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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur kryogenen Speicherung und
Förderung
von Kraftstoff, insbesondere zur Versorgung einer ein Kraftfahrzeug
antreibenden Brennkraftmaschine, nach dem Oberbegriff des ersten
Anspruchs. Zum technischen Umfeld wird neben der
DE 37 41 145 C2 auf die
DE 40 41 170 C1 verwiesen.
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Kraftstoffe
zum Antrieb von Kraftfahrzeugen, wie bspw. Wasserstoff oder Erdgas
oder dgl. können auf
relativ günstige
Weise praktisch nur verflüssigt und
somit stark abgekühlt
gespeichert werden. Bei dieser kryogenen Kraftstoffspeicherung verdampft
jedoch durch Wärmeeintrag
in den Kraftstoff-Tank kontinuierlich eine geringe Menge von flüssigem Kraftstoff.
Dadurch erhöht
sich der Druck im Kraftstoff-Tank, bis der für diesen eingestellte Grenzwert, auch
Boil-Off-Druck genannt, erreicht ist und der weiter verdampfende
Kraftstoff als so genanntes Boil-Off-Gas aus dem Kraftstoff-Tank
abgeblasen werden muss. Insbesondere wenn kein Verbraucher für den Kraftstoff
in Betrieb ist, d.h. insbesondere dann, wenn die Brennkraftmaschine
außer
Betrieb ist, steigt als Folge des Wärmeeintrags ohne Entnahme der
Tank-Innendruck an. Aus Sicherheitsgründen muss dieser Druck durch Öffnen von
Ventilen begrenzt werden. Im allgemeinen wird dabei das Boil-Off-Gas über Abblaseleitungen,
in denen die besagten Ventile vorgesehen sind, in die Umgebung abgegeben.
Die Wahl des Betriebsdrucks im Kraftstoff-Tank und des Druckhubs
zwischen Betriebsdruck und Boil-Off Druck bestimmen neben der Größe des Wärmeeintrags
maßgeblich
die verlustfreie Druckaufbauzeit.
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Der
tiefkalte, flüssige
Wasserstoffvorrat wird im Fahrzeug im siedenden oder nahe dem siedenden Zustand
in dem thermisch sehr gut isolierten, druckdichten Behälter gespeichert.
Die physikalische Dichte 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 (LH2) und darüber liegend
als gasförmige
Phase (GH2) vor. Es ist sowohl eine gasförmige als auch eine flüssige Entnahme
des Wasserstoffs aus dem Speicherbehälter möglich und sinnvoll. Durch Wasserstoffentnahme
im Betrieb des Speichers bei Versorgung der Brennkraftmaschine nach
einer Druckaufbauphase wird der Speicherdruck bis zum Erreichen
des Speicher-Betriebsdrucks ohne gezielten Wärmeeintrag abgebaut. Wegen
der bei Flüssigentnahme
geringeren Enthalpieabfuhr ist hierfür eine Entnahme aus der Gasphase (Gasentnahme)
sinnvoll.
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Die
unmittelbare Förderung
des Wasserstoffs aus dem Vorratsbehälter in eine Vorlaufleitung hin
zu einem Konditionierer oder Verbraucher erfolgt also im einfachsten
Fall über
das zwischen Tankinnerem und der Umgebung anliegende statische Druckgefälle oder
durch eine gezielte Bedrückung
des Vorratsbehälters.
Dabei besteht grundsätzlich
die Möglichkeit
durch die geometrische Gestaltung der im Tankinneren beginnenden
Vorlaufleitung, vorrangig LH2 oder nur GH2 zu fördern. Die Wasserstoffbereitstellung
in Masse und Druck erfolgt also durch den Eigendruck des Wasserstoffs
im Tankbehälter
und wird dem Antriebsaggregat durch Öffnen verschiedener Ventile
unter Entnahme-/Volumenstrom-abhängigen
Druckverlusten zugeführt.
Eine Temperaturkonditionierung erfolgt in einem Wärmetauscher
außerhalb
des isolierten Speicherbehälters.
Ein durch die Entnahme von Wasserstoff im Betrieb der Kraftstoffversorgungsanlage
entstehender Druckeinbruch im Tankbehälter wird durch gezielten Wärmeeintrag, entweder
mittels Rückführung eines
Teilstroms des entnommenen aufgewärmten Wasserstoffs in eine
in den Tankbehälter
führende
geschlossene Innentankwärmetauscherschleife
und dort stattfindenden Wärmetausch
mit anschließender
Re-Konditionierung und Bereitstellung für das Antriebsaggregat, oder mittels
eines entnahmeunabhängigen
Heizkreislaufs (z.B. elektrischer Heizer) verhindert.
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Aus
der eingangs genannten
DE
40 41 170 C1 ist eine Einrichtung zur Verringerung der Boil-Off-Gase
mittels eines gekühlten
Strahlungsschilds bekannt, das den Wärmeeinfall in den Behälter mit
dem kryogen gespeicherten Kraftstoff verzögert. Ferner ist in der
DE 37 41 145 C2 ein
Entnahmesystem für
Flüssigwasserstoff
beschrieben, mit einer außerhalb
eines Speichertanks befindlichen Fördereinheit, deren Förderpumpe
einen Kühlspeichermantel
aufweist, der vom druckseitig aus der Förderpumpe austretenden Wasserstoff
gebildet wird.
