DE10021681A1 - Fuel storage system, in particular system for storing hydrogen, stores fuel in liquid form - Google Patents

Fuel storage system, in particular system for storing hydrogen, stores fuel in liquid form

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Abstract

The fuel is stored in liquid form in a first tank (2). Gas produced by the residual heat in the interior of the tank is not released to atmosphere when the tank pressure rises but is drawn off to a second tank (3) when the pressure in the first tank reaches a set maximum level. At this level a compressor (17) is initiated to deliver the fuel vapor at high pressure to the second tank from which the fuel is drawn off on demand through a pressure reducing valve (24).

Description

Die Erfindung betrifft ein Energiespeichersystem mit einem ersten Speicher, der mit einer Zuleitung für einen flüssigen Energieträger, insbesondere für flüssigen Wasserstoff, sowie mit einer Entnahmeleitung zum Transportieren des Energieträgers an einen Verbraucher versehen ist.The invention relates to an energy storage system with a first storage, the with a feed line for a liquid energy carrier, in particular for liquid Hydrogen, as well as with an extraction line for transporting the Energy carrier is provided to a consumer.

Derartige Energiespeichersystem sind bekannt und finden beispielsweise in der Brennstoffzellen-Technologie Verwendung. Brennstoffzellen-Antriebe werden zunehmend als ernstzunehmende Alternative zu herkömmlichen Antrieben für Fahrzeuge gesehen. Die Brennstoffzeile benötigt als Reaktanden einen chemischen Energieträger, üblicherweise Wasserstoff, und Sauerstoff. Während der Sauerstoff, ähnlich wie beim Verbrennungsmotor, meist aus der Luft der Umgebung entnommen werden kann, werden für den Wasserstoff Speichersysteme benötigt. Dabei wird der Wasserstoff entweder unmittelbar oder als Bestandteil eines anderen Stoffes, etwa Methanol oder Erdgas, gespeichert.Such energy storage systems are known and are found, for example, in the Use of fuel cell technology. Fuel cell drives are increasingly as a serious alternative to conventional drives for Seen vehicles. The fuel line needs one as reactants chemical energy sources, usually hydrogen, and oxygen. While the oxygen, similar to the combustion engine, mostly comes from the Air taken from the environment is used for the hydrogen Storage systems needed. The hydrogen either becomes immediate or as part of another substance, such as methanol or natural gas, saved.

Die Speicherung des Wasserstoffs in Form von Methanol erfordert ein relativ komplexes und teures System zur Nutzbarmachung der Wasserstoffenergie. Systeme, die den Wasserstoff unmittelbar, d. h. in Form von flüssigem oder gasförmigen Wasserstoff speichern, sind dagegen einfacher im Aufbau und im Einsatz. Besonders zweckmäßig erscheint dabei die Speicherung des Wasserstoffs in flüssiger Form, da mit flüssigem Wasserstoff eine hohe Energiedichte erzielt wird. Fahrzeuge, die mit einem Flüssigwasserstoff- Speicher ausgerüstet sind, weisen Reichweiten pro Speicherfüllung auf, die mit denen von herkömmlichen Diesel- oder Benzinfahrzeugen vergleichbar sind. Der Einsatz dieser Speichertechnologie in Kraftfahrzeugen wird beispielsweise in der Firmenzeitschrift "gas aktuell" 36, S. 17 (1991) beschrieben.The storage of hydrogen in the form of methanol requires a relatively complex and expensive system for harnessing hydrogen energy. On the other hand, systems that store the hydrogen directly, ie in the form of liquid or gaseous hydrogen, are simpler to set up and use. The storage of hydrogen in liquid form appears particularly expedient, since a high energy density is achieved with liquid hydrogen. Vehicles that are equipped with a liquid hydrogen storage have ranges per storage filling that are comparable to those of conventional diesel or gasoline vehicles. The use of this storage technology in motor vehicles is described, for example, in the company magazine "gas aktuell" 36, p. 17 ( 1991 ).

Der Nachteil der herkömmlichen Flüssigwasserstoff-Speicherung ist jedoch, dass auch bei bester thermischer Isolation des Wasserstofftanks, etwa mit Hilfe von Superisolation, ein geringer Restwärmestrom in das Tankinnere verbleibt, der zu einem langsamen Druckanstieg im Tank führt. Solange regelmäßig Wasserstoff von einem Verbraucher entnommen wird, ist dies ohne Bedeutung, da in diesem Falle durch die Entnahme der Druck im Tankinnern wieder abgesenkt wird. Wenn jedoch über eine längere Zeitdauer hinweg keine Entnahme erfolgt, kann der Druck bis zum Öffnungsdruck des Überströmventils steigen, wodurch es in der Folge zu einem kontinuierlichen Abblasestrom aus dem Tank kommt. Der Restwärmestrom wird dabei durch die Verdampfung des flüssigen Wasserstoffs im Tank kompensiert. In der Praxis liegt die Abblase­ menge eines Flüssigwasserstofftanks etwa für Fahrzeuge derzeit bei 1 bis 5% der maximalen Tankfüllung pro Tag.The disadvantage of conventional liquid hydrogen storage, however, is that that even with the best thermal insulation of the hydrogen tank, for example with the help of super insulation, a small residual heat flow remains inside the tank,  which leads to a slow rise in pressure in the tank. As long as regularly Hydrogen is taken from a consumer, this is irrelevant because in this case by removing the pressure inside the tank again is lowered. However, if none over a long period of time Removal takes place, the pressure can reach the opening pressure of the overflow valve rise, resulting in a continuous blow-off flow the tank comes. The residual heat flow is the evaporation of the compensated for liquid hydrogen in the tank. In practice, the blow-off lies amount of a liquid hydrogen tank for vehicles currently around 1 to 5% the maximum tank filling per day.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Energiespeichersystem zu entwickeln, bei dem der Verdampfungsverlust des eingesetzten Energieträgers auch bei längeren Standzeiten minimiert wird.The object of the present invention is to provide an energy storage system develop in which the loss of evaporation of the energy source used is minimized even with longer idle times.

