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Die
Erfindung betrifft eine Filtervorrichtung zur Feststofffilterung
in Fluidanwendungen, insbesondere zur Anwendung in Wasserstoff-Feststoffspeichern.
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Im
Stand der Technik existieren verschiedenartige Feststoffspeicher,
insbesondere Metallhydridspeicher, mit Hilfe derer ein gasförmiger
Stoff in einem Feststoff, beispielsweise Wasserstoff in einem Metall
oder einer Metalllegierung, speicherbar ist. Dabei bildet sich aus
dem Metall und dem Wasserstoff eine chemische Verbindung, ein Metallhydrid. Durch
eine Verringerung des Druckes und eine Wärmezufuhr kann
der Wasserstoff wieder ausgetrieben werden. Diese Metallhydridspeicher
sind eine mögliche Speichermethode für Wasserstoff,
der z. B. in mobilen Brennstoffzellen in Automobilen oder tragbaren
Computern als Energieträger einsetzbar ist.
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Aus
der
DE 10 2006
020 394 A1 ist ein Wasserstoffspeicher mit einem Gehäuse
bekannt. In dem Gehäuse ist Speichermaterial, in das Wasserstoff einlagerbar
ist und welches gezielt Wasserstoff aufnehmen und abgeben kann,
angeordnet. Weiterhin ist wenigstens eine Einheit vorgesehen, bei
der ein poröser Körper einen Behälter
wenigstens bereichsweise umgibt, in dem das Speichermaterial enthalten ist.
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Ferner
ist aus der
DE 35 02
311 C2 ein Metallhydridspeicher bekannt, der ein als Filterrohr
ausgebildetes Gasführungsrohr aufweist. Um dieses Gasführungsrohr
sind ringförmig mehrere Einzelbehälter angeordnet,
welche mit einem Metallhydrid als Speicherfeststoff zur Speicherung
von Wasserstoff befüllt sind.
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Weiterhin
ist aus der
DE
10 2004 043 947 A1 ein Metallhydridspeicher bekannt mit
hydrierbarem Speichermetallpulver bekannt. Das Speichermetallpulver
ist in Hydridkammern gefüllt, wobei die Hydridkammern einen
Spalt aufweisen, dessen Breite kleiner oder gleich dem Durchmesser
der Hydridpartikel ist.
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Bei
einer Anwendung der Speichereinrichtungen in Brennstoffzellenanwendungen
ist es notwendig, einen Austrag des Feststoffes, d. h. des Speichermaterials,
und somit eine Kontamination der Brennstoffzelle mit dem Speichermaterial
zu vermeiden. Die im Stand der Technik angegebenen Lösungen
zur Filterung beinhalten jedoch kostenintensive und/oder aufwändig
realisierbare Filtertechnologien.
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Filtervorrichtung
zur Feststofffilterung in Fluidanwendungen anzugeben, welche einfach
und kostengünstig herstellbar ist.
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Die
Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einer Filtervorrichtung
gelöst, welche die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale aufweist.
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Vorteilhafte
Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Bei
der erfindungsgemäßen Filtervorrichtung zur Feststofffilterung
in Fluidanwendungen, insbesondere zur Anwendung in Wasserstoff-Feststoffspeichern,
ist ein Filterrohr aus mehreren Filterrohrelementen gebildet, die
an deren Enden unter Bildung zumindest eines Spaltes ineinander eingreifen.
Dadurch ist es in vorteilhafter Weise möglich, eine Länge
des Filterrohres an eine jeweilige Anwendung anzupassen, wodurch
ein Gleichteileeinsatz erhöht und somit eine Kosteneinsparung
erzielt wird. Mit der erfindungsgemäßen Filtervorrichtung
ist weiterhin ein Durchsatz eines Fluids durch die Spalte ermöglicht und
gleichzeitig ein Austrag eines Feststoffes aus dem Filterrohr oder
ein Eintrag des Feststoffes in das Filterrohr vermeidbar, so dass
bei einer Anwendung des Filterrohres in einer Brennstoffzellenanwendung eine
Kontamination einer Brennstoffzelle mit dem Feststoff verhindert
wird.
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Zusammenfassend
stellt die erfindungsgemäße Filtervorrichtung
zur Feststofffilterung in Fluidanwendungen eine einfach und kostengünstig
herstellbare Möglichkeit zur Filterung von Feststoffen dar,
mit welcher kostenintensive und aufwändig herzustellende
Filtertechnologien ersetzbar sind.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher
erläutert.
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Dabei
zeigen:
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1 schematisch
ein aus mehreren Filterrohrelementen zusammengesetztes Filterrohr,
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2 schematisch
das Filterrohr mit den Filterrohrelementen gemäß 1 in
Explosionsdarstellung, und
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3 schematisch
eine Schnittdarstellung eines Filterrohrelementes.
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Einander
entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen
versehen.
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Das
in 1 dargestellte Filterrohr 1 ist zur Feststofffilterung
in Fluidanwendungen, insbesondere zur Anwendung in Wasserstoff-Feststoffspeichern vorgesehen.
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Das
Filterrohr 1 ist erfindungsgemäß aus mehreren,
in 2 dargestellten Filterrohrelementen 2 gebildet.
Dabei kann die Länge lF des Filterrohres 1 durch
eine Variation einer Anzahl der Filterrohrelemente 2 an
eine jeweilige Anwendung angepasst werden. Im dargestellten Ausführungsbeispiel
weisen die Filterrohrelemente 2 und daraus folgend das Filterrohr 1 eine
zylindrische Außen- und Innenform auf. In einer Ausgestaltung
der Erfindung sind weiterhin auch andere Außen- und Innenformen
denkbar, wobei die Außenform von der Innenform abweichen kann.
So sind beispielsweise rechteckförmige, quadratische oder
vieleckigförmige Formen der Filterrohrelemente 2 und
des Filterrohres 1 in Abhängigkeit von einer vorgesehenen
Anwendung möglich.
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Die
einzelnen Filterrohrelemente 2 weisen jeweils ein zapfenförmiges
Ende 2.1 und ein in 3 dargestelltes
hülsenförmiges Ende 2.2 auf, wobei Abmessungen
und eine Form des zapfenförmigen Endes 2.1 mit
Abmessungen und einer Form des hülsenförmigen
Endes 2.2 korrespondieren. Das heißt, die Zapfenbreite
bZ und der Zapfenaußendurchmesser
dZ des zapfenförmigen Endes 2.1 entsprechen der
Hülsenbreite bH und dem Hülseninnendurchmesser
dH des hülsenförmigen
Endes 2.2.
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Im
Detail ist das zapfenförmige Ende 2.1 beispielsweise
durch eine außenwandig umlaufende Aussparung, d. h. eine
in die Oberfläche der Außenwandung eines Endes 2.1 des
Filterrohrelements 2 eingebrachte Vertiefung, gebildet.
Demgegenüber ist das andere hülsenförmige
Ende 2.2 beispielsweise durch eine innenwandig umlaufende
Aussparung, d. h. eine in die Oberfläche der Innenwandung
des anderen Endes 2.2 des Filterrohrelements 2 eingebrachte
Vertiefung, gebildet. Dabei sind die Höhen hH und
hZ der Vertiefungen der ineinander greifenden hülsenförmigen
bzw. zapfenförmigen Enden 2.2 bzw. 2.1 und
der Abstand dieser unter Bildung des Spaltes 3 derart ausgeführt,
dass diese in Summe der Dicke D der Wandung im mittleren Bereich
des Filterrohrelements 2 außerhalb der Enden 2.1 und 2.2 entsprechen.
In einer möglichen Ausführungsform sind die Höhen
hH und hZ in etwa
gleich groß und entsprechen in etwa der halben Dicke D
der Wandung im mittleren Bereich des Filterrohrelements 2.
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Alternativ
zur Ausbildung des jeweiligen Filterrohrelements 2 mit
jeweils einem hülsenförmigen und einem zapfenförmigen
Ende 2.2 bzw. 2.1 kann in nicht näher
dargestellter Art und Weise eines der Filterrohrelemente 2 endseitig
jeweils ein zapfenförmiges Ende 2.1 aufweisen,
auf welche zwei Filterrohrelemente 2 mit endseitig hülsenförmigen
Enden 2.2 aufsetzbar sind.
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Zur
Bildung des Filterrohres 1 sind die Filterrohrelemente 2 gemäß der
in 2 angegebenen Pfeilrichtung ineinander geschoben,
so dass das zapfenförmige Ende 2.1 des einen Filterrohrelementes 2 in
das hülsenförmige Ende 2.2 des angrenzenden
Filterrohrelementes 2 eingreift und eine weitgehend formschlüssige
Verbindung der einzelnen Filterrohrelemente 2 untereinander
entsteht. Dies stellt eine einfache und mechanisch stabile Verbindung der
Filterrohrelemente 2 dar. Das aus den Filterrohrelementen 2 gebildete
Filterrohr 1 zeichnet sich dabei durch einen einheitlichen,
d. h. insbesondere über die gesamte Länge lF gleich bleibenden, Innendurchmesser dI und einen einheitlichen, d. h. insbesondere über
die gesamte Länge lF gleich bleibenden,
Außendurchmesser dA aus.
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An
den entstehenden Verbindungsstellen an den Enden der einzelnen Filterrohrelemente 2 sind Spalte 3 ausgebildet.
Durch diese Spalte 3 ist ein nicht näher dargestelltes
Fluid, insbesondere gasförmiger Wasserstoff, führbar.
Bei dem Fluid kann es sich weiterhin um jedes beliebige Gas oder
um Flüssigkeiten handeln.
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In
einer Weiterbildung der Erfindung ist eine nicht näher
dargestellte, auf eine Oberfläche der zapfenförmigen
Enden 2.1 der einzelnen Filterrohrelemente 2 aufgebrachte
Struktur vorgesehen, mittels derer die Spalte 3 in einer
definierten Abmessung erzeugbar sind und somit an die jeweilige
Anwendung anpassbar sind.
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In
einem nicht näher dargestellten Feststoffspeicher ist entweder
in dem Filterrohr 1 selbst oder um das Filterrohr 1 herum
ein Feststoff, insbesondere ein pulverförmiger Feststoff,
zur Speicherung des Fluids angeordnet. Bei dem Feststoff kann es
sich beispielsweise zur Speicherung von Wasserstoff um ein Metall
oder eine Metalllegierung handeln.
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Als
H2-Speichermaterial für Feststoffspeicher
sind prinzipiell adsorptiv wirkende Materialien wie Kohlenstoffstrukturen,
metallorganische Materialien mit intrinsischer Porosität,
so genannte metal organic-frameworks (MOF), und Oxide, wie etwa
Titan- oder Silizium-Oxide, geeignet. Geeignet sind auch 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 und Metallhydride, beispielsweise
modifizierte AB2-, AB5-Legierungen. Besonders bevorzugt sind Materialien
mit endothermer Wasserstoff-Freisetzungsenthalpie im Bereich von
20 bis 30 kJ/(mol H2). Denkbar sind auch
organische Materialien, wie zum Beispiel Polymere. Die Speichermaterialien
können prinzipiell als Pellets, Pulver, Granulat und dergleichen
eingesetzt werden. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung werden sie
jedoch vorzugsweise in Pulverform eingesetzt.
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Je
nach Anordnung des Feststoffes ist das Filterrohr 1 innenseitig
bei außerhalb des Filterrohres 1 angeordnetem
Feststoff oder außenseitig bei in dem Filterrohr 1 angeordnetem
Feststoff mit dem Fluid durchströmbar. Dazu ist das Filterrohr 1 zumindest einseitig
mit einer nicht näher dargestellten Fluidzuführung
versehen. Es ist weiterhin auch möglich, dass das Filterrohr 1 mit
mehreren Fluidzuführungen versehen ist. Der einheitliche
Innendurchmesser dI und der einheitliche
Außendurchmesser dA des Filterrohres 1 führen
in vorteilhafter Weise dazu, dass das Filterrohr 1 sowohl
innen- als auch außenseitig strömungsgünstig
ausgeführt ist, so dass ungünstige Verwirbelungen
des Fluids vermieden werden.
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Bei
der Durchströmung lagert sich das Fluid in einer Gitterstruktur
des Feststoffes ein. Bei einer Speicherung von Wasserstoff in einem
Metall oder einer Metalllegierung bildet sich Metallhydrid. Anhand einer
Druckerniedrigung und einer leichten Wärmezufuhr ist der
Wasserstoff wieder aus der Gitterstruktur des Metalls entnehmbar.
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Bei
einer Anwendung des Feststoffspeichers in einem nicht näher
dargestellten Brennstoffzellensystem muss jedoch ein Austrag des
Feststoffes aus dem Filterrohr 1 oder ein Eintrag des Feststoffes
in das Filterrohr 1 vermieden werden, um eine Kontamination
einer Brennstoffzelle mit dem Feststoff zu verhindern. Aus diesem
Grund sind Querschnitte der Spalte 3 kleiner als ein Partikel
des Feststoffes, z. B. einige μm groß, ausgebildet.
Somit ist eine Führung des Fluids durch die Spalte 3 bei
gleichzeitiger Filterung des Feststoffes aus einem Fluidstrom F
möglich. Bei dem Brennstoffzellensystem kann es sich sowohl
um eine stationäre Anwendung als auch um eine mobile Anwendung,
wie beispielsweise in Automobilen oder tragbaren elektrischen und/oder
elektronischen Geräten, handeln.
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Um
einen Fluidstrom F zu ermöglichen ist es erforderlich,
dass das Filterrohr 1 zumindest an einem Ende geöffnet
ist, d. h. das Filterrohr 1 ist maximal einseitig verschlossen.
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- 1
- Filterrohr
- 2
- Filterrohrelemente
- 2.1
- zapfenförmiges
Ende
- 2.2
- hülsenförmiges
Ende
- 3
- Spalt
- bH
- Hülsenbreite
- bZ
- Zapfenbreite
- D
- Dicke
der Wandung des Filterrohrelements
- dA
- Außendurchmesser
- dH
- Hülseninnendurchmesser
- dI
- Innendurchmesser
- dZ
- Zapfenaußendurchmesser
- F
- Fluidstrom
- hH
- Höhe
der Vertiefung in der Wandung des Hülsenendes
- hZ
- Höhe
der Vertiefung in der Wandung des Zapfenendes
- lF
- Länge
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 102006020394
A1 [0003]
- - DE 3502311 C2 [0004]
- - DE 102004043947 A1 [0005]