Tankvorrichtung zur Speicherung eines gasförmigen Mediums für ein Brennstoff zellensystem

Die Erfindung betrifft eine Tankvorrichtung für einen Brennstoffzellentank, insbe sondere zur Speicherung von Wasserstoff, beispielsweise zur Anwendung in Fahrzeugen mit Brennstoffzellenantrieb.

Stand der Technik

Die DE 10 2018 201 055 Al beschreibt eine Tankvorrichtung mit mindestens zwei Speichereinheiten, welche jeweils ein Steuerventil aufweisen, und welche über ein Leitungssystem mit einer Ausgangsleitung verbunden sind. Dabei ist mindestens ein Steuerventil mindestens einer Speichereinheit als Hauptventil ausgebildet, und mindestens ein Steuerventil mindestens einer Speichereinheit ist als Nebenventil ausgebildet, wobei das Hauptventil und das Nebenventil un terschiedlich ausgebildet sind.

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 Tankvorrichtung austreten kann.

Aufgrund der hohen Sicherheitsanforderungen an die Absperrventile und auf grund hoher Systemdrücke von beispielsweise 800 bar oder mehr sind solche Absperrventile konstruktiv sehr herausfordernd und weisen einen großen Bau raum auf. Dies erhöht wiederum das Gesamtgewicht der gesamten Tankvorrich tung, was im Falle eines Unfalls des Fahrzeugs mit Brennstoffzellenantrieb zu hohen auftretenden Beschleunigungskräften und möglichen Verformungen der Ventilvorrichtung oder der Tankvorrichtung führen kann. Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäße Tankvorrichtung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 weist demgegenüber den Vorteil auf, dass das jeweilige Ab sperrventil in der Tankvorrichtung einen kompakten und kostengünstigen Aufbau aufweist, wobei die hohen Sicherheitsanforderungen bezüglich Gasdichtheit zu jeder Zeit erfüllt sind.

Dazu weist die Tankvorrichtung zur Speicherung eines gasförmigen Mediums, insbesondere Wasserstoff, eine Ventilvorrichtung und einen Tank auf. Die Ventil vorrichtung weist ein Ventilgehäuse mit einer Längsachse auf, in welchem Ventil gehäuse ein entlang der Längsachse bewegliches Ansteuerventilelement ange ordnet ist. Das Ansteuerventilelement wirkt zum Öffnen und Schließen einer Aus lassöffnung mit einem Ventilsitz zusammen und bildet so ein Ansteuerventil aus. Die Ventilvorrichtung ist dabei mittels einer Magnetspule ansteuerbar. Darüber hinaus umfasst die Tankvorrichtung ein Einschraubgehäuseelement, wobei die Ventilvorrichtung mittels des Einschraubgehäuseelements in einem Halsbereich des Tanks fest integriert ist. Außerdem ist die Ventilvorrichtung mittels eines Tankdrucks in dem Tank und mittels einer Feder bei ausgeschalteter Magnet spule in einer geschlossenen Position angeordnet.

Auf diese Weise kann ein kompakt konstruiertes, einfachschaltendes Absperr ventil erzielt werden, das aufgrund der integrierten Bauweise die Sicherheitsan forderungen erfüllt und eine Kostenersparnis erzielt. Außerdem ist insbesondere bei ausgeschalteter Magnetspule gesichert, dass kein gasförmiges Medium, ins besondere Wasserstoff, aus dem Tank über die Ventilvorrichtung entweichen kann, da aufgrund des Druckunterschieds zwischen dem Tank und dem Durch lasskanal und der Kraft der Feder das Ansteuerventilelement an den Ventilsitz gedrückt wird.

Weiterhin ergeben sich aufgrund der konstruktiven Auslegung, die Ventilvorrich tung außerhalb des Tanks anzuordnen und der daraus resultierenden reduzier ten Druckangriffsfläche deutlich kleinere axiale Druckkräfte. Diese kleineren Druckangriffsflächen reduzieren bei hohen Drücken die Bauteilbelastungen er heblich, was sich in geringeren Verformungen, Verschleiß und Dichtheitseinflüs sen widerspiegelt und somit eine höhere Lebensdauer der Tankvorrichtung er zielt wird.

Montagetechnisch kann die Ventilvorrichtung unabhängig von dem Tank mon tiert, geprüft und versandt werden. Dies ist besonders für die Auslegung der Montagelinien, Lagerung und Transport sowie im Service Fall und den damit ver bunden geringeren Betriebskosten von großer Bedeutung.

