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Die Erfindung betrifft eine Ventilbaugruppe für einen Brenngastank. Ferner betrifft die Erfindung einen Brenngastank mit einer erfindungsgemäßen Ventilbaugruppe sowie ein Brenngastanksystem. Bei dem Brenngas kann es sich insbesondere um Wasserstoff oder Erdgas handeln, das in einem Brenngastank unter Druck gespeichert wird.
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Bevorzugter Anwendungsbereich der Erfindung sind Brennstoffzellen- und/oder Gasfahrzeuge, die mit Hilfe eines Brenngases angetrieben werden.
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Stand der Technik
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Bekannt sind mobile Brenngastanksysteme mit mindestens einem Brenngastank zur Speicherung von Brenngas, beispielsweise Wasserstoff oder Erdgas. Der Brenngastank ist dabei in der Regel als Hochdrucktank ausgelegt. Ein Hochdrucktank benötigt immer ein Absperrventil, um den Tank dicht abzusperren, wenn das Fahrzeug nicht in Betrieb ist. Aus Gründen der Sicherheit ist das Absperrventil in der Regel als stromlos geschlossenes Ventil ausgeführt. Zur weiteren Absicherung kann dem Absperrventil ein Massenstrombegrenzungsventil vorgeschaltet sein, das im Schadensfall ein stark gedrosseltes und damit kontrolliertes Abblasen von Brenngas aus dem Brenngastank sicherstellt.
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Das Absperrventil kann integraler Bestandteil einer Ventilbaugruppe sein, die als kompakte Einheit in den Brenngastank, insbesondere im Bereich eines Flaschenhalses des Brenngastanks, einsetzbar ist. Das Absperrventil ist in diesem Fall in einen Entnahmepfad zur Entnahme von Brenngas aus dem Brenngastank integriert. Zum Befüllen des Brenngastanks mit Brenngas kann ein separater Betankungspfad vorgesehen sein. In diesen ist üblicherweise ein Rückschlagventil integriert, um die Strömungsrichtung im Betankungspfad vorzugeben. Um das Rückschlagventil für den Schadensfall abzusichern, kann auch im Betankungspfad ein zusätzliches Massenstrombegrenzungsventil vorgesehen werden. Allerdings steigen mit dem weiteren Massenstrombegrenzungsventil der Bauraumbedarf und die Kosten. Da der zur Verfügung stehende Bauraum, insbesondere im Bereich eines Flaschenhalses eines Brenngastanks, beschränkt ist, wird daher in der Regel auf eine zusätzliche Absicherung des im Betankungspfad angeordneten Rückschlagventils verzichtet.
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Die vorliegende Erfindung ist mit der Aufgabe befasst, eine Lösung zur Absicherung eines in einen Entnahmepfad integrierten Absperrventils sowie eines in einen Betankungspfad integrierten Rückschlagventils anzugeben, die hinsichtlich des Bauraums und der Kosten optimiert ist.
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Zur Lösung der Aufgabe werden die Ventilbaugruppe mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie der Brenngastank mit den Merkmalen des Anspruchs 7 vorgeschlagen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den jeweiligen Unteransprüchen zu entnehmen. Des Weiteren wird ein Brenngastanksystem mit einem erfindungsgemäßen Brenngastank vorgeschlagen.
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Offenbarung der Erfindung
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Die für einen Brenngastank vorgeschlagene Ventilbaugruppe umfasst ein Gehäuse, in dem eine Brenngasleitung ausgebildet ist, die sich innerhalb des Gehäuses in einen Entnahmepfad mit integriertem Absperrventil und einen Betankungspfad mit integriertem Rückschlagventil verzweigt. In die Brenngasleitung stromabwärts des Absperrventils und des Rückschlagventils bezogen auf die Brenngas-Strömungsrichtung bei der Entnahme von Brenngas aus dem Brenngastank ist ein Massenstrombegrenzungsventil integriert, das sowohl bei defektem Absperrventil als auch bei defektem Rückschlagventil ein unkontrolliertes Ausströmen von Brenngas über die Brenngasleitung verhindert.
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Bei der vorgeschlagenen Lösung wird zur Absicherung des Absperrventils und des Rückschlagventils nur ein einziges Massenstrombegrenzungsventil benötigt. Denn dieses wird in einen Bereich der Brenngasleitung integriert, der in Entnahmerichtung des Brenngases stromabwärts der Verzweigung der Brenngasleitung in den Entnahmepfad und den Betankungspfad liegt. Mit Hilfe des einen Massenstrombegrenzungsventils kann demnach im Schadensfall ein unkontrolliertes Ausströmen von Brenngas aus dem Brenngastank sowohl über den Entnahmepfad als auch über den Betankungspfad verhindert werden. Da nur ein Massenstrombegrenzungsventil zur Absicherung benötigt wird, werden Bauraum und Kosten eingespart. Die Einsparung von Bauraum bzw. die verringerten Bauraum-Restriktionen ermöglichen zudem eine Optimierung der Ventile der Ventilbaugruppe hinsichtlich des Druckverlusts und der Funktion.
