WO2024256034A1 - Speicherbehälteranordnung und verfahren - Google Patents

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WO2024256034A1 PCT/EP2024/025174 EP2024025174W WO2024256034A1 WO 2024256034 A1 WO2024256034 A1 WO 2024256034A1 EP 2024025174 W EP2024025174 W EP 2024025174W WO 2024256034 A1 WO2024256034 A1 WO 2024256034A1
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Petya TONEVA
Julia KLEINER
Thomas Hofmeister
Harald Zenz
Daniel West
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    • Y02T90/00—Enabling technologies or technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02T90/40—Application of hydrogen technology to transportation, e.g. using fuel cells

Definitions

  • the invention relates to a storage container arrangement for supplying a fuel cell with hydrogen at constant pressure and a method for operating such a storage container arrangement.
  • Storage tanks for liquid hydrogen have a liquid zone with liquid hydrogen and a gas zone with gaseous hydrogen arranged above the liquid zone.
  • a storage tank can have a pressure build-up circuit.
  • Using such a pressure build-up circuit can cause a thermodynamic imbalance between the liquid hydrogen and the gaseous hydrogen due to superheated steam in the gas zone.
  • Due to movements of the storage tank, particularly when it is used mobile a mixture of the liquid hydrogen and the gaseous hydrogen within the storage tank can lead to a drop in pressure within the storage tank.
  • a consumer such as a fuel cell requires an almost constant supply pressure, which cannot be guaranteed by such a pressure build-up circuit. This needs to be improved.
  • the storage container arrangement comprises a storage container for holding a cryogenic hydrogen, the storage container having a gas zone and a liquid zone, an evaporator arranged outside the storage container for converting a liquid phase of the hydrogen into a gaseous phase of the hydrogen, a liquid pump for conveying the liquid phase from the liquid zone to the evaporator and a feed device for feeding a mixture which comprises a part of the liquid phase conveyed by the liquid pump and a part of the gaseous phase converted by the evaporator to the liquid zone.
  • the storage container and a gas line via which the evaporator is in fluid communication with the supply device and which establishes a fluid connection between the evaporator and the fuel cell.
  • the storage container arrangement can also be referred to as a hydrogen storage container arrangement. Accordingly, the storage container can also be referred to as a hydrogen storage container.
  • a phase boundary is preferably provided in the storage container between the gas zone and the liquid zone.
  • the gas zone is characterized in particular by the fact that it can absorb the gaseous phase.
  • the liquid zone is characterized in particular by the fact that it can absorb the liquid phase.
  • the liquid phase of the hydrogen is therefore located in the liquid zone within the storage container.
  • the gaseous phase of the hydrogen is therefore located in the gas zone.
  • the phase boundary separates the gaseous phase from the liquid phase.
  • the gaseous phase is arranged above the liquid phase when viewed along a direction of gravity.
  • the liquid phase is liquid hydrogen. Accordingly, the term “liquid phase” can be replaced with the term “liquid hydrogen” and vice versa.
  • the gaseous phase is gaseous hydrogen. Accordingly, the term “gaseous phase” can be replaced with the term “gaseous hydrogen” and vice versa.
  • the evaporator is designed to evaporate the liquid phase fed to the evaporator with the help of the liquid pump.
  • the liquid phase is converted into the gaseous phase.
  • the evaporator can, for example, be operated electrically.
  • the evaporator can be a heat exchanger or comprise a heat exchanger.
  • the evaporator is arranged downstream of the liquid pump.
  • downstream and upstream are to be understood here with reference to a flow direction of the liquid phase from the liquid zone to the evaporator. The same applies to a flow direction of the gaseous phase from the evaporator to the liquid zone of the storage container.
  • a valve can be provided upstream of the liquid pump.
  • the liquid pump can be in fluid communication with the liquid zone of the storage tank by means of a line.
  • the aforementioned valve is provided in or on the line.
  • the liquid pump is in particular a submersible pump.
  • the liquid pump is immersed in the liquid phase.
  • the liquid pump is in particular a cryopump or can be referred to as a cryopump.
  • the liquid pump is in particular assigned a pump sump that can accommodate the liquid pump. Viewed along the direction of gravity, the liquid pump is preferably placed below the storage tank.
  • the aforementioned feed device is in particular a lower feed device or a first feed device. Accordingly, the storage container arrangement can also have an upper feed device or second feed device. Only the first feed device will be discussed below, which will be referred to below only as the feed device.
  • the feed device is in particular tubular.
  • the feed device is arranged inside the storage container. In particular, the feed device is immersed in the liquid phase. The feed device is thus placed in the liquid zone of the storage container.
  • the part of the liquid phase conveyed by the liquid pump is fed to the feed device downstream of the liquid pump and upstream of the evaporator.
  • the part of the gaseous phase converted by the evaporator is fed to the feed device downstream of the evaporator.
  • the liquid phase and the gaseous phase are mixed with one another before being fed to the storage container using the feed device.
  • a mixing section or any mixer can be provided for this purpose.
  • the gaseous phase converted by the evaporator is in particular superheated hydrogen vapor.
  • superheated vapor is to be understood as vapor with a temperature above the boiling point. With the aid of the feed device, superheated hydrogen vapor is returned to the storage container downstream of the evaporator, in particular to the liquid zone of the storage container.
  • the liquid phase is branched off into this return stream of superheated vapor downstream of the liquid pump and fed to the feed device.
  • the liquid phase and the gaseous phase are mixed. This cools the gaseous phase.
  • the pre-cooled mixture is then introduced into the liquid phase arranged inside the storage container via the feed device.
  • the mixture is preferably gaseous.
  • the mixture can also be a two-phase mixture and can therefore also be referred to as such.
  • the mixture rises in the liquid phase in particular in the form of gas bubbles and then reaches the gas zone.
  • the storage container arrangement has a mixing section arranged upstream of the feed device for mixing the gaseous phase and the liquid phase to form the mixture.
  • the mixing section can have so-called vortex generators.
  • the liquid phase is mixed with the gaseous phase. This cools the gaseous phase, which is preferably present as superheated steam.
  • the mixing section is arranged outside the storage container.
  • the storage container arrangement has a liquid line by means of which the liquid pump is in fluid connection with the evaporator.
  • the mixing section is preferably in fluid communication with the liquid line.
  • the liquid line connects the liquid pump to the evaporator.
  • a line flows out of the liquid line, which preferably fluidically connects the liquid line to the mixing section.
  • the storage container arrangement has a liquid valve for releasing and interrupting the fluid connection between the liquid line and the mixing section.
  • the liquid valve is placed in or on the line provided between the liquid line and the mixing section.
  • the line can be shut off or opened using the liquid valve.
  • the liquid valve can be controlled, for example, by a regulating and control unit of the storage tank arrangement.
  • the liquid valve can be controlled, for example, based on sensor signals from a sensor system.
  • the sensor system can have different temperature and/or pressure sensors.
  • pressure sensors of the sensor system are placed inside the storage tank.
  • the liquid valve can be used to influence a volume flow of the liquid phase from the liquid line to the mixing section. Accordingly, any amount of the liquid phase can be mixed into the gaseous phase returned to the storage tank using the liquid valve.
  • the storage container arrangement has a gas line for establishing a fluid connection between the evaporator and the fuel cell.
  • the mixing section is preferably in fluid connection with this gas line.
  • the gas line establishes a fluid connection between the evaporator and the fuel cell.
  • the fuel cell can be part of the storage container arrangement. However, this is not absolutely necessary.
  • the gaseous phase of the fuel cell can be supplied at a temperature of, for example, 0 °C to 20 °C or from 5 °C to 50 °C at a pressure of 3.5 bar to 11 bar.
  • a "fuel cell” is understood here to mean a galvanic cell which converts the chemical reaction energy of a continuously supplied hydrogen and an oxidizing agent, in this case oxygen, into electrical energy. With the help of the electrical energy obtained, an electric motor can be driven, for example.
  • a line flows out of the gas line, which fluidically connects the gas line with the mixing section.
  • the line flows out of the gas line downstream of the evaporator.
  • the gas line can have a valve which is arranged upstream of the consumer. The valve can be controlled using the regulating and control unit.
  • the storage container arrangement has a gas valve for releasing and interrupting the fluid connection between the gas line and the mixing section.
  • the gas valve is provided in particular in or on the previously mentioned line, which flows out of the gas line arranged between the evaporator and the consumer.
  • the gas valve can be controlled using the regulating and control unit.
  • the amount of gaseous phase fed to the mixing section can be controlled using the gas valve.
  • the liquid pump is arranged outside the storage container.
  • the feed device has a plurality of outlet nozzles opening into the liquid zone.
  • the number of outlet nozzles is arbitrary. With the help of the outlet nozzles, the mixture of the liquid phase and the gaseous phase can be injected into the liquid zone of the storage tank.
  • the outlet nozzles are in particular gas outlet nozzles.
  • the storage container arrangement has a pump sump in which the liquid pump is accommodated, wherein the pump sump is in fluid communication with the gas zone.
  • a gas zone with the gaseous phase and a liquid zone with the liquid phase are preferably provided in the pump sump.
  • a phase boundary is provided between the gas zone and the liquid zone within the pump sump.
  • the liquid pump is immersed in the liquid phase.
