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 10 2018 209 057 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 zwischen dem Öffnen der beiden Durchflussquerschnitte. Dies kann je nach Volumen in der Leitung zu einer merklichen Verzögerung führen, bis der maximale Wasserstoff massenstrom der Brennstoffzelle zur Verfügung gestellt werden kann. Außerdem kann der zu öffnende Querschnitt bei den heutigen Ventilen im Betrieb nicht variiert werden, da sich der notwendige Öffnungsquerschnitt bei gegebenen maximalen Wasserstoffmassenstrom nach dem minimal zulässigen Druck im Tank richtet.

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 ist ein Steuerraum ausgebildet, in dem ein entlang einer Längsachse der Ventil vorrichtung beweglicher Magnetanker angeordnet ist. Der Magnetanker wirkt wei terhin mit einem inneren Ventilsitz zum Öffnen und Schließen einer Verbindung zwischen dem Tank und einem Anodenkanal zusammen, wobei der Magnetan ker zumindest teilweise von einem Hülsenelement umgeben ist. Darüber hinaus wirkt das Hülsenelement mit einem äußeren Ventilsitz zum Öffnen und Schließen der Verbindung zwischen dem Tank und dem Anodenkanal zusammen.

Auf diese Weise kann der Zeitverzug bis zum Darstellen des maximalen Massen stroms minimiert werden. So kann durch Öffnung eines kleinen Ventilsitzdurch- messers die bereitgestellte Kraft für die Öffnung des großen Ventilsitzdurchmes sers minimiert und eine schnelle und effektive Öffnung der Ventilvorrichtung reali siert werden.

In erster vorteilhafter Weiterbildung ist es vorgesehen, dass der innere Ventilsitz an dem Hülsenelement ausgebildet ist. Vorteilhafterweise ist der äußere Ventil sitz an einem Absatz des Ventilgehäuses ausgebildet. So wird in einfacher Weise ein kompakter und kostensparender Aufbau erzielt.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist es vorteilhaft vorgesehen, dass das Hülsenelement eine Öffnung aufweist, welche Öffnung in einen von dem Hülsen element und dem Magnetanker begrenzten Hülseninnenraum mündet. Vorteilhaf terweise mündet die Öffnung in den Steuerraum und ist so als Verbindung zwi schen dem Steuerraum und dem Hülseninnenraum ausgebildet.

In vorteilhafter Weiterbildung ist es vorgesehen, dass der Magnetanker ein Mit nehmerelement aufweist, welches Mitnehmerelement fest mit dem Magnetanker verbunden ist. So kann das Hülsenelement in einfacher Weise der Bewegung des Magnetankers folgen und das Mitnehmerelement ist so als zusätzliche Öff nungsfunktion ausgebildet.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist es vorteilhaft vorgesehen, dass in dem Steuerraum eine Feder angeordnet ist, welche Feder sich einerseits an ei nem Absatz des Ventilgehäuses und andererseits an dem Hülsenelement ab stützt und so das Hülsenelement mit einer Kraft in Richtung des äußeren Ventil sitzes beaufschlagt.

In vorteilhafter Weiterbildung weist der Magnetanker ein tellerförmiges Ende auf, welches tellerförmiges Ende eine Ausnehmung aufweist, in welcher Ausnehmung eine Feder angeordnet ist, welche Feder den Magnetanker mit einer Kraft in Richtung des inneren Ventilsitzes beaufschlagt. In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist es vorteilhaft vorgesehen, dass in dem Hülseninnenraum eine Feder angeordnet ist, welche den Magnetanker mit einer Kraft in Richtung des inneren Ventilsitzes beaufschlagt. Vorteilhafterweise stützt sich die Feder an einem an dem Magnetanker ausgebildeten Absatz und dem Hülsenelement ab. So kann die Mitnehmerfunktion in Form des Magnetan kers für das Hülsenelement auch ohne Mitnehmerelement gewährleistet werden und es kann so auch eine Abnutzung des Hülsenelements durch Reibung an dem Mitnehmerelement minimiert werden.

