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Stand der
Technik
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Alternativ
zu flüssigen
Kraftstoffen können
gasförmige
Kraftstoffe eingesetzt werden, die sich von den in flüssiger Form
vorliegenden Kraftstoffen durch eine geringere Energiedichte unterscheiden.
Aufgrund ihrer geringeren Energiedichte werden gasförmige Kraftstoffe
in Kraftfahrzeugen oder in im Nahverkehr oder Fernverkehr eingesetzten
Bussen oder Nutzfahrzeugen in Druckspeichern gespeichert. Das Druckniveau
innerhalb eines derartigen Druckspeichers liegt in der Größenordnung
von etwa 200 bar. Druckgasbetriebene Fahrzeuge werden an Tankstellen
betankt, die speziell für
die Betankung druckgasbetriebener Fahrzeuge ausgerüstete Zapfsäulen aufweisen,
die den gasförmigen
Kraftstoff mit einem Druck von mehr als 200 bar zur Verfügung stellen.
Derartige Zapfsäulen
benötigen
einen vorgeschalteten Kompressor, um diesen Druck vorzuhalten, was einen
erheblichen Energieaufwand nach sich zieht, um das Druckniveau von
etwa 200 bar aufrechtzuerhalten.
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Aus
US 6,591,616 B2 ist
eine Infrastruktur zur Speicherung von Wasserstoff für ein mit
Wasserstoff angetriebenes Fahrzeug bekannt. Wasserstoff wird mittels
eines Kompressors, der gleichzeitig als Speichereinheit dient in
einen Fahrzeugtank geleitet. Der unter hohem Druck stehende Wasserstoff
wird über
ein Dosierventil mittels einer Wasserstoffversorgungsleitung eingeleitet.
Innerhalb des Wasserstofftanks des Fahrzeugs wird der Wasserstoff
von einem Absorptionsmaterial absorbiert, wobei dieser Wärme abgibt.
Diese Wärme
wird bei der Lösung
gemäß
US 6,591,616 B2 durch
eine Wasserkühlung
abgeführt.
Die Wärme
wird über eine
Kühlleitung
zum Dosierventil zurücktransportiert.
Das Kühlmedium
wird dann vom Dosierventil zum Kompressor der Tankstelle oder zum
Wasserstoffspeicher weitertransportiert. Das Kühlmedium gibt seine Wärme innerhalb
des Kompressors ab. Mit der
US
6,591,616 B2 bekannten Lösung wird ein schnelles Betanken
eines mit Wasserstoff betriebenen Fahrzeugs bei relativ hohen Drücken ermöglicht,
wobei über
die Wasserkühlung eine
unzulässig
hohe Erwärmung
des Wasserstofftanks des Fahrzeugs vermieden wird.
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Aus
EP 0 995 944 A2 ist
ein Verfahren zur Befüllung
eines Fahrzeugtanks mit Wasserstoff bekannt. Der Wasserstofftank
des Fahrzeugs umfasst ein Metallhydrid, an dem Wasserstoff absorbiert
wird. Die Wärme die
im Wasserstofftank entsteht, wird zum Wärmen eines Metallhydridmaterials
im Versorgungstank einer Tankstelle benutzt. Als Wärmeübertragungsmedium
wird Wasser eingesetzt, welches zwischen dem Tank der Tankstelle
und dem Wasserstofftank des Fahrzeugs zirkuliert. Das im Wasserstofffahrzeugtank
vorgesehene Metallhydrid, welches durch die Absorption vom Wasserstoff
erwärmt
wird, wird mittels des Wassers gekühlt und das Wasser welches
auf diese Weise erwärmt
wird, wird zum Wasserstofftank der Tankstelle gefördert. Innerhalb
des Wasserstofftanks der Tankstelle wird das dort vorhandene Metallhydrid
durch das erwärmte Wasser
wiederum erwärmt,
so dass Wasserstoff freigegeben wird und das als Zirkulationsmedium
fungierende Wasser eine niedrigere Temperatur annimmt.
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Um
bei akzeptabler Größe des Tanks
für einen
gasförmigen
Kraftstoff in einem Kraftfahrzeug eine maximale Reichweite dieses
Kraftfahrzeugs zu gewährleisten,
können
Sorptionsspeicher auf der Basis von Metallhydriden (Chemisorption),
Aktivkohle, Zeolithen oder Metall-Organic-Frameworks (MOF) im Rahmen
der Physisorption eingesetzt werden. Wie vorstehend dargelegt wird
bei der Füllung
des Tanks mit einem gasförmigen
Kraftstoff dessen Bindungsenergie (Desorption) als Wärme frei
und wird abgeführt.
Die Speicherkapazität
eines Tanks für
gasförmigen
Kraftstoff nimmt mit steigender Temperatur ab. Gas kühlt sich
bei adiabater Entspannung ab. Je nach Isentropenexponent wird der
Abkühlungseffekt
noch verstärkt
so zum Beispiel bei einem gasförmigen
Kraftstoff wie Methan, CH
4. Die bei adiabatischer
Ausdehnung abgegebene Arbeit beträgt (nach R.W. Pohl: Mechanik,
Akustik, Wärmelehre;
Springer 1959, Seite 258):
- W
- = Arbeit
- R
- = Gaskonstante
- T
- = Temperatur
- κ
- = Isentropenexponent
- p1
- = Druck vor der Drosselstelle
(Tankstelle)
- p2
- = Druck nach der Drosselstelle
(Tank: p2 → p2')
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Bei
der Tankbefüllung
steigt der Tankdruck p2 vom Anfangsdruck
bei leerem Tank auf den Enddruck. Dies bedeutet, dass die verwendbare
Kühlenergie
mit steigendem Tankdruck während
der Befüllung
abhängig vom
aktuellen Tankdruck sinkt.
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1 lässt sich
der Verlauf der Abnahme der Kühlenergie
durch adiabatische Entspannung bei einem Befülldruck von p1 von
200 bar aufgetragen über
den Speicherdruck p in bar entnehmen. Mit steigendem Druck im Tank,
d.h. mit sinkendem Druckgefälle
verringert sich dieser Effekt.
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Die
Kühlenergie
sollte im Idealfall die freiwerdende Adsorptionswärme A zumindest
teilweise kompensieren, so dass die Temperatur im Tank für einen
gasförmigen
Kraftstoff möglichst
konstant bleibt. Die Temperaturänderung
wird bestimmt durch die adsorbierte Gasmenge n. Die Temperatur,
die ein Tank bei Aufnahme eines gasförmigen Kraftstoffs annimm,
ist gegeben durch
- n
- = Kraftstoffmenge
des getankten Gases
- CSp
- = spezifische Wärme des
Speichermaterials A: Sorptionsenthalpie
- MSp
- = Masse des Speichers
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Nachfolgend
wird die Temperaturänderung
des Tanks bei Betankung mit CH4 abgeschätzt. Werden
30 kg CH4, entsprechend 1875 mol CH4 getankt, entspricht dies einer freiwerdenden
Adsorptionswärme
A von 12,5 kJ/mol. Die Speichermasse wird auf 200 kg veranschlagt,
die spezifische Wärme
des Speichermaterials CSp liegt bei 1,3
kJ/kg/K. Die Temperatur steigt auf ungefähr 90°C an, ausgehend von einer Ausgangstemperatur
von 25°C.
