DE102023117842A1 - boil-off management system and storage unit - Google Patents
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Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Boil-off-Managementsystem (100) für einen Flüssigwasserstofftank (50). Das Boil-Off-Managementsystem (100) umfasst ein Boil-off-Ventil (1) und einen Katalysator (11). Der Katalysator (11) ist über das Boil-off-Ventil (1) mit dem Flüssigwasserstofftank (50) und parallel zum Boil-off-Ventil (1) mit der Sauerstoffquelle (60) verbindbar. Das Boil-off-Ventil (1) kann als gegendruckkompensiertes Überdruckventil ausgebildet sein, wobei zwischen dem Boil-off-Ventil (1) und dem Katalysator (11) ein Rückschlagventil (5) mit einem Ansprechdruck vorgesehen ist, welcher kleiner als ein Ansprechdruck des Boil-off-Ventils (1) jedoch größer als der Druck der vorgesehenen Sauerstoffquelle (60) ist. Ergänzend oder alternativ dazu kann zwischen dem Boil-off-Ventil (1) und dem Katalysator (11) eine Venturi-Düse (7) vorgesehen sein. Die Venturi-Düse ist dabei derart ausgebildet, dass Wasserstoff aus dem Flüssigwasserstofftank (50) seitlich, insbesondere radial, in einen im Wesentlichen geradlinigen Fluidkanalabschnitt (17), eingeleitet wird, welcher den Saugstromeinlass (19) mit dem Ejektorstromauslass (20) der Venturi-Düse (7) verbindet. The present invention relates to a boil-off management system (100) for a liquid hydrogen tank (50). The boil-off management system (100) comprises a boil-off valve (1) and a catalyst (11). The catalyst (11) can be connected to the liquid hydrogen tank (50) via the boil-off valve (1) and to the oxygen source (60) in parallel to the boil-off valve (1). The boil-off valve (1) can be designed as a backpressure-compensated pressure relief valve, wherein a check valve (5) with a response pressure is provided between the boil-off valve (1) and the catalyst (11), which is less than a response pressure of the boil-off valve (1) but greater than the pressure of the provided oxygen source (60). In addition or as an alternative, a Venturi nozzle (7) can be provided between the boil-off valve (1) and the catalyst (11). The Venturi nozzle is designed such that hydrogen from the liquid hydrogen tank (50) is introduced laterally, in particular radially, into a substantially straight fluid channel section (17) which connects the suction flow inlet (19) to the ejector flow outlet (20) of the Venturi nozzle (7).
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Boil-off-Managementsystem für einen Flüssigwasserstofftank sowie eine Lagereinheit für Flüssigwasserstoff mit einem entsprechenden Boil-off-Managementsystem.The present invention relates to a boil-off management system for a liquid hydrogen tank and a storage unit for liquid hydrogen with a corresponding boil-off management system.
Fahrzeuge oder stationäre Anwendungen mit Flüssigwasserstofftank können zusätzlich zu einer gesetzlich vorgeschriebenen Notfall-Druckentlastungsvorrichtung mittles einfachen Überdrucksicherheitsventilen auch ein sog. Boil-off-Managementsystem beinhalten. Eine Aufgabe des Boil-off-Managementsystem ist es, das Druckniveau im kryogenen Flüssigwasserstofftank, welches beispielsweise aufgrund eines Wärmeeintrags aus der Umgebung ansteigt, bereits vor dem Ansprechen der Notfall-Druckentlastungsvorrichtung, zu begrenzen bzw. im Verlauf eines entsprechenden Boil-off-Ereignisses zu reduzieren.In addition to a legally required emergency pressure relief device using simple overpressure safety valves, vehicles or stationary applications with liquid hydrogen tanks can also include a so-called boil-off management system. One task of the boil-off management system is to limit the pressure level in the cryogenic liquid hydrogen tank, which increases, for example, due to heat input from the environment, before the emergency pressure relief device is activated, or to reduce it during a corresponding boil-off event.
Dabei liegt der wesentliche Unterschied zwischen dem Boil-off-Managementsystem und der Notfall-Druckentlastungsvorrichtung darin, dass durch das Boil-off-Managementsystem der abgeblasene Wasserstoff nicht unbehandelt in die Umgebung entlassen wird. Konkret wird der abgeblasene Wasserstoff vor seiner Freisetzung durch das Boil-off-Managementsystem unschädlich gemacht, um einer möglichen Explosionsgefahr durch Bildung eines explosiven Luft-Wasserstoff-Gemisches (Knallgas) entgegenzuwirken.The main difference between the boil-off management system and the emergency pressure relief device is that the boil-off management system does not release the vented hydrogen into the environment untreated. Specifically, the boil-off management system renders the vented hydrogen harmless before it is released in order to counteract a possible risk of explosion due to the formation of an explosive air-hydrogen mixture (oxyhydrogen gas).
Die Elimination des freien Wasserstoffs kann dabei über einen katalytischen Konverter (Katalysator) erfolgen, welcher den Wasserstoff mit Sauerstoff, insbesondere mit Umgebungsluftsauerstoff, zu Wasserdampf oxidiert und damit unschädlich macht.The elimination of free hydrogen can be achieved using a catalytic converter (catalyst), which oxidizes the hydrogen with oxygen, especially with ambient air oxygen, to water vapor and thus renders it harmless.
Herkömmliche Boil-off-Managementsysteme sind entweder aktiv oder passiv betrieben. Aktiv betriebene Boil-off-Managementsysteme benötigen eine externe Energieversorgung, um unterschiedliche Komponenten des Boil-off-Managementsystems aktiv betreiben zu können. Passive betriebene Boil-off-Managementsysteme benötigen im Gegensatz dazu eine gewisse Anlaufphase, während welcher ein explosionsgefährliches Wasserstoff-Luftgemisch in dem Boil-off-Management-system gebildet wird und/oder der abgeblasene Wasserstoff nicht vollständig unschädlich gemacht wird.Conventional boil-off management systems are either actively or passively operated. Actively operated boil-off management systems require an external power supply in order to be able to actively operate different components of the boil-off management system. Passively operated boil-off management systems, in contrast, require a certain start-up phase during which an explosive hydrogen-air mixture is formed in the boil-off management system and/or the released hydrogen is not completely rendered harmless.
Vor diesem Hintergrund ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die bekannten Boil-off-Managementsysteme weiterzubilden und zu verbessern.Against this background, it is an object of the present invention to further develop and improve the known boil-off management systems.
Diese Aufgabe wird durch die Boil-off-Managementsysteme der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind den abhängigen Ansprüchen zu entnehmen.This task is solved by the boil-off management systems of the independent claims. Advantageous further training can be found in the dependent claims.
Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst ein Boil-off-Managementsystem für einen Flüssigwasserstofftank ein Boil-off-Ventil und einen Katalysator. Das Boil-off-Ventil ist zum Anschluss des Boil-off-Managementsystems an den Flüssigwasserstofftank ausgebildet. Der Katalysator ist zur Oxidation von Wasserstoff aus dem Flüssigwasserstofftank mit Sauerstoff aus einer separaten Sauerstoffquelle zu Wasser ausgebildet. Der Katalysator ist über das Boil-off-Ventil mit dem Flüssigwasserstofftank und parallel zum Boil-off-Ventil mit der Sauerstoffquelle verbindbar. Zwischen dem Boil-off-Ventil und dem Katalysator ist eine Venturi-Düse vorgesehen. Die Venturi-Düse umfasst einen Treibstromeinlass, welcher mit dem Boil-off-Ventil verbunden ist, einen Saugstromeinlass, welcher mit der Sauerstoffquelle verbindbar ist, und einen Ejektorstromauslass, welcher mit dem Katalysator verbunden ist. Der Treibstromeinlass der Venturi-Düse ist mit einem Treibstromauslass verbunden, welcher seitlich, insbesondere radial, in einen im Wesentlichen geradlinigen Fluidkanalabschnitt, welcher den Saugstromeinlass mit dem Ejektorstromauslass verbindet, mündet.According to a first aspect of the present invention, a boil-off management system for a liquid hydrogen tank comprises a boil-off valve and a catalyst. The boil-off valve is designed to connect the boil-off management system to the liquid hydrogen tank. The catalyst is designed to oxidize hydrogen from the liquid hydrogen tank with oxygen from a separate oxygen source to water. The catalyst can be connected to the liquid hydrogen tank via the boil-off valve and to the oxygen source in parallel to the boil-off valve. A venturi nozzle is provided between the boil-off valve and the catalyst. The venturi nozzle comprises a drive flow inlet which is connected to the boil-off valve, a suction flow inlet which is connectable to the oxygen source, and an ejector flow outlet which is connected to the catalyst. The motive flow inlet of the Venturi nozzle is connected to a motive flow outlet which opens laterally, in particular radially, into a substantially straight fluid channel section which connects the suction flow inlet to the ejector flow outlet.
