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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Speichern von Energie nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art. Außerdem betrifft die Erfindung die Verwendung einer derartigen Vorrichtung.
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Aus der deutschen Offenlegungsschrift
DE 10 2007 012 505 A1 ist ein Fahrzeug mit einem kapazitiven Energiespeicher bekannt. Dabei wird der an sich bekannte Aufbau eines Kondensators, insbesondere eines sogenannten Supercaps, auf flächige Strukturbauteile eines Fahrzeugs aufgetragen, um so mit minimalem zusätzlichem Bauvolumen neben dem Strukturbauteil einen elektrischen Energiespeicher, insbesondere für die Kurzzeitspeicherung von elektrischer Energie, zu erhalten.
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Aus dem allgemeinen Stand der Technik sind außerdem Vorrichtungen zum Speichern von Energie in Form von gasförmigen Brennstoffen bekannt. Diese Vorrichtungen werden typischerweise auch als Druckgasspeicher bezeichnet und bestehen je nach Bautyp und Nenndruck aus typischerweise einem Hohlkörper, welcher den gasförmigen Brennstoff aufnimmt, sowie eine den Hohlkörper mechanisch stabilisierende Außenhülle. Bei Druckgasspeichern, wie sie beispielsweise für komprimiertes Erdgas oder insbesondere Wasserstoff eingesetzt werden, sind Nenndrücke von 350 bar, sowie 700 bar bei Wasserstoff, allgemein bekannt und üblich. Die hierfür eingesetzten Druckgasspeicher sind typischerweise so aufgebaut, dass ein innerer Hohlkörper aus einem vergleichsweise dichten Kunststoffmaterial ausgebildet wird, um insbesondere dem Wasserstoff eine möglichst gute Diffusionssperre entgegenzusetzen. Dieser dichte, aber vergleichsweise weiche Hohlkörper, welcher auch als Liner bezeichnet wird, wird dann außen von einer Hülle, insbesondere aus kohlefaserverstärktem Kunststoff oder einem andersartigen faserverstärkten Material, umgeben, um den Liner mechanisch zu stabilisieren und vor Beeinträchtigungen aus der Umgebung, beispielsweise einer mechanischen Beschädigung im Falle einer Krafteinwirkung von außen, zu schützen.
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Insbesondere für Fahrzeuge, welche mit Wasserstoff betrieben werden, spielen Druck und Speichervolumen in dem Hohlkörper eine entscheidende Rolle, da für eine möglichst große Reichweite eines Fahrzeugs, beispielsweise eines Brennstoffzellenfahrzeugs, eine möglichst große Menge an Wasserstoff mitgeführt werden muss. Da dieser jedoch eine sehr geringe Dichte aufweist, sind große oder mehrere über das Fahrzeug verteilte Speichervolumen mit entsprechend hohen Drücken von entscheidendem Vorteil für die Reichweite des Fahrzeugs. Vergleichbares gilt auch für ein Fahrzeug, welches mit Wasserstoff oder Erdgas in einem Verbrennungsmotor betrieben wird, beispielsweise in Form eines Hybridfahrzeugs mit einem Gasverbrennungsmotor und einem Elektromotor.
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Die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung besteht nun darin, eine Vorrichtung zum Speichern von Energie anzugeben, welche die genannten Nachteile vermeidet und eine große gespeicherte Energiemenge je Speichervolumen ermöglicht.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung ergeben sich aus den abhängigen Unteransprüchen. Außerdem ist im Anspruch 10 eine bevorzugte Verwendung der Vorrichtung angegeben. Vorteilhafte Weiterbildungen dieser Verwendung finden sich in den hiervon abhängigen Unteransprüchen.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung dient zum Speichern von Energie. Sie umfasst wie ein herkömmlicher Druckgasspeicher einen Hohlkörper zur Aufnahme eines gasförmigen Brennstoffs. Sie eignet sich zur Aufnahme eines gasförmigen Brennstoffs, beispielsweise zur Aufnahme von komprimiertem Erdgas oder Wasserstoff als Brennstoff für ein Fahrzeug beispielsweise mit Brennstoffzelle oder Gasmotor. Erfindungsgemäß ist es außerdem vorgesehen, dass auf wenigstens einer der Oberflächen des Hohlkörpers ein Kondensator angeordnet ist. Ein solcher Kondensator besteht typischerweise aus zwei Elektroden und einem dazwischen angeordneten Dielektrikum. Er kann beispielsweise auf der Innenfläche oder der Außenfläche des Hohlkörpers angeordnet sein. Dies ermöglicht sehr einfach, dass neben dem gasförmigen Brennstoff zusätzlich elektrische Energie in der Vorrichtung gespeichert werden kann. In der Kombination aus Brennstoff und elektrischer Energie kann mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung eine sehr hohe Speicherdichte erzielt werden.
