System zur Druckentlastung eines Druckbehälters

Die vorliegende Erfindung geht aus von einem System sowie einem Verfahren zur Druckentlastung eines Druckbehälters. Ferner umfasst die Erfindung ein Kraftfahrzeug, umfassend ein System zur Druckentlastung eines Druckbehälters.

Stand der Technik

Druckbehälter zur Aufnahme von Treibstoffen sind aus dem Stand der Technik bekannt und werden insbesondere in Kraftfahrzeugen eingesetzt. Vor allem bei Treibstoffen in Form von Gasen, wie beispielsweise Wasserstoff wird der Treibstoff hierbei unter hohen Drücken gelagert. Bei bekannten Wasserstoffanwendungen wird der Treibstoff beispielsweise mit Drücken von 350 - 700 bar gespeichert. Bei steigender Temperatur, insbesondere bei einem Fahrzeugbrand, steigt der Tankdruck dann weiter an und kann zu einem Bersten des Druckbehälters führen, was i.d.R. einen großen Schaden für die betreffende Umgebung bedeutet. Aus diesem Grund müssen insbesondere Druckbehälter für Treibstoffe mit hohen Dampfdrücken, wie Wasserstoff über entsprechende Druckablasseinrichtungen verfügen. Die aus dem Stand der Technik bekannten Druckablasseinrichtungen weisen hierbei jedoch insbesondere den Nachteil auf, dass diese mechanisch auslösen und hierbei von fraglicher Robustheit gegen Fehlauslösungen z.B. bei Erschütterungen sind, da diese Lösungen Elemente aus Glas beinhalten. Offenbarung der Erfindung

Gegenstand der Erfindung ist gemäß einem ersten Aspekt ein System mit den Merkmalen des unabhängigen Systemanspruchs sowie gemäß einem zweiten Aspekt ein Verfahren mit den Merkmalen des unabhängigen Verfahrensanspruchs. Weitere Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen System beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und jeweils umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird bzw. werden kann.

Das erfindungsgemäße System zur Druckentlastung eines Druckbehälters dient insbesondere der Möglichkeit einer Abführung eines unter Druck stehenden Treibstoffes bei Unterbrechung einer Spannungsversorgung. Hierbei ist der Vorteil des gegenständlichen Systems insbesondere darin zu sehen, dass durch dessen Anwendung auch ohne Spannungsversorgung ein unter Druck stehender Druckbehälter auf langsame und sichere Weise entleert werden kann, sodass eine Berstgefahr minimiert bzw. eliminiert werden kann.

Das erfindungsgemäße System zur Druckentlastung eines Druckbehälters umfasst hierbei einen Druckbehälter zur Aufnahme eines Treibstoffs, ein Sperrventil zur Absperrung eines Zugangs zwischen dem Druckbehälter und einer Verbraucherseite, ein erstes Sicherheitsventil zur Abführung des Treibstoffs aus dem Druckbehälter sowie ein zweites Sicherheitsventil zur Abführung des Treibstoffs aus dem Druckbehälter. Hierbei zeichnet sich das gegenständliche System dadurch aus, dass das erste Sicherheitsventil als ein stromlos geschlossenes Ventil und das zweite Sicherheitsventil zumindest oberhalb eines Schwellenwertes eines Drucks innerhalb des Druckbehälters als ein stufenlos geöffnetes Ventil gebildet ist.

