DE102015209621A1 - Kraftfahrzeug mit einem kryogenen Druckbehälter und Verfahren zur Steigerung einer Luftaustauschrate - Google Patents

Kraftfahrzeug mit einem kryogenen Druckbehälter und Verfahren zur Steigerung einer Luftaustauschrate Download PDF

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Abstract

Die hier offenbarte Technologie betrifft ein Verfahren und ein Kraftfahrzeug mit einen kryogenen Druckbehälter zur Speicherung von Brennstoff; und eine Vorrichtung zur Steigerung der Luftwechselrate einer Garage.

Description

  • Die hier offenbarte Technologie betrifft ein Kraftfahrzeug mit einem kryogenen Druckbehälter und ein Verfahren zur Steigerung einer Luftaustauschrate.
  • Kryogene Druckbehältersysteme 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 bzw. Brennstoff tiefkalt und somit im flüssigen oder überkritischen Aggregatszustand im Wesentlichen also mit gegenüber den Umgebungsbedingungen deutlich höherer Dichte gespeichert wird. Es sind daher hochwirksame Isolationshüllen (z. B. Vakuumhüllen) vorgesehen. Beispielsweise offenbart die EP 1 546 601 B1 einen solchen Druckbehälter.
  • Trotz guter thermischer Isolation erwärmt sich der gespeicherte Brennstoff langsam. Dabei steigt zeitgleich der Druck im Druckbehälter langsam an. Wird ein Grenzdruck überschritten, so muss der Brennstoff über geeignete Sicherheitseinrichtungen entweichen, um eine Schädigung des kryogenen Druckbehälters zu vermeiden. Hierzu werden druckbetätigte Entlastungsventile eingesetzt, die ein schrittweises Entweichen des Mediums erlauben. Den Entlastungsventilen nachgeschaltet kann beispielsweise ein sogenanntes Blow-Off Management-System bzw. Boil-Off-Management-System (nachstehend: BMS) zum Einsatz kommen. Ein BMS kann einenen katalytischen Konverter aufweisen, der Brennstoff (beispielsweise Wasserstoff) mit dem Sauerstoff aus der Umgebungsluft zu Wasser synthetisiert, um die Freisetzung von explosiven Gasgemischen zu vermeiden. Die chemische Reaktion zwischen Brennstoff und Sauerstoff führt dabei in geschlossenen Räumen (z. B. Garage) zu einer Reduktion des Sauerstoffgehaltes. Eine Verarmung von Sauerstoff in geschlossen Räumen würde ein Gefährdungspotenzial für den Menschen darstellen. Falls bei der katalytischen Umsetzung möglicherweise schädigende Substanzen wie z. B. Kohlendioxid entstehen, wie das typischerweise bei kohlenstoffhaltigen fossilen Brennstoffen wie z. B. „Liquefied Natural Gas” (LNG) der Fall ist, so könnte es auch zu einer Anreicherung von Kohlendioxid kommen. Ein Anstieg des Kohlendioxidgehalts ist aus physiologischen Gründen als kritisch zu bewerten.
  • Das Gefährungspotential hängt insgesamt von der Art des Brennstoffs, von der Güte der Wärmeisolation, vom Volumen der Garage und schließlich von der Luftaustauschrate der Garage ab.
  • Im Fall einer Speicherung von Wasserstoff mit heute verfügbaren thermischen Isolierungen könnte ein relevanter Abfall des Sauerstoffgehalts nur in Erscheinung treten, wenn das Kraftfahrzeug in einer sehr kleinen und überdies nahezu hermetisch abgedichteten Garage abgestellt würde.
  • Zur Vereinfachung wird nachstehend von Wasserstoff als Brennstoff ausgegangen. Die hier offenbarte Technologie ist jedoch auf Wasserstoff nicht beschränkt. Die hier offenbarte Technologie ist auch auf andere Brennstoffe anwendbar, wobei beispielsweise die Anreicherung anderer Schadstoffe verhindert bzw. reduziert wird.
  • Es ist eine Aufgabe der hier offenbarten Technologie, die Nachteile der vorbekannten Lösungen insbesondere für den zuvor geschilderten Extremfall zu verringern oder zu beheben. Insbesondere ist es eine Aufgabe, das Ausmaß der Verringerung an Sauerstoff in sehr kleinen und überdies nahezu hermetisch abgedichteten Garagen zu reduzieren. 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.
  • Die hier offenbarte Technologie betrifft ein Kraftfahrzeug mit einem kryogenen Druckbehälter zur Speicherung von Brennstoff. Der Druckbehälter kann in einem Kraftfahrzeug eingesetzt werden, das beispielsweise mit komprimiertem („Compressed Natural Gas” = CNG) oder verflüssigtem (LNG) Erdgas betrieben wird. Der kryogene Druckbehälter kann Brennstoff im flüssigen oder 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.
