DE102013214044A1 - Verfahren zum Bestimmen der Masse des in einem Kryodrucktank gespeicherten Mediums - Google Patents

Verfahren zum Bestimmen der Masse des in einem Kryodrucktank gespeicherten Mediums Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen der Masse des in einem Kryodrucktank gespeicherten Mediums, wobei der Kryodrucktank einen Außenbehälter und einen innerhalb dessen über ein Festlager und zumindest ein Loslager gelagerter Innenbehälter aufweist, in welchem das besagte Medium tiefkalt und unter Druckwerten in der Größenordnung von mehreren hundert Bar speicherbar ist und das oder die Loslager vorgesehen ist oder sind, um Änderungen der Abmessungen des Innenbehälters, welche auf Änderungen von dessen Temperatur und/oder Innendruck zurückzuführen sind, auszugleichen, indem ein dem Innenbehälter zugeordnetes Teil des Loslagers gegenüber einem dem Außenbehälter zugeordneten Teil des Loslagers zumindest geringfügig verlagerbar ist. Dabei werden mittels einer im Loslager vorgesehenen Messvorrichtung die Lageänderungen des dem Innenbehälter zugeordneten Loslager-Teils gegenüber dem fest mit dem Außenbehälter verbundenen Loslager-Teil erfasst und es wird aus diesen Lageänderungen anhand einer in einer elektronischen Steuereinheit hinterlegten Zuordnung auf die im Innenbehälter enthaltene Masse des gespeicherten Mediums geschlossen wird. Vorzugsweise wurde die Zuordnung experimentell bestimmt.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen der Masse des in einem Kryodrucktank gespeicherten Mediums, wobei der Kryodrucktank einen Außenbehälter und einen innerhalb dessen über ein Festlager und zumindest ein Loslager gelagerten Innenbehälter aufweist, in welchem das besagte Medium tiefkalt und unter Druckwerten in der Größenordnung von mehreren hundert Bar speicherbar ist, und das oder die Loslager vorgesehen ist oder sind, um Änderungen der Abmessungen des Innenbehälters, welche auf Änderungen von dessen Temperatur und/oder Innendruck zurückzuführen sind, auszugleichen, indem ein dem Innenbehälter zugeordnetes Teil des Loslagers gegenüber einem dem Außenbehälter zugeordneten Teil des Loslagers zumindest geringfügig verlagerbar ist. Zum Stand der Technik wird neben der EP 2 217 845 B1 auf die DE 101 28 516 A1 verwiesen.
  • Zur Speicherung eines unter Umgebungsbedingungen gasförmigen Mediums, bei welchem es sich in Verbindung mit der vorliegenden Erfindung insbesondere um Wasserstoff handeln kann, ist neben der kroygenen Speicherung die Kryodruckspeicherung bekannt. Während bei der kryogenen Speicherung das besagte Medium bei vollständig oder annähernd vollständig befülltem Tank „nur” mit einer Temperatur nahe des absoluten Nullpunktes (in der Größenordnung von 20 Kelvin) gespeichert wird, (vgl. hierzu die oben zweitgenannte DE 101 28 516 A1 ), steht das zu speichernde Medium bei der Kryodruckspeicherung zusätzlich unter nennenswertem Druck und wird im Falle von Wasserstoff insbesondere im überkritischen Zustand gespeichert, so wie dies für Wasserstoff als besagtes Medium beispielsweise in der eingangs zweitgenannten EP 2 217 845 B1 mit Druckwerten zwischen minimal 13 bar und 150 bar und mehr beschrieben ist. Die Kryodruckspeicherung zeichnet sich durch eine erheblich größere Speicherdichte und signifikant geringere Abblase-Verluste (sog. „Boil-off” bei der einfachen kroygenen Speicherung) aus.
