WO2024056236A1 - Thermisch aktivierbares ventil für eine druckgasbehältervorrichtung, druckgasbehältervorrichtung, brennstoffzellenanordnung, wasserstoff-verbrennungsmotorsystem, wasserstoffbetriebenes fahrzeug - Google Patents

Thermisch aktivierbares ventil für eine druckgasbehältervorrichtung, druckgasbehältervorrichtung, brennstoffzellenanordnung, wasserstoff-verbrennungsmotorsystem, wasserstoffbetriebenes fahrzeug Download PDF

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thermally activated
activated valve
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Udo Schaich
Andreas Rau
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Robert Bosch Gmbh
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Definitions

  • the present invention relates to a thermally activatable valve for a compressed gas container device and a compressed gas container device for storing compressed gas, in particular hydrogen, for example for the hydrogen supply in a fuel cell arrangement or in a hydrogen internal combustion engine system.
  • the invention is used, for example, in hydrogen-powered vehicles.
  • the DE 10 2017 212 485 A1 describes a device for storing compressed fluids that serve as fuel for a vehicle, the device comprising at least two tubular tank modules and at least one high-pressure fuel distributor with at least one integrated control and safety technology.
  • Such storage devices are advantageous, for example, for hydrogen-powered vehicles.
  • the thermally activated valve with the characterizing features of claim 1 has the advantage that, particularly when a fire breaks out, the thermally activated valve is reliably triggered, regardless of the position of the source of the fire.
  • the thermally activatable valve for a compressed gas container device has a tensioning device which is under tension and which comprises tension elements, at least two counter-bearing elements, at least one spring and a main activation element. Furthermore, a triggering element of the thermally activated valve can be triggered by the main activation element via the spring.
  • the pre-stressed tensioning device can be used to achieve safe and rapid triggering of the thermally activated valve in the event of an accident in the event of mechanical damage to the compressed gas container device or even in the event of a fire by destroying the tensioning device.
  • the main activation element when the tension of the tensioning device decreases, the main activation element can be moved in the direction of the triggering element of the thermally activated valve by means of a spring force of the spring. In this way, the triggering element of the thermally activated valve can be actuated by the main activation element in a structurally simple manner.
  • the trigger element can be destroyed by the main activation element. This ensures efficient triggering of the thermally activated valve.
  • the clamping device has a first deflection element and/or a second deflection element. So can The clamping device can be designed in any design and complexity without affecting the function.
  • the tension elements comprise metal wires or plastic or carbon fiber composite. This enables a structurally simple and cost-effective implementation of the clamping device.
  • the tension elements can be torn and/or destroyed, in particular irreversibly destroyed, from an arbitrarily predefined temperature in the range of, for example, 120 degrees Celsius.
  • the temperature resistance of the tension elements is designed for the maximum limit temperature of the compressed gas container device when exposed to heat before it can sustain safety-relevant damage.
  • the tensioning device has a bridge element, which bridge element is connected on the one hand to the tension elements and on the other hand at least indirectly to the main activation element which is under tension by the spring.
  • the bridge element can be used to safely trigger the clamping device or activate the thermally activated valve.
  • the tensioning device has further activation elements with further spring elements, which activation elements are connected to the tension elements by means of the spring elements, with only the main activation element being connected directly to the triggering element of the thermally activatable valve.
  • the triggering element has a sealing element and a further spring.
  • the compressed gas container device comprises a plurality of compressed gas containers, with the tension elements being arranged parallel and/or perpendicular to a longitudinal axis of the compressed gas containers.
  • the compressed gas containers can preferably be designed to be rotationally symmetrical.
  • the tension elements can be arranged around the compressed gas container device and the compressed gas container device is wrapped by the tension elements.
  • the compressed gas container device described is preferably suitable in a fuel cell arrangement for storing hydrogen for the operation of a fuel cell.
  • the compressed gas container device described is preferably suitable for providing hydrogen in a hydrogen internal combustion engine system.
  • the compressed gas container device can be used in hydrogen-powered vehicles.
  • Figure 2 is a spatial view of a compressed gas container device according to the invention consisting of compressed gas containers for storing a gaseous medium
  • FIG. 3 shows a schematic view of a first exemplary embodiment of a clamping device for a thermally activated valve of the compressed gas container device
  • FIG. 4 shows a schematic view of a second exemplary embodiment of a clamping device for a thermally activated valve of the compressed gas container device
  • FIG. 5 shows a schematic view of a third exemplary embodiment of a clamping device for a thermally activated valve of the compressed gas container device
  • FIG. 6a shows a schematic view of a fourth exemplary embodiment of a clamping device for a thermally activated valve of the compressed gas container device
  • Figure 6b is a side view of the fourth exemplary embodiment from Figure 6a
  • FIG. 7 shows a sectional view of a possible exemplary embodiment of a section of the thermally activated valve of the compressed gas container device
  • FIG. 8 hydrogen-powered vehicle with a fuel cell arrangement or a hydrogen internal combustion engine system with a compressed gas container device according to the invention in a simplified schematic view. All figures are merely schematic representations of the compressed gas container device according to the invention or its components according to exemplary embodiments of the invention. In particular, distances and size relationships are not shown to scale in the figures.
  • the compressed gas container device 1 shows a schematic top view of a compressed gas container device 1 according to the invention for a consumer system 31.
  • the compressed gas container device 1 has at least two compressed gas containers 2 for storing hydrogen, as well as a frame-shaped housing element 24 and a supply line 4 that can be connected to the compressed gas containers 2.
  • the frame-shaped housing element 24 surrounds the at least two compressed gas containers 2 and the supply line 4, with the at least two compressed gas containers 2 running parallel to a longitudinal axis 9 of the compressed gas container device 1.
  • Each of the at least two compressed gas containers 2, which are essentially cylindrical and made of steel, has at least one valve 8, 10. This at least one valve 8, 10 is a shut-off valve 8 and/or a safety valve 10.