Das erfindungsgemäße System zur Druckentlastung eines Druckbehälters kann insbesondere in brennstoffzellenbetriebenen Fahrzeugen eingesetzt werden, in denen Wasserstoff als Treibstoff verwendet wird. Ebenso ist das erfindungsgemäße System jedoch auch in verbrennungsmotorbetriebenen Fahrzeugen einsetzbar, in denen Gas und/oder Benzin als Treibstoff verwendet wird. Neben einer Anwendung in Personenkraftwagen oder Lastkraftwagen kann das erfindungsgemäße System hierbei auch in Schiffen oder Flugobjekten oder dergleichen einsetzbar sein. Unter einem stromlos geschlossenen Ventil wird im Rahmen der Erfindung, insbesondere ein aktiv zu öffnendes Ventil verstanden, das in einem Zustand, in dem das Ventil nicht mit Strom versorgt wird, automatisch geschlossen wird. Unter einem stromlos geöffneten Ventil wird hingegen insbesondere ein aktiv zu schließendes Ventil verstanden, das in einem Zustand, in dem das Ventil nicht mit Strom versorgt wird, zumindest oberhalb eines Schwellenwertes eines Drucks innerhalb des Druckbehälters automatisch geöffnet wird bzw. geöffnet bleibt. Der Schwellenwert des Drucks hängt hierbei insbesondere von der Art des Druckbehälters und des verwendeten Treibstoffs sowie der betreffenden Temperatur des Druckbehälters bzw. des Treibstoffs ab. So kann ein geeigneter Schwellenwert für Wasserstoff als Treibstoff beispielsweise zwischen 20 und 200 bar, vorzugsweise zwischen 50 und 100 bar, insbesondere bei 100 bar liegen. Vorzugsweise unterscheiden sich die beiden Sicherheitsventile hinsichtlich ihrer Durchflussrate bzw. Austrittsrate für Treibstoff, wobei insbesondere das zweite Sicherheitsventil eine deutlich geringere Durchflussrate bzw. Austrittsrate für Treibstoff aufweist, als das erste Sicherheitsventil. Vorteilhafterweise ist die Öffnung des zweiten Sicherheitsventils hierbei derart dimensioniert, dass die Austrittsrate des betreffenden Treibstoffs so gering ist, dass keine Gefährdung entsteht. Bei der Verwendung von Wasserstoff als Treibstoff kann die Öffnung des zweiten Sicherheitsventils insbesondere derart dimensioniert sein, dass eine Abführung des Wasserstoffs aus dem Tank in einem Zeitraum von einigen Stunden bis einigen Tagen erfolgt, bzw. der Tank in dieser Zeitspanne zumindest soweit geleert wird, dass der Tank auch in einem Brandfall sicher ist und vor einem Bersten geschützt ist.

Im Rahmen einer bei Stromversorgung sicheren Abführung eines Überdrucks kann erfindungsgemäß insbesondere vorgesehen sein, dass das erste Sicherheitsventil derart ausgebildet ist, dass es während einer Stromversorgung mit einer Mindestmenge an Strom öffenbar und verschließbar ist, wobei ein Öffnungsvorgang insbesondere über den Druck innerhalb des Druckbehälters steuerbar ist. Das stromlos geschlossene Ventil kann hierbei insbesondere derart ausgebildet sein, dass es geöffnet wird, wenn der Druck des Druckbehälters einen Schwellenwert überschreitet. Das stromlos geöffnete Ventil kann hingegen insbesondere derart ausgebildet sein, dass es unter Stromversorgung nicht öffenbar ist und während einer Mindestmenge an Stromversorgung vollständig geschlossen bleibt, insbesondere aktiv geschlossen wird.

Im Rahmen einer besonders kleinbauenden und kompakten Anordnung des erfindungsgemäßen Systems zur Druckentlastung eines Druckbehälters kann erfindungsgemäß vorteilhafterweise vorgesehen sein, dass das erste und zweite Sicherheitsventil in einer Baugruppe zusammengefasst ist, wobei die Baugruppe vorzugsweise zumindest teilweise innerhalb des Druckbehälters angeordnet ist.

Um auf konstruktiv einfach herstellbarer Weise auch in einem stromlosen Zustand eine kontrollierte Abführung eines Überdrucks zu gewährleisten, kann erfindungsgemäß zudem insbesondere vorgesehen sein, dass das zweite Sicherheitsventil einen Gasstrompfad zur kontrollierten Abführung von Treibstoff aufweist, wobei der Gasstrompfad vorzugsweise den Innenraum des Druckbehälters mit der Umgebung verbindet. Eine Einführung eines Gasstrompfades kann hierbei beispielsweise über eine Bohrung oder dergleichen erfolgen.

Im Rahmen einer konstruktiv einfach herstellbaren Ausführung einer besonders sicheren und kontrollierten Abführung eines Treibstoffes kann erfindungsgemäß ferner vorgesehen sein, dass der Gasstrompfad eine gezielt eingebrachte Engstelle zur Begrenzung eines Durchflusses aufweist, wobei die Engstelle derart ausgebildet ist, dass die Durchflussrate einen Wert von 6 cm ³ /h je I Tankvolumen nicht überschreitet. Der Durchfluss sollte hierbei insbesondere derart begrenzt werden, dass er bei einem maximal vorgesehenen Tankdruck von beispielsweise 700 bar sowie einer zusätzlichen temperaturbedingten Druckerhöhung im Falle eines Tankens eine gesetzlich festgelegte Abführrate von beispielsweise 6 Ncm ³ /hl nicht überschreitet.

