KRYOTANK

Abstract

 Die Erfindung betrifft einen Kryotank (1) zur Speicherung eines kryogenen Mediums, insbesondere zur Speicherung von Wasserstoff für die mobile Anwendung in einem Kraftahrzeug, wobei der Kryotank (1) doppelwandig ausgeführt ist und einen inneren Speicherbehälter (2) zur Aufnahme des Mediums, und einen den inneren Speicherbehälter (2) umgebenden Außenbehälter (4) mit einer den Außenbehälter (4) begrenzenden Behälterwand umfasst, wobei zwischen Speicherbehälter (2) und Außenbehälter (4) ein evakuierter Hohlraum (5) besteht, wobei eine Rohrleitung (7) vorgesehen ist, die zum Ableiten eines zumindest zeitweise durch Wärmeintrags entstehenden Boil off Gases (BOG) angeordnet ist, und wobei das Boil Off Gas (BOG) in der Rohrleitung (7) erwärmt wird. Der Kryotank (1) soll derart weitergebildet werden, dass eine Erwärmung des Boil-Off-Gases von kryogenen Temperaturen auf Umgebungstemperatur einfach und kostengünstig realisierbar ist. Dies wird dadurch erreicht, dass die Rohrleitung (7) zumindest abschnittsweise unmittelbar an der Behälterwand des Außenbehälters (4) bzw. mittelbar an mit der Behälterwand verbundenen Bauteilen wärmeleitend anliegt, und die Erwärmung des Boil-Off-Gases längs dieser thermisch kontaktierten Abschnitte passiv erfolgt.

Beschreibung

[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kryotank zur Speicherung eines kryogenen Mediums, insbesondere zur Speicherung von Wasserstoff.

[0002] Es ist bekannt, dass kryogene Medien, also tiefkalte und zumindest teilweise flüssige Medien, wie Wasserstoff oder Helium, in einem Kryogentank aufbewahrt werden können, um Energie über entsprechende Entnahmeleitungen zu einem Verbraucher zu transportieren.

[0003] Die Speicherung von Gasen, insbesondere von Wasserstoff, im tiefkalten Zustand ist hinsichtlich Energiedichte besonders geeignet für den mobilen Einsatz, insbesondere in Kraftfahrzeugen zum Erzielen großer Reichweiten.

[0004] Für die Anwendung in Kraftfahrzeugen sind die Anforderungen an die Kryotanks hinsichtlich Wärmeisolation, Gewicht und Sicherheit besonders hoch.

[0005] Für die Speicherung der kryogenen Medien werden zur Wärmedämmung üblicherweise vakuumisolierte Speicherbehälter eingesetzt, die aus einem doppelwandigen Behälter mit einem Innenbehälter und einem Außenbehälter bestehen. Der Hohlraum zwischen den beiden Behältern ist zur Reduzierung des Wärmestroms evakuiert und mit einer Isolationsschicht versehen.

[0006] Ein geringes Maß an Wärmeverlust ist allerdings trotz guter Wärmedämmung unvermeidlich. Nach längerer Zeit oder beim Transport über große Entfernungen erwärmt sich die kryogene Flüssigkeit unweigerlich und erreicht ihren Siedepunkt. Aus der siedenden Flüssigkeit entsteht dann im Speicherbehälter eine zusätzliche kleine Menge Gas. Wegen der Entstehung von diesem zusätzlichen Gas steigt der Druck im Innenbehälter. Um ein Bersten des Speicherbehälters zu verhindern, wird der Druck durch Ableiten des zusätzlichen Gases über entsprechende Rohrleitungen und ein Überdruckventil in die Umgebung abgebaut.

[0007] Ein ähnlicher physikalischer Prozess passiert, wenn der Innenbehälter für hohe Drücke ausgelegt ist. Auch hier verdampft bei einem Wärmeeintrag ein Teil der Flüssigkeit und es entsteht eine zusätzliche kleine Menge an Gas. Da der Innenbehälter für hohe Drücke ausgelegt ist, bleibt der Innenbehälter allerdings geschlossen. Bei einem weiteren Anstieg des Drucks, geht das Medium von dem Zwei-Phasen Zustand in der sogenannten superkritischen Zustand über. Auch in diesem Fall muss ein Überdruckventil ab einen bestimmten Druckniveau öffnen, um einen weiteren Druckanstieg zu vermeiden. Es wird dann ein Teil des superkritische Mediums aus dem Innenbehälters freigelassen.