  • the at least two compressed gas containers 2 each have the shut-off valve 8 at a first end 20 and the safety valve 10 at a second end 21, the respective ends 20, 21 being in the direction of the longitudinal axis 9 on the respective compressed gas container 2 condition.
  • the two compressed gas containers 2 are tubular.
  • the compressed gas containers 2 here are designed to be rotationally symmetrical and have a longitudinal axis 2000 which is coaxial with the longitudinal axis 9 of the compressed gas container device 1.
  • the shut-off valve 8 is arranged between the respective compressed gas container 2 and the supply line 4, with the supply line 4 connecting the respective compressed gas containers 2 to the consumer system 31.
  • the compressed gas container 2 is connected to a connecting line 11 via the safety valve 10.
  • the connecting line 11 serves to lead hydrogen from the respective compressed gas container 2 out of the compressed gas container device 1 and thus counteract the bursting of the respective compressed gas container 2.
  • a drain valve 12 At the end of the connecting line 11 facing away from the safety valve 10 and/or the compressed gas container 2, in particular at its downstream end, there can be a drain valve 12 through which, in the event of an accident or fire, the hydrogen can be drained into an environment 33 of the vehicle , especially in an area where igniting hydrogen can no longer damage or injure the entire vehicle and the occupants.
  • the safety valve 10 can be a so-called TPRD (Thermal Pressure Relief Device) valve 10, which has a temperature-sensitive element, in order to trigger the safety valve 10 to open in an emergency when heat is applied to the compressed gas containers 2.
  • TPRD Thermal Pressure Relief Device
  • the respective compressed gas container 2 is connected with its first end 20 to the supply line 4 via the shut-off valve 8 and/or with its second end 21 to the connecting line 11 via the safety valve 10, which is designed in particular as a melt safety valve 10 tied together.
  • FIG.2 an embodiment of the compressed gas container device 1 according to the invention is shown in a spatial view.
  • the compressed gas container device 1 has a plurality of compressed gas containers 2, which are essentially cylindrical.
  • the respective ends 20, 21 of the respective compressed gas container 2 have a conical taper 6 and thus a typical bottle neck structure.
  • 2 shows that the frame-shaped housing element 24, into which the compressed gas containers 2 are installed, has a peripheral wall 26 and a bottom wall 25, the bottom wall 25 being at the geodetically lowest point in the compressed gas container device 1 and/or in the vehicle located.
  • the peripheral wall 26 of the frame-shaped housing element 24 has a front wall 28, a left wall 32, a right wall 34 and a rear wall 30.
  • the compressed gas containers 2 are pre-assembled before assembly as a compressed gas container module, which can consist of at least two compressed gas containers 2 including valves 8, 10 and other components.
  • the bottom wall 25 has at least one rib 27, in particular at least one stiffening rib 27, with the at least one rib 27 running parallel to the longitudinal axis 9 and/or the compressed gas containers 2 and over at least almost the entire length of the bottom wall 25, in particular in the area of a Space 14 between the at least two compressed gas containers 2.
  • the at least one rib 27 is in contact with at least two compressed gas containers 2, in particular at least almost orthogonally to the longitudinal axis 9, in which way the stability and crash safety of the compressed gas container device 1 according to the invention can be improved .
  • the individual tubes can be fixed in the housing and positioned relative to one another in this way.
  • the frame-shaped housing element 24 has a circumferential shoulder 15 on the side of the peripheral wall 26 facing away from the bottom wall 25, the shoulder 15 running parallel to the bottom wall 25 and having at least two bores 17. These bores 17 run at least almost orthogonally to the plane of the bottom wall 25 and/or the plane of the shoulder 15, whereby the frame-shaped housing element 24 can be mounted on the entire vehicle by means of the bores 17 and, for example, screw connections.
  • the frame-shaped housing element 24 encloses the compressed gas containers 2 and/or the compressed gas container module with attachments at least almost completely and is firmly connected to the compressed gas containers 2 by means of a fastening element 3.
  • FIG. 1 and 2 show a simplified schematic view of a live clamping device 500 for the thermally activated valve 10, which is shown in detail in the following figures.
  • FIG 3 shows a first exemplary embodiment of a clamping device 500 according to the invention for the thermally activated valve 10 of the compressed gas container device 1 in a schematic view.
  • the tensioning device 500 has tension elements 37, two counter-bearing elements 35, 36, a spring 40 and a main activation element 38.
  • the spring 40 can also be designed as any expansion element, such as a preloaded damper, preferably a plastic damper.
  • the tension elements 37 include, for example, metal wires. In an alternative embodiment, the tension elements 37 can also include plastic or carbon fiber composite.
  • the counter-bearing element 36 can be formed on the compressed gas container device 1 itself or on another structural component, such as on a chassis of a vehicle, which includes the compressed gas container device 1.
  • the spring 40 prestresses the main activation element 38, in which the spring 40 is supported on the one hand on the main activation element 38 and on the other hand on the further counter-bearing element 35.
  • the further counter-bearing element 35 is formed, for example, on the compressed gas container device 1, for example on a housing of the compressed gas container 2, or also on other structural components, such as the chassis of a vehicle.
  • the main activation element 38 is arranged together with the spring 40 in such a way that they are in the immediate vicinity of the thermally activated valve 10.
  • the thermally activated valve 10 has a trigger element 41, for example a glass bulb, which is hit by the main activation element 38 with the impulse of the spring force and breaks. This opens a control hole 42 in the thermally activated valve 10, so that the gaseous medium, hydrogen, can flow out of the respective compressed gas container 2, for example into an environment, and the compressed gas container 2 is prevented from bursting.
  • a trigger element 41 for example a glass bulb
  • FIG. 4 shows a second exemplary embodiment of a clamping device 500 according to the invention for the thermally activated valve 10 of the compressed gas container device 1 in a schematic view.
