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Die Erfindung betrifft eine Sicherheitsvorrichtung für einen Brennstoffzellenstapel gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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In der
US 2008/0134693 A1 ist ein Behältnis zur Aufnahme einer kryogenen Flüssigkeit offenbart, umfassend eine kombinierte Auffüll- und Entlüftungsvorrichtung mit einer Leitung, um die kryogene Flüssigkeit von einem Behälter in das Behältnis zu leiten, einem Rückschlagventil, welches innerhalb der Leitung angeordnet ist und welches die Leitung der Flüssigkeit nur in Richtung des Behältnis erlaubt und eine Bypassleitung, welche mit einem Ende mit der Leitung zwischen dem Rückschlagventil und dem Behältnis und mit einem anderen Ende mit der Leitung zwischen dem Rückschlagventil und dem Behälter verbunden ist. Die Bypassleitung umfasst dazu ein Ventil, welches innerhalb der Bypassleitung angeordnet ist und zwischen einer geöffneten Position, in welcher Flüssigkeit durch die Bypassleitung fließen kann, und einer geschlossen Position, in welcher keine Flüssigkeit durch die Bypassleitung fließen kann, schaltet.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine gegenüber dem Stand der Technik verbesserte Sicherheitsvorrichtung für einen Brennstoffzellenstapel anzugeben.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Sicherheitsvorrichtung mit den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Eine Sicherheitsvorrichtung für einen Brennstoffzellenstapel umfasst eine Druckregeleinrichtung zum Regeln eines Drucks eines Brennstoffs, welcher über eine Versorgungsleitung dem Brennstoffzellenstapel zuführbar ist, wobei die Druckregeleinrichtung mit der Versorgungsleitung gekoppelt ist, ein mit der Druckregeleinrichtung gekoppeltes Überdruckventil, eine mit dem Überdruckventil gekoppelte Entlüftungsleitung zum Abführen eines Brennstoffs nach außerhalb, und ein Halteelement, mittels welchem das Überdruckventil mit der Entlüftungsleitung gekoppelt ist. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass das Halteelement und die Entlüftungsleitung als ein einteiliges Bauteil ausgebildet sind.
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Die Integration des Halteelements und der Entlüftungsleitung zu einem einteiligen Bauteil vereinfacht eine Montage der Sicherheitsvorrichtung, in dem anstelle von zwei Komponenten nur eine Komponente mit der Druckregeleinrichtung und insbesondere mit dem Überdruckventil zu verbinden ist. Damit sind gegenüber dem Stand der Technik auch Kosten verringerbar, da eine Anzahl von Befestigungselementen verringert ist. Darüber hinaus ist mittels der derart ausgebildeten Sicherheitsvorrichtung die Entlüftungsleitung mechanisch stabil mit dem Überdruckventil verbunden, so dass eine Entlüftung der Versorgungsleitung und damit auch ein Betrieb des Brennstoffzellenstapels sichergestellt sind.
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Das Überdruckventil ist kraft- und/oder form- und/oder stoffschlüssig mit der Druckregeleinrichtung verbunden, wobei ein eine Austrittsöffnung des Überdruckventils umfassender Abschnitt des Überdruckventils von einer Gehäusewand eines Gehäuses der Druckregeleinrichtung abragt. Eine Eintrittsöffnung des Überdruckventils ist dabei innerhalb des Gehäuses angeordnet. Damit ist es möglich, die Druckregeleinrichtung über das Überdruckventil mit der Entlüftungsleitung zu verbinden.
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In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das Halteelement einen plattenförmigen Grundkörper und eine Anzahl von Befestigungsöffnungen, die in den Grundkörper eingebracht sind. Die plattenförmige Ausbildung des Grundkörpers ermöglicht damit eine mechanisch stabile kraftschlüssige Verbindung des Halteelements mit dem Gehäuse der Druckregeleinrichtung im Bereich des Überdruckventils, wobei der plattenförmige Grundkörper mit einer Rückseite des Halteelements parallel zur Gehäusewand angeordnet ist. Die Rückseite des Halteelements ist dabei eine der Gehäusewand zugewandte Seite des Grundkörpers.
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Für den Kraftschluss sind Befestigungsschrauben vorgesehen, welche durch die Befestigungsöffnungen durchgeführt sind. Die Befestigungsschrauben werden bei der Montage nach Hindurchführen durch die Befestigungsöffnungen festgezogen, so dass das Halteelement und die Gehäusewand gegeneinander verpresst sind. Alternativ kann der Grundkörper auch mittels weiterer geeigneter Befestigungselemente, z. B. Nieten, Bolzen, Klemmen etc., mit der Gehäusewand verbunden werden.
