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Die
Erfindung betrifft einen Speicherbehälter zum verlustreduzierten
Speichern eines bei Betriebsbedingungen flüchtigen Brennstoffs,
mit einem Speichergefäß und einem Kühlmantel,
wobei das Speichergefäß den Brennstoff lagert,
der Kühlmantel das Speichergefäß im Wesentlichen
umfänglich umgibt und zur Kühlung des Brennstoffes
dient, in dem Kühlmantel zumindest bereichsweise ein Kühlmittel
lagert, das eine höhere Verdampfungstemperatur als der
Brennstoff aufweist. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren
zum verlustreduzierten Speichern eines bei Betriebsbedingungen flüchtigen Brennstoffs.
Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Brennstoffzellensystem.
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Stand der Technik
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In
der Patentschrift
US 3,930,375 ist
ein Speicherbehälter gezeigt. Ein Innenbehälter
des Speicherbehälters dient zur Aufnahme von flüssigem Wasserstoff.
Umgeben wird dieser Innenbehälter von einem Außenmantel.
Zwischen dem Innenbehälter und dem Außenmantel
ist flüssiger Stickstoff eingefüllt, der zur Kühlung
des flüssigen Wasserstoffes dient. Auf der Außenseite
des Innenbehälters ist zusätzlich ein Isoliermaterial
aufgebracht, welches den von Außen einfließenden
Wärmeeintrag dämpfen soll. Da die Verdampfungstemperatur
des Stickstoffes (77 K) wesentlich höher liegt als die
Verdampfungstemperatur des flüssigen Wasserstoffes (etwa 20
K), muss bei den offenbarten Speicherbehältern der Stickstoff
immer unterhalb der Verdampfungstemperatur des Wasserstoffes gekühlt
werden, damit der Wasserstoff nicht schlagartig in die Gasphase übergeht
und ein nicht zu beherrschender Überdruck in dem Innenmantel
auftritt.
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Aufgabe und Vorteile der Erfindung
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Ausgehend
von dem zuvor aufgeführten Stand der Technik ist es eine
Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Speicherbehälter,
ein Verfahren und ein Brennstoffzellensystem zu schaffen, welche die
oben genannten Nachteile überwinden, insbesondere eine
sichere und verlustreduzierte Speicherung eines bei Betriebsbedingungen
flüchtigen Brennstoffes ermöglichen.
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Die
vorstehende und weitere Aufgaben werden gelöst durch einen
erfindungsgemäßen Speicherbehälter gemäß Anspruch
1, ein erfindungsgemäßes Verfahren zum verlustreduzierten
Speichern gemäß Anspruch 23 und ein erfindungsgemäßes
Brennstoffzellensystem gemäß Anspruch 32. Vorteilhafte
Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen
angegeben. Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen
Verfahren beschrieben sind, gelten dabei selbstverständlich
auch im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen
Speicherbehälter und Brennstoffzellensystem und jeweils
umgekehrt. Dabei können die in den Ansprüchen
und in der Beschreibung erwähnten Merkmale jeweils einzeln
für sich oder in beliebiger Kombination erfindungswesentlich
sein.
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Die
Erfindung schließt die technische Lehre ein, dass das Speichergefäß ein
Adsorptionselement aufweist, und der Brennstoff in dem Adsorptionselement
reversibel adsorbierbar ist.
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Der
erfindungsgemäße Kern des Speichergefäßes
besteht darin, dass das Adsorptionselement den Brennstoff aufnimmt.
Als Adsorption bezeichnet man die Anlagerung der Atome oder Moleküle
von Flüssigkeiten oder Gasen an eine feste Oberfläche. Das
Gegenteil der Adsorption, die Abgabe eines adsorbierten Stoffs,
wird Desorption genannt. Bei der Anlagerung des Brennstoffes im
Rahmen der Adsorption wird Bindungsenergie freigesetzt. Im Rahmen
der Desorption muss diese Bindungsenergie wieder zum Freisetzen
des Adsorbats aufgebracht werden. In der Oberflächenchemie
und Oberflächenphysik unterscheidet man als Arten der Adsorption hauptsächlich
zwischen der Physisorption und der Chemisorption. Dabei beschreibt
die Physisorption alle Adsorptionen, die zu keiner Veränderung
der chemischen Struktur des Adsorbats führen. Es treten im
Rahmen der Bindung in der Regel nur van der Waal'sche Kräfte
auf. Die Bindungen innerhalb des adsorbierten Brennstoffs werden
dabei nicht gebrochen sondern ggf. polarisiert. Die Bindungsenergie liegt
für Physisorption im Bereich bis ca. 15 kJ/mol. Bei der
Chemisorption wird die elektronische Struktur des Adsorptivs bei
der Anlagerung verändert, sodass Bindungen innerhalb des
Adsorbats im Gegensatz zur Physisorption gebrochen werden können
und somit der Zerfall des Adsorbats möglich, aber nicht zwingend
ist.
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Der
Kern der Erfindung besteht weiterhin darin, einen Temperaturanstieg
des Adsorptionselements zu verhindern. Dazu muss eine Desorption des
Brennstoffes durch eine Kühlung mit einem insbesondere
flüssigen Kühlmittel in dem Kühlmantel verhindert
wird. Dabei entsteht der Kühleffekt durch das Abdampfen
des Kühlmittels und der dabei erfolgenden Aufnahme von
Verdunstungswärme. Insbesondere schwankt die Temperatur
des Adsorptionselements durch das Ablassen des verdampfenden Kühlmittels
nur innerhalb eines Temperaturbereiches von [–10 K; 10
K] um die Temperatur des flüssigen Kühlmittel.
Erst nach dem vollständigen Abdampfen des Kühlmittels
kann von Außen auf den Speicherbehälter einfließende
Wärme mit dem Brennstoff in Kontakt kommen. Darüber
hinaus steigt die Menge des vom Adsorptionselement adsorbierten
Brennstoffes mit sinkender Temperatur. Durch das Kühlen des
Adsorptionselementes mittels des Kühlmittels ist sichergestellt,
dass eine große Menge Brennstoff in dem Speicherbehälter
gelagert werden kann, ohne dass durch die Verdunstung des Brennstoffes
ein hoher Druck entstehen kann, wie es aus dem oben beschriebenen
US Patent bekannt ist. Um dieses sicherzustellen ist es notwenig,
dass das Kühlmittel eine höhere Verdampfungstemperatur
als der Brennstoff aufweist. Im Rahmen der hier getätigten
Offenbarung wird beispielhaft als Brennstoff Wasserstoff und als
Kühlmittel Stickstoff angegeben. Dieses soll der Verdeutlichung
der Erfindung dienen, nicht jedoch als Einschränkung. Flüssiger
Stickstoff weist eine Verdampfungstemperatur von etwa 77 K auf. Folglich
wird das Adsorptionselement durch den Kühlmantel auf 77
K heruntergekühlt, solange noch flüssiger Stickstoff
vorhanden ist. Bei dieser Temperatur ist der Anteil an adsorbiertem
Brennstoff wesentlich höher als der an gasförmigem.
Folglich sind die Anforderungen an die Druckstabilität
des Speichergefäßes gering.
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In
einer ersten Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen
Speicherbehälters hat es sich als vorteilhaft herausgestellt,
wenn das Adsorptionselement wenigstens einen der folgenden Stoffe
aufweist: einen Kohlenstoff, insbesondere einen amorphen Kohlenstoff,
ein Metal-Organic Framework (MOF) oder ein Element der Gruppe der
Zeolithe. Jeder der aufgeführten Stoffe weist eine sehr
große Oberfläche auf, die es ihm ermöglicht,
eine entsprechende Menge an Brennstoff zu adsorbieren. Darüber
hinaus lassen sich die genannten Stoffe preiswert herstellen, damit
ein kostengünstiger Speicherbehälter erzielt wird.
