DE102021201469A1

DE102021201469A1 - Tankbehälter

Info

Publication number: DE102021201469A1
Application number: DE102021201469.0A
Authority: DE
Inventors: Stefan Hintermeir
Original assignee: Siemens Mobility GmbH
Current assignee: Siemens Mobility GmbH
Priority date: 2021-02-16
Filing date: 2021-02-16
Publication date: 2022-08-18
Also published as: WO2022174965A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Tankbehälter zur Flüssigkeitslagerung mit einem Tankkörper (1) und mit einer Membrane (4). Der Tankkörper (1) beinhaltet einen ersten Teilbereich (2) zur Aufnahme einer ersten Flüssigkeit (LOHC+) und einen zweiten Teilbereich (3) zur Aufnahme einer zweiten Flüssigkeit (LOHC-). Der erste Teilbereich (2) weist einen Flüssigkeitsauslass (AUS) auf, über den die erste Flüssigkeit (LOHC+) aus dem ersten Teilbereich (2) entnehmbar ist, während der zweite Teilbereich (3) einen Flüssigkeitseinlass (EIN) aufweist, über den die zweite Flüssigkeit (LOHC-) dem zweiten Teilbereich (3) zuführbar ist. Der erste Teilbereich (2) und der zweite Teilbereich (3) sind durch die Membrane (4) Flüssigkeits-undurchlässig voneinander getrennt. Die Membrane (4) ist derart beweglich angeordnet und ausgestaltet, dass bei einer Entnahme eines Teilvolumens der ersten Flüssigkeit (LOHC+) aus dem ersten Teilbereich (2) bei gleichzeitiger Zuführung des gleichen Teilvolumens der zweiten Flüssigkeit (LOHC-) in den zweiten Teilbereich (3) durch die sich bewegende Membrane (4) eine dem Teilvolumen entsprechende Verkleinerung des ersten Teilbereichs (2) und eine dem Teilvolumen entsprechende Vergrößerung des zweiten Teilbereichs (2) realisiert wird.

