DE102011075302A1 - Gas tank e.g. fuel tank for energy conversion system installed in e.g. vehicle, has gas storage portion whose size is varied reciprocally to size of restrictor portion receiving displacement portion to change liquid or solid/gas phase - Google Patents
Gas tank e.g. fuel tank for energy conversion system installed in e.g. vehicle, has gas storage portion whose size is varied reciprocally to size of restrictor portion receiving displacement portion to change liquid or solid/gas phase Download PDFInfo
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Abstract
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Gasspeicher, insbesondere Brennstoffgasspeicher, ein Betriebsverfahren hierfür sowie entsprechend ausgestattete Energiewandlungssysteme, Fahrzeuge, Gebäude oder technische Anlagen.The present invention relates to a gas storage, in particular fuel gas storage, an operating method for this and correspondingly equipped energy conversion systems, vehicles, buildings or technical equipment.
Stand der TechnikState of the art
Es gibt neben festen und flüssigen Kraftstoffen auch gasförmige Kraftstoffe. Letztere haben im Gegensatz zu den erstgenannten die Eigenschaft, kompressibel zu sein. Das heißt, ihre vergleichsweise geringe Dichte vergrößert sich mit zunehmendem Druck. Für akzeptable Tankgrößen, insbesondere bei automobilen Anwendungen, werden sie deshalb unter erhöhtem Druck in Druckbehältern gespeichert. Zum Beispiel kann in einem Druckbehälter Erdgas mit einem nominellen Druck bis etwa 200 bar und Wasserstoff mit einem Druck bis etwa 700 bar gespeichert werden.In addition to solid and liquid fuels, there are also gaseous fuels. The latter, unlike the former, have the property of being compressible. That is, their relatively low density increases with increasing pressure. For acceptable tank sizes, especially in automotive applications, they are therefore stored under elevated pressure in pressure vessels. For example, natural gas can be stored in a pressure vessel at a nominal pressure of up to about 200 bar and hydrogen at a pressure of up to about 700 bar.
Ohne eine Förderpumpe kann ein Drucktank jedoch nur bis zu einem Druck oberhalb oder gleich dem Betriebsdruck des ihm nach geschalteten Verbrauchers entleert werden. Für automobile Brennstoffzellensysteme zum Beispiel, die Wasserstoff über ein Druckregelventil zugeführt bekommen, ist nach derzeitigem Stand der Technik ein Vordruck von etwa 20 bar erforderlich, um einen ausreichenden Kraftstoffmassenstrom mit vertretbaren Ventilquerschnitten darstellen zu können. Dies gilt in vergleichbarer Weise für Erdgasfahrzeuge.Without a feed pump, however, a pressure tank can only be emptied to a pressure above or equal to the operating pressure of the consumer connected downstream. For automotive fuel cell systems, for example, which receive hydrogen via a pressure regulating valve, according to the current state of the art, a pre-pressure of about 20 bar is required in order to be able to produce a sufficient fuel mass flow with acceptable valve cross sections. This applies in a similar way to natural gas vehicles.
Wieder befüllbare Druckbehälter werden zudem vorzugsweise nicht bis auf Normaldruck, sondern beispielsweise nur bis zu einem Mindestdruck entleert, um das Eindringen von Verunreinigungen in den Tank beim Wiederauffüllen mit Sicherheit auszuschließen.In addition, refillable pressure vessels are preferably not evacuated to normal pressure, but, for example, only to a minimum pressure in order to exclude the entry of contaminants into the tank during refilling with certainty.
Aus diesen Gründen verbleibt herkömmlicherweise ein nicht verwertbarer Kraftstoffrest im Drucktank.For these reasons, conventionally remains a non-recyclable fuel residue in the pressure tank.
