-
Die
Erfindung betrifft ein Wasserstoffbereitstellungssystem, umfassend
eine Wasserstoffreservoireinrichtung mit mindestens einem Wasserstoffreservoir,
mindestens eine mobile Einheit mit einem Metallhydrid-Wasserstoffspeicher
und eine Kopplungseinrichtung zur Ankopplung der mindestens einen
mobilen Einheit an die Wasserstoffreservoireinrichtung zur Befüllung
des Metallhydrid-Wasserstoffspeichers mit Wasserstoff.
-
Die
Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Bereitstellung von Wasserstoff
an eine mobile Einheit.
-
Wasserstoffbereitstellungssysteme
werden eingesetzt, um Wasserstoff fernab von Wasserstoffherstellungseinrichtungen
bereitzustellen. Insbesondere für mobile Anwendungen wird
dabei ein Wasserstoffspeicher benötigt. Zur Speicherung
von Wasserstoff werden beispielsweise Metallhydrid-Wasserstoffspeicher
eingesetzt.
-
Die
Einlagerung von Wasserstoff in einem metallhydridbildenden Metall
oder einer metallhydridbildenden Metalllegierung ist eine exotherme
Reaktion. Beispielsweise wird bei der Speicherung von 1 kg Wasserstoff
unter Verwendung von LaNi5 als metallhydridbildende
Legierung eine Wärme von ungefähr 15 MJ frei.
Da die Reaktionskinetik von metallhydridbildenden Materialien bei
einem vorgegebenen Beladungsdruck mit steigender Temperatur abnimmt, muss
die beim Speichern von Wasserstoff in dem Metallhydrid-Wasserstoffspeicher
frei werdende Wärme insbesondere dann schnell abgeführt
werden, wenn der Metallhydrid-Wasserstoffspeicher in kurzer Zeit
mit Wasserstoff beladen werden soll.
-
Hingegen
erfolgt in der Regel der Verbrauch von Wasserstoff aus dem Metallhydrid-Wasserstoffspeicher
und damit ein Entladen des Metallhydrid-Wasserstoffspeichers über
einen längeren Zeitraum.
-
Die
US 4,185,979 offenbart eine
Vorrichtung und ein Verfahren zum Austausch von Wärme unter einer
Vielzahl von Speicherbehältern, welche ein metallhydridbildendes
Material umfassen, wobei Wasserstoff als konvektiver Energieträger
durch Druckunterschiede von Behälter zu Behälter
strömt und zwischen den Behältern mittels Wärmetauschern
erwärmt oder gekühlt wird.
-
Die
DE 10 2006 020 846
A1 offenbart einen Gassorptionsspeicher für Methan,
welcher durch adiabatische Expansion von zugeführtem Methan
gekühlt wird.
-
Die
EP 0 995 944 A2 offenbart
eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Speichern von Wasserstoff
in einem als Metallhydridspeicher ausgebildeten Wasserstofftank
eines Fahrzeugs, wobei zur Kühlung des Wasserstofftanks
ein Wasserkreislauf vorgesehen ist.
-
Die
US 6,878,353 B2 offenbart
ein Wasserstoffspeicherbettsystem mit einem integrierten Temperaturmanagementsystem,
welches eine Wärmeerzeugungsvorrichtung, eine zur Aerosolkühlung
angepasste Kühlungsvorrichtung und eine Wärmeverteilungsvorrichtung
umfasst.
-
Die
US 6,305,442 B1 offenbart
ein Infrastruktursystem für die Erzeugung, die Speicherung,
den Transport und die Lieferung von Wasserstoff, wobei Wasserstoffspeicher
mit pulverförmigen Metalllegierungen auf Magnesiumbasis
vorgesehen sind. Zur Abführung von Wärme aus den
Wasserstoffspeichern dient ein Hydridspeicherbett aus graphitischem Schaum,
welcher hochporös und wärmeleitend ist.
-
Die
DE 33 44 770 C2 offenbart
ein Verfahren und eine Vorrichtung zur automatischen Betankung eines
Flüssigwasserstofftanks in einem Kraftfahrzeug.
-
Die
DE 29 23 561 A1 offenbart
einen Methandruckbehälter für Kraftfahrzeuge,
bei welchem ein Methan adsorbierender oder anlagernder Feststoff
zur Methanspeicherung vorgesehen ist.
-
Die
WO 2007/072470 A1 offenbart
eine Vorrichtung und ein System zur Speicherung von Wasserstoffgas
unter Druck, wobei zur Befüllung der Vorrichtung und des
Systems mit Wasserstoff ein Vakuum angelegt wird.
-
Die
US 7,124,790 B2 offenbart
eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Speicherung von Wasserstoff
in einem Wasserstoffspeichersystem.
-
Die
US 6,318,453 B1 offenbart
eine Wasserstoffspeichervorrichtung, bei der Platten aus wasserstoffspeichernder
Legierung in einem Stapel angeordnet sind.
-
Die
US 4,756,163 offenbart einen
Behälter zur Speicherung und/oder zum Transport von Fluiden.
-
Die
US 4,749,384 offenbart ein
Verfahren und eine Vorrichtung zum Befüllen von Zylindern
mit verdichtetem Erdgas.
-
Der
Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Wasserstoffbereitstellungssystem
der eingangs genannten Art bereitzustellen, bei welchem eine schnelle
und effektive Beladung des Metallhydrid-Wasserstoffspeichers mit
Wasserstoff erreichbar ist.
-
Diese
Aufgabe wird bei dem eingangs genannten Wasserstoffbereitstellungssystem
erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass
eine Rückführeinrichtung für Wasserstoff
an der Wasserstoffreservoireinrichtung vorgesehen ist und der Metallhydrid-Wasserstoffspeicher
eine Wasserstoffeinlasseinrichtung mit einem Einlass und eine Wasserstoffauslasseinrichtung
mit einem Auslass umfasst, wobei der Einlass und der Auslass an
dem Metallhydrid-Wasserstoffspeicher räumlich getrennt
angeordnet sind, um ein Durchströmen des Metallhydrid- Wasserstoffspeichers
zu ermöglichen, wobei mittels der Kopplungseinrichtung
fluidwirksame Verbindungen zwischen dem mindestens einen Wasserstoffreservoir
und dem Einlass der Wasserstoffeinlasseinrichtung des Metallhydrid-Wasserstoffspeichers und
zwischen der Rückführeinrichtung und dem Auslass
der Wasserstoffauslasseinrichtung des Metallhydrid-Wasserstoffspeichers
herstellbar und trennbar sind, um einen Wasserstoffstrom von dem
mindestens einen Wasserstoffreservoir dem Metallhydrid-Wasserstoffspeicher
zuzuführen, und um einen Teil des Wasserstoffsstroms in
dem Metallhydrid-Wasserstoffspeicher zur Wasserstoffspeicherung zu
nutzen und einen weiteren Teil des Wasserstoffstroms zum Kühlen
durch den Metallhydrid-Wasserstoffspeicher durchzuführen
und zu der Rückführeinrichtung zurückzuführen.
-
Dadurch,
dass ein Teil des in den Metallhydrid-Wasserstoffspeicher eingeleiteten
Wasserstoffstroms zum Kühlen durch den Metallhydrid-Wasserstoffspeicher
durchgeführt und zu der Rückführeinrichtung
zurückgeführt wird, kann auf einfache Art und
Weise die beim Speichern von Wasserstoff in dem Metallhydrid-Wasserstoffspeicher
frei werdende Wärme aus dem Metallhydrid-Wasserstoffspeicher abgeführt
werden.
-
Die
Erfindung bietet ferner den Vorteil, dass keine oder nur wenige
zusätzliche Kühlvorrichtungen an dem Metallhydrid-Wasserstoffspeicher
vorgesehen sein müssen. Dadurch kann der Metallhydrid-Wasserstoffspeicher
klein und leicht ausgebildet werden, was eine optimierte volumen-
und massenspezifische Speicherkapazität des Metallhydrid-Wasserstoffspeichers
ermöglicht.
-
Günstig
ist es, wenn das Wasserstoffbereitstellungssystem mindestens eine
Druckmessvorrichtung zur Messung eines Wasserstoffdrucks in einer wasserstoffführenden
Leitung umfasst. Auf diese Weise ist der Wasserstoffdruck in dem
Wasserstoffbereitstellungssystem einfach messbar.
-
Vorteilhaft
ist es, wenn das Wasserstoffbereitstellungssystem mindestens eine
Temperaturmessvorrichtung zur Messung einer Wasserstofftemperatur
in einer wasserstoffführenden Leitung umfasst. So ist auf
einfache Art und Weise die Temperatur des in dem Wasserstoffbereitstellungssystem
geführten Wasserstoffs messbar.
-
Bei
einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein,
dass das Wasserstoffbereitstellungssystem mindestens eine regelbare
und/oder steuerbare Unterbrechungseinheit umfasst. Dadurch lässt
sich ein Wasserstoffstrom in einer wasserstoffführenden
Leitung einfach regeln und/oder steuern. Insbesondere kann vorgesehen sein,
dass ein Wasserstoffstrom hinsichtlich seines Drucks und/oder seines
Massenflusses steuerbar und/oder regelbar ist.
-
Vorteilhaft
kann es sein, wenn das Wasserstoffbereitstellungssystem mindestens
eine Durchflussmessvorrichtung umfasst. So ist ein Wasserstoffdurchfluss
durch eine wasserstoffführende Leitung einfach messbar.
-
Bei
einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann vorgesehen
sein, dass die Wasserstoffreservoireinrichtung mindestens eine Wärmeübertragungsvorrichtung
umfasst. Mit einer Wärmeübertragungsvorrichtung
kann die Temperatur des in der Wasserstoffreservoireinrichtung angeordneten Wasserstoffs
und/oder einzelner Bauteile der Wasserstoffreservoireinrichtung
einfach beeinflusst werden. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass
eine Leitung, in der Wasserstoff geführt wird, gekühlt
wird.
-
Bei
einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein,
dass das Wasserstoffbereitstellungssystem mindestens eine Verdichtungsvorrichtung
umfasst. Dadurch kann der Druck des in dem Wasserstoffbereitstellungssystem
geführten Wasserstoffs auf einfache Art und Weise erhöht werden.
-
Vorteilhaft
ist es, wenn das Wasserstoffbereitstellungssystem mindestens einen
Auffangbehälter umfasst. Mittels eines Auffangbehälters
kann insbesondere ein Wasserstoffstrom, welcher zum Kühlen
durch den Metallhydrid- Wasserstoffspeicher durchgeführt
und zu der Rückführeinrichtung zurückgeführt
wurde, aufgefangen werden.
