DE102022208553A1 - Tanksystem für ein wasserstoffbetriebenes Fahrzeug, Brennstoffzellenanordnung, Wasserstoff-Verbrennungsmotorsystem, brennstoffzellenbetriebenes Fahrzeug, wasserstoffbetriebenes Fahrzeug - Google Patents

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Abstract

Tanksystem (100) für ein wasserstoffbetriebenes Fahrzeug, wobei das Tanksystem (100) wenigstens einen Tankbehälter (200) zur Speicherung von Wasserstoff und eine Ventilanordnung (20) umfasst. Der mindestens eine Tankbehälter (200) und die Ventilanordnung (20) stehen dabei in Wirkzusammenhang und sind miteinander fluidisch verbunden. Außerdem weist der mindestens eine Tankbehälter (200) einen Tankbehälterinnenraum (2) auf. Weiterhin ist eine Strömungsvorrichtung (3) vorgesehen, welche Strömungsvorrichtung (3) zumindest teilweise innerhalb des Tankbehälterinnenraums (2) angeordnet ist und durch welche Strömungsvorrichtung (3) der Tankbehälterinnenraum (2) mit Wasserstoff befüllbar ist. Darüber hinaus ist innerhalb der Strömungsvorrichtung (3) ein Schaltvorrichtung (1000) angeordnet, welche Schaltvorrichtung (1000) ein Kontaktelement (15) und einen Magneten (11) umfasst.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Tanksystem für ein wasserstoffbetriebenes Fahrzeug. Weiterhin findet das Tanksystem in einer Brennstoffzellenanordnung oder in einem Wasserstoff-Verbrennungsmotor-System Anwendung. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Fahrzeug mit Brennstoffzellenantrieb und ein wasserstoffbetriebenes Fahrzeug.
  • Stand der Technik
  • Die DE 10 2017 212 485 A1 beschreibt eine Einrichtung zur Speicherung von verdichteten Fluiden, die als Kraftstoff für ein Fahrzeug dienen, wobei die Einrichtung mindestens zwei rohrförmige Tankbehälter und mindestens einen Hochdruckkraftstoffzuteiler mit mindestens einer integrierten Regel- und Sicherheitstechnik umfasst.
  • Für eine schnelle und sichere Befüllung der Einrichtung mit den verdichteten Fluiden, beispielsweise Wasserstoff, um diesen beispielsweise einem Verbrauchersystem wie einer Brennstoffzellenanordnung oder einem Wasserstoff-Verbrennungsmotorsystem zur Verfügung zu stellen, ist die präzise Bestimmung beispielsweise der Temperatur oder des Drucks von Vorteil. Diese Größen beeinflussen die Einströmrate in die Einrichtung und somit die Geschwindigkeit der Befüllung.
  • Weiterhin ist für eine sichere Befüllung eine ständige Überwachung beispielsweise der Temperatur von Vorteil, da die Einrichtung zur Speicherung von verdichteten Fluiden typischerweise auf Temperaturen ausgelegt ist, welche 85 Grad Celsius nicht überschreiten. Während der Befüllung mit Wasserstoff sind jedoch Temperaturschwankungen möglich, welche bei Temperaturüberschreitungen beispielsweise oberhalb von 85 Grad Celsius zu Schäden an der Einrichtung führen können.
  • Vorteile der Erfindung
  • Das erfindungsgemäße Tanksystem mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 weist den Vorteil auf, dass durch Überwachung der in dem Tankbehälter vorherrschenden Temperatur ein sicheres und effizientes Tanksystem, insbesondere während der Betankung des Tanksystems, erzielt wird.
  • Dazu umfasst das Tanksystem einen Tankbehälter zur Speicherung von Wasserstoff und eine Ventilanordnung. Der mindestens eine Tankbehälter und die Ventilanordnung stehen in Wirkzusammenhang und sind miteinander fluidisch verbunden. Des Weiteren weist der mindestens eine Tankbehälter einen Tankbehälterinnenraum auf, wobei eine mit der Ventilanordnung verbundene Strömungsvorrichtung vorgesehen ist, welche Strömungsvorrichtung zumindest teilweise innerhalb des Tankbehälterinnenraums angeordnet ist und durch welche Strömungsvorrichtung der Tankbehälterinnenraum mit Wasserstoff befüllbar ist. Darüber hinaus ist innerhalb der Strömungsvorrichtung eine Schaltvorrichtung angeordnet, welche Schaltvorrichtung ein Kontaktelement und einen Magneten umfasst.
