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Abstract

Es werden ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zum Betanken eines Druckspeichers, insbesondere des Druckspeichers eines Fahrzeuges mit unter Druck stehendem Wasserstoff, beschrieben, wobei der unter Druck stehende Wasserstoff einer Entspannung und Abkühlung unterworfen wird. Erfindungsgemäß erfolgt die Entspannung des Wasserstoffes vor seiner Abkühlung. Daher sind die Mittel zum Entspannen des unter Druck stehenden Wasserstoffes in Strömungsrichtung vor den Mitteln zum Abkühlen des unter Druck stehenden Wasserstoffes angeordnet.The invention relates to a method and a device for refueling a pressure accumulator, in particular the pressure accumulator of a vehicle with pressurized hydrogen, wherein the pressurized hydrogen is subjected to expansion and cooling. According to the invention, the relaxation of the hydrogen takes place before it is cooled. Therefore, the means for releasing the pressurized hydrogen in the flow direction in front of the means for cooling the pressurized hydrogen are arranged.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betanken eines Druckspeichers, insbesondere des Druckspeichers eines Fahrzeuges mit unter Druck stehendem Wasserstoff, wobei der unter Druck stehende Wasserstoff einer Entspannung und Abkühlung unterworfen wird.The Invention relates to a method for refueling an accumulator, in particular the accumulator of a vehicle with pressurized Hydrogen, wherein the pressurized hydrogen of a relaxation and cooling off is subjected.

Ferner betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zum Betanken eines Druckspeichers, insbesondere des Druckspeichers Fahrzeuges mit unter Druck stehendem Wasserstoff, aufweisend Mittel zum Bereistellen von unter Druck stehendem Wasserstoff, Mittel zum Entspannen des unter Druck stehenden Wasserstoffes und Mittel zum Abkühlen des unter Druck stehenden Wasserstoffes.Further the invention relates to a device for refueling a pressure accumulator, in particular of the pressure accumulator vehicle with pressurized Hydrogen, comprising means for providing pressurized standing hydrogen, means for releasing the pressurized Hydrogen and means for cooling of the pressurized hydrogen.

Unter dem Begriff "Fahrzeuge" seien nachfolgend nicht nur Fahrzeuge im engeren Sinne zu verstehen, sondern generell alle Arten von Speichersystemen, welche mit unter Druck stehender Wasserstoff gefüllt werden können.Under the term "vehicles" are below not only to understand vehicles in the narrower sense, but in general all types of storage systems that are pressurized Filled with hydrogen can be.

Aus der deutschen Patentanmeldung 102 01 273 ist ein Verfahren zum Betanken eines Speicherbehälters mit einem gasförmigen Treibstoff bekannt, das sich insbesondere für die Betankung eines Fahrzeuges mit unter Druck stehendem Wasserstoff eignet. Mit der Zitierung dieser Patentanmeldung sei deren Offenbarungsgehalt zur Gänze in den Offenbarungsgehalt der vorliegenden Patentanmeldung integriert.From the German patent application 102 01 273 a method for refueling a storage container with a gaseous fuel is known, which is particularly suitable for refueling a vehicle with pressurized hydrogen. With the citation of this patent application whose disclosure content is fully integrated into the disclosure of the present patent application.

Bisher ist es erforderlich, die Betankungsgeschwindigkeit von unter Druck stehendem Wasserstoff aus einem Höchstdruckspeicher bei vergleichsweise hohen Betankungsdrücken von 300 bis 1300 bar stark zu reduzieren. Bei einem Durchfluss von mehr als 10 g/s, kommt es ansonsten aufgrund der adiabatischen Temperaturerhöhung zu einer Überhitzung des Tanksystems. Derartige Betankungssysteme bestehen aus einem oder mehreren Druckspeichern, wenigstens einem Verdichter und einer Entspannungsvorrichtung. Des Weiteren ist im Regelfall ein der Entspannungsvorrichtung vorgeschalteter Kühler vorgesehen, in dem der unter Druck stehende Wasserstoff auf –10 bis –40°C abgekühlt wird. Diese Abkühlung des unter Druck stehenden Wasserstoffes hat den Vorteil, dass das Tanksystem nicht überhitzt wird. Gleichzeitig kommt es zu einer Verringerung des erforderlichen Betankungsdruckes.So far It is necessary to refuel the refueling speed under pressure Stagnant hydrogen from a high-pressure accumulator at comparatively high refueling pressures from 300 to 1300 bar. At a flow of more than 10 g / s, otherwise due to the adiabatic increase in temperature overheating of the tank system. Such refueling systems consist of a or more pressure accumulators, at least one compressor and a Relief device. Furthermore, as a rule, one of the relaxation device upstream cooler provided in which the pressurized hydrogen is cooled to -10 to -40 ° C. This cooling of the pressurized hydrogen has the advantage that the Tank system is not overheated. At the same time there is a reduction in the required refueling pressure.