[0008] In vielen Fällen ist es nicht möglich bei der Verwendung von Wasserstoff als kryogenes Medium diesen ohne katalytische Verbrennung, d.h. ohne Oxidierung zum Endprodukt Wasser, in Luft freizusetzen. Für die Oxidierung des Wasserstoffs ist ein sogenannte Boil-Off-Management (BOM) System zuständig. Der entsprechende Zufluss zum BOM System wird als als Boil-off-Gas (BOG) bezeichnet. Ein zwischen BOM System und Innenbehälter angeordnetes Ventil entsprechend als Boil-Off-Ventil.

[0009] Bei der Ableitung des BOG aus dem Innenbehälter zu dem entsprechenden Überdruckventil muss das Gas auf Umgebungstemperatur erwärmt werden. Hierfür ist es aus dem Stand der Technik bekannt und üblich entsprechende Wärmetauscher, um die Rohrleitung mit BOG anzuordnen. Derartige Wärmetauscher nutzen in einem aktiven Kreislauf z.B. eine Wasser-Glykol Mischung, um den Wasserstoff zu konditionieren. Diese Systeme sind aufwändig und kostspielig.

[0010] Vor diesem Hintergrund stellt sich die vorliegende Erfindung die Aufgabe einen Kryotank derart weiterzubilden, dass eine Erwärmung des Boil-Off-Gases von kryogenen Temperaturen auf Umgebungstemperatur einfach und kostengünstig realisierbar ist.

[0011] Diese Aufgabe löst die vorliegende Erfindung durch einen Kryotank mit den in Patentanspruch 1 angegebenen Merkmalen.

[0012] Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung, wobei die Rohrleitung zumindest abschnittsweise unmittelbar an dem Außenbehälter bzw. an mit dem Außenbehälter verbundenen Bauteilen wärmeleitend anliegt, kann die Erwärmung des Boil Off Gases längs dieses thermisch kontaktierten Abschnitts passiv über den physikalischen Effekt der Wärmeleitung über metallischen Kompoenten wie Leitungen und Außenbehälter erfolgen. Aufgrund der großen Oberfläche zwischen Außenbehälter und umgebender Luft, wird der Außenbehälter bei Umgebungstemperatur gehalten.

[0013] Es entfällt somit ein aktiver Wärmetauscher, so dass sowohl Bauraum als auch Kosten eingespart werden.

[0014] Die thermische Einstellung / Konditionierung bzw. Erwärmung des BOG kann durch die Ausgestaltung und Anpassung der Wegstrecke des thermisch kontaktierten Abschnitts einfach erreicht werden.

[0015] Der Außenbehälter umfasst eine Behälterwand mit einer Außenseite und einer Innenseite. Vorteilhafterweise liegt die Rohrleitung unmittelbar an der Außenseite des Außenbehälter bzw. mittelbar an mit der Außenseite verbundenen Bauteilen wärmeleitend an.

[0016] In einer weiteren alternativen Ausführungsform liegt die Rohrleitung unmittelbar an der Innenseite des Außenbehälter bzw. mittelbar an mit der Innenseite verbundenen Bauteilen wärmeleitend an.

[0017] Der Abschnitt der Rohrleitung, der wärmeleitend mit der Außenseite oder alternativ mit der Innenseite bzw. mit einem auf der Außenseite bzw. Innenseite des Außenbehälters angeordneten Bauteils in Verbindung steht, kann in Längsrichtung der Mantelfläche des Außenbehälters, mäanderförmig oder auch spiralförmig auf oder an dem Außenbehälter mittelbar oder unmittelbar angeordnet sein.

[0018] Die thermische Kopplung der Rohrleitung kann vorteilhafterweise zumindest abschnittsweise über sowohl mechanische Verbindungsarten wie über Schraub- oder Clipsverbindungen als auch über stoffschlüssige Verbindungsarten, z.B. Schweißen oder Hart-/Weichlöten, hergestellt werden.

