DE102015221537A1

DE102015221537A1 - Kraftfahrzeug mit einem Drucktank

Info

Publication number: DE102015221537A1
Application number: DE102015221537.7A
Authority: DE
Inventors: Andreas Pelger; Stefan Schott
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2015-11-03
Filing date: 2015-11-03
Publication date: 2017-05-04

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Kraftfahrzeug mit einem Drucktank, in welchem ein gasförmiger für einen Energiewandler vorgesehener Energieträger, insbesondere Wasserstoff, der von einer Befüllstation gekühlt abgegeben wird, unter hohem Druck in der Größenordnung von bis zu 700 Bar speicherbar ist. Vorgesehen ist ein Kältespeicher, in welchem ein Teil der Kälte des von der Befüllstation zugeführten Energieträgers für eine zeitlich spätere Abkühlung des aus dem Drucktank entnommenen und dem Energiewandler zugeführten Energieträgers zumindest kurzzeitig speicherbar ist. Hierfür kann der Kältespeicher durch eine gegenüber der Umgebung isolierte Anhäufung eines eine hohe Wärmespeicherkapazität aufweisenden Materials gebildet sein, durch welches der Energieträger hindurchgeführt ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Kraftfahrzeug mit einem Drucktank, in welchem ein gasförmiger für einen Energiewandler vorgesehener Energieträger, insbesondere Wasserstoff, der von einer Befüllstation gekühlt abgegeben wird, unter hohem Druck in der Größenordnung von bis zu 700 bar speicherbar ist. Zum Stand der Technik wird beispielshalber auf die DE 10 2013 001 676 A1 verwiesen, insbesondere auch deshalb, weil darin das Regelwerk SAE J2601 kurz dargestellt ist, dessen Inhalt auch für die vorliegende Erfindung eine Rolle spielt, soweit als Energieträger Wasserstoff zum Einsatz kommt. Der folgende Absatz ist daher unter Verwendung der vorliegend gewählten Begriffe der vorstehend genannten Schrift entnommen:
Fahrzeuge, die als Energieträger gasförmigen Wasserstoff tanken, benötigen speziell ausgebildete Tankstellen bzw. Befüllstationen, die den unter vergleichsweise hohem Druck stehenden Wasserstoff (z. B. 700 bar) in den Fahrzeug-Drucktank leiten. Um einen herstellerübergreifenden Standard für den Tankvorgang an besagten Tankstellen für wasserstoffgetriebene Fahrzeuge zu schaffen, formulierte ein Konsortium das Regelwerk SAE J2601. Dieser Standard gibt Richtlinien, sicherheitsrelevante Grenzen und Leistungsanforderungen für den Tankvorgang an besagten Tankstellen vor. So ist vorgesehen, dass mit Wasserstoff betriebene Fahrzeuge innerhalb von 3 Minuten auf 700 bar betankt werden, ohne dass dabei die Temperatur des Drucktanks über eine Temperatur von 85°C ansteigt (verursacht durch die rapide Druckerhöhung im Drucktank durch einströmenden Wasserstoff). Gleichzeitig wird verlangt, dass die Temperatur des Wasserstoffs während des Betankens bei Eintritt in den Drucktank –40°C nicht unterschreitet.
Ebenso existieren Regularien für die zugelassenen Temperaturschwankungen während des Betankens. Um sowohl die maximal zulässige Temperatur von 85°C während des Betankens nicht zu überschreiten und dabei gleichzeitig die limitierte Vorkühlung des Wasserstoffs von –40°C nicht zu unterschreiten, muss der Wasserstoff zum Betanken von Fahrzeug-Drucktanks daher u. a. innerhalb einer gewissen Zeitspanne (z. B. 25 s) in einen vergleichsweise schmalen Temperaturbereich von –40°C bis –33°C temperiert werden. Dabei kann die Temperatur des Wasserstoffs bspw. am Eintritt in einen zum Drucktank führenden Tankschlauch gemessen werden; alternativ im Falle einer sog. COM-Betankung, bei welcher während des Betankens ein Datenaustausch zwischen dem Fahrzeug und der Tankstelle erfolgt, kann auch die bei Eintritt in den Fzg.-Tank gemessene Wasserstoff-Temperatur berücksichtigt werden.
Ausgehend von diesem Stand der Technik sind die Erfinder der vorliegenden Erfindung auf das Problem gestoßen, dass bei einer sich direkt an einen Befüllvorgang des Drucktanks anschließenden Entnahme von Wasserstoff (bzw. allgemein des Energieträgers; vorliegend wird im weiteren nur noch von Wasserstoff gesprochen, ohne die Erfindung darauf zu beschränken) Bauelemente, welche den Wasserstoff zum Energiewandler führen und insbesondere der Energiewandler selbst, bei welchem es sich insbesondere um eine Brennstoffzelle handelt, durch die hohe Temperatur des entnommenen Wasserstoffs geschädigt werden können.
Dieses sofort nach einem Befüllvorgang des Tanks entnommene Wasserstoff-Gas kann nämlich nicht nur die genannte maximal zulässige Temperatur von 85°C besitzen, sondern aufgrund des sich bei der nötigen Druckabsenkung in einem Druckregler einstellenden Joule-Thomson-Effekts noch um bis zu 30° heißer sein.
Eine Abhilfemaßnahme für diese geschilderte Problematik aufzuzeigen, ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung.
Die Lösung dieser Aufgabe ergibt sich mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und ist somit für ein Kraftfahrzeug nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 durch einen Kältespeicher gekennzeichnet, in welchem ein Teil der Kälte des von der Befüllstation zugeführten Energieträgers für eine zeitlich spätere Abkühlung des aus dem Drucktank entnommenen und dem Energiewandler zugeführten Energieträgers speicherbar ist. Vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen sind Inhalt der Unteransprüche.
