DE102006020392A1 - Verfahren zum Betreiben eines Systems mit einer Wasserstoff konsumierenden Einheit und einem Wasserstoffspeichersystem - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Systems mit einer Wasserstoff konsumierenden Einheit (30) und einem Wasserstoffspeichersystem (10), in welchem Wasserstoff mit wenigstens zwei unterschiedlichen Speichermechanismen in wenigstens einen ersten Speicherteil (16) und einen zweiten Speicherteil (18) gespeichert wird, wobei Wasserstoff wahlweise aus dem ersten oder zweiten Speicherteil (16, 18) entnommen wird. In vorgegebenen Betriebsphasen erfolgt die Entnahme aus dem ersten oder dem zweiten Speicherteil (16, 18) abhängig von einer thermischen Anforderung des Wasserstoffspeichersystems (10) und/oder der Wasserstoff konsumierenden Einheit (30).

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Systems mit einer Wasserstoff konsumierenden Einheit und einem Wasserstoffspeichersystem nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
  • Zur Lagerung von Wasserstoff ist es bekannt, diesen entweder gasförmig in Druckspeichertanks mit mehreren hundert bar Überdruck oder bei kryogenen Temperaturen flüssig in speziellen Kühltanks zu speichern. Bekannt sind auch Feststoffspeicher für Wasserstoff, in denen Wasserstoff in einen Festkörper eingelagert und unter definierten Bedingungen wieder abgegeben werden kann. Allerdings kann das Speichermaterial nur einige Prozent seines Eigengewichts an Wasserstoff speichern. Solche Feststoffspeicher haben daher ein hohes Gewicht im Vergleich zu gleichvolumigen Druckgasspeichern, in denen gasförmiger Wasserstoff unter hohem Druck gespeichert wird.
  • Aus der US 2005/0013770 A1 wird ein Hybridspeicher für Wasserstoff offenbart, der wenigstens zwei verschiedene Speicherarten für Wasserstoff in einem gemeinsamen Gehäuse vorsieht, nämlich die Speicherart in einem Feststoff, als komprimiertes Gas oder in flüssiger Form. In einer dort vorgeschlagenen Ausgestaltung umgibt ein Feststoffspeicher konzentrisch einen Flüssigwasserstoffbereich.
  • Die US 6,651,701 B2 offenbart ein Speichersystem mit einem Speicherteil mit gasförmigem und einem Speicherteil mit in einem Feststoffspeicher gespeichertem Wasserstoff. Abhängig von den Drücken bzw. der verfügbaren Wasserstoffmenge in dem einen Speicherteil wird der jeweils andere Speicherteil zugeschaltet, um Wasserstoff für den Betrieb eines Wasserstoff konsumierenden Aggregats zur Verfügung zu stellen.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, ein wirkungsgradgünstiges Verfahren zum Betreiben eines Systems mit einer Wasserstoff konsumierenden Einheit und einem Wasserstoffspeichersystem zu schaffen, das eine hohe Speicherdichte von Wasserstoff bei tolerierbarem Gewicht ermöglicht.
  • Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
  • Günstige Aus- und Weiterbildungen der Erfindung sind den weiteren Ansprüchen zu entnehmen.
  • Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betreiben eines Systems mit einer Wasserstoff konsumierenden Einheit und einem Wasserstoffspeichersystem erfolgt in vorgegebenen Betriebsphasen die Entnahme aus dem ersten oder dem zweiten Speicherteil abhängig von einer thermischen Anforderung des Wasserstoffspeichersystems und/oder der Wasserstoff konsumierenden Einheit. Damit kann einerseits der Vorteil einer Gewichtsersparnis bei vorgegebenem Bauraum durch eine bevorzugte Kombination von einem Feststoffspeicher und einem Druckgasspeicher ausgenutzt werden und zum anderen eine Kühl- und Heizproblematik des Wasserstoffspeichersystems und der Wasserstoff konsumierenden Einheit vorteilhaft mit systeminternen Heiz- und Kühlquellen aufeinander abgestimmt werden. Bevorzugt ist der Druckgasspeicher ein Hochdruckspeicher, der zum Speichern von Gas unter Drücken von mehreren hundert bar ausgebildet ist. Günstigerweise weist der Druckgasspeicher ein Gehäuse aus beispielsweise Stahl, Aluminium oder Kunststoff auf, das vorzugsweise mit Kohlenstofffasermaterial umgeben, insbesondere umwickelt, ist. Dabei können die Speicherteile selbst als Heiz- oder Kühlquelle für die Wasserstoff konsumierende Einheit dienen. Vorteilhaft ist ein gleitender Übergang beim Umschalten von dem einen auf den anderen Speicherteil zur Entnahme von Wasserstoff, d.h. es gibt zweckmäßigerweise eine Übergangsphase zwischen Betriebszuständen, in denen nur der eine oder der andere Speicherteil Wasserstoff liefert. In der Übergangsphase können beide Speicherteile Wasserstoff liefern. Die Wasserstoff konsumierende Einheit kann eine Brennstoffzelle bzw. ein Brennstoffzellensystem sein, oder auch ein Verbrennungsmotor, der Wasserstoff als Kraftstoff verbrennt. Besonders bevorzugt ist die Verwendung des Wasserstoffspeichersystems in einem Brennstoffzellenfahrzeug, welches seine Antriebsenergie aus einem Brennstoffzellensystem bezieht.
  • Als günstiges Speichermaterial für derartige bevorzugte Feststoffspeicher sind prinzipiell adsorptiv wirkende Materialien wie Kohlenstoffstrukturen, metallorganische, so genannte Frameworks, Materialien mit intrinsischer Porosität, Oxide, wie etwa Titan- oder Silizium-Oxide geeignet. Bevorzugt sind ferner Materialien mit chemischer Bindung des Wasserstoffs, wie etwa modifizierte komplexe Hydride, beispielsweise auf der Basis von Alanaten, Boranaten, weiterhin Amid/Hydrid-Systeme, Magnesium und dessen Legierungen, modifizierte Aluminiumhydride, Aminoborane, Metallhydride, beispielsweise modifizierte AB2-, AB5-Legierungen. Besonders bevorzugt sind Materialien mit endothermer Wasserstoff-Freisetzungsenthalpie im Bereich von 20–30 kJ/(mol H2). Denkbar sind auch organische Materialien, wie zum Beispiel Polymere. Die Speichermaterialien können als Pellets, Pulver, Granulat und dergleichen eingesetzt werden. Das Speichermaterial kann jedoch auch unter Betriebsbedingungen von selbst pelletieren, granulieren und dergleichen.
  • Durch eine bevorzugte Kombination eines Druckgasspeichers mit einem Feststoffspeicher kann bei gegebenem Einbauvolumen eine höhere Speicherkapazität bei allenfalls moderatem Gewichtszuwachs erreicht werden, was für einen Fahrzeigeinsatz sehr günstig ist. Durch ein geschicktes Regelsystem kann der Wasserstoff wahlweise aus einem der beiden Speicherteile entnommen werden.
  • Bevorzugt kann Wasserstoff aus dem ersten Speicherteil dem zweiten Speicherteil zugeführt werden, um mit dem zweiten Speicherteil Wärme zu erzeugen, wenn im zweiten Speicherteil Wasserstoff exotherm aufgenommen wird. Im zweiten Speicherteil wird z.B. dann Wasserstoff exotherm aufgenommen, wenn das darin eingesetzte Speichermaterial Wasserstoff exotherm ad- oder absorbiert. Die Wärme aus dem zweiten Speicherteil kann bei Bedarf der Wasserstoff konsumierenden Einheit zugeführt werden. Vorteilhaft ergibt sich beispielsweise in der kalten Jahreszeit ein schnelles Aufwärmen des Wasserstoffspeichersystems und/oder der Wasserstoff konsumierenden Einheit, insbesondere in einem Brennstoffzellensystem. Dazu ist ein Feststoffspeicher mit entsprechendem Speichermaterial, das Wasserstoff exotherm aufnimmt, vorgesehen.
