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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Befüllen eines für
ein kryogenes Speichermedium, insbesondere kryogenen Wasserstoff,
vorgesehenen Speicherbehälters, insbesondere eines Kryo-Drucktanks
eines Kraftfahrzeugs, wobei vor der Befüllung mit neuem
aus einem großen Vorratsbehälter im flüssigen
Zustand entnommenen kryogenen Speichermedium zumindest eine Teilmenge
des noch als Restgas im Speicherbehälter/Kryo-Drucktank
enthaltenen Speichermediums aus dem Speicherbehälter abgeführt
wird, welcher weiterhin unter Verwendung des Kältepotentials
des großen Vorratsbehälters gekühlt und
somit für eine Neubefüllung vorkonditioniert wird.
Zum bekannten Stand der Technik wird neben der derzeit verwendeten
Betankungstechnologie, die bspw. beim Fahrzeug „Hydrogen
7" der Anmelderin der vorliegenden Patentanmeldung angewendet und im
folgenden Absatz erläutert wird, auf die nicht vorveröffentlichte
deutsche Patentanmeldung 10
2007 011 530.1 der Anmelderin verwiesen.
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Stand
der Technik beim genannten Fahrzeug „Hydrogen 7", das mit
einem sog. Kryo-Tank zur Speicherung von kryogenem Wasserstoff (zur
Versorgung des als Brennkraftmaschine ausgeführten Fzg.-Antriebsaggregats)
ausgerüstet ist, ist ein „unterkritischer" Speicherbehälter
(als Kryo-Tank), der aus einem metallischen Innentank, einem metallischen
Außentank und einer dazwischen liegenden Vakuum-Superisolation
zur Minderung des Wärmeeintrags in den Innentank besteht.
Der typische Betriebsdruck dieses Speicherbehälters liegt
zwischen 1 bar absolut und 10 bar absolut, und die Betriebstemperaturen
im sog. „kalten Regulärbetrieb" liegen zwischen
20 K (Kelvin) und ca. 30 K, d. h. der im Speicherbehälter
bzw. im Innentank desselben enthaltene kryogene Wasserstoff weist
diese genannten physikalischen Werte, die im Druck-Dichte-Diagramm
des Wasserstoffs im sog. unterkritischen Bereich liegen, auf. Die
Betankung des Kryo-Tanks nach diesem Stand der Technik erfolgt mit
kryogenem flüssigen Wasserstoff bei Drücken zwischen
1 bar und 6 bar und entsprechenden Sättigungstemperaturen
des kryogenen Wasserstoffs oder bei leichter Unterkühlung
desselben. Die derzeit maximal darstellbare Unterkühlung
liegt in der Größenordnung von 6 Kelvin als Differenz
der Sättigungstemperatur bei einem Druck von 6 bar absolut
und der Sättigungstemperatur bei einem Druck von 1 bar
absolut. Die sog. unterkritische Betankung findet dabei in einem
zweiflutigen Prozess statt. Den Vorlauf flüssigen gesättigten
oder bei Verwendung einer tankstellenseitigen Kryo-Pumpe unterkühlten
Wasserstoffs vom LH2-Tank (= Flüssigwasserstoff-Tank) der
Tankstelle, der vorliegend als großer Vorratsbehälter
bezeichnet wird, in den Fahrzeug-Speicherbehälter ergänzt
eine Rückgasleitung vom Fahrzeug-Speicherbehälter
in den großen Vorratsbehälter der Tankstelle.
Da erst bei vollständiger Durchkühlung des Fzg.-Speicherbehälters
und aller zuführenden Leitungen unter Nutzung des Kältepotentials
des großen Vorratsbehälters flüssiger
Wasserstoff im Speicherbehälter (= Kryo-Tank) verbleibt,
ist in der Regel eine nicht unerhebliche Menge flüssigen
Wasserstoffs darauf zu verwenden, den Fzg.-Speicherbehälter
und die Leitungen zu Beginn des Betankungsprozesses zu kühlen,
d. h. vorzukonditionieren. Der resultierende Rückgasmassenstrom
wird dabei derzeit tankstellenseitig entweder noch nicht verwendet
und an die Umgebung abgegeben, oder über ein sekundäres
Abnehmersystem (bspw. eine Brennstoffzelle oder einen Drucktank)
weiter verwendet. Die Rückeinspeisung des Wasserstoff-Rückgases
in den tankstellenseitigen großen Vorratsbehälter
(= LH2-Tank) ist eine weitere Möglichkeit der Rückgasnutzung,
steht aber unter dem Vorbehalt der Rücknahme möglicherweise verunreinigten
Kraftstoffs.
