Die Erfindung betrifft eine Ventilbaugruppe für einen Brenngastank. Ferner betrifft die Erfindung einen Brenngastank mit einer erfindungsgemäßen Ventilbaugruppe sowie ein Brenngastanksystem. Bei dem Brenngas kann es sich insbesondere um Wasserstoff oder Erdgas handeln, das in einem Brenngastank unter Druck gespeichert wird.

Bevorzugter Anwendungsbereich der Erfindung sind Brennstoffzellen- und/oder Gasfahrzeuge, die mit Hilfe eines Brenngases angetrieben werden.

Stand der Technik

Bekannt sind mobile Brenngastanksysteme mit mindestens einem Brenngastank zur Speicherung von Brenngas, beispielsweise Wasserstoff oder Erdgas. Die Brenngastanks sind dabei in der Regel als Hochdrucktanks ausgelegt. Ein Hochdrucktank benötigt immer ein Absperrventil, um den Tank dicht abzusperren, wenn das Fahrzeug nicht in Betrieb ist. Aus Gründen der Sicherheit ist das Absperrventil als stromlos geschlossenes Ventil ausgeführt.

Aus der DE 10 2018 221 602 A1 geht beispielhaft eine Tankvorrichtung zur Speicherung eines gasförmigen Mediums, insbesondere Wasserstoff, mit einer elektromagnetisch ansteuerbaren Ventilvorrichtung und einem Tank hervor. Zur elektromagnetischen Ansteuerung umfasst die Ventilvorrichtung eine Magnetspule, deren Magnetkraft auf ein entlang einer Längsachse hin und her bewegliches Ansteuerventilelement wirkt. Bei unbestromter Magnetspule drückt eine Feder das Ansteuerventilelement gegen einen gehäuseseitig ausgebildeten Ventilsitz. Darüber hinaus sind mehrstufig öffnende Absperrventile bekannt, die ein Hauptventil und ein Steuerventil umfassen. Das Steuerventil gibt im Vergleich zum Hauptventil einen kleineren Öffnungsquerschnitt frei, so dass das anfängliche Öffnen mit einer geringeren Kraft bewirkt werden kann. Durch das Öffnen des Steuerventils ändern sich die Druckverhältnisse am Hauptventil, so dass im weiteren Verlauf auch dieses öffnet.

Zum Schließen wird die Bestromung der Magnetspule beendet, so dass die Federkraft der Feder - unterstützt durch die Druckdifferenz zwischen dem Tankdruck und dem Leitungsdruck, der im Normalbetrieb unterhalb des Tankdrucks liegt - das Absperrventil schließt.

Im Betankungsfall kehrt sich das Druckverhältnis Tankdruck zu Leitungsdruck um, so dass der Leitungsdruck über dem Tankdruck liegt. Da das Absperrventil in der Regel in einen Entnahmepfad integriert ist, der mit einem Betankungspfad zum Befüllen des Brenngastanks pneumatisch verbunden ist, besteht die Gefahr eines unbeabsichtigten Öffnens des Absperrventils. Das Absperrventil wird in diesem Fall in umgekehrter Strömungsrichtung von einem hohen Brenngas-Massenstrom durchströmt. Durch Verunreinigungen des Brenngases, beispielsweise durch Wassermoleküle und/oder Fremdpartikel, kann es zu einem Funktionsausfall des Absperrventils kommen. Beispielsweise kann mit Wasser beladenes Brenngas bei tiefen Umgebungstemperaturen zu Vereisungen führen, die ein sicheres Schließen des Absperrventils verhindern. Um im Betankungsfall ein umgekehrtes Durchströmen des Absperrventils zu verhindern, sind Lösungsansätze bekannt, die ein Rückschlagventil oder einen Massenstrombegrenzer stromabwärts des Absperrventil im Entnahmepfad vorsehen. Diese bewirken, dass zumindest der überwiegende Teil des Brenngas-Massenstroms im Betankungsfall über den Betankungspfad am Absperrventil vorbei in den Brenngastank geführt wird.

Das Rückschlagventil bzw. der Massenstrombegrenzer benötigen jedoch zusätzlichen Bauraum, der an sich stark begrenzt ist. Denn die Anordnung erfolgt in der Regel im Bereich eines Flaschenhalses des Brenngastanks, dessen Abmessungen durch standardisierte Einschraubgewinde limitiert sind.

