DE102005058470B4 - Pegelangabeeinrichtung für einen Flüssigwasserstofftank - Google Patents

Pegelangabeeinrichtung für einen Flüssigwasserstofftank Download PDF

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Abstract

Tieftemperaturtankanordnung (64) zur Speicherung einer kryogenen Flüssigkeit, wobei die Tiftemperaturtankanordnung umfasst:
einen Innentank (12) mit einer Innentankwand, der die kryogene Flüssigkeit hält;
einen Außentank (14), der außerhalb des Innentanks (12) vorgesehen ist;
eine Vakuumisolierungsschicht (16), die zwischen dem Innentank (12) und dem Außentank (14) vorgesehen ist;
eine kapazitive Pegelangabeeinrichtung (22), die in dem Innentank (12) positioniert ist, wobei die Pegelangabeeinrichtung (22) den Pegel der Flüssigkeit (18) in dem Innentank (12) detektiert;
eine Innenwicklung (44), die in dem Innentank (12) positioniert und elektrisch mit der Pegelangabeeinrichtung (22) gekoppelt ist, wobei die kapazitive Pegelangabeeinrichtung (22) und die Innenwicklung (44) einen LC-Schwingkreis definieren, dessen Resonanzfrequenz sich ändert, wenn sich der Pegel der kryogenen Flüssigkeit (18) ändert;
eine Außenwicklung (50), die außerhalb des Innentanks (12) in der Vakuumisolierungsschicht (16) zwischen dem Innentank (12) und dem Außentank (14) positioniert und mit der Innenwicklung (44) induktiv...

Description

  • Diese Erfindung betrifft Tieftemperaturtankanordungen. Diese umfassen eine Vorrichtung zum Angeben der Wasserstoffmenge in einem Flüssigwasserstofftank und insbesondere eine Vorrichtung zum Angeben der Wasserstoffmenge in einem Flüssigwasserstoffspeichertank, wobei die Vorrichtung induktiv gekoppelte Wicklungen innerhalb und außerhalb des Tankes verwendet, um so den Wärmefluss durch die Tankwände zu begrenzen.
  • Wasserstoff stellt einen sehr attraktiven Brennstoff dar, da er rein ist und dazu verwendet werden kann, effizient Elektrizität in einer Brennstoffzelle zu erzeugen. Die Kraftfahrzeugindustrie wendet erhebliche Ressourcen bei der Entwicklung von Wasserstoff-Brennstoffzellen als eine Antriebs- bzw. Energiequelle für Fahrzeuge auf. Derartige Fahrzeuge sind effizient und erzeugen weniger Emissionen als heutige Fahrzeuge, die Verbrennungsmotoren verwenden.
  • Bei einer Kraftfahrzeug-Brennstoffzellenanwendung wird der Wasserstoff manchmal in einem Tieftemperatur- bzw. Kryotank an dem Fahrzeug gespeichert, wobei der Wasserstoff eine Flüssigkeit bei sehr kalten Temperaturen, wie beispielsweise 25°K ist. Der Tieftemperaturtank umfasst typischerweise einen Innentank und einen Außentank mit einem Vakuum und einer mehrlagigen Isolierschicht (MLI-Schicht) dazwischen, um ein Eindringen von Wärme in den Innentank zu begrenzen und damit den flüssigen Wasserstoff in seinem superkalten Zustand zu halten. Ein derartiger Tank wird beispielsweise in der DE 696 17 218 T2 beschrieben.
  • 1 ist eine Schnittansicht einer bekannten Tankanordnungen bzw. Flüssigwasserstofftankanordnung 10 dieses Typs. Die Tankanordnung 10 umfasst einen Innentank 12, einen Außentank 14 und eine Vakuum- und MLI-Schicht 16 dazwischen. Kryogene Flüssigkeit bzw. flüssiger Wasserstoff 18 wird in dem Innentank 12 in einem Tieftemperaturzustand gespeichert. Der flüssige Wasserstoff 18 wird von dem Innentank 12 durch ein geeignetes mechanisches Tieftemperaturventil (nicht gezeigt) entfernt. Wenn der flüssige Wasserstoff 18 von dem Tank bzw. Innentank 12 entfernt wird, umfasst das verbleibende Volumen in dem Innentank 12 gasförmigen Wasserstoff 20.
