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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur kryogenen Speicherung und Förderung von Kraftstoff, insbesondere zur Versorgung einer ein Kraftfahrzeug antreibenden Brennkraftmaschine, nach dem Oberbegriff des ersten Anspruchs. Zum technischen Umfeld wird neben der
DE 37 41 145 C2 auf die
DE 40 41 170 C1 verwiesen.
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Kraftstoffe zum Antrieb von Kraftfahrzeugen, wie bspw. Wasserstoff oder Erdgas oder dgl. Können, um die geforderten volumetrischen und gravimetrischen Speicherdichten zu erreichen, praktisch nur verflüssigt und somit stark abgekühlt gespeichert werden. Bei dieser kryogenen Kraftstoffspeicherung verdampft jedoch durch Wärmeeintrag in den Kraftstoff-Tank kontinuierlich eine geringe Menge von flüssigem Kraftstoff. Dadurch erhöht sich der Druck im Kraftstoff-Tank, bis der für diesen eingestellte Grenzwert, auch Boil-Off-Druck genannt, erreicht ist und der weiter verdampfende Kraftstoff als so genanntes Boil-Off-Gas aus dem Kraftstoff-Tank abgeblasen werden muss. Insbesondere wenn kein Verbraucher für den Kraftstoff in Betrieb ist, d. h. insbesondere dann, wenn die Brennkraftmaschine außer Betrieb ist, steigt als Folge des Wärmeeintrags ohne Entnahme der Tank-Innendruck an. Aus Sicherheitsgründen muss dieser Druck durch Öffnen von Ventilen begrenzt werden. Im allgemeinen wird dabei das Boil-Off-Gas über Abblaseleitungen, in denen die besagten Ventile vorgesehen sind, in die Umgebung abgegeben. Die Wahl des Betriebsdrucks im Kraftstoff-Tank und des Druckhubs zwischen Betriebsdruck und Boil-Off Druck bestimmen neben der Größe des Wärmeeintrags maßgeblich die verlustfreie Druckaufbauzeit.
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Der tiefkalte, flüssige Wasserstoffvorrat wird im Fahrzeug im siedenden oder nahe dem siedenden Zustand in dem thermisch sehr gut isolierten, druckdichten Behälter gespeichert. Die physikalische Dichte des siedenden Wasserstoffs wird dabei durch Lagerung bei einer Temperatur wenig über der Siedetemperatur bei Umgebungsdruck, ca. 20 K, maximal. In den heute technisch umgesetzten Vorratsbehältern liegt der Wasserstoff typischerweise bei Temperaturen von ca. 21 K bis ca. 27 K und den damit korrespondierenden Siededrücken von ca. 2 bar (abs.) bis ca. 5 bar (abs.) vor. Im unteren Teil des Vorratsbehälters liegt der siedende Wasserstoff als massedichtere flüssige Phase (LH2) und darüber liegend als gasförmige Phase (GH2) vor. Es ist sowohl eine gasförmige als auch eine flüssige Entnahme des Wasserstoffs aus dem Speicherbehälter möglich und sinnvoll. Durch Wasserstoffentnahme im Betrieb des Speichers bei Versorgung der Brennkraftmaschine nach einer Druckaufbauphase wird der Speicherdruck bis zum Erreichen des Speicher-Betriebsdrucks ohne gezielten Wärmeeintrag abgebaut. Wegen der bei Flüssigentnahme geringeren Enthalpieabfuhr und des dadurch bedingten langsameren Druckabbaus ist hierfür eine Entnahme aus der Gasphase (Gasentnahme) sinnvoll.
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Die unmittelbare Förderung des Wasserstoffs aus dem Vorratsbehälter in eine Vorlaufleitung hin zu einem Konditionierer oder Verbraucher erfolgt also im einfachsten Fall über das zwischen Tankinnerem und der Umgebung anliegende statische Druckgefälle oder durch eine gezielte Bedrückung des Vorratsbehälters. Dabei besteht grundsätzlich die Möglichkeit durch die geometrische Gestaltung der im Tankinneren beginnenden Vorlaufleitung, vorrangig LH2 oder nur GH2 zu fördern. Die Wasserstoffbereitstellung in Masse und Druck erfolgt also durch den Eigendruck des Wasserstoffs im Tankbehälter und wird dem Antriebsaggregat durch Öffnen verschiedener Ventile unter Entnahme-/Volumenstrom-abhängigen Druckverlusten zugeführt. Eine Temperaturkonditionierung erfolgt in einem Wärmetauscher außerhalb des isolierten Speicherbehälters. Ein durch die Entnahme von Wasserstoff im Betrieb der Kraftstoffversorgungsanlage entstehender Druckeinbruch im Tankbehälter wird durch gezielten Wärmeeintrag, entweder mittels Rückführung eines Teilstroms des entnommenen aufgewärmten Wasserstoffs in eine in den Tankbehälter führende geschlossene Innentankwärmetauscherschleife und dort stattfindenden Wärmetausch mit anschließender Re-Konditionierung und Bereitstellung für das Antriebsaggregat, oder mittels eines entnahmeunabhängigen Heizkreislaufs (z. B. elektrischer Heizer) verhindert.
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Darüber hinaus ist bekannt, dass zur Erhöhung der Druckaufbauzeit und zur Reduktion der Abdampfrate die thermisch wirksame Masse innerhalb der isolierten Tankstruktur entlang der Wärmeein- und -ausströmpfade erhöht werden kann. Diese Maßnahme kann auch kombiniert werden z. B. mit einer im isolierten Bereich liegenden Einrichtung zur Kühlung, entsprechend
DE 40 41 170 C1 , die ebenfalls dem Zweck dient, die zur Erwärmung des abströmenden GH2 bis maximal auf Umgebungstemperaturniveau erforderliche Enthalpie zu speichern und als lokale Wärmesenke für in den Tank eindringende Wärmemengen aufzubrauchen. Zur Verlängerung der verlustfreien Druckaufbauzeit kann also eine Wärmesenke Anwendung finden, die im Entnahmebetrieb durch den über die vorhandene Entnahmeleitung angekoppelten, kalt entnommenen Wasserstoff gekühlt wird und insbesondere in den Betriebspausen, während der Druckaufbauzeit, Wärme aus dem angekoppelten Kühlschild aufnimmt. So offenbart die
US 2005/0 139 600 A1 einen Kryotank mit einer in einer sacklochförmigen Ausnehmung angeordneten Wärmesenke.
