DE102007011742A1

DE102007011742A1 - Verfahren zum Befüllen eines für ein tiefkaltes Speichermedium, insbesondere Wasserstoff, vorgesehenen Druckspeichers

Info

Publication number: DE102007011742A1
Application number: DE102007011742A
Authority: DE
Inventors: Tobias Brunner
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2007-03-10
Filing date: 2007-03-10
Publication date: 2008-09-11

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Befüllen eines für ein tiefkaltes Speichermedium, insbesondere tiefkalten Wasserstoff, vorgesehenen Druckspeichers, insbesondere eines Kryo-Drucktanks eines Kraftfahrzeugs, in dem das aus einem großen Druck-Vorratsbehälter unter Absolutdruckwerten in der Größenordnung von 100 bar und mehr sowie einer Temperatur, die im wesentlichen im Bereich der Umgebungstemperatur liegt, im gasförmigen Zustand entnommenes Speichermedium unter Absolutdruckwerten in der Größenordnung von 150 bar oder mehr gespeichert werden kann. Dabei wird das Speichermedium nach Entnahme aus dem großen Vorratsbehälter möglichst isobar auf einen tiefkalten Temperaturbereich durch Wärmetausch mit einem tiefkalten Kühlmedium, insbesondere flüssigem Stickstoff, abgekühlt und danach in den Druckspeicher eingebracht. Vor der Befüllung mit neuem Speichermedium kannn im Druckspeicher/Kryo-Drucktank enthaltenes Rest-Speichermedium aus dem Druckspeicher in ein Drucktankspeichersystem oder zu einem Verbraucher abgeführt werden, wobei das Rest-Speichermedium für ersteres vor Einleitung in das Drucktankspeichersystem vorgewärmt und komprimiert wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Befüllen eines für ein tiefkaltes Speichermedium, insbesondere tiefkalten Wasserstoff, vorgesehenen Druckspeichers, insbesondere eines Kryo-Drucktanks eines Kraftfahrzeugs, in dem das aus einem großen Druck-Vorratsbehälter unter Absolutdruckwerten in der Größenordnung von 100 bar und mehr sowie einer Temperatur, die im wesentlichen im Bereich der Umgebungstemperatur liegt, im gasförmigen Zustand entnommenes Speichermedium unter Absolutdruckwerten in der Größenordnung von 150 bar oder mehr gespeichert werden kann. Zum bekannten Stand der Technik wird neben der derzeit verwendeten Betankungstechnologie, die bspw. beim Fahrzeug „Hydrogen 7" der Anmelderin der vorliegenden Patentanmeldung angewendet und im folgenden Absatz erläutert wird, auf die DE 101 07 895 C2 sowie auf die US 6,708,502 B1 verwiesen.
Stand der Technik beim genannten Fahrzeug „Hydrogen 7", das mit einem sog. Kryo-Tank zur Speicherung von kryogenem Wasserstoff (zur Versorgung des als Brennkraftmaschine ausgeführten Fzg.-Antriebsaggregats) ausgerüstet ist, ist ein „unterkritischer" Speicherbehälter (als Kryo-Tank), der aus einem metallischen Innentank, einem metallischen Außentank und einer dazwischen liegenden Vakuum-Superisolation zur Minderung des Wärmeeintrags in den Innentank besteht. Der typische Betriebsdruck dieses Speicherbehälters liegt zwischen 1 bar absolut und 10 bar absolut, und die Betriebstemperaturen im sog. „kalten Regulärbetrieb" liegen zwischen 20 K (Kelvin) und ca. 30 K, d. h. der im Speicherbehälter bzw. im Innentank desselben enthaltene kryogene Wasserstoff weist diese genannten physikalischen Werte, die im Druck-Dichte-Diagramm des Wasserstoffs im sog. unterkritischen Bereich liegen, auf.
