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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 ein Fahrzeug mit einer derartigen Vorrichtung. Letztlich betrifft die Erfindung außerdem ein Verfahren zum Betanken eines solchen Fahrzeugs.
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Vorrichtungen zum Speichern von Energie, beispielsweise von elektrischer Energie und/oder einem gasförmigen Energieträger beispielsweise in einem Druckgasspeicher, sind aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt. Die Vorrichtungen zum Speichern von elektrischer Energie sind typischerweise in Form von Batterien und/oder Kondensatoren, beispielsweise als sogenannte Hochvoltbatterien in Lithium-Ionen-Technologie, ausgebildet. Entsprechend hohe Kapazitäten sind für die Anwendung als Traktionsbatterie in einem Fahrzeug notwendig.
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Außerdem kennt der Stand der Technik Druckgasspeicher zur Speicherung von gasförmiger Energie, beispielsweise von komprimiertem Erdgas oder Wasserstoff in einem Fahrzeug. Diese Druckgasspeicher können beispielweise in Form von flaschenförmigen Druckgasspeichern, oder auch, wie es beispielsweise aus der
DE 10 2006 046 722 B4 bekannt ist, in Form eines sogenannten Rohrspeichers ausgebildet sein.
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An die unterschiedlichen Energiespeicher sind dabei während des Betriebs unterschiedliche Anforderungen gesetzt. Im kleinen Maßstab, beispielsweise zur Verwendung in elektronischen Mobilgeräten wie Telefonen, Laptops und dergleichen, ist es aus dem weiteren Stand der Technik in Form der
EP 2 461 406 A1 bekannt, einen Kraftstofftank und eine Batterie zum Betreiben eines Brennstoffzellen-/Batteriesystems so anzuordnen, dass der Brennstofftank die Batterie vollständig umgibt und daher ein Wärmeaustausch zwischen diesen Partnern der Vorrichtung zum Speichern von Energie auftritt.
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Zudem zeigt die Schrift
US 2012040253 A1 ein Energiespeicher in Form einer Metall-Luft-Batterie auf, bei der die Abluft der Metall-Luft-Batterie vor einer Speicherung in einem Tank durch einen Wärmetauscher gekühlt werden kann. Hierbei ermöglicht die Verschaltung der Metall-Luft-Batterie mit dem Tank durch verschiedene Ventilstellungen sowohl ein Speichern der Abluft von der Batterie im Tank, ein Zuführen der gespeicherten Abluft aus dem Tank zur Batterie als auch eine Öffnung des Luftführungssystems nach außen hin zur Frischluftversorgung beziehungsweise zur Abluftentsorgung.
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Hingegen zeigt die Schrift
DE 10 2010 032 886 A1 der Anmelderin ein elektrisches Energieversorgungssystem, welches eine Brennstoffzelle und einen elektrischen Energiespeicher umfasst. Zur Kühlung der Brennstoffzelle und/oder des elektrischen Energiespeichers ist wenigstens eine Adsorptionskältemaschine vorgesehen. Der Kühlkreis des elektrischen Energiespeichers ist über einen Wärmetauscher mit dem Kältemittelkreis der Adsorptionskältemaschine thermisch gekoppelt. Die Brennstoffzelle hingegen weist einen eigenen Wärmetauscher auf, über den die Brennstoffzelle durch einen eigenständigen Kühlkreis gekühlt werden kann.
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Ergänzend zeigen noch die Schrift
DE 10 2012 202 243 A1 eine Vorrichtung mit einer Brennstoffzelle und einem Speicherbehälter, wobei eine Kühleinrichtung zum Kühlen der Brennstoffzelle und eine Wärmeinrichtung zum Erwärmen des Speicherbehälters wärmeübertragend gekoppelt sind, die Schrift
DE 11 2006 000 222 T5 ebenfalls ein Brennstoffzellensystem mit einer Brennstoffzelle, einem Sauerstofftank und einem Wasserstoffspeichertank zeigt, wobei die Abwärme der Brennstoffzelle über einen Kreislauf zur Erwärmung eines Wasserstoffheizmittels und/oder eines Sauerstoffheizmittels nutzbar ist und die Schrift
JP 2007179991 A einen Wasserstofftank, der sowohl über einen Kühlkreis mit einer Brennstoffzelle verbunden ist, als auch über einen weiteren Kreislauf temperiert werden kann.
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Die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Vorrichtung zum Speichern von Energie gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 anzugeben, welche gegenüber dem Stand der Technik verbessert ist und auch für leistungsstarke Anwendungen, wie beispielsweise die Bereitstellung von elektrischer Antriebsenergie für ein Fahrzeug, einen optimierten Betrieb ermöglicht.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Vorrichtung ergeben sich dabei aus den hiervon abhängigen Unteransprüchen. Außerdem löst ein Fahrzeug mit einer derartigen Vorrichtung als Energiespeicher die eingangs genannte Aufgabe. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich ebenfalls aus den hiervon abhängigen Unteransprüchen. Letztlich löst außerdem ein Verfahren zum Betanken eines derartigen Fahrzeugs die Aufgabe.
