DE102014209919A1

DE102014209919A1 - Kryodruckbehälter

Info

Publication number: DE102014209919A1
Application number: DE102014209919.6A
Authority: DE
Inventors: Hans-Ulrich Stahl
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2014-05-23
Filing date: 2014-05-23
Publication date: 2015-11-26

Abstract

Nach der Erfindung ist ein Kryodruckbehälter mit einem zylindrischen Mantel und abgerundeten Stirnseiten zur tiefkalten Speicherung eines kryogenen Fluids im überkritischen Aggregatzustand, mit überkritischem Druck und mit überkritischer Temperatur, bestehend wenigstens aus einer wenigstens Festigkeit herstellenden Behälterwand aus Kohlefaser verstärktem Kunststoff (2) mit wenigstens einer Befüll- und Entnahmeeinrichtung für das zu speichernde Fluid, die wenigstens eine zentrisch entlang der Zylinderlängsachse verlaufende Öffnung des Kryodruckbehälters (5) und eine von dieser Öffnung ausgehende, in einen Innenraum des Kryodruckbehälters führende Leitung (8) für das kyogene Fluid umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitung im Innenraum des Kryotruckbehälters so geführt ist, dass wenigstens ein Leitungsende für eine Entnahme von gespeichertem Fluid, dieses an einer Stelle im Kryodruckbehälter entnimmt, deren Lage bezogen auf den Innenraum des Kryodruckbehälters oben in diesem, insbesondere in dessen oberem Viertel liegt.

