DE10147058A1 - Kryotank-System zur Speicherung von Brennstoff oder Kraftstoff in tiefkaltem verflüssigten Zustand - Google Patents

Kryotank-System zur Speicherung von Brennstoff oder Kraftstoff in tiefkaltem verflüssigten Zustand

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Kryotank-System zur Speicherung des Brennstoffs für ein Verbrennungs-Aggregat einer Anlage in tiefkaltem verflüssigten Zustand und insbesondere ein Kraftfahrzeug mit einem Kryotank zur Speicherung des Kraftstoffs, insbesondere Wasserstoff, für das Kfz-Antriebsaggregat, wobei der Kryotank mit einer Isolationsschicht versehen ist, die von tiefkalter Umgebungsluft oder tiefkalten Bestandteilen derselben gebildet wird, die durch zur Versorgung des Verbrennungs-Aggregats oder Antriebsaggregats aus dem Kryotank entnommenen Brennstoff oder Kraftstoff abgekühlt wurde. Erfindungsgemäß wird tiefkalte Umgebungsluft oder deren Bestandteile, die nicht weiter zur Bildung der Isolationsschicht benötigt wird, über einen geeigneten Wärmetauscher in die Umgebung abgeleitet, um die darin enthaltene Kälteenergie zum Betrieb der Anlage oder des Kraftfahrzeugs zu nutzen. So kann im Wärmetauscher neue mittels des aus dem Kryotank entnommenen Kraftstoff abzukühlende Umgebungsluft für die Isolationsschicht vorgekühlt werden. Auch kann die dem Antriebsaggregat zur Verbrennung des Kraftstoffs zugeführte Umgebungsluft oder die dem Innenraum des Kfzs zur Klimatisierung desselben zugeführte Luft abgekühlt werden. Ferner kann ein Kühl-Aufbewahrungsbehälter des Kfzs mittels der abgeführten, zur Bildung der Isolationsschicht nicht weiter benötigten Umgebungsluft oder Bestandteile derselben gekühlt werden.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Kryotank-System zur Speicherung des Brennstoffs für ein Verbrennungs-Aggregat einer Anlage in tiefkaltem verflüssigten Zustand, wobei der Kryotank mit einer Isolationsschicht versehen ist, die von tiefkalter Umgebungsluft oder tiefkalten Bestandteilen derselben gebildet wird, die durch zur Versorgung des Verbrennungs-Aggregats aus dem Kryotank entnommenen Brennstoff abgekühlt wurde. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Kraftfahrzeug mit einem Kryotank zur Speicherung des Kraftstoffs für das Kfz-Antriebsaggregat in tiefkaltem verflüssigten Zustand, insbesondere zur Speicherung von Wasserstoff, wobei der Kryotank mit einer Isolationsschicht versehen ist, die von tiefkalter Umgebungsluft oder tiefkalten Bestandteilen derselben gebildet wird, die durch zur Versorgung des Antriebsaggregats aus dem Kryotank entnommenen Kraftstoff abgekühlt wurde.
  • Zum technischen Umfeld wird neben einer technischen Information der Firma Linde, die im Internet unter der Adresse "http: / /www.vieweg.de/atzmtz/daten/linde_010205.htm" mit Datum 5. Februar 2001 eingestellt war, auf die DE 196 20 653 C1 verwiesen.
  • Wie oben angegeben, betrifft die vorliegende Erfindung insbesondere den in der genannten technischen Information geschilderten Anwendungsfall eines Kraftstoff-Tanks für ein Kraftfahrzeug, allgemein ist die Erfindung jedoch auf beliebig einzusetzende Kryotank-Systeme übertragbar, wenn in diesen allgemein ein Brennstoff für ein Verbrennungsaggregat, so bspw. auch für eine stationäre Brennstoffzelle in einem Gebäude, gespeichert wird. Für das Kraftfahrzeug bzw. für das soeben genannte Gebäude wird hier allgemein der Begriff "Anlage" verwendet, während die besagte stationäre Brennstoffzelle oder das Kfz-Antriebsaggregat (hierbei kann es sich ebenfalls um eine Brennstoffzelle oder auch um eine Brennkraftmaschine handeln) unter den allgemeinen Begriff "Verbrennungs-Aggregat" subsumiert werden. Der Einfachheit halber ist die weitere Beschreibung im wesentlichen auf den bevorzugten Anwendungsfall eines Kryotanks in einem Kraftfahrzeug beschränkt.