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Ebenfalls
vorteilhaft ist es, wenn das Adsorptionselement aus einer Mehrzahl
von Adsorptionsmitteln besteht, wobei jedes Adsorptionsmittel schüttgutartig
ausgeformt ist. Der Vorteil dieser Ausführungsvariante
besteht darin, dass der in den Speicherbehälter eingeführte
Brennstoff sich nicht mittels Diffusion und/oder Konvektion in dem
Adsorptionselement ausbreitet muss. Vielmehr ermöglichen Hohlräume
zwischen dem schüttgutartig ausgeführten Adsorptionsmittel
einen Fluss des Brennstoffes in dem Speichergefäß.
Dadurch das nicht ein einzelner monolitischer Körper als
Adsorptionselement Verwendung findet sondern eine Mehrzahl von Adsorptionsmitteln
wird die Gesamtoberfläche, welche den Brennstoff adsorbiert
nur geringfügig reduziert. Da der Brennstoff ohne großen
Widerstand in das Adsorptionselement ein- und ausströmen
kann ermöglicht diese Ausführungsvariante ein
schnelles Be- und Entladen des Speicherbehälters. Als besonders vorteilhaft
hat es sich dabei herausgestellt, wenn das Adsorptionsmittel tablettenförmig
und/oder fadenförmig ausgestaltet ist. Tablettenförmig
ausgestaltete Adsorptionsmittel lassen sich besonders leicht in
das Speichergefäß hineinfüllen und resultieren
in einem guten Verhältnis von adsorbierender Oberfläche
und Strömungskanälen zwischen den Adsorptionsmitteln für
den Brennstoff. Alternativ oder zusätzlich ist es möglich,
dass Adsorptionsmittel fadenförmig auszugestalten und dieses
in dem Speichergefäß meanderartig zu verlegen.
Um das Einströmen bzw. Ausströmen des Brennstoffes
weiter zu erhöhen, kann ein Transportmittel in den Speicherbehälter
eingeführt werden. Bei diesem Transportmittel handelt es sich
vorzugsweise um ein poröses, rohrähnliches Material,
durch welches der Brennstoff ungehindert strömen kann um
in das Adsorptionsmittel einzudringen. Dabei hat es sich als vorteilhaft
erwiesen, wenn das Adsorptionselement und/oder die Adsorptionsmittel
das Speichergefäß im Wesentlichen ausfüllen. So
ist eine optimale Nutzung des Speichergefäßes zur
Lagerung des Brennstoffes in dem Adsorptionselement sichergestellt.
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Eine
weitere vorteilhafte Ausführungsvariante zeichnet sich
dadurch aus, dass der Speicherbehälter mindestens einen
Detektor aufweist, der ausgebildet ist, um einen Betriebsparameter
zu detektieren, insbesondere dass der Detektor wenigstens einen
der folgenden Betriebszustande detektiert: einen Kühlmittelfüllstand,
einen Druck des Brennstoffes, einen Druck des Kühlmittels,
eine Temperatur des Kühlmittels, eine Temperatur des Brennstoffes,
eine Menge an flüssigem Kühlmittel, eine Temperatur
des Adsorptionselementes, eine Menge an gasförmigen Kühlmittel
oder eine Menge an Brennstoff. Durch die Bestimmung der unterschiedlichen
Betriebsparameter durch den Detektor ist die Funktionsfähigkeit
des Speichers sichergestellt. Mittels des Detektors ist es insbesondere
möglich, Abweichungen der Betriebsparameter von vorgegebenen
Werten schnell zu ermitteln.
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Eine
weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Speicherbehälters sieht vor, dass der Kühlmantel
ein Überdruckventil aufweist, wobei mittels des Überdruckventils
das Kühlmittel in eine Umgebung ableitbar ist, sobald ein
Druck des Kühlmittels eine Grenze überschreitet.
Das Kühlmittel wird vorteilhafterweise flüssig
in den Kühlmantel eingeführt. Bei der Verdampfung
des Kühlmittels kann ein sehr hoher Druck entstehen. Verhält
sich das Kühlmittel etwa wie ein ideales Gas, so nimmt
ein Mol des verdunsteten Kühlmittels ein Volumen von etwa 22
Litern ein. Folglich kann durch die Verdunstung auch nur geringer
Mengen des Kühlmittels schnell ein hoher Druck in dem Kühlmantel
entstehen. Um sicherzustellen, dass der Druck nicht größer
als die mechanische Stabilität des Kühlmantels
wird, leitet das Überdruckventil das gasförmige
Kühlmittel in die Umgebung ab, sobald der Druck eine vordefinierte Grenze überschreitet.
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Eine
weitere vorteilhafte Ausführungsvariante zeichnet sich
dadurch aus, dass das Speichergefäß ein Sicherheitsventil
aufweist, wobei mittels des Sicherheitsventils der Brennstoff in
eine Umgebung ableitbar ist, sobald ein Druck des Brennstoffes eine Schwelle überschreitet,
insbesondere dass das Sicherheitsventil mit einem Katalysatorelement
verbunden ist. Nachteilig bei tiefen Speichertemperaturen ist es,
dass durch unvermeidlichen Wärmeeintrag aus der wärmeren
Umgebung die Temperatur des Speichergefäßes und
damit der Gasdruck im Speichergefäß ansteigt.
Um zu verhindern, dass ein kritischer Druck überschritten
wird, wird bei Erreichen des kritischen Druckes das Sicherheitsventil
geöffnet, über das der Brennstoff in die Umgebung
abgeblasen wird. Handelt es sich bei dem Brennstoff um Wasserstoff,
hat es sich aus Sicherheitsgründen als vorteilhaft erwiesen,
das Wasserstoffgas über einen Katalysator in die Umgebung
abzublasen. Denn an dem Katalysator kann das Wasserstoffgas in ungefährliches
Wasser umgewandelt werden. Als Katalysatorelement haben sich insbesondere
Platin oder andere Metalle der achten Hauptgruppe im Periodensystem
der Elemente als vorteilhaft erwiesen.
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Eine
weitere positive Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen
Speicherbehälters zeichnet sich dadurch aus, dass der Kühlmantel
eine Abführeinheit und/oder eine Nachfülleinheit
aufweist, wobei mittels der Abführeinheit erwärmtes
Kühlmittel abführbar und mittels der Nachfülleinheit
kühlendes Kühlmittel nachführbar ist.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass das Kühlmittel
einen Wärmeeintrag aus der Umgebung aufnimmt, um eine Erwärmung des
flüchtigen Brennstoffes zu verhindern. Durch die dem Kühlmittel
innewohnende Temperatur und/oder die bei der Verdunstung aufgenommene
Wärme wird eine Kühlung des Brennstoffes erreicht.
Das anschließend erwärmte und/oder verdampfte
Kühlmittel kann über die Abführeinheit
aus dem Speicherbehälter entnommen werden. Parallel dazu
kann durch die Nachfülleinheit flüssiges Kühlmittels
in den Speicherbehälter eingefüllt werden. Handelt
es sich bei dem Kühlmittel insbesondere um flüssigen
Stickstoff, kann dieser durch die Nachfülleinheit in den
Kühlmantel eingegossen werden. Dabei fuhrt das Verdampfen des
Kühlmittels dazu, dass das sich die Temperatur des noch
flüssigen Kühlmittels nahezu nicht verändert,
sondern sich nur der Druck im Kühlmantel erhöht.
