JP7123246B2 - 気体状の媒体を蓄えるためのタンク装置 - Google Patents

Description

本発明は、例えば燃料電池駆動装置を有する車両に使用するための、燃料電池タンク用の、特に水素を蓄えるためのタンク装置に関する。

事前公開されていない特許文献１は、燃料電池タンクの温度圧力を負荷軽減するためのタンク装置について記載されており、この場合、タンク装置は、例えば燃料電池システムの整然とした機能形式を保証する、例えば遮断弁等の様々な弁を備えたタンク容器を有している。

このようなタンク装置のための安全装置は規格化されている。この場合、各タンク装置はこのような遮断弁を有していなければならない。従って、遮断弁は、燃料電池駆動装置を備えた車両の事故によって惹起されたタンク装置の損傷時にまたはタンク装置の導線の破断時に、タンク容器を閉鎖するようになっているので、気体がリザーバユニットから漏れ出ないようになっている。

一般的にこのような遮断弁は、構造形式に制限されて互いに概ね９０°の角度を有する気体供給部および気体導出部を備えている。さらに、このような遮断弁は、その構造形式に基づいて大きい質量および大きい外寸を有しており、これは、事故の場合に、発生した高い加速力および遮断弁自体の変形および遮断弁とタンク容器との接続部の変形に基づいて、漏れを生ぜしめるかまたは遮断弁の破壊さえ生ぜしめることになる。

ドイツ連邦共和国特許公開第１０２０１８２０９０５７号明細書

これに対して、請求項１に記載した特徴を有する本発明によるタンク装置は、タンク装置内に組み込まれた遮断弁の回転対称的な構成によって、タンク装置のロバストネスの向上が得られる、という利点を有している。

このために、気体状の媒体例えば水素を蓄えるためのタンク装置は、弁装置とタンクとを有している。弁装置は、縦軸線を有する弁ンハウジングを備えており、この弁ハウジング内に内室が形成されていて、この内室内に縦軸線に沿って可動な主弁エレメントが配置されており、この主弁エレメントが第１のバルブシートと協働して主弁を形成している。主弁エレメントに対して同軸的に、縦軸線に沿って可動な制御弁エレメントが配置されており、この制御弁エレメントが吸入孔を開閉するために第２のバルブシートと協働して制御弁を形成している。弁装置はさらにマグネットコイルを有している。また、吸入孔は弁ハウジング内で吐出孔に対して同軸的に配置されていて、それによって弁装置は、縦軸線に対して軸方向に吸入可能または吐出可能である。さらにマグネットコイルは、弁ハウジング内に配置されていて、主弁エレメントおよび制御弁エレメントを取り囲んでいる。

従って構造的に簡単な形式で、材料最小化によりコスト削減が得られる。さらに、それによって弁装置の寸法および質量は低減される。これによって、特に事故の場合に、弁装置のより高いシール性およびロバストネスが得られる。

第１の好適な実施形態の構成では、第２のバルブシートが主弁エレメントに形成されている。好適な形式で、第１のバルブシートは弁ハウジングに形成されている。

従って、主弁エレメントと制御弁エレメントとは構造的に簡単な形式で弁装置内に組み込むことができる。

本発明の別の実施形態の構成では、好適には、制御弁エレメントが主弁エレメントの切欠内に少なくとも部分的に受け入れられている。従って、僅かな取り付け所要スペースと相俟って、弁装置全体の最適な機能形式を得ることができる。

好適な実施形態の構成では、第１のバルブシートにおける貫流横断面が第２のバルブシートにおける貫流横断面よりも大きい。従って簡単な形式で、制御弁エレメントは、高い磁力を必要とすることなしに、マグネットコイルを介して制御され得る。第２のバルブシートが開放されていれば、タンク内とタンク装置の外側に配置されたシステム内との圧力差の低下によって、追加的な外部の力を必要とすることなしに、第１のバルブシートの簡単な開放が保証され得る。

本発明の別の実施形態の構成では、タンクがネック領域を有していて、このネック領域内に通路が形成されており、この通路がタンク内室に開口していて、この場合、弁装置が通路内に配置されている。従って、タンク装置全体のロバストネスが保証され得る。何故ならば、弁装置がタンク内に組み込まれたことによって、高い形状安定性が得られるからである。事故の場合でも、弁装置は外部の影響から保護されている。

好適な実施形態の構成では、弁ハウジングの内室が吸入孔によってタンク内室と接続可能である。従って、弁装置は簡単な形式で、気体状の媒体をタンクから圧送するかまたはタンク内に圧送することができる。

