DE10149487A1

DE10149487A1 - Gasbehälter

Info

Publication number: DE10149487A1
Application number: DE10149487A
Authority: DE
Inventors: Karsten Loehr
Original assignee: DaimlerChrysler AG
Current assignee: Daimler AG
Priority date: 2001-10-08
Filing date: 2001-10-08
Publication date: 2003-04-10

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Gasbehälter, insbesondere zum Speichern von Wasserstoff, der aus wenigstens einer Gaseintritts- und -austrittsanordnung für das Gas besteht, die mit einer Vorrichtung zum Füllen und einer Vorrichtung zum Entnehmen von Gas verbindbar sind. DOLLAR A Aufgabe ist es, einen Gasbehälter zu entwickeln, der ein räumlich definiertes Speichervolumen aufweist und der über eine Ventilanordnung ein sukzessives Entladen und ein rasches Beladen ermöglicht. DOLLAR A Die Erfindung besteht darin, dass zum Speichern des Gases wenigstens ein strukturierter, mit einer steuerbaren Ventilanordnung (19, 33, 38) verschließbarer Mikrokanal (1-5, 8, 9, 10, 13, 27, 32, 37) vorgesehen ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Gasbehälter, insbesondere zum Speichern von Wasserstoff, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Die Erfindung ist bei Brennkraftmaschinen, insbesondere zum Antrieb von Fahrzeugen, Luft- oder Schiffsschrauben anwendbar. Bei solchen Maschinen, die z. B. mit Brennstoffzellensystemen ausgerüstet sind oder im Erdgasbetrieb arbeiten, werden Druckspeicher für gasförmige Brennstoffe benötigt. Idealerweise sind derartige Gasbehälter wenig material- und kostenaufwendig, weisen ein geringes Volumen und eine hohe Speicherkapazität auf und sind zuverlässig und sicher.
In den unter WO 00/76625 A1 und WO 00/18682 A1 veröffentlichten PCT-Anmeldungen werden Wasserstoffspeicher beschrieben, die aus Nanostrukturen aufgebaut sind. Die Nanostrukturen können schichtförmig aufgebaut sein und besitzen atomare bzw. molekulare Speicherhohlräume in einem Querschnittsbereich von 0,335 nm bis 1000 nm. Diese Nanostrukturspeicher werden verfahrenstechnisch, z. B. durch Plasmaprozesse, erzeugt und unterliegen einer atomaren bzw. molekularen Ordnung sowie einer statistischen Unordnung. Die offenporigen Nanostrukturen enthalten regelmäßige poröse Muster mit einer geringen Kanallänge. Des weiteren bestehen in den Nanostrukturen statistische Fehlordnungen und Verzweigungen, die kein wohlgeordnetes und reproduzierbares Kanalsystem bilden.
In DE 198 59 654 A1 ist eine Vorrichtung zum Speichern von Druckgas gezeigt, bei der im Inneren eines Speicherbehälters eine Feststoffüllung aus Carbon-Nanostrukturen vorgesehen ist.
Die Carbon-Nanostrukturen sind zu größeren zusammenhängenden Konglomeraten verbunden. Die Konglomerate können in Form von Pellets tablettenförmig oder kugelförmig ausgebildet sein. Weiterhin können die Carbon-Nanostrukturen aus Nanofasern, Nanoröhrchen oder Nanoschuppen bestehen, welche eine gerichtete, z. B. helixförmige, Struktur aufweisen. Dadurch eine Ordnung der Nanostrukturen soll es möglich sein, eine durch Beladung mit Druckgas auftretende Expansion der Carbon- Nanostrukturen gezielt zu beherrschen.
In DE 10 04 4407 A1 wird ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellenfahrzeuges beschrieben, bei dem Wasserstoff mit Wasser und inerten Gasen in einen Wasserstoffspeicherbehälter geleitet wird. Der Wasserstoffspeicherbehälter beinhaltet ein Wasserstoffspeichermedium, wie z. B. Metallhydrid, Kohlenstoffadsorbenz oder Kohlenstoffnanofasern. Mittels elektronisch gesteuerten Ventilen wird in Abhängigkeit von der Fahrzeuggeschwindigkeit der Wasserstoffaufbau im Wasserstoffspeichermedium überwacht. Das Wasserstoffspeichermedium weist eine unregelmäßige Struktur auf, wodurch die Gaszuführung- und entnahme nicht zeitoptimiert erfolgen können.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen Gasbehälter zu entwickeln, der eine sichere Speicherung und ein zeitoptimiertes Befüllen und Zuteilen von Gas ermöglicht.
