WO2023138895A1 - Speicherbehälter und kryogenversorgungssystem - Google Patents

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WO2023138895A1
WO2023138895A1 PCT/EP2023/025005 EP2023025005W WO2023138895A1 WO 2023138895 A1 WO2023138895 A1 WO 2023138895A1 EP 2023025005 W EP2023025005 W EP 2023025005W WO 2023138895 A1 WO2023138895 A1 WO 2023138895A1
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WO
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storage container
outer shell
cryogen
heating device
heating
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PCT/EP2023/025005
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English (en)
French (fr)
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Heinz Posselt
Anton Wellenhofer
Eva Müller
Stefan Felbinger
Clemens Wolferstetter
Harald Zenz
Nabeel HAKEMI
Petya TONEVA
Denis DURNEV
Johannes SCHAFRANEK
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Linde Gmbh
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    • F17C2227/0369—Localisation of heat exchange in or on a vessel
    • F17C2227/0374—Localisation of heat exchange in or on a vessel in the liquid

Definitions

  • the invention relates to a storage container for storing a cryogen and a cryogen supply system with at least one such storage container.
  • storage tanks for liquid hydrogen can have a pressure build-up evaporator, which makes it possible to build up pressure inside the storage tank, so that gaseous hydrogen can be made available to a consumer, for example in the form of a fuel cell, with a stable supply pressure of, for example, 1 to 2.5 bara.
  • Such storage containers are essentially cylindrical or barrel-shaped.
  • the pressure build-up evaporator is set up to supply gaseous hydrogen to the storage container.
  • the gaseous hydrogen can be obtained, for example, by evaporating liquid hydrogen.
  • the pressure inside the storage container is built up by the supply of gaseous hydrogen.
  • the gaseous hydrogen can be generated from the liquid hydrogen with the aid of the build-up pressure evaporator.
  • a pressure in a gas zone of the storage container increases as a result.
  • the gas zone is arranged above a liquid zone.
  • a phase boundary is provided between the gas zone and the liquid zone.
  • the gas zone is formed by gaseous hydrogen.
  • the gaseous hydrogen forms a gas phase.
  • the liquid zone is formed by liquid hydrogen.
  • the liquid hydrogen forms a liquid phase.
  • the phase boundary is provided between the liquid phase and the gas phase.
  • the gas phase can change into the liquid phase and vice versa.
  • a continuous transport or exchange of heat takes place between the gas phase and the liquid phase and vice versa during operation of the storage container.
  • EP 0 997 682 A2 describes a device for building up pressure in a storage container for cryogenic liquids with a housing which has at least one inlet opening for liquid and, in an interior, a heating device for evaporating liquid and a vapor line arranged in an upper third of the housing for discharging vapor bubbles produced during evaporation, the cross section of the vapor line being so large that more vapor than liquid is discharged through the vapor line during operation of the device.
  • the object of the present invention is to provide an improved storage container.
  • the storage container comprises an inner container for accommodating the cryogen, an outer container which encloses the inner container, and a heating device which is arranged at least in sections within the inner container for introducing heat into the cryogen, the heating device having a heating element for generating the heat and an outer shell which encloses an interior space of the heating device in a fluid-tight manner, the heating element being accommodated inside the interior space, and the heating element having a heating wire which is embedded in a metal oxide which is encapsulated by a shell which is included within the interior.
  • the heating element is accommodated in the interior of the outer shell, it is advantageously possible to create a separate pressure space for the heating element within the outer shell.
  • the outer shell seals off the heating element in particular in a fluid-tight manner from an atmosphere or surroundings of the storage container, from a vacuum space arranged between the inner container and the outer container, and from the cryogen. This avoids direct contact between the heating element and the cryogen inside the inner container. Nevertheless, the heating device advantageously enables direct heating of a liquid phase of the cryogen.
  • cryogen is preferably hydrogen.
  • cryogen and “hydrogen” can therefore be interchanged at will. In principle, this can be done However, cryogen can also be any other cryogen.
  • cryogenic liquids, cryogenic fluids or liquids, or cryogens for short are liquid helium, liquid nitrogen or liquid oxygen, in addition to the aforementioned hydrogen.
  • a “cryogen” is thus to be understood in particular as a liquid.
  • the cryogen can therefore also be referred to as cryo liquid.
  • the cryogen can be vaporized and thus converted into a gaseous phase. After vaporization, the cryogen is a gas, or may be referred to as gaseous or vaporized cryogen.
  • the term “cryogen” can thus encompass both the gas phase and the liquid phase.
  • the liquid phase can also be referred to as cryogenic liquid.
  • the term "vaporized cryogen” preferably refers only to the gas phase of the cryogen.
  • a gas zone and an underlying liquid zone are formed after or during filling of the cryogen into the storage container.
  • the storage container encloses an inner space, holding space or cavity for holding the cryogen.
  • the gas zone and the liquid zone fill the interior space.
  • the heating device is in particular placed at least in sections within the interior of the inner container.
  • a phase boundary is provided between the gas zone and the liquid zone.
  • the cryogen preferably has two phases with different states of aggregation, namely liquid and gaseous.
  • the liquid phase can change into the gaseous phase and vice versa.
  • the liquid phase can be referred to as the liquid phase.
  • the gaseous phase can be referred to as the gas phase.
  • a purely liquid filling of the storage container is also possible.
  • a pressure prevailing in the storage container is preferably around 3.5 bara.
  • the pressure prevailing in the storage container is in particular constant.
  • the storage container is particularly suitable for supplying a consumer with the gaseous phase or the liquid phase of the cryogen at a suitable supply pressure and at a suitable temperature.
  • the consumer can be a fuel cell.
  • a “fuel cell” is to be understood in particular as a galvanic cell which uses the chemical reaction energy of a continuously supplied fuel, in this case hydrogen, and an oxidizing agent oxygen into electrical energy.
  • the cryogen is supplied to the consumer himself, in particular in gaseous form. This means that the cryogen is completely vaporized or heated before the consumer or upstream of the consumer if the gaseous phase is supplied directly from the storage container.
  • the cryogen is supplied to the consumer with a supply pressure of 1 to 2.5 bara and a temperature of +10°C to +25°C.
  • the supply pressure can also be up to 6 bara.
  • a central axis or axis of symmetry is preferably assigned to the storage container, with respect to which the storage container is constructed essentially rotationally symmetrically.
  • the storage container can thus have a circular or annular cross-section in cross-section. Deviating from this, however, the storage container can also be oval or elliptical in cross section.
  • the inner container and the outer container are in particular also each constructed rotationally symmetrical to the axis of symmetry.
  • the inner container and the outer container each comprise a tubular base section which is constructed rotationally symmetrically to the axis of symmetry.
  • the inner container and the outer container are each closed in a fluid-tight manner with a first cover section and a second cover section.
  • the inner container and the outer container are in particular fluid-tight.
  • the inner container and the outer container can, for example, be made of a metallic material, in particular stainless steel.
  • the inner container is arranged completely inside the outer container. This means in particular that the outer container completely encloses the inner container
  • the heating device can be guided through the outer container and the inner container into the inner container, in particular into the liquid zone of the inner container.
  • the heating device can be guided, for example, through the respective first cover sections of the inner container and the outer container.
  • the heating device is placed below the phase boundary in the liquid zone, so that the heating device is always surrounded or washed by the liquid phase of the cryogen.
  • the heating device is set up in particular to introduce heat directly into the liquid phase of the cryogen. By introducing heat into the cryogen, this vaporizes at least partially, whereby a pressure build-up within the storage container, in particular within the inner container, can be achieved.
  • the heating element is preferably a heating wire or a heating cable or comprises a heating wire or a heating cable.
  • the heating element is an electrical heating element.
  • the heating element preferably converts electrical energy into heat.
  • the fact that the outer shell is “fluid-tight” means in particular that no fluid, in particular no liquid or no gas, can escape from the outer shell or enter the outer shell.
  • the interior is completely enclosed by the outer shell.
  • the interior space can be arranged partly outside the storage container, ie in the surroundings, and partly inside the storage container, in particular inside the inner container.
  • the outer shell is preferably made of a metallic material.
  • the outer shell can be made of stainless steel or an aluminum alloy.
  • the heating device is preferably operated in the bubble-forming regime.
  • the heating device is operated in such a way that bubbles of the vaporized cryogen rise from the heating device immersed in the liquid phase and give off heat to the liquid phase during the rise until the bubbles rise from the liquid phase into the gas phase.
  • This can be done by a suitable setting or regulation of a heating power of the heating device.
  • Due to the operation in the bubbling regime film boiling around the heater is avoided. Bubbling does not occur during film boiling. In this case, an undesired layer of the heated liquid phase can form around the heating device, which acts as a heat-insulating liquid buffer. This can adversely affect the transfer of heat. Film boiling can thus be reliably prevented by operating in the bubble-forming regime, which means that the transfer of heat from the heating device to the liquid phase is always guaranteed.
  • the heating device is constructed in such a way that the cryogen does not leave the outer shell if there is a leak in the outer shell. In this way, protection against explosion can be achieved.
  • Optional pressure monitoring of the interior can be used to detect leaks be used on the heating device. Three different possible leaks can be detected. It is possible to always and reliably detect leaks to the environment, leaks to a vacuum space arranged between the inner container and the outer container, and leaks to the inner container, in particular to the liquid zone.
  • the heating device is explosion-proof.
  • the heating device is also suitable for extremely cold temperatures.
  • the additional outer shell allows the cryogen and the heating element to be safely separated from each other. The heating element does not contact the cryogen, in particular the liquid phase, directly.
  • the heating device is preferably assigned a central or symmetrical axis, to which the heating device is constructed essentially rotationally symmetrically.
  • the heater may be circular or cylindrical in cross section. However, this does not rule out the possibility that the heating device can be at least partially oval or elliptical in cross section. This means in particular that the heating device can have an oval cross section.
  • the outer shell is constructed rotationally symmetrically to the axis of symmetry. Viewed with respect to a direction of gravity, the axis of symmetry of the heating device is placed below the axis of symmetry of the storage container. Accordingly, the axis of symmetry of the storage container with respect to the direction of gravity is arranged above the axis of symmetry of the heating device.
  • the axis of symmetry of the heater and the axis of symmetry of the storage container are parallel to and spaced apart from each other.
  • a metal oxide powder is preferably used as the metal oxide.
  • Aluminum oxide and/or magnesium oxide for example, can be used as metal oxides.
  • the shell is in particular metallic.
  • the shell can therefore also be referred to as a metallic shell or as a metal shell.
  • the envelope is not live.
  • the casing can be referred to as a non-current-carrying or non-current-conducting casing, in particular as a non-current-carrying or non-current-conducting metallic casing.
  • the shell can be a stainless steel shell, for example. Accordingly, the heating device is double-walled or double-encapsulated with the aid of the outer shell and the shell arranged within the outer shell.
  • the heater can therefore be referred to as a double-walled or double-encapsulated heater.
  • a storage container for storing a cryogen comprises an inner container for accommodating the cryogen, an outer container which encloses the inner container, and a heating device arranged at least in sections within the inner container for introducing heat into the cryogen, the heating device having a heating element for generating the heat and an outer shell which encloses an interior space of the heating device in a fluid-tight manner, the heating element being accommodated inside the interior space.
  • the interior is filled with a heat-conducting medium.
  • the thermally conductive medium can be a gas.
  • the terms "medium” and “gas” can therefore be arbitrarily interchanged.
  • a gas can also be filled in.
  • the thermally conductive medium can also be or include a liquid.
  • the thermally conductive medium can have a liquid phase, a solid phase and a gas phase.
  • the thermally conductive medium can be part of the heating device. The thermal conduction between the heating element and the outer shell of the heating device and thus between the heating element and the liquid phase of the cryogen is ensured with the aid of the heat-conducting medium.
  • An inert gas for example, can be used as a suitable gas.
  • the thermally conductive medium or gas can be helium.
  • the thermally conductive medium should be selected in such a way that there is no phase change in the thermally conductive medium over an entire operating temperature range of the storage container.
  • the heat-conducting medium should not freeze or freeze out.
  • a phase change of the heat-conducting medium can also be provided during operation of the heating device. This can be realized by a suitable selection of the thermally conductive medium.
  • a filling pressure and the heat-conducting medium are preferably chosen such that at a minimum temperature and a maximum temperature that can occur during operation of the storage container, there is a difference to an ambient pressure of the environment and to an operating pressure of the storage container.
  • the thermally conductive medium is preferably helium.
  • the use of helium as the heat-conducting medium reliably prevents the heat-conducting medium from freezing out when the storage container is operated with hydrogen.
  • any excess pressure that enables leakage monitoring is selected as the filling pressure for the interior of the outer shell.
  • a pressure of between 1.1 and 200 bar, in particular between 5 and 10 bar, is preferably selected as the filling pressure.
  • the monitoring of the interior thus enables safety-related leakage monitoring in order to meet the requirements for the separation of electrical systems and process systems and for separation from the environment according to the relevant regulations.
  • the heating element can extend along a longitudinal direction of the storage container, which is oriented along the axis of symmetry.
  • the heating device is routed from an area surrounding the storage container through the outer container and the inner container into a liquid zone enclosed by the inner container.
  • the gas zone arranged above the liquid zone is provided in the inner container in addition to the liquid zone.
  • the heating device can be arranged at least partially in the gas zone or at least partially protrude into the gas zone.
  • the gas zone and the liquid zone together fill the aforementioned interior space, plenum or cavity of the inner container for containing the cryogen.
  • the heating device protrudes into the interior of the inner container.
  • the heating device is preferably arranged in such a way that it is always arranged or placed within the liquid zone.
  • the heating device is arranged below this axis of symmetry with respect to the axis of symmetry of the storage container.
  • the heating device is placed in particular in the area of a floor or an underside of the inner container.
  • the outer shell is guided through the outer container and the inner container, with the outer shell being connected to the outer container and the inner container in a material-to-material and/or form-fitting manner.
  • the connection partners are held together by atomic or molecular forces.
  • Cohesive connections are non-detachable connections that can only be separated again by destroying the connection means and/or the connection partners.
  • the outer shell is soldered or welded into the outer container and/or into the inner container. Brazing in particular comes into consideration as a soldering method.
  • the outer shell can also be glued to the outer container and/or the inner container.
  • the outer shell is guided through one of the lid sections, in particular the first lid section, of the outer container and through one of the lid sections, in particular the first lid section, of the inner container, with the outer shell being bonded to the respective lid section.
  • a positive connection can be provided.
  • a form-fitting connection is created by at least two connection partners engaging in one another or from behind.
  • a screw connection and/or a flange connection can be provided. The outer shell can thus be screwed to the outer container and the inner container and/or flanged to them.
  • the outer casing has an end section which protrudes into the environment and which is sealed in a fluid-tight manner with the aid of a removable closure element, with connection lines of the heating element being passed through the closure element.
  • the outer shell preferably has a tubular base section which has a first end section projecting into the environment and a second end section projecting into the inner container.
  • the second end section is, for example, a cover that closes the base section at the front.
  • the first end section protrudes into the surroundings and is closed in a fluid-tight manner with the aid of the closure element.
  • the closure element can be plate-shaped, for example. While the closure element is dismantled, the heating element can be pushed into the outer shell and pulled out of it, for example. In principle, the heat-conducting medium can also be filled in via the first end section.
  • the closure element can be screwed to the first end section, for example.
  • the closure element can have holes or Have openings through which the connecting lines of the heating element are passed.