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Des Weiteren ist ein mit der Austrittsöffnung des Überdruckventils verbundener erster Abschnitt der Entlüftungsleitung vorzugsweise als eine Negativform des von der Gehäusewand abragenden Abschnitts des Überdruckventils ausgebildet, so dass bei Anordnung des Halteelements an der Gehäusewand die Entlüftungsleitung auf dem abragenden Abschnitt des Überdruckventils positioniert werden kann, wobei der abragende Abschnitt des Überdruckventils von dem ersten Abschnitt der Entlüftungsleitung umgeben ist. Der erste Abschnitt der Entlüftungsleitung erstreckt sich dabei in Richtung einer Vorderseite des Halteelements, wobei die Vorderseite eine Seite des Grundkörpers ist, die der Gehäusewand abgewandt ist.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist ein Innendurchmesser des ersten Abschnitts der Entlüftungsleitung gegenüber einem Innendurchmesser eines dem ersten Abschnitt nachfolgenden zweiten Abschnitts vergrößert. Damit ist insbesondere ein Bauraum zur Anordnung der Entlüftungsleitung in einem Fahrzeug gegenüber einem gleichbleibenden Innendurchmesser verringert.
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Der erste Abschnitt der Entlüftungsleitung ist an den Grundkörper angeformt, wobei der Grundkörper im Bereich des angeformten ersten Abschnitts eine erste Aussparung aufweist, deren Durchmesser mit einem Innendurchmesser des ersten Abschnitts korrespondiert. Damit ist eine Verbindung zwischen dem Überdruckventil und der Entlüftungsleitung bei Anordnung des Grundkörpers an der Gehäusewand sichergestellt.
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Vorzugsweise umfasst der Grundkörper eine zweite Aussparung, an die eine bauchige Auswölbung angeformt ist, die sich in Richtung der Vorderseite des Halteelements erstreckt, wobei die bauchige Auswölbung einen Hohlraum bildet, welcher mit einem mittels des ersten Abschnitts der Entlüftungsleitung gebildeten Hohlraums verbunden ist.
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Besonders bevorzugt ist die zweite Aussparung mit der Druckregeleinrichtung verbunden, so dass eine Entlüftung der Druckregeleinrichtung sichergestellt ist, wobei ein Überdruck in der Druckregeleinrichtung, welcher beim Betrieb der Druckregeleinrichtung entstehen kann, über die Entlüftungsleitung abgelassen werden kann.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.
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Dabei zeigen:
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1 schematisch eine Schnittdarstellung einer Sicherheitsvorrichtung für einen Brennstoffzellenstapel,
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2 schematisch eine perspektivische Ansicht der Sicherheitsvorrichtung gemäß 1,
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3 schematisch eine perspektivische Rückansicht eines Halteelements mit einer integrierten Entlüftungsleitung und
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4 schematisch eine perspektivische Vorderansicht des Halteelements gemäß 4.
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Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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Zur besseren Veranschaulichung sind in allen 1 bis 4 ein Koordinatensystem mit den Koordinaten x, y und z eingefügt, wobei die Koordinate x einer Längsrichtung, die Koordinate y einer Querrichtung und die Koordinate z einer Hochrichtung entspricht.
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Die 1 und 2 zeigen eine Sicherheitsvorrichtung 1 für einen nicht näher dargestellten Brennstoffzellenstapel in verschiedenen Ansichten, wobei 1 die Sicherheitsvorrichtung 1 in einem Längsschnitt von oben und 2 die Sicherheitsvorrichtung 1 in einer perspektivischen Ansicht zeigen.
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Die Sicherheitsvorrichtung 1 ist mit dem Brennstoffzellenstapel gekoppelt, welcher sich beispielsweise zur Anordnung in einem Fahrzeug eignet, um einer Antriebseinheit des Fahrzeugs elektrische Energie zur Verfügung zu stellen.
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Die Sicherheitsvorrichtung 1 umfasst eine Druckregeleinrichtung 1.1, ein Überdruckventil 1.2 und eine Entlüftungsleitung 1.3.
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Die Druckregeleinrichtung 1.1 ist in einer Versorgungsleitung 2, welche zumindest abschnittsweise von einem Leitungsgehäuse 2.1 umgeben ist, angeordnet oder mit dieser gekoppelt, wobei die Versorgungsleitung 2 den Brennstoffzellenstapel mit einem nicht dargestellten Brennstofftank verbindet.
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Der Brennstofftank ist über einen ebenfalls nicht dargestellten Tankstutzen von einer externen Brennstoffquelle mit einem Brennstoff B, z. B. Wasserstoff, befüllbar. Mittels der Versorgungsleitung 2 wird der Brennstoff B aus dem Brennstofftank dem Brennstoffzellenstapel zugeführt.
