EP4705669A1 - Verfahren zum entleeren eines tanks für flüssigen wasserstoff - Google Patents
Verfahren zum entleeren eines tanks für flüssigen wasserstoffInfo
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Entleeren eines Tanks (13) für flüssigen Wasserstoff mittels einer Tankheizung (15) in einem Fahrzeug (1) mit wenigstens einem wasserstoffbetriebenen Antriebsaggregat (2). Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass das Antriebsaggregat (2) während des Entleerens nicht betrieben wird, wobei ein Kühlmittel in einem Kühlmittelkreislauf (3) des Antriebsaggregats (2) oder einem mittelbar mit einer Kühlung des Antriebsaggregats (2) in wärmeleitender Verbindung stehenden Kühlmittelkreislauf (3) umgewälzt wird, um Wärme in dem Kühlmittel und von dem Kühlmittel aus der Umgebungsluft aufgenommene Wärme direkt oder mittelbar der Tankheizung (15) zuzuführen.
Description
Verfahren zum Entleeren eines Tanks für flüssigen Wasserstoff
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Entleeren eines Tanks für flüssigen Wasserstoff mittels einer Tankheizung in einem Fahrzeug mit wenigstens einem wasserstoffbetriebenen Antriebsaggregat.
Wasserstoffbetriebenen Antriebsaggregate im Sinne der Erfindung können z.B. Brennstoffzellen eines Brennstoffzellensystems oder den Wasserstoff verbrennende Maschinen sein. Dies könnte z.B. ein wasserstoffbetriebener Verbrennungsmotor oder auch eine Gasturbine sein.
Die Entnahme von flüssigem Wasserstoff während des Betriebs eines mit einem derartigen Tank ausgestatteten Fahrzeugs sieht es typischerweise vor, dass der flüssigen Phase des Wasserstoffs Wärme zugeführt wird, um diesen zu verdampfen. Das verdampfte unter Druck stehende Gas lässt sich dem Tank dann entnehmen. Hierfür lassen sich verschiedene Wärmequellen einsetzen. So beschreibt die US 2020/0298651 A1 ein System, bei dem je nach Jahreszeit die Wärme zum Verflüssigen des Wasserstoffs entweder aus der Umgebung oder aus dem Kühlkreislauf der Brennstoffzelle entnommen wird. Der Aufbau ist entsprechend aufwändig und eignet sich lediglich für stationäre Anlagen. Etwas Ähnliches ist auch in der CN 115224 306 A1 beschrieben.
Neben der in diesen beiden Schriften beschriebenen Entnahme von Wasserstoff, um diesen beispielsweise einem Brennstoffzellensystem, oder prinzipiell auch einem anderen Wasserstoffverbraucher, zuzuführen, spielt vor allem im Bereich der Fahrzeugtechnik das Entleeren des Tanks für flüssigen Wasserstoff zu Wartungszwecken eine entscheidende Rolle. Bei Fahrzeugen ist es typischerweise so, dass eine elektrische Widerstandsheizung oder ein eigener Tankkreislauf mit einem Kühlmedium vorgesehen ist, um die
Tankheizung zu betreiben. Diese wird dazu von dem flüssigen Kühlmedium, welches eine höhere Temperatur als die Siedetemperatur des Wasserstoffs hat, durchströmt. Soll nun ein Tank für flüssigen Wasserstoff restentleert werden, um diesen warten zu können, wird in diesen Tankkreislauf typischerweise Energie zugeführt, um das Kühlmedium aufzuheizen und den Wasserstoff in dem Tank zu verdampfen, sodass dieser entnommen werden kann. Diese Energie wird typischerweise über eine elektrische Heizung, beispielsweise einen elektrischen Heizwiderstand, bereitgestellt, da alle anderen Systeme des Fahrzeugs in so einer Situation ja nicht mehr in Betrieb sind. In der Praxis kommt meist ein Heizwiderstand zum Einsatz, welcher in den Fahrzeugen für den Fall vorgesehen ist, dass während des Betriebs generatorisch abgebremst wird, eine Batterie jedoch nicht in der Lage ist, die anfallende Leistung aufzunehmen, da sie bereits vollgeladen ist. In diesem Fall wird an dem Heizwiderstand die überschüssige Leistung verbraucht. Bei Restentleeren eines Tanks für flüssigen Wasserstoff zu Wartungszwecken lässt sich dieser Heizwiderstand dann zum Wärmeeintrag nutzen. Dabei stellt diese Vorgehensweise jedoch einen gravierenden Nachteil dar. Es wird relativ viel elektrische Leistung benötigt, welche typischerweise aus der Batterie entnommen wird, sodass nach dem Restentleeren des Tanks die Batterie häufig einen sehr niedrigen oder kritischen Ladezustand aufweist bzw. dass die elektrische Energie extern bereitgestellt werden muss.
