DE102008003610A1 - Wasserstoffspeichertanksystem basierend auf Gasadsorption an Materialien mit hoher Oberfläche, das einen integrierten Wärmetauscher umfasst - Google Patents

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Abstract

Gasspeichersystem, das ein Gas durch Kryoadsorption an Materialien mit hoher Oberfläche speichert. Das Gasspeichersystem weist einen Außenbehälter, der isolierte Wände besitzt, und eine Vielzahl von darin angeordneten Druckgefäßen auf. Jedes der Druckgefäße weist ein Material mit hoher Oberfläche auf. Eine Verteileranordnung verteilt das Gas unter Druck an die Druckgefäße, wo das Gas durch Kryoadsorption unter Verwendung der Materialien mit hoher Oberfläche adsorbiert wird. In Hohlräumen zwischen den Druckgefäßen ist ein Kühlfluid vorgesehen, um Wärme zu entfernen, wenn die Druckgefäße mit dem Gas gefüllt werden.

Description

  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • 1. Gebiet der Erfindung
  • Diese Erfindung betrifft allgemein ein Gasspeichersystem und insbesondere ein Wasserstoffgasspeichersystem zum Speichern von Wasserstoffgas durch Kryoadsorption an Materialien mit hoher Oberfläche.
  • 2. Beschreibung des Standes der Technik
  • Ein Wasserstofffahrzeug ist allgemein als ein Fahrzeug definiert, das Wasserstoff als seine Primärleistungsquelle zum Antrieb verwendet. Ein Hauptvorteil der Verwendung von Wasserstoff als eine Leistungsquelle besteht darin, dass er Sauerstoff aus der Luft verwendet, um als Abgas nur Wasserdampf zu erzeugen. Die effizienteste Verwendung von Wasserstoff betrifft die Verwendung von Brennstoffzellen und Elektromotoren anstatt einer herkömmlichen Brennkraftmaschine. Wasserstoff reagiert mit Sauerstoff innerhalb der Brennstoffzellen, was Elektrizität erzeugt, um die Motoren zu betreiben.
  • Ein Hauptforschungsbereich von Wasserstofffahrzeugen betrifft die Wasserstoffspeicherung, um die Reichweite von Wasserstofffahrzeugen zu erhöhen, während das Gewicht, der Energieverbrauch wie auch die Komplexität der Speichersysteme reduziert werden. Somit ist die effiziente Spei cherung von Wasserstoff eine notwendige Grundvoraussetzung für die Masseneinführung und Verbraucherakzeptanz von wasserstoffbetriebenen Fahrzeugen. Gegenwärtige Speichertechnologien, wie komprimierter gasförmiger Wasserstoff (CGH2) oder Flüssigwasserstoff (LH2) weisen eine Beschränkung hinsichtlich der Fahrreichweite derartiger Fahrzeuge auf. Festkörperspeichersysteme, wie klassische oder komplexe Metallhydride, beispielsweise FeTi2, NaAlH4 und/oder dergleichen, könnten eine brauchbare Alternative darstellen, weisen jedoch aus grundsätzlichen thermodynamischen Gründen Wärmemanagementherausforderungen auf. Hinsichtlich der Speicherkapazität liefern diese Verbindungen typischerweise geringere Systemwasserstoffkapazitäten als herkömmliche Technologien, wie CGH2 und LH2.
  • Demgemäß besteht ein Bedarf nach einem neuen und verbesserten Wasserstoffspeichersystem zur Verwendung mit wasserstoffbetriebenen Fahrzeugen, wobei das Wasserstoffspeichertanksystem dazu dient, erhöhte Mengen an Wasserstoff effizient zu speichern.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Gemäß den Lehren der vorliegenden Erfindung ist ein Gasspeichersystem offenbart, das ein Gas durch Kryoadsorption an Materialien mit hoher Oberfläche speichert. Das Gasspeichersystem weist einen äußeren Behälter, der isolierte Wände besitzt, und eine Vielzahl von darin angeordneten Druckgefäßen auf. Jedes der Druckgefäße weist ein Material mit hoher Oberfläche auf. Eine Verteileranordnung verteilt das Gas unter Druck an die Druckgefäße, wo das Gas durch Kryoadsorption unter Verwendung der Materialien mit hoher Oberfläche adsorbiert wird. In Hohlräumen zwischen den Druckgefäßen ist ein Kühlfluid vorgesehen, um Wärme zu entfernen, wenn die Druckgefäße mit dem Gas gefüllt werden.
