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Dokumentenidentifikation DE102006025654A1 27.12.2007
Titel Vorrichtung zur kryogenen Speicherung und Förderung von Kraftstoff
Anmelder Bayerische Motoren Werke AG, 80809 München, DE
Erfinder Brunner, Tobias, 85649 Brunnthal, DE;
Kircher, Oliver, Dr., 82110 Germering, DE;
Fischer, Gregor, 85737 Ismaning, DE;
Hagler, Thomas, Dr., 80997 München, DE
DE-Anmeldedatum 01.06.2006
DE-Aktenzeichen 102006025654
Offenlegungstag 27.12.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 27.12.2007
IPC-Hauptklasse F02M 21/02(2006.01)A, F, I, 20070328, B, H, DE
Zusammenfassung Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur kryogenen Speicherung und Förderung von Kraftstoff, insbesondere zur Versorgung einer ein Kraftfahrzeug antreibenden Brennkraftmaschine. Nach der Erfindung umfasst eine solche Vorrichtung mindestens einen Kryotank, bestehend mindestens aus einem Innenbehälter zur Aufnahme des kryogenen Mediums, der wärmeisoliert in einem Außenbehälter gehalten wird, und einen insbesondere vakuumisolierten Armaturenbehälter, der kalte Armaturen zum Befüllen und Entleeren des Kryotanks enthält. Die Erfindung ist gekennzeichnet durch eine Fördereinrichtung wenigstens zur Entnahme von flüssigem kryogenem Medium aus dem Kryotank, die im Armaturenbehälter untergebracht ist und durch einen ersten Wärmetauscher gekühlt wird.
Die gesamte Kraftstoffversorgungsanlage für kryogenen Wasserstoff (und ähnliche Fluide) besteht aus einem isolierten Speicherbehälter mit Kühlschild und Wärmesenke inklusive einer an die Wärmesenke angebundenen Gasentnahmeleitung sowie einer Vorrichtung für Flüssigentnahme und einer als Diffusor ausgeführten kombinierten Betankungs- und warmen Rückgasleitung zur Druckerhaltung im Entnahmebetrieb, mit einem insbesondere evakuierten Armaturenbehälter inklusive Absperrventilen und einer kühlbaren kryogenen Förderpumpe zur Druckbereitstellung, mit einem Wärmetauschermodul zur Temperierung des entnommenen druckkonditionierten Wasserstoffs, mit einem Nebensystemmodul inklusive Pufferbehälter gegen Druckspitzen, mit ...

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur kryogenen Speicherung und Förderung von Kraftstoff, insbesondere zur Versorgung einer ein Kraftfahrzeug antreibenden Brennkraftmaschine, nach dem Oberbegriff des ersten Anspruchs. Zum technischen Umfeld wird neben der DE 37 41 145 C2 auf die DE 40 41 170 C1 verwiesen.

Kraftstoffe zum Antrieb von Kraftfahrzeugen, wie bspw. Wasserstoff oder Erdgas oder dgl. können auf relativ günstige Weise praktisch nur verflüssigt und somit stark abgekühlt gespeichert werden. Bei dieser kryogenen Kraftstoffspeicherung verdampft jedoch durch Wärmeeintrag in den Kraftstoff-Tank kontinuierlich eine geringe Menge von flüssigem Kraftstoff. Dadurch erhöht sich der Druck im Kraftstoff-Tank, bis der für diesen eingestellte Grenzwert, auch Boil-Off-Druck genannt, erreicht ist und der weiter verdampfende Kraftstoff als so genanntes Boil-Off-Gas aus dem Kraftstoff-Tank abgeblasen werden muss. Insbesondere wenn kein Verbraucher für den Kraftstoff in Betrieb ist, d.h. insbesondere dann, wenn die Brennkraftmaschine außer Betrieb ist, steigt als Folge des Wärmeeintrags ohne Entnahme der Tank-Innendruck an. Aus Sicherheitsgründen muss dieser Druck durch Öffnen von Ventilen begrenzt werden. Im allgemeinen wird dabei das Boil-Off-Gas über Abblaseleitungen, in denen die besagten Ventile vorgesehen sind, in die Umgebung abgegeben. Die Wahl des Betriebsdrucks im Kraftstoff-Tank und des Druckhubs zwischen Betriebsdruck und Boil-Off Druck bestimmen neben der Größe des Wärmeeintrags maßgeblich die verlustfreie Druckaufbauzeit.

Der tiefkalte, flüssige Wasserstoffvorrat wird im Fahrzeug im siedenden oder nahe dem siedenden Zustand in dem thermisch sehr gut isolierten, druckdichten Behälter gespeichert. Die physikalische Dichte des siedenden Wasserstoffs wird dabei durch Lagerung bei einer Temperatur wenig über der Siedetemperatur bei Umgebungsdruck, ca. 20 K, maximal. In den heute technisch umgesetzten Vorratsbehältern liegt der Wasserstoff typischerweise bei Temperaturen von ca. 21 K bis ca. 27 K und den damit korrespondierenden Siededrücken von ca. 2 bar (abs.) bis ca. 5 bar (abs.) vor. Im unteren Teil des Vorratsbehälters liegt der siedende Wasserstoff als massedichtere flüssige Phase (LH2) und darüber liegend als gasförmige Phase (GH2) vor. Es ist sowohl eine gasförmige als auch eine flüssige Entnahme des Wasserstoffs aus dem Speicherbehälter möglich und sinnvoll. Durch Wasserstoffentnahme im Betrieb des Speichers bei Versorgung der Brennkraftmaschine nach einer Druckaufbauphase wird der Speicherdruck bis zum Erreichen des Speicher-Betriebsdrucks ohne gezielten Wärmeeintrag abgebaut. Wegen der bei Flüssigentnahme geringeren Enthalpieabfuhr ist hierfür eine Entnahme aus der Gasphase (Gasentnahme) sinnvoll.

