-
Die Erfindung betrifft eine Systemeinheit und ein Verfahren zur Enteisung eines Zapfhahns einer Tanksäule einer Tankstellenvorrichtung mit einer solchen Systemeinheit.
-
Stand der Technik
-
Brennstoffzellensysteme umfassen in der Regel eine Vielzahl von Brennstoffzellen in gestapelter Anordnung bzw. einen Brennstoffzellenstapel, auch „Stack“ genannt. Brennstoffzellen sind elektrochemische Energiewandler. Mit ihrer Hilfe kann ein Brennstoff, beispielsweise Wasserstoff, in Verbindung mit Sauerstoff in elektrische Energie, Wärme und Wasser gewandelt werden. Der Brennstoff wird hierzu einer Anode und der Sauerstoff einer Kathode der mindestens einen Brennstoffzelle zugeführt. Innerhalb der Brennstoffzelle werden die Anode und die Kathode durch eine Membran, vorzugsweise eine Polymer Elektrolyt Membran (PEM), voneinander getrennt.
-
Weiterhin ist zur Kühlung der Brennstoffzellen in der Regel ein Kühlsystem mit einem Kühlmittel vorhanden.
-
Für die Wasserstoffversorgung der Anode der Brennstoffzelle ist das Brennstoffzellensystem mit einem Tankspeichersystem verbunden. Dies kann beispielsweise mehrere Tankbehälter mit jeweils einem Steuerventil umfassen, welche über eine gemeinsame Leitung mit dem Brennstoffzellensystem verbunden sind und so den benötigten Wasserstoff für die Brennstoffzelle zur Verfügung stellen.
-
Neben einer gasförmigen Wasserstoffspeicherung kann Wasserstoff auch flüssig in dem Tankspeichersystem bevorratet werden. Dies wird auch als LH2-Speicherung (Liquid H2-Speicherung, Flüssigwasserstoff-Speicherung) bezeichnet. Flüssiger Wasserstoff wird in der Regel bei sehr niedrigen Temperaturen um die -250° C, optional unter Druck, gespeichert.
-
Aus der
DE 10 2016 124 521 A1 ist beispielsweise ein Brennstoffzellensystem mit einer Brennstoffzelle, einem Kühlsystem und einem Brennstofftank bekannt.
-
Vorteile der Erfindung
-
Die erfindungsgemäße Systemanordnung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 weist den Vorteil auf, dass durch thermische Kopplung des Tankspeichersystems und eines Verbrauchersystems wie beispielsweise einem Brennstoffzellensystem die Effizienz des gesamten als Verbrauchersystem ausgebildeten Brennstoffzellensystems verbessert und eine Kostenersparnis erzielt wird.
-
Dazu weist die Systemeinheit ein mit Brennstoff befüllbares Tankspeichersystem und ein Verbrauchersystem auf. Außerdem weist die Systemeinheit einen mit dem Verbrauchersystem verbundenen Kühlkreislauf zum Kühlen des Verbrauchersystems auf. Darüber hinaus ist in der Systemeinheit ein Latentwärmespeicher angeordnet, welcher Latentwärmespeicher als eine thermische Kopplung zwischen dem Verbrauchersystem und dem Tankspeichersystem bzw. zwischen dem Tankspeichersystem und dem Kühlkreislauf ausgebildet ist.
-
So kann auf kostensparende Weise der thermische Haushalt des gesamten Verbrauchersystems und des Tankspeichersystems optimiert werden. Weiterhin ist hierdurch eine kompakte Bauform erzielbar, da für die Kühlung oder die Erwärmung von Systemkomponenten in dem Verbrauchersystem und/oder dem Tankspeichersystem keine weiteren Baukomponenten erforderlich sind. Der Latentwärmespeicher wird dabei zu schon vorhandenen Wärmetauscherkomponenten im Kühlkreislauf zur Abführung der Wärme aus dem Verbrauchersystem und/oder dem Kühlkreislauf verwendet. Dabei kann der Latentwärmespeicher auch sogenannte Temperaturspitzen aus dem Verbrauchersystem abfangen, wenn die Kühlleistung des Kühlkreislaufs nicht ausreicht. Beispielsweise kann mittels des Einsatzes eines Latentwärmespeicher mit einer hinlänglich großen Kühlleistung der Kühlkreislauf verkleinert werden, wodurch die Kosten des Verbrauchersystems reduziert werden können.