Erfindungsgemäß ist die Venturi-Düse also derart in das Boil-off-Managementsystem eingebunden, dass in dieser ein seitlich eingeleiteter Strom von Wasserstoffgas aus dem Flüssigwasserstofftank einen im Wesentlichen geradlinigen Strom von Sauerstoff vom Saugstromeinlass zum Ejektorstromauslass bewirkt. Diese besondere Strömungsführung ermöglicht die Beimischung von Sauerstoff zu einem überstöchiometrischen Gasgemisch und damit die Voraussetzung zur Vermeidung einer Explosionsgefahr, da die Wasserstoffkonzentration im resultierenden Gasgemisch unterhalb der unteren Explosionsgrenze von ca. 4 vol.-% liegt und damit kein explosives Knallgas gebildet wird, insofern eine hinreichende Vermischung der Gaskomponenten zu einem homogenen Gemisch gewährleistet wird.According to the invention, the Venturi nozzle is integrated into the boil-off management system in such a way that a laterally introduced flow of hydrogen gas from the liquid hydrogen tank causes an essentially straight-line flow of oxygen from the suction flow inlet to the ejector flow outlet. This special flow guidance enables the addition of oxygen to a superstoichiometric gas mixture and thus the prerequisite for avoiding the risk of explosion, since the hydrogen concentration in the resulting gas mixture is below the lower explosion limit of approx. 4 vol.% and thus no explosive detonating gas is formed, insofar as sufficient mixing of the gas components to form a homogeneous mixture is ensured.
Bevorzugt erstreckt sich der Treibstromauslass zumindest entlang eines Abschnitts des Umfangs des geradlinigen Fluidkanalabschnitts. Insbesondere erstreckt sich der Treibstromauslass entlang mehrerer Abschnitte oder entlang des gesamten Umfangs des geradlinigen Fluidkanalabschnitts.Preferably, the drive flow outlet extends at least along a portion of the circumference of the rectilinear fluid channel portion. In particular, the drive flow outlet extends along several portions or along the entire circumference of the rectilinear fluid channel portion.
Diese Ausgestaltungen ermöglichen eine kompakte und dennoch effiziente Einleitung des Wasserstoffgases aus dem Flüssigwasserstofftank in den geradlinigen Fluidkanalabschnitt.These designs enable a compact yet efficient introduction of the hydrogen gas from the liquid hydrogen tank into the straight fluid channel section.
Bevorzugt umfasst die Venturi-Düse eine, insbesondere rohrförmige, Coanda-Effekt-Komponente, welche dazu ausgebildet ist, einen im Wesentlichen radialen Strom von Wasserstoffgas aus dem Treibstromauslass hin zu dem Ejektorstromauslass umzulenken, um so über den Saugstromanschluss Sauerstoff in die Venturi-Düse einzusaugen und zusammen mit dem Wasserstoffgas als Gasgemisch durch den Ejektorstromauslass auszugeben.Preferably, the Venturi nozzle comprises a, in particular tubular, Coanda effect component, which is designed to form a substantially to redirect the radial flow of hydrogen gas from the drive flow outlet towards the ejector flow outlet in order to suck oxygen into the Venturi nozzle via the suction flow connection and to discharge it together with the hydrogen gas as a gas mixture through the ejector flow outlet.
Die besagte Coanda-Effekt-Komponente hat den Vorteil, dass über den umgelenkten Strom von Wasserstoffgas aus dem Flüssigwasserstofftank eine Sogwirkung erzeugt wird, durch welche besonders viel Sauerstoff aus der Sauerstoffquelle in die Venturi-Düse eingesogen wird. Ferner sorgt der Coanda-Effekt für einen intensivierten Vortrieb des erhaltenen Gasgemisches in den Katalysator, um dort umgewandelt zu werden. Dabei ermöglicht die erhaltene Sogwirkung das Einsaugen einer Menge von Sauerstoff, welche ein überstöchiometrisches Gasgemisch ergibt. Als überstöchiometrisches Gasgemisch wird hierbei ein Gasgemisch verstanden, welches nicht mehr explosiv ist. Insbesondere wird derart viel Sauerstoff in die Venturi-Düse eingesogen und mit dem Wasserstoff aus dem Flüssigwasserstofftank gemischt, dass der gemittelte Volumenanteil an Wasserstoff unterhalb der unteren Explosionsgrenze von ca. 4% des Volumenanteils liegt. Mit anderen Worten, die Strömungsführung und der Coanda-Effekt in der Venturi-Düse resultieren in der Ausgabe eines Gasgemisches am Ejektorstromauslass, welches eine Wasserstoffkonzentration aufweist, welche unterhalb der unteren Explosionsgrenze liegt.The Coanda effect component mentioned has the advantage that the diverted flow of hydrogen gas from the liquid hydrogen tank creates a suction effect, which causes a particularly large amount of oxygen to be sucked into the Venturi nozzle from the oxygen source. The Coanda effect also ensures that the resulting gas mixture is propelled more intensively into the catalyst to be converted there. The suction effect allows a quantity of oxygen to be sucked in, which results in a superstoichiometric gas mixture. A superstoichiometric gas mixture is understood to be a gas mixture that is no longer explosive. In particular, so much oxygen is sucked into the Venturi nozzle and mixed with the hydrogen from the liquid hydrogen tank that the average volume fraction of hydrogen is below the lower explosion limit of approx. 4% of the volume fraction. In other words, the flow guidance and the Coanda effect in the Venturi nozzle result in the discharge of a gas mixture at the ejector outlet which has a hydrogen concentration below the lower explosion limit.
Bevorzugt sind zwischen dem Boil-off-Ventil und der Venturi-Düse ein Durchflussbegrenzer und ein Rückschlagventil vorgesehen. Die Venturi-Düse, der Durchflussbegrenzer und das Rückschlagventil sind derart aufeinander abgestimmt, dass das Rückschlagventil nur öffnet, wenn der Druck und die Menge des daraufhin in den Treibstromeinlass strömenden Wasserstoffs einen Betrieb der Venturi-Düse bewirken, welcher in der Ausgabe eines Stroms überstöchiometrischen Gasgemisches resultiert.Preferably, a flow restrictor and a check valve are provided between the boil-off valve and the venturi nozzle. The venturi nozzle, the flow restrictor and the check valve are coordinated with one another in such a way that the check valve only opens when the pressure and the quantity of hydrogen subsequently flowing into the motive flow inlet cause the venturi nozzle to operate, resulting in the output of a flow of superstoichiometric gas mixture.
Mit anderen Worten sind der Durchflussbegrenzer und das Rückschlagventil derart ausgebildet, dass ein Öffnen des Rückschlagventils in der Venturi-Düse stets einen Strom von Wasserstoffgas aus dem Flüssigwasserstofftank erzeugt, welcher den zuvor beschriebenen Coanda-Effekt auslöst. Konkret liegt ein Ansprechdruck des Rückschlagventils zumindest auf Höhe des Drucks, welchen der Treibstrom aufweisen muss, um den gewünschten Coanda-Effekt zu erzeugen. Dabei limitiert der Durchflussbegrenzer die Menge des Treibstroms derart, dass sich der erhaltene Strom des Wasserstoffgases nicht frühzeitig von einer Führungsfläche der Coanda-Effekt-Komponente ablöst.In other words, the flow limiter and the check valve are designed in such a way that opening the check valve in the Venturi nozzle always generates a flow of hydrogen gas from the liquid hydrogen tank, which triggers the Coanda effect described above. Specifically, the response pressure of the check valve is at least at the level of the pressure that the driving flow must have in order to generate the desired Coanda effect. The flow limiter limits the amount of driving flow in such a way that the resulting flow of hydrogen gas does not detach prematurely from a guide surface of the Coanda effect component.
Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst ein Boil-off-Managementsystem für einen Flüssigwasserstofftank ein Boil-off-Ventil und einen Katalysator. Das Boil-off-Ventil ist zum Anschluss des Boil-off-Managementsystems an den Flüssigwasserstofftank ausgebildet. Der Katalysator ist zur Oxidation von Wasserstoff aus dem Flüssigwasserstofftank mit Sauerstoff aus einer separaten Sauerstoffquelle zu Wasser ausgebildet. Der Katalysator ist über das Boil-off-Ventil mit dem Flüssigwasserstofftank sowie parallel zum Boil-off-Ventil mit der Sauerstoffquelle verbindbar. Das Boil-off-Ventil ist als gegendruckkompensiertes Überdruckventil ausgebildet. Zwischen dem Boil-off-Ventil und dem Katalysator ist ein Rückschlagventil mit einem Ansprechdruck vorgesehen, welcher kleiner als der Ansprechdruck des Boil-off-Ventils jedoch größer als der Druck der zu verwendenden Sauerstoffquelle ist.According to another aspect of the present invention, a boil-off management system for a liquid hydrogen tank comprises a boil-off valve and a catalyst. The boil-off valve is designed to connect the boil-off management system to the liquid hydrogen tank. The catalyst is designed to oxidize hydrogen from the liquid hydrogen tank to water using oxygen from a separate oxygen source. The catalyst can be connected to the liquid hydrogen tank via the boil-off valve and to the oxygen source in parallel to the boil-off valve. The boil-off valve is designed as a backpressure-compensated pressure relief valve. Between the boil-off valve and the catalyst, a check valve is provided with a response pressure which is lower than the response pressure of the boil-off valve but higher than the pressure of the oxygen source to be used.
Durch die Ausgestaltung des Boil-off Ventils als gegendruckkompensiertes Überdruckventil ist der Ansprechdruck des Boil-off-Ventils nicht mehr abhängig von dem Druck in einer dem Boil-off-Ventil nachgeschalteten Boil-off-Leitung. Über das Rückschlagventil mit dem hier spezifizierten Ansprechdruck kann das Boil-off-Ventil in seinen Endstellungen (Flow Point & Reset Point) betrieben werden. Das heißt, es kann entsprechend einem Vollhub-Sicherheitsventil vergleichsweise schnell und vollständig öffnen, wobei es eine Ventil-Hysterese durchläuft. Dadurch kann im Falle des Boil-off-Ereignisses, also bei Öffnen des Rückschlagventils, ein Strom von Wasserstoffgas mit einem vorgegebenen Mindestdruck und einem vorgegebenen Mindestmassestrom erzeugt werden, um unmittelbar eine optimale Funktion von dem Rückschlagventil nachgeordneten Komponenten des Boil-off-Managementsystems zu gewährleisten. Dies stellt insbesondere ein sicheres und vollständiges unschädlich Machen des abgelassenen freien Wasserstoffs dar. Ferner ermöglicht die erhaltene Ventil-Hysterese eine Absenkung des Drucks in dem Flüssigwasserstofftank nicht nur bis zum Ansprechdruck des Boil-off-Ventils, sondern unter den Ansprechdruck des Boil-off-Ventils. Damit wird zumindest für den Zeitraum, bis der Druck im Flüssigwasserstofftank wieder den Ansprechdruck des Boil-off-Ventils erreicht, ein Öffnen des Boil-off-Ventils vermieden, was zu einem reduzierten Verschleiß des Boil-off-Ventils und der Komponenten des Boil-off Managementsystems insgesamt führt.By designing the boil-off valve as a backpressure-compensated pressure relief valve, the response pressure of the boil-off valve is no longer dependent on the pressure in a boil-off line downstream of the boil-off valve. The boil-off valve can be operated in its end positions (flow point & reset point) via the check valve with the response pressure specified here. This means that it can open comparatively quickly and completely, like a full-stroke safety valve, while undergoing a valve hysteresis. In the event of a boil-off event, i.e. when the check valve opens, a flow of hydrogen gas with a specified minimum pressure and a specified minimum mass flow can be generated in order to immediately ensure optimal function of the components of the boil-off management system downstream of the check valve. In particular, this represents a safe and complete neutralization of the released free hydrogen. Furthermore, the valve hysteresis obtained enables the pressure in the liquid hydrogen tank to be reduced not only to the response pressure of the boil-off valve, but also below the response pressure of the boil-off valve. This prevents the boil-off valve from opening, at least for the period until the pressure in the liquid hydrogen tank reaches the response pressure of the boil-off valve again, which leads to reduced wear on the boil-off valve and the components of the boil-off management system as a whole.
Bevorzugt ist zwischen dem Boil-off-Ventil und dem Katalysator eine Venturi-Düse vorgesehen. Die Venturi-Düse umfasst insbesondere einen Treibstromeinlass, welcher mit dem Boil-off-Ventil verbunden ist, einen Saugstromeinlass, welcher mit der Sauerstoffquelle verbindbar ist, und einen Ejektorstromauslass, welcher mit dem Katalysator verbunden ist. Der Treibstromeinlass der Venturi-Düse ist mit einem Treibstromauslass verbunden, welcher seitlich, insbesondere radial, in einen im Wesentlichen geradlinigen Fluidkanalabschnitt, welcher den Saugstromeinlass mit dem Ejektorstromauslass verbindet, mündet.Preferably, a Venturi nozzle is provided between the boil-off valve and the catalyst. The Venturi nozzle comprises in particular a drive flow inlet which is connected to the boil-off valve, a suction flow inlet which can be connected to the oxygen source, and an ejector flow outlet which is connected to the catalyst. The drive flow inlet of the Venturi nozzle is connected to a drive flow outlet which opens laterally, in particular radially, into a substantially straight fluid channel section which connects the suction flow inlet to the ejector flow outlet.
Die zuvor beschriebene Ventil-Hysterese ermöglicht einen Betrieb der vorgesehenen Venturi-Düse, durch welchen stets ein mageres Gasgemisch mit einem überstöchiometrischem Sauerstoff-Wasserstoff-Verhältnis gebildet wird. Konkret ist die Venturi-Düse derart in das Boil-off-Management-System eingebunden, dass in dieser ein seitlich eingeleiteter Strom von Wasserstoffgas aus dem Flüssigwasserstofftank einen im Wesentlichen geradlinigen Strom von Sauerstoff bewirkt. Diese spezielle Strömungsführung ermöglicht die Beimischung von Sauerstoff zu einem überstöchiometrischen Gasgemisch und damit die Vermeidung einer Explosionsgefahr.The previously described valve hysteresis enables the operation of the provided Venturi nozzle, which always produces a lean gas mixture with a superstoichiometric oxygen-hydrogen ratio. Specifically, the Venturi nozzle is integrated into the boil-off management system in such a way that a laterally introduced flow of hydrogen gas from the liquid hydrogen tank causes an essentially straight-line flow of oxygen. This special flow guidance enables oxygen to be added to a superstoichiometric gas mixture, thus avoiding the risk of explosion.
Bevorzugt umfasst die Venturi-Düse eine, insbesondere rohrförmige, Coanda-Effekt-Komponente, welche dazu ausgebildet ist, einen im Wesentlichen radialen Strom von Wasserstoffgas aus dem Treibstromauslass hin zum Ejektorstromauslass umzulenken, um so über den Saugstromanschluss Sauerstoff in die Venturi-Düse einzusaugen und zusammen mit dem Wasserstoffgas als Gasgemisch durch den Ejektorstromauslass auszugeben.Preferably, the Venturi nozzle comprises a, in particular tubular, Coanda effect component which is designed to divert a substantially radial flow of hydrogen gas from the drive flow outlet towards the ejector flow outlet in order to suck oxygen into the Venturi nozzle via the suction flow connection and to discharge it together with the hydrogen gas as a gas mixture through the ejector flow outlet.
Wie oben bereits beschrieben dient die Coanda-Effekt-Komponente zur Erzeugung einer ausreichenden Sogwirkung für den Sauerstoff, welcher dem Wasserstoffgas aus dem Flüssigwasserstofftank beigemischt werden soll.As already described above, the Coanda effect component serves to generate sufficient suction for the oxygen to be added to the hydrogen gas from the liquid hydrogen tank.
Bevorzugt ist zwischen dem Boil-off-Ventil und der Venturi-Düse ein Durchflussbegrenzer vorgesehen. Die Venturi-Düse, der Durchflussbegrenzer und das Rückschlagventil sind derart aufeinander abgestimmt, dass das Rückschlagventil nur öffnet, wenn der Druck und die Menge des daraufhin in den Treibstromeinlass strömenden Wasserstoffgases einen Betrieb der Venturi-Düse bewirkt, welcher in der Ausgabe eines Stroms eines überstöchiometrischen Gasgemisches resultiert.Preferably, a flow restrictor is provided between the boil-off valve and the venturi nozzle. The venturi nozzle, the flow restrictor and the check valve are coordinated with one another in such a way that the check valve only opens when the pressure and the quantity of hydrogen gas subsequently flowing into the motive flow inlet causes the venturi nozzle to operate, resulting in the output of a flow of a superstoichiometric gas mixture.
Dabei limitiert der Durchflussbegrenzer die Menge des Treibstroms beim Öffnen des Rückschlagventils derart, dass sich der erhaltene Strom des Wasserstoffgases nicht frühzeitig von einer Führungsfläche der Coanda-Effekt-Komponente ablöst. Dies ermöglicht die Sicherstellung der erforderlichen Sogwirkung.The flow limiter limits the amount of drive flow when the check valve is opened in such a way that the resulting flow of hydrogen gas does not detach prematurely from a guide surface of the Coanda effect component. This makes it possible to ensure the required suction effect.
