DE10304165A1

DE10304165A1 - Kryotanksystem mit einer Verwertungseinheit für abgeblasenes Gas

Info

Publication number: DE10304165A1
Application number: DE10304165A
Authority: DE
Inventors: Bernhard Edlinger; Peter Dr. Lamp
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2003-02-03
Filing date: 2003-02-03
Publication date: 2004-08-05

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Kryotanksystem für kryogen gespeicherten Kraftstoff mit einer Verwertungseinheit für das aufgrund von Wärmeeintrag in den Tank abgeblasene Kraftstoff-Gas, insbesondere Wasserstoff-Tankanlage für ein Kraftfahrzeug, wobei zumindest zwei Verwerter für das abgeblasene Kraftstoff-Gas vorgesehen sind, in denen dieses unter Wärmeabgabe umgewandelt wird. Erfindungsgemäß ist in einer das Kraftstoff-Gas zu den Verwertern führenden Abblase-Leitung ein Umschaltventil vorgesehen, welches unter Nutzung der im jeweiligen Verwerter freiwerdenden Wärmemenge ohne Zufuhr von Hilfsenergie in eine den Weg zum Verwerter mit der maximalen Wärmeeinwirkung auf das Umschaltventil freigebende Position überführbar ist. Das Umschaltventil kann mit den Verwertern in wärmeübertragender Verbindung stehende Gaspolster aufweisen, zwischen denen ein Umschaltglied abgestützt ist, wobei diese Gaspolster zur Berücksichtigung unterschiedlicher Wärmeabgabe-Charakteristika der einzelnen Verwerter unterschiedlich ausgebildet sein können. Alternativ kann das Umschaltventil ein mit den Verwertern in wärmeübertragender Verbindung stehendes Bimetall-Element oder ein Element aus einer Memory-Legierung aufweisen oder einen thermoelektrischen Generator enthalten.

Description

Die Erfindung betrifft ein Kryotanksystem für kryogen gespeicherten Kraftstoff mit einer Verwertungseinheit für das aufgrund von Wärmeeintrag in den Tank abgeblasene Kraftstoff-Gas, insbesondere für eine Wasserstoff-Tankanlage für ein Kraftfahrzeug, wobei zumindest zwei Verwerter für das abgeblasene Kraftstoff-Gas vorgesehen sind, in denen dieses unter Wärmeabgabe umgewandelt wird.

Bekanntermaßen steigt betriebsbedingt in einem Kryotank, bspw. einem Flüssig-Wasserstofftank und allgemein in einem Tank, in welchem ein unter Umgebungsbedingungen gasförmiger Kraftstoff kryogen und somit stark unterkühlt gespeichert wird, der Druck durch Wärmeeintrag von außen in den Tank stetig an, solange aus diesem Tank keine Teilmenge des Kraftstoffs entnommen wird. Ist schließlich der Druck im Tank auf einen maximal erlaubten Druck angestiegen, so muss zum Schutz des Tanks gegen Bersten eine geringfügige Menge des Kraftstoffs (bspw. Wasserstoffs) abgegeben werden. Dieses sog. Boil-off-Gas kann im einfachsten Fall über Abblaseleitungen in die Umgebung abgeführt werden, was im Hinblick auf den Schutz der Umwelt jedoch ungünstig ist. Neuere Konzepte wandeln den freiwerdenden Kraftstoff (Wasserstoff) in sog. Boil-Off-Management-Systemen um, wozu bspw. Brenner, katalytische Brenner, Brennstoffzellen oder im Falle eines Wasserstofftanks für ein Kraftfahrzeug das Fzg.-Antriebsaggregat in Form einer Brennkraftmaschine (hierbei entsteht dann Wasserdampf) zählen. Allgemein werden diese Boil-oft-Management-Systeme im weiteren als Verwerter bezeichnet, da bei dieser Umwandlung irgendwelche Energie frei wird. Wie bei derartigen chemischen Umwandlungsprozessen üblich wird dabei eine gewisse Wärmemenge abgegeben.