  • a sealing element in particular in the form of an O-ring, can be provided between the first end section and the closure element.
  • the outer shell has a connection which protrudes into the environment and which is in fluid connection with the interior, the connection being sealed in a fluid-tight manner.
  • the thermally conductive medium can be filled into the interior of the outer shell via the connection.
  • the connection can have a suitable valve.
  • the pressure of the interior can also be monitored with the help of the connection.
  • a sensor in particular a pressure sensor, can be provided on the connection.
  • the port may include a variety of different sensors, such as pressure sensors, temperature sensors, optical sensors, sensors capable of detecting the cryogen and/or the thermally conductive medium, or the like.
  • At least one heat transfer layer is provided on the outer shell, which is attached to the outside of the outer shell.
  • the heat transfer layer can be made of copper. Aluminum alloys are also possible as suitable materials for the heat transfer layer.
  • the heat transfer layer can be a copper sheet or plate.
  • the heat transfer layer is wrapped onto the outer shell.
  • the heat transfer layer can be materially bonded to the outer shell.
  • the heat transfer layer is brazed onto the outer shell.
  • the heat transfer layer can also be wound onto the outer shell and not bonded to it, with two end sections of the heat transfer layer being clamped or screwed together in order to connect the heat transfer layer to the outer shell.
  • the heat transfer layer ensures even heat transfer.
  • a heat transfer plate may be formed on the heat transfer layer. In this case, the heat transfer plate is formed by means of the two bonded end portions of the heat transfer sheet.
  • the heat transfer plate can also be a separate component that is connected to the outer shell or the heat transfer layer.
  • the heat transfer plate is preferably fin-shaped. Therefore, the heat transfer plate can also be called a heat transfer fin.
  • a plurality of heat transfer plates may be provided on the outer shell or on the heat transfer layer.
  • the heat transfer plate can be bonded to the outer shell or the heat transfer layer.
  • the heat transfer plate is brazed or welded to the outer shell or the heat transfer layer.
  • a heat transfer surface of the heating device can be enlarged with the aid of the heat transfer plate.
  • the heat transfer plate also ensures that when the liquid level of the cryogen in the storage container is low, at least the heat transfer plate protrudes into the liquid phase of the cryogen and heat can thus be transferred to the liquid phase.
  • the heat transfer plate is thus always wetted by or immersed in the liquid phase. In this way, local overheating can be avoided.
  • Preferably at least one heat transfer plate is placed between the outer shell and the inner container. Any number of heat transfer plates can be provided.
  • the heat transfer plate is preferably made of a metallic material with good thermal conductivity, such as a copper alloy or an aluminum alloy.
  • the heating device has a carrier element which carries the heating element.
  • the carrier element is in particular arranged completely inside the interior of the outer shell.
  • the carrier element is preferably tubular.
  • the carrier element can also be referred to as a carrier tube.
  • the carrier element is preferably made of a heat-conducting material.
  • the carrier element can be made of a copper alloy or an aluminum alloy. Steel, in particular stainless steel, can also be used for the carrier element.
  • the carrier element can also be made of glass, glass ceramic or ceramic. In this case, the carrier element itself is not, or at least not good thermal conductivity.
  • the heating element can have an insulating element which electrically insulates the heating element from the carrier element.
  • the heating element can have an electrically conductive heating wire, for example, which is surrounded by the insulating element.
  • the aforementioned heating wire can be embedded in magnesium oxide powder, which is encapsulated in a non-current-carrying metallic sheath, such as a stainless steel sheath.
  • the term "heating element" can accordingly be understood to mean a metallic/mineral-insulated heating wire.
  • the heating device can be attached to the carrier element in such a way that the heating device extends linearly along the carrier tube or the longitudinal direction. Alternatively, the heating element can also be wound onto the carrier element.
  • the carrier element is optional. Alternatively, the heating element can also be accommodated in the outer shell without a carrier element.
  • the carrier element has an outer side with a groove which runs around the carrier element in a helical manner and in which the heating element is accommodated at least in sections.
  • the heating element is wound onto the carrier element.
  • the heating element is in particular elastically deformable. This means that the heating element can be wound onto the carrier element like a rope or wire without being damaged.
  • the groove can also be referred to as spiral or helical.
  • the groove can also be referred to as a holding groove or receiving groove.
  • the groove is optional. This means that the heating element can also be wound onto the carrier element without the groove.
  • the groove is cylindrical, at least in sections. In particular, the heating element has a circular or circular cross section. This ensures a flat contact between the heating element and the groove. This improves the transfer of heat from the heating element to the support element.
  • the heating element and/or the support element in turn gives up heat to the thermally conductive medium, which gives up heat to the outer shell, which in turn gives up heat to the liquid phase of the cryogen to at least partially vaporize the liquid phase.
  • the groove is optional.
  • the heating element can also be wound onto the carrier element without the groove.
  • a gap running around the circumference of the carrier element is provided between the carrier element and the outer shell.
  • the gap is in particular part of the interior of the outer shell.
  • the gap is completely filled with the heat-conducting medium.
  • the carrier element is placed in the middle of the outer shell.
  • support feet can be provided which support the carrier element on the outer shell.
  • the support feet are placed in the gap.
  • the support feet are preferably thermally poorly or non-conductive, so that the heat from the heating element and/or the carrier element is preferably only transferred to the outer shell with the aid of the thermally conductive medium.
  • the support feet can also be thermally conductive.
  • the gap prevents direct contact of the carrier element and/or the heating element with the outer shell.
  • circumferentially means viewed along a circumferential direction of the heating device.
  • the “circumferential direction” is to be understood as meaning a rotational direction or spatial direction which is oriented around the axis of symmetry of the heating device.
  • the gap is optional. The gap can be necessary due to the design so that the carrier element with the wrapped heating element can be pushed into the outer shell. The heat-conducting medium is required to ensure heat conduction to the outer shell. Alternatively, the carrier element can bear against the outer shell on the inside. This can improve the heat transfer.
  • the carrier element is tubular and has a cylindrical inside.
  • the carrier element can also be referred to as a carrier tube.
  • the inside can be realized, for example, with the aid of a bore or recess extending through the entire carrier element.
  • the carrier element has the cylindrical outer side on the outside, on which the circumferential groove is provided. In this case, the inside faces away from the outside of the carrier element.
  • the heating device has at least one temperature sensor, which is arranged inside the carrier element.
  • the temperature sensor can also be referred to as a temperature pickup.
  • the temperature sensor is placed in particular inside the interior of the outer shell.
  • Several temperature sensors can be provided.
  • the temperature sensor is suitable for monitoring the temperature and/or for checking the function of the heating element. In particular, overheating of the heating element can be prevented with the aid of the temperature sensor.
  • the amount of heat introduced into the liquid phase of the cryogen can also be detected and/or regulated with the aid of the temperature sensor.
  • the heating device has a fastening element arranged inside the carrier element for fastening the temperature sensor to the carrier element, with the temperature sensor being inserted into the fastening element.
  • the fastening element is in particular tubular or sleeve-shaped.
  • the fastening element can therefore also be referred to as a fastening tube or as a fastening sleeve.
  • the fastening element has a cylindrical outer surface which can bear against the cylindrical inner surface of the carrier element.
  • the fastening element is pressed into the carrier element.
  • the fastening element also has, in particular, a cylindrical inner surface which faces away from the outer surface.
  • the inner surface can be realized, for example, by a bore or recess running through the entire fastening element.
  • the fastening element preferably has a receiving bore into which the temperature sensor is inserted. Multiple mounting holes for multiple temperature sensors can be provided.
  • the temperature sensor can be thermally coupled to the carrier element using a thermally conductive paste.
  • the carrier element is preferably made of a heat-conducting material.
  • the carrier element is made from an aluminum alloy or from a copper alloy.
  • the fact that the temperature sensor is arranged inside the carrier element makes it possible to reduce the installation space of the heating device. Compared to an arrangement where the temperature sensor is provided on the outside of the carrier element, an interruption of contact surfaces between the carrier element and the heating element can advantageously be avoided. As a result, an undesired non-uniform temperature distribution along the heating element can be reliably avoided.
  • the temperature is preferably measured with the aid of the temperature sensor essentially exclusively with the aid of heat conduction. In other words, the temperature sensor is not in direct contact with the heating element.
  • the fastening element is made of a highly thermally conductive material. The fastening element preferably fills an entire space between the carrier element carrying the heating element and the temperature sensor.
  • the fastening element is fluid-permeable.
  • the support member may preferably have a central bore as previously mentioned which completely breaks through the support member. Alternatively, several individual bores can also be provided.
  • a space-saving temperature measurement is possible in any desired area of the heating element. Maximum heat transfer between the heating element and the temperature sensor is ensured. Furthermore, a defined, secure contact between the heating element and the temperature sensor is ensured. The formation of two separate volumes or pressure chambers within the interior of the outer shell is prevented by the fact that the carrier element is fluid-permeable. Compensating bores can be provided for this purpose.
  • the fastening element is preferably designed with a minimal wall thickness. As a result, a time delay in the temperature measurement can be kept small.
  • the fastening element is manufactured for good thermal contact with the carrier element. A fit between the fastening element and the carrier element is selected according to the minimum and maximum operating temperature and the materials used so that sufficient pressure between the fastening element and the carrier element is ensured over the entire temperature range that occurs during operation of the storage container.
  • the fastening element can be provided with an additional pretensioning device, in particular a screw tensioning device, in order to facilitate the installation of the fastening element. In an installed state, for example, two parts of the fastening element can be loosely plugged into one another and aligned.
  • the fastening element can be provided with an additional internal clamping device, which ensures a contact pressure between the fastening element and the carrier element over a wide temperature range.
  • the tensioning device can be combined with the pretensioning device.
  • a cryogen supply system for supplying a consumer with a cryogen is also proposed.
  • the cryogen supply system comprises at least one storage container as explained above.
  • the cryogen supply system may include multiple storage vessels.
  • the cryogen supply system can also be referred to as a hydrogen supply system. This means in particular that the terms "cryogenic supply system” and “hydrogen supply system” can be interchanged as desired.
  • the load can be a fuel cell as previously mentioned.
  • the cryogen supply system can have an evaporator which is suitable for evaporating liquid cryogen removed from the storage container and supplying it to the consumer at the appropriate supply pressure and at an appropriate temperature.
  • the consumer can be part of the cryogen supply system.
  • the cryogen supply system can be part of a vehicle, in particular a land vehicle, a watercraft or an aircraft.
  • FIG. 1 shows a schematic sectional view of an embodiment of a storage container
  • FIG. 2 shows the detailed view II according to FIG. 1 ;
  • Fig. 3 shows a schematic sectional view according to section line III-III of Fig. 2.
  • FIG. 1 shows a schematic sectional view of an embodiment of a storage container 1 .
  • FIG. 2 shows the detailed view II according to FIG. 1 .
  • FIG. 3 shows a schematic sectional view according to section line III-III of FIG. 2. In the following, reference is made to FIGS. 1 to 3 at the same time.
  • the storage container 1 can also be referred to as a storage tank.
  • the storage container 1 is suitable for use in or on a vehicle (not shown).
  • vehicle can, for example, be a maritime watercraft, in particular a ship.
  • the vehicle can be referred to as a maritime vehicle.
  • the vehicle can be a maritime passenger ferry.
  • the vehicle can also be a land vehicle.
  • the vehicle is a watercraft.
  • the vehicle can have a consumer 2, in particular a fuel cell.
  • a "fuel cell” is to be understood here as meaning a galvanic cell which converts the chemical reaction energy of a continuously supplied fuel, in this case hydrogen, and an oxidizing agent, in this case oxygen, into electrical energy.
  • the electrical energy obtained can be used, for example, to drive an electric motor (not shown), which in turn drives a ship's propeller to drive the vehicle.
  • the storage container 1 is provided for supplying the consumer 2 with hydrogen H2.
  • the storage container 1 can be part of a cryogen supply system 3, which is suitable for providing the consumer 2, which is preferably a fuel cell, with gaseous hydrogen H2 at a defined supply pressure and a defined supply temperature.
  • the hydrogen H2 is supplied to the consumer 2 in gaseous form with a supply pressure of, for example, 1 to 2.5 bara and a temperature of, for example, 0 to +70° C., in particular from +10 to +25° C.
  • the supply pressure can also be up to 6 bara.
  • the cryogen supply system 3 can be referred to as a hydrogen supply system.
  • the cryogen supply system 3 can have an evaporator (not shown), which is suitable for evaporating the liquid hydrogen H2 and feeding it to the consumer 2 .
  • the storage container 1 is rotationally symmetrical to a central or symmetrical axis
  • the axis of symmetry 4 can be oriented perpendicular to a direction of gravity g. That is, the storage container 1 is positioned lying down or horizontally. Alternatively, the axis of symmetry 4 can also be oriented parallel to the direction of gravity g. That is, the storage container 1 can also be positioned standing or vertically.
  • the storage container 1 is assigned a coordinate system with a first spatial direction, longitudinal direction or x-direction x, a second spatial direction, vertical direction or y-direction y and a third spatial direction, depth direction or z-direction z.
  • the directions x, y, z are oriented perpendicular to one another.
  • the axis of symmetry 4 is placed parallel to the x-direction x.
  • a longitudinal direction L which can correspond to the x-direction x, is assigned to the storage container 1 .
  • the storage container 1 comprises an outer container 5 constructed rotationally symmetrically to the axis of symmetry and an inner container 6 constructed rotationally symmetrically to the axis of symmetry 4 .
  • the inner container 6 is arranged completely within the outer container 5 . Between the outer container 5 constructed rotationally symmetrically to the axis of symmetry and an inner container 6 constructed rotationally symmetrically to the axis of symmetry 4 .
  • the inner container 6 is arranged completely within the outer container 5 . Between the outer container
  • a vacuum space 7 that is gap-shaped at least in sections is provided.
  • the vacuum space 7 there is a negative pressure in comparison to an environment 8 of the storage container 1 .
  • the environment 8 can also be referred to as the atmosphere. This means that the terms "environment” and “atmosphere” can be arbitrarily interchanged.
  • An insulating element or insulating element can be provided in the vacuum space 7 which at least partially or completely fills the vacuum space 7 .
  • the insulating element can have a multi-layer insulation layer (Multilayer Insulation, MLI) or be designed as such.
  • MLI Multilayer Insulation
  • the outer container 5 comprises a tubular or cylindrical base section 9 which is rotationally symmetrical to the axis of symmetry 4 .
  • the base section 9 is closed on both sides at the end with the aid of a first cover section 10 and a second cover section 11 .
  • the base section 9 can have a circular or approximately circular geometry in cross section.
  • the cover sections 10, 11 are curved.
  • the cover sections 10, 11 are in opposite directions curved, so that the first cover portion 10 and the second cover portion 11 are curved with respect to the base portion 9 outwards.
  • the outer container 5 is fluid-tight, in particular gas-tight.
  • the longitudinal direction L is oriented from the first cover section 10 in the direction of the second cover section 11 .
  • the inner container 6 comprises a tubular or cylindrical base section 12 which is rotationally symmetrical to the axis of symmetry 4 .
  • the base section 12 is closed on both sides by a first cover section 13 and a second cover section 14 .
  • the base section 12 can have a circular or approximately circular geometry in cross section.
  • the cover sections 13, 14 are curved.
  • the first cover section 13 and the second cover section 14 are curved in opposite directions, so that the first cover section 13 and the second cover section 14 are curved outwards with respect to the base section 12 .