Gelöst ist diese Aufgabe bei einem Energiespeichersystem der eingangs genannten Art dadurch, dass der erste Speicher mit einem zweiten Speicher zum Speichern vom im ersten Speicher verdampftem Energieträger strömungsverbunden ist.This task is solved with an energy storage system at the beginning mentioned type in that the first memory with a second memory for storing the energy vapor evaporated in the first store is connected to the flow.

Beim erfindungsgemäßen Energiespeichersystem wird der aufgrund des Restwärmeeintrags in den ersten Speicher verdampfende und nicht vom Verbraucher entnommene Anteil des gespeicherten Energieträgers im zweiten Speicher aufgefangen und steht somit einer späteren Verwendung zur Verfügung. Er entweicht also nicht in die Umgebung, wie dies bei konventionellen Systemen der Fall ist, bei denen der Energieträger ausschließlich in flüssiger Form gespeichert wird. Mit diese Technologie wird der Verlustanteil an Energieträger beim Speichern drastisch reduziert. Gegenüber einem reinen Gasspeicher weist die erfindungsgemäße Form der Energiespeicherung den Vorteil auf, dass bei Speicherung in flüssiger Form eine höhere Energiespeicherdichte erzielt werden kann, wodurch ein geringerer Platzbedarf besteht. Des weiteren wird bei der Befüllung des ersten Speichers mit flüssigem Energieträger ein niedrigerer Fülldruck beansprucht und die Befüllung kann sehr viel rascher, insoweit mit konventionellen Kraftstoffen vergleichbar, erfolgen. Besonders zweckmäßig ist erfindungsgemäße Technologie beim Einsatz von Wasserstoff als Energieträger, sie ist jedoch nicht auf diesen beschränkt.In the energy storage system according to the invention, the due to the Residual heat input evaporating in the first store and not from Consumers' share of the stored energy source in the second Memory collected and is therefore available for later use Available. So it does not escape into the environment like this conventional systems is the case where the energy source is only stored in liquid form. With this technology the loss of energy sources during storage is drastically reduced. Compared to a pure gas storage, the shape according to the invention has the Energy storage has the advantage that when stored in liquid form a higher energy storage density can be achieved, resulting in a lower Space is required. Furthermore, when filling the first store uses a lower filling pressure with liquid energy and the Filling can be done much faster, so far with conventional fuels  comparable, done. The invention is particularly expedient Technology when using hydrogen as an energy source, but it is not limited to this.

Vorteilhafterweise umfasst der zweite Speicher einen Drucktank, mittels dessen die Speicherkapazität des zweiten Speichers besonders hoch gewählt werden kann. Geeignete Drucktanks sind beispielsweise konventionelle Druckgas­ flaschen für Drücke zwischen 0 und 300 bar oder Höchstdruck-Verbundbehälter für Drücke bis zu 1000 bar und mehr.The second store advantageously comprises a pressure tank, by means of which the storage capacity of the second memory can be chosen to be particularly high can. Suitable pressure tanks are, for example, conventional compressed gas bottles for pressures between 0 and 300 bar or high-pressure composite containers for pressures up to 1000 bar and more.

Um die Speicherkapazität des Drucktanks im zweiten Speicher weiter zu erhöhen, ist diesem eine Einrichtung zur Druckerhöhung strömungstechnisch vorgeschaltet, bei der es sich beispielsweise um einen Kompressor handeln kann.To further increase the storage capacity of the pressure tank in the second store increase, this is a fluid pressure increasing device upstream, which is, for example, a compressor can.

In einer vorteilhaften Weiterbildung ist die Einrichtung zur Druckerhöhung mit einer Druckregelung wirkverbunden, mittels der die Kompression des Energieträgers im Drucktank in Abhängigkeit vom Druck des Energieträgers im ersten Speicher geregelt werden kann. So kann der Druckregler beispielsweise derart eingestellt sein, dass kurz vor Erreichen eines Grenzdrucks, der ein Überdruckventil im ersten Speicher öffnet, die Einrichtung zur Druckerhöhung in Betrieb gesetzt und gasförmiger Energieträger aus dem ersten Speicher in den Drucktank gepresst wird.In an advantageous development, the device for increasing the pressure is included a pressure control system, by means of which the compression of the Energy carrier in the pressure tank depending on the pressure of the energy carrier in the first memory can be regulated. For example, the pressure regulator be set such that shortly before a limit pressure is reached, the one Pressure relief valve in the first store opens, the device for increasing the pressure put into operation and gaseous energy from the first storage in the pressure tank is pressed.

Eine besonders einfache Druckregelung kann insbesondere dann verwirklicht werden, wenn die Entnahme des gasförmigen Energieträgers stets aus dem Drucktank und nicht unmittelbar aus dem ersten Speicher erfolgt. Dabei umfasst die Druckregelung eine Bypassleitung, welche die druckseitige Seite der Einrichtung zur Druckerhöhung mit dem ersten Speicher verbindet. Ein Teil des Gases wird somit am Austritt der Einrichtung zur Druckerhöhung in die Flüssigphase des Energieträgers im ersten Speicher zurückgeführt.A particularly simple pressure control can then be implemented in particular be when the removal of the gaseous energy source always from the Pressure tank and not directly from the first store. there the pressure control includes a bypass line, which is the pressure side connects the device for increasing the pressure to the first store. A part the gas is thus at the outlet of the device for increasing the pressure in the Liquid phase of the energy source returned in the first memory.