In vorteilhafter Weise ist der Magnetanker mittels einer Magnetspule entlang der Längsachse bewegbar, wodurch diese so einen Magnetaktor ausbilden. So kann der Magnetanker in einfacher und aktiver Weise angesteuert werden.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist es vorteilhaft vorgesehen, dass der Tank mittels eines Tankkanals in den Steuerraum mündet, wobei der Tankkanal senkrecht zu der Längsachse der Ventilvorrichtung angeordnet ist.

In vorteilhafter Weiterbildung ist es vorgesehen, dass ein Ende des Magnetan kers konisch ausgebildet ist, wobei dieses Ende mit dem inneren Ventilsitz zum Öffnen und Schließen der Verbindung zwischen dem Tank und einem Anodenka nal zusammenwirkt. So kann in konstruktiv einfacher Weise der Öffnungsquer schnitt in Richtung des Anodenkanals realisiert werden.

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. Bauteile mit gleicher Funktion wurden mit derselben Bezugszif fer bezeichnet. Es zeigt in

Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Tankvorrich tung mit einem Tank und einer Ventilvorrichtung im Längsschnitt,

Fig. 2 ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Tankvor richtung mit einem Tank und einer Ventilvorrichtung im Längsschnitt.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

Fig.l zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Tankvor richtung 1 beispielsweise zur Anwendung in Fahrzeugen mit Brennstoffzellenan trieb 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 entlang einer Längsachse 28 der Ventilvorrichtung 100 hubbeweglicher Magnetanker 8 angeordnet ist.

Der Magnetanker 8 ist in einem Steuerraum 30 angeordnet, welcher Steuerraum 30 über einen inneren Ventilsitz 11 und einen äußeren Ventilsitz 12 mit einem Anodenkanal 17 verbindbar ist. Weiterhin ist der Steuerraum 30 über einen senk recht zur Längsachse 28 angeordneten Tankkanal 23 mit dem Tank 14 verbun den. Der Tankkanal 23 ist dabei in einem Tankgehäuse 140 ausgebildet.

In dem Ventilgehäuse 101 ist eine Magnetspule 9 angeordnet, über die der Mag netanker 8 entlang der Längsachse 28 bewegbar ist und so zusammen mit dem Magnetanker 8 einen Magnetaktor 7 ausbildet. Weiterhin ist der Magnetanker 8 teilweise von einem Hülsenelement 13 umge ben, wobei der Magnetanker 8 zusammen mit dem Hülsenelement 13 einen Hül- seninnenraum 130 begrenzen, der über eine in dem Hülsenelement 13 ausgebil deten Öffnung 131 mit dem Steuerraum 30 verbunden ist.

In dem Hülseninnenraum 130 ist ein Mitnehmerelement 6 angeordnet, welches fest mit dem Magnetanker 8 verbunden ist. Alternativ kann das Mitnehmerele ment 6 auch Teil des Magnetankers 8 sein.

Das Hülsenelement 13 weist eine zylinderförmige Öffnung 34 auf, an der der in nere Ventilsitz 11 ausgebildet ist. Ein konisch ausgebildetes Ende 83 des Magne tankers 8 wirkt zum Öffnen und Schließen einer Verbindung zwischen dem Hül seninnenraum 130 und damit dem Steuerraum 30 und dem Anodenkanal 17 mit dem inneren Ventilsitz 11 zusammen.

Ein dem inneren Ventilsitz 11 entgegengesetztes Ende 82 ist tellerförmig ausge bildet, wobei darin eine Ausnehmung 80 ausgebildet ist, in dem eine Feder 20 angeordnet ist. Diese Feder 20 stützt sich einerseits an dem Magnetanker 8 und andererseits an dem Ventilgehäuse 101 ab und drückt den Magnetanker 8 in Richtung des inneren Ventilsitzes 11 in eine Schließstellung.