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Die Druckregeleinrichtung 1.1 ist beispielsweise als ein Kolbendruckregler ausgebildet und von einem Gehäuse 1.1.1 zumindest teilweise umschlossen. Die Druckregeleinrichtung 1.1 regelt einen Druck des in der Versorgungsleitung 2 zum Brennstoffzellenstapel strömenden Brennstoffs B auf einen Betriebsdruck des verwendeten Brennstoffzellenstapels. Zusätzlich zur Druckregeleinrichtung 1.1 kann ein Druckminderer vorgesehen sein.
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Des Weiteren ist die Druckregeleinrichtung 1.1 über das Überdruckventil 1.2 mit der Entlüftungsleitung 1.3 verbunden.
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Das Überdruckventil 1.2 ist mit einem ersten Ende, insbesondere einer Eintrittsöffnung, innerhalb des Gehäuses 1.1.1 mit der Druckregeleinrichtung 1.1 gekoppelt, beispielsweise gesteckt, verschraubt, geklemmt etc.
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Mit einem zweiten Ende, insbesondere einer Austrittsöffnung, ragt das Überdruckventil 1.2 von einer Gehäusewand 1.1.1.1 des Gehäuses 1.1.1 in Querrichtung ab, wobei der abragende Abschnitt durch die Gehäusewand 1.1.1.1 hindurchgeführt ist.
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Das Überdruckventil 1.2 ist geschlossen, wenn der Druck des Brennstoffs B in der Versorgungsleitung 2 dem Betriebsdruck des Brennstoffzellenstapels entspricht. Überschreitet der Druck des Brennstoffs B einen Wert, welcher über dem des Betriebsdrucks des Brennstoffzellenstapels liegt, öffnet das Überdruckventil 1.2 automatisch und lässt den Brennstoff B über die Entlüftungsleitung 1.3 in einen Abgasraum A ab. Ein erhöhter Druck des Brennstoffs B tritt beispielsweise bei einem Störfall auf.
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Zusätzlich kann die Entlüftungsleitung 1.3 auch mit der Versorgungsleitung über ein weiteres Ventil verbunden sein, wobei der abgelassene Brennstoff B dem Brennstoffzellenstapel wieder zugeführt wird.
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Die Entlüftungsleitung 1.3 ist mit dem Überdruckventil 1.2 mittels eines Halteelements 1.4 verbunden, welches in 2 semitransparent dargestellt ist.
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Das Halteelement 1.4 umfasst einen plattenförmigen Grundkörper 1.4.1, welcher im Sinne der Erfindung mit der Entlüftungsleitung 1.3 als ein einteiliges Bauteil ausgeführt ist. D. h. die Entlüftungsleitung 1.3 ist an den Grundkörper 1.4.1 angeformt und besonders bevorzugt mit dem Halteelement 1.4 im Material gleich ausgebildet. Beispielsweise sind das Halteelement 1.4 und die Entlüftungsleitung 1.3 vollständig aus einem metallischen Material oder vollständig aus Kunststoff oder aus einer Kombination von metallischem Material und Kunststoff und/oder kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff gebildet.
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Das Halteelement 1.4 ist mit einer Rückseite, insbesondere mit einer der Gehäusewand 1.1.1.1 zugewandten Seite des Grundkörpers 1.4.1 an der Gehäusewand 1.1.1.1 mittels Befestigungsschrauben 3 kraftschlüssig verbunden, insbesondere mit diesen verschraubt. Die Befestigungsschrauben 3 sind durch in den Grundkörper 1.4.1 und in der Gehäusewand 1.1.1.1 eingebrachte Befestigungsöffnungen 1.4.2 hindurchgeführt. Die Befestigungsöffnungen 1.4.2 des Grundkörpers 1.4.1 und der Gehäusewand 1.1.1.1 sind zweckmäßigerweise fluchtend zueinander angeordnet, wobei der Grundkörper 1.4.1 mit der Rückseite des Halteelements 1.4 und die Gehäusewand 1.1.1.1 planparallel zueinander angeordnet sind.
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Für eine weitere Befestigung des Halteelements 1.4 mit einer Karosserie des Fahrzeugs weist dieses im vorliegenden Ausführungsbeispiel vier Außenflanken 1.4.3 auf, wobei zwei an einem in Richtung einer Vorderseite des Halteelements 1.4 abragenden Schenkel des Grundkörpers 1.4.1 ausgebildet sind. Dabei ist der Schenkel von einem oberen Rand des Grundkörpers 1.4.1 abragend angeordnet. Die Vorderseite des Halteelements 1.4 ist dabei eine Seite des Grundkörpers 1.4.1, die der Gehäusewand 1.1.1.1 abgewandt ist.