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Da der Kondensator eine hohe Diffusionsbeständigkeit gegenüber Gasen, beispielsweise in der Vorrichtung eingeschlossenem Wasserstoff, aufweist, ist es prinzipiell denkbar, bei der Anordnung des Kondensators innen auf den Hohlkörper den Aufbau so auszubilden, dass der Kondensator die Diffusionssperre bildet, während der Hohlkörper, welcher dann beispielsweise aus faserverstärktem Kunststoff ausgebildet sein kann, die Aufnahme der Druckkräfte übernimmt und praktisch eine Art Außenhülle darstellt.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann es vorgesehen sein, dass der Hohlkörper von einer Hülle umgeben ist. Eine solche Hülle kann in an sich bekannter Art und Weise beispielsweise aus einem faserverstärkten Kunststoff bestehen, sodass der Hohlkörper hier dann für die Dichtheit gegenüber dem eingeschlossenen Gas sorgt, und dass die Hülle die mechanischen Kräfte des unter Druck stehenden Gases aufnimmt. Der Kondensator kann dann sowohl innerhalb des Hohlkörpers als auch außerhalb der Hülle angeordnet sein.
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In einer weiteren sehr günstigen Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann es auch vorgesehen sein, dass der Kondensator zwischen dem Hohlkörper und der Hülle angebracht ist. Der Aufbau des Kondensators lässt sich einfach und effizient um den Hohlkörper herum ausbilden, bevor dieser mit der ihn umgebenden Hülle versehen wird. Insbesondere bei der Speicherung von Wasserstoff entsteht dabei neben der zusätzlichen Speichermöglichkeit für elektrische Energie außerdem der Vorteil, dass der Kondensator eine zusätzliche Diffusionssperre für den Wasserstoff ausbildet, sodass gleichzeitig eine höhere Dichtheit der Vorrichtung für den darin gespeicherten gasförmigen Brennstoff, insbesondere wenn es sich dabei um Wasserstoff handelt, erreicht wird. Da typischerweise die Speicherung des gasförmigen Brennstoffs unter vergleichsweise hohem Druck erfolgt, wird der Kondensator zusätzlich einer vergleichsweise hohen mechanischen Belastung ausgesetzt. Er wird soweit er verformbar ist zusammengepresst. Bei entsprechend hohem Druck und hoher Füllmenge an Gas in dem Hohlkörper steigert sich dadurch aufgrund der Charakteristik eines Kondensators durch die Verringerung des Abstands der Elektroden auch dessen Kapazität.
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Gemäß einer besonders günstigen Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann es dabei vorgesehen sein, dass der Kondensator in einer oder mehreren Lagen zumindest den größten Teil der Oberfläche des Hohlkörpers und/oder gegebenenfalls der Hülle umgibt. Der Hohlkörper kann beispielsweise in der üblichen Formgebung von Druckgasspeichern, also als großvolumiger Rohrabschnitt mit gerundeten Abschlüssen, ausgebildet sein. In einer besonders günstigen und vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist der Hohlkörper alternativ dazu aus einer aufgewickelten Rohrleitung ausgebildet. Die Ausbildung des Hohlkörpers in der Vorrichtung zum Speichern von Energie als aufgewickelte Rohrleitung, welche einen sehr viel kleineren Druckmesser, als der Rohrabschnitt herkömmlicher Druckgasspeicher aufweist, hat für die hier vorliegende Erfindung den Vorteil, dass im Verhältnis zum Speichervolumen eine vergleichsweise große Oberfläche des Hohlkörpers entsteht. Damit wird große Elektrodenfläche des Kondensators in der erfindungsgemäßen Vorrichtung möglich. Parallel dazu ergibt sich der Synergieeffekt, das ein im Vergleich zu einem herkömmlichen Druckgasspeicher sehr viel längeres aufgewickeltes Rohr als Hohlkörper sehr viel flexibler bei der Ausnutzung von bestehenden Freiräumen, beispielsweise innerhalb eines Fahrzeugs, ist, da es passgenau in entsprechende Nischen oder dergleichen gebogen bzw. geformt werden kann.