Die Druckschrift
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Gasspeicher, insbesondere Brennstoffgasspeicher, welcher einen Gasbehälter umfasst, wobei der Gasbehälter ein Gasspeichervolumen, insbesondere ein Brennstoffspeichervolumen, ein Verdrängermittelvolumen und ein zwischen dem Gasspeichervolumen und dem Verdrängermittelvolumen angeordnetes Trennelement und einen Gaseinund/oder -auslass zur Gasentnahme und/oder Gasbefüllung des Gasspeichervolumens, insbesondere einen Brennstoffein- und/oder -auslass zur Brennstoffentnahme und/oder Brennstoffbefüllung des Brennstoffspeichervolumens, umfasst. Dabei sind die Größe des Gasspeichervolumens und die Größe des Verdrängermittelvolumens unter einer Positionsänderung des Trennelements veränderbar, insbesondere wobei die Größe des Gasspeichervolumens reziprok zur Größe des Verdrängermittelvolumens veränderbar ist. Mit anderen Worten, die Größe des Gasspeichervolumens ist dabei unter eine Vergrößerung des Verdrängermittelvolumens verkleinerbar und unter einer Verkleinerung des Verdrängermittelvolumens vergrößerbar. Weiterhin ist erfindungsgemäß das Verdrängermittelvolumen zur Aufnahme eines Verdrängermittels ausgelegt, welches unter den Betriebsbedingungen innerhalb des Verdrängervolumens einen flüssig/gasförmig oder fest/gasförmig Phasenwechsel vollzieht.The present invention is a gas storage, in particular fuel gas storage, which comprises a gas container, wherein the gas container, a gas storage volume, in particular a fuel storage volume, a Verdrängermittelvolumen and arranged between the gas storage volume and the Verdrängermittelvolumen separator and a gas inlet and / or outlet for gas extraction and / or Gas filling of the gas storage volume, in particular a fuel inlet and / or outlet for fuel extraction and / or fuel filling of the fuel storage volume comprises. In this case, the size of the gas storage volume and the size of the displacement means volume can be changed under a change in position of the separating element, in particular wherein the size of the gas storage volume is reciprocally variable to the size of the displacement means volume. In other words, the size of the gas storage volume can be reduced below an increase in the volume of the displacer means and can be increased with a reduction in the volume of the displacer means. Furthermore, according to the invention, the displacer means volume is designed to accommodate a displacer means, which undergoes a liquid / gas or solid / gas phase change under the operating conditions within the displacer volume.
Der erfindungsgemäße Gasspeicher, insbesondere Brennstoffgasspeicher, ermöglicht es vorteilhafterweise, die nutzbare Speicherkapazität, bei ansonsten gleichbleibendem Außenvolumen des Gasspeichers, insbesondere Brennstoffgasspeichers, sowie Aufrechterhaltung eines Mindesttankdrucks, deutlich zu steigern. Eine Steigerung der nutzbaren Speicherkapazität hat wiederum den Vorteil, dass wenn nötig der Bauraum verringert werden kann. Bei Beibehaltung des Bauraums kann hingegen eine Versorgung mit einer höheren Energie beziehungsweise über einen längeren Zeitraum bereitgestellt werden. Insbesondere bei der Energieversorgung von Fahrzeugen geht dies mit dem Vorteil einher, dass eine höhere Reichweite erzielt werden kann und eine geringere Tankstellenzahl benötigt wird. Zudem wird eine im Wesentlichen vollständige Tankentleerung bei voller Leistung beziehungsweise hohem Massenstrom möglich da der Druck im Gasbehälter nicht unter den durch das erfindungsgemäße Verdrängermittel einstellbaren Minimaldruck, beispielsweise von 20 bar, sinkt. Dieser Vorteil nimmt insbesondere sowohl in Richtung kleinerer Speichermaximaldrücke als auch in Richtung höherer Speicherminimaldrücke zu. Vorteilhafterweise ist es daher auch nicht nötig, den Druck auf der Entnahmeseite des Gasbehälters abzusenken.The gas storage device according to the invention, in particular fuel gas storage, advantageously makes it possible to significantly increase the usable storage capacity, with otherwise constant external volume of the gas storage, in particular fuel gas storage, as well as maintaining a minimum tank pressure. An increase in usable storage capacity, in turn, has the advantage that, if necessary, the installation space can be reduced. By maintaining the installation space, however, a supply with a higher energy or over a longer period can be provided. In particular, in the energy supply of vehicles this is accompanied by the advantage that a higher range can be achieved and a smaller number of filling stations is needed. In addition, a substantially complete tank emptying at full power or high mass flow is possible because the pressure in the gas tank does not fall below the adjustable by the displacement means of the invention minimum pressure, for example, 20 bar. This advantage increases in particular both in the direction of smaller maximum memory pressures and in the direction of higher memory minima pressures. Advantageously, it is therefore not necessary to lower the pressure on the removal side of the gas container.