Die unmittelbare Förderung des Wasserstoffs aus dem Vorratsbehälter in eine Vorlaufleitung hin zu einem Konditionierer oder Verbraucher erfolgt also im einfachsten Fall über das zwischen Tankinnerem und der Umgebung anliegende statische Druckgefälle oder durch eine gezielte Bedrückung des Vorratsbehälters. Dabei besteht grundsätzlich die Möglichkeit durch die geometrische Gestaltung der im Tankinneren beginnenden Vorlaufleitung, vorrangig LH2 oder nur GH2 zu fördern. Die Wasserstoffbereitstellung in Masse und Druck erfolgt also durch den Eigendruck des Wasserstoffs im Tankbehälter und wird dem Antriebsaggregat durch Öffnen verschiedener Ventile unter Entnahme-/Volumenstrom-abhängigen Druckverlusten zugeführt. Eine Temperaturkonditionierung erfolgt in einem Wärmetauscher außerhalb des isolierten Speicherbehälters. Ein durch die Entnahme von Wasserstoff im Betrieb der Kraftstoffversorgungsanlage entstehender Druckeinbruch im Tankbehälter wird durch gezielten Wärmeeintrag, entweder mittels Rückführung eines Teilstroms des entnommenen aufgewärmten Wasserstoffs in eine in den Tankbehälter führende geschlossene Innentankwärmetauscherschleife und dort stattfindenden Wärmetausch mit anschließender Re-Konditionierung und Bereitstellung für das Antriebsaggregat, oder mittels eines entnahmeunabhängigen Heizkreislaufs (z.B. elektrischer Heizer) verhindert.

Aus der eingangs genannten DE 40 41 170 C1 ist eine Einrichtung zur Verringerung der Boil-Off-Gase mittels eines gekühlten Strahlungsschilds bekannt, das den Wärmeeinfall in den Behälter mit dem kryogen gespeicherten Kraftstoff verzögert. Ferner ist in der DE 37 41 145 C2 ein Entnahmesystem für Flüssigwasserstoff beschrieben, mit einer außerhalb eines Speichertanks befindlichen Fördereinheit, deren Förderpumpe einen Kühlspeichermantel aufweist, der vom druckseitig aus der Förderpumpe austretenden Wasserstoff gebildet wird.

Darüber hinaus ist bekannt, dass zur Erhöhung der Druckaufbauzeit und zur Reduktion der Abdampfrate die thermisch wirksame Masse innerhalb der isolierten Tankstruktur entlang der Wärmeein- und -ausströmpfade erhöht werden kann. Diese Maßnahme kann auch kombiniert werden z.B. mit einer im isolierten Bereich liegenden Einrichtung zur Kühlung, entsprechend DE 40 41 170 C1, die ebenfalls dem Zweck dient, die zur Erwärmung des abströmenden GH2 bis maximal auf Umgebungstemperaturniveau erforderliche Enthalpie zu speichern und als lokale Wärmesenke für in den Tank eindringende Wärmemengen aufzubrauchen. Zur Verlängerung der verlustfreien Druckaufbauzeit kann also eine Wärmesenke Anwendung finden, die im Entnahmebetrieb durch den über die vorhandene Entnahmeleitung angekoppelten, kalt entnommenen Wasserstoff gekühlt wird und Wärme aus dem angekoppelten Kühlschild aufnimmt.

Allgemein bekannt ist, dass die Förderung von Wasserstoff – insbesondere, falls diese Förderung unter gleichzeitiger Druckerhöhung, z.B. zur Erzielung eines für den Betrieb eines H2-Verbraucher vorteilhaft hohen Förderdruckes, erfolgt – dann mit vergleichsweise geringem Leistungsbedarf für den Antrieb der Fördereinrichtung erfolgen kann, wenn H2 in Form von LH2 gefördert wird. Die Antriebsleistung für die Förderung von GH2 ist demgegenüber deutlich erhöht. Allgemein bekannt ist weiterhin, dass z.B. industrielle H2-Fördereinrichtungen von LH2 oder GH2 auf kryogenem Temperaturniveau beim Hochlaufen vom Betriebsstillstand auf einen Förderbetriebszustand eine nicht vernachlässigbare Kaltfahrzeit benötigen, in der die Fördereinrichtung durch das strömende LH2 (oder das kalte GH2) erst auf eine Betriebstemperatur abgekühlt wird, die zum Anfahren der maximalen Förderleistung benötigt wird.

Die beschriebenen Verfahren, Speicherbehälter für kryogene Fluide durch Selbstkühlung vor Wärmeeintrag und vor der resultierenden Verdampfung der flüssigen Phase, sowie dem damit verbundenem Druckaufbau im Speicherbehälter zu schützen, sind nicht ausreichend, um die Zielvorgaben für verlustfreie Druckaufbauzeiten, das heißt, die Zeit vom Moment des Abstellens des mit kryogenem Kraftstoff gefüllten Speichers bis zum Erreichen eines Maximaldrucks, der zur Druckentlastung durch Abblasen führt und Standzeiten, das heißt, die Zeit vom befüllten Abstellen bis zum Moment, zu dem der Kraftstoffbehälter durch das druckbedingte Abblasen (Boil-Off) nur noch eine festzulegende nutzbare Kraftstoff-Restmenge beinhaltet, für einen mobilen kryogenen Versorgungsspeicher für flüssigen Wasserstoff oder sich ähnlich verhaltender Fluide zu erreichen.

