DE102013214044A1 - A method for determining the mass of the medium stored in a cryopressure tank - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen der Masse des in einem Kryodrucktank gespeicherten Mediums, wobei der Kryodrucktank einen Außenbehälter und einen innerhalb dessen über ein Festlager und zumindest ein Loslager gelagerter Innenbehälter aufweist, in welchem das besagte Medium tiefkalt und unter Druckwerten in der Größenordnung von mehreren hundert Bar speicherbar ist und das oder die Loslager vorgesehen ist oder sind, um Änderungen der Abmessungen des Innenbehälters, welche auf Änderungen von dessen Temperatur und/oder Innendruck zurückzuführen sind, auszugleichen, indem ein dem Innenbehälter zugeordnetes Teil des Loslagers gegenüber einem dem Außenbehälter zugeordneten Teil des Loslagers zumindest geringfügig verlagerbar ist. Dabei werden mittels einer im Loslager vorgesehenen Messvorrichtung die Lageänderungen des dem Innenbehälter zugeordneten Loslager-Teils gegenüber dem fest mit dem Außenbehälter verbundenen Loslager-Teil erfasst und es wird aus diesen Lageänderungen anhand einer in einer elektronischen Steuereinheit hinterlegten Zuordnung auf die im Innenbehälter enthaltene Masse des gespeicherten Mediums geschlossen wird. Vorzugsweise wurde die Zuordnung experimentell bestimmt.The invention relates to a method for determining the mass of the medium stored in a cryopressure tank, the cryopressank having an outer container and an inner container mounted within it via a fixed bearing and at least one movable bearing, in which said medium is cryogenic and under pressure values of the order of several a hundred bar is storable and or the movable bearing or is provided to compensate for changes in the dimensions of the inner container, which are due to changes in its temperature and / or internal pressure, by a the inner container associated part of the movable bearing against a part associated with the outer container the movable bearing is at least slightly displaced. In this case, by means of a measuring device provided in the movable bearing the changes in position of the inner container associated movable bearing part relative to the permanently connected to the outer container movable bearing part detected and it is stored from these changes based on a stored in an electronic control unit allocation to the mass contained in the inner container Medium is closed. Preferably, the assignment was determined experimentally.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen der Masse des in einem Kryodrucktank gespeicherten Mediums, wobei der Kryodrucktank einen Außenbehälter und einen innerhalb dessen über ein Festlager und zumindest ein Loslager gelagerten Innenbehälter aufweist, in welchem das besagte Medium tiefkalt und unter Druckwerten in der Größenordnung von mehreren hundert Bar speicherbar ist, und das oder die Loslager vorgesehen ist oder sind, um Änderungen der Abmessungen des Innenbehälters, welche auf Änderungen von dessen Temperatur und/oder Innendruck zurückzuführen sind, auszugleichen, indem ein dem Innenbehälter zugeordnetes Teil des Loslagers gegenüber einem dem Außenbehälter zugeordneten Teil des Loslagers zumindest geringfügig verlagerbar ist. Zum Stand der Technik wird neben der EP 2 217 845 B1 auf die DE 101 28 516 A1 verwiesen.The invention relates to a method for determining the mass of the medium stored in a cryopressure tank, the cryopressank having an outer container and an inner container mounted within it via a fixed bearing and at least one floating bearing, in which said medium is cryogenic and under pressure values of the order of several a hundred bar is storable, and or the floating bearing is or are intended to compensate for changes in the dimensions of the inner container, which are due to changes in its temperature and / or internal pressure, by a the inner container associated part of the floating bearing against a the outer container associated Part of the floating bearing is at least slightly displaced. The state of the art is in addition to the EP 2 217 845 B1 on the DE 101 28 516 A1 directed.