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Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist es nun vorgesehen, dass der wenigstens eine elektrische Energiespeicher und der wenigstens eine Druckgasspeicher beide in wärmeleitendem Kontakt mit demselben flüssigen Kühlmedium stehen. Diese wärmetechnische Anbindung sowohl des wenigstens einen Druckgasspeichers als auch des wenigstens einen elektrischen Energiespeichers an dasselbe flüssige Kühlmedium ermöglicht einen hochdynamischen Betrieb mit entsprechend hohen elektrischen Leistungen, da durch das flüssige Kühlmedium eine sehr gute Temperierung möglich wird, und insbesondere bei hohen Leistungen auftretende Wärmeverluste sehr gut abgeführt werden können. Außerdem entsteht durch den Aufbau eine wärmetechnische Kombination zwischen den Druckgasspeichern, welche im Betrieb durch die Entspannung des entnommenen in ihnen gespeicherten Gases sich entsprechend abkühlen und den elektrischen Energiespeichern, welche sich sowohl beim Laden als auch beim Entladen entsprechend erwärmen. Durch die Abkühlung des wenigstens einen Druckgasspeichers wird das flüssige Kühlmedium dann entsprechend abgekühlt und kann wieder Wärme, welche beim Entladen oder Laden des elektrischen Energiespeichers entsteht, sehr gut aufnehmen. Die Kühlung des elektrischen Energiespeichers wird so verbessert und beispielsweise bei der Verwendung von flüssigem Kühlmedium in einem Kühlkreislauf muss weniger Wärme an die Umgebung abgeführt werden. Gleichzeitig wird die Temperatur des Druckgasspeichers, auch bei der Entnahme von Gas, auf einem entsprechend hohen Niveau gehalten, sodass insbesondere das entnommene Gas entsprechend vorgewärmt wird, wenn dieses den Druckgasspeicher verlässt. Ein Teil der bei der Entspannung auftretenden Absenkung der Temperatur wird also ausgeglichen. Insbesondere bei der Verwendung des entspannten Gases in einer Brennstoffzelle stellt dies einen erheblichen Vorteil dar, da durch das Einbringen des vorgewärmten Gases in die Brennstoffzelle nachteilige Effekte wie beispielsweise die Auskondensation von Flüssigkeit im Bereich des eingebrachten Gases deutlich reduziert oder ganz verhindert werden können. Eine eigens erforderliche Vorwärmung des Gases kann samt des hierfür notwendigen konstruktiven Aufbaus und der dafür benötigten Energie gänzlich entfallen. Dies stellt einen erheblichen Vorteil hinsichtlich des Bauraums und der Energieeffizienz dar.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann es nun außerdem vorgesehen sein, dass der wenigstens eine elektrische Energiespeicher und der wenigstens eine Druckgasspeicher zumindest teilweise in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet und von dem flüssigen Kühlmedium umströmt sind. Diese Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ermöglicht einen sehr kompakten Aufbau, da beispielsweise Hochvoltbatterien als elektrische Energiespeicher zwischen einen oder mehrere Druckgasspeicher eingebracht und dann von einem gemeinsamen Gehäuse umgeben werden können. In diesem nach außen dichten Gehäuse strömt dann das Kühlmedium, welches einen idealen Wärmeaustausch zwischen den einzelnen Komponenten im inneren des Gehäuses gewährleistet. Außerdem entsteht durch das Gehäuse ein zusätzlicher Sicherheitsvorteil beispielsweise im Brandfall, da durch das Gehäuse bzw. seine Außenhülle kein direkter Kontakt beispielsweise von Flammen oder dergleichen zu der Hochvoltbatterie einerseits und insbesondere zu den Druckgasspeichern, welche hierfür sehr anfällig sind, andererseits besteht. Durch das im Gehäuse befindliche um den wenigstens einen Druckgasspeicher strömende flüssige Kühlmedium entsteht außerdem der Sicherheitsvorteil, dass das flüssige Kühlmedium zuerst gänzlich verdampft werden muss, bevor eine Erwärmung des Druckgasspeichers über dem Verdampfungspunkt des flüssigen Kühlmediums hinaus realisiert werden kann. Dies stellt einen erheblichen Sicherheitsvorteil gegenüber Druckgasspeichern, welche im Brandfall den Flammen direkt ausgesetzt wären, dar.
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Erst nachdem das flüssige – insbesondere wasserbasierte – Kühlmedium, welches die Temperatur des Behälters auf maximal ca. 100°C limitiert, vollständig verdampft ist, besteht die Gefahr einer weiteren Erwärmung des Druckgasspeichers mit den damit einhergehenden Folgen. Bis zu diesem Zeitpunkt kann aber beispielsweise über die Auslösung von Sicherheitsventilen oder dergleichen der Druck bereits so weit abgebaut sein, dass auch dann kein sicherheitskritisches Szenario zu befürchten ist.
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Wie bereits erwähnt, kann gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Idee der elektrische Energiespeicher als Batterie, insbesondere als Hochvoltbatterie, beispielsweise auf der Basis einer Lithium-Ionen-Batterie, ausgebildet sein. Ergänzend oder alternativ dazu kann es auch vorgesehen sein, dass der elektrische Energiespeicher in Form wenigstens eines Kondensators, insbesondere eines Super-Kondensators, ausgebildet ist. Ein solcher Kondensator hat gegenüber einer Batterie den Vorteil, dass er bei schnellen Lade- und Entladzyklen sehr viel dynamischer reagieren kann und weniger Leistungsverluste erzeugt. Dies kann insbesondere beim Einsatz in einem Fahrzeug, bei dem Energie zur Rekuperation durch ein Abbremsen des Fahrzeugs zur Verfügung gestellt wird, ein besonderer Vorteil sein. Die beim Abbremsen anfallende Energie tritt typischerweise, beispielsweise bei einem starken Abbremsen, mit entsprechend hohen Leistungen auf. Über einen Kondensator können diese hohen Leistungen mit sehr viel weniger Verlusten eingespeichert werden als über eine Batterie. Längerfristig ist die Batterie im Vorteil, da sie ihre Ladung nicht so leicht verliert, wie der Kondensator. Deshalb kann es gemäß einer besonders günstigen Weiterbildung der Idee auch vorgesehen sein, dass der wenigstens eine elektrische Energiespeicher sowohl wenigstens eine Batterie als auch wenigstens einen Kondensator umfasst.