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Darüber hinaus
ist bekannt, dass zur Erhöhung
der Druckaufbauzeit und zur Reduktion der Abdampfrate die thermisch
wirksame Masse innerhalb der isolierten Tankstruktur entlang der
Wärmeein- und
-ausströmpfade
erhöht
werden kann. Diese Maßnahme
kann auch kombiniert werden z.B. mit einer im isolierten Bereich
liegenden Einrichtung zur Kühlung,
entsprechend
DE 40
41 170 C1 , die ebenfalls dem Zweck dient, die zur Erwärmung des
abströmenden
GH2 bis maximal auf Umgebungstemperaturniveau erforderliche Enthalpie
zu speichern und als lokale Wärmesenke
für in
den Tank eindringende Wärmemengen
aufzubrauchen. Zur Verlängerung
der verlustfreien Druckaufbauzeit kann also eine Wärmesenke
Anwendung finden, die im Entnahmebetrieb durch den über die
vorhandene Entnahmeleitung angekoppelten, kalt entnommenen Wasserstoff
gekühlt
wird und Wärme
aus dem angekoppelten Kühlschild
aufnimmt.
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Allgemein
bekannt ist, dass die Förderung von
Wasserstoff – insbesondere,
falls diese Förderung
unter gleichzeitiger Druckerhöhung,
z.B. zur Erzielung eines für
den Betrieb eines H2-Verbraucher vorteilhaft hohen Förderdruckes,
erfolgt – dann
mit vergleichsweise geringem Leistungsbedarf für den Antrieb der Fördereinrichtung
erfolgen kann, wenn H2 in Form von LH2 gefördert wird. Die Antriebsleistung
für die
Förderung
von GH2 ist demgegenüber deutlich
erhöht.
Allgemein bekannt ist weiterhin, dass z.B. industrielle H2-Fördereinrichtungen von LH2 oder
GH2 auf kryogenem Temperaturniveau beim Hochlaufen vom Betriebsstillstand
auf einen Förderbetriebszustand
eine nicht vernachlässigbare
Kaltfahrzeit benötigen,
in der die Fördereinrichtung
durch das strömende
LH2 (oder das kalte GH2) erst auf eine Betriebstemperatur abgekühlt wird,
die zum Anfahren der maximalen Förderleistung
benötigt
wird.
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Die
beschriebenen Verfahren, Speicherbehälter für kryogene Fluide durch Selbstkühlung vor Wärmeeintrag
und vor der resultierenden Verdampfung der flüssigen Phase, sowie dem damit
verbundenem Druckaufbau im Speicherbehälter zu schützen, sind nicht ausreichend,
um die Zielvorgaben für verlustfreie
Druckaufbauzeiten, das heißt,
die Zeit vom Moment des Abstellens des mit kryogenem Kraftstoff
gefüllten
Speichers bis zum Erreichen eines Maximaldrucks, der zur Druckentlastung
durch Abblasen führt
und Standzeiten, das heißt,
die Zeit vom befüllten
Abstellen bis zum Moment, zu dem der Kraftstoffbehälter durch
das druckbedingte Abblasen (Boil-Off) nur noch eine festzulegende
nutzbare Kraftstoff-Restmenge beinhaltet, für einen mobilen kryogenen Versorgungsspeicher
für flüssigen Wasserstoff
oder sich ähnlich
verhaltender Fluide zu erreichen.
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Die
Ursachen hierfür
liegen in einer wegen des hohen Temperaturgradienten zwischen Umgebung
und dem kryogenen Speicherinhalt nicht ausreichenden Isolationswirkung
der Behälterisolation und
in der mangelnden Wärmeaufnahmefähigkeit des
selbstkühlenden
kryogenen Fluids. Wasserstoff im Besonderen weist physikalisch eine
hohe gravimetrische Energiedichte (Energie pro Masse), aber eine
niedrige volumetrische Energiedichte (Energie pro Volumen) auf.
Dies führt
zu hohen Speichervolumina für
eine definierte zu speichernde Energiemenge. Dabei weist Wasserstoff
seine höchste
volumetrische Energiedichte bei kryogenen Temperaturen in der flüssigen Phase
oder bei extrem hohen Drücken in
der Gasphase auf. Bei flüssiger
kryogener Speicherung ist ein möglichst
niedriger Speicherdruck von Vorteil, da die Dichte des flüssigen gesättigten Wasserstoffs
mit sinkendem Druck zunimmt. Bei Drücken nahe dem Umgebungsdruck
ließe
sich daher die bestmögliche
realisierbare Speicherdichte und damit die höchste volumetrische Energiedichte
erreichen und zudem der Druckhub zwischen Speicherdruck bei Start
einer Betriebspause und dem nach langer Betriebspause durch Wärmeeintrag
erreichten Boil-Off Druck erhöhen.
Ein kryogener Speicherbehälter
mit vorgegebenem Speichervolumen kann daher bei niedrigem Druck
die maximale Kraftstoffmenge (Energiemenge) flüssigen Wasserstoffs speichern und
eine vergleichsweise lange verlustfreie Druckaufbauzeit erreichen.
