DE102024200591A1

DE102024200591A1 - Ventilbaugruppe für einen Brenngastank, Brenngastank, Brenngastanksystem sowie Verwendung eines Drosselelements

Info

Publication number: DE102024200591A1
Application number: DE102024200591.6A
Authority: DE
Inventors: Andreas Koeninger
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2024-01-23
Filing date: 2024-01-23
Publication date: 2025-07-24
Also published as: WO2025157509A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Ventilbaugruppe (1) für einen Brenngastank (2), umfassend einen Ventilblock (3), in dem ein Betankungspfad (4) mit integriertem Rückschlagventil (5) ausgebildet ist, wobei das Rückschlagventil (5) ein axial bewegliches Ventilelement (6) sowie eine Schließfeder (7) umfasst, deren Federkraft auf das Ventilelement (6) in Richtung eines Ventilsitzes (8) wirkt, und wobei in Betankungsrichtung stromabwärts des axial beweglichen Ventilelements (6) ein Drosselelement (9) in den Betankungspfad (4) integriert ist. Erfindungsgemäß ist das Drosselelement (9) in den Ventilblock (3) oder in ein mit dem Ventilblock (3) verbundenes Gehäuse (10) des Rückschlagventils (5) eingesetzt und mit dem Ventilblock (3) bzw. dem Gehäuse (10) lösbar verbunden, so dass es herausnehmbar ist.
Die Erfindung betrifft ferner einen Brenngastank (2), ein Brenngastanksystem (22) sowie eine Verwendung eines Drosselelements (9) in einer Ventilbaugruppe (1) für einen Brenngastank (2).