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Die Außenflanken 1.4.3 bilden dabei vier Flansche, in welche jeweils eine Befestigungsbohrung 1.4.3.1 eingebracht ist. Mittels in den Befestigungsbohrungen 1.4.3.1 anordbaren Verbindungselementen, insbesondere Schrauben, ist das Halteelement 1.4 an der Karosserie kraft- und formschlüssig befestigbar. Damit ist auch die Sicherheitsvorrichtung 1 mechanisch stabil mit der Karosserie befestigt.
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An den Grundkörper 1.4.1 ist die Entlüftungsleitung 1.3 angeformt, wobei die Entlüftungsleitung 1.3 in einem ersten Abschnitt 1.3.1, welcher in einem Bereich des Überdruckventils 1.2 angeordnet ist, als eine Negativform des Überdruckventils 1.2 ausgebildet ist. D. h. der erste Abschnitt 1.3.1 bildet einen Hohlraum zur Aufnahme des abragenden Abschnitts des Überdruckventils 1.2.
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Der erste Abschnitt 1.3.1 umschließt dabei das Überdruckventil 1.2 mit Ausnahme des zweiten Endes des Überdruckventils 1.2, so dass der Brennstoff B von dem Überdruckventil 1.2 in die Entlüftungsleitung 1.3 abgeführt werden kann. Der Grundkörper 1.4.1 weist in dem Bereich, in dem die Entlüftungsleitung 1.3 angeformt ist, eine erste Aussparung 1.4.4 auf, deren Durchmesser einem Innendurchmesser des ersten Abschnitts 1.3.1 der Entlüftungsleitung 1.3 entspricht. Dies ist insbesondere in 3 zu erkennen.
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Ein dem ersten Abschnitt 1.3.1 nachfolgender zweiter Abschnitt 1.3.2 der Entlüftungsleitung 1.3 bildet einen weiteren Hohlraum zur Aufnahme des aus dem Überdruckventil 1.2 ausgetretenen Brennstoffs B. Der Hohlraum des zweiten Abschnitts 1.3.2 ist somit zweckmäßigerweise mit dem Hohlraum des ersten Abschnitts 1.3.1 verbunden. Der zweite Abschnitt 1.3.2 weist dabei einen gegenüber einem Innendurchmesser des ersten Abschnitts 1.3.1 verringerten Durchmesser auf. Die Entlüftungsleitung 1.3 verläuft dabei beispielsweise über eine Fahrzeug-Unterbodenverkleidung F in den Abgasraum A des Fahrzeugs.
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Der Grundkörper 1.4.1 weist eine zweite Aussparung 1.4.5 auf, welche in Längsrichtung zur ersten Aussparung 1.4.4 beabstandet ist. An die zweite Aussparung 1.4.5 ist eine bauchige Auswölbung 1.5 angeformt, die sich in Richtung der Vorderseite des Haltelements 1.4 erstreckt. Die bauchige Auswölbung 1.5 bildet einen weiteren Hohlraum, welcher mit dem Hohlraum des ersten Abschnitts 1.3.1 der Entlüftungsleitung 1.3 verbunden ist.
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Die zweite Aussparung 1.4.5 und damit die Entlüftungsleitung 1.3 sind mit der Druckregeleinrichtung 1.1 verbunden, so dass der gemeinsam gebildete Hohlraum der Aufnahme eines Überdruck in der Druckregeleinrichtung 1.1, welcher beim Betrieb der Druckregeleinrichtung 1.1 entstehen kann, über die Entlüftungsleitung 1.3 abgelassen werden kann. Damit ist eine Entlüftung der Druckregeleinrichtung 1.1 sichergestellt.
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Die 3 und 4 zeigen das zuvor beschriebene Halteelement 1.4 und die Entlüftungsleitung 1.3 in jeweils perspektivischer Ansicht, wobei 3 die Rückseite des Halteelements 1.4 und 4 die Vorderseite des Halteelements 1.4 zeigen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Sicherheitsvorrichtung
- 1.1
- Druckregeleinrichtung
- 1.1.1
- Gehäuse
- 1.1.1.1
- Gehäusewand
- 1.2
- Überdruckventil
- 1.3
- Entlüftungsleitung
- 1.3.1
- erster Abschnitt
- 1.3.2
- zweiter Abschnitt
- 1.4
- Halteelement
- 1.4.1
- Grundkörper
- 1.4.2
- Befestigungsöffnungen
- 1.4.3
- Außenflanken
- 1.4.3.1.
- Befestigungsbohrungen
- 1.4.4
- erste Aussparung
- 1.4.5
- zweite Aussparung
- 1.5
- bauchige Auswölbung
- 2
- Versorgungsleitung
- 2.1
- Leitungsgehäuse
- 3
- Befestigungsschraube
- A
- Abgasraum
- B
- Brennstoff
- F
- Fahrzeug-Unterbodenverkleidung
- x, y, z
- Koordinaten
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2008/0134693 A1 [0002]