Bevorzugt liegt der Ansprechdruck des Rückschlagventils zwischen 4 bar und 8 bar, insbesondere bei 6 bar, und/oder der Ansprechdruck des Boil-off-Ventils zwischen 15 bar und 25 bar, insbesondere bei 20 bar.Preferably, the response pressure of the check valve is between 4 bar and 8 bar, in particular 6 bar, and/or the response pressure of the boil-off valve is between 15 bar and 25 bar, in particular 20 bar.
Diese Werte für den Ansprechdruck des Rückschlagventils bzw. des Boil-off-Ventils haben sich als zur Umsetzung des Erfindungsgedankens besonders geeignet erwiesen.These values for the response pressure of the check valve or the boil-off valve have proven to be particularly suitable for implementing the inventive concept.
Bevorzugt ist zwischen dem Boil-off-Ventil und dem Katalysator, insbesondere zwischen dem Boil-off-Ventil und weiteren Komponenten, welche dem Katalysator vorgeschaltet sind, ein Wärmetauscher vorgesehen, welcher dazu ausgebildet ist, Wärme von Abgasen aus dem Katalysator auf das Wasserstoffgas aus dem Boil-off-Ventil zu übertragen.Preferably, a heat exchanger is provided between the boil-off valve and the catalyst, in particular between the boil-off valve and further components which are connected upstream of the catalyst, which heat exchanger is designed to transfer heat from exhaust gases from the catalyst to the hydrogen gas from the boil-off valve.
Dieser Wärmetauscher resultiert in einer Erwärmung des vergleichsweise kalten Wasserstoffgases aus dem Flüssigwasserstofftank und ermöglicht es damit, eine unerwünschte Eisbildung innerhalb von Komponenten des Boil-off-Management-system, welche dem Katalysator vorgeschaltet sind, zu vermeiden oder zumindest zu reduzieren.This heat exchanger results in a heating of the comparatively cold hydrogen gas from the liquid hydrogen tank and thus makes it possible to avoid or at least reduce undesirable ice formation within components of the boil-off management system which are located upstream of the catalyst.
Bevorzugt umfasst das Boil-off-Managementsystem eine Zusammenführungskomponente, in welcher der Wasserstoff aus dem Boil-off-Ventil mit dem Sauerstoff aus der Sauerstoffquelle zusammengebracht wird. Insbesondere ist die Zusammenführungskomponente eine bzw. die zuvor beschriebene Venturi-Düse.Preferably, the boil-off management system comprises a combining component in which the hydrogen from the boil-off valve is combined with the oxygen from the oxygen source. In particular, the combining component is a Venturi nozzle or the one described above.
Eine solche Zusammenführungskomponente ermöglicht eine effiziente Zusammenführung des Wasserstoffs und des Sauerstoffs zur Bildung des gewünschten Gasgemisches. Wie oben beschrieben wurde, stellt eine bzw. die zuvor beschriebene Venturi-Düse eine besonders vorteilhafte Wahl für die Ausgestaltung einer solchen Zusammenführungskomponente dar.Such a merging component enables efficient merging of the hydrogen and oxygen to form the desired gas mixture. As described above, a Venturi nozzle or the previously described one represents a particularly advantageous choice for the design of such a merging component.
Bevorzugt ist zwischen dem Boil-off-Ventil und der Zusammenführungskomponente ein Wasserstofffilter vorgesehen.Preferably, a hydrogen filter is provided between the boil-off valve and the merging component.
Der besagte Wasserstofffilter dient im Wesentlichen dazu, unerwünschte Verunreinigungen aus dem hindurchgeleiteten Gasstrom zu filtern.The hydrogen filter in question essentially serves to filter out unwanted impurities from the gas stream passing through it.
Bevorzugt ist zwischen der Zusammenführungskomponente und dem Katalysator eine Mischkammer, insbesondere mit darin enthaltenden Mischelementen, vorgesehen.Preferably, a mixing chamber, in particular with mixing elements contained therein, is provided between the combining component and the catalyst.
Eine solche Mischkammer ermöglicht eine optimierte Durchmischung des Wasserstoffgases mit dem Sauerstoff und damit die Bildung eines möglichst homogenen Gasgemisches für die Reaktion im Katalysator. Als Mischelemente sind dabei insbesondere Elemente zu verstehen, welche die Strömung des Gasgemisches behindern, einen Drall und turbulente Strömungen in dem Gasgemisch erzeugen. Verschiedene Ausgestaltungen für solche Mischelemente sind dem Fachmann wohlbekannt und umfassen beispielsweise Umlenkplatten, (Mono-)Drallmischer und/oder andersartige Vorsprünge entlang einer Innenwand der Mischkammer.Such a mixing chamber enables an optimized mixing of the hydrogen gas with the oxygen and thus the formation of a gas mixture that is as homogeneous as possible for the reaction in the catalyst. The mixing elements used are in particular other elements which impede the flow of the gas mixture and generate a swirl and turbulent flows in the gas mixture. Various designs for such mixing elements are well known to the person skilled in the art and include, for example, baffle plates, (mono) swirl mixers and/or other types of projections along an inner wall of the mixing chamber.
Bevorzugt ist zwischen der Zusammenführungskomponente und dem Katalysator, insbesondere hinter einer vorgesehenen Mischkammer, ein für das Gasgemisch durchlässiges Substrat vorgesehen. Ergänzend oder alternativ dazu ist der Katalysator nur in einem hinteren Bereich reaktiv beschichtet und ein vorderer Bereich des Katalysators als für das Gasgemisch durchlässiges Substrat ausgebildet.Preferably, a substrate permeable to the gas mixture is provided between the combining component and the catalyst, in particular behind a provided mixing chamber. In addition or as an alternative to this, the catalyst is reactively coated only in a rear region and a front region of the catalyst is designed as a substrate permeable to the gas mixture.
Derartige Substrate können eine Vielzahl von Funktionen zur Optimierung der Oxidationsreaktion innerhalb des Katalysators und/oder der Sicherheit des Boil-off-Managementsystems erfüllen. Der Einsatz eines von dem Katalysator separaten Substrats ermöglicht eine besonders flexible Auswahl und Anpassung des Substrats. Die kombinierte Ausführung des Katalysators und des Substrats ermöglicht besonders kompakte Gesamtausgestaltungen mit weniger Einzelteilen.Such substrates can fulfill a variety of functions to optimize the oxidation reaction within the catalyst and/or the safety of the boil-off management system. The use of a substrate separate from the catalyst enables particularly flexible selection and adaptation of the substrate. The combined design of the catalyst and the substrate enables particularly compact overall designs with fewer individual parts.
Bevorzugt ist das Substrat als Führungskomponente, Hitzeschild und/oder Flammenrückschlagsicherung ausgebildet.Preferably, the substrate is designed as a guide component, heat shield and/or flashback arrester.
Als Führungskomponente fungiert das Substrat, wenn es den auf den Katalysator geleiteten Strom des Gasgemisches in einer erwünschten Art und Weise optimiert, beispielsweise gleichmäßig verteilt. Die Ausgestaltung als Hitzeschild verhindert eine übermäßige Erwärmung des Gasgemisches vor Eintritt in den Katalysator und eine daraus resultierende reduzierte Effizienz der exothermen Reaktion im Katalysator und/oder einen Gegendruck, welcher den Zustrom von Gasgemisch in den Katalysator reduziert. Die Ausgestaltung als Flammenrückschlagsicherung dient zur Vermeidung des Durchschlags einer unerwarteten Entzündung des Gasgemisches im Katalysator in davor liegende Bereiche des Boil-off-Managementsystems.The substrate acts as a guide component when it optimizes the flow of the gas mixture directed onto the catalyst in a desired manner, for example by distributing it evenly. The design as a heat shield prevents excessive heating of the gas mixture before it enters the catalyst and a resulting reduced efficiency of the exothermic reaction in the catalyst and/or a back pressure which reduces the flow of gas mixture into the catalyst. The design as a flashback arrester serves to prevent an unexpected ignition of the gas mixture in the catalyst from spreading into areas of the boil-off management system upstream.
Bevorzugt ist vor dem Katalysator ein Einlasstrichter vorgesehen, welcher einen Querschnitt des Fluidkanals vor dem Katalysator vergrößert. Alternativ oder ergänzend dazu ist hinter dem Katalysator ein Auslasstrichter vorgesehen, welcher einen Querschnitt des Fluidkanals hinter dem Katalysator verkleinert.Preferably, an inlet funnel is provided in front of the catalyst, which increases a cross-section of the fluid channel in front of the catalyst. Alternatively or additionally, an outlet funnel is provided behind the catalyst, which reduces a cross-section of the fluid channel behind the catalyst.