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In einer sehr günstigen Weiterbildung der Ausgestaltung des elektrischen Energiespeichers als Kondensator kann es dabei ferner vorgesehen sein, dass der wenigstens eine Kondensator in die Hülle des Druckgasspeichers integriert ist oder diese ausbildet.
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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, oder auch zwischen entsprechenden Schichten der Innenfläche oder Außenfläche. Dies ermöglicht es sehr einfach, dass neben dem gasförmigen Brennstoff zusätzlich elektrische Energie in der Vorrichtung gespeichert werden kann. In der Kombination aus Brennstoff und elektrischer Energie lässt sich somit eine außerordentlich hohe Speicherdichte erzielen. Da der Kondensator typischerweise eine hohe Diffusionsbeständigkeit gegenüber Gasen, beispielsweise gegenüber Wasserstoff, aufweist, ist es auch denkbar, bei der Anordnung des Kondensators innen auf dem Hohlkörper den Aufbau so auszubilden, dass der Kondensator gleichzeitig die Diffusionssperre bildet oder diese in ihrer Wirkung verstärkt, während der Hohlkörper, welcher dann beispielsweise lediglich aus einem faserverstärkten Kunststoff ausgebildet sein kann, die Aufnahme der Druckkräfte übernimmt und praktisch die Außenhülle darstellt. Genauso gut kann, wie erwähnt, der Kondensator zwischen einzelnen Hüllen angeordnet werden oder auch außen auf dem Druckgasspeicher. Weitere Ausführungen hierzu sind aus der älteren Anmeldung
DE 10 2013 001 665 der Anmelderin bekannt, sodass hierauf nicht nochmals im Detail eingegangen werden muss.
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Neben der Ausgestaltung des wenigstens einen Druckgasspeichers in Form einer oder mehrerer Druckgasbehälter, welche typischerweise flaschenförmig ausgebildet sind, kann gemäß einer besonders vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung die Ausbildung des wenigstens einen Druckgasspeichers als Rohrspeicher vorgesehen sein. Ein solcher als Rohrspeicher ausgebildeter Druckgasspeicher ist an sich aus dem Stand der Technik bekannt und wird beispielsweise in der eingangs bereits erwähnten
DE 10 2006 046 722 B4 beschrieben. Er kann im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Aufbau der Vorrichtung dabei den entscheidenden Vorteil bieten, dass er beispielsweise mäanderförmig ausgebildet und zumindest teilweise in dem von flüssigem Kühlmedium durchströmten Gehäuse angeordnet sein kann. Zwischen den einzelnen Strängen des Mäanders ergibt sich dann ein Freiraum, in welchem beispielsweise der elektrische Energiespeicher in Form von einzelnen Batteriezellen einer Hochvoltbatterie eingesetzt werden kann. Ein weiterer entscheidender Vorteil des Rohrspeichers gegenüber einem herkömmlichen Druckgasspeicher mit flaschenförmiger Ausführung besteht insbesondere dann, wenn eine Kondensator, wie erwähnt, gemäß der oben beschriebenen günstigen Weiterbildung der Idee in die Hülle des Druckgasspeichers integriert ist. In diesem Fall bietet der Rohrspeicher den entscheidenden Vorteil einer sehr großen Oberfläche, sodass eine entsprechend hohe Kapazität des Kondensators durch den Aufbau erzielt werden kann.
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In einer weiteren sehr günstigen Ausgestaltung dieser Idee kann es nun ferner vorgesehen sein, dass der Rohrspeicher als geschlossener Rohrkreis ausgebildet ist. Ein solcher geschlossener Rohrkreis als Rohrspeicher ist so aufgebaut, dass gegenüber dem oben erwähnten Stand der Technik nicht das eine Ende verschlossen und das andere Ende mit einem entsprechenden Anschluss versehen ist, sondern dass die Enden miteinander verbunden sind. Hierdurch entsteht ein endloser Innenraum, sodass an annähernd beliebiger Stelle betankt und entnommen werden kann, insbesondere auch an unterschiedlichen Stellen. Insbesondere bei einer solchen Ausgestaltung als geschlossener Rohrkreis kommt es unwillkürlich oder beispielsweise dadurch angeregt, dass im Bereich der Entnahmestelle eine Saugstrahlpumpe oder Gasstrahlpumpe bzw. ein Coanda-Strömungsverstärker angeordnet ist, zu einer Kreislaufströmung in dem geschlossenen Rohrkreis des Rohrspeichers. Hierdurch ist es ausreichend, wenn nur ein Teil des Rohrspeichers, beispielsweise der Teil, in dessen Bereich die Entnahme stattfindet, und welcher typischerweise am stärksten abkühlt, mit dem flüssigen Kühlmedium in Kontakt steht. Dementsprechend kann eine Integration dieses Teils des Kreisrohrspeichers in ein von flüssigem Kühlmedium durchströmtes Gehäuse eines elektrischen Energiespeichers, beispielsweise einer Batterie, zur Erzielung der besonderen Vorteile der erfindungsgemäßen Vorrichtung ausreichend sein. Dies ist hinsichtlich des Bauvolumens von Vorteil, da der Rest des geschlossenen Rohrkreises des Rohrspeichers annähernd beliebig verlegt und in den beispielsweise in einem Fahrzeug zur Verfügung stehenden Bauraum sehr einfach und effizient eingepasst werden kann.