-
Vorteilhaft
ist es, wenn die Rückführeinrichtung für
Wasserstoff mit dem mindestens einen Wasserstoffreservoir in einer
mittels einer Unterbrechungseinrichtung herstellbaren und trennbaren
fluidwirksamen Verbindung steht. Auf diese Weise ist die Rückführung
von Wasserstoff aus der Rückführeinrichtung zu
dem mindestens einen Wasserstoffreservoir auf einfache Art und Weise
möglich.
-
Günstig
ist es ferner, wenn die mindestens eine mobile Einheit eine Wärmeübertragungsvorrichtung
umfasst, welche in wärmewirksamer Verbindung mit dem Metallhydrid-Wasserstoffspeicher steht.
Auf diese Weise kann Wärme einfach zu dem Metallhydrid-Wasserstoffspeicher
zugeführt und/oder von demselben abgeführt werden.
-
Nach
einer Weiterbildung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die
mobile Einheit eine Antriebseinheit umfasst, welche in wärmewirksamer Verbindung
mit der Wärmeübertragungsvorrichtung steht. Auf
diese Weise ist eine in der Antriebseinheit entstehende Wärme
einfach auf den Metallhydrid-Wasserstoffspeicher mittels der Wärmeübertragungsvorrichtung übertragbar.
-
Bei
einer Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die
Antriebseinheit eine Brennstoffzellenvorrichtung umfasst.
-
Vorteilhaft
kann es sein, wenn die Wärmeübertragungsvorrichtung
eine Pumpe zum Antreiben eines in der Wärmeübertragungsvorrichtung
geführten Wärmeübertragungsfluids umfasst.
Mittels einer Pumpe ist das in der Wärmeübertragungsvorrichtung angeordnete
Wärmeübertragungsfluid einfach in der Wärmeübertragungsvorrichtung
antreibbar, sodass die Wärme mittels der Wärmeübertragungsvorrichtung
einfach übertragen werden kann.
-
Vorteilhaft
ist es, wenn der Metallhydrid-Wasserstoffspeicher mindestens ein
vorzugsweise zumindest teilweise von metallhydridbildendem Material
umgebenes, mit dem metallhydridbildenden Material in Kontakt stehendes,
wärmeleitendes Zusatzelement zur zusätzlichen
Zufuhr von Wärme zu dem Metallhydrid-Wasserstoffspeicher
und/oder zur zusätzlichen Abfuhr von Wärme von
dem Metallhydrid-Wasserstoffspeicher umfasst. Auf diese Weise ist beispielsweise
die zur Entladung des Metallhydrid-Wasserstoffspeichers benötigte
Wärme einfach zuführbar.
-
Als
wärmeleitende Zusatzelemente können beispielsweise
Lamellen und/oder Kühlrippen aus wärmeleitenden
Materialien, wie beispielsweise Kupfer oder Aluminium, oder wassergekühlte
Rohre vorgesehen sein.
-
Alternativ
oder ergänzend hierzu kann eine schaumartige Struktur aus
einem wärmeleitenden Material, beispielsweise Aluminiumschaum,
vorgesehen sein.
-
Grundsätzlich
kann die Durchströmung des Metallhydrid-Wasserstoffspeichers
den Vorteil bieten, dass ein Wärmeübertrag von
dem metallhydridbildenden Material auf die wärmeleitenden
Zusatzelemente verbessert wird.
-
Vorteilhaft
ist es, wenn der Metallhydrid-Wasserstoffspeicher eine innere Strömungsführung,
welche zusätzlich als wärmeleitendes Zusatzelement
dienen kann, zur Führung von Wasserstoff umfasst. Dadurch
kann gewährleistet werden, dass ein Wasserstoffstrom den
Metallhydrid-Wasserstoffspeicher auf einem vorgegebenen Weg durchströmt. Insbesondere
kann dabei vorgesehen sein, dass der Metallhydrid-Wasserstoffspeicher
gleichmäßig von einem Wasserstoffstrom durchströmt
wird.
-
Günstig
ist es, wenn der Metallhydrid-Wasserstoffspeicher einen mit metallhydridbildendem Material
gefüllten Innenraum aufweist, welcher zur Befüllung
des Metallhydrid-Wasserstoffspeichers mit Wasserstoff entgegen der
Schwerkraftrichtung mit Wasserstoff durchströmbar ist.
Auf diese Weise ist eine besonders effiziente Beladung des Metallhydrid-Wasserstoffspeichers
mit Wasserstoff möglich.
-
Hierzu
kann insbesondere vorgesehen sein, dass eine Wasserstoffzufuhr zu
dem Innenraum des Metallhydrid-Wasserstoffspeichers in einem in Schwerkraftrichtung
unteren Bereich, insbesondere durch eine Bodenwand, des Innenraums
des Metallhydrid-Wasserstoffspeichers erfolgt.
-
Ein
Wasserstoffauslass des Metallhydrid-Wasserstoffspeichers ist dabei
vorzugsweise in einem in Schwerkraftrichtung oberen Bereich, insbesondere
in einer Deckenwand, des Innenraums des Metallhydrid-Wasserstoffspeichers
angeordnet.
-
Vorteilhaft
ist es, wenn der Innenraum des Metallhydrid-Wasserstoffspeichers
einen in vertikaler Richtung genommenen, zumindest näherungsweise trapezförmigen
Querschnitt aufweist, wobei ein der Wasserstoffeinlasseinrichtung
zugewandtes Ende des Innenraums des Metallhydrid-Wasserstoffspeichers
vorzugsweise einen in horizontaler Richtung genommenen, kleineren
Querschnitt aufweist als ein der Wasserstoffauslasseinrichtung zugewandtes Ende
des Innenraums des Metallhydrid-Wasserstoffspeichers.
-
Insbesondere
kann vorgesehen sein, dass der Innenraum des Metallhydrid-Wasserstoffspeichers
eine zumindest näherungsweise konische Form aufweist, welche
sich vorzugsweise nach unten verjüngt. Auf diese Weise
ist eine besonders vorteilhafte Durchströmung des Innenraums
des Metallhydrid-Wasserstoffspeichers möglich, wobei insbesondere
eine Verwirbelung von im Innenraum des Metallhydrid-Wasserstoffspeichers
angeordnetem metallhydridbildenden Material vermieden wird.
-
Bei
einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Innenraum
des Metallhydrid-Wasserstoffspeichers so mit Wasserstoff durchströmbar
ist, dass das in dem Innenraum des Metallhydrid-Wasserstoffspeichers
angeordnete metallhydridbildende Material in einen Lockerungszustand bringbar
ist, in welchem zumindest ein Teil des metallhydridbildenden Materials
sich in einen Bereich des Innenraums des Metallhydrid-Wasserstoffspeichers
ausbreitet, in welchem kein metallhydridbildendes Material angeordnet
ist, wenn der Innenraum nicht mit Wasserstoff durchströmt
wird. Auf diese Weise ist eine besonders effiziente Beladung des Metallhydrid-Wasserstoffspeichers
mit Wasserstoff möglich. Aufgrund der besonders vorteilhaften
Umströmung der einzelnen Partikel des metallhydridbildenden
Materials im Lockerungszustand ergibt sich ferner eine besonders
einfache und effiziente Abfuhr der beim Beladen des metallhydridbildenden
Materials mit Wasserstoff entstehenden Wärme mittels des durch
den Innenraum des Metallhydrid-Wasserstoffspeichers strömenden
Wasserstoffs. Ferner wird dadurch eine deutliche Senkung des in
dem Metallhydrid-Wasserstoffspeicher entstehenden Druckverlusts erzielt.
-
Ein
weiterer Vorteil des Lockerungszustandes des metallhydridbildenden
Materials liegt darin, dass ein Wärmeübertrag
auf eine Wand oder auf wärmeleitende Zusatzelemente des
Metallhydrid-Wasserstoffspeichers verbessert wird.
-
Vorteilhaft
ist es, wenn das Wasserstoffbereitstellungssystem eine an der Wasserstoffreservoireinrichtung
angeordnete Kühlvorrichtung umfasst, mittels welcher in
einem angekoppelten Zustand der mobilen Einheit dem Metallhydrid-Wasserstoffspeicher
ein von dem Wasserstoff verschiedenes Kühlmedium zuführbar
ist.
-
Als
Kühlmedium kann insbesondere Öl oder Wasser vorgesehen
sein.
-
Besonders
günstig ist es, wenn mittels der Kühlvorrichtung
in einem angekoppelten Zustand der mobilen Einheit das durch das
Beladen des Metallhydrid-Wasserstoffspeichers erwärmte
Kühlmedium zu der Wasserstoffreservoireinrichtung zurückführbar und
dort erneut kühlbar ist.
-
Insbesondere
dann, wenn eine Kühlung des Metallhydrid-Wasserstoffspeichers
einerseits durch das mittels der Kühlvorrichtung bereitgestellte
Kühlmedium und andererseits durch den durch den Innenraum
des Metallhydrid-Wasserstoffspeichers geleiteten Wasserstoff erfolgt,
ist eine besonders effiziente Beladung des metallhydridbildenden
Materials mit Wasserstoff möglich. Eine zusätzliche
Verbesserung der Wärmeabfuhr ergibt sich dabei insbesondere
dann, wenn das metallhydridbildende Material bei der Beladung in
einem Lockerungszustand ist.
-
Ferner
liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde, einen Metallhydrid-Wasserstoffspeicher
bereitzustellen, welcher schnell und effektiv mit Wasserstoff beladen
werden kann.
-
Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst,
dass der Metallhydrid-Wasserstoffspeicher einen Innenraum umfasst,
welcher teilweise mit einem metallhydridbildenden Material gefüllt
ist und welcher entgegen der Schwerkraftrichtung mit Wasserstoff
durchströmbar ist.
-
Dadurch,
dass der Innenraum des Metallhydrid-Wasserstoffspeichers nur teilweise
mit einem metallhydridbildenden Material gefüllt ist, kann
das metallhydridbildende Material durch die Durchströmung
mit Wasserstoff während einer Beladung des Metallhydrid-Wasserstoffspeichers
mit Wasserstoff gelockert werden, sodass eine größere
Oberfläche des metallhydridbildenden Materials mit Wasserstoff überströmt
wird, wodurch sich eine schnellere und effektivere Beladung des
Metallhydrid-Wasserstoffspeichers mit Wasserstoff und eine bessere
Abfuhr der beim Beladen des Metallhydrid-Wasserstoffspeichers mit
Wasserstoff erzeugten Wärme durch den durch den Innenraum
des Metallhydrid-Wasserstoffspeichers strömenden Wasserstoff
und die wärmeleitenden Zusatzelemente ergeben.