Description

Die Erfindung betrifft einen Tankbehälter zur Flüssigkeitslagerung, der im Rahmen eines Systems, das zur Energieerzeugung neben einem flüssigen organischen Wasserstoffträger eine Brennstoffzelle verwendet, einsetzbar ist.
Es ist bekannt, flüssige organische Wasserstoffträger („liquid organic hydrogen carrier“, LOHC) zur Speicherung von Wasserstoff zu verwenden. Durch eine sogenannte „reversible Hydrierung“ wird der Wasserstoffträger LOHC durch eine chemische Reaktion mit Wasserstoff beladen bzw. entladen.
Ein mit Wasserstoff beladener bzw. angereicherter Wasserstoffträger wird als Wasserstoffträger LOHC+ bezeichnet. Entsprechend wird ein von Wasserstoff entladener Wasserstoffträger als Wasserstoffträger LOHC- bezeichnet.
Für eine Wasserstofffreisetzung aus einem LOHC System sind hohe Temperaturen erforderlich, was als Hauptnachteil für einen Einsatz derartiger Systeme angesehen wurde.
Jedoch wurde aktuell ein alternativer und vielversprechender Ansatz zur Umwandlung von gebundenem Wasserstoff in Elektrizität gefunden: Der Wasserstoffträger LOHC+ wird in einer thermoneutralen Transfer-Hydrierungs-Reaktion entladen. Der freiwerdende Wasserstoff wird dann beispielsweise einer Brennstoffzelle zur Umwandlung in elektrische Energie zugeführt. Dieses Konzept wird als sehr attraktiv für eine On-Board-Erzeugung elektrischer Energie in mobilen Anwendungen betrachtet und ist beispielsweise bei Schienenfahrzeugen, Unterseebooten, ECars, etc., anwendbar.
13 zeigt den oben geschilderten und für eine mobile Anwendung geeigneten, bekannten Stand der Technik in einer prinzipiellen Übersicht.
Dabei wird Wasser H₂O mit Hilfe von elektrischer Energie durch Elektrolyse in Wasserstoff H₂ und in Sauerstoff O₂ aufgespalten.
Der Wasserstoff H₂ wird im Rahmen einer Hydrierung mit einem von Wasserstoff entladenen Wasserstoffträger LOHC- zusammengeführt, um einen mit Wasserstoff angereicherten Wasserstoffträger LOHC+ zu bilden.
Der mit Wasserstoff angereicherte Wasserstoffträger LOHC+ wird in einem ersten Tank TK1 bzw. Behälter für eine Anwendung vorgehalten bzw. gelagert.
Der mit Wasserstoff angereicherte Wasserstoffträger LOHC+ des ersten Tanks TK1 wird einer Dehydrierung unterzogen, bei der Wasserstoff H₂ und ein mit Wasserstoff entladener Wasserstoffträger LOHC- gebildet wird.
Der mit Wasserstoff entladene Wasserstoffträger LOHC- wird in einem zweiten Tank TK2 bzw. Behälter gelagert und kann nachfolgend in einem Kreislaufprozess wieder der oben geschilderten Hydrierung (vgl. oben) zugeführt werden.
Der durch die Dehydrierung gebildete Wasserstoff H₂ wird zusammen mit Sauerstoff O₂ einer Brennstoffzelle zugeführt, die durch chemische Reaktion elektrische Energie sowie Wasser H₂O bildet.
Die dadurch gebildete elektrische Leistung steht nun beispielswiese für eine mobile Anwendung, beispielsweise für einen Antrieb eines Schienenfahrzeugs, zur Verfügung.
Mit diesem Prinzip weist ein „vollgetanktes und betriebsbereites“ Fahrzeug einen gefüllten LOHC+ Tankbehälter, einen leeren LOHC- Tankbehälter sowie zumindest einen weiteren Tankbehälter auf, nämlich einen Sauerstoffbehälter.
Beim Betrieb der Brennstoffzelle wird der Wasserstoff aus dem Wasserstoffträger LOHC+ dehydriert und der Brennstoffzelle zugeführt.
Der vom Wasserstoff entladene Wasserstoffträger LOHC- wird im LOHC- Tankbehälter gelagert und ggf. in einem Depot der oben beschriebenen Aufbereitung zugeführt.
Für eine mobile Anwendung ist diese Vorgehensweise aufgrund des benötigten räumlichen Platzes bzw. des Volumenbedarfs der einzelnen Komponenten, hier insbesondere der benötigten Tankbehälter, nicht optimal, da Platz bzw. Volumen bei mobilen Anwendungen starken Begrenzungen bzw. Reglementierungen unterliegen.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein derartiges System, das zur Erzeugung elektrischer Energie einen flüssigen organischen Wasserstoffträger (LOHC, LOHC+, LOHC-) sowie eine Brennstoffzelle verwendet, insbesondere für mobile Anwendungen, zu optimieren.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
Die Erfindung betrifft einen Tankbehälter zur Flüssigkeitslagerung. Dieser umfasst einen Tankkörper und eine Membrane. Der Tankkörper beinhaltet einen ersten Teilbereich, der zur Aufnahme einer ersten Flüssigkeit ausgestaltet ist. Der Tankkörper beinhaltet einen zweiten Teilbereich, der zur Aufnahme einer zweiten Flüssigkeit ausgestaltet ist.
Der erste Teilbereich weist einen Flüssigkeitsauslass auf, über den die erste Flüssigkeit aus dem ersten Teilbereich (2) entnehmbar ist. Der zweite Teilbereich weist einen Flüssigkeitseinlass auf, über den die zweite Flüssigkeit dem zweiten Teilbereich zuführbar ist.
Der erste Teilbereich und der zweite Teilbereich sind durch die Membrane Flüssigkeits-undurchlässig voneinander getrennt. Die Membrane ist derart beweglich angeordnet und ausgestaltet, dass bei einer Entnahme eines Teilvolumens der ersten Flüssigkeit aus dem ersten Teilbereich bei gleichzeitiger Zuführung des gleichen Teilvolumens an zweiter Flüssigkeit in den zweiten Teilbereich durch die sich bewegende Membrane eine dem Teilvolumen entsprechende Verkleinerung des ersten Teilbereichs und eine dem Teilvolumen entsprechende Vergrößerung des zweiten Teilbereichs erfolgt.
