WO2024046672A1 - Kraftstoffsystem für einen drucktank zum einbau in ein gasbetriebenes fahrzeug - Google Patents

Kraftstoffsystem für einen drucktank zum einbau in ein gasbetriebenes fahrzeug Download PDF

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WO2024046672A1
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pressure
fuel system
intermediate piece
distributor
valve assembly
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Hartmut Frenz
Oliver Guvo
Karin Frauenberger
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Voith Patent Gmbh
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Definitions

  • the invention relates to a fuel system for installation in a hydrogen-powered vehicle with several hydrogen pressure tanks, designed at a high pressure level of at least 200 bar.
  • the fuel system includes a fueling nozzle, a connection for an output line and a pressure reducer.
  • the pressure reducer is designed in such a way that it can reduce the pressure of the hydrogen from the high-pressure level in the pressure tank to a medium-pressure level between 3 bar and 30 bar.
  • Hydrogen-powered vehicles for example, have a gas engine or a fuel cell with an electric motor as a drive.
  • the hydrogen is stored as a gas under high pressure in the tank.
  • Typical for such pressure tanks are pressures of over 200 bar, often 350 bar or 700 bar and sometimes even up to 875 bar. Since the gas engine or fuel cell is operated at a lower inlet pressure, the pressure of the hydrogen gas must be reliably regulated from the high-pressure level to a medium-pressure level.
  • Fuel systems for hydrogen pressure tanks (gas tanks) and for installation in hydrogen-powered vehicles are known in the prior art. Such are described, for example, in DE 102019200459 A1 and in DE 102017214184 A1.
  • a pressure reducer reduces the pressure level from the tank pressure to the lower pressure level required for a fuel cell. If necessary, the fill level can be determined and communicated with a gas station via a control device and a pressure sensor on the pressure tank.
  • the fuel system has shut-off valves and pipes that are connected via appropriate screw connections. If several pressure tanks are connected in parallel, there are also distribution points for the various tank lines. All of these components and connection points must be tested and inspected after installation. This causes considerable effort and poses risks in terms of incorrect assembly and corresponding leaks.
  • the object of the invention is to further develop and improve a fuel system for a hydrogen-powered vehicle so that it can be operated reliably and safely and can be installed quickly and without errors.
  • the fuel system according to claim 1 is characterized in that it comprises the following structural units:
  • a valve assembly which comprises at least a shut-off valve, a connection for an output line and a pressure reducer, which is designed to reduce the pressure of the hydrogen from the high-pressure level in the pressure tank to a medium-pressure level between 3 bar and 30 bar can reduce; wherein the intermediate piece is connected to the refueling nozzle on one side and to the distributor on the other side, such that the flow path during refueling is essentially straight from the refueling nozzle through the intermediate piece to the entrance to the distributor; and wherein the valve assembly is connected to the intermediate piece without intermediate pipes in such a way that hydrogen can be passed from the connections for the lines to the pressure tanks through the pressure reducer to the connection for the output line.
  • the advantage of the fuel system according to the invention is that it is optimized not only for the operation of the vehicle, but also for the refueling process and for installing the fuel system in the vehicle.
  • the entry into the distributor is considered to be the point where the hydrogen enters the distributor, and here it is where the distributor is connected to the intermediate piece.
  • the fuel system according to the invention is easier to assemble and requires less installation space in the vehicle.
  • a particular advantage is that all components integrated here are connected to each other without separate pipes. This leads to greater reliability in terms of tightness.
  • the design as a complete assembly offers the advantage that the fuel system according to the invention can be pre-assembled independently of the vehicle and independently of the pressure tanks. This fuel system, which is pre-assembled as an assembly, can then be tested in advance and approved in terms of safety and quality. This means that the fuel system can be offered as a complete assembly for the first time. Installation in the vehicle is less complicated because only a few connections need to be connected and all internal components and connections are already checked for functionality and leaks are tested. Attachment is easier because the valve assembly unit requires only a few attachment points and can be assembled as a single assembly. In addition, the number of screw connections in the entire fuel system is significantly reduced.
  • At least one of the connections for the lines to the pressure tanks is aligned so that the flow direction at this connection is in line with the flow path during refueling. This means that the pressure loss when refueling is particularly low, at least for a pressure tank.
  • the invention can be used advantageously if the distributor has three or four or five connections for lines to the pressure tanks.
  • the distributor can have up to eight connections for lines to the pressure tanks.
  • the arrangement of these connections can in particular be designed in such a way that the pressure loss of the respective lines up to pressure tanks is taken into account, which are often of different lengths and thus cause different pressure losses.
  • the connections can be arranged at an angle to the flow path during refueling and the angle can be of different sizes for the different connections, so that a different degree of deflection occurs. This means that the longest line can be attached to the connection that has the flow path with the lowest pressure loss.
  • the distributor can advantageously have a bore in front of each connection for the lines to the pressure tanks, which has a smaller diameter than the main bore.
  • the pressure loss at this reduced bore can be adjusted so that there is an even distribution of gas to the various connections.
  • the individual holes in front of the connections can have different diameters so that, for example, further pressure losses in the respective lines up to the pressure tanks can be taken into account. Connections with a longer cable would be with a slightly larger one, connections with a shorter cable would be with a slightly larger one A smaller diameter of this hole is carried out in order to achieve the most even flow distribution possible.
  • the distributor includes a temperature sensor which is mounted in a further connection hole. With the help of the temperature sensor, the condition of the gas can be determined and the heating of the gas during refueling can be monitored. In an alternative embodiment, this temperature sensor is not arranged in the distributor, but in the intermediate piece.
  • the distributor has a flange that is designed so that the distributor can be attached to the intermediate piece in different positions.
  • the fuel system can be used very flexibly. Even if it is positioned differently in different vehicles (for example on the left side and on the right side), the fuel system can be mounted in such a way that the lines to the pressure tanks can be connected in a suitable manner and are as short as possible without the distributor having to be redesigned.
  • the distributor can simply be connected to the intermediate piece in a correspondingly changed position.
  • the flange is annular and has several fastening holes at equal distances. This means the distributor can be attached in different rotational positions.
  • a thermal insulating layer is provided between the valve assembly and the intermediate piece.
  • the insulating layer can be designed as a glass fiber reinforced plastic layer.
  • the valve assembly is thermally separated from the intermediate piece and thus protected from excessive and rapid temperature changes, even if the intermediate piece initially cools down during refueling due to the cold hydrogen gas from the gas station.
  • Another particularly preferred embodiment has a predetermined breaking point on the refueling nozzle, which is designed so that if the refueling nozzle is mechanically overloaded, it breaks at the predetermined breaking point. This prevents damage to other parts of the fuel system or displacement of the fuel system in the vehicle.
  • the predetermined breaking point is designed so that it can withstand the load when refueling, but is less stable than the fastening of the fuel system in the vehicle.
  • this solution means that in the event of an accident in the area of the refueling nozzle, the intermediate piece with the check valve remains intact and the lines to the pressure tanks are not burdened by a displacement of the fuel system, so that no danger can arise from escaping hydrogen.
  • the predetermined breaking point can be designed, for example, as a groove or notch or as a thin-walled point on the refueling nozzle.
  • the connection from the refueling nozzle to the intermediate piece can be designed in such a way that it serves as a predetermined breaking point by breaking when overloaded.
  • the connection can be made via a thread that is designed so that it breaks or breaks off when overloaded.
  • the design according to the invention is further improved if two check valves are installed one behind the other in the intermediate piece. This achieves greater safety while still retaining the advantage of low pressure loss due to a straight flow path when refueling.
  • the pressure reducer which is present in the valve assembly, is designed as a two-stage pressure reducer.
  • the first stage of the pressure reducer reduces the pressure from the pressure tank to an intermediate level between 40 and 80 bar and the second stage further reduces the pressure to the medium pressure level.
  • a two-stage pressure reducer makes it possible to set the pressure more precisely and sensitively, as well as without fluctuations.
  • the medium pressure level is particularly preferably between 10 and 25 bar.
  • the pressure reducer can preferably be adjusted to the desired pressure level via a spring load. In order to make the fuel system more reliable and safer to operate, it preferably includes other components in addition to the pressure reducer: A vent valve through which the system can be relieved or flushed, for example during maintenance work.