In erster vorteilhafter Weiterbildung ist es vorgesehen, dass das Einschraubge häuseelement eine Anformung mit einem ersten Gewinde und ein topfförmiges Ende mit einem zweiten Gewinde aufweist.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist es vorteilhaft vorgesehen, dass in dem Einschraubgehäuseelement ein Durchgangskanal ausgebildet ist, über wel chen Durchgangskanal der Tank mit der Ventilvorrichtung verbunden ist. Dies führt zu einer höheren Robustheit des gesamten Tanks, insbesondere im Falle eines Unfalls.

In vorteilhafter Weiterbildung ist es vorgesehen, dass der Ventilsitz stromabwärts an dem Ventilgehäuse und an der Auslassöffnung ausgebildet ist und die zylin derförmige Auslassöffnung in einen zylinderförmigen Durchlasskanal mündet, wobei ein Durchmesser D des Durchlasskanals größer ist als ein Durchmesser d der Auslassöffnung. Ein Vorteil ist, dass auf diese Weise durch die entsprechen den Druckverhältnisse eine Kraft in Richtung geschlossener Position der Ventil vorrichtung auf die Ventilvorrichtung ausgeübt wird.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist es vorteilhaft vorgesehen, dass der Durchlasskanal mittels eines konischen Übergangsbereichs in die Auslassöff nung übergeht.

In vorteilhafter Weiterbildung ist es vorgesehen, dass die Tankvorrichtung ein Fi xierelement aufweist, durch welches Fixierelement die Ventilvorrichtung fest mit dem Einschraubgehäuseelement verbindet und die Ventilvorrichtung so an dem Einschraubgehäuseelement fixiert ist.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist es vorteilhaft vorgesehen, dass der Innenraum des Ventilgehäuses mittels einer in dem Ventilgehäuse ausgebildeten Einlassöffnung und des Durchgangskanals des Einschraubgehäuseelements mit einem Tankinnenraum verbindbar ist. So ist in einfacher Weise der Strömungs querschnitt an gasförmigem Medium aus dem Tank steuerbar.

In vorteilhafter Weiterbildung ist es vorgesehen, dass in einer Ausnehmung des Ansteuerventilelements eine Feder angeordnet und ein Federraum ausgebildet ist, durch welche Feder das Hauptventilelement mit einer Kraft in Richtung des Ventilsitzes beaufschlagt ist. Auf diese Weise kann sichergestellt werden, dass mithilfe der Kraft der Feder und des Druckunterschieds zwischen dem Tank und dem Durchlasskanal das Ansteuerventilelement an den Ventilsitz gedrückt wird. So ist bei nicht bestromter Magnetspule die Dichtheit der Ventilvorrichtung ge währleistet.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist es vorteilhaft vorgesehen, dass das Ansteuerventilelement eine Längsöffnung und weitere Öffnungen aufweist, wel che Längsöffnung und welche weiteren Öffnungen fluidisch mit dem Federraum verbunden sind. So ist in optimaler Weise die Einlassöffnung mit der Auslassöff nung der Ventilvorrichtung verbindbar.

In vorteilhafter Weiterbildung ist es vorgesehen, dass an dem Ansteuerventilele ment ein Dichtkörper angeordnet ist, welcher Dichtkörper eine halbkugelförmige Spitze aufweist. Vorteilhafterweise ist der Dichtkörper aus einem Kunststoff oder einer dichten Materialpaarung hergestellt.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist es vorteilhaft vorgesehen, dass der Ventilsitz konisch ausgebildet ist, wobei der Ventilsitz zum Öffnen und Schließen der Auslassöffnung mit der halbkugelförmigen Spitze des Dichtkörpers zusam menwirkt. So ist eine hohe Dichtheit am Ventilsitz erzielbar. Die beschriebene Tankvorrichtung eignet sich vorzugsweise in einer Brennstoff zellenanordnung zur Speicherung von Wasserstoff für den Betrieb einer Brenn stoffzelle.

Die beschriebene Tankvorrichtung eignet sich weiterhin in einem brennstoffzel lenbetriebenen Fahrzeug zur Speicherung von Wasserstoff.

Zeichnungen

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Tankvor richtung zur Speicherung eines gasförmigen Mediums, insbesondere Wasser stoff, dargestellt. Es zeigt in

Fig. ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Tankvorrichtung mit einer Ventilvorrichtung im Längsschnitt.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

In der Fig. ist ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Tankvorrichtung 1 für ein gasförmiges Medium gezeigt. Die Tankvorrichtung 1 weist einen Tank 10 und eine Ventilvorrichtung 2 auf. Der Tank 10 weist ein Tankgehäuse 47 auf, in dem ein Tankinnenraum 100 ausgebildet ist. Das Tankgehäuse 47 umfasst weiterhin einen Halsbereich 6, in den die Ventilvorrichtung 2 mittels eines Ein schraubgehäuseelements 24 integriert ist.