Erfindungsgemäß basiert die Veränderung des Gasspeichervolumens, insbesondere Brennstoffspeichervolumens, dabei auf der Gasentnahme, insbesondere Brennstoffentnahme, und der Verwendung eines Verdrängermediums mit einem flüssig/gasförmigen oder fest/gasförmigen Phasenwechsel und einer damit einhergehenden sprunghaften Änderung der Dichte. Der erfindungsgemäße Gasspeicher, insbesondere Brennstoffgasspeicher, hat den Vorteil, dass dieser mit einem geringeren Platzbedarf und ohne Aktionierung der Volumenänderungen durch weitere Vorrichtungen, beispielsweise das Abgas einer Brennkraftmaschine, eingesetzt werden kann. Dies ermöglicht vorteilhafterweise ein breiteres Einsatzspektrum des erfindungsgemäßen Gasspeicher, insbesondere Brennstoffgasspeichers. Vorteilhafterweise kann der erfindungsgemäße Gasspeicher, insbesondere Brennstoffgasspeicher, daher nicht nur zur Gas- beziehungsweise Energieversorgung eines Fahrzeugs, sondern auch eines Gebäudes oder einer technischen Anlage eingesetzt werden. Zudem verbessert die Erfindung vorteilhafterweise den Einsatz als und für tragbare Anwendungen, beispielsweise in Form eines tragbaren Tanks oder Ersatztanks beziehungsweise eines tragbaren, gasbetriebenen Geräts, beispielsweise auf Brennstoffzellenbasis.According to the invention, the change in the gas storage volume, in particular fuel storage volume, based on the gas sampling, in particular fuel extraction, and the use of a displacer with a liquid / gaseous or solid / gaseous phase change and a consequent sudden change in density. The gas storage device according to the invention, in particular fuel gas storage, has the advantage that it can be used with a smaller footprint and without Activation of the volume changes by other devices, such as the exhaust of an internal combustion engine. This advantageously allows a wider range of uses of the gas storage device according to the invention, in particular fuel gas storage. Advantageously, the gas storage device according to the invention, in particular fuel gas storage, therefore, not only for the gas or energy supply of a vehicle, but also a building or a technical system can be used. In addition, the invention advantageously improves use as and for portable applications, for example in the form of a portable or replacement tank, or a portable, gas powered device, such as fuel cell based.
Unter einem Behälter kann im Sinn der vorliegenden Erfindung insbesondere ein in sich geschlossener Hohlkörper verstanden werden. Dabei ist es möglich, dass in die Wandung des in sich als solchen geschlossenen Hohlkörpers beispielsweise ein oder mehrere Ventile integriert sein können.In the context of the present invention, a container may in particular be understood to mean a self-contained hollow body. It is possible that, for example, one or more valves may be integrated into the wall of the hollow body closed in itself as such.
Bei dem Gasein- und/oder -auslass, insbesondere Brennstoffein- und/oder -auslass, kann es sich beispielsweise um eine Entnahme- und/oder Befüllungsarmatur für Druckgasbehälter, insbesondere auf der Basis von einem oder mehreren Ventilen, handeln. Dabei ist es möglich, dass eine Einrichtung sowohl als Gaseinlass als auch als Gasauslass fungiert. Es ist jedoch ebenso möglich, dass das Gasspeichervolumen eine Gaseinlasseinrichtung und eine separate Gasauslasseinrichtung aufweist. Insbesondere kann der Gasspeicher, insbesondere Brennstoffgasspeicher, mindestens ein Gasein- und/oder -auslassventil umfassen. Beispielsweise kann der Gasein- und/oder -auslass beziehungsweise das Gasein- und/oder -auslassventil, insbesondere automatische, öffen- und schließbar beziehungsweise einstellbar sein. Vorzugsweise ist der Gasein- und/oder -auslass ein Ventil, welches sowohl als Gaseinlassventil als auch als Brennstoffauslassventil fungieren kann. The gas inlet and / or outlet, in particular fuel inlet and / or outlet, may be, for example, an extraction and / or filling fitting for pressurized gas containers, in particular based on one or more valves. It is possible that a device acts both as a gas inlet and as a gas outlet. However, it is also possible that the gas storage volume has a gas inlet device and a separate gas outlet device. In particular, the gas storage, in particular fuel gas storage, comprise at least one gas inlet and / or outlet valve. For example, the gas inlet and / or outlet or the gas inlet and / or outlet valve, in particular automatic, can be opened and closed or adjusted. Preferably, the gas inlet and / or outlet is a valve which can function both as a gas inlet valve and as a fuel outlet valve.
Der Begriff eines flüssig/gasförmigen Phasenwechsels kann insbesondere sowohl einen Phasenwechsel von der flüssigen in die gasförmige als auch von der gasförmigen in die flüssige Form umfassen.The term of a liquid / gaseous phase change may in particular comprise both a phase change from the liquid to the gaseous and from the gaseous to the liquid form.
Der Begriff eines fest/gasförmigen Phasenwechsels kann insbesondere sowohl einen Phasenwechsel von der festen in die gasförmige als auch von der gasförmigen in die feste Form umfassen.In particular, the term "solid / gaseous phase change" can encompass both a phase change from the solid to the gaseous and from the gaseous to the solid form.