  • An Tanks zur Speicherung flüssiger oder gasförmiger Medien, aus denen bei Bedarf Teilmengen dieses Mediums entnommen werden, und somit auch an einem Kryodrucktank, ist es erwünscht, die aktuell im Tank befindliche Medium-Masse zu kennen, beispielsweise wenn der Kryodrucktank in einem Kraftfahrzeug zur Speicherung von Wasserstoff eingesetzt ist, welcher direkt oder indirekt (nämlich unter Zwischenschaltung einer Brennstoffzelle) zur Versorgung eines Antriebsaggregats des Fahrzeugs dient. Zwar kann hierbei die gezielt aus dem Tank entnommene Masse von Medium kontinuierlich verfolgt werden, jedoch ist eine solche Betrachtung alleine zu ungenau, weswegen eine direkte Bestimmung der aktuell im Tank befindlichen Medium-Masse (im Weiteren wird nur mehr von Wasserstoff als zu speichernden Medium gesprochen ohne hierdurch die Erfindung hierauf beschränken zu wollen) benötigt wird. Letzeres kann entweder durch Wiegen erfolgen, was bei Einsatz im Kraftfahrzeug nicht sinnvoll darstellbar ist oder durch Messung von Druck und Temperatur des im Tank gespeicherten Wasserstoffs. Hierfür kann ein Temperatursensor am Innenbehälter und ein Drucksensor geeignet an bzw. in einer den Wasserstoff aus dem Innenbehälter nach außen führenden Leitung angeordnet sein.
  • Nicht ideal ist derzeit insbesondere die Bestimmung der Temperatur des im Innenbehälter befindlichen Wasserstoffs aus mehreren Gründen. Zum einen ist insbesondere bei der Kryodruckspeicherung innerhalb der im Innenbehälter gespeicherten Wasserstoffmenge eine inhomogene Temperatur-Verteilung zu beobachten, und zum anderen stellt ein Messkabel, welches die Messwerte des Temperatursensors elektrisch/elektronisch nach außen führt, einen unerwünschten Wärmeleitpfad dar, über den ein Wärmeeintrag von außen zum wünschenswerterweise möglich lange so kalt als möglich zu haltenden Innenbehälter erfolgt.
  • Die eingangs genannte DE 101 28 516 A1 geht auf dieses der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Problem nicht ein, sondern befasst sich mit der Aufhängung des Innenbehälters eines Kryotanks innerhalb von dessen Außenbehälter und nennt dabei insbesondere ein Festlager sowie ein oder mehrere Loslager, welche üblicherweise auch bei einem Kryodrucktank mit einem Innenbehälter und einem Außenbehälter vorhanden sind. Eine solche Lagerung bzw. Aufhängung des Innenbehälters innerhalb des Außenbehälters ist erforderlich, um Änderungen in den Abmessungen des abseits dieser Lagerstellen vom Außenbehälter durch eine Vakuum-Isolationsschicht getrennten Innenbehälters gegenüber dem Außenbehälter ausgleichen zu können. Solche Änderungen in den Abmessungen resultieren bekanntlich einerseits aus Änderungen der Wand-Temperatur des Innenbehälters, welche ihrerseits Folge von nicht vollständig vermeidbarem Wärmeeintrag von außen in den Innenbehälter sowie in die in diesem gespeicherte Wasserstoff-Menge ist. Andererseits bewirkt eine Änderung des Innendrucks im Innenbehälter, die insbesondere aus einer Entnahme von im Innenbehälter gespeicherten (bspw.) Wasserstoff resultieren, ebenfalls eine messbare Änderung der Abmessungen des Innenbehälters.
  • Ausgehend vom soweit erläuterten Stand der Technik ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, für einen Kryodrucktank mit den im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Merkmalen ein verbessertes Verfahren zum Bestimmen der Masse des darin gespeicherten Mediums, beispielsweise Wasserstoffs, aufzuzeigen.