Die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung besteht nun darin ein verbessertes Verfahren zum Entleeren eines Tanks für flüssigen Wasserstoff mittels einer Tankheizung, für Wartungszwecke, anzugeben, welches den Restwasserstoff energieeffizient aus dem Tank abführt.
Diese Aufgabe wird durch das erfindungsgemäße Verfahren gemäß Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen ergeben sich aus den hiervon abhängigen Unteransprüchen.
Das erfindungsgemäße Verfahren sieht es vor, dass bei nicht betriebenem Antriebsaggregat, also in einem Zustand, in welchem diese keine mechanische oder elektrische Leistung erzeugt, dennoch eine Kühlmittelfördereinrichtung eines Kühlmittelkreislaufs des Antriebsaggregats oder eines mittelbar mit einer Kühlung des Antriebsaggregats in wärmeleitender Verbindung stehenden Kühlmittelkreislaufs betrieben wird. Über diese Kühlmittelfördereinrichtung lässt sich dann in dem Kühlmittel
vorliegende Wärme und, sobald das Kühlmittel auf eine Temperatur unterhalb der Umgebungstemperatur abgekühlt ist, Wärme aus der Umgebung nutzen. Dafür wird über die ansonsten zur Kühlung des Kühlmittels vorgesehenen Kühlwärmetauscher Wärme aus der Umgebungsluft in das Kühlmittel eingetragen. Damit kann Wärme auf einem Temperaturniveau, welches maximal der Temperatur der Umgebungsluft entspricht, bereitgestellt werden. Diese Temperatur, welche typischerweise in einer Größenordnung von 5 bis 25° C liegen wird, reicht aus, um den flüssigen tiefkalten Wasserstoff in dem Tank zu verdampfen, sodass der Restwasserstoff vor einer Wartung des Tanks entnommen werden kann. Das erfindungsgemäße Verfahren nutzt also den Kühlmittelkreislauf, um zuerst die Wärme in dessen Kühlmedium und anschließend die aus der Umgebungsluft in das abgekühlte Kühlmedium eingetragene Wärme direkt oder mittelbar der Tankheizung zuzuführen.
Der Kühlkreislauf kann dabei direkt der Kühlkreislauf z.B. eines Brennstoffzellensystems oder eines Wasserstoffmotors sein. Bei mehreren Kühlkreisläufen die z.B. auf verschiedenen Temperaturniveaus betrieben werden, ist es derjenige Kühlkreislauf, welcher einen Kühlwärmetauscher zur Abfuhr von Abwärme an die Umgebung umfasst. Damit ist es dann möglich über den Kühlwärmetauscher Wärme aus der Umgebungsluft in das Kühlmittel einzutragen.
Dafür müssen lediglich die Fördereinrichtung für das Kühlmittel sowie gegebenenfalls ein Lüfter zur Durchströmung der Kühlwärmetauscher mit Umgebungsluft, falls notwendig, betrieben werden. Dies ist weitaus energieeffizienter möglich als eine elektrische Beheizung der Tankheizung zur Entnahme des Restwasserstoffs. Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht es also, den Tank für Wartungszwecke sehr energieeffizient vollständig zu entleeren.