-
In erster vorteilhafter Weiterbildung ist es vorgesehen, dass der Latentwärmespeicher mit Wärmetauscherkomponenten des Verbrauchersystems und/oder mit Wärmetauscherkomponenten des Kühlsystems thermisch verbunden ist. So kann in effizienter Weise der thermische Haushalt des Verbrauchersystems verbessert werden, beispielsweise durch Abführung von Wärme aus dem Verbrauchersystem in Richtung des Latentwärmespeichers.
-
In vorteilhafter Weiterbildung ist es vorgesehen, dass das Verbrauchersystem als Brennstoffzellensystem mit mindestens einer Brennstoffzelle oder als Wasserstoffverbrennersystem ausgebildet ist. So kann in konstruktiv einfacher Weise die Wärme aus dem Brennstoffzellensystem bzw. dem Wasserstoffverbrennersystem geleitet und die Wärme so mittels des Latentwärmespeichers in thermisch effizienter Weise beispielsweise zur Erwärmung anderer Baukomponenten verwendet werden.
-
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist es vorteilhaft vorgesehen, dass das Tankspeichersystem einen Tankstutzen aufweist, welcher Tankstutzen mit dem Latentwärmespeicher thermisch verbunden ist. Vorteilhafterweise umfasst die Systemeinheit eine Tankstellenvorrichtung, welche Tankstellenvorrichtung mindestens eine Tanksäule mit einem Zapfhahn zum Befüllen des Tankspeichersystems aufweist. Vorteilhafterweise ist der Zapfhahn mit dem Latentwärmespeicher mittels des Tankstutzens des Tankspeichersystems thermisch verbunden. So kann in konstruktiv einfacher Weise der Zapfhahn mit dem Tankstutzen thermisch verbunden werden und möglichen Vereisungen an dem Zapfhahn vorgebeugt werden. Weiterhin führt dies auch zu einem effizienten und schnellen Tankvorgang.
-
In vorteilhafter Weiterbildung ist es vorgesehen, dass der Latentwärmespeicher ein Phasenwechselmaterial aufweist, welches Phasenwechselmaterial einen Phasenübergang aufweist, welcher Phasenübergang mittels eines Aktuators aktivierbar und so Wärmeenergie freisetzbar ist. So kann in konstruktiv einfacher Weise der Latentwärmespeicher aktiviert werden, um Wärmeenergie freizugeben.
-
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist es vorteilhaft vorgesehen, dass der Phasenübergang des Latentwärmespeichers mittels des Aktuators elektrisch, über Druck oder über Biegen eines Metallplättchens aktivierbar und so Wärmeenergie freisetzbar ist.
-
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist es vorteilhaft vorgesehen, dass der Phasenübergang des Latentwärmespeichers durch Öffnen eines Tankklappenelements des Tankspeichersystems als Aktuator aktivierbar und so Wärmeenergie freisetzbar ist. Dies ist insbesondere für den Nutzer eines brennstoffzellenbetriebenen Fahrzeugs von Vorteil, da dieser durch das Öffnen des Tankklappenelements nicht nur den Tankvorgang vorbereitet, sondern auch den Latentwärmespeicher aktiviert und so eine thermische Kopplung zwischen dem Zapfhahn der Tanksäule und dem Tankstutzen des Tankspeichersystems herstellt.
-
In vorteilhafter Weiterbildung ist es vorgesehen, dass das Phasenwechselmaterial bzw. der Latentwärmespeicher am Tankstutzen angeordnet ist. So kann in konstruktiv einfacher Weise die Wärme aus dem Verbrauchersystem bzw. dem Kühlkreislauf direkt an den Tankstutzen geführt werden, so dass eine Erwärmung des Zapfhahns bei Betankung des Fahrzeugs ermöglicht wird.
-
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist es vorteilhaft vorgesehen, dass der Latentwärmespeicher zwischen dem Tankstutzen und dem Verbrauchersystem bzw. dem Kühlsystem angeordnet ist. So kann die Wärme in konstruktiv einfacher Weise schnell und effizient aus dem Verbrauchersystem bzw. dem Kühlkreislauf in Richtung des Tankstutzens geführt werden, was zu einer optimalen thermischen Kopplung zwischen dem Tankspeichersystem und dem Verbrauchersystem bzw. dem Kühlkreislauf führt.
-
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist es vorteilhaft vorgesehen, dass in dem Tankspeichersystem gasförmiger oder flüssiger Brennstoff, insbesondere gasförmiger oder flüssiger Wasserstoff, speicherbar ist.
