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Die
Erfindung betrifft eine Kraftstoffversorgungseinrichtung für
ein mit Wasserstoff betreibbares Kraftfahrzeug nach dem Oberbegriff
des ersten Anspruchs, deren Wasserstoff-Entnahmeeinrichtung aus
einem Behälter, insbesondere aus einem Kryotank, einen
Sorptionshydridkompressor als Druckerhöhungseinrichtung
für gasförmigen Wasserstoff umfasst.
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Es
ist bereits bekannt, Kraftfahrzeuge mit Wasserstoff anzutreiben
und diesen Treibstoff zum Beispiel als kondensiertes Gas in einem
Behälter im Kraftfahrzeug zu speichern. Zu dieser verflüssigten Speicherung
sind spezielle druckfeste Behälter notwendig, die aufgrund
der tiefen Speichertemperaturen eine sehr gute Isolation besitzen
sollten. Dabei ist bekannt, zur Vermeidung von Wärmeeintrag
aus der Umgebung, doppelwandige, vakuumisolierte Behälter
zu verwenden.
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Des
weiteren kann Wasserstoff in Kraftfahrzeugen, zu deren Betrieb,
auch in Druckgasspeichern oder in Hydridspeichern bevorratet werden.
Erfolgt die Speicherung allerdings in Form von tiefkaltem, verflüssigtem
Wasserstoff, als kondensiertes Gas, wird eine für Fahrzeuge
vorteilhafte hohe Reichweite erzielt, da in diesem Zustand eine
hohe Energiedichte erreicht wird, zum Beispiel gegenüber
einer Speicherung von warmem, komprimiertem Wasserstoff-Gas.
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Der
tiefkalte, flüssige Wasserstoffvorrat wird im Fahrzeug
im siedenden Zustand in einem thermisch sehr gut isolierten, druckdichten
Behälter gespeichert. Die Energiedichte 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.
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Im
unteren Teil des Vorratsbehälters liegt der siedende Wasserstoff
als massedichtere flüssige Phase (wird im folgenden auch
LH2 genannt) und darüber liegend als gasförmige
Phase (wird im folgenden auch GH2 genannt) vor.
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Die
unmittelbare Förderung des Wasserstoffs (wird im folgenden
auch H2 genannt) aus dem Vorratsbehälter in eine Vorlaufleitung,
hin zu einem Verbraucher, erfolgt im einfachsten Fall über
das zwischen Tankinnerem und der Umgebung anliegende statische Druckgefälle,
oder durch eine gezielte Bedruckung des Vorratsbehälters.
Dabei besteht grundsätzlich die Möglichkeit durch
die geometrische Gestaltung der im Tankinneren beginnenden Vorlaufleitung,
vorrangig LH2 oder nur GH2 zu fördern.
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Gespeichertes
H2 wird im allgemeinen aus der Gasphase als GH2 entnommen. Sofern
H2 als LH2 aus der Flüssigphase entnommen wird, sind bei einer
mobilen Anwendung die nachfolgenden Konditionierer, z. B. Druckerhöher,
oder die Betriebsart eines Verbrauchers dennoch für die
Förderung von GH2 ausgelegt. Dies ist erforderlich, da
infolge der möglichen Abweichungen von der Normallage des mobilen
Behälters, oder dynamischer, beschleunigter Zustände,
die Zulauföffnung einer Entnahmeleitung für LH2
systematisch auch bei hohen Füllständen von Gasphase
zeitweilig umspült sein kann. Dies ist im zeitlichen Verlauf
der Entleerung des mobilen Behälters insbesondere lange
vor dem Zeitpunkt möglich, vor dem die Gasphase in einem
identischen immobilen Behälter die Zulauföffnung
der LH2-Entnahmeleitung durch reine Entnahme erreicht. Aus diesem
Grund wird bei mobilen Anwendungen H2 vorwiegend aus der Gasphase
entnommen.
