EP1920185A1 - Speicherbehälter für kryogene medien - Google Patents
Speicherbehälter für kryogene medienInfo
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- EP1920185A1 EP1920185A1 EP06754050A EP06754050A EP1920185A1 EP 1920185 A1 EP1920185 A1 EP 1920185A1 EP 06754050 A EP06754050 A EP 06754050A EP 06754050 A EP06754050 A EP 06754050A EP 1920185 A1 EP1920185 A1 EP 1920185A1
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- European Patent Office
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- cryogenic medium
- cryogenic
- medium
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Definitions
- the invention relates to a storage container, in particular a storage container for cryogenic media, preferably for liquid hydrogen, having at least one condensing line which is used to supply gaseous cryogenic medium.
- the invention also relates to a method for filling a storage container and the use of a storage container.
- cryogenic media is to be understood in the following to mean so-called cryogenic liquids, in particular liquid hydrogen, liquefied natural gas, liquid nitrogen, liquid oxygen and other liquefied gases.
- Storage containers in particular storage containers which are used to store cryogenic media, generally have an outer container, an inner container and insulation arranged between the outer container and the inner container or containers.
- cryogenic media are preceded by the letters "G” for "gaseous” and “L” for “liquid” or “liquid”, depending on their physical state; so z.
- Hydrogen in particular is currently gaining in importance as an energy carrier due to the increasing demand for energy and increased environmental awareness. Trucks, buses and passenger cars are already powered by hydrogen-powered engines or fuel cells. In addition, first attempts are underway to propel aircraft with the media mentioned.
- the storage of the hydrogen "on board" of the above-mentioned means of transport makes the most sense in liquid form. Although the hydrogen has to be cooled to around 21 K and kept at this temperature - which can only be achieved by appropriate insulation measures on the storage containers or tanks - storage in a gaseous state is possible due to the low density of GH 2 in the Usually less favorable in the above-mentioned means of transport, since the storage must take place here in large-volume and heavy storage containers at high pressures.
- Pressure design of the inner container then from time to time gaseous medium via a filling and / or extraction line - in which, for example, a pressure relief valve is provided - be drained or blown off from the storage container. If the storage container is provided in a motor vehicle, this amount of gaseous medium is lost unused, if not an additional one
- Storage device such as a metal hydride storage device, is provided for the amount of medium to be blown off.
- the object of the present invention is to provide a generic storage container and a generic method for the (re) condensation of a gaseous, cryogenic medium in a storage container filled with liquid, in which the aforementioned disadvantages can be avoided.
- a storage container which is characterized in that the condensation line has at least one heat exchanger, via which the supplied cryogenic medium is cooled in heat exchange with the stored cryogenic medium.
- An expansion device is advantageously arranged in the filling line behind the heat exchanger in the direction of flow.
- the method according to the invention for filling a storage container with a gaseous cryogenic medium is characterized in that the gaseous cryogenic medium is cooled against the liquid cryogenic medium stored in the storage container and is then expanded.
- the gaseous cryogenic medium to be returned is now cooled in heat exchange with the stored cryogenic medium.
- the relaxation of the medium to be returned takes place only or immediately after this cooling.
- the load on the storage container is also reduced when the gaseous cryogenic medium is fed in or returned. This has the consequence that the storage tank assumes a more advantageous starting situation after it has been shut down, since it is thermally less preloaded than is the case with a conventional feed.
- the figure shows a lateral sectional illustration through a possible embodiment of the storage container S according to the invention. This is shown only in a simplified manner - for example, the inner and outer containers are not shown separately. As a consequence, the insulation, which is usually arranged between the inner and outer containers, is not shown.
- a storage container S is suitable, for example, for storing liquid hydrogen F, over the surface of which a gas cushion G is formed.
- Line 4 is used to remove liquid and / or gaseous hydrogen from the storage container S.