-
Günstig
ist es, wenn der Innenraum des Metallhydrid-Wasserstoffspeichers
einen in vertikaler Richtung genommenen, zumindest näherungsweise trapezförmigen
Querschnitt aufweist, wobei ein der Wasserstoffeinlasseinrichtung
zugewandtes Ende des Innenraums des Metallhydrid-Wasserstoffspeichers
vorzugsweise einen in horizontaler Richtung genommenen, kleineren
Quer schnitt aufweist als ein der Wasserstoffauslasseinrichtung zugewandtes Ende
des Innenraums des Metallhydrid-Wasserstoffspeichers.
-
Insbesondere
kann vorgesehen sein, dass der Innenraum des Metallhydrid-Wasserstoffspeichers
eine zumindest näherungsweise konische Form aufweist, welche
sich vorzugsweise nach unten verjüngt. Auf diese Weise
ist eine besonders vorteilhafte Durchströmung des Innenraums
des Metallhydrid-Wasserstoffspeichers möglich, wobei insbesondere
eine Verwirbelung von im Innenraum des Metallhydrid-Wasserstoffspeichers
angeordnetem metallhydridbildenden Material vermieden wird.
-
Bei
einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Innenraum
des Metallhydrid-Wasserstoffspeichers so mit Wasserstoff durchströmbar ist,
dass das in dem Innenraum des Metallhydrid-Wasserstoffspeichers
angeordnete metallhydridbildende Material in einen Lockerungszustand
bringbar ist, in welchem zumindest ein Teil des metallhydridbildenden
Materials sich in einen Bereich des Innenraums ausbreitet, in welchem
kein metallhydridbildendes Material angeordnet ist, wenn der Innenraum
nicht mit Wasserstoff durchströmt wird. Insbesondere dann,
wenn das in dem Innenraum des Metallhydrid-Wasserstoffspeichers
angeordnete metallhydridbildende Material vollständig in
einen Lockerungszustand bringbar ist, ist eine schnelle und effektive
Beladung des Metallhydrid-Wasserstoffspeichers mit Wasserstoff erreichbar.
-
Der
Betrag der Porosität des metallhydridbildenden Materials
in einem Zustand ohne Wasserstoffdurchfluss ist hierzu vorzugsweise
größer als 0,48.
-
Günstig
ist es, wenn der Metallhydrid-Wasserstoffspeicher mindestens ein
wärmeleitendes Zusatzelement zur zusätzlichen
Zufuhr von Wärme zu dem Metallhydrid-Wasserstoffspeicher
und/oder zur zusätzlichen Abfuhr von Wärme von
dem Metallhydrid-Wasserstoffspeicher umfasst. Auf diese Weise kann
eine beim Beladen des Metallhydrid-Wasserstoffspeichers entstehende
Wärme einfach abgeführt und eine zum Entladen
des Metallhydrid-Wasserstoffspeichers benötigte Wärme
besonders einfach zugeführt werden.
-
Eine
vorteilhafte Fluidisierung des metallhydridbildenden Materials kann
insbesondere dann erzielt werden, wenn der Metallhydrid-Wasserstoffspeicher
eine innere Strömungsführung zur Führung
von Wasserstoff umfasst.
-
Der
erfindungsgemäße Metallhydrid-Wasserstoffspeicher
weist ferner vorzugsweise sämtliche im Zusammenhang mit
dem erfindungsgemäßen Wasserstoffbereitstellungssystem
aufgeführten Merkmale und Vorteile auf.
-
Der
erfindungsgemäße Metallhydrid-Wasserstoffspeicher
eignet sich dabei insbesondere zur Verwendung in dem erfindungsgemäßen
Wasserstoffbereitstellungssystem.
-
Der
Erfindung liegt ferner die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren der
eingangs genannten Art bereitzustellen, welches eine schnelle und
effektive Befüllung eines Metallhydrid-Wasserstoffspeichers mit
Wasserstoff ermöglicht.
-
Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch:
- – Koppeln der mobilen Einheit mit
einer Wasserstoffreservoireinrichtung und Herstellen von fluidwirksamen
Verbindungen zwischen einem Einlass eines Metallhydrid-Wasserstoffspeichers
der mobilen Einheit und einem Wasserstoffreservoir der Wasserstoffreservoireinrichtung
und zwischen einem Auslass des Metallhydrid-Wasserstoffspeichers
und einer Rückführeinrichtung für Wasserstoff
der Wasserstoffreservoireinrichtung;
- – Einleiten von Wasserstoff in den Metallhydrid-Wasserstoffspeicher,
wobei eine Teilmenge der eingeleiteten Wasserstoffmenge in dem Metallhydrid-Wasserstoffspeicher
gespeichert wird und eine weitere Teilmenge der eingeleiteten Wasserstoffmenge,
welche mindestens 10% der in dem Metallhydrid-Wasserstoffspeicher
gespeicherten Teilmenge beträgt, durch den Metallhydrid-Wasserstoffspeicher
hindurchgeführt und zu der Rückführeinrichtung
zurückgeführt wird; und
- – Trennen der fluidwirksamen Verbindungen und Aufheben
der Kopplung zwischen der Wasserstoffreservoireinrichtung und der
mobilen Einheit.
-
Das
erfindungsgemäße Verfahren weist vorzugsweise
die bereits im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen
Wasserstoffbereitstellungssystem und/oder dem erfindungsgemäßen
Metallhydrid-Wasserstoffspeicher erläuterten Vorteile auf.
-
Weitere
vorteilhafte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen
Verfahrens wurden ebenfalls bereits im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen
Wasserstoffbereitstellungssystem und/oder im Zusammenhang mit dem
erfindungsgemäßen Metallhydrid-Wasserstoffspeicher
erläutert.
-
Insbesondere
lässt sich das erfindungsgemäße Verfahren
an dem erfindungsgemäßen Wasserstoffbereitstellungssystem
durchführen.
-
Günstig
kann es sein, wenn die Masse der durch den Metallhydrid-Wasserstoffspeicher
durchgeführten Wasserstoffmenge mindestens die Hälfte, insbesondere
ein Zehnfaches, der Masse der in dem Metallhydrid-Wasserstoffspeicher
speicherbaren Wasserstoffmenge beträgt.
-
Bei
einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung
ist vorgesehen, dass der durch den Metallhydrid-Wasserstoffspeicher
durchgeführte Wasserstoff zumindest einen Teil der Wärme
aufnimmt, die beim Speichern von Wasserstoff in dem Metallhydrid-Wasserstoffspeicher
frei wird.
-
Günstig
kann es ferner sein, wenn der durch den Metallhydrid-Wasserstoffspeicher
durchgeführte Wasserstoff in der Rückführeinrichtung
verdichtet wird. Auf diese Weise kann ein Druckabfall in dem Wasserstofffluss,
welcher durch das Durchführen des Wasserstoffs durch den
Metallhydrid-Wasserstoffspeicher und/oder durch die Wasserstoffspeicherung in
dem Metallhydrid-Wasserstoffspeicher entstehen kann, ausgeglichen
werden.
-
Vorteilhaft
kann es sein, wenn der durch den Metallhydrid-Wasserstoffspeicher
durchgeführte Wasserstoff in einem Auffangbehälter
der Wasserstoffreservoireinrichtung aufgenommen wird.
-
Bei
einer Weiterbildung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass der
im Auffangbehälter aufgenommene Wasserstoff dem mindestens
einen Wasserstoffreservoir zugeführt wird. Auf diese Weise
ist der durch den Metallhydrid-Wasserstoffspeicher hindurchgeleitete
Wasserstoff einfach wiederverwendbar.
-
Vorteilhaft
kann es sein, wenn die Menge und/oder der Massenstrom und/oder der
Druck des zu der mobilen Einheit zugeführten Wasserstoffs
mittels einer steuerbaren und/oder regelbaren Unterbrechungseinrichtung
gesteuert und/oder geregelt wird.
-
Bei
einer Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass nur
solche metallhydridbildende Materialen ausgewählt werden,
die eine Speicherung von Wasserstoff unter moderatem Druck und bei moderater
Temperatur ermöglichen. Dadurch ist die Sicherheit von
das Wasserstoffbereitstellungssystem bedienenden Personen gewährleistet.
-
Nach
einer Weiterbildung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass der
Druck des zu der mobilen Einheit zugeführten Wasserstoffs
zwischen 10 bar und 150 bar gewählt wird. Insbesondere
kann vorgesehen sein, dass der Druck des zu der mobilen Einheit
zugeführten Wasserstoffs zwischen 30 bar und 100 bar gewählt
wird. Vorzugsweise kann vorgesehen sein, dass der Druck des zu der
mobilen Einheit zugeführten Wasserstoffs ungefähr
70 bar beträgt.
-
Bei
einer Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass zur
Speicherung von beispielsweise 1 kg Wasserstoff in dem Metallhydrid-Wasserstoffspeicher
der Wasserstoffmassenstrom des zu der mobilen Einheit geführten
Wasserstoffs zwischen 1 und 20 kg/min, insbesondere zwischen 2 und
10 kg/min, vorzugsweise ungefähr 5 kg/min, beträgt.
Es hat sich gezeigt, dass dann eine effektive Kühlung des
Metallhydrid-Wasserstoffspeichers gewährleistet ist.
-
Bei
einer Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die
Temperatur des zu der mobilen Einheit geführten Wasserstoffs
zwischen –50°C und +30°C beträgt.
-
Bei
einer Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass nach
dem Befüllen des Metallhydrid-Wasserstoffspeichers mit
Wasserstoff der Wasserstoff an der mobilen Einheit dadurch bereitgestellt
wird, dass von einer Antriebseinheit, welche beispielsweise eine
Brennstoffzellenvorrichtung umfasst, erzeugte Wärme mittels
einer Wärmeübertragungsvorrichtung dem Metallhydrid-Wasserstoffspeicher
zugeführt wird. Dadurch ist die zum Entladen des Metallhydrid-Wasserstoffspeichers
notwendige Wärmezufuhr auf einfach Art und Weise gewährleistet.
-
Nach
einer Weiterbildung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass in
der Wärmeübertragungsvorrichtung ein beispielsweise
als Wasser ausgebildetes Wärmeübertragungsfluid
mittels einer Pumpe angetrieben wird. Auf diese Weise ist die Wärme
mittels der Wärmeübertragungsvorrichtung einfach übertragbar.
-
Grundsätzlich
kann vorgesehen sein, dass in einem Eingangsstrang, das heißt
in einem der Zuführung von Wasserstoff zu dem Metallhydrid-Wasserstoffspeicher
dienenden Abschnitt des Wasserstoffbereitstellungssystems, ein temperaturgesteuerter Wärmeüberträger
und eine Druckregelung angeordnet ist.