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Einem
gewünschten
niedrigen Druck des flüssigen
Wasserstoffs im Speicher steht allerdings die Druckanforderung der
Brennkraftmaschine gegenüber,
die bei Eigendruckbereitstellung aus dem Speicher (ohne zusätzliche
Druckerzeugung) den minimal möglichen
Speicherdruck festlegt.
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Sicherheitsleitungen
in der Gasphase, im oberen Speicherbereich, mitsamt Sicherheits-Überdruckventilen
zur Vermeidung von Überdrücken in Fehlerfällen geraten
im Falle einer Überkopflage
in die flüssige
Phase und können
durch die niedrigere Enthalpie der Flüssigphase nicht ausreichend
schnell große
Mengen Kraftstoff abführen.
Um diesem Problem gerecht zu werden, sind große Durchmesser in den Sicherheitsleitungen
vorzusehen, die mit einem erhöhten
Wärmeeintrag
in Betriebspausen verbunden sind.
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Eine
Abhilfemaßnahme
für die
geschilderte Problematik aufzuzeigen, ist Aufgabe der vorliegenden
Erfindung.
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Die
Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen
des Anspruchs 1 gelöst.
Vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen sind Inhalt der Unteransprüche.
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Nach
der Erfindung umfasst eine Vorrichtung zur kryogenen Speicherung
und Förderung
von Kraftstoff, zur Versorgung eines Verbrauchers, insbesondere
einer ein Kraftfahrzeug antreibenden Brennkraftmaschine, mindestens
einen Kryotank, bestehend mindestens aus einem Innenbehälter zur
Aufnahme des kryogenen Mediums, der wärmeisoliert in einem Außenbehälter gehalten
wird und einen, insbesondere vakuumisolierten, Armaturenbehälter, der kalte
Armaturen zum Befüllen
und Entleeren des Kryotanks enthält.
Die Erfindung ist gekennzeichnet durch eine Fördereinrichtung wenigstens
zur Entnahme von flüssigem
kryogenem Medium aus dem Kryotank, die im Armaturenbehälter untergebracht
ist und durch einen ersten Wärmetauscher
gekühlt
wird.
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Durch
den Einsatz einer kalten Fördereinrichtung
im Armaturenbehälter
mit Flüssigentnahme wird
eine Bereitstellung von Drücken
bis ca. 20bara für
eine Brennkraftmaschine bei gleichzeitig niedrigem Druck im gespeicherten
Wasserstoff möglich. Dies
erlaubt eine effiziente Versorgung der Brennkraftmaschine bei Bedarf
(z.B. im Volllastbetrieb) und gleichzeitig eine durch den niedrigeren
Speicherdruck erhöhte
Wasserstoffmasse im Speicher (bei niedrigerem Befüllenddruck),
sowie eine durch den wachsenden Druckhub zwischen dem Speicherdruck und
Boil-Off Druck erhöhte
verlustfreie Druckaufbauzeit. Der erste Wärmetauscher kann zum Beispiel durch
Ankopplung des Gehäuses
der Fördereinrichtung
an mindestens eine kryogenes Medium führende Leitung gebildet werden.
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Eine
weiterhin für
die Druckerhöhung
vorteilhafte Ausführung
der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass ein zweiter Wärmetauscher
vorgesehen ist, der zwischen Armaturenbehälter und Verbraucher geschaltet
ist.
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Wenn
dann ein Druckspeicher für
gasförmiges
kryogenes Medium vorgesehen ist, der so, insbesondere in Verbraucherrichtung
nach dem zweiten Wärmetauscher,
zwischen Armaturenbehälter
und Verbraucher geschaltet ist, dass aus dem Druckspeicher sowohl
der Verbraucher, als auch der Kryotank mit unter Druck stehendem
gasförmigen
kryogenen Medium versorgt werden kann, hat das den Vorteil, dass
eine Dämpfung
von Druckschwankungen durch den Einsatz der Förderpumpe und den Wechsel zwischen
den Betriebsmodi Gasentnahme und Flüssigentnahme mit Druckbereitstellung
durch die Förderpumpe
stattfindet. Zudem kann der Druckspeicher zusammen mit einem zusätzlichen
Pufferbereich im Ausgang der Kaltleitung des Armaturenbehälters dazu
dienen, eine Restmenge Wasserstoff zu speichern, mit dem bei fehlender
Verfügbarkeit
einer Wasserstoffkonditionierung (z.B. fehlende Wärme beim
Kaltstart) ein Starten der Brennkraftmaschine gewährleistet
werden kann.
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Dass
der Kryotank mit unter Druck stehendem gasförmigen kryogenen Medium versorgt
werden kann hat weiterhin den Vorteil, dass durch Erzeugung von
gezielten Ungleichgewichtszuständen
im Innenbehälter
Bedrückungseffekte
auf die Flüssigphase
und damit eine Unterkühlung
des Wasserstoffs rund um die Flüssigentnahmevorrichtung
gefördert
werden. Dies verbessert die flüssige
Beschickung der Förderpumpe.
Die Bedrückungseffekte können insbesondere
auch während
des Kaltfahrens von Teilen der Kraftstoffversorgungsanlage in Betriebspausen
vor Betriebsbeginn genützt
werden. Sehr von Vorteil ist in dieser Hinsicht eine Ausführungsform
der Erfindung, bei der die Leitung zur Bedrückung des flüssigen kryogenen
Mediums am Leitungsende im Kryotank mit einem Diffusor versehen ist.
