DE102006020394A1

DE102006020394A1 - Wasserstoffspeicher und Verfahren zum Befüllen eines Wasserstoffspeichers

Info

Publication number: DE102006020394A1
Application number: DE102006020394A
Authority: DE
Inventors: Daniel Gölz; Claude Keller; Eberhard Dr. Schmidt-Ihn; David Dipl.-Ing. ETH Wenger; Wolfgang Prof. Polifke
Original assignee: DaimlerChrysler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2006-04-28
Filing date: 2006-04-28
Publication date: 2007-11-15
Anticipated expiration: 2026-04-29
Also published as: JP4914918B2; WO2007124825A1; DE102006020394B4; US7947119B2; US20090127137A1; JP2009535570A

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Wasserstoffspeicher mit einem Gehäuse (12), in dem Speichermaterial (28), in das Wasserstoff einlagerbar ist und welches gezielt Wasserstoff aufnehmen und abgeben kann, angeordnet ist. Erfindungsgemäß ist wenigstens eine Einheit (24) vorgesehen, bei der der poröse Körper (26) einen Behälter (30) wenigstens bereichsweise umgibt, in dem das Speichermaterial (28) enthalten ist. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Befüllen eines Wasserstoffspeichers.

Description

Die Erfindung betrifft einen Wasserstoffspeicher und ein Verfahren zum Befüllen eines Wasserstoffspeichers nach den Oberbegriffen der unabhängigen Ansprüche.
Zur Lagerung von Wasserstoff ist es bekannt, diesen entweder gasförmig in Drucktanks mit mehreren hundert bar Überdruck oder bei kryogenen Temperaturen flüssig in speziellen Kühltanks zu speichern.
Weiterhin sind Feststoffspeicher bekannt, in denen der Wasserstoff aufgenommen, in deren atomaren Struktur festgehalten und bei Temperaturerhöhung wieder abgegeben wird. Da diese Wasserstoffspeicher weder extreme Temperaturen noch hohe Drücke erfordern, sind Feststoffspeicher vergleichsweise unkompliziert zu handhaben. Solche Wasserstoffspeicher bieten sich daher für mobile Kleinanwendungen, aber auch für den Einsatz in Kraftfahrzeugen an. Allerdings können diese Speichermaterialien bei Raumtemperatur lediglich etwa 2 ihres Eigengewichts an Wasserstoff aufnehmen. Das bedeutet, dass beispielsweise rund 100 kg des Materials benötigt werden, um rund 2 kg Wasserstoff zu speichern.
Ferner benötigen solche Wasserstoffspeicher eine Kühlung beim Betanken und eine Heizung beim Entleeren, da Wasserstoff im Allgemeinen durch eine endotherme Reaktion des Speichermaterials abgegeben wird.
Aus der Offenlegungsschrift JP 60060399 ist bekannt, Wasserstoffgas als Kühlmittel eines Feststoffspeichers aus Metallhalogeniden einzusetzen. Aus der Offenlegungsschrift JP 2001208296 ist ein poröser Speicherbehälter bekannt, der ebenfalls mit Wasserstoff als Kühlmittel gekühlt wird. Aus der Offenlegungsschrift DE 103 92 240 T5 ist ein Wasserstoffspeicher mit einem Wasserstoff absorbierenden Material bekannt, der ein faserverstärktes Gehäuse aufweist.
Die Patentschrift DE 697 14 233 T2 offenbart einen Feststoff-Wasserstoffspeicher mit einem offenporigen Metallschaum, der als Trägermatrix für ein pulverförmiges, Wasserstoff absorbierenden Speichermaterial fungiert. Das pulverförmige Material liegt verteilt in der Trägermatrix. Um einen Austrag des fein verteilten Materials aus dem Wasserstoffspeicher zu erschweren, ist die Trägermatrix in Segmente unterteilt, die mit Trennwänden abgeschottet sind, die das Speichermaterial innerhalb des jeweiligen Segments zurückhalten. Durch die Trägermatrix sind Rohre geführt, in denen wahlweise ein Kühlmedium oder ein Heizmedium geführt werden kann, um den Wasserstoffspeicher beim Befüllen zu kühlen oder zum Entleeren zu erhitzen.
