DE102011087023A1

DE102011087023A1 - Verfahren und anordnung zur hochdruckspeicherung von wasserstoffgas

Info

Publication number: DE102011087023A1
Application number: DE102011087023A
Authority: DE
Inventors: Prof. Dr. Herrmann Rudolf; Detlef Kruschke; Frank Herrmann; Mario Brettschneider; Martin Bystry; Dirk Wallacher; Michael Meissner; Klaus Kiefer; Andre Badalus; Sigmar Mothes
Original assignee: IFG - INSTITUTE FOR SCIENTIFIC INSTRUMENTS GmbH; IFG INST FOR SCIENT INSTR GmbH; SIGMAR MOTHES HOCHDRUCKTECHNIK GmbH; Helmholtz Zentrum Berlin fuer Materialien und Energie GmbH
Current assignee: IFG - INSTITUTE FOR SCIENTIFIC INSTRUMENTS GmbH; IFG INST FOR SCIENT INSTR GmbH; SIGMAR MOTHES HOCHDRUCKTECHNIK GmbH; Helmholtz Zentrum Berlin fuer Materialien und Energie GmbH
Priority date: 2011-11-24
Filing date: 2011-11-24
Publication date: 2013-05-29

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zur Hochdruckspeicherung von Wasserstoffgas. Entsprechend der Erfindung wird das Wasserstoffgas in zu Ringspulen, Scheiben oder Zylindern gewickelten Glasmonokapillaren gespeichert. In 2 ist als Beispiel ein Wasserstoffspeicher in Form einer als Scheibe 3 gewickelten Glasmonokapillare 1 gezeigt. Das Ventil 7 dient der geregelten Zu- und Abführung des Wasserstoffgases.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zur sicheren Speicherung von Wasserstoffgas unter hohem Druck in Glaskapillaren über lange Zeiträume für Energiemengen von wenigen Wattstunden bis zu einigen Kilowattstunden für Leistungsbereiche von 10 W bis über 100 W.
Der Einsatz des gespeicherten Wasserstoffgases erfolgt vorzugsweise für die Versorgung von kleinen und mittleren Brennstoffzellen. Für den portablen Einsatz ist aufgrund der geringen Dichte von Wasserstoff (0.0899 kg/m³ bei Normaldruck) für die Speicherung ein genügend großes Speichervolumen erforderlich.
Bekannt für die Speicherung von Wasserstoff als Energieträger sind Druckspeicher, kryogene Flüssigkeitsspeicher und Metallhydridspeicher.
Die Druckspeicherung ist als Technologie für Wasserstofffahrzeuge voll entwickelt. Große Druckspeicher mit einem Volumen von mehreren Kubikmetern und die gesamte Tanktechnologie sind für Drücke von 350 bar und 700 bar im Einsatz. Die Druckbehälter bestehen meist aus Aluminium, Edelstahl oder Verbundwerkstoffen. Die Tanktechnik ist der Benzintanktechnik angepasst.
Die kryogene Flüssigkeitsspeicherung erfolgt mit flüssigem Wasserstoff bei der Siedetemperatur von 20.28 K. Diese Speichertechnologie erreicht mit Kryogenbehältern von der Größe mehrerer Kubikmeter zur Lagerung und für den Transport mit Fahrzeugen eine hohe Speicherkapazität. Vorteil ist die hohe Energiedichte, die mit der Verflüssigung von Wasserstoff erreicht wird. Nachteile sind der hohe Energieaufwand für die Verflüssigung und die hohe Verdampfungsrate der sehr kalten Flüssigkeit, die zu hohen Gasverlusten führt und keine lange Lagerung des flüssigen Wasserstoffs ermöglicht.
Die dritte Form der Speicherung ist die Speicherung in Metallhydriden und anderen Festkörpern. Eine Anzahl von Metall- und Legierungskristallgittern haben eine hohe Speicherdichte für Wasserstoff.
Die DE 10 2004 043 947 A1 betrifft einen Metallhydrid-Speicher der mehrere Hydridkammern aufweist, welche mit einem hydrierbaren Speichermetallpulver gefüllt sind.