Die Aufgabe wird mit einem Behälter gelöst, welche die Merkmale nach Anspruch 1 aufweist. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Dadurch, dass zum Speichern des Gases wenigstens ein strukturierter, mit einer steuerbaren Ventilanordnung verschließbarer Mikrokanal vorgesehen ist, wird innerhalb eines Hohlmantels eine mikroporöse, offenporige Struktur mit vorbestimmten Abmessungen erzeugt.
Derartige Mikrokanäle einschließlich der abschließenden Mikroventile können durch fertigungstechnische Verfahren, wie Photolithographie, Laser-Mikrostrukturierung, Tiefenätzen oder galvanischer Metallabscheidung, erzeugt werden. Die Abmessungen eines Mikrokanals liegen zwischen 0,2 µm und 3 mm. Dadurch lassen sich Mikrokanäle vorteilhaft auf einer Platte ausbilden, wobei die Mikrokanäle von einer weiteren Platte abgeschlossen werden können. Bei Ausbildung von zylindrischen Mikrokanälen mit Kanaldurchmessern geringer als 100 µm ergibt sich ein Gasbehälter mit einer Flächendichte größer als 1000 m²/m³.
Die bei Druckentspannung treibenden Kräfte bestimmen sich durch Druck und Fläche. Durch die mikroporöse, offenporige Speicherung in einem Mikrokanal werden große Flächen zur Kraftaufnahme erzielt. Die geringere Kraftentfaltung führt beim Befüllen und Entleeren des Gasbehälters zu handhabbaren Zeiten. Die Be- und Entladung durch Mikrokanäle reguliert sich dabei im einem gewissen Umfang selbstständig aufgrund der geringen Strömungsquerschnitte. Die geringe Drucklast auf den Öffnungen eines Mikrokanals ermöglicht den Einbau schwachlastiger Ventile, welche durch elektronische und/oder mechanotronische Effekte angesteuert werden können.
Als Material für den Aufbau von Mikrokanälen sind Kunststoffe, wie PMMA, POM, PSU, PEEK, PVDF, PC, LCP, PA oder PE, Metalle, wie Kupfer, Gold, NiFe, oder NiP, oder Keramiken, wie PZT, PMNT, Aluminiumoxid oder ZrO₂, geeignet.
Mehrere Mikrokanäle können z. B. in einem Plattenstapel ausgebildet sein, welche zum Steuern von Volumenströmen und zum Beschleunigen der Be- und Entladevorgänge des Gasbehälters entlang einer Linie durch ein Feld von Mikroventilen abgeschlossen sind. Die Mikroventile können zu einem gemeinsamen Gasauslaß bzw. zu einer Gaszuführung als ein externer Gas-Port gebündelt werden. Über diesen Gas-Port kann Gas wahlweise an einen Gasverbraucher weitergeleitet werden oder zwecks Betankung des Gasbehälters zugeführt werden. Als Variante können getrennte Leitungen für den Gasauslaß und die Gaszuführung vorgesehen werden.
Die geometrische Anordnung von Mikrokanäle kann zum Erreichen einer hohen Packungsdichte in Form von mäanderförmigen oder spiralförmigen, parallel zueinander liegenden Abschnitten gewählt werden.
Die Erfindung soll anhand von Ausführungsbeispielen noch näher erläutert werden, es zeigen:
Fig. 1 eine mäanderförmige Anordnung von Mikrokanälen,
Fig. 2 eine ebene, lineare Anordnung von Mikrokanälen,
Fig. 3 eine ebene, verzweigte Anordnung von Mikrokanälen,
Fig. 4 eine spiralförmige Anordnung eines Mikrokanals auf einer Platte,
Fig. 5 ein Schema eines Gasbehälters als verbundener Plattenstapel mit einem Mikroventil,
Fig. 6 ein Schema eines Gasbehälters als kompartimentierter Plattenstapel mit einem Mikroventilfeld, und
Fig. 7 eine Variante eines Gasbehälters nach Fig. 4 mit getrennter Be- und Entladung.