- Evaporated hydrogen occurring within the storage container S is usually withdrawn from the gas space G of the storage container S via an evaporation line 2 and released into the atmosphere, for example, when the maximum permissible internal storage container pressure is exceeded.
- gaseous cryogenic hydrogen to be re-condensed or to be condensed into the storage container S is conducted via the condensing line 3 into the liquid space F of the storage container S, cooled and subcooled in the heat exchanger W against the liquid hydrogen F, relaxed in the expansion device E and then into the liquid F condensed or introduced.
- This process takes place essentially independently of the prevailing internal pressure in the storage container. If the maximum permissible internal storage container pressure is exceeded, the hydrogen is drawn off from the gas space G of the storage container S via the exhaust steam line 2, as already mentioned.
- the gaseous cryogenic hydrogen to be supplied to the storage container S can either come directly from the storage container S itself - the return then takes place via the line 5, shown in dashed lines, which opens into the line 3 - or from any source or process from which or to which it is fed to the storage container S via line 3.
- the expansion device E described above is preferably a throttle.
- the above-described condensing into the liquid F takes place in practice via one or more (one) condensing lines. This involves one or more lines leading into the liquid space F of the storage container S, which are designed to be partially perforated at least in their end regions. This ensures that the medium to be condensed can be introduced into the liquid F as uniformly as possible.
- the storage container according to the invention is suitable as a stationary and / or mobile storage container, in particular as a storage container for motor vehicles.
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Abstract
Es wird ein Speicherbehälter, insbesondere ein Speicherbehälter für kryogene Medien, vorzugsweise für flüssigen Wasserstoff, aufweisend wenigstens eine Kondensierieitung, die der Zuführung von gasförmigem kryogenen Medium dient, beschrieben. Erfindungsgemäss weist die Kondensierleitung (3) wenigstens einen Wärmetauscher (W) auf, über den das zugeführte kryogene Medium im Wärmetausch gegen das gespeicherte kryogene Medium (F) abgekühlt wird. Des Weiteren wird ein Verfahren zum Befüllen eines Speicherbehälters mit einem gasförmigen kryogenen Medium beschrieben.
Description
Beschreibung
Speicherbehälter für kryogene Medien
Die Erfindung betrifft einen Speicherbehälter, insbesondere einen Speicherbehälter für kryogene Medien, vorzugsweise für flüssigen Wasserstoff, aufweisend wenigstens eine Kondensierleitung, die der Zuführung von gasförmigem kryogenen Medium dient.
Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Befüllen eines Speicherbehälters sowie die Verwendung eines Speicherbehälters.
Unter dem Begriff "kryogene Medien" seien nachfolgend sog. tiefkalte Flüssigkeiten, insbesondere flüssiger Wasserstoff, verflüssigtes Erdgas, flüssiger Stickstoff, flüssiger Sauerstoff und andere verflüssigte Gase zu verstehen.
Speicherbehälter, insbesondere Speicherbehälter, die der Speicherung kryogener Medien dienen, weisen im Regelfall einen Außenbehälter, einen Innenbehälter sowie eine zwischen dem Außenbehälter und dem oder den Innenbehältem angeordnete Isolierung auf. Die Isolierung von Speicherbehältern, die der Speicherung kryogener Flüssigkeiten bzw. Medien dienen, wird im Regelfall durch eine so genannte Superisolation erreicht. Diese besteht aus mehreren Schichten dünner Aluminiumfolien und/oder Aluminium-bedampfter Folien mit einem dazwischen liegenden Glasgewebe oder einer dazwischen liegenden Glasvliesschicht. Das Glasgewebe bzw. die Glasvliesschicht verhindern, dass sich die Aluminiumfolien und/oder Aluminium - bedampften Folien berühren und so einen thermischen Kurzschluss auslösen.
Ferner weisen gattungsgemäße Speicherbehälter die für den jeweiligen
Verwendungszweck erforderlichen Befüll- und Entnahmeleitungen auf, über die das zu speichernde Medium dem Speicherbehälter zugeführt bzw. aus diesem abgezogen wird.
