DE102015209028A1 - Cryogenic pressure vessel system - Google Patents

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Hans-Ulrich Stahl
Timo Gutmann
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Abstract

Die hier offenbarte Technologie betrifft ein kryogenes Druckbehältersystem. Es umfasst: 1) einen kryogenen Druckbehälter 100 zur Speicherung von Brennstoff; 2) einen Zwischenspeicher 320 der mit dem kryogenen Druckbehälter 100 fluidverbunden ist; und 3) ein Entlastungsventil 310, dass eine Fluidverbindung zwischen dem Zwischenspeicher 320, und dem kryogenen Druckbehälter freigibt, wenn der Druck im kryogenen Druckbehälter oberhalb eines Grenzdruckes liegt. Der Zwischenspeicher 320 ist ausgebildet, während einer inaktiven Phase der Brennstoffverbraucher zur Druckentlastung des kryogenen Druckbehälters Brennstoff aufzunehmen. Der Zwischenspeicher 320 ist ausgebildet, den Brennstoff chemisch zu speichern und/oder physikalisch zu sorbieren.The technology disclosed herein relates to a cryogenic pressure vessel system. It comprises: 1) a cryogenic pressure vessel 100 for storing fuel; 2) a latch 320 fluidly coupled to the cryogenic pressure vessel 100; and 3) a relief valve 310 that provides fluid communication between the latch 320 and the cryogenic pressure vessel when the pressure in the cryogenic pressure vessel is above a threshold pressure. The buffer 320 is designed to receive fuel during an inactive phase of the fuel consumers for pressure relief of the cryogenic pressure vessel. The buffer 320 is configured to chemically store and / or physically sorb the fuel.

Description

Die hier offenbarte Technologie betrifft ein kryogenes DruckbehältersystemThe technology disclosed herein relates to a cryogenic pressure vessel system

Kryogene Druckbehälter sind aus dem Stand der Technik bekannt. Ein solcher Druckbehälter umfasst einen Innenbehälter sowie einen diesen unter Bildung eines superisolierten (z. B. evakuierten) (Zwischen)Raumes umgebenden Außenbehälter. Kryogene Druckbehälter werden bspw. für Kraftfahrzeuge eingesetzt, in denen ein unter Umgebungsbedingungen gasförmiger Kraftstoff tiefkalt und somit im überkritischen Aggregatszustand im Wesentlichen also mit gegenüber den Umgebungsbedingungen deutlich höherer Dichte gespeichert wird. Solche Kraftstoffe werden tiefkalt in den kryogenen Druckbehältern gespeichert. Es sind daher hochwirksame Isolationshüllen (z. B. Vakuumhüllen) vorgesehen. Beispielsweise offenbart die EP 1 546 601 B1 einen solchen Druckbehälter.Cryogenic pressure vessels are known in the art. Such a pressure vessel comprises an inner container as well as an outer container surrounding it to form a super-isolated (eg evacuated) (intermediate) space. For example, cryogenic pressure vessels are used for motor vehicles in which a fuel which is gaseous under environmental conditions is cryogenically stored and thus substantially stored in the supercritical state of aggregation with a significantly higher density than the ambient conditions. Such fuels are stored cryogenic in the cryogenic pressure vessels. Therefore, highly effective insulation sheaths (eg vacuum envelopes) are provided. For example, the EP 1 546 601 B1 such a pressure vessel.

Trotz guter thermischer Isolation erwärmt sich der gespeicherte Kraftstoff langsam. Dabei steigt zeitgleich der Druck im Druckbehälter langsam an. Wird ein Grenzdruck überschritten, so muss der Kraftstoff über geeignete Sicherheitseinrichtungen entweichen, um ein Bersten des kryogenen Druckbehälters zu vermeiden. Hierzu werden druckbetätigte Entlastungsventile eingesetzt, die ein kontinuierliches oder schrittweises Entweichen des Mediums erlauben. Den Entlastungsventilen nachgeschaltet kommt beispielsweise ein sogenanntes Blow-Off Management-System bzw. Boil-Off-Management-System (nachstehend: BMS) zum Einsatz. Diese Systeme lassen ein Entweichen von Kraftstoff zu, wobei in einem katalytischen Konverter Wasserstoff mit dem Sauerstoff aus der Umgebungsluft zu Wasser synthetisiert, um die Freisetzung von explosiven Gasgemischen zu vermeiden. Die chemische Reaktion zwischen Wasserstoff und Sauerstoff führt dabei zu einer Reduktion des Sauerstoffgehaltes in geschlossenen Räumen (z. B. Garage). Eine Verarmung von Sauerstoff in geschlossen Räumen würde ein Gefährdungspotenzial für den Menschen darstellen.Despite good thermal insulation, the stored fuel heats up slowly. At the same time, the pressure in the pressure vessel rises slowly. If a limit pressure is exceeded, the fuel must escape via suitable safety devices in order to avoid bursting of the cryogenic pressure vessel. For this purpose, pressure-operated relief valves are used, which allow a continuous or gradual escape of the medium. Downstream of the relief valves, for example, a so-called blow-off management system or boil-off management system (hereinafter BMS) is used. These systems allow fuel to escape, whereby in a catalytic converter, hydrogen is synthesized with the oxygen from the ambient air to water to avoid the release of explosive gas mixtures. The chemical reaction between hydrogen and oxygen leads to a reduction of the oxygen content in closed rooms (eg garage). A depletion of oxygen in closed spaces would pose a hazard to humans.

