DE102009016475B4

DE102009016475B4 - Wasserstoffbereitstellungssystem und Verfahren zur Bereitstellung von Wasserstoff

Info

Publication number: DE102009016475B4
Application number: DE102009016475A
Authority: DE
Inventors: Farida Joppich; Dr. Couturier Karelle
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2008-04-01
Filing date: 2009-03-30
Publication date: 2012-02-02
Anticipated expiration: 2029-03-31
Also published as: DE102009016475A1

Abstract

Um 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, bereitzustellen, bei welchem eine schnelle und effektive Beladung des Metallhydrid-Wasserstoffspeichers mit Wasserstoff erreichbar ist, wird vorgeschlagen, dass eine Rückführeinrichtung für Wasserstoff an der Wasserstoffreservoireinrichtung vorgesehen ist, wobei mittels der Kopplungseinrichtung fluidwirksame Verbindungen zwischen dem mindestens einen Wasserstoffreservoir und einer Einlasseinrichtung des Metallhydrid-Wasserstoffspeichers und zwischen der Rückführeinrichtung und einer Wasserstoffauslasseinrichtung des Metallhydrid-Wasserstoffspeichers herstellbar und trennbar sind, um einen Wasserstoffstrom von dem mindestens einen Wasserstoffreservoir dem Metallhydrid-Wasserstoffspeicher zuzuführen, wobei ein Teil des Wasserstoffsstroms in dem Metallhydrid-Wasserstoffspeicher gespeichert wird und ein weiterer Teil des Wasserstoffstroms zum Kühlen durch den Metallhydrid-Wasserstoffspeicher durchgeführt und zu der Rückführeinrichtung zurückgeführt wird.

Description

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.
Die DE 10 2006 020 394 A1 offenbart einen Wasserstoffspeicher und ein Verfahren zum Befüllen eines Wasserstoffspeichers, wobei der Wasserstoff in einem porösen Körper gespeichert wird, welcher als mechanische Stütze des mit Speichermaterial gefüllten Behälters dient.
Die JP 2007-315546 A offenbart eine Wasserstoffspeichervorrichtung, bei welcher mittels einer Mischungsvorrichtung ein Fluidisierungszustand des Speichermediums erzielt wird.
Die JP 63-140200 A und die JP 62-241801 A offenbaren Vorrichtungen zum Speichern von Wasserstoff, bei welchen ein Speichermedium in einem Speicherbehälter in einen Fluidisierungszustand bringbar ist.
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 durch die Merkmale von Anspruch 1 gelöst.
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.
Der Metallhydrid-Wasserstoffspeicher weist einen mit metallhydridbildendem Material gefüllten Innenraum auf, 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 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.
Ein Metallhydrid-Wasserstoffspeicher kann schnell und effektiv mit Wasserstoff beladen werden, wenn 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 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 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 Metallhydrid-Wasserstoffspeicher weist ferner vorzugsweise sämtliche im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Wasserstoffbereitstellungssystem aufgeführten Merkmale und Vorteile auf.
Der 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 die Merkmale von Anspruch 19.
Das erfindungsgemäße Verfahren weist vorzugsweise die bereits im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Wasserstoffbereitstellungssystem erläuterten Vorteile auf.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens wurden ebenfalls bereits im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Wasserstoffbereitstellungssystem 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.
Ein Innenraum des Metallhydrid-Wasserstoffspeichers, welcher teilweise mit metallhydridbildendem Material gefüllt ist, wird zur Befüllung des Metallhydrid-Wasserstoffspeichers mit Wasserstoff entgegen der Schwerkraftrichtung mit Wasserstoff durchströmt. Auf diese Weise ist eine besonders effiziente Beladung des Metallhydrid-Wasserstoffspeichers mit Wasserstoff möglich.
Das in dem Innenraum des Metallhydrid-Wasserstoffspeichers angeordnete, metallhydridbildende Material wird während der Befüllung des Metallhydrid-Wasserstoffspeichers mit Wasserstoff in einen Lockerungszustand gebracht, 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 Zustand 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.
Ein Verfahren zum Befüllen und Entladen eines Metallhydrid-Wasserstoffspeichers ermöglicht eine schnelle und effektive Befüllung und/oder Entladung des Metallhydrid-Wasserstoffspeichers, wenn 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 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.
Der Innenraum des Metallhydrid-Wasserstoffspeichers wird, beispielsweise durch Zuleitung des Wasserstoffs in einem in Schwerkraftrichtung unteren Bereich des Innenraums des Metallhydrid-Wasserstoffspeichers, entgegen der Schwerkraftrichtung mit Wasserstoff durchströmt, 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 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 Entladungsleitung 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 Wasserstoffauslasseinrichtung 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 Wasserstoffkapazität 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.

