DE102004061025A1 - Entnahmeeinrichtung für Gas aus einem Behälter - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Behälter mit kondensiertem Gas mit einer Entnahmeeinrichtung, insbesondere einen Kryotank eines Kraftfahrzeugs, insbesondere zur Versorgung eines Verbrauchers, wie eine das Kraftfahrzeug antreibende Brennkraftmaschine. Nach der Erfindung ist ein solcher Behälter, mit einer Entnahmeeinrichtung für Gas, mindestens bestehend aus einer Entnahmeleitung und aus einer Vorrichtung zum Druckaufbau, die eine Heizeinrichtung zur Aufheizung des kondensierten Gases in einem im Behälter angeordneten weiteren Behälter umfasst, der zumindest eine Eintrittsöffnung für kondensiertes Gas und eine Gasleitung besitzt, wobei der weitere Behälter in einen unteren Bereich des Behälters eingebracht ist, dadurch gekennzeichnet, dass sich der weitere Behälter und die Heizeinrichtung im Wesentlichen über den gesamten unteren Bereich des Behälters erstrecken.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Behälter mit kondensiertem Gas mit einer Entnahmeeinrichtung, insbesondere einen Kryotank eines Kraftfahrzeugs, insbesondere zur Versorgung eines Verbrauchers, wie eine das Kraftfahrzeug antreibende Brennkraftmaschine, nach dem Oberbegriff des ersten Anspruchs.
  • Es ist bereits bekannt, Kraftfahrzeuge zum Beispiel mit Wasserstoff oder Erdgas anzutreiben und diesen Treibstoff als kondensiertes Gas in einem Behälter im Kraftfahrzeug zu speichern. Zu dieser verflüssigten Speicherung sind spezielle druckfeste Behälter notwendig, die aufgrund der tiefen Speichertemperaturen eine sehr gute Isolation besitzen sollten. Dabei ist bekannt, zur Vermeidung von Wärmeeintrag aus der Umgebung doppelwandige, vakuumisolierte Behälter zu verwenden.
  • So erfolgt die Speicherung von zum Beispiel Wasserstoff in mobilen Fahrzeugen häufig in Form von tiefkaltem, verflüssigtem Wasserstoff, als kondensiertes Gas. Da in diesem Zustand infolge der hohen Energiedichte (gegenüber einer Speicherung von warmem, komprimiertem Wasserstoff-Gas) eine für Fahrzeuge vorteilhafte hohe Reichweite erzielt werden kann.
  • Der tiefkalte, flüssige Wasserstoffvorrat wird im Fahrzeug im siedenden Zustand in einem thermisch sehr gut isolierten, druckdichten Behälter gespeichert. Die Energiedichte des siedenden Wasserstoffs wird dabei durch Lagerung bei einer Temperatur wenig über der Siedetemperatur bei Umgebungsdruck, ca. 20 K, maximal. In den heute technisch umgesetzten Vorratsbehältern liegt der Wasserstoff typischerweise bei Temperaturen von ca. 21 K bis ca. 27 K und den damit korrespondierenden Siededrücken von ca. 2 bar (abs.) bis ca. 5 bar (abs.) vor.
  • Im unteren Teil des Vorratsbehälters liegt der siedende Wasserstoff als massedichtere flüssige Phase (wird im folgenden auch LH2 genannt) und darüber liegend als gasförmige Phase (wird im folgenden auch GH2 genannt) vor.
  • Die unmittelbare Förderung des Wasserstoffs (wird im folgenden auch H2 genannt) aus dem Vorratsbehälter in eine Vorlaufleitung hin zu einem Konditionierer oder Verbraucher erfolgt im einfachsten Fall über das zwischen Tankinnerem und der Umgebung anliegende statische Druckgefälle oder durch eine gezielte Bedruckung des Vorratsbehälters. Dabei besteht grundsätzlich die Möglichkeit durch die geometrische Gestaltung der im Tankinneren beginnenden Vorlaufleitung, vorrangig LH2 oder nur GH2 zu fördern.
