EP4244526A1 - Tankvorrichtung zur speicherung eines gasförmigen mediums - Google Patents

Tankvorrichtung zur speicherung eines gasförmigen mediums

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EP4244526A1
EP4244526A1 EP21798633.0A EP21798633A EP4244526A1 EP 4244526 A1 EP4244526 A1 EP 4244526A1 EP 21798633 A EP21798633 A EP 21798633A EP 4244526 A1 EP4244526 A1 EP 4244526A1
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EP
European Patent Office
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valve
tank
housing
tank device
valve element
Prior art date
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Pending
Application number
EP21798633.0A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Andreas Rau
Marco Stieber
Thomas Schwarz
Udo Schaich
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
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Filing date
Publication date
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    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T90/00—Enabling technologies or technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02T90/40—Application of hydrogen technology to transportation, e.g. using fuel cells

Definitions

  • Tank device for storing a gaseous medium
  • the invention relates to a tank device for storing a gaseous medium, in particular for storing hydrogen, for example for use in vehicles with a fuel cell drive or for use in vehicles with a hydrogen combustion engine as the drive.
  • DE 10 2018 201 055 A1 describes a tank device with at least one storage unit which has a control valve and which is connected to an outlet line via a line system. At least one control valve of at least one storage unit is designed as a main valve, and at least one control valve of at least one storage unit is designed as a secondary valve, with the main valve and the secondary valve being designed differently.
  • the safety devices for such a tank device are standardized. Each tank device must have such a shut-off valve. In the event of damage to the tank device caused by an accident involving the vehicle with a fuel cell drive or if a line in the tank device breaks, the shut-off valve can close the tank container so that no gas can escape from the tank device.
  • shut-off valves Due to the high safety requirements for the shut-off valves and due to high system pressures of, for example, 800 bar or more, such shut-off valves are structurally very challenging and have a large installation space. This in turn increases the total weight of the entire tank device, which in the event of an accident involving the vehicle with a fuel cell drive can lead to high acceleration forces occurring and possible deformation of the valve device or the tank device.
  • the tank device according to the invention with the characterizing features of claim 1 has the advantage that a compactly designed tank device with a safety valve with a positive energy balance and compliance with all safety-related criteria is provided in a structurally simple manner.
  • the tank device for storing a gaseous medium, in particular hydrogen has a valve device, a tank and a longitudinal axis.
  • the valve device also has a valve housing, in which valve housing a pilot valve element that can be moved along the longitudinal axis is arranged.
  • the pilot valve element cooperates with a first valve seat to open and close a first outlet opening and thus forms a pilot valve.
  • the valve device can be controlled by means of a magnetic coil.
  • a main valve element is arranged in the valve housing, which main valve element interacts with a second valve seat to open and close a second outlet opening and thus forms a main valve.
  • the tank device also includes a screw-in housing element, with the valve device being firmly integrated in a neck region of the tank by means of the screw-in housing element.
  • the valve device is arranged in a closed position by means of a tank pressure in the tank and by means of a spring when the magnet coil is switched off.
  • the screw-in housing element has an integral part with a first thread and a pot-shaped end with a second thread.
  • a through-channel is formed in the screw-in housing element, via which through-channel the tank is connected to the valve device. This leads to greater robustness of the entire tank, especially in the event of an accident.
  • the second valve seat is formed downstream on the valve housing and on the outlet opening and the cylindrical outlet opening opens into a cylindrical through-channel, with a diameter D of the through-channel being larger than a diameter d of the outlet opening.
  • the passage channel merges into the outlet opening by means of a conical transition area.
  • the tank device has a fixing element, through which fixing element the valve device is firmly connected to the screw-in housing element and the valve device is thus fixed to the screw-in housing element.
  • the through-channel can be connected to a tank interior by means of an inlet opening formed in the valve housing and a through-channel of the screw-in housing element.
  • the flow cross section of the gaseous medium from the tank can thus be controlled in a simple manner.
  • the spring is arranged in a recess of the pilot valve element and a spring chamber is formed, by which spring the pilot valve element and the main valve element are subjected to a force in the direction of the valve seat. In this way it can be ensured that the pilot valve element is pressed against the valve seat with the aid of the force of the spring and the pressure difference between the tank and the through-channel. The tightness of the valve device is thus ensured when the magnet coil is not energized.
  • the pilot valve element has a longitudinal opening and a transverse bore, which longitudinal opening and which transverse bore are fluidly connected to the spring chamber. In this way, the gaseous medium can be guided through the valve device in an optimal manner.
  • a control chamber is formed between the valve housing and the main valve element, in which control chamber a spring is arranged, which spring acts on the main valve element with a force counter to the direction of the second valve seat.
  • the main valve element has a discharge channel, which discharge channel opens into a through-opening, the through-opening opening into the outlet opening.
  • the first valve seat is formed on the main valve element and the second valve seat is formed on the valve housing.
  • the tank device described is preferably suitable in a fuel cell arrangement for storing hydrogen for the operation of a fuel cell.
  • the tank device described is also suitable for storing hydrogen in a fuel cell-powered vehicle.
  • the tank device described is also suitable for storing hydrogen in a hydrogen-powered vehicle, for example a vehicle with a hydrogen combustion engine as the drive.