Um eine Entnahme des gasförmigen Energieträgers aus dem zweiten Speicher zu ermöglichen, ist diese vorzugsweise mit einer Ableitung versehen. Um einen etwa notwendigen Druckausgleich herzustellen, ist diese Ableitung vorzugs­ weise mit einem Druckminderer ausgerüstet.To extract the gaseous energy source from the second store To enable, this is preferably provided with a derivative. To one  To produce any necessary pressure compensation, this derivation is preferred wise equipped with a pressure reducer.

Zweckmäßigerweise ist die Entnahmeleitung jeweils separat mit dem ersten und dem zweiten Speicher strömungsverbindbar. Mit dieser Ausgestaltung ist eine wechselweise Entnahme von Energieträger aus dem ersten oder dem zweiten Speicher möglich.The extraction line is expediently each separate from the first and the second memory can be fluidly connected. With this configuration is an alternate withdrawal of energy from the first or the second memory possible.

Eine Weiterbildung der letztgenannten Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, die Entnahmeleitung mit einer druckgesteuerten Armatur zu versehen, welche die Entnahme von Energieträger aus den beiden Speichern in Abhängigkeit von dem im jeweiligen Speicher vorherrschenden Druck zu steuern imstande ist.A further development of the latter embodiment of the invention provides to provide the sampling line with a pressure-controlled fitting, which the removal of energy from the two stores depending on is able to control the pressure prevailing in the respective store.

Vorzugsweise ist in der Entnahmeleitung ein Wärmetauscher integriert, mittels dessen der gasförmige Energieträger aus dem ersten Speicher vor Erreichen des Verbrauchers aufgewärmt wird. So liegt Wasserstoff als eingesetzter Energieträger im ersten Tank bei einer Temperatur vor, die im Bereich der Siedetemperatur des Wasserstoffs liegt. Der Einsatz eines derart tiefkalten Gases kann beim Verbraucher zu Problemen, beispielsweise Vereisungen u. dergl. führen. Diese Probleme werden durch den Einbau eines Wärmetausches in der Entnahmeleitung zumindest entschärft, wenn nicht beseitigt.A heat exchanger is preferably integrated in the extraction line by means of whose the gaseous energy source from the first storage before reaching of the consumer is warmed up. This is how hydrogen is used Energy carriers in the first tank at a temperature in the range of Boiling point of the hydrogen is. The use of such a cryogenic Gases can cause problems for consumers, such as icing u. the like. These problems are solved by installing a Heat exchange in the extraction line is at least mitigated, if not eliminated.

Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass der erste Speicher einen tieftemperaturtauglichen Drucktank, insbesondere einen Hochdrucktank umfasst, der mit dem Drucktank des zweiten Speichers in Strömungs­ verbindung steht. Ein derartiger tieftemperaturtauglicher Drucktank kann mit flüssigem Wasserstoff bei niedrigem Druck befüllt werden. Wird der Tank unmittelbar nach der Befüllung abgesperrt, steigt der Druck im Tank sehr schnell an, da der Tankmantel im Gegensatz zum Tieftemperaturtank keine besondere Isolationswirkung hat. Ein Druckausgleich kann über einen Wärmetauscher mit dem Drucktank des zweiten Speichers erfolgen, der zumindest für den gleichen Maximaldruck ausgelegt sein muss. A further development of the invention provides that the first memory has a cryogenic pressure tank, especially a high pressure tank comprises, which flows with the pressure tank of the second reservoir connection stands. Such a low-temperature pressure tank can with liquid hydrogen can be filled at low pressure. Will the tank shut off immediately after filling, the pressure in the tank rises very much quickly because the tank jacket, unlike the low-temperature tank, does not has a special insulation effect. A pressure equalization can be done via a Heat exchanger with the pressure tank of the second store, the must be designed for at least the same maximum pressure.  

Alternativ oder ergänzend zum vorgenannten tieftemperaturtauglichen Drucktank umfasst der erste Speicher einen Tieftemperaturtank, der vorzugsweise mit einer Superisolation versehen ist. Durch die thermische Isolation derartiger Tanks lassen sich die Verdampfungsverluste des als Energieträger eingesetzten flüssigen Wasserstoffs minimieren.Alternatively or in addition to the aforementioned low-temperature suitability Pressure tank the first store includes a low temperature tank that is preferably provided with super insulation. Due to the thermal Isolation of such tanks can be the evaporation losses of the Minimize the amount of liquid hydrogen used.

Insbesondere bei der Verwendung von Wasserstoff als Energieträger ist die chemische Speicherung des Wasserstoffs im zweiten Speicher eine sinnvolle Alternative oder Ergänzung zum vorgenannten Drucktank. So wird bei der Metallhydrid-Technik der Wasserstoff chemisch an bestimmte Metalle gebunden. Dabei entstehen Metallhydride, die abhängig vom Druck in einem geringen Volumen relativ große Wasserstoffmengen aufnehmen können.Especially when using hydrogen as an energy source chemical storage of the hydrogen in the second storage makes sense Alternative or addition to the aforementioned pressure tank. So at Metal hydride technology that chemically hydrogenates certain metals bound. This creates metal hydrides, which depend on the pressure in one small volumes can absorb relatively large amounts of hydrogen.

