Titel

Anschlussvorrichtung für einen Hochdruck-Wasserstoffreservoir, Hochdruck- Wasserstoffspeicher Brennstoffzellensystem und Herstellungsverfahren für ein Anschlussvorrichtung für einen Hochdruck-Wasserstoffreservoir

Technisches Gebiet

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anschlussvorrichtung für einen Hochdruck-Wasserstoffreservoir, ein Hochdruck-Wasserstoffspeicher sowie ein Brennstoffzellensystem. Die vorliegende Erfindung betrifft ferner ein Herstellungsverfahren für ein Anschlussvorrichtung für einen Hochdruck- Wasserstoffreservoir.

Stand der Technik

Brennstoffzellen sind in der Lage mittels einer Redoxreaktion an einer Anode und Kathode aus kontinuierlich zugeführtem Brennstoff und einem Oxidationsmittel elektrische Energie zu generieren. Hierbei kann beispielsweise in einem Anodenpfad Wasserstoff zugeführt werden und parallel dazu in einem Kathodenpfad Luftsauerstoff. In einem Brennstoffzellenstapel wird der Wasserstoff durch den zugeführten Luftsauerstoff oxidiert, wobei die elektrische Energie gewonnen werden kann.

Die Druckschrift DE 10 2017 212 485 A1 beschreibt eine Vorrichtung zur Speicherung von verdichteten Fluiden für ein Fahrzeug, insbesondere zur Speicherung von Wasserstoff für ein Brennstoffzellenfahrzeug.

Offenbarung der Erfindung

Die vorliegende Erfindung schafft eine Anschlussvorrichtung für einen Hochdruck-Wasserstoffreservoir, ein Hochdruck-Wasserstoffspeicher, ein Brennstoffzellensystem sowie ein Herstellungsverfahren für ein Anschlussvorrichtung für einen Hochdruck-Wasserstoffreservoir mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.

Demgemäß ist vorgesehen:

Eine Anschlussvorrichtung für einen Hochdruck-Wasserstoffreservoir, mit einem Grundkörper und mindestens einem Anschlusselement. Der Grundkörper ist aus Aluminium oder einer Aluminium-Legierung oder einem anderen Leichtmetall hergestellt. Das Anschlusselement ist aus Stahl, insbesondere Edelstahl hergestellt. Der Grundkörper weist eine radial zu dem Strömungskanal verlaufende Anschlussöffnung auf. Das mindestens eine Anschlusselement ist hierbei in der Anschlussöffnung des Grundkörpers angeordnet.

Ferner ist vorgesehen:

Ein Hochdruck-Wasserstoffspeicher mit einer erfindungsgemäßen Anschlussvorrichtung und mindesten einem Hochdruck-Wasserstoffreservoir. Jedes Hochdruck-Wasserstoffreservoir ist hierbei an einem Anschlusselement lösbar mit der Anschlussvorrichtung verbunden ist.

Weiterhin ist vorgesehen:

Ein Brennstoffzellensystem mit einem erfindungsgemäßen Hochdruck- Wasserstoffspeicher und einer Brennstoffzellenvorrichtung. Die Brennstoffzellenvorrichtung ist hierbei mit dem Hochdruck-Wasserstoffspeicher verbunden.

Schließlich ist vorgesehen:

Ein Herstellungsverfahren für ein Anschlussvorrichtung für einen Hochdruck- Wasserstoffreservoir. Das Verfahren umfasst einen Schritt zum Bereitstellen eines Grundkörpers. Der Grundkörper ist aus Aluminium, einer Aluminium- Legierung oder einem anderen Leichtmetall hergestellt. Insbesondere weist der Grundkörper einen Strömungskanal und mindestens eine radial zu dem Strömungskanal verlaufende Anschlussöffnung auf. Weiterhin umfasst das Verfahren einen Schritt zum Einbringen von mindestens einem Anschlusselement in die mindestens Anschlussöffnung des Grundkörpers. Das Anschlusselement ist hierbei aus Stahl, insbesondere Edelstahl oder einem anderen hochfesten Material hergestellt.