  • the structure and functionality of the second exemplary embodiment essentially corresponds to that of the first. They only differ in that in the second exemplary embodiment a first deflection element 43 and a second deflection element 44 are additionally arranged.
  • the tension elements 37 can be arranged in the compressed gas container device 1 regardless of location and still ensure the necessary clamping force of the clamping device 500.
  • the tension elements 37 can thus be arranged at all possible positions in the compressed gas container device 1 and can react quickly to possible mechanical tensions or heat effects perceived as quickly as possible.
  • FIG. 5 shows a third exemplary embodiment of a clamping device 500 according to the invention for the thermally activated valve 10 of the compressed gas container device 1 in a schematic view.
  • the structure and functionality of the third exemplary embodiment essentially corresponds to that of the first.
  • the tensioning device 500 additionally has further activation elements 46 with further spring elements 45.
  • the activation elements 46 are activated by means of the spring deretti 45 connected to the tension elements 37. These can be arranged in a location-independent manner on the entire compressed gas container device 1 and/or on the chassis of the vehicle.
  • the activation elements 46 are also connected via the tension elements 37 to the main activation element 38, which is the only one directly connected to the trigger element 41 of the thermally activated valve 10.
  • the tension elements 37 are arranged here parallel and perpendicular to the longitudinal axis 2000 of the compressed gas container 2.
  • a network of tension elements 37 is formed on the compressed gas container device 1, which form a full-surface covering over such a grid structure for the compressed gas container device 1.
  • Fig. 6b show a fourth exemplary embodiment of a clamping device 500 according to the invention for the thermally activated valve 10 of the compressed gas container device 1 in a schematic view and in a side view.
  • the respective compressed gas container 2 is wrapped by the tension elements 37 and surrounded by them.
  • there is a bridge element 49 which is connected on the one hand to the tension elements 37 and on the other hand to the main activation element 38 which is under tension by means of the spring 40.
  • the tension elements 37 tear, causing the bridge element 49 to move in the direction of the main activation element 38.
  • This movement destroys the trigger element 41 of the thermally activated valve 10 and allows the gaseous medium, for example hydrogen, to be released.
  • the detail shows the triggering element 41 in an interior of the thermally activated valve 10, which rests against a sealing seat 501 with the aid of a spring force of a spring 410.
  • the sealing seat 501 is formed on a housing 50 of the thermally activated valve 10.
  • the main activation element 38 is arranged directly on the trigger element 41 and within the thermally activated valve 10. With the help of the spring 40, which is also supported on the housing 50 of the thermally activated valve 10, the main activation element 38 is pressed against the triggering element 41 in a prestressed manner. In the event of destruction of the clamping elements 37 as a result of an accident 39, the spring 40 and the main activation element 38 presses the trigger element 41 out of the sealing seat 501, thereby releasing a drain channel 502 from which the gaseous medium, hydrogen, can escape from the compressed gas containers 2, for example into an environment.
  • the trigger element 41 of the thermally activated valve 10 is destroyed by the main activation element 38 and thus releases the drain channel 502.
  • FIG. 8 shows a simplified schematic view of a hydrogen-powered vehicle 72, which can be operated, for example, with a fuel cell arrangement 70 or a hydrogen internal combustion engine system 71.
  • the fuel cell arrangement 70 or the hydrogen internal combustion engine system 71 has the compressed gas container device 1 according to the invention for the provision of hydrogen.

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Abstract

Thermisch aktivierbares Ventil (10) für eine Druckgasbehältervorrichtung (1) mit einer unter Spannung stehenden Spannvorrichtung (500) umfassend Zugelemente (37), mindestens zwei Gegenlagerelemente (35, 36), wenigstens eine Feder (40) und ein Hauptaktivierungselement (38). Weiterhin ist ein Auslöseelement (41) des thermisch aktivierbaren Ventils (10) durch das Hauptaktivierungselement (38) über die Feder (40) auslösbar.

Description

Beschreibung
Thermisch aktivierbares Ventil für eine Druckgasbehältervorrichtung, Druckgasbehältervorrichtung, Brennstoffzellenanordnung, Wasserstoff-Verbrennungsmo- torsystem, Wasserstoffbetriebenes Fahrzeug
Die vorliegende Erfindung betrifft ein thermisch aktivierbares Ventil für eine Druckgasbehältervorrichtung und eine Druckgasbehältervorrichtung zur Speicherung von Druckgas, insbesondere Wasserstoff, beispielsweise für die Wasserstoffversorgung in einer Brennstoffzellenanordnung oder in einem Wasserstoff- Verbrennungsmotorsystem. Die Erfindung kommt beispielsweise in wasserstoffbetriebenen Fahrzeugen zum Einsatz.
Stand der Technik
Die DE 10 2017 212 485 A1 beschreibt eine Einrichtung zur Speicherung von verdichteten Fluiden, die als Kraftstoff für ein Fahrzeug dienen, wobei die Einrichtung mindestens zwei rohrförmige Tankmodule und mindestens einen Hochdruckkraftstoffzuteiler mit mindestens einer integrierten Regel- und Sicherheitstechnik umfasst.
Solche Speichereinrichtungen sind beispielsweise für wasserstoffbetriebene Fahrzeuge von Vorteil.
Für einen sicheren Umgang mit wasserstoffführenden Vorrichtungen sind zahlreiche sicherheitsrelevante Kriterien zu erfüllen, die gewährleisten, dass beispielsweise bei einem Unfall, welche mechanische Verformungen hervorrufen können, oder einem Feuer die Speichereinrichtung geschützt ist bzw. bei Beschädigungen der Speichereinrichtung ein sicheres Ablassen des Mediums, Wasserstoff, ermöglicht wird. Vorteile der Erfindung
Das thermisch aktivierbare Ventil mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 weist den Vorteil auf, dass insbesondere bei Ausbruch eines Feuers, unabhängig der Position des Brandherds, ein sicheres Auslösen des thermisch aktivierbaren Ventils erzielt wird.