In Fig. 1 ist eine parallele Anordnung von mäanderförmigen Mikrokanalabschnitten 1-5 gezeigt. Ein Mikrokanalabschnitt 1-5 besitzt einen kreisförmigen Querschnitt z. B. mit einem Durchmesser von z. B. d = 10 µm. Um ein Speichervolumen von 1 Liter zu realisieren, ist in der Summe aller Mikrokanalabschnitte 1-5 eine Länge von 13000 km und eine Oberfläche von 400 m² erforderlich. Bei einer Flächendichte von 10000 m²/m³ hat ein derartiger Gasbehälter eine Speicherdichte von 25%, d. h., der Bauraum für den Gasbehälter beträgt 4 Liter. Wenn ein Mikrokanalabschnitt 1-5 eine Länge von 1 km aufweist, dann sind N = 13000 Mikrokanalabschnitte 1-5 erforderlich. Das Ausströmen von Gas aus einem Mikrokanalabschnitt 1-5 geschieht bei sehr hohem Druck mit nahezu Schallgeschwindigkeit, wodurch sich ein Volumenstrom von 1,5 ml/min ergibt. Die Be- und Entladungsdauer eines Mikrokanalabschnittes 1-5 beträgt etwa 3 Sekunden. Bei sukzessiver Entladung aller Mikrokanalabschnitte 1-5 ergibt sich eine maximale Laufzeit von etwa 11 Stunden. Die Entladung kann durch Zusammenschaltung mehrere Mikrokanalabschnitte 1-5 multipliziert bzw. durch Schließen von Mikrokanalabschnitten 1-5 verringert bzw. unterbrochen werden. Bei einer isothermen Entladung von 700 bar stellt jeder Mikrokanalabschnitt 1-5 ca. 18 ml/s entspanntes Gas zur Verfügung.
Jeder Mikrokanalabschnitt 1-5 besitzt einen Eingang 6 und einen Ausgang 7, die mit steuerbaren Mikroventilen abgeschlossen sind. Damit lassen sich die Gasvolumenströme steuern und die Be- und Entladevorgänge des Gasbehälters beschleunigen. Die Mikroventile können durch elektro- oder magnetostriktive Elemente betätigt werden, wodurch ein gezieltes Öffnen bzw. Schließen der Eingänge 6 und Ausgänge 7 bewirkt wird. Zum Verschließen der Eingänge 6 und Ausgänge 7 können alternativ an den Enden der Mikrokanalabschnitte 1-5 durch mechanotronische Elemente verschiebbare Dichtelemente vorgesehen werden.
In Fig. 2 ist eine Kanalstruktur aus einzelnen, geraden und parallelen Mikrokanälen 8, 9 dargestellt, die in einer Ebene ausgebildet sind. Das Ende eines Mikrokanals 8 ist mit dem Anfang eines benachbarten Mikrokanals 9 verbunden.
Bei der in Fig. 3 gezeigten Verzweigungsanordnung von geraden, parallelen Mikrokanälen 10 ist jeweils ein Ende verschlossen und die anderen Enden sind über Verbindungskanäle 11 auf einen Sammelkanal 12 geführt. Jedem Mikrokanal 10 kann zum Verschließen ein Mikroventil zugeordnet sein. Es ist ebenso möglich, jeweils mehrere Mikrokanäle 10 zu Gruppen zusammenzufassen und je Gruppe ein Mikroventil vorzusehen.
Die Querschnittsgeometrien der in den Fig. 2 und 3 gezeigten Mikrokanäle 8-10 ist prinzipiell beliebig und hängt von dem verwendeten Fertigungsverfahren ab. So können neben kreisförmigen Querschnitten auch rechteckförmige oder halbkreisförmige Querschnitte vorgesehen werden.
Fig. 4 zeigt einen spiralförmigen Mikrokanal 13 auf einer Platte 14 mit einer ausschnittsweisen Vergrößerung einer Randzone 15. Der nach oben offen dargestellte Mikrokanal 13 wurde in Form einer Rille durch einen Stempel in einem Kunststoffmaterial 16 auf der Platte 14 vorgeprägt und mit einem Laser nachgebrannt und metallisiert. Der Mikrokanal 13 kann durch eine weitere Platte verschlossen werden. Bei einem Spurabstand von 1,6 µm, einer Spurbreite von 0,8 µm, einer Kanaltiefe von 1 mm und einer Kanallänge von 5,364 km ergibt sich ein Kanalvolumen von 8,5824 ml. Die Platte 14 hat dabei den Durchmesser einer herkömmlichen CD-ROM mit 74,5 min Laufzeit. In dem Kanalvolumen von 8,5824 ml kann Gas bei 700 bar gespeichert werden, welches bei 1 bar auf 6 l expandiert.