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Außerdem ist aus der eingangs genannten
DE 40 41 170 C1 eine Einrichtung zur Verringerung der Boil-Off-Gase mittels eines gekühlten Strahlungsschilds bekannt, das den Wärmeeinfall in den Behälter mit dem kryogen gespeicherten Kraftstoff verzögert. Um den gesamten Wärmeeinfall in den Behälter so gering wie möglich zu halten, sind alle für die Betankung und Motorversorgung erforderlichen Ventile außerhalb des Tanks in einer separaten Steuereinheit untergebracht. Diese für sich vakuumisolierte Ventilkombination enthält die Anschlüsse für die Betankung und ist mit dem Fahrzeugtank bzw. der zum Motor führenden Kraftstoffleitung über lösbare, vakuumisolierte Leitungen verbunden. Ferner ist in der
DE 37 41 145 C2 ein Entnahmesystem für Flüssigwasserstoff beschrieben, mit einer außerhalb eines Speichertanks befindlichen Fördereinheit, deren Förderpumpe einen Kühlspeichermantel aufweist, der vom druckseitig aus der Förderpumpe austretenden Wasserstoff gebildet wird.
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Die Komponenten, die während des Betriebes von flüssigem oder gasförmigem Wasserstoff von ca. 23 K durchströmt werden, müssen, um den Wärmeeintrag und somit die Verdampfung des flüssigen Wasserstoffes so gering wie möglich zu halten, gut isoliert werden. Weiterhin ist die Verflüssigung von Luft an den kalten Oberflächen der Komponenten zu vermeiden. Neben einer separaten Steuereinheit ist aus verschiedenen Veröffentlichungen auch die Unterbringung dieser Komponenten im Behältervakuum zwischen Innenbehälter und Außenbehälter bekannt. Durch die Unterbringung dieser Komponenten im Behältervakuum zwischen Innenbehälter und Außenbehälter wird die dort ebenfalls befindliche Strahlungsisolation und das Kühlschild gestört und ihre Isolationswirkung verringert. Weiterhin wird die Montage der Isolation hierdurch erschwert und somit aufwändig und teuer. Die Isolation des Kryobehälters wird durch die Auslagerung der Komponenten aus dem Vakuumraum des Behälters in eine separate Steuereinheit in einem zusätzlichen Vakuumraum nicht mehr gestört und somit in ihrer Isolationswirkung verbessert. Die Komponenten im zusätzlichen Vakuumraum können gewartet werden ohne das Vakuum des Kryobehälters zu brechen und somit eine teure Neuevakuierung des Kryobehälters zu verursachen. Außerdem sind durch die Verlagerung der Komponenten potentielle Leckagestellen, die zu einem Vakuumverlust führen können, außerhalb des Behältervakuums.
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Als nächstliegender Stand der Technik beschreibt die
EP 411 505 B2 ein Verfahren und einen Apparat zum Aufbewahren von kryogenen Flüssigkeiten, bei dem eine Wärmesenke im Wärmeaustausch mit einem Wärmeschild vorgesehen ist und sich die Wärmesenke zwischen Außengefäß und Innengefäß befindet. Ein solcher Kryotank ist nicht einfach und preiswert herzustellen und besitzt keine optimale Isolierung, da die Anordnung der Wärmesenke im Vakuumraum zwischen Außengefäß und Innengefäß die dort untergebrachte Vielschichtisolation stört und somit deren Isolationswirkung negativ beeinträchtigt. Weiterhin verhindert diese Anordnung eine automatisierte Montage der Vielschichtisolation. Der erhebliche Montageaufwand für die Vielschichtisolation führt zu erheblichen Montagekosten.
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Eine Abhilfemaßnahme für die geschilderte Problematik aufzuzeigen, ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen sind Inhalt der Unteransprüche.
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Nach der Erfindung umfasst eine Vorrichtung zur kryogenen Speicherung und Förderung von Kraftstoff, zur Versorgung eines Verbrauchers, insbesondere einer ein Kraftfahrzeug antreibenden Brennkraftmaschine, mindestens einen Kryotank, bestehend mindestens aus einem Innenbehälter zur Aufnahme des kryogenen Mediums, der wärmeisoliert in einem Außenbehälter gehalten wird, ein kühlbares Kühlschild zwischen Innenbehälter und Außenbehälter des Kryotanks, eine Wärmesenke, die als Wärmeenergiespeichereinrichtung mit dem Kühlschild in Wärme übertragendem Kontakt steht und eine Befüll- und Entnahmeeinrichtung, mit mindestens einer den Außenbehälter durchdringenden, in den Innenbehälter mündenden Leitung, mindestens zum Befüllen mit bzw. zur Entnahme von kryogenem Medium, wobei die Wärmesenke mit der Leitung für das kryogene Medium in Wärme übertragendem Kontakt steht, um unter Wärmeabgabe den Wärmeeintrag aus der Umgebung in den Innenbehälter zu verringern. Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass der Innenbehälter eine sacklochartige Ausnehmung besitzt, in der mindestens die Wärmesenke und die Leitung für das kryogene Medium angeordnet sind.
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Durch die Anordnung der Leitung für das kryogene Medium und der Wärmesenke in der Ausnehmung, bezeichnet teilweise auch als Rohrleitungsmodul, kann die Vielschichtisolation im Vakuumraum zwischen Innenbehälter und Außenbehälter einfacher von Hand oder automatisiert montiert werden. Hierdurch werden vorteilhafterweise die Montagekosten reduziert. Die Vielschichtisolation umgibt ungestört den gesamten Innenbehälter, was eine gute Isolation bewirkt.