Zur Speicherung eines unter Umgebungsbedingungen gasförmigen Mediums, bei welchem es sich in Verbindung mit der vorliegenden Erfindung insbesondere um Wasserstoff handeln kann, ist neben der kroygenen Speicherung die Kryodruckspeicherung bekannt. Während bei der kryogenen Speicherung das besagte Medium bei vollständig oder annähernd vollständig befülltem Tank „nur” mit einer Temperatur nahe des absoluten Nullpunktes (in der Größenordnung von 20 Kelvin) gespeichert wird, (vgl. hierzu die oben zweitgenannte DE 101 28 516 A1 ), steht das zu speichernde Medium bei der Kryodruckspeicherung zusätzlich unter nennenswertem Druck und wird im Falle von Wasserstoff insbesondere im überkritischen Zustand gespeichert, so wie dies für Wasserstoff als besagtes Medium beispielsweise in der eingangs zweitgenannten EP 2 217 845 B1 mit Druckwerten zwischen minimal 13 bar und 150 bar und mehr beschrieben ist. Die Kryodruckspeicherung zeichnet sich durch eine erheblich größere Speicherdichte und signifikant geringere Abblase-Verluste (sog. „Boil-off” bei der einfachen kroygenen Speicherung) aus.For storage of a gaseous medium under ambient conditions, which in particular can be hydrogen in connection with the present invention, cryogenic storage is known in addition to kroygenen storage. Whereas in cryogenic storage said medium is stored "only" at a temperature close to absolute zero (in the order of 20 Kelvin) when the tank is completely or almost completely filled (cf. DE 101 28 516 A1 ), the medium to be stored in the cryoprinting additionally under significant pressure and is stored in the case of hydrogen in particular in the supercritical state, as for hydrogen as the said medium, for example, in the second-mentioned EP 2 217 845 B1 with pressure values between minimum 13 bar and 150 bar and more is described. The cryoprint storage is characterized by a significantly greater storage density and significantly lower blow-off losses (so-called "boil-off" in the simple kroygenen storage).

An Tanks zur Speicherung flüssiger oder gasförmiger Medien, aus denen bei Bedarf Teilmengen dieses Mediums entnommen werden, und somit auch an einem Kryodrucktank, ist es erwünscht, die aktuell im Tank befindliche Medium-Masse zu kennen, beispielsweise wenn der Kryodrucktank in einem Kraftfahrzeug zur Speicherung von Wasserstoff eingesetzt ist, welcher direkt oder indirekt (nämlich unter Zwischenschaltung einer Brennstoffzelle) zur Versorgung eines Antriebsaggregats des Fahrzeugs dient. Zwar kann hierbei die gezielt aus dem Tank entnommene Masse von Medium kontinuierlich verfolgt werden, jedoch ist eine solche Betrachtung alleine zu ungenau, weswegen eine direkte Bestimmung der aktuell im Tank befindlichen Medium-Masse (im Weiteren wird nur mehr von Wasserstoff als zu speichernden Medium gesprochen ohne hierdurch die Erfindung hierauf beschränken zu wollen) benötigt wird. Letzeres kann entweder durch Wiegen erfolgen, was bei Einsatz im Kraftfahrzeug nicht sinnvoll darstellbar ist oder durch Messung von Druck und Temperatur des im Tank gespeicherten Wasserstoffs. Hierfür kann ein Temperatursensor am Innenbehälter und ein Drucksensor geeignet an bzw. in einer den Wasserstoff aus dem Innenbehälter nach außen führenden Leitung angeordnet sein.On tanks for storing liquid or gaseous media, from which subsets of this medium are removed if necessary, and thus also on a cryogenic pressure tank, it is desirable to know the currently located in the tank medium mass, for example, when the Kryodrucktank in a motor vehicle for storage is used by hydrogen, which serves directly or indirectly (namely, with the interposition of a fuel cell) to supply a drive unit of the vehicle. Although in this case the mass of medium which has been deliberately removed from the tank can be continuously monitored, such a consideration alone is too inaccurate, which is why a direct determination of the medium mass currently in the tank is given (in the following, only hydrogen is spoken of as the medium to be stored without thereby wanting to limit the invention to this) is needed. The latter can be done either by weighing, which is not meaningful displayed when used in the vehicle or by measuring the pressure and temperature of the stored hydrogen in the tank. For this purpose, a temperature sensor on the inner container and a pressure sensor can be suitably arranged on or in a line leading the hydrogen out of the inner container.

