WO2013045030A1 - Druckgasbehälter mit einem ventil - Google Patents

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WO2013045030A1
WO2013045030A1 PCT/EP2012/003777 EP2012003777W WO2013045030A1 WO 2013045030 A1 WO2013045030 A1 WO 2013045030A1 EP 2012003777 W EP2012003777 W EP 2012003777W WO 2013045030 A1 WO2013045030 A1 WO 2013045030A1
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gas container
container
safety device
pressure
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Norman JAHNS
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Daimler Ag
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    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/32—Hydrogen storage

Definitions

  • the invention relates to a compressed gas container with a valve according to the closer defined in the preamble of claim 1.
  • Compressed gas containers are known from the general state of the art.
  • the containers are typically formed substantially cylindrical and are used for storing gases under high pressure.
  • pressurized gas containers can be used to store hydrogen under pressures of the order of 350 or 700 bar.
  • DE 199 11 530 A1 describes a safety device for such a pressurized gas container.
  • the safety device described there is now well known and commonplace. It consists essentially of a burst body, which may be formed in particular in the form of a glass ampule. This is filled with a liquid which has a very high thermal expansion coefficient. The rupture body holds a closure member sealingly in a first position in an opening for pressure relief of the compressed gas container. Now it comes to one
  • the bursting body is destroyed by the internal pressure, which develops in the area of the bursting body. He thus releases the closure body, which of the internal pressure in the
  • Gas cylinder a valve for filling and removal of the gas and in the area the safety device is also arranged. Is it coming now?
  • German patent DE 10 2006 009 537 B3 proposes a pressurized gas container, in particular for fuels. This
  • Compressed gas tank contains a relief valve, which is loaded with a corresponding pressure to keep it closed. The pressure is then in one
  • Conduit element in particular a high-pressure hose, by medium enclosed therein on the relief valve.
  • one or more thermal tripping units can be arranged, which in turn for example have a bursting body. If there is a corresponding increase in temperature in the region of these tripping units, the respective bursting body will burst and, in the abovementioned type, the medium will escape from the
  • High pressure hose for example, when used in a vehicle, if it comes to an accident, can be trapped. This is a pressure relief between the clamped area and the relief valve is no longer possible, provided that
  • High pressure hose is not accidentally destroyed in this area. If the area of pinching between the relief valve and the first trip unit, then it may happen that the trip unit does not work safely and reliably and the pressure vessel remains closed against the desired effect.
  • the safety device according to the patent can also only monitor the areas where bursting bodies connected to the high-pressure hose are arranged. If the area of the valve is to be additionally monitored, then another safety device, such as has been described above, is necessary here. To monitor a compressed gas container at two or three points so that two or three bursting body with the corresponding closure elements are necessary. This is complex, expensive and requires a comparatively large space.
  • a triggering device for a carbonic acid container or the like which serves to drive in the event of fire window elements after a thermal release by the gas in the carbonic acid gas to open them, for example, or close.
  • a device is provided, via which - electrically or mechanically from a distance - of this compressed gas container occluding bursting body can be destroyed so as to trigger the by the To accomplish pressurized gas driven devices.
  • the object of the present invention is now to improve the safety in the field of compressed gas tank, and here in particular in the field of a gas tank used as a hydrogen gas tank in a motor vehicle, and simple, efficient, small and inexpensive a safe and reliable working thermal protection To provide container.
  • a safety device with a thermal trip unit before.
  • a remote tripping device for alternatively actuating the tripping unit is connected to the safety device.
  • the remote release device has at least one line element and at least one container, which are filled with a liquid and sealed from the environment.
  • Pressure increase in the remote trigger device is implemented in the safety device in a mechanical movement or a pressure pulse, which the
  • Tripping unit releases at least indirectly. This functionality makes it very easy and efficient to remotely release the trip unit of the safety device. There are no additional measures and no additional trip units,
  • the at least one line element and the at least one container are formed of temperature-resistant material.
  • Temperature-resistant material can be understood to mean any material which withstands temperatures which are appreciably higher than the desired triggering temperature without appreciable deformations.
  • a slightly higher temperature must be maintained by the conduit element and the container.
  • Berst analyses has. This known structure has proven itself as a safety device or as a triggering unit for such a safety device in valves in compressed gas tanks. It is available on the market and can therefore be purchased inexpensively. This known per se structure then becomes
  • the compressed gas container according to the invention allows a very high
  • the pressurized gas container according to the invention can therefore be used in particular for storing gases under very high pressure. Since hydrogen is typically very high due to the low energy density Pressure, for example, under pressures of the order of 700 bar in
  • inventive compressed gas container in the storage of hydrogen.
  • a particularly preferred use of the compressed gas storage can be in particular as a hydrogen tank in a vehicle powered by hydrogen.
  • Such hydrogen tanks in vehicles powered by hydrogen which is burned for example in an internal combustion engine, but in particular in a fuel cell together with atmospheric oxygen is converted into electrical energy, represents a preferred use for the compressed gas storage according to the invention.
  • This meets very high safety standards, so that this also in vehicles , which may be involved in accidents and thereby expose the compressed gas tank to special loads, be used safely and reliably. Also the typically nearby passengers one with such
  • Compressed gas tank equipped as a hydrogen tank vehicle remain largely free of thermal overload of the gas cylinder, since the compressed gas container according to the invention via a very safe and reliable
  • Fig. 1 a compressed gas container according to the invention
  • Fig. 2 shows a part of the remote tripping device according to the invention
  • Fig. 3 shows the safety device and a part of the remote release device according to the
  • Fig. 4 shows the safety device and a part of the remote release device according to the
  • Fig. 5 shows the safety device and a part of the remote release device according to the
  • Fig. 6 shows the safety device and a part of Fernauslettesvornchtung according to the invention in a standby state in a further alternative
  • Embodiment of the remote tripping device Embodiment of the remote tripping device.
