EP3887786A1 - Tankvorrichtung zur speicherung von verdichteten fluiden mit einer sensormodulanordnung - Google Patents

Tankvorrichtung zur speicherung von verdichteten fluiden mit einer sensormodulanordnung

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EP3887786A1
EP3887786A1 EP19808544.1A EP19808544A EP3887786A1 EP 3887786 A1 EP3887786 A1 EP 3887786A1 EP 19808544 A EP19808544 A EP 19808544A EP 3887786 A1 EP3887786 A1 EP 3887786A1
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EP
European Patent Office
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sensor module
pressure sensor
tank device
arrangement
low
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP19808544.1A
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Alexander Lux
Sandra Kruse
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Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
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Publication date
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Definitions

  • the high-pressure sensors In the course of emptying the tank device and as the pressure in the tank device drops, the high-pressure sensors have a high degree of inaccuracy with regard to the indication of the pressure, so that the tank can only be emptied down to approx. 20 bar when all safety factors are taken into account. This reduces the range of a vehicle with such a tank device.
  • the pressure can be precisely determined both in a high range and in a low range, so that an exact fill level query of the tank container is possible. This ensures high efficiency and a long range of the vehicle. Furthermore, the use of a pressure control valve protects the low-pressure sensor module from excessive pressures, so that mechanical overloads, which can damage the low-pressure sensor module, are minimized.
  • the hydrogen can flow in a simple manner through the use of stomata in the direction of the low-pressure sensor module or the high-pressure sensor module, while the solid particles remain.
  • 3c shows the gas-permeable protective element 17 in the form of a membrane element 22.

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Abstract

Tankvorrichtung (24) zur Speicherung von verdichteten Fluiden, insbesondere Wasserstoff, mit mindestens einem Tankbehälter (26) und einer Sensormodulanordnung (100), wobei die Sensormodulanordnung (100) ein Hochdrucksensormodul (28) aufweist. Außerdem umfasst die Sensormodulanordnung (100) ein Niederdrucksensormodul (1), welches Niederdrucksensormodul (1) mit einem Druckregelventil (44) zusammenwirkt.

