DE112019005717T5 - Fluid-bypass-verfahren und -system zur steuerung der temperatur eines nicht-petroleum-kraftstoffs - Google Patents

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Jimmy Xianming Li
Jeff PICKLES
Edward YOUN
Surinder Singh
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National Institute of Clean and Low Carbon Energy
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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Abstract

Offenbart ist ein Fluid-Bypass-Verfahren zur Steuerung der Temperatur eines Nicht-Petroleum-Kraftstoffs, wobei das Fluid-Bypass-Verfahren das Bereitstellen eines Kraftstoffs mit einem ausreichenden Druck, um eine gewünschte Durchflussrate zu einem Fahrzeug zu bewirken, wobei sich der Kraftstoff in einem flüssigen oder im Wesentlichen überkritischen thermodynamischen Zustand befindet, der eine weitere Wärmezufuhr in einem Verdampfer erfordert; und das Umleiten eines Bypassstroms mit teilweiser oder keiner Verdampfung zu einem Wärmetauscher als kaltes Fluid auf einer kalten Seite des Wärmetauschers, umfasst. Das Verfahren umfasst ferner das Bereitstellen eines Reststroms des Kraftstoffs zum Verdampfer; das Mischen des aus dem Verdampfer abfließenden Reststroms mit dem von der kalten Seite des Wärmetauschers abfließenden kalten Fluid, um einen kombinierten Kraftstoffstrom zu bilden; und das Bereitstellen des kombinierten Kraftstoffstroms zum Wärmetauscher als warmes Fluid auf eine warme Seite des Wärmetauschers.

Description

  • KREUZVERWEIS AUF VERWANDTE ANWENDUNGEN
  • Diese Anmeldung beansprucht die Priorität der am 16 November 2018 eingereichten vorläufigen US-Anmeldung Nr. 62/768,151 mit dem Titel „FLUID BYPASS METHOD AND SYSTEM FOR CONTROLLING THE TEMPERATURE OF A NON-PETROLEUM FUEL“ und der am 6 August 2019 eingereichten US-Anmeldung Nr. 16/532,682 mit dem Titel „FLUID BYPASS METHOD AND SYSTEM FOR CONTROLLING THE TEMPERATURE OF A NON-PETROLEUM FUEL“, auf die hiermit ausdrücklich Bezug genommen wird.
  • TECHNISCHEN BEREICH
  • Die vorliegende Offenbarung betrifft ein Druckgas- oder Kraftstoffabgabesystem und insbesondere ein Druckgas- oder Flüssigkeitsabgabesystem, das ein Bypassverfahren und ein System zur Steuerung der Temperatur eines Nicht-Petroleum-Kraftstoffs, z.B. Wasserstoff oder Erdgas, beinhaltet.
  • HINTERGRUND
  • In den Technologien des Standes der Technik ist eine Wasserstofftankstelle (HRS, hydrogen refueling station) versehen, die Speichertanks zur Speicherung von flüssigem Wasserstoff als Kraftstoff aufweist. Die Tanks verwenden typischerweise ein elektrisch betriebenes Kühlsystem in Kombination mit einem thermischen Wärmetauscher (HX, heat exchanger), um die Temperatur des Wärmespeichers unter -40°C für 24 Stunden pro Tag zu erhalten, so dass der Kraftstoff bei der angemessenen Temperatur in Bereitschaft für Nachfüllung eines Fahrzeugs bleibt. Solche Wärmespeicher- und Wärmetauschersysteme (HX) sind jedoch aufgrund der begrenzten Verfügbarkeit von Wärmeenergie im Wärmespeicher- und Wärmetauschersystem zur Kühlung des Kraftstoffs in der Anzahl der Fahrzeuge begrenzt, die hintereinander gefüllt werden sollen, und müssen auf einen engen Bereich von Umgebungstemperaturen, Fahrzeugtypen und Tankkapazitäten abgestimmt werden, um Fahrzeuge hintereinander zu betanken. Beispielsweise sind die thermischen Wärmetauscher (HX) physikalisch große Aluminiumblöcke mit Hochdruckwasserstoffleitungen, in denen die Kühl- und Kaltwasserstoffleitungen in das Aluminium gegossen werden. Diese „Kühlblöcke“ speichern kalte Temperaturen, welche verfügbar sind, wenn ein Fahrzeug aufgefüllt ist. Selbst wenn die Kühlblöcke bei -40°C oder weniger durch ständige Kühlung gehalten werden, ist es immer noch unmöglich, alle Systemrohrleitungen auf der gewünschten Zieltemperatur zu halten. Daher dauert es einige Zeit, das Rohrnetz abzukühlen, bevor die Düsentemperatur die gewünschte Zieltemperatur erreicht.
  • Mit anderen Worten, in den Technologien des Standes der Technik reagieren die Verfahren und Systeme langsam und benötigen bis zu 30 Sekunden, um das gewünschte Temperaturziel zu erreichen, und haben typischerweise einen weiten Temperaturbereich, in dem die Kühlblöcke aufrechterhalten werden, z.B. 20°C bis -39°C, der sich aufgrund des Wetters, der Jahreszeit und der Anzahl der aufeinanderfolgenden Auffüllungen ändern. Infolgedessen erhalten Kunden aufgrund der Temperaturschwankungen in der Regel weniger als einen vollen Kraftstofftank, wodurch weniger Wasserstoff verkauft wird und kürzere Reichweiten für die Kraftstoffzellenfahrzeuge bereitgestellt werden.
  • Darüber hinaus erhebt eine schlechte Temperaturregelung Kosten zu dem Betrieb und Wartung der Wasserstofftankstelle. Wenn das System nicht in der Lage ist, den richtigen Temperaturbereich einzuhalten, muss ein technisches Team zur Wasserstofftankstelle gehen und das thermische System anhand von Daten abstimmen und einen Testtank verwenden, um zu überprüfen, ob die Abstimmung die Leistung verbessert hat. Oft kann dieser Vorgang mehrere Tage dauern und dazu führen, dass die Wasserstofftankstelle während dieses Vorgangs geschlossen wird, was Ausfallzeiten und Verlust erbringt.
  • Um einige dieser Mängel zu überwinden, werden im Stand der Technik verschiedene Systeme und Verfahren zur Steuerung der Temperatur des Kraftstoffs verwendet. Beispielsweise offenbart das US-Patent 6,619,336 B2 ein Kühlsystem für Kühlung des Gases, das aus der Druckgasquelle austritt, bevor das Gas in den Aufnahmetank eintritt. Das Kühlsystem kann einen mechanischen Kühlkreislauf verwenden, beispielsweise ein Kühlsystem, das einen Fluorkohlenwasserstoff verwendet, der komprimiert und zurückgeführt wird. Alternativ kann das Kühlsystem eine Flüssigwasserstoffquelle und eine Kältespeichervorrichtung umfassen, wobei die Kältespeichervorrichtung durch den flüssigen Wasserstoff aus der Flüssigwasserstoffquelle abgekühlt wird. Das Kühlsystem umfasst auch einen Wärmetauscher, der dazu ausgelegt ist, das aus der Druckgasquelle austretende Gas aufzunehmen und abzukühlen, bevor das Gas in den Aufnahmetank strömt. Die Kältespeichervorrichtung kann auch ein kondensierbares Kältemittel verwenden, um die Wärmeenergie zu speichern, bis beim Befüllen des Aufnahmetanks eine erforderliche Kühlung durchzuführen ist, wobei das Kältemittel wiederum ein Fluorkohlenwasserstoff sein oder ein komprimiertes Gas wie Argon oder Stickstoff verwenden kann. Das Kühlsystem kann einen Kühlbehälter umfassen, der die Druckgasquelle zumindest teilweise umgibt. Das im US-Patent 6,619,336 B2 beschriebene Verfahren zur Kühlung des Wasserstoffs hat jedoch mehrere Probleme wie folgt:
    • (1) Feste Wärmespeichersysteme funktionieren nur für eine feste Anzahl von Back-to-Back (B2B)-Fahrzeugen. Sie können Fahrzeuge dann nicht mehr weiter betanken, bis das Kühlsystem das System wieder abkühlt. Dabei können die meisten Wärmespeichersysteme 4 bis 6 Fahrzeuge hintereinander betanken.
    • (2) Die Kühlleistung des Kühlsystems ist nicht robust genug, z.B. geringer als erforderlich, um Fahrzeuge kontinuierlich hintereinander zu betanken, so dass es nicht ermöglicht, Fahrzeuge kontinuierlich zu betanken.
    • (3) Die Kühlung erfordert Strom 24 Stunden am Tag, 7 Tage die Woche, um die Wärmespeicherung unter -40°C zu halten, und es ist daher kostenintensiv.
    • (4) Die Oberfläche des thermischen Wärmetauschers (HX) ist fest, daher ist der Wärmespeicher fest. Seine Kühlleistung ist im Vergleich zur Last relativ gering, so dass die Kühlsollwerte basierend auf den Umgebungsbedingungen und ortsspezifischen Änderungen wie der Länge der Rohre angepasst werden müssen, was zu einer langen Inbetriebnahmezeit, hohen Personalaufwand und individuellen HRS-Software-/ Hardwarekonfigurationen führen kann.