Die Patentschrift US 6378601 B1 offenbart ein Verfahren zum Befüllen eines Feststoffspeichers, bei dem Wasserstoff zur Kühlung des Feststoffspeichers eingesetzt wird. Der Wasserstoff strömt im Durchflussverfahren durch den Feststoffspeicher. Ein Teil des Wasserstoffs wird vom Speichermaterial aufgenommen, ein Teil des Wasserstoffs führt die dabei entstehende Wärme ab. Der erwärmte Wasserstoff wird einem Reservoir zugeführt.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen Feststoffspeicher für Wasserstoff bereit zu stellen, der möglichst kompakt ist, leicht in der Auslegung zur variieren ist und besonders für einen Fahrzeugeinsatz geeignet ist. Weiterhin soll ein Verfahren zum Befüllen des Wasserstoffspeichers angegeben werden.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst.
Günstige Aus- und Weiterbildungen der Erfindung sind den weiteren Ansprüchen zu entnehmen.
Der erfindungsgemäße Wasserstoffspeicher ist als Feststoffspeicher ausgebildet und umfasst ein Gehäuse, in dem Speichermaterial angeordnet ist, in das Wasserstoff gezielt einlagerbar ist und welches gezielt Wasserstoff abgeben kann. Wenigstens eine Einheit ist im Gehäuse vorgesehen, bei der ein poröser Körper einen Behälter wenigstens bereichsweise umgibt, in dem das Speichermaterial lokal konzentriert enthalten ist.
Der poröse Körper übernimmt dabei vorteilhaft eine mehrfache Funktion. Zum einen dient er als mechanische Stütze des mit Speichermaterial gefüllten Behälters, zum anderen als Strömungsweg für Wasserstoff vom Speichermaterial aus dem Gehäuse und/oder von einem Gehäuseeingang zum Speichermaterial. Weiter dient er als Wärmeleiter, um das Speichermaterial beim Befüllen zu kühlen, wenn es durch eine exotherme Ad- oder Absorption erhitzt wird bzw. beim Entleeren aufzuwärmen, um Reaktionswärme für die endotherme Desorption bereitzustellen und eine gezielte Abgabe von Wasserstoff aus dem Speichermaterial zu erreichen. Es ist ein beliebiges Speichermaterial einsetzbar. Eine Betankung des Wasserstoffspeichers ist innerhalb weniger Minuten möglich. Durch die doppelte Kammerung des Speichermaterials ist eine kostengünstige und sichere Tankbauweise erreichbar. Eine Tankstelleninfrastruktur zu Befüllung von Wasserstofftanks kann gegenüber Hochdruckspeichern mit mehreren hundert bar und üblichen Feststofftanks erheblich vereinfacht werden. Besonders günstig ist im Einsatz eine Kopplung mit einem Brennstoffzellensystem mit Verdampfungskühlung.
Als günstiges Speichermaterial sind prinzipiell ad- oder absorptiv wirkende Materialien wie Kohlenstoffstrukturen, metallorganische, so genannte Frameworks, Materialien mit intrinsischer Porosität, Oxide, wie etwa Titan- oder Silizium-Oxide geeignet. Bevorzugt sind 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 Kohlenstoff-Nanoröhrchen oder organische 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. Die Befüllung des Feststoffspeichers bzw. der Behälter und die sonstige Handhabung der Speichermaterialien bis zum fertigen Speicher finden vorzugsweise unter Inertgas oder Wasserstoffatmosphäre statt, um eine Degradation der Speichermaterialien an Luft zu vermeiden. Grundsätzlich kann der Wasserstoffspeicher auch mit einem üblichen Druckspeicher für Wasserstoff kombiniert werden.
