DE102022211297A1

DE102022211297A1 - Tanksystem für ein wasserstoffbetriebenes Fahrzeug, Brennstoffzellenanordnung, Wasserstoff-Verbrennungsmotorsystem, brennstoffzellenbetriebenes Fahrzeug, wasserstoffbetriebenes Fahrzeug

Info

Publication number: DE102022211297A1
Application number: DE102022211297.0A
Authority: DE
Inventors: Thomas Breitbach
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2022-10-25
Filing date: 2022-10-25
Publication date: 2024-04-25
Also published as: WO2024088750A1

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. Weiterhin ist die Ventilanordnung (20) in einem Halsbereich (50) des Tankbehälters (200) integriert und ragt mit einer Endstirnfläche (203) in den Tankbehälterinnenraum (2) hinein. Darüber hinaus ist innerhalb der Ventilanordnung (20), insbesondere in der Endstirnfläche (203) eine Sensorvorrichtung (201) angeordnet.

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 für kohlefaserverstärkte Behälter ausgelegt ist, welche 85 Grad Celsius nicht überschreiten. Während der Befüllung mit Wasserstoff sind jedoch aufgrund des negativen Joule-Thomson-Effekts Temperaturschwankungen möglich, welche bei Temperaturüberschreitungen beispielsweise oberhalb von 85 Grad Celsius zu Schäden an der Einrichtung führen können. Daher wird der Wasserstoff vor der Befüllung auf -40 Grad Celsius heruntergekühlt, um eine Überhitzung der Behälter zu minimieren.
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 Zustände 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. Weiterhin ist die Ventilanordnung in einem Halsbereich des Tankbehälters integriert und ragt mit einer Endstirnfläche in den Tankbehälterinnenraum hinein. Darüber hinaus ist innerhalb der Ventilanordnung, insbesondere in der Endstirnfläche eine Sensorvorrichtung angeordnet.
So kann in konstruktiv einfacher Weise eine präzise Analyse der vorherrschenden Zustände, insbesondere der Temperatur, erfolgen und die Messgenauigkeit erhöht werden. Durch eine verbesserte räumliche Erfassung der Temperatur in dem gesamten Tankbehälter kann weiterhin eine Schädigung des Tanks frühzeitig erkannt werden. Gleichzeitig wird durch die räumliche Ausdehnung der Messung im Normalbetrieb die mittlere Temperatur mit höherer Präzision erfasst, so dass die gespeicherte Wasserstoffmasse genauer berechnet werden kann. Zusammen mit einer Verringerung der Messungenauigkeit kann dies dazu genutzt werden, den Tankbehälter weiter zu befüllen (bzw. die Befüllung später abzubrechen).
In erster vorteilhafter Weiterbildung ist es vorgesehen, dass die Sensorvorrichtung einen Temperatursensor umfasst. Vorteilhafterweise ist die Temperatur in dem Tankbehälterinnenraum durch den Temperatursensor mittels Wärmestrahlung, insbesondere Infrarot-Strahlung, ermittelbar. Hierdurch kann die Sensorvorrichtung gezielt auf eine Stelle in dem Tankbehälterinnenraum, insbesondere an der Tankbehälterwand, ausgerichtet werden, die bei der Betankung mit Wasserstoff die höchste Wärmebelastung aufweist. Im Normalbetrieb stellt sich die mittlere Temperatur durch die Vermischung des Wasserstoffs recht schnell ein, so dass sich aus der Infrarot-Strahlung ein präzise gemittelter Wert ermitteln lässt. Ein weiterer Vorteil ist, dass durch die berührungslose Messung die Position der Sensorvorrichtung innerhalb der Ventilanordnung hinein verlagert werden kann.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist es vorteilhaft vorgesehen, dass die Sensorvorrichtung ein röhrenförmiges Element aufweist, welches in den Tankbehälterinnenraum hineinragt und als Kollimator ausgebildet ist. So kann in konstruktiv einfacher Weise der Blickwinkel der Sensorvorrichtung eingeschränkt werden, so dass beispielsweise die Temperatur der Strömungsvorrichtung nicht ermittelt wird und so eine Verfälschung der Temperatur innerhalb des Tankbehälters minimiert wird. Ein Kollimator ist dabei eine Vorrichtung, welche divergente Strahlung, hier Wärmestrahlung bzw. Infrarot-Strahlung, in eine parallele Ausrichtung bringt.
In vorteilhafter Weiterbildung ist es vorgesehen, dass die Sensorvorrichtung in einer Bohrung innerhalb der Ventilanordnung zu der Endstirnfläche der Ventilanordnung versetzt angeordnet ist. So kann ebenso der Blickwinkel der Sensorvorrichtung eingeschränkt werden und eine präzise Temperaturerfassung innerhalb des Tankbehälters erzielt werden.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist es vorteilhaft vorgesehen, dass die Strömungsvorrichtung als lanzenförmiger Strömungskanal ausgebildet ist. So kann bei der Betankung in konstruktiv einfacher Weise eine optimale Einströmung des Wasserstoffs in den Tankbehälter erzielt werden.
In vorteilhafter Weiterbildung ist es vorgesehen, dass der Tankbehälter an einem der Ventilanordnung gegenüberliegenden Ende ein Tankendplug angeordnet ist.
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 das Tanksystem in Fahrzeugen mit einem Brennstoffzellenantrieb verwendet werden.
In vorteilhaften Verwendungen kann das Tanksystem 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 Ventilanordnung in einer ersten Ausführungsform in schematischer Ansicht,
3 der Bereich I aus der 1 im Bereich der Strömungsvorrichtung und der Ventilanordnung in einer zweiten Ausführungsform in schematischer Ansicht,
4 der Bereich I aus der 1 im Bereich der Strömungsvorrichtung und der Ventilanordnung in einer dritten Ausführungsform in schematischer Ansicht,
5 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 der Ausführungsbeispiele
1 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, insbesondere mit einer Endstirnfläche 203, hinein.
Weiterhin ist innerhalb der Ventilanordnung 20 eine Sensorvorrichtung 201 angeordnet, insbesondere in der Endstirnfläche 203, wie in 2 gezeigt. Die Sensorvorrichtung 201 umfasst einen Temperatursensor, mittels dem die Temperatur in dem Tankbehälterinnenraum 2 über Wärmestrahlung 2010, insbesondere Infrarot-Strahlung, ermittelbar ist. Die Wärmestrahlung 2010, Infrarot-Strahlung, wird wie in 1 gezeigt, in den Tankbehälterinnenraum 2 eingebracht. Diese wird gezielt an eine Stelle einer Tankbehälterwand 222 innerhalb des Tankbehälterinnenraums 2 ausgerichtet, die bei der Betankung mit Wasserstoff die höchste Wärmebelastung erfährt. So kann auf sichere Weise die Temperatur in dem Tankbehälter 200 bestimmt werden.
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. Weiterhin ist die Strömungsvorrichtung 3, wie in 1 gezeigt, abgeknickt ausgebildet, um die Einströmung des Wasserstoffs weiter zu optimieren und eine verbesserte Verteilung innerhalb des Tankbehälterinnenraums 2 zu erzielen.
An einem der Ventilanordnung 20 gegenüberliegenden Ende 230 weist der Tankbehälter 200 ein Tankendplug 23 auf.
2 zeigt den Bereich I aus der i im Bereich der Strömungsvorrichtung 3 und der Ventilanordnung 20 in einer ersten Ausführungsform in schematischer Ansicht. In dieser ersten Ausführungsform ist die Sensorvorrichtung 201 wie bereits beschrieben innerhalb der Ventilanordnung 20 und in der Endstirnfläche 203 angeordnet.
3 zeigt den Bereich I aus der i im Bereich der Strömungsvorrichtung 3 und der Ventilanordnung 20 in einer zweiten Ausführungsform in schematischer Ansicht. In dieser zweiten Ausführungsform ist die Sensorvorrichtung 201 ebenfalls innerhalb der Ventilanordnung 20 und in der Endstirnfläche 203 angeordnet. Weiterhin weist die Sensorvorrichtung 201 hier ein röhrenförmiges Element 24 auf, welches in den Tankbehälterinnenraum 2 hineinragt und als Kollimator ausgebildet ist. Ein Kollimator ist dabei eine Vorrichtung, welche divergente Strahlung, hier Wärmestrahlung bzw. Infrarot-Strahlung, in eine parallele Ausrichtung bringt. Das heißt, der Blickwinkel der Sensorvorrichtung ist hier eingeschränkt, so dass diese beispielsweise die Strömungsvorrichtung 3 nicht erkennt und keine Verfälschung der gemessenen Temperatur erfolgt.
4 zeigt den Bereich I aus der i im Bereich der Strömungsvorrichtung 3 und der Ventilanordnung 20 in einer dritten Ausführungsform in schematischer Ansicht. In der dritten Ausführungsform weist die Ventilanordnung 20 eine Bohrung 25 auf, in welcher die Sensorvorrichtung 201 angeordnet ist. Dabei ist diese zu der Endstirnfläche 200 der Ventilanordnung 20 versetzt angeordnet, so dass das Blickfeld der Sensorvorrichtung 201 ebenfalls eingeschränkt ist und diese Versetzung die Funktionsweise eines Kollimators übernimmt.
5 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