    • (5) Der Wärmespeicher ist auf einen kleinen Bereich von Fahrzeugtankgrößen abgestimmt und für kleinere oder größere Tankbereiche nicht flexibel. Beispielsweise ist eine Temperatursteuereinheit (TCU), die zum Betanken eines leichten Nutzfahrzeugs ausgelegt ist, aufgrund der unterschiedlichen erforderlichen Kraftstoffmengen, die unterschiedliche Kühlanforderungen haben, nicht mit dem Betanken eines Busses kompatibel und ebenfalls umgekehrt.
    • (6) Der Temperaturregeleinheit besteht großer Bedarf an Platz und muss in einer Grube neben dem Dispenser installiert werden. Das von der Wassstofftankstelle besetzte Land in der Regel sehr teuer ist, da der Platzbedarf der TCU die Anzahl von Dispenser und die Nähe zu Dispenser begrenzt.
    Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Temperatursteuereinheit im Stand der Technik einen fahrzeugspezifischen Dispenser errichtet, der die Kommerzialisierung und das Scale-up von Wasserstoffkraftstoffanwendungen begrenzt.
  • BESCHREIBUNG
  • Die vorliegende Offenbarung behebt die Mängel des Standes der Technik, indem die Verfahren und Systeme im Stand der Technik auf verschiedene Weise verbessert werden.
    In einer Ausführungsform wird es ein Fluid-Bypass-Verfahren zur Steuerung der Temperatur eines Nicht-Petroleum-Kraftstoffs bereitgestellt, umfassend: Bereitstellen eines Kraftstoffs mit einem ausreichenden Druck, um eine gewünschte Durchflussrate zu einem Fahrzeug zu bewirken, wobei sich der Kraftstoff in einem flüssigen oder im Wesentlichen überkritischen thermodynamischen Zustand befindet, der eine weitere Wärmezufuhr in einem Verdampfer erfordert; Umleiten eines Bypassstroms mit teilweiser oder keiner Verdampfung für Bildung eines kälteren Stroms; Bereitstellen eines Reststroms des Kraftstoffs zum Verdampfer; Mischen des aus dem Verdampfer abfließenden Reststroms mit dem kälteren Strom, um einen kombinierten Kraftstoffstrom zu bilden; und Bereitstellen des kombinierten Kraftstoffstroms zum Betanken eines Fahrzeugs.
  • In einer anderen Ausführungsform wird es ein Fluid-Bypass-Verfahren zur Steuerung der Temperatur eines Nicht-Petroleum-Kraftstoffs bereitgestellt, umfassend: Bereitstellen eines Kraftstoffs mit einem ausreichenden Druck, um eine gewünschte Durchflussrate zu einem Fahrzeug zu bewirken, wobei sich der Kraftstoff in einem flüssigen oder im Wesentlichen überkritischen thermodynamischen Zustand befindet, der eine weitere Wärmezufuhr in einem Verdampfer erfordert; Umleiten eines Bypassstroms mit teilweiser oder keiner Verdampfung zu einem Wärmetauscher als kaltes Fluid auf einer kalten Seite des Wärmetauschers; Bereitstellen eines Reststroms des Kraftstoffs zum Verdampfer; Mischen des aus dem Verdampfer abfließenden Reststroms mit dem von der kalten Seite des Wärmetauschers abfließenden kälteren Stroms, um einen kombinierten Kraftstoffstrom zu bilden; und Bereitstellen des kombinierten Kraftstoffstroms zum Wärmetauscher als warmes Fluid auf eine warmen Seite des Wärmetauschers, wo der aus dem Wärmetauscher abfließende kalte Strom der Bypassstrom ist, der nun ein Teil des kombinierten Kraftstoffstroms auf der warmen Seite des Wärmetauschers ist.
  • In einer weiteren Ausführungsform wird es ein System für Steuerung der Temperatur eines Nicht-Petroleum-Kraftstoffs bereitgestellt, wobei das System umfasst: eine Pumpe, die konfiguriert ist, einen Kraftstoff mit einem ausreichenden Druck bereitzustellen, um eine gewünschte Durchflussrate zu einem Fahrzeug zu bewirken, wobei sich der Kraftstoff in einem flüssigen oder im Wesentlichen überkritischen thermodynamischen Zustand befindet, der eine weitere Wärmezufuhr in einem Verdampfer erfordert; ein Bypass-Ventil, das konfiguriert ist, einen Bypassstrom mit teilweiser oder keiner Verdampfung durch eine Bypass-Leitung zu einem Wärmetauscher als kaltes Fluid auf einer kalten Seite des Wärmetauschers umzuleiten, wobei der Verdampfer konfiguriert ist, einen Rest des Kraftstoffs aufzunehmen, wobei der aus dem Verdampfer abfließende Reststroms mit dem von der kalten Seite des Wärmetauschers abfließenden kalten Fluid gemischt wird, um einen kombinierten Kraftstoffstrom zu bilden; und ein Wärmetauscher, der konfiguriert ist, das kalte Fluid auf der kalten Seite aufzunehmen und den kombinierten Kraftstoffstrom, der dem Wärmetauscher als warmes Fluid zur Verfügung gestellt wird, auf einer warmen Seite aufzunehmen, um Wärme auszutauschen, wobei das aus dem Wärmetauscher abfließende kalte Fluid der Bypassstrom ist, der nun ein Teil des kombinierten Kraftstoffstroms auf der warmen Seite des Wärmetauschers ist.
  • Figurenliste
  • Die beigefügten Zeichnungen hier dienen dem weiteren Verständnis der Offenbarung und bilden einen Teil der Beschreibung. Die beigefügten Zeichnungen dienen zusammen mit den folgenden Ausführungsformen zur Erläuterung der Offenbarung, stellen jedoch keine Einschränkung der Offenbarung dar. In den beigefügten Zeichnungen:
    • 1A ist ein schematisches Diagramm eines Temperatursteuersystems in einer ersten Ausführungsform;
    • 1B ist ein Ablaufdiagramm eines Fluid-Bypass-Verfahrens zur Steuerung der Temperatur eines in der ersten Ausführungsform bereitgestellten Nicht-Petroleum-Kraftstoffs;
    • 2 ist ein Ablaufdiagramm eines Fluid-Bypass-Verfahrens zur Steuerung der Temperatur eines in einer zweiten Ausführungsform bereitgestellten Nicht-Petroleum-Kraftstoffs;
    • 3 ist Simulationsergebnis des Fließbildmodells, das durch eine Ausführungsform bereitgestellt wird;
    • 4 ist ein schematisches Diagramm eines Systems für Steuerung der Temperatur eines Nicht-Petroleum-Kraftstoffs, das durch eine dritte Ausführungsform bereitgestellt wird;
    • 5 ist ein schematisches Diagramm eines Systems für Steuerung der Temperatur eines Nicht-Petroleum-Kraftstoffs, das durch eine vierte Ausführungsform bereitgestellt wird; und
    • 6 ist ein schematisches Diagramm eines Systems für Steuerung der Temperatur eines Nicht-Petroleum-Kraftstoffs, das durch eine fünfte Ausführungsform bereitgestellt wird.
  • In den verschiedenen Figuren sind ähnliche Elemente mit ähnlichen Referenznummern vorgesehen. Es ist anzumerken, dass die Zeichnungsfiguren nicht notwendigerweise maßstabsgetreu oder proportional gezeichnet sind, sondern stattdessen gezeichnet werden, um ein besseres Verständnis der Komponenten davon zu ermöglichen, und nicht dazu gedacht sind, den Umfang einzuschränken, sondern beispielhafte Darstellungen zu liefern.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
  • Wie in 1A zu sehen ist, sind in einer Ausführungsform eine Bypass-Leitung und ein Bypass-Steuerventil um einen Verdampfer herum versehen, um die Temperatur des Kraftstoffstroms auf die genaue Temperatur abzustimmen, die für den Typ eines zu betankenden Fahrzeugs erforderlich ist, der vom Dispenser während einer Startsequenz erfasst werden kann. Das System kann die abgegebene Kraftstofftemperatur automatisch regulieren und die ideale Temperatur während des gesamten Kraftstoffkreislaufs aufrechterhalten, welche mindestens der Startsequenz, der minimalen Kraftstoffsequenz, der Abbruchsequenz, der Leckprüfsequenz usw. enthält.
  • Insbesondere zeigt 1A die Verwendung eines Verdampfers 10, bei dem ein Bypassstrom 12 stromaufwärts des Verdampfers 10 zu einem Punkt stromabwärts des Verdampfers 10 umgeleitet wird, wo der Bypassstrom 12 direkt mit dem Verdampferauslassstrom gemischt wird, z.B. über einen Mischer 13. Die Menge des Bypassstroms 12 ist durch die Steuerung 14 gesteuert, die die Ventile 15, 16 so steuert, dass die gewünschte Temperatur, der gewünschte Druck und die gewünschte Durchflussrate, z.B. im Bereich von -20°C bis -40°C und im Bereich von 20 MPa bis 100 MPa, erreicht werden. Sobald die gewünschte Temperatur erreicht ist, kann der Kraftstoffstrom über eine Düse an ein Fahrzeug abgegeben werden.