Description

Die Erfindung betrifft eine Ventilbaugruppe für einen Brenngastank. Bei dem Brenngas kann es sich insbesondere um Wasserstoff oder Erdgas handeln, das in dem Brenngastank unter Druck gespeichert wird. Des Weiteren betrifft die Erfindung einen Brenngastank mit einer erfindungsgemäßen Ventilbaugruppe sowie ein Brenngastanksystem. Darüber hinaus wird eine Verwendung für ein Drosselelement in einer Ventilbaugruppe vorgeschlagen.
Bevorzugter Anwendungsbereich der Erfindung sind Brennstoffzellen- und/oder Gasfahrzeuge, die mit Hilfe eines Brenngases angetrieben werden.
Stand der Technik
Klimaneutral gewonnener Wasserstoff gewinnt als umweltfreundlicher Energieträger zunehmend an Bedeutung, beispielsweise als Antrieb für Brennstoffzellensysteme oder Verbrennungsmotoren, aber auch für stationäre Anwendungen. Für die Speicherung von Wasserstoff werden Hochdruck-Gastanks mit Drücken bis zu 700 bar verwendet. Auf diese Tanks werden üblicherweise Tankventile aufgeschraubt über welche sowohl die Betankung mit Wasserstoff als auch die Entnahme von Wasserstoff gesteuert wird. Innerhalb des Tankventils ist hierzu eine Bohrung ausgebildet, die sich in zwei Pfade aufteilt, und zwar in einen Betankungspfad, über den der Wasserstoff bei einem Betankungsvorgang in den Gastank gelangt und einen Entnahmepfad, über den Wasserstoff fließt, wenn Wasserstoff aus dem Gastank entnommen und dem verbrauchenden System zugeführt wird. Die beiden Pfade sind innerhalb des Ventiles miteinander verschaltet. Um zu verhindern, dass bei gesperrtem Entnahmepfad oder im Entnahmefall Wasserstoff unkontrolliert über den Betankungspfad austritt, wird dieser mit einem Rückschlagventil verriegelt. Dieses weist üblicherweise ein axial bewegliches Ventilelement sowie eine Schließfeder auf, deren Federkraft das Ventilelement in Richtung eines Ventilsitzes beaufschlagt. Das Rückschlagventil öffnet, wenn die auf das Ventilelement wirkenden pneumatischen Druckverhältnisse eine der Federkraft der Schließfeder entgegengesetzte Kraft bewirken, die zumindest gleich groß wie die Federkraft ist.
In mobilen Anwendungen werden zumeist Brenngastanksysteme verbaut, die zur optimalen Ausnutzung des zur Verfügung stehenden Bauraums mehrere Brenngastanks in verschiedenen Tankgrößen umfassen. Jeder Brenngastank ist dabei mit einem Tankventil versehen. Das Ziel beim Betanken eines solchen Brenngastanksystems ist eine möglichst schnelle und zudem gleichmäßige Befüllung der mehreren Brenngastanks unterschiedlicher Größe. Daher richtet sich die technisch maximal mögliche Entdrosselung der Betankungspfade der mehreren Tankventil zunächst nach dem jeweils größten Brenngastank, weil dieser die längste Befüllungszeit benötigt. Bei einer entsprechend maximalen Entdrosselung der jeweils kleineren Brenngastanks führt dies jedoch dazu, dass diese schneller befüllt werden und es zu einer starken Temperaturerhöhung aufgrund der Gasverdichtung kommt. Um dies zu verhindern, werden in die Betankungspfade der kleineren Brenngastanks Drosselelemente integriert, welche den Gasmassenstrom im Vergleich zum größten Brenngastank reduzieren. Typische erforderliche Totaldruckverluste, welche durch das Drosselelement realisiert werden müssen, liegen in der Größenordnung von maximal 150 bar. Der Drosselquerschnitt ist so auszulegen, dass an der Drosselstelle der größte Druckabfall im gesamten Betankungspfad vom Hochdruckanschluss bis zum Brenngastank stattfindet. Durch die Vielzahl an Tankgrößen ist eine entsprechend große Anzahl von angepassten Drosselvarianten zu erwarten. Dadurch erhöhen sich jedoch die durchschnittlichen Gesamtherstellkosten.
Die vorliegende Erfindung ist mit der Aufgabe befasst, applikationsflexible und damit kostengünstigere konstruktive Gestaltungslösungen aufzuzeigen.
Zur Lösung der Aufgabe wird die Ventilbaugruppe mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vorgeschlagen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen. Des Weiteren werden ein Brenngastank mit einer erfindungsgemäßen Ventilbaugruppe sowie ein Brenngastanksystem vorgeschlagen. Darüber hinaus wird die Verwendung eines Drosselelements in einer Ventilbaugruppe vorgeschlagen.
Offenbarung der Erfindung
Die für einen Brenngastank vorgeschlagene Ventilbaugruppe umfasst einen Ventilblock, in dem ein Betankungspfad mit integriertem Rückschlagventil ausgebildet ist. Das Rückschlagventil umfasst ein axial bewegliches Ventilelement sowie eine Schließfeder, deren Federkraft auf das Ventilelement in Richtung eines Ventilsitzes wirkt. In Betankungsrichtung stromabwärts des axial beweglichen Ventilelements ist dabei ein Drosselelement in den Betankungspfad integriert. Erfindungsgemäß ist das Drosselelement in den Ventilblock oder in ein mit dem Ventilblock verbundenes Gehäuse des Rückschlagventils eingesetzt und mit dem Ventilblock bzw. dem Gehäuse lösbar verbunden, so dass es herausnehmbar ist.
Die vorgeschlagene Ventilbaugruppe kann entweder

(a) allein durch Herausnahme des Drosselelements oder
(b) durch Herausnahme des Drosselelements und durch Einsetzen eines Drosselelements mit einem anderen Drosselquerschnitt an die Größe eines Brenngastanks innerhalb eines Brenngastanksystems mit mehreren verschieden großen Brenngastanks angepasst werden. Innerhalb dieses Brenngastanksystems kann demnach dieselbe Ventilbaugruppe mit jedem der verschieden großen Brenngastanks verbunden werden. Um die Anpassung der Ventilbaugruppe an den jeweiligen Brenngastank vorzunehmen, muss lediglich das Drosselelement entfernt und ggf. durch ein anderes Drosselelement ersetzt werden. Die Ventilbaugruppe selbst muss nicht demontiert oder modifiziert werden.

