DE102017220598A1

DE102017220598A1 - Verfahren zum Befüllen eines Gashochdruckspeichers

Info

Publication number: DE102017220598A1
Application number: DE102017220598.9A
Authority: DE
Inventors: Maik Kraus; Florian Hennecke
Original assignee: Audi AG; Volkswagen AG
Current assignee: Audi AG; Volkswagen AG
Priority date: 2017-11-17
Filing date: 2017-11-17
Publication date: 2019-05-23
Also published as: JP2020508423A; KR102544573B1; US20200284396A1; WO2019096582A1; KR20200088217A; JP6825126B2; US11473728B2; CN110337562A; CN110337562B

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Befüllen eines Gashochdruckspeichers aus einem Reservoir, umfassend die Schritte:
Entnahme des Gases aus dem Reservoir, Transport des Gases durch eine Gasleitung zu einer dem Inneren des Gashochdruckspeichers zugeordneten Strahlpumpe, und Erzeugung einer an der Innenseite der Wandung des Gashochdruckspeichers entlang geführten Ringströmung. Die Erfindung betrifft auch einen zur Durchführung des Verfahrens geeigneten Gashochdruckspeicher mit einer auf der Innenseite eine wärmeempfindliche Schicht (4) aufweisenden Hülle (5), und mit einer die Hülle (5) und die Schicht (4) durchquerenden Einlassöffnung (1), wobei der Einlassöffnung (1) zugeordnet eine Strahlpumpe innerhalb der Hülle (5) angeordnet ist, und wobei die Strahlpumpe ausgerichtet ist zur Erzeugung einer geführten Strömung an die der Strahlpumpe gegenüberliegende Wandung der Hülle (5) mit dortiger Ablenkung in eine an der wärmeempfindlichen Schicht (4) entlangströmenden Ringströmung.