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Die eingangs genannte Aufgabe wird, wie bereits erwähnt, auch durch ein Fahrzeug gelöst. Dieses Fahrzeug mit einem Brennstoffzellensystem mit wenigstens einer Brennstoffzelle umfasst dabei die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Speicherung von Energie. Der Aufbau ist dabei so ausgestaltet, dass Wasserstoff und elektrische Energie in der Vorrichtung gespeichert sind, wobei das flüssige Kühlmedium der Vorrichtung das flüssige Kühlmedium eines Fahrzeugkühlkreislaufs mit einer Kühlmittelfördereinrichtung ist, in welchem auch die Brennstoffzelle angeordnet ist. Ein solcher Fahrzeugkühlkreislauf, welcher einerseits zur Kühlung der Brennstoffzelle und andererseits zur Kühlung bzw. Temperierung der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Speichern von Energie dient, ist besonders einfach und effizient, da nur ein einziger Kühlkreislauf mit einem entsprechenden flüssigen Kühlmedium vorgesehen werden muss. Mit einer einzigen Kühlmittelfördereinrichtung und typischerweise einem Kühlwärmetauscher zur Abfuhr der Abwärme an die Umgebung entsteht so ein sehr einfacher und effizienter Aufbau. Dieser Aufbau ist durch die bereits erwähnten Eigenschaften vor allem in dem Fahrzeug von besonderem Vorteil, da er hier für einen sehr energieeffizienten Betrieb einerseits und einen kompakten und sehr sicheren Aufbau andererseits sorgt.
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Im Anspruch 11 ist nun außerdem ein Verfahren zum Betreiben eines derartigen Fahrzeugs angegeben, bei welchem erfindungsgemäß während der Betankung mit Wasserstoff die Kühlmittelfördereinrichtung betrieben wird. Über einen solchen Betrieb der Kühlmittelfördereinrichtung während der Betankung mit Wasserstoff findet ein Temperaturausgleich im Bereich des wenigstens einen Druckgasspeichers statt, welcher von dem flüssigen Kühlmedium zumindest teilweise umströmt wird. Hierdurch wird eine gleichmäßige Temperierung erreicht, sodass die Wärmeenergie der bei der Betankung auftretenden Erwärmung abgeführt oder gleichmäßig verteilt werden kann, was für die Sicherheit und die Lebensdauer der Bauteile von Vorteil ist. Die Bauteile müssen nämlich nicht mehr so hohe Temperaturdifferenzen zwischen der maximalen Temperatur bei einer ungekühlten Betankung und der minimalen Temperatur bei einer „unerwärmten” Entnahme aushalten.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung des erfindungsgemäßen Fahrzeugs 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 ein prinzipmäßig angedeutetes Brennstoffzellenfahrzeug in einer Ausführungsform gemäß der Erfindung;
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2 eine Prinzipdarstellung einer möglichen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Speichern von Energie;
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3 eine prinzipmäßige Schnittdarstellung durch einen möglichen Schichtaufbau der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Speichern von Energie;
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4 eine prinzipmäßige Schnittdarstellung durch einen alternativen Schichtaufbau der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Speichern von Energie;
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5 eine Darstellung in einer möglichen Ausführungsform des Druckgasspeichers in der erfindungsgemäßen Vorrichtung;
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6 eine mögliche Ausführungsform einer Anschlussstelle in dem Druckgasspeicher gemäß 5;
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7 eine erste alternative Ausführungsform einer Anschlussstelle in dem Druckgasspeicher gemäß 5; und
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8 eine zweite alternative Ausführungsform einer Anschlussstelle in dem Druckgasspeicher gemäß 5.
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In der Darstellung der 1 ist prinzipmäßig angedeutetes Fahrzeug 1 mit einem sehr stark schematisierten Brennstoffzellensystem zu erkennen. Den Kern dieses Brennstoffzellensystems bildet eine Brennstoffzelle 2, von welcher hier exemplarisch ein Kathodenraum 3, ein Anodenraum 4 sowie ein Wärmetauscher 5 dargestellt sind. Dem Kathodenraum 3 der Brennstoffzelle 2 wird Luft über eine Luftfördereinrichtung 6 als Sauerstofflieferant zugeführt. Die Abluft gelangt in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel direkt aus dem Kathodenraum 3 in die Umgebung. Genauso gut könnten hier weitere Einbauten wie beispielsweise Wasserabscheider, Turbinen, Kreislaufführungen der Abluft oder dergleichen vorhanden sein. All dies ist dem Fachmann bekannt und spielt für die hier vorliegende Erfindung keine Rolle, sodass hierauf nicht näher eingegangen wird.
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Dem Anodenraum 4 der Brennstoffzelle 2 wird Wasserstoff aus einem Druckgasspeicher 8 zugeführt. Dieser Druckgasspeicher 8, welcher in der Darstellung der 1 nicht explizit zu erkennen ist, ist Teil einer Speichervorrichtung 7, welche als Vorrichtung zur Speicherung von Energie dient, und welche neben dem Druckgasspeicher 8 außerdem wenigstens einen elektrischen Energiespeicher 9 umfasst. Über ein Druckregel- und Dosierventil 10 wird der Wasserstoff dann, wie bereits erwähnt, dem Anodenraum 4 zugeführt. Nicht verbrauchter Wasserstoff gelangt in an sich bekannter Art und Weise aus dem Anodenraum 4 und kann beispielsweise über eine hier dargestellte Rezirkulationsleitung 11 mit einer darin angeordneten Rezirkulationsfördereinrichtung 12 zurückgeführt und dem Anodenraum erneut zugeführt werden. Von Zeit zu Zeit muss dann Wasser und inertes Gas, welches sich in dem Rezirkulationskreislauf ansammelt, abgelassen werden. Hierfür ist in der Darstellung der 1 schematisch ein kombiniertes Purge- und Drain-Ventil 13 angedeutet.
