CN115468116A - 液态氢储存器 - Google Patents

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Abstract

一种液态氢储存器，包括用于容纳液态氢的低温容器、用于排放气态氢的排放管路、排放管路中的蒸发阀，该蒸发阀用于选择性地打开和关闭排放管路相对于蒸发管理系统的流动连接，其中，蒸发管理系统包括用于将气态氢与空气混合的混合腔，其中，蒸发管理系统在混合腔的下游包括用于将气态氢与空气一起催化转化的催化器，其中，蒸发管理系统在催化器的下游包括用于将气流排放到环境的废气管路，其中，液态氢储存器包括热运输管路，其中，设置有热运输管路相对于催化器和/或相对于催化器的壳体和/或相对于废气管路的热接触装置，并且设置有热运输管路相对于混合腔和/或相对于空气供应管路和/或相对于排放管路和/或相对于蒸发阀的热接触装置。

Description

液态氢储存器
技术领域
本发明涉及一种液态氢储存器，其包括用于容纳液态氢的低温容器，本发明还涉及一种用于运行这种液态氢储存器的方法。
背景技术
已知，低温容器用于储存液态的、低沸点的或低温的氢，尤其用于在氢动力的机动车中、例如在燃料电池车辆中携带液态氢。
由于不可避免的热量输入到以液态氢运行的燃料电池车辆的低温容器中，氢的蒸发持续发生。如果没有对氢消耗器进行相应大量的提取，则燃料箱中的压力升高。
为了将燃料罐中的压力保持在某个阈值以下，可以在这种液态氢储存器中打开阀门，即所谓的“蒸发阀”(Boil-off gas；缩写：BOV)，从而将气态氢排放到环境中。
为了排除由于环境中的氢浓度过高引起的危险、例如爆炸，可以将排放的气体与环境空气中的氧催化转化并且因此反应形成水蒸气。该系统被称为蒸发管理系统(Boil-off Management System；缩写：BMS)。一旦BOV打开，气态氢在高压下从低温燃料罐中流出。随后通过喷嘴将该气态氢吹入混合腔，在该混合腔中，吸入的空气、尤其环境空气与氢混合并且一同被运输至催化器。最后，排放的氢在催化器中发生催化转化。
例如，专利文献DE 10 2016 209 170 A1公开了一种用于检查车辆中的用于转化燃料、尤其氢的催化转化器的功能的方法，其中，催化转化器与用于储存燃料的压力容器通过连接管路流体连接，其中，减压阀布置在连接管路中并且设计为，当压力容器中的燃料压力超过一压力值时允许燃料通过至催化转化器。
有专利文献DE 10 2014 015 987 A1已知一种用于运行加氢站的方法，该加氢站具有至少一个储存容器、至少一个低温泵、至少一个分配器和连接上述部件的管路，储存容器用于储存液化氢并且在该储存容器中至少短暂地产生蒸发气，低温泵用于将氢压缩至希望的排放压力，通过分配器排放压缩的氢，其中，在至少一个储存容器中产生的蒸发气至少部分地用于冷却加氢站的至少一个部件和/或管路，和/或至少部分地被催化燃烧。
专利文献DE 102 02 171 A1公开了一种机动车，该机动车具有用于供给驱动机动车的内燃机的低温燃料罐，该低温燃料罐配有具有废气催化器的排气装置，该机动车还具有用于燃烧来自低温燃料罐的蒸发气的装置，其中，蒸发气在废气催化器旁边被引入内燃机排气装置中。
由于流出的氢(蒸发气)温度非常低(正常沸腾温度约为20K)，当BMS长时间运行时，环境空气中包含的水蒸气会在BMS的H2管路上结冰。在此也可能发生环境空气的液化。因此，在不利的环境条件(环境温度略高于水的冰点，高湿度)下，还可能导致大量结冰和构件被损坏，如果液化的环境空气与地面上的易燃物质接触，则会导致高的火灾危险。由于BMS的混合腔中存在负压，因此在不利的环境条件下，尤其在环境温度刚刚超过水的冰点和高湿度的情况下，存在“汽化器结冰”的风险，即环境空气中含有的水蒸气在混合腔中形成冰。随着时间的推移，这会导致催化器装载纯氢并且因此导致系统故障。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是在这方面改进液态氢储存器并且尤其提供一种液态氢储存器，即使在交通繁忙时典型的液态氢高蒸发率的情况下，以及在使用较短的或较差地被环境空气环流的氢供应管路的情况下，以及即使在低环境温度和高空气湿度的情况下，该液态氢储存器也能可靠地运行。尤其应当有效率地防止空气液化和/或结冰，并且应当将流过BMS的喷嘴的氢的温度和因此密度保持在某个范围内。
