PatentDe  


Dokumentenidentifikation DE102005007551B4 13.12.2007
Titel Verfahren zum Betreiben eines Tieftemperatur-Flüssiggasspeichertanks
Anmelder General Motors Corp. (n.d.Ges.d. Staates Delaware), Detroit, Mich., US
Erfinder Immel, Rainer, 55278 Dexheim, DE
Vertreter Manitz, Finsterwald & Partner GbR, 80336 München
DE-Anmeldedatum 18.02.2005
DE-Aktenzeichen 102005007551
Offenlegungstag 15.09.2005
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 13.12.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 13.12.2007
IPC-Hauptklasse F17C 7/04(2006.01)A, F, I, 20061127, B, H, DE
IPC-Nebenklasse F17C 3/08(2006.01)A, L, I, 20061127, B, H, DE   

Beschreibung[de]

Die vorliegende Erfindung betrifft Verfahren zum Betreiben eines Systems mit einem unter Druck Stehenden Tieftemperaturspeichertank.

Mit den sich verändernden Anforderungen an die Emissionen für mobile Plattformen oder Fahrzeuge (z. B. Autos, Busse, Lastkraftwagen etc.) werden auf den mobilen Plattformen alternative Antriebe wie z. B. Brennstoffzellensysteme und/oder Brenn- bzw. Kraftstoffe wie Wasserstoff, flüssiges Erdgas und Propan realisiert. Der Platz, der zum Speichern von Brennstoff auf diesen mobilen Plattformen vorhanden ist, kann jedoch begrenzt sein. Somit ist es vorteilhaft, das Speicherungsvermögen eines Speichertanks für diese Alternativbrennstoffe auf der mobilen Plattform zu maximieren.

Um eine effiziente Speicherung dieser Alternativbrennstoffe bereitzustellen, werden die Brennstoffe in Speichertanks bei sehr niedrigen Temperaturen wie z. B. 20 bis 100° K und bei erhöhten Drücken wie z. B. 1 – 12 bar gespeichert, um den Brennstoff zu verdichten und dadurch mehr von dem Brennstoff in einem gegebenen Raumvolumen bereitzustellen. Solche Tanks werden typischerweise als Tieftemperaturspeichertanks bezeichnet und können einen vielschichtigen vakuum-superisolierten Tieftemperaturtank umfassen. Der in dem Speichertank gespeicherte Brennstoff wird typischerweise in einem zweiphasigen Zustand aus Flüssigkeit und Gas gehalten. Wenn der Brennstoff gespeichert wird, bewirkt ein Wärmezufluss in den Speichertank, dass die Temperatur des Brennstoffs ansteigt, was auch bewirkt, dass der Druck in dem Speichertank ansteigt. Ein Überdruckventil oder Entlüftungsventil wird an diesen Tanks verwendet, um den Brennstoff aus dem Tank abzulassen, wenn der Druck bis zu einem vorbestimmten Wert angestiegen ist. Die Ventile arbeiten, um zu verhindern, dass der Druck in dem Speichertank diesen vorbestimmten Wert übersteigt.

Das Ablassen des Brennstoffs ist ein Energieverlust und erhöht demgemäß die Kosten für den Betrieb der mobilen Plattform, auf der der Speichertank verwendet wird. Zusätzlich, um zu vermeiden, dass flüssiger Brennstoff aus dem Tank abgelassen wird, werden die Tanks in einer Weise betrieben, die das Flüssigkeitsniveau des Brennstoffs in dem Tank immer auf ein Maximum von 95% des Fassungsvermögens des Tanks begrenzt. Die Position der Entlüftungsventilabsaugung aus dem Speicher ist typischerweise auf dem 95%- oder einem höheren Niveau des Speichertanks angeordnet, so dass während eines Ablassvorgangs flüssiger Brennstoff nicht aus dem Speichertank abgelassen wird. Da der Brennstoff in einem zweiphasigen Zustand von Flüssigkeit und Gas gespeichert ist, werden zumindest die oberen 5% des Tanks den Brennstoff in einem gasförmigen Zustand erhalten. Jedoch maximiert das Erhalten von zumindest 5% des Brennstoffs in einem gasförmigen Zustand nicht das Fassungsvermögen des Speichertanks wegen der geringeren Dichte des Gases gegenüber dem flüssigen Brennstoff. Demgemäß wäre es von Vorteil, das gesamte Fassungsvermögen des Tanks zu nutzen. Zusätzlich wäre es von Vorteil, die Menge von aus dem Tank während eines Ablassvorgangs abgelassenen Brennstoff zu minimieren, während der Brennstoff gespeichert ist.

Dazu beschreiben die DE 41 04 711 A1, die US 36 98 200 A und die US 49 88 014 A Speichertanks für kryogene Kühlmedien.

Die DE 20 02 552 A beschreibt ein System mit einem unter Druck stehenden Speichertank zum Speichern eines gasförmigen Brennstoffs in flüssiger und/oder gasförmiger Form.

Die DE 101 47 057 A1, die DE 195 46 618 C2, die DE 40 41 170 C1 und die US 46 84 080 A beschreiben Systeme mit einem unter Druck stehenden Speichertank zum Speichern eines gasförmigen Brennstoffs in flüssiger und/oder gasförmiger Form, wobei Brennstoff in gasförmiger Form entnommen oder abgelassen wird.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Verfahren zum Betreiben eines Systems mit einem unter Druck stehenden Tieftemperaturspeichertank zum Speichern eines gasförmigen Brennstoffs in flüssiger und/oder gasförmiger Form und einer den Brennstoff verbrauchenden Vorrichtung anzugeben.

Diese Aufgabe wird mit einem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 oder einem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 12 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand von Unteransprüchen.

Die vorliegende Erfindung stellt Verfahren zum Betreiben eines unter Druck stehenden Tieftemperatur-Flüssiggasspeichertanks bereit, der ein Kühlschild aufweist, um das herum oder entlang dessen aus dem Speichertank abgelassener Brennstoff zu dem Speichertank strömt, um den Speichertank zu kühlen und den Einfluss eines Wärmezuflusses in den Speichertank hinein zu verringern. Die Verfahren der vorliegenden Erfindung ziehen Nutzen aus den Vorteilen des Kühlschildes, um einen Betrieb der Speichertanks bereitzustellen, der die Menge an während eines Ablassvorgangs verlorenem Brennstoff verringert und ermöglicht, ein größeres Volumen von flüssigem Brennstoff in den Speichertanks zu speichern.

Die Erfindung wird im Folgenden beispielhaft anhand der Zeichnungen beschrieben; in diesen zeigt:

1A eine vereinfachte weggeschnittene Darstellung eines unter Druck stehenden Tieftemperatur-Flüssiggasspeichertanks mit einem Kühlschild, mit dem die Verfahren der vorliegenden Erfindung verwendet werden können;

1B eine vereinfachte Querschnittsdarstellung des Speichertanks von 1A entlang der Linie B-B;

1C eine vereinfachte Darstellung einer mobilen Plattform mit dem Speichertank von 1A;

2A ein Diagramm eines typischen Betriebs nach dem Stand der Technik eines Tieftemperatur-Flüssiggasspeichertanks beim Speichern von Wasserstoff;

2B ein Phasendiagramm des Zustands des Wasserstoffbrennstoffs in dem Speichertank entsprechend dem in 2A gezeigten Betrieb;

3A ein Diagramm eines Betriebs eines Tieftemperatur-Flüssiggasspeichertanks ohne Kühlschild beim Speichern von Wasserstoff über 95% Füllniveau und Ablassen von flüssigem Wasserstoff aus dem Speichertank;

3B eine vergrößerte Ansicht des Diagramms von 3A um die Zustände 3 und 4 herum;

3C ein Phasendiagramm des Zustands des Wasserstoffbrennstoffs in dem Speichertank entsprechend dem in 3A gezeigten Betrieb;

4A ein Diagramm eines Betriebs gemäß den Verfahren der vorliegenden Erfindung eines unter Druck stehenden Tieftemperatur-Flüssiggasspeichertanks mit einem Kühlschild beim Speichern von Wasserstoff und Ablassen von flüssigem Wasserstoff aus dem Speichertank;

4B eine vergrößerte Ansicht des Diagramms von 4A um den Zustand 3 herum;

4C ein Phasendiagramm des Zustands des Wasserstoffbrennstoffs in dem Speichertank entsprechend dem in 4A gezeigten Betrieb und

5 ein Phasendiagramm des Zustands von Wasserstoffbrennstoff in einem Speichertank, der wie in 4A gezeigt betrieben wird, mit dem Zusatz der mobilen Plattform, die einen Teil des Wasserstoffbrennstoffs während eines Abschnitts des Speicherns des Wasserstoffs in dem Speichertank verbraucht.

Die folgende Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform ist nur von beispielhafter Natur und soll keinesfalls die Erfindung, ihre Anwendung oder Nutzungen einschränken.