  • a gas filter that retains small, sporadic contaminants from the pressure tanks or lines and thus protects the downstream valves from damage.
  • a shut-off valve that can be used to shut off the fuel system from the fuel cell or gas engine.
  • An overpressure safety valve that protects the fuel system against excessive pressure and which is preferably arranged downstream of the pressure reducer in the flow direction.
  • a pressure sensor for measuring the state of hydrogen gas. From these measured values - possibly together with measured values from sensors on the pressure tank - it can be determined more reliably and precisely how much hydrogen is present in the pressure tank. This is important information for calculating the range of a vehicle and for refueling.
  • One or more of these components mentioned can be present.
  • the existing components are preferably integrated into the valve assembly.
  • valve assembly can have an L-like shape in cross section perpendicular to the flow path during refueling. This enables a particularly space-saving arrangement on the intermediate piece.
  • the valve assembly has a housing which is made from an aluminum material, preferably from a cast aluminum material or forged aluminum material, and the intermediate piece has a housing which is made from a steel material.
  • a housing here is also understood to be a base body into which the respective built-in components can be inserted.
  • valve seats and/or channels can be integrated as gas lines.
  • the openings or cavities required for valve assembly or other components can be closed with seals and covers.
  • the choice of material ensures sufficient strength in the intermediate piece, which is the case Refueling is exposed to very high pressures and strong cooling, and on the other hand, a low weight and a simple construction and design are made possible for the valve assembly, even if several components are provided in the valve assembly.
  • valve assembly is composed of several sub-units which are attached to one another in such a way that they do not require any pipes in between.
  • a connecting sleeve as a flow channel between the intermediate piece and the valve assembly, which is sealed with a seal both from the intermediate piece and from the valve assembly.
  • a gas filter may be present, which is arranged so that it is at least partially located in the connecting sleeve.
  • the connecting sleeve is positioned so that the flow direction in the connecting sleeve lies in a plane that is aligned perpendicular to the flow path in the intermediate piece during refueling.
  • the fuel system additionally includes an electronic tank control unit.
  • the tank control unit is suitable for receiving and processing at least the signals from the sensors present on the fuel system and for generating one or more output signals.
  • the tank control unit can be set up to communicate with a hydrogen filling station and in particular a refueling process can control.
  • a communication interface is attached to the refueling nozzle as a transmitting and receiving unit and is carried by it.
  • the valve assembly has fastening options via which the fuel system can be mounted on a support structure that fastens the pressure tanks in the vehicle.
  • the fuel system can be attached to a tank module, which includes a support structure and a plurality of pressure tanks, and can be connected in advance to the tank lines of the pressure tanks.
  • the tank module including the fuel system is then installed as a complete unit in the vehicle. The assembly time in the vehicle manufacturer's production line is thus further minimized, which is a major advantage.
  • FIG.1, 2 representation of a fuel system according to the invention in two different views
  • Fig.3a,b Longitudinal section through a fuel system according to the invention
  • FIGS 1 and 2 show an embodiment of the fuel system 1 according to the invention for a hydrogen-powered vehicle with several pressure tanks in two different views.
  • the pressure tanks are used to store the hydrogen as fuel for a gas engine or a Fuel cell.
  • the fuel system 1 includes the refueling connection 2, the intermediate piece 3, the distributor 4 with the connections 13 for the lines to the pressure tanks and the valve assembly 5 with the connection 23 for the output line. All of these components are connected to each other without separate piping between them.
  • the fuel system 1 can thus be assembled in advance and tested for function and leaks, so that during vehicle assembly it can be assembled as an assembly with few interfaces much faster and more reliably than with previous fuel systems. In addition, only these few interfaces then need to be checked for leaks during vehicle assembly. Furthermore, the fuel system 1 according to the invention is very compact and requires little installation space in the vehicle.
  • the intermediate piece 3 includes a housing 3a, which can also be designed as a base body to accommodate the components.
  • the housing 3a is preferably made of a steel material. This or the check valves in the intermediate piece cannot be seen here.
  • the distributor 4 is shown here with four connections 13 for lines to the pressure tanks.
  • the distributor 4 can also be designed for two, three or more pressure tanks. It is designed here in such a way that it can be attached to the intermediate piece 3 at different angles via the flange 4a and the screws 15, without any changes in design or production being necessary. This allows the distributor to operate depending on the planned position of the fuel system 1 in the vehicle must be mounted so that the connections 13 for the lines to the pressure tanks are aligned appropriately.
  • connection 13 is arranged so that its distributor flow direction 101 is in alignment with the flow path 100.
  • the temperature sensor 14 is also provided in the distributor 4. Alternatively, the temperature sensor could also be positioned in the intermediate piece 3.
  • the valve assembly 5 is attached directly to the intermediate piece using several screws 26.
  • the insulating layer 30 is provided for thermal insulation between the intermediate piece 3 and the valve assembly 5. In this way, the pressure reducer 20.1, 20.2 and the valves in the valve assembly 5 are protected from the temperature fluctuations that occur when refueling with the very cold hydrogen gas from the gas station.
  • the housing 5a can be designed as the base body of the valve assembly 5, in which the necessary valve seats, openings or cavities for the sensors, as well as the gas lines, for example as flow-optimized channels, are incorporated.
  • the housing 5a can be manufactured as an aluminum component. For example, forged or as a die-cast component. If it is made in several parts, it is important that no separate pipes are provided between the parts, but that the parts are directly connected to one another, for example screwed together.
  • the pressure reducer is set in two stages with a first stage 20.1 and a second stage 20.2 and is preferably spring-loaded to the desired pressure levels. In this way, the pressure at connection 23 for the output line to the consumer can be set reliably.
  • the valve assembly also contains the shut-off valve 22, which is preferably designed as an electromagnetic valve.
  • the shut-off valve 22 which is preferably designed as an electromagnetic valve.
  • the overpressure safety valve which protects the medium-pressure side of the fuel system, i.e. the area in the flow direction after the pressure reducer 20.1, 20.2, against excessive pressures. It leads to exit 25, to which a blow-off line can be connected, which goes outside for the safe removal of the hydrogen gas in an emergency.
  • a vent valve can be provided, which is preferably designed as a manual valve, since it is only required for commissioning or maintenance work.
  • the pressure sensors 21 and 24 are intended, on the one hand, to control the high pressure level and, on the other hand, to control the medium pressure level.
  • an electronic tank control unit can be provided, which is attached to the valve assembly 5 or the intermediate piece 3.
  • the tank control unit processes the signals from the sensors, here for example the pressure sensors 21, 24 and those from the temperature sensor 14.
  • the tank control unit can output, for example, the tank fill levels or similar as an output signal.
  • the tank control unit is connected to a fuel cell or gas engine to exchange information and signals.
  • a communication interface can be attached to the refueling nozzle as a transmitting and receiving unit, via which the tank control unit communicates with a hydrogen filling station so that the refueling process runs optimally, or it can control the refueling process in communication with the filling station.
  • connection 23 When the vehicle is operating, hydrogen gas flows out of connection 23.
  • the output flow 102 is led to the fuel cell or to the gas engine via suitable lines.
  • Figures 3a and 3b show a longitudinal section for two different variants of the fuel system 1, 1'. These differ in the connection of the refueling connection 2,2' to the intermediate piece 3,3' and in the implementation of the predetermined breaking point 9,9.1.
  • Both variants have two check valves 7.1, 7.2, which are arranged one behind the other in the intermediate piece 3,3'. This creates redundant protection achieved and the straight flow path 100 during refueling and the associated advantages are retained.
  • the gas filter 11 is provided in the refueling nozzle 2,2'.
  • the check valves 7.1, 7.2 are installed with seals 19 in the housing 3a.
  • the long design of the refueling nozzle 2, 2' offers the advantage that the components of the fuel system 1, 1' are arranged further inside the vehicle and are therefore better protected from direct damage in the event of an accident.
  • the distributor 4 has the main bore 16, which is in alignment with the flow path 100 during refueling.
  • a hole 12 is provided in front of the connections 13 for the lines to the pressure tanks, which has a smaller diameter than the main hole 16. The pressure loss at these holes 12 makes the distribution of the gas somewhat even.