In einer vorteilhaften Weiterbildung ist die Membrane dehnbar und/oder sackförmig oder quaderförmig ausgestaltet.
In einer vorteilhaften Weiterbildung ist die Membrane bei vollständig gefülltem ersten Teilbereich durch den Flüssigkeitsdruck im zweiten Teilbereich derart an Innenseiten des Tankkörpers gepresst, dass der zweite Teilbereich Flüssigkeits-entleert ist.
In einer vorteilhaften Weiterbildung ist der erste Teilbereich zur Aufnahme eines flüssigen organischen Wasserstoffträgers ausgebildet ist, der mit Wasserstoff angereichert ist. Entsprechend ist der zweite Teilbereich zur Aufnahme eines flüssigen organischen Wasserstoffträgers ausgebildet, der mit Wasserstoff entladen ist. Die Membrane selbst ist undurchlässig für beide Wasserstoffträger.
In einer vorteilhaften Weiterbildung ist die Membrane von einem Rahmen flüssigkeitsundurchlässig umfasst.
In einer vorteilhaften Weiterbildung ist zwischen den beiden Teilbereichen eine Führung als integrierter Bestandteil des Tankkörpers vorgesehen, wobei die Führung zur Aufnahme des Rahmens ausgebildet ist.
In einer vorteilhaften Weiterbildung sind die Membrane und der Rahmen derart ausgestaltet, dass diese im Schadensfall als Baugruppe austauchbar sind.
In einer vorteilhaften Weiterbildung weist der Tankkörper am Boden der beiden Teilbereiche Rundungen auf, die sich in beiden Teilbereichen über Seiteninnenflächen des Tankkörpers zusätzlich hochziehen, um Beschädigungen der Membrane bei ihrer zwischen den beiden Teilbereichen erfolgenden Bewegung oder durch scharfe Knickungen der Membrane zu vermeiden.
In einer vorteilhaften Weiterbildung weist der Flüssigkeitsauslass ein Lochblech, einen Auslasskanal sowie einen Auslassstutzen (8) auf. Eine Innenseite des ersten Teilbereichs sowie der Boden des ersten Teilbereichs sind durch das Lochblech streifenförmig geöffnet. Parallel zum Lochblech ist der Auslasskanal angeordnet und mit diesem verbunden. Der Auslasskanal ist mit dem Auslassstutzen verbunden. Damit wird erreicht, dass die erste Flüssigkeit aus dem ersten Teilbereich über das Lochblech in den Auslasskanal und von diesem in den Auslassstutzen gelangt.
In einer vorteilhaften Weiterbildung weist der Flüssigkeitseinlass ein Lochblech, einen Einlasskanal sowie einen Einlassstutzen auf. Eine Innenseite des zweiten Teilbereichs sowie der Boden des zweiten Teilbereichs sind durch das Lochblech streifenförmig geöffnet. Parallel zum Lochblech ist der Einlasskanal angeordnet und mit diesem verbunden. Der Einlasskanal ist mit dem Einlassstutzen verbunden. Damit wird erreicht, dass die zweite Flüssigkeit über den Einlassstutzen in den Einlasskanal und von diesem über das Lochblech in den zweiten Tankbereich gelangt.
In einer vorteilhaften Weiterbildung ist der Tankkörper nach oben geöffnet und durch einen Tankdeckel verschließbar.
In einer vorteilhaften Weiterbildung weist der Tankkörper an seiner Außenseite eine Versteifungsstruktur auf.
In einer vorteilhaften Weiterbildung ist der Tankbehälter zusammen mit einer Brennstoffzelle Teil eines Fahrzeugs.
Dabei ist ein mit Wasserstoff angereicherter flüssiger organischer Wasserstoffträger als erste Flüssigkeit im ersten Teilbereich gelagert. Der erste Teilbereich ist mit einer Einrichtung zur Dehydrierung verbunden, um dieser die erste Flüssigkeit zuzuführen.
Die Einrichtung zur Dehydrierung ist derart ausgestaltet, dass die ihr zugeführte erste Flüssigkeit unter Abgabe von Wasserstoff in eine zweite Flüssigkeit gewandelt wird, wobei die zweite Flüssigkeit ein mit Wasserstoff entladener flüssiger organischer Wasserstoffträger ist.
Die Einrichtung zur Dehydrierung ist mit dem zweiten Teilbereich verbunden, dem die zweite Flüssigkeit zur Lagerung zugeführt wird.
Die Einrichtung zur Dehydrierung ist mit der Brennstoffzelle verbunden. Diese ist derart ausgestaltet, dass der abgegebene Wasserstoff unter Zuführung von Sauerstoff in elektrische Energie gewandelt wird.
In einer bevorzugten Weiterbildung ist das Fahrzeug als Schienenfahrzeug oder als maritimes Fahrzeug ausgebildet.
Vorteile:
Die vorliegende Erfindung ermöglicht ein LOHC basiertes System mit einem stark verkleinerten Raumbedarf. Mit Blick auf den Stand der Technik wird ein voluminöser Tankbehälter eigespart.
Die vorliegende Erfindung ermöglicht ein LOHC basiertes System mit einem stark verkleinerten Gewicht. Mit Blick auf den Stand der Technik wird ein voluminöser Tankbehälter eigespart.
Die vorliegende Erfindung ermöglicht die Verwendung eines LOHC basierten Systems bei mobilen Anwendungen, beispielsweise im Rahmen eines Antriebs eines Schienenfahrzeugs.
Durch die Verwendung der vorliegenden Erfindung in einem LOHC basierten System und durch die Anwendung des LOHC Systems im Rahmen einer mobilen Anwendung wird eine nahezu verdoppelte Reichweite erreicht.
Durch die vorliegende Erfindung werden neben Gewicht auch Materialkosten und Montagekosten gespart.
Figurenliste
Nachfolgend wird die Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt:

