WO2008011968A1 - Verfahren und vorrichtung zum betanken eines druckspeichers, insbesondere des druckspeichers eines fahrzeuges mit unter druck stehendem wasserstoff - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zum betanken eines druckspeichers, insbesondere des druckspeichers eines fahrzeuges mit unter druck stehendem wasserstoff Download PDF

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Definitions

  • the invention relates to a method for refueling a pressure accumulator, in particular the pressure accumulator of a vehicle with pressurized hydrogen, wherein the pressurized hydrogen is subjected to a relaxation and cooling.
  • the invention relates to a device for refueling a pressure accumulator, in particular the pressure accumulator vehicle with pressurized hydrogen, comprising means for providing pressurized hydrogen, means for releasing the pressurized hydrogen and means for cooling the pressurized hydrogen.
  • vehicles are to be understood below not only vehicles in the strict sense, but in general all types of storage systems that can be filled with pressurized hydrogen.
  • Such refueling systems consist of one or more pressure accumulators, at least one compressor and an expansion device. It is further provided an upstream of the expansion device radiator in the control case in which the pressurized hydrogen is cooled to -10 to -40 0 C. This cooling of the pressurized hydrogen has the advantage that the tank system is not overheated. At the same time there is a reduction in the required refueling pressure.
  • Object of the present invention is to provide a generic method and a generic device for refueling a pressure accumulator, in particular the accumulator of a vehicle with pressurized hydrogen, the or avoids the aforementioned disadvantages, in particular allows refueling with comparatively short refueling times.
  • a generic method and a generic device for refueling a pressure accumulator, in particular the pressure accumulator of a vehicle to be created with pressurized hydrogen in which the advantages achieved by the cooling of the hydrogen stream not caused by the due to the Joule Thomson effect Temperature rise are equalized.
  • the device-side solution of the problem is that the means for releasing the pressurized hydrogen in the flow direction in front of the means for cooling the pressurized hydrogen are arranged.
  • the cooling of the expanded hydrogen is carried out in a heat exchanger connected downstream of the expansion and / or in a pipeline downstream of the expansion,
  • the line to be flowed through by the pressurized hydrogen is arranged underground.
  • the occurring due to the Joule-Thomson effect during the throttling of the pressurized hydrogen heating of the hydrogen stream can not only be compensated by the subsequent cooling, but - assuming a corresponding design of the cooler - beyond reaching a hypothermia of the hydrogen flow become.
  • the required cooler performance or the size of the cooler can be reduced by attaching an outdoor temperature cooler, which reduces the influence of the Joule-Thomson effect.
  • the temperature increase of the hydrogen gas stream in the line to the throttle point downstream cooler can be "balanced".
  • the condenser downstream cooler must therefore not compensate for the whole caused due to the Joule-Thomson effect increase in temperature of the hydrogen gas stream.
  • the hydrogen gas stream is cooled to the desired final temperature; with this final temperature of the pressurized hydrogen gas stream is fed during refueling to beankankenden (pressure) memory.
  • the inventive method and the inventive device for refueling a pressure accumulator, in particular the pressure accumulator of a vehicle with pressurized hydrogen allow in a structurally simple way higher filling speeds even at relatively high pressures and temperatures, which then occur when refueling with hydrogen
  • Ultra-high pressure storage is realized.
  • the (additional) costs associated with the realization of the method according to the invention and the device according to the invention are negligible, since components that are required anyway are simply rearranged.

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Abstract

Es werden ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zum Betanken eines Druckspeichers, insbesondere des Druckspeichers eines Fahrzeuges mit unter Druck stehendem Wasserstoff beschrieben, wobei der unter Druck stehende Wasserstoff einer Entspannung und Abkühlung unterworfen wird. Erfindungsgemäß erfolgt die Entspannung des Wasserstoffes vor seiner Abkühlung. Daher sind die Mittel zum Entspannen des unter Druck stehenden Wasserstoffes in Strömungsrichtung vor den Mitteln zum Abkühlen des unter Druck stehenden Wasserstoffes angeordnet.