Soll die Ventilbaugruppe mit dem größten Brenngastank des Brenngastanksystems verbunden werden, wird grundsätzlich kein Drosselelement im Betankungspfad benötigt, da hier eine maximale Entdrosselung gewünscht ist. In diesem Fall muss lediglich das eingesetzte Drosselelement herausgenommen werden.
Von Vorteil ist dabei die dem Ventilelement des Rückschlagventils nachgeschaltete Position des Drosselelements. Denn das Drosselelement kann so angeordnet werden, dass es von außen leicht zugänglich bleibt. Beispielsweise kann das Drosselelement im Austrittsbereich des Rückschlagventils angeordnet sein.
Durch die nachgeschaltete Position des Drosselelements ergeben sich zudem weitere Vorteile, insbesondere hinsichtlich Funktion und strukturmechanischer Nebenwirkungen, beispielsweise im Hinblick auf strömungsmechanische Kräfte durch die zum Teil hohen Totaldruckverluste auf das Drosselelement selbst und dessen Bauraum. Ebenso ergeben sich durch die nachgeschaltete Position Vorteile in der Einzelteilfertigung und Montage. So kann zum Beispiel die applikationsspezifische Anpassung des Drosselelements an die Größe des jeweiligen Brenngastanks erst bei der Endmontage der Ventilbaugruppe, das heißt zu einem sehr späten oder sogar zum spätestmöglichen Montagezeitpunkt, erfolgen, sofern auf die Montage des Drosselelements nicht als letzter Montageschritt die Anbringung einer Befülllanze erfolgt.
Im Sinne eines Baukastenprinzips können mehrere Drosselelemente mit unterschiedlichen Drosselquerschnitten vorgehalten werden. Aus diesen kann dann ein an die jeweilige Applikation angepasstes Drosselelement ausgewählt und in die Ventilbaugruppe eingesetzt werden. Bei einer erfindungsgemäßen Ventilbaugruppe kann das Drosselelement sowohl direkt als auch indirekt über ein Gehäuse des Rückschlagventils in den Ventilblock eingesetzt sein. Das Gehäuse ermöglicht die Montage des Rückschlagventils als vormontierte Baueinheit, mit oder ohne Drosselelement. Die Variante ohne Gehäuse hilft Bauraum einzusparen.
Die lösbare Verbindung des Drosselelements mit dem Ventilblock oder dem Gehäuse ist vorzugsweise über eine Schraubverbindung, Pressverbindung, Klemmverbindung oder mittelbar über ein herausnehmbares Sicherungselement, beispielsweise einen Sicherungsring, hergestellt. Da das Drosselelement lösbar mit dem Ventilblock oder dem Gehäuse verbunden ist, kann es bei Bedarf zerstörungsfrei herausgenommen werden. Das herausgenommene Drosselelement kann dann wiederverwendet werden. Auf diese Weise werden Ressourcen geschont.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das Drosselelement in Betankungsrichtung stromabwärts der Schließfeder des Rückschlagventils angeordnet. Das Drosselelement kann in diesem Fall zur Lagefixierung und/oder Vorspannung der Schließfeder eingesetzt werden. Über die Vorspannung der Schließfeder kann wiederum die Öffnungskraft des Rückschlagventils eingestellt werden. In Weiterbildung der Erfindung wird daher vorgeschlagen, dass die Schließfeder an dem Drosselelement axial abgestützt ist.
Alternativ wird vorgeschlagen, dass die Schließfeder an einem ringförmigen Absatz des Ventilblocks oder des Gehäuses des Rückschlagventils axial abgestützt ist. Dies hat den Vorteil, dass nicht zwingend ein Drosselelement in den Betankungspfad integriert werden muss. Zudem muss bei einem Austausch des Drosselelements die Öffnungskraft des Rückschlagventils nicht neu eingestellt werden. Ferner ist sichergestellt, dass bei herausgenommenem Drosselelement die Schließfeder nicht herausfallen kann.
Vorteilhafterweise ist das Drosselelement als rotationssymmetrischer Körper, vorzugsweise als Zylinder, mit einer zentralen Bohrung ausgeführt. Die Bohrung ist dabei zumindest abschnittsweise als Drosselbohrung ausgeführt. Andere Drosselquerschnitte sind aber ebenfalls möglich. Die rotationssymmetrische Ausbildung erleichtert das Einsetzen und Herausnehmen des Drosselelements. Insbesondere ist dabei die Winkellage des Drosselelements irrelevant.
Da der bevorzugte Anwendungsbereich einer erfindungsgemäßen Ventilbaugruppe Brenngastanks sind, wird ferner ein Brenngastank mit einer erfindungsgemäßen Ventilbaugruppe vorgeschlagen. Der Ventilblock der Ventilbaugruppe ist dabei abschnittsweise in den Brenngastank, beispielsweise in einen Flaschenhals des Brenngastanks, eingesetzt, insbesondere eingeschraubt.
Darüber hinaus wird ein Brenngastanksystem vorgeschlagen, das mindestens einen erfindungsgemäßen Brenngastank bzw. einen Brenngastank mit einer erfindungsgemäßen Ventilbaugruppe umfasst. Vorzugsweise weist das Brenngastanksystem mindestens zwei Brenngastanks unterschiedlicher Größe auf, von denen zumindest der kleinere der beiden Brenngastanks mit einer erfindungsgemäßen Ventilbaugruppe verbunden ist.
Des Weiteren wird die Verwendung eines Drosselelements zur Einstellung eines Gasmassenstroms in einem Betankungspfad einer Ventilbaugruppe für einen Brenngastank vorgeschlagen, wobei das Drosselelement aus einem mehrere Drosselelemente mit gleichen Außenabmessungen, aber unterschiedlichen Drosselquerschnitten umfassenden Baukastensystem ausgewählt und in den Betankungspfad eingesetzt wird. Die Auswahl eines geeigneten Drosselelements ermöglicht eine Anpassung des Gasmassenstroms an die jeweilige Größe des Brenngastanks.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Diese zeigen:

1 einen Ausschnitt eines schematischen Längsschnitts durch eine erste erfindungsgemäße Ventilbaugruppe im Bereich eines in einen Betankungspfads integrierten Rückschlagventils,
2 einen Ausschnitt eines schematischen Längsschnitts durch eine zweite erfindungsgemäße Ventilbaugruppe im Bereich eines in einen Betankungspfads integrierten Rückschlagventils,
3 einen schematischen Längsschnitt durch einen Brenngastank mit einer erfindungsgemäßen Ventilbaugruppe,
4 eine stark vereinfachte schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Brenngastanksystems.

Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
Die in der 1 dargestellte erfindungsgemäße Ventilbaugruppe 1 für einen Brenngastank 2 ist lediglich ausschnittsweise dargestellt, und zwar im Bereich eines Rückschlagventils 5. Das Rückschlagventil 5 ist in einen Betankungspfad 4 integriert, der in einem Ventilblock 3 der Ventilbaugruppe 1 ausgebildet ist. Das Rückschlagventil 5 weist ein Gehäuse 10 auf, in dem ein Ventilelement 6 axial beweglich aufgenommen ist. An einem ringförmigen Absatz 11 des Gehäuses 10 ist eine Schließfeder 7 axial abgestützt, deren Federkraft das Ventilelement 6 in einen Ventilsitz 8 drückt. Das Rückschlagventil 5 öffnet abhängig von den Druckverhältnissen am Ventilelement 6. Bei geöffnetem Rückschlagventil 5 gibt dieses den Betankungspfad 4 frei, so dass Brenngas in Betankungsrichtung (siehe Pfeile in der 1) in den Brenngastank 2 strömt. Der Brenngastank 2 ist in der 1 nicht dargestellt.
In das Gehäuse 10 des Rückschlagventils 5 ist in Betankungsrichtung stromabwärts des Ventilelements 6 und der Schließfeder 7 ein Drosselelement 9 eingesetzt, beispielsweise eingeschraubt oder eingepresst. Das Drosselelement 9 ist demnach lösbar mit dem Gehäuse 10 verbunden. Das heißt, dass das Drosselelement 9 bei Bedarf herausgenommen werden kann. Dies ist beispielsweise der Fall, wenn die Ventilbaugruppe 1 mit einem Brenngastank 2 verbunden werden soll, der eine andere Größe aufweist, so dass der Drosselquerschnitt des Drosselelements 9 an die Größe des Brenngastanks 2 angepasst werden muss. Die Anpassung kann dann in der Weise vorgenommen werden, dass entweder (a) das vorhandene Drosselelement 9 entfernt wird oder (b) das vorhandene Drosselelement 9 durch ein anderes Drosselelement 9 ersetzt wird, das sich gegenüber dem ersten Drosselelement 9 durch seinen Drosselquerschnitt unterscheidet. Bei dem in der 1 dargestellten Drosselelement 9 wird der Drosselquerschnitt durch eine zentrale Bohrung 12 vorgegeben, die vorliegend als Drosselbohrung ausgeführt ist.