-
Vorzugsweise
ist im Eingangsstrang eine Durchflussregelvorrichtung zur Regelung
des dem Metallhydrid-Wasserstoffspeicher zugeführten Wasserstoffstroms
angeordnet.
-
Es
kann vorgesehen sein, dass ein Wasserstoffstrom durch den Metallhydrid-Wasserstoffspeicher
in einem Ausgangsstrang, das heißt in einem der Abführung
von Wasserstoff aus dem Metallhydrid-Wasserstoffspeicher dienenden
Abschnitt des Wasserstoffbereitstellungssystems, mittels einer Durchflussmessvorrichtung
geregelt und/oder gesteuert wird.
-
Vorzugsweise
ist im Ausgangstrang eine Druckregelung zur Regelung des im Metallhydrid-Wasserstoffspeicher
herrschenden Drucks angeordnet.
-
Bei
einer Weiterbildung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass ein
vorgegebener Massendurchfluss mittels einer Verdichtungsvorrichtung
gesteuert und/oder geregelt wird.
-
Günstig
kann es sein, wenn das Wasserstoffbereitstellungssystem ein Wasserstoffzwischenreservoir
umfasst. Ein solches Wasserstoffzwischenreservoir kann eine Zyklusregelung
vereinfachen.
-
Ferner
kann vorgesehen sein, dass die Durchflussmessvorrichtung direkt
mit der Druckmessvorrichtung verbunden ist. Bei einer solchen Ausführungsform
kann es vorteilhaft sein, eine Wärmeübertragungsvorrichtung
zwischen der Durchflussmessvorrichtung und der Druckmessvorrichtung anzuordnen.
-
Bei
einer bevorzugten Ausführungsform kann vorgesehen sein,
dass der Metallhydrid-Wasserstoffspeicher Ventile umfasst, um leicht
von dem Rest des Wasserstoffbereitstellungssystems trennbar zu sein.
-
Ferner
kann vorgesehen sein, dass die Wärme, die von dem Metallhydrid-Wasserstoffspeicher abgegeben
und mittels Wasserstoff zu der Rückführeinrichtung
zurückgeführt wird, anderweitig verwendet wird.
-
Günstig
ist es, wenn ein Innenraum des Metallhydrid-Wasserstoffspeichers,
welcher teilweise mit metallhydridbildendem Material gefüllt
ist, zur Befüllung des Metallhydrid-Wasserstoffspeichers
mit Wasserstoff entgegen der Schwer kraftrichtung mit Wasserstoff
durchströmt wird. Auf diese Weise ist eine besonders effiziente
Beladung des Metallhydrid-Wasserstoffspeichers mit Wasserstoff möglich.
-
Besonders
günstig ist es, wenn in einem Innenraum des Metallhydrid-Wasserstoffspeichers
angeordnetes, metallhydridbildendes Material während der
Befüllung des Metallhydrid-Wasserstoffspeichers mit Wasserstoff
in einen Lockerungszustand gebracht wird, in welchem zumindest ein
Teil des metallhydridbildenden Materials sich in einen Teil des
Innenraums ausbreitet, in welchem kein metallhydridbildendes Material
angeordnet ist, wenn der Innenraum nicht mit Wasserstoff durchströmt
wird. Auf diese Weise ist eine besonders effiziente Beladung des Metallhydrid-Wasserstoffspeichers
mit Wasserstoff möglich. Aufgrund der besonders vorteilhaften
Umströmung der einzelnen Partikel des metallhydridbildenden
Materials im Lockerungszustand ergibt sich dabei eine besonders
einfache und effiziente Abfuhr der beim Beladen des metallhydridbildenden
Materials mit Wasserstoff entstehenden Wärme mittels des durch
den Innenraum des Metallhydrid-Wasserstoffspeichers strömenden
Wasserstoffs.
-
Vorteilhaft
ist es, wenn vor einer Erstbefüllung des Metallhydrid-Wasserstoffspeichers
mit Wasserstoff das metallhydridbildende Material morphologisch
vorbereitet, insbesondere zerkleinert und/oder aktiviert, wird.
-
Das
beispielsweise als Pulver ausgebildete metallhydridbildende Material
wird hierzu hinsichtlich seiner Dichte und seiner Feinheit vorzugsweise
so vorbereitet, dass der von unten nach oben durch den Innenraum
strömende Wasserstoffstrom das metallhydridbildende Material
zu lockern vermag, eine turbulente Verwirbelung des metallhydridbildenden
Materials jedoch vermieden wird.
-
Insbesondere
kann dabei vorgesehen sein, dass die Porosität des metallhydridbildenden
Materials so gewählt wird, dass deren Betrag nach einer Befüllung
des Innenraums mit metallhydridbildendem Material in einem Zu stand
ohne Wasserstoffdurchfluss, in welchem das metallhydridbildende
Material als Festbett vorliegt, größer als 0,48
ist.
-
Die
Archimedeszahl des metallhydridbildenden Materials, welche das Verhältnis
von Auftriebskraft zu Reibungskraft wiedergibt, liegt zur Erreichung
des Lockerungszustands vorzugsweise bei einem Wert zwischen 0,05
und 1.
-
Vorteilhaft
ist es, wenn mittels einer an der Wasserstoffreservoireinrichtung
angeordneten Kühlvorrichtung in einem angekoppelten Zustand
der mobilen Einheit dem Metallhydrid-Wasserstoffspeicher ein von
dem Wasserstoff verschiedenes Kühlmedium zugeführt
wird.
-
Als
Kühlmedium kann insbesondere Öl oder Wasser gewählt
werden.
-
Besonders
günstig ist es, wenn mittels der Kühlvorrichtung
in einem angekoppelten Zustand der mobilen Einheit das durch das
Beladen des Metallhydrid-Wasserstoffspeichers erwärmte
Kühlmedium zu der Wasserstoffreservoireinrichtung zurückgeführt und
erneut gekühlt wird.
-
Insbesondere
dann, wenn eine Kühlung des Metallhydrid-Wasserstoffspeichers
einerseits durch das mittels der Kühlvorrichtung bereitgestellte
Kühlmedium und andererseits durch den durch den Innenraum
des Metallhydrid-Wasserstoffspeichers geleiteten Wasserstoff erfolgt,
ist eine besonders effiziente Beladung des metallhydridbildenden
Materials mit Wasserstoff möglich. Eine zusätzliche
Verbesserung der Wärmeabfuhr ergibt sich dabei insbesondere
dann, wenn das metallhydridbildende Material bei der Beladung in
einem Lockerungszustand ist.
-
Ferner
liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren
zum Befüllen und Entladen eines Metallhydrid-Wasserstoffspeichers bereitzustellen,
welches eine schnelle und effektive Befüllung und/oder
Entladung des Metallhydrid-Wasserstoffspeichers ermöglicht.
-
Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst,
dass ein Innenraum des Metallhydrid-Wasserstoffspeichers zur Befüllung
des Metallhydrid-Wasserstoffspeichers mit Wasserstoff mit Wasserstoff
durchströmt wird, sodass eine bei der Befüllung
des Metallhydrid-Wasserstoffspeichers mit Wasserstoff entstehende
Wärme zumindest teilweise mittels des durchgeführten
Wasserstoffs abgeführt wird.
-
Dadurch,
dass der Metallhydrid-Wasserstoffspeicher zur Befüllung
mit Wasserstoff mit Wasserstoff durchströmt wird, kann
die bei der Befüllung des Metallhydrid-Wasserstoffspeichers
mit Wasserstoff entstehende Wärme besser auf den durch
den Innenraum des Metallhydrid-Wasserstoffspeichers strömenden
Wasserstoff und die wärmeleitenden Zusatzelemente übertragen
und abgeführt werden.
-
Das
erfindungsgemäße Verfahren zum Befüllen
und Entladen eines Metallhydrid-Wasserstoffspeichers weist vorzugsweise
die vorstehend im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen
Verfahren zur Bereitstellung von Wasserstoff an eine mobile Einheit
beschriebenen Merkmale und Vorteile auf.
-
Insbesondere
kann vorgesehen sein, dass der Innenraum des Metallhydrid-Wasserstoffspeichers,
beispielsweise durch Zuleitung des Wasserstoffs in einem in Schwerkraftrichtung
unteren Bereich des Innenraums des Metallhydrid-Wasserstoffspeichers,
entgegen der Schwerkraftrichtung mit Wasserstoff durchströmt
wird, sodass das metallhydridbildende Material in einen Lockerungszustand überführt
wird. Insbesondere kann dabei vorgesehen sein, dass zumindest ein
Teil des metallhydridbildenden Materials sich in einen Bereich des
Innenraums ausbreitet, in welchem kein metallhydridbildendes Material
angeordnet ist, wenn der Innenraum nicht mit Wasserstoff durchströmt
wird.
-
Besonders
günstig ist es, wenn das in dem Innenraum des Metallhydrid-Wasserstoffspeichers angeordnete
metallhydridbildende Material vollständig in einen Lockerungszustand überführt
wird. Auf diese Weise ist eine besonders schnelle und effektive Beladung
des Metallhydrid-Wasserstoffspeichers mit Wasserstoff möglich.
-
Vorteilhaft
ist es, wenn das metallhydridbildende Material bei der Befüllung
des Metallhydrid-Wasserstoffspeichers mit Wasserstoff mittels einer
Kühleinrichtung gekühlt wird. Auf diese Weise kann
zumindest ein Teil der bei der Befüllung des Metallhydrid-Wasserstoffspeichers
mit Wasserstoff entstehenden Wärme einfach abgeführt
werden.
-
Ferner
kann vorgesehen sein, dass das metallhydridbildende Material zum
Entladen des Metallhydrid-Wasserstoffspeichers mit einer Heizvorrichtung
erwärmt wird. Auf diese Weise ist dem metallhydridbildenden
Material die zum Entladen von Wasserstoff notwendige Wärme
besonders einfach zuführbar.
-
Das
erfindungsgemäße Verfahren zum Befüllen
und Entladen eines Metallhydrid-Wasserstoffspeichers eignet sich
insbesondere zur Verwendung in dem erfindungsgemäßen
Verfahren zur Bereitstellung von Wasserstoff an eine mobile Einheit.
