DE102012005835A1 - Device for storing fuel i.e. hydrogen, under high pressure, in vehicle, has filter units arranged between compressed gas container and gas outlet device, where one of filter units is designed to unfold full filter effect in flow direction - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Speichern von Gas unter hohem Druck nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art. Außerdem betrifft die Erfindung die Verwendung einer solchen Vorrichtung.The invention relates to a device for storing gas under high pressure according to the closer defined in the preamble of
Vorrichtungen zum Speichern von Gas unter hohem Druck sind beispielsweise als Gastank in gasbetriebenen Fahrzeugen, insbesondere in wasserstoffbetriebenen Fahrzeugen, welche den Wasserstoff beispielweise mittels eines Brennstoffzellensystems in elektrische Antriebsleistung für das Fahrzeug umsetzen, bekannt. Die Vorrichtungen weisen typischerweise mehrere einzelne Druckgasbehälter auf, welche jeweils mit einer Ventileinrichtung versehen sind. Sie sind über Leitungselemente mit einer Gasauslasseinrichtung verbunden, welche zur Weitergabe des Gases beispielsweise an einen Verbrennungsmotor oder das erwähnte Brennstoffzellensystem ausgebildet ist. Außerdem weisen die Vorrichtungen typischerweise einen Betankungsanschluss auf, um mit unter Druck stehenden Gas befüllt werden zu können.Devices for storing gas under high pressure are known, for example, as a gas tank in gas-powered vehicles, in particular in hydrogen-powered vehicles, which convert the hydrogen into electrical drive power for the vehicle, for example by means of a fuel cell system. The devices typically have a plurality of individual compressed gas containers, which are each provided with a valve device. They are connected via line elements with a gas outlet, which is designed to pass the gas, for example, to an internal combustion engine or the aforementioned fuel cell system. In addition, the devices typically have a refueling port for filling with pressurized gas.
Rein beispielhaft wird in diesem Zusammenhang auf die
Der Filter ist dabei von entscheidender Bedeutung, da er dafür sorgen muss, dass im Inneren der Vorrichtung keine Partikel und Fremdstoffe in die Druckgasbehälter und insbesondere in die Ventileinrichtungen und in die Gasauslasseinrichtung eindringen. Hier könnte eine Beeinträchtigung der Funktion aufgrund einer von dem Gas mitgerissenen Verschmutzung eintreten. Wenn man die Vorrichtung nun beispielsweise zur Speicherung von Wasserstoff unter einem Druck von ca. 70 MPa einsetzt, können hierdurch erhebliche Sicherheitsrisiken entstehen.The filter is of crucial importance, since it must ensure that no particles and foreign substances penetrate into the pressurized gas containers and in particular into the valve devices and into the gas outlet device inside the device. Here, a deterioration of the function could occur due to a pollution entrained by the gas. If the device is now used, for example, to store hydrogen under a pressure of about 70 MPa, this can result in considerable safety risks.
Die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung besteht nun darin, dieser Problematik entgegenzuwirken und eine Vorrichtung zur Speicherung von Gas anzugeben, welche eine sichere und zuverlässige Speicherung gewährleistet.The object of the present invention is now to counteract this problem and to provide a device for storing gas, which ensures a secure and reliable storage.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die Merkmale im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung ergeben sich aus den restlichen hiervon abhängigen Unteransprüchen. Außerdem ist im Anspruch 14 eine besonders bevorzugte Verwendung der Vorrichtung zur Speicherung von Gas angegeben.According to the invention this object is achieved by the features in the characterizing part of
Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist es vorgesehen, dass zwischen dem wenigstens einen Druckgasbehälter und der Gasauslasseinrichtung wenigstens zwei Filtereinheiten beabstandet voneinander in den Leitungselementen angeordnet sind, wobei wenigstens eine der Filtereinheiten so ausgebildet ist, dass sie nur in einer Durchströmungsrichtung ihre volle Filterwirkung entfaltet. Die Filtereinheit wirkt als unidirektionaler Filter, welcher lediglich in eine Richtung eine Filterwirkung aufweist und in der anderen Richtung mit verminderter oder gänzlich ohne Filterwirkung von dem Gas durchströmt werden kann. Hierdurch wird ein gezieltes Verteilen eventueller in die Vorrichtung eingedrungener Partikel in bestimmte Bereiche, nämlich in die Bereiche, die in der Strömungsrichtung in der die Filtereinheit ohne Filterwirkung durchströmt werden kann, nach der Filtereinheit liegen. Diese Bereiche hinter dem Filter können dann vorzugsweise Leitungselemente oder dergleichen sein, in deren Bereich durch eventuelle Verschmutzungen keine funktionellen Beeinträchtigungen verursacht werden können.In the device according to the invention, it is provided that between the at least one compressed gas container and the gas outlet at least two filter units are spaced from each other in the line elements, wherein at least one of the filter units is designed so that it unfolds their full filtering effect only in a direction of flow. The filter unit acts as a unidirectional filter, which has a filter effect in one direction only and can be traversed by the gas in the other direction with reduced or completely without filter action. In this way, a targeted distribution of any particles that have penetrated into the device into specific areas, namely into the areas that can be traversed downstream of the filter unit in the direction of flow in which the filter unit can flow without filter effect. These areas behind the filter can then preferably be line elements or the like, in whose area no functional impairments can be caused by possible contamination.
