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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Speichern von niedermolekularen Gasen unter hohem Druck nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art.
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Vorrichtungen zum Speichern von Gasen beziehungsweise Druckgasspeicher sind aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt. Typischerweise werden derartige Druckgasspeicher in verschiedene Typen unterteilt. Beispielsweise ist ein sogenannter Typ-II-Druckgasspeicher ein Druckgasspeicher mit einer Innenschale aus hochfestem Stahl und einer diese Innenschale umgebenden Außenhülle, beispielsweise aus faserverstärktem Material. Ein Typ-III-Druckspeicher weist eine Innenschale aus Aluminium auf und ein Typ-IV-Druckspeicher weist typischerweise eine Innenschale aus einem Kunststoffmaterial, beispielsweise aus hochdichtem Polyethylen (HDPE) auf, welche von wenigstens einer Außenhülse aus faserverstärktem Material umgeben ist.
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Solche Druckgasspeicher dienen als Vorrichtungen zum Speichern von Gasen unter hohen Drücken. Im Allgemeinen werden dabei Drücke in der Größenordnung von ca. 350 bar, in der Größenordnung von ca. 700 bar oder auch in der Größenordnung von 1100 bis 1200 bar vorgesehen, um insbesondere bei leichten Gasen eine möglichst große Menge des Gases in einem vergleichsweise überschaubaren Volumen der Vorrichtung speichern zu können.
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Wenn nun niedermolekulare Gase, insbesondere Wasserstoff, unter hohem Druck in der Vorrichtung zum Speichern des Gases gespeichert werden, so ist es in der Praxis praktisch nicht zu vermeiden, dass geringe Mengen des niedermolekularen Gases durch die Vorrichtung hindurchdiffundieren und in die Umgebung abströmen. Dies ist aufgrund der vergleichsweise kleinen Menge im Allgemeinen unproblematisch.
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Der Stand der Technik beispielsweise in Form der
DE 10 2005 048 714 B4 oder der
DE 103 92 240 B4 kennt Aufbauten, bei denen ein gasdichter Druckgasspeicher geschaffen wird, indem eine Sperrschicht aus Metallhydriden im Bereich der Innenwandung der Innenschale angeordnet wird, umso ein Hindurchdiffundieren von niedermolekularen Gasen, insbesondere von Wasserstoff, durch eine Metallhydridbildung zu verhindern.
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Die Aufbauten haben dabei den Nachteil, dass diese vergleichsweise empfindlich sind, da das Material der Diffusionssperrschicht aus den Metallhydriden vergleichsweise spröde ist und beim Aufnehmen und Abgeben von Wasserstoff starken thermischen Schwankungen ausgesetzt ist. Das Material kann dabei, insbesondere bei einer mechanischen Belastung der Vorrichtung, sehr leicht abbröckeln und sich im Inneren der Innenschale sammeln. Dies führt einerseits zu einer gewissen Undichtheit der Innenschale und kann andererseits Armaturen, über die die Innenschale betankt beziehungsweise das in ihr gespeicherte Gas entnommen wird, beschädigen oder verstopfen.
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Beim Betrieb von Vorrichtungen zum Speichern von Wasserstoff hat sich gezeigt, dass ein Hindurchdiffundieren einer geringen Menge an Wasserstoff durch die Wandungen der Vorrichtung nicht oder nicht mit vertretbarem Aufwand zu verhindern ist. Dies stellt im regulären Betrieb zwar einen geringfügigen Nachteil, aber prinzipiell kein nennenswertes Problem dar.