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Dem
Vorratsbehälter wird während der H2-Entnahme Wärme
zugeführt, die zum Abdampfen von LH2 im Behälter
und damit zur Aufrechterhaltung eines für die Förderung
erforderlichen Behälterdruckes führt, der sonst
durch die Entnahme soweit sinken würde, dass eine Förderung
nicht mehr möglich wäre. Diese zur Druckhaltung
benötigte Wärmezufuhr erfolgt über eine
separate Heizung, die z. B. als elektrisch betriebenes Heizelement
ausgeführt sein kann oder z. B. direkt durch Zufuhr von
erwärmtem, gasförmigem H2, das einem erwärmten
Vorlaufstrom gezielt abgezweigt und in den Innenbehälter
(zurück-) geleitet wird.
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Angestrebt
wird, der Brennkraftmaschine den Kraftstoff im gasförmigen
Aggregatzustand zumindest teilweise durch Hochdruckeinblasung in
den oder die bereits ein verdichtetes Gas enthaltenden Brennraum
bzw. Brennräume zur Verbrennung zuzuführen, da
hierdurch die Gefahr von Rückzündungen minimiert
und die Leistungsdichte sowie der Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine
erhöht werden können.
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Zur
Umsetzung einer derartigen Hochdruckeinblasung muss der Druck im
gespeicherten Kraftstoff letztlich hoch genug sein. Dieser Hochdruck-Kraftstoff
wird für die Direkteinblasung in die bereits verdichtetes
Gas bzw. Luft-Kraftstoff-Gemisch enthaltenden Brennkraftmaschinen-Brennräume
verwendet, was zeitlich jedoch nur solange funktioniert, als noch
eine ausreichend große Menge von Kraftstoff im Drucktank
vorhanden ist. Ist aus diesem jedoch eine gewisse Menge von Kraftstoff
entnommen, so fällt zwangsläufig der Druck in
diesem Drucktank soweit ab, dass eine Kraftstoff-Direkteinblasung
unter Hochdruck nicht mehr möglich ist.
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Daraufhin
kann der noch enthaltene und nurmehr unter verringertem Druck vorliegende
Kraftstoff, zumindest in einem gewissen Umfang, der Brennkraftmaschine
unter Niederdruck zur Verbrennung zugeführt werden, insbesondere
unter äußerer Gemischbildung. Allerdings reicht
die bei diesem Verfahren der Brennkraftmaschine zur Verfügung
gestellte Kraftstoffmenge für Volllastbetrieb nicht aus, das
heißt, ab einem bestimmten Grad der Entleerung des Drucktanks
ist nur noch Teillastbetrieb bei geringen Lastanforderungen möglich.
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Die
DE 10 2004 062 155
A1 zeigt eine Abhilfemaßnahme für diese
geschilderte Problematik auf und beschreibt ein Entnahmesystem,
mindestens zur anteiligen Versorgung eines in einem Brennraum gasförmigen
Kraftstoff verbrennenden Verbrauchers mit Wasserstoff, insbesondere
einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs, mindestens aus einem Wasserstoffspeicher,
insbesondere einem Kryotank, und einem Sorptionshydridkompressor
als Druckerhöhungseinrichtung für den Wasserstoff,
die über eine Verbindungseinrichtung mit dem Brennraum
des Verbrauchers verbunden ist. Die Kraftstoffversorgungseinrichtung
ist dadurch gekennzeichnet, dass die Druckerhöhungseinrichtung
wenigstens aus einem druckfesten Gefäß besteht,
das mindestens einen Stoff enthält, insbesondere eine Hydrid
bildende Metalllegierung, der unter Wärmezu- bzw. Wärmeabfuhr
zyklisch Wasserstoff de- bzw. absorbiert, und dass die Druckerhöhungseinrichtung
mindestens vor dem Brennraum den Druck des gasförmigen
Wasserstoffs mindestens zeitweise so erhöht, dass der gasförmige
Wasserstoff unter Ausnutzung eines Druckgefälles in den
Brennraum einströmt.