Die Betankung des Kryo-Tanks nach diesem Stand der Technik erfolgt mit kryogenem flüssigen Wasserstoff bei Drücken zwischen 1 bar und 6 bar und entsprechenden Sättigungstemperaturen des kryogenen Wasserstoffs oder bei leichter Unterkühlung desselben. Die derzeit maximal darstellbare Unterkühlung liegt in der Größenordnung von 6 Kelvin als Differenz der Sättigungstemperatur bei einem Druck von 6 bar absolut und der Sättigungstemperatur bei einem Druck von 1 bar absolut. Die physikalischen Speicherdichten sind begrenzt durch den höchsten Betankungsdruck von ca. 6 bar absolut und die niedrigste mögliche Wasserstofftemperatur von ca. 20 K. Eine reguläre Fahrzeugbetankung ist aktuell durch die Mindestdruck-Anforderung des Fzg.-Antriebsaggregats einerseits sowie durch die fehlende „Überfüllbarkeit" andererseits – in der Regel gilt nämlich eine ca. 80% bis 95% flüssige Volumenfüllgrenze des Kryo-Tanks – begrenzt. Ferner existiert die sog. Boil-off-Problematik, wonach aufgrund von zwar minimalem, aber unvermeidbaren Wärmeeintrag in den Kryo-Tank in diesem eine Druckerhöhung erfolgt, welche durch Abblasen von gasförmigem Wasserstoff aus dem Kryo-Tank abgebaut werden muss. Die maximale verlustfreie Standzeit eines derzeitigen optimalen Kryo-Tanks liegt bei einem Abstellen bei Betriebsdruck in der Größenordnung von ca. 3 Tagen, d. h. nach diesem Zeitraum ist ein Abblasen einer kleinen Teilmenge von gespeichertem Wasserstoff unvermeidbar, was in der täglichen Praxis nicht befriedigend ist.
Die eingangs genannte DE 101 07 895 A1 beschreibt eine weitere Speichertechnologie für ein Füllgas, bspw. Wasserstoff, und zwar in Druckbehältern, die vor der Befüllung bspw. in flüssigem Stickstoff abgekühlt werden. Um die mögliche Befüllmasse zu steigern, kann zusätzlich das unter einem Druck von 200 bar stehende Füllgas vor dem Befüllen im Wärmetausch mit flüssigem Stickstoff abgekühlt werden. Nachteilig an diesem Stand der Technik ist erstens, dass die Druckbehälter nicht im in einem Fahrzeug eingebauten Zustand abgekühlt werden können, was die Handhabung extrem erschwert. Zweitens findet nach erfolgter Befüllung ein starker Wärmeeintrag in den oder die Druckbehälter statt, so dass innerhalb diesem/dieser eine extreme Drucksteigerung bis auf Werte von 1200 bar erfolgt. Dies macht äußerst massive und daher schwere Druckbehälter erforderlich.
Weiteren bekannten Stand der Technik stellt die sog. Kryo-Druckspeicherung dar, wozu auf die o. g. US 6,708,502 B1 verwiesen wird, in der verschiedene Arten von isolierten Druckspeichern für kryogene Speichermedien mit inneren und äußeren Diffusionssperren, die einen CFK-Innentank umhüllen, beschrieben sind. Nach diesem Stand der Technik kann der beschriebene sog. Kryo-Druckspeicher mit warmen Druckgas bei 350 bar und niedriger Speicherkapazität oder alternativ mit flüssigem Wasserstoff bei niedrigem Druck von ca. 1 bar (absolut) mit höherer Speicherkapazität befüllt werden.
Eine Befüllung mir 1 bar Absolutdruck hat jedoch zur Folge, dass direkt im Anschluss an einen Befüllvorgang keine Druckbereitstellung für ein aus diesem Kryo-Druckspeicher mit Wasserstoff zur Verbrennung zu versorgenden Aggregat, bspw. einem Fahrzeug-Antriebsaggregat oder einer Brennstoffzelle, möglich ist, da dieses bzw. diese den Wasserstoff unter geringfügig höherem Druck, der für heutige genannte Komponenten in der Größenordnung von zumindest 4 bar absolut liegt, benötigt. Eine zeitintensive und/oder energieintensive nachträgliche Druckerhöhung im Fahrzeug wäre folglich für den Betrieb des Antriebsaggregats oder einer Brennstoffzelle direkt im Anschluss an eine Betankung notwendig. Wegen fehlender Möglichkeiten einer zeitnahen, energieeffizienten Tankdruckerhöhung oder einer Druckerzeugung auf dem Weg zum Antriebsaggregat (bzw. allgemein einem Verbraucher, bei dem es sich neben einem Verbrennungsmotor auch um eine Brennstoffzelle handeln kann) werden mit dem bekannten Kryo- Druckspeicher bei Befüllung mit flüssigem Wasserstoff die automotiven Randbedingungen also nicht erfüllt.