Description

Beschreibung
Tankvorrichtung zur Speicherung von verdichteten Fluiden mit einer Sensormo dulanordnung
Die Erfindung betrifft eine Tankvorrichtung zur Speicherung von verdichteten Flu iden mit einer Sensormodulanordnung, insbesondere für einen Brennstoffzel lentank zur Speicherung von Wasserstoff, beispielsweise zur Anwendung in Fahrzeugen mit Brennstoffzellenantrieb.
Stand der Technik
Die nicht vorveröffentlichte DE 10 2018 209 057 Al beschreibt eine Tankvorrich tung zur Speicherung von verdichteten Fluiden, wobei die Tankvorrichtung Tank behälter mit einer Vielzahl von Ventilen umfasst, welche eine ordentliche und si chere Funktionsweise eines Gesamtsystems, beispielsweise eines Brennstoffzel lensystems gewährleisten.
Neben den Ventilen ist auch eine Drucksensormodulanordnung im Einsatz, um den Füllstand der Tankvorrichtung mit beispielsweise Wasserstoff zu überwa chen. Hier werden typischerweise Hochdrucksensoren eingesetzt, die für die Druckmessung bei vollem Tank, bei einem Druck von beispielsweise 350 bar bzw. 700 bar, unerlässlich sind.
Im Laufe der Entleerung der Tankvorrichtung und mit sinkendem Druck in der Tankvorrichtung weisen die Hochdrucksensoren eine hohe Ungenauigkeit bezüg lich der Angabe des Drucks auf, so dass der Tank bei Berücksichtigung aller Si cherheitsfaktoren nur bis auf ca. 20 bar entleerbar ist. Dadurch wird die Reich weite eines Fahrzeugs mit solch einer Tankvorrichtung reduziert. Vorteile der Erfindung
Die erfindungsgemäße Einrichtung mit den kennzeichnenden Merkmalen des An spruchs 1 weist demgegenüber den Vorteil auf, dass durch Einsatz einer Druck sensormodulanordnung mit einer höheren Genauigkeit im Bereich von niedrigen Drücken die Effizienz der Tankvorrichtung gesteigert wird.
Dazu weist die erfindungsgemäße Tankvorrichtung zur Speicherung von verdich teten Fluiden, insbesondere Wasserstoff, mindestens einen Tankbehälter und eine Sensormodulanordnung auf. Die Sensormodulanordnung weist weiterhin ein Hochdrucksensormodul auf. Darüber hinaus umfasst die Sensormodulanordnung ein Niederdrucksensormodul, welches Niederdrucksensormodul mit einem Druckregelventil zusammenwirkt.
Durch den Einsatz von einem Hochdrucksensormodul und einem Niederdruck sensormodul kann der Druck sowohl in einem hohen Bereich als auch in einem niedrigen Bereich präzise ermittelt werden, so dass eine genaue Füllstandsab frage des Tankbehälters möglich ist. Dadurch wird eine hohe Effizienz und eine hohe Reichweite des Fahrzeugs erzielt. Weiterhin ist durch den Einsatz eines Druckregelventils das Niederdrucksensormodul vor zu hohen Drücken geschützt, so dass mechanische Überbelastungen, welche zu Beschädigungen des Nieder drucksensormoduls führen können, minimiert werden.
In erster vorteilhafter Weiterbildung ist es vorgesehen, dass das Niederdruck sensormodul bzw. das Hochdrucksensormodul ein Sensorgehäuse aufweist, in welchem Sensorgehäuse ein Sensorchip angeordnet ist, welcher Sensorchip über Drahtverbindungen mit einer Leadframe verbindbar ist. Vorteilhafterweise ist das Sensorgehäuse aus einem Kunststoff hergestellt und vorteilhafterweise um fasst der Sensorchip ein druckempfindliches, mikromechanisches Modul.
Dadurch sind in einfacher und effektiver Weise die Druckverhältnisse in dem Tankbehälter präzise ermittelbar. In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist es vorteilhaft vorgesehen, dass die Sensormodulanordnung ein mechanisches Anschlusselement und ein elektri sches Anschlusselement umfasst, wobei das mechanische Anschlusselement fest mit dem Niederdrucksensormodul bzw. dem Hochdrucksensormodul verbun den ist und das elektrische Anschlusselement Steckerelemente aufweist, die über eine elektrische Kontaktierung mit dem Niederdrucksensormodul bzw. dem Hochdrucksensormodul verbunden ist. Vorteilhafterweise weist das mechanische Anschlusselement eine Ausnehmung auf, in welcher Ausnehmung ein gasdurch lässiges Schutzelement für das Niederdrucksensormodul bzw. das Hochdruck sensormodul angeordnet ist.
