DE102021202900A1 - Flüssigwasserstoffspeicher - Google Patents

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Daniel Kupelwieser
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Steyr Daimler Puch Fahrzeugtechnik AG and Co KG
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Abstract

Ein Flüssigwasserstoffspeicher, umfassend einen kryostatischen Behälter (1) zur Aufnahme des Flüssigwasserstoffs, eine Abgabeleitung (2) zur Abgabe von gasförmigem Wasserstoff, ein Boil-Off Ventil (3) in der Abgabeleitung (2) zum wahlweisen Öffnen und Schließen einer Strömungsverbindung der Abgabeleitung (2) zu einem Boil-Off Managementsystem, wobei das Boil-Off Managementsystem eine Mischkammer (5) umfasst zur Vermischung des gasförmigen Wasserstoffes mit Luft aus der Umgebung, wobei das Boil-Off Managementsystem stromabwärts der Mischkammer (5) einen Katalysator (6) umfasst zur exothermen katalytischen Umsetzung des gasförmigen Wasserstoffes mit der Luft aus der Umgebung, wobei das Boil-Off Managementsystem stromabwärts des Katalysators (6) eine Abgasleitung (7) umfasst zur Abgabe des Gasstromes an die Umgebung, wobei eine Rückführleitung (20) die Abgasleitung (7) mit der Mischkammer (5) verbindet, so dass zumindest ein Teilstrom der Abgasleitung (7) in die Mischkammer (5) zurückgeführt werden kann, sowie ein Verfahren zum Betrieb eines solchen Flüssigwasserstoffspeichers.

Description

  • Gebiet der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung betrifft einen Flüssigwasserstoffspeicher, umfassend einen kryostatischen Behälter zur Aufnahme des Flüssigwasserstoffs und ein Verfahren zum Betrieb eines solchen Flüssigwasserstoffspeichers.
  • Stand der Technik
  • Es ist bekannt, kryostatische Behälter zur Speicherung von flüssigem Wasserstoff zu verwenden, insbesondere zur Mitführung von flüssigem Wasserstoff in wasserstoffbetriebenen Kraftfahrzeugen, beispielsweise in Brennstoffzellen-Fahrzeugen.
  • Durch den unvermeidbaren Wäremeeintrag in den kryostatischen Behälter eines mit flüssigem Wasserstoff betriebenen Brennstoffzellen-Fahrzeugs findet laufend Verdampfung von Wasserstoff statt. Erfolgt keine entsprechend große Entnahme für den Wasserstoffverbraucher, steigt der Druck im Tank.
  • Um den Druck im Tank unter einem bestimmten Schwellwert zu halten, kann sich bei solchen Flüssigwasserstoffspeichern ein Ventil öffnen, nämlich ein sogenanntes „Boil-off Ventil“ (BOV), wodurch gasförmiger Wasserstoff in die Umgebung abgegeben wird.
  • Um eine Gefährdung, zum Beispiel eine Explosion, durch zu hohe Wasserstoff-Konzentrationen in der Umgebung auszuschließen, kann das abgelassene Gas mit dem Sauerstoff der Umgebungsluft katalytisch umgesetzt werden und reagiert somit zu Wasserdampf. Dieses System bezeichnet man als Boil-off Management System (BMS). Sobald das BOV öffnet, strömt gasförmiger Wasserstoff unter hohem Druck aus dem kryogenen Tank. Durch eine Düse wird dieser dann in eine Mischkammer eingeblasen, in der angesaugte Luft mit dem Wasserstoff vermischt und in Richtung zu einem Katalysator mittransportiert wird. Im Katalysator findet schließlich die exotherme katalytische Umsetzung des abgeblasenen Wasserstoffs statt.
  • Beispielsweise offenbart die DE 10 2016 209 170 A1 ein Verfahren zum Überprüfen der Funktionsfähigkeit eines katalytischen Konverters zum Umwandeln eines Brennstoffs, insbesondere von Wasserstoff, in einem Fahrzeug, wobei der katalytische Konverter mit einem Druckbehälter zum Speichern des Brennstoffs mittels einer Verbindungsleitung fluidverbunden ist, wobei ein Entlastungsventil in der Verbindungsleitung angeordnet ist und zum Passieren lassen von Brennstoff zu dem katalytischen Konverter, wenn der Druck des Brennstoffs im Druckbehälter einen Druckwert überschreitet, ausgebildet ist.