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Die Rezirkulationsfördereinrichtung 12 ist hier als Gebläse dargestellt, sie könnte genauso gut als Gasstrahlpumpe oder als Kombination aus Gebläse und Gasstrahlpumpe dargestellt sein. In dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel wird das Gebläse als Rezirkulationsfördereinrichtung 12 von einem Elektromotor 14 angetrieben, welcher ebenfalls dargestellt ist. Sowohl der Elektromotor 14 als auch der Wärmetauscher 5 der Brennstoffzelle 2 sind Teil eines Kühlkreislaufs 15, in welchem ein flüssiges Kühlmedium über eine Kühlmittelfördereinrichtung 16 umgewälzt wird. Das Kühlmedium in dem Kühlkreislauf kann dabei durch drei parallele Abschnitte strömen und kann jeweils durch Ventileinrichtungen 17 in seinem Volumenstrom durch den jeweiligen parallelen Abschnitt eingestellt werden. Im ersten parallelen Abschnitt sitzt der Kühlwärmetauscher 5 der Brennstoffzelle 2 und in Strömungsrichtung des Kühlmediums auf diesen folgend der Elektromotor 14 des Rezirkulationsgebläses 12, welcher ebenfalls von dem Kühlmittel gekühlt wird. Im parallelen Strang dazu ist ein weiterer Elektromotor angedeutet. Hierbei soll es sich um den Fahrmotor 18 des Fahrzeugs 1 handeln. Nach dem Fahrmotor 18 ist in diesem Strang des Kühlkreislaufs 15 außerdem die Leistungselektronik 19 des Fahrzeugs 1 angeordnet. In dem weiteren verbleibenden Strang ist dann die Speichervorrichtung 7 angeordnet, auf welche später noch näher eingegangen wird. Zur Abkühlung des Kühlmediums durch Fahrtwind ist ein Kühlwärmetauscher 20 in an sich bekannter Art und Weise in dem Kühlkreislauf 15 vorgesehen. Zum Aufrechterhalten einer ausreichenden Durchströmung des Kühlwärmetauschers 20, beispielsweise bei langsamer Fahrt, ist dabei ein Lüfter 21 prinzipmäßig angedeutet. Die Steuerung des Kühlmedienstroms und damit der Temperatur kann durch eine Anpassung der Drehzahl der Kühlmittelfördereinrichtung 16 realisiert werden. Alternativ oder ergänzend hierzu kann auch ein Bypass 22 vorhanden sein, welcher über ein Bypassventil 23 so geschaltet wird, dass bei verringertem Kühlbedarf nicht die gesamte Menge oder gar kein Kühlmedium über den Kühlwärmetauscher 20 strömt und sich so beispielsweise beim Startvorgang der Brennstoffzelle 2 diese sehr schnell erwärmen lässt. All dies ist soweit aus dem Stand der Technik bekannt, sodass auf die detaillierte Funktionalität nicht weiter eingegangen werden soll.
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Die Besonderheit bei dem Fahrzeug 1 liegt nun in der Vorrichtung 7 zum Speichern von Energie, welche bereits zuvor und auch nachfolgend als Speichervorrichtung 7 bezeichnet werden soll. Diese Speichervorrichtung 7 umfasst den wenigstens einen Druckgasspeicher 8 und den wenigstens einen elektrischen Energiespeicher 9. In der Darstellung der 2 ist beispielhaft eine solche Speichervorrichtung 7 in einer möglichen Ausgestaltung zu erkennen. Die Speichervorrichtung 7 ist dabei so ausgebildet, dass sie beispielsweise im Bereich des Fahrzeugs 1, beispielweise an die Stelle, an welcher bisher ein Kraftstofftank bei einem herkömmlichen Fahrzeug angebracht war, entsprechend eingepasst werden kann. Die Speichervorrichtung 7 umfasst ein Gehäuse 24, welches über einige angedeutete Halteösen 25 beispielsweise in dem Fahrzeug 1 montiert werden kann. Im Inneren dieses Gehäuses 25 befindet sich indem hier dargestellten Ausführungsbeispiel ein einziger Druckgasspeicher 8, welcher in Form eines mäanderförmig verlegten Rohrspeichers 8 ausgebildet ist. Ein solcher Rohrspeicher 8 lässt sich vergleichsweise gut in den zur Verfügung stehenden Bauraum des Gehäuses 25 einbringen und weist typischerweise eine sehr viel größere Länge auf, als sein maximaler Durchmesser bzw. Innendurchmesser beträgt. In der prinzipmäßigen Schnittdarstellung der 2 sind die einzelnen Mäander dabei geschnitten dargestellt, sie sind jedoch alle über entsprechende Umlenkungen untereinander miteinander verbunden. Auf der in der Darstellung der 2 linken Seite sind zwischen den einzelnen Teilabschnitten des Rohrspeichers 8 außerdem runde Batteriezellen als erster elektrischer Energiespeicher 9 angedeutet. Die Batteriezellen werden nachfolgend mit dem Bezugszeichen 91 bezeichnet. Sie können insbesondere in den Hohlräumen, welche sich aufgrund des Durchmessers des Rohrspeichers 8 ergeben, verlegt werden, insbesondere wenn sie wie in der Darstellung der 2 angedeutet kleinere Außendurchmesser als dieser aufweisen. Der Rohrgasspeicher 8 weist an seinem einen Ende, welches mit dem Bezugszeichen 26 versehen ist, eine Anschlussstelle 27 zu seiner Betankung auf. Am gegenüberliegenden Ende des Rohrspeichers 8 bzw. seines rohrförmigen Speichervolumens 101 ist ein weiterer Anschluss 28 vorgesehen, welcher in einem kombinierten Anschlussblock 29 mündet. Auf diesen kombinierten Anschlussblock 29 wird später noch näher eingegangen.