  • Es ist erwünscht, den Pegel des flüssigen Wasserstoffs 18 in dem Innentank 12 zu kennen, so dass die Tankanordnung 10 in geeigneter Zeit wieder aufgefüllt werden kann. Daher umfasst die Tankanordnung 10 einen Pegelsensor 22, der zu diesem Zweck in dem Innentank 12 positioniert ist. Der Pegelsensor 22 liefert ein elektrisches Signal, das den Pegel des flüssigen Wasserstoffs 18 in dem Tank 12 angibt, auf Ausgangsleitungen bzw. Drähte bzw. Drähte 24, das von einer Signalaufbereitungsschaltung 26 außerhalb des Außentankes 14 aufgenommen wird. Ein Ausgangssignal von der Signalaufbereitungsschaltung 26 liefert den Pegel des flüssigen Wasserstoffes 18 in der Tankanordnung 10.
  • 2 ist ein schematisches Schaubild des Pegelsensors 22, der von der Tankanordnung 10 getrennt ist. Der Pegelsensor 22 umfasst ein äußeres leitendes Rohr 30 und ein inneres leitendes Rohr 32, die koaxial ausgerichtet sind, so dass ein Spalt 34 dazwischen definiert wird. Die leitenden Rohre 30 und 32 können aus einem beliebigen leitenden Material hergestellt sein, das für eine Tieftemperaturumgebung geeignet ist, wie beispielsweise rostfreien Stahl. Abstandhalter 36 halten den Spalt 34 aufrecht, um zu ermöglichen, dass der flüssige Wasserstoff 18 zwischen den Rohren 30 und 32 strömen kann.
  • Der Pegelsensor 22 funktioniert nach dem Prinzip, dass zwischen dem Innenrohr 32 und dem Außenrohr 30 eine elektrische Kapazität vorhanden ist, wobei sich diese Kapazität unterscheidet, wenn der gasförmige Wasserstoff 20 das Dielektrikum ist und wenn der flüssige Wasserstoff 18 das Dielektrikum ist. Wenn sich der Pegel des flüssigen Wasserstoffs 18 in dem Tank 12 ändert, ändert sich auch die Kapazität zwischen dem Innenrohr 32 und dem Außenrohr 30. Insbesondere ist der flüssige Wasserstoff 18 besser leitend als der gasförmige Wasserstoff 20, so dass die Kapazität des Pegelsensors 22 abnimmt, wenn der Pegel des flüssigen Wasserstoffs 18 in dem Innentank 12 abnimmt. Die Signalaufbereitungsschaltung 26 legt ein AC-Signal an die Rohre 30 und 32 an, und die Kapazität des Pegelsensors 22 ändert sich in Ansprechen auf das AC-Signal abhängig von dem Pegel des flüssigen Wasserstoffs 18 in dem Tank 12. Die kapazitive Abgabe von den Leitungen 24 wird kalibriert, um eine Angabe der Menge des flüssigen Wasserstoffs 18 in der Tankanordnung 10 vorzusehen.
  • Wenn das Brennstoffzellensystem abgeschaltet wird, besitzt der flüssige Wasserstoff 18 eine sehr niedrige Temperatur. Mit der Zeit erhöht sich die Temperatur des Wasserstoffs 18 in dem Tank 12 langsam aufgrund von wärmeleitenden Pfaden von dem Tank 12 an die Außenumgebung. Da die Temperatur des Wasserstoffs 18 zunimmt, steigt auch der Druck in dem Tank 12. Jedoch ist der Druck in dem Tank 12 auf einen kritischen Wert begrenzt, der als der Siededruck bezeichnet wird. Wenn der Druck in dem Tank 12 den Siededruck erreicht, muss Wasserstoff von der Tankanordnung 10 abgegeben werden, um eine weitere Erhöhung des Druckes zu verhindern, was unerwünscht ist. Die Zeit von da an, wenn das Brennstoffzellensystem abgeschalten wird, bis zu dann, wenn der Siededruck in dem Tank 12 erreicht wird, ist die Autonomiezeit. Da Fahrzeuge manchmal für eine längere Zeitdauer außer Betrieb bleiben, ist es erwünscht, die Autonomiezeit zu maximieren, indem der Wärmeverlust von der Tankanordnung 10 minimiert wird.