[0019] Die Erfindung wird nachfolgend anhand in den Zeichnungen schematisch dargestellter Ausführungsbeispiele beschrieben.

[0020] Es zeigt:

Fig. 1

eine schematische Darstellung eines Aufbaus eines Kryotanks; und

Fig. 2

eine schematische perspektivische Darstellung des erfindungsgemäßen Kryotanks in einer ersten Ausführungsform.

[0021] In der Fig.1 ist ein Kryotank 1 zur Speicherung eines kryogenen Mediums, insbesondere zur Speicherung von Wasserstoff, dargestellt. Die nachfolgende Beschreibung bezieht sich auf die Verwendung von Wasserstoff als kryogenes Medium. Es ist für den Fachmann allerdings selbstverständlich, dass auch andere Medien eingesetzt werden können.

[0022] Der Kryotank 1 ist ein doppelwandiger Behälter und umfasst einen inneren druckfesten Speicherbehälter 2, der in einem Außenbehälter 4 gelagert ist. Die Lagerung dient der Positionierung der beiden Schalen des doppelwandigen Behälters und umfasst zwischen Außenbehälter 4 und Innenbehälter/Speicherbehälter 2 abschnittsweise nicht gezeigte Aufhängungen. Der Hohlraum zwischen dem inneren Speicherbehälter 2 und dem Außenbehälter 4 ist zur Reduzierung des Wärmestroms und somit zum Schutz des Speicherbehälters 2 von zusätzlichem Wärmeeinfall evakuiert und mit einer Isolationsschicht versehen. Der Hohlraum wird nachfolgend als Vakuumraum 5 bezeichnet.

[0023] Der Außenbehälter 4 umfasst eine den Außenbehälter begrenzende Behälterwand mit einer zur Außenumgebung/ Luft weisenden Außenseite 4a und einer zum Speicherbehälter 2 hinweisenden Innenseite 4b.

[0024] Das kryogene Medium, insbesondere Wasserstoff, befindet sich im unteren Bereich des Speicherbehälters 2, nämlich unterhalb der in den Figuren als Wellenlinie dargestellten Flüssigkeitsoberfläche 6 als Flüssigkeit im Speicherbehälter 2, oberhalb der Flüssigkeitsoberfläche 6 in gasförmigem Zustand.

[0025] Eine Gasentnahmeleitung 8 ist zur Entnahme des gasförmigen Mediums aus dem Speicherbehälter 2 eingerichtet, so dass das freie Ende der Gasentnahmeleitung 8 oberhalb der Flüssigkeitsoberfläche 6, in der Nähe der Decke des Speicherbehälters 2, im Speicherbehälter 2 endet. Das freie Ende der Gasentnahmeleitung 8 kann auch unterhalb der Flüssigkeitsoberfläche 6 liegen.

[0026] Die Gasentnahmeleitung 8 bildet einen Entnahmestrang, der das gasförmige Medium ausgehend von dem Speicherbehälter, gegebenenfalls unter Zwischenschaltung eines Wärmetauschers, einer Pumpe und/oder weiteren Armaturen, einem Verbraucher über einen Verbraucheranschluss 10, insbesondere einer Brennstoffzelle als Verbraucher zuführt. Wie es aus den Figuren zu erkennen ist, ist die Gasentnahmeleitung ausgehend von dem Innenraum des Speicherbehälters 2 durch die Behälterwand des Speicherbehälters 2, den Vakuumraum 5, die Behälterwand 4a des Außenbehälters 4 in die Außenumgebung A geführt. Der Speicherbehälter 2 umfasst auch, wie es allgemein bekannt ist, eine Sicherheitseinrichtungen 3 mit einer Leitung und einem Überdruckventil. Weitere Einzelheiten zu der Gasentnahmeleitung 8 sowie in der Gasentnahmeleitung 8 strömungsverbundenen Komponenten wie beispielsweise Massendruchflussventile, etc. sind nicht dargestellt.