Typische Arbeitsdrücke für Metallhydridspeicher liegen zwischen 0 und 35 bar. Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht den Einsatz des Energiespeichersystems für Brennstoffzellenantriebe vor" insbesondere für den Einsatz in Fahrzeugen.Typical working pressures for metal hydride storage are between 0 and 35 bar. A particularly advantageous embodiment of the invention provides the use of Energy storage system for fuel cell drives before "especially for the Use in vehicles.

Anhand der Zeichnung sollen nachfolgend Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert werden.Exemplary embodiments of the invention are to be described below with reference to the drawing are explained in more detail.

In schematischen Ansichten zeigen:Schematic views show:

Fig. 1: ein zum Speichern von Wasserstoff einsetzbares erfindungsgemäßes Energiespeichersystem in einer ersten Ausführungsform, Fig. 1: a usable for storing hydrogen according to the invention energy storage system in a first embodiment;

Fig. 2: ein zum Speichern von Wasserstoff einsetzbares erfindungsgemäßes Energiespeichersystem in einer zweiten Ausführungsform, und Fig. 2 shows a usable for storing hydrogen according to the invention energy storage system in a second embodiment, and

Fig. 3: einen typischen zeitlichen Druckverlauf des Wasserstoffs im ersten Speicher beim Betrieb eines erfindungsgemäßen Wasserstoffspeicher­ systems. Fig. 3: a typical temporal pressure curve of the hydrogen in the first storage when operating a hydrogen storage system according to the invention.

Das in Fig. 1 gezeigte Wasserstoffspeichersystem 1 umfasst einen ersten Speicher in Form eines Tieftemperaturtanks 2 sowie einen zweiten Speicher in Form eines Hochdrucktanks 3.The hydrogen storage system 1 shown in Fig. 1 comprises a first memory in the form of a cryogenic tank 2 and a second memory in the form of a high-pressure tank 3.

Als Hochdrucktank 3 kann dabei beispielsweise ein Hybridspeicher, der für Drücke zwischen 0 und 35 bar geeignet ist, eine Druckgasflasche für Drücke von 0 bis 300 bar oder ein Höchstdruck-Verbundbehälter für Drücke von 0 bis 1000 bar eingesetzt werden.A high-pressure tank 3 can be, for example, a hybrid accumulator which is suitable for pressures between 0 and 35 bar, a pressurized gas bottle for pressures from 0 to 300 bar or a high-pressure composite container for pressures from 0 to 1000 bar.

Der Tieftemperaturtank 2, der für die Aufnahme von flüssigem Wasserstoff mit einer Temperatur von ca. 20 K bestimmt ist, ist mit einer Wärmeisolation 5 versehen. Zur Herstellung der Wärmeisolation 5 umfasst der Tieftemperaturtank 2 einen Innenbehälter 6, der zur Aufnahme des Wasserstoffs bestimmt ist, und der in einem Abstand von beispielsweise 40 mm von einem Außenbehälter 7 umgeben ist. Der Zwischenraum zwischen dem Innenbehälter 6 und dem Außenbehälter 7 ist evakuiert und kann zum Schutz vor Strahlungsverlusten mit entsprechenden Strahlungsschulden versehen sein. Einen typischen Aufbau für eine derartige Wärmeisolation ist beispielsweise in der Firmenzeitschrift "gas aktuell" Nr. 36, S. 17 (1991) beschrieben, es kann freilich jede aus der Tieftemperaturtechnik bekannte und für den vorliegenden Zweck geeignete Isolation verwendet werden.The low-temperature tank 2 , which is intended for the absorption of liquid hydrogen at a temperature of approximately 20 K, is provided with thermal insulation 5 . In order to produce the thermal insulation 5 , the low-temperature tank 2 comprises an inner container 6 which is intended to hold the hydrogen and which is surrounded by an outer container 7 at a distance of, for example, 40 mm. The space between the inner container 6 and the outer container 7 is evacuated and can be provided with appropriate radiation debts to protect against radiation losses. A typical structure for such thermal insulation is described, for example, in the company magazine "gas aktuell" No. 36, p. 17 ( 1991 ). Of course, any insulation known from low-temperature technology and suitable for the present purpose can be used.

Der Innenbehälter 6 kann mittels einer Füll-Leitung 9 zumindest teilweise mit flüssigem Wasserstoff befüllt werden. Trotz der guten Isolation tritt bei derartigen Tieftemperaturtanks ein Restwärmeeintrag auf, der zum Verdampfen eines Teils des eingefüllten Wasserstoffs von üblicherweise etwa 1 bis 5% pro Tag führt. Der Innenbehälter weist daher ein Sicherheitsventil 10 auf, das bei Erreichen eines bestimmten Mindestdrucks, beispielsweise 5 bar, öffnet und gasförmigen Wasserstoff in die Umgebung entweichen lässt.The inner container 6 can be at least partially filled with liquid hydrogen by means of a filling line 9 . Despite the good insulation, there is a residual heat input in such low-temperature tanks, which leads to the evaporation of part of the filled hydrogen, usually of about 1 to 5% per day. The inner container therefore has a safety valve 10 which opens when a certain minimum pressure, for example 5 bar, is reached and allows gaseous hydrogen to escape into the environment.

Die durch Verdampfen des eingefüllten Wasserstoffs entstehende Gasphase 11 im Innenbehälter 6 steht über eine Entnahmeleitung 12 mit einem Verbraucher 13 in Strömungsverbindung. In der Entnahmeleitung 12 ist ein Wärmetauscher 14 zum Erwärmen des tiefkalten Gases sowie ein Absperrventil 15 integriert.The gas phase 11 formed in the inner container 6 by evaporation of the filled hydrogen is in flow connection with a consumer 13 via a removal line 12 . A heat exchanger 14 for heating the cryogenic gas and a shut-off valve 15 are integrated in the extraction line 12 .