  • Die Lösung dieser Aufgabe ist dadurch gekennzeichnet, dass mittels einer im Loslager vorgesehenen Messvorrichtung die Lageänderungen des dem Innenbehälter zugeordneten Loslager-Teils gegenüber dem fest mit dem Außenbehälter verbundenen Loslager-Teil erfasst werden und aus diesen Lageänderungen anhand einer in einer elektronischen Steuereinheit hinterlegten Zuordnung auf die im Innenbehälter enthaltene Masse des gespeicherten Mediums geschlossen wird. Dabei kann die besagte Zuordnung experimentell bestimmt und in einer elektronischen Steuereinheit geeignet hinterlegt sein, in welcher anhand von Lageänderungen im Loslager, die für diese Steuereinheit mittels einer Messvorrichtung feststellbar sind, sowie anhand der hinterlegten Zuordnung die im Innenbehälter enthaltene Masse von gespeichertem Medium bestimmt wird. Dabei können mit besonders hoher Genauigkeit Änderungen der Lage und somit der Abmessungen des Innenbehälters und damit auch der in diesem enthaltenen Masse von gespeichertem Medium gegenüber einem bekannten Ausgangszustand festgestellt werden; mit ausreichender Datengrundlage ist es aber auch möglich, einen Rückschluss auf die absolute im Innenbehälter enthaltene Wasserstoff-Masse zu ziehen.
  • Vorliegend wurde erkannt, dass sich bei einem Kryodrucktank mit einem Innenbehälter, welcher einerseits in der Lage ist, einem Innendruck von beispielsweise 200 bar oder mehr standzuhalten und der andererseits ausreichend leicht aufgebaut und nur über ein Festlager sowie ein oder mehrere Loslager in einem Außenbehälter (unter Bildung einer dazwischen liegenden Vakuum-Isolationsschicht aufgehängt ist, anders als bei „einfachen” Kryotanks nicht nur Temperatur-Änderungen sondern auch Änderungen des Behälter-Innendrucks in Änderungen der Abmessungen des Innenbehälters widerspiegeln, so dass über Lageänderungen in dem oder in den Loslager(n), welche aus den geänderten Abmessungen resultieren, die Gesamtheit von Temperatur-Änderungen und Druck-Änderungen feststellbar ist. Alleine mit diesen Lageänderungen in dem oder den Loslager(n) oder unter Berücksichtigung zumindest einer weiteren Messgröße ist somit die Masse der im Innenbehälter enthaltenen Wasserstoffmenge bestimmbar, wenn die besagte Zuordnung bekannt ist. Als weitere Messgröße kann dabei vorzugsweise der Druck des in einer vom Innenbehälter nach außen führenden Leitung geführten und aus dem Innenbehälter entnommenen Wasserstoffs verwendet werden, der wie weiter oben erläutert wurde einfacher und genauer messbar ist als die Messung der Temperatur des im Tank gespeicherten Wasserstoffs.
  • Die beigefügte Prinzipskizze zeigt einen Kryodrucktank, an dem das erfindungsgemäße Verfahren durchführbar ist.
  • Mit der Bezugsziffer 1 ist der Außenbehälter und mit der Bezugsziffer 2 der Innenbehälter eines Kryodrucktanks gekennzeichnet, zwischen denen sich eine Vakuum-Isolationsschicht 8 mit nicht dargestellten Elementen zur Abschrmung von Wärmestrahlung befindet. Der Innenbehälter 2 ist innerhalb des Außenbehälters 1 über ein Festlager 3 und ein Loslager 4 aufgehängt. Dieser Art der Aufhängung oder Lagerung ist nötig, damit Längenänderungen des Innenbehälters 2 gegenüber dem Außenbehälter 1 nicht zu Verspannungen führen, sondern im Loslager 4 ausgeglichen werden können.