Die vorliegende Erfindung ist mit der Aufgabe befasst, Lösungsansätze anzugeben, die im Betankungsfall eine Trennung des Absperrventils vom Brenngas-Massenstrom im Betankungspfad ermöglichen und zugleich weniger bauraumintensiv sind. Zur Lösung der Aufgabe werden die Ventilbaugruppe mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie der Brenngastank mit den Merkmalen des Anspruchs 9 vorgeschlagen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den jeweiligen Unteransprüchen zu entnehmen. Des Weiteren wird ein Brenngastanksystem mit einem erfindungsgemäßen Brenngastank vorgeschlagen.

Offenbarung der Erfindung

Die für einen Brenngastank vorgeschlagene Ventilbaugruppe umfasst ein vorzugsweise elektromagnetisch ansteuerbares Absperrventil und ein weiteres Ventil, das als Rückschlagventil oder als Massenstrombegrenzungsventil ausgeführt ist. Das Absperrventil und das weitere Ventil sind dabei in ein Ventilgehäuse integriert, über das ein Entnahmepfad zur Entnahme von Brenngas aus dem Brenngastank führt. Das weitere Ventil ist dabei im Entnahmepfad stromabwärts des Absperrventils bezogen auf die Brenngas-Strömungsrichtung bei der Entnahme von Brenngas angeordnet.

Mit Hilfe des weiteren Ventils kann demnach ein Rückströmen von Brenngas durch das Absperrventil in den Brenngastank verhindert werden. Zugleich ist über das weitere Ventil sichergestellt, dass sich im Betankungsfall und bei geschlossenem Absperrventil kein Druck aufbauen kann, der zu einem unbeabsichtigten Öffnen des Absperrventils führt. Somit ist im Betankungsfall das Absperrventil vor Brenngas geschützt, das Wasser und/oder Fremdpartikel enthalten und dadurch die Funktionsfähigkeit des Absperrventils beeinträchtigen kann.

Durch Integration des weiteren Ventils in das Ventilgehäuse des Absperrventils bilden beide Ventile eine kompakt bauende Ventileinheit aus, so dass der Bauraumbedarf sinkt. Die vorgeschlagene Ventilbaugruppe kann somit einfacher in einen Brenngastank, insbesondere in einen engen Flaschenhals eines Brenngastanks, eingesetzt werden.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das weitere Ventil ein Rückschlagventil mit einer Feder, deren Federkraft schließend wirkt. Bei geschlossenem Absperrventil ist auch das Rückschlagventil geschlossen, da kein Druck ansteht, der das Rückschlagventil entgegen der Federkraft der Feder öffnen könnte. Der Entnahmepfad durch die Ventilbaugruppe ist somit bei unbestromtem Absperrventil in beide Strömungsrichtungen abgesperrt. Im Betankungsfall wird das Rückschlagventil über den Druck im Betankungspfad, mit dem stromabwärts des weiteren Ventils auch der Entnahmepfad beaufschlagt wird, zusätzlich geschlossen gehalten.

Da Ventile in der Regel nicht 100% gasdicht sind, kann bei geschlossenem Absperrventil Brenngas zwischen dem Absperrventil und dem Rückschlagventil gelangen, so dass sich dort Druck aufbaut. In Weiterbildung der Erfindung wird daher vorgeschlagen, dass das Rückschlagventil über einen Entlastungspfad mit integrierter Drossel umgehbar ist. Über den Entlastungspfad und die Drossel kann eine Druckentlastung erzielt werden, die hilft, die anstehende Druckdifferenz zwischen den beiden Ventilsitzen und dem Betankungspfad und/oder dem Brenngastank so zu limitieren, dass keine Überlastung und damit kein frühzeitiger Verschleiß der Ventilsitze auftritt.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das weitere Ventil ein Rückschlagventil mit einer Feder, deren Federkraft öffnend wirkt. Das Rückschlagventil schließt nur im Betankungsfall, wenn das Absperrventil geschlossen ist und der Druck im Betankungspfad eine auf das Rückschlagventil in Schließrichtung wirkende pneumatische Kraft bewirkt, die größer als die Federkraft der Feder ist. Auf einen Entlastungspfad mit integrierter Drossel kann bei dieser Ausführungsform verzichtet werden.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist das weitere Ventil ein Massenbegrenzungsventil. Dieses ist kann ebenfalls als drucklos geschlossenes oder offenes Ventil ausgeführt sein. Das drucklos geschlossene Massenstrombegrenzungsventil wird im Betankungsfall durch die Feder und den Druck im Betankungspfad geschlossen gehalten. Das drucklos offene Massenstrombegrenzungsventil wird im Betankungsfall durch den Druck im Betankungspfad entgegen der Federkraft der öffnend wirkenden Feder geschlossen gehalten.

Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass - unabhängig von der konkreten Ausgestaltung des weiteren Ventils - das Absperrventil und das weitere Ventil koaxial angeordnet sind. Die koaxiale Anordnung vereinfacht die Integration des weiteren Ventils in das Ventilgehäuse des Absperrventils, da dieses lediglich in axialer Richtung verlängert werden muss. Im Übrigen können die Abmessungen des Ventilgehäuses beibehalten werden.

Bevorzugt ist der Entnahmepfad über einen im Ventilgehäuse ausgebildeten Einlass mit einem Speichervolumen des Brenngastanks und über einen im Ventilgehäuse ausgebildeten Auslass mit einem Betankungspfad zum Befüllen des Speichervolumens mit Brenngas verbindbar. Das heißt, dass der Entnahmepfad und der Betankungspfad pneumatisch verbunden sind, jedoch außerhalb des Ventilgehäuses bzw. außerhalb der Ventilbaugruppe. Baut sich im Betankungsfall im Betankungspfad ein Druck auf, der höher als der Druck im Brenngastank ist, verhindert das weitere Ventil der Ventilbaugruppe, dass das Absperrventil aufgrund der Druckdifferenz öffnet. Denn über das weitere Ventil ist das Absperrventil vom Betankungspfad getrennt.

Ferner bevorzugt führt der Entnahmepfad im Ventilgehäuse über einen Ventilraum des Absperrventils, in dem ein mit einem Ventilsitz zusammenwirkendes Ventilschließelement hin und her beweglich aufgenommen und in Richtung des Ventilsitzes unmittelbar oder mittelbar von der Federkraft einer Schließfeder beaufschlagt ist. Das Absperrventil kann dabei als ein- oder mehrstufig öffnendes Ventil ausgeführt sein.

Ist Letzteres der Fall, bildet vorzugsweise das Ventilschließelement einen Steuerventilsitz für einen koaxial zum Ventilschließelement angeordneten hubbeweglichen Steuerventilkolben aus, der über die Federkraft der Schließfeder in Richtung des Steuerventilsitzes beaufschlagt ist. Die Schließfeder wirkt dann mittelbar über den Steuerventilkolben auf das Ventilschließelement des Absperrventils. Das mehrstufige Öffnen besitzt den Vorteil, dass zunächst mit vergleichsweise geringer Öffnungskraft ein kleinerer Öffnungsquerschnitt geöffnet werden kann. Die sich daraufhin ändernden Druckverhältnisse führen dann zum Öffnen des Hauptventils.

Da das Absperrventil bevorzugt elektromagnetisch ansteuerbar ist, wird die öffnende Kraft mittels einer Magnetspule bewirkt. Ferner bevorzugt ist das Ventilschließelement oder der Steuerventilkolben - je nachdem, ob das Absperrventil als ein- oder mehrstufig öffnendes Ventil ausgeführt ist - als Magnetanker ausgeführt oder mit einem Magnetanker gekoppelt. Wird die Magnetspule bestromt, baut sich ein Magnetfeld auf, des- sen Magnetkraft auf den Magnetanker einwirkt, so dass dieser sich in Öffnungsrichtung des Absperrventils bewegt. Bei geöffnetem Absperrventil steht am weiteren Ventil ein Druck an, der dieses öffnet, sofern das weitere Ventil nicht als drucklos offenes Ventil ausgeführt ist. Zum Schließen des Absperrventils wird die Bestromung der Magnetspule beendet, so dass die Schließfeder den Magnetanker zurückstellt. Das weitere Ventil schließt bei koaxialer Anordnung gegenläufig, entweder durch die Federkraft seiner Feder und/oder durch den Druck im Betankungspfad beim Befüllen des Brenngastanks mit Brenngas.

Des Weiteren wird ein Brenngastank mit einer erfindungsgemäßen Ventilbaugruppe vorgeschlagen. Durch die Kompaktheit der Ventilbaugruppe, kann diese einfach in einen Brenngastank eingesetzt werden. Vorzugsweise ist die Ventilbaugruppe in eine Tankeinheit integriert, die zumindest abschnittsweise in den Brenngastank, vorzugsweise in einen Flaschenhals des Brenngastanks, eingesetzt ist. Die Integration der Ventilbaugruppe in eine Tankeinheit ermöglicht die Kombination der Ventilbaugruppe mit weiteren Komponenten, insbesondere weiteren Ventilen, die ebenfalls in die Tankeinheit integriert sind.

In Weiterbildung der Erfindung wird daher vorgeschlagen, dass in die Tankeinheit mindestens eine weitere Komponente, insbesondere ein weiteres Ventil, integriert ist.