  • Da der ausströmende Wasserstoff (das Boil-off Gas) sehr kalt ist (Siedepunkt ca. 20 K) und in der Mischkammer Unterdruck herrscht, besteht bei ungünstigen Umgebungsbedingungen, vor allem bei Umgebungstemperatur knapp über dem Gefrierpunkt von Wasser und hoher Luftfeuchtigkeit, das Risiko von „Vergaser-Vereisung“, d.h. Eisbildung in der Mischkammer durch den in der Umgebungsluft enthaltenen Wasserdampf, oder auch einem Blockieren der Gaszuführung zum Katalysator. Dies würde zu einer Beladung des Katalysators mit reinem Wasserstoff und somit einer Fehlfunktion des Systems führen.
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • Es ist eine Aufgabe der Erfindung, Flüssigwasserstoffspeicher in dieser Hinsicht zu verbessern und insbesondere einen Flüssigwasserstoffspeicher anzugeben, der auch bei tiefen Umgebungstemperaturen zuverlässig betrieben werden kann. Insbesondere soll eine Eisbildung in einem Boil-off Management System des Flüssigwasserstoffspeichers effizient verhindert werden. Zudem soll ein Verfahren zum Betrieb eines solchen Flüssigwasserstoffspeichers angegeben werden, bei dem die Bildung von Eis in einem Boil-off Management System des Flüssigwasserstoffspeichers effizient verhindert wird.
  • Die Lösung der Aufgabe erfolgt durch einen Flüssigwasserstoffspeicher, umfassend einen kryostatischen Behälter zur Aufnahme des Flüssigwasserstoffs, eine Abgabeleitung zur Abgabe von gasförmigem Wasserstoff, ein Boil-Off Ventil in der Abgabeleitung zum wahlweisen Öffnen und Schließen einer Strömungsverbindung der Abgabeleitung zu einem Boil-Off Managementsystem, wobei das Boil-Off Managementsystem eine Mischkammer umfasst zur Vermischung des gasförmigen Wasserstoffes mit Luft, wobei das Boil-Off Managementsystem stromabwärts der Mischkammer einen Katalysator umfasst zur katalytischen Umsetzung des gasförmigen Wasserstoffes mit der Luft, wobei das Boil-Off Managementsystem stromabwärts des Katalysators eine Abgasleitung umfasst zur Abgabe des Gasstromes an die Umgebung, wobei eine Rückführleitung die Abgasleitung mit der Mischkammer verbindet, so dass zumindest ein Teilstrom der Abgasleitung in die Mischkammer zurückgeführt werden kann.
  • Erfindungsgemäß verfügt ein Flüssigwasserstoffspeicher über ein Boil-Off Managementsystem in dem eine Rückführleitung die Abgasleitung, zur Abgabe des Wasserdampf-Luft Gemisches an die Umgebung, mit der Mischkammer, zum Mischen von Wasserstoff mit Luft für den Katalysator des Boil-Off Managementsystems, verbindet, so dass zumindest ein Teilstrom der Abgasleitung in die Mischkammer zurückgeführt werden kann.
  • Ein Teil des warmen Abgases des Boil-off Management Systems (BMS) eines mit Flüssigwasserstoff betriebenen Fahrzeugs kann daher, insbesondere bei Umgebungstemperaturen nahe 0°C und vorzugsweise mittels einer Venturi-Ansaugung, in die Mischkammer des BMS rückgeführt werden, um diese innen aufzuwärmen und somit Eisbildung zu vermeiden.
  • Die Rückführleitung muss dazu nicht direkt oder unmittelbar in die Mischkammer münden. Beispielsweise kann die Rückführleitung über zusätzliche, andere Leitungen in die Mischkammer münden oder könnten Bauteile wie Ventile vor der Mischkammer angeordnet sein.
  • Durch die vorliegende Erfindung kann die Luft, welche in die Mischkammer des BMS angesaugt wird, somit aufgewärmt werden, und zwar vorzugsweise rein passiv, d.h. insbesondere, ohne dass elektrischer Strom benötigt wird. Dazu wird erfindungsgemäß die Abwärme des BMS-Katalysators verwendet. Der Abgasstrom des BMS wird dabei bevorzugt nicht stark behindert, um einen zu hohen Gegendruck und damit eine Beeinträchtigung des Gesamtsystems zu vermeiden. Auch können bevorzugt Maßnahmen getroffen werden, so dass die Temperatur in der Mischkammer nicht zu hoch wird, um eine Entflammung im Bereich der Einströmdüse sicher zu verhindern.
