DE102014006370A1 - Wasserstoffspeicher mit einem hydrierbaren Material und ein Verfahren - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Wasserstoffspeicher aufweisend ein hydrierbares Material, wobei das hydrierbare Material eingelagert ist in einem dehnbaren Werkstoffverbund zum Ausgleich zumindest einer Dehnung, bevorzugt auch eines Schrumpfes, aufgrund der Aufnahme und Abgabe von Wasserstoff durch das hydrierbare Material.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Wasserstoffspeicher aufweisend ein hydrierbares Material sowie ein Verfahren zur Herstellung eines Wasserstoffspeichers.
  • Wasserstoff zu speichern wird auf verschiedenen Wegen ausgeführt. Bekannt ist es, hierfür hydrierbares Material einzusetzen. Es hat sich nunmehr jedoch heraufgestellt, dass bei Nutzung von hydrierbarem Material eine Volumenänderung desselben einstellen kann.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, einen Wasserstoffspeicher mit verbesserten Eigenschaften zur Verfügung zu stellen.
  • Es wird ein Wasserstoffspeicher mit den Merkmalen des Anspruchs 1, sowie ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 9 vorgeschlagen. Vorteilhafte Merkmale, Ausgestaltungen und Weiterbildungen gehen aus der nachfolgenden Beschreibung, den Figuren wie auch aus den Ansprüchen hervor, wobei einzelne Merkmale aus einer Ausgestaltung nicht auf diese beschränkt sind. Vielmehr sind ein oder mehrere Merkmale aus einer Ausgestaltung mit einem oder mehreren Merkmalen einer anderen Ausgestaltung zu weiteren Ausgestaltungen verknüpfbar. Auch dienen die Formulierungen der unabhängigen Ansprüche 1 und 9 in ihrer angemeldeten Form nur als ein erster Entwurf der Formulierungen der zu beanspruchenden Gegenstände. Ein oder mehrere Merkmale der Formulierungen können daher ausgetauscht wie auch weggelassen werden, ebenso aber auch zusätzlich ergänzt werden. Auch können die anhand eines speziellen Ausführungsbeispiels angeführten Merkmale auch verallgemeinert beziehungsweise bei anderen Ausführungsbeispielen, insbesondere Anwendungen ebenfalls eingesetzt werden.
  • Die Erfindung betrifft ein Wasserstoffspeicher aufweisend ein hydrierbares Material, wobei das hydrierbare Material eingelagert ist in einem dehnbaren Werkstoffverbund zum Ausgleich zumindest einer Volumendehnung, insbesondere einer Expansion, vorzugsweise auch einer Kontraktion, aufgrund der Aufnahme und Abgabe von Wasserstoff durch das hydrierbare Material.
  • Der Begriff Wasserstoffspeicher beschreibt einen Vorratsbehälter in dem Wasserstoff gespeichert werden kann. Dabei können konventionelle Methoden zur Speicherung und Lagerung von Wasserstoff verwendet werden, beispielsweise Druckgasspeicherung, wie Speicherung in Druckbehältern durch Verdichten mit Kompressoren oder Flüssiggasspeicherung, wie Speicherung in verflüssigter Form durch Kühlung und Verdichten. Weitere alternative Formen der Speicherung von Wasserstoff basieren auf Feststoffen oder Flüssigkeiten, beispielsweise Metallhydridspeicher, wie Speicherung als chemische Verbindung zwischen Wasserstoff und einem Metall bzw. einer Legierung, oder Adsorptionsspeicherung, wie adsorptive Speicherung von Wasserstoff in hochporösen Materialien. Weiterhin sind für Lagerung und Transport von Wasserstoff auch Wasserstoffspeicher möglich, die den Wasserstoff temporär an organische Substanzen binden, wobei flüssige, drucklos speicherbare Verbindungen entstehen, so genannter ”chemisch gebundener Wasserstoff”.
  • Der Begriff Werkstoffverbund beschreibt hierbei, dass in dem Werkstoffverbund verschiedenartige Komponenten verwendet werden, um einen dehnbaren Werkstoffverbund zur Verfügung stellen zu können, in dem das hydrierbare Material angeordnet werden kann. Für die Eigenschaften des Werkstoffverbundes sind stoffliche Eigenschaften und Geometrie der Komponenten von Bedeutung. Insbesondere kann der Werkstoffverbund ein Polymer aufweisen. Weiterhin kann der Werkstoffverbund noch weitere Eigenschaften aufweisen, beispielsweise eine Gasleitschicht, damit der Wasserstoff zu dem hydrierbaren Material geleitet und/oder weggeleitet werden kann und/oder eine Wärmeleitung zur Abfuhr von Wärme bei der Hydrierung und/oder Dehydrierung. Der Werkstoffverbund ist vorzugsweise verpresst und verbleibt als ein teilweise zusammengedrücktes Gebilde. Es besteht aber ebenfalls die Möglichkeit, dass der Werkstoffverbund annähernd vollständig zusammengepresst ist.