Dazu weist das thermisch aktivierbare Ventil für eine Druckgasbehältervorrichtung eine unter Spannung stehende Spannvorrichtung auf, welche Zugelemente, mindestens zwei Gegenlagerelemente, wenigstens eine Feder und ein Hauptaktivierungselement umfasst. Weiterhin ist ein Auslöseelement des thermisch aktivierbaren Ventils durch das Hauptaktivierungselement über die Feder auslösbar.
Durch die vorgespannte Spannvorrichtung kann diese im Falle eines Unfalls bei mechanischen Beschädigungen der Druckgasbehältervorrichtung oder auch im Falle eines Feuers, durch Zerstörung der Spannvorrichtung ein sicheres und schnelles Auslösen des thermisch aktivierbaren Ventils erzielt werden.
In erster vorteilhafter Weiterbildung ist es vorgesehen, dass bei einer nachlassenden Spannung der Spannvorrichtung das Hauptaktivierungselement mittels einer Federkraft der Feder in Richtung des Auslöseelements des thermisch aktivierbaren Ventils bewegbar ist. So kann in konstruktiv einfacher Weise das Auslöseelement des thermisch aktivierbaren Ventils durch das Hauptaktivierungselement betätigt werden.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist es vorteilhaft vorgesehen, dass das Auslöseelement durch das Hauptaktivierungselement zerstörbar ist. So kann ein effizientes Auslösen des thermisch aktivierbaren Ventils gewährleistet werden.
In vorteilhafter Weiterbildung ist es vorgesehen, dass die Spannvorrichtung ein erstes Umlenkelement und/oder ein zweites Umlenkelement aufweist. So kann die Spannvorrichtung beliebig in Konstruktion und Komplexität ausgebildet werden, ohne die Funktion zu beeinträchtigen.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist es vorteilhaft vorgesehen, dass die Zugelemente Metalldrähte oder Kunststoff oder Kohlefaserverbund umfassen. Dies ermöglicht eine konstruktiv einfache und kostengünstige Umsetzung der Spannvorrichtung.
In vorteilhafter Weiterbildung ist es vorgesehen, dass die Zugelemente ab einer beliebig vordefinierten Temperatur im Bereich von beispielsweise 120 Grad Celsius reißbar und/oder zerstörbar, insbesondere irreversibel zerstörbar, sind. Dabei ist die Temperaturbeständigkeit der Zugelemente ausgelegt auf die maximale Grenztemperatur der Druckgasbehältervorrichtung bei Hitzeeinwirkungen, bevor diese sicherheitsrelevante Beschädigungen annehmen können.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist es vorteilhaft vorgesehen, dass die Spannvorrichtung ein Brückenelement aufweist, welches Brückenelement einerseits mit den Zugelementen und andererseits zumindest mittelbar mit dem durch die Feder unter Spannung stehenden Hauptaktivierungselement verbunden ist. So kann mittels des Brückenelements ein sicheres Auslösen der Spannvorrichtung bzw. das Aktivieren des thermisch aktivierbaren Ventils erzielt werden.
In vorteilhafter Weiterbildung ist es vorgesehen, dass die Spannvorrichtung weitere Aktivierungselemente mit weiteren Federelementen aufweist, welche Aktivierungselemente mittels der Federelemente mit den Zugelementen verbunden sind, wobei lediglich das Hauptaktivierungselement unmittelbar mit dem Auslöseelement des thermisch aktivierbaren Ventils verbunden ist. Dadurch kann ein sicheres Auslösen der Spannvorrichtung bzw. das Aktivieren des thermisch aktivierbaren Ventils unabhängig von der Position der mechanischen Beschädigung oder des Brandherds gewährleistet werden. In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist es vorteilhaft vorgesehen, dass das Auslöseelement ein Dichtelement und eine weitere Feder aufweist.
Weiterhin ist eine erfindungsgemäße Druckgasbehältervorrichtung mit solch einem erfindungsgemäßen thermisch aktivierbaren Ventil vorhanden. Vorteilhafterweise umfasst die Druckgasbehältervorrichtung mehrere Druckgasbehälter, wobei die Zugelemente parallel und/oder senkrecht zu einer Längsachse der Druckgasbehälter angeordnet sind. Die Druckgasbehälter können dabei vorzugsweise rotationssymmetrisch ausgebildet sein. Vorteilhafterweise können die Zugelemente um die Druckgasbehältervorrichtung herum angeordnet sein und die Druckgasbehältervorrichtung ist von den Zugelementen umwickelt. So ist bei einem Unfall mit mechanischen Beschädigungen der Druckgasbehältervorrichtung oder bei einem Feuer mit Hitzeeinwirkungen auf die Druckgasbehältervorrichtung ein sicheres Ableiten des Mediums, insbesondere Wasserstoff, über das thermisch aktivierbare Ventil möglich.
Die beschriebene Druckgasbehältervorrichtung eignet sich vorzugsweise in einer Brennstoffzellenanordnung zur Speicherung von Wasserstoff für den Betrieb einer Brennstoffzelle.
Die beschriebene Druckgasbehältervorrichtung eignet sich vorzugsweise in einem Wasserstoff-Verbrennungsmotorsystem zur Bereitstellung von Wasserstoff.
In vorteilhaften Verwendungen kann die Druckgasbehältervorrichtung in Fahrzeugen mit Wasserstoff- Antrieb verwendet werden.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
Anhand der Zeichnung wird die Erfindung nachstehend eingehender beschrieben.