Während des Betriebs der Tankvorrichtung können Feststoffpartikel aus dem Tankbehälter aufgewirbelt werden und so in die Nähe des Niederdrucksensormo duls bzw. des Hochdrucksensormoduls gelangen. Erreichen diese Feststoffparti kel beispielsweise den Sensorchip oder die Drahtverbindungen zwischen dem Sensorchip und der Leadframe oder die elektrische Kontaktierung, so können mechanische Schäden entstehen, welche zu einer Funktionsbeeinträchtigung des Niederdrucksensormoduls bzw. des Hochdrucksensormoduls führen können.
In vorteilhafter Weiterbildung umfasst das gasdurchlässige Schutzelement ein Drosselelement.
In vorteilhafter Weiterbildung umfasst das gasdurchlässige Schutzelement ein Siebelement.
So kann der Wasserstoff in einfacher Weise durch den Einsatz von Spaltöffnun gen in Richtung des Niederdrucksensormoduls bzw. des Hochdrucksensormo duls strömen, während die Feststoffpartikel Zurückbleiben.
In vorteilhafter Weiterbildung umfasst das gasdurchlässige Schutzelement ein Membranelement. Dabei ist das Membranelement so ausgelegt, dass der Was serstoff hindurchströmen kann, während die Feststoffpartikel durch das Membra nelement zurückgehalten werden. Die beschriebene Tankvorrichtung eignet sich vorzugsweise in einer Brennstoff zellenanordnung zur Speicherung von Wasserstoff für den Betrieb einer Brenn stoffzelle.
In vorteilhaften Verwendungen kann die Tankvorrichtung zur Speicherung von verdichteten Fluiden in Fahrzeugen mit einem Antrieb mit gasförmigen Kraftstof fen verwendet werden.
Zeichnungen
In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele einer Tankvorrichtung zur Speiche rung von verdichteten Fluiden mit einer Sensormodulanordnung dargestellt. Es zeigt in
Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Niederdrucksensor moduls/Hochdrucksensormoduls im Längsschnitt,
Fig. 2a eine Sensormodulanordnung im Längsschnitt mit einem erfindungsge mäßen Niederdrucksensormodul/Hochdrucksensormodul des Ausfüh rungsbeispiels nach Fig. 1,
Fig. 2b die Sensormodulanordnung aus der Fig. 2a in einer Seitenansicht,
Fig. 3a ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Sensormo dulanordnung mit einem Niederdrucksensormodul/Hochdrucksensor modul und einem gasdurchlässigen Schutzelement im Längsschnitt, Fig. 3b ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Sensormo dulanordnung mit einem Niederdrucksensormodul/Hochdrucksensor modul und einem gasdurchlässigen Schutzelement im Längsschnitt, Fig. 3c ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Sensormo dulanordnung mit einem Niederdrucksensormodul/Hochdrucksensor modul und einem gasdurchlässigen Schutzelement im Längsschnitt, Fig. 4 Fahrzeug mit einer erfindungsgemäßen Tankvorrichtung umfassend eine Sensormodulanordnung in schematischer Ansicht. Beschreibung der Ausführungsbeispiele
Fig.l zeigt ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Niederdruck sensormoduls 1 bzw. Hochdrucksensormoduls 28 im Längsschnitt. Das Nieder drucksensormodul 1 bzw. das Hochdrucksensormodul 28 weist ein Sensorge häuse 2 auf, in das eine Leadframe 4 fest integriert ist.
Bei der Leadframe 4 handelt es sich um einen metallischen Leitungsträger, typi scherweise in Form eines Rahmens oder eines Kamms. Die einzelnen Kontakte, die Leads genannt werden, sind miteinander verbunden, wobei der Rahmen, der sogenannte Frame, mit den weiteren Frames, falls vorhanden, verbindbar ist.
Das Sensorgehäuse 2 weist weiterhin eine Ausnehmung 19 auf, in der ein Sen sorchip 6 angeordnet ist. Der Sensorchip 6 ist dabei direkt an dem Sensorge häuse 2 und an der Leadframe 4 angeordnet, so dass der Sensorchip 6 über Drahtverbindungen 8, beispielsweise Bond-Drähte, mit der Leadframe 4 verbind bar ist. Weiterhin ist der Sensorchip 6 aus einem druckempfindlichen, mikrome chanischen Modul, hergestellt.
Fig.2a zeigt das Ausführungsbeispiel aus der Fig.l in einer Sensormodulanord nung 100. Die Sensormodulanordnung 100 umfasst dabei das Niederdruck sensormodul 1 bzw. das Hochdrucksensormodul 28, ein elektrisches Anschlus selement 10 und ein mechanisches Anschlusselement 12. Das Niederdruck sensormodul 1 bzw. das Hochdrucksensormodul 28 ist an dem mechanischen Anschlusselement 12 und teilweise in einer Ausnehmung 42 des mechanischen Anschlusselements 12 angeordnet. Dabei ist das Niederdrucksensormodul 1 bzw. das Hochdrucksensormodul 28 mit dem mechanischen Anschlusselement 12 fest verbunden.