Dabei umfasst im Rahmen der Erfindung der Begriff der nahezu konstanten
Temperatur eine Schwankung innerhalb eines Temperaturbereiches von
[–10 K; 10 K] um die Temperatur des flüssigen Kühlmittel.
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Der
erfindungsgemäße Speicherbehälter dient
zur Speicherung eines flüchtigen Brennstoffes. Solcher
Art Brennstoffe werden insbesondere zum Betrieb von Brennstoffzellen
genutzt. Um eine Versorgung der Brennstoffzelle mit dem Brennstoff
sicherzustellen hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn das Speichergefäß eine
Betankungseinheit und/oder eine Entnahmeeinheit aufweist. Dabei
kann mittels der Entnahmeeinheit der Brennstoff aus dem Speichergefäß entnommen
werden. Die Entnahmeeinheit stellt somit sicher, dass der in dem
Speichergefäß gelagerte Brennstoff zu einem Verbraucher
gelangen kann. Um die Förderung des Brennstoffes sicherzustellen
kann die Entnahmeeinheit ein pumpenartiges Element aufweisen. Da
das Speichergefäß im Vorhinein mit dem Brennstoff
bestückt werden muss, bietet es sich weiterhin an, das
Speichergefäß mit einer Betankungseinheit zu versehen,
wobei mittels der Betankungseinheit der Brennstoff in das Speichergefäß einführbar
ist.
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In
einer weiteren Ausführungsvariante ist der Kühlmantel
mit einem Kühlmittelspeicher verbunden, wobei der Kühlmittelspeicher
Kühlmittel für den Kühlmantel bevorratet.
Als besonders vorteilhaft hat sich dabei eine externe Anordnung
des Kühlmittelspeichers relativ zu dem Kühlmantel
herausgestellt. Durch den Kühlmittelspeicher kann zusätzliche Standzeit
des flüchtigen Brennstoffes in dem Speichergefäß erzielt
werden. Weiterhin ist es durch Integration des zusätzlichen
Kühlmittelspeichers möglich, den Kühlmittelmantel
dünnwandiger zu gestalten. Da die Menge des im Kühlmantel
gespeicherten Kühlmittels proportional ist zur Zeit innerhalb
derer der Brennstoff erfindungsgemäß gekühlt
werden kann, ist ein möglichst großes Volumen
des Kühlmantels vorteilhaft. Da aus Platzgründen
der Speicherbehälter häufig allerdings einen möglichst kleinen
Raum einnehmen soll, ermöglicht der Kühlmittelspeicher
in diesen Fällen eine Verlängerung der Standzeit
bei minimalem Volumen des Speicherbehälters. Insbesondere
in jenen Fällen in denen der Kühlmittelspeicher
extern angeordnet ist, ist eine leichtere Anpassung an räumliche
Gegebenheiten möglich.
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Eine
weitere vorteilhafte Ausgestaltung des Speicherbehälters
zeichnet sich dadurch aus, dass der Speicherbehälter eine
Kühlmittelregeleinheit zur Regulierung einer Kühlmittelmenge
in den Kühlmantel aufweist. Die Kühlmittelregeleinheit
steuert und/oder überwacht die Menge des Kühlmittels. Dazu
kann die Kühlmittelregeleinheit mit dem Detektor, welcher
die Betriebsparameter überwacht, verbunden sein. Vorteilhafterweise
handelt es sich bei der Kühlmittelregeleinheit um einen
integrierten Schaltkreis, wie etwa einen Chip, einen FPGA (Field Programmable
Gate Array) oder einen Microkontroller. Dieser Art integrierte Schaltkreise
können mit Computerprogrammen versehen werden und über Schnittstellen
mit externen Detektoren kommunizieren. Dadurch ist eine zentrale Überwachung
der Betriebsparameter der Kühlung durch die Kühlmittelregeleinheit
sichergestellt. Wird der erfindungsgemäße Speicherbehälter
in ein Kraftfahrzeug integriert, kann die Kühlmittelregeleinheit
durch ein Bussystem, insbesondere einen CAN-Bus, mit einer zentralen
Fahrzeugsteuerung verbunden sein. Dieses ermöglicht eine
konstante Überwachung der im Speicherbehälter
bevorrateten Kühlmittelmenge durch die zentralen Recheneinheiten
des Kraftfahrzeuges. Denn die Menge an Kühlmittel lässt
in Kombination mit der verbleibenden Brennstoffmenge Rückschlüsse
zu über die Betriebsdauer etwaiger den Brennstoff verbrauchender
Systeme.
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Weiterhin
hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die Nachfülleinheit
mit dem Kühlmittelspeicher verbunden ist. Über
die Nachfülleinheit kann Kühlmittel aus dem Kühlmittelspeicher
in den Kühlmantel einfließen. Um diesen Fluss
zu steuern hat es sich als besonders vorteilhaft erwiesen, wenn
die Nachfülleinheit über die Kühlmittelregeleinheit mit
dem Kühlmantel koppelbar ist. Die Kühlmittelregeleinheit überwacht
dabei den Zufluss an Kühlmittel in den Kühlmantel.
Wie schon oben dargelegt ist es nicht notwendig, dass der Kühlmantel
jederzeit vollständig mit flüssigem Kühlmittel
gefüllt ist. Häufig reicht auch nur eine vorgegebene
Menge an flüssigem Kühlmittel aus, da auch verdampftes
Kühlmittel noch eine Temperatur aufweist, die nur unwesentlich
oberhalb des Verdampfungspunktes liegt. Um den Zufluss des Kühlmittels
zu regeln, kann in einer weiteren Ausführungsvariante die
Kühlmittelregeleinheit eine sperrbare Zuführung
vom Kühlmittelspeicher zum Kühlmantel umfassen,
welche in Abhängigkeit von einem detektierten Betriebsparameter
betätigt wird. Bei der sperrbaren Zuführung kann
es sich insbesondere um ein Ventil handeln, welches durch die zentrale
Kühlmittelregeleinheit elektronisch geschaltet wird.
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Aus
Sicherheitsgründen hat es sich als vorteilhaft erwiesen,
wenn der Kühlmittelspeicher ein druckgeregeltes Schutzventil
umfasst, um verdampfendes Kühlmittel abzulassen. Da auch
der Kühlmittelspeicher einem äußeren
Wärmeeinfluss ausgesetzt ist, kann das in diesem gespeicherten
Kühlmittel verdampfen, wodurch innerhalb des Kühlmittelspeichers
ein hoher Druck entsteht. Um die mechanische Integrität
des Kühlmittelspeichers nicht zu gefährden, sorgt
das druckgeregelte Schutzventil dafür, dass bei Überschreiten
einer vordefinierten Druckgrenze das verdampfte Kühlmittel
abgelassen wird. Dieses druckgeregelte Schutzventil muss mit der Kühlmittelregeleinheit
verbunden sein. So könnte die Kühlmittelregeleinheit überprüfen,
ob es sinnvoll ist noch verbleibendes flüssiges Kühlmittel
in den Kühlmantel einzuleiten. Das dadurch frei werdende
Volumen innerhalb des Kühlmittelspeichers kann dann als
Expansionsvolumen für das verdampfte Kühlmittel
genutzt werden. Dieses stellt sicher, dass nur jene Mengen an verdampftem
Kühlmittel in eine Umgebung abgelassen werden, welche auch
notwendig sind. Um den Verlust entweder dem Kühlmittelmantel zugeführten
und/oder in die Umgebung abgelassenen Kühlmittel zu ersetzen,
hat es sich als vorteilhaft erwiesen, den Kühlmittelspeicher
mit einem Nachfüllmittel auszurüsten. Mittels
des Nachfüllmittels kann kühlendes Kühlmittel
in den Kühlmittelspeicher nachgefüllt werden.