Im Folgenden werden bei den Bezeichnungen spezieller kryogener Medien entsprechend ihrem Aggregatzustand die Buchstaben "G" für "gasförmig" und "L" für "flüssig" bzw. "liquid" vorangestellt; also z. B. GH 2 bzw. LH2 für gasförmigen bzw. flüssigen Wasserstoff.
Insbesondere Wasserstoff gewinnt gegenwärtig durch den steigenden Energiebedarf und das gestiegene Umweltbewusstsein als Energieträger zunehmend an Bedeutung. So werden bereits Lastkraftwagen, Busse sowie Personenkraftwagen mittels mit Wasserstoff-betriebenen Motoren bzw. Brennstoffzellen angetrieben. Darüber hinaus sind erste Versuche im Gange, Flugzeuge mit den genannten Medien anzutreiben.
Die Speicherung des Wasserstoffs "an Bord" der oben genannten Verkehrsmittel ist dabei in flüssiger Form am sinnvollsten. Zwar muss der Wasserstoff dazu auf etwa 21 K abgekühlt und auf dieser Temperatur gehalten werden - was nur durch entsprechende Isoliermaßnahmen an den Speicherbehältern bzw. -tanks realisiert werden kann -, doch ist eine Speicherung in gasförmigem Zustand aufgrund der geringen Dichte von GH2 in der Regel in den oben genannten Verkehrsmitteln ungünstiger, da die Speicherung hierbei in großvolumigen und schweren Speicherbehältern bei hohen Drücken erfolgen muss.
Wird aus derartigen Speicherbehältern über einen längeren Zeitraum kein Medium entnommen, so kommt es im Inneren des Innenbehälters aufgrund des nicht zu verhindernden Wärmeeinfalles aus der Umgebung auf den Innenbehälter in dem in ihm gelagerten Medium zu einem Temperatur- und Druckanstieg. Entsprechend der
Druckauslegung des Innenbehälters muss dann von Zeit zu Zeit gasförmiges Medium über eine Befüll- und/oder Entnahmeleitung - in der beispielsweise ein Überdruckventil vorgesehen ist - aus dem Speicherbehälter abgelassen bzw. abgeblasen werden. Ist der Speicherbehälter in einem Kraftfahrzeug vorgesehen, so geht diese Menge des gasförmigen Mediums ungenutzt verloren, wenn nicht eine zusätzliche
Speichervorrichtung, wie bspw. ein Metallhydridspeicher, für die abzublasende Mediummenge vorgesehen ist.
Herkömmliche Speicherbehälter für flüssigen Wasserstoff ermöglichen Standzeiten von zwei bis drei Tagen, bevor es zu einem Abdampfen und damit Verlust an gasförmigem Wasserstoff kommt. Die Akzeptanz von Wasserstoff als Energieträger - insbesondere bei Personenkraftwagen - wird u. a. auch von der möglichen Länge der Standzeit eines Personenkraftwagens abhängen. Ein Abblasen von Wasserstoff nach zwei bis drei Tagen wird vom Kunden sicherlich nicht akzeptiert werden.
Des Weiteren existieren Anwendungsfälle, bei denen ein kryogenes Medium, das aus einer beliebigen Quelle stammt bzw. in einem beliebigen Prozess anfällt, in einen Speicherbehälter zurückgeführt werden soll. Dabei erfolgt bisher unmittelbar vor der Zuführung außerhalb des Speicherbehälters eine Entspannung des rückzuführenden gasförmigen kryogenen Mediums und damit eine Rückverflüssigung. Mittels dieser Verfahrensweise lässt sich jedoch lediglich ein vergleichsweise niedriger Kondensierungsgrad des in den Speicherbehälter rückzuführenden Mediums erzielen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen gattungsgemäßen Speicherbehälter sowie ein gattungsgemäßes Verfahren für die (Rück)Kondensation eines gasförmigen, kryogenen Mediums in einen mit Flüssigkeit gefüllten Speicherbehälter anzugeben, bei dem die vorgenannten Nachteile vermieden werden können.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein Speicherbehälter vorgeschlagen, der dadurch gekennzeichnet ist, dass die Kondensierleitung wenigstens einen Wärmetauscher aufweist, über den das zugeführte kryogene Medium im Wärmetausch gegen das gespeicherte kryogene Medium abgekühlt wird.
