WO2021151607A1 - Vorrichtung zum speichern von druckgas, fahrzeug - Google Patents

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PCT/EP2020/087933
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Udo Schaich
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Robert Bosch Gmbh
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    • Y02E60/32—Hydrogen storage

Definitions

  • the invention relates to a device for storing compressed gas with the Merkma len of the preamble of claim 1.
  • the compressed gas can be, for example, hydrogen or natural gas, which is on board a vehicle for supplying a fuel cell system or an internal combustion engine with the each gas is carried.
  • the invention also relates to a vehicle with a device according to the invention.
  • pressurized gases are usually stored in a single pressurized gas tank or in several pressurized gas containers or pressurized gas cylinders.
  • the tightness of the tank or the bottles must be guaranteed at all times.
  • safety solenoid valves are used which are closed in the de-energized state, so that gas leakage is reliably avoided even in the event of a fault.
  • the law may stipulate that such a safety magnetic valve (“shut-off valve”) must be available for each pressurized gas container and attached directly to or in the container. Depending on the number of containers, the number of valves can thus increase quickly.
  • a storage device for pressurized gas with several pressurized gas containers is known, each of which is connected to a common collecting volume via a tank valve and a line element.
  • the collection volume which can also be referred to as “rail”, reduces the amount of piping.
  • the collection volume is expanded to the effect that valve devices that were previously present in the gas supply line or the gas discharge line are integrated into the collection volume. This reduces the number of interfaces, which is an advantage with regard to the tightness problem.
  • the integrated Ventilein directions are preferably a check valve in the area of a gas supply line and a shut-off valve in the area of a gas discharge line.
  • valve devices integrated in the collecting volume can be used to seal against the surrounding lines.
  • the present invention is based on the object of developing a storage device of the type mentioned above in such a way that it meets increased safety requirements, for example to enable the use of pressurized gas containers whose nominal pressure is 900 bar or more.
  • the device proposed for storing compressed gas comprises a storage line to which at least one compressed gas container is connected via a valve.
  • the storage line has at least one connection piece for gas-tight connection of the at least one pressurized gas container.
  • a safety element is integrated into the connection piece, which has a filter function and a shut-off function.
  • the storage line of the proposed device has - among other things - the advantages of the collecting volume of the prior art mentioned at the beginning. This applies especially if more than just one pressurized gas container is connected to the storage line. Because then the Verroh approximately expenditure can be reduced via the common storage line.
  • a safety solenoid valve (“shut-off valve”) can be integrated into the common storage line so that each individual pressurized gas container does not have to be equipped with a safety solenoid valve. If a tank function is integrated in the safety solenoid valve, this can be detached and implemented at the other end of the storage line using an additional check valve unit. This measure enables the use of a safety solenoid valve that is less complex and requires smaller cross-sections and / or magnetic forces.
  • the valve, via which the at least one compressed gas container is connected to the storage line can also be designed as a simple passive or pressure-controlled valve.
  • the storage line of the device according to the invention has advantages that go beyond the prior art mentioned at the beginning.
  • the assembly is simplified by the at least one connection piece of the storage line.
  • the valve can be integrated into the connection piece, via which the connection of the at least one pressurized gas container to the storage line takes place. This reduces the number of interfaces or sealing points and also helps to save installation space.
  • At least one safety element is integrated into the connection piece, which has a filter function and a blocking function.
  • the proposed integration of functions can further reduce the complexity of the device. At the same time, higher security requirements can be met.
  • the filter function counteracts the entry of harmful particles.
  • the shut-off function provides an additional safety level, which is preferably activated in the event of danger, for example in the event of an unacceptably high rise in temperature, which can be caused by a fire.
  • the shut-off function of the security element can be activated thermally.
  • the shut-off function is preferably activated when the temperature rises above a certain critical value.
  • the rise in temperature can be caused by a simultaneous rise in pressure in the system or externally, for example by a fire. Because the shut-off function can be activated thermally, additional actuators are unnecessary. This increases safety in the event of a fault or danger.
  • the safety element comprises a filter unit that is movably received in the connection piece, which is supported at its end facing away from the pressurized gas container via a melt ring and is held at an axial distance from a sealing seat integrated in the connection piece.
  • the fusible ring is preferably made from a metallic material, in particular from a metallic alloy, for example based on bismuth.
  • the melting point of such materials is comparatively low, so that - for example in the event of a fire - the melting ring begins to melt after a short time due to increased radiant heat.
  • the respective response point can be set via the alloy ratio.
  • the response or melting point can be around 130 ° C to 140 ° C, so that a “low-melting alloy” is present. It is important that the response or melting point of the melting ring is below the respective melting point of the critical sealing and closing elements so that the protective function can take effect before compressed gas escapes in an uncontrolled manner.
  • the melting ring can be designed as a simple ring, which is preferably axially supported on an annular shoulder of the connecting piece.
  • the sealing seat for the filter unit is preferably formed by a further annular shoulder of the connecting piece. If there is a melting ring, the shoulder can be used to deflect the compressed gas flowing out of the compressed gas container.
  • the filter unit preferably has a hollow cylindrical filter into which the compressed gas flows axially from the compressed gas container. The compressed gas enters an annular space through the filter, which is delimited radially on the inside by the filter and radially on the outside by the connecting piece. The filtrate is then guided and deflected over the annular space in the direction of the shoulder or sealing seat.
  • the pressurized gas is then directed radially inward again via radial bores in a filter receptacle of the filter unit arranged on the end face.
  • the filter receptacle can at the same time form a sealing surface that interacts with the sealing seat.
  • the sealing surface is preferably arranged upstream of the radial bores, so that these are closed when the sealing surface comes into contact with the sealing seat.