Grundsätzlich ist es möglich das Verdrängermittelvolumen, insbesondere einmalig, bei der Herstellung des Gasspeichers, insbesondere Brennstoffgasspeichers, mit dem Verdrängermittel zu befüllen. Zur Vereinfachung der Herstellung sowie zur Verbesserung der Wartbarkeit, insbesondere zum Nachfüllen von Verdrängermittel im Fall eines Verdrängermittelverlusts über die Lebensdauer des Gasspeichers, insbesondere Brennstoffgasspeichers, und damit verbunden zur Optimierung der Lebensdauer des Gasspeichers, insbesondere Brennstoffgasspeichers, wird als vorteilhaft erachtet das Verdrängermittelvolumen auch nachträglich mit dem Verdrängermittel befüllbar auszugestalten.In principle, it is possible to fill the displacer means volume, in particular once, with the displacer in the production of the gas accumulator, in particular the fuel gas accumulator. To simplify the production and to improve the maintainability, in particular for replenishment of displacer in the event of displacer loss over the life of the gas storage, in particular fuel gas storage, and associated with optimizing the life of the gas storage, especially fuel gas storage, the displacer means volume is also considered to be advantageous make the displacer fillable.
Im Rahmen einer Ausführungsform umfasst der Gasspeicher daher weiterhin ein Verdrängermitteleinlassventil zum Befüllen des Verdrängermittelvolumens mit Verdrängermittel.In one embodiment, the gas accumulator therefore further comprises a displacer inlet valve for filling the displacer means volume with displacer means.
Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform ist der Gasbehälter ein Druckgasbehälter, insbesondere ein Hochdruckgasbehälter. Dabei kann unter einem Hochdruckgasbehälter insbesondere ein Gasbehälter verstanden werden, welcher für einen Innendruck von ≥ 50 bar, beispielsweise ≥ 100 bar oder ≥ 150 bar, zum Beispiel zur Naturgasspeicherung, oder sogar ≥ 500 bar, beispielsweise ≥ 700 bar, zum Beispiel zur Wasserstoffspeicherung, ausgelegt ist.In the context of a further embodiment, the gas container is a pressurized gas container, in particular a high-pressure gas container. In this case, a high-pressure gas container can be understood to mean in particular a gas container which is suitable for an internal pressure of ≥ 50 bar, for example ≥ 100 bar or ≥ 150 bar, for example for natural gas storage, or even ≥ 500 bar, for example ≥ 700 bar, for example for hydrogen storage, is designed.
Während des Betriebes des Gasspeichers kann innerhalb des Verdrängermittelvolumens insbesondere ein Druck innerhalb eines Druckbereichs von ≥ 2 bar bis ≤ 800 bar, beispielsweise von ≥ 2 bar oder ≥ 10 bar oder ≥ 15 bar oder ≥ 20 bar bis ≤ 800 bar oder ≤ 200 bar oder ≤ 100 bar, und eine Temperatur innerhalb eines Temperaturbereichs von ≥ –40 °C bis ≤ 85 °C, beispielsweise von ≥ –40 °C bis ≤ 50 °C, vorliegen. Insbesondere kann das Verdrängermittel innerhalb dieses Druck- und Temperaturbereichs den flüssig/gasförmig oder fest/gasförmig Phasenwechsel vollziehen.During operation of the gas accumulator, in particular a pressure within a pressure range of ≥ 2 bar to ≤ 800 bar, for example of ≥ 2 bar or ≥ 10 bar or ≥ 15 bar or ≥ 20 bar to ≤ 800 bar or ≤ 200 bar or within the displacement means volume ≤ 100 bar, and a temperature within a temperature range of ≥ -40 ° C to ≤ 85 ° C, for example, from ≥ -40 ° C to ≤ 50 ° C, are present. In particular, the displacer can perform the liquid / gas or solid / gas phase change within this pressure and temperature range.
Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform vollzieht daher das Verdrängermittel innerhalb eines Druckbereichs von ≥ 2 bar bis ≤ 800 bar, beispielsweise von ≥ 2 bar oder ≥ 10 bar oder ≥ 15 bar oder ≥ 20 bar bis ≤ 800 bar oder ≤ 200 bar oder ≤ 100 bar, und innerhalb eines Temperaturbereichs von ≥ –40 °C bis ≤ 85 °C, insbesondere von ≥ –40 °C bis ≤ 50 °C, einen flüssig/gasförmig oder fest/gasförmig Phasenwechsel. In diesem Druck- und Temperaturbereich vollziehen beispielsweise Kohlenstoffdioxid und Krypton einen flüssig/Gasförmig Phasenwechsel.Within the scope of a further embodiment, therefore, the displacer performs within a pressure range of ≥ 2 bar to ≤ 800 bar, for example ≥ 2 bar or ≥ 10 bar or ≥ 15 bar or ≥ 20 bar to ≤ 800 bar or ≤ 200 bar or ≤ 100 bar , and within a temperature range of ≥ -40 ° C to ≤ 85 ° C, in particular from ≥ -40 ° C to ≤ 50 ° C, a liquid / gaseous or fixed / gaseous phase change. In this pressure and temperature range, for example, carbon dioxide and krypton undergo a liquid / gas phase change.
Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform umfasst oder ist das Verdrängermittel daher Kohlenstoffdioxid (CO2) und/oder Krypton (Kr). Vorzugsweise ist das Verdrängermittel Kohlenstoffdioxid. Für Kohlenstoffdioxid spricht, dass dieses ungefährlich und günstig zu beschaffen ist. Insbesondere kann das Verdrängermittelvolumen Kohlenstoffdioxid (CO2) und/oder Krypton (Kr), insbesondere Kohlenstoffdioxid, umfassen.In another embodiment, therefore, the displacer comprises or is carbon dioxide (CO 2 ) and / or krypton (Kr). Preferably, the displacer is carbon dioxide. For carbon dioxide suggests that this is safe and cheap to procure. In particular, the displacer means volume carbon dioxide (CO 2 ) and / or krypton (Kr), in particular carbon dioxide.
Die Art und Menge des Verdrängermittels kann insbesondere bezüglich der nachstehenden technischen Merkmale gezielt eingestellt werden.The type and quantity of the displacement means can be adjusted specifically with regard to the following technical features.
Vorzugsweise liegt das Verdrängermittel im Fall einer maximalen Gasbefüllung, insbesondere Brennstoffbefüllung, des Gasspeichervolumens im Verdrängermittelvolumen zumindest teilweise, gegebenenfalls im Wesentlichen vollständig, in flüssiger oder fester Form vor. Im Fall einer, insbesondere im Wesentlichen vollständigen, Gasentnahme, insbesondere Brennstoffentnahme, aus dem Gasspeichervolumen liegt das Verdrängermittel vorzugsweise im Verdrängervolumen zumindest teilweise, gegebenenfalls im Wesentlichen vollständig, in gasförmiger Form vor.In the case of a maximum gas filling, in particular fuel filling, of the gas storage volume in the displacer volume, the displacer is preferably at least partially, if appropriate substantially completely, in liquid or solid form. In the case of a, in particular substantially complete, gas removal, in particular fuel extraction, from the gas storage volume, the displacer is preferably present in the displacer volume at least partially, optionally substantially completely, in gaseous form.
Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform liegt im Fall einer, insbesondere im Wesentlichen vollständigen, Gasentnahme, insbesondere Brennstoffentnahme, aus dem Gasspeichervolumen innerhalb des Verdrängermittelvolumens ein Druck von ≥ 2 bar, beispielsweise von ≥ 10 bar oder ≥ 15 bar oder von ≥ 20 bar, vor. So kann vorteilhafterweise ein ausreichender Kraftstoffmassenstrom mit vertretbaren Ventilquerschnitten dargestellt und insbesondere das Eindringen von Verunreinigungen in den Tank im entleerten Zustand verhindert werden.In the context of a further embodiment, in the case of a, in particular substantially complete, gas removal, in particular fuel extraction, from the gas storage volume within the displacement means volume a pressure of ≥ 2 bar, for example of ≥ 10 bar or ≥ 15 bar or ≥ 20 bar before. Thus, advantageously, a sufficient fuel mass flow can be represented with acceptable valve cross sections and in particular the penetration of contaminants into the tank in the deflated state can be prevented.
Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform nimmt im Fall einer, insbesondere im Wesentlichen vollständigen, Gasentnahme, insbesondere Brennstoffentnahme, aus dem Gasspeichervolumen das Verdrängermittelvolumen und das Trennelement im Wesentlichen das gesamte im Inneren des Gasbehälters zur Verfügung stehende Volumen ein. So kann vorteilhafterweise eine hohe nutzbare Speicherkapazität erzielt werden.In the context of a further embodiment, in the case of a, in particular substantially complete, gas extraction, in particular fuel extraction, from the gas storage volume, the displacer means volume and the separating element occupy substantially all of the volume available in the interior of the gas container. Thus, advantageously, a high usable storage capacity can be achieved.