  • Da die Drähte 24 durch die Wände des Innentanks 12, die Vakuum- und MLI-Schicht 16 und den Außentank 14 an die Außenumgebung verlaufen, sehen diese einen leitenden Wärmepfad von der Außenumgebung an den flüssigen Wasserstoff 18 in dem Tank 12 vor. Dieser wärmeleitende Wärmepfad erhöht die Geschwindigkeit, mit der der flüssige Wasserstoff 18 erwärmt wird, und steigert somit den Druck in dem Innentank 12, wodurch die Autonomiezeit verringert wird. Auch hat das Führen der Drähte 24 durch die Tanks 12 und 14 schwierige Konstruktionsanforderungen bei der Abdichtung der Tanks 12 und 14 zur Folge.
  • Um keinen leitenden Wärmepfad zu schaffen, ist es ferner aus der US 57 35 167 A bekannt, eine induktive Kopplung mit einem im Innern eines Behälters angeordneten LC-Schwingkreis zur Pegelbestimmung vorzusehen, so dass ein Pegelsignal auf induktivem Wege aus dem Behälterinneren nach außen übertragen werden kann. Da jedoch Tieftemperaturtanks in aller Regel doppelwandig aufgebaut sind und aus Metall bestehen, eig- net sich der in der US 57 35 167 A beschriebene Aufbau nur bedingt zur Pegelbestimmung in Tieftemperaturtanks.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Tieftemperaturtankanordnung anzugeben, welche hinsichtlich der Autonomiezeit optimiert ist.
  • Diese Aufgabe wird mit einer Tieftemperaturtankanordnung gelöst, welche die Merkmale des Anspruchs 1 oder des Anspruchs 6 aufweist.
  • Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
  • Die vorliegende Erfindung wird im Folgenden nur beispielhaft unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, in welchen:
  • 1 eine Draufsicht im Schnitt einer Flüssigwasserstoffspeichertankanordnung ist, die einen Pegelsensor des in der Technik bekannten Typs verwendet;
  • 2 eine schematische Draufsicht des in 1 gezeigten Pegelsensors ist; der von der Flüssigwasserstofftankanordnung entfernt ist;
  • 3 eine Schnittansicht einer Flüssigwasserstoffspeichertankanordnung, die einen Pegelsensor verwendet, der induktiv mit einer Außensteuerschaltung gekoppelt ist, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist; und
  • 4 eine Schnittansicht einer Flüssigwasserstoffspeichertankanordnung, die einen Pegelsensor verwendet, der induktiv mit einer externen Steuerschaltung gekoppelt ist, gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist.
  • Die folgende Beschreibung der Ausführungsformen der Erfindung, die auf einen Flüssigwasserstoffspeichertank gerichtet ist, der einen Pegelsensor umfasst, der mit einer externen Steuerung induktiv gekoppelt ist, ist lediglich beispielhafter Natur und nicht dazu bestimmt, die Erfindung, ihre Anwendung bzw. ihren Gebrauch zu begrenzen. Beispielsweise besitzt der Flüssigwasserstoffspeichertank, der hier beschrieben ist, besondere Anwendung zur Speicherung von flüssigem Wasserstoff an einem Brennstoffzellenfahrzeug. Jedoch besitzt, wie für Fachleute offensichtlich ist, der Flüssigwasserstoffspeichertank auch andere Anwendungen.