Ferner wird ein Brenngastanksystem vorgeschlagen, das mindestens einen erfindungsgemäßen Brenngastank umfasst. Das vorgeschlagene Brenngastanksystem gelangt vorzugsweise in einem Brennstoffzellenfahrzeug oder in einem Gasfahrzeug zum Einsatz.

Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Diese zeigen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild einer Tankeinheit mit einer ersten erfindungsgemäßen Ventilbaugruppe,

Fig. 2 ein Blockschaltbild einer Tankeinheit mit einer zweiten erfindungsgemäßen Ventilbaugruppe, Fig. 3 ein Blockschaltbild einer Tankeinheit mit einer dritten erfindungsgemäßen Ventilbaugruppe,

Fig. 4 ein Blockschaltbild einer Tankeinheit mit einer vierten erfindungsgemäßen Ventilbaugruppe und

Fig. 5 einen schematischen Längsschnitt durch eine fünfte erfindungsgemäße Ventilbaugruppe.

Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen

Das Blockschaltbild der Figur 1 zeigt eine Tankeinheit 20 für einen Brenngastank 2 zur Speicherung eines Brenngases, beispielsweise Wasserstoff oder Erdgas. Die Tankeinheit 20 ist im Bereich eines Flaschenhalses 28 in den Brenngastank 2 eingesetzt, und zwar in der Weise, dass ein als „Top-Head“ bezeichneter Abschnitt 29 bzw. Kopfbereich der Tankeinheit 20 außerhalb des Flaschenhalses 28 zu liegen kommt. In die Tankeinheit 20 sind diverse Komponenten integriert, die der Entnahme von Brenngas aus dem Brenngastank 2 sowie dem Befüllen des Brenngastanks 2 mit Brenngas dienen. Durch die Tankeinheit 20 führen demnach ein Entnahmepfad 6 sowie ein Betankungspfad 12. Auslassseitig sind beide Pfade 6, 12 zusammengeführt.

In den Entnahmepfad 6 der Tankeinheit 20 ist unter anderem eine erfindungsgemäße Ventilbaugruppe 1 mit einem Absperrventil 3 und einem weiteren Ventil 4 in Form eines Rückschlagventils integriert. Das weitere Ventil 4 ist stromabwärts des Absperrventils 3 im Entnahmepfad 6 angeordnet. Im Betankungsfall, das heißt bei geschlossenem Absperrventil 3, ist auch das weitere Ventil 4 geschlossen, da es von der Federkraft einer Feder 7 geschlossen gehalten wird. Darüber hinaus wird das weitere Ventil 4 von einer pneumatischen Druckkraft geschlossen gehalten, der Druck im Betankungspfad 12 über den verbundenen Entnahmepfad 6 am weiteren Ventil 4 anliegt. Das weitere Ventil 4 verhindert auf diese Weise ein unbeabsichtigtes Öffnen des Absperrventils 3 im Betankungsfall. In den Entnahmepfad 6 sind vorliegend weitere Ventile integriert. Bei dem stromabwärts der Ventilbaugruppe 1 angeordneten Ventil 21 handelt es sich um ein manuell betätigbares Ventil, das beispielsweise im Reparaturfall betätigt wird. Bei dem stromaufwärts der Ventilbaugruppe 1 angeordneten Ventil 25 handelt es sich um ein Massenstrombegrenzungsventil 25 zur Vermeidung unzulässig hoher Brenngas- Massenströme. Zwischen dem Massenstrombegrenzungsventil 25 und der Ventilbaugruppe 1 ist zudem ein Filter 26 im Entnahmepfad 6 angeordnet, der den Eintrag schädlicher Partikel in die Ventilbaugruppe 1 verhindern soll. Ein weiterer Filter 26 ist stromabwärts des manuell betätigbaren Ventils 21 in den Entnahmepfad 6 bzw. den Betankungspfad 12 integriert.

In den Betankungspfad 12 ist ein Ventil 22 in Form eines Rückschlagventils integriert, das in Befüllrichtung öffnet und in der anderen Richtung sperrt. Stromabwärts des Ventils 22 ist ein weiteres Massenstrombegrenzungsventil 24 vorgesehen. Dieses ist optional, das heißt nicht zwingend erforderlich. Darüber hinaus kann die Tankeinheit 20 weitere Ventile aufnehmen, beispielsweise - wie in der Figur 1 dargestellt - ein Ventil 23, wobei es sich um ein Sicherheitsventil zum Abbau des Tankdrucks im Brandfall handelt, sowie ein weiteres manuell betätigbares Ventil 21 , das der Entleerung des Brenngastanks 2 an allen Ventilen vorbei dient.

