DE102005004590A1

DE102005004590A1 - Einrichtung zur Druckerhöhung für Wasserstoff

Info

Publication number: DE102005004590A1
Application number: DE102005004590A
Authority: DE
Inventors: Thomas Friedrich
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2005-02-01
Filing date: 2005-02-01
Publication date: 2006-08-10

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Druckerhöhungseinrichtung für Wasserstoff, bestehend wenigstens aus einem druckfesten Gefäß, das einen unter Wärmezu- bzw. abfuhr zyklisch Wasserstoff de- bzw. absorbierenden Stoff enthält, insbesondere eine Hydrid bildende Metalllegierung, wobei der Stoff 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 mit einer höheren Temperatur beaufschlagt wird. Dazu befindet sich ein Wärmetauscher in Kontakt mit dem Wasserstoff de- bzw. absorbierenden Stoff. Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass um den zyklisch Wasserstoff de- bzw. absorbierenden Stoff herum eine Wärmeisolierung angebracht ist und dass sich der Wärmeaustauscher innerhalb der Wärmeisolierung befindet.

Description

Die Erfindung betrifft eine Druckerhöhungseinrichtung für Wasserstoff nach dem Oberbegriff des ersten Anspruchs. Insbesondere findet die Druckerhöhungseinrichtung Anwendung in einer Kraftstoffversorgungseinrichtung eines mit Wasserstoff betreibbaren Kraftfahrzeugs, deren Wasserstoff-Entnahmeeinrichtung aus einem Behälter, insbesondere aus einem Kryotank, die Druckerhöhungseinrichtung für gasförmigen Wasserstoff umfasst.

Es ist bereits bekannt, Wasserstoff, zum Beispiel als kondensiertes Gas in einem Behälter, insbesondere in einem Kraftfahrzeug eingebaut, 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.

Des weiteren kann Wasserstoff auch in Druckgasspeichern oder in Hydridspeichern bevorratet werden. Erfolgt die Speicherung allerdings in Form von tiefkaltem, verflüssigtem Wasserstoff, als kondensiertes Gas, wird zum Beispiel für Fahrzeuge eine vorteilhaft hohe Reichweite erzielt, da in diesem Zustand eine hohe Energiedichte erreicht wird, zum Beispiel gegenüber einer Speicherung von warmem, komprimiertem Wasserstoff-Gas.

Der tiefkalte, flüssige Wasserstoffvorrat wird 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.

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.

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.

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.

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.

Angestrebt wird, bei einer 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.

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.

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.

Die DE 103 01 159 A1 zeigt eine Abhilfemaßnahme für diese geschilderte Problematik auf und beschreibt ein Entnahmesystem, bei dem die vorhandene Kraftstoffmenge möglichst lange zur Hochdruckeinblasung zur Verfügung steht. Es wird ein Kraftfahrzeug beschrieben, mit einer Brennkraftmaschine, die mit einem unter Normalbedingungen gasförmigen Kraftstoff betreibbar ist, indem ein Teil des Kraftstoffs, insbesondere für Teillastbetrieb der Brennkraftmaschine, unter Niederdruck, insbesondere unterer äußerer Gemischbildung, in den Brennraum der Brennkraftmaschine gelangt und ein weiterer Teil des Kraftstoffs, insbesondere für Volllastbetrieb der Brennkraftmaschine, durch Hochdruckeinblasung in den bereits verdichtetes Gas enthaltenden Brennraum zur Verbrennung zugeführt wird. Dabei wird der für die Hochdruckeinblasung erforderliche Kraftstoffdruck letztlich durch den in einem Drucktank des Kraftfahrzeugs herrschenden Kraftstoffdruck bereitgestellt und steht daher nur bis zu einem gewissen Entleerungsgrad des Drucktanks zur Verfügung. Deshalb sind im Kraftfahrzeug mindestens zwei Drucktanks eingebaut, aus denen die Brennkraftmaschine alternativ oder gemeinsam mit Kraftstoff versorgt wird.

Dadurch steht ein größerer Teil der Gesamtfüllmenge der Drucktanks für den Betrieb der Brennkraftmaschine zur Verfügung, im Vergleich mit einem Kraftfahrzeug mit einem Drucktank. Allerdings kann immer nur ein Versorgungsdruck erreicht werden, der kleiner oder gleich dem Betriebsdruck des Drucktanks ist.