  • the drawing shows an exemplary embodiment of a tank device according to the invention for storing a gaseous medium, in particular hydrogen. It shows in
  • Fig.l an embodiment of a tank device according to the invention with a valve device in longitudinal section. Description of the embodiment
  • FIG.l an embodiment of a tank device 1 according to the invention is shown with a longitudinal axis 11 for a gaseous medium.
  • the tank device 1 has a tank 10 and a valve device 2 .
  • the tank 10 has a tank housing 47 in which a tank interior 100 is formed.
  • the tank housing 47 also includes a neck area 6 into which the valve device 2 is integrated by means of a screw-in housing element 24 .
  • a connection point in the form of a thread is attached in the neck area 6 so that the valve device 2 can be screwed into the tank 10 by means of the screw-in housing element 24 . Furthermore, a fixing element 12 is provided, which firmly connects the valve device 2 and the screw-in housing element 24 to one another, for example by means of a screw connection.
  • the screw-in housing element 24 has a projection 240 on which a first thread 241 is formed, so that this can be easily introduced into the neck region 6 of the tank 10 .
  • the screw-in housing element 24 has a pot-shaped end 242 in which the valve device 2 is accommodated.
  • the cup-shaped end 242 also has a second thread 243 onto which the fixing element 12 can be screwed when the valve device 2 is fixed to the screw-in housing element 24 .
  • a through-channel 244 is formed in screw-in housing element 24, so that gaseous medium, in particular hydrogen, can be fed in this way, for example, to an anode region of a fuel cell in a fuel cell arrangement via valve device 2 from tank interior 100 via a cylindrical through-channel 80.
  • the valve device 2 has a valve housing 20 in which a cylindrical inlet opening 28 is formed, with the inlet opening 28 opening into the through-channel 244 of the screw-in housing element 24 . Both the inflow and the outflow of the valve device 2 take place here axially to the longitudinal axis 11 of the tank device 1. Furthermore, a magnetic coil 14 is accommodated and integrated in the valve housing 20, the magnetic coil 14 being fixed in the valve housing 20 by means of a support element 22 and sealed against an interior region of the valve device 2 by means of sealing elements on the support element 22. The magnet coil 14 can be controlled via an electrical connection 30 .
  • a pilot valve element 18 movable along the longitudinal axis 11 is arranged in the valve housing 20 .
  • the pilot valve element 18 has a recess 45 in which a spring chamber 25 is formed.
  • a spring 26 is arranged in this spring chamber 25 .
  • the pilot valve element 18 has a longitudinal opening 33 and a transverse bore 180 which are fluidically connected to the spring chamber 25 .
  • the spring chamber 25 also opens into the inlet opening 28.
  • a main valve element 19 is arranged coaxially to the pilot valve element 18 in the valve device 2 , the main valve element 19 partially surrounding the pilot valve element 18 .
  • a transverse bore 190 is formed in the main valve element 19 and opens into the transverse bore 180 of the pilot valve element 18 .
  • the main valve element 19 has a first outlet opening 56 which opens into a passage opening 57 . This in turn opens into a second outlet opening 31.
  • a first valve seat 27 is formed on the main valve element 19 and interacts with the pilot valve element 18 to open and close the first outlet opening 56 and thus forms a pilot valve 44 .
  • a second valve seat 40 is formed on the valve housing 20 and interacts with the main valve element 19 to open and close the second outlet opening 31 and thus forms a main valve 191 .
  • the second valve seat 40 is formed on the downstream of the valve housing 20 and the second outlet port 31 .
  • a control chamber 32 is formed between the valve housing 20 and the main valve element 19 , in which a spring 7 is arranged, which acts on the main valve element 19 with a force counter to the direction of the second valve seat 40 .
  • the spring 26 in the spring chamber 25 applies a force to the pilot valve element 18 and the main valve element 16 in the direction of the second valve seat 40.
  • the spring 26 is supported on the one hand on the screw-in housing element 24 and on the other hand on the pilot valve element 18.
  • the through-channel 80 opens into the second outlet opening 31 by means of a conical transition area 36, the through-channel 80 having a diameter D and the second outlet opening 31 having a diameter d.
  • the diameter D of the passage 80 is larger than the diameter d of the second outlet opening 31.
  • the valve housing 20 is designed here in multiple parts, so that the magnetic coil 14 is accommodated and integrated between the multi-part valve housing 20 . Furthermore, the valve device 2 can be controlled by means of the magnetic coil 14 .
  • a pressure P2 in the tank 10 is also greater than a pressure pi in the passage 80, so that in addition to the force of the spring 26, another closing force acts on the pilot valve element 18 and the main valve element 19 and the valve device 1 is in a closed position when the solenoid coil 14 is de-energized is arranged.
  • valve device 2 The functioning of the valve device 2 is as follows: When the magnetic coil 14 is energized, a magnetic field is formed, which leads to a force acting between the screw-in housing element 24 and the pilot valve element 18 . This generates a magnetic force on the pilot valve element 18 which opposes the force of the spring 26 and the pressure forces generated by the gaseous medium. With a sufficiently high magnetic force, the pilot valve element 18 lifts off the first valve seat 27 and provides an opening cross section between the inlet opening 28 and the Passage channel 80 free.