Die Ursachen hierfür liegen in einer wegen des hohen Temperaturgradienten zwischen Umgebung und dem kryogenen Speicherinhalt nicht ausreichenden Isolationswirkung der Behälterisolation und in der mangelnden Wärmeaufnahmefähigkeit des selbstkühlenden kryogenen Fluids. Wasserstoff im Besonderen weist physikalisch eine hohe gravimetrische Energiedichte (Energie pro Masse), aber eine niedrige volumetrische Energiedichte (Energie pro Volumen) auf. Dies führt zu hohen Speichervolumina für eine definierte zu speichernde Energiemenge. Dabei weist Wasserstoff seine höchste volumetrische Energiedichte bei kryogenen Temperaturen in der flüssigen Phase oder bei extrem hohen Drücken in der Gasphase auf. Bei flüssiger kryogener Speicherung ist ein möglichst niedriger Speicherdruck von Vorteil, da die Dichte des flüssigen gesättigten Wasserstoffs mit sinkendem Druck zunimmt. Bei Drücken nahe dem Umgebungsdruck ließe sich daher die bestmögliche realisierbare Speicherdichte und damit die höchste volumetrische Energiedichte erreichen und zudem der Druckhub zwischen Speicherdruck bei Start einer Betriebspause und dem nach langer Betriebspause durch Wärmeeintrag erreichten Boil-Off Druck erhöhen. Ein kryogener Speicherbehälter mit vorgegebenem Speichervolumen kann daher bei niedrigem Druck die maximale Kraftstoffmenge (Energiemenge) flüssigen Wasserstoffs speichern und eine vergleichsweise lange verlustfreie Druckaufbauzeit erreichen.

Einem gewünschten niedrigen Druck des flüssigen Wasserstoffs im Speicher steht allerdings die Druckanforderung der Brennkraftmaschine gegenüber, die bei Eigendruckbereitstellung aus dem Speicher (ohne zusätzliche Druckerzeugung) den minimal möglichen Speicherdruck festlegt.

Sicherheitsleitungen in der Gasphase, im oberen Speicherbereich, mitsamt Sicherheits-Überdruckventilen zur Vermeidung von Überdrücken in Fehlerfällen geraten im Falle einer Überkopflage in die flüssige Phase und können durch die niedrigere Enthalpie der Flüssigphase nicht ausreichend schnell große Mengen Kraftstoff abführen. Um diesem Problem gerecht zu werden, sind große Durchmesser in den Sicherheitsleitungen vorzusehen, die mit einem erhöhten Wärmeeintrag in Betriebspausen verbunden sind.

Eine Abhilfemaßnahme für die geschilderte Problematik aufzuzeigen, ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen sind Inhalt der Unteransprüche.

Nach der Erfindung umfasst eine Vorrichtung zur kryogenen Speicherung und Förderung von Kraftstoff, zur Versorgung eines Verbrauchers, insbesondere einer ein Kraftfahrzeug antreibenden Brennkraftmaschine, mindestens einen Kryotank, bestehend mindestens aus einem Innenbehälter zur Aufnahme des kryogenen Mediums, der wärmeisoliert in einem Außenbehälter gehalten wird und einen, insbesondere vakuumisolierten, Armaturenbehälter, der kalte Armaturen zum Befüllen und Entleeren des Kryotanks enthält. Die Erfindung ist gekennzeichnet durch eine Fördereinrichtung wenigstens zur Entnahme von flüssigem kryogenem Medium aus dem Kryotank, die im Armaturenbehälter untergebracht ist und durch einen ersten Wärmetauscher gekühlt wird.

Durch den Einsatz einer kalten Fördereinrichtung im Armaturenbehälter mit Flüssigentnahme wird eine Bereitstellung von Drücken bis ca. 20bara für eine Brennkraftmaschine bei gleichzeitig niedrigem Druck im gespeicherten Wasserstoff möglich. Dies erlaubt eine effiziente Versorgung der Brennkraftmaschine bei Bedarf (z.B. im Volllastbetrieb) und gleichzeitig eine durch den niedrigeren Speicherdruck erhöhte Wasserstoffmasse im Speicher (bei niedrigerem Befüllenddruck), sowie eine durch den wachsenden Druckhub zwischen dem Speicherdruck und Boil-Off Druck erhöhte verlustfreie Druckaufbauzeit. Der erste Wärmetauscher kann zum Beispiel durch Ankopplung des Gehäuses der Fördereinrichtung an mindestens eine kryogenes Medium führende Leitung gebildet werden.

Eine weiterhin für die Druckerhöhung vorteilhafte Ausführung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass ein zweiter Wärmetauscher vorgesehen ist, der zwischen Armaturenbehälter und Verbraucher geschaltet ist.

Wenn dann ein Druckspeicher für gasförmiges kryogenes Medium vorgesehen ist, der so, insbesondere in Verbraucherrichtung nach dem zweiten Wärmetauscher, zwischen Armaturenbehälter und Verbraucher geschaltet ist, dass aus dem Druckspeicher sowohl der Verbraucher, als auch der Kryotank mit unter Druck stehendem gasförmigen kryogenen Medium versorgt werden kann, hat das den Vorteil, dass eine Dämpfung von Druckschwankungen durch den Einsatz der Förderpumpe und den Wechsel zwischen den Betriebsmodi Gasentnahme und Flüssigentnahme mit Druckbereitstellung durch die Förderpumpe stattfindet. Zudem kann der Druckspeicher zusammen mit einem zusätzlichen Pufferbereich im Ausgang der Kaltleitung des Armaturenbehälters dazu dienen, eine Restmenge Wasserstoff zu speichern, mit dem bei fehlender Verfügbarkeit einer Wasserstoffkonditionierung (z.B. fehlende Wärme beim Kaltstart) ein Starten der Brennkraftmaschine gewährleistet werden kann.

Dass der Kryotank mit unter Druck stehendem gasförmigen kryogenen Medium versorgt werden kann hat weiterhin den Vorteil, dass durch Erzeugung von gezielten Ungleichgewichtszuständen im Innenbehälter Bedrückungseffekte auf die Flüssigphase und damit eine Unterkühlung des Wasserstoffs rund um die Flüssigentnahmevorrichtung gefördert werden. Dies verbessert die flüssige Beschickung der Förderpumpe. Die Bedrückungseffekte können insbesondere auch während des Kaltfahrens von Teilen der Kraftstoffversorgungsanlage in Betriebspausen vor Betriebsbeginn genützt werden. Sehr von Vorteil ist in dieser Hinsicht eine Ausführungsform der Erfindung, bei der die Leitung zur Bedrückung des flüssigen kryogenen Mediums am Leitungsende im Kryotank mit einem Diffusor versehen ist.