Der Einlasstrichter verringert durch den vergrößerten Strömungsquerschnitt die Strömungsgeschwindigkeit des Gasgemisches. Damit bleibt auf dem Weg zum Katalysator mehr Zeit, dass sich die Komponenten des Gasgemisches homogen vermischen. Der Auslasstrichter erhöht durch den verkleinerten Strömungsquerschnitt die Strömungsgeschwindigkeit des Gasgemisches. Damit werden die Abgase besonders effizient von dem Katalysator weggeführt.The inlet funnel reduces the flow speed of the gas mixture due to the increased flow cross-section. This gives more time for the components of the gas mixture to mix homogeneously on the way to the catalyst. The outlet funnel increases the flow speed of the gas mixture due to the reduced flow cross-section. This means that the exhaust gases are guided away from the catalyst particularly efficiently.
Bevorzugt ist hinter dem Katalysator eine Kondensatfalle vorgesehen.Preferably, a condensate trap is provided behind the catalyst.
Die Kondensatfalle dient zur Vermeidung oder zumindest Reduktion der Kontamination des Katalysators mit Kondensat, welches sich hinter dem Katalysator aus den Abgasen des Katalysators bildet.The condensate trap serves to prevent or at least reduce the contamination of the catalyst with condensate, which forms behind the catalyst from the exhaust gases of the catalyst.
Bevorzugt ist das Boil-off-Managementsystem dazu ausgebildet, die Umgebung des Boil-off-Managementsystems als Sauerstoffquelle zu verwenden. Insbesondere umfasst das Boil-off-Managementsystem einen Luftfilter zur Filterung von Umgebungsluft noch vor einer Zusammenführung mit dem Wasserstoffgas aus dem Flüssigwasserstofftank.Preferably, the boil-off management system is designed to use the environment of the boil-off management system as an oxygen source. In particular, the boil-off management system comprises an air filter for filtering ambient air before it is combined with the hydrogen gas from the liquid hydrogen tank.
Mit anderen Worten, das Wasserstoffgas aus dem Wasserstofftank wird zur Bildung des Gasgemisches zur Reaktion im Katalysator mit Sauerstoff aus der Umgebungsluft vermischt. Der Luftfilter dient dazu, unerwünschte Komponenten des eingesogenen Luftstroms aus diesem zu filtern.In other words, the hydrogen gas from the hydrogen tank is mixed with oxygen from the ambient air to form the gas mixture for reaction in the catalyst. The air filter serves to filter out unwanted components from the incoming air stream.
Bevorzugt ist das Boil-off-Managementsystem derart ausgebildet, dass es vollkommen passiv, also ohne Notwendigkeit einer externen Steuerung und/oder ohne Notwendigkeit einer weiteren Energieversorgung, arbeitet.Preferably, the boil-off management system is designed in such a way that it operates completely passively, i.e. without the need for external control and/or without the need for an additional energy supply.
Mit anderen Worten, das Boil-off-Managementsystem benötigt zu seinem Betrieb keine über die hier beschriebenen Komponenten hinausgehende Energieversorgung und wird durch sich selbst angetrieben. Jeder der vorgesehenen Komponenten arbeitet vollkommen autonom, ohne die Notwendigkeit einer manuellen oder automatisierten Steuerung. Folglich benötigt das Boil-off-Managementsystem auch keinerlei separate Druck- und/oder Temperatursensoren, welche zur Steuerung der einzelnen Komponenten notwendige Informationen sammeln. Die konkrete Funktion des Boil-off-Managementsystems ergibt sich lediglich aus den Charakteristika und der spezifischen Kombination der zuvor beschriebenen Komponenten des Boil-off-Managementsystems.In other words, the boil-off management system does not require any energy supply beyond the components described here and is self-powered. Each of the components provided operates completely autonomously, without the need for manual or automated control. Consequently, the boil-off management system does not require any separate pressure and/or temperature sensors to collect the information necessary to control the individual components. The specific function of the boil-off management system results solely from the characteristics and the specific combination of the previously described components of the boil-off management system.
Bevorzugt ist das Boil-off-Ventil ein mit einem Metall-Faltenbalg ausgeführtes Ventil, insbesondere ein Edelstahl-Faltenbalgventil.Preferably, the boil-off valve is a valve designed with a metal bellows, in particular a stainless steel bellows valve.
Eine derartige Ausgestaltung des Boil-off-Ventils ist besonders robust und damit zuverlässig sowie langlebig.This type of boil-off valve design is particularly robust and therefore reliable and durable.
Bevorzugt ist der Katalysator im Wesentlichen vertikal ausgerichtet, und/oder ist dem Boil-off-Managementsystem ein Kamin nachgeordnet.Preferably, the catalyst is oriented substantially vertically and/or a chimney is arranged downstream of the boil-off management system.
Derartige Ausgestaltungen erlauben die Ausnutzung des Kamineffekts zur effizienten Abführung der Abgase aus dem Katalysator.Such designs allow the chimney effect to be used to efficiently remove exhaust gases from the catalyst.
Bevorzugt ist der Katalysator und/oder sind dem Katalysator nachgeordnete Komponenten von einer Isolierung umgeben.Preferably, the catalyst and/or components downstream of the catalyst are surrounded by insulation.
Dies ermöglicht die Reduktion der Bildung von Kondensat aus den heißen Abgasen in und/oder hinter dem Katalysator und damit der negativen Beeinträchtigung der Funktionsweise des Boil-off-Managementsystems durch solches Kondensat.This makes it possible to reduce the formation of condensate from the hot exhaust gases in and/or behind the catalyst and thus the negative impact of such condensate on the functioning of the boil-off management system.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst eine Lagereinheit für Flüssigwasserstoff mindestens einen, insbesondere zwei, Flüssigwasserstofftanks und ein Boil-off-Managementsystem nach der vorhergehenden Beschreibung. Jeder vorgesehene Flüssigwasserstofftank ist über ein eigenes Boil-off-Ventil jedoch über eine gemeinsame Boil-off-Leitung mit den übrigen Komponenten des Boil-off-Managementsystems verbunden.According to a further aspect of the present invention, a storage unit for liquid hydrogen comprises at least one, in particular two, liquid hydrogen tanks and a boil-off management system according to the above description. Each liquid hydrogen tank provided is connected to the other components of the boil-off management system via its own boil-off valve but via a common boil-off line.
Eine solche Lagereinheit profitiert von den zuvor beschriebenen Vorteilen, welche durch das erfindungsgemäße Boil-off-Managementsystem erhalten werden.Such a storage unit benefits from the previously described advantages obtained by the boil-off management system according to the invention.
Bevorzugt ist jeder Flüssigwasserstofftank mit wenigstens einem, bevorzugt zwei, Überdruckventilen versehen, welche einen höheren Ansprechdruck als das dem jeweiligen Flüssigwasserstofftank zugeordnete Boil-off-Ventil aufweisen.Preferably, each liquid hydrogen tank is provided with at least one, preferably two, pressure relief valves which have a higher response pressure than the boil-off valve assigned to the respective liquid hydrogen tank.
Diese Überdruckventile fungieren als Notfall-Druckentlastungsvorrichtung, um bei einem gefährlichen Überdruck in dem Flüssigwasserstofftank zur Druckreduktion Wasserstoff aus dem entsprechenden Wasserstofftank unbehandelt in die Umgebung abzugeben. Sie vermeiden damit ein durch einen Überdruck in dem entsprechenden Flüssigwasserstofftank hervorgerufenes Bersten des jeweiligen Flüssigwasserstofftanks. Hierfür reicht an sich ein einzelnes Überdruckventil. Zur weiteren Sicherheit ist jedoch mindestens ein weiteres redundantes Überdruckventil vorgesehen.These pressure relief valves act as an emergency pressure relief device to release untreated hydrogen from the corresponding hydrogen tank into the environment in the event of a dangerous overpressure in the liquid hydrogen tank in order to reduce the pressure. This prevents the respective liquid hydrogen tank from bursting due to overpressure in the corresponding liquid hydrogen tank. A single pressure relief valve is sufficient for this. However, at least one additional redundant pressure relief valve is provided for additional safety.
Die Erfindung wird nachfolgend beispielhaft unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben. Es zeigt,
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1 eine schematische Darstellung des Prozesses bestehend aus einer beispielhaften Lagereinheit mit einem Boil-off-Managementsystem gemäß der vorliegenden Erfindung; und -
2 ein Beispiel für eine Venturi-Düse, welche in dem in1 gezeigten Boil-off-Managementsystem einsetzbar ist.