  • Ferner umfasst das Kraftfahrzeug eine Vorrichtung zur Steigerung der Luftwechselrate in einer Garage bzw. in einem Parkhaus (nachstehend: Garage), bevorzugt eine Vorrichtung zur Steigerung der Luftwechselrate in einer geschlossenen Garage, insbesondere mit einer geringen Luftwechselrate von weniger als 0,1 pro Stunde, und besonders bevorzugt von weniger als 0,03 pro Stunde. Die Luftwechselrate in der Einheit [1/h] gibt das Vielfache bzw. Minderfache des Raumvolumens an, das pro Stunde ausgetauscht wird.
  • Eine solche Vorrichtung könnte auf unterschiedliche Art und Weise ausgebildet sein. Hier ist einschränkend vorgesehen, dass diese Vorrichtung zur Steigerung der Luftwechselrate im Kraftfahrzeug selbst vorgesehen ist.
  • Sie ist also immer vor Ort (d. h. am Abstellort) verfügbar. Insbesondere vorteilhaft ist neben der Vorrichtung zur Steigerung der Luftwechselrate des Kraftfahrzeuges auch in der Garage eine zweite Vorrichtung bzw. ein zweites System vorgesehen, das bevorzugt unabhängig von der Vorrichtung des Autos die Steigerung der Luftwechselrate vorsieht. Diese Redundanz erhöht die Ausfallsicherheit.
  • Bevorzugt umfasst die Vorrichtung des Kraftfahrzeuges einen Druckgasspeicher bzw. Druckgasbehälter. Es könnten aber auch andere Komponenten am Kraftfahrzeug als Vorrichtung zur Steigerung der Luftwechselrate ausgebildet sein oder bereits im Kraftfahrzeug integrierte Komponenten, z. B. der Ventilator des Kühlers oder ein (Kathodenzuluft-)Kompressor einer Brennstoffzelle als Vorrichtung zur Steigerung der Luftwechselrate eingesetzt werden.
  • Ferner bevorzugt umfasst die Vorrichtung einen Gasförderer, der ausgebildet ist, im geparkten Zustand des Kraftfahrzeuges den Druckgasspeicher zu befüllen und/oder zu entleeren. Bevorzugt kommt hierzu ein Verdichter oder Kompressor zum Einsatz. Der Gasförderer ist fluidverbunden mit dem mindestens einen Druckgasspeicher und ist insbesondere ausgebildet, Umgebungsluft in den Druckgasspeicher zu fördern.
  • Das Kraftfahrzeug umfasst bevorzugt mindestens ein Mittel zur Bestimmung der Sauerstoffkonzentration in der Kraftfahrzeugumgebung und/oder ein Mittel zur Bestimmung der mindestens einen Schadstoffkonzentration in der Kraftfahrzeugumgebung. Das Ermitteln der Sauerstoffkonzentration kann durch mindestens einen Sauerstoffsensor des Kraftfahrzeuges erfolgen. Es kann beispielsweise der Sauerstoffgehalt der das Kraftfahrzeug umgebenden Luft ermittelt werden. Die Sauerstoffkonzentration kann auch durch mindestens eine Lambda-Sonde ermittelt werden. Lambda-Sonden als solche sind bekannt. Eine Lambda-Sonde ist ein Sensor, der in einem Verbrennungsabgas den jeweiligen Restsauerstoffgehalt misst. Daraus kann das Verbrennungsluftverhältnis λ (Verhältnis von Verbrennungsluft zu Brennstoff) bestimmt und damit eingestellt werden. Die Lambda-Sonde kann beispielsweise den Sauerstoffgehalt am Auslass des BMS ermitteln. Lambda-Sonden können auch in einer Brennstoffzelle bzw. in deren Abgasstrang (beispielsweise bei einer Antriebsbrennstoffzelle oder einer „Auxillary Power Unit”) zum Einsatz kommen. Das Kraftfahrzeug kann beispielsweise mindestens eine Komponente umfassen, in bzw. an der der Brennstoff des Kraftfahrzeuges mit Sauerstoff reagiert (nachstehend: Brennstoff-Konverter). Zur Ermittlung der Sauerstoffkonzentration können dann beispielsweise die Betriebsdaten dieser Komponente berücksichtigt werden. Die Komponente kann ein Blow-Off Management-System oder Boil-Off-Management-System (BMS) sein, deren Reaktionswärme ermittelt wird. Durch die Messung der Reaktionswärme im Katalysator des