WO2021052994A2 - Druckbehälter sowie kraftfahrzeug - Google Patents

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WO2021052994A2 PCT/EP2020/075829 EP2020075829W WO2021052994A2 WO 2021052994 A2 WO2021052994 A2 WO 2021052994A2 EP 2020075829 W EP2020075829 W EP 2020075829W WO 2021052994 A2 WO2021052994 A2 WO 2021052994A2
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Simon Hettenkofer
Lorenz Ehgartner
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Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft
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    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/32—Hydrogen storage

Definitions

  • a cryogenic pressure vessel with a suspension for attaching an inner container in which fiber-reinforced tubes arranged one inside the other form a heat dissipation path between the inner container and the outer container.
  • This configuration requires a comparatively large amount of installation space.
  • a cryogenic pressure vessel with a heat exchanger for heating the fuel is known from the document EP 2217845 B1.
  • the disadvantage of this technology is that the pressure vessel is comparatively heavy, large, complex and costly due to the heat exchanger, among other things, and, moreover, only heat can be introduced if fuel is removed.
  • a barrier layer is known from the document DE 102015213563 A1 in order to prevent components escaping from the plastic material layer from entering the vacuum. There is a need to make the barrier layer more robust. It is known to equip pressure vessels with mechanical overpressure safety valves which are triggered if a limit pressure is reached.
  • the technology disclosed here relates to a pressure vessel for a motor vehicle (for example passenger cars, motorcycles, commercial vehicles).
  • the pressure vessel is used to store fuel which is gaseous under ambient conditions.
  • the pressure vessel can be used, for example, in a motor vehicle that is operated with compressed (Compressed Natural Gas) or liquefied (LNG) natural gas or with hydrogen.
  • a pressure vessel usually supplies an energy converter (eg fuel cell system, internal combustion engine) with fuel.
  • the pressure vessel can be part of an anode subsystem of a fuel cell system.
  • the anode subsystem includes all fuel-carrying components of the fuel cell system
  • a cryogenic pressure vessel can store fuel in the liquid or supercritical state of aggregation.
  • a supercritical aggregate state is a thermodynamic state of a substance that has a higher temperature and a higher pressure than the critical point.
  • the critical point describes the thermodynamic state at which the densities of gas and liquid of the substance coincide, i.e. the substance is single-phase. While one end of the vapor pressure curve is marked in a p-T diagram by the triple point, the critical point represents the other end. In the case of hydrogen, the critical point is 33.18 K and 13.0 bar.
  • a cryogenic pressure vessel is particularly suitable for storing the fuel at temperatures that are well below the operating temperature (meaning the temperature range of the vehicle environment in which the vehicle is to be operated) of the motor vehicle, for example at least 50 Kelvin, preferably at least 100 Kelvin or . at least 150 Kelvin below the operating temperature of the vehicle (usually approx.
  • the fuel can be hydrogen, for example, which is stored in the cryogenic pressure vessel at temperatures of approx. 34 K to 360 K.
  • NWP nominal working pressure
  • the fuel is stored in the inner container.
  • the outer container at least partially surrounds the inner container and closes off the pressure container from the outside.
  • the cryogenic pressure vessel preferably comprises an at least partially evacuated space with an absolute pressure in the range from 10 9 mbar to 10 1 mbar, further preferably from 10 7 mbar to 10 3 mbar and particularly preferably from approx. 10 5 mbar, which is at least partially between the inner container and the outer container is arranged.
  • Storage at temperatures (just) above the critical point has the advantage over storage at temperatures below the critical point that the storage medium is single-phase. So there is no interface between liquid and gaseous, for example.
  • the inner container can comprise a liner.
  • the liner forms the hollow body in which the fuel is stored.
  • the liner can be made, for example, of aluminum or steel or of their alloys.
  • the inner container can comprise at least one fiber-reinforced layer.
  • the fiber-reinforced layer can preferably completely surround a liner at least in some areas.
  • the fiber-reinforced layer is often referred to as a laminate or sheathing or reinforcement.
  • Fiber-reinforced plastics carbon fiber reinforced plastics
  • the fiber-reinforced layer expediently comprises reinforcing fibers embedded in a plastic matrix.
  • the fiber-reinforced layer often comprises continuous fibers, which are preferably introduced into the fiber-reinforced layer by means of winding and / or braiding.
  • the pressure vessel has a connecting end piece that is connected to the liner and / or to the fiber-reinforced layer.
  • a connecting end piece is also referred to as a boss.
  • the connecting end piece is made of a metal material.
  • the connecting end piece is particularly preferably connected to the liner in a materially bonded manner, for example by means of at least one weld seam.
  • the liner and the connecting end piece are made from the same material.
  • the connecting end piece is particularly preferably arranged parallel and particularly preferably coaxially to the longitudinal axis of the pressure vessel.
  • the connecting end piece regularly protrudes into the inner volume of the inner container.
  • the connecting end piece is preferably pot-shaped, a peripheral wall protruding into the inner container and an end wall forming the pot shape. In the installed position, an inner end face of the connecting end piece is arranged set back inwardly in the direction of the longitudinal axis of the pressure vessel opposite the end of the inner container.
  • the inner container can preferably be mechanically coupled to the outer container via at least one connecting element.
  • the inner container is preferably coupled to the outer container at both ends via a connecting element in each case.
  • the connecting element is expediently made at least partially from a fiber composite material.
  • the connecting element preferably comprises at least one fiber-reinforced tube.
  • the connecting element (in particular the fiber-reinforced pipe) is expediently designed as a heat dissipation section, so that in the installed state at least 70% or at least 80% or at least 95% or at least 99% of the heat that enters the outer container Connecting element is introduced, is not transmitted through the connecting element to the inner container.
  • the suspension can be designed as disclosed in the German patent laid-open specification with the disclosure number DE 102015204623 A1.
  • the entire content of the German patent laid-open specification with the disclosure number DE 102015204623 A1 is hereby incorporated by reference.
  • the connecting element is designed as a connecting element that can be inserted into the connecting end piece.
  • at least one outer circumferential surface of the connecting element can preferably rest against an inner circumferential surface of the connecting end piece, for example with a slight press fit.
  • Such a configuration is advantageous, inter alia, with regard to assembly and vacuum tightness. Furthermore, the vacuum space between the inner container and the outer container can thus be reduced.
  • outer circumferential surface of the connecting element and the inner circumferential surface of the connecting end piece can be designed to be displaceable relative to one another in the direction of the longitudinal axis of the pressure vessel in order to compensate for changes in length.
  • a floating bearing can thus be implemented particularly easily with the interposition of any sliding elements.
  • a fixed bearing is provided at the end at which the filling and removal line is provided, and a floating bearing is provided at the opposite end.
  • At least one electrical heating element for heating the fuel can be provided in the inner container.
  • Any suitable heating element can be used for this purpose, for example a resistance heating element.
  • a heater is comparatively simple and inexpensive.
  • the heating element is preferably designed as a heating rod.
  • the heater is expediently set up to generate a temperature of approx. 80 ° C to 350 ° C or 100 ° C to 200 ° C on its heating surface.
  • the heating element can run parallel and particularly preferably coaxially to the longitudinal axis of the pressure vessel of the inner vessel.
  • the heating element can run in the longitudinal axis of the pressure vessel or essentially in the longitudinal axis of the pressure vessel.
  • the heating element is therefore advantageously arranged in the center of the pressure vessel.
  • the heating element is advantageously designed as a heating rod with a free end. This is particularly advantageous with regard to the assembly of the heating element and the more uniform heating of the fuel.
  • the heating element can be surrounded at least in some areas by a metal sleeve.
  • the heating element can in particular be provided at the end of the inner container which is opposite the other end at which the line for filling and / or removal is provided. Such a configuration is advantageous in production. It is also conceivable that the heating element is provided at the end at which the line for filling and / or removal is provided.
  • a mixing element could advantageously be provided here on the heating element, which mixes fuel flowing in during refueling. Alternatively or additionally, a refueling line projecting into the interior volume could be supported on the heating element.
  • the ratio of the heating length of the heating element protruding into the inner volume of the inner container to the total length of the inner container is preferably between 0.1 and 0.8 or between 0.25 and 0.5, the heating length (ie the length of the heating surface of the heating element) in the numerator and the total length of the inner container (ie the length of the inner container from one end to the other end) in the denominator.
  • the heating element can protrude into the interior volume from the interior and recessed end face of the connecting end piece.
  • the heating element can have a metal sleeve surrounding the heating element and towards the fuel shields or encloses fuel-tight.
  • the metal sleeve can be connected to the connecting end piece in a fuel-tight manner, in particular by means of an integral connection, preferably by means of at least one weld seam.
  • the end face is at a distance from the fiber-reinforced layer that surrounds the liner at least in some areas in such a way that the heat generated by the heating element cannot heat the fiber-reinforced layer to a temperature above a limit temperature.
  • the limit temperature can be determined, for example, in tests or can be determined taking into account any technical specifications such as standards, etc.
  • the limit temperature can be in the range from approx. 50 ° C to 150 ° C, or from approx. 70 ° C to 120 ° C, or from approx. 80 ° C to 90 ° C.
  • the pot-shaped connecting end piece thus simultaneously serves as a heat dissipation section in order to introduce as little heat as possible into the fiber-reinforced layer by means of thermal conduction in such a way that the fiber-reinforced layer is thermally damaged.
  • the heating element can thus advantageously be operated at higher temperatures, so that the required heat exchange surface - and thus also the heating element itself - can be designed to be smaller.
  • the electrical lines of the heating element are particularly preferably routed within the connecting element.
  • the fiber-reinforced layer and / or the liner can form a plastic material layer or form it at the same time.
  • gas inclusions can occur more frequently, which cannot be completely removed. These gas inclusions could penetrate into the evacuated space.
  • a barrier layer can separate the plastic material layer from the evacuated space in a substantially gas-tight manner.
  • the barrier layer is used to Reduction and preferably to avoid permeation of outgassing products stored in the plastic into the evacuated space.
  • the barrier layer can be designed to make the three permeation-determining sub-steps sorption, diffusion and desorption, especially diffusion, more difficult.
  • the barrier layer can offer the smallest possible free volume, so for example in the case of polymers only a small amount of free space between the molecular chains.
  • the barrier layer expediently surrounds at least 70% or at least 90% or at least 99% of the interior volume.
  • the barrier layer itself constitutes the boundary or the outermost layer or position of the inner container to the evacuated space.
  • the barrier layer itself is expediently made of an outgassing-free material so that deterioration of the insulation by barrier layer outgassing can be avoided.
  • the barrier layer can be designed as a metal layer, in particular made of aluminum, steel and / or copper and their alloys.
  • the barrier layer can alternatively be made of a fuel-barrier plastic, for example ethylene-vinyl alcohol copolymer (EVOH).
  • EVOH ethylene-vinyl alcohol copolymer
  • the barrier layer preferably has a layer thickness of approx. 0.1 mm to 5 mm or from approx. 0.25 mm to approx. 2 mm or from approx. 0.5 mm to approx. 1 mm.
  • the barrier layer forms a body (also called hard containment or encapsulation), i) inside of which the plastic material layer and the inner volume of the inner container are provided, and ii) which is essentially gas-tight with respect to the evacuated space adjacent to the outside of the body .
  • a surface coating form the barrier layer.
  • a gap can also be formed at least in some areas between the barrier layer and the plastic material layer. Such a gap can be dimensioned, for example, so that different thermal expansions in the radial direction of different material layers, such as the liner, the fiber-reinforced layer and / or the barrier layer, can be compensated for.
  • Outgassing can also accumulate in the space formed by the gap between the plastic material layer and the barrier layer.
  • the space also formed by the gap is preferably designed in such a way that outgassing cannot get into the evacuated space.
  • the gas inclusions present in the plastic material layer would not have a negative effect on the long-term insulation properties of the pressure vessel.
  • the barrier layer can comprise a length compensation device which is set up to compensate for changes in length of the inner container in a substantially gas-tight manner, in particular by means of reversibly elastic deformations.
  • the length compensation device can comprise at least one bellows element.
  • a bellows is an element that can be folded up like an accordion. By elastic deformation of the elements, which are usually arranged in a zigzag fashion, comparatively large elastic deformations can be achieved in a small installation space.
  • the length compensation device is preferably arranged immediately adjacent to (and particularly preferably at) the end of the inner container, which is designed as a floating bearing.
  • the fixed bearing is particularly preferably provided at the end of the inner container at which the filling and removal line is led out of the inner container and at which the floating bearing is formed on the opposite end.
  • the barrier layer may comprise an annular plate which extends radially outward from the connecting end piece (ie perpendicular to the longitudinal axis of the pressure vessel).
  • the length compensation device can be attached to the outer edge of the annular plate.
  • the annular plate comprises a through hole in which the connecting end piece is arranged.
  • the annular plate can have a connecting flange at the through hole.
  • the annular plate could be made in one piece with the connecting element.
  • the maximum outside diameter of the barrier layer can be greater than the maximum outside diameter of the annular plate.
  • the annular plate and / or the length compensation device can be arranged set back in the axial direction of the inner container with respect to an outer boundary of the connecting end piece.
  • the plate and / or the length compensation device preferably protrudes neither radially nor axially. Rather, the length compensation device is arranged in a generally unused ring area of the pole caps.
  • the barrier layer in particular the length compensation device and / or the ring-shaped plate, can be made from a metal material, preferably from aluminum, steel and / or copper and their alloys. At least some and preferably all elements of the barrier layer are expediently connected to one another in a materially bonded manner, in particular by means of weld seams.
  • an essentially gas-tight barrier layer that completely surrounds the inner container can be created simply and reliably.
  • the barrier layer is particularly preferably connected to one or both connecting end pieces of the inner container in a materially and essentially gas-tight manner.
  • a force-fit connection eg press fit by shrinking on
  • a form-fit connection is also possible.
  • the gap may have an im between the plastic material layer and the barrier layer Form an essentially gas-tight space.
  • the pressure vessel is expediently designed in such a way that the gas composition can be evaluated from the outside in a substantially gas-tight space. Sensors built into the room could be used for this purpose.
  • the essentially gas-tight space particularly preferably comprises at least one test connection which is led out of the outer container. This makes it easy to check the outgassing.
  • the essentially gas-tight space can be evacuated at least to a certain extent via this test connection. It then serves as an evacuation connection. At least one radiation insulation can be arranged outside the barrier layer.
  • the technology disclosed here includes, inter alia, a pressure vessel for storing fuel in a motor vehicle, with a pressure relief device for relieving the pressure of the pressure vessel, the pressure relief device having at least one thermally activatable pressure relief device; and wherein the pressure relief device is directly fluidly connected to the internal volume of the pressure vessel by a pressure relief line.
  • the pressure container can be a high-pressure gas container or a cryogenic pressure container, in particular of the type disclosed here.
  • the term “directly connected to the fluid” means that no shut-off element (eg valve) is provided in the flow path between the internal volume of the pressure vessel and the pressure relief line that could interrupt the flow path.
  • shut-off element is expediently provided between the inner volume of the pressure vessel and the thermally activatable pressure relief device disclosed here and / or the overpressure relief valve disclosed here.
  • a possibly non-functional shut-off valve cannot prevent the pressure from being released.
  • the pressure in the The pressure relief line always deviates by less than 10% or less than 5% from the pressure in the internal volume of the pressure vessel, at least during the intended storage and removal of fuel. Major pressure differentials could occur during depressurization.
  • Pressure relief is the process by which the pressure in the pressure vessel is reduced.
  • the triggering event is not the intended removal for supplying an energy converter, but usually an error.
  • the pressure relief usually begins with the at least partial opening of a valve and / or a bursting element which is directly fluidly connected to the pressure vessel. If a malfunction occurs due to a malfunction of another component and / or due to an external thermal and / or mechanical effect (e.g. accident, local flame, etc.), the pressure relief device is set up to reduce the pressure in the pressure vessel.
  • the pressure relief device can expediently be set up to relieve the pressure of the pressure vessel by enabling a fuel withdrawal mass flow that is greater (e.g. at least a factor of 2, 5, 10, 100 or more) than the maximum fuel withdrawal mass flow through the withdrawal path to at least one energy converter (usually through at least one tank shut-off valve).
  • the entire pressure relief device is generally not used for filling the pressure vessel system and / or for removing fuel to provide energy in the motor vehicle during operation without an incident.
  • a flow path that is at least partially parallel to the anode subsystem can expediently be used for pressure relief.
  • the pressure relief reduces the pressure inside the pressure vessel to atmospheric pressure.
  • the TPRD expediently comprises a fusible link or a glass ampoule.
  • the TPRD can be fluidly connected to a pressure relief line.
  • the pressure relief device can be directly fluidly connected to the internal volume of the pressure vessel via the pressure relief line.
  • the pressure vessel can comprise at least one bursting element for pressure relief.
  • the pressure relief device and the best element are advantageously directly fluidly connected to the internal volume of the pressure vessel, for example by being directly connected to or integrated into the pressure relief line.
  • the best element is preferably designed as a rupture disk.
  • the bursting element is comparatively inexpensive, requires little installation space and is very reliable.