  • the valve via which the pressurized gas container is connected to the storage line is a quantity limiting valve.
  • the valve and the safety element are preferably connected in series and together form a shut-off valve as a further safety element.
  • the filter unit of the first safety element can serve as a sealing seat for a movable valve element of the flow control valve.
  • the filter unit preferably has an annular filter receptacle arranged on the end face.
  • a spring is preferably arranged between the filter unit and the valve element of the flow control valve. The shut-off valve is thus pressure-controlled.
  • a locking screw can be inserted or screwed into the connecting piece after assembly. This preferably has a central through-flow opening so that pressurized gas from the connected pressurized gas container passes into the connection piece and thus into the storage line.
  • the at least one pressurized gas container of the device according to the invention can in particular be designed in the shape of a bottle.
  • the pressurized gas container has at least one neck-shaped end section.
  • the neck-shaped end section facilitates the gas-tight connection of the compressed gas container to the storage line, since the diameter to be sealed is reduced.
  • the pressurized gas container is preferably screwed onto the connecting piece directly or indirectly with the aid of a union nut via a preferably neck-shaped end section.
  • the screw connection not only simplifies the gas-tight connection, but also allows the pressurized gas tank to be easily dismantled if necessary, for example to replace a defective pressurized gas tank.
  • the compressed gas container is screwed directly onto the connecting piece, the preferably neck-shaped end section has an internal thread with which the compressed gas container is screwed onto an external thread of the connecting piece.
  • a union nut is used, it is screwed onto the connecting piece.
  • any other type of fastening can be selected for the high-pressure-tight connection of the pressurized gas container with the connecting piece.
  • the pressurized gas container preferably has a closure body in the region of a further, preferably neck-shaped end section, into which at least one further security element is integrated.
  • the closure body can in particular be a Be a screw plug that is both easy to assemble and easy to dismantle.
  • the screw plug preferably has an external thread and the preferably neck-shaped end section of the pressurized gas container has an internal thread.
  • the at least one further safety element is preferably a vent valve with an integrated bursting disc and / or a temperature limiting valve. If two security elements are provided, they are preferably arranged in parallel or connected in parallel so that they can fulfill their function independently of one another.
  • a vent valve with a rupture disc the pressure of the pressurized gas container is applied directly to the rupture disc. If the pressure rises above a critical value, the rupture disc breaks and releases a ventilation cross-section to the outside.
  • the pressurized gas present in the pressurized gas container is blown off to the outside in a controlled manner in order to reduce pressure.
  • the vent valve can be actuated manually, for example by unscrewing it, so that the pressurized gas container can also be manually depressurized.
  • the flow speed can be reduced via a fixed throttle so that it is in the uncritical range.
  • a temperature limiting valve it opens when the temperature in the pressurized gas container rises above a critical value. In this case, the valve opens and releases a cross-section through which the pressurized gas can flow out of the pressurized gas container, so that pressure is reduced.
  • At least one shut-off element preferably manually operable from the outside, for example in the form of a shut-off screw, is advantageously integrated into the storage line.
  • the at least one shut-off element enables an individual pressurized gas container to be exchanged without having to empty the system. This means that functionality is retained if more than one pressurized gas container is connected to the storage line.
  • the shut-off element is preferably designed and placed in such a way that only a secondary path but not the main flow path the storage line is interrupted.
  • the number of Absperrele elements preferably corresponds to the number of compressed gas containers, so that each compressed gas container is assigned a shut-off element that can preferably be operated manually.
  • further components such as temperature and / or pressure sensors, can be integrated into the storage line, in particular in the area of a connection piece. These can then be sealed, connected and / or contacted in a simple and uncomplicated manner via the common storage line or the rail.
  • the compressed gas can in particular be hydrogen for operating a fuel cell system or an internal combustion engine.
  • the compressed gas can be natural gas that is stored on board the vehicle for the purpose of operating an internal combustion engine with the aid of the device according to the invention.
  • FIG. 1 shows a longitudinal section through a device according to the invention for storing compressed gas
  • Fig. 2 is an enlarged section of FIG. 1 in the region of a first Endab section of a pressurized gas container and
  • FIG. 3 is an enlarged section of FIG. 1 in the region of a second Endab section of a pressurized gas container. Detailed description of the drawings
  • the device for storing compressed gas shown in FIG. 1 comprises several compressed gas containers 2 connected to a common storage line 1.
  • the common storage line 1 which can also be referred to as “rail”, comprises a main line 21 and several branches 22.
  • the contents of a pressurized gas container 2 reach the main line 21 via branches 22.
  • the number of branches 22 therefore corresponds to the number the compressed gas container 2.
  • the branches 22 pass through connecting pieces 4, onto which the compressed gas containers 2 are placed in a gas-tight manner, for example screwed on or pressed on.
  • each pressurized gas container 2 has a neck-shaped end section 2.1, which can be connected to the respective connection stub 4 in a non-positive and / or form-fitting manner, so that the connection is high-pressure-tight.
  • each pressurized gas container 2 has a further neck-shaped end section 2.2 into which a closure body 9, for example a locking screw, is inserted or screwed.
  • Acrumagnetven valve 20 is integrated into the common storage line 1 or into the rail, specifically in such a way that the main line 21 can be shut off via this.
  • the integration of a safety solenoid valve 20 in each of the compressed gas containers 2 is therefore unnecessary.
  • manually operated shut-off elements 13 for shutting off individual branches 22 are provided. When actuated, they only block the respective branch 22, but not the main line 21, so that the function is otherwise maintained. This is advantageous, for example, when a single pressurized gas container is to be replaced.