Erst der Einsatz einer Förderpumpe zur Überwindung des Druckgefälles bei der Rückführung eines Teilstromes von Warmgas zur Tankdruckerhaltung während der Druckhaltephasen ermöglicht den Betrieb eines Diffusors anstelle einer geschlossenen Innentankwärmetauscherschleife. Dies erspart eine Rückleitung und damit Wärmeeintrag in Betriebspausen, was zu längeren Druckaufbauzeiten führt. Gleichzeitig weist die Erfindung nur mehr einen zentralen Zugang von unten in den Innenbehälter auf, was zusätzliche Wärmebrücken vermeidet, thermische Schichtung mindert und nur noch eine lösbare Zentralkupplung erforderlich macht.

Eine bevorzugte Ausführung der Erfindung sieht vor, dass zum Entleeren und Befüllen des Kryotanks mindestens drei Leitungen vorgesehen sind, die vom Innenbehälter aus dem Außenbehälter heraus in den Armaturenbehälter geführt sind, wobei die erste Leitung für die Entnahme von kryogenem Medium vorwiegend in flüssiger Form aus dem unteren Bereich des Kryotanks, die zweite Leitung für die Entnahme von kryogenem Medium vorwiegend in gasförmiger Form aus dem oberen Bereich des Kryotanks und die dritte Leitung für die Rückführung des Mediums als Warmgas in den oberen Bereich des Kryotanks vorgesehen sind. Dabei ist die zweite Leitung an den ersten Wärmetauscher angeschlossen, um die Fördereinrichtung zu kühlen.

Die Verfügbarkeit der vollen Förderleistung der Fördereinrichtung hängt von einem ausreichend hohen Anteil der flüssigen Wasserstoffphase bei Eintritt in die Fördereinrichtung und Vermeidung von Verdampfung durch Eigenwärme der Fördereinrichtung ab. Die Kühlung der Fördereinrichtung in ihren Betriebspausen während der Gasentnahme oder im Boil-Off wird dabei durch Ankopplung der Gasentnahmeleitung an die Fördereinrichtung über einen Wärmetauscher gesichert. Dabei ist von weiterem Vorteil, wenn die Fördereinrichtung in einer weiteren bevorzugten Ausführung eine Förderpumpe ist, die eine geringe Wärmekapazität besitzt.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung steht die erste Leitung und/oder die zweite Leitung oder die Zusammenführung aus erster und zweiter Leitung in Verbraucherrichtung nach der Fördereinrichtung oder nach dem ersten Wärmetauscher mit dem zweiten Wärmetauscher in Wärme übertragendem Kontakt. Ferner ist die dritte Leitung zum Befüllen des Kryotanks über eine Befüllleitung mit einer Betankungskupplung verbunden.

Durch eine solche vorteilhafte Verschaltung der Leitungen kann der Diffusor für die Befüllung und für die Druckhaltung durch Warmgasrückführung genutzt werden. Während der Betankung dient der Diffusor zur gezielten Verteilung des eingefüllten Flüssigwasserstoffs und im Flüssigentnahmebetrieb wird zur Druckerhaltung im Kryotank rückgeführtes angewärmtes Wasserstoffgas im Gasraum verteilt, um so eine Versorgung der Förderpumpe mit unterkühltem flüssigen Wasserstoff zu gewährleisten.

Vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sind dadurch gekennzeichnet, dass die erste und die zweite Leitung in Verbraucherrichtung nach der Fördereinrichtung oder nach dem ersten Wärmetauscher zusammengeführt sind und dass zwischen der Befüllleitung und einer Rückgasleitung eine Verbindungsleitung besteht, die die Befüllleitung mit der Rückgasleitung verbindet, wenn die Betankungskupplung nicht zur Betankung benutzt wird.

Der Einsatz der so angeschlossenen kalten Förderpumpe ermöglicht das Kaltfahren des Befüllstranges einschließlich des Einfüllrohrs und der Befüllkupplung durch Rückführung von kryogenem Medium in den Innenbehälter und dadurch ohne Notwendigkeit zur Verwendung oder Abfuhr des für das Kaltfahren benötigten kryogenen Mediums. Das beschriebene Kaltfahren verkürzt die Befüllzeit und kann die beim Befüllen anfallenden Rückgasverluste verringern. Der beschriebene Kaltfahrvorgang kann vorteilhafterweise ebenso dazu benutzt werden, die Förderpumpe selbst kalt zu fahren.

Eine weitere vorteilhafte Ausführung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Leitung in Verbraucherrichtung nach dem ersten Wärmetauscher und vor einer Zusammenführung mit der ersten Leitung eine Abzweigleitung in die Betankungskupplung besitzt, die während einer Betankung als Rückgasleitung aus dem Kryotank durch dessen Befüllung verdrängtes gasförmiges kryogenes Medium zur Betankungskupplung führt.

Durch Verwendung der zweiten Leitung, der Gasentnahmeleitung, als Rückgasleitung während des Befüllvorgangs wird wegen deren thermischer Ankopplung über den ersten Wärmetauscher an die Fördereinrichtung eine verbesserte Verfügbarkeit der vollen Förderleistung nach einem Betankungsvorgang gewährleistet.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung steht die zweite Leitung mit der Wärmeenergiespeichereinrichtung, einer Wärmesenke, in Wärme übertragendem Kontakt, um unter Wärmeaufnahme den Wärmeeintrag aus der Umgebung in den Innenbehälter zu minimieren. Dabei ist besonders zur Minimierung des Wärmeeintrags während der Betriebspausen in der verlustfreien Druckaufbauzeit von Vorteil, wenn die Wärmesenke mit einem zwischen Außenbehälter und Innenbehälter befindlichen Kühlschild wärmeübertragend verbunden ist.

Durch die alleinige Ankopplung der zweiten Leitung, der Gasentnahme- und Boil-Off Leitung, an die Wärmesenke, wird deren Kühlung während der Gasentnahme, während des Boil-Offs und während der Betankung (durch Rückgas) gewährleistet. Dies dient in Betriebspausen zur Verlängerung der verlustfreien Druckaufbauzeit und zur Verlängerung der damit und mit der Größe des das Kühlschild kühlenden Boil-Off Massenstroms verbundenen Standzeit bis zur fast völligen Entleerung des Speichers. Dies kann direkt durch Ankopplung der zweiten Leitung, der Gasentnahmeleitung, an das Kühlschild oder via eines Puffers in Form einer Wärmesenke geschehen.