Die Patentanmeldung JP 60185899 beschreibt eine Druckerhöhungseinrichtung für Wasserstoff, bei der die Druckerzeugung mit Metallhydrid-Kompressoren erfolgt, die mit sogenanntem klassischen Metallhydrid befüllt sind.

Diese klassischen Metallhydride besitzen gravimetrische Speicherdichten von typischerweise unter 2%.

Das Metallhydrid wird in fein pulverisierter Form verwendet und ist in verschiedenen Ebenen, beabstandet durch Wasserstofffilter, in einem druckfesten Behälter untergebracht, mit Anschlüssen für H2-Zufuhr und -Abfuhr und mit einem Wärmetauscher der durch den druckfesten Behälter geführt ist.

Das Metallhydrid wird zyklisch mit gasförmigem Wasserstoff beladen und entladen. Die Steuerung dieses Vorgangs erfolgt durch zyklisches Zuführen und Abführen von Wärme mittes des Wärmetauschers. Das Beladen des Metallhydrids mit Wasserstoff erfolgt durch Absorbieren der Wasserstoffmolekühle unter Wärmeabgabe, das Entladen des Metallhydrids durch Desorbieren unter Wärmeaufnahme.

Aufgrund dieser Betriebsweise wird im weiteren die Bezeichnung Metallhydrid-Kompressor übergreifend durch Sorptionshydridkompressor ersetzt. Damit sollen alle Arten von zyklierbaren Hydriden, ungeachtet ihrer sonstigen stofflichen Eigenschaften, mit umfasst sein.

Kennzeichnend für den Stand der Technik ist, dass zu jeder Zeit in dem druckfesten Metallhydrid-Kompressorgehäuse genau ein Druck und genau eine Temperatur vorliegt.

Nach dem Stand der Technik betragen die Zyklusdauern typischerweise mehrere Minuten. Hohe Kompressionsdruckverhältnisse werden durch die serielle d.h. mehrstufige Anordnung erzielt. Eine kontinuierliche Förderung, d.h. eine näherungsweise förderdruckschwankungsfreie Wasserstoffförderung wird durch parallele Anordnung einzelner Sorptionsbetten und deren zeitversetzte Arbeitsweise erzielt.

Diese Wasserstoff fördernden Sorptionshydridkompressoren nach dem Stand der Technik haben sowohl systematische Nachteile aufgrund ihrer grundsätzlichen, zyklischen Betriebsweise, als auch solche, die eine automotive Anwendbarkeit mit erhöhten Förderdrücken und mit Fördermassenströmen im relevanten Bereich von mehreren Kilogramm pro Stunde derzeit ausschließen.

Das Gewicht eines Sorptionshydridkompressors einschließlich aller zu seinem Betrieb erforderlichen Komponenten beträgt nach dem Stand der Technik bei Förderdrücken von bis zu 350 bar und Förderraten von bis zu 25 kg/h etliche hundert kg. Das Bauvolumen einschließlich aller Komponenten beträgt dann etliche 10 Liter.

Die Zyklusdauern im Bereich etlicher Minuten erlauben keine Adaption an sich schnell ändernde Betriebspunktänderungen eines Verbrennungsmotors.

Während des zyklischen Betriebs wird das Sorptionsbett über den Wärmetauscher jeweils auf die Desorptionstemperatur des Metallhydrids erwärmt bzw. auf Absorptionstemperatur gekühlt. Dabei ist nicht nur die Wärmemenge, die für das Desorbieren und das Absorbieren des H2 im Metallhydrid benötigt wird, zu übertragen, sondern auch die Wärmemenge, die zum Temperaturwechsel der druckfesten Behälterstruktur benötigt wird. Dieser der Struktur des Sorptionbetts zuzuordnende Wärmestromanteil ist nicht vernachlässigbar und kann bei höheren Förderdrücken, die eine relativ stärkere druckfeste Struktur erfordern, mehrere Zehntel des Gesamtwärmestroms betragen. Daher mindert er systematisch eine mögliche Reduktion der Zyklendauer durch zum Beispiel verbesserte geometrische Gestaltung des Sorptionsbetts.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, Abhilfemaßnahmen für die genannten Nachteile aufzuzeigen. Außerdem sollen Versorgungsdrücke zum Verbraucher erzielt werden können, die weit über dem Betriebsdruckniveau des Wasserstoffspeichers liegen. Vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen sind Inhalt der Unteransprüche.

