DE102022211298A1

DE102022211298A1 - Tanksystem für ein wasserstoffbetriebenes Fahrzeug, Brennstoffzellenanordnung, Wasserstoff-Verbrennungsmotorsystem, brennstoffzellenbetriebenes Fahrzeug, wasserstoffbetriebenes Fahrzeug

Info

Publication number: DE102022211298A1
Application number: DE102022211298.9A
Authority: DE
Inventors: Christoph Woll; Matthias Kuntz; Martin Schulte Moenting
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: WO2024088701A1

Abstract

Tanksystem (1) zur Speicherung eines gasförmigen Mediums, insbesondere Wasserstoff, wobei das Tanksystem (1) mindestens zwei Tankbehälter (2), ein rahmenförmiges Gehäuseelement (24) und eine mit den Tankbehältern (2) verbindbare Zuführleitung (4) umfasst. Das rahmenförmige Gehäuseelement (24) umgibt die mindestens zwei Tankbehälter (2) und die Zuführleitung (4), wobei die Tanksystem (1) mindestens ein Sicherungsventil (10) aufweist. Darüber hinaus ist das rahmenförmige Gehäuseelement (24) modular aufgebaut und umfasst ein Modul mit nicht brennbarem Material mit hoher Schmelztemperatur (51) und ein Modul mit brennbarem Material mit niedriger Schmelztemperatur (52).Weiterhin betrifft die Erfindung eine Brennstoffzellenanordnung, ein Wasserstoff-Verbrennungsmotorsystem, ein brennstoffzellenbetriebenes Fahrzeug und ein wasserstoffbetriebenes Fahrzeug.