Nicht ideal ist derzeit insbesondere die Bestimmung der Temperatur des im Innenbehälter befindlichen Wasserstoffs aus mehreren Gründen. Zum einen ist insbesondere bei der Kryodruckspeicherung innerhalb der im Innenbehälter gespeicherten Wasserstoffmenge eine inhomogene Temperatur-Verteilung zu beobachten, und zum anderen stellt ein Messkabel, welches die Messwerte des Temperatursensors elektrisch/elektronisch nach außen führt, einen unerwünschten Wärmeleitpfad dar, über den ein Wärmeeintrag von außen zum wünschenswerterweise möglich lange so kalt als möglich zu haltenden Innenbehälter erfolgt.In particular, the determination of the temperature of the hydrogen present in the inner container is not ideal at present for a number of reasons. On the one hand, an inhomogeneous temperature distribution can be observed especially in the case of cryopreservation within the quantity of hydrogen stored in the inner container, and on the other hand, a measuring cable which leads the measured values of the temperature sensor electrically / electronically to the outside represents an undesirable heat conduction path via which heat is introduced outside for desirably possible long as cold as possible to be held inner container.

Die eingangs genannte DE 101 28 516 A1 geht auf dieses der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Problem nicht ein, sondern befasst sich mit der Aufhängung des Innenbehälters eines Kryotanks innerhalb von dessen Außenbehälter und nennt dabei insbesondere ein Festlager sowie ein oder mehrere Loslager, welche üblicherweise auch bei einem Kryodrucktank mit einem Innenbehälter und einem Außenbehälter vorhanden sind. Eine solche Lagerung bzw. Aufhängung des Innenbehälters innerhalb des Außenbehälters ist erforderlich, um Änderungen in den Abmessungen des abseits dieser Lagerstellen vom Außenbehälter durch eine Vakuum-Isolationsschicht getrennten Innenbehälters gegenüber dem Außenbehälter ausgleichen zu können. Solche Änderungen in den Abmessungen resultieren bekanntlich einerseits aus Änderungen der Wand-Temperatur des Innenbehälters, welche ihrerseits Folge von nicht vollständig vermeidbarem Wärmeeintrag von außen in den Innenbehälter sowie in die in diesem gespeicherte Wasserstoff-Menge ist. Andererseits bewirkt eine Änderung des Innendrucks im Innenbehälter, die insbesondere aus einer Entnahme von im Innenbehälter gespeicherten (bspw.) Wasserstoff resultieren, ebenfalls eine messbare Änderung der Abmessungen des Innenbehälters.The aforementioned DE 101 28 516 A1 does not address this problem underlying the present invention, but deals with the suspension of the inner container of a cryogenic tank within its outer container and calls in particular a fixed bearing and one or more movable bearings, which usually also in a Kryodrucktank with an inner container and an outer container available. Such storage or suspension of the inner container within the outer container is required in order to compensate for changes in the dimensions of the remote from these storage locations from the outer container by a vacuum insulation layer separate inner container relative to the outer container. Such changes in the dimensions are known to result, on the one hand, from changes in the wall temperature of the inner container, which, in turn, is the consequence of heat input from the outside into the inner container, which is not completely avoidable, and into the amount of hydrogen stored in it. On the other hand, a change in the internal pressure in the inner container, resulting in particular from a removal of (for example) hydrogen stored in the inner container, likewise causes a measurable change in the dimensions of the inner container.

Ausgehend vom soweit erläuterten Stand der Technik ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, für einen Kryodrucktank mit den im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Merkmalen ein verbessertes Verfahren zum Bestimmen der Masse des darin gespeicherten Mediums, beispielsweise Wasserstoffs, aufzuzeigen.Starting from the state of the art explained so far, it is an object of the present invention to provide an improved method for determining the mass of the medium stored therein, for example hydrogen, for a cryogenic pressure tank having the features specified in the preamble of claim 1.