好適な実施形態の構成では、内室が主弁エレメントおよび制御弁エレメントによって主弁室と制御弁室とに分割されており、主弁室と制御弁室とが、第１のバルブシートおよび第２のバルブシートによって互いに接続可能である。好適な形式で、制御弁エレメントは少なくとも１つの横方向孔を有していて、この横方向孔によって制御弁エレメントの切欠が制御弁室に接続可能である。

本発明の別の実施形態の構成では、制御弁エレメントの切欠内に制御弁スプリングが配置されていて、この制御弁スプリングによって制御弁エレメントが第２のバルブシートに向かう方向に付勢されている。

好適な実施形態では、内室内に主弁スプリングが配置されていて、この主弁スプリングが主弁エレメントを、制御弁エレメントに向かう方向の力で、制御弁スプリングの力に抗して付勢するように構成されている。

好適な実施形態では、主弁スプリングの力が制御弁スプリングの力よりも小さい。さもなければ、主弁スプリングが制御弁スプリングを圧縮し、第１のバルブシートおよび第２のバルブシートは制御なしでもマグネットコイルを介して開放されることになる。しかしながら、主弁スプリングの力が制御弁スプリングの力よりも小さければ、第１のバルブシートおよび第２のバルブシートのシール性が保証される。

本発明の別の実施形態の構成では、弁ハウジング内にシールエレメントが配置されており、これらのシールエレメントによってマグネットコイルが弁ハウジングの内室に対してシールされている。これによってマグネットコイルの最適な機能形式が得られる。

以上記載したタンク装置は、好適な形式で、燃料電池装置内で燃料電池を運転するための水素を蓄えるのに適している。

本発明の第１実施例による、弁装置を有するタンク装置の縦断面図である。 図１に示した弁装置の縦断面図である。 本発明の第２実施例によるタンク装置における弁装置の領域の縦断面図である。 本発明の第３実施例によるタンク装置における弁装置の領域の縦断面図である。 本発明の第４実施例によるタンク装置における弁装置の領域の縦断面図である。

図面には、本発明の複数の実施例による、気体状の媒体特に水素を蓄えるためのタンク装置が示されている。

図１には、気体状の媒体のための本発明の第１実施例によるタンク装置１が示されている。タンク装置１は、タンク１０および弁装置２を有している。タンク１０はタンクハウジング４７を有しており、このタンクハウジング４７内にタンク内室１００が形成されている。タンクハウジング４７はさらにネック領域６を有しており、このネック領域６内に通路４が形成されている。この通路４は一端部がタンク内室１００に開口していて、このタンク内室１００内に気体状の媒体例えば水素を蓄えることができる。

ネック領域６の他方の端部で弁装置２はタンク１０の通路４内に配置されていて、タンク１０のタンクハウジング４７内に組み込まれている。ネック領域６はさらに、外装エレメント１２によって取り囲まれるので、弁装置２およびタンク内室１００は周囲５０から密閉されている。

気体状の媒体、特に水素は、外装エレメント１２内の流路８０を介してタンク内室１００から、弁装置２を介して燃料電池装置内の燃料電池の例えばアノード領域に供給される。

図２は、図１の弁装置２の領域の拡大した部分を示す。

弁装置２は縦軸線１１を有する弁ハウジング２０を備えており、この弁ハウジング２０内に段状の内室７が形成されている。弁装置２は弁ハウジング２０内に吸入孔２８および吐出孔３０を有しており、この場合、吸入孔２８はタンク１０のネック領域６の通路４内に開口している。ここでは、弁装置２の吸入も吐出も弁装置２の縦軸線１１に対して軸方向で行われる。

さらに、弁ハウジング２０内にマグネットコイル１４が受け入れられかつ組み込まれており、この場合、マグネットコイル１４は、支持エレメント２２によって弁ハウジング２０内に固定されているとともに、支持エレメント２２に設けられたシールエレメント３２によって内室７に対してシールされている。

内室７内に、縦軸線１１に沿って可動な主弁エレメント１６と、この主弁エレメント１６に対して同軸的で長手方向に可動な制御弁エレメント１８とが配置されている。主弁エレメント１６および制御弁エレメント１８は、内室７を主弁室２５と制御弁室２７とに分割する。この場合、主弁室２５は吐出孔３０に開口しており、これに対して制御弁室２７は吸入孔２８に開口している。