Die erste Leitung, die Flüssigentnahmeleitung unterliegt durch nicht-Ankopplung an die Wärmesenke keinem den optimalen Betrieb der Förderpumpe störenden Wärmeeintrag aus der Wärmesenke und dem angekoppelten Kühlschild. Die kombiniert nutzbare Befüll- und Rückgasleitung zur Druckerhaltung, die dritte Leitung, ist ebenfalls nicht an die Wärmesenke angekoppelt. Dies garantiert eine schnellere Befüllung durch verminderte Wärmeeinträge in die Befüllleitung während des Befüllens und verhindert eine störende Erwärmung der Wärmesenke während der Warmgasrückführung zur Druckerhaltung.

Weitere vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sind dadurch gekennzeichnet, dass an die zweite Leitung, in Verbraucherrichtung, nach dem ersten Wärmetauscher eine Abzweigleitung zu einem Druckentlastungsventil angeschlossen ist, das beim Erreichen eines Grenzdrucks, dem Boil-off-Druck, zum Abblasen gasförmigen Mediums aus dem Kryotank, öffnet. Außerdem ist an die zweite Leitung, insbesondere in Verbraucherrichtung vor dem ersten Wärmetauscher, eine Abzweigleitung zu einem ersten Überdruck-Sicherheitsventil angeschlossen, das beim Erreichen eines Grenzdrucks über dem Boil-off-Druck, zum Abblasen gasförmigen Mediums aus dem Kryotank, öffnet. Zusätzlich kann an die erste Leitung, insbesondere in Verbraucherrichtung vor der Fördereinrichtung, eine Abzweigleitung zu einem zweiten Überdruck-Sicherheitsventil angeschlossen sein, das beim Erreichen eines Grenzdrucks über dem Boil-off-Druck, zum Abblasen von kryogenem Medium aus dem Kryotank, öffnet.

Durch die Verfügbarkeit von Sicherheitsventilen an der Gasentnahmeleitung und an der Flüssigentnahmevorrichtung wird vorteilhafterweise die sichere Abführung von ausreichenden Wasserstoffmengen im Fehlerfall/Sicherheitsfall (z.B. starke Degradation der Isolation) auch in Überkopflagen verbessert, ohne die Leitungsquerschnitte der in den Innenbehälter führenden Leitungen vergrößern zu müssen. Dies führt zu einer Verringerung des Wärmeeintrags in Betriebspausen und damit zur einer erhöhten verlustfreien Druckaufbauzeit.

Weitere vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sind dadurch gekennzeichnet, dass die Flüssigentnahmeleitung an eine Umschalteinrichtung angebunden ist, die bis zum weitgehenden Entleeren des Kryotanks für eine Entnahme flüssigen Wasserstoffs sorgt. Solche an sich bekannten Entnahmeeinrichtungen sind vorteilhaft bei Kraftstoffverlagerungen der flüssigen Phase zum Beispiel aufgrund auftretender Fliehkräfte oder Neigung des Kraftfahrzeugs im unebenen Gelände.

Wenn der Armaturenbehälter so platziert ist, dass sich die Fördereinrichtung unterhalb oder auf gleicher Höhe von Leitungsöffnungen für die flüssige Entnahme im unteren Bereich des Kryotanks befindet, wirkt sich dies vorteilhaft bezüglich der Förderung von Kraftstoff in flüssiger Phase aus. Es fördert die flüssige Beschickung der Fördereinrichtung und erspart einen Schwelltopf bzw. vermeidet Kavitation.

Im folgenden wird die Erfindung anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels weiter erläutert. Die einzige Figur zeigt einen schematisch dargestellten Längsschnitt eines erfindungsgemäßen Behälters zur Speicherung eines kryogenen Mediums mit einer erfindungsgemäßen Entnahme- und Befülleinrichtung. Erfindungswesentlich können sämtliche näher beschriebenen Merkmale sein. Die gesamte Kraftstoffversorgungsanlage für kryogenen Wasserstoff (und ähnliche Fluide) besteht aus einem isolierten Speicherbehälter mit Kühlschild und Wärmesenke inklusive einer an die Wärmesenke angebundenen Gasentnahmeleitung sowie einer Vorrichtung für Flüssigentnahme und einer als Diffusor ausgeführten kombinierten Betankungs- und warmen Rückgasleitung zur Druckerhaltung im Entnahmebetrieb, mit einem sekundären Vakuummodul inklusive Absperrventilen und einer kühlbaren kryogenen Förderpumpe zur Druckbereitstellung, mit einem Wärmetauschermodul zur Temperierung des entnommenen druckkonditionierten Wasserstoffs, mit einem Nebensystemmodul inklusive Pufferbehälter gegen Druckspitzen, mit Sicherheitsleitungen an Flüssig- und Gasentnahmeleitung und mit einem vor dem Befüllvorgang kühlbaren Einfüllrohr mitsamt Befüllkupplung.

In einem nicht gezeichneten Kraftfahrzeug ist ein Kryotank 40 zur Speicherung von Flüssigwasserstoff LH2 eingebaut. Dieser dient als Kraftstoff zur Versorgung einer das Kraftfahrzeug antreibenden, nicht gezeichneten, Brennkraftmaschine, angekoppelt an einen Antriebsaggregatseingang 14. Der Kryotank 40 ist ein Behälter, bestehend aus einem druckfesten Innenbehälter 1, gelagert über eine nicht gezeichnete Lagerungseinrichtung in einem Außenbehälter 4, mit dazwischen liegender Isolationsschicht und einem in dieser eingebetteten Kühlschild 2. Mit dem Kühlschild 2 ist eine Wärmesenke 3 als Wärmespeichereinrichtung thermisch leitend verbunden, die als Pufferspeicher für die durch die Isolation eindringende Wärme aus der Umgebung dient. Die Wärmesenke 3 befindet sich in der primären Isolationszone, in einer Ausnehmung 41 des Innenbehälters 1, in die auch alle Zugänge zum Innenbehälter 1 münden, die von dort über eine am Außenbehälter 4 angebrachte, lösbare Zentralkupplung 5 aus diesem herausgeführt werden. Über die Zentralkupplung 5 ist ein vakuumisolierter Armaturenbehälter 6, als sekundäres isoliertes Kaltmodul, an den Außenbehälter 4 angekoppelt, und die Zugänge zum Innenbehälter 1 werden über die Zentralkupplung 5 aus dem Außenbehälter 4 heraus in den Armaturenbehälter 6 hinein geführt.