  • Das hydrierbare Material kann den Wasserstoff aufnehmen und bei Bedarf wieder abgeben. In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das Material Partikel, Granulen, Fasern, vorzugsweise geschnittene Fasern, Flakes und/oder sonstige Geometrien. Granulen sind hierbei vorzugsweise als derartige Körper zu verstehen, die zum Beispiel zwei oder mehr Teilkörper gleicher oder unterschiedlicher Größe aufweisen, die gleiche aber auch zumindest zwei unterschiedliche Materialien aufweisen, wobei die Teilkörper als Granulat mittels Granulieren zusammengefügt sind. Insbesondere kann das Material auch plattenförmig oder pulverartig ausgebildet sein. Durch eine Vielzahl an unterschiedlichen Geometrien des Materials, kann das Material in einer Vielzahl an unterschiedlichen Wasserstoffspeichern verwendet werden.
  • In einer bevorzugten Ausgestaltung kann das Material Metall, insbesondere Magnesium, Titan, Eisen und/oder eine Metalllegierung umfassend Magnesium, Titan oder Eisen aufweisen oder aber daraus bestehen. So können neben Magnesium, Titan oder Eisen das Material andere hydrierbare aber auch nichthydrierbare Metalle umfassen bzw. daraus bestehen, beispielweise als Reinmetalle, als Metalllegierungen, als intermetallische Phasen sowie Mischungen daraus. Insbesondere können zum Einsatz kommen:
    • – Erdalkalimetall- und Alkalimetallalanate,
    • – Erdalkalimetall- und Alkalimetallborhydride,
    • – Metal-Organic-Framewoks (MOF's)/Metall-organische Gerüste, und/oder
    • – Clathrate,
    sowie natürlich jeweilige Kombinationen aus den jeweiligen Materialien. Bezüglich Hydride und deren Eigenschaften wird auf die Tabellen 1 bis 4 in B. Sakietuna et. al., International Journal of Energy, 32 (2007), S. 1121–1140 im Rahmen der Offenbarung der Erfindung verwiesen. Insbesondere kann der Wasserstoffspeicher Nieder- und Hochtemperaturhydride gemeinsam aufweisen, zum Beispiel als Mischung in einer Schicht, in voneinander getrennten Bereichen oder auch getrennt voneinander in Teilbehältern des Wasserstoffspeichers. Niedertemperaturhydride weisen vorzugsweise einen Temperaturbereich zwischen –55°C bis 180°C auf, Hochtemperaturhydride weisen vorzugsweise einen Temperaturbereich ab 280°C und mehr auf bei der Hydrierung bzw. sind in diesen Temperaturbereichen funktionsfähig.
  • Des Weiteren kann das hydrierbare Material als ein Hybrid ausgebildet sein, beispielsweise aus einem Metall und einem Polymer.
  • Weiterhin kann eine Komponente des Werkstoffverbunds in einem Sinterprozess hergestellt worden sein. Bei einem Sinterprozess werden feinkörnige, keramische oder metallische Stoffe erhitzt, wobei die Temperaturen jedoch unterhalb der Schmelztemperatur der Hauptkomponenten bleiben, so dass die Gestalt des Werkstückes erhalten bleibt. Dabei kommt es in der Regel zu einer Schwindung, weil sich die Partikel des Ausgangsmaterials verdichten und Porenräume aufgefüllt werden. Man unterscheidet grundsätzlich das Festphasensintern und das Flüssigphasensintern, bei dem es auch zu einer Schmelze kommt. Durch die Temperaturbehandlung des Sinterns wird aus einem fein- oder grobkörnigen Grünkörper, der in einem vorangegangenen Prozessschritt, beispielsweise mittels Extrusion geformt wurde, ein festes Werkstück. Das Sintererzeugnis erhält erst durch die Temperaturbehandlung seine endgültigen Eigenschaften, wie Härte, Festigkeit oder Temperaturleitfähigkeit, die im jeweiligen Einsatz erforderlich sind.
  • Der Werkstoffverbund weist eine an das hydrierbare Material angepasste Dehnung auf, so das letzteres sich bei einer Aufnahme bzw. Abgabe von Wasserstoff ausdehnen bzw. zusammenziehen kann. Beispielsweise weist das hydrierbare Material in Form einer FeTi-Legierung in einer Ausgestaltung eine Dehnung von maximal 20% auf. Hingegen weist das hydrierbare Material in Form einer Magnesiumlegierung gemäß einer anderen Ausgestaltung eine Dehnung von nur maximal 5% auf. Daraus folgt, dass auch unterschiedliche Dehnungseigenschaften gefordert sind, die mittels des Werkstoffverbunds einstellbar sind.
