DE102023201447A1 - Kryotankvorrichtung mit einem Boil-Off-Managementsystem - Google Patents

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Florian Wimmer
Matthaeus Jaeger
Rainer Puchleitner
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Magna Energy Storage Systems GmbH
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Abstract

Eine Kryotankvorrichtung mit einem Boil-Off-Managementsystem (1), umfassend einen ersten Kryotank (2) und eine mit dem ersten Kryotank (2) fluidverbundene erste Boil-Off-Leitung (3) mit einem ersten Boil-Off-Ventil (4), sowie das Boil-Off-Managementsystem (1) umfassend eine Mischkammer (5) zur Mischung des durch die erste Boil-Off-Leitung (3) über eine erste Düse (6) der Mischkammer (5) zuströmenden Mediums, insbesondere Wasserstoff, mit dem durch eine Luftzufuhrleitung (7) zuströmenden Medium, insbesondere Luft und/oder Sauerstoff, sowie einen der Mischkammer (5) nachgeschalteten Katalysator (8) und einen dem Katalysator (8) nachgeschalteten Auslass (9) des Boil-Off-Managementsystems (1), wobei die Kryotankvorrichtung einen zweiten Kryotank (10) umfasst und eine mit dem zweiten Kryotank (10) fluidverbundene zweite Boil-Off-Leitung (11), wobei die Mischkammer (5) zur Mischung des durch die erste Boil-Off-Leitung (3) zuströmenden Mediums mit dem durch die Luftzufuhrleitung (7) zuströmenden Medium auch dazu eingerichtet ist, das durch die zweite Boil-Off-Leitung (11) zuströmende Medium mit dem durch die Luftzufuhrleitung (7) zuströmenden Medium zu mischen, so dass das Boil-Off-Managementsystem (1), mit der Mischkammer (5), mit dem der Mischkammer (5) nachgeschalteten Katalysator (8) und mit dem, dem Katalysator (8) nachgeschalteten Auslass (9), für beide Boil-Off-Leitungen (3, 11) der beiden Kryotanks (2, 10) verwendet wird.

Description

  • Gebiet der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kryotankvorrichtung mit einem Boil-Off-Managementsystem, insbesondere eine mobile Kryotankvorrichtung.
  • Stand der Technik
  • Kryotanks, also kryostatische Behälter bzw. Druckspeicher für tiefkalte verflüssigte Gase, beispielsweise eines mit flüssigem Wasserstoff (H2) betriebenen Brennstoffzellen-Fahrzeugs, sind an sich bekannt und werden zur Speicherung tiefkalter Flüssigkeiten, insbesondere von flüssigem Wasserstoff, eingesetzt. Das Medium kann insbesondere als Treibstoff für ein fahrendes oder fliegendes Fortbewegungsmittel eingesetzt werden, beispielsweise für ein Kraftfahrzeug, Flugzeug oder eine Weltraumrakete. Kryotanks weisen üblicherweise einen Innenbehälter, also Innentank, auf, in den das im Tank gespeicherte Medium, also insbesondere der Wasserstoff, aufgenommen ist und einen den Innenbehälter umgebenden Außenbehälter. Zwischen Innenbehälter und Außenbehälter ist üblicherweise ein Isolationsraum, insbesondere mit einem Vakuum, eingerichtet, um die Wärmeübertragung von außen nach innen zu verringern. Solche Kryotanks können zylindrisch ausgebildet sein.