Alternativ kann – wie bereits erwähnt wurde – der sog. Kryo-Druckspeicher mit Druckgas befüllt werden.
Hierfür nun eine Verbesserung, nämlich ein verbessertes Verfahren zum Befüllen eines Kryo-Drucktanks nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 aufzuzeigen, ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung.
Die Lösung dieser Aufgabe ist dadurch gekennzeichnet, dass das Speichermedium nach Entnahme aus dem großen Vorratsbehälter möglichst isobar auf einen tiefkalten Temperaturbereich durch Wärmetausch mit einem tiefkalten Kühlmedium abgekühlt und danach in den Druckspeicher, insbesondere Kryo-Drucktank eingebracht wird. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Inhalt der Unteransprüche.
Grundsätzlich wird eine Betankung des Kryo-Druckspeichers mit tiefkaltem Speichermedium bei überkritischem Druck vorgeschlagen, indem das aus einem großen Druck-Vorratsbehälter, der sich analog den bisherigen flüssigen Kohlenwasserstoff-Kraftstoffen (wie Benzin oder Diesel) an einer „Tankstelle" befindet, im wesentlichen unter überkritischem Druck entnommene und dabei gasförmige Speichermedium möglichst bzw. im wesentlichen isobar extrem, vorzugsweise bis in den kryogenen Bereich hinein, abgekühlt wird. Hiermit kann eine größere Masse von Speichermedium in den Kryo-Drucktank eingebracht werden als dies ohne eine derartige Abkühlung wie im eingangs letztgenannten Stand der Technik der Fall ist. Da im Kryo-Drucktank diese niedrige Temperatur über eine lange Zeitspanne gehalten werden kann, ist in diesem trotz der größeren Speicher-Masse über der Zeit kein extrem hoher Druckanstieg zu befürchten, so dass ein weniger druckfester Tank oder Druckbehälter erforderlich ist als im eingangs zweitgenannten Stand der Technik.
Für den Fall von Wasserstoff als kryogenem Speichermedium sind die entsprechenden Prozessschritte in der beigefügten 1, die im wesentlichen ein Druck-Dichte-Diagramm des Wasserstoffs zeigt, exemplarisch wiedergegeben. Über der Dichte in der Einheit „Gramm je Liter (g/l) " ist dabei der zugehörige Absolut-Druck in „bar" (= bara) dargestellt, wobei ausdrücklich auf die Unterbrechung in der Ordinate hingewiesen sei, weshalb auch die jeweiligen Isothermen (293 K, 77 K, 50 K, 23 K, 20 K) unterbrochen dargestellt sind.
Es wird somit flüssiger kryogener Wasserstoff in einem Zustand gemäß Punkt „a" aus einem großen Vorratsbehälter unter einem Druck in der Größenordnung von bspw. 250 bar sowie unter Umgebungstemperatur von bspw. 293 Kelvin entnommen. Dieser komprimierte gasförmige Wasserstoff wird anschließend möglichst isobar auf ca. 77 K (= Temperatur von vorzugsweise als Kältemittel in einem Wärmetauschprozess verwendeten flüssigen Stickstoff) abgekühlt, womit der Punkt „b" erreicht wird. In diesem ist die Dichte von Wasserstoff (naturgemäß) erheblich größer als im Ausgangspunkt „b".
Im Falle eines vor dem Befüllvorgang nicht ausreichend entspannten Zustands des Inhalts des Kryo-Drucktanks bzw. zur Erhöhung der Betankungsendmasse bei warmem Gasinhalt des Kryo-Drucktanks kann in diesem eine Druckreduktion durch Rückführung von aus dem Kryo-Drucktank entnommenen Rest-Gas oder Rest-Speichermedium erfolgen, und zwar indem dieses in ein Drucktankspeichersystem oder zu einem Verbraucher abgeführt wird. Im erstgenannten Fall empfiehlt es sich, das Rest-Speichermedium vor einer Einleitung in das Drucktankspeichersystem vorzuwärmen, d. h. sicher in den rein gasförmigen Zustand zu überführen, und zu komprimieren.