[0027] Des Weiteren umfasst der Kryotank 1 zum Ableiten von Boil-Off-Gas (BOG) eine Rohrleitung 7, deren freies Ende ebenfalls oberhalb oder unterhalb der Flüssigkeitsoberfläche 6 endet und aus dem doppelwandigen Kryotank 1 nach außen geführt ist und ein BOG Ventil 9 umfasst. Wie es bereits obenstehend beschrieben ist, weist der Außenbehälter 4 eine Behälterwand mit einer Außenseite 4a auf. Die Außenseite 4a des Kryotanks 1 ist der Umgebungstemperatur der Luft zugeordnet.

[0028] Das in dem Speicherbehälter 2 zumindest zeitweise anfallende BOG wird durch die Rohleitung 7 und anschließend über das BOG Ventil 9 in die Umgebung abgeleitet. Zur passiven Erwärmung des BOG, welches in dem Speicherbehälter 2 kryogene Temperaturen aufweist, ist die Rohrleitung 7 ausgehend von dem Speicherbehälter 2 durch den Vakuumraum 5 und die Behälterwand des Außenbehälters 4 auf die Außenseite 4a geführt. Wie es aus der Darstellung der Figur 2 zu erkennen ist, liegt die Rohrleitung 7 auf der Außenseite 4a unmittelbar in Längsrichtung x1 auf der Mantelfläche des Außenbehälters 4 an.

[0029] In einer nicht dargestellten alternativen Ausführungsform kann die Leitung 7 auch auf der Innenseite 4b der Behälterwand des Außenbehälters liegen.

[0030] Durch diesen unmittelbaren Kontakt der Rohrleitung 7, die mit dem BOG durchströmt wird, mit der "warmen" Außenseite 4a des Außenbehälters 4 (Außenseite des Außenbehälters 4 hat Umgebungstemperatur) über eine Wegstrecke x1, kann über das physikalische Prinzip der Wärmeleitung ein Wärmeaustausch längs dieses Kontaktbereichs und somit ein passives Aufwärmen des BOG erfolgen.

[0031] Somit kann das BOG bis zu dem Erreichen des BOG Ventils 9 auf Umgebungstemperatur erwärmt werden.

[0032] In nicht dargestellten Ausführungsbeispielen kann die thermische Kopplung der Rohrleitung mit der Außenseite 4a oder mit auf oder an der Außenseite 4a angeordneter Bauelemente/Baugruppe über die Wegstrecke x1 mittels unterschiedlicher Verbindungstechniken erfolgen. Dabei können sowohl Schraub- als auch Clipsverbindungen oder auch stoffschlüssige Verbindungsarten wie Löten oder Schweißen eingesetzt werden.

[0033] Der Abschnitt der Rohrleitung 7, der auf der Außenseite 4a in wärmeleitender Verbindung steht bzw. der Abschnitt der Rohrleitung 7, der thermisch gekoppelt auf der Außenseite 4a unmittelbar oder mittelbar auf dem Außenbehälter 4 anliegt kann auch beliebig anders ausgestaltet sein. So kann die Rohrleitung 7 zur Vergrößerung der Wegstrecke x1 beispielsweise mäanderförmig oder auch spiralförmig auf oder um den Außenbehälter 4 verlaufen.

[0034] Die Begriffe "Decken" und "Boden" beziehen sich dabei auf die übliche Einbaulage des Speicherbehälters, beispielsweise in einer fahrenden, schwimmenden oder fliegenden Transportvorrichtung, wobei die Gravitation in einem Normalbetrieb der Transportvorrichtung in Richtung zum Boden des Speicherbehälters wirkt.