Die 1A und B zeigen einen typischen vielschichtigen vakuum-superisolierten Tieftemperatur-Flüssiggasspeichertank bzw. Tieftemperaturspeichertank 20, mit dem die Verfahren der vorliegenden Erfindung genutzt werden können. Der Tieftemperaturspeichertank bzw. Speichertank 20 umfasst einen inneren (Speicher-)Tank 22, der teilweise von einem Kühlschild 24 umgeben ist. Eine Ablass- oder Abdampfleitung 26 ist mit dem inneren Tank 22 verbunden. Die Ablassleitung 26 umfasst ein Entlüftungsventil bzw. Ventil 28, das wirksam ist, um die Ablassleitung 26 zu öffnen und zu schließen, so dass eine Strömung durch die Ablassleitung 26 jeweils zugelassen oder verhindert wird. Das Entlüftungsventil 28 kann ein Überdruckventil sein, das automatisch öffnet, wenn ein vorbestimmter Druck in dem inneren Tank 22 erreicht wird. Die Ablassleitung 26 windet sich schraubenförmig um das Kühlschild 24 in direktem Kontakt mit dem Kühlschild 24 herum, so dass Fluid, welches durch die Ablassleitung 26 strömt, das Kühlschild 24 kühlt, bevor es aus dem Speichertank 20 austritt. Der innere Tank 22 und das Kühlschild 24 sind durch eine Vielzahl von Schichten von Strahlungswärme-Abschirmung oder Isolierung 30 umgeben. Ein äußerer Tank oder eine Außenwand 32 umhüllt die Isolierung 30, das Ventil 28, die Ablassleitung 26, das Kühlschild 24 und den inneren Tank 22. Zwischen dem inneren Tank 22 und dem äußeren Tank 32 besteht ein Vakuum. Das Vakuum beträgt etwa 10–4 mbar, was auch als Ultrahochvakuum bezeichnet wird. Die Isolierung 30 zusammen mit dem Ultrahochvakuum stellt eine vielschichtige Vakuum-Superisolierung oder MLSVI zwischen den inneren und äußeren Tanks 22 und 32 bereit.

Weitere Komponenten (nicht gezeigt) umfassen Kanäle zum Füllen oder Entleeren des inneren Tanks 22 wie auch elektrische Leitungen für Sensoren und dergleichen. Diese weiteren Komponenten sind an den inneren Tank 22 und den äußeren Tank 32 geschweißt, um fluidundurchlässige Abdichtungen bereitzustellen, so dass das Ultrahochvakuum zwischen den inneren und äußeren Tanks 22, 32 erzeugt werden kann. Diese weiteren Komponenten sind ähnlich und in ähnlicher Weise angebracht wie die inneren und äußeren Tanks 22, 32, wie herkömmlicherweise bekannt.

Der innere Tank 22 ist konstruiert, um ein Fluid bei Tieftemperaturen von unter 100° K zu speichern. Vorzugsweise ist der innere Tank 22 in der Lage, Fluide bei unter 30° K zu speichern. Der innere Tank 22 speichert das Fluid bei einem Druck in dem Bereich von etwa 1 – 12 bar. Vorzugsweise speichert der innere Speichertank 22 das Fluid bei etwa 4 bar. Um diese funktionalen Anforderungen zu erfüllen, kann der innere Tank 22 aus einer Vielfalt an Materialien, die in der Lage sind, den erfahrenen Tieftemperaturen und den Druckdifferenzen zwischen dem Inneren des inneren Tanks 22 und dem Ultrahochvakuum zwischen dem inneren Tank 22 und dem äußeren Tank 32 zu widerstehen, gefertigt sein. Vorzugsweise ist der innere Tank 22 aus einem Metall wie z. B. Edelstahl, Aluminium oder einer Aluminiumlegierung gefertigt. Die Verwendung von Metall erleichtert das Abdichten der weiteren Komponenten zu dem inneren Tank 22. Zum Beispiel können die weiteren Komponenten durch Schweißen zu dem inneren Tank 22 abgedichtet werden.

Die Isolierung 30 zusammen mit dem Ultrahochvakuum sorgt für eine Vielschicht-Vakuum-Superisolierung wie im Stand der Technik bekannt. Die Isolierung 30 besteht aus einer großen Anzahl, ca. 30 – 80, Wärmestrahlungsschilden aus reflektierender Folie, vorzugsweise aus Aluminium gefertigt, die um das Kühlschild 24 herum gewunden oder gewickelt sind. Das heisst, da die Hauptursache für eine Wärmeaufnahme in dem inneren Tank 22 in Wärmestrahlung begründet ist, stellt die Isolierung 30 mehrere Schichten von Wärmestrahlungs-Abschirmung bereit, um den Zufluss von Wärme über Strahlung in den inneren Tank 22 hinein zu verhindern.

Der äußere Tank 32 stellt ein Schutzgehäuse für den Speichertank 20 bereit und sorgt auch für eine fluidundurchlässige Abdichtung, so dass das Ultrahochvakuum zwischen den inneren und äußeren Tanks 22 und 32 erzeugt werden kann. Der äußere Tank 32 ist derart ausgebildet, dass er der Druckdifferenz zwischen dem Ultrahochvakuum zwischen den inneren und äußeren Tanks 22 und 32 und dem Druck der Umgebung, in der der Speichertank 20 angeordnet ist, widersteht. Um diese Anforderungen zu erfüllen, kann der äußere Tank 32 aus einer Vielfalt von Materialien gefertigt sein. Vorzugsweise besteht der äußere Tank 32 aus Metall und ist aus dem selben Material gefertigt wie der innere Tank 22. Im Speziellen ist der äußere Tank 32 vorzugsweise aus Edelstahl, Aluminium oder einer Aluminiumlegierung gefertigt. Dadurch, dass der innere und der äußere Tank 22, 32 aus dem selben Material gefertigt sind, ist das Schweißender weiteren Komponenten an die inneren und äußeren Tanks 22 und 32 vereinfacht.

Unter nunmehriger Bezugnahme auf 1C ist der Speichertank 20 derart ausgebildet, dass er auf eine mobile Plattform 34 passt. Die mobile Plattform 34 kann in einer Vielfalt von Konfigurationen auftreten wie z. B. eines Automobils, wie gezeigt, eines Busses, eines Lastkraftwagens und dergleichen. Auf der mobilen Plattform 34 ist ein Brennstoffzellensystem oder ein Verbrennungsmotor 36 aufgenommen. Das Brennstoffzellensystem 36 verwendet einen Sauerstoff enthaltenden Strom 38 und einen Wasserstoff enthaltenden Strom 40, um elektrische Leistung zum Antreiben der mobilen Plattform 34 zu erzeugen. Der Sauerstoff enthaltende Strom 38 kann aus der Luft oder aus einer gespeicherten Sauerstoffquelle bezogen werden. Der Speichertank 20 wird verwendet, um dem Brennstoffzellensystem 36 Wasserstoff zuzuführen. Das heisst, der Speichertank 20 ist derart konstruiert, dass er Wasserstoff in dem inneren Tank 22 enthält, der dem Brennstoffzellensystem 36 nach Bedarf selektiv als Wasserstoff enthaltender Strom 40 zugeführt wird. Das Brennstoffzellensystem 36 verbraucht dann den Wasserstoff in dem Speichertank 20 zusammen mit dem Sauerstoff in dem Sauerstoff enthaltenden Strom 38, um elektrische Leistung für die mobile Plattform 34 zu erzeugen. Demgemäß ist eine Versorgungsleitung von dem Speichertank 20 zu dem Brennstoffzellensystem 36 vorhanden, die es ermöglicht, Wasserstoff in dem Speichertank 20 selektiv dem Brennstoffzellensystem 36 zum Verbrauch darin zuzuführen.