Dadurch, dass der Behälter im vorzugsweise topfförmig ausgebildeten porösen Körper eingebettet sein kann, wird eine stabile Lagerung des Speichermaterials erreicht. Dabei kann zuverlässig verhindert werden, dass das in der Regel pulverförmige Speichermaterial aus dem Wasserstoffspeicher ausgetragen wird. Das Speichermaterial ist sicher im Behälter gekapselt und durch den porösen Körper gehalten. Im Vergleich mit bekannten Anordnungen, in denen pulverförmiges Speichermaterial fein verteilt in einer Metallschaummatrix oder zwischen Aluminiumlamellen gehalten wird, ist zudem die Herstellung vereinfacht. Der Behälter wird gefüllt, verschlossen und in dem porösen Körper eingebettet. Mechanische Kräfte durch die Ausdehnung des Speichermaterials, etwa durch Einlagerung von Wasserstoff, bei der Beladung mit Wasserstoff können vom Behälter und/oder vom porösen Körper aufgenommen werden. Die Ausdehnung des Speichermaterials kann bei der Wasserstoffeinlagerung bis zu 20 % betragen. Das Verschließen der topfförmigen Behälter mit ihrem Deckel erfolgt vorzugsweise durch eine Presspassung. Dabei wird der Innendurchmesser des Deckels etwas kleiner ausgebildet als der Außendurchmesser des Topfs. Der Deckel wird erwärmt und im ausgedehnten, erwärmten Zustand auf den kälteren Topf aufgesetzt. Beim Abkühlen schrumpft der Deckel so, dass der Deckel stabil mit dem Topf verbunden wird. Topf und Deckel schließen partikeldicht ab.
In wenigstens einer Speicherachse kann vorteilhaft eine Mehrzahl von Einheiten aneinander angrenzend angeordnet sein. Es kann durch Übereinander- und/oder Nebeneinanderpacken der Einheiten leicht eine Speichergröße in der Auslegung verändert werden. Die Einheiten können modulartig in der Breite und/oder der Höhe aneinander gesetzt werden. Durch den modularen Aufbau mit den bevorzugten Einheiten ist eine Auslegung von Wasserstoffspeichern entsprechend unterschiedlichen Zielvorgaben erleichtert.
Vorteilhaft können die Einheiten so angeordnet sein, dass ein Deckel des Behälters der einen Einheit an einen Boden des porösen Körpers der in Stapelrichtung nächstfolgenden Einheit stößt. Es ist auch eine versetzte Anordnung möglich, um die Strömungsführung zu verbessern. Dadurch ist der Behälter rundherum mit dem porösen Körper in Kontakt und wird dadurch sowohl sicher gehalten als auch in innigem thermischen Kontakt mit dem Wärmeleitenden porösen Körper gehalten. Das Gehäuse ist vorzugsweise vollständig mit derartigen Einheiten angefüllt und daher sehr robust gegen Erschütterungen oder Schlageinwirkung. Weiterhin kann eine durch thermische Überhitzung bedingte Degradation von Katalysatoren, die dem Speichermedium zugeordnet sind, vorzugsweise titanbasierte Katalysatoren in Speichermaterialien auf Alanat- und/oder Amid-Hydridbasis und/oder Boranate, vermieden werden.
Bevorzugt bildet der poröse Körper einen Hauptströmungspfad für den Wasserstoff zwischen einem Eingang und einem Ausgang des Gehäuses. Es kann im einfachsten Fall darauf verzichtet werden, separate Wasserstoffleitungen im Gehäuse vorzusehen.
Günstigerweise umfasst der poröse Körper einen Metallschaum, vorzugsweise aus Aluminium. Bevorzugt ist der Behälter aus gasdurchlässigem Sintermetall gebildet. Der Behälter kann auch aus gasdurchlässigem Kunststoff gebildet sein. Dieses ist zweckmäßigerweise so porös, um einen ausreichenden Wasserstofftransfer zu ermöglichen und gleichzeitig dicht genug, um das pulverförmige Speichermaterial zurückzuhalten.