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In
der eingangs genannten nicht vorveröffentlichten
deutschen Patentanmeldung 10
2007 011 530.1 ist ein Verfahren zum Befüllen
eines für ein kryogenes Speichermedium, insbesondere Wasserstoff, vorgesehenen
Druckspeichers beschrieben. Grundsätzlich kann das Befüllen
eines Kryo-Drucktanks – zu dieser Tank-Technologie wird
neben der genannten nicht vorveröffentlichten Patentanmeldung
bspw. noch auf die
US
6,708,502 B1 verwiesen – mit unterkritischem flüssigen
Wasserstoff analog der im vorhergehenden Absatz geschilderten unterkritischen Flüssigwasserstoff-Betankung
erfolgen, mit dem Unterschied, dass zur Vorkonditionierung, d. h.
zur Kühlung der Leitungen und des Kryo-Drucktanks ein erheblicher
Mehraufwand notwendig ist und somit eine größere
Menge von Restgas (oder Rückgas, welches auch als Spülmedium
bezeichnet werden kann) in den großen Vorratsbehälter
der Tankstelle zurück geführt werden muss.
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Ein
alternatives Konzept zur überkritischen Betankung eines
Kryo-Druckspeichers ist in der genannten nicht vorveröffentlichten
deutschen Patentanmeldung 10
2007 011 530.1 beschrieben. Dieses basiert im wesentlichen
ebenfalls auf der Rückführung des Restgases (oder
Rückgases bzw. so genannten Spülmediums, das ebenfalls
Speichermedium ist) während des Druckausgleiches und Kühlens (und
somit des sog. Vorkonditionierens) des Speicherbehälters
bzw. Kryo-Drucktanks in den großen Vorratsbehälter
der Tankstelle mit flüssigem unterkritischen Wasserstoff
(mit in der Regel niedrigem unterkritischen Druck von ca. 1 bar
absolut bis 4 bar absolut). Anschließend erfolgt jedoch
die Entnahme von flüssigem unterkritischen Wasserstoff
aus dem großen Vorratsbehälter der Tankstelle
mit anschließender Kompression in einer tankstellenseitig
installierten Kryo-Pumpe und das Befüllen (= Betanken) des
Fahrzeug-Kryodrucktanks mit kryogenem Wasserstoff auf überkritischem
Druckniveau.
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Da
die vorliegende Erfindung ihren Schwerpunkt in der Befüllung
eines Kryo-Drucktanks mit kryogenem Wasserstoff auf überkritischem
Druckniveau hat, werden folgend einige Schwachstellen des in der nicht
vorveröffentlichten
deutschere
Patentanmeldung 10 2007 011 530.1 beschriebenen Verfahrens genannt.
Es sei jedoch ausdrücklich darauf hingewiesen, dass das
mit der vorliegenden Erfindung beschriebene Verfahren ebenso bei
der Betankung bzw. Befüllung eines unterkritischen Kryo-Tanks,
d. h. eines einfachen für ein kryogenes Speichermedium
vorgesehenen Speicherbehälters genutzt werden kann.
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Eine
Schwachstelle des vorbeschriebenen Verfahrens zur Befüllung
eines Kryo-Drucktanks ist, dass eine Rückführung
des vor der Befüllung noch im Kryo-Drucktank (bzw. allgemein
im Speicherbehälter) befindlichen Restgases im Hinblick
auf einen Druckausgleich sowie während des Kühlens
der Leitungen und des Speicherbehälters (= Kryo-Drucktanks)
in den tankstellenseitigen großen Vorratsbehälter
erfolgt. Hierbei kann möglicherweise verunreinigter Wasserstoff
(bzw. allgemein verunreinigtes Speichermedium) in den großen
Vorratsbehälter, aus welchem später wieder andere
Nutzer bzw. Kunden versorgt werden, gelangen. Im Falle von Wasserstoff als
Speichermedium enthält das in den großen Vorratsbehälter
der Tankstelle zurück geführte Restgas in der
Regel einen hohen Anteil an ortho-Wasserstoff, der bei Rückführung
in den tankstellenseitigengroßen Vorratsbehälter
zur einer geringeren Wärmeaufnahmefähigkeit und
deshalb zu einem beschleunigtem Druckaufbau (im großen
Vorratsbehälter) und somit zu erhöhten Boil-off-Mengen
(des großen Vorratsbehälters) führen
kann.