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Dadurch
steht im wesentlichen die Gesamtfüllmenge des Wasserstoffspeichers
für den Betrieb der Brennkraftmaschine zur Verfügung.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, eine Druckerhöhungseinrichtung
mittels eines Sorptionshydridkompressors mit großer Förderdynamik bereit
zu stellen, bei der mit Flüssigkeit betriebene Zwischenkreise
zum Heizen und Kühlen mit zugehörigen weiteren
Wärmetauschern entfallen. Zur Verwendung im Kraftfahrzeug
soll die Druckerhöhungseinrichtung einfach aufgebaut sein
und gegenüber dem Stand der Technik sollen die betriebsnotwendige
Gesamtmasse bzw. das betriebsnotwendige Gesamtvolumen, die Kosten
und die Ausfallrate reduziert werden. Vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen sind
Inhalt der Unteransprüche.
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Nach
der Erfindung besteht eine Kraftstoffversorgungseinrichtung mindestens
zur anteiligen Versorgung eines in einem Brennraum gasförmigen Kraftstoff
verbrennenden Verbrauchers mit Wasserstoff, insbesondere einer Brennkraftmaschine
eines Kraftfahrzeugs, mindestens aus einem Wasserstoffspeicher,
insbesondere einem Kryotank, und einer Druckerhöhungseinrichtung
für den Wasserstoff, die über eine Verbindungseinrichtung
mit dem Brennraum des Verbrauchers verbunden ist und mindestens
vor dem Brennraum den Druck des gasförmigen Wasserstoffs
mindestens zeitweise so erhöht, dass der gasförmige
Wasserstoff unter Ausnutzung eines Druckgefälles in den
Brennraum einströmt. Dazu besteht die Druckerhöhungseinrichtung
aus wenigstens einem druckfesten Gefäß, das mindestens
einen Stoff enthält, insbesondere eine Hydrid bildende
Metalllegierung, der durch Wärmeabfuhr und Wasserstoffzufuhr
unter geringerem Gasdruck mit Wasserstoff beaufschlagt wird und
durch Wärmezufuhr zur Wasserstoffabgabe unter höherem
Gasdruck veranlasst wird, wozu zyklisch wechselnd mindestens ein Teilbereich
des Wasserstoff absorbierenden Stoffes durch einen Wärmetauschvorgang
mit einer höheren Temperatur beaufschlagt wird. Das druckfeste
Gefäß bildet einen Teil eines Wärmetauschers,
dessen äußere Oberfläche durch ein Heiz-
und/oder Kühlmedium beaufschlagbar ist. Die Erfindung zeichnet
sich dadurch aus, dass das Heiz- und/oder Kühlmedium mindestens
ein Massenstrom eines Betriebsstoffes des Verbrauchers, insbesondere
dessen Abgas und/oder dessen Kühlmittel, ist und dass mindestens ein
Teil dieses Massenstroms den Wärmetauscher durchströmt.
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Das
hat den Vorteil, dass der Sorptionshydridkompressor eine große
Förderdynamik besitzt, weil mit Flüssigkeit betriebene
Zwischenkreise zum Heizen und Kühlen mit zugehörigen
weiteren Wärmetauschern entfallen. Direkt im Betriebsstoffstrom eingebaut
ist die Druckerhöhungseinrichtung einfach aufgebaut und
für die Verwendung im Kraftfahrzeug prädestiniert.
Die betriebsnotwendige Gesamtmasse bzw. das betriebsnotwendige Gesamtvolumen,
die Kosten und die Ausfallrate werden dadurch reduziert.
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Vorteilhafte
Aus- und Weiterbildungen der Erfindung sehen vor, dass der Wärmetauscher
ein, das druckfeste Gehäuse mindestens teilweise umgebendes,
für das Heiz- und/oder Kühlmedium dichtes Gehäuse
mit mindestens einer Zu- und einer Ablauföffnung für
das Heiz- und/oder Kühlmedium besitzt. So kann vorteilhafterweise
der Sorptionshydridkompressor direkt in eine Leitung eines zu dessen
Kühlung bzw. Erwärmung notwendigen Betriebsmittels
der Brennkraftmaschine eingebaut werden.
