Titel

Tankvorrichtung zur Speicherung eines gasförmigen Mediums

Die Erfindung betrifft eine Tankvorrichtung mit einem Tank und einer Ventilvor richtung für einen Brennstoffzellentank, insbesondere zur Speicherung von Was serstoff, beispielsweise zur Anwendung in Fahrzeugen mit Brennstoffzellenan trieb.

Stand der Technik

Die nicht vorveröffentlichte DE 102018209 057 Al beschreibt eine Tankvorrich tung zur Temperaturdruckentlastung eines Brennstoffzellentanks, wobei die Tankvorrichtung Tankbehälter mit verschiedenen Ventilen, wie beispielsweise ei nem Absperrventil, umfasst, welche eine ordentliche Funktionsweise beispiels weise eines Brennstoffzellensystems gewährleisten.

Die Sicherheitsvorrichtungen für solch eine Tankvorrichtung sind normiert. Dabei muss jede Tankvorrichtung solch ein Absperrventil aufweisen. So kann das Ab sperrventil bei einer Beschädigung der Tankvorrichtung hervorgerufen durch ei nen Unfall des Fahrzeugs mit Brennstoffzellenantrieb oder bei einem Bruch einer Leitung der Tankvorrichtung die Tankbehälter verschließen, so dass kein Gas aus der Speichereinheit austreten kann.

Diese Absperrventile müssen große Durchflussquerschnitte öffnen, um auch bei niedrigen Tankdrücken den erforderlichen maximalen Massenstrom darstellen zu können. Dafür müssen entweder große magnetische Kräfte aufgebracht werden oder es wird ein Druckausgleich vor und hinter dem Absperrventil erzielt, indem zuerst ein kleiner Querschnitt geöffnet wird, um so die Leitung zwischen dem Ab- Sperrventil und beispielsweise einem Anodenbereich einer Brennstoffzellenano rdnung mit Wasserstoff zu füllen und so nahezu Tankdruck zu erreichen. Mit der geringeren Druckdifferenz zwischen dem Tank und der Leitung sinkt die erforder liche Öffnungskraft für die Öffnung des Durchflussquerschnitts.

Die Leitung nach dem Absperrventil mit Wasserstoff zu füllen, um den entspre chenden Druck herzustellen, erfordert jedoch einen gewissen Zeitverzug zwi schen dem Öffnen der beiden Durchflussquerschnitte. Dies kann je nach Volu men in der Leitung zu einer merklichen Verzögerung führen, bis der maximale Wasserstoffmassenstrom der Brennstoffzelle zur Verfügung gestellt werden kann.

Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäße Tankvorrichtung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 weist demgegenüber den Vorteil auf, dass in konstruktiv einfa cher Weise die Tankvorrichtung effizient und schnell geöffnet werden kann, um gasförmiges Medium, beispielsweise Wasserstoff für eine Brennstoffzelle, bereit zustellen.

Dazu weist die Tankvorrichtung zur Speicherung eines gasförmigen Mediums, insbesondere Wasserstoff, mindestens einen Tank und eine Ventilvorrichtung auf, welche Ventilvorrichtung ein Ventilgehäuse aufweist. In dem Ventilgehäuse sind ein hubbeweglicher Magnetanker, ein Servokolben und ein Folgekolben an geordnet, wobei der Magnetanker und der Servokolben fest miteinander verbun den sind und der Magnetanker und der Folgekolben miteinander wirkverbunden sind. Weiterhin ist in dem Ventilgehäuse ein Steuerraum ausgebildet, welcher Steuerraum mittels einer Drossel mit dem Tank fluidisch verbunden ist. Der Ser vokolben wirkt zum Öffnen oder Schließen einer mit einem Anodenkanal verbun denen Kanalöffnung mit einem an dem Folgekolben ausgebildeten Servoventil- sitz zusammen und der Folgekolben wirkt zum Öffnen oder Schließen einer Ver bindung zwischen dem Tank und dem Anodenkanal mit einem Hauptventilsitz zu sammen. Außerdem sind die Kanalöffnung und der Anodenkanal zylinderförmig ausgebildet und ein Durchmesser d der Kanalöffnung ist kleiner als ein Durch messer D des Anodenkanals. Auf diese Weise kann der Zeitverzug bis zum Darstellen des maximalen Massen stroms minimiert werden. Hierzu wird ebenfalls die Leitung zwischen der Ventil vorrichtung und dem Anodenbereich mit Wasserstoff befüllt und auf Druck ge bracht und weiterhin der Druck in einem Steuerraum abgesenkt. Aufgrund des kleinen Volumens des Steuerraums kann dies in kurzer Zeit erfolgen, so dass in effizienter Weise zeitnah der große Querschnitt geöffnet werden kann und der maximale Massenstrom dargestellt wird.

