrogen internal combustion engine system. These are used, for example, in hydrogen-powered vehicles.
Stand der TechnikState of the art
Die
Insbesondere wasserstoffführende Komponenten, wie beispielsweise hier die Verbindung zwischen den Tankbehältern und der Zuführleitung, müssen hohen Drücken, Temperaturwechsel und Wasserstoff-Permeation standhalten, um sicherheitsrelevante Eigenschaften und eine zuverlässige Dichtheit zu gewährleisten.In particular, hydrogen-carrying components, such as the connection between the tank containers and the supply line, must withstand high pressures, temperature changes and hydrogen permeation in order to ensure safety-relevant properties and reliable sealing.
Typischerweise werden für die Abdichtung der Tankbehälter elastische Dichtungen, wie O-Ringe, verwendet, welche jedoch mit der Zeit aufgrund der genannten Einflüsse und der daraus resultierenden möglichen Undichtheiten wegen Wasserstoff-Versprödung eine schlechtere Funktionsweise aufweisen können, was wiederum zu einer kurzen Lebensdauer der wasserstoffführenden Bauteile führen könnte.Typically, elastic seals, such as O-rings, are used to seal the tank containers, but over time due to the influences mentioned and the resulting possible leaks due to hydrogen embrittlement, these can function worse, which in turn leads to a short service life of the hydrogen-carrying seals components could lead.
Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention
Die erfindungsgemäße Speichervorrichtung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 weist demgegenüber den Vorteil auf, dass durch den Einsatz einer erfindungsgemäßen Adaptervorrichtung die Anzahl der elastischen Dichtungen reduziert und sicherheitsrelevante Faktoren erfüllt werden können.The storage device according to the invention with the characterizing features of
Dazu weist die Speichervorrichtung mindestens zwei Tankbehälter zur Speicherung von Wasserstoff, wenigstens eine Verbindungsleitung und eine mit den Tankbehältern mittels der Verbindungsleitung verbindbare Zuführleitung auf. Die Tankbehälter weisen jeweils Enden auf, an denen die Tankbehälter jeweils eine Tankbehälter-Öffnung aufweisen. Außerdem ist in der Tankbehälter-Öffnung eine Adapter-Vorrichtung angeordnet.For this purpose, the storage device has at least two tank containers for storing hydrogen, at least one connecting line and a supply line that can be connected to the tank containers by means of the connecting line. The tank containers each have ends at which the tank containers each have a tank container opening. In addition, an adapter device is arranged in the tank container opening.
Durch die Verwendung einer Adapter-Vorrichtung können in einfacher Weise elastische Dichtungen, wie O-Ringe, entfallen. Die Dichtheit in den Tankbehältern kann so in konstruktiv einfacher Weise erzielt werden.By using an adapter device, elastic seals such as O-rings can easily be eliminated. The tightness in the tank containers can thus be achieved in a structurally simple manner.
In erster vorteilhafter Weiterbildung ist es vorgesehen, dass die Adapter-Vorrichtung ein Adapterelement umfasst, welches einen Kegelsitz aufweist, welcher Kegelsitz mit einem an der Tankbehälter-Öffnung ausgebildeten Kegelsitz als mechanischer Anschlag zusammenwirkt und so die Tankbehälter-Öffnung abdichtbar ist. Vorteilhafterweise umfasst die Adapter-Vorrichtung eine Überwurfschraube, wobei das Adapterelement zumindest teilweise in der Überwurfschraube angeordnet und von der Überwurfschraube zumindest teilweise umgeben ist. So können geringe Druckkräfte auf die Baukomponenten und eine hohe Dichtheit der Speichervorrichtung erzielt werden.In a first advantageous development, it is provided that the adapter device comprises an adapter element which has a cone seat, which cone seat interacts with a cone seat formed on the tank container opening as a mechanical stop and so the tank container opening can be sealed. The adapter device advantageously comprises a union screw, the adapter element being at least partially arranged in the union screw and at least partially surrounded by the union screw. In this way, low pressure forces on the structural components and a high level of tightness of the storage device can be achieved.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist es vorteilhaft vorgesehen, dass das Adapterelement im Wesentlichen zylinderförmig ausgebildet ist. Vorteilhafterweise ist die Überwurfschraube hohlzylinderförmig ausgebildet. So kann in konstruktiv einfacher Weise eine kompakte Bauweise erzielt werden.In a further embodiment of the invention, it is advantageously provided that the adapter element is essentially cylindrical. The union screw is advantageously designed to be hollow cylindrical. In this way, a compact design can be achieved in a structurally simple manner.
In vorteilhafter Weiterbildung ist es vorgesehen, dass das Adapterelement zumindest teilweise die Verbindungsleitung umfasst. So kann eine konstruktiv kompakte Bauweise der gesamten Speichervorrichtung erzielt werden.In an advantageous further development, it is provided that the adapter element at least partially encompasses the connecting line. In this way, a structurally compact design of the entire storage device can be achieved.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist es vorteilhaft vorgesehen, dass das Adapterelement einen T-stückförmigen Bereich aufweist, welcher die Verbindungsleitung und zumindest teilweise die Zuführleitung umfasst.In a further embodiment of the invention, it is advantageously provided that the adapter element has a T-piece-shaped region which includes the connecting line and at least partially the supply line.