Gemäß einer sehr vorteilhaften Weiterbildung des Verfahrens gemäß der Erfindung ist es dabei vorgesehen, dass die aus der Umgebungsluft aufgenommene Wärme über einen Wärmetauscher auf ein Kühlmedium eines Tankkreislaufs übertragen wird, mittels welchem der flüssige Wasserstoff in der Tankheizung erwärmt und verdampft wird. Dieser Aufbau nutzt für das erfindungsgemäße Verfahren den bei Brennstoffzellenfahrzeugen sehr häufig vorliegenden Aufbau mit einem Kühlmittelkreislauf für das Brennstoffzellensystem einerseits und einem Tankkreislauf eines weiteren Kühlmediums zur Erwärmung und Entnahme des Wasserstoffs während des Betriebs andererseits.
Typischerweise sind diese beiden Kreisläufe über einen Wärmetauscher miteinander gekoppelt, häufig ist der oben bereits angesprochene elektrische Bremswiderstand Teil des Tankkreislaufs. Insbesondere kann auch ein Klimakreislauf an diesen Tankkreislauf wärmeübertragend angekoppelt sein.
Diese besondere Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens nutzt also nun den Kühlkreislauf, welcher mit seinen großflächigen Kühlwärmetauschern, welche umgangssprachlich auch als Kühler bezeichnet werden, einen Kontakt zwischen seinem Kühlmittel und der Umgebungsluft herstellen kann. Ist das Kühlmittel durch die Beheizung des flüssigen Wasserstoffs auf eine Temperatur unterhalb der Umgebungstemperatur abgekühlt, nimmt dieses Kühlmittel also in dem Kühlkreislauf Wärme aus der Umgebungsluft auf und kann diese über den Wärmetauscher zwischen den beiden Kreisläufen entsprechend auf das Kühlmedium in dem Tankkreislauf übertragen, welches die Wärme wiederum zur Tankheizung fördert, wofür auch hier lediglich eine Fördereinrichtung betrieben werden muss. Das in der Tankheizung abgekühlte Medium wird dann in dem Wärmetauscher wieder erwärmt. Es werden dafür also beide Fördereinrichtungen sowohl in dem einen als auch in dem anderen Kreislauf betrieben sowie gegebenenfalls Lüfter zur Bereitstellung einer ausreichenden Menge an Umgebungsluft im Bereich der Kühlwärmetauscher des Kühlkreislaufs. Weitere Energie ist nicht notwendig, sodass der Wasserstoff außerordentlich energieeffizient verdampft und dem Tank entnommen werden kann.
Ergänzend hierzu können weitere Wärmequellen, welche entweder mit dem Kühlkreislauf und/oder dem Tankkreislauf in Verbindung stehen oder in Verbindung gebracht werden können, genutzt werden, um Wärme für die Tankheizung zur Verfügung zu stellen. Derartige Wärmequellen sind in einem abgeschalteten Fahrzeug typischerweise Bereiche oder Kreisläufe mit einem Medium mit einer Temperatur auf oder oberhalb des Niveaus der Umgebungsluft, die Innenraumluft eines Fahrgastraums oder dergleichen. Beispielsweise kann so Wärme auch aus dem Klimakreislauf einer Klimaanlage mit einbezogen werden, welcher typischerweise mit dem Tankkreislauf in Verbindung steht. Stehen weitere Kühlmittelkreisläufe in wärmeleitendem Kontakt zu den Kühlkreislauf können auch diese mitbetrieben werden.
Eine weitere sehr günstige Ausgestaltung des Verfahrens gemäß der Erfindung kann es ferner vorsehen, dass in zumindest einem der Kreisläufe eine elektrische
Widerstandsheizung vorgesehen ist, welche bei zusätzlichem Wärmebedarf betrieben wird. Es besteht also immer auch die Möglichkeit wie bisher, über eine elektrische Zuheizung die Restentleerung vorzunehmen, beispielsweise wenn die Umgebungstemperaturen so niedrig liegen, dass das Kühlmedium in zumindest einem der Kreisläufe einfrieren würde oder wenn aufgrund eines Defekts des Fahrzeugs einer dieser Kühlkreisläufe nicht mehr oder nicht mehr vollständig zur Verfügung steht, beispielsweise nach einem Unfall.
