EP4735786A1 - Vorrichtung zur speicherung von kryogenem wasserstoff und kraftfahrzeug - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (1) zu Speicherung von kryogenem Wasserstoff mit wenigstens einem Behälter (2). Die erfindungsgemäße Vorrichtung (1) ist dadurch gekennzeichnet, dass die innere Oberfläche des Behälters (2) zumindest teilweise Vorsprünge (4) aufweist, welche in das Behälterinnere ragen; und/oder mit einer rauen Oberfläche oder mit Elementen (5) mit rauer Oberfläche versehen ist, um durch die Rauheit der Oberfläche Siedeverzug zu verhindern.

Description

Vorrichtung zur Speicherung von kryogenem Wasserstoff und Kraftfahrzeug

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Speicherung von kryogenem Wasserstoff mit wenigstens einem Behälter. Die Erfindung betrifft ferner ein Kraftfahrzeug mit einer solchen Vorrichtung.

Die Speicherung von flüssigem Wasserstoff, beispielsweise für die Anwendung in Kraftfahrzeugen, ist so weit aus dem Stand der Technik bekannt. Problematisch ist es hier immer, dass der flüssige Wasserstoff extrem kalt ist, sodass die Speicher entsprechend gut isoliert sein müssen. Dennoch kommt es mit der Zeit zu einer unvermeidbaren Erwärmung des Wasserstoffs, welcher dann, wenn er seine Gasphase erreicht hat und einen vorgegebenen Maximaldruck des Behälters übersteigt, abgelassen werden muss. Dieses sogenannte Boil-off Gas wird dann typischerweise katalytisch umgesetzt, um Wasserstoffemissionen an die Umgebung zu verhindern. Dennoch ist dieses Gas für die gewünschte Anwendung verloren. Die unvermeidbare Erwärmung in dem Behälter zur Speicherung des kryogenen Wasserstoffs führt außerdem dazu, dass solche Wasserstoffspeicher eine relativ kurze Haltedauer haben. Bereits nach einigen Tagen können herkömmliche Tanks leer oder zu einem erheblichen Teil entleert sein, ohne das der darin gespeicherte Wasserstoff in der gewünschten Art und Weise genutzt werden konnte.

Um dieser Problematik entgegenzuwirken ist es beispielsweise aus der DE 10 4342 210 02 bekannt, einen temperaturschichtungsfreien Speicher für kryogene Flüssigkeiten, wie beispielsweise Wasserstoff, zu schaffen. Der Speicher ist dabei in zwei Speicherbereiche aufgeteilt, in eine Hauptkammer und eine Nebenkammer. Flüssiger Wasserstoff aus der Hauptkammer wird in die Nebenkammer gefördert und von dort über eine Düse flächig über die Oberfläche des Wasserstoffs in der Hauptkammer, über welchem sich ein Gaspolster gesammelt hat, verteilt. Dies führt zu einer Abkühlung und damit letztlich zu einer längeren Haltedauer. Der Aufbau ist dabei jedoch vergleichsweise aufwändig und erfordert einen zusätzlichen Energiebedarf, um den flüssigen Wasserstoff von der Hauptkammer zur Nebenkammer zu fördern.

Die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung besteht nun darin eine verbesserte Vorrichtung zur Speicherung von kryogenem Wasserstoff zu schaffen, welche mit einem einfachen Aufbau eine längere Haltedauer ermöglicht.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen im Anspruch 1, und hier insbesondere im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 , gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung ergeben sich aus den hiervon abhängigen Unteransprüchen. Ein Kraftfahrzeug, insbesondere ein Nutzfahrzeug, mit einer derartigen Vorrichtung zur Speicherung von kryogenem Wasserstoff löst die Aufgabe ebenfalls.

Gemäß der Erfindung ist es nun vorgesehen, dass der kryogene Wasserstoff in einem Behälter gespeichert ist, welcher an seiner inneren Oberfläche Vorsprünge aufweist, welche in das Behälterinnere ragen und/oder welcher an seiner inneren Oberfläche mit einer rauen Oberfläche oder mit Elementen mit rauer Oberfläche versehen ist, um durch die Rauheit der Oberfläche Siedeverzug zu verhindern.

Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist die innere Oberfläche des Behälters zumindest teilweise mit Vorsprüngen versehen und/oder weist eine raue Oberfläche oder Elemente mit rauer Oberfläche auf. Hierdurch werden zwei verschiedene von den Erfindern erkannte Mechanismen genutzt, um eine möglichst homogene Erwärmung der flüssigen Phase des gespeicherten kryogenen Wasserstoffs zu erreichen. Wenn mehr Wärme über die flüssige Phase aufgenommen werden kann, verlangsamt sich der Druckanstieg. Damit wird eine längere Haltedauer des gespeicherten Wasserstoffs in dem Behälter erzielt.

Die in das Innere des Behälters ragenden Vorsprünge, welche insbesondere als Rippen oder Pins ausgebildet sein können, und welche bei den typischen Behältergrößen, wie sie beispielsweise zur Speicherung von kryogenem Wasserstoff in Nutzfahrzeugen zum Einsatz kommen, im Bereich von wenigen Millimetern bis einigen Zentimetern in das Behälterinnere ragen können, bewirken drei positive Effekte. Sie sorgen für eine Vergrößerung der Oberfläche der Innenwand des Behälters und reduzieren damit den pro Fläche zu übertragenen Wärmestrom von außen in das Innere des Behälters. Die Vorsprünge transportieren den Wärmestrom, welcher an der Oberfläche des Behälters nicht gänzlich zu vermeiden ist, über die Grenzschicht zwischen der Behälteroberfläche und dem kryogenen Wasserstoff hinaus vergleichsweise weit in den flüssigen Wasserstoff hinein. Damit erwärmt sich nicht nur die Grenzschicht, sondern der Wasserstoff auch in einem von der Behälterwand etwas entfernter liegenden Bereich. Dies führt insgesamt zu einer homogeneren Erwärmung des kryogenen Wasserstoffs, welche dann, wie oben bereits erklärt, mit einer längeren Haltedauer einhergeht. Andererseits ist es so, dass die Vorsprünge, und dies gilt vor allem dann, wenn diese als Rippen ausgestaltet sind, die Strömung im Bereich der Grenzschicht zwischen der Behälterwand und dem kryogenen Wasserstoff behindern. Besonders günstig ist es dabei, wenn die Rippen im bestimmungsgemäßen Einsatz quer zur Schwerkraft ausgebildet sind, um so die Strömung von wärmerem Wasserstoff nach oben zu verhindern und dadurch eine Grenzschichtströmung sowie gleichzeitig den Wärmeübergang zwischen dem flüssigen Wasserstoff und der Behälterwand zu verringern.

Ergänzend oder alternativ zu derartigen Vorsprüngen lässt sich nun eine raue Oberfläche oder Elemente mit rauer Oberfläche einsetzen. Solche Elemente haben eine Oberflächenrauheit, die einen Siedeverzug verhindert. Sie können beispielsweise aus gesinterten porösen Metallelementen, insbesondere Metallschichten, oder aus sogenannten Siedesteinen bestehen, welche im Laborbedarf allgemein bekannt und üblich sind.

Die Oberflächenrauheiten liegen dabei in einer Größenordnung von mehr als 0,3 pm bis 0,5 pm, gemessen nach der am Anmeldetag gültigen Fassung der einschlägigen Norm, hier der DIN EN ISO 4287.

Unabhängig davon, ob Elemente wie Siedesteine eingebracht sind oder eine gezielte Oberflächenbeschichtung oder -bearbeitung der Innenwand des Behälters, oder wenn vorhanden auch der Vorsprünge, genutzt wird, hat diese entsprechende raue Oberfläche des Vorteil, dass sie sehr viele Keimstellen für die Entstehung von Dampfblasen bietet. Anstelle einiger weniger großer Dampfblasen bewirkt die raue Oberfläche die Entstehung von sehr vielen kleinen Dampfblasen an potenziell sehr vielen Orten innerhalb des Behälters verteilt. Um diese Dampfblasen entstehen zu lassen ist nur eine vergleichsweise geringe Überhitzung notwendig, sodass eintretende Wärme sehr schnell in diesen Dampfblasen aufgenommen wird. Diese steigen dann in Richtung der Schwerkraft durch die verbleibende Flüssigkeit auf und sorgen so für eine sehr effektive Durchmischung der Flüssigkeit, sodass eine sehr homogene und gleichmäßige Erwärmung des flüssigen Anteils des Wasserstoffs in dem Behälter erreicht wird. Auch dies trägt zu einer möglichst langen Haltedauer bei, da der gesamte flüssige Wasserstoff gleichmäßig erwärmt wird und nicht nur im Randbereich entlang der Behälterwand verdampft wird, während im Behälterinneren selbst sehr viel niedrigere Temperaturen herrschen. Dadurch kommt es zu einem weniger starken Druckanstieg in der Gasphase des Behälters, so dass das Boil-off Gas nicht so oft abgelassen werden muss.