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Nun kommt es in bestimmten Situationen jedoch dazu, dass eine gewisse Menge an Wasserstoff durch die Innenschale hindurchdiffundiert ist und sich in dem Bereich zwischen der Innenschale und der Außenhülle aufhält. Im regulären Betrieb wird dann ein langsames Hindurchdiffundieren dieses Wasserstoffs durch die Außenschale auftreten, sodass auch hierdurch kein Problem entsteht. Bei einem annähernd leeren Druckgasspeicher kann es nun jedoch zu entscheidenden Problemen kommen. Beim Wiederbetanken kommt es in der Innenschale relativ schnell zu einem Druckanstieg von einem sehr geringen Restdruck bei annähernd leerem Druckgasspeicher zu einem sehr hohen Druck bei vollbetanktem Druckgasspeicher, beispielsweise zu einem Druck in der Größenordnung der oben angesprochenen 700 bar. Da die Innenschale typischerweise eine gewisse Elastizität aufweist, und hier insbesondere wenn diese als Kunststoffinnenschale bei einem Typ-IV-Druckgasspeicher ausgebildet ist, kommt es durch den relativ schnellen Druckanstieg dazu, dass die zwischen der Innenschale und der Außenschale befindlichen Gaspolster des durch die Innenschale hindurchdiffundierten niedermolekularen Gases unter einen relativ hohen Druck gesetzt werden. In diesen Situationen gelangt das Gas dann vergleichsweise schnell durch die Außenhülle, sodass sich in der Umgebung der Außenhülle in diesen Situationen eine Gaswolke bildet, deren Konzentration deutlich höher ist, als es beim Hindurchdiffundieren durch die Wandungen des Druckgasspeichers im regulären Betrieb der Fall ist. Wenn nun über entsprechende Detektoren die Dichtheit der Druckgasspeicher festgestellt wird, insbesondere die Dichtheit von Druckgasspeichern, welche zur Speicherung von Brenngas in Fahrzeugen eingesetzt werden, so ist diese Konzentration typischerweise so hoch, dass ein Alarm ausgelöst wird und dies im Allgemeinen zu einer Notabschaltung des Systems, beispielsweise zu einer Notabschaltung der Betankung, führt.
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Es ist die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zum Speichern von niedermolekularen Gasen unter hohem Druck derart weiterzuentwickeln derart weiterzuentwickeln, dass die zuletzt geschilderte Problematik einer hohen Gaskonzentration in der Umgebung der Vorrichtung bei einem Betanken derselben so nicht mehr auftreten kann.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die im kennzeichnenden Teil von Anspruch 1 genannten Merkmale gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung ergeben sich dabei aus den hiervon abhängigen Unteransprüchen. Eine besonders bevorzugte Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist im Anspruch 9 angegeben. Eine vorteilhafte Weiterbildung hiervon findet sich im abhängigen Unteranspruch.
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Erfindungsgemäß ist es vorgesehen, dass in dem Zwischenraum zwischen Innenschale und Außenhülle ein Gas angeordnet ist, dessen Molekülgröße größer als die des zu speichernden Gases ist. Ein solches Gas mit einer größeren Molekülgröße als die des zu speichernden niedermolekularen Gases kann in dem Zwischenraum zwischen Außenhülle und Innenschale als eine Art „Sperrgas” dienen. Die Innenschale, und hier insbesondere eine aus einem Kunststoffmaterial ausgebildete Innenschale, welche eine gewisse Flexibilität aufweist, überträgt den Druck, welcher im Inneren der Innenschale herrscht auf das Gaspolster des Sperrgases zwischen der Innenschale und der Außenhülle. Dadurch, dass das Sperrgas eine größere Molekülgröße aufweist als das zu speichernde niedermolekulare Gas, kommt es durch das Sperrgas zu einer Behinderung der Diffusion des niedermolekularen Gases sowohl durch die Innenschale als auch durch die unter Druck stehende Schicht des Sperrgases. Insbesondere bei einem Druckanstieg im Inneren der Innenschale, beispielsweise beim Betanken des Druckgasspeichers, erfährt das zwischen der Außenhülle und der Innenschale angeordnete Sperrgas ebenfalls einen analogen oder zumindest annähernd analogen Druckanstieg durch die Elastizität der Innenschale, insbesondere bei einem Typ-IV-Druckgasspeicher. Dadurch wird auch in diesen Situationen ein Hindurchdrücken des niedermolekularen Gases durch die Außenhülle verhindert oder zumindest zeitlich so weit verzögert, dass keine all zu hohen Konzentrationen beziehungsweise Konzentrationssprünge auftreten, sodass sicherheitskritische Situationen und Sicherheitsalarme zuverlässig vermieden werden können.
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In einer weiteren besonders günstigen und vorteilhaften Ausgestaltung ist es dabei vorgesehen, dass das Gas mit der größeren Molekülgröße so gewählt ist, dass Außenhülle und Innenschale für das Gas dicht sind. Dieser Aufbau ist besonders effizient und vorteilhaft, da hier das Gas mit der entsprechend großen Molekülgröße, beispielsweise Stickstoff, oder ein anderes inertes Gas zwischen Innenschale und Außenhülle eingebracht werden können und dann sicher und zuverlässig während der gesamten Lebensdauer des Druckgasspeichers in diesem Bereich verbleiben, um die erfindungsgemäße Aufgabe zu erfüllen.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist es ferner vorgesehen, dass das Gas mit der größeren Molekülgröße als inertes Gas ausgebildet ist. Dadurch können kritische Gemische, welche gegebenenfalls zünd- oder explosionsfähig wären, durch den unweigerlich durch die Innenschale hindurchdiffundierenden Anteil des niedermolekularen Gases, beispielsweise Wasserstoff, mit dem Sperrgas sicher und zuverlässig vermieden werden.