弁ハウジング２０と主弁エレメント１６と制御弁エレメント１８との間に外側の環状室３８が形成されており、この外側の環状室３８を介して制御弁室２７は吐出孔３０に接続可能である。

主弁エレメント１６は第１のバルブシート４０と共に弁ハウジング２０において主弁４３を形成しており、これによって主弁室２５と制御弁室２７との間の接続部が開放および閉鎖され得る。さらに主弁エレメント１６は、主弁室２５に開口する通路１６０を有している。

制御弁エレメント１８は、主弁エレメント１６に形成された第２のバルブシート４１と共に制御弁４４を形成する。制御弁４４によって、主弁室２５と制御弁室２７との間の別の接続部が通路１６０を介して開放および閉鎖され得る。

この場合、第１のバルブシート４０における気体状の媒体の貫流横断面は、第２のバルブシート４１における気体状の媒体の貫流横断面よりも大きい。何故ならば、円柱形に構成された主弁室２５の直径は、円柱形の通路１６０の直径よりも大きいからである。

さらに、制御弁エレメント１８は切欠４５を有しており、この切欠４５は、横方向孔１８０および開口４６を通じて制御弁室２７に接続されている。さらに切欠４５内に制御弁スプリング２６が配置されており、この制御弁スプリング２６は、一方では弁ハウジング２０に支持され他方では制御弁エレメント１８に支持されていて、制御弁エレメント１８を第２のバルブシート４１に向かう方向に押圧する。

主弁室２５内に主弁スプリング２４が配置されており、この主弁スプリング２４は、一方では弁ハウジング２０に支持され他方では主弁エレメント１６に支持されていて、主弁エレメント１６を第２のバルブシート４１に向かう方向の力で付勢する。

弁ハウジング２０はここでは複数の部分から構成されており、従ってマグネットコイル１４は、複数の部分より成る弁ハウジング２０間に受け入れられかつ組み込まれている。弁ハウジング２０および制御弁エレメント１８は、強磁性の材料から製作されていて、これに対して主弁エレメント１６および支持エレメント２２は、非強磁性の材料から製作されている。

気密性を改善するために、主弁エレメント１６は好適な形式でプラスチックより製作されている。

選択的な構成では、主弁エレメント１６は金属製の非磁性材料より製作されている。

気密性を改善するために、選択的な構成では、弾性的なシールエレメントが第１のバルブシート４０および第２のバルブシート４１に配置されている。

弁装置の機能形式
通電されていないマグネットコイル１４において、第１のバルブシート４０および第２のバルブシート４１は制御弁スプリング２６の力によって閉鎖されているので、主弁室２５と制御弁室２７との間の接続部は閉鎖されている。従って、気体状の媒体もタンク内室１００から吸入孔２８および吐出孔３０を介して、システム例えば燃料電池装置に向かう方向に流れることができない。タンク内室１００内には例えば７００ｂａｒの高圧が支配する。これに対して燃料電池装置内には低圧が支配する。

マグネットコイル１４が通電されると、制御弁エレメント１８に制御弁スプリング２６の力に抗する方向に向けられた磁力が生ぜしめられる。これによって、制御弁エレメント１８は第２のバルブシート４１から持ち上がり第２のバルブシート４１を開放する。さらに、通路１６０および外側の環状室３８を介しての、主弁室２５と制御弁室２７との間の接続部は開放される。気体状の媒体は、第２のバルブシート４１を介してタンク内室１００からシステムに向かう方向（図２の矢印参照）に流れる。従って、システム内の圧力は上昇し、それにより主弁エレメント１６の圧力差は小さくなる。

しかしながら、第２のバルブシート４１における貫流横断面は、すべての運転状態においてシステム例えば燃料電池装置に、気体状の媒体ここでは水素を供給するためには不十分である。

しかしながら、システム内の圧力がいっそう上昇することによって、システム内の圧力はタンク内室１００内の圧力に概ね合わせられる。これにより、主弁スプリング２４の力を用いて主弁エレメント１６は第１のバルブシート４０から持ち上がり、この第１のバルブシート４０を開放する。従って、燃料電池への水素供給が保証されている。何故ならば、第２のバルブシート４１を介して流れる媒体流に加えて、第１のバルブシート４０および外側の環状室３８を介して気体状の媒体が、タンク内部室１００からシステムに向かう方向に流れるからである。

