WO2007019946A1 - Verfahren zur gewinnung von verdichtetem gasförmigen wasserstoff und flüssigem sauerstoff - Google Patents

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    • Y02E60/32—Hydrogen storage

Definitions

  • the invention relates to a process for obtaining compressed gaseous hydrogen and liquid oxygen.
  • Generic methods for obtaining compressed gaseous hydrogen and liquid oxygen are used, for example, in the refueling of vehicles which have a fuel cell and which require both gaseous, compressed hydrogen and liquefied oxygen.
  • generic methods for the refueling of fuel cell operated submarines are of great interest, since here, on the one hand, gaseous hydrogen is stored in hydride reservoirs and, on the other hand, liquid oxygen is stored in vacuum insulated containers on board.
  • gas source is, for example, an adsorption process by means of which gaseous oxygen can be obtained from the air, or to understand a trailer for gaseous oxygen.
  • Object of the present invention is to provide a generic method for obtaining compressed gaseous hydrogen and liquid oxygen, which avoids the aforementioned disadvantages.
  • the liquefied hydrogen is compressed by means of a cryogenic compressor
  • the inventive method for obtaining compressed gaseous hydrogen and liquid oxygen now makes it possible to deliver the cooling energy of the liquefied hydrogen to the oxygen to be liquefied. This is possible because the temperature of the compressed hydrogen is lower than the liquefaction temperature of the oxygen to be liquefied.
  • a simple on-board generation of the gaseous oxygen can be realized by means of an adsorption process, preferably a pressure swing adsorption process.
  • Oxygen are required, can now be interpreted or modified to the effect that only a refueling with liquefied hydrogen is required.
  • gaseous oxygen may be generated, for example, by means of an adsorption process A, which is preferably a pressure swing adsorption process; For this purpose, the adsorption process A via line 1 air is supplied.
  • adsorption process A which is preferably a pressure swing adsorption process
  • the oxygen production from air can also be realized by means of a membrane separation and / or a cryogenic process.
  • the required gaseous oxygen can also be provided by an oxygen trailer T, which is connected to the condenser E1 via the line sections 3 and 2.
  • the oxygen obtained in the adsorption process A is fed via line 2 to a condenser E1, in this against a hydrogen stream to be heated - to be discussed in more detail below - liquefied and then withdrawn via line 4 and fed to its intended use.
  • a compressor V which is preferably a Kryover Noticer, fed a liquid hydrogen stream and to the desired pressure - this is preferably between 100 and 450 bar - compressed. Subsequently, the compressed, gaseous hydrogen stream is fed via line 6 to the oxygen condenser E1 and warmed in this against the oxygen to be liquefied.
  • the heated hydrogen stream is then fed to a further heat exchanger E2 - which is preferably an air heat exchanger - and evaporated.
  • the gaseous hydrogen is then fed via line 8 to its further intended use.
  • the inventive method for obtaining compressed gaseous hydrogen and liquid oxygen now makes it possible to partially recover the energy invested in the liquefaction of the hydrogen. Furthermore, the energy required for the prior art processes for the liquefaction of the oxygen can be completely dispensed with.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Gewinnung von verdichtetem gasförmigen Wasserstoff und flüssigem Sauerstoff . Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst folgende Verfahrensschritte: a) Bereitstellen von verflüssigtem Wasserstoff (5) und gasförmigem Sauerstoff (2) , b) Verdichten (V) des verflüssigten Wasserstoffes (5) , c) Anwärmen (El) des verdichteten Wasserstoffes (6) gegen den gasförmigen Sauerstoff (2, 3) , wobei dieser verflüssigt wird, und d) Verdampfen (E2) des angewärmten, verdichteten Wasserstoffes (7) .