-
Die
nachfolgende Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen
dient im Zusammenhang mit den Zeichnungen der näheren Erläuterung
der Erfindung. Es zeigen:
-
1 eine
schematische Darstellung eines Wasserstoffbereitstellungssystems;
-
2a eine
schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform eines
Metallhydrid-Wasserstoffspeichers;
-
2b eine
schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform
eines Metallhydrid-Wasserstoffspeichers;
-
2c eine
schematische Darstellung einer dritten Ausführungsform
eines Metallhydrid-Wasserstoffspeichers;
-
2d eine
schematische Darstellung einer vierten Ausführungsform
eines Metallhydrid-Wasserstoffspeichers;
-
2e eine
schematische Darstellung einer fünften Ausführungsform
eines Metallhydrid-Wasserstoffspeichers;
-
3 ein
Diagramm zur Darstellung unterschiedlicher Beladungszeiten des Metallhydrid-Wasserstoffspeichers
aus 2a mit und ohne Wasserstoffkühlstrom;
-
4 ein
Diagramm zur Darstellung des Einflusses von Druck und Massedurchfluss
auf die Beladung des Metallhydrid-Wasserstoffspeichers aus 2a;
-
5 ein
Diagramm zur Darstellung des Einflusses der Eingangswasserstofftemperatur
auf die Beladung des Metallhydrid-Wasserstoffspeichers aus 2a;
und
-
6 eine
der 1 entsprechende schematische Darstellung einer
zweiten Ausführungsform eines Wasserstoffbereitstellungssystems.
-
Gleiche
oder funktional äquivalente Elemente sind in allen Figuren
mit denselben Bezugszeichen versehen.
-
Ein
Ausführungsbeispiel eines Wasserstoffbereitstellungssystems 10 ist
in 1 dargestellt. Das Wasserstoffbereitstellungssystem 10 umfasst eine
Wasserstoffreservoireinrichtung 12 und eine mobile Einheit 14.
-
Unter
einer mobilen Einheit 14 ist in dieser Beschreibung und
den beigefügten Patentansprüchen jedes Fahrzeug
zu verstehen, das Wasserstoff verbraucht. Insbesondere kann dabei
vorgesehen sein, dass der Wasserstoff für den Antrieb des
Fahrzeugs verwendet wird. Eine mobile Einheit 14 kann beispielsweise
als Kraftfahrzeug, insbesondere als Automobil oder als Bus, oder
als U-Boot ausgebildet sein.
-
Die
Wasserstoffreservoireinrichtung 12 umfasst ein Wasserstoffreservoir 16,
eine von dem Wasserstoffreservoir 16 wegführende
Versorgungsleitung 18 und eine zu dem Wasserstoffreservoir 16 hinführende
Recyclingleitung 20. Mittels der Versorgungsleitung 18 ist
aus dem Wasserstoffreservoir 16 ein Wasserstoffstrom zu
der mobilen Einheit 14 zuführbar.
-
Unter
einem Wasserstoffreservoir 16 ist in dieser Beschreibung
und den beigefügten Patentansprüchen ein Vorratsspeicher
für Wasserstoff zur verstehen, welcher eine Wasserstoffmenge
zu speichern vermag, die ein Vielfaches der Wasserstoffmenge beträgt,
die für mobile Anwendungen beispielsweise in mobilen Metallhydrid-Wasserstoffspeichern
speicherbar ist. Ein solcher Vorratsspeicher für Wasserstoff
kann beispielsweise als stationärer Metallhydrid-Wasserstoffspeicher
oder als Gastank, insbesondere als stationärer Gastank
in einer Tankstelle oder als mobiler Gastank in einem Tanklastzug,
ausgebildet sein. Ferner kann ein solcher Vorratsspeicher auf einem
Tankschiff oder an Bord eines Tankflugzeuges vorgesehen sein. Die
Speicherung von Wasserstoff in einem Gastank erfolgt beispielsweise gasförmig
unter Druck und/oder in flüssigem Aggregatzustand.
-
Mengenangaben
und Relativmengen beziehen sich in dieser Beschreibung und den beigefügten Patentansprüchen
auf die Masse.
-
In
der Versorgungsleitung 18 sind stromabwärts von
dem Wasserstoffreservoir 16 nacheinander eine Wärmeübertragungsvorrichtung 22,
eine regelbare Unterbrechungsvorrichtung 24, eine Temperaturmessvorrichtung 26,
eine Druckmessvorrichtung 28 und ein Ventil 30 angeordnet.
-
Das
Ventil 30 ist Bestandteil einer Kopplungseinrichtung 32,
mittels welcher die Wasserstoffreservoireinrichtung 12 mit
der mobilen Einheit 14 koppelbar ist.
-
Die
Kopplungseinrichtung 32 umfasst ferner einen Wasserstoffzuleitungsanschluss 34,
einen Wasserstoffrückführungsanschluss 36 und
drei weitere Ventile 30 zum Unterbrechen eines Wasserstoffstroms
beim Abkoppeln der mobilen Einheit 14 von der Wasserstoffreservoireinrichtung 12.
-
Die
Wasserstoffreservoireinrichtung 12 umfasst eine Rückführeinrichtung 38.
-
Die
Rückführeinrichtung 38 umfasst eine Rückführleitung 40,
eine Verdichtungsvorrichtung 42 und eine Durchflussmessvorrichtung 44,
wobei die Verdichtungsvorrichtung 42 und die Durchflussmessvorrichtung 44 in
der Rückführleitung 40 angeordnet sind.
-
Die
Rückführleitung 40 endet einerseits an der
Kopplungseinrichtung 32 und andererseits an einem Auffangbehälter 46 der
Rückführeinrichtung 38.
-
Der
Auffangbehälter 46 steht mittels der Recyclingleitung 20 in
fluidwirksamer Verbindung mit dem Wasserstoffreservoir 16,
wobei die fluidwirksame Verbindung mittels der in der Recyclingleitung 20 angeordneten,
als Ventil 48 ausgebildeten Unterbrechungseinrichtung herstellbar
und trennbar ist.
-
Die
mobile Einheit 14 umfasst mindestens einen Metallhydrid-Wasserstoffspeicher 50,
eine Brennstoffzellenvorrichtung 52 und eine Wärmeübertragungsvorrichtung 54.
-
Unter
einem Metallhydrid-Wasserstoffspeicher 50 ist in dieser
Beschreibung und den beigefügten Patentansprüchen
eine Speichervorrichtung zu verstehen, welche ein ein Metall und/oder
eine Metalllegierung aufweisendes Material umfasst, das bei Kontakt
mit Wasserstoff ein Metallhydrid bilden kann. Das metallhydridbildende
Material ist dabei beispielsweise in einem Speicherbehälter 51 angeordnet.
Es kann vorgesehen sein, dass der Metallhydrid-Wasserstoffspeicher 50 mehrere
Speicherbehälter 51 umfasst.
-
In
diesem Ausführungsbeispiel umfasst der Metallhydrid-Wasserstoffspeicher 50 einen
Speicherbehälter 51, eine Wasserstoffeinlasseinrichtung 56 mit
einem Einlass und eine Wasserstoffauslasseinrichtung 58 mit
einem Auslass. Der Einlass der Wasserstoffeinlasseinrichtung 56 und
der Auslass der Wasserstoffauslasseinrichtung 58 sind räumlich
voneinander getrennt angeordnet. Bei diesem Ausführungsbeispiel
sind der Einlass der Wasserstoffeinlasseinrichtung 56 und
der Auslass der Wasserstoffauslasseinrichtung 58 auf einander
gegenüberliegenden Seiten des Speicherbehälters 51 angeordnet.
-
Im
Inneren des Metallhydrid-Wasserstoffspeichers 50, das heißt
in dem Speicherbehälter 51, ist eine metallhydridbildende
Metalllegierung, beispielsweise LaNi5, zwischen
zwei als Filter 60 ausgebildeten, wasserstoffdurchlässigen
Begrenzungswänden in Form einer Schüttung angeordnet.
-
Die
Wasserstoffeinlasseinrichtung 56 dient bei dieser Ausführungsform
dem Einlassen von Wasserstoff in den Speicherbehälter 51 bei
der Beladung des Metallhydrid-Wasserstoffspeichers 50 mit
Wasserstoff und zugleich dem Auslassen von Wasserstoff aus dem Speicherbehälter 51 beim
Entladen des Metallhydrid-Wasserstoffspeichers 50.
-
Bei
einer nicht dargestellten Ausführungsform kann jedoch auch
vorgesehen sein, dass das Auslassen von Wasserstoff aus dem Speicherbehälter 51 beim
Entladen des Metallhydrid-Wasserstoffspeichers 50 mittels
der Wasserstoffauslasseinrichtung 58 erfolgt.
-
Ferner
kann bei einer nicht dargestellten Ausführungsform vorgesehen
sein, dass das Auslassen von Wasserstoff aus dem Speicherbehälter 51 beim
Entladen des Metallhydrid-Wasserstoffspeichers 50 mittels
einer zusätzlichen Wasserstoffauslasseinrichtung erfolgt.
-
Der
Metallhydrid-Wasserstoffspeicher 50 ist teilweise von der
Wärmeübertragungsvorrichtung 54 umgeben
und steht in wärmewirksamer Verbindung mit derselben.
-
Die
Wärmeübertragungsvorrichtung 54 steht ferner
in wärmewirksamer Verbindung mit der Brennstoffzellenvorrichtung 52,
wobei eine Pumpe 62 vorgesehen ist, um ein in der Wärmeübertragungsvorrichtung 54 geführtes,
als Wasser ausgebildetes Wärmeübertragungsfluid
in der Wärmeübertragungsvorrichtung 54 anzutreiben.
-
Die
Wärmeübertragungsvorrichtung 54 umfasst
ferner zwei Ventile 64 zum Herstellen und Trennen einer
fluidwirksamen Verbindung zwischen dem Bereich der Wärmeübertragungsvorrichtung 54,
welcher an dem Metallhydrid-Wasserstoffspeicher 50 angeordnet
ist und dem Bereich der Wärmeübertragungsvorrichtung 54,
welcher an der Brennstoffzellenvorrichtung 52 angeordnet
ist.
-
Die
mobile Einheit 14 umfasst ferner eine Befüllungsleitung 66,
mittels welcher die Wasserstoffeinlasseinrichtung 56 des
Metallhydrid-Wasserstoffspeichers 50 mit dem Wasserstoffzuleitungsanschluss 34 der
Kopplungseinrichtung 32 in fluidwirksamer Verbindung steht.
Diese fluidwirksame Verbindung kann mittels des Ventils 68 getrennt
und hergestellt werden.
-
An
der Wasserstoffauslasseinrichtung 58 des Metallhydrid-Wasserstoffspeichers 50 ist
eine Abführleitung 70 angeordnet, welche eine
fluidwirksame Verbindung zwischen dem Metallhydrid-Wasserstoffspeicher 50 und
dem Wasserstoffrückführungsanschluss 36 ermöglicht.
Diese fluidwirksame Verbindung ist mittels eines Ventils 72 trennbar
und herstellbar.