  • the gas zone of the pump sump is in fluid communication with the gas zone of the storage tank by means of a line. This allows vaporized hydrogen from the pump sump to be returned to the gas zone of the storage tank.
  • the storage container arrangement has a further feed device for feeding a part of the liquid phase conveyed by the liquid pump to the gas zone.
  • the gas zone can be cooled using this feed device.
  • the additional feed device can also be referred to as a second feed device or upper feed device.
  • the additional feed device has a large number of outlet nozzles that open into the gas zone.
  • the additional feed device is in fluid communication with the liquid line arranged between the liquid pump and the evaporator via a line.
  • a valve for opening and shutting off the line and thus for activating and deactivating the additional feed device can be provided in or on the aforementioned line.
  • the valve can be controlled using the regulating and control unit.
  • the storage container arrangement has thermal conducting plates arranged within the storage container for heat transfer between the gas zone and the liquid zone and vice versa.
  • the thermal conducting plates are preferably made of a metal that conducts heat well.
  • the thermal conducting plates can be made of an aluminum alloy.
  • the number of thermal conducting plates is arbitrary.
  • the thermal conducting plates divide both the gas zone and the liquid zone into several sections.
  • the thermal conducting plates are fluid-permeable.
  • the thermal conducting plates can have openings or holes for this purpose. Both the gaseous phase and the liquid phase can pass through the thermal conducting plates.
  • the storage tank arrangement may include a buffer tank for gaseous hydrogen downstream of the evaporator in order to reduce pressure fluctuations that may arise, for example, from pulsations of the liquid pump.
  • the storage container arrangement has a storage container for holding the cryogenic hydrogen, the storage container having a gas zone and a liquid zone.
  • the method has the following steps: a) conveying a liquid phase of the cryogen from the liquid zone to an evaporator arranged outside the storage container, b) converting the liquid phase to a gaseous phase of the hydrogen with the aid of the evaporator and c) supplying a mixture which comprises a portion of the conveyed liquid phase and a portion of the converted gaseous phase to the liquid zone, and d) supplying the gaseous phase of the hydrogen to the fuel cell.
  • Step a) is preferably carried out with the aid of the aforementioned liquid pump.
  • the liquid pump conveys the liquid phase from the liquid zone of the storage vessel to the evaporator.
  • the liquid phase is evaporated to the gaseous phase with the aid of the evaporator.
  • the gaseous phase is in particular superheated steam.
  • step c) the mixture of the liquid phase and the gaseous phase is produced and fed to the liquid zone of the storage vessel.
  • Step c) is carried out with the aid of the lower feed device or first feed device.
  • the mixture is produced by mixing the liquid phase and the gaseous phase by means of a mixing section arranged outside the storage container.
  • the gaseous phase which is in particular superheated steam, is cooled down with the help of the added liquid phase.
  • a part of the extracted liquid phase is fed to the gas zone.
  • the previously mentioned upper feed device or second feed device is used, which can feed a part of the liquid phase conveyed by the liquid pump to the gas zone of the storage container. This allows the gas zone to be cooled down.
  • Fig. 1 shows a schematic sectional view of an embodiment of a
  • FIG. 1 shows a schematic block diagram of an embodiment of a method for operating the storage container arrangement according to Fig. 1 .
  • Fig. 1 shows a schematic sectional view of an embodiment of a storage container arrangement 1.
  • the storage container arrangement 1 comprises a storage tank or storage container 2.
  • the storage container 2 can be a transport container.
  • liquid hydrogen LH2 can be transported with the storage container 2.
  • the storage container 2 can be part of a vehicle, in particular a watercraft. In this case, the storage container 2 is suitable for mobile applications. However, the storage container 2 can also be used stationary, for example in building technology.
  • the storage container 2 is constructed rotationally symmetrically to a symmetry or central axis 3.
  • the central axis 3 is oriented perpendicular to a direction of gravity g.
  • the storage container 2 is double-walled and comprises a first container or inner container, which is also constructed rotationally symmetrically to the central axis 3.
  • the inner container is arranged completely within a second container or outer container.
  • the outer container is also constructed rotationally symmetrically to the central axis 3.
  • the inner container and the outer container are made of stainless steel.
  • a gap is provided that completely surrounds or envelops the inner container.
  • the gap is subjected to a vacuum.
  • a vacuum is understood to mean in particular a pressure of less than 300 mbar, preferably less than 10 -3 mbar, more preferably less than 10 -7 mbar.
  • the storage tank 2 is thus vacuum-insulated or vacuum-insulated.
  • the storage container 2 comprises a tubular or cylindrical base section 4, which is also constructed rotationally symmetrically to the central axis 3.
  • the base section 4 can have a circular or almost circular geometry in cross section.
  • the base section 4 is double-walled.
  • the base section 4 is closed on both sides at the front with the aid of a cover section 5, 6.
  • the cover sections 5, 6 are curved.
  • a first cover section 5 and a second cover section 6 are curved in opposite directions, so that the cover sections 5, 6 are curved outwards with respect to the base section 4.
  • the liquid hydrogen LH2 is accommodated in the storage container 2, in particular in the inner container.
  • a gas zone 7 with vaporized hydrogen GH2 and a liquid zone 8 with liquid hydrogen LH2 can be provided in the storage container 2.
  • the hydrogen H2 After being filled into the storage container 2, the hydrogen H2 therefore has two phases with different states of aggregation, namely liquid and gaseous. This means that in the storage container 2 there is a phase boundary 9 between the liquid hydrogen LH2 and the gaseous hydrogen GH2.
  • thermal conducting plates 10 are arranged inside the storage container 2, only one of which is provided with a reference symbol.
  • the number of thermal conducting plates 10 is arbitrary. For example, seven thermal conducting plates 10 are provided. Viewed along the central axis 3, the thermal conducting plates 10 are positioned at a distance from one another. The thermal conducting plates 10 run perpendicular to the central axis 3.
  • the thermal conducting plates 10 divide both the gas zone 7 and the liquid zone 8 into several sections.
  • the thermal conducting plates 10 are fluid-permeable, so that both the gaseous hydrogen GH2 and the liquid hydrogen LH2 can flow through the thermal conducting plates 10.
  • the thermal conducting plates 10 can have breakthroughs or openings through which the gaseous hydrogen GH2 and the liquid hydrogen LH2 can pass.
  • the storage container 2 has a plurality of distributor pipes or feed devices 11, 12.
  • the lower feed device 11 has outlet nozzles 13, with the aid of which gaseous hydrogen GH2 and/or liquid hydrogen LH2 can be fed to the storage container 2 below the phase boundary 9.
  • the upper feed device 12 has outlet nozzles 14, with the aid of which liquid hydrogen LH2 can be fed to the storage container 2 above the phase boundary 9.
  • the storage container arrangement 1 further comprises a liquid pump 15, which is in fluid communication with the storage container 2 by means of a line 16.
  • the line 16 flows out of the storage container 2 below the phase boundary 9.
  • Liquid hydrogen LH2 can be supplied to the liquid pump 15 via the line 16.
  • a valve 17 is provided in or on the line 16. The line 16 can be closed or opened using the valve 17.
  • the liquid pump 15 is assigned a pump sump 18.
  • the liquid pump 15 is placed inside the pump sump 18.
  • the pump sump 18 is filled with hydrogen H2.
  • a gas zone 19 with gaseous hydrogen GH2 and a liquid zone 20 with liquid hydrogen LH2 are provided inside the pump sump 18.
  • the liquid pump 15 is immersed in the liquid hydrogen LH2.
  • a phase boundary 21 is provided between the gas zone 19 and the liquid zone 20.
  • phase boundary 21 i.e. from the gas zone 19 of the pump sump 18, a line 22 emerges from the pump sump 18, which leads to the storage tank 2 and opens into the gas zone 7 of the storage tank 2.
  • gaseous hydrogen GH2 from the gas zone 19 of the pump sump 18 can be supplied to the gas zone 7 of the storage tank 2.
  • the liquid pump 15 can supply liquid hydrogen LH2 to an evaporator 24.
  • a line 25 branches off from the liquid line 23.
  • the line 25 leads to a line 26.
  • a liquid valve is 21 is provided, with the aid of which the line 25 can be opened and closed.
  • the line 26 is connected to the lower feed device 11 by means of a mixing section 28, which can have vortex generators. Downstream of the line 25, a further line 29 flows out of the liquid line 23.
  • the line 29 is connected to the upper feed device 12.
  • a valve 30 for opening and closing the line 29 is provided in or on the line 29.
  • the evaporator 24 can evaporate the liquid hydrogen LH2 to gaseous hydrogen GH2.
  • the gaseous hydrogen GH2 is supplied to a fuel cell 32 with the aid of a gas line 31.
  • the gaseous hydrogen GH2 can be supplied to the fuel cell 32 at a temperature of, for example, 0 °C to 20 °C or from 5 °C to 50 °C at a pressure of 3.5 bar to 11 bar.
  • a “fuel cell” is understood here to mean a galvanic cell which converts the chemical reaction energy of a continuously supplied fuel, in this case hydrogen H2, and an oxidizing agent, in this case oxygen, into electrical energy.
  • the electrical energy obtained can be used, for example, to drive an electric motor (not shown).
  • a valve 33 is provided on or in the gas line 31, with the aid of which the gas line 31 can be opened and closed.