  • FIG. 2 shows this area in an enlarged presen- tation. Shown is a section of the storage line 1 with a connection stub zen 4, onto which a pressurized gas container 2 is screwed.
  • a safety element 5 and a valve 3 are integrated in the present case, which in the present case interact to form a shut-off valve.
  • the security element 5 comprises a filter unit 6 which is axially supported by a metallic fusible ring 7 and is held at a distance from a sealing seat 8.
  • the sealing seat 8 is formed by a shoulder of the connecting piece 4.
  • the filter unit 6 comprises a hollow cylindrical filter 6.1 which is arranged between two filter receptacles 6.2, 6.3.
  • the filter receptacle 6.2 facing the main line 21 forms a closure body so that pressurized gas is passed from the pressurized gas container 2 via the filter 6.1 radially outward into an annular space 17. Any particles contained in the compressed gas are deposited on the inside of the filter.
  • the filtrate reaches the shoulder of the connecting piece 4 forming the sealing seat 8 via the annular space 17.
  • the gas flow is deflected and directed into the branch 22 via radial bores 6.4 formed in the filter receptacle 6.2.
  • the filter unit 6 accordingly fulfills a filter or protective function.
  • the security element 5 thus fulfills a filter function and a shut-off function.
  • valve element 23 closes an inlet opening 6.6 of the filter receptacle 6.3 so that no more pressurized gas can get into the branch 22.
  • the valve 3 and the filter unit 6 of the safety element 5 accordingly together form a shut-off valve or a further safety element 5.
  • a locking screw 14 with a zentra len throughflow opening 19 is screwed into this end.
  • Each pressurized gas container 2 of the device shown in FIG. 1 has further safety elements at its end facing away from the storage line 1. These are integrated in the closure body 9 or in the closure screw and are explained in more detail below with reference to FIG. 3.
  • a vent valve 10 with a rupture disk 11 is integrated into the closure body 9 as a further safety element.
  • the rupture disc breaks and thus opens the vent valve 10 when the pressure in the pressurized gas container 2 rises above a critical value. Pressurized gas can then be released via the vent valve 10 and thus pressure can be reduced.
  • the vent valve 10 is preceded by a throttle 15.
  • a temperature limiting valve 12 is integrated into the closure body 9 as a further safety element. When a critical temperature is exceeded, this opens and releases a relief bore 24, via which pressurized gas can be released, so that the pressure in the pressurized gas container 2 drops.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Speichern von Druckgas, beispielsweise Wasserstoff oder Erdgas, umfassend eine Speicherleitung (1), an die mindestens ein Druckgasbehälter (2) über ein Ventil (3) angeschlossen ist. Erfindungsgemäß weist die Speicherleitung (1) mindestens einen Anschlussstutzen (4) zum gasdichten Anschließen des mindestens einen Druckgasbehälters (2) auf und in den Anschlussstutzen (4) ist ein Sicherheitselement (5) integriert, das eine Filterfunktion und eine Absperrfunktion besitzt. Die Erfindung betrifft ferner ein Fahrzeug mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Speichern von Druckgas.

Description

Beschreibung
Titel:
Vorrichtung zum Speichern von Druckgas, Fahrzeug
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Speichern von Druckgas mit den Merkma len des Oberbegriffs des Anspruchs 1. Bei dem Druckgas kann es sich beispielsweise um Wasserstoff oder Erdgas handeln, der bzw. das an Bord eines Fahrzeugs zur Ver sorgung eines Brennstoffzellensystems oder einer Brennkraftmaschine mit dem jewei ligen Gas mitgeführt wird.
Die Erfindung betrifft darüber hinaus ein Fahrzeug mit einer erfindungsgemäßen Vor richtung.
Stand der Technik
In mobilen Anwendungen werden Druckgase üblicherweise in einem einzigen Druck gastank oder in mehreren Druckgasbehältern bzw. Druckgasflaschen bevorratet. Aus Sicherheitsgründen muss zu jedem Zeitpunkt die Dichtheit des Tanks bzw. der Fla schen gewährleistet sein. Zum sicheren Verschließen von Druckgasbehältern werden daher Sicherheitsmagnetventile eingesetzt, die im stromlosen Zustand geschlossen sind, so dass ein Gasaustritt selbst im Fehlerfall sicher vermieden wird. Gesetzlich kann vorgeschrieben sein, dass je Druckgasbehälter ein derartiges Sicherheitsmag netventil („Shut-Off-Valve“) vorhanden und direkt am oder im Behälter angebracht sein muss. In Abhängigkeit von der Anzahl der Behälter kann sich somit die Anzahl der Ventile schnell erhöhen.
Aus der Offenlegungsschrift DE 10 2017 004451 Al ist eine Speichereinrichtung für Druckgas mit mehreren Druckgasbehältern bekannt, die jeweils über ein Tankventil und ein Leitungselement an ein gemeinsames Sammelvolumen angeschlossen sind. Das Sammelvolumen, das auch als „Rail“ bezeichnet werden kann, reduziert den Ver rohrungsaufwand. Zudem ist das Sammelvolumen dahingehend erweitert, dass Venti leinrichtungen, die bisher in der Gaszuleitung oder der Gasableitung vorhanden waren, in das Sammelvolumen integriert sind. Damit reduziert sich die Anzahl der Schnittstel len, was hinsichtlich der Dichtheitsproblematik von Vorteil ist. Die integrierten Ventilein richtungen sind vorzugsweise ein Rückschlagventil im Bereich einer Gaszuleitung und ein Absperrventil im Bereich einer Gasableitung. Da das Druckniveau im Sammelvolu men dem Nenndruck der Druckgasbehälter entspricht, kann über die in das Sammelvo lumen integrierten Ventileinrichtungen die Abdichtung gegenüber den umgebenden Leitungen vorgenommen werden. Die Tankventile, über welche die Druckgasbehälter an das Sammelvolumen angeschlossen sind, verfügen jeweils über eine Betankungs und Entnahmefunktion.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Speichervorrichtung der vorstehend genannten Art derart weiterzubilden, dass sie erhöhten Sicherheitsanforde rungen genügt, beispielsweise, um den Einsatz von Druckgasbehältern zu ermögli chen, deren Nenndruck 900 bar oder mehr beträgt.