Es ist bereits bekannt, aus Sicherheitsgründen mehrere dieser Boil-Off-Management-Systeme oder Verwerter redundant einzusetzen. Eine erforderliche Umschaltung zwischen den einzelnen, zumeist zwei nebeneinander alternativ betreibbaren Verwertern erfolgt im bekannten Stand der Technik durch ein elektrisch angesteuertes (und somit mit Hilfsenergie betriebenes) Ventil. Wird ein Defekt am aktuell in Berieb befindlichen Verwerter festgestellt, so wird auf den bzw. einen anderen Verwerter bzw. auf das oder ein anderes) Boil-Off-Management-System umgeschaltet.

Während des gesamten Zeitraumes, in welchem sich Wasserstoff im Kryo-Tank befindet, sollte eine sichere Energie-Versorgung des vorgesehenen Umschalt-Mechanismus und eine sichere Funktions-Überwachung gewährleistet sein. Aufgrund irgendwelcher widriger Umstände kann jedoch die zur Überwachung sowie zur Umschaltung benötigte Energiequelle ausfallen.

Eine Abhilfemaßnahme für diese geschilderte Problematik aufzuzeigen, ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung.

Die Lösung dieser Aufgabe ist dadurch gekennzeichnet, dass in einer das Kraftstoff-Gas zu den Verwertern führenden Abblase-Leitung ein Umschaltventil vorgesehen ist, welches unter Nutzung der im jeweiligen Verwerter freiwerdenden Wärmemenge ohne Zufuhr von Hilfsenergie in eine den Weg zum Verwerter mit der maximalen Wärmeeinwirkung auf das Umschaltventil freigebende Position überführbar ist. Vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen sind Inhalt der Unteransprüche.

Vorgestellt wird somit eine ohne Hilfsenergie funktionierende Umschaltung zwischen zumindest zwei sog. Verwertern, d.h. Boil-Oft Management-Systemen. Mit Hilfe des vorgestellten Systems kann der jeweils nicht oder schlecht funktionierende Verwerter von der Versorgung mit abgeblasenem Kraftstoff-Gas abgetrennt werden. Vorteilhafterweise erfolgt das Umschalten zwischen den einzelnen Verwertern selbsttätig, indem auf die von den Verwertern abgegebene Wärmemenge zurückgegriffen wird. Diese Wärmemenge liefert dabei nicht nur eine Information über die fehlerfreie oder fehlerbehaftete Funktion des jeweiligen Verwerters, sondern stellt erfindungsgemäß zugleich die für das ggf. erforderliche Umschalten eines Umschaltventils benötigte Energie zur Verfügung.