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Eine bevorzugte Ausführung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmesenke ausschließlich mit einer Leitung zur Entnahme von gasförmigem kryogenem Medium in wärmeübertragendem Kontakt steht. Das hat den Vorteil, dass das Kühlschild über die Wärmesenke aktiv gekühlt werden kann, was wiederum während der Betriebspausen, in der verlustfreien Druckaufbauzeit, den Wärmeeintrag aus der Umgebung in den Innenbehälter minimiert. Denn durch die alleinige Ankopplung der Leitung zur Entnahme von gasförmigem kryogenem Medium, also der Gasentnahme- und Boil-Off Leitung, an die Wärmesenke, wird deren Kühlung während der Gasentnahme, während des Boil-Offs und während der Betankung (durch Rückgas) gewährleistet. Dies dient weiterhin zur Verlängerung der verlustfreien Druckaufbauzeit und zur Verlängerung der damit und mit der Größe des Boil-Off-Massenstroms verbundenen Standzeit bis zur fast völligen Entleerung des Speichers, durch Kühlung des Kühlschilds. Dies kann auch direkt durch Ankopplung der Gasentnahmeleitung an das Kühlschild oder, wie bereits beschrieben, via eines Puffers in Form einer Wärmesenke geschehen.
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Eine weitere bevorzugte Ausführung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmesenke eine oder mehrere durchgängige Hohlräume, insbesondere Durchgangsbohrungen, besitzt, an deren Ein- und Ausgang die Leitung zur Entnahme von gasförmigem kryogenem Medium dichtend angeschlossen ist.
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Wenn die Wärmesenke so in die Leitung zur Entnahme von gasförmigem kryogenem Medium eingebunden ist, hat das den Vorteil, dass das entnommene kryogene Medium direkt durch die metallische Wärmesenke strömt. Der Widerstand für den Wärmeübergang durch die Rohrwand der Entnahmeleitung entfällt dadurch und der Wärmeübergang von der metallischen Wärmesenke auf das kryogene Medium wird verbessert. Dies führt zu einer schnelleren Abkühlung der Wärmesenke und der angebundenen Kühlschilder.
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Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Ausnehmung im Innenbehälter eine Verschneidung des Innenbehälters mit einem Zylinder.
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Eine solche Innenbehälterkonstruktion, mit integriertem so genannten Rohrleitungsmodul, in dem neben der angesprochenen Entnahmeleitung auch weitere notwendige Leitungen und die Wärmesenke angeordnet werden, hat den Vorteil dass sie einfach herstellbar ist. Des weiteren ist sowohl für die Isolationswirkung, als auch für einen einfachen Aufbau des Kryotanks von Vorteil, wenn alle in den Innenbehälter führenden Leitungen durch dessen Verschneidungsfläche mit der Ausnehmung geführt sind.
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Wenn dann die Wärmesenke mit ihrem einen Ende die Umfangskontur des Innenbehälters so weit überragt, dass dieses mit dem Kühlschild eine wärmeübertragende Verbindung bildet, kommt diese weitere Ausführungsform einem einfachen Kryotankaufbau noch mehr entgegen. Dazu kann die Wärmesenke mit ihrem einen Ende auf einfache Weise über Schrauben und/oder Nieten mit dem Kühlschild, das sich innerhalb der Vielschichtisolation zwischen Innenbehälter und Außenbehälter befindet, gut wärmeübertragend verbunden sein.
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Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass ein weiteres Kühlschild Leitungen innerhalb der Ausnehmung umgibt und mit der Wärmesenke verbunden ist. Dadurch wird der Wärmeeintrag dieser Leitungen auf den Innentank reduziert. Durch diese Anordnung wird die Isolation des Innenbehälters durch die Wärmesenke weniger gestört und die Isolationswirkung nicht negativ beeinflusst.
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Eine bevorzugte Ausführung der Erfindung sieht vor, dass zum Entleeren und Befüllen des Kryotanks mindestens drei Leitungen vorgesehen sind, die vom Innenbehälter, durch die Ausnehmung im Innenbehälter, aus dem Außenbehälter heraus in einen Armaturenbehälter geführt sind, wobei die erste Leitung für die Entnahme von kryogenem Medium vorwiegend in flüssiger Form aus dem unteren Bereich des Kryotanks, die zweite Leitung für die Entnahme von kryogenem Medium vorwiegend in gasförmiger Form aus dem oberen Bereich des Kryotanks und die dritte Leitung für die Rückführung des Mediums als Warmgas in den oberen Bereich des Kryotanks vorgesehen sind. Der, insbesondere vakuumisolierte und/oder evakuierte, Armaturenbehälter enthält kalte Armaturen zum Befüllen und Entleeren des Kryotanks. Dabei kann die Behälterwand des Armaturenbehälters, insbesondere an deren Innenseite, mit einer Wärmeisolationsschicht versehen sein.
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So entsteht ein für die Wartung sehr vorteilhafter Aufbau der Vorrichtung zur kryogenen Speicherung und Förderung von Kraftstoff, zur Versorgung eines Verbrauchers.
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Wenn der Armaturenbehälter in dieser weiteren vorteilhaften Ausführungsform vakuumisoliert und/oder evakuiert ist und/oder dessen Behälterwand, insbesondere an deren Innenseite, mit einer Wärmeisolationsschicht versehen ist, können vorteilhafterweise Förderorgane und Armaturen im Armaturenbehälter besonders einfach und lange kalt gehalten werden.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung, ist der Armaturenbehälter über mindestens eine, insbesondere trennbare, Kupplungsvorrichtung mit dem Kryotank verbunden, wobei durch die Kupplungsvorrichtung dichte Verbindungen zwischen aus dem Kryotank und aus dem Armaturenbehälter heraus führenden Leitungen hergestellt werden.