1 den allgemeinen Aufbau eines erfindungsgemäßen Tankkörpers,
2 mit Bezug auf 1 eine Membrane, die zur Anordnung im Tankkörper bestimmt ist,
3 mit Bezug auf die vorhergehenden Figuren den Tankkörper mit montierter Membrane und mit zugehörigem Rahmen,
4 mit Bezug auf die vorhergehenden Figuren den Tankkörper mit einer bestimmten Lage der Membrane,
5 mit Bezug auf die vorhergehenden Figuren den Tankkörper und die Membrane beim operativen Betrieb eines LOHC Systems,
6 und 7 mit Bezug auf die vorhergehenden Figuren zwei Ansichten des Tankkörpers,
8 bis 11 mit Bezug auf die vorhergehenden Figuren das Verhalten der Membran im Tankbehälter während des Betriebs eines LOHC Systems,
12 eine Gesamtsicht des erfindungsgemäßen Tankbehälters, und
13 den in der Einleitung beschriebenen Stand der Technik.

1 zeigt den allgemeinen Aufbau eines erfindungsgemäßen Tankbehälters.
Der Tankbehälter weist die Funktionalität eines Doppeltanks auf, wobei in dieser Darstellung der Tankbehälter noch ohne Deckel und ohne Trennmembran dargestellt ist.
Der Doppeltank besteht aus einem Tankkörper 1, der in einen ersten Teilbereich 2 zur Aufnahme eines LOHC+ Wasserstoffträgers sowie einen zweiten Teilbereich 3 zur Aufnahme eines LOHC- Wasserstoffträgers aufgeteilt ist.
Die Erfindung nutzt die Tatsache, dass die Summe der Flüssigkeitsmengen der beiden Wasserstoffträger LOHC+ und LOHC- im Tankkörper 1 gleichbleibt, während sich nur deren Mengenanteile an der Summe beim Betrieb des Systems im Tankkörper 1 vorzugsweise kontinuierlich ändert.
Zwischen den beiden Teilbereichen 2,3 ist eine Führung 9 bzw. eine Befestigung vorgesehen, die hier in Form einer Schiene ausgebildet ist. Diese Führung bzw. Befestigung dient zur Aufnahme einer Membrane, die nachfolgend in 2 beschrieben wird.
2 zeigt mit Bezug auf 1 eine Membrane 4, die zur Anordnung im Tankkörper 1 bestimmt ist.
Die Membrane 4 adressiert die sich ändernde Mengenanteile der beiden Wasserstoffträger LOHC+, LOHC- im Tankkörper 1.
Die Membrane 4 ist flüssigkeitsundurchlässig und ist im vorbestimmten Ausmaß dehnbar ausgestaltet.
Die Membrane 4 ist beispielsweise von einem Rahmen 5 umfasst und ist mit Hilfe des Rahmens 5 derart im Tankkörper 1 angeordnet und befestigt, dass die Membrane 4 den Tankkörper 1 flüssigkeitsundurchlässig bzw. flüssigkeitsdicht in die beiden Teilbereiche 2, 3 aufteilt.
Beispielhaft ist der Rahmen 5 im Tankkörper 1 an der Führung 9 flüssigkeitsdicht eingesetzt bzw. befestigt. Entsprechend ist die Membrane 4 mit dem Rahmen 5 umlaufend und flüssigkeitsdicht verbunden.
Für die flüssigkeitsdichte Verbindung kommen als Verbindungstechnologien in Betracht: Vulkanisierung, Verklebung, Verschraubung zweier Rahmenhälften mit Dichtung, etc.
Für die Membrane 4 und für den Rahmen 5 sind bevorzugt folgende Eigenschaften nötig:

- eine vorbestimmte chemische Resistenz gegenüber den Wasserstoffträgern LOHC+, LOHC-,
- eine vorbestimmte Diffusionsresistenz gegenüber Wasserstoff,
- eine vorbestimmte (minimale) Reißfestigkeit,
- eine vorbestimmte (minimale) Geschmeidigkeit, und
- ein vorbestimmbares Alterungsverhalten.