Nach der Erfindung besteht eine Druckerhöhungseinrichtung für Wasserstoff wenigstens aus einem druckfesten Gefäß, das einen unter Wärmezu- bzw. -abfuhr zyklisch Wasserstoff de- bzw. absorbierenden Stoff enthält, insbesondere eine Hydrid bildende Metalllegierung, wobei der Stoff 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 mit einer höheren Temperatur beaufschlagt wird. Dazu befindet sich ein Wärmetauscher in Kontakt mit dem Wasserstoff de- bzw. absorbierenden Stoff. Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass, um den zyklisch Wasserstoff de- bzw. absorbierenden Stoff herum, eine Wärmeisolierung angebracht ist und dass sich der Wärmetauscher innerhalb der Wärmeisolierung befindet.

Die den zyklischen Druckänderungen ausgesetzte Wärmeisolierung ist dabei insbesondere auch so in das druckfeste Gefäß integriert, dass es den hohen Drücken standhält. Dazu ist sie insbesondere drucksteif ausgeführt und/oder gasdurchlässig und/oder hinterlüftet.

Diese Wärmeisolierung hat den Vorteil, dass die für den zyklischen Betrieb erforderlichen Wärmemengen deutlich reduziert werden. Es ist ein Kompressionsbetrieb möglich mit Verkürzung der Zyklusdauer. Dadurch werden das Gewicht und das Volumen reduziert, sowie die Dynamik verbessert.

Bei einer bevorzugten Ausführung der Erfindung ist die Wärmeisolierung zwischen dem druckfestem Gefäß und dem zyklisch Wasserstoff de- bzw. absorbierenden Stoff eingebracht und der Wärmetauscher befindet sich in direktem Kontakt mit dem Stoff. Eine solche Konstruktion ist vorteilhafterweise einfach und preiswert herzustellen, indem die Wärmeisolation an der Innenoberfläche des Gefäßes angebracht wird. Die Anschlussleitungen für den Wärmetauscher können dann auf einfache Weise durch die Wärmeisolierung hindurch geführt sein.

Bei einer vorteilhaften Ausführung der Erfindung besteht die Druckerhöhungseinrichtung mindestens aus zwei druckfesten Gefäßen, die hintereinander und/oder parallel zusammen geschaltet sind, um den Druck des gasförmigen Wasserstoffs stufenweise und/oder zeitversetzt zu erhöhen. Das hat den Vorteil, dass die Versorgung des Verbrauchers mit Gas zuverlässig sichergestellt ist. Des weiteren können sehr hohe Förderdrücke erzeugt werden, die deutlich größer sind als der Bedarf des Verbrauchers.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführung der Erfindung ist die Druckerhöhungseinrichtung dadurch gekennzeichnet, dass sie mindestens zur anteiligen Versorgung eines in einem Brennraum gasförmigen Kraftstoff verbrennenden Verbrauchers mit Wasserstoff, insbesondere einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs, dient, wobei die Hochdruckseite der Druckerhöhungseinrichtung über eine Verbindungseinrichtung mit dem Brennraum des Verbrauchers verbunden ist und die Niederdruckseite die Druckerhöhungseinrichtung mit einem Wasserstoffspeicher, insbesondere einem Kryotank, verbunden ist und wobei 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.

Eine solche Druckerhöhungseinrichtung ermöglicht Verfahren zur inneren Gemischbildung im Brennraum einer Brennkraftmaschine, ist sehr verschleißarm und senkt so vorteilhafterweise die Wartungskosten. Es können sehr hohe Standzeiten und sehr geringe Ausfallraten erreicht werden, wobei ein plötzlicher Zusammenbruch der Wasserstoffversorgung nicht vorkommen kann, da keine schlagartig auftretenden Fehlerzustände zu erwarten sind. Ein vibrations-, schwingungs- und geräuschfreier Betrieb erhöht den Komfort und die Betriebspunktadaption kann auch unabhängig vom Zustand des Verbrauchers durch Variation des Förderdrucks stattfinden.