In DE 10 2006 042 456 A1 ist ebenfalls einen Metallhydridwasserstoffspeicher geoffenbart, wobei zur Wasserstoffspeicherung eine teilweise Befüllung des Speicherbehälters mit Metallhydrid vorgesehen ist.
Die genannten Speicher können in jeder Größe gefertigt werden, mit einem Volumen von wenigen Kubikzentimetern bis zu Kubikmetern. Nachteilig ist, dass zur Befüllung der Wasserstoff unter Energieaufwand in das Metallgitter gedrückt wird, und bei der Entleerung, zumindest für größere Gasmengen, das Metall erwärmt werden muss. Wesentlich größer sind die Nachteile durch die geringen gravimetrischen und volumetrischen Dichten der Metallhydridspeicher. Die Speicher sind sehr schwer und haben auch ein relativ großes äußeres Volumen. Diese Nachteile begrenzen den Einsatz, insbesondere im mittleren Speicherbereich von wenigen Kubikzentimetern bis zu einigen Hundert Litern.
Aus der Isotopenphysik und der Nuklearchemie ist bekannt, dass sich radioaktive Gase gut in Glaskapillaren speichern lassen. So wie für die Langzeitlagerung von radioaktiven Gasen eignen sich Glaskapillare bekanntermaßen auch für die Speicherung von Wasserstoffgas.
Durchgeführte Untersuchungen haben ergeben, dass Glaskapillaren sehr druckbeständig sind und Wasserstoffgas langfristig speichern. Außerdem hat Glas mit 2,2 g/cm³ eine kleine Dichte im Vergleich zu den Metallen, die bei der Wasserstoffspeicherung zum Einsatz kommen. Dadurch ergeben sich für die Speicherung von Wasserstoffgas in Glaskapillaren hohe volumetrische und insbesondere recht hohe gravimetrische Dichten.
Mit den Schriften EP 2 062 850 A2 und WO 2007/072470 A1 wird Schutz für die Hochdruckspeicherung von Wasserstoff in Glaskapillaren und für entsprechende Hochdruckkapillarglasspeichersysteme beansprucht. In diesen Fällen handelt es sich um gerade Polykapillarglasspeicher, d. h. um homogene Glaskörper aus hunderten einzelner Kapillaren, die als einheitliches Bündel gezogen werden, so dass ein entsprechender Glasblock mit vielen zylinderförmigen Hohlräumen den Speicher bildet.
Beschrieben werden die unterschiedlichen Zusammenstellungen dieser Kapillarblöcke und Gefäße, in denen diese Blöcke zusammengefasst werden.
Um ein hohes Speichervolumen zu erreichen, müssen gerade Polykapillarglasspeicher eine erhebliche Breiten- und Höhenausdehnung aufweisen.
Der Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur sicheren Hochdruckspeicherung von Wasserstoffgas zu schaffen, wobei die Vorrichtung bei relativ geringen äußeren Abmessungen ein hohes Speichervolumen besitzen soll.
Außerdem soll die Möglichkeit gegeben sein, das Speichervolumen der Speicher und deren äußere Form variierbar zu gestalten.
Die Lösung der Aufgabe erfolgt entsprechend den Merkmalen der selbständigen Ansprüche. Die übrigen Ansprüche geben zweckmäßige Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Lösung wieder.
Im Ergebnis von Untersuchungen bei der Anmelderin können Energiemengen von wenigen Wattstunden bis zu einigen Kilowattstunden für Leistungsbereiche von 10 W bis über 100 W in Glasmonokapillaren mit Längen von bis zu einigen Kilometern und einem äußeren Durchmesser von vorzugsweise 300 bis 1000 µm gespeichert werden. Dabei muss die Gesamtlänge der Glasmonokapillare nicht aus einem Stück bestehen, sondern es können mehrere Glasmonokapillare über geeignete Verbindungsstücke zu einem Speicher verbunden werden.
Erfindungsgemäß erfolgt die Speicherung von Wasserstoffgas unter einem Druck von mehreren Hundert bar in als Ringspulen, Scheiben, oder Zylindern gewickelten, an mindestens einem Ende verschlossenen Glasmonokapillaren.