  • Gaseous medium now flows out of the tank interior 100 via the inlet opening 28, the spring chamber 25, the longitudinal opening 33, the outlet channel 56 and the through-opening 57 into the through-channel 80 via an inlet line 50 in the direction of an inlet area 55 of a consumer system, for example in the direction of an anode area fuel cell assembly.
  • Gaseous medium now also flows through the second Valve seat 40 from the tank interior 100 via the inlet opening 28, the spring chamber 25, the longitudinal opening 33, the transverse bore 180 of the pilot valve element 18, the transverse bore 190 of the main valve element 19 via the control chamber 32 into the through-channel 80 via the inflow line 50 in the direction of the inflow area 53 Consumer system, for example in the direction of an anode area of a fuel cell assembly.
  • the pilot valve element 18 and the main valve element 19 thus move again in the direction of the first valve seat 27 and the second valve seat 40 and thus seal the opening cross sections on the first valve seat 27 and the second valve seat 40 again.
  • Gaseous medium now no longer flows out of the tank device 1 via the valve device 2 in the direction of the inlet area 53.
  • the principle of the automatic closing of the valve device 2 also works in an emergency, for example if the power supply is interrupted. In this way it can be ensured that the hydrogen is enclosed in the tank device 1 and that it is not released into the environment in an uncontrolled manner.
  • the direction of flow runs from an external refueling station 54 via the inlet line 50 and the valve device 2 in the direction of the tank interior 100. Since current must not be supplied during refueling, the valve device 2 must be designed in such a way that the valve device 2 can be pressed open via the pressure conditions present at the valve device 2 . Since the pressure in the passage duct 80 is greater than in the area of the main valve element 19 when refueling, the pressure conditions must be designed in such a way that the main valve element 19 can be pressed and opened against the force of the spring 26 and the pressure in the tank 10 so that the Tank 10 can be filled with gaseous medium, such as hydrogen.
  • gaseous medium such as hydrogen
  • the same pressure conditions are established in front of and behind the second valve seat 40 so that the valve device 2 is closed again via the force of the spring 26 .
  • the tank interior 100 can thus be filled with hydrogen via the feed line 50, which is then connected here to an external filling station 54, via the same valve device 2 as the hydrogen is made available to the supply system.
  • the tank device 1 for storing a gaseous medium can be used in addition to fuel cell-powered vehicles, for example, for hydrogen storage in vehicles with a hydrogen combustion engine as the drive.

Abstract

Tankvorrichtung (1) zur Speicherung eines gasförmigen Mediums, insbesondere Wasserstoff, mit einer Ventilvorrichtung (2), einem Tank (10) und einer Längsachse (11). Die Ventilvorrichtung (2) weist ein Ventilgehäuse (20) auf, in welchem Ventilgehäuse (20) ein entlang der Längsachse (11) bewegliches Vorsteuerventilelement (18) angeordnet ist, welches Vorsteuerventilelement (18) zum Öffnen und Schließen einer ersten Auslassöffnung (56) mit einem ersten Ventilsitz (27) zusammenwirkt und so ein Vorsteuerventil (44) ausbildet. Die Ventilvorrichtung (2) ist mittels einer Magnetspule (14) ansteuerbar, wobei in dem Ventilgehäuse (20) ein Hauptventilelement (19) angeordnet ist, welches Hauptventilelement (19) zum Öffnen und Schließen einer zweiten Auslassöffnung (31) mit einem zweiten Ventilsitz (40) zusammenwirkt und so ein Hauptventil (191) ausbildet. Die Tankvorrichtung (1) umfasst ein Einschraubgehäuseelement (24), wobei die Ventilvorrichtung (2) mittels des Einschraubgehäuseelements (24) in einem Halsbereich (6) des Tanks (10) fest integriert ist. Die Ventilvorrichtung (2) ist mittels eines Tankdrucks in dem Tank (10) und mittels einer Feder (26) bei ausgeschalteter Magnetspule (14) in einer geschlossenen Position angeordnet.

Description

Beschreibung
Tankvorrichtung zur Speicherung eines gasförmigen Mediums
Die Erfindung betrifft eine Tankvorrichtung zur Speicherung eines gasförmigen Mediums, insbesondere zur Speicherung von Wasserstoff, beispielsweise zur Anwendung in Fahrzeugen mit Brennstoffzellenantrieb oder zur Anwendung in Fahrzeugen mit einem Wasserstoff-Verbrenner als Antrieb.
Stand der Technik
Die DE 10 2018 201 055 Al beschreibt eine Tankvorrichtung mit mindestens einer Speichereinheit, welche ein Steuerventil aufweist, und welche über ein Leitungssystem mit einer Ausgangsleitung verbunden ist. Dabei ist mindestens ein Steuerventil mindestens einer Speichereinheit als Hauptventil ausgebildet, und mindestens ein Steuerventil mindestens einer Speichereinheit ist als Nebenventil ausgebildet, wobei das Hauptventil und das Nebenventil unterschiedlich ausgebildet sind.
