DE19704362C1 - Vehicle tank filling device for cryogenic fuel - Google Patents

Vehicle tank filling device for cryogenic fuel

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Abstract

The device first (D1) and second (D2) accumulator tanks for storing fuels e.g. liquid hydrogen, natural gas. The first tanks are arranged inside the second tanks. The volume of the second tank is equal to or greater than the volume of the tank in the vehicle to be filled. At least one conduit (5,6) for cryogenic media extends between the accumulator tanks and incorporates at least one valve (d). At least one conduit (1,2,4,7) extends between the tank with the smaller volume of the two tanks and the actual tank filling coupling (K). At least one conduit (9) for cryogenic media connects the latter conduit with an external conduit network (10). The second accumulator tank is at least partly insulated in relation to the first accumulator tank.

Description

Die Erfindung betrifft eine Betankungseinrichtung für kryogene Kraftstoffe, wie z. B. verflüssigter Wasserstoff, verflüssigtes Erdgas, etc.The invention relates to a refueling device for cryogenic fuels, such as. B. liquefied hydrogen, liquefied natural gas, etc.

Die Erfindung betrifft fern er ein Verfahren zum Betanken von Fahrzeugen jeder Art mit unterkühlter Flüssigkeit aus einer Betankungseinrichtung gemäß der Erfindung.The invention also relates to a method for refueling vehicles of all types supercooled liquid from a refueling device according to the invention.

Im folgenden werden bei den Bezeichnungen spezieller kryogener Medien entsprechend ihrem Aggregatzustand die Buchstaben "G" für "gasförmig" und "L" für "flüssig" bzw. "liquid" vorangestellt; also z. B. GH₂ bzw. LH₂ für gasförmigen bzw. flüssigen Wasserstoff. Weiterhin werden die Begriffe "konditioniert" und "Konditionierung" verwendet; unter diesen Begriffen sei die Erhöhung des Druckes und der Siedetemperatur der Flüssigkeit in dem Fahrzeug-Speicherbehälter auf die Betriebswerte zu verstehen.The following are the names of special cryogenic media according to their physical state, the letters "G" for "gaseous" and "L" for preceded by "liquid" or "liquid"; so z. B. GH₂ or LH₂ for gaseous or liquid hydrogen. Furthermore, the terms "conditioned" and "Conditioning" used; among these terms is the increase in pressure and the boiling point of the liquid in the vehicle storage container to the Understand operating values.

Insbesondere Wasserstoff gewinnt gegenwärtig durch den steigenden Energiebedarf und das gestiegene Umweltbewußtsein als Energieträger zunehmend an Bedeutung. So sind erste Versuche im Gange, Flugzeuge, Lastkraftwagen, Busse sowie Personenkraftwagen mittels mit Wasserstoff-betriebener Turbinen bzw. Motoren anzutreiben. Auch Erdgas, insbesondere verflüssigtes Erdgas, wird bereits in ersten Feldversuchen zum Antreiben von Bussen und Personenkraftwagen verwendet.Hydrogen in particular is currently gaining due to increasing energy requirements and increasing environmental awareness as an energy source is becoming increasingly important. So first trials are underway, planes, trucks, buses as well Cars using hydrogen-powered turbines or engines to drive. Natural gas, especially liquefied natural gas, is already in the first Field trials are used to power buses and cars.

Die Speicherung des Wasserstoffs oder Erdgases "an Bord" der oben genannten Verkehrsmittel ist dabei in flüssiger Form am sinnvollsten. Zwar muß, z. B. im Falle des Wasserstoffs, dieser dazu auf etwa 25 K abgekühlt und auf dieser Temperatur gehalten werden, was nur durch entsprechende Isoliermaßnahmen an den Speicherbehältern bzw. -tanks zu erreichen ist, doch ist eine Speicherung in gasförmigem Zustand aufgrund der geringen Dichte von GH₂ in der Regel in den obengenannten Verkehrsmitteln ungünstiger, da die Speicherung hierbei in großvolumigen Speicherbehältern bei hohen Drücken erfolgen muß.The storage of hydrogen or natural gas "on board" the above Transportation is most sensible in liquid form. Although, e.g. B. in the case of the hydrogen, this is cooled to about 25 K and at this temperature are kept, which can only be achieved by taking appropriate insulation measures Storage containers or tanks can be reached, but storage in gaseous state due to the low density of GH₂ usually in the  above-mentioned means of transport less favorable, since the storage here in large-volume storage containers must be done at high pressures.

Neben den bei Wasserstoff-betriebenen Fahrzeugen notwendigen Sicherheitsmaßnahmen, dem Preis/Leistungs-Verhältnis der verwendeten kryogenen Kraftstoffe wird unter anderem die notwendige Betankungszeit eine wichtige Rolle bezüglich der Akzeptanz von kryogenen Kraftstoffen für den Kunden spielen. Als mit den ersten Test- bzw. Feldversuchen von Erdgas- und/oder Wasserstoff-betriebenen Fahrzeugen begonnen wurde, lagen die Betankungszeiten für Pkw′s im Bereich von 20 bis 30 min. Zwischenzeitlich konnten die Betankungszeiten zwar deutlich reduziert werden, jedoch sind die Betankungszeiten herkömmlicher Kraftstoff-Be­ tankungseinrichtungen noch nicht erreicht.In addition to those necessary for hydrogen-powered vehicles Security measures, the price / performance ratio of the cryogenic used Among other things, the necessary refueling time will play an important role in fuels with regard to the acceptance of cryogenic fuels for the customer. As with the first test or field trials of natural gas and / or hydrogen-powered Vehicles started, the refueling times for cars were in the range of 20 to 30 min. In the meantime, the refueling times have been significantly reduced are, however, the refueling times are conventional fuel loading refueling facilities not yet reached.