  • a compressed gas container 1 can be seen. This should be designed in particular as a high-pressure hydrogen tank. It has on one of its end faces a valve 2, which has an indicated valve device 3 for filling the compressed gas container 1 and for removing the hydrogen stored in it in a region.
  • the valve 2 also has a safety device 4, which is known per se, and which, in the event of a thermal overload in the region of the valve 2, releases an opening for the outflow of the gas stored in the compressed gas container 1.
  • this safety device 4 can be seen. It comprises a triggering unit 5, which has a bursting body 6 and a closure element 7.
  • the closure element 7 closes a line 8, which is in communication with the interior of the compressed gas container 1.
  • the closure element 7 is held in position by the bursting body 6 and seals the line 8 in the operating state. Is it now a high thermal load in the area of
  • Safety device 4 the bursting body 6, which typically as
  • Glass ampoule is formed filled with a liquid having a large thermal expansion, burst, since the liquid in the interior of the bursting body 6 builds up such a high pressure that the bursting body 6 can no longer withstand this. If the
  • Berst analyses 6 bursts expresses the present in the compressed gas tank 1 internal pressure via the line 8, the closure element 7 from its position.
  • Gas cylinder 1 as a hydrogen tank in a vehicle a punctual fire, such as the fire of a wheel represent.
  • the pressurized gas container 1 would then heat up very much before the safety device 4 is heated so far that the bursting body 6 bursts and the closure element 7, the line 8 releases.
  • This can now be counteracted by at least on the side facing away from the valve 2 of the compressed gas container 1, a container 11 is arranged, which communicates via a conduit member 12 with the region of the safety device 4 in connection.
  • the container 11 and the conduit member 12 thereby form the part of a
  • Remote release device 13 which additionally has a means for implementing a pressure increase in the container 11 and the conduit member 12 in a mechanical movement.
  • This can be formed for example by a piston 14 which is connected to a needle pin 15.
  • Remote tripping device 13 is shown.
  • the container 11, the conduit member 12 and the corresponding part of the cylinder 16 below the piston 14 is filled with a liquid and sealed from the environment.
  • This liquid may be, for example, an ethylene glycol, which at the corresponding pressure in the remote triggering device 13 at a predetermined temperature window, for example in the order of 100 to 150 ° C, preferably at about 110 ° C, evaporated. If it then comes to a heating in particular in the region of the container 11 above this boiling temperature of the liquid in the remote release device 13, so gas bubbles will form.
  • the associated increase in pressure is passed on via the liquid in the conduit member 12, so that the piston 14 moves in the cylinder 16 accordingly.
  • the needle pin 15 then destroys, for example, by being moved into the area of the safety device 4 through the opening 9, mechanically the bursting body 6.
  • the preferred embodiment provides for the container 11 on the side facing away from the valve 2 of the gas cylinder and the conduit member 12 below the compressed gas tank in the regularly envisaged state of installation. Thermal energy, which propagates from below to the compressed gas container 1, is then with
  • the safety device 4 trigger.
  • the container 1 1 and the line member 12 should be formed of a material which is correspondingly temperature-resistant, so withstands a higher temperature than the intended release temperature. So it can be ensured that in any case the pressure in the area of the piston 14 arrives and the
  • Safety device 4 triggers accordingly before it leads to destruction
  • FIGS. 5 and 6 further possible alternative embodiments are shown analogously to the illustration in FIG.
  • the piston 14 should be provided with a corresponding mandrel 18, which essentially corresponds in its functionality to the needle pin 15.
  • the mandrel 18 is not used by the opening 9 for direct mechanical destruction of the bursting body 6, but for triggering a detonator 19, as known for example from the field of detonators for cartridges or the like.
  • the detonator 19 will produce a pressure wave or pressure pulse after the mechanical release by the mandrel 18, which in turn destroys the burst body 6 and thus a
  • Detonator 19 thus acts directly or indirectly on a destruction of the bursting body 6 after being triggered by the mandrel 18.
  • Detonator 19 forwards.
  • Movement of the remote tripping device 13 is amplified accordingly to safely and reliably bring about a destruction of the bursting body 6.
  • the needle mandrel 15 is biased to destroy the bursting body 6 via a spring element 20.
  • Fulcrum 22 is rotatably mounted, is held by a further spring element 23 in position so that the spring element 20 remains in the tensioned state and the needle pin 15 does not touch the burst body 6. If there is now an increase in pressure in the remote release device 13, in turn the piston 14 in the cylinder 16 is moved to the right in this case.
  • the trigger lever 21 rotates about its pivot point 22 against the force of the comparatively small spring 23 and releases the needle pin 15. This is then by the force of the biased spring 20 in the direction of
  • Remote release device 13 is so that the piston 14 does not have to be moved with such a large force against the bursting body 6, as is analogous to the direct triggering Figures 3 and 4 is necessary.
  • the flexibility in the selection of the pipe diameter and / or the size of the container 1 1 is thus greater,
  • a structure of the compressed gas container 1 can thus be achieved, which is very safe, since a thermal load can be used not only in the region of the valve 2, but also in a predetermined by the position of the container 11 or to a remote release trigger mechanical or mechanically excited destruction of the bursting body 6.