该技术问题通过一种液态氢储存器解决，其包括用于容纳液态氢的低温容器、用于排放气态氢的排放管路、排放管路中的蒸发阀，该蒸发阀用于选择性地打开和关闭排放管路相对于蒸发管理系统的流动连接，其中，蒸发管理系统包括用于将气态氢与空气混合的混合腔，其中，蒸发管理系统包括在混合腔的下游的用于将气态氢与空气一起催化转化的催化器，其中，蒸发管理系统包括在催化器的下游的废气管路，用于将气流排放到环境，其中，液态氢储存器包括热运输管路，其中，设置有热运输管路相对于催化器和/或相对于催化器的壳体和/或相对于废气管路的热接触装置，并且设置有热运输管路相对于混合腔和/或相对于空气供应管路和/或相对于排放管路和/或相对于蒸发阀和/或相对于尤其在安全阀前的分配器块的热接触装置。
根据本发明，液态氢储存器具有蒸发管理系统，在该蒸发管理系统中，热运输管路如此设置，使得一方面它在热区域中、即在催化器上和/或催化器的壳体上和/或在废气管路上具有热接触装置，以便在那里吸收热量并通过热运输管路将热量运输给冷的排放区域，即，该热量运输通过热运输管路相对于混合腔和/或相对于空气供应装置和/或相对于排放管路和/或相对于蒸发阀和/或相对于贴靠的部件、例如尤其在安全阀之前的分配器块的热接触装置进行，从而由此加热了混合腔和/或空气供应装置和/或排放管路和/或蒸发阀和/或阀-分配器块和/或与贴靠在排放管路上的部件。
通过这种具有热接触装置的热运输管路可以直接或间接地加热混合腔以及氢-排放管路的包括支路、阀门和喷嘴或配件在内的部分以及供应给BMS的氢本身和供应给BMS的空气，并且因此避免了在该区域结冰。
同时，热接触装置可以如此选择，使得不会出现不希望的过热，并且因此不会产生在流入喷嘴的区域中着火的风险或BMS部件或贴靠部件的损坏或BMS运行不允许的对废气管路中的氢的加热。
此外，氢的较高温度导致其密度较低，从而使得位于BMS中的催化器的热负荷较低，因此在这种情况下催化器的尺寸可以设计得较小。
这种热运输管路还可以廉价地实现并且具有低重量。
热运输管路尤其可以使用直接热传导和/或通过热辐射或对流实现的间接热传导。
因此，通过本发明可以加热被吸入BMS的混合腔中的空气和/或直接或间接地加热混合腔和/或氢排放管路的包括支路、诸如尤其蒸发阀之类的阀门、喷嘴、配件、分配器块和/或供应给BMS的氢本身，更确切地说，加热优选地纯无源地进行，即，尤其不需要电流。为此，根据本发明使用BMS催化器的废热。BMS的废气流在此优选不受阻碍。
本发明的扩展设计在说明书和附图中给出。
优选地，热运输管路由固体热桥构成和/或由被工作介质流过的热管(heat pipe)构成，所述热管尤其通过相变、气体对流和工作介质的毛细运输表征。也可以通过有源的驱动装置、例如泵和/或阀门使工作介质循环或控制工作介质。
液态氢储存器优选地包括护盖，其中，排放管路包括在护盖内延伸的内部区段和在护盖外延伸的外部区段。设置有热运输管路优选地相对于排放管路的外部区段和/或相对于排放管路的内部区段的热接触装置。
优选地，液态氢储存器包括排放管路上的配件，尤其用于从低温容器中提取氢，其中，所述配件被护盖盖住。优选地，低温容器自身也被护盖盖住，或者该护盖构成包围低温容器的壳体的一部分。
优选地设置有热运输管路相对于混合腔和相对于排放管路的外部区段的尤其直接通过热传导和/或间接通过热辐射或对流建立的热接触装置，其中，排放管路的外部区段上的热接触装置尤其针对与热运输管路相对于混合腔的热接触装置相比相同的和/或更大的和/或更小的热传递设置。在混合腔处应当通过腔和空气进口的表面的热接触给腔和空气进口供应热量，并且因此防止在外部温度略高于水的冰点时(汽化器结冰)腔和空气进口的结冰，但同时通过适当地设计热接触装置防止在高的外部温度下的过度加热。在用于蒸发的氢的排放管路的外部区段处，在管路中相对恒定的低温温度占主导，通常直至至少大约30K，并且该管路的外部结冰和空气液化在那里最关键。相反，可能的较高的热量输入在此不太成问题。因此，排放管路的外部区段上的热接触装置可以针对高的热量供应和恒定的温度梯度设计，其中，氢本身的密度和因此温度对BMS的功能是关键的，因此其在喷嘴处的温度既不能太低也不能太高。