Eine weitere außerordentlich günstige Ausgestaltung der Vorrichtung gemäß der Erfindung sieht es dabei vor, dass ein in dem Behälter angeordnete Tankheizung zur Entnahme von Wasserstoff vorgesehen ist. Dabei ist es so, dass die Oberfläche der Tankheizung und des Behälters im Bereich der Tankheizung eine geringere Oberflächenrauheit als die sie umgebenden Bereiche des Behälters aufweist. Die Idee der größeren Rauheit der Oberfläche, um eine Vielzahl von kleinen Gasblasen zu erzeugen und Siedeverzug in jedem Fall zu vermeiden, wird nun im Bereich der Tankheizung dahingehend verändert, dass hier die Oberfläche eine sehr geringe Rauheit aufweist, also besonders glatt ausgebildet ist. Hierdurch werden Keimstellen zur Ausbildung von Dampfblasen bewusst verhindert, um im Bereich der Tankheizung genau das zu erreichen, was in den anderen Bereichen des Behälters unerwünscht ist. Im Bereich der Tankheizung soll es nämlich zu einem Siedeverzug kommen. Die Tankheizung wird immer nur dann betrieben, wenn Wasserstoff entnommen werden soll. In diesem Fall ist dann der Siedeverzug von Vorteil, da er dafür sorgt dass der überhitzte Wasserstoff schnell große Dampfblasen ausbildet. Damit steigt der Druck in der Gasphase schnell an, was bei der Entnahme von Wasserstoff gewünscht ist. Andererseits wird durch den Siedeverzug die Erwärmung des flüssigen Wasserstoffs, um die sehr großen durch den Siedeverzug entstehenden Gasblasen herum, deutlich eingeschränkt, sodass hier also trotz der notwendigen Erwärmung zur Entnahme von Wasserstoff der nachteilige Effekt auf die Haltezeit reduziert werden kann. Durch diese Vorgehensweise wird dafür gesorgt, dass im Wesentlichen nur der Wasserstoff im unmittelbaren Bereich der Tankheizung entsprechend verdampft, und dass wenig Wärme in die umgebenden Bereiche des flüssigen Wasserstoffs eingetragen wird. Eine derartige Tankheizung kann nun insbesondere in Kombination mit den Vorsprüngen zur Wärmeleitung an der Behälteroberfläche und der Ausgestaltung der Behälteroberfläche und insbesondere auch der Vorsprünge mit entsprechend hoher Oberflächenrauheit zur Bereitstellung einer Vielzahl von Keimstellen ideal genutzt werden. Ein solcher Aufbau kann sowohl während des Betriebs, also während der Entnahme von Wasserstoff einerseits, als auch während Stillstandsphasen, in denen kein Wasserstoff entnommen wird, dafür sorgen, dass durch die Isolation und die Lagerung in den Behälter eindringende Wärme möglichst homogen verteilt wird. All dies wirkt sich positiv auf eine möglichst lange Haltezeit des kryogenen Wasserstoffs in der erfindungsgemäßen Vorrichtung aus.

Die Tankheizung selbst kann dabei gemäß einer sehr vorteilhaften Ausgestaltung der Vorrichtung gemäß der Erfindung im bestimmungsgemäßen Einsatz des Behälters in Richtung der Schwerkraft untern angeordnet sein, sodass sie in jedem Fall mit Flüssigkeit in Berührung kommt, auch wenn der Behälter bereits vergleichsweise leer ist.