  • the bursting element can trigger when the pressure rises to a bursting pressure of the bursting element that is higher than the maximum operating pressure of the pressure vessel, and preferably also greater than the triggering pressure of the overpressure safety valve disclosed here.
  • a large mass flow can advantageously escape very quickly through the bursting element.
  • the bursting element can in particular be an irreversibly triggering element.
  • the bursting element can be provided outside of the outer container.
  • a further best element can be provided in the wall of the outer container, which element is fluidly connected to the evacuated space.
  • the bursting element for pressure relief is usually cheaper than a second safety valve.
  • the bursting element also advantageously reduces the number of pressure lines that would otherwise be required for a second safety valve would be.
  • a further flow path would have to be led out of the outer container in order to discharge the fuel in the direction of the underbody paneling during the pressure relief.
  • the heat input into the inner container would increase through the further flow path. Overall, the result is a comparatively inexpensive, fail-safe and space-optimized pressure relief device.
  • the system disclosed here includes at least one positive pressure relief valve for releasing fuel.
  • the thermally activatable pressure relief device and the overpressure relief valve are advantageously directly fluidly connected to the internal volume of the pressure vessel, for example by being directly connected to or integrated into the common pressure relief line.
  • the overpressure relief valve can be a device that can be opened and closed again by the pressure in the pressure vessel.
  • the overpressure relief valve allows, in particular, a gradual or sudden escape of the fuel into the surroundings or into a collecting device external to the vehicle. Such a collecting device can be used, for example, in the case of service.
  • the overpressure relief valve preferably opens as soon as the pressure in the pressure vessel system has reached the maximum operating pressure of the pressure vessel or shortly before that.
  • the triggering pressure of the overpressure relief valve is preferably below the triggering pressure of the overpressure safety valve disclosed here and / or below the triggering pressure of the bursting element disclosed here.
  • At least one fuel converter is provided downstream of the overpressure relief valve.
  • the fuel converter can be a catalytic converter, for example.
  • the fuel converter can be set up to mix the fuel (for example hydrogen) escaping through the overpressure relief valve or from other areas of the anode subsystem with oxygen from the ambient air to convert catalytically (in the case of hydrogen, the reaction product is water).
  • the fuel converter and the overpressure relief valve are also referred to as a blow-off management system or a boil-off management system.
  • the fuel converter and the overpressure relief valve are set up to convert fuel synthetically in order to compensate for an internal pressure that increases due to the introduction of heat into the inner container (during long periods of inactivity of the motor vehicle).
  • the technology disclosed here also relates to a withdrawal path leading to an energy converter, with at least one further overpressure valve being provided in the withdrawal path, and with the further overpressure valve being fluidly connected to the fuel converter in such a way that the overpressure valve from the Removal path drained fuel is catalytically converted in the fuel converter.
  • a pressure reducer can be provided in the extraction path, which lowers the pressure in the extraction path from a first pressure level upstream of the pressure reducer to a second pressure level downstream of the pressure reducer.
  • the further pressure relief valve can be provided downstream of the pressure reducer.
  • a throttle element can advantageously be provided upstream of the fuel converter.
  • the pressure vessel system disclosed here further comprises at least one pressure relief valve safety valve.
  • the pressure relief valve safety valve relieves the pressure vessel system if the pressure in the pressure vessel system is at least partially above the trigger pressure of the pressure relief valve safety valve.
  • the pressure relief valve safety valve is preferably a mechanical valve which can be opened and closed again.
  • the release pressure is greater than the maximum operating pressure, e.g. approx. 10% to approx. 20% greater than the maximum operating pressure.
  • the overpressure safety valve is also expediently directly fluidly connected to the internal volume of the pressure vessel.
  • the pressure relief valve safety valve is preferably designed to be inserted into the outer container from the outside and, in the installed position, is directly fluidly connected to the inner volume of the inner container by means of a pressure line. Such a configuration is easier to maintain.
  • the overpressure safety valve can advantageously be provided at a distance from the bursting element.
  • the overpressure safety valve can be provided on a side of the pressure vessel which is opposite the side on which the bursting element is formed.
  • the bursting element can for example be arranged at the first end of the pressure vessel, and the overpressure safety valve can be provided at the second end of the pressure vessel which is opposite the first end. It can thus be achieved that in different accident scenarios at least the best element or the overpressure safety valve opens. This makes the pressure relief even safer.
  • different components are used for pressure relief, which can reduce the likelihood of a common cause error.
  • the pressure relief line can extend over the jacket region of the pressure vessel, in particular over the jacket region of an outer container of a cryogenic pressure vessel.
  • the pressure relief line can comprise several line sections.
  • the pressure relief line expediently runs in the jacket area parallel to the longitudinal axis of the pressure vessel.
  • the pressure relief line can have a first line end.
  • the pressure relief line can have a second line end which opens adjacent to the tank shut-off valve and / or in the inner volume of the pressure vessel.
  • the first Line end can also be referred to as the distal end with reference to the tank shut-off valve.
  • the second line end can also be referred to as the proximal end with respect to the tank shut-off valve.
  • the first line end can be arranged adjacent to the first end of the pressure vessel, in particular at the transition between the jacket region and the first end.
  • the bursting element and / or the overpressure relief valve can be formed at the first end of the line. If the bursting element and / or the overpressure relief valve are far apart from the tank shut-off valve (e.g. at a minimum distance of 0.5 D or 0.8 D, where D is the total length of the inner container), the temperature of the cryogenic fuel rises, for example, before the Fuel hits the bursting element and / or the pressure relief valve. Since the mass flows that flow through the overpressure relief valve into the fuel converter are comparatively low, the fuel temperature can be increased noticeably. As a result, these components do not have to be designed for the lowest storage temperatures in the interior volume. In this way, cheaper components can advantageously be used.
  • the pressure vessel disclosed here also includes a tank shut-off valve.
  • the tank shut-off valve is the valve whose inlet pressure essentially corresponds to the tank pressure.
  • the tank shut-off valve is in particular a controllable or regulatable and, in particular, normally closed valve, which is directly fluidly connected to the internal volume of the pressure vessel.
  • a tank shut-off valve is also used as the first valve designated.
  • the technology disclosed here also relates to a filling system for a cryogenic pressure vessel, in particular for the pressure vessel disclosed here.
  • the filling system generally comprises a cryogenic filling connection which is fluidly connected to the tank shut-off valve, which is operated here at cryogenic temperatures.
  • the fluid connection between the tank shut-off valve and the cryogenic filling connection can be equipped with thermal insulation, for example a partially vacuum-sealed room and / or insulation with foamed plastics and / or aerogels.
  • the cryogenic filling connection can be coupled to a corresponding coupling on the filling station side.
  • another filling connection can be provided for hot refueling.
  • the two filling connections are expediently designed such that the cryogenic filling connection can accept cryogenic fuel which has a fuel temperature that is at least 150 Kelvin or at least 180 Kelvin lower than the lowest fuel temperature that the further filling connection can accept.
  • hot fueling is generally to be understood as fueling in which the fuel taken up in the motor vehicle is at a temperature between approx. -60 ° C and approx. + 50 ° C and is preferred between approx. -40 ° C and approx. + 35 ° C.
  • a pressure line can advantageously be connected to the further filling connection, which opens into the cryogenic line system in the evacuated space, in particular upstream of the cryogenically operated tank shut-off valve, a further tank shut-off valve and / or a pressure relief valve preferably being provided in this pressure line. The refueling of the pressure vessel can be safely prevented via the additional tank shut-off valve.
  • the pressure relief valve can be set up to limit the maximum refueling pressure, preferably to a pressure below the maximum permissible pressure of the pressure vessel that may occur during operation of the pressure vessel (usually the maximum operating pressure).
  • a refueling check valve is provided for the cryogenic tank shut-off valve fluidically parallel flow path, which is set up to let fuel through to the pressure vessel during refueling and to block the passage in other operating states (e.g. removal or storage).
  • Non-return valves can be provided at the filling connections, which prevent the fuel from flowing back into the filling station or into the environment.
  • the refueling system described in this paragraph is functionally independent of the other features of the technology disclosed here and could also be used with other cryogenic pressure vessels than the pressure vessel disclosed here.
  • the technology disclosed here also relates to a sensor arrangement for a cryogenic pressure vessel, in particular as disclosed here.
  • the sensor arrangement comprises: i) at least one sensor element that is set up to detect a signal that is indicative of at least one state variable of the fuel stored in the inner container, for example the temperature and / or the pressure; ii) a sensor connection that is provided on the outer container and by means of which an evaluation unit, for example a control device, can be connected to the sensor element; and iii) at least one electrical line which connects the sensor element to the sensor connection.
  • the sensor connection and / or the sensor element are preferably accommodated within an inner tank suspension, in particular within the connecting element disclosed here. This is particularly advantageous in production.
  • the sensor connection and the sensor element are particularly preferably arranged coaxially to one another.
  • the sensor element can thus be serviced particularly advantageously through the recess for the sensor element provided in the outer container.
  • the connecting element can particularly advantageously serve as a guide when the sensor element is replaced and also prevents parts from falling into the evacuated space.
  • the sensor connection is preferred for this purpose and / or the sensor element is designed to be exchangeable from the outside.
  • the sensor system described in this paragraph is functionally independent of the other features of the technology disclosed here and could also be used with other cryogenic pressure vessels than the pressure vessel disclosed here.
  • the technology disclosed here also includes a motor vehicle with at least one of the pressure vessels disclosed here.
  • the downstream end of the overpressure safety valve can preferably be fluidly connected to a fuel discharge provided on the vehicle roof for discharging the fuel into the environment.
  • the technology disclosed here relates to many features that are functionally independent of one another, but achieve symbiotic effects when they interact.
  • the pressure vessel comprises a pot-shaped boss, which is preferably welded to the liner.
  • the fiber-reinforced inner tank suspension can be plugged into the boss so that the toroidal space between the inner container and the outer container can be reduced to a minimum.
  • the minimum dimension can be defined by the space required by the pipelines, in particular the filling and removal lines.
  • the minimum dimension can be defined by the change in length of the inner container due to different pressures and / or temperatures.
  • the installation space can thus advantageously be better utilized or more fuel can be stored in the same installation space.
  • the pressure vessel disclosed here can comprise an electric heater.
  • the electric one Heater can be built into a metal sleeve.
  • the sleeve can be welded to a boss.
  • the electrical cables for the heater can be routed inside the internal pressure vessel suspension on the floating bearing side.
  • the length of the sleeve can be kept relatively short, so that no additional support for the vibration load is necessary at the tip.
  • a sufficient heat dissipation path can be provided between the heater and the fiber-reinforced layer so that the relatively high temperature of e.g.
  • the electric heater or the sleeve surrounding it advantageously has a smaller outer surface than previously known gas-gas heat exchangers.
  • the heater can advantageously be operated at a higher temperature, for example 200 ° C., and thus compensate for the comparatively small area and introduce sufficient heat into the pressure vessel.
  • the heat flow can be supplied continuously and adjusted by varying the temperature of the heater.
  • a switchover valve can advantageously be dispensed with.
  • two less hydrogen-carrying lines are required. With the electric heater, a higher surface temperature is possible, so the required heat flow can be transferred with the help of a smaller surface.
  • the solution disclosed here is therefore generally simpler and lighter than previously known gas-gas heat exchangers. It is also advantageously possible to introduce heat into the fuel even if no fuel is removed from the pressure vessel.
  • the heat input from the outer container to the inner container can decrease because the heat flow can no longer flow in through three pipe walls by means of heat conduction. This can improve the pressure build-up time or the loss-free service life.
  • the technology disclosed here generally includes hard containment.
  • the hard containment comprises a permeation barrier or barrier layer, preferably made of metal, around the fiber-reinforced layer (s) from Shield the inner container.
  • the hard containment is preferably made of steel, in particular of stainless steel. It consists of 6 components that are welded together.
  • the diaphragm bellows is designed to allow the change in length of the internal pressure vessel (due to temperature and / or pressure changes) without gases entering the evacuated space. Thanks to its hard containment, an inner container designed in this way encompasses a comparatively stable vacuum.
  • the hard containment is more robust than previously known solutions, since any changes in length of the internal pressure vessel do not lead to plastic deformation, but only to a reversible elastic deformation in which the tightness of the hard containment is not affected. Furthermore, the hard containment can be produced easily and reproducibly by welding.
  • Cryogenic pressure vessel for storing fuel in a motor vehicle, with an inner container 100 and an outer container 200, an evacuated space V being arranged at least in some areas between the inner container 100 and the outer container 200; wherein the inner container 100 comprises a plastic material layer; wherein a barrier layer 150 is arranged at least in regions between the plastic material layer and the evacuated space V; wherein the barrier layer 150 is designed and arranged in such a way that it at least reduces the transition of components escaping from the plastic material layer 130 into the evacuated space V; and wherein a gap S is formed between the barrier layer 150 and the plastic material layer, at least in regions.
  • the barrier layer 150 comprises a length compensation device 152 which is set up To compensate for changes in length of the inner container 100, in particular by reversibly elastic deformations.
  • the plastic material layer is a fiber reinforced layer 120 surrounding a liner 110; and wherein the barrier layer 150 separates the fiber-reinforced layer 120 from the evacuated space V in a substantially gas-tight manner.
  • the barrier layer 150 includes an annular plate 154 extending radially outward from the connector end piece 140.
  • a substantially gas-tight space GR is formed between the barrier layer 150 and the plastic material layer; and wherein the pressure vessel is such is designed so that the gas composition can be evaluated from the outside in a substantially gas-tight space GR.
  • Pressure vessel according to aspect 10 wherein the essentially gas-tight space GR comprises at least one test connection, and wherein the test connection is led out of the outer container 200.
  • Pressure vessel at least one radiation insulation being arranged outside the barrier layer 150.
  • pressure vessel according to aspect a or b, further comprising at least one overpressure relief valve 177, at least one fuel converter 180 being provided downstream of the overpressure relief valve 177; and wherein the pressure relief device 172, 174 and the overpressure relief valve 177 are directly fluidly connected to the internal volume I of the pressure vessel.
  • the pressure relief device 170 comprising an overpressure safety valve 175, the overpressure safety valve 175 also being directly fluidly connected to the internal volume I of the pressure vessel.
  • the overpressure safety valve 175 is provided at a distance from the bursting element 176.
  • Cryogenic pressure vessel for storing fuel in a motor vehicle, in particular according to one of aspects 1 to 12 or a to o, with a Inner container 100 and an outer container 200, an evacuated space V being arranged at least in some areas between the inner container 100 and the outer container 200, with at least one electrical heating element in the inner container 100
  • Cryogenic pressure vessel according to aspect i, the heating element 130 running parallel to the longitudinal axis AA of the inner vessel 100 in the installed position.
  • Cryogenic pressure vessel according to one of the preceding aspects, wherein the inner container 100 has a connecting end piece 140, wherein a liner 110 and / or a fiber-reinforced layer 120 is / are connected to the connecting end piece 140, and wherein the heating element 130 is from an inner end face 142 of the Connecting end piece 140 protrudes.
  • Cryogenic pressure vessel according to aspect iii, wherein the inner end face 142 is spaced from the fiber-reinforced layer 120 in such a way that the heat generated by the heating element 130 cannot heat the fiber-reinforced layer 120 to a temperature above a limit temperature from which damage to the fiber reinforced layer 120 is likely.
  • the heating element 130 being surrounded at least in some areas by a metal sleeve 135.
  • the metal sleeve 135 is connected to the connecting end piece 140 in a fuel-tight manner.
  • Cryogenic pressure vessel according to one of the preceding aspects, the heating element 130 being provided at a first end P1 of the inner container 100 which is opposite a second end P2 at which a line for filling and / or removal is provided.
  • the inner vessel 100 being mechanically coupled to the outer vessel 200 via at least one connecting element 144, the electrical lines 133 of the heating element 130 being guided within the connecting element 144.
  • the connecting element 144 is made at least partially from a fiber composite material.
  • FIG. 2 shows a further schematic detailed view of the pressure vessel disclosed here.
  • the pressure vessel comprises an inner vessel 100 which is surrounded by the outer vessel 200. Between the Inner container 100 and the outer container 200 is the evacuated space V.
  • the inner container 100 comprises a liner 110 which is surrounded by a fiber-reinforced layer 120.
  • the filling and removal line 410 is provided here at the second end P2. At the same time, two separate lines could also be provided for filling and removal.
  • the pressure vessel here has a cryogenic filling connection 432 which is fluidly connected to the tank shut-off valve 420, which is operated here at cryogenic temperatures.
  • the fluid connection between the tank shut-off valve 420 and the cryogenic filling connection 432 is equipped with thermal insulation 433, for example a partially vacuum-sealed room and / or insulation with foamed plastics and / or aerogels.
  • the cryogenic filling connection 432 can be coupled to a corresponding coupling on the filling station side.
  • a further filling connection 434 can preferably be provided for hot refueling.
  • the two filling connections 432, 434 are expediently designed such that the cryogenic filling connection 432 can receive cryogenic fuel which has a fuel temperature that is at least 150 K or at least 180 K lower than the lowest fuel temperature that the further filling connection 434 can receive.
  • a pressure line 435 can advantageously be connected to the further filling connection 434, which opens into the cryogenic line system in the evacuated space V, in particular upstream of the cryogenically operated tank shut-off valve 420, a further tank shut-off valve 437 and / or a pressure limiting valve 436 preferably being provided in this pressure line 435 is.