Description

Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zum Befüllen eines Gashochdruckspeichers, ein für die Durchführung des Verfahrens geeigneter Gashochdruckspeicher sowie ein Fahrzeug mit einem entsprechenden Gashochdruckspeicher.
Mit einer Brennstoffzelle ausgestattete Fahrzeuge verfügen über einen Gashochdruckspeicher, in dem der für den Betrieb der Brennstoffzelle erforderliche Wasserstoff gespeichert ist. Die Gashochdruckspeicher sind in der Regel mit einer CFK-Hülle gebildet, die auf ihrer Innenseite einen Liner aufweist. Dieser Liner dient als Diffusionssperre für den Wasserstoff und ist vor Temperaturen größer als 85° Celsius zu schützen, die auftreten können, wenn Gas beim Befüllen des Gashochdruckspeichers in diesem komprimiert wird. In dem geltenden Protokoll SAEJ2601-1 ist für den Betankungsprozess daher vorgesehen, den Wasserstoff auf bis zu -40°Celsius vorzukühlen, um eine Überhitzung des Linermaterials im Gashochdruckspeicher zu vermeiden.
Im Stand der Technik ist aus der DE 28 04 550 A1 eine Kraftstoffanlage für Brennkraftmaschinen mit einem Kraftstofftank für flüssigen Kraftstoff bekannt, der über eine Saugleitung zu einer Kraftstoffpumpe gefördert wird. Über eine Rücklaufleitung kann überschüssiger Kraftstoff zurück zum Kraftstofftank strömen, wobei die Mündung der Rücklaufleitung düsenartig ausgebildet und so gerichtet ist, dass die Überschussmenge unmittelbar in die Eingangsöffnung der Saugleitung strömt.
In der US 2,930,197 wird die unterirdische Speicherung von Gas in einer Kaverne offenbart, wobei das Gas durch eine Rohrleitung in die mit Öl gefüllte Kaverne gepresst wird. Eine der Rohrleitung zugeordnete Venturi-Düse wird dabei genutzt, um das Gas in dem Öl zu lösen, so dass beim Verlassen der Venturi-Düse kein freies Gas mehr vorliegt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Befüllen eines Gashochdruckspeichers bereitzustellen, das gegenüber dem Protokoll gemäß SAEJ2601-1 verbessert ist. Aufgabe der Erfindung ist es weiterhin, einen für die Durchführung des Verfahrens geeigneten Gashochdruckspeicher bereitzustellen sowie ein Fahrzeug.
Der das Verfahren betreffende Teil der Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zum Befüllen eines Gashochdruckspeichers aus einem Reservoir umfassend die Schritte Entnahme des Gases aus dem Reservoir, Transport des Gases durch eine Gasleitung zu einer dem Inneren des Gashochdruckspeichers zugeordneten Strahlpumpe, und Erzeugung einer wenigstens abschnittsweise an der Innenseite der Wandung des Gashochdruckspeichers entlang geführten Ringströmung.
Bei diesem Verfahren ergibt sich der große Vorteil, dass infolge des Einsatzes der Strahlpumpe, ausgehend von deren Mündung, eine geführte Strömung erzeugt wird. Beim Auftreffen dieser auf die Wandung des Gashochdruckspeichers wird die Strömung entlang des Wandungsverlaufes abgelenkt und führt zur Ausbildung eines Strömungsfeldes entlang der Wandung. Es bildet sich dadurch eine Ringströmung aus, weil das in dem Strömungsfeld mitgeführte Gas zugleich auch das Saugmedium für die Strahlpumpe bildet. Das der Strahlpumpe zugeführte Gas wird innerhalb der Strahlpumpe sehr stark beschleunigt, so dass die Strahlpumpe ein stark abgekühlter Gasstrahl verlässt, der der Träger der Ringströmung ist. Die Wandung des Gashochdruckspeichers wird damit beim Befüllen gezielt von den sich ausbildenden Heißgebieten abgeschirmt und so einer Überhitzung des Liners effektiv vorgebeugt. Die Strahlpumpe kommt ohne bewegliche Teile aus und die Ringströmung stellt sich selbsttätig aufgrund naturgesetzlicher Zwänge ein, so dass die Vorteile über die gesamte Lebensdauer des Gashochdruckspeichers gegeben sind.
Im Rahmen der Erfindung ist weiterhin bevorzugt, wenn im Bereich der Wandung, der der Mündung der Strahlpumpe gegenüberliegt, eine kegelartige Prallfläche angeordnet ist, durch die das aus der Mündung strömende Gas zur Erzeugung der Ringströmung umgelenkt wird. Diese kegelartige Prallfläche stellt sicher, dass eine symmetrische Aufteilung des aus der Mündung der Strahlpumpe strömenden Gases über die gesamte Innenfläche des Gashochdruckspeichers erfolgt, sich also kein Strömungsmodus ausbilden kann, bei dem das gekühlte Gas nur auf einer Teilfläche der Wandung entlangströmt.
Ganz besonders bevorzugt ist es, wenn die Strahlpumpe eine Düse, insbesondere eine Lavaldüse oder eine Coandadüse aufweist, mit der das Gas beschleunigt und parallel zur Längsachse durch eine Strahlführung auf die der Strahlpumpe gegenüberliegende Wandung gelenkt wird. Die Düse fördert und verstärkt den Effekt der Beschleunigung des Treibgases, um gezielt eine Strömung einzustellen, die vorzugsweise auch Überschallgeschwindigkeit erreicht.
Vorgesehen ist weiterhin, dass der Transport des Gases durch die Gasleitung unter Verzicht auf eine Vorkühlung erfolgt, also die Befüllung des Gashochdruckspeichers mit deutlich geringerem Energieeinsatz und vermindeter Komplexität der Befüllstation möglich ist. Alternativ besteht allerdings auch die Möglichkeit, dass der Transport des Gases durch die Gasleitung unter Nutzung einer Vorkühlung mit einer zum Ausmaß oder in Abhängigkeit der Vorkühlung korrespondierenden Druckerhöhung erfolgt, so dass der Grashochdruckspeicher bei einem gegebenen Energieeinsatz schneller gefüllt werden kann und der Betankungsvorgang dadurch nutzerfreundlicher wird.
Der die Vorrichtung betreffende Teil der Aufgabe wird gelöst durch einen Gashochdruckspeicher mit einer auf der Innenseite eine wärmeempfindliche Schicht aufweisenden Hülle, und mit einer die Hülle und die Schicht durchquerenden Einlassöffnung, mit der dauerhaft oder reversibel eine Gasleitung verbindbar ist, wobei der Einlassöffnung zugeordnet eine Strahlpumpe innerhalb der Hülle angeordnet ist, und wobei die Strahlpumpe ausgerichtet ist zur Erzeugung einer geführten Strömung an die der Strahlpumpe gegenüber liegende Wandung der Hülle mit dortiger Ablenkung in eine an der wärmeempfindlichen Schicht entlang strömenden Ringströmung.
Dieser Gashochdruckspeicher zeichnet sich dadurch aus, dass in seinem Inneren eine Strahlpumpe integriert ist, die aufgrund ihrer intrinsischen Eigenschaften einen stark gekühlten Gasstrahl bereit stellt, der nicht beliebig in das bereits in dem Gashochdruckspeicher gespeicherte Gas dissipiert, sondern gezielt zur aktiven Kühlung der wärmeempfindlichen Schicht und deren Abschirmung von Heißgebieten innerhalb des Gashochdruckspeichers genutzt wird. Als reversibel ist jede Verbindung zwischen der Einlassöffnung und der Gasleitung zu verstehen, die sich lösen und erneut wieder verbinden lässt.
Als vorteilhaft hat es sich dabei erwiesen, dass die Strahlpumpe als Treibdüse eine Laval- oder Coandadüse aufweist, und dass die Mischkammer als Strahlführung zum gerichteten Ausstoß des Gases gestaltet ist.
Bevorzugt ist es dabei, dass die Hülle als FK-Hülle mit einem Liner als wärmeempfindliche Schicht als Innenauskleidung gestaltet ist und im Bereich ihrer der Strahlpumpe, insbesondere der Laval- oder Coandadüse gegenüber liegenden Wandung eine kegelartige Prallfläche auf einem Stopfen (Boss) aufweist. Unter „FK-Hülle“ ist dabei eine Hülle aus einem faserverstärkten Kunststoff (FK) zu verstehen. Hierbei kommen unter anderem ein kohlefaserverstärkter Kunststoff (CFK), ein glasfaserverstärkter Kunststoff (GFK), aramidfaserverstärkter Kunststoff (AFK) und stahlfaserverstärkter Kunststoff (SFK) in Betracht.
Die Verwendung eines Stopfens für die kegelartige Prallfläche hat den Vorteil, dass bei der Fertigung der FK-Hülle kein Aufwand für eine komplexere dreidimensionale Gestaltung betrieben werden muss, sondern eine in konventioneller Weise gefertigte FK-Hülle nachträglich über den Stopfen mit der kegelartigen Prallfläche versehen werden kann.
Zweckmäßig ist es, wenn die Strahlpumpe, insbesondere die Laval- oder Coandadüse und die Mischkammer parallel zur Längsachse der Hülle ausgerichtet sind und die Länge der Mischkammer zwischen 5 % und 50%, vorzugsweise zwischen 25% und 35% der Längserstreckung der Hülle entspricht. Diese Gestaltung fördert die Ausbildung und Unterhaltung der Ringströmung, da in zwei durch die Länge der Mischkammer getrennten Bereichen durch Überdruck und Unterdruck die Ringströmung antreibende Kräfte bereitgestellt werden.
Ein Fahrzeug mit einer Brennstoffzelle und einer vorstehend spezifizierten Gashochdruckspeicher unterstützt die Senkung des Energieverbrauches in einem auf Wasserstoff basierenden Energieregime.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen sowie anhand der Zeichnung. Dabei zeigt:

1 die schematische Darstellung des Längsschnitts durch einen Gashochdruckspeicher in der die Strahlpumpe aufweisenden Ebene.

In der 1 ist in einer schematischen Darstellung ein Gashochdruckspeicher gezeigt, der aus einer durch faserverstärkten Kunststoff FK gebildeten Hülle 5 besteht. Auf der Innenseite der Wandung der FK-Hülle 5 ist ein Liner 4 angeordnet, der eine wärmeempfindliche Schicht bildet, deren Erwärmung über 85° Celsius vermieden werden muss. Auf der in der Zeichnung linken Seite ist an dem Gashochdruckspeicher eine Einlassöffnung 1 ausgebildet, die dauerhaft oder reversibel mit einer Gasleitung verbindbar ist. Dieser Einlassöffnung 1 zugeordnet ist eine Strahlpumpe, gebildet durch eine als Laval- oder Coandadüse 2 gebildete Düse und einer als Strahlführung gestalteten Mischkammer 3, wobei die Düse 2 und die Mischkammer 3 parallel zur Längsachse der Hülle 5 ausgerichtet sind und die Länge der Mischkammer 3 ungefähr einem Drittel der Längserstreckung der Hülle 5 entspricht. Im Bereich der der Düse 2 gegenüberliegenden Wandung ist eine kegelartige Prallfläche auf einem Stopfen 6 angeordnet.
Dieser erfindungsgemäße Gashochdruckspeicher kann befüllt werden, indem durch die Gasleitung Gas, insbesondere Wasserstoff als Treibmedium der Düse 2 zugeführt wird, das die Laval- oder Coandadüse in Richtung der Mischkammer 3 verlässt, mit der bereits im Gashochdruckspeicher befindliches Gas angesaugt wird.
Die Mischkammer 3 verlässt ein stark beschleunigter und abgekühlter Gasstrahl in einer parallel zur Längsachse ausgerichteten, geführten Strömung, die beim Treffen auf die kegelartige Prallfläche gezielt abgelenkt wird, wodurch sich eine durch die Pfeile symbolisierte Ringströmung ausbildet, die zumindest abschnittsweise an der Wandung entlang strömt. Die Wandung ist dadurch von Heißgebieten 7 im Inneren des Gashochdruckspeichers abgeschirmt und effektiv vor einer zu starken Erhitzung auf über 85° Celsius geschützt.
Ein mit einer Brennstoffzelle versehenes Fahrzeug, das über einen derartigen Gashochdruckspeicher verfügt, kann betankt werden, ohne dass eine starke Vorkühlung des Wasserstoffes erforderlich ist, so dass die Komplexität der Befüllstation gemindert werden kann und der Energiebedarf für den Füllvorgang deutlich reduziert ist. Alternativ ist bei Beibehaltung der Vorkühlung eine schnellere Betankung möglich.
Bezugszeichenliste

