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Dokumentenidentifikation DE102004010937B4 23.03.2006
Titel Wechselkartusche für Flüssigwasserstoff
Anmelder Airbus Deutschland GmbH, 21129 Hamburg, DE
Erfinder Westenberger, Andreas, 21614 Buxtehude, DE
Vertreter Maiwald Patentanwalts GmbH, 80335 München
DE-Anmeldedatum 05.03.2004
DE-Aktenzeichen 102004010937
Offenlegungstag 22.09.2005
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 23.03.2006
Veröffentlichungstag im Patentblatt 23.03.2006
IPC-Hauptklasse F17C 5/00(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, DE
IPC-Nebenklasse F17C 9/00(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, DE   

Beschreibung[de]

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Wechselkartusche zur Anwendung in, Fahrzeugen, zur Ankopplung an einen Verbraucher oder eine Befüllstation, eine Anschlusskupplung für einen Verbraucher oder eine Befüllstation, eine Verwendung einer entsprechenden Wechselkartusche sowie ein Verfahren zum Handhaben einer Wechselkartusche.

Wasserstoff wird in flüssiger Form seit einiger Zeit in Industrie und Raumfahrt angewendet. In gasförmiger Form wird Wasserstoff in Metallhybridspeichern oder Druckspeichern angeboten. Für Flüssigwasserstoff ist bisher kein entsprechendes System verfügbar.

DE 195 46 618 C2 betrifft eine Einrichtung zum Aufbewahren von tiefkaltem verflüssigten Gas zur Versorgung eines Motors, wobei die Verdampfung des flüssigen Wasserstoffs in einem extern im Motor angeordneten Verdampfer erfolgt.

EP 0 560 366 A1 betrifft ein Versorgungssystem zur Versorgung eines Wasserstoffmotors mit Wasserstoffgas, welches einen Behälter zur Speicherung von gasförmigem Wasserstoff umfasst.

US 61 96 255 B1 betrifft eine Batterie von Flüssiggasflaschen zur Speicherung von brennbarem Flüssiggas und zum Anschluss an einen Küchenherd. Das Flüssiggas ist in Gaskartuschen gespeichert, welche beim Beladen der Flüssiggasflasche von einem dornartigen Fortsatz eines Ventils durchstochen und angezapft werden.

Die US 38 91 147 betrifft einen Behälter zur Speicherung von Gas in flüssiger Phase und zur Abgabe des Gases in seiner gasförmigen Phase.

Häussinger, Peter et al., Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry, Hydrogen, Kapitel 7 und 9, Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA., DOI: 10.1002/14356007.a13_297, 15. Juni 2000, offenbart Grundlagen der Kryotechnik, insbesondere der Lagerung von flüssigem Wasserstoff in dafür vorgesehenen isolierten Behältnissen.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Handhabung von flüssigem Wasserstoff zu vereinfachen.

Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen der Ansprüche 1, 10, 11 und 12 gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen genannt.

Dabei wird eine Wechselkartusche zur Ankoppelung an einen Verbraucher oder eine Befüllstation angegeben, wobei die Wechselkartusche zumindest eine lösbare Anschlusskupplung zur Verbindung mit dem Verbraucher oder der Befüllstation aufweist. Ferner weist die Wechselkartusche einen Tank zur Aufnahme von flüssigem Wasserstoff auf.

Die Wechselkartusche ist beispielsweise wiederverwertbar. Vorteilhaft kann durch die Ausgestaltung der Wechselkartusche zur Speicherung von flüssigem Wasserstoff eine sehr hohe Energiedichte bei vergleichsweise niedrigem Gewicht erzielt werden. Dies ist insbesondere vorteilhaft bei einer Speichermenge von mehr als 5 kg. Überdies wird durch das Zurverfügungstellen der Wechselkartusche eine sichere, schnelle und einfache Handhabung des Energiespeichers mit dem flüssigem Wasserstoff erzielt.

In diesem Zusammenhang ist darauf hinzuweisen, dass in der folgenden Beschreibung der Einfachheit halber lediglich flüssiger Wasserstoff erwähnt ist. Hierbei ist jedoch darauf hinzuweisen, dass sich die vorliegende Erfindung ebenso auf die Anwendung von teilverfestigtem Wasserstoff bezieht, von sog. „slush hydrogen". In anderen Worten wird die Bezeichnung flüssiger Wasserstoff hier für flüssigen Wasserstoff und teilverfestigten Wasserstoff zusammen verwendet.

Die Ausgestaltung der Wechselkartusche zur Speicherung des flüssigen Wasserstoffs ermöglicht die Speicherung einer relativ großen Menge von Wasserstoff auf möglichst kleinem Raum und geringem Speichergewicht und somit eine Optimierung der Energiespeicherung, wenn der Wasserstoff als Energiespeicher angesehen wird.

Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird eine Wechselkartusche angegeben, die zur Anwendung in Flugzeugen ausgebildet ist.