  • Alternativ kann Wasserstoff aus dem ersten Speicherteil dem zweiten Speicherteil zugeführt werden, um mit dem zweiten Speicherteil Kälte zu erzeugen, wenn im zweiten Speicherteil Wasserstoff endotherm aufgenommen wird. Im zweiten Speicherteil wird z.B. dann Wasserstoff endotherm aufgenommen, wenn das darin eingesetzte Speichermaterial Wasserstoff endotherm ad- oder absorbiert. Vorzugsweise kann dann z.B. Wärme aus der Wasserstoff konsumierenden Einheit dem zweiten Speicherteil zugeführt werden, sodass die Wasserstoff konsumierenden Einheit gekühlt wird. Dazu ist ein Feststoffspeicher mit entsprechendem Speichermaterial, das Wasserstoff endotherm aufnimmt, vorgesehen.
  • In einem vorteilhaften Verfahrensschritt kann bei einer Kühlanforderung der Wasserstoff konsumierenden Einheit Wasserstoff aus dem zweiten Speicherteil entnommen werden, wenn der zweite Speicherteil Wasserstoff endotherm abgibt. Bei einem bevorzugten Brennstoffzellenfahrzeug ist dies beispielsweise dann der Fall, wenn das Brennstoffzellensystem eine Spitzenlast liefern soll, etwa bei einer Bergfahrt, bevorzugt bei hoher Außentemperatur und geringer Geschwindigkeit des Brennstoffzellenfahrzeugs, wenn eine Wärmeabfuhr an die Umgebung wegen der geringen Temperaturdifferenzen besonders ineffizient ist. Problematisch bei hohen Lasten ist die Kühlung vor allem beim Einsatz von Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzellen, die bei Betriebstemperaturen unter 100°C betrieben werden. Aufgrund der geringen Temperaturdifferenzen zur Umgebung kann die Abwärme des Brennstoffzellensystems schlecht abgeführt werden, und es sind große Kühlerflächen nötig. Die Leistungsfähigkeit des Brennstoffzellensystems ist durch diese Kühlproblematik beschränkt, vor allem bei hohen Außentemperaturen. Bei Einsatz der erfindungsgemäßen Betriebsweise kann der Kühler eines üblichen Brennstoffzellenfahrzeugs um bis zu 25%, oder typischerweise um 20 kW bei Spitzenlast, entlastet werden.
  • Als Speichermaterial im zweiten Speicherteil sind derartige Feststoffe besonders bevorzugt, die Wasserstoff endotherm freisetzen, wobei Speichermaterialien mit einer Enthalpie im Bereich von 10–40 kJ/(mol H2), bevorzugt 20–30 kJ/(mol H2) besonders günstig sind. Günstig sind beispielsweise Metallhydride oder entsprechende andere Feststoffe, die unter Wärmeaufnahme Wasserstoff abgeben.
  • Zum Starten der Wasserstoff konsumierenden Einheit kann ferner gemäß einem weiteren vorteilhaften Verfahrensschritt Wasserstoff aus dem ersten Speicherteil entnommen werden, wobei im ersten Speicherteil Wasserstoff gasförmig unter Druck gespeichert ist. Bei dem im Druckgasspeicherteil gespeicherten Wasserstoff entfällt prinzipbedingt eine Kaltstartproblematik. Eine Kaltstart- und/oder Dynamikproblematik des zweiten Speicherteils, der kein Druckgasspeicher ist, sondern vorzugsweise ein Feststoffspeicher, kann einfach umgangen werden. Vorteilhaft kann gegebenenfalls beim Startvorgang Wasserstoff vom ersten Speicherteil in den zweiten Speicherteil geleitet werden, um den zweiten Speicherteil aufzuwärmen. Der zweite Speicherteil kann dann eingesetzt werden, wenn dieser betriebsbereit ist, während die Wasserstoff konsumierende Einheit bereits in Betrieb ist.
  • Vorteilhaft kann bei Normalbetrieb Wasserstoff abhängig von einer verfügbaren Menge aus dem ersten oder dem zweiten Speicherteil entnommen werden.