  • the inner container 6 is fluid-tight, in particular gas-tight.
  • the outer container 5 and/or the inner container 6 can have a blow-off valve (not shown).
  • the longitudinal direction L is oriented from the first cover section 13 in the direction of the second cover section 14 .
  • the liquid hydrogen H2 is accommodated in the inner container 6 .
  • the inner container 6 encloses an interior space 15 in which the liquid hydrogen H2 is accommodated.
  • a gas zone 16 with vaporized hydrogen H2 and a liquid zone 17 with liquid hydrogen H2 can be provided in the inner container 6 or in the interior space 15 .
  • the hydrogen H2 After being filled into the inner container 6 or into the interior 15, the hydrogen H2 therefore has two phases with different states of aggregation, namely liquid and gaseous. This means that there is a phase boundary 18 between the liquid hydrogen H2 and the gaseous hydrogen H2 in the inner container 6 or in the interior space 15 .
  • the gas zone 16 and the liquid zone 17 together fill the interior space 15 .
  • the interior 15 can be referred to as the container interior.
  • the storage container 1 comprises a heating device 19.
  • the heating device 19 is shown in detail in FIGS.
  • the heating device 19 is set up to introduce heat Q into the liquid hydrogen H2.
  • the heating device 19 is operated electrically. Therefore, the heater 19 can also be referred to as an electric heating device or as a heater, in particular as an electric heater.
  • the heating device 19 projects through the first cover sections 10, 13 from the surroundings 8 into the inner container 6, in particular into the liquid zone 17.
  • the part of the heating device 19 that protrudes into the inner container 6 or into the interior 15 is preferably surrounded by the liquid hydrogen H2 of the liquid zone 17 .
  • the heating device 19 is rotationally symmetrical to a central or symmetrical axis
  • the axis of symmetry 20 can be oriented parallel to the axis of symmetry 4 . In this case, the axis of symmetry 20 is placed below the axis of symmetry 4 when viewed in relation to the y-direction y or the direction of gravity g.
  • a radial direction R is also assigned to the heating device 19 . The radial direction R is oriented perpendicular to the axis of symmetry 20 and away from it.
  • the heating device 19 comprises a fluid-tight outer shell 21 .
  • the outer shell 21 is tubular and can therefore also be referred to as an outer tube.
  • the outer shell 21 is preferably made of a metallic material, preferably made of high-grade steel.
  • the outer shell 21 is preferably made of a material with good thermal conductivity.
  • the outer shell 21 is guided through the two first cover sections 10, 13 into the liquid zone 17. This means that the outer shell 21 protrudes partly into the surroundings 8 and partly into the inner container 6 , in particular into the liquid zone 17 .
  • the outer shell 21 can be soldered or welded into the first cover sections 10, 13.
  • the outer shell 21 can also be made of a copper alloy, an aluminum alloy, glass, glass ceramic or ceramic.
  • the outer shell 21 is rotationally symmetrical to the axis of symmetry 20 .
  • the outer shell 21 can be circular in cross section. Deviating from this, the outer shell 21 can also be slightly oval or elliptical in cross section. Viewed in a circumferential direction U, the outer shell 21 runs completely around the axis of symmetry 20 . The outer shell 21 is therefore closed around the circumference.
  • the circumferential direction U is around the axis of symmetry 20 and along the outer shell
  • the outer shell 21 encloses an interior space 22.
  • the interior space 22 can be referred to as the interior space of the outer shell 21 or as the interior space of the heating device 19.
  • the interior 22 can also be referred to as the heating interior become.
  • the interior 22 is filled with a heat-conducting medium.
  • the heat-conducting medium is preferably a gas, in particular helium He.
  • the outer shell 21 is fluid-tight.
  • the outer shell 21 comprises a tubular base section 23 which is constructed rotationally symmetrically to the axis of symmetry 20 .
  • the outer shell 21 includes a first end section 24 which protrudes into the surroundings 8 and is closed in a fluid-tight manner with the aid of a plate-shaped closure element 25.
  • a second end section 26 is provided, which is in the form of a cover and closes the base section 23 at the front in a fluid-tight manner.
  • the second end section 26 is placed within the liquid zone 17 .
  • At least one heat transfer plate 27 which extends in the radial direction R away from the base section 23 , can be provided on the outer shell 21 , in particular on the base section 23 .
  • the heat transfer plate 27 serves to increase the surface area, so that the transfer of heat Q from the heating device 19 to the hydrogen H2 is improved.
  • the heat transfer plate 27 is rib-shaped and can therefore also be referred to as a heat transfer rib. Multiple heat transfer plates 27 may be provided.
  • the outer shell 21 has a connection 28 which can be closed in a fluid-tight manner.
  • the interior space 22 can be filled with helium He, for example, with the aid of the connection 28 .
  • the connection 28 can also be used to monitor the heating device 19 . For example, a drop in pressure or a rise in pressure in the interior 22 can be detected via the connection 28 .
  • the connection 28 is placed outside the storage container 1 in the environment 8 .
  • the heating device 19 has a tubular support element 29 which carries a heating element 30 in the form of a wire.
  • the carrier element 29 can also be referred to as a carrier tube.
  • the carrier element 29 is rotationally symmetrical to the axis of symmetry 20 .
  • the carrier element 29 is made of a material with good thermal conductivity.
  • the carrier element 29 is made of one metallic material, in particular made of a copper alloy or an aluminum alloy.
  • the carrier element 29 can also be made of glass, a glass ceramic or a ceramic.
  • the carrier element 29 can be a one-piece component, in particular a one-piece material component. "In one piece” or “in one piece” means that the carrier element 29 is a single component that is not composed of a plurality of sub-components or components. In the present case, “in one piece” means in particular that the carrier element 29 is made of the same material throughout. Alternatively, the carrier element 29 can also be in several parts or in several pieces. In this case, the carrier element 29 is made up of several sub-parts or components.
  • the carrier element 29 extends in the longitudinal direction L into the inner container 6 .
  • the carrier element 29 is preferably arranged completely inside the outer container 5 .
  • Viewed in the circumferential direction U the carrier element 29 is completely closed.
  • the carrier element 29 is accommodated in the outer shell 21 .
  • the support element 29 is preferably placed centrally with respect to the axis of symmetry 20 , so that in the circumferential direction U a gap 31 filled with the helium He is provided, which runs completely around the support element 29 .
  • the gap 31 can have a gap width of 0.5 to 1 millimeter.
  • the gap width is chosen to be as small as possible and as large as necessary in order to be able to insert the carrier element 29 with the heating element 30 into the outer shell 21 .
  • Gap 31 is part of interior space 22. Gap 31 is optional. Alternatively, the carrier element 29 can bear against the outer shell 21 on the inside. This can improve the heat transfer.
  • a cylindrical outer side 32 of the carrier element 29 points towards the outer shell 21 .
  • the gap 31 is provided between the outside 32 and the outer shell 21 .
  • On the outside 32 there is a groove 33 which runs around the carrier element 29 in a snail or helical manner in the circumferential direction U and accommodates the heating element 30 .
  • the heating element 30 is preferably a heating wire which is wound onto the carrier element 29 .
  • the heating element 30 can have an electrical insulation that the heating element 30 against the Support element 29 electrically isolated.
  • the aforementioned heating wire can be embedded in magnesium oxide powder, which is encapsulated in a non-current-carrying metallic sheath, such as a stainless steel sheath.
  • the term "heating element” can accordingly be understood to mean a metallic-mineral-insulated heating wire.
  • the groove 33 is optional.
  • the heating element 30 can also be wound onto the carrier element 29 without the groove 33 .
  • a cylindrical inner side 34 of the carrier element 29 points away from the outer side 32 .
  • the inside 34 runs around the axis of symmetry 20 in the circumferential direction U.
  • the inner side 34 can be realized by a bore that is passed centrally through the carrier element 29 .
  • the heating element 30 has electrical connection lines 35 , 36 which are routed through the closure element 25 to a control and regulating device 37 .
  • the control and regulating device 37 can energize the heating element 30 and thus control a quantity of the heat Q introduced into the hydrogen H2.
  • the control and regulation device 37 can be part of the storage container 1 and/or the cryogen supply system 3 .
  • the heating device 19 has at least one temperature sensor 38 which is coupled to the control and regulating device 37 with the aid of a sensor line 39 .
  • the temperature of the heating device 19 can be detected with the aid of the temperature sensor 38 .
  • the temperature sensor 38 can be part of a control circuit comprising the heating element 30, the control and regulation device 37 and the temperature sensor 38.
  • the temperature sensor 38 includes a fastening strap 40. As an alternative to the fastening strap 40, it is also possible to provide other types of fastening, for example in the form of clamps, screws, soldering or plugging.
  • the temperature sensor 38 is held or fastened using a fastening element 41 .
  • the fastening element 41 is made of a material with good thermal conductivity, for example a copper alloy or an aluminum alloy.
  • the fastener 41 is tubular.
  • the fastening element 41 is arranged inside the carrier element 29 .
  • the fastening element 41 can be a one-piece component, in particular a one-piece material component.
  • the fastening element 41 can also be in several parts or in several pieces.
  • the fastening element 41 is constructed rotationally symmetrically to the axis of symmetry 20 .
  • the fastening element 41 includes a cylindrical outer side 42 which bears against the inner side 34 of the carrier element 29 .
  • the fastening element 41 also includes a cylindrical inner side 43 which is realized, for example, by a hole provided in the center of the fastening element 41 .
  • the helium He can therefore flow through the fastening element 41 .
  • the fastening element 41 has a receiving bore 44 into which the respective temperature sensor 38 is inserted.
  • the receiving bore 44 is provided on the end face of the fastening element 41 and extends into the fastening element 41 along the longitudinal direction L or along the x-direction x.
  • the receiving bore 44 runs parallel to the axis of symmetry 20.
  • the receiving bore 44 can be a blind hole. Viewed along the radial direction R, the receiving bore 44 is located directly below the outside 42.
  • a heat transfer layer 45 is provided on the outer shell 21 and is attached to the outer shell 21 on the outside.
  • the heat transfer layer 45 can be made of copper. Aluminum alloys are also possible as suitable materials for the heat transfer layer 45 .
  • the heat transfer layer 45 may be a copper sheet or plate. For example, the heat transfer sheet 45 is wrapped on the outer shell 21 .
  • the heat transfer layer 45 can be materially bonded to the outer shell 21 .
  • the heat transfer layer 45 is brazed onto the outer shell 21 .
  • the heat transfer layer 45 can also only be wound onto the outer shell 21 and not bonded to it, with two end sections 46, 47 of the heat transfer layer 45 being clamped or screwed together in order to connect the heat transfer layer 45 to the outer shell 21. A first end portion 46 and a second end portion 47 abut and are connected to each other.
  • the heat transfer layer 45 ensures uniform heat transfer.
  • the aforementioned heat transfer plate 27 may be formed on the heat transfer layer 45. In this case, the Heat transfer plate 27 formed by means of the two interconnected end portions 46, 47 of the heat transfer layer 45.
  • the heat transfer plate 27 can also be a separate component that is connected to the outer shell 21 or the heat transfer layer 45 .
  • a plurality of such heat transfer plates 27 can be provided on the outer shell 21 or on the heat transfer layer 45 .
  • the heat transfer plate 27 can be materially bonded to the outer shell 21 or the heat transfer layer 45 .
  • the heat transfer plate 27 is brazed or welded to the outer shell 21 or the heat transfer layer 45 .
  • the heat transfer plate 27 ensures that when the liquid level of the hydrogen H2 in the storage container 1 is low, at least the heat transfer plate 27 protrudes into the liquid zone 17 of the hydrogen H2 and heat Q can thus be transferred to the hydrogen H2.
  • At least one heat transfer plate 27 is preferably attached between the outer shell 21 and the inner container 6 . Any number of heat transfer plates 27 can be provided.
  • the heat transfer plate 27 is preferably made of a metallic material with good thermal conductivity, such as a copper alloy or an aluminum alloy.

Abstract

Ein Speicherbehälter (1 ) zum Speichern eines Kryogens (H2), mit einem Innenbehälter (6) zum Aufnehmen des Kryogens (H2), einem Außenbehälter (5), welcher den Innenbehälter (6) umschließt, und einer zumindest abschnittsweise innerhalb des Innenbehälters (6) angeordneten Heizeinrichtung (19) zum Einbringen von Wärme (Q) in das Kryogen (H2), wobei die Heizeinrichtung (19) ein Heizelement (30) zum Erzeugen der Wärme (Q) und eine Außenhülle (21 ) aufweist, die einen Innenraum (22) der Heizeinrichtung (19) fluiddicht umschließt, wobei das Heizelement (30) innerhalb des Innenraums (22) aufgenommen ist, und wobei das Heizelement (30) einen Heizdraht aufweist, der in ein Metalloxid eingebettet ist, das von einer Hülle umkapselt ist, die innerhalb des Innenraums (22) aufgenommen ist.

Description

Beschreibung
Speicherbehälter und Krvoaenversoraungssvstem
Die Erfindung betrifft einen Speicherbehälter zum Speichern eines Kryogens und ein Kryogenversorgungssystem mit zumindest einem derartigen Speicherbehälter.
Speicherbehälter für flüssigen Wasserstoff können gemäß betriebsinternen Erkenntnissen einen Druckaufbauverdampfer aufweisen, welcher es ermöglicht, innerhalb des Speicherbehälters einen Druck aufzubauen, so dass gasförmiger Wasserstoff einem Verbraucher, beispielsweise in Form einer Brennstoffzelle, mit einem stabilen Versorgungsdruck von beispielsweise 1 bis 2,5 bara zur Verfügung gestellt werden kann. Derartige Speicherbehälter sind im Wesentlichen zylinderförmig oder tonnenförmig. Der Druckaufbauverdampfer ist dabei dazu eingerichtet, dem Speicherbehälter gasförmigen Wasserstoff zuzuführen. Der gasförmige Wasserstoff kann beispielsweise durch ein Verdampfen von flüssigem Wasserstoff gewonnen werden.
Im Betrieb eines derartigen Speicherbehälters, beispielsweise im maritimen Bereich (Offshore-Anwendung), kann eine Bewegung des Speicherbehälters, beispielsweise durch den Seegang, dazu führen, dass die Betriebsbedingungen in dem Speicherbehälter nur sehr schwer so stabil gehalten werden können, dass der erforderliche Versorgungsdruck für den Verbraucher konstant bereitgestellt werden kann. Bei der Bewegung des Speicherbehälters schwappt der flüssige Wasserstoff in dem Speicherbehälter unkontrolliert hin und her. Dieses Schwappen des flüssigen Wasserstoffs bei der Bewegung des Speicherbehälters wird als sogenanntes "Sloshing" bezeichnet.
Bei einem wie zuvor erwähnten Druckaufbauverdampfer wird der Druck innerhalb des Speicherbehälters durch die Zufuhr von gasförmigem Wasserstoff aufgebaut. Der gasförmige Wasserstoff kann, wie zuvor erwähnt, mit Hilfe des Aufbaudruckverdampfers aus dem flüssigen Wasserstoff erzeugt werden. Ein Druck in einer Gaszone des Speicherbehälters steigt dadurch. Die Gaszone ist oberhalb einer Flüssigkeitszone angeordnet. Zwischen der Gaszone und der Flüssigkeitszone ist eine Phasengrenze vorgesehen. Die Gaszone wird durch gasförmigen Wasserstoff gebildet. Der gasförmige Wasserstoff bildet eine Gasphase. Die Flüssigkeitszone wird durch flüssigen Wasserstoff gebildet. Der flüssige Wasserstoff bildet eine Flüssigphase. Zwischen der Flüssigphase und der Gasphase ist die Phasengrenze vorgesehen. Die Gasphase kann in die Flüssigphase und umgekehrt übergehen. Zwischen der Gasphase und der Flüssigphase und umgekehrt erfolgt im Betrieb des Speicherbehälters ein kontinuierlicher Transport oder Austausch von Wärme.