Das elektrische Anschlusselement 10 ist ebenfalls mit dem mechanischen An schlusselement 12 fest verbunden, wobei das Niederdrucksensormodul 1 bzw. das Hochdrucksensormodul 28 zwischen dem elektrischen Anschlusselement 10 und dem mechanischen Anschlusselement 12 angeordnet ist. Das elektrische Anschlusselement 10 weist Steckerelemente 14 auf, die über eine elektrische Kontaktierung 16 mit der Leadframe 4 des Niederdrucksensor moduls 1 bzw. des Hochdrucksensormoduls 28 verbunden sind. So kann bei spielsweise ein elektrischer Anschluss an ein Steuergerät hergestellt werden.
Fig.2b zeigt außerdem eine Seitenansicht der Sensormodulanordnung 100 aus der Fig.2a, wobei das Sensorgehäuse 2 hier aus einem Kunststoff hergestellt ist.
Fig.3a, Fig.3b, Fig.3c zeigen einen Ausschnitt der Sensormodulanordnung 100 aus der Fig.2a im Bereich des mechanischen Anschlusselements 12 im Längs schnitt. In der Ausnehmung 42 des mechanischen Anschlusselements 12 ist hier zum Schutz des Niederdrucksensormoduls 1 bzw. des Hochdrucksensormoduls 28 vor Feststoffpartikeln während des Betriebs der Sensormodulanordnung 100 ein gasdurchlässiges Schutzelement 17 angeordnet.
Fig.3a zeigt das gasdurchlässige Schutzelement 17 in Form eines Drosselele ments 18 mit einer Spaltöffnung 45.
Fig.3b zeigt das gasdurchlässige Schutzelement 17 in Form eines Siebelements 20 mit einer Vielzahl von Spaltöffnungen 45.
Fig.3c zeigt das gasdurchlässige Schutzelement 17 in Form eines Membranele ments 22.
Bei Verwendung der Sensormodulanordnung 100 in einer Tankvorrichtung 24 für verdichtete Fluide, beispielsweise Wasserstoff, kann durch Benutzung solch ei nes gasdurchlässigen Schutzelements 17 eine ordentliche Funktionsweise der Sensormodulanordnung 100 gewährleistet werden, da Feststoffpartikel, welche durch die Betankung in den Wasserstoff gelangen können, nicht bis zum Sen sorchip 6 Vordringen und so keine mechanische Beschädigung des Niederdruck sensormoduls 1 bzw. des Hochdrucksensormoduls 28 hervorrufen können. Fig.4 zeigt beispielhaft ein Fahrzeug 30 mit der Tankvorrichtung 24 zur Speiche rung von verdichteten Fluiden mit Brennstoffzellenantrieb in schematischer An sicht. Dabei ist in das Chassis des Fahrzeugs 30 eine Brennstoffzellenanordnung 38 mit einer erfindungsgemäßen Tankvorrichtung 24 und Sensormodulanord nung 100 integriert. Die Tankvorrichtung 24 versorgt dabei über eine Zuführlei tung 36 die Brennstoffzellenanordnung 38 mit Wasserstoff und ist hier im Fahr zeugheck angeordnet. Alternativ kann die Tankvorrichtung 24 auch an anderer Position im Fahrzeug 30 angeordnet sein.
Die Tankvorrichtung 24 weist hier zwei Tankbehälter 26 auf, in denen der Was serstoff speicherbar ist. In einem Halsbereich 48 jedes Tankbehälters 26 ist hier eine Sensormodulanordnung 100, die ein Hochdrucksensormodul 28 umfasst, und ein Druckregelventil 44 mit einer Sensormodulanordnung 100, die ein Nie derdrucksensormodul 1 umfasst, angeordnet. Dabei kann die Anzahl der Tank behälter 26 in der Tankvorrichtung 24 variieren, wobei jeder Tankbehälter 26 je weils eine Sensormodulanordnung 100, die ein Hochdrucksensormodul 28 um fasst, und ein Druckregelventil 44 mit einer Sensormodulanordnung 100, die ein Niederdrucksensormodul 1 umfasst, aufweist. In einer alternativen Ausführung weist die gesamte Tankvorrichtung 24 jeweils eine Sensormodulanordnung 100, die ein Hochdrucksensormodul 28 umfasst, und ein Druckregelventil 44 mit einer Sensormodulanordnung 100, die ein Niederdrucksensormodul 1 umfasst, auf.
So kann der Druck innerhalb jedes Tankbehälters 26 bestimmt und die Füll standshöhe präzise ermittelt werden. Weiterhin kann auf den Einsatz eines Schutzgels für den Sensorchip 6 und die elektrische Umgebung verzichtet wer den, da die Sensormodulanordnung 100 hier in flüssigkeitsfreiem Medium, näm lich hochreinem gasförmigem Wasserstoff, verwendet wird und der Wassergehalt zu gering für eine Kondensation bei den Einsatztemperaturen ist. Daher ist die Bildung von Kurzschlüssen oder wasserinduzierter Korrosion minimiert.

