DE102018218425A1 - Ventilvorrichtung für ein gasförmiges Medium und Tankvorrichtung zur Speicherung von verdichteten Fluiden - Google Patents

Ventilvorrichtung für ein gasförmiges Medium und Tankvorrichtung zur Speicherung von verdichteten Fluiden Download PDF

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Abstract

Ventilvorrichtung (100) für ein gasförmiges Medium, insbesondere Wasserstoff, mit einem Ventilgehäuse (6), mit einem darin angeordneten zu einer Längsachse (18) beweglichen Schließelement (14). Das Schließelement (14) wirkt mit einem Dichtsitz (16) zum Freigeben und Schließen einer Durchlassöffnung (22) zusammen, wobei in dem Ventilgehäuse (6) mindestens ein Federelement (8) angeordnet ist, welches mindestens eine Federelement (8) sich an dem Schließelement (14) und an dem Ventilgehäuse (6) abstützt. Darüber hinaus ist das mindestens eine Federelement (8) aus einem Bi-Metall hergestellt.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Ventilvorrichtung für ein gasförmiges Medium und eine Tankvorrichtung für einen Brennstoffzellentank, insbesondere zur Speicherung von Wasserstoff, beispielsweise zur Anwendung in Fahrzeugen mit Brennstoffzellenantrieb.
  • Stand der Technik
  • Die nicht vorveröffentlichte DE 10 2018 209 057 A1 beschreibt eine Tankvorrichtung zur Temperaturdruckentlastung eines Brennstoffzellentanks, wobei die Tankvorrichtung Tankbehälter mit einer Vielzahl von Ventilen, wie beispielsweise einem Schmelzsicherungsventil, umfasst, welche eine ordentliche und sichere Funktionsweise eines Gesamtsystems beispielsweise eines Brennstoffzellensystems gewährleisten.
  • Die Sicherheitsvorrichtungen für solch eine Tankvorrichtung sind normiert. Dabei muss jede Tankvorrichtung solch ein Schmelzsicherheitsventil aufweisen. So kann das Schmelzsicherheitsventil beispielsweise bei einem Brand oder einer Temperaturerhöhung über einen vorbestimmten Schwellwert hinaus sicherstellen, dass beispielsweise der Wasserstoff aus der Speichereinheit hinausgeleitet werden kann, um einer Explosion der Speichereinheit oder sogar des gesamten Gasspeichersystems vorzubeugen.
  • Übertritt die Temperatur den vorbestimmten Schwellwert, so schmilzt in der Regel eine Vorrichtung an dem Schmelzsicherheitsventil, z. B. eine thermisch aktivierte Druckentlastungsvorrichtung (thermally-activated pressure relief device (TPRD)) und veranlasst eine irreversible Öffnung des Schmelzsicherheitsventils.
  • Die Speichereinheit kann jedoch erst wieder befüllt werden, wenn ein neues Schmelzsicherheitsventil verwendet wird.
  • Vorteile der Erfindung
  • Die erfindungsgemäße Ventilvorrichtung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 weist demgegenüber den Vorteil auf, dass trotz temperatursensitiver Schaltung der Ventilvorrichtung ein zuverlässiges Wiederverschließen mit derselben Ventilvorrichtung möglich ist.
  • Dazu weist die Ventilvorrichtung für ein gasförmiges Medium, insbesondere Wasserstoff, ein Ventilgehäuse auf, in dem ein zu einer Längsachse bewegliches Schließelement angeordnet ist. Das Schließelement wirkt mit einem Dichtsitz zum Freigeben und Schließen einer Durchlassöffnung zusammen, wobei in dem Ventilgehäuse mindestens ein Federelement angeordnet ist. Das mindestens eine Federelement stützt sich an dem Schließelement und an dem Ventilgehäuse ab. Darüber hinaus ist das mindestens eine Federelement aus einem Bi-Metall hergestellt.
  • Bi-Metalle zeichnen sich dahingehend aus, dass diese typischerweise aus Schichten zweier unterschiedlicher Metalle hergestellt sind, die stoffschlüssig oder formschlüssig miteinander verbunden sind. Durch den unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten der Metalle verformen sich Bi-Metalle bei einer Temperaturveränderung. So ist mittels Temperaturveränderung an dem Federelement die Ventilvorrichtung steuerbar.
  • In erster vorteilhafter Weiterbildung ist es vorgesehen, dass mittels Temperaturveränderungen an dem Bi-Metall die Durchlassöffnung freiggebbar und verschließbar ist. So kann die Ventilvorrichtung reversibel freigegeben werden, ohne für eine weitere Nutzung ersetzt zu werden.
  • In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist es vorteilhaft vorgesehen, dass das Schließelement einen kegelförmigen Bereich umfasst, wobei der kegelförmige Bereich mit dem Dichtsitz zusammenwirkt.
  • In vorteilhafter Weiterbildung ist es vorgesehen, dass das Schließelement einen konisch erweiterten Bereich umfasst, wobei der konisch erweiterte Bereich mit dem Dichtsitz zusammenwirkt.
  • Die Ausgestaltung des Dichtsitzes ist so gewählt, dass eine zuverlässige Dichtheit an dem Schließelement erzielt wird.
  • Die beschriebene Ventilvorrichtung eignet sich vorzugsweise in einer Tankvorrichtung zur Speicherung von verdichteten Fluiden, insbesondere Wasserstoff mit einem Tank. Vorteilhafterweise umfasst der Tank ein Tankgehäuse mit einem Halsbereich, in welchem Halsbereich die Ventilvorrichtung angeordnet ist, wobei das Ventilgehäuse in das Tankgehäuse zumindest teilweise integriert ist. Vorteilhafterweise ist der Dichtsitz an einem konisch erweiterten Bereich des Tankgehäuses ausgebildet.
  • Die beschriebene Tankvorrichtung eignet sich vorzugsweise in einer Brennstoffzellenanordnung zur Speicherung von Wasserstoff für den Betrieb einer Brennstoffzelle.
  • Figurenliste
