DE102006009062A1 - Kryoadsorptionssammelgefäß zur Verdampfungsverlustkompensation für Flüssiggasspeicherung - Google Patents
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Abstract
Description
- GEBIET DER ERFINDUNG
- Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf wasserstoffbasierte Vortriebssysteme und insbesondere auf ein Kryoadsorptionssammelgefäß zur Verdampfungsverlustkompensation für Flüssiggasspeicherung.
- HINTERGRUND DER ERFINDUNG
- Wasserstoffbasierte Vortriebssysteme können z. B. entweder eine Brennstoffzelle oder eine Brennkraftmaschine umfassen. Brennstoffzellensysteme enthalten allgemein einen Brennstoffzellenstapel, der basierend auf einer Reaktion zwischen einem Wasserstoffspeisegas und einem Oxidationsmittelspeisegas (z. B. reinem Sauerstoff oder sauerstoffhaltiger Luft) Elektroenergie erzeugt. Das wasserstoffbasierte Speisegas und das Oxidationsmittelspeisegas werden dem Brennstoffzellenstapel bei geeigneten Betriebsbedingungen (z. B. Temperatur und Druck) zur Reaktion darin zugeführt.
- Wasserstoffbasierte Brennkraftmaschinen (ICE) enthalten allgemein einen Motor, der basierend auf dem Verbrennungsprozess von Wasserstoff mechanische Energie erzeugt. Das wasserstoffbasierte Speisegas wird der ICE bei geeigneten Betriebsbedingungen (z. B. Druck und Temperatur) zugeführt, um verbrannt zu werden.
- In einer typischen wasserstoffbasierten Vortriebsanwendung können zwei Typen der herkömmlichen Wasserstoffspeicherung betrachtet werden – Druckwasserstoff und Flüssigwasserstoff. Die Speicherung von Flüssigwasserstoff erfordert wegen der niedrigen Speichertemperatur von Flüssigwasserstoff (etwa 20 Grad Kelvin oder –424 Fahrenheit) komplexe, superisolierte (gedämmte) Mehrschichtunterdrucktanks. Allerdings dringt während des Betriebs des Fahrzeugs allgemein Wärme in das Speichersammelgefäß ein, was veranlasst, dass die Temperatur des Flüssigwasserstoffs steigt, was zur Verdampfung des Flüssigwasserstoffs führt. Gegenwärtig wird dieser verdampfte Wasserstoffdampf aufgefangen und mit Luft zur Reaktion gebracht, um Wasser zu erzeugen, bevor er entleert wird, oder verdünnt und anschließend entleert. Dies führt zu einem Verlust an Wasserstoff, der als ein Speisegas verwendet werden könnte. Dementsprechend besteht ein Bedarf an einem System, das dieses Wasserstoffspeisegas wiederauffangen kann.
- ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
- Die vorliegende Erfindung schafft ein Vortriebssystem, das einen Brennstoffzellenstapel oder eine ICE enthält, der/die so betreibbar ist, dass er/sie ein Fluid empfängt, um elektrische oder mechanische Energie zu erzeugen. Ein Speichertank ist so betreibbar, dass er das Fluid in einer ersten Phase empfängt, während ein Entleerungssammelgefäß in Verbindung mit dem Speichertank und mit dem Brennstoffzellenstapel oder mit der ICE so betreibbar ist, dass er das Fluid in einer zweiten Phase empfängt. Ein Ventil in Verbindung mit dem Speichertank ist so betreibbar, dass es ermöglicht, dass das Entleerungssammelgefäß für bestimmte Betriebsbedingungen (z. B. für das Entfernen des Brennstoffs aus dem Entleerungssammelgefäß) umgangen wird.
- Weitere Bereiche der Anwendbarkeit der vorliegenden Erfindung sind aus der im Folgenden gegebenen ausführlichen Beschreibung offensichtlich. Obgleich die ausführliche Beschreibung und die spezifischen Beispiele die bevorzugte Ausführungsform der Erfindung angeben, sind sie selbstverständlich nur für Veranschaulichungszwecke bestimmt und sollen den Umfang der Erfindung nicht einschränken.
- KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
- Die vorliegende Erfindung wird umfassender verständlich aus der ausführlichen Beschreibung und aus den beigefügten Zeichnungen, in denen:
-
1 eine schematische Darstellung eines Vortriebssystems ist, das eine Verdampfungsverlustkompensations-Kryoadsorptionskammer gemäß der vorliegenden Erfindung enthält; -
2a eine detaillierte Darstellung der Verdampfungsverlustkompensations-Kryoadsorptionskammer aus1 ist, wenn das Brennstoffzellensystem normal arbeitet; -
2b eine detaillierte Darstellung der Verdampfungsverlustkompensations-Kryoadsorptionskammer aus1 in einer Verdampfungsverlustbedingung ist; und -
2c eine detaillierte Darstellung der Verdampfungsverlustkompensations-Kryoadsorptionskammer aus1 während des Entfernens des Brennstoffs ist. - AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG VERSCHIEDENER AUSFÜHRUNGSFORMEN
- Die folgende Beschreibung verschiedener Ausführungsformen ist dem Wesen nach lediglich beispielhaft und soll die Erfindung, ihre Anwendung oder Verwendungen in keiner Weise einschränken. Obgleich sich die folgende beispielhafte Beschreibung auf die Verwendung eines Vortriebssystems in einem Fahrzeug bezieht, kann die vorliegende Erfindung selbstverständlich auf andere Typen von Energieerzeugungsvorrichtungen zur Verwendung in vielen anderen Ausrüstungstypen anwendbar sein. Selbstverständlich wird im Folgenden ein Brennstoffzellensystem als ein Beispiel für ein solches wasserstoffbasiertes Vortriebssystem verwendet, wobei die Erfindung aber auf zahlreiche weitere Speisegase und Energieumsetzer (nicht nur für Fahrzeuganwendungen) sowie auf Brennkraftmaschinen anwendbar sein kann.
- Anhand von
1 ist nun ein Brennstoffzellensystem10 gezeigt. Das Brennstoffzellensystem10 enthält einen Brennstoffzellenstapel12 , der mit einer Wasserstoffzufuhreinheit14 , mit einer Sauerstoffzufuhreinheit16 und mit einer Steuereinheit18 gekoppelt ist. Der Brennstoffzellenstapel12 erzeugt elektrische Leistung, um eine elektrische Last20 mit Leistung zu versorgen. Die elektrische Last bzw. die elektrischen Lasten20 kann/können einen Elektromotor, Beleuchtungen, Heizeinrichtungen oder irgendeinen anderen Typ elektrisch mit Leistung versorgter Komponenten enthalten. - Weiter anhand von
1 und zusätzlich anhand von2 führt die Wasserstoffzufuhreinheit14 dem Brennstoffzellenstapel12 Wasserstoff oder einen Reaktanden zu. Die Wasserstoffzufuhreinheit14 enthält einen Speicherbehälter22 in Fluidverbindung mit einer Verdampfungsverlustkom pensations-Kryoadsorptionskammer oder mit einem Entleerungssammelgefäß24 . Das Entleerungssammelgefäß24 liefert das Wasserstoffspeisegas an den Brennstoffzellenstapel12 . - Der Speicherbehälter
22 enthält einen Einlass26 für den Empfang des Wasserstoffs in flüssiger Form. Der Speicherbehälter22 ist als zylindrisch gezeigt, wobei aber irgendeine andere Konstruktion verwendet werden kann. Der Speicherbehälter22 kann aus irgendeinem Material hergestellt sein, das Flüssigwasserstoff-Speisegas von der Atmosphäre isolieren kann, und kann einen superisolierten Mehrschichtunterdrucktank umfassen. Der Speicherbehälter22 ist allgemein von dem Typ, der ermöglicht, dass Flüssigwasserstoff-Speisegas für eine Zeitdauer bei etwa 20 Kelvin (–424 Grad Fahrenheit) bleibt. Ferner enthält der Speicherbehälter22 ein erhöhtes Rohr28 für den Empfang von dampfförmigem oder verdampftem Wasserstoff von dem Speicherbehälter22 . - Das erhöhte Rohr