Das erfindungsgemäße Verfahren lässt sich nun für verschiedene Tankanlagen einsetzen, welche in verschiedenen Fahrzeugen, beispielsweise Nutzfahrzeugen, leichten Nutzfahrzeugen, Personenkraftwagen, aber auch in Schiffen, Schienenfahrzeugen oder dergleichen zum Einsatz kommen können.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich auch aus dem Ausführungsbeispiel, welches nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figur näher beschrieben ist.
Die einzige beigefügte Figur zeigt dabei ein schematisch angedeutetes Fahrzeug mit einem Brennstoffzellensystem und einem Tank für flüssigen Wasserstoff.
In der Darstellung der Figur 1 ist ein Fahrzeug 1 mit einer strichpunktierten Linie schematisch angedeutet. Bei diesem Fahrzeug 1 kann es sich beispielsweise um ein Nutzfahrzeug handeln, welches elektrisch über ein Brennstoffzellensystem angetrieben wird. Für dieses Brennstoffzellensystem sind in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel zwei parallele Brennstoffzellen 2, sogenannte Brennstoffzellenstapel oder Brennstoffzellenstacks, angedeutet. Sie bilden das Antriebsaggregat 2 im Sinne der Erfindung aus. An ihre Stelle könnte jedoch auch ein Verbrennungsmotor, eine Gasturbine oder ähnliches treten, über welche das Fahrzeug 1 dann mechanisch oder im Form eines seriellen Hybrids angetrieben werden würde. Der Rest ergibt sich dann analog zu dem anhand des Brennstoffzellenfahrzeugs 1 nachfolgend beschriebenen Beispiels.
Die Brennstoffzellen 2 sind hier gemeinsam in einem Brennstoffzellenkühlkreislauf 3 angeordnet und können parallel von einem über eine Kühlmittelfördereinrichtung 4 geförderten Volumenstrom eines Kühlmittels im regulären Betrieb gekühlt werden. Ferner ist ein Brennstoffzellenbypass 5 vorgesehen. Damit ist es möglich, dass die
Brennstoffzellen 2 jeweils allein oder gemeinsam oder gar nicht von dem Kühlmittel durchströmt werden, wofür mit 6 bezeichnete Bypassventile vorgesehen sind, um je nach gewünschtem Betriebszustand die Strömung des Kühlmittels zu steuern. Die Abwärme der Brennstoffzellen 2 wird im regulären Betrieb über einen Kühlwärmetauscher 7 abgeführt. Der Kühlwärmetauscher 7, welcher häufig auch als Kühler bezeichnet wird, kann dabei aus einem oder mehreren Elementen bestehen, welche typischerweise so an dem Fahrzeug 1 angeordnet sind, dass sie während der Fahrt des Fahrzeugs 1 von ausreichend Kühlluft durchströmt werden. Sollte diese Kühlluft nicht ausreichen, so kann über ein hier angedeutetes und mit 8 bezeichnetes Lüfterrad eine zusätzliche Luftströmung bzw. eine verstärkte Luftströmung durch den Kühlwärmetauscher 7 erzeugt werden. Auch dieser Kühlwärmetauscher 7 verfügt über einen Kühlerbypass 9 mit einem Bypassventil 10, um beispielsweise in einem Kaltstartszenario des Brennstoffzellensystems das sich langsam erwärmende Kühlmedium nicht abzukühlen, um so die Brennstoffzellen 2 schnellstmöglich aufzuheizen. All dies ist einem Fachmann für Brennstoffzellensysteme allgemein bekannt. Alternativ zu dem einen Kühlkreislauf 3 könnten auch mehrere Kühlmittelkreisläufe vorgesehen werden, welche in wärmeleitenden Verbindung zueinander stehen.