  • In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele einer erfindungsgemäßen Ventilvorrichtung für ein gasförmiges Medium, insbesondere Wasserstoff, und eine erfindungsgemäße Tankvorrichtung zur Speicherung von verdichteten Fluiden dargestellt. Es zeigt in
    • 1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Ventilvorrichtung in einer Tankvorrichtung im Längsschnitt,
    • 2 ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Ventilvorrichtung in einer Tankvorrichtung im Längsschnitt.
  • Beschreibung der Ausführungsbeispiele
  • 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Ventilvorrichtung 100 für ein gasförmiges Medium im Längsschnitt. Die Ventilvorrichtung 100 ist in einer erfindungsgemäßen Tankvorrichtung 1 zur Speicherung von verdichteten Fluiden, insbesondere Wasserstoff, angeordnet.
  • Die Ventilvorrichtung 100 weist ein Ventilgehäuse 6 mit einer Längsachse 18 auf. In dem Ventilgehäuse 6 sind eine Durchlassöffnung 22 und eine Auslassöffnung 40 ausgebildet, welche in einen stufenförmig ausgebildeten Innenraum 42 münden.
  • In dem Innenraum 42 ist ein zu der Längsachse 18 bewegliches Schließelement 14 angeordnet, das mit einem konisch ausgebildeten Dichtsitz 16 zum Freigeben und Schließen der Durchlassöffnung 22 zusammenwirkt. Das Schließelement 14 umfasst einen zylinderförmigen Bereich 140 und einen kegelförmigen Bereich 141, wobei der kegelförmige Bereich 141 mit dem Dichtsitz 16 zusammenwirkt. Zwischen dem zylinderförmigen Bereich 140 und dem kegelförmigen Bereich 141 weist das Schließelement 14 einen stufenförmigen Bereich 142 auf.
  • Mittels eines Federelements 8 in dem Innenraum 42, welches sich zwischen dem Ventilgehäuse 6 und dem stufenförmigen Bereich 142 des Schließelements 14 abstützt, wird das Schließelement 14 mit einer Kraft beaufschlagt. In geschlossener Position liegt das Schließelement 14 auf dem Dichtsitz 16 auf. Das Federelement 8 ist hier aus einem Bi-Metall hergestellt.
  • Die Ventilvorrichtung 100 ist Teil einer Tankvorrichtung 1 mit einem Tank 2. Der Tank 2 weist ein Tankgehäuse 3 auf, in dem ein Tankinnenraum 4 ausgebildet ist. Das Tankgehäuse 3 weist einen Halsbereich 28 auf, an dem die Ventilvorrichtung 100 angeordnet ist. Dabei ist diese in das Tankgehäuse 3 integriert und verschließt dabei den Tankinnenraum 4 nach außen. Der Dichtsitz 16 ist an einem konisch erweiterten Bereich 37 des Tankgehäuses 3 ausgebildet.
  • Funktionsweise der Ventilvorrichtung
  • Die Ventilvorrichtung 100 ist hier als Schmelzsicherheitsventil bzw. als eine thermisch aktivierte Druckentlastungsvorrichtung (thermally-activated pressure relief device (TPRD)) ausgebildet. Das heißt, dass beispielsweise bei Temperaturen unter 110° C die Ventilvorrichtung 100 geschlossen bleibt, so dass das gasförmige Medium, welches in dem Tank 2 unter hohem Druck ansteht, in dem Tank 2 eingeschlossen ist. Übersteigt die Temperatur beispielsweise 110° C, so wird in dem als Bi-Metall ausgebildeten Federelement 8 eine Temperaturänderung hervorgerufen, was aufgrund der unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten der beiden Metalle in dem Bi-Metall zu einer Verbiegung des Bi-Metalls und damit des Federelements 8 führt. Dies führt zu einer Kräfteveränderung an dem Schließelement 14, so dass dieses vom Dichtsitz 16 abhebt und die DurchlassÖffnung 22 freigibt. Gasförmiges Medium strömt nun aus dem Tank 2 über die Durchlassöffnung 22 in Richtung Auslassöffnung 40. Das Schließelement 14 öffnet hier in den Innenraum 42 der Ventilvorrichtung 100 hinein.
  • Je nach Temperaturveränderung an dem als Bi-Metall ausgebildeten Federelement 8 kann somit der Hub des Schließelements 14 durch Verbiegung des Bi-Metalls gesteuert werden. So ist das Federelement 8 als temperatursensitiver Bi-Metall Schalter ausgebildet, welches beispielsweise in 5° C Schritten zwischen beispielsweise einer Temperatur von 70° C bis 180° C schaltbar ist. Je nach Wahl der Metalle für das Bi-Metall kann die gewünschte Funktionsweise sichergestellt werden.
  • Sinkt die Temperatur wieder unter 110° C, so führt die Verbiegung des als Bi-Metall ausgebildeten Federelements 8 wieder zu einer Kräfteveränderung an dem Schließelement 14, so dass sich dieses wieder in Richtung des Dichtsitzes 16 bewegt und an dem Dichtsitz 16 aufsitzt. Die Durchlassöffnung 22 ist wieder verschlossen und kein gasförmiges Medium strömt mehr aus dem Tank 2.
  • Diese Ventilvorrichtung 100 ermöglicht je nach Temperaturveränderungen eine Öffnung oder Schließung des Tanks 2.
  • 2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Ventilvorrichtung 100 für ein gasförmiges Medium im Längsschnitt. Bauteile mit gleicher Funktion wurden mit derselben Bezugsziffer bezeichnet.
  • Das zweite Ausführungsbeispiel entspricht in Funktion und Aufbau weitestgehend dem ersten Ausführungsbeispiel. Die Ausgestaltung und Bewegung des Schließelements 14 ist hier anders ausgeführt.
  • Das Schließelement 14 umfasst hier den zylinderförmigen Bereich 140, an den sich der stufenförmige Bereich 142 anschließt. An den stufenförmigen Bereich 142 schließt sich wiederum ein zylinderförmiger Bereich 300 an, an welchen sich ein konisch erweiterter Bereich 302 anschließt. Der konisch erweiterte Bereich 302 wirkt hier mit dem Dichtsitz 16 zusammen.
  • Im Unterschied zum ersten Ausführungsbeispiel öffnet hier das Schließelement 14 in den Tankinnenraum 4 hinein.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 102018209057 A1 [0002]