  • the preferred use for such a safe compressed gas container 1 is preferably in the use in a motor vehicle, since here, for example, by accident consequences or the like with very different loads in different areas of the structure must be expected.
  • the described compressed gas container 1 is characterized by its high

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Druckgasbehälter (1) mit einem Ventil (2), welches eine Sicherheitsvorrichtung (4) mit einer thermischen Auslöseeinheit (5) aufweist, wobei eine Fernauslösevorrichtung (13) zum alternativen Betätigen der Auslöseeinheit (5) mit der Sicherheitsvorrichtung (4) verbunden ist. Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Fernauslösevorrichtung (13) wenigstens ein Leitungselement (12) und wenigstens einen Behälter (11) aufweist, welche mit einer Flüssigkeit gefüllt und gegenüber der Umgebung abgedichtet sind, wobei ein thermisch bedingter Druckanstieg in der Fernauslösevorrichtung (13) im Bereich der Sicherheitsvorrichtung (4) in eine mechanische Bewegung oder einen Druckimpuls umgesetzt ist, welche die Auslöseeinheit (5) zumindest mittelbar betätigt.

Description

Druckgasbehälter mit einem Ventil
Die Erfindung betrifft einen Druckgasbehälter mit einem Ventil nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art.
Druckgasbehälter sind aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt. Die Behälter sind typischerweise im Wesentlichen zylindrisch ausgebildet und dienen zur Bevorratung von Gasen unter hohem Druck. Insbesondere können Druckgasbehälter zur Speicherung von Wasserstoff unter Drücken in der Größenordnung von 350 oder 700 bar eingesetzt werden.
Die DE 199 11 530 A1 beschreibt eine Sicherheitsvorrichtung für einen derartigen Druckgasbehälter. Die dort beschriebene Sicherheitsvorrichtung ist mittlerweile allgemein bekannt und üblich. Sie besteht im Wesentlichen aus einem Berstkörper, welcher insbesondere in Form einer Glasampulle ausgebildet sein kann. Diese ist mit einer Flüssigkeit gefüllt, welche einen sehr hohen thermischen Ausdehnungskoeffizienten hat. Der Berstkörper hält ein Verschlusselement dichtend in einer ersten Position in einer Öffnung zur Druckentlastung des Druckgasbehälters. Kommt es nun zu einer
thermischen Überhitzung im Bereich der Sicherheitsvorrichtung, so wird der Berstkörper durch den Innendruck, welcher sich im Bereich des Berstkörpers entwickelt, zerstört. Er gibt damit den Verschlusskörper frei, welcher von dem Innendruck in dem
Druckgasbehälter aus der Leitung, welche er verschlossen hatte, bewegt wird. Durch geeignete Öffnungen im Bereich der Sicherheitsvorrichtung kann das Gas dann aus dem Druckgasbehälter abströmen und der Überdruck kann sich abbauen, bevor dieser eine potentielle Explosionsgefahr darstellt. Die Problematik bei diesem Aufbau liegt nun insbesondere darin, dass eine örtliche Verbindung zwischen der thermischen Belastung und der Sicherheitsvorrichtung gegeben sein muss. Wird ein Druckgasbehälter beispielsweise als Wasserstofftank in einem Fahrzeug eingesetzt, dann befindet sich typischerweise auf einer Seite des
Druckgasbehälters ein Ventil zum Befüllen und Entnehmen des Gases und in dessen Bereich ist außerdem die Sicherheitsvorrichtung angeordnet. Kommt es nun
beispielsweise zu einem Radbrand auf der dem Ventil abgewandten Seite des
Druckgasbehälters, so können im Bereich des Druckgasbehälters extrem hohe
Temperaturen entstehen, ohne dass der auf der gegenüberliegenden Seite angeordnete Berstkörper ausreichend erwärmt wird, um die Sicherheitsvorrichtung auszulösen.
Um dieser Problematik abzuhelfen, schlägt die deutsche Patentschrift DE 10 2006 009 537 B3 einen Druckgasbehälter insbesondere für Kraftstoffe vor. Dieser
Druckgasbehälter enthält ein Entlastungsventil, welches mit einem entsprechenden Druck belastet wird, um es geschlossen zu halten. Der Druck liegt dann in einem
Leitungselement, insbesondere einem Hochdruckschlauch, durch darin eingeschlossenes Medium an dem Entlastungsventil an. Im Bereich des Hochdruckschlauchs können ein oder mehrere thermische Auslöseeinheiten angeordnet werden, welche ihrerseits beispielsweise wiederum einen Berstkörper aufweisen. Kommt es nun im Bereich dieser Auslöseeinheiten zu einer entsprechenden Temperatursteigerung, so wird der jeweilige Berstkörper zerspringen und in der oben genannten Art das Medium aus dem
Hochdruckschlauch freigeben. Dieses strömt in die Umgebung und gibt damit das Entlastungsventil frei, welches den Druckgasspeicher öffnet. Damit ist man in der Lage, eine Temperaturüberwachung nicht im Bereich des Ventils des Druckgasbehälters anzubringen, sondern auch über den Hochdruckschlauch in entfernter von dem Ventil liegenden Bereichen des Druckgasbehälters.