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Erst
der Einsatz einer Förderpumpe
zur Überwindung
des Druckgefälles
bei der Rückführung eines
Teilstromes von Warmgas zur Tankdruckerhaltung während der Druckhaltephasen
ermöglicht
den Betrieb eines Diffusors anstelle einer geschlossenen Innentankwärmetauscherschleife.
Dies erspart eine Rückleitung
und damit Wärmeeintrag
in Betriebspausen, was zu längeren
Druckaufbauzeiten führt. Gleichzeitig
weist die Erfindung nur mehr einen zentralen Zugang von unten in
den Innenbehälter
auf, was zusätzliche
Wärmebrücken vermeidet,
thermische Schichtung mindert und nur noch eine lösbare Zentralkupplung
erforderlich macht.
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Eine
bevorzugte Ausführung
der Erfindung sieht vor, dass zum Entleeren und Befüllen des
Kryotanks mindestens drei Leitungen vorgesehen sind, die vom Innenbehälter aus
dem Außenbehälter heraus
in den Armaturenbehälter
geführt
sind, wobei die erste Leitung für
die Entnahme von kryogenem Medium vorwiegend in flüssiger Form
aus dem unteren Bereich des Kryotanks, die zweite Leitung für die Entnahme
von kryogenem Medium vorwiegend in gasförmiger Form aus dem oberen
Bereich des Kryotanks und die dritte Leitung für die Rückführung des Mediums als Warmgas
in den oberen Bereich des Kryotanks vorgesehen sind. Dabei ist die
zweite Leitung an den ersten Wärmetauscher
angeschlossen, um die Fördereinrichtung
zu kühlen.
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Die
Verfügbarkeit
der vollen Förderleistung der
Fördereinrichtung
hängt von
einem ausreichend hohen Anteil der flüssigen Wasserstoffphase bei
Eintritt in die Fördereinrichtung
und Vermeidung von Verdampfung durch Eigenwärme der Fördereinrichtung ab. Die Kühlung der
Fördereinrichtung
in ihren Betriebspausen während
der Gasentnahme oder im Boil-Off wird dabei durch Ankopplung der
Gasentnahmeleitung an die Fördereinrichtung über einen Wärmetauscher
gesichert. Dabei ist von weiterem Vorteil, wenn die Fördereinrichtung
in einer weiteren bevorzugten Ausführung eine Förderpumpe
ist, die eine geringe Wärmekapazität besitzt.
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Gemäß einer
weiteren Ausführungsform
der Erfindung steht die erste Leitung und/oder die zweite Leitung
oder die Zusammenführung
aus erster und zweiter Leitung in Verbraucherrichtung nach der Fördereinrichtung
oder nach dem ersten Wärmetauscher
mit dem zweiten Wärmetauscher
in Wärme übertragendem
Kontakt. Ferner ist die dritte Leitung zum Befüllen des Kryotanks über eine
Befüllleitung mit
einer Betankungskupplung verbunden.
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Durch
eine solche vorteilhafte Verschaltung der Leitungen kann der Diffusor
für die
Befüllung
und für
die Druckhaltung durch Warmgasrückführung genutzt
werden. Während
der Betankung dient der Diffusor zur gezielten Verteilung des eingefüllten Flüssigwasserstoffs
und im Flüssigentnahmebetrieb
wird zur Druckerhaltung im Kryotank rückgeführtes angewärmtes Wasserstoffgas im Gasraum
verteilt, um so eine Versorgung der Förderpumpe mit unterkühltem flüssigen Wasserstoff
zu gewährleisten.
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Vorteilhafte
Ausführungen
der Erfindung sind dadurch gekennzeichnet, dass die erste und die zweite
Leitung in Verbraucherrichtung nach der Fördereinrichtung oder nach dem
ersten Wärmetauscher
zusammengeführt
sind und dass zwischen der Befüllleitung
und einer Rückgasleitung
eine Verbindungsleitung besteht, die die Befüllleitung mit der Rückgasleitung
verbindet, wenn die Betankungskupplung nicht zur Betankung benutzt
wird.
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Der
Einsatz der so angeschlossenen kalten Förderpumpe ermöglicht das
Kaltfahren des Befüllstranges
einschließlich
des Einfüllrohrs
und der Befüllkupplung
durch Rückführung von
kryogenem Medium in den Innenbehälter
und dadurch ohne Notwendigkeit zur Verwendung oder Abfuhr des für das Kaltfahren
benötigten
kryogenen Mediums. Das beschriebene Kaltfahren verkürzt die
Befüllzeit
und kann die beim Befüllen
anfallenden Rückgas verluste verringern.
Der beschriebene Kaltfahrvorgang kann vorteilhafterweise ebenso
dazu benutzt werden, die Förderpumpe
selbst kalt zu fahren.
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Eine
weitere vorteilhafte Ausführung
der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Leitung
in Verbraucherrichtung nach dem ersten Wärmetauscher und vor einer Zusammenführung mit der
ersten Leitung eine Abzweigleitung in die Betankungskupplung besitzt,
die während
einer Betankung als Rückgasleitung
aus dem Kryotank durch dessen Befüllung verdrängtes gasförmiges kryogenes Medium zur
Betankungskupplung führt.
