DE102009000508A1 - Speicherbehälter und Verfahren zum verlustreduzierten Speichern eines Brennstoffs - Google Patents

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Ulrich Gottwick
Jan-Michael Graehn
Werner Gruenwald
Ian Faye
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Robert Bosch GmbH
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Robert Bosch GmbH
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F17STORING OR DISTRIBUTING GASES OR LIQUIDS
    • F17CVESSELS FOR CONTAINING OR STORING COMPRESSED, LIQUEFIED OR SOLIDIFIED GASES; FIXED-CAPACITY GAS-HOLDERS; FILLING VESSELS WITH, OR DISCHARGING FROM VESSELS, COMPRESSED, LIQUEFIED, OR SOLIDIFIED GASES
    • F17C11/00Use of gas-solvents or gas-sorbents in vessels
    • F17C11/005Use of gas-solvents or gas-sorbents in vessels for hydrogen

Abstract

Der Gegenstand der vorliegenden Erfindung betrifft einen Speicherbehälter (10) zum verlustreduzierten Speichern eines bei Betriebsbedingungen flüchtigen Brennstoffs (20), mit einem Speichergefäß (40) und einem Kühlmantel (60), wobei das Speichergefäß (40) den Brennstoff (20) lagert, der Kühlmantel (60) das Speichergefäß (40) im Wesentlichen umfänglich umgibt und zur Kühlung des Brennstoffes (20) dient, in dem Kühlmantel (60) zumindest bereichsweise ein Kühlmittel (30) lagert, das eine höhere Verdampfungstemperatur als der Brennstoff (20) aufweist. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass das Speichergefäß (40) ein Adsorptionselement (50) aufweist, und der Brennstoff (20) in dem Adsorptionselement (50) reversibel adsorbierbar ist.

Description

  • 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.
  • Stand der Technik
  • 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.
  • Aufgabe und Vorteile der Erfindung
  • 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.
  • 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.
  • Die Erfindung schließt die technische Lehre ein, dass das Speichergefäß ein Adsorptionselement aufweist, und der Brennstoff in dem Adsorptionselement reversibel adsorbierbar ist.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Besonders bevorzugt ist es, wenn der Speicherbehälter nach einem der oben beschriebenen Verfahren betreibbar ist.
  • 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.
  • Ausführungsbeispiele
  • 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:
  • 1 einen schematischen Schnitt durch einen erfindungsgemäßen Speicherbehälter,
  • 2 eine Adsorptions-Isotherme eines anorganischen Metalloxidclusters (MOF),
  • 3 eine weitere vorteilhafte Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Speicherbehälters,
  • 4 einen schematischen Schnitt durch einen weiteren Speicherbehälter mit einer Mehrzahl von Querverbindungen,
  • 5 einen schematischen Schnitt durch einen weiteren Speicherbehälter mit einem Kühlmittelspeicher und
  • 6 eine Mehrzahl von Langmuir-Isothermen für eine Vielzahl von Temperaturen.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • - US 3930375 [0002]

Claims (36)

