DE4320556A1 - Speicherbehälter für kryogene Medien - Google Patents

Speicherbehälter für kryogene Medien

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Description

Die Erfindung betrifft einen Speicherbehälter für kryogene Medien, insbesondere einen Kfz-Speicherbehälter für flüssigen Wasserstoff. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben eines Kfz′s mit flüssigem und/oder gasförmigem Wasserstoff, wobei der dein Speicherbehälter entnommene flüssige und/oder gasförmige Wasserstoff in indirektem Wärmetausch mit einem abzukühlenden Medium, vorzugsweise dem Motorkühlwasser des Kfz′s, verdampft und erwärmt wird.
Im folgenden werden bei den Bezeichnungen spezieller kryogener Medien entsprechend ihrem Aggregatzustand die Buchstaben "G" für "gasförmig" und "L" für "flüssig" bzw. "liquid" vorange­ stellt, z. B. GH₂ bzw. LH₂ für gasförmigen bzw. flüssigen Wasserstoff.
Insbesonders Wasserstoff gewinnt gegenwärtig durch den steigen­ den 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. Die Speicherung des Wasserstoffs "an Bord" der obengenannten Verkehrsmittel ist dabei in flüssiger Form am sinnvollsten. Zwar muß der Wasserstoff dazu auf etwa 25 K abge­ kühlt und auf dieser Temperatur gehalten werden, was nur durch entsprechende Isoliermaßnahmen an den Speicherbehältern bzw. -tanks zu erreichen ist, doch ist eine Speicherung in gasförmi­ gem Zustand aufgrund der geringen Dichte von GH₂ in der Regel in den obengenannten Verkehrsmitteln aus Gewichtsgründen un­ günstig. Aus sicherheitstechnischen Gründen bedarf es bei was­ serstoffgetriebenen Fahrzeugen spezieller Sicherheitsmaßnahmen - auf die hier jedoch nicht näher eingegangen werden soll - so daß die notwendige Isolation des Speicherbehälters nicht nur dem Aufrechthalten der Temperatur innerhalb des Speicherbehäl­ ters dient. Einen Überblick über den aktuellen Stand der Wasserstoff-Entwicklung im Hinblick auf seine Verwendung als Kraftstoff geben z. B. die Artikel "Flüssiger Wasserstoff als Motorenkraftstoff der Zukunft", Prof. Dr. W. Peschka, Sonder­ druck aus "Maschinenwelt-Elektrotechnik", 43. Jg, Heft 8/9-1988 und "Liquid Hydrogen Fueled Automobiles: On-Board and Statio­ nary Cryogenic Installations", R. Ewald, Cryogenics 1990, Vol. 30 Sept. Supplement.
Wasserstoffgetriebene Motoren benötigen GH₂ bei 3 bis 4 bar Überdruck. Die Betankung des Speicherbehälters bzw. -tanks mit LH₂ erfolgt bei einer Temperatur von etwa 20 K bei geringem Differenzüberdruck aus einem stationären Tank mittels einer speziell dafür vorgesehenen Kupplung über ein, in den Speicher­ behälter hineinragendes Tauchrohr. Das in den Speicherbehälter hineinragende Tauchrohr wird, entsprechend einer bekannten Verfahrensweise, während des Fahrbetriebes als Entnahmeleitung für den LH₂ verwendet und dabei in entgegengesetzter Richtung durchströmt. Vor Beginn des Fahrbetriebes ist jedoch zunächst ein Druckaufbau im Speicherbehälter durchzuführen. Dies ge­ schieht durch das Einblasen von GH₂ aus externen Gasflaschen oder einem stationären Speicherbehälter über die Betankungslei­ tung des Speicherbehälters in die Flüssigkeit oder durch ex­ ternes Anwärmen des LH₂′s bevor es in den KFZ-Tank gelangt. Während des Fahrbetriebes eines wasserstoffgetriebenen Fahr­ zeuges muß der Druckaufbau bzw. -erhalt im Inneren des Spei­ cherbehälters gewährleistet sein. Dazu sind aus dem Stand der Technik mehrere Verfahrensweisen bzw. apparative Vorrichtungen bekannt.
So ist zum einen der Einbau einer elektrischen Widerstandshei­ zung in den Innenraum des Speicherbehälters denkbar. Aufgrund der über die elektrische Widerstandsheizung in den Tank einge­ brachten Wärme läßt sich der Druck erhöhen bzw. auf einem be­ stimmten Niveau halten, siehe z. B. Artikel "Design Characteris­ tics and Performance of a Liquid Hydrogen Tank System for Motor Cars" aus Cryogenics 1992, Volume 32, Nr. 3. Elektrische Wider­ standsheizungen benötigen jedoch verhältnismäßig viel elektri­ sche Energie, in der Größenordnung von ca. 500 Watt, die mit Zusatzgeneratoren erzeugt werden muß.
Aus der deutschen Patentanmeldung P 42 12 626.6 (noch nicht veröffentlicht) ist ein Speicherbehälter für flüssigen Wasser­ stoff bekannt, in dessen Inneren eine Mammutpumpe, deren oberes Ende in den Gasraum des Speicherbehälters hineinragt, angeord­ net ist. Ferner ist in dem Gasraum oberhalb des Flüssigkeits­ spiegels eine Verdampfer-Heizung vorgesehen. Die Verdampfer- Heizung kann wahlweise am oberen Ende oder innerhalb der Mam­ mutpumpe angeordnet sein. Mittels dieser Vorrichtung ist es möglich, die Verdampfung von LH₂ zum Zwecke des Druckaufbaus und der Druckerhaltung innerhalb des Gaspolsters durchzuführen. Ferner wird die Wärmeeinbringung über die für den Verdampfer benötigten Stromzuführungskabel erheblich verringert, da diese nur mehr durch den Gasraum führen, so daß über sie keine Wärme direkt in die Flüssigkeit eingebracht wird. Derartige Pumpen funktionieren jedoch nur dann, wenn der Speicherbehälter einen Mindeststand an kryogenem Medium aufweist. Sie benötigen dar­ über hinaus nach wie vor elektrische Energie, die zusätzlich erzeugt werden muß.
Ziel und Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die Nach­ teile des Standes der Technik zu vermeiden.
Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß im Inneren des Speicherbehälters ein Verdampferrohr angeordnet ist, welches eine Zufuhr- und eine Abfuhrleitung, die aus dem Speicherbehäl­ ter führen, aufweist.
Eine Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Speicherbehälters ist dadurch gekennzeichnet, daß das Verdampferrohr in Bodennähe des Speicherinnenbehälters angeordnet ist.
Eine weitere Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Speicherbehäl­ ters ist dadurch gekennzeichnet, daß das Verdampferrohr in einem isolierten Bereich des Speicherinnenbehälters angeordnet ist.
Mittels dieser Ausgestaltung ist ein Druckaufbau innerhalb des Speicherbehälters möglich, wobei jedoch lediglich der Teil des kryogenen Mediums, nämlich derjenige innerhalb des isolierten Bereiches des Speicherbehälters, verdampft und erwärmt wird und dadurch ein "Gaspolster" über der Flüssigkeit im Speicher­ behälter aufbaut.
Ziel und Aufgabe der Erfindung ist es ferner, ein Verfahren zum Betreiben eines Kfz′s mit flüssigem und/oder gasförmigem Wasserstoff, wobei der dem Speicherbehälter entnommene flüssige und/oder gasförmige Wasserstoff in indirektem Wärmetausch mit einem abzukühlenden Medium, vorzugsweise dem Motorkühlwasser des Kfz′s, verdampft und erwärmt wird, anzugeben, bei dem die Nachteile des Standes der Technik vermieden werden.
Dies wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zumindest ein Teilstrom des verdampften und erwärmten Wasserstoffes durch das Verdampferrohr im Inneren des Speicherbehälters geleitet und anschließend zusammen mit dem nicht durch das Verdampferrohr geleiteten Teilstrom des verdampften und erwärmten Wasserstof­ fes dem Motor des Kfz′s zugeleitet wird.
Die Erfindungen sowie weitere Ausgestaltungen davon seien anhand er Fig. 1 bis 3 näher erläutert. Hierbei besitzen identische Bauteile gleiche Bezugszeichen.
Fig. 1 zeigt den erfindungsgemäßen Speicherbehälter in einer Verschaltung zum Betreiben eines wasserstoffgetriebenen Kraft­ fahrzeuges. Der Speicherbehälter 1 besteht aus einem Außenbe­ hälter 2 und einem Innenbehälter 3. Zwischen diesen ist in der Regel eine Isolierung 4 vorgesehen. Innerhalb des Speicherbe­ hälters 1 befindet sich das kryogene Medium 5, also im vorlie­ genden Falle LH₂. Über eine Betankungskupplung 6 kann der Speicherbehälter 1 über Leitung 7 mit LH₂ befüllt werden. Während des Befüllvorganges wird über Leitung 8 GH₂ aus dem Inneren des Speicherbehälters 1 verdrängt. Mit Beginn des Fahr­ betriebes wird über Leitung 8 GH₂ aus dem Speicherbehälter 1 entnommen, über Leitung 9 einem Wärmetauscher 10 zugeführt und in diesem im indirekten Wärmetausch mit dem Motorkühlwasser, das über Leitung 17 dem Wärmetauscher 10 zugeführt und über Leitung 18 von ihm abgeführt wird, erwärmt. Der GH₂ in Lei­ tung 9 strömt anschließend über das 3-Wege-Ventil 11 und Lei­ tung 16 zum wasserstoffbetriebenen Motor des Kfz′s. Die jewei­ lige Stellung des 3-Wege-Ventils 11 wird über ein druckgesteu­ ertes Steuerorgan 12 geregelt. Ein Teilstrom des verdampften bzw. angewärmten Wasserstoffes wird während des Fahrbetriebes über Leitung 13 dem Verdampferrohr 14 zugeführt, wodurch die vorhandene Überschußenergie des Motorkühlwassers zur Erzeugung von GH₂ im Speicherbehälter 1 verwendet wird. Die Ableitung aus dem Speicherbehälter und Zuführung zum Motor des durch das Verdampferrohr 14 geleiteten Wasserstoffes erfolgt über Leitung 15.
Der erfindungsgemäße Speicherbehälter 1 weist keine elektri­ schen Zuführungsleitungen auf, da er keine zusätzliche elektri­ sche Heizenergie benötigt. Somit erhöht sich der Gesamtwir­ kungsgrad des Systemes, da der Speicherbehälter 1 keine elek­ trische Energie verbraucht. Aufgrund der Tatsache, daß inner­ halb des Speicherbehälters 1 kein LH₂-Steigrohr verwendet wird, erhöht sich zudem die Sicherheit, da durch Undichtigkei­ ten, wie z. B. Leitungsbruch, etc., kein LH₂ austreten kann. Zudem sind die Herstellungskosten des erfindungsgemäßen Speicherbehälters, verglichen z. B. mit einem, eine Pumpe auf­ weisenden Speicherbehälter, geringer.
Fig. 2 zeigt den erfindungsgemäßen Speicherbehälter 1 wiederum in einer Verschaltung zum Betreiben eines wasserstoffgetriebe­ nen Kraftfahrzeuges. Nunmehr wird jedoch während des Fahrbe­ triebes über die in die Flüssigkeit hineinreichende Leitung 7 LH₂ aus dem Speicherbehälter 1 entnommen. Über Leitung 8 strömt lediglich während des Befüllvorganges GH₂ aus dem Speicherbehälter ab.
Eine derartige Verschaltung des erfindungsgemäßen Speicherbe­ hälter macht hauptsächlich dann Sinn, wenn in verhältnismäßig kurzer Zeit größere Mengen von Wasserstoff aus dem Speicherbe­ hälter entnommen und dem Motor zugeführt werden müssen.
Fig. 3 zeigt den erfindungsgemäßen Speicherbehälter 1, wobei um das Verdampferrohr 14 eine isolierende Vorrichtung 19, im vorliegenden Falle ein am Boden des Speicherinnenbehälters 3 angebrachtes Isolierrohr, angeordnet ist. Dadurch wird über das Verdampferrohr 14 nur der Teil der Flüssigkeit, der sich inner­ halb dieser isolierenden Vorrichtung 19 befindet, verdampft und erwärmt. Diese Vorgehensweise ist gerade dann vorteilhaft, wenn innerhalb des Speicherbehälters 1 ein schnelles Erreichen der Siedetemperatur, z. B. nach längeren Standzeiten des Kfz′s, gewünscht ist.