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Das in die Brenngasleitung integrierte Massenstrombegrenzungsventil ist vorzugsweise derart ausgelegt, dass es in Betankungsrichtung frei durchströmt werden kann. Der Tankvorgang wird in diesem Fall durch das Massenstrombegrenzungsventil nicht behindert.
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Das Massenstrombegrenzungsventil kann insbesondere derart ausgelegt sein, dass es im Normalbetrieb immer geöffnet ist. Auf diese Weise ist sichergestellt, dass weder die Entnahme von Brenngas aus dem Brenngastank noch das Befüllen des Brenngastanks mit Brenngas durch das Massenstrombegrenzungsventil behindert wird. Dies kann beispielsweise durch eine in Öffnungsrichtung auf ein Ventilelement wirkende Feder realisiert werden. Das Massenstrombegrenzungsventil bleibt geöffnet, solange ein bestimmter Massenstrom in Entnahmerichtung, der eine Aktivierungsschwelle definiert, nicht überschritten wird. Bei Überschreiten der Aktivierungsschwelle wirkt auf das Ventilelement in Schließrichtung eine pneumatische Kraft, die größer als die Federkraft der Feder ist, so dass das Ventilelement schließt und eine in das Massenstrombegrenzungsventil integrierte Drosselbohrung nur noch einen stark reduzierten Massenstrom freigibt.
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Der geschlossene Zustand des Massenstrombegrenzungsventils bleibt vorzugsweise so lange erhalten, bis durch den gedrosselten Massenstrom in Entnahmerichtung die Differenz zwischen Tankdruck und Leitungs- bzw. Umgebungsdruck so weit gesunken ist, dass die Federkraft der Feder das Ventilelement erneut öffnet. Dieser „Reset“-Schwellwert liegt in der Regel deutlich niedriger als der „Aktivierungs“-Schwellwert.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist stromabwärts des Massenstrombegrenzungsventils bezogen auf die Brenngas-Strömungsrichtung bei der Entnahme von Brenngas aus dem Brenngastank, das heißt bezogen auf die Entnahmerichtung, ein Filter in die Brenngasleitung integriert. Der Filter soll den Eintrag von Partikeln verhindert, welche die Ventile der Ventilbaugruppe beschädigen und/oder zu einem Klemmen der Ventile führen könnten. Durch die vorgeschlagene Anordnung des Filters werden alle zuvor genannten Ventile der Ventilanordnung geschützt.
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Ferner bevorzugt ist stromabwärts oder stromaufwärts des Massenstrombegrenzungsventils bezogen auf die Brenngas-Strömungsrichtung bei der Entnahme von Brenngas aus dem Brenngastank, das heißt bezogen auf die Entnahmerichtung, ein manuell betätigbares Ventil in die Brenngasleitung integriert. Mit Hilfe des manuelle betätigbaren Ventils kann, beispielsweise in einem Reparaturfall, Brenngas aus dem Brenngastank abgelassen werden.
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Das in die Ventilbaugruppe integrierte Absperrventil ist vorzugsweise als elektromagnetisch ansteuerbares und/oder stromlos geschlossenes Ventil ausgeführt. Die Ansteuerbarkeit des Absperrventils ermöglicht eine kontrollierte Entnahme von Brenngas aus dem Brenngastank. Die Ausführung als stromlos geschlossenes Ventil erfüllt die an das Absperrventil gestellte Sicherheitsanforderung des Dichtschließens im Fehlerfall.
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Das Gehäuse der Ventilbaugruppe weist bevorzugt einen Verbindungsabschnitt zur Verbindung mit dem Brenngastank auf. Der Verbindungsabschnitt erleichtert die Montage der Ventilbaugruppe. Ferner bevorzugt weist der Verbindungsabschnitt ein Außengewinde auf, das in ein entsprechendes Innengewinde des Brenngastanks, insbesondere des Flaschenhalses des Brenngastanks, einschraubbar ist. Die Schraubverbindung ermöglicht eine leichte Montage sowie - bei Bedarf - eine leichte Demontage der Ventilbaugruppe.