Zwischen dem Tieftemperaturtank 2 und dem Hochdrucktank 3 ist ein Kompressor 17 angeordnet, dessen Niederdruckseite 18 über eine Abzweigung 19 an der Entnahmeleitung 12 mit der Gasphase 11 des Wasserstoffs und dessen Hochdruckseite 21 mit dem Hochdrucktank 3 strömungsverbunden ist. Der Kompressor 17 ist derart ausgelegt, dass bei Erreichen eines bestimmten Drucks im Innenbehälter 6 des Tieftemperaturtanks 2, dessen Wert unterhalb des Öffnungsdrucks des Sicherheitsventils 10 liegt, Wasserstoff aus der Gasphase 11 entnommen und im komprimierten Zustand dem Hochdruckbehälter 3 zugeführt wird. Die Druckregelung erfolgt dabei etwa durch Messung des Drucks im Innenbehälter 6, und eine entsprechende Steuerung, die bei Erreichen des entsprechenden Druckwertes über eine geeignete Steuerung den Kompressor in Gang setzt.A compressor 17 is arranged between the low-temperature tank 2 and the high-pressure tank 3 , the low-pressure side 18 of which is flow-connected to the gas phase 11 of the hydrogen via a branch 19 on the extraction line 12 and the high-pressure side 21 of which is connected to the high-pressure tank 3 . The compressor 17 is designed such that when a certain pressure is reached in the inner container 6 of the low-temperature tank 2 , the value of which lies below the opening pressure of the safety valve 10 , hydrogen is removed from the gas phase 11 and is supplied to the high-pressure container 3 in the compressed state. The pressure control takes place, for example, by measuring the pressure in the inner container 6 , and a corresponding control which starts the compressor when the corresponding pressure value is reached by means of a suitable control.

Der Hochdrucktank 3 ist über eine Entnahmeleitung 23 gleichfalls mit dem Verbraucher strömungsverbunden. Um den Druck des entnommenen Wasserstoffs den Erfordernissen des Verbrauchers 13 anzupassen, ist in die Entnahmeleitung 23 ein Druckminderer 24 integriert.The high-pressure tank 3 is also fluidly connected to the consumer via an extraction line 23 . In order to adapt the pressure of the hydrogen removed to the requirements of the consumer 13 , a pressure reducer 24 is integrated in the extraction line 23 .

Beim Wasserstoffspeichersystem 1 kann gasförmiger Wasserstoff wahlweise entweder aus der Gasphase 11 im Innenbehälter 6 des Tieftemperaturtanks 2 oder aus dem Hochdrucktank 3 entnommen werden. Diese ist insbesondere dann zweckmässig, wenn, etwa unmittelbar nach einer Betankung des Tieftemperaturtank 2, nur wenig gasförmiger Wasserstoff im Innenbehälter 6 des Tieftemperaturtank 2 vorliegt. In diesem Falle kann der gasförmige Wasserstoff dem Hochdruckbehälter entnommen werden. Bei Erreichen eines bestimmten Druckwertes kann der Tieftemperaturtank 2, etwa mittels einer geeigneten druckgesteuerten Automatik 25 im Absperrventil 15, zugeschaltet werden. Gegebenenfalls kann in diesem Falle gleichzeitig über eine weitere - hier nicht gezeigte - druckgesteuerte Automatik die Entnahmeleitung 23 des Hochdrucktanks 3 gesperrt werden. Um einen minimalen Versorgungsdruck im Tieftemperaturtank 2 dauerhaft sicherzustellen, kann in bekannter Weise etwa eine - hier ebenfalls nicht gezeigte - Heizung im Innenbehälter 6 vorgesehen sein.In the hydrogen storage system 1 , gaseous hydrogen can either be taken from the gas phase 11 in the inner container 6 of the low-temperature tank 2 or from the high-pressure tank 3 . This is particularly expedient if, for example immediately after refueling the low-temperature tank 2 , there is only a little gaseous hydrogen in the inner container 6 of the low-temperature tank 2 . In this case, the gaseous hydrogen can be removed from the high pressure container. When a certain pressure value is reached, the low-temperature tank 2 can be switched on , for example by means of a suitable pressure-controlled automatic system 25 in the shut-off valve 15 . In this case, if necessary, the extraction line 23 of the high-pressure tank 3 can be blocked at the same time via a further pressure-controlled automatic system (not shown here ) . In order to permanently ensure a minimum supply pressure in the low-temperature tank 2 , a heater - also not shown here - can be provided in the inner container 6 in a known manner.

Wird der gasförmige Wasserstoff ausschließlich aus dem Hochdrucktank 3 entnommen, und dient der Tieftemperaturtank 2 somit lediglich als Energiespeicher und nicht zugleich als Versorgungstank, so kann auf eine aufwendige Drucksteuerung des Kompressors 17 verzichtet werden. In diesem Falle kann eine Druckregelung mittels einer entsprechend dimensionierten Bypass-Leitung 26 erfolgen, durch die ein kleiner Teilstrom des bereits erheblich erwärmten Wasserstoffgases in die Flüssigphase des Wasserstoffs in dem Innenbehälter 6 des Tieftemperaturtanks 2 geleitet wird und eine Druckerhöhung im Innenbehälter 6 bewirkt.If the gaseous hydrogen is taken exclusively from the high-pressure tank 3 , and the low-temperature tank 2 thus serves only as an energy store and not at the same time as a supply tank, there is no need for complex pressure control of the compressor 17 . In this case, pressure control can take place by means of an appropriately dimensioned bypass line 26 , through which a small partial flow of the already significantly heated hydrogen gas is passed into the liquid phase of the hydrogen in the inner container 6 of the low-temperature tank 2 and causes a pressure increase in the inner container 6 .