Claims

Wasserstoffbereitstellungssystem (10), umfassend eine Wasserstoffreservoireinrichtung (12) mit mindestens einem Wasserstoffreservoir (16) und einer Rückführeinrichtung (38) für Wasserstoff, mindestens eine mobile Einheit (14) mit einem Metallhydrid-Wasserstoffspeicher (50), welcher eine Wasserstoffeinlasseinrichtung (56) mit einem Einlass und eine Wasserstoffauslasseinrichtung (58) mit einem Auslass umfasst, wobei der Einlass und der Auslass an dem Metallhydrid-Wasserstoffspeicher (50) räumlich getrennt angeordnet sind, um ein Durchströmen des Metallhydrid-Wasserstoffspeichers (50) zu ermöglichen, und eine Kopplungseinrichtung (32) zur Ankopplung der mindestens einen mobilen Einheit (14) an die Wasserstoffreservoireinrichtung (12) zur Befüllung des Metallhydrid-Wasserstoffspeichers (50) mit Wasserstoff, wobei mittels der Kopplungseinrichtung (32) fluidwirksame Verbindungen zwischen dem mindestens einen Wasserstoffreservoir (16) und dem Einlass der Wasserstoffeinlasseinrichtung (56) des Metallhydrid-Wasserstoffspeichers (50) und zwischen der Rückführeinrichtung (38) und dem Auslass der Wasserstoffauslasseinrichtung (58) des Metallhydrid-Wasserstoffspeichers (50) herstellbar und trennbar sind, um einen Wasserstoffstrom von dem mindestens einen Wasserstoffreservoir (16) dem Metallhydrid-Wasserstoffspeicher (50) zuzuführen, und um einen Teil des Wasserstoffstroms in dem Metallhydrid-Wasserstoffspeicher (50) zur Wasserstoffspeicherung zu nutzen und einen weiteren Teil des Wasserstoffstroms zum Kühlen durch den Metallhydrid-Wasserstoffspeicher (50) durchzuführen und zu der Rückführeinrichtung (38) zurückzuführen, dadurch gekennzeichnet, dass der Metallhydrid-Wasserstoffspeicher (50) einen mit metallhydridbildendem Material gefüllten Innenraum (82) aufweist, welcher zur Befüllung des Metallhydrid-Wasserstoffspeichers (50) mit Wasserstoff entgegen der Schwerkraftrichtung so mit Wasserstoff durchströmbar ist, dass das in dem Innenraum (82) des Metallhydrid-Wasserstoffspeichers (50) angeordnete metallhydridbildende Material in einen Lockerungszustand bringbar ist.
Wasserstoffbereitstellungssystem (10) nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch mindestens eine Druckmessvorrichtung (28) zur Messung eines Wasserstoffdrucks in einer wasserstoffführenden Leitung (18, 20, 40, 66, 70, 74).
Wasserstoffbereitstellungssystem (10) nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch mindestens eine Temperaturmessvorrichtung (26) zur Messung einer Wasserstofftemperatur in einer wasserstoffführenden Leitung (18, 20, 40, 66, 70, 74).
Wasserstoffbereitstellungssystem (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch mindestens eine regelbare und/oder steuerbare Unterbrechungseinrichtung (24) zur Regelung und/oder Steuerung eines Wasserstoffstroms in einer wasserstoffführenden Leitung (18, 20, 40, 66, 70, 74).
Wasserstoffbereitstellungssystem (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch mindestens eine Durchflussmessvorrichtung (44) zur Messung eines Wasserstoffdurchflusses durch eine wasserstoffführende Leitung (18, 20, 40, 66, 70, 74).
Wasserstoffbereitstellungssystem (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch mindestens eine Wärmeübertragungsvorrichtung (54) zur Übertragung von Wärme von einer Antriebseinheit zu einem Metallhydrid-Wasserstoffspeicher (50).
Wasserstoffbereitstellungssystem (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch mindestens eine Verdichtungsvorrichtung (42) zur Verdichtung von in einer Leitung (18, 20, 40, 66, 70, 74) geführtem Wasserstoff.
Wasserstoffbereitstellungssystem (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet durch mindestens einen Auffangbehälter (46) zum Auffangen von zu der Rückführeinrichtung (38) zurückgeführtem Wasserstoff.