  1. Speicherbehälter (10) zum verlustreduzierten Speichern eines bei Betriebsbedingungen flüchtigen Brennstoffs, mit einem Speichergefäß (40) und einem Kühlmantel (60), wobei das Speichergefäß (40) den Brennstoff (20) lagert, der Kühlmantel (60) das Speichergefäß (40) im Wesentlichen umfänglich umgibt und zur Kühlung des Brennstoffs (20) dient, in dem Kühlmantel (60) zumindest bereichsweise ein Kühlmittel (30) lagert, das eine höhere Verdampfungstemperatur als der Brennstoff (20) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass das Speichergefäß (40) ein Adsorptionselement (50) aufweist, und der Brennstoff (20) in dem Adsorptionselement (50) reversibel adsorbierbar ist.
  2. Speicherbehälter (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Adsorptionselement (50) wenigstens einen der folgenden Stoffe aufweist: einen Kohlenstoff, insbesondere einen amorphen Kohlenstoff, ein Metal-Organic Framework (MOF) oder ein Element der Gruppe der Zeolithe.
  3. Speicherbehälter (10) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Adsorptionselement (50) aus einer Mehrzahl von Absorptionsmitteln besteht, wobei jedes Adsorptionsmittel schüttgutartig ausgeformt ist, insbesondere dass das Adsorptionsmittel tablettenförmig und/oder fadenförmig ausgestaltet ist.
  4. Speicherbehälter (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Adsorptionselement (50) und/oder die Adsorptionsmittel das Speichergefäß (40) im Wesentlichen ausfüllt.
  5. Speicherbehälter (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Speicherbehälter (10) mindestens einen Detektor (70) aufweist, der ausgebildet ist, um einen Betriebsparameter zu detektieren, insbesondere dass der Detektor (70) wenigstens einen der folgenden Betriebszustände detektiert: einen Kühlmittelfüllstand, einen Druck des Brennstoffes, einen Druck des Kühlmittels (30), eine Temperatur des Adsorptionselementes (50), eine Temperatur des Kühlmittels (30), eine Temperatur des Brennstoffes, eine Menge an flüssigem Kühlmittel (30), eine Menge an gasförmigen Kühlmittel (30) oder eine Menge an Brennstoff (20).
  6. Speicherbehälter (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlmantel (60) ein Überdruckventil (61) aufweist, wobei mittels des Überdruckventils das Kühlmittel (30) in eine Umgebung ableitbar ist, sobald ein Druck des Kühlmittels (30) eine Grenze überschreitet.
  7. Speicherbehälter (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Speichergefäß (40) ein Sicherheitsventil (41) aufweist, wobei mittels des Sicherheitsventils der Brennstoff (20) in eine Umgebung ableitbar ist, sobald ein Druck des Brennstoffes eine Schwelle überschreitet, insbesondere dass das Sicherheitsventil (41) mit einem Katalysatorelement (49) verbunden ist.
  8. Speicherbehälter (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlmantel (60) eine Abführeinheit und/oder eine Nachfülleinheit (62) aufweist, wobei mittels der Abführeinheit erwärmtes Kühlmittel (30) abführbar und mittels der Nachfülleinheit (62) kühlendes Kühlmittel (30) nachführbar ist.
  9. Speicherbehälter (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Speichergefäß (40) eine Betankungseinheit (42) und/oder eine Entnahmeeinheit (43) aufweist, wobei mittels der Betankungseinheit (42) der Brennstoff (20) in das Speichergefäß (40) einführbar ist und mittels der Entnahmeeinheit (43) der Brennstoff (20) aus dem Speichergefäß (40) entnehmbar ist.
  10. Speicherbehälter (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Speicherbehälter (10) eine Kühlmittelregeleinheit (75) zur Regulierung einer Kühlmittelmenge in dem Kühlmantel (60) aufweist.
  11. Speicherbehälter (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlmantel (60) mit einem Kühlmittelspeicher (80) verbunden ist, wobei der Kühlmittelspeicher (80) Kühlmittel (30) für den Kühlmantel (60) bevorratet, insbesondere dass der Kühlmittelspeicher (80) extern zu dem Kühlmantel (60) angeordnet ist.
  12. Speicherbehälter (10) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Nachfülleinheit (62) mit dem Kühlmittelspeicher (80) verbunden ist.
  13. Speicherbehälter (10) nach einem der vorherigen Ansprüche 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Nachfülleinheit (62) über die Kühlmittelregeleinheit (75) mit dem Kühlmantel (60) koppelbar ist, um die Menge an Kühlmittel (30) in dem Kühlmantel (60) zu regeln.
  14. Speicherbehälter (10) nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlmittelregeleinheit (75) eine sperrbare Zuführung vom Kühlmittelspeicher (80) zum Kühlmantel (60) umfasst, welche in Abhängigkeit von einem detektierten Betriebsparametern betätigt wird, um ein Nachfüllen zu starten oder zu stoppen.
  15. Speicherbehälter (10) nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlmittelspeicher (80) weiter ein druckgeregeltes Schutzventil (81) umfasst, um verdampfendes Kühlmittel (30) abzulassen.
  16. Speicherbehälter (10) nach einem der Ansprüche 11 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlmittelspeicher (80) ein Nachfüllmittel (82) aufweist, wobei mittels des Nachfüllmittels (82) kühlendes Kühlmittel (30) nachführbar ist.
  17. Speicherbehälter (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Speichergefäß (40) mindestens eine Querverbindung (91) aufweist, wobei die Querverbindung (91) das Speichergefäß (40) mechanisch stabilisiert.
  18. Speicherbehälter (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Speichergefäß (40) wenigstens ein Wärmeleitblech (90) aufweist, wobei mittels des Wärmeleitblechs (90) Temperaturgradienten innerhalb des Speichergefäßes ausgleichbar sind.