Die DE 10 2004 062 155 A1 offenbart eine Kraftstoffversorgungseinrichtung mit einem Druckgasspeicher, der als Zwischenspeicher auch während der Stillstandszeit des Verbrauchers beladen werden kann und nicht nur während dessen Betrieb. Es handelt sich hierbei jedoch um einen Zwischenspeicher einer Hauptversorgungsleitung zu den Verbrauchern.The DE 10 2004 062 155 A1 discloses a fuel supply device with a compressed gas storage, which can be loaded as a buffer even during the downtime of the consumer and not only during its operation. However, this is a buffer of a main supply line to the consumers.

Aus der EP 0 745 499 B1 ist ein Verfahren mit Zwischenspeicherung der Boil-off-Gase und katalytischer Oxidation für flüssiges Erdgas als kryogener Kraftstoff bekannt. Der Zwischenspeicher ist aber nicht hinter einem Druckregelventil angeordnet, welches den Zulauf an Boil-off Gas zum katalytischen Konverter regelt.From the EP 0 745 499 B1 For example, a method of buffering the boil-off gases and catalytic oxidation for liquid natural gas as cryogenic fuel is known. However, the buffer is not arranged behind a pressure regulating valve which regulates the feed to boil-off gas to the catalytic converter.

In der DE 100 21 681 C2 ist ein Energiespeichersystem mit einem ersten Speicher versehen. Das Energiespeichersystem umfasst ferner einen zweiten Hochdruckspeicher zum Speichern von im ersten Speicher verdampftem Energieträger.In the DE 100 21 681 C2 An energy storage system is provided with a first memory. The energy storage system further comprises a second high-pressure accumulator for storing fuel evaporated in the first accumulator.

Es ist eine Aufgabe der hier offenbarten Technologie, die Nachteile der vorbekannten Lösungen zu verringern oder zu beheben. Weitere Aufgaben ergeben sich aus den vorteilhaften Effekten der hier offenbarten Technologie. Die Aufgabe(n) wird/werden gelöst durch den Gegenstand des Patentanspruchs 1. Die abhängigen Ansprüche stellen bevorzugte Ausgestaltungen dar.It is an object of the technology disclosed herein to reduce or eliminate the disadvantages of the prior art solutions. Other objects arise from the beneficial effects of the technology disclosed herein. The object (s) is / are solved by the subject matter of claim 1. The dependent claims are preferred embodiments.

Die hier offenbarte Technologie betrifft ein kryogenes Druckbehältersystem mit mindestens einem kryogenen Druckbehälter zur Speicherung von Brennstoff für ein Kraftfahrzeug. Der Druckbehälter kann in einem Kraftfahrzeug eingesetzt werden, das beispielsweise mit komprimiertem Erdgas, oft als Compressed Natural Gas (CNG) bezeichnet, oder mit Wasserstoff betrieben wird. Der kryogene Druckbehälter kann Brennstoff im überkritischen Aggregatszustand speichern. Der Brennstoff kann beispielsweise Wasserstoff sein, der bei Temperaturen von ca. 30 K bis 360 K im kryogenen Druckbehälter gespeichert wird. Der kryogene Druckbehälter kann insbesondere einen Innenbehälter umfassen, der ausgelegt ist für Speicherdrücke bis ca. 1200 barü, bevorzugt bis ca. 875 barü, und besonders bevorzugt bis ca. 350 barü.The technology disclosed herein relates to a cryogenic pressure vessel system having at least one cryogenic pressure vessel for storing fuel for a motor vehicle. The pressure vessel can be used in a motor vehicle, which is for example operated with compressed natural gas, often referred to as compressed natural gas (CNG), or with hydrogen. The cryogenic pressure vessel can store fuel in the supercritical state of aggregation. The fuel may for example be hydrogen, which is stored at temperatures of about 30 K to 360 K in the cryogenic pressure vessel. The cryogenic pressure vessel may in particular comprise an inner container which is designed for storage pressures up to about 1200 barü, preferably up to about 875 barü, and particularly preferably up to about 350 barü.