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Das Gehäuse 24 ist an sich als dichtes Gehäuse 24 ausgebildet, durch welches lediglich die Anschlüsse, insbesondere alle gemeinsam in den Anschlussblock 29 durchgeführt sind. In dem Gehäuse 24 zwischen den einzelnen Abschnitten des Rohrspeichers 28 und des elektrischen Energiespeichers 9 strömt dabei ein flüssiges Kühlmedium KM, welches sowohl den elektrischen Energiespeicher 9 kühlt als auch bei Bedarf den Druckgasspeicher in Form des Rohrspeichers 8. Durch das Kühlmedium KM, welches analog zur Darstellung in der 1 in einem der parallelen Kühlstränge durch die Vorrichtung 7 bzw. ihr Gehäuse 24 geleitet wird, lassen sich also Temperaturen zwischen den elektrischen Energiespeichern 9 und dem Rohrgasspeicher 8 bzw. seinem rohrförmigen Speichervolumen 101 ausgleichen.
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Bei der Betankung des rohrförmigen Speichervolumens 101 kann der Rohrgasspeicher 8 entsprechend gekühlt werden und bei der Entnahme von Wasserstoff, bei welcher sich der Wasserstoff entsprechend abkühlt, kann dieser erwärmt werden. Gleichzeitig kann ebenso die Batterie 91 beispielsweise für den Startfall des Systems erwärmt und während des regulären Betriebs gekühlt werden. Die Wärme zwischen den Komponenten gleicht sich dabei aus, sodass ein hinsichtlich der thermischen Energieflüsse optimaler Aufbau entsteht, welcher insbesondere den typischerweise ohnehin sehr stark belasteten Kühlkreislauf 15 der Brennstoffzelle 2 in dem Fahrzeug 1 entlastet, sodass trotz der geringen Temperaturdifferenz der Brennstoffzelle 2 gegenüber einer beispielsweise hohen Umgebungstemperatur immer noch eine ausreichende Menge an Abwärme über den Kühlwärmetauscher 20 an die Umgebung abgeführt werden kann.
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Der bereits angesprochene Anschlussblock 29 vereint nun zahlreiche Funktionalitäten in einem einzigen Bauteil. Der Anschlussblock 29 bildet dabei einen Energie- und Stoffverteiler. Über die beiden angedeuteten elektrischen Anschlüsse 30 und 31 erfolgt die elektrische Kontaktierung der in der Darstellung der 2 erkennbaren Batterien 91 als elektrische Energiespeicher 9 sowie später noch dargestellter Kondensatoren 92 als zweiter elektrischer Energiespeicher, welcher in der Vorrichtung 7 entsprechend verbaut sein können. Über die beiden mit den Pfeilen bezeichneten und hier gemeinsam mit dem Bezugszeichen 32 versehenen Anschlüsse wird Wärme zu- bzw. abgeführt, es handelt sich also um die beiden Anschlüsse, über welche die Vorrichtung 7 mit dem Kühlkreislauf 15 des Fahrzeugs 1 verbunden und mit Kühlmedium KM versorgt ist. Über die mit 33 bezeichnete Leitung erfolgt dann die Lieferung des Wasserstoffs an die Brennstoffzelle 2 selbst bzw. an das Druckregel- und Dosierventil 10. In dem Anschlussblock 29 kann außerdem, wie es hier angedeutet und mit dem Bezugszeichen 34 versehen ist, eine elektronische Kontroll- bzw. Steuereinheit angeordnet sein.
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Weitere im Bereich der Speichervorrichtung 7 bzw. ihres Gehäuses 24 angeordnete Komponenten können beispielsweise eine Leckage bzw. Permeationsgasentlüftung 35 sein, welche über einen Tröpfchenabscheider 36 das Permeationsgas beispielsweise einer katalytischen Verbrennung oder auch der Kathodenzuluft der Brennstoffzelle zuführt, sodass eventueller Wasserstoff am Katalysator (der Brennstoffzelle 2) entsprechend abreagieren kann. Da im Prinzip Wasserstoff aus dem Gehäuse 24 der Vorrichtung 7 entweichen kann, ist außerdem ein Wasserstoffsensor 37 als Sicherheitsbauteil in Richtung oberhalb des Gehäuses 24, also in der Richtung, in welcher der Wasserstoff aufgrund seines sehr geringen Dichte strömt, angeordnet. Im Falle eines Brandes muss gegebenenfalls Wasserstoff aus dem Druckgasspeicher 8 abgelassen werden, um eine übermäßige Druckerhöhung zu verhindern. Wie bereits eingangs erwähnt, ist dies hier nicht ganz so kritisch, da das Kühlmedium KM in dem Gehäuse 24 zuerst vollständig verdampft sein muss, bis Flammen beispielsweise unmittelbar in den Bereich des Druckgasspeicher 8 gelangen. Dennoch kann in an sich bekannter Art und Weise eine thermische Auslöseeinheit, welche beispielsweise über ein Schmelzlot oder eine unter Wärmeeinfluss zerberstende Glasampulle ausgestattet ist, vorgesehen sein, um bei der Beaufschlagung der Speichervorrichtung 7 mit Flammen einen Druckabbau in dem Druckgasspeicher 8 zu erzielen. Eine solche thermische Überdrucksicherung ist im Bereich der Speichervorrichtung 7 prinzipmäßig angedeutet und mit dem Bezugszeichen 38 versehen.
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Wie bereits erwähnt kann in der Speichervorrichtung
7 neben den Batterien
91 als elektrische Energiespeicher
9 ein Kondensator bzw. mehrere Kondensatoren
92 als elektrische Energiespeicher
9 angeordnet sein. Insbesondere können diese Kondensatoren
92 in den Schichtaufbau der Umhüllung des Druckgasspeicher
8 bzw. des rohrförmigen Speichervolumens
101 integriert ausgeführt sein. Im Detail ist dies in der deutschen Anmeldung
DE 10 2013 001 665 beschrieben, welche hiermit einbezogen wird. Es sind dabei verschiedene Anordnungen der Kondensatoren
92 in dem Schichtaufbau denkbar, von welchen anhand der nachfolgenden
3 und
4 zwei beispielhaft beschrieben sind.