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Da
bei bisher vorgestellten Konzeptionen von Tankanlagen für druckgasbetriebene
Fahrzeuge hinsichtlich des Kompressoraufwandes sowie der zu beherrschenden
hohen Drücke
ein hohes Gefahrenpotenzial vorliegt, stellt dies eine insgesamt
gesehen unbefriedigende Situation dar, da der Betrieb druckgasbetriebener Fahrzeuge
insbesondere hinsichtlich der Schadstoffemission einige Vorteile
bietet. Der gasförmige
Kraftstoff bildet ein besonders gutes Gemisch mit Luft und hinsichtlich
der Schadstoffemissionen zeichnet sich gasförmiger Kraftstoff durch deutlich
niedrigere polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe, verglichen
mit benzinbetriebenen Verbrennungskraftmaschinen, aus. Gasförmiger Kraftstoff
ist weitestgehend frei von Blei- und Schwefelverbindungen und hat
sehr gute Verbrennungseigenschaften bei ausgezeichneter Gemischbildung und
Gemischverteilung, was sich insbesondere bei niedrigen Temperaturen
noch stärker
auswirkt.
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Offenbarung der Erfindung
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Angesichts
der aus dem Stand der Technik bekannten mit relativ hohen Drücken betriebenen
Gastanks und des aufgezeigten technischen Problems, liegt der Erfindung
die Aufgabe zugrunde, einen Speicher für gasförmigen Kraftstoff zur Verfügung zu
stellen, der einerseits auf einem niedrigeren Druckniveau, verglichen
mit den heute eingesetzten Druckgasspeichern betrieben werden kann
und bei dem die Adsorptionswärme
durch Sorption zumindest teilweise kompensiert ist.
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Erfindungsgemäß wird diese
Aufgabe dadurch gelöst,
dass der physikalische Effekt der Abkühlung durch adiabate Expansion
mit dem physikalischen Effekt der Erwärmung des Tanks durch Sorption,
so zum Beispiel Physisorption bei MOF durch die Einbaulage eines
Drosselventils an der Befüllseite
des Tanks für
gasförmigen
Kraftstoff kompensiert wird. Durch den Einsatz von MOF in einem
Tank zur Aufnahme von gasförmigem
Kraftstoff lässt
sich des Weiteren in vorteilhafter Weise das Druckniveau bei der
Betankung auf ein erheblich niedrigeres Druckniveau absenken. Dieses
Druckniveau liegt unterhalb von 100 bar, ist bevorzugt < 80 bar und besonders
bevorzugt < 50
bar, liegt jedoch oberhalb von 10 bar. Als gasförmiger Kraftstoff wird bevorzugt Erdgas
oder Stadtgas eingesetzt.
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Bevorzugt
wird das an der Befüllseite
des Tanks für
gasförmigen
Kraftstoff angeordnete Tankeinlassventil als eine Einheit aus Absperrventil
mit geringer Drosselwirkung und Drosselventil mit großer Drosselwirkung
und großem Öffnungs-
bzw. Drosselquerschnitt im Tank ausgelegt.
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Mit
der erfindungsgemäß vorgeschlagenen
Lösung
erfolgt die Drosselung im Tank für
den gasförmigen
Kraftstoff und innerhalb des Tanks stellt sich somit die gewünschte weitere
Abkühlung
ein. In einer ersten Ausführungsvariante
durchströmt
der mit tiefer Temperatur an der Tankstelle vorgehaltene und gespeicherte gasförmige Kraftstoff
den Tank. Dieser wird soweit abgekühlt, bis die sich einstellende
Erwärmung
durch Sorption des gasförmigen
Kraftstoffs an eine Anlagerungsstruktur, bevorzugt als MOF ausgebildet
ist, kompensiert ist. Das Gas strömt an einer zweiten Tanköffnung oder
durch einen mit Doppelwandung versehenen Tank zurück zur Tankstelle. Ähnlich der
Absaugung von Dämpfen
bei flüssigen
Kraftstoffen bei heute eingesetzten Zapfpistolen, mit dem Unterschied,
dass das Gas den Tank und gegebenenfalls die Doppelwand des Tanks durchströmt hat,
bevor es von der Tankstelle abgesaugt wird.
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Das
Tankeinlassventil, ein Absperrventil und ein Drosselventil umfassend,
kann hinsichtlich des Drosselventils als Lochblende, als Fritte,
aus Sintermaterial gefertigt oder als poröser Metallschaum gefertigt
werden. Wird eine Fritte eingesetzt, kann diese sowohl aus Glas
als auch aus poröser
Keramik gefertigt sein. Im Tank für gasförmigen Kraftstoff kann eine
räumlich
verteilte Drosselung an mehrere Drosselstellen, die zentral im Tank
angeordnet sind, verwirklicht sein oder es kann ein Drosselelement
mit großer
Drosselwirkung und großen Öffnungs-
bzw. Drosselquerschnitt an der Befüllseite des Tanks unmittelbar
hinter dem Absperrventil des Tankeinlassventils angeordnet werden.
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Zeichnung
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Anhand
der Zeichnung wird die Erfindung nachstehend eingehender beschrieben
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Es
zeigt:
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1 den
Verlauf der Kühlenergie
in kJ/mol aufgetragen über
den Speicherdruck p in bar für
einen Hauptbestandteil von Erdgas CH4, mit κ = 1,33,
T = 25°C
und Fülldruck
p1 von 200 bar,
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2 eine
erste Ausführungsvariante
eines Tankeinlassventils, ein Absperrventil und ein Drosselventil mit
räumlich
verteilter Drosselung umfassend,
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3 eine
weitere Ausführungsvariante
des Tankeinlassventils, ein Absperrventil und ein Drosselventil
mit großem
Drosselquerschnitt,
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4 eine
Ausführungsvariante
eines doppelwandig ausgebildeten Tanks mit Gasrückführung in der Doppelwand und
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5 eine
Ausführungsvariante
des Tanks mit einer an ein Überströmventil
angeschlossenen separaten Gasrückführleitung.
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Ausführungsvarianten
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Der
Darstellung gemäß 1 ist
der Verlauf der Kühlenergie
für CH4 mit κ =
1,33, einem Fülldruck
von p1 von 200 bar und für eine Temperatur von T = 25°C zu entnehmen.
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Aus
der Darstellung gemäß 1 geht
hervor, dass die verwendbare Kühlenergie
K bei einem fast vollständig
entleerten Tank zur Aufnahme eines gasförmigen Kraftstoffs wie zum
Beispiel CH4 ihren Maximalwert einnimmt.
Während
des Tankvorganges nimmt die Kühlenergie
K entsprechend des in 1 dargestellten Kurvenverlaufs
bei zunehmender Füllung
des Tanks für
gasförmigen
Kraftstoff zum Beispiel CH4 stetig ab um
zum Beispiel bei einem Speicherdruck p von 50 bar einen Wert von
etwa 2,25 kJ/mol anzunehmen. Der in 1 dargestellte
Verlauf der Kühlenergie
K durch adiabatische Entspannung bei einem Ausgangsdruck von p1 wird durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene
Lösung
Kompensation der bei der Anlagerung von gasförmigem Kraftstoff an einer
im Tank für
gasförmigen
Kraftstoff enthaltenen Anlagerungsstruktur, die bevorzugt als MOF-Struktur
ausgebildet ist, ausgenutzt.