  • 1B zeigt ein Ablaufdiagramm des Verfahrens zur Steuerung der Temperatur des Nicht-Petroleum-Kraftstoffs, das einen oder mehrere der folgenden Schritte 1 bis 5 (S1 bis S5) umfasst, wie folgt:
    • In Schritt 1 (S1) wird ein Kraftstoff mit dem ausreichenden Druck bereitgestellt, um eine gewünschte Durchflussrate zu einem Fahrzeug zu bewirken, z.B. zur Versorgung des Fahrzeugs mit dem Kraftstoff. Der Kraftstoff befindet sich in einem flüssigen oder im Wesentlichen überkritischen thermodynamischen Zustand, der eine weitere Wärmezufuhr in einem Verdampfer durch einen allgemein als Verdampfung bekannten Prozess erfordert.
  • In Schritt 2 (S2) wird ein erster Teil des Kraftstoffs in einer Bypass-Leitung als Bypassstrom um den Verdampfer umgeleitet.
  • Wenn der Nicht-Petroleum-Kraftstoff flüssiger Wasserstoff ist, liegt in einigen Ausführungsformen der Anteil des ersten Teils des Kraftstoffs im Bereich von 5% bis 95%, wie 5%, 15%, 25%, 35%, 45%, 55%, 65%, 75%, 85%, 95%, vorzugsweise im Bereich von 10% bis 70%, wie 10%, 20%, 30%, 40%, 50%, 60%, 70%, und am bevorzugtesten im Bereich von 15% bis 40%, wie 15%, 20%, 25%, 26%, 27%, 29%, 30%, 40%.
  • In Schritt 3 (S3) wird der Rest des Kraftstoffs als zweiter Teil des Kraftstoffs dem Verdampfer bereitgestellt, wobei Dampf, Elektrizität, Gas, Umgebungsluft oder eine andere Heizquelle verwendet wird, um den zweiten Teil des Kraftstoffs zu erhitzen und zu verdampfen.
  • In einigen Ausführungsformen wird nach dem Durchlaufen des Verdampfers die Temperatur des zweiten Teils des Kraftstoffs erhöht, während der Druck im Wesentlichen unverändert bleibt. Es ist bevorzugt, dass die Temperatur des verdampften zweiten Teils des Kraftstoffs innerhalb dem Bereich von 10°C bis 20°C der Umgebungstemperatur liegt, z.B. -20°C bis20°C.
  • In anderen Ausführungsformen kann der erste Teil des in der Bypass-Leitung umgeleiteten Kraftstoffs eine Mischung aus Nicht-Petroleum-Kraftstoff mit teilweiser oder keiner Verdampfung sein, um die Temperatur des Bypassstroms zu regulieren. Wenn beispielsweise der Bypassstrom vollständig dem Verdampfer vorgeschaltet ist, hat der Bypassstrom keine Verdampfung. Um jedoch die Temperatur des Bypassstroms zu erhöhen, kann der erste Teil des Nicht-Petroleum-Kraftstoffs enthalten, der im Verdampfer zumindest teilweise bereits verdampft werden, z.B. an einem Punkt auf halbem Weg des Verdampfers, wie weiter unten diskutiert wird.
  • In Schritt 4 (S4) wird der zweite Teil des Kraftstoffs aus dem Verdampfer mit dem Bypassstrom gemischt, um einen kombinierten Kraftstoffstrom zu bilden, z.B. wird der zweite Teil des Kraftstoffs aus dem Verdampfer mit dem gemischt ersten Teil des Kraftstoffs aus dem Bypass-Leitung.
  • Wenn der Nicht-Petroleum-Kraftstoff beispielsweise flüssiger Wasserstoff ist, liegt die Temperatur des kombinierten Kraftstoffstroms im Bereich von -15°C bis 20°C, wie z.B. -15°C, -10°C, -5°C, 0°C, 5°C, 10°C, 15°C, 20°C, vorzugsweise im Bereich von -5°C bis 10°C, wie z.B. -5°C, -2°C, 0°C, 2°C, 7°C, 10°C, und am meisten bevorzugt im Bereich von -3°C bis 5°C, wie z.B. -3°C, -1°C, 0°C, 1°C, 2°C, 3°C, 4°C, 5°C.
  • In Schritt 5 (S5) wird dann der kombinierte Kraftstoffstrom einem Fahrzeug zum Betanken über ein Abgabesystem bereitgestellt.
  • Wenn das Betanken des Fahrzeugs kurz vor dem Erreichen der Zieldichte bei Zieldruck und -temperatur steht, kann der Kraftstoff in der Bypass-Leitung vor Beendigung des Betankens mit den gewünschten Werten des Abgabesystems ausgeglichen werden. Der ordnungsgemäße Betrieb wird am Ende der Füllung durchgeführt, um den Schlauch drucklos zu machen und ihn vom Fahrzeug zu trennen, so dass die Entlüftung minimiert wird. Beispielsweise wird verbleibender Kraftstoff in den Leitungen in das Speichersystem zurückgeführt oder mit einem geeigneten Inertgas, z.B. Stickstoff, Argon usw., gespült.
  • 2 zeigt ein Ablaufdiagramm einer anderen Ausführungsform eines Verfahrens zur Steuerung der Temperatur eines Nicht-Petroleum-Kraftstoffs, z.B. flüssigen Wasserstoff oder verflüssigtes Erdgas, das durch einige Ausführungsformen bereitgestellt wird, welche nicht nur die gewünschte Temperatur erreichen können, sondern auch Temperaturen von kombinierten Kraftstoffströmen erreichen können, die für den Durchflussmesser, die Steuerung und andere Komponenten im Dispenser nicht so schädlich sind, wobei Temperaturschwankungen solcher Komponenten eine der Hauptursachen für viele vorzeitige Ausfälle solcher Komponenten sind. Wenn beispielsweise an der Tankstelle längere Zeit keine Aktivität stattfindet, erwärmen sich die Komponenten und erfahren Wärmezyklen, wenn sie in solche Kraftstoffströme mit kalter Temperatur eingeleitet werden, was zu beschleunigten Ausfällen und Undichtigkeiten in den Rohrleitungen führen kann. Zu Beginn umfasst das Verfahren das Erfassen des Fahrzeugtyps zum Tanken durch einen Dispenser der Tankstelle, z.B. RFID, Funk, IR-Sensor, QR-Code, Scanner, I/O-Modul usw., oder die vom Fahrer des Fahrzeugs in einer Tastatur oder dergleichen eingegeben werden, so dass die erforderliche Temperatur und der erforderliche Druck zum Aufnehmen eines Nicht-Petroleum-Kraftstoffs bestimmt werden.
  • Beispielsweise liegt die gewünschte Kraftstoffabgabetemperatur (z.B. Kraftstofftemperatursollwert), die in das Fahrzeug eintritt, im Bereich von -50°C bis 30°C, wie z.B. -50°C, -30°C, -15°C, 0°C, 10°C, 20°C, 30°C, vorzugsweise im Bereich von -40°C bis 0°C, wie z.B. -40°C, -20°C, -5°C, 0°C, und am bevorzugtesten liegt die gewünschte Kraftstoffabgabetemperatur, die in das Fahrzeug eintritt, im Bereich von -40°C bis -20°C, wie z.B. -40°C, -35°C, -30°C, -25°C, -20°C, der natürlich von der Art des Nicht-Petroleum-Kraftstoffs und dem Fahrzeug abhängt.
  • Der gewünschte Fahrzeugdruck liegt im Bereich von 20 MPa bis 100 MPa, wie z.B. 20 MPa, 40 MPa, 60 MPa, 80 MPa, 100 MPa, und vorzugsweise im Bereich von 35 MPa bis 70 MPa, wie z.B. 35 MPa, 45 MPa, 55 MPa, 65 MPa, 70 MPa.
  • Das Verfahren zur Steuerung der Temperatur des Nicht-Petroleum-Kraftstoffs umfasst dann einen oder mehrere der Schritte 10-50 (S10-S50) wie folgt:
    • In Schritt 10 (S10) wird ein Kraftstoff mit dem ausreichenden Druck bereitgestellt, um eine gewünschte Durchflussrate zum Fahrzeug zu bewirken, z.B. zur Versorgung des Fahrzeugs mit dem Kraftstoff. Der Kraftstoff befindet sich in einem flüssigen oder im Wesentlichen überkritischen thermodynamischen Zustand, der eine weitere Wärmezufuhr in einem Verdampfer durch einen allgemein als Verdampfung bekannten Prozess erfordert.
  • In Schritt 20 (S20) wird ein erster Teil des Kraftstoffs in einer Bypass-Leitung um den Verdampfer als Bypassstrom zu einem nachgeschalteten Wärmetauscher umgeleitet und als kaltes Fluid auf der kalten Seite des Wärmetauschers bereitgestellt.
  • Wenn der Nicht-Petroleum-Kraftstoff flüssiger Wasserstoff ist, liegt in einigen Ausführungsformen der Anteil des ersten Teils des Kraftstoffs im Bereich von 5% bis 95%, wie 5%, 15%, 25%, 35%, 45%, 55%, 65%, 75%, 85%, 95%, vorzugsweise im Bereich von 10% bis 70%, wie 10%, 20%, 30%, 40%, 50%, 60%, 70%, und am bevorzugtesten im Bereich von 15% bis 40%, wie 15%, 20%, 25%, 26%, 27%, 29%, 30%, 40%.