-
Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Enteisung eines Zapfhahns einer Tanksäule einer Tankstellenvorrichtung mit einer zuvor beschriebenen Systemeinheit gekennzeichnet durch das folgende Merkmal:
- Aktivieren eines Phasenübergangs des Latentwärmespeichers mittels eines an dem Latentwärmespeicher angeordneten Aktuators durch elektrische Hilfe, über Druck oder über Biegen eines Metallplättchens, um so Wärmeenergie freizusetzen und diese Wärmeenergie über den Tankstutzen auf den Zapfhahn übertragen wird.
-
Vorteilhafterweise wird der Phasenübergang des Latentwärmespeichers durch Öffnen eines Tankklappenelements des Tankspeichersystems als Aktuator aktiviert und so Wärmeenergie freigesetzt.
-
Dies ist insbesondere bei der Betankung durch eine externe Tankstellenvorrichtung von Vorteil. Bei der Betankung von brennstoffzellenbetriebenen Fahrzeugen wird der Brennstoff Wasserstoff im Tankspeichersystem auf hohen Druck, beispielsweise 700 bar, gebracht. Dabei entsteht im Tankspeichersystem Wärme aufgrund der Wasserstoffkompression. Dies führt zu einer Überhitzung im Tankspeichersystem und aufgrund von thermischen Spannungen und einer abnehmenden Materialfestigkeit mit ansteigender Temperatur zu möglichen Beschädigungen am Tankspeichersystem. Um dies zu verhindern, wird der Wasserstoff an der Tankstellenvorrichtung vor der Betankung auf ca. -40°C abgekühlt, so dass bei der Betankung der Temperaturanstieg im Tankspeichersystem auf etwa 50°C begrenzt bleibt. Für den Tankstutzen jedoch bedeutet dies, dass er während des Betankungsvorgangs - insbesondere bei nasskaltem Wetter - am Zapfhahn der Tanksäule festfrieren kann. Je nach Umgebungstemperatur kann dies entweder bedeuten, dass bei Temperaturen um die 10 bis 20°C ein Nutzer der Tankstellenvorrichtung durchschnittlich 15 bis 20 Minuten warten muss bis der Tankstutzen von selbst aufgetaut ist. Es kann aber auch zu einer dauerhaften Vereisung, insbesondere bei Temperaturen unter dem Gefrierpunkt (<0°C) führen. Durch die thermische Kopplung des Tankspeichersystems und des Tankstutzens mit dem Latentwärmespeicher ist es möglich, dies zu verhindern, indem der Zapfhahn der Tanksäule mit dem Tankstutzen thermisch verbunden und dieser so beheizbar ist. So kann dem Nutzer der Tankstellenvorrichtung das volle Potenzial der Wasserstoffbetankung zur Verfügung gestellt werden und darüber hinaus auch die Anzahl der zu betankenden Fahrzeuge erhöht werden.
-
In vorteilhaften Verwendungen kann die Systemeinheit in wasserstoffbetriebenen Fahrzeugen verwendet werden.
-
Figurenliste
-
In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele einer erfindungsgemäßen Systemeinheit mit einem Tankspeichersystem, einem als Verbrauchersystem ausgebildeten Brennstoffzellensystem und einer Tankstellenvorrichtung gezeigt. Es zeigt in
- 1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer Systemeinheit mit einem Tankspeichersystem, einem als Verbrauchersystem ausgebildeten Brennstoffzellensystem und einer Tankstellenvorrichtung in schematischer Ansicht,
- 2 ein zweites Ausführungsbeispiel einer Systemeinheit mit einem Tankspeichersystem, einem als Verbrauchersystem ausgebildeten Brennstoffzellensystem und einer Tankstellenvorrichtung in schematischer Ansicht,
- 3 ein wasserstoffbetriebenes Fahrzeug mit einer Systemeinheit mit einem Tankspeichersystem und einem Verbrauchersystem in schematischer Ansicht.
-
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
-
1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel einer Systemeinheit 100 mit einem Tankspeichersystem 20, einem Brennstoffzellensystem 1 als Verbrauchersystem 101 und einer Tankstellenvorrichtung 400 in schematischer Ansicht.
-
Das Tankspeichersystem 20 stellt den für das Brennstoffzellensystem 1 benötigten Brennstoff, hier Wasserstoff in flüssiger oder gasförmiger Form und optional unter Druck, über eine Anodenzulaufleitung 5 einer Brennstoffzelle 2 des Brennstoffzellensystems 1 zur Verfügung. In weiteren Ausführungen kann das Tankspeichersystem 20 mehrere Tankbehälter umfassen, welche mittels einer Versorgungsleitung verbunden sind und so den Wasserstoff in Richtung des Brennstoffzellensystems 1 leiten. Dabei ist ein Tankspeichersystem erzielbar, welches sich an die konstruktiven Gegebenheiten des jeweiligen Verbrauchersystems und dessen Anwendung anpassen lässt.
