DE10105895A1 - Einrichtung zur Abgabe von Wasserstoff - Google Patents

Abstract

Es wird eine Einrichtung (5) zur Abgabe von Wasserstoff, insbesondere zur Bereitstellung von gasförmigem Wasserstoff für eine Brennstoffzelle, vorgeschlagen, die ein Reservoir, einen Gasanschluss (10) zur Entnahme des Wasserstoffes aus dem Reservoir und mindestens eine Heizeinrichtung (18) aufweist, mit der das Reservoir zur Abgabe des Wasserstoffes beheizbar ist. Weiter ist vorgesehen, dass das Reservoir in mindestens zwei Module (14, 15, 16, 17) unterteilt ist, die unabhängig voneinander beheizbar sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Abgabe von Was­ serstoff, insbesondere zur Bereitstellung von gasförmigem Wasserstoff für eine Brennstoffzelle, nach der Gattung des Hauptanspruches.

Stand der Technik

Zur temporären Speicherung von Wasserstoff sind Metallhy­ drid-Speicher bekannt, bei denen das eigentliche Speicherma­ terial in der Regel aus Magnesium oder Nickel besteht. Zum Entladen des in einem solchen Metallhydrid-Speicher gespei­ cherten Wasserstoffes wird dieser üblicherweise auf etwa 300°C hochgeheizt. Weiter ist wegen des erforderlichen Wär­ memanagements beim Beladen bzw. Entladen mit Wasserstoff durch Adsorptions- bzw. Desorptionswärme das Speichermate­ rial vielfach in ein durchgehendes Aluminiumschaumgerüst eingebettet.

Neben Metallhydrid-Speichern für Wasserstoff sind auch Kryo- Speicher bekannt, in denen gekühlter, verflüssigter Wasser­ stoff bei Temperaturen um 20 K gespeichert ist, sowie soge­ nannte Nano-Carbonspeicher, Speicher auf Basis von Mikro­ glaskugeln oder herkömmliche Gasdrucktanks für Wasserstoff.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung war, die Bereitstellung einer Einrichtung zur Abgabe von Wasserstoff, die gegenüber dem Stand der Technik einen verbesserten energetischen Wir­ kungsgrad aufweist, und die insbesondere bei einem Aufheizen der Einrichtung auf die erforderliche Betriebstemperatur ge­ genüber dem Stand der Technik weniger Energie verbraucht.

Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäße Einrichtung zur Abgabe von Wasserstoff hat gegenüber dem Stand der Technik den Vorteil, dass beim Hochheizen auf die Betriebstemperatur von beispielsweise 300°C zur Abgabe von Wasserstoff durch den modularen Aufbau nicht ständig bzw. jedesmal die gesamte Einrichtung voll­ ständig aufgeheizt werden muss.

So werden bisher beim Aufheizen von üblichen Metallhydrid- Speichern bei jedem Hochheizen etwa 4% des Energieinhaltes des vollen Wasserstoffspeichers verbraucht, so dass insge­ samt der energetische Wirkungsgrad dieser Systeme recht schlecht ist. Zudem ist aufgrund der großen hochzuheizenden Masse bekannter Speicher, insbesondere bei deren Verwendung zur Bereitstellung von gasförmigen Wasserstoff für eine Brennstoffzelle in einem Kraftfahrzeug, bei einem Kaltstart eine längere Wartezeit erforderlich, die zu inakzeptablen Beeinträchtigungen beim Betrieb von Kraftfahrzeugen führt.

Durch die erfindungsgemäße Einrichtung wird dagegen der Energieverbrauch beim Hochheizen auf die Betriebstemperatur und die erforderliche Wartezeit bei einem Kaltstart dra­ stisch reduziert.

Daneben hat die erfindungsgemäße Einrichtung zur Abgabe von Wasserstoff auch gegenüber üblichen Kryo-Speichern erhebli­ che Vorteile hinsichtlich des energetischen Wirkungsgrades, da Kryo-Speicher ca. 40% der Energie des gespeicherten Was­ serstoffs zum dauerhaften Kühlen des Wasserstoffs auf etwa 20 K benötigen, und weiter bei solchen Speichern ca. 1% bis 2% des gespeicherten Wasserstoffs pro Tag verdampfen. Deshalb ist aufgrund des weiten Zündbereiches von Wasser­ stoff ein Parken von mit einem Kryo-Speicher ausgerüsteten Kraftfahrzeugen in Garagen und Parkhäusern nicht möglich.