  • So kann in konstruktiv einfacher Weise bei Erreichen der maximal zulässigen Tanktemperatur das Tanksystem und insbesondere der Tankbehälter vor Beschädigungen geschützt werden.
  • In erster vorteilhafter Weiterbildung ist es vorgesehen, dass der Magnet eine Curie-Temperatur aufweist, welche Curie-Temperatur kleiner ist als eine definierte zulässige Tanktemperatur. Vorteilhafterweise entspricht die definierte zulässige Tanktemperatur 85 Grad Celsius, 95 Grad Celsius oder 100 Grad Celsius.
  • In vorteilhafter Weiterbildung ist das Kontaktelement als Reedschalter ausgebildet, welcher durch den Magneten ansteuerbar ist. Vorteilhafterweise weist der Reedschalter zwei Kontaktzungen auf, welche einen magnetischen Werkstoff umfassen, vorzugsweise eine Eisen-Nickel-Legierung.
  • So kann in einfacher Weise bei Erreichen der maximal zulässigen Tanktemperatur der Reedschalter mittels des Magneten angesteuert werden und so eine Überhitzung des Tankbehälters oder sogar eine Beschädigung verhindert werden.
  • In vorteilhafter Weiterbildung ist es vorgesehen, dass der Magnet mittels eines Haltekörpers in der Strömungsvorrichtung angeordnet ist. So kann in konstruktiv einfacher Weise der Magnet in der Strömungsvorrichtung so positioniert werden, dass er die Totaltemperatur in dem Tankbehälter erfährt, das heißt, der Magnet ist in einem Staupunkt von Wasserstoff positioniert. Die Totaltemperatur ist hier als die maximal zu erwartende Temperatur definiert, wenn der Wasserstoff-Strahl am Ende des Tankbehälters abgebremst wird. So kann die maximale Temperaturbelastung des Tankbehälters besser überwacht werden, da der unzulässige Zustand einer zu hohen Wandtemperatur mit der Messstelle an einen klar definierten und zulässigen Ort verlegbar ist.
  • In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist es vorteilhaft vorgesehen, dass innerhalb der Strömungsvorrichtung oder an der Strömungsvorrichtung ein Temperatur-Sensor angeordnet ist. Vorteilhafterweise ist der Temperatur-Sensor in einem Staupunkt von Wasserstoff, wie oben beschrieben, angeordnet und die Temperatur ist als Totaltemperatur messbar. So kann die Temperatur innerhalb des Tankbehälters ermittelt werden. Beispielsweise könnte bei einer Verzögerung des Wasserstoff-Strahls die Temperatur an einer Wand des Tankbehälters ermittelt und überwacht werden. Weiterhin sind so nicht beabsichtigte Umtankvorgänge zwischen einzelnen Tankbehältern nach der Betankung detektierbar.
  • In vorteilhafter Weiterbildung ist es vorgesehen, dass die Ventilanordnung in einem Halsbereich des Tankbehälters integriert ist, vorzugsweise über eine Schraubverbindung, wobei die Ventilanordnung zumindest teilweise in den Tankbehälterinnenraum des Tankbehälters hineinragt. So kann in konstruktiv einfacher Weise eine fluidische Wirkverbindung zwischen der Ventilanordnung und dem Tankbehälter hergestellt werden.
  • In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist es vorteilhaft vorgesehen, dass die Ventilanordnung ein Überwachungsventil aufweist, welches Überwachungsventil in den Tankbehälterinnenraum hineinragt.
  • Das beschriebene Tanksystem eignet sich vorzugsweise in einer Brennstoffzellenanordnung zur Speicherung von Wasserstoff für den Betrieb einer Brennstoffzelle.
  • Das beschriebene Tanksystem eignet sich vorzugsweise in einem Wasserstoff-Verbrennungsmotorsystem.
  • In vorteilhaften Verwendungen kann die Tankvorrichtung in Fahrzeugen mit einem Brennstoffzellenantrieb verwendet werden.