  • Aus einem solchen Kryotank wird siedend gespeichertes H2 im allgemeinen aus der Gasphase als GH2 entnommen, da infolge der möglichen Abweichungen von der Normallage des mobilen Behälters oder dynamischer, beschleunigter Zustände, die Zulauföffnung einer Entnahmeleitung für LH2 systematisch auch bei hohen Füllständen von Gasphase zeitweilig umspült sein kann. Dies ist im zeitlichen Verlauf der Entleerung des mobilen Behälters insbesondere lange vor dem Zeitpunkt möglich, vor dem die Gasphase in einem identischen immobilen Behälter die Zulauföffnung der LH2-Entnahmeleitung durch reine Entnahme erreicht.
  • Zur Entnahme von GH2 wird der flüssigen Phase LH2 im Vorratsbehälter Wärme zugeführt, die zum Abdampfen von LH2 im Behälter und damit zur Aufrechterhaltung eines für die Förderung erforderlichen Behälterdruckes führt, der sonst durch die Entnahme so weit sinken würde, dass eine Förderung nicht mehr möglich wäre. Diese zur Druckhaltung benötigte Wärmezufuhr erfolgt über eine separate Heizung, die z.B. als elektrisch betriebenes Heizelement ausgeführt sein kann. Damit wird ein für die Förderung erforderlicher Behälterdruck aufrechterhalten.
  • Die Anordnung des Heizelements kann bei einem mobilen Vorratsbehälter stets an der tiefsten gelegenen, praktisch erreichbaren Position im Behälter liegen. Dadurch ist die für einen Nutzer aus dem gesamten Speichervolumen erhitzbare LH2-Menge maximiert bzw. die nicht entnehmbare Restmenge minimiert.
  • Durch die im mobilen Betrieb systematisch möglichen Abweichungen von der Normallage, z.B. stationär bei Berg-/Talfahrt, Hanglage, oder instationär in beschleunigten Zuständen z.B. beim Anfahren, Bremsen oder längeren Kurvenfahrten, lässt sich die erhitzbare LH2-Restmenge systematisch nicht minimieren. Es verbleibt in den von der Normallage abweichenden Zuständen im mobilen Tank eine nicht von der Heizein richtung erhitzbare Restmenge LH2, die den für einen Verwender nutzbaren Anteil des in dem Vorratsbehälter gespeicherten LH2 deutlich reduziert.
  • Bei einem mobilen Vorratsbehälter ist systematisch nicht nur die für alle Betriebszustände erhitzbare LH2-Menge gegenüber einen immobilen Behälter reduziert. Darüberhinaus entstehen durch den Betrieb der Heizeinrichtung Konvektionsströmungen in der flüssigen Phase. Außerdem entstehen erhebliche Schwallbewegungen infolge schneller Beschleunigungswechsel und den damit einhergehenden relativen Massenverschiebungen der LH2-Säule im Behälter. Dies wird durch Beschleunigungen, die die Eigenfrequenzen einer LH2-Säule treffen, noch erheblich verstärkt. Daher muss zum Druckaufbau beim Erhitzen der flüssigen Phase viel mehr LH2 erwärmt werden, als dies zum Beispiel in einem immobilen Behälter nötig wäre, wo die in der Umgebung der Heizeinrichtung erhitzte flüssige Phase weniger durchmischt wird. Durch den erhöhten Wärmeeintrag wird dann die Zeitspanne, in der der Behälter als masseverlustfreier H2-Speicher verwendet werden kann reduziert.
  • Die DE 198 49 766 C1 beschreibt einen Kryotank mit innen liegender Heizung zur Entnahme von gasförmigem Kraftstoff. Der Kraftstoff gelangt nach seiner Erhitzung vom unteren Bereich des Behälters über ein Dampfrohr in den oberen Bereich des Behälters, wo sich gasförmige Phase befindet. Der dort bestehende Druck fördert den gasförmigen Kraftstoff über eine aus dem Behälter führende Leitung zu einem Verbraucher, einem Motor oder einer Brennstoffzelle. Außerdem ist der Behälter in vertikaler Richtung in einzelne, mit einander in Verbindung stehende Zellen unterteilt, die Flüssigkeitsbewegungen, Konvektionsbewegungen, weitgehendst verhindern.