  • a line 34 emerges from the gas line 31 in front of the valve 33.
  • the line 34 is connected to the line 26.
  • a gas valve 35 is provided in or on the line 34, with the aid of which the line 34 can be opened and closed.
  • the storage container arrangement 1 further comprises a control unit 36 for controlling the liquid pump 15, the valves 17, 27, 30, 33, 35 and the evaporator 24.
  • a control unit 36 for controlling the liquid pump 15, the valves 17, 27, 30, 33, 35 and the evaporator 24.
  • an operative connection can be provided between the control unit 36 and the liquid pump 15, the valves 17, 27, 30, 33, 35 and the evaporator 24.
  • the operative connection can be wired or wireless.
  • the control unit 36 can switch the liquid pump 15 and the evaporator 24 on and off.
  • the control unit 36 can open and close the valves 17, 27, 30, 33, 35.
  • the control unit 36 can comprise a computer. In the A program for operating the storage container arrangement 1 can be stored in the control unit 36.
  • the regulating and control unit 36 can control the liquid pump 15, the valves 17, 27, 30, 33, 35 and the evaporator 24 based on sensor signals from a sensor system 37.
  • the sensor system 37 can comprise several sensors, for example pressure sensors, temperature sensors or the like.
  • the sensor system 37 or at least part of the sensor system 37 can be placed inside the storage container 2.
  • hydrogen storage containers used to date can have a pressure build-up circuit.
  • a pressure build-up circuit By using such a pressure build-up circuit, a thermodynamic imbalance between the liquid hydrogen LH2 and the gaseous hydrogen GH2 can arise due to superheated steam in the gas zone. Due to movements of the storage container, in particular when it is used mobile, a mixture of the liquid hydrogen LH2 and the gaseous hydrogen GH2 within the storage container can lead to a drop in pressure within the storage container.
  • the previously mentioned fuel cell 32 requires an almost constant supply pressure, which cannot be guaranteed by such a pressure build-up circuit. This disadvantage is remedied by the storage container arrangement 1 explained above.
  • the pressure build-up for the consumer 32 takes place with the aid of the liquid pump 15 and the evaporator 24.
  • liquid hydrogen LH2 is taken from the storage tank 2, fed to the evaporator 24 and then converted into gaseous hydrogen GH2 in the consumer 32.
  • the gas valve 35 can be opened. This feeds superheated gaseous hydrogen GH2 to the mixing section 28. Pressurized liquid hydrogen LH2 is added to this gaseous hydrogen GH2 by opening the liquid valve 27. A mixture comprising gaseous hydrogen GH2 and liquid hydrogen LH2 is produced in the mixing section 28. The mixture can be a two-phase mixture and can therefore also be referred to as such. This pre-cooled mixture is fed to the Liquid zone 8 of the storage tank 2 with the aid of the lower feed device 11. This allows the thermal equilibrium to be maintained during a pressure build-up process in the storage tank 2.
  • superheated hydrogen vapor is returned to the liquid zone 8 of the storage tank 2 by means of the lower feed device 11, the lines 26, 34 and the gas valve 35 downstream of the evaporator 24.
  • liquid hydrogen LH2 which comes from the liquid pump 15, is mixed into this return stream via the line 25 and the liquid valve 27.
  • the gaseous hydrogen GH2 and the liquid hydrogen LH2 are thoroughly mixed, for example with the aid of a vortex generator as mentioned above.
  • the hydrogen H2 leaves the mixing section 28 as a mixture, in particular as a two-phase mixture, comprising gaseous hydrogen GH2 and liquid hydrogen LH2.
  • the pre-cooled mixture is fed to the liquid zone 8 via the lower feed device 11.
  • pressurized and liquid hydrogen LH2 can be dispersed via the upper feed device 12 into the gas zone 7 of the storage container 2 in order to additionally stabilize the thermodynamic equilibrium within the storage container 2.
  • the additional introduction of the thermal conducting plates 10 prevents the heating of the gaseous hydrogen GH2 in the gas zone 7 above the saturation temperature.
  • a submersible pump can be used as the liquid pump 15, which is completely surrounded by the liquid hydrogen LH2 to be pumped in the separate pump sump 18. When the liquid pump 15 is in operation, liquid hydrogen LH2 evaporates in the pump sump 18. The resulting gaseous hydrogen GH2 is introduced into the gas zone 7 of the storage tank 2 via the line 22.
  • a buffer tank for gaseous hydrogen GH2 can be integrated downstream of the evaporator 24 in order to further minimize pressure fluctuations that can arise, for example, due to pulsations of the liquid pump 15.
  • reliable operation of the consumer 32 is thus possible. This results in a constant state of equilibrium and thus controllable conditions within the storage container 2, even when the storage container 2 moves, for example in a mobile application of the storage container arrangement 1.
  • a step S1 the liquid hydrogen LH2 is conveyed from the liquid zone 8 of the storage container 2 to the evaporator 24.
  • the liquid hydrogen LH2 is converted, in particular evaporated, into gaseous hydrogen GH2 with the aid of the evaporator 24.
  • the mixture which comprises a portion of the conveyed liquid hydrogen LH2 and a portion of the converted gaseous hydrogen GH2, is fed to the liquid zone 8.
  • Gaseous hydrogen GH2 is fed to the fuel cell 32 at a nearly constant pressure via the gas line 31.
  • the mixture is produced by mixing the liquid hydrogen LH2 and the gaseous hydrogen GH2 with the aid of the mixing section 28 arranged outside the storage container 2.
  • a portion of the liquid hydrogen LH2 conveyed can be fed to the gas zone 7 of the storage container 2.

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Abstract

Eine Speicherbehälteranordnung (1 ) zur Versorgung einer Brennstoffzelle (32) mit Wasserstoff konstanten Drucks, mit einem Speicherbehälter (2) zum Aufnehmen eines kryogenen Wasserstoffs (H2), wobei der Speicherbehälter (2) eine Gaszone (7) und eine Flüssigkeitszone (8) aufweist, einem Verdampfer (24) zum Umwandeln einer flüssigen Phase (LH2) des Wasserstoffs (H2) in eine gasförmige Phase (GH2) des Wasserstoffs (H2), einer Flüssigkeitspumpe (15) zum Fördern der flüssigen Phase (LH2) von der Flüssigkeitszone (8) zu dem Verdampfer (24), und einer Zuführeinrichtung (11 ) zum Zuführen eines Gemisches, das einen Teil der von der Flüssigkeitspumpe (15) geförderten flüssigen Phase (LH2) und einen Teil der von dem Verdampfer (24) umgewandelten gasförmigen Phase (GH2) aufweist, zu der Flüssigkeitszone (8) des Speicherbehälters (6), und einer Gasleitung (31 ), über welche der Verdampfer (24) mit der Zuführeinrichtung und mit der Brennstoffzelle (32) in Fluidverbindung steht.

Description

Beschreibung
Speicherbehälteranordnung und Verfahren
Die Erfindung betrifft eine Speicherbehälteranordnung zur Versorgung einer Brennstoffzelle mit Wasserstoff konstanten Drucks und ein Verfahren zum Betreiben einer derartigen Speicherbehälteranordnung.
Speicherbehälter für flüssigen Wasserstoff weisen eine Flüssigkeitszone mit flüssigem Wasserstoff und eine oberhalb der Flüssigkeitszone angeordnete Gaszone mit gasförmigem Wasserstoff auf. Ein derartiger Speicherbehälter kann gemäß betriebsinternen Erkenntnissen einen Druckaufbaukreislauf aufweisen. Durch die Verwendung eines derartigen Druckaufbaukreislaufs kann durch überhitzten Dampf in der Gaszone ein thermodynamisches Ungleichgewicht zwischen dem flüssigen Wasserstoff und dem gasförmigen Wasserstoff entstehen. Auf Grund von Bewegungen des Speicherbehälters, insbesondere bei einem mobilen Einsatz desselben, kann es durch eine Mischung des flüssigen Wasserstoffs und des gasförmigen Wasserstoffs innerhalb des Speicherbehälters zu einem Druckabfall innerhalb des Speicherbehälters kommen. Ein Verbraucher, wie beispielsweise eine Brennstoffzelle, benötigt jedoch einen nahezu konstanten Versorgungsdruck, der durch einen derartigen Druckaufbaukreislauf nicht gewährleistet werden kann. Dies gilt es zu verbessern.
Vor diesem Hintergrund besteht eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, eine verbesserte Speicherbehälteranordnung zur Verfügung zu stellen.
Demgemäß wird eine Speicherbehälteranordnung zur Versorgung einer Brennstoffzelle mit Wasserstoff konstanten Drucks vorgeschlagen. Die Speicherbehälteranordnung umfasst einen Speicherbehälter zum Aufnehmen eines kryogenen Wasserstoffs, wobei der Speicherbehälter eine Gaszone und eine Flüssigkeitszone aufweist, einen außerhalb des Speicherbehälters angeordneten Verdampfer zum Umwandeln einer flüssigen Phase des Wasserstoffs in eine gasförmige Phase des Wasserstoffs, eine Flüssigkeitspumpe zum Fördern der flüssigen Phase von der Flüssigkeitszone zu dem Verdampfer und eine Zuführeinrichtung zum Zuführen eines Gemisches, das einen Teil der von der Flüssigkeitspumpe geförderten flüssigen Phase und einen Teil der von dem Verdampfer umgewandelten gasförmigen Phase aufweist, zu der Flüssigkeitszone des Speicherbehälters, und eine Gasleitung, über die der Verdampfer mit der Zuführeinrichtung in Fluidverbindung steht und die eine Fluidverbindung zwischen dem Verdampfer der Brennstoffzelle herstellt.