  • the check valves 7.1, 7.2 are fixed in the blocking direction by the screwed-in connecting bushing 6, which is part of the intermediate piece 3 '.
  • the refueling nozzle 2' is attached to the connecting socket 6 via a thread, which acts as a predetermined breaking point 9. It is dimensioned so that it reliably supports the normal load when refueling, but that it is less stable than the attachment of the connecting sleeve 6 to the intermediate piece 3 and less stable than the attachment of the fuel system T in the vehicle.
  • the refueling connection 2' breaks when the thread of the predetermined breaking point 9 is overloaded.
  • Fig.3b a variant is shown in which the check valves 7.1, 7.2 are held with the fixing ring 6.1.
  • the refueling connection 2 is attached to the intermediate piece by the screwed-on flange ring 6.2.
  • the predetermined breaking point 9.1 is designed here as a notch, which is dimensioned so that the refueling nozzle breaks at the predetermined breaking point 9.1 when overloaded.
  • Both the fastening of the flange ring 6.2 with the screws 17 and the fastening of the fuel system 1 in the vehicle must be more stable than the predetermined breaking point 9.1.
  • Fig.4 shows the distributor 4 in a longitudinal section. Part of the intermediate piece 3 can be seen on the left.
  • the channel 10 leads outside the drawing plane via further channels to the valve assembly 5, which cannot be seen here.
  • the gas comes from the left from the intermediate piece 3 along the flow path 100 to the entrance to the distributor 4. There it flows through the main bore 16 to the connections 13 and through connected lines to the pressure tank.
  • a hole 12 is provided in front of each connection 13, which has a smaller diameter than the main hole 16.
  • the holes 12 are - except for one - attached at an angle to the axis of the main hole 16. This allows the distribution to the various connections 13 to be influenced.
  • the bores 12 can be designed with different diameters, which also allows the distribution of the gas flows to the various connections to be specifically influenced. For example, different pressure losses in the lines to the individual pressure tanks can be compensated for.
  • the threaded holes 8 are at regular intervals on the end face of the intermediate piece 3, so that the distributor 4 can be attached to the intermediate piece 3 via its flange 4a and with the help of the screws 15 in different angular positions. This allows the alignment of the connections 13 and their flow direction 101 to be adjusted as desired. So that suitable installation in the vehicle is possible. One of the threaded holes 8 remains unused.
  • the hydrogen gas flows from the pressure tanks through the lines to the connections 13, from there through the distributor 4 and via the main bore 16 into the intermediate piece 3.
  • the check valves 7.1, 7.2 prevent it from flowing out of the refueling connection 2. Instead, the gas flows via channel 10 and other channels in intermediate piece 3 to valve assembly 5.
  • Fig. 5 the fuel system can be seen in cross section. It is clearly visible that the valve assembly 5 has an L-like shape in cross section and is thus well positioned around the intermediate piece 3. Fastening the valve assembly 5 takes place via the screws 26 on the intermediate piece 3. This makes the fuel system 1 a compact assembly that can be installed as a whole in the vehicle and requires little installation space.
  • the insulating layer 30 is present for thermal separation.
  • the main bore 16 is present in the intermediate piece 3.
  • Channel 10 cannot be seen because it is not in this cutting plane. It connects the main bore 16 with the visible bore, which serves as a channel to the valve assembly 5.
  • the connecting sleeve 28 is shown, which connects the intermediate piece 3 and the valve assembly 5 as a flow channel. It is arranged in such a way that it is located in a hole in the intermediate piece 3 as well as in a hole in the valve assembly 5, and it is sealed on both sides with a seal 29. This makes it possible to create a reliable and gas-tight connection for the flow path.
  • the flow direction 103 in the connecting sleeve 28 lies in a plane perpendicular to the flow path 100.
  • the gas filter 27 can be provided in the connecting sleeve so that the hydrogen is cleaned again before it reaches the valves in the valve assembly 5.
  • the gas filter 27 is preferably arranged so that it is at least partially in the connecting sleeve 28.

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Abstract

Kraftstoffsystem (1,1') zum Einbau in einem Wasserstoff-betriebenen Fahrzeug mit mehreren Wasserstoff-Drucktanks, auf Hochdruck-Niveau mit mindestens 200 bar ausgelegt, wobei das Kraftstoffsystem folgende Baueinheiten umfasst: - einen Betankungsstutzen (2,2'), der geeignet ist, mit einer entsprechenden Kupplung einer Tankstelle verbunden zu werden, - ein Zwischenstück (3), welches ein Gehäuse (3a) und zumindest ein Rückschlagventil (7.1,7.2) aufweist, - einen Verteiler (4), welcher mehrere Anschlüsse (13) für Leitungen zu den Wasserstoff-Drucktanks aufweist, - und eine Ventil-Baueinheit (5), welche zumindest ein Absperrventil (22), einen Anschluss (23) für eine Ausgangsleitung und einen Druckminderer (10) umfasst, der so ausgeführt ist, dass er den Druck des Wasserstoffs vom Hochdruck-Niveau aus dem Drucktank auf ein Mitteldruck-Niveau zwischen 3 bar und 30 bar reduzieren kann; wobei das Zwischenstück (3) auf der einen Seite mit dem Betankungsstutzen (2) und auf der anderen Seite mit dem Verteiler (4) verbunden ist, derart dass der Strömungspfad (100) beim Betanken im Wesentlichen geradlinig ist vom Betankungsstutzen (3) durch das Zwischenstück (3) bis zum Eingang in den Verteiler (4); und wobei die Ventil-Baueinheit (5) ohne zwischenliegende Rohrleitungen derart mit dem Zwischenstück (3) verbunden ist, dass Wasserstoff von den Anschlüssen (13) für die Leitungen zu den Drucktanks durch den Druckminderer (20.1,20.2) hindurch zum Anschluss (23) für die Ausgangsleitung geleitet werden kann.

Description

für einen Drucktank zum Einbau in ein
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Die Erfindung betrifft ein Kraftstoffsystem zum Einbau in einem Wasserstoffbetriebenen Fahrzeug mit mehreren Wasserstoff-Drucktanks, auf Hochdruck- Niveau mit mindestens 200 bar ausgelegt, vorgesehen. Wobei das Kraftstoffsystem einen Betankungsstutzen, einen Anschluss für eine Ausgangsleitung und einen Druckminderer umfasst. Und wobei der Druckminderer so ausgeführt ist, dass er den Druck des Wasserstoffs vom Hochdruck-Niveau aus dem Drucktank auf ein Mitteldruck-Niveau zwischen 3 bar und 30 bar reduzieren kann.
Wasserstoff-betriebene Fahrzeuge haben beispielsweise einen Gasmotor oder eine Brennstoffzelle mit Elektromotor als Antrieb. Um ausreichend Treibstoff speichern zu können, wird der Wasserstoff als Gas unter hohem Druck im Tank gespeichert. Typisch für solche Drucktanks sind Drücke von über 200 bar, oftmals 350 bar oder 700 bar und teilweise sogar bis 875 bar. Da der Gasmotor oder die Brennstoffzelle bei niedrigerem Eingangsdruck betrieben wird, muss der Druck des Wasserstoff- Gases zuverlässig vom Hochdruck-Niveau auf ein Mitteldruck-Niveau geregelt werden.
Im Stand der Technik sind Kraftstoffsysteme für Wasserstoff-Drucktanks (Gastanks) und zum Einbau in einem Wasserstoff-betriebenen Fahrzeuge bekannt. Solche werden beispielsweise in der DE 102019200459 A1 und in der DE 102017214184 A1 beschrieben. Mit einem Druckminderer wird das Druckniveau vom Tankdruck auf das geforderte niedrigere Druckniveau für eine Brennstoffzelle reduziert. Über eine Steuereinrichtung und einen Drucksensor am Drucktank kann gegebenenfalls der Füllstand bestimmt und mit einer Tankstelle kommuniziert werden. Darüber hinaus weist das Kraftstoffsystem Absperrventile und Rohrleitungen auf, die über entsprechende Verschraubungen verbunden werden. Werden mehrerer Drucktanks parallel angeschlossen, so kommen noch Verteilerstellen für die verschiedenen Tankleitungen dazu. All diese Komponenten und Verbindungsstellen müssen nach dem Einbau getestet und geprüft werden. Das verursacht erheblichen Aufwand und birgt Risiken in Bezug auf fehlerhafte Montage und entsprechende Undichtigkeit.