Die Vorsprünge, welche wie oben bereits erwähnt, vorzugsweise als Rippen oder Pins ausgebildet sind, und die Elemente aus gesintertem Metall oder die Siedesteine können dabei an beliebiger Stelle in dem Behälter, vorzugsweise überall dort, wo nicht die Tankheizung angeordnet ist, angebracht werden. Sie haben ihren besonderen Effekt wie oben bereits beschrieben dann, wenn sie innerhalb der flüssigen Phase sind, sodass auch sie gemäß einer sehr vorteilhaften Ausgestaltung der Vorrichtung gemäß der Erfindung im bestimmungsgemäßen Einsatz des Behälters in Richtung der Schwerkraft vorzugsweise unten angeordnet sind. Siedesteine oder kleine Elemente aus gesintertem Metall können prinzipiell einfach in den Tank „geworfen“ werden und sammeln sich dann ohnehin in Richtung der Schwerkraft unten und sorgen hier für die Ausbildung von Keimstellen. Sollen sie über größere Bereiche des Tanks verteilt angeordnet sein können sie beispielsweise an Netzen fixiert und im Bereich der Oberfläche gehalten werden. Andererseits lässt sich eine raue oder poröse Schicht auch als Oberflächenbearbeitung oder Oberflächenbeschichtung realisieren. Dies gilt sowohl für die Behälterinnenwand als auch für die dort gegebenenfalls vorhandenen Vorsprünge. Diese Vorsprünge können beispielsweise auch in Form von gesinterten Metallrippen ausgebildet sein, welche innen an der Oberfläche des Tanks befestigt, z.B. angeschweißt oder angeklebt, werden. Prinzipiell lässt sich diese Vorrichtung zur Speicherung von kryogenem Wasserstoff sowohl stationär als auch mobil einsetzen. Insbesondere bei einem Einsatz in Fahrzeugen, wie beispielsweise Nutzfahrzeugen, spielt eine lange Haltedauer jedoch eine entscheidende Rolle. Außerdem sind hier aufgrund von Einschränkungen bezüglich des Bauraums und des Gewichts die Möglichkeiten zur Isolierung der Vorrichtung eingeschränkter als typischerweise bei stationären Anwendungen. Deshalb spielt die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Vorrichtung hier ihre besonderen Vorteile aus. Ein Kraftfahrzeug, welches die oben genannte Aufgabe löst, ist also mit einer derartigen erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer der beschriebenen Ausgestaltungen, zur Speicherung von flüssigem Wasserstoff ausgestattet. Das Kraftfahrzeug selbst kann den flüssigen Wasserstoff prinzipiell sowohl zum Antrieb einer Brennstoffzelle als auch einer Verbrennungsmaschine oder dergleichen nutzen oder diesen prinzipiell auch nur als „Tankwagen“ transportieren.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung ergeben sich auch aus den Ausführungsbeispielen, welche nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren näher beschrieben sind.

Dabei zeigen:

Fig. 1 einen schematischen Querschnitt durch den inneren Behälter einer Vorrichtung zur Speicherung von flüssigem Wasserstoff in einer ersten möglichen Ausführungsform gemäß der Erfindung;

Fig. 2 einen schematischen Querschnitt durch den inneren Behälter einer Vorrichtung zur Speicherung von flüssigem Wasserstoff in einer zweiten möglichen Ausführungsform gemäß der Erfindung; und

Fig. 3 einen schematischen Längsschnitt durch den inneren Behälter einer Vorrichtung zur Speicherung von flüssigem Wasserstoff in einer dritten möglichen Ausführungsform gemäß der Erfindung.

In der Darstellung der Figur 1 ist ein schematischer Querschnitt durch einen Behälter 2 einer Vorrichtung 1 zum Speichern von kryogenem Wasserstoff zu erkennen. Dieser Behälter 2 ist typischerweise über ein Vakuum und/oder andere Isolationsmechanismen gegenüber der Umgebung isoliert. Er sitzt innerhalb der Vorrichtung 1 und wird deshalb auch als Innenbehälter bezeichnet. In diesem Behälter 2 befindet sich nun Wasserstoff einerseits in einer flüssigen Phase fl und andererseits in gasförmigen Phase g. Daneben ist auch ein überkritischer Zustand des Wasserstoffs in einem Teil des Volumens möglich. Die flüssige Phase fl trennt sich von der gasförmigen Phase g entsprechend der Schwerkraft F_g, welche in der Darstellung der Figur 1 schematisch eingezeichnet ist, sodass im bestimmungsgemäßen Einsatz der Vorrichtung 1 die flüssige Phase fl im unten dargestellte Bereich und darüber die Gasphase g zu liegen kommt.