Beispielsweise kann die Wechselkartusche gemäß dieser Ausführungsform für ein On-Bord-Water-Generation-System (OBOWAGS) verwendet werden, das auf dem Betrieb einer Brennstoffzelle basiert. In vorteilhafter Art und Weise kann hierbei unter Verwendung von Wasserstoff und Sauerstoff eine immer gleichbleibende höchste Wasserqualität realisiert werden, da reinstes Wasser direkt produziert werden kann. Das so gewonnene Wasser kann beispielsweise direkt für eine Toilettenspülung und/oder eine Kabinenbefeuchtung verwendet werden. Durch ein Zusetzen zu Mineralien kann man Trinkwasser erzielen. Dies ermöglicht beispielsweise das Zurverfügungstellen von Wasser in einem Flugzeug, ohne das Wasser am Boden getankt werden muss. Überdies fällt bei diesem Prozess so viel elektrische Energie an, dass beispielsweise ein Teil des Bordnetzes damit versorgt werden kann. Eine bei diesem Prozess anfallende thermische Leistung kann ferner genutzt werden, um einen Bedarf elektrischer Wärme zu mindern. Dazu kann beispielsweise die thermische Leistung zur Heizung der Passagierkabine verwendet werden. Insgesamt führt die Verwendung eines solchen Systems in Verbindung mit der erfindungsgemäßen Wechselkartusche zu einer deutlichen Gewichtsminderung und damit auch zu Kostenvorteilen.

Überdies wird durch die erfindungsgemäße Wechselkartusche die Erzeugung von Wasser an Bord eines Flugzeugs in der Regel erst ermöglicht, da bisher weder an Bord eines Flugzeugs noch an Flughäfen der benötigte Wasserstoff zur Verfügung gestellt worden ist. Gemäß der vorliegenden Erfindung kann nun ein Wechselkartuschensystem realisiert werden, bei dem die Wechselkartuschen bei Bedarf ausgetauscht werden können. Solche Wechselkartuschen können einfach und unproblematisch auch auf einem Flughafen gelagert werden. Überdies ist bei flüssigem Wasserstoff bei einem Notfall keine direkte Knallgasexplosion zu erwarten, was erhöhte Sicherheit zur Verfügung stellt.

Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist der Tank der Wechselkartusche zur Aufnahme von flüssigem oder teilverflüssigtem Wasserstoff ausgebildet. Um einem Verbraucher dann gasförmigen Wasserstoff zur Verfügung zu stellen, wird dem flüssigen oder teilverflüssigten Wasserstoff in dem Tank Wärme zugeführt, so dass dieser in einen gasförmigen Aggregatzustand übergeht. Dann wird der gasförmige Wasserstoff beispielsweise über die Anschlusskupplungen an einen Verbraucher weitergegeben.

In vorteilhafter Art und Weise ermöglicht die Wechselkartusche gemäß der vorliegenden Erfindung, dass eine Wechselkartusche bei Bedarf an Bord eines Flugzeugs gebracht wird und dann an das Wasserstoffbordnetz des Flugzeugs unkompliziert angeschlossen werden kann. Falls die Kartusche leer ist, d. h. falls der Wasserstoff aufgebraucht ist oder ein gewisser Schwellwert unterschritten wird, kann die Wechselkartusche in praktischer Art und Weise gegen eine volle Wechselkartusche ausgetauscht werden. Die leere Wechselkartusche kann dann an einer entsprechenden Befüllstation wiederbefüllt werden und in den Kreislauf eingebracht werden.

Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung weist der Tank einen Innentank und einen Außentank auf. Zwischen dem Innentank und dem Außentank ist eine Superisolierung vorgesehen, die den Innentank und den Außentank thermisch derart entkoppelt, dass der Innentank zur Lagerung von flüssigem oder teilverflüssigtem Wasserstoff geeignet ist.

Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung kann die Superisolierung unter Berücksichtigung einer Temperatur der Umgebung und einem Bedarf, d. h. einem Wasserstoffbedarf des Verbrauchers, derart ausgestaltet werden, dass ein Wärmeübergang von der Umgebung mit der Umgebungstemperatur zum Innentank über die Superisolierung beim Betrieb ausreichend ist, den Bedarf des Verbrauchers an gasförmigem Wasserstoff zu decken. In einfacher Art und Weise kann damit eine Wechselkartusche angegeben werden, die „automatisch" genügend gasförmigen Wasserstoff aus dem flüssigen Wasserstoff bildet, um den Bedarf des Verbrauchers zu decken. Dies ermöglicht das Angeben einer Wechselkartusche, die keine Regelungseinrichtungen zur Steuerung der Abgabemenge des Wasserstoffs benötigt. Auf diese Art und Weise kann eine einfache und kostengünstige Wechselkartusche angegeben werden. Auch dadurch, dass ein Versagen eines Regelsystems bei diesem Ausführungsbeispiel nicht möglich ist, kann eine sehr sichere Wechselkartusche angegeben werden.

Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist zumindest eine Schutzkappe auf jede zumindest eine lösbare Anschlusskupplung vorgesehen. Beispielsweise kann diese Schutzkappe die Anschlusskupplungen vor mechanischen Beschädigungen schützen, wobei die Schutzkappe neben dem mechanischen Schutz auch eine „Auslaufsicherung" zur Verfügung stellen kann. Dafür kann in einem durch die Schutzkappe definierten Raum ein Katalysator vorgesehen werden, durch den in den Raum aus der Anschlusskupplung ausdampfender Wasserstoff katalytisch verwertet wird.

In vorteilhafter Art und Weise wird dadurch eine Ansammlung von ausdampfendem Wasserstoff, beispielsweise in Hohlräumen in der Umgebung der Wechselkartusche, vermieden.

Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist eine Einrichtung zum Zuführen von Wärme zu dem Innentank vorgesehen. Durch Steuerung der zugeführten Wärme kann eine Abgabemenge von gasförmigem Wasserstoff gesteuert werden, die an den Verbraucher abgegeben werden kann. In vorteilhafter Art und Weise kann damit die Wechselkartusche auf verschiedenste Anwendungsbereiche und auf verschiedenste Verbraucher angepasst werden.

Gemäß einem weiteren vorteilhaften Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung weist die Wechselkartusche eine Codierung auf.

Durch die Codierung kann beispielsweise ein Anwender, ein Verbraucher oder auch die Befüllstation erkennen, beispielsweise automatisch erkennen, um welche Art von Wechselkartusche es sich handelt. Beispielsweise kann dies eine Art der Füllung, eine Temperatur des aufbewahrten Wasserstoffs, eine mittlere Abgabemenge von gasförmigem Wasserstoff an einen Verbraucher, einen Befüllungsdruck, eine Form, eine Tankgröße, eine max. Entnahmemenge, eine Anwendung, einen max. Wärmeeintrag und/oder einen max. Betriebsdruck betreffen. Auch kann beispielsweise ein Nennvolumen codiert werden.

Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist die Codierung mittels der lösbaren Anschlusskupplungen ausgestaltet. Beispielsweise kann dies durch die Form und/oder Dimensionierung der Anschlusskupplungen ausgestaltet werden. Vorteilhaft ist die Codierung derart, dass entsprechende Anschlusskupplungen nur an dazugehörigen oder passenden Verbrauchern oder Befüllstationen angebracht werden können. Auf diese Art und Weise kann eine sichere Handhabung der Wechselkartuschen sichergestellt werden.

Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird eine Anschlusskupplung für einen Verbraucher oder eine Befüllstation angegeben, wobei die Anschlusskupplung zum Zusammenwirken mit einer Wechselkartusche gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ausgestaltet ist.

Ferner wird gemäß der vorliegenden Erfindung die Verwendung einer Wechselkartusche in einem Flugzugs angegeben.

Ferner betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Handhaben einer erfindungsgemäßen Wechselkartusche, wobei die Wechselkartusche in einem Fahrzeug angeordnet wird und bei Unterschreiten einer gewissen Füllmenge die Wechselkartusche aus dem Fahrzeug entnommen wird. Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist das Fahrzeug ein Flugzeug.

In anderen Worten wird gemäß der vorliegenden Erfindung ein Wechselkartuschensystem angegeben, das zur Speicherung von flüssigem oder teilverflüssigtem Wasserstoff ausgestaltet ist. Insbesondere kann das Kartuschensystem mit einem codierten Anschlusskupplungssystem versehen werden, das jeweils nur mit entsprechenden Anschlusskupplungen verbunden werden kann. Auf diese Art und Weise kann eine einfache und sichere Handhabung von Speichern für flüssigen Wasserstoff angegeben werden, die überdies eine hohe Benutzerfreundlichkeit aufweist. Insbesondere bei einer Verwendung in Flugzeugen ermöglicht die vorliegende Erfindung eine einfache und sichere Handhabung. Auch eine Wasserstoffinfrastruktur am Flughafen kann durch die vorliegende Erfindung auf einen entsprechenden Lagerort reduziert werden, der je nach Bedarf von einer zentralen Füll- und Wartungsstation für die Wechselkartuschen beliefert wird.

Im Folgenden werden mit Verweis auf die Figuren vorteilhafte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung beschrieben.

1 zeigt eine Schnittansicht eines Ausführungsbeispiels einer Wechselkartusche gemäß der vorliegenden Erfindung.

2 zeigt eine Schnittansicht eines Ausführungsbeispiels einer Wechselkartusche gemäß der vorliegenden Erfindung in einem Lagerzustand.

3 zeigt eine Schnittansicht eines Ausführungsbeispiels einer Wechselkartusche gemäß der vorliegenden Erfindung bei einer Wasserstoffentnahme.