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Der übliche Aufbau von Druckgasspeichern weist typischerweise immer einen inneren Hohlkörper 39 auf, welcher von einer Hülle, insbesondere aus aufgewickelten und/oder aufgeflochtenen Fasern, welche über eine Matrix untereinander verbunden sind, umgeben und mechanisch stabilisiert ist. Der Hohlkörper 39 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 40 ist, die mechanische Stabilisierung zu gewährleisten und den Innendruck in dem rohrförmigen Speichervolumen 11 des Druckgasspeichers 8 aufzunehmen.
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Abweichend vom herkömmlichen Aufbau eines Druckgasspeichers 8 ist es nun außerdem vorgesehen, dass zwischen dem Hohlkörper 39 und der Hülle 40 der Kondensator 92 angeordnet ist. Der Kondensator 92 kann beispielsweise aus zwei Elektroden 41 und einem dazwischen angeordneten Dielektrikum 42 bestehen, welches bandförmig ausgebildet und um den Hohlkörper 39 gewickelt ausgebildet ist. Durch einen elektrischen Anschluss der beiden Elektroden 41 kann der Kondensator 92 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 Fahrzeugs 1, zwischenzuspeichern und dann entweder zur Beschleunigung des Fahrzeugs 1 direkt wieder abzugeben oder langsam in die Batterie 91 umzuschichten. Die dynamischen Nachteile der Brennstoffzelle 2 und der Batterie 91 können somit durch den Kondensator 92, welcher insbesondere als sogenannter Supercap ausgebildet ist, verringert werden. Gleichzeitig benötigt der Kondensator 92 dabei fast keinen zusätzlichen Bauraum innerhalb des Fahrzeugs 1, da er in die Vorrichtung 7 zur Speicherung von Energie integriert ausgeführt ist.
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Ein alternativer Schichtaufbau analog zur Darstellung in 3 ist in 4 zu erkennen. Der Aufbau unterscheidet sich im Wesentlichen nur dadurch, dass der Kondensator 92 nunmehr nicht zwischen dem Hohlkörper 39 und der Hülle 40 angeordnet ist, sondern dass dieser außen auf der Hülle 40 positioniert ist. Eine weitere nicht dargestellte Alternative könnte es ebenso vorsehen, dass der Kondensator 92 innerhalb des Hohlkörpers 39 angeordnet ist oder diesen sogar ersetzt.
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Der Rohrspeicher 8 selbst ist in einer beispielhaften Darstellung in 5 prinzipmäßig angedeutet. In der Darstellung der 5 ist dabei nur ein Teil des Rohrspeichers in dem als Wärmetauscher 104 ausgebildeten Gehäuse 24 der Speichervorrichtung 7 integriert. Dies stellt eine alternative Möglichkeit der Ausführung dar. Das rohrförmige Speichervolumen 101 des Rohrspeichers 8 ist dabei in mehreren Mäandern verlegt, sodass sich zumindest einige parallel verlaufende Teilabschnitte und eine Richtungsumkehr zwischen diesen parallel verlaufenden Teilabschnitten des rohrförmigen Speichervolumens 101 ergeben. Der Vorteil dieser Anordnung besteht darin, dass diese beispielsweise in dem Fahrzeug 1 in vorhandenem Bauraum vergleichsweise platzsparend eingebaut werden kann. Die Enden des rohrförmigen Speichervolumens 101 sind offen und miteinander verbunden, sodass das Innenvolumen des rohrförmigen Speichervolumens 101 ein ringförmiges Innenvolumen ist. Idealerweise sind die beiden offenen Enden des rohrförmigen Speichervolumens 101 im Bereich einer Anschlussstelle 102 miteinander verbunden. Diese Anschlussstelle 102 kann sowohl zur Betankung als auch zur Entnahme genutzt werden, wie es durch den mit 103 bezeichneten Doppelpfeil prinzipmäßig angedeutet ist. Die Anschlussstelle 102 kann beispielsweise der Anschlussblock 29 gemäß der obigen Beschreibung sein. Hierdurch kann die Anzahl von Schnittstellen, welche insbesondere bei der Speicherung von Wasserstoff aufwändig abgedichtet werden müssen, minimiert werden.
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In der Darstellung der 2 ist außerdem der Wärmetauscher 104 bzw. das von Kühlmedium KM durchströmte Gehäuse 24 zu erkennen, welcher dazu genutzt werden kann, dass in dem von ihm umschlossenen Bereich des rohrförmigen Speichervolumens 101 befindliche Gas zu temperieren. Da das Gas, wie nachfolgend noch näher erläutert werden wird, sowohl bei der Betankung als auch bei der Entnahme durch das Innenvolumen des rohrförmigen Speichervolumens 101 zirkuliert, kann durch gezeigte Anordnung des Wärmetauschers eine sehr gute Temperierung des Gasvolumens erreicht werden. Diese ist insbesondere bei der Entnahme und bei der Betankung von entscheidendem Vorteil, da so ein Gas auf einem beispielsweise für die Brennstoffzelle 2 geeigneten Temperaturniveau zur Verfügung gestellt werden kann, um die Auskondensation von Feuchtigkeit durch das Einleiten von sehr kaltem Wasserstoff in die Brennstoffzelle 2 sinnvoll zu vermeiden. Bei der Betankung kann außerdem die bei der Betankung anfallende Wärme durch den Wärmetauscher 104 abgeführt werden, was wiederum zur einer verbesserten Betankung und einem höheren gespeicherten Gasvolumen führen kann.