Gegenüber Nano-Carbonspeichern hat die erfindungsgemäße Ein­ richtung den Vorteil einer deutlich vergrößerten Speicherfä­ higkeit, während sie gegenüber der Speicherung von Wasser­ stoff mit Hilfe von Mikroglaskugeln den Vorteil einer deut­ lich schnelleren Gasabgabe hat.

Insbesondere wird durch die Unterteilung des Gasreservoirs der erfindungsgemäßen Einrichtung in mehrere Module, die un­ abhängig voneinander beheizbar sind, erreicht, dass jeweils bei Betrieb der Einrichtung nur ein kleiner Teilbereich des Reservoirs zur Bereitstellung des gerade benötigten Wasser­ stoffes beheizt werden muss. Zudem steht bei der erfindungs­ gemäßen Einrichtung durch die kleinere hochzuheizende Masse an Wasserstoff in zunächst bevorzugt nur einem Modul auch bei einem Kaltstart eines Kraftfahrzeuges der benötigte Was­ serstoff praktisch unmittelbar zur Verfügung.

Vorteilhafte Weiterbildungen aus der Erfindung ergeben sich aus den in den Unteransprüchen genannten Maßnahmen.

So ist besonders vorteilhaft, wenn die einzelnen Module ana­ log zu bisher bekannten Metallhydrid-Speichern aufgebaut sind und bevorzugt Magnesium und Nickel als den Wasserstoff in Form eines Metallhydrides speicherndes Metall enthalten. Daneben ist vorteilhaft, wenn diese einzelnen Module ent­ sprechend den bekannten Metallhydrid-Speichern ein Schaumge­ rüst, insbesondere ein Aluminiumschaumgerüst, aufweisen, in das das den Wasserstoff temporär speichernde Metall einge­ bettet ist.

Zeichnungen

Die Erfindung wird anhand der Zeichnung und der nachfolgen­ den Beschreibung näher erläutert. Die Fig. 1 zeigt eine Prinzipskizze einer Einrichtung zur Abgabe von Wasserstoff mit einem Reservoir mit vier Modulen.

Ausführungsbeispiele

Die Fig. 1 zeigt eine Speichereinrichtung 5 zur Abgabe von Wasserstoff aus einem Reservoir der Speichereinrichtung, wo­ bei das Reservoir über einen Gasanschluss 10 mit Wasserstoff befüllbar und über den Gasanschluss 10 dieser Wasserstoff aus der Speichereinrichtung 5 bzw. dem Reservoir auch wieder entnehmbar ist.

Die Speichereinrichtung 5 weist im Einzelnen vier Speicher­ module 14, 15, 16, 17 auf, die bevorzugt gleichartig ausge­ bildet sind. Es sei jedoch betont, dass die einzelnen Module 14, 15, 16, 17 je nach Bedarf auch eine unterschiedliche Speicherkapazität aufweisen können, beispielsweise eine niedrige Wasserstoff-Speicherkapazität des ersten Moduls 14 zur schnellen Bereitstellung von Wasserstoff bei einem Kalt­ start oder Kurzstreckenfahrten, während die weiteren Module 15, 16, 17 dann beispielsweise eine größere Speicherkapazi­ tät zur Versorgung einer in einem Kraftfahrzeug integrierten Brennstoffzelle aufweisen, so dass diese auch einen länger­ zeitigen Betrieb des Kraftfahrzeuges sicherstellen können.

Die Fig. 1 zeigt weiter, wie die einzelnen Module 14, 15, 16, 17 über Gasleitungen 20 mit dem Gasanschluss 10 verbun­ den sind, wobei zwischen jedem der Module 14, 15, 16, 17 und dem Gasanschluss 10 ein Ventil 11 vorgesehen ist, so dass die einzelnen Module 14, 15, 16, 17 über eine nicht dargestellte, mit den Ventilen 11 verbundene Steuereinrichtung mit dem Gasanschluss gasdurchgängig verbindbar sind. Die Steuereinrichtung dient insbesondere dazu, die Ventile 11 je nach Erfordernis zu öffnen bzw. zu schließen. Daneben ist in Fig. 1 dargestellt, dass jedes der Module 14, 15, 16, 17 eine Druckmesseinrichtung 12 aufweist, mit der, bevorzugt als Funktion der Zeit, die Menge des in dem jeweiligen Modul 14, 15, 16, 17 enthaltenen Wasserstoffes über den gemessenen Druck in dem jeweiligen Modul 14, 15, 16, 17 bestimmbar ist.