4 zeigt eine Schnittansicht eines Ausführungsbeispiels einer Wechselkartusche gemäß der vorliegenden Erfindung für eine Wasserstoffbetankung.

Es ist darauf hinzuweisen, dass in den 1 und 4 zur Vereinfachung der Darstellung für verschiedene Elemente Blockschaltbilder verwendet worden sind. In der folgenden Beschreibung der 1 bis 4 werden für gleiche oder sich entsprechende Elemente die gleichen Bezugsziffern verwendet.

1 zeigt eine Schnittansicht durch eine Wechselkartusche mit einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zur Ankopplung an einen Verbraucher oder an eine Befüllstation. Die Wechselkartusche umfasst eine Vielzahl von lösbaren Anschlusskupplungen, die im Folgenden detaillierter beschrieben werden, zur Verbindung mit dem Verbraucher oder der Befüllstation sowie einen Tank 1 zur Aufnahme von flüssigem Wasserstoff. Der Tank 1 umfasst einen Außentank 114 sowie einen Innentank 112. Der Außentank 114 und der Innentank 112 sind thermisch mittels einer Isolation, wie beispielsweise einer Superisolation 113, entkoppelt. Die Superisolation 113 kann beispielsweise mittels eines Vakuums ausgestaltet werden. Vorzugsweise ist diese Entkoppelung derart ausgestaltet, dass bei einer Umgebungstemperatur an einem Einsatzort und einem vordefinierten Verbrauch oder Bedarf des Verbrauchers an gasförmigem Wasserstoff ein Wärmeübergang von der Umgebung mit der Umgebungstemperatur zum Innentank 112 ausreichend ist, um eine Wasserstoffmenge von dem flüssigem oder teilflüssigem Zustand in einen gasförmigen Zustand zu bringen, die dem Bedarf des Verbrauchers entspricht. Auf diese Art und Weise kann ein autarkes System zur Verfügung gestellt werden, das bei einer konstanten Umgebungstemperatur eine konstante Menge an gasförmigem Wasserstoff automatisch an einen Verbraucher abgibt. Auch kann beispielsweise eine Abgabe von gasförmigem Wasserstoff an den Verbraucher mittels Steuerung der Umgebungstemperatur gesteuert werden. Auch kann eine Wechselkartusche zur Verfügung gestellt werden, die kein Regelsystem aufweisen muss. Insbesondere kann dadurch eine sehr sichere Wechselkartusche angegeben werden, da kein Ausfall eines Regelsystems auftreten kann und die Abgabemenge an gasförmigem Wasserstoff immer anhand der Umgebungstemperatur vorhersehbar ist.

Gemäß der vorliegenden Erfindung kann jedoch auch ein Tauchrohr 12 mit einem Wärmetauscher 13 zur Verfügung gestellt werden, um gezielt und gesteuert dem Innentank 112 Wärme zuzuführen und um die Abgabemenge an gasförmigem Wasserstoff zu steuern.

Die Wechselkartusche weist ferner ein Absperrventil 2 auf, das beispielsweise zur Steuerung einer Wärmezufuhr zu dem Innentank 112 über das Tauchrohr 12 und den Wärmetauscher 13 dient. Ferner kann ein weiteres Absperrventil 3 vorgesehen werden, welches an ein Entnahmerohr 7 gekoppelt ist, das von einer Außenseite des Tanks 1 durch den Außentank 114 und die Isolierung 113 in den Innentank 112 reicht. Über die Ventile 2 und 3 kann eine Wasserstoffentnahme und Befüllung durchgeführt werden. Das Entnahmerohr 7 ist ferner mit Überdruckventilen 4 und 5 gekoppelt, die beispielsweise beim Auftreten von Überdruck in dem Innentank 112 Druck an eine Umgebung ablassen können. Die Überdruckventile 4 und 5 können jedoch auch in Verbindung mit Abgasrohren 9 zur Ableitung von Abgasen aus dem Innentank 112 angeordnet sein. Ein Abgas kann beispielsweise gasförmiger Wasserstoff (GH2) sein.

Überdies weist die Wechselkartusche gemäß dieses Ausführungsbeispiels ein Entlastungsrohr 8 auf, das von einer Außenseite der Wechselkartusche in den Innentank 112 hineinreicht. Auf dem Entlastungsrohr 8 ist ein Überdruckventil 6 angeordnet.

Die Bezugsziffer 14 bezeichnet ein Absperrventil, das mit einer Kupplung 15 und einer Verschlusskappe versehen ist. Die Verschlusskappe kann beispielsweise derart ausgestaltet sein, dass sie die Kupplung vor mechanischen Einwirkungen schützt. Aber überdies kann die Verschlusskappe ausgestaltet sein, einen Raum derart um die Kupplung 15 auszubilden, dass ausdampfender Wasserstoff in diesem Raum gesammelt wird. In vorteilhafter Art und Weise ist dann in diesem Raum ein Katalysator vorgesehen, der automatisch den ausdampfenden Wasserstoff weiter verwertet und beispielsweise zu unproblematisch zu handhabendem Wasser umwandelt.