Die Aufgabe der Erfindung ist es nun, ein Kraftstoffsystem für ein Wasserstoffbetriebenes Fahrzeug weiterzuentwickeln und zu verbessern, so dass es zuverlässig und sicher betrieben werden kann und schnell und fehlerfrei montiert werden kann.
Die Aufgabe wird durch ein Kraftstoffsystem gemäß Anspruch 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Merkmale sind in den abhängigen Ansprüchen genannt.
Erfindungsgemäß zeichnet sich das Kraftstoffsystem nach Anspruch 1 dadurch aus, dass es folgende Baueinheiten umfasst:
- einen Betankungsstutzen, der geeignet ist, mit einer entsprechenden Kupplung einer Tankstelle verbunden zu werden,
- ein Zwischenstück, welches ein Gehäuse und zumindest ein Rückschlagventil aufweist,
- einen Verteiler, welcher mehrere Anschlüsse für Leitungen zu den Wasserstoff- Drucktanks aufweist,
- und eine Ventil-Baueinheit, welche zumindest ein Absperrventil, einen Anschluss für eine Ausgangsleitung und einen Druckminderer umfasst, der so ausgeführt ist, dass er den Druck des Wasserstoffs vom Hochdruck-Niveau aus dem Drucktank auf ein Mitteldruck-Niveau zwischen 3 bar und 30 bar reduzieren kann; wobei das Zwischenstück auf der einen Seite mit dem Betankungsstutzen und auf der anderen Seite mit dem Verteiler verbunden ist, derart dass der Strömungspfad beim Betanken im Wesentlichen geradlinig ist vom Betankungsstutzen durch das Zwischenstück bis zum Eingang in den Verteiler; und wobei die Ventil-Baueinheit ohne zwischenliegende Rohrleitungen derart mit dem Zwischenstück verbunden ist, dass Wasserstoff von den Anschlüssen für die Leitungen zu den Drucktanks durch den Druckminderer hindurch zum Anschluss für die Ausgangsleitung geleitet werden kann. Der Vorteil des erfindungsgemäßen Kraftstoffsystems ist, dass es nicht nur für den Betrieb des Fahrzeugs optimiert ist, sondern auch für den Vorgang des Betankens und für die Montage des Kraftstoffsystems im Fahrzeug.
So wird beim Betanken ein sehr viel größerer Volumenstrom und bei höherem Druck durch das Kraftstoffsystem geleitet als beim normalen Fährbetrieb. Die hier vorgeschlagene Lösung zeichnet sich dadurch aus, dass der Strömungspfad für den Wasserstoff beim Betanken weniger Druckverlust im Kraftstoffsystem verursacht und damit zu weniger Erwärmung im Gas führt. Da alle Komponenten, die beim Betanken durchströmt werden, geradlinig hintereinander angeordnet sind, ist der Druckverlust deutlich geringer als bei sonst üblichen Systemen. Zudem können dadurch größere Querschnitte und kurze Strömungswege einfacher realisiert werden. Geringe Abweichungen vom geradlinigen Strömungspfad sind akzeptabel. Wesentlich ist, dass kein starker Druckverlust durch größere Umlenkungen entsteht.
Als Eingang in den Verteiler wird die Stelle angesehen, an der der Wasserstoff in den Verteiler eintritt, und hier ist es da, wo der Verteiler mit dem Zwischenstück verbunden ist.
Aufgrund seiner kompakten Bauweise und der Ausführung als einer vormontierten Baugruppe ist das erfindungsgemäße Kraftstoffsystem einfacher zu montieren und hat weniger Bauraumbedarf im Fahrzeug. Ein besonderer Vorteil ist, dass alle hier integrierten Komponenten ohne separate Rohrleitungen miteinander verbunden sind. Das führt zu einer höheren Zuverlässigkeit bezüglich Dichtheit. Die Ausführung als komplette Baugruppe bietet den Vorteil, dass das erfindungsgemäße Kraftstoffsystem unabhängig vom Fahrzeug und unabhängig von den Drucktanks vormontiert werden kann. Dieses als Baugruppe vormontierte Kraftstoffsystem kann dann auch vorab getestet und sicherheitstechnisch und qualitätstechnisch abgenommen werden. Dadurch kann das Kraftstoffsystem erstmalig als abgeschlossene Baugruppe angeboten werden. Der Einbau im Fahrzeug ist weniger aufwändig, da nur noch wenige Anschlüsse verbunden werden müssen und alle internen Komponenten und Verbindungen bereits auf Funktion und Dichtigkeit getestet sind. Die Befestigung ist einfacher, da die in sich tragende Ventil- Baueinheit nur wenige Befestigungspunkte benötigt und als eine Baugruppe montiert werden kann. Zudem wird die Anzahl der Verschraubungen im gesamten Kraftstoffsystem erheblich reduziert.
In einer bevorzugten Ausführung ist zumindest einer der Anschlüsse für die Leitungen zu den Drucktanks so ausgerichtet, dass die Strömungsrichtung an diesem Anschluss in Flucht liegt mit dem Strömungspfad beim Betanken. Dadurch wird zumindest für einen Drucktank der Druckverlust beim Betanken besonders niedrig.
Insbesondere kann die Erfindung vorteilhaft angewandt werden, wenn der Verteiler drei oder vier oder fünf Anschlüsse für Leitungen zu den Drucktanks aufweist. Insbesondere kann der Verteiler bis zu acht Anschlüsse für Leitungen zu den Drucktanks aufweisen. Die Anordnung dieser Anschlüsse kann insbesondere so gestaltet sein, dass der Druckverlust der jeweiligen Leitungen bis zu Drucktanks mitberücksichtigt wird, welche oftmals unterschiedlich lang sind und damit unterschiedliche Druckverluste verursachen. Beispielsweise können die Anschlüsse gewinkelt zum Strömungspfad beim Betanken angeordnet sein und der Winkel kann unterschiedlich groß für die verschiedenen Anschlüsse sein, so dass eine unterschiedlich starke Umlenkung erfolgt. So kann die längste Leitung an dem Anschluss angebracht, der den Strömungsweg mit dem geringsten Druckverlust aufweist.
Zudem kann der Verteiler vorteilhafterweise zusätzlich zu einer Hauptbohrung für den Gasdurchlass vor jedem Anschluss für die Leitungen zu den Drucktanks jeweils eine Bohrung aufweisen, die einen kleineren Durchmesser als die Hauptbohrung hat. So kann der Druckverlust an dieser reduzierten Bohrung so eingestellt werden, dass eine gleichmäßige Gasverteilung auf die verschiedenen Anschlüsse erfolgt. Bei Bedarf können die einzelnen Bohrungen vor den Anschlüssen verschiedene Durchmesser haben, so dass zum Beispiel weitere Druckverluste in den jeweiligen Leitungen bis zu Drucktanks mitberücksichtigt werden. Anschlüsse mit längerer Leitung würden mit einem etwas größeren, Anschlüsse mit kürzerer Leitung mit einem kleineren Durchmesser dieser Bohrung ausgeführt, um eine möglichst gleichmäßige Strömungsverteilung zu erreichen.
In einer weiteren Ausführung umfasst der Verteiler einen Temperatursensor, welcher in einer weiteren Anschlussbohrung montiert ist. Mit Hilfe des Temperatursensors kann der Zustand des Gases bestimmt, sowie die Erwärmung des Gases beim Tanken überwacht werden. Bei einer alternativen Ausführung ist dieser Temperatursensor nicht im Verteiler, sondern im Zwischenstück angeordnet.
Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn der Verteiler einen Flansch aufweist, der so gestaltet ist, dass der Verteiler in verschiedenen Positionen am Zwischenstück befestigt werden kann. Damit können einer oder mehrere der Anschlüsse für die Leitungen zu den Drucktanks in verschiedene Ausrichtung relativ zum Zwischenstück gebracht werden. Das bietet den Vorteil, dass das Kraftstoffsystems sehr flexibel verwendet werden kann. Selbst bei unterschiedlicher Positionierung in verschiedenen Fahrzeugen (zum Beispiel einmal linke Seite, einmal rechte Seite) kann das Kraftstoffsystem so montiert werden, dass die Leitungen zu den Drucktanks passend angeschlossen werden können und möglichst kurz ausgeführt sind, ohne dass der Verteiler umkonstruiert werden muss. Es kann einfach der Verteiler in einer entsprechend geänderten Position mit dem Zwischenstück verbunden werden. Eine mögliche Ausführung ist, dass der Flansch ringförmig ausgebildet ist und mehrere Befestigungsbohrungen mit gleichen Abständen aufweist. So kann der Verteiler in verschiedenen Drehpositionen befestigt werden.
Des Weiteren ist es von Vorteil, wenn zwischen der Ventil-Baueinheit und dem Zwischenstück eine thermische Isolierschicht vorgesehen ist. Beispielsweise kann die Isolierschicht als glasfaserverstärkte Kunststoffschicht ausgebildet sein. Dadurch wird die Ventil-Baueinheit thermisch getrennt von dem Zwischenstück und so vor einer zu starken und schnellen Temperaturänderung geschützt, auch wenn sich das Zwischenstück beim Betanken durch das kalte Wasserstoffgas von der Tankstelle zunächst abkühlt. Eine weitere besonders bevorzugt Ausführung weist eine Sollbruchstelle am Betankungsstutzen auf, die so ausgeführt ist, dass bei mechanischer Überlastung am Betankungsstutzen dieser an der Sollbruchstelle bricht. Dadurch wird eine Beschädigung weiterer Teile des Kraftstoffsystems oder eine Verschiebung des Kraftstoffsystems im Fahrzeug verhindert. Dafür ist die Sollbruchstelle so ausgelegt, dass sie die Belastung beim Betanken gut aushält, allerdings weniger stabil ist als die Befestigung des Kraftstoffsystems im Fahrzeug. Insbesondere bleibt durch diese Lösung bei einem Unfall im Bereich des Betankungsstutzens das Zwischenstück mit dem Rückschlagventil intakt und die Leitungen zu den Drucktanks werden nicht durch eine Verschiebung des Kraftstoffsystems belastet, so dass keine Gefährdung durch austretenden Wasserstoff entstehen kann.
Die Sollbruchstelle kann beispielsweise als Nut oder Kerbe oder als dünnwandige Stelle am Betankungsstutzen ausgeführt werden. Alternativ oder zusätzlich kann die Verbindung vom Betankungsstutzen am Zwischenstück derart ausgeführt sein, dass sie als Sollbruchstelle dient, indem sie bei Überlastung bricht. Beispielsweise kann die Verbindung über ein Gewinde ausgeführt sein, das so ausgelegt ist, dass es bei Überlastung abreist oder ausbricht.
Weiter verbessert wird die erfindungsgemäße Ausführung, wenn im Zwischenstück zwei Rückschlagventile hintereinander eingebaut sind. Dadurch wird eine höhere Sicherheit erreicht und dennoch der Vorteil eines geringen Druckverlusts durch einen geradlinigen Strömungspfad beim Betanken beibehalten.
In einer weiteren bevorzugten Ausführung ist der Druckminderer, der in der Ventil- Baueinheit vorhanden ist, als zweistufiger Druckminderer ausgeführt. Wobei die erste Stufe des Druckminderers den Druck aus dem Drucktank auf ein Zwischen- Niveau zwischen 40 und 80 bar reduziert und die zweite Stufe den Druck weiter auf das Mitteldruck-Niveau reduziert. Durch einen zweistufigen Druckminderer ist eine genauere und feinfühligere, sowie schwankungsfreie Druckeinstellung möglich. Besonders bevorzugt liegt das Mitteldruck-Niveau zwischen 10 und 25 bar. Bevorzugt ist der Druckminderer über eine Federbelastung auf das jeweilige, gewünschte Druckniveau einstellbar. Um das Kraftstoffsystem zuverlässiger und sicherer im Betrieb zu machen, umfasst es neben dem Druckminderer bevorzugt noch weitere Komponenten: Ein Entlüftungsventil, über welches das System entlastet oder gespült werden kann, zum Beispiel bei Wartungsarbeiten. Einen Gasfilter, der kleinere sporadische Verunreinigungen aus den Drucktanks oder Leitungen zurückhält und so die nachfolgenden Ventile vor Beschädigungen schützt. Ein Absperrventil, mit dem das Kraftstoffsystem gegenüber der Brennstoffzelle oder dem Gasmotor abgesperrt werden kann. Ein Überdruck-Sicherheitsventil, das das Kraftstoffsystem gegen zu hohe Drücke absichert und welches bevorzugt in Durchflussrichtung nach dem Druckminderer angeordnet ist. Ein Drucksensor zur Messung des Zustandes des Wasserstoff-Gases. Aus diesen Messwerten kann - gegebenenfalls zusammen mit Messwerten von Sensoren am Drucktank - zuverlässiger und genauer bestimmt werden, wie viel Wasserstoff im Drucktank vorhanden ist. Das ist eine wichtige Information für die Berechnung der Reichweite eines Fahrzeugs und für den Tankvorgang. Von diesen genannten Komponenten können eine oder mehrere vorhanden sein. Bevorzugt sind die vorhandenen Komponenten in der Ventil- Baueinheit integriert.
Des Weiteren kann die Ventil-Baueinheit im Querschnitt senkrecht zum Strömungspfad beim Betanken eine L-artige Form aufweist. Dadurch ist eine besonders platzsparende Anordnung am Zwischenstück möglich.
Besonders bevorzugt, weist die Ventil-Baueinheit ein Gehäuse auf, welches aus einem Aluminium-Werkstoff, bevorzugt aus einem Aluminium-Guss-Werkstoff oder Aluminium-Werkstoff geschmiedet hergestellt ist, und das Zwischenstück weist ein Gehäuse auf, welches aus einem Stahlwerkstoff hergestellt ist. Als Gehäuse wird hier auch ein Grundkörper verstanden, in den die jeweiligen eingebauten Komponenten eingesetzt werden können. Darin können zum Beispiel Ventilsitze und/oder Kanäle als Gasleitungen integriert werden. Die zur Ventilmontage oder zur Montage anderer Komponenten notwendigen Öffnungen oder Hohlräume können mit Dichtungen und Deckeln verschlossen werden. Durch die Materialwahl wird zum einen eine ausreichende Festigkeit im Zwischenstück erreicht, welches beim Betanken sehr hohen Drücken und starker Abkühlung ausgesetzt ist, und zum anderen wird für die Ventil-Baueinheit, ein geringes Gewicht und eine einfache Konstruktion und Gestaltung ermöglicht, auch wenn mehrere Komponenten in der Ventil-Baueinheit vorgesehen sind.
Ebenso wird eine Ausführung der Erfindung umfasst, bei der die Ventil-Baueinheit aus mehreren Teileinheiten zusammengesetzt ist, die so aneinander befestigt sind, dass sie ohne dazwischenliegende Rohrleitungen auskommen.
Erfindungsgemäß gibt es keine verschraubten, frei liegenden Rohrleitungen zwischen den Teilen oder den Komponenten, um die Zuverlässigkeit und einfache Montage nicht zu beeinträchtigen.
Weiterhin ist es von Vorteil, wenn zwischen dem Zwischenstück und der Ventil- Baueinheit eine Verbindungshülse als Strömungskanal vorhanden ist, die sowohl gegenüber dem Zwischenstück als gegenüber der Ventil-Baueinheit mit einer Dichtung abgedichtet ist. Zusätzlich kann ein Gasfilter vorhanden sein, der so angeordnet ist, dass er sich zumindest teilweise in der Verbindungshülse befindet. Und besonders bevorzugt ist die Verbindungshülse so positioniert, dass die Strömungsrichtung in der Verbindungshülse in einer Ebene liegt, die senkrecht zum Strömungspfad im Zwischenstück beim Betanken ausgerichtet ist.
