DE102022208555A1 - 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 (110) angeordnet.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Tanksystem für ein wasserstoffbetriebenes Fahrzeug. Weiterhin findet das Tanksystem in einer Brennstoffzellenanordnung oder in einem Wasserstoff-Verbrennungsmotorsystem Anwendung. Weiterhin betrifft die Erfindung Fahrzeuge mit Brennstoffzellenantrieb und wasserstoffbetriebene Fahrzeuge.
  • 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 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 kontinuierliche Überwachung der maximal zulässigen Tanktemperatur 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.
  • So kann in konstruktiv einfacher Weise über die Position der Schaltvorrichtung ermittelt werden, ob die maximal zulässige Tanktemperatur erreicht wurde und so das Tanksystem und insbesondere der Tankbehälter vor Beschädigungen geschützt werden.
  • In erster vorteilhafter Weiterbildung ist es vorgesehen, dass die Schaltvorrichtung ein Bimetall-Element mit einem Kontaktelement umfasst. So wird durch Verbiegen des Bimetall-Elements ein Kontakt geöffnet oder geschlossen und ermittelt so eine Temperaturveränderung bzw. das Erreichen der maximal zulässigen Tanktemperatur.
  • In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist es vorteilhaft vorgesehen, dass das Kontaktelement in einer vakuumierten Glasphiole angeordnet ist. So kann in konstruktiv einfacher Weise ein Schutz des Kontaktelements, insbesondere vor Wasserstoff, erzielt werden.
  • In vorteilhafter Weiterbildung ist es vorgesehen, dass das Bimetall-Element mittels eines Haltekörpers in der Strömungsvorrichtung angeordnet ist. Vorteilhafterweise weist die Schaltvorrichtung ein Übertragungselement auf, durch welches Übertragungselement die Temperatur auf das Bimetall-Element übertragbar ist. Vorteilhafterweise umgibt das Übertragungselement das Bimetall-Element.
  • So kann das Bimetall-Element in konstruktiv einfacher Weise so in der Strömungsvorrichtung positioniert werden, dass dieses der Totaltemperatur des einströmenden Mediums, Wasserstoff, ausgesetzt ist und im Falle des Erreichens der maximal zulässigen Tanktemperatur, entsprechend verbogen wird und somit einen Kontakt öffnet bzw. schließt. Die Totaltemperatur entspricht dem Wert der maximal erwartbaren Temperatur, 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.
  • Alternativ ist es auch möglich, dass statt des Bimetall-Elements das Übertragungselement dem einströmenden Medium, Wasserstoff, ausgesetzt ist und die Temperatur an das Bimetall-Element thermisch weiterleitet. So kann das Bimetall-Element vor Wasserstoff-Versprödung geschützt werden und es wird weiterhin dessen Lebensdauer erhöht.
  • In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist es vorteilhaft vorgesehen, dass das Bimetall-Element zwei Materialien mit unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist. So wird in effizienter Weise die Funktionsweise des Bimetall-Elements optimiert.
  • 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,
    • 2a der Bereich I aus der 1 im Bereich der Strömungsvorrichtung in einer Ausgangsposition des Bimetall-Elements in einer Schnittansicht,
    • 2b der Bereich I aus der 1 im Bereich der Strömungsvorrichtung bei Verbiegung des Bimetall-Elements in einer Schnittansicht,
    • 3 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.
  • Innerhalb der Strömungsvorrichtung 3 ist eine Schaltvorrichtung 110 angeordnet, welche ein Bimetall-Element 11 mit einem Kontaktelement 15 umfasst, wie in 2a und 2b gezeigt. Das Kontaktelement 15 kann in vorteilhaften Ausführungen in einer vakuumierten Glasphiole angeordnet sein, um dieses vor Wasserstoff-Versprödung zu schützen. Das Bimetall-Element 11 ist mittels eines Haltekörpers 10 in der Strömungsvorrichtung 3 angeordnet. Dabei ist der Haltekörper 10 so konzipiert, dass das Bimetall-Element 11 bei einer Rückwärtsdurchströmung des Mediums, Wasserstoff, nur den statischen Anteil der Temperatur ermittelt. Die Strömungsvorrichtung 3 ist hier als Rohr ausgebildet und das Bimetall-Element 11 ist innerhalb des Rohrs an einem Staupunkt des Mediums, Wasserstoff, angeordnet. So ist das Bimetall-Element 11 einer Totaltemperatur ausgesetzt, welche in dem Tankbehälterinnenraum 2 herrscht, so dass die maximal herrschende Temperatur in dem Tankbehälterinnenraum 2 ebenfalls von dem Bimetall-Element 11 erfasst wird. Die Totaltemperatur ist hier als die maximal zu erwartende Temperatur definiert, wenn der Wasserstoff-Strahl am Ende des Tankbehälters abgebremst wird.