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Wenn
dann die Druckerhöhungseinrichtung aus mindestens zwei
druckfesten Gefäßen besteht, die hintereinander
und/oder parallel zusammen geschaltet sind, um den Druck des gasförmigen
Wasserstoffs stufenweise und/oder zeitversetzt zu erhöhen,
kann auch mindestens ein Wärmetauscher alternativ mit dem
Heizmedium oder mit dem Kühlmedium beaufschlagt werden,
wenn im Strömungsbereich je einer Anschlussleitung für
das Heiz- und das Kühlmedium zulauföffnungsseitig
eine Steuerklappe vorhanden ist, die die Zuströmung des
einen Mediums im wesentlichen freigibt, während die Zuströmung
des anderen Mediums im wesentlichen gesperrt wird.
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So
werden vorteilhafterweise zum Betrieb nur Steuerklappen benötigt
und die Funktion des Sorptionshydridkompressors wird durch die Aufschaltung
der zwei Betriebsphasen, Heizen und Kühlen, auf einfache
Weise ohne Stellventile oder Regelventile gewährleistet,
wodurch die betriebsnotwendige Gesamtmasse bzw. das betriebsnotwendige
Gesamtvolumen des Sorptionshydridkompressors und dessen Kosten reduziert
werden.
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Wenn
mehrere Wärmetauscher parallel über mindestens
je eine Anschlussleitung vom Heiz- und/oder Kühlmedium,
insbesondere Abgas, beaufschlagt werden, wobei die Anschlussleitungen
nach deren Ablauföffnung in eine gemeinsame Ablaufleitung
münden, die stromabwärts in die Umgebung führt
und einen genügend großen Strömungsquerschnitt
aufweist, so dass in der Ablaufleitung näherungsweise Umgebungsdruck
anliegt, besitzt der Sorptionshydridkomperssor eine besonders große Förderdynamik
und auf einfache Weise kann durch die Frequenz der Schaltung der
Steuerklappen ein gewünschter Betriebspunkt für
die Sorptionshydridkompressoren adaptiert werden. Es wird außerdem eine
Rückströmung verhindert.
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Bei
einer bevorzugten Ausführung der Erfindung besteht die
Druckerhöhungseinrichtung aus mindestens zwei druckfesten
Gefäßen, von denen während des Betriebs
der Druckerhöhungseinrichtung ein erstes immer die höhere
Temperatur besitzt und der Wasserstoff de- und absorbierende, unter Betriebstemperatur
förderfähige Stoff nimmt wechselnd eine Position
im ersten oder im zweiten druckfesten Gefäß ein.
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Das
hat den Vorteil, dass die Versorgung des Verbrauchers mit Gas durch
einen kontinuierlichen Sorpionshydridkompressorbetrieb ermöglicht
wird, was eine weitergehende Reduktion der Masse und des Volumens
des Sorpionshydridkompressors erlaubt. Zusätzlich entfallen
die Steuerklappen, wenn der Wärmetauscher des ersten druckfesten
Gefäßes kontinuierlich mit dem Heizmedium, insbesondere mit
Abgas und der Wärmetauscher des zweiten druckfesten Gefäßes
kontinuierlich mit dem Kühlmedium, insbesondere mit Kühlwasser
oder Gebläseluft, beaufschlagt wird.
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So
lassen sich gasförmige und flüssige wärmeführende
Medien, die im Fahrzeug vorhanden sind und sich nicht durchmischen
dürfen, wie Abgas und Kühlwasser, gleichzeitig
nutzen. Der Wärmebedarf des Sorptionshydridkompressors
wird durch den kontinuierlichen Betrieb reduziert. Weitergehend
wird dies durch einen weiteren Wärmetauscher in oder zwischen
den internen Hydrid führenden Leitungen des Sorptionshydridkompressors
ermöglicht.