  • In Schritt 30 (S30) wird der Rest des Kraftstoffs als zweiter Teil des Kraftstoffs dem Verdampfer bereitgestellt, wobei Dampf, Elektrizität, Gas, Umgebungsluft oder eine andere Heizquelle verwendet wird, um den zweiten Teil des Kraftstoffs zu erhitzen und zu verdampfen.
  • In einigen Ausführungsformen wird nach dem Durchlaufen des Verdampfers die Temperatur des zweiten Teils des Kraftstoffs erhöht, während der Druck im Wesentlichen unverändert bleibt. Es ist bevorzugt, dass die Temperatur des verdampften zweiten Teils des Kraftstoffs innerhalb dem Bereich von 10°C bis 20°C der Umgebungstemperatur liegt, z.B. -20°C bis 20°C.
  • In anderen Ausführungsformen kann beispielsweise während der Startsequenz der Bypassstrom mit einem großen Volumen den Verdampfer umgehen und durch einen Wärmetauscher fließen und dann mit dem erhitzten Kraftstoff aus dem Verdampfer gemischt werden, um den kombinierten Kraftstoffstrom für einen Abgabestrom zu bilden. Der Kraftstoff, z.B. Wasserstoff, der den Verdampfer verlässt, kann dann schnell abgekühlt werden, um den Temperatursollwert zu erreichen.
  • In einigen Ausführungsformen, beispielsweise im späteren Teil der Füllsequenz, wird beim Abkühlen der Rohre des Systems der Bypassstrom mit einem kleineren Volumen benötigt, um den Kraftstofftemperatursollwert aufrechtzuerhalten. Wenn sich die Fluideigenschaften des Kraftstoffs ändern, wird die Wärmeübertragungsleistung des Wärmetauschers sich ändert, wodurch die Steuerung der Durchflussrate des Bypassstroms erforderlich ist, um den Abgabetemperatursollwert für den Kraftstoff aufrechtzuerhalten. Es ist verständlich, dass das Volumen des Bypassstroms basierend auf dem Temperatursollwert, der Umgebungstemperatur und/oder der Temperatur von Rohren usw. bestimmt wird.
  • In einer weiteren Ausführungsformen kann der erste Teil des in der Bypass-Leitung umgeleiteten Kraftstoffs eine Mischung aus Nicht-Petroleum-Kraftstoff mit teilweiser oder keiner Verdampfung sein, um die Temperatur des Bypassstroms zu regulieren. Wenn beispielsweise der Bypassstrom vollständig dem Verdampfer vorgeschaltet ist, hat der Bypassstrom keine Verdampfung. Um jedoch die Temperatur des Bypassstroms zu erhöhen, kann der erste Teil des Nicht-Petroleum-Kraftstoffs enthalten, der im Verdampfer zumindest teilweise bereits verdampft wird, z.B. an einem Punkt auf halbem Weg des Verdampfers, wie weiter unten diskutiert wird.
  • In Schritt 40 (S40) wird der zweite Teil des Kraftstoffs aus dem Verdampfer mit dem Bypassstrom von der kalten Seite des Wärmetauschers gemischt, um einen kombinierten Kraftstoffstrom zu bilden, z.B. wird der zweite Teil des Kraftstoffs aus dem Verdampfer mit dem gemischt ersten Teil des Kraftstoffs aus dem Wärmetauscher.
  • In einigen Ausführungsformen ist die Temperatur des Bypassstroms, der von der kalten Seite des Wärmetauschers abfließt, höher als eine Temperatur des Bypassstroms stromaufwärts des Wärmetauschers, und liegt eine Temperatur des kombinierten Kraftstoffstroms nahe der Umgebungstemperatur.
  • Wenn der Nicht-Petroleum-Kraftstoff beispielsweise flüssiger Wasserstoff ist, liegt die Temperatur des kombinierten Kraftstoffstroms im Bereich von -15°C bis 20°C, wie z.B. -15°C, -10°C, -5°C, 0°C, 5°C, 10°C, 15°C, 20°C, vorzugsweise im Bereich von -5°C bis 10°C, wie z.B. -5°C, -2°C, 0°C, 2°C, 7°C, 10°C, und am meisten bevorzugt im Bereich von -3°C bis 5°C, wie z.B. -3°C, -1°C, 0°C, 1°C, 2°C, 3°C, 4°C, 5°C.
  • In Schritt 50 (S50) wird dann der kombinierte Kraftstoffstrom dem Wärmetauscher als warmes Fluid auf der warmen Seite des Wärmetauschers bereitgestellt, wobei das kalte Fluid auf der kalten Seite des Wärmetauschers der erste Teil des Kraftstoffs ist, der der umgeleitete Bypassstrom war, der als Teil des kombinierten Kraftstoffstroms gemischt wird.
  • Wenn das Betanken des Fahrzeugs kurz vor dem Erreichen der Zieldichte bei Zieldruck und -temperatur steht, kann der gesamte kalte Kraftstoff in der Bypass-Leitung vor Beendigung des Betankens mit den gewünschten Werten des Abgabesystems ausgeglichen werden. Der ordnungsgemäße Betrieb wird am Ende der Füllung durchgeführt, um den Schlauch drucklos zu machen und ihn vom Fahrzeug zu trennen, so dass die Entlüftung minimiert wird. Beispielsweise wird verbleibender Kraftstoff in den Leitungen in das Speichersystem zurückgeführt oder mit einem geeigneten Inertgas, z.B. Stickstoff, Argon usw., gespült.
  • Bei dem obigen Verfahren und den obigen Schritten wird die Fähigkeit bereitgestellt, die Temperatur des Kraftstoffstroms schnell zu steuern, indem die Menge des kalten Kraftstoffs durch die Bypass-Leitung gesteuert wird, die durch Betätigen des Bypass-Steuerventils gesteuert wird, z.B. Proportional, Proportional-Integral oder Proportional-Integral-Derivat-gesteuert, um den gewünschten Abgabetemperatursollwert des abgegebenen Kraftstoffs während des Auftankens aufrechtzuerhalten, wobei der kalte Kraftstoff mit dem erhitzten Kraftstoff aus dem Verdampfer gemischt wird, z.B. um Wasserstoff bei Umgebungstemperatur zu ergeben. Beispielsweise ist der kalte Kraftstoff, der um den Verdampfer herum umgangen wird, auf der kalten Seite des Wärmetauschers bereitgestellt, um die Abgabetemperatur zum Abgeben des Kraftstoffs an das Fahrzeug zu regulieren. Der kalte Kraftstoff wird dann in den Hauptkraftstoffstrom zurückgeführt, um zur Abgabe in den kombinierten Kraftstoffstrom eingemischt zu werden. Ein solches Verfahren ermöglicht eine automatische Kompensation von Änderungen der Klimabedingungen, der Jahreszeit, der Tageszeit und der Temperatur der Systemrohre und -komponenten basierend auf der Anzahl und Häufigkeit der aufeinanderfolgenden Füllungen. Das Verfahren kann auch verwendet werden, um den Abgabetemperatursollwert automatisch basierend auf der Fahrzeugtankgröße, den erkannten Fahrzeugspezifikationen, der vom Kunden ausgewählten Kraftstoffsorte (Wasserstoffsorte kann Endzustand der Füllung oder Dichte sein) oder andere Variablen, die eine endgültige Tankdichte, Wasserstofffüllzeit oder andere Parameter begünstigen können, zu verändern. Das Verfahren erreicht eine Verbesserung des Standes der Technik, da es kein Kühlsystem verwendet oder einen großen Aluminium-Kühlspeicherblock, z.B. einen Wärmespeicherblock-Wärmetauscher, erfordert, der die Kapitalkosten und Betriebskosten der Wasserstofftankstelle reduziert und der Preis für Wasserstoff an den Kunden spart.
  • 3 ist ein Ablaufdiagramm, das die Ergebnisse eines Simulationsmodells zeigt, das durch einige Ausführungsformen bereitgestellt wird. Beispielsweise wird ein Wärmetauschermodell erstellt, um die detaillierten Größen- und Kapazitätsanforderungen der Ausrüstung für die Tankstelle zu bestimmen. Das Modell verwendet flüssige, gasförmige und überkritische Wasserstoffeigenschaften gemäß den NIST-Standards (National Institute of Science and Technology), um den Gesamtkonvektionskoeffizienten, den spezifischen Wärmefluss sowie die empfohlenen Abmessungen und Geometrien des gewünschten Wärmetauschers (HX) zu berechnen.
  • Wie in 3 gezeigt, wird das Modell verwendet, um eine stationäre Simulation des Fluid-Bypass-Verfahrens zur Steuerung der Temperatur eines Nicht-Petroleum-Kraftstoffs, der durch einige Ausführungsformen bereitgestellt wird, abzuschließen. Der Kraftstoff in 3 ist flüssiger Wasserstoff, und das Verfahren umfasst die folgenden Schritte, z.B. simuliert:
    • In Schritt 10 wird ein Kraftstoff bei 450 bar mit -252°C bereitgestellt, und benötigt der Kraftstoff in einem flüssigen/überkritischem Zustand weitere Wärmezufuhr in einem Verdampfer 320. Die Abgabetemperatur des Wasserstoffs an das Fahrzeug wird als Gleichgewichtstemperatur mit einem Ziel von -40°C bei 440 bar bestimmt, um das Fahrzeug zu betanken. Das heißt, die Austrittstemperatur (HOTOUT) des Wärmetauschers 350 beträgt -40°C.