  • Trotzdem wird in einem solchen Kryotank im mobilen Betrieb, durch oben beschriebene Abweichungen von der Normallage oder instationär in beschleunigten Zuständen die erhitzbare LH2-Restmenge nicht wirklich minimiert. Es verbleibt in den von der Normallage abweichenden Zuständen im mobilen Tank immer noch eine nicht von der Heizeinrichtung erhitzbare Restmenge LH2, die den für einen Verwender nutzbaren Anteil des in dem Vorratsbehälter gespeicherten LH2 deutlich reduziert, da die Heizeinrichtung mit dem flüssig gespeicherten LH2 bei geringen Füllständen in den beschriebenen abweichenden Lagen oder instationären Zuständen nicht in Kontakt ist.
    •
  • Eine Abhilfe für die geschilderten Nachteile bereitzustellen ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung. Vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen sind Inhalt der Unteransprüche.
  • Nach der Erfindung ist ein Behälter, insbesondere ein Kryotank für ein Kraftfahrzeug, zur Speicherung von kondensiertem Gas zur Versorgung eines Verbrauchers, mit einer Entnahmeeinrichtung für Gas, mindestens bestehend aus einer Entnahmeleitung und aus einer Vorrichtung zum Druckaufbau, die eine Heizeinrichtung zur Aufheizung des kondensierten Gases in einem im Behälter angeordneten weiteren Behälter umfasst, der zumindest eine Eintrittsöffnung für kondensiertes Gas und eine Gasleitung besitzt, wobei der weitere Behälter in einen unteren Bereich des Behälters eingebracht ist, dadurch gekennzeichnet, dass sich der weitere Behälter und die Heizeinrichtung im wesentlichen über den gesamten unteren Bereich des Behälters erstrecken.
  • Dadurch ist die Entnahmeeinrichtung vorteilhafterweise einfach aufgebaut und verhindert trotzdem Flüssigkeitsbewegungen im Behälter aufgrund der Aufheizung der flüssigen Phase, die in dieser zu einer Zerstörung des Temperaturgradienten führen könnten. Außerdem werden Nachteile durch Schwallbewegungen vermieden und die Heizeinrichtung ist bei allen möglichen Abweichungen von der Normallage im mobilen Betrieb, z.B. stationär bei Berg-/Talfahrt, Hanglage, oder instationär in beschleunigten Zuständen, zumindest in einem Bereich in Kontakt mit der flüssigen Phase des Kraftstoffs, auch bei fast entleertem Behälter.
  • Bei einer bevorzugten Ausführung der Erfindung entnimmt die Entnahmeleitung das Gas direkt aus der Gasleitung. Dies minimiert vorteilhafterweise die Menge an gasförmigem Kraftstoff, die von Rückkondensation an der Oberfläche der flüssigen Phase betroffen ist.
  • Bei einer vorteilhaften Ausführung der Erfindung ist der weitere Behälter als relativ geringes, mindestens teilweise vom Behälter abgetrenntes Teilvolumen, durch eine in den Behälter eingebaute Abtrennung gebildet. Durch eine solche Abtrennung im Innenraum des Behälters ist der weitere Behälter zur Aufnahme von kondensiertem Gas besonders preiswert herzustellen.
  • Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführung der Erfindung steht die Heizeinrichtung bis zur fast völligen Entleerung des Innenraums des weiteren Behälters mit kondensiertem Gas in Verbindung. So kann dem Entnahmebereich unter allen mobilen Betriebsbedingungen bis zur praktischen Entleerung des Behälters immer Gas entnommen werden. Die dem mobilen Behälter nicht mehr entnehmbare Restmenge wird praktisch auf die in einem vergleichbaren immobilen druckfesten Behälter verbleibende Restmenge minimiert.