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Durch
Verwendung der zweiten Leitung, der Gasentnahmeleitung, als Rückgasleitung
während des
Befüllvorgangs
wird wegen deren thermischer Ankopplung über den ersten Wärmetauscher
an die Fördereinrichtung
eine verbesserte Verfügbarkeit
der vollen Förderleistung
nach einem Betankungsvorgang gewährleistet.
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Gemäß einer
weiteren Ausführungsform
der Erfindung steht die zweite Leitung mit der Wärmeenergiespeichereinrichtung,
einer Wärmesenke,
in Wärme übertragendem
Kontakt, um unter Wärmeaufnahme
den Wärmeeintrag
aus der Umgebung in den Innenbehälter
zu minimieren. Dabei ist besonders zur Minimierung des Wärmeeintrags
während der
Betriebspausen in der verlustfreien Druckaufbauzeit von Vorteil,
wenn die Wärmesenke
mit einem zwischen Außenbehälter und
Innenbehälter
befindlichen Kühlschild
wärmeübertragend
verbunden ist.
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Durch
die alleinige Ankopplung der zweiten Leitung, der Gasentnahme- und
Boil-Off Leitung, an die Wärmesenke,
wird deren Kühlung
während
der Gasentnahme, während
des Boil-Offs und während der
Betankung (durch Rückgas)
gewährleistet.
Dies dient in Betriebspausen zur Verlängerung der verlustfreien Druckaufbauzeit
und zur Verlängerung
der damit und mit der Größe des das
Kühlschild
kühlenden Boil-Off
Massenstroms verbundenen Standzeit bis zur fast völligen Entleerung
des Speichers. Dies kann direkt durch Ankopplung der zweiten Leitung,
der Gasentnahmeleitung, an das Kühlschild
oder via eines Puffers in Form einer Wärmesenke geschehen.
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Die
erste Leitung, die Flüssigentnahmeleitung
unterliegt durch nicht-Ankopplung
an die Wärmesenke
keinem den optimalen Betrieb der Förderpumpe störenden Wärmeeintrag
aus der Wärmesenke
und dem angekoppelten Kühlschild.
Die kombiniert nutzbare Befüll-
und Rückgasleitung
zur Druckerhaltung, die dritte Leitung, ist ebenfalls nicht an die
Wärmesenke
angekoppelt. Dies garantiert eine schnellere Befüllung durch verminderte Wärmeeinträge in die
Befüllleitung
während
des Befüllens
und verhindert eine störende
Erwärmung
der Wärmesenke
während
der Warmgasrückführung zur
Druckerhaltung.
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Weitere
vorteilhafte Ausführungen
der Erfindung sind dadurch gekennzeichnet, dass an die zweite Leitung,
in Verbraucherrichtung, nach dem ersten Wärmetauscher eine Abzweigleitung
zu einem Druckentlastungsventil angeschlossen ist, das beim Erreichen
eines Grenzdrucks, dem Boil-off-Druck,
zum Abblasen gasförmigen
Mediums aus dem Kryotank, öffnet.
Außerdem
ist an die zweite Leitung, insbesondere in Verbraucherrichtung vor dem
ersten Wärmetauscher,
eine Abzweigleitung zu einem ersten Überdruck-Sicherheitsventil
angeschlossen, das beim Erreichen eines Grenzdrucks über dem
Boil-off-Druck, zum Abblasen gasförmigen Mediums aus dem Kryotank, öffnet. Zusätzlich kann an
die erste Leitung, insbesondere in Verbraucherrichtung vor der Fördereinrichtung,
eine Abzweigleitung zu einem zweiten Überdruck-Sicherheitsventil angeschlossen
sein, das beim Erreichen eines Grenzdrucks über dem Boil-off-Druck, zum
Abblasen von kryogenem Medium aus dem Kryotank, öffnet.
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Durch
die Verfügbarkeit
von Sicherheitsventilen an der Gasentnahmeleitung und an der Flüssigentnahmevorrichtung
wird vorteilhafterweise die sichere Abführung von ausreichenden Wasserstoffmengen
im Fehlerfall/Sicherheitsfall (z.B. starke Degradation der Isolation)
auch in Überkopflagen
verbessert, ohne die Leitungsquerschnitte der in den Innenbehälter führenden
Leitungen vergrößern zu müssen. Dies
führt zu
einer Verringerung des Wärmeeintrags
in Betriebspausen und damit zur einer erhöhten verlustfreien Druckaufbauzeit.
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Weitere
vorteilhafte Ausführungen
der Erfindung sind dadurch gekennzeichnet, dass die Flüssigentnahmeleitung
an eine Umschalteinrichtung angebunden ist, die bis zum weitgehenden
Entleeren des Kryotanks für
eine Entnahme flüssigen
Wasserstoffs sorgt. Solche an sich bekannten Entnahmeeinrichtungen
sind vorteilhaft bei Kraftstoffverlagerungen der flüssigen Phase
zum Beispiel aufgrund auftretender Fliehkräfte oder Neigung des Kraftfahrzeugs
im unebenen Gelände.