Der Transport von Wärme von der warmen Gasphase zu der kalten Flüssigphase des Wasserstoffs erfolgt langsam. Das heißt, dass die Flüssigphase zunächst unterkühlt bleibt. Insbesondere bei Speicherbehältern für den Einsatz im maritimen Bereich führt das Schwappen oder Sloshing der unterkühlten Flüssigphase zu einem unkontrollierten Druckabfall in dem Speicherbehälter, da die warme Gasphase an der Phasengrenze durch den Austausch von Wärme mit der unterkühlten Flüssigphase kondensiert. Dies kann zu unerwünschten Druckschwankungen innerhalb des Speicherbehälters führen. Derartige Druckschwankungen können die Prozessregelung erschweren und können zu einem unerwünschten Abschalten eines Wasserstoffversorgungssystems mit einem derartigen Speicherbehälter führen. Besonders sensibel auf Druckschwankungen können wasserstoffbetriebene Brennstoffzellen reagieren. Wie zuvor erwähnt, benötigen diese eine konstante Zufuhr von gasförmigem Wasserstoff bei einem vorgegebenen Versorgungsdruck.
Damit keine Druckschwankungen in dem Speicherbehälter auftreten, ist es wünschenswert, die Gasphase und die Flüssigphase des Wasserstoffs in einen Sättigungszustand zu bringen. Die Verwendung von betriebsintern bekannten Druckaufbauverdampfern kann zum einen zu langen Verweilzeiten, bis sich ein gesättigter Zustand zwischen der Gasphase und der Flüssigphase des Wasserstoffs in dem Speicherbehälter einstellt, führen, da die Wärmeübertragung von der warmen Gasphase zu der unterkühlten Flüssigphase wesentlich langsamer ist, als wenn die Flüssigphase direkt erwärmt wird. Zum anderen erfordern regulatorische Anforderungen für explosionsfähige kryogene Medien wie Wasserstoff eine sekundäre Barriere. Aufgrund dieser sekundären Barriere erfolgt der Druckaufbau durch einen wie zuvor erwähnten Druckaufbauverdampfer nur langsam, da die Erwärmung der Flüssigphase sehr langsam erfolgt. Die EP 0 997 682 A2 beschreibt eine Vorrichtung zum Druckaufbau in einem Speicherbehälter für kryogene Flüssigkeiten mit einem Gehäuse, welches zumindest eine Eintrittsöffnung für Flüssigkeit und in einem Inneren eine Heizvorrichtung zur Verdampfung von Flüssigkeit sowie eine in einem oberen Drittel des Gehäuses angeordnete Dampfleitung zum Abführen von bei der Verdampfung entstehenden Dampfblasen aufweist, wobei ein Querschnitt der Dampfleitung so groß ist, dass im Betrieb der Vorrichtung mehr Dampf als Flüssigkeit durch die Dampfleitung abgeführt wird.
Vor diesem Hintergrund besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, einen verbesserten Speicherbehälter zur Verfügung zu stellen.
Demgemäß wird ein Speicherbehälter zum Speichern eines Kryogens vorgeschlagen. Der Speicherbehälter umfasst einen Innenbehälter zum Aufnehmen des Kryogens, einen Außenbehälter, welcher den Innenbehälter umschließt, und eine zumindest abschnittsweise innerhalb des Innenbehälters angeordnete Heizeinrichtung zum Einbringen von Wärme in das Kryogen, wobei die Heizeinrichtung ein Heizelement zum Erzeugen der Wärme und eine Außenhülle aufweist, die einen Innenraum der Heizeinrichtung fluiddicht umschließt, wobei das Heizelement innerhalb des Innenraums aufgenommen ist, und wobei das Heizelement einen Heizdraht aufweist, der in ein Metalloxid eingebettet ist, das von einer Hülle umkapselt ist, die innerhalb des Innenraums aufgenommen ist.
Dadurch, dass das Heizelement in dem Innenraum der Außenhülle aufgenommen ist, ist es vorteilhafterweise möglich, innerhalb der Außenhülle einen eigenen Druckraum für das Heizelement zu realisieren. Die Außenhülle schließt das Heizelement insbesondere fluiddicht zu einer Atmosphäre oder Umgebung des Speicherbehälters, zu einem zwischen dem Innenbehälter und dem Außenbehälter angeordneten Vakuumraum und zu dem Kryogen hin ab. Hierdurch wird ein direkter Kontakt zwischen dem Heizelement und dem Kryogen innerhalb des Innenbehälters vermieden. Dennoch ermöglicht die Heizeinrichtung vorteilhafterweise eine direkte Erwärmung einer Flüssigphase des Kryogens.
Das Kryogen ist vorzugweise Wasserstoff. Die Begriffe "Kryogen" und "Wasserstoff' können daher beliebig gegeneinander getauscht werden. Grundsätzlich kann das Kryogen jedoch auch ein beliebiges anderes Kryogen sein. Beispiele für Kryoflüssigkeiten, kryogene Fluide oder Flüssigkeiten, oder kurz Kryogene, sind neben dem zuvor erwähnten Wasserstoff flüssiges Helium, flüssiger Stickstoff oder flüssiger Sauerstoff. Unter einem "Kryogen" ist somit insbesondere eine Flüssigkeit zu verstehen. Das Kryogen kann daher auch als Kryoflüssigkeit bezeichnet werden. Das Kryogen kann verdampft und so in eine gasförmige Phase überführt werden. Nach dem Verdampfen ist das Kryogen ein Gas oder kann als gasförmiges oder verdampftes Kryogen bezeichnet werden. Der Begriff "Kryogen" kann somit beides, nämlich die Gasphase und die Flüssigphase, umfassen. Wie zuvor erwähnt, kann die Flüssigphase auch als Kryoflüssigkeit bezeichnet werden. Der Begriff "verdampftes Kryogen" bezieht sich vorliegend bevorzugt nur auf die Gasphase des Kryogens.
In dem Speicherbehälter, insbesondere in dem Innenbehälter des Speicherbehälters, bildet sich nach oder bei einem Einfüllen des Kryogens in den Speicherbehälter eine Gaszone sowie eine darunterliegende Flüssigkeitszone. Der Speicherbehälter umschließt einen Innenraum, Aufnahmeraum oder Hohlraum zum Aufnehmen des Kryogens. Die Gaszone und die Flüssigkeitszone füllen den Innenraum aus. Die Heizeinrichtung ist insbesondere zumindest abschnittsweise innerhalb des Innenraums des Innenbehälters platziert. Zwischen der Gaszone und der Flüssigkeitszone ist eine Phasengrenze vorgesehen. Das Kryogen weist also nach dem Einfüllen in den Speicherbehälter vorzugsweise zwei Phasen mit unterschiedlichen Aggregatszuständen, nämlich flüssig und gasförmig, auf. Die flüssige Phase kann in die gasförmige Phase und umgekehrt übergehen. Die flüssige Phase kann als Flüssigphase bezeichnet werden. Die gasförmige Phase kann als Gasphase bezeichnet werden. Auch eine rein flüssige Befüllung des Speicherbehälters ist möglich.
Ein in dem Speicherbehälter herrschender Druck liegt bevorzugt bei etwa 3,5 bara. Der in dem Speicherbehälter herrschende Druck ist insbesondere konstant. Der Speicherbehälter ist insbesondere geeignet, einem Verbraucher die gasförmige Phase oder die flüssige Phase des Kryogens mit einem geeigneten Versorgungsdruck und einer geeigneten Temperatur zuzuführen. Der Verbraucher kann eine Brennstoffzelle sein. Unter einer "Brennstoffzelle" ist vorliegend insbesondere eine galvanische Zelle zu verstehen, welche die chemische Reaktionsenergie eines kontinuierlich zugeführten Brennstoffs, vorliegend Wasserstoff, und eines Oxidationsmittels, vorliegend Sauerstoff, in elektrische Energie wandelt. Das Kryogen wird dem Verbraucher selbst insbesondere in gasförmiger Form zugeführt. Das heißt, das Kryogen wird vor dem Verbraucher oder stromaufwärts des Verbrauchers vollständig verdampft beziehungsweise erwärmt, wenn eine direkte Zufuhr der gasförmigen Phase aus dem Speicherbehälter erfolgt. Beispielsweise wird das Kryogen den Verbraucher mit einem Versorgungsdruck von 1 bis 2,5 bara und einer Temperatur von +10°C bis +25°C zugeführt. Der Versorgungsdruck kann jedoch auch bis zu 6 bara betragen.
Dem Speicherbehälter ist vorzugsweise eine Mittel- oder Symmetrieachse zugeordnet, zu der der Speicherbehälter im Wesentlichen rotationssymmetrisch aufgebaut ist. Der Speicherbehälter kann somit im Querschnitt einen kreisförmigen oder ringförmigen Querschnitt aufweisen. Davon abweichend kann der Speicherbehälter jedoch im Querschnitt auch oval oder elliptisch sein. Der Innenbehälter und der Außenbehälter sind insbesondere ebenfalls jeweils rotationssymmetrisch zu der Symmetrieachse aufgebaut. Der Innenbehälter und der Außenbehälter umfassen jeweils einen rohrförmigen Basisabschnitt, der rotationssymmetrisch zu der Symmetrieachse aufgebaut ist. Stirnseitig sind der Innenbehälter und der Außenbehälter jeweils mit einem ersten Deckelabschnitt und einem zweiten Deckelabschnitt fluiddicht verschlossen. Der Innenbehälter und der Außenbehälter sind insbesondere fluiddicht. Der Innenbehälter und der Außenbehälter können beispielsweise aus einem metallischen Werkstoff, insbesondere aus Edelstahl, gefertigt sein. Der Innenbehälter ist vollständig innerhalb des Außenbehälters angeordnet. Das heißt insbesondere, dass der Außenbehälter den Innenbehälter vollständig umschließt.
Die Heizeinrichtung kann von einer Umgebung des Speicherbehälters ausgehend durch den Außenbehälter und den Innenbehälter bis in den Innenbehälter, insbesondere bis in die Flüssigkeitszone des Innenbehälters, hineingeführt sein. Die Heizeinrichtung kann hierzu beispielsweise durch die jeweiligen ersten Deckelabschnitte des Innenbehälters und des Außenbehälters hindurchgeführt werden. Insbesondere ist die Heizeinrichtung unterhalb der Phasengrenze in der Flüssigkeitszone platziert, so dass die Heizeinrichtung stets von der Flüssigphase des Kryogens umgeben oder umspült ist. Die Heizeinrichtung ist insbesondere dazu eingerichtet, Wärme direkt in die Flüssigphase des Kryogens einzubringen. Durch das Einbringen von Wärme in das Kryogen verdampft dieses zumindest teilweise, wodurch ein Druckaufbau innerhalb des Speicherbehälters, insbesondere innerhalb des Innenbehälters, erzielt werden kann.
Das Heizelement ist vorzugsweise ein Heizdraht oder ein Heizkabel oder umfasst einen Heizdraht oder ein Heizkabel. Insbesondere ist das Heizelement ein elektrisches Heizelement. Bevorzugt wandelt das Heizelement elektrische Energie in Wärme um. Dass die Außenhülle "fluiddicht" ist, bedeutet vorliegend insbesondere, dass kein Fluid, insbesondere keine Flüssigkeit oder kein Gas, aus der Außenhülle austreten beziehungsweise in die Außenhülle eintreten kann. Der Innenraum wird vollständig von der Außenhülle umschlossen. Der Innenraum kann teilweise außerhalb des Speicherbehälters, das heißt in der Umgebung, und teilweise innerhalb des Speicherbehälters, insbesondere innerhalb des Innenbehälters, angeordnet sein. Die Außenhülle ist vorzugsweise aus einem metallischen Werkstoff gefertigt.
Beispielsweise kann die Außenhülle aus Edelstahl oder aus einer Aluminiumlegierung gefertigt sein.
Vorzugsweise wird die Heizeinrichtung im blasenbildenden Regime betrieben. Das heißt insbesondere, dass die Heizeinrichtung derart betrieben wird, dass von der in die Flüssigphase eingetauchten Heizeinrichtung Blasen des verdampften Kryogens aufsteigen, welche während des Aufsteigens Wärme an die Flüssigphase abgeben, bis die Blasen aus der Flüssigphase in die Gasphase aufsteigen. Dies kann durch eine geeignete Einstellung oder Regelung einer Heizleistung der Heizeinrichtung erfolgen. Aufgrund des Betriebs im blasenbildenden Regime wird ein Filmsieden um die Heizeinrichtung herum vermieden. Bei dem Filmsieden erfolgt keine Blasenbildung. Es kann sich in diesem Fall eine unerwünschte Schicht der erwärmten Flüssigphase um die Heizeinrichtung bilden, die als wärmedämmender Flüssigkeitspuffer fungiert. Dies kann die Übertragung von Wärme nachteilig beeinflussen. Durch den Betrieb im blasenbildenden Regime kann das Filmsieden somit zuverlässig verhindert werden, was dazu führt, dass die Übertragung von Wärme von der Heizeinrichtung auf die Flüssigphase stets gewährleistet wird.
Im Gegensatz zu einleitend genannten Druckaufbauverdampfern ist die Heizeinrichtung derart aufgebaut, dass bei einer Leckage der Außenhülle das Kryogen die Außenhülle nicht verlässt. Es kann hierdurch ein Explosionsschutz erzielt werden. Eine optionale Drucküberwachung des Innenraums kann für eine Detektion von Leckagen an der Heizeinrichtung herangezogen werden. Es können dabei drei unterschiedliche mögliche Leckagen detektiert werden. Es ist möglich, Leckagen hin zu der Umgebung, Leckagen hin zu einem zwischen dem Innenbehälter und dem Außenbehälter angeordneten Vakuumraum sowie Leckagen hin zu dem Innenbehälter, insbesondere hin zu der Flüssigkeitszone, stets zuverlässig zu detektieren. Die Heizeinrichtung ist explosionsgeschützt. Die Heizeinrichtung ist auch für tiefkalte Temperaturen geeignet. Durch die zusätzliche Außenhülle können das Kryogen und das Heizelement sicher voneinander getrennt werden. Das Heizelement kontaktiert das Kryogen, insbesondere die Flüssigphase, somit nicht direkt.
Der Heizeinrichtung ist vorzugsweise eine Mittel- oder Symmetrieachse zugeordnet, zu der die Heizeinrichtung im Wesentlichen rotationssymmetrisch aufgebaut ist. Die Heizeinrichtung kann im Querschnitt kreisförmig oder zylinderförmig sein. Dies schließt jedoch nicht aus, dass die Heizeinrichtung im Querschnitt zumindest teilweise oval oder elliptisch sein kann. Das heißt insbesondere, dass die Heizeinrichtung einen ovalen Querschnitt aufweisen kann. Insbesondere ist die Außenhülle rotationssymmetrisch zu der Symmetrieachse aufgebaut. Bezüglich einer Schwerkraftrichtung betrachtet ist die Symmetrieachse der Heizeinrichtung unterhalb der Symmetrieachse des Speicherbehälters platziert. Demgemäß ist die Symmetrieachse des Speicherbehälters bezüglich der Schwerkraftrichtung oberhalb der Symmetrieachse der Heizeinrichtung angeordnet. Die Symmetrieachse der Heizeinrichtung und die Symmetrieachse des Speicherbehälters sind parallel zueinander und beabstandet voneinander angeordnet.