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Die bevorzugte Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung liegt im Speichern von gasförmigem Brennstoff und elektrischer Energie in einem Fahrzeug. Insbesondere für Fahrzeuganwendungen stellt die Vorrichtung einen entscheidenden Vorteil dar. Neben der Speicherung des gasförmigen Brennstoffs ist sie außerdem in der Lage, elektrische Energie zu speichern und kann so insbesondere bei einem ohnehin elektrisch angetriebenen Brennstoffzellenfahrzeug oder einem Hybridfahrzeug mit einem Gas-Verbrennungsmotor eine zusätzliche Speichermöglichkeit für elektrische Leistung bereitstellen. Durch die Ausbildung dieser elektrischen Energiespeichereinrichtung als Kondensator ist die Vorrichtung insbesondere geeignet, um kurzfristig mit hohen Strömen anfallende elektrische Leistung, beispielsweise beim Abbremsen des Fahrzeugs, zwischenzuspeichern und dann, beispielsweise bei einem darauffolgenden Beschleunigen, sehr schnell wieder abzugeben. Die vergleichsweise träge Dynamik einer Brennstoffzelle und/oder einer herkömmlichen Batterie lässt sich so durch den zusätzlichen Kondensator verbessern. Der Kondensator benötigt dabei in dem Fahrzeug keinen nennenswerten zusätzlichen Bauraum, da er in die Vorrichtung zwischen dem Hohlkörper und der Hülle integriert ausgeführt ist.
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Eine besonders bevorzugte Verwendung sieht es ferner vor, dass der gasförmige Brennstoff bei einem Nenndruck von mehr als 300 bar, insbesondere mehr als 650 bar, gespeichert wird. Insbesondere bei der Speicherung des gasförmigen Brennstoffs bei üblicherweise 350 bar, 700 bar oder auch mehr als 1000 bar stellt die Vorrichtung einen entscheidenden Vorteil dar, da – insbesondere bei der Speicherung von Wasserstoff – durch die zusätzliche Kondensatorschicht zwischen dem Hohlkörper und der Hülle neben der Möglichkeit der elektrischen Energiespeicherung eine Verbesserung der Dichtheit der Vorrichtung gegenüber dem gasförmigen Brennstoff erzielt werden kann.
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Dementsprechend ist es in einer weiteren sehr günstigen Ausgestaltung der Verwendung vorgesehen, dass das Fahrzeug als Brennstoffzellenfahrzeug ausgebildet ist, wobei Wasserstoff als gasförmiger Brennstoff und elektrische Energie in der Vorrichtung gespeichert wird. In einer weiteren sehr günstigen Ausgestaltung der Verwendung kann es dabei ferner vorgesehen sein, dass ergänzend zu dem Kondensator in der Vorrichtung eine Batterie als weiterer elektrischer Energiespeicher verwendet wird. Der optimale Aufbau zur Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sieht es also vor, dass in einem Brennstoffzellenfahrzeug neben der Brennstoffzelle eine Batterie vorgehalten wird, um eine gewisse Hybridisierung des Systems zu erreichen, um so beispielsweise Startvorgänge ausführen und Dynamikanforderungen besser begegnen zu können. Durch die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Speicherung des gasförmigen Brennstoffs, in diesem Fall zur Speicherung des Wasserstoffs, kann dann zusätzlich elektrische Energie zwischengespeichert werden, wodurch die Dynamik des Systems noch weiter verbessert wird, und wodurch insbesondere Bauraum und Kosten bei der Ausgestaltung der Batterie eingespart werden können. Durch die Möglichkeit über den Kondensator eine sehr hohe Dynamik zu erzielen, kann außerdem die Brennstoffzelle selbst mit deutlich weniger Dynamik betrieben werden, was die Brennstoffzelle schont und ihre Lebensdauer verlängert.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung sowie ihrer Verwendung ergeben sich aus den restlichen abhängigen Unteransprüchen und werden anhand des Ausführungsbeispiels deutlich, welches nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren näher beschrieben ist.