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Wenn
der Armaturenbehälter
so platziert ist, dass sich die Fördereinrichtung unterhalb oder
auf gleicher Höhe
von Leitungsöffnungen
für die
flüssige Entnahme
im unteren Bereich des Kryotanks befindet, wirkt sich dies vorteilhaft
bezüglich
der Förderung
von Kraftstoff in flüssiger
Phase aus. Es fördert die
flüssige
Beschickung der Fördereinrichtung
und erspart einen Schwelltopf bzw. vermeidet Kavitation.
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Im
folgenden wird die Erfindung anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels
weiter erläutert.
Die einzige Figur zeigt einen schematisch dargestellten Längsschnitt
eines erfindungsgemäßen Behälters zur
Speicherung eines kryogenen Mediums mit einer erfindungsgemäßen Entnahme-
und Befülleinrichtung.
Erfindungswesentlich können
sämtliche näher beschriebenen
Merkmale sein. Die gesamte Kraftstoffversorgungsanlage für kryogenen
Wasserstoff (und ähnliche
Fluide) besteht aus einem isolierten Speicherbehälter mit Kühlschild und Wärmesenke
inklusive einer an die Wärmesenke
angebundenen Gasentnahmeleitung sowie einer Vorrichtung für Flüssigentnahme
und einer als Diffusor ausgeführten kombinierten
Betankungs- und warmen Rückgasleitung
zur Druckerhaltung im Entnahmebetrieb, mit einem sekundären Vakuummodul
inklusive Absperrventilen und einer kühlbaren kryogenen Förderpumpe
zur Druckbereitstellung, mit einem Wärmetauschermodul zur Temperierung
des entnommenen druckkonditionierten Wasserstoffs, mit einem Nebensystemmodul
inklusive Pufferbehälter
gegen Druckspitzen, mit Sicherheitsleitungen an Flüssig- und Gasentnahmeleitung
und mit einem vor dem Befüllvorgang
kühlbaren
Einfüllrohr
mitsamt Befüllkupplung.
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In
einem nicht gezeichneten Kraftfahrzeug ist ein Kryotank 40 zur
Speicherung von Flüssigwasserstoff
LH2 eingebaut. Dieser dient als Kraftstoff zur Versorgung einer
das Kraftfahrzeug antreibenden, nicht gezeichneten, Brennkraftmaschine,
angekoppelt an einen Antriebsaggregatseingang 14. Der Kryotank 40 ist
ein Behälter,
bestehend aus einem druckfesten Innenbehälter 1, gelagert über eine
nicht gezeichnete Lagerungseinrichtung in einem Außenbehälter 4,
mit dazwischen liegender Isolationsschicht und einem in dieser eingebetteten
Kühlschild 2.
Mit dem Kühlschild 2 ist
eine Wärmesenke 3 als Wärmespeichereinrichtung
thermisch leitend verbunden, die als Pufferspeicher für die durch
die Isolation eindringende Wärme
aus der Umgebung dient. Die Wärmesenke 3 befindet
sich in der primären
Isolationszone, in einer Ausnehmung 41 des Innenbehälters 1,
in die auch alle Zugänge
zum Innenbehälter 1 münden, die
von dort über
eine am Außenbehälter 4 angebrachte,
lösbare
Zentralkupplung 5 aus diesem herausgeführt werden. Über die
Zentralkupplung 5 ist ein vakuumisolierter Armaturenbehälter 6,
als sekundäres
isoliertes Kaltmodul, an den Außenbehälter 4 angekoppelt,
und die Zugänge
zum Innenbehälter 1 werden über die
Zentralkupplung 5 aus dem Außenbehälter 4 heraus in den
Armaturenbehälter 6 hinein geführt.
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Es
sind zum Befüllen
und Entleeren des Kryotanks 40 drei Zugänge zum Innenbehälter 1 vorgesehen.
Diese drei Leitungen sind vom Innenbehälter 1, aus dem Außenbehälter 4 heraus,
in den Armaturenbehälter 6 geführt, wobei
eine erste Leitung 43 der Entnahme von kryogenem Medium
vorwiegend in flüssiger
Form aus dem unteren Bereich des Kryotanks 40 dient. Eine
zweite Leitung 20 dient der Entnahme von kryogenem Medium
vorwiegend in gasförmiger
Form aus dem oberen Bereich des Kryotanks 40 und eine dritte
Leitung 42, deren Leitungsende im Kryotank 40 mit
einem Diffusor 18 versehen ist, dient zur Rückführung des
Mediums als Warmgas in den oberen Bereich des Kryotanks 40 und
während der
Befüllung
des Kryotanks 40 als Befüllleitung.
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Aus
dem Kryotank 40 wird, über
einen Flüssigentnahmeumschalter 7,
bei Volllastanforderung durch die Brennkraftmaschine oder im Teillastbetrieb, bei
Unterschreiten des für
die Brennkraftmaschine notwendigen niedrigsten Versorgungsdrucks
im Kryotank 40, kryogen gespeicherter Wasserstoff in flüssiger Phase
LH2 über
die erste Leitung 43 entnommen und an der Wärmesenke 3 vorbei, über ein
im Armaturenbehälter 6 sitzendes
Kaltventil 8 zu einer kalten Förderpumpe 9 für vorwiegend
flüssigen
Wasserstoff geführt.