Die Lösung dieser Aufgabe ist dadurch gekennzeichnet, dass mittels einer im Loslager vorgesehenen Messvorrichtung die Lageänderungen des dem Innenbehälter zugeordneten Loslager-Teils gegenüber dem fest mit dem Außenbehälter verbundenen Loslager-Teil erfasst werden und aus diesen Lageänderungen anhand einer in einer elektronischen Steuereinheit hinterlegten Zuordnung auf die im Innenbehälter enthaltene Masse des gespeicherten Mediums geschlossen wird. Dabei kann die besagte Zuordnung experimentell bestimmt und in einer elektronischen Steuereinheit geeignet hinterlegt sein, in welcher anhand von Lageänderungen im Loslager, die für diese Steuereinheit mittels einer Messvorrichtung feststellbar sind, sowie anhand der hinterlegten Zuordnung die im Innenbehälter enthaltene Masse von gespeichertem Medium bestimmt wird. Dabei können mit besonders hoher Genauigkeit Änderungen der Lage und somit der Abmessungen des Innenbehälters und damit auch der in diesem enthaltenen Masse von gespeichertem Medium gegenüber einem bekannten Ausgangszustand festgestellt werden; mit ausreichender Datengrundlage ist es aber auch möglich, einen Rückschluss auf die absolute im Innenbehälter enthaltene Wasserstoff-Masse zu ziehen. The solution to this problem is characterized in that by means of a measuring device provided in the movable bearing position changes of the inner container associated movable bearing part relative to the permanently connected to the outer container movable bearing part are detected and these changes based on a stored in an electronic control unit assignment to the contained in the inner container mass of the stored medium is closed. In this case, the said assignment can be determined experimentally and suitably deposited in an electronic control unit in which the mass of stored medium contained in the inner container is determined on the basis of changes in position in the movable bearing, which are detectable for this control unit by means of a measuring device. It can be determined with a particularly high accuracy changes in the position and thus the dimensions of the inner container and thus also the mass of stored medium contained in this compared to a known initial state; but with sufficient data, it is also possible to draw a conclusion on the absolute hydrogen mass contained in the inner container.

Vorliegend wurde erkannt, dass sich bei einem Kryodrucktank mit einem Innenbehälter, welcher einerseits in der Lage ist, einem Innendruck von beispielsweise 200 bar oder mehr standzuhalten und der andererseits ausreichend leicht aufgebaut und nur über ein Festlager sowie ein oder mehrere Loslager in einem Außenbehälter (unter Bildung einer dazwischen liegenden Vakuum-Isolationsschicht aufgehängt ist, anders als bei „einfachen” Kryotanks nicht nur Temperatur-Änderungen sondern auch Änderungen des Behälter-Innendrucks in Änderungen der Abmessungen des Innenbehälters widerspiegeln, so dass über Lageänderungen in dem oder in den Loslager(n), welche aus den geänderten Abmessungen resultieren, die Gesamtheit von Temperatur-Änderungen und Druck-Änderungen feststellbar ist. Alleine mit diesen Lageänderungen in dem oder den Loslager(n) oder unter Berücksichtigung zumindest einer weiteren Messgröße ist somit die Masse der im Innenbehälter enthaltenen Wasserstoffmenge bestimmbar, wenn die besagte Zuordnung bekannt ist. Als weitere Messgröße kann dabei vorzugsweise der Druck des in einer vom Innenbehälter nach außen führenden Leitung geführten und aus dem Innenbehälter entnommenen Wasserstoffs verwendet werden, der wie weiter oben erläutert wurde einfacher und genauer messbar ist als die Messung der Temperatur des im Tank gespeicherten Wasserstoffs.In the present case, it was recognized that in a Kryodrucktank with an inner container, which on the one hand is able to withstand an internal pressure of, for example, 200 bar or more and on the other hand sufficiently light and constructed only one fixed bearing and one or more floating bearings in an outer container (under Forming an intermediate vacuum insulation layer is suspended, unlike "simple" cryotanks reflect not only temperature changes but also changes in the container internal pressure in changes in the dimensions of the inner container, so that about changes in position in or in the floating bearing (s) , which result from the changed dimensions, the entirety of temperature changes and pressure changes can be determined alone with these changes in position in the movable bearing (s) or taking into account at least one further measured variable thus the mass of the hydrogen contained in the inner container is best immaterial, if said assignment is known. As a further measured variable, the pressure of the hydrogen conducted in a line leading from the inner container to the outside and taken out of the inner container can be used which, as explained above, is easier and more accurately measurable than the measurement of the temperature of the hydrogen stored in the tank.