  • Das Boil-Off Ventil in der Abgabeleitung zum wahlweisen Öffnen und Schließen einer Strömungsverbindung der Abgabeleitung zu einem Boil-Off Managementsystem ist bevorzugt zum automatischen, also gesteuerten und/oder geregelten, Öffnen und Schließen der Strömungsverbindung ausgebildet. Zum Schutz des Tanks wird das Ventil für gewöhnlich abhängig von dem im Tank bestehenden Druck gesteuert.
  • Vorzugsweise ist in der Rückführleitung ein temperaturgesteuertes Ventil angeordnet, zum temperaturabhängigen Öffnen und Schließen der Rückführleitung.
  • Die Bezeichnung „temperaturgesteuertes Ventil“ soll dabei sowohl thermostatische Ventile umfassen, also Ventile, die über eine am Ventil angeordnete temperaturabhängige Schaltfunktion verfügen, als auch gewöhnliche Ventil, die über keine direkte am Ventil angeordnete temperaturabhängige Schaltfunktion verfügen, aber dennoch über einen Temperaturwert geöffnet oder geschlossen werden können. Das Ventil kann beispielsweise elektrisch oder mechanisch betätigt sein.
  • Das temperaturgesteuerte Ventil ist bevorzugt dazu eingerichtet, abhängig von der Temperatur an einer Luftzufuhrleitung vor der Mischkammer und/oder in der Mischkammer zu öffnen oder zu schließen. Das temperaturgesteuerte Ventil kann dazu mit einem Temperaturfühler oder Temperatursensor an der Luftzufuhrleitung vor der Mischkammer und/oder in der Mischkammer ausgestattet sein. Temperaturfühler oder Temperatursensor können hierbei auch als separate Bauteile vorliegen bzw. müssen mit dem Ventil nicht unbedingt eine bauliche Einheit bilden. Diesfalls erfolgt die Ansteuerung des Ventils für gewöhnlich abhängig von einem erfassten Temperaturmesswert elektrisch über ein Steuergerät.
  • Bevorzugt verbindet die Rückführleitung die Abgasleitung mit einer Luftzufuhrleitung vor der Mischkammer, so dass der Teilstrom der Abgasleitung durch die Luftzufuhrleitung in die Mischkammer zurückgeführt werden kann.
  • Vorzugsweise erfolgt die Zuführung der Luft in die Mischkammer und/oder die Zuführung des Teilstroms der Abgasleitung in die Mischkammer mittels Venturi-Prinzip. Die Rückführung des erwärmten Gases kann somit passiv erfolgen.
  • Die Rückführleitung ist bevorzugt über eine Abzweigung mit der Abgasleitung verbunden. Die Abzweigung kann durch eine reine Verzweigung der Abgasleitung gebildet sein, ohne Ventilfunktion.
  • Ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Betrieb eines Flüssigwasserstoffspeicher wie zuvor beschrieben, kann umfassen, dass die Rückführleitung bei Unterschreiten einer vordefinierten Temperatur im Boil-Off Managementsystem geöffnet wird, so dass zumindest ein Teilstrom der Abgasleitung in die Mischkammer zurückgeführt wird. Die Messung der Temperatur im Boil-Off Managementsystem kann bevorzugt durch das temperaturgesteuerte Ventil bzw. den Messfühler dieses Ventils und / oder einen hierzu geeigneten separaten Messfühler / Messsensor und vorzugsweise an einer Luftzufuhrleitung vor der Mischkammer und/oder in der Mischkammer erfolgen. Hierdurch kann eine Vereisung in der Mischkammer bei tiefen Umgebungstemperaturen verhindert werden.
  • Ein Verfahren zum Betrieb eines solchen Flüssigwasserstoffspeichers kann umfassen, dass die Rückführleitung bei Überschreiten einer vordefinierten Temperatur im Boil-Off Managementsystem geschlossen wird, so dass kein Teilstrom der Abgasleitung in die Mischkammer zurückgeführt wird. Hierdurch kann eine Überhitzung in der Mischkammer verhindert werden. Die Messung der Temperatur im Boil-Off Managementsystem kann wieder bevorzugt durch das temperaturgesteuerte Ventil bzw. den Messfühler des Ventils und / oder einen hierzu geeigneten separaten Messfühler/Messsensor und vorzugsweise an einer Luftzufuhrleitung vor der Mischkammer und/oder in der Mischkammer erfolgen.