28 dient dazu, die Entnahme des verdampften Wasserstoffs zu erleichtern, wobei aber irgendeine geeignete geometrische Konfiguration genutzt werden könnte. Das erhöhte Rohr28 weist einen ersten Abzweig30 , einen zweiten Abzweig32 und einen dritten Abzweig34 auf (die in2 gezeigt sind). Der erste Abzweig30 und der zweite Abzweig32 des Rohrs28 sind jeweils mit dem Entleerungssammelgefäß24 gekoppelt, um das Entleerungssammelgefäß24 mit dem verdampften Wasserstoff zu versorgen. Genauer ist in dem ersten Abzweig30 ein erstes Ventil36 in Verbindung mit der Steuereinheit18 angeordnet und ist in dem zweiten Abzweig32 ein zweites Ventil38 in Verbindung mit der Steuereinheit18 angeordnet. Das erste und das zweite Ventil36 ,38 dienen dazu, die Strömung des Wasserstoffgases durch das Entleerungssammelgefäß24 zu regulieren. In den dritten Abzweig34 ist für bestimmte Betriebsbedingungen (um z. B. zu ermöglichen, dass, wie im Folgenden ausführlicher dis kutiert wird, der Brennstoff aus dem Entleerungssammelgefäß24 entfernt wird) ein (ebenfalls mit der Steuereinheit verbundenes) Umgehungsventil40 angeordnet. - Im Gegensatz dazu enthält eine zweite Betriebsart in Flüssigwasserstoff-Speichersystemen die Extraktion von Flüssigwasserstoff als Brennstoff für das Vortriebssystem. Dieser Flüssigwasserstoff muss außerhalb des Speicherbehälters
22 verdampft werden, wobei das resultierende kalte Wasserstoffgas ebenfalls in das Rohr28 eingespeist werden kann. - Das Entleerungssammelgefäß
24 enthält einen Außentank42 mit einem Einlass44 , der für den Empfang des kalten gasförmigen Wasserstoffs mit der ersten Abzweigung30 des erhöhten Rohrs28 des Speicherbehälters22 gekoppelt ist. Genauer enthält der Außentank42 einen Durchlass46 , der mit dem Einlass44 gekoppelt ist, um den verdampften Wasserstoff um einen Innentank48 zu leiten, der in dem Außentank42 angeordnet ist. Dadurch, dass ermöglicht wird, dass der verdampfte Wasserstoff durch den Einlass44 des Außentanks42 strömt, wirkt der verdampfte Wasserstoff als eine aktive Isolierabschirmung, die den Innentank48 vor der Außenwärme schützt. Obgleich sowohl der Innentank48 als auch der Außentank42 als rechteckförmig veranschaulicht sind, liegen selbstverständlich kompliziertere Konfigurationen im Umfang dieser Erfindung. Der Innentank48 kann über irgendwelche geeigneten Mittel wie etwa z. B. verschweißte Stangen, Befestigungselemente oder Stäbe in dem Außentank42 aufgehängt sein. Der Außentank42 kann ein superisolierter Mehrschichtunterducktank oder eine evakuierte Pulverisolation sein, wobei aber irgendein anderer geeigneter Behältertyp verwendet werden könnte, der Wasserstoff oder andere Gase bei niedrigen Temperaturen isolieren kann. Außerdem enthält der Außentank42 einen Auslass50 , der fluidmäßig mit dem Brennstoffzellenstapel12 gekoppelt ist, um den verdampften Wasserstoff aus dem Durchlass46 zu übertragen. - Der Innentank