In dem Halsbereich 6 ist dabei eine Verbindungsstelle in Form eines Gewindes angebracht, so dass die Ventilvorrichtung 2 mittels des Einschraubgehäuseele ments 24 in den Tank 10 eingeschraubt werden kann. Weiterhin ist ein Fixierele ment 12 vorgesehen, welches die Ventilvorrichtung 2 und das Einschraubgehäu seelement 24 beispielsweise mittels Verschraubung fest miteinander verbindet.

Das Einschraubgehäuseelement 24 weist dazu eine Anformung 240 auf, an der ein erstes Gewinde 241 ausgebildet ist, so dass dieses in einfacher Weise in den Halsbereich 6 des Tanks 10 eingebracht werden kann. Darüber hinaus weist das Einschraubgehäuseelement 24 ein topfförmiges Ende 242 auf, in dem die Ventil vorrichtung 2 aufgenommen ist. Das topfförmige Ende 242 weist zudem ein zwei tes Gewinde 243 auf, an das das Fixierelement 12 bei Fixierung der Ventilvor richtung 2 an das Einschraubgehäuseelement 24 angeschraubt werden kann.

In dem Einschraubgehäuseelement 24 ist ein Durchgangskanal 244 ausgebildet, so dass gasförmiges Medium, insbesondere Wasserstoff, auf diese Weise bei spielsweise einem Anodenbereich einer Brennstoffzelle in einer Brennstoffzellen anordnung über die Ventilvorrichtung 2 aus dem Tankinnenraum 100 über einen zylinderförmigen Durchlasskanal 80 zuführbar ist.

Die Ventilvorrichtung 2 weist ein Ventilgehäuse 20 mit einer Längsachse 11 auf, in dem ein stufenförmiger Innenraum 7 ausgebildet ist. Die Ventilvorrichtung 2 weist weiterhin in dem Ventilgehäuse 20 eine zylinderförmige Einlassöffnung 28 und eine zylinderförmige Auslassöffnung 31 auf, wobei die Einlassöffnung 28 in den Durchgangskanal 244 des Einschraubgehäuseelements 24 mündet. Sowohl die Anströmung als auch die Abströmung der Ventilvorrichtung 2 erfolgt hier axial zu der Längsachse 11 der Ventilvorrichtung 2.

Weiterhin ist in dem Ventilgehäuse 20 eine Magnetspule 14 aufgenommen und integriert, wobei die Magnetspule 14 mittels eines Stützelements 22 in dem Ven tilgehäuse 20 fixiert und mittels Dichtelementen an dem Stützelement 22 gegen den Innenraum 7 abgedichtet ist. Die Magnetspule 14 ist dabei über einen elektri schen Anschluss 30 ansteuerbar.

In dem Innenraum 7 ist ein entlang der Längsachse 11 bewegliches Ansteuerven tilelement 18 angeordnet. Das Ansteuerventilelement 18 und das Ventilgehäuse 20 begrenzen einen Ringraum 27, wobei das Ansteuerventilelement 18 und das Einschraubgehäuseelement 24 einen Federraum 25 begrenzen. Der Ringraum 27 mündet dabei in die Auslassöffnung 31, wohingegen der Federraum 25 in die Ein lassöffnung 28 mündet. Am Ansteuerventilelement 18 ist ein Dichtkörper 19 angeordnet, der zusammen mit einem an dem Ventilgehäuse 20 konisch ausgebildeten Ventilsitz 40 ein An steuerventil 44 ausbildet. Der Dichtkörper 19 weist eine halbkugelförmige Spitze auf, mit der er auf dem Ventilsitz 40 aufliegt, und ist vorzugsweise aus einem Kunststoff oder einer dichten Materialpaarung gefertigt. Durch das Ansteuerventil 44 kann eine Verbindung zwischen dem Ringraum 27 und der Auslassöffnung 31 und damit dem Durchlasskanal 80 geöffnet und geschlossen werden.

Der Durchlasskanal 80 mündet dabei mittels eines konischen Übergangsbereichs 36 in die Auslassöffnung 31, wobei der Durchlasskanal 80 einen Durchmesser D und die Auslassöffnung 31 einen Durchmesser d aufweisen. Der Durchmesser D des Durchlasskanals 80 ist größer als der Durchmesser d der Auslassöffnung 31.

In dem Ansteuerventilelement 18 sind eine Längsöffnung 33 und weitere Öffnun gen 32 ausgebildet. Die weiteren Öffnungen 32 münden in den Ringraum 27 und die Längsöffnung 33 mündet einerseits in die weiteren Öffnungen 32 und ande rerseits in den Federraum 25.