Die Membrane 4, der Rahmen 5 sowie deren Befestigung im Tankkörper 1 sind bevorzugt derart ausgestaltet, dass beispielsweise im Schadensfall ein Austausch der Membrane 4 möglich ist.
3 zeigt mit Bezug auf die vorhergehenden Figuren den Tankkörper 1 mit montierter Membrane 4 und mit zugehörigem Rahmen 5.
Im hier dargestellten Beispiel ist der erste Teilbereich 2 vollständig bzw. nahezu vollständig mit dem Wasserstoffträger LOHC+ gefüllt, während der zweite Teilbereich 3 vollständig bzw. nahezu vollständig vom Wasserstoffträger LOHC- entleert ist.
Entsprechend ist die Membrane 4 vollständig bzw. nahezu vollständig in den zweiten Teilbereich 3 gedehnt und bedeckt die Innenwände des zweiten Teilbereichs 3.
Diese Situation ist beispielsweise bei einer Verwendung der Erfindung in einem Schienenfahrzeug der Fall: beim Auftanken des Schienenfahrzeuges fließt Wasserstoffträger LOHC+ in den ersten Teilbereich 2 bzw. in den Tankbehälter 1.
Der zweite Teilbereich 3, der zur Aufnahme des Wasserstoffträgers LOHC- bestimmt ist, ist (noch) leer.
Der sich aufbauende Flüssigkeitsdruck im ersten Teilbereich 2 schiebt bzw. dehnt beim Auftanken die Membrane 4 immer weiter in den zweiten Teilbereich 3.
Entsprechend ist die Membrane 4 von ihrer Größe und/oder von ihrer Dehnbarkeit derart ausgestaltet, dass sie sich bevorzugt vollständig bzw. ohne Ausnahmen an eine inneren Tankwandung des zweiten Teilbereichs 3 des Tankkörpers 1 anschmiegt, wenn der Tankkörper 1 vollständig mit dem Wasserstoffträger LOHC+ befüllt ist.
Somit steht am Anfang der gesamte Tankkörper 1 für den Wasserstoffträger LOHC+ zur Verfügung.
Sobald die Membrane 4 an der inneren Tankwandung des zweiten Teilbereichs 3 des Tankkörpers 1 anliegt, übernimmt der Tankkörper 1 eine aus dem Flüssigkeitsdruck resultierte Kraft.
Damit wird der Membrane 4 an ihren beiden Seiten ein gleichmäßiger (Flüssigkeits-) Druck aufgelastet, für den die Membrane 4 mechanisch ausgelegt ist.
4 zeigt mit Bezug auf die vorhergehenden Figuren den Tankkörper 1, bei dem die Membrane 4 komplett glatt auf der rechten inneren Tankwandung des zweiten Teilbereichs 3 des Tankbehälters 1 anliegt.
In diesem Fall ist der Tankkörper 1 vollständig mit Wasserstoffträger LOHC+ befüllt, während das Volumen für den Wasserstoffträger LOHC- minimal ist bzw. gegen Null geht.
Durch die geschilderte Übernahme der Kräfte bzw. des Drucks werden Beschädigungen der Membrane 4 vermieden, indem die Membrane 4 vollständig an der inneren Tankwandung anliegt.
Um dies zu erzielen, ist der Tankkörper 1 im unteren, d.h. Boden-nahen Bereich, des Tankkörpers 1 mit Rundungen ausgestattet, die sich über die Seiteninnenflächen des Tankkörpers 1 zusätzlich hochziehen.
Durch diese Rundungen wird erreicht, dass es an Orten, an denen hohe Flüssigkeitsdrücke entstehen, scharfe Knicke in der Membrane 4 vermieden werden, die langfristig gesehen diese auf Dauer zerstören könnten.
In einer bevorzugten Weiterbildung ist Führung 9 zur Aufnahme des Rahmens 5 so ausgestaltet, dass im Bereich des Rahmens 5 keine (größeren) Spalten von der Membrane 4 überbrückt werden müssten. Dies ist durch verklebte Fugen bzw. Spalten sowie durch Rahmenverschraubungen realisierbar.
5 zeigt den Tankkörper 1 und die Membrane 4 beim operativen Betrieb eines Schienenfahrzeugs.
Im Betrieb wird das Volumen des Wasserstoffträgers LOHC+ mit Blick auf den beschriebenen Stand der Technik reduziert, während gleichzeitig das Volumen des Wasserstoffträgers LOHCzunimmt.
Entsprechend wird aus dem ersten Teilbereich 2 des Tankkörpers 1 der Wasserstoffträger LOHC+ über einen Flüssigkeitsauslass AUS entnommen, während Wasserstoffträger LOHC- in den zweiten Teilbereich 3 des Tankkörpers 1 über einen Flüssigkeitseinlass EIN einströmt.
Je nach Füllzustand FZST* des Tankkörpers 1 bzw. der zugehörigen Teilbereiche 2,3 ändert sich die Form bzw. die Positionierung der Membrane 4.
Die Membrane 4 wird allmählich aus dem zweiten Teilbereich 3 zum ersten Teilbereich 2 bewegt, gedehnt bzw. verschoben.
Dies geht soweit, bis die Membrane 4 vollständig an der inneren Tankwandung des ersten Teilbereichs 2 des Tankbehälters 1 anliegt.
Der Flüssigkeitsauslass AUS und der Flüssigkeitseinlass EIN sind optimiert ausgestaltet, um Schäden an der Membran zu vermeiden bzw. um deren Verformung optimiert zu unterstützen.
Hier wird im Vorfeld gezeigt, welche Konsequenzen eine einfach ausgestaltete Zuführung des Wasserstoffträgers LOHC- im rechten oberen Bereich des Tankbehälters 1 über den Flüssigkeitseinlass EIN bzw. eine Entnahme des Wasserstoffträgers LOHC+ im linken unteren Bereich des Tankbehälters 1 über den Flüssigkeitsauslass AUS haben kann:

Ein erster Füllzustände FZST1 repräsentiert einen vollständig mit dem Wasserstoffträger LOHC+ gefüllten Tankbehälter 1.