-
Zur
Zuführung von Wasserstoff aus dem Metallhydrid-Wasserstoffspeicher 50 zu
der Brennstoffzellenvorrichtung 52, dass heißt
zum Entladen des Metallhydrid-Wasserstoffspeichers 50 ist
an der mobilen Einheit 14 eine Entladungs leitung 74 vorgesehen,
welche eine fluidwirksame Verbindung zwischen der Wasserstoffeinlasseinrichtung 56 des
Metallhydrid-Wasserstoffspeichers 50 und der Brennstoffzellenvorrichtung 52 ermöglicht.
Diese fluidwirksame Verbindung ist einerseits mittels des Ventils 68 und zusätzlich
mittels eines Ventils 76 herstellbar und trennbar.
-
Bei
einer in 2a dargestellten ersten Ausführungsform
eines Metallhydrid-Wasserstoffspeichers 50a ist zwischen
zwei als Filter 60 ausgebildeten Begrenzungswänden
ein metallhydridbildendes Metall und/oder eine metallhydridbildende
Legierung angeordnet.
-
Ein
durch die Wasserstoffeinlasseinrichtung 56 in den Metallhydrid-Wasserstoffspeicher 50a einströmender
Wasserstoffstrom strömt folglich durch einen oberen Filter 60 in
den Bereich des Metallhydrid-Wasserstoffspeichers 50a in
dem das metallhydridbildende Material angeordnet ist, anschließend durch
einen unteren Filter 60 und dann durch die Wasserstoffauslasseinrichtung 58 aus
dem Metallhydrid-Wasserstoffspeicher 50a wieder heraus.
-
Beim
Durchströmen des Metallhydrid-Wasserstoffspeichers 50a mit
Wasserstoff wird lediglich ein Teil des in den Metallhydrid-Wasserstoffspeicher 50a einströmenden
Wasserstoffs in dem Metallhydrid-Wasserstoffspeicher 50a gespeichert.
-
Bei
einer in 2b dargestellten zweiten Ausführungsform
eines Metallhydrid-Wasserstoffspeichers 50b ist in dem
Bereich, in dem das metallhydridbildende Material angeordnet ist,
eine schaumartige Struktur vorgesehen. Diese schaumartige Struktur
umfasst vorzugweise ein wärmeleitendes Material, um die
bei der Speicherung von Wasserstoff in dem Metallhydrid-Wasserstoffspeicher 50b erzeugte
Wärme besser abführen zu können und um die
zur Entladung des Metallhydrid-Wasserstoffspeichers 50b benötigte
Wärme besser zuführen zu können.
-
Im Übrigen
stimmt die in 2b dargestellte zweite Ausführungsform
des Metallhydrid-Wasserstoffspeichers 50b hinsichtlich
Aufbau und Funktion mit der in 2a dargestellten
ersten Ausführungsform überein, auf deren vorstehende
Beschreibung soweit Bezug genommen wird.
-
Eine
in 2c dargestellte dritte Ausführungsform
eines Metallhydrid-Wasserstoffspeichers 50c unterscheidet
sich von der in 2a dargestellten ersten Ausführungsform
dadurch, dass zur zusätzlichen Kühlung des Metallhydrid-Wasserstoffspeichers 50c in
dem Bereich, in dem das metallhydridbildende Material angeordnet
ist, als Kühlrippen 78 ausgebildete wärmeleitende
Zusatzelemente vorgesehen sind.
-
Durch
die geeignete Anordnung und Ausgestaltung der Kühlrippen 78 dienen
diese zugleich als innere Strömungsführung in
dem Metallhydrid-Wasserstoffspeicher 50c, um einen als
Wasserstrom ausgebildeten Wärmeübertragungsfluidstrom
in dem Metallhydrid-Wasserstoffspeicher 50c auf bevorzugte
Art zu führen.
-
Ferner
kann eine innere Strömungsführung zur Führung
von Wasserstoff vorgesehen sein.
-
Im Übrigen
stimmt die in 2c dargestellte dritte Ausführungsform
des Metallhydrid-Wasserstoffsspeichers 50c hinsichtlich
Aufbau und Funktion mit der in 2a dargestellten
ersten Ausführungsform überein, auf deren vorstehende
Beschreibung soweit Bezug genommen wird.
-
Eine
in 2d dargestellte vierte Ausführungsform
eines Metallhydrid-Wasserstoffspeichers 50d unterscheidet
sich von der in 2a dargestellten ersten Ausführungsform
dadurch, dass Strömungskanäle 80 zur
Aufnahme von Wärmeübertragungsfluid, welches beispielsweise
Wasser ist, vorgesehen sind.
-
Im Übrigen
stimmt die in 2d dargestellte vierte Ausführungsform
des Metallhydrid-Wasserstoffspeichers 50d hinsichtlich
Aufbau und Funktion mit der in 2a dargestellten
ersten Ausführungsform überein, auf deren vorstehende
Beschreibung soweit Bezug genommen wird.
-
Eine
in 2e dargestellte fünfte Ausführungsform
eines Metallhydrid-Wasserstoffspeichers 50e unterscheidet
sich von der in 2a dargestellten ersten Ausführungsform
dadurch, dass die Wasserstoffeinlasseinrichtung 56 im unteren
Bereich des Metallhydrid-Wasserstoffspeichers 50e angeordnet ist.
Ferner ist bei dieser Ausführungsform die Wasserstoffauslasseinrichtung 58 im
oberen Bereich des Metallhydrid-Wasserstoffspeichers 50e angeordnet. Somit
durchströmt der durch den Metallhydrid-Wasserstoffspeicher 50e strömende
Wasserstoff einen Innenraum 82 des Metallhydrid-Wasserstoffspeichers 50e im
montierten Zustand des Metallhydrid-Wasserstoffspeichers 50e entgegen
der Schwerkraftrichtung (in 2e als ”g” gekennzeichnet)
von unten nach oben. Die Strömungsrichtung des Wasserstoffs
muss dabei nicht exakt entgegen der Schwerkraftrichtung ausgerichtet
sein. Vielmehr muss lediglich zumindest ein vektorieller Anteil
der Strömungsrichtung entgegen des Schwerkraftrichtung
ausgerichtet sein.
-
Aufgrund
der Durchströmung des Metallhydrid-Wasserstoffspeichers 50e entgegen
der Schwerkraftrichtung kann ein Lockerungszustand des in dem Innenraum 82 des
Metallhydrid-Wasserstoffspeichers 50e angeordneten metallhydridbildenden Materials
erreicht werden. Das beispielsweise als Pulver ausgebildete metallhydridbildende
Material (nachfolgend als ”Metallhydrid-Pulver” bezeichnet) wird
hierzu hinsichtlich seiner Dichte und seiner Feinheit so gewählt,
dass der von unten nach oben durch den Innenraum 82 strömende
Wasserstoffstrom das Pulver zu lockern vermag, eine turbulente Verwirbelung
des Metallhydrid-Pulvers jedoch vermieden wird.
-
Diese
für den Lockerungszustand notwendige Bedingung wird insbesondere
dann erfüllt, wenn die Porosität des Metallhydrid-Pulvers
so gewählt wird, dass deren Betrag nach einer Befüllung
des Innenraums (82) mit Metallhydrid-Pulver in einem Zustand
ohne Wasserstoffdurchfluss, in welchem das Metallhydrid-Pulver als
Festbett vorliegt, größer als 0,48 ist.
-
Die
Archimedeszahl des Metallhydrid-Pulvers, welche das Verhältnis
von Auftriebskraft zu Reibungskraft wiedergibt, liegt zur Erreichung
des Lockerungszustands vorzugsweise bei einem Wert zwischen 0,05
und 1.
-
Um
genügend Platz zur Lockerung des Metallhydrid-Pulvers zu
haben, ist der Innenraum 82 des Metallhydrid-Wasserstoffspeichers 50e im
Bereich zwischen den Filtern 60 an der Wasserstoffeinlasseinrichtung 56 und
an der Wasserstoffauslasseinrichtung 58 vorzugsweise nicht
vollständig mit Metallhydrid-Pulver gefüllt.
-
Auf
diese Weise kann sich das Metallhydrid-Pulver zur Erreichung des
Lockerungszustandes in dem Innenraum 82 ausbreiten. Das
von dem Metallhydrid-Pulver eingenommene Volumen ist somit im Lockerungszustand
größer als in einem Zustand, in welchem kein Wasserstoff
durch den Innenraum 82 des Metallhydrid-Wasserstoffspeichers 50e strömt.
-
Ein
Füllungsgrad des Innenraums 82 wird vorzugsweise
so gewählt, dass im Lockerungszustand des Metallhydrid-Pulvers,
das heißt während der Durchleitung von Wasserstoff
durch den Metallhydrid-Wasserstoffspeicher 50e, das Metallhydrid-Pulver
nicht bis zu dem an der Wasserstoffauslasseinrichtung 58 angeordneten
Filter 60 gelangt. Auf diese Weise kann verhindert werden,
dass der Filter 60 an der Wasserstoffauslasseinrichtung 58 verstopft und
den Wasserstofffluss durch den Metallhydrid-Wasserstoffspeicher 50e und
somit die Beladung des Metallhydrid-Wasserstoffspeichers 50e mit
Wasserstoff behindert.
-
Um
den an der Wasserstoffauslasseinrichtung 58 angeordneten
Filter nach einer Verunreinigung mit Metallhydrid-Pulver einfach
reinigen zu können, kann vorgesehen sein, dass der Metallhydrid-Wasserstoffspeicher 50e so
an das Wasserstoffbereitstellungssystem 10 anschließbar
ist, dass eine Strömungsrichtung durch den Metallhydrid-Wasserstoffspeicher 50e umkehrbar
ist, sodass Verunreinigungen, welche sich an dem an der Wasserstoffauslassein richtung 58 angeordneten
Filter 60 gebildet haben, durch Rückspülen
mit Wasserstoff einfach entfernt werden können.
-
Um
die Wärmezufuhr zur Entladung des Metallhydrid-Pulvers
von Wasserstoff zu verbessern, können wärmeleitende
Trennwände 84 vorgesehen sein, welche sich vorzugsweise
in vertikaler Richtung in dem Innenraum 82 des Metallhydrid-Wasserstoffspeichers 50e erstrecken.
-
Diese
Trennwände 84 können ferner als Strömungsführungen
dienen, welche eine vereinfachte Fluidisierung des Metallhydrid-Pulvers
und somit eine schnellere Erreichung des Lockerungszustands ermöglichen.