  19. Speicherbehälter (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Speicherbehälter (10) wenigstens ein Wärmetransportelement (92) aufweist, wobei das Wärmetransportelement (92) eine Adsorptionswärme aus dem Speichergefäß (40) in den Kühlmantel (60) führen, insbesondere dass das Wärmetransportelement (92) zumindest teilweise im Inneren des Speichergefäßes (40) verlauft und in einem Wärmeaustausch mit dem Kühlmittel (30) stehen.
  20. Speicherbehälter (10) nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmetransportelement (92) in die Querverbindung (91) integriert ist.
  21. Speicherbehälter (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Speicherbehälter (10) ein Heizelement aufweist, wobei mittels des Heizelements das Adsorptionselement (50) erwärmbar ist, insbesondere dass das Heizelement in der Querverbindung (91) integriert ist.
  22. Speicherbehälter (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Speicherbehälter (10) einen Kompressor aufweist, wobei mittels des Kompressors ein aus dem Speichergefäß (40) entnommener Brennstoff (20) komprimierbar ist.
  23. Verfahren zum verlustreduzierten Speichern eines bei Betriebsbedingungen flüchtigen Brennstoffs (20) aus einem als Adsorbat-Speicher ausgestalteten Adsorptionselementes (50) in einem Speicherbehälter (10), umfassend die Schritte: Kühlen des in einem Speichergefäß (40) befindlichen Brennstoffs (20) auf einen Zustand, in dem der Brennstoff (20) nicht flüchtig ist, mittels eines Kühlmittels (30), wobei das Kühlmittel (30) eine höhere Verdampfungstemperatur als der Brennstoff (20) aufweist, so dass das Kühlmittel (30) bei Erwärmung vor dem Brennstoff (20) verdampft, und Regeln einer Kühlmittelmenge, wobei erwärmtes Kühlmittel (30) abgeführt und kühlendes Kühlmittel (30) zugeführt wird.
  24. Verfahren nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt Regeln das Ablassen des verdampfenden Kühlmittels (30) bei Zuführen von Wärmeenergie umfasst, so dass das Kühlmittel (30) die zugeführte Wärmeenergie abführt, insbesondere dass eine Temperatur des Speichergefäßes (40) durch das Ablassen des verdampfenden Kühlmittels (30) nahezu konstant bleibt, insbesondere dass die Temperatur des Speichergefäßes (40) durch das Ablassen des verdampfenden Kühlmittels (30) nur innerhalb eines Temperaturbereiches von [–10 K; 10 K] um die Temperatur des flüssigen Kühlmittel (30) schwankt.
  25. Verfahren nach einem der Ansprüche 23 oder 24, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt Regeln weiter umfasst: geregeltes Nachfüllen des kühlenden Kühlmittels (30) aus einem Kühlmittelspeicher (80) bei Erreichen eines vorgegebenen Wertes.
  26. Verfahren nach einem der Ansprüche 23 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt Nachfüllen bei Erreichen eines vorgegebenen Speicherdruckwertes des Brennstoffes durchgeführt wird.
  27. Verfahren nach einem der Ansprüche 23 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren durchgeführt wird mit einem Brennstoff (20), der ausgewählt wird aus der Gruppe der Brennstoffe für Brennstoffzellen, insbesondere dass der Brennstoff (20) wenigstens einen der folgenden Stoffe umfasst: Wasserstoff, Methan, Erdgas oder Kohlegas.
  28. Verfahren nach einem der Ansprüche 23 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren durchgeführt wird mit einem Kühlmittel (30), das ausgewählt wird aus der Gruppe der Kältemittel, insbesondere dass das Kühlmittel (30) wenigstens einen der folgenden Stoffe umfasst: Stickstoff, Diethylether, Ammoniak, Kohlenwasserstoffe wie Halogenkohlenwasserstoffe, flüssige Luft oder Sauerstoff.
  29. Verfahren nach einem der Ansprüche 23 bis 28, dadurch gekennzeichnet, dass das der Schritt Regeln umfasst: Detektieren eines Betriebsparameters, insbesondere Detektieren des Betriebsparameters, um bei einem Erreichen eines Betriebsparameterwertes ein Nachfüllen von Kühlmittel (30) aus dem Kühlmittelspeicher (80) durchzuführen.
  30. Verfahren nach einem der Ansprüche 23 bis 29, dadurch gekennzeichnet, dass das Detektieren des Betriebsparameters zur Regelung einer nachzufüllenden Menge an Kühlmittel (30) in Abhängigkeit von wenigstens einem der folgenden Betriebsparametern geschieht: Kühlmittelfüllstand, Druck des Brennstoffes, Druck des Kühlmittels (30), Temperatur des Adsorptionselementes (50), eine Temperatur des Kühlmittels (30), Temperatur des Brennstoffes, Menge an flüssigem Kühlmittel (30), Menge an gasförmigen Kühlmittel (30) oder Menge an Brennstoff (20).
  31. Verfahren nach einem der Ansprüche 23 bis 30, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren weiterhin umfasst den Schritt Heizen des Adsorptionselementes (50), um den Brennstoff (20) aus dem Adsorptionselement (50) zu lösen.
  32. Brennstoffzellensystem mit mindestens einer Brennstoffzelle, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Speicherbehälter (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 22 umfasst ist, mittels welchen das Brennstoffzellensystem mit einem darin bevorrateten Brennstoff (20) versorgbar ist.
  33. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 32, dadurch gekennzeichnet, dass der Speicherbehälter (10) nach einem der Verfahren gemäß den Ansprüchen 23 bis 31 betreibbar ist.
  34. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 32 oder 33, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzelle mit dem Speicherbehälter (10) über eine Entnahmeeinheit (43) gekoppelt ist.
  35. Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 32 bis 34, dadurch gekennzeichnet, dass eine Abwärme der Brennstoffzelle in ein Heizelement des Speicherbehälters (10) geleitet wird.
  36. Speicherbehälter (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass der Speicherbehälter (10) gemäß einem der Verfahren nach Anspruch 23 bis 31 betreibbar ist.
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