Im Laufe des Betriebes wird das Volumen des Wasserstoffträgers LOHC+ reduziert, während das Volumen des Wasserstoffträgers LOHC- zunimmt.
Nach einer gewissen Zeit stellt sich ein zweiter Füllzustand FZST2 ein. Der einfließende Wasserstoffträger LOHC- baucht die Membrane 4 in der dargestellten Weise aus.
Dabei liegt ein unterer Bereich der „sackförmigen“ Membrane 4 durch das Gewicht des noch vorhandenen Wasserstoffträgers LOHC+ fest am Boden des Tankbehälters 1 auf.
Im weiteren Betrieb wird sich die Membrane 4 entsprechend einem dritten Füllzustand FZST3 und entsprechend einem vierten Füllzustand FZST4 im Inneren des Tankbehälters 1 einlegen.
Mit Blick auf die hier gezeigte Form der Membrane 4 beim vierten Füllzustand FZST4 könnte sich nachteilig am Boden des Tankbehälters 1 eine Doppelfalte bilden, die Membrane 4 wird dann vom Volumen des Wasserstoffträgers LOHC- gegen den Boden gedrückt.
Im weiteren Betrieb wird dieser Druck immer stärker, so dass zwischen Membrane 4 und Tankkörper 1 verstärkt Reibung entsteht. Durch diese Reibung wird die Membrane 4 immer mehr daran gehindert, auf die andere Seite des Tankkörpers 1 zu rutschen. Im Extremfall könnte es dazu kommen, dass die Membrane 4 überhaupt nicht mehr auf die andere Seite des Tankkörpers zu liegen kommt.
In diesem Fall würde der linke, erste Teilbereich 2 des Tankkörpers 1 leerlaufen und der rechte, zweite Teilbereich 3 würde überlaufen. Darüber hinaus könnte es geschehen, dass sich die Membrane 4 bei sinkendem Flüssigkeitsspiegel auf der linken Seite und bei steigendem Flüssigkeitsspiegel auf der rechten Seite immer mehr unausgeglichene Druckkräfte aushalten müsste, was im Extremfall zum Reißen der Membrane 4 führen könnte.
Um diesem Problem zu begegnen, wird der Flüssigkeitseinlass EIN und der Flüssigkeitsauslass AUS wie nachfolgend beschrieben optimiert ausgestaltet.
6 zeigt zu diesem Zweck eine Innenansicht des Tankkörpers 1 in einer aufgeschnittenen Darstellung, während 7 eine Außenansicht des Tankkörpers 1 in einer aufgeschnittenen Darstellung zeigt.
Da sich die beiden Flüssigkeitsvolumina LOHC+, LOHC- theoretisch gleichmäßig verändern, ist der Tankbehälter 1 symmetrisch aufgebaut.
Der Flüssigkeitseinlass EIN und der Flüssigkeitsauslass AUS bestehen aus den folgenden Komponenten:

- einem Ein- bzw. Auslasskanal 6,
- einem Lochblech 7 und
- einem Einlass- bzw. Auslassstutzen 8.

Diese Komponenten werden dazu verwendet, die jeweiligen Flüssigkeiten LOHC+, LOHC- so in den Tankbehälter 1 ein- und austreten zu lassen, dass die Membrane 4 reibungsarm von einer Hälfte des Tankbehälters 1 in die andere Hälfte des Tankbehälters 1 gleitet.
Nachfolgend wird die Beteiligung der Komponenten beim Flüssigkeitseintritt in den Tankbehälter beschrieben. Für den Flüssigkeitsaustritt werden die Komponenten sinngemäß und in umgekehrter Funktionalität verwendet.
Die von außen in den Tankbehälter 1 eintretende Flüssigkeit passiert zunächst den Einlassstutzen 8. Dieser Einlassstutzen ist mit dem Einlasskanal 6 verbunden. Der Einlasskanal 6 ist so konzipiert, dass der Einlasskanal 6 sowohl entlang des Bodens des Tankbehälters 1 als auch entlang der Seitenwand des Tankkörpers 1 verläuft.
Zur Innenseite des Tankkörpers 1 ist der Einlasskanal 6 auf der gesamten Länge mit einem Lochblech 7 geöffnet. Dadurch wird ermöglicht, dass die Flüssigkeit über die gesamte Länge des Einlasskanals 6 über das Lochblech 7 in den Tankkörper 1 einströmt.
Die Löcher des Lochbleches 7 werden so gewählt, dass ein hineindrücken der Membrane 4 in die Löcher nicht möglich ist, um den Einlasskanal 6 bei jedem Füllzustand des Tankkörpers 1 offenzuhalten.
Somit wird von Anfang an beim Einströmen der Flüssigkeit auf einer gesamten Tankhöhe ein Flüssigkeitskissen zwischen Membrane 4 und Tankkörper 1 aufgebaut, wodurch die in 5 beschriebenen Nachteile verhindert werden.
Am Tankkörper 1 können je nach Tankgeometrie und Tankbreite mehrere entsprechend ausgebildete Ein- und Auslasskanäle 6 angeordnet werden.
In diesem Fall sind die Ein- und Auslasskanäle 6 an einer tiefsten Stelle miteinander verbunden, damit in allen Kanälen gleicher Flüssigkeitsdruck herrscht.
In den Figuren 8 bis 11 ist das Verhalten der Membran 4 im Tankbehälter 1 während des Betriebs eines Schienenfahrzeugs unter Verwendung der in den Figuren 6 und 7 beschriebenen Komponenten 6, 7 und 8 des Flüssigkeitseinlass EIN bzw. des Flüssigkeitsauslass AUS beschrieben:

8 zeigt die Membrane 4 wieder beim vollständig mit dem Wasserstoffträger LOHC+ befüllten Tankbehälter 1, vergleichbar zu 5.