Zur besseren Ausnutzung des Leervolumens im porösen Körper und zur Beschleunigung der Reaktionskinetik kann der Druck beim Befüllen hoch gewählt werden, z.B. 50 bar oder mehr, entsprechend der gewählten Wandstärke des Gehäuses des Wasserstoffspeichers. Im porösen Körper kann unter Druck Wasserstoffgas zusätzlich zum Wasserstoff im Speichermaterial gespeichert werden.
In einer günstigen Ausgestaltung kann im Innern des Gehäuses eine Temperiermittelleitung angeordnet sein, die insbesondere zum Verbinden mit einem Fahrzeug-Kühlsystem ausgebildet sein kann. Dadurch kann eine gezielte Temperierung beim Befüllen und/oder Entleeren des Wasserstoffspeichers verbessert werden.
Zweckmäßigerweise können eingangsseitig und/oder ausgangsseitig im Gehäuse Mittel zur Gleichverteilung und/oder zum Sammeln von Wasserstoff angeordnet sein.
Bevorzugt ist das Gehäuse aus Metall, beispielsweise Edelstahl, gebildet. Alternativ kann das Gehäuse aus einem Kohlefasermaterial gebildet sein. Durch diese Ausgestaltung kann eine leichte und gegebenenfalls frei formbare Speicherstruktur erreicht werden. Besonders günstig ist dies bei einem Einsatz im Fahrzeugbereich, wo eine möglichst optimale Ausnutzung von verfügbarem Bauraum erwünscht ist und der Wasserstoffspeicher dem verfügbaren Bauraum angepasst werden kann. Weiterhin kann eine innere Hülle (Liner) des Feststoffspeichers als Diffusionssperre vorgesehen sein und aus Metall, etwa aus Edelstahl oder Aluminium, oder aus Kunststoff gefertigt und zur mechanischen Stabilisierung mit Kohlenfasermaterial umwickelt sein.
Der erfindungsgemäße Wasserstoffspeicher eignet sich besonders vorteilhaft zum Befüllen, indem eingangsseitig in das Gehäuse ein Wasserstoffstrom zugeführt wird, der gleichzeitig als Wasserstoffquelle und als Kühlmittel dient. Dies gelingt sehr günstig bei einem Wasserstoffspeicher, dessen Speichermaterial lokal konzentriert in einem porösen Körper eingebettet ist. Der poröse Körper stellt den Strömungspfad für den Wasserstoff in und aus dem Wasserstoffspeicher dar. Die Befüllung des Wasserstoffspeichers kann sehr schnell erfolgen und wird vorzugsweise im Durchströmungsverfahren durchgeführt. Verglichen mit bekannten Befüllungsvorgängen, bei denen Wasserstoff in den Speicher einströmt, aber nicht wieder ausströmt, und bei denen die Befüllung lange dauert und der Wärmetransport kritisch ist, wird die Betankungszeit erheblich verkürzt. Durch das bessere Wärmemanagement im Befüllungsfall kann die Zeitdauer des Befüllens so weit verringert werden, wie besonders für einen Einsatz im automotiven Bereich erstrebenswert ist, bei dem eine Betankungszeit im Stundenbereich nicht akzeptiert wird.
Der Wasserstoffstrom wird, bevor er dem Wasserstoffspeicher zugeführt wird, auf eine Temperatur abgekühlt, die ausreicht, die bei der Befüllung gebildete Abwärme aufzunehmen und den Wasserstoffspeicher mit einer Temperatur unterhalb einer vorgegebenen Schwelle zu verlassen. Weist der Wasserstoffspeicher beispielhaft eine Speicher-Kapazität von 4 kg Wasserstoff auf, müssen rund 40-60 MJ Reaktionswärme übertragen werden, um diesen zu füllen. Dies kann über einen sehr großen Massenstrom des eingefüllten Wasserstoffs erfolgen, was energetisch ungünstig ist, da durch den hohen Volumenstrom ein sehr hoher Druckverlust entsteht. Vorteilhafter ist die Verwendung einer großen Temperaturdifferenz, d.h. die Verwendung vorgekühlten Wasserstoffs.