Zur Lösung der Aufgabe wird die Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vor geschlagen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen. Ferner wird ein Fahrzeug mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung ange geben.
Offenbarung der Erfindung
Die zum Speichern von Druckgas, beispielsweise von Wasserstoff oder Erdgas, vorge schlagene Vorrichtung umfasst eine Speicherleitung, an die mindestens ein Druckgas behälter über ein Ventil angeschlossen ist. Erfindungsgemäß weist die Speicherleitung mindestens einen Anschlussstutzen zum gasdichten Anschließen des mindestens ei nen Druckgasbehälters auf. In den Anschlussstutzen ist zudem ein Sicherheitselement integriert, das eine Filterfunktion und eine Absperrfunktion besitzt.
Die Speicherleitung der vorgeschlagenen Vorrichtung weist - unter anderem - die Vor teile des Sammelvolumens des eingangs genannten Stands der Technik auf. Dies gilt insbesondere, wenn mehr als nur ein Druckgasbehälter an die Speicherleitung ange schlossen wird. Denn dann kann über die gemeinsame Speicherleitung der Verroh rungsaufwand gesenkt werden. Darüber hinaus kann ein Sicherheitsmagnetventil („Shut-Off-Valve“) in die gemeinsame Speicherleitung integriert werden, so dass nicht jeder einzelne Druckgasbehälter mit einem Sicherheitsmagnetventil ausgestattet wer den muss. Sofern in das Sicherheitsmagnetventil eine Tankfunktion integriert ist, kann diese herausgelöst und am anderen Ende der Speicherleitung durch eine zusätzliche Rückschlagventileinheit realisiert werden. Diese Maßnahme ermöglicht den Einsatz ei nes Sicherheitsmagnetventils, das weniger komplex ist und kleinere Querschnitte und/oder Magnetkräfte erfordert. Das Ventil, über das der mindestens eine Druckgas behälter an die Speicherleitung angeschlossen ist, kann zudem als einfaches passives bzw. druckgesteuertes Ventil ausgebildet sein.
Darüber hinaus weist die Speicherleitung der erfindungsgemäßen Vorrichtung Vorteile auf, die über den eingangs genannten Stand der Technik hinausgehen. Beispielsweise wird die Montage durch den mindestens einen Anschlussstutzen der Speicherleitung vereinfacht. Zudem kann in den Anschlussstutzen das Ventil integriert werden, über welches der Anschluss des mindestens einen Druckgasbehälters an die Speicherlei tung erfolgt. Dies senkt die Anzahl an Schnittstellen bzw. Dichtstellen und hilft zudem Bauraum einzusparen.
Unabhängig davon ist bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung mindestens ein Sicher heitselement in den Anschlussstutzen integriert, das eine Filterfunktion und eine Ab sperrfunktion aufweist. Durch die vorgeschlagene Funktionsintegration kann die Kom plexität der Vorrichtung weiter gesenkt werden. Zugleich können höhere Sicherheitsan forderungen erfüllt werden. Durch die Filterfunktion wird dem Eintrag schädlicher Parti kel entgegengewirkt. Durch die Absperrfunktion wird eine zusätzliche Sicherheitsstufe realisiert, die vorzugsweise im Gefahrenfall aktiviert wird, beispielsweise bei einem un zulässig hohen Temperaturanstieg, der durch ein Feuer verursacht sein kann.
In Weiterbildung der Erfindung wird daher vorgeschlagen, dass die Absperrfunktion des Sicherheitselements thermisch aktivierbar ist. Vorzugsweise erfolgt die Aktivierung der Absperrfunktion bei einem Temperaturanstieg über einen bestimmten kritischen Wert. Der Temperaturanstieg kann durch einen gleichzeitigen Druckanstieg im System oder von außen, beispielsweise durch ein Feuer, verursacht sein. Dadurch, dass die Absperrfunktion thermisch aktivierbar ist, ist eine zusätzliche Aktorik entbehrlich. Dies erhöht die Sicherheit im Fehler- bzw. Gefahrenfall.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst das Sicherheit selement eine im Anschlussstutzen hin und her beweglich aufgenommene Filtereinheit, die an ihrem vom Druckgasbehälter abgewandten Ende über einen Schmelzring abge stützt und in einem axialen Abstand zu einem in den Anschlussstutzen integrierten Dichtsitz gehalten ist. Dies bedeutet, dass bei einem Temperaturanstieg über einen kri tischen Wert, das heißt über einen Wert, der über der Schmelztemperatur des Schmelzrings liegt, der Schmelzring zu schmelzen beginnt. Die Filtereinheit verliert somit ihr Widerlager und der anliegende Differenzdruck drückt die Filtereinheit in den Dichtsitz. Die Filtereinheit verschließt den Strömungsquerschnitt im Anschlussstutzen, über den Druckgas aus dem Druckgasbehälter in die Speicherleitung gelangt, so dass kein weiteres Druckgas aus dem Druckgasbehälter entweichen kann. Denn der Druck im Druckgasbehälter drückt die Filtereinheit in den Dichtsitz, solange der Differenz druck an der Filtereinheit aufgebaut bleibt.