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Die
Regelung der optimalen Verweilzeit des kryogenen Wasserstoffs im
Speicherbehälter des Kraftfahrzeugs während dessen
Durchkühlung bzw. Vorkonditionierung ist aufwändig
und führt wegen des fixierten Drucks im großen
Vorratsbehälter der Tankstelle und den daraus resultierenden Druck-Randbedingungen
beim gesamten Befüllungs-Prozess (des Speicherbehäl ters
im allgemeinen bzw. Kryo-Drucktanks im Besonderen) im Betankungskreislauf
zu erhöhten Betankungszeiten und/oder Restgasmengen. Weiterhin
ist die durch die Restgas-Rückführung und die
damit verbundene Wärme-Einbringung in den großen
Vorratsbehälter der Tankstelle resultierende Abgabe von
Wasserstoff (allgemein kryogenem Speichermedium) aus dem großen
Vorratsbehälter der Tankstelle zur Druckerhaltung (als
Boil-off) bisher nicht in den Betankungsprozess einbezogen. Eine
Verwertung des tankstellenseitigen Boil-off-Gases ist ausschließlich
außerhalb des Tank- oder Befüllsystems für
ein kryogenes Speichermedium zu lösen.
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Ein
verbessertes Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 aufzuzeigen,
ist demzufolge Aufgabe der vorliegenden Erfindung.
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Die
Lösung dieser Aufgabe ist dadurch gekennzeichnet, dass
das Restgas zur Vorkonditionierung des Speicherbehälters
solange in einem Kreislauf aus dem Speicherbehälter und
durch einen das Kältepotential des großen Vorratsbehälters
nutzenden Wärmetauscher in einen Pufferbehälter
geleitet und aus diesem heraus mittels einer Kryo-Pumpe verdichtet
und zurück in den Speicherbehälter geführt
wird, bis dieser Speicherbehälter im Hinblick auf eine
Neubefüllung mit Speichermedium aus dem großen
Vorratsbehälter ausreichend durchkühlt ist.
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Vorteilhafte
Weiterbildungen sind Inhalt der Unteransprüche. Insbesondere
wird auch eine Tankanlage für Kraftfahrzeuge beansprucht,
die mit den zur Durchführung des hier vorgeschlagenen Verfahrens
notwendigen Elementen ausgerüstet ist. Hierzu zählen
neben einem geeigneten Wärmetauscher eine Kryo-Pumpe inclusive
geeignet verlegter bzw. verschalteter Leitungen und Ventile sowie
eine zugehörige elektronische Steuereinheit.
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Zur
Begegnung der Nachteile des beschriebenen Standes der Technik (sei
es die überkritischen Befüllung eines Kryo-Druckspeichers
oder die herkömmliche Befüllung eines für
ein kryogenes Speichermedium vorgesehenen Speicherbehälters
wie bspw. beim genannten Fahrzeug „Hydrogen 7) wird ein
Befüllprinzip oder Betankungsprinzip vorgeschlagen, bei
dem eine Rückführung von Restgas in den tankstellenseitigen
großen Vorratsbehälter nicht erforderlich ist.
