DE102022212635A1 - Tanksystem für ein wasserstoffbetriebenes Fahrzeug, Brennstoffzellenanordnung, Wasserstoff-Verbrennungsmotorsystem, brennstoffzellenbetriebenes Fahrzeug, wasserstoffbetriebenes Fahrzeug - Google Patents

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Abstract

Tanksystem (1) für ein wasserstoffbetriebenes Fahrzeug, wobei das Tanksystem (1) mindestens zwei Tankbehälter (2) zur Speicherung von gasförmigem Medium, insbesondere Wasserstoff, 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 mindestens zwei Tankbehälter (2) parallel zu einer Längsachse (9) des Tanksystems (1) verlaufen. Jeder der mindestens zwei Tankbehälter (2) ist mittels eines flexiblen Lagers (35) und eines Festlagers (36) mit dem rahmenförmigen Gehäuseelement (24) verbunden. Darüber hinaus umfasst das flexible Lager (35) ein Lagerbuchsenelement (50), welches Lagerbuchsenelement (50) Schichten eines elastomerartigen Werkstoffs (40) und Schichten eines steifen Werkstoffs (41) 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
  • 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 Membran 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 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.
  • Insbesondere bei Tankbehältern großer Länge ist bei Einwirken von Druck und Temperatur mit einer Längenausdehnung zu rechnen. Zusätzlich wird durch Verwendung von Materialien mit größerer thermischer Dehnung bzw. geringerer mechanischer Steifigkeit eine größere Längendehnung eingebracht, was bei einer beidseitig fixen Lagerung der Tankbehälter zu zusätzlichen Lasten führt.
  • Vorteile der Erfindung
  • Das erfindungsgemäße Tanksystem mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 weist demgegenüber den Vorteil auf, dass durch Verwendung von flexiblen Lagern die mechanische Belastung auf die einzelnen Tankbehälter reduziert wird.
  • Dazu weist das Tanksystem mindestens zwei Tankbehälter zur Speicherung von gasförmigem Medium, insbesondere Wasserstoff, ein rahmenförmiges Gehäuseelement und eine mit den Tankbehältern verbindbare Zuführleitung auf. Das rahmenförmige Gehäuseelement umgibt die mindestens zwei Tankbehälter und die Zuführleitung, wobei die mindestens zwei Tankbehälter parallel zu einer Längsachse des Tanksystems verlaufen. Jeder der mindestens zwei Tankbehälter ist mittels eines flexiblen Lagers und eines Festlagers mit dem rahmenförmigen Gehäuseelement verbunden. Darüber hinaus umfasst das flexible Lager ein Lagerbuchsenelement, welches Lagerbuchsenelement Schichten eines elastomerartigen Werkstoffs und Schichten eines steifen Werkstoffs umfasst.
  • So können in konstruktiv einfacher Weise mechanische Belastungen auf das Tanksystem bzw. die einzelnen Tankbehälter beispielsweise bei einer Schrägstellung bei Installation bzw. Längenausdehnungen durch Temperatur- und/oder Druckeinflüsse oder Toleranzausgleich minimiert und die Dimensionierung und das Gewicht des Tanksystems reduziert werden.
  • In erster vorteilhafter Weiterbildung ist es vorgesehen, dass die Schichten des elastomerartigen Werkstoffs und die Schichten des steifen Werkstoffs im Wechsel angeordnet sind. Vorteilhafterweise umfasst der steife Werkstoff Stahl oder Aluminium.
  • In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist es vorteilhaft vorgesehen, dass es sich bei dem flexiblen Lager um ein Axialloslager handelt, das insbesondere den Tankbehälter orthogonal zu der Längsachse fixiert und/oder eine Bewegung des Tankbehälters axial zur Längsachs zumindest teilweise zulässt.
  • Durch die Installation und die Verspannung der Tankbehälter im rahmenförmigen Gehäuseelement werden die Schichten des elastomerartigen Werkstoffs in axialer Richtung verspannt und dehnen sich aufgrund der annähernden Inkompressibilität in radialer Richtung aus und können so eine Winkelversatz, oder auch einen axialen Versatz der Rahmenbauteile, sowie die Toleranzen in Achsrichtung besser ausgleichen.
  • In vorteilhafter Weiterbildung ist es vorgesehen, dass das Lagerbuchsenelement als Tellerfeder ausgebildet ist. Dies ermöglicht eine konstruktive einfache Installierung der Tankbehälter an dem rahmenförmigen Gehäuseelement.