Neben der vorerwähnten (unerwünschten) adiabatischen Temperaturerhöhung im Tanksystem kommt es auch an der Entspannungsvorrichtung zu einer weiteren unerwünschten Temperaturerhöhung aufgrund des Joule-Thomson-Effektes. Dieser Effekt wirkt sich insbesondere im Falle der Wasserstoff-Betankung aus Höchstdruckspeichern – in diesen liegt der Wasserstoff unter einem Druck von wenigstens 300 bar vor – aus, da bei dieser Art der Betankung der dem Fahrzeug zugeführte Wasserstoff-Strom nahezu während des gesamten Betankungsvorgangs an der Entspannungsstelle gedrosselt werden muss.Next the aforesaid (undesirable) adiabatic temperature increase in the tank system it comes also to the relaxation device to a further unwanted Temperature increase due of the Joule-Thomson effect. This effect affects in particular in the case of hydrogen refueling from ultra-high pressure accumulators - in these the hydrogen is present under a pressure of at least 300 bar, because in this type of refueling the hydrogen flow supplied to the vehicle almost during throttled the entire refueling operation at the relaxation point must become.

Bei einer sog. Booster-Betankung, wie sie in der zitierten deutschen Patentanmeldung 102 01 273 beschrieben ist, ist dieser Effekt eher nebensächlich bzw. vernachlässigbar, da nicht permanent über die Entspannungsvorrichtung betankt wird. Außerdem ist der Druckunterschied zwischen dem Wasserstoff-Speicher und dem zu betankenden Tanksystem vergleichsweise niedrig, da er 250 bar im Regelfall nicht übersteigt.In a so-called. Booster refueling, as in the cited German patent application 102 01 273 is described, this effect is rather secondary or negligible, since not permanently refueled via the expansion device. In addition, the pressure difference between the hydrogen storage and the refueling tank system is comparatively low, since it does not exceed 250 bar in the rule.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein gattungsgemäßes Verfahren sowie eine gattungsgemäße Vorrichtung zum Betanken eines Druckspeichers, insbesondere des Druckspeichers eines Fahrzeuges mit unter Druck stehendem Wasserstoff anzugeben, das bzw. die vorgenannten Nachteile vermeidet, insbesondere eine Betankung mit vergleichsweise kurzen Betankungszeiten ermöglicht. Insbesondere sollen ein gattungsgemäßes Verfahren sowie eine gattungsgemäße Vorrichtung zum Betanken eines Druckspeichers, insbesondere des Druckspeichers eines Fahrzeuges mit unter Druck stehendem Wasserstoff geschaffen werden, bei denen die mit der Abkühlung des Wasserstoff-Stromes erzielten Vorteile nicht durch den aufgrund des Joule-Thomson-Effektes verursachten Temperaturanstieg egalisiert werden.task The present invention is a generic method as well as a generic device for refueling a pressure accumulator, in particular the accumulator of a Vehicle with pressurized hydrogen, the or avoids the aforementioned disadvantages, in particular a refueling with comparatively short refueling times possible. In particular, should a generic method and a generic device for Refueling of an accumulator, in particular the accumulator of a Vehicles are created with pressurized hydrogen at those with the cooling the hydrogen flow did not achieve benefits due to the of the Joule-Thomson effect caused temperature rise are equalized.

Verfahrensseitig wird diese Abgabe dadurch gelöst, dass die Entspannung des Wasserstoffes vor seiner Abkühlung erfolgt.the method, this charge will be solved by that the relaxation of the hydrogen takes place before it cools down.

Die vorrichtungsseitige Lösung der gestellten Aufgabe besteht darin, dass die Mittel zum Entspannen des unter Druck stehenden Wasserstoffes in Strömungsrichtung vor den Mitteln zum Abkühlen des unter Druck stehenden Wasserstoffes angeordnet sind.The device-side solution The task is that the means of relaxation the pressurized hydrogen in the flow direction before the means to cool the are arranged under pressurized hydrogen.