Trotzdem kann dessen Kältepotential zur Vorkonditionierung
des zu befüllenden Speicherbehälters, insbesondere
Kryo-Drucktanks, genutzt werden. Erfindungsgemäß wird
hierfür der sich vor Beginn der Neubefüllung des
Kryo-Drucktanks bzw. Speicherbehälter noch in diesem befindliche Rest-Wasserstoff
(bzw. allgemein das noch in diesem befindliche Speichermedium oder
Restgas) durch einen Wärmetauscher geführt, der
mit dem tankstellenseitigen großen Vorratsbehälter
bzw. mit dem in diesem gespeicherten Wasserstoff bzw. Speichermedium
in geeigneter Weise in wärmeübertragender Verbindung
steht und somit dessen Kältepotential nutzen kann. (In
einer bevorzugten Ausführungsform ist dieser Wärmetauscher
innerhalb des großen Vorratsbehälters angeordnet).
Mit dieser Durchleitung durch den genannten Wärmetauscher wird
der sich im Kryo-Drucktank bei Beginn der Befüllens (=
Betankungsbeginn) unter in der Regel höherem Druck und
höherer Temperatur (nämlich bis zu 350 bar und
ca. 340 K) als nach dem Befüll-Prozess befindliche Wasserstoff
im wesentlichen auf die Temperatur des Wasserstoffs im großen
Vorratsbehälter (nämlich auf ca. 20 K bis 25 K)
abgekühlt. (Im Falle eines einfachen kryogenen Speicherbehälters,
der nicht als sog. Kryo-Drucktank ausgebildet ist, liegen die Druck-
und Temperaturwerte des aus dem Speicherbehälter entnommenen
Restgases selbstverständlich erheblich niedriger).
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Erfindungsgemäß wird
das nun solchermaßen rückgekühlte Restgas
in einen Pufferbehälter geleitet und dabei entspannt; vorzugsweise
ist dieser Pufferbehälter ausreichend groß (=
voluminös) dimensioniert, um das aus dem Kryo-Drucktank
(bzw. allgemein dem kryogenen Speicherbehälter) abgeführte
Restgas vollständig aufnehmen, entspannen und unter einem
Druck, der unterhalb eines Druckes liegt, mit dem nachfolgend – worauf
im folgenden Absatz eingegangen wird – eine Kryo-Pumpe
dieses Restgas in den Kryo-Drucktank fördert. Auf diese Weise
wird der Kryo-Drucktank (des Kraftfahrzeugs bzw. allg. der kryogene
Speicherbehälter) entleert und entspannt.
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Zur
weiteren Kühlung des Kryo-Drucktanks (im weiteren wird
nicht mehr auf den allgemeinen, weiterhin relevanten Fall eines
einfachen kryogenen Speicherbehälters verwiesen) wird über
eine Kryo-Pumpe der (bzw. das) in Form von Restgas im Pufferbehälter
befindliche kryogene Wasserstoff (bzw. allg. kryogene Speichermedium)
aus diesem Pufferbehälter als sog. Spülmedium
zurück in den Kryo-Drucktank gepumpt. Dieser wird hierdurch
abgekühlt, wobei sich das Spülmedium erwärmt
und dessen Druck erhöht, so dass dieses wiederum als Restgas
aus dem Kryo-Drucktank abgeführt wird, und zwar abermals über
den genannten Wärmetauscher in den genannten Pufferbehälter.
Es handelt sich hier somit um einen Kreisprozess, der solange durchgeführt
wird, bis der zu befüllende Kryo-Drucktank ausreichend
abgekühlt ist. Das Restgas wird somit solange bzw. so oft
im Kreis zirkuliert, bis eine ausreichende Durchkühlung
des Kryo-Drucktanks detektiert wird, d. h. bis dieser ausreichend
vorkonditioniert ist. In diesem Zeitpunkt oder Zustand wird ein sog.
Rückgasventil des Kryo-Drucktanks geschlossen und der besagte
Kreisprozess somit abgebrochen, worauhin anschließend über
die bzw. eine tankstellenseitige Kryo-Pumpe tiefkalter Wasserstoff (allgemein
tiefkaltes frisches Speichermedium) aus dem großen Vorratsbehälter
der Tankstelle in den Kryo-Drucktank eingeführt werden
kann, bis dessen Befüll-Enddruck erreicht ist und der Kryo-Drucktank somit
vollständig befüllt ist.