  • the refueling of the pressure vessel can be safely prevented via the further tank shut-off valve 437.
  • the pressure limiting valve 436 can be set up to limit the maximum refueling pressure, preferably to the maximum permissible pressure of the pressure vessel that may occur during operation of the pressure vessel (usually the maximum operating pressure).
  • a refueling Non-return valve 421 is provided, which is set up to let fuel through to the pressure vessel during refueling and to block the passage in all other operating states (eg removal or storage).
  • check valves 439 are also provided here, which prevent the fuel from flowing back into the filling station or into the environment.
  • the sensor arrangement provided at the second end P2 here comprises a sensor element 205 that is set up to detect a signal that is indicative of at least the fuel temperature in the interior volume I.
  • the sensor element 205 is connected to the sensor connection 204 via the electrical line 203.
  • the sensor connection 204 is provided here on the outer container 200 and the sensor element 205 is provided on the inner container 100.
  • a control device can be or can be connected to the sensor element 205 via the sensor connection 204 via suitable elements such as electrical lines, bus systems, etc.
  • the sensor connection 204 and the sensor element 205 are received within the connecting element 144.
  • the connecting element 144 at the second end P2 is expediently constructed as disclosed in connection with the connecting element 144 from the first end P1.
  • the sensor connection 204 and the sensor element 205 are here arranged coaxially to one another and preferably formed coaxially with the pressure vessel longitudinal axis AA. Alternatively or additionally, the sensor element 205, the sensor connection and the electrical line 203 could (also) be provided in the same way at the first end P1.
  • the heating element 130 is arranged here at the first end P1, which is opposite the second end P2.
  • the heating element 130 is designed here as a heating rod which extends concentrically to the longitudinal axis AA of the pressure vessel.
  • the heating element 130 is a resistance heater.
  • the heating element 130 comprises a metal sleeve 135 which forms the outer surface of the heating element 130 and thus the heating element opposite the Shields fuel.
  • the heating element 130 is welded to an inner end face 142 of the connecting end piece 140 in a fuel-tight manner and protrudes into the inner volume I of the inner container 100.
  • the end face 142 forms the pot-shaped connecting end piece 140 together with the peripheral wall 143.
  • the connecting end piece 140 - also called boss - comprises a second area which is connected to the liner 110 here (here by means of at least one weld seam) and which is surrounded at least in some areas by the fiber-reinforced layer 120.
  • the end face 142 is spaced so far from the fiber-reinforced layer 120 that i) the limit temperature is not reached in the fiber-reinforced layer 120, ii) that the unused toroidal installation space between the inner container and the outer container is as small as possible, and that the toroidal installation space is still sufficient, in order to compensate for changes in length caused by pressure and / or temperature and the heat dissipation path in the connecting element 144 is sufficiently long.
  • the connecting element 144 is tubular and pushed into the pot-shaped connecting end piece 140.
  • the connecting element 144 is formed at least in some areas from a fiber composite material in order to minimize the heat input into the inner container and to compensate for any vibrations.
  • the outer surface of the connecting element 144 here at least partially rests against the inner surface of the circumferential wall 143 (cf. FIG. 2) and can form a floating bearing.
  • At least one electrical line 133 can be accommodated in the interior of the connecting element 144.
  • the at least one electrical line supplies the heating element 130 with electrical energy and provides the electrical signals for controlling or regulating the heating element 130.
  • the ratio of the heating length Ih of the heating element 130 protruding into the inner container 100 to the total length L100 of the inner container 100 is between 0.1 and 0.8 or between 0.25 and 0.5.
  • the pressure vessel also includes a pressure relief device 170.
  • the pressure relief device 170 is not used to fill the pressure vessel or to remove fuel for the energy converter 500. Rather, the pressure relief device 170 is generally used to relieve pressure in the event of a fault or error or to relieve pressure during very long idle times.
  • the filling and removal line 410 connects the inner volume I of the inner container 100 with a line system that is provided in the evacuated space V.
  • the filling and removal line 410 here comprises a T-piece that is fluidly connected to the pressure relief line 171.
  • the pressure relief line 171 could open directly into the interior volume I.
  • Two thermally activatable pressure relief devices (TPRDs) 172, 174 are provided in the pressure relief line 171.
  • the pressure relief line 171 can be formed from a plurality of line elements, between which a thermally activatable pressure relief device 172, 174 is provided. If, for example, a thermal event occurs adjacent to the pressure relief device 174, the pressure relief device 174 opens, for example when a fusible link melts or a glass ampoule is destroyed. The fuel then escapes abruptly before the thermal event can cause the inner container 100 to burst.
  • Such an arrangement of the TPRDs is particularly space-saving and operationally reliable.
  • the overpressure relief valve 177 can also be formed on the pressure relief line 171 and be fluidically connected to the pressure relief line 171.
  • the overpressure relief valve 177 and / or the thermally activatable pressure relief device 174 and / or the bursting element 176 are preferably formed as close as possible to the first line end 178 or as close as possible to the first end P1.
  • the pressure relief line 171 can thus advantageously serve as a heat exchange path, so that the cryogenic fuel acts on the components at higher temperatures than directly at the other end of the pressure relief line 171 adjacent to the tank shut-off valve 420.
  • the overpressure relief valve 177 and / or the thermally activated pressure relief device 174 and / or the bursting element 176 and / or the overpressure safety valve 177 disclosed here are directly fluidly connected to the internal volume I of the pressure vessel. In other words, no shut-off element (eg valve) is provided between the components and the internal volume I, which could possibly block the flow path for pressure relief.
  • a shut-off element eg valve
  • Another pressure relief line 171 branches off from the T-piece in the opposite direction and is fluidly connected to the overpressure safety valve 175.
  • the overpressure safety valve 175 can be provided in such a way that it is received in the outer container 200 from outside. The overpressure safety valve 175 can thus advantageously be exchanged without additional access to the evacuated space V being required for this purpose.
  • the positive pressure relief valve 177 is fluidly connected to a fuel converter 180. If the fuel pressure rises to a value above the trigger pressure of the overpressure relief valve 177, fuel can flow from the internal volume I via the pressure relief line 171 and via the overpressure relief valve 177 into the fuel converter 180.
  • the fuel converter 180 is set up to convert the fuel catalytically. As a result, little or no fuel gets into the environment.
  • a throttle can be provided to limit the blow-off fuel mass flow. If the fuel cannot be blown off or can not be blown off sufficiently via the overpressure blow-off valve 177 and the fuel converter 180, the pressure in the inner volume continues to rise until the trigger pressure of the overpressure safety valve 175 is reached.
  • the triggering pressure from the overpressure safety valve 175 is therefore higher here than the trigger pressure from the overpressure relief valve 177.
  • a mass flow can escape that can be greater than the mass flow that can be catalytically converted via the fuel converter 180.
  • the fuel can expediently be discharged into the environment via a suitable fuel discharge device or into a fuel suction device.
  • channels can be provided, for example, which lead to a roof fin in the vehicle roof through which the fuel escapes. If the overpressure safety valve 175 were to malfunction, the pressure in the internal volume I could continue to rise until the triggering pressure of the bursting element 176 is reached, which is higher than the triggering pressure of the overpressure safety valve 175.
  • the overpressure safety valve 175 and the best element 176 are constructed differently, so that failure of both components due to the same fault is less likely.
  • the overpressure safety valve 175 and the bursting element 176 are advantageously designed at a great distance from one another.
  • the fact that the overpressure safety valve 175 is formed on the upper side and the bursting element 176 on the lower side of the pressure vessel increases the likelihood that the fuel can continue to be safely drained in the normal position and in the overhead position even if the body is deformed.
  • the bursting element 176 and the overpressure safety valve 175 are particularly preferably provided here at different ends P1, P2 of the pressure vessel.
  • the tank shut-off valve 420 is also directly fluidly connected to the inner volume I of the inner container 100 here.
  • the tank shut-off valve 420 is only shown schematically.
  • the tank shut-off valve is an electrically operated and normally closed valve.
  • the withdrawal path 411 extends to the energy converter 500 downstream from the tank shut-off valve 420.
  • There is a heat exchanger in the extraction path 190 is provided, with a coolant inflow path 192 and a coolant outflow path 194.
  • the coolant can be taken from a coolant circuit of the motor vehicle.
  • the inner container 100 comprises the liner 110, which is surrounded by the fiber-reinforced layer 120.
  • a connecting end piece 140 also called boss
  • a barrier layer 150 is provided here, spaced apart by a gap S.
  • the barrier layer 150 is made here from a steel alloy.
  • the barrier layer 150 together with the fiber-reinforced layer 120 forms an essentially gas-tight space GR.
  • the barrier layer 150 here forms a body which completely and essentially gas-tightly surrounds the fiber-reinforced layer 120 of the inner container 100, so that the vacuum from the evacuated space V does not degrade in a function-impairing manner.
  • the outer container 200 and further elements of the pressure container are omitted for the sake of simplicity.
  • a possibly provided test connection through which the essentially gas-tight space GR can be accessible from the outside is not shown. If any gases escape from the fiber-reinforced layer, they cannot escape into the evacuated space V due to the sealing effect of the barrier layer 150. The gases collect in the essentially gas-tight space GR. In one embodiment, the gases that have escaped can be taken through the test connection.
  • the gap S can be selected in such a way that the fiber-reinforced layer 120 does not touch the barrier layer 150 even with maximum expansion of the inner container 100 in the radial direction.
  • the barrier layer 150 here comprises one Length compensation device 152.
  • the length compensation device 152 is designed as a bellows or membrane bellows.
  • the length compensation device 152 is fastened with a first end P1 to an annular plate 154 and with a second end P2 to a cap part 157 (also called dome part) in a substantially gas-tight manner.
  • the cap part (s) 157 is / are in turn connected to a generally cylindrical middle part 156 in a substantially gas-tight manner.
  • the barrier layer comprises an annular plate 154, two cap parts 157, one or two middle parts 156 and a bellows 152.
  • These parts are preferably made of a metal material (here made of a steel alloy) and particularly preferably made of the same material produced and cohesively connected to one another in such a way that they close off the essentially gas-tight space GR to the outside.
  • a metal material here made of a steel alloy
  • fewer or more parts or semi-finished products can form the barrier layer 150.
  • the annular plate 154 is welded to the connector end piece 140 at its center. In other words, the plate 154 is the connecting piece between the bellows and the boss.
  • the plate 154 is welded to the bellows at its radial edge. Even if only one annular plate 154 and only one length compensation device 152 are shown here, an annular plate 154 and a length compensation device 152 could also be provided at both ends.
  • weld seams are shown as black dots in FIG. Depending on the configuration of the inner container 100, fewer or more weld seams can be provided.
  • the term “essentially” in the context of the technology disclosed here includes the exact property or the exact value (e.g. “vertical axis”) as well as deviations that are insignificant for the function of the property / value (eg “tolerable deviation from the vertical axis”).
  • the foregoing description of the present invention is for illustrative purposes only and not for the purpose of limiting the invention.
  • Various changes and modifications are possible within the scope of the invention without departing from the scope of the invention and its equivalents.
  • the features related to i) the pot-shaped connecting element (inner tank suspension); ii) the heater; iii) the barrier layer; iv) the relief valve; v) the bursting element; vi) the fueling system; and vii) the sensor arrangement are each individually functionally independent and can also be used with other pressure vessels and in particular with other cryogenic pressure vessels. However, their combination is particularly advantageous.

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Abstract

Die hier offenbarte Technologie betrifft erfindungsgemäß ein Druckbehälter, bevorzugt einen kryogenen Druckbehälter mit einem Innenbehälter 100, einem Außenbehälter 200 und einem zumindest teilweise evakuiertem Raum V. Ferner betrifft die hier offenbarte Technologie ein Kraftfahrzeug mit einem solchen Druckbehälter.

Description

Druckbehälter sowie Kraftfahrzeug
Aus der Druckschrift DE 102015204623 A1 ist ein kryogener Druckbehälter mit einer Aufhängung zur Anbringung eines Innenbehälters bekannt, bei dem ineinander angeordnete faserverstärkte Rohre eine Wärmeabbaustrecke zwischen Innenbehälter und Außenbehälter ausbilden. Diese Ausgestaltung benötigt vergleichsweise viel Bauraum. Aus der Druckschrift EP 2217845 B1 ist ein kryogener Druckbehälter mit einem Wärmetauscher zur Erwärmung des Brennstoffs bekannt. Nachteilig an dieser Technologie ist, dass der Druckbehälter u.a. wegen des Wärmetauschers vergleichsweise schwer, groß, komplex und kostenintensiv ist und zudem nur Wärme eingebracht werden kann, falls Brennstoff entnommen wird. Aus der Druckschrift DE 102015213563 A1 ist eine Sperrschicht bekannt, um aus der Kunststoffmaterialschicht entweichende Bestandteile daran zu hindern, in das Vakuum zu gelangen. Es besteht ein Bedürfnis, die Sperrschicht noch robuster zu gestalten. Es ist bekannt, Druckbehälter mit mechanischen Überdruck-Sicherheitsventilen auszustatten, die auslösen, falls ein Grenzdruck erreicht wird.
Es ist eine bevorzugte Aufgabe der hier offenbarten Technologie, zumindest einen Nachteil von einer vorbekannten Lösung zu verringern oder zu beheben oder eine alternative Lösung vorzuschlagen. Es ist insbesondere eine bevorzugte Aufgabe der hier offenbarten Technologie, einen kryogenen Druckbehälter insbesondere hinsichtlich Kosten, Bauraumbedarf, Gewicht, Robustheit und/oder Betriebseigenschaften zu verbessern. Weitere bevorzugte Aufgaben können sich aus den vorteilhaften Effekten der hier offenbarten Technologie ergeben. Die Aufgabe(n) wird/werden gelöst durch den Gegenstand des Patentanspruchs 1. Die abhängigen Ansprüche stellen bevorzugte Ausgestaltungen dar. Die hier offenbarte Technologie betrifft einen Druckbehälter für ein Kraftfahrzeug (z.B. Personenkraftwagen, Krafträder, Nutzfahrzeuge). Der Druckbehälter dient zur Speicherung von unter Umgebungsbedingungen gasförmigen Brennstoff. Der Druckbehälter kann beispielsweise in einem Kraftfahrzeug eingesetzt werden, das mit komprimiertem (Compressed Natural Gas) oder verflüssigtem (LNG) Erdgas oder mit Wasserstoff betrieben wird. Ein solcher Druckbehälter versorgt i.d.R. einen Energiewandler (z.B. Brennstoffzellensystem, Brennkraftmaschine) mit Brennstoff. Der Druckbehälter kann teil eines Anodensubsystems eines Brennstoffzellensystems sein. Das Anodensubsystem umfasst alle brennstoffführenden Komponenten des Brennstoffzellensystems
Ein kryogener Druckbehälter kann Brennstoff im flüssigen oder überkritischen Aggregatszustand speichern. Als überkritischer Aggregatszustand wird ein thermodynamischer Zustand eines Stoffes bezeichnet, der eine höhere Temperatur und einen höheren Druck als der kritische Punkt aufweist. Der kritische Punkt bezeichnet den thermodynamischen Zustand, bei dem die Dichten von Gas und Flüssigkeit des Stoffes zusammenfallen, dieser also einphasig vorliegt. Während das eine Ende der Dampfdruckkurve in einem p-T-Diagramm durch den Tripelpunkt gekennzeichnet ist, stellt der kritische Punkt das andere Ende dar. Bei Wasserstoff liegt der kritische Punkt bei 33,18 K und 13,0 bar. Ein kryogener Druckbehälter ist insbesondere geeignet, den Brennstoff bei Temperaturen zu speichern, die deutlich unter der Betriebstemperatur (gemeint ist der Temperaturbereich der Fahrzeugumgebung, in dem das Fahrzeug betrieben werden soll) des Kraftfahrzeuges liegen, beispielsweise mind. 50 Kelvin, bevorzugt mindestens 100 Kelvin bzw. mindestens 150 Kelvin unterhalb der Betriebstemperatur des Kraftfahrzeuges (i.d.R. ca.
- 40°C bis ca. +85°C). Der Brennstoff kann beispielsweise Wasserstoff sein, der bei Temperaturen von ca. 34 K bis 360 K im kryogenen Druckbehälter gespeichert wird. Der Druckbehälter, insbesondere ein Innenbehälter eines kryogenen Druckbehälters, kann ausgelegt sein für einen nominalen Betriebsdruck (auch nominal working pressure oder NWP genannt) von ca. 350 barü (= Überdruck gegenüber dem Atmosphärendruck) oder mehr, bevorzugt von ca. 500 barü oder mehr, und besonders bevorzugt von ca. 700 barü oder mehr. Im Innenbehälter ist der Brennstoff gespeichert. Der Außenbehälter umgibt zumindest teilweise den Innenbehälter und schließt den Druckbehälter nach außen hin ab. Bevorzugt umfasst der kryogene Druckbehälter einen zumindest teilweise evakuierten Raum mit einem Absolutdruck im Bereich von 109 mbar bis 101 mbar, ferner bevorzugt von 107 mbar bis 103 mbar und besonders bevorzugt von ca. 105 mbar, der zumindest bereichsweise zwischen dem Innenbehälter und dem Außenbehälter angeordnet ist. Die Speicherung bei Temperaturen (knapp) oberhalb des kritischen Punktes hat gegenüber der Speicherung bei Temperaturen unterhalb des kritischen Punktes den Vorteil, dass das Speichermedium einphasig vorliegt. Es gibt also beispielsweise keine Grenzfläche zwischen flüssig und gasförmig.