Es sind zum Befüllen und Entleeren des Kryotanks 40 drei Zugänge zum Innenbehälter 1 vorgesehen. Diese drei Leitungen sind vom Innenbehälter 1, aus dem Außenbehälter 4 heraus, in den Armaturenbehälter 6 geführt, wobei eine erste Leitung 43 der Entnahme von kryogenem Medium vorwiegend in flüssiger Form aus dem unteren Bereich des Kryotanks 40 dient. Eine zweite Leitung 20 dient der Entnahme von kryogenem Medium vorwiegend in gasförmiger Form aus dem oberen Bereich des Kryotanks 40 und eine dritte Leitung 42, deren Leitungsende im Kryotank 40 mit einem Diffusor 18 versehen ist, dient zur Rückführung des Mediums als Warmgas in den oberen Bereich des Kryotanks 40 und während der Befüllung des Kryotanks 40 als Befüllleitung.

Aus dem Kryotank 40 wird, über einen Flüssigentnahmeumschalter 7, bei Volllastanforderung durch die Brennkraftmaschine oder im Teillastbetrieb, bei Unterschreiten des für die Brennkraftmaschine notwendigen niedrigsten Versorgungsdrucks im Kryotank 40, kryogen gespeicherter Wasserstoff in flüssiger Phase LH2 über die erste Leitung 43 entnommen und an der Wärmesenke 3 vorbei, über ein im Armaturenbehälter 6 sitzendes Kaltventil 8 zu einer kalten Förderpumpe 9 für vorwiegend flüssigen Wasserstoff geführt. Diese komprimiert den flüssigen Wasserstoff LH2 auf das für die Brennkraftmaschine bei Volllast- bzw. Teillastbetrieb vorgesehene Druckniveau. Der komprimierte Wasserstoff wird über eine Hauptentnahmeleitung 22 durch ein Puffervolumen 31 in einen zweiten Wärmetauscher 10 geführt, dort temperiert und über einen in einer Nebensystemkapsel 11 sitzenden Druckspeicherbehälter 12, der der Dämpfung von Druckschwankungen dient, und ein Absperrventil 13 zum Antriebsaggregatseingang 14 geführt.

Bei unzulässigem Unterschreiten eines Mindestdrucks im Innenbehälter 1, wird durch Öffnen eines Regelventils 16 eine über eine Drossel 15 geregelte Menge des aufgewärmten Entnahmemassenstroms in eine Befüllleitung 17 eingeleitet und dort über die Zentralkupplung 5, durch eine dritte Leitung 42, vorbei an der Wärmesenke 3, in den im Innenbehälter 1 befindlichen, für Befüllung und Druckerhaltung durch Rückführung genutzten Diffusor 18 geführt, der den warmen gasförmigen Wasserstoff GH2 im Innenbehälter 1 verteilt und dem Kryotank 40 so die zum Druckerhalt notwendige Wärme zuführt. Die Anordnung des Diffusors 18 im oberen Bereich des Innenbehälters 1, der mehrheitlich von der Gasphase des gespeicherten Wasserstoffs GH2 eingenommen wird, dient einer gezielten Herstellung eines Ungleichgewichts im gespeicherten Wasserstoff und führt so idealerweise durch Druckanstieg zu einer Unterkühlung des flüssigen Wasserstoffs LH2 im Bereich der Flüssigentnahmevorrichtung. Die entstehende Unterkühlung kann dazu beitragen, dass der der kalten Förderpumpe 9 zugeführte Wasserstoff trotz Wärmeaufnahme in den Zuleitungen zur Förderpumpe 9, die Förderpumpe 9 in weitgehend flüssigem Zustand erreicht und so zu einem effizienten Betrieb der Förderpumpe 9 beiträgt. Des weiteren trägt das so erzeugte Ungleichgewicht im gespeicherten Wasserstoff zu Beginn von Betriebspausen zu einem Druckabfall durch erst verzögert einsetzende langsame Annäherung an den Sättigungszustand (Vermischung) und sich einstellendem Gleichgewicht bei und erhöht so idealerweise den Druckhub und damit die verlustfreie Druckaufbauzeit im Kryotank 40, bis zum Erreichen eines Grenzdrucks, dem Boil-off-Druck, bei dem gasförmiges Medium GH2 aus dem Kryotank 40 abzublasen ist.

Im Teillastbetrieb der Brennkraftmaschine, bei Drücken im Innenbehälter 1 oberhalb des niedrigsten Versorgungsdrucks für Teillastbetrieb ist eine Wasserstoffentnahme in gasförmiger Phase GH2 vorgesehen, um wegen der bei Gasentnahme höheren Enthalpieabfuhr aus dem Innenbehälter 1 den Druck im Innenbehälter 1 bis zum Mindestdruck reduzieren zu können. Dafür wird durch Öffnen eines im Armaturenbehälter 6 befindlichen Kaltventils 19, gasförmiger Wasserstoff GH2, getrieben durch den Druck im Innenbehälter 1, über die in den Innenbehälter 1 ragende zweite Leitung 20 für Gasentnahme aus dem Innenbehälter 1 entnommen, durch die Wärmesenke 3 und die Zentralkupplung 5 in den Armaturenbehälter 6 geführt. Dort kühlt der gasförmige Wasserstoff GH2 durch einen ersten Wärmetauscher 21 die sich bei Gasentnahme nicht in Betrieb befindliche, kalt zu haltende Förderpumpe 9 und wird nach dem Kaltventil 19, stromabwärts der Förderpumpe 9, der Hauptentnahmeleitung 22 zugeführt. Weiter im zweiten Wärmetauscher 10 temperiert und via Druckspeicherbehälter 12 und Absperrventil 13 in der Nebensystemkapsel 11 zum Antriebsaggregatseingang 14 geleitet.