Eine besonders einfach aufgebaute Druckerhöhungseinrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungseinrichtung aus mindestens einer Druckleitung besteht, die einen Ausgang der Druckerhöhungseinrichtung mit einem Eingang des Brennraums verbindet. Wenn die Verbindungseinrichtung mindestens einen Druckgasspeicher enthält, kann dieser als Zwischenspeicher zum Beispiel auch während der Stillstandszeit des Verbrauchers beladen werden und nicht nur während dessen Betrieb.

Eine vorteilhafte Ausführungsform der Druckerhöhungseinrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass dem Wärmetauscher zur Wärmezufuhr Abwärme des Verbrauchers, insbesondere über dessen Abgas- oder dessen Kühleinrichtung, zugeführt wird, bzw. dass Abwärme über den Wärmetauscher in die Kühleinrichtung geführt wird.

Das hat den Vorteil, dass gegenüber mechanisch wirkenden Kompressoren, Verdichtern oder Pumpen für die Druckerhöhungseinrichtung keine exergetische Antriebsleistung zum Betrieb benötigt wird. Der Betrieb kann mit anergetischer Abwärme durchgeführt werden und sich daher günstig auf den energetischen Gesamtwirkungsgrad auswirken. Außerdem wird bei einer automotiven Anwendung dann ein Temperaturniveau erreicht, das anstatt der gemäß dem Stand der Technik bekannten Verwendung von Tieftemperaturhydriden, die Verwendung von Mittel- oder Hochtemperaturhydriden erlaubt. Mittel- und Hochtemperaturhydride besitzen vorteilhafterweise gravimetrische Speicherdichten die über 2% liegen, was wiederum für den selben Massenstrom die Verwendung kleinerer Sorptionshydridkompressoren ermöglicht.