Die Bezugsziffern 30 und 31 bezeichnen Manometer, die beispielsweise mit einer Schleppzeigerfunktion ausgestaltet sein können. Die Manometer zeigen einen Druck im Innentank 112 an. Die Bezugsziffer 32 bezeichnet ein Thermometer, das ebenfalls eine Schleppzeigerfunktion aufweisen kann und eine Temperatur im Innentank 112 der Wechselkartusche anzeigt. In Verbindung mit den Manometern 30 und 31 und dem Thermometer 32 sind Kupplungen 33, 34 und 35 vorgesehen, die zur Verbindung der Wechselkartusche mit dem Verbraucher dienen. Diese Kupplungen ermöglichen dem Verbraucher beispielsweise einen Druck oder eine Druckentwicklung im Innentank der Wechselkartusche 112 zu erfassen bzw. eine Temperatur im Innentank 112 aufzunehmen.

Die Bezugsziffer 37 bezeichnet einen Füllstandsmessgeber im Innentank 112, der mit einer entsprechenden Füllstandsmessanzeige 38, die an einer Außenseite der Wechselkartusche angeordnet ist, zusammenwirkt und den Füllzustand des Innentanks 112 mit flüssigem Wasserstoff außen anzeigt. Der Füllstand kann von einem Verbraucher auch beispielsweise mittels einer Kupplung 39 abgegriffen werden.

Die Bezugsziffern 110 und 111 bezeichnen Kupplungen mit Verschlusskappen, die über den Absperrventilen 2 und 3 vorgesehen sind. Vorzugsweise wird der Verbraucher an den Kupplungen 110 und 111 angeschlossen. Die Absperrventile 2 und 3 verhindern ein Ausströmen von Wasserstoff, wenn der Tank nicht abgeschlossen ist. Vorteilhaft sind die Kupplungen 110 und 111 koaxial angeordnet und die Ventile 2 und 3 schließen bzw. öffnen sich automatisch beim Anschlussvorgang bzw. beim Entkoppeln.

Die Kupplungen 110 und 111 können mit entsprechenden Verschlusskappen versehen sein, die die Ventile 2 und 3 mechanisch schützen. Außerdem können die Verschlusskappen der Kupplungen 110 und 111, ähnlich wie die Verschlusskappe der Kupplung 15, derart ausgebildet sein, dass sie einen Raum definieren, in dem beispielsweise ein Katalysator vorgesehen ist. Mittels des Katalysators kann ausdampfender Wasserstoff in dem Raum katalytisch verwertet werden, wodurch ein Austreten von gasförmigem Wasserstoff, das unbeabsichtigt geschieht, verhindert werden kann bzw. solcher Wasserstoff gebunden werden kann.

Die Bezugsziffer 120 bezeichnet ein Überwachungssystem, das mit den entsprechenden Kupplungen 39, 35, 34, 33 verbunden ist. Der Übersicht halber sind diese Verbindungen in 1 nicht dargestellt. Ferner kann das Überwachungssystem 120 auch ausgestaltet sein, eine Funktion bzw. eine Betätigung der Ventile 2, 3, 4, 5, 6 und 14 zu steuern bzw. zu kontrollieren.

Auch kann das Überwachungssystem 120 ausgestaltet sein, eine Wärmezufuhr über den Wärmetauscher 13 und damit auch eine Abgabemenge an gasförmigem Wasserstoff zu steuern.

Das Überwachungssystem 120 ist vorzugsweise mit dem Füllstandsgeber 37 und der Füllstandsmessanzeige 38 gekoppelt, dem Temperaturgeber und -anzeiger 32, dem Innendruckgeber und -anzeiger 31 und einem Messsystem 30 (dem Manometer) zur Überwachung des Unterdrucks zwischen Innentank 112 und Außentank 114. Die entsprechenden Verbindungen zwischen dem Überwachungssystem 120 sind der Übersicht halber in 1 nicht dargestellt. Beispielsweise kann jedoch eine Verbindung zwischen den entsprechenden Messaufnehmern und Ventilen und dem Überwachungssystem 120 mittels entsprechenden elektrischen Verbindungen ausgestaltet werden. Bei Anschluss der Wechselkartusche an den Verbraucher können diese Signale an Bord des Verbrauchers, wie beispielsweise an entsprechenden Anzeigeeinrichtungen in einem Flugzeug, angezeigt bzw. verarbeitet werden.