Üblicherweise verfügen Wasserstoff-Tankstellen über vorgekühlten oder sogar flüssigen Wasserstoff, so dass kein Zusatzaufwand für die Kühlung notwendig ist. Die Betankungsinfrastruktur kann vereinfacht werden, da eine Zuführung eines separaten Kühlmittels, etwa Kühlwasser zur Kühlung des Wasserstoffspeichers, entfallen kann, Entsprechend entfällt auch die zugehörige Ausstattung wie Pumpen, Leitungen und dergleichen. Vorzugsweise wird der Wasserstoffstrom mit einem Druck von wenigstens 30 bar, vorzugsweise 50 bar, oder auch mehr, bis zu 350 bar, zugeführt. Da der erfindungsgemäße Wasserstoffspeicher insgesamt mit einem relativ geringen Druck arbeitet, kann der Wasserstoff ohne spezielle Verdichterstufen wahlweise direkt aus einem Elektrolyseur, einem Reformer, einem Wasserstoff-Feststoffspeicher oder einer Gaspipeline entnommen werden. Wo eine Überströmanlage vorhanden ist, kann diese mit einem entsprechenden Druckminderer betrieben werden.
Vorteilhafterweise kann der Wasserstoffstrom durch den porösen Körper strömen, das lokal konzentrierte Speichermaterial befüllen und gleichzeitig wärmeableitend das Speichermaterial umströmen. Die Körner des Speichermaterials werden dabei mit einer großen Menge Wasserstoff umspült, von dem nur ein kleiner Anteil reagiert und aufgenommen wird. Der unreagierte Teil des Wasserstoffs nimmt die Reaktionswärme auf und transportiert diese aus dem System. Dann kann der aufgewärmte Wasserstoff extern außerhalb des Wasserstoffspeichers rückgekühlt werden. Zum Befüllen des Speichers kann daher ein umständliches und zeitraubendes Anschließen von Kühlleitungen an den Wasserstoffspeicher entfallen. Der Wasserstoffvorrat, aus dem der Wasserstoffspeicher befüllt wird, ist vorzugsweise ein Tank mit komprimierten Wasserstoffgas (cH2 – compressed H₂).
Günstigerweise wird der aufgewärmte Wasserstoffstrom nach Verlassen des Wasserstoffspeichers extern zurückgekühlt. Dies kann zentral an der Wasserstoff-Tankstelle erfolgen.
Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung werden im Folgenden anhand eines in der Zeichnung beschriebenen bevorzugten Ausführungsbeispiels näher erläutert, ohne auf dieses Ausführungsbeispiel beschränkt zu sein.
Dabei zeigen:
1a, b; einen Schnitt durch einen erfindungsgemäßen Wasserstoffspeicher (a) und eine alternative Ausgestaltung eines Wasserstoffspeichers mit mehr Speichervolumen (b),
2a, b; einen bevorzugten Behälter mit Speichermaterial (a) und einen bevorzugten porösen Körper zur Aufnahme des Behälters (b), und
3 ein Befüllungsschema eines bevorzugten Wasserstoffspeichers.
In den Figuren sind funktionell gleiche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen beziffert.
Zwei Ausgestaltungen eines erfindungsgemäßen Wasserstoffspeichers 10 sind in den 1a und 1b dargestellt. Der Wasserstoffspeicher 10 ist in der Art eines Speicherrohrs ausgebildet.