Bei einer weiteren bevorzugten Ausführung der Erfindung ist für die Druckerhöhungseinrichtung eine Regeleinrichtung vorgesehen, die aufgrund von Eingangsdaten vom Verbraucher und/oder vom Druckgasspeicher und/oder von der Druckerhöhungseinrichtung und/oder vom Wasserstoffspeicher Ausgangsdaten erzeugt, die mindestens zur Betriebspunktadaption der Druckerhöhungseinrichtung und/oder des Verbrauchers und/oder des Druckgasspeichers und/oder der Druckerhöhungseinrichtung und/oder des Wasserstoffspeichers verwendet werden.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen weiter erläutert. 1 zeigt in schematischer Darstellung eine grundsätzliche Anordnung eines Sorptionshydridkompressors als Druckerhöhungseinrichtung zum Betrieb eines Verbrennungsmotors. Die 2 stellt ein Ausführungsbeispiel eines Sorptionshydridkompressors gemäß der Erfindung dar.
In einem nicht gezeichneten Kraftfahrzeug ist gemäß 1 ein Wasserstoffspeicher beziehungsweise -erzeuger 1, insbesondere ein nicht gezeichneter Kryotank zur Speicherung von Flüssigwasserstoff, eingebaut. Der Wasserstoff dient als Kraftstoff zur Versorgung einer das Kraftfahrzeug antreibenden Brennkraftmaschine 2 als Verbraucher. Eine nicht gezeichnete Entnahmeeinrichtung für gasförmigen Wasserstoff aus dem Wasserstoffspeicher 1 versorgt über eine Entnahmeleitung 3 die Brennkraftmaschine 2 mit Wasserstoff.
Zur Bedruckung und Förderung des gasförmigen Wasserstoffs führt die Entnahmeleitung 3 zu einer Druckerhöhungseinrichtung, die dazu einen Sorptionshydridkompressor 5 verwendet. Ausgangsseitig mit seiner Druckseite ist dieser über eine Verbindungseinrichtung 4 an den Brennraum der Brennkraftmaschine 2 angeschlossen. Alternativ oder zusätzlich zur Brennkraftmaschine 2, könnten allerdings auch nicht gezeichnete Brennstoffzellen mit bedrucktem Wasserstoff versorgt werden.
Der Sorptionshydridkompressor 5 ist außerdem an für die Zufuhr und die Abfuhr von Wärmeströmen geeigneten Leitungen 6, 7 angeschlossen. Die zum Betrieb des Sorptionshydridkompressors 5 benötigten Betriebswärmeströme können auf jede Art erzeugt oder bereitgestellt werden, hier werden jedoch zur Wärmezufuhr 8 Abwärmeströme der Brennkraftmaschine 2 aus Abgasstrom und Motorkühlung verwendet.
Die Wärmezufuhr 8 und -abfuhr 9 kann auch durch jeden sonstigen hydraulischen oder pneumatischen Transport wärmeführender Medien erfolgen, zum Beispiel Wärmezufuhr 8 über Abgasströme bzw. Wärmeabfuhr 9 durch Gebläsekühlung. Oder auch durch Ausnutzung von Verdampfungs- und oder Kondensationsenthalpien (z.B. mittels einer sogenannten Heat-Pipe). Oder auch durch jede Form von Strahlung (z.B. Laser, Microwelle, UV, IR, sonst. elektromagentische Wellen). Oder auch durch mechanische Reaktionswärme (z.B. Reibungswärme) oder durch Übertragung von Druckstörungen (z.B. durch mechanische Impulsstöße, Schalldruck). Oder durch elektrisches Heizen oder Kühlen (z.B. durch Peltier-Element). Oder insbesondere auch durch Nutzung von Absorptions- bzw. Desorptionswärmeströmen, die bei Änderung des Belade- oder Sättigungszustandes eines Hydrids mit Wasserstoff entstehen können. Oder auch aus beliebigen Kombinationen verschiedener, funktional integrierter Verfahren. Zur Wärmeabfuhr 9 kann insbesondere auch das Kühlsystem der Brennkraftmaschine 2 und/oder auch der zur Druckhaltung eines Kryotanks zugeführte Wärmestrom verwendet werden.
Der Förderdruck des Sorptionshydridkompressors 5 kann sich im Bereich von 2 bar abs. bis 350 bar abs. bewegen. Bei einer Zwischenspeicherung des geförderten Wasserstoffs in einem oder mehreren zwischen dem Sorptionshydridkompressor 5 und der Brennkraftmaschine 2 angeordneten Druckgasspeicher 10 können auch Förderdrücke bis über 800 bar abs. erreicht werden. Der Druckgasspeicher 10 kann auch während der Stillstandszeiten der Brennkraftmaschine 2 vom Sorptionshydridkompressor 5 beladen werden, zum Beispiel auch zur Speicherung von Wasserstoffverlustmengen, die aus dem Wasserstoffspeicher 1 stammen, insbesondere sogenannte Boil-Off-Gase. Dazu ist der Druckgasspeicher 10 an die Verbindungseinrichtung 4, zum Beispiel über eine Druckleitung 11, angeschlossen. In die Druckleitung 11 kann eine nicht gezeichnete Regeleinrichtung eingebaut sein. Die Regeleinrichtung kann zum Beispiel aus mindestens einem zwischen Druckgasspeicher 10 und Verbindungseinrichtung 4 eingeschalteten Druckregelventil bestehen.