Um eine für den praktischen Einsatz des Speichers zweckmäßige äußere Form und Dimension des Speichers zu erhalten, können die Glasmonokapillare der Ringspulen, Scheiben und Zylinder über geeignete Verbindungsstücke miteinander und untereinander kombiniert werden. So können mehrere Ringspulen ineinander angebracht zu einer Scheibe und mehrere Scheiben übereinander gestapelt zu einem vollen Zylinder kombiniert werden. Aus mehreren übereinander gestapelten Ringspulen lässt sich ein Hohlzylinder bilden. Auch lassen sich mehrere Hohlzylinder ineinander anordnen. Die Fixierung der miteinander kombinierten Ringscheiben, Scheiben und Zylinder lässt sich vorzugsweise durch Klebung oder Einbettung in eine elastische oder aushärtende Masse erreichen.
Die äußeren Abmessungen eines Speichers, beispielsweise zum Betrieb von Brennstoffzellen, betragen bei einem zylindrischen Speicher vorzugsweise 4 bis 50 cm im Durchmesser und 1 cm bis mehrere 100 cm in der Länge des Zylinders.
Beispielsweise sind für ein zu speicherndes Volumen von 5 cm³ Wasserstoffgas etwa 100 Wicklungen bei einem äußeren Durchmesser des Wickels von 12 cm erforderlich. Die Befüllung der Speicheranordnung erfolgt über am offenen Ende der Glasmonokapillaren angebrachte Ventile, die die Kapillaren nach der Befüllung verschließen und im Gebrauchsfall eine kontrollierte Entnahme in den erforderlichen Mengen ermöglichen.
Die Ventile sind bei aus Ringspulen oder hohlen Zylindern bestehenden Speichern vorzugsweise in deren Innenraum untergebracht.
In zweckmäßiger Weise können die Glasmonokapillare an ihrer Außenfläche und/oder im Inneren mit einer Schutzschicht von 1 µm bis 60 µm Dicke, beispielsweise aus Polyimid, versehen werden.
Die Erfindung soll an Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnungen veranschaulicht werden.
In den Zeichnungen zeigen:
1: einen als Ringspule gewickelten Speicher,
2: einen als Scheibe gewickelten Speicher,
3: einen Speicher aus ineinander angeordneten Ringspulen,
4: einen als Zylinder gewickelten Speicher,
5: einen Speicher aus ineinander angeordneten Zylindern.
Aufgrund erfolgreicher eigener Berstdruckmessungen an Glasmonokapillaren mit Außendurchmessern von 300 bis 1000 µm und Längen von 15 cm wurden, um sinnvolle Speichervolumina zu erreichen, Monokapillaren mit einer Länge von vielen Metern untersucht und erfolgreich getestet. Zum Schutz der Oberfläche beschichtete Glasmonokapillaren hielten Drücke bis 1400 bar aus.
Um zu einem Speicher mit praktikablen äußeren Abmessungen zu kommen, wurden, wie in den Figuren dargestellt, Glasmonokapillare 1 zu Ringspulen 2, Scheiben 3 oder Zylindern 4 gewickelt. Ringspulen 2 gemäß 1 wurden mit unterschiedlichen Durchmessern Da von 12 cm, 8 cm und 4 cm gewickelt, und es konnte gezeigt werden, dass auch die Ringspulen mit kleinem Durchmesser Drücke bis über 1000 bar aushalten. Die Ventile 7 zur Befüllung und Entleerung der Speicher lassen sich, insbesondere bei Ringspulen 2 und Zylindern 4, komplikationsfrei im Innenraum 5 mit dem Durchmesser Di unterbringen. Die Anbringung des Ventils 7 an der Peripherie des als Scheibe 3 gestalteten Speichers zeigt 2.
Jeweils den Figuren beigefügt ist eine Darstellung des sich durch das Wickeln der Glasmonokapillaren 1 ergebenden Querschnitts.
Ineinander angeordnete Ringspulen 6 zeigt die 3, wobei die Enden der Ringspulen 2 in Parallelschaltung mit einem Verbindungsstück zusammengefasst werden.
4 zeigt einen als Zylinder 4 gewickelten Speicher. Dabei besteht die Wandung des Zylinders 4 aus mehreren nebeneinander liegenden und einer Vielzahl von übereinander liegenden Windungen der gewickelten Glasmonokapillaren 1.