Es zeigt: Figur 1 eine schematische Draufsicht einer erfindungsgemäßen Druckgasbehältervorrichtung,
Figur 2 eine räumliche Ansicht einer aus Druckgasbehältern bestehenden erfindungsgemäßen Druckgasbehältervorrichtung zum Speichern von einem gasförmigen Medium,
Figur 3 eine schematische Ansicht eines ersten Ausführungsbeispiels einer Spannvorrichtung für ein thermisch aktivierbares Ventil der Druckgasbehältervorrichtung,
Figur 4 eine schematische Ansicht eines zweiten Ausführungsbeispiels einer Spannvorrichtung für ein thermisch aktivierbares Ventil der Druckgasbehältervorrichtung,
Figur 5 eine schematische Ansicht eines dritten Ausführungsbeispiels einer Spannvorrichtung für ein thermisch aktivierbares Ventil der Druckgasbehältervorrichtung,
Figur 6a eine schematische Ansicht eines vierten Ausführungsbeispiels einer Spannvorrichtung für ein thermisch aktivierbares Ventil der Druckgasbehältervorrichtung,
Figur 6b eine Seitenansicht auf das vierte Ausführungsbeispiel aus der Fig. 6a,
Figur 7 eine Schnittansicht eines möglichen Ausführungsbeispiels eines Ausschnitts des thermisch aktivierbaren Ventils der Druckgasbehältervorrichtung,
Figur 8 wasserstoffbetriebenes Fahrzeug mit einer Brennstoffzellenanordnung oder einem Wasserstoff-Verbrennungsmotorsystem mit einer erfindungsgemäßen Druckgasbehältervorrichtung in vereinfachter schematischer Ansicht. Alle Figuren sind lediglich schematische Darstellungen der erfindungsgemäßen Druckgasbehältervorrichtung bzw. seiner Bestandteile gemäß Ausführungsbeispielen der Erfindung. Insbesondere Abstände und Größenrelationen sind in den Figuren nicht maßstabsgetreu wiedergegeben.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
Die Darstellung gemäß Fig.1 zeigt eine schematische Draufsicht einer erfindungsgemäßen Druckgasbehältervorrichtung 1 für ein Verbrauchersystem 31. Die Druckgasbehältervorrichtung 1 weist dabei mindestens zwei Druckgasbehälter 2 zur Speicherung von Wasserstoff auf, sowie ein rahmenförmiges Gehäuseelement 24 und eine mit den Druckgasbehältern 2 verbindbare Zuführleitung 4 auf. Dabei umgibt das rahmenförmige Gehäuseelement 24 die mindestens zwei Druckgasbehälter 2 und die Zuführleitung 4, wobei die mindestens zwei Druckgasbehälter 2 parallel zu einer Längsachse 9 der Druckgasbehältervorrichtung 1 verlaufen. Dabei weist jeder der mindestens zwei Druckgasbehälter 2, welche im Wesentlichen zylinderförmig ausgebildet und aus Stahl gefertigt sind, mindestens ein Ventil 8, 10 auf. Bei diesem mindestens einen Ventil 8, 10 handelt es sich um ein Absperrventil 8 und/oder um ein Sicherheitsventil 10.
In einer beispielhaften Ausführungsform der Druckgasbehältervorrichtung 1 weisen die mindestens zwei Druckgasbehälter 2 jeweils an einem ersten Ende 20 das Absperrventil 8 und an einem zweiten Ende 21 das Sicherheitsventil 10 auf, wobei sich die jeweiligen Enden 20, 21 in Richtung der Längsachse 9 am jeweiligen Druckgasbehälter 2 befinden. Die beiden Druckgasbehälter 2 sind röhrenförmig ausgeführt. Weiterhin sind die Druckgasbehälter 2 hier rotationssymmetrisch ausgebildet und weisen eine zu der Längsachse 9 der Druckgasbehältervorrichtung 1 koaxial ausgebildete Längsachse 2000 auf.
Weiterhin ist in Fig.1 dargestellt, dass das Absperrventil 8 zwischen dem jeweiligen Druckgasbehälter 2 und der Zuführleitung 4 angeordnet ist, wobei die Zuführleitung 4 die jeweiligen Druckgasbehälter 2 mit dem Verbrauchersystem 31 verbindet. Im Bereich des zweiten Endes 21 des jeweiligen Druckgasbehälters 2, auf der der Druckgasbehälter 2 das Sicherheitsventil 10 aufweist, ist der Druckgasbehälter 2 über das das Sicherheitsventil 10 mit einer Verbindungsleitung 11 verbunden. Die Verbindungsleitung 11 dient dazu im Falle eines Unfalls 39, beispielsweise durch Einwirkung eines Feuers oder mechanischer Belastungen, Wasserstoff aus dem jeweiligen Druckgasbehälter 2 aus der Druckgasbehältervorrichtung 1 herauszuleiten und so einem Bersten des jeweiligen Druckgasbehälters 2 entgegenzuwirken. Am dem Sicherheitsventil 10 und/oder dem Druckgasbehälter 2 abgewandten Ende der Verbindungsleitung 11 , insbesondere ihrem stromab- wärtigen Ende kann sich ein Ablassventil 12 befinden, über den, im Falle eines Unfalls oder Brandes, der Wasserstoff in eine Umgebung 33 des Fahrzeugs abgelassen werden kann, insbesondere in einen Bereich, in dem sich entzündender Wasserstoff das Gesamtfahrzeug und die Insassen nicht mehr schädigen oder verletzen kann.
Bei dem Sicherungsventil 10 kann es sich in einer beispielhaften Ausführungsform um ein sogenanntes TPRD (Thermal Pressure Relief Device) Ventil 10, welches ein temperaturempfindliches Element aufweist, handeln, um im Ernstfall bei Wärmeeinträgen auf die Druckgasbehälter 2 ein Öffnen des Sicherungsventils 10 auszulösen. Somit ist der jeweilige Druckgasbehälter 2 in dieser beispielhaften Ausführungsform mit seinem ersten Ende 20 über das Absperrventil 8 mit der Zuführleitung 4 verbunden und/oder mit seinem zweiten Ende 21 über das Sicherheitsventil 10, das insbesondere als ein Schmelzsicherheitsventil 10 ausgeführt ist, mit der Verbindungsleitung 11 verbunden.