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Nachfolgend
wird unter einem Tank ein Behälter
verstanden, der vorzugsweise in Kraft- oder Nutzfahrzeugen eingesetzt wird
und welcher den gasförmigen
Kraftstoff für
eine Verbrennungskraftmaschine speichert. Das Tankvolumen dieses
Tanks liegt zum Beispiel in einem Bereich von 50 l bis 400 l für Personenkraftwagen und
mehr als 500 l für
Nutzfahrzeuganwendungen. Der Tank steht unter einem Systemdruck
von < 100 bar, bevorzugt < 80 bar und besonders
bevorzugt von ≤ 50
bar, jedoch oberhalb von 10 bar und ist in seinem Innenraum mit
der bereits erwähnten
Anlagerungsstruktur für
den gasförmigen
Kraftstoff versehen. Als Anlagerungsstruktur für den gasförmigen Kraftstoff wird nachfolgend
eine Struktur verstanden, mit welcher gasförmiger Kraftstoff im Tank gespeichert
wird und die bevorzugt als Cu-MOF oder Al-MOF, d.h. Kupfer- oder
Aluminium-Metall-Organic-Framework
(MOF) zur Physisorption eingesetzt wird.
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Das
poröse
metallorganische Gerüstmaterial
enthält
mindestens eine an mindestens ein Metallion koordinativ gebundene
mindestens zweizähnige
organische Verbindung. Dieses metallorganische Gerüstmaterial
(MOF) wird beispielsweise beschrieben in
US 5,648,508 , EP-A-0 790 253, M. O-Keeffe
et al., J. Sol. State Chem., 152 (2000), Seite 3 bis 20, H. Li et
al., Nature 402 (1999), Seite 276, M. Eddaoudi et al., Topics in
Catalysis 9 (1999), Seite 105 bis 111, B. Chen et al., Science 291
(2001), Seite 1021 bis 1023 und DE-A-101 11 230.
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Die
MOF's gemäß der vorliegenden
Erfindung enthalten Poren, insbesondere Mirko- und/oder Mesoporen. Mikroporen sind
definiert als solche mit einem Durchmesser von 2 nm oder kleiner
und Mesoporen sind definiert durch einen Durchmesser im Bereich
von 2 bis 50 nm, jeweils entsprechend nach der Definition, wie sie
Pure Applied Chem. 45, Seite 71, insbesondere auf Seite 79 (1976)
angegeben ist. Die Anwesenheit von Mikro- und/oder Mesoporen kann
mit Hilfe von Sorptionsmessungen überprüft werden, wobei diese Mes sungen
die Aufnahmekapazität
der metallorganischen Gerüstmaterialien
für Stickstoff
bei 77 Kelvin gemäß DIN 66131
und/oder DIN 66134 bestimmt.
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Vorzugsweise
beträgt
die spezifische Oberfläche – berechnet
nach dem Langmuir-Modell (DIN 66131, 66134) für ein MOF in Pulverform bei
mehr als 5 m2/g, mehr bevorzugt über 10 m2/g, mehr bevorzugt mehr als 50 m2/g, weiter mehr bevorzugt mehr als 500 m2/g, weiter mehr bevorzugt mehr als 1000
m2/g und besonders bevorzugt mehr als 1500
m2/g.
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MOF
Formkörper
können
eine niedrigere spezifische Oberfläche besitzen; vorzugsweise
jedoch mehr als 10 m2/g, mehr bevorzugt
mehr als 50 m2/g, weiter mehr bevorzugt
mehr als 500 m2/g und insbesondere mehr
als 1000 m2/g.
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Die
Metallkomponente im Gerüstmaterial
nach der vorliegenden Erfindung ist vorzugsweise ausgewählt aus
den Gruppen Ia, IIa, IIIa, IVa bis VIIIa und Ib bis VIb. Besonders
bevorzugt sind Mg, Ca, Sr, Ba, Sc, Y, Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr,
Mo, W, Mn, Re, Fe, Ru, Os, Co, Rh, Ir, Ni, Pd, Pt, Cu, Ag, Au, Zn,
Cd, Hg, Al, Ga, In, Tl, Si, Ge, Sn, Pb, As, Sb und Bi. Mehr bevorzugt
sind Zn, Cu, Mg, Al, Ga, In, Sc, Y, Lu, Ti, Zr, V, Fe, Ni, und Co.
Insbesondere bevorzugt Cu, Zn, Al, Fe und Co. In Bezug auf die Ionen
dieser Elemente sind besonders zu erwähnen Mg2+,
Ca2+, Sr2+, Ba2+, Sc3+, Y3+, Ti4+, Zr4+, Hf4+, V4+, V4+, V2+, Nb3+, Ta3+, Cr3+, Mo3+, W3+, Mn3+, Mn2+, Re3+, Re2+, Fe3+, Fe2+, Ru3+, Ru2+, Os3+, Os2+, Co3+, Co2+, Rh2+, Rh+, Ir2+, Ir+, Ni2+, Ni+, Pd2+, Pd+, Pt2+, Pt+, Cu2+, Cu+, Ag+, Au+, Zn2+, Cd2+, Hg2+, Al3+, Ga3+, In3+, Tl3+, Si4+, Si2+, Ge4+, Ge2+, Sn4+, Sn2+, Pb4+, Pb2+, As5+, As3+, As+, Sb5+, Sb3+, Sb+, Bi5+, Bi3+ und Bi+.
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Der
Begriff "mindestens
zweizähnige
organische Verbindung" bezeichnet
eine organische Verbindung, die mindestens eine funktionelle Gruppe
enthält,
die in der Lage ist, zu einem gegebenen Metallion mindestens zwei,
bevorzugt zwei koordinative Bindungen, und/oder zu zwei oder mehr,
bevorzugt zwei Metallatomen jeweils eine koordinative Bindung auszubilden.
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Als
funktionelle Gruppen, über
die die genannten koordinativen Bindungen ausgebildet werden kann, sind
insbesondere beispielsweise folgende funktionellen Gruppen zu nennen:
-CO2H, -CS2H, -NO2, -B(OH)2, -SO3H, -Si(OH)3, -Ge(OH)3, -Sn(OH)3, -Si(SH)4, -Ge(SH)4, -Sn(SH)3, -PO3H, -AsO3H, -AsO4H, -P(SH)3, -As(SH)3, -CH(RSH)2, -C(RSH)3 -CH(RNH2)2 -C(RNH2)3, -CH(ROH)2, -C(ROH)3, -CH(RCN)2, -C(RCN)3 wobei
R beispielsweise bevorzugt eine Alkylengruppe mit 1, 2, 3, 4 oder
5 Kohlenstoffatomen wie beispielsweise eine Methylen-, Ethylen-,
n-Propylen-, i-Propylen, n-Butylen-, i-Butylen-, tert-Butylen- oder
n-Pentylengruppe, oder eine Arylgruppe, enthaltend 1 oder 2 aromatische
Kerne wie beispielsweise 2 C6-Ringe, die
gegebenenfalls kondensiert sein können und unabhängig voneinander
mit mindestes jeweils einem Substituenten geeignet substituiert
sein können,
und/oder die unabhängig
voneinander jeweils mindestens ein Heteroatom wie beispielsweise
N, O und/oder S enthalten können.
Gemäß ebenfalls
bevorzugter Ausführungsformen
sind funktionelle Gruppen zu nennen, bei denen der oben genannte
Rest R nicht vorhanden ist. Diesbezüglich sind unter anderem -CH(SH)2, -C(SH)3, -CH(NH2)2, -C(NH2)3, -CH(OH)2, -C(OH)3, -CH(CN)2 oder -C(CN)3 zu
nennen.