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1 a schematic representation of the process consisting of an exemplary storage unit with a boil-off management system according to the present invention; and -
2 an example of a Venturi nozzle, which is used in the1 can be used with the boil-off management system shown.
Entsprechend
Die hier gezeigten Flüssigwasserstofftanks 50 umfassen jeweils einen Innenbehälter 51 für den Wasserstoff und einen Außenbehälter 52, welcher den Innenbehälter 51 umgibt. Vorliegend ist zur Isolierung des Innenbehälters 51 zwischen dem Innenbehälter 51 und dem zugehörigen Außenbehälter 52 Vakuum vorgesehen. Alternativ oder ergänzend dazu könnten zwischen den beiden Behältern 51 und 52 zumindest bereichsweise auch Isolierungsmaterialen vorgesehen sein. Das Innere der Innenbehälter 51 der beiden Flüssigwasserstofftanks 52 ist im gezeigten Fall jeweils mit wenigstens einem, konkret sogar zwei, Überdruckventilen 53 verbunden. Diese Überdruckventile 53 bilden die oben beschriebene Notfall-Druckentlastungsvorrichtung. Sie sind dazu ausgebildet, Wasserstoffgas unbehandelt aus dem zugehörigen Flüssigwasserstofftank 50 an die Umgebung 60 abzugeben, sobald ein kritischer Druck im Flüssigwasserstofftank 50 überschritten wird. Um dabei ein ungestörtes und sicheres Ablassen des Überdrucks gewährleisten zu können, sind den vorgesehenen Überdruckventilen 53 außer einer Leitung keine weiteren Komponenten, wie ein Katalysator oder ähnliches, nachgeschaltet. Vielmehr wird der abgeblasene Wasserstoff direkt an die Umgebung 60 der Lagereinheit 200 abgegeben.The
Diese Notfallabsicherung wird durch das im Folgenden genauer beschriebene Boil-off-Managementsystem 100 ergänzt.This emergency protection is supplemented by the boil-
Jeder Flüssigwasserstofftank 50 ist mit einem separaten Boil-off-Ventil 1 des erfindungsgemäßen Boil-off-Managementsystems 100 gekoppelt. Die beiden Boil-off-Ventile 1 sind jeweils als gegendruckkompensierte Überdruckventile, insbesondere mit einem Metall-Faltenbalg, beispielsweise aus Edelstahl, ausgebildet. Sie haben jeweils einen Ansprechdruck, welcher niedriger als der Ansprechdruck der vorgesehenen Überdruckventile 53 ist. Damit sprechen die Boil-off-Ventile 1 vor den Überdruckventilen 53 an und leiten bereits vor einer Erreichung des maximal zulässigen Betriebsarbeitsdruckes in den Flüssigwasserstofftanks 50 gasförmigen Wasserstoff aus den Flüssigwasserstofftanks 50 ab.Each
Beide Boil-off-Ventile 1 münden in eine gemeinsame Boil-off-Leitung 2, welche im gezeigten Ausführungsbeispiel zu einem Wärmetauscher 14 führt. Die Funktion des Wärmetauschers 14 wird weiter unten beschrieben.Both boil-off
Nach dem Wärmetauscher 14 folgt ein Wasserstofffilter 3, um ungewünschte Verunreinigungen aus dem Wasserstoffgas zu filtern. Hinter dem Wasserstofffilter 3 sind hintereinander ein Durchflussbegrenzer 4 und ein Rückschlagventil 5 vorgesehen. Das Rückschlagventil weist einen Ansprechdruck auf, welcher unterhalb des Ansprechdrucks des Boil-off-Ventils 1 jedoch oberhalb des Drucks liegt, welcher in der vorgesehenen Sauerstoffquelle 60, beispielsweise in Gestalt der Umgebung 60 der Lagereinheit 200, herrscht bzw. zu erwarten ist. Die Funktion dieser Komponenten wird ebenfalls weiter unten konkreter beschrieben.The
Das Rückschlagventil 5 ist mit einem Treibstromeinlass 18a einer Zusammenführungskomponente 7, vorliegend in Gestalt einer Venturi-Düse 7, gekoppelt. Die Zusammenführungskomponente 7, also vorliegend die Venturi-Düse 7, weist ferner einen Saugstromeinlass 19 auf, welcher hier über einen Luftfilter 6 mit der Umgebung 60 der Lagereinheit 200 als Sauerstoffquelle verbunden ist. Vorliegend wird Sauerstoff aus der Umgebungsluft genutzt, um mit dem abgelassenen Wasserstoffgas aus den Flüssigwasserstofftanks 50 zur Reaktion gebracht zu werden.The check valve 5 is coupled to a
Der konkrete strukturelle Aufbau dieser Zusammenführungskomponente 7 als Venturi-Düse 7 ist in
Zurückkommend auf
Hinter der Mischkammer 8 ist zwischen einem den Querschnitt der Leitung vergrößernden Einlasstrichter 9a und einem den Querschnitt der Leitung verkleinernden Auslasstrichter 9b ein Katalysator 11 vorgesehenen. Dieser Katalysator 11 ist zur Oxidation des aus dem Flüssigwasserstofftank 50 abgelassenen Wasserstoffs mit Sauerstoff aus der Umgebungsluft unter Bildung von Wasser ausgebildet. Somit wird schließlich lediglich Wasserdampf an die Umgebung der Lagereinheit 200 abgegeben. Die Gefahr einer Knallgasreaktion besteht damit nicht mehr.Behind the mixing
Zur Optimierung der Anströmung und Vermischung der Gasströme in den reaktiven Bereich des Katalysators 11 kann ein Substrat 10 vorgesehen werden. Dieses kann, wie in
Um eine Kontamination des Katalysators 11 mit Kondensat aus den Abgasen des Katalysators zu reduzieren oder gar zu vermeiden, ist dem Katalysator 11 eine Kondensatfalle 13 nachgeschaltet.In order to reduce or even prevent contamination of the
Der zuvor genannte optional vorgesehene Wärmetauscher 14 ist hinter dem Katalysator 11, insbesondere noch hinter dem Auslasstrichter 9b, vorgesehen. Nachdem es sich bei der vorgesehenen Oxidation von Wasserstoff mit Sauerstoff zu Wasser im Katalysator 11 um eine exotherme Reaktion handelt und das aus den Boil-off-Ventilen 1 kommende Wasserstoffgas relativ kalt ist, überträgt der Wärmetauscher 14 Wärme von den Abgasen des Katalysators 11 auf das Wasserstoffgas aus den Boil-off-Ventilen 1. Dies führt nach einem Anlaufen der Oxidationsreaktionen im Katalysator 11 zu einer Vorwärmung des Wasserstoffgases und reduziert damit unter anderem die Kondensat- bzw. Nebelbildung und/oder Eisbildung innerhalb der Zusammenführungskomponente 7 bei Vermischung des Wasserstoffgases mit der Umgebungsluft.The aforementioned
Die Abgase aus dem Katalysator 11 werden schließlich über einen Kamin 15, welcher an seinem Auslass insbesondere mit einem Wind- und/oder Regenschutz 16 versehen ist, an die Umgebung 60 abgegeben. Um dabei den Kamineffekt zur Abführung der Abgase optimal nutzen zu können und/oder eine Kondensatbildung innerhalb des Boil-off-Managementsystems zu reduzieren, sind der Katalysator 11 sowie dem Katalysator 11 nachgeschaltete Komponenten des Boil-off-Managementsystems 100 mit einer Isolierung 12 versehen.The exhaust gases from the
Im gezeigten Ausführungsbeispiel sind die Komponenten und insbesondere der Katalysator 11 des Boil-off-Managementsystems im Wesentlichen vertikal angeordnet bzw. ausgerichtet. Alternativ hierzu ist jedoch auch eine horizontale Anordnung bzw. Ausrichtung möglich.In the embodiment shown, the components and in particular the
Im Folgenden wird unter Bezugnahme auf
Im gezeigten Ausführungsbeispiel umfasst die Venturi-Düse 7 einen rohrförmigen Hauptkörper 21 und eine darin zumindest teilweise eingeschobene rohrförmige Coanda-Effekt-Komponente 22, wobei der Hauptkörper 21 und die Coanda-Effekt-Komponente 22 als eine einzelne kombinierte Venturi-Düse 7 ausgebildet sein können.In the embodiment shown, the
Der Hauptkörper 21 bildet einen Saugstromeinlass 19 und einen hierzu im Wesentlichen senkrecht ausgerichteten Treibstromeinlass 18a. Ein Spalt 18b zwischen dem Hauptkörper 21 und der Coanda-Effekt-Komponente 22 fungiert als Treibstromauslass 18b, während die Coanda-Effekt-Komponente 22 einen Ejektorstromauslass 20 bildet. Der besagte Treibstromauslass 18b erstreckt sich zumindest um Abschnitte des Umfangs eines in der Venturi-Düse 7 gebildeten im Wesentlichen geradlinigen Fluidkanalabschnitts 17 vom Saugstromeinlass 19 hin zum Ejektorstromauslass 20. Damit mündet der Treibstromauslass 18b seitlich, insbesondere radial, in den im Wesentlichen geradlinigen Fluidkanalabschnitt 17.The
