DE102005049252B4 - Heizbarer Wasserstoffdruckregler - Google Patents

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Abstract

Drucktanksystem (30) mit:
einem Tank (12), der ein komprimiertes Gas unter Druck enthält;
einem Rohr (14), das mit dem Tank (12) gekoppelt ist, um das komprimierte Gas daraus zu entnehmen;
einem Druckregler (18) in dem Rohr (14) zur Steuerung eines Druckabfalls darin derart, dass eine Hochdruckseite und eine Niederdruckseite des Rohrs (14) entsteht; und
einer Wärmequelle (34), die mit dem Rohr (14) zwischen dem Tank (12) und dem Druckregler (18) gekoppelt ist, wobei die Wärmequelle (34) das Rohr (14) aufheizt und wobei die Wärmequelle ein Abschnitt des Rohres (14) auf der Niederdruckseite des Druckreglers (18) ist, der um einen Abschnitt des Rohres (14) auf der Hochdruckseite des Druckreglers (18) gewickelt ist, um zu verhindern, dass das Gas in dem Rohr (14) herunterkühlt, wenn es aus dem Tank (12) entnommen wird.

Description

  • Diese Erfindung betrifft ein Drucktanksystem. Dabei ist Druckregler für einen Druckgastank vorgesehen, wobei der Druckregler einen Heizer an einer Hochdruckseite des Reglers um- fasst, um ein Kühlen des Gases in dem Tank zu vermindern, wenn es von diesem entfernt wird.
  • Wasserstoff stellt einen sehr attraktiven Brennstoff dar, da er rein ist und dazu verwendet werden kann, effizient Elektrizität in einer Brennstoffzelle zu erzeugen. Die Kraftfahrzeugindustrie wendet erhebliche Ressourcen bei der Entwicklung von Wasserstoff-Brennstoffzellensystemen als eine Energie- bzw. Antriebsquelle für Fahrzeuge auf. Derartige Fahrzeuge sind effizienter und erzeugen weniger Emissionen als heutige Fahrzeuge, die Verbrennungsmotoren verwenden.
  • Eine Wasserstoff-Brennstoffzelle ist eine elektrochemische Vorrichtung, die eine Anode und eine Kathode mit einem Elektrolyt dazwischen umfasst. Die Anode nimmt Wasserstoffgas und die Kathode Sauerstoff oder Luft auf. Das Wasserstoffgas wird in der Anode aufgespalten, um freie Wasserstoffprotonen und Elektronen zu erzeugen. Die Wasserstoffprotonen gelangen durch den Elektrolyt an die Kathode. Die Wasserstoffprotonen reagieren mit dem Sauerstoff und den Elektronen in der Kathode, um Wasser zu erzeugen. Die Elektronen von der Anode können nicht durch den Elektrolyt gelangen und werden somit durch eine Last geführt, in der sie Arbeit verrichten, bevor sie an die Kathode geliefert werden. Die Arbeit dient dazu, das Fahrzeug anzutreiben.
  • Typischerweise werden viele Brennstoffzellen in einem Brennstoffzellenstapel kombiniert, um die gewünschte Leistung zu erzeugen. Beispielsweise kann ein typischer Brennstoffzellenstapel für ein Fahrzeug 200 gestapelte Brennstoffzellen umfassen. Dieser Brennstoffzellenstapel nimmt ein Kathodeneingangsgas, typischerweise ein Luftströmung, auf, die durch den Stapel über einen Kompressor getrieben wird. Es wird nicht der gesamte Sauerstoff in der Luft von dem Stapel verbraucht, und ein Teil der Luft wird als ein Kathodenabgas ausgegeben, das Wasser als ein Stapelnebenproduktumfassen kann. Der Brennstoffzellenstapel nimmt auch ein Anodenwasserstoffeingangsgas auf, das in die Anodenseite des Stapels strömt.
  • Gewöhnlich wird Wasserstoff in seinem gasförmigen Zustand in einem Druckgastank unter hohem Druck an dem Fahrzeug gespeichert, um den für das Brennstoffzellensystem erforderlichen Wasserstoff vorzusehen. Der Druck in dem Drucktank kann bis zu 700 bar betragen. Der Drucktank umfasst typischerweise eine innere Kunststoffauskleidung, die eine gasdichte Abdichtung für den Wasserstoff vorsieht, wie auch eine äußere Kohlefaserverbundlage, die die bauliche Integrität des Tanks vorsieht. Da Wasserstoff ein sehr leichtes und diffusionsfähiges Gas ist, muss die Innenauskleidung sorgfältig bemessen werden, so dass sie als eine Permeationsbarriere wirkt. Der Wasserstoff wird durch ein Rohr von dem Tank entfernt. Es ist zumindest ein Druckregler in dem Rohr vorgesehen, der den Druck des Wasserstoffs in dem Tank auf einen für das Brennstoffzellensystem geeigneten Druck verringert.
  • Wenn der Wasserstoff von dem Drucktank durch den Regler entfernt wird, bewirkt aufgrund dessen, dass der Wasserstoff durch den Regler getrieben wird, die kinetische Energie aus der Beschleunigung und Verlangsamung der Wasserstoffmoleküle, dass die Temperatur des Wasserstoffs in dem Rohr auf der Hochdruckseite des Reglers abnimmt. Die Temperatur des Wasserstoffs in dem Rohr kühlt den Wasserstoff in dem Tank. Zusätzlich wird der Wasserstoff auf der Niederdruckseite des Reglers durch den umgekehrten Joule-Thompson-Effekt erwärmt. Wenn die Temperatur des Wasserstoffs in dem Tank unter eine bestimmte Temperatur, wie beispielsweise –40°C, abnimmt, werden die innere Auskleidung wie auch die Tankdichtungen brüchig und schadhaft, wodurch die Gasdichtigkeit des Tanks beeinträchtigt wird. Daher existieren Beschränkungen, wie schnell Wasserstoff und/oder für wie lange Wasserstoff von dem Drucktank in einem Brennstoffzellensystem entfernt werden kann.
  • Wenn der Wasserstoff in dem Tank gekühlt wird, hat dies zur Folge, dass verschiedene Rohre, Wärmestrahlung und dergleichen den Tank rückerwärmen. Es wäre jedoch nützlich, eine Technik vorzusehen, um den Wasserstoff in dem Hochdruckabschnitt des Rohres aufzuwärmen, so dass die Beschränkungen dahingehen, wie schnell und für wie lange der Wasserstoff von dem Tank entfernt werden kann, erheblich verringert oder beseitigt werden können.
  • Aus den Druckschriften DE 102 42 804 A1 , DE 617 027 A , DE 88 10 275 U1 CH 134 609 B , EP 1 589 280 A1 , US 52 67 447 A und US 16 622 63 A sind Vorrichtungen bekannt, mit denen sich ein aus einem Tank ausstromendes Medium und insbesondere ein ausströmendes Gas erwärmen lässt, bevor oder während es einen Druckregler passiert. Zur Erwärmung des Mediums wird dabei jedoch zusätzliche Energie benötigt.
  • Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Drucktanksystem anzugeben, bei dem keine zusätzliche Energie benötigt wird, um das ausströmende Medium zu erwärmen.
  • Diese Aufgabe wird mit einem Drucktanksystem gelöst, welches die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist.
  • Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
  • Erfindungsgemäß ist ein Drucktanksystem offenbart, das einen heizbaren Druckregler umfasst. Das Gas wird von dem Drucktank durch ein geeignetes Rohr entfernt, in dem ein Druckabfall des Gases durch den Druckregler gesteuert wird. Die Hochdruckseite des Druckreglers befindet sich typischerweise bei einer relativ niedrigen Temperatur, wenn das Gas von dem Tank entfernt wird, und die Niederdruckseite des Druckreglers befindet sich typischerweise bei einer relativ hohen Temperatur, wenn das Gas von dem Tank entfernt wird. Es ist eine Wärmequelle vorgesehen, um das Rohr auf der Hochdruckseite des Druckreglers zu heizen und damit zu verhindern, dass das Gas kalt wird, wenn das Gas von dem Tank entfernt wird, wodurch verhindert wird, dass die Temperatur des Gases in dem Tank abnimmt.
  • Erfindungsgemäß ist dabei die Niederdruckseite des Rohres um die Hochdruckseite des Rohres gewickelt, um das unter niedrigem Druck stehende, warme Gas dazu zu verwenden, das unter hohem Druck stehende kalte Gas zu erwärmen.
  • Die vorliegende Erfindung wird im Folgenden nur beispielhaft unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung, insbesondere die 2, erläutert, in welcher:
  • 1 eine Draufsicht eines Drucktanksystems ist, das einen mittels zusätzlicher Energie heizbaren Druckregler verwendet; und
  • 2 eine Draufsicht eines erfindungsgemäßen Drucktanksystems ist, das einen heizbaren Druckregler verwendet, wobei unter niedrigem Druck stehender Wasserstoff bei hoher Temperatur dazu verwendet wird, den unter hohem Druck stehenden Wasserstoff bei niedriger Temperatur zu heizen.
  • Zum besseren Verständnis der Erfindung wird zunächst ein Druckgastanksystem 10 beschrieben, bei dem in bekannter Weise zusätzliche Energie dazu verwendet wird, um das aus einem Tank 12 ausströmende Gas zu erwärmen. Die 1 ist eine Draufsicht eines Druckgastanksystems 10 mit einem Tank 12 zum Speichern eines komprimierten Gases bzw. Druckgases unter Druck, wie beispielsweise Wasserstoff für ein Brennstoffzellensystem. Zusätzliche Ventile oberstromig des Druckreglers 18 sind nicht gezeigt. Der Tank 12 umfasst eine geeignete Innenauskleidung 22, die eine Permeationsbarriere vorsieht, wie auch eine äußere Aufbaulage 24. Wasserstoff wird von dem Tank 12 durch ein Rohr 14 entzogen, in dem eine Druckregleranordnung 16 den Druckabfall steuert. Die Druckregleranordnung 16 umfasst einen Druckregler 18, wie beispielsweise ein Proportionalventil, das selektiv geöffnet und geschlossen wird, um den Durchsatz des Wasserstoffs durch das Rohr 14 zu steuern, wie es in der Technik gut bekannt ist. Der unter hohem Druck stehende Wasserstoff in dem Rohr 14 zwischen dem Druckregler 18 und dem Tank 12 befindet sich gewöhnlich bei einer relativ niedrigen Temperatur, und der unter niedrigem Druck stehende Wasserstoff auf der entgegengesetzten Seite des Druckreglers 18 befindet sich gewöhnlich bei einer relativ hohen Temperatur, wenn der Wasserstoff von dem Tank 12 entfernt wird.
  • Da der Wasserstoff in dem Rohr 14 benachbart des Tanks 12 relativ kühl ist, wird die Temperatur des Wasserstoffs in dem Tank 12 verringert, wo durch es möglich werden kann, dass das Tanksystem 10 nicht mehr in der Lage ist, Wasserstoff von dem Tank 12 ohne Beschädigung der Auskleidungslage 22 des Tanks 12 zu entfernen, wie oben beschrieben wurde.
  • Es ist daher ein Draht 20 um das Rohr 14 innerhalb der Druckregleranordnung 16 auf der Hochdruckseite des Druckreglers 18 gewickelt. Es wird zusätzliche Energie in Form von elektrischem Strom an den Draht 20 angelegt, um eine Widerstandsaufheizung vorzusehen und damit das Rohr 14 zu heizen, wodurch verhindert wird, dass der Wasserstoff in dem Rohr 14 herunterkühlt, wenn er von dem Tank 12 entfernt wird. Durch Bereitstellung einer Wärmequelle auf diese Art und Weise kühlt der Wasserstoff in dem Tank 12 nicht mehr auf eine Temperatur herunter, die den Durchsatz wie auch die zeitlichen Beschränkungen zur Entfernung von Wasserstoff von dem Tank 12 beeinträchtigen kann.
  • 2 ist eine Draufsicht des erfindungsgemäßen Drucktanksystems 30, wobei gleiche Komponenten mit den gleichen Bezugszeichen wie bei dem Tanksystem 10 der 1 bezeichnet sind. Das Drucktanksystem 30 umfasst eine Druckregelanordnung 32 mit dem oben beschriebenen Druckregler 18, wobei die Ventile oberstromig des Druckreglers 18 nicht gezeigt sind. Zusätzlich umfasst die Druckregelanordnung 32 eine Wärmequelle (Wärmetauscher) 34, die das Rohr 14 auf der warmen Seite des Druckreglers 18 verwendet, um das Rohr 14 auf der Hochdruckseite des Druckreglers 18 zu heizen. Insbesondere besteht das Rohr 14 aus solch einem Material, dass es um sich selbst gewickelt werden kann, wie gezeigt ist, so dass der warme Wasserstoff in der Niederdruckseite des Rohres 14 Wärme für die Hochdruckseite des Rohres 14 aus den oben beschriebenen Gründen bereitstellt. Der Wärmekontakt der warmen Seite des Rohres 14 kann mit oder ohne zusätzliche Isolierung vor der Umgebung vorgesehen werden.
  • Mit der oben unter Bezugnahme auf die 2 beschriebenen Konstruktion wird die Kühlung des Wasserstoffs, der in dem Tank 12 verbleibt, erheblich verringert, ohne dass zusätzliche Energie benötigt wird.