  • Durch den unvermeidbaren Wärmeeintrag in einen Kryotank findet laufend Verdampfung von Wasserstoff statt. Dadurch kann die Temperatur im Tank konstant gehalten werden (sog. „Boil-Off“). Um den Druck in dem Innenbehälter unter einem bestimmten Schwellwert zu halten, öffnet sich bei ebendiesem ein Ventil (sog. „Boil-Off Ventil“, BOV), wodurch gasförmiger Wasserstoff in die Umgebung abgegeben wird. Um eine Gefährdung (z.B. Entzündung oder 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 zur Mischung und katalytischen Umsetzung des abgelassenen Gases wird als „Boil-Off Management System“ (BOMS) bezeichnet. Da während des Betriebs eines Wasserstoff-Fahrzeugs stets eine ausreichende Menge gasförmigen Wasserstoffs entnommen wird bzw. für den Betrieb entnommen werden kann, wird das BOMS üblicherweise nur bei längerer Standzeit des Fahrzeugs, nach der sogen. „Dormancy Time“, benötigt. Sobald das Boil-Off Ventil öffnet, findet das Ausströmen, Durchmischen mit Luft sowie die katalytische Umsetzung des abgeblasenen Wasserstoffs statt.
  • In jüngerer Zeit werden auch Kryotankvorrichtungen verwendet, die mehr als einen Kryotank umfassen, um beispielsweise größere Mengen von Wasserstoff in einem Kraftfahrzeug transportieren zu können.
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine Kryotankvorrichtung anzugeben, die große Mengen von Wasserstoff speichern kann und dabei auf kostengünstige und bauraumsparende Weise, einen gewünschten Druck in der Kryotankvorrichtung halten kann.
  • Die Lösung der Aufgabe erfolgt durch eine Kryotankvorrichtung mit einem Boil-Off-Managementsystem, umfassend einen ersten Kryotank und eine mit dem ersten Kryotank fluidverbundene erste Boil-Off-Leitung mit einem ersten Boil-Off-Ventil, sowie das Boil-Off-Managementsystem umfassend eine Mischkammer zur Mischung des durch die erste Boil-Off-Leitung über eine erste Düse der Mischkammer zuströmenden Mediums, insbesondere Wasserstoff, mit dem durch eine Luftzufuhrleitung zuströmenden Medium, insbesondere Luft und/oder Sauerstoff, sowie einen der Mischkammer nachgeschalteten Katalysator und einen dem Katalysator nachgeschalteten Auslass des Boil-Off-Managementsystems, wobei die Kryotankvorrichtung einen zweiten Kryotank umfasst und eine mit dem zweiten Kryotank fluidverbundene zweite Boil-Off-Leitung, wobei die Mischkammer zur Mischung des durch die erste Boil-Off-Leitung zuströmenden Mediums mit dem durch die Luftzufuhrleitung zuströmenden Medium auch dazu eingerichtet ist, das durch die zweite Boil-Off-Leitung zuströmende Medium mit dem durch die Luftzufuhrleitung zuströmenden Medium zu mischen, so dass das Boil-Off-Managementsystem, mit der Mischkammer, mit dem der Mischkammer nachgeschalteten Katalysator und mit dem, dem Katalysator nachgeschalteten Auslass, für beide Boil-Off-Leitungen der beiden Kryotanks verwendet wird.
  • Erfindungsgemäß wird eine Kryotankvorrichtung verwendet, die zwei Kryotanks umfasst, nämlich einen ersten und einen zweiten Kryotank. Über jeweilige Boil-Off-Leitungen sind die beiden Kryotanks mit einem Boil-Off-Managementsystems (BOMS) verbunden, wobei erfindungsgemäß nur ein einziges Boil-Off-Managementsystems für beiden Kryotanks verwendet wird. Dazu ist die zweite Boil-Off-Leitung, die vom zweiten Kryotank ausgeht, ebenfalls mit dem selben Boil-Off-Managementsystem und somit mit der selben Mischkammer und dem selben Katalysator fluidverbunden, wie der erste Kryotank. Das einzige Boil-Off-Managementsystems weist vorzugsweise auch lediglich ein einziges Gehäuse auf.