Der 2 ist eine weitere bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Ventilbaugruppe 1 zu entnehmen. Das Rückschlagventil 5 ist hier direkt, das heißt ohne Gehäuse 10, in den Ventilblock 3 eingesetzt. Die Schließfeder 7 ist nicht an einem ringförmigen Absatz, sondern am Drosselelement 9 axial abgestützt. Über die Einschraub- oder Einpresstiefe des Drosselelements 9 kann die Federkraft der Schließfeder 7 und damit die Öffnungskraft des Rückschlagventils 5 eingestellt werden. Der Wegfall des Gehäuses 10 hilft zudem Bauraum einzusparen.
Der 3 ist eine erfindungsgemäße Ventilbaugruppe 1 in Verbindung mit einem Brenngastank 2 zu entnehmen. Der Ventilblock 3 der Ventilbaugruppe 1 ist dabei abschnittsweise in den Brenngastank 2 eingesetzt, beispielsweise eingeschraubt. Das in den Betankungspfad 4 integrierte Rückschlagventil 5 kommt somit innerhalb des Brenngastanks 2 zu liegen. Der Betankungspfad 4 endet in einer Befülllanze 13, mit deren Hilfe das Brenngas gezielt in den Brenngastank 2 einbringbar ist, so dass sich die beim Betanken entstehende Wärme möglichst gleichmäßig verteilt. Zur Erfassung der Temperatur weist die Ventilbaugruppe 1 einen Temperatursensor 20 auf, der ebenfalls in den Brenngastank 2 hineinragt.
Zur Entnahme von Brenngas aus dem Brenngastank 2 im Ventilblock 3 der Ventilbaugruppe 1 ein Entnahmepfad 14 ausgebildet, in den ein Absperrventil 15 integriert ist. Dem Absperrventil 15 ist in Entnahmerichtung ein weiteres Rückschlagventil 16 nachgelagert, das im Betankungsfall ein ungewolltes Öffnen des Absperrventils 16 verhindern soll. Denn der Entnahmepfad 14 und der Betankungspfad 4 sind im Ventilblock 3 miteinander verschaltet. Dies hat den Vorteil, dass die Ventilbaugruppe 1 nur einen Hochdruckanschluss für den Anschluss an eine Hochdruckleitung 18 aufweisen muss. Um den Eintrag von Partikeln über die Hochdruckleitung 18 in die Ventile der Ventilbaugruppe 1 zu verhindern, sind in den Ventilblock 3 mehrere Filter 17 integriert. Ferner sind weitere Ventile 19 integriert, die vorrangig der Sicherheit dienen.
In der 4 ist beispielhaft ein Brenngastanksystem 22 mit mindestens zwei Brenngastanks 2 unterschiedlicher Größe dargestellt. Zumindest der kleinere der beiden Brenngastanks 2 weist eine erfindungsgemäße Ventilbaugruppe 1 mit einem Rückschlagventil 5 und einem Drosselelement 9 im Betankungspfad 4 auf, wobei das Drosselelement 9 in Betankungsrichtung dem Rückschlagventil 5 nachgelagert ist. Die Brenngastanks 2 sind parallelgeschaltet und mit einem Systemverteiler 21 verbunden. Im Betankungsfall wird Brenngas einer Tankstelle 23 entnommen und über den Systemverteiler 21 auf die Brenngastanks 2 verteilt. Das dem Rückschlagventil 5 des kleineren Brenngastanks 2 nachgelagerte Drosselelement 9 trägt in diesem Fall dazu bei, dass die Brenngastanks 2 schnell und gleichmäßig befüllt werden.