Description

Beschreibung
Verfahren zur Gewinnung von verdichtetem gasförmigen Wasserstoff und flüssigem
Sauerstoff
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Gewinnung von verdichtetem gasförmigen Wasserstoff und flüssigem Sauerstoff.
Gattungsgemäße Verfahren zur Gewinnung von verdichtetem gasförmigen Wasserstoff und flüssigem Sauerstoff kommen beispielsweise bei der Betankung von Fahrzeugen, die eine Brennstoffzelle aufweisen und die sowohl gasförmigen, verdichteten Wasserstoff als auch verflüssigten Sauerstoff benötigen, zur Anwendung. Insbesondere sind gattungsgemäße Verfahren für die Betankung von mit Brennstoffzellen betriebenen U-Booten von großem Interesse, da hier zum einen gasförmiger Wasserstoff in Hydridspeichern gespeichert wird und zum anderen Flüssig-Sauerstoff in vakuumisolierten Behältern an Bord gespeichert wird.
Bisher erfolgt die Versorgung derartiger Fahrzeuge mit den vorgenannten Medien im Regelfall aus zwei separaten Speicherbehältern. Dabei wird die nach der Verdichtung des verflüssigten Wasserstoffes anfallende Kälte, vorzugsweise über einen Luftwärmetauscher oder Wasserbadwärmetauscher, der Umgebung zugeführt. Somit geht die für die Erzeugung des verflüssigten Wasserstoffes aufgebrachte Energie zu einem Großteil verloren. Des Weiteren wird zusätzliche Kälteenergie für die Verflüssigung des Flüssigsauerstoffes, der im Regelfall aus einer "Gasquelle" stammt, benötigt. Unter dem Begriff "Gasquelle" sei beispielsweise ein Adsorptionsprozess, mittels dem gasförmiger Sauerstoff aus der Luft gewonnen werden kann, oder ein Trailer für gasförmigen Sauerstoff zu verstehen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein gattungsgemäßes Verfahren zur Gewinnung von verdichtetem gasförmigen Wasserstoff und flüssigem Sauerstoff anzugeben, das die vorgenannten Nachteile vermeidet.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein gattungsgemäßes Verfahren zur Gewinnung von verdichtetem gasförmigen Wasserstoff und flüssigem Sauerstoff vorgeschlagen, das folgende Verfahrensschritte umfasst: a) Bereitstellen von verflüssigtem Wasserstoff und gasförmigem Sauerstoff,
b) Verdichten des verflüssigten Wasserstoffes,
c) Anwärmen des verdichteten Wasserstoffes gegen den gasförmigen Sauerstoff, wobei dieser verflüssigt wird, und
d) Verdampfen des angewärmten, verdichteten Wasserstoffes.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Gewinnung von verdichtetem gasförmigen Wasserstoff und flüssigem Sauerstoff sind dadurch gekennzeichnet, dass
- die Bereitstellung von gasförmigem Sauerstoff mittels eines Adsorptions-, eines
Membrantrenn- und/oder eines Tieftemperaturprozesses erfolgt,
das Verdichten des verflüssigten Wasserstoffes mittels eines Kryoverdichters erfolgt,
das Verdampfen des angewärmten, verdichteten Wasserstoffes gegen Luft erfolgt,
zumindest ein Teilstrom des verdichteten Wasserstoffes nicht verdampft wird.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Gewinnung von verdichtetem gasförmigen Wasserstoff und flüssigem Sauerstoff ermöglicht es nunmehr, die Kälteenergie des verflüssigten Wasserstoffes an den zu verflüssigenden Sauerstoff abzugeben. Dies wird möglich, da die Temperatur des verdichteten Wasserstoffes niedriger ist, als die Verflüssigungstemperatur des zu verflüssigenden Sauerstoffs. Eine zusätzliche
Energiezuführung von außen ist bei dem erfindungsgemäßen Verfahren somit nicht mehr erforderlich.
Dies hat zur Folge, dass zumindest ein Teil der für die Verflüssigung des verflüssigten Wasserstoffes eingesetzten Energie zurückgewonnen werden kann. Eine Bereitstellung von verflüssigtem Sauerstoff und damit einhergehend das Erfordernis der Bereitstellung eines kryogenen Sauerstoff-Speicherbehälters kann somit entfallen; zudem lassen sich die bisher zwangsläufig auftretenden Sauerstoff-Abdampfverluste aus den Sauerstoff-Speicherbehältern vermeiden.
Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Gewinnung von verdichtetem gasförmigen Sauerstoff und flüssigem Sauerstoff kann beispielsweise bei Fahrzeugen eine einfache On-Board-Erzeugung des gasförmigen Sauerstoffes mittels eines Adsorptionsprozesses, vorzugsweise einen Druckwechseladsorptionsprozesses, realisiert werden. Brennstoffzellenfahrzeuge, für deren Betrieb Wasserstoff und