In erster vorteilhafter Weiterbildung ist es vorgesehen, dass die Kanalöffnung in dem Folgekolben ausgebildet ist und die Kanalöffnung in den Anodenkanal mün det. So wird konstruktiv in einfacher Weise eine kompakte Ventilvorrichtung er zielt.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist es vorteilhaft vorgesehen, dass eine Schließfeder vorhanden ist, welche Schließfeder den Magnetanker zusammen mit dem Servokolben an den Servoventilsitz drückt und der Servokolben dadurch an dem Servoventilsitz anliegt. So kann in konstruktiv einfacher Weise eine Wirk verbundenheit zwischen dem Magnetanker und dem Servokolben hergestellt werden.

In vorteilhafter Weiterbildung ist es vorgesehen, dass die Drossel als eine Veren gung einer Verbindungsleitung, welche Verbindungsleitung in einen Tankkanal des Tanks mündet, ausgebildet ist. So kann in konstruktiv einfacher Weise die Strömung aus dem Tank in Richtung des Steuerraums gedrosselt werden.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist es vorteilhaft vorgesehen, dass der Hauptventilsitz an einem Hubeinstellelement ausgebildet ist, wobei das Hubein stellelement zwischen dem Folgekolben und dem Ventilgehäuse angeordnet ist. Vorteilhafterweise ist zwischen dem Folgekolben und dem Hubeinstellelement eine Feder angeordnet, welche Feder den Folgekolben mit einer Kraft in Rich tung des Servokolbens beaufschlagt. So ist in einfacher Weise eine Wirkverbun denheit zwischen dem Servokolben und dem Folgekolben herstellbar. In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist es vorteilhaft vorgesehen, dass der Servokolben eine mittige Kolbenöffnung aufweist, welche Kolbenöffnung in eine Querbohrung übergeht und über diese in einen Steuerraum mündet. In vorteilhaf ter Weise weist der Magnetanker eine mittige Ankeröffnung auf, welche Ankeröff nung in die Kolbenöffnung des Servokolbens mündet. So kann das gasförmige Medium die Ventilvorrichtung in einfacher Weise durchströmen.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist es vorteilhaft vorgesehen, dass der Magnetanker mittels einer Magnetspule hubbewegbar ist. So ist die Bewegung des Magnetankers aktiv steuerbar.

Die beschriebene Tankvorrichtung zur Speicherung von verdichteten Fluiden eig net sich vorzugsweise in einer Brennstoffzellenanordnung zur Speicherung von Wasserstoff für den Betrieb einer Brennstoffzelle.

Die beschriebene Tankvorrichtung zur Speicherung von verdichteten Fluiden eig net sich vorzugsweise in einem Fahrzeug mit einem Antrieb mit gasförmigen Kraftstoffen.

Zeichnungen

In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele einer erfindungsgemäßen Tankvor richtung zur Speicherung eines gasförmigen Mediums, insbesondere Wasser stoff, dargestellt. Es zeigt in:

Fig. ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Tankvorrichtung mit einem Tank und einer Ventilvorrichtung im Längsschnitt.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

Fig. zeigt ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Tankvorrichtung 1 beispielsweise zur Anwendung in Fahrzeugen mit Brennstoffzellenantrieb im Querschnitt. Die Tankvorrichtung 1 weist einen Tank 14 und eine Ventilvorrichtung 100 auf. Die Ventilvorrichtung 100 weist dabei ein mehrteiliges Ventilgehäuse 101 auf, in dem ein hubbeweglicher Magnetanker 12, ein hubbeweglicher Servokolben 11 und ein hubbeweglicher Folgekolben 10 angeordnet sind.

Weiterhin umfasst das Ventilgehäuse 101 ein Spulengehäuse 102, in dem eine Magnetspule 3 angeordnet ist, wodurch die Hubbewegung des Magnetankers 12 aktiv gesteuert werden kann.