BMS (durch Temperaturvergleich von Katalysator und Umgebung) und des durch die Messung des Tankdrucks bekannten Wasserstoffmassenstroms auf den Sauerstoffgehalt der Umgebungsluft geschlossen werden. Die Komponente kann ferner eine Brennstoffzelle sein. Durch die beim Betrieb einer Brennstoffzelle selbst (ohne Lambda-Sonde) anfallenden Mess- und Regeldaten, ist der Schluss auf den Sauerstoffgehalt möglich. Das zugrundeliegende Prinzip ist dabei, dass die Reaktionswärme (beim BMS) bzw. der elektrische Strom (bei der Brennstoffzelle) proportional zur pro Zeiteinheit mit Wasserstoff umgesetzten Sauerstoffmenge sind. Der Wasserstoffstrom ist aufgrund der Druckmessung bekannt, ebenso der Luftstrom. Bleibt deshalb die Reaktionswärme bzw. der elektrische Strom hinter den erwarteten Werten für den Wasserstoffmassenstrom zurück, muss eine Sauerstoffverarmung vorliegen. Alternativ und/oder zusätzlich zur fahrzeugseitigen Messung der Sauerstoffkonzentration kann auch eine Fahrzeug-externe Messung der Sauerstoffkonzentration erfolgen. Dazu können beispielsweise in einer Garage ein oder mehrere Sauerstoffsensoren vorgesehen sein, die die Sauerstoffkonzentration ermitteln. Die gemessenen Werte können dann an die abgestellten Kraftfahrzeuge kabellos übertragen werden. Insbesondere für andere Brennstoffe als Wasserstoff können bevorzugt die Konzentration(en) von (einem) Schadstoff(en) gemessen werden.
  • Das Kraftfahrzeug kann eine Steuerung umfassen, wobei die Steuerung ausgebildet ist, die Vorrichtung zur Steigerung der Luftwechselrate im geparkten Zustand des Kraftfahrzeuges zu betreiben. Insbesondere ist die Steuerung ausgebildet, auch im abgeschalteten Zustand des Kraftfahrzeuges weiterhin aktiv zu sein. Bevorzugt kann die Steuerung ausgebildet sein, die Vorrichtung zur Steigerung der Luftwechselrate zu aktivieren, wenn die Sauerstoffkonzentration unterhalb von einem Sauerstoffuntergrenzwert liegt und/oder wenn das BMS aktiv ist, bevorzugt insbesondere dann, wenn eine Garage detektiert wurde, die klein (bzw. kleiner als ein Grenzgaragenvolumen) und/oder geschlossen ist. Die Größe (klein/groß) und Beschaffenheit (offen/zu) der Garage kann beispielsweise über die Sensorik erfasst werden, die für die Fahrerassistenzsysteme bereits im Kraftfahrzeug vorhanden sind. Dies kann insbesondere bewirken, dass evtl. kostspielige Sauerstoffsensoren nicht verbaut werden müssen. Bevorzugt umfasst die Steuerung mehrere Steuermodule (dezentrale Steuerung).
  • Die Steuerung kann ferner ausgebildet sein, die Vorrichtung zur Steigerung der Luftwechselrate zu aktivieren, wenn die mindestens eine Schadstoffkonzentration oberhalb eines Schadstoffobergrenzwertes liegt.
  • Das Betreiben der Vorrichtung zur Steigerung der Luftwechselrate kann umfassen, dass die Steuerung ein Steuersignal an den Gasförderer sendet woraufhin der Gasförderer den Druckgasspeicher des Kraftfahrzeuges befüllt. Anschließend kann die Steuerung ein Steuersignal an den Druckgasspeicher senden, woraufhin der mindestens eine Druckgasspeicher sich entleert. Bevorzugt ist die Vorrichtung zur Steigerung der Luftwechselrate also ausgebildet, während des Betriebs der Vorrichtung kontinuierlich oder intermittierend den Druckgasspeicher mit Gas zu befüllen und zu entleeren. Mit anderen Worten ist die Vorrichtung ausgebildet, Umgebungsluft zu „atmen”, wodurch der Luftdruck in der Garage verändert wird. Diese Luftdruckänderung bewirkt, dass auch die umliegende Garage in Bezug auf ihre äußere Umgebung „atmet”. Mithin steigert dieses „Atmen” von Kraftfahrzeug und Garage die Luftwechselrate der Garage.