Claims

Ansprüche
1. Tankvorrichtung (24) zur Speicherung von verdichteten Fluiden, insbe sondere Wasserstoff, mit mindestens einem Tankbehälter (26) und einer Sensor modulanordnung (100), wobei die Sensormodulanordnung (100) ein Hochdruck sensormodul (28) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensormodulan ordnung (100) ein Niederdrucksensormodul (1) umfasst, welches Niederdruck sensormodul (1) mit einem Druckregelventil (44) zusammenwirkt.
2. Tankvorrichtung (24) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Niederdrucksensormodul (1) bzw. das Hochdrucksensormodul (28) ein Sen sorgehäuse (2) aufweist, in welchem Sensorgehäuse (2) ein Sensorchip (6) an geordnet ist, welcher Sensorchip (6) über Drahtverbindungen (8) mit einer Lead frame (4) verbindbar ist.
3. Tankvorrichtung (24) nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch ge kennzeichnet, dass das Sensorgehäuse (2) aus einem Kunststoff hergestellt ist.
4. Tankvorrichtung (24) nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensorchip (6) ein druckempfindliches, mikromechanisches Modul um fasst.
5. Tankvorrichtung (24) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensormodulanordnung (100) ein mechani sches Anschlusselement (12) und ein elektrisches Anschlusselement (10) um fasst, wobei das mechanische Anschlusselement (12) fest mit dem Niederdruck sensormodul (1) bzw. dem Hochdrucksensormodul (28) verbunden ist und das elektrische Anschlusselement (10) Steckerelemente (14) aufweist, die über eine elektrische Kontaktierung (16) mit dem Niederdrucksensormodul (1) bzw. dem Hochdrucksensormodul (28) verbunden ist.
6. Tankvorrichtung (24) nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch ge kennzeichnet, dass das mechanische Anschlusselement (12) eine Ausnehmung (42) aufweist, in welcher Ausnehmung (42) ein gasdurchlässiges Schutzelement (17) für das Niederdrucksensormodul (1) bzw. das Hochdrucksensormodul (28) angeordnet ist.
7. Tankvorrichtung (24) nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch ge kennzeichnet, dass das gasdurchlässige Schutzelement (17) ein Drosselelement
(18) umfasst.
8. Tankvorrichtung (24) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das gasdurchlässige Schutzelement (17) ein Siebelement (20) umfasst.
9. Tankvorrichtung (24) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das gasdurchlässige Schutzelement (17) ein Membranelement (22) umfasst.
10. Brennstoffzellenanordnung (38) mit einer Tankvorrichtung (24) nach ei nem der vorhergehenden Ansprüche.
11. Fahrzeug mit einer Tankvorrichtung (24) zur Speicherung von verdichte ten Fluiden nach einem der Ansprüche 1 bis 9.
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