In vorteilhafter Weise ist in Strömungsrichtung hinter dem Wärmetauscher eine Entspannungsvorrichtung in der Befüllleitung angeordnet.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Befüllen eines Speicherbehälters mit einem gasförmigen kryogenen Medium ist dadurch gekennzeichnet, dass das gasförmige kryogene Medium gegen das in dem Speicherbehälter gespeicherte flüssige kryogene Medium abgekühlt und anschließend entspannt wird.
Erfindungsgemäß wird das rückzuführende gasförmige kryogene Medium nunmehr im Wärmetausch gegen das gespeicherte kryogene Medium abgekühlt. Erst bzw. unmittelbar nach dieser Abkühlung erfolgt die Entspannung des rückzuführenden Mediums. Mittels des erfindungsgemäßen Speicherbehälters bzw. des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Befüllen eines Speicherbehälters kann somit ein im Vergleich zum Stand der Technik deutlich höherer Kondensierungsgrad des in den Speicherbehälter geführten gasförmigen kryogenen Mediums erreicht werden. Die Rückführung des gasförmigen kryogenen Mediums wird dadurch unabhängiger von dem jeweils herrschenden Speicherbehälter-Innendruck.
Durch die Realisierung eines höheren Einkondensierungsgrades wird eine deutliche Verlängerung der Standzeit des erfindungsgemäßen Speicherbehälters bis zu dem erforderlichen Abblasen von verdampftem Medium erreicht.
Auch wird bei der Zu- bzw. Rückführung des gasförmigen kryogenen Mediums die Belastung für den Speicherbehälter verringert. Das hat zur Folge, dass der Speicherbehälter nach erfolgter Abstellung von einer vorteilhafteren Startsituation ausgeht, da er thermisch weniger vorbelastet ist, als dies bei einer herkömmlichen Einspeisung der Fall ist.
Der erfindungsgemäße Speicherbehälter, das erfindungsgemäße Verfahren zum Befüllen eines Speicherbehälters sowie weitere Ausgestaltungen desselben seien nachfolgend anhand des in der Figur dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert.
Die Figur zeigt eine seitliche Schnittdarstellung durch eine mögliche Ausführungsform des erfindungsgemäßen Speicherbehälters S. Dieser ist lediglich vereinfacht dargestellt - so sind bspw. Innen- und Außenbehälter nicht getrennt dargestellt. Als Konsequenz wird ferner auf die Darstellung der im Regelfall zwischen dem Innen- und dem Außenbehälter angeordneten Isolierung verzichtet.
Ein, wie in der Figur dargestellter Speicherbehälter S eignet sich beispielsweise für die Speicherung von flüssigem Wasserstoff F, über dessen Oberfläche sich ein Gaspolster G bildet.
Über Leitung 1 wird dem Speicherbehälter S Wasserstoff in flüssiger und/oder gasförmiger Form zugeführt.
Leitung 4 dient der Entnahme von flüssigem und/oder gasförmigem Wasserstoff aus dem Speicherbehälter S.
Grundsätzlich gilt, dass die Funktionen der vorbeschriebenen Leitungen 1 und 4 - sowie der noch zu beschreibenden Leitungen 2 und 3 - auch in einer einzigen Befüll- und Entnahmeleitung realisiert werden können.
Innerhalb des Speicherbehälters S anfallender verdampfter Wasserstoff wird bei Überschreiten des maximal zulässigen Speicherbehälterinnendrucks üblicherweise über eine Abdampfleitung 2 aus dem Gasraum G des Speicherbehälters S abgezogen und beispielsweise an die Atmosphäre abgegeben.