  • In einer günstigen Weiterbildung kann die Entnahme von Wasserstoff aus dem ersten oder zweiten Speicherteil abhängig von Umgebungsbedingungen und/oder zu erwartenden thermischen Anforderungen an die Wasserstoff konsumierende Einheit und/oder das Wasserstoffspeichersystem erfolgen. Durch eine vorausschauende Betriebsweise kann das Zusammenwirken der verschiedenen Speicherteile weiter verbessert werden.
  • Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung werden im Folgenden anhand von einem in der Zeichnung beschriebenen bevorzugten Ausführungsbeispiel näher erläutert, ohne auf dieses Ausführungsbeispiel beschränkt zu sein.
  • Dabei zeigt die Figur beispielhaft eine bevorzugte Ausgestaltung eines Systems mit einem Wasserstoffspeichersystem und einer Wasserstoff konsumierenden Einheit.
  • Zur Erläuterung der Erfindung zeigt die einzige Figur ein Wasserstoffspeichersystem 10, das eine Wasserstoff konsumierende Einheit 30 mit Wasserstoff versorgt. Die Wasserstoff konsumierende Einheit 30 ist beispielsweise ein Brennstoffzellensystem in einem Brennstoffzellenfahrzeug. Die Funktionsweise von Brennstoffzellen und Brennstoffzellensystemen sind hinreichend bekannt und brauchen daher hier nicht weiter erläutert zu werden.
  • Das Wasserstoffspeichersystem 10 umfasst einen ersten Speicherteil 16 und einen zweiten Speicherteil 18. Der erste Speicherteil 16 ist vorzugsweise ein Druckgasspeicher, in dem Wasserstoff unter hohem Druck, beispielsweise mehrere hundert bar, gasförmig gespeichert ist. Der zweite Speicherteil 18 ist vorzugsweise ein Feststoffspeicher, in dem Wasserstoff unter Wärmeabgabe gespeichert und unter Wärmeaufnahme abgegeben werden kann. Der erste Speicherteil 16 und der zweite Speicherteil 18 sind beispielsweise in einem gemeinsamen Gehäuse 12 angeordnet. Sie können jedoch auch getrennt voneinander im Wasserstoffspeichersystem 10 angeordnet sein.
  • Über eine Leitung 26 gelangt Wasserstoff aus dem Wasserstoffspeichersystem 10 zur Wasserstoff konsumierenden Einheit 30. Der erste Speicherteil 16 kann durch ein Ventil 22, der zweite Speicherteil 18 durch ein Ventil 24 gegenüber der Leitung 26 abgesperrt werden. Die beiden Speicherteile 16, 18 sind über ein Ventil 20 miteinander verbunden. Die Ventile 20, 22, 24 können über nicht näher bezeichnete Steuerleitungen mit einer Steuer- oder Regeleinheit 28 angesteuert werden. Die Darstellung ist vereinfacht. Es können, für den Fachmann selbstverständlich, Sensoren für Druck, Temperatur und dergleichen und weitere Mittel vorgesehen sein, um den Zustand der Speicherteile 16, 18 zu überwachen, bzw. gezielt eine Wasserstoffabgabe oder eine Wasserstoffaufnahme zu bewirken.
  • In vorgegebenen Betriebsphasen erfolgt die Entnahme von Wasserstoff aus dem ersten oder dem zweiten Speicherteil 16, 18 abhängig von einer thermischen Anforderung des Wasserstoffspeichersystems 10 und/oder der Wasserstoff konsumierenden Einheit 30.
  • Bei niedrigen Außentemperaturen, insbesondere unter dem Gefrierpunkt, kann Wasserstoff aus dem ersten, als Druckgasspeicher ausgebildeten Speicherteil 16 in den zweiten, vorzugsweise als Feststoffspeicher ausgebildeten Speicherteil 18 gegeben werden. Durch die Aufnahme des Wasserstoffs im Feststoffspeicher wird Wärme frei und das System aufgewärmt. Dies ist in Betriebsphasen im Winter vorteilhaft.