  • Eine Leitung 5 führt durch das Festlager 3 hindurch aus dem Innenbehälter 2 nach außen, über welche Leitung 5 Wasserstoff in den Innenbehälter 2 eingeleitet und aus diesem entnommen werden kann. In dieser Leitung 5 ist außerhalb des Außenbehälters 1 eine Meßstelle 6 zur Messung des Drucks des in dieser Leitung 5 geführten Wasserstoffs vorgesehen.
  • Neben der genannten Druck-Meßstelle 6 ist im Loslager 4 eine Messvorrichtung 7 vorgesehen, mit der Lageänderungen des dem Innenbehälter 2 zugeordneten Loslager-Teils 42 gegenüber dem fest mit dem Außenbehälter 1 verbundenen Loslager-Teil 41 erfasst werden können. Die Signale dieser Messvorrichtung 7 werden über eine Signalleitung 10, welche vorteilhafterweise nicht durch die Vakuum-Isolationsschicht 3 hindurchgeführt sein muss und die folglich keine grundsätzlich unerwünschte Wärmebrücke zum Innenbehälter 2 hin bildet, nach außen zu einer nicht gezeigten elektronischen Steuereinheit geführt, welche weitere Daten und Signale enthalten kann, so beispielsweise den Druck des gegebenenfalls in der Leitung 5 geführten Wasserstoffs, und in der das erfindungsgemäße Verfahren zum Bestimmen der Masse des im Innenbehälter 2 gespeicherten Wasserstoffs durchgeführt wird.
  • Lediglich der Vollständigkeit halber seien noch die Aufhängungen 9 des Außenbehälters 1 beispielsweise in einem Kraftfahrzeug genannt, sowie erwähnt, dass es sich beim Innenbehälter um einen Typ-3-Druckbehälter (nach offizieller Kategorisierung) handeln kann. Dieser besteht aus einem metallischen Liner und einer CFK-Armierung. Grundsätzlich sind aber auch Typ-1- und Typ-2Druckbehälter für den Innenbehälter denkbar, jedoch sind diese hinsichtlich ihres Gewichtes weniger günstig.
  • 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
    • EP 2217845 B1 [0001, 0002]
    • DE 10128516 A1 [0001, 0002, 0005]

Claims (3)

  1. Verfahren zum Bestimmen der Masse des in einem Kryodrucktank gespeicherten Mediums, wobei der Kryodrucktank einen Außenbehälter (1) und einen innerhalb dessen über ein Festlager (3) und zumindest ein Loslager (4) gelagerten Innenbehälter (2) aufweist, in welchem das besagte Medium tiefkalt und unter Druckwerten in der Größenordnung von mehreren hundert Bar speicherbar ist, und das oder die Loslager (4) vorgesehen ist oder sind, um Änderungen der Abmessungen des Innenbehälters (2), welche auf Änderungen von dessen Temperatur und/oder Innendruck zurückzuführen sind, auszugleichen, indem ein dem Innenbehälter (2) zugeordnetes Teil (42) des Loslagers (4) gegenüber einem dem Außenbehälter (1) zugeordneten Teil (41) des Loslagers (4) zumindest geringfügig verlagerbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass mittels einer im Loslager (4) vorgesehenen Messvorrichtung (7) die Lageänderungen des dem Innenbehälter (2) zugeordneten Loslager-Teils (42) gegenüber dem fest mit dem Außenbehälter (1) verbundenen Loslager-Teil (41) erfasst werden und aus diesen Lageänderungen anhand einer in einer elektronischen Steuereinheit hinterlegten Zuordnung auf die im Innenbehälter (2) enthaltene Masse des gespeicherten Mediums geschlossen wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Zuordnung experimentell bestimmt ist.
  3. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2 mit einer Messvorrichtung (7) zur Bestimmung der im Loslager (4) feststellbaren Lageänderungen und einer elektronischen Steuereinheit, welche mit diesen Lageänderungen auf Basis der hinterlegten Zuordnung die im Innenbehälter (2) enthaltene Masse von gespeichertem Medium bestimmt.
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