Vorrichtung zur Speicherung eines gasförmigen Mediums

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Speicherung eines gasförmigen Mediums, beispielsweise Wasserstoff oder Erdgas. Bei der Verwendung mit Wasserstoff dient die Vorrichtung zur Anwendung in Fahrzeugen mit Brennstoffzellenantrieb oder in Fahrzeugen mit einem Wasserstoff-Verbrenner als Antrieb.

Stand der Technik

In mobilen Anwendungen werden Druckgase üblicherweise in einem einzigen Druckgastank oder in mehreren Druckgasbehältern bzw. Druckgasflaschen bevorratet. Aus Sicherheitsgründen muss zu jedem Zeitpunkt die Dichtheit des Tanks bzw. der Flaschen gewährleistet sein. Zum sicheren Verschließen von Druckgasbehältern werden daher Sicherheitsmagnetventile eingesetzt, die im stromlosen Zustand geschlossen sind, so dass ein Gasaustritt selbst im Fehlerfall sicher vermieden wird.

Aus der Offenlegungsschrift DE 10 2017 004 451 Al ist eine Speichereinrichtung für Druckgas mit mehreren Druckgasbehältern bekannt, die jeweils über ein Tankventil und ein Leitungselement an ein gemeinsames Sammelvolumen angeschlossen sind. Das Sammelvolumen, das auch als „Rail“ bezeichnet werden kann, reduziert den Verrohrungsaufwand.

Im Falle extremer mechanischer Belastungen auf die Speichereinrichtung, beispielsweise aufgrund eines Unfalls, muss jedoch aufgrund sicherheitsrelevanter Anforderungen ein sicherer Umgang mit dem gasförmigen Medium gewährleistet werden. Das heißt, das gasförmige Medium darf nicht unkontrolliert aus der Speichereinrichtung beispielsweise in eine Umgebung abgegeben werden. Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäße Vorrichtung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 weist demgegenüber den Vorteil auf, dass eine konstruktive einfache und kostensparende Vorrichtung zur Speicherung eines gasförmigen Mediums zur Verfügung gestellt wird, welche in einem Schadensfall einem unkontrollierten Abströmen des gasförmigen Mediums aus der Vorrichtung vorbeugt.

Dazu weist die Vorrichtung zur Speicherung eines gasförmigen Mediums, beispielsweise Wasserstoff oder Erdgas, eine Speicherleitung auf, an welche Speicherleitung mindestens ein Tankbehälter angeschlossen ist. Weiterhin weist die Speicherleitung eine Anformung auf, welche Anformung in einen Halsbereich des mindestens einen Tankbehälters hineinragt, so dass die Anformung und der mindestens eine Tankbehälter miteinander formschlüssig und/oder kraftschlüssig und/oder stoffschlüssig verbunden sind. In dem Halsbereich ist ein Ventilblockelement angeordnet. Darüber hinaus weist die Anformung der Speicherleitung eine definierte Sollbruchstelle auf.

Auf diese Weise kann sichergestellt werden, dass im Falle einer überkritischen mechanischen Belastung der Vorrichtung, beispielsweise bei einem Unfall, ein unkontrolliertes Abströmen des gasförmigen Mediums aus der Vorrichtung beispielsweise in eine Umgebung verhindert wird. Denn das Ventilblockelement reduziert bzw. unterbindet bei zu hohen Strömungsgeschwindigkeiten (Mengenforderungen) des gasförmigen Mediums den Mengenfluss und schließt, so dass kein gasförmiges Medium mehr aus den Tankbehältern strömen kann.

In erster vorteilhafter Weiterbildung ist es vorgesehen, dass die definierte Sollbruchstelle als eine sich verengende Stelle an einer Anformung der Speicherleitung ausgebildet ist. So kann in konstruktiv einfacher Weise sichergestellt werden, dass der Tankbehälter an der Sollbruchstelle von der Speicherleitung erst kurz vor dem Loslösen bzw. Herausreißen des Tankbehälters bricht und so der Verband zwischen dem Tankbehälter und der Speicherleitung so lange wie möglich stabil beieinander gehalten wird. In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist es vorteilhaft vorgesehen, dass über das Ventilblockelement ein Innenraum des mindestens einen Tankbehälters mit der Speicherleitung fluidisch verbindbar ist. So kann in konstruktiv einfacher Weise ein optimierter fluidischer Verbund zwischen der Speicherleitung und den Tankbehältern hergestellt werden.

In vorteilhafter Weiterbildung ist es vorgesehen, dass das Ventilblockelement als Mengenbegrenzungsventil mit mindestens einem Temperatursensor und/oder mindestens einem Druckmesssensor ausgebildet ist. So kann in einfacher Weise ein Entnehmen und Befüllen von gasförmigem Medium aus und in den jeweiligen Tankbehälter begünstigt werden.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist es vorteilhaft vorgesehen, dass in der Speicherleitung ein Absperrventilelement angeordnet ist, über welches Absperrventilelement gasförmiges Medium aus dem mindestens einen Tankbehälter in Richtung eines Verbrauchersystems, beispielsweise eines Brennstoffzellensystems, zuführbar ist.