In vorteilhafter Weiterbildung ist es vorgesehen, dass die Adapter-Vorrichtung mit der Verbindungsleitung und/oder der Zuführleitung mittels eines Verschraubungselements fest verbunden ist.In an advantageous development, it is provided that the adapter device is firmly connected to the connecting line and/or the supply line by means of a screw element.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist es vorteilhaft vorgesehen, dass das Adapterelement einen L-stückförmigen Bereich aufweist, welcher die Verbindungsleitung und zumindest teilweise die Zuführleitung umfasst. So kann in konstruktiv einfacher Weise auch eine Abdichtung des Tankbehälters erfolgen, ohne den Einsatz weiterer Dichtelemente.In a further embodiment of the invention, it is advantageously provided that the adapter element has an L-shaped region which includes the connecting line and at least partially the supply line. In this way, the tank container can be sealed in a structurally simple manner without the use of additional sealing elements.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist es vorteilhaft vorgesehen, dass die Verbindungsleitung und die Zuführleitung als T-stückförmiges Element ausgebildet sind. So kann in einfacher Weise eine Bauraumlängen-Verkürzung erzielt werden.In a further embodiment of the invention, it is advantageously provided that the connecting line and the supply line are designed as a T-piece-shaped element. In this way, a reduction in the installation space length can be achieved in a simple manner.
In vorteilhafter Weiterbildung ist es vorgesehen, dass die mindestens zwei Tankbehälter aus Stahl gefertigt sind. So wird in einfacher Weise durch den Materialeinsatz eine Kostenersparnis erzielt.In an advantageous development, it is provided that the at least two tank containers are made of steel. In this way, cost savings are achieved in a simple manner through the use of materials.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist es vorteilhaft vorgesehen, dass jeder der mindestens zwei Tankbehälter ein Absperrventil und/oder ein Sicherheitsventil aufweist. Auf diese Weise kann sichergestellt werden, dass bei einem Unfall des Gesamtfahrzeugs und einer 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 a further embodiment of the invention, it is advantageously provided that each of the at least two tank containers has a shut-off valve and/or a safety valve. In this way it can be ensured that in the event of an accident to the entire vehicle and damage to one of the tank containers, the latter can be at least fluidly separated from the rest of the tank device by means of the respective valve on the respective tank container. Furthermore, it can be prevented that the fuel can escape from at least more than one tank container, whereby the risk of accidents and explosion following an accident involving the entire vehicle due to escaping fuel can be prevented or at least reduced.
Die beschriebene Speichervorrichtung eignet sich vorzugsweise in einer Brennstoffzellenanordnung mit einer Speichervorrichtung zur Speicherung von Wasserstoff für den Betrieb einer Brennstoffzelle.The storage device described is preferably suitable in a fuel cell arrangement with a storage device for storing hydrogen for the operation of a fuel cell.
Die beschriebene Speichervorrichtung eignet sich außerdem vorzugsweise in einem Wasserstoff-Verbrennungsmotorsystem mit einer Speichervorrichtung zur Speicherung von Wasserstoff.The storage device described is also preferably suitable in a hydrogen internal combustion engine system with a storage device for storing hydrogen.
Die beschriebene Speichervorrichtung eignet sich weiterhin vorzugsweise in einem wasserstoffbetriebenen Fahrzeug mit einer Speichervorrichtung zur Speicherung von verdichteten Fluiden.The storage device described is also preferably suitable in a hydrogen-powered vehicle with a storage device for storing compressed fluids.
Kurze Beschreibung der ZeichnungShort description of the drawing
Anhand der Zeichnung wird die Erfindung nachstehend eingehender beschrieben.The invention is described in more detail below with reference to the drawing.
Es zeigt:
-
1 eine schematische Draufsicht einer erfindungsgemäßen Speichervorrichtung, -
2 eine Seitenansicht einer aus Tankbehältern bestehenden erfindungsgemäßen Speichervorrichtung zum Speichern von Wasserstoff, -
3a eine vergrößerte Schnittansicht der2 im Bereich I mit einer Adapter-Vorrichtung, -
3b eine vergrößerte Ansicht der Adapter-Vorrichtung aus3a , -
4a eine vergrößerte Schnittansicht der2 im Bereich I mit einer Adapter-Vorrichtung, -
4b eine vergrößerte Ansicht der Adapter-Vorrichtung aus4a , -
5a eine vergrößerte Schnittansicht der2 im Bereich I mit einer Adapter-Vorrichtung, -
5b eine vergrößerte Ansicht der Adapter-Vorrichtung aus5a , -
6 eine vergrößerte Schnittansicht der2 im Bereich I mit einer Adapter-Vorrichtung, -
7 eine vergrößerte Schnittansicht der2 im Bereich I mit einer Adapter-Vorrichtung, -
8 wasserstoffbetriebenes Fahrzeug mit einer Brennstoffzellenanordnung oder einem Wasserstoff-Verbrennungsmotorsystem mit einer erfindungsgemäßen Speichervorrichtung in vereinfachter schematischer Ansicht.