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
Brennstoffzellen kommen zunehmend als Energiewandler, unter anderem auch in Fahrzeugen, zum Einsatz, um in einem Brennstoff, wie z.B. Wasserstoff, gespeicherte chemische Energie zusammen mit Sauerstoff direkt in elektrische Energie umzuwandeln. Brennstoffzellen weisen eine Anode, eine Kathode und eine zwischen Anode und Kathode angeordnete elektrolytische Membrane auf. An der Anode erfolgt eine Oxidation des Brennstoffs und an der Kathode eine Reduktion des Sauerstoffs.
Weiterhin sind auch Fahrzeuge mit einem Wasserstoff-Verbrennungsmotorsystem bekannt, welche einen Brennstoff, hier Wasserstoff, benötigen.
Der Brennstoff wird der Brennstoffzelle bzw. dem Wasserstoff-Verbrennungsmotorsystem üblicherweise über ein Leitungssystem aus einem Tank zugeführt, in dem der gasförmige Brennstoff bei hohem Druck, beispielsweise bis 900 bar, gespeichert ist.
Die DE 10 2017 212 485 A1 beschreibt solch eine Einrichtung zur Speicherung von verdichteten Fluiden, die als Brennstoff für ein Fahrzeug dienen, wobei die Einrichtung mindestens zwei rohrförmige Tankbehälter und mindestens einen Hochdruckkraftstoffzuteiler mit mindestens einer integrierten Regel- und Sicherheitstechnik umfasst.
Zum Schutz der Tankbehälter und der Umgebung um die Tankbehälter herum werden die Tankbehälter bei einem Unfall, beispielsweise bei Ausbruch eines Feuers, mittels eines Sicherungsventils, eines thermisch aktivierbaren Ventils, eines sogenannten TPRD (Thermal Pressure Relief Device) Ventils, entleert. Um eine zuverlässige und sichere Auslösung dieses Ventils zu gewährleisten, muss dieses im Falle eines Unfalls geschützt werden, ohne dass die eigentliche Funktion des Ventils, d.h. die Erfassung thermischer Aktivitäten in der Umgebung, beeinträchtigt wird.
Vorteile der Erfindung
Das erfindungsgemäße Tanksystem mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 weist demgegenüber den Vorteil auf, dass mit der konstruktiven Ausführung des Tanksystems eine ordentliche Funktionsweise des Sicherungsventils neben einer sicheren Positionierung bei einem Unfall erzielt wird.
Dazu weist das Tanksystem zur Speicherung eines gasförmigen Mediums, insbesondere Wasserstoff, mindestens zwei Tankbehälter, ein rahmenförmiges Gehäuseelement und eine mit den Tankbehältern verbindbare Zuführleitung auf. Das rahmenförmige Gehäuseelement umgibt die mindestens zwei Tankbehälter und die Zuführleitung, wobei das Tanksystem mindestens ein Sicherungsventil aufweist. Darüber hinaus ist das rahmenförmige Gehäuseelement modular aufgebaut und umfasst ein Modul mit nicht brennbarem Material mit hoher Schmelztemperatur und ein Modul mit brennbarem Material mit niedriger Schmelztemperatur.
So kann das Tanksystem im Falle eines Unfalls insbesondere durch das rahmenförmige Gehäuseelement geschützt werden. Weiterhin wird sichergestellt, dass in einem Brandfall durch den modularen Aufbau des rahmenförmigen Gehäuseelements ein sicheres Auslösen des Sicherungsventils erzielt wird.
In erster vorteilhafter Weiterbildung ist es vorgesehen, dass das Sicherungsventil in einem Bereich des Moduls mit brennbarem Material mit niedriger Schmelztemperatur des rahmenförmigen Gehäuseelements angeordnet ist. So ist in konstruktiv einfacher Weise ein schnelles und effizientes Auslösen des Sicherungsventils gesichert.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist es vorteilhaft vorgesehen, dass jeder Tankbehälter ein Sicherungsventil aufweist. Vorteilhafterweise ist das Sicherungsventil als thermisch aktivierbares Ventil ausgebildet. So kann über ein temperaturempfindliches Element des Sicherungsventils ein Wärmeeintrag in die Tankbehälter detektiert und so eine Öffnung des thermisch aktivierbaren Ventils auslösen, um ein sicheres Ableiten des gasförmigen Mediums aus den Tankbehältern zu ermöglichen.
In vorteilhafter Weiterbildung ist es vorgesehen, dass das Modul mit brennbarem Material mit niedriger Schmelztemperatur Kunststoff und/oder Glas und/oder Naturfaser und/oder Papier umfasst. Vorteilhafterweise weist das Modul mit brennbarem Material mit niedriger Schmelztemperatur eine Schmelztemperatur unter 100 Grad Celsius auf. So kann bei einem Unfall sichergestellt werden, dass die Umgebung um das Sicherungsventil herum ausreichend geschützt ist und bei Ausbruch eines Feuers durch Unterstützung brennbarer Materialien ein schnelles Detektieren des Feuers durch das Sicherungsventil gewährleistet wird.
In vorteilhafter Weiterbildung ist es vorgesehen, dass das Modul mit nicht brennbarem Material mit hoher Schmelztemperatur Aluminium und/oder Stahl umfasst. Vorteilhafterweise weist das Modul mit nicht brennbarem Material mit hoher Schmelztemperatur eine Schmelztemperatur von 660 Grad Celsius bei Aluminium auf. Vorteilhafterweise weist das Modul mit nicht brennbarem Material mit hoher Schmelztemperatur eine Schmelztemperatur zwischen 1400 Grad Celsius und 1500 Grad Celsius bei Stahl auf. So kann in effizienter Weise ein Schutz für die Tankbehälter gegenüber äußeren Einwirkungen, wie beispielsweise Feuer und Wärme, erzielt werden.
In vorteilhafter Weiterbildung ist es vorgesehen, dass das Tanksystem als Flachspeicher ausgebildet ist. Dies ermöglicht einen flexiblen und kompakten Einbau in das Chassis eines Fahrzeugs.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist es vorteilhaft vorgesehen, dass die mindestens zwei Tankbehälter aus Stahl gefertigt sind. So wird in einfacher Weise durch den Materialeinsatz eine Kostenersparnis erzielt.
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,
2a eine weitere vereinfachte schematische Draufsicht auf das erfindungsgemäße Tanksystem als Flachspeicher im Bereich des modularen Aufbaus des rahmenförmigen Gehäuseelements,
2b eine weitere vereinfachte schematische Draufsicht auf das erfindungsgemäße Tanksystem als Flachspeicher im Bereich des modularen Aufbaus des rahmenförmigen Gehäuseelements,
3 ein wasserstoffbetriebenes Fahrzeug mit einer Brennstoffzellenanordnung oder einem Wasserstoff-Verbrennungsmotorsystem mit einem erfindungsgemäßen Tanksystem in vereinfachter schematischer Ansicht.