Ein Nachteil der bisherigen Betankungssysteme besteht in den Abdampfraten (Boil-off) der kryogenen Kraftstoffe, was sich negativ in der Energiebilanz niederschlägt. Die wesentlichen Ursachen für die damit verbundenen Kraftstoffverluste sind:A disadvantage of the previous refueling systems is the evaporation rates (Boil-off) of cryogenic fuels, which is negative in the energy balance precipitates. The main causes of the associated fuel losses are:

  • - Der Druck im Fahrzeugspeicherbehälter muß vor dem Befüllen abgesenkt und während der Betankung konstant gehalten werden.- The pressure in the vehicle storage tank must be reduced and before filling be kept constant during refueling.
  • - Die Betankungsleitung muß durch den kryogenen Kraftstoff vorgekühlt werden.- The refueling line must be pre-cooled by the cryogenic fuel will.
  • - Die Druckabfälle in der Betankungsleitung bewirken Siedevorgänge.- The pressure drops in the refueling line cause boiling processes.
  • - Über Pumpen, Druckaufbausystem und Isolierungen wird dem System Wärme zugeführt.- The system gets heat via pumps, pressure build-up system and insulation fed.

Es sind Lösungsvorschläge bekannt, nach denen der abgedampfte Kraftstoff rückverdichtet oder rückkondensiert wird. Diese Lösungen stehen jedoch im Widerspruch zu dem Bestreben nach (möglichst) einfachen Anlagen- bzw. Systemkonzepten. Zu bedenken ist ferner, daß ein hoher Anteil des Energieinhalts kryogener Kraftstoffe zu deren Verflüssigung benötigt wird.Proposed solutions are known, according to which the evaporated fuel is recompressed or recondensed. However, these solutions are in the Contradiction to the desire for (as possible) simple plant or System concepts. It should also be borne in mind that a high proportion of the energy content cryogenic fuels are needed to liquefy them.

Um eine abgasfreie Betankung mit einem kryogenen Kraftstoff zu ermöglichen, wurde zwischenzeitlich dazu übergegangen, den Kraftstoff in Form von unterkühlter Flüssigkeit in den Speicherbehälter einzubringen bzw. einzuspeisen, wobei es zu einer Drucksenkung innerhalb des Speicherbehälters kommt und damit das Einkondensieren des noch im Speicherbehälter verbliebenen gasförmigen Mediums erreicht wird.To enable exhaust-free refueling with a cryogenic fuel, meanwhile, the fuel in the form of supercooled Introduce or feed liquid into the storage container, whereby it becomes a Pressure drop comes within the storage tank and thus that  Condensing of the gaseous medium still remaining in the storage container is achieved.

Dieses Verfahren gelingt bisher nur, wenn die Betankungsleitung durch einen vorgezogenen Verfahrensschritt vorgekühlt und der zu befüllende Speicherbehälter vor dem Befüllen druckentlastet wird. Bei dieser Verfahrensweise fällt jedoch in unerwünschter Weise vor dem Betankungsvorgang des Speicherbehälters Abgas an. Auch gelingt es damit nicht, die Abgasraten, die z. B. durch Druckaufbausystem und Isolierungen verursacht werden, zu eliminieren.So far, this procedure has only been successful if the refueling line is operated by a advanced process step pre-cooled and the storage container to be filled before filling is relieved of pressure. With this procedure, however, falls into undesirably before the refueling process of the storage tank exhaust. It also does not succeed in reducing the exhaust gas rates, e.g. B. by pressure build-up system and Isolations are caused to be eliminated.

Während die ersten Betankungskupplungen für kryogene Kraftstoffe bzw. Medien eine Rückführleitung für das während des Betankungsvorganges aus dem Speicherbehälter ausströmende gasförmige Medium aufwiesen, können beim Verfahren des abgasfreien Betankens mit unterkühlter Flüssigkeit einadrige Betankungskupplungen einfacherer Bauart verwendet werden.While the first refueling clutches for cryogenic fuels or media a Return line for the during the refueling process from the storage tank outflowing gaseous medium can be used in the process of exhaust-free Refueling with supercooled liquid simpler single-wire refueling couplings Type can be used.

Zum Betanken von Speicherbehältern mit unterkühlter Flüssigkeit sind bisher folgende drei Verfahrensweisen bekannt:So far, the following are for refueling storage containers with supercooled liquid three procedures are known:

  • - Das Betanken aus einem Standspeicherbehälter über eine Betankungsleitung in den Speicherbehälter. Die Unterkühlung wird dadurch erreicht, daß der kryogene Kraftstoff im Standspeicherbehälter bei niedrigem Druck gelagert wird und kurzfristig vor dem Betanken Druck auf den Standspeicherbehälter gegeben wird.
    Die wesentlichen Nachteile bei dieser Verfahrensweise sind die hohen Abgasverluste durch den Druckaufbauvorgang und die diskontinuierliche Betriebsweise.    - Refueling from a stationary storage tank via a refueling line into the storage tank. The supercooling is achieved in that the cryogenic fuel is stored in the storage tank at low pressure and pressure is briefly applied to the storage tank before refueling.
    The main disadvantages of this procedure are the high exhaust gas losses due to the pressure build-up process and the discontinuous mode of operation.
  • - Das Betanken aus einem Standspeicherbehälter über eine Pumpe und über eine Betankungsleitung in den Speicherbehälter. Die Unterkühlung wird dadurch erreicht, daß der kryogene Kraftstoff im Standspeicherbehälter bei niedrigem Druck gelagert wird und mittels der Pumpe in den Speicherbehälter gefördert wird.
    Ein wesentlicher Nachteil dieser Verfahrensweise ist die Energieeinbringung durch die Pumpe, so daß bei Wasserstoff die Unterkühlung merklich gemindert wird. Zudem muß zum permanenten Kalthalten und Rückkühlen des Pumpsystems zusätzliches Kältemittel verdampft werden. Nachteilig ist ferner der erhöhte apparative Aufwand, der zudem ein erhöhtes Störpotential beinhaltet. Die vergleichsweise langen Rohrsysteme sowie die vergleichsweise großen Anzahl von Ventilen bewirken zusätzliche Druckabfälle und letztendlich erhöhte Abgasverluste, was sich insbesondere im Falle des Wasserstoffs sehr nachteilig bemerkbar macht.    - Refueling from a free-standing storage tank via a pump and via a refueling line into the storage tank. The supercooling is achieved in that the cryogenic fuel is stored in the stationary storage tank at low pressure and is conveyed into the storage tank by means of the pump.
    A major disadvantage of this procedure is the energy input by the pump, so that the supercooling is noticeably reduced with hydrogen. In addition, additional refrigerant must be evaporated to keep the pump system cold and recool. Another disadvantage is the increased expenditure on equipment, which also includes an increased potential for interference. The comparatively long pipe systems and the comparatively large number of valves cause additional pressure drops and ultimately increased exhaust gas losses, which is particularly disadvantageous in the case of hydrogen.
  • - Das Betanken aus einem Standspeicherbehälter mit separatem Portionierungsspeicherbehälter über eine Betankungsleitung in den Speicherbehälter. Die Unterkühlung wird dadurch erreicht, daß der kryogene Kraftstoff im Standspeicherbehälter bei niedrigem Druck gelagert wird, eine bestimmte Portionierungsmenge, die mindestens für das Befüllen eines Speicherbehälters ausreicht, aus dem Standspeicherbehälter in den Portionierungsspeicherbehälter umgefüllt wird und unmittelbar vor dem Betanken Druck auf den Portionierungsspeicherbehälter gegeben wird.
    Die Nachteile dieses Anlagenkonzeptes besteht in dem zusätzlich erforderlichen externen Portionierungsspeicherbehälter und dem dazu gehörenden Leitungssystem, so daß Kosten, Platzbedarf und Verdampfungsverluste dadurch erhöht werden.    - Refueling from a free-standing storage tank with a separate portioning storage tank via a refueling line into the storage tank. The supercooling is achieved in that the cryogenic fuel is stored in the stationary storage container at low pressure, a certain portioning quantity which is sufficient at least for filling a storage container, is transferred from the stationary storage container into the portioning storage container and pressure is applied to the portioning storage container immediately before refueling .
    The disadvantages of this system concept are the additionally required external portioning storage container and the associated line system, so that costs, space requirements and evaporation losses are increased as a result.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Betankungseinrichtung für kryogene Kraftstoffe sowie ein Verfahren zum Betanken von Fahrzeugen jeder Art mit unterkühlter Flüssigkeit aus einer derartigen Betankungseinrichtung anzugeben, die bzw. das weder Verdichter noch Pumpen benötigt und mit nur einem vakuumisolierten Speicherbehälter und einem Minimum an vakuumisolierten Leitungen zu realisieren ist, wodurch eine kompakte und kostengünstige Bauweise ermöglicht wird.The object of the present invention is a refueling device for cryogenic Fuels and a process for refueling vehicles of all kinds to indicate supercooled liquid from such a refueling device, the or that does not require compressors or pumps and with only one vacuum-insulated Storage tank and a minimum of vacuum-insulated lines can be realized, which enables a compact and inexpensive construction.

Die erfindungsgemäße Betankungseinrichtung für kryogene Kraftstoffe weistThe refueling device according to the invention for cryogenic fuels has

  • - wenigstens einen ersten Speicherbehälter sowie wenigstens einen zweiten Speicherbehälter, wobei die Speicherbehälter für die Speicherung von kryogenen Medien, wie z. B. verflüssigter Wasserstoff, verflüssigtes Erdgas, etc., geeignet sind, wobei der bzw. die zweiten Speicherbehälter innerhalb des bzw. der ersten Speicherbehälterangeordnet sind, wobei das Volumen des zweiten Speicherbehälters kleiner als das Volumen des ersten Speicherbehälters und gleichgroß oder größer als das Volumen des oder der Speicherbehälter des mittels der Betankungseinrichtung zu betankenden Fahrzeugs ist,- At least a first storage container and at least a second Storage container, the storage container for storing cryogenic Media such as B. liquefied hydrogen, liquefied natural gas, etc., suitable are, wherein the or the second storage container within the or the first Storage containers are arranged, the volume of the second Storage container smaller than the volume of the first storage container and  the same size or larger than the volume of the storage container (s) is to be refueled by means of the refueling device,
  • - wenigstens eine Leitung für kryogene Medien zwischen den Speicherbehältern, wobei in dieser Leitung wenigstens ein Ventil vorgesehen ist,at least one line for cryogenic media between the storage containers, at least one valve being provided in this line,
  • - wenigstens eine Leitung für kryogene Medien zwischen dem Volumen-mäßig kleineren der wenigstens zwei Speicherbehälter und der eigentlichen Betankungskupplung, und- At least one line for cryogenic media between the volume-moderately smaller of the at least two storage containers and the actual one Refueling coupling, and
  • - wenigstens eine Leitung für kryogene Medien, die die erwähnte Leitung für kryogene Medien mit einem externen Leitungsnetz für kryogene Medien verbindet.- At least one line for cryogenic media that the line for connects cryogenic media to an external network for cryogenic media.

Im Gegensatz zu den bisher realisierten Betankungseinrichtungen für kryogene Kraftstoffe bzw. Medien weist die erfindungsgemäße Betankungseinrichtung einen zusätzlichen zweiten Speicherbehälter auf, der innerhalb des ersten Speicherbehälters angeordnet ist. Unter dem Begriff "innerhalb des ersten Speicherbehälters" ist zu verstehen, daß die beiden Speicherbehälter in einer gemeinsamen, mit einer Isolierung versehenen Speicheraußenbehälterkonstruktion untergebracht sind.In contrast to the previously implemented refueling facilities for cryogenic The refueling device according to the invention has a fuel or media additional second storage container on the inside of the first storage container is arranged. Under the term "inside the first storage container" is too understand that the two storage containers are in one, with insulation provided storage tank construction are housed.