In der Praxis wird im Außenbereich des Behälters 2 unvermeidlich Wärme vorliegen, wobei unter Wärme hier alles zu verstehen ist, was hinsichtlich seiner Temperatur oberhalb der Temperatur des Wasserstoffs in der Flüssigphase fl liegt. Um diese Wärme nun möglichst gleichmäßig in den Wasserstoff und hier insbesondere in die flüssige Phase fl einzutragen und gleichzeitig eine Grenzschichtströmung zwischen dem flüssigen Wasserstoff und dem Inneren der Behälterwand 2 zu verhindern, sind Vorsprünge 4, hier in Form von Rippen oder Stäbchen, an der inneren Oberfläche des Behälters 2 verteilt angeordnet. Diese können um den gesamten Umfang des Behälters 2 verteilt angeordnet sein, haben ihre besondere Wirkung jedoch insbesondere im Bereich der flüssigen Phase fl des Wasserstoffs, sodass sie insbesondere in dem im bestimmungsgemäßen Einsatz in Richtung der Schwerkraft F_g unteren Bereich des Behälters 2 angeordnet sein sollten.

Diese Rippen oder Stäbchen 4 ragen um einige Millimeter bis einige Zentimeter in das Innere des Behälters 2. Sie sorgen somit für eine Vergrößerung der Oberfläche der Innenwand des Behälters 2 und reduzieren damit den pro Fläche zu übertragenen Wärmestrom von außen in das Innere des Behälters und damit im Wesentlichen in den flüssigen Wasserstoff. Daneben ist es so, dass die Rippen oder Stäbchen den Wärmestrom nicht nur in die Grenzschicht zwischen dem Wasserstoff in der flüssigen Phase fl und der Innenwand des Behälters 2 leiten sondern weiter in die Flüssigphase fl des Wasserstoffs hinein. Damit erwärmt sich nicht nur die Grenzschicht, sondern der Wasserstoff wird gleichmäßiger erwärmt. Dies führt insgesamt zu einer Verringerung der Temperaturschichtung innerhalb des Wasserstoffs in dem Behälter 2, was zu einer Vergrößerung der Haltezeit in dem Behälter 2 bzw. der Vorrichtung 1 führt. Bei einer entsprechenden geometrischen Anordnung der Rippen können diese ergänzend zur Reduzierung der Grenzschichtströmung aufgrund der Wärmeleitung weiter in die Flüssigkeit hinein eine solche Grenzschichtströmung auch rein mechanisch behindern, beispielsweise indem die Rippen, wie hier dargestellt, horizontal entlang des Behälters 2 verlaufen und damit Strömungen entgegen der Richtung der Schwerkraft F_g von unten nach oben entsprechend blockieren. In der Darstellung der Figur 2 ist eine weitere Variante zur Modifikation des Behälters 2 dargestellt. Auch hier ist wieder eine gasförmige Phase g und eine flüssige Phase fl des Wasserstoffs zu erkennen. An die Stelle der Rippen 4 treten nun im Bereich der Innenwand des Behälters 2 eine Oberfläche oder Elemente 5 mit einer hohen Oberflächenrauheit. Beispielhaft sind hier entsprechende Elemente 5 entlang der Oberfläche dargestellt. Dabei kann es sich beispielsweise um gesinterte oder poröse Metallschichten oder eine Erhöhung der Oberflächenrauheit durch eine mechanische Bearbeitung handeln. Alternativ oder ergänzend hierzu können poröse bzw. raue Siedesteine als Elemente 5 in den Tank eingebracht werden, beispielsweise über ein Netz entlang der Oberfläche gehalten werden. Auch hier ist wieder die Anordnung im bestimmungsgemäßen Einsatz in Richtung der Schwerkraft F_g unten in dem Behälter 2 besonders sinnvoll, sodass es auch denkbar wäre, beispielsweise die Siedesteine einfach lose in den Behälter einzubringen.

Die entsprechend aufgerauten Oberflächen oder die porösen/rauen Oberflächen der Siedesteine sorgen nun dafür, dass kein Siedeverzug auftreten kann, sodass also eine Vielzahl von Keimstellen für Dampfblasen vorhanden sind. Dies führt dann auch zu einer entsprechenden Vielzahl von Dampfblasen, welche überall im Bereich der porösen bzw. rauen Oberfläche entstehen können und somit zu einer sehr gleichmäßigen Erwärmung beitragen. Die Dampfblasen, welche hier in der flüssigen Phase fl schematisch eingezeichnet und wovon einige mit dem Bezugszeichen 6 versehen sind, sorgen ferner für eine Durchmischung des Wasserstoffs in der flüssigen Phase fl, sodass eine sehr homogene Temperaturverteilung in dem Wasserstoff erreicht wird. Durch die vielen kleinen Dampfblasen wird gleichzeitig der Druckanstieg in der gasförmigen Phase gegenüber großen Dampfblasen, wie sie beispielsweise beim Siedeverzug, also wenn keine oder zu wenig Keimstellen vorhanden sind, auftreten könnten, verringert. Hierdurch wird die Notwendigkeit Wasserstoff abzulassen, da der Maximaldruck des Behälters 2 bzw. der Vorrichtung 1 erreicht ist, minimiert. Die Erhöhung der Oberflächenrauheit bzw. das Einbringen von Siedesteinen oder andersartigen gleichwirkenden Elementen 5 sorgt also ebenfalls für eine längere Haltedauer des Wasserstoffs in der Vorrichtung 1.