Wasserstoffbereitstellungssystem (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückführeinrichtung (38) mit dem mindestens einen Wasserstoffreservoir (16) in einer mittels einer Unterbrechungseinrichtung (48) herstellbaren und trennbaren fluidwirksamen Verbindung steht.
Wasserstoffbereitstellungssystem (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine mobile Einheit (14) eine Wärmeübertragungsvorrichtung (54) umfasst, welche in wärmewirksamer Verbindung mit dem Metallhydrid-Wasserstoffspeicher (50) steht.
Wasserstoffbereitstellungssystem (10) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine mobile Einheit (14) eine Antriebseinheit umfasst, welche in wärmewirksamer Verbindung mit der Wärmeübertragungsvorrichtung (54) steht.
Wasserstoffbereitstellungssystem (10) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebseinheit eine Brennstoffzellenvorrichtung (52) umfasst.
Wasserstoffbereitstellungssystem (10) nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeübertragungsvorrichtung (54) eine Pumpe (62) zum Antreiben eines in der Wärmeübertragungsvorrichtung (54) geführten Wärmeübertragungsfluids umfasst.
Wasserstoffbereitstellungssystem (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Metallhydrid-Wasserstoffspeicher (50) mindestens ein wärmeleitendes Zusatzelement (78) zur zusätzlichen Zufuhr von Wärme zu dem Metallhydrid-Wasserstoffspeicher (50) und/oder zur zusätzlichen Abfuhr von Wärme von dem Metallhydrid-Wasserstoffspeicher (50) umfasst.
Wasserstoffbereitstellungssystem (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Metallhydrid-Wasserstoffspeicher (50) eine innere Strömungsführung zur Führung von Wasserstoff umfasst.
Wasserstoffbereitstellungssystem (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Innenraum (82) des Metallhydrid-Wasserstoffspeichers (50) einen in vertikaler Richtung genommenen, zumindest näherungsweise trapezförmigen Querschnitt aufweist.
Wasserstoffbereitstellungssystem (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass das Wasserstoffbereitstellungssystem (10) eine an der Wasserstoffreservoireinrichtung (12) angeordnete Kühlvorrichtung (86) umfasst, mittels welcher in einem angekoppelten Zustand der mobilen Einheit (14) dem Metallhydrid-Wasserstoffspeicher (50) ein von dem Wasserstoff verschiedenes Kühlmedium zuführbar ist.
Wasserstoffbereitstellungssystem (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Betrag der Porosität des metallhydridbildenden Materials in einem Zustand ohne Wasserstoffdurchfluss größer als 0,48 ist.
Verfahren zur Bereitstellung von Wasserstoff an eine mobile Einheit (14), umfassend: – Koppeln der mobilen Einheit (14) mit einer Wasserstoffreservoireinrichtung (12) und Herstellen von fluidwirksamen Verbindungen zwischen einem Einlass eines Metallhydrid-Wasserstoffspeichers (50) der mobilen Einheit (14) und einem Wasserstoffreservoir (16) der Wasserstoffreservoireinrichtung (12) und zwischen einem Auslass des Metallhydrid-Wasserstoffspeichers (50) und einer Rückführeinrichtung (38) für Wasserstoff der Wasserstoffreservoireinrichtung (12); – Einleiten von Wasserstoff in den Metallhydrid-Wasserstoffspeicher (50), wobei eine Teilmenge der eingeleiteten Wasserstoffmenge in dem Metallhydrid-Wasserstoffspeicher (50) gespeichert wird und eine weitere Teilmenge der eingeleiteten Wasserstoffmenge, welche mindestens 10% der in dem Metallhydrid-Wasserstoffspeicher (50) gespeicherten Teilmenge beträgt, durch den Metallhydrid-Wasserstoffspeicher (50) hindurchgeführt und zu der Rückführeinrichtung (38) zurückgeführt wird; und – Trennen der fluidwirksamen Verbindungen und Aufheben der Kopplung zwischen der Wasserstoffreservoireinrichtung (12) und der mobilen Einheit (14), dadurch gekennzeichnet, dass ein Innenraum (82) des