Der Wasserstoffspeicher 10 weist ein Gehäuse 12 auf, in dem entlang einer Speicherachse 32 mehrere Einheiten 24 aneinander gereiht sind und das Gehäuse 12 zwischen einem Eingang 14 an einer Seite 18 und einem Ausgang 16 an einer anderen Seite 20 des Gehäuses 12 ausfüllen. Die Speicherachse 32 entspricht der Stapelrichtung der Einheiten 24.
Wie ergänzend in den 2a und 2b näher erläutert ist, besteht jede Einheit 24 aus einem topfförmigen porösen Körper 26 mit einer Ausnehmung 26a und einem vorzugsweise geschlossenen Boden 26b. In die Aussparung 26a ist ein vorzugsweise aus gasdurchlässigem Sintermetall gebildeter Behälter 30 eingesetzt, der einen mit einem Deckel 30b verschließbaren topfförmigen Körper 30c aufweist. Der Deckel 30b kann mit dem topfförmigen Körper 30c verklebt, verlötet, verschweißt oder mit einer Presspassung verbunden werden. Die Wandstärke des Behälters 30 ist zweckmäßigerweise möglichst gering. Als Material ist ein gesinterter Edelstahl bevorzugt, wobei eine möglichst große Elastizität und eine gute Wärmeleitfähigkeit vorteilhaft sind.
Im Innern 30a des Behälters 30 ist ein Speichermaterial 28, beispielsweise ein pulverförmiges Metallhydrid oder dergleichen, vorzugsweise in verpresster Form, angeordnet. In dem Speichermaterial 28 ist Wasserstoff einlagerbar und kann gezielt mittels Temperatureinwirkung aufgenommen und abgegeben werden. Der Behälter 30 hält vorzugsweise Körner mit einer Korngröße > 0,5 μm des pulverartigen Speichermaterials 28 zurück und lässt Gas und Wärme in beide Richtungen passieren, was durch unterbrochene Doppelpfeile angedeutet ist.
Der poröse Körper 26 ist vorzugsweise aus Aluminiumschaum gebildet mit einer Porosität von vorzugsweise zwischen 5 und 90 ppi (pores per inch). Der poröse Körper 26 bzw. die Gesamtheit der porösen Körper 26 in den Einheiten 24 stützen dessen Behälter 30 und damit das Speichermaterial 28, transportiert Abwärme nach außen bzw. kühlt das Speichermaterial 28 und dient außerhalb der Behälter 30 als Strömungsweg für den Wasserstoff innerhalb des Gehäuses 12. Vorteilhaft sind daher im Inneren 22 des Wasserstoffspeichers 10 keine separaten Leitungen für den Wasserstoff notwendig. Der poröse Körper 26 bildet einen Hauptströmungspfad für den Wasserstoff zwischen dem Eingang 14 und dem Ausgang 16 des Gehäuses 12. Zahlreiche kleine Pfeile in 1a deuten den einströmenden bzw. durchströmenden Wasserstoff innerhalb des Gehäuses 12 an.
Die Einheiten 24 sind so angeordnet, dass jeweils ein Deckel 30b des Behälters 30 der einen Einheit 24 an einen Boden 26b des porösen Körpers 26 der in Richtung der Speicherachse 32 nächstfolgenden Einheit 24 stößt. Die Einheiten 24 können auch versetzt zueinander sein. Je nach Speicherauslegung können Einheiten 24 auch senkrecht zur Speicherachse 32 nebeneinander angeordnet sein.
1b zeigt eine solche Ausgestaltung mit einer Vielzahl von Einheiten 24, die sowohl in Richtung der Speicherachse 32 als auch senkrecht dazu angeordnet sind.
Um beispielsweise 4 kg Wasserstoff in einem Speichermaterial zu speichern, das etwa 2 % seines Gewichts an Wasserstoff aufnehmen kann, sind etwa 200 kg Speichermaterial 28 über eine entsprechende Anzahl von Behältern 30 zu verteilen. Durch den modularen Aufbau können je nach Auslegung eine entsprechende Anzahl von Einheiten 24 geeignet zusammengefügt werden, bis das erwünschte Speichervolumen erreicht ist.