  • Für die Umwandlung des bei längeren Stehzeiten verdampften Wasserstoffs im Doppeltanksystem zu Wasserdampf wird somit erfindungsgemäß nur ein einziges BOMS, insbesondere ein Gehäuse und jeweils nur eine Komponente wie beispielsweise ein Katalysator, für zwei Tanks verwendet. Die benötigten Funktionseinheiten, wie insbesondere Venturirohr, Katalysator, Düsen werden so ausgelegt, dass ein sicherer Betrieb des Systems mit einem einzigen BOMS möglich ist.
  • Hierdurch kann Bauraum, sowie Bauteile und Kosten gegenüber der Verwendung jeweils eigener BOMS eingespart werden. Für die Speicherung einer großen Menge von Wasserstoff werden dennoch zumindest zwei Kryotanks, insbesondere zwei Innentanks, bereitgestellt.
  • Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung sowie den beigefügten Zeichnungen angegeben.
  • Vorzugsweise sind die erste Boil-Off-Leitung und die zweite Boil-Off-Leitung vor der ersten Düse zu einer gemeinsamen Boil-Off-Leitung zusammengeführt, so dass das durch die gemeinsame Boil-Off-Leitung über die erste Düse zuströmende Medium mit dem durch die Luftzufuhrleitung zuströmenden Medium gemischt wird. Es erfolgt also eine Zusammenführung der Boil-Off-Leitungen vor der Düse, durch welche der Wasserstoff in die Mischkammer eingebracht wird, durch Einsatz einer einfachen verbundenen Leitung, die beiden Kryotanks gemeinsam ist, also auf der Verbindung von zwei Boil-off Leitungen zur Abführung des Wasserstoffes in nur ein BOMS.
  • Die mit dem zweiten Kryotank fluidverbundene zweite Boil-Off-Leitung kann ein eigenes, zweites Boil-Off-Ventil aufweisen, so dass die erste Boil-Off-Leitung und die zweite Boil-Off-Leitung erst nach dem ersten und zweiten Boil-Off-Ventil zu der gemeinsamen Boil-Off-Leitung zusammengeführt sind.
  • In einer anderen Ausführungsform können die erste Boil-Off-Leitung und die zweite Boil-Off-Leitung vor dem ersten Boil-Off-Ventil zu der gemeinsamen Boil-Off-Leitung zusammengeführt sein, so dass das erste Boil-Off-Ventil ein gemeinsames Boil-Off-Ventil für die erste Boil-Off-Leitung und die zweite Boil-Off-Leitung darstellt.
  • In einer anderen Ausführungsform umfasst die Kryotankvorrichtung für die zweite Boil-Off-Leitung eine zweite Düse, so dass das durch die zweite Boil-Off-Leitung über die zweite Düse der Mischkammer zuströmende Medium in der Mischkammer mit dem durch die Luftzufuhrleitung zuströmenden Medium gemischt wird.
  • Alternativ zu der Zusammenführung der beiden Gasströme vor dem eigentlichen BOMS, genauer vor der Düse zur Mischkammer des BOMS, kann durch den Einsatz von zwei Düsen eine direkte Durchmischung und Einspritzung des Wasserstoffes in das BOMS erreicht werden.
  • In diesem Fall weist bevorzugt wieder jede Boil-Off-Leitung ihr eigenes Boil-Off-Ventil auf.
  • Auch diese Ausführung ermöglicht es, dass ein Kosten- und Gewichtsvorteil durch die Konsolidierung von Gehäuse und Katalysator entsteht und nur die Düsen zur Einspritzung des Wasserstoffes in die Mischkammer doppelt vorhanden sein müssen.
  • Kurzbeschreibung der Zeichnungen
  • Die Erfindung wird im Folgenden beispielhaft unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben.
    • 1 ist eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Kryotankvorrichtung in einer ersten Ausführungsform.
    • 2 ist eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Kryotankvorrichtung in einer zweiten Ausführungsform.
    • 3 ist eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Kryotankvorrichtung in einer dritten Ausführungsform.