  • In einer alternativen Ausführung kann die Schaltvorrichtung 110 zusätzlich ein Übertragungselement 57 aufweisen, durch das die Temperatur in dem Tankbehälterinnenraum 2 auf das Bimetall-Element 11 übertragbar ist. Dabei kann das Übertragungselement 57 beispielsweise das Bimetall-Element 11 umgeben und so dieses vor Wasserstoff-Versprödung schützen.
  • 2a zeigt den Bereich I aus der i im Bereich der Strömungsvorrichtung 3 mit unterschiedlicher Position des Bimetall-Elements 11 in einer Ausgangsposition, bei der das Bimetall-Element 11 nicht verbogen ist. Typischerweise weist das Bimetall-Element 11 zwei Materialien 55, 56 mit unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten auf, so dass bei Erreichen der maximal zulässigen Tanktemperatur eine Verbiegung des Bimetall-Elements 11 erfolgt, wie in 2b gezeigt.
  • Überschreitet die Temperatur in dem Tankbehälterinnenraum 2 die Grenztemperatur, welche der maximal zulässigen Tanktemperatur entspricht, der unterschiedlichen Materialien 55, 56 des Bimetall-Elements 11, beginnt dieses, sich zu verbiegen. Die Verbiegung bewirkt ein Abheben des Bimetall-Elements 11 von dem Kontaktelement 15, so dass die Schaltvorrichtung 110 geöffnet ist und eine Zustandsänderung widerfährt. Die maximal zulässige Tanktemperatur kann je nach Materialwahl des Tankbehälters 200 variieren und entspricht beispielsweise einer Temperatur von 85 Grad Celsius, 95 Grad Celsius oder 100 Grad Celsius.
  • 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 110 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.
  • In einer alternativen Ausführung ist es möglich, dass eine umgekehrte Zustandsänderung vorhanden ist. Das heißt, dass das Bimetall-Element 11 bei Verbiegung das Kontaktelement 15 berührt und so die Schaltvorrichtung 110 schließt. Hierfür muss das Signal jedoch von einem Steuergerät des Tanksystems 100 ausgewertet werden.
  • 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.
  • 3 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
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  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 102017212485 A1 [0002]

Claims (15)

  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 (110) angeordnet ist.
  2. Tanksystem (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltvorrichtung (110) ein Bimetall-Element (11) mit einem Kontaktelement (15) umfasst.
  3. Tanksystem (100) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Kontaktelement (15) in einer vakuumierten Glasphiole angeordnet ist.
  4. Tanksystem (100) nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Bimetall-Element (11) mittels eines Haltekörpers (10) in der Strömungsvorrichtung (3) angeordnet ist.
  5. Tanksystem (100) nach einem der Ansprüche 2, 3, oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltvorrichtung (110) ein Übertragungselement (57) aufweist, durch welches Übertragungselement (57) die Temperatur auf das Bimetall-Element (11) übertragbar ist.
  6. Tanksystem (100) nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das Übertragungselement (57) das Bimetall-Element (11) umgibt.
  7. Tanksystem (100) nach Anspruch 2, 3, 4, 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Bimetall-Element (11) zwei Materialien (55, 56) mit unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist.
  8. 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.
  9. 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.
  10. 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.
  11. 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.
  12. Brennstoffzellenanordnung (70) mit einem Tanksystem (100) zur Speicherung von Wasserstoff für den Betrieb einer Brennstoffzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
  13. Wasserstoff-Vebrennungsmotorsystem (71) mit einem Tanksystem (100) zur Speicherung von Wasserstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 11.
  14. Brennstoffzellenbetriebenes Fahrzeug (73) mit einem Tanksystem (100) zur Speicherung von Wasserstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 11.
  15. Wasserstoff betriebenes Fahrzeug (72) mit einem Tanksystem (100) zur Speicherung von Wasserstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 11.
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