Durch das im Druckgasspeicher 10 gespeicherte Wasserstoffgas kann die Brennkraftmaschine 2 über Zeiträume betrieben werden, die zum Beispiel ein Sorptionshydridkompressor 5 benötigt, um den Betriebsdruck zu erreichen, oder die ein Abgaskatalysator benötigt, um seine Betriebstemperatur zu erreichen. Oder über die ein Wasserstoffspeichersystem befüllt wird, das Wasserstoff als Betriebmittelreserve speichert („Reservekanister"). Des weiteren über Zeiträume, in denen flüssige oder gasförmige Medien derart erwärmt werden, dass sich der Zeitraum, bis zu dem Teile der Brennkraftmaschine 2 oder Teile einer Klimatisierungseinrichtung eine günstige Betriebstemperatur erreichen, verkürzt.
Im Sorptionshydridkompressor 5 können sowohl Sorptionshydride nach dem Stand der Technik angewendet werden, als auch solche, die über diesen hinausgehend auf erhöhten Temperaturniveaus, insbesondere auch während der Desorptionsphase betrieben werden können. Dies insbesondere auch auf solchen Temperaturniveaus, die bei Versorgung der Brennkraftmaschine 2 durch Nutzung von hierfür typischen Abwärmeströmen z.B. aus deren Abgas oder Kühlwasser möglich sind. Damit sind gegenüber dem Stand der Technik deutlich erhöhte gravimetrische Speicherdichten möglich, wodurch deutlich geringere Gewichte und Bauvolumina eines Sorptionshydridkompressors 5 bei gegebenem Förderstrom erzielt werden können.
Die Bauweise des Sorptionshydridkompressors 5 kann unterschiedlich sein. Es sind alle Kombinationen eines Sorptionsbetts denkbar, die durch ein- oder mehrstufiges Verschalten und/oder ein- oder mehrreihiges Verschalten von Sorptionsbetten hervorgehen. Außerdem Bauweisen und Betriebsweisen, die zum Beispiel der Betriebspunktadaption dienen. und/oder der Reduktion der zum Zyklieren eines enthaltenen Hydrids zyklisch benötigten Wärmemengen.
Die 2 zeigt einen Sorptionshydridkompressor 5 mit einem Sorptionsbett 13 in dem ein Druck und eine Temperatur herrschen.
Das bedruckbare Gefäß 12 des Sorptionsbetts 13 ist mit Sorptionshydrid 16 befüllt. Innerhalb des Gefäßes 12 zwischen dem Sorptionshydrid 16 und der druckfesten Behälterstruktur des Gefäßes 12 ist eine Wärmeisolierung 22 eingebracht. Zur Wasserstoffdruckerhöhung wird das Sorptionshydrid 16 zyklisch auf Desorptionstemperatur erwärmt und auf Absorptionstemperatur abgekühlt. Zu jedem beliebigen Zeitpunkt liegen im ganzen Gefäß 12 nur ein Druck und eine Temperatur vor, die sich zyklisch zwischen Desorptions- und Adsorptionsdruck bzw. Desorptions- und Adsorptionstemperatur bewegen. Durch die Wärmeisolierung werden zum zyklischen Erwärmen und Abkühlen des Sorptionshydrids 16 im wesentlichen nur die Wärmeströme benötigt, die für die Temperaturanpassung des Sorptionshydrids 16 selbst erforderlich sind. Die Temperatur der Gehäusestruktur ändert sich gegenüber der Temperatur des Sorptionshydrids 16 nur mit einem wesentlichen, gewünschten Schleppfehler.
Das Sorptionshydrid 16 kann in jeder Form vorliegen bzw. angeordnet sein, zum Beispiel als pulverförmiges oder granulatartiges Schüttgut, oder in gasdurchlässigen Kassetten oder als fließendes Medium.
Sorptionsbetten 13 dieses Typs können ebenfalls seriell und parallel zu einem Sorptionshydridkompressor 5 verschaltet werden.
Im Erhitzungszyklus wird das Sorptionshydrid 16 fortwährend vom Wasserstoff entladen (Desorption) und der abgegebene Wasserstoff unter Desorptionsdruck nach außen über die Wasserstoffzu- bzw. -abführleitung 14 zur Verbindungseinrichtung 4 (1) geführt. Im Abkühlzyklus wird das Sorptionshydrid 16 fortwährend mit Wasserstoff beladen (Absorption) durch den aus der Entnahmeleitung 3 (1) mit Absorptionsdruck zugeführten und über die Wasserstoffzu- bzw. -abführleitung 14 aufgenommenen Wasserstoff. Zyklusbedingt erfolgt dies batchweise oder in Abhängigkeit von beliebigen Zustandsgrößen oder Eingabegrößen im Sorptionshydridkompressor 5 oder im versorgten H2-Verbraucher oder im Kraftfahrzeug.
Das Sorptionshydrid 16 wird so durch Wärmeabfuhr und Wasserstoffzufuhr unter geringerem Gasdruck mit Wasserstoff beaufschlagt und durch Wärmezufuhr zur Wasserstoffabgabe unter höherem Gasdruck veranlasst, wozu sich der Wärmetauscher 21 innerhalb der Wärmeisolierung 22 in direktem Kontakt mit dem Sorptionshydrid 16 befindet. Dazu sind vom Abgasstrom der Brennkraftmaschine 2 beaufschlagte, nicht gezeichnete Anschlussleitungen für den Wärmetauscher 21 durch die Wärmeisolierung 22 hindurch geführt.