燃料電池への水素供給が中断されるべき場合、マグネットコイル１４はもはや通電されないので、磁力は消滅され、制御弁エレメント１８は制御弁スプリング２６の力によって再び第２のバルブシート４１に向かう方向に移動せしめられ、この第２のバルブシート４１を閉鎖する。制御弁エレメント１８はここでは主弁エレメント１６のための連動部材として働くので、第１のバルブシート４０も再び閉鎖される。これは、主弁スプリング２４の力が制御弁スプリング２６の力よりも小さく、従って主弁スプリング２４が制御弁スプリング２６によって圧縮されることにより、可能である。

第１のバルブシート４０の直径および主弁エレメント１６のストロークは好適な形式で、すべての運転状態において燃料電池に十分な水素の質量流量が供給されるように、設計されている。さらにこれによって、タンク１０が気体状の媒体ここでは水素によって満たされ、流れ方向が吐出孔３０から吸入孔２８の方向に延びている場合、タンク１０は短時間、例えば数分で充填され得る。

図３は、本発明の第２実施例によるタンク装置１における弁装置２の領域を示す。同じ機能を有する構成部分は同じ符号で示されている。

第２実施例は、その構造および機能形式において第１実施例に十分に相当する。ここでは、マグネットコイル１４を弁装置２の内室７に対してシールするために、別のシールエレメント３３が配置されている。さらに、制御弁エレメント１８は、バルブシート４０，４１の開放時に高い空気圧式の接続を保証するために、別の切欠３７を有している。

図４は、本発明の第３実施例によるタンク装置１における弁装置２の領域を示す。同じ機能を有する構成部分は同じ符号で示されている。

第３実施例はその構造および機能形式において、第２実施例に十分に相当する。ここでは、磁気抵抗を高めるためにかつ考えられ得る磁気短絡を阻止するために、制御弁室２７の横断面が拡大されている。従って、磁束線はマグネットコイル１４の周囲を巡って生ぜしめられて１つの磁気回路を閉じるだけではなく、磁気回路の形成のために制御弁エレメント１８が必要不可欠であることが確保される。これによって弁装置２の整然とした機能形式が保証されている。

図５は、本発明の第４実施例によるタンク装置１における弁装置２の領域を示す。同じ機能を有する構成部分は同じ符号で示されている。

第４実施例はその構造および機能形式において第１実施例に十分に相当する。第１実施例とは異なり制御弁エレメント１８はここでは横方向孔１８０を有していない。また、主弁エレメント１６は切欠２９を有しており、この切欠２９内に制御弁エレメント１８が部分的に受け入れられている。従って、第２のバルブシート４１は主弁エレメント１６の切欠２９内に形成されている。

タンク装置１は、燃料電池装置内での使用に限定されているのではなく、別のシステム、例えば極低温燃料を有する車両においても使用することができる。

タンク１０からの水素の流れ方向は、図２乃至図５では矢印によって示されている。気体状の媒体ここでは水素によるタンク１０の充填が水素の流れ方向を変える。つまり、充填は図２乃至図５の矢印とは逆方向で行われる。

１ タンク装置
２ 弁装置
４ 通路
６ ネック領域
７ 内室
１０ タンク
１１ 縦軸線
１２ 外装エレメント
１４ マグネットコイル
１６ 主弁エレメント
１８ 制御弁エレメント
２０ 弁ハウジング
２２ 支持エレメント
２４ 主弁スプリング
２５ 主弁室
２６ 制御弁スプリング
２７ 制御弁室
２８ 吸入孔
２９ 切欠
３０ 吐出孔
３２ シールエレメント
３３ 別のシールエレメント
３７ 別の切欠
３８ 環状室
４０ 第１のバルブシート
４１ 第２のバルブシート
４３ 主弁
４４ 制御弁
４５ 切欠
４６ 開口
４７ タンクハウジング
８０ 流路
１００ タンク内室
１６０ 通路
１８０ 横方向孔

Claims (15)