-
1 a schematic top view of a storage device according to the invention, -
2 a side view of a storage device according to the invention consisting of tank containers for storing hydrogen, -
3a an enlarged sectional view of the2 in area I with an adapter device, -
3b an enlarged view of the adapter device3a , -
4a an enlarged sectional view of the2 in area I with an adapter device, -
4b an enlarged view of the adapter device4a , -
5a an enlarged sectional view of the2 in area I with an adapter device, -
5b an enlarged view of the adapter device5a , -
6 an enlarged sectional view of the2 in area I with an adapter device, -
7 an enlarged sectional view of the2 in area I with an adapter device, -
8th Hydrogen-powered vehicle with a fuel cell arrangement or a hydrogen internal combustion engine system with a storage device according to the invention in a simplified schematic view.
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.All figures are merely schematic representations of the storage device according to the invention or its components according to exemplary embodiments of the invention. In particular, distances and size relationships are not shown to scale in the figures.
Beschreibung der AusführungsbeispieleDescription of the exemplary embodiments
Der Darstellung gemäß
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 zumindest annähernd röhrenförmig ausgeführt.In an exemplary embodiment of the
Weiterhin ist in
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 stromabwärts gerichteten 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.In the area of the
Bei dem Sicherungsventil 10 kann es sich in einer beispielhaften Ausführungsform um ein sogenanntes TPRD (Thermal Pressure Relief Device) Ventil 10 handeln, welches ein temperaturempfindliches Element aufweist, 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.In an exemplary embodiment, the safety valve 10 can be a so-called TPRD (Thermal Pressure Relief Device) valve 10, which has a temperature-sensitive element in order to trigger the safety valve 10 to open in an emergency when heat is applied to the
Des Weiteren kann sich im Bereich der Verbindungsleitung 11, insbesondere zwischen dem Sicherheitsventil 10 und dem Ablassventil 12 ein weiteres Ventil befinden.Furthermore, there can be another valve in the area of the connecting
In vorteilhafter Weise wird für die Herstellung der rohrförmigen Tankbehälter 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 Tankbehältern 2.Steel is advantageously used for the production of the
In
Dabei ist in
Zudem ist in
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.
- ■ Environmental influences, such as corrosive media, moisture,
- ■ Mechanical stress, such as contact with the road or falling rocks,
- ■ Thermal stress, such as fire, hot air, radiation or convection.
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 rahmenförmigen Gehäuseelements 24 eine einfachere Integration von Sensorik und/oder Ventilen und/oder Leitungssystemen und/oder weiteren Bauteilen gewährleistet werden.The frame-shaped
Die Adapter-Vorrichtung 400 umfasst ein Adapterelement 40, welches einen Kegelsitz 50 aufweist, der mit einem an der Tankbehälter-Öffnung 54 ausgebildeten Kegelsitz 46 als mechanischer Anschlag zusammenwirkt. Weiterhin umfasst die Adapter-Vorrichtung 400 eine Überwurfschraube 42, wobei das Adapterelement 40 in der Überwurfschraube 42 zumindest teilweise angeordnet und von der Überwurfschraube 42 zumindest teilweise umgeben ist (wie in
Bei der Montage wird die Adapter-Vorrichtung 400 so in die Tankbehälter-Öffnung 54 eingeführt, dass die Überwurfschraube 42 mit einem definiertem Drehmoment eingeschraubt wird und mittels eines mechanischen Anschlags das Adapterelement 40 mitnimmt. Der Einführvorgang endet sobald das Adapterelement 40 mit seinem Kegelsitz 50 an dem Kegelsitz 46 der Tankbehälter-Öffnung 54 anschlägt und so diese abdichtet.During assembly, the
Das Adapterelement 40 umfasst dabei zumindest teilweise eine Verbindungsleitung 52. Die Verbindungsleitung 52 ist weiterhin in einem T-stückförmigen Element 60 ausgebildet, in der auch die Zuführleitung 4 teilweise ausgebildet ist.The
Mittels eines Verschraubungselements 62 ist die Adapter-Vorrichtung 400 mit dem T-stückförmigen Element 60 fest verbunden.The
Das Ausführungsbeispiel aus der
Für die Montage und als Mitnehmer des Adapterelements 40 ist beispielsweise ein Runddraht-Sprengring einsetzbar.For example, a round wire snap ring can be used for assembly and as a driver of the
Bezugsziffern mit gleicher Funktion wurden mit derselben Bezugsziffer bezeichnet. Die Adapter-Vorrichtung 400 ist hier wieder koaxial zu der Längsachse 64 des Tankbehälters 2 angeordnet.Reference numbers with the same function were designated with the same reference number. The
Das Ausführungsbeispiel aus der
Das Ausführungsbeispiel aus der
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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Norm DIN 477 2021-04-00. Gasflaschenventile für Flaschenprüfdrücke bis einschließlich 300 bar - Ventileingangs- und Ventilausgangsanschlüsse, Seite 1-9, 18 |
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