Wie oben erwähnt umgibt das Kühlschild 24 einen Abschnitt des inneren Tanks 22, und die Ablassleitung 26 windet sich schraubenförmig um das Kühlschild 24 herum und steht in direktem Kontakt mit diesem. Das Kühlschild 24 wird verwendet, um den Strahlungswärmezufluss in den inneren Tank 22 hinein zu verringern. Das heisst, wenn ein Strahlungswärmezufluss in den inneren Tank 22 eintritt, wird die Temperatur des Wasserstoffs in dem inneren Tank 22 ansteigen. Der Anstieg in der Temperatur des Wasserstoffs bewirkt auch, dass das Druckniveau in dem inneren Tank 22 ansteigt, wie unten stehend beschrieben. Wenn der Druck in dem inneren Tank 22 einen vorbestimmten Betrag erreicht, öffnet das Ventil 28, um Wasserstoff aus dem inneren Tank 22 abzulassen, so das der Druck in dem inneren Tank 22 das vorbestimmte Niveau nicht übersteigt. Wie in 1B gezeigt, strömt der auf Grund des Öffnens des Ventils 28 aus dem inneren Tank 22 abgelassene Wasserstoff durch die Ablassleitung 26 und um das Kühlschild 24 herum. Die extrem tiefe Temperatur des durch die Ablassleitung 26 strömenden Wasserstoffs kühlt das Kühlschild 24 und verringert den Strahlungswärmezufluss in den inneren Tank 22 hinein. Das heisst, durch die Ablassleitung 26 abgelassener Wasserstoff strömt um das Kühlschild 24 und um ein Äußeres des inneren Tanks 22 herum, bevor es aus dem Speichertank 20 austritt. Das Kühlschild 24 wirkt als ein Wärmetauscher, und wenn der Wasserstoff durch die Ablassleitung 26 strömt, wird der Wasserstoff sich erwärmen und das Kühlschild wird sich abkühlen und helfen, den Strahlungswärmezufluss in den inneren Tank 22 hinein zu verringern. Die Ablassleitung 26 kann so konstruiert sein, dass sie auf vielerlei Art um das Kühlschild 24 herum verlaufen kann. Zum Beispiel kann die Ablassleitung 26 derart konstruiert sein, dass der Wasserstoffstromströmungsweg sich schraubenförmig um das Kühlschild 24 herum windet, wie gezeigt, oder einen schlangenförmigen Verlauf um das Kühlschild 24 herum nimmt (nicht gezeigt). Das Kühlschild 24 ist aus einem Material mit einer hohen thermischen Leitfähigkeit wie z. B. Kupfer oder Aluminium gefertigt.

Die Ablassleitung 26 kann in verschiedenen Positionen an dem inneren Tank 22 angebracht sein. Zum Beispiel, wie in 1A gezeigt, ist die Ablassleitung 26 an einer Seite des inneren Tanks 22 angebracht, die ca. 95% des Flüssigkeitsniveaus des inneren Tanks 22 entspricht. In anderen Worten, die Ablassleitung 26 ist an dem inneren Tank 22 an einer Position angebracht, die dem ca. 95%-Niveau des Fassungsvermögens des inneren Tanks 22 entspricht. Alternativ kann die Ablassleitung 26, wie in den verdeckten Linien in 1A gezeigt, an einer Oberseite des inneren Tanks 22 angebracht sein, so dass die Ablassleitung bei dem ca. 100%-Niveau des Fassungsvermögens des inneren Tanks 22 angeordnet ist. Die Position der Ablassleitung 26 kann den Zustand des aus dem inneren Tank 22 abgelassenen Wasserstoffs beeinflussen. Das heisst, der aus dem inneren Tank 22 abgelassene Wasserstoff kann in einer flüssigen Form oder einer gasförmigen Form vorliegen, abhängig von dem Flüssigkeitsniveau in dem inneren Tank 22 und der Position, an der die Ablassleitung 26 an dem inneren Tank 22 angebracht ist, wie unten stehend beschrieben.

Die oben beschriebene Beschreibung des vielschichtigen vakuum-superisolierten Tieftemperatur-Flüssiggasspeichertanks 20 ist beispielhaft nur zum Zweck des Verstehens der in der vorliegenden Erfindung offen gelegten Verfahren. Demgemäß können Abweichungen und Variationen in der speziellen Konfiguration des Speichertanks 20 verwendet werden, ohne von dem Umfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Zum Beispiel kann der Speichertank 20 aus unterschiedlichen Materialien mit unterschiedlichen Isolationswerten oder -arten gefertigt sein, können unterschiedliche Typen von Kühlschilden 24 einschließen und dergleichen. Darüber hinaus sollte einzusehen sein, dass der Speichertank 20, während er als im Allgemeinen zylindrisch dargestellt ist, eine Vielfalt anderer Formen wie z. B. nicht zylindrische und asymmetrische Konfigurationen annehmen kann.

Derzeit werden Speichertanks 20 auf stationären und mobilen Plattformen auf eine Art und Weise betrieben, die das Ablassen von Wasserstoff in einem flüssigen Zustand aus dem inneren Tank 22 vermeiden. Das Vermeiden des Ablassens von Wasserstoff in einem flüssigen Zustand weist Nachteile darin auf, wie der Speichertank 20 betrieben wird. Im Speziellen beschränkt das Vermeiden des Ablassens von flüssigem Wasserstoff den Druck und die Temperatur, bei dem/der der Speichertank 20 betrieben wird, um den Wasserstoff in einem zweiphasigen Zustand von Flüssigkeit und Gas mit einer Gasblase an dem oberen Abschnitt des inneren Tanks 22 zu halten, so dass, wenn das Ventil 28 öffnet, Wasserstoff in einer gasförmigen Form durch die Ablassleitung 26 strömt. Zusätzlich begrenzt das Vermeiden des Ablassens von flüssigem Wasserstoff auch die Menge von Wasserstoff, die in dem inneren Tank 22 angeordnet werden kann. Das heisst, die Menge von flüssigem Wasserstoff, die in dem inneren Tank 22 beim Auffüllen des inneren Tanks 22 angeordnet werden kann, ist begrenzt, so dass, wenn das Ventil 28 öffnet, das Flüssigkeitsniveau in dem inneren Tank unterhalb des Niveaus liegt, an dem die Ablassleitung 26 an dem inneren Tank 22 angebracht ist. Wenn z. B. die Ablassleitung 26 an dem ca. 95%-Niveau des Fassungsvermögens des inneren Tanks 22 angeordnet ist, ist die erste Füllung des inneren Tanks 22 mit Wasserstoff auf ein Flüssigkeitsniveau von etwa 80 – 85% bei den typischen Temperaturen, bei denen zu betreiben der Speichertank konstruiert ist, beschränkt. Diese Beschränkung an dem Niveau des flüssigen Wasserstoffs, der in dem inneren Tank 22 angeordnet werden kann, verringert das Gesamtfassungsvermögen des Speichertanks 20 auf weniger als das theoretische Fassungsvermögen von 100% voll von flüssigem Wasserstoff. Beispiele für einen typischen Betrieb eines Tieftemperatur-Flüssiggasspeichertanks 20 ohne ein Kühlschild 24 ohne Ablassen von flüssigem Wasserstoff sind in Beispiel 1 und mit einem Ablassen von flüssigem Wasserstoff in Beispiel 2 gezeigt.

Beispiel 1

Die 2A und B zeigen ein Beispiel eines typischen Betriebs eines Tieftemperatur-Flüssiggasspeichertanks ohne ein Kühlschild und wobei die Ablassleitung an einem 95%-Niveau des Fassungsvermögens des Speichertanks angeordnet ist. In Beispiel 1 wird flüssiger Wasserstoff nicht aus dem Speichertank abgelassen. Der Graph 50 zeigt den Druck, das Flüssigkeitsniveau und die Ablass- oder Abdampfrate von Wasserstoff in dem Speichertank über eine Periode von Tagen. Die Ablassrate und Abdampfrate wie hierin verwendet sind äquivalent und beide beziehen sich auf die Rate, bei der Wasserstoff durch die Ablassleitung strömt. Die Linie 52 stellt das volumetrische Flüssigkeitsniveau von Wasserstoff in dem Speichertank 20 als einen prozentualen Anteil dar. Die Linie 54 stellt das Druckniveau in dem inneren Tank 22 in MPa dar. Die Linie 56 stellt die Ablass- oder Abdampfrate von aus dem inneren Tank 22 abgelassenem Wasserstoff in kg/Tag dar. Der Graph 60 (2B) ist ein Phasendiagramm des Wasserstoffs in dem inneren Tank 22. Die Linie 61 stellt den physikalischen Zustand des Wasserstoffs entsprechend dem in 2A gezeigten Betrieb dar. Die Linien 62 stellen Linien eines konstanten volumetrischen Flüssigkeitsniveaus für den Wasserstoff innerhalb der Glocke 64 dar. Der ganz linke Bereich von Graph 60 außerhalb der Glocke 64 stellt Wasserstoff in einem vollständig gasförmigen Zustand dar, während die ganz rechte Seite von Graph 60 außerhalb der Glocke 64 Wasserstoff in einem vollständig flüssigen Zustand darstellt. Die Glocke 64 stellt gesättigtes Gas bzw. gesättigte Flüssigkeit dar.