Metallhydrid-Wasserstoffspeichers (50), welcher teilweise mit metallhydridbildendem Material gefüllt ist, zur Befüllung des Metallhydrid-Wasserstoffspeichers (50) mit Wasserstoff entgegen der Schwerkraftrichtung so mit Wasserstoff durchströmt wird, dass das metallhydridbildende Material während der Befüllung des Metallhydrid-Wasserstoffspeichers (50) mit Wasserstoff in einen Lockerungszustand gebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Masse der durch den Metallhydrid-Wasserstoffspeicher (50) durchgeführten Wasserstoffmenge mindestens ein Zehnfaches der Masse der in dem Metallhydrid-Wasserstoffspeicher (50) speicherbaren Wasserstoffmenge beträgt.
Verfahren nach Anspruch 19 oder 20, dadurch gekennzeichnet, dass der durch den Metallhydrid-Wasserstoffspeicher (50) durchgeführte Wasserstoff zumindest einen Teil der Wärme aufnimmt, die beim Speichern von Wasserstoff in dem Metallhydrid-Wasserstoffspeicher (50) frei wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 19 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass der durch den Metallhydrid-Wasserstoffspeicher (50) durchgeführte Wasserstoff in der Rückführeinrichtung (38) verdichtet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 19 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass der durch den Metallhydrid-Wasserstoffspeicher (50) durchgeführte Wasserstoff in einem Auffangbehälter (46) der Wasserstoffreservoireinrichtung (12) aufgenommen wird.
Verfahren nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass der im Auffangbehälter (46) aufgenommene Wasserstoff dem Wasserstoffreservoir (16) zugeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 19 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass die Menge und/oder der Druck des zu der mobilen Einheit (14) zugeführten Wasserstoffs mittels einer steuerbaren und/oder regelbaren Unterbrechungseinrichtung (24) gesteuert und/oder geregelt wird.
Verfahren nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass der Druck des zu der mobilen Einheit (14) zugeführten Wasserstoffs zwischen 10 bar und 150 bar gewählt wird.
Verfahren nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, dass der Druck des zu der mobilen Einheit (14) zugeführten Wasserstoffs zwischen 30 bar und 100 bar gewählt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 19 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass der Wasserstoffmassenstrom des zu der mobilen Einheit (14) zugeführten Wasserstoffs zwischen 1 kg/min und 20 kg/min gewählt wird.
Verfahren nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, dass der Wasserstoffmassenstrom des zu der mobilen Einheit (14) zugeführten Wasserstoffs zwischen 2 kg/min und 10 kg/min gewählt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 19 bis 29, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bereitstellung von Wasserstoff an der mobilen Einheit (14) dem Metallhydrid-Wasserstoffspeicher (50) von einer Antriebseinheit der mobilen Einheit (14) erzeugte Wärme mittels einer Wärmeübertragungsvorrichtung zugeführt (54) wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 19 bis 30, dadurch gekennzeichnet, dass vor einer Erstbefüllung des Metallhydrid-Wasserstoffspeichers (50) mit Wasserstoff das metallhydridbildende Material morphologisch so vorbereitet wird, dass der Betrag der Porosität des metallhydridbildenden Materials in einem Zustand ohne Wasserstoffzufuhr größer als 0,48 ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 19 bis 31, dadurch gekennzeichnet, dass beim Beladen des Metallhydrid-Wasserstoffspeichers (50) mit Wasserstoff dem Metallhydrid-Wasserstoffspeicher mittels einer an der Wasserstoffreservoireinrichtung (12) angeordneten Kühlvorrichtung (86) ein von dem Wasserstoff verschiedenes Kühlmedium zugeführt wird.