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Die
mindestens zwei funktionellen Gruppen können grundsätzlich an jede geeignete organische
Verbindung gebunden sein, solange gewährleistet ist, dass die diese
funktionellen Gruppen aufweisende organische Verbindung zur Ausbildung
der koordinativen Bindung und zur Herstellung des Gerüstmaterials
befähigt ist.
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Bevorzugt
leiten sich die organischen Verbindungen, die die mindestens zwei
funktionellen Gruppen enthalten, von einer gesättigten oder ungesättigten
aliphatischen Verbindung oder einer aromatischen Verbindung oder
einer sowohl aliphatischen als auch aromatischen Verbindung ab.
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Die
aliphatische Verbindung oder der aliphatische Teil der sowohl aliphatischen
als auch aromatischen Verbindung kann linear und/oder verzweigt
und/oder cyclisch sein, wobei auch mehrere Cyclen pro Verbindung möglich sind.
Weiter bevorzugt enthält
die aliphatische Verbindung oder der aliphatische Teil der sowohl
aliphatischen als auch aromatischen Verbindung 1 bis 15, weiter
bevorzugt 1 bis 14, weiter bevorzugt 1 bis 13, weiter bevorzugt
1 bis 12, weiter bevorzugt 1 bis 11 und insbesondere bevorzugt 1
bis 10 C-Atome wie beispielsweise 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 oder
10 C-Atome. Insbesondere bevorzugt sind hierbei unter anderem Methan,
Adamantan, Acetylen, Ethylen oder Butadien.
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Die
aromatische Verbindung oder der aromatische Teil der sowohl aromatischen
als auch aliphatischen Verbindung kann einen oder auch mehrere Kerne
wie beispielsweise zwei, drei, vier oder fünf Kerne aufweisen, wobei die
Kerne getrennt voneinander und/oder mindestens zwei Kerne in kondensierter
Form vorliegen können.
Besonders bevorzugt weist die aromatische Verbindung oder der aromatische
Teil der sowohl aliphatischen als auch aromatischen Verbindung einen,
zwei oder drei Kerne auf, wobei einer oder zwei Kerne besonders
bevorzugt sind. Unabhängig
voneinander kann weiter jeder Kern der genannten Verbindung mindestens
ein Heteroatom wie beispielsweise N, O, S, B, P, Si, AI, bevorzugt
N, O und/oder S enthalten. Weiter bevorzugt enthält die aromatische Verbindung
oder der aromatische Teil der sowohl aromatischen als auch aliphatischen
Verbindung einen oder zwei C6-Kerne, wobei
die zwei entweder getrennt voneinander oder in kondensierter Form vorliegen.
Insbesondere sind als aromatische Verbindungen Benzol, Naphthalin
und/oder Biphenyl und/oder Bipyridyl und/oder Pyridyl zu nennen.
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Besonders
bevorzugt leitet sich die mindestens zweizähnige organische Verbindung
von einer Di-, Tri-, oder Tetracarbonsäure oder deren Schwefelanaloga
ab. Schwefelanaloga sind die funktionellen Gruppen -C(=O)SH sowie
dessen Tautomer und C(=S)SH, die anstelle einer oder mehrerer Carbonsäuregruppen
eingesetzt werden können.
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Der
Begriff "ableiten" bedeutet im Rahmen
der vorliegenden Erfindung, dass die mindestens zweizähnige organische
Verbindung im Gerüstmaterial
in teilweise deprotonierter oder vollständig deprotonierter Form vorliegen
kann. Weiterhin kann die mindestens zweizähnige organische Verbindung
weitere Substituenten enthalten, wie beispielsweise -OH, -NH2, -OCH3, -CH3, -NH(CH3), -N(CH3)2, -CN sowie Halogenide.
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Beispielsweise
sind im Rahmen der vorliegenden Erfindung Dicarbonsäuren wie
etwa Oxalsäure, Bernsteinsäure, Weinsäure, 1,4-Butandicarbonsäure, 4-Oxo-Pyran-2,6-di-carbonsäure, 1,6-Hexandicarbonsäure, Decandicarbonsäure, 1,8-Heptadecandicarbonsäure, 1,9-Heptadecandicarbonsäure, Heptadecandicarbonsäure, Acetylendicarbonsäure, 1,2-Benzoldicarbonsäure, 2,3-Pyridindicarbonsäure, Pyridin-2,3-dicarbonsäure, 1,3-Butadien-1,4-dicarbonsäure, 1,4-Benzoldicarbonsäure, p-Benzoldicarbonsäure, Imidazol-2,4-dicarbonsäure, 2-Methyl-chinolin-3,4-dicarbonsäure, Chinolin-2,4-dicarbonsäure, Chinoxalin-2,3-dicarbonsäure, 6-Chlorchinoxalin-2,3-dicarbonsäure, 4,4'-Diaminphenylmethan-3,3'-dicarbonsäure, Chinolin-3,4-dicarbonsäure, 7-Chlor-4-hydroxychinolin-2,8-dicarbonsäure, Diimiddicarbonsäure, Pyridin-2,6-dicarbonsäure, 2-Methylimidazol-4,5-dicarbonsäure, Thiophen-3,4-dicarbonsäure, 2-Isopropylimidazol-4,5-dicarbonsäure, Tetrahydropyran-4,4-dicarbonsäure, Perylen-3,9-dicarbonsäure, Perylendicarbonsäure, Pluriol
E 200-dicarbonsäure,
3,6-Dioxaoctandicarbonsäure,
3,5-Cyclohexadien-1,2-dicarbonsäure,
Octadicarbonsäure,
Pentan-3,3-carbonsäure,
4,4'-Diamino-1,1'-diphenyl-3,3'-dicarbonsäure, 4,4'-Diaminodiphenyl-3,3'-dicarbonsäure, Benzidin-3,3'-dicarbonsäure, 1,4-bis-(Phenylamino)-benzol-2,5-dicarbonsäure, 1,1'-Dinaphthyl-5,5'-dicarbonsäure, 7-Chlor-8-methylchinolin-2,3-dicarbonsäure, 1-Anilinoanthrachinon-2,4'-dicarbonsäure, Polytetrahydrofuran-250-dicarbonsäure, 1,4-bis-(Carboxymethyl)-piperazin-2,3-dicarbon-säure, 7-Chlorchinolin-3,8-dicarbonsäure, 1-(4-Carboxy)-phenyl-3-(4-chlor)-phenylpyrazolin-4,5-dicarbonsäure, 1,4,5,6,7,7,-Hexachlor-5-norbornen-2,3-dicarbonsäure, Phenylindandicarbonsäure, 1,3-Dibenzyl-2-oxo-imidazolidin-4,5-dicarbonsäure, 1,4-Cyclohexandicarbonsäure, Naphthalin-1,8-dicarbonsäure, 2-Benzoylbenzol-1,3-dicarbonsäure, 1,3-Dibenzyl-2-oxoimidazolidin-4,5-cis-dicarbonsäure, 2,2'-Bichinolin-4,4'-dicarbonsäure, Pyridin-3,4-dicarbonsäure, 3,6,9-Trioxaundecandicarbonsäure, O- Hydroxybenzophenondicarbonsäure, Pluriol