Je nach Speicherauslegung des als Speicherrohr ausgeführten Wasserstoffspeichers 10 kann im Innern 22 des Gehäuses 12 eine Temperiermittelleitung 34, etwa für ein Kühlmittel und/oder ein Heizmittel, angeordnet sein, mit der bei Befüllung und Entleerung die Wasserstoffaufnahme bzw. Wasserstofffreisetzung gezielt gesteuert werden kann (1b) und gerade bei großen Speichervolumen eine möglichst homogene Ausnutzung des Wasserstoffspeichers 10 gelingt. Die Temperiermittelleitung 34 kann mit einem Brennstoffzellensystem und/oder mit einer Tankstelle verbindbar sein.
Ebenso können eingangsseitig und/oder ausgangsseitig im Gehäuse 12 Mittel 36, 38 zur Gleichverteilung und/oder zum Sammeln von Wasserstoff angeordnet sein, um eine möglichst homogene Durchströmung der Einheiten 24 und somit eine effiziente und homogene Temperierung zu erreichen. Dazu ist es zweckmäßig, diese Mittel 36 und 38 in ein poröses Material 40 entsprechend dem porösen Körper 26 einzubetten, um eine Verbesserung der Gleichverteilung und der Temperaturverteilung zu erreichen. Derartige, in den 1a und 1b beschriebenen, als Speicherrohr ausgebildeten Wasserstoffspeicher 10 können vorteilhaft zu großvolumigen Speichern zusammengefügt werden, indem eine Mehrzahl von Wasserstoffspeichern 10 innerhalb eines Speichergehäuses zusammengefasst und die Speicherrohre strömungsmäßig und gegebenenfalls hinsichtlich möglicher Temperiermittelleitungen 34 zweckmäßig zusammengeschaltet werden.
In 3 ist schematisch ein bevorzugtes Brennstoffzellensystem 50 als Ausschnitt dargestellt, wie es in einem Fahrzeug zum Einsatz kommen kann, welches einen bevorzugten Wasserstoffspeicher 10 enthält und welches an einer Tankstelle 70 mit Wasserstoff befüllt wird. Die Funktion und der Aufbau eines derartigen Brennstoffzellensystems 50 sind allgemein bekannt, so dass an dieser Stelle auf eine nähere Erläuterung verzichtet werden kann.
Der Wasserstoffspeicher 10 wird über eine tankstelleneigene Wasserstoffleitung an einen Vorratstank 72 angeschlossen. Typischerweise ist der Vorratstank 72 mit vorgekühltem, komprimiertem Wasserstoff cH2 von beispielsweise 50 bar oder mehr gefüllt. Dieser wird mit Hilfe eines Fördermittels 74 zum Wasserstoffspeicher 10 transportiert, wobei eine Strahlpumpe und/oder ein Gebläse als Fördermittel 74 vorteilhaft sind.
Der vorgekühlte Wasserstoff tritt mit einer geringen Temperatur in den Eingang 14 des Wasserstoffspeichers 10 und durchströmt dort die Einheiten 24 mit den porösen Körpern 26 und Behältern 30 mit Speichermaterial 28 (1a, 1b). Die Eintrittstemperatur des Wasserstoffs wird vorzugsweise auf das verwendete Speichermaterial abgestimmt. Bei der Beladung des Speichermaterials 28 wird Reaktionswärme frei und durch das kalte Wasserstoffgas unmittelbar aus dem Speichermaterial 28 in die gut wärmeleitenden porösen Körper 26 abtransportiert. Das aufgewärmte Wasserstoffgas wird aus dem Ausgang des Wasserstoffspeichers 16 zurück in den Vorratstank 72 geleitet.