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Das hat den Vorteil, dass die Verbindungseinrichtung zwischen Kryotank und Armaturenbehälter zuverlässig, einfach und preiswert hergestellt werden kann und eine Flüssigförderung des kryogenen Mediums im Armaturenbehälter aufgrund der Nähe zum Kryotank möglich ist, da das flüssig entnommene kryogene Medium vorher nur gering erwärmt wird.
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Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass die Kupplungsvorrichtung aus einem kryotankseitigen Kupplungsteil und einem armaturenbehälterseitigen Kupplungsteil besteht, wobei das kryotankseitige Kupplungsteil am Außenbehälter angebracht ist. Auf diese vorteilhaft einfache Weise ist der Armaturenbehälter sicher über die Kupplungsvorrichtung am Außenbehälter fixiert.
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Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass der Armaturenbehälter mindestens eine weitere Anschlussstelle, insbesondere zum Befüllen des Kryotanks und/oder zur Versorgung des Verbrauchers, besitzt, die über mindestens eine weitere, insbesondere lösbare, Kupplungsvorrichtung mit mindestens einem Anschlussteil, insbesondere mit einer Betankungskupplung und/oder mit einem Wärmetauscher und/oder mit einer Nebensystemkapsel, dichte Verbindungen zwischen aus dem Armaturenbehälter und dem Anschlusssteil heraus führenden Leitungen hergestellt werden.
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Weitere bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sehen vor, dass im Armaturenbehälter eine Fördereinrichtung, wenigstens zur Entnahme von flüssigem kryogenem Medium aus dem Kryotank, untergebracht ist, die auch noch durch einen weiteren Wärmetauscher gekühlt werden kann.
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Durch den Einsatz einer solchen kalten Fördereinrichtung im Armaturenbehälter mit Flüssigentnahme wird eine Bereitstellung von Drücken bis ca. 20 bara für eine Brennkraftmaschine bei gleichzeitig niedrigem Druck im Wasserstoffspeicherbehälter möglich. Dies erlaubt eine effiziente Versorgung der Brennkraftmaschine bei Bedarf (z. B. im Volllastbetrieb) und gleichzeitig eine durch den niedrigeren Speicherdruck erhöhte Wasserstoffmasse im Speicher (bei niedrigerem Befüllenddruck) sowie eine durch den wachsenden Druckhub zwischen dem Speicherdruck und Boil-Off Druck erhöhte verlustfreie Druckaufbauzeit. Vorteilhaft ist, wenn die Fördereinrichtung eine Förderpumpe ist, die eine geringe Wärmekapazität besitzt.
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Die erste Leitung, die Flüssigentnahmeleitung unterliegt durch nicht-Ankopplung an die Wärmesenke keinem den optimalen Betrieb der Förderpumpe störenden Wärmeintrag aus der Wärmesenke und dem angekoppelten Kühlschild. Die kombiniert nutzbare Befüll- und Rückgasleitung zur Druckerhaltung, die dritte Leitung, ist ebenfalls nicht an die Wärmesenke angekoppelt. Dies garantiert eine schnellere Befüllung durch verminderte Wärmeeinträge in die Befüllleitung während des Befüllens und verhindert eine störende Erwärmung der Wärmesenke während der Warmgasrückführung zur Druckerhaltung.
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Eine weiterhin für die Druckerhöhung vorteilhafte Ausführung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher zwischen Armaturenbehälter und Verbraucher geschaltet ist.
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Wenn dann ein Druckspeicher für gasförmiges kryogenes Medium vorgesehen ist, der so, insbesondere in Verbraucherrichtung nach dem Wärmetauscher, zwischen Armaturenbehälter und Verbraucher geschaltet ist, dass aus dem Druckspeicher sowohl der Verbraucher, als auch der Kryotank mit unter Druck stehendem gasförmigen kryogenen Medium versorgt werden kann, hat das den Vorteil, dass eine Dämpfung von Druckschwankungen durch den Einsatz der Förderpumpe und den Wechsel zwischen den Betriebsmodi Gasentnahme und Flüssigentnahme mit Druckbereitstellung durch die Förderpumpe stattfindet. Zudem kann der Druckspeicher zusammen mit einem zusätzlichen Pufferbereich im Ausgang der Kaltleitung des Armaturenbehälters dazu dienen, eine Restmenge Wasserstoff zu speichern, mit dem bei fehlender Verfügbarkeit einer Wasserstoffkonditionierung (z. B. fehlende Wärme beim Kaltstart) ein Starten der Brennkraftmaschine gewährleistet werden kann.
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Dass der Kryotank mit unter Druck stehendem gasförmigen kryogenen Medium versorgt werden kann hat weiterhin den Vorteil, dass durch Erzeugung von gezielten Ungleichgewichtszuständen im Innenbehälter Bedrückungseffekte auf die Flüssigphase und damit eine Unterkühlung des Wasserstoffs rund um die Flüssigentnahmevorrichtung gefördert werden. Dies verbessert die flüssige Beschickung der Förderpumpe. Die Bedrückungseffekte können insbesondere auch während des Kaltfahrens von Teilen der Kraftstoffversorgungsanlage in Betriebspausen vor Betriebsbeginn genützt werden. Sehr von Vorteil ist in dieser Hinsicht eine Ausführungsform der Erfindung, bei der die Leitung zur Bedrückung des flüssigen kryogenen Mediums, also die dritte Leitung, am Leitungsende im Kryotank mit einem Diffusor versehen ist.
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Erst der Einsatz einer Förderpumpe zur Rückführung von Warmgas während der Druckhaltephasen ermöglicht den Betrieb eines Diffusors anstelle einer geschlossenen Innentankwärmetauscherschleife. Dies erspart eine Rückleitung und damit Wärmeeintrag in Betriebspausen, was zu längeren Druckaufbauzeiten führt. Gleichzeitig weist die Erfindung nur mehr einen zentralen Zugang von unten in den Innenbehälter auf, was zusätzliche Wärmebrücken vermeidet, thermische Schichtung mindert (thermische Schichtung im Innenbehälter nur bei Wärmebrücken von oben) und nur noch eine lösbare Zentralkupplung erforderlich macht.