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Durch
die Wärmeeinleitung bzw. den Wärmeeintrag aus
dem genannten Wärmetauscher in den großen Vorratsbehälter
der Tankstelle entwickelt sich in diesem naturgemäß ein
geringfügiger Überdruck, welcher – auch
bereits heute im bekannten Stand der Technik – üblicherweise
durch Abblasen von gasförmigem Wasserstoff aus der Gasschicht des
großen Vorratsbehälters abgebaut wird. Dieses als
Boil-off-Gas bekannte kalte Verlustgas kann im Sinne einer vorteilhaften
Weiterbildung der Erfindung zur Kühlung des aus dem zu
befüllenden Kryo-Drucktank abgeführten Restgases
bzw. des entsprechend dem hier vorgeschlagenen Verfahren rezirkulierten Restgases
(„Spülmediums") verwendet werden, d. h. dieses
Boil-off-Gas des großen Vorratsbehälters wird als
ein Kältepotential zur Verfügung stellendes Medium
durch den oder einen weiteren Wärmetauscher geführt,
durch den als zweites, abzukühlendes Medium das Restgas
oder rezirkulierte Restgas geführt wird.
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Im
Sinne einer vorteilhaften Weiterbildung kann das aus dem Pufferbehälter
entnommene und mittels einer Kryo-Pumpe verdichtete rezirkulierte Restgas,
das nun als Spülmedium fungiert und auch als solches bezeichnet
wird, vor der Einleitung in den Speicherbehälter durch
einen weiteren das Kältepotential des großen Vorratsbehälters
nutzenden Wärmetauscher geführt werden, um die
durch die Kompression in der Kryo-Pumpe entwickelte bzw. aufgenommene
Wärme wieder abzugeben und somit für den zu konditionierenden
Kryo-Drucktank ein höheres Kältepotential sowie
für den letzten Durchlauf des besagten Kreisprozess, mit
welchem das aus dem Pufferbehälter entnommene Restgas im
wesentlichen im Kryo-Druckank verbleibt, Restgas mit höherer
Dichte zur Verfügung zu haben. Im übrigen kann das
nach Abschluss des besagten Kreisprozesses und somit nach Abschluss
der Vorkonditionierung des Speicherbehälters noch im Pufferbehälter
befindliche Spülmedium (= rezirkulierte Restgas) einem
Sekundärverbraucher, so beispielsweise einer Brennstoffzelle
zur sofortigen Verwendung oder einem Ducktank zur Speicherung für
eine spätere Verwendung zugeführt werden.
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Im
folgenden wird das vorgeschlagene Verfahren anhand eines bevorzugten
Ausführungsbeispieles weiter erläutert, wobei
die beigefügte einzige Figur schematisch eine Vorrichtung
zur Durchführung diese Verfahrens zeigt.
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Mit
der Bezugsziffer 1 ist ein an einer Tankstelle befindlicher
großer Vorratsbehälter gekennzeichnet, in dem
kryogener flüssiger Wasserstoff 3 üblicherweise
bei Umgebungsdruck (= 1 bara) und entsprechender Sättigungstemperatur
von 20,24 K gelagert ist. Aus diesem großen Vorratsbehälter 1 soll
ein in seiner Gesamtheit mit der Bezugsziffer 7 gekennzeichneter
Kryo-Drucktank eines Kraftfahrzeugs betankt werden, d. h. letzterer
soll mit kryogenem Flüssig-Wasserstoff aus dem großen
Vorhaltsbehälter 1 befüllt werden. Hierfür
wird eine dem Kryo-Drucktank 7, der wie üblich
aus einem Wasserstoff bei kryogenen bis über umgebungswarmen Temperaturen
speichernden Innentank 6 sowie einem diesen unter einer
Vakuum-Superisolation umhüllenden vakuumdichten Außentank 8 besteht,
zugeordnetes Einfüllrohr 18 letztlich mit dem
großen Vorratsbehälter 1 verbunden.
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Nach
dem Andocken einer zweiflutigen Betankungsaufnahme 21a im
oder am Einfüllrohr 18 des Fahrzeug-Kryo-Drucktanks 7 an
eine dieser zugeordnete tankstellenseitige Betankungskupplung 21b werden
sowohl ein Rückgasventil 19 im isolierten Einfüllrohr 18,
als auch ein dem Kryo-Drucktank 7 zugeordnetes Entnahmeventil 14 geöffnet,
so dass Rest-Wasserstoff 4a aus dem Innentank 6 des Kryo-Drucktanks 7 als
Restgas durch eine im Innentank 6 in der oberen Tankhälfte
mündende Entnahmeleitung 9 entnommen wird, um
letztlich an die Tankstelle abgegeben zu werden und somit den Kryo-Drucktank 7 sowohl
zu entspannen als auch dessen Abkühlung („sog.