Das Befüllen des Wasserstoffspeichers 10 erfolgt im Durchflussverfahren, wobei der eingangsseitig in das Gehäuse 12 zugeführte Wasserstoffstrom gleichzeitig als Wasserstoffquelle und als Kühlmittel dient. Der ausgangsseitig abgeführte Wasserstoff wird außerhalb des Wasserstoffspeichers 10 wieder abgekühlt.
Das Fördermittel 74 ist vorzugsweise als Rezirkulationsgebläse oder als Strahlpumpe ausgebildet und arbeitet bevorzugt bei einem Förderdruck von 50 bar oder mehr. Bei einer Strahlpumpe entspricht die dort eingedüste Menge vorteilhafterweise genau der durch die exotherme Absorption verbrauchten Menge Wasserstoff, so dass eine konstante Menge zirkuliert wird.

Claims

Wasserstoffspeicher mit einem Gehäuse (12), in dem Speichermaterial (28), in das Wasserstoff einlagerbar ist und welches gezielt Wasserstoff aufnehmen und abgeben kann, angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Einheit (24) vorgesehen ist, bei der ein poröser Körper (26) einen Behälter (30) wenigstens bereichsweise umgibt, in dem das Speichermaterial (28) enthalten ist.
Wasserstoffspeicher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Behälter (30) im topfförmig ausgebildeten porösen Körper (26) eingebettet ist.
Wasserstoffspeicher nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in wenigstens einer Speicherachse (32) eine Mehrzahl von Einheiten (24) aneinander angrenzend angeordnet sind.
Wasserstoffspeicher nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Einheiten (24) so angeordnet sind, dass ein Deckel (30b) des Behälters (30) der einen Einheit (24) an einen Boden (26b) des porösen Körpers (26) der in Stapelrichtung (32) nächstfolgenden Einheit (24) stößt.
Wasserstoffspeicher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der poröse Körper (26) einen Hauptströmungspfad für den Wasserstoff zwischen einem Eingang (14) und einem Ausgang (16) des Gehäuses (12) bildet.
Wasserstoffspeicher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der poröse Körper (26) einen Metallschaum umfasst.
Wasserstoffspeicher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Behälter (30) aus gasdurchlässigem Sintermetall gebildet ist.
Wasserstoffspeicher nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Behälter (30) aus gasdurchlässigem Kunststoff gebildet ist.
Wasserstoffspeicher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Innern (22) des Gehäuses (12) eine Temperiermittelleitung (34) angeordnet ist, die insbesondere mit einem Fahrzeug-Kühlsystem verbindbar ist.
Wasserstoffspeicher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eingangsseitig und/oder ausgangsseitig im Gehäuse (12) Mittel (36, 38) zur Gleichverteilung und/oder zum Sammeln von Wasserstoff angeordnet sind.
Wasserstoffspeicher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (12) aus Metall gebildet ist.
Wasserstoffspeicher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (12) ein Kohlefasermaterial aufweist, insbesondere mit Kohlefasermaterial umwickelt ist.
Verfahren zum Befüllen eines Wasserstoffspeichers (10), insbesondere nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einem Gehäuse (12), in dem Speichermaterial (28) angeordnet ist, in das Wasserstoff eingelagert werden und welches gezielt Wasserstoff aufnehmen und abgeben kann, wobei eingangsseitig in das Gehäuse (12) ein Wasserstoffstrom zugeführt wird, der gleichzeitig als Wasserstoffquelle und als Kühlmittel für das Speichermaterial (28) dient, dadurch gekennzeichnet, dass der Wasserstoffstrom, bevor er dem Wasserstoffspeicher (10) zugeführt wird, auf eine Temperatur abgekühlt wird, die ausreicht, die bei der Befüllung gebildete Abwärme aufzunehmen und den Wasserstoffspeicher (10) mit einer Temperatur unterhalb einer vorgegebenen Schwelle zu verlassen.
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Wasserstoff dem Wasserstoffspeicher (10) im Durchflussverfahren zugeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Wasserstoffstrom nach Verlassen des Wasserstoffspeichers (10) extern zurückgekühlt wird.