Dadurch, dass der Flüssigkeitszone mit Hilfe der Zuführeinrichtung das Gemisch umfassend die flüssige Phase und die gasförmige Phase zugeführt wird, kann erzielt werden, dass innerhalb des Speicherbehälters ein thermodynamisches Gleichgewicht aufrechterhalten werden kann, auch wenn der Speicherbehälter für mobile Anwendungen eingesetzt wird, bei denen es innerhalb des Speicherbehälters zu einer Vermischung der flüssigen Phase mit der gasförmigen Phase kommen kann. Es wird somit ein Druckabfall innerhalb des Speicherbehälters bei einer Vermischung der flüssigen Phase mit der gasförmigen Phase verhindert.
Die Speicherbehälteranordnung kann auch als Wasserstoff- Speicherbehälteranordnung bezeichnet werden. Demgemäß kann der Speicherbehälter auch als Wasserstoff-Speicherbehälter bezeichnet werden. Vorzugsweise ist in dem Speicherbehälter zwischen der Gaszone und der Flüssigkeitszone eine Phasengrenze vorgesehen. Die Gaszone zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass diese die gasförmige Phase aufnehmen kann. Die Flüssigkeitszone zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass diese die flüssige Phase aufnehmen kann.
Innerhalb des Speicherbehälters befindet sich in der Flüssigkeitszone demgemäß die flüssige Phase des Wasserstoffs. In der Gaszone befindet sich demgemäß die gasförmige Phase des Wasserstoffs. Die Phasengrenze trennt die gasförmige Phase von der flüssigen Phase. Die gasförmige Phase ist entlang einer Schwerkraftrichtung betrachtet oberhalb der flüssigen Phase angeordnet. Die flüssige Phase ist flüssiger Wasserstoff. Demgemäß kann der Begriff "flüssige Phase" gegen den Begriff "flüssiger Wasserstoff" und umgekehrt ersetzt werden. Die gasförmige Phase ist gasförmiger Wasserstoff. Dementsprechend kann der Begriff "gasförmige Phase" gegen den Begriff "gasförmiger Wasserstoff" und umgekehrt ersetzt werden.
Der Verdampfer ist dazu eingerichtet, die dem Verdampfer mit Hilfe der Flüssigkeitspumpe zugeführte flüssige Phase zu verdampfen. Hierbei wird die flüssige Phase in die gasförmige Phase umgewandelt. Der Verdampfer kann beispielsweise elektrisch betrieben werden. Der Verdampfer kann ein Wärmetauscher sein oder einen Wärmetauscher umfassen. Der Verdampfer ist stromabwärts der Flüssigkeitspumpe angeordnet. Die Begriffe "stromabwärts" und "stromaufwärts" sind vorliegend mit Bezug auf eine Strömungsrichtung der flüssigen Phase von der Flüssigkeitszone hin zu dem Verdampfer zu verstehen. Entsprechendes gilt für eine Strömungsrichtung der gasförmigen Phase von dem Verdampfer hin zu der Flüssigkeitszone des Speicherbehälters.
Stromaufwärts der Flüssigkeitspumpe kann ein Ventil vorgesehen sein. Die Flüssigkeitspumpe kann mit Hilfe einer Leitung in Fluidverbindung mit der Flüssigkeitszone des Speicherbehälters stehen. In oder an der Leitung ist das vorgenannte Ventil vorgesehen. Die Flüssigkeitspumpe ist insbesondere eine Tauchpumpe. Die Flüssigkeitspumpe ist in der flüssigen Phase eingetaucht. Die Flüssigkeitspumpe ist insbesondere eine Kryopumpe oder kann als Kryopumpe bezeichnet werden. Der Flüssigkeitspumpe ist insbesondere ein Pumpensumpf zugeordnet, der die Flüssigkeitspumpe aufnehmen kann. Entlang der Schwerkraftrichtung betrachtet ist die Flüssigkeitspumpe bevorzugt unterhalb des Speicherbehälters platziert.
Die vorgenannte Zuführeinrichtung ist insbesondere eine untere Zuführeinrichtung oder eine erste Zuführeinrichtung. Demgemäß kann die Speicherbehälteranordnung noch eine obere Zuführeinrichtung oder zweite Zuführeinrichtung aufweisen. Nachfolgend wird nur auf die erste Zuführeinrichtung eingegangen, die nachfolgend nur als Zuführeinrichtung bezeichnet wird. Die Zuführeinrichtung ist insbesondere rohrförmig. Die Zuführeinrichtung ist innerhalb des Speicherbehälters angeordnet. Insbesondere ist die Zuführeinrichtung in die flüssige Phase eingetaucht. Die Zuführeinrichtung ist somit in der Flüssigkeitszone des Speicherbehälters platziert.
Der Zuführeinrichtung wird stromabwärts der Flüssigkeitspumpe und stromaufwärts des Verdampfers der Teil der von der Flüssigkeitspumpe geförderten flüssigen Phase zugeführt. Stromabwärts des Verdampfers wird der Zuführeinrichtung der Teil der von dem Verdampfer umgewandelten gasförmigen Phase zugeführt. Die flüssige Phase und die gasförmige Phase werden vor dem Zuführen mit Hilfe der Zuführeinrichtung zu dem Speicherbehälter miteinander gemischt. Hierzu kann eine Mischstrecke oder ein beliebiger Mischer vorgesehen sein. Die von dem Verdampfer umgewandelte gasförmige Phase ist insbesondere überhitzter Wasserstoff-Dampf. Unter "überhitztem Dampf" ist vorliegend Dampf mit einer Temperatur oberhalb der Siedetemperatur zu verstehen. Mit Hilfe der Zuführeinrichtung wird stromabwärts des Verdampfers überhitzter Wasserstoff-Dampf in den Speicherbehälter, insbesondere in die Flüssigkeitszone des Speicherbehälters, zurückgeführt. In diesen Rückführstrom aus überhitztem Dampf wird die flüssige Phase stromabwärts der Flüssigkeitspumpe abgezweigt und der Zuführeinrichtung zugeführt. Die flüssige Phase und die gasförmige Phase werden gemischt. Hierdurch wird die gasförmige Phase abgekühlt. Das vorgekühlte Gemisch wird dann über die Zuführeinrichtung in die innerhalb des Speicherbehälters angeordnete flüssige Phase eingeleitet. Das Gemisch ist bevorzugt gasförmig. Das Gemisch kann auch ein Zweiphasengemisch sein und daher auch als solches bezeichnet werden. Das Gemisch steigt insbesondere in der Form von Gasblasen in der flüssigen Phase auf und gelangt dann in die Gaszone.
Gemäß einer Ausführungsform weist die Speicherbehälteranordnung eine stromaufwärts der Zuführeinrichtung angeordnete Mischstrecke zum Mischen der gasförmigen Phase und der flüssigen Phase zu dem Gemisch auf.
Die Mischstrecke kann sogenannte Vortexgeneratoren aufweisen. Innerhalb der Mischstrecke wird die flüssige Phase mit der gasförmigen Phase durchmischt. Hierdurch wird die bevorzugt als überhitzter Dampf vorliegende gasförmige Phase abgekühlt.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die Mischstrecke außerhalb des Speicherbehälters angeordnet.
Das heißt insbesondere, dass die Mischstrecke sowohl außerhalb der Gaszone als auch außerhalb der Flüssigkeitszone platziert ist.
Erfindungsgemäß weist die Speicherbehälteranordnung eine Flüssigkeitsleitung auf, mit deren Hilfe die Flüssigkeitspumpe in Fluidverbindung mit dem Verdampfer steht. Vorzugsweise steht die Mischstrecke in Fluidverbindung mit der Flüssigkeitsleitung. Die Flüssigkeitsleitung verbindet die Flüssigkeitspumpe mit dem Verdampfer. Aus der Flüssigkeitsleitung mündet eine Leitung aus, welche die Flüssigkeitsleitung vorzugsweise mit der Mischstrecke fluidisch verbindet.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die Speicherbehälteranordnung ein Flüssigkeitsventil zum Freigeben und Unterbrechen der Fluidverbindung zwischen der Flüssigkeitsleitung und der Mischstrecke auf.
Das Flüssigkeitsventil ist in oder an der zwischen der Flüssigkeitsleitung und der Mischstrecke vorgesehenen Leitung platziert. Mit Hilfe des Flüssigkeitsventils kann die Leitung abgesperrt oder geöffnet werden. Das Flüssigkeitsventil kann beispielsweise von einer Regel- und Steuereinheit der Speicherbehälteranordnung angesteuert werden. Die Ansteuerung des Flüssigkeitsventils kann beispielsweise basierend auf Sensorsignalen einer Sensorik erfolgen. Die Sensorik kann unterschiedliche Temperatur- und/oder Drucksensoren aufweisen. Beispielsweise sind innerhalb des Speicherbehälters Drucksensoren der Sensorik platziert. Mit Hilfe des Flüssigkeitsventils kann ein Volumenstrom der flüssigen Phase von der Flüssigkeitsleitung hin zu der Mischstrecke beeinflusst werden. Demgemäß kann der dem Speicherbehälter rückgeführten gasförmigen Phase mit Hilfe des Flüssigkeitsventils eine beliebige Menge der flüssigen Phase zugemischt werden.