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Dabei ist, bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung, die zweite Leitung an den weiteren Wärmetauscher angeschlossen, um die Fördereinrichtung zu kühlen.
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Die Verfügbarkeit der vollen Förderleistung der Fördereinrichtung hängt von einem ausreichend hohen Anteil der flüssigen Wasserstoffphase bei Eintritt in die Fördereinrichtung und Vermeidung von Verdampfung durch Eigenwärme der Fördereinrichtung ab. Die Kühlung der Fördereinrichtung in ihren Betriebspausen während der Gasentnahme oder im Boil-Off wird dabei durch Ankopplung der Gasentnahmeleitung an die Fördereinrichtung über den weiteren Wärmetauscher gesichert.
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Vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sind dadurch gekennzeichnet, dass die erste und die zweite Leitung in Verbraucherrichtung nach der Fördereinrichtung oder nach dem weiteren Wärmetauscher zusammengeführt sind und dass zwischen der Befüllleitung und einer Rückgasleitung eine Verbindungsleitung besteht, die die Befüllleitung mit der Rückgasleitung verbindet, wenn die Betankungskupplung nicht zur Betankung benutzt wird.
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Der Einsatz der so angeschlossenen kalten Förderpumpe ermöglicht das Kaltfahren des Befüllstranges einschließlich des Einfüllrohrs und der Befüllkupplung durch Rückführung von kryogenem Medium in den Innenbehälter und dadurch ohne Notwendigkeit zur Verwendung oder Abfuhr des für das Kaltfahren benötigten kryogenen Mediums. Das beschriebene Kaltfahren verkürzt die Befüllzeit und kann die beim Befüllen anfallenden Rückgasverluste verringern. Der beschriebene Kaltfahrvorgang kann vorteilhafterweise ebenso dazu benutzt werden, die Förderpumpe selbst kalt zu fahren.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung steht die erste Leitung und/oder die zweite Leitung oder die Zusammenführung aus erster und zweiter Leitung in Verbraucherrichtung nach der Fördereinrichtung oder nach dem weiteren Wärmetauscher mit dem Wärmetauscher in Wärme übertragendem Kontakt. Ferner ist die dritte Leitung zum Befüllen des Kryotanks über eine Befüllleitung mit der Betankungskupplung verbunden.
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Durch eine solche vorteilhafte Verschaltung der Leitungen kann der Diffusor für die Befüllung und für die Druckhaltung durch Warmgasrückführung genutzt werden. Während der Betankung dient der Diffusor zur gezielten Verteilung des eingefüllten Flüssigwasserstoffs und im Flüssigentnahmebetrieb wird zur Druckerhaltung im Kryotank rückgeführtes angewärmtes Wasserstoffgas im Gasraum verteilt, um so eine Versorgung der Förderpumpe mit unterkühltem flüssigen Wasserstoff zu gewährleisten.
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Eine weitere vorteilhafte Ausführung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Leitung in Verbraucherrichtung nach dem weiteren Wärmetauscher und vor einer Zusammenführung mit der ersten Leitung eine Abzweigleitung in die Betankungskupplung besitzt, die während einer Betankung als Rückgasleitung aus dem Kryotank durch dessen Befüllung verdrängtes gasförmiges kryogenes Medium zur Betankungskupplung führt.
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Durch Verwendung der zweiten Leitung, der Gasentnahmeleitung, als Rückgasleitung während des Befüllvorgangs wird wegen deren thermischer Ankopplung über den weiteren Wärmetauscher an die Fördereinrichtung eine verbesserte Verfügbarkeit der vollen Förderleistung nach einem Betankungsvorgang gewährleistet.
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Weitere vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sind dadurch gekennzeichnet, dass an die zweite Leitung, in Verbraucherrichtung, nach dem weiteren Wärmetauscher eine Abzweigleitung zu einem Druckentlastungsventil angeschlossen ist, das beim Erreichen eines Grenzdrucks, dem Boil-off-Druck, zum Abblasen gasförmigen Mediums aus dem Kryotank, öffnet. Außerdem ist an die zweite Leitung, insbesondere in Verbraucherrichtung vor dem weiteren Wärmetauscher, eine Abzweigleitung zu einem ersten Überdruck-Sicherheitsventil angeschlossen, das beim Erreichen eines Grenzdrucks über dem Boil-off-Druck, zum Abblasen gasförmigen Mediums aus dem Kryotank, öffnet. Zusätzlich kann an die erste Leitung, insbesondere in Verbraucherrichtung vor der Fördereinrichtung, eine Abzweigleitung zu einem zweiten Überdruck-Sicherheitsventil angeschlossen sein, das beim Erreichen eines Grenzdrucks über dem Boil-off-Druck, zum Abblasen von kryogenem Medium GH2, LH2 aus dem Kryotank, öffnet.
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Durch die Verfügbarkeit von Sicherheitsventilen an der Gasentnahmeleitung und an der Flüssigentnahmevorrichtung wird vorteilhafterweise die sichere Abführung von ausreichenden Wasserstoffmengen im Fehlerfall/Sicherheitsfall (z. B. starke Degradation der Isolation) auch in Überkopflagen verbessert, ohne die Leitungsquerschnitte der in den Innenbehälter führenden Leitungen vergrößern zu müssen. Dies führt zu einer Verringerung des Wärmeeintrags in Betriebspausen und damit zur einer erhöhten verlustfreien Druckaufbauzeit.
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Bei weiteren vorteilhaften Ausführungsformen der Erfindung ist die Flüssigentnahmeleitung an eine Umschalteinrichtung angebunden, die bis zum weitgehenden Entleeren des Kryotanks für eine Entnahme flüssigen Wasserstoffs LH2 sorgt. Solche, an sich aus dem Stand der Technik bekannten Einrichtungen, sorgen dafür, dass bei einer Neigung des Kryotanks die Entnahme dort stattfindet, wo sich das flüssige Medium befindet.