Das innen liegende Ende 17 des Mikrokanals 13 ist verschlossen. Das außen liegende Ende 18 ist mit einem Mikroventil 19 abgeschlossen. Das Mikroventil 19 besteht aus einem piezoaktorischen Material 20, welches vor einem Ventilspalt 21 liegt. Das piezoaktorische Material 20 befindet sich zwischen zwei Elektroden 22, 23, die mit einer steuerbaren Spannungsquelle 24 verbunden sind. Durch Verändern der Spannung der Spannungsquelle 24 dehnt sich das piezoaktorische Material mehr oder weniger aus, wodurch die Spaltweite des Ventilspaltes 21 verkleinert oder vergrößert und die aus dem Mikrokanal 13 austretende Gasmenge gesteuert wird.
In Fig. 5 ist ein Gasbehälter gezeigt, der aus einem verbundenen Plattenstapel 25 besteht. Prinzipiell sind die Platten 26 entsprechend Fig. 4 mit Mikrokanälen 27 ausgebildet. Die den Platten 26 zugeordneten Mikrokanäle 27 sind über die Plattenböden miteinander verbunden. Z. B. ist das außen liegende Ende einer ersten Platte 26 mit dem außen liegenden Ende einer zweiten Platte 26 und das innen liegende Ende der zweiten Platte 26 mit dem innen liegenden Ende einer dritten Platte 26u. s. w. verbunden. Um ein Gasvolumen von 1 Liter zu speichern, werden 117 Platten 26 mit Mikrokanälen 27 übereinandergestapelt. Die Gesamthöhe des Plattenstapels 25 ergibt sich etwa zu 234 mm, wenn man 2 mm Bauhöhe für eine Platte 26 vorsieht. Die verbundenen Mikrokanäle 27 besitzen nur einen Ausgang 28, der von einer Steuereinheit 29 verschlossen werden kann. Als Variante können beide Enden der verbundenen Mikrokanäle 27 mit steuerbaren Mikroventilen abgeschlossen sein.
In Fig. 6 ist eine Variante mit einem kompartimentierten, zylindrischen Plattenstapel 30 gezeigt. Jede Platte 31 des Plattenstapels 30 ist, wie zu Fig. 4 beschrieben, mit einem spiralförmigen Mikrokanal 32 versehen. Die innen liegenden Kanalenden sind verschlossen, während die außen liegenden Kanalenden zur Be- und Entladung des Gasbehälters entlang einer Mantellinie des Plattenstapels 30 angeordnet sind. Die außen liegenden Kanalenden sind von einzeln ansteuerbaren Mikroventilen verschließbar, welche ein Mikroventilfeld 33 bilden, welches von einer Steuereinheit 34 ansteuerbar ist.
Fig. 7 zeigt eine Variante mit einem Plattenstapel 35 ähnlich dem Fig. 6. Die übereinandergestapelten Platten 36 weisen Mikrokanäle 37 auf, deren innen und außen liegenden Enden jeweils mit einem Mikroventilfeld 38 abgeschlossen sind. Jedes Mikroventilfeld 38 ist mit einer eigenen Steuereinheit 39, 40 verbunden, so dass eine getrennte Be- und Entladung des Gasbehälters möglich ist.
Die zu Fig. 6 und 7 beschriebenen Mikroventilfelder 33, 38 können sukzessive geöffnet und geschlossen werden. Dies bringt den Vorteil einer Kompartimentierung des Gasbehälters. Über die Kompartimente kann beispielsweise der absinkende Speicherdruck während der Entleerung taktweise egalisiert werden. Die Befüllung des Gasbehälters kann gleichzeitig über alle Kompartimente deutlich schneller erfolgen. Bei Leckagen einzelner Kompartimente ist nur ein geringer Teil des Speichers betroffen. Liste der verwendeten Bezugszeichen 1-5 Mikrokanalabschnitt
6 Eingang
7 Ausgang
8, 9, 10 Mikrokanal
11 Verbindungskanal
12 Sammelkanal
13 Mikrokanal
14 Platte
15 Randzone
16 Kunststoffmaterial
17, 18 Ende
19 Mikroventil
20 piezoaktorisches Material
21 Ventilspalt
22, 23 Elektrode
24 Spannungsquelle
25 Plattenstapel
26 Platte
27 Mikrokanal
28 Ausgang
29 Steuereinheit
30 Plattenstapel
31 Platte
32 Mikrokanal
33 Mikroventilfeld
34 Steuereinheit
35 Plattenstapel
36 Platte
37 Mikrokanal
38 Mikroventilfeld
39, 40 Steuereinheit