In diesem Beispiel ist das Speichern von Wasserstoff in dem Speichertank über eine Zeitspanne gezeigt. Zu Beginn ist der Speichertank mit Wasserstoff gefüllt, so dass das Flüssigkeitsniveau in dem Tank 22 ca. 85% des Fassungsvermögens des inneren Tanks 22 beträgt, während die verbleibenden 15% des Fassungsvermögens des inneren Tanks 22 den Wasserstoff in einem gasförmigen Zustand enthalten. Der Anfangsdruck des Wasserstoffs in dem Speichertank beträgt etwa 0,4 MPa und Wasserstoff wird nicht aus dem Speichertank abgelassen, da das Druckniveau in dem Speichertank sich nicht auf dem vorbestimmten Niveau befindet, das ein Öffnen des Entlüftungsventils bewirkt. Dieser Anfangszustand ist in den Graphen 50, 60 als Zustand 0 bezeichnet. Der Wärmezufluss über die Zeit in den inneren Tank hinein bewirkt, dass die Temperatur des Wasserstoffs ansteigt, was wiederum bewirkt, dass der Druck in dem inneren Tank wie durch die Druckniveaulinie 54 angezeigt ansteigt. Gleichzeitig steigt auch das Niveau von flüssigem Wasserstoff in dem Speichertank wie durch die Flüssigkeitsniveaulinie 52 angezeigt, da der flüssige Wasserstoff sich mit steigender Temperatur ausdehnt. Der Druck in dem Speichertank steigt weiter an, bis der Druck den vorbestimmten Ablass- oder Abdampfdruck erreicht, bei dem das Entlüftungsventil öffnet, in diesem Fall bei ca. 0,7 MPa wie als Zustand 1 in den Graphen 50, 60 angezeigt. Das Flüssigkeitsniveau des Wasserstoffs bei dem Zustand 1 liegt gerade unter 95%, wie in dem Phasendiagramm 60 zu sehen ist. Bei dem Zustand 1, wenn das Entlüftungsventil öffnet, beginnt gasförmiger Wasserstoff aus dem Speichertank abgelassen oder abgedampft zu werden, wie durch die Ablassratenlinie 56 angezeigt. Während der Speichertank gasförmigen Wasserstoff ablässt, bleibt das Druckniveau in dem Speichertank im Wesentlichen konstant, während das Flüssigkeitsniveau des Wasserstoffs in dem inneren Tank weiter abfällt. Nach einer ausreichenden Zeitspanne ist alles von dem flüssigen Wasserstoff in dem Speichertank in einen gasförmigen Zustand verdunstet und der Tank wird vollständig leer von flüssigem Wasserstoff, was als Zustand 2 in den Graphen 50, 60 angezeigt ist. In dem Augenblick, in dem der letzte flüssige Wasserstoff zu gasförmigem Wasserstoff verdampft ist, tritt wegen des fortgesetzten Wärmezuflusses, der als Ganzes den gasförmigen Wasserstoff erwärmt, eine Spitze in der Ablassrate von Wasserstoff auf, wohingegen nur ein Teil des Wärmezuflusses den gasförmigen Wasserstoff erwärmt, während der Großteil davon den flüssigen Wasserstoff in dem Speichertank verdampft hat. In anderen Worten, die Verdampfungswärme ist nicht länger vorhanden, und die gesamte in den Speichertank gelangende Wärme wird in Richtung Erhöhen der Temperatur des Wasserstoffgases anstatt Verdampfen der Wasserstoffflüssigkeit gehen. Daher tritt wegen der plötzlichen Abwesenheit der Verdampfungswärme eine Spitze in der Ablassrate des Wasserstoffs aus dem Speichertank auf. Nach dem Zustand 2 fällt die Ablassrate des Wasserstoffs aus dem Speichertank sehr schnell ab, wenn das Gas sich von dem Wärmezufluss schneller erwärmt und aus dem Speichertank abgelassen wird. Zuletzt fällt die Rate des Wasserstoffs, der aus dem Speichertank abgelassen wird, auf etwa null ab, und die Menge von Wasserstoff in dem Speichertank ist im Wesentlichen null.

Somit ist in dem Beispiel 1 der Speichertank bis ca. 85% mit flüssigem Wasserstoff gefüllt und wenn Wärme in das System eintritt, wird der Druck in dem Speichertank zunehmen, bis er ein Niveau erreicht auf dem das Entlüftungsventil öffnet. Zu diesem Zeitpunkt ist der Wasserstoff noch immer in einem zweiphasigen Zustand und gasförmiger Wasserstoff beginnt aus dem Speichertank abgelassen zu werde. Das Ablassen von Wasserstoff geht weiter, bis der gesamte flüssige Wasserstoff zu gasförmigem Wasserstoff verdunstet oder verdampft ist, zu welchem Zeitpunkt in der Rate des aus dem Speichertank abgelassenen Wasserstoffs eine Spitze auftritt. Die Ablassrate fällt schnell ab, und der Tank ist innerhalb einer Zeitspanne von ca. 10 – 11 Tagen im Wesentlichen leer von Wasserstoff.

Beispiel 2

Unter nunmehriger Bezugnahme auf die 3A-C ist ein zweites Beispiel einer Wasserstoffspeicherung gezeigt. In diesem Beispiel ist Wasserstoff in einem Speichertank gespeichert, der kein Kühlschild aufweist, wobei die Ablassleitung an dem 95%-Niveau des Fassungsvermögens angeordnet ist und der Speichertank derart betrieben wird, dass flüssiger Wasserstoff für eine Zeitspanne aus dem Speichertank abgelassen wird. Der Graph 70 (3A und B) zeigt das Druckniveau in dem Speichertank, das Niveau von flüssigem Wasserstoff in dem Speichertank und die Ablass- oder Abdampfrate von Wasserstoff aus dem Speichertank als eine Funktion der Zeit. Die Linie 72 stellt das volumetrische Flüssigkeitsniveau von flüssigem Wasserstoff in dem Speichertank als einen prozentualen Anteil des Fassungsvermögens des Speichertanks dar. Die Linie 74 stellt das Druckniveau in dem Speichertank in MPa dar. Die Linie 76 stellt die Ablass- oder Abdampfrate von Wasserstoff aus dem Speichertank in kg/Tag dar. Der Graph 80 (3C) ist ein Phasendiagramm, wobei die Linie 81 den Zustand des Wasserstoffs bei verschiedenen Stufen entsprechend dem Betrieb des Speichertanks darstellt. Die Linien 82 stellen ein konstantes volumetrisches Flüssigkeitsniveau des Wasserstoffs innerhalb der Glocke bzw. Glockenlinie 84 dar. Der ganz linke Bereich von Graph 80 außerhalb der Glocke 84 stellt den Wasserstoff in einem vollständig gasförmigen Zustand dar, während der Bereich in Graph 80 ganz rechts außerhalb der Glocke 84 den Wasserstoff in einem vollständig flüssigen Zustand darstellt. Die Glocke 84 stellt gesättigtes Gas bzw. gesättigte Flüssigkeit dar.

In diesem Beispiel ist der Speichertank zu Beginn mit Wasserstoff gefüllt, so dass das Flüssigkeitsniveau des Wasserstoffs ca. 95% des Fassungsvermögens des Speichertanks beträgt, ein überfüllter Zustand, wie durch die Linie 72 bei Zustand 0 dargestellt ist. Der Wasserstoff wird dem Speichertank bei einem Druck von ca. 0,4 MPa zugefügt, und somit ist die Ablassrate null, da das Entlüftungsventil augenblicklich geschlossen ist, da der vorbestimmte Druck in dem inneren Tank nicht erreicht wurde.

Wenn ein Wärmezufluss in den Speichertank eintritt, steigt die Temperatur des Wasserstoffs an, was auch bewirkt, dass der Druck in dem Speichertank ansteigt und schnell den Punkt erreicht, an dem der Wasserstoff von einem zweiphasigen Zustand von Gas und Flüssigkeit in einen einphasigen Zustand von Flüssigkeit übergeht, wie bei Zustand 1 angezeigt. Dies geschieht in diesem Beispiel sehr rasch, da das Wasserstoffniveau in dem Speichertank bei 95% des Fassungsvermögens des Tanks begann, was ein überfüllter Zustand für einen typischen Betrieb nach dem Stand der Technik des Speichertanks ist. Da der Wasserstoff nun einen vollständig einphasigen Zustand von Flüssigkeit angenommen hat, kann die Flüssigkeit sich nicht länger auf Grund eines weiteren Wärmezuflusses in den Speichertank hinein ausdehnen, während gasförmiger Wasserstoff komprimiert und kondensiert wird. Als ein Ergebnis erhöht sich die Rate, bei der der Druck in den Speichertanks ansteigt, wie durch die Änderung des Anstiegs der Druckniveaulinie 74 an beiden Seiten des Zustands 1 angezeigt. Dieser Anstieg erfolgt auf Grund des Nicht-Vorhandenseins eines Gaspuffers, der zulässt, dass die Flüssigkeit sich frei ausdehnt, und das Druckniveau in dem Speichertank steigt daher schneller, sobald der Wasserstoff von einem zweiphasigen Zustand von Gas und Flüssigkeit in einen einphasigen Zustand von Flüssigkeit wechselt. Der Druck in dem Speichertank steigt weiter, bis der Druck ein vorbestimmtes Niveau erreicht, zu welcher Zeit das Entlüftungsventil öffnet, wie durch den Zustand 2 in den Graphen 70, 80 angezeigt. In diesem Beispiel öffnet das Entlüftungsventil bei ca. 0,7 MPa wie durch die Druckniveaulinie 74 bei Zustand 2 angezeigt.