Der Innenbehälter kann einen Liner umfassen. Der Liner bildet den Hohlkörper aus, in dem der Brennstoff gespeichert ist. Der Liner kann beispielsweise aus Aluminium oder Stahl oder aus deren Legierungen hergestellt sein. Der Innenbehälter kann mindestens eine faserverstärkte Schicht umfassen. Die faserverstärkte Schicht kann einen Liner zumindest bereichsweise bevorzugt vollständig umgeben. Die faserverstärkte Schicht wird oft auch als Laminat bzw. Ummantelung oder Armierung bezeichnet. Als faserverstärkte Schicht kommen i.d.R. faserverstärkte Kunststoffe (engl carbon fibre reinforced plastics) zum Einsatz, bspw. kohlenstofffaser verstärkte Kunststoffe und/oder glasfaserverstärkte Kunststoffe. Die faserverstärkte Schicht umfasst zweckmäßig in einer Kunststoff matrix eingebettete Verstärkungsfasern. Oftmals umfasst die faserverstärkte Schicht Endlosfasern, die bevorzugt mittels Wickeln und/oder Flechten in die faserverstärkte Schicht eingebracht werden. Gemäß der hier offenbarten Technologie kann vorgesehen sein, dass der Druckbehälter ein Verbindungsendstück aufweist, das mit dem Liner und/oder mit der faserverstärkten Schicht verbunden ist. Ein solches Verbindungsendstück wird auch als Boss bezeichnet. Bevorzugt ist das Verbindungsendstück aus einem Metallmaterial hergestellt. Besonders bevorzugt ist das Verbindungsendstück mit dem Liner stoffschlüssig verbunden, beispielsweise durch mindestens eine Schweißnaht. In einer Ausgestaltung sind der Liner und das Verbindungsendstück aus demselben Material hergestellt. Besonders bevorzugt ist das Verbindungsendstück parallel und besonders bevorzugt koaxial zur Druckbehälterlängsachse angeordnet. Das Verbindungsendstück ragt regelmäßig in das Innenvolumen des Innenbehälters hinein. Das Verbindungsendstück ist bevorzugt topfförmig ausgebildet, wobei eine in den Innenbehälter ragende Umfangswand und eine Stirnwand die Topfform ausbilden. Eine innenliegende Stirnseite des Verbindungsendstücks ist in der Einbaulage gegenüber dem Ende des Innenbehälters in Richtung der Druckbehälterlängsachse nach Innen zurückversetzt angeordnet.
Bevorzugt kann der Innenbehälter über mindestens ein Verbindungselement mechanisch an den Außenbehälter gekoppelt sein. Bevorzugt ist der Innenbehälter an beiden Enden über jeweils ein Verbindungselement an den Außenbehälter gekoppelt. Zweckmäßig ist das Verbindungselement zumindest teilweise aus einem Faserverbundwerkstoff hergestellt. Ferner bevorzugt umfasst das Verbindungselement mindestens ein faserverstärktes Rohr. Zweckmäßig ist das Verbindungselement (insbesondere das faserverstärkte Rohr) als Wärmeabbaustrecke ausgebildet, so dass im verbauten Zustand mindestens 70% oder mindestens 80% oder mindestens 95% oder mindestens 99% der Wärme, die am Außenbehälter in das Verbindungselement eingebracht wird, nicht durch das Verbindungselement auf den Innenbehälter übertragen wird. Die Aufhängung kann hinsichtlich der Rohre und der Befestigung der Rohre so gestaltet sein, wie es in der deutschen Patentoffenlegungsschrift mit der Offenlegungsnummer DE 102015204623 A1 offenbart ist. Der gesamte Inhalt der deutschen Patentoffenlegungsschrift mit der Offenlegungsnummer DE 102015204623 A1 wird hiermit per Verweis hier mit aufgenommen. In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung ist das Verbindungselement als in das Verbindungsendstück einsteckbares Verbindungselement ausgestaltet. Bevorzugt kann dabei mindestens eine Außenumfangsfläche des Verbindungselementes an einer Innenumfangsfläche des Verbindungsendstücks anliegen, beispielsweise mit einer leichten Presspassung. Eine solche Ausgestaltung ist u.a. hinsichtlich der Montage und Vakuumdichtheit vorteilhaft. Ferner kann somit der Vakuumraum zwischen dem Innenbehälter und dem Außenbehälter verringert werden. Insbesondere können die Außenumfangsfläche des Verbindungselementes und die Innenumfangsfläche des Verbindungsendstücks zur Kompensation von Längenänderungen zueinander in Richtung der Druckbehälterlängsachse verschiebbar ausgebildet sein. Somit lässt sich unter Zwischenlage etwaiger Gleitelemente besonders einfach ein Loslager realisieren.
Besonders bevorzugt ist an dem Ende, an dem die Befüll- und Entnahmeleitung vorgesehen ist, ein Festlager vorgesehen und an dem gegenüberliegenden Ende ein Loslager.
Im Innenbehälter kann mindestens ein elektrisches Heizelement zur Erwärmung des Brennstoffs vorgesehen sein. Hierzu kann jedes geeignete Heizelement eingesetzt werden, beispielsweise ein Widerstandsheizelement. Ein solches Heizgerät ist vergleichsweise einfach und kostengünstig. Das Heizelement ist bevorzugt als Heizstab ausgebildet. Das Heizgerät ist zweckmäßig eingerichtet, an dessen Heizoberfläche eine Temperatur von ca. 80°C bis 350°C oder 100°C bis 200°C zu erzeugen. Das Heizelement kann in der Einbaulage parallel und besonders bevorzugt koaxial zur Druckbehälterlängsachse des Innenbehälters verlaufen. Das Heizelement kann in der Druckbehälterlängsachse des Druckbehälters oder im Wesentlichen in der Druckbehälterlängsachse verlaufen. Vorteilhaft ist das Heizelement also in der Druckbehältermitte angeordnet. Vorteilhaft ist das Heizelement als Heizstab mit einem freien Ende ausgebildet. Dies ist insbesondere hinsichtlich der Montage des Heizelementes und der gleichmäßigeren Erwärmung des Brennstoffs vorteilhaft. Das Heizelement kann zumindest bereichsweise von einer Metallhülse umgeben sein. Das Heizelement kann insbesondere an dem Ende des Innenbehälters vorgesehen sein, welches dem anderen Ende gegenüberliegt, an dem die Leitung zur Befüllung und/oder Entnahme vorgesehen ist. Eine solche Ausgestaltung ist vorteilhaft in der Fertigung. Ebenso ist vorstellbar, dass das Heizelement an dem Ende vorgesehen ist, an dem Leitung zur Befüllung und/oder Entnahme vorgesehen ist. Vorteilhaft könnte hier am Heizelement ein Mischelement vorgesehen sein, welches während der Betankung einströmenden Brennstoff mischt. Alternativ oder zusätzlich könnte eine in das Innenvolumen hineinragende Betankungsleitung am Heizelement abgestützt sein. Das Verhältnis von der in das Innenvolumen des Innenbehälters hineinragende Heizlänge des Heizelementes zur Gesamtlänge des Innenbehälters liegt bevorzugt zwischen 0,1 und 0,8 oder zwischen 0,25 bis 0,5, wobei die Heizlänge (d.h. die Länge der heizenden Oberfläche des Heizelementes) im Zähler und die Gesamtlänge des Innenbehälters (d.h. die Länge des Innenbehälters von einem Ende zum anderen Ende) im Nenner steht. Das Heizelement kann von der innenliegenden und zurückversetzten Stirnseite des Verbindungsendstücks in das Innenvolumen hineinragend abstehen. Das Heizelement kann eine Metallhülse aufweisen, die das Heizelement umgibt und zum Brennstoff hin brennstoffdicht abschirmt bzw. einhaust. Die Metallhülse kann brennstoffdicht mit dem Verbindungsendstück verbunden sein, insbesondere über eine stoffschlüssige Verbindung, bevorzugt durch mindestens eine Schweißnaht.
Die Stirnseite ist von der den Liner zumindest bereichsweise umgebenden faserverstärkten Schicht derart beabstandet, dass die von dem Heizelement erzeugte Wärme die faserverstärkte Schicht nicht auf eine Temperatur oberhalb von einer Grenztemperatur erwärmen kann. Die Grenztemperatur kann beispielsweise in Versuchen ermittelt werden oder kann unter Berücksichtigung etwaiger technischer Vorgaben wie Normen, etc. festgelegt werden. Beispielsweise kann die Grenztemperatur im Bereich liegen von ca. 50°C bis 150°C, oder von ca. 70°C bis 120°C, oder von ca. 80°C bis 90°C. Das topfförmige Verbindungsendstück dient also gleichzeitig als Wärmeabbaustrecke, um somit möglichst wenig Wärme mittels Wärmeleitung derart in die faserverstärkte Schicht einzuleiten, dass die faserverstärkte Schicht thermisch geschädigt wird. Vorteilhaft kann somit das Heizelement bei höheren Temperaturen betrieben werden, so dass die benötigte Wärmeaustauschoberfläche - und somit auch das Heizelement selbst - kleiner ausgestaltet werden kann. Besonders bevorzugt sind die elektrischen Leitungen des Heizelementes innerhalb des Verbindungselementes geführt.
Die faserverstärkte Schicht und/oder der Liner kann/können eine Kunststoffmaterialschicht ausbilden oder mit ausbilden. Insbesondere während der Herstellung der faserverstärkten Schicht, beispielsweise durch Wickeln und/oder Flechten, kann es häufiger zu Gaseinschlüssen kommen, die sich nicht vollständig entfernen lassen. Diese Gaseinschlüsse könnten in den evakuierten Raum eindringen. Gemäß der hier offenbarten Technologie kann eine Sperrschicht die Kunststoffmaterialschicht im Wesentlichen gasdicht vom evakuierten Raum abtrennen. Die Sperrschicht dient zur Verringerung und bevorzugt zur Vermeidung von Permeation von im Kunststoff eingelagerten Ausgasungsprodukten in den evakuierten Raum. Beispielsweise kann die Sperrschicht eingerichtet sein, von den drei permeationsbestimmenden Teilschritten Sorption, Diffusion und Desorption, speziell die Diffusion zu erschweren. Dazu kann die Sperrschicht ein möglichst geringes freies Volumen, also beispielsweise im Fall von Polymeren nur wenig freien Platz zwischen den Molekülketten bieten.
Im Wesentlichen gasdicht bedeutet, dass vernachlässigbar kleine Gasmengen, die sich nicht merklich auf die Qualität des Vakuums auswirken, unberücksichtigt bleiben, beispielsweise Kleinstmengen an durch die Sperrschicht hindurch diffundierte Gase. Der Begriff „im Wesentlichen gasdicht“ umfasst immer auch den Begriff „gasdicht“. Zweckmäßig umgibt die Sperrschicht mindestens 70% oder mindestens 90% oder mindestens 99% des Innenvolumens. Vorteilhaft stellt die Sperrschicht selbst die Begrenzung bzw. die äußerste Schicht bzw. Lage des Innenbehälters zum evakuierten Raum dar. Die Sperrschicht selbst ist zweckmäßig aus einem ausgasungsfreien Material hergestellt, so dass eine Verschlechterung der Isolation durch Sperrschichtausgasung vermieden werden kann. Die Sperrschicht kann als Metallschicht ausgebildet sein, insbesondere aus Aluminium, Stahl und/oder Kupfer sowie deren Legierungen. Die Sperrschicht kann alternativ aus einem brennstoffsperrenden Kunststoff, z.B. Ethylen-Vinylalkohol-Copolymer (EVOH) hergestellt sein. Allgemein gilt, dass ein hoher Füllstoffgehalt oder eine hohe Kristallinität eines Thermoplast und ein hoher Vernetzungsgrad bei Elastomeren und Duroplasten die Diffusion hemmt. Bevorzugt weist die Sperrschicht eine Schichtdicke von ca. 0,1 mm bis 5 mm oder von ca. 0,25 mm bis ca. 2 mm oder von ca. 0, 5 mm bis ca. 1 mm auf. Besonders bevorzugt bildet die Sperrschicht einen Körper (auch Hard Containment oder Encapsulation genannt) aus, i) in dessen Inneren die Kunststoffmaterialschicht und das Innenvolumen des Innenbehälters vorgesehen ist, und ii) der im Wesentlichen gasdicht gegenüber dem an der Außenseite des Körpers anliegende evakuierten Raum ist. Vorteilhaft kann eine Oberflächenbeschichtung die Sperrschicht ausbilden. Zwischen der Sperrschicht und der Kunststoffmaterialschicht kann aber auch zumindest bereichsweise ein Spalt ausgebildet sein. Ein solcher Spalt kann beispielsweise so bemessen sein, dass unterschiedliche Wärmeausdehnungen in radialer Richtung von unterschiedlichen Materialschichten, wie beispielsweise dem Liner, der faserverstärkten Schicht und/oder der Sperrschicht, kompensiert werden können. Auch können sich in dem durch den Spalt mit ausgebildeten Raum zwischen der Kunststoffmaterialschicht und der Sperrschicht Ausgasungen ansammeln. Bevorzugt ist der vom Spalt mit ausgebildete Raum derart ausgebildet, das Ausgasungen nicht in den evakuierten Raum gelangen können.
Die in der Kunststoffmaterialschicht vorhandenen Gaseinschlüsse würden sich bei der hier offenbarten Technologie nicht negativ auf die Langzeitisolationseigenschaft des Druckbehälters auswirken. Gleichzeitig kann aufgrund der vergleichsweise hohen Innenbehälterdrücke in Verbindung mit den tiefen Temperaturen relativ viel Kraftstoff im Innenbehälter gespeichert werden.
Die Sperrschicht kann eine Längenausgleichseinrichtung umfassen, die eingerichtet ist, Längenänderungen des Innenbehälters im Wesentlichen gasdicht zu kompensieren, insbesondere durch reversibel elastische Verformungen. Die Längenausgleichseinrichtung kann mindestens ein Faltenbalgelement umfassen. Ein Faltenbalg ist ein Element, welches ziehharmonikaartig zusammenfaltbar ist. Durch elastische Verformung der i.d.R. zickzack-artig angeordneten Elemente lassen sich auf geringem Bauraum vergleichsweise große elastische Verformungen realisieren. Die Längenausgleichseinrichtung ist bevorzugt unmittelbar benachbart zu (und besonders bevorzugt an) dem Ende des Innenbehälters angeordnet, das als Loslager ausgebildet ist. Besonders bevorzugt ist das Festlager an dem Ende vom Innenbehälter vorgesehen, an dem die Befüll- und Entnahmeleitung aus dem Innenbehälter herausgeführt ist und an dem gegenüberliegenden Ende ist das Loslager ausgebildet. Die Sperrschicht kann eine ringförmige Platte umfassen, die sich vom Verbindungsendstück aus radial nach außen (d.h. senkrecht zur Druckbehälterlängsachse) erstreckt. Am äußeren Rand der ringförmigen Platte kann die Längenausgleichseinrichtung befestigt sein. l.d.R. umfasst die ringförmige Platte in der Mitte ein Durchgangsloch, in das das Verbindungsendstück angeordnet ist. Die ringförmige Platte kann am Durchgangsloch einen Verbindungsflansch aufweisen. Ebenso könnte die ringförmige Platte einstückig mit dem Verbindungselement hergestellt sein. Der maximale Außendurchmesser der Sperrschicht kann größer sein als der maximale Außendurchmesser der ringförmigen Platte. Die ringförmige Platte und/oder die Längenausgleichseinrichtung kann/können in axialer Richtung des Innenbehälters gegenüber einer außenliegenden Begrenzung des Verbindungsendstücks zurückversetzt angeordnet sein. Mit anderen Worten steht die Platte und/oder die Längenausgleichseinrichtung bevorzugt weder radial noch axial über. Vielmehr ist die Längenausgleichseinrichtung in einem i.d.R. nicht genutzten Ringbereich der Polkappen angeordnet. Die Sperrschicht, insbesondere die Längenausgleichseinrichtung und/oder die ringförmige Platte, kann/können aus einem Metallmaterial hergestellt sein, bevorzugt aus Aluminium, Stahl und/oder Kupfer sowie deren Legierungen. Zweckmäßig sind zumindest einige und bevorzugt alle Elemente der Sperrschicht stoffschlüssig miteinander verbunden, insbesondere mittels Schweißnähte. Somit lässt sich einfach und zuverlässig eine im Wesentlichen gasdichte Sperrschicht erstellen, die den Innenbehälter vollständig umgibt. Die Sperrschicht ist besonders bevorzugt mit einem oder beiden Verbindungsendstücken des Innenbehälters stoffschlüssig und im Wesentlichen gasdicht verbunden. Alternativ oder zusätzlich zur stoffschlüssigen Anbindung der ringförmigen Platte an das Verbindungselement ist auch eine kraftschlüssige (z.B. Presspassung durch Aufschrumpfen) oder formschlüssige Verbindung möglich. Der Spalt kann zwischen der Kunststoffmaterialschicht und der Sperrschicht einen im Wesentlichen gasdichten Raum ausbilden. Der Druckbehälter ist zweckmäßig derart ausgebildet, dass die Gaszusammensetzung im im Wesentlichen gasdichten Raum von außen auswertbar ist. Hierzu könnten im Raum verbaute Sensoren eingesetzt werden. Besonders bevorzugt umfasst der im Wesentlichen gasdichte Raum mindestens einen Prüfanschluss, der aus dem Außenbehälter herausgeführt ist. Somit kann leicht die Ausgasung überprüft werden. Alternativ oder zusätzlich lässt sich über diesen Prüfanschluss der im Wesentlichen gasdichte Raum zumindest zu einem gewissen Grad evakuieren. Er dient dann also als Evakuierungsanschluss. Außerhalb der Sperrschicht kann mindestens eine Strahlungsisolation angeordnet sein.