  • Zusätzliche Merkmale der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung und den angefügten Ansprüchen in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen offensichtlich.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • 1 ist eine schematische Ansicht, die eine Wasserstoffadsorption an Materialien mit hoher Oberfläche im Vergleich zu einer Wasserstoffspeicherung in Metallhydriden darstellt;
  • 2 ist eine Längsschnittansicht eines Gasspeichersystems gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
  • 3 ist eine andere Schnittansicht des in 2 gezeigten Gasspeichersystems; und
  • 4 ist eine ausgeschnittene Ansicht, die Einzelheiten einer Verteileranordnung in dem Gasspeichersystem der Erfindung zeigt.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
  • Die folgende Diskussion der Ausführungsformen der Erfindung, die auf ein Gasspeichersystem gerichtet ist, ist lediglich beispielhafter Natur und nicht dazu bestimmt, die Erfindung, ihre Anwendung bzw. ihren Gebrauch zu beschränken.
  • Beispielsweise besitzt das Gasspeichersystem der Erfindung besondere Anwendung zur Speicherung von Wasserstoff für ein Brennstoffzellensystem. Jedoch kann, wie es für den Fachmann angemerkt sei, das Gasspeichersystem der Erfindung Anwendung zur Speicherung anderer Gase für andere Systeme besitzen.
  • Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein alternativer Gasspeichermechanismus durch die sogenannte Physisorption oder Kryoadsorption, d. h. physikalische Adsorption von Wasserstoffmolekülen an Materialien mit hoher Oberfläche vorgesehen, wie, jedoch nicht darauf beschränkt, Aktivkohlen, Zeolithe, metallorganischen Gerüsten (MOFs), Polymeren mit Eigenmikroporosität (PIMs) und/oder dergleichen.
  • 1 ist eine Darstellung von Wasserstoffgasmolekülen, die durch eine Metallhydridfläche auf der rechten Seite und durch Kryoadsorption an einem Material mit hoher Oberfläche auf der linken Seite absorbiert sind. Wie es in der Technik gut bekannt ist, besitzt die Metallhydridabsorption eine hohe Bindungsenergie (typischerweise im Bereich von 10 bis 40 MJ/kg Wasserstoff) infolge dessen, dass der Wasserstoff in einer atomaren Phase stark an das Metallhydrid angebunden ist, wobei die Absorption bei relativ hohen Temperaturen (im Bereich von Umgebungstemperatur zu erhöhten Temperaturen von 200°C oder höher) stattfinden kann. Wenn der Wasserstoff in dem Metallhydrid absorbiert, wird durch den chemischen Absorptionsprozess eine erhebliche Wärmemenge erzeugt, die entfernt werden muss, so dass die konstruktive Integrität und/oder die Kapazität des Speichersystems nicht beeinträchtigt wird. Die Kryoadsorption adsorbiert Wasserstoff in der molekularen Phase, wobei die Moleküle an dem Material mit hoher Oberfläche durch schwache Bindungen, wie Vander-Waals-Kräfte, anhaften. Da die Oberflächenbindung schwach ist, ist es notwendig, die kinetische Energie des Wasserstoffs durch Reduzierung seiner Temperatur auf kryogene Temperaturen zu reduzieren. Indem der Wasserstoff an dem Material mit hoher Oberfläche anhaftet, wird Wärme erzeugt (in der Größenordnung von 2,5 MJ/kg), jedoch mit einer wesentlich geringeren Rate als bei der Metallhydridabsorption.
  • Es ist notwendig, einen Wasserstofftank für ein Brennstoffzellenfahrzeug mit 5 Kilogramm Wasserstoff in weniger als 5 Minuten zu befüllen, um den industriellen Anforderungen nachzukommen. Um diese Wasserstoffmenge innerhalb dieser Zeitdauer unter Verwendung eines herkömmlichen Metallhydridspeichersystems zu speichern, muss Wärme von dem System mit einer Rate von etwa 25 MJ/kg mal 5 kg/300 s entfernt werden, was bei einem typischen Metallhydrid 420 kW entspricht. Um jedoch die Temperatur des Wasserstoffs bei kryogenen Temperaturen aufgrund der geringen Bindungstemperatur, die zur Kryoadsorption notwendig ist, aufrecht zu erhalten, liegt die Temperaturentfernungsrate bei etwa 2,5 MJ/kg Wasserstoff mal 5 kg/300 s, was 42 kW entspricht. Daher kann die Verwendung der Kryoadsorption zur Speicherung von Wasserstoff eine brauchbare Alternative bereitstellen.
  • Die vorliegende Erfindung schlägt eine Tankkonstruktion zur Speicherung von Wasserstoff unter Verwendung des vorher erwähnten Kryoadsorptionsmechanismus vor. Das Kryoadsorptionstanksystem der vorliegenden Erfindung wird bei Drücken zwischen 10 und 50 bar und bei Temperaturen zwischen 25 K bis 200 K betrieben. Obwohl grundsätzlich Bezug auf die Speicherung von Wasserstoff genommen wird, sei angemerkt, dass das System der vorliegenden Erfindung auch andere Gase neben Wasserstoff speichern kann.
  • 2 ist eine Längsschnittansicht und 3 ist eine Schnittansicht eines Gasspeichersystems 10 zum Speichern von Wasserstoffgas gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Das Speichersystem 10 weist einen zylindrischen Außenbehälter 12 auf, der eine Seitenwand 14 und Endabdeckungen 24 und 26 besitzt. In dem Außenbehälter 12 ist eine Vielzahl von Druckgefäßen 18 in einer vorbestimmten Konfiguration positioniert, wie gezeigt ist. Bei dieser nicht beschränkenden Ausführungsform sind sieben Druckgefäße 18 vorhanden, wobei sechs der Druckgefäße 18 ein zentrales Druckgefäß 18 umgeben. Diese Konfiguration der Druckgefäße 18 erzeugt Hohlräume 20 zwischen den Gefäßen 18, wie gezeigt ist. Der Außenbehälter 12 sieht eine Wärmeisolierung für die Druckgefäße 18 aus Gründen vor, die aus der nachfolgenden Diskussion offensichtlich werden. Die Außenwand 14 und die Abdeckungen 24 und 26 können eine beliebige geeignete Wärmeisolierung für die hier beschriebenen Zwecke aufweisen, wie eine Mehrschicht-Vakuumsuperisolierung (MLVSI) 16 oder eine pulverbasierte Vakuumisolierung. Der Außenbehälter 12 schützt die Innenkomponenten auch vor jeglichem potenziellem mechanischem Schaden. Die Druckgefäße 18 können aus einem geeigneten Hochdruckmaterial bestehen, wie rostfreiem Stahl.
  • Die Druckgefäße 18 sind mit einem Material 28 mit hoher Oberfläche gefüllt, wie Aktivkohlen, Zeolithen, metallorganischen Gerüsten, Polymeren mit Eigenmikroporosität, etc., die zur Kryoadsorption geeignet sind. Das Material 28 mit hoher Oberfläche kann eine beliebige geeignete Beschaffenheit annehmen, wie Pulver oder Pellets. Es ist erwünscht, dass das Material 28 mit hoher Oberfläche eine hohe Oberflächenausdehnung besitzt und dass der Wasserstoff an der Oberflächenausdehnung adsorbiert werden kann. Daher können Gasverteilungsleitungen (nicht gezeigt) in den Druckgefäßen 18 abhängig von der Konfiguration des Materials 28 mit hoher Oberfläche erforderlich sein, um den Wasserstoff in den Gefäßen 18 angemessen zu verteilen.
  • Das Gasspeichersystem 10 weist auch eine Verteileranordnung 30 benachbart der Endabdeckung 24 und eine Verteileranordnung 32 benachbart der Endabdeckung 26 in dem Behälter 12 auf. Die Verteileranordnung 30 weist eine Wasserstoffgaseinlassdüse 34, Gasverteilungsleitungen 36 und Koppler 38 auf. Desgleichen weist die Verteileranordnung 32 eine Gasauslassdüse 40, Gasverteilungsleitungen 42 und Koppler 44 auf. Das Wasserstoffgas wird in die Druckgefäße 18 durch die Einlassdüse 34, durch die Verteilungsleitungen 36, durch die Koppler 38 und in die Druckgefäße 18 eingeführt. Das Wasserstoffgas wird von den Druckgefäßen 18 durch die Koppler 44, die Gasverteilungsleitungen 42 und die Auslassdüse 40 entfernt. Bei einer Ausführungsform wird das Wasserstoffgas in den Druckgefäßen 18 bei einem Druck zwischen 10 und 50 bar gespeichert. Bei einer alternativen Ausführungsform kann der Verteiler 32 weggelassen werden und die Verteileranordnung 30 kann dazu verwendet werden, Wasserstoff in die Druckgefäße 18 einzuführen und Wasserstoff von den Druckgefäßen 18 zu entfernen. 4 ist eine ausgeschnittene Ansicht in Großaufnahme eines Abschnitts der Verteileranordnung 32 und der Druckgefäße 18.
  • Wenn die Druckgefäße 18 Wasserstoff unter Druck speichern, dann kann dieser Druck dazu verwendet werden, den Wasserstoff von den Gefäßen 18 zu entfernen, um das Brennstoffzellensystem zu betreiben. Sobald der Druck in den Gefäßen 18 auf den Druck des Brennstoffzellensystems reduziert ist, muss jeglicher in den Druckgefäßen 18 verbleibender Wasserstoff von dem Material 28 mit hoher Oberfläche durch Wärme entfernt werden, die die schwachen Bindungen der Wasserstoffmoleküle mit dem Material 28 mit hoher Oberfläche aufbricht.
  • Das Gasspeichersystem 10 weist auch eine Kühlmitteleinlassdüse 50 und eine Kühlmittelauslassdüse 52 in Fluidverbindung mit den Hohlräumen 20 auf. Wenn die Druckgefäße 18 mit Wasserstoff gefüllt werden, werden die Hohlräume 20 typischerweise mit einem Tieftemperaturkühlmittel durch die Düse 50 gefüllt, um die Drucktanks 18 zu kühlen und die durch den Kryoadsorptionsprozess erzeugte Wärme zu entfernen. Geeignete Kühlmittel umfassen, sind jedoch nicht darauf beschränkt, flüssigen Stickstoff, flüssiges Argon, Wasserstoff, etc. Wenn das Kühlmittel durch die Adsorptionsreaktion erwärmt wird, verdunstet es und reduziert seine Fähigkeit, Wärme zu entfernen (eventuell muss, um den Druck zu begrenzen, einiges Kühlmittel entlüftet werden). Der Behälter 12 behält das Kühlmittel so lange wie möglich in dem kryogenen Zustand. Sobald die Druckgefäße 18 gefüllt sind, kann es notwendig werden, das Kühlmittel durch die Auslassdüse 52 zu entfernen und dieses gegen ein warmes Fluid auszutauschen, wie gasförmigen Stickstoff, um die Desorption von Wasserstoff von den Druckgefäßen 18 während des Systembetriebs zu erleichtern. Bei einer alternativen Ausführungsform kann die Kühlmittelauslassdüse 52 entfernt werden und das Kühlmittel kann durch die Düse 50 in die Hohlräume 20 eingeführt und von den Hohlräumen 20 entfernt werden.
  • Es sei angemerkt, dass andere Zusatzkomponenten in dem Gasspeichersystem 10 enthalten sein können, einschließlich, jedoch nicht darauf beschränkt, Leitungen, Messeinrichtungen, Ventile, elektrische Heizer, um eine Desorption zu erleichtern, und/oder dergleichen, wie es in der Technik bekannt ist, hier jedoch aus Gründen der Klarheit nicht gezeigt sind.
  • Die Beschreibung der Erfindung ist lediglich beispielhafter Natur, und somit sind Abwandlungen, die nicht von der Grundidee der Erfindung abweichen, als innerhalb des Schutzumfanges der Erfindung befindlich anzusehen. Derartige Abwandlungen werden nicht als Abweichung von dem Erfindungsgedanken und dem Schutzumfang der Erfindung betrachtet.

Claims (25)

  1. Gasspeichersystem zum Speichern eines Gases, wobei das System umfasst: einen Außenbehälter; zumindest ein Druckgefäß, das in dem Außenbehälter positioniert ist; und ein Gasadsorbermedium mit hoher Oberfläche, das in dem zumindest einen Druckgefäß angeordnet ist, wobei das Adsorbermedium dazu dient, das Gas durch Kryoadsorption zu adsorbieren.
  2. System nach Anspruch 1, wobei das zumindest eine Druckgefäß eine Vielzahl von Druckgefäßen umfasst, wobei die Vielzahl von Druckgefäßen Hohlräume dazwischen bereitstellen.
  3. System nach Anspruch 2, wobei die Vielzahl von Druckgefäßen sieben Druckgefäße umfasst, die als sechs Druckgefäße, die ein siebtes Druckgefäß umgeben, konfiguriert sind.
  4. System nach Anspruch 3, wobei der Außenbehälter zylindrisch ist.
  5. System nach Anspruch 2, ferner mit einer Verteileranordnung, die ermöglicht, dass die Vielzahl von Druckgefäßen in Fluidverbindung miteinander stehen.
  6. System nach Anspruch 1, wobei das Gas Wasserstoff ist.
  7. System nach Anspruch 1, wobei das Adsorbermedium aus der Gruppe gewählt ist, die umfasst: Aktivkohlen, Zeolithe, metallorganische Gerüste, Polymere mit Eigenmikroporosität und Kombinationen daraus.
  8. System nach Anspruch 1, wobei das Speichersystem bei einer Temperatur im Bereich von etwa 25 K bis 200 K während des Kryoadsorptionsprozesses betrieben wird.
  9. System nach Anspruch 1, wobei das zumindest eine Druckgefäß das Gas bei einem Druck im Bereich von 10 bar bis 50 bar speichert.
  10. System nach Anspruch 1, ferner mit einem Kühlmittel, das in dem Außenbehälter vorgesehen ist, um so das Adsorbermedium auf eine Kryotemperatur zu kühlen.
  11. System nach Anspruch 10, wobei das Kühlmittel aus der Gruppe gewählt ist, die umfasst: Wasserstoff, Stickstoff, Argon und Kombinationen daraus.
  12. System nach Anspruch 1, ferner mit einer Isolierungsschicht, die in einer Außenwand des Außenbehälters angeordnet ist.
  13. System nach Anspruch 12, wobei die Isolierung aus der Gruppe gewählt ist, die umfasst: Multischicht-Vakuumsuperisolierung, pulverbasierte Vakuumisolierung und Kombinationen daraus.
  14. Gasspeichersystem zum Speichern eines Gases, wobei das System umfasst: einen Außenbehälter, der isolierte Wände aufweist; eine Vielzahl von Druckgefäßen, die in dem Außenbehälter positioniert sind, um so Hohlräume zwischen der Vielzahl von Gefäßen vorzusehen; ein Gasadsorbermaterial mit hoher Oberfläche, das in jedem der Druckgefäße angeordnet ist; und eine Verteileranordnung, die eine Gaseinlassdüse zur Verteilung des Gases an die Vielzahl von Druckgefäßen aufweist, wobei das Adsorbermaterial das Gas in einer molekularen Phase adsorbiert, um das Gas zu speichern.
  15. System nach Anspruch 14, ferner mit einer Kühlmitteleinlassdüse, die sich durch eine Wand des Behälters erstreckt und in Fluidverbindung mit den Hohlräumen steht, wobei die Kühlmitteleinlassdüse ein Kühlmittel zum Füllen der Hohlräume mit dem Kühlmittel aufnimmt, um so Wärme während des Gasadsorptionsprozesses zu entfernen.
  16. System nach Anspruch 14, wobei der Außenbehälter ein zylindrischer Behälter ist, und wobei die Vielzahl von Druckgefäßen sieben Druckgefäße umfasst, die in dem Außenbehälter konfiguriert sind, wobei sechs der Druckgefäße um ein siebtes Druckgefäß herum angeordnet sind.
  17. Gasspeichersystem zum Speichern von Wasserstoffgas, wobei das System umfasst: einen zylindrischen Außenbehälter; eine Vielzahl von Druckgefäßen, die in dem Außengefäßelement enthalten sind und Hohlräume dazwischen vorsehen; ein Gasadsorbermedium, das in jedem Druckgefäß angeordnet ist; und eine Verteileranordnung, die ermöglicht, dass die Vielzahl von Druckgefäßen miteinander in Fluidverbindung stehen.
  18. System nach Anspruch 17, wobei die Vielzahl von Druckgefäßen sieben Druckgefäße umfasst, die als sechs Druckgefäße, die ein siebtes Druckgefäß umgeben, konfiguriert sind.
  19. System nach Anspruch 17, wobei das Adsorbermedium aus der Gruppe gewählt ist, die umfasst: Aktivkohlen, Zeolithe, metallorganische Gerüste, Polymere mit Eigenmikroporosität und Kombinationen daraus.
  20. System nach Anspruch 17, wobei das Speichersystem bei einer Temperatur im Bereich von etwa 25 K bis 200 K betrieben wird.
  21. System nach Anspruch 17, wobei die Vielzahl von Druckgefäßen das Gas bei einem Druck im Bereich von 10 bar bis 50 bar speichern.
  22. System nach Anspruch 17, ferner mit einem Kühlmittel, das in den Hohlräumen vorgesehen ist, um so das Adsorbermedium auf eine Kryotemperatur zu kühlen.
  23. System nach Anspruch 22, wobei das Kühlmittel aus der Gruppe gewählt ist, die umfasst: Wasserstoff, Stickstoff, Argon und Kombinationen daraus.
  24. System nach Anspruch 17, ferner mit einer Isolierungsschicht, die in einer Außenwand des Außenbehälters angeordnet ist.
  25. System nach Anspruch 24, wobei die Isolierung aus der Gruppe gewählt ist, die eine Multischicht-Vakuumsuperisolierung, eine pulverbasierte Vakuumisolierung und Kombinationen daraus umfasst.
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