Im Rahmen einer konstruktiv einfach herstellbaren Möglichkeit eines Verschließens des gegenständlichen Gasstrompfades bei einer Stromversorgung kann erfindungsgemäß insbesondere vorgesehen sein, dass das zweite Sicherheitsventil ein Schließelement aufweist, das derart ausgebildet und innerhalb des zweiten Sicherheitsventils angeordnet ist, dass es den Gasstrompfad des zweiten Sicherheitsventils bei Stromversorgung mit einer Mindestmenge an erforderlichem Strom aktiv verschließt. Hierbei kann das Schließelement beispielsweise selbst in Form eines vorzugsweise aktiv bestromten Ventils oder Ventilelementes ausgebildet sein, das beispielsweise direkt ohne Steuerung mit der Energieversorgung verbunden ist und den gegenständlichen Gasstrompfad bei Stromversorgung verschließt. Nur im Falle eines Ausfalls der Strom-, bzw. Energieversorgung bewegt sich das Ventil bzw. das Ventilelement in den stromlosen, offenen Zustand, sodass die erfindungsgemäß vorgesehene sichere und kontrollierte Abführung des Tankinhalts eingeleitet werden kann.

Um stets einen Restbestand an Treibstoff innerhalb des Treibstofftanks bzw. des Druckbehälters zu bewahren, sodass nach einem Wiederherstellen einer Stromversorgung ein direkter Weiterbetrieb eines über den gegenständlichen Treibstofftank angetriebenen Fahrzeugs ermöglicht wird, kann erfindungsgemäß insbesondere vorgesehen sein, dass das zweite Sicherheitsventil ein Federelement zum Ausüben einer Federkraft aufweist, wobei das Federelement vorzugsweise derart ausgebildet und innerhalb des zweiten Sicherheitsventils angeordnet ist, dass bei Unterschreiten eines Schwellenwertes eines Drucks innerhalb des Druckbehälters der Gasstrompfad auch im stromlosen Zustand verschließbar ist. Auf diese Weise ist gewährleistet, dass das zweite Ventil zumindest oberhalb eines Schwellenwertes eines Drucks innerhalb des Druckbehälters als ein stromlos geöffnetes Ventil gebildet ist. Das Federelement kann hierbei insbesondere an dem gegenständlichen Schließelement angeordnet sein. Hierbei kann eine Dimensionierung des Federelementes, insbesondere über eine Berücksichtigung einer anzunehmenden höchsten Temperatur bei einem Brand (beispielsweise 2000 K) und einer anzunehmenden tiefsten Umgebungstemperatur (von beispielsweise 250 K) sowie einem messbaren maximalen Tank-Auslegungsdruck (von beispielsweise 800 bar) erfolgen. Über eine Extrapolation des maximalen Tank-Auslegungsdrucks bei der höchsten anzunehmenden Temperatur auf einen maximalen Tank-Auslegungsdruck bei der tiefsten anzunehmenden Umgebungstemperatur kann dann der maximal erforderliche Druckabbau bestimmt werden (hier beispielsweise 100 bar bei 250 K). Eine Federkraft kann also beispielsweise derart eingestellt werden, dass das zweite Ventil bei einem Druck von weniger als 100 bar im Druckbehälter schließt und somit stets etwas Resttreibstoff innerhalb des Druckbehälters aufbewahrt wird.

Im Rahmen einer besonders sicheren und/oder schnellen Abführung von Treibstoff aus einem Druckbehälter kann erfindungsgemäß ferner vorgesehen sein, dass das erste und/oder zweite Sicherheitsventil mit einer Entlüftungsleitung zur sicheren Abführung eines Treibstoffes verbunden ist. Eine Entlüftungsleitung könnte im Rahmen einer Anordnung des erfindungsgemäßen Systems innerhalb eines Kraftfahrzeugs beispielsweise oben aus einem Fahrzeug, beispielsweise aus einem Fahrzeugdach herausgeführt werden. Alternativ oder kumulativ zu einer Entlüftungsleitung kann auch eine an der Austrittsstelle des ersten und/oder zweiten Sicherheitsventils angeordnete aktive Belüftungsquelle oder dergleichen zur sicheren Abführung eines Treibstoffs vorgesehen sein.