  • In Schritt 20 wird durch ein Bypass-Ventil 330 ein Bypassstrom ohne Verdampfung zu einem Entspanner 335 als Modellierungshilfe zur Durchsetzung der numerischen Stabilität und dann zum nachgeschalteten Wärmetauscher 350 bereitgestellt. Anschließend wird der Kraftstoffabgabevorgang gestartet, bei dem die Modellierung bei einem Druck von 440 bar durchgeführt wird.
  • In Schritt 30 wird ein Rest des Kraftstoffs als zweiter Teil dem Verdampfer 320 bei 440 bar bereitgestellt.
  • In Schritt 40 wird die durch die kalte Seite des Wärmetauschers 350 bei -50°C geleitet Bypassstrom mit dem Rest des durch den Verdampfer 320 am Mischer 325 bei einer Temperatur von 20°C geleitet Kraftstoffs gemischt, um einen kombinierten Kraftstoffstrom zu bilden, bei einer Temperatur von 4°C (MIX OU T).
  • In Schritt 50 wird der kombinierte Kraftstoffstrom zur warmen Seite des Wärmetauschers 350 als ein warmes Fluidbereitgestellt und beträgt die Austrittstemperatur des kombinierten Kraftstoffstroms -40°C (HOTOUT).
  • Aus den simulierten Ergebnissen ist ersichtlich, dass das Verfahren so dimensioniert werden kann, dass die gewünschten Ergebnisse erzielt werden. Da darüber hinaus die Temperatur des kombinierten Kraftstoffstroms vor dem Eintritt in den Dispenser 4°C (MIXOUT) beträgt, wird der Kern des Dispensers mit ein Durchflussmesser und/oder Ventile und/oder andere Komponenten nicht auf extrem kalten Temperaturen ausgesetzt und damit weniger Temperaturschwankungen erzeugt, was zu einer weniger belastenden Temperatur für den Dispenser und die Komponenten führen.
  • Es versteht sich, dass eine weitere Modellierung durchgeführt werden kann, um die dynamische Reaktionszeit zu verfeinern und Kapazitätsanforderungen für andere Ausführungsformen zu bestimmen, z.B. unterschiedliche Kraftstoffe, unterschiedliche Fahrzeuge usw.
  • 4 zeigt eine andere Ausführungsform eines Systems für Steuerung der Temperatur eines Nicht-Petroleum-Kraftstoffs, wobei der Kraftstoff in 4 flüssiger Wasserstoff ist.
  • Wie in 4 gezeigt, umfasst das System 400 eine LH2-Pumpe 410, die konfiguriert ist, einen Kraftstoff mit einem ausreichenden Druck bereitzustellen, um eine gewünschte Durchflussrate zu einem Fahrzeug zu bewirken, wobei sich der Kraftstoff in einem flüssigen oder im Wesentlichen überkritischen thermodynamischen Zustand befindet, der eine weitere Wärmezufuhr in einem Verdampfer 420 erfordert, durch einen Prozess, der allgemein als Verdampfung bekannt ist. Ein Bypass-Ventil 430 ist konfiguriert, einen Bypassstrom mit teilweiser oder keiner Verdampfung durch eine Bypass-Leitung 440 zu einem Wärmetauscher 450 als kaltes Fluid auf der kalten Seite des Wärmetauschers 450 umzuleiten. Der Verdampfer 420 ist konfiguriert zum Aufnehmen des Rests des Kraftstoffs als einen zweiten Teil des Kraftstoffs, um unter Verwendung einer Wärmequelle zu verdampfen. Der aus dem Verdampfer 420 abfließenden zweite Teil des Kraftstoffs ist mit dem aus dem Wärmetauscher abfließenden Bypassstrom gemischt, um einen kombinierten Kraftstoffstrom zu bilden. Der kombinierte Kraftstoffstrom wird dann der warmen Seite des Wärmetauschers als warmes Fluid bereitgestellt, wobei der kalte Kraftstoff vom Wärmetauscher 450 aus dem umgeleiteten Bypassstrom kombiniert wird, um den kombinierten Kraftstoffstrom zu bilden, der auf der warmen Seite des Wärmetauschers 450 bereitgestellt ist. Auch eine Düse 470 ist konfiguriert, das Fahrzeug mit dem Wasserstoffkraftstoff zu betanken.
  • In einer Ausführungsform wird, nachdem der Bypassstrom mit dem Rest des Kraftstoffs, z.B. dem zweiten Teil des Kraftstoffs, aus dem Verdampfer kombiniert wurde, um den kombinierten Kraftstoffstrom zu bilden, der kombinierte Kraftstoffstrom einem Dispenser 460 bereitgestellt, um den Kraftstoff dem Fahrzeug zuzuführen. Der Dispenser 460 umfasst den Wärmetauscher 450 und gegebenenfalls eine Gruppe verschiedener Vorrichtungen 480, beispielsweise einen Durchflussmesser (FM), einen Druckminderer/Regler (PR), einen Temperatursensor, einen Drucksensor usw., die zum Überwachen und Steuern der Abgabe des Kraftstoffs an das Fahrzeug verwendet werden. Eine Düse 470 ist versehen, um den Kraftstoff an das Fahrzeug abzugeben.
  • In anderen Ausführungsformen kann das Bypass-Ventil 430 zwischen der LH2-Pumpe 410 und dem LH2-Verdampfer 420 durch ein alternatives Bypass-Ventil 430B am Auslass des Wärmetauschers 450 zur Steuerung der Durchflussrate und der Abkühlgeschwindigkeit des Wärmetauschers 450 ersetzt werden. Die ideale Anordnung der Bypass-Ventile 430/430B hängt von der stationenspezifischen Konfiguration ab, die in der vorliegenden Offenbarung nicht eingeschränkt wird. Wenn sich beispielsweise das Bypass-Ventil 430B zwischen dem LH2-Verdampfer 420 und dem Wärmetauscher 450 befindet, hat der Kraftstoffstrom eine wärmere Temperatur (-50°C), die das Ventil weniger belastet, wodurch die Zuverlässigkeit und Lebensdauer des Ventils aufgrund der Verringerung der Wärmeschwankungen und des Wärmeschocks am Gerät verbessert werden. Dementsprechend wird in einigen Ausführungsformen nur das Bypass-Ventil 430B verwendet, um die Umleitung des Bypassstroms für eine verbesserte Lebensdauer der Komponenten zu steuern, da es nicht den extrem kalten Temperaturen des flüssigen Wasserstoffs aus der Versorgungsquelle, z.B. der LH2-Pumpe 410, ausgesetzt, jedoch im Wärmetauscher 450 erwärmt ist, wo der Bypassstrom unterschiedliche Mengen an teilweise verdampftem (oder verdampftem) Kraftstoff enthalten kann, d.h. abhängig davon, wo der Bypassstrom in verschiedenen Stufen oder Positionen entlang des Verdampfers abgezogen wird.
  • Unter normalen Betriebsbedingungen liefert die LH2-Pumpe 410 den Kraftstoff durch den Verdampfer 420, wo der Kraftstoff verdampft und bei nahezu Umgebungstemperatur in den Dispenser 460 eintritt. Da jedoch der Kraftstoff vor Erreichen der Düse 470 zur Abgabe an das Fahrzeug auf -40°C abkühlen muss, regelt die Ventilsteuereinheit 495 den Anteil des Wasserstoffbrennstoffs aus der LH2-Pumpe 410, um den LH2-Verdampfer 420 zu umgehen, indem das Bypassventil 430 und/oder 430B entsprechend geöffnet wird. Der Bypassstrom fließt durch die Bypass-Leitung 440 zum Wärmetauscher 450 und kühlt die Temperatur des kombinierten Kraftstoffstroms zur Düse 470 auf die gewünschte Abgabetemperatur ab. Der Bypassstrom wird dann zurückgeführt und mit dem Rest des Kraftstoffs aus dem Verdampfer 420 gemischt, um den kombinierten Kraftstoffstrom zum Abgeben (d.h. Abgabestrom) zu bilden, der einen Gleichgewichtspunkt nahe 0°C erreicht Daher wird nicht nur die gewünschte Abgabetemperatur erreicht, sondern es wird auch ein wirksamer Wärmeschutz für die Gruppe verschiedener Vorrichtungen 480 bereitgestellt, die für extreme Wärmezyklen anfällig sind. Diese Temperatur des kombinierten Kraftstoffstroms, der in den Dispenser 460 eintritt (z.B. bei 5°C in 4 gezeigt), ist kein streng kontrolliertes Ziel, sondern soll nur einen relativ warmen Temperaturbereich bereitstellen, so dass die Komponenten innerhalb des Dispensers 460 nicht zu starken thermischen Temperaturzyklen freigelegt werden.
  • Stattdessen ist die einzige streng gesteuerte Zieltemperatur die Abgabetemperatur an der Düse 470, die kontinuierlich von der Ventilsteuereinheit 495 gesteuert wird. Die Ventilsteuereinheit 495 hält das Abgabetemperaturziel auf dem Sollwert, indem die Durchflussrate oder alternativ die Bypassanteil im Zusammenhang mit der Berücksichtigung des Gesamtstroms an der Düse durch das Bypass-Ventil 430 (und/oder 430B) eingestellt wird.