  • Figurenliste
  • Die Erfindung wird im Folgenden beispielhaft unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben.
    • Fig. ist eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Flüssigwasserstoffspeichers.
  • Detaillierte Beschreibung der Erfindung
  • In der Fig. ist eine erfindungsgemäßer Flüssigwasserstoffspeicher dargestellt und somit eine Anordnung zum Aufwärmen der zugeführten Luft zu dem Boil-off-System eines kryostatischen Behälters 1.
  • Der Flüssigwasserstoffspeicher umfasst einen kryostatischen Behälter 1 zur Aufnahme des Flüssigwasserstoffs. Der Wasserstoff H2 liegt im unteren Bereich des kryostatischen Behälters 1 in flüssiger Form vor und im oberen Bereich des Behälters 1 gasförmig.
  • Eine Abgabeleitung 2 ist zur Abgabe von gasförmigem Wasserstoff aus dem oberen Bereich des kryogenen Behälters 1 eingerichtet und verläuft abschnittsweise durch einen ein Vakuum 22 aufweisenden Bereich des Flüssigwasserstoffspeichers und durch einen Luft 23 aufweisenden Bereich des Flüssigwasserstoffspeichers nach außen.
  • Der Flüssigwasserstoffspeicher umfasst ferner ein Boil-Off Ventil 3 in der Abgabeleitung 2 zum wahlweisen, vorzugsweise überdruckgesteuerten/- geregelten automatischen, Öffnen und Schließen einer Strömungsverbindung der Abgabeleitung 2 zu einem Boil-Off Managementsystem. Zum Schutz des Tanks wird das Ventil 3 für gewöhnlich abhängig vom im Tank bestehenden Druck gesteuert. Dabei umfasst das Boil-Off Managementsystem eine Mischkammer 5, zur Vermischung des gasförmigen Wasserstoffes mit Luft, wobei das Boil-Off Managementsystem stromabwärts der Mischkammer 5 einen Katalysator 6 umfasst, zur katalytischen Umsetzung des gasförmigen Wasserstoffes mit der Luft, wobei das Boil-Off Managementsystem stromabwärts des Katalysators 6 eine Abgasleitung 7 umfasst zur Abgabe des Gasstromes an die Umgebung.
  • Erfindungsgemäß verbindet eine Rückführleitung 20 die Abgasleitung 7 mit der Mischkammer 5, so dass ein Teilstrom der Abgasleitung 7 in die Mischkammer 5 zurückgeführt werden kann.
  • Die Rückführleitung 20 ist über eine einfache Abzweigung 21 mit der Abgasleitung 7 verbunden.
  • In der Rückführleitung 20 ist ein temperaturgesteuertes Ventil 8 angeordnet, zum temperaturabhängigen Öffnen und Schließen der Rückführleitung 20.
  • Das temperaturgesteuerte Ventil 8 verwendet einen Temperaturfühler 10, um abhängig von der Temperatur an einer Luftzufuhrleitung 9 vor der Mischkammer 5 und/oder in der Mischkammer 5 zu öffnen oder zu schließen.
  • Die Rückführleitung 20 verbindet die Abgasleitung 7 mit der Luftzufuhrleitung 9 vor der Mischkammer 5, so dass ein Teilstrom der Abgasleitung 7 durch die Luftzufuhrleitung 9 in die Mischkammer 5 zurückgeführt werden kann.
  • Der andere Teilstrom der Abgasleitung 7 wird durch einen Abgas-Auslass 25 in die Umgebung abgegeben.
  • Die Luftzufuhrleitung 9 ermöglicht die Aufnahme von Umgebungsluft durch einen Lufteinlass 24.
  • Die Zuführung der Luft in die Mischkammer 5 und die Zuführung des Teilstroms der Abgasleitung 7 in die Luftzufuhrleitung 9 und weiter in die Mischkammer 5 erfolgt mittels Venturi-Prinzip, durch Saugwirkung der jeweils vorbeiströmenden Medien und erfolgt somit passiv, ohne elektrische Bauteile.
  • Somit wird mittels Venturi-Prinzip ein (kleiner) Teil des Abgases des Boil-off Management Systems (BMS) in die Mischkammer 5 per seitlicher Ansaugung - nahe des Bezugszeichens 9 an der Luftzufuhrleitung 9 - rückgeführt. Das Abgas wird so abgezweigt, dass dabei der Abgasstrom (auch bei geschlossenem Ventil) möglichst wenig behindert wird und zudem beim Einlass in die abzweigende Rückführleitung 20 möglichst der hydrodynamische Totaldruck des Abgases an der Abgasleitung 7 anliegt. Das temperaturgesteuerte Ventil 8 sperrt den Gasstrom, sobald die Temperatur im Lufteinlass oder in der Mischkammer einen gewissen Schwellwert überschreitet.