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Dazu
ist bei weiteren bevorzugten Ausführungen der Erfindung
in wenigstens einer von zwei Verbindungsleitungen zwischen erstem
und zweitem druckfesten Gefäß, durch die der Stoff
zirkuliert, wenigstens ein weiterer Wärmetauscher integriert,
mit dem Wärme aus oder in wenigstens eine der beiden Verbindungsleitungen übertragen
werden kann. Dieser weitere Wärmetauscher kann auch ein
gemeinsamer Wärmetauscher zwischen den beiden Verbindungsleitungen
sein, insbesondere auch ein Gegenstromwärmetauscher.
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Zusätzliche
bevorzugte Ausführungen der Erfindung sind dadurch gekennzeichnet,
dass die Druckerhöhungseinrichtung aus dem Wasserstoffspeicher über
eine weitere Verbindungsleitung mit Wasserstoff versorgt wird und
dass diese weitere Verbindungsleitung mit der Verbindungseinrichtung, zwischen
Druckerhöhungseinrichtung und Verbraucher, durch einen
gemeinsamen zusätzlichen Wärmetauscher, insbesondere
ebenfalls durch einen Gegenstromwärmetauscher, thermisch
verbunden ist. Insbesondere wenn dann in der Verbindungseinrichtung,
zwischen dem zusätzlichen Wärmetauscher und der
Druckerhöhungseinrichtung ein weiterer zusätzlicher
Wärmetauscher, insbesondere ein Gebläsekühler,
mit dem Wärme aus dem geförderten Wasserstoff
abgeführt werden kann, eingebaut ist, belastet die Nutzung
des Sorptionshydridkompressors zur Förderung von kryogenem
Wasserstoff in den Brennraum der Brennkraftmaschine praktisch nicht
deren exergeti sche Gesamtbilanz, da die hydraulische Förderarbeit
des Sorptionshydridkompresssors aus anergetischer Abwärme
gewonnen werden kann.
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Im
Folgenden wird die Erfindung anhand zweier bevorzugter Ausführungsbeispiele
weiter erläutert. Es zeigen:
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1:
in schematischer Darstellung eine Anordnung von Sorptionshydridkompressoren
in einer Abgasanlage als Druckerhöhungseinrichtung für gespeicherten
Wasserstoff zum Betrieb eines Verbrennungsmotors, und
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2:
in schematischer Darstellung eine Anordnung eines Sorptionshydridkompressors
in einer Kühlwasser- bzw. Abgasleitung als Druckerhöhungseinrichtung
für kryogen gespeicherten Wasserstoff zum Betrieb eines
Verbrennungsmotors.
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In
einem nicht gezeichneten Kraftfahrzeug ist ein Wasserstoffspeicher,
insbesondere ein nicht gezeichneter Kryotank, zur Speicherung von
Flüssigwasserstoff eingebaut. Der Wasserstoff dient als Kraftstoff
zur mindestens anteiligen Versorgung einer das Kraftfahrzeug antreibenden,
nicht gezeichneten, Brennkraftmaschine als Verbraucher. Eine nicht
gezeichnete Entnahmeeinrichtung für gasförmigen Wasserstoff
aus dem Wasserstoffspeicher versorgt über eine Entnahmeleitung
die Brennkraftmaschine mit Wasserstoff.
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Zur
Bedruckung und Förderung des gasförmigen Wasserstoffs
führt die Entnahmeleitung zu einer in 1 gezeichneten
Druckerhöhungseinrichtung, die dazu Sorptionshydridkompressoren 1, 2, 3 verwendet.
Ausgangsseitig, mit ihrer Druckseite, sind diese über eine
nicht gezeichnete Verbindungseinrichtung an den Brennraum der Brennkraftmaschine angeschlossen.