Des Weiteren kann sich im Bereich der Verbindungsleitung 11 , insbesondere zwischen dem Sicherheitsventil 10 und dem Ablassventil 12 ein weiteres Ventil befinden.
In Fig.2 ist ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Druckgasbehältervorrichtung 1 in einer räumlichen Ansicht gezeigt. Die Druckgasbehältervorrichtung 1 weist dabei mehrere Druckgasbehälter 2 auf, welche im Wesentlichen zylinderförmig ausgebildet ist. Die jeweiligen Enden 20, 21 des jeweiligen Druckgasbehälters 2 weisen eine konische Verjüngung 6 und somit eine typische Flaschenhalsstruktur auf. Dabei ist in Fig.2 gezeigt, dass das rahmenförmige Gehäuseelement 24, in das die Druckgasbehälter 2 eingebaut werden, eine Umfangswand 26 und eine Bodenwand 25 aufweist, wobei sich die Bodenwand 25 an der geodätisch tiefsten Stelle in der Druckgasbehältervorrichtung 1 und/oder im Fahrzeug befindet. Die Umfangswand 26 des rahmenförmigen Gehäuseelements 24 weist dabei eine Vorderwand 28, eine linke Wand 32, eine rechte Wand 34 und eine Rückwand 30 auf. Des Weiteren sind die Druckgasbehälter 2 vor der Montage als ein Druckgasbehältermodul, das aus mindestens zwei Druckgasbehältern 2 samt Ventilen 8, 10 und weiteren Bauteilen bestehen kann, vormontiert. Die Bodenwand 25 weist dabei mindestens eine Rippe 27, insbesondere mindestens eine Versteifungsrippe 27, auf, wobei die mindestens eine Rippe 27 parallel zur Längsachse 9 und/oder den Druckgasbehältern 2 und über zumindest nahezu die gesamte Länge der Bodenwand 25 verlaufen, insbesondere im Bereich eines Zwischenraums 14 zwischen den mindestens zwei Druckgasbehältern 2. Dabei steht die mindestens eine Rippe 27 mit mindestens zwei Druckgasbehältern 2 in Anlage, insbesondere zumindest nahezu orthogonal zur Längsachse 9, wobei auf diese Weise die Stabilität und die Crash-Sicherheit der erfindungsgemäßen Druckgasbehältervorrichtung 1 verbessert werden kann. Zudem kann derart eine Fixierung der einzelnen Röhren im Gehäuse und eine Positionierung zueinander erzielt werden.
Zudem ist in Fig.2 gezeigt, dass das rahmenförmige Gehäuseelement 24 auf der der Bodenwand 25 abgewandten Seite der Umfangswand 26 einen umlaufenden Absatz 15 aufweist, wobei der Absatz 15 parallel zur Bodenwand 25 verläuft und mindestens zwei Bohrungen 17 aufweist. Diese Bohrungen 17 verlaufen zumindest nahezu orthogonal zur Ebene der Bodenwand 25 und/oder der Ebene des Absatzes 15, wobei sich das rahmenförmige Gehäuseelement 24 mittels der Bohrungen 17 und beispielsweise Verschraubungen an dem Gesamtfahrzeug montieren lässt. Das rahmenförmige Gehäuseelement 24 umschließt dabei die Druckgasbehälter 2 und oder das Druckgasbehältermodul mit Anbauteilen zumindest nahezu vollständig und ist mittels eines Befestigungselements 3 mit den Druckgasbehältern 2 fest verbunden.
In den Fig.1 und Fig.2 ist in vereinfachter schematischer Ansicht eine unter Spannung stehende Spannvorrichtung 500 für das thermisch aktivierbare Ventil 10 dargestellt, welches in den nachfolgenden Figuren im Detail gezeigt ist.
Fig.3 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Spannvorrichtung 500 für das thermisch aktivierbare Ventil 10 der Druckgasbehältervorrichtung 1 in schematischer Ansicht. Die Spannvorrichtung 500 weist Zugelemente 37, zwei Gegenlagerelement 35, 36, eine Feder 40 und ein Hauptaktivierungselement 38 auf. Die Feder 40 kann in einer alternativen Ausführung auch als ein beliebiges Expansionselement ausgeführt sein, wie beispielsweise ein vorgespannter Dämpfer, vorzugsweise Kunststoff-Dämpfer.
Die Zugelemente 37 umfassen dabei beispielsweise Metalldrähte. In einer alternativen Ausführung können die Zugelemente 37 auch Kunststoff oder Kohlefaserverbund umfassen. Das Gegenlagerelement 36 kann an der Druckgasbehältervorrichtung 1 selbst oder an einer anderen Baukomponente, wie beispielsweise an einem Chassis eines Fahrzeugs, welche die Druckgasbehältervorrichtung 1 umfasst, ausgebildet sein. Die Feder 40 spannt dabei das Hauptaktivierungselement 38 vor, in dem die Feder 40 sich einerseits dem Hauptaktivierungselement 38 und andererseits an dem weiteren Gegenlagerelement 35 abstützt. Das weitere Gegenlagerelement 35 ist zum Beispiel an der Druckgasbehältervorrichtung 1 , beispielsweise an einem Gehäuse der Druckgasbehälter 2, oder ebenfalls an anderen Baukomponenten, wie dem Chassis eines Fahrzeugs, ausgebildet. Dabei ist das Haupaktivierungselement 38 zusammen mit der Feder 40 derart angeordnet, dass sie sich in unmittelbarer Nähe zu dem thermisch aktivierbaren Ventil 10 befinden.