-
Das Tankspeichersystem 20 ist mittels eines in dem Tankspeichersystem 20 integrierten Tankstutzens 21, welcher mit einem Tankklappenelement 200 geöffnet und geschlossen werden kann, mit einer externen Tankstellenvorrichtung 400 verbindbar. So kann über Tanksäulen 401 der Tankstellenvorrichtung 400 gasförmiges oder flüssiges Medium, beispielsweise Wasserstoff, mittels eines Zapfhahns 40 zugeführt werden, um es dem Verbrauchersystem 101 wie beispielsweise dem Brennstoffzellensystem 1 zur Verfügung zu stellen.
-
Die Brennstoffzelle 2 des Brennstoffzellensystems 1 wird neben dem Wasserstoff über eine Kathodenzulaufleitung 3 auch mit durch einen Verdichter 300 komprimierter Luft versorgt. In der Brennstoffzelle 2 reagiert der Wasserstoff zusammen mit dem in der Luft vorhandenen Sauerstoff zu Wasser. Hierbei werden auch elektrochemische Energie und Wärme freigesetzt, welche beispielsweise als elektrischer Antrieb für brennstoffzellenbetriebene Fahrzeuge verwendet werden.
-
In diesem Ausführungsbeispiel wird beispielhaft eine Brennstoffzelle 2 dargestellt. Typischerweise weisen Brennstoffzellensysteme 1 eine Vielzahl von Brennstoffzellen 2 auf, in gestapelter Anordnung bzw. einem Brennstoffzellenstapel, auch „Stack“ genannt.
-
Nicht verwendeter Wasserstoff wird über eine Anodenablaufleitung 6 aus der Brennstoffzelle 2 geleitet. In einer weiteren Ausführung kann der nicht verwendete Wasserstoff über eine Anodenrezirkulationsleitung 60 zur Wiederverwendung in die Anodenzululaufleitung 5 geleitet werden und mit dem vom Tankspeichersystem 20 zugeführten Wasserstoff wieder der Brennstoffzelle 2 zugeführt werden.
-
Über eine Kathodenablaufleitung 4 wird nicht verwendete Luft aus der Brennstoffzelle 2 geleitet. Diese kann optional über eine Kathodenrezirkulationsleitung 301 wieder dem Verdichter 300 und damit der Brennstoffzelle 2 über die Kathodenzulaufleitung 3 zugeführt werden.
-
Weiterhin weist die Brennstoffzelle 2 einen Kühlkreislauf 10 auf. Dabei wird über Kühlleitungen 11 Kühlmittel mittels einer Pumpe 12 zum Kühlen der Brennstoffzelle 2 durch die Brennstoffzelle 2 geleitet. Die Pumpe 12 ist weiterhin neben dem Kühlkreislauf 10 mit einem Latentwärmespeicher 30 verbunden, welcher wiederum mit dem Tankspeichersystem 20, insbesondere mit dem Tankstutzen 21 verbunden ist. Der Latentwärmespeicher 30 weist ein Phasenwechselmaterial 31 mit einem Phasenübergang auf, welcher mittels eines Aktuators 32 aktiviert und so Wärmeenergie freigesetzt werden kann. Durch eine thermische Kopplung 33 des Latentwärmespeichers 30 mit Wärmetauscherkomponenten 110 des Kühlkreislaufs 10 und des Tankspeichersystems 20 können mögliche Zufrierungen aufgrund des Brennstoffs, insbesondere Wasserstoffs, vermieden werden.
-
Bei dem Latentwärmespeicher 30 handelt es sich um einen Wärmespeicher 30, der die ihm zugeführte thermische Energie in Form von latenter Wärme, beispielsweise durch einen Phasenwechsel, speichert. Ist der Phasenwechsel noch nicht abgeschlossen, steigt die Temperatur eines Speichermediums in dem Latentwärmespeicher 30 trotz Wärmezufuhr nicht weiter an. Diese Art von Wärmespeicher können in einem kleinen Temperaturbereich um den Phasenwechsel große Wärmemengen speichern.