Es wurde erkannt, dass der mit 85°C als zulässig vorgegebene Maximalwert für diejenige Temperatur im Drucktank, die sich bei einem oder direkt anschließend an einen Befüllvorgang in diesem Tank einstellt, in vielen Fällen überhaupt nicht erreicht wird. Unter anderem gilt dies, wenn eine sog. nonCOM-Betankung, d. h. eine Befüllung oder Betankung ohne elektronischer Kommunikation bzw. Datenaustausch zwischen Fahrzeug und Tankstelle, durchgeführt wird. Künftige Betankungsvorgänge von Kraftfahrzeugen mit Hochdruck-Wasserstoff können nämlich – abhängig von der jeweiligen Ausrüstung der Tankstelle und des tankenden Fahrzeugs mit oder ohne elektronischer Kommunikation bzw. Datenaustausch zwischen der Tankstelle und dem Fahrzeug erfolgen. Im Falle einer COM-Betankung (mit Kommunikation) werden fahrzeugspezifische Daten (aus dem Fahrzeug-Drucktank wie dessen Volumen, darin herrschende(r) Druck und insbesondere Temperatur an die Tankstelle übermittelt. Anhand dieser Daten wird dann tankstellenseitig eine günstige Betankungsrampe gewählt, d. h. ein günstiger Massenstrom bei bestimmter Temperatur eingestellt, um idealerweise einen möglichst hohen oder sogar maximalen Befüllgrad des Fahrzeug-Drucktanks zu erreichen. Günstigerweise kann der Betankungsvorgang dann abgebrochen werden, wenn die Gefahr besteht, dass im Drucktank eine Temperatur höher 85°C entstehen kann. Bei einer nocCOM hingegen ist die von der Tankstelle gewählte Betankungsrampe nur von der Umgebungstemperatur abhängig, wobei stets ein gewisser Sicherheitsabstand zur zulässigen Maximaltemperatur vorgehalten wird.
Sowohl bei einer nonCOM-Betankung als auch bei einer COM-Betankung steht somit Kältepotential aus dem dem Fahrzeug-Drucktank zugeführten Wasserstoff zur Verfügung. Bei einer COM-Betankung kann es in Ausnahmefällen dazu kommen, dass im Hinblick auf die Begrenzung der Maximaltemperatur im Tank seitens der Tankstelle eine geringfügig verlangsamte Betankungsrampe gefahren werden muss, jedoch steht diesem Nachteil der Vorteil einer größeren Bauteil-Sicherheit gegenüber, da gerade der direkt im Anschluss an einen Betankungs- oder Befüllvorgang aus dem Drucktank entnommene Wasserstoff besonders hohe Temperaturen besitzt und durch die notwendige Druckreduktion noch weiter erwärmt wird. Nach einem gewissen Zeitraum hingegen hat sich der im Drucktank befindliche Wasserstoff bereits geringfügig abgekühlt, so dass dann trotz Temperaturerhöhung beim Druckabbau vor der Zufuhr zum Energiewandler keine kritischen Temperaturen mehr zu befürchten sind. Mit vorliegender Erfindung kann also ein zeitlich äußerst kurz befristetes, aber dennoch ernst zu nehmendes Problem behoben werden, wenn denn ein Kältespeicher, der dem beim Betanken zugeführten kalten Wasserstoff einen Teil der Kältemenge entzieht, geeignet dimensioniert wird. Dabei ist insbesondere zu berücksichtigen, dass derjenige Massenstrom, dem beim Betanken ein Bruchteil von Kältemenge entzogen wird, erheblich größer ist als derjenige Massenstrom, der mit der abgezogenen Kältemenge in einem relativ kurzen sich an eine Betankung anschließenden Zeitraum geringfügig abgekühlt werden soll. Die Entnahme von Kälte aus dem dem Drucktank zugeführten Energieträger/Wasserstoff schlägt in der Gesamtbilanz somit kaum zu Buche, wohingegen die Abkühlung einer erheblich geringeren Masse von aus dem Drucktank direkt im Anschluss an einen Betankungsvorgang entnommenem Wasserstoff von nennenswertem Ausmaß sein kann und einen erheblichen Sicherheitsgewinn bei den diesen entnommenen Wasserstoff führenden und verarbeitenden Bauteilen bietet.
Um den Bauaufwand gering zu halten, ist vorzugsweise vorgesehen, dass ein gemeinsamer Abschnitt einer den Wasserstoff von der Tankstelle bzw. Befüllstation in den Drucktank hineinführenden Betankungsleitung und einer Entnahmeleitung, über die Wasserstoff aus dem Drucktank zum Energiewandler geführt wird, durch den Kältespeicher hindurch geführt ist. Damit ist jeweils ein direkter Wärmeübergang bzw. Kälteübergang ohne Umwege darstellbar. Um darüber hinaus die beim Befüllen oder Betanken zur Verfügung gestellte Kälte noch besser speichern zu können, kann zusätzlich zum vorstehend genannten Kältespeicher in der Betankungsleitung ein weiteres Kältespeicherelement vorgesehen sein, welches mit dem Kältespeicher aus Anspruch 1 in kälteübertragender (bzw. wärmeübertragender) Verbindung steht.
Es kann der Kältespeicher und/oder das Kältespeicherelement als Latentwärmespeicher oder als thermochemischer Wärmespeicher ausgebildet sein, wobei diese beiden Ausführungsformen in der Lage sind, Kälte auch über einen längeren Zeitraum zu speichern. Da jedoch das eingangs geschilderte Problem wie bereits ausgeführt wurde insbesondere zeitlich direkt anschließend an einen Befüll- oder Betankungsvorgang und somit nur über einen kurzen Zeitraum auftritt, kann es auch ausreichend sein, wenn das Speichervermögen des Kältespeichers auf einen relativ kurzen Zeitraum beschränkt ist. Hierfür kann der Kältespeicher durch eine gegenüber der Umgebung isolierte Anhäufung eines eine hohe Wärmespeicherkapazität aufweisenden Materials gebildet sein, durch welches der Wasserstoff sowohl beim Befüllen des Drucktanks, d. h. beim Betanken, als auch bei der Entnahme aus demselben hindurchgeführt wird. Im einfachsten Fall fungiert somit eine diesen Wasserstoff führende Leitung als erfindungsgemäßer Kältespeicher, wenn diese Leitung eine größere Wandstärke besitzt, als dies aus Festigkeitsgründen erforderlich wäre, und wenn diese Leitung oder ein entsprechender Abschnitt derselben derart intensiv gegenüber der Umgebung isoliert ist, dass sie als erfindungsgemäßer Kältespeicher dienen kann. Eine solche stärkere Isolation bietet im übrigen den Vorteil, dass von dem von der Tankstelle dem Drucktank zugeführten Wasserstoffstrom weniger Kältemenge an die Umgebung abgegeben wird als im Stand der Technik ohne erfindungsgemäßen Kältespeicher, so dass eine nachteilige Auswirkung des Kälteabgriffs im Hinblick auf eine günstige Betankungsrampe (vgl. hierzu die Schilderung weiter oben) praktisch nicht zu befürchten ist.
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