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Dabei zeigen:
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1 eine Prinzipdarstellung eines Fahrzeugs mit einer möglichen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung;
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2 eine prinzipmäßige Schnittdarstellung durch den Schichtaufbau der erfindungsgemäßen Vorrichtung;
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3 eine prinzipmäßige Schnittdarstellung durch einen alternativen Schichtaufbau der erfindungsgemäßen Vorrichtung; und
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4 eine dreidimensionale Darstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer alternativen Ausführungsform;
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In der Darstellung der 1 ist ein prinzipmäßig angedeutetes Fahrzeug 1 zu erkennen, welches beispielhaft als Brennstoffzellenfahrzeug 1 ausgebildet ist. Das Brennstoffzellenfahrzeug 1 weist ein Brennstoffzellensystem 2 auf, welches in dem Fahrzeug 1 prinzipmäßig angedeutet ist. Den Kern des Brennstoffzellensystems 2 bildet eine Brennstoffzelle 3, welche zur Bereitstellung von elektrischer Antriebsleistung in dem Fahrzeug 2 vorgesehen ist. Sie steht über Leitungselemente 4 in elektrischer Verbindung mit einer Leistungselektronik 5, über welche ein angedeuteter Elektromotor 6 betrieben werden kann. Dieser treibt über eine Achse 7 die angedeuteten angetriebenen Räder 8 des Fahrzeugs 1 an. Neben der Brennstoffzelle 3 weist das Brennstoffzellenfahrzeug 1 in an sich bekannter Art und Weise eine Batterie 9 als Energiespeichereinrichtung auf, um beispielsweise beim Abbremsen des Brennstoffzellenfahrzeugs 1 über einen generatorischen Betrieb des Elektromotors 6 anfallende Rekuperationsenergie zwischenzuspeichern und die vergleichsweise träge Dynamik der Brennstoffzelle 3 bei Bedarf entsprechend auszugleichen.
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Zum Betrieb der Brennstoffzelle 3 wird dieser über eine Luftfördereinrichtung 10 Luft als Sauerstofflieferant zugeführt. Außerdem wird der Brennstoffzelle 3 Wasserstoff zugeführt, welcher in dem Brennstoffzellenfahrzeug 1 in einer Vorrichtung 11 zur Speicherung von Energie bevorratet wird. Die Vorrichtung 11 kann dabei im Prinzip in der Art eines Druckgasspeichers ausgebildet sein, aus welchem der Wasserstoff über ein Druckregel- und Dosierventil 12 zu der Brennstoffzelle 3 strömt. Abgas aus der Brennstoffzelle 3 gelangt in der vereinfachten Ausgestaltung dieses Ausführungsbeispiels vermischt in die Umgebung. Entsprechende Ausgestaltungen und Weiterbildungen des Brennstoffzellensystems 2 sind im Prinzip denkbar und möglich und sind dem Fachmann allgemein geläufig. So kann er beispielsweise eine Anodenrezirkulation für Anodenabgas vorsehen oder eine Nachverbrennung von Abgasen, gegebenenfalls mit einer Turbine, welche wiederum elektrische Leistung liefert und/oder über mechanische Leistung die Luftfördereinrichtung 10 direkt antreibt.
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Die Vorrichtung 11 zum Speichern von Energie kann nun so ausgebildet sein, dass diese, wie es in der Darstellung der 2 in einem prinzipmäßigen Schnitt durch ihre Wand zu erkennen ist, einen Hohlkörper 13, einen sogenannten Liner, aufweist, welcher außen in an sich bekannter Art und Weise von einer Hülle 14 umgeben ist. Der Liner 13 ist typischerweise aus Kunststoff ausgebildet und die Hülle 14 besteht aus aufgewickelten Fasern, insbesondere Kohlefasern, welche den Hohlkörper 13 entsprechend stabilisieren und vor mechanischen Beeinträchtigungen von außen schützen. Der Hohlkörper 13 ist dabei so ausgebildet, dass er dem Wasserstoff, welcher in seinem Inneren unter hohem Druck, beispielsweise unter einem Nenndruck von 700 bar, gespeichert ist, einen möglichst hohen Diffusionswiderstand entgegensetzt, während es die Aufgabe der Hülle 14 ist, die mechanische Stabilisierung zu gewährleisten und den Innendruck in der Vorrichtung 11 aufzunehmen.