Die hier offenbarte Technologie umfasst u.a. einen Druckbehälter zur Speicherung von Brennstoff in einem Kraftfahrzeug, mit einer Druckentlastungseinrichtung zur Druckentlastung des Druckbehälters, wobei die Druckentlastungseinrichtung mindestens eine thermisch aktivierbare Druckentlastungsvorrichtung aufweist; und wobei die Druckentlastungsvorrichtung durch eine Druckentlastungsleitung unmittelbar fluidverbunden ist mit dem Innenvolumen des Druckbehälters. Der Druckbehälter kann ein Hochdruckgasbehälter oder ein kryogener Druckbehälter sein, insbesondere derart wie er hier offenbart wird. Der Begriff „unmittelbar fluidverbunden“ bedeutet in diesem Zusammenhang, dass kein Absperrelement (z.B. Ventil) im Strömungspfad zwischen dem Innenvolumen des Druckbehälters und der Druckentlastungsleitung vorgesehen ist, das den Strömungspfad unterbrechen könnte. Gleichsam ist zweckmäßig kein Absperrelement zwischen dem Innenvolumen des Druckbehälters und der hier offenbarten thermisch aktivierbaren Druckentlastungsvorrichtung und/oder dem hier offenbarten Überdruck- Abblaseventil vorgesehen. Ein evtl nicht funktionstüchtiges Absperrventil kann somit nicht die Druckentlastung verhindern. Der Druck in der Druckentlastungsleitung weicht zumindest während der bestimmungsgemäßen Speicherung und Entnahme von Brennstoff immer um weniger als 10% oder um weniger als 5% vom Druck im Innenvolumen des Druckbehälters ab. Während der Druckentlastung könnten größere Druckunterschiede auftreten. Die Druckentlastung ist der Vorgang, durch den der Druck im Druckbehälter verringert wird. Das auslösende Ereignis ist insbesondere nicht die bestimmungsgemäße Entnahme zur Versorgung eines Energiewandlers, sondern i.d.R. ein Fehlerfall. Die Druckentlastung beginnt i.d.R. mit der zumindest teilweisen Öffnung von einem Ventil und/oder einem Berstelement, welches unmittelbar fluidverbunden ist mit dem Druckbehälter. Kommt es aufgrund einer Fehlfunktion einer anderen Komponente und/oder durch eine äußere thermische und/oder mechanische Einwirkung (z.B. Unfall, lokale Flamme, etc.) zu einem Störfall, so ist die Druckentlastungseinrichtung eingerichtet, den Druck im Druckbehälter zu verringern. Die Druckentlastungseinrichtung kann zweckmäßig eingerichtet sein, zur Druckentlastung des Druckbehälters einen Brennstoffentnahmemassenstrom zu ermöglichen, der größer (z.B. mindestens um den Faktor 2, 5,10, 100 oder mehr höher) ist als der maximale Brennstoffentnahmemassenstrom durch den Entnahmepfad zum mindestens einen Energiewandler (i.d.R. durch mindestens ein Tankabsperrventil). Die gesamte Druckentlastungseinrichtung wird für die Befüllung des Druckbehältersystems und/oder für die Entnahme von Brennstoff zur Bereitstellung von Energie im Kraftfahrzeug im Betrieb ohne Störfall i.d.R. nicht eingesetzt. Zur Druckentlastung kann zweckmäßig ein zum Anodensubsystem zumindest teilweise paralleler Strömungspfad genutzt werden. I.d.R. wird durch die Druckentlastung der Druckbehälterinnendruck auf Atmosphärendruck abgesenkt.
Die hier offenbarte Technologie kann mindestens eine thermisch aktivierbare Druckentlastungsvorrichtung umfassen, auch Thermal Pressure Relief Device (= TPRD) oder Thermosicherung genannt. Sie ist i.d.R. benachbart zum Druckbehälter vorgesehen. Bei Hitzeeinwirkung (z.B. durch Flammen) wird durch das TPRD der im Druckbehälter gespeicherte Brennstoff in die Umgebung abgelassen. Die Druckentlastungsvorrichtung lässt den Brennstoff ab, sobald die Auslösetemperatur des TPRDs (z.B. 110°C) überschritten wird (=wird thermisch aktiviert). Zweckmäßig umfasst das TPRD ein Schmelzlot oder eine Glasampulle. Das TPRD kann fluidverbunden mit einer Druckentlastungsleitung sein. Die Druckentlastungsvorrichtung kann über die Druckentlastungsleitung unmittelbar fluidverbunden sein mit dem Innenvolumen des Druckbehälters.
Der Druckbehälter kann mindestens ein Berstelement zur Druckentlastung umfassen. Die Druckentlastungsvorrichtung und das Bestelement sind vorteilhaft unmittelbar fluidverbunden mit dem Innenvolumen des Druckbehälters, beispielsweise indem sie an die Druckentlastungsleitung unmittelbar angeschlossen bzw. in diese integriert sind. Das Bestelement ist bevorzugt als Berstscheibe ausgebildet. l.d.R. ist das Berstelement vergleichsweise günstig, benötigt wenig Bauraum und ist sehr zuverlässig. Insbesondere kann das Berstelement auslösen, wenn der Druck auf einen Berstdruck des Berstelementes ansteigt, der höher ist als der max. Betriebsdruck des Druckbehälters, und bevorzugt auch größer als der Auslösedruck des hier offenbarten Überdruck-Sicherheitsventils. Vorteilhaft kann durch das Berstelement sehr schnell ein großer Massenstrom entweichen. Das Berstelement kann insbesondere ein irreversibel auslösendes Element sein. Das Berstelement kann außerhalb vom Außenbehälter vorgesehen sein. Insbesondere handelt es sich also nicht um das Bestelement, welches den Außenbehälter absichert. Hierzu kann in der Wandung vom Außenbehälter ein weiteres Bestelement vorgesehen sein, welches fluidverbunden ist mit dem evakuierten Raum. Das Berstelement zur Druckentlastung ist i.d.R. günstiger als ein zweites Sicherheitsventil. Vorteilhaft verringert sich durch das Berstelement auch die Anzahl an Druckleitungen, die ansonsten für ein zweites Sicherheitsventil notwendig wären. Zudem müsste ein weiterer Strömungspfad aus dem Außenbehälter herausgeführt werden, um während der Druckentlastung den Brennstoff in Richtung der Unterbodenverkleidung auszutragen. Durch den weiteren Strömungspfad würde aber der Wärmeeintrag in den Innenbehälter ansteigen. Insgesamt ergibt sich eine vergleichsweise kostengünstige, fehlersichere und bauraumoptimierte Druckentlastungseinrichtung.
Das hier offenbarte System umfasst mindestens ein Überdruck-Abblaseventil zum Abblasen von Brennstoff. Die thermisch aktivierbare Druckentlastungsvorrichtung und das Überdruck-Abblaseventil sind vorteilhaft unmittelbar fluidverbunden mit dem Innenvolumen des Druckbehälters, beispielsweise indem sie an der gemeinsamen Druckentlastungsleitung unmittelbar angeschlossen bzw. in diese integriert sind. Das Überdruck-Abblaseventil kann eine durch den Druck im Druckbehälter öffnenbare und wieder schließbare Vorrichtung sein. Das Überdruck-Abblaseventil erlaubt insbesondere ein schrittweises bzw. stoßartiges Entweichen des Brennstoffs in die Umgebung oder in eine Fahrzeug-externe Sammeleinrichtung. Eine solche Sammeleinrichtung kann beispielsweise im Service-Fall eingesetzt werden. Bevorzugt öffnet das Überdruck-Abblaseventil sobald der Druck im Druckbehältersystem den max. Betriebsdruck des Druckbehälters erreicht hat oder kurz davor. Bevorzugt liegt der Auslösedruck vom Überdruck-Abblaseventil unterhalb vom Auslösedruck des hier offenbarten Überdruck-Sicherheitsventils und/oder unterhalb vom Auslösedruck von dem hier offenbarten Berstelement.
Stromab vom Überdruck-Abblaseventil ist mindestens ein Brennstoff- Konverter vorgesehen. Der Brennstoff-Konverter kann beispielsweise ein katalytischer Konverter sein. Insbesondere kann der Brennstoff-Konverter eingerichtet sein, den durch das Überdruck-Abblaseventil oder aus anderen Bereichen des Anodensubsystems entweichenden Brennstoff (beispielsweise Wasserstoff) mit Sauerstoff aus der Umgebungsluft katalytisch umzusetzen (im Fall von Wasserstoff ist das Reaktionsprodukt Wasser). Der Brennstoff-Konverter und das Überdruck-Abblaseventil werden auch als Blow-Off-Managmentsystem, bzw. als Boil-Off-Managementsystem bezeichnet. Der Brennstoff-Konverter und das Überdruck-Abblaseventil sind eingerichtet, Brennstoff synthetisch umzusetzen, um somit einen aufgrund von Wärmeeintrag in den Innenbehälter (während längerer inaktiven Standzeiten des Kraftfahrzeugs) ansteigenden Innendruck zu kompensieren.
Die hier offenbarte Technologie betrifft ferner ein zu einem Energiewandler führenden Entnahmepfad, wobei im Entnahmepfad mindestens ein weiteres Überdruck-Ventil vorgesehen ist, und wobei das weitere Überdruck ventil mit dem Brennstoff-Konverter derart fluidverbunden ist, dass der über das weitere Überdruck-Ventil aus dem Entnahmepfad abgelassene Brennstoff im Brennstoff-Konverter katalytisch umgesetzt wird. Ferner kann im Entnahmepfad ein Druckminderer vorgesehen sein, der den Druck im Entnahmepfad von einem ersten Druckniveau stromauf vom Druckminderer auf ein zweites Druckniveau stromab vom Druckminderer absenkt. Das weitere Überdruck-Ventil kann stromab vom Druckminderer vorgesehen sein. Mithin kann also aus einem Mitteldruckbereich entweichender Brennstoff im Brennstoff-Konverter umgesetzt werden und gelangt nicht unverbrannt in die Umgebung. Vorteilhaft kann stromauf vom Brennstoff-Konverter ein Drosselelement vorgesehen sein.
Das hier offenbarte Druckbehältersystem umfasst ferner mindestens ein Überdruckventil-Sicherheitsventil. Das Überdruckventil-Sicherheitsventil entlastet das Druckbehältersystem, falls der Druck im Druckbehältersystem zumindest bereichsweise oberhalb vom Auslösedruck des Überdruckventil- Sicherheitsventil liegt. Bevorzugt ist das Überdruckventil-Sicherheitsventil ein mechanisches Ventil, welches geöffnet und wieder geschlossen werden kann. Der Auslösedruck ist größer als der max. Betriebsdruck, z.B. ca. 10% bis ca. 20% größer als der max. Betriebsdruck. Insbesondere ist das Uberdruckventil-Sicherheitsventil so ausgelegt, dass das Uberdruckventil- Sicherheitsventil auslöst, bevor ein zu hoher Druck die Komponenten des Druckbehältersystems beschädigen könnte. Das Überdruck-Sicherheitsventil ist zweckmäßig ebenfalls unmittelbar fluidverbunden mit dem Innenvolumen des Druckbehälters. Bevorzugt ist das Überdruckventil-Sicherheitsventil von außen in den Außenbehälter einsetzbar ausgebildet und in der Einbaulage mittels einer Druckleitung mit dem Innenvolumen des Innenbehälters unmittelbar fluidverbunden. Eine solche Ausgestaltung lässt sich einfacher warten. Das Überdruck-Sicherheitsventil kann vorteilhaft beabstandet von dem Berstelement vorgesehen sein. Insbesondere kann das Überdruck- Sicherheitsventil an einer Seite des Druckbehälters vorgesehen sein, die der Seite gegenüberliegt, an dem das Berstelement ausgebildet ist. Das Berstelement kann beispielsweise am ersten Ende des Druckbehälters angeordnet sein, und das Überdruck-Sicherheitsventil kann an dem zweiten Ende des Druckbehälters vorgesehen sein, das dem ersten Ende gegenüberliegt. Somit kann erreicht werden, dass in unterschiedlichen Unfallszenarien zumindest das Bestelement oder das Überdruck- Sicherheitsventil öffnet. Somit wird die Druckentlastung noch sicherer. Ferner kommen mit dem Überdruckventil-Sicherheitsventil und dem Berstelement unterschiedliche Bauelemente für die Druckentlastung zum Einsatz, wodurch die Wahrscheinlichkeit eines Common-Cause-Fehlers sinken kann.
Die Druckentlastungsleitung kann sich über den Mantelbereich des Druckbehälters erstrecken, insbesondere über den Mantelbereichs eines Außenbehälters von einem kryogenen Druckbehälter. Die Druckentlastungsleitung kann mehrere Leitungsabschnitte umfassen. Zweckmäßig läuft die Druckentlastungsleitung im Mantelbereich parallel zur Druckbehälterlängsachse. Die Druckentlastungsleitung kann ein erstes Leitungsende aufweisen. Ferner kann die Druckentlastungsleitung ein zweites Leitungsende aufweisen, das benachbart zum Tankabsperrventil und/oder im Innenvolumen des Druckbehälters mündet. Das erste Leitungsende kann auch als mit Bezug zum Tankabsperrventil distales Ende bezeichnet werden. Das zweite Leitungsende kann auch als mit Bezug zum Tankabsperrventil proximales Ende bezeichnet werden. Das erste Leitungsende kann in einer Ausgestaltung benachbart zum ersten Ende des Druckbehälters angeordnet sein, insbesondere am Übergang zwischen dem Mantelbereich und dem ersten Ende. Am ersten Leitungsende kann das Berstelement und/oder das Überdruck-Abblaseventil ausgebildet sein. Sind das Berstelement und/oder das Überdruck-Abblaseventil vom Tankabsperrventil weit beabstandet (z.B. in einem Mindestabstand von 0,5 D oder 0,8 D, wobei D die Gesamtlänge des Innenbehälters ist), so steigt beispielsweise die Temperatur des kryogenen Brennstoffs, bevor der Brennstoff auf das Berstelement und/oder das Überdruck-Abblaseventil trifft. Da die Massenströme, die durch das Überdruck-Abblaseventil in den Brennstoff-Konverter strömen, vergleichsweise gering sind, lässt sich die Brennstofftemperatur merklich steigern. Folglich müssen diese Komponenten nicht auf die tiefsten Speichertemperaturen im Innenvolumen ausgelegt werden. Vorteilhaft können somit günstigere Komponenten verwendet werden.