Alle Figuren sind lediglich schematische Darstellungen des erfindungsgemäßen Tanksystems bzw. seiner Bestandteile gemäß Ausführungsbeispielen der Erfindung. Insbesondere Abstände und Größenrelationen sind in den Figuren nicht maßstabsgetreu wiedergegeben.
Beschreibung des Ausführungsbeispiels
1 zeigt eine schematische Draufsicht eines erfindungsgemäßen Tanksystems 1 für ein Verbrauchersystem 31. Das Tanksystem 1 weist dabei mindestens zwei Tankbehälter 2 zur Speicherung von Wasserstoff auf, sowie ein rahmenförmiges Gehäuseelement 24 und eine mit den Tankbehältern 2 verbindbare Zuführleitung 4 auf. Dabei umgibt das rahmenförmige Gehäuseelement 24 die mindestens zwei Tankbehälter 2 und die Zuführleitung 4, wobei die mindestens zwei Tankbehälter 2 parallel zu einer Längsachse 9 des Tanksystems 1 verlaufen. Jeder der mindestens zwei Tankbehälter 2, welche im Wesentlichen zylinderförmig ausgebildet und aus Stahl gefertigt sind, weist ein Absperrventil 8 und/oder ein Sicherheitsventil 10 auf.
In einer beispielhaften Ausführungsform des Tanksystems 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.
Weiterhin ist in 1 dargestellt, dass das Absperrventil 8 zwischen dem jeweiligen Tankbehälter 2 und der Zuführleitung 4 angeordnet ist, wobei die Zuführleitung 4 die jeweiligen Tankbehälter 2 mit dem Verbrauchersystem 31 verbindet. So kann das Verbrauchersystem 31 über die Zuführleitung 4 mit gasförmigem Medium, insbesondere Wasserstoff, aus dem Tanksystem 1 versorgt werden. Das gasförmige Medium, insbesondere Wasserstoff, steht hier unter einem hohen Druck von zumindest nahezu 700 bar.
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 dem Tanksystem 1 herauszuleiten und so einem Bersten des jeweiligen Tankbehälters 2 entgegenzuwirken. An dem Sicherheitsventil 10 und/oder dem Tankbehälter 2 abgewandten Ende der Verbindungsleitung 11, insbesondere ihrem stromabwärtigen 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.
Bei dem Sicherungsventil 10 kann es sich in einer beispielhaften Ausführungsform um ein sogenanntes TPRD (Thermal Pressure Relief Device) 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.
Des Weiteren kann sich im Bereich der Verbindungsleitung 11, insbesondere zwischen dem Sicherheitsventil 10 und dem Ablassventil 12 ein weiteres Ventil befinden.
In vorteilhafter Weise wird für die Herstellung der rohrförmigen Tankmodule 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 Tankmodulen.
2a und 2b zeigen eine weitere schematische Draufsicht auf das erfindungsgemäße Tanksystem 1. Das Tanksystem 1 ist hier als Flachspeicher ausgebildet. Dies ermöglicht einen flexiblen und kompakten Einbau in das Chassis eines Fahrzeugs. Weiterhin ist das rahmenförmige Gehäuseelement 24 modular aufgebaut und es umfasst ein Modul mit nicht brennbarem Material mit hoher Schmelztemperatur 51 und ein Modul mit brennbarem Material mit niedriger Schmelztemperatur 52.
Das Modul mit nicht brennbarem Material mit hoher Schmelztemperatur 51 umfasst Aluminium und/oder Stahl. Weiterhin weist es eine Schmelztemperatur von 660 Grad Celsius bei Aluminium und eine Schmelztemperatur zwischen 1400 Grad Celsius und 1500 Grad Celsius bei Stahl auf.
Das Modul mit brennbarem Material mit niedriger Schmelztemperatur 52 umfasst Kunststoff und/oder Glas und/oder Naturfaser und/oder Papier. Weiterhin weist es eine Schmelztemperatur unter 100 Grad Celsius auf.
Das Sicherungsventil 10 ist hier in einem Bereich 50 des Moduls mit brennbarem Material mit niedriger Schmelztemperatur 52 des rahmenförmigen Gehäuseelements 24 angeordnet.
3 zeigt in vereinfachter schematischer Ansicht ein wasserstoffbetriebenes Fahrzeug 72, welches beispielsweise mit einer Brennstoffzellenanordnung 70, einem brennstoffzellenbetriebenen 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 1 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 [0005]