Bevorzugt wird als Metalloxid ein Metalloxidpulver eingesetzt. Als Metalloxide kommen beispielsweise Aluminiumoxid und/oder Magnesiumoxid zur Anwendung. Die Hülle ist insbesondere metallisch. Daher kann die Hülle auch als metallische Hülle oder als Metallhülle bezeichnet werden. Die Hülle ist insbesondere nicht stromführend. Die Hülle kann demgemäß als nicht stromführende oder nicht stromleitende Hülle, insbesondere als nicht stromführende oder nicht stromleitende metallische Hülle, bezeichnet werden. Die Hülle kann beispielsweise eine Edelstahlhülle sein. Die Heizeinrichtung ist demgemäß mit Hilfe der Außenhülle und der innerhalb der Außenhülle angeordneten Hülle doppelwandig oder doppelt eingekapselt ausgeführt. Die Heizeinrichtung kann daher als doppelwandige oder doppelt gekapselte Heizeinrichtung bezeichnet werden. Gemäß einer Ausführungsform wird ein Speicherbehälter zum Speichern eines Kryogens vorgeschlagen. Der Speicherbehälter umfasst einen Innenbehälter zum Aufnehmen des Kryogens, einen Außenbehälter, welcher den Innenbehälter umschließt, und eine zumindest abschnittsweise innerhalb des Innenbehälters angeordnete Heizeinrichtung zum Einbringen von Wärme in das Kryogen, wobei die Heizeinrichtung ein Heizelement zum Erzeugen der Wärme und eine Außenhülle aufweist, die einen Innenraum der Heizeinrichtung fluiddicht umschließt, wobei das Heizelement innerhalb des Innenraums aufgenommen ist.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist der Innenraum mit einem wärmeleitenden Medium gefüllt.
Das wärmeleitende Medium kann ein Gas sein. Die Begriffe "Medium" und "Gas" können daher beliebig gegeneinander getauscht werden. Optional kann auch zusätzlich ein Gas eingefüllt werden. Das wärmeleitende Medium kann auch eine Flüssigkeit sein oder aufweisen. Das wärmeleitende Medium kann eine Flüssigphase, eine feste Phase und eine Gasphase aufweisen. Das wärmeleitende Medium kann Teil der Heizeinrichtung sein. Mit Hilfe des wärmeleitenden Mediums wird eine Sicherstellung der Wärmeleitung zwischen dem Heizelement und der Außenhülle der Heizeinrichtung und somit zwischen dem Heizelement und der Flüssigphase des Kryogens verwirklicht. Als geeignetes Gas kann beispielsweise ein Inertgas eingesetzt werden. Das wärmeleitende Medium oder Gas kann Helium sein. Insbesondere ist das wärmeleitende Medium derart auszuwählen, dass über einen gesamten Betriebstemperaturbereich des Speicherbehälters kein Phasenwechsel des wärmeleitenden Mediums stattfindet. Insbesondere soll das wärmeleitende Medium nicht einfrieren oder ausfrieren. Alternativ kann auch ein Phasenwechsel des wärmeleitenden Mediums im Betrieb der Heizeinrichtung vorgesehen sein. Dies kann durch eine geeignete Auswahl des wärmeleitenden Mediums verwirklicht werden. Ein Befülldruck und das wärmeleitende Medium werden bevorzugt derart gewählt, dass bei einer minimalen Temperatur und einer maximalen Temperatur, die im Betrieb des Speicherbehälters auftreten können, eine Differenz zu einem Umgebungsdruck der Umgebung und zu einem Betriebsdruck des Speicherbehälters vorhanden ist. Diese zuvor erwähnte Differenz ermöglicht es, eine mögliche Undichtigkeit zwischen der Flüssigkeitszone und dem Innenraum der Außenhülle, zwischen dem Vakuumraum und dem Innenraum der Außenhülle und/oder zwischen der Umgebung und dem Innenraum der Außenhülle sicher detektieren zu können. Für den Fall, dass das Kryogen Wasserstoff ist, ist das wärmeleitende Medium vorzugsweise Helium. Durch die Verwendung von Helium als wärmeleitendes Medium, kann bei einem Betrieb des Speicherbehälters mit Wasserstoff ein Ausfrieren des wärmeleitenden Mediums zuverlässig verhindert werden. Als Fülldruck für den Innenraum der Außenhülle wird beispielsweise ein beliebiger Überdruck gewählt, der eine Leckageüberwachung ermöglicht. Bevorzugt wird als Fülldruck ein Druck zwischen 1 ,1 und 200 bar, insbesondere zwischen 5 und 10 bar, gewählt. Die Überwachung des Innenraums ermöglicht somit eine sicherheitstechnische Leckageüberwachung, um den Anforderungen zur Separierung elektrischer Systeme und Prozesssysteme und zur Separierung zu der Umgebung hin nach einschlägigen Regelwerken gerecht zu werden. Das Heizelement kann sich entlang einer Längsrichtung des Speicherbehälters, die entlang der Symmetrieachse orientiert ist, erstrecken.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die Heizeinrichtung von einer Umgebung des Speicherbehälters her durch den Außenbehälter und den Innenbehälter bis in eine von dem Innenbehälter umschlossene Flüssigkeitszone geführt.
Wie zuvor erwähnt, ist in dem Innenbehälter neben der Flüssigkeitszone die oberhalb der Flüssigkeitszone angeordnete Gaszone vorgesehen. Die Heizeinrichtung kann zumindest teilweise in der Gaszone angeordnet sein oder zumindest teilweise in die Gaszone hineinragen. Die Gaszone und die Flüssigkeitszone zusammen füllen den zuvor erwähnten Innenraum, Aufnahmeraum oder Hohlraum des Innenbehälters zum Aufnehmen des Kryogens aus. Insbesondere ragt die Heizeinrichtung in den Innenraum des Innenbehälters hinein. Vorzugsweise ist die Heizeinrichtung derart angeordnet, dass diese stets innerhalb der Flüssigkeitszone angeordnet oder platziert ist. Insbesondere ist die Heizeinrichtung bezüglich der Symmetrieachse des Speicherbehälters unterhalb dieser Symmetrieachse angeordnet. Die Heizeinrichtung ist insbesondere im Bereich eines Bodens oder einer Unterseite des Innenbehälters platziert.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die Außenhülle durch den Außenbehälter und den Innenbehälter geführt, wobei die Außenhülle stoffschlüssig und/oder formschlüssig mit dem Außenbehälter und dem Innenbehälter verbunden ist. Bei stoffschlüssigen Verbindungen werden die Verbindungspartner durch atomare oder molekulare Kräfte zusammengehalten. Stoffschlüssige Verbindungen sind nicht lösbare Verbindungen, die sich nur durch eine Zerstörung der Verbindungsmittel und/oder der Verbindungspartner wieder voneinander trennen lassen. Beispielsweise ist die Außenhülle in den Außenbehälter und/oder in den Innenbehälter eingelötet oder eingeschweißt. Als Lötverfahren kommt insbesondere Hartlöten in Betracht. Die Außenhülle kann auch mit dem Außenbehälter und/oder dem Innenbehälter verklebt sein. Insbesondere ist die Außenhülle durch einen der Deckelabschnitte, insbesondere den ersten Deckelabschnitt, des Außenbehälter und durch einen der Deckelabschnitte, insbesondere den ersten Deckelabschnitt, des Innenbehälters geführt, wobei die Außenhülle stoffschlüssig mit dem jeweiligen Deckelabschnitt verbunden ist. Es kann zusätzlich oder alternativ eine formschlüssige Verbindung vorgesehen sein. Eine formschlüssige Verbindung entsteht durch das Ineinander- oder Hintergreifen von mindestens zwei Verbindungspartnern. Es kann beispielsweise eine Schraubverbindung und/oder eine Flanschverbindung vorgesehen sein. Die Außenhülle kann somit mit dem Außenbehälter und dem Innenbehälter verschraubt und/oder an diese angeflanscht sein.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die Außenhülle einen in die Umgebung hineinragenden Endabschnitt auf, der mit Hilfe eines demontierbaren Verschlusselements fluiddicht verschlossen ist, wobei Anschlussleitungen des Heizelements durch das Verschlusselement hindurchgeführt sind.
Vorzugsweise weist die Außenhülle einen rohrförmigen Basisabschnitt auf, der endseitig einen in die Umgebung hineinragenden ersten Endabschnitt und einen in den Innenbehälter hineinragenden zweiten Endabschnitt aufweist. Der zweite Endabschnitt ist beispielsweise ein den Basisabschnitt stirnseitig verschließender Deckel. Der erste Endabschnitt ragt in die Umgebung hinein und ist mit Hilfe des Verschlusselements fluiddicht verschlossen. Das Verschlusselement kann beispielsweise plattenförmig sein. Während das Verschlusselement demontiert ist, kann beispielsweise das Heizelement in die Außenhülle hineingeschoben und aus dieser herausgezogen werden. Auch das wärmeleitende Medium kann grundsätzlich über den ersten Endabschnitt eingefüllt werden. Das Verschlusselement kann beispielsweise mit dem ersten Endabschnitt verschraubt sein. Das Verschlusselement kann Bohrungen oder Durchbrüche aufweisen, durch die die Anschlussleitungen des Heizelements hindurchgeführt sind. Zwischen dem ersten Endabschnitt und dem Verschlusselement kann ein Dichtelement, insbesondere in Form eines O-Rings, vorgesehen sein.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die Außenhülle einen in die Umgebung hineinragenden Anschluss auf, der mit dem Innenraum in Fluidverbindung ist, wobei der Anschluss fluiddicht verschlossen ist.
Über den Anschluss kann beispielsweise das wärmeleitende Medium in den Innenraum der Außenhülle eingefüllt werden. Der Anschluss kann hierzu ein geeignetes Ventil aufweisen. Mit Hilfe des Anschlusses kann auch eine Drucküberwachung des Innenraums erfolgen. Hierzu kann an dem Anschluss ein Sensor, insbesondere ein Drucksensor, vorgesehen sein. Der Anschluss kann eine Vielzahl unterschiedlicher Sensoren, wie beispielsweise Drucksensoren, Temperatursensoren, optische Sensoren, Sensoren, die geeignet sind, das Kryogen und/oder das wärmeleitende Medium zu detektieren, oder dergleichen, aufweisen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist an der Außenhülle zumindest eine Wärmeübertragungsschicht vorgesehen, die außenseitig an der Außenhülle angebracht ist.
Die Wärmeübertragungsschicht kann aus Kupfer gefertigt sein. Auch Aluminiumlegierungen sind als geeignete Werkstoffe für die Wärmeübertragungsschicht möglich. Die Wärmeübertragungsschicht kann ein Kupferblech oder eine Kupferplatte sein. Beispielsweise ist die Wärmeübertragungsschicht auf die Außenhülle aufgewickelt. Die Wärmeübertragungsschicht kann stoffschlüssig mit der Außenhülle verbunden sein. Beispielsweise ist die Wärmeübertragungsschicht auf die Außenhülle aufgelötet. Die Wärmeübertragungsschicht kann auch auf die Außenhülle aufgewickelt und nicht stoffschlüssig mit dieser verbunden sein, wobei zwei Endabschnitte der Wärmeübertragungsschicht miteinander verklemmt oder verschraubt sind, um die Wärmeübertragungsschicht mit der Außenhülle zu verbinden. Die Wärmeübertragungsschicht sorgt für eine gleichmäßige Wärmeübertragung. An der Wärmeübertragungsschicht kann eine Wärmeübertragungsplatte angeformt sein. In diesem Fall wird die Wärmeübertragungsplatte mit Hilfe der beiden miteinander verbundenen Endabschnitte der Wärmeübertragungsschicht gebildet. Das heißt insbesondere, dass ein erster Endabschnitt und ein zweiter Endabschnitt aneinander anliegen und zum Bilden der Wärmeübertragungsplatte miteinander verbunden sind. Die Wärmeübertragungsplatte kann auch ein separates Bauteil sein, das mit der Außenhülle oder der Wärmeübertragungsschicht verbunden ist. Die Wärmeübertragungsplatte ist vorzugsweise rippenförmig. Daher kann die Wärmeübertragungsplatte auch als Wärmeübertragungsrippe bezeichnet werden. An der Außenhülle oder an der Wärmeübertragungsschicht können mehrere Wärmeübertragungsplatten vorgesehen sein. Die Wärmeübertragungsplatte kann stoffschlüssig mit der Außenhülle oder der Wärmeübertragungsschicht verbunden sein. Beispielsweise ist die Wärmeübertragungsplatte mit der Außenhülle oder der Wärmeübertragungsschicht verlötet oder verschweißt. Mit Hilfe der Wärmeübertragungsplatte kann eine Wärmeübertragungsfläche der Heizeinrichtung vergrößert werden. Ferner sorgt die Wärmeübertragungsplatte auch dafür, dass bei einem niedrigem Flüssigkeitsstand des Kryogens in dem Speicherbehälter zumindest die Wärmeübertragungsplatte in die Flüssigphase des Kryogens hineinragt und so Wärme auf die Flüssigphase übertragen werden kann. Die Wärmeübertragungsplatte ist also stets von der Flüssigphase benetzt oder in diese eingetaucht. Hierdurch kann eine lokale Überhitzung vermieden werden. Vorzugsweise ist zumindest eine Wärmeübertragungsplatte zwischen der Außenhülle und dem Innenbehälter angebracht. Es kann eine beliebige Anzahl von Wärmeübertragungsplatten vorgesehen sein. Die Wärmeübertragungsplatte ist bevorzugt aus einem gut wärmeleitenden metallischen Werkstoff, wie beispielsweise einer Kupferlegierung oder einer Aluminiumlegierung, gefertigt.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die Heizeinrichtung ein Trägerelement auf, welches das Heizelement trägt.
Das Trägerelement ist insbesondere vollständig innerhalb des Innenraums der Außenhülle angeordnet. Das Trägerelement ist bevorzugt rohrförmig. Das Trägerelement kann auch als Trägerrohr bezeichnet werden. Vorzugsweise ist das Trägerelement aus einem wärmeleitenden Material gefertigt. Beispielsweise kann das Trägerelement aus einer Kupferlegierung oder aus einer Aluminiumlegierung gefertigt sein. Auch Stahl, insbesondere Edelstahl, kann für das Trägerelement eingesetzt werden. Alternativ kann das Trägerelement auch aus Glas, Glaskeramik oder Keramik gefertigt sein. In diesem Fall ist das Trägerelement selbst nicht oder zumindest nicht gut wärmeleitend. Für den Fall, dass das Trägerelement aus einem elektrisch leitenden Werkstoff gefertigt ist, kann das Heizelement ein Isolationselement aufweisen, welches das Heizelement elektrisch von dem Trägerelement isoliert. In diesem Fall kann das Heizelement beispielsweise einen elektrisch leitfähigen Heizdraht aufweisen, der von dem Isolationselement umgeben ist. Beispielsweise kann der zuvor erwähnte Heizdraht in Magnesiumoxidpulver eingebettet sein, welches von einer nicht stromführenden metallischen Hülle, beispielsweise einer Edelstahlhülle, umkapselt ist. Vorliegend kann unter dem Begriff "Heizelement" demgemäß ein metallischmineralisolierter Heizdraht verstanden werden. Die Heizeinrichtung kann derart an dem Trägerelement angebracht sein, dass sich die Heizeinrichtung linear entlang des Trägerrohrs beziehungsweise der Längsrichtung erstreckt. Alternativ kann das Heizelement auch auf das Trägerelement aufgewickelt sein. Das Trägerelement ist optional. Alternativ kann das Heizelement auch ohne Trägerelement in der Außenhülle aufgenommen sein.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist das Trägerelement eine Außenseite mit einer schraubenförmig um das Trägerelement umlaufenden Nut auf, in der das Heizelement zumindest abschnittsweise aufgenommen ist.