Eine alternative Ausgestaltung eines Energiespeichersystems wird in Fig. 2 vorgestellt. Das dort gezeigte Wasserstoffspeichersystem 30 umfasst ebenfalls einen Hochdrucktank 33, der mit einem Tank 32 zur Aufnahme von Wasserstoff in flüssiger Form über eine Verbindungsleitung 31 strömungsverbunden ist. Im Gegensatz zum Tieftemperaturtank 2 des Wasserstoffspeichersystems 1 handelt es sich bei dem Tank 32 jedoch nicht um einen superisolierten Tieftemperaturtank, sondern um einen - für die Aufnahme von tiefkalten Flüssigkeiten geeigneten - Hochdrucktank, der nicht mit einer der Wärmeisolierung 5 vergleichbaren thermischen Isolation ausgerüstet ist. Wenn der Tank 32 über die Einfüll-Leitung 34 mit flüssigem Wasserstoff (bei niedrigem Druck, etwa 1-4 bar) befüllt und mit einem hier nicht gezeigten Absperrelement abgesperrt wird, verdampft sogleich ein Teil des Wasserstoffs und der Druck im Tank 32 steigt sehr stark an. Der Druckausgleich mit dem Hochdrucktank 33 erfolgt nach Öffnen eines Absperrventils 35 über die Verbindungsleitung 31 in die ein Wärmetauscher 36, z. B. eine luftbeheizte Rohrschlange, integriert ist. Es versteht sich, dass bei diesem Ausführungsbeispiel der Tank 32 und der Hochdrucktank 33 für den gleichen Maximaldruck ausgelegt sein sollen. Auf einen Kompressor zwischen Tank 32 und Hochdrucktank 33 kann bei diesem Ausführungsbeispiel verzichtet werden. Die Entnahme für einen Verbraucher 37 erfolgt ausschließlich über eine Entnahmeleitung 38 des Hochdrucktanks 33, die zum Anschließen des Verbrauchers 37 mit einem geeigneten Druckminderer 39 ausgerüstet ist.An alternative embodiment of an energy storage system is presented in FIG. 2. The hydrogen storage system 30 shown there also comprises a high-pressure tank 33 , which is fluidly connected to a tank 32 for holding hydrogen in liquid form via a connecting line 31 . In contrast to the low-temperature tank 2 of the hydrogen storage system 1 , the tank 32 is not a super-insulated low-temperature tank, but rather a high-pressure tank suitable for holding cryogenic liquids, which is not equipped with a thermal insulation comparable to the thermal insulation 5 . If the tank 32 is filled with liquid hydrogen (at low pressure, about 1-4 bar) via the filling line 34 and shut off with a shut-off element (not shown here), part of the hydrogen evaporates immediately and the pressure in the tank 32 rises very sharply on. The pressure equalization with the high-pressure tank 33 takes place after opening a shut-off valve 35 via the connecting line 31 into which a heat exchanger 36 , for. B. an air-heated coil is integrated. It goes without saying that in this exemplary embodiment the tank 32 and the high-pressure tank 33 should be designed for the same maximum pressure. A compressor between tank 32 and high-pressure tank 33 can be dispensed with in this exemplary embodiment. The removal for a consumer 37 takes place exclusively via an extraction line 38 of the high-pressure tank 33 , which is equipped with a suitable pressure reducer 39 for connecting the consumer 37 .

Fig. 3 zeigt einen beispielhaften, jedoch typischen Druckverlauf im Innenbehälter 6 des Tieftemperaturtanks 2 während des Betriebs. Fig. 3 shows an example, but the typical pressure variation in the inner container 6 of the cryogenic tank 2 during operation.

Bei der Wasserstoffentnahme durch einen Verbraucher 13 unmittelbar aus dem Tieftemperaturtank 2 sinkt der Druck im Innenbehälter 6 bis auf den, beispielsweise mittels einer Heizung beständig aufrechterhaltenen, Versorgungsdruck p1 ab (Betriebszustand B1). Zum Zeitpunkt t1, wird die Entnahme von Wasserstoff eingestellt. Bei Nichtentnahme von Wasserstoff steigt der Druck im Innenbehälter 6 langsam an, solange der Kompressor 17 noch nicht eingeschaltet ist (Betriebszustand B2). Im Zeitpunkt t2 wird der Ansprechdruck p2 des Kompressors 17 erreicht, und der Kompressor 17 in Betrieb gesetzt. Gasförmiger Wasserstoff wird nun dem Innenbehälter 6 des Tieftemperaturtanks 2 entnommen und dem Hochdruckbehälter 3 in komprimierter Form zugeführt (Betriebszustand B3). Der Druck im Innenbehälter 6 sinkt dadurch wieder ab. Bei Erreichen des Versorgungsdrucks P1, zum Zeitpunkt t3, schaltet der Kompressor 17 ab. In der Folge steigt der Druck im Innenbehälter wieder an, bis er zum Zeitpunk t4 den Ansprechdruck p2 erreicht. Der Kompressor schaltet wieder an, der Druck in Innenbehälter sinkt und erreicht zum Zeitpunkt t5 erneut den Versorgungsdruck p1, um danach, nach Abschalten des Kompressors 17, wieder allmählich anzusteigen. Bei erneuter Entnahme von Wasserstoff durch den Verbraucher (ab dem Zeitpunkt t6) sinkt der Druck wieder bis in den Bereich des Versorgungsdrucks p1 ab. Der Druck bleibt so stets unterhalb des Ansprechdrucks p3 des Sicherheitsventils 10. Ein Austritt von Wasserstoff in die Umgebung wird somit zuverlässig vermieden.When hydrogen is removed by a consumer 13 directly from the low-temperature tank 2 , the pressure in the inner container 6 drops to the supply pressure p 1, which is constantly maintained, for example by means of a heater (operating state B1). At time t 1 , the removal of hydrogen is stopped. If hydrogen is not withdrawn, the pressure in the inner container 6 rises slowly as long as the compressor 17 is not yet switched on (operating state B2). At time t 2 , the response pressure p 2 of the compressor 17 is reached and the compressor 17 is started. Gaseous hydrogen is now removed from the inner container 6 of the low-temperature tank 2 and fed to the high-pressure container 3 in compressed form (operating state B3). As a result, the pressure in the inner container 6 drops again. When the supply pressure P 1 is reached , at time t 3 , the compressor 17 switches off. As a result, the pressure in the inner container rises again until it reaches the response pressure p 2 at time t 4 . The compressor switches on again, the pressure in the inner container drops and reaches the supply pressure p 1 again at time t 5 , and then gradually increases again after the compressor 17 has been switched off. When the consumer removes hydrogen again (from time t 6 ), the pressure drops again into the range of the supply pressure p 1 . The pressure thus always remains below the response pressure p 3 of the safety valve 10 . This reliably prevents hydrogen from escaping into the environment.