Das Befüllen des Kryotanks 40 mit kryogen gespeichertem Wasserstoff wird über eine Betankungskupplung 24 am Armaturenbehälter 6 durchgeführt. Vor einem Befüllvorgang wird mit Hilfe der kalten Förderpumpe 9 der komplette Befüllstrang inklusive Diffusor 18, Befüllleitung 17, Einfüllrohr 23 und Betankungskupplung 24 durch Kreisförderung „kalt gefahren", um so den anschließenden Befüllvorgang zu beschleunigen und Rückgasverluste zu verringern. Dazu werden die Kaltventile 8 und 25 geöffnet und die Förderpumpe 9 in Betrieb genommen. Dadurch wird Wasserstoff aus der flüssigen Phase LH2 über die erste Leitung 43 aus dem Kryotank 1 über die Zentralkupplung 5 und das Kaltventil 8, durch die Förderpumpe 9 und die Verbindungsleitung 45 zwischen Rückgasleitung 26 und betankungskupplungsseitiger Befüllleitung 27, dann über das Kaltventil 25 und die Befüllleitung 17, zurück in den Innenbehälter 1 gefördert.

Ein ähnlicher Kaltfahrvorgang kann dazu benutzt werden, die Förderpumpe 9 bei Bedarf selbst kalt zu fahren. Dazu wird wie im Falle des Kaltfahrens des Betankungsstrangs das Kaltventil 8 geöffnet und die Förderpumpe 9 in Betrieb genommen. Anstatt des Kaltventils 25 wird aber das Kaltventil 19geöffnet und das aus der Förderpumpe 9 austretende Gas über den ersten Wärmetauscher 21 und die zweite Leitung 20 zurück in den Innenbehälter 1 geführt.

Der Befüllvorgang selbst, über die Betankungskupplung 24 und das Einfüllrohr 23, wird eingeleitet durch Ankoppeln einer füllstationsseitigen Kupplung an die Befüllkupplung 24 am Armaturenbehälter 6, wodurch die Rückgasleitung 26 und die betankungskupplungsseitige Befüllleitung 27 von einander getrennt werden, indem die Verbindungsleitung 45 unterbrochen wird. Durch Öffnen des Kaltventils 25 zur Befüllung und des Kaltventils 19 für Rückgas wird kryogen gespeicherter Wasserstoff in flüssiger Form LH2 von der Befüllstation durch die betankungskupplungsseitige Befüllleitung 27, über Kaltventil 25, Befüllleitung 17, Zentralkupplung 5 und Diffusor 18 im Innenbehälter 1 verteilt. Gleichzeitig wird über die zweite Leitung 20 für Gasentnahme, die Wärmsenke 3, die Zentralkupplung 5, den ersten Wärmetauscher 21, das Kaltventil 19 und die Rückgasleitung 26 Rückgas zur Druckabsenkung im Innenbehälter 1 an die Befüllstation rückgeführt. Dabei wird über das durch den ersten Wärmetauscher 21 strömende Rückgas die Förderpumpe 9 gekühlt. Dies dient einer schnellen Verfügbarkeit der vollen Förderleistung nach Beendigung des Befüllvorgangs bei Inbetriebnahme der Wasserstoffversorgungsanlage zur Versorgung der Brennkraftmaschine im Volllastbetrieb.

Während längerer Betriebspausen der Wasserstoffversorgungsanlage steigt der Druck im Innenbehälter 1 durch stetigen Wärmeeintrag aus der Umgebung über den Außenbehälter 4, die Isolation, das Kühlschild 2 und den Innenbehälter 1 in den dort gespeicherten flüssigen Wasserstoff LH2, der die Wärme in Verdampfung umsetzt. Bei Erreichen des Boil-Off Drucks öffnet ein Druckentlastungsventil 28 und gasförmiger Wasserstoff GH2 wird über die zweite Leitung 20 zur Gasentnahme, die Wärmsenke 3, die Zentralkupplung 5 und den ersten Wärmetauscher 21 in eine Boil-Off Leitung 32 abgeführt. Dabei kühlt der abgeführte Wasserstoff neben der Wärmesenke 3 auch die Förderpumpe 9 über den ersten Wärmetauscher 21. Dies dient einer schnellen Verfügbarkeit der vollen Förderleistung nach einer Betriebspause, bei Inbetriebnahme der Wasserstoffversorgungsanlage zur Versorgung der Brennkraftmaschine im Volllastbetrieb.

Im Falle eines plötzlichen starken Wärmeeintrags in den Innenbehälter 1, durch Beschädigung der Isolation oder andere Fehlerfälle, steigt der Druck im Innenbehälter 1 durch zunehmende Verdampfung flüssigen Wasserstoffs LH2 stark an. Da in einem solchen Fall die Abfuhr einer ausreichenden Menge Wasserstoffs durch die Boil-Off Leitung 32 nicht möglich ist, öffnen die Überdruck-Sicherheitsventile 29 und 30 bei Erreichen des jeweiligen Druckniveaus für das jeweilige Sicherheitsventil 29, 30. Dabei ist das zuerst ansprechende Sicherheitsventil 29 an die zweite Leitung 20, die Gasentnahmeleitung, angekoppelt und das Sicherheitsventil 30 an die erste Leitung 43 der Flüssigentnahmevorrichtung. So wird garantiert, dass auch im Falle einer Überkopflage, mit flüssigem Wasserstoff LH2 im Bereich der Öffnung der zweiten Leitung 20, der Gasentnahmeleitung, ausreichend gasförmiger Wasserstoff GH2 aus der dann im Bereich der Flüssigentnahmevorrichtung vorliegenden Gasphase über das Sicherheitsventil 30 abgeführt werden kann.