Im Fall einer maximalen Gasbefüllung, insbesondere Brennstoffbefüllung, das Gasspeichervolumen können beispielsweise mehr als 90 Vol.-%, beispielsweise mehr als 97 Vol.-%, und/oder das Verdrängermittelvolumen weniger als 10 Vol.-%, beispielsweise weniger als 3 Vol.-%, des im Inneren des Gasbehälters insgesamt zur Verfügung stehenden Volumens einnehmen. Bei einem erfindungsgemäßen Gasspeicher, insbesondere Brennstoffgasspeicher, können somit vorteilhafterweise mehr als 90 Vol.-%, beispielsweise mehr als 97 Vol.-%, des zur Verfügung stehenden Volumens zur Gasspeicherung, insbesondere Brennstoffspeicherung, effektiv genutzt werden. Ein geringer Teil des im Inneren des Gasbehälters insgesamt zur Verfügung stehenden Volumens, wird dabei von dem Trennelement eingenommen. Das von dem Trennelement eingenommene Volumen kann jedoch, insbesondere durch eine Ausgestaltung des Trennelements als Membran gering sein, da die Membran konstruktionsbedingt nur kleine Druckgradienten aushalten muss und kann daher verhältnismäßig dünn ausgeführt werden. In the case of a maximum gas filling, in particular fuel filling, the gas storage volume, for example, more than 90 vol .-%, for example more than 97 vol .-%, and / or the displacer volume less than 10 vol .-%, for example less than 3 vol. %, of the total volume available inside the gas container. In a gas storage device according to the invention, in particular fuel gas storage, advantageously more than 90% by volume, for example more than 97% by volume, of the available volume for gas storage, in particular fuel storage, can be used effectively. A small part of the total volume available inside the gas container is occupied by the separating element. However, the volume occupied by the separating element can be low, in particular as a result of an embodiment of the separating element as a membrane, since the membrane must withstand only small pressure gradients due to the design and can therefore be made relatively thin.
Im Rahmen einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist das Trennelement daher eine elastisch dehnbare, insbesondere gasdichte, Membran.In the context of a further preferred embodiment, the separating element is therefore an elastically extensible, in particular gas-tight, membrane.
Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform ist innerhalb des Gasbehälters ein in sich geschlossener, insbesondere blasen- beziehungsweise ballonförmiger, Hohlkörper mit einer Wandung aus einem elastisch dehnbaren Material angeordnet, wobei die Wandung als Trennelement und das das Innenvolumen als Verdrängermittelvolumen dient. Dabei ist es möglich, dass in die Wandung des in sich als solchen geschlossenen Hohlkörpers ein Ventil, insbesondere zum Einlassen von Verdrängermittel in das Verdrängermittelvolumen integriert sein kann. Diese Ausführungsform hat den Vorteil, dass auf einfache und kostengünstige Weise ein erfindungsgemäßer Gasspeicher, insbesondere Brennstoffgasspeicher, mit einer besonders hohen nutzbaren Speicherkapazität erzielt werden kann.In a further embodiment, a self-contained, in particular bubble or balloon-shaped, hollow body is arranged with a wall of an elastically extensible material within the gas container, wherein the wall serves as a separating element and the inner volume as Verdolängermittelvolumen. In this case, it is possible for a valve, in particular for the admission of displacer means, to be integrated in the wall of the hollow body, which is closed as such, in the displacer volume. This embodiment has the advantage that in a simple and cost-effective manner, an inventive gas storage, in particular fuel gas storage, can be achieved with a particularly high usable storage capacity.
Im Rahmen einer anderen Ausführungsform ist das Trennelement ein verschiebbares Wandelement. Ein verschiebbares Wandelement, welches beispielsweise ähnlich einem Kolben geführt sein kann, stellt eine weitere Umsetzungsmöglichkeit dar.In another embodiment, the separating element is a displaceable wall element. A displaceable wall element, which may be performed, for example, similar to a piston, represents a further implementation possibility.
Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform weist der Gasspeicher ein Verdrängermittelreservoir auf, wobei das Verdrängermittelreservoir fluidisch mit dem Verdrängermittelvolumen verbunden ist. Das Verdrängermittelreservoir kann insbesondere dazu ausgelegt sein, das Verdrängermittel in flüssiger oder fester Form aufzunehmen. So kann das maximale zur Gasspeicherung zur Verfügung stehende Volumen vorteilhafterweise weiter vergrößert werden. Das Verdrängermittelreservoir kann mit dem Verdrängermitteleinlassventil versehen sein.Within the scope of a further embodiment, the gas reservoir has a displacement medium reservoir, wherein the displacement agent reservoir is fluidically connected to the displacement medium volume. The displacer means reservoir may in particular be designed to receive the displacer in liquid or solid form. Thus, the maximum available for gas storage volume can advantageously be further increased. The displacer reservoir may be provided with the displacer inlet valve.
Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform ist das Gasspeichervolumen zur Aufnahme von Naturgas und/oder Wasserstoff ausgelegt. Insbesondere kann das Gasspeichervolumen daher Naturgas und/oder Wasserstoff umfassen. Der Begriff Naturgas kann insbesondere als Obergriff für fossile sowie chemisch und/oder biologisch hergestellte Gase auf Alkanbasis, wie Erdgas, Biogas, Methan-, Ethan-, Propan- und/oder Butan enthaltende Gase verstanden werden. Insbesondere kann das Gasspeichervolumen zur Aufnahme von komprimiertem Naturgas, insbesondere Erdgas (CNG; Englisch: Compressed Natural Gas) ausgebildet sein beziehungsweise diese umfassen.In a further embodiment, the gas storage volume is designed to receive natural gas and / or hydrogen. In particular, the gas storage volume may therefore comprise natural gas and / or hydrogen. The term natural gas can be understood in particular as an override for fossil and chemically and / or biologically produced gases based on alkane, such as natural gas, biogas, methane, ethane, propane and / or butane-containing gases. In particular, the gas storage volume may be designed to accommodate or comprise compressed natural gas, in particular natural gas (CNG).
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Betriebsverfahren für einen erfindungsgemäßen Gasspeicher, insbesondere Brennstoffgasspeicher, umfassend die Verfahrensschritte:
- – Befüllen des Gasspeichervolumens, insbesondere Brennstoffspeichervolumens, mit dem Gas, insbesondere Brennstoff; und
- – Befüllen des Verdrängermittelvolumens mit dem Verdrängermittel.
- - filling the gas storage volume, in particular fuel storage volume, with the gas, in particular fuel; and
- - Filling the displacement means volume with the displacer.
Vorzugsweise wird dabei die Art und Menge des Verdrängermittels derart ausgewählt, dass das Verdrängermittel im Fall einer maximalen Gasbefüllung, insbesondere Brennstoffbefüllung, des Gasspeichervolumens im Verdrängermittelvolumen zumindest teilweise, gegebenenfalls im Wesentlichen vollständig, in flüssiger oder fester Form vorliegt und im Fall einer, insbesondere im Wesentlichen vollständigen, Gasentnahme, insbesondere Brennstoffentnahme, aus dem Gasspeichervolumen im Verdrängervolumen zumindest teilweise, gegebenenfalls im Wesentlichen vollständig, in gasförmiger Form vorliegt.Preferably, the type and amount of the displacement means is selected such that the displacement means in the case of a maximum gas filling, in particular fuel filling, the gas storage volume in the displacer means volume at least partially, optionally substantially completely, in liquid or solid form and in the case one, in particular substantially complete, gas extraction, in particular fuel extraction, from the gas storage volume in the displacer volume at least partially, optionally substantially completely present in gaseous form.
Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform wird die Art und Menge des Verdrängermittels derart ausgewählt, dass im Fall einer, insbesondere im Wesentlichen vollständigen, Gasentnahme, insbesondere Brennstoffentnahme, aus dem Gasspeichervolumen innerhalb des Verdrängermittelvolumens ein Druck von ≥ 2 bar, beispielsweise von ≥ 10 bar oder ≥ 15 bar, insbesondere von ≥ 20 bar, vorliegt.Within the scope of a further embodiment, the type and quantity of the displacement means are selected such that in the case of a, in particular substantially complete, gas extraction, in particular fuel extraction, from the gas storage volume within the displacement means volume a pressure of ≥ 2 bar, for example ≥ 10 bar or ≥ 15 bar, in particular of ≥ 20 bar, is present.
Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform wird die Art und Menge des Verdrängermittels derart ausgewählt, dass im Fall einer, insbesondere im Wesentlichen vollständigen, Gasentnahme, insbesondere Brennstoffentnahme, aus dem Gasspeichervolumen das Verdrängermittelvolumen und das Trennelement im Wesentlichen das gesamte im Inneren des Gasbehälters zur Verfügung stehende Volumen einnehmen.Within the scope of a further embodiment, the type and quantity of the displacement means are selected such that, in the case of a, in particular substantially complete, gas extraction, in particular fuel extraction, from the gas storage volume the displacer volume and the separation element essentially all the volume available inside the gas container taking.