  • Auf der Suche nach alternativen Antriebsenergien für Kraftfahrzeuge wird auch mit Flüssiggasen im allgemeinen und mit Wasserstoff im besonderen gearbeitet. Dabei wird ein Flüssiggas (Wasserstoff in flüssiger Form) in einem sog. Kryotank gespeichert. Verschiedene Leitungen, in denen bspw. Ventile, aber auch Wärmetauscher oder allgemein fluidführende Elemente des Tank-Systems vorgesehen sind, führen in den Tank bzw. aus diesem heraus, so u. a. zum Antriebsaggregat des Kraftfahrzeugs, wobei es sich bspw. eine Brennkraftmaschine oder um eine Brennstoffzelle o. ä. handeln kann.
  • Gespeichert wird der unter üblichen Umgebungsbedingungen gasförmige Kraftstoff stark gekühlt in einem hier sog. Innenbehälter eines Kryotanks, der zur Minimierung von Wärmeeinfall von einem sog. Außenbehälter umgeben ist, wobei zu Isolationszwecken der Raum zwischen dem Innenbehälter und dem Außenbehälter üblicherweise weitestgehend evakuiert ist. Trotz dieser isolierenden Vakuumschicht findet unerwünschterweise ein geringer Wärmeeintrag in den Kryotank statt, wodurch ein geringer Teil des im Innenbehälter befindlichen im flüssigen Zustand vorliegenden Kraftstoffs in den gasförmigen Zustand überführt wird. Dies hat eine Druckerhöhung im Innenbehälter zur Folge, weswegen bei stillgelegtem Kraftfahrzeug, d. h. wenn kein Kraftstoff zum Betrieb des Antriebsaggregats entnommen wird, immer wieder eine geringe Teilmenge von Kraftstoff abgedampft, d. h. über ein Sicherheitsventil aus dem Kryotank abgeführt werden muss. Diese sog. Abdampfmenge, die bspw. katalytisch verbrannt oder sonst geeignet aufgearbeitet werden kann, stellt dabei einen wünschenswerterweise zu vermeidenden Kraftstoffverlust dar.
  • In einer eingangs bereits genannten Pressemitteilung, die im internet unter der Adresse "http:/ /www.vieweg.de/atzmtz/daten/linde 010205.htm" mit Datum 5. Februar 2001 eingestellt war, wurde eine Abhilfemaßnahme der Firma Linde Gas AG hierfür vorgestellt. Zur Reduktion der genannten Abdampfverluste entwickelte Fa. Linde demzufolge ein Rückkühlsystem, wobei Umgebungsluft angesaugt, getrocknet und durch den zum Betrieb des Antriebsaggregats aus dem Kryotank entnommenen Kraftstoff bis zur Verflüssigung abgekühlt wird. Diese tiefkalt verflüssigte Luft durchströmt einen sog. Kühlmantel bzw. bildet eine Isolationsschicht, der/die den Innenbehälter des Kryotanks umgibt. Anders ausgedrückt umgibt den Innenbehälter des Kryotanks ein sog. Kühlschild, das von der tiefkalt verflüssigten Luft gespeist wird. Da der Innenbehälter somit zusätzlich bzw. besonders intensiv isoliert ist, ergibt sich eine deutliche Verzögerung der unerwünschten Erwärmung des darin befindlichen Kraftstoffs unter sinnvoller Nutzung der Kälte-Energie des zur Versorgung des Kfz-Antriebsaggregats aus dem Kryotank entnommen Kraftstoffs. Demgegenüber wurde bislang die im flüssigen, aus dem Kryotank entnommenen Kraftstoff enthaltene Kälte- Energie nicht weiter genutzt, sondern sogar bspw. in einem so genannten Kühlwasserwärmetauscher abgebaut, da für den Betrieb einer Brennstoffzelle oder einer Brennkraftmaschine dieser Kraftstoff nämlich im wesentlichen unter Umgebungstemperatur vorliegend benötigt wird.
  • Im übrigen ist die grundlegende Technologie für die in der genannten Pressemitteilung beschriebene Verbesserung auch in der eingangs bereits genanten deutschen Patentschrift DE 196 20 653 C1 beschrieben.
  • Hiermit sollen nun weitere Verbesserungen an einem Kryotank-System, insbesondere an einem Kraftfahrzeug, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 aufgezeigt werden, d. h. insbesondere wie das vorhandene Potential noch besser genutzt werden kann (= Aufgabe der vorliegenden Erfindung).
  • Die Lösung dieser Aufgabe ist dadurch gekennzeichnet, dass tiefkalte Umgebungsluft oder deren Bestandteile, die nicht weiter zur Bildung der Isolationsschicht benötigt wird oder werden, über einen geeigneten Wärmetauscher in die Umgebung abgeleitet wird, um die darin enthaltene Kälteenergie zum Betrieb des Kraftfahrzeugs bzw. allgemein der sog. Anlage zu nutzen.
  • Vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen sind Inhalt der Unteransprüche.