Das heißt, beispielsweise bei einem Unfall und dadurch entstehenden mechanischen Belastungen auf die Druckgasbehältervorrichtung 1 oder bei einem Feuer und infolge des Feuers einwirkenden Hitze auf die Druckgasbehältervorrichtung 1 und bei Erreichen der maximalen Grenztemperatur der Druckgasbehältervorrichtung 1 beispielsweise in einem Bereich von 120 Grad Celsius reißen die Zugelemente 37 oder werden gar irreversibel zerstört, so dass die Spannung auf die gesamte Spannvorrichtung 500 nachlässt Infolgedessen bewegt sich das Hauptaktivierungselement 38 mittels einer Federkraft der Feder 40 in Richtung des thermisch aktivierbaren Ventils 10.
Das thermisch aktivierbare Ventil 10 weist ein Auslöseelement 41 auf, beispielsweise einen Glaskolben, welcher von dem Hauptaktivierungselement 38 mit dem Impuls der Federkraft getroffen wird und zerbricht. Dadurch wird eine Absteuerbohrung 42 in dem thermisch aktivierbaren Ventil 10 freigegeben, so dass das gasförmige Medium, Wasserstoff, aus dem jeweiligen Druckgasbehälter 2 beispielsweise in eine Umgebung abströmen kann und ein Bersten des Druckgasbehälters 2 verhindert wird.
Fig.4 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Spannvorrichtung 500 für das thermisch aktivierbare Ventil 10 der Druckgasbehältervorrichtung 1 in schematischer Ansicht. Aufbau und Funktionsweise des zweiten Ausführungsbeispiels entspricht im Wesentlichen dem des ersten. Sie unterscheiden sich lediglich dadurch, dass im zweiten Ausführungsbeispiel zusätzlich ein erstes Umlenkelement 43 und ein zweites Umlenkelement 44 angeordnet ist. Mittels dieser können die Zugelemente 37 ortsunabhängig in der Druckgasbehältervorrichtung 1 angeordnet sein und sorgen dennoch für die nötige Spannkraft der Spannvorrichtung 500. So können die Zugelemente 37 an allen möglichen Positionen in der Druckgasbehältervorrichtung 1 angeordnet werden und eine schnelle Reaktion auf mögliche mechanische Verspannungen oder Hitzeeinwirkungen werden schnellstmöglich wahrgenommen.
Fig.5 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Spannvorrichtung 500 für das thermisch aktivierbare Ventil 10 der Druckgasbehältervorrichtung 1 in schematischer Ansicht. Aufbau und Funktionsweise des dritten Ausführungsbeispiels entspricht im Wesentlichen dem des ersten. Hier weist die Spannvorrichtung 500 zusätzlich weitere Aktivierungselemente 46 mit weiteren Federelementen 45 auf. Die Aktivierungselemente 46 sind dabei mittels der Fe- derelemente 45 mit den Zugelementen 37 verbunden. Diese können ortsungebunden an der gesamten Druckgasbehältervorrichtung 1 und/oder an dem Chassis des Fahrzeugs angeordnet sein. Die Aktivierungselemente 46 sind über die Zugelemente 37 auch mit dem Hauptaktivierungselement 38 verbunden, das als einziges unmittelbar mit dem Auslöseelement 41 des thermisch aktivierbaren Ventils 10 verbunden ist. Tritt nun an einer Position der Aktivierungselemente 46 eine mechanische Verspannung auf oder es tritt eine Hitzeeinwirkung auf, so lösen diese ebenfalls aus und dieser Impuls wird an das Hauptaktivierungselement 38 weitergegeben, so dass dieses wie für das erste Ausführungsbeispiel auslöst und ein Bersten des Auslöseelements 41 des thermisch aktivierbaren Ventils 10 herbeiführt.
Die Zugelemente 37 sind hier parallel und senkrecht zu der Längsachse 2000 der Druckgasbehälter 2 angeordnet. So ist an der Druckgasbehältervorrichtung 1 ein Netz an Zugelementen 37 ausgebildet, welche eine vollflächige Abdeckung über solch eine Gitternetzstruktur für die Druckgasbehältervorrichtung 1 bilden. und Fig.6b zeigen ein viertes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Spannvorrichtung 500 für das thermisch aktivierbare Ventil 10 der Druckgasbehältervorrichtung 1 in schematischer Ansicht und in einer Seitenansicht. In diesem Ausführungsbeispiel ist der jeweilige Druckgasbehälter 2 von den Zugelementen 37 umwickelt und von diesen umgeben. Weiterhin ist ein Brückenelement 49 vorhanden, welches einerseits mit den Zugelementen 37 und andererseits mit dem mittels der Feder 40 unter Spannung stehenden Hauptaktivierungselement 38 unter Spannung verbunden ist. Im Falle eines Unfalls 39, wie beispielsweise durch Einwirken eines Feuers oder mechanischer Belastungen, kommt es infolgedessen zu einem Reißen der Zugelemente 37, wodurch sich das Brückenelement 49 in Richtung des Hauptaktivierungselements 38 bewegt. Durch diese Bewegung wird das Auslöseelement 41 des thermisch aktivierbaren Ventils 10 zerstört und ein Ablassen des gasförmigen Mediums, beispielsweise Wasserstoff, ist freigegeben. zeigt ein mögliches Ausführungsbeispiel eines Ausschnitts des thermisch aktivierbaren Ventils 10 der Druckgasbehältervorrichtung 1 in einer Schnittan- sicht. Der Ausschnitt zeigt in einem Innenraum des thermisch aktivierbaren Ventils 10 das Auslöseelement 41 , welches mit Hilfe einer Federkraft einer Feder 410 an einem Dichtsitz 501 anliegt. Der Dichtsitz 501 ist an einem Gehäuse 50 des thermisch aktivierbaren Ventils 10 ausgebildet. Das Hauptaktivierungselement 38 ist in diesem Ausführungsbeispiel direkt an dem Auslöseelement 41 und innerhalb des thermisch aktivierbaren Ventils 10 angeordnet. Mit Hilfe der Feder 40, welche sich ebenfalls an dem Gehäuse 50 des thermisch aktivierbaren Ventils 10 abstützt, wird das Hauptaktivierungselement 38 vorgespannt an das Auslöseelement 41 gedrückt. Im Falle der Zerstörung der Spannelemente 37 infolge eines Unfalls 39 drückt die Feder 40 und das Hauptaktivierungselement 38 das Auslöseelement 41 aus dem Dichtsitz 501 , wodurch ein Ablasskanal 502 freigegeben wird, aus dem das gasförmige Medium, Wasserstoff, aus den Druckgasbehältern 2 entweichen kann, beispielsweise in eine Umgebung.