Alternativ oder zusätzlich zur Brennkraftmaschine, könnten
allerdings auch nicht gezeichnete Brennstoffzellen mit Wasserstoff
versorgt werden. Die Druckerhöhungseinrichtung besteht
aus drei Sorptionshydridkompressoren 1, 2, 3 mit
druckfesten Gefäßen 4, die parallel zusammen
geschaltet sind und die den Druck des gasförmigen Wasserstoffs
jeweils zeitversetzt erhöhen, um immer annähernd
dasselbe Druckniveau in der Verbindungseinrichtung gewährleisten
zu können. Dazu enthalten die druckfesten Gefäße 4 jeweils
eine Hydrid bildende Metalllegierung, das Sorptionshydrid, das durch Wärmeabfuhr
und Wasserstoffzufuhr unter geringerem Gasdruck mit Wasserstoff
beaufschlagt und durch Wärmezufuhr zur Wasserstoffabgabe
unter höherem Gasdruck veranlasst wird. Um zyklisch wechselnd
das Sorptionshydrid durch einen Wärmetauschvorgang mit
einer höheren Temperatur zu beaufschlagen, bildet das druckfeste
Gefäß 4 einen Teil eines Wärmetauschers,
dessen äußere Oberfläche durch ein Heiz-
oder Kühlmedium beaufschlagbar ist. Dazu sind die Wärmetauscher
der Sorptionshydridkompressoren 1, 2, 3 jeweils
mit ihrer Zulauföffnung 8 an je eine Heiz- oder
Kühlmedium führende Anschlussleitung 5 angeschlossen,
wobei die Anschlussleitungen 5 stromabwärts hinter
den Sorptionshydridkompressoren 1, 2, 3 mit
ihren Ablauföffnungen 6 in eine gemeinsame Ablaufleitung 7 münden,
die weiter stromabwärts in die Umgebung führt und
einen so großen Strömungsquerschnitt aufweist, dass
in der Ablaufleitung 7 näherungsweise Umgebungsdruck
anliegt.
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Die
Sorptionshydridkompressoren 1, 2, 3 sind
so in für die Zufuhr und die Abfuhr von Wärmeströmen
geeigneten Leitungen integriert, dass die Massenströme
in den Leitungen die Wärmetauscher der Sorptionshydridkompressoren 1, 2, 3 durchströmen.
So besitzt jeder Wärmetauscher ein, das druckfeste Gefäß 4 mindestens
teilweise umgebendes, für das Heiz- oder Kühlmedium
dichtes Gehäuse 9 mit der Zu- 8 und Ablauföffnung 6 für
das Heiz- oder Kühlmedium. Die zum Betrieb der Sorptionshydridkompressoren 1, 2, 3 benötigten
Betriebswärmeströme können auf jede Art
erzeugt oder bereitgestellt werden. Vorteilhaft jedoch ist ein Massenstrom
eines Betriebsstoffes des Verbrauchers, insbesondere dessen Abgas
und/oder dessen Kühlmittel. Hier wird zur Wärmezufuhr
Abwärme aus dem Abgasstrom 10 der Brennkraftmaschine
verwendet. Genauso könnte jedoch durch Kühlung
der Brennkraftmaschine aufgeheiztes Kühlwasser zur Wärmezufuhr
verwendet werden. Die Sorptionshydridkompressoren 1, 2, 3 wären
dann entsprechend in die Kühlwasserleitungen der Brennkraftmaschinenkühlung
einzubauen.
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Als
Kühlmedium wird hier ein Gebläseluftstrom 11 verwendet,
zu dessen Bereitstellung in die Abgasanlage 12 eine Gebläseluftführung 13 integriert
ist. Die Wärmetauscher sind alternativ mit dem Abgas 10 oder
mit der Gebläseluft 11 beaufschlagbar, indem im
Strömungsbereich jeder Anschlussleitung 5 eine
schwenkbare Steuerklappe 14 vorhanden ist, die die Zulauföffnung 8 entweder
für die Zuströmung von Abgas 10 oder
von Gebläseluft 11 freigibt. Gleichzeitig ist
die Zuströmung des jeweils anderen Mediums im wesentlichen
gesperrt. Zur Wärmezu- und -abfuhr könnte allerdings
auch entsprechend das Kühlsystem der Brennkraftmaschine,
jeweils mit dem heißen bzw. kalten Kühlwasserstrom verwendet
werden.