Bevorzugt ist der Schmelzring aus einem metallischen Werkstoff, insbesondere aus ei ner metallischen Legierung, beispielsweise auf Bismutbasis, gefertigt. Der Schmelz punkt derartiger Werkstoffe ist vergleichsweise niedrig, so dass - beispielsweise im Brandfall - der Schmelzring durch erhöhte Strahlungswärme nach kurzer Zeit bereits zu schmelzen beginnt. Bei einer Legierung kann über das Legierungsverhältnis der je weilige Ansprechpunkt eingestellt werden. Beispielsweise kann der Ansprech- bzw. Schmelzpunkt bei etwa 130°C bis 140°C liegen, so dass eine „niedrigschmelzende Le gierung“ vorliegt. Wichtig ist, dass der Ansprech- bzw. Schmelzpunkt des Schmelzrings unterhalb der jeweiligen Schmelzpunkte der kritischen Dicht- und Schließelemente an gesiedelt ist, so dass die Schutzfunktion greifen kann, bevor Druckgas unkontrolliert austritt.
Da kritische Dicht- und/oder Schließelemente gasdichter Ventile häufig aus Kunststoff gefertigt sind, können diese im Brandfall schmelzen und ihre Funktion, insbesondere das Abdichten des Druckgasbehälters nach außen, verlieren. Der Schmelzpunkt von Polyetheretherketon (PEEK) liegt beispielsweise bei etwa 340°C, der von Polyamid bei etwa 400°C. Idealerweise wird daher ein metallischer Werkstoff zur Ausbildung des Schmelzrings gewählt, dessen Schmelzpunkt unter 300°C, weiterhin vorzugsweise unter 250°C und besonders bevorzugt unter 200°C liegt.
Der Schmelzring kann als einfacher Ring ausgebildet sein, der vorzugsweise an einem ringförmigen Absatz des Anschlussstutzens axial abgestützt ist. Der Dichtsitz für die Filtereinheit wird bevorzugt durch einen weiteren ringförmigen Absatz des Anschlussstutzens ausgebildet. Bei vorhandenem Schmelzring kann der Absatz zur Umlenkung des aus dem Druckgasbehälter ausströmenden Druckgases genutzt werden. Denn vorzugsweise weist die Filtereinheit einen hohlzylinderförmigen Filter auf, in den das Druckgas aus dem Druckgasbehälter axial einströmt. Das Druckgas tritt durch den Filter in einen Ringraum ein, der radial innen durch den Filter und radial außen durch den Anschlussstutzen begrenzt wird. Das Filtrat wird dann über den Ringraum in Richtung des Absatzes bzw. Dichtsitzes geführt und umgelenkt. Über Radialbohrungen einer stirnseitig angeordneten Filteraufnahme der Filtereinheit wird das Druckgas dann wieder nach radial innen geleitet. Die Filteraufnahme kann zugleich eine mit dem Dichtsitz zusammenwirkende Dichtfläche ausbilden. Vorzugsweise ist die Dichtfläche stromaufwärts der Radialbohrungen angeordnet, so dass diese verschlossen sind, wenn die Dichtfläche zur Anlage am Dichtsitz gelangt.
Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass das Ventil, über das der Druckgasbehälter an die Speicherleitung angeschlossen ist, ein Mengenbegrenzungsventil ist. Vorzugsweise sind das Ventil und das Sicherheitselement in Reihe geschaltet und bilden gemeinsam ein Absperrventil als weiteres Sicherheitselement aus. Auf diese Weise können noch höhere Sicherheitsanforderungen erfüllt werden. Beispielsweise kann die Filtereinheit des ersten Sicherheitselements als Dichtsitz für ein bewegliches Ventilelement des Mengenbegrenzungsventils dienen. Die Filtereinheit weist hierzu bevorzugt eine stirnseitig angeordnete ringförmige Filteraufnahme auf. Um das Absperrventil im Normalfall offen zu halten, ist vorzugsweise zwischen der Filtereinheit und dem Ventilelement des Mengenbegrenzungsventils eine Feder angeordnet. Das Absperrventil ist somit druckgesteuert. Das heißt, dass bei einem Druckanstieg bzw. bei einer Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit über einen bestimmten kritischen Wert, das Ventilelement entgegen der Federkraft der Feder in den durch die Filtereinheit ausgebildeten Dichtsitz gedrückt wird und damit schließt. Aufgrund des anliegenden Differenzdrucks wird das Ventilelement in Position gehalten, bis das Druckgleichgewicht wiederhergestellt ist.
Bei einem Abreißen des Druckgasbehälters von der Speicherleitung würde dies erst der Fall sein, wenn der Druck im Druckgasbehälter annähernd dem Umgebungsdruck entspricht und ein anderes Sicherheitselement angesprochen wurde.
Dadurch, dass das Sicherheitselement aus Filtereinheit und Schmelzring sowie das Mengenbegrenzungsventil in Reihe geschaltet sind, können diese in einfacher Weise in den Anschlussstutzen integriert werden. Zur Lagesicherung kann nach der Montage eine Sicherungsschraube in den Anschlussstutzen eingesetzt bzw. eingeschraubt wer den. Diese weist bevorzugt eine zentrale Durchströmöffnung auf, damit Druckgas aus dem angeschlossenen Druckgasbehälter in den Anschlussstutzen und damit in die Speicherleitung gelangt.
Der mindestens eine Druckgasbehälter der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann ins besondere flaschenförmig ausgebildet sein. Das heißt, dass der Druckgasbehälter mindestens einen halsförmigen Endabschnitt aufweist. Der halsförmige Endabschnitt erleichtert den gasdichten Anschluss des Druckgasbehälters an die Speicherleitung, da sich der abzudichtende Durchmesser verringert.