Die beigefügte 1 stellt die Funktionsweise eines erfindungsgemäßen Kryotanksystems dar, wobei nur die für das Verständnis der Erfindung wesentlichen Elemente dargestellt sind. So ist abstrakt eine Abblase-Leitung 1 eines nicht gezeigten Kryo-Tanks dargestellt, die sich über ein Umschaltventil 2 verzweigt in einen ersten Leitungszweig 3, der zu einem ersten sog. Verwerter A für das über die Abblase-Leitung 1 herangeführte Kraftstoff-Gas führt, und in einen zweiten Leitungszweig 4, der zu einem zweiten sog. Verwerter B für das über die Abblase-Leitung 1 herangeführte Kraftstoff-Gas führt. Die Verwertung des Kraftstoff-Gases (wie eingangs geschildert bspw. bzw. bevorzugt Wasserstoffs) erzeugt in jedem Verwerter A, B unabhängig von der jeweiligen Verwertungs-Weise eine gewisse Wärmemenge, wobei ein zu den Verwertern A, B hinführender Pfeil O₂ die Zufuhr vom Luftsauerstoff verdeutlichen soll, während aus den Verwertern A, B ein Abgasstrom H₂O (nämlich Wasserdampf im Falle von Wasserstoff als Kraftstoff-Gas) abgeführt wird. Bei der Umwandlung des Kraftstoff-Gases in den Verwertern A, B wird Wärme frei, die nun wie durch Pfeile Q_A bzw. Q_B dargestellt ist, zumindest teilweise jeweils einem am Umschaltventil 2 vorgesehenen Betätigungselement 2a bzw. 2b zugeführt wird.
Die Betätigungselemente 2a, 2b nutzen die empfangene Wärme Q_A bzw. Q_B dazu, das Umschaltventil 2 in eine solche Position zu bringen, dass das über die Abblase-Leitung 1 herangeführte Kraftstoff-Gas entweder über den Leitungszweig 3 zum Verwerter A gelangt, falls die Einwirkung der Wärmemenge bzw. des Wärmestroms Q_A auf das Umschaltventil 2 bzw. auf das Betätigungselement 2a größer ist als die Einwirkung der Wärmemenge bzw. des Wärmestroms Q_B auf das Umschaltventil 2 bzw. auf das Betätigungselement 2b, oder dass das herangeführte Kraftstoff-Gas über den Leitungszweig 4 zum Verwerter B gelangt, falls die Einwirkung der Wärmemenge bzw. des Wärmestroms Q_B auf das Umschaltventil 2 bzw. auf das Betätigungselement 2b größer ist als die Einwirkung der Wärmemenge bzw. des Wärmestroms Q_A auf das Umschaltventil 2 bzw. auf das Betätigungselement 2a.
Zunächst befinde sich das Umschaltventil 2 in seiner figürlich dargestellten Mittelstellung, in der es ohne zusätzliche Krafteinwirkung bspw. unter Einwirkung zweier einander entgegengerichteter Federkräfte gehalten sein kann. In dieser Mittelstellung ist sowohl der erste Leitungszweig 3 als auch der zweite Leistungszweig 4 freigeschaltet, d.h. dass beide Verwerter A, B mit abgeblasenem Kraftstoff-Gas versorgt und folglich betrieben werden. Reagieren die beiden Betätigungselemente 2a, 2b gleichermaßen auf einen gleichen ihnen zugeführten Wärmestrom, so wird der zeitlich schneller ansprechende Verwerter A oder B bzw. derjenige Verwerter, der mit der gleichen Kraftstoffmenge eine größere Wärmemenge erzeugt, eine größere Wärmemenge Q_A bzw. Q_B an das zugeordnete Betätigungselement 2a bzw. 2b abgeben, so dass dieses das Umschaltventil 2 in eine solche Position verlagert, dass nurmehr dieser schneller ansprechende oder eine größere Wärmemenge erzeugende Verwerter mit Kraftstoff-Gas versorgt wird.
Auf vergleichbare Weise wird auch der eigentlich gewünschte Effekt erreicht, nämlich dass ein Verwerter A bzw. B, der nicht funktionstüchtig ist und somit keine Wärme abgibt, abgeschaltet und gleichzeitig der andere Verwerter zugeschaltet wird, d.h. dass das herangeführte Kraftstoff-Gas dem anderen, funktionstüchtigen Verwerter zugeführt wird. Dies geschieht dann wie folgt: Zunächst befinde sich das Umschaltventil 2 beispielsweise in einer Position, mit der lediglich der Verwerter A mit Kraftstoff-Gas aus der Abblase-Leitung 1 beaufschlagt wird. Wenn nun dieser Verwerter A aufgrund eines Defekts ausfällt, wird keine weitere Wärmemenge Q_A an das Betätigungselement 2a abgegeben, wonach sich das Umschaltventil 2 wieder in seine