Das kryogene Druckbehältersystem umfasst ferner einen Zwischenspeicher, der mit dem kryogenen Druckbehälter fluidverbunden ist. Es handelt sich also um einen Speicher, der über eine Leitung an den Druckbehälter angeschlossen ist. Ferner umfasst das Druckbehältersystem ein Überdruck bzw. Entlastungsventil (nachstehend: Entlastungsventil). Das Entlastungsventil gibt die Fluidverbindung zwischen Zwischenspeicher und kryogenen Druckbehälter frei, wenn der Druck im kryogenen Druckbehälter oberhalb eines Grenzdruckes liegt. Der Grenzwert kann beispielsweise leicht unterhalb des maximalen Betriebsdrucks des kryogenen Druckbehälters liegen. Wird dieser Grenzdruck aufgrund von Wärmeeintrag erreicht, so findet eine Druckentlastung statt, um einer Beschädigung des Druckbehälters vorzubeugen. Der Zwischenspeicher ist insbesondere ausgebildet, während einer inaktiven Phase der, insbesondere aller, Brennstoffverbraucher zur Druckentlastung des kryogenen Druckbehälters Brennstoff aufzunehmen. Brennstoffverbraucher sind dabei alle Aggregate, die Brennstoff beziehen und dessen chemische Energie in andere Energieformen umwandeln, die für den Fahrzeugbetrieb im weitesten Sinn nutzbar ist. Das BMS selbst ist nicht als ein solcher Brennstoffverbraucher anzusehen. Beispielsweise kann der Brennstoffverbraucher eine Brennstoffzelle oder eine Brennkraftmaschine sein. Der Zwischenspeicher ist zweckmäßig ausgebildet, den Brennstoff chemisch zu speichern und/oder physikalisch zu sorbieren.The cryogenic pressure vessel system further includes a buffer fluidly connected to the cryogenic pressure vessel. So it is a memory that is connected via a line to the pressure vessel. Further, the pressure vessel system includes a relief valve (hereinafter: relief valve). The relief valve releases the fluid communication between the buffer and the cryogenic pressure vessel when the pressure in the cryogenic pressure vessel is above a threshold pressure. For example, the threshold may be slightly below the maximum operating pressure of the cryogenic pressure vessel. If this limit pressure is reached due to heat input, a pressure relief takes place in order to prevent damage to the pressure vessel. The temporary storage device is in particular designed to receive fuel during an inactive phase of, in particular, all fuel consumers for pressure relief of the cryogenic pressure vessel. Fuel consumers are all aggregates that receive fuel and convert its chemical energy into other forms of energy that can be used for vehicle operation in the broadest sense. The BMS itself is not as one view such fuel consumers. For example, the fuel consumer may be a fuel cell or an internal combustion engine. The buffer is expediently designed to chemically store and / or physically sorb the fuel.

Der Brennstoff, nachfolgend wird exemplarisch von Wasserstoff ausgegangen, wird nicht im BMS mit Luftsauerstoff abreagiert, sondern er wird von mindestens einem anderen Reaktionspartner chemisch gebunden (z. B. Liquid Organic Hydrogen Carrier (LOHC), Barium) und/oder physikalisch sorbiert (z. B. durch Zeolithe, Metal Organic Frameworks, Carbon Nanotubes oder Aktivkohle).The fuel, hereinafter exemplified by hydrogen, is not reacted with atmospheric oxygen in the BMS, but is chemically bound by at least one other reactant (eg Liquid Organic Hydrogen Carrier (LOHC), barium) and / or physically sorbed (eg B. by zeolites, metal organic frameworks, carbon nanotubes or activated carbon).

Dieser Reaktions- bzw. Sorptionspartner, bevorzugt in fester oder flüssiger Form, befindet sich selbst beispielsweise in einem Druckbehälter, in dem über das oben beschriebene Entlastungsventil der Blow-Off-Massenstrom eingeleitet wird. Durch Druckerhöhung im Druckbehälter wird die Gleichgewichtsreaktion auf die Seite des gebundenen bzw. adsorbierten bzw. absorbierten Wasserstoffs verschoben, wodurch sich der Druck wiederum reduziert.This reaction or sorption partner, preferably in solid or liquid form, is itself, for example, in a pressure vessel in which the blow-off mass flow is introduced via the relief valve described above. By increasing the pressure in the pressure vessel, the equilibrium reaction is shifted to the side of the bound or adsorbed or absorbed hydrogen, which in turn reduces the pressure.