Erfindungsgemäß weist Speicherbehälteranordnung eine Gasleitung auf zur Herstellung einer Fluidverbindung zwischen dem Verdampfer und der Brennstoffzelle. Vorzugsweise steht die Mischstrecke in Fluidverbindung mit dieser Gasleitung.
Die Gasleitung stellt eine Fluidverbindung zwischen dem Verdampfer und der Brennstoffzelle her. Die Brennstoffzelle kann Teil der Speicherbehälteranordnung sein. Dies ist jedoch nicht zwingend erforderlich. Beispielsweise kann die gasförmige Phase der Brennstoffzelle mit einer Temperatur von beispielsweise 0 °C bis 20 °C oder von 5 °C bis 50 °C bei einem Druck von 3,5 bar bis 11 bar zugeführt werden. Unter einer "Brennstoffzelle" ist vorliegend eine galvanische Zelle zu verstehen, welche die chemische Reaktionsenergie eines kontinuierlichen zugeführten Wasserstoffs und eines Oxidationsmittels, vorliegend Sauerstoff, in elektrische Energie wandeln. Mit Hilfe der erhaltenen elektrischen Energie kann beispielsweise ein Elektromotor angetrieben werden. Aus der Gasleitung mündet eine Leitung ab, welche die Gasleitung fluidisch mit der Mischstrecke verbindet. Die Leitung mündet stromabwärts des Verdampfers aus der Gasleitung aus. Die Gasleitung kann ein Ventil aufweisen, welches stromaufwärts des Verbrauchers angeordnet ist. Das Ventil kann mit Hilfe der Regelund Steuereinheit angesteuert werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die Speicherbehälteranordnung ein Gasventil zum Freigeben und Unterbrechen der Fluidverbindung zwischen der Gasleitung und der Mischstrecke auf.
Das Gasventil ist insbesondere in oder an der zuvor erwähnten Leitung vorgesehen, welche aus der zwischen dem Verdampfer und dem Verbraucher angeordneten Gasleitung ausmündet. Das Gasventil kann mit Hilfe der Regel- und Steuereinheit angesteuert werden. Mit Hilfe des Gasventils kann die Menge der Mischstrecke zugeführten gasförmigen Phase gesteuert werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die Flüssigkeitspumpe außerhalb des Speicherbehälters angeordnet.
Das heißt insbesondere, dass die Flüssigkeitspumpe sowohl außerhalb der Gaszone als auch außerhalb der Flüssigkeitszone des Speicherbehälters platziert ist.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die Zuführeinrichtung eine Vielzahl in die Flüssigkeitszone einmündender Austrittsdüsen auf.
Die Anzahl der Austrittsdüsen ist beliebig. Mit Hilfe der Austrittsdüsen kann das Gemisch der flüssigen Phase und der gasförmigen Phase in die Flüssigkeitszone des Speicherbehälters eingedüst werden. Die Austrittsdüsen sind insbesondere Gasaustrittsdüsen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die Speicherbehälteranordnung einen Pumpensumpf auf, in dem die Flüssigkeitspumpe aufgenommen ist, wobei der Pumpensumpf in Fluidverbindung mit der Gaszone steht. In dem Pumpensumpf ist vorzugsweise eine Gaszone mit der gasförmigen Phase und eine Flüssigkeitszone mit der flüssigen Phase vorgesehen. Zwischen der Gaszone der Flüssigkeitszone ist innerhalb des Pumpensumpfs eine Phasengrenze vorgesehen. Die Flüssigkeitspumpe ist in der flüssigen Phase eingetaucht. Die Gaszone des Pumpensumpfs ist mit Hilfe einer Leitung in Fluidverbindung mit der Gaszone des Speicherbehälters. Hierdurch kann verdampfter Wasserstoff aus dem Pumpensumpf zu der Gaszone des Speicherbehälters rückgeführt werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die Speicherbehälteranordnung eine weitere Zuführeinrichtung zum Zuführen eines Teils der von der Flüssigkeitspumpe geförderten flüssigen Phase zu der Gaszone auf.
Mit Hilfe dieser Zuführeinrichtung kann die Gaszone gekühlt werden. Die weitere Zuführeinrichtung kann auch als zweite Zuführeinrichtung oder obere Zuführeinrichtung bezeichnet werden. Die weitere Zuführeinrichtung weist eine Vielzahl in die Gaszone einmündender Austrittsdüsen auf. Die weitere Zuführeinrichtung ist über eine Leitung mit der zwischen der Flüssigkeitspumpe und dem Verdampfer angeordneten Flüssigkeitsleitung in Fluidverbindung. In oder an der vorgenannten Leitung kann ein Ventil zum Öffnen und Absperren der Leitung und damit zum Aktivieren und Deaktivieren der weiteren Zuführeinrichtung vorgesehen sein. Das Ventil kann mit Hilfe der Regel- und Steuereinheit angesteuert werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die Speicherbehälteranordnung innerhalb des Speicherbehälters angeordnete Thermoleitbleche zur Wärmeübertragung zwischen der Gaszone und der Flüssigkeitszone und umgekehrt auf.
Die Thermoleitbleche sind vorzugsweise aus einem gut wärmeleitenden Metall gefertigt. Beispielsweise können die Thermoleitbleche aus einer Aluminiumlegierung gefertigt sein. Die Anzahl der Thermoleitbleche ist beliebig. Die Thermoleitbleche unterteilen sowohl die Gaszone als auch die Flüssigkeitszone in mehrere Abschnitte. Dabei sind die Thermoleitbleche jedoch fluiddurchlässig. Hierzu können die Thermoleitbleche Durchbrüche oder Öffnungen aufweisen. Sowohl die gasförmige Phase als auch die flüssige Phase kann durch die Thermoleitbleche hindurchtreten. Optional kann die Speicherbehälteranordnung stromabwärts des Verdampfers einen Puffertank für gasförmigen Wasserstoff aufweisen, um Druckschwankungen, die beispielsweise durch Pulsationen der Flüssigkeitspumpe entstehen können, zu reduzieren.
Ferner wird ein Verfahren zum Betreiben einer derartigen Speicherbehälteranordnung vorgeschlagen. Dabei weist die Speicherbehälteranordnung einen Speicherbehälter zum Aufnehmen des kryogenen Wasserstoffs auf, wobei der Speicherbehälter eine Gaszone und eine Flüssigkeitszone aufweist. Das Verfahren weist die folgenden Schritte auf: a) Fördern einer flüssigen Phase des Kryogens von der Flüssigkeitszone zu einem außerhalb des Speicherbehälters angeordneten Verdampfer, b) Umwandeln der flüssigen Phase zu einer gasförmigen Phase des Wasserstoffs mit Hilfe des Verdampfers und c) Zuführen eines Gemisches, das einen Teil der geförderten flüssigen Phase und einen Teil der umgewandelten gasförmigen Phase aufweist, zu der Flüssigkeitszone, und d) Zuführen der gasförmigen Phase des Wasserstoffs zu der Brennstoffzelle.
Der Schritt a) wird vorzugsweise mit Hilfe der zuvor erwähnten Flüssigkeitspumpe durchgeführt. Die Flüssigkeitspumpe fördert die flüssige Phase von der Flüssigkeitszone des Speicherbehälters hin zu dem Verdampfer. Während des Schritts b) wird die flüssige Phase mit Hilfe des Verdampfers zu der gasförmigen Phase verdampft. Die gasförmige Phase ist insbesondere überhitzter Dampf. Während des Schritts c) wird das Gemisch aus der flüssigen Phase und der gasförmigen Phase erzeugt und der Flüssigkeitszone des Speicherbehälters zugeführt. Der Schritt c) wird mit Hilfe der unteren Zuführeinrichtung oder ersten Zuführeinrichtung durchgeführt.
Gemäß einer Ausführungsform wird das Gemisch dadurch erzeugt, dass die flüssige Phase und die gasförmige Phase mit Hilfe einer außerhalb des Speicherbehälters angeordneten Mischstrecke gemischt werden.
Mit Hilfe der Mischstrecke wird die gasförmige Phase, die insbesondere überhitzter Dampf ist, mit Hilfe der zugemischten flüssigen Phase heruntergekühlt.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird ein Teil der geförderten flüssigen Phase der Gaszone zugeführt. Hierzu wird die zuvor erwähnte obere Zuführeinrichtung oder zweite Zuführeinrichtung eingesetzt, welche einen Teil der von der Flüssigkeitspumpe geförderten flüssigen Phase der Gaszone des Speicherbehälters zuführen kann. Hierdurch kann die Gaszone heruntergekühlt werden.
"Ein" ist vorliegend nicht zwangsweise als beschränkend auf genau ein Element zu verstehen. Vielmehr können auch mehrere Elemente, wie beispielsweise zwei, drei oder mehr, vorgesehen sein. Auch jedes andere hier verwendete Zählwort ist nicht dahingehend zu verstehen, dass eine genaue Beschränkung auf genau die entsprechende Anzahl von Elementen verwirklicht sein muss. Vielmehr sind zahlenmäßige Abweichungen nach oben und nach unten möglich.