Diese komprimiert den flüssigen Wasserstoff
LH2 auf das für
die Brennkraftmaschine bei Volllast- bzw. Teillastbetrieb vorgesehene
Druckniveau. Der komprimierte Wasserstoff wird über eine Hauptentnahmeleitung 22 durch
ein Puffervolumen 31 in einen zweiten Wärmetauscher 10 geführt, dort temperiert
und über
einen in einer Nebensystemkapsel 11 sitzenden Druckspeicherbehälter 12,
der der Dämpfung
von Druckschwankungen dient, und ein Absperrventil 13 zum
Antriebsaggregatseingang 14 geführt.
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Bei
unzulässigem
Unterschreiten eines Mindestdrucks im Innenbehälter 1, wird durch Öffnen eines
Regelventils 16 eine über
eine Drossel 15 geregelte Menge des aufgewärmten Entnahmemassenstroms
in eine Befüllleitung 17 eingeleitet
und dort über
die Zentralkupplung 5, durch eine dritte Leitung 42,
vorbei an der Wärmesenke 3,
in den im Innenbehälter 1 befindlichen,
für Befüllung und
Druckerhaltung durch Rückführung genutzten
Diffusor 18 geführt,
der den warmen gasförmigen
Wasserstoff GH2 im Innenbehälter 1 verteilt
und dem Kryotank 40 so die zum Druckerhalt notwendige Wärme zuführt. Die Anordnung
des Diffusors 18 im oberen Bereich des Innenbehälters 1,
der mehrheitlich von der Gasphase des gespeicherten Wasserstoffs
GH2 eingenommen wird, dient einer gezielten Herstellung eines Ungleichgewichts
im gespeicherten Wasserstoff und führt so idealerweise durch Druckanstieg
zu einer Unterkühlung
des flüssigen
Wasserstoffs LH2 im Bereich der Flüssigentnahmevorrichtung. Die
entstehende Unterkühlung
kann dazu beitragen, dass der der kalten Förderpumpe 9 zugeführte Wasserstoff trotz
Wärmeaufnahme
in den Zuleitungen zur Förderpumpe 9,
die Förderpumpe 9 in
weitgehend flüssigem
Zustand erreicht und so zu einem effizienten Betrieb der Förderpumpe 9 beiträgt. Des
weiteren trägt das
so erzeugte Ungleichgewicht im gespeicherten Wasserstoff zu Beginn
von Betriebspausen zu einem Druckabfall durch erst verzögert einsetzende
langsame Annäherung
an den Sättigungszustand
(Vermischung) und sich einstellendem Gleichgewicht bei und erhöht so idealerweise
den Druckhub und damit die verlustfreie Druckaufbauzeit im Kryotank 40,
bis zum Erreichen eines Grenzdrucks, dem Boil-off-Druck, bei dem
gasförmiges
Medium GH2 aus dem Kryotank 40 abzublasen ist.
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Im
Teillastbetrieb der Brennkraftmaschine, bei Drücken im Innenbehälter 1 oberhalb
des niedrigsten Versorgungsdrucks für Teillastbetrieb ist eine Wasserstoffentnahme
in gasförmiger
Phase GH2 vorgesehen, um wegen der bei Gasentnahme höheren Enthalpieabfuhr
aus dem Innenbehälter 1 den Druck
im Innenbehälter 1 bis
zum Mindestdruck reduzieren zu können.
Dafür wird
durch Öffnen
eines im Armaturenbehälter 6 befindlichen Kaltventils 19,
gasförmiger
Wasserstoff GH2, getrieben durch den Druck im Innenbehälter 1, über die
in den Innenbehälter 1 ragende
zweite Leitung 20 für
Gasentnahme aus dem Innenbehälter 1 entnommen,
durch die Wärmesenke 3 und
die Zentralkupplung 5 in den Armaturenbehälter 6 geführt. Dort
kühlt der
gasförmige
Wasserstoff GH2 durch einen ersten Wärmetauscher 21 die
sich bei Gasentnahme nicht in Betrieb befindliche, kalt zu haltende
Förderpumpe 9 und
wird nach dem Kaltventil 19, stromabwärts der Förderpumpe 9, der Hauptentnahmeleitung 22 zugeführt. Weiter
im zweiten Wärmetauscher 10 temperiert
und via Druckspeicherbehälter 12 und
Absperrventil 13 in der Nebensystemkapsel 11 zum
Antriebsaggregatseingang 14 geleitet.
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Das
Befüllen
des Kryotanks 40 mit kryogen gespeichertem Wasserstoff
wird über
eine Betankungskupplung 24 am Armaturenbehälter 6 durchgeführt. Vor
einem Befüllvorgang
wird mit Hilfe der kalten Förderpumpe 9 der
komplette Befüllstrang
inklusive Diffusor 18, Befüllleitung 17, Einfüllrohr 23 und Betankungskupplung 24 durch
Kreisförderung „kalt gefahren", um so den anschließenden Befüllvorgang zu
beschleunigen und Rückgasverluste
zu verringern. Dazu werden die Kaltventile 8 und 25 geöffnet und
die Förderpumpe 9 in
Betrieb genommen. Dadurch wird Wasserstoff aus der flüssigen Phase
LH2 über
die erste Leitung 43 aus dem Kryotank 1 über die
Zentralkupplung 5 und das Kaltventil 8, durch
die Förderpumpe 9 und
die Verbindungsleitung 45 zwischen Rückgasleitung 26 und
betankungskupplungsseitiger Befüllleitung 27,
dann über
das Kaltventil 25 und die Befüllleitung 17, zurück in den
Innenbehälter 1 gefördert.