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In einer besonders günstigen und vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist es dabei vorgesehen, dass das niedermolekulare Gas als Wasserstoff ausgebildet ist. Insbesondere bei der Speicherung von Wasserstoff, beispielsweise unter Drücken von mehr als 350 oder insbesondere mehr als 650 bar, kommt es unweigerlich zu einer Diffusion durch die Innenschale der Vorrichtung, sodass speziell bei der Speicherung von Wasserstoff durch das Sperrgas absorbierende Material eine zu hohe Wasserstoffkonzentration in der Umgebung der Vorrichtung beim Betanken verhindert werden kann. Da Wasserstoff zusammen mit Sauerstoff ein zündfähiges Gemisch bilden kann, kann so eine notwendige Sicherheitsabschaltung bei zu hoher Wasserstoffkonzentration in der Umgebung der Vorrichtung sicher und zuverlässig vermieden werden.
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Eine besonders bevorzugte Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer der oben genannten Ausgestaltungen ergibt sich dabei immer dann, wenn es sich um Druckgasspeicher handelt, welche vergleichsweise häufig entleert und wieder betankt werden müssen. Die Vorrichtung lässt sich daher insbesondere zur Speicherung von Brennstoff in einem Fahrzeug verwenden. Ein solches Fahrzeug, welches beispielsweise über einen Verbrennungsmotor mit Wasserstoff oder einem anderen niedermolekularen Gas betrieben wird, kann besonders effizient mit der Vorrichtung ausgestattet werden. Aufgrund des typischerweise relativ hohen Verbrauchs an Brennstoff sind keine allzu langen Speicherzeiten des Brennstoffs in der Vorrichtung zu erwarten, sodass die zumindest bei Wasserstoff unvermeidliche Diffusion kein großes Problem darstellt. Da jedoch relativ häufig die Vorrichtung zur Speicherung des Gases betankt werden muss, stellt die erfindungsgemäße Lösung, welche eine zu hohe Konzentration des Gases um die Vorrichtung beim Betanken derselben verhindert, einen entscheidenden Vorteil für diese Art der Anwendung dar.
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Ein besonders bevorzugter Verwendungszweck liegt dabei im Bereich von Brennstoffzellenfahrzeugen, in welchen der Wasserstoff in derartigen erfindungsgemäßen Vorrichtungen besonders benutzerfreundlich gespeichert werden kann, da diese beispielsweise auf einem Druckniveau von 700 bar bei vertretbarem Volumen eine ausreichende Menge von Wasserstoff speichern können, um eine gute Reichweite des Fahrzeugs zu realisieren. Unerfreuliche Notabschaltungen beim Betanken können dabei zuverlässig und ohne Sicherheitsrisiko vermieden werden.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung ergeben sich dabei aus den restlichen abhängigen Patentansprüchen und werden anhand des Ausführungsbeispiels deutlich, welches nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren näher erläutert wird.
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Dabei zeigen:
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1 ein prinzipmäßiges angedeutetes Brennstoffzellenfahrzeug mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Speicherung von Wasserstoff; und
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2 die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Speicherung von Wasserstoff in einem Querschnitt.
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In der Darstellung der 1 ist ein Fahrzeug 1 zu erkennen. Dieses prinzipmäßig angedeutete Fahrzeug 1 soll dabei über einen im Bereich der Räder angedeuteten Elektromotor 2 angetrieben sein, wobei dieser Elektromotor 2 über eine Leistungselektronik 3 mit elektrischer Leistung aus einer Brennstoffzelle 4 in an sich bekannter Art und Weise versorgt wird. Die Leistungselektronik 3 kann dabei ferner einen elektrischen Zwischenspeicher, zum Beispiel eine Batterie, aufweisen. Der Zwischenspeicher kann insbesondere zur Aufnahme von rekuperierter Bremsenergie genutzt werden. Der Brennstoffzelle 4 werden dabei in an sich ebenfalls bekannter Art und Weise Sauerstoff beziehungsweise Luft und Wasserstoff H2 zur Erzeugung der elektrischen Leistung zugeführt. Der Wasserstoff stammt dabei aus einer oder mehreren, gegebenenfalls über das Fahrzeug 1 verteilt angeordneten Vorrichtungen 5 zum Speichern von Wasserstoff H2 unter hohem Druck. Die Vorrichtung beziehungsweise der Druckgasspeicher 5 wird typischerweise auf einem Druckniveau von beispielsweise 350 oder 700 bar betrieben und soll in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel als sogenannter Typ-IV-Druckgasspeicher 5 ausgebildet sein.