  • Dementsprechend kann die Ventilsteuereinheit 495 die sich ändernden Bedingungen, z.B. Sensormessungen wie am Temperatursensor 490, die Umgebung oder die Temperaturanforderungen an der Düse 470, in Echtzeit überwachen und den ersten Teil des Kraftstoffs, z.B. Bypass-Kraftstoff, durch das Bypass-Ventil 430 (und/oder 430B) ständig einstellen.
  • Wenn der Nicht-Petroleum-Kraftstoff flüssiger Wasserstoff ist, kann der Wärmetauscher 450 ein rekuperativer Wärmetauscher sein. Beispielsweise ist der Wärmetauscher 450 ein Aluminiumkern-Wärmetauscher.
  • 5 ist ein System für Steuerung der Temperatur eines Nicht-Petroleum-Kraftstoffs, das durch eine andere Ausführungsform bereitgestellt wird, die ähnlichen Funktionen und einen ähnlichen Aufbau wie 4 aufweist und hier nicht wiederholt wird.
  • Wie in 5 gezeigt, umfasst das System eine Pumpe 510, einen Verdampfer 520, Bypass-Ventile 530A, 530B und 530C, einen Dispenser 560 und eine Bypass-Leitung 540B, die entlang eines der verschiedenen Punkte des Verdampfers 520 versehen sind. Der Verdampfer 520 umfasst mehrere Reihen von Wärmeübertragungsspulen, wobei die Bypass-Leitung 540B des Verdampfers 520 versehen sein kann, um unterschiedliche Wasserstofftemperaturen, z.B. unterschiedliche Verdampfungsmengen in Abhängigkeit von der Stufe oder Position, die vom Verdampfer abgenommen wird, zu erreichen. In dieser Ausführungsform wird abhängig von der Anforderung der Abgabetemperatur-Zielvorgabe eine Bypass-Leitung 540B mit der höchsten Wasserstofftemperatur, z.B. zwischen -250°C und 30°C, die den Abgabetemperatur-Zielsollwert erfüllt, ausgewählt, um im Bypass 540 weiter umgeleitet zu werden, so dass die Temperatur durch den Wärmetauscher 550 verringert wird und somit die thermische Belastung der Rohrleitungen und des Wärmetauschernetzwerksystems verringert wird. Das heißt, in dieser Ausführungsform umfasst der Bypassstrom einen ersten Teil des Kraftstoffs, der um den Verdampfer herumgeleitet wird, und mindestens einen Teil des durch den Verdampfer bereitgestellt zweiten Teils des Kraftstoffs, der wärmer als der erste Teil des Kraftstoffs ist.
  • 6 ist ein System für Steuerung der Temperatur eines Nicht-Petroleum-Kraftstoffs in einer anderen Ausführungsform, die ebenfalls ähnliche Merkmale wie in 4 aufweist und hier nicht wiederholt wird.
  • Wie in 6 gezeigt, umfasst dieses System eine Pumpe 610 (die eine Kolbenpumpe sein kann), einen Verdampfer 620, Bypass-Ventile 630A und 630B und zwei Dispenser 660A und 660B. Eine einzelne Pumpe 610 und ein einzelner Verdampfer 620 werden zur Versorgung der zwei Dispenser 660A und 660B verwendet, wobei jeder Dispenser zur Füllung der Fahrzeuge mit unterschiedlichen Zieltemperaturen und -drücken verwendet wird. Der Bypassstrom durch die Bypass-Leitung 640 ist in jeden Dispenser 660A und 660B aufgeteilt und ist unabhängig durch die Bypass-Ventile 630A bzw. 630B gesteuert, wobei Drucksteuermittel, z.B. Druckregler, innerhalb jeder der Dispenser 660A und 660B verwendet werden, zur Steuerung des jeweiligen Düsendrucks und ihres jeweiligen Wärmetauschers 650A und 650B, und wobei die Bypass-Steuerventile 630A und 630B verwendet werden, zur Steuerung der Kraftstoffabgabetemperatur. Wenn beispielsweise sowohl ein leichtes (nominal 70 MPa) als auch ein mittelschweres oder schweres (nominal 35 MPa) Fahrzeug an derselben Wasserstofftankstelle befüllt werden müssen, kann das System diese Anforderungen erfüllen, indem die beiden Dispenser 660A und 660B vorhanden sind wobei die Pumpe 610 in der Lage ist, Kraftstoff mit dem erforderlichen Druck zu liefern, um den höchsten Druckbedarf zu entsprechen.
  • Während zwei Dispenser 660A und 660B dargestellt sind, versteht es sich, dass mehrere Dispenser verwendet werden können, wobei entweder die Einzelpumpe 610 und der Einzelverdampfer 620 verwendet werden, um die Vielzahl von Dispensern zu versorgen, oder mehrere Pumpen und/oder Verdampfer verwendet werden können, um die Systemanforderung zu erfüllen.
  • Weiterhin wird ein computerlesbares Speichermedium bereitgestellt, das ein Computerprogramm speichert, wobei das vorgenannte Verfahren mit den Schritten 1 bis 50 implementiert wird, wenn das Computerprogramm von einem Prozessor auf einem Computer ausgeführt wird.
  • Diese Ausführungsform umfasst auch ein Computerprogrammprodukt, das in einem nicht vorübergehenden computerlesbaren Medium gespeichert ist, wobei das Computerprogrammprodukt ein Computerprogramm enthält, das das Verfahren mit den Schritten 1 bis 50 enthält, die implementiert werden, wenn das Computerprogramm von einem Computer ausgeführt wird.
  • Zur Veranschaulichung des Wärmemanagementsystems werden einige Beispiele wie folgt angegeben.
  • Beispiel 1
  • Wasserstoff bei 450 bar und 20 K (-253°C ) wird verwendet, um einen im Wesentlichen leeren Fahrzeugtank bei 95 bar zu füllen. In diesem Fall werden 30% des Kraftstoffstroms als Bypassstrom umgeleitet und treten in den Wärmetauscher ein. Nach dem Durchgang des Bypassstroms durch den Wärmetauscher, die Temperatur des Bypassstroms beträgt -50°C. Der Rest des Wasserstoffkraftstoffstroms tritt in den Verdampfer ein. Anschließend werden der Bypassstrom, der durch den Wärmetauscher fließt, und der Kraftstoffstrom, der durch den Verdampfer fließt, gemischt, um einen kombinierten Kraftstoffstrom zu bilden, wobei die Temperatur des kombinierten Kraftstoffstroms bei -1°C liegt Dies ist eine angenehme Temperatur für einen Durchflussmesser, eine Steuerung und andere Komponenten im Dispenser, um Wärmeschock und Stress aufgrund von Temperaturschwankungen zu vermeiden.
  • Beispiel 2
  • Wasserstoff bei 450 bar und 20 K (-253°C ) wird verwendet, um einen im Wesentlichen leeren Fahrzeugtank bei 195 bar zu füllen, wobei 29% des Kraftstoffstroms als Bypassstrom umgeleitet werden und dann in den Wärmetauscher eintritt. Nach dem Durchgang des Bypassstroms durch den Wärmetauscher, die Temperatur des Bypassstroms beträgt -50°C. Der Rest des Wasserstoffkraftstoffstroms tritt in den Verdampfer ein. Anschließend werden der Bypassstrom, der durch den Wärmetauscher fließt, und der Rest des Kraftstoffstroms, der durch den Verdampfer fließt, gemischt, um einen kombinierten Kraftstoffstrom zu bilden, wobei die Temperatur des kombinierten Kraftstoffstroms bei 0°C liegt, was eine angenehme Temperatur für einen Durchflussmesser, eine Steuerung und andere Komponenten im Dispenser ist.
  • Beispiel 3
  • Wasserstoff bei 450 bar und 20 K (-253°C ) wird verwendet, um einen im Wesentlichen leeren Fahrzeugtank bei 295 bar zu füllen, wobei 27% des Kraftstoffstroms als Bypassstrom umgeleitet werden und dann in den Wärmetauscher eintritt. Nach dem Durchgang des Bypassstroms durch den Wärmetauscher, die Temperatur des Bypassstroms beträgt -50°C. Der Rest des Wasserstoffkraftstoffstroms tritt in den Verdampfer ein. Anschließend werden der Bypassstrom, der durch den Wärmetauscher fließt, und der Rest des Wasserstoffkraftstoffstroms, der durch den Verdampfer fließt, gemischt, um einen kombinierten Kraftstoffstrom zu bilden, und liegt die Temperatur des kombinierten Kraftstoffstroms bei 1°C, was eine angenehme Temperatur für einen Durchflussmesser, eine Steuerung und andere Komponenten im Dispenser ist.