Alternativ oder kumulativ zu einer Entlüftungsleitung bzw. einer aktiven Belüftungsquelle ist es im Rahmen der Erfindung ebenfalls denkbar, dass eine katalytische Oberfläche zur kontrollierten chemischen Umsetzung mit dem abzuführenden Treibstoff vorgesehen ist. Eine geeignete katalytische Oberfläche kann hierbei beispielsweise innerhalb eines Leitungssystems zur Abführung des Treibstoffs oder beispielsweise erst nach einer Abführung des Treibstoffs aus einem Leitungssystem angeordnet sein. Im Rahmen einer besonders kostengünstigen Variante einer Integration einer katalytischen Oberfläche zur kontrollierten chemischen Umsetzung des abzuführen Treibstoffs kann erfindungsgemäß ebenso vorgesehen sein, dass ein Brennstoffzellen-Stack eines brennstoffzellenbetriebenen Fahrzeugs als katalytische Oberfläche fungiert.

Ebenfalls Gegenstand der Erfindung ist zudem ein Verfahren zur Ausführung einer Druckentlastung innerhalb eines Druckbehälters, insbesondere unter Verwendung eines voranstehend beschriebenen Systems. Hierbei umfasst das gegenständliche Verfahren die Schritte eines Erreichens eines stromlosen Zustandes, eines Schließens eines ersten Sicherheitsventils zur Abführung des Treibstoffs aus dem Druckbehälter infolge des Erreichens des stromlosen Zustands sowie eines Öffnens eines zweiten Sicherheitsventils zur Abführung des Treibstoffs aus dem Druckbehälter infolge des Erreichens des stromlosen Zustands. Hierbei zeichnet sich das gegenständliche Verfahren dadurch aus, dass der Treibstoff über das zweite Sicherheitsventil zumindest oberhalb eines Schwellenwertes eines Drucks innerhalb des Druckbehälters kontrolliert aus dem Druckbehälter abgeführt wird. Damit bringt das erfindungsgemäße Verfahren die gleichen Vorteile mit sich, wie sie bereits ausführlich in Bezug auf das erfindungsgemäße System zur Druckentlastung innerhalb eines Druckbehälters beschrieben worden sind.

Ebenfalls Gegenstand der Erfindung ist zudem ein Kraftfahrzeug, umfassend ein voranstehend beschriebenes System.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung im Einzelnen beschrieben sind. Dabei können die in den Ansprüchen und in der Beschreibung erwähnten Merkmale jeweils einzeln für sich oder in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein.

Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Systems zur Druckentlastung eines Druckbehälters gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel,

Fig. 2 eine schematische Darstellung eines Teilausschnitts des erfindungsgemäßen Systems zur Druckentlastung eines Druckbehälters gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel,

Fig. 3 eine schematische Darstellung der einzelnen Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Druckentlastung eines Druckbehälters. In den nachfolgenden Figuren werden für die gleichen technischen Merkmale auch von unterschiedlichen Ausführungsbeispielen die identischen Bezugszeichen verwendet.

Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Systems 2 zur Druckentlastung eines Druckbehälters 6 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel.

Hierbei umfasst das gegenständliche System 2 zur Druckentlastung eines Druckbehälters 6 einen Druckbehälter 6 zur Aufnahme eines Treibstoffs, ein Absperrventil 4 zur Absperrung eines Zugangs zwischen dem Druckbehälter 6 und einer Verbraucherseite 12, ein erstes Sicherheitsventil 8 zur Abführung des Treibstoffs aus dem Druckbehälter 6 sowie ein zweites Sicherheitsventil 14 zur Abführung des Treibstoffs aus dem Druckbehälter 6. Das gegenständliche System 2 zeichnet sich hierbei dadurch aus, dass das erste Sicherheitsventil 8 als ein stromlos geschlossenes Ventil und das zweite Sicherheitsventil 14 zumindest oberhalb eines Schwellenwertes eines Druckes innerhalb des Druckbehälters 6 als ein stromlos geöffnetes Ventil gebildet ist. Zur Regulierung eines verbraucherseitigen Drucks ist ferner eine nach dem Absperrventil angeordnete Feinregulierungseinrichtung 10 vorgesehen. Ebenso kann es im Rahmen der Erfindung vorgesehen sein, die Elemente 8 und 14 abzweigend von der Strecke zwischen den Elementen 6 und 4 anzuordnen, so dass die komplette Ventiltechnik nur auf einer Seite des Tanks angeordnet ist.

Das erste Sicherheitsventil 8 ist vorliegend derart ausgebildet, dass es während einer Stromversorgung mit einer Mindestmenge an Strom öffenbar und verschließbar ist, wobei ein Öffnungsvorgang insbesondere über den Druck innerhalb des Druckbehälters 6 steuerbar ist.