  • 3 ist eine Draufsicht im Schnitt einer Flüssigwasserstoffspeicher- bzw. Tieftemperaturtankanordnung (kurz: Tankanordnung) 42 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die ähnlich der oben beschriebenen Tankanordnung 10 ist, wobei gleiche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet sind. Die Tankanordnung 42 umfasst den kapazitiven Pegelsensor 22, der oben als ein repräsentatives Beispiel beschrieben wurde. Es kann jedoch jeder geeignete kapazitive Sensor, der die kryogenen Temperaturen aushalten und ein elektrisches Signal des Pegels des flüssigen Wasserstoffs 18 innerhalb des Innentankes 12 liefern kann, verwendet werden. Wie nachfolgend detailliert beschrieben ist, beseitigt die Tankanordnung 42 die Drähte 24, die durch die Tanks 12 und 14 und die MLI-Schicht 16 verlaufen, wodurch dieser leitende Wärmepfad von der Umgebung zu dem Innentank 12 beseitigt wird.
  • Die Tankanordnung 42 umfasst eine Innenwicklung 44, die durch einen Draht 46 elektrisch mit den Innen- und Außenrohren 32 und 30 gekoppelt ist, wobei die Innenwicklung 44 vollständig in dem Innentank 12 enthalten ist. Die Tankanordnung 42 umfasst ferner eine Außenwicklung 50, die außerhalb des Außentanks 14 jedoch in nächster Nähe zu dem Tank 14 positioniert ist. Die Außenwicklung 50 ist elektrisch mit der Signalaufbereitungsschaltung (kurz: Schaltung) 26 über elektrische Drahtleitungen 52 gekoppelt. Wie nachfolgend detaillierter beschrieben ist, sind die Innenwicklung 44 und die Außenwicklung 50 induktiv gekoppelt, um eine Angabe des Pegels des flüssigen Wasserstoffs 18 in dem Tank 12 vorzusehen. Eine an dem Außen- tank 14 befestigte Abdeckung 54 schützt die Außenwicklung 50.
  • Bei einer Ausführungsform bestehen der Innentank 12 und der Außentank 14 aus einem Metall, wie beispielsweise rostfreiem Stahl, das eine induktive Kopplung verhindert. Daher umfasst die Tankanordnung 42 ein nichtleitendes Fenster 60 zwischen der Innenwicklung 44 und der MLI-Schicht 16 und ein nichtleitendes Fenster 62 zwischen der Außenwicklung 50 und der MLI-Schicht 16, wie gezeigt ist. Bei einer Ausführungsform sind die Fenster 60 und 62 Glasfenster, wobei jedoch auch andere nichtleitende Materialien verwendet werden können, die für eine Tieftemperaturumgebung geeignet sind.
  • Wie oben beschrieben ist, sehen die Rohre 30 und 32 eine Kapazität vor, die für den Pegel des flüssigen Wasserstoffs 18 in dem Tank 12 repräsentativ ist. Die Kapazität des Pegelsensors 22 und die Induktivität der Innenwicklung 44 sehen einen LC-Schwingkreis vor. Die Resonanzfrequenz des LC-Schwingkreises ändert sich abhängig von der Kapazität des Pegelsensors 22, wenn sich der Pegel des flüssigen Wasserstoffs 18 ändert. Die Schaltung 26 liefert ein AC-Frequenzsignal an die Außenwicklung 50 auf den Leitungen 52. Wenn die Frequenz des AC-Signals mit der Resonanzfrequenz des LC-Schwingkreises, der durch die Innenwicklung 44 und den Pegelsensor 22 vorgesehen wird, zusammenpasst, wird Energie durch die Fenster 60 und 62 und die MLI-Schicht 16 über induktive Kopplung übertragen. Diese induktive Kopplung sieht einen Strom mit maximaler Amplitude in der Außenwicklung 50 vor, der durch die Signalaufbereitungsschaltung 26 detektiert werden kann. Daher ist durch die Kenntnis der Frequenz, die an die Wicklung 50 angelegt ist und die die Spitzenamplitude des Stromes in der Wicklung 50 vorsieht, die Resonanzfrequenz des LC-Schwingkreises, der durch die Innenwicklung 44 und den Pegelsensor 22 vorgesehen wird, bekannt. Durch Kalibrierung der Resonanzfrequenz auf einen bestimmten Pegel des flüssigen Wasserstoffes 18 in dem Tank 12 ist dieser Pegel somit bekannt.