Vorteile der Erfindung

Der vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass Brennstoffzellensysteme ihren Brennstoff, d. h. Wasserstoff, von einem Tanksystem beziehen, welches den Wasserstoff unter hohem Druck von bis zu 700 bar speichern kann. Dieses Tanksystem kann insbesondere mehrere einzelne Reservoirs umfassen. Hierbei ist eine Verbindung zwischen den einzelnen Reservoirs und dem Brennstoffzellensystem erforderlich. Gemäß den geltenden Vorschriften muss diese Verbindung auch nach mehrfachen Lösen und erneuten Verbinden noch eine ausreichende Dichtigkeit und Druckfestigkeit aufweisen.

Für derartige Anforderungen ist daher ein Verbindungselement aus einem hochfesten Material erforderlich, welches auch nach mehrfachen Lösen und erneuten Verbinden keinen Verschleiß aufweist, der die Dichtigkeit negativ beeinflussen könnte. Solche Materialien weisen in der Regel jedoch ein hohes spezifisches Gewicht auf und sind darüber hinaus auch relativ schwer zu bearbeiten.

Es ist daher eine Idee der vorliegenden Erfindung, dieser Erkenntnis Rechnung zu tragen und eine Anschlussvorrichtung für einen Hochdruck- Wasserstoffspeicher zu schaffen, welche einerseits einfach herzustellen ist und dabei auch ein möglichst geringes Gewicht aufweist, andererseits jedoch auch den Anforderungen für eine ausreichende Dichtigkeit nach mehrfachen Lösen und erneuten Verbinden entspricht.

Hierzu ist es erfindungsgemäß vorgesehen, eine solche Anschlussvorrichtung aus einem Grundkörper und zusätzlichen Anschlusselementen herzustellen. Dabei kann der Grundkörper aus einem Leichtmaterial, wie beispielsweise Aluminium oder einer Aluminium-Legierung, hergestellt werden. Dies kann beispielsweise in Form eines Gussprozesses erfolgen, sodass dieser Grundkörper als Gussteil in einfacher Weise bereitgestellt werden kann. In bzw. an diesem Grundkörper können daraufhin die Anschlusselemente aus einem hochfesten Material, wie beispielsweise Stahl, insbesondere Edelstahl, angebracht werden. Da diese Verbindung zwischen dem Grundkörper und dem Anschlusselement in der Regel nur einmalig während des Herstellungsprozesses erfolgt, sind die Anforderungen an eine solche Verbindung geringer, als die Anforderungen für eine Verbindung zu externen Komponenten, welche mehrfach gelöst werden soll.

Da das Anschlusselement selbst aus einem hochfesten Material wie Edelstahl realisiert wird, können an dieses Anschlusselement weitere Komponenten wie Zuleitungen, Ventile o. ä. angeschlossen werden, wobei auch nach mehrfachen Lösen und erneuten Verbinden eine ausreichende Stabilität für eine druckfeste und gasdichte Verbindung gewährleistet werden kann.

Dadurch, dass bei der erfindungsgemäßen Anschlussvorrichtung lediglich die relativ kleinen Anschlusselemente aus dem hochfesten Material wie Edelstahl bestehen und der weitaus größere Grundkörper aus einem Leichtmaterial wie Aluminium realisiert werden kann, ist das Gesamtgewicht der Anschlussvorrichtung deutlich geringer, als bei einer vergleichbaren Anschlussvorrichtung, welche vollständig aus einem hochfesten Material hergestellt ist. Darüber hinaus lässt sich ein Leichtmaterial wie Aluminium wesentlich einfacher bearbeiten als beispielsweise Edelstahl. Daher kann ein solcher Grundkörper auch wesentlich einfacher gefertigt werden.

Es versteht sich hierbei, dass sowohl für den Grundkörper als auch die Anschlusselemente der erfindungsgemäßen Anschlussvorrichtung jeweils geeignete Materialien zu wählen sind, welche den Anforderungen bezüglich Druckfestigkeit und insbesondere auch Beständigkeit gegenüber den durchströmenden Gasen, hier Wasserstoff, genügen.

Gemäß einer Ausführungsform umfasst der Grundkörper ein Aluminium-Gussteil.

Derartige Gussteile sind gerade in höheren Stückzahlen sehr einfach und mit hoher Präzision herzustellen. Daher ist es möglich, die erfindungsgemäße Anschlussvorrichtung kostengünstig in hoher Qualität zu realisieren.

Gemäß einer Ausführungsform weist die mindestens eine Anschlussöffnung ein Gewinde, insbesondere Innengewinde, auf. Hierbei ist das mindestens eine Anschlusselement in die Anschlussöffnung eingeschraubt. Entsprechend weißt das Anschlusselement ein korrespondierendes Außengewinde auf. Somit kann das Anschlusselement in einfacher Weise in den Grundkörper hineingeschraubt werden. Dies ermöglicht eine einfache, schnelle und kostengünstige Herstellung.

Gemäß einer Ausführungsform weist das mindestens eine Anschlusselement einen Dichtabschnitt auf. Dieser Dichtabschnitt liegt im eingeschraubten Zustand des Anschlusselements an einer Außenseite des Anschlusselements auf. Auf diese Weise kann durch diesen Dichtabschnitt die Dichtigkeit der Verbindung zwischen Anschlusselement und Grundkörper zusätzlich erhöht werden.

Gemäß einer Ausführungsform weist das Gewinde in der Anschlussöffnung des Grundkörpers einen konischen Verlauf auf. Insbesondere ist ein Durchmesser des Gewindes im Bereich der Außenseits des Anschlusselements größer, als ein Durchmesser des Gewindes im Bereich des Strömungskanals. Zusätzlich oder alternativ kann auch das Gewinde des Anschlusselements, welches in die Anschlussöffnung hineingeschraubt wird, einen korrespondierenden konischen Verlauf aufweisen.

Gemäß einer Ausführungsform ist das mindestens eine Anschlusselement an einem von dem Grundkörper wegweisenden Abschnitt dazu ausgelegt ist, mit einem Hochdruck-Wasserstoffreservoir verbunden zu werden. Hierzu kann die Form des Anschlusselementes entsprechend ausgestaltet sein, um mit korrespondierenden Anschlusskomponenten des Wasserstoffreservoirs verbunden zu werden. Beispielweise kann hierzu einem Anschlusselement ein entsprechendes Gewinde vorgesehen sein, sodass das Anschlusselement mit den korrespondierenden Komponenten des Wasserstoffreservoirs verschraubt werden kann. Da das Anschlusselement hierbei aus einem hochfesten Material wie beispielsweise Edelstahl realisiert ist, kann eine solche Schraubverbindung auch nach mehrfachem Lösen und erneuten Verschrauben die erforderliche Dichtigkeit gewährleisten.

Die obigen Ausgestaltungen und Weiterbildungen lassen sich, soweit sinnvoll, beliebig miteinander kombinieren. Weitere Ausgestaltungen, Weiterbildungen und Implementierungen der Erfindung umfassen auch nicht explizit genannte Kombinationen von zuvor oder im Folgenden bezüglich den Ausführungsbeispielen beschriebenen Merkmalen der Erfindung. Insbesondere wird der Fachmann auch Einzelaspekte als Verbesserungen oder Ergänzungen zu den jeweiligen Grundformen der Erfindung hinzufügen.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden nachfolgend anhand der Figuren erläutert. Dabei zeigen:

Fig. 1 : eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellensystems mit einer Anschlussvorrichtung gemäß einer Ausführungsform;

Fig. 2: eine schematische Darstellung eines Querschnitts durch eine Anschlussvorrichtung gemäß einer Ausführungsform; und

Fig. 3: ein Ablaufdiagramm, wie es einem Herstellungsverfahren für eine Anschlussvorrichtung gemäß einer Ausführungsform zugrunde liegt.

Beschreibung von Ausführungsformen

Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung eines prinzipiellen Aufbaus eines Brennstoffzellensystems gemäß einer Ausführungsform. Das hier dargestellte Brennstoffzellensystem umfasst beispielsweise eine Brennstoffzellenvorrichtung 3. In dieser Brennstoffzellenvorrichtung 3 kann Wasserstoff mit Sauerstoff, insbesondere Luft Sauerstoffdruck oxidiert werden. Dabei wird elektrische Energie bereitgestellt. Diese elektrische Energie kann in einem Kraftfahrzeug beispielsweise für einen elektrischen Antrieb genutzt werden. Der für den Betrieb des Brennstoffzellensystems erforderliche Wasserstoff kann in einem Wasserstoffspeicher gespeichert und bereitgestellt werden. Insbesondere kann der Wasserstoff bei hohem Druck, beispielsweise bis zu 700 bar, gespeichert werden. Dieser Wasserstoffspeicher kann, wie in Figur 1 dargestellt, zum Beispiel aus einem oder mehreren Einzelreservoirs 2-i gebildet werden. Die in Figur 1 dargestellte Anzahl von vier Einzelreservoirs 2-i dient dabei lediglich als Beispiel und stellt keine Einschränkung der vorliegenden Erfindung dar. Die Einzelreservoirs 2-i können über eine Anschlussvorrichtung 1 mit der Brennstoffzellenvorrichtung 3 verbunden werden. Dabei können insbesondere zwischen den einzelnen Reservoirs 2-i und der Anschlussvorrichtung 1 auch weitere Komponenten (hier nicht dargestellt) vorgesehen sein. Beispielsweise können diese weiteren Komponenten Ventile, Rückflussverhinderer oder weitere Mess-, Regel- oder Sicherheitskomponenten umfassen.

Die Einzelreservoirs 2-i sind dabei lösbar mit der Anschlussvorrichtung 1 verbunden. Hierzu kann beispielsweise eine Anschlussleitung der einzelnen Reservoirs 2-i mit einer korrespondierenden Komponente der Anschlussvorrichtung 1 verschraubt werden.

Figur 2 zeigt einen schematischen Querschnitt durch eine Anschlussvorrichtung 1 gemäß einer Ausführungsform. Wie hierbei zu erkennen ist, umfasst die Anschlussvorrichtung 1 dabei einen Grundkörper 10 sowie ein oder mehrere Anschlusselemente 20.

Der Grundkörper 10 weist dabei im Inneren einen Strömungskanal 11 auf. Dieser Strömungskanal, kann mit der Brennstoffzellenvorrichtung 3 verbunden werden, um an der Brennstoffzellenvorrichtung 3 den erforderlichen Wasserstoff bereitzustellen.

Weiterhin umfasst der Grundkörper 10 ein oder mehrere Anschlussöffnungen 12. diese Anschlussöffnungen 12 verlaufen zumindest annähernd radial zu dem Strömungskanal 11. Der Grundkörper 10 kann aus einem Leichtmetall, wie zum Beispiel Aluminium oder einer Aluminium-Legierung hergestellt sein. Beispielsweise kann der Grundkörper 10 als Gussteil auf einfache Weise mit hoher Präzision hergestellt werden. Alternativ ist es auch möglich, den Grundkörper 2 aus einem massiven Materialblock durch Einbringen entsprechender Bohrungen und weitere Nachbearbeitung zu realisieren.

In den Grundkörper 10, insbesondere in die Anschlussöffnungen 12, sind jeweils Anschlusselemente 20 eingebracht. Diese Anschlusselemente 20 können aus einem hochfesten Material, wie beispielsweise Stahl, insbesondere Edelstahl, gebildet werden.

Die Anschlusselemente 20 können beispielsweise in die Anschlussöffnungen 12 eingeschraubt werden. Hierzu können sowohl die Anschlussöffnungen 12 als auch das Anschlusselement 20 ein entsprechendes Gewinde aufweisen. Bei diesem Gewinde kann es sich zum Beispiel um ein lineares Gewinde handeln, welches sowohl an einem Bereich an der Außenseite des Grundkörper 10 als auch im Bereich des Strömungskanal 11 den gleichen Durchmesser aufweist. In diesem Fall kann zum Beispiel die Dichtigkeit mittels eines zusätzlichen Dichtelements 30, zum Beispiel einem O-Ring, gewährleistet werden.

Alternativ ist es auch möglich, dass die Gewinde des Anschlusselements 20 und/oder des Gewindes in der Anschlussöffnungen 12 einen konischen Verlauf aufweisen, wobei ein Durchmesser an der Außenseite des Grundkörpers 10 größer ist als in einem Bereich an der Strömungsöffnung 11 .

Weiterhin kann die Dichtigkeit der Verbindung zwischen Grundkörper 10 und Anschlusselement 20 durch einen Dichtabschnitt 21 an dem Anschlusselement 20 verbessert werden. Insbesondere kann ein solcher Dichtabschnitt 21 an dem Anschlusselement 20 derart vorgesehen sein, dass der Dichtabschnitt 21 plan auf dem Grundkörper 10 aufliegt, wenn das Anschlusselement 20 in den Grundkörper 10 eingebracht ist.

Darüber hinaus kann an einer Außenseite des aus dem Grundkörper 10 herausragenden Teils des Anschlusselements 20 beispielsweise ein Gewinde 22 vorgesehen sein. Auf diese Weise können weitere Komponenten, beispielsweise korrespondierende Anschlusskomponenten der Einzelreservoirs 21 -i bzw. Zuleitungen von den Einzelreservoirs 21 -i mit dem Anschlusselement 20 verschraubt werden. Es versteht sich, dass die Anschlusselemente 20 darüber hinaus auch beliebige weitere Komponenten und Ausgestaltungen aufweisen können, um die Einzelreservoirs 21 -i bzw. deren Zuleitungen mit den Anschlusselement 20 zu verbinden.

Figur 3 zeigt ein Ablaufdiagramm, wie es einem Herstellungsverfahren für eine Anschlussvorrichtung 1 gemäß einer Ausführungsform zugrunde liegt. Bei der zugrundeliegenden Anschlussvorrichtung 1 kann es sich um die zuvor beschriebene Anschlussvorrichtung 1 handeln. Entsprechend kann das nachfolgend beschriebene Verfahren beliebige Schritte umfassen, wie sie zur Herstellung der zuvor beschriebenen Anschlussvorrichtung 1 erforderlich sind.

In Schritt S1 wird zunächst ein Grundkörper 10 bereitgestellt. Bei diesem Grundkörper 1 kann es sich insbesondere um den zuvor beschriebenen Grundkörper 1 aus einem Leichtmetall, insbesondere Aluminium oder einer Aluminium-Legierung handeln. Dieser Grundkörper weist dabei einen Strömungskanal 11 und mindestens eine radial zu dem Strömungskanal 11 verlaufende Anschlussöffnungen 12 auf.

In Schritt S2 werden daraufhin in die Anschlussöffnungen 12 des Grundkörpers 1 jeweils ein Anschlusselement 20 eingebracht. Diese Anschlusselemente 20 können aus einem hochfesten Material wie beispielsweise Stahl, insbesondere Edelstahl, hergestellt sein. Das Einbringen kann beispielsweise durch Einschrauben der Anschlusselemente 20 in die Anschlussöffnungen 12 erfolgen.

Zusammenfassend betrifft die vorliegende Erfindung eine Anschlussvorrichtung zum Verbinden eines oder mehrerer Wasserstoff-Speicher mit einer Brennstoffzelle. Hierzu wird eine Anschlussvorrichtung vorgeschlagen, welche einen Grundkörper aus einem Leichtmetall wie beispielsweise Aluminium und Anschlusselemente aus einem hochfesten Material wie beispielsweise Edelstahl umfasst.