-
Typischerweise werden beispielsweise spezielle Salze oder Paraffine als Speichermedium in dem Latentwärmespeicher 30 verwendet und geschmolzen, so dass Energie in Form von Schmelzwärme aufgenommen wird. Die Energie in Form von Wärme wird durch Erstarren des Speichermediums wieder an die Umgebung bzw. an die mit dem Latentwärmespeicher 30 thermisch verbundenen Baukomponenten abgegeben.
-
Der Phasenübergang des Latentwärmespeichers 30 ist mittels des Aktuators 32 elektrisch, über Druck oder über Biegen eines Metallplättchens aktivierbar.
-
In einer alternativen Ausführung ist der Phasenübergang des Latentwärmespeichers 30 durch Öffnen des Tankklappenelements 200 des Tankspeichersystems 20 als Aktuator 32 aktivierbar.
-
2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel einer Systemeinheit 100 mit einem Tankspeichersystem 20, einem Brennstoffzellensystem 1 als Verbrauchersystem 101 und einer Tankstellenvorrichtung 400 in schematischer Ansicht.
-
Bauteile mit derselben Funktion wurden mit derselben Bezugsziffer wie im ersten Ausführungsbeispiel bezeichnet.
-
Der Aufbau und die Funktionsweise des zweiten Ausführungsbeispiels entspricht im Wesentlichen dem ersten Ausführungsbeispiel. Der Unterschied des zweiten Ausführungsbeispiels zum ersten Ausführungsbeispiel liegt darin, dass hier der Latentwärmespeicher 30 bzw. das Phasenwechselmaterial 31 direkt an dem Tankstutzen 21 angeordnet ist, so dass die thermische Kopplung 33 zwischen dem Phasenwechselmaterial 31 und dem Tankstutzen 21 möglichst optimiert ist, indem eine möglichst hohe Wärmeleitung erzielt wird.
-
Die in dem ersten Ausführungsbeispiel und dem zweiten Ausführungsbeispiel beschriebene Systemeinheit 100 wird zur Enteisung von mit gasförmigem oder flüssigem Medium, insbesondere Wasserstoff, in Kontakt tretenden Baukomponenten mit einem Verfahren zur Enteisung eines Zapfhahns 40 einer Tanksäule 401 einer Tankstellenvorrichtung 400 betrieben.
-
Das Verfahren weist folgendes Merkmal auf:
- Aktivieren eines Phasenübergangs des Latentwärmespeichers 30 mittels des an dem Latentwärmespeicher 30 angeordneten Aktuators 32 durch elektrische Hilfe, über Druck oder über Biegen eines Metallplättchens, um so Wärmeenergie freizusetzen und diese Wärmeenergie über den Tankstutzen 21 auf den Zapfhahn 40 übertragen wird.
- Vorteilhafterweise wird der Phasenübergang des Latentwärmespeichers 30 durch Öffnen des Tankklappenelements 200 des Tankspeichersystems 20 als Aktuator 32 aktiviert und so Wärmeenergie freigesetzt, da hierbei von einem unmittelbar anstehenden Betankungsvorgang ausgegangen werden kann. So kann beispielsweise ein Festfrieren des Tankstutzens 21 an den Zapfhahn 40 der Tanksäule 401 der Tankstellenvorrichtung 400 zuverlässig verhindert werden.
- Zwischen zwei Betankungsvorgängen ist außerdem genügend Zeit, um das Phasenwechselmaterial 31 mittels Wärmeenergie wieder zurück in seinen anfänglichen - üblicherweise festen - Zustand zu überführen. Dazu wird Verlustwärme aus dem Brennstoffzellensystem 1 verwendet, indem das Phasenwechselmaterial 31 thermisch an den Kühlkreislauf 10 des Brennstoffzellensystems 1 gekoppelt ist.
- Neben dem in den Ausführungsbeispielen gezeigten Brennstoffzellensystem 1 können in der Systemeinheit 100 auch andere Verbrauchersysteme 101 wie beispielsweise ein Wasserstoffverbrennersystem 1' eingesetzt werden.
-
Die in den Ausführungsbeispielen beschriebene Systemeinheit 100 mit dem Tankspeichersystem 20, dem Brennstoffzellensystem 1 und dem Latentwärmespeicher 30 bzw. dem Phasenwechselmaterial 31 kann beispielsweise in brennstoffzellenbetriebenen Fahrzeugen 90 oder im Falle eines Wasserstoffverbrennersystems 1' in wasserstoffbetriebenen Fahrzeugen 91, wie in 3 gezeigt, verwendet werden.
-
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 102016124521 A1 [0006]