In Kombination oder alternativ mit der Nachfülleinheit
kann somit Kühlmittel für die Kühlung des
Speichergefäßes von einem Benutzer des Speicherbehälters
jederzeit ergänzt werden. Durch die Nutzung der Kühlmittelregeleinheit
bietet es sich an, den Kühlmittelspeicher aufzufüllen
und nicht direkt den Kühlmittelmantel. Denn die Kühlmittelregeleinheit
kann beim Auffüllen des Kühlmittelspeichers bestimmen,
wie viel des nachgeführten flüssigen Kühlmittels
direkt in den Kühlmantel fließen sollen, um den
optimalen Kühleffekt zu erzielen.
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In
einer weiteren Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen
Speicherbehälters weist das Speichergefäß mindestens
eine Querverbindung auf, wobei die Querverbindung das Speichergefäß mechanisch
stabilisiert. Aufgrund von räumlichen Randbedingungen weist
das Speichergefäß häufig eine zylinderartige
Form auf. Damit die mechanische Integrität des Speichergefäßes
trotz Aufnahme des Adsorptionselementes sichergestellt ist, hat
sich die Verwendung der Querverbindungen als vorteilhaft erwiesen.
Zusätzlich kann die Querverbindung dazu dienen, eine homogene
Temperaturverteilung innerhalb des Speichergefäßes
bzw. des Adsorptionselementes sicherzustellen. Etwaige Temperaturgradienten
können durch die wärmeleitfähige Querverbindung
ausgeglichen werden.
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Ebenfalls
zum Ausgleich von Temperaturgradienten kann in das Speichergefäß wenigstens
ein Wärmeleitblech integriert werden. Das Wärmeleitblech
ragt in das Speichergefäß hinein und bildet eine
Oberfläche entlang derer sich Temperaturgradienten ausgleichen
können. Vorteilhafterweise besteht das Wärmeleitblech
aus einem Material mit einem hohen Wärmeleitkoeffizienten.
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Eine
weitere vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen
Speicherbehälters zeichnet sich dadurch aus, dass dieser
wenigstens ein Wärmetransportelement aufweist, wobei das
Wärmetransportelement Adsorptionswärme aus dem
Speichergefäß in den Kühlmantel führt.
Insbesondere kann das Wärmetransportelement beim Befüllen
mit Brennstoff die Adsorptionswärme aus dem Speichergefäß in
den Kühlmantel führen. Die Adsorption des Brennstoffes
in dem Adsorptionselement ist ein exothermer Prozess. Damit auch
jene Adsorptionswärme, die im Inneren des Adsorptionselementes
entsteht, abgeführt wird, verläuft das Wärmetransportelement
vorteilhafterweise zumindest teilweise im Inneren des Speichergefäßes.
Die auftretende Adsorptionswärme führt dann zu
einer Erwärmung des Wärmetransportelementes. Dabei
hat es sich als besonders vorteilhaft erwiesen, wenn das Wärmetransportelement
in einem Wärmetausch mit dem Kühlmittel steht.
So wird die Adsorptionswärme auch aus den Tiefen des Adsorptionselementes
in einen direkten Kontakt mit dem Kühlmittel gebracht.
Diese Ausgestaltung des Kühlelementes hat zum einen den
Vorteil, dass entstehende Adsorptionswärme sehr schnell
abgeleitet werden kann. Der andere Vorteil besteht darin, dass die
niedrige Kühltemperatur des Kühlmittels über
das Wärmeleitelement schnell in das Innere des Adsorptionselementes
eingebracht werden kann. Als besonders vorteilhaft hat es sich erwiesen,
wenn das Wärmeleitelement rohrartig aufgebaut ist und in
seinem Inneren flüssiges Kühlmittel zirkuliert.
Um dieses sicherzustellen kann insbesondere das Wärmeleitelement
in die Querverbindung integriert sein. Wie schon oben beschrieben
durchlaufen die Querverbindungen das Speichergefäß zur mechanischen
Stabilisierung. Diese Querverbindungen können genutzt werden,
um einen Fluss des Kühlmittels innerhalb des Adsorptionselementes
zu ermöglichen. Dabei dient die Oberfläche der
Querverbindungen als Wärmetransportelement, welche die
von dem Adsorptionselement emittierte Adsorptionswärme
aufnehmen und über das Kühlmittel abtransportieren.
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Der
erfindungsgemäße Speicherbehälter kann
als Quelle für den Brennstoff einer Brennstoffzelle dienen.
Allerdings benötigen Brennstoffzellen den Brennstoff wie
z. B. Wasserstoff, mit einem definierten Minimaldruck. Sinkt aufgrund
der Entnahme der Druck des im Speichergefäß befindlichen
Brennstoffes unter diesen Minimaldruck muss zur Entnahme des Restes
des Brennstoffes der Adsorptionsspeicher geheizt werden. Um dieses
zu ermöglichen hat es sich als vorteilhaft erwiesen, den
Speicherbehälter mit einem Heizelement zu versehen. Mittels des
Heizelementes wird das Adsorptionselement erwärmt, so dass
der Brennstoff desorbiert. Um eine gleichmäßige
Einwirkung der vom Heizelement emittierten Wärme in dem
Adsorptionselement zu erreichen hat es sich als vorteilhaft erwiesen,
das Heizelement in die Querverbindung zu integrieren.
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Reicht
der Restdruck des Brennstoffes trotz des Heizens mittels des Heizmittels
nicht mehr aus, dient ein Kompressor zur weiteren Komprimierung des
Brennstoffes. Dazu weist der Speicherbehälter einen Kompressor
auf, der den aus dem Speichergefäß entnommenen
Brennstoff komprimiert. Dieser Kompressor kann in einer gewissen
Entfernung von dem Speicherbehälter angeordnet sein, insbesondere
in der Nähe der den Brennstoff verbrauchenden Brennstoffzelle.
Sowohl Heizelement als auch Kompressor dienen dazu, eine völlige
Entleerung des Speichergefäßes zu ermöglichen.
Somit bleiben keine Restbestände des Brennstoffes innerhalb
des Adsorptionselementes bzw. des Speichergefäßes.
Die Menge des in dem Adsorptionselement aufnehmbaren Brennstoffes
ist gleichbedeutend mit der von einem möglichen Verbraucher
aus dem Speicherbehälter entnehmbaren Menge.
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Die
erfindungsgemäße Aufgabe wird ebenfalls gelöst
durch ein Verfahren zum verlustreduzierten Speichern eines bei Betriebsbedingungen
flüchtigen Brennstoffs aus einem als Adsorbat-Speicher ausgestalteten
Adsorptionselement in einem Speicherbehälter, umfassend
die Schritte:
- – Kühlen des
in einem Speichergefäß befindlichen Brennstoffs
auf einen Zustand, in dem der Brennstoff nicht flüchtig
ist, mittels eines Kühlmittels, wobei das Kühlmittel
eine höhere Verdampfungstemperatur als der Brennstoff aufweist,
so dass das Kühlmittel bei Erwärmung vor dem Brennstoff verdampft,
und
- – Regeln einer Kühlmittelmenge, wobei erwärmtes
Kühlmittel abgeführt und kühlendes Kühlmittel zugeführt
wird.