In diesem Fall ist das Heizelement auf das Trägerelement aufgewickelt. Das Heizelement ist insbesondere elastisch verformbar. Das heißt, dass das Heizelement wie ein Seil oder ein Draht beschädigungsfrei auf das Trägerelement aufgewickelt sein kann. Die Nut kann auch als spiralförmig oder schneckenförmig bezeichnet werden. Die Nut kann auch als Haltenut oder Aufnahmenut bezeichnet werden. Die Nut ist optional. Das heißt, dass das Heizelement auch ohne die Nut auf das Trägerelement aufgewickelt sein kann. Die Nut ist zumindest abschnittsweise zylinderförmig. Das Heizelement weist insbesondere einen kreisförmigen oder kreisrunden Querschnitt auf. Hierdurch ist ein flächiger Kontakt zwischen dem Heizelement und der Nut gewährleistet. Dies verbessert die Übertragung von Wärme von dem Heizelement auf das Trägerelement. Das Heizelement und/oder das Trägerelement wiederum gibt Wärme an das wärmeleitende Medium ab, welches Wärme an die Außenhülle abgibt, die wiederum Wärme an die Flüssigphase des Kryogens abgibt, um die Flüssigphase zumindest teilweise zu verdampfen. Die Nut ist optional. Das Heizelement kann auch ohne die Nut auf das Trägerelement aufgewickelt sein. Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist zwischen dem Trägerelement und der Außenhülle ein umfänglich um das Trägerelement umlaufender Spalt vorgesehen.
Der Spalt ist insbesondere Teil des Innenraums der Außenhülle. Der Spalt ist insbesondere vollständig mit dem wärmeleitenden Medium gefüllt. Insbesondere ist das Trägerelement mittig in der Außenhülle platziert. Hierzu können beispielsweise Stützfüße vorgesehen sein, welche das Trägerelement an der Außenhülle abstützen. Die Stützfüße sind in dem Spalt platziert. Die Stützfüße sind vorzugsweise thermisch schlecht oder nichtleitend, so dass die Wärme von dem Heizelement und/oder dem Trägerelement bevorzugt nur mit Hilfe des wärmeleitenden Mediums auf die Außenhülle übertragen wird. Hierdurch kann eine ungleichmäßige Temperaturverteilung außenseitig an der Außenhülle verhindert oder zumindest vermindert werden. Die Stützfüße können jedoch auch thermisch leitend sein. Der Spalt verhindert insbesondere einen direkten Kontakt des Trägerelements und/oder des Heizelements mit der Außenhülle. Hierdurch kann eine lokale Überhitzung vermieden werden, die ansonsten zu einer Beschädigung der Heizeinrichtung führen könnte. "Umfänglich" heißt in diesem Zusammenhang entlang einer Umfangsrichtung der Heizeinrichtung betrachtet. Unter der "Umfangsrichtung" ist vorliegend eine rotatorische Richtung oder Raumrichtung zu verstehen, die um die Symmetrieachse der Heizeinrichtung herum orientiert ist. Der Spalt ist optional. Der Spalt kann konstruktivbedingt notwendig sein, damit das Trägerelement mit dem umwickelten Heizelement in die Außenhülle eingeschoben werden kann. Um die Wärmeleitung zu der Außenhülle sicherzustellen, wird das wärmeleitende Medium benötigt. Alternativ kann das Trägerelement innenseitig an der Außenhülle anliegen. Hierdurch kann die Wärmeübertragung verbessert werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist das Trägerelement rohrförmig und weist eine zylinderförmige Innenseite auf.
Wie zuvor erwähnt, kann das Trägerelement auch als Trägerrohr bezeichnet werden. Die Innenseite kann beispielsweise mit Hilfe einer sich durch das gesamte Trägerelement erstreckenden Bohrung oder Ausnehmung verwirklicht werden. Insbesondere weist das Trägerelement außenseitig die zylinderförmige Außenseite auf, an der die umlaufende Nut vorgesehen ist. Dabei ist die Innenseite der Außenseite des Trägerelements abgewandt. Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die Heizeinrichtung zumindest einen Temperatursensor auf, der innerhalb des Trägerelements angeordnet ist.
Der Temperatursensor kann auch als Temperaturaufnehmer bezeichnet werden. Der Temperatursensor ist insbesondere innerhalb des Innenraums der Außenhülle platziert. Es können mehrere Temperatursensoren vorgesehen sein. Der Temperatursensor eignet sich zur Temperaturüberwachung und/oder zur Funktionskontrolle des Heizelements. Mit Hilfe des Temperatursensors kann insbesondere eine Überhitzung des Heizelements verhindert werden. Ferner kann mit Hilfe des Temperatursensors auch die Menge an in die Flüssigphase des Kryogens eingebrachter Wärme erfasst und/oder geregelt werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die Heizeinrichtung ein innerhalb des Trägerelements angeordnetes Befestigungselement zum Befestigen des Temperatursensors an dem Trägerelement auf, wobei der Temperatursensor in das Befestigungselement eingesteckt ist.
Das Befestigungselement ist insbesondere rohrförmig oder hülsenförmig. Daher kann das Befestigungselement auch als Befestigungsrohr oder als Befestigungshülse bezeichnet werden. Insbesondere weist das Befestigungselement eine zylinderförmige Außenfläche auf, die an der zylinderförmigen Innenfläche des Trägerelements anliegen kann. Beispielsweise ist das Befestigungselement in das Trägerelement eingepresst. Das Befestigungselement weist ferner insbesondere eine zylinderförmige Innenfläche auf, die der Außenfläche abgewandt ist. Die Innenfläche kann beispielsweise durch eine das gesamte Befestigungselement durchlaufende Bohrung oder Ausnehmung verwirklicht werden. Das Befestigungselement weist vorzugsweise eine Aufnahmebohrung auf, in die der Temperatursensor eingesteckt ist. Es können mehrere Aufnahmebohrungen für mehrere Temperatursensoren vorgesehen sein. Der Temperatursensor kann mit Hilfe einer Wärmeleitpaste mit dem Trägerelement thermisch gekoppelt werden. Das Trägerelement ist vorzugsweise aus einem wärmeleitenden Werkstoff gefertigt. Beispielsweise ist das Trägerelement aus einer Aluminiumlegierung oder aus einer Kupferlegierung gefertigt. Dadurch, dass der Temperatursensor innerhalb des Trägerelements angeordnet ist, ist es möglich, den Bauraum der Heizeinrichtung zu verkleinern. Im Vergleich zu einer Anordnung, bei der der Temperatursensor außenseitig an dem Trägerelement vorgesehen ist, kann vorteilhafterweise eine Unterbrechung von Kontaktflächen zwischen dem Trägerelement und dem Heizelement vermieden werden. Hierdurch kann zuverlässig eine unerwünschte ungleichmäßige Temperaturverteilung entlang des Heizelements vermieden werden. Die Messung der Temperatur mit Hilfe des Temperatursensors erfolgt vorzugsweise im Wesentlichen ausschließlich mit Hilfe von Wärmeleitung. Mit anderen Worten liegt der Temperatursensor nicht direkt an dem Heizelement an. Um die Temperatur an dem Heizelement zu messen, ist das Befestigungselement aus einem stark wärmeleitenden Material gefertigt. Das Befestigungselement füllt bevorzugt einen gesamten Raum zwischen dem das Heizelement tragenden Trägerelement und dem Temperatursensor aus.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist das Befestigungselement fluiddurchlässig.
Hierdurch ist es möglich, dass das wärmeleitende Medium durch das Trägerelement hindurchtreten kann. Hierdurch wird die Bildung unterschiedlicher Druckräume innerhalb der Außenhülle zuverlässig verhindert. Das Trägerelement kann vorzugsweise eine wie zuvor erwähnte mittige Bohrung aufweisen, welche das Trägerelement vollständig durchbricht. Alternativ können auch mehrere einzelne Bohrungen vorgesehen sein. Mit Hilfe des Trägerelements ist eine platzsparende Temperaturmessung an jedem gewünschten Bereich des Heizelements möglich. Es wird ein maximaler Wärmeübergang zwischen dem Heizelement und dem Temperatursensor sichergestellt. Ferner wird ein definierter sicherer Kontakt zwischen dem Heizelement und dem Temperatursensor sichergestellt. Die Ausbildung von zwei separaten Volumina oder Druckräumen innerhalb des Innenraums der Außenhülle wird dadurch verhindert, dass das Trägerelement fluiddurchlässig ist. Hierzu können Ausgleichsbohrungen vorgesehen sein. Im Vergleich zu dem Heizelement wird das Befestigungselement bevorzugt mit einer minimalen Wandstärke ausgeführt. Hierdurch kann eine Zeitverzögerung bei der Temperaturmessung klein gehalten werden. Das Befestigungselement wird auf guten thermischen Kontakt zu dem Trägerelement gefertigt. Eine Passung zwischen dem Befestigungselement und dem Trägerelement wird entsprechend der minimalen und maximalen Betriebstemperatur und der eingesetzten Materialien so gewählt, dass über den gesamten Temperaturbereich, der im Betrieb des Speicherbehälters auftritt, eine ausreichende Pressung zwischen dem Befestigungselement und dem Trägerelement gewährleistet ist. Das Befestigungs- element kann mit einer zusätzlichen Vorspanneinrichtung, insbesondere einer Schraubspanneinrichtung, versehen sein, um den Einbau des Befestigungselements zu erleichtern. In einem eingebauten Zustand können beispielsweise zwei Teile des Befestigungselements lose ineinandergesteckt und ausgerichtet werden. Das Befestigungselement kann mit einer zusätzlichen internen Spanneinrichtung versehen sein, die einen Anpressdruck zwischen dem Befestigungselement und dem Trägerelement über einen weiten Temperaturbereich sicherstellt. Die Spanneinrichtung kann mit der Vorspanneinrichtung kombiniert werden.
Ferner wird ein Kryogenversorgungssystem zum Versorgen eines Verbrauchers mit einem Kryogen vorgeschlagen. Das Kryogenversorgungssystem umfasst zumindest einen wie zuvor erläuterten Speicherbehälter.
Alternativ kann das Kryogenversorgungssystem mehrere Speicherbehälter umfassen. Das Kryogenversorgungssystem kann auch als Wasserstoffversorgungssystem bezeichnet werden. Das heißt insbesondere, dass die Begriffe "Kryogenversorgungssystem" und "Wasserstoffversorgungssystem" beliebig gegeneinander getauscht werden können. Der Verbraucher kann eine wie zuvor erwähnte Brennstoffzelle sein. Das Kryogenversorgungssystem kann einen Verdampfer aufweisen, der dazu geeignet ist, dem Speicherbehälter entnommenes flüssiges Kryogen zu verdampfen und dem Verbraucher mit dem geeigneten Versorgungsdruck und einer geeigneten Temperatur zuzuführen. Der Verbraucher kann Teil des Kryogenversorgungssystems sein. Das Kryogenversorgungssystem kann Teil eines Fahrzeugs, insbesondere eines Landfahrzeugs, eines Wasserfahrzeugs oder eines Luftfahrzeugs, sein.
Die für den Speicherbehälter erläuterten Ausführungsformen und Erläuterungen gelten für das Kryogenversorgungssystem entsprechend und umgekehrt.
"Ein" ist vorliegend nicht zwingend beschränkend auf genau ein Element zu verstehen. Vielmehr können auch mehrere Elemente, wie beispielsweise zwei, drei oder mehr, vorgesehen sein. Auch jedes andere hier verwendete Zählwort ist nicht dahingehend zu verstehen, dass eine Beschränkung auf genau die genannte Anzahl an Elementen gegeben ist. Vielmehr sind zahlenmäßige Abweichungen nach oben und nach unten möglich, soweit nichts Gegenteiliges angegeben ist. Weitere mögliche Implementierungen des Speicherbehälters und/oder des Kryogenversorgungssystems umfassen auch nicht explizit genannte Kombinationen von zuvor oder im Folgenden bezüglich der Ausführungsbeispiele beschriebenen Merkmalen oder Ausführungsformen. Dabei wird der Fachmann auch Einzelaspekte als Verbesserungen oder Ergänzungen zur jeweiligen Grundform des Speicherbehälters und/oder des Kryogenversorgungssystems hinzufügen.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Aspekte des Speicherbehälters und/oder des Kryogenversorgungssystems sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispiele des Speicherbehälters und/oder des Kryogenversorgungssystems. Im Weiteren werden der Speicherbehälter und/oder das Kryogenversorgungssystem anhand von bevorzugten Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beigelegten Figuren näher erläutert.
Fig. 1 zeigt eine schematische Schnittansicht einer Ausführungsform eines Speicherbehälters;
Fig. 2 zeigt die Detailansicht II gemäß der Fig. 1 ; und
Fig. 3 zeigt eine schematische Schnittansicht gemäß der Schnittlinie lll-lll der Fig. 2.
In den Figuren sind gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit denselben Bezugszeichen versehen worden, sofern nichts anderes angegeben ist.
Die Fig. 1 zeigt eine schematische Schnittansicht einer Ausführungsform eines Speicherbehälters 1 . Die Fig. 2 zeigt die Detailansicht II gemäß der Fig. 1 . Die Fig. 3 zeigt eine schematische Schnittansicht gemäß der Schnittlinie lll-lll der Fig. 2. Nachfolgend wird auf die Fig. 1 bis 3 gleichzeitig Bezug genommen.
Der Speicherbehälter 1 kann auch als Speichertank bezeichnet werden. Der Speicherbehälter 1 ist zur Aufnahme von flüssigem Wasserstoff H2 (Siedepunkt 1 bara: 20,268 K = -252,882 °C) geeignet. Daher kann der Speicherbehälter 1 auch als Wasserstoff-Speicherbehälter oder als Wasserstoff-Speichertank bezeichnet werden. Der Speicherbehälter 1 kann jedoch auch für andere kryogene Flüssigkeiten eingesetzt werden. Beispiele für kryogene Fluide oder Flüssigkeiten, oder kurz Kryogene, sind neben dem zuvor erwähnten flüssigen Wasserstoff H2 flüssiges Helium He (Siedepunkt 1 bara: 4,222 K = -268,928 °C), flüssiger Stickstoff N2 (Siedepunkt 1 bara: 77,35 K = -195,80 °C) oder flüssiger Sauerstoff 02 (Siedepunkt 1 bara: 90,18 K = - 182,97 °C).