Die Sicherheitsvorrichtungen für solch eine Tankvorrichtung sind normiert. Dabei muss jede Tankvorrichtung solch ein Absperrventil aufweisen. So kann das Absperrventil bei einer Beschädigung der Tankvorrichtung hervorgerufen durch einen Unfall des Fahrzeugs mit Brennstoffzellenantrieb oder bei einem Bruch einer Leitung der Tankvorrichtung die Tankbehälter verschließen, so dass kein Gas aus der Tankvorrichtung austreten kann.
Aufgrund der hohen Sicherheitsanforderungen an die Absperrventile und aufgrund hoher Systemdrücke von beispielsweise 800 bar oder mehr sind solche Absperrventile konstruktiv sehr herausfordernd und weisen einen großen Bauraum auf. Dies erhöht wiederum das Gesamtgewicht der gesamten Tankvorrichtung, was im Falle eines Unfalls des Fahrzeugs mit Brennstoffzellenantrieb zu hohen auftretenden Beschleunigungskräften und möglichen Verformungen der Ventilvorrichtung oder der Tankvorrichtung führen kann. Vorteile der Erfindung
Die erfindungsgemäße Tankvorrichtung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 weist demgegenüber den Vorteil auf, dass in konstruktiv einfacher Weise eine kompakt ausgelegte Tankvorrichtung mit einem Sicherheitsventil mit positiver Energiebilanz und Einhaltung aller sicherheitsrelevanter Kriterien zur Verfügung gestellt wird.
Dazu weist die Tankvorrichtung zur Speicherung eines gasförmigen Mediums, insbesondere Wasserstoff, eine Ventilvorrichtung, einen Tank und eine Längsachse auf. Die Ventilvorrichtung weist außerdem ein Ventilgehäuse auf, in welchem Ventilgehäuse ein entlang der Längsachse bewegliches Vorsteuerventilelement angeordnet ist. Das Vorsteuerventilelement wirkt zum Öffnen und Schließen einer ersten Auslassöffnung mit einem ersten Ventilsitz zusammen und bildet so ein Vorsteuerventil aus. Weiterhin ist die Ventilvorrichtung mittels einer Magnetspule ansteuerbar. In dem Ventilgehäuse ist ein Hauptventilelement angeordnet, welches Hauptventilelement zum Öffnen und Schließen einer zweiten Auslassöffnung mit einem zweiten Ventilsitz zusammenwirkt und so ein Hauptventil ausbildet. Die Tankvorrichtung umfasst weiterhin ein Einschraubgehäuseelement, wobei die Ventilvorrichtung mittels des Einschraubgehäuseelements in einem Halsbereich des Tanks fest integriert ist. Darüber hinaus ist die Ventilvorrichtung mittels eines Tankdrucks in dem Tank und mittels einer Feder bei ausgeschalteter Magnetspule in einer geschlossenen Position angeordnet.
Auf diese Weise kann ein kompakt konstruiertes, doppeltschaltendes Absperrventil erzielt werden, das aufgrund der integrierten Bauweise die Sicherheitsanforderungen erfüllt und eine Kostenersparnis erzielt. Außerdem ist insbesondere bei ausgeschalteter Magnetspule gesichert, dass kein gasförmiges Medium, insbesondere Wasserstoff, aus dem Tank über die Ventilvorrichtung entweichen kann, da aufgrund des Druckunterschieds zwischen dem Tank und dem Durchlasskanal und der Kraft der Feder das Vorsteuerventilelement an den Ventilsitz gedrückt wird. Weiterhin ergeben sich aufgrund der konstruktiven Auslegung, die Ventilvorrichtung außerhalb des Tanks anzuordnen und der daraus resultierenden reduzierten Druckangriffsfläche deutlich kleinere axiale Druckkräfte. Diese kleineren Druckangriffsflächen reduzieren bei hohen Drücken die Bauteilbelastungen erheblich, was sich in geringeren Verformungen, Verschleiß und Dichtheitseinflüssen widerspiegelt und somit eine höhere Lebensdauer der Tankvorrichtung erzielt wird.
In erster vorteilhafter Weiterbildung ist es vorgesehen, dass das Einschraubgehäuseelement eine Anformung mit einem ersten Gewinde und ein topfförmiges Ende mit einem zweiten Gewinde aufweist.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist es vorteilhaft vorgesehen, dass in dem Einschraubgehäuseelement ein Durchgangskanal ausgebildet ist, über weichen Durchgangskanal der Tank mit der Ventilvorrichtung verbunden ist. Dies führt zu einer höheren Robustheit des gesamten Tanks, insbesondere im Falle eines Unfalls.
In vorteilhafter Weiterbildung ist es vorgesehen, dass der zweite Ventilsitz stromabwärts an dem Ventilgehäuse und an der Auslassöffnung ausgebildet ist und die zylinderförmige Auslassöffnung in einen zylinderförmigen Durchlasskanal mündet, wobei ein Durchmesser D des Durchlasskanals größer ist als ein Durchmesser d der Auslassöffnung. Auf diese Weise wird durch die entsprechenden Druckverhältnisse eine Kraft in Richtung geschlossener Position der Ventilvorrichtung auf die Ventilvorrichtung ausgeübt.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist es vorteilhaft vorgesehen, dass der Durchlasskanal mittels eines konischen Übergangsbereichs in die Auslassöffnung übergeht. ln vorteilhafter Weiterbildung weist die Tankvorrichtung ein Fixierelement auf, durch welches Fixierelement die Ventilvorrichtung fest mit dem Einschraubgehäuseelement verbindet und die Ventilvorrichtung so an dem Einschraubgehäuseelement fixiert ist.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist es vorteilhaft vorgesehen, dass der Durchlasskanal mittels einer in dem Ventilgehäuse ausgebildeten Einlassöffnung und eines Durchgangskanals des Einschraubgehäuseelements mit einem Tankinnenraum verbindbar ist. So ist in einfacher Weise der Strömungsquerschnitt an gasförmigem Medium aus dem Tank steuerbar.