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Des Weiteren bevorzugt weist das Gehäuse einen Anschlussabschnitt für den Anschluss einer externen Brenngasleitung auf. Über den Anschlussabschnitt kann die interne Brenngasleitung an eine externe Brenngasleitung zur Entnahme von Brenngas sowie zum Befüllen des Brenngastanks mit Brenngas angeschlossen werden. Vorzugsweise ist nach dem Verbinden der Ventilbaugruppe mit dem Brenngastank der Anschlussabschnitt des Gehäuses außerhalb des Brenngastanks angeordnet und bildet einen sogenannten „Tophead“-Abschnitt aus. Die Bauraum-Restriktionen für den Tophead-Abschnitt sind deutlich geringer als die für den in den Brenngastank eingesetzten Verbindungsabschnitt, so dass ein in diesem Abschnitt angeordnetes Ventil, vorzugsweise das Massenstrombegrenzungsventil und ggf. weitere Ventile, wie beispielsweise das Absperrventil, hinsichtlich Durchströmung und Druckverlust optimiert werden kann bzw. können. Zugleich wird Bauraum im Brenngastank, insbesondere im Flaschenhals des Brenngastanks, eingespart.
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Darüber hinaus wird ein Brenngastank mit einer erfindungsgemäßen Ventilbaugruppe vorgeschlagen. Der Einsatz einer erfindungsgemäßen Ventilbaugruppe erhöht die Sicherheit des Brenngastanks, da mit nur einem Massenstrombegrenzungsventil nicht nur eine Absicherung des in den Entnahmepfad integrierten Absperrventils, sondern zugleich eine Absicherung des in den Betankungspfad integrierten Rückschlagventils erzielt wird. Zugleich können Bauraum und Kosten eingespart werden, da zur Absicherung nur ein einziges Massenstrombegrenzungsventil benötigt wird.
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Bevorzugt ist das Gehäuse der Ventilbaugruppe abschnittsweise in den Brenngastank, vorzugsweise in einen Flaschenhals des Brenngastanks, eingesetzt, insbesondere eingeschraubt.
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Ferner bevorzugt weist das Gehäuse einen in den Brenngastank eingesetzten Verbindungsabschnitt sowie einen über den Brenngastank vorstehenden Anschlussabschnitt, den sogenannten „Tophead“-Abschnitt, auf. Im Tophead-Abschnitt ist der Bereich der Brenngasleitung ausgebildet, in dem der Entnahmepfad und der Betankungspfad zusammengeführt sind, so dass nur ein Anschluss an eine externe Brenngasleitung notwendig ist. Bevorzugt ist zudem das Massenstrombegrenzungsventil in den Anschlussabschnitt bzw. den Tophead-Abschnitt integriert. Ein Filter und/oder ein manuelles Ventil kann bzw. können - sofern vorhanden - ebenfalls im Tophead-Abschnitt angeordnet sein. Ferner wird vorgeschlagen, dass das Absperrventil in den Anschlussabschnitt bzw. Tophead-Abschnitt integriert ist. Da die Bauraum-Restriktionen im Tophead-Abschnitt geringer sind, können alle dort untergebrachten Ventile hinsichtlich des Durchflusses und der Funktion optimiert werden. Zugleich wird der Bauraumgewinn im Brenngastank maximiert.
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Des Weiteren wird ein Brenngastanksystem vorgeschlagen, das mindestens einen erfindungsgemäßen Brenngastank umfasst. Das vorgeschlagene Brenngastanksystem gelangt vorzugsweise in einem Brennstoffzellenfahrzeug oder in einem Gasfahrzeug zum Einsatz.
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Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Diese zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Ventilbaugruppe für einen Brenngastank und
- 2 einen schematischen Längsschnitt durch ein Massenstrombegrenzungsventil für eine erfindungsgemäße Ventilbaugruppe.
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Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
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Mit Hilfe der in der 1 dargestellten erfindungsgemäßen Ventilbaugruppe 1 kann Brenngas aus einem Brenngastank 2 entnommen sowie der Brenngastank 2 mit Brenngas befüllt werden. Bei dem Brenngas kann es sich beispielsweise um Wasserstoff oder Erdgas handeln.
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Die dargestellte Ventilbaugruppe 1 ist im Bereich eines Flaschenhalses 17 in den Brenngastank 2 eingesetzt, vorzugsweise eingeschraubt. Die Ventilbaugruppe 1 weist hierzu ein Gehäuse 3 mit einem Verbindungsabschnitt 3.1 zum Einsetzen bzw. Einschrauben in den Flaschenhals 17 auf. Darüber hinaus weist das Gehäuse 3 einen Anschlussabschnitt 3.2 auf, der außerhalb des Flaschenhalses 17 des Brenngastanks 2 zu liegen kommt, so dass in diesem Abschnitt die Bauraum-Restriktionen geringer sind. Die meisten Ventile der Ventilbaugruppe 1 sind daher in den Anschlussabschnitt 3.2 des Gehäuses 3 integriert.