Claims (4)

  1. Drucktanksystem (30) mit: einem Tank (12), der ein komprimiertes Gas unter Druck enthält; einem Rohr (14), das mit dem Tank (12) gekoppelt ist, um das komprimierte Gas daraus zu entnehmen; einem Druckregler (18) in dem Rohr (14) zur Steuerung eines Druckabfalls darin derart, dass eine Hochdruckseite und eine Niederdruckseite des Rohrs (14) entsteht; und einer Wärmequelle (34), die mit dem Rohr (14) zwischen dem Tank (12) und dem Druckregler (18) gekoppelt ist, wobei die Wärmequelle (34) das Rohr (14) aufheizt und wobei die Wärmequelle ein Abschnitt des Rohres (14) auf der Niederdruckseite des Druckreglers (18) ist, der um einen Abschnitt des Rohres (14) auf der Hochdruckseite des Druckreglers (18) gewickelt ist, um zu verhindern, dass das Gas in dem Rohr (14) herunterkühlt, wenn es aus dem Tank (12) entnommen wird.
  2. Drucktanksystem nach Anspruch 1, wobei das Gas Wasserstoff ist.
  3. Drucktanksystem nach Anspruch 2, wobei das Drucktanksystem (30) einem Brennstoffzellensystem an einem Fahrzeug zugeordnet ist.
  4. Drucktanksystem nach Anspruch 1, wobei der Tank (12) eine innere Kunststoffauskleidung (22) umfasst.
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