Vorzugsweise handelt es sich bei diesem Bereich um ein Stück des Leitungselements zwischen den wenigstens zwei Filtern. Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung erfolgt der Einbau so, dass die Durchströmungsrichtung, in der die Filtereinheit ihre volle Filterwirkung entfaltet, in der Strömungsrichtung weg von der jeweils anderen Filtereinheit ausgerichtet ist. Sind nun beide Filter unidirektional ausgebildet oder wenigstens einer der Filter, so wird der Schmutz zwischen den beiden Filtern in dem Leitungselement gefangen und kann weder in die Gasauslasseinrichtung auf der einen Seite noch in die Ventileinrichtung und den mit der Ventileinrichtung verbundenen Druckgasbehälter auf der anderen Seite eindringen.Preferably, this area is a piece of the conduit element between the at least two filters. According to an advantageous embodiment of the device according to the invention, the installation is carried out so that the flow direction, in which the filter unit unfolds its full filtering effect, is aligned in the flow direction away from the respective other filter unit. Now, if both filters are unidirectional or at least one of the filters, so the dirt between the two filters is trapped in the conduit element and can penetrate neither in the gas outlet on one side nor in the valve means and connected to the valve means compressed gas tank on the other side ,
Kommt es zu einem verschmutzten Gasstrom aus dem Druckgasbehälter, indem beispielsweise in dem Druckgasbehälter befindliche Partikel mitgerissen werden, dann strömen diese durch den ersten unidirektional ausgebildeten Filter, welcher gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung im Bereich des Druckgasspeichers angeordnet ist, und werden von dem anderen Filter, welcher dementsprechend im Bereich der Gasauslasseinrichtung angeordnet ist, abgefangen. Sie verbleiben also in dem Leitungselement, welches ohne technische Funktionalität ausgebildet ist und damit auch nicht durch die entsprechenden Schmutzpartikel in seiner technischen Funktionalität beeinträchtigt werden kann.If there is a polluted gas stream from the compressed gas container, for example, by entrained in the compressed gas container particles, then they flow through the first unidirectional filter, which is arranged according to an advantageous embodiment of the device according to the invention in the region of the compressed gas storage, and are of the other Filter, which is arranged accordingly in the gas outlet, intercepted. So they remain in the line element, which is designed without technical functionality and thus can not be affected by the corresponding dirt particles in its technical functionality.