In vorteilhafter Weiterbildung ist es vorgesehen, dass in einer Ausnehmung des Vorsteuerventilelements die Feder angeordnet und ein Federraum ausgebildet ist, durch welche Feder das Vorsteuerventilelement und das Hauptventilelement mit einer Kraft in Richtung des Ventilsitzes beaufschlagt ist. Auf diese Weise kann sichergestellt werden, dass mithilfe der Kraft der Feder und des Druckunterschieds zwischen dem Tank und dem Durchgangskanal das Vorsteuerventilelement an den Ventilsitz gedrückt wird. So ist bei nicht bestromter Magnetspule die Dichtheit der Ventilvorrichtung gewährleistet.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist es vorteilhaft vorgesehen, dass das Vorsteuerventilelement eine Längsöffnung und eine Querbohrung aufweist, welche Längsöffnung und welche Querbohrung fluidisch mit dem Federraum verbunden sind. So kann auf optimale Weise das gasförmige Medium durch die Ventilvorrichtung geleitet werden.
In vorteilhafter Weiterbildung ist zwischen dem Ventilgehäuse und dem Hauptventilelement ein Steuerraum ausgebildet, in welchem Steuerraum eine Feder angeordnet ist, welche Feder das Hauptventilelement mit einer Kraft entgegen der Richtung des zweiten Ventilsitzes beaufschlagt. In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist es vorteilhaft vorgesehen, dass das Hauptventilelement einen Ablasskanal aufweist, welcher Ablasskanal in eine Durchlassöffnung mündet, wobei die Durchlassöffnung in die Auslassöffnung mündet.
In vorteilhafter Weiterbildung ist es vorgesehen, dass der erste Ventilsitz an dem Hauptventilelement und der zweite Ventilsitz an dem Ventilgehäuse ausgebildet ist.
Die beschriebene Tankvorrichtung eignet sich vorzugsweise in einer Brennstoffzellenanordnung zur Speicherung von Wasserstoff für den Betrieb einer Brennstoffzelle.
Die beschriebene Tankvorrichtung eignet sich weiterhin in einem brennstoffzellenbetriebenen Fahrzeug zur Speicherung von Wasserstoff.
Die beschriebene Tankvorrichtung eignet sich außerdem in einem wasserstoffbetriebenen Fahrzeug zur Speicherung von Wasserstoff, beispielsweise ein Fahrzeug mit einem Wasserstoff-Verbrenner als Antrieb.
Zeichnungen
In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Tankvorrichtung zur Speicherung eines gasförmigen Mediums, insbesondere Wasserstoff, dargestellt. Es zeigt in
Fig.l ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Tankvorrichtung mit einer Ventilvorrichtung im Längsschnitt. Beschreibung des Ausführungsbeispiels
In der Fig.l ist ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Tankvorrichtung 1 mit einer Längsachse 11 für ein gasförmiges Medium gezeigt. Die Tankvorrichtung 1 weist einen Tank 10 und eine Ventilvorrichtung 2 auf. Der Tank 10 weist ein Tankgehäuse 47 auf, in dem ein Tankinnenraum 100 ausgebildet ist. Das Tankgehäuse 47 umfasst weiterhin einen Halsbereich 6, in den die Ventilvorrichtung 2 mittels eines Einschraubgehäuseelements 24 integriert ist.
In dem Halsbereich 6 ist dabei eine Verbindungsstelle in Form eines Gewindes angebracht, so dass die Ventilvorrichtung 2 mittels des Einschraubgehäuseelements 24 in den Tank 10 eingeschraubt werden kann. Weiterhin ist ein Fixierelement 12 vorgesehen, welches die Ventilvorrichtung 2 und das Einschraubgehäuseelement 24 beispielsweise mittels Verschraubung fest miteinander verbindet.
Das Einschraubgehäuseelement 24 weist dazu eine Anformung 240 auf, an der ein erstes Gewinde 241 ausgebildet ist, so dass dieses in einfacher Weise in den Halsbereich 6 des Tanks 10 eingebracht werden kann. Darüber hinaus weist das Einschraubgehäuseelement 24 ein topfförmiges Ende 242 auf, in dem die Ventilvorrichtung 2 aufgenommen ist. Das topfförmige Ende 242 weist zudem ein zweites Gewinde 243 auf, an das das Fixierelement 12 bei Fixierung der Ventilvorrichtung 2 an das Einschraubgehäuseelement 24 angeschraubt werden kann.
In dem Einschraubgehäuseelement 24 ist ein Durchgangskanal 244 ausgebildet, so dass gasförmiges Medium, insbesondere Wasserstoff, auf diese Weise beispielsweise einem Anodenbereich einer Brennstoffzelle in einer Brennstoffzellenanordnung über die Ventilvorrichtung 2 aus dem Tankinnenraum 100 über einen zylinderförmigen Durchlasskanal 80 zuführbar ist.