Description

Die Erfindung betrifft einen Kryodruckbehälter zur Speicherung von tiefkaltem Fluid in überkritischem Zustand, nach dem Oberbegriff des ersten Anspruchs.
Wasserstoff ist bereits seit Jahren als Treibstoff für Kraftfahrzeuge bekannt. Dieser wird nach dem Stand der Technik typischerweise in einem Kryodruckbehälter als kondensiertes, siedendes Gas, zum Beispiel bei Temperaturen von ca. 21 K bis ca. 27 K gespeichert. Im unteren Bereich des Behälters liegt der siedende Wasserstoff dann als massedichtere flüssige Phase (LH2) und darüber liegend als gasförmige Phase (GH2) vor.
Die DE 195 44 593 C5 beschreibt einen solchen Kryobehälter für Kryokraftstoffe, bei dem deren Entnahme durch eine Entnahmeleitung über ein Absperr- und ein Regelventil erfolgt. Die Entnahmeleitung ist dazu im oberen Bereich so im Kryobehälter angeordnet, dass der Kryokraftstoff in seiner Gasphase entnommen werden kann. Weitere Entnahmeleitungen, wenigstens eine für die flüssige und wenigstens eine Sicherheitsventilleitung in der gasförmigen Phase sind vorgesehen. Im Kryobehälter werden die Entnahmeleitungen für die flüssige und die gasförmige Phase zu einer zu dem Verbraucher des Kryokraftstoffs führenden Leitung zusammengeführt.
Des Weiteren sind Betriebsarten für einen Kryobehälter bekannt, bei denen der Kryokraftstoff, hier Wasserstoff, bei überkritischer Temperatur und überkritischem Druck als Fluid im überkritischen Aggregatzustand gespeichert wird. Ein Befüllungsverfahren für einen Kryobehälter zur überkritischen Speicherung beschreibt die DE 10 2007 011 530 A1 . Da sich die Erfindung ausschließlich auf eine solche Art der Kryokraftstoffspeicherung bezieht, wird bezüglich des Offenbarungsgehalts ausdrücklich auf die Beschreibung von DE 10 2007 011 530 A1 verwiesen.
Der vorgesehene Kryobehälter ist zur Entnahme des Wasserstoffes sowie zur Befüllung mit Wasserstoff mit einer Befüllleitung und einer Rückgasleitung versehen, die üblicherweise jeweils mittels eines Ventils verschließbar sind. Die thermische Isolation des Behälters ist entweder als Feststoff- oder als Vakuumsisolierung ausgeführt. Bevorzugt sind Behälter eingesetzt, die maximalen Druckbelastungen bis 350 bar standhalten, es kann jedoch auch ein Einsatz von Behältern mit höheren maximalen Druckbelastbarkeiten angezeigt sein. Solche Kryobehälter sind nach dem Stand der Technik schichtweise aufgebaut und besitzen zum Beispiel als innere Schicht einen Liner aus Aluminium, verstärkt durch Wicklungen aus kohlefaserverstärktem Kunststoff, abgekürzt CFK, als äußere Schicht. Bedingt durch die CFK-Wickeltechnik und die kreiszylindrische Form für Hochdruckbehälter befindet sich eine Behälteröffnung zum Durchtritt von Leitungen, günstigerweise in axialer Richtung verlaufend, in der Nähe der Kreiszylinder-Mittenachse oder deckungsgleich mit dieser. Deshalb liegt es nahe, den Kryokraftstoff in der Nähe der Tankmittelachse zu entnehmen.
Bei dieser Art der Entnahme, in Höhe der Tankmittelachse, ist das entnommene Wasserstoff-Fluid kälter als notwendig, da einerseits aufgrund der vorliegenden Temperaturschichtung im Kryobehälter die oberen Wasserstofffluidschichten aufgrund ihrer geringeren Dichte wärmer sind als die unteren Wasserstofffluidschichten und andererseits, für den Gebrauch von Wasserstoff als Kraftstoff für eine Brennstoffzelle, das entnommene Wasserstofffluid erst über einen Wärmetauscher erwärmt werden muss, um eine für die Brennstoffzelle verträgliche Temperatur zu erreichen. Deshalb muss das Wasserstofffluid stärker erwärmt werden, als eigentlich notwendig und die Tanktemperatur ist bei oder nach Entnahme eigentlich wärmer als sie sein könnte.
Diese Nachteile zu vermeiden ist Aufgabe der Erfindung. Es ist einerseits ein geringerer Wärmebedarf für die Erwärmung des kryogen gespeicherten Wasserstofffluids zu erreichen bei andererseits geringerer Tanktemperatur bei und nach Entnahme des Wasserstofffluids. Die Wasserstoffverluste durch Erreichen des Abblasedrucks sind zu minimieren.
Die Aufgabe wird mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung beschreiben die abhängigen Ansprüche.
Nach der Erfindung ist ein Kryodruckbehälter zur tiefkalten Speicherung eines kryogenen Fluids im überkritischen Aggregatzustand, mit überkritischem Druck und mit überkritischer Temperatur, mit wenigstens einer Entnahmeeinrichtung für das zu speichernde Fluid, die wenigstens eine zentrisch entlang der Zylinderlängsachse verlaufende Öffnung des Kryodruckbehälters (5) und eine von dieser Öffnung ausgehende, in einen Innenraum des Kryodruckbehälters führende Leitung für das kyogene Fluid umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitung im Innenraum des Kryotruckbehälters so geführt ist, dass wenigstens ein Leitungsende für eine Entnahme von gespeichertem Fluid, an einer Stelle im Kryodruckbehälter platziert ist, deren Lage bezogen auf den Innenraum des Kryodruckbehälters oben in diesem, insbesondere in dessen oberem Viertel liegt.
Durch eine Entnahmeöffnung im oberen Kryodruckbehälterbereich wird Wasserstoff aus den wärmsten Fluid-Schichten entnommen. Das hat den Vorteil, dass dadurch geringere Wasserstoffverluste durch Abblasen entstehen und eine größere Behälterkapazität erreicht wird, da ein kalter Kryodruckbehälter eine größere Masse an Wasserstoff-Fluid aufnimmt.
Eine bevorzugte Ausführung der Erfindung besitzt einen zylindrischen Mantel und abgerundete Stirnseiten und besteht wenigstens aus einer wenigstens Festigkeit herstellenden Behälterwand aus faserverstärktem Kunststoff.
Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sehen vor, dass das Leitungsende im Kryodruckbehälter-Innenraum für die Entnahme von Fluid im Zenit des Kryodruckbehälter-Innenraums oder diesem so nahe wie technisch möglich liegt, was einer Optimierung bezüglich der Höhenlage der Entnahmeöffnung gleichkommt.
Für die Herstellung des Kryodruckbehälters ist es günstig, dass dieser im Betriebszustand eine horizontal verlaufende Zylinderlängsachse besitzt, wobei dann günstige Austrittsrichtungen des Fluids beim Austreten aus dem Leitungsende in den Kryodruckbehälter-Innenraum bei dessen Befüllung parallel oder windschief zur Kreiszylinder-Mittenachse verlaufen.
Für die Langlebigkeit des Kryodruckbehälters bezüglich Festigkeit und Dichtigkeit ist es von Vorteil, wenn dessen Behälterwand aus wenigstens zwei Schichten besteht, aus einer wenigstens Dichtigkeit gewährleistenden metallischen Innenschicht und aus der wenigstens Festigkeit gewährleitenden Behälterwand aus Kohlefaser verstärktem Kunststoff als Aussenschicht. Wenn dann noch wenigstens eine weitere Behälterwandschicht, eine SuperIsolationsschicht, in der Vakuum vorliegt, sowie eine dieses Vakuum einschließende Außenhülle, die CFK-Wicklung umgibt, ist die Effizienz für die Speicherung eines kryogenen Fluids besonders groß und die Notwendigkeit des Abblasens wird minimiert. Dann eignet sich der Kryodruckbehälter besonders für einen Einbau in ein Kraftfahrzeug als Speicher für ein Betriebsmittel eines Antriebsaggregats.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand zweier bevorzugter Ausführungsbeispiels weiter erläutert. 1 zeigt in einem Längsschnitt ein Beispiel für einen Kryodrucktank gemäß der Erfindung mit den für deren Verständnis erforderlichen Merkmalen und 2 zeigt einen Querschnitt des Kryodrucktanks entsprechend 1. Während 3 in einem Längsschnitt ein weiteres Beispiel für einen Kryodrucktank gemäß der Erfindung mit den für deren Verständnis erforderlichen Merkmalen zeigt und 4 einen Querschnitt des Kryodrucktanks entsprechend 3. Es werden in allen Figuren die gleichen Bezugszeichen für dieselben Merkmale verwendet.
Ein Kryodrucktank zur Speicherung von tiefkaltem Wasserstoff zur Versorgung eines nicht dargestellten Verbrauchers, beispielsweise einer Brennkraftmaschine und/oder einer Brennstoffzelle eines Kraftfahrzeugs, unter überkritischem Druck und überkritischer Temperatur, also bei 13 bar oder höher und 33 K oder tiefer, besteht wenigstens aus einem gasdichten Liner 1 aus Aluminium, innerhalb dessen, im Kryodruckbehälter-Innenraum 7, sich ein kryogen gespeichertes Wasserstoff-Fluid im überkritischen Aggregatzustand befindet und aus einer den Liner 1 umgebenden, dessen Festigkeit garantierenden, Schicht 2 aus Kohlefaser verstärktem Kunststoff, aufgebracht auf den Liner 1 als CFK-Wicklung. In den Figuren nicht gezeichnet sind weitere mögliche Wandschichten, zum Beispiel eine die CFK-Wicklung umgebende Super-Isolationsschicht, in der im Wesentlichen Vakuum vorliegt, sowie eine dieses Vakuum einschließende Außenhülle.
Über eine kombinierte, hier einflutige, Befüll- und Entnahmeleitung 3 wird der Kryodrucktank mit kryogenem Wasserstoff-Fluid im überkritischen Zustand befüllt und es wird über diese Befüll- und Entnahmeleitung 3 Wasserstoff-Fluid aus dem Kryodrucktank entnommen. Dazu eventuell nötige Ventile und Wärmetauscher und die Versorgungsleitungen hierzu sind nicht dargestellt, bis auf die Befüll- und Entnahmeleitung 3, die letztlich zur Versorgung des Verbrauchers, zum Beispiel einer Brennstoffzelle eines Kraftfahrzeugs, beziehungsweise zur Befüllung des Kryodrucktanks, aus diesem durch eine Behälteröffnung 4 heraus geführt ist. Diese Behälteröffnung 4, zum Durchtritt von Leitungen, verläuft in axialer Richtung deckungsgleich mit einer Kreiszylinder-Mittenachse 5 des Kryodrucktanks. Es liegt nahe, die Befüll- und Entnahmeleitung 3 dort aus dem Kryodrucktank herauszuführen, da die CFK-Wicklungen vom Fertigungsprozess her so gelegt werden können, dass die Behälteröffnung 4 diese dort nicht quer durchbrechen muss, sondern dass die CFK-Wicklungen um die Behälteröffnung 4, diese mit formend und verstärkend, herum gelegt werden können.
Da sich im Behälter aufgrund des überkritischen Aggregatzustands keine flüssige Phase ausbildet, allerdings eine Temperaturschichtung von unten nach oben im Wasserstoff-Fluid vorliegt, ist es günstig, die Entnahmeöffnung 6 der Befüll- und Entnahmeleitung 3 möglichst weit oben in den Zenit des Kryodruckbehälter-Innenraums 7 zu führen und diesen so im Kraftfahrzeug zu montieren, dass sich die Entnahmeöffnung 6 der Befüll- und Entnahmeleitung 3 bei horizontal verlaufender Zylinderlängsachse 5, geodätisch gesehen, oben befindet. Es wird so das wärmste Wasserstofffluid aus dem Behälter-Innenraum 7 entnommen, was die Standzeit der Wasserstoffspeicherung und somit die Abblasfrequenz für das Fluid erhöht, wobei die einzubringende Energie zur Erwärmung des Wasserstofffluids zum Gebrauch für den Verbraucher gleichzeitig minimiert wird. Dabei ist selbstverständlich, dass das Leitungsende 6 für die Entnahme von Fluid nur so weit oben als technisch möglich in den Zenit des Kryodruckbehälter-Innenraums 7 gelegt werden kann.
Mit dem Pfeil 8 ist die Austrittsrichtung des Wasserstofffluids bei dessen Austritt aus dem Leitungsende 6 bei der Befüllung des Kryodruckbehälters angedeutet gezeichnet. Im Ausführungsbeispiel nach den 1 und 2 ist die Austrittrichtung parallel zur Kreiszylinder-Mittenachse 5. Im weiteren Ausführungsbeispiel nach den 3 und 4 ist die Austrittrichtung windschief zur Kreiszylinder-Mittenachse 5.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 19544593 C5 [0003]
DE 102007011530 A1 [0004]