Gemäß einer entsprechenden Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann es dabei selbstverständlich vorgesehen sein, dass mehrere Druckgasbehälter in der Vorrichtung vorhanden sind, wobei jedem der Druckgasbehälter eine Filtereinheit, welche nur in einer Durchströmungsrichtung ihre volle Filterwirkung entfaltet, zugeordnet ist. Damit lässt sich der oben beschriebene Aufbau auch auf größere Vorrichtungen übertragen, bei denen jeder der Druckgasbehälter von einem undirektionalen Filter abgesichert ist, welcher eine Durchströmung nur in Richtung aus dem Behälter ohne Filterwirkung erlaubt und bei der Betankung, also beim Einströmen von Gas in den Behälter, die volle Filterwirkung entfaltet und mit der Betankung eingebrachte Partikel, soweit diese durch einen optionalen im Bereich des Betankungsanschluss vorgesehenen Filter hindurchdringen, entsprechend ausfiltert. Eventuelle Schmutzpartikel, welche sich im Bereich der Druckgasbehälter gesammelt haben, werden in der oben beschriebenen Art und Weise durch die unidirektionalen Filter hindurchströmen und sammeln sich in den Leitungselementen zwischen den unidirektionalen Filtern und dem Filter der Gasauslasseinrichtung, welcher ebenfalls unidirektional ausgebildet, jedoch auch als herkömmlicher Filter realisiert sein kann, da eine Durchströmung aus Richtung der Gasauslasseinrichtung in Richtung der Druckgasbehälter typischerweise nicht zu erwarten ist.According to a corresponding embodiment of the device according to the invention can it be provided, of course, that a plurality of compressed gas containers are present in the device, each of the compressed gas container is associated with a filter unit which unfolds its full filtering effect only in a flow direction. Thus, the structure described above can be transferred to larger devices in which each of the compressed gas container is secured by an undirectional filter, which allows a flow only in the direction of the container without filtering effect and refueling, so when gas flows into the container , which unfolds full filter effect and appropriately filters out particles introduced with the refueling, as far as they pass through an optional filter provided in the region of the refueling connection. Any dirt particles which have accumulated in the area of the compressed gas containers will flow through the unidirectional filters in the manner described above and accumulate in the line elements between the unidirectional filters and the filter of the gas outlet device, which is also unidirectional, but also more conventional Filter can be realized, since a flow from the direction of the gas outlet device in the direction of the compressed gas tank is typically not expected.
In einer weiteren sehr günstigen Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist das wenigstens eine Filterelement dabei in die Ventileinrichtung integriert ausgeführt. In diesem Fall kann das Ventil der soeben beschriebenen Ausgestaltung gleichzeitig als Ventil der Ventileinrichtung mitgenutzt werden.In a further very favorable embodiment of the device according to the invention, the at least one filter element is designed to be integrated into the valve device. In this case, the valve of the embodiment just described can be simultaneously used as a valve of the valve device.
Die oder jede der Filtereinheiten, welche nur in einer Durchströmungsrichtung ihre volle Filterwirkung entfalten, also die unidirektionale Filtereinheit im Sinne der oben dargestellten Beschreibung, kann dabei gemäß einer besonders günstigen und vorteilhaften Weiterbildung der Vorrichtung so ausgebildet sein, dass die wenigstens eine Filtereinheit mit wenigstens einem durch die Strömung des Gases bewegten Filterelement ausgebildet ist. Ein solches durch die Strömung des Gases in die eine oder andere Position, je nachdem in welcher Richtung das Gas strömt, bewegten Filterelement – oder mehrerer Filterelemente – ermöglicht eine gute Filterwirkung, da das Filterelement in die eine Richtung durchströmt werden muss, und ermöglicht ein Verschieben oder Bewegen des Filterelements bei einer Gasströmung in die andere Richtung, sodass dieses nicht oder nur teilweise durchströmt werden muss und dadurch die Filterwirkung entweder gänzlich wegfällt oder stark abnimmt.The or each of the filter units, which unfold their full filter effect only in one direction of flow, so the unidirectional filter unit in the sense of the description above, can be designed according to a particularly favorable and advantageous development of the device so that the at least one filter unit with at least one formed by the flow of the gas moving filter element. Such a filter element moved by the flow of gas in one or the other position, depending on the direction in which the gas flows, or more filter elements - allows a good filtering effect, since the filter element must be flowed through in one direction, and allows a displacement or moving the filter element in a gas flow in the other direction, so that this does not flow through or only partially and thus the filter effect either completely eliminated or greatly decreases.