  • Beispiel 4
  • Wasserstoff bei 450 bar und 20 K (-253°C ) wird verwendet, um einen im Wesentlichen vollen Fahrzeugtank bei 395 bar zu füllen, wobei 26% des Kraftstoffstroms umgeleitet werden, um einen Bypassstrom zu bilden, und dann in den Wärmetauscher eintritt. Nach dem Durchgang des Bypassstroms durch den Wärmetauscher, die Temperatur des Bypassstroms beträgt -50°C. Der Rest des Wasserstoffkraftstoffstroms tritt in den Verdampfer ein. Anschließend werden der Bypassstrom, der durch den Wärmetauscher fließt, und der Rest des Wasserstoffkraftstoffstroms, der durch den Verdampfer fließt, gemischt, um einen kombinierten Kraftstoffstrom zu bilden, und liegt die Temperatur des kombinierten Kraftstoffstroms bei 2°C, was eine angenehme Temperatur für einen Durchflussmesser, eine Steuerung und andere Komponenten im Dispenser ist.
  • Beispiel 5
  • Wasserstoff bei 450 bar und 20 K (-253°C ) wird verwendet, um einen im Wesentlichen vollen Fahrzeugtank bei 435 bar zu füllen, wobei 25% des Kraftstoffstroms als Bypassstrom umgeleitet werden und dann in den Wärmetauscher eintritt. Nach dem Durchgang des Bypassstroms durch den Wärmetauscher, die Temperatur des Bypassstroms beträgt -50°C. Der Rest des Wasserstoffkraftstoffstroms tritt in den Verdampfer ein. Anschließend werden der Bypassstrom, der durch den Wärmetauscher fließt, und der Rest des Wasserstoffkraftstoffstroms, der durch den Verdampfer fließt, gemischt, um einen kombinierten Kraftstoffstrom zu bilden, und liegt die Temperatur des kombinierten Kraftstoffstroms bei 3°C, was eine angenehme Temperatur für einen Durchflussmesser, eine Steuerung und andere Komponenten im Dispenser ist.
  • Das Fluid-Bypass-Verfahren und das System zur Steuerung der Temperatur eines Nicht-Petroleum-Kraftstoffs, die durch die Ausführungsformen bereitgestellt werden, weisen mindestens die folgenden Vorteile auf:
    • (1) Eliminierung eines separaten kalten Wärmespeichers, was zu einer Reduzierung der Kapitalkosten führt.
    • (2) Eliminierung eines Kühlsystems, was zu einer Reduzierung der Kapital- und Betriebskosten führt.
    • (3) Reduzierung des Platzbedarfs der Stationsausrüstung.
    • (4) Verbesserte Wasserstoffabgabeleistung, schnellere Abkühlgeschwindigkeit, steuerbare Abgabetemperatur und Flexibilität bei der Einstellung des Sollwerts für die Wasserstoffabgabetemperatur.
    • (5) Flexibilität beim Befüllen von Fahrzeugtanks mit beliebiger Größe. Dispenser benötigen separate Ausgabekanäle, selbst innerhalb eines einzelnen Dispensers, um spezielle Düsen mit 350 bar und 700 bar in den verwandten Bereichen anzubieten. Die vorliegende Offenbarung ermöglicht es, dass jede Düse 350 bar Umgebungstemperatur für mittelschwere/schwere (MD/HD) Fahrzeuge und 700 bar für leichte Fahrzeuge (LDV) bei Abgabetemperaturen von -40 ° C schnell füllt.
    • (6) Erzeugung einer nahezu Umgebungstemperaturzone im Dispenser für das Durchflussmesser, Ventile, Filter, Regler und andere Instrumente, die thermischen Zyklen bei Temperaturen bis zu -40°C (M IX OUT in 3) empfindlich sein kann.
    In der Beschreibung der obigen Ausführungsformen können die spezifischen Merkmale, Strukturen, Materialien oder Charaktere in irgendeiner geeigneten Weise in einer oder mehreren Ausführungsformen oder Beispielen kombiniert werden.
  • Wie hierin verwendet, sollte ein Element oder ein Schritt, der im Singular aufgeführt ist und mit dem Wort „ein“ oder „eine“ fortfährt, so verstanden werden, dass er den Plural der Elemente oder Schritte nicht ausschließt, es sei denn, ein solcher Ausschluss wird ausdrücklich angegeben. Darüber hinaus sollen Verweise auf „eine Ausführungsform“ des gegenwärtig beschriebenen erfindungsgemäßen Gegenstands nicht so ausgelegt werden, dass sie die Existenz zusätzlicher Ausführungsformen ausschließen, die auch die genannten Merkmale enthalten. Darüber hinaus können Ausführungsformen, die ein Element, das eine bestimmte Eigenschaft oder mehrere Elemente mit einer bestimmten Eigenschaft „aufweisen“, „umfassen“, oder „haben“ (oder ähnliche Begriffe), sofern dies nicht ausdrücklich anders angegeben ist, zusätzliche solche Elemente umfassen, die nicht die besondere Eigenschaft haben.
  • Wie hierin verwendet, können Begriffe wie „System“ oder „Steuerung“ Hardware und/oder Software umfassen, die zur Ausführung einer oder mehrerer Funktionen wirken. Beispielsweise kann ein System oder eine Steuerung einen Computerprozessor oder ein anderes logikbasiertes Gerät umfassen, das Operationen basierend auf Anweisungen ausführt, die auf einem materiellen und nicht vorübergehenden computerlesbaren Speichermedium wie einem Computerspeicher gespeichert sind. Alternativ kann ein System oder eine Steuerung ein festverdrahtetes Gerät umfassen, das Operationen basierend auf der festverdrahteten Logik des Geräts ausführt. Die in den Figuren gezeigten Systeme und Steuerungen können die Hardware darstellen, die basierend auf Software oder festverdrahteten Anweisungen, die Software, die die Hardware anweist, die Operationen auszuführen, oder eine Kombination davon funktioniert.
  • Es versteht sich, dass der hier beschriebene Gegenstand in seiner Anwendung nicht auf die Einzelheiten der Konstruktion und die Anordnung von Elementen beschränkt ist, die in der Beschreibung hierin dargelegt oder in den Zeichnungen hiervon dargestellt sind. Der hier beschriebene Gegenstand kann andere Ausführungsformen aufweisen und auf verschiedene Weise praktiziert oder ausgeführt werden. Es versteht sich auch, dass die hier verwendete Ausdrucksweise und Terminologie dem Zweck der Beschreibung dient und nicht als einschränkend angesehen werden sollte. Die Verwendung von „umfassen“, „aufweisen“ oder „haben“ und Variationen davon hierin soll die danach aufgeführten Gegenstände und Äquivalente davon sowie zusätzliche Gegenstände einschließen.
  • Es versteht sich, dass die obige Beschreibung veranschaulichend und nicht einschränkend sein soll. Beispielsweise können die oben beschriebenen Ausführungsformen (und/oder Aspekte davon) in Kombination miteinander verwendet werden. Darüber hinaus können viele Modifikationen vorgenommen werden, um eine bestimmte Situation oder ein bestimmtes Material an die Lehren des gegenwärtig beschriebenen Gegenstands anzupassen, ohne von seinem Umfang abzuweichen. Während die hier beschriebenen Abmessungen, Materialtypen und Beschichtungen die Parameter des offenbarten Gegenstands definieren sollen, sind sie keineswegs einschränkend und beispielhafte Ausführungsformen. Viele andere Ausführungsformen werden für einen Durchschnittsfachmann beim Überprüfen der obigen Beschreibung offensichtlich sein. Der Umfang des erfindungsgemäßen Gegenstands sollte daher unter Bezugnahme auf die beigefügten Ansprüche zusammen mit dem vollen Umfang der Äquivalente bestimmt werden, zu denen solche Ansprüche berechtigt sind. In den beigefügten Ansprüchen werden die Begriffe „umfassend“ und „in dem“ als einfache deutschen Äquivalente der jeweiligen Begriffe „aufweisend“ und „wobei“ verwendet. Darüber hinaus werden in den folgenden Ansprüchen die Begriffe „erste“, „zweite“ und „dritte“ usw. lediglich als Bezeichnungen verwendet und sollen ihren Objekten keine numerischen Anforderungen auferlegen. Ferner sind die Einschränkungen der folgenden Ansprüche nicht im Mittel-plus-Funktion-Format geschrieben und sollen nicht auf der Grundlage von 35 USC § 112 (f) interpretiert werden, es sei denn und bis in solchen Anspruchsbeschränkungen ausdrücklich der Ausdruck „Mittel für“ verwendet wird durch eine Funktionserklärung ohne weitere Struktur.
  • Die schriftliche Beschreibung verwendet Beispiele, um mehrere Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Gegenstands zu offenbaren und um einem Durchschnittsfachmann zu ermöglichen, die Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Gegenstands zu praktizieren, einschließlich der Herstellung und Verwendung von Vorrichtungen oder Systemen und der Durchführung jeglicher eingebauter Verfahren. Der patentierbare Umfang des erfindungsgemäßen Gegenstands wird durch die Ansprüche definiert und kann andere Beispiele umfassen, die einem Durchschnittsfachmann einfallen. Solche anderen Beispiele sollen in den Geltungsbereich der Ansprüche fallen, wenn sie strukturelle Elemente aufweisen, die sich nicht von der wörtlichen Sprache der Ansprüche unterscheiden, oder wenn sie äquivalente strukturelle Elemente mit unwesentlichen Unterschieden zu den wörtlichen Sprachen der Ansprüche umfassen.