优选设置有热运输管路相对于排放管路的外部区段和相对于排放管路的内部区段的热接触装置，其中，排放管路的外部区段上的热接触装置针对与热运输管路相对于排放管路的内部区段的热接触装置相比相同的和/或更大的和/或更小的热传递设置。用于蒸发的氢的内部管路通常也具有恒定的低温温度(低温学上的温度)。在此结冰不太关键，因为配件被盖住和配件的可能的结冰会产生一定的绝缘效果。不允许发生过高的、主要进入相对于排放管路的内部区段的热接触装置的环境中的热量输入，因为否则可能损坏敏感部件。
优选通过文丘里原理将空气供应到混合腔中，并且因此该供应无源地进行，尤其不需要电流。
优选通过文丘里原理将空气供应到混合腔中，并且因此该供应被动地进行，尤其不需要电流。
附图说明
以下示例性地参照附图描述本发明。
图1示出按照本发明的液态氢储存器的示意图。
具体实施方式
在图1中示出按照本发明的液态氢储存器。
液态氢储存器包括用于容纳液态氢的低温容器1。氢H2在低温容器1的下部区域中以液态形式存在，而在容器1的上部区域中气态地存在。
排放管路2、4设置用于从低温容器1的上部区域排放气态氢并且分区段地穿过液态氢储存器的具有真空22的区域和液态氢储存器的具有空气23、尤其环境空气的区域向外延伸。
在液态氢储存器的具有空气23的区域中，液态氢储存器包括在排放管路2上的配件17。
液态氢储存器包括护盖13。配件17被护盖13盖住。
排放管路2、4包括在液态氢储存器的护盖13内延伸的内部区段2和在护盖13外延伸的外部区段4。
液态氢储存器还包括在排放管路2中的蒸发阀3，用于选择性地打开和关闭排放管路2、4相对于蒸发管理系统的流动连接，其中，蒸发管理系统包括用于氢排放的喷嘴，其中，蒸发管理系统包括在喷嘴下游的混合腔5，用于将气态氢与空气、尤其环境空气混合，其中，蒸发管理系统包括在混合腔5下游的催化器6，用于将气态氢与空气、尤其环境空气一起催化转化，其中，蒸发管理系统包括在催化器6下游的废气管路7，用于将气流排放到环境。气流经由废气管路7通过废气出口25被排放到环境中。
通过蒸发阀3对流动连接选择性的打开和关闭可以例如受压力控制和/或受压力调节地进行。
空气供应管路15能够实现环境空气通过空气进口24被吸入混合腔5。将空气供应到混合腔5中通过文丘里原理、通过从旁边流过的介质的抽吸作用进行并且因此无源地、不使用电气构件地进行。
根据本发明，液态氢储存器包括热运输管路11，该热运输管路由固体热桥构成和/或由被工作介质流过的热管构成。热运输管路11从排放管路2、4的内部区段2延伸至废气管路7。根据需要，热运输管路11也可以设计得明显更短并且仅延伸至催化器6或者仅延伸至催化器6的壳体(未示出)。
热运输管路11的热接触装置12分别相对于催化器6或相对于催化器6的壳体并且相对于废气管路7设置，即在热量被传递给热运输管路11的热区域中设置，并且另一方面相对于混合腔5和/或相对于空气供应装置15、相对于外部的排放管路4并且相对于内部的排放管路2设置，在这些位置分别发生放热。热流Q(箭头)的方向在图1中示出并且沿流出的氢H2的反方向延伸(另外的箭头)，或者说沿液态氢储存器或BMS的热部分至冷部分的方向延伸。
排放管路2、4的外部区段4上的热接触装置9在此例如针对与热运输管路11相对于混合腔5的热接触装置10相比更大的热传递设置。
排放管路2、4的外部区段4上的热接触装置9在此例如也针对与热运输管路11相对于排放管路2、4的内部区段2的热接触装置8更大的热传递设置。
根据本发明，以液态氢运行的车辆的蒸发管理系统(BMS)的催化器的废热因此通过固体热传导装置或热管(heat pipes)被供应给BMS的冷区域、尤其H2供应管路2、4和混合腔5和/或空气供应管路15，以便将这些部件加热并且因此避免在喷嘴前形成冰、空气液化以及过高的氢气密度。
催化器6的表面和/或催化器以及蒸发管理系统(BMS)的废气管7的壳体被适当地热接触12，并且一部分废热通过固体热桥或具有合适的工作介质或多种不同的、合适的工作介质的热管(heat pipe)装置11被运输至BMS的冷区域。在那里，热量通过适合的热接触装置8、9、10被供应给关键的部件。这些部件是：