In der im folgenden erläuterten 2 ist eine Vorrichtung zur Durchführung des hier vorgeschlagenen Verfahrens dargestellt, womit dieses Verfahren nun nochmals ausführlich erläutert wird:
Mit der Bezugsziffer 1 ist ein bspw. an einer Tankstelle befindlicher großer Druck-Vorratsbehälter gekennzeichnet, in dem gasförmiger Wasserstoff 25 unter hohem Druck (bspw. in der Größenordnung von 250–300 bar) im wesentlichen bei Umgebungstemperatur (bspw. 293 K) gelagert ist. Aus diesem großen Vorratsbehälter 1 soll ein mit der Bezugsziffer 10 gekennzeichneter Kryo-Drucktank eines Kraftfahrzeugs betankt werden, d. h. letzterer soll mit Wasserstoff aus dem großen Druck-Vorhaltsbehälter 1 befüllt werden, wobei der aus diesem Druck-Vorratsbehälter 1 entnommene Wasserstoff jedoch zunächst in den kryogenen Zustand überführt, d. h. extrem abgekühlt wird. Hierfür wird eine dem Kryo-Drucktank 10 zugeordnete Zuleitung 7, die über ein Kaltventil 8 mit einer innerhalb des Kryo-Drucktanks 10 mündenden Befüllleitung 9 verbunden ist, über eine Kryo-Drucktank-Kupplung 6 mit einer Versorgungsleitung 5 des großen Druck-Vorratsbehälters 1 verbunden.
Die genannte Versorgungsleitung 5, über die tiefkalter, vorzugsweise kryogener Wasserstoff zur Kryo-Drucktank-Kupplung 6 herangeführt wird, ist jedoch nicht direkt mit dem großen Druck-Vorratsbehälter 1 verbunden, sondern mit einem Wärmetauscher 4, in den aus dem großen Druck-Vorratsbehälter 1 über eine Zuleitung 3 mit einem Ventil 2 gasförmiger Wasserstoff eingeleitet werden kann, der in diesem Wärmetauscher 4 dann extrem abgekühlt wird. Hierzu steht der Wärmetauscher 4 auf nicht dargestellte geeignete Weise in Wärmetausch vorzugsweise mit flüssigem Stickstoff, so dass der durch den Wärmetauscher 4 hindurch geführte Wasserstoff bis in den Temperaturbereich des flüssigen Stickstoffs (in der Größenordnung von 80 K) abgekühlt wird. Dieser Abkühlprozess bzw.
Wärmetausch soll dabei möglichst isobar erfolgen, wofür insbesondere der Wärmetauscher 4 geeignet ausgelegt ist.
Selbstverständlich sind die jeweiligen Bauelemente, so weit dies erforderlich ist, ausreichend isoliert. insbesondere gilt dies bezüglich des Kryo-Drucktanks 10, der wie üblich mit einer Vakuum-Superisolation 12 versehen ist und die ihrerseits in einem den Drucktank 10 entsprechend beabstandet umhüllenden vakuumdichten Außentank 11 gehalten ist. Selbstverständlich sind auch die Zuleitung 7 sowie die Kupplung 6 und die Versorgungsleitung 5 ausreichend isoliert, ebenso wie weitere mit tiefkaltem Wasserstoff in Kontakt kommende Elemente, für welche dies entweder figürlich dargestellt ist und/oder die im weiteren noch erläutert werden.