Weitere Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sowie der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Betanken eines Fahrzeuges mit unter Druck stehendem Wasserstoff, die Gegenstände der abhängigen Patentansprüche darstellen, sind dadurch gekennzeichnet, dass

  • – die Abkühlung des entspannten Wasserstoffes in einem der Entspannung nachgeschalteten Wärmetauscher und/oder in einer der Entspannung nachgeschalteten Rohrleitung realisiert wird,
  • – zwischen den Mittel zum Entspannen des unter Druck stehenden Wasserstoffes und den Mitteln zum Abkühlen des unter Druck stehenden Wasserstoffes eine von dem unter Druck stehenden Wasserstoff zu durchströmende Leitung angeordnet ist und
  • – die von dem unter Druck stehenden Wasserstoff zu durchströmende Leitung unterirdisch angeordnet ist.
Further embodiments of the method according to the invention and the device according to the invention for refueling a vehicle with pressurized hydrogen, which constitute subject matters of the dependent claims, are characterized in that
  • The cooling of the expanded hydrogen is carried out in a heat exchanger connected downstream of the expansion and / or in a pipeline downstream of the expansion,
  • - Between the means for depressurizing the pressurized hydrogen and the means for cooling the pressurized hydrogen one of the pressurized Hydrogen is arranged to flow through line and
  • - Which is arranged by the pressurized hydrogen to be flowed line underground.

Erfindungsgemäß erfolgt nunmehr während des Betankungsvorganges die Entspannung des unter Druck stehenden Wasserstoffes bereits vor dessen Abkühlung; somit sind die Mittel zum Entspannen des unter Druck stehenden Wasserstoffes in Strömungsrichtung vor den Mitteln zum Abkühlen des unter Druck stehenden Wasserstoffes anzuordnen. Hieraus resultieren folgende Vorteile:
Die aufgrund des Joule-Thomson-Effektes während der Drosselung des unter Druck stehenden Wasserstoffes auftretende Erwärmung des Wasserstoff-Stromes kann durch die nachfolgende Abkühlung nicht nur kompensiert werden, sondern – eine entsprechende Auslegung des Kühlers vorausgesetzt – darüber hinaus eine Unterkühlung des Wasserstoff-Stromes erreicht werden. Dies führt dazu, dass die maximale rechnerische Tankendtemperatur von ca. 80°C auf ca. 55°C gesenkt werden kann. Daraus resultiert ein niedrigerer, rechnerischer Betankungsdruck, der – eine unveränderte Betankungsmasse vorausgesetzt – von 875 auf 785 bar sinkt. Die erforderliche Kühlerleistung bzw. die Größe des Kühlers kann durch das Anbringen eines Außentemperaturkühlers, der den Einfluss des Joule-Thomson-Effektes verringert, verringert werden.According to the invention now takes place during the refueling process, the relaxation of the pressurized hydrogen before it is cooled; Thus, the means for releasing the pressurized hydrogen in the flow direction in front of the means for cooling the pressurized hydrogen are to be arranged. This results in the following advantages:
The occurring due to the Joule-Thomson effect during the throttling of the pressurized hydrogen heating of the hydrogen stream can not only be compensated by the subsequent cooling, but - assuming a corresponding design of the cooler - beyond reaching a hypothermia of the hydrogen flow become. As a result, the maximum calculated final tank temperature can be lowered from approx. 80 ° C to approx. 55 ° C. This results in a lower, computational refueling pressure, which - assuming an unchanged refueling mass - drops from 875 to 785 bar. The required radiator performance or the size of the radiator can be reduced by installing an outside temperature radiator, which reduces the influence of the Joule-Thomson effect.

Aufgrund des geringeren Druckes in dem Kühler können nunmehr erfindungsgemäß höhere Gasgeschwindigkeiten realisiert werden; diese wiederum haben eine turbulentere Gasströmung zur Folge, woraus eine Erhöhung des Wärmeüberganges von dem Wasserstoff-Gasstrom auf die Wandung des Kühlers resultiert. Dies führt dazu, dass für die Auslegung des Kühlers eine kleinere Übertragungsfläche zugrunde gelegt werden kann.by virtue of the lower pressure in the radiator can now according to the invention higher gas velocities will be realized; These in turn have a more turbulent gas flow to Consequence, from which an increase the heat transfer from the hydrogen gas flow to the wall of the radiator results. This leads to, that for the design of the radiator based on a smaller transfer area can be placed.