In dem Steuerraum 30 ist außerdem eine Feder 4 angeordnet, welche sich zwi schen einem Absatz 102 des Ventilgehäuses 101 und dem Hülsenelement 13 abstützt und das Hülsenelement 13 mit einer Kraft in Richtung des äußeren Ven tilsitzes 12 beaufschlagt und diesen in eine Schließstellung drückt. Der äußere Ventilsitz 12 ist an einem Absatz 103 des Ventilgehäuses 101 ausgebildet und wirkt mit dem Hülsenelement 13 zum Öffnen und Schließen einer Verbindung zwischen dem Steuerraum 30 und dem Anodenkanal 17 zusammen. Der Ano denkanal 17 führt gasförmiges Medium, beispielsweise Wasserstoff, in Richtung eines Anodenbereichs 15 einer Brennstoffzelle.

Der Anodenkanal 17 ist zylinderförmig ausgebildet und weist einen Durchmesser D auf, welcher größer ist als ein Durchmesser d der Öffnung 34 an dem Hülsen element 13. Funktionsweise der Tankvorrichtung

Im unbestromten Zustand der Magnetspule 9 weist der Steuerraum 30 denselben Druck an gasförmigem Medium auf wie der Tank 14. Der Druck im Tank 14 und somit im Steuerraum 30 ist größer als der an dem Magnetanker 8 und dem Hül senelement 13 anstehenden Druck des gasförmigen Mediums infolge des Ano denkanals 17. Infolgedessen und aufgrund der Kraft der Feder 4 wirkt auf das Hülsenenlement 13 eine Kraft in Richtung des äußeren Ventilsitzes 12 und drückt das Hülsenelement 13 so gegen den äußeren Ventilsitz 12 in eine Schließstel lung. Die Verbindung zwischen dem Steuerraum 30 und dem Anodenkanal 17 über den äußeren Ventilsitz 12 ist somit geschlossen.

Infolge des oben beschriebenen anstehenden Drucks und der Kraft der Feder 20 wird der Magnetanker 8 gegen den inneren Ventilsitz 11 in eine Schließstellung gedrückt und sperrt so die Verbindung zwischen dem Hülseninnenraum 130 bzw. dem Steuerraum 30 und dem Anodenkanal 17.

Wird die Magnetspule 9 bestromt, so wird eine magnetische Kraft erzeugt, wel che auf den Magnetanker 8 einwirkt und die Druckkräfte sowie die Kraft der Fe der 20 überkompensiert. Der Magnetanker 8 hebt so von dem inneren Ventilsitz 11 ab und gibt die Verbindung zwischen dem Hülseninnenraum 130 bzw. dem Steuerraum 30 und dem Anodenkanal 17 frei. Dies führt dazu, dass der Druck im Hülseninnenraum 130 und dem Steuerraum 30 aufgrund des abströmenden gas förmigen Mediums abnimmt und im Anodenkanal 17 aufgrund des Zustroms zu nimmt. Infolgedessen verändern sich die Druckverhältnisse auf das Hülsenele ment 13 und die öffnenden Kräfte, welche auf das Hülsenelement 13 wirken, nehmen zu.

Durch die Bewegung des Magnetankers 8 wird nach einer Strecke h ein Hub er reicht, an dem das Mitnehmerelement 6 an dem Magnetanker 8 das Hülsenele ment 13 mitnimmt und das Hülsenelement 13 der Bewegung des Magnetankers 8 folgt. Dadurch hebt das Hülsenelement 13 von dem äußeren Ventilsitz 12 ab und gibt diesen frei, so dass die Verbindung zwischen dem Steuerraum 30 und dem Anodenkanal 17 freigegeben ist. Nun ist auch der große Öffnungsquer schnitt freigegeben, so dass gasförmiges Medium direkt aus dem Tank 14 in den Anodenkanal 17 strömt.

Der Durchmesser d an dem inneren Ventilsitz 11 ist dabei so klein gewählt, dass eine schnelle und effiziente Öffnung des inneren Ventilsitzes 11 möglich ist.