DE 102013001676 A1 [0001]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

SAE J2601 [0001]
SAE J2601 [0001]

Claims

Kraftfahrzeug mit einem Drucktank, in welchem ein gasförmiger für einen Energiewandler vorgesehener Energieträger, insbesondere Wasserstoff, der von einer Befüllstation gekühlt abgegeben wird, unter hohem Druck in der Größenordnung von bis zu 700 Bar speicherbar ist, gekennzeichnet durch einen Kältespeicher, in welchem ein Teil der Kälte des von der Befüllstation zugeführten Energieträgers für eine zeitlich spätere Abkühlung des aus dem Drucktank entnommenen und dem Energiewandler zugeführten Energieträgers speicherbar ist.
Kraftfahrzeug nach Anspruch 1, wobei ein gemeinsamer Abschnitt einer Betankungsleitung in den Tank und einer Entnahmeleitung aus dem Tank durch den Kältespeicher hindurch geführt ist.
Kraftfahrzeug nach Anspruch 2, wobei in der Betankungsleitung ein weiteres Kältespeicherelement vorgesehen ist, welches mit dem Kältespeicher aus Anspruch 1 in kälteübertragender Verbindung steht.
Kraftfahrzeug nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei der Kältespeicher und/oder das Kältespeicherelement als Latentwärmespeicher oder als thermochemischer Wärmespeicher ausgebildet ist und/oder durch eine gegenüber der Umgebung isolierte Anhäufung eines eine hohe Wärmespeicherkapazität aufweisenden Materials gebildet ist.