第一：混合腔5，在该混合腔5处，通过腔和空气供应管路15的表面的热接触装置10给腔和空气供应管路供应热量，并且因此应当防止在外部温度略高于水的冰点时腔和空气供应管路的结冰，但同时通过适当的设计防止在高的外部温度下的过度加热。
第二：用于蒸发的氢的外部管路4，在该外部管路4处，在管路中相对恒定的低温温度占主导，并且该管路的外部结冰以及空气液化是最关键的。同时应当避免喷嘴前的氢气的过高的温度和因此过低的密度，以便能够处理产生的全部蒸发气体。相反，由于管路的支承件，可能的较高的热量输入在此问题不大，因此热接触装置9可以设计用于高的热量供应和恒定的温度梯度。
第三：用于蒸发的氢的内部管路2：在此同样恒定的低温温度占主导(直至至少大约30K)。在此结冰不太关键，因为由于配件13被盖住出现相对于环境的一定的屏蔽或一定的绝缘效果。此处不允许发生过高的、主要进入热接触装置8的环境中的热量输入，因为否则可能损坏敏感部件。
附图标记列表
1 低温容器
2 排放管路、内部区段
3 蒸发阀
4 排放管路、外部区段
5 混合腔
6 催化器
7 废气管路
8、9、10、12 热接触装置
11 热运输管路
13 护盖
15 空气供应管路
17 配件
22 真空
23 空气
24 空气进口
25 废气出口
H2 氢
Q 热流

Claims (7)

1.一种液态氢储存器，包括用于容纳液态氢的低温容器(1)、用于排放气态氢的排放管路(2、4)、所述排放管路(2、4)中的蒸发阀(3)，该蒸发阀用于选择性地打开和关闭排放管路(2、4)相对于蒸发管理系统的流动连接，其中，所述蒸发管理系统包括用于将气态氢与空气混合的混合腔(5)，其中，所述蒸发管理系统包括在所述混合腔(5)的下游的用于将气态氢与空气一起催化转化的催化器(6)，其中，所述蒸发管理系统包括在催化器(6)的下游的用于将气流排放到环境的废气管路(7)，其特征在于，所述液态氢储存器包括热运输管路(11)，其中，设置有所述热运输管路(11)相对于所述催化器(6)和/或相对于所述催化器(6)的壳体和/或相对于所述废气管路(7)的热接触装置(12)，并且设置有所述热运输管路(11)相对于所述混合腔(5)和/或相对于所述空气供应管路(15)和/或相对于所述排放管路(2、4)和/或相对于所述蒸发阀(3)和/或相对于尤其在安全阀前的分配器块的热接触装置(8、9、10)。
2.根据权利要求1所述的液态氢储存器，其特征在于，所述热运输管路(11)由固体热桥构成和/或由被工作介质流过的热管构成。
3.根据前述权利要求中至少一项所述的液态氢储存器，其特征在于，所述液态氢储存器包括护盖(13)，其中，所述排放管路(2、4)包括在所述护盖(13)内延伸的内部区段(2)和在所述护盖(13)外延伸的外部区段(4)，其中，设置有所述热运输管路(11)相对于所述排放管路(2、4)的外部区段(4)和/或相对于所述排放管路(2、4)的内部区段(2)的热接触装置(8、9)。
4.根据权利要求3所述的液态氢储存器，其特征在于，所述液态氢储存器包括所述排放管路(2、4)上的配件(17)，其中，所述配件(17)被所述护盖(13)盖住。
5.根据权利要求3至4中至少一项所述的液态氢储存器，其特征在于，设置有所述热运输管路(11)相对于所述混合腔(5)和相对于所述排放管路(2、4)的外部区段(4)的热接触装置(9、10)，其中，所述排放管路(2、4)的外部区段(4)上的热接触装置(9)优选针对与所述热运输管路(11)相对于混合腔(5)的热接触装置(10)相比更大的热传递设置。
6.根据权利要求3至5中至少一项所述的液态氢储存器，其特征在于，设置有所述热运输管路(11)相对于排放管路(2、4)的外部区段(4)和相对于排放管路(2、4)的内部区段(2)的热接触装置(8、9)，其中，所述排放管路(2、4)的外部区段(4)上的热接触装置(9)优选针对与所述热运输管路(11)相对于排放管路(2、4)的内部区段(2)的热接触装置(8)相比更大的热传递设置。
7.根据前述权利要求中至少一项所述的液态氢储存器，其特征在于，通过文丘里原理将空气供应到所述混合腔(5)中。
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