  • 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
    • US 62/768151 [0001]
    • US 16/532682 [0001]
    • US 6619336 B2 [0006]

Claims (20)

  1. Ein Fluid-Bypass-Verfahren zur Steuerung der Temperatur eines Nicht-Petroleum-Kraftstoffs, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: Bereitstellen des Nicht-Petroleum-Kraftstoffs, wobei sich der Nicht-Petroleum-Kraftstoff in einem flüssigen oder im Wesentlichen überkritischen thermodynamischen Zustand befindet; Umleiten eines Bypassstroms von mindestens einem ersten Teil des Nicht-Petroleum-Kraftstoffs mit teilweiser oder keiner Verdampfung über eine Bypass-Leitung; Bereitstellen eines zweiten Teils des Nicht-Petroleum-Kraftstoffs für einen Verdampfer zum Erhitzen des zweiten Teils im Verdampfer, um einen erhitzten zweiten Teil bereitzustellen; und Mischen des erhitzten zweiten Teils des Nicht-Petroleum-Kraftstoffs aus dem Verdampfer mit dem Bypassstrom, um einen kombinierten Kraftstoffstrom zu bilden.
  2. Ein Fluid-Bypass-Verfahren zur Steuerung der Temperatur eines Nicht-Petroleum-Kraftstoffs, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: Bereitstellen des Nicht-Petroleum-Kraftstoffs, wobei sich der Nicht-Petroleum-Kraftstoff in einem flüssigen oder im Wesentlichen überkritischen thermodynamischen Zustand befindet; Umleiten eines Bypassstroms von mindestens einem ersten Teil des Nicht-Petroleum-Kraftstoffs mit teilweiser oder keiner Verdampfung über eine Bypass-Leitung zu einem Wärmetauscher; Bereitstellen des Bypassstroms zu einer kalten Seite des Wärmetauschers; Bereitstellen eines zweiten Teils des Nicht-Petroleum-Kraftstoffs für einen Verdampfer zum Erhitzen des zweiten Teils im Verdampfer, um einen erhitzten zweiten Teil bereitzustellen; und Mischen des erhitzten zweiten Teils des Nicht-Petroleum-Kraftstoffs aus dem Verdampfer mit dem Bypassstrom aus dem Wärmetauscher, um einen kombinierten Kraftstoffstrom zu bilden; und Bereitstellen des kombinierten Kraftstoffstroms zum Wärmetauscher auf einer warmen Seite des Wärmetauschers, um einen gekühlten kombinierten Kraftstoffstrom zu erhalten.
  3. Fluid-Bypass-Verfahren nach Anspruch 2, wobei der Nicht-Petroleum-Kraftstoff verflüssigtes Erdgas ist und das Verfahren ferner einen Schritt des Zuführens des gekühlten kombinierten Kraftstoffstroms zu mindestens einem Fahrzeug umfasst.
  4. Fluid-Bypass-Verfahren nach Anspruch 2, wobei der Nicht-Petroleum-Kraftstoff flüssiger Wasserstoff ist und das Verfahren ferner einen Schritt des Zuführens des gekühlten kombinierten Kraftstoffstroms zu mindestens einem Fahrzeug umfasst.
  5. Fluid-Bypass-Verfahren nach Anspruch 4, wobei ein Anteil des Bypassstroms im Bereich von 5% bis 95% liegt.
  6. Fluid-Bypass-Verfahren nach Anspruch 4, wobei eine Temperatur des kombinierten Kraftstoffstroms im Bereich von -15°C bis 20°C liegt
  7. Fluid-Bypass-Verfahren nach Anspruch 4, wobei der Wärmetauscher ein rekuperativer Wärmetauscher ist.
  8. Fluid-Bypass-Verfahren nach Anspruch 7, wobei der Wärmetauscher ein Aluminiumkern-Wärmetauscher ist und der erste Teil an einem Punkt auf halbem Weg des Verdampfers entnommen wird.
  9. Fluid-Bypass-Verfahren nach Anspruch 2, wobei der Druck ein gewünschter Fahrzeugdruck im Bereich von 20 MPa bis 100 MPa ist.
  10. Fluid-Bypass-Verfahren nach Anspruch 2, wobei eine Abgabetemperatur zum Abgeben des Nicht-Petroleum-Kraftstoffs in das mindestens ein Fahrzeug im Bereich von -50°C bis 30°C liegt
  11. Fluid-Bypass-Verfahren nach Anspruch 2, wobei eine Menge des zweiten Teils im Bypassstrom mittels mindestens eines steuerbaren Ventils gesteuert wird, um eine Abgabetemperatur auf einem Abgabetemperatursollwert zum Zuführen des Kraftstoffs zu mindestens einem Fahrzeug zu halten.
  12. Verfahren nach Anspruch 11, wobei, bevor die Zufuhr des Kraftstoffstroms zum Fahrzeug abgeschlossen ist, die Temperatur des Bypassstroms auf eine Temperatur ausgeglichen wird, die gleich der Abgabetemperatur ist.
  13. Verfahren nach Anspruch 2, ferner umfassend einen Schritt des Umleitens mindestens eines dritten Teils des Kraftstoffs vom Verdampfer zur Bypass-Leitung, wobei der dritte Teil im Verdampfer zumindest teilweise verdampft wird.
  14. Verfahren nach Anspruch 2, ferner umfassend einen Schritt des Zuführens des gekühlten kombinierten Kraftstoffstroms zu mindestens einem Fahrzeug und einen Schritt des Bereitstellens des Nicht-Petroleum-Kraftstoffs zu mindestens einem zweiten Fahrzeug, wobei der umgeleitete Bypassstrom in einen ersten Bypassstrom und einen zweiten Bypassstrom aufgeteilt wird, wobei der erste Bypassstrom zum Wärmetauscher umgeleitet wird, um den kombinierten Kraftstoffstrom zum mindestens einen Fahrzeug zu kühlen und der zweite Bypassstrom zum einen zweiten Wärmetauscher umgeleitet wird, um einen zweiten kombinierten Kraftstoffstrom zum zweiten Fahrzeug zu kühlen.
  15. Verfahren nach Anspruch 2, ferner umfassend einen Dispenser zur Zuführung des gekühlten kombinierten Kraftstoffstroms zu mindestens einem Fahrzeug, wobei der Dispenser einen Durchflussmesser, einen Druckregler, eine Düse und den Wärmetauscher umfasst.
  16. Ein System für Steuerung der Temperatur eines Nicht-Petroleum-Kraftstoffs, wobei das System umfasst: eine Pumpe, die konfiguriert ist, den Nicht-Petroleum-Kraftstoff mindestens einem Fahrzeug mit einem Druck zuzuführen, der das Fließen des Nicht-Erdöl-Kraftstoffs zu dem mindestens einem Fahrzeug ermöglicht, wobei sich der Nicht-Petroleum-Kraftstoff in einem flüssigen oder im Wesentlichen überkritischen thermodynamischen Zustand befindet; eine Bypass-Leitung, die zum Umleiten mindestens eines ersten Teils des Nicht-Petroleum-Kraftstoffs ohne oder mit teilweiser Verdampfung versehen wird, wobei die Bypass-Leitung ein Bypass-Ventil umfasst; einen Verdampfer, umfassend einen Einlass zum Aufnehmen des Nicht-Petroleum-Kraftstoffs aus der Pumpe, wobei der Verdampfer konfiguriert ist, mindestens einen zweiten Teil des Nicht-Petroleum-Kraftstoffs zu erhitzen; einen Wärmetauscher, der stromabwärts des Verdampfers versehen wird; und einen Dispenser, umfassend eine Düse zur Zuführung des Nicht-Petroleum-Kraftstoffs zum Fahrzeug; wobei der Wärmetauscher derart konfiguriert ist, dass der mindestens erste Teil des Nicht-Petroleum-Kraftstoffs aus der Bypass-Leitung auf eine kalte Seite des Wärmetauschers bereitgestellt und entladen wird, um mit dem aus dem Verdampfer austretende zweiten Teil des Nicht-Petroleum-Kraftstoffs zu kombinieren, um einen kombinierten Kraftstoffstrom zu bilden, wobei der kombinierte Kraftstoffstrom auf eine warme Seite des Wärmetauschers bereitgestellt wird, bevor er durch die Düse des Dispensers an das mindestens ein Fahrzeug abgegeben wird.
  17. System nach Anspruch 16, wobei der Verdampfer mehrere Abschnitte von Wärmeübertragungsspulen umfasst, wobei mindestens ein zweites Bypass-Ventil an mindestens einem der mehreren Abschnitte von Wärmeübertragungsspulen versehen wird, um mindestens einen dritten Teil des erhitzten Kraftstoffs zum Wärmetauscher über die Bypass-Leitung zuzuführen.
  18. System nach Anspruch 16, wobei der Wärmetauscher ein rekuperativer Wärmetauscher ist.
  19. System nach Anspruch 18, wobei der Wärmetauscher ein Aluminiumkern-Wärmetauscher ist.
  20. Ein nicht vorübergehendes computerlesbares Speichermedium, das ein Computerprogramm speichert, das, wenn es durch einen Prozessor ausgeführt wird, bewirkt, dass das Fluid-Bypass-Verfahren zur Steuerung der Temperatur eines Nicht-Petroleum-Kraftstoffs gemäß Anspruch 2 auf einem Computer implementiert wird.
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