Claims

1. Gasbehälter, bestehend aus wenigstens einer Gaseintritts- und austrittsanordnung für das Gas, die mit einer Vorrichtung zum Füllen und einer Vorrichtung zum Entnehmen von Gas verbindbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass zum Speichern des Gases wenigstens ein strukturierter, mit einer steuerbaren Ventilanordnung (19, 33, 38) verschließbarer Mikrokanal (1-5, 8, 9, 10, 13, 27, 32, 37) vorgesehen ist.

2. Gasbehälter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Mikrokanal (1-5) mäanderförmig ausgebildet ist.

3. Gasbehälter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Mikrokanal (13, 27, 32, 37) spiralförmig ausgebildet ist.

4. Gasbehälter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Mikrokanal (1-5, 8, 9, 10, 13, 27, 32, 37) mit einer Flächendichte größer als 1000 m²/m³ ausgebildet ist.

5. Gasbehälter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Mikrokanal (1-5, 8, 9, 10, 13, 27, 32, 37) Querschnittabmessungen kleiner als 100 µm aufweist.

6. Gasbehälter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Mikrokanäle (1-5, 8, 9, 10, 13, 27, 32, 37) einzeln oder in Gruppen zusammengefasst mit elektro- oder magnetostriktiven bzw. piezoaktorischen Effekt steuerbaren Ventilen (19, 33, 38) verschließbar sind.

7. Gasbehälter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Mikrokanäle (1-5, 8, 9, 10, 13, 27, 32, 37) einzeln oder in Gruppen zusammengefasst durch mechanotronisch verschiebbare Verschlußelemente (19, 33, 38) verschließbar sind.

8. Gasbehälter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikrokanäle (1-5, 8, 9, 10, 13, 27, 32, 37) parallel angeordnet sind.

9. Gasbehälter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Mikrokanäle (13, 27, 32, 37) auf scheibenförmigen Trägern (14, 26, 31, 36) ausgebildet sind, die übereinander angeordnet sind.

10. Gasbehälter nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Enden wenigstens zweier Mikrokanäle (27, 37) miteinander verbunden sind.