Je nach Druckverhältnis reicht die Kraft bzw. der Impuls des Magnetankers 8 auf das Hülsenelement 13 aus, dieses aus dem äußeren Ventilsitz 12 zu heben. Dennoch wird das Hülsenelement 13 bei einem Unterschreiten einer auslegbaren Druckdifferenz zwischen dem Tank 14 und dem Anodenkanal 17 aus dem äuße ren Ventilsitz 12 gezogen, so dass gewährleistet ist, dass auch in diesen Fällen der große Öffnungsquerschnitt verlässlich geöffnet wird. Unterstützt wird die Öff nung auch dadurch, dass der Druck in dem Anodenkanal 17 kontinuierlich steigt, wenn die Entnahme von Wasserstoff aus dem Anodenkanal 17 in Richtung der Brennstoffzelle kleiner gehalten wird als die Zufuhr von Wasserstoff aus dem Tank 14.

Zum Schließen der Ventilvorrichtung 100 wird die Stromzufuhr zur Magnetspule 9 unterbrochen, so dass keine magnetische Kraft mehr auf den Magnetanker 8 wirkt. Dieser wird aufgrund der Feder 20 wieder in Richtung des inneren Ventilsit zes 11 gedrückt. Infolgedessen und aufgrund der Feder 4 bewegt sich auch das Hülsenelement 13 in Richtung des äußeren Ventilsitzes 12, da das Mitneh merelement 6 nicht mehr an dem Hülsenelement 13 anliegt und dieses nicht mehr in Richtung des tellerförmigen Endes 82 des Magnetankers 8 drückt. So wohl der äußere Ventilsitz 12 als auch der innere Ventilsitz 11 sind nun wieder gesperrt, so dass kein gasförmiges Medium in den Anodenkanal 17 einströmen kann.

Darüber hinaus ist die Ventilvorrichtung 100 so ausgelegt, dass der äußere Ven tilsitz 12 und der innere Ventilsitz 11 beim Betanken überdrückt werden können, so dass gasförmiges Medium in den Tank 14 eingebracht werden kann. Fig.2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Tankvor richtung 1 beispielsweise zur Anwendung in Fahrzeugen mit Brennstoffzellenan trieb im Querschnitt. Das zweite Ausführungsbeispiel entspricht in Aufbau und Funktion im Wesentlichen dem ersten Ausführungsbeispiel. Im Gegensatz dazu entfällt hier das Mitnehmerelement 6, wobei der Magnetanker 8 hier in dem Hül- seninnenraum 130 einen Absatz aufweist, an dem sich eine Feder 32 abstützt und so den Magnetanker 8 in Richtung des inneren Ventilsitzes 11 drückt. Die Feder 20 und die Ausnehmung 80 des Magnetankers 8 entfallen in diesem Aus führungsbeispiel. So wird zwischen dem Magnetanker 8 und dem Hülsenelement 13 eine Wirkfunktion erzielt, indem die Feder 32 gleichzeitig den Magnetanker 8 in Richtung des inneren Ventilsitzes 11 in eine Schließstellung drückt und das Hülsenelement 13 durch die Feder 32 in Richtung des tellerförmigen Endes 82 des Magnetankers 8 in eine Öffnungsstellung kraftbeaufschlagt wird. Diese Fe der 32 wird jedoch durch die schließenden Druckkräfte und die Feder 4 überkom pensiert, so dass der äußere Ventilsitz 12 gesperrt ist.

Wird die Magnetspule 9 bestromt, so hebt der Magnetanker 8 wie für das erste Ausführungsbeispiel beschrieben, von dem inneren Ventilsitz 11 ab, wodurch die Feder 32 zusammengedrückt wird. Ab einem bestimmten Zeitpunkt wird auf grund der Druckverhältnisse in dem Steuerraum 30 und dem Hülseninnenraum 130 und der Feder 32 die Feder 4 überdrückt, so dass auch das Hülsenelement 13 von dem äußeren Ventilsitz 12 abhebt und diesen freigibt. Die Feder 32 dient hier dann als Mitnehmer für das Hülsenelement 13, welches der Bewegung des Magnetankers 8 folgt und so den großen Öffnungsquerschnitt freigibt. Die wei tere Funktionsweise des zweiten Ausführungsbeispiels entspricht dem ersten Ausführungsbeispiel.

In einer alternativen Form kann die Feder 20 und die Ausnehmung 80 als zusätz liche Schließfunktion des Magnetankers 8 in dem zweiten Ausführungsbeispiel erhalten bleiben.

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.