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Ein solcher Typ-IV-Druckgasspeicher besteht dabei, wie in der Schnittdarstellung der 2 näher zu erkennen ist, aus einer Innenschale 6 und wenigstens einer die Innenschale 6 umgebenden Außenhülle 7, welche beispielsweise aus einer oder mehreren Schichten aufgebaut sein kann. Bei einem Typ-IV-Druckgasspeicher als Vorrichtung 5 ist die Innenschale 6 dabei aus einem Kunststoff hergestellt, typischerweise aus einem hochdichten Polyethylen (HDPE). Diese vergleichsweise weiche und elastische Innenschale 6 ist dann von der Außenhülle 7 umgeben, welche typischerweise aus einem faserverstärkten Material ausgebildet ist. Typisch für den Aufbau der Außenhülle 7 ist dabei ein Aufbau aus Kohlefasern, welche entweder mit einem Bindemittel beziehungsweise Harz vorimprägniert sind oder unmittelbar vor dem Aufbringen auf die Innenschale 6 mit einem solchen getränkt werden. Die Außenhülle 7 kann dabei aus langen Faserbahnen bestehen, welche beispielsweise bei der Herstellung des Druckgasspeichers 5 um die Innenschale 6, den sogenannten Liner, gewickelt werden. Der Aufbau weist damit eine sehr hohe mechanische Stabilität bei sehr geringem Eigengewicht auf. Häufig sind in einem oder beiden der Endbereiche dabei Anschlussbereiche, sogenannte, Dome aus metallischem Material, beispielsweise Aluminium, angeordnet, welche die Anschlusselemente zum Betanken und Entnehmen des Wasserstoffs H2 aus dem Druckgasspeicher 5 aufweisen. In der Darstellung der 2 ist ein solcher Bereich auf einer Seite beispielhaft angedeutet und mit dem Bezugszeichen 8 versehen.
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Sowohl das Material der Innenschale 6 als auch das der Außenhülle 7 lässt sich dabei typischerweise nicht so ausbilden, dass dieses dauerhaft und über einen langen Zeitraum hinweg den Wasserstoff H2 im Inneren des Druckgasspeichers 5 sicher und zuverlässig einschließt. Eine sehr geringe Menge an Wasserstoff H2 wird typischerweise immer durch die Innenschale 6 und die Außenhülle 7 aus dem Druckgasspeicher 5 hinausdiffundieren, sodass geringfügige Verluste an Wasserstoff H2 unvermeidlich sind. Die sehr geringen Mengen an Wasserstoff H2, welche während des regulären Betriebs des Druckgasspeichers 5 in dem Fahrzeug 1 durch den Druckgasspeicher 5 hinausdiffundieren, sind dabei vergleichsweise unkritisch und strömen einfach an die Umgebung ab. Kritisch beziehungsweise problematisch wird es erst, wenn höhere Konzentrationen an Wasserstoff H2 durch die Wandungen des Druckgasspeichers 5 hindurchdiffundieren und damit aufgrund der vergleichsweise hohen Wasserstoffkonzentration in der Umgebung des Druckgasspeichers 5 die Bildung eines zündfähigen Gemischs oder die Bildung von Knallgas zu befürchten ist. Zur Detektion solch kritischer Konzentrationen sind daher fast immer Wasserstoffsensoren vorhanden, welche beim Überschreiten von Grenzkonzentrationen einen Alarm sowie gegebenenfalls eine Systemabschaltung auslösen.