Vorkonditionierung") einzuleiten. Dabei wird das aus dem Kryo-Drucktank 7 entnommene
und an die Tankstelle zurückgeführte Restgas über
eine isolierte (vorzugsweise flexible) Betankungsleitung 22 zu
einer tankstellenseitigen isolierten sog. Konditioniereinheit 5 geführt.
In dieser wird – fakultativ – das Restgas (vorzugsweise
in Abhängigkeit von dessen mittels eines Temperatur-Sensors 23 gemessener
Temperatur) in einem Wärmetauscher 24 vorgekühlt,
welcher mit kaltem Boil-off-Gas, das zum Druckausgleich des großen Vorratsbehälters 1 über
eine Boil-off- Leitung 37 aus der Gasschicht 4 des
großen Vorratsbehälters 1 entnommen wird,
durchströmt wird.
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Anschließend
wird das rückgeführte Restgas über ein
Ventil 25 in einen mit dem großen Vorratsbehälter 1 bzw.
mit dem darin befindlichen flüssigen Wasserstoff 3 in
geeigneter wärmeübertragender Verbindung stehenden
Wärmetauscher 27 eingeführt und in diesem
bis zur oder nahe zur Temperatur des flüssigen Wasserstoffs 3 im
Vorratsbehälter 1 abgekühlt. (Alternativ
kann das rückgeführte Restgas auch ohne Vorkühlung
im Wärmetauscher 24 direkt über ein Ventil 26 in
den Wärmetauscher 27 geführt und dort
abgekühlt werden). Das im Wärmetauscher 27,
welcher hier im flüssigen Wasserstoff 3 des Vorratsbehälters 1 liegt,
abgekühlte und dadurch kontrahierte Restgas, bei dem es
sich ebenfalls um Wasserstoff handelt, wird danach in einem Pufferbehälter 28 gesammelt,
wofür stromab dessen vorgesehene Ventile 31 und 38 geschlossen
sind. Dieser Pufferbehälter 28 ist vorzugsweise
ausreichend groß dimensioniert, um eine ausreichende Entspannung
des kompletten Kryo-Drucktanks 7 zu ermöglichen.
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Im übrigen
sind auch alle bzw. die genannten Leitungen 9, 18, 22a und
der Wärmetauscher 27 ausreichend groß dimensioniert,
um eine schnelle Entspannung im Kryo-Drucktank 7 (bzw.
in dessen Innentank 6) zu ermöglichen und die
durch die schnelle Entspannung des darin noch befindlichen Rest-Wasserstoffs 4a entstehende
Expansionskälte zur Vorkühlung des Innentanks 6 zu
nutzen und somit den Befüll- oder Betankungsvorgang zu
beschleunigen.
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Nach
ausreichender Entspannung des Innentanks 6 bzw. des darin
noch enthaltenen Rest-Wasserstoffs 4a, die über
die Drucksensoren 11 und 30 quantifizierbar ist,
wird das genannte Ventil 31 geöffnet, so dass
das Restgas, genauer der aus dem kalten unteren Teil des Pufferbehälters 28 entnommene
Wasserstoff aus dem Pufferbehälter 28 abgeführt
und hierbei mittels einer Kryo-Pumpe 32 komprimiert werden
kann. Die dabei entstehende Kompressionswärme im Restgas/Wasserstoff
kann durch Öffnen eines Ventils 35 in einem weiteren
Wärmetausch in einem mit dem flüssigen Wasserstoff 3 des
großen Vorratsbehälters 1 in Verbindung
stehenden weiteren Wärmetauscher 34 kompensiert
werden; alternativ kann das mittels der Kryo-Pumpe 32 komprimierte Restgas
direkt (und somit ohne Umweg über den Wärmetauscher 34 in
leicht erwärmten Zustand) dem Fahrzeug-Kryo-Drucktank 7 als
sog. Spülmedium wieder zugeführt werden. Dabei
gelangt dieses Spülmedium (= rezirkuliertes Restgas) über
ein Ventil 33 und eine Betankungsleitung 22b zur
bereits genannten Betankungskupplung 21b der Tankstelle.