Durch die vorgelagerte Drosselstelle kann die Temperaturerhöhung des Wasserstoff-Gasstromes in der Leitung zu dem der Drosselstelle nachgeschalteten Kühler "ausgeglichen" werden. Der der Drosselstelle nachgeschaltete Kühler muss somit nicht die ganze aufgrund des Joule-Thomson-Effektes verursachte Temperaturerhöhung des Wasserstoff-Gasstromes kompensieren. In dem Kühler wird der Wasserstoff-Gasstrom auf die gewünschte Endtemperatur abgekühlt; mit dieser Endtemperatur wird der unter Druck stehende Wasserstoff-Gasstrom während der Betankung dem zu betankenden (Druck)Speicher zugeführt.By the upstream throttle point can increase the temperature of the Hydrogen gas stream be "balanced" in the line to the cooler downstream of the cooler. The throttle point downstream cooler So it does not have to do all this because of the Joule-Thomson effect temperature increase Compensate the hydrogen gas stream. In the cooler, the Hydrogen gas flow to the desired Cooled end temperature; with this final temperature, the pressurized hydrogen gas stream during the Refueling fed to the refueling (pressure) memory.

Das erfindungsgemäße Verfahren sowie die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Betanken eines Druckspeichers, insbesondere des Druckspeichers eines Fahrzeuges mit unter Druck stehendem Wasserstoff ermöglichen auf konstruktiv einfache Weise höhere Befüllgeschwindigkeiten auch bei vergleichsweise hohen Drücken und Temperaturen, die dann auftreten, wenn eine Betankung mit Wasserstoff aus Höchstdruckspeichern realisiert wird. Die mit der Realisierung des erfindungsgemäßen Verfahrens sowie der erfindungsgemäßen Vorrichtung verbundenen (Mehr)Kosten sind vernachlässigbar, da sowieso benötigte Bauteile lediglich neu angeordnet werden.The inventive method as well as the device according to the invention for refueling a pressure accumulator, in particular the accumulator of a Vehicle with pressurized hydrogen in a structurally simple way higher Befüllgeschwindigkeiten even at relatively high pressures and temperatures, the then occur when refueling with hydrogen from ultra-high pressure accumulators is realized. The with the realization of the method according to the invention and the device according to the invention associated (more) costs are negligible, since anyway needed components merely rearranged.

Claims (5)

Verfahren zum Betanken eines Druckspeichers, insbesondere des Druckspeichers eines Fahrzeuges mit unter Druck stehendem Wasserstoff, wobei der unter Druck stehende Wasserstoff einer Entspannung und Abkühlung unterworfen wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Entspannung des Wasserstoffes vor seiner Abkühlung erfolgt.A method for refueling a pressure accumulator, in particular the pressure accumulator of a vehicle with pressurized hydrogen, wherein the pressurized hydrogen is subjected to a relaxation and cooling, characterized in that the relaxation of the hydrogen takes place before it is cooled. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Abkühlung des entspannten Wasserstoffes in einem der Entspannung nachgeschalteten Wärmetauscher und/oder in einer der Entspannung nachgeschalteten Rohrleitung realisiert wird.Method according to claim 1, characterized in that that cooling off of the relaxed hydrogen in a relaxation downstream heat exchangers and / or realized in a downstream of the relaxation pipeline becomes. Vorrichtung zum Betanken eines Druckspeichers, insbesondere des Druckspeichers eines Fahrzeuges mit unter Druck stehendem Wasserstoff, aufweisend Mittel zum Bereistellen von unter Druck stehendem Wasserstoff, Mittel zum Entspannen des unter Druck stehenden Wasserstoffes und Mittel zum Abkühlen des unter Druck stehenden Wasserstoffes, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zum Entspannen des unter Druck stehenden Wasserstoffes in Strömungsrichtung vor den Mitteln zum Abkühlen des unter Druck stehenden Wasserstoffes angeordnet sind.Device for refueling a pressure accumulator, in particular the pressure accumulator of a vehicle with pressurized hydrogen, comprising means for providing pressurized hydrogen, Means for releasing the pressurized hydrogen and Means for cooling of the pressurized hydrogen, characterized in that the means for releasing the pressurized hydrogen in flow direction before the means for cooling the are arranged under pressurized hydrogen. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Mittel zum Entspannen des unter Druck stehenden Wasserstoffes und den Mitteln zum Abkühlen des unter Druck stehenden Wasserstoffes eine von dem unter Druck stehenden Wasserstoff zu durchströmende Leitung angeordnet ist.Device according to claim 3, characterized in that that between the means to relax the pressurized Hydrogen and the means for cooling the pressurized Hydrogen to one of the pressurized hydrogen flowing through Line is arranged. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die von dem unter Druck stehenden Wasserstoff zu durchströmende Leitung unterirdisch angeordnet ist.Apparatus according to claim 3 or 4, characterized that of the pressurized hydrogen to be flowed line is arranged underground.
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