9 zeigt die Membrane 4, wenn das Volumen des Wasserstoffträgers LOHC+ reduziert wird, während das Volumen des Wasserstoffträgers LOHC- vergrößert wird.
Sowohl das Einströmen als auch das Ausströmen erfolgt auf der gesamten Länge des Ein- bzw. Auslasskanals 6. Dadurch löst sich allmählich die Membrane 4 von der Tankwand und es baut sich das gewünschte Flüssigkeitskissen zwischen Tankwand und Membrane 4 auf.
10 zeigt die Membrane 4, wenn das Volumen des Wasserstoffträgers LOHC+ weiter reduziert wird, während das Volumen des Wasserstoffträgers LOHC- weiter vergrößert wird.
8 zeigt die Membrane 4 beim vollständig mit dem Wasserstoffträger LOHC- befüllten Tankbehälter 1.
In diesem Zustand liegt die Membrane 4 komplett auf einer linken Innenseite des Tankkörpers 1 an.
Wie vorstehend beschrieben sind Flüssigkeitseinlass EIN und Flüssigkeitsauslass AUS gleich aufgebaut.
Im Laufe des Betriebes wandert die Membrane 4 von der rechten Tankinnenseite auf die linke Tankinnenseite und legt sich dort nach und nach an Innenseiten des Tankbehälters 1 an.
Durch das flächig ausgestaltete Ein- bzw. Auslasssystem ist gewährleistet, dass der Auslass von der Membrane 4 zu keiner Zeit verschlossen bzw. abgedeckt wird.
12 zeigt den Tankkörper 1 mit einem Tankdeckel 10, der in Bezug auf den Tankkörper 1 bevorzugt montierbar bzw. demontierbar ausgestaltet ist.
Damit wird ermöglicht, den Rahmen 5 inklusive der Membran 4 im Falle einer Beschädigung auszutauschen zu können.
Der Tankdeckel 10 ist ein- oder zweiteilig ausgestaltet.
Für eine dichtende Verbindung zwischen Tankdeckel 10 und Rahmen 5 werden technisch übliche Verbindungstechniken wie Kleben, Verschrauben mit Dichtungen, etc. eingesetzt.
Zusätzlich weist der Tankkörper 1 eine Versteifungsstruktur 11 auf, die an der Außenseite des Tankkörpers 1 angebracht ist, um in Bezug auf die Innenseite des Tankkörpers 1 glatte Oberflächen für ungestörte Bewegungen der Membrane 4 zu ermöglichen.
Auf Schwallbleche, wie sie bei größeren Tankkonstruktionen üblich sind, kann verzichtet werden, weil der Tankkörper 1 ständig und komplett befüllt ist, so dass Schwapp-Bewegungen vermeiden werden.