Für Fahrzeuge in Fahrzeugflotten, die ohne lange Parkzeiten regelmäßig betrieben werden, kann die Kapazität des Hochdrucktanks 3 kleiner als die des Tieftemperaturtanks 2 gewählt werden, da bei deren Einsatzprofil üblicherweise nur wenige Abdampfverluste anfallen. Bei diesen Fahrzeugen besitzt der Hochdrucktank 3 vor allem die Funktion eines "Kaltstart-Speichers", da in diesem Tank stets gasförmiger Wasserstoff zuminderst in einer geringen, jedoch für die Durchführung eines Kaltstarts ausreichenden Menge vorliegt. Dieser Wasserstoff kann sogleich entnommen werden, ohne in zeitaufwendiger Weise vor dem Start des Fahrzeuges erst einen Teil des flüssigen Wasserstoffs verdampfen zu müssen, wie dies bei herkömmlichen Fahrzeugen mit lediglich einem Flüssigwasserstoff-Tank erforderlich ist.For vehicles in vehicle fleets which are operated regularly without long parking times, the capacity of the high-pressure tank 3 can be selected to be smaller than that of the low-temperature tank 2 , since usually only a few evaporation losses occur in the use profile thereof. In these vehicles, the high-pressure tank 3 primarily has the function of a "cold start storage", since gaseous hydrogen is always present in this tank, at least in a small amount, but sufficient for a cold start. This hydrogen can be withdrawn immediately without having to evaporate part of the liquid hydrogen in a time-consuming manner before starting the vehicle, as is required in conventional vehicles with only one liquid hydrogen tank.

Bei Fahrzeugen, die etwa als Privatfahrzeuge eingesetzt werden, und die mitunter über einen längeren Zeitraum geparkt werden, sollte der Hochdrucktank 3 eine mit dem Tieftemperaturtank 2 vergleichbare Kapazität aufweisen, um die etwa bei z. B. einer vierwöchige Zeitdauer nach dem letzten Tankvorgang erreichte Abdampfmenge speichern zu können. In vehicles that are used as private vehicles, for example, and which are sometimes parked over a longer period of time, the high-pressure tank 3 should have a capacity comparable to the low-temperature tank 2 , in order to be able to use the tank at z. B. a four-week period of time after the last refueling can be saved.

BezugszeichenlisteReference list

11

Wasserstoffspeichersystem
Hydrogen storage system

22

Tieftemperaturtank
Cryogenic tank

33rd

Hochdrucktank
High pressure tank

44

-
-

55

Wärmeisolation
Thermal insulation

66

Innenbehälter
Inner container

77

Außenbehälter
Outer container

88th

-
-

99

Füll-Leitung
Filling pipe

1010th

Sicherheitsventil
Safety valve

1111

Gasphase
Gas phase

1212th

Entnahmeleitung
Sampling line

1313

Verbraucher
consumer

1414

Wärmetauscher
Heat exchanger

1515

Absperrventil
Shut-off valve

1616

-
-

1717th

Kompressor
compressor

1818th

Niederdruckseite
Low pressure side

1919th

Abzweigung
Junction

2020th

-
-

2121

Hochdruckseite
High pressure side

2222

-
-

2323

Entnahmeleitung
Sampling line

2424th

-
-

2525th

druckgesteuerte Automatik
pressure controlled automatic

2626

Bypass-Leitung
Bypass line

2727

-
-

2828

-
-

2929

-
-

3030th

Wasserstoffspeichersystem
Hydrogen storage system

3131

Verbindungsleitung
Connecting line

3232

Tank
tank

3333

Hochdrucktank
High pressure tank

3434

Einfüll-Leitung
Filling line

3535

Absperrventil
Shut-off valve

3636

Wärmetauscher
Heat exchanger

3737

Verbraucher
consumer

3838

Entnahmeleitung
Sampling line

3939

Druckminderer
p1 Pressure reducer
p 1

Versorgungsdruck
p2 Supply pressure
p 2

Ansprechdruck Kompressor
p3 Response pressure compressor
p 3

Ansprechdruck Sicherheitsventil
t1 Response pressure safety valve
t 1

-t5 -t 5

Zeitpunkte
B1 Betriebszustand
B2 Betriebszustand
B3 Betriebszustand
Times
B1 operating status
B2 operating status
B3 operating status

Claims (13)