Der Speicherbehälter 1 ist für einen Einsatz in oder an einem Fahrzeug (nicht gezeigt) geeignet. Das Fahrzeug kann beispielsweise ein maritimes Wasserfahrzeug, insbesondere ein Schiff, sein. Das Fahrzeug kann als maritimes Fahrzeug bezeichnet werden. Insbesondere kann das Fahrzeug eine maritime Personenfähre sein. Alternativ kann das Fahrzeug auch ein Landfahrzeug sein. Nachfolgend wird jedoch davon ausgegangen, dass das Fahrzeug ein Wasserfahrzeug ist.
Das Fahrzeug kann einen Verbraucher 2, insbesondere eine Brennstoffzelle, aufweisen. Unter einer "Brennstoffzelle" ist vorliegend eine galvanische Zelle zu verstehen, welche die chemische Reaktionsenergie eines kontinuierlich zugeführten Brennstoffs, vorliegend Wasserstoff, und eines Oxidationsmittels, vorliegend Sauerstoff, in elektrische Energie wandelt. Mit Hilfe der erhaltenen elektrischen Energie kann beispielsweise ein nicht gezeigter Elektromotor angetrieben werden, der wiederum eine Schiffsschraube zum Antreiben des Fahrzeugs antreibt. Zum Versorgen des Verbrauchers 2 mit Wasserstoff H2 ist der Speicherbehälter 1 vorgesehen.
Der Speicherbehälter 1 kann Teil eines Kryogenversorgungssystems 3 sein, das geeignet ist, dem Verbraucher 2, der vorliegend bevorzugt eine Brennstoffzelle ist, gasförmigen Wasserstoff H2 mit einem definierten Versorgungsdruck und einer definierten Versorgungstemperatur bereitzustellen. Beispielsweise wird der Wasserstoff H2 dem Verbraucher 2 gasförmig mit einem Versorgungsdruck von beispielsweise 1 bis 2,5 bara und einer Temperatur von beispielsweise 0 bis +70 °C, insbesondere von +10 bis +25 °C, zugeführt. Der Versorgungsdruck kann jedoch auch bis zu 6 bara betragen. Das Kryogenversorgungssystem 3 kann als Wasserstoffversorgungssystem bezeichnet werden. Das Kryogenversorgungssystem 3 kann neben dem Speicherbehälter 1 einen Verdampfer (nicht gezeigt) aufweisen, der geeignet ist, den flüssigen Wasserstoff H2 zu verdampfen und dem Verbraucher 2 zuzuführen. Der Speicherbehälter 1 ist rotationssymmetrisch zu einer Mittel- oder Symmetrieachse
4 aufgebaut. Dabei kann die Symmetrieachse 4 senkrecht zu einer Schwerkraftrichtung g orientiert sein. Das heißt, der Speicherbehälter 1 ist liegend oder horizontal positioniert. Alternativ kann die Symmetrieachse 4 auch parallel zu der Schwerkraftrichtung g orientiert sein. Das heißt, der Speicherbehälter 1 kann auch stehend oder vertikal positioniert sein.
Dem Speicherbehälter 1 ist ein Koordinatensystem mit einer ersten Raumrichtung, Längenrichtung oder x-Richtung x, einer zweiten Raumrichtung, Hochrichtung oder y- Richtung y und einer dritten Raumrichtung, Tiefenrichtung oder z-Richtung z zugeordnet. Die Richtungen x, y, z sind senkrecht zueinander orientiert. Die Symmetrieachse 4 ist parallel zu der x-Richtung x platziert. Dem Speicherbehälter 1 ist eine Längsrichtung L zugeordnet, die mit der x-Richtung x übereinstimmen kann.
Der Speicherbehälter 1 umfasst einen rotationssymmetrisch zu der Symmetrieachse aufgebauten Außenbehälter 5 sowie einen rotationssymmetrisch zu der Symmetrieachse 4 aufgebauten Innenbehälter 6. Der Innenbehälter 6 ist dabei vollständig innerhalb des Außenbehälters 5 angeordnet. Zwischen dem Außenbehälter
5 und dem Innenbehälter 6 ist ein zumindest abschnittsweise spaltförmiger Vakuumraum 7 vorgesehen. In dem Vakuumraum 7 herrscht im Vergleich zu einer Umgebung 8 des Speicherbehälters 1 ein Unterdrück. Die Umgebung 8 kann auch als Atmosphäre bezeichnet werden. Das heißt, dass die Begriffe "Umgebung" und "Atmosphäre" beliebig gegeneinander getauscht werden können. In dem Vakuumraum 7 kann ein Dämmungselement oder Isolierelement vorgesehen sein, das den Vakuumraum 7 zumindest teilweise oder vollständig ausfüllt. Das Isolierelement kann eine mehrlagige Isolationsschicht (Engl.: Multilayer Insulation, MLI) aufweisen oder als solche ausgebildet sein. Der Außenbehälter 5 und/oder der Innenbehälter 6 können beispielsweise aus Edelstahl gefertigt sein.
Der Außenbehälter 5 umfasst einen rohr- oder zylinderförmigen Basisabschnitt 9, der rotationssymmetrisch zu der Symmetrieachse 4 aufgebaut ist. Der Basisabschnitt 9 ist stirnseitig beidseits jeweils mit Hilfe eines ersten Deckelabschnitts 10 und eines zweiten Deckelabschnitts 11 verschlossen. Der Basisabschnitt 9 kann im Querschnitt eine kreisrunde oder annähernd kreisrunde Geometrie aufweisen. Die Deckelabschnitte 10, 11 sind gewölbt. Die Deckelabschnitte 10, 11 sind gegensinnig gewölbt, so dass der erste Deckelabschnitt 10 und der zweite Deckelabschnitt 11 bezüglich des Basisabschnitts 9 nach außen gewölbt sind. Der Außenbehälter 5 ist fluiddicht, insbesondere gasdicht. Die Längsrichtung L ist von dem ersten Deckelabschnitt 10 in Richtung des zweiten Deckelabschnitts 11 orientiert.
Der Innenbehälter 6 umfasst, wie der Außenbehälter 5, einen rohr- oder zylinderförmigen Basisabschnitt 12, der rotationssymmetrisch zu der Symmetrieachse 4 aufgebaut ist. Der Basisabschnitt 12 ist beidseitig von einem ersten Deckelabschnitt 13 und einem zweiten Deckelabschnitt 14 verschlossen. Der Basisabschnitt 12 kann im Querschnitt eine kreisrunde oder annähernd kreisrunde Geometrie aufweisen. Die Deckelabschnitte 13, 14 sind gewölbt. Insbesondere sind der erste Deckelabschnitt 13 und der zweite Deckelabschnitt 14 gegensinnig gewölbt, so dass der erste Deckelabschnitt 13 und der zweite Deckelabschnitt 14 bezüglich des Basisabschnitts 12 nach außen gewölbt sind. Der Innenbehälter 6 ist fluiddicht, insbesondere gasdicht. Der Außenbehälter 5 und/oder der Innenbehälter 6 können ein nicht gezeigtes Abblasventil aufweisen. Die Längsrichtung L ist von dem ersten Deckelabschnitt 13 in Richtung des zweiten Deckelabschnitts 14 orientiert.
In dem Innenbehälter 6 ist der flüssige Wasserstoff H2 aufgenommen. Der Innenbehälter 6 umschließt einen Innenraum 15, in dem der flüssige Wasserstoff H2 aufgenommen ist. In dem Innenbehälter 6 beziehungsweise in dem Innenraum 15 können, solange sich der Wasserstoff H2 im Zweiphasengebiet befindet, eine Gaszone 16 mit verdampften Wasserstoff H2 und eine Flüssigkeitszone 17 mit flüssigem Wasserstoff H2 vorgesehen sein. Der Wasserstoff H2 weist also nach dem Einfüllen in den Innenbehälter 6 beziehungsweise in den Innenraum 15 zwei Phasen mit unterschiedlichen Aggregatzuständen, nämlich flüssig und gasförmig, auf. Das heißt, in dem Innenbehälter 6 beziehungsweise in dem Innenraum 15 befindet sich eine Phasengrenze 18 zwischen dem flüssigen Wasserstoff H2 und dem gasförmigen Wasserstoff H2. Die Gaszone 16 und die Flüssigkeitszone 17 füllen gemeinsam den Innenraum 15 aus. Der Innenraum 15 kann als Behälterinnenraum bezeichnet werden.
Der Speicherbehälter 1 umfasst eine Heizeinrichtung 19. Die Heizeinrichtung 19 ist ausschnittsweise in den Fig. 2 und 3 gezeigt. Die Heizeinrichtung 19 ist dazu eingerichtet, Wärme Q in den flüssigen Wasserstoff H2 einzubringen. Die Heizeinrichtung 19 wird elektrisch betrieben. Daher kann die Heizeinrichtung 19 auch als elektrische Heizeinrichtung oder als Heizer, insbesondere als elektrischer Heizer, bezeichnet werden. Die Heizeinrichtung 19 ragt durch die ersten Deckelabschnitte 10, 13 von der Umgebung 8 her in den Innenbehälter 6, insbesondere in die Flüssigkeitszone 17, hinein. Der in den Innenbehälter 6 beziehungsweise in den Innenraum 15 hineinragende Teil der Heizeinrichtung 19 ist bevorzugt von dem flüssigen Wasserstoff H2 der Flüssigkeitszone 17 umspült.
Die Heizeinrichtung 19 ist rotationssymmetrisch zu einer Mittel- oder Symmetrieachse
20 aufgebaut. Die Symmetrieachse 20 kann parallel zu der Symmetrieachse 4 orientiert sein. Dabei ist die Symmetrieachse 20 bezüglich der y-Richtung y oder der Schwerkraftrichtung g betrachtet unterhalb der Symmetrieachse 4 platziert. Der Heizeinrichtung 19 ist ferner eine Radialrichtung R zugeordnet. Die Radialrichtung R ist senkrecht zu der Symmetrieachse 20 und von dieser weg orientiert.
Die Heizeinrichtung 19 umfasst eine fluiddichte Außenhülle 21 . Die Außenhülle 21 ist rohrförmig und kann daher auch als Außenrohr bezeichnet werden. Die Außenhülle 21 ist bevorzugt aus einem metallischen Werkstoff, bevorzugt aus Edelstahl, gefertigt sein. Die Außenhülle 21 ist bevorzugt aus einem gut wärmeleitenden Material gefertigt. Die Außenhülle 21 ist durch die beiden ersten Deckelabschnitte 10, 13 bis in die Flüssigkeitszone 17 geführt. Das heißt, dass die Außenhülle 21 teilweise in die Umgebung 8 und teilweise in den Innenbehälter 6, insbesondere in die Flüssigkeitszone 17, hineinragt. Die Außenhülle 21 kann in die ersten Deckelabschnitte 10, 13 eingelötet oder eingeschweißt sein. Die Außenhülle 21 kann auch aus einer Kupferlegierung, einer Aluminiumlegierung, Glas, Glaskeramik oder Keramik gefertigt sein.
Die Außenhülle 21 ist rotationssymmetrisch zu der Symmetrieachse 20 aufgebaut. Die Außenhülle 21 kann im Querschnitt kreisrund sein. Abweichend davon kann die Außenhülle 21 im Querschnitt auch leicht oval oder elliptisch sein. In einer Umfangsrichtung U betrachtet läuft die Außenhülle 21 vollständig um die Symmetrieachse 20 um. Die Außenhülle 21 ist also umfänglich geschlossen. Die Umfangsrichtung U ist um die Symmetrieachse 20 herum und entlang der Außenhülle
21 orientiert. Die Außenhülle 21 umschließt einen Innenraum 22. Der Innenraum 22 kann als Innenraum der Außenhülle 21 oder als Innenraum der Heizeinrichtung 19 bezeichnet werden. Der Innenraum 22 kann auch als Heizungsinnenraum bezeichnet werden. Der Innenraum 22 ist mit einem wärmeleitenden Medium gefüllt. Das wärmeleitende Medium ist bevorzugt ein Gas, insbesondere Helium He. Die Außenhülle 21 ist fluiddicht.
Die Außenhülle 21 umfasst einen rohrförmigen Basisabschnitt 23, der rotationsymmetrisch zu der Symmetrieachse 20 aufgebaut ist. Neben dem Basisabschnitt 23 umfasst die Außenhülle 21 einen ersten Endabschnitt 24, der in die Umgebung 8 hineinragt und mit Hilfe eines plattenförmigen Verschlusselements 25 fluiddicht verschlossen ist. Dem ersten Endabschnitt 24 abgewandt ist ein zweiter Endabschnitt 26 vorgesehen, der deckelförmig ist und den Basisabschnitt 23 stirnseitig fluiddicht verschließt. Der zweite Endabschnitt 26 ist innerhalb der Flüssigkeitszone 17 platziert.
An der Außenhülle 21 , insbesondere an dem Basisabschnitt 23, kann zumindest eine Wärmeübertragungsplatte 27 vorgesehen sein, die sich in der Radialrichtung R von dem Basisabschnitt 23 weg erstreckt. Die Wärmeübertragungsplatte 27 dient der Oberflächenvergrößerung, so dass die Übertragung von Wärme Q von der Heizeinrichtung 19 auf den Wasserstoff H2 verbessert wird. Die Wärmeübertragungsplatte 27 ist rippenförmig und kann daher auch als Wärmeübertragungsrippe bezeichnet werden. Es können mehrere Wärmeübertragungsplatten 27 vorgesehen sein.
Außerhalb des Außenbehälters 5 weist die Außenhülle 21 einen Anschluss 28 auf, der fluiddicht verschlossen werden kann. Mit Hilfe des Anschlusses 28 kann beispielsweise der Innenraum 22 mit Helium He befüllt werden. Ferner kann der Anschluss 28 auch zum Überwachen der Heizeinrichtung 19 eingesetzt werden. Beispielsweise kann über den Anschluss 28 ein Druckabfall oder Druckanstieg in dem Innenraum 22 detektiert werden. Der Anschluss 28 ist außerhalb des Speicherbehälters 1 in der Umgebung 8 platziert.
Neben der Außenhülle 21 weist die Heizeinrichtung 19 ein rohrförmiges Trägerelement 29 auf, das ein drahtförmiges Heizelement 30 trägt. Das Trägerelement 29 kann auch als Trägerrohr bezeichnet werden. Das Trägerelement 29 ist rotationssymmetrisch zu der Symmetrieachse 20 aufgebaut. Das Trägerelement 29 ist aus einem gut wärmeleitendem Material gefertigt. Beispielsweise ist das Trägerelement 29 aus einem metallischen Werkstoff, insbesondere aus einer Kupferlegierung oder aus einer Aluminiumlegierung, gefertigt. Das Trägerelement 29 kann jedoch auch aus Glas, einer Glaskeramik oder einer Keramik gefertigt sein.
Das Trägerelement 29 kann ein einstückiges, insbesondere ein materialeinstückiges, Bauteil sein. "Einstückig" oder "einteilig" heißt dabei, dass das Trägerelement 29 ein einziges Bauteil ist, das nicht aus mehreren Unterbauteilen oder Komponenten zusammengesetzt ist. "Materialeinstückig" bedeutet vorliegend insbesondere, dass das Trägerelement 29 durchgehend aus demselben Material gefertigt ist. Alternativ kann das Trägerelement 29 auch mehrteilig oder mehrstückig sein. In diesem Fall ist das Trägerelement 29 aus mehreren Unterbauteilen oder Komponenten aufgebaut.