Ist der Reaktionspartner aufgebraucht bzw. die zur Verfügung stehende Oberfläche belegt, tritt eine Sättigung ein. Der Druck im Druckbehälter wird dann nach Einleitung von Blow-Off-Wasserstoff nicht mehr wie gewohnt sinken. Spätestens dann muss der Reaktions-/Sorptionspartner entweder ausgetauscht oder regeneriert werden. Beispielsweise bei Fahrt könnte die Regeneration stattfinden. Mit anderen Worten kann mindestens eine Regenerationsvorrichtung vorgesehen sein, die ausgebildet ist, während einer aktiven Phase von mindestens einem Brennstoffverbraucher den Zwischenspeicher zu regenerieren.If the reaction partner is used up or the available surface is occupied, saturation occurs. The pressure in the pressure vessel will then no longer sink as usual after the initiation of blow-off hydrogen. At the latest, the reaction / sorption partner must either be replaced or regenerated. For example, when driving the regeneration could take place. In other words, at least one regeneration device may be provided, which is designed to regenerate the intermediate storage during an active phase of at least one fuel consumer.

Der Zwischenspeicher kann bevorzugt als Austauschartikel (Einwegartikel oder Mehrwegartikel) ausgestaltet sein, insbesondere als auswechselbare Kartusche. Bevorzugt derart, dass eine volle(r) bzw. beladene(r) bzw. verbrauchte(r) Kartusche bzw. Zwischenspeicher durch eine(n) leere(n) bzw. unbeladene(r) bzw. unverbrauchte(r) Kartusche bzw. Zwischenspeicher ersetzt werden kann. Es kann bevorzugt vorgesehen sein, dass der Zwischenspeicher nicht regenerierbar ist. Im Fahrzeugaufbau spart man sich dann alle Komponenten, die für die Regeneration notwendig wären, was positive Effekte bzgl. Bauraum, Gewicht und Kosten mit sich bringen kann.The buffer may preferably be designed as a replacement article (disposable article or reusable article), in particular as an exchangeable cartridge. Preferably, such that a full or loaded cartridge or intermediate storage means is empty or empty or empty or empty can be replaced. It can preferably be provided that the buffer is not regenerable. The vehicle structure saves all the components that would be necessary for regeneration, which can bring positive effects in terms of installation space, weight and costs.

Unter dem Begriff „inaktiven Phase der Brennstoffverbraucher” ist eine Phase der Nichtbenutzung anzusehen, insbesondere ein längeres Zeitintervall, während dessen dieses Aggregat grundsätzlich nicht benötigt wird und daher nicht in Betrieb ist.The term "inactive phase of the fuel consumer" is a phase of non-use, in particular a longer time interval, during which this unit is basically not needed and therefore is not in operation.

Die hier offenbarte Technologie wird nun anhand der schematischen 1 erläutert. Der kryogene Druckbehälter 100 umfasst ein Ende 110, an dem der Brennstoff, hier Wasserstoff, entnommen wird. Eine Hauptleitung 220 ist mit einem Brennstoffverbraucher 200, hier eine Brennstoffzelle, verbunden. Während des Betriebs der Brennstoffzelle 200 fließt der Brennstoff über einen Druckminderer 210 zur Brennstoffzelle 200. Ist die Brennstoffzelle 200 nicht in Betrieb, so führt ein längerer Stillstand des Kraftfahrzeuges ohne Betrieb der Brennstoffzelle 200 dazu, dass sich der Brennstoff im Drucktank 100 aufgrund des Wärmeeintrags Q . langsam erwärmt. Der damit verbundene Druckanstieg bringt mit sich, dass das Entlastungsventil 310 die Fluidverbindung 310 zum Zwischenspeicher 320 freigibt. Bei vorbekannten Lösungen ist stromab von diesem Blow-Off-Überdruckventil 310 ein katalytischer Konverter vorgesehen. Dieser ist hier ersetzt durch den Zwischenspeicher 320, der bevorzugt als auswechselbare Kartusche 320 ausgebildet ist, die in einer Zwischenspeicher-Halterung 322 zur lösbaren Halterung des Zwischenspeichers 320 aufgenommen ist. Der Zwischenspeicher ist also weder in der zum Brennstoffverbraucher führenden Hauptbrennstoffleitung noch im Druckbehälter selbst angeordnet. Bevorzugt ist der Zwischenspeicher in einem gut von außen zugänglichen Bereich angeordnet. Somit wird der Austausch eines Einweg- bzw. Mehrwegspeicher erleichtert.The technology disclosed here will now be described with reference to the schematic 1 explained. The cryogenic pressure vessel 100 includes an end 110 where the fuel, here hydrogen, is taken. A main line 220 is with a fuel consumer 200 , here a fuel cell, connected. During operation of the fuel cell 200 the fuel flows through a pressure reducer 210 to the fuel cell 200 , Is the fuel cell 200 not in operation, so leads a longer standstill of the motor vehicle without operation of the fuel cell 200 cause the fuel in the pressure tank 100 due to the heat input Q. warmed up slowly. The associated increase in pressure entails that the relief valve 310 the fluid connection 310 to the cache 320 releases. In prior art solutions is downstream of this blow-off pressure relief valve 310 provided a catalytic converter. This one is replaced by the cache 320 , preferably as a replaceable cartridge 320 is formed, in a cache holder 322 for detachable mounting of the buffer 320 is included. The buffer is thus arranged neither in the main fuel line leading to the fuel consumer nor in the pressure vessel itself. Preferably, the buffer is arranged in a well accessible from the outside area. Thus, the replacement of a disposable or reusable memory is facilitated.