Description

Beschreibung
Verfahren und Vorrichtung zum Betanken eines Druckspeichers, insbesondere des Druckspeichers eines Fahrzeuges mit unter Druck stehendem Wasserstoff
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betanken eines Druckspeichers, insbesondere des Druckspeichers eines Fahrzeuges mit unter Druck stehendem Wasserstoff, wobei der unter Druck stehende Wasserstoff einer Entspannung und Abkühlung unterworfen wird.
Ferner betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zum Betanken eines Druckspeichers, insbesondere des Druckspeichers Fahrzeuges mit unter Druck stehendem Wasserstoff, aufweisend Mittel zum Bereistellen von unter Druck stehendem Wasserstoff, Mittel zum Entspannen des unter Druck stehenden Wasserstoffes und Mittel zum Abkühlen des unter Druck stehenden Wasserstoffes.
Unter dem Begriff "Fahrzeuge" seien nachfolgend nicht nur Fahrzeuge im engeren Sinne zu verstehen, sondern generell alle Arten von Speichersystemen, welche mit unter Druck stehender Wasserstoff gefüllt werden können.
Aus der deutschen Patentanmeldung 102 01 273 ist ein Verfahren zum Betanken eines Speicherbehälters mit einem gasförmigen Treibstoff bekannt, das sich insbesondere für die Betankung eines Fahrzeuges mit unter Druck stehendem Wasserstoff eignet. Mit der Zitierung dieser Patentanmeldung sei deren Offenbarungsgehalt zur Gänze in den Offenbarungsgehalt der vorliegenden Patentanmeldung integriert.
Bisher ist es erforderlich, die Betankungsgeschwindigkeit von unter Druck stehendem Wasserstoff aus einem Höchstdruckspeicher bei vergleichsweise hohen Betankungsdrücken von 300 bis 1300 bar stark zu reduzieren. Bei einem Durchfluss von mehr als 10 g/s, kommt es ansonsten aufgrund der adiabatischen Temperaturerhöhung zu einer Überhitzung des Tanksystems. Derartige Betankungssysteme bestehen aus einem oder mehreren Druckspeichern, wenigstens einem Verdichter und einer Entspannungsvorrichtung. Des Weiteren ist im Regelfall ein der Entspannungsvorrichtung vorgeschalteter Kühler vorgesehen, in dem der unter Druck stehende Wasserstoff auf -10 bis -40 0C abgekühlt wird. Diese Abkühlung des unter Druck stehenden Wasserstoffes hat den Vorteil, dass das Tanksystem nicht überhitzt wird. Gleichzeitig kommt es zu einer Verringerung des erforderlichen Betankungsdruckes.
Neben der vorerwähnten (unerwünschten) adiabatischen Temperaturerhöhung im Tanksystem kommt es auch an der Entspannungsvorrichtung zu einer weiteren unerwünschten Temperaturerhöhung aufgrund des Joule-Thomson-Effektes. Dieser Effekt wirkt sich insbesondere im Falle der Wasserstoff-Betankung aus Höchstdruckspeichem - in diesen liegt der Wasserstoff unter einem Druck von wenigstens 300 bar vor - aus, da bei dieser Art der Betankung der dem Fahrzeug zugeführte Wasserstoff-Strom nahezu während des gesamten Betankungsvorgangs an der Entspannungsstelle gedrosselt werden muss.
Bei einer sog. Booster-Betankung, wie sie in der zitierten deutschen Patentanmeldung 102 01 273 beschrieben ist, ist dieser Effekt eher nebensächlich bzw. vernachlässigbar, da nicht permanent über die Entspannungsvorrichtung betankt wird. Außerdem ist der Druckunterschied zwischen dem Wasserstoff-Speicher und dem zu betankenden Tanksystem vergleichsweise niedrig, da er 250 bar im Regelfall nicht übersteigt.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein gattungsgemäßes Verfahren sowie eine gattungsgemäße Vorrichtung zum Betanken eines Druckspeichers, insbesondere des Druckspeichers eines Fahrzeuges mit unter Druck stehendem Wasserstoff anzugeben, das bzw. die vorgenannten Nachteile vermeidet, insbesondere eine Betankung mit vergleichsweise kurzen Betankungszeiten ermöglicht. Insbesondere sollen ein gattungsgemäßes Verfahren sowie eine gattungsgemäße Vorrichtung zum Betanken eines Druckspeichers, insbesondere des Druckspeichers eines Fahrzeuges mit unter Druck stehendem Wasserstoff geschaffen werden, bei denen die mit der Abkühlung des Wasserstoff-Stromes erzielten Vorteile nicht durch den aufgrund des Joule- Thomson- Effektes verursachten Temperaturanstieg egalisiert werden.
Verfahrensseitig wird diese Abgabe dadurch gelöst, dass die Entspannung des Wasserstoffes vor seiner Abkühlung erfolgt. Die vorrichtungsseitige Lösung der gestellten Aufgabe besteht darin, dass die Mittel zum Entspannen des unter Druck stehenden Wasserstoffes in Strömungsrichtung vor den Mitteln zum Abkühlen des unter Druck stehenden Wasserstoffes angeordnet sind.
Weitere Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sowie der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Betanken eines Fahrzeuges mit unter Druck stehendem Wasserstoff, die Gegenstände der abhängigen Patentansprüche darstellen, sind dadurch gekennzeichnet, dass
- die Abkühlung des entspannten Wasserstoffes in einem der Entspannung nachgeschalteten Wärmetauscher und/oder in einer der Entspannung nachgeschalteten Rohrleitung realisiert wird,