  • So ist zum Beispiel vorgesehen, dass zumindest ein Teil des Werkstoffverbunds zumindest eine Dehnung in dem Umfange zulässt, in dem das hydrierbare Material eine Volumenänderung erfährt. Dabei kann es sich um eine permanente Dehnung halten, beispielsweise bei einem Überschreiten einer Verstreckgrenze des Materials. Insbesondere kann auch vorgesehen sein, dass das hydrierbare Material härter ist als ein benachbartes, das hydrierbare Material umgebende Schicht- oder Matrixmaterial. So kann sich beispielsweise das hydrierbare Material bei einer Volumenzunahme sich auch zumindest zum Teil in das umgebende Schicht- oder Matrixmaterial einbohren und dabei zumindest einen Teil der Dehnung in dem Schicht- oder Matrixmaterial bewirken. Bevorzugt weist das das hydrierbare Material umgebende Schicht- bzw. Matrixmaterial jedoch eine Verdrängungswirkung auf, die sich in einer Dehnung manifestiert. Eine Ausgestaltung sieht dabei vor, dass der Werkstoffverbund um das hydrierbare Material herum die Dehnung aufnimmt und sie an weiter entferntere Schichten bzw. Matrizen weiterleitet. Vorzugsweise sind diese zumindest dehnungsfähig miteinander verbunden. Eine andere Ausgestaltung sieht vor, dass eine Schicht bzw. Matrix vorgesehen ist, die eine Kompensation einer Dehnung zur Verfügung stellt, zum Beispiel in Form eines elastischen Materialverhaltens.
  • Die Dehnung des Werkstoffverbunds kann gemäß einer Ausgestaltung dadurch beeinflusst werden, dass das hydrierbare Material gerichtet angeordnet ist. So kann durch eine Ausrichtung des hydrierbaren Materials erreicht werden, dass in Bezug auf eine erste Achse der Werkstoffverbund eine höhere Dehnung erfährt als in Richtung einer dazu senkrechten zweiten Achse. Unterstützt werden kann dieses gezielte Dehnungsverhalten beispielweise dadurch, dass das verwendete hydrierbare Material eine Geometrie aufweist, die hinsichtlich ihrer Volumenänderung eine Hauptdehnungsrichtung aufweist. Dieses wird beispielsweise mittels einer länglichen Geometrie eines Partikels, eines Granuls, eines Flakes oder einer anderen, ähnlichen Geometrie geschaffen. Wiederum eine andere Geometrie, insbesondere kugelförmige Geometrien des hydrierbaren Materials werden eingesetzt, wenn eine vergleichmäßige Dehnung in alle Richtungen angestrebt wird. Hierbei hat es sich vorteilhaft herausgestellt, wenn unterschiedliche Geometrien eines oder mehrerer hydrierbarer Materialien entweder gemischt oder aber in verschiedenen Matrizen bzw. Schichten Verwendung finden. Dieses führt beispielsweise dazu, dass innerhalb des Werkstoffverbunds eine Dehnung unterschiedlich ausgeprägt ist, insbesondere auch eine Dehnung ineinander, d. h. nicht nur nach Außen sondern auch in ein Inneres des Werkstoffverbunds ermöglicht ist. Gemäß einer Ausgestaltung wird zum Beispiel im Wasserstoffspeicher ein Gegendruck auf den Werkstoffverbund ausgeübt, wenn sich dieser ausdehnen will, beispielweise über eine feste oder nachgiebige Fläche. Dadurch kann ein Teil der Dehnung nach Innen durch dafür dehnbar, insbesondere flexibel, bevorzugt elastisch ausgelegte Schichten bzw. Matrizen des Werkstoffverbunds aufgenommen werden.
  • Des Weiteren hat sich herausgestellt, dass durch eine unterschiedliche Partikelgröße und einer Zusammenstellung von Mischungen beinhaltend gezielt größere und kleinere Partikelgrößen ebenfalls das Dehnungsverhalten derart beeinflussen lässt, dass zumindest ein Teil der Dehnung innerhalt des Werkstoffverbunds abgefangen werden kann. Entsprechendes gilt aber nicht nur bei Partikeln sondern auch bei Granulen, Flakes und anderen Geometrien.
  • Auch hat es sich als vorteilhaft herausgestellt, wenn eine örtliche Fixierung des hydrierbaren Materials erfolgt. Die Fixierung dient zum einen einer gerichteten Ausdehnung wie auch einem Schrumpf. Zum anderen kann dadurch ein Entmischen von Schüttungen vermieden werden, die ansonsten aufgrund der Bewegung aus Dehnung und Schrumpf eintreten kann. Eine lokale Positionierung kann zum Beispiel über die Matrix zur Verfügung gestellt werden, in die das hydrierbare Material eingebettet ist. Auch kann dieses durch entsprechende Materiallagen erfolgen, in denen das hydrierbare Material zum Beispiel eingebunden ist. Das kann beispielweise durch Taschen erfolgen, in denen das hydrierbare Material angeordnet ist. Des Weiteren kann der Materialverbund einen oder mehrere Puffer aufweisen, d. h. kompressible, elastische Komponenten, die vorzugsweise gasdurchlässig wie wärmeleitend sind, aber vor allem sich bei Dehnung des hydrierbaren Materials zusammendrücken lassen. Auch besteht gemäß einer Ausgestaltung, dass zumindest der Wasserstoffspeicher zumindest ein oder mehrere Puffer aufweist. Diese können vorzugsweise an einem Werkstoffverbund außen ansetzen.
  • Es ist bevorzugt, dass der