  • Zunächst in der Erläuterung auf das Kraftfahrzeug beschränkt, wird - wie weiter oben geschildert wurde - im bekannten Stand der Technik Umgebungsluft in einem Wärmetauscher unter Wärmeabgabe an den aus dem Kryotank zur Versorgung des Kfz-Antriebsaggregats entnommenen Kraftstoff verflüssigt und anschließend zur Isolation des Kryotanks, insbesondere von dessen Innenbehälter, verwendet. Anschließend wird dieser Umgebungsluft- Strom wieder in die Umgebung abgeführt. Mit der vorliegenden Erfindung wird nun vorgeschlagen, die zunächst verflüssigte Umgebungsluft bzw. zumindest Bestandteile derselben auch anderweitig oder noch weiter zu nutzen, insbesondere nachdem diese bereits zur Isolation des Kryotanks bzw. des Kryotank-Innenbehälters herangezogen wurde. Genutzt werden soll diese tiefkalte Umgebungsluft bzw. Bestandteile derselben, indem deren dann noch vorhandene Kälteenergie zumindest teilweise abgezogen wird und allgemein dazu genutzt wird, den Betrieb des Kraftfahrzeugs zu unterstützen.
  • Bspw. kann im besagten Wärmetauscher die dem Kfz-Antriebsaggregat zur Verbrennung des Kraftstoffs zugeführte Umgebungsluft abgekühlt werden, wodurch aufgrund der damit verbundenen Dichte-Steigerung eine größere Menge von Luft-Sauerstoff zur Verbrennung zur Verfügung steht und somit die Leistungsabgabe des Antriebsaggregats gesteigert werden kann. Daneben oder zusätzlich kann in einem Wärmetauscher aber auch die dem Innenraum des Kraftfahrzeugs zur Klimatisierung desselben zugeführte Luft abgekühlt werden. In vergleichbarer Weise kann ein irgendwie gearteter mit Kühlung arbeitender bzw. mit einer kühlenden Isolationsschicht versehener Aufbewahrungsbehälter im Kraftfahrzeug mittels der abgeführten, insbesondere zur Bildung der Isolationsschicht nicht weiter benötigten Umgebungsluft oder Bestandteile derselben gekühlt werden.
  • Schließlich kann im Wärmetauscher neue Umgebungsluft, die mittels des zur Versorgung des Antriebsaggregats aus dem Kryotank entnommenen Kraftstoffs für die Isolationsschicht danach verflüssigt wird, vorgekühlt werden. Das heißt, dass verflüssigte bzw. zumindest tiefkalte Umgebungsluft zunächst zur Isolation des Kryotanks herangezogen wird und anschließend, wenn hierbei bereits ein Teil der Kälte-Energie aufgebraucht wurde, durch einen Wärmetauscher geführt wird, in dem neue mittels des zur Versorgung des Antriebsaggregats aus dem Kryotank entnommenen Kraftstoff zu verflüssigende Umgebungsluft für die Isolationsschicht vorgekühlt wird. Das Potential oder die in der noch tiefkalten Umgebungsluft noch enthaltene Kälteenergie kann somit mehrfach genutzt werden, und zwar nicht nur zum Isolieren des Kryotanks, sondern auch zum Vorkühlen derjenigen Umgebungsluft, die daraufhin durch den aus dem Kryotank zum Betrieb des Antriebsaggregats entnommenen Kraftstoff weiter abgekühlt und verflüssigt wird, um danach die zusätzliche Isolationsschicht für den Kryotank oder für den weiter oben bereits genannten Innenbehälter desselben zu bilden. Bevorzugt nach dem Gegenstromprinzip werden hierzu die beiden Medienströme durch einen geeigneten Wärmetauscher geführt.
  • Es sei darauf hingewiesen, dass beim Verflüssigen der Umgebungsluft eine Aufspaltung in deren einzelne Bestandteile bzw. zumindest eine Abspaltung eines Bestandteils erfolgen kann. Insbesondere kann hierbei der entstehende flüssige Sauerstoff und/oder Stickstoff abgetrennt werden bzw. es können zumindest die einzelnen genannten Phasen konzentriert bzw. stark angereichert werden. Relativ stark konzentrierter Sauerstoff und/oder relativ stark konzentrierter Stickstoff kann/können in (einem) speziell vorgesehenen Speicherbehälter(n) gesammelt werden. Analog dem bekannten Stand der Technik kann dann zumindest ein Teil dieses gespeicherten Sauerstoffs oder Stickstoffs zur Isolation des Kryotanks bzw. zur Bildung der bereits genannten Isolationsschicht verwendet werden und somit die genannten Abdampfverluste am Kryotank reduzieren. Ein anderer Teil des gespeicherten oder des anfallenden Sauerstoffs kann auch direkt allgemein für den Betrieb des Kraftfahrzeugs genutzt werden, ohne vorher zur Isolation des Kryotanks herangezogen zu werden.