  • In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist es vorteilhaft vorgesehen, dass die Schicht des elastomerartigen Werkstoffs und/oder die Schicht des steifen Werkstoffs als ebene Scheibe ausgebildet ist. So kann in einfacher Weise die Steifigkeit des Tanksystems angepasst werden. Weiterhin kann so auch auf die Schwingungsentkopplung Einfluss genommen werden. Darüber hinaus wird eine einfache und effiziente Montage des gesamten Tanksystems erzielt.
  • In vorteilhafter Weiterbildung ist es vorgesehen, dass die Schicht des elastomerartigen Werkstoffs und/oder die Schicht des steifen Werkstoffs in Wellenform in Umfangsrichtung ausgebildet ist. Vorteilhafterweise ist die Wellenform der Schicht des elastomerartigen Werkstoffs parallel oder gegenläufig zu der Schicht des steifen Werkstoffs ausgebildet. So kann eine effiziente Dämpfung des gesamten Tanksystems erzielt werden.
  • In vorteilhafter Weiterbildung ist es vorgesehen, dass das erste Ende und das zweite Ende der mindestens zwei Tankbehälter eine konische Verjüngung aufweisen. Vorteilhafterweise sind im Bereich der konischen Verjüngung der mindestens zwei Tankbehälter das flexible Lager und das Festlager angeordnet. Auf diese Weise lassen sich konstruktive Vorteile, wie beispielsweise eine kompakte und integrierte Bauweise erzielen.
  • 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,
    • 2 eine weitere Draufsicht eines aus Tankbehältern bestehenden erfindungsgemäßen Tanksystems zum Speichern von einem gasförmigen Medium,
    • 3a der Bereich I aus der 2 im Bereich des Lagerbuchsenelements in einer Schnittdarstellung,
    • 3b der Bereich I aus der 2 im Bereich des Lagerbuchsenelements in einer Schnittdarstellung,
    • 4a eine Schnittdarstellung des Lagerbuchsenelements in Wellenform der Schicht des elastomerartigen Werkstoffs parallel zu der Schicht des steifen Werkstoffs,
    • 4b eine Schnittdarstellung des Lagerbuchsenelements in Wellenform der Schicht des elastomerartigen Werkstoffs gegenläufig zu der Schicht des steifen Werkstoffs,
    • 5 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 der Ausführungsbeispiele
  • 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. Dabei weist jeder der mindestens zwei Tankbehälter 2, welche im Wesentlichen zylinderförmig ausgebildet und aus Stahl gefertigt sind, mindestens ein Ventil 8, 10 auf. Bei diesem mindestens einen Ventil 8, 10 handelt es sich um ein Absperrventil 8 und/oder um ein Sicherheitsventil 10.
  • 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. Am 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) Ventil 10, welches ein temperaturempfindliches Element aufweist, handeln, 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.
  • 2 zeigt eine weitere Draufsicht eines aus den Tankbehältern 2 bestehenden erfindungsgemäßen Tanksystems 1 zum Speichern von einem gasförmigen Medium. Das Tanksystem 1 weist dabei mehrere Tankbehälter 2 auf, welche im Wesentlichen zylinderförmig ausgebildet ist. Die jeweiligen Enden 20, 21 des jeweiligen Tankbehälters 2 weisen eine konische Verjüngung 6 und somit eine typische Flaschenhalsstruktur auf. Über die Enden 20, 21 sind die Tankbehälter 2 mit dem rahmenförmigen Gehäuseelement 24 mittels eines flexiblen Lagers 35 und/oder eines Festlagers 36 verbunden. Das flexible Lager 35 umfasst ein Lagerbuchsenelement 50.
  • 3a und 3b zeigen den Bereich I aus der 2 im Bereich des Lagerbuchsenelement 50 in einer Schnittdarstellung. Das Lagerbuchsenelement 50 umfasst Schichten eines elastomerartigen Werkstoffs 40 und Schichten eines steifen Werkstoffs 41. Diese sind, wie in 3a und 3b gezeigt, im Wechsel angeordnet. Der steife Werkstoff umfasst beispielsweise Stahl und Aluminium.
  • Bei dem flexiblen Lager 35 handelt es sich um ein Axialloslager, das insbesondere den Tankbehälter 2 orthogonal zu der Längsachse 9 fixiert und/oder eine Bewegung des Tankbehälters 2 axial zur Längsachse 9 zumindest teilweise zulässt.
  • Das Lagerbuchsenelement 50 kann auch in einer alternativen Ausführung als Tellerfeder ausgeführt sein, um ebenfalls eine Bewegung des Tankbehälters 2 axial zur Längsachse 9 zumindest teilweise zuzulassen.