1. Energiespeichersystem mit einem ersten Speicher (2, 32), der mit einer Zuleitung (9, 34) für einen flüssigen Energieträger, insbesondere für flüssigen Wasserstoff, sowie mit einer Entnahmeleitung (12, 23, 38) zum Transportieren des Energieträgers an einen Verbraucher (13, 37) versehen ist, dadurch gekennzeichnet, das der erste Speicher (2, 32) mit einem zweiten Speicher (3, 33) zum Speichern von im ersten Speicher (2, 32) verdampftem Energieträger strömungsverbunden ist.1. Energy storage system with a first memory ( 2 , 32 ) with a feed line ( 9 , 34 ) for a liquid energy carrier, in particular for liquid hydrogen, and with a removal line ( 12 , 23 , 38 ) for transporting the energy carrier to a consumer ( 13 , 37 ), characterized in that the first store ( 2 , 32 ) is flow-connected to a second store ( 3 , 33 ) for storing energy vapor evaporated in the first store ( 2 , 32 ). 2. Energiespeichersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Speicher einen Drucktank (3, 33), insbesondere einen Drucktank für Hoch- oder Höchstdrücke, umfasst.2. Energy storage system according to claim 1, characterized in that the second storage comprises a pressure tank ( 3 , 33 ), in particular a pressure tank for high or maximum pressures. 3. Energiespeichersystem nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekenn­ zeichnet, dass dem Drucktank (3, 33) eine Einrichtung zur Druckerhöh­ ung, etwa ein Kompressor (17), strömungstechnisch vorgeschaltet ist.3. Energy storage system according to claim 2 or 3, characterized in that the pressure tank ( 3 , 33 ) has a device for increasing pressure, for example a compressor ( 17 ), is connected upstream in terms of flow technology. 4. Energiespeichersystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zur Druckerhöhung mit einer Druckregelung wirkverbun­ den ist, welche die Kompression des Energieträgers im Drucktank (3, 33) in Abhängigkeit vom Druck des Energieträgers im ersten Speicher (2) regelt.4. Energy storage system according to claim 4, characterized in that the device for increasing the pressure is effectively connected to the pressure control which regulates the compression of the energy source in the pressure tank ( 3 , 33 ) as a function of the pressure of the energy source in the first memory ( 2 ). 5. Energiespeichersystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckregelung eine Bypassleitung (26) umfasst, die die druckseitige Seite der Einrichtung zur Druckerhöhung mit dem ersten Speicher (2) verbindet.5. Energy storage system according to claim 5, characterized in that the pressure control comprises a bypass line ( 26 ) which connects the pressure side of the device for increasing the pressure with the first memory ( 2 ). 6. Energiespeichersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Speicher (3, 33) mit einer Ableitung (23, 38) für gasförmigen Energieträger strömungsverbunden ist, welche Ableitung (23, 38) vorzugsweise mit einem Druckminderer (24, 39) ausgerüstet ist.6. Energy storage system according to claim 1, characterized in that the second store ( 3 , 33 ) is flow-connected with a discharge line ( 23 , 38 ) for gaseous energy carriers, which discharge line ( 23 , 38 ) is preferably equipped with a pressure reducer ( 24 , 39 ) is. 7. Energiespeichersystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Entnahmeleitung (12) jeweils separat mit dem ersten Speicher (2) und mit dem zweiten Speicher (3) strömungsverbindbar ist.7. Energy storage system according to one of the preceding claims, characterized in that the extraction line ( 12 ) is in each case separately flow-connectable to the first store ( 2 ) and to the second store ( 3 ). 8. Energiespeichersystem nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Entnahmeleitung (12) mit einer druckgesteuerten Armatur (15) versehen ist, mittels der die Entnahme von Energieträger aus den Speichern (2, 3) entsprechend den in den Speichern (2, 3) jeweils herrschenden Drücke steuerbar ist.8. Energy storage system according to claim 7, characterized in that the removal line ( 12 ) is provided with a pressure-controlled fitting ( 15 ) by means of which the removal of energy sources from the stores ( 2 , 3 ) corresponding to that in the stores ( 2 , 3 ) prevailing pressures can be controlled. 9. Energiespeichersystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in die Entnahmeleitung (12) ein Wärmetauscher (14, 36) integriert ist.9. Energy storage system according to one of the preceding claims, characterized in that a heat exchanger ( 14 , 36 ) is integrated in the extraction line ( 12 ). 10. Energiespeichersystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Speicher einen tieftemperaturtauglichen Drucktank (32) umfasst.10. Energy storage system according to one of the preceding claims, characterized in that the first storage comprises a low-temperature suitable pressure tank ( 32 ). 11. Energiespeichersystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Speicher einen - vorzugsweise superisolierten - Tieftemperaturtank (2) umfasst.11. Energy storage system according to one of the preceding claims, characterized in that the first storage comprises a - preferably super-insulated - low-temperature tank ( 2 ). 12. Energiespeichersystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dass der zweite Speicher (3, 33) Mittel zur vorübergehenden chemischen Bindung von Wasserstoff, etwa einen Metallhydrid-Tank aufweist.12. Energy storage system according to one of the preceding claims, that the second memory ( 3 , 33 ) has means for temporarily chemical bonding of hydrogen, such as a metal hydride tank. 13. Energiespeichersystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch die Verwendung als Energiespeichersystem, vorzugsweise Wasserstoffspeichersystem (1, 30) für einen Brennstoffzellenantrieb.13. Energy storage system according to one of the preceding claims, characterized by the use as an energy storage system, preferably a hydrogen storage system ( 1 , 30 ) for a fuel cell drive.
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