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Merkmale
und Details, die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen
Speicherbehälter beschrieben wurden, gelten dabei selbstverständlich auch
im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren.
Wie schon bei dem erfindungsgemäßen Speicherbehälter
beschrieben, weist das Kühlmittel eine höhere
Verdampfungstemperatur als der Brennstoff auf. Folglich kühlt
das Kühlmittel den Brennstoff durch die beim Verdampfen
entstehende Verdunstungskälte. Durch die Verdunstung entsteht ein
höherer Druck, wobei aber die Temperatur des Speichergefäßes
durch das Ablassen des verdampfenden Kühlmittels nahezu
konstant bleibt. So schwankt die Temperatur des Speichergefäßes durch
das Ablassen des verdampfenden Kühlmittels nur innerhalb
eines Temperaturbereiches von [–10 K; 10 K] um die Temperatur
des flüssigen Kühlmittel. Im Rahmen des erfindungsgemäßen
Verfahrens wird also das Kühlmittel geopfert, um den Brennstoff
weiterhin speichern zu können. Dieses macht insbesondere
dann Sinn, wenn der Preis für das Kühlmittel deutlich
geringer ist als jener für den Brennstoff. Dieses ist z.
B. dann der Fall, wenn als Kühlmittel flüssiger
Stickstoff Verwendung findet und als Brennstoff Wasserstoff.
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Im
Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens hat es
sich als vorteilhaft erwiesen, wenn der Schritt Regeln das Ablassen
des verdampfenden Kühlmittels bei Zuführung von
Wärmeenergie umfasst, so dass das Kühlmittel die
zugeführte Wärmeenergie abführt. Dieses
Ablassen des verdampfenden Kühlmittels kann insbesondere
durch ein Abblasen geschehen. Da das Adsorptionselement des Speicherbehälters
einem Wärmeeintrag ausgesetzt ist, muss das Kühlmittel
diesen Wärmeeintrag aufnehmen. Um dieses zu ermöglichen,
wird das Kühlmittel als erstes seine Temperatur erhöhen.
Ab einem gewissen Zeitpunkt wird ein Teil des Kühlmittels
die Phase wechseln und verdampfen. Da durch die Verdampfung ein
sehr hoher Druck entstehen kann, hat es sich als vorteilhaft erwiesen,
das verdampfte Kühlmittel abzuführen. Weiterhin
ist die vom verdampften Kühlmittel aufnehmbare Wärmeenergie
deutlich geringer als jene des flüssigen Kühlmittels.
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Eine
weitere vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen
Verfahrens sieht vor, dass der Schritt Regeln weiter umfasst: geregeltes
Nachfüllen des kühlenden Kühlmittels
aus einem Kühlmittelspeicher bei Erreichen eines vorgegebenen
Wertes. Der Kühlmittelspeicher ist vorzugsweise extern
angeordnet und bevorratet Kühlmittel, welches für
das erfindungsgemäße Verfahren eingesetzt werden
kann. Diese Ausführungsvariante zeichnet sich dadurch aus,
dass das Nachfüllen nicht mehr durch einen Benutzer des
Verfahrens geschehen muss. Vielmehr kann durch eine Kühlmittelregeleinheit
das Nachfüllen des Kühlmittels geregelt werden.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren sowie der erfindungsgemäße
Speicherbehälter können im Zusammenwirken mit
einer Brennstoffzelle genutzt werden. Dabei hat es sich als besonders
vorteilhaft herausgestellt, wenn der Brennstoff aus der Gruppe der Brennstoffe
für Brennstoffzellen gewählt wird. Insbesondere
kann der Brennstoff wenigstens einen der folgenden Stoffe umfassen:
Wasserstoff, Methan, Erdgas oder Kohlegas. Die genannten Brennstoffe sind
leicht flüchtig und lassen sich deshalb gut in Adsorptionselementen
bei geringen Temperaturen speichern. Um diese Speicherung durchzuführen
sollte das erfindungsgemäße Verfahren mit einem
Kühlmittel durchgeführt werden, das ausgewählt
wird aus der Gruppe der Kältemittel. Insbesondere sollte
das Kühlmittel wenigstens einen der folgenden Stoffe umfassen:
Stickstoff, Diethylether, Ammoniak, Kohlenwasserstoffe wie Halogenkohlenwasserstoffe,
flüssige Luft oder Sauerstoff.
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Das
erfindungsgemäße Nachfüllen des Kühlmittels
aus dem Kühlmittelspeicher kann vorzugsweise bei Erreichen
eines vorgegebenen Speicherdruckwertes des Brennstoffes durchgeführt
werden. Durch das Verdampfen des Brennstoffes entsteht innerhalb des
Speichergefäßes ein Überdruck. Damit
dieser Überdruck nicht weiter ansteigt, ist es vorteilhaft
weiteres Kühlmittel aus dem Kühlmittelspeicher
in einen das Speichergefäß umgebenden Kühlmantel
einzuführen. Dieses Nachfüllen kann weiterhin
im Rahmen eines Regelns des Speicherbehälters durchgeführt werden.
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Eine
weitere vorteilhafte Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen
Verfahrens umfasst, dass der Schritt Regeln umfasst: Detektieren
eines Betriebsparameters, insbe sondere Detektieren des Betriebsparameters,
um bei einem Erreichen eines Betriebsparameterwertes ein Nachfüllen
von Kühlmittel aus dem Kühlmittelspeicher durchzuführen.
Das Detektieren des Betriebsparameters kann dabei mittels der Kühlmittelregeleinheit
geschehen. Die Menge des zur Verfügung stehenden Kühlmittels
ist zentral für die Ausführung des erfindungsgemäßen
Verfahrens. Somit muss sichergestellt werden, dass der Brennstoff
jederzeit durch genügend Kühlmittel gekühlt
wird, um nicht zu verdampfen. Um dieses sicherzustellen ist es vorteilhaft,
eine Mehrzahl von Betriebsparametern des Speicherbehälters
zu ermitteln. Insbesondere sollte das Regeln einer nachzuführenden
Menge an Kühlmittel in Abhängigkeit von wenigstens
einem der folgenden Betriebsparameter geschehen: Kühlmittelfüllstand,
Druck des Brennstoffes, Druck des Kühlmittels, Temperatur
des Kühlmittels, Temperatur des Brennstoffes, Menge an
flüssigem Kühlmittel, Menge an gasförmigen
Kühlmittel oder Menge an Brennstoff. So ist sichergestellt,
dass eine Wärmezufuhr in dem Kühlmantel überwacht wird.
Weiterhin kann jederzeit Kühlmittel aus dem Kühlmittelspeicher
nachgeführt werden, wenn die Temperatur innerhalb des Kühlmantels
derart zu steigen beginnt, dass eine Verdunstung des Brennstoffes
und/oder eine Desorption des Brennstoffes aus dem Brennstoffelement
zu befürchten steht.
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Als
vorteilhaft hat es sich weiterhin herausgestellt, wenn das Verfahren
den Schritt Heizen des Adsorptionselementes umfasst, um den Brennstoff aus
dem Adsorptionselement frei zu setzen. Die Desorption des Brennstoffes
aus dem Adsorptionselement ist ein endothermer Prozess. Folglich
muss dem Adsorptionselement Wärme zur Verfügung
gestellt werden, damit sich der Brennstoff aus diesem löst.
Damit dieser Vorgang schneller vorangeht, hat es sich als vorteilhaft
erwiesen, das Adsorptionselement bei einer Anforderung der Brennstoffzelle und/oder
Erreichen einer vordefinierten Restmenge an Brennstoff zu heizen.