1: Einlassöffnung
2: Düse
3: Mischkammer
4: Liner
5: Hülle
6: Stopfen
7: Heißgebiet

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 2804550 A1 [0003]
US 2930197 [0004]

Claims

Verfahren zum Befüllen eines Gashochdruckspeichers aus einem Reservoir, umfassend die Schritte: - Entnahme des Gases aus dem Reservoir, - Transport des Gases durch eine Gasleitung zu einer dem Inneren des Gashochdruckspeichers zugeordneten Strahlpumpe, und - Erzeugung einer wenigstens abschnittsweise an der Innenseite der Wandung des Gashochdruckspeichers entlang geführten Ringströmung.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich der Wandung, der der Mündung der Strahlpumpe gegenüber liegt, eine kegelartige Prallfläche angeordnet ist, durch die das aus der Mündung strömende Gas zur Erzeugung der Ringströmung umgelenkt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlpumpe eine Düse (2), insbesondere eine Laval- oder eine Coandadüse aufweist, mit der das Gas beschleunigt und parallel zur Düsenachse durch eine Strahlführung auf die der Laval- oder Coandadüse (2) gegenüberliegende Wandung gelenkt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Transport des Gases durch die Gasleitung unter Verzicht auf eine Vorkühlung erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Transport des Gases durch die Gasleitung unter Nutzung einer Vorkühlung mit einer zum Ausmaß der Vorkühlung korrespondierenden Druckerhöhung erfolgt.
Gashochdruckspeicher mit einer auf der Innenseite eine wärmeempfindliche Schicht (4) aufweisenden Hülle (5), und mit einer die Hülle (5) und die Schicht (4) durchquerenden Einlassöffnung (1), mit der dauerhaft oder reversibel eine Gasleitung verbindbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Einlassöffnung (1) zugeordnet eine Strahlpumpe innerhalb der Hülle (5) angeordnet ist, und dass die Strahlpumpe ausgerichtet ist zur Erzeugung einer geführten Strömung an die der Strahlpumpe gegenüberliegende Wandung der Hülle (5) mit dortiger Ablenkung in eine an der wärmeempfindlichen Schicht (4) entlangströmenden Ringströmung.
Gashochdruckspeicher, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlpumpe als Treibdüse eine Laval- oder Coandadüse aufweist, und dass die Mischkammer (3) als Strahlführung zum gerichteten Ausstoß des Gases gestaltet ist.
Gashochdruckspeicher nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Hülle (5) als FK-Hülle mit einem Liner (4) als wärmeempfindliche Schicht als Innenauskleidung gestaltet ist und im Bereich ihrer der Strahlpumpe gegenüberliegenden Wandung eine kegelartige Prallfläche auf einem Stopfen 6 aufweist.
Gashochdruckspeicher nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlpumpe und die Mischkammer (3) parallel zur Längsachse der Hülle (5) ausgerichtet sind und die Länge der Mischkammer (3) zwischen 5 % und 50 %, vorzugsweise zwischen 25 % und 35 % der Längserstreckung der Hülle (5) entspricht.
Fahrzeug mit einer Brennstoffzelle, gekennzeichnet durch einen Gashochdruckspeicher nach einem der Ansprüche 6 bis 9.