Von dort aus wird der kalte Wasserstoff als besagtes Spülmedium
mit ausreichendem Druck über ein Betankungsventil 20 im
Einfüllrohr 18 und ein Befüllventil 15 in
der Befüllleitung 10 des Kryo-Drucktanks 7 in dessen
Innentank 6 expandiert. Idealerweise sind in diesem die Öffnungen
der Befüllleitung 10 und der bereits genannten
Entnahmeleitung 9 ausreichend weit voneinander beabstandet,
um die Verweilzeit des Spülmediums im Innentank 6 während
des Kühlprozesses/Vorkonditionierprozesses desselben zu maximieren.
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Dieser
geschilderte Kreisprozess von Entnahme von Restgas/Rest-Wasserstoff 4a aus
dem Kryo-Drucktank 7 bzw. dem Innentank 6 desselben, darauf
folgender Abkühlung und anschließender Rückführung
des Restgases als Spülmedium wird vor einer Neu-Befüllung
des Innentanks 6 mit flüssigem Wasserstoff 3 aus
dem großen Vorratsbehälter 1 so lange
durchgeführt bzw. wiederholt, bis eine ausreichende Durchkühlung
des Innentanks 6 festgestellt wird, welche bspw. über
einen Temperatursensor 23 (in der Leitung 22a)
quantifiziert werden kann. Bei Vorliegen einer ausreichender Durchkühlung
des Innentanks 6 werden dann die Ventile 14, 25 bzw. 26 geschlossen
und nach ausreichender Leerung des Pufferbehälters 28,
dessen Inhalt in vorteilhafter Weise zumindest anteilig wieder in
den Kryo-Drucktank 7 gelangen und somit wieder genutzt werden
kann, auch das Ventil 31. Zur Neu-Befüllung des
Innentanks 6 des Kryo-Drucktans 7 wird dann kalter
flüssiger Wasserstoff 3 aus dem großen
Vorratsbehälter 1 über eine Entnahmeleitung 36 entnommen
und vorteilhafterweise über die gleiche bereits genannte
Kryo-Pumpe 32 auf dem bereits beschriebenen Weg in den
Kryo-Drucktank 7 eingebracht, bis in dessen Innentank 6 der
endgültige Fülldruck (bspw. in der Größenordnung
von 13 bar bis ca. 350 bar oder noch höher) erreicht ist.
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Was
den Pufferbehälter 28 betrifft, so kann dieser
bzw. dessen nach Beendigung des besagten Kreisprozesses ggf. noch
vorhandener Rest-Inhalt, der von der Kryo-Pumpe 32 nicht
abgeführt werden konnte und der sich zwischenzeitlich ggf.
unter Druckaufbau erwärmt hat, vor einer Befüllung
des Kryo-Drucktanks 7, aber auch zu einem anderen geeigneten
Zeitpunkt zur Vorbereitung auf einen weiteren Betankungsvorgang
(eines anderen Kryo-Drucktanks eines anderen Kraftfahrzeugs) über
ein Ventil 38 und ein Bypassventil 40 vollständig
entspannt werden. Die dabei aus dem Pufferbehälter 38 abgegebene
Menge von Wasserstoff kann über einen Ausgang 41 an
einen Sekundärverbraucher (bspw. eine Brennstoffzelle)
abgegeben und dort genutzt werden.