Der Magnetanker 12 weist eine mittige zylinderförmige Ankeröffnung 16 auf, in der eine Schließfeder 4 angeordnet ist, wobei die Schließfeder 4 den Magnetan ker 12 mit einer Kraft in Richtung des Folgekolbens 10 beaufschlagt, wobei der Magnetanker 12 mit dem Servokolben 11 fest verbunden ist, beispielsweise als einteilige Baukomponente ausgeführt, verschweißt oder verpresst. An einem Ende der Ankeröffnung 16 in Richtung des Servokolbens 11 weist die Ankeröff nung 16 einen geringeren Durchmesser als an jeder anderen Stelle auf. Die Schließfeder 4 stützt sich dabei an einem Stützelement 2 in dem Ventilgehäuse 101 ab, wobei das Stützelement 2 in einem Ankerraum 21 angeordnet ist.

Der Servokolben 11 weist eine mittige zylinderförmige Kolbenöffnung 13 auf, die in eine Querbohrung 22 übergeht und über diese in einen Steuerraum 5 mündet. Der Steuerraum 5 umgibt dabei den Servokolben 11 und wird durch den Magnet anker 12 und den Folgekolben 10 begrenzt.

Der Folgekolben 10 weist eine mittige zylinderförmige Kanalöffnung 19 auf, wel che mit einem zylinderförmigen Anodenkanal 17 verbunden ist. Der Anodenkanal 17 führt gasförmiges Medium, beispielsweise Wasserstoff, in Richtung eines Anodenbereichs 15 einer Brennstoffzelle. Dabei ist der Durchmesser d der Ka nalöffnung 19 kleiner als der Durchmesser D des Anodenkanals 17.

Weiterhin ist in dem Ventilgehäuse 101 ein Hubeinstellelement 9 angeordnet, welches zusammen mit dem Folgekolben 10 einen Federraum 25 begrenzt, in dem eine Feder 20 angeordnet ist. Diese Feder 20 stützt sich einerseits an dem Hubeinstellelement 9 und andererseits an dem Folgekolben 10 ab und drückt diesen so gegen den Servokolben 11, so dass der Folgekolben 10 mit dem Ser- vokolben 11 wirkverbunden ist.

Der Steuerraum 5 ist über eine Drossel 6 mit einer Verbindungsleitung 24 ver bunden, welche in einen Tankkanal 23 des Tanks 14 mündet. Die Drossel 6 ist dabei als eine Verengung der Verbindungsleitung 24 ausgebildet.

Der Tankkanal 23 mündet in den Federraum 25, welcher so ebenfalls mit der Verbindungsleitung 24 fluidisch verbunden ist.

An dem Folgekolben 10 ist ein Servoventilsitz 7 ausgebildet, welcher zum Öffnen oder Schließen der Kanalöffnung 19 und damit einer Verbindung zwischen dem Steuerraum 5 und dem Anodenkanal 17 mit dem Servokolben 11 zusammen wirkt. Bei unbestromten Zustand der Magnetspule 3 ist die Verbindung zwischen dem Steuerraum 5 und dem Anodenkanal 17 geschlossen, da der Servokolben 11 auf dem Folgekolben 10 anliegt und so kein gasförmiges Medium aus dem Steuerraum 5 in den Anodenkanal 17 strömen kann.

Weiterhin ist an dem Hubeinstellelement 9 ein Hauptventilsitz 8 ausgebildet, wel cher zum Öffnen oder Schließen einer Verbindung zwischen dem Federraum 25 und dem Anodenkanal 17 und damit einer Verbindung zwischen dem Tank 14 und dem Anodenkanal 17 mit dem Folgekolben 10 zusammenwirkt. Der Haupt ventilsitz 8 ist bei unbestromter Magnetspule 3 gesperrt.