Die für die vorgeschlagene Speicherbehälteranordnung beschriebenen Ausführungsformen und Merkmale gelten für das vorgeschlagene Verfahren entsprechend und umgekehrt.
Weitere mögliche Implementierungen der Speicherbehälteranordnung und/oder des Verfahrens umfassen auch nicht explizit genannte Kombinationen von zuvor oder im Folgenden bezüglich der Ausführungsbeispiele beschriebenen Merkmalen oder Ausführungsformen. Dabei wird der Fachmann auch Einzelaspekte als Verbesserungen oder Ergänzungen zu der jeweiligen Grundform der Speicherbehälteranordnung und/oder des Verfahrens hinzufügen.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Speicherbehälteranordnung und/oder des Verfahrens sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispiele der Speicherbehälteranordnung und/oder des Verfahrens. Im Weiteren werden die Speicherbehälteranordnung und/oder das Verfahren anhand von bevorzugten Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beigelegten Figuren näher erläutert.
Fig. 1 zeigt eine schematische Schnittansicht einer Ausführungsform einer
Speicherbehälteranordnung 1 ; und Fig. 2 zeigt eine schematisches Blockdiagramm einer Ausführungsform eines Verfahrens zum Betreiben der Speicherbehälteranordnung gemäß Fig. 1 .
In den Figuren sind gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit denselben Bezugszeichen versehen worden, sofern nichts anderes angegeben ist.
Die Fig. 1 zeigt eine schematische Schnittansicht einer Ausführungsform einer Speicherbehälteranordnung 1.
Die Speicherbehälteranordnung 1 umfasst einen Speichertank oder Speicherbehälter 2. Der Speicherbehälter 2 ist zur Aufnahme von Wasserstoff H2 (Siedepunkt: 1 bara: 20,268 K = -252,882 °C) geeignet. Daher kann der Speicherbehälter 2 auch als Wasserstoff-Speicherbehälter oder als Wasserstoff-Speichertank bezeichnet werden.
Der Speicherbehälter 2 kann ein Transportbehälter sein. Beispielsweise kann mit dem Speicherbehälter 2 flüssiger Wasserstoff LH2 transportiert werden. Der Speicherbehälter 2 kann Teil eines Fahrzeugs, insbesondere eines Wasserfahrzeugs, sein. In diesem Fall ist der Speicherbehälter 2 für mobile Anwendungen geeignet. Der Speicherbehälter 2 kann jedoch auch stationär, beispielsweise in der Gebäudetechnik, eingesetzt werden.
Der Speicherbehälter 2 ist rotationssymmetrisch zu einer Symmetrie- oder Mittelachse 3 aufgebaut. Die Mittelachse 3 ist senkrecht zu einer Schwerkraftrichtung g orientiert. Der Speicherbehälter 2 ist doppelwandig und umfasst einen ersten Behälter oder Innenbehälter, der ebenfalls rotationssymmetrisch zu der Mittelachse 3 aufgebaut ist. Der Innenbehälter ist vollständig innerhalb eines zweiten Behälters oder Außenbehälters angeordnet. Auch der Außenbehälter ist rotationssymmetrisch zu der Mittelachse 3 aufgebaut. Der Innenbehälter und der Außenbehälter sind aus Edelstahl gefertigt.
Zwischen dem Innenbehälter und dem Außenbehälter ist ein den Innenbehälter vollständig umhüllender oder einhüllender Spalt vorgesehen. Der Spalt ist mit einem Vakuum beaufschlagt. Unter einem "Vakuum" ist vorliegend insbesondere ein Druck von weniger als 300 mbar, bevorzugt von weniger als 10-3 mbar, weiter bevorzugt von weniger als 10-7 mbar, zu verstehen. Der Speicherbehälter 2 ist somit vakuumisoliert oder vakuumgedämmt.
Der Speicherbehälter 2 umfasst einen rohr- oder zylinderförmigen Basisabschnitt 4, der ebenfalls rotationssymmetrisch zu der Mittelachse 3 aufgebaut ist. Der Basisabschnitt 4 kann im Querschnitt eine kreisrunde oder annähernd kreisrunde Geometrie aufweisen. Der Basisabschnitt 4 ist doppelwandig. Der Basisabschnitt 4 ist stirnseitig beidseits jeweils mit Hilfe eines Deckelabschnitts 5, 6 verschlossen. Die Deckelabschnitte 5, 6 sind gewölbt. Ein erster Deckelabschnitt 5 und ein zweiter Deckelabschnitt 6 sind gegensinnig gewölbt, so dass die Deckelabschnitte 5, 6 bezüglich des Basisabschnitts 4 nach außen gewölbt sind.
In dem Speicherbehälter 2, insbesondere in dem Innenbehälter, ist der flüssige Wasserstoff LH2 aufgenommen. In dem Speicherbehälter 2 können, solange sich der Wasserstoff H2 im Zweiphasengebiet befindet, eine Gaszone 7 mit verdampftem Wasserstoff GH2 und eine Flüssigkeitszone 8 mit flüssigem Wasserstoff LH2 vorgesehen sein. Der Wasserstoff H2 weist also nach dem Einfüllen in den Speicherbehälter 2 zwei Phasen mit unterschiedlichen Aggregatszuständen, nämlich flüssig und gasförmig, auf. Das heißt, in dem Speicherbehälter 2 befindet sich eine Phasengrenze 9 zwischen dem flüssigen Wasserstoff LH2 und dem gasförmigen Wasserstoff GH2.
Innerhalb des Speicherbehälters 2 sind mehrere Thermoleitbleche 10 angeordnet, von denen nur eines mit einem Bezugszeichen versehen ist. Die Anzahl der Thermoleitbleche 10 ist beliebig. Beispielsweise sind sieben Thermoleitbleche 10 vorgesehen. Entlang der Mittelachse 3 betrachtet sind die Thermoleitbleche 10 voneinander beabstandet positioniert. Die Thermoleitbleche 10 verlaufen senkrecht zu der Mittelachse 3. Die Thermoleitbleche 10 unterteilen sowohl Gaszone 7 als auch die Flüssigkeitszone 8 in mehrere Abschnitte. Dabei sind die Thermoleitbleche 10 jedoch fluiddurchlässig, so dass sowohl der gasförmige Wasserstoff GH2 als auch der flüssige Wasserstoff LH2 durch die Thermoleitbleche 10 hindurchströmen kann. Hierzu können die Thermoleitbleche 10 Durchbrüche oder Öffnungen aufweisen, durch welche der gasförmige Wasserstoff GH2 und der flüssige Wasserstoff LH2 hindurchtreten kann. Der Speicherbehälter 2 weist mehrere Verteilerrohre oder Zuführeinrichtungen 11 , 12 auf. Es können eine untere Zuführeinrichtung 11 , die unterhalb der Phasengrenze 9 in dem flüssigen Wasserstoff LH2 angeordnet ist, und eine obere Zuführeinrichtung 12, die oberhalb der Phasengrenze 9 in dem gasförmigen Wasserstoff GH2 angeordnet ist, vorgesehen sein. Die untere Zuführeinrichtung 11 weist Austrittsdüsen 13 auf, mit deren Hilfe dem Speicherbehälter 2 gasförmiger Wasserstoff GH2 und/oder flüssiger Wasserstoff LH2 unterhalb der Phasengrenze 9 zugeführt werden können. Die obere Zuführeinrichtung 12 weist Austrittsdüsen 14 auf, mit deren Hilfe dem Speicherbehälter 2 flüssiger Wasserstoff LH2 oberhalb der Phasengrenze 9 zugeführt werden kann.
Die Speicherbehälteranordnung 1 umfasst ferner eine Flüssigkeitspumpe 15, die mit Hilfe einer Leitung 16 mit dem Speicherbehälter 2 in Fluidverbindung ist. Die Leitung 16 mündet unterhalb der Phasengrenze 9 aus dem Speicherbehälter 2 aus. Über die Leitung 16 kann der Flüssigkeitspumpe 15 flüssiger Wasserstoff LH2 zugeführt werden. In oder an der Leitung 16 ist ein Ventil 17 vorgesehen. Mit Hilfe des Ventils 17 kann die Leitung 16 geschlossen oder geöffnet werden.
Der Flüssigkeitspumpe 15 ist ein Pumpensumpf 18 zugeordnet. Die Flüssigkeitspumpe 15 ist innerhalb des Pumpensumpfs 18 platziert. Der Pumpensumpf 18 ist mit Wasserstoff H2 gefüllt. Dabei ist innerhalb des Pumpensumpfs 18 eine Gaszone 19 mit gasförmigem Wasserstoff GH2 und eine Flüssigkeitszone 20 mit flüssigem Wasserstoff LH2 vorgesehen. Die Flüssigkeitspumpe 15 ist in den flüssigen Wasserstoff LH2 eingetaucht. Zwischen der Gaszone 19 und der Flüssigkeitszone 20 ist eine Phasengrenze 21 vorgesehen.