-
Bei
einer nicht dargestellten Weiterbildung der Erfindung kann vorgesehen
sein, dass der Innenraum 82 des Metallhydrid-Wasserstoffspeichers 50e einen
in vertikaler Richtung genommenen, trapezförmigen Querschnitt
aufweist, wobei ein der Wasserstoffeinlassrichtung 56 zugewandtes
Ende des Innenraums 82 des Metallhydrid-Wasserstoffspeichers 50e vorzugsweise
einen in horizontaler Richtung genommenen, kleineren Querschnitt
aufweist als ein der Wasserstoffauslasseinrichtung 58 zugewandtes Ende
des Innenraums 82 des Metallhydrid-Wasserstoffspeichers 50e.
Insbesondere kann vorgesehen sein, dass der Innenraum 82 des
Metallhydrid-Wasserstoffspeichers 50e eine zumindest näherungsweise
konische Form aufweist, welche sich vorzugsweise nach unten verjüngt.
-
Auf
diese Weise kann die Bildung einer zirkulierenden Wirbelschicht
und somit die unerwünschte Aufwirbelung des Metallhydrid-Pulvers
vermieden werden.
-
Um
die gewünschte Porosität des Metallhydrid-Pulvers
zu erreichen und insbesondere ein nachträgliches Verklumpen
des Metallhydrid-Pulvers zu vermeiden, kann vorgesehen sein, dass
das Metallhydrid-Pulver vor der ersten Befüllung des Metallhydrid-Wasserstoffspeichers 50e morphologisch
vorbereitet und gegebenenfalls aktiviert wird.
-
Insbesondere
kann dadurch gewährleistet werden, dass das Metallhydrid-Pulver
bei erstmaliger Befüllung des Metallhydrid-Wasserstoffspeichers 50e mit
Wasserstoff sein Volumen nicht oder zumindest nicht wesentlich ändert.
-
Vielmehr
behalten die einzelnen Partikel des Metallhydrid-Pulvers ihr Volumen
nach einer Aktivierung des Metallhydrid-Pulvers und der morphologischen
Aufbereitung im Wesentlichen bei.
-
Im Übrigen
stimmt die in 2e dargestellte fünfte
Ausführungsform des Metallhydrid-Wasserstoffspeichers 50e hinsichtlich
Aufbau und Funktion mit der in 2a dargestellten
ersten Ausführungsform überein, auf deren vorstehende
Beschreibung insoweit Bezug genommen wird.
-
Das
vorstehend beschriebene Wasserstoffbereitstellungssystem 10 funktioniert
wie folgt:
In dem beispielsweise als Hochdruck-Gastank ausgebildeten
Wasserstoffreservoir 16 ist Wasserstoff unter hohem Druck,
beispielsweise 700 bar, gespeichert. Mittels der Versorgungsleitung 18 wird
aus dem Wasserstoffreservoir 16 Wasserstoff entnommen.
-
Zur
Temperierung, insbesondere zur Kühlung, des entnommenen
Wasserstoffs dient die Wärmeübertragungsvorrichtung 22.
Stromabwärts ist die regelbare Unterbrechungseinrichtung 24 dafür
vorgesehen, dass ein bestimmter Druck und/oder ein bestimmter Massenstrom
des in der Versorgungsleitung 18 geführten Wasserstoffs
eingestellt werden kann.
-
Die
Temperatur und der Druck des in der Versorgungsleitung 18 stromabwärts
der regelbaren Unterbrechungseinrichtung 24 geführten
Wasserstoffs wird mittels der Temperaturmessvorrichtung 26 beziehungsweise
mittels der Druckmessvorrichtung 28 gemessen.
-
Ein
Ausströmen von Wasserstoff aus der Versorgungsleitung 18 wird
mittels des in der Versorgungsleitung 18 angeordneten Ventils 30 verhindert, wenn
keine mobile Einheit 14 an die Wasserstoffreservoireinrichtung 12 angekoppelt
ist.
-
Wird
eine mobile Einheit 14 mittels der Kopplungseinrichtung 32 an
die Wasserstoffreservoireinrichtung 12 angekoppelt, so
wird mittels des Wasserstoffzuleitungsanschlusses 34 eine
fluidwirksame Verbindung zwischen der Befüllungsleitung 66 und der
Versorgungsleitung 18 ermöglicht. Ferner wird mittels
des Wasserstoffrückführungsanschlusses 36 eine
fluidwirksame Verbindung zwischen der Abführleitung 70 und
der Rückführleitung 40 ermöglicht.
-
Zum
Befüllen des Metallhydrid-Wasserstoffspeichers 50 mit
Wasserstoff werden die Ventile 30 geöffnet, sodass
ein Wasserstoffstrom aus der Versorgungsleitung 18 in die
Befüllungsleitung 66 strömen kann. Dabei
ist das Ventil 76 geschlossen und das Ventil 68 geöffnet,
sodass der Wasserstoff über die Wasserstoffeinlasseinrichtung 56 in
den Metallhydrid-Wasserstoffspeicher 50 einströmen
kann. Ein Teil des in den Metallhydrid-Wasserstoffspeicher 50 einströmenden
Wasserstoffs wird in dem metallhydridbildenden Material, welches
in dem Metallhydrid-Wasserstoffspeicher 50 angeordnet ist,
gespeichert.
-
Da
die Wasserstoffmenge, welche in den Metallhydrid-Wasserstoffspeicher 50 eingeleitet
wird, wesentlich größer ist als die in dem Metallhydrid-Wasserstoffspeicher 50 speicherbare
Wasserstoffmenge, tritt am Ende des Metallhydrid-Wasserstoffspeichers 50 an
der Wasserstoffauslasseinrichtung 58 ein Teil des in den
Metallhydrid-Wasserstoffspeicher 50 eingeleiteten Wasserstoffs
wieder aus. Mittels der Abführleitung 70 wird
der durch den Metallhydrid-Wasserstoffspeicher 50 durchgeleitete
Teil der insgesamt der mobilen Einheit 14 zugeführten Wasserstoffmenge
durch das geöffnete Ventil 72 von dem Metallhydrid-Wasserstoffspeicher 50 abgeführt.
-
Bei
der Speicherung von Wasserstoff in dem Metallhydrid-Wasserstoffspeicher 50 wird
Wärme frei, welche zumindest teilweise mittels des in den Metallhydrid-Wasserstoffspeicher 50 strömenden Wasserstoffs
aufgenommen wird.
-
Über
die Kopplungseinrichtung 32, insbesondere über
den Wasserstoffrückführungsanschluss 36,
gelangt die durch den Metallhydrid-Wasserstoffspeicher 50 geführte
und darin erhitzte Wasserstoffmenge in die Rückführleitung 40 der
Rückführeinrichtung 38 der Wasserstoffreservoireinrichtung 12.
-
Aufgrund
der Durchströmung des Metallhydrid-Wasserstoffspeichers 50 und
der Wasserstoffspeicherung in dem Metallhydrid-Wasserstoffspeicher 50 erfährt
der Wasserstoffstrom einen Druckabfall, welchem mit der Verdichtungsvorrichtung 42 entgegengewirkt
wird.
-
Der
in der Rückführleitung 40 geführte
Wasserstoffstrom gelangt durch die Durchflussmessvorrichtung 44 in
den Auffangbehälter 46, wobei mittels der Durchflussmessvorrichtung 44 gemessen
wird, welche Menge von Wasserstoff in den Auffangbehälter 46 gelangt.
-
Die
Durchflussmessvorrichtung 44 dient insbesondere der Steuerung
des Verdichters 42.
-
Der
Auffangbehälter 46 dient insbesondere dazu, den
in dem Metallhydrid-Wasserstoffspeicher 50 aufgeheizten
Wasserstoff abkühlen zu lassen.
-
Diese
Abkühlung kann mittels in 1 nicht dargestellten
Kühlungsvorrichtungen beschleunigt werden.
-
Mittels
der Recyclingleitung 20 kann durch Öffnen des
Ventils 48 der in dem Auffangbehälter 46 aufgenommene
Wasserstoff zu dem Wasserstoffreservoir 16 zurückgeführt
werden.
-
Bei
dieser Rückführung kann eine Konditionierung vorgesehen
sein, das heißt, es kann beispielsweise eine zusätzliche
Verdichtung und/oder eine zusätzliche Kühlung
des dem Wasserstoffreservoir 16 zugeführten Wasserstoffs
erfolgen.
-
Durch
die Rückführung des durch den Metallhydrid-Wasserstoffspeicher 50 geführten
Wasserstoffs in das Wasserstoffreservoir 16 ist ein geschlossener
Wasserstoffkreislauf möglich, sodass in dem Metallhydrid-Wasserstoffspeicher 50 nicht
gespeicherter Wasserstoff bei einem erneuten Beladungsvorgang wiederverwendet
werden kann.
-
Nach
dem Befüllen des Metallhydrid-Wasserstoffspeichers 50 wird
die mobile Einheit 14 von der Wasserstoffreservoireinrichtung 12 abgekoppelt, das
heißt es werden die Ventile 30 geschlossen und sowohl
der Wasserstoffzuleitungsanschluss 34 als auch der Wasserstoffrückführungsanschluss 36 gelöst.
-
Ferner
wird das Ventil 72 geschlossen.
-
Zum
Bereitstellen von Wasserstoff an der Brennstoffzellenvorrichtung 52,
das heißt zum Bereitstellen von Treibstoff für
die Brennstoffzellenvorrichtung 52, wird das Ventil 76 geöffnet,
sodass Wasserstoff durch die Entladungsleitung 74 aus dem
Metallhydrid-Wasserstoffspeicher 50 zu der Brennstoffzellenvorrichtung 52 gelangen
kann.
-
Die
für das Entladen des Metallhydrid-Wasserstoffspeichers 50 benötigte
Wärme wird an der Brennstoffzellenvorrichtung 52 durch
Reaktion des zugeführten Wasserstoffs, insbesondere durch
Reaktion mit Sauerstoff, erzeugt und mittels der Wärmeübertragungsvorrichtung 54 durch Öffnen
der Ventile 64 und Betätigen der Pumpe 62 mittels
des Wärmeübertragungsfluids zum dem Metallhydrid-Wasserstoffspeicher 50 zugeführt.
-
Beim
Entladen des Metallhydrid-Wasserstoffspeichers ist es nicht erforderlich,
eine große Wärmemenge schnell zuzuführen,
da sich der Entladevorgang üblicherweise über
einen wesentlich größeren Zeitraum erstreckt als
der Beladevorgang.
-
Im
Folgenden werden computerbasierte Simulationsergebnisse präsentiert,
welche die Veränderung der Beladungszeit des Metallhydrid-Wasserstoffspeichers 50a in
Abhängigkeit des Drucks, der Temperatur und des Massenstroms
des dem Metallhydrid-Wasserstoffspeicher 50a zugeführten
Wasserstoffs veranschaulichen sollen. Sämtliche Angaben
sind beispielhaft und abhängig von einer konkreten Ausgestaltung
eines Wasserstoffbereitstellungssystems.