In einer besonders günstigen und vorteilhaften Weiterbildung dieser Idee ist es dabei vorgesehen, dass das bewegte Filterelement oder die bewegten Filterelemente sich ohne Strömung oder bei Strömung in die eine Richtung aneinander und/oder an einem Halteelement abstützen, und dass sie sich bei Strömung in die andere Richtung von dem strömenden Volumenstrom voneinander und/oder von dem Halteelement abheben. Diese vorteilhafte Ausgestaltung kann beispielsweise in der Art einer Reuse ausgebildet sein, bei welcher eine Gasströmung in die eine Richtung die Filterelemente voneinander abhebt und so eine Durchströmung ohne oder mit geringer Filterwirkung ermöglicht. In der anderen Richtung können die schräg in einem Leitungselement angeordneten Filterelemente sich dann gegeneinander abstützen und bilden einen kegelförmigen Aufbau, gegen dessen Spitze das Gas anströmt und entsprechend gefiltert wird. Ergänzend oder alternativ dazu wäre es auch denkbar, dass die einzelnen Filterelemente oder ein einziges Filterelement sich an einem entsprechenden Halteelement abstützt. Auch hierdurch ließe sich ein Aufbau in der oben beschriebenen Art realisieren. Es lässt sich hierbei jedoch auch ein Aufbau realisieren, bei dem beispielsweise ein einziges Filterelement drehbeweglich an einer Seite einer Rohrleitung befestigt ist und bei der Durchströmung in die eine Richtung in der Art einer Klappe aufgestoßen wird. Bei einer Durchströmung in die andere Richtung schließt sich die Klappe und stützt sich beispielsweise an einem Anschlag oder einer Querschnittsverringerung des Leitungselements als Halteelement entsprechend ab und muss von dem Gasstrom durchströmt werden, sodass dieser gefiltert wird.In a particularly favorable and advantageous development of this idea, it is provided that the moving filter element or the moving filter elements are supported without flow or flow in the one direction to each other and / or on a holding element, and that they flow into the other Lift the direction of the flowing volume flow from each other and / or from the holding element. This advantageous embodiment may be formed for example in the manner of a trap, in which a gas flow in one direction, the filter elements apart from each other and thus allows a flow without or with little filter effect. In the other direction, the filter elements arranged obliquely in a duct element can then be supported against one another and form a conical structure against whose tip the gas flows and is filtered accordingly. Additionally or alternatively, it would also be conceivable that the individual filter elements or a single filter element is supported on a corresponding holding element. Also, this would make a structure in the manner described above can be realized. However, in this case it is also possible to realize a construction in which, for example, a single filter element is fastened rotatably on one side of a pipeline and, in the case of the flow through it, is pushed open in one direction in the manner of a flap. With a flow in the other direction, the flap closes and is based, for example, on a stop or a cross-sectional reduction of the line element as a holding element accordingly and must be traversed by the gas stream, so that it is filtered.
Insbesondere bei dem in der Art einer Reuse ausgebildeten unidirektionalen Aufbau der Filtereinheit entsteht der weitere Vorteil, dass bei der Durchströmung in die eine Richtung festgehaltene Schmutzpartikel bei der Durchströmung in die andere Richtung teilweise wieder mit ausgespült werden, sodass hierdurch eine Reinigungswirkung des Filters entsteht und der Aufbau sehr wartungsarm ist.Particularly in the case of the unidirectional construction of the filter unit designed in the manner of a trap, there is the further advantage that during the flow through in one direction the dirt particles are partially flushed out again when flowing in the other direction, so that a cleaning effect of the filter is produced Construction is very low maintenance.
Eine alternative Ausgestaltung der unidirektionalen Filtereinheit kann es gemäß einer weiteren Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung vorsehen, dass die wenigstens eine Filtereinheit zwei Leitungszweige aufweist, wobei in dem einen Leitungszweig ein Filter angeordnet ist, und der andere Leitungszweig als Bypass um den Filter ausgebildet ist, wobei die Filtereinheit ein Ventil mit Wirkung für beide Leitungszweige aufweist. Das Ventil kann beispielsweise als Dreiwegeventil am Kreuzungspunkt zwischen den Leitungszweigen realisiert sein. Durch eine aktive Ansteuerung kann so eine Durchströmung des Filters oder eine Strömung des Gases durch den anderen Leitungszweig, als Bypass, realisiert werden.According to a further embodiment of the device according to the invention, an alternative embodiment of the unidirectional filter unit may provide that the at least one filter unit has two line branches, wherein one filter branch is arranged in the one line branch, and the other line branch is formed as a bypass around the filter, wherein the Filter unit having a valve with effect for both line branches. The valve can be realized for example as a three-way valve at the intersection point between the line branches. By means of active activation, it is thus possible to realize a flow through the filter or a flow of the gas through the other line branch, as a bypass.