Das zweite Sicherheitsventil 14 besitzt hierbei vorzugsweise eine deutlich geringere Durchflussrate bzw. Austrittsrate für den Treibstoff, als das erste Sicherheitsventil 8. Hierbei besitzt das zweite Sicherheitsventil 14 einen vorliegend nicht dargestellten Gasstrompfad zur kontrollierten Abführung von Treibstoff, der vorzugsweise den Innenraum des Druckbehälters 6 mit der Umgebung verbindet und eine gezielt eingebrachte Engstelle zur Begrenzung eines Durchflusses aufweist, die vorzugsweise derart ausgebildet ist, dass die Durchflussrate einen Wert von 6 Ncm ³ /hl nicht überschreitet.

Ferner weist das zweite Sicherheitsventil 14 ein vorliegend ebenfalls nicht explizit dargestelltes Schließelement auf, das vorzugsweise derart ausgebildet und innerhalb des zweiten Sicherheitsventils 14 angeordnet ist, dass es den Gasstrompfad des zweiten Sicherheitsventils 14 bei Stromversorgung mit einer Mindestmenge an erforderlichen Strom aktiv verschließt.

Zusätzlich weist das zweite Sicherheitsventil 14 ein hier nicht gezeigtes Federelement zum Ausüben einer Federkraft auf, das vorzugsweise derart ausgebildet und innerhalb des zweiten Sicherheitsventils 14 angeordnet ist, dass bei Unterschreiten eines Schwellenwertes eines Drucks innerhalb des Druckbehälters 14 der Gasstrompfad auch im stromlosen Zustand verschließbar ist und somit stets ein Restbestand an Treibstoff innerhalb des Treibstofftanks 6 bewahrt werden kann. Auf diese Weise ist nach einem Wiederherstellen einer Stromversorgung ein direkter Weiterbetrieb eines über den gegenständlichen Treibstofftank 6 angetriebenen Fahrzeugs möglich.

Zur sicheren Abführung eines Treibstoffes ist es erfindungsgemäß ferner denkbar, dass das erste und/oder zweite Sicherheitsventil 8, 14 mit einer Entlüftungsleitung verbunden ist, die beispielsweise zusätzlich eine katalytische Oberfläche zur kontrollierten chemischen Umsetzung des abzuführenden Treibstoffs aufweisen kann, sodass dieser ohne Gefahr an die Umgebung abgegeben werden kann.

Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung eines Teilausschnitts des erfindungsgemäßen Systems 2 zur Druckentlastung eines Druckbehälters 6 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel. Gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel ist das erste und zweite Sicherheitsventil 8, 14 in Form einer einzigen Baugruppe 16 zusammengefasst, wobei die Baugruppe 16 vorliegend zumindest teilweise innerhalb des Druckbehälters 6 angeordnet ist.

In dem vorliegenden Teilausschnitt ist vorliegend nur die Baugruppe 16 dargestellt, die neben dem ersten und zweiten Sicherheitsventil 8 und 14 noch einen Temperatursensor 22, einen Drucksensor 18 sowie ein elektrisches Anschlusselement 20 aufweist.

Fig. 3 zeigt eine schematische Darstellung der einzelnen Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Druckentlastung des Druckbehälters 6.

Hierbei umfasst das gegenständliche Verfahren zur Ausführung einer Druckentlastung innerhalb eines Druckbehälters 6 die Schritte eines Erreichens 30 eines stromlosen Zustandes, eines Schließens 32 eines ersten Sicherheitsventils 8 zur Abführung des Treibstoffs aus dem Druckbehälter 6 infolge des Erreichens 30 des stromlosen Zustandes sowie eines Öffnens 34 eines zweiten Sicherheitsventils 14 zur Abführung des Treibstoffs aus dem Druckbehälter 6 infolge des Erreichens 30 des stromlosen Zustands. Das gegenständliche Verfahren zeichnet sich hierbei dadurch aus, dass der Treibstoff über das zweite Sicherheitsventil 14 zumindest oberhalb eines Schwellenwertes eines Drucks innerhalb des Druckbehälters 6 kontrolliert aus dem Druckbehälter abgeführt wird.

Mittels des gegenständlichen Systems 2 bzw. des gegenständlichen Verfahrens ist es insbesondere möglich, einen Treibstoff aus einem unter Druck stehenden Druckbehälter 6 in einer Notfallsituation auch bei Unterbrechung einer Spannungsversorgung auf langsame und sichere Weise abzuführen und somit die Gefahr eines Berstens des betreffenden Druckbehälters 6 zu minimieren bzw. zu eliminieren.