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Ein ähnlicher
Kaltfahrvorgang kann dazu benutzt werden, die Förderpumpe 9 bei Bedarf
selbst kalt zu fahren. Dazu wird wie im Falle des Kaltfahrens des
Betankungsstrangs das Kaltventil 8 geöffnet und die Förderpumpe 9 in
Betrieb genommen. Anstatt des Kaltventils 25 wird aber
das Kaltventil 19 geöffnet und
das aus der Förderpumpe 9 austretende
Gas über
den ersten Wärmetauscher 21 und
die zweite Leitung 20 zurück in den Innenbehälter 1 geführt.
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Der
Befüllvorgang
selbst, über
die Betankungskupplung 24 und das Einfüllrohr 23, wird eingeleitet
durch Ankoppeln einer füllstationsseitigen Kupplung
an die Befüllkupplung 24 am
Armaturenbehälter 6,
wodurch die Rückgasleitung 26 und
die betankungskupplungsseitige Befüllleitung 27 von einander
getrennt werden, indem die Verbindungsleitung 45 unterbrochen
wird. Durch Öffnen
des Kaltventils 25 zur Befüllung und des Kaltventils 19 für Rückgas wird
kryogen gespeicherter Wasserstoff in flüssiger Form LH2 von der Befüllstation
durch die betankungskupplungsseitige Befüllleitung 27, über Kaltventil 25,
Befüllleitung 17,
Zentralkupplung 5 und Diffusor 18 im Innenbehälter 1 verteilt.
Gleichzeitig wird über
die zweite Leitung 20 für
Gasentnahme, die Wärmsenke 3,
die Zentralkupplung 5, den ersten Wärmetauscher 21, das
Kaltventil 19 und die Rückgasleitung 26 Rückgas zur
Druckabsenkung im Innenbehälter 1 an
die Befüllstation
rückgeführt. Dabei wird über das
durch den ersten Wärmetauscher 21 strömende Rückgas die
Förderpumpe 9 gekühlt. Dies
dient einer schnellen Verfügbarkeit
der vollen Förderleistung
nach Beendigung des Befüllvorgangs bei
Inbetriebnahme der Wasserstoffversorgungsanlage zur Versorgung der
Brennkraftmaschine im Volllastbetrieb.
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Während längerer Betriebspausen
der Wasserstoffversorgungsanlage steigt der Druck im Innenbehälter 1 durch
stetigen Wärmeeintrag
aus der Umgebung über
den Außenbehälter 4,
die Isolation, das Kühlschild 2 und
den Innenbehälter 1 in
den dort gespeicherten flüssigen
Wasserstoff LH2, der die Wärme
in Verdampfung umsetzt. Bei Erreichen des Boil-Off Drucks öffnet ein
Druckentlastungsventil 28 und gasförmiger Wasserstoff GH2 wird über die
zweite Leitung 20 zur Gasentnahme, die Wärmsenke 3, die Zentralkupplung 5 und
den ersten Wärmetauscher 21 in
eine Boil-Off Leitung 32 abgeführt. Dabei kühlt der
abgeführte
Wasserstoff neben der Wärmesenke 3 auch
die Förderpumpe 9 über den
ersten Wärmetauscher 21.
Dies dient einer schnellen Verfügbarkeit
der vollen Förderleistung
nach einer Betriebspause, bei Inbetriebnahme der Wasserstoffversorgungsanlage
zur Versorgung der Brennkraftmaschine im Volllastbetrieb.
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Im
Falle eines plötzlichen
starken Wärmeeintrags
in den Innenbehälter 1,
durch Beschädigung der
Isolation oder andere Fehlerfälle,
steigt der Druck im Innenbehälter 1 durch
zunehmende Verdampfung flüssigen
Wasserstoffs LH2 stark an. Da in einem solchen Fall die Abfuhr einer
ausreichenden Menge Wasserstoffs durch die Boil-Off Leitung 32 nicht
möglich
ist, öffnen
die Überdruck-Sicherheitsventile 29 und 30 bei
Erreichen des jeweiligen Druckniveaus für das jeweilige Sicherheitsventil 29, 30.
Dabei ist das zuerst ansprechende Sicherheitsventil 29 an
die zweite Leitung 20, die Gasentnahmeleitung, angekoppelt
und das Sicherheitsventil 30 an die erste Leitung 43 der
Flüssigentnahmevorrichtung.
So wird garantiert, dass auch im Falle einer Überkopflage, mit flüssigem Wasserstoff
LH2 im Bereich der Öffnung der
zweiten Leitung 20, der Gasentnahmeleitung, ausreichend
gasförmiger
Wasserstoff GH2 aus der dann im Bereich der Flüssigentnahmevorrichtung vorliegenden
Gasphase über
das Sicherheitsventil 30 abgeführt werden kann.