Die vorhergehende Beschreibung der vorliegenden Erfindung dient nur zu illustrativen Zwecken und nicht zum Zwecke der Beschränkung der Erfindung. Im Rahmen der Erfindung sind verschiedene Änderungen und Modifikationen möglich, ohne den Umfang der Erfindung sowie ihrer Äquivalente zu verlassen.The foregoing description of the present invention is for illustrative purposes only, and not for the purpose of limiting the invention. Various changes and modifications are possible within the scope of the invention without departing from the scope of the invention and its equivalents.

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

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  • DE 102004062155 A1 [0004] DE 102004062155 A1 [0004]
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  • DE 10021681 C2 [0006] DE 10021681 C2 [0006]

Claims (6)

Kryogenes Druckbehältersystem, umfassend: – einen kryogenen Druckbehälter (100) zur Speicherung von Brennstoff; – einen Zwischenspeicher (320), der mit dem kryogenen Druckbehälter (100) fluidverbunden ist; und – ein Entlastungsventil (310), dass eine Fluidverbindung zwischen dem Zwischenspeicher (320) und dem kryogenen Druckbehälter freigibt, wenn der Druck im kryogenen Druckbehälter oberhalb eines Grenzdruckes liegt, wobei der Zwischenspeicher (320) ausgebildet ist, während einer inaktiven Phase der Brennstoffverbraucher zur Druckentlastung des kryogenen Druckbehälters Brennstoff aufzunehmen, und wobei der Zwischenspeicher (320) ausgebildet ist, den Brennstoff chemisch zu speichern und/oder physikalisch zu sorbieren.A cryogenic pressure vessel system comprising: - a cryogenic pressure vessel ( 100 ) for storing fuel; - a cache ( 320 ) connected to the cryogenic pressure vessel ( 100 ) is fluidly connected; and - a relief valve ( 310 ) that a fluid connection between the buffer ( 320 ) and the cryogenic pressure vessel releases when the pressure in the cryogenic pressure vessel is above a limit pressure, wherein the buffer memory ( 320 ) is adapted to receive fuel during an inactive phase of the fuel consumers for pressure relief of the cryogenic pressure vessel, and wherein the buffer memory ( 320 ) is adapted to chemically store the fuel and / or physically sorb. Kryogenes Druckbehältersystem nach Anspruch 1, wobei der Zwischenspeicher (320) ebenfalls ein Druckbehälter ist.A cryogenic pressure vessel system according to claim 1, wherein the buffer ( 320 ) is also a pressure vessel. Kryogenes Druckbehältersystem nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der Zwischenspeicher (320) ein Austauschartikel ist.Cryogenic pressure vessel system according to one of the preceding claims, wherein the buffer store ( 320 ) is an exchange article. Kryogenes Druckbehältersystem nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der Zwischenspeicher (320) als auswechselbare Kartusche ausgebildet ist.Cryogenic pressure vessel system according to one of the preceding claims, wherein the buffer store ( 320 ) is designed as a replaceable cartridge. Kryogenes Druckbehältersystem nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der Zwischenspeicher (320) Barium oder Aktivkohle enthält.Cryogenic pressure vessel system according to one of the preceding claims, wherein the buffer store ( 320 ) Contains barium or activated carbon. Kraftfahrzeug mit einem Druckbehältersystem nach einem der vorherigen Ansprüche.Motor vehicle with a pressure vessel system according to one of the preceding claims.
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