In einer alternativen Ausführung wird das Auslöseelement 41 des thermisch aktivierbaren Ventils 10, beispielsweise ausgeführt als Glaskolben, von dem Hauptaktivierungselement 38 zerstört und gibt so den Ablasskanal 502 frei.
Fig.8 zeigt in vereinfachter schematischer Ansicht ein wasserstoffbetriebenes Fahrzeug 72, welches beispielsweise mit einer Brennstoffzellenanordnung 70 oder einem Wasserstoff-Verbrennungsmotorsystem 71 betrieben werden kann. Die Brennstoffzellenanordnung 70 bzw. das Wasserstoff-Verbrennungsmotorsystem 71 weist für die Bereitstellung von Wasserstoff die erfindungsgemäße Druckgasbehältervorrichtung 1 auf.

Claims

Ansprüche
1 . Thermisch aktivierbares Ventil (10) für eine Druckgasbehältervorrichtung (1) mit einer unter Spannung stehenden Spannvorrichtung (500) umfassend Zugelemente (37), mindestens zwei Gegenlagerelemente (35, 36), wenigstens eine Feder (40) und ein Hauptaktivierungselement (38), wobei ein Auslöseelement (41) des thermisch aktivierbaren Ventils (10) durch das Hauptaktivierungselement (38) über die Feder (40) auslösbar ist.
2. Thermisch aktivierbares Ventil (10) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass bei einer nachlassenden Spannung der Spannvorrichtung (500) das Hauptaktivierungselement (38) mittels einer Federkraft der Feder (40) in Richtung des Auslöseelements (41) des thermisch aktivierbaren Ventils (10) bewegbar ist.
3. Thermisch aktivierbares Ventil (10) nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Auslöseelement (41) durch das Hauptaktivierungselement (38) zerstörbar ist.
4. Thermisch aktivierbares Ventil (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannvorrichtung (500) ein erstes Umlenkelement (43) und/oder ein zweites Umlenkelement (44) aufweist.
5. Thermisch aktivierbares Ventil (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zugelemente (37) Metalldrähte oder Kunststoff oder Kohlefaserverbund umfassen.
6. Thermisch aktivierbares Ventil (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zugelemente (37) ab einer beliebig vordefinierten Temperatur im Bereich von beispielsweise 120 Grad Celsius reißbar und/oder zerstörbar, insbesondere irreversibel zerstörbar, sind.
7. Thermisch aktivierbares Ventil (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannvorrichtung (500) ein Brü- ckenelement (49) aufweist, welches Brückenelement (49) einerseits mit den Zugelementen (37) und andererseits zumindest mittelbar mit dem durch die Feder (40) unter Spannung stehenden Hauptaktivierungselement (38) verbunden ist.
8. Thermisch aktivierbares Ventil (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannvorrichtung (500) weitere Aktivierungselemente (46) mit weiteren Federelementen (45) aufweist, welche Aktivierungselemente (46) mittels der Federelemente (45) mit den Zugelementen (37) verbunden sind, wobei lediglich das Hauptaktivierungselement (38) unmittelbar mit dem Auslöseelement (41) des thermisch aktivierbaren Ventils (10) verbunden ist.
9. Thermisch aktivierbares Ventil (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Auslöseelement (41) ein Dichtelement (41) und eine weitere Feder (410) aufweist.
10. Druckgasbehältervorrichtung (1) mit einem thermisch aktivierbaren Ventil (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
11 . Druckgasbehältervorrichtung (1) nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckgasbehältervorrichtung (1) mehrere Druckgasbehälter (2) umfasst, wobei die Zugelemente (37) parallel und/oder senkrecht zu einer Längsachse (2000) der Druckgasbehälter (2) angeordnet sind.
12. Druckgasbehältervorrichtung (1) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Zugelemente (37) um die Druckgasbehältervorrichtung (1) herum angeordnet sind und die Druckgasbehältervorrichtung (1) von den Zugelementen (37) umwickelt ist.
13. Brennstoffzellenanordnung (70) mit einer Druckgasbehältervorrichtung (1) zur Speicherung von Wasserstoff für den Betrieb einer Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 10, 11 oder 12.
14. Wasserstoff-Verbrennungsmotorsystem (71) mit einer Druckgasbehältervorrichtung (1) zur Speicherung von verdichteten Fluiden nach einem der Ansprüche 10, 11 oder 12.
15. Wasserstoffbetriebenes Fahrzeug (72) mit einer Druckgasbehältervorrichtung (1) zur Speicherung von verdichteten Fluiden nach einem der Ansprüche 10, 11 oder 12.
PCT/EP2023/069423 2022-09-14 2023-07-13 Thermisch aktivierbares ventil für eine druckgasbehältervorrichtung, druckgasbehältervorrichtung, brennstoffzellenanordnung, wasserstoff-verbrennungsmotorsystem, wasserstoffbetriebenes fahrzeug WO2024056236A1 (de)

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