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Außerdem ist der Armaturenbehälter vorteilhaft so platziert, dass sich die Fördereinrichtung unterhalb oder auf gleicher Höhe von Leitungsöffnungen für die flüssige Entnahme im unteren Bereich des Kryotanks befindet. Dies fördert die flüssige Beschickung und erspart einen Schwelltopf bzw. vermeidet Kavitation.
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Im folgenden wird die Erfindung anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels weiter erläutert. Die einzige Figur zeigt einen schematisch dargestellten Längsschnitt eines erfindungsgemäßen Behälters zur Speicherung eines kryogenen Mediums mit einer erfindungsgemäßen Entnahme- und Befülleinrichtung. Erfindungswesentlich können sämtliche näher beschriebenen Merkmale sein. Die gesamte Kraftstoffversorgungsanlage für kryogenen Wasserstoff (und ähnliche Fluide) besteht aus einem isolierten Speicherbehälter mit Kühlschild und Wärmesenke inklusive einer an die Wärmesenke angebundenen Gasentnahmeleitung sowie einer Vorrichtung für Flüssigentnahme und einer als Diffusor ausgeführten kombinierten Betankungs- und warmen Rückgasleitung zur Druckerhaltung im Entnahmebetrieb, mit einem sekundären Vakuummodul inklusive Absperrventilen und einer kühlbaren kryogenen Förderpumpe zur Druckbereitstellung, mit einem Wärmetauschermodul zur Temperierung des entnommenen druckkonditionierten Wasserstoffs, mit einem Nebensystemmodul inklusive Pufferbehälter gegen Druckspitzen, mit Sicherheitsleitungen an Flüssig- und Gasentnahmeleitung und mit einem vor dem Befüllvorgang kühlbaren Einfüllrohr mitsamt Befüllkupplung.
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In einem nicht gezeichneten Kraftfahrzeug ist ein Kryotank 40 zur Speicherung von Flüssigwasserstoff LH2 eingebaut. Dieser dient als Kraftstoff zur Versorgung einer das Kraftfahrzeug antreibenden, nicht gezeichneten, Brennkraftmaschine, angekoppelt an einen Antriebsaggregatseingang 14. Der Kryotank 40 ist ein Behälter, bestehend aus einem druckfesten Innenbehälter 1, gelagert über eine nicht gezeichnete Lagerungseinrichtung in einem Außenbehälter 4, mit dazwischen liegender Isolationsschicht und einem in dieser eingebetteten Kühlschild 2. Mit dem Kühlschild 2 ist eine Wärmesenke 3 als Wärmespeichereinrichtung thermisch leitend verbunden, die als Pufferspeicher für die durch die Isolation eindringende Wärme aus der Umgebung dient. Die Wärmesenke 3 befindet sich in der primären Isolationszone, in einer Ausnehmung 41 des Innenbehälters 1, in die auch alle Zugänge zum Innenbehälter 1 münden, die von dort über eine am Außenbehälter 4 angebrachte, lösbare Zentralkupplung 5 aus diesem herausgeführt werden. Über die Zentralkupplung 5 ist ein vakuumisolierter Armaturenbehälter 6, der kalte Armaturen zum Befüllen und Entleeren des Kryotanks 40 enthält, als sekundäres isoliertes Kaltmodul, an den Außenbehälter 4 angekoppelt, und die Zugänge zum Innenbehälter 1 werden über die Zentralkupplung 5 aus dem Außenbehälter 4 heraus in den Armaturenbehälter 6 hinein geführt, wobei durch die Kupplungsvorrichtung 5 dichte Verbindungen zwischen aus dem Kryotank 40 und aus dem Armaturenbehälter 6 heraus führenden Leitungen 20, 42, 43 hergestellt werden.
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Dabei besteht die Kupplungsvorrichtung 5 aus einem kryotankseitigen Kupplungsteil 5a und einem armaturenbehälterseitigen Kupplungsteil 5b, wobei das kryotankseitige Kupplungsteil 5a am Außenbehälter 4 angebracht ist.
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Der Armaturenbehälter 6 besitzt zwei weitere Anschlussstellen, eine zum Befüllen des Kryotanks 40 und eine zur Versorgung des Verbrauchers, wobei diese über jeweils eine weitere, insbesondere lösbare, Kupplungsvorrichtung 46, 47 mit jeweils einem Anschlussteil, einer Betankungskupplung 24 und einem Wärmetauscher 10 bzw. einer Nebensystemkapsel 11, dichte Verbindungen zwischen aus dem Armaturenbehälter 6 und dem Anschlusssteil heraus führenden Leitungen 22, 26, 27 hergestellt werden.
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Dabei ist der Armaturenbehälter 6 so platziert, dass sich eine Förderpumpe 9 unterhalb oder auf gleicher Höhe von Leitungsöffnungen für die flüssige Entnahme im unteren Bereich des Kryotanks 40 befindet.
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Es ist zum Befüllen und Entleeren des Kryotanks 40 eine Befüll- und Entnahmeeinrichtung mit drei Zugängen zum Innenbehälter 1 vorgesehen. Diese drei Leitungen sind vom Innenbehälter 1, durch dessen Ausnehmung 41, die sich im wesentlichen innerhalb der Umfangskontur des Innenbehälters 1 befindet und in der auch noch die Wärmesenke 3 untergebracht ist, aus dem Außenbehälter 4 heraus, in den Armaturenbehälter 6 geführt, wobei eine erste Leitung 43 der Entnahme von kryogenem Medium vorwiegend in flüssiger Form aus dem unteren Bereich des Kryotanks 40 dient. Eine zweite Leitung 20 dient der Entnahme von kryogenem Medium vorwiegend in gasförmiger Form aus dem oberen Bereich des Kryotanks 40 und eine dritte Leitung 42, deren Leitungsende im Kryotank 40 mit einem Diffusor 18 versehen ist, dient zur Rückführung des Mediums als Warmgas in den oberen Bereich des Kryotanks 40 und während der Befüllung des Kryotanks 40 als Befüllleitung.