Da der Wasserstoff in dem Speichertank sich in einem einphasigen Zustand von Flüssigkeit befindet, bewirkt das Öffnen des Entlüftungsventils, dass flüssiger Wasserstoff durch die Ablassleitung strömt und aus dem Speichertank austritt. Die Ablassrate des flüssigen Wasserstoffs ist im Wesentlichen konstant und in etwa die gleiche Rate, wie wenn reines Gas in dem Beispiel 1 zwischen den Zuständen 1 und 2 abgelassen wird. Das Ablassen von Wasserstoff bei dieser Rate wird fortgesetzt, bis der Wasserstoff wieder in einen zweiphasigen Zustand von Flüssigkeit und Gas eintritt oder übergeht, wie bei Zustand 3 in den Graphen 70 und 80 angezeigt. Wenn der Wasserstoff in den zweiphasigen Zustand von Flüssigkeit und Gas eintritt, beginnt sich an der Oberseite des Speichertanks gasförmigen Wasserstoff zu bilden. Die Ablassrate an diesem Punkt macht einen beträchtlichen Sprung auf Grund des Ablassens von flüssigem Wasserstoff wie durch die Ablassratenlinie 76 bei Zustand 3 angezeigt. Wie an dem gespreizten Abschnitt von Graph 70 in 3B zu sehen, bleibt die Ablassrate des Wasserstoffs auf diesem hohen Niveau, bis eine ausreichende Menge von Wasserstoff in dem Speichertank in den gasförmigen Zustand verdampft ist, so dass die Ablassleitung beginnt, gasförmigen Wasserstoff an Stelle von flüssigem Wasserstoff abzulassen. In anderen Worten, diese hohe Ablassrate besteht weiterhin, bis das Flüssigkeitsniveau des Wasserstoffs unter der Position in dem Speichertank des Einlasses der Ablassleitung liegt. In diesem Beispiel erreicht die Ablassrate eine Spitze von ca. 2,7 kg/Tag und dauert für ca. 90 Minuten an, wie durch den Zustand 4 in den Graphen 70, 80 gezeigt. Somit bildet sich zwischen den Zuständen 3 und 4 gasförmiger Wasserstoff in dem Speichertank, und während das Gas sich weiterhin bildet, drückt es den flüssigen Wasserstoff durch die Ablassleitung aus dem Tank.

Sobald das Flüssigkeitsniveau des Wasserstoffs unter das 95%-Niveau in dem Speichertank (die Position der Ablassleitung) abfällt, kehrt das Ablassen des Wasserstoffs in einen normaleren Zustand ähnlich dem zurück, der in dem Beispiel eins gezeigt ist, worin der Wasserstoff bei einer Rate von ca. 0,42 kg/Tag abgelassen wird. Dies wird fortgesetzt, bis der gesamte flüssige Wasserstoff zu gasförmigem Wasserstoff verdunstet oder verdampft ist, wie bei Zustand 5 in den Graphen 70, 80 angezeigt. Zu diesem Zeitpunkt, genau wie es in dem Beispiel eins geschehen ist, tritt eine Spitze in der Ablassrate des Wasserstoffs aus dem Speichertank als ein Ergebnis des Wärmezuflusses, der als Ganzes den gasförmigen Wasserstoff erwärmt, auf, im Gegensatz zur Verdampfungswärme von flüssigem Wasserstoff, die genau vor dem Erreichen des Zustands 5 auftritt. Nach dem Zustand 5 fällt die Ablassrate schnell ab und ist im Wesentlichen die gleiche wie die in dem Beispiel 1 folgend auf das Auftreten des Zustands 2 gezeigte.

Somit steigt in Beispiel 2, wenn der Speichertank mit flüssigem Wasserstoff auf das ca. 95%-Niveau überfüllt ist und kein Kühlschild verwendet wird, der Druck in dem Speichertank auf Grund des Wärmezuflusses an, und der Wasserstoff geht von einem zweiphasigen Zustand von Gas und Flüssigkeit in einen einphasigen Zustand von nur Flüssigkeit über. Dieser Übergang resultiert in einer großen Spitzenablassrate, die während des Ablassens von Wasserstoff auftritt, wenn der Wasserstoff von dem einphasigen Zustand von Flüssigkeit zurück in einen zweiphasigen Zustand von Flüssigkeit und Gas übergeht. Während die Ablassrate in Beispiel 2 deutlich höher als die Ablassrate in Beispiel 1 ist, sinkt das Niveau von Wasserstoff in dem Speichertank schneller ab und erreicht ein im Wesentlichen Null-Niveau schneller als das in Beispiel 1, worin kein Ablassen von Flüssigkeit erfolgt und der Wasserstoff niemals in einen einphasigen Zustand von Flüssigkeit eintritt. Zusätzlich geht auf Grund dessen, dass die anfängliche Menge von Wasserstoff in dem Speichertank größer als jene in Beispiel 1 ist, mehr Wasserstoff verloren. Somit erhöht das Zulassen eines Übergangs des Wasserstoffs in dem Speichertank von einem zweiphasigen Zustand von Flüssigkeit und Gas in einen einphasigen Zustand von Flüssigkeit die gesamte effektive Ablassrate des Wasserstoffs aus dem Speichertank und resultiert in einer Zunahme an verlorener Energie. Darüber hinaus muss das Überdruckventil bzw. Ventil 28 in der Lage sein, flüssigen Wasserstoffzuständen standzuhalten, korrekt zu arbeiten und dafür zertifiziert sein. Die große Spitze in der Abdampfrate würde vielleicht auch Probleme für ein Abdampfregelsystem bewirken, das für eine regelmäßige Abdampfrate konstruiert ist und die Spitze nicht bewältigen könnte.

Beispiel 3

Unter nunmehriger Bezugnahme auf die 4A-C ist ein Verfahren gemäß den Prinzipien der vorliegenden Erfindung zum Betreiben eines Speichertanks gezeigt. In diesem Beispiel ist der Speichertank im Wesentlichen derselbe wie der in den Beispielen 1 und 2 verwendete mit dem Zusatz eines Kühlschildes, um das herum der aus dem inneren Tank abgelassene Wasserstoff vor dem Austreten aus dem äußeren Tank strömt. Die Verwendung eines Kühlschildes wie unten stehend beschrieben stellt einen beträchtlichen Vorteil bereit und verringert die gesamte oder effektive Ablassrate von Wasserstoff, so dass die Dauer, die der Wasserstoff in dem Speichertank bleibt, wesentlich erhöht wird. Die Verwendung eines Kühlschildes verkleinert ferner in hohem Ausmaß die große Abdampfspitze in dem Beispiel 2 zweischen den Zuständen 3 und 4.

Der Graph 90 in den 4A und B stellt das Druckniveau in dem inneren Tank, das Niveau von flüssigem Wasserstoff in dem Tank und die Ablassrate des Wasserstoffs aus dem Tank als eine Funktion der Zeit dar. Im Speziellen stellt die Linie 92 das volumetrische Niveau von flüssigem Wasserstoff in dem Tank als einen prozentualen Anteil des Fassungsvermögens des Tanks dar. Die Linie 94 stellt das Druckniveau in dem inneren Tank in MPa dar. Die Linie 96 stellt die Ablass- oder Abdampfrate von Wasserstoff aus dem Speichertank in kg/Tag dar. Der in 4C gezeigte Graph 100 ist ein Phasendiagramm, wobei die Linie 101 den Zustand des Wasserstoffs entsprechend dem Betrieb des Speichertanks darstellt. Die Linien 102 innerhalb der Glocke 104 des Phasendiagramms stellen Linien eines konstanten Flüssigkeitsniveaus des Wasserstoffs dar. Die ganz linke Seite von Graph 100 außerhalb der Glocke 104 stellt den Bereich dar, in dem der Wasserstoff in einem einphasigen Zustand von Gas vorliegt, während die ganz rechte Seite von Graph 100 außerhalb der Glocke 104 einen Bereich darstellt, in dem der Wasserstoff in einem einphasigen Zustand von Flüssigkeit vorliegt. Die Glocke 104 stellt gesättigtes Gas bzw. gesättigte Flüssigkeit dar.