    •
  • Im folgenden wird die Erfindung anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels weiter erläutert. Die 1 zeigt einen Behälter zur Speicherung von kondensiertem Gas mit einer Entnahmeeinrichtung gemäß der Erfindung, schematisch dargestellt im Querschnitt in vertikaler Richtung.
  • In einem nicht gezeichneten Kraftfahrzeug ist ein Kryotank 1 nach 1 zur Speicherung von Flüssigwasserstoff LH2 eingebaut. Dieser dient als Kraftstoff zur Versorgung einer das Kraftfahrzeug antreibenden, nicht gezeichneten, Brennkraftmaschine. Der Wasserstoff liegt im Kryotank 1 in zwei Aggregatzuständen vor, im oberen Teil als gasförmiger Wasserstoff GH2 und im unteren Teil als kondensiertes Gas LH2 in flüssiger Form. Eine Entnahmeeinrichtung für Wasserstoff aus der gasförmigen Phase GH2 ist in den Kryotank 1 eingebaut. Diese versorgt über eine durch ein Ventil 2 steuerbare Entnahmeleitung 3 die Brennkraftmaschine mit Wasserstoff GH2, da die Entnahmeleitung 3 in dem Bereich 3a des Kryotanks 1 endet, in dem der Wasserstoff GH2 immer gasfömig vorliegt.
  • Der Kryotank 1 ist ein länglicher Behälter, bestehend aus einem druckfesten Innenbehälter 4, gelagert über eine Lagerungseinrichtung 4a in einem Außenbehälter 5, mit dazwischen liegender Isolationsschicht 6. Die Entnahmeleitung 3 durchdringt den Innenbehälter 4, die Isolationsschicht 6 und den Außenbehälter 5.
  • Weitere Bauteile der Entnahmeeinrichtung für gasförmigen Wasserstoff GH2 sind in den Innenbehälter 4 eingebaut, nämlich eine Vorrichtung zum Druckaufbau mit einer Heizeinrichtung 7 zur Aufheizung des kondensierten Gases LH2, die einen im Kryotank 1 angeordneten weiteren Behälter 8 umfasst, der zumindest eine Eintrittsöffnung 8a für kondensiertes Gas (LH2) und eine Gasleitung 9 besitzt. Der weitere Behälter 8 und die Heizeinrichtung 7 erstrecken sich im wesentlichen über den gesamten unteren Bereich des Kryotanks 1. Der weitere Behälter 8 wird durch eine den unteren Bereich des Kryotanks 1 abtrennende Abtrennung 9a gebildet, die in der Art eines doppelten Bodens in den Kryotank 1 eingebracht ist und ein relativ geringes Teilvolumen des Kryotankinhalts so teilweise vom Behälter 10 abtrennt, dass durch die mindestens eine, möglichst kleine, aber gemessen am Kraftstoffverbrauch genügend große Eintrittsöffnung 7 in der Abtrennung 9a, im Randbereich zum Innenbehälter 4 hin, ein kontinuierliches Nachfließen von flüssigem Wasserstoff LH2 in den weiteren Behälter 8 aufgrund der Schwerkraft gegeben ist. Mehrere Eintrittsöffnungen 7 an verschiedenen Stellen, insbesondere im Randbereich zum Innenbehälter 4, ermöglichen ein kontinuierliches Nachfließen von flüssigem Wasserstoff LH2 auch bei in verschiedene Richtungen geneigtem Kraftfahrzeug.
  • Die Heizeinrichtung 7 ist im weiteren Behälter 8 im untersten Bereich untergebracht, sich möglichst entlang des gesamten Innenbehälterbodens 11 erstreckend, um, bei niedrigem Pegelstand im weiteren Behälter 8 und geneigtem Kryotank 1, trotzdem noch mit flüssigem Wasserstoff LH2 in Kontakt zu stehen um diesen, an der dann noch benetzten Stelle, verdampfen zu können. Dazu ist es auch günstig, wenn sich die Heizeinrichtung in Kraftfahrzeuglängsrichtung durch den Kryotank 1 erstreckt, da sich in dieser Richtung bei Gefällestrecken größere Neigungswinkel ergeben als in andere Richtungen.