  • Bevorzugt ist der Druckgasspeicher mit mindestens einem Brennstoff-Konverter fluidverbunden, insbesondere einem katalytischen Konverter. Der Druckgasspeicher kann ausgebildet sein dem Brennstoff-Konverter Luftsauerstoff bereitzustellen und/oder Abgase des Brennstoff-Konverters zu speichern. Der Luftsauerstoff kann bei der katalytischen Reaktion im Konverter genutzt werden. Im Konverter kann insbesondere eine Venturidüse vorgesehen sein, die den Luftsauerstoff aus dem Druckgasspeicher mit dem Brennstoff vermischt. Das Gemisch wird über den Konverter geleitet, der die exotherme Reaktion von Luftsauerstoff mit dem Brennstoff bewirkt.
  • Besonders bevorzugt können die Abgase des Brennstoff-Konverters in dem Druckgasspeicher gespeichert werden. Beispielsweise könnte das BMS derart gestaltet sein, dass der Druck hinter dem BMS noch ausreichend hoch ist, um den Druckgasspeicher zu befüllen.
  • Die hier offenbarte Technologie betrifft ferner ein Verfahren zur Steigerung einer Luftaustauschrate durch ein Kraftfahrzeug. Es umfasst folgende Schritte in beliebiger Reihenfolge:
    • – Befüllen von mindestens einem Druckgasspeicher, insbesondere des hier offenbarten Kraftfahrzeuges; und
    • – Entleeren des mindestens einen Druckgasspeichers.
  • Die hier offenbarte Technologie ist also nicht auf eine bestimmte Reihenfolge der Schritte beschränkt.
  • Das Befüllen und Entleeren des Druckgasspeichers kann erfolgen, wenn die Sauerstoffkonzentration unterhalb von einem Sauerstoffuntergrenzwertes und/oder mindestens eine Schadstoffkonzentration oberhalb eines Schadstoffobergrenzwertes liegt.
  • Die hier offenbarte Technologie wird nun anhand der schematischen 1 erläutert.
  • Die 1 zeigt ein Kraftfahrzeug 10, das prinzipiell jeder Art und Größe sein kann und nicht auf ein bestimmtes Modell beschränkt ist. Das Kraftfahrzeug 10 ist in einer kleinen Garage geparkt. Eine solche Garage kann beispielsweise ein (Grenz)garagenvolumen von 50 m3 oder weniger oder sogar von 30 m3 oder weniger aufweisen. Wird nun das BMS aktiv, so kann sich der Sauerstoffgehalt reduzieren, sofern diese Garage sehr stark abgedichtet ist und/oder die vorhandenen Ventilationsmaßnamen nicht greifen.
  • Das Fahrzeug weist hier einen Druckgasspeicher 20 auf, der hier hinter dem kryogenen Druckbehälter 12 angeordnet ist. Die Behälter 20, 12 könnten in einem eigens hierfür vorgesehenen Mitteltunnel verbaut sein. Je nach Fahrzeugintegration könnten die Behälter 20, 12 auch an anderen Stellen vorgesehen sein. Mit einem senkrechten Doppelpfeil ist hier der atmende Effekt der Vorrichtung zur Steigerung der Luftwechselrate gezeigt. Beim „Einatmen”, d. h. der Befüllung des Druckgasspeichers 20 durch den hier nicht gezeigten Gasförderer (z. B.: ein Kompressor), verringert sich der Luftdruck in der Garage 30. Dieses Verringern bzw. „Einatmen” erzeugt einen im Vergleich zum Äußeren 40 der Garage 30 geringeren Luftdruck.
  • Mithin strömt durch etwaige Undichtigkeiten aufgrund des Druckgradienten mehr Luft in die Garage 30 ein. Die Garage 30 selbst atmet dann also auch ein. Ist der Druckgasspeicher 20 zumindest zu einem gewissen Grad gefüllt, so wird das unter Druck gespeicherte Gas wieder ausgelassen. Dabei können beispielsweise Drosseln vorgesehen sein. Der Druck in der Garage 30 erhöht sich wieder und es baut sich ein Überdruck in der Garage 30 bezogen auf der äußeren Umgebung 40 der Garage 30 auf. Die Luft strömt dann wieder aus der Garage 30 aus (= ”Ausatmen” der Garage”).
  • Durch die Verwendung des Kompressors und des Druckgasspeichers 20 kann der rein passive Luftaustausch ”forciert” werden (= Aktivlüftung). Da sich das Kraftfahrzeug 10 aber jeweils in beliebigen Garagen 30 befinden kann, soll die Aktivlüftung auch alleine mit im Kraftfahrzeug 10 verfügbaren Mitteln erreicht werden. Der Kompressor komprimiert Luft aus der Garage 30 und füllt sie in den als Druckflasche 20 ausgestalteten Druckgasspeicher 20. Ist die Druckflasche 20 (überwiegend) ”voll”, kann sie anschließend über eine Drossel wieder abgelassen werden. Dieses ”Atmen” führt dazu, dass die Luftwechselrate in der Garage 30 deutlich erhöht wird. Wie bereits erwähnt, kann die Luft in der Druckflasche 20 auch für die Umsetzung des Wasserstoffs im BMS verwendet werden.