Claims

Tanksystem (1) zur Speicherung eines gasförmigen Mediums, insbesondere Wasserstoff, wobei das Tanksystem (1) mindestens zwei Tankbehälter (2), ein rahmenförmiges Gehäuseelement (24) und eine mit den Tankbehältern (2) verbindbare Zuführleitung (4) umfasst, wobei das rahmenförmige Gehäuseelement (24) die mindestens zwei Tankbehälter (2) und die Zuführleitung (4) umgibt, wobei die Tanksystem (1) mindestens ein Sicherungsventil (10) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass das rahmenförmige Gehäuseelement (24) modular aufgebaut ist und ein Modul mit nicht brennbarem Material mit hoher Schmelztemperatur (51) und ein Modul mit brennbarem Material mit niedriger Schmelztemperatur (52) umfasst.
Tanksystem (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Sicherungsventil (10) in einem Bereich (50) des Moduls mit brennbarem Material mit niedriger Schmelztemperatur (52) des rahmenförmigen Gehäuseelements (24) angeordnet ist.
Tanksystem (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Tankbehälter (2) ein Sicherungsventil (10) aufweist.
Tanksystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Sicherungsventil (10) als thermisch aktivierbares Ventil ausgebildet ist.
Tanksystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Modul mit brennbarem Material mit niedriger Schmelztemperatur (52) Kunststoff und/oder Glas und/oder Naturfaser und/oder Papier umfasst.
Tanksystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Modul mit brennbarem Material mit niedriger Schmelztemperatur (52) eine Schmelztemperatur unter 100 Grad Celsius aufweist.
Tanksystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Modul mit nicht brennbarem Material mit hoher Schmelztemperatur (51) Aluminium und/oder Stahl umfasst.
Tanksystem (1) nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass Modul mit nicht brennbarem Material mit hoher Schmelztemperatur (51) eine Schmelztemperatur von 660 Grad Celsius bei Aluminium aufweist.
Tanksystem (1) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass Modul mit nicht brennbarem Material mit hoher Schmelztemperatur (51) eine Schmelztemperatur zwischen 1400 Grad Celsius und 1500 Grad Celsius bei Stahl aufweist.
Tanksystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Tanksystem (1) als Flachspeicher ausgebildet ist.
Tanksystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens zwei Tankbehälter (2) aus Stahl gefertigt sind.
Brennstoffzellenanordnung (70) mit einem Tanksystem (1) zur Speicherung von Wasserstoff für den Betrieb einer Brennstoffzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Wasserstoff-Vebrennungsmotorsystem (71) mit einem Tanksystem (1) zur Speicherung von Wasserstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 11.
Brennstoffzellenbetriebenes Fahrzeug (73) mit einem Tanksystem (1) zur Speicherung von Wasserstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 11.
Wasserstoff betriebenes Fahrzeug (72) mit einem Tanksystem (1) zur Speicherung von Wasserstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 11.