Die beigefügte Prinzipskizze zeigt einen Kryodrucktank, an dem das erfindungsgemäße Verfahren durchführbar ist.The attached schematic diagram shows a Kryodrucktank on which the inventive method is feasible.

Mit der Bezugsziffer 1 ist der Außenbehälter und mit der Bezugsziffer 2 der Innenbehälter eines Kryodrucktanks gekennzeichnet, zwischen denen sich eine Vakuum-Isolationsschicht 8 mit nicht dargestellten Elementen zur Abschrmung von Wärmestrahlung befindet. Der Innenbehälter 2 ist innerhalb des Außenbehälters 1 über ein Festlager 3 und ein Loslager 4 aufgehängt. Dieser Art der Aufhängung oder Lagerung ist nötig, damit Längenänderungen des Innenbehälters 2 gegenüber dem Außenbehälter 1 nicht zu Verspannungen führen, sondern im Loslager 4 ausgeglichen werden können.With the reference number 1 is the outer container and with the reference numeral 2 the inner container of a Kryodrucktanks characterized between which a vacuum insulation layer 8th located with elements not shown for the purpose of thermal radiation. The inner container 2 is inside the outer container 1 about a camp 3 and a floating warehouse 4 suspended. This type of suspension or storage is necessary so that changes in length of the inner container 2 opposite the outer container 1 do not lead to tension, but in the floating bearing 4 can be compensated.

Eine Leitung 5 führt durch das Festlager 3 hindurch aus dem Innenbehälter 2 nach außen, über welche Leitung 5 Wasserstoff in den Innenbehälter 2 eingeleitet und aus diesem entnommen werden kann. In dieser Leitung 5 ist außerhalb des Außenbehälters 1 eine Meßstelle 6 zur Messung des Drucks des in dieser Leitung 5 geführten Wasserstoffs vorgesehen.A line 5 leads through the camp 3 through from the inner container 2 to the outside, over which line 5 Hydrogen in the inner container 2 can be initiated and removed from this. In this line 5 is outside the outer container 1 a measuring point 6 to measure the pressure in this line 5 guided hydrogen provided.

Neben der genannten Druck-Meßstelle 6 ist im Loslager 4 eine Messvorrichtung 7 vorgesehen, mit der Lageänderungen des dem Innenbehälter 2 zugeordneten Loslager-Teils 42 gegenüber dem fest mit dem Außenbehälter 1 verbundenen Loslager-Teil 41 erfasst werden können. Die Signale dieser Messvorrichtung 7 werden über eine Signalleitung 10, welche vorteilhafterweise nicht durch die Vakuum-Isolationsschicht 3 hindurchgeführt sein muss und die folglich keine grundsätzlich unerwünschte Wärmebrücke zum Innenbehälter 2 hin bildet, nach außen zu einer nicht gezeigten elektronischen Steuereinheit geführt, welche weitere Daten und Signale enthalten kann, so beispielsweise den Druck des gegebenenfalls in der Leitung 5 geführten Wasserstoffs, und in der das erfindungsgemäße Verfahren zum Bestimmen der Masse des im Innenbehälter 2 gespeicherten Wasserstoffs durchgeführt wird.In addition to the mentioned pressure measuring point 6 is in the floating warehouse 4 a measuring device 7 provided with the position changes of the inner container 2 associated movable bearing part 42 opposite to the fixed with the outer container 1 connected non-locating part 41 can be detected. The signals of this measuring device 7 be via a signal line 10 which advantageously not through the vacuum insulation layer 3 must be passed and therefore no fundamentally undesirable thermal bridge to the inner container 2 towards, out to an electronic control unit, not shown, which may contain other data and signals, such as the pressure of optionally in the line 5 guided hydrogen, and in the inventive method for determining the mass of the inner container 2 stored hydrogen is carried out.