Im Prinzip ist diese Funktionalität zu begrüßen. Der in der deutschen Patentschrift beschriebene Aufbau weist jedoch drei gravierende Nachteile auf. Er funktioniert über einen Druckabfall in der Hochdruckleitung. Ein Zerstören der Hochdruckleitung, ohne dass dies durch einen thermischen Notfall erfolgt ist, öffnet ebenfalls das
Entlastungsventil und lässt das Gas aus dem Druckgasbehälter unkontrolliert und gegebenenfalls ungewünscht ab. Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass der
Hochdruckschlauch beispielsweise beim Einsatz in einem Fahrzeug, wenn es zu einem Unfall kommt, eingeklemmt werden kann. Damit ist eine Druckentlastung zwischen dem geklemmten Bereich und dem Entlastungsventil nicht mehr möglich, sofern der
Hochdruckschlauch nicht zufällig in diesem Bereich zerstört wird. Liegt der Bereich des Einklemmens zwischen dem Entlastungsventil und der ersten Auslöseeinheit, dann kann es dazu kommen, dass die Auslöseeinheit nicht sicher und zuverlässig funktioniert und der Druckbehälter entgegen der gewünschten Wirkungsweise verschlossen bleibt. Die Sicherheitsvorrichtung gemäß der Patentschrift kann außerdem nur die Bereiche überwachen, in denen mit dem Hochdruckschlauch verbundene Berstkörper angeordnet werden. Soll der Bereich des Ventils zusätzlich überwacht werden, so ist hier eine weitere Sicherheitsvorrichtung, wie sie beispielsweise oben beschrieben worden ist, notwendig. Zur Überwachung eines Druckgasbehälters an zwei oder drei Stellen sind damit zwei oder drei Berstkörper mit den entsprechenden Verschlusselementen notwendig. Dies ist aufwändig, teuer und benötigt einen vergleichsweisen großen Baurraum.
Zum weiteren allgemeinen Stand der Technik soll außerdem auf die deutsche
Offenlegungsschrift DE 28 13 219 A1 hingewiesen werden. In dieser Schrift wird eine Auslösearmatur für einen Kohlesäurebehälter oder dergleichen beschrieben, welcher dazu dient, im Brandfall Fensterelemente nach einer thermischen Auslösung durch das in dem Kohlesäurebehälter befindliche Gas anzutreiben, um diese beispielsweise zu öffnen oder zu schließen. Um dieses Schließen auch unabhängig von einer unmittelbaren thermischen Einwirkung im Bereich des Kohlesäurebehälters auslösen zu können, ist eine Vorrichtung vorgesehen, über welche - elektrisch oder mechanisch von der Ferne aus - der diesen Druckgasbehälter verschließende Berstkörper zerstört werden kann, um so ein Auslösen der durch das Druckgas angetriebenen Einrichtungen bewerkstelligen zu können.
Die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung besteht nun darin, die Sicherheit im Bereich eines Druckgasbehälters, und hier insbesondere im Bereich eines als Wasserstofftank eingesetzten Druckgasbehälters in einem Kraftfahrzeug, weiter zu verbessern und einfach, effizient, klein und kostengünstig eine sicher und zuverlässig arbeitende thermische Absicherung des Behälters bereitzustellen.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die Merkmale im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Lösung ergeben sich aus den restlichen hiervon abhängigen Unteransprüchen. Der Aufbau des Druckgasbehälters gemäß der Erfindung sieht ebenso wie der
Druckgasbehälter im oben zuerst zitierten Stand der Technik eine Sicherheitsvorrichtung mit einer thermischen Auslöseeinheit vor. Außerdem ist eine Fernauslösevorrichtung zum alternativen Betätigen der Auslöseeinheit mit der Sicherheitsvorrichtung verbunden. Die erfindungsgemäße Lösung sieht nun vor, dass die Fernauslösevorrichtung wenigstens ein Leitungselement und wenigstens einen Behälter aufweist, welche mit einer Flüssigkeit gefüllt und gegenüber der Umgebung abgedichtet sind. Ein thermisch bedingter
Druckanstieg in der Fernauslösevorrichtung wird im Bereich der Sicherheitsvorrichtung in eine mechanische Bewegung oder einen Druckimpuls umgesetzt, welche die
Auslöseeinheit zumindest mittelbar freigibt. Diese Funktionalität ermöglicht sehr einfach und effizient eine Fernauslösung der Auslöseeinheit der Sicherheitsvorrichtung. Es sind dabei keine zusätzlichen Maßnahmen und keine zusätzlichen Auslöseeinheiten,
Berstkörper oder dergleichen notwendig. Lediglich ein Behälter und ein Leitungselement mit einer darin eingeschlossenen Flüssigkeit sind notwendig. Diese können klein, einfach und kostengünstig ausgeführt werden. Mit Erwärmen dehnt sich die Flüssigkeit aus und wird insbesondere ab einer bestimmten kritischen Temperatur verdampfen. Dadurch kommt es zu einem Druckanstieg im Bereich der Fernauslösevorrichtung, welche dann beispielsweise einen Kolben oder ähnliches bewegt, welcher die Auslöseeinheit, welche im Bereich der Sicherheitsvorrichtung in dem Ventil ohnehin vorhanden ist, auslöst. Der Aufbau ist einfach, effizient, kostengünstig und kann problemlos an bestehenden
Lösungen nachgerüstet werden.
Eine eventuelle Beschädigung des wenigstens einen Leitungselements oder des wenigstens einen Behälters der Fernauslösevorrichtung, beispielsweise durch eine mechanische Beschädigung oder durch Korrosion, ist prinzipiell unkritisch, da hierdurch die Sicherheitsvorrichtung nicht auslöst und der Druck in dem Druckgasbehälter nicht abgebaut wird. Die Fernauslösevorrichtung kann daher auch zu Wartungszwecken einfach demontiert, gereinigt und überprüft werden. Es ist lediglich sicherzustellen, dass im regulären Betrieb keine Beschädigung vorliegt, da ansonsten bei undichter
Fernauslösevorrichtung die gewünschte Sicherheitsfunktionalität nicht mehr gegeben wäre.