Ausgangsposition, d.h. in die bereits erläuterte Mittelstellung bewegt, in der beide Leitungszweige 3, 4 freigegeben sind. Dies kann bspw. durch Federkraft geschehen, wenn – wie ebenfalls bereits erwähnt wurde – das Umschaltventil 2 durch Federkraft in seiner Mittelstellung gehalten wird, solange keine weiteren Kräfte seitens der Betätigungselemente 2a, 2b einwirken. Nachdem nun in der Mittelstellung des Umschaltventils 2 sowohl der Verwerter A als auch der Verwerter B mit Kraftstoff-Gas versorgt werden, der erstgenannte wegen Funktionsausfall jedoch keine Wärmemenge abgeben kann, wird das Umschaltventil 2 unter Nutzung der vom Verwerter B abgegebenen Wärmemenge Q_B in eine solche Position bewegt, dass das Kraftstoff-Gas nurmehr dem Verwerter B zugeführt wird.
Im Sinne einer vorteilhaften Weiterbildung kann das Umschaltventil mit den Verwertern in wärmeübertragender Verbindung stehende Gaspolster aufweisen, zwischen denen ein Umschaltglied abgestützt ist. Die Gaspolster mit den Abstützungen für das Umschaltglied bilden dann die im vorhergehenden Absatz sog. Betätigungselemente. Von Vorteil sind derartige Gaspolster bzw. ein quasi als Gasdruckschalter ausgebildetes Umschaltventil insofern, als der gewünschte Effekt, nämlich die Wärmeausdehnung und die resultierende Verlagerung des Umschaltgliedes selbstverstärkend ausgeführt werden kann. Insbesondere ist es damit auch möglich, die Gaspolster des Umschaltventils im Hinblick auf eine Berücksichtigung unterschiedlicher Wärmeabgabe-Charakteristika der einzelnen Verwerter unterschiedlich auszubilden. Durch unterschiedliche Gasvolumina in den jeweiligen Gaspolstern und/oder durch unterschiedliche Flächen derselben bzw. der zugehörigen Membranen können somit insbesondere unterschiedliche Absolut-Temperaturen der jeweiligen Verwerter berücksichtigt bzw. störende Einflüsse hieraus eliminiert werden.
Ein erfindungsgemäßes Umschaltventil kann jedoch auch ein mit den Verwertern in wärmeübertragender Verbindung stehendes Bimetall-Element oder ein entsprechendes Element aus einer Memory-Legierung aufweisen, das mit einem Umschaltglied in geeigneter Wirkverbindung steht. Auch hierbei ist gewährleistet, dass die vom jeweiligen Verwerter abgegebene Wärme nicht nur berücksichtigt und ggf. mit der vom anderen Verwerter abgegebenen Wärmemenge verglichen wird, sondern dass auch die Betätigung des Umschaltgliedes durch das besagte Element ausgelöst wird. Vergleichbares gilt für eine weitere alternative Ausführungsform des Umschaltventils, wonach dieses ein Peltierelement und somit quasi einen thermoelektrischen Generator enthält, wobei die in diesem erzeugte elektrische Energie zur Signalauswertung und zum Schalten des Umschaltventils genutzt wird.
In der weiteren beigefügten 2 ist ein vereinfachter Schnitt eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Umschaltventils 2 (aus 1) dargestellt. Wie ersichtlich ist in einem beidseitig offenen Zylinder 20 ein hier mittig liegender Kolben 21 längs der Zylinderachse verschiebbar geführt, der beidseitig eine Kolbenstange 23a bzw. 23b trägt, an deren freiem Ende jeweils ein ein Gaspolster bildender bzw. enthaltender Balg 22a bzw. 22b befestigt ist. Der in der Figur linksseitige Balg 22a liegt mit seiner dem Kolben 21 abgewandten Seite bzw. Membran an einem ersten Verwerter A für an einem Kryotanksystem abgeblasenes Kraftstoff-Gas an, während der in der Figur rechtsseitige Balg 22b mit seiner dem Kolben 21 abgewandten Seite bzw. Membran an einem zweiten Verwerter B für an einem Kryotanksystem abgeblasenes Kraftstoff-Gas anliegt. Der Balg 22a mit der zugehörigen Kolbenstange 23a bildet somit unter Bezugnahme auf 1 das dortige Betätigungselement 2a, während der Balg 22b mit der zugehörigen Kolbenstange 23b das dortige Betätigungselement 2b bildet.