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Die Ventile der Ventilbaugruppe 1 umfassen ein elektromagnetisch ansteuerbares Absperrventil 6, das in einen Entnahmepfad 5 der Ventilbaugruppe 1 integriert ist. Dem Absperrventil 6 ist in Richtung der Entnahme von Brenngas bzw. in Entnahmerichtung ein Rückschlagventil 13 nachgelagert, das ein unbeabsichtigte Öffnen des Absperrventils 6 beim Befüllen des Brenngastanks 2 mit Brenngas verhindern soll. Denn in Entnahmerichtung stromabwärts des Absperrventils 6 mündet der Entnahmepfad 5 in eine Brenngasleitung 4, über die der Entnahmepfad 5 mit einem Betankungspfad 7 pneumatisch verbunden ist. Im Betankungsfall steht somit im Betankungspfad 7 und im Entnahmepfad 5 der gleiche Druck an. Durch das Zusammenführen von Entnahmepfad 5 und Betankungspfad 7 über die Brenngasleitung 4 muss nur ein Anschluss der Ventilbaugruppe 1 an eine externe Brenngasleitung 12 vorgesehen werden.
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Weitere Ventile der Ventilbaugruppe 1 sind ein in die Brenngasleitung 4 integriertes manuell betätigbares Ventil 11, das insbesondere im Reparaturfall betätigt wird. Dem manuell betätigbaren Ventil 11 ist vorzugsweise ein Filter 10 vorgeschaltet, um den Eintrag von Partikeln in die Ventilbaugruppe 1 zu verhindern. In Entnahmerichtung stromaufwärts des Absperrventils 6 kann ein weiterer Filter 16 in den Entnahmepfad 5 integriert sein.
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In den Betankungspfad 7 ist ein Rückschlagventil 8 integriert, das ein Ausströmen von Brenngas aus dem Brenngastank 2 verhindern soll. Das Rückschlagventil 8 ist als einziges Ventil im Verbindungsabschnitt 3.1 des Gehäuses 3 der Ventilbaugruppe 1 angeordnet, so dass der Verbindungsabschnitt 3.1 wenig Bauraum benötigt und einfach in den Flaschenhals 17 des Brenngastanks 2 zu integrieren ist.
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Die Ventilbaugruppe 1 der 1 umfasst darüber hinaus einen Entlastungspfad 23, der ebenfalls in die Brenngasleitung 4 mündet und in dem weitere Ventile angeordnet sind. Zum einen ist ein weiteres manuell betätigbares Ventil 14 vorgesehen, das an allen Ventilen vorbeiführt und auch als „Bleed Valve“ bezeichnet wird. Ferner ist in einem Abzweig 24 des Entnahmepfads 23 ein Ventil 15 angeordnet, wobei es sich um ein Sicherheitsventil zum Abbau eines etwaigen Überdrucks handelt.
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Zur Absicherung des in den Entnahmepfad 5 integrierten Absperrventils 6 und des in den Betankungspfad 7 integrierten Rückschlagventils 8 ist in die Brenngasleitung 4 ferner ein Massenstrombegrenzungsventil 9 integriert. Im Schadensfall verhindert das Massenstrombegrenzungsventil 9 ein unkontrolliertes Ausströmen von Brenngas aus dem Brenngastank 2, und zwar unabhängig davon, ob Brenngas über den Entnahmepfad 5 oder den Betankungspfad 7 in die Brenngasleitung 4 gelangt.
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Der 2 ist beispielhaft ein Massenstrombegrenzungsventil 9 für eine erfindungsgemäße Ventilbaugruppe 1 zu entnehmen. Es umfasst eine Feder 18, deren Federkraft in Öffnungsrichtung auf ein hin und her bewegliches Ventilelement 19 wirkt, so dass die Feder 18 das Massenstrombegrenzungsventil 9 im Normalbetrieb offenhält. Pfeile markieren die Strömungsrichtung von einem Einlass 21 in Richtung eines Auslasses 22 des Massenstrombegrenzungsventils 9. Übersteigt der Massenstrom durch das Massenstrombegrenzungsventil 9 einen bestimmten Wert, der eine Aktivierungsschwelle definiert, wirkt in Schließrichtung eine pneumatische Druckkraft auf das Ventilelement 19, die größer als die Federkraft der Feder 18 ist, so dass das Massenstrombegrenzungsventil 9 schließt und nur noch eine Drosselbohrung 20 als Strömungsquerschnitt zur Verfügung steht. Der Massenstrom durch das Massenstrombegrenzungsventil 9 ist somit deutlich begrenzt, so dass Brenngas kontrolliert aus dem Brenngastank 2 ausströmt.