Wie zuvor schon angesprochen, sind die Ventile 4, 5 und 6 als Überdruckventile ausgestaltet. Ventil 5 spricht an, wenn beispielsweise das Druckniveau p2 erreicht ist und der Ausgasungsprozess infolge „Überlagerung" einsetzt. Das Ventil 4 spricht an, wenn das Druckniveau p3 (p3 > p2) erreicht wird, d. h. der Druck durch das Ventil 5 nicht mehr abgebaut werden kann. In einem Fall, in dem der Innendruck p3 überschritten wird oder die Leitung 7 oder/und im Flussverlauf nachfolgende Leitungen versperrt sind, öffnet das Überdruckventil 6 bei einem Druck von p4.

Beispielsweise kann das Absperrventil 14 und die Kupplung 15 als Anschlusselement an eine Vakuumpumpe ausgestaltet sein.

2 zeigt die in 1 dargestellte Wechselkartusche im Lagerzustand. Im Lagerzustand und/oder Transportzustand ist kein Verbraucher an die Wechselkartusche angeschlossen. Gemäß der vorliegenden Erfindung sind die Ventile 2 und 3 geschlossen. Wie zuvor beschrieben, können Schutzkappen 110 und 111 vorgesehen werden, die die entsprechenden Anschlusskupplungen schützen. Solche Schutzkappen können beispielsweise auch mittels Blindkappen ausgestaltet werden.

An den Ventilen 4, 5 und 6 können Kupplungen 50, 51 und 52 vorgesehen werden. Über die Kupplung 52 kann das Ventil 6 mit einer Abgasleitung 55 verbunden werden.

Über die Kupplung 51 kann das Ventil 5 mit einem Rekombinator 54 verbunden werden, der wiederum mit einer Abgasleitung 56 verbunden ist, über die beispielsweise Wasser abgegeben werden kann. Über die Kupplung 50 kann ferner das Ventil 4 mit einer weiteren Abgasleitung 53 verbunden werden, über die ein Abgas, wie beispielsweise GH2, abgegeben werden kann.

Bei „normalem" Wärmeeintrag und einer längeren Lagerung kann beispielsweise ein Druckniveau p2 überschritten werden. In solch einem Fall öffnet sich das Ventil 5 und entlastet den Tank über einen Rekombinator (optional) oder über eine Abgasstrecke (Rohr ins Freie – nicht dargestellt). Wird der Wärmeeintrag durch vollständigen Verlust der Isolierung, wie beispielsweise durch einen Verlust des Vakuums der Superisolierung 113, zu hoch, findet eine Entlastung über das Ventil 4 statt. Insbesondere findet eine Entlastung über Ventil 4 statt, wenn ein Druck p3 überschritten wird und/oder eine Temperatur T3 überschritten wird.

Vor diesem Hintergrund ist es vorteilhaft, eine Lagerstätte für solche Wechselkartuschen so einzurichten, dass beispielsweise eine Wasserstoffsonde in einem Abgaskamin vorgesehen ist, die bei Erfassung von Wasserstoff in dem Abgaskamin einen Alarm auslöst.

Sollte während der Lagerung oder des Transports ein Schaden auftreten, beispielsweise durch einen Unfall bzw. sich ein noch höherer Wärmeeintrag ergeben, dann öffnet das Ventil 6 und verhindert dadurch das Bersten des Tanks bzw. der Wechselkartusche.

3 zeigt die in 1 dargestellte Wechselkartusche bei der Wasserstoffentnahme.

In der in 3 dargestellten Anordnung sind der Übersicht halber keine Entlastungsventile vorgesehen, kein Sprühsystem, keine Druckminderer oder -regler, keine Fahrventile und keine Rückschlagventile. Solche Systeme können jedoch, wie in bekannten Anordnungen, vorgesehen werden.

Die Bezugsziffern 70 und 71 bezeichnen Ventile, die über die Kupplungen 110 und 111 mit den Ventilen 2 und 3 verbindbar bzw. verbunden sind. Das Ventil 71 ist mittels einer Entnahmeleitung 73 mit einem Wärmetauscher 77 verbunden, der wiederum über Zuflussleitungen 74, Rückflussleitungen 75 sowie ein Ventil 76 mit einem Verbraucher verbunden ist. Eine mit dem Wärmetauscher 77 verbundene Rückflussleitung 72 ist mit dem Ventil 70 verbunden.

Der Verbraucher, wie beispielsweise eine On-Bord-Wassererzeugungseinrichtung für ein Flugzeug oder auch ein Verbrennungsmotor erhält Luft über den Luftzulass 79. Abgase des Verbrauchers können über eine entsprechende Auspuffanlage abgeführt werden. Ein Abgas des Verbrauchers kann beispielsweise Wasser sein.

Das Ventil 6 kann beispielsweise so ausgestaltet sein, dass GH2 bei Überschreiten eines Drucks p5 bzw. einer Temperatur T5 an die Abgasleitung 55 abgegeben wird.

Die Bezugsziffern 90, 91, 92 und 93 bezeichnen Anzeigeinstrumente mittels denen die entsprechenden Betriebszustände einem Anwender angezeigt werden können.