  • In dieser Ausführung ist die Schicht des elastomerartigen Werkstoffs 40 und/oder die Schicht des steifen Werkstoffs 41 als ebene Scheibe ausgebildet. Das Lagerbuchsenelement 50 umfasst hier vier ebene Scheiben des elastomerartigen Werkstoffs 40 und vier ebene Scheiben des steifen Werkstoffs 41. In alternativen Ausführungen sind neben unterschiedlichen Dicken der Scheiben auch eine Vielzahl an Scheiben möglich.
  • 4a und 4b zeigen eine alternative Ausführung des Lagerbuchsenelements 50 in einer Schnittdarstellung. Die Schicht des elastomerartigen Werkstoffs 40 und die Schicht des steifen Werkstoffs 41 sind hier in Wellenform in Umfangsrichtung ausgebildet. Dabei kann die Wellenform der Schicht des elastomerartigen Werkstoffs 40 parallel, wie in 4a gezeigt, oder gegenläufig, wie in 4b gezeigt, zu der Schicht des steifen Werkstoffs 41 ausgebildet sein.
  • Auf diese Weise kann sichergestellt werden, dass Druck- und Temperaturänderungen beim Tanken und/oder beim Fahrbetrieb verursachte Ausdehnungen der Tankbehälter 2 insbesondere entlang der Längsachse 9 des Tankbehälters 2 durch eine variable Befestigung in Form des Lagerbuchsenelements 50 ausgeglichen werden können. Dies beugt Beschädigungen an den Tankbehältern 2 vor und führt so neben der Einhaltung sicherheitsrelevanter Faktoren zu einer hohen Lebensdauer des gesamten Tanksystems 1.
  • 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 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 (15)

  1. Tanksystem (1) für ein wasserstoffbetriebenes Fahrzeug, wobei das Tanksystem (1) mindestens zwei Tankbehälter (2) zur Speicherung von gasförmigem Medium, insbesondere Wasserstoff, 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 mindestens zwei Tankbehälter (2) parallel zu einer Längsachse (9) des Tanksystems (1) verlaufen, wobei jeder der mindestens zwei Tankbehälter (2) mittels eines flexiblen Lagers (35) und eines Festlagers (36) mit dem rahmenförmigen Gehäuseelement (24) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass das flexible Lager (35) ein Lagerbuchsenelement (50) umfasst, welches Lagerbuchsenelement (50) Schichten eines elastomerartigen Werkstoffs (40) und Schichten eines steifen Werkstoffs (41) umfasst.
  2. Tanksystem (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichten des elastomerartigen Werkstoffs (40) und die Schichten des steifen Werkstoffs (41) im Wechsel angeordnet sind.
  3. Tanksystem (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der steife Werkstoff Stahl oder Aluminium umfasst.
  4. Tanksystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem flexiblen Lager (35) um ein Axialloslager handelt, das insbesondere den Tankbehälter (2) orthogonal zu der Längsachse (9) fixiert und/oder eine Bewegung des Tankbehälters (2) axial zur Längsachse (9) zumindest teilweise zulässt.
  5. Tanksystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Lagerbuchsenelement (50) als Tellerfeder ausgebildet ist.
  6. Tanksystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht des elastomerartigen Werkstoffs (40) und/oder die Schicht des steifen Werkstoffs (41) als ebene Scheibe ausgebildet ist.
  7. Tanksystem (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht des elastomerartigen Werkstoffs (40) und/oder die Schicht des steifen Werkstoffs (41) in Wellenform in Umfangsrichtung ausgebildet ist.
  8. Tanksystem (1) nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Wellenform der Schicht des elastomerartigen Werkstoffs (40) parallel oder gegenläufig zu der Schicht des steifen Werkstoffs (41) ausgebildet ist.
  9. Tanksystem (1) nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Ende (20) und das zweite Ende (21) der mindestens zwei Tankbehälter (2) eine konische Verjüngung (39) aufweisen.
  10. Tanksystem (1) nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich der konischen Verjüngung (39) der mindestens zwei Tankbehälter (2) das flexible Lager (35) und das Festlager (36) angeordnet sind.
  11. Tanksystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens zwei Tankbehälter (2) aus Stahl gefertigt sind.
  12. Brennstoffzellenanordnung (70) mit einem Tanksystem (1) zur Speicherung von Wasserstoff für den Betrieb einer Brennstoffzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
  13. Wasserstoff-Vebrennungsmotorsystem (71) mit einem Tanksystem (1) zur Speicherung von Wasserstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 11.
  14. Brennstoffzellenbetriebenes Fahrzeug (73) mit einem Tanksystem (1) zur Speicherung von Wasserstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 11.
  15. Wasserstoff betriebenes Fahrzeug (72) mit einem Tanksystem (1) zur Speicherung von Wasserstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 11.
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