  • In vorteilhaften Verwendungen kann die Tankvorrichtung in Fahrzeugen mit einem Wasserstoffantrieb verwendet werden.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnung
  • Anhand der Zeichnung wird die Erfindung nachstehend eingehender beschrieben.
  • Es zeigt:
    • 1 eine schematische Draufsicht eines erfindungsgemäßen Tanksystems,
    • 2 der Bereich I aus der 1 im Bereich der Strömungsvorrichtung und der Schaltvorrichtung mit einem Kontaktelement und einem Magneten,
    • 3a der Bereich I aus der 1 im Bereich der Strömungsvorrichtung und der Schaltvorrichtung mit einem Kontaktelement und einem durch den Magneten erzeugten Magnetfeld, welches das Kontaktelement in einer Ausgangsposition hält,
    • 3b der Bereich I aus der 1 im Bereich der Strömungsvorrichtung und der Schaltvorrichtung mit einem Kontaktelement und einem Magneten, ohne Magnetfeld, wobei das Kontaktelement in einer Endposition angeordnet ist,
    • 4 wasserstoffbetriebenes Fahrzeug mit einer Brennstoffzellenanordnung oder einem Wasserstoff-Verbrennungsmotorsystem mit einem erfindungsgemäßen Tanksystem in vereinfachter schematischer Ansicht.
  • Alle Figuren sind lediglich schematische Darstellungen der erfindungsgemäßen Tankvorrichtung bzw. seiner Bestandteile gemäß Ausführungsbeispielen der Erfindung. Insbesondere Abstände und Größenrelationen sind in den Figuren nicht maßstabsgetreu wiedergegeben.
  • Beschreibung des Ausführungsbeispiels
  • i zeigt eine schematische Draufsicht auf ein erfindungsgemäßes Tanksystem 100 für ein wasserstoffbetriebenes Fahrzeug. Das Tanksystem 100 weist in diesem Ausführungsbeispiel einen Tankbehälter 200 zur Speicherung von Wasserstoff auf. In einer alternativen Ausführung kann das Tanksystem 100 mehrere Tankbehälter 200 aufweisen, welche über eine Verbindungsleitung in fluidischem Kontakt stehen können.
  • Weiterhin weist der Tankbehälter 200 eine Ventilanordnung 20 auf, welche mit dem Tankbehälter 200 in Wirkzusammenhang steht und welche miteinander fluidisch verbunden sind. Die Ventilanordnung 20 ist dabei in einem Halsbereich 50 des Tankbehälters 200 integriert, beispielsweise über eine Schraubverbindung, und ragt dabei teilweise in einen Tankbehälterinnenraum 2 des Tankbehälters 200 hinein.
  • Das Tanksystem 100 weist außerdem eine Strömungsvorrichtung 3 auf, welche mit der Ventilanordnung 20 fest verbunden und durch welche der Tankbehälterinnenraum 2 mit Wasserstoff befüllbar ist. Die Strömungsvorrichtung 3 ist hier als lanzenförmiger Strömungskanal ausgebildet, so dass eine optimale Einströmung des Wasserstoffs in den Tankbehälterinnenraum 2 ermöglicht wird.
  • Neben der Strömungsvorrichtung 3 ist ein zu der Ventilanordnung 20 zugehöriges Überwachungsventil 23 angeordnet, welches das Medium, Wasserstoff, innerhalb des Tankbehälterinnenraums 2 überwacht und mittels welcher eine Strömungsführung 21, hier als Rohr ausgebildet, in der Ventilanordnung 20 mit der Strömungsvorrichtung 3 fluidisch verbindbar ist. Über die Strömungsführung 21 kann der Tankbehälterinnenraum 2 mit einer externen Wasserstoff-Tankstelle verbunden und mit Wasserstoff befüllt werden.