Beispielsweise können die Art und Menge des Verdrängermittels derart ausgewählt werden, dass im Fall einer maximalen Gasbefüllung, insbesondere Brennstoffbefüllung, das Gasspeichervolumen mehr als 90 Vol.-%, beispielsweise mehr als 97 Vol.-%, und/oder das Verdrängermittelvolumen weniger als 10 Vol.-%, beispielsweise weniger als 3 Vol.-%, des im Inneren des Gasbehälters insgesamt zur Verfügung stehenden Volumens einnimmt. For example, the type and quantity of the displacement means can be selected such that in the case of a maximum gas filling, in particular fuel filling, the gas storage volume more than 90 vol .-%, for example more than 97 vol .-%, and / or the displacer volume less than 10 vol .-%, for example, less than 3 vol .-%, occupies the total available inside the gas container volume.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein mobiles, gegebenenfalls tragbares, oder stationäres Energiewandlungssystem, welches einen erfindungsgemäßen Gasspeicher, insbesondere Brennstoffgasspeicher, umfasst und/oder ein erfindungsgemäßes Verfahren durchführt.Another object of the present invention is a mobile, optionally portable, or stationary energy conversion system, which comprises a gas storage device according to the invention, in particular fuel gas storage, and / or performs a method according to the invention.
Unter einem Energieumwandlungssystem kann im Sinn der vorliegenden Erfindung insbesondere eine Vorrichtung verstanden werden, welche einen Energiewandler umfasst, der dazu ausgelegt ist, chemische Energie in mechanische und/oder elektrische Energie umzuwandeln. Insbesondere kann unter einem Energiewandlungssystem im Sinn der vorliegenden Erfindung ein Brennstoffzellensystem oder ein Verbrennungsmotor, beispielsweise eine Wasserstoffbrennstoffzelle, ein Wasserstoffverbrennungsmotor, eine Naturgasbrennstoffzelle oder einen Naturgasverbrennungsmotor, verstanden werden. Insbesondere kann es sich bei dem Energieumwandlungssystem um ein Brennstoffzellensystem handeln. In the context of the present invention, an energy conversion system can be understood in particular to mean a device which comprises an energy converter which is designed to convert chemical energy into mechanical and / or electrical energy. In particular, an energy conversion system in the sense of the present invention can be understood as meaning a fuel cell system or an internal combustion engine, for example a hydrogen fuel cell, a hydrogen combustion engine, a natural gas fuel cell or a natural gas internal combustion engine. In particular, the energy conversion system may be a fuel cell system.
Das erfindungsgemäße Energieumwandlungssystem kann vorteilhafterweise zur Energieversorgung eines Fahrzeugs, eines Gebäudes oder einer technischen Anlage, beispielsweise einer Produktionsanlage oder informationstechnischen Anlage, zum Beispiel zur Notstromversorgung einer Telekommunikationsanlage oder eines Rechenzentrums, eingesetzt werden.The energy conversion system according to the invention can advantageously be used for supplying energy to a vehicle, a building or a technical installation, for example a production plant or information technology installation, for example for the emergency power supply of a telecommunications system or a data center.
Ferner betrifft die vorliegende Erfindung ein Fahrzeug, ein Gebäude oder eine technische Anlage, welche/s einen erfindungsgemäßen Gasspeicher, insbesondere Brennstoffgasspeicher, umfasst und/oder ein erfindungsgemäßes Verfahren durchführt und/oder ein erfindungsgemäßes Energiewandlungssystem umfasst.Furthermore, the present invention relates to a vehicle, a building or a technical installation which comprises a gas storage device according to the invention, in particular fuel gas storage, and / or carries out a method according to the invention and / or comprises an energy conversion system according to the invention.
Zeichnungen und BeispieleDrawings and examples
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Gegenstände werden durch die Zeichnungen veranschaulicht und in der nachfolgenden Beschreibung erläutert. Dabei ist zu beachten, dass die Zeichnungen nur beschreibenden Charakter haben und nicht dazu gedacht sind, die Erfindung in irgendeiner Form einzuschränken. Es zeigenFurther advantages and advantageous embodiments of the subject invention are illustrated by the drawings and explained in the following description. It should be noted that the drawings have only descriptive character and are not intended to limit the invention in any way. Show it
Die
Erfindungsgemäß ist dabei das Verdrängermittelvolumen
Die
Die
Die in den
Die
Die
Zur Veranschaulichung des erfindungsgemäßen phasenwechselbasierten Verdrängerprinzips wird in
Für die
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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- 2011-05-05 DE DE102011075302A patent/DE102011075302A1/en not_active Withdrawn
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