In einer weiteren sehr günstigen Ausgestaltung der unidirektionalen Filtereinheit in der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann es ferner vorgesehen sein, dass die wenigstens eine Filtereinheit zwei Leitungszweige aufweist, wobei in dem einen Leitungszweig ein Filter und ein Rückschlagventil und in dem anderen Leitungszweig ein Ventil und ein Rückschlagventil angeordnet sind. Auch durch diesen Aufbau wird in der einen Durchströmungsrichtung durch das sich öffnende Rückschlagventil und den Filter eine Durchströmung des einen Leitungszweigs realisiert und in der anderen Richtung eine Durchströmung des anderen Leitungszweigs, wenn insbesondere das Ventil geöffnet ist. Hierdurch kann beispielsweise bei einer ebenfalls möglichen Integration in die Ventileinrichtung des Druckgasbehälters beim Ausströmen von Gas aus den Druckgasbehälter und somit geöffnetem Ventil eine Strömung erzielt werden, welche den Filter nicht durchströmt, während bei der Betankung und geschlossenem Ventil eine Strömung durch den anderen Leitungszweig und den Filter erfolgt.In a further very favorable embodiment of the unidirectional filter unit in the According to the invention, it can further be provided that the at least one filter unit has two line branches, in which one line branch a filter and a check valve and in the other line branch a valve and a check valve are arranged. Also by this structure, a through-flow of the one branch is realized in one direction of flow through the opening check valve and the filter and in the other direction, a flow through the other line branch, in particular when the valve is opened. In this way, for example in a likewise possible integration into the valve device of the compressed gas container during the outflow of gas from the compressed gas container and thus open valve, a flow can be achieved, which does not flow through the filter, while in the refueling and closed valve, a flow through the other leg and the Filter takes place.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung lässt sich insbesondere zur Speicherung von Wasserstoff als Brennstoff in einem Fahrzeug besonders gut verwenden. Insbesondere bei der Speicherung von Wasserstoff, welcher typischerweise unter sehr hohen Drücken von beispielsweise 70 MPa gespeichert wird, stellt die sichere Funktionalität, welche eine zuverlässige Filterung erforderlich macht, einen besonderen Vorteil dar. Durch den erfindungsgemäßen Aufbau der Filterung mit wenigstens einem undirektionalen Filter werden eventuelle Schmutzstoffe im Bereich zwischen dem wenigstens einen unidirektionalen Filter und dem zweiten Filter eingeschlossen, sodass die Verschmutzungen in den Leitungselementen verbleiben und die funktionalen Elemente der Vorrichtung nicht verschmutzen und in ihrer Funktion beeinträchtigen können.The device according to the invention can be used especially well for storing hydrogen as fuel in a vehicle. In particular, in the storage of hydrogen, which is typically stored under very high pressures of, for example, 70 MPa, the secure functionality that requires reliable filtering is a particular advantage. The inventive design of the filter with at least one unidirectional filter will provide potential Contaminants are included in the region between the at least one unidirectional filter and the second filter, so that the contaminants remain in the line elements and can not pollute the functional elements of the device and impair their function.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung ergeben sich aus den restlichen abhängigen Ansprüchen und werden anhand des Ausführungsbeispiels deutlich, welches nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren näher beschrieben wird.Further advantageous embodiments of the device according to the invention will become apparent from the remaining dependent claims and will be apparent from the embodiment, which will be described below with reference to the figures.
Dabei zeigen:Showing:
In der Darstellung der
Die Vorrichtung
Unter einer unidirektionalen Filtereinheit
Die Funktionalität des hier beschriebenen Aufbaus der Vorrichtung
Nach dem Abschluss des Betankungsvorgangs wird die hier nicht dargestellte Betankungsanlage entfernt und das mit der Vorrichtung
Nachfolgend sollen nun einige mögliche Ausführungsvarianten für die Filtereinheiten
In der Darstellung der
In der Darstellung der
In der Darstellung der
Um der Problematik eines eventuellen Ausfalls einer Steuerung entgegenzuwirken, kann die integrierte Einheit aus Ventileinrichtung
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