  • In der Strömungsvorrichtung 3 ist eine Schaltvorrichtung 1000 angeordnet, welche ein Kontaktelement 15 und einen Magneten 11 umfasst, wie in 2 gezeigt. Die Strömungsvorrichtung 3 ist hier als Rohr ausgebildet und der Magnet 11 ist mittels eines Haltekörpers 10 innerhalb der als Rohr ausgebildeten Strömungsvorrichtung 3 angeordnet. Dabei ist der Haltekörper 10 so konzipiert, dass der Magnet 11 bei einer Rückwärtsdurchströmung von Wasserstoff lediglich den statischen Anteil der Temperatur ermittelt. Das Kontaktelement 15 ist hier in einem Gehäuse des Haltekörpers 10 angeordnet. In einer alternativen Ausführung kann das Kontaktelement 15 auch in einer anderen geeigneten Gehäusevorrichtung in der Nähe des Magneten 11 angeordnet sein. Der Magnet 11 ist dabei in einem Staupunkt von Wasserstoff innerhalb des Tankbehälterinnenraums 2 angeordnet. So ist der Magnet 11 einer Totaltemperatur ausgesetzt, welche in dem Tankbehälterinnenraum 2 herrscht, so dass die maximal herrschende Temperatur in dem Tankbehälterinnenraum 2 ebenfalls von dem Magneten 11 erfasst wird. Die Totaltemperatur ist hier als die maximal zu erwartende Temperatur definiert, wenn der Wasserstoff-Strahl am Ende des Tankbehälters abgebremst wird.
  • 2 zeigt den Bereich I aus der i im Bereich der Strömungsvorrichtung 3 und der Schaltvorrichtung 1000 in schematischer Ansicht.
  • Der Magnet 11 weist einen Nordpol 111 und einen Südpol 110 auf und ist aus einer Vielzahl von Ferriten hergestellt. Weiterhin weist er eine Curie-Temperatur TCurie auf, welche kleiner ist als eine definierte zulässige Tanktemperatur Tmax. Die definierte zulässige Tanktemperatur Tmax hängt von dem Material des Tankbehälters 200 ab und liegt für kohlefaserverstärkte Tankbehälter bei 85 Grad Celsius. Je nach Materialauswahl des Tankbehälters kann die definierte zulässige Tanktemperatur Tmax auch bei 95 Grad Celsius oder 100 Grad Celsius liegen.
  • Das Kontaktelement 15 ist hier als Reedschalter ausgebildet, welcher durch den Magneten 11 ansteuerbar ist. Das als Reedschalter ausgebildete Kontaktelement 15 weist zwei Kontaktzungen 150, 151 auf, welche einen magnetischen Werkstoff umfassen, beispielsweise eine Eisen-Nickel-Legierung, wie in 3a und 3b gezeigt.
  • In einer Ausgangsposition ist das Kontaktelement 15 geschlossen, d.h. dass die beiden Kontaktzungen 150, 151 in Kontakt miteinander stehen, wie in 3a gezeigt. Diese geschlossene Haltung wird durch ein durch den Magneten 11 erzeugtes Magnetfeld 112 erreicht. Die vorherrschende Temperatur T in dem Tankbehälter 200 liegt unterhalb der Curie-Temperatur TCurie.
  • Überschreitet die Temperatur T in dem Tankbehälter 2 die Curie-Temperatur TCurie des Magneten 11, so bricht dessen Magnetfeld 112 zusammen und die beiden Kontaktzungen 150, 151 lösen sich voneinander, wie in 3b gezeigt.
  • Diese Zustandsänderung kann durch ein Steuergerät des Tanksystems 100 erfasst werden und so eine Ansteuerung der Ventilanordnung 20 bewirken, so dass beispielsweise kein Wasserstoff mehr in den Tankbehälterinnenraum 2 strömt und so den Tankbehälter 200 vor möglichen Beschädigungen aufgrund der zu hohen Temperatur schützt.
  • Weiterhin ist es möglich, die Schaltvorrichtung 1000 in Reihe mit dem entsprechenden Schaltventil der Ventilanordnung 20 zu schalten, um eine direkte Verknüpfung und eine sofortige Reaktion, d.h. eine sofortige Schließung der Ventilanordnung 20, zu erzielen.
  • Weiterhin kann in der Strömungsvorrichtung 3 oder an der Strömungsvorrichtung 3 ein Temperatur-Sensor 12 angeordnet sein, um zusätzlich die Temperatur in dem Tankbehälterinnenraum 2 zu überwachen. Dieser ist vorzugsweise ebenfalls in dem Staupunkt von Wasserstoff angeordnet, so dass die Totaltemperatur gemessen wird.