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Es sind alle in den Innenbehälter 1 führenden Leitungen 20, 42, 43 durch dessen Verschneidungsfläche 50 mit der zylindrischen Ausnehmung 41 geführt. Zur Verbindung des Kühlschilds 2 mit der Wärmesenke 3 überragt diese mit ihrem einen Ende die Umfangskontur des Innenbehälters 1 so weit, dass diese mit dem Kühlschild 2 durch nicht gezeichnete Schrauben verbunden, eine wärmeübertragende Verbindung bildet. Durch ein weiteres, kleineres Kühlschild 51, das die zweite und die dritte Leitung 20, 42 innerhalb der Ausnehmung 41 teilweise umgibt und mit der Wärmesenke 3 verbunden ist, wird der Wärmeeintrag dieser Leitungen 20, 42 auf den Innenbehälter 1 reduziert. Durch diese Anordnung wird die Isolation des Innenbehälters 1 durch die Wärmesenke 3 nicht gestört und die Isolationswirkung nicht negativ beeinflusst.
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Aus dem Kryotank 40 wird, über einen Flüssigentnahmeumschalter 7, bei Volllastanforderung durch die Brennkraftmaschine oder im Teillastbetrieb, bei Unterschreiten des für die Brennkraftmschine notwendigen niedrigsten Versorgungsdrucks im Kryotank 40, kryogen gespeicherter Wasserstoff in flüssiger Phase LH2 über die erste Leitung 43 entnommen und an der Wärmesenke 3 vorbei, über ein im Armaturenbehälter 6 sitzendes Kaltventil 8 zu der kalten Förderpumpe 9 für vorwiegend flüssigen Wasserstoff geführt. Diese komprimiert den flüssigen Wasserstoff LH2 auf das für die Brennkraftmaschine bei Volllast- bzw. Teillastbetrieb vorgesehene Druckniveau. Der komprimierte Wasserstoff wird über eine Hauptentnahmeleitung 22 durch ein Puffervolumen 31 in einen zweiten Wärmetauscher 10 geführt, dort temperiert und über einen in einer Nebensystemkapsel 11 sitzenden Druckspeicherbehälter 12, der der Dämpfung von Druckschwankungen dient, und ein Absperrventil 13 zum Antriebsaggregatseingang 14 geführt.
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Bei unzulässigem Unterschreiten eines Mindestdrucks im Innenbehälter 1, wird durch Öffnen eines Regelventils 16 eine über eine Drossel 15 geregelte Menge des aufgewärmten Entnahmemassenstroms in eine Befüllleitung 17 eingeleitet und dort über die Zentralkupplung 5, durch eine dritte Leitung 42, vorbei an der Wärmesenke 3, in den im Innenbehälter 1 befindlichen, für Befüllung und Druckerhaltung durch Rückführung genutzten Diffusor 18 geführt, der den warmen gasförmigen Wasserstoff GH2 im Innenbehälter 1 verteilt und dem Kryotank 40 so die zum Druckerhalt notwendige Wärme zuführt. Die Anordnung des Diffusors 18 im oberen Bereich des Innenbehälters 1, der mehrheitlich von der Gasphase des gespeicherten Wasserstoffs GH2 eingenommen wird, dient einer gezielten Herstellung eines Ungleichgewichts im gespeicherten Wasserstoff und führt so idealerweise durch Druckanstieg zu einer Unterkühlung des flüssigen Wasserstoffs LH2 im Bereich der Flüssigentnahmevorrichtung. Die entstehende Unterkühlung kann dazu beitragen, dass der der kalten Förderpumpe 9 zugeführte Wasserstoff trotz Wärmeaufnahme in den Zuleitungen zur Förderpumpe 9, die Förderpumpe 9 in weitgehend flüssigem Zustand erreicht und so zu einem effizienten Betrieb der Förderpumpe 9 beiträgt. Des weiteren trägt das so erzeugte Ungleichgewicht im gespeicherten Wasserstoff zu Beginn von Betriebspausen zu einem Druckabfall durch erst verzögert einsetzende langsame Annäherung an den Sättigungszustand (Vermischung) und sich einstellendem Gleichgewicht bei und erhöht so idealerweise den Druckhub und damit die verlustfreie Druckaufbauzeit im Kryotank 40, bis zum Erreichen eines Grenzdrucks, dem Boil-off-Druck, bei dem gasförmiges Medium GH2 aus dem Kryotank 40 abzublasen ist.
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Im Teillastbetrieb der Brennkraftmaschine, bei Drücken im Innenbehälter 1 oberhalb des niedrigsten Versorgungsdrucks für Teillastbetrieb ist eine Wasserstoffentnahme in gasförmiger Phase GH2 vorgesehen, um wegen der bei Gasentnahme höheren Enthalpieabfuhr aus dem Innenbehälter 1 den Druck im Innenbehälter 1 bis zum Mindestdruck reduzieren zu können. Dafür wird durch Öffnen eines im Armaturenbehälter 6 befindlichen Kaltventils 19, gasförmiger Wasserstoff GH2, getrieben durch den Druck im Innenbehälter 1, über die in den Innenbehälter 1 ragende zweite Leitung 20 für Gasentnahme aus dem Innenbehälter 1 entnommen, durch die Wärmesenke 3, die ausschließlich mit der zweiten Leitung 20 zur Entnahme von gasförmigem kryogenem Medium in wärmeübertragendem Kontakt steht, und die Zentralkupplung 5 in den Armaturenbehälter 6 geführt. Dort kühlt der gasförmige Wasserstoff GH2 durch einen ersten Wärmetauscher 21 die sich bei Gasentnahme nicht in Betrieb befindliche, kalt zu haltende Förderpumpe 9 und wird nach dem Kaltventil 19, stromabwärts der Förderpumpe 9, der Hauptentnahmeleitung 22 zugeführt. Weiter im zweiten Wärmetauscher 10 temperiert und via Druckspeicherbehälter 12 und Absperrventil 13 in der Nebensystemkapsel 11 zum Antriebsaggregatseingang 14 geleitet.