In vorteilhafter Weiterbildung ist es vorgesehen, dass in der Speicherleitung ein Anschlusselement angeordnet ist, über welches Anschlusselement der mindestens eine Tankbehälter mit gasförmigem Medium vorzugsweise über eine Tankstelle befüllbar ist.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist es vorteilhaft vorgesehen, dass an einem der Speicherleitung gegenüberliegendes Ende des mindestens einen Tankbehälters ein temperatursensitives Sicherungsventil angeordnet ist. So kann bei starken Hitzeeinwirkungen auf die Vorrichtung, beispielsweise bei einem Feuer, ein sicheres Ableiten des gasförmigen Mediums aus dem Gefahrenbereich gewährleistet werden. Die beschriebene Vorrichtung eignet sich vorzugsweise in einem Brennstoffzellensystem zur Speicherung von Wasserstoff für den Betrieb einer Brennstoffzelle.

Die beschriebene Vorrichtung zur Speicherung von Wasserstoff für den Betrieb einer Brennstoffzelle eignet sich weiterhin vorteilhaft in einem brennstoffzellenbetriebenen Fahrzeug.

Die beschriebene Vorrichtung zur Speicherung von Wasserstoff eignet sich weiterhin vorteilhaft in einem wasserstoffbetriebenen Fahrzeug, d.h. in einem Fahrzeug mit einem Wasserstoff-Verbrenner als Antrieb.

Zeichnungen

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Speicherung eines gasförmigen Mediums, insbesondere Wasserstoff oder Erdgas, dargestellt. Es zeigt in

Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Speicherung eines gasförmigen Mediums in vereinfachter schematischer Ansicht,

Fig. 2 ein vergrößerter Ausschnitt aus Fig. 1 im Bereich einer Speicherleitung und Tankbehälter im Längsschnitt,

Fig. 3 ein weiterer vergrößerter Ausschnitt aus Fig. 1 im Bereich einer Speicherleitung und Tankbehälter im Längsschnitt,

Fig. 4 ein Fahrzeug mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Speicherung eines gasförmigen Mediums in vereinfachter schematischer Ansicht. Beschreibung des Ausführungsbeispiels

Fig.l zeigt ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 zur Speicherung eines gasförmigen Mediums, beispielsweise Wasserstoff oder Erdgas, in vereinfachter schematischer Ansicht.

Die Vorrichtung 1 weist eine Speicherleitung 20 und mehrere Tankbehälter 6 mit einer Längsachse 30 auf. Die Speicherleitung 20 weist ein Speicherleitungsgehäuse 2 auf, in dem ein Speicherkanal 200 ausgebildet ist. In dem Speicherkanal 200 ist ein Absperrventilelement 72 angeordnet.

Über das Absperrventilelement 72 ist der Speicherkanal 200 fluidisch mit einem Verbrauchersystem 70 wie beispielsweise einem Anodenbereich einer Brennstoffzelle in einem Brennstoffzellensystem 73, verbunden. Das in den Tankbehältern 6 gespeicherte gasförmige Medium, beispielsweise Wasserstoff, verteilt das gasförmige Medium über den Speicherkanal 200 in das jeweilige Verbrauchersystem 70 und stellt diesem das gasförmige Medium zur Verfügung.

Im Falle einer Betankung der Tankbehälter 6 wird der Speicherkanal 200 über ein Anschlusselement 201 in dem Speicherkanal 200 mit einer Tankstelle 71 verbunden und stellt so das nötige gasförmige Medium zur Verfügung.

Die Speicherleitung 20 weist weiterhin, wie in Fig.2 gezeigt, jeweils eine Anformung 11 auf, die jeweils in einen Halsbereich 50 des jeweiligen Tankbehälters 6 hineinragt und in diesem aufgenommen ist. Die Anformung 11 und der Tankbehälter 6 sind auf diese Weise miteinander formschlüssig und/oder kraftschlüssig und/oder stoffschlüssig verbunden. Weiterhin sind in der Speicherleitung 20 manuelle Absperrschrauben 8 angeordnet, welche zumindest teilweise in den Speicherkanal 200 hineinragen. In der Anformung 11 innerhalb des Halsbereichs 50 der Tankbehälter 6 ist ein Ventilblockelement 5 angeordnet, welcher einen mit dem Speicherkanal 200 der Speicherleitung 20 verbundenen Innenraum 9 aufweist. So kann über das Ventilblockelement 5 ein Innenraum 60 der Tankbehälter 6 mit der Speicherleitung 20 fluidisch verbunden werden. Dabei ragt die jeweilige Absperrschraube 8 ebenfalls in den Innenraum 9 des jeweiligen Ventilblockelements 5 und kann so eine Strömung des gasförmigen Mediums in dem Speicherkanal 200 und dem Innenraum 9 des jeweiligen Ventilblockelements 5 steuern.