48 enthält einen Einlass52 , der fluidmäßig mit dem zweiten Abzweig32 des erhöhten Rohrs28 gekoppelt ist. Der Innentank48 ist mit einem Material54 mit großer Oberfläche wie etwa z. B. Superaktivkohle, Zeolithen oder irgendwelchen anderen Verbindungen wie etwa z. B. metallorganischen Verbindungen, die bei niedrigen Drücken und niedrigen Temperaturen (im Vergleich zu einem herkömmlichen Druckwasserstofftanksystem) ausreichende Wasserstoffmengen absorbieren können, gefüllt. Ferner enthält der Innentank einen Auslass56 , der fluidmäßig mit dem Brennstoffzellenstapel12 gekoppelt ist und ein drittes Ventil58 aufweist, das, wie im Folgenden ausführlicher diskutiert wird, ermöglicht, dass nicht absorbierter Wasserstoff zu dem Brennstoffzellenstapel12 strömt. - Die Steuereinheit
18 ist mit dem ersten, mit dem zweiten und mit dem dritten Ventil36 ,38 ,58 und mit dem Umgehungsventil40 gekoppelt. Genauer öffnet oder schließt die Steuereinheit18 das erste Ventil36 , das zweite Ventil38 , das dritte Ventil58 und das Umgehungsventil40 je nach einem Signal, das von einem Sensor60 empfangen wird und die Menge des verdampften Wasserstoffs angibt, der in das erhöhte Rohr28 eintritt. Anhand der Eingabe von dem Sensor60 und einer Eingabe62 von dem Brennstoffzellenstapel12 öffnet die Steuereinheit18 das erste Ventil36 und das dritte Ventil58 , während sie das zweite Ventil38 und das Umgehungsventil40 geschlossen lässt, um zu ermöglichen, dass die größte Wasserstoffmenge in den Brennstoffzellenstapel12 strömt. Insbesondere öffnet die Steuereinheit18 dann, wenn die Wasserstoffzufuhreinheit14 in einem normalen Betriebszustand ist und der Brennstoffzellenstapel12 Elektrizität erzeugt, das erste Ventil36 und ermöglicht, dass der ver dampfte Wasserstoff in den Außentank42 eintritt, um schließlich (wie in2A gezeigt ist) in den Brennstoffzellenstapel12 zu strömen. Außerdem öffnet die Steuereinheit18 das dritte Ventil58 , um zu ermöglichen, dass der Wasserstoff in dem Innentank48 in den Brennstoffzellenstapel12 austritt. Während des normalen Betriebs der Wasserstoffzufuhreinheit14 sollte das Entleerungssammelgefäß24 nahezu leer sein. - Wenn nachfolgend der Sensor
60 und die Eingabe62 von dem Brennstoffzellenstapel12 eine Verdampfungsverlustbedingung oder irgendeine Bedingung, in der es überschüssigen verdampften Wasserstoff gibt, der nicht sofort in dem Brennstoffzellenstapel12 verwendet werden kann, angibt, leitet die Steuereinheit18 (wie in2B gezeigt ist) einigen verdampften Wasserstoff aus dem Außentank42 zur Speicherung in den Innentank48 um. Genauer öffnet die Steuereinheit18 das zweite Ventil38 und schließt das dritte Ventil58 , während das erste Ventil36 geöffnet bleibt, um zu ermöglichen, dass ein Teil des verdampften Wasserstoffs zur Absorption durch das Material54 mit großer Oberfläche in den Innentank48 eintritt. Somit wird der überschüssige Wasserstoff zur späteren Verwendung gespeichert und über den verdampften Wasserstoff, der um den Innentank48 durch den Außentank42 strömt, bevor er in den Brennstoffzellenstapel12 eintritt, ununterbrochen gekühlt. - Falls das Material
54 mit großer Oberfläche gesättigt wird, signalisiert ein zweiter Sensor64 in Verbindung mit der Steuereinheit18 der Steuereinheit18 , das zweite Ventil38 zu schließen, was veranlasst, dass die Wasserstoffströmung in die Abzweigungen30 und/oder34 umgeleitet wird. Falls die Betriebsbedingungen der Wasserstoffzufuhreinheit14 zum Standardbetrieb zurückkehren, wird der Wasserstoff in dem Material54 mit großer Oberfläche gespeichert. Um den Brennstoff aus dem Entleerungssammelgefäß24 zu entfernen und den absorbierten Wasserstoff zu entfer nen, schließt die Steuereinheit18 sowohl das erste als auch das zweite Ventil36 ,38 , während das dritte Ventil58 und das Umgehungsventil40 (wie in2C gezeigt ist) geöffnet werden. Somit kann der verdampfte Wasserstoff nicht in das Entleerungssammelgefäß24 eintreten, sondern strömt eher in eine (nicht gezeigte) Kammer, um mit Luft zur Reaktion gebracht zu werden, um Wasser zu erzeugen, das daraufhin in die Atmosphäre freigesetzt werden kann. Die Umleitung des verdampften Wasserstoffs von dem Entleerungssammelgefäß24 führt allgemein zu einer Zunahme der Temperatur in dem Entleerungssammelgefäß24 (wegen unvermeidbarer Wärmezufuhr), was wiederum veranlasst, dass das Material54 mit großer Oberfläche den Wasserstoff freisetzt oder desorbiert. Daraufhin kann der desorbierte Wasserstoff das Entleerungssammelgefäß24 durch das dritte Ventil58 verlassen, wo er in dem Brennstoffzellenstapel12 verwendet werden kann. Falls die Temperaturzunahme, die sich aus der Umleitung des verdampften Wasserstoffs von dem Entleerungssammelgefäß24 ergibt, nicht ausreicht, um das Entleerungssammelgefäß24 zu leeren, kann die Temperatur in dem Entleerungssammelgefäß24 ebenfalls durch die Verwendung einer getrennten Quelle66 wie etwa z. B. einer aktiven elektrischen Heizeinrichtung erhöht werden oder kann erwärmtes Fluid von dem Kraftübertragungsstrang des Fahrzeugs gelenkt und/oder abgeblasen werden (nicht genau gezeigt), um somit an den Bereich, der das Entleerungssammelgefäß24 umgibt, Wärme zu liefern, wenn ein Entfernen des Brennstoffs erforderlich ist. Außerdem kann durch eine Druckentlastung in dem Entleerungssammelgefäß24 wie etwa durch eine Pumpe (nicht gezeigt) Wasserstoff aus dem Material mit großer Oberfläche freigesetzt werden. Die oben erwähnten Verfahren zur Wasserstofffreisetzung können auf Wunsch auch kombiniert werden. - Die vorliegende Erfindung verbessert stark die Wirksamkeit des Wasserstoffzufuhrsystems, indem sie verdampften Wasserstoff zur späteren Ver wendung in dem Brennstoffzellenstapel
12 auffängt. Dieses Wiederauffangen von verdampftem Wasserstoff senkt die Kosten für den Betreiber des Fahrzeugs, indem sie die Brennstoffwirtschaftlichkeit erhöht. Außerdem senkt die Verwendung des verdampften Wasserstoffs zum Kühlen des Innentanks48 die Kosten und die Komplexität der Wasserstoffzufuhreinheit14 , indem sie die Menge der zum Aufrechterhalten der richtigen Temperatur erforderlichen Isolation verringert. - Die Beschreibung der Erfindung ist dem Wesen nach lediglich beispielhaft, so dass Abwandlungen, die nicht vom Wesen der Erfindung abweichen, im Umfang der Erfindung liegen sollen. Solche Abwandlungen sollen nicht als Abweichung vom Erfindungsgedanken und vom Umfang der Erfindung betrachtet werden.
Claims (12)
- Wasserstoffzufuhrsystem für eine Brennstoffzelle, das umfasst: einen Flüssigwasserstoff-Speichertank; und ein Entleerungssammelgefäß in Verbindung mit dem Flüssigwasserstoff-Speichertank, wobei das Entleerungssammelgefäß einen Außentank in Verbindung mit dem Flüssigwasserstoff-Speichertank und einen Innentank, der in dem Außentank angeordnet ist und mit dem Flüssigwasserstoff-Speichertank in Verbindung steht, umfasst, wobei sowohl der Innentank als auch der Außentank des Entleerungssammelgefäßes einen Auslassdurchlass aufweisen.
- System nach Anspruch 1, bei dem der Innentank in dem ersten Tank angeordnet ist, um zu ermöglichen, dass das Fluid in dem Außentank den zweiten Tank umgibt.