Im in der 2 unteren Bereich des Mantels des Zylinders 20 ist eine Zuführöffnung 24 vorgesehen, an die sich außenseitig die Abblase-Leitung 1 aus 1 anschießt. In der Mantelwand des Zylinders 20 verzweigt oder erweitert sich diese Zuführöffnung 24 derart, dass bei exakter Mittelstellung des Kolbens 21 (wie figürlich dargestellt) durch die Abblase-Leitung 1 herangeführtes Kraftstoff-Gas sowohl rechtsseitig des Kolbens 21 als auch linksseitig desselben in den Innenraum des Zylinders 20 gelangen kann. Im in der 2 gegenüberliegenden oberen Bereich des Mantels des Zylinders 20 sind zwei Abführöffnungen 25a, 25b vorgesehen, an die sich außenseitig die Leitungszweige 3 bzw. 4 aus 1 anschließen.
In der figürlich dargestellten Mittelstellung des Kolbens 21 liegen beide Abführöffnungen 25a, 25b frei, so dass das über die Zuführöffnung 24 in den Innenraum des Zylinders 20 gelangte Kraftstoff-Gas gleichermaßen in die Leitungszweige 3 bzw. 4 gelangen kann. Die Darstellung nach 2 bzw. die gezeigte Position des Kolbens 21 entspricht somit der in 1 gezeigten Stellung des Umschaltventils 2. Dehnt sich nun aufgrund verstärkter Wärmeeinwirkung beispielsweise seitens des (rechtsseitigen) Verwerters B das Gaspolster im (rechtsseitigen) Balg 22b stärker aus als dasjenige im (linksseitigen) Balg 22a, so wird der Kolben 21 geringfügig nach links verschoben, wodurch die (linksseitige) Abführöffnung 25a zumindest teilweise abgedeckt und somit teilweise verschlossen wird. Dabei wird auch die Zuführöffnung 24 linksseitig des Kolbens 21 verkleinert und gleichzeitig rechtsseitig des Kolbens 24 vergrößert, so dass nunmehr eine größere Menge von Kraftstoff-Gas in den Leitungszweig 4 und somit zum (rechtsseitigen) Verwerter B gelangen kann. Dies verstärkt die Verlagerungstendenz des Kolbens 21 nach links solange, bis alleine nur noch der (rechtsseitige) Verwerter B mit über die Abblase-Leitung 1 zugeführtem Kraftstoff-Gas versorgt wird. Wie aus dieser Schilderung hervorgeht, ist das System somit selbstverstärkend, d.h. dass dasjenige Gaspolster (oder dgl.) mit der schnelleren bzw. intensiveren Erwärmung den Fluss des Kraftstoff- Gasstromes derart verschiebt, dass der jeweils andere Verwerter eine geringere Menge von Kraftstoff-Gas erhält, der zugehörige Verwerter hingegen eine größere Menge.
In 2 ist am dargestellten Umschaltventil 2, dessen sog. Umschaltglied der Kolben 21 ist, eine mit der Bezugsziffer 26 gekennzeichnete Vorrichtung zur Lageerkennung des Umschaltglieds (Kolbens 21) vorgesehen. Hierbei kann es sich bspw. um einen Reedkontakt handeln. Eine derartige Vorrichtung ist insofern hilfreich, als in der Ausgangsposition, in der keiner der Verwerter A, B in Betrieb ist, das Umschaltglied eine exakte Mittelstellung einnehmen sollte, was mit der sog. Lageerkennungs-Vorrichtung 26 festgestellt bzw. überprüft werden kann. Weiterhin kann eine selbsttätige Funktionsüberprüfung des Umschaltventils 2 hinsichtlich seiner in den Bälgen 22a, 22b befindlichen Gaspolster vorgesehen sein, bspw. indem beide Gaspolster in Mittelstellung und bei –40°C einen Überdruck zur Umgebung aufweisen. Wird dann ein Gaspolster bzw. ein Balg defekt und verliert seinen Druck, so ist der zugehörige Verwerter A bzw. B selbsttätig abgeschaltet.
Daneben können noch eine Vielzahl weiterer Details abweichend vom gezeigten Ausführungsbeispiel und den obigen Ausführungen gestaltet sein, ohne den Inhalt der Patentansprüche zu verlassen. Stets erhält man mit den erfindungswesentlichen Merkmalen eine einfach, sicher und insbesondere ohne Zufuhr von Hilfsenergie arbeitende Vorrichtung, mit der gewährleistet ist, dass von mehreren vorhandenen sog. Verwertern für abgeblasenes Kraftstoff-Gas an einem Kryotanksystem, d.h. von mehreren sog. Boil-off-Management-Systemen, stets ein funktionsfähiges System in Betrieb sein kann, d.h. dass stets ein funktionsfähiger Verwerter bzw. ein funktionsfähiges Boil-off-Management-System mit abgeblasenem Kraftstoff-Gas versorgt wird.