E 300-dicarbonsäure,
Pluriol E 400-dicarbonsäure, Pluriol
E 600-dicarbonsäure,
Pyrazol-3,4-dicarbonsäure,
2,3-Pyrazindicarbonsäure, 5,6-Dimethyl-2,3-pyrazindicarbonsäure, 4,4'-Diaminodiphenyletherdiimiddicarbonsäure, 4,4'-Diaminodiphenylmethandiimiddicarbonsäure, 4,4'-Diaminodiphenylsulfondiimiddicarbonsäure, 2,6-Naphthalindicarbonsäure, 1,3-Adamantandicarbonsäure, 1,8-Naphthalindicarbonsäure, 2,3-Naphthalindicarbonsäure, 8-Methoxy-2,3-naphthalindicarbonsäure, 8-Nitro-2,3-naphthalincarbonsäure, 8-Sulfo-2,3-naphthalindicarbonsäure, Anthracen-2,3-dicarbonsäure, 2',3'-DiphenyI-p-terphenyI-4,4''-dicarbonsäure, Diphenylether-4,4'-dicarbonsäure, Imidazol-4,5-dicarbonsäure, 4(1H)-Oxothiochromen-2,8-dicarbonsäure, 5-tert-Butyl-1,3-benzoldicarbonsäure, 7,8-Chinolindicarbonsäure, 4,5-Imidazoldicarbonsäure, 4-Cyclohexen-1,2-dicarbonsäure, Hexatriacontandicarbonsäure, Tetradecandicarbonsäure, 1,7-Heptadicarbonsäure, 5-Hydroxy-1,3-Benzoldicarbonsäure, Pyrazin-2,3-dicarbonsäure, Furan-2,5-dicarbonsäure, 1-Nonen-6,9-dicarbonsäure, Eicosendicarbonsäure, 4,4'-Dihydroxydiphenylmethan-3,3'-dicarbonsäure, 1-Amino-4-methyl-9,10-dioxo-9,10-dihydroanthracen-2,3-dicarbonsäure, 2,5-Pyridindicarbonsäure, Cyclohexen-2,3-dicarbonsäure,2,9-Dichlorfluorubin-4,11-dicarbonsäure, 7-ChIor-3-mtehylchinoIin-6,8-dicarbonsäure, 2,4-Dichlorbenzophenon-2',5'-dicarbonsäure, 1,3-benzoldicarbonsäure, 2,6-Pyridindicarbonsäure, 1-MethylpyrroI-3,4-dicarbonsäure, 1-Benzyl-1H-pyrrol-3,4-dicarbonsäure, Anthrachinon-1,5-dicarbonsäure, 3,5-Pyrazoldicarbonsäure, 2-Nitrobenzol-1,4-dicarbonsäure, Heptan-1,7-dicarbonsäure, Cyclobutan-1,l-dicarbonsäure 1,14-Tetradecandicarbonsäure, 5,6-Dehydronorbornan-2,3-dicarbonsäure oder
5-Ethyl-2,3-Pyridindicarbonsäure,
Tricarbonsäuren wie
etwa
2-Hydroxy-1,2,3-propantricarbonsäure, 7-Chlor-2,3,8-chinoIintricarbonsäure, 1,2,4-Benzoltricarbonsäure, 1,2,4-Butantricarbonsäure, 2-Phosphono-1,2,4-butantricarbon-säure, 1,3,5-Benzoltricarbonsäure, 1-Hydroxy-1,2,3-Propantricarbonsäure, 4,5-Di-hydro-4,5-dioxo-1H-pyrrolo[2,3-F]chinolin-2,7,9-tricarbonsäure, 5-Acetyl-3-amino-6-me-thylbenzol-1,2,4-tricarbonsäure, 3-Amino-5-benzoyl-6-methylbenzol-1,2,4-tricarbon-säure, 1,2,3-Propantricarbonsäure oder
Aurintricarbonsäure,
oder
Tetracarbonsäuren
wie etwa
1,1-Dioxidperylo[1,12-BCD]thiophen-3,4,9,10-tetracarbonsäure, Perylentetracarbon-säuren wie
Perylen-3,4,9,10-tetracarbonsäure
oder Perylen-1,12-sulfon-3,4,9,10-tetracarbonsäure, Butantetracarbonsäuren wie
1,2,3,4-Butantetracarbonsäure
oder Meso-1,2,3,4-Butantetracarbonsäure, Decan-2,4,6,8-tetracarbonsäure, 1,4,7,10,13,16- Hexaoxacyclooctadecan-2,3,11,12-tetracarbonsäure, 1,2,4,5-Benzoltetracarbonsäure, 1,2,11,12-Dodecantetracarbonsäure, 1,2,5,6-Hexantetracarbonsäure, 1,2,7,8-Octantetracarbonsäure, 1,4,5,8-Naphthalintetracarbonsäure, 1,2,9,10-Decantetracarbon-säure, Benzophenontetracarbonsäure, 3,3',4,4'-Benzophenontetracarbonsäure, Tetrahydrofurantetracarbonsäure oder
Cyclopentantetracarbonsäuren
wie Cyclopentan-1,2,3,4-tetracarbonsäure
zu
nennen.
-
Ganz
besonders bevorzugt werden gegebenenfalls mindestens einfach substituierte
mono-, di-, tri-, tetra- oder höherkernige
aromatische Di-, Tri- oder Tetracarbonsäuren eingesetzt, wobei jeder
der Kerne mindestens ein Heteroatom enthalten kann, wobei zwei oder
mehr Kerne gleiche oder unterschiedliche Heteroatome enthalten kann.
Beispielsweise bevorzugt werden monokernige Dicarbonsäuren, monokernige
Tricarbonsäuren,
monokernige Tetracarbonsäuren,
dikernige Dicarbonsäuren,
dikernige Tricarbonsäuren,
dikernige Tetracarbonsäuren,
trikernige Dicarbonsäuren,
trikernige Tricarbonsäuren,
trikernige Tetracarbonsäuren,
tetrakernige Dicarbonsäuren,
tetrakernige Tricarbonsäuren
und/oder tetrakernige Tetracarbonsäuren. Geeignete Heteroatome
sind beispielsweise N, O, S, B, P, Si, AI, bevorzugte Heteroatome
sind hierbei N, S und/oder O. Als geeigneter Substituent ist diesbezüglich unter
anderem -OH, eine Nitrogruppe, eine Aminogruppe oder eine Alkyl-
oder Alkoxygruppe zu nennen.
-
Insbesondere
bevorzugt werden als mindestens zweizähnige organische Verbindungen
Acetylendicarbonsäure
(ADC), Benzoldicarbonsäuren,
Naphthalindicarbonsäuren,
Biphenyldicarbonsäuren
wie beispielsweise 4,4'-Biphenyldicarbonsäure (BPDC),
Bipyridindicarbonsäuren
wie beispielsweise 2,2'-Bipyridindicarbonsäuren wie
beispielsweise 2,2'-Bipyridin-5,5'-dicarbonsäure, Benzoltricarbonsäuren wie
beispielsweise 1,2,3-Benzoltricarbonsäure oder
1,3,5-Benzoltricarbonsäure
(BTC), Adamantantetracarbonsäure
(ATC), Adamantandibenzoat (ADB) Benzoltribenzoat (BTB), Methantetrabenzoat
(MTB), Adamantantetrabenzoat oder Dihydroxyterephthalsäuren wie
beispielsweise 2,5-Dihydroxyterephthalsäure (DHBDC)
eingesetzt.
-
Ganz
besonders bevorzugt werden unter anderem Isophtalsäure, Terephthalsäure, 2,5-Dihydroxyterephthalsäure, 1,2,3-BenzoItricarbonsäure, 1,3,5-Benzoltricarbonsäure oder
2,2'-Bipyridin-5,5'-dicarbonsäure eingesetzt.
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Neben
diesen mindestens zweizähnigen
organischen Verbindungen kann der MOF auch eine oder mehrere einzähnige Liganden
umfassen.
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Geeignete
Lösemittel
zur Herstellung der MOF sind unter anderem Ethanol, Dimethylformamid,
Toluol, Methanol, Chlorbenzol, Diethylformamid, Dimethylsulfoxid,
Wasser, Wasserstoffperoxid, Methylamin, Natronlauge, N-Methylpolidonether,
Acetonitril, Benzylchlorid, Triethylamin, Ethylenglykol und Gemische
hiervon. Weitere Metallionen, mindestens zweizähnige organische Verbindungen
und Lösemittel
für die
Herstellung von MOF sind unter anderem in US-A 5,648,508 oder DE-A
101 11 230 beschrieben.
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Die
Porengröße des MOF
kann durch Wahl des geeigneten Liganden und/oder der mindestens
zweizähnigen
organischen Verbindung gesteuert werden. Allgemein gilt, dass je
größer die
organische Verbindung desto größer die
Porengröße ist.
Vorzugsweise beträgt
die Porengröße von 0,2
nm bis 30 nm, besonders bevorzugt liegt die Porengröße im Bereich
von 0,3 nm bis 3 nm bezogen auf das kristalline Material.
-
In
einem MOF-Formkörper
treten jedoch auch größere Poren
auf, deren Größenverteilung
variieren kann. Vorzugsweise wird jedoch mehr als 50 % des gesamten
Porenvolumens, insbesondere mehr als 75 %, von Poren mit einem Porendurchmesser
von bis zu 1000 nm gebildet. Vorzugsweise wird jedoch ein Großteil des
Porenvolumens von Poren aus zwei Durchmesserbereichen gebildet.
Es ist daher weiter bevorzugt, wenn mehr als 25 % des gesamten Porenvolumens,
insbesondere mehr als 50 % des gesamten Porenvolumens von Poren
gebildet wird, die in einem Durchmesserbereich von 100 nm bis 800
nm liegen und wenn mehr als 15 % des gesamten Porenvolumens, insbesondere
mehr als 25 % des gesamten Porenvolumens von Poren gebildet wird,
die in einem Durchmesserbereich von bis zu 10 nm liegen. Die Porenverteilung
kann mittels Quecksilber-Porosimetrie bestimmt werden.
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Die
nachfolgenden Ausführungen
beziehen sich auf den Tankvorgang, währenddessen ein vollständig entladener
Tank zur Aufnahme eines gasförmigen
Kraftstoffs an einer Tankstelle wieder mit Kraftstoff befüllt wird.
Beim Tanken herrscht ein Systemdruck abhängig vom Füllungsgrad des den gasförmigen Kraftstoff
aufnehmenden Tanks in der Größenordnung < 100 bar, bevorzugt < 80 bar und besonders
bevorzugt ≤ 50
bar, jedoch mehr als 10 bar.
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Der
Darstellung in 2 ist eine erste Ausführungsvariante
des Tanks für
gasförmigen
Kraftstoff mit einem Tankeinlassventil, ein Absperrventil und ein
Drosselventil umfassend, welches eine verteilte Drosselung ermöglicht,
zu entnehmen.
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Ein
in 2 dargestellter Tank 10 umfasst eine
Wand 12, und ist an einer Befüllseite mit einem Tankeinlassventil 14 versehen.
Das Tankeinlassventil 14 umfasst ein Absperrven til 16 sowie
ein Drosselventil 18. Das Absperrventil 16 ist
so ausgelegt, dass dieses eine geringe Drosselwirkung entfaltet,
während
das zum Tankeinlassventil 14 gehörende Drosselventil 18 so
beschaffen ist, dass dieses eine im Vergleich zur Drosselwirkung
des Absperrventiles 16 hohe Drosselwirkung bietet, d.h.
mindestens einen engen Öffnungsquerschnitt darstellt.
Das Drosselventil 18, gebildet aus einer Anzahl von feinen
Strukturen aufweisenden Öffnungsquerschnitten
insgesamt, weist einen entsprechend der Anzahl der engen Öffnungsquerschnitte
insgesamt gesehen großen Öffnungsquerschnitt
auf.
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Die
Größe der Tankeingangsdrossel
kann folgendermaßen
abgeschätzt
werden. Der Massenstrom durch eine Drossel entspricht folgender
Gleichung. Dies ist eine vereinfachte Drosselgleichung, wobei für den Geometriefaktor μ der Wert
0,7 angenommen wird.
-
-
Der
Faktor ψ kann
je nach Druckverhältnis
verschiedene Werte annehmen. Für überkritische
Druckverhältnisse
(p1 > 2
* p2) ist er konstant und der Massenstrom
ist nicht vom Druck nach der Drossel abhängig. Für unterkritische Druckverhältnisse
(p1 < 2
* p2) gilt ψ = √Π·(1 – Π).
-
Folgende
Abkürzungen
werden in dieser Formel benutzt:
- Rs
- Spezifische Gaskonstante
- T1
- Temperatur vor der
Drossel
- A
- Öffnungsquerschnitt der Drossel
- m
- Massenstrom
- μ
- Geometriefaktor der
Drossel
- p2
- Druck nach der Drossel
(Fahrzeugtank)
- p1
- Druck vor der Drossel
(Tankstelle)
-
Die
spezifische Gaskonstante von Methan beträgt 519 J/kg/K (und berechnet
sich durch Division der idealen Gaskonstante durch die Molare Masse).
In diesem Rechenbeispiel wird Methan stellvertretend für Erdgas,
welches hauptsächlich
aus Methan besteht, verwendet.
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Durch
Umstellen der Ausflussfunktion nach Drosselquerschnitt A erhält man:
-
Soll
eine Methanmenge von 30 kg innerhalb von 5 Minuten (300s) aufgenommen
werden, ist ein mittlerer Massenstrom von 0,1 kg/s erforderlich.
Ausgehend von einem konstanten Vordruck der Tankstelle von p1 = 300 bar und der Annahme einer überkritischen
Strömung
während
des Tankens ergibt sich ein Ventilquerschnitt von A = 2,65 mm2.
- (Anmerkung Einheiten: N = kg m/s2 J = 1 Nm Pa = 1 N/m2)
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Steigt
der Fahrzeugtankdruck über
150 bar ändert
sich die überkritische
Strömung
in eine unterkritische. Der Massenstrom durch die Drossel ist ab
dann auch vom Gegendruck im Tank abhängig und nimmt mit steigendem
Tankdruck ab. Es wird darum im Folgenden der benötigte größere Ventilquerschnitt für unterkritische
Strömung
mit konstantem Vordruck p1 = 300 bar und
p2 = 200 bar berechnet. Das heißt der Druck
p2 im Tank hat bereits den Endwert von 200
bar erreicht. Dennoch soll der mittlere Massenstrom fließen können. ψ nimmt bei
300 bar Vordruck den Wert 0,47 an.
-
-
Damit
ist der Bereich eingegrenzt, in dem der wahre Ventilquerschnitt
liegen wird. Ferner können
Kapazität
des Fahrzeugtanks, die gewünschte
Tankzeit und der Tankstellenvordruck von den hier getroffenen beispielhaften
Annahmen abweichen.
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Der
hier berechnete Drosselquerschnitt ist der Gesamtquerschnitt, der
im Tank benötigt
wird, um die gewünschte
Gasmenge in gewünschter
Zeit im Tank aufnehmen zu können.
Je nach Wärmeleitfähigkeit
im Tankinnern ist für
eine gute örtliche
Verteilung des Effekts der Abkühlung
durch adiabatische Expansion ratsam, diesen Gesamtquerschnitt auf
viele kleinere Querschnitte zu verteilen.
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Am
Tankeinlassventil 14, dessen Absperrventil 16 zuweisend,
verläuft
ein Einfüllstutzen 20 über welchen
gasförmiger
Kraftstoff wie zum Beispiel CH4 22 dem Tank 10 gemäß der Darstellung
in 2 zuströmt. Mit
p1 ist der Druck des gasförmigen Kraftstoffes 22 bezeichnet,
während
T1 dessen Temperatur identifiziert. Der
Druck p1 und die Temperatur T1 entsprechen
dem Zustand des gasförmigen
Kraftstoffes 22, der in einer Tankstelle mit relativ hohem
Druck und tiefer Temperatur bevorratet wird. Die Gasleitung zwischen
der Zapfstelle an der Tankleitung von der hier lediglich der unmittelbar
vor dem Tank 10 befindliche Einzelstutzen 20 dargestellt
ist, so ausgelegt, dass sich von der Tankstelle bis in den Tank 10 ein
möglichst
geringer Druckabfall einstellt. Erst im Tank 10 selbst
wird durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene
Lösung
der gewünschte
Effekt der Drosselung und die damit verbundene weitere Abkühlung des
gasförmigen
Kraftstoffs 22 erfolgen.
-
Wie
aus der Darstellung gemäß 2 weiter
hervorgeht, befindet sich im Inneren des Tanks 10 eine als
Drosselrohr 24 ausgebildetes Drosselventil 18.
In der in 2 dargestellten Ausführungsvariante
des Tanks 10 erstreckt sich das als Drosselventil 18 dienende
Drosselrohr 24 zentral durch den Tank 10 und kann mit
dem Einfüllstutzen 20 fluchten.
Neben dem in der Darstellung gemäß 2 als
Drosselrohr 24 beschaffene Drosselventil 18 befindet
sich im Inneren des Tanks 20 ein Sorptionsmaterial 30,
welches eine Anlagerungsstruktur für den gasförmigen Kraftstoff 22,
wie zum Beispiel CH4 bildet. Als Sorptionsmaterial 30 wird
der erfindungsgemäß vorgeschlagenen
Lösung
folgend, bevorzugt Metall-Organic-Frameworks (MOF's) eingesetzt. An
dieser Anlagerungsstruktur lagert sich bei der Füllung des Tanks das Gas an
wobei die Bindungsenergie (Desorption) als Wärme frei wird und durch die
erfindungsgemäß vorgeschlagene
Lösung
kompensiert wird. Die Zustandsgrößen, die
der gasförmige
Kraftstoff innerhalb des Tanks 10 annimmt, sind mit dem
Druck p2 des gasförmigen Kraftstoffs, der Temperatur
T2 des gasförmigen Kraftstoffs 22 sowie
einer Temperatur T2' bezeichnet, einer erwärmten Temperatur
des gasförmigen
Kraftstoffs 22 innerhalb des Tanks 10.
-
Während das
Drosselventil 18 in der Ausführungsvariante gemäß 2 als
Drosselrohr 28 ausgebildet ist, kann das Drosselventil 18 auch
als Lochblende, als Fritte ausgeführt werden, welche aus Glas
oder Metall gefertigt werden kann. Ferner können als Drosselventile 18 am
Tankeinlassventil 14 Sintermetall sowie poröse Metallschäume eingesetzt
werden.
-
Der
Darstellung gemäß 3 ist
eine weitere Ausführungsvariante
des erfindungsgemäß vorgeschlagenen
Tanks für
gasförmigen
Kraftstoff mit einem Tankeinlassventil, ein Absperrventil und ein
Drosselventil umfassend zu entnehmen.
-
Aus
der Darstellung gemäß 3 geht
hervor, dass an der Einfüllseite
des Tanks 10 das Tankeinlassventil 14 angeordnet
ist. Das Tankeinlassventil 14 umfasst das Absperrventil 16 sowie
das Drosselventil 18, welches in der Ausführungsvariante
gemäß 3 als
Drosselschild 32 halbkugelförmig geformt ausgebildet werden
kann. In die Wand des Drosselschildes 32 sind eine Anzahl
von Drosselkanälen 34 vorgesehen, über welche
der gasförmige
Kraftstoff 22 nach Passage des Einfüllstutzens 20 bei
geöffnetem
Absperrventil 16 unter großer Drosselwirkung in den Innenraum
des Tanks 10 einströmt.
Im Innenraum des Tanks 10 gemäß der Ausführungsvariante in 3 befindet
sich das Sorptionsmaterial 30, welches, der erfindungsgemäß vorgeschlagenen
Lösung
folgend, bevorzugt als MOF ausgebildet ist. Analog zur Darstellung
gemäß 2 ist
der Eintrittszustand des gasförmigen
Kraftstoffs 22 so zum Beispiel im Falle von Erdgas, dessen
Hauptbestandteil CH4 durch den Druck p1 und die Temperatur T1 bezeichnet,
während
der Zustand des gasförmigen
Kraftstoffes 20 innerhalb des Tanks 10 durch den
Druck p2, das Volumen V2 und
die Temperatur T2 gegeben ist, die im Verlaufe
des Tankens aufgrund der Desorptionswärme in eine höhere Temperatur
T2' übergeht.
-
In
Bezug auf die in den 2 und 3 dargestellten
Ausführungsvarianten
stellt die Ausführungsvariante
gemäß der Darstellung
in 2 die bevorzugte Ausführungsvariante dar.
-
Im
Falle von Methan CH
4 als gasförmigen Kraftstoff
22 kühlt sich
dieses bei adiabater Entspannung ab. Methan hat einen Isotropenexponenten
von κ =
1,3 durch den der erreichbare Abkühlungseffekt noch verstärkt wird.
Die bei adiabatischer Ausdehnung abgegebene Arbeit beträgt:
mit
- W
- = Arbeit
- R
- = Gaskonstante
- T
- = Temperatur
- κ
- = Isentropenexponent
- p1
- = Druck vor der Drosselstelle
- p2
- = Druck nach der Drosselstelle
-
Bei
der Befüllung
des Tankes
10 steigt der Tankdruck p
2 vom
Anfangsdruck bei einem zum Beispiel vollständig entleerten Tank oder einem
nur teilweise entleerten Tank auf den Enddruck an. Die verwendbare Kühlenergie
K sinkt mit steigendem Tankdruck während der Befüllung abhängig vom
aktuellen Tankdruck wie im Diagramm gemäß
1 dargestellt.
Die Kühlenergie
K soll kompensiert die freiwerdende Adsorptionswärme A zumin dest teilweise,
so dass die Temperatur im Tank
10 möglichst konstant bleibt. Die
Temperaturänderung
innerhalb des Tankes
10 wird bestimmt durch die adsorbierte
Gasmenge n und die Differenz ΔE
= A – W. Diese
Differenz stellt den Nettowert der umgesetzten Wärmemengen dar. Die Temperaturänderung ΔT, die sich
innerhalb des Tanks
10 einstellt ist gegeben durch:
- n
- = Kraftstoffmenge
des getankten Gases
- CSp
- = spezifische Wärme des
Speichermaterials
- MSp
- = Masse des Speichers
- ΔE:
- Energiedifferenz
- A:
- Sorptionsenthalpie
- W:
- Kühlarbeit
-
Zur
Abschätzung
des Kühleffektes
von Methan CH4 lässt sich folgendes ausführen: Bei
einer getankten Menge von 30 kg CH4, entsprechend
1875 mol CH4 ergibt sich eine Adsorptionswärme A von
12,5 kJ/mol. Die bei adiabatischer Ausdehnung abgegebene Arbeit
beträgt
W = kJ/mol bei einem Druck von p1 von 200
bar, die Speichermasse etwa 200 kg. Die spezifische Wärme des
Speichermaterials CSp liegt bei 1,3 kJ/kg/K.
Mit diesen Werten ergibt sich gemäß Gleichung 2 eine Temperaturänderung ΔT von ungefähr 68,5°C. Ohne adiabate
Kühlung,
d.h. ohne die bei adiabatischer Ausdehnung abgegebene Arbeit W,
die in diesem Falle 0 wäre, ergäbe sich
eine Temperaturänderung ΔT von 90°C, was etwa
dem 1,3-fachen des Wertes mit adiabatischer Kühlung entspricht.
-
Der
Darstellung gemäß 4 ist
eine Ausführungsvariante
des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Tanks
mit einem Absperrventil und einem Drosselventil umfassenden Tankeinlassventil
und Doppelwand zu entnehmen.
-
Aus
der Darstellung gemäß 4 geht
hervor, dass der Tank 10 von einer Doppelwand 36 umschlossen
ist. Die Doppelwand 36 bildet mit der in der Ausführungsvariante
gemäß 4 innenliegenden
Wand 12 einen Hohlraum 37. Innerhalb der Wand 12 des
Tanks 10 befindet sich das Sorptionsmaterial 34,
welches bevorzugt ein MOF ist. Der gasförmige Kraftstoff 22 strömt dem Inneren
des Tankes 10 über
einen doppelwandigen Stutzen 42 zu. Der doppelwandige Stutzen 42 umfasst
einen Innenstutzen 48 und einen diesen umschließenden Außenstutzen 50.
Der Innenstutzen 48 dient dem Einströmen des gasförmigen Kraftstoffes 22 in
Strömungsrichtung 40.
Der gasförmige
Kraftstoff 22 durchströmt
zunächst
das Innere des Tanks 10 und kühlt diesen soweit ab, bis die
Erwärmung
durch Sorption in ausreichender Weise kompensiert ist. Der gasförmige Kraftstoff 22 strömt an einem Überströmventil 38 aus
und durch den durch die Wand 12 und die Doppelwand 36 begrenzten
Hohlraum 37 über
den den Innenstutzen 48 umschließenden Außenstutzen 50 des
doppelwandigen Stutzens 42 zurück zur Tankstelle. Gemäß dieser
Ausführungsvariante
durchströmt
das Gas den Tank 10 sowie den Hohlraum 37 bevor
es an der Tankstelle abgesaugt wird. Dadurch kann der zur Kühlung erforderliche
Aufwand hinsichtlich der Kühlung
des Tanks 10 im Fahrzeug eingespart werden und möglicherweise verbleibender
Kühlaufwand
vom Fahrzeug an die Tankstelle verlagert werden. Die Kühlung des
Tanks 10 erfolgt der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung folgend
durch die Verbindung des physikalischen Effektes einer adiabatischen
Expansion, der den physikalischen Effekt der Erwärmung des Tanks 10 durch
Sorption so zum Beispiel Physisorption bei Einsatz von MOF zumindest
teilweise wenn nicht vollständig,
kompensiert.
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Aus
der in 5 dargestellten Ausführungsvariante geht ein Tank
für gasförmigen Kraftstoff
mit Tankeinlassventil, ein Absperrventil und ein Drosselventil umfassend
mit einer separaten Rückführleitung
hervor.
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Der
Darstellung gemäß 5 ist
entnehmbar, dass an der Einlassseite des Tanks 10, der
hier mit einer Wandung 12 ausgebildet ist, der Einfüllstutzen 20 in
das Tankeinlassventil 14 mündet. Nach Durchströmen des Absperrventiles 16 tritt
der gasförmige
Kraftstoff 22 über
das Drosselventil 18 in das Innere des Tank 10 ein, in
dem das Sorptionsmaterial 30 angeordnet ist. Bei dem Sorptionsmaterial 30 handelt
es sich bevorzugt um Metall-Organic-Framework's (MOF's).
-
Der
gasförmige
Kraftstoff 22 strömt
in Strömungsrichtung 40 in
das Innere des Tanks 10 und verlässt diesen durch ein Überströmventil 38 an
welchem eine Rückströmleitung 56 angeschlossen
ist. Das Überströmventil 38 entfaltet
ebenfalls eine Drosselwirkung, wodurch der Teil der Wand 12,
die dem Überströmventil 38 gegenüberliegt
zusätzlich
gekühlt
werden kann. Dies gilt gleichermaßen für die in 4 und 5 dargestellten
Ausführungsvarianten.
Entsprechend der Gasströmungsrichtung 40 strömt das aus
dem Inneren des Tankes 10 austretende Gas während des
Tankvorgangs als zurückströmender gasförmiger Kraftstoff 46 zurück zur Tankstelle.
Auch gemäß dieser
Ausführungsvariante
durchströmt
das Gas zunächst
den Tank 10 und kühlt diesen
gemäß der vorstehend
erläuterten
Effekte ab, bevor der nicht am Sorptionsmaterial 30 angelagerte
Teil des gasförmigen
Kraftstoffs 22 das Innere des Tanks 10 in Gasströmungsrichtung über die
separate Rückströmleitung 56 wieder
verlässt.
Bei den in 4 und 5 dargestellten
Ausführungsvarianten
des Tanks 10 für
gasförmige
Kraftstoffe können
die in Zusammenhang mit den 2 und 3 dargestellten
Tankeinlassventile 14, welche ein Absperrventil 16 sowie
ein Drosselventil 18, sei es ein Drosselrohr 24,
sei ein Drosselschild 32 mit Drosselkanälen, enthalten, zum Einsatz
kommen.
-
In
Gegenübestellung
der Ausführungsvarianten
gemäß der 4 und 5,
stellt die in 4 dargestellte Ausführungsvariante
die bevorzugte Ausführungsvariante
dar.
-
- 10
- Tank
- 12
- Wand
- 14
- Tankeinlassventil
- 16
- Absperrventil
- 18
- Drosselventil
- 20
- Einfüllstutzen
- P1
- Druckgasförmiger Kraftstoff
tankenstellenseitig
- T1
- Temperatur
gasförmiger
Kraftstoff tankstellenseitig
- p2
- druckgasförmiger Kraftstoff
im Tank
- T2
- Temperatur
gasförmiger
Kraftstoff im Tank
- T2'
- erhöhrte Temperatur
gasförmiger
Kraftstoff
- 22
- gasförmiger Kraftstoff
- 24
- Drosselrohr
- 26
- Umfang
- 28
- Drosselstellen
- 30
- Sorptionsmaterial
- 32
- Drosselschild
- 34
- Drosselkanäle
- 36
- Doppelwand
- 37
- Hohlraum
- 38
- Überströmventil
- 40
- Gasströmung
- 42
- doppelwandiger
Stutzen
- 44
- einströmender gasförmiger Kraftstoff
- 46
- zurückströmender gasförmiger Kraftstoff
- 48
- Innenstutzen
- 50
- Außenstutzen
- 52
- Innenseite
Tank
- 54
- Außenseite
Tank
- 56
- Rückströmleitung
gasförmiger
Kraftstoff