  • Bei einer Bergfahrt des beispielhaft angeführten Brennstoffzellenfahrzeugs, bei dem eine hohe Leistung von der Wasserstoff konsumierenden Einheit 30 abgegeben und eine entsprechende Menge an Abwärme erzeugt wird, wird Wasserstoff bevorzugt ausschließlich aus dem zweiten Speicherteil 18 entnommen. Dies erfolgt unter endothermen Bedingungen, so dass Wärme aus dem gesamten System abgeführt und vom zweiten Speicherteil 18 aufgenommen werden kann. Ein Fahrzeugkühler des Brennstoffzellenfahrzeugs wird dadurch deutlich entlastet, selbst bei einer Bergfahrt bei hohen Außentemperaturen und geringer Fahrgeschwindigkeit.
  • Bei der Betriebsphase zum Starten der Wasserstoff konsumierenden Einheit 30 wird Wasserstoff vorzugsweise ausschließlich aus dem ersten, als Druckgasspeicher ausgebildeten Speicherteil 16 entnommen, womit eine Kaltstartproblematik und Dynamikproblematik eines Feststoffspeichers für Wasserstoff umgangen werden kann.
  • Zusätzlich kann beim Startvorgang Wasserstoff vom ersten Speicherteil 16 in den zweiten Speicherteil 18 geleitet werden, um den zweiten Speicherteil 18 aufzuwärmen.

Claims (10)

  1. Verfahren zum Betreiben eines Systems mit einer Wasserstoff konsumierenden Einheit (30) und einem Wasserstoffspeichersystem (10), in welchem Wasserstoff mit wenigstens zwei unterschiedlichen Speichermechanismen in wenigstens einen ersten Speicherteil (16) und einen zweiten Speicherteil (18) gespeichert wird, wobei Wasserstoff wahlweise aus dem ersten oder zweiten Speicherteil (16, 18) entnommen wird, dadurch gekennzeichnet, dass in vorgegebenen Betriebsphasen die Entnahme aus dem ersten oder dem zweiten Speicherteil (16, 18) abhängig von einer thermischen Anforderung des Wasserstoffspeichersystems (10) und/oder der Wasserstoff konsumierenden Einheit (30) erfolgt.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Wasserstoff aus dem ersten Speicherteil (16) dem zweiten Speicherteil (18) zugeführt wird, um mit dem zweiten Speicherteil (18) Wärme zu erzeugen, wenn im zweiten Speicherteil (18) Wasserstoff exotherm aufgenommen wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass Wärme aus dem zweiten Speicherteil (18) der Wasserstoff konsumierenden Einheit (30) zugeführt wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Wasserstoff aus dem ersten Speicherteil (16) dem zweiten Speicherteil (18) zugeführt wird, um mit dem zweiten Speicherteil (18) Kälte zu erzeugen, wenn im zweiten Speicherteil (18) Wasserstoff endotherm aufgenommen wird.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass Wärme aus der Wasserstoff konsumierenden Einheit (30) dem zweiten Speicherteil (18) zugeführt wird, wenn im zweiten Speicherteil (18) Wasserstoff endotherm aufgenommen wird.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Kühlanforderung der Wasserstoff konsumierenden Einheit (30) Wasserstoff aus dem zweiten Speicherteil (18) entnommen wird, wenn der zweite Speicherteil (18) Wasserstoff endotherm abgibt.
  7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zum Starten der Wasserstoff konsumierende Einheit (30) Wasserstoff aus dem ersten Speicherteil (16) entnommen wird, wobei im ersten Speicherteil (16) Wasserstoff gasförmig unter Druck gespeichert ist.
  8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass beim Startvorgang Wasserstoff vom ersten Speicherteil (16) in den zweiten Speicherteil (18) geleitet wird, um den zweiten Speicherteil (18) aufzuwärmen.
  9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei Normalbetrieb Wasserstoff abhängig von einer verfügbaren Menge aus dem ersten oder dem zweiten Speicherteil (16, 18) entnommen wird.
  10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Entnahme von Wasserstoff aus dem ersten oder zweiten Speicherteil (16, 18) abhängig von Umgebungsbedingungen und/oder zu erwartenden thermischen Anforderungen an die Wasserstoff konsumierende Einheit (30) und/oder das Wasserstoffspeichersystem (10) erfolgt.
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