-
Unter
der Beladungszeit ist im Folgenden die Zeit zu verstehen, die vergeht,
wenn der Metallhydrid-Wasserstoffspeicher 50a aus einem
vollständig entladenen wasserstoffleeren Zustand Z0 bis
zu einem Zustand Z90 beladen wird, in dem er mit 90% der maximalen
Wasserstoffkapazität beladen ist.
-
Der
angegebene Druck bezeichnet jeweils den Wasserstoffdruck in der
Wasserstoffeinlasseinrichtung 56, das heißt vor
dem Durchströmen des Metallhydrid-Wasserstoffspeichers 50a.
-
Durch
die hohe Permeabilität des metallhydridbildenden Materials
beträgt der Druckunterschied zwischen der Wasserstoffeinlasseinrichtung 56 und der
Wasserstoffauslasseinrichtung 58 bei einem Eingangsdruck
in der Wasserstoffeinlasseinrichtung 56 von 70 bar bei
einem Massenstrom von 2 kg/min ungefähr 1 bar.
-
In 3 ist
zur Darstellung des Einflusses eines Wasserstoffkühlstroms
auf die Beladungszeit des Metallhydrid-Wasserstoffspeichers 50a der
Füllstand F relativ zu der maximalen Wasserstoffkapazität
des Metallhydrid-Wasserstoffspeichers 50a über der
Zeit t in Minuten aufgetragen. Der Wasserstoffdruck beträgt
70 bar und die Eingangswasserstofftemperatur 293 K. Die Beladung
beginnt bei t = 0 min.
-
Es
zeigt sich, dass die Beladung ohne einen Wasserstoffkühlstrom
(siehe Kurve 3A) ungefähr 136 min dauert. Hingegen ist
der Verlauf der Beladung des Metallhydrid-Wasserstoffspeichers 50a mit
Wasserstoff bei der Verwendung eines Wasserstoffkühlstroms
von 2 kg/min zur Kühlung des Metallhydrid-Wasserstoffspeichers 50a wesentlich
steiler (siehe Kurve 3B). Die Beladungszeit beträgt hier
nur ungefähr 4,5 min.
-
In 4 ist
zur Darstellung des Einflusses des Drucks und des Wasserstoffkühlstroms
auf die Beladungszeit des Metallhydrid-Wasserstoffspeichers 50a der
Füllstand F relativ zu der maximalen Wasserstoffkapazität
des Metallhydrid-Wasserstoffspeichers 50a über
der Zeit t in Sekunden aufgetragen. Die Eingangswasserstofftemperatur
beträgt 293 K. Die Beladung beginnt bei t = 0 S.
-
Bei
einem Druck von 30 bar und einem Wasserstoffkühlstrom von
2 kg/min (siehe Kurve 4A) beträgt die Beladungszeit ungefähr
406 s.
-
Bei
einem Druck von 30 bar und einem Wasserstoffkühlstrom von
10 kg/min (siehe Kurve 4B) beträgt die Beladungszeit ungefähr
97 s.
-
Bei
einem Druck von 70 bar und einem Wasserstoffkühlstrom von
2 kg/min (siehe Kurve 4C) beträgt die Beladungszeit ungefähr
283 s.
-
Bei
einem Druck von 70 bar und einem Wasserstoffkühlstrom von
10 kg/min (siehe Kurve 4D) beträgt die Beladungszeit ungefähr
65 s.
-
4 ist
somit zu entnehmen, dass mit höherem Druck und mit höherem
Wasserstoffkühlstrom eine kürzere Beladungszeit
des Metallhydrid-Wasserstoffspeichers 50a realisierbar
ist.
-
In 5 ist
zur Darstellung des Einflusses der Eingangswasserstofftemperatur
des Wasserstoffkühlstroms auf die Beladungszeit des Metallhydrid-Wasserstoffspeichers 50a der
Füllstand F relativ zu der maximalen Wasser stoffkapazität
des Metallhydrid-Wasserstoffspeichers 50a über
der Zeit t in Sekunden aufgetragen. Der Druck beträgt 30
bar bei einem Wasserstoffkühlstrom von 2 kg/min. Die Beladung
beginnt bei t = 0 s.
-
Bei
einer Eingangswasserstofftemperatur von 293 K (siehe Kurve 5A) beträgt
die Beladungszeit ungefähr 405 s.
-
Bei
einer Eingangswasserstofftemperatur von 273 K (siehe Kurve 5B) beträgt
die Beladungszeit ungefähr 335 s.
-
Bei
einer Eingangswasserstofftemperatur von 253 K (siehe Kurve 5C) beträgt
die Beladungszeit ungefähr 288 s.
-
5 ist
somit zu entnehmen, dass mit sinkender Eingangswasserstofftemperatur
eine kürzere Beladungszeit des Metallhydrid-Wasserstoffspeichers 50a realisierbar
ist.
-
Eine
in 6 dargestellte zweite Ausführungsform
eines Wasserstoffbereitstellungssystems 10 unterscheidet
sich von der in 1 dargestellten ersten Ausführungsform
dadurch, dass eine Zuleitung von Wasserstoff in einen Innenraum 82 des
Metallhydrid-Wasserstoffspeichers 50 mittels der Wasserstoffeinlasseinrichtung 56 an
einem in Schwerkraftrichtung unteren Ende des Innenraums 82 des Metallhydrid-Wasserstoffspeichers 50 erfolgt.
-
Mittels
der Wasserstoffauslasseinrichtung 58 wird der durch den
Innenraum 82 des Metallhydrid-Wasserstoffspeichers 50 strömende
Wasserstoff an einem oberen Ende des Innenraums 82 des
Metallhydrid-Wasserstoffspeichers 50 abgeführt.
-
Der
in 6 dargestellte Metallhydrid-Wasserstoffspeicher 50 ist
vorzugsweise wie die in 2e dargestellte
fünfte Ausführungsform eines Metallhydrid-Wasserstoffspeichers 50 ausgebildet, sodass
auf deren vorstehende Beschreibung insoweit Bezug genommen wird.
-
Eine
verbesserte Abfuhr der bei dem Beladen des metallhydridbildenden
Materials mit Wasserstoff entstehenden Wärme ist bei der
in 6 dargestellten zweiten Ausführungsform
des Wasserstoffbereitstellungssystems 10 mittels einer
zusätzlichen Kühlvorrichtung 86 möglich.
-
Die
Kühlvorrichtung 86, welche vorzugsweise an der
Wasserstoffreservoireinrichtung 12 angeordnet ist, ist
hierzu mittels einer Kühlmediumzuführleitung 88 und
einer Kühlmediumabführleitung 90 mit der
Wärmeübertragungsvorrichtung 54, welche
an der mobilen Einheit 14 angeordnet ist und in wärmewirksamer
Verbindung mit dem Innenraum 82 des Metallhydrid-Wasserstoffspeichers 50 steht,
verbunden.
-
Ein
Kühlmedium der Kühlvorrichtung 86 kann
beispielsweise das Wärmeübertragungsfluid der
Wärmeübertragungseinrichtung 54 sein,
sodass ein gemeinsamer Kreislauf für das Kühlmedium
und das Wärmeübertragungsfluid vorgesehen sein
kann.
-
Alternativ
hierzu kann ein separater Kreislauf für ein von dem Wärmeübertragungsfluid
verschiedenes Kühlmedium an der Wärmeübertragungsvorrichtung 54 vorgesehen
sein.
-
Die
Kühlmediumzuführleitung 88 und die Kühlmediumabführleitung 90 sind
dabei vorzugsweise mittels (nicht dargestellten) Ventilen unterbrechbar,
sodass eine Fluidverbindung zwischen der an der Wasserstoffreservoireinrichtung 12 angeordneten
Kühlvorrichtung 86 und der an der mobilen Einheit 14 angeordneten
Wärmeübertragungsvorrichtung 54 unterbrechbar
ist.
-
Vorzugsweise
weist das Wasserstoffbereitstellungssystem 10 hierzu eine
Kopplungseinrichtung 92 auf, mittels welcher entsprechend
der Kopplungseinrichtung 32 für den Wasserstofffluss
ein Kühlmediumfluss zwischen der Wasserstoffreservoireinrichtung 12 und
der mobilen Einheit 14 unterbrechbar ist.
-
Auf
diese Weise muss die lediglich zur Beladung des Metallhydrid-Wasserstoffspeichers 50 mit Wasserstoff
notwendige Kühleinrichtung 86 nicht an der mobilen
Einheit 14 angeordnet werden, sodass die mobile Einheit 14 eine
geringere Masse aufweisen kann.
-
Mittels
der Kühlvorrichtung 86 sind insbesondere wärmeleitende
Zusatzelemente des Metallhydrid-Wasserstoffspeichers 50,
wie beispielsweise Lamellen und/oder Kühlrippen aus wärmeleitenden
Materialien oder wassergekühlte Rohre kühlbar,
sodass die beim Beladen des Metallhydrid-Wasserstoffspeichers 50 entstehende
Wärme schnell abgeleitet und zur der Wasserstoffreservoireinrichtung 12 abgeführt werden
kann.
-
Eine
besonders vorteilhafte Wärmeabfuhr ergibt sich insbesondere
dann, wenn das in dem Innenraum 82 des Metallhydrid-Wasserstoffspeichers 50 angeordnete
metallhydridbildende Material von Wasserstoff durchströmt
wird, da hierbei ein besonders effizienter Wärmeübertrag
auf die wärmeleitenden Zusatzelemente und somit eine effiziente
Abfuhr der Wärme mittels der Kühlvorrichtung 86 möglich
ist.
-
Im Übrigen
stimmt die in 6 dargestellte zweite Ausführungsform
des Wasserstoffbereitstellungssystems hinsichtlich Aufbau und Funktion
mit der in 1 dargestellten ersten Ausführungsform überein,
auf deren vorstehende Beschreibung insoweit Bezug genommen wird.
-
Die
Verwendung von Wasserstoff zum Kühlen eines Metallhydrid-Wasserstoffspeichers
in einem Wasserstoffbereitstellungssystem ermöglicht eine
deutliche Beschleunigung der Beladung des Metallhydrid-Wasserstoffspeichers
mit Wasserstoff.
-
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 4185979 [0006]
- - DE 102006020846 A1 [0007]
- - EP 0995944 A2 [0008]
- - US 6878353 B2 [0009]
- - US 6305442 B1 [0010]
- - DE 3344770 C2 [0011]
- - DE 2923561 A1 [0012]
- - WO 2007/072470 A1 [0013]
- - US 7124790 B2 [0014]
- - US 6318453 B1 [0015]
- - US 4756163 [0016]
- - US 4749384 [0017]