Bei der Herstellung eines Zylinders 4 kann dieser als Ganzes gewickelt (4) oder, wie in 5 gezeigt, aus übereinander gestapelten Ringspulen 2 bestehen. Auch sind dort mehrere Zylinder 4 ineinander angeordnet.
Zusätzlich ist in der 5 ein Beispiel für die Anzahl der in einer Ringspule 2 nebeneinander und übereinander gewickelten Glasmonokapillare 1 angegeben.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102004043947 A1 [0007]
DE 102006042456 A1 [0008]
EP 2062850 A2 [0012]
WO 2007/072470 A1 [0012]

Claims

Verfahren zur Hochdruckspeicherung von Wasserstoffgas, dadurch gekennzeichnet, dass das Wasserstoffgas in zu Ringspulen (2), Scheiben (3) oder Zylindern (4) gewickelten Glasmonokapillaren (1) gespeichert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuführung und Entnahme des Wasserstoffgases über am Ende der Glasmonokapillaren (1) angeordnete Absperrhähne erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuführung und Entnahme des Wasserstoffgases über am Ende der Glasmonokapillaren (1) angeordnete Ventile (7) erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Speicherung des Wasserstoffgases unter Drücken von wenigen Bar bis über 1000 bar erfolgt.
Anordnung zur Hochdruckspeicherung von Wasserstoffgas, gekennzeichnet durch zu Ringspulen (2) gewickelte an mindestens einem Ende verschlossene Glasmonokapillaren (1), wobei am offenen Ende ein Ventil (7) zur kontrollierten Zuführung und Entnahme des Wasserstoffgases angeordnet ist.
Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Glasmonokapillaren (1) mehrerer Ringspulen (2) durch ein Verbindungsstück miteinander verbunden sind.
Anordnung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Ringspulen (2) übereinander gestapelt einen Zylinder bilden.
Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Ringspulen (2) mittels Klebung oder Einbettung in ein elastisches oder aushärtendes Material untereinander verbunden sind.
Anordnung zur Hochdruckspeicherung von Wasserstoffgas, gekennzeichnet durch zu Scheiben (3) gewickelte Glasmonokapillaren (1), wobei an mindestens einem Ende ein Ventil (7) zur kontrollierten Zuführung und Entnahme des Wasserstoffgases angeordnet ist.
Anordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Glasmonokapillaren (1) mehrerer Scheiben (3) durch ein Verbindungsstück miteinander verbunden sind.
Anordnung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Scheiben (3) übereinander gestapelt einen vollen Zylinder bilden.
Anordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Scheiben (3) mittels Klebung oder Einbettung in ein elastisches oder aushärtendes Material untereinander verbunden sind.
Anordnung zur Hochdruckspeicherung von Wasserstoffgas, gekennzeichnet durch zu Zylindern (4) gewickelte an mindestens einem Ende verschlossene Glasmonokapillaren (1), wobei am offenen Ende ein Ventil (7) zur kontrollierten Zuführung und Entnahme des Wasserstoffgases angeordnet ist.
Anordnung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Zylinder (4) ineinandergefügt und deren Glasmonokapillaren (1) durch ein Verbindungsstück miteinander verbunden sind.
Anordnung nach einem der Ansprüche 5 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Glasmonokapillaren (1) mit einer äußeren Schutzschicht versehen sind.
Anordnung nach einem der Ansprüche 5 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Glasmonokapillaren (1) mit einer inneren Schutzschicht versehen sind.
Anordnung nach einem der Ansprüche 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der Schutzschicht 1µm bis 100 µm beträgt.
Anordnung nach einem der Ansprüche 5 bis 8 und 13 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Befüllungs- und Entleerungsventile (7) im Innenraum (5) in der Mitte der Ringspulen (2) bzw. Zylinder (4) angeordnet sind.
Anordnung nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Scheiben (6) aus mehreren ineinander angeordneten Ringspulen (2) gebildet sind.
Anordnung nach einem der Ansprüche 9 bis 12 und 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Ventile (7) an der Peripherie der Scheiben (3) angeordnet sind.
Anordnung nach einem der Ansprüche 5 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Glasmonokapillaren (1) je nach erforderlichem Speichervolumen eine Länge von 20 cm bis zu einigen Kilometern und einen äußeren Durchmesser von 300 bis 1000 µm aufweisen.