In diesem Beispiel ist der Speichertank zu Beginn mit Wasserstoff gefüllt, so dass das Flüssigkeitsniveau des Wasserstoffs ca. 95% des Fassungsvermögens des Speichertanks beträgt, wie durch die Flüssigkeitsniveaulinie 92 bei Zustand 0 angezeigt. Das Anfangsdruckniveau in dem Speichertank beginnt ebenfalls bei ca. 0,4 MPa, wie durch die Druckniveaulinie 94 bei Zustand 0 dargestellt. Wenn der Wärmezufluss in den inneren Tank eintritt, beginnt die Temperatur des Wasserstoffs anzusteigen und als ein Ergebnis steigt auch der Druck in dem Speichertank an. Wenn der Wasserstoff in dem Speichertank auf einen ausreichenden Druck ansteigt, wie bei Zustand 1 dargestellt, geht der Wasserstoff von einem zweiphasigen Zustand von Flüssigkeit und Gas in einen einphasigen Zustand von Flüssigkeit über. Wenn die Wärme weiterhin in den inneren Tank hinein strömt, steigen die Temperatur und der Druck des Wasserstoffs weiter an, bis der Druck das vorbestimmte Niveau erreicht, bei dem das Entlüftungsventil öffnet, um damit zu beginnen, Wasserstoff durch die Ablassleitung abzulassen, wie bei Zustand 2 angezeigt. Wiederum beträgt der vorbestimmte Druck ca. 0,7 MPa, wie durch die Druckniveaulinie 94 bei Zustand 2 angezeigt. Wenn das vorbestimmte Druckniveau erreicht ist und das Entlüftungsventil öffnet, beginnt flüssiger Wasserstoff aus dem inneren Tank 22 abgelassen zu werden und strömt um das Kühlschild 24 herum, bevor es aus dem äußeren Tank 32 austritt. Da der abgelassene Wasserstoff um ein Kühlschild herum strömt, tritt eine erste Spitze in der Ablassrate auf, wie durch die Ablassratenlinie 96 bei Zustand 2 angezeigt. Diese erste Spitze reicht bis zu einer Rate von ca. 0,38 kg/Tag und sinkt schnell ab auf eine Rate von unter etwa 0,19 kg/Tag. Die anfängliche Spitze von etwa 0,38 kg/Tag ist etwa die selbe wie die anfängliche Ablassrate von flüssigem Wasserstoff in den Beispielen 1 und 2. Das Ablassniveau in Beispiel 3 sinkt jedoch schnell auf etwa 0,19 kg/Tag ab, was in etwa die Hälfte der Ablassrate ist, die in den Beispielen 1 und 2 auftritt. Das schnelle Absinken ist ein direktes Ergebnis dessen, dass der flüssige Wasserstoff um das Kühlschild herum strömt. Die Strömung von flüssigem Wasserstoff um das Kühlschild herum sorgt für eine Reduktion im Wärmezufluss in den inneren Tank hinein, und als ein Ergebnis kommt es zu einer niedrigeren Ablassrate von Wasserstoff aus dem Speichertank. Das Ablassen von flüssigem Wasserstoff aus dem Speichertank erfolgt weiterhin bei im Wesentlichen dieser Rate, bis der Wasserstoff von einem einphasigen Zustand von Flüssigkeit in einen zweiphasigen Zustand von Flüssigkeit und Gas übergeht, wie bei Zustand 3 in den Graphen 90, 100 angezeigt. Der abgelassene flüssige Wasserstoff wird in dem Kühlschild verdampft, so dass er den Aussentank 32 in einem warmen gasförmigen Zustand, nicht in einem flüssigen Tieftemperaturzustand durchströmt.

Wenn der Wasserstoff von einem einphasigen Zustand von Flüssigkeit in einen zweiphasigen Zustand von Flüssigkeit und Gas übergeht, tritt eine Spitze in der Ablassrate von Wasserstoff aus dem Speichertank auf, wie durch die Ablassratenlinie 96 bei Zustand 3 angezeigt. Die Verwendung des Kühlschildes 24 bewirkt jedoch, dass die Ablassrate schnell absinkt und verringert die Spitzenablassrate auf ca. 1 kg/Tag. Diese Ablassrate sinkt dann sehr schnell auf eine niedrigere Rate ab, die im Wesentlichen konstant bleibt, während flüssiger Wasserstoff weiterhin aus dem Speichertank abgelassen wird, bis der Zustand 4 erreicht ist. Wiederum wird der abgelassene Flüssige Wasserstoff in dem Kühlschild verdampft, so dass er den Aussentank 32 in einem warmen gasförmigen Zustand, nicht in einem flüssigen Tieftemperaturzustand durchströmt. Bei Zustand 4 ist das Niveau von Wasserstoffgas in dem Speichertank auf einen ausreichenden Betrag angestiegen, um zu bewirken, dass der Einlass zu der Ablassleitung über dem Niveau des flüssigen Wasserstoffs liegt und ein Ablassen von gasförmigem Wasserstoff an Stelle eines Ablassens von flüssigem Wasserstoff erfolgt. Beim Erreichen von Zustand 4 fällt die Ablassrate von Wasserstoff ab und erfährt auf Grund des Vorhandenseins des Kühlschilds eine kurze Spitze nach unten, die schnell zu einer stationären Ablassrate ansteigt, wie durch die Ablassratenlinie 96 gleich nach Zustand 4 angezeigt. Der unmittelbar auf die negative Spitze folgende schnelle Anstieg in der Ablassrate von Wasserstoff aus dem Speichertank ist ein Ergebnis davon, dass der gasförmige Wasserstoff an Stelle von flüssigem Wasserstoff durch das Kühlschild strömt. Das heisst, der gasförmige Wasserstoff hat nicht eine so große Kühlwirkung auf das Kühlschild, und als ein Ergebnis weist das Kühlschild eine geringere Wirkung auf den Wärmezufluss in den inneren Tank hinein auf, wenn gasförmiger Wasserstoff durch die Ablassleitung strömt. Die Ablassrate von Wasserstoff stellt schnell eine neue stationäre Rate von gerade über 0,2 kg/Tag her, bis der Wasserstoff den Zustand 5 erreicht, der dem Wasserstoffübergang von einem zweiphasigen Zustand von Flüssigkeit und Gas in einen einphasigen Zustand von Gas entspricht. Diese stationäre Ablassrate ist in etwa die Hälfte der stationären Rate zwischen den Zuständen 4 und 5 in Beispiel 2 und zwischen den Zuständen 1 und 3 in Beispiel 1.

Wenn der Wasserstoff in dem Speichertank von dem zweiphasigen Zustand von Flüssigkeit und Gas in den einphasigen Zustand von Gas übergeht, erfährt die Ablassrate eine kurze Spitze, die dann abnimmt, wie durch die Ablassratenlinie 96 bei Zustand 5 und unmittelbar danach angezeigt. Die Ablassrate von Wasserstoff aus dem Speichertank sinkt weiter ab, bis im Wesentlichen kein Wasserstoff vorhanden ist, was irgendwann nach 20 Tage geschieht, wie durch die Ablassratenlinie 96 angezeigt.

Somit stellt in Beispiel 3 die Verwendung eines Kühlschildes eine beträchtliche Verbesserung in der Ablassrate von Wasserstoff aus einem Speichertank bereit. Insbesondere resultiert die Verwendung eines Kühlschildes in kleineren Spitzen oder Maxima des Ablassens und in schnelleren Abnahmen in der Ablassrate von Wasserstoff. Darüber hinaus verringert die Verwendung eines Kühlschildes auch die stationären Ablassraten auf ca. die Hälfte von jenen ohne die Verwendung des Kühlschildes. Somit kann bei Verwendung eines Kühlschildes Wasserstoff für eine längere Zeitdauer in dem Speichertank gespeichert bleiben als ohne die Verwendung eines Kühlschildes. Die Verwendung eines Kühlschildes erlaubt auch das Füllen des Tanks mit Wasserstoff bei einem Niveau von 95% oder mehr des Fassungsvermögens des Tanks, während es noch immer die verringerte Ablassrate von Wasserstoff aus dem Speichertank bereitstellt. Demgemäß ermöglicht die Verwendung eines Kühlschildes, eine größere Menge von Wasserstoff in einem Speichertank eines gegebenen Volumens sicher zu speichern und senkt die Rate, bei der der Wasserstoff aus dem Speichertank abgelassen wird, um das Druckniveau in dem Speichertank bei einem oder unterhalb eines vorbestimmten Druckniveau/s zu halten.

Die Beispiele 1 – 3 demonstrieren alle den Betrieb eines Speichertanks 20 zum Speichern von Wasserstoff, wenn nichts von dem Wasserstoff in dem Tank von der mobilen Plattform 34, auf der der Speichertank 20 verwendet wird, verbraucht wird. Wenn die mobile Plattform 34 betrieben wird, so dass das Brennstoffzellensystem 36 Wasserstoff von dem Speichertank 20 empfängt, wird sich der Betrieb des Speichertanks 20 beim Speichern von Wasserstoff ändern. Das heisst, der Verbrauch von Wasserstoff durch die mobile Plattform 34 aus dem Speichertank 20 wird bewirken, dass das Druckniveau in dem Speichertank 20 auf ein Betriebsniveau unterhalb des Ablassniveaus abfällt. Als ein Ergebnis kann der Wasserstoff in dem Speichertank 20 von einem zweiphasigen Zustand von Flüssigkeit und Gas in einen einphasigen Zustand von Flüssigkeit übergehen und, abhängig von dem Betrieb der Plattform 34, viele Male dazwischen hin- und herschwanken.