Die Tankbehälter 6 weisen an einem dem Halsbereich 50 gegenüberliegenden Ende ein Temperaturbegrenzungsventil 80 auf. Dabei handelt es sich bei dem Temperaturbegrenzungsventil 80 um ein thermisch aktivierbares Ventil (Englisch, Thermal pressure relief device (TP RD)), um bei Hitzeeinwirkungen, beispielsweise ausgelöst durch ein Feuer, ein sicheres Ableiten des gasförmigen Mediums aus dem Innenraum 60 jedes Tankbehälters 6 zu gewährleisten. Zusätzlich kann auch ein Druckaufnehmer und/oder ein Druckbegrenzungsventil eingesetzt werden.

Fig.2 und Fig.3 zeigen außerdem einen vergrößerten Ausschnitt aus Fig.l im Bereich der Speicherleitung 20 und eines der Tankbehälter 6 im Längsschnitt.

Das Ventilblockelement 5 ist hier als Mengenbegrenzungsventil mit einem Ventilkolben 15 ausgeführt und weist außerdem mehrere Temperatursensoren 110 und Druckmesssensoren 111 auf. Der Ventilkolben weist außerdem einen Ventilsitz 150 auf.

Weiterhin weist das Ventilblockelement 5 eine Filtereinheit 12 mit einem ersten Filteraufnahmeelement 120 und einem zweiten Filteraufnahmeelement 121 auf, einen metallischen Schmelzring 13 und ein Sicherungsschraubenelement 17 auf. Zwischen dem Sicherungsschraubenelement 17 und dem zweiten Filteraufnahmeelement 121 ist ein Federelement 16 angeordnet, welches den Ventilkolben 15 mit einer Kraft in Richtung des Sicherungsschraubenelements 17 beaufschlagt. Das Federelement 16 ist in einem Durchgangskanal 14 der Filtereinheit 12 zum Durchströmen des gasförmigen Mediums durch das Ventilblockelement 5 angeordnet. Dabei ist der Durchgangskanal 14 mit dem Innenraum 9 des Ventilblockelements 5 und über den sich bewegenden Ventilkolben 15 mit dem Innenraum 60 des Tankbehälters 6 fluidisch verbunden.

Das als Mengenbegrenzungsventil (Englisch, Excess Flow Valve) ausgebildete Ventilblockelement 5 wird durch den Massenstrom des ausströmenden gasförmigen Mediums aus dem Tankbehälter 6 entgegen der Kraft des Federelements 16, in den Ventilsitz 150 gedrückt, so dass ein unkontrolliertes Ausströmen des gasförmigen Mediums aus dem jeweiligen Tankbehälter 6 unterbunden wird. Nimmt die Strömungsgeschwindigkeit des gasförmigen Mediums ab, öffnet das Ventilblockelement 5 mittels der Kraft des Federelements 16 und gibt den Querschnitt wieder frei und gasförmiges Medium kann aus dem Innenraum 60 des Tankbehälters 6 über den Durchgangskanal 14 und den Innenraum 9 des Ventilblockelements 5 in Richtung des Speicherkanals 200 strömen.

Das als Mengenbegrenzungsventil (Englisch, Excess Flow Valve) ausgebildete Ventilblockelement 5 muss so ausgelegt sein, dass es bei maximalem Volumenstrombedarf des Verbrauchersystems 70, beispielsweise des Brennstoffzellensystems 73, in einer geöffneten Position verweilt und so gasförmiges Medium aus dem Innenraum 60 des Tankbehälters 6 in Richtung des Speicherkanals 200 strömen kann.

Darüber hinaus ist an der jeweiligen Anformung 11 jeweils eine definierte Sollbruchstelle 10 in Form einer sich verjüngenden Stelle 100 ausgebildet. Bei der definierten Sollbruchstelle 10 handelt es sich daher um eine materialverjüngende Konstruktion an der Stelle 100, die bei einer überkritischen Belastung vorhersagbar bricht.

So kann im Falle eines überkritischen Belastungsfalls, beispielsweise im Falle eines Unfalls sichergestellt werden, dass die Anformung 11 an der definierten Sollbruchstelle 10 bricht und so das gasförmige Medium in den Tankbehältern 6 eingeschlossen wird und so kein gasförmiges Medium aus den Tankbehältern 6 strömen kann bzw. ein unkontrolliertes Austreten des gasförmigen Mediums aus den Tankbehältern 6 verhindert werden kann. Dies ist insbesondere bei einem Bruch der Speicherleitung 20 von Vorteil und sicherheitsrelevant.

Weiterhin weist das Ventilblockelement 5 für den Fall von Druckschwankungen eine Leckageöffnung 86 auf, um eine Öffnung zu gewährleisten.

Die Vorrichtung 1 zur Speicherung eines gasförmigen Mediums kann neben brennstoffzellenbetriebenen Fahrzeugen 90 beispielsweise auch zur Wasserstoff-Speicherung in Fahrzeugen 91 mit einem Wasserstoff-Verbrenner als An- trieb verwendet werden, wie in Fig.4 gezeigt. Hierbei ist die Vorrichtung 1 zur Speicherung eines gasförmigen Mediums parallel zu einer Längsachse 900 des Fahrzeugs 90, 91 angeordnet.

Ebenfalls kann die Vorrichtung 1 zur Speicherung eines gasförmigen Mediums in Erdgas-basierten Fahrzeugen zur Speicherung von Erdgas Anwendung finden.