In einer bevorzugten Ausführung umfasst das Kraftstoffsystem zusätzlich eine elektronische Tanksteuereinheit. Wobei die Tanksteuereinheit geeignet ist, zumindest die Signale der am Kraftstoffsystem vorhandenen Sensoren zu empfangen und zu verarbeiten und eines oder mehrere Ausgangssignale zu erzeugen. Durch die Integration des Kraftstoffsystems der elektronischen Tanksteuereinheit in das Kraftstoffsystem kann die Baugruppe noch umfangreicher vorab getestet werden und es sind noch weniger Schnittstellen bei der Montage im Fahrzeug zu beachten. Der Kabelbaum zwischen Tanksteuereinheit und den Sensoren im Kraftstoffsystem kann somit auch integriert werden.
Zusätzlich kann die Tanksteuereinheit so eingerichtet sein, dass sie mit einer Wasserstoff-Tankstelle kommunizieren und insbesondere einen Tankvorgang steuern kann. Hierzu wird eine Kommunikationsschnittstelle als Sende- und Empfangseinheit am Betankungsstutzen befestigt und von diesem getragen.
Um eine weiter vereinfachte Montage zu ermöglichen, ist es vorteilhaft, wenn die Ventil-Baueinheit Befestigungsmöglichkeiten aufweist, über die das Kraftstoffsystem an einer Tragstruktur, die die Drucktanks im Fahrzeug befestigt, montiert werden kann. Somit kann gegebenenfalls das Kraftstoffsystem an einem Tankmodul, das eine Tragstruktur und mehrere Drucktanks umfasst, befestigt werden und mit den Tankleitungen der Drucktanks bereits vorab verbunden werden. Das Tankmodul inklusive Kraftstoffsystem wird dann als eine Gesamteinheit im Fahrzeug verbaut. Die Montagezeit in der Fertigungslinie der Fahrzeug-Hersteller ist somit weiter minimiert, was einen großen Vorteil darstellt.
Anhand von Ausführungsbeispielen werden weitere vorteilhafte Merkmale der Erfindung erläutert unter Bezugnahme auf die Zeichnungen. Die genannten Merkmale können nicht nur in der dargestellten Kombination vorteilhaft umgesetzt werden, sondern auch einzeln untereinander kombiniert werden. Die Figuren zeigen im Einzelnen:
Fig.1, 2 Darstellung eines erfindungsgemäßen Kraftstoffsystems in zwei verschiedenen Ansichten
Fig.3a,b Längsschnitt durch ein erfindungsgemäßes Kraftstoffsystem
(2 Varianten)
Fig.4 Längsschnitt durch den Verteiler
Fig.5 Querschnitt durch erfindungsgemäßes Kraftstoffsystem
Nachfolgend werden die Figuren detaillierter beschrieben. Gleiche Bezugszahlen bezeichnen gleiche beziehungsweise analoge Bauteile oder Komponenten.
Die Figuren 1 und 2 zeigen eine erfindungsgemäße Ausführung des Kraftstoffsystems 1 für ein Wasserstoff-betriebenes Fahrzeug mit mehreren Drucktanks in zwei verschiedenen Ansichten. Die Drucktanks dienen zur Speicherung des Wasserstoffs als Treibstoff für einen Gasmotor oder eine Brennstoffzelle. Das Kraftstoffsystem 1 umfasst den Betankungsstutzen 2, das Zwischenstück 3, den Verteiler 4 mit den Anschlüssen 13 für die Leitungen zu den Drucktanks und die Ventil-Baueinheit 5 mit dem Anschluss 23 für die Ausgangsleitung. Alle diese Komponenten sind ohne separate Rohrleitungen dazwischen miteinander verbunden.
Das Kraftstoffsystem 1 kann somit vorab montiert und auf Funktion und Dichtigkeit getestet werden, so dass es bei der Fahrzeugmontage als eine Baugruppe mit wenigen Schnittstellen sehr viel schneller und zuverlässiger als bei bisherigen Kraftstoffsystemen montiert werden kann. Zudem müssen dann bei der Fahrzeugmontage nur noch diese wenigen Schnittstellen auf Dichtigkeit geprüft werden. Des Weiteren ist das erfindungsgemäße Kraftstoffsystem 1 sehr kompakt und benötigt wenig Bauraum im Fahrzeug.
Das Zwischenstück 3 umfasst ein Gehäuse 3a, das auch als Grundkörper zur Aufnahme der Komponenten ausgebildet sein kann. Bevorzugt ist das Gehäuse 3a aus einem Stahlwerkstoff hergestellt. Nicht zu sehen sind hier das oder die Rückschlagventile im Zwischenstück.
Gut erkennbar ist, der im Wesentlichen geradlinige Strömungspfads 100 beim Betanken - vom Betankungsstutzen 2 durch das Zwischenstück 3 bis zum Eingang in den Verteiler 4. Dadurch wird ein geringer Druckverlust beim Betanken erreicht. Geringe Abweichungen vom geradlinigen Strömungspfad sind akzeptabel. Wesentlich ist, dass kein starker Druckverlust durch größere Umlenkungen entsteht.
Der Verteiler 4 ist hier mit vier Anschlüssen 13 für Leitungen zu den Drucktanks dargestellt. Der Verteiler 4 kann analog auch für zwei, drei oder mehr Drucktanks ausgeführt werden. Er ist hier so ausgeführt, dass er über den Flansch 4a und die Schrauben 15 unter verschiedenen Winkeln am Zwischenstück 3 befestigt werden kann, ohne dass Änderungen in Konstruktion oder Fertigung nötig sind. Dadurch kann der Verteiler je nach geplanter Position des Kraftstoffsystems 1 im Fahrzeug so montiert werden, dass die Anschlüsse 13 für die Leitungen zu den Drucktanks passend ausgerichtet sind.
Im dargestellten Beispiel ist ein Anschluss 13 so angeordnet, dass dessen Verteilerströmungsrichtung 101 in Flucht mit dem Strömungspfad 100 liegt.
Im Verteiler 4 ist zudem der Temperatursensor 14 vorgesehen. Alternativ könnte der Temperatursensor auch im Zwischenstück 3 positioniert werden.
Die Ventil-Baueinheit 5 ist mit Hilfe mehrerer Schrauben 26 direkt am Zwischenstück befestigt. Zur thermischen Isolierung zwischen dem Zwischenstück 3 und der Ventil-Baueinheit 5 ist die Isolierschicht 30 vorgesehen. So werden der Druckminderer 20.1 ,20.2 und die Ventile in der Ventil-Baueinheit 5 vor den Temperaturschwankungen geschützt, die bei der Betankung mit dem sehr kalten Wasserstoffgas aus der Tankstelle auftreten. Das Gehäuse 5a kann als Grundkörper der Ventil-Baueinheit 5 ausgeführt werden, in welchen die nötigen Ventilsitze, Öffnungen oder Hohlräume für die Sensoren, sowie die Gasleitungen, zum Beispiel als strömungsoptimierte Kanäle, eingearbeitet sind. Als bevorzugte Ausführung kann das Gehäuse 5a als Alu-Bauteil hergestellt werden. Beispielsweise geschmiedet oder als Druckguss-Bauteil. Wenn es mehrteilig ausgeführt ist, ist es wichtig, dass keine separaten Rohrleitungen zwischen den Teilen vorgesehen sind, sondern dass die Teile direkt miteinander verbunden, beispielsweise verschraubt werden.
In der gezeigten Ausführung ist der Druckminderer zweistufig mit einer ersten Stufe 20.1 und einer zweiten Stufe 20.2 und bevorzugt federbelastet auf die gewünschten Druckniveaus eingestellt. So kann der Druck am Anschluss 23 für die Ausgangsleitung zum Verbraucher zuverlässig eingestellt werden.
In der Ventil-Baueinheit ist zudem das Absperrventil 22 vorhanden, welches bevorzugt als elektromagnetisches Ventil ausgeführt ist. Darüber hinaus sind hier weitere Ventile und Sensoren in der Ventil-Baueinheit 5 vorhanden, die nicht alle zwingend vorhanden sein müssen: So beispielsweise das Überdruck-Sicherheitsventil, welches die Mitteldruck-Seite des Kraftstoffsystems, also den Bereich in Durchflussrichtung nach dem Druckminderer 20.1 ,20.2, gegen zu hohe Drücke absichert. Es führt zum Ausgang 25, an den eine Abblasleitung angeschlossen werden kann, die nach außen geht zur sicheren Abführung des Wasserstoff-Gases im Notfall. Weiterhin kann ein Entlüftungsventil vorgesehen sein, welches bevorzugt als manuelles Ventil ausgeführt ist, da es nur bei Inbetriebnahme oder Wartungsarbeiten benötigt wird. Die Drucksensoren 21 und 24 sind zum einen zur Kontrolle des Hochdruckniveaus und zum anderen zur Kontrolle des Mitteldruckniveaus vorgesehen.