- System nach Anspruch 2, das ferner umfasst: eine Steuereinheit, die so betreibbar ist, dass sie anhand einer Eingabe von wenigstens einem Sensor ein Signal erzeugt; ein erstes Ventil in Verbindung mit dem Außentank, wobei das erste Ventil durch die Steuereinheit so betreibbar ist, dass es ermöglicht, dass der Außentank Wasserstoffdampf von dem Flüssigwasserstoff-Speichertank empfängt; und ein zweites Ventil in Verbindung mit dem Innentank, wobei das zweite Ventil so betreibbar ist, dass es ermöglicht, dass der Innentank den Wasserstoffdampf von dem Flüssigkeitsspeichertank empfängt.
- System nach Anspruch 3, bei dem die Steuereinheit mit einem Umgehungsventil in Verbindung steht, das in einem Umgehungsdurchlass angeordnet ist, der mit dem Flüssigwasserstoff-Speichertank, aber nicht mit dem Entleerungssammelgefäß in Verbindung steht, wobei die Steuereinheit so betreibbar ist, dass sie veranlasst, dass sich das Umgehungsventil öffnet.
- System nach Anspruch 4, bei dem das Entleerungssammelgefäß ferner eine Wärmeenergiequelle zum Heizen des Entleerungssammelgefäßes in Reaktion auf ein Steuersignal von der Steuereinheit umfasst.
- System nach Anspruch 1, bei dem der Innentank des Entleerungssammelgefäßes ferner ein Material umfasst, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Materialien mit großer Oberfläche wie etwa Superaktivkohle, Zeolithen, metallorganischen Verbindungen oder Kombinationen davon besteht.
- Wasserstoffbasiertes Vortriebssystem für ein Fahrzeug, wobei das Vortriebssystem umfasst: eine Vortriebseinheit, die betreibbar ist, um Energie an das Fahrzeug zu liefern; und ein Wasserstoffzufuhrsystem, das mit der Vortriebseinheit verbunden ist und einen Flüssigwasserstoff-Speichertank und ein Entleerungssammelgefäß in Verbindung mit dem Flüssigwasserstoff-Speichertank enthält, wobei das Entleerungssammelgefäß einen Außentank in Verbindung mit dem Flüssigwasserstoff-Speichertank und einen Innentank, der in dem Außentank angeordnet ist und in Verbindung mit dem Flüssigwasserstoff-Speichertank steht, umfasst, wobei sowohl der Innentank als auch der Außentank des Entleerungssammelgefäßes einen Auslassdurchlass aufweisen, der mit der Vortriebseinheit verbunden ist.
- System nach Anspruch 7, bei dem der Innentank in dem Außentank angeordnet ist, um zu ermöglichen, dass der Reaktand in dem Außentank den Innentank umgibt.
- System nach Anspruch 8, das ferner umfasst: eine Steuereinheit, die so betreibbar ist, dass sie anhand einer Eingabe von wenigstens einem Sensor ein Signal erzeugt; ein erstes Ventil in Verbindung mit dem Außentank, wobei das erste Ventil durch die Steuereinheit so betreibbar ist, dass es ermöglicht, dass der Außentank Wasserstoffdampf von dem Flüssigwasserstoff-Speichertank empfängt; und ein zweites Ventil in Verbindung mit dem Innentank, wobei das zweite Ventil so betreibbar ist, dass es ermöglicht, dass der Innentank den Wasserstoffdampf von dem Flüssigkeitsspeichertank empfängt.
- System nach Anspruch 9, bei dem die Steuereinheit in Verbindung mit einem Umgehungsventil steht, das in einem Umgehungsdurchlass angeordnet ist, der mit dem Flüssigwasserstoff-Speichertank, aber nicht mit dem Entleerungssammelgefäß in Verbindung steht, wobei die Steuereinheit so betreibbar ist, dass sie veranlasst, dass sich das Umgehungsventil öffnet.
- System nach Anspruch 10, bei dem das Entleerungssammelgefäß ferner eine Wärmeenergiequelle zum Heizen des Entleerungssammelgefäßes in Reaktion auf ein Steuersignal von der Steuereinheit umfasst.
- System nach Anspruch 11, bei dem der Innentank des Entleerungssammelgefäßes ferner ein Material umfasst, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Materialien mit großer Oberfläche wie etwa Superaktivkohle, Zeolith, metallorganischen Verbindungen oder Kombinationen davon besteht.
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