In einer sehr günstigen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Druckgasbehälters ist es dabei vorgesehen, dass das wenigstens eine Leitungselement und der wenigstens eine Behälter aus temperaturbeständigem Material ausgebildet sind. Unter einem solchen temperaturbeständigen Material kann dabei jedes Material verstanden werden, welches ohne nennenswerte Verformungen Temperaturen standhält, welche etwas höher als die gewünschte Auslösetemperatur sind. Je nach gewünschter Auslösetemperatur, bei welcher sich in der Flüssigkeit beispielsweise durch Verdampfen ein entsprechender Druckaufbau ergibt, muss von dem Leitungselement und dem Behälter selbstverständlich eine etwas höhere Temperatur ausgehalten werden. Nach der Auslösung ist es bei weiter ansteigender Temperatur jedoch nicht notwendig, dass der Behälter weiterhin
temperaturbeständig ist. Damit reicht eine Temperaturbeständigkeit in der
Größenordnung von 30 - 50° über der geplanten Auslösetemperatur bei den Materialien des wenigstens einen Leitungselements und des wenigstens einen Behälters leicht aus, sodass die Fernauslösevorrichtung weiterhin einfach und kosteneffizient realisiert werden kann.
In einer weiteren sehr vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Druckgasbehälters ist es dabei vorgesehen, dass die Auslöseeinheit einen
Verschlusskörper und einen diesen in einer verschlossenen Position haltenden
Berstkörper aufweist. Dieser an sich bekannte Aufbau hat sich als Sicherheitsvorrichtung beziehungsweise als Auslöseeinheit für eine solche Sicherheitsvorrichtung in Ventilen bei Druckgasbehältern bewährt. Er ist am Markt verfügbar und kann daher entsprechend kostengünstig bezogen werden. Dieser an sich bekannte Aufbau wird dann
erfindungsgemäß um die Fernauslösevorrichtung erweitert. Er ermöglicht so ein einfaches Auslösen der Sicherheitsvorrichtung durch ein zumindest mittelbares mechanisches Zerstören des Berstkörpers aufgrund des in der Fernauslösevorrichtung auftretenden Druckanstiegs im Falle einer thermischen Belastung im Bereich der
Fernauslösevorrichtung. Außerdem ist die herkömmliche Funktionalität im Falle einer thermischen Belastung im Bereich der Sicherheitsvorrichtung selbstverständlich weiterhin gegeben.
Der erfindungsgemäße Druckgasbehälter ermöglicht einen sehr hohen
Sicherheitsstandard gegenüber thermischen Überlastungen und gewährleistet sicher, schnell und zuverlässig einen Druckabbau, bevor es zu einer Überlastsituation kommt, welche mit einem Zerbersten des Druckgasbehälters einhergehen könnte, und welche ein hohes Sicherheitsrisiko darstellt. Der erfindungsgemäße Druckgasbehälter kann daher insbesondere zur Speicherung von Gasen unter sehr hohem Druck eingesetzt werden. Da Wasserstoff aufgrund der geringen Energiedichte typischerweise unter sehr hohem Druck, beispielsweise unter Drücken in der Größenordnung von 700 bar in
Druckgasbehältern gespeichert wird, liegt die bevorzugte Verwendung des
erfindungsgemäßen Druckgasbehälters in der Speicherung von Wasserstoff. Um die sehr hohen Sicherheitsanforderungen zu erfüllen, welche insbesondere in Fahrzeugen gegeben sind, kann eine besonders bevorzugte Verwendung des Druckgasspeichers insbesondere als Wasserstofftank in einem mit Wasserstoff angetriebenen Fahrzeug liegen. Solche Wasserstofftanks in mit Wasserstoff angetriebenen Fahrzeugen, welcher beispielsweise in einem Verbrennungsmotor verbrannt, insbesondere jedoch in einer Brennstoffzelle zusammen mit Luftsauerstoff in elektrische Energie umgesetzt wird, stellt eine bevorzugte Verwendung für den erfindungsgemäßen Druckgasspeicher dar. Dieser erfüllt sehr hohe Sicherheitsstandards, sodass dieser auch in Fahrzeugen, welche gegebenenfalls in Unfälle verwickelt werden und dadurch den Druckgasbehälter besonderen Belastungen aussetzen, sicher und zuverlässig eingesetzt werden. Auch die typischerweise in der Nähe befindlichen Passagiere eines mit einem solchen
Druckgasbehälter als Wasserstofftank ausgestatteten Fahrzeugs bleiben von einer thermischen Überlastung des Druckgasbehälters weitgehend ungefährdet, da der erfindungsgemäße Druckgasbehälter über eine sehr sichere und zuverlässige
Sicherheitsvorrichtung verfügt.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Druckgasbehälters ergeben sich aus den restlichen abhängigen Unteransprüchen und werden anhand der Ausführungsbeispiele deutlich, welche nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren näher beschrieben werden.