Bevorzugt ist der Druckgasbehälter über einen vorzugsweise halsförmigen Endab schnitt auf den Anschlussstutzen unmittelbar oder mittelbar unter Zuhilfenahme einer Überwurfmutter aufgeschraubt. Die Schraubverbindung vereinfacht nicht nur die gas dichte Anbindung, sondern erlaubt im Bedarfsfall eine einfache Demontage des Druck gasbehälters, beispielsweise, um einen defekten Druckgasbehälter auszutauschen. Sofern der Druckgasbehälter unmittelbar auf den Anschlussstutzen aufgeschraubt ist, weist der vorzugsweise halsförmige Endabschnitt ein Innengwinde auf, mit dem der Druckgasbehälter auf ein Außengewinde des Anschlussstutzens aufgeschraubt wird. Bei Verwendung einer Überwurfmutter wird diese auf den Anschlussstutzen aufge schraubt. Alternativ kann eine beliebig andere Befestigungsart zur hochdruckdichten Verbindung des Druckgasbehälters mit dem Anschlussstutzen gewählt werden.
Ferner bevorzugt weist der Druckgasbehälter im Bereich eines weiteren vorzugsweise halsförmigen Endabschnitts einen Verschlusskörper auf, in den mindestens ein weite res Sicherheitselement integriert ist. Der Verschlusskörper kann insbesondere eine Verschlussschraube sein, die sowohl einfach zu montieren als auch einfach zu demon tieren ist. Die Verschlussschraube weist hierzu bevorzugt ein Außengewinde und der vorzugsweise halsförmige Endabschnitt des Druckgasbehälters ein Innengewinde auf. Das Vorsehen mindestens eines weiteren Sicherheitselements führt zu einer weiteren Erhöhung der Sicherheit. Durch Integration des weiteren Sicherheitselements in den Verschlusskörper, kann dieses bei Bedarf einfach ausgetauscht werden.
Das mindestens eine weitere Sicherheitselement ist vorzugsweise ein Entlüftungsventil mit integrierter Berstscheibe und/oder ein Temperaturbegrenzungsventil. Sofern zwei Sicherheitselement vorgesehen sind, sind diese vorzugsweise parallel angeordnet bzw. parallel geschaltet, so dass diese unabhängig voneinander ihre Funktion erfüllen kön nen.
Sofern ein Entlüftungsventil mit Berstscheibe vorgesehen ist, liegt unmittelbar an der Berstscheibe der Druck des Druckgasbehälters an. Steigt der Druck über einen kriti schen Wert an, bricht die Berstscheibe und gibt einen Entlüftungsquerschnitt nach au ßen frei. Das im Druckgasbehälter vorhandene Druckgas wird kontrolliert nach außen abgeblasen, um Druck abzubauen. Idealerweise ist das Entlüftungsventil manuell betä tigbar, beispielsweise durch Herausdrehen, so dass der Druckgasbehälter auch manu ell drucklos gestellt werden kann. Über eine fest eingebrachte Drossel kann die Strö mungsgeschwindigkeit reduziert werden, so dass diese im unkritischen Bereich liegt.
Sofern ein Temperaturbegrenzungsventil vorgesehen ist, öffnet dieses, wenn die Tem peratur im Druckgasbehälter über einen kritischen Wert ansteigt. In diesem Fall öffnet das Ventil und gibt einen Querschnitt frei, über den Druckgas aus dem Druckgasbehäl ter abströmen kann, so dass Druck abgebaut wird.
Vorteilhafterweise ist in die Speicherleitung mindestens ein, vorzugsweise von außen manuell betätigbares Absperrelement, beispielsweise in Form einer Absperrschraube, integriert. Das mindestens eine Absperrelement ermöglicht den Austausch eines ein zelnen Druckgasbehälters, ohne das System entleeren zu müssen. Das heißt, dass die Funktionsfähigkeit erhalten bleibt, sofern mehr als ein Druckgasbehälter an der Spei cherleitung angeschlossen ist. Das Absperrelement ist hierzu bevorzugt derart ausge staltet und platziert, dass lediglich ein Nebenpfad nicht aber der Hauptströmungspfad der Speicherleitung unterbrochen wird. Um jeden der mehreren Druckgasbehälter bei Bedarf austauschen zu können, entspricht vorzugsweise die Anzahl der Absperrele mente der Anzahl der Druckgasbehälter, so dass jedem Druckgasbehälter ein vor zugsweise manuell betätigbares Absperrelement zugeordnet ist.
Darüber hinaus können in die Speicherleitung, insbesondere im Bereich eines An schlussstutzens weitere Komponenten, wie beispielsweise Temperatur- und/oder Drucksensoren, integriert werden. Diese können dann einfach und unkompliziert über die gemeinsame Speicherleitung bzw. das Rail abgedichtet, angebunden und/oder kontaktiert werden.
Da die erfindungsgemäße Vorrichtung bevorzugt in einer mobilen Anwendung zum Einsatz gelangt, wird ferner ein Fahrzeug mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung vorgeschlagen. Bei dem Druckgas kann es sich in diesem Fall insbesondere um Was serstoff zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems oder eines Verbrennungsmotors handeln. Ferner kann es sich bei dem Druckgas um Erdgas handeln, das zum Betrei ben eines Verbrennungsmotors mit Hilfe der erfindungsgemäßen Vorrichtung an Bord des Fahrzeugs bevorratet wird.
Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung wird nachfolgend anhand der beige fügten Zeichnungen näher erläutert. Diese zeigen:
Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Speichern von Druckgas,
Fig. 2 einen vergrößerten Ausschnitt der Fig. 1 im Bereich eines ersten Endab schnitts eines Druckgasbehälters und
Fig. 3 einen vergrößerten Ausschnitt der Fig. 1 im Bereich eines zweiten Endab schnitts eines Druckgasbehälters. Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
Die in der Fig. 1 dargestellte Vorrichtung zum Speichern von Druckgas umfasst mehre re an eine gemeinsame Speicherleitung 1 angeschlossene Druckgasbehälter 2. In der Fig. 1 sind lediglich zwei Druckgasbehälter 2 dargestellt, da die Figur nur einen Teil der Vorrichtung zeigt. Die Vorrichtung setzt sich nach rechts hin in analoger Weise fort. Die gemeinsame Speicherleitung 1, die auch als „Rail“ bezeichnet werden kann, umfasst eine Hauptleitung 21 und mehrere Abzweige 22. Über die Abzweige 22 gelangt jeweils der Inhalt eines Druckgasbehälters 2 in die Hauptleitung 21. Die Anzahl der Abzwei ge 22 entspricht daher der Anzahl der Druckgasbehälter 2. Die Abzweige 22 durchset zen Anschlussstutzen 4, auf welche die Druckgasbehälter 2 gasdicht aufgesetzt, bei spielsweise aufgeschraubt oder aufgepresst, sind. Jeder Druckgasbehälter 2 weist hierzu einen halsförmigen Endabschnitt 2.1 auf, der mit dem jeweiligen Anschlussstut zen 4 kraft- und/oder formschlüssig verbunden werden kann, so dass die Verbindung hochdruckdicht ist. Andernends weist jeder Druckgasbehälter 2 einen weiteren hals förmigen Endabschnitt 2.2 auf, in den ein Verschlusskörper 9, beispielsweise eine Ver schlussschraube, eingesetzt bzw. eingeschraubt ist.
In die gemeinsame Speicherleitung 1 bzw. in das Rail ist ein Sicherheitsmagnetven til 20 integriert, und zwar in der Weise, dass hierüber die Hauptleitung 21 absperrbar ist. Die Integration eines Sicherheitsmagnetventils 20 in jeden der Druckgasbehälter 2 ist somit entbehrlich. Des Weiteren sind manuell betätigbare Absperrelemente 13 zum Absperren einzelner Abzweige 22 vorgesehen. Bei Betätigung sperren sie lediglich den jeweiligen Abzweig 22, jedoch nicht die Hauptleitung 21 ab, so dass die Funktion im Übrigen aufrechterhalten bleibt. Dies ist beispielsweise von Vorteil, wenn ein einzelner Druckgasbehälter ausgetauscht werden soll.
Zur Erläuterung des Anschlussbereichs eines Druckgasbehälters 2 an die Speicherlei tung 1 wird auf die Fig. 2 verwiesen, die diesen Bereich in einer vergrößerten Darstel lung zeigt. Dargestellt ist ein Abschnitt der Speicherleitung 1 mit einem Anschlussstut zen 4, auf den ein Druckgasbehälter 2 aufgeschraubt ist. In den Anschlussstutzen 4 bzw. in den Abzweig 22 sind vorliegend ein Sicherheitselement 5 und ein Ventil 3 inte griert, die vorliegend ein Absperrventil ausbildend Zusammenwirken. Das Sicherheitselement 5 umfasst eine Filtereinheit 6, die über einen metallischen Schmelzring 7 axial abgestützt und in einem Abstand zu einem Dichtsitz 8 gehalten ist. Der Dichtsitz 8 wird durch einen Absatz des Anschlussstutzens 4 ausgebildet. Die Filtereinheit 6 umfasst einen hohlzylinderförmigen Filter 6.1, der zwischen zwei Filteraufnahmen 6.2, 6.3 angeordnet ist. Die der Hauptleitung 21 zugewandte Filteraufnahme 6.2 bildet einen Verschlusskörper aus, so dass Druckgas aus dem Druckgasbehälter 2 über den Filter 6.1 nach radial außen in einen Ringraum 17 geleitet wird. Etwaige im Druckgas enthaltene Partikel werden dabei an der Filterinnenseite abgeschieden. Das Filtrat gelangt über den Ringraum 17 zu dem den Dichtsitz 8 ausbildenden Absatz des Anschlussstutzens 4. Hier wird der Gasstrom umgelenkt und über in der Filteraufnahme 6.2 ausgebildete Radialbohrungen 6.4 in den Abzweig 22 geleitet. Die Filtereinheit 6 erfüllt demnach eine Filter- bzw. Schutzfunktion. Darüber hinaus bildet sie aufgrund der Abstützung an dem metallischen Schmelzring 7 ein thermisch aktivierbares Sicherheitselement 5 aus. Denn bei einem Temperaturanstieg über einen kritischen Wert schmilzt der Schmelzring und der an der Filtereinheit 6 anliegende Differenzdruck drückt diese in den Dichtsitz 8. Eine an der Filteraufnahme 6.2 ausgebildete Dichtfläche 6.5 gelangt dabei zur Anlage an dem den Dichtsitz 8 ausbildenden Absatz des Anschlussstutzens 4, so dass kein Druckgas aus dem Druckgasbehälter 2 mehr in den Abzweig 22 entweichen kann. Das Sicherheitselement 5 erfüllt somit eine Filterfunktion und eine Absperrfunktion.