Erfindungsgemäß wird in den Speicherbehälter S rück- bzw. einzukondensierender gasförmiger kryogener Wasserstoff über die Kondensierleitung 3 in den Flüssigkeitsraum F des Speicherbehälters S geführt, im Wärmetauscher W gegen den flüssigen Wasserstoff F ab- und untergekühlt, in der Entspannungsvorrichtung E entspannt und anschließend in die Flüssigkeit F einkondensiert bzw. eingebracht. Dieser Prozess läuft im Wesentlichen unabhängig von dem herrschenden Speicherbehälterinnendruck ab. Bei einem Überschreiten des maximal zulässigen Speicherbehälterinnendrucks wird der Wasserstoff - wie bereits erwähnt - über die Abdampfleitung 2 aus dem Gasraum G des Speicherbehälters S abgezogen.
Der dem Speicherbehälter S zuzuführende gasförmige kryogene Wasserstoff kann entweder unmittelbar aus dem Speicherbehälter S selbst stammen - die Rückführung erfolgt dann über die gestrichelt gezeichnete Leitung 5, die in die Leitung 3 mündet - oder aus einer beliebigen Quelle bzw. einem beliebigen Prozess, aus der bzw. dem er über Leitung 3 dem Speicherbehälter S zugeführt wird.
Bei der vorbeschriebenen Entspannungsvorrichtung E handelt es sich vorzugsweise um eine Drossel.
Das vorbeschriebene Einkondensieren in die Flüssigkeit F erfolgt in der Praxis über eine oder mehrere (Ein)Kondensierleitungen. Hierbei handelt es sich um eine oder mehrere in den Flüssigkeitsraum F des Speicherbehälters S führende Leitungen, die zumindest in ihren Endbereichen teilweise perforiert ausgebildet sind. Dadurch wird erreicht, dass das einzukondensierende Medium möglichst gleichmäßig in die Flüssigkeit F eingebracht werden kann.
Der erfindungsgemäße Speicherbehälter eignet sich als stationärerer und/oder ortsbeweglicher Speicherbehälter, insbesondere als Speicherbehälter für Kraftfahrzeuge.
Claims
Speicherbehälter, insbesondere Speicherbehälter für kryogene Medien, vorzugsweise für flüssigen Wasserstoff, aufweisend wenigstens eine Kondensierleitung, die der Zuführung von gasförmigen kryogenen Medium dient, dadurch gekennzeichnet, dass die Kondensierleitung (3) wenigstens einen Wärmetauscher (W) aufweist, über den das zugeführte kryogene Medium im Wärmetausch gegen das gespeicherte kryogene Medium (F) abgekühlt wird.
2. Speicherbehälter nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die
Kondensierleitung (3) in Strömungsrichtung hinter dem Wärmetauscher (W) eine Entspannungsvorrichtung (E) aufweist.
3. Verfahren zum Befüllen eines Speicherbehälters gemäß Anspruch 1 oder 2 mit einem gasförmigen kryogenen Medium, dadurch gekennzeichnet, dass das gasförmige kryogene Medium gegen das in dem Speicherbehälter (S) gespeicherte flüssige kryogene Medium (F) abgekühlt (W) und anschließend entspannt wird (E).
4. Verwendung eines Speicherbehälters nach Anspruch 1 oder 2 als stationärerer und/oder ortsbeweglicher Speicherbehälter (S), insbesondere als Speicherbehälter für Kraftfahrzeuge.
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RAP1 | Party data changed (applicant data changed or rights of an application transferred) |
Owner name: LINDE AG |
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STAA | Information on the status of an ep patent application or granted ep patent |
Free format text: STATUS: THE APPLICATION IS DEEMED TO BE WITHDRAWN |
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18D | Application deemed to be withdrawn |
Effective date: 20090703 |