Dabei zeigen:
Fig. 1 einen Druckgasbehälter gemäß der Erfindung;
Fig. 2 einen Teil der Fernauslösevorrichtung gemäß der Erfindung;
Fig. 3 die Sicherheitsvorrichtung sowie einen Teil der Fernauslösevorrichtung gemäß der
Erfindung in einem Bereitschaftszustand;
Fig. 4 die Sicherheitsvorrichtung sowie einen Teil der Fernauslösevorrichtung gemäß der
Erfindung in einem durch die Fernauslösevorrichtung ausgelösten Zustand;
Fig. 5 die Sicherheitsvorrichtung sowie einen Teil der Fernauslösevorrichtung gemäß der
Erfindung in einem Bereitschaftszustand in einer alternativen Ausführungsform der
Fernauslösevorrichtung; und Fig. 6 die Sicherheitsvorrichtung sowie einen Teil der Fernauslösevornchtung gemäß der Erfindung in einem Bereitschaftszustand in einer weiteren alternativen
Ausführungsform der Fernauslösevorrichtung.
In der Darstellung der Figur 1 ist ein Druckgasbehälter 1 zu erkennen. Dieser soll insbesondere als Hochdruckwasserstofftank ausgebildet sein. Er weist auf einer seiner Stirnseiten ein Ventil 2 auf, welches in einem Bereich eine angedeutete Ventileinrichtung 3 zum Befüllen des Druckgasbehälters 1 und zum Entnehmen des in ihm gespeicherten Wasserstoffs aufweist. Das Ventil 2 weist außerdem eine Sicherheitsvorrichtung 4 auf, welche an sich bekannt ist, und welche bei einer thermischen Überlastung im Bereich des Ventils 2 eine Öffnung zum Abströmen des in dem Druckgasbehälter 1 gespeicherten Gases freigibt.
In der Darstellung der Figur 3 ist diese Sicherheitsvorrichtung 4 zu erkennen. Sie umfasst eine Auslöseeinheit 5, welche einen Berstkörper 6 sowie ein Verschlusselement 7 aufweist. Das Verschlusselement 7 verschließt dabei eine Leitung 8, welche mit dem Inneren des Druckgasbehälters 1 in Verbindung steht. Das Verschlusselement 7 wird durch den Berstkörper 6 in Position gehalten und dichtet die Leitung 8 im Betriebszustand ab. Kommt es nun zu einer hohen thermischen Belastung im Bereich der
Sicherheitsvorrichtung 4, so wird der Berstkörper 6, welcher typischerweise als
Glasampulle mit einer Flüssigkeit mit großer thermischer Ausdehnung gefüllt ausgebildet ist, zerbersten, da die Flüssigkeit im Inneren des Berstkörpers 6 einen so hohen Druck aufbaut, dass der Berstkörper 6 diesem nicht mehr standhalten kann. Wenn der
Berstkörper 6 zerplatzt, drückt der im Druckgasbehälter 1 vorliegende Innendruck über die Leitung 8 das Verschlusselement 7 aus seiner Position. Über Öffnungen 9 im Bereich der Sicherheitsvorrichtung 4 kann sich der in dem Druckgasbehälter 1 befindliche
Überdruck abbauen, um so beispielsweise eine Explosion des Druckgasbehälters 1 zu verhindern.
Dieser Aufbau ist dabei, soweit er bisher beschrieben ist, aus dem Stand der Technik bekannt.
Problematisch wird es nun, wenn der Druckgasbehälter 1 nicht im Bereich des Ventils 2 mit der erhöhten thermischen Belastung beaufschlagt wird, sondern in einem anderen Bereich, beispielsweise in dem von dem Ventil 2 abgewandten Bereich. Diese thermische Belastung ist in der Darstellung der Figur 1 durch die mit 10 bezeichneten Pfeile angedeutet. Diese können beispielsweise beim bevorzugten Einsatz des
Druckgasbehälters 1 als Wasserstofftank in einem Fahrzeug einen punktuellen Brand, beispielsweise den Brand eines Rades, darstellen. Der Druckgasbehälter 1 würde sich dann sehr stark erwärmen, bevor die Sicherheitsvorrichtung 4 soweit erwärmt wird, dass der Berstkörper 6 zerplatzt und das Verschlusselement 7 die Leitung 8 freigibt. Diesem kann nun entgegengewirkt werden, indem zumindest auf der dem Ventil 2 abgewandten Seite des Druckgasbehälters 1 ein Behälter 11 angeordnet wird, welcher über ein Leitungselement 12 mit dem Bereich der Sicherheitsvorrichtung 4 in Verbindung steht. Der Behälter 11 und das Leitungselement 12 bilden dabei den Teil einer
Fernauslösevorrichtung 13, welche zusätzlich noch ein Mittel zur Umsetzung eines Druckanstiegs in dem Behälter 11 und dem Leitungselement 12 in eine mechanische Bewegung aufweist. Dieses kann beispielsweise durch einen Kolben 14 gebildet werden, welcher mit einem Nadelbolzen 15 verbunden ist. In der Darstellung der Figur 3 ist ein solcher Kolben 14 mit dem Nadelbolzen 15 in einem Zylinder 16 als Teil der
Fernauslösevorrichtung 13 dargestellt.