Lediglich der Vollständigkeit halber seien noch die Aufhängungen 9 des Außenbehälters 1 beispielsweise in einem Kraftfahrzeug genannt, sowie erwähnt, dass es sich beim Innenbehälter um einen Typ-3-Druckbehälter (nach offizieller Kategorisierung) handeln kann. Dieser besteht aus einem metallischen Liner und einer CFK-Armierung. Grundsätzlich sind aber auch Typ-1- und Typ-2Druckbehälter für den Innenbehälter denkbar, jedoch sind diese hinsichtlich ihres Gewichtes weniger günstig.Only for the sake of completeness are the suspensions 9 of the outer container 1 mentioned for example in a motor vehicle, as well as mentions that it may be the inner container to a type-3-pressure vessel (according to official categorization). This consists of a metallic liner and a CFRP reinforcement. In principle, however, type 1 and type 2-pressure containers for the inner container are conceivable, but they are less favorable in terms of their weight.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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  • DE 10128516 A1 [0001, 0002, 0005] DE 10128516 A1 [0001, 0002, 0005]

Claims (3)

Verfahren zum Bestimmen der Masse des in einem Kryodrucktank gespeicherten Mediums, wobei der Kryodrucktank einen Außenbehälter (1) und einen innerhalb dessen über ein Festlager (3) und zumindest ein Loslager (4) gelagerten Innenbehälter (2) aufweist, in welchem das besagte Medium tiefkalt und unter Druckwerten in der Größenordnung von mehreren hundert Bar speicherbar ist, und das oder die Loslager (4) vorgesehen ist oder sind, um Änderungen der Abmessungen des Innenbehälters (2), welche auf Änderungen von dessen Temperatur und/oder Innendruck zurückzuführen sind, auszugleichen, indem ein dem Innenbehälter (2) zugeordnetes Teil (42) des Loslagers (4) gegenüber einem dem Außenbehälter (1) zugeordneten Teil (41) des Loslagers (4) zumindest geringfügig verlagerbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass mittels einer im Loslager (4) vorgesehenen Messvorrichtung (7) die Lageänderungen des dem Innenbehälter (2) zugeordneten Loslager-Teils (42) gegenüber dem fest mit dem Außenbehälter (1) verbundenen Loslager-Teil (41) erfasst werden und aus diesen Lageänderungen anhand einer in einer elektronischen Steuereinheit hinterlegten Zuordnung auf die im Innenbehälter (2) enthaltene Masse des gespeicherten Mediums geschlossen wird.Method for determining the mass of the medium stored in a cryopressure tank, wherein the cryopressank comprises an outer container ( 1 ) and one within it via a fixed storage ( 3 ) and at least one floating bearing ( 4 ) stored inner container ( 2 ), in which the said medium is cryogenic and storable under pressure values of the order of several hundred bars, and the floating bearing (s) ( 4 ) is or are to change the dimensions of the inner container ( 2 ), which are due to changes in its temperature and / or internal pressure, compensate by the inner container ( 2 ) associated part ( 42 ) of the floating bearing ( 4 ) relative to the outer container ( 1 ) associated part ( 41 ) of the floating bearing ( 4 ) is at least slightly displaceable, characterized in that by means of a floating bearing ( 4 ) provided measuring device ( 7 ) the position changes of the inner container ( 2 ) associated movable bearing part ( 42 ) with respect to the fixed with the outer container ( 1 ) associated floating bearing part ( 41 ) are detected and from these changes in position based on a stored in an electronic control unit assignment to the in the inner container ( 2 ) contained mass of the stored medium is closed. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Zuordnung experimentell bestimmt ist.The method of claim 1, wherein the assignment is determined experimentally. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2 mit einer Messvorrichtung (7) zur Bestimmung der im Loslager (4) feststellbaren Lageänderungen und einer elektronischen Steuereinheit, welche mit diesen Lageänderungen auf Basis der hinterlegten Zuordnung die im Innenbehälter (2) enthaltene Masse von gespeichertem Medium bestimmt.Device for carrying out the method according to claim 1 or 2 with a measuring device ( 7 ) for the determination of in the floating warehouse ( 4 ) detectable changes in position and an electronic control unit, which with these changes in position on the basis of the stored assignment in the inner container ( 2 ) mass of stored medium.
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