Auch wenn die beiden Mechanismen in der Darstellung der Figuren 1 und 2 getrennt voneinander dargestellt sind, versteht es sich selbstverständlich, dass diese auch miteinander kombiniert zum Einsatz kommen können. So kann beispielsweise eine entsprechende Beschichtung sowohl der Innenwand des Behälters 2 als auch der Vorsprünge 4 vorgesehen sein, oder die Vorsprünge 4 sind direkt aus einem geeigneten porösen Material hergestellt, beispielsweise aus gesinterten Metallelementen.

All diese Maßnahmen können vorzugsweise über die gesamte Innenfläche des Behälters verteilt angeordnet werden, und sie können auch beliebig miteinander kombiniert werden. Wie oben bereits erwähnt, ist es vor allem im Bereich der flüssigen Phase fl von Vorteil, diese entsprechend einzusetzen, sodass sie sich vorzugsweise im bestimmungsgemäßen Einsatz der Vorrichtung 1 in Richtung der Schwerkraft F_g im unteren Bereich befinden. Im unteren Bereich kann dabei derjenige Bereich gemeint sein, welcher typischerweise nach dem Betanken der Vorrichtung 1 mit flüssigem Wasserstoff von der flüssigen Phase fl bedeckt ist, was auch ein Großteil des Volumens des Behälters 2 sein kann.

Wasserstoff wird aus einer derartigen Vorrichtung 1 typischerweise gasförmig entnommen. Hierfür kann das sich aufgrund der unvermeidbaren Erwärmung über der flüssigen Phase fl bildende Gaspolster der gasförmigen Phase g genutzt werden. Im Allgemeinen wird dies jedoch für die benötigte Menge an Wasserstoff und das Bereitstellen des benötigten Drucks, beispielsweise eines Betriebsdrucks von 4 bis 6 bar für eine Brennstoffzellenanlage, nicht ausreichen. Zur Entnahme von Wasserstoff wird deshalb, und so ist es auch im Allgemeinen Stand der Technik üblich, eine Tankheizung 7 vorgesehen, welche Wasserstoff verdampft, den Druck in der gasförmigen Phase g erhöht und somit die Möglichkeit bietet, Wasserstoff gasförmig beim gewünschten Druck aus der Vorrichtung 1 zu entnehmen.