Sauerstoff erforderlich sind, können nunmehr dahingehend ausgelegt bzw. modifiziert werden, dass ausschließlich eine Betankung mit verflüssigtem Wasserstoff erforderlich ist.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Gewinnung von verdichtetem gasförmigen. Wasserstoff und flüssigem Sauerstoff sowie weitere Ausgestaltungen desselben, die Gegenstände der abhängigen Patentansprüche darstellen, seien nachfolgend anhand des in der Figur dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert.
Wie in der Figur dargestellt, kann gasförmiger Sauerstoff beispielsweise mittels eines Adsorptionsprozesses A, bei dem es sich vorzugsweise um einen Druckwechseladsorptionsprozess handelt, erzeugt werden; hierzu wird dem Adsorptionsprozess A über Leitung 1 Luft zugeführt.
Alternativ zu einem Adsorptionsprozess kann die Sauerstoff-Erzeugung aus Luft auch mittels eines Membrantrenn- und/oder eines Tieftemperaturprozesses realisiert werden.
Des Weiteren kann - alternativ oder ergänzend - der erforderliche gasförmige Sauerstoff auch durch einen Sauerstoff-Trailer T, der über die Leitungsabschnitte 3 und 2 mit dem Verflüssiger E1 verbunden ist, bereitgestellt werden.
Der im Adsorptionsprozess A gewonnene Sauerstoff wird über Leitung 2 einem Verflüssiger E1 zugeführt, in diesem gegen einen anzuwärmenden Wasserstoffstrom - auf den im Folgenden noch näher eingegangen wird - verflüssigt und anschließend über Leitung 4 abgezogen und seinem beabsichtigten Verwendungszweck zugeführt.
Über Leitung 5 wird einem Verdichter V, bei dem es sich vorzugsweise um einen Kryoverdichter handelt, ein Flüssigwasserstoffstrom zugeführt und auf den gewünschten Druck - dieser liegt vorzugsweise zwischen 100 und 450 bar - verdichtet. Anschließend wird der verdichtete, gasförmige Wasserstoffstrom über Leitung 6 dem Sauerstoff-Verflüssiger E1 zugeführt und in diesem gegen den zu verflüssigenden Sauerstoff angewärmt.
Über Leitung 7 wird der angewärmte Wasserstoffstrom sodann einem weiteren Wärmetauscher E2 - bei dem es sich vorzugsweise um einen Luftwärmetauscher handelt - zugeführt und verdampft. Der gasförmige Wasserstoff wird anschließend über Leitung 8 seinem weiteren Verwendungszweck zugeführt.
Sofern bei bestimmten Anwendungsfällen eine Bereitstellung von verdichtetem, unterkühlten Wasserstoff gewünscht ist, kann dies dadurch realisiert werden, dass zumindest ein Teilstrom des verdichteten Wasserstoffs über die Leitung 9, in der ein Regelventil 10 vorgesehen ist, an dem Verdampfer bzw. Wärmetauscher E2 vorbeigeführt wird. Dadurch kann bspw. für die Befüllung von Druckbehältern oder Hydridspeichern unterkühlter Wasserstoff zur Verfügung gestellt werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Gewinnung von verdichtetem gasförmigen Wasserstoff und flüssigem Sauerstoff ermöglicht es nunmehr, die bei der Verflüssigung des Wasserstoffes investierte Energie teilweise zurückzugewinnen. Ferner kann auf die bei den zum Stand der Technik zählenden Verfahren erforderliche Energie für die Verflüssigung des Sauerstoffes zur Gänze verzichtet werden.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Gewinnung von verdichtetem gasförmigen Wasserstoff und flüssigem Sauerstoff, umfassend folgende Verfahrensschritte:
a) Bereitstellen von verflüssigtem Wasserstoff und gasförmigem Sauerstoff,
b) Verdichten (V) des verflüssigten Wasserstoffes (5),
c) Anwärmen (E1) des verdichteten Wasserstoffes (6) gegen den gasförmigen Sauerstoff (2, 3), wobei dieser verflüssigt wird, und
d) Verdampfen (E2) des angewärmten, verdichteten Wasserstoffes (7).
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Bereitstellung von gasförmigem Sauerstoff mittels eines Adsorptions- (A), eines Membrantrenn- und/oder eines Tieftemperaturprozesses erfolgt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Verdichten des verflüssigten Wasserstoffes (5) mittels eines Kryoverdichters (V) erfolgt.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Verdampfen (E2) des angewärmten, verdichteten Wasserstoffes (7) gegen Luft erfolgt.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teilstrom des verdichteten Wasserstoffes (9) nicht verdampft wird (E2).
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