Zusätzlich kann eine elektronische Tanksteuereinheit vorgesehen werden, welche an der Ventil-Baueinheit 5 oder dem Zwischenstück 3 befestigt ist. Die Tanksteuereinheit verarbeitet die Signale der Sensoren, hier beispielsweise der Drucksensoren 21 ,24 und die des Temperatursensors 14. Die Tanksteuereinheit kann als Ausgangssignal beispielsweise die Tankfüllstände oder ähnliches ausgeben. Und die Tanksteuereinheit ist mit einer Brennstoffzelle oder einem Gasmotor verbunden, um Informationen und Signale auszutauschen. Zudem kann eine Kommunikationsschnittstelle als Sende- und Empfangseinheit am Betankungsstutzen befestigt werden, über die die Tanksteuereinheit mit einer Wasserstoff-Tankstelle kommuniziert, so dass der Tankvorgang optimal abläuft, oder sie kann den Tankvorgang in Kommunikation mit der Tankstelle steuern.
Beim Betrieb des Fahrzeugs strömt Wasserstoffgas aus dem Anschluss 23. Die Ausgangsströmung 102 wird über geeignete Leitungen zur Brennstoffzelle oder zum Gasmotor geführt.
Die Figuren 3a und 3b zeigen einen Längsschnitt für zwei verschiedene Varianten des Kraftstoffsystems 1 ,1‘. Diese unterscheiden sich in der Anbindung des Betankungsstutzens 2,2' am Zwischenstück 3,3' und in der Umsetzung der Sollbruchstelle 9,9.1 .
Beide Varianten weisen zwei Rückschlagventile 7.1 ,7.2 auf, die hintereinander im Zwischenstück 3,3' angeordnet sind. Dadurch wird eine redundante Absicherung erreicht und der geradlinige Strömungspfad 100 beim Betanken und die damit verbundenen Vorteile bleiben erhalten. Im Betankungsstutzen 2,2' ist der Gasfilter 11 vorgesehen. Die Rückschlagventile 7.1 ,7.2 sind mit Dichtungen 19 im Gehäuse 3a eingebaut. Die lange Ausführung des Betankungsstutzens 2,2' bietet den Vorteil, dass die Komponenten des Kraftstoffsystems 1 ,1 ' weiter im Inneren des Fahrzeugs angeordnet sind und so besser geschützt sind vor direkter Beschädigung bei einem Unfall.
Der Verteiler 4 weist die Hauptbohrung 16 auf, die in Flucht mit dem Strömungspfad 100 beim Betanken ist. Vor den Anschlüssen 13 für die Leitungen zu den Drucktanks ist jeweils eine Bohrung 12 vorgesehen, die einen kleineren Durchmesser hat als die Hauptbohrung 16. Durch den Druckverlust an diesen Bohrungen 12 wird die Verteilung des Gases etwas vergleichmäßigt.
In der Variante nach Fig.3a sind die Rückschlagventile 7.1 ,7.2 durch die eingeschraubte Verbindungsbuchse 6, die Teil des Zwischenstücks 3' ist, in Sperrrichtung fixiert. An der Verbindungsbuchse 6 ist der Betankungsstutzen 2' über ein Gewinde befestigt, welches als Sollbruchstelle 9 fungiert. Es ist so dimensioniert, dass es die normale Belastung beim Betanken zuverlässig trägt, aber dass es weniger stabil ist als die Befestigung der Verbindungshülse 6 am Zwischenstück 3 und weniger stabil als die Befestigung des Kraftstoffsystems T im Fahrzeug. So bricht der Betankungsstutzen 2' bei Überlastung am Gewinde der Sollbruchstelle 9.
In Fig.3b ist eine Variante gezeigt, bei der die Rückschlagventile 7.1 ,7.2 mit dem Fixierring 6.1 gehalten werden. Der Betankungsstutzen 2 ist durch den aufgeschraubten Flanschring 6.2 am Zwischenstück befestigt. Die Sollbruchstelle 9.1 ist hier als Kerbe ausgebildet, die so dimensioniert ist, dass der Betankungsstutzen an der Sollbruchstelle 9.1 bei Überlastung bricht. Sowohl die Befestigung des Flanschrings 6.2 mit den Schrauben 17 als wiederum die Befestigung des Kraftstoffsystems 1 im Fahrzeug müssen stabiler sein als die Sollbruchstelle 9.1. Fig.4 stellt den Verteiler 4 im Längsschnitt dar. Links ist noch ein Teil des Zwischenstücks 3 zu sehen. Der Kanal 10 führt außerhalb der Zeichenebene über weitere Kanäle zur Ventil-Baueinheit 5, die hier nicht zu sehen ist.
Beim Betanken kommt das Gas von links aus dem Zwischenstück 3 entlang des Strömungspfades 100 zum Eingang in den Verteiler 4. Dort strömt es durch die Hauptbohrung 16 zu den Anschlüssen 13 und durch angeschlossene Leitungen zu den Drucktank. Vor jedem Anschluss 13 ist eine Bohrung 12 vorgesehen, die einen kleineren Durchmesser hat als die Hauptbohrung 16. Die Bohrungen 12 sind - bis auf eine - in einem Winkel zur Achse der Hauptbohrung 16 angebracht. Dadurch kann die Verteilung auf die verschiedenen Anschlüsse 13 beeinflusst werden. Des Weiteren können die Bohrungen 12 mit verschiedenem Durchmesser ausgeführt werden, auch dadurch kann die Verteilung der Gasströme auf die verschiedenen Anschlüsse gezielt beeinflusst werden. So können beispielsweise unterschiedliche Druckverluste der Leitungen zu den einzelnen Drucktanks ausgeglichen werden.
Die Gewindebohrungen 8 sind in gleichmäßigen Abständen an der Stirnfläche des Zwischenstücks 3 vorhanden, so dass der Verteiler 4 über seinen Flansch 4a und mit Hilfe der Schrauben 15 in verschiedenen Winkelpositionen am Zwischenstück 3 befestigt werden kann. Dadurch kann die Ausrichtung der Anschlüsse 13 und deren Strömungsrichtung 101 in gewünschter Weise angepasst werden. So dass eine geeignete Montage im Fahrzeug möglich ist. Eine der Gewindebohrungen 8 bleibt dabei unbenutzt.
Beim Betrieb des Fahrzeugs strömt das Wasserstoffgas von den Drucktanks durch die Leitungen zu den Anschlüssen 13 von dort durch den Verteiler 4 und über die Hauptbohrung 16 in das Zwischenstück 3. Die Rückschlagventile 7.1 ,7.2 verhindern ein Ausströmen aus dem Betankungsstutzen 2. Stattdessen strömt das Gas über den Kanal 10 und weitere Kanäle im Zwischenstück 3 zur Ventil-Baueinheit 5.
In Fig. 5 ist das Kraftstoffsystem im Querschnitt zu sehen. Gut erkennbar ist, dass die Ventil-Baueinheit 5 eine L-artige Form im Querschnitt aufweist und so gut um das Zwischenstück 3 herum positioniert ist. Die Befestigung der Ventil-Baueinheit 5 erfolgt über die Schrauben 26 am Zwischenstück 3. Dadurch wird das Kraftstoffsystem 1 eine kompakte Baugruppe, die als Ganzes im Fahrzeug montiert werden kann, und benötigt wenig Bauraum.
An der Verbindungsebene zwischen Ventil-Baueinheit 5 und Zwischenstück 3 ist die Isolierschicht 30 zur thermischen Trennung vorhanden.