Eine Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Betankungseinrichtung für kryogene Kraftstoffe bzw. Medien zeichnet sich dadurch aus, daß der zweite Speicherbehälter zumindest teilweise gegenüber dem ersten Speicherbehälter isoliert ausgeführt ist.An embodiment of the refueling device according to the invention for cryogenic Fuel or media is characterized in that the second storage container is at least partially insulated from the first storage container.

Hierbei ist es prinzipiell ausreichend, wenn derjenige Bereich des zweiten Speicherbehälters, innerhalb dessen der Flüssigkeitsspiegel des in dem zweiten Speicherbehälter gelagerten Mediums schwankt, gegen den ersten Speicherbehälter isoliert ist.In principle, it is sufficient if that area of the second Storage tank within which the liquid level of the in the second Storage tank stored medium fluctuates against the first storage tank is isolated.

Das Volumen des zweiten Speicherbehälters ist erfindungsgemäß kleiner als das Volumen des ersten Speicherbehälters und zudem gleichgroß oder größer als das Volumen des Speicherbehälters des mittels der Betankungseinrichtung zu betankenden Fahrzeugs. Sollte das zu betankenden Fahrzeug mehrere Speicherbehälter aufweisen, wie es z. B. oftmals bei Bussen der Fall ist, so ist das Volumen des zweiten Speicherbehälters gleichgroß oder größer als die Summe der Volumina der Einzelspeicherbehälter des mittels der Betankungseinrichtung zu betankenden Fahrzeugs zu wählen. Dieser zweite Speicherbehälter dient als sog. Portionierungsspeicherbehälter bzw. -tank.The volume of the second storage container is smaller than that according to the invention Volume of the first storage container and also the same size or larger than that Volume of the storage container by means of the refueling device refueling vehicle. If the vehicle to be refueled several Have storage containers, such as. B. is often the case with buses, it is Volume of the second storage container equal to or greater than the sum of the Volumes of the individual storage containers by means of the refueling device  to choose a fueling vehicle. This second storage container serves as a so-called Portioning storage container or tank.

Bei der erfindungsgemäßen Betankungseinrichtung wird der für eine Betankung ohne Pumpe notwendige Förderdruck lediglich in diesem zweiten Speicherbehälter erzeugt. Dadurch wird zum einen der Einsatz einer Pumpe für kryogene Medien und die mit ihr einhergehenden Nachteile, wie unerwünschter Wärmeeinfall in das Betankungseinrichtungssystem, geringere Betriebssicherheit und Verfügbarkeit der Betankungseinrichtung, etc., unnötig. Zum anderen wird nur derjenige Teil des innerhalb der Speicherbehälter gespeicherten kryogenen Mediums unter Druck gesetzt, der anschließend in das zu betankende Fahrzeug umgefüllt wird.In the refueling device according to the invention, the one for refueling without Pump necessary delivery pressure generated only in this second storage tank. This means, on the one hand, the use of a pump for cryogenic media and with it associated disadvantages, such as unwanted heat in the Refueling system, lower operational safety and availability of the Refueling device, etc., unnecessary. On the other hand, only that part of the cryogenic medium stored under pressure in the storage container set, which is then transferred to the vehicle to be refueled.

Es empfiehlt sich, daß das Volumen des zweiten Speicherbehälters ein Vielfaches des Volumens des oder der Speicherbehälter des mittels der Betankungseinrichtung zu betankenden Fahrzeugs ist.It is recommended that the volume of the second storage container be a multiple of that Volume of the or the storage container by means of the refueling device refueling vehicle.

Durch diese Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Betankungseinrichtung wird es möglich, daß gegebenenfalls mehrere Fahrzeuge unmittelbar hintereinander betankt werden können, bevor ein erneuter Druckaufbau im zweiten Speicherbehälter notwendig ist. Diese Methode eignet sich insbesondere dann, wenn das gespeicherte Medium verflüssigtes Erdgas ist.This configuration of the refueling device according to the invention makes it possible possible that several vehicles may be refueled immediately one after the other before the pressure builds up again in the second storage tank necessary is. This method is particularly useful when the stored Medium is liquefied natural gas.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Betankungseinrichtung für kryogene Kraftstoffe sind in dem bzw. den ersten Speicherbehältern und/oder dem bzw. den zweiten Speicherbehältern Mittel zum Druckaufbau vorgesehen.According to a further advantageous embodiment of the invention Refueling device for cryogenic fuels are in the first Storage containers and / or the or the second storage container means for Pressure build-up provided.

Sollten lediglich in dem ersten Speicherbehälter oder in dem zweiten Speicherbehälter Mittel zum Druckaufbau vorgesehen sein, so sind diese vorzugsweise so auszulegen, daß sie auch für den Druckaufbau in dem jeweils anderen Speicherbehälter verwendbar sind.Should only be in the first storage container or in the second storage container If means for pressure build-up are provided, they should preferably be designed such that they are also used to build up pressure in the other storage tank are usable.

Hierbei sind die Mittel zum Druckaufbau vorzugsweise als eine in eine dem bzw. den ersten Speicherbehältern und/oder dem bzw. den zweiten Speicherbehältern zuführenden Leitung angeordneten Heizvorrichtung ausgebildet. Here, the means for building up pressure are preferably in one or the other first storage containers and / or the second storage container or containers supply line arranged heater.  

Selbstverständlich sind neben der erwähnten Heizvorrichtung, weitere, äquivalent wirkende Mittel zum Druckaufbau für den Fachmann denkbar.Of course, in addition to the heating device mentioned, others are equivalent effective means for pressure build-up conceivable for the expert.