Im Folgenden wird unter Bezugnahme auf die beiden
Ein nicht gänzlich zu vermeidender Wärmeeintrag aus der Umgebung 60 des Flüssigwasserstofftanks 50 führt zur kontinuierlichen Erwärmung des Wasserstoffs im Flüssigwasserstofftank 50 und damit zu einem kontinuierlich ansteigenden Druck des gelagerten Wasserstoffs.An unavoidable heat input from the
Dieser Druck steigt, bis der Ansprechdruck des gegendruckkompensierten Boil-off-Ventils 1 erreicht wird und dieses öffnet, um Wasserstoffgas in die Boil-off-Leitung 2 abzulassen. D.h. beim Ansprechdruck des gegendruckkompensierten Boil-off-Ventils 1 erfolgt das erste Ablassen von Wasserstoff aus dem Flüssigwasserstofftank in die Boil-off-Leitung 2. Dadurch erreicht der Druck im Flüssigwasserstofftank 50 nicht den höheren Ansprechdruck der Überdruckventile 53, womit diese zumindest bei einwandfreier Funktion des Boil-off-Managementsystems 100 niemals öffnen, um unbehandelten Wasserstoff in die Umgebung 60 abzulassen.This pressure increases until the response pressure of the back pressure compensated boil-off
Durch das wiederholte Ablassen von Wasserstoffgas in die Boil-off-Leitung 2 baut sich aufgrund des definierten Ansprechdrucks des Rückschlagventils 5 systematisch ein Druck in der Boil-off-Leitung 2 auf. Durch die Ausgestaltung des Boil-off-Ventils 1 als gegendruckkompensiertes Überdruckventil führt dieser Gegendruck nicht zu einer systematischen Erhöhung des Ansprechdrucks des Boil-off-Ventils 1.By repeatedly releasing hydrogen gas into the boil-
Sobald der Druck in der Boil-off-Leitung 2 den Ansprechdruck des Rückschlagventils 5 erreicht, öffnet das Rückschlagventil 5 und ermöglicht einen, durch den Durchflussbegrenzer 4 begrenzten, Strom des Wasserstoffgases aus der Boil-off-Leitung 2 in die Zusammenführungskomponente 7 bzw. in die Venturi-Düse 7. Dabei erfolgt ein sprunghaftes Öffnen des Boil-off-Ventils 1, insbesondere in dessen maximal vorgesehene Öffnungsstellung bzw. Hub, und damit ein schwallartiges Ablassen von Wasserstoffgas aus dem Flüssigwasserstofftank 50 in die Boil-off-Leitung 2. Dadurch wird durch das Boil-off-Ventil 1 mehr Wasserstoffgas in die Boil-off-Leitung 2 abgelassen, als notwendig wäre, um den Druck im Flüssigwasserstofftank 50 mit dem Ansprechdruck des Boil-off-Ventils 1 in Einklang zu bringen. Mit anderen Worten, das Boil-off-Ventil 1 durchläuft eine Ventil-Hysterese.As soon as the pressure in the boil-
Bezugnehmend auf
Durch die beschriebene Umlenkung des Treibstroms wird ein Sog am Saugstromeinlass 19 erzeugt, durch welchen Umgebungsluft in die Venturi-Düse 7 eingesaugt und zusammen mit dem Wasserstoffgas aus dem Flüssigwasserstofftank 50 am Ejektorstromauslass 20 ausgegeben wird. Dabei öffnet das Rückschlagventil 5 nur, wenn der Druck und die Menge des daraufhin an der Venturi-Düse 7 gebildeten Treibstroms an Wasserstoff zum Einsaugen einer Menge an Sauerstoff führt, so dass das am Ejektorstromauslass 20 ausgegebene Gasgemisch mit Umgebungsluft überstöchiometrisch vorliegt. Konkret bedeutet dies, dass der Volumenanteil an Wasserstoff unterhalb von 4% des Volumenanteils im erhaltenen Gasgemisch liegt. Somit kann das Risiko für eine explosive Knallgasreaktion innerhalb des Boil-off-Managementsystems 100 reduziert bzw. eliminiert werden, während eine möglichst vollständige Oxidation des Wasserstoffs im nachfolgenden Katalysator 11 sichergestellt wird.The described deflection of the propulsion flow creates a suction at the
Aus der Venturi-Düse 7 wird das darin gebildete Gasgemisch durch die Mischkammer 8 in den Einlasstrichter 9a geleitet, wo der Querschnitt der Leitung aufgeweitet wird. Diese Aufweitung führt zu einer Expansion des Gasgemisches und damit zu einer Verlangsamung der Strömungsgeschwindigkeit, was die nachfolgende exotherme Reaktion im Katalysator 11 begünstigt. Über das Substrat 10 wird das Gasgemisch in den Katalysator 11 bzw. in einen reaktiven hinteren Bereich des Katalysators 11, wenn ein vorderer Bereich des Katalysators 11 als nicht-reaktives Substrat 10 ausgebildet ist, geleitet. Dabei fungiert das Substrat als Führungskomponente zur gezielten Verteilung des Gasstroms auf die Gesamtfläche des Katalysators 11, als Hitzeschild zur Reduktion einer Erwärmung des Gasgemisches vor Eintritt in den Katalysator 11 und/oder als Flammenrückschlagsicherung zur Vermeidung des Durchschlags einer unerwarteten Entzündung des Gasgemisches im oder vor dem Katalysator 11 in die Bereiche des Boil-off-Managementsystems 100 vor dem Substrat 10. Auch können mehrere einzelne Substrate 10 und/oder Substratbereiche in dem Katalysator 11 miteinander kombiniert werden, um einzelne oder mehrere dieser oder anderer Aufgaben zu erfüllen.From the
Im Katalysator 11 erfolgt eine exotherme Reaktion in Gestalt der Oxidation des Wasserstoffgases in dem Gasgemisch mit freiem Sauerstoffgas in dem Gasgemisch unter Bildung von Wasser bzw. von Wasserdampf. Mit anderen Worten, der Katalysator 11 wandelt in der vorliegenden Ausgestaltung das in ihn eingeleitete Wasserstoff-Luft-Gemisch in ein Wasserdampf-Luft-Gemisch und gibt dieses als „Abgase“ aus.An exothermic reaction takes place in the
Diese Abgase werden durch die Kondensatfalle 13 in den Auslasstrichter 9b eingeleitet, in welchem ein Querschnitt der Leitung reduziert wird. Dies führt zu einer Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit der Abgase (also des Wasserdampf-Luft-Gemisches aus dem Katalysator 11). Im nachfolgenden Wärmetauscher 14 erfolgt dann eine Wärmeübertragung von den Abgasen auf das Wasserstoffgas in der Boil-off-Leitung 2, um dieses vorzuwärmen.These exhaust gases are introduced through the
Schließlich ziehen die Abgase in Gestalt eines nicht mehr explosionsgefährlichen Wasserdampf-Luft-Gemisches über den Kamin 15 in die Umgebung 60 der Lagereinheit 200 ab.Finally, the exhaust gases in the form of a no longer explosive water vapor-air mixture are discharged via the
Sobald das Boil-off-Ventil 1 wieder schließt, baut sich der Druck in der Boil-off-Leitung 2 rapide ab, bis der Druck in der Boil-off-Leitung 2 den Ansprechdruck des Rückschlagventils 5 unterschreitet, sodass dieses wieder schließt. Dies führt zu einem Abreißen des Treibstroms für die Venturi-Düse 7 und damit zu einem Auslaufen der Prozesse hinter der Venturi-Düse 7.As soon as the boil-off
Durch die oben beschriebene Funktionsweise erfolgt ein wiederkehrendes Ablassen von Wasserstoffgas durch das Boil-off-Managementsystem 100 unter Umwandlung des Wasserstoffgases zu Wasser bzw. Wasserdampf, ohne die Notwendigkeit unbehandeltes Wasserstoffgas durch die Überdruckventile 53 an die Umgebung auszugeben.Due to the operation described above, hydrogen gas is repeatedly released through the boil-
Durch die Zusammenwirkung des als gegendruckkompensiertes Überdruckventil ausgestalteten Boil-off-Ventils 1 mit dem speziell abgestimmten Rückschlagventil 5 durchläuft das Boil-off-Ventil 1 bei jedem Ablassen des Wasserstoffgases eine Ventil-Hysterese, durch welche jeweils eine Menge von Wasserstoffgas aus dem Flüssigwasserstofftank 50 abgeblasen wird, welche die zur Erreichung des Ansprechdrucks des Boil-off-Ventils 1 notwendige Menge wesentlich überschreitet. Dadurch wird verhindert, dass ab dem erstmaligen Erreichen des Ansprechdrucks des Boil-off-Ventils 1 permanent Wasserstoffgas durch dieses „abzischelt“. Vielmehr sorgt dieses übermäßige Ablassen von Wasserstoffgas bis zum erneuten Erreichen des Ansprechdrucks des Boil-off-Ventils 1 für eine Ruhepause für das Boil-off-Ventil 1. Diese reduziert effektiv den Verschleiß des Boil-off-Ventils 1 und gibt den Komponenten des Boil-off-Ventils 1 die Möglichkeit zur weitestgehenden Entspannung zwischen den Ablassprozessen.Due to the interaction of the boil-off