Eine weitere Tankeinheit 20 mit einer erfindungsgemäßen Ventilbaugruppe 1 ist in der Figur 2 dargestellt. Im Unterschied zur Figur 1 weist hier die Ventilbaugruppe 1 einen Entlastungspfad 8 mit integrierter Drossel 9 auf, der das weitere Ventil 4 umgeht. Über den Entlastungspfad 8 kann somit Brenngas abgeführt werden, das durch Leckage in einen Bereich des Entnahmepfads 6 zwischen dem Absperrventil 3 und dem weiteren Ventil 4 gelangt, so dass sich in diesem Bereich kein unzulässig hoher Druck aufbauen kann.

Eine Tankeinheit 20 mit einer weiteren erfindungsgemäßen Ventilbaugruppe 1 ist ferner der Figur 3 zu entnehmen. Im Unterschied zu den Figuren 1 und 2 ist hier das weitere Ventil 4 als Rückschlagventil ausgeführt, dessen Feder 7 das weitere Ventil 4 bei geschlossenem Absperrventil 3 geöffnet hält. Ein Entlastungspfad 8 mit integrierter Drossel 9 ist demnach entbehrlich. Die Federkraft der Feder 7 ist derart bemessen, dass im Betankungsfall der Druck im Betankungspfad eine pneumatische Druckkraft bewirkt, die größer als die Federkraft der Feder 7 ist, so dass das weitere Ventil 4 schließt.

Eine weitere Variante einer Tankeinheit 20 mit integrierter erfindungsgemäßer Ventilbaugruppe 1 ist in der Figur 4 dargestellt. Das weitere Ventil 4 ist in diesem Fall als Massenstrombegrenzungsventil ausgeführt. Dieses wird bei geschlossenem Absperrventil 3 durch die Federkraft einer Feder (nicht dargestellt) offengehalten. Im Betankungsfall wirkt eine pneumatische Druckkraft auf das Massenstrombegrenzungsventil, so dass dieses entgegen der Federkraft der Feder schließt. Aufgrund einer integrierten Drosselbohrung wirkt das Massenstrombegrenzungsventil jedoch nur teilweise sperrend.

Figur 5 zeigt eine erfindungsgemäße Ventilbaugruppe 1 mit einem Absperrventil 3 und einem weiteren Ventil 4 in Form eines Rückschlagventils, das - analog der in der Figur 1 dargestellten Ausführungsform - bei geschlossenem Absperrventil 3 mit Hilfe der Federkraft einer Feder 7 geschlossen gehalten wird. Das Absperrventil 3 und das weitere Ventil 4 sind in einem gemeinsamen Ventilgehäuse 5 aufgenommen. Über einen Einlass 10 und einen Auslass 11 ist das Ventilgehäuse 5 an den Entnahmepfad 6 angeschlossen. Der Einlass 10 mündet in einen Ventilraum 13, in dem ein mit einem Ventilsitz 14 zusammenwirkendes Ventilschließelement 15 hin und her beweglich aufgenommen ist. Das Ventilschließelement 15 bildet einen Steuerventilsitz 17 für einen hin und her beweglichen Steuerventilkolben 18 aus, der zugleich als Magnetanker 19 dient. Dieser ist von einer Magnetspule 27 zur Einwirkung auf den Magnetanker 19 umgeben.

Wird die Magnetspule 27 bestromt, bildet sich ein Magnetfeld aus, dessen Magnetkraft den Magnetanker 19 in Richtung der Magnetspule 27 bewegt, so dass hierüber der Steuerventilkolben 18 aus dem Steuerventilsitz 17 gehoben wird. Damit öffnet zunächst ein kleiner Öffnungsquerschnitt, so dass das anfängliche Öffnen mit vergleichsweise geringer Magnetkraft erzielt werden kann. Das Öffnen des Steuerventilsitzes 17 führt zu veränderten Druckverhältnissen am Ventilschließelement 15, so dass schließlich auch dieses vom Ventilsitz 14 abhebt und das Absperrventil 3 vollständig öffnet. Da bei geöffnetem Absperrventil 3 der Druck am weiteren Ventil 4 einlassseitig höher als auslassseitig ist, öffnet auch dieses entgegen der Federkraft der Feder 7. Zum Schließen des Absperrventils 3 wird die Bestromung der Magnetspule 27 beendet, so dass der Magnetanker 19 bzw. der Steuerventilkolben 18 sowie das Ventilschließelement 15 über die Federkraft einer Schließfeder 16 in ihre jeweilige Aus- gangslage zurückgestellt werden.