Wie bereits erwähnt, liegt der Erfindung ferner die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betanken von Fahrzeugen jeder Art mit unterkühlter Flüssigkeit aus einer erfindungsgemäßen Betankungseinrichtung anzugeben, das die genannten Nachteile des Standes der Technik vermeidet.As already mentioned, the invention is also based on the object of a method for refueling vehicles of all kinds with supercooled liquid from a to provide fueling device according to the invention, the disadvantages mentioned avoids the prior art.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daßThis object is achieved in that

  • - nach Herstellen der Verbindung zwischen dem bzw. den Speicherbehältern des mittels der Betankungseinrichtung zu betankenden Fahrzeugs und dem externen Leitungsnetz über die Betankungskupplung, eine Druckentlastung des Fahr­ zeug-Speicherbehälters in das externe Leitungsnetz erfolgt,- After establishing the connection between the or the storage container by means of the refueling device and the external vehicle Line network via the fueling coupling, a pressure relief for the driver storage container into the external network,
  • - nach erfolgter Druckentlastung in das externe Leitungsnetz ein Druckaufbau in dem zweiten Speicherbehälter erfolgt dadurch der Fahrzeug-Speicherbehälter aus dem zweiten Speicherbehälter mit flüssigem kryogenen Medium betankt wird, und- after pressure has been released into the external line network, a pressure build-up in The vehicle storage container thus takes place in the second storage container refueling with liquid cryogenic medium from the second storage container, and
  • - nach erfolgter Betankung des Fahrzeug-Speicherbehälters, der zweite Speicherbehälter über eine Leitung aus dem ersten Speicherbehälter mit flüssigem kryogenen Medium befüllt wird, wobei die Gasfüllung aus dem zweiten Speicherbehälter in das externe Leitungsnetz abgegeben wird.- After refueling the vehicle storage tank, the second Storage tank with a line from the first storage tank with liquid cryogenic medium is filled, the gas filling from the second Storage container is released into the external network.

Eine Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, daß während des Betankens bzw. des Befüllens des Fahrzeug-Speicherbehälters mit aus dem zweiten Speicherbehälter entnommenen kryogenen flüssigen Medium, ein weiterer Druckaufbau in dem zweiten Speicherbehälter durch Verdampfen eines Teilstromes des aus dem zweiten Speicherbehälter entnommenen kryogenen flüssigen Mediums und Rückführen des verdichteten Mediums in den zweiten Speicherbehälter erfolgt.An embodiment of the method according to the invention is characterized in that that while refueling or filling the vehicle storage container with cryogenic liquid medium removed from the second storage container further pressure build-up in the second storage tank by evaporating one Partial flow of the cryogenic liquid removed from the second storage container Medium and return of the compressed medium in the second storage container he follows.

Die erfindungsgemäße Betankungseinrichtung, das erfindungsgemäße Verfahren zum Betanken von Fahrzeugen jeder Art sowie weitere Ausgestaltungen der- bzw. desselben und die damit verbundenen Vorteile seien anhand der Fig. 1 bis 3 näher erläutert.The refueling device according to the invention, the method according to the invention for refueling vehicles of all types as well as further refinements of the same and the advantages associated therewith are explained in more detail with reference to FIGS. 1 to 3.

Hierbei ist, gemäß den Fig. 1 bis 3, innerhalb des ersten Speicherbehälters D1 ein zusätzlicher zweiter Speicherbehälter D2, der sog. Portionierungsspeicherbehälter bzw. -tank, angeordnet. Die beiden Speicherbehälter D1 und D2 sind über die Leitungen 5 und 6 sowie das in der Leitung 6 angeordnete Ventil d kommunizierend miteinander verbunden. Das Volumen des Speicherbehälters D2 ist gleichgroß oder größer als das Volumen des Speicherbehälters D3 des zu betankenden Fahrzeugs. Auf diese Weise ist sichergestellt, daß der Speicherbehälter D2 die Flüssigkeitsfüllung des Speicherbehälters D3 aufnehmen kann.In this case, according to FIGS. 1 to 3, within the first storage container D1, an additional second storage container D2, the so-called. Portionierungsspeicherbehälter or -Tank arranged. The two storage containers D1 and D2 are communicatively connected to one another via the lines 5 and 6 and the valve d arranged in the line 6 . The volume of the storage container D2 is equal to or greater than the volume of the storage container D3 of the vehicle to be refueled. In this way it is ensured that the storage container D2 can hold the liquid filling of the storage container D3.

Sinnvollerweise empfiehlt es sich, daß der Durchmesser des Speicherbehälters D2 möglichst klein gehalten wird, da durch diese Maßnahme eine Verringerung der (Rück)Kondensationsgeschwindigkeit in dem Speicherbehälter D2 erreicht wird.It makes sense to recommend that the diameter of the storage container D2 is kept as small as possible since this measure reduces the (Back) condensation rate in the storage container D2 is reached.

In den Fig. 1 bis 3 ist ferner eine einadrige Betankungskupplung K dargestellt, die aus einem sog. "Male"- und einem sog. "Female"-Teil, wobei diese jeweils ein Ventil b bzw. c aufweisen, aufgebaut ist. Die Ventile b und c sind hierbei vorzugsweise als Kugelhähne ausgebildet. Die Trennlinie zwischen der Betankungseinrichtung und dem zu betankenden Fahrzeug ist schematisch durch die gestrichelt gezeichnete Linie, die die Bereiche "T" und "F", stehend für "Betankungseinrichtung" bzw. "Fahrzeug", gegeneinander abgrenzt, dargestellt. Der Speicherbehälter D3 des zu betankenden Fahrzeugs ist in den Figuren lediglich schematisch und daher auch ohne die in der Realität vorgesehene Isolierung dargestellt.In Figs. 1 to 3, a single core refueling coupling K is further illustrated, consisting of a so-called "Male" - is built up and a so-called "female" part, which in each case a valve b and c have... Valves b and c are preferably designed as ball valves. The dividing line between the refueling device and the vehicle to be refueled is shown schematically by the dashed line which delimits the areas "T" and "F", standing for "refueling device" and "vehicle", respectively. The storage container D3 of the vehicle to be refueled is only shown schematically in the figures and therefore also without the insulation provided in reality.