  • 4 zeigt in vereinfachter schematischer Ansicht ein wasserstoffbetriebenes Fahrzeug 72, welches beispielsweise mit einer Brennstoffzellenanordnung 70, ein brennstoffzellenbetriebenes Fahrzeug 73, oder einem Wasserstoff-Verbrennungsmotorsystem 71 betrieben werden kann. Die Brennstoffzellenanordnung 70 bzw. das Wasserstoff-Verbrennungsmotorsystem 71 weist für die Bereitstellung von Wasserstoff das erfindungsgemäße Tanksystem 100 auf.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 102017212485 A1 [0002]

Claims (14)

  1. Tanksystem (100) für ein wasserstoffbetriebenes Fahrzeug, wobei das Tanksystem (100) wenigstens einen Tankbehälter (200) zur Speicherung von Wasserstoff und eine Ventilanordnung (20) umfasst, wobei der mindestens eine Tankbehälter (200) und die Ventilanordnung (20) in Wirkzusammenhang stehen und miteinander fluidisch verbunden sind, wobei der mindestens eine Tankbehälter (200) einen Tankbehälterinnenraum (2) aufweist, wobei eine mit der Ventilanordnung (20) verbundene Strömungsvorrichtung (3) vorgesehen ist, welche Strömungsvorrichtung (3) zumindest teilweise innerhalb des Tankbehälterinnenraums (2) angeordnet ist und durch welche Strömungsvorrichtung (3) der Tankbehälterinnenraum (2) mit Wasserstoff befüllbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb der Strömungsvorrichtung (3) eine Schaltvorrichtung (1000) angeordnet ist, welche Schaltvorrichtung (1000) ein Kontaktelement (15) und einen Magneten (11) umfasst.
  2. Tanksystem (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnet (11) eine Curie-Temperatur aufweist, welche Curie-Temperatur kleiner ist als eine definierte zulässige Tanktemperatur.
  3. Tanksystem (100) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die definierte zulässige Tanktemperatur 85 Grad Celsius, 95 Grad Celsius oder 100 Grad Celsius entspricht.
  4. Tanksystem (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kontaktelement (15) als Reedschalter ausgebildet ist, welcher durch den Magneten (11) ansteuerbar ist.
  5. Tanksystem (100) nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das als Reedschalter ausgebildete Kontaktelement (15) zwei Kontaktzungen (150, 151) aufweist, welche einen magnetischen Werkstoff umfassen, vorzugsweise eine Eisen-Nickel-Legierung.
  6. Tanksystem (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnet (11) mittels eines Haltekörpers (10) in der Strömungsvorrichtung (3) angeordnet ist.
  7. Tanksystem (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb der Strömungsvorrichtung (3) oder an der Strömungsvorrichtung (3) ein Temperatur-Sensor (12) angeordnet ist.
  8. Tanksystem (100) nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der Temperatur-Sensor (12) in einem Staupunkt von Wasserstoff angeordnet ist und die Temperatur als Totaltemperatur messbar ist.
  9. Tanksystem (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ventilanordnung (20) in einem Halsbereich (50) des Tankbehälters (200) integriert ist, vorzugsweise über eine Schraubverbindung (51), wobei die Ventilanordnung (20) zumindest teilweise in den Tankbehälterinnenraum (2) des Tankbehälters (200) hineinragt.
  10. Tanksystem (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ventilanordnung (20) ein Überwachungsventil (23) aufweist, welches Überwachungsventil (23) in den Tankbehälterinnenraum (2) hineinragt.
  11. Brennstoffzellenanordnung (70) mit einem Tanksystem (100) zur Speicherung von Wasserstoff für den Betrieb einer Brennstoffzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
  12. Wasserstoff-Vebrennungsmotorsystem (71) mit einem Tanksystem (100) zur Speicherung von Wasserstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 10.
  13. Brennstoffzellenbetriebenes Fahrzeug (73) mit einem Tanksystem (100) zur Speicherung von Wasserstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 10.
  14. Wasserstoffbetriebenes Fahrzeug (72) mit einem Tanksystem (100) zur Speicherung von Wasserstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 10.
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