In der Darstellung der Figur 3 ist nun ein Längsschnitt durch den Behälter 2 erkennbar. In der Darstellung der Figur 2 links befindet sich schematisch angedeutet eine Tankheizung 7, welche im bestimmungsgemäßen Einsatz in Richtung der Schwerkraft F_g ganz unten angeordnet wird, um auch bei bereits weitgehend entleertem Behälter 2 noch im Bereich der flüssigen Phase fl zu liegen. Anders als in den die Tankheizung 7 umgebenden Bereichen, in denen vorzugsweise die Vorsprünge 4 angeordnet sind und insbesondere auch eine entsprechend große Oberflächenrauheit oder der Einsatz von Siedesteinen oder anderen Elementen 5 im oben beschriebenen Sinn vorliegt, sind nun im Bereich der Tankheizung 7 die Oberflächen mit einer sehr geringen Rauheit, von insbesondere weniger als 0,3pm, ausgeführt. So kann beispielsweise eine Heizwendel, welche elektrisch oder von einem entsprechend vorgewärmten Medium beheizt wird, ebenso wie die sie umgebenden Bereiche poliert ausgeführt sein. Durch eine solche sehr geringe Oberflächenrauheit im Bereich der Tankheizung 7, wird in der Tankheizung 7 nun genau das erreicht, was an anderen Stellen innerhalb des Behälters 2 unbedingt verhindert werden soll. Nachdem hier keine oder nur extrem wenig Keimstellen für eine Bildung von Dampfblasen vorhanden sind, kommt es im Bereich der Tankheizung 7 aufgrund der geringen Oberflächenrauheit typischerweise zu einem Siedeverzug, sodass der flüssige Wasserstoff in diesem Bereich entsprechend überhitzt wird und dann schlagartig sehr große Dampfblasen ausbildet. Dies ist im Bereich der Tankheizung 7 bei der Ausgestaltung der Vorrichtung 1 erwünscht. Anders als in den anderen Bereichen soll hier Wärme eingetragen und dampfförmiger bzw. gasförmiger Wasserstoff mit hohem Druck erzeugt werden. Dies wird durch das Blasensieden mit Siedeverzug erreicht, sodass nur wenige große Dampfblasen 8 aufsteigen. In der Figur 3 ist dies durch die großen Dampfblasen 8 im Bereich oberhalb der Tankheizung 7 und im Vergleich zu den kleinen Dampfblasen 6 analog zur Figur 2 angedeutet. Dies führt zu dem gewünschten Druckanstieg in der Gasphase g, um so den Wasserstoff aus dem Behälter 2 bzw. der Vorrichtung 1 entnehmen zu können. Gleichzeitig ist der Wärmeeintrag in die Flüssighase fl durch die mit Siedeverzug entstehenden großen Dampfblasen 9 sehr gering, da die Wärme weitgehend in diesen Gasblasen verbleibt und die umgebenden Bereiche nicht oder nicht übermäßig stark erwärmt.

Eine Tankheizung 7 mit sehr geringer Oberflächenrauheit einerseits und ein Behälter 2 mit großer Oberflächenrauheit und/oder wärmeleitenden Vorsprüngen 4, wie Rippen oder Pins andererseits kann also sowohl im Betrieb als auch, wenn der Vorrichtung 1 gerade kein Wasserstoff entnommen wird, zu einer Verlängerung der Haltezeit sorgen. Alle Aufbauten sind dabei entsprechend einfach in ihrer Umsetzung und sorgen passiv, also ohne zusätzlichen Energieeintrag, Kühlkreislauf oder dergleichen für den gewünschten Effekt. Dies ist außerordentlich einfach, effizient und energiesparend.

Claims

Patentansprüche

1. Vorrichtung (1) zu Speicherung von kryogenem Wasserstoff mit wenigstens einem Behälter (2), dadurch gekennzeichnet, dass die innere Oberfläche des Behälters (2) zumindest teilweise Vorsprünge (4) aufweist, welche in das Behälterinnere ragen; und/oder mit einer rauen Oberfläche oder mit Elementen (4) mit rauer Oberfläche versehen ist, um durch die Rauheit der Oberfläche Siedeverzug zu verhindern.

2. Vorrichtung (1) nach Anspruch 1 , gekennzeichnet durch eine in den Behälter (2) angeordnete Tankheizung (7) zur Entnahme von Wasserstoff, wobei die Oberfläche des Behälters (2) im Bereich der Tankheizung (7) und die Oberfläche der Tankheizung (7) eine geringere Oberflächenrauheit als die sie umgebenden Bereiche des Behälters (2) aufweist.

3. Vorrichtung (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Tankheizung (7) im bestimmungsgemäßen Einsatz des Behälters (2) in Richtung der Schwerkraft (F_g) unten angeordnet ist.

4. Vorrichtung (1) nach Anspruch 1 , 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die raue Oberfläche durch eine Beschichtung oder mechanische Bearbeitung der Oberfläche hergestellt ist.

5. Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorsprünge (4) in Form von Rippen oder Pins ausgebildet sind.

6. Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Elemente (5) aus gesintertem Metall und/oder als Siedesteine ausgebildet sind.

7. Vorrichtung (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Elemente (5) über ein Netz im Bereich der Oberfläche des Behälters (2) gehalten sind.

8. Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorsprünge (4) mit einer rauen Oberfläche versehen sind, insbesondere als gesinterte Metallelemente ausgebildet sind.

9. Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorsprünge (4), die Elemente (5) und/oder die raue Oberfläche zumindest im bestimmungsgemäßen Einsatz des Behälters (2) in Richtung der Schwerkraft (F_g) unten angeordnet sind.

10. Kraftfahrzeug mit einer Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, zur Speicherung von Wasserstoff, insbesondere für ein Brennstoffzellenantriebssystem.