Schließlich ist in Fig. 1 angedeutet, dass jedes der Module 14, 15, 16, 17 eine an sich bekannte Heizeinrichtung 18, beispielsweise eine elektrische Heizeinrichtung, aufweist, die in die einzelnen Module 14, 15, 16, 17 integriert ist oder diese zumindest bereichsweise, beispielsweise in Form von Heizleitern, umgibt. Die Heizeinrichtungen 18 der ein­ zelnen Module sind über Schalter 13 und elektrische Leitun­ gen 21 mit einer Spannungsversorgung 19 verbunden, so dass durch Betätigen der Schalter 13 über die erwähnte, nicht dargestellte Steuereinrichtung die einzelnen Module 14, 15, 16, 17 unabhängig voneinander über die Heizeinrichtungen 18 beheizbar sind.

Die einzelnen Module 14, 15, 16, 17 enthalten bevorzugt ein Metall, insbesondere Magnesium oder Nickel, mit dem Wasser­ stoff in Form eines Metallhydrides temporär speicherbar ist. Weiter ist dieses Metall bevorzugt zumindest in einem Schaumgerüst, insbesondere einem Aluminiumschaumgerüst, ein­ gebettet.

Bei Betrieb der Speichereinrichtung 5 wird zunächst über die Steuereinheit und die betreffende Heizeinrichtung 18 das er­ ste Modul 14 beispielsweise auf eine Betriebstemperatur von 300°C aufgeheizt, so dass dieses Modul 14 den in Form eines Metallhydrides gespeicherten Wasserstoff in gasförmiger Form wieder abgibt. Dazu ist vorgesehen, dass mit Hilfe der Druckmesseinrichtung 12 der Betriebszustand des ersten Mo­ duls 14 und der Gasdruck in dem ersten Modul 14, d. h. insbe­ sondere die Menge des in diesem Modul 14 noch vorhandenen Wasserstoffes, bestimmbar ist. Nachdem das erste Modul 14 auf die Betriebstemperatur von 300°C aufgeheizt worden ist, wird dann über die Steuereinheit das zugehörige Ventil 11 geöffnet, so dass entweichender Wasserstoff an dem Gasan­ schluss 10 gasförmig bereit steht.

Sobald über die Druckmesseinrichtung 12 feststellbar ist, dass der in dem ersten Modul 14 gespeicherte Wasserstoff zur Neige geht, wird über die Steuereinheit, bevorzugt zeitlich teilweise überlappend zu der Beheizung des ersten Moduls 14, eine Beheizung des nachfolgenden zweiten Moduls 15 mittels der diesem zugeordneten Heizeinrichtung 18 veranlasst, so dass bei Erschöpfung des in dem ersten Modul 14 gespeicher­ ten Wasserstoffs sofort Wasserstoff aus dem nachfolgenden, zweiten Modul 15 bereit steht. Dazu wird dann das diesem Mo­ dul 15 zugeordnete Ventil 11 geöffnet und das dem ersten Mo­ dul 14 zugeordnete Ventil 11 geschlossen. Entsprechend wird zur Beheizung des zweiten Moduls 15 auch der diesem zugeord­ nete Schalter 13 über die Steuereinheit geschlossen, während nach Erschöpfung des ersten Moduls 14 die Beheizung des er­ sten Moduls 14 durch Öffnen des diesem zugeordneten Schal­ ters 13 unterbrochen wird. Die Beheizung der weiteren Module 16, 17 erfolgt dann analog.

Im Übrigen kann bei Bedarf der Gasanschluss 10 auch mit ei­ ner Gruppe von Modulen 14, 15, 16, 17 bzw. auch der Gesamt­ heit der Module 14, 15, 16, 17 verbunden werden, indem über die Steuereinheit beispielsweise alle Module 14, 15, 16, 17 gleichzeitig beheizt und alle Ventile 11 gleichzeitig geöff­ net sind. Dies ist jedoch nur in Ausnahmefällen erforder­ lich.

Die Beheizung der einzelnen Module 14, 15, 16, 17 kann schließlich alternativ zur erläuterten elektrischen Behei­ zung auch auf anderem Weg erfolgen.

Eine bevorzugt vorgesehene Regelung der Heizleistung der einzelnen Heizeinrichtungen 18 und darüber der von diesen abgegebenen Wärmemengen kann sowohl über eine Messung des Wasserstoffdruckes in den einzelnen Module 14, 15, 16, 17 mit Hilfe der Druckmesseinrichtung 12 als auch mit Hilfe von den einzelnen Modulen 14, 15, 16, 17 zugeordneten 300°C-PTC- Widerstandselementen erfolgen. Letztere dienen insbesondere dazu, die einzelnen Module 14, 15, 16, 17 über die Steuer­ einheit auf eine vorgegebene Soll-Temperatur aufheizen, und diese während der Abgabe des Wasserstoffes auf dieser Tempe­ ratur zu stabilisieren.