Anspruch[de]
Vorrichtung zur kryogenen Speicherung und Förderung von Kraftstoff, zur Versorgung eines Verbrauchers, insbesondere einer ein Kraftfahrzeug antreibenden Brennkraftmaschine, wobei die Vorrichtung mindestens umfasst:

– einen Kryotank (40), bestehend mindestens aus einem Innenbehälter (1) zur Aufnahme des kryogenen Mediums, der wärmeisoliert in einem Außenbehälter (4) gehalten wird,

– einen, insbesondere vakuumisolierten, Armaturenbehälter (6), der kalte Armaturen zum Befüllen und Entleeren des Kryotanks (40) enthält,

gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

– eine Fördereinrichtung wenigstens zur Entnahme von flüssigem kryogenem Medium (LH2) aus dem Kryotank (40) ist im Armaturenbehälter (6) untergebracht und wird durch einen ersten Wärmetauscher (21) gekühlt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Fördereinrichtung eine Förderpumpe (9) ist, die eine geringe Wärmekapazität besitzt. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein zweiter Wärmetauscher (10) vorgesehen ist, der zwischen Armaturenbehälter (6) und Verbraucher geschaltet ist. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Druckspeicher (12) für gasförmiges kryogenes Medium (GH2) vorgesehen ist, der so, insbesondere in Verbraucherrichtung nach dem zweiten Wärmetauscher (10), zwischen Armaturenbehälter (6) und Verbraucher geschaltet ist, dass aus dem Druckspeicher (12) sowohl der Verbraucher, als auch der Kryotank (40) mit unter Druck stehendem gasförmigen kryogenen Medium (GH2) versorgt werden kann. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zum Entleeren und Befüllen des Kryotanks (40) mindestens drei Leitungen (43, 20, 42) vorgesehen sind, die vom Innenbehälter (1) aus dem Außenbehälter (4) heraus in den Armaturenbehälter (6) geführt sind, wobei die erste Leitung (43) für die Entnahme von kryogenem Medium vorwiegend in flüssiger Form (LH2) aus dem unteren Bereich des Kryotanks (40), die zweite Leitung (20) für die Entnahme von kryogenem Medium vorwiegend in gasförmiger Form (GH2) aus dem oberen Bereich des Kryotanks (40) und die dritte Leitung (42) für die Rückführung des Mediums als Warmgas in den oberen Bereich des Kryotanks (40) vorgesehen sind. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Leitung (20) an den ersten Wärmetauscher (21) angeschlossen ist um die Fördereinrichtung zu kühlen. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und die zweite Leitung in Verbraucherrichtung nach der Fördereinrichtung oder nach dem ersten Wärmetauscher (21) zusammengeführt sind. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Leitung (43) und/oder die zweite Leitung (20) oder die Zusammenführung aus erster (43) und zweiter Leitung (20) in Verbraucherrichtung nach der Fördereinrichtung oder nach dem ersten Wärmetauscher (21) mit dem zweiten Wärmetauscher (10) in Wärme übertragendem Kontakt steht. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die dritte Leitung (42) zum Befüllen des Kryotanks (40) über eine Befüllleitung (27) mit einer Betankungskupplung (24) verbunden ist. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Befüllleitung (27) und einer Rückgasleitung (2G) eine Verbindungsleitung (45) besteht, die die Befüllleitung (27) mit der Rückgasleitung (26) verbindet, wenn die Betankungskupplung (24) nicht zur Betankung benutzt wird. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die dritte Leitung (42) am Leitungsende im Kryotank (40) mit einem Diffusor (18) versehen ist. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Leitung (20) in Verbraucherrichtung nach dem ersten Wärmetauscher (21) und vor einer Zusammenführung mit der ersten Leitung (43) eine Abzweigleitung in die Betankungskupplung (24) besitzt, die während einer Betankung als Rückgasleitung 26 aus dem Kryotank 40 durch dessen Befüllung verdrängtes gasförmiges kryogenes Medium (GH2) zur Betankungskupplung (24) führt. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Leitung (20) mit einer Wärmeenergiespeichereinrichtung, einer Wärmesenke (3), in Wärme übertragendem Kontakt steht, um unter Wärmeaufnahme den Wärmeeintrag aus der Umgebung in den Innenbehälter (1) zu minimieren. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmesenke (3) mit einem zwischen Außenbehälter (4) und Innenbehälter (1) befindlichen Kühlschild (2) wärmeübertragend verbunden ist. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass an die zweite Leitung (20), in Verbraucherrichtung, nach dem ersten Wärmetauscher (21 ), eine Abzweigleitung zu einem Druckentlastungsventil (28) angeschlossen ist, das beim Erreichen eines Grenzdrucks, dem Boil-off-Druck, zum Abblasen gasförmigen Mediums (GH2) aus dem Kryotank (40), öffnet. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass an die zweite Leitung (20), insbesondere in Verbraucherrichtung vor dem ersten Wärmetauscher (21 ), eine Abzweigleitung zu einem ersten Überdruck-Sicherheitsventil (29) angeschlossen ist, das beim Erreichen eines Grenzdrucks über dem Boil-off-Druck, zum Abblasen gasförmigen Mediums (GH2) aus dem Kryotank (40), öffnet. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass an die erste Leitung (43), insbesondere in Verbraucherrichtung vor der Fördereinrichtung, eine Abzweigleitung zu einem zweiten Überdruck-Sicherheitsventil (30) angeschlossen ist, das beim Erreichen eines Grenzdrucks über dem Boil-off-Druck, zum Abblasen von kryogenem Medium (GH2, LH2) aus dem Kryotank (40), öffnet. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Flüssigentnahmeleitung (43) an eine Umschalteinrichtung (7) angebunden ist, die bis zum weitgehenden Entleeren des Kryotanks (4) für eine Entnahme flüssigen Wasserstoffs (LH2) sorgt. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass der Armaturenbehälter (6) so platziert ist, dass sich die Fördereinrichtung unterhalb oder auf gleicher Höhe von Leitungsöffnungen für die flüssige Entnahme im unteren Bereich des Kryotanks (40) befindet.






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