Zum Beispiel zeigt, unter nunmehriger Bezugnahme auf 5, ein Graph 110 das Phasendiagramm für den Wasserstoff während verschiedener Betriebsbedingungen des Speichertanks 20 und der mobilen Plattform 34 bei einem Betrieb gemäß dem Prinzip der vorliegenden Erfindung. Die Linie 111 stellt den Zustand des Wasserstoffs in dem Speichertank 20 dar. Die Linien 112 innerhalb der Glocke 114 stellen Linien eines konstanten volumetrischen Niveaus dar. Die ganz linke Seite von Graph 110 außerhalb der Glocke 114 stellt den Bereich dar, in dem der Wasserstoff in einem einphasigen Zustand von Gas vorliegt, während der Bereich auf der ganz rechten Seite von Graph 110 außerhalb der Glocke 114 den Bereich darstellt, in dem der Wasserstoff in einem einphasigen Zustand von Flüssigkeit vorliegt. In diesem Szenario befindet sich der Wasserstoff bei einem anfänglichen Niveau von ca. 98% Flüssigkeit und 2% Gas in dem Speichertank 20, wie bei Zustand 0 angezeigt. Die mobile Plattform 34 verbraucht zu diesem Zeitpunkt keinen Wasserstoff aus dem Speichertank 20. Wenn ein Wärmezufluss in den inneren Tank 22 eintritt, steigt die Temperatur des Wasserstoffs an und als ein Ergebnis steigt auch der Druck in dem inneren Tank 22 an. Die Temperatur und der Druck in dem inneren Tank 22 steigen weiter an, bis der vorbestimmte Ablassdruck bei Zustand 2 erreicht ist, und das Entlüftungsventil 28 öffnet, um Wasserstoff durch die Ablassleitung 26 freizusetzen. Wenn das Entlüftungsventil 28 öffnet, befindet sich der Wasserstoff in dem inneren Tank 22 in einem einphasigen Zustand von Flüssigkeit, und flüssiger Wasserstoff wird durch die Ablassleitung 26 und um das Kühlschild 24 herum abgelassen. Während das Ablassen fortgesetzt wird, nimmt die Menge von Wasserstoff in dem Speichertank 20 ab und als ein Ergebnis nimmt die Dichte des Wasserstoffs in dem Speichertank 20 ab. Die Dichte des Wasserstoffs in dem Speichertank 20 nimmt weiter ab, und dann wird in diesem Beispiel bei Zustand 3 die mobile Plattform 34 betrieben und Wasserstoff wird aus dem Speichertank 20 zu dem Brennstoffzellensystem 36 geliefert, wo er in diesem verbraucht wird, um elektrische Leistung zu erzeugen. Das Zuführen von Wasserstoff aus dem Speichertank 20 zu dem Brennstoffzellensystem 36 bewirkt, dass der Druck in dem inneren Tank 22 absinkt und sich dem Betriebsdruckniveau annähert. Während der Druck abnimmt, geht der Wasserstoff von einem einphasigen Zustand von Flüssigkeit in einen zweiphasigen Zustand von Flüssigkeit und Gas über, wie durch die Linie 111 bei Zustand 4 angezeigt. Während die mobile Plattform 34 weiterhin betrieben wird und Wasserstoff aus dem Speichertank 20 verbraucht wird, sinkt das Niveau von flüssigem Wasserstoff in dem Speichertank 20 weiter ab, während das Niveau von gasförmigem Wasserstoff in dem Speichertank 20 ansteigt. Schließlich bewirkt der Betrieb der mobilen Plattform 34, dass das Druckniveau in dem Speichertank 20 auf den Betriebsdruck absinkt, wie durch die Linie 111 bei Zustand 5 angezeigt. Der fortgesetzte Verbrauch in Kombination mit einer kontrollierten Erwärmung des Tieftemperaturwasserstoffs durch die mobile Plattform 34 aus dem Speichertank 20 bewirkt, dass das Druckniveau im Wesentlichen konstant auf dem Betriebsdruckniveau bleibt, während die Menge von flüssigem Wasserstoff in dem Speichertank 20 abnimmt und die Menge von gasförmigem Wasserstoff in dem Speichertank 20 zunimmt, wie durch die Linie 111 zwischen den Zuständen 5 und 6 angezeigt.

Schließlich endet der Betrieb der mobilen Plattform 34 und der Verbrauch von Wasserstoff aus dem Speichertank 20 endet ebenfalls, wie durch die Linie 111 bei Zustand 6 angezeigt. Wenn der Verbrauch von Wasserstoff aus dem Speichertank 20 beendet ist, bewirkt der Wärmezufluss in den Speichertank 20 hinein, dass die Temperatur und als ein Ergebnis der Druck in dem Speichertank 20 ansteigt, wie vorstehend beschrieben. In Abhängigkeit von dem vorbestimmten Ablassdruck des Speichertanks 20 und der flüssigen und gasförmigen Zusammensetzung des Wasserstoffs in dem Speichertank 20 zu der Zeit, zu der die mobile Plattform 34 aufhört, Wasserstoff aus Speichertanks 20 zu verbrauchen, kann der Wasserstoff von dem zweiphasigen Zustand von Flüssigkeit und Gas wieder in den einphasigen Zustand von Gas übergehen, wie durch die Linie 111 bei Zustand 7 angezeigt. Wenn die mobile Plattform 34 weiter keinen Wasserstoff aus dem Speichertank 20 verbraucht, wird der Wasserstoff aus dem Speichertank 20 abgelassen, wie oben beschrieben, und zurück in einen zweiphasigen Zustand von Flüssigkeit und Gas überführt, gefolgt von einem anschließenden Übergang in einen einphasigen Zustand von Gas, wie durch die Linie 111 bei den Zuständen 8 und 9 angezeigt. Es sollte einzusehen sein, dass der Wasserstoff in dem Speichertank 20 von dem zweiphasigen Zustand von Flüssigkeit und Gas in einen einphasigen Zustand von Flüssigkeit übergehen und viele Male dazwischen hin- und herschwanken kann, bevor er ein Niveau erreicht, bei dem der Wasserstoff auf Grund der verringerten Menge von Wasserstoff in dem Speichertank 20 nicht weiterhin in einen einphasigen Zustand von Flüssigkeit übergeht, unabhängig von dem Betrieb der mobilen Plattform 34.

Somit kann ein Speichertank mit einem Kühlschild gemäß den Prinzipien der vorliegenden Erfindung auf eine Weise betrieben werden, die erlaubt, dass Wasserstoff von einem zweiphasigen Zustand von Gas und Flüssigkeit in einen einphasigen Zustand von Flüssig über- und dazwischen hin- und hergeht. Darüber hinaus ermöglicht die Verwendung des Kühlschildes das Füllen des Tanks mit flüssigem Wasserstoff über 95% des Tankfassungsvermögens und sogar bis zu 100% des Tankfassungsvermögens, während die Rate, bei der der Wasserstoff aus dem Speichertank abgelassen wird, wenn Wasserstoff von der mobilen Plattform 34 nicht verbraucht wird, reduziert wird. Die reduzierte Ablassrate verlängert auch die Länge der Zeit, für die eine gegebene Menge von Wasserstoff in dem Speichertank 20 bleibt, bevor sie vollständig aus dem Speichertank 20 abgelassen ist.

Es sollte einzusehen sein, dass, während die Verfahren der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf einen speziellen Speichertank beschrieben wurden, andere Speichertanks mit ähnlichen Merkmalen und einem Kühlschild ebenfalls verwendet werden können, um die Verfahren umzusetzen. Überdies sollte einzusehen sein, dass der repräsentative Betrieb des Speichertanks 20 ein thermodynamisches Gleichgewicht zwischen dem flüssigen Wasserstoff und dem gasförmigen Wasserstoff voraussetzt, und dass tatsächliche Resultate von den gezeigten abweichen können. Die Annahme eines thermodynamischen Gleichgewichts bedeutet, dass vorausgesetzt wird, dass die Gas- und Flüssigkeitstemperaturen und -drücke dieselben sind, und dass während des Ablassens 100% des Wärmezuflusses in den inneren Tank hinein in die Verdampfung geht, wenn der Wasserstoff in einem zweiphasigen Zustand vorliegt. Die Annahme eines thermodynamischen Gleichgewichts stellt jedoch eine gute Annäherung bereit und kann durch Vergleichen tatsächlicher experimenteller Resultate mit tatsächlich durchgeführten Simulationen überprüft werden.