Bezugszeichenliste

[0035] 

1

Kryotank

2

Speicherbehälter/ Innenbehälter

3

Sicherheitseinrichtung

4

Außenbehälter

4a

Außenseite Außenbehälter

4b

Innenseite

5

Hohlraum/Vakuumraum

6

Flüssigkeitsoberfläche

7

Rohrleitung

8

Gasentnahmeleitung

9

BOG Ventil

10

Verbraucheranschluss

Ansprüche

1. Kryotank (1) zur Speicherung eines kryogenen Mediums, insbesondere zur Speicherung von Wasserstoff für die mobile Anwendung in einem Kraffahrzeug, wobei der Kryotank (1) doppelwandig ausgeführt ist und einen inneren Speicherbehälter (2) zur Aufnahme des Mediums, und einen den inneren Speicherbehälter (2) umgebenden Außenbehälter (4) mit einer den Außenbehälter (4) begrenzenden Behälterwand umfasst, wobei zwischen Speicherbehälter (2) und Außenbehälter (4) ein evakuierter Hohlraum (5) besteht, wobei eine Rohrleitung (7) vorgesehen ist, die zum Ableiten eines zumindest zeitweise durch Wärmeintrags entstehenden Boil off Gases (BOG) angeordnet ist, und wobei das Boil Off Gas (BOG) in der Rohrleitung (7) erwärmt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohrleitung (7) zumindest abschnittsweise unmittelbar an der Behälterwand des Außenbehälters (4) bzw. an mit der Behälterwand verbundenen Bauteilen wärmeleitend anliegt, und die Erwärmung des Boil Off Gases längs dieser thermisch kontaktierten Abschnitte passiv erfolgt.

2. Kryotank (1) zur Speicherung eines kryogenen Mediums, insbesondere zur Speicherung von Wasserstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Behälterwand eine Außenseite (4a) und eine gegenüberliegende zum Speicherbehälter (2) weisende Innenseite (4b) umfasst und wobei die Rohrleitung (7) ausgehend von dem Speicherbehälter (2) durch den evakuierten Hohlraum (5) und die Behälterwand des Außenbehälters (4) auf dessen Außenseite (4a) geführt ist und dort unmittelbar oder mittelbar an mit der Außenseite (4a) des Außenbehälters (4) verbundenen Bauteilen wärmeleitend anliegt.

3. Kryotank (1) zur Speicherung eines kryogenen Mediums, insbesondere zur Speicherung von Wasserstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Behälterwand eine Außenseite (4a) und eine gegenüberliegende zum Speicherbehälter (2) weisende Innenseite (4b) umfasst und wobei die Rohrleitung (7) ausgehend von dem Speicherbehälter (2) durch den evakuierten Hohlraum (5) an die Innenseite (4b) der Behälterwand des Außenbehälters (4) geführt ist und dort unmittelbar oder mittelbar an mit der Innenseite (4a) des Außenbehälters (4) verbundenen Bauteilen wärmeleitend anliegt.

4. Kryotank (1) zur Speicherung eines kryogenen Mediums, insbesondere zur Speicherung von Wasserstoff nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Abschnitt der Rohrleitung (7), der in wärmeleitender Verbindung mit der Außenseite (4a) oder Innenseite (4b) steht, in Längsrichtung über eine Wegstrecke x1 auf der Mantelfläche der Behälterwand des Außenbehälters (4) verläuft.

5. Kryotank (1) zur Speicherung eines kryogenen Mediums, insbesondere zur Speicherung von Wasserstoff nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Abschnitt der Rohrleitung (7), der in wärmeleitender Verbindung mit der Außenseite (4a) oder Innenseite (4b) steht mäanderförmig auf der Mantelfläche des Außenbehälters (4) verläuft.

6. Kryotank (1) zur Speicherung eines kryogenen Mediums, insbesondere zur Speicherung von Wasserstoff nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Abschnitt der Rohrleitung (7), der in wärmeleitender Verbindung mit der Außenseite (4a) oder Innenseite (4b) steht spiralförmig um die Mantelfläche des Außenbehälters (4) verläuft.

7. Kryotank (1) zur Speicherung eines kryogenen Mediums, insbesondere zur Speicherung von Wasserstoff nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die thermische Kopplung der Rohrleitung (7) mit dem Außenbehälter (4) mittels mechanischer Verbindungsarten wie Schraub- oder Clipsverbindungen erfolgt.

8. Kryotank (1) zur Speicherung eines kryogenen Mediums, insbesondere zur Speicherung von Wasserstoff nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die thermische Kopplung der Rohrleitung (7) mit dem Außenbehälter (4) mittels stoffschlüssiger Verbindungsarten wie Löten oder Schweißen erfolgt.

Zeichnung