  • Um eine effektive Erhöhung der Luftwechselrate zu bewirken, sollte das Druckvolumenprodukt des Druckgasspeichers 20 multipliziert mit der Frequenz, mit der dieser befühlt und entleert wird, ausreichend groß sein. Diese Werte können beispielsweise dann als ausreichend groß gelten, wenn der mittels der Vorrichtung zur Steigerung der Luftwechselrate so erzwungene Luftaustausch zusammen mit dem bereits vorhandenen Luftaustausch geeignet ist, unerwünschte Folgen, wie beispielsweise einen relevanten Abfall des Sauerstoffgehalts, zu vermeiden oder zumindest zu verringern. Hierzu eine Beispielrechnung: Bei einem Luftdruck von 1 bar, einem Garagenvolumen von 30 m3 und einer Luftaustauschrate von 0,03/h werden rechnerisch 0,9 m3/h der Luft in der Garage 30 natürlicherweise ausgetauscht. Verwendet man nun eine Druckflasche 20 mit einem Betriebsdruck von 100 bar und einem Volumen von 20 Litern, die pro Stunde 15-mal gefüllt und entleert wird, so ergibt sich ein erzwungener Luftumsatz von 30 m3/h. Der ursprünglich vorhandene Luftaustausch wäre also um mehr als das Dreißigfache erhöht. Die hier genannten Werte für Druckgasspeicher 20 und Luftförderer können im konkreten Fall je nach den im Fahrzeug vorhandenen Randbedingungen hinsichtlich Bauraum, Gewicht und Leistungsaufnahme in weiten Grenzen variieren.
  • 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.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • EP 1546601 B1 [0002]

Claims (10)

  1. Kraftfahrzeug (10), umfassend: – mindestens einen kryogenen Druckbehälter (12) zur Speicherung von Brennstoff; und – eine Vorrichtung zur Steigerung der Luftwechselrate einer Garage.
  2. Kraftfahrzeug nach Anspruch 1, wobei die Vorrichtung mindestens einen Druckgasspeicher (20) umfasst.
  3. Kraftfahrzeug nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Vorrichtung einen Gasförderer umfasst, der ausgebildet ist, den Druckgasspeicher (20) zu befüllen und/oder zu entleeren.
  4. Kraftfahrzeug nach einem der vorherigen Ansprüche, ferner umfassend mindestens ein Mittel zur Ermittlung einer Sauerstoffkonzentration und/oder mindestens einer Schadstoffkonzentration.
  5. Kraftfahrzeug nach einem der vorherigen Ansprüche, ferner umfassend eine Steuerung, wobei die Steuerung ausgebildet ist, die Vorrichtung zur Steigerung der Luftwechselrate im geparkten Zustand des Kraftfahrzeuges zu betreiben.
  6. Kraftfahrzeug nach Anspruch 5, wobei die Steuerung ausgebildet ist, die Vorrichtung zur Steigerung der Luftwechselrate zu aktivieren, wenn die Sauerstoffkonzentration unterhalb eines Sauerstoffuntergrenzwertes und/oder wenn die mindestens eine Schadstoffkonzentration oberhalb eines Schadstoffobergrenzwertes liegt.
  7. Kraftfahrzeug nach einem der vorherigen Ansprüche 2 bis 6, wobei der Druckgasspeicher (20) mit einem Brennstoff-Konverter fluidverbunden ist.
  8. Kraftfahrzeug nach Anspruch 7, wobei der Druckgasspeicher (20) ausgebildet ist, dem Brennstoff-Konverter Luftsauerstoff bereitzustellen und/oder Abgase des Brennstoff-Konverters zu speichern.
  9. Verfahren zur Steigerung einer Luftaustauschrate durch ein Kraftfahrzeug, umfassend die Schritte: – Befüllen von mindestens einem Druckgasspeicher (20) des Kraftfahrzeuges; und – Entleeren des mindestens einen Druckgasspeichers (20).
  10. Verfahren nach Anspruch 9, wobei das Befüllen und Entleeren des Druckgasspeichers (20) erfolgt, wenn die Sauerstoffkonzentration unterhalb eines Sauerstoffuntergrenzwertes und/oder mindestens eine Schadstoffkonzentration oberhalb eines Schadstoffobergrenzwertes liegt.
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