Das ebenfalls in den Anschlussstutzen 4 bzw. in den Abzweig 22 integrierte Ventil 3 ist dem Sicherheitselement 5 vorgeschaltet und als Mengenbegrenzungsventil ausgeführt. Es weist ein bewegliches Ventilelement 23 auf, das von der Federkraft einer Feder 16 in einer Offenstellung gehalten wird, so dass bei geöffnetem Ventil 3 aus dem Druckgasbehälter 2 austretendes Druckgas das Ventilelement 23 umströmt. Steigt die Strömungsgeschwindigkeit über einen kritischen Wert, wird das Ventilelement 23 entgegen der Federkraft der Feder 16 in Richtung eines Dichtsitzes 6.7 bewegt, der vorliegend durch die Filteraufnahme 6.3 der nachgeschalteten Filtereinheit 6 ausgebildet wird. Gelangt eine Dichtfläche 18 des Ventilelements 23 zur Anlage am Dichtsitz 6.7, verschließt das Ventilelement 23 eine Zulauföffnung 6.6 der Filteraufnahme 6.3, so dass kein Druckgas mehr in den Abzweig 22 gelangt. Das Ventil 3 und die Filtereinheit 6 des Sicherheitselements 5 bilden demnach gemeinsam ein Absperrventil bzw. ein weiteres Sicherheitselement 5 aus. Zur Lagefixierung des Sicherheitselements 5 und des Ventils 3 innerhalb des An schlussstutzens 4 ist in diesen endseitig eine Sicherungsschraube 14 mit einer zentra len Durchströmöffnung 19 eingeschraubt.
Jeder Druckgasbehälter 2 der in der Fig. 1 dargestellten Vorrichtung weist an seinem der Speicherleitung 1 abgewandten Ende weitere Sicherheitselemente auf. Diese sind in den Verschlusskörper 9 bzw. in die Verschlussschraube integriert und werden nach folgend anhand der Fig. 3 näher erläutert.
Wie der Fig. 3 zu entnehmen ist, ist in den Verschlusskörper 9 ein Entlüftungsventil 10 mit Berstscheibe 11 als weiteres Sicherheitselement integriert. Die Berstscheibe bricht und öffnet damit das Entlüftungsventil 10, wenn der Druck im Druckgasbehälter 2 über einen kritischen Wert steigt. Über das Entlüftungsventil 10 kann dann Druckgas abge- lassen und somit Druck abgebaut werden. Um ein kontrolliertes Ablassen von Druck gas zu ermöglichen, ist dem Entlüftungsventil 10 eine Drossel 15 vorgeschaltet.
Neben bzw. parallel zum Entlüftungsventil 10 ist ein Temperaturbegrenzungsventil 12 als weiteres Sicherheitselement in den Verschlusskörper 9 integriert. Bei Überschreiten einer kritischen Temperatur öffnet dieses und gibt eine Entlastungsbohrung 24 frei, über die Druckgas abgelassen werden kann, so dass der Druck im Druckgasbehälter 2 sinkt.

Claims

Ansprüche
1. Vorrichtung zum Speichern von Druckgas, beispielsweise Wasserstoff oder Erd gas, umfassend eine Speicherleitung (1), an die mindestens ein Druckgasbehälter (2) über ein Ventil (3) angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Speicherleitung (1) mindestens einen Anschluss stutzen (4) zum gasdichten Anschließen des mindestens einen Druckgasbehälters (2) aufweist und in den Anschlussstutzen (4) ein Sicherheitselement (5) integriert ist, das eine Filterfunktion und eine Absperrfunktion besitzt.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Absperrfunktion des Sicherheitselements (5) thermisch aktivierbar ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Sicherheitselement (5) eine im Anschlussstut zen (4) hin und her beweglich aufgenommene Filtereinheit (6) umfasst, die an ihrem vom Druckgasbehälter (2) abgewandten Ende über einen Schmelzring (7) abgestützt und in einem axialen Abstand zu einem in den Anschlussstutzen (4) integrierten Dicht sitz (8) gehalten ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Schmelzring (7) aus einem metallischen Werk stoff, insbesondere aus einer metallischen Legierung, beispielsweise auf Bismutbasis, gefertigt ist, wobei vorzugsweise der Schmelzpunkt des metallischen Werkstoffs unter 300°C, weiterhin vorzugsweise unter 250°C und besonders bevorzugt unter 200°C liegt.
5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventil (3), über das der Druckgasbehälter (2) an die Speicherleitung (1) angeschlossen ist, ein Mengenbegrenzungsventil ist, wobei vorzugsweise das Ventil (3) und das Sicherheitselement (5) in Reihe geschaltet sind und gemeinsam ein Absperrventil als weiteres Sicherheitselement ausbilden.
6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckgasbehälter (2) über einen vorzugsweise halsförmigen Endabschnitt (2.1) auf den Anschlussstutzen (4) unmittelbar oder mittel bar unter Zuhilfenahme einer Überwurfmutter aufgeschraubt ist.
7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckgasbehälter (2) im Bereich eines weiteren vorzugsweise halsförmigen Endabschnitts (2.2) einen Verschlusskörper (9), insbeson dere eine Verschlussschraube, aufweist, in den bzw. in die mindestens ein weiteres Si cherheitselement integriert ist.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine weitere Sicherheitselement ein Entlüftungsventil (10) mit integrierter Berstscheibe (11) und/oder ein Temperaturbe grenzungsventil (12) ist.
9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in die Speicherleitung (1) mindestens ein, vorzugs weise von außen manuell betätigbares Absperrelement (13), beispielsweise in Form einer Absperrschraube, integriert ist, wobei weiterhin vorzugsweise die Anzahl der Ab sperrelemente (13) der Anzahl der Druckgasbehälter (2) entspricht.
10. Fahrzeug mit einer Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wo bei vorzugsweise das Druckgas Wasserstoff oder Erdgas ist.
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