Claims

Kryotanksystem für kryogen gespeicherten Kraftstoff mit einer Verwertungseinheit für das aufgrund von Wärmeeintrag in den Tank abgeblasene Kraftstoff-Gas, insbesondere Wasserstoff-Tankanlage für ein Kraftfahrzeug, wobei zumindest zwei Verwerter (A, B) für das abgeblasene Kraftstoff-Gas vorgesehen sind, in denen dieses unter Wärmeabgabe umgewandelt wird, dadurch gekennzeichnet, dass in einer das Kraftstoff-Gas zu den Verwertern (A, B) führenden Abblase-Leitung (1) ein Umschaltventil (2) vorgesehen ist, welches unter Nutzung der im jeweiligen Verwerter freiwerdenden Wärmemenge (Q_A, Q_B) ohne Zufuhr von Hilfsenergie in eine den Weg zum Verwerter (A, B) mit der maximalen Wärmeeinwirkung auf das Umschaltventil (2) freigebende Position überführbar ist.
Kryotanksystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Umschaltventil (2) mit den Verwertern (A, B) in wärmeübertragender Verbindung stehende Gaspolster (22a, 22b) aufweist, zwischen denen ein Umschaltglied (21) abgestützt ist.
Kryotanksystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Gaspolster (22a, 22b) des Umschaltventils (2) zur Berücksichtigung unterschiedlicher Wärmeabgabe-Charakteristika der einzelnen Verwerter (A, B) unterschiedlich ausgebildet sind.
Kryotanksystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Umschaltventil (2) ein mit den Verwertern (A, B) in wärmeübertragender Verbindung stehendes Bimetall-Element oder ein Element aus einer Memory-Legierung aufweist, das mit einem Umschaltglied (21) in Wirkverbindung steht.
Kryotanksystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Umschaltventil (2) einen thermoelektrischen Generator enthält und das die in diesem erzeugte elektrische Energie zur Signalauswertung und zum Schalten des Umschaltventils genutzt wird.
Kryotanksystem nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Umschaltglied (21) des Umschaltventils (2) als ein in einem mit geeigneten Übertrittsöffnungen (24, 25a, 25b) für das Kraftstoff-Gas versehenen Zylinder (20) verschiebbar geführter Kolben (21) ausgebildet ist.
Kryotanksystem nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Umschaltventil (2) mit einer Vorrichtung zur Lageerkennung des Umschaltglieds (21) versehen ist.