Funktionsweise der Tankvorrichtung

Im unbestromten Zustand der Magnetspule 3 weist der Steuerraum 5 denselben Druck an gasförmigem Medium auf wie der Tank 14. Der Druck im Tank 14 und somit im Steuerraum 5 ist größer als der an dem Folgekolben 10 anstehende Druck des gasför- migen Mediums infolge des Anodenkanals 17. So wirkt auf den Servokolben 11 infol gedessen und aufgrund der Kraft der Schließfeder 4, welche aufgrund der festen Ver bindung zwischen dem Magnetanker 12 und dem Servokolben 11 über den Magnetan ker 12 auf den Servokolben 11 übertragen wird, eine Kraft in Richtung des Servoventil- sitzes 7. Diese Kraft wird aufgrund der Wirkverbundenheit von dem Servokolben 11 auf den Folgekolben 10 übertragen, so dass der Folgekolben 10 in Richtung des Haupt ventilsitzes 8 kraftbeaufschlagt wird. Die Kraft der Feder 20 wirkt dieser Kraft auf den Folgekolben 10 entgegen, wobei die Kraft der Feder 20 so ausgelegt wird, dass diese kleiner ist als die von dem Servokolben 11 übertragene Kraft auf den Folgekolben 10. Somit wirkt insgesamt eine schließende Kraft auf den Folgekolben 10, sodass der Hauptventilsitz 8 gesperrt ist. Die schließende Kraft des Servokolbens 11 hat weiterhin zur Folge, dass der Servoventilsitz 7 ebenfalls gesperrt ist.

Wird die Magnetspule 3 bestromt, so wird eine magnetische Kraft erzeugt, welche auf den Magnetanker 12 einwirkt und diesen zu einer Hubbewegung veranlasst. Dazu be wegt sich der Magnetanker 12 in Richtung des Stützelements 2 - in der Fig. nach links. Aufgrund der festen Verbindung des Servokolbens 11 mit dem Magnetanker 12 bewegt sich der Servokolben 11 zusammen mit dem Magnetanker 12 in Richtung des Stützelements 2. Der Servokolben 11 hebt dabei von dem Servoventilsitz 7 ab, so dass die Verbindung zwischen dem Steuerraum 5 und der Kanalöffnung 19 freigegeben wird und so gasförmiges Medium aus dem Steuerraum 5 in den Anodenkanal 17 strömt.

Der Folgekolben 10 bleibt zunächst aufgrund des höheren Drucks im Steuerraum 5 im Vergleich zum Anodenkanal 17 in seiner Ruheposition, so dass der Hauptventilsitz 8 gesperrt ist. Die Drossel 6 ist jedoch so ausgelegt, dass die Zulaufmenge an gasförmi gem Medium aus dem Tank 14 in den Steuerraum 5 kleiner ist als die Ablaufmenge aus dem Steuerraum 5 in den Anodenkanal 17. Daher sinkt der Druck an gasförmigem Medium im Steuerraum 5, so dass sich dieser immer mehr an dem Druck des gasför migen Mediums in dem Anodenkanal 17 anpasst. Dies hat zur Folge, dass die Feder 20, welche den Folgekolben 10 in Öffnungsrichtung, also in Richtung des Servokol bens 11 kraftbeaufschlagt, den Folgekolben 10 aus dem Hauptventilsitz 8 anhebt und die Verbindung zwischen dem Tankkanal 23 und dem Anodenkanal 17 freigibt. Nun ist auch der große Öffnungsquerschnitt freigegeben, so dass gasförmiges Medium direkt aus dem Tank 14 in den Anodenkanal 17 strömt. Bei genügend langer Öffnungsdauer gleicht sich der Druck im Steuerraum 5 dem Druck im Anodenkanal 17 an. Zum Schließen der Ventilvorrichtung 100 wird die Magnetspule 3 nicht mehr bestromt, so dass keine magnetische Kraft mehr auf den Magnetanker 12 wirkt. Dieser wird auf grund der Kraft der Schließfeder 4 in Richtung des Folgekolbens 10 gedrückt, wodurch der Servokolben 11 wieder an den Servoventilsitz 7 gedrückt wird und dieser gesperrt wird. Infolgedessen drückt der Servokolben 11 den Folgekolben 10 wieder in den Hauptventilsitz 8, so dass dieser ebenfalls gesperrt wird.

Darüber hinaus ist die Ventilvorrichtung 100 so ausgelegt, dass der Hauptventilsitz 8 beim Betanken überdrückt werden kann, so dass gasförmiges Medium in den Tank 14 eingebracht werden kann.

Die erfindungsgemäße Tankvorrichtung 1 zur Speicherung von verdichteten Flui den eignet sich in besonderem Maße als Tankvorrichtung 1 zur Speicherung von Wasserstoff in einer Brennstoffzellenanordnung für den Betrieb einer Brennstoff zelle.

Weiterhin kann die erfindungsgemäße Tankvorrichtung 1 auch in einem Fahr zeug mit beispielsweise Brennstoffzellenantrieb Verwendung finden.