Zusammengefasst betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben eines unter Druck stehenden Tieftemperatur-Flüssiggasspeichertanks mit einem Kühlschild, um das herum Brennstoff, der aus einem Speichertank abgelassen wird, strömt, um den Speichertank durch Verringern des Einflusses eines Wärmezuflusses in den Speichertank hinein zu kühlen. Das Verfahren der vorliegenden Erfindung sorgt für eine Verringerung in der Menge eines Brennstoffverlustes während des Ablassbetriebs und ermöglicht, ein größeres Volumen von flüssigem Brennstoff in dem Speichertank zu speichern. Das Verfahren umfasst, dass zugelassen wird, dass Brennstoff in einem Speichertank zwischen einem zweiphasigen Zustand von Flüssigkeit und Gas in einen einphasigen Zustand von Flüssigkeit und zurück in einen zweiphasigen Zustand von Flüssigkeit und Gas übergehen kann. Überdies erlaubt die vorliegende Erfindung, einen Speichertank auf ein Flüssigkeitsniveau zu füllen, das höher als etwa 95% des Fassungsvermögens des Speichertanks ist.


Anspruch[de]
Verfahren zum Betreiben eines Systems mit

– einem unter Druck stehenden Tieftemperaturspeichertank (20), der gasförmigen Brennstoff in flüssiger und/oder gasförmiger Form speichert und mit Hilfe eines Kühlschildes (24) Wärmezufluss in den gespeicherten Brennstoff verhindert, und

– einer Vorrichtung (34, 36), die Brennstoff aus dem Tieftemperaturspeichertank verbraucht,

wobei das Verfahren die Schritte umfasst:

(a) Speichern des Brennstoffs in dem Tieftemperaturspeichertank (20) in einem ersten zweiphasigen gasförmigen und flüssigen Zustand und Verhindern von Wärmezufluss in den gespeicherten Brennstoff;

(b) Überführen des Brennstoffs in dem Tieftemperaturspeichertank (20) von dem ersten zweiphasigen Zustand in einen einphasigen flüssigen Zustand durch Druckanstieg durch Wärme, die in den Tieftemperaturspeichertank leckt; und

(c) Überführen des Brennstoffs in dem Tieftemperaturspeichertank (20) von dem einphasigen flüssigen Zustand in einen zweiten zweiphasigen gasförmigen und flüssigen Zustand,

wobei Schritt (c) durch Ablassen eines Teils des flüssigen Brennstoffs aus einem inneren Tank (22) des Tieftemperaturspeichertanks (20) durch das Kühlschild (24) unter Wärmeaustausch mit dem Wärmeleckfluss in das und um das Kühlschild (24) herum durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Schritt (b) wieder durchgeführt wird, sobald die Vorrichtung (34, 36) aufhört, Brennstoff aus dem Tieftemperaturspeichertank (20) zu verbrauchen. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Schritt (b), dann Schritt (c), dann Schritt (b) wiederholt durchgeführt werden, wenn die Vorrichtung (34, 36) Brennstoff aus dem Tieftemperaturspeichertank (20) verbraucht und aufhört zu verbrauchen. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Schritt (b) ferner umfasst, dass das Druckniveau in dem Tieftemperaturspeichertank (20) gesteuert wird, um den Druck in dem Tieftemperaturspeichertank (20) zu erhöhen, während der Brennstoff in dem Tieftemperaturspeichertank (20) von dem ersten zweiphasigen Zustand in den einphasigen Zustand übergeht. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Schritt (b) ferner umfasst, dass die Menge von Brennstoff in dem Tieftemperaturspeichertank (20) im Wesentlichen konstant gehalten wird, während der Brennstoff in dem Tieftemperaturspeichertank (20) von dem ersten zweiphasigen Zustand in den einphasigen Zustand übergeht. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Tieftemperaturspeichertank (20) eine Außenwand (32) aufweist und das Kühlschild (24) innen von der Außenwand angeordnet ist. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Schritt (c) ferner umfasst, dass das Druckniveau in dem Tieftemperaturspeichertank (20) im Wesentlichen konstant gehalten wird, während der Brennstoff von dem einphasigen Zustand in den zweiten zweiphasigen Zustand überführt wird. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Schritt (c) durchgeführt wird, während die Vorrichtung (34, 36) keinen Brennstoff aus dem Tieftemperaturspeichertank (20) verbraucht. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Schritt (c) eingeleitet wird, wenn das Druckniveau in dem Tieftemperaturspeichertank (20) einen vorbestimmten Wert erreicht. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (34, 36) eine mobile Plattform (34) ist, auf der der Tieftemperaturspeichertank (20) angeordnet ist. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die mobile Plattform eine Brennstoffzelle (36) umfasst, die wirksam ist, um den Brennstoff aus dem Tieftemperaturspeichertank (20) zu verbrauchen. Verfahren zum Betreiben eines Systems mit

– einem unter Druck stehenden Tieftemperaturspeichertank (20) zum Speichern von Wasserstoff in flüssiger und/oder gasförmiger Form,

– einem Kühlschild (24), und

– einer Vorrichtung (24, 36), die Wasserstoff aus dem Tieftemperaturspeichertank (20) verbraucht,

wobei das Verfahren die Schritte umfasst:

(a) Zufügen von Wasserstoff in den Tieftemperaturspeichertank (20), so dass der Tieftemperaturspeichertank (20) mit Wasserstoff in einem ersten zweiphasigen gasförmigen und flüssigen Zustand mit einem Flüssigkeitsniveau von mehr als 95% des Fassungsvermögens des Tieftemperaturspeichertanks (20) gefüllt ist;

(b) Überführen des Brennstoffs in dem Tieftemperaturspeichertank (20) von dem ersten zweiphasigen gasförmigen und flüssigen Zustand in einen ersten einphasigen flüssigen Zustand, während die Wasserstoffmenge in dem Tieftemperaturspeichertank (20) konstant gehalten wird; und

(c) Überführen des Brennstoffs in dem Tieftemperaturspeichertank (20) von dem ersten einphasigen flüssigen Zustand in einen zweiten zweiphasigen gasförmigen und flüssigen Zustand,

wobei Schritt (c) durch Ablassen eines Teils des flüssigen Brennstoffs aus einem inneren Tank (22) des Tieftemperaturspeichertanks (20) durch das Kühlschild (24) unter Wärmeaustausch mit dem Wärmeleckfluss in das und um das Kühlschild (24) herum durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 12,

dadurch gekennzeichnet, dass

– mit dem Verbrauchen von Wasserstoff aus dem Tieftemperaturspeichertank (20) durch die Vorrichtung (34, 36) aufgehört wird und

– zugelassen wird, dass der Wasserstoff in dem Tieftemperaturspeichertank (20) als Ergebnis eines Wärmezuflusses in den Tieftemperaturspeichertank von dem zweiten zweiphasigen gasförmigen und flüssigen Zustand in einen zweiten einphasigen flüssigen Zustand übergeht.
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Druckniveau in dem Tieftemperaturspeichertank (20) gesteuert wird, um den Druck in dem Tieftemperaturspeichertank (20) zu erhöhen, während der Wasserstoff in dem Tieftemperaturspeichertank (20) von dem zweiten zweiphasigen gasförmigen und flüssigen Zustand in den zweiten einphasigen flüssigen Zustand übergeht. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Menge von Wasserstoff in dem Tieftemperaturspeichertank (20) konstant gehalten wird, während der Wasserstoff von dem zweiten zweiphasigen gasförmigen und flüssigen Zustand in den zweiten einphasigen flüssigen Zustand übergeht. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Tieftemperaturspeichertank (20) eine Außenwand (32) aufweist und das Kühlschild (24) innen liegend von der Außenwand angeordnet ist. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass Schritt (b) ferner umfasst, dass das Druckniveau in dem Tieftemperaturspeichertank (20) im Wesentlichen konstant gehalten wird, während der Wasserstoff von dem ersten zweiphasigen gasförmigen und flüssigen Zustand in den ersten einphasigen flüssigen Zustand überführt wird. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass Schritt (b) durchgeführt wird, während die Vorrichtung (34, 36) keinen Brennstoff aus dem Tieftemperaturspeichertank (20) verbraucht. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass Schritt (b) eingeleitet wird, wenn das Druckniveau in dem Tieftemperaturspeichertank (20) einen vorbestimmten Wert erreicht. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass Schritt (a) umfasst, dass dem Tieftemperaturspeichertank (20) Wasserstoff zugefügt wird, so dass der Tieftemperaturspeichertank (20) mit flüssigem Wasserstoff bis etwa 100% des Fassungsvermögens gefüllt ist. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (34, 36) eine mobile Plattform (34) ist, auf der der Tieftemperaturspeichertank (20) angeordnet ist. Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass die mobile Plattform (34) eine Brennstoffzelle (36) umfasst, die wirksam ist, um den Wasserstoff aus dem Tieftemperaturspeichertank (20) zu verbrauchen.






IPC
A Täglicher Lebensbedarf
B Arbeitsverfahren; Transportieren
C Chemie; Hüttenwesen
D Textilien; Papier
E Bauwesen; Erdbohren; Bergbau
F Maschinenbau; Beleuchtung; Heizung; Waffen; Sprengen
G Physik
H Elektrotechnik

Anmelder
Datum

Patentrecherche

Patent Zeichnungen (PDF)

Copyright © 2008 Patent-De Alle Rechte vorbehalten. eMail: info@patent-de.com