  • Die Resonanzfrequenz des LC-Schwingkreises, der durch die Innenwicklung 44 und den Pegelsensor 22 vorgesehen ist, kann auf eine beliebige geeignete Art und Weise erhalten werden. Bei einer Ausführungsform wird das AC-Frequenzsignal, das an die Außenwicklung 50 geliefert wird, über die möglichen Resonanzfrequenzen des LC-Schwingkreises, der durch die Innenwicklung 44 und den Pegelsensor 22 vorgesehen ist, hinweg geführt bzw. gewobbelt. Wenn die darüber hinweg geführte Frequenz bzw. Wobbelfrequenz ein Stromsignal mit maximaler Amplitude vorsieht, wird somit der Pegel des flüssigen Wasserstoffs 18 bestimmt. Bei einer alternativen Ausführungsform versucht die Signalaufbereitungsschaltung 26, den maximalen Strom durch geringfügige Änderung des AC-Signals, das an die Wicklung 50 angelegt wird, aufrechtzuerhalten, wenn die Amplitude des Stromssignals abfällt. Es können auch andere geeignete Techniken verwendet werden.
  • 4 ist eine Draufsicht im Schnitt einer Flüssigwasserstoffspeicher- bzw. Tieftemperaturtank anordnung 64 gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wobei gleiche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet sind. Bei dieser Ausführungsform ist die Außenwicklung 50 in dem Vakuum und der MLI-Schicht 16 an einer der Innenwicklung 44 ent- gegengesetzten Seite des Fensters 60 angeordnet, wie gezeigt ist. Dies erlaubt, dass die Außenwicklung 50 enger induktiv mit der Innenwicklung 44 gekoppelt werden kann.
  • Zusammengefasst verwendet eine Flüssigwasserstofftankanordnung einen Pegelsensor, der induktiv durch die Tankwände gekoppelt ist, um so einen leitenden Wärmepfad durch die Tankwände zu minimieren. Die Tankanordnung umfasst einen Innentank und einen Außentank mit einer Vakuumschicht dazwischen, um den flüssigen Wasserstoff in dem Innentank auf kryogenen Temperaturen zu halten. Ein kapazitiver Pegelsensor ist in dem Innentank positioniert und sieht eine elektrische Angabe des Pegels des flüssigen Wasserstoffes in dem Innentank vor. Der Pegelsensor ist elektrisch mit einer Innenwicklung in dem Innentank gekoppelt ist. Eine Außenwicklung ist neben der Außentankwand vorgesehen, die elektrisch mit einer Signalverarbeitungs- und Aufbereitungsschaltung gekoppelt ist.

Claims (10)

  1. Tieftemperaturtankanordnung (64) zur Speicherung einer kryogenen Flüssigkeit, wobei die Tiftemperaturtankanordnung umfasst: einen Innentank (12) mit einer Innentankwand, der die kryogene Flüssigkeit hält; einen Außentank (14), der außerhalb des Innentanks (12) vorgesehen ist; eine Vakuumisolierungsschicht (16), die zwischen dem Innentank (12) und dem Außentank (14) vorgesehen ist; eine kapazitive Pegelangabeeinrichtung (22), die in dem Innentank (12) positioniert ist, wobei die Pegelangabeeinrichtung (22) den Pegel der Flüssigkeit (18) in dem Innentank (12) detektiert; eine Innenwicklung (44), die in dem Innentank (12) positioniert und elektrisch mit der Pegelangabeeinrichtung (22) gekoppelt ist, wobei die kapazitive Pegelangabeeinrichtung (22) und die Innenwicklung (44) einen LC-Schwingkreis definieren, dessen Resonanzfrequenz sich ändert, wenn sich der Pegel der kryogenen Flüssigkeit (18) ändert; eine Außenwicklung (50), die außerhalb des Innentanks (12) in der Vakuumisolierungsschicht (16) zwischen dem Innentank (12) und dem Außentank (14) positioniert und mit der Innenwicklung (44) induktiv gekoppelt ist; wobei zumindest ein erstes nichtleitendes Fenster (60) in der Innentankwand zwischen der Innenwicklung (44) und der Außenwicklung (50) positioniert ist; und eine Signalaufbereitungsschaltung (26), die über Leitungen (52) elektrisch mit der Außenwicklung (50) gekoppelt ist, wobei die Signalaufbereitungsschaltung (26) über die Leitungen (52) ein AC-Signal mit variierender Frequenz an die Außenwicklung (50) liefert und eine Angabe des Pegels der kryogenen Flüssigkeit (18) in dem Innentank (12) vorsieht, wenn die Frequenz des AC-Signals mit der Resonanzfrequenz des LC-Schwingkreises zusammen einen maximalen Strom in der Außenwicklung (50) erzeugen.