Claims

Kryodruckbehälter zur tiefkalten Speicherung eines kryogenen Fluids im überkritischen Aggregatzustand, mit überkritischem Druck und mit überkritischer Temperatur, mit wenigstens einer Entnahmeeinrichtung für das zu speichernde Fluid, die wenigstens eine zentrisch entlang der Zylinderlängsachse (5) verlaufende Öffnung (4) des Kryodruckbehälters und eine von dieser Öffnung (4) ausgehende, in einen Innenraum (7) des Kryodruckbehälters führende Leitung (3) für das kyogene Fluid umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitung (3) im Innenraum (7) des Kryotruckbehälters so geführt ist, dass wenigstens ein Leitungsende (6) für eine Entnahme von gespeichertem Fluid, an einer Stelle im Kryodruckbehälter platziert ist, deren Lage bezogen auf den Innenraum (7) des Kryodruckbehälters oben in diesem, insbesondere in dessen oberem Viertel liegt.
Kryodruckbehälter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass dieser einen zylindrischen Mantel und abgerundete Stirnseiten besitzt und wenigstens aus einer wenigstens Festigkeit herstellenden Behälterwand (12) aus faserverstärktem Kunststoff umfasst.
Kryodruckbehälter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Leitungsende (6) im Kryodruckbehälter-Innenraum (7) für die Entnahme von und/oder Befüllung mit Fluid im Zenit des Kryodruckbehälter-Innenraums (7) oder diesem so nahe wie technisch möglich liegt.
Kryodruckbehälter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass dieser im Betriebszustand eine horizontal verlaufende Zylinderlängsachse (5) besitzt.
Kryodruckbehälter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Austrittsrichtung (Pfeil 8) des Fluids beim Austreten aus dem Leitungsende (6) in den Kryodruckbehälter-Innenraum (7) bei dessen Befüllung parallel oder windschief zur Kreiszylinder-Mittenachse 5 verläuft.
Kryodruckbehälter nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass dessen Behälterwand aus wenigstens zwei Schichten (1, 2) besteht, aus einer wenigstens Dichtigkeit gewährleistenden metallischen Innenschicht (1) und aus der wenigstens Festigkeit gewährleitenden Behälterwand aus Kohlefaser verstärktem Kunststoff, CFK, als Aussenschicht (2).
Kryodruckbehälter nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine weitere Behälterwandschicht, eine Super-Isolationsschicht, in der Vakuum vorliegt, sowie eine dieses Vakuum einschließende Außenhülle, die CFK-Wicklung umgibt.
Kryodruckbehälter nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass dieser in ein Kraftfahrzeug als Speicher für ein Betriebsmittel eines Antriebsaggregats eingebaut ist.