Claims

Druckerhöhungseinrichtung für Wasserstoff, die wenigstens aus einem druckfesten Gefäß (12) besteht, das einen unter Wärmezu- (8) bzw. -abfuhr (9) zyklisch Wasserstoff de- bzw. absorbierenden Stoff (20) enthält, insbesondere eine Hydrid bildende Metalllegierung, wobei der Stoff (20) durch Wärmeabfuhr (9) und Wasserstoffzufuhr unter geringerem Gasdruck mit Wasserstoff beaufschlagt wird und durch Wärmezufuhr (8) zur Wasserstoffabgabe unter höherem Gasdruck veranlasst wird, wozu zyklisch wechselnd mindestens ein Teilbereich des Wasserstoff absorbierenden Stoffes (20) mit einer höheren Temperatur beaufschlagt wird, wozu ein Wärmetauscher (21) sich in Kontakt mit dem Stoff (20) befindet, dadurch gekennzeichnet, dass um den zyklisch Wasserstoff de- bzw. absorbierendem Stoff (20) herum eine Wärmeisolierung (22) angebracht ist und dass sich der Wärmetauscher (21) innerhalb der Wärmeisolierung (22) befindet.
Druckerhöhungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeisolierung (22) zwischen dem druckfestem Gefäß (12) und dem zyklisch Wasserstoff de- bzw. absorbierendem Stoff (20) eingebracht ist und dass sich der Wärmetauscher (21) in direktem Kontakt mit dem Stoff (20) befindet.
Druckerhöhungseinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeisolierung (22) drucksteif und/oder gasdurchlässig und/oder hinterlüftet ausgeführt ist.
Druckerhöhungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass Anschlussleitungen für den Wärmetauscher (21) durch die Wärmeisolierung (22) hindurch geführt sind.
Druckerhöhungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass diese aus mindestens zwei druckfesten Gefäßen (12) besteht, die hintereinander und/oder parallel zusammen geschaltet sind, um den Druck des gasförmigen Wasserstoffs stufenweise und/oder zeitversetzt zu erhöhen.
Druckerhöhungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass diese mindestens zur anteiligen Versorgung eines in einem Brennraum gasförmigen Kraftstoff verbrennenden Verbrauchers mit Wasserstoff, insbesondere einer Brennkraftmaschine (2) eines Kraftfahrzeugs, dient, wobei die Hochdruckseite der Druckerhöhungseinrichtung über eine Verbindungseinrichtung (4) mit dem Brennraum des Verbrauchers verbunden ist und die Niederdruckseite die Druckerhöhungseinrichtung mit einem Wasserstoffspeicher (1), insbesondere einem Kryotank, verbunden ist und wobei 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.
Druckerhöhungseinrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungseinrichtung (4) aus mindestens einer Druckleitung besteht, die einen Ausgang der Druckerhöhungseinrichtung mit einem Eingang des Brennraums verbindet.
Druckerhöhungseinrichtung nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungseinrichtung (4) mindestens einen Druckgasspeicher (10) enthält.
Druckerhöhungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass dem Wärmetauscher (21) Abwärme des Verbrauchers, insbesondere über dessen Abgas- oder dessen Kühleinrichtung, zugeführt wird.
Druckerhöhungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine Regeleinrichtung vorgesehen ist, die aufgrund von Eingangsdaten vom Verbraucher und/oder vom Druckgasspeicher (10) und/oder von der Druckerhöhungseinrichtung und/oder vom Wasserstoffspeicher (1) Ausgangsdaten erzeugt, die mindestens zur Betriebspunktadaption des Verbrauchers und/oder des Druckgasspeichers (10) und/oder der Druckerhöhungseinrichtung und/oder des Wasserstoffspeichers (1) verwendet werden.