Oberhalb der Phasengrenze 21 , das heißt aus der Gaszone 19 des Pumpensumpfs 18, mündet eine Leitung 22 aus dem Pumpensumpf 18 aus, die zu dem Speicherbehälter 2 führt und in die Gaszone 7 des Speicherbehälters 2 einmündet. Mit Hilfe der Leitung 22 kann der Gaszone 7 des Speicherbehälters 2 gasförmiger Wasserstoff GH2 aus der Gaszone 19 des Pumpensumpfs 18 zugeführt werden.
Mit Hilfe einer Flüssigkeitsleitung 23 kann die Flüssigkeitspumpe 15 flüssigen Wasserstoff LH2 einem Verdampfer 24 zuführen. Zwischen der Flüssigkeitspumpe 15 und dem Verdampfer 24 zweigt eine Leitung 25 von der Flüssigkeitsleitung 23 ab. Die Leitung 25 führt zu einer Leitung 26. In oder an der Leitung 25 ist ein Flüssigkeitsventil 21 vorgesehen, mit dessen Hilfe die Leitung 25 geschlossen und geöffnet werden kann. Die Leitung 26 ist mit Hilfe einer Mischstrecke 28, die Vortexgeneratoren aufweisen kann, mit der unteren Zuführeinrichtung 11 verbunden. Stromabwärts der Leitung 25 mündet eine weitere Leitung 29 aus der Flüssigkeitsleitung 23 aus. Die Leitung 29 ist mit der oberen Zuführeinrichtung 12 verbunden. In oder an der Leitung 29 ist ein Ventil 30 zum Öffnen und Schließen der Leitung 29 vorgesehen.
Der Verdampfer 24 kann den flüssigen Wasserstoff LH2 zu gasförmigem Wasserstoff GH2 verdampfen. Der gasförmige Wasserstoff GH2 wird mit Hilfe einer Gasleitung 31 einer Brennstoffzelle 32 zugeführt. Beispielsweise kann der gasförmige Wasserstoff GH2 der Brennstoffzelle 32 mit einer Temperatur von beispielsweise 0 °C bis 20 °C oder von 5 °C bis 50 °C bei einem Druck von 3,5 bar bis 11 bar zugeführt werden.
Unter einer "Brennstoffzelle" ist vorliegend eine galvanische Zelle zu verstehen, welche die chemische Reaktionsenergie eines kontinuierlich zugeführten Brennstoffs, vorliegend Wasserstoff H2, und eines Oxidationsmittels, vorliegend Sauerstoff, in elektrische Energie wandelt. Mit Hilfe der erhaltenen elektrischen Energie kann beispielsweise ein nicht gezeigter Elektromotor angetrieben werden.
An oder in der Gasleitung 31 ist ein Ventil 33 vorgesehen, mit dessen Hilfe die Gasleitung 31 geöffnet und geschlossen werden kann. Vor dem Ventil 33 mündet eine Leitung 34 aus der Gasleitung 31 aus. Die Leitung 34 ist mit der Leitung 26 in Verbindung. In oder an der Leitung 34 ist ein Gasventil 35 vorgesehen, mit dessen Hilfe die Leitung 34 geöffnet und geschlossen werden kann.
Die Speicherbehälteranordnung 1 weist ferner eine Regel- und Steuereinheit 36 zum Ansteuern der Flüssigkeitspumpe 15, der Ventile 17, 27, 30, 33, 35 sowie des Verdampfers 24 auf. Hierzu kann jeweils eine Wirkverbindung zwischen der Regel- und Steuereinheit 36 und der Flüssigkeitspumpe 15, den Ventilen 17, 27, 30, 33, 35 sowie dem Verdampfer 24 vorgesehen sein. Die Wirkverbindung kann drahtgebunden oder drahtlos sein. Beispielsweise kann die Regel- und Steuereinheit 36 die Flüssigkeitspumpe 15 und den Verdampfer 24 einschalten sowie ausschalten. Ferner kann die Regel- und Steuereinheit 36 die Ventile 17, 27, 30, 33, 35 öffnen und schließen. Die Regel- und Steuereinheit 36 kann einen Rechner umfassen. In der Regel- und Steuereinheit 36 kann ein Programm zum Betreiben der Speicherbehälteranordnung 1 hinterlegt sein.
Die Regel- und Steuereinheit 36 kann die Flüssigkeitspumpe 15, die Ventile 17, 27, 30, 33, 35 sowie den Verdampfer 24 basierend auf Sensorsignalen einer Sensorik 37 ansteuern. Die Sensorik 37 kann mehrere Sensoren, beispielsweise Drucksensoren, Temperatursensoren oder dergleichen umfassen. Die Sensorik 37 oder zumindest ein Teil der Sensorik 37 kann innerhalb des Speicherbehälters 2 platziert sein.
Bisher verwendete Wasserstoff-Speicherbehälter können gemäß betriebsinternen Erkenntnissen einen Druckaufbaukreislauf aufweisen. Durch die Verwendung eines derartigen Druckaufbaukreislaufs kann durch überhitzten Dampf in der Gaszone ein thermodynamisches Ungleichgewicht zwischen dem flüssigen Wasserstoff LH2 und dem gasförmigen Wasserstoff GH2 entstehen. Auf Grund von Bewegungen des Speicherbehälters, insbesondere bei einem mobilen Einsatz desselben, kann es durch eine Mischung des flüssigen Wasserstoffs LH2 und des gasförmigen Wasserstoffs GH2 innerhalb des Speicherbehälters zu einem Druckabfall innerhalb des Speicherbehälters kommen. Die zuvor erwähnte Brennstoffzelle 32 benötigt jedoch einen nahezu konstanten Versorgungsdruck, der durch einen derartigen Druckaufbaukreislauf nicht gewährleistet werden kann. Dieser Nachteil wird durch die zuvor erläuterte Speicherbehälteranordnung 1 behoben.
Bei der Speicherbehälteranordnung 1 erfolgt der Druckaufbau für den Verbraucher 32 mit Hilfe der Flüssigkeitspumpe 15 und des Verdampfers 24. Mit Hilfe der Flüssigkeitspumpe 15 wird flüssiger Wasserstoff LH2 aus dem Speicherbehälter 2 entnommen, dem Verdampfer 24 zugeführt und anschließend als gasförmiger Wasserstoff GH2 in dem Verbraucher 32 umgesetzt.
Während des Betriebs der Flüssigkeitspumpe 15 kann das Gasventil 35 geöffnet werden. Hierdurch wird der Mischstrecke 28 überhitzter gasförmiger Wasserstoff GH2 zugeführt. Diesem gasförmigen Wasserstoff GH2 wird durch ein Öffnen des Flüssigkeitsventil 27 druckbeaufschlagter flüssiger Wasserstoff LH2 beigemischt. In der Mischstrecke 28 wird ein Gemisch umfassend gasförmigen Wasserstoff GH2 und flüssigen Wasserstoff LH2 erzeugt. Das Gemisch kann ein Zweiphasengemisch sein und daher auch als solches bezeichnet werden. Dieses vorgekühlte Gemisch wird der Flüssigkeitszone 8 des Speicherbehälters 2 mit Hilfe der unteren Zuführeinrichtung 11 zugeführt. Hierdurch kann das thermische Gleichgewicht während eines Druckaufbauvorgangs in dem Speicherbehälter 2 aufrechterhalten werden.
Insbesondere wird mit Hilfe der unteren Zuführeinrichtung 11 , der Leitungen 26, 34 und des Gasventils 35 stromabwärts des Verdampfers 24 überhitzter Wasserstoffdampf in die Flüssigkeitszone 8 des Speicherbehälters 2 zurückgeführt. In diesen Rückführstrom wird, wie zuvor erwähnt, über die Leitung 25 und das Flüssigkeitsventil 27 flüssiger Wasserstoff LH2, der von der Flüssigkeitspumpe 15 kommt, beigemischt.
In der Mischstrecke 28 werden der gasförmige Wasserstoff GH2 und der flüssige Wasserstoff LH2 beispielsweise mit Hilfe eines wie zuvor erwähnten Vortexgenerators gut durchmischt. Die Mischstrecke 28 verlässt der Wasserstoff H2 als Gemisch, insbesondere als Zweiphasengemisch, umfassend gasförmigen Wasserstoff GH2 und flüssigen Wasserstoff LH2. Das vorgekühlte Gemisch wird der Flüssigkeitszone 8 über die untere Zuführeinrichtung 11 zugeführt.
Unterstützend dazu kann durch ein Öffnen des Ventils 30 druckbeaufschlagter und flüssiger Wasserstoff LH2 über die obere Zuführeinrichtung 12 in die Gaszone 7 des Speicherbehälters 2 dispergiert werden, um das thermodynamische Gleichgewicht innerhalb des Speicherbehälters 2 zusätzlich zu stabilisieren.
Das zusätzliche Einbringen der Thermoleitbleche 10 unterbindet die Erwärmung des gasförmigen Wasserstoffs GH2 in der Gaszone 7 über die Sättigungstemperatur. Als Flüssigkeitspumpe 15 kann eine Tauchpumpe eingesetzt werden, welche sich komplett umgeben von dem zu fördernden flüssigen Wasserstoff LH2 in dem separaten Pumpensumpf 18 befindet. Im Betrieb der Flüssigkeitspumpe 15 kommt es in dem Pumpensumpf 18 zur Verdampfung von flüssigem Wasserstoff LH2. Der dadurch entstehende gasförmige Wasserstoff GH2 wird über die Leitung 22 in die Gaszone 7 des Speicherbehälters 2 eingeleitet.