  • Detaillierte Beschreibung der Erfindung
  • In 1 ist eine erfindungsgemäße Kryotankvorrichtung dargestellt, welche einen ersten Kryotank 2 und eine mit dem ersten Kryotank 2 fluidverbundene erste Boil-Off-Leitung 3 mit einem ersten Boil-Off-Ventil 4 umfasst.
  • Ferner umfasst die Kryotankvorrichtung ein Boil-Off-Managementsystem 1, das in einem Gehäuse eine Mischkammer 5 zur Mischung des durch die erste Boil-Off-Leitung 3 über eine erste Düse 6 der Mischkammer 5 zuströmenden Mediums, insbesondere Wasserstoff, mit dem durch eine Luftzufuhrleitung 7 zuströmenden Medium, insbesondere Luft und/oder Sauerstoff, sowie einen der Mischkammer 5 nachgeschalteten Katalysator 8 und einen dem Katalysator 8 nachgeschalteten Auslass 9 des Boil-Off-Managementsystems 1.
  • Die Kryotankvorrichtung umfasst zudem einen zweiten Kryotank 10 und eine mit dem zweiten Kryotank 10 fluidverbundene zweite Boil-Off-Leitung 11. Die Mischkammer 5, die für die erste Boil-Off-Leitung 3 genutzt wird, ist auch dazu eingerichtet, das durch die zweite Boil-Off-Leitung 11 zuströmende Medium mit dem durch die Luftzufuhrleitung 7 zuströmenden Medium zu mischen, so dass das selbe Boil-Off-Managementsystem 1, mit der Mischkammer 5, mit dem der Mischkammer 5 nachgeschalteten Katalysator 8 und mit dem, dem Katalysator 8 nachgeschalteten Auslass 9, für beide Boil-Off-Leitungen 3, 11 der beiden Kryotanks 2, 10 verwendet wird.
  • Die erste Boil-Off-Leitung 3 und die zweite Boil-Off-Leitung 11 sind in 1 und 2 vor der ersten Düse 6 zu einer gemeinsamen Boil-Off-Leitung 12 zusammengeführt, so dass das durch die gemeinsame Boil-Off-Leitung 12 über die erste Düse 6 zuströmende Medium mit dem durch die Luftzufuhrleitung 7 zuströmenden Medium gemischt wird.
  • In der Ausführung der 1 sind die erste Boil-Off-Leitung 3 und die zweite Boil-Off-Leitung 11 vor dem ersten Boil-Off-Ventil 4 zu der gemeinsamen Boil-Off-Leitung 12 zusammengeführt, so dass das erste Boil-Off-Ventil 4 ein gemeinsames Boil-Off-Ventil für die erste Boil-Off-Leitung 3 und die zweite Boil-Off-Leitung 11 darstellt.
  • In der Ausführung der 2 weist die mit dem zweiten Kryotank 10 fluidverbundene zweite Boil-Off-Leitung 11 ein zweites Boil-Off-Ventil 13 auf, so dass die erste Boil-Off-Leitung 3 und die zweite Boil-Off-Leitung 11 erst nach dem ersten und zweiten Boil-Off-Ventil 4, 13 zu der gemeinsamen Boil-Off-Leitung 12 zusammengeführt sind.