Im Zwischenstück 3 ist die Hauptbohrung 16 vorhanden. Der Kanal 10 ist nicht zu sehen, da er nicht in dieser Schnittebene liegt. Er verbindet die Hauptbohrung 16 mit der sichtbaren Bohrung, die als Kanal zur Ventil-Baueinheit 5 dient. Dargestellt ist die Verbindungshülse 28, die als Strömungskanal das Zwischenstück 3 und die Ventil-Baueinheit 5 verbindet. Sie ist so angeordnet, dass sowohl in einer Bohrung im Zwischenstück 3 als auch in einer Bohrung in der Ventil-Baueinheit 5 steckt, und sie ist zu beiden Seiten mit einer Dichtung 29 abgedichtet. So lässt sich eine zuverlässige und gasdichte Verbindung für den Strömungsweg schaffen. Die Strömungsrichtung 103 in der Verbindungshülse 28 liegt in einer Ebene senkrecht zum Strömungspfad 100. Optional kann der Gasfilter 27 in der Verbindungshülse vorgesehen sein, so dass der Wasserstoff nochmal gereinigt wird, bevor er zu den Ventilen in der Ventil-Baueinheit 5 gelangt. Bevorzugt ist der Gasfilter 27 so angeordnet, dass er sich zumindest teilweise in der Verbindungshülse 28 befindet.
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1 , 1‘ Kraftstoffsystem
2, 2‘ Betankungsstutzen
3,3' Zwischenstück
3a Gehäuse
4 Verteiler
4a Flansch
5 Ventil-Baueinheit
5a Gehäuse
6 Verbindungsbuchse
6.1 Fixierring
6.2 Flanschring
7.1 , 7.2 Rückschlagventil
8 Gewindebohrung
9 Gewinde
9.1 Sollbruchstelle
10 Kanal
11 Gasfilter
12 Bohrungen zu Anschlüssen für Drucktanks
13 Anschlüsse für Drucktanks
14 Temperatursensor
15 Schraube
16 Hauptbohrung im Verteiler
17 Schraube
18 Gewindebohrung
19 Dichtring
20.1 Druckminderer (erste Stufe)
20.2 Druckminderer (zweite Stufe)
21 Drucksensor
22 Absperrventil
23 Anschluss für Ausgangsleitung
24 Drucksensor 25 Ausgang Überdruck-Sicherheitsventil
26 Schraube
27 Gasfilter
28 Verbindungshülse 29 Dichtungen
30 Isolationsschicht
100 Strömungspfad beim Betanken
101 Strömungsrichtungen am Anschluss für Drucktanks
102 Ausgangsströmung
103 Strömungsrichtung in Verbindungshülse

Claims

Patentansprüche
1. Kraftstoffsystem (1 ,1‘) zum Einbau in einem Wasserstoff-betriebenen Fahrzeug mit mehreren Wasserstoff-Drucktanks, auf Hochdruck-Niveau mit mindestens 200 bar ausgelegt, wobei das Kraftstoffsystem folgende Baueinheiten umfasst:
- einen Betankungsstutzen (2,2‘), der geeignet ist, mit einer entsprechenden Kupplung einer Tankstelle verbunden zu werden,
- ein Zwischenstück (3), welches ein Gehäuse (3a) und zumindest ein Rückschlagventil (7.1 ,7.2) aufweist,
- einen Verteiler (4), welcher mehrere Anschlüsse (13) für Leitungen zu den Wasserstoff-Drucktanks aufweist,
- und eine Ventil-Baueinheit (5), welche zumindest ein Absperrventil (22), einen Anschluss (23) für eine Ausgangsleitung und einen Druckminderer (10) umfasst, der so ausgeführt ist, dass er den Druck des Wasserstoffs vom Hochdruck-Niveau aus dem Drucktank auf ein Mitteldruck-Niveau zwischen 3 bar und 30 bar reduzieren kann; wobei das Zwischenstück (3) auf der einen Seite mit dem Betankungsstutzen (2) und auf der anderen Seite mit dem Verteiler (4) verbunden ist, derart dass der Strömungspfad (100) beim Betanken im Wesentlichen geradlinig ist vom Betankungsstutzen (3) durch das Zwischenstück (3) bis zum Eingang in den Verteiler (4); und wobei die Ventil-Baueinheit (5) ohne zwischenliegende Rohrleitungen derart mit dem Zwischenstück (3) verbunden ist, dass Wasserstoff von den Anschlüssen (13) für die Leitungen zu den Drucktanks durch den Druckminderer (20.1 ,20.2) hindurch zum Anschluss (23) für die Ausgangsleitung geleitet werden kann.
2. Kraftstoffsystem (1 ,1 ‘) nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass zumindest einer der Anschlüsse (13) für die Leitungen zu den Drucktanks so ausgerichtet ist, dass die Strömungsrichtung (101 ) an diesem Anschluss in Flucht liegt mit dem Strömungspfad (100) beim Betanken.
3. Kraftstoffsystem (1 ,T) nach einem der Ansprüche 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass der Verteiler (4) drei oder vier oder fünf oder bis zu acht Anschlüsse (13) für Leitungen zu den Drucktanks aufweist.
4. Kraftstoffsystem (1 , T) nach einem der vorherigen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass der Verteiler (4) zusätzlich zu einer Hauptbohrung (16) vor jedem Anschluss (13) für die Leitungen zu den Drucktanks eine Bohrung (12) aufweist, die einen kleineren Durchmesser als die Hauptbohrung (16) hat.
5. Kraftstoffsystem (1 ,1 ‘) nach einem der vorherigen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass der Verteiler (4) einen Temperatursensor (14) umfasst.
6. Kraftstoffsystem (1 ,1 ‘) nach einem der vorherigen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass der Verteiler (4) einen Flansch (4a) aufweist, der so gestaltet ist, dass der Verteiler (4) in verschiedenen Positionen am Zwischenstück (3) befestigt werden kann, um damit einen oder mehrere der Anschlüsse (13) für die Leitungen zu den Drucktanks in verschiedene Ausrichtung relativ zum Zwischenstück (3) bringen zu können.
7. Kraftstoffsystem (1 ,1 ‘) nach einem der vorherigen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Ventil-Baueinheit (5) und dem Zwischenstück (3) eine thermische Isolierschicht (30) vorhanden ist.
8. Kraftstoffsystem (1 ,1 ‘) nach einem der vorherigen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass der Betankungsstutzen (2) eine Sollbruchstelle (9,9.1) aufweist, die so ausgeführt ist, dass bei mechanischer Überlastung am Betankungsstutzen (2) dieser an der Sollbruchstelle (9,9.1 ) bricht.
9. Kraftstoffsystem (1 ,1 ') nach einem der vorherigen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass im Zwischenstück (3) zwei Rückschlagventile (7.1 ,7.2) hintereinander eingebaut sind.
10. Kraftstoffsystem (1 , 1 ') nach einem der vorherigen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass der Druckminderer (20.1 ,20.2) als zweistufiger Druckminderer ausgeführt ist, wobei die erste Stufe den Druck aus dem Drucktank auf ein Zwischen-Niveau zwischen 40 und 80 bar reduziert und die zweite Stufe den Druck weiter auf das Mitteldruck-Niveau reduziert.
11 . Kraftstoffsystem (1 , 1 ') nach einem der vorherigen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Ventil-Baueinheit (5) im Querschnitt senkrecht zum Strömungspfad (100) eine L-artige Form aufweist.
12. Kraftstoffsystem (1 , 1 ') nach einem der vorherigen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Ventil-Baueinheit (5) ein Gehäuse (5a) aufweist, welches aus einem Aluminium-Werkstoff, bevorzugt aus Aluminium-Guss-Werkstoff hergestellt ist und dass das Zwischenstück (3) ein Gehäuse (3a) aufweist, welches aus einem Stahlwerkstoff hergestellt ist.
13. Kraftstoffsystem (1 , 1 ') nach einem der vorherigen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Zwischenstück (3) und der Ventil-Baueinheit (5) eine Verbindungshülse (28) als Strömungskanal vorhanden ist, die sowohl gegenüber dem Zwischenstück (3) als gegenüber der Ventil-Baueinheit (5) mit zumindest einer Dichtung (29) abgedichtet ist, und insbesondere ist ein Gasfilter (27) vorhanden, der sich zumindest teilweise in der Verbindungshülse (28) befindet.
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