Optional kann stromabwärts des Verdampfers 24 ein Puffertank für gasförmigen Wasserstoff GH2 integriert werden um Druckschwankungen, die beispielsweise durch Pulsationen der Flüssigkeitspumpe 15 entstehen können, weiter zu minimieren. Mit Hilfe der Speicherbehälteranordnung 1 ist somit ein zuverlässiger Betrieb des Verbrauchers 32 möglich. Es ergibt sich ein konstanter Gleichgewichtszustand und damit kontrollierbare Bedingungen innerhalb des Speicherbehälters 2 auch bei Bewegungen des Speicherbehälters 2, beispielsweise in einer mobilen Anwendung der Speicherbehälteranordnung 1.
Die Fig. 2 zeigt eine schematisches Blockdiagramm einer Ausführungsform eines Verfahrens zum Betreiben der Speicherbehälteranordnung 1 .
Bei dem Verfahren wird in einem Schritt S1 der flüssige Wasserstoff LH2 von der Flüssigkeitszone 8 des Speicherbehälters 2 zu dem Verdampfer 24 gefördert. In einem Schritt S2 wird der flüssige Wasserstoff LH2 mit Hilfe des Verdampfers 24 zu gasförmigem Wasserstoff GH2 umgewandelt, insbesondere verdampft. In einem Schritt S3 wird das Gemisch, das einen Teil des geförderten flüssigen Wasserstoffs LH2 und einen Teil des umgewandelten gasförmigen Wasserstoffs GH2 aufweist, der Flüssigkeitszone 8 zugeführt. Über die Gasleitung 31 wird der Brennstoffzelle 32 gasförmiger Wasserstoff GH2 mit nahezu konstantem Druck zugeführt.
Insbesondere wird das Gemisch dadurch erzeugt, dass der flüssige Wasserstoff LH2 und der gasförmige Wasserstoff GH2 mit Hilfe der außerhalb des Speicherbehälters 2 angeordneten Mischstrecke 28 gemischt werden. Zusätzlich kann ein Teil des geförderten flüssigen Wasserstoffs LH2 der Gaszone 7 des Speicherbehälters 2 zugeführt werden.
Obwohl die vorliegende Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen beschrieben wurde, ist sie vielfältig modifizierbar.
Verwendete Bezuqszeichen
1 Speicherbehälteranordnung
2 Speicherbehälter
3 Mittelachse
4 Basisabschnitt
5 Deckelabschnitt
6 Deckel abschnitt
7 Gaszone
8 Flüssigkeitszone
9 Phasengrenze
10 Thermoleitblech
11 Zuführeinrichtung
12 Zuführeinrichtung
13 Austrittsdüse
14 Austrittsdüse
15 Flüssigkeitspumpe
16 Leitung
17 Ventil
18 Pumpensumpf
19 Gaszone
20 Flüssigkeitszone
21 Phasengrenze
22 Leitung
23 Flüssigkeitsleitung
24 Verdampfer
25 Leitung
26 Leitung
27 Flüssigkeitsventil
28 Mischstrecke
29 Leitung
30 Ventil
31 Gasleitung
32 Verbraucher
33 Ventil 34 Leitung
35 Gasventil
36 Regel- und Steuereinheit
37 Sensorik g Schwerkraftrichtung
GH2 Wasserstoff
H2 Wasserstoff
LH2 Wasserstoff S1 Schritt
52 Schritt
53 Schritt

Claims

Patentansprüche
1 . Speicherbehälteranordnung (1 ) zur Versorgung einer Brennstoffzelle (32) mit Wasserstoff konstanten Drucks aufweisend: einen Speicherbehälter (2) zum Aufnehmen eines kryogenen Wasserstoffs (H2), wobei der Speicherbehälter (2) eine Gaszone (7) und eine Flüssigkeitszone (8) aufweist,
- einen außerhalb des Speicherbehälters (2) angeordneten Verdampfer (24) zum Umwandeln einer flüssigen Phase (LH2) des Wasserstoffs (H2) in eine gasförmige Phase (GH2) des Wasserstoffs (H2), eine Flüssigkeitspumpe (15) zum Fördern der flüssigen Phase (LH2) von der Flüssigkeitszone (8) des Speicherbehälters (2) über eine Flüssigkeitsleitung (23) zu dem Verdampfer (24), eine Zuführeinrichtung (11 ) zum Zuführen eines Gemisches, das einen Teil der von der Flüssigkeitspumpe (15) geförderten flüssigen Phase (LH2) und einen Teil der von dem Verdampfer (24) umgewandelten gasförmigen Phase (GH2) aufweist, zu der Flüssigkeitszone (8) des Speicherbehälters (2), und
- eine Gasleitung (31 ), über die der Verdampfer (24) mit der Zuführeinrichtung (11) in Fluidverbindung steht und die eine Fluidverbindung zwischen dem Verdampfer (24) und der Brennstoffzelle (32) herstellt.
2. Speicherbehälteranordnung nach Anspruch 1 , ferner aufweisend eine stromaufwärts der Zuführeinrichtung (11) angeordnete Mischstrecke (28) zum Mischen der gasförmigen Phase (GH2) und der flüssigen Phase (LH2) zu dem Gemisch.
3. Speicherbehälteranordnung nach Anspruch 2, wobei die Mischstrecke (28) außerhalb des Speicherbehälters (2) angeordnet ist.
4. Speicherbehälteranordnung nach Anspruch 2 oder 3, wobei die Mischstrecke (28) in Fluidverbindung mit der Flüssigkeitsleitung (23) steht.
5. Speicherbehälteranordnung nach Anspruch 4, ferner aufweisend ein Flüssigkeitsventil (27) zum Freigeben und Unterbrechen der Fluidverbindung zwischen der Flüssigkeitsleitung (23) und der Mischstrecke (28).
6. Speicherbehälteranordnung nach Anspruch 4 oder 5, wobei die Mischstrecke (28) in Fluidverbindung mit der Gasleitung (31 ) steht.
7. Speicherbehälteranordnung nach Anspruch 6, ferner aufweisend ein Gasventil (35) zum Freigeben und Unterbrechen der Fluidverbindung zwischen der Gasleitung (31 ) und der Mischstrecke (28).
8. Speicherbehälteranordnung nach einem der Ansprüche 1 - 7, wobei die Flüssigkeitspumpe (15) außerhalb des Speicherbehälters (2) angeordnet ist.
9. Speicherbehälteranordnung nach einem der Ansprüche 1 - 8, wobei die Zuführeinrichtung (11 ) eine Vielzahl in die Flüssigkeitszone (8) einmündender Austrittsdüsen (13) aufweist.
10. Speicherbehälteranordnung nach einem der Ansprüche 1 - 9, ferner aufweisend einen Pumpensumpf (18), in dem die Flüssigkeitspumpe (15) aufgenommen ist, wobei der Pumpensumpf (18) in Fluidverbindung mit der Gaszone (7) steht.
11 . Speicherbehälteranordnung nach einem der Ansprüche 1 - 10, ferner aufweisend eine weitere Zuführeinrichtung (12) zum Zuführen eines Teils der von der Flüssigkeitspumpe (15) geförderten flüssigen Phase (LH2) zu der Gaszone (7).
12. Speicherbehälteranordnung nach einem der Ansprüche 1 - 11 , ferner aufweisend innerhalb des Speicherbehälters (2) angeordnete Thermoleitbleche (10) zur Wärmeübertragung zwischen der Gaszone (7) und der Flüssigkeitszone (8) und umgekehrt.
13. Verfahren zum Betreiben einer Speicherbehälteranordnung (1 ) zur Versorgung einer Brennstoffzelle (32) mit Wasserstoff konstanten Drucks, wobei die Speicherbehälteranordnung (1 ) einen Speicherbehälter (2) zum Aufnehmen eines kryogenen Wasserstoffs (H2) aufweist, wobei der Speicherbehälter (2) eine Gaszone (7) und eine Flüssigkeitszone (8) aufweist, und wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist: a) Fördern (S1) einer flüssigen Phase (LH2) des Wasserstoffs (H2) von der Flüssigkeitszone (8) zu einem außerhalb des Speicherbehälters (2) angeordneten Verdampfer (24), b) Umwandeln (S2) der flüssigen Phase (LH2) des Wasserstoffs zu einer gasförmigen Phase (GH2) des Wasserstoffs (H2) mit Hilfe des Verdampfers (24), und c) Zuführen (S3) eines Gemisches, das einen Teil der geförderten flüssigen Phase (LH2) und einen Teil der umgewandelten gasförmigen Phase (GH2) aufweist, zu der Flüssigkeitszone (8) des Speicherbehälters (2), und d) Zuführen der gasförmigen Phase (GH2) des Wasserstoffs zu der
Brennstoffzelle (32).
14. Verfahren nach Anspruch 13, wobei das Gemisch dadurch erzeugt wird, dass die flüssige Phase (LH2) und die gasförmige Phase (GH2) mit Hilfe einer außerhalb des Speicherbehälters (2) angeordneten Mischstrecke (28) gemischt werden.
15. Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, wobei die von dem Verdampfer (24) umgewandelte gasförmige Phase überhitzter Wasserstoff-Dampf ist.
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