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2 zeigt
eine weitere Ausführungsform einer Druckerhöhungseinrichtung
mit einem Sorptionshydridkompressor 1, der ein Sorptionsbett
besitzt, in dem zwei Temperaturen und zwei Drücke herrschen. Von
zwei druckfesten Gefäßen 4, 4' des
Sorptionshydridkompressors 1 besitzt während des
Betriebs der Druckerhöhungseinrichtung ein erstes, das
Heißteil, immer die höhere Temperatur, wobei der
Wasserstoff de- und absorbierende, unter Betriebstemperatur förderfähige,
Stoff kontinuierlich oder quasi-kontinuierlich wechselnd eine Position
im ersten oder im zweiten druckfesten Gefäß einnimmt,
dem Kaltteil. Es liegen während des Betriebs hinsichtlich
Temperatur und Druck örtlich stets die selben Bedingungen
für das Sorptionshydrid vor, Desorpstionsbedingungen im
Heißteil bzw. Absorptionsbedingungen im Kaltteil.
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Die
beiden druckfesten Gefäße 4, 4' sind über
zwei Rohrleitungen 19, 20 verbunden, in denen sich
ein Regelventil oder eine Absperreinrichtung 18, eine Drossel 21 und
eine druckerhöhende Fördereinrichtung, insbesondere
eine Pumpe 17, oder auch eine einseitig wirkende Absperreinrichtung
befindet. Außerdem ist noch ein weiterer Wärmetauscher 16, der
als gemeinsamer Wärmetauscher zwischen den beiden Verbindungsleitungen 19, 20 durch
Wärmeübertragung für einen Temperaturausgleich
sorgt, eingebaut.
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Die
Rohrleitungen 19, 20 mit den angeordneten Einrichtungen 16, 17, 18, 21 sind
zur Förderung des verwendeten Sorptionhydrids geeignet
ausgelegt. Das flüssige Sorptionshydrid befindet sich in gleich
bleibenden oder zeitlich variierenden Anteilen zu jeder Zeit sowohl
im Heißteil, als auch im Kaltteil und zu einem kleinen
Teil in den genannten Rohrleitungen 19, 20. Im
Heißteil wird das darin enthaltene Sorptionshydrid fortwährend
vom Wasserstoff entladen und der abgegebene Wasserstoff unter Desorptionsdruck
nach außen abgeführt. Im Kaltteil wird das darin
enthaltene Sorptionshydrid fortwährend mit Wasserstoff
beladen und der aufgenommene Wasserstoff mit Absorptionsdruck von
außen zugeführt.
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Damit
diese beiden gleichzeitig laufenden Vorgänge nicht zum
Erliegen kommen, wird das flüssige Sorptionshydrid zwischen
Heissteil und Kaltteil fortwährend über die Rohrleitungen 19, 20 von
der Pumpe 17 zwischen beiden druckfesten Gefäßen 4, 4' umgewälzt.
Dabei gelangt das wasserstoffreduzierte Sorptionshydrid aus dem
Heissteil vorzugsweise durch Nutzen des Druckgefälles zum
Kaltteil. Vom Kaltteil gelangt das wasserstoffbeladene Sorptionshydrid
mittels der Pumpe 17, die es auf Desorptionsdruckniveau
anhebt, wieder in das Heißteil. Dabei sind verschiedene
Betriebsweisen möglich. Das Sorptionshydrid kann in einem
konstanten oder quasikonstanten Massenstrom umgewälzt werden,
dies kann aber auch in Abhängigkeit von beliebigen Zustandsgrößen
oder Eingabegrößen im Sorptionshydridkompressor 1 oder
im versorgten Wasserstoffverbraucher oder im Kraftfahrzeug erfolgen.