Zusammenfassend kann somit über die Steuereinheit und die Heizeinrichtungen 18 und/oder die Druckmesseinrichtungen 12 eine Regelung der der Speichereinrichtung 5 entnehmbaren Wasserstoffmenge pro Zeiteinheit vorgenommen werden. Dazu regelt die Steuereinheit über die Heizeinrichtungen 18 ei­ nerseits die Heizleistung und andererseits verbindet sie in Abhängigkeit von der noch vorhandenen Menge an Wasserstoff in den einzelnen Module 14, 15, 16, 17 diese einzeln oder in Gruppen über die Ventile 11 mit dem Gasanschluss 10.

Abschließend sei noch erwähnt, dass an Stelle der Druckmes­ seinrichtungen 12 auch andere Bauteile eingesetzt werden können, mit denen die Menge des in den einzelnen Modulen 14, 15, 16, 17 enthaltenen oder eingefüllten Wasserstoffes be­ stimmbar ist.

Claims (11)

1. Einrichtung zur Abgabe von Wasserstoff mit einem Reser­ voir, einem Gasanschluss (10) zur Entnahme des Wasserstoffes aus dem Reservoir und mindestens einer Heizeinrichtung (18), mit der das Reservoir zur Abgabe des Wasserstoffes beheizbar ist, da­ durch gekennzeichnet, dass das Reservoir in mindestens zwei Mo­ dule (14, 15, 16, 17) unterteilt ist, die unabhängig voneinander beheizbar sind.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Module (14, 15, 16, 17) ein Metall, insbesondere Magnesium oder Nickel, enthalten, mit dem der Wasserstoff in Form eines Metallhydrides in den Modulen (14, 15, 16, 17) temporär spei­ cherbar ist.

3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Metall zumindest weitgehend in ein Schaumgerüst, insbesonde­ re ein Aluminiumschaumgerüst, eingebettet ist.

4. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jedes der Module (14, 15, 16, 17) ein Bauteil, insbesondere eine Druckmesseinrichtung (12), aufweist oder mit einem solchen ver­ bindbar ist, mit dem insbesondere als Funktion der Zeit die Men­ ge des in dem Modul (14, 15, 16, 17) enthaltenen Wasserstoffes bestimmbar ist.

5. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Module (14, 15, 16, 17) über eine Gasleitung (20) mit einem gemeinsamen Gasanschluss (10) in Verbindung stehen, über den aus den Modulen (14, 15, 16, 17) Wasserstoff entnehmbar und/oder Wasserstoff in die Module (14, 15, 16, 17) einfüllbar ist.

6. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine Steuereinheit und mindestens ein darüber betätigbares Ven­ til (11) vorgesehen ist, mit denen die Module (14, 15, 16, 17) einzeln, in Gruppen oder als Gesamtheit mit dem Gasanschluss (10) zur Gasentnahme oder Gasbefüllung gasdurchgängig verbindbar sind.

7. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass drei bis zehn insbesondere gleichartige Module (14, 15, 16, 17) vorgesehen sind, in denen insgesamt mehr als 2 kg Wasserstoff speicherbar ist.

8. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizeinrichtung (18) eine elektrische Heizeinrichtung ist, mit der die Module (14, 15, 16, 17) über die Steuereinheit ein­ zeln nacheinander oder zeitlich teilweise überlappend nacheinan­ der einzeln beheizbar sind.

9. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizeinrichtung (18) PTC-Widerstände aufweist, mit der die Module (14, 15, 16, 17) über die Steuereinheit auf eine vorgege­ bene Solltemperatur, insbesondere 300°C, aufheizbar und während der Abgabe des Wasserstoffes auf dieser Temperatur stabilisier­ bar sind.

10. Einrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, dass die Module (14, 15, 16, 17) durch die Steuereinheit in Abhängigkeit von einer pro Zeiteinheit benötig­ ten Menge an Wasserstoff und der in den einzelnen Modulen (14, 15, 16, 17) noch vorhandenen Menge an Wasserstoff einzeln oder in Gruppen über Ventile (12) mit dem Gasanschluss (10) verbind­ bar sind.

11. Verwendung einer Einrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche zur Bereitstellung von gasförmigem Wasserstoff für ei­ ne Brennstoffzelle.