Über einen Wärmetauscher 11 steht dieser wenigstens eine Brennstoffzellenkühlkreislauf 3 nun mit einem Kühlmedienkreislauf 12 eines Tanks 13 für flüssigen Wasserstoff in Verbindung. Auch dieser Tankkreislauf 12 umfasst eine Fördereinrichtung 14 für das in ihm zirkulierende Kühlmedium. Außerdem ist eine Tankheizung 15 Teil dieses Tankkreislaufs 12. Sie verläuft steuerbar über ein Bypassventil 16 und bei Bedarf über einen Bypass 17 umströmbar durch den Tank 13, und zwar vorzugsweise in einem in Richtung der Schwerkraft im bestimmungsgemäßen Einsatz unten liegenden Abschnitt des Tanks 13. Die Tankheizung 15 soll mit flüssigem Wasserstoff in Verbindung kommen und diesen entsprechend aufheizen. Gasblasen steigen dann in den im bestimmungsgemäßen Einsatz oberen Bereich des Tanks 13 auf und werden über eine Entnahmevorrichtung 18 aus dem Tank abgeführt und im regulären Betrieb des Fahrzeugs 1 beispielsweise den Brennstoffzellen 2 als Edukt zur Verfügung gestellt. In wärmeleitendem Kontakt mit diesem Tankkreislauf 12 steht in den allermeisten Fällen auch ein elektrischer Heizwiderstand 19, welcher zur Beheizung des Kühlmittels in dem Tankkreislauf 12 vorgesehen werden kann. Er kann damit die Tankheizung 15 unterstützen. Häufig ist dieser Heizwiderstand 19 auch dann im Einsatz, wenn bei einer Rekuperation beim Abbremsen des Fahrzeugs 1 mehr elektrische Leistung anfällt, als von
einer hier nicht dargestellten Batterie aufgenommen werden kann. Die elektrische Überschussleistung wird dann an dem elektrischen Heizwiderstand 19 entsprechend verbraucht.
Weitere Wärmequellen können in dem Tankkreislauf 12 oder auch an dem Brennstoffzellenkühlkreislauf 3 angeordnet sein. Rein beispielhaft sollen hier über die mit 20 bezeichnete Box weitere Wärmequellen, wie beispielsweise eine zu kühlende Leistungselektronik, zu kühlende Elektromotoren, eine Klimaanlage oder dergleichen symbolisiert sein, welche in wärmeübertragender Verbindung mit einem der Kreisläufe 3, 12, hier dem Tankkreislauf 12, steht.
Der Betrieb eines solchen Systems in einem Fahrzeug 1 im regulären Betrieb ist dem Fachmann allgemein bekannt und geläufig, sodass hierauf nicht weiter eingegangen werden muss.
Das hier zugrundeliegende Szenario soll nun das Folgende sein. Das Fahrzeug 1 ist defekt, beispielsweise oder zumindest auch im Bereich von wasserstoffführenden Leitungen und/oder im Bereich des Tanks 13. Bei abgestelltem Fahrzeug 1 und nicht mehr betriebenen oder betreibbaren Brennstoffzellen 2 soll nun der Restwasserstoff in dem Tank 13 energieeffizient entnommen werden. Anstelle, wie bisher üblich, über den elektrischen Heizwiderstand 19 die zum Verdampfen des flüssigen Restwasserstoffs erforderliche Wärme zur Verfügung zu stellen, können nun die beiden Fördereinrichtungen 4 für das Kühlmittel im Brennstoffzellenkreislauf 3 und 14 für das Kühlmedium im Tankkreislauf 12 betrieben werden. Der Brennstoffzellenkreislauf 3 kann in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel beispielsweise so betrieben werden, dass lediglich der Wärmetauscher 11, der Kühlwärmetauscher 7, der Brennstoffzellenbypass 5 und die Kühlmittelfördereinrichtung 4 durchströmt werden. Ein Durchströmen der Brennstoffzellen 2 selbst ist zwar grundsätzlich möglich, hier aber prinzipiell nicht notwendig, wenn ein entsprechender Brennstoffzellenbypass 5, was typischerweise der Fall ist, existiert. Durch den Betrieb der Fördereinrichtung 14 in dem Tankkreislauf 12 wird bei entsprechend eingestelltem Bypassventil 16 nun also das Kühlmedium durch die Tankheizung 15 gefördert und verdampft den flüssigen Restwasserstoff in dem Tank 13 und kühlt sich dabei ab. Nun kann dieses Kühlmittel des Tankkreislaufs 12 im Bereich des Wärmetauschers 11 wieder Wärme aufnehmen, um weiteren flüssigen Restwasserstoff in der Tankheizung 15 zu verdampfen. Diese Wärme kann nun einfach bereitgestellt
werden, indem das Kühlmittel des Brennstoffzellenkühlkreislaufs 3 in der beschriebenen Art umgewälzt wird und damit, wenn es in dem Wärmetauscher 11 auf eine Temperatur unterhalb der Umgebungstemperatur abgekühlt worden ist, in dem Kühlwärmetauscher 7 Wärme aus der Umgebungsluft aufnimmt und zu dem Wärmetauscher 11 transportiert. Diese Wärme wird dann auf das Kühlmittel im Tankkreislauf 12 übertragen und dient zum Verdampfen des flüssigen Restwasserstoffs, welcher über die Entnahmeeinrichtung 18 entnommen werden kann.