1. 気体状の媒体を蓄えるためのタンク装置（１）であって、弁装置（２）とタンク（１０）とを有しており、この場合、前記弁装置（２）が縦軸線（１１）を有する弁ハウジング（２０）を備えており、該弁ハウジング（２０）内に内室（７）が形成されていて、該内室（７）内に前記縦軸線（１１）に沿って可動な主弁エレメント（１６）が配置されており、該主弁エレメント（１６）が第１のバルブシート（４０）と協働して主弁（４３）を形成しており、この場合、前記主弁エレメント（１６）に対して同軸的に、前記縦軸線（１１）に沿って可動な制御弁エレメント（１８）が配置されており、該制御弁エレメント（１８）が吸入孔（２８）を開閉するために第２のバルブシート（４１）と協働して制御弁（４４）を形成しており、前記弁装置（２）がマグネットコイル（１４）を有している形式のものにおいて、
   前記吸入孔（２８）が前記弁ハウジング（２０）内で吐出孔（３０）に対して同軸的に配置されていて、それによって前記弁装置（２）は、前記縦軸線（１１）に対して軸方向に吸入可能または吐出可能であって、前記マグネットコイル（１４）が、前記弁ハウジング（２０）内に配置されていて、前記主弁エレメント（１６）および前記制御弁エレメント（１８）を取り囲んでいて、
   前記弁ハウジング（２０）及び前記制御弁エレメント（１８）が強磁性であり、かつ前記主弁エレメント（１６）が非強磁性であることを特徴とする、気体状の媒体を蓄えるためのタンク装置（１）。
2. 前記第２のバルブシート（４１）が前記主弁エレメント（１６）に形成されていることを特徴とする、請求項１記載のタンク装置（１）。
3. 前記第１のバルブシート（４０）が前記弁ハウジング（２０）に形成されていることを特徴とする、請求項１または２記載のタンク装置（１）。
4. 前記制御弁エレメント（１８）が前記主弁エレメント（１６）の切欠（２９）内に少なくとも部分的に受け入れられていることを特徴とする、請求項１から３までのいずれか１項記載のタンク装置（１）。
5. 前記第１のバルブシート（４０）における貫流横断面が前記第２のバルブシート（４１）における貫流横断面よりも大きいことを特徴とする、請求項１から４までのいずれか１項記載のタンク装置（１）。
6. 前記タンク（１０）がネック領域（６）を有していて、該ネック領域（６）内に通路（４）が形成されており、該通路（４）がタンク内室（１００）に開口していて、前記弁装置（２）が前記通路（４）内に配置されていることを特徴とする、請求項１から５までのいずれか１項記載のタンク装置（１）。
7. 前記弁ハウジング（２０）の前記内室（７）が前記吸入孔（２８）によって前記タンク内室（１００）と接続可能であることを特徴とする、請求項６記載のタンク装置（１）。
8. 前記内室（７）が前記主弁エレメント（１６）および前記制御弁エレメント（１８）によって主弁室（２５）と制御弁室（２７）とに分割されており、前記主弁室（２５）と前記制御弁室（２７）とが、前記第１のバルブシート（４０）および前記第２のバルブシート（４１）によって互いに接続可能であることを特徴とする、請求項１から７までのいずれか１項記載のタンク装置（１）。
9. 前記制御弁エレメント（１８）が少なくとも１つの横方向孔（１８０）を有していて、この横方向孔（１８０）によって前記制御弁エレメント（１８）の切欠（４５）が前記制御弁室（２７）に接続可能であることを特徴とする、請求項８記載のタンク装置（１）。
10. 前記制御弁エレメント（１８）の前記切欠（４５）内に制御弁スプリング（２６）が配置されていて、該制御弁スプリング（２６）によって前記制御弁エレメント（１８）が前記第２のバルブシート（４１）に向かう方向に付勢されていることを特徴とする、請求項９記載のタンク装置（１）。
11. 前記内室（７）内に主弁スプリング（２４）が配置されていて、該主弁スプリング（２４）が前記主弁エレメント（１６）を、前記制御弁エレメント（１８）に向かう方向の力で、前記制御弁スプリング（２６）の力に抗して付勢することを特徴とする、請求項１０記載のタンク装置（１）。
12. 前記主弁スプリング（２４）の力が前記制御弁スプリングの力よりも小さいことを特徴とする、請求項１１記載のタンク装置（１）。
13. 前記弁ハウジング（２０）内にシールエレメント（３２，３３）が配置されており、これらのシールエレメント（３２，３３）によって前記マグネットコイル（１４）が前記弁ハウジング（２０）の前記内室（７）に対してシールされていることを特徴とする、請求項１から１２までのいずれか１項記載のタンク装置（１）。
14. 前記気体状の媒体は水素であることを特徴とする、請求項１から１３までのいずれか１項記載のタンク装置（１）。
15. 燃料電池装置であって、燃料電池を運転するための水素を供給する、請求項１から１４までのいずれか１項記載のタンク装置（１）を有する燃料電池装置。
    

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