Der Behälter 11 , das Leitungselement 12 sowie der mit ihnen korrespondierende Teil des Zylinders 16 unterhalb des Kolbens 14 ist mit einer Flüssigkeit gefüllt und gegenüber der Umgebung abgedichtet. Diese Flüssigkeit kann beispielsweise ein Ethylen-Glykol sein, welches bei dem entsprechenden Druck in der Fernauslösevorrichtung 13 bei einem vorgegebenen Temperaturfenster, beispielsweise in der Größenordnung von 100 bis 150°C, vorzugsweise bei ca. 110° C, verdampft. Kommt es nun zu einer Erhitzung insbesondere im Bereich des Behälters 11 über diese Siedetemperatur der Flüssigkeit in der Fernauslösevorrichtung 13 hinweg, so werden sich Gasblasen bilden. Der damit verbundene Druckanstieg wird über die Flüssigkeit in dem Leitungselement 12 weitergeleitet, sodass der Kolben 14 sich in dem Zylinder 16 entsprechend bewegt. Der Nadelbolzen 15 zerstört dann, indem er beispielsweise durch die Öffnung 9 in den Bereich der Sicherheitsvorrichtung 4 hineinbewegt wird, mechanisch den Berstkörper 6. In der Darstellung der Figur 4 ist dieser Zustand analog zur Darstellung in Figur 3 dargestellt. Der Berstkörper 6 ist in dem hier dargestellten Zustand bereits zerplatzt, das Verschlusselement 7 ist aus der Leitung 8 herausgedrückt und entsprechend der beiden dargestellten Pfeile kann das in dem Druckgasbehälter 1 befindliche Gas durch die Öffnungen 9 abströmen, damit sich ein entsprechender Überdruck abbaut. Die Fernauslösevorrichtung 13 gemäß der Erfindung hat dabei den entscheidenden Vorteil, dass diese sehr wartungsfreundlich ist, da beispielsweise die Flüssigkeit in dem in Figur 2 erkennbaren Behälter 11 über eine prinzipmäßig angedeutete
Verschlusseinrichtung 17 nachgefüllt und ausgetauscht werden kann, ohne dass dies zu einem Auslösen der Sicherheitsvorrichtung 4 führt. Auch ein eventueller Defekt des Behälters 11 oder des Leitungselements 12 führt nicht unmittelbar zu einem Auslösen der Sicherheitsvorrichtung 4. Andererseits ermöglicht die Platzierung des Behälters 1 , oder auch weiterer möglicher Behälter innerhalb der Fernauslösevorrichtung 13, an beliebigen verschiedenen Stellen des Druckgasbehälters 1oder auch an sonstigen Stellen, in denen eine hohe Temperatur für den Druckgasbehälter 1 kritisch werden könnte, eine sichere und zuverlässige Fernauslösung der Sicherheitsvorrichtung 4, sodass Druck in dem Druckgasbehälter 1 abgebaut werden kann, bevor dieser durch thermische Einwirkungen so stark ansteigt, dass der Druckgasbehälter 1 diesem gegebenenfalls nicht mehr standhalten kann.
Die bevorzugte Ausführungsform sieht dabei den Behälter 11 auf der dem Ventil 2 abgewandten Seite des Druckgasbehälters vor sowie das Leitungselement 12 unterhalb des Druckgasbehälters im regulär angedachten Einbauzustand. Thermische Energie, welche sich von unten zu dem Druckgasbehälter 1 ausbreitet, wird dann mit
beziehungsweise vor dem Erreichen des Druckgasbehälters 1 detektiert und kann, sofern diese kritisch ist, die Sicherheitsvorrichtung 4 auslösen.
Der Behälter 1 1 sowie das Leitungselement 12 sollten dabei aus einem Material ausgebildet sein, welches entsprechend temperaturbeständig ist, also eine höhere Temperatur aushält, als die angedachte Auslösetemperatur. So kann sichergestellt werden, dass in jedem Fall der Druck im Bereich des Kolbens 14 anlangt und die
Sicherheitsvorrichtung 4 entsprechend auslöst, bevor es zu einer Zerstörung,
beispielsweise einem Schmelzen des Leitungselements 12 oder der Wandung des Behälters 11 , kommt.
In den Darstellungen der Figuren 5 und 6 sind analog zur Darstellung in Figur 3 weitere mögliche Ausführungsvarianten dargestellt. In der Darstellung der Figur 5 soll der Kolben 14 mit einem entsprechenden Dorn 18 versehen sein, welcher in seiner Funktionalität im Wesentlichen dem Nadelbolzen 15 entspricht. Allerdings wird der Dorn 18 nicht durch die Öffnung 9 zum direkten mechanischen Zerstören des Berstkörpers 6 genutzt, sondern zum Auslösen einer Sprengkapsel 19, wie sie beispielsweise aus dem Bereich von Zündern für Patronen oder dergleichen bekannt ist. Die Sprengkapsel 19 wird nach der mechanischen Auslösung durch den Dorn 18 eine Druckwelle beziehungsweise einen Druckimpuls erzeugen, welche ihrerseits den Berstkörper 6 zerstört und damit ein
Auslösen der Sicherheitsvorrichtung 4 bewerkstelligt.
Zusätzlich wäre es selbstverständlich denkbar, dass durch die Sprengkapsel 9 wiederum ein mechanisches Bauteil, beispielsweise analog zu dem Nadelbolzen 15, durch die Druckwelle bewegt werden würde, welches dann den Berstkörper 6 zerstört. Die
Sprengkapsel 19 wirkt also direkt oder mittelbar auf eine Zerstörung des Berstkörpers 6 nach Auslösung durch den Dorn 18 hin.
Alternativ zur mechanischen Auslösung der Sprengkapsel 19 wäre es selbstverständlich auch denkbar, diese elektrisch auszulösen, beispielsweise indem der Dorn 18 einen Schalter betätigt oder indem ein Druckschalter ab einem gewissen Druckanstieg im Bereich der Fernauslösevorrichtung 13 ein elektrisches Signal in den Bereich der
Sprengkapsel 19 weiterleitet.