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Das Befüllen des Kryotanks 40 mit kryogen gespeichertem Wasserstoff wird über eine Betankungskupplung 24 am Armaturenbehälter 6 durchgeführt. Vor einem Befüllvorgang wird mit Hilfe der kalten Förderpumpe 9 der komplette Befüllstrang inklusive Diffusor 18, Befüllleitung 17, Einfüllrohr 23 und Betankungskupplung 24 durch Kreisförderung „kalt gefahren”, um so den anschließenden Befüllvorgang zu beschleunigen und Rückgasverluste zu verringern. Dazu werden die Kaltventile 8 und 25 geöffnet und die Förderpumpe 9 in Betrieb genommen. Dadurch wird Wasserstoff aus der flüssigen Phase LH2 über die erste Leitung 43 aus dem Kryotank 1 über die Zentralkupplung 5 und das Kaltventil 8, durch die Förderpumpe 9 und die Verbindungsleitung 45 zwischen Rückgasleitung 26 und betankungskupplungsseitiger Befüllleitung 27, dann über das Kaltventil 25 und die Befüllleitung 17, zurück in den Innenbehälter 1 gefördert.
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Ein ähnlicher Kaltfahrvorgang kann dazu benutzt werden, die Förderpumpe 9 bei Bedarf selbst kalt zu fahren. Dazu wird wie im Falle des Kaltfahrens des Betankungsstrangs das Kaltventil 8 geöffnet und die Förderpumpe 9 in Betrieb genommen. Anstatt des Kaltventils 25 wird aber das Kaltventil 19 geöffnet und das aus der Förderpumpe 9 austretende Gas über den ersten Wärmetauscher 21 und die zweite Leitung 20 zurück in den Innenbehälter 1 geführt.
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Der Befüllvorgang selbst, über die Betankungskupplung 24 und das Einfüllrohr 23, wird eingeleitet durch Ankoppeln einer füllstationsseitigen Kupplung an die Befüllkupplung 24 am Armaturenbehälter 6, wodurch die Rückgasleitung 26 und die betankungskupplungsseitige Befüllleitung 27 von einander getrennt werden, indem die Verbindungsleitung 45 unterbrochen wird. Durch Öffnen des Kaltventils 25 zur Befüllung und des Kaltventils 19 für Rückgas wird kryogen gespeicherter Wasserstoff in flüssiger Form LH2 von der Befüllstation durch die betankungskupplungsseitige Befüllleitung 27, über Kaltventil 25, Befüllleitung 17, Zentralkupplung 5 und Diffusor 18 im Innenbehälter 1 verteilt. Gleichzeitig wird über die zweite Leitung 20 für Gasentnahme, die Wärmsenke 3, die Zentralkupplung 5, den ersten Wärmetauscher 21, das Kaltventil 19 und die Rückgasleitung 26 Rückgas zur Druckabsenkung im Innenbehälter 1 an die Befüllstation rückgeführt. Dabei wird über das durch den ersten Wärmetauscher 21 strömende Rückgas die Förderpumpe 9 gekühlt. Dies dient einer schnellen Verfügbarkeit der vollen Förderleistung nach Beendigung des Befüllvorgangs bei Inbetriebnahme der Wasserstoffversorgungsanlage zur Versorgung der Brennkraftmaschine im Volllastbetrieb.
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Während längerer Betriebspausen der Wasserstoffversorgungsanlage steigt der Druck im Innenbehälter 1 durch stetigen Wärmeeintrag aus der Umgebung über den Außenbehälter 4, die Isolation, das Kühlschild 2 und den Innenbehälter 1 in den dort gespeicherten flüssigen Wasserstoff LH2, der die Wärme in Verdampfung umsetzt. Bei Erreichen des Boil-Off Drucks öffnet ein Druckentlastungsventil 28 und gasförmiger Wasserstoff GH2 wird über die zweite Leitung 20 zur Gasentnahme, die Wärmsenke 3, die Zentralkupplung 5 und den ersten Wärmetauscher 21 in eine Boil-Off Leitung 32 abgeführt. Dabei kühlt der abgeführte Wasserstoff neben der Wärmesenke 3 mit dem Kühlschild 2 auch die Förderpumpe 9 über den ersten Wärmetauscher 21. Dies dient einer schnellen Verfügbarkeit der vollen Förderleistung nach einer Betriebspause, bei Inbetriebnahme der Wasserstoffversorgungsanlage zur Versorgung der Brennkraftmaschine im Volllastbetrieb.
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Im Falle eines plötzlichen starken Wärmeeintrags in den Innenbehälter 1, durch Beschädigung der Isolation oder andere Fehlerfälle, steigt der Druck im Innenbehälter 1 durch zunehmende Verdampfung flüssigen Wasserstoffs LH2 stark an. Da in einem solchen Fall die Abfuhr einer ausreichenden Menge Wasserstoffs durch die Boil-Off Leitung 32 nicht möglich ist, öffnen die Überdruck-Sicherheitsventile 29 und 30 bei Erreichen des jeweiligen Druckniveaus für das jeweilige Sicherheitsventil 29, 30. Dabei ist das zuerst ansprechende Sicherheitsventil 29 an die zweite Leitung 20, die Gasentnahmeleitung, angekoppelt und das Sicherheitsventil 30 an die erste Leitung 43 der Flüssigentnahmevorrichtung. So wird garantiert, dass auch im Falle einer Überkopflage, mit flüssigem Wasserstoff LH2 im Bereich der Öffnung der zweiten Leitung 20, der Gasentnahmeleitung, ausreichend gasförmiger Wasserstoff GH2 aus der dann im Bereich der Flüssigentnahmevorrichtung vorliegenden Gasphase über das Sicherheitsventil 30 abgeführt werden kann.