Die Ventilvorrichtung 2 weist ein Ventilgehäuse 20 auf, in dem eine zylinderförmige Einlassöffnung 28 ausgebildet ist, wobei die Einlassöffnung 28 in den Durchgangskanal 244 des Einschraubgehäuseelements 24 mündet. Sowohl die Anströmung als auch die Abströmung der Ventilvorrichtung 2 erfolgt hier axial zu der Längsachse 11 der Tankvorrichtung 1. Weiterhin ist in dem Ventilgehäuse 20 eine Magnetspule 14 aufgenommen und integriert, wobei die Magnetspule 14 mittels eines Stützelements 22 in dem Ventilgehäuse 20 fixiert und mittels Dichtelementen an dem Stützelement 22 gegen einen Innenbereich der Ventilvorrichtung 2 abgedichtet ist. Die Magnetspule 14 ist dabei über einen elektrischen Anschluss 30 ansteuerbar.
In dem Ventilgehäuse 20 ist ein entlang der Längsachse 11 bewegliches Vorsteuerventilelement 18 angeordnet. Das Vorsteuerventilelement 18 weist eine Ausnehmung 45 auf, in der ein Federraum 25 ausgebildet ist. In diesem Federraum 25 ist eine Feder 26 angeordnet. Weiterhin weist das Vorsteuerventilelement 18 eine Längsöffnung 33 und eine Querbohrung 180 auf, die fluidisch mit dem Federraum 25 verbunden sind. Der Federraum 25 mündet weiterhin in die Einlassöffnung 28.
In der Ventilvorrichtung 2 ist weiterhin ein Hauptventilelement 19 koaxial zu dem Vorsteuerventilelement 18 angeordnet, wobei das Hauptventilelement 19 das Vorsteuerventilelement 18 teilweise umgibt. In dem Hauptventilelement 19 ist eine Querbohrung 190 ausgebildet, welche in die Querbohrung 180 des Vorsteuerventilelements 18 mündet. Außerdem weist das Hauptventilelement 19 eine erste Auslassöffnung 56 auf, der in eine Durchlassöffnung 57 mündet. Diese wiederum mündet in eine zweite Auslassöffnung 31.
An dem Hauptventilelement 19 ist ein erster Ventilsitz 27 ausgebildet, welcher mit dem Vorsteuerventilelement 18 zum Öffnen und Schließen der ersten Auslassöffnung 56 zusammenwirkt und so ein Vorsteuerventil 44 ausbildet.
An dem Ventilgehäuse 20 ist ein zweiter Ventilsitz 40 ausgebildet, welcher mit dem Hauptventilelement 19 zum Öffnen und Schließen der zweiten Auslassöffnung 31 zusammenwirkt und so ein Hauptventil 191 ausbildet. Außerdem ist der zweite Ventilsitz 40 stromabwärts an dem Ventilgehäuse 20 und an der zweiten Auslassöffnung 31 ausgebildet. Zwischen dem Ventilgehäuse 20 und dem Hauptventilelement 19 ist ein Steuerraum 32 ausgebildet, in dem eine Feder 7 angeordnet ist, welche das Hauptventilelement 19 mit einer Kraft entgegen der Richtung des zweiten Ventilsitzes 40 beaufschlagt.
Die Feder 26 in dem Federraum 25 beaufschlagt das Vorsteuerventilelement 18 und das Hauptventilelement 16 mit einer Kraft in Richtung des zweiten Ventilsitzes 40. Außerdem stützt sich die Feder 26 einerseits an dem Einschraubgehäuseelement 24 und andererseits an dem Vorsteuerventilelement 18 ab.
Der Durchlasskanal 80 mündet mittels eines konischen Übergangsbereichs 36 in die zweite Auslassöffnung 31, wobei der Durchlasskanal 80 einen Durchmesser D und die zweite Auslassöffnung 31 einen Durchmesser d aufweisen. Der Durchmesser D des Durchlasskanals 80 ist größer als der Durchmesser d der zweiten Auslassöffnung 31.
Das Ventilgehäuse 20 ist hier mehrteilig ausgebildet, so dass die Magnetspule 14 zwischen dem mehrteiligen Ventilgehäuse 20 aufgenommen und integriert ist. Weiterhin ist die Ventilvorrichtung 2 mittels der Magnetspule 14 ansteuerbar.
Ein Druck P2 im Tank 10 ist außerdem größer als ein Druck pi im Durchlasskanal 80, so dass neben der Kraft der Feder 26 eine weitere schließende Kraft auf das Vorsteuerventilelement 18 und das Hauptventilelement 19 wirkt und die Ventilvorrichtung 1 bei unbestromter Magnetspule 14 in einer geschlossenen Position angeordnet ist.