Bei der Wasserstoffentnahme, d. h. im angeschlossenen betriebsbereiten Zustand, steht der Tank üblicherweise unter einem Betriebsdruck von p1 bis p2 bei etwa 20 Kelvin. Der Verbraucher entnimmt Wasserstoff aus der Gasphase des Innentanks 112 und nötigenfalls im Überschuss. Das entnommene Gas strömt über die Leitung 7, das Ventil 3, die Kupplung 111, das Ventil 71 und die Leitung 73 zu dem Wärmetauscher 77 zum Verbraucher 78 hin. Dieser Wärmetauscher erwärmt das Gas auf eine Temperatur, die über der vom Verbraucher geforderten Mindesttemperatur liegt. Der Entnahmedruck p1 bis p2 liegt über dem vom Verbraucher geforderten Druck. Wird mehr gasförmiger Wasserstoff vom Verbraucher verlangt, so kann das Ventil 20 geöffnet werden. Gasförmiger Wasserstoff wird durch den Wärmetauscher geleitet, erhitzt und kann dann wieder in den Tank zurückgeführt werden. Auf diese Weise erfolgt ein Wärmeeintrag in den Tank und führt zu einer Verdampfung des flüssigen Wasserstoffs.

Im angeschlossenen Ruhezustand wird kein Wasserstoff entnommen. Die tankseitigen Ventile 2 und 3 bleiben dann geöffnet. Die verbraucherseitigen Ventile sind geschlossen und unterbrechen die Wasserstoffverbindung zwischen Tank und Verbraucher. Alle Anschlüsse bleiben erhalten. Insbesondere bleibt vorteilhaft die Funktion der Sicherheitsventile 4, 5 und 6 erhalten.

4 zeigt die Wechselkartusche von 1 bei der Wasserstoffbetankung. Zur Befüllung werden Kupplungen der Befüllungsanlage beispielsweise an die Kupplungen 110 und 111 angeschlossen. Bei diesem Anschlussvorgang werden die Ventile 2 und 3 geöffnet. Über die Kupplungen 110 und 111 sind die Ventile 2 und 3 mit Absperrventilen 100 und 101 verbunden, die mit einer Zuflussleitung 102 und einer Ausgleichsleitung 103 verbunden sind. Für das Befüllen werden die Absperrventile 100 und 101 geöffnet. Durch die Leitung 102 fließt dann flüssiger Wasserstoff von der Befüllstation in den Innentank 112. Ein Volumenausgleich erfolgt dann über die Leitung 103.

Vorteilhaft ist das Wechselkartuschensystem in verschiedenen Formen entsprechend dem Anwendungsgebiet ausgestaltet. Beispielsweise kann die Wechselkartusche in Zylinderform ausgestaltet werden zur Anordnung in eine Ersatzradmulde eines Fahrzeugs oder beispielsweise in Würfelform. Mögliche Tankgrößen sind beispielsweise 5001, 10001 oder 15001. Eine max. Entnahmemenge kann beispielsweise 250 kW oder 500 kW betragen. Die Wechselkartuschen können beispielsweise stationär betrieben werden, aber auch in Automobilen, Flugzeugen, Flurfahrzeugen oder Schiffen. Ein max. Wärmeeintrag kann in der Größenordnung von 6 bis 72 Stunden bis zum Ausdampfen betragen. Ein max. Betriebsdruck p1 bis p2 kann in der Größenordnung von 1 bis 6 Bar liegen. Die max. Entnahmemengen richten sich natürlich nach den Verbrauchern. Beispielsweise würde eine Entnahmemenge von 250 kW für einen Verbraucher ca. 100 kW elektrische Leistung betragen.


Anspruch[de]
  1. Wechselkartusche zur Anwendung in Fahrzeugen, zur Ankopplung an einen Verbraucher oder an eine Befüllstation, wobei die Wechselkartusche umfasst:

    zumindest eine lösbare Anschlusskupplung (33, 34, 35, 39, 50, 51) zur Verbindung mit dem Verbraucher oder der Befüllstation; und

    einen Innentank (112) zur Aufnahme von flüssigem Wasserstoff;

    einer Superisolierung (113) zwischen Innentank (112) und einem Außentank (114);

    wobei die Wechselkartusche mittels der zumindest einen lösbaren Anschlusskupplung (33, 34, 35, 39, 50, 51) an dem Verbraucher ankoppelbar ist, um dem Verbraucher gasförmigen Wasserstoff zur Verfügung zu stellen; und

    wobei die Superisolierung (113) der Wechselkartusche entsprechend einer Umgebungstemperatur und einem Bedarf des Verbrauchers an gasförmigen Wasserstoff derart ausgestaltet, ist, dass der Wärmeübergang von der Umgebung mit der Umgebungstemperatur zum Innentank bei Betrieb ausreichend ist, um den Bedarf des Verbrauchers zu decken.
  2. Wechselkartusche nach Anspruch 1, wobei der Innentank (112) zur Aufnahme von flüssigen oder teilverflüssigten Wasserstoff ausgebildet ist.
  3. Wechselkartusche nach einem der Ansprüche 1 oder 2,