Außer dem Betrieb der beiden Fördereinrichtungen 4, 14 sowie gegebenenfalls dem Betrieb des Lüfters 8, um eine höhere Menge an Umgebungsluft und damit eine höhere Wärmemenge zur Verfügung zu stellen, ist hier kein zusätzlicher Energiebedarf notwendig, insbesondere muss nicht energieintensiv elektrisch zugeheizt werden. Sollten weitere Wärmequellen, welche hier durch die Box 20 symbolisiert sind, zur Verfügung stehen, dann kann selbstverständlich auch im Bereich dieser Wärmequellen vorliegende Restwärme genutzt werden, um das Kühlmedium in dem Tankkreislauf 12 für das Verdampfen des flüssigen Restwasserstoffs zu erwärmen.
Darüber hinaus könnte, wenn nötig, auch über die elektrische Widerstandheizung 19 Wärme in dieses Kühlmedium des Tankkreislaufs 12 zugeführt werden, dies sollte jedoch nur dann erfolgen, wenn alle anderen Maßnahmen nicht funktionieren, beispielsweise aufgrund eines defekten Brennstoffzellenkühlkreislaufs oder dergleichen.
Claims
1. Verfahren zum Entleeren eines T anks (13) für flüssigen Wasserstoff mittels einer Tankheizung (15) in einem Fahrzeug (1) mit wenigstens einem wasserstoffbetriebenen Antriebsaggregat (2), dadurch gekennzeichnet, dass das Antriebsaggregat (2) während des Entleerens nicht betrieben wird, wobei ein Kühlmittel in einem Kühlmittelkreislauf (3) des Antriebsaggregats (2) oder einem mittelbar mit einer Kühlung des Antriebsaggregats (2) in wärmeleitender Verbindung stehenden Kühlmittelkreislauf (3) umgewälzt wird, um Wärme in dem Kühlmittel und von dem Kühlmittel aus der Umgebungsluft aufgenommene Wärme direkt oder mittelbar der Tankheizung (15) zuzuführen.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Wärme aus dem Kühlmittel des Kühlmittelkreislaufs (3) über einen Wärmetauscher (11) auf das Kühlmedium eines Kühlmedienkreislaufs (12) des Tanks (13) übertragen wird, mittels welchen dann der flüssige Restwasserstoff durch die Tankheizung (15) erwärmt und verdampft wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass weitere mit dem Kühlmittelkreislauf (3) und/oder dem Kühlmedienkreislauf (12) des Tanks (13) in Kontakt stehende Wärmequellen (20) zur Erwärmung des Kühlmediums in dem Kühlmedienkreislauf (12) des Tanks (13) genutzt werden.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass in zumindest einem der Kreisläufe (3, 12) ein elektrischer Heizwiderstand (19) vorgesehen ist, welcher bei zusätzlichem Wärmebedarf betrieben wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass als Antriebsaggregat wenigstens eine Brennstoffzelle (2) eingesetzt wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass als Antriebsaggregat (2) wenigstens eine den Wasserstoff verbrennende Maschine eingesetzt wird.
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