Die Funktionsweise der Ventilvorrichtung 2 ist wie folgt: Bei einer Bestromung der Magnetspule 14 bildet sich ein magnetisches Feld aus, was zu einer Kraftwirkung zwischen dem Einschraubgehäuseelement 24 und dem Vorsteuerventilelement 18 führt. Dadurch wird eine magnetische Kraft auf das Vorsteuerventilelement 18 erzeugt, welche der Kraft der Feder 26 und den durch das gasförmige Medium erzeugten Druckkräften entgegengerichtet ist. Bei ausreichend hoher Magnetkraft hebt das Vorsteuerventilelement 18 von dem ersten Ventilsitz 27 ab und gibt einen Öffnungsquerschnitt zwischen der Einlassöffnung 28 und dem Durchlasskanal 80 frei. Gasförmiges Medium strömt nun aus dem Tankinnenraum 100 über die Einlassöffnung 28, den Federraum 25, die Längsöffnung 33, den Ablasskanal 56 und die Durchlassöffnung 57 in den Durchlasskanal 80 über eine Zulaufleitung 50 in Richtung eines Zulaufbereichs 55 eines Verbrauchersystems, beispielsweise in Richtung eines Anodenbereichs einer Brennstoffzellenanordnung.
Dies führt dazu, dass sich der Durchlasskanal 80 mit gasförmigem Medium füllt und so durch das Drucksystem ein ausgleichendes Druckniveau um das Hauptventilelement 19 aufgebaut wird. Dabei stellt sich mit der Zeit ein Druckniveau ein, welches vergleichbar mit dem Druckniveau am Vorsteuerventilelement 18 ist. Durch die Druckausgeglichenheit des Hauptventilelements 19 wird dieses durch die Kraft der Feder 7 aus dem zweiten Ventilsitz 40 gehoben und öffnet so den großen Öffn ungsqu erseh nitt, eine Verbindung zwischen der Hauptöffnung 28 und dem Steuerraum 32. So strömt nun gasförmiges Medium auch über den zweiten Ventilsitz 40 aus dem Tankinnenraum 100 über die Einlassöffnung 28, den Federraum 25, die Längsöffnung 33, die Querbohrung 180 des Vorsteuerventilelements 18, die Querbohrung 190 des Hauptventilelements 19 über den Steuerraum 32 in den Durchlasskanal 80 über die Zulaufleitung 50 in Richtung des Zulaufbereichs 53 eines Verbrauchersystems, beispielseweise in Richtung eines Anodenbereichs einer Brennstoffzellenanordnung.
Wird die Bestromung der Magnetspule 14 unterbrochen, so bricht das magnetische Feld zusammen und es wird eine schließende Kraft auf das Vorsteuerventilelement 18 und das Hauptventilelement 19 durch die Feder 26 und den pneumatischen Druckverhältnissen in der Ventilvorrichtung 2 ausgeübt. Das Vorsteuerventilelement 18 und das Hauptventilelement 19 bewegen sich dadurch wieder in Richtung des ersten Ventilsitzes 27 und des zweiten Ventilsitzes 40 und dichten so wieder die Öffnungsquerschnitte an dem ersten Ventilsitz 27 und dem zweiten Ventilsitz 40 ab. Gasförmiges Medium strömt nun nicht mehr aus der Tankvorrichtung 1 über die Ventilvorrichtung 2 in Richtung des Zulaufbereichs 53. Das Prinzip des selbstständigen Verschließens der Ventilvorrichtung 2 wirkt auch bei einem Notfall, wenn beispielsweise die Stromzufuhr unterbrochen ist. So kann sichergestellt werden, dass der Wasserstoff in der Tankvorrichtung 1 eingeschlossen ist und dieser nicht unkontrolliert in die Umgebung abgegeben wird.
Im Betankungsfall des Tanks 10 mit gasförmigem Medium, hier Wasserstoff, verläuft die Strömrichtung von einer externen Tankstelle 54 über die Zulaufleitung 50 und die Ventilvorrichtung 2 in Richtung des Tankinnenraums 100. Da beim Betanken nicht bestromt werden darf, muss die Ventilvorrichtung 2 so ausgelegt sein, dass über die an der Ventilvorrichtung 2 anstehenden Druckverhältnisse die Ventilvorrichtung 2 aufgedrückt werden kann. Da beim Betankungsfall der Druck im Durchlasskanal 80 größer ist als im Bereich des Hauptventilelements 19, müssen die Druckverhältnisse so ausgelegt sein, dass das Hauptventilelement 19 gegen die Kraft der Feder 26 und den in dem Tank 10 anstehenden Druck gedrückt und geöffnet werden kann, sodass der Tank 10 mit gasförmigem Medium, beispielsweise Wasserstoff gefüllt werden kann. Sobald der Betankungsvorgang beendet wird, stellt sich vor und hinter dem zweiten Ventilsitz 40 gleiche Druckverhältnisse ein, sodass die Ventilvorrichtung 2 über die Kraft der Feder 26 wieder verschlossen wird. Somit kann der Tankinnenraum 100 über die Zulaufleitung 50, welche hier dann an eine externe Tankstelle 54 angeschlossen wird, über dieselbe Ventilvorrichtung 2 mit Wasserstoff befüllt werden, wie der Wasserstoff dem Versorgungssystem zur Verfügung gestellt wird.
Die Tankvorrichtung 1 zur Speicherung eines gasförmigen Mediums kann neben brennstoffzellenbetriebenen Fahrzeugen beispielsweise auch zur Wasserstoff- Speicherung in Fahrzeugen mit einem Wasserstoff-Verbrenner als Antrieb verwendet werden.