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Während des Betriebs des Fahrzeugs 1 wird sich der Druckgasspeicher 5 aufgrund des Gasverbrauchs durch die Brennstoffzelle 4 immer weiter leeren, wodurch der Druck im Inneren der Innenschale 6 entsprechend absinkt. Wasserstoff H2, welcher bereits durch die Innenschale 6 hindurchdiffundiert ist, kann sich insbesondere in diesen Situationen dann in etwas größeren Mengen zwischen der Innenschale 6 und der Außenhülle 7 sammeln. Bei vergleichsweise leerer Innenschale 6 und damit vergleichsweise geringen Druck im Druckgasspeicher 5 wird sich dieses zwischen der Innenschale 6 und der Außenhülle 7 gesammelte Gas vergleichsweise lange in diesem Bereich halten. Kommt das Fahrzeug 1 nun zu einer Betankung des Druckgasspeichers 5, so wird über den Anschluss 8 frischer Wasserstoff H2 mit einem Druck von 700 bar in den Bereich des Druckgasspeichers 5 geleitet. Der Druck im Inneren der Innenschale 6 steigt dabei vergleichsweise schnell auf diese 700 bar an. Die im Bereich zwischen der Innenschale 6 und der Außenhülle 7 gebildeten Polster an Wasserstoff H2, welche durch die Innenschale 6 hindurchdiffundiert sind, werden dadurch bei einem herkömmlichen Aufbau durch die Außenhülle 7 nach außerhalb des Druckgasspeichers 5 gedrückt, sodass hier innerhalb einer sehr kurzen Zeitspanne plötzlich eine sehr hohe Konzentration an Wasserstoff H2 auftritt. Dies löst dann typischerweise den Sicherheitsalarm aus, welcher mit einer Systemabschaltung und insbesondere einem Abbruch des Tankvorgangs einhergeht. Da in diesen Situationen jedoch keine echte Undichtheit beziehungsweise Leckage des Druckgasbehälters 5 vorliegt, sondern lediglich eine erhöhte Wasserstoffkonzentration aufgrund der baulichen Eigenschaften des Druckgasbehälters 5 aufgetreten ist, handelt es sich bei diesem Sicherheitsalarm und insbesondere bei der Notabschaltung um einen sehr ärgerlichen Vorgang.
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In der Darstellung der 2 ist daher im Bereich zwischen der Innenschale 6 und der Außenhülle 7 ein Gas 9 angeordnet, dessen Molekülgröße größer als die des zu speichernden Wasserstoffs H2 ist, und welches die welches die Innenschale 6 zumindest teilweise umgibt und den zwischen der Innenschale 6 und der Außenhülle 7 auftretenden Raum zumindest teilweise ausfüllt. Das Gas 9, dessen Molekülgröße größer als die des Wasserstoffs H2 ist, dient praktisch als Sperre, um den Diffusionsprozess des Wasserstoffs H2 durch die Innenschale 6 und die Außenhülle 7 zu behindern und dadurch zu verlangsamen. Das Gas 9 kann daher auch als Sperrgas 9 bezeichnet werden. Das Sperrgas 9 weist insbesondere eine Molekülgröße auf, welche so groß ist, dass sowohl die Innenschale 6 als auch die Außenhülle 7 für dieses Sperrgas 9 dicht ausgebildet sind und so ein Entweichen des Sperrgases 9 auch über einen längeren Betriebszeitraum hinweg sicher und zuverlässig vermieden wird. Ferner sollte das Sperrgas 9 als inertes Gas ausgebildet sein, um sicher und zuverlässig das Entstehen von brennbaren oder zündfähigen Gemischen aus dem Sperrgas und durch die Innenschale 6 diffundiertem Wasserstoff zu verhindern. Ein Gas, welches diese Eigenschaften bei sehr großer Molekülgröße und günstiger Beschaffbarkeit in sich vereint, ist beispielsweise Stickstoff. Das Sperrgas 9 kann also in einer bevorzugten Ausführungsform als Stickstoff ausgebildet sein, welcher nach der Herstellung des Druckgasspeichers 5 zwischen Außenhülle 7 und Innenschale 6 mit einem entsprechenden Druck eingebracht wird.
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Aufgrund der zumindest bis zu einem gewissen Grad flexiblen Innenschale 6 wird sich dann im Bereich des Sperrgases 9 derselbe oder ein vergleichbarer Druck einstellen wie im Inneren der Innenschale 6. Dadurch wird die Diffusion des Wasserstoffs H2 entsprechend behindert, sodass auch bei Betankungsvorgängen und einem damit verbundenen sehr schnellen Druckanstieg im Inneren der Innenschale 6 das Austreten einer größeren Menge an Wasserstoff H2 aus dem Druckgasspeicher 5 sicher und zuverlässig verhindert wird. Durch die Verwendung des Sperrgases 9 lässt sich zwar nicht der grundsätzliche Verlust an Wasserstoff H2 stoppen, allerdings wird dieser verringert und zeitlich sehr gleichmäßig verteilt, sodass keine sicherheitskritischen Konzentrationen von Wasserstoff H2 in der Umgebung des Druckgasspeichers 5 auftreten können, und dass Sicherheitsalarme und Notabschaltungen beim Betanken eines derartigen Druckgasspeichers 5 somit vermieden werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102005048714 B4 [0005]
- DE 10392240 B4 [0005]