Claims (4)

1. Speicherbehälter für kryogene Medien, insbesondere Kfz- Speicherbehälter für flüssigen Wasserstoff, dadurch gekennzeichnet, daß im Inneren des Speicherbehälters ein Verdampferrohr angeordnet ist, welches eine Zufuhr- und eine Abfuhrleitung, die aus dem Speicherbehälter führen, aufweist.
2. Speicherbehälter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Verdampferrohr in Bodennähe des Speicherinnenbe­ hälters angeordnet ist.
3. Speicherbehälter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Verdampferrohr in einem isolierten Bereich des Speicherinnenbehälters angeordnet ist.
4. Verfahren zum Betreiben eines Kfz′s mit flüssigem und/oder gasförmigem Wasserstoff, wobei der dem Speicherbehälter entnommene flüssige und/oder gasförmige Wasserstoff in indirektem Wärmetausch mit einem abzukühlenden Medium, vorzugsweise dem Motorkühlwasser des Kfz′s, verdampft und erwärmt wird, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest ein Teilstrom des verdampften und erwärmten Wasserstoffes durch das Verdampferrohr im Inneren des Speicherbehälters gelei­ tet und anschließend zusammen mit dem nicht durch das Ver­ dampferrohr geleiteten Teilstrom des verdampften und er­ wärmten Wasserstoffes dem Motor des Kfz′s zugeleitet wird.
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