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Im Bereich der Anschlussstelle 102 ist nun, wie es in der Darstellung der 6 zu erkennen ist, ein Anschlussrohr 105 ausgebildet ist, welches in der Art eines Prandtlrohrs in das innere Volumen des rohrförmigen Speichervolumens 101 ragt. Bei der Betankung wird Gas durch dieses Anschlussrohr 105 in das Innenvolumen des rohrförmigen Speichervolumens 101 eingebracht, wodurch in der Art einer Gasstrahlpumpe Gas mitgerissen und damit durch das gesamte rohrförmige Speichervolumen 101 zirkuliert wird. Bei der Ausgestaltung der 5 könnte diese Strömungsrichtung von der Anschlussstelle 102 nach unten ausgestaltet sein, sodass in diesem Fall durch den Wärmetauscher 104 eine ideale Kühlung des Gases bei der Betankung erfolgen kann. Die Gasströmung bzw. die Strömungsrichtung bei der Betankung ist in der Darstellung der 6 durch durchgezogene dicke Pfeile entsprechend angedeutet. Die Entnahme von Gas kann nun analog hierzu erfolgen. Dazu wird über das Anschlussrohr 105 Gas aus dem Innenvolumen des rohrförmigen Speichervolumens 101 abgeführt, was typischerweise in geringerer Menge als bei der Betankung erfolgt. Die Entnahme ist durch dünnere punktierte Pfeile entsprechend dargestellt. Dabei ist zu erkennen, dass es zu einer Umkehr der Strömungsrichtung zwischen der Betankung und der Entnahme kommt. Der in 5 dargestellte Wärmetauscher 104 kann wiederum das entnommene Gas, im Bereich der Anschlussstelle 102 und in Strömungsrichtung davor erwärmen, um so das Gas auf einem geeigneten Temperaturniveau für die Brennstoffzelle 2 bereitstellen zu können.
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In der Darstellung der 7 ist eine alternative Ausführungsform zu erkennen. Auch hier ragt ein Anschlussrohr 105 analog zur Darstellung in 6 in das innere Volumen des rohrförmigen Speichervolumens 101. Die Funktion ist im Wesentlichen dieselbe, wobei eine zusätzliche Verengung des Querschnitts beim Betanken im Bereich unmittelbar nach dem Anschlussrohr 105 vorhanden ist, welches analog zum Anschlussrohr 105 in 6 im Inneren des Innenvolumens in axialer Richtung des rohrförmigen Speichervolumens 101 entsprechend umgebogen ist. Die Querschnittsverengung verstärkt den Effekt einer Gasstrahlpumpe noch zusätzlich, wobei auch in der Darstellung der 6 durch das Anschlussrohr 15 selbst der durchströmbare Querschnitt des Innenvolumens ebenfalls schon verengt ist. Die Strömungsrichtungen sind nicht nochmals dargestellt, entsprechen aber denen der 6.
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Eine weitere Ausführungsform ist in der Darstellung der 8 zu erkennen. Die Ausführungsform entspricht im Wesentlichen wiederum der in 7 dargestellten Ausführungsform, wobei das Anschlussrohr 105 hier lediglich zur Betankung eingesetzt wird. Bei der Betankung tritt dann derselbe Effekt wie in der Darstellung der 6 auf, es kommt nämlich zu der mit durchgezogenen Pfeilen dargestellten Strömung durch die Gasstrahlpumpe und somit zu einer entsprechenden Zirkulation der Gase in dem rohrförmigen Speichervolumen 101. Für die Entnahme ist nun zusätzlich zu dem Anschlussrohr 105 ein umlaufender Spalt 106 im Bereich der Anschlussstelle angeordnet, welcher wiederum mit einer Entnahmeleitung 107 an seinem äußeren Umfang verbunden ist. Man macht sich hier das Coanda-Prinzip zunutze, sodass bei der Entnahme eine Gasströmung durch den verengten Bereich des Querschnitts auftritt und das Gas dann, wie es wiederum gestrichelt und mit dünnem Pfeil dargestellt ist, teilweise in den umlaufenden Spalt 106 abströmt und dadurch ebenfalls eine Kreislaufströmung in dem rohrförmigen Speichervolumen 101 aufrecht erhält. Damit kann durch diesen besonderen Aufbau der Tatsache, dass bei der Betankung eine vergleichsweise große Gasmenge und bei der Entnahme eine vergleichsweise kleinere Gasmenge durch das Anschlussrohr 105 bzw. den umlaufenden Spalt 106 strömt, entsprechend Rechnung getragen werden, indem die Querschnitte auf die typischerweise auftretenden mittleren Volumenströme optimiert werden. Der weitere Vorteil besteht darin, dass die Strömungsrichtung der Zirkulation zwischen der Betankung und der Entnahme nicht umgekehrt werden muss, was insbesondere bei einer unmittelbar auf die Betankung folgenden Entnahme von Vorteil sein kann. Außerdem kann dies bei der Optimierung der inneren Druckverluste, welche bei der Zirkulation auftreten, günstig sein.
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Insgesamt entsteht so eine sehr effizient zu nutzende Speichervorrichtung 7 zum Speichern von Gasen unter hohem Druck. Die Speichervorrichtung 7 kann außerdem aus verschiedenen Materialien hergestellt werden, beispielsweise metallischen Materialien, Faserverbundmaterialien und entsprechenden Kombinationen hiervon. Alle aus dem Stand der Technik bekannten Herstellungsverfahren können entsprechend eingesetzt werden, ohne dass der Aufbau des rohrförmigen Speichervolumens 101 hierdurch eingeschränkt wäre.
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Die in den 5 ff. dargestellte Ausführungsform des Rohrspeichers 8 bzw. des rohrförmigen Speichervolumens 101 lässt sich dabei analog zur Darstellung in 2 entsprechend einsetzen, während ebenso die Darstellung des Rohrspeichers 8 gemäß 2 mit zwei getrennten, für sich abgeschlossenen Enden selbstverständlich analog zu der in 5 beschriebenen Art eingesetzt werden kann. In diesem Fall kann auf eine eine Zirkulation aufbauende Anschlussstelle 102 selbstverständlich verzichtet werden.