Bei der oben beschriebenen Verwendung der Umgebung 60 der Lagereinheit 200 als Sauerstoffquelle 60 mit einem Druck von ca. 1 bar, hat sich ein Ansprechdruck für das Rückschlagventil von 4 bar bis 8 bar, insbesondere von 6 bar, und ein Ansprechdruck für das Boil-off-Ventil 1 von 15 bar bis 25 bar, insbesondere von 20 bar, als besonders geeignet erwiesen.When using the
Die seitliche Einleitung des Wasserstoffgases als Treibstrom in die Venturi-Düse 7 bewirkt, dass ein vergleichsweise kleiner Strom von Wasserstoffgas einen großen Strom von Sauerstoff bzw. Luft ansaugt. Dies ermöglicht es als Sauerstoffquelle auf die Umgebungsluft zurückzugreifen, was besonders kosteneffizient ist. Dabei ist es nicht notwendig, auf die Unterstützung von aktiven Vorrichtungen, wie Heizer oder Gebläse, zurückzugreifen. Ferner stellt sich über die beschriebene Venturi-Düse 7 beinahe unmittelbar mit Einlass des Treibstroms die volle Saugwirkung und damit das gewünschte Mischungsverhältnis in dem ausgegebenen Gasgemisch ein. Eine Anlaufphase und zumindest teilweise Rückführung der Abgase aus dem Katalysator 11 in das Gasgemisch vor dem Katalysator 11 zur Erreichung der erwünschten Betriebsparameter für den Katalysator 11 ist damit nicht notwendig. Dies führt zu einer erhöhten Sicherheit des Gesamtsystems, da im Wesentlichen von Anfang an beim Abblasen von Wasserstoff die Bildung eines überstöchiometrischen Gemisches und damit nicht explosionsgefährlichen Gasgemisches in dem Boil-off-Managementsystem 100 möglich ist.The lateral introduction of the hydrogen gas as a driving stream into the
Eine Kombination der oben beschriebenen Ausgestaltung zum Erhalt der Ventil-Hysterese mit der oben beschriebenen spezifischen Einbindung einer Venturi-Düse 7 in das Boil-off-Managementsystem wird als besonders vorteilhaft erachtet.A combination of the above-described design for maintaining the valve hysteresis with the above-described specific integration of a
Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Ausgestaltung liegt darin, dass alle Komponenten vollkommen passiv arbeiten, jeweils also keinerlei externe Ansteuerung oder weitere Energieversorgung benötigen. Mit anderen Worten, das gesamte System wird durch sich automatisch bildende Druck- und Temperaturdifferenzen ohne die Notwendigkeit einer externen Einmischung, beispielsweise durch Heizer oder Gebläse, angetrieben. Dies erlaubt einen vereinfachten Gesamtaufbau, welcher auch ohne externe Energieversorgung und/oder Steuerung zuverlässig seine Aufgabe erfüllt.A further advantage of the present design is that all components work completely passively, meaning they do not require any external control or additional power supply. In other words, the entire system is driven by automatically generated pressure and temperature differences without the need for external interference, for example from heaters or fans. This allows for a simplified overall structure that reliably performs its task even without an external power supply and/or control.
Bezugszeichenlistelist of reference symbols
- 11
- Boil-off-Ventilboil-off valve
- 22
- Boil-off-Leitungboil-off line
- 33
- Wasserstofffilterhydrogen filter
- 44
- Durchflussbegrenzerflow restrictor
- 55
- Rückschlagventilcheck valve
- 66
- Luftfilterair filter
- 77
- Venturi-Düse/ ZusammenführungskomponenteVenturi nozzle/ merging component
- 88
- Mischkammermixing chamber
- 9a9a
- Einlasstrichterinlet funnel
- 9b9b
- Auslasstrichteroutlet funnel
- 1010
- Substratsubstrate
- 1111
- Katalysatorcatalyst
- 1212
- Isolierunginsulation
- 1313
- Kondensatfallecondensate trap
- 1414
- Wärmetauscherheat exchanger
- 1515
- KaminChimney
- 1616
- Wind- und/oder Regenschutzwind and/or rain protection
- 1717
- geradliniger Fluidkanalabschnittstraight fluid channel section
- 18a18a
- Treibstromeinlassdrive current inlet
- 18b18b
- Treibstromauslass/ Spaltdrive current outlet/gap
- 1919
- Saugstromeinlasssuction flow inlet
- 2020
- Ejektorstromauslassejector flow outlet
- 2121
- Hauptkörpermain body
- 2222
- Coanda-Effekt-KomponenteCoanda effect component
- 5050
- Wasserstofftankhydrogen tank
- 5151
- Innenbehälterinner container
- 5252
- Außenbehälterouter container
- 5353
- Überdruckventilpressure relief valve
- 6060
- Sauerstoffquelle/ Umgebungoxygen source/environment
- 100100
- Boil-off-Managementsystemboil-off management system
- 200200
- Lagereinheitstorage unit
Claims (24)
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Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20140174103A1 (en) * | 2012-12-24 | 2014-06-26 | General Electric Company | Systems and methods for oxidation of boil-off gas |
| DE102016210156A1 (en) * | 2016-06-08 | 2017-12-14 | Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft | Cryogenic pressure vessel system with a thermochromic material |
| DE102017205642A1 (en) * | 2017-04-03 | 2018-10-04 | Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft | Process for the disposal of fuel and motor vehicle with fuel converter |
| EP3573160B1 (en) * | 2018-05-22 | 2021-02-17 | Helmholtz-Zentrum Geesthacht Zentrum für Material- und Küstenforschung GmbH | Gas circuit system for heat transport |
| DE102022204451A1 (en) * | 2022-05-05 | 2023-05-04 | Magna Energy Storage Systems Gesmbh | Oxidation device and method for the catalytic combustion of a gas mixture |
Family Cites Families (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP4050019B2 (en) * | 2001-08-09 | 2008-02-20 | 本田技研工業株式会社 | Boil-off gas processing equipment |
| DE102021202900A1 (en) * | 2021-03-24 | 2022-09-29 | Magna Steyr Fahrzeugtechnik Ag & Co Kg | liquid hydrogen storage |
| DE102022203912B3 (en) * | 2022-04-21 | 2023-05-11 | Magna Steyr Fahrzeugtechnik Gmbh & Co Kg | fuel cell device |
-
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-
2024
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Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20140174103A1 (en) * | 2012-12-24 | 2014-06-26 | General Electric Company | Systems and methods for oxidation of boil-off gas |
| DE102016210156A1 (en) * | 2016-06-08 | 2017-12-14 | Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft | Cryogenic pressure vessel system with a thermochromic material |
| DE102017205642A1 (en) * | 2017-04-03 | 2018-10-04 | Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft | Process for the disposal of fuel and motor vehicle with fuel converter |
| EP3573160B1 (en) * | 2018-05-22 | 2021-02-17 | Helmholtz-Zentrum Geesthacht Zentrum für Material- und Küstenforschung GmbH | Gas circuit system for heat transport |
| DE102022204451A1 (en) * | 2022-05-05 | 2023-05-04 | Magna Energy Storage Systems Gesmbh | Oxidation device and method for the catalytic combustion of a gas mixture |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| GOETZE ARMATUREN: Technical gases : Extreme Bedingungen – sichere Lösungen. Ludwigsburg, 2023. S. 1-31. – Firmenschrift. URL: https://web.archive.org/web/20230202085511/https://www.goetze-group.com/DAM/brochures-flyers/goetze-brochure-technical-gases-de.pdf [abgerufen am 29.04.2024] * |
Also Published As
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