Falls sich zu Beginn eines gewünschten Befüll-Vorgangs des Kryo-Drucktanks 10 in diesem eine noch nicht ausreichend entspannte Restmenge von gespeichertem Wasserstoff befindet oder wenn eine Erhöhung der Betankungs-Endmasse bei warmem Gasinhalt des Kryo-Drucktanks 10 vor einer Neubefüllung erreicht werden soll, kann in diesem eine Druckreduktion, d. h. ein Druckausgleich, durchgeführt werden, indem zumindest ein Teil der besagten Restmenge, d. h. allgemein Rest-Speichermedium, die/das üblicherweise gasförmig vorliegt, aus dem Kryo-Drucktank 10 abgeführt wird. Dies erfolgt über eine Rückgasleitung 13, die über ein Rückgasventil 14 zu einer isolierten Leitung 15 führt, deren Ende eine Rückgaskupplung 16 aufweist. An diese schließt sich eine isolierte Leitung 17 an, die sich verzweigt und einerseits zu einem Vorwärmer 19 und andererseits zu einem Ventil 18 führt. An letzteres kann über eine Kupplung 24 ein Verbraucher, so bspw. eine Brennstoffzelle angeschlossen werden.
Die durch den Vorwärmer 19 hindurch geführte, aus dem Kryo-Drucktank 10 vor einem Befüllvorgang abgeführte Restmenge von Wasserstoff wird anschließend in einem Kompressor 20, an dessen Ausgang ein Ventil 21 vorgesehen ist, ausreichend hoch verdichtet, so dass bzw. wonach eine Einleitung des sog. konditionierten Restgases in ein Drucktankspeichersystem 22 erfolgen kann. Letzteres kann über ein Ventil 23 mit dem großen Druck-Vorratsbehälter 1 verbunden sein, derart, dass ein quasi geschlossener Wasserstoff-Kreislauf vorliegt, über den das aus dem Kryo-Drucktank 10 entnommene Rückgas durch Kompression und anschließende Kühlung wieder in den Kryo-Drucktank 10 zurückgeführt werden kann.
Zur Sicherstellung höchster Speicherdichte und ausreichender Druckverfügbarkeit für den gespeicherten kryogenen Wasserstoff bzw. allgemein für das kryogene Speichermedium ist hiermit also ein quasi verlustfreier Kryo-Drucktank (Kryo-Druckspeicher) mit ausreichend langer verlustfreier Standzeit bei gleichzeitig siedevorgangsfreiem Entnahmebetrieb, Standbetrieb und insbesondere Betankungsbetrieb vorgeschlagen, der dadurch ermöglicht wird, dass eine Betankung eines Kryo-Drucktanks mit tiefkaltem Speichermedium bei überkritischem Druck erfolgt, wobei noch darauf hingewiesen sei, dass durchaus eine Vielzahl von Details abweichend von obigen Erläuterungen gestaltet sein kann, ohne den Inhalt der Patentansprüche zu verlassen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- DE 1010789502 C2 [0001]
- US 6708502 B1 [0001, 0005]
- DE 10107895 A1 [0004]

Claims

Verfahren zum Befüllen eines für ein tiefkaltes Speichermedium, insbesondere tiefkalten Wasserstoff, vorgesehenen Druckspeichers, insbesondere eines Kryo-Drucktanks (10) eines Kraftfahrzeugs, in dem das aus einem großen Druck-Vorratsbehälter (1) unter Absolutdruckwerten in der Größenordnung von 100 bar und mehr sowie einer Temperatur, die im wesentlichen im Bereich der Umgebungstemperatur liegt, im gasförmigen Zustand entnommenes Speichermedium unter Absolutdruckwerten in der Größenordnung von 150 bar oder mehr gespeichert werden kann, dadurch gekennzeichnet, dass das Speichermedium nach Entnahme aus dem großen Vorratsbehälter (1) möglichst isobar auf einen tiefkalten Temperaturbereich durch Wärmetausch mit einem tiefkalten Kühlmedium abgekühlt und danach in den Druckspeicher, insbesondere Kryo-Drucktank (13) eingebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Speichermedium in einem Wärmetauscher (4) mittels flüssigem Stickstoff abgekühlt wird.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass vor der Befüllung mit neuem Speichermedium im Druckspeicher/Kryo-Drucktank (10) enthaltenes Rest-Speichermedium aus dem Druckspeicher (10) in ein Drucktankspeichersystem (22) oder zu einem Verbraucher abgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Rest-Speichermedium vor Einleitung in das Drucktankspeichersystem (22) vorgewärmt und komprimiert wird.