  • Es sei jedoch ausdrücklich erwähnt, dass die Verflüssigung der Umgebungsluft durch den aus dem Kryotank entnommenen Kraftstoff auch nur soweit durchgeführt werden kann, bis im wesentlichen konzentrierter flüssiger Sauerstoff abgespalten werden kann; auf eine Verflüssigung des Stickstoff- Anteils in der Umgebungsluft kann auch verzichtet werden. Ferner kann im Sinne einer vorteilhaften Weiterbildung vorgesehen sein, dass in den genannten Speicherbehälter, in dem tiefkalte, verflüssigte Umgebungsluft oder ein Bestandteil derselben, nämlich insbesondere Sauerstoff, ggf. auch Stickstoff, zwischengespeichert wird, extern erzeugte tiefkalte Luft oder Bestandteile derselben einführbar ist oder sind. Bevorzugt kann somit Stickstoff oder Sauerstoff in flüssiger Form in einen separaten Speicherbehälter oder Tank zugeführt werden, wobei aus diesem Speicherbehälter die Isolationsschicht des Kryotanks versorgt, d. h. der Kraftstoff-Kryotank des Kraftfahrzeugs erheblich stärker isoliert wird. Hierdurch kann die Standzeit des Kryotank-Systems erheblich verlängert werden.
  • Obige Erläuterungen bzw. Vorschläge können nun ohne weiteres vom bevorzugten Anwendungsfall an einem Kraftfahrzeug auf eine allgemeine Anlage, die mit einem Verbrennungs-Aggregat versehen ist, das von einem erfindungsgemäßen Kryotank-System mit Brennstoff versorgt wird, übertragen werden. Anstelle des Begriffs "Antriebsaggregat" ist hierfür der allgemeine Begriff "Verbrennungs-Aggregat" zu setzen, während der Begriff "Kraftfahrzeug" durch den Begriff "Anlage" verallgemeinert werden kann. Wie bereits erwähnt, kann es sich bei dieser Anlage um ein Gebäude handeln, in dem bevorzugt zur Energieversorgung, ggf. auch zur Beheizung, eine Brennstoffzelle oder ein anderes sog. Verbrennungs-Aggregat vorgesehen ist, das mit im Kryotank in tiefkaltem verflüssigten Zustand gespeicherten Brennstoff versorgt wird, wobei noch darauf hingewiesen sei, dass dies sowie eine Vielzahl weiterer Details durchaus abweichend von obigen Erläuterungen gestaltet sein kann, ohne den Inhalt der Patentansprüche zu verlassen.

Claims (5)

1. Kryotank-System zur Speicherung des Brennstoffs für ein Verbrennungs-Aggregat einer Anlage in tiefkaltem verflüssigten Zustand, insbesondere Kraftfahrzeug mit einem Kryotank zur Speicherung des Kraftstoffs, insbesondere Wasserstoff, für das Kfz-Antriebsaggregat, wobei der Kryotank mit einer Isolationsschicht versehen ist, die von tiefkalter Umgebungsluft oder tiefkalten Bestandteilen derselben gebildet wird, die durch zur Versorgung des Verbrennungs-Aggregats oder Antriebsaggregats aus dem Kryotank entnommenen Brennstoff oder Kraftstoff abgekühlt wurde, dadurch gekennzeichnet, dass tiefkalte Umgebungsluft oder deren Bestandteile, die nicht weiter zur Bildung der Isolationsschicht benötigt wird oder werden, über einen geeigneten Wärmetauscher in die Umgebung abgeleitet wird, um die darin enthaltene Kälteenergie zum Betrieb der Anlage oder des Kraftfahrzeugs zu nutzen.
2. Kryotank-System, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Wärmetauscher neue Umgebungsluft, die mittels des zur Versorgung des Verbrennungs-Aggregats oder Antriebsaggregats aus dem Kryotank entnommenen Brennstoffs oder Kraftstoffs für die Isolationsschicht verflüssigt wird, vorgekühlt wird.
3. Kryotank-System, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass im Wärmetauscher die dem Verbrennungsaggregat oder Kfz-Antriebsaggregat zur Verbrennung des Brennstoffs oder Kraftstoffs zugeführte Umgebungsluft abgekühlt wird.
4. Kryotank-System, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die dem Innenraum der Anlage oder des Kraftfahrzeugs zur Klimatisierung desselben zugeführte Luft abgekühlt wird.
5. Kryotank-System, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kühl-Aufbewahrungsbehälter der Anlage oder des Kraftfahrzeugs mittels der abgeführten, zur Bildung der Isolationsschicht nicht weiter benötigten Umgebungsluft oder Bestandteile derselben gekühlt wird.
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