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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, den eingangs genannten Stand der Technik 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 das niedermolekulare Gas absorbierendes Material angeordnet ist. Dieses Material umgibt die Innenschale zumindest teilweise und füllt den Raum zwischen Innenschale und Außenhülle zumindest teilsweise auf. Ein solches das niedermolekulare Gas absorbierende Material nimmt das durch die Innenschale diffundierende Gas, beispielsweise durch die Innenschale diffundierenden Wasserstoff, auf und hält dieses zumindest für eine gewisse Zeit zurück, ehe es das niedermolekulare Gas ihn absorbierende Material durch die Außenhülle hindurch verlässt und so aus der Vorrichtung hinaus gelangt. Dabei stellt der erfindungsgemäße Aufbau sicher, dass auch in dem Fall, dass die Innenschale schlagartig einen Druckstoß beziehungsweise eine Druckerhöhung erfährt, also beispielsweise beim Betanken der Innenschale, das niedermolekulare Gas in dem dieses absorbierenden Material für eine gewisse Zeit festgehalten wird und nicht schlagartig durch die Außenhülle an die Umgebung gelangt. Dadurch wird trotz des schnellen Druckanstiegs beim Betanken verhindert, dass eine große Menge des niedermolekularen Gases schlagartig in die Umgebung der Vorrichtung gelangt und so einen Sicherheitsalarm auslösen kann.
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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 den Wasserstoff 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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In einer besonders günstigen Weiterbildung der Vorrichtung ist es dabei vorgesehen, dass das den Wasserstoff absorbierende Material ein Metallhydrid ist. Ein Metallhydrid kann, wie aus dem Stand der Technik bekannt, Wasserstoff absorbieren und gibt diesen dann langsam wieder ab, wobei dies auch durch einen schlagartigen Druckstoß nicht beschleunigt wird, sodass mit Metallhydrid als wasserstoffabsorbierendem Material der erfindungsgemäße Effekt zu erzielen ist. Durch die Anordnung des Metallhydrids zwischen der Innenschale und der Außenschale kann auch sicher und zuverlässig ein Austrag des Materials verhindert werden, da sowohl die Innenschale als auch die Außenhülle für das Metallhydrid undurchlässig sind. Selbst wenn dieses in Form von Staubpartikeln, Brocken oder Ähnlichem vorliegt, kann es die Vorrichtung nicht verlassen und steht so über eine lange Lebensdauer der Vorrichtung immer zuverlässig zum zwischenzeitlichen Absorbieren des Wasserstoffs zur Verfügung.
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In einer alternativen Ausgestaltung kann es außerdem vorgesehen sein, dass als den Wasserstoff absorbierendes Material Wasser eingesetzt wird. Es hat sich gezeigt, dass Wasser sehr gute den Wasserstoff aufnehmende Eigenschaften aufweist und dass der Wasserstoff in dem Wasser so lange gebunden bleibt, dass auch beim Einsatz von Wasser als den Wasserstoff absorbierendes Material bei einer Betankung der Innenschale keine größere Menge an Wasserstoff schlagartig in die Umgebung der Außenhülle gelangt. Der Einsatz von Wasser ist dabei vergleichsweise einfach, da dieses nach dem Herstellen der Vorrichtung einfach zwischen die Innenschale und die Außenhülle unter geeignetem Druck eingespritzt werden kann und dann dauerhaft in diesem Bereich verbleibt.
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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 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 den Wasserstoff H2 absorbierendes Material 9 angeordnet, welches die Innenschale 6 zumindest teilweise umgibt und den zwischen der Innenschale 6 und der Außenhülle 7 auftretenden Raum zumindest teilweise ausfüllt. Das wasserstoffabsorbierende Material 9 ist dazu geeignet, den durch die Innenschale 6 hindurchdiffundierten Wasserstoff H2 aufzunehmen und zumindest für eine gewisse Zeit „zwischenzuspeichern”. Der Wasserstoff H2 wird letztlich auch dieses Material wieder „verlassen”, um durch die Außenhülle 7, welche für das den Wasserstoff H2 absorbierende Material 9 dicht ausgebildet ist, hindurchdiffundieren und in die Umgebung gelangen. Das wasserstoffabsorbierende Material 9 kann also nicht dauerhaft den Verlust von geringfügigen Mengen an Wasserstoff H2 aus dem Druckgasspeicher 5 verhindern. Es kann jedoch den Wasserstoff H2 so weit binden und zwischenspeichern, dass dieser langsam und gleichmäßig durch die Außenhülle 7 in die Umgebung des Druckgasspeichers 5 diffundiert, auch wenn eine schlagartige Druckbelastung der Innenschale 6 beim Betanken des Druckgasspeichers 5 auftritt. Damit lässt sich zwar nicht der Verlust an Wasserstoff H2 stoppen, allerdings wird dieser 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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Als geeignete Materialien zum Absorbieren des Wasserstoffs H2 haben sich dabei insbesondere flüssige und/oder feste Materialien bewährt, beispielsweise Metallhydrid, welches zwischen der Innenschale 6 und der Außenhülle 7 eingebracht wird, und durch die Innenschale 6 hindurchdiffundierenden Wasserstoff H2 zumindest für eine gewisse Zeit aufnimmt, sodass dieser nicht schlagartig abgegeben und bei einer Druckbeaufschlagung der Innenschale 6 schlagartig durch die Außenhülle 7 hindurchgelangen kann. Als sehr einfache und kostengünstige Alternative zu dem Metallhydrid, welches beim Einlagern und Wiederabgeben von Wasserstoff H2 vergleichsweise hohe thermische Schwankungen erfährt, hat sich außerdem Wasser bewährt, welches in dem Bereich zwischen der Innenschale 6 und der Außenhülle 7 eingebracht werden kann. Auch dieses Wasser, welches die Außenhülle 7 und die Innenschale 6 selbst nicht durchdringen kann, kann Wasserstoff aufnehmen und diesen „zwischenspeichern”, um einen schlagartigen Konzentrationsanstieg im Außenbereich des Druckgasspeichers 5 sicher und zuverlässig auch dann zu verhindern, wenn der Druckgasspeicher 5 betankt wird.
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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]