Das Trägerelement 29 erstreckt sich in der Längsrichtung L in den Innenbehälter 6 hinein. Dabei ist das Trägerelement 29 vorzugsweise vollständig innerhalb des Außenbehälters 5 angeordnet. In der Umfangsrichtung U betrachtet ist das Trägerelement 29 vollumfänglich geschlossen. Das Trägerelement 29 ist in der Außenhülle 21 aufgenommen. Das heißt insbesondere, dass das Trägerelement 29 in dem Innenraum 22 platziert ist. Vorzugsweise ist das Trägerelement 29 bezüglich der Symmetrieachse 20 mittig platziert, so dass in der Umfangsrichtung U ein mit dem Helium He gefüllter Spalt 31 vorgesehen ist, der vollständig um das Trägerelement 29 herumläuft. Der Spalt 31 kann eine Spaltbreite von 0,5 bis 1 Millimeter aufweisen. Die Spaltbreite wird so klein wie möglich und so groß wie nötig gewählt, um das Trägerelement 29 mit dem Heizelement 30 in die Außenhülle 21 einschieben zu können. Der Spalt 31 ist Teil des Innenraums 22. Der Spalt 31 ist optional. Alternativ kann das Trägerelement 29 innenseitig an der Außenhülle 21 anliegen. Hierdurch kann die Wärmeübertragung verbessert werden.
Eine zylinderförmige Außenseite 32 des Trägerelements 29 weist zu der Außenhülle 21 hin. Der Spalt 31 ist zwischen der Außenseite 32 und der Außenhülle 21 vorgesehen. An der Außenseite 32 ist eine in der Umfangsrichtung U schneckenförmig oder schraubenförmig um das Trägerelement 29 umlaufende Nut 33 vorgesehen, die das Heizelement 30 aufnimmt. Das Heizelement 30 ist bevorzugt ein Heizdraht, der auf das Trägerelement 29 aufgewickelt ist. Für den Fall, dass das Trägerelement 29 aus einem elektrisch leitenden Werkstoff gefertigt ist, kann das Heizelement 30 eine elektrische Isolierung aufweisen, die das Heizelement 30 gegenüber dem Trägerelement 29 elektrisch isoliert. Beispielsweise kann der zuvor erwähnte Heizdraht in Magnesiumoxidpulver eingebettet sein, welches von einer nicht stromführenden metallischen Hülle, beispielsweise einer Edelstahlhülle, umkapselt ist. Vorliegend kann unter dem Begriff "Heizelement" demgemäß ein metallisch-mineralisolierter Heizdraht verstanden werden. Die Nut 33 ist optional. Das Heizelement 30 kann auch ohne die Nut 33 auf das Trägerelement 29 aufgewickelt sein.
Eine zylinderförmige Innenseite 34 des Trägerelements 29 weist von der Außenseite 32 weg. Die Innenseite 34 läuft in der Umfangsrichtung U um die Symmetrieachse 20 um. Die Innenseite 34 kann durch eine mittig durch das Trägerelement 29 hindurchgeführte Bohrung verwirklicht werden. Das Heizelement 30 weist elektrische Anschlussleitungen 35, 36 auf, die durch das Verschlusselement 25 hindurch zu einer Steuer- und Regeleinrichtung 37 geführt werden. Die Steuer- und Regeleinrichtung 37 kann das Heizelement 30 bestromen und so eine Menge der in den Wasserstoff H2 eingebrachten Wärme Q steuern. Die Steuer- und Regeleinrichtung 37 kann Teil des Speicherbehälters 1 und/oder des Kryogenversorgungssystems 3 sein.
Die Heizeinrichtung 19 weist zumindest einen Temperatursensor 38 auf, der mit Hilfe einer Sensorleitung 39 mit der Steuer- und Regeleinrichtung 37 gekoppelt ist. Mit Hilfe des Temperatursensors 38 kann die Temperatur der Heizeinrichtung 19 erfasst werden. Der Temperatursensor 38 kann Teil eines Regelkreises umfassend das Heizelement 30, die Steuer- und Regeleinrichtung 37 und den Temperatursensor 38 sein. Der Temperatursensor 38 umfasst eine Befestigungslasche 40. Alternativ zu der Befestigungslasche 40 ist es auch möglich, andere Arten der Befestigung, beispielsweise in der Form von Klemmen, Schrauben, Löten oder Stecken, vorzusehen.
Der Temperatursensor 38 ist mit Hilfe eines Befestigungselements 41 gehalten oder befestigt. Das Befestigungselement 41 ist aus einem gut wärmeleitenden Material, beispielsweise aus einer Kupferlegierung oder einer Aluminiumlegierung, gefertigt. Das Befestigungselement 41 ist rohrförmig. Das Befestigungselement 41 ist innerhalb des Trägerelements 29 angeordnet. Beispielsweise ist das Befestigungselement 41 in das Trägerelement 29 eingepresst. Das Befestigungselement 41 kann ein einstückiges, insbesondere ein materialeinstückiges, Bauteil sein. Alternativ kann das Befestigungselement 41 auch mehrteilig oder mehrstückig sein. Das Befestigungselement 41 ist rotationssymmetrisch zu der Symmetrieachse 20 aufgebaut. Das Befestigungselement 41 umfasst eine zylinderförmige Außenseite 42, die an der Innenseite 34 des Trägerelements 29 anliegt. Das Befestigungselement 41 umfasst ferner eine zylinderförmige Innenseite 43, die beispielsweise durch eine mittig an dem Befestigungselement 41 vorgesehene Bohrung verwirklicht ist. Das Helium He kann also durch das Befestigungselement 41 hindurchströmen.
Für jeden Temperatursensor 38 weist das Befestigungselement 41 eine Aufnahmebohrung 44 auf, in die der jeweilige Temperatursensor 38 eingesteckt ist. Die Aufnahmebohrung 44 ist stirnseitig an dem Befestigungselement 41 vorgesehen und erstreckt sich entlang der Längsrichtung L beziehungsweise entlang der x-Richtung x in das Befestigungselement 41 hinein. Die Aufnahmebohrung 44 verläuft parallel zu der Symmetrieachse 20. Die Aufnahmebohrung 44 kann eine Sacklochbohrung sein. Entlang der Radialrichtung R betrachtet, liegt die Aufnahmebohrung 44 unmittelbar unterhalb der Außenseite 42.
An der Außenhülle 21 ist eine Wärmeübertragungsschicht 45 vorgesehen, die außenseitig an der Außenhülle 21 angebracht ist. Die Wärmeübertragungsschicht 45 kann aus Kupfer gefertigt sein. Auch Aluminiumlegierungen sind als geeignete Werkstoffe für die Wärmeübertragungsschicht 45 möglich. Die Wärmeübertragungsschicht 45 kann ein Kupferblech oder eine Kupferplatte sein. Beispielsweise ist die Wärmeübertragungsschicht 45 auf die Außenhülle 21 aufgewickelt. Die Wärmeübertragungsschicht 45 kann stoffschlüssig mit der Außenhülle 21 verbunden sein. Beispielsweise ist die Wärmeübertragungsschicht 45 auf die Außenhülle 21 aufgelötet.
Die Wärmeübertragungsschicht 45 kann auch nur auf die Außenhülle 21 aufgewickelt und nicht stoffschlüssig mit dieser verbunden sein, wobei zwei Endabschnitte 46, 47 der Wärmeübertragungsschicht 45 miteinander verklemmt oder verschraubt sind, um die Wärmeübertragungsschicht 45 mit der Außenhülle 21 zu verbinden. Ein erster Endabschnitt 46 und ein zweiter Endabschnitt 47 liegen aneinander an und sind miteinander verbunden. Die Wärmeübertragungsschicht 45 sorgt für eine gleichmäßige Wärmeübertragung. An der Wärmeübertragungsschicht 45 kann die zuvor erwähnte Wärmeübertragungsplatte 27 angeformt sein. In diesem Fall wird die Wärmeübertragungsplatte 27 mit Hilfe der beiden miteinander verbundenen Endabschnitte 46, 47 der Wärmeübertragungsschicht 45 gebildet.
Die Wärmeübertragungsplatte 27 kann jedoch auch ein separates Bauteil sein, das mit der Außenhülle 21 oder der Wärmeübertragungsschicht 45 verbunden ist. An der Außenhülle 21 oder an der Wärmeübertragungsschicht 45 können mehrere derartige Wärmeübertragungsplatten 27 vorgesehen sein. Die Wärmeübertragungsplatte 27 kann stoffschlüssig mit der Außenhülle 21 oder der Wärmeübertragungsschicht 45 verbunden sein. Beispielsweise ist die Wärmeübertragungsplatte 27 mit der Außenhülle 21 oder der Wärmeübertragungsschicht 45 verlötet oder verschweißt.
Die Wärmeübertragungsplatte 27 sorgt dafür, dass bei einem niedrigem Flüssigkeitsstand des Wasserstoffs H2 in dem Speicherbehälter 1 zumindest die Wärmeübertragungsplatte 27 in die Flüssigkeitszone 17 des Wasserstoffs H2 hineinragt und so Wärme Q auf den Wasserstoff H2 übertragen werden kann. Vorzugsweise ist zumindest eine Wärmeübertragungsplatte 27 zwischen der Außenhülle 21 und dem Innenbehälter 6 angebracht. Es kann eine beliebige Anzahl von Wärmeübertragungsplatten 27 vorgesehen sein. Die Wärmeübertragungsplatte 27 ist bevorzugt aus einem gut wärmeleitenden metallischen Werkstoff, wie beispielsweise einer Kupferlegierung oder einer Aluminiumlegierung, gefertigt.
Obwohl die vorliegende Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen beschrieben wurde, ist sie vielfältig modifizierbar.
Verwendete Bezugszeichen
1 Speicherbehälter
2 Verbraucher
3 Kryogenversorgungssystem
4 Symmetrieachse
5 Außenbehälter
6 Innenbehälter
7 Vakuumraum
8 Umgebung
9 Basisabschnitt
10 Deckelabschnitt
11 Deckelabschnitt
12 Basisabschnitt
13 Deckelabschnitt
14 Deckelabschnitt
15 Innenraum
16 Gaszone
17 Flüssigkeitszone
18 Phasengrenze
19 Heizeinrichtung
20 Symmetrieachse
21 Außenhülle
22 Innenraum
23 Basisabschnitt
24 Endabschnitt
25 Verschlusselement
26 Endabschnitt
27 Wärmeübertragungsplatte
28 Anschluss
29 Trägerelement
30 Heizelement
31 Spalt
32 Außenseite
33 Nut 34 Innenseite
35 Anschlussleitung
36 Anschlussleitung
37 Steuer- und Regeleinrichtung
38 Temperatursensor
39 Sensorleitung
40 Befestigungslasche
41 Befestigungselement
42 Außenseite
43 Innenseite
44 Aufnahmebohrung
45 Wärmeübertragungsschicht
46 Endabschnitt
47 Endabschnitt g Schwerkraftrichtung
He Helium/Medium
H2 Wasserstoff/Kryogen
L Längsrichtung
Q Wärme
R Radialrichtung
U Umfangsrichtung x x-Richtung y y-Richtung z z-Richtung

Claims

Patentansprüche Speicherbehälter (1 ) zum Speichern eines Kryogens (H2), mit einem Innenbehälter (6) zum Aufnehmen des Kryogens (H2), einem Außenbehälter (5), welcher den Innenbehälter (6) umschließt, und einer zumindest abschnittsweise innerhalb des Innenbehälters (6) angeordneten Heizeinrichtung (19) zum Einbringen von Wärme (Q) in das Kryogen (H2), wobei die Heizeinrichtung (19) ein Heizelement (30) zum Erzeugen der Wärme (Q) und eine Außenhülle (21 ) aufweist, die einen Innenraum (22) der Heizeinrichtung (19) fluiddicht umschließt, wobei das Heizelement (30) innerhalb des Innenraums (22) aufgenommen ist, und wobei das Heizelement (30) einen Heizdraht aufweist, der in ein Metalloxid eingebettet ist, das von einer Hülle umkapselt ist, die innerhalb des Innenraums (22) aufgenommen ist. Speicherbehälter (1 ) nach Anspruch 1 , wobei der Innenraum (22) mit einem wärmeleitenden Medium (He) gefüllt ist. Speicherbehälter nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Heizeinrichtung (19) von einer Umgebung (8) des Speicherbehälters (1) her durch den Außenbehälter (5) und den Innenbehälter (6) bis in eine von dem Innenbehälter (6) umschlossene Flüssigkeitszone (17) geführt ist. Speicherbehälter nach Anspruch 3, wobei die Außenhülle (21) durch den Außenbehälter (5) und den Innenbehälter (6) geführt ist, und wobei die Außenhülle (21) stoffschlüssig und/oder formschlüssig mit dem Außenbehälter (5) und dem Innenbehälter (6) verbunden ist. Speicherbehälter nach Anspruch 3 oder 4, wobei die Außenhülle (21) einen in die Umgebung (8) hineinragenden Endabschnitt (24) aufweist, der mit Hilfe eines demontierbaren Verschlusselements (25) fluiddicht verschlossen ist, und wobei Anschlussleitungen (35, 36) des Heizelements (30) durch das Verschlusselement (25) hindurchgeführt sind. Speicherbehälter nach einem der Ansprüche 3 - 5, wobei die Außenhülle (21 ) einen in die Umgebung (8) hineinragenden Anschluss (28) aufweist, der mit dem Innenraum (22) in Fluidverbindung ist, und wobei der Anschluss (28) fluiddicht verschlossen ist.
7. Speicherbehälter nach einem der Ansprüche 1 - 6, wobei an der Außenhülle (21 ) eine Wärmeübertragungsschicht (45) vorgesehen ist, die außenseitig an der Außenhülle (21 ) angebracht ist.
8. Speicherbehälter nach einem der Ansprüche 1 - 7, wobei die Heizeinrichtung (19) ein Trägerelement (29) aufweist, welches das Heizelement (30) trägt.
9. Speicherbehälter nach Anspruch 8, wobei das Trägerelement (29) eine Außenseite (32) mit einer schraubenförmig um das Trägerelement (29) umlaufenden Nut (33) aufweist, in der das Heizelement (30) zumindest abschnittsweise aufgenommen ist.
10. Speicherbehälter nach Anspruch 8 oder 9, wobei zwischen dem Trägerelement (29) und der Außenhülle (21) ein umfänglich um das Trägerelement (29) umlaufender Spalt (31) vorgesehen ist.
11 . Speicherbehälter nach einem der Ansprüche 8 - 10, wobei das Trägerelement (29) rohrförmig ist und eine zylinderförmige Innenseite (34) aufweist.
12. Speicherbehälter nach einem der Ansprüche 8 - 11 , wobei die Heizeinrichtung (19) zumindest einen Temperatursensor (38) aufweist, der innerhalb des Trägerelements (29) angeordnet ist.
13. Speicherbehälter nach Anspruch 12, wobei die Heizeinrichtung (19) ein innerhalb des Trägerelements (29) angeordnetes Befestigungselement (41) zum Befestigen des Temperatursensors (38) an dem Trägerelement (29) aufweist, und wobei der Temperatursensor (38) in das Befestigungselement (41) eingesteckt ist.
14. Speicherbehälter nach Anspruch 13, wobei das Befestigungselement (41) fluiddurchlässig ist. Kryogenversorgungssystem (3) zum Versorgen eines Verbrauchers (2) mit einem Kryogen (H2), mit zumindest einem Speicherbehälter (1) nach einem der Ansprüche 1 - 14.
PCT/EP2023/025005 2022-01-20 2023-01-11 Speicherbehälter und kryogenversorgungssystem WO2023138895A1 (de)

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