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Wie
bereits beschrieben kann das durch die Wärmeeinbringung
in den großen Vorratsbehälter 1 und die
daraus resultierende Notwendigkeit zur Entspannung entstehende Boil-off-Gas über
eine Boil-off-Leitung 37 und ein Ventil 39 zur
Vorkühlung des aus dem Innentank 6 des Kryo-Drucktanks 7 rückgeführten
Wasserstoffs bzw. Restgases während des Kühlprozesses
genutzt werden. Anschließend kann das so vorgewärmte
Boil-off-Gas über einen/den Ausgang 41 an einen
sekundären Verbraucher, bei dem es sich bspw. um eine Konditioniereinheit
für ein Hochdruckbetankungssystem oder eine Brennstoffzelle
handeln kann, abgegeben. Alternativ kann auf eine solche Vorkühlung
des aus dem Kryo-Drucktank 7 entnommenen Restgases verzichtet
werden und es wird das Boil-off-Gas des großen Vorratsbehälters 1 über
ein Ventil 40 direkt im kalten Zustand an den genannten
Ausgang 41 (zum Sekundärverbraucher) geführt.
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Vorteilhafterweise
erfolgt mit dem vorgeschlagenen Verfahren ein im wesentlichen vollständiges
Wieder-Einbringen des sich zu Betankungsbeginn (d. h. vor dem Vorkonditionieren)
im Kryo-Drucktank 7 befindlichen Wasserstoffs in denselben,
so dass mit Ausnahme einer geringfügigen, mit Abschluss
des besagten Kreisprozesses zur Vorkonditionierung noch im Pufferbehälter 28 verbleibenden Restgasmenge
praktisch keine Kraftstoffverluste vorliegen. Vorteilhafterweise
erfolgt kein direktes Einbringen des rückgeführten
Restgases bzw. Rest-Wasserstoffs 4a aus dem Kryo-Drucktank 7 in den
großen Vorratsbehälter 1 der Tankstelle.
Damit besteht keine Gefahr durch Verunreinigung oder Schwächung
der Wärmeaufnahmefähigkeit des großen
Vorratsbehälters 1 durch Rückführung
von (energiereicherem) ortho-Wasserstoff aus dem Kryo-Drucktank 7.
Die sog. Zweiteilung des Befüllvorgangs, nämlich
die genannte Vorkonditionierung unter Verwendung des im Kryo-Drucktank
befindlichen Restgases im besagten Kreisprozess (= Kreiszyklierung
während des Durchkühlens) mit anschließender
Wiederbefüllung des Kryo-Drucktanks mit diesem Restgas
bzw. Spülmedium, und das sich daran anschließende
praktisch verlustfreie Befüllen des Kryo-Drucktanks 7 mit
neuem frischen Speichermedium aus dem großen Vorratsbehälter 1 schafft
somit eine Möglichkeit zur verlustfreien Vorkühlung
des Kryo-Drucktanks 7 (bzw. allgemein Speicherbehälters).
Vorteilhafterweise ist es möglich, mit höheren Drücken
zu zyklieren sowie den Kryo-Drucktank 7 zu befüllen,
so dass trotz der Vorkühlphase (= Vorkonditionierung) ein
relativ schneller Betankungsprozess realisiert werden kann.
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Schließlich
besteht die Möglichkeit zur optionalen Nutzung des durch
die Wärmeeinbringung im großen Vorratsbehälter 1 entstehenden
Boil-off-Gases zur Vorkühlung des zu befüllenden
Kryo-Drucktanks 7 (bzw.
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Speicherbehälters).
Durch Betankung von bspw. einem oder zwei Kryo-Drucktanks 7 in
der Größenordnung bspw. eines entsprechend (bspw.
mittels einer Brennstoffzelle) betriebenen Personen-Kraftwagens
kann unter entsprechender Verwendung des bei der Vorkonditionierung
anfallenden Boil-off-Gases aus dem großen Vorratsbehälter
(1) ein verlustfreier Betrieb der Tankstelle ermöglicht
werden. Für die Betankung eines Fahrzeug-Kryo-Drucktanks
(7) an einer Tankstelle für Flüssigwasserstoff
wäre ohne die Wärmeeinbringung aus dem geschilderten
Betankungsverfahren nämlich anderweitige Energie zur Druckerhaltung
im großen Vorratsbehälter (1) der Tankstelle
nötig, wobei noch darauf hingewiesen sei, dass durchaus
eine Vielzahl von Details abweichend von obigen Erläuterungen
gestaltet sein kann, ohne den Inhalt der Patentansprüche
zu verlassen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 102007011530 [0001, 0003, 0004, 0005]
- - US 6708502 B1 [0003]