Der hier offenbarte Druckbehälter umfasst ferner ein Tankabsperrventil. Das Tankabsperrventil ist das Ventil, dessen Eingangsdruck im Wesentlichen dem Behälterdruck entspricht. Das Tankabsperrventil ist insbesondere ein steuerbares bzw. regelbares und insbesondere stromlos geschlossenes Ventil, das mit dem Innenvolumen des Druckbehälters unmittelbar fluidverbunden ist. In der Verordnung (EU) Nr. 406/2010 der Kommission vom 26. April 2010 zur Durchführung der Verordnung (EG) Nr. 79/2009 des Europäischen Parlaments und des Rates über die Typgenehmigung von wasserstoffbetriebenen Kraftfahrzeugen wird ein solches Tankabsperrventil auch als erstes Ventil bezeichnet. Die hier offenbarte Technologie betrifft ferner ein Befüllsystem für einen kryogenen Druckbehälter, insbesondere für den hier offenbarten Druckbehälter. Das Befüllsystem umfasst i.d.R. einen kryogenen Befüllanschluss, der mit dem hier unter kryogenen Temperaturen betriebenen Tankabsperrventil fluidverbunden ist. Die Fluidverbindung zwischen dem Tankabsperrventil und dem kryogenen Befüllanschluss kann mit einer Wärmeisolation ausgestattet sein, z.B. einem teilvakuumierten Raum und/oder einer Isolation mit geschäumten Kunststoffen und/oder Aerogelen. Der kryogene Befüllanschluss kann mit einer entsprechenden tankstellenseitigen Kupplung koppelbar sein. Zusätzlich kann ein weiterer Befüllanschluss für eine Warmbetankung vorgesehen sein. Zweckmäßig sind die beiden Befüllanschlüsse derart ausgebildet, dass der kryogene Befüllanschluss kryogenen Brennstoff aufnehmen kann, der eine Brennstofftemperatur aufweist, die um mindestens 150 Kelvin oder mindestens 180 Kelvin niedriger ist als die niedrigste Brennstofftemperatur, die der weitere Befüllanschluss aufnehmen kann. Für mit Wasserstoff betankte Kraftfahrzeuge ist im Zusammenhang mit der hier offenbarten Technologie unter einer Warmbetankung i.d.R. eine Betankung zu verstehen, bei der der im Kraftfahrzeug aufgenommene Brennstoff in der Tankkupplung eine Temperatur zwischen ca. -60°C und ca. + 50°C und bevorzugt zwischen ca. -40°C und ca. +35°C aufweist. Vorteilhaft kann eine Druckleitung an den weiteren Befüllanschluss angeschlossen sein, die im evakuierten Raum in das kryogene Leitungssystem mündet, insbesondere stromauf von dem kryogen betriebenen Tankabsperrventil, wobei bevorzugt in dieser Druckleitung ein weiteres Tankabsperrventil und/oder ein Druckbegrenzungsventil vorgesehen sind. Über das weitere Tankabsperrventil lässt sich die Betankung des Druckbehälters sicher unterbinden. Das Druckbegrenzungsventil kann eingerichtet sein, den max. Betankungsdruck zu begrenzen, bevorzugt auf eine Druck unterhalb des maximal zulässigen Druck des Druckbehälters, der während des Betriebs des Druckbehälters auftreten darf (i.d.R. der max. Betriebsdruck). In einem zum kryogenen Tankabsperrventil fluidisch parallelen Strömungspfad ist ein Betankungs-Rückschlagventil vorgesehen, das eingerichtet ist, während der Betankung Brennstoff zum Druckbehälter hin durchzulassen und in anderen Betriebszuständen (z.B. Entnahme bzw. Speicherung) den Durchgang zu sperren. An den Befüllanschlüssen können Rückschlagventile vorgesehen sein, die ein Rückströmen des Brennstoffs in die Tankstelle bzw. in die Umgebung unterbinden. Das in diesem Absatz beschriebene Betankungssystem ist funktional unabhängig von den anderen Merkmalen der hier offenbarten Technologie und könnte auch bei anderen kryogenen Druckbehältern als den hier offenbarten Druckbehälter eingesetzt werden.
Die hier offenbarte Technologie betrifft ferner eine Sensoranordnung für einen kryogenen Druckbehälter, insbesondere wie er hier offenbart ist. Die Sensoranordnung umfasst: i) mindestens ein Sensorelement, dass eingerichtet ist ein Signal zu erfassen, dass indikativ ist für mindestens eine Zustandsgröße des im Innenbehälter gespeicherten Brennstoffs, z.B. die Temperatur und/oder den Druck; ii) ein Sensoranschluss, dass am Außenbehälter vorgesehen ist und mittels dem eine Auswerteeinheit, z.B. ein Steuergerät mit dem Sensorelement verbindbar ist; und iii) mindestens eine elektrische Leitung, die das Sensorelement mit dem Sensoranschluss verbindet. Bevorzugt sind der Sensoranschluss und/oder das Sensorelement innerhalb einer Innentankaufhängung, insbesondere innerhalb des hier offenbarten Verbindungselementes, aufgenommen. Dies ist besonders vorteilhaft in der Fertigung. Besonders bevorzugt sind der Sensoranschluss und das Sensorelement koaxial zueinander angeordnet. Im Servicefall kann somit besonders vorteilhaft das Sensorelement durch die im Außenbehälter vorgesehene Aussparung für das Sensorelement gewartet werden. Besonders vorteilhaft kann das Verbindungselement beim Austausch des Sensorelementes als Führung dienen und verhindert zudem, dass Teile in den evakuierten Raum fallen. Bevorzugt sind hierzu der Sensoranschluss und/oder das Sensorelement von außen austauschbar ausgestaltet. Das in diesem Absatz beschriebene Sensorsystem ist funktional unabhängig von den anderen Merkmalen der hier offenbarten Technologie und könnte auch bei anderen kryogenen Druckbehältern als den hier offenbarten Druckbehälter eingesetzt werden.
Die hier offenbarte Technologie umfasst ferner ein Kraftfahrzeug mit mindestens einen der hier offenbarten Druckbehälter. Bevorzugt kann das stromabwärtige Ende vom Überdruck-Sicherheitsventil fluidverbunden sein mit einer am Fahrzeugdach vorgesehenen Brennstoffabfuhr zur Abfuhr des Brennstoffs in die Umgebung.
Mit anderen Worten betrifft die hier offenbarte Technologie viele Merkmale, die zwar funktional unabhängig voneinander sind, jedoch in der Interaktion symbiotische Effekte erzielen. Gemäß der hier offenbarten Technologie kann vorgesehen sein, dass der Druckbehälter einen topfförmigen Boss umfasst, der bevorzugt an den Liner geschweißt ist. Die faserverstärkte Innentankaufhängung kann in den Boss eingesteckt sein, so dass der torusförmige Raum zwischen Innenbehälter und Außenbehälter auf ein Mindestmaß reduzierbar ist. Auf Festlager-Seite kann das Mindestmaß definiert sein durch den Platzbedarf der Rohrleitungen, insbesondere der Befüll- und Entnahmeleitung. Auf der Loslager-Seite kann das Mindestmaß durch die Längenänderung des Innenbehälters aufgrund von unterschiedlichen Drücken und/oder Temperaturen definiert sein. Vorteilhaft kann somit der Bauraum besser ausgenutzt werden bzw. mehr Brennstoff im gleichen Bauraum gespeichert werden. Ferner kann somit ein einfacherer Aufbau mit einem geringeren Gewicht realisiert werden. Ferner vorteilhaft kann die Vakuumstabilität mit der hier offenbarten Innentankaufhängung verbessert werden, da geringere Mengen an Gasen aus dem Faserverbundrohr in das Vakuum diffundieren. Der hier offenbarte Druckbehälter kann einen elektrischen Heizer umfassen. Der elektrische Heizer kann in eine Metallhülse eingebaut sein. Die Hülse kann mit einem Boss verschweißt sein. Die elektrischen Kabel für den Heizer können im Inneren der Innendruckbehälter-Aufhängung auf der Loslagerseite geführt sein. Die Länge der Hülse kann relativ kurz gehalten werden, so dass keine zusätzliche Abstützung für die Schwingungsbelastung an der Spitze notwendig ist. Zwischen dem Heizer und der faserverstärkten Schicht kann eine ausreichende Wärmeabbaustrecke vorgesehen sein, damit die relativ hohe Temperatur von z.B. 200°C am Heizer abgebaut wird, um beispielsweise auf eine Grenztemperatur von max. 85°C an der faserverstärkten Schicht zu kommen. Der elektrische Heizer bzw. die ihn umgebende Hülse hat vorteilhaft eine geringere Außenoberfläche wie vorbekannte Gas-Gas Wärmetauscher. Ferner vorteilhaft kann man den Heizer mit einer höheren Temperatur z.B. 200°C betreiben und damit die vergleichsweise geringe Fläche kompensieren und ausreichend Wärme in den Druckbehälter einbringen. Der Wärmestrom kann kontinuierlich zugeführt und durch Variation der Temperatur des Heizers eingestellt werden. Vorteilhaft kann ein Umschaltventil entfallen. Es werden zudem zwei wasserstoffführende Leitungen weniger benötigt. Mit dem elektrischen Heizer ist eine größere Oberflächentemperatur möglich, daher kann der erforderliche Wärmestrom mit Hilfe einer kleineren Oberfläche übertragen werden. Auch können etwaige Wasserpumpen des Druckbehältersystems kleiner dimensioniert werden. Die hier offenbarte Lösung ist daher i.d.R. einfacher und leichter als vorbekannte Gas-Gas Wärmetauscher. Ferner vorteilhaft ist es möglich, Wärme in den Brennstoff einzubringen, auch wenn kein Brennstoff aus dem Druckbehälter entnommen wird. Der Wärmeeintrag vom Außenbehälter zum Innenbehälter kann sinken, weil der Wärmestrom nicht mehr durch drei Rohrleitungswände mittels Wärmeleitung einströmen kann. Damit kann sich die Druckaufbauzeit bzw. die verlustfreie Standzeit verbessern. Die hier offenbarte Technologie umfasst i.d.R. ein Hard Containment. Das Hard Containment umfasst eine Permeationssperre bzw. Sperrschicht, bevorzugt aus Metall, um die faserverstärkten Schicht(en) vom Innenbehälter abzuschirmen. Das Hard Containment ist bevorzugt aus Stahl, insbesondere aus Edelstahl. Es besteht aus 6 Bauteilen, die miteinander verschweißt werden. Der Membranbalg ist eingerichtet, die Längenänderung des Innendruckbehälters (aufgrund von Temperatur- und/oder Druckänderung) zu ermöglichen, ohne dass Gase in den evakuierten Raum gelangen. Ein so gestalteter Innenbehälter umfasst dank seines Hard Containments ein vergleichsweise stabiles Vakuum. Das Hard Containment ist robuster als vorbekannte Lösungen, da etwaige Längenänderungen des Innendruckbehälters nicht zu plastischen Verformungen, sondern lediglich zu einer reversibel elastischen Verformung führt, bei der die Dichtheit des Hard Containments nicht in Mitleidenschaft gezogen wird. Ferner lässt sich das Hard Containment durch Schweißen einfach und reproduzierbar hersteilen.
Die hier offenbarte Technologie kann auch durch die folgenden Aspekte beschrieben werden:
1. Kryogener Druckbehälter zur Speicherung von Brennstoff in einem Kraftfahrzeug, mit einem Innenbehälter 100 und einem Außenbehälter 200, wobei zwischen dem Innenbehälter 100 und dem Außenbehälter 200 zumindest bereichsweise ein evakuierter Raum V angeordnet ist; wobei der Innenbehälter 100 eine Kunststoffmaterialschicht aufweist; wobei zwischen der Kunststoffmaterialschicht und dem evakuierten Raum V zumindest bereichsweise eine Sperrschicht 150 angeordnet ist; wobei die Sperrschicht 150 derart ausgebildet und angeordnet ist, dass sie den Übergang von aus der Kunststoffmaterialschicht 130 entweichenden Bestandteilen in den evakuierten Raum V zumindest verringert; und wobei zwischen der Sperrschicht 150 und der Kunststoffmaterialschicht zumindest bereichsweise ein Spalt S ausgebildet ist.
2. Druckbehälter nach Aspekt 1 , wobei die Sperrschicht 150 eine Längenausgleichseinrichtung 152 umfasst, die eingerichtet ist Längenänderungen des Innenbehälters 100 zu kompensieren, insbesondere durch reversibel elastische Verformungen.
3. Druckbehälter nach Aspekt 2, wobei die Längenausgleichseinrichtung 152 mindestens ein Faltenbalgelement umfasst.
4. Druckbehälter nach Aspekt 2 oder 3, wobei die Längenausgleichseinrichtung 152 unmittelbar benachbart zu dem Ende des Innenbehälters 100 angeordnet ist, dass als Loslager ausgebildet ist.
5. Druckbehälter nach einem der vorherigen Aspekte, wobei die Sperrschicht 150 aus einem Metallmaterial hergestellt ist.
6. Druckbehälter nach einem der vorherigen Aspekte, wobei die Kunststoffmaterialschicht eine faserverstärkte Schicht 120 ist, die einen Liner 110 umgibt; und wobei die Sperrschicht 150 die faserverstärkte Schicht 120 im Wesentlichen gasdicht vom evakuierten Raum V abtrennt.
7. Druckbehälter nach einem der vorherigen Aspekte, wobei der Innenbehälter 100 ein Verbindungsendstück 140 aufweist, wobei ein Liner 110 und/oder eine faserverstärkte Schicht 120 mit dem Verbindungsendstück 140 verbunden ist/sind, wobei das Verbindungsendstück 140 mit der Sperrschicht 150 stoffschlüssig und im Wesentlichen gasdicht verbunden ist.
8. Druckbehälter nach einem der vorherigen Aspekte, wobei die Sperrschicht 150 eine ringförmige Platte 154 umfasst, die sich vom Verbindungsendstück 140 aus radial nach außen erstreckt.
9. Druckbehälter nach einem der vorherigen Aspekte, wobei am äußeren Rand der ringförmigen Platte 154 die Längenausgleichseinrichtung 152 vorgesehen ist, und wobei die ringförmige Platte 154 und/oder die Längenausgleichseinrichtung 152 in axialer Richtung gegenüber einer außenliegenden Begrenzung 146 des Verbindungsendstücks 140 zurückversetzt angeordnet ist.
10. Druckbehälter nach einem der vorherigen Aspekte, wobei zwischen der Sperrschicht 150 und der Kunststoffmaterialschicht ein im Wesentlichen gasdichter Raum GR ausbildet ist; und wobei der Druckbehälter derart ausgebildet ist, dass die Gaszusammensetzung im im Wesentlichen gasdichten Raum GR von außen auswertbar ist.
11. Druckbehälter nach Aspekt 10, wobei der im Wesentlichen gasdichte Raum GR mindestens einen Prüfanschluss umfasst, und wobei der Prüfanschluss aus dem Außenbehälter 200 herausgeführt ist.
12. Druckbehälter nach einem der vorherigen Aspekte, wobei außerhalb der Sperrschicht 150 mindestens eine Strahlungsisolation angeordnet ist. a) Druckbehälter zur Speicherung von Brennstoff in einem Kraftfahrzeug, insbesondere nach einem der vorherigen Aspekte 1 bis 12, mit einer Druckentlastungseinrichtung 170 zur Druckentlastung des Druckbehälters, wobei die Druckentlastungseinrichtung 170 mindestens eine thermisch aktivierbare Druckentlastungsvorrichtung 172, 174 aufweist; und wobei die Druckentlastungsvorrichtung 172, 174 über eine Druckentlastungsleitung 171 unmittelbar fluidverbunden ist mit dem Innenvolumen I des Druckbehälters. b) Druckbehälter nach Aspekt a, ferner umfassend mindestens ein Berstelement 176, wobei die Druckentlastungsvorrichtung 172, 174 und das Bestelement 176 unmittelbar fluidverbunden sind mit dem Innenvolumen I des Druckbehälters. c) Druckbehälter nach Aspekt a oder b, ferner umfassend mindestens ein Überdruck-Abblaseventil 177, wobei stromab vom Überdruck-Abblaseventil 177 mindestens ein Brennstoff-Konverter 180 vorgesehen ist; und wobei die Druckentlastungsvorrichtung 172, 174 und das Überdruck-Abblaseventil 177 unmittelbar fluidverbunden sind mit dem Innenvolumen I des Druckbehälters. d) Druckbehälter nach einem der vorherigen Aspekte, wobei die Druckentlastungseinrichtung 170 ein Überdruck-Sicherheitsventil 175 umfasst, wobei das Überdruck-Sicherheitsventil 175 ebenfalls direkt fluidverbunden ist mit dem Innenvolumen I des Druckbehälters. e) Druckbehälter nach Aspekt d, wobei das Überdruck-Sicherheitsventil 175 beabstandet von dem Berstelement 176 vorgesehen ist. f) Druckbehälter nach Aspekt d oder e, wobei das Uberdruck- Sicherheitsventil 175 an einer Seite des Druckbehälters vorgesehen ist, die der Seite gegenüber liegt, an dem das Berstelement 176 ausgebildet ist. g) Druckbehälter nach einem der vorherigen Aspekte, wobei das Berstelement 176 an einem ersten Ende P1 angeordnet ist, und wobei das Überdruck-Sicherheitsventil 175 an einem zweitem Ende P2 vorgesehen ist, das dem ersten Ende P1 gegenüberliegt. h) Druckbehälter nach einem der vorherigen Aspekte, umfassend einen Innenbehälter 100 und einen Außenbehälter 200, wobei zwischen dem Innenbehälter 100 und dem Außenbehälter 200 zumindest bereichsweise ein evakuierter Raum V angeordnet ist, wobei der Innenbehälter 100 das den Brennstoff speichernde Innenvolumen I ausbildet. i) Druckbehälter nach einem der vorherigen Aspekte,, wobei das Bestelement 176 außerhalb vom Außenbehälter 200 vorgesehen ist. j) Druckbehälter nach einem der vorherigen Aspekte, wobei in der Wandung vom Außenbehälter 200 ein weiteres Bestelement 202 vorgesehen ist, welches fluidverbunden mit dem evakuierten Raum V ist. k) Druckbehälter nach einem der vorherigen Aspekte, wobei eine Druckentlastungsleitung 171 ein erstes Leitungsende 178 aufweist; und wobei am ersten Leitungsende 178 das Bestelement 176 und/oder das Überdruck-Abblaseventil 177 ausgebildet ist.