In der Darstellung der Figur 6 ist eine alternative Ausführungsform dargestellt, bei welcher ebenfalls die durch den Kolben 14 und den daran befestigten Dorn 18 ausgelöste
Bewegung der Fernauslösevorrichtung 13 entsprechend verstärkt wird, um sicher und zuverlässig eine Zerstörung des Berstkörpers 6 herbeizuführen. In dem hier prinzipmäßig angedeuteten Ausführungsbeispiel ist der Nadeldorn 15 zur Zerstörung des Berstkörpers 6 über ein Federelement 20 vorgespannt. Ein Auslösehebel 21 , welcher um einen
Drehpunkt 22 drehbar gelagert ist, wird von einem weiteren Federelement 23 so in Position gehalten, dass das Federelement 20 im gespannten Zustand verbleibt und der Nadelbolzen 15 den Berstkörper 6 nicht berührt. Kommt es nun zu einem Druckanstieg in der Fernauslösevorrichtung 13, so wird wiederum der Kolben 14 in dem Zylinder 16 in diesem Fall nach rechts bewegt. Der Auslösehebel 21 dreht sich um seinen Drehpunkt 22 gegen die Kraft der vergleichsweise kleinen Feder 23 und gibt den Nadelbolzen 15 frei. Dieser wird dann durch die Kraft der vorgespannten Feder 20 in Richtung des
Berstkörpers 6 bewegt und zerstört diesen sicher und zuverlässig. Letztlich stellt der in Figur 6 dargestellte Aufbau lediglich eine mechanische Verstärkung der Kraft der
Fernauslöseeinrichtung 13 dar, sodass der Kolben 14 nicht mit einer derart großen Kraft gegen den Berstkörper 6 bewegt werden muss, wie dies zum direkten Auslösen analog den Figuren 3 und 4 notwendig ist. Die Flexibilität bei der Auswahl der Leitungsdurchmesser und/oder der Größe der Behälter 1 1 wird damit größer,
insbesondere lassen diese sich entsprechend in ihrem Bauraum minimieren, sodass eine einfache, kleine und vergleichsweise kostengünstige Fernauslösevorrichtung 13 entsteht.
Insgesamt lässt sich somit ein Aufbau des Druckgasbehälters 1 erzielen, welcher sehr sicher ist, da eine thermische Belastung nicht nur im Bereich des Ventils 2, sondern auch in einem durch die Lage des oder der Behälter 11 vorgegebenen Bereich genutzt werden kann, um über eine Fernauslösung mechanisches beziehungsweise ein mechanisch angeregtes Zerstören des Berstkörpers 6 auszulösen. Die bevorzugte Verwendung für einen derart sicheren Druckgasbehälter 1 liegt vorzugsweise in der Verwendung in einem Kraftfahrzeug, da hier beispielsweise durch Unfallfolgen oder dergleichen mit sehr unterschiedlichen Belastungen in unterschiedlichen Bereichen des Aufbaus gerechnet werden muss. Der beschriebene Druckgasbehälter 1 ist durch seine hohen
Sicherheitsstandards hierfür besonders gut geeignet.

Claims

Patentansprüche
1. Druckgasbehälter (1 ) mit einem Ventil (2), welches eine Sicherheitsvorrichtung (4) mit einer thermischen Auslöseeinheit (5) aufweist, wobei eine
Fernauslösevorrichtung (13) zum alternativen Betätigen der Auslöseeinheit (5) mit der Sicherheitsvorrichtung (4) verbunden ist,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Fernauslösevorrichtung (13) wenigstens ein Leitungselement (12) und wenigstens einen Behälter (11 ) aufweist, welche mit einer Flüssigkeit gefüllt und gegenüber der Umgebung abgedichtet sind, wobei ein thermisch bedingter Druckanstieg in der Fernauslösevorrichtung (13) im Bereich der
Sicherheitsvorrichtung (4) in eine mechanische Bewegung oder einen Druckimpuls umgesetzt ist, welche die Auslöseeinheit (5) zumindest mittelbar betätigt.
2. Druckgasbehälter (1 ) nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass
das wenigstens eine Leitungselement (12) und der wenigstens eine Behälter (11 ) aus temperaturbeständigem Material ausgebildet sind.
3. Druckgasbehälter (1 ) nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Auslöseeinheit (5) ein Verschlusselement (7) und einen dieses in einer verschlossenen Position haltenden Berstkörper (6) aufweist.
4. Druckgasbehälter (1 ) nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Druckanstieg in der Fernauslösevorrichtung (13) einen Kolben (14) bewegt, welcher über einen Nadelbolzen (15) den Berstkörper (6) zerstört.
5. Druckgasbehälter (1 ) nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Druckanstieg in der Fernauslösevorrichtung (13) einen Auslöser (21 ) betätigt, sodass ein Nadelbolzen (15) den Berstkörper (6) zerstört.
6. Druckgasbehälter (1 ) nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Nadelbolzen nach Betätigung des Auslösers durch ein Federelement (20) gegen den Berstkörper (6) bewegt wird.
7. Druckgasbehälter (1 ) nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Druckanstieg in der Fernauslösevorrichtung (13) eine Sprengkapsel (19) auslöst, deren Sprengwirkung den Berstkörper (6) zumindest mittelbar zerstört.
8. Druckgasbehälter (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
dadurch gekennzeichnet, dass
der wenigstens eine Behälter (11 ) auf der dem Ventil (2) abgewandten Seite des Druckgasbehälters (1 ) angeordnet ist.
9. Verwendung des Druckgasbehälters (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, zur Speicherung von Wasserstoff.
10. Verwendung des Druckgasbehälters (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, als Wasserstofftank in einem zumindest teilweise mit Wasserstoff angetriebenen Fahrzeug.
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