Nachdem über die Betankungskupplung K die Verbindung zwischen dem Speicherbehälter D3 des zu betankenden Fahrzeugs und dem externen Leitungsnetz hergestellt ist, wird bei geöffneten Ventilen c, b und f über die Leitungen 8, 7 und 9 die Gasfüllung des Speicherbehälters D3 in das externe Leitungsnetz 10 entspannt. Während dieses Verfahrensschrittes kühlen die Betankungsleitungen ab (dargestellt durch die fett gezeichneten Leitungen bzw. Leitungsabschnitte in der Fig. 1).After the connection between the storage container D3 of the vehicle to be refueled and the external line network has been established via the refueling clutch K, the gas filling of the storage container D3 into the external line network 10 is released via the lines 8 , 7 and 9 when the valves c, b and f are open . During this process step, the refueling lines cool down (represented by the lines or line sections shown in bold in FIG. 1).

Nach erfolgter Druckentlastung wird, wie in der Fig. 2 dargestellt, Ventil e, das vorzugsweise als Kugelhahn ausgebildet ist, geöffnet und der Speicherbehälter D3 des zu betankenden Fahrzeugs mit dem Speicherbehälter D2 über die Leitung 5, 4, 7 und 8 verbunden. Der notwendige Förderdruck wird durch Verdampfen einer Flüssigkeitsteilmenge im Wärmetauscher E und durch Druckaufgabe über Leitung 1 auf die Flüssigfüllung im Speicherbehälter D2 erzeugt. Damit wird die Flüssigfüllung des Speicherbehälters D2 in den Speicherbehälter D3 gefördert (dargestellt durch die fett gezeichneten Leitungen bzw. Leitungsabschnitte in der Fig. 2).After the pressure has been released, valve e, which is preferably designed as a ball valve, is opened, as shown in FIG. 2, and the storage container D3 of the vehicle to be refueled is connected to the storage container D2 via the lines 5 , 4 , 7 and 8 . The necessary delivery pressure is generated by vaporizing a partial liquid quantity in the heat exchanger E and by applying pressure via line 1 to the liquid filling in the storage container D2. The liquid filling of the storage container D2 is thus conveyed into the storage container D3 (represented by the bold lines or line sections in FIG. 2).

Am Ende der Betankungsleitung 8 ist eine Brause B vorgesehen, mittels der die unterkühlte Flüssigkeit in den Fahrzeug-Speicherbehälter D3 eingespeist bzw. eingebracht wird, wodurch ein Rückkondensieren des noch in dem Speicherbehälter D3 verbliebenen Gases erreicht wird. Durch diese Rückkondensation des noch im Speicherraum des Speicherbehälters D3 befindlichen Gases, wird während des Betankungsvorganges jegliche Gasbildung vermieden und es wird die Verwendung einer einadrigen Betankungskupplung K ermöglicht, da während des Betankens kein Rückgas aus dem Fahrzeug-Speicherbehälter D3 anfällt.At the end of the refueling line 8 there is a shower B, by means of which the supercooled liquid is fed or introduced into the vehicle storage container D3, as a result of which the gas still remaining in the storage container D3 is recondensed. Through this back condensation of the gas still in the storage space of the storage container D3, any gas formation is avoided during the refueling process and the use of a single-wire refueling coupling K is made possible because no refueling gas is produced from the vehicle storage container D3 during refueling.

Nach erfolgter Betankung des Fahrzeug-Speicherbehälters D3 aus dem Portionierungsspeicherbehälter D2, wird, wie in der Fig. 3 dargestellt, Ventil e geschlossen und die Ventile a, d und f werden geöffnet. Nachdem über die Leitungen 6 und 5 Medium aus dem Speicherbehälter D1 in den Speicherbehälter D2 geströmt ist und diesen dadurch wieder gefüllt hat, können erneut weitere Betankungsvorgänge durchgeführt werden. Das während dieses Umfüllvorganges aus dem Speicherbehälter D2 verdrängte gasförmige kryogene Medium wird über die Leitungen 1, 2, 3, 4 und 9 dem externen Leitungsnetz 10 zugeführt.After the vehicle storage container D3 has been refueled from the portioning storage container D2, valve e is closed, as shown in FIG. 3, and valves a, d and f are opened. After medium has flowed via lines 6 and 5 from the storage container D1 into the storage container D2 and has thereby filled it up again, further refueling processes can be carried out. The gaseous cryogenic medium displaced from the storage container D2 during this transfer process is fed via lines 1 , 2 , 3 , 4 and 9 to the external line network 10 .

Da das Betankungsverfahren den Einsatz eines Verdichters nicht vorsieht, muß - falls überhaupt erforderlich, also falls ein Fahrbetrieb nicht auch bei niedrigeren Drücken möglich ist - die Konditionierung des in den Speicherbehälter D3 eingefüllten kryogenen Mediums auf eine andere, hier nicht gezeigte Art und Weise erfolgen.Since the refueling process does not require the use of a compressor, it must - if at all necessary, so if driving is not also at lower pressures is possible - the conditioning of the filled in the storage container D3 cryogenic medium in a different manner, not shown here.