L) Druckbehälter nach einem der vorherigen Aspekte, wobei eine Druckentlastungsleitung 171 sich über den Mantelbereich des Druckbehälters, bevorzugt des Außenbehälters 200, erstreckt. m) Druckbehälter nach einem der vorherigen Aspekte, wobei der Auslösedruck vom Überdruck-Abblaseventil 177 unterhalb vom Auslösedruck des Überdruck-Sicherheitsventils 175 und/oder unterhalb vom Auslösedruck des Berstelements 176 liegt. n) Kraftfahrzeug, umfassend mindestens einen Druckbehälter nach einem der vorherigen Aspekte. o) Kraftfahrzeug nach Aspekt n, wobei das Uberdruck-Sicherheitsventil 175 fluidverbunden ist mit einer am Fahrzeugdach vorgesehenen Brennstoffabfuhr 179. i) Kryogener Druckbehälter zur Speicherung von Brennstoff in einem Kraftfahrzeug, insbesondere nach einem der Aspekte 1 bis 12 oder a bis o, mit einem Innenbehälter 100 und einem Außenbehälter 200, wobei zwischen dem Innenbehälter 100 und dem Außenbehälter 200 zumindest bereichsweise ein evakuierter Raum V angeordnet ist, wobei im Innenbehälter 100 mindestens ein elektrisches Heizelement
130 zur Erwärmung des Brennstoffs vorgesehen ist. ii) Kryogener Druckbehälter nach Aspekt i, wobei das Heizelement 130 in der Einbaulage parallel zur Längsachse A-A des Innenbehälters 100 verläuft. iii) Kryogener Druckbehälter nach einem der vorherigen Aspekte, wobei der Innenbehälter 100 ein Verbindungsendstück 140 aufweist, wobei ein Liner 110 und/oder eine faserverstärkte Schicht 120 mit dem Verbindungsendstück 140 verbunden ist/sind, und wobei das Heizelement 130 von einer innenliegenden Stirnseite 142 des Verbindungsendstücks 140 absteht. iv) Kryogener Druckbehälter nach Aspekt iii, wobei die innenliegende Stirnseite 142 von der faserverstärkten Schicht 120 derart beabstandet ist, dass die von dem Heizelement 130 erzeugte Wärme die faserverstärkte Schicht 120 nicht auf eine Temperatur oberhalb von einer Grenztemperatur erwärmen kann, ab der eine Schädigung der faserverstärkte Schicht 120 wahrscheinlich ist. v) Kryogener Druckbehälter nach einem der vorherigen Aspekte, wobei das Heizelement 130 zumindest bereichsweise von einer Metallhülse 135 umgeben ist. vi) Kryogener Druckbehälter nach Aspekt v, wobei die Metallhülse 135 brennstoffdicht mit dem Verbindungsendstück 140 verbunden ist. vii) Kryogener Druckbehälter nach einem der vorherigen Aspekte, wobei das Heizelement 130 an einem ersten Ende P1 des Innenbehälters 100 vorgesehen ist, welches einem zweiten Ende P2 gegenüberliegt, an dem eine Leitung zur Befüllung und/oder Entnahme vorgesehen ist. viii) Kryogener Druckbehälter nach einem der vorherigen Aspekte, wobei der Innenbehälter 100 über mindestens ein Verbindungselement 144 mechanisch an den Außenbehälter 200 gekoppelt ist, wobei die elektrischen Leitungen 133 des Heizelementes 130 innerhalb des Verbindungselementes 144 geführt sind. ix) Kryogener Druckbehälter nach Aspekt viii, wobei das Verbindungselement 144 zumindest teilweise aus einem Faserverbundwerkstoff hergestellt ist. x) Kryogener Druckbehälter nach einem der vorherigen Aspekte, wobei das Verhältnis von der in den Innenbehälter 100 hineinragende Heizlänge Ih des Heizelementes 130 zur Gesamtlänge L100 des Innenbehälters 100 zwischen 0,1 und 0,8 oder zwischen 0,25 bis 0,5 liegt. xi) Kraftfahrzeug, umfassend einen kryogenen Druckbehälter nach einem der vorherigen Aspekte.
Die hier offenbarte Technologie wird nun anhand der Figuren erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Querschnittsansicht des hier offenbarten
Druckbehälters; und
Fig. 2 eine weitere schematische Detailansicht des hier offenbarten Druckbehälters.
Die Fig. 1 zeigt schematisch eine Ansicht des hier offenbarten Druckbehältersystems. Der Druckbehälter umfasst einen Innenbehälter 100, der von dem Außenbehälter 200 umgeben wird. Zwischen dem Innenbehälter 100 und dem Außenbehälter 200 befindet sich der evakuierte Raum V. Der Innenbehälter 100 umfasst einen Liner 110, der von einer faserverstärkten Schicht 120 umgeben wird. An dem zweiten Ende P2 ist hier die Befüll- und Entnahmeleitung 410 vorgesehen. Gleichsam könnten auch zwei getrennte Leitungen für die Befüllung und Entnahme vorgesehen sein. Zur Befüllung umfasst der Druckbehälter hier einen kryogenen Befüllanschluss 432 auf, der mit dem hier unter kryogenen Temperaturen betriebenen Tankabsperrventil 420 fluidverbunden ist. Die Fluidverbindung zwischen dem Tankabsperrventil 420 und dem kryogenen Befüllanschluss 432 ist mit einer Wärmeisolation 433 ausgestattet, z.B. einem teilvakuumierten Raum und/oder einer Isolation mit geschäumten Kunststoffen und/oder Aerogelen. Der kryogene Befüllanschluss 432 ist mit einer entsprechenden tankstellenseitigen Kupplung koppelbar. Zusätzlich kann bevorzugt ein weiterer Befüllanschluss 434 für eine Warmbetankung vorgesehen sein. Zweckmäßig sind die beiden Befüllanschlüsse 432, 434 derart ausgebildet, dass der kryogene Befüllanschluss 432 kryogenen Brennstoff aufnehmen kann, der eine Brennstofftemperatur aufweist, die um mindestens 150 K oder mindestens 180 K niedriger ist als die niedrigste Brennstofftemperatur, die der weitere Befüllanschluss 434 aufnehmen kann. Vorteilhaft kann eine Druckleitung 435 an den weiteren Befüllanschluss 434 angeschlossen sein, die im evakuierten Raum V in das kryogene Leitungssystem mündet, insbesondere stromauf von dem kryogen betriebenen Tankabsperrventil 420, wobei bevorzugt in dieser Druckleitung 435 ein weiteres Tankabsperrventil 437 und/oder ein Druckbegrenzungsventil 436 vorgesehen ist. Über das weitere Tankabsperrventil 437 lässt sich die Betankung des Druckbehälters sicher unterbinden. Das Druckbegrenzungsventil 436 kann eingerichtet sein, den max. Betankungsdruck zu begrenzen, bevorzugt auf den maximal zulässigen Druck des Druckbehälters, der während des Betriebs des Druckbehälters auftreten darf (i.d.R. der max. Betriebsdruck). In einem zum kryogenen Tankabsperrventil 420 fluidisch parallelen Strömungspfad ist ein Betankungs- Rückschlagventil 421 vorgesehen, das eingerichtet ist, während der Betankung Brennstoff zum Druckbehälter hin durchzulassen und in allen anderen Betriebszuständen (z.B. Entnahme bzw. Speicherung) den Durchgang zu sperren. An den Befüllanschlüssen 432, 434 sind hier ferner Rückschlagventile 439 vorgesehen, die ein Rückströmen des Brennstoffs in die Tankstelle bzw. in die Umgebung unterbinden. Die am zweiten Ende P2 vorgesehene Sensoranordnung umfasst hier ein Sensorelement 205, dass eingerichtet ist, ein Signal zu erfassen, das indikativ ist für mindestens die Brennstofftemperatur im Innenvolumen I. Das Sensorelement 205 ist über die elektrische Leitung 203 mit dem Sensoranschluss 204 verbunden. Der Sensoranschluss 204 ist hier am Außenbehälter 200 vorgesehen und das Sensorelement 205 ist am Innenbehälter 100 vorgesehen. Über den Sensoranschluss 204 kann über geeignete Elemente wie elektrische Leitungen, Bussysteme, etc. ein Steuergerät mit dem Sensorelement 205 verbindbar oder verbunden sein. Der Sensoranschluss 204 und das Sensorelement 205 sind innerhalb des Verbindungselements 144 aufgenommen. Das Verbindungselement 144 am zweiten Ende P2 ist zweckmäßig so aufgebaut, wie es im Zusammenhang mit dem Verbindungselement 144 vom ersten Ende P1 offenbart ist. Der Sensoranschluss 204 und das Sensorelement 205 sind hier koaxial zueinander angeordnet und bevorzugt koaxial mit der Druckbehälterlängsachse A-A ausgebildet. Alternativ oder zusätzlich könnte das Sensorelement 205, der Sensoranschluss und die elektrischen Leitung 203 in derselben Art und Weise (auch) am ersten Ende P1 vorgesehen sein.
Am ersten Ende P1 , das dem zweiten Ende P2 gegenüber liegt, ist hier das Heizelement 130 angeordnet. Das Heizelement 130 ist hier als Heizstab ausgebildet, der sich konzentrisch zur Druckbehälterlängsachse A-A erstreckt. Das Heizelement 130 ist ein Widerstandsheizgerät. Das Heizelement 130 umfasst eine Metallhülse 135, die die Außenoberfläche des Heizelementes 130 ausbildet und somit das Heizelement gegenüber dem Brennstoff abschirmt. Das Heizelement 130 ist hier an eine innenliegende Stirnseite 142 des Verbindungsendstücks 140 brennstoffdicht geschweißt und ragt in das Innenvolumen I des Innenbehälters 100. Die Stirnseite 142 bildet zusammen mit der Umfangswand 143 das topfförmige Verbindungsendstück 140 aus. Das Verbindungsendstück 140 - auch Boss genannt - umfasst einen zweiten Bereich, der hier mit dem Liner 110 verbunden ist (hier mittels mindestens einer Schweißnaht), und der zumindest bereichsweise von der faserverstärkten Schicht 120 umgeben wird. Die Stirnseite 142 ist hier soweit von der faserverstärkten Schicht 120 beabstandet, i) dass in der faserverstärkten Schicht 120 nicht die Grenztemperatur erreicht wird, ii) dass der ungenutzte torusförmige Bauraum zwischen Innenbehälter und Außenbehälter möglichst gering ist, und dass trotzdem der torusförmige Bauraum ausreicht, um druck- und/oder temperaturbedingte Längenänderungen zu kompensieren und die Wärmeabbaustrecke im Verbindungselement 144 ausreichend lang ist. Das Verbindungselement 144 ist rohrförmig ausgebildet und in das topfförmige Verbindungsendstück 140 eingeschoben. Das Verbindungselement 144 ist zumindest bereichsweise aus einem Faserverbundwerkstoff ausgebildet, um somit den Wärmeeintrag in den Innenbehälter zu minimieren und etwaige Schwingungen zu kompensieren. Die Außenfläche des Verbindungselementes 144 liegt hier zumindest bereichsweise an der Innenfläche der Umfangswand 143 (vgl. Fig. 2) an und kann ein Loslager ausbilden. Im Inneren des Verbindungselementes 144 kann mindestens eine elektrische Leitung 133 aufgenommen sein. Die mindestens eine elektrische Leitung versorgt das Heizelement 130 mit elektrischer Energie und stellt die elektrischen Signale zur Steuerung bzw. Regelung des Heizelementes 130 bereit. Das Verhältnis von der in den Innenbehälter 100 hineinragende Heizlänge Ih des Heizelementes 130 zur Gesamtlänge L100 des Innenbehälters 100 liegt zwischen 0,1 und 0,8 oder zwischen 0,25 bis 0,5. Der Druckbehälter umfasst ferner eine Druckentlastungseinrichtung 170. Die Druckentlastungseinrichtung 170 dient nicht zur Befüllung des Druckbehälters oder zu Entnahme von Brennstoff für den Energiewandler 500. Vielmehr dient die Druckentlastungseinrichtung 170 i.d.R. zur Druckentlastung im Stör- oder Fehlerfall oder zur Druckentlastung während sehr langer Standzeiten. Die Befüll- und Entnahmeleitung 410 verbindet das Innenvolumen I des Innenbehälters 100 mit einem Leitungssystem, dass im evakuierten Raum V vorgesehen ist. Die Befüll- und Entnahmeleitung 410 umfasst hier ein T-Stück, dass mit der Druckentlastungsleitung 171 fluidverbunden ist. Ebenso könnte die Druckentlastungsleitung 171 direkt im Innenvolumen I münden. In der Druckentlastungsleitung 171 sind hier zwei thermisch aktivierbare Druckentlastungsvorrichtungen (TPRDs) 172,174 vorgesehen. Beispielsweise kann hierzu die Druckentlastungsleitung 171 aus mehreren Leitungselementen ausgebildet sein, zwischen denen jeweils eine thermisch aktivierbare Druckentlastungsvorrichtung 172,174 vorgesehen ist. Kommt es beispielsweise zu einem thermischen Event benachbart zur Druckentlastungsvorrichtung 174, so öffnet sich die Druckentlastungsvorrichtung 174, beispielsweise indem ein Schmelzlot schmilzt oder eine Glasampulle zerstört wird. Es entweicht dann stoßartig der Brennstoff, noch bevor das thermische Ereignis ein Bersten des Innenbehälters 100 verursachen kann. Eine solche Anordnung der TPRDs ist besonders platzsparend und betriebssicher. Besonders vorteilhaft kann an der Druckentlastungsleitung 171 auch das Überdruck-Abblaseventil 177 ausgebildet und mit der Druckentlastungsleitung 171 fluidverbunden sein. Bevorzugt sind das Überdruck-Abblaseventil 177 und/oder die thermisch aktivierbare Druckentlastungsvorrichtung 174 und/oder das Berstelement 176 möglichst nahe am ersten Leitungsende 178 bzw. möglichst nahe am ersten Ende P1 ausgebildet. Vorteilhaft kann somit die Druckentlastungsleitung 171 als Wärmeaustauschstrecke dienen, so dass der kryogene Brennstoff mit höheren Temperaturen auf die Bauelemente einwirkt als am anderen Ende der Druckentlastungsleitung 171 unmittelbar benachbart zum Tankabsperrventil 420. Das Überdruck-Abblaseventil 177 und/oder die thermisch aktivierbare Druckentlastungsvorrichtung 174 und/oder das Berstelement 176 und/oder das hier offenbarte Überdruck- Sicherheitsventil 177 sind hier unmittelbar fluidverbunden mit dem Innenvolumen I des Druckbehälters. Mit anderen Worten ist kein Absperrelement (z.B. Ventil) zwischen den Bauelementen und dem Innenvolumen I vorgesehen, welches evtl den Strömungspfad für die Druckentlastung blockieren könnte.
Vom T-Stück zweigt in entgegengesetzter Richtung eine weitere Druckentlastungsleitung 171 ab, die fluidverbunden ist mit dem Überdruck- Sicherheitsventil 175. Das Überdruck-Sicherheitsventil 175 kann derart vorgesehen sein, dass es von Außerhalb in den Außenbehälter 200 aufgenommen ist. Vorteilhaft kann somit das Überdruck-Sicherheitsventil 175 ausgetauscht werden, ohne dass hierzu ein zusätzlicher Zugang zum evakuierten Raum V erforderlich wäre.
Das Überdruck-Abblaseventil 177 ist mit einem Brennstoff-Konverter 180 fluidverbunden. Steigt der Brennstoffdruck auf einen Wert oberhalb des Auslösedrucks vom Überdruck-Abblaseventil 177, so kann Brennstoff aus dem Innenvolumen I über die Druckentlastungsleitung 171 und über das Überdruck-Abblaseventil 177 in den Brennstoff-Konverter 180 strömen. Der Brennstoff-Konverter 180 ist eingerichtet, den Brennstoff katalytisch umzusetzen. Somit gelangt kein oder nur vernachlässigbar wenig Brennstoff in die Umgebung. Im Brennstoff-Konverter 180 oder stromauf vom Brennstoff-Konverter 180 kann eine Drossel zur Begrenzung des Abblase- Brennstoffmassenstrom vorgesehen sein. Falls der Brennstoff nicht oder nicht ausreichend über das Überdruck-Abblaseventil 177 und den Brennstoff- Konverter 180 abgeblasen werden kann, steigt der Druck im Innenvolumen weiter an, bis der Auslösedruck vom Überdruck-Sicherheitsventil 175 erreicht ist. Der Auslösedruck vom Überdruck-Sicherheitsventil 175 hier ist also höher als der Auslösedruck vom Überdruck-Abblaseventil 177. Bei geöffnetem Überdruck-Sicherheitsventil 175 kann ein Massenstrom entweichen, der größer sein kann als der Massenstrom, der über den Brennstoff-Konverter 180 katalytisch umgesetzt werden kann. Zweckmäßig kann der Brennstoff über eine geeignete Brennstoffabfuhr in die Umgebung oder in eine Brennstoff-Absaugeinrichtung abgeführt werden. Hierzu können beispielsweise Kanäle vorgesehen sein, die zu einer Dachfinne im Fahrzeugdach führen, über die der Brennstoff entweicht. Falls das Überdruck-Sicherheitsventil 175 eine Fehlfunktion aufweisen würde, so könnte der Druck im Innenvolumen I weiter ansteigen bis der Auslösedruck vom Berstelement 176 erreicht wird, der höher ist als der Auslösedruck vom Überdruck-Sicherheitsventil 175. Birst das Bestelement 176, so kommt es auch zu einer schnellen Druckentlastung. Das Überdruck-Sicherheitsventil 175 und das Bestelement 176 sind unterschiedlich aufgebaut, so dass ein Versagen beider Bauteile aufgrund desselben Fehlers weniger wahrscheinlich ist. Vorteilhaft sind hier das Überdruck-Sicherheitsventil 175 und das Berstelement 176 weit beabstandet voneinander ausgebildet. Dadurch, dass das Überdruck-Sicherheitsventil 175 an der Oberseite und das Berstelement 176 an der Unterseite des Druckbehälters ausgebildet sind, steigt die Wahrscheinlichkeit, das bei Normallage und bei Überkopflage auch bei Verformung der Karosserie weiterhin der Brennstoff sicher abgelassen werden kann. Besonders bevorzugt sind hier aus demselben Grund das Berstelement 176 und das Überdruck-Sicherheitsventil 175 an unterschiedlichen Enden P1 , P2 des Druckbehälters vorgesehen.