zwischen den Mittel zum Entspannen des unter Druck stehenden Wasserstoffes und den Mitteln zum Abkühlen des unter Druck stehenden Wasserstoffes eine von dem unter Druck stehenden Wasserstoff zu durchströmende Leitung angeordnet ist und
die von dem unter Druck stehenden Wasserstoff zu durchströmende Leitung unterirdisch angeordnet ist.
Erfindungsgemäß erfolgt nunmehr während des Betankungsvorganges die Entspannung des unter Druck stehenden Wasserstoffes bereits vor dessen Abkühlung; somit sind die Mittel zum Entspannen des unter Druck stehenden Wasserstoffes in Strömungsrichtung vor den Mitteln zum Abkühlen des unter Druck stehenden Wasserstoffes anzuordnen. Hieraus resultieren folgende Vorteile:
Die aufgrund des Joule-Thomson-Effektes während der Drosselung des unter Druck stehenden Wasserstoffes auftretende Erwärmung des Wasserstoff-Stromes kann durch die nachfolgende Abkühlung nicht nur kompensiert werden, sondern - eine entsprechende Auslegung des Kühlers vorausgesetzt - darüber hinaus eine Unterkühlung des Wasserstoff-Stromes erreicht werden. Dies führt dazu, dass die maximale rechnerische Tankendtemperatur von ca. 80 0C auf ca. 55 0C gesenkt werden kann. Daraus resultiert ein niedrigerer, rechnerischer Betankungsdruck, der - eine unveränderte Betankungsmasse vorausgesetzt - von 875 auf 785 bar sinkt. Die erforderliche Kühlerleistung bzw. die Größe des Kühlers kann durch das Anbringen eines Außentemperaturkühlers, der den Einfluss des Joule-Thomson-Effektes verringert, verringert werden.
Aufgrund des geringeren Druckes in dem Kühler können nunmehr erfindungsgemäß höhere Gasgeschwindigkeiten realisiert werden; diese wiederum haben eine turbulentere Gasströmung zur Folge, woraus eine Erhöhung des Wärmeüberganges von dem Wasserstoff-Gasstrom auf die Wandung des Kühlers resultiert. Dies führt dazu, dass für die Auslegung des Kühlers eine kleinere Übertragungsfläche zugrunde gelegt werden kann.
Durch die vorgelagerte Drosselstelle kann die Temperaturerhöhung des Wasserstoff- Gasstromes in der Leitung zu dem der Drosselstelle nachgeschalteten Kühler "ausgeglichen" werden. Der der Drosselstelle nachgeschaltete Kühler muss somit nicht die ganze aufgrund des Joule-Thomson-Effektes verursachte Temperaturerhöhung des Wasserstoff-Gasstromes kompensieren. In dem Kühler wird der Wasserstoff-Gasstrom auf die gewünschte Endtemperatur abgekühlt; mit dieser Endtemperatur wird der unter Druck stehende Wasserstoff-Gasstrom während der Betankung dem zu betankenden (Druck)Speicher zugeführt.
Das erfindungsgemäße Verfahren sowie die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Betanken eines Druckspeichers, insbesondere des Druckspeichers eines Fahrzeuges mit unter Druck stehendem Wasserstoff ermöglichen auf konstruktiv einfache Weise höhere Befüllgeschwindigkeiten auch bei vergleichsweise hohen Drücken und Temperaturen, die dann auftreten, wenn eine Betankung mit Wasserstoff aus
Höchstdruckspeichern realisiert wird. Die mit der Realisierung des erfindungsgemäßen Verfahrens sowie der erfindungsgemäßen Vorrichtung verbundenen (Mehr)Kosten sind vernachlässigbar, da sowieso benötigte Bauteile lediglich neu angeordnet werden.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Betanken eines Druckspeichers, insbesondere des Druckspeichers eines Fahrzeuges mit unter Druck stehendem Wasserstoff, wobei der unter Druck stehende Wasserstoff einer Entspannung und Abkühlung unterworfen wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Entspannung des Wasserstoffes vor seiner
Abkühlung erfolgt.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Abkühlung des entspannten Wasserstoffes in einem der Entspannung nachgeschalteten Wärmetauscher und/oder in einer der Entspannung nachgeschalteten Rohrleitung realisiert wird.
3. Vorrichtung zum Betanken eines Druckspeichers, insbesondere des Druckspeichers eines Fahrzeuges mit unter Druck stehendem Wasserstoff, aufweisend Mittel zum Bereistellen von unter Druck stehendem Wasserstoff, Mittel zum Entspannen des unter Druck stehenden Wasserstoffes und Mittel zum Abkühlen des unter Druck stehenden Wasserstoffes, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zum Entspannen des unter Druck stehenden Wasserstoffes in Strömungsrichtung vor den Mitteln zum Abkühlen des unter Druck stehenden
Wasserstoffes angeordnet sind.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Mittel zum Entspannen des unter Druck stehenden Wasserstoffes und den Mitteln zum Abkühlen des unter Druck stehenden Wasserstoffes eine von dem unter Druck stehenden Wasserstoff zu durchströmende Leitung angeordnet ist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die von dem unter Druck stehenden Wasserstoff zu durchströmende Leitung unterirdisch angeordnet ist.
PCT/EP2007/005987 2006-07-27 2007-07-06 Verfahren und vorrichtung zum betanken eines druckspeichers, insbesondere des druckspeichers eines fahrzeuges mit unter druck stehendem wasserstoff Ceased WO2008011968A1 (de)

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