Claims

Ansprüche
1. Tankvorrichtung (1) zur Speicherung eines gasförmigen Mediums, insbesondere Wasserstoff, mit einer Ventilvorrichtung (2), einem Tank (10) und einer Längsachse (11), wobei die Ventilvorrichtung (2) ein Ventilgehäuse (20) aufweist, in welchem Ventilgehäuse (20) ein entlang der Längsachse (11) bewegliches Vorsteuerventilelement (18) angeordnet ist, welches Vorsteuerventilelement (18) zum Öffnen und Schließen einer ersten Auslassöffnung (56) mit einem ersten Ventilsitz (27) zusammenwirkt und so ein Vorsteuerventil (44) ausbildet, wobei die Ventilvorrichtung (2) mittels einer Magnetspule (14) ansteuerbar ist, wobei in dem Ventilgehäuse (20) koaxial zu dem Vorsteuerventilelement (18) ein Hauptventilelement (19) angeordnet ist, welches Hauptventilelement (19) zum Öffnen und Schließen einer zweiten Auslassöffnung (31) mit einem zweiten Ventilsitz (40) zusammenwirkt und so ein Hauptventil (191) ausbildet, wobei die Tankvorrichtung (1) ein Einschraubgehäuseelement (24) umfasst, wobei die Ventilvorrichtung (2) mittels des Einschraubgehäuseelements (24) in einem Halsbereich (6) des Tanks (10) fest integriert ist und wobei die Ventilvorrichtung (2) mittels eines Tankdrucks in dem Tank (10) und mittels einer Feder (26) bei ausgeschalteter Magnetspule (14) in einer geschlossenen Position angeordnet ist.
2. Tankvorrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Einschraubgehäuseelement (24) eine Anformung (240) mit einem ersten Gewinde (241) und ein topfförmiges Ende (242) mit einem zweiten Gewinde (243) aufweist.
3. Tankvorrichtung (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Einschraubgehäuseelement (24) ein Durchgangskanal (244) ausgebildet ist, über weichen Durchgangskanal (244) der Tank (10) mit der Ventilvorrichtung (2) verbunden ist.
4. Tankvorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Ventilsitz (40) stromabwärts an dem Ventilgehäuse (20) und an der zweiten Auslassöffnung (31) ausgebildet ist und die zylinderförmige Auslassöffnung (31) in einen zylinderförmigen Durchlasskanal (80) mündet, wobei ein Durchmesser D des Durchlasskanals (80) größer ist als ein Durchmesser d der Auslassöffnung (31).
5. Tankvorrichtung (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchlasskanal (80) mittels eines konischen Übergangsbereichs (36) in die Auslassöffnung (31) übergeht.
6. Tankvorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Tankvorrichtung (1) ein Fixierelement (12) aufweist, durch welches Fixierelement (12) die Ventilvorrichtung (2) fest mit dem Einschraubgehäuseelement (24) verbindet und die Ventilvorrichtung (2) so an dem Einschraubgehäuseelement (24) fixiert ist.
7. Tankvorrichtung (1) nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchlasskanal (80) mittels einer in dem Ventilgehäuse (20) ausgebildeten Einlassöffnung (28) und eines Durchgangskanals (244) des Einschraubgehäuseelements (24) mit einem Tankinnenraum (100) verbindbar ist.
8. Tankvorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in einer Ausnehmung (45) des Vorsteuerventilelements (18) die Feder (26) angeordnet und ein Federraum (25) ausgebildet ist, durch welche Feder (26) das Vorsteuerventilelement (18) und das Hauptventilelement (16) mit einer Kraft in Richtung des zweiten Ventilsitzes (40) beaufschlagt ist.
9. Tankvorrichtung (1) nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das Vorsteuerventilelement (18) eine Längsöffnung (33) und eine Querbohrung (180) aufweist, welche Längsöffnung (33) und welche Querbohrung (180) fluidisch mit dem Federraum (25) verbunden sind.
10. Tankvorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Ventilgehäuse (20) und dem Hauptventilelement (19) ein Steuerraum (32) ausgebildet ist, in welchem Steuer- raum (32) eine Feder (7) angeordnet ist, welche Feder (7) das Hauptventilelement (19) mit einer Kraft entgegen der Richtung des zweiten Ventilsitzes (40) beaufschlagt.
11. Tankvorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Hauptventilelement (19) einen Ablasskanal (56) aufweist, welcher Ablasskanal (56) in eine Durchlassöffnung (57) mündet, wobei die Durchlassöffnung (57) in die Auslassöffnung (31) mündet.
12. Tankvorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Ventilsitz (27) an dem Hauptventilelement (19) und der zweite Ventilsitz (40) an dem Ventilgehäuse (20) ausgebildet ist.
13. Brennstoffzellenanordnung mit einer Tankvorrichtung (1) zur Speicherung von Wasserstoff für den Betrieb einer Brennstoffzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
14. Brennstoffzellenbetriebenes Fahrzeug mit einer Tankvorrichtung (1) zur Speicherung von verdichteten Fluiden nach einem der Ansprüche 1 bis 12.
15. Wasserstoffbetriebenes Fahrzeug mit einer Tankvorrichtung (1) zur Speicherung von Wasserstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 12.
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