Claims

Ventilbaugruppe (1) für einen Brenngastank (2), umfassend einen Ventilblock (3), in dem ein Betankungspfad (4) mit integriertem Rückschlagventil (5) ausgebildet ist, wobei das Rückschlagventil (5) ein axial bewegliches Ventilelement (6) sowie eine Schließfeder (7) umfasst, deren Federkraft auf das Ventilelement (6) in Richtung eines Ventilsitzes (8) wirkt, und wobei in Betankungsrichtung stromabwärts des axial beweglichen Ventilelements (6) ein Drosselelement (9) in den Betankungspfad (4) integriert ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Drosselelement (9) in den Ventilblock (3) oder in ein mit dem Ventilblock (3) verbundenes Gehäuse (10) des Rückschlagventils (5) eingesetzt und mit dem Ventilblock (3) bzw. dem Gehäuse (10) lösbar verbunden ist, so dass es herausnehmbar ist.
Ventilbaugruppe (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die lösbare Verbindung des Drosselelements (9) mit dem Ventilblock (3) oder dem Gehäuse (10) über eine Schraubverbindung, Pressverbindung, Klemmverbindung oder mittelbar über ein herausnehmbares Sicherungselement, beispielsweise einen Sicherungsring, hergestellt ist.
Ventilbaugruppe (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Drosselelement (9) in Betankungsrichtung stromabwärts der Schließfeder (7) angeordnet ist.
Ventilbaugruppe (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schließfeder (7) an dem Drosselelement (9) axial abgestützt ist.
Ventilbaugruppe (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Schließfeder (7) an einem ringförmigen Absatz (11) des Ventilblocks (3) oder des Gehäuses (10) axial abgestützt ist.
Ventilbaugruppe (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Drosselelement (9) als rotationssymmetrischer Körper, vorzugsweise als Zylinder, mit einer zentralen Bohrung (12) ausgeführt ist.
Brenngastank (2) mit einer Ventilbaugruppe (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei vorzugsweise der Ventilblock (3) der Ventilbaugruppe (1) abschnittsweise in den Brenngastank (2), beispielsweise in einen Flaschenhals des Brenngastanks (2), eingesetzt, insbesondere eingeschraubt, ist.
Brenngastanksystem (22) mit mindestens einem Brenngastank (2) nach Anspruch 7.
Verwendung eines Drosselelements (9) zur Einstellung eines Gasmassenstroms in einem Betankungspfad (4) einer Ventilbaugruppe (1) für einen Brenngastank (2), wobei das Drosselelement (9) aus einem mehrere Drosselelemente (9) mit gleichen Außenabmessungen, aber unterschiedlichen Drosselquerschnitten umfassenden Baukastensystem ausgewählt und in den Betankungspfad (4) eingesetzt wird.