  2. Tiftemperaturtankanordnung (64) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das AC-Signal gewobbelt wird, um zu bestimmen, wann die Frequenz des AC-Signals mit der Resonanzfrequenz des LC-Schwingkreises zusammenpasst.
  3. Tieftemperaturtankanordnung (64) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das zumindest eine nichtleitende Fenster (60) eine Glasscheibe ist.
  4. Tieftemperaturtankanordnung (64) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Tieftemperaturtankanordnung (64) flüssigen Wasserstoff speichert.
  5. Tieftemperaturtankanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Tieftemperaturtankanordnung (64) flüssigen Wasserstoff an einem Brenn- toffzellenfahrzeug speichert.
  6. Tieftemperaturtankanordnung (42) zur Speicherung einer kryogenen Flüssigkeit, wobei die Tieftemperaturtankanordnung umfasst: einen Innentank (12) mit einer Innentankwand, der die kryogene Flüssigkeit (18) hält; einen Außentank (14), der außerhalb des Innentanks (12) vorgesehen ist; eine Vakuumisolierungsschicht (16), die zwischen dem Innentank (12) und dem Außentank (14) vorgesehen ist; eine kapazitive Pegelangabeeinrichtung (22), die in dem Innentank (12) positioniert ist, wobei die Pegelangabeeinrichtung (22) den Pegel der Flüssigkeit (18) in dem Innentank (12) detektiert; eine Innenwicklung (44), die in dem Innentank (12) positioniert und elektrisch mit der Pegelangabeeinrichtung (22) gekoppelt ist, wobei die kapazitive Pegelangabeeinrichtung (22) und die Innenwicklung (44) einen LC-Schwingkreis definieren, dessen Resonanzfrequenz sich ändert, wenn sich der Pegel der kryogenen Flüssigkeit (18) ändert; eine Außenwicklung (50), die außerhalb des Außentanks (14) positioniert und mit der Innenwicklung (44) induktiv gekoppelt ist; wobei zumindest ein erstes nichtleitendes Fenster (60) in der Innentankwand zwischen der Innenwicklung (44) und der Außenwicklung (50) positioniert ist; und eine Signalaufbereitungsschaltung (26), die über Leitungen (52) elektrisch mit der Außenwicklung (50) gekoppelt ist, wobei die Signalaufbereitungsschaltung (26) über die Leitungen (52) ein AC-Signal mit variierender Frequenz an die Außenwicklung (50) liefert und eine Angabe des Pegels der kryogenen Flüssigkeit (18) in dem Innentank (12) vorsieht, wenn die Frequenz des AC-Signals mit der Resonanzfrequenz des LC-Schwingkreises zusammen einen maximalen Strom in der Außenwicklung (50) erzeugen.
  7. Tieftemperaturtankanordnung (42) nach Anspruch 6, ferner mit einem zweiten Fenster (62), das benachbart der Außenwicklung (50) in einer Außentankwand positioniert ist.
  8. Tieftemperaturtankanordnung (42) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Tieftemperaturtankanordnung (42) flüssigen Wasserstoff speichert.
  9. Tieftemperaturtankanordnung (42) nach Anspruch 8 dadurch gekennzeichnet, dass die Tieftemperaturtankanordnung (42) flüssigen Wasserstoff an einem Brennstoffzellenfahrzeug speichert.
  10. Tieftemperaturtankanordnung (42) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das AC-Signal gewobbelt wird, um zu bestimmen, wann die Frequenz des AC-Signals mit der Resonanzfrequenz des LC-Schwingkreises zusammenpasst.
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