Claims (8)

  1. Ventilvorrichtung (100) für ein gasförmiges Medium, insbesondere Wasserstoff, mit einem Ventilgehäuse (6), mit einem darin angeordneten zu einer Längsachse (18) beweglichen Schließelement (14), welches Schließelement (14) mit einem Dichtsitz (16) zum Freigeben und Schließen einer Durchlassöffnung (22) zusammenwirkt, wobei in dem Ventilgehäuse (6) mindestens ein Federelement (8) angeordnet ist, welches mindestens eine Federelement (8) sich an dem Schließelement (14) und an dem Ventilgehäuse (6) abstützt, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Federelement (8) aus einem Bi-Metall hergestellt ist.
  2. Ventilvorrichtung (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mittels Temperaturveränderungen an dem Bi-Metall die Durchlassöffnung (22) freiggebbar und verschließbar ist.
  3. Ventilvorrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Schließelement (14) einen kegelförmigen Bereich (141) umfasst, wobei der kegelförmige Bereich (141) mit dem Dichtsitz (16) zusammenwirkt.
  4. Ventilvorrichtung (100) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Schließelement (14) einen konisch erweiterten Bereich (302) umfasst, wobei der konisch erweiterte Bereich (302) mit dem Dichtsitz (16) zusammenwirkt.
  5. Tankvorrichtung (1) zur Speicherung von verdichteten Fluiden, insbesondere Wasserstoff, mit einem Tank (2) und einer Ventilvorrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
  6. Tankvorrichtung (1) nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der Tank (2) ein Tankgehäuse (3) mit einem Halsbereich (28) umfasst, in welchem Halsbereich (28) die Ventilvorrichtung (100) angeordnet ist, wobei das Ventilgehäuse (6) in das Tankgehäuse (3) zumindest teilweise integriert ist.
  7. Tankvorrichtung (1) nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Dichtsitz (16) an einem konisch erweiterten Bereich (37) des Tankgehäuses (3) ausgebildet ist.
  8. Brennstoffzellenanordnung mit einer Tankvorrichtung (1) zur Speicherung von Wasserstoff für den Betrieb einer Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 5 bis 7.
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