    wobei die Wechselkartusche mittels der zumindest einen lösbaren Anschlusskupplung (33, 34, 35, 39, 50, 51) zur Befüllung des Innentanks (112) an der Befüllstation ankoppelbar ist;

    wobei die Wechselkartusche mittels der zumindest einen lösbaren Anschlusskupplung (33, 34, 35, 39, 50, 51) an dem Verbraucher ankoppelbar ist um dem Verbraucher flüssigem Wasserstoff zur Verfügung zu stellen; und

    wobei die Wechselkartusche bei Bedarf einfach mittels der zumindest einen lösbaren Anschlusskupplung (33, 34, 35, 39, 50, 51) von dem Verbraucher lösbar ist und gegen eine andere Wechselkartusche austauschbar ist.
  4. Wechselkartusche nach einem der Ansprüche 1 bis 3,

    wobei ein Tank den Innentank (112) und den Außentank (114) aufweist; und

    wobei der Innentank (112) und der Außentank (114) durch eine Superisolierung (113) thermisch zur Lagerung von flüssigen oder teilverflüssigten Wasserstoff entkoppelt sind.
  5. Wechselkartusche nach einem der Ansprüche 1 bis 4,

    wobei zumindest eine Schutzkappe für die zumindest eine lösbare Anschlusskupplung (33, 34, 35, 39, 50, 51) vorgesehen ist;

    wobei die zumindest eine Schutzkappe zur Lagerung oder Transport der Wechselkartusche über der zumindest einen lösbare Anschlusskupplung angeordnet werden kann.
  6. Wechselkartusche nach Anspruch 5,

    wobei die Schutzkappe einen Raum definiert;

    wobei in dem Raum ein Katalysator vorgesehen ist; und

    wobei mittels des Katalysators von der zumindest einen Anschlusskupplung ausdampfender Wasserstoff in dem Raum katalytisch verwertet wird.
  7. Wechselkartusche nach einem der Ansprüche 1 bis 6,

    wobei eine Einrichtung (12, 13) zum Zuführen von Wärme zu dem Innentank (112) vorgesehen ist;

    wobei die Einrichtung zum Zuführen von Wärme zu dem Innentank die zugeführte Wärme steuert; und

    wobei durch Steuerung der dem Innentank zugeführten Wärme eine Abgabemenge von gasförmigen Wasserstoff an den Verbraucher steuerbar ist.
  8. Wechselkartusche nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Wechselkartusche eine Codierung aufweist, die zumindest eine Art der Wechselkartusche bezeichnet.
  9. Wechselkartusche nach Anspruch 8, wobei die Codierung mittels der zumindest einen lösbare Anschlusskupplung ausgestaltet derart ist, dass nur eine Verbindung zu einem der Codierung entsprechenden Verbraucher oder zu einer der Codierung entsprechenden Befüllstation möglich ist.
  10. Anschlusskupplung für einen Verbraucher oder eine Befüllstation,

    wobei die Anschlusskupplung zum Zusammenwirken mit einer Anschlusskupplung einer Wechselkartusche nach einem der Ansprüche 1 bis 11 ausgestaltet ist;

    wobei die Anschlusskupplung eine erste Kodierung aufweist; und

    wobei die erste Codierung mit einer zweiten Codierung der Anschlusskupplung der Wechselkartusche korrespondiert, so dass die Anschlusskupplung mit der Anschlusskupplung der Wechselkartusche verbindbar ist.
  11. Verwendung einer Wechselkartusche nach einem der Ansprüche 1 bis 9 in einem Flugzeug mit einem Verbraucher, wobei die Wechselkartusche an den Verbraucher angekoppelt ist, um dem Verbraucher gasförmigen Wasserstoff zur Verfügung zu stellen.
  12. Verfahren zum Handhaben einer Wechselkartusche nach einem der Ansprüche 1 bis 9, umfassend die Schritte:

    Anordnen einer befüllten Wechselkartusche in einem Fahrzeug;

    Ankoppeln der Wechselkartusche mittels der lösbaren Anschlusskupplung (33, 34, 35, 39, 50, 51) an einen Verbraucher im Fahrzeug, so dass die Wechselkartusche dem Verbraucher gasförmigen Wasserstoff bereitstellt; und

    Abkoppeln der lösbaren Anschlusskupplung (33, 34, 35, 39, 50, 51) und Entnehmen der Wechselkartusche wenn festgestellt wird, dass eine Füllung der Wechselkartusche einen voreingestellten Wert unterschreitet.
  13. Verfahren nach Anspruch 12, wobei das Fahrzeug ein Flugzeug ist.
Es folgen 4 Blatt Zeichnungen






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