  • Die 3 zeigt schließlich eine Ausführungsform, in der die Kryotankvorrichtung für die zweite Boil-Off-Leitung 11 eine zweite Düse 14 umfasst, so dass das durch die zweite Boil-Off-Leitung 11 über die zweite Düse 14 der Mischkammer 5 zuströmende Medium in der Mischkammer 5 mit dem durch die Luftzufuhrleitung 7 zuströmenden Medium gemischt wird. Es werden somit zwei Düsen 6, 14 zur Einspritzung des Wasserstoffs aus zwei verschiedenen Krytanks 2, 10 in ein gemeinsames BOMS 1 verwendet.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Boil-Off-Managementsystem
    2
    erster Kryotank
    3
    erste Boil-Off-Leitung
    4
    erstes Boil-Off-Ventil
    5
    Mischkammer
    6
    erste Düse
    7
    Luftzufuhrleitung
    8
    Katalysator
    9
    Auslass
    10
    zweiter Kryotank
    11
    zweite Boil-Off-Leitung
    12
    gemeinsame Boil-Off-Leitung
    13
    zweites Boil-Off-Ventil
    14
    zweite Düse

Claims (5)

  1. Kryotankvorrichtung mit einem Boil-Off-Managementsystem (1), umfassend einen ersten Kryotank (2) und eine mit dem ersten Kryotank (2) fluidverbundene erste Boil-Off-Leitung (3) mit einem ersten Boil-Off-Ventil (4), sowie das Boil-Off-Managementsystem (1) umfassend eine Mischkammer (5) zur Mischung des durch die erste Boil-Off-Leitung (3) über eine erste Düse (6) der Mischkammer (5) zuströmenden Mediums, insbesondere Wasserstoff, mit dem durch eine Luftzufuhrleitung (7) zuströmenden Medium, insbesondere Luft und/oder Sauerstoff, sowie einen der Mischkammer (5) nachgeschalteten Katalysator (8) und einen dem Katalysator (8) nachgeschalteten Auslass (9) des Boil-Off-Managementsystems (1), dadurch gekennzeichnet, dass die Kryotankvorrichtung einen zweiten Kryotank (10) umfasst und eine mit dem zweiten Kryotank (10) fluidverbundene zweite Boil-Off-Leitung (11), wobei die Mischkammer (5) zur Mischung des durch die erste Boil-Off-Leitung (3) zuströmenden Mediums mit dem durch die Luftzufuhrleitung (7) zuströmenden Medium auch dazu eingerichtet ist, das durch die zweite Boil-Off-Leitung (11) zuströmende Medium mit dem durch die Luftzufuhrleitung (7) zuströmenden Medium zu mischen, so dass das Boil-Off-Managementsystem (1), mit der Mischkammer (5), mit dem der Mischkammer (5) nachgeschalteten Katalysator (8) und mit dem, dem Katalysator (8) nachgeschalteten Auslass (9), für beide Boil-Off-Leitungen (3, 11) der beiden Kryotanks (2, 10) verwendet wird.
  2. Kryotankvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Boil-Off-Leitung (3) und die zweite Boil-Off-Leitung (11) vor der ersten Düse (6) zu einer gemeinsamen Boil-Off-Leitung (12) zusammengeführt sind, so dass das durch die gemeinsame Boil-Off-Leitung (12) über die erste Düse (6) zuströmende Medium mit dem durch die Luftzufuhrleitung (7) zuströmenden Medium gemischt wird.
  3. Kryotankvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die mit dem zweiten Kryotank (10) fluidverbundene zweite Boil-Off-Leitung (11) ein zweites Boil-Off-Ventil (13) aufweist, so dass die erste Boil-Off-Leitung (3) und die zweite Boil-Off-Leitung (11) nach dem ersten und zweiten Boil-Off-Ventil (4, 13) zu der gemeinsamen Boil-Off-Leitung (12) zusammengeführt sind.
  4. Kryotankvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Boil-Off-Leitung (3) und die zweite Boil-Off-Leitung (11) vor dem ersten Boil-Off-Ventil (4) zu der gemeinsamen Boil-Off-Leitung (12) zusammengeführt sind, so dass das erste Boil-Off-Ventil (4) ein gemeinsames Boil-Off-Ventil für die erste Boil-Off-Leitung (3) und die zweite Boil-Off-Leitung (11) darstellt.
  5. Kryotankvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kryotankvorrichtung für die zweite Boil-Off-Leitung (11) eine zweite Düse (14) umfasst, so dass das durch die zweite Boil-Off-Leitung (11) über die zweite Düse (14) der Mischkammer (5) zuströmende Medium in der Mischkammer (5) mit dem durch die Luftzufuhrleitung (7) zuströmenden Medium gemischt wird.
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