  • Durch diese Maßnahmen steht die Heizeinrichtung 7 bis zur fast völligen Entleerung des weiteren Behälters 8 mit kondensiertem Wasserstoff LH2 in Verbindung. Außerdem wird nur ein geringer Volumenanteil des kondensierten Wasserstoffs LH2 in unmittelbarer Umgebung der Heizeinrichtung 7 von dieser beheizt. Weil zum Druckaufbau nicht mehr der gesamte Inhalt des Kryotanks 1 auf Siedetemperatur erwärmt wird, kommt es, nach dem Abstellen des Kraftfahrzeugs, im Kryotank 1 zur Kondensation eines Teils des gasförmigen Wasserstoffs GH2 und somit zum Druckabfall, woraus eine längere folgende Druckaufbauzeit resultiert. Wegen der geringeren zu erwärmenden Masse im weiteren Behälter 8 erfolgt der Druckaufbau durch die Heizeinrichtung 7 mit erheblich verbesserter Ansprechzeit. Daher kann problemlos bei Drücken unterhalb des erforderlichen Betriebsdruckes betankt werden und die maximale Füllkapazi tät wird erreicht. Zusätzlich ist der untere Bereich des Kryotanks 1 durch die Abtrennung 9a des weiteren Behälters 8 ein schwallgeschützter LH2-Entnahmebereich.
  • Zur Weiterleitung des an der Heizeinrichtung 7 verdampften Wasserstoffs GH2 vom weiteren Behälter 8 zur Entnahmeleitung 3 im oberen Bereich des Kryotanks 1, verbindet die Gasleitung 9 den Innenraum des weiteren Behälters 8 mit der Entnahmeleitung 3, indem diese in die Gasleitung 9 hinein ragt und dort den gasförmigen Wasserstoff GH2 aus der Gasleitung 9 entnimmt. Dabei reicht die Gasleitung 9 vorteilhafterweise bis nahe zum höchsten Punkt des Kryotanks 1 und das Ende der Entnahmeleitung 3 ist in der Gasleitung 9, etwas unterhalb deren oberem Ende, angebracht.
  • Es ist auch von Vorteil, wenn die Abtrennung 9a und die Gasleitung 9 aus einem möglichst gut Wärme dämmenden Material bestehen, damit der Wärmeeintrag auf den kondensierten Wasserstoff LH2 außerhalb des weiteren Behälters 8 möglichst minimiert wird.

Claims (4)

  1. Behälter, insbesondere Kryotank (1) für ein Kraftfahrzeug, zur Speicherung von kondensiertem Gas (LH2) zur Versorgung eines Verbrauchers, mit einer Entnahmeeinrichtung für Gas (GH2), mindestens bestehend aus einer Entnahmeleitung (3) und aus einer Vorrichtung zum Druckaufbau, die eine Heizeinrichtung (7) zur Aufheizung des kondensierten Gases (LH2) in einem im Behälter angeordneten weiteren Behälter (8) umfasst, der zumindest eine Eintrittsöffnung (8a) für kondensiertes Gas (LH2) und eine Gasleitung (9) besitzt, wobei der weitere Behälter (8) in einen unteren Bereich des Behälters eingebracht ist, dadurch gekennzeichnet, dass sich der weitere Behälter (8) und die Heizeinrichtung (7) im wesentlichen über den gesamten unteren Bereich des Behälters erstrecken.
  2. Behälter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Entnahmeleitung (3) das Gas (GH2) aus der Gasleitung (9) entnimmt.
  3. Behälter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der weitere Behälter (8) als relativ geringes, mindestens teilweise vom Behälter abgetrenntes Teilvolumen, durch eine in den Behälter eingebaute Abtrennung (9a) gebildet ist.
  4. Behälter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizeinrichtung (7) bis zur fast völligen Entleerung des Innenraums des weiteren Behälters (8) mit kondensiertem Gas (LH2) in Verbindung steht.
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