  • Ein Teil des warmen Abgases des Boil-off Management Systems (BMS) eines mit Flüssigwasserstoff betriebenen Fahrzeugs kann daher bei Umgebungstemperaturen nahe 0°C mittels Venturi-Ansaugung in die Mischkammer eines BMS rückgeführt werden, um diese innen aufzuwärmen und somit Eisbildung zu vermeiden.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    kryostatischer Behälter
    2
    Abgabeleitung
    3
    Boil-Off Ventil
    5
    Mischkammer
    6
    Katalysator
    7
    Abgasleitung
    8
    temperaturgesteuertes Ventil
    9
    Luftzufuhrleitung
    10
    Temperaturfühler
    20
    Rückführleitung
    21
    Abzweigung
    22
    Vakuum
    23
    Luft
    24
    Lufteinlass
    25
    Abgas-Auslass
    H2
    Wasserstoff
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 102016209170 A1 [0006]

Claims (8)

  1. Flüssigwasserstoffspeicher, umfassend einen kryostatischen Behälter (1) zur Aufnahme des Flüssigwasserstoffs, eine Abgabeleitung (2) zur Abgabe von gasförmigem Wasserstoff, ein Boil-Off Ventil (3) in der Abgabeleitung (2) zum wahlweisen Öffnen und Schließen einer Strömungsverbindung der Abgabeleitung (2) zu einem Boil-Off Managementsystem, wobei das Boil-Off Managementsystem eine Mischkammer (5) umfasst zur Vermischung des gasförmigen Wasserstoffes mit Luft, wobei das Boil-Off Managementsystem stromabwärts der Mischkammer (5) einen Katalysator (6) umfasst zur katalytischen Umsetzung des gasförmigen Wasserstoffes mit der Luft, wobei das Boil-Off Managementsystem stromabwärts des Katalysators (6) eine Abgasleitung (7) umfasst zur Abgabe des Gasstromes an die Umgebung, dadurch gekennzeichnet, dass eine Rückführleitung (20) die Abgasleitung (7) mit der Mischkammer (5) verbindet, so dass zumindest ein Teilstrom der Abgasleitung (7) in die Mischkammer (5) zurückgeführt werden kann.
  2. Flüssigwasserstoffspeicher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in der Rückführleitung (20) ein temperaturgesteuertes Ventil (8) angeordnet ist zum temperaturabhängigen Öffnen und Schließen der Rückführleitung (20).
  3. Flüssigwasserstoffspeicher nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das temperaturgesteuerte Ventil (8) dazu eingerichtet ist, abhängig von der Temperatur an einer Luftzufuhrleitung (9) vor der Mischkammer (5) und/oder in der Mischkammer (5) zu öffnen oder zu schließen.
  4. Flüssigwasserstoffspeicher nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückführleitung (20) die Abgasleitung (7) mit einer Luftzufuhrleitung (9) vor der Mischkammer (5) verbindet, so dass der Teilstrom der Abgasleitung (7) durch die Luftzufuhrleitung (9) in die Mischkammer (5) zurückgeführt werden kann.
  5. Flüssigwasserstoffspeicher nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuführung der Luft in die Mischkammer (5) und/oder die Zuführung des Teilstroms der Abgasleitung (7) in die Mischkammer (5) mittels Venturi-Prinzip erfolgt.
  6. Flüssigwasserstoffspeicher nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückführleitung (20) über eine Abzweigung (21) mit der Abgasleitung (7) verbunden ist.
  7. Verfahren zum Betrieb eines Flüssigwasserstoffspeicher nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückführleitung (20) bei Unterschreiten einer vordefinierten Temperatur im Boil-Off Managementsystem geöffnet wird, so dass zumindest ein Teilstrom der Abgasleitung (7) in die Mischkammer (5) zurückgeführt wird.
  8. Verfahren zum Betrieb eines Flüssigwasserstoffspeicher nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückführleitung (20) bei Überschreiten einer vordefinierten Temperatur im Boil-Off Managementsystem geschlossen wird, so dass kein Teilstrom der Abgasleitung (7) in die Mischkammer (5) zurückgeführt wird.
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