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Heissteil
und Kaltteil sind in ihrer räumlichen Anordnung und Orientierung
so gestaltet, dass beide einerseits die Zufuhr und die Abfuhr von
Wasserstoff und das Umwälzen des Sorptionshydrids ermöglichen,
andererseits eine hervorragende Wärmetauschfunktion mit
einem Betriebsstoff der Brennkraftmaschine gewährleistet
ist. Dazu sind Heißteil und Kaltteil des Sorptionshydridkompressors 1 in
für die Zufuhr und die Abfuhr von Wärmeströmen
geeignete Betriebsstoffleitungen integriert, so dass die Massenströme
in den Leitungen die Wärmetauscher des Sorptionshydridkompressors 1 durchströmen. So
besitzt jeder Wärmetauscher ein, das druckfeste Gefäß 4, 4' mindestens
teilweise umgebendes, für das Heiz- bzw. Kühlmedium
dichtes Gehäuse 9 mit mindestens einer Zu- 8 und
einer Ablauföffnung 6 für das Heiz- bzw.
Kühlmedium. Die zum Betrieb des Sorptionshydridkompressors 1 benötigten
Betriebswärmeströme können auf jede Art
erzeugt oder bereitgestellt werden. Hier wird für das Heißteil
ein Massenstrom des Brennkraftmaschinenabgases 10 und für
das Kaltteil ein Massenstrom des Brennkraftmaschinenkühlwassers 22 verwendet.
Dazu ist das Heißteil in die Abgasanlage 12 und
das Kaltteil in eine Kühlwasserleitung 23 eingebaut.
Der Wärmetauscher des ersten druckfesten Gefäßes 4 wird
so kontinuierlich mit Abgas 10, der Wärmetauscher
des zweiten druckfesten Gefäßes 4' kontinuierlich
mit Kühlwasser 22 beaufschlagt.
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Zu
jedem beliebigen Zeitpunkt während des Betriebes liegen
in den beiden druckfesten Gefäßen 4, 4' des
Sorptionshydridkompressors 1 örtlich näherungsweise
konstant insgesamt beide zum Sorptionszyklus gehörende
Drücke und die korrespondierenden Temperaturen vor. Daher
werden auch hier zum zyklischen Erwärmen und Abkühlen
des Sorptiopnshydrids im wesentlichen nur die Wärmeströme benötigt,
die für die Desorption bzw.
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Asorption
des Sorptionshydrids selbst erforderlich sind. Für die
Anpassung der Temperatur der Gehäusestruktur werden systematisch
keine Wärmeströme benötigt. Für
die zyklische Anpassung der Temperatur des im Kreislauf geförderten
Sorptionshydrids werden nur sehr geringe Wärmeströme
benötigt, da dessen Wärme im weiteren Wärmetauscher 16 übertragen
wird.
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Die
Kraftstoffversorgung der Brennkraftmaschine mit Wasserstoff über
die Druckerhöhungseinrichtung erfolgt durch die Entnahme
des kryogen gespeicherten Wasserstoffs aus dem Kryotank 30 mit einem
Druck von zum Beispiel 2 bar über eine weitere Verbindungsleitung 31 in
das Kaltteil des Sorpionshydridkompressors 1. Dort wird
der Wasserstoff vom Sorptionshydrid aufgenommen und nach dessen Übergang
ins Heißteil mit erhöhtem Druck vom Sorptionshydrid
in die Verbindungseinrichtung 33 zur Brennkraftmaschine
abgegeben, so dass der gasförmige Wasserstoff unter Ausnutzung
eines Druckgefälles mit einem Druck von zum Beispiel 15
bar in deren Brennraum 32 einströmt. Die Verbindungseinrichtung 33 ist
mit der weiteren Verbindungsleitung 31 durch einen gemeinsamen,
zusätzlichen Wärmetauscher 34 thermisch
verbunden und in der Verbindungseinrichtung 33, zwischen
dem zusätzlichen Wärmetauscher 34 und
dem Heißteil, ist ein weiterer zusätzlicher Wärmetauscher,
ein Gebläsekühler 35, eingebaut, mit
dem Wärme aus dem geförderten Wasserstoff, zum
Beispiel in die Umgebung, abgeführt werden kann.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 102004062155
A1 [0012]