Ferner unmittelbar fluidverbunden mit dem Innenvolumen I des Innenbehälters 100 ist hier das Tankabsperrventil 420. Das Tankabsperrventil 420 ist lediglich schematisch gezeigt. Das Tankabsperrventil ist ein elektrisch betätigbares und stromlos geschlossenes Ventil. Stromab vom Tankabsperrventil 420 erstreckt sich der Entnahmepfad 411 zum Energiewandler 500 hin. Im Entnahmepfad ist ein Wärmetauscher 190 vorgesehen, mit einem Kühlmittel-Zuströmpfad 192 und einem Kühlmittel-Abflusspfad 194. Das Kühlmittel kann aus einem Kühlmittelkreis des Kraftfahrzeugs entnommen werden.
Die Fig. 2 zeigt eine schematische Querschnittsansicht des Innenbehälters 100. Der Innenbehälter 100 umfasst den Liner 110, der von der faserverstärkten Schicht 120 umgeben ist. An den beiden Enden des Innenbehälters 100 ist jeweils ein Verbindungsendstück 140 (auch Boss genannt) vorgesehen, die hier vereinfachend gleich ausgebildet sind. Durch einen Spalt S beabstandet ist hier eine Sperrschicht 150 vorgesehen. Die Sperrschicht 150 ist hier aus einer Stahllegierung gefertigt. Die Sperrschicht 150 bildet zusammen mit der faserverstärkten Schicht 120 einen im Wesentlichen gasdichten Raum GR aus. Die Sperrschicht 150 bildet hier einen Körper aus, der die faserverstärkte Schicht 120 des Innenbehälters 100 vollständig und im Wesentlichen gasdicht umgibt, so dass das Vakuum vom evakuierten Raum V nicht funktionsbeeinträchtigend degradiert. Der Außenbehälter 200 sowie weitere Elemente des Druckbehälters sind vereinfachend weggelassen.
Nicht gezeigt ist ein eventuell vorgesehener Prüfanschluss, durch den der im Wesentlichen gasdichte Raum GR von außen zugänglich sein kann. Falls aus der faserverstärkten Schicht etwaige Gase entweichen, so können diese aufgrund der Dichtwirkung der Sperrschicht 150 nicht in den evakuierten Raum V entweichen. Die Gase sammeln sich in dem im Wesentlichen gasdichten Raum GR. In einer Ausgestaltung lassen sich die entwichenen Gase durch den Prüfanschluss entnehmen.
Der Spalt S kann so gewählt sein, dass auch bei maximaler Ausdehnung des Innenbehälters 100 in radialer Richtung die faserverstärkte Schicht 120 die Sperrschicht 150 nicht berührt. Zur Kompensation von Längendehnungen in axialer Richtung umfasst die Sperrschicht 150 hier eine Längenausgleichseinrichtung 152. Die Längenausgleicheinrichtung 152 ist als Faltenbalg bzw. Membranbalg ausgestaltet. Die Längenausgleicheinrichtung 152 ist mit einem ersten Ende P1 an einer ringförmigen Platte 154 und mit einem zweiten Ende P2 an ein Kappenteil 157 (auch Domteil genannt) im Wesentlichen gasdicht befestigt. Das bzw. die Kappenteil(e) 157 ist/sind wiederum im Wesentlichen gasdicht mit einem i.d.R. zylindrischen Mittelteil 156 verbunden. In dieser Ausgestaltung der Sperrschicht 150 umfasst die Sperrschicht eine ringförmige Platte 154, zwei Kappenteile 157, ein oder zwei Mittelteil(e) 156 und einen Faltenbalg 152. Diese Teile sind bevorzugt aus einem Metallmaterial (hier aus einer Stahllegierung) und besonders bevorzugt aus demselben Material hergestellt und stoffschlüssig derart miteinander verbunden, dass sie den im Wesentlichen gasdichten Raum GR nach außen hin abschließen. Je nach Fertigungskonzept können weniger oder mehr Teile bzw. Halbzeuge die Sperrschicht 150 ausbilden. Die ringförmige Platte 154 ist in ihrer Mitte an das Verbindungsendstück 140 geschweißt. Mit anderen Worten ist die Platte 154 das Verbindungsstück zwischen Faltenbalg und Boss. An ihrem radialen Rand ist die Platte 154 mit dem Faltenbalg verschweißt. Auch wenn hier lediglich eine ringförmige Platte 154 und lediglich eine Längenausgleicheinrichtung 152 gezeigt sind, könnten auch an beiden Enden jeweils eine ringförmige Platte 154 und eine Längenausgleicheinrichtung 152 vorgesehen sein.
Dehnt sich der Innenbehälter 100 in axialer Richtung aus (hier durch einen Pfeil illustriert), so bewegt sich das zweite Ende P2 nach außen. Diese Längenänderung wird gleich am zweiten Ende P2 durch die Längenausgleicheinrichtung 152 „vor Ort“ kompensiert. Als schwarze Punkte sind in der Fig. 2 Schweißnähte dargestellt. Je nach Ausgestaltung des Innenbehälters 100 können weniger oder mehr Schweißnähte vorgesehen sein. Der Begriff „im Wesentlichen“ (z.B. „im Wesentlichen senkrechte Achse“) umfasst im Kontext der hier offenbarten Technologie jeweils die genaue Eigenschaft bzw. den genauen Wert (z.B. „senkrechte Achse“) sowie jeweils für die Funktion der Eigenschaft/ des Wertes unerhebliche Abweichungen (z.B. „tolerierbare Abweichung von senkrechte Achse“).
Die vorhergehende Beschreibung der vorliegenden Erfindung dient nur zu illustrativen Zwecken und nicht zum Zwecke der Beschränkung der Erfindung. Im Rahmen der Erfindung sind verschiedene Änderungen und Modifikationen möglich, ohne den Umfang der Erfindung sowie ihrer Äquivalente zu verlassen. Insbesondere die Merkmale, die im Zusammenhang mit i) dem topfförmigen Verbindungselement (Innentankaufhängung); ii) der Heizvorrichtung; iii) der Sperrschicht; iv) dem Abblaseventil; v) dem Berstelement; vi) dem Betankungssystem; und vii) der Sensoranordnung offenbart sind, sind jeweils einzeln für sich funktional unabhängig und auch bei anderen Druckbehältern und insbesondere bei anderen kryogenen Druckbehältern einsetzbar. Ihre Kombination ist jedoch besonders vorteilhaft.

Claims

Ansprüche
1 . Kryogener Druckbehälter zur Speicherung von Brennstoff in einem Kraftfahrzeug, mit einem Innenbehälter (100) und einem Außenbehälter (200), wobei zwischen dem Innenbehälter (100) und dem Außenbehälter (200) zumindest bereichsweise ein evakuierter Raum (V) angeordnet ist.
2. Druckbehälter nach Anspruch 1 , wobei der Innenbehälter (100) eine Kunststoffmaterialschicht aufweist; wobei zwischen der Kunststoffmaterialschicht und dem evakuierten Raum (V) zumindest bereichsweise eine Sperrschicht (150) angeordnet ist; wobei die Sperrschicht (150) derart ausgebildet und angeordnet ist, dass sie den Übergang von aus der Kunststoffmaterialschicht entweichenden Bestandteilen in den evakuierten Raum (V) zumindest verringert; und wobei zwischen der Sperrschicht (150) und der Kunststoffmaterialschicht zumindest bereichsweise ein Spalt (S) ausgebildet ist.
3. Druckbehälter nach Anspruch 2, wobei die Sperrschicht (150) eine Längenausgleichseinrichtung (152) umfasst, die eingerichtet ist Längenänderungen des Innenbehälters (100) zu kompensieren, insbesondere durch reversibel elastische Verformungen.
4. Druckbehälter nach Anspruch 3, wobei die Längenausgleichseinrichtung (152) mindestens ein Faltenbalgelement umfasst.
5. Druckbehälter nach Anspruch 3 oder 4, wobei die Längenausgleichseinrichtung (152) unmittelbar benachbart zu dem Ende des Innenbehälters (100) angeordnet ist, dass als Loslager ausgebildet ist.
6. Druckbehälter nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Sperrschicht (150) aus einem Metallmaterial hergestellt ist. 7. Druckbehälter nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Kunststoffmaterialschicht eine faserverstärkte Schicht (120) ist, die einen Liner (110) umgibt; und wobei die Sperrschicht (150) die faserverstärkte Schicht (120) im Wesentlichen gasdicht vom evakuierten Raum (V) abtrennt.
8. Druckbehälter nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der Innenbehälter (100) ein Verbindungsendstück (140) aufweist, wobei ein Liner (110) und/oder eine faserverstärkte Schicht (120) mit dem Verbindungsendstück (140) verbunden ist/sind,
9. Druckbehälter nach Anspruch 8, wobei das Verbindungsendstück (140) mit der Sperrschicht (150) stoffschlüssig und im Wesentlichen gasdicht verbunden ist.
10. Druckbehälter nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Sperrschicht (150) eine ringförmige Platte (154) umfasst, die sich vom Verbindungsendstück (140) aus radial nach außen erstreckt.
11 . Druckbehälter nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei am äußeren Rand der ringförmigen Platte (154) die Längenausgleichseinrichtung (152) vorgesehen ist, und wobei die ringförmige Platte (154) und/oder die Längenausgleichseinrichtung (152) in axialer Richtung gegenüber einer außenliegenden Begrenzung (146) des Verbindungsendstücks (140) zurückversetzt angeordnet ist.
12. Druckbehälter nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei zwischen der Sperrschicht (150) und der Kunststoffmaterialschicht ein im Wesentlichen gasdichter Raum (GR) ausbildet ist; und wobei der Druckbehälter derart ausgebildet ist, dass die Gaszusammensetzung im im Wesentlichen gasdichten Raum (GR) von außen auswertbar ist. 13. Druckbehälter nach Anspruch 12, wobei der im Wesentlichen gasdichte Raum (GR) mindestens einen Prüfanschluss umfasst, und wobei der Prüfanschluss aus dem Außenbehälter (200) herausgeführt ist.
14. Druckbehälter nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei außerhalb der Sperrschicht (150) mindestens eine Strahlungsisolation angeordnet ist.
15. Druckbehälter nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei im Innenbehälter (100) mindestens ein elektrisches Heizelement (130) zur Erwärmung des Brennstoffs vorgesehen ist.
16. Druckbehälter nach Anspruch 15, wobei das Heizelement (130) in der Einbaulage parallel zur Längsachse (A-A) des Innenbehälters (100) und bevorzugt in der Längsachse (A-A) verläuft.
17. Druckbehälter nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das Heizelement (130) von einer innenliegenden Stirnseite (142) des Verbindungsendstücks (140) absteht.
18. Druckbehälter nach Anspruch 17, wobei die innenliegende Stirnseite (142) von der faserverstärkten Schicht (120) derart beabstandet ist, dass die von dem Heizelement (130) erzeugte Wärme die faserverstärkte Schicht (120) nicht auf eine Temperatur oberhalb von einer Grenztemperatur erwärmen kann, ab der eine Schädigung der faserverstärkte Schicht (120) wahrscheinlich ist.
19. Druckbehälter nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das Heizelement (130) zumindest bereichsweise von einer Metallhülse (135) umgeben ist.
20. Druckbehälter nach Anspruch 19, wobei die Metallhülse (135) brennstoffdicht mit dem Verbindungsendstück (140) verbunden ist. 21 . Druckbehälter nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das Heizelement (130) an einem ersten Ende (P1) des Innenbehälters (100) vorgesehen ist, welches einem zweiten Ende (P2) gegenüberliegt, an dem eine Leitung zur Befüllung und/oder Entnahme vorgesehen ist.
22. Druckbehälter nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der Innenbehälter (100) über mindestens ein Verbindungselement (144) mechanisch an den Außenbehälter (200) gekoppelt ist; und wobei die elektrischen Leitungen (133) des Heizelementes (130) innerhalb des Verbindungselementes (144) geführt sind.
23. Druckbehälter nach Anspruch 22, wobei das Verbindungselement (144) zumindest teilweise aus einem Faserverbundwerkstoff hergestellt ist.
24. Druckbehälter nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das Verhältnis von der in den Innenbehälter (100) hineinragende Heizlänge (Ih) des Heizelementes (130) zur Gesamtlänge (L100) des Innenbehälters (100) zwischen 0,1 und 0,8 oder zwischen 0,25 bis 0,5 liegt.
25. Druckbehälter zur Speicherung von Brennstoff in einem Kraftfahrzeug, insbesondere nach einem der vorherigen Ansprüche, mit einer Druckentlastungseinrichtung (170) zur Druckentlastung des Druckbehälters, wobei die Druckentlastungseinrichtung (170) mindestens eine thermisch aktivierbare Druckentlastungsvorrichtung (172, 174) aufweist; und wobei die Druckentlastungsvorrichtung (172, 174) über eine Druckentlastungsleitung (171 ) unmittelbar fluidverbunden ist mit dem Innenvolumen (I) des Druckbehälters. 26. Druckbehälter nach Anspruch 25, ferner umfassend mindestens ein Berstelement (176), wobei die Druckentlastungsvorrichtung (172, 174) und das Bestelement (176) unmittelbar fluidverbunden sind mit dem Innenvolumen (I) des Druckbehälters.
27. Druckbehälter nach einem der vorherigen Ansprüche, ferner umfassend mindestens ein Überdruck-Abblaseventil (177), wobei stromab vom Überdruck-Abblaseventil (177) mindestens ein Brennstoff-Konverter (180) vorgesehen ist; und wobei die Druckentlastungsvorrichtung (172, 174) und das Überdruck-Abblaseventil (177) unmittelbar fluidverbunden sind mit dem Innenvolumen (I) des Druckbehälters.
28. Druckbehälter nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Druckentlastungseinrichtung (170) ein Überdruck-Sicherheitsventil (175) umfasst, wobei das Überdruck-Sicherheitsventil (175) ebenfalls direkt fluidverbunden ist mit dem Innenvolumen (I) des Druckbehälters.
29. Druckbehälter nach Anspruch 28, wobei das Überdruck-Sicherheitsventil
(175) beabstandet von dem Berstelement (176) vorgesehen ist.
30. Druckbehälter nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das Überdruck- Sicherheitsventil (175) an einer Seite des Druckbehälters vorgesehen ist, die der Seite gegenüber liegt, an dem das Berstelement (176) ausgebildet ist.
31 . Druckbehälter nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das Berstelement
(176) an einem ersten Ende (P1) angeordnet ist, und wobei das Überdruck- Sicherheitsventil (175) an einem zweitem Ende (P2) vorgesehen ist, das dem ersten Ende (P1) gegenüberliegt. 32. Druckbehälter nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der Innenbehälter (100) das den Brennstoff speichernde Innenvolumen (I) ausbildet.
33. Druckbehälter nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das Bestelement (176) außerhalb vom Außenbehälter (200) vorgesehen ist.
34. Druckbehälter nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei in der Wandung vom Außenbehälter (200) ein weiteres Bestelement (202) vorgesehen ist, welches fluidverbunden mit dem evakuierten Raum (V) ist.
35. Druckbehälter nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei eine Druckentlastungsleitung (171) ein erstes Leitungsende (178) aufweist; und wobei am ersten Leitungsende (178) das Bestelement (176) und/oder das Überdruck-Abblaseventil (177) ausgebildet ist.
36. Druckbehälter nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei eine Druckentlastungsleitung (171) sich über den Mantelbereich des Druckbehälters, bevorzugt des Außenbehälters (200), erstreckt.
37. Druckbehälter nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der Auslösedruck vom Überdruck-Abblaseventil (177) unterhalb vom Auslösedruck des Überdruck-Sicherheitsventils (175) und/oder unterhalb vom Auslösedruck des Berstelements (176) liegt.
38. Kraftfahrzeug, umfassend mindestens einen Druckbehälter nach einem der vorherigen Ansprüche.
39. Kraftfahrzeug nach Anspruch 37, wobei das Überdruck-Sicherheitsventil (175) fluidverbunden ist mit einer am Fahrzeugdach vorgesehenen Brennstoffabfuhr (179).
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