Claims

Tankbehälter zur Flüssigkeitslagerung (LOHC+, LOHC-), - mit einem Tankkörper (1) und mit einer Membrane (4), - bei dem der Tankkörper (1) einen ersten Teilbereich (2) zur Aufnahme einer ersten Flüssigkeit (LOHC+) beinhaltet, - bei dem der Tankkörper (1) einen zweiten Teilbereich (3) zur Aufnahme einer zweiten Flüssigkeit (LOHC-) beinhaltet, - bei dem der erste Teilbereich (2) einen Flüssigkeitsauslass (AUS) aufweist, über den die erste Flüssigkeit (LOHC+) aus dem ersten Teilbereich (2) entnehmbar ist, - bei dem der zweite Teilbereich (3) einen Flüssigkeitseinlass (EIN) aufweist, über den die zweite Flüssigkeit (LOHC-) dem zweiten Teilbereich (3) zuführbar ist, - bei dem der erste Teilbereich (2) und der zweite Teilbereich (3) durch die Membrane (4) Flüssigkeitsundurchlässig voneinander getrennt sind, - bei dem die Membrane (4) derart beweglich angeordnet und ausgestaltet ist, dass bei einer Entnahme eines Teilvolumens der ersten Flüssigkeit (LOHC+) aus dem ersten Teilbereich (2) bei gleichzeitiger Zuführung des gleichen Teilvolumens der zweiten Flüssigkeit (LOHC-) in den zweiten Teilbereich (3) durch die sich bewegende Membrane (4) eine dem Teilvolumen entsprechende Verkleinerung des ersten Teilbereichs (2) und eine dem Teilvolumen entsprechende Vergrößerung des zweiten Teilbereichs (2) realisiert ist.
Tankbehälter nach Anspruch 1, bei dem die Membrane (4) dehnbar und/oder sackförmig oder quaderförmig ausgestaltet ist.
Tankbehälter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Membrane (4) bei vollständig gefülltem ersten Teilbereich (2) im zweiten Teilbereich (3) derart an Innenseiten des Tankkörpers (1) gepresst ist, dass der zweite Teilbereich (3) Flüssigkeits-entleert ist.
Tankbehälter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, - bei dem der erste Teilbereich (2) zur Aufnahme eines flüssigen organischen Wasserstoffträgers (LOHC+) ausgebildet ist, der mit Wasserstoff angereichert ist, - bei dem der zweite Teilbereich (3) zur Aufnahme eines flüssigen organischen Wasserstoffträgers (LOHC-) ausgebildet ist, der mit Wasserstoff entladen ist, und - bei dem die Membrane (4) undurchlässig für beide Wasserstoffträger (LOHC+, LOHC-) ist.
Tankbehälter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Membrane (4) von einem Rahmen (5) flüssigkeitsundurchlässig umfasst ist.
Tankbehälter nach Anspruch 5, - bei dem zwischen den beiden Teilbereichen (2,3) eine Führung (9) als integrierter Bestandteil des Tankkörpers (1) vorgesehen ist, und - bei dem die Führung (9) zur Aufnahme des Rahmens (5) ausgebildet ist.
Tankbehälter nach Anspruch 5 oder 6, bei dem die Membrane (4) und der Rahmen (5) derart ausgestaltet sind, dass diese im Schadensfall als Baugruppe austauchbar sind.
Tankbehälter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Tankkörper (1) am Boden der beiden Teilbereiche Rundungen aufweist, die sich in beiden Teilbereichen (2,3) über Seiteninnenflächen des Tankkörpers (1) zusätzlich hochziehen, um Beschädigungen der Membrane (4) bei ihrer zwischen den beiden Teilbereichen (2,3) erfolgenden Bewegung zu vermeiden.
Tankbehälter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, - bei dem der Flüssigkeitsauslass (AUS) ein Lochblech (7), einen Auslasskanal (6) sowie einen Auslassstutzen (8) aufweist, - bei dem eine Innenseite des ersten Teilbereichs (2) sowie der Boden des ersten Teilbereichs (2) durch das Lochblech (7) streifenförmig geöffnet sind, - bei dem parallel zum Lochblech (7) der Auslasskanal (6) angeordnet und mit diesem verbunden ist, - bei dem der Auslasskanal (6) mit dem Auslassstutzen (8) verbunden ist, - so dass die erste Flüssigkeit (LOHC+) aus dem ersten Teilbereich (2) über das Lochblech in den Auslasskanal (6) und von diesem in den Auslassstutzen (8) gelangt.
Tankbehälter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, - bei dem der Flüssigkeitseinlass (EIN) ein Lochblech (7), einen Einlasskanal (6) sowie einen Einlassstutzen (8) aufweist, - bei dem eine Innenseite des zweiten Teilbereichs (2) sowie der Boden des zweiten Teilbereichs (2) durch das Lochblech (7) streifenförmig geöffnet sind, - bei dem parallel zum Lochblech (7) der Einlasskanal (6) angeordnet und mit diesem verbunden ist, - bei dem der Einlasskanal (6) mit dem Einlassstutzen (8) verbunden ist, - so dass die zweite Flüssigkeit (LOHC-) über den Einlassstutzen (8) in den Einlasskanal (6) und von diesem über das Lochblech (7) in den zweiten Tankbereich (3) gelangt.
Tankbehälter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Tankkörper (1) nach oben geöffnet und durch einen Tankdeckel (10) verschließbar ist.
Tankbehälter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Tankkörper (1) an seiner Außenseite eine Versteifungsstruktur (11) aufweist.
Fahrzeug mit einer Brennstoffzelle, mit einer Einrichtung zur Dehydrierung und mit einem Tankbehälter (1), der nach einem der Ansprüche 1 bis 12 ausgestaltet ist, - bei dem ein mit Wasserstoff angereicherter flüssiger organischer Wasserstoffträger (LOHC+) als erste Flüssigkeit (LOHC+) im ersten Teilbereich (2) gelagert ist, - bei dem der erste Teilbereich (2) mit der Einrichtung zur Dehydrierung verbunden ist, um dieser die erste Flüssigkeit (LOHC+) zuzuführen, - bei dem die Einrichtung zur Dehydrierung derart ausgestaltet ist, dass die ihr zugeführte erste Flüssigkeit (LOHC+) unter Abgabe von Wasserstoff in eine zweite Flüssigkeit (LOHC-) gewandelt wird, wobei die zweite Flüssigkeit (LOHC-) ein mit Wasserstoff entladener flüssiger organischer Wasserstoffträger (LOHC-) ist, - bei der die Einrichtung zur Dehydrierung mit dem zweiten Teilbereich (3) verbunden ist, dem die zweite Flüssigkeit zur Lagerung zugeführt wird, - bei dem die Einrichtung zur Dehydrierung mit der Brennstoffzelle verbunden ist, - bei dem die Brennstoffzelle derart ausgestaltet ist, dass der abgegebene Wasserstoff unter Zuführung von Sauerstoff in elektrische Energie gewandelt wird.
Fahrzeug nach Anspruch 13, das als Schienenfahrzeug oder als maritimes Fahrzeug ausgebildet ist.