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Abweichend vom herkömmlichen Aufbau eines Druckgasspeichers ist es in der Vorrichtung 11 nun außerdem vorgesehen, dass zwischen dem Hohlkörper 13 und der Hülle 14 ein Kondensator 15 angeordnet ist. Der Kondensator 15 kann beispielsweise aus zwei Elektroden 16 und einem dazwischen angeordneten Dielektrikum 17 bestehen, welches bandförmig ausgebildet und um den Hohlkörper 13 gewickelt ausgebildet ist. Durch einen elektrischen Anschluss der beiden Elektroden 16, welche in der Darstellung der 1 durch zwei Leitungselemente 18 zur Verbindung der Vorrichtung 11 mit der Leistungselektronik 5 angedeutet sind, kann der Kondensator 15 zur Speicherung von elektrischer Energie eingesetzt werden. Insbesondere kann er eingesetzt werden, um mit hoher Leistung bzw. hohem Strom anfallende elektrische Energie, beispielsweise bei einem starken Abbremsen des Brennstoffzellenfahrzeugs 1, zwischenzuspeichern und dann entweder zur Beschleunigung des Brennstoffzellenfahrzeugs 1 direkt wieder abzugeben oder langsam in die Batterie 9 umzuschichten. Die dynamischen Nachteile der Brennstoffzelle 3 und der Batterie 9 können somit durch den Kondensator 15, welcher insbesondere als sogenannter Supercap ausgebildet ist, verringert werden. Gleichzeitig benötigt der Kondensator 15 dabei fast keinen zusätzlichen Bauraum innerhalb des Brennstoffzellenfahrzeugs 1, da er in die Vorrichtung 11 zur Speicherung von Energie integriert ausgeführt ist.
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Ein alternativer Aufbau der Vorrichtung 11 analog zur Darstellung in 2 ist in 3 zu erkennen. Der Aufbau unterscheidet sich im Wesentlichen nur dadurch, dass der Kondensator 15 nunmehr nicht zwischen dem Hohlkörper 13 und der Hülle 14 angeordnet ist, sondern dass dieser außen auf der Hülle 14 positioniert ist. Eine weitere nicht dargestellte Alternative könnte es ebenso vorsehen, dass der Kondensator 15 innerhalb des Hohlkörpers 13 angeordnet ist oder diesen sogar ersetzt.
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In der Darstellung der 4 ist eine alternative Ausführungsform der Vorrichtung 11 zum Speichern von Energie bzw. ihres Hohlkörpers 13 angedeutet. Anstelle des üblichen Aufbaus aus einem sehr dicken Rohrabschnitt mit abgerundeten Abschlussdomen an den beiden Enden des Rohrabschnitts ist die Vorrichtung 11 bzw. der die Form der Vorrichtung 11 bestimmende Hohlkörper 13, welcher in der Darstellung der 3 lediglich zu erkennen ist, als Rohrleitung ausgebildet, welche entsprechend aufgewickelt ist. Die Darstellung in der 3 zeigt dabei eine mögliche Wickelanordnung. Die Vorrichtung 11 bzw. der Hohlkörper 13 in der Ausgestaltung gemäß 3 kann an zur Verfügung stehende Bauräume innerhalb des Fahrzeugs 1 sehr gut angepasst werden und hat aufgrund der im Vergleich zu einem herkömmlichen Druckgasspeicher sehr viel größeren Oberfläche des Hohlkörpers 13 auch die Möglichkeit, eine vergleichsweise große Fläche der Elektroden 16 zu realisieren und dadurch eine vergleichsweise hohe Kapazität des Kondensators 15 als elektrische Energiespeichereinrichtung zu ermöglichen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102007012505 A1 [0002]