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, wobei die Ventilanordnung (20) in einem Halsbereich (50) des Tankbehälters (200) integriert ist und mit einer Endstirnfläche (203) in den Tankbehälterinnenraum (2) hineinragt, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb der Ventilanordnung (20), insbesondere in der Endstirnfläche (203) eine Sensorvorrichtung (201) angeordnet ist.
Tanksystem (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorvorrichtung (201) einen Temperatursensor umfasst.
Tanksystem (100) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur in dem Tankbehälterinnenraum (2) durch den Temperatursensor mittels Wärmestrahlung (2010), insbesondere Infrarot-Strahlung, ermittelbar ist.
Tanksystem (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorvorrichtung (201) ein röhrenförmiges Element (24) aufweist, welches in den Tankbehälterinnenraum (2) hineinragt und als Kollimator ausgebildet ist.
Tanksystem (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorvorrichtung (201) in einer Bohrung (25) innerhalb der Ventilanordnung (20) zu der Endstirnfläche (203) der Ventilanordnung (20) versetzt angeordnet ist.
Tanksystem (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungsvorrichtung (3) als lanzenförmiger Strömungskanal ausgebildet ist.
Tanksystem (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Tankbehälter (200) an einem der Ventilanordnung (20) gegenüberliegenden Ende (230) ein Tankendplug (23) angeordnet ist.
Brennstoffzellenanordnung (70) mit einem Tanksystem (100) zur Speicherung von Wasserstoff für den Betrieb einer Brennstoffzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Wasserstoff-Vebrennungsmotorsystem (71) mit einem Tanksystem (100) zur Speicherung von Wasserstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 7.
Brennstoffzellenbetriebenes Fahrzeug (73) mit einem Tanksystem (100) zur Speicherung von Wasserstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 7.
Wasserstoffbetriebenes Fahrzeug (72) mit einem Tanksystem (100) zur Speicherung von Wasserstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 7.