Weiterhin weist das Ansteuerventilelement 18 eine Ausnehmung 45 auf, welche mit der Längsöffnung 33 verbunden ist. In der Ausnehmung 45 ist der Federraum 25 ausgebildet und die Feder 26 angeordnet, welche sich einerseits an dem Ein schraubgehäuseelement 24 und andererseits an dem Ansteuerventilelement 18 abstützt und welche das Ansteuerventilelement 18 in Richtung des Ventilsitzes 40 drückt.

Das Ventilgehäuse 20 ist hier mehrteilig ausgebildet, so dass die Magnetspule 14 zwischen dem mehrteiligen Ventilgehäuse 20 aufgenommen und integriert ist.

Der Druck P2 im Tank 10 ist außerdem größer als der Druck pi im Durchlasskanal 80, so dass neben der Kraft der Feder 26 eine weitere schließende Kraft auf das Ansteuerventilelement 18 wirkt und die Ventilvorrichtung 1 bei unbestromter Magnetspule 14 in einer geschlossenen Position angeordnet ist. Die Funktionsweise der Ventilvorrichtung ist wie folgt: Bei nicht bestromter Mag netspule 14 ist der Ventilsitz 40 durch die Kraft der Feder 26 und des Druckunter schieds zwischen dem Tank 10 und dem Durchlasskanal 80 geschlossen, so dass die Verbindung zwischen der Einlassöffnung 28 und der Auslassöffnung 31 geschlossen ist. Somit kann auch kein gasförmiges Medium, beispielsweise Wasserstoff, aus dem Tankinnenraum 100 über das Ansteuerventil 44 in Rich tung eines Systems, beispielsweise eines Anodenbereichs einer Brennstoffzel lenanordnung, strömen. In dem Tankinnenraum 100 herrscht Hochdruck von bei spielsweise 700 bar. In der Brennstoffzellenanordnung hingegen herrscht Nieder druck.

Wird die Magnetspule 14 bestromt, so bildet sich ein magnetisches Feld aus, was zu einer Kraftwirkung zwischen dem Einschraubgehäuseelement 24 und dem Ansteuerventilelement 18 führt. Dadurch wird eine magnetische Kraft auf das Ansteuerventilelement 18 erzeugt, welche der Kraft der Feder 26 und den durch das gasförmige Medium erzeugten Druckkräften entgegengerichtet ist.

Dies führt dazu, dass das Ansteuerventilelement 18 von dem Ventilsitz 40 abhebt und diesen freigibt. Die Verbindung zwischen der Einlassöffnung 28 und der Aus lassöffnung 31 ist nun freigegeben. Gasförmiges Medium strömt nun über die Einlassöffnung 28, den Federraum 25, die Längsöffnung 33 und die weiteren Öff nungen 32, den Ringraum 27 und die Auslassöffnung 31 in den Durchlasskanal 80 aus dem Tankinnenraum 100 in Richtung des Anodenbereichs der Brennstoff zellenanordnung.

Soll die Wasserstoff-Zufuhr zu der Brennstoffzelle unterbrochen werden, wird die Magnetspule 14 nicht weiter bestromt, so dass das magnetische Feld abgebaut wird und sich das Ansteuerventilelement 18 mittels der Kraft der Feder 26 und des Druckunterschieds zwischen dem Tank 10 und dem Durchlasskanal 80 wie der in Richtung des Ventilsitzes 40 bewegt und diesen schließt.

Im Falle einer Befüllung des Tanks 10 mit gasförmigem Medium, hier Wasser stoff, bei dem die Strömrichtung von der Auslassöffnung 31 in Richtung der Ein lassöffnung 28 verläuft, wird der Durchlasskanal 80 mit einem externen Tanksys- tem verbunden. Da beim Betanken nicht bestromt werden darf, muss die Ventil vorrichtung 2 so ausgelegt sein, dass über die an der Ventilvorrichtung 2 anste henden Druckverhältnisse die Ventilvorrichtung 2 aufgedrückt werden kann. Da beim Betankungsfall der Druck im Durchlasskanal 80 größer ist als im Bereich des Ansteuerventilelements 18, müssen die Druckverhältnisse so ausgelegt sein, dass das Ansteuerventilelement 18 gegen die Kraft der Feder 26 und den in dem Tank 10 anstehenden Druck gedrückt und geöffnet werden kann, sodass der Tank 10 mit Wasserstoff gefüllt werden kann. Sobald der Betankungsvorgang be endet wird, stellt sich vor und hinter dem Ventilsitz 40 gleiche Druckverhältnisse ein, sodass die Ventilvorrichtung 2 über die Kraft der Feder 26 wieder verschlos sen wird.