Erfolgt über einen längeren Zeitraum eine zu geringe Entnahme von kryogenem flüssigen Medium aus dem Speicherbehälter D1, so würde es in diesem, aufgrund des Wärmeeinfalls über die Isolierung des Speicherbehälters D1, zu einer Druck- und Temperaturerhöhung kommen, wodurch der Unterkühlungsgrad der in den Speicherbehälter D3 einzuspeisenden kryogenen Flüssigkeit vermindert würde. Um dies zu vermeiden, wird in Intervallen das dadurch anfallende gasförmige Medium über die Leitungen 1, 2, 3, 4 und 9 dem externen Leitungsnetz für kryogene Medien 10 zugeführt.If the cryogenic liquid medium is removed from the storage container D1 too little over a longer period of time, this would result in an increase in pressure and temperature due to the heat input via the insulation of the storage container D1, as a result of which the degree of supercooling in the storage container D3 cryogenic liquid to be fed would be reduced. In order to avoid this, the resulting gaseous medium is supplied to the external line network for cryogenic media 10 via lines 1 , 2 , 3 , 4 and 9 .

Bei der Inbetriebnahme eines Fahrzeuges oder nach einer längeren Stillstandszeit eines Fahrzeuges ist es notwendig, daß der Speicherbehälter D3 vor dem eigentlichen Betankungs- bzw. Befüllungsvorgang zunächst auf Betriebstemperatur abgekühlt wird. Dieses Abkühlen erfolgt im Pilgerschrittverfahren, wobei mehrmals kryogene Flüssigkeit aus dem Speicherbehälter D2 über die Leitungen 5, 4, 7 und 8 in den Speicherbehälter D3 eingespeist und nach dem Erreichen des oberen Betriebsdrucks des Speicherbehälters D3 über die Leitungen 8, 7 und 9, bei geöffnetem Ventil f in das externe Leitungsnetz 10 abgeführt wird.When starting up a vehicle or after a long downtime of a vehicle, it is necessary that the storage container D3 is first cooled to the operating temperature before the actual refueling or filling process. This cooling takes place in the pilgrim step method, with cryogenic liquid being fed several times from the storage container D2 via the lines 5 , 4 , 7 and 8 into the storage container D3 and, after the upper operating pressure of the storage container D3 has been reached, via the lines 8 , 7 and 9 , with the valve open Valve f is discharged into the external line network 10 .

Die erfindungsgemäße Betankungseinrichtung sowie das erfindungsgemäße Verfahren zum Betanken von Fahrzeugen jeder Art mit unterkühlter Flüssigkeit weisen gegenüber den bekannten Betankungseinrichtungen bzw. Verfahren folgende Vorteile auf:The refueling device according to the invention and the one according to the invention Show procedures for refueling vehicles of all kinds with supercooled liquid the following advantages over the known refueling devices and methods on:

  • - Minimierung des Wärmeeinfalls und Optimierung der Flüssigkeitsunterkühlung durch das kompakte "Tank-in-Tank"-System.- Minimization of heat and optimization of liquid subcooling thanks to the compact "tank-in-tank" system.
  • - Optimierung der Flüssigkeitsunterkühlung durch Verzicht auf eine Pumpe und durch kurze Leitungen ohne Ventilverengungen.- Optimization of liquid subcooling by dispensing with a pump and through short lines without valve constriction.
  • - Hohe Betriebssicherheit und Verfügbarkeit, einfache Wartung und Kostenreduzierung, da auf kryogene Pumpe(n) verzichtet wird.- High operational reliability and availability, easy maintenance and Reduction of costs, since cryogenic pump (s) are dispensed with.
  • - Geringer Platzbedarf aufgrund der Kompaktheit der Betankungseinrichtung.- Small space requirement due to the compactness of the refueling device.
  • - Kurze Betankungszeit durch optimale Unterkühlung der Flüssigkeit, wobei aufgrund der kurzen und massearmen Betankungsleitung ohne Ventile ein Sieden der Flüssigkeit und ein ansonsten an den Drosselstellen eintretender Druckabfall und eine daraus resultierende Gasbildung vermieden wird.- Short refueling time through optimal subcooling of the liquid, whereby due to the short and low-mass refueling line without valves, boiling of the liquid and a pressure drop that otherwise occurs at the throttling points and a resulting gas formation is avoided.
  • - Kein (Kalt-)Verdichter erforderlich.- No (cold) compressor required.

Prinzipiell ist anzumerken, daß selbstverständlich die erfindungsgemäße Betankungseinrichtung sowie das erfindungsgemäße Verfahren zum abgasfreien Betanken nicht nur auf das Betanken von Fahrzeugen jeder Art mit unterkühlter Flüssigkeit, sondern auch auf das Betanken bzw. Befüllen von z. B. stationären Speicherbehältern anwendbar ist.In principle, it should be noted that of course the invention Refueling device and the method according to the invention for the emission-free Refuel not only for refueling vehicles of all types with supercooled Liquid, but also for refueling or filling z. B. stationary Storage tanks is applicable.

Claims (6)

1. Betankungseinrichtung für kryogene Kraftstoffe,
  • - mit wenigstens einem ersten Speicherbehälter (D1) sowie wenigstens einem zweiten Speicherbehälter (D2), wobei die Speicherbehälter (D2, D1) für die Speicherung von kryogenen Medien, wie z. B. verflüssigter Wasserstoff, verflüssigtes Erdgas, etc., geeignet sind, wobei der bzw. die zweiten Speicherbehälter (D2) innerhalb des bzw. der ersten Speicherbehälter (D1) angeordnet sind, wobei das Volumen des zweiten Speicherbehälters (D2) kleiner als das Volumen des ersten Speicherbehälters (D1) und gleichgroß oder größer als das Volumen des oder der Speicherbehälter (D3) des mittels der Betankungseinrichtung zu betankenden Fahrzeugs ist,
  • - mit wenigstens einer Leitung (5, 6) für kryogene Medien zwischen den Speicherbehältern (D2, D1), wobei in dieser Leitung (5, 6) wenigstens ein Ventil (d) vorgesehen ist,
  • - mit wenigstens einer Leitung (1, 2, 4, 7) für kryogene Medien zwischen dem Volumen-mäßig kleineren der wenigstens zwei Speicherbehälter (D1, D2) und der eigentlichen Betankungskupplung (K), und
  • - mit wenigstens einer Leitung (9) für kryogene Medien, die die erwähnte Leitung (1, 2, 4, 7) für kryogene Medien mit einem externen Leitungsnetz (10) verbindet.
1. refueling device for cryogenic fuels,
  • - With at least a first storage container (D1) and at least a second storage container (D2), the storage container (D2, D1) for storing cryogenic media, such as. B. liquefied hydrogen, liquefied natural gas, etc., are suitable, wherein the or the second storage container (D2) within the or the first storage container (D1) are arranged, the volume of the second storage container (D2) smaller than the volume of the first storage container (D1) and of the same size or larger than the volume of the storage container or containers (D3) of the vehicle to be refueled by means of the refueling device,
  • with at least one line ( 5 , 6 ) for cryogenic media between the storage containers (D2, D1), at least one valve (d) being provided in this line ( 5 , 6 ),
  • - With at least one line ( 1 , 2 , 4 , 7 ) for cryogenic media between the volume-moderately smaller of the at least two storage containers (D1, D2) and the actual refueling coupling (K), and
  • - With at least one line ( 9 ) for cryogenic media, which connects the aforementioned line ( 1 , 2 , 4 , 7 ) for cryogenic media with an external line network ( 10 ).
2. Betankungseinrichtung für kryogene Kraftstoffe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Speicherbehälter (D2) zumindest teilweise gegenüber dem ersten Speicherbehälter (D1) isoliert ausgeführt ist. 2. Refueling device for cryogenic fuels according to claim 1, characterized characterized in that the second storage container (D2) at least partially is isolated from the first storage container (D1).   3. Betankungseinrichtung für kryogene Kraftstoffe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel zum Druckaufbau in dem bzw. den ersten Speicherbehältern (D1) und/oder dem bzw. den zweiten Speicherbehältern (D2) vorgesehen sind.3. Refueling device for cryogenic fuels according to claim 1 or 2, characterized characterized in that means for building up pressure in the first Storage containers (D1) and / or the second storage container or containers (D2) are provided. 4. Betankungseinrichtung für kryogene Kraftstoffe nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zum Druckaufbau als eine in einer dem bzw. den ersten Speicherbehältern (D1) und/oder dem bzw. den zweiten Speicherbehältern (D2) zuführenden Leitung angeordneten Heizvorrichtung (E) ausgebildet sind.4. Refueling device for cryogenic fuels according to claim 3, characterized characterized in that the means for building up pressure as one in one or the first storage containers (D1) and / or the second storage container or containers (D2) supply line arranged heater (E) are formed. 5. Verfahren zum Betanken von Fahrzeugen jeder Art mit unterkühlter Flüssigkeit aus einer Betankungseinrichtung gemäß den vorherigen Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß
  • - nach Herstellen der Verbindung zwischen dem bzw. den Speicherbehältern (D3) des mittels der Betankungseinrichtung zu betankenden Fahrzeugs und dem externen Leitungsnetz (10) über die Betankungskupplung (K), eine Druckentlastung des Fahrzeug-Speicherbehälters (D3) in das externe Leitungsnetz (10) erfolgt,
  • - nach erfolgter Druckentlastung in das externe Leitungsnetz (10) ein Druckaufbau in dem Speicherbehälter (D2) erfolgt, dadurch der Fahrzeug-Spei­ cherbehälter (D3) aus dem zweiten Speicherbehälter (D2) mit flüssigem kryogenen Medium betankt wird, und
  • - nach erfolgter Betankung des Fahrzeug-Speicherbehälters (D3), der Speicherbehälter (D2) über eine Leitung (6) aus dem Speicherbehälter (D1) mit flüssigem kryogenen Medium befüllt wird, wobei die Gasfüllung aus dem Speicherbehälter (D2) in das externe Leitungsnetz (10) abgegeben wird.
5. A method for refueling vehicles of all types with supercooled liquid from a refueling device according to the preceding claims, characterized in that
  • - After establishing the connection between the one or more storage tanks (D3) of the vehicle to be refueled by means of the refueling device and the external line network ( 10 ) via the refueling coupling (K), pressure relief of the vehicle storage tank (D3) into the external line network ( 10 ) he follows,
  • - After the pressure has been released into the external line network ( 10 ), pressure builds up in the storage container (D2), thereby filling the vehicle storage container (D3) with liquid cryogenic medium from the second storage container (D2), and
  • - After the vehicle storage tank (D3) has been refueled, the storage tank (D2) is filled with liquid cryogenic medium via a line ( 6 ) from the storage tank (D1), the gas filling from the storage tank (D2) into the external line network ( 10 ) is delivered.
6. Verfahren zum Betanken nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß während des Betankens bzw. des Befüllens des Fahrzeug-Speicherbehälters (D3) mit aus dem Speicherbehälter (D2) entnommenen kryogenen flüssigen Medium, ein Druckaufbau in dem Speicherbehälter (D2) durch Verdampfen (E) eines Teilstromes des aus dem Speicherbehälter (D2) entnommenen kryogenen flüssigen Mediums und Rückführen des verdichteten Mediums in den Speicherbehälter (D2) erfolgt.6. The method of refueling according to claim 5, characterized in that while refueling or filling the vehicle storage container (D3) with cryogenic liquid medium removed from the storage container (D2), a pressure build-up in the storage container (D2) by evaporation (E) Partial stream of the cryogenic removed from the storage container (D2) liquid medium and return of the compressed medium in the Storage tank (D2) takes place.
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