Dieses kann insbesondere durch ein Heizelement geschehen, welches
in dem Speicherbehälter integriert ist.
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Besonders
bevorzugt ist es, wenn der Speicherbehälter nach einem
der oben beschriebenen Verfahren betreibbar ist.
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Die
erfindungsgemäße Aufgabe wird ebenfalls gelöst,
durch einen Brennstoffzellensystem mit mindestens einer Brennstoffzelle.
Dabei ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass das
Brennstoffzellensystem mindestens einen Speicherbehälter
gemäß einer der oben beschriebenen Ausführungsvarianten
umfasst, wobei über den Speicherbehälter die mindestens
eine Brennstoffzelle mit einem darin bevorrateten Brennstoff versorgbar
ist. Als besonders vorteilhaft hat es sich dabei herausgestellt,
wenn der Speicherbehälter des Brennstoffzellensystems nach einem
der oben beschriebenen Verfahren betrieben wird. Dazu können
die Brennstoffzelle und/oder das Brennstoffzellensystem mit dem
erfindungsgemäßen Speicherbehälter über
eine Entnahmeeinheit gekoppelt sein. Dadurch kann Brennstoff aus
dem Speicherbehälter in die Brennstoffzelle eingeführt werden.
Um Restmengen des Brennstoffes aus dem Speicherbehälter
zu entnehmen hat es sich als vorteilhaft erwiesen, eine Abwärme
der Brennstoffzelle in einem Heizelement des Speicherbehälters
zu leiten. Dieses Heizelement sorgt für eine Erwärmung des
Adsorptionselementes und damit für eine Desorption des
Brennstoffes.
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Ausführungsbeispiele
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Weitere
die Erfindung verbessernde Maßnahmen sind in den Unteransprüchen
angegeben oder ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines
Ausführungsbeispiels der Erfindung, welches in der Figur
schematisch dargestellt ist. Sämtliche aus den Ansprüchen,
der Beschreibung oder der Zeichnung hervorgehende Merkmale und/oder
Vorteile, einschließlich konstruktiver Einzelheiten, räumliche
Anordnungen und Verfahrensschritte, können sowohl für
sich als auch in den verschiedensten Kombinationen erfindungswesentlich
sein. Es zeigen:
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1 einen
schematischen Schnitt durch einen erfindungsgemäßen
Speicherbehälter,
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2 eine
Adsorptions-Isotherme eines anorganischen Metalloxidclusters (MOF),
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3 eine
weitere vorteilhafte Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen
Speicherbehälters,
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4 einen
schematischen Schnitt durch einen weiteren Speicherbehälter
mit einer Mehrzahl von Querverbindungen,
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5 einen
schematischen Schnitt durch einen weiteren Speicherbehälter
mit einem Kühlmittelspeicher und
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6 eine
Mehrzahl von Langmuir-Isothermen für eine Vielzahl von
Temperaturen.
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In 1 ist
ein erfindungsgemäßer Speicherbehälter 10 dargestellt,
der zur verlustreduzierten Speicherung eines bei Betriebsbedingungen flüchtigen
Brennstoffes 20 dient. Wie die in 1 gezeigte
schematische Schnittzeichnung des Speicherbehälters 10 verdeutlicht,
weist dieser eine Mehrschichtstruktur auf. So umfasst der Speicherbehälter 10 ein
Speichergefäß 40 und einen Kühlmantel 60. Dabei
lagert das Speichergefäß 40 den Brennstoff 20.
Der Kühlmantel 60 umgibt das Speichergefäß 40 im
Wesentlichen umfänglich und dient zur Kühlung des
Brennstoffes 20. Der erfindungsgemäße Speicherbehälter 10 soll
insbesondere zur Speicherung von Brennstoffen 20 für
Brennstoffzellen dienen. Nicht eingezeichnet ist eine Isolationsschicht,
die im Allgemeinen den Speicherbehälter 10 umgibt.
Im Rahmen der Beschreibung des Ausführungsbeispiels wird
als Brennstoff 20 häufig Wasserstoff genannt.
Dieses soll allerdings nicht als eine Einschränkung verstanden
werden, sondern dient vielmehr nur zum Fördern des Verständnisses.
Wasserstoff weist eine sehr niedriger Verdampfungstemperatur auf
(ca. 20 K) und ist gleichzeitig sehr kostenintensiv herzustellen.
Folglich soll der erfindungsgemäße Speicherbehälter 10 einen
Verlust des Wasserstoffes durch Verdampfen weitestgehend reduzieren.
Erfindungsgemäß ist dafür vorgesehen,
dass in dem Kühlmantel 60 zumindest bereichsweise
ein Kühlmittel 30 lagert, das eine höhere
Verdampfungstemperatur als der Brennstoff 20 aufweist.
Das Abdampfen des teuren Wasserstoffs wird durch die Kühlung
mit einem Kühlmittel 30, wie etwa flüssigen
Stickstoff, in dem Kühlmantel 60 verhindert. Der
Kühleffekt wird durch die niedrige Temperatur des flüssigen
Kühlmittels 30 erreicht. Dabei wird ein Temperaturanstieg
des Kühlmittels 30 durch das Abblasen des verdampften
Kühlmittels 30 verhindert. Insbesondere die Nutzung
von flüssigem Stickstoff als Kühlmittel 30 ist
vorteilhaft, da dieses heute relativ kostengünstig und
in großen Mengen erhältlich ist.
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Damit
die oben genannten Nachteile überwunden werden, weist das
Speichergefäß 40 ein Adsorptionselement 50 auf,
wobei der Brennstoff in den Adsorptionselement 50 reversibel
adsorbierbar ist. Das Adsorptionselement 50 besteht aus
einem Material mit großer innerer Oberfläche,
an der der Brennstoff 20 angelagert wird. Die exotherme
Reaktion der Adsorption führt dazu, dass der Brennstoff 20 in
dem Adsorptionselement 50 angelagert wird. Das Adsorptionselement 50 hat
den Vorteil, dass große Mengen von einem Brennstoff 50 innerhalb
des Speichergefäßes 10 gelagert werden
können, obwohl dieses eine Temperatur aufweist, die möglicherweise
höher als die Verdampfungstemperatur des Brennstoffes 20 ist.
So lassen sich mit flüssigem Stickstoff leicht Temperaturen
um 77 K erreichen, eine Temperatur bei der Wasserstoff schon verdampft
ist. Bei bekannten Speichergefäßen 10 entsteht
dadurch im Inneren ein hoher Druck. Um dieses zu vermeiden ist erfindungsgemäß vorgesehen,
dass der Brennstoff 20 in dem Adsorptionselement 50 adsorbiert
wird.
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Die 2 verdeutlicht,
dass die Menge des von dem Adsorptionselement adsorbierten Brennstoffes
mit sinkender Temperatur steigt. In 2 ist die
Menge des gespeicherten Wasserstoffes 130 als Verhältnis
des Wasserstoffdruckes 120 dargestellt. Eingezeichnet sind
vier Adsorptions-Isothermen eines anorganischen Metalloxidclusters
(MOF-5) bei unterschiedlichen Temperaturen. Wie zu erkennen ist,
steigt die Menge des adsorbierten Wasserstoffes bei einer Temperatur 150 zwischen
200 K und 298 K nicht über 1 Gew.-% an. Bei einer Temperatur 140 zwischen
77 K und 87 K wird eine Sättigungsadsorption von nahezu
5 Gew.-% erreicht. Folglich wird durch die Reduktion der Temperatur
des Adsorptionselementes 50 die gespeicherte Menge an Brennstoff 20 nahezu
verfünffacht, ohne dass dadurch der Druck des Wasserstoffes
in dem Speichergefäß 10 steigt.
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Als
nachteilig hat es sich bei diesen Temperaturen herausgestellt, dass
durch unvermeidlichen Wärmeintrag aus der Umgebung die
Temperatur des Speichergefäßes 40 und
damit der Gasdruck innerhalb des Speichergefäßes 40 ansteigt.
Um zu verhindern, dass ein kritischer Druck überschritten
wird, wird bei Erreichen des kritischen Drucks ein Sicherheitsventil 41 geöffnet.
Die 3 verdeutlicht die Anordnung des Sicherheitsventils 41. Überschreitet
der Innendruck in dem Speichergefäß 40 den
im Vorhinein definierten kritischen Druck, so öffnet sich
das Sicherheitsventil 41 und der gasförmige Brennstoff 50 kann
in die Umgebung entweichen. Handelt es sich bei dem Brennstoff 50 um
Wasserstoff hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn das Wasserstoffgas über einen
Katalysatorelement 49 in ungefährliches Wasser
umgewandelt wird. Dementsprechend müsste der Katalysatorelement 49 in
der Nähe und/oder im Sicherheitsventil 41 integriert
sein.
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Der
Speicherbehälter in 3 weist
weiterhin einen Kühlmittelspeicher 80 auf, wobei
in dem Kühlmittelspeicher 80 Kühlmittel 30 für
den Kühlmantel 60 bevorratet ist. Durch den Kühlmittelspeicher 80 wird
für den erfindungsgemäßen Speicherbehälter 10 zusätzliche
Standzeit gewonnen. Der Kühlmittelspeicher 80 stellt
ein Kältereservoir dar, aus welchem der Kühlmantel 60 Kühlmittel 30 entnehmen
kann. Verdunstet ein Teil des Kühlmittels 30 durch
den Wärmeeintrag von der Außenseite, kann das
Kühlmittelgas über das Sicherheitsventil 41 entweichen
und weiteres Kühlmittel aus dem Kühlmittelspeicher 80 in den
Kühlmantel 60 einfließen. Zusätzlich
ist der dargestellte Speicherbehälter 10 mit einem
Isolationselement 55 umgeben. Das Isolationselement 55 isoliert
den Kühlmantel 60 gegenüber einer Umgebung. Folglich
werden Wärmeeinträge nur zeitverzögert und
gedämpft auf den Kühlmantel 60 einwirken.
Bei dem Isolationselement 55 kann es sich insbesondere um
eine Mischung aus pulverigem Isolierungsmaterial und einem Metallpulver
oder ein Radiation Shield handeln. Solcherart Isolationselemente
weisen eine sehr geringe Wärmeleitfähigkeit auf.
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In 4 ist
eine weitere Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen
Speicherbehälters 10 dargestellt. Zur Befüllung
des Adsorptionselementes 50 bzw. des Speichergefäßes 40 weist
der gezeigte Speicherbehälter eine Betankungseinheit 42 und eine
Entnahmeeinheit 43 auf. Mittels der Betankungseinheit 42 ist
es möglich, den Brennstoff in das Speichergefäß einzuführen.
Wird der erfindungsgemäße Speicherbehälter
beispielsweise in einem Kraftfahrzeug genutzt, kann über
die Betankungseinheit 42 der Brennstoff 20 an
einer Tankstelle in das Speichergefäß 40 eingeführt
und von dem Adsorptionselement 50 adsorbiert werden. Soll
hingegen Brennstoff 20 aus dem Speichergefäß 40 entnommen
werden, dient dazu die Entnahmeeinheit 43. Über
die Entnahmeeinheit 43 strömt der Brennstoff 20 zu
dem Verbraucher, wie etwa einer Brennstoffzelle. Darüber
hinaus weist der Speicherbehälter 10 eine Nachfülleinheit 62 auf,
wobei mittels der Nachfülleinheit 62 kühlendes
Kühlmittel 30 in den Kühlmantel 60 nachführbar
ist. Da das Kühlmittel 30 dazu dient, die von
außen einströmende Wärme aufzunehmen,
sodass diese nicht zum Brennstoff 20 vordringt, ist ein
Verbrauch des Kühlmittels 30 unabdingbar. Damit
Kühlmittel 30 nachgefüllt werden kann,
bedarf es der Nachfülleinheit 62. Es kann sich
dabei um ein Ventil handeln, welches mit dem Kühlmantel 60 verbunden
ist und ein Einströmen des Kühlmittels 30 wie etwa
flüssigem Stickstoff ermöglicht. Das Sicherheitsventil 41 wurde
in 4 der Übersichtlichkeit wegen nicht eingezeichent.
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Um
das Speichergefäß 40 mechanisch zu stabilisieren
weist dieses Querverbindungen 91 auf. In dem dargestellten
Ausführungsbeispiel laufen die Querverbindungen 91 durch
das Innere des Speichergefäßes 40, welches
eine etwa zylinderartige Form aufweist. Etwaige, bei der Verdampfung
des Brennstoffes 20, entstehende Drücke können
durch die Querverbindungen 91 aufgefangen werden. Darüber
hinaus dient die Oberfläche der Querverbindungen 91 dazu,
Temperaturgradienten innerhalb des Adsorptionselementes 50 auszugleichen.
Dieser Aufgabe sind auch die Wärmeleitbleche 90 gewidmet. Diese
ragen von den Querverbindungen 91 in das Adsorptionselement 50 hinein.
Da es sich bei der Adsorption des Brennstoffes 20 durch
das Adsorptionselement 50 um eine exotherme Reaktion handelt,
ist es vorteilhaft, wenn die entstehende Wärme schnell abgeführt
werden kann. Dazu dienen die Wärmeleitbleche 90.
Dieses nehmen an der Oberfläche die bei der Adsorption
entstehende Wärme auf und fuhren sie an die Querverbindungen 91 weiter.
Von dort aus kann die Wärme in den Randbereich des Speichergefäßes 40 abgeleitet
werden. Dieser Randbereich 40 ist in direktem Kontakt mit
dem Kühlmantel 60, so dass die durch die Adsorption
auftretende Wärme vom Kühlmittel 30 aufgenommen
werden kann. In der dargestellten Ausführungsvariante weist
der Speicherbehälter eine Mehrzahl von Wärmetransportelementen 92 auf.
Diese Wärmetransportelemente dienen dazu, die Adsorptionswärme
aus dem Speichergefäß 40 in den Kühlmantel 60 ab
zu führen. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel
ist das Wärmetransportelement 92 in die Querverbindung 91 integriert
und weist einen direkten Kontakt mit dem Kühlmantel 60 auf.
Das Kühlmittel 30 des Kühlmantels 60 fließt
durch das Wärmetransportelement 92 und damit durch
die Querverbindungen 91 hindurch. Die bei der Adsorption
entstehende Wärme kann so schnell von dem Kühlmittel 30 aufgenommen
werden, da die Distanzen zwischen dem Entstehungspunkt der Adsorptionswärme
und dem kühlenden Kühlmittel 30 sehr
gering sind.
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In 5 ist
eine weitere Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen
Speicherbehälters 10 dargestellt. Dieser Speicherbehälter 10 kombiniert die
Merkmale der in den 3 und 4 gezeigten Speicherbehälter 10.
So weist der Speicherbehälter 10 oberhalb des
Kühlmantels 60 einen Kühlmittelspeicher 80 auf,
der Kühlmittel 30 bevorratet. Über eine
Nachfülleinheit 62 ist der Kühlmittelspeicher 80 mit
dem Kühlmantel 60 verbunden. Zur Befüllung
des Kühlmittelspeichers 80 weist dieser das Nachfüllmittel 82 auf. Über
das Nachfüllmittel 82 kann ein Benutzer Kühlmittel 30,
wie etwa flüssigen Stickstoff in den Kühlmittelspeicher 80 einfüllen.
Zwischen Kühlmittelspeicher 80 und Kühlmantel 60 ist
eine sperrbare Zuführung 76 angeordnet, die den
Zufluss von Kühlmittel 30 aus dem Kühlspeicher 80 in
den Kühlmantel 60 steuert. Diese sperrbare Zuführung 76 ist
mit einer Kühlmittelregeleinheit 75 verbunden.
Die Kühlmittelregeleinheit 75 dient zur Regulierung
der Kühlmittelmenge in dem Kühlmantel 60.
Bei der Kühlmittelregeleinheit 75 kann es sich
um einen integrierten Schaltkreis handeln, in dem ein Computerprogramm abläuft,
welches die Kühlung des Brennstoffes 20 in dem
Speicherbehälter 10 überwacht. Die Kühlmittelregeleinheit 75 ist
mit einem Detektor 70 verbunden. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel
handelt es sich bei dem Detektor 70 um einen Temperatursensor,
welcher die Temperatur des Brennstoffes 20 in dem Speichergefäß 40 ermittelt.
Zusätzlich können weitere Detektoren in dem Speicherbehälter 10 integriert
sein, die unter anderem eine Menge des flüssigen Kühlmittels 30 in
den Kühlmittelspeicher 80 und eine Temperatur
der Menge an Kühlmittel 30 in dem Kühlmantel 60 messen.
Unter Berücksichtigung dieser Informationen kann die Kühlmittelregeleinheit 75 die
Menge des aus dem Kühlmittelspeicher 80 in den Kühlmantel
zugeführten Kühlmittels 30 steuern.
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In
dem dargestellten Ausführungsbeispiel weist sowohl der
Kühlmittelspeicher 80 ein Schutzventil 81 als
auch der Kühlmantel 60 ein Überdruckventil 61 auf.
Beide Ventile 61, 81 sollen sicherstellen, dass
die bei Erwärmung des Kühlmittels 30 entstehenden
Kühlmittelgase in die Umgebung abgelassen werden können.
Wäre diese Möglichkeit nicht gegeben, könnte
der durch die Verdampfung des Kühlmittels 30 entstehende
Druck so groß werden, dass die mechanische Integrität
des Speicherbehälters 10 gefährdet wäre.
Bei dem Überdruckventil 61 und/oder dem Schutzventil 81 kann
es sich ja nach Anforderungen um ein Proportionalventil, ein Vollhubsicherheitsventil
oder ein Normalsicherheitsventil handeln. Dabei wird unterschieden,
wie das Ansprechverhalten der Ventile in Bezug auf den Druck ist.
So öffnet das Vollhubsicherheitsventil beim Ansprechen
schlagartig und mit vollem Hub, während das Proportionalventil
in einem Bereich zwischen einem Ansprechdruck und einem Maximaldruck
jeweils proportional zum Druck öffnet.
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Weiterhin
sind in das Speichergefäß 40 des gezeigten
Speicherbehälters 10 Querverbindungen 91 integriert.
Diese Querverbindungen 91 sollen einerseits das Speichergefäß 40 mechanisch
stabilisieren. Andererseits dienen die Querverbindungen 91 zum
Wärmetransport innerhalb des Adsorptionselements 50.
Dadurch können etwaige Temperaturgradienten innerhalb des
Adsorptionselementes 50 ausgeglichen werden. Zusätzlich
sind in die Querverbindungen 91 Wärmetransportelemente 92 integriert, die
direkten Kontakt mit dem Kühlmantel 60 aufweisen,
so dass auch innere Bereiche des Adsorptionselementes 50 in
direkten Kontakt mit dem Kühlmittel 30 stehen.
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Zu
Verdeutlichung des erfindungsgemäßen Verfahrens
sind in der 6 Adsorptions-Isothermen gezeigt.
Diese beschreiben den Gleichgewichtszustand der Sorption eines Stoffes
an einer Oberfläche bei einer konstanten Temperatur. Dazu
stellen die Adsorptions-Isothermen die an der Oberfläche
gebundene Stoffmenge in Abhängigkeit vom Speicherdruck.
Bei den gezeigten Adsorptions-Isothermen handelt es sich im dargelegten
Fall um Langmuir-Isothermen.
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Die 6 verdeutlicht
eine erste Strategie zur Entnahme des Brennstoffes aus dem Speicherbehälter 10.
Dazu wird angenommen, dass es sich bei dem Brennstoff 20 um
Wasserstoff handelt, der eine Verdampfungstemperatur von ca. 20
K aufweist. Gekühlt wird der Wasserstoff mit flüssigem
Stickstoff, der eine Verdampfungstemperatur von ca. 77 K besitzt.
Im Rahmen des Beispieles wird angenommen, dass der flüchtige
Stickstoff einen Druck von 1,2 bar aufweist, was einer Temperatur
von 80,4 K entspricht. Um den Wasserstoff in der geforderten Menge
aus dem Speicher zu entnehmen, kann dieses zunächst durch
einfache Entnahme durch Druckreduzierung im Adsorptionselement 50 geschehen.
Dieses verdeutlicht 6 durch den Weg zwischen den Punkten
1 und 2. Es wird angenommen, dass bei Punkt 2 der Verbraucher abgestellt
wird. Dadurch kann durch äußeren Wärmeeintrag
die Temperatur solange ansteigen, bis der Druck im Adsorptionselement 50 den
zulässigen Maximaldruck von 20 bar erreicht hat. Im Kühlmantel 60 verdampft
zu diesem Zeitpunkt aller flüssige Stickstoff. Damit wird
gasförmiger Stickstoff abgeblasen, da das Überdruckventil 61 bei
1,2 bar anspricht. Wenn der Druck von 20 bar innerhalb des Speichergefäßes 40 überschritten wird,
ist es notwendig, das Adsorptionselement 50 wieder zu kühlen,
damit der Druck nicht weiter ansteigen kann. Dieses kann dadurch
geschehen, das Kühlmittel 30 aus dem Kühlmittelspeicher 80 in
geeigneter Menge den Kühlmantel 60 zugeführt
wird, so dass die zu 20 bar gehörende Speichertemperatur
(in unserem Beispiel 90 K) aufrechterhalten bleibt. Ein erneutes
Hinunterkühlen des Adsorptionselementes auf die Ausgangstemperatur
ist nicht notwendig. Wird der Verbraucher wieder aktiviert, so kann
der Wasserstoff wiederum durch Druckentlastung des Adsorptionselementes 50 entnommen
werden, was die Punkte 3 bis 4 verdeutlichen. Wird der für
die Brennstoffzelle notwendige Betriebsdruck um 3 bis 5 bar unterschritten,
so ist die dem Adsorptionselement 50 entnommene Menge an
Wasserstoff nicht mehr ausreichend für den Verbraucher.
Somit muss zur Entnahme der Restmenge des Brennstoffes 20 geheizt
werden. Dieses soll angedeutet werden durch das eingezeichnete Verhalten
zwischen den Punkten 5 und 6. Der eingezeichnete Weg kreuzt dabei
mehrere Isothermen mit zunehmender Temperatur.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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