Titel:

Brenngastank sowie Brenngastanksystem

Die Erfindung betrifft einen Brenngastank zum Speichern von Brenngas, beispielsweise Wasserstoff oder Erdgas. Derartige Brenngastanks kommen insbesondere in Fahrzeugen zum Einsatz, die mit Brenngas betrieben werden, beispielsweise in einem Brennstoffzellenfahrzeug oder in einem Gasfahrzeug.

Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Brenngastanksystem mit mindestens einem erfindungsgemäßen Brenngastank.

Stand der Technik

In Fahrzeugen, die mit einem Brenngas, wie beispielsweise Wasserstoff, betrieben werden, wird das Brenngas üblicherweise unter Druck in einem Brenngastank bevorratet. Bei Wasserstoff kann der Druck bis zu 70 MPa betragen. Die Temperatur im Brenngastank kann dabei bis auf 85°C ansteigen. Die Temperaturgrenze wird dabei in der Regel durch das Material des Brenngastanks vorgegebenen, wobei als Material häufig kohlenstofffaserverstärkter Kunststoff („CFK“) verwendet wird. Bei Verwendung eines CFK-Materials werden oberhalb von 85°C die zur Fixierung der Kohlenstofffasern notwendigen Kunststoffe, insbesondere Kunstharze, zu weich, so dass die erforderliche Festigkeit des Brenngastanks nicht mehr gewährleistet ist.

Da beispielsweise Wasserstoff im relevanten Temperaturbereich einen negativen Joule-Thomson Effekt aufweist, erwärmt er sich beim Betanken eines Brenngas- bzw. Wasserstofftanks. Um Schäden am Brenngastank zu vermeiden, wird daher Wasserstoff vor dem Tankvorgang auf etwa - 40°C abgekühlt. Ferner kann eine nach oben abgeknickte Tanklanze zum Befüllen des Brenngastanks verwendet werden, welche die Vermischung von frischem Wasserstoff mit dem Tankinhalt fördert und dadurch die Aufheizung verringert. Als weitere Maßnahme kann die Tanktemperatur gemessen bzw. überwacht werden, so dass bei Überschreiten der Temperaturgrenze der Tankvorgang abgebrochen werden kann. Damit die Temperaturgrenze sicher eingehalten wird, muss der Abbruch frühzeitig erfolgen. Hohe Messtoleranzen wirken sich daher negativ aus. Da üblicherweise die Ermittlung der im Brenngastank gespeicherten Masse ebenfalls basierend auf der Tanktemperatur durchgeführt wird, können hohe Messtoleranzen ferner zu einem fehlerhaft berechneten Tankstand bzw. einer fehlerhaft berechneten Restreichweite führen.

Für beide Zwecke ist es daher wünschenswert, eine möglichst genaue Information über die Temperatur in einem Brenngastank zu erhalten. Allerdings ist für die Einhaltung der Temperaturgrenze die lokal auftretende maximale Temperatur entscheidend, während für die Berechnung der gespeicherten Masse die mittlere Temperatur besser geeignet ist. Diese beiden Wünsche zu vereinbaren, gestaltet sich schwierig. Dies gilt im Besonderen, da üblicherweise Thermoelemente, Thermistoren oder Temperaturwiderstände zur Temperaturmessung eingesetzt werden, welche die Temperatur lediglich in ihrer unmittelbaren Umgebung erfassen können.

Aufgrund der begrenzten Zugänglichkeit des Tankinnenraums ist zudem die Auswahl der Sensorposition stark eingeschränkt. Üblicherweise wird der Temperatursensor mit einem Tankventil kombiniert und diese als Baueinheit in den Tank eingesetzt. Eine derartige Anordnung eines Sensors in einem Brenngastank geht beispielhaft aus der US 2010/0032934 A1 hervor.

Die vorliegende Erfindung ist mit der Aufgabe befasst, einen Brenngastank mit einem Temperatursensor anzugeben, der, insbesondere bei der Messung der mittleren Temperatur im Brenngastank, eine hohe Messgenauigkeit aufweist.

Zur Lösung der Aufgabe wird der Brenngastank mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vorgeschlagen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen. Des Weiteren wird ein Brenngastanksystem mit mindestens einem erfindungsgemäßen Brenngastank vorgeschlagen. Offenbarung der Erfindung

Der vorgeschlagene Brenngastank für ein Brenngastanksystem weist eine ein Speichervolumen umschließende Wandung auf, in der in einem ersten Endabschnitt eine Öffnung ausgebildet ist, über die der Brenngastank mit Brenngas befüllbar ist. In einem der Öffnung gegenüberliegenden zweiten Endabschnitt der Wandung ist ein Temperatursensor in den Brenngastank integriert.

Der Temperatursensor ist somit an dem der Öffnung zum Befüllen des Brenngastanks gegenüberliegenden Ende des Brenngastanks angeordnet, das heißt weit entfernt von der Öffnung. Wird der Brenngastank mit unter Druck stehendem Brenngas befüllt, ist der Temperatursensor besser vor dem Druckstrahl geschützt. Zudem wird eine gute Durchmischung des Brenngases erzielt, bevor die Temperatur gemessen wird. Die gemessene Temperatur liegt somit näher an der zu messenden mittleren Temperatur im Brenngastank. Entsprechend steigt die Genauigkeit der Messung bzw. die Messung besitzt eine höhere Aussagekraft.

In Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass die Wandung im Bereich des zweiten Endabschnitts eine weitere Öffnung aufweist, in der ein Stopfen eingesetzt ist, an dem der Temperatursensor befestigt ist. Die weitere Öffnung erleichtert das Einsetzen des Temperatursensors in den Brenngastank, da das Einsetzen nicht über die Öffnung erfolgen muss, über die der Brenngastank mit Brenngas befüllt wird. Das Einsetzen kann zudem zusammen mit dem Stopfen bewirkt werden, so dass mit dem Einsetzen die Öffnung durch den Stopfen zugleich gasdicht verschlossen wird.

Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass in die Öffnung des ersten Endabschnitts, über die der Brenngastank mit Brenngas befüllt wird, ein Tankventil oder eine Tankeinheit mit einem Tankventil eingesetzt ist. Das Tankventil kann im einfachsten Fall als einfaches Rückschlagventil ausgeführt sein. Es ermöglicht das Befüllen des Brenngastanks mit Brenngas und verhindert, dass im Brenngastank gespeichertes Brenngas aus dem Brenngastank entweichen kann. Für die gezielte Entnahme von Brenngas kann ein weiteres Ventil in die Öffnung bzw. in die Tankeinheit integriert sein. Als weiterbildende Maßnahme wird daher vorgeschlagen, dass in die Tankeinheit mindestens ein weiteres Ventil integriert ist. Das weitere Ventil ist vorzugsweise ein aktiv ansteuerbares Ventil, beispielsweise ein Magnetventil.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das Tankventil mit dem Speichervolumen des Brenngastanks über eine Tanklanze verbunden. Das Befüllen des Brenngastanks erfolgt demnach über die Tanklanze, so dass - wie eingangs bereits erwähnt - eine bessere Durchmischung des Brenngases erreicht wird. Über die Durchmischung wiederum wird eine gleichmäßige Temperaturverteilung erzielt. Zur weiteren Förderung der Durchmischung wird vorgeschlagen, dass die Tanklanze in der finalen Einbaulage des Brenngastanks nach oben abgeknickt ist.

Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass die Wandung des Brenngastanks im Querschnitt kreisförmig ist. Der kreisförmige Querschnitt erhöht die Belastbarkeit des Brenngastanks, so dass hohe Speicherdrücke möglich sind. Die Kreisform fördert zudem eine gleichmäßige Druck- und Temperaturverteilung im Brenngastank.

Ferner bevorzugt ist die Wandung des Brenngastanks in mindestens einem Endabschnitt sphärisch geformt. Durch die sphärische Form des mindestens einen Endabschnitts kann die Druckfestigkeit des Brenngastanks weiter erhöht werden.

Vorteilhafterweise ist bzw. sind die Öffnung im ersten Endabschnitt und/oder die weitere Öffnung im zweiten Endabschnitt mittig angeordnet. Der Brenngastank kann in diesem Fall als rotationssymmetrischer Körper ausgeführt werden, der hohen Druckbelastungen standhält. Zudem ist ein solcher Körper einfacher zu fertigen. Die beiden Öffnungen können insbesondere koaxial in Bezug auf eine Längsachse des Brenngastanks angeordnet sein.

Darüber hinaus wird ein Brenngastanksystem vorgeschlagen, das mindestens einen erfindungsgemäßen Brenngastank umfasst. Beispielsweise können mehrere gleichartige Brenngastanks in paralleler Anordnung über einen gemeinsamen Rahmen gehalten sein. Der Rahmen erleichtert den Einbau des Brenngastanksystems in ein Fahrzeug, beispielsweise in ein Brennstoffzellenfahrzeug. Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert Diese zeigt einen schematischen Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen Brenngastank.

Ausführliche Beschreibung der Zeichnung

Der dargestellte Brenngastank 1 weist eine längliche Form mit einer zentralen Längsachse A auf. Eine im Querschnitt kreisrunde Wandung 3 mit sphärisch geformten Endabschnitten 4, 6 umschließt ein Speichervolumen 2, das über ein Tankventil 10 und eine Tanklanze 12 mit Brenngas befüllbar ist. Das Tankventil 10 ist in eine Tankeinheit 11 integriert, die in eine Öffnung 5 der Wandung 3 eingesetzt ist, so dass die Tanklanze 12 in das Speichervolumen 2 hineinragt. Die Tanklanze 12 ist nach oben abgeknickt, so dass der Brenngas-Druckstrahl beim Befüllen des Brenngastanks 1 gezielt nach oben gelenkt wird.

In dem der Öffnung 5 gegenüberliegenden Endabschnitt 6 ist eine weitere Öffnung 8 vorgesehen. In diese ist ein Stopfen 9 mit einem Temperatursensor 7 eingesetzt, so dass der Temperatursensor 7 in das Speichervolumen 2 hineinragt und der Stopfen 9 die Öffnung 8 gasdicht verschließt. Mit Hilfe des Temperatursensors 7 wird die Temperatur im Brenngastank 1 gemessen, und zwar in einem Bereich, der vom Einlassbereich weit entfernt liegt. Im Messbereich weist demnach das Brenngas eine mittlere Temperatur auf, so dass diese mit hoher Genauigkeit mit Hilfe des Temperatursensors 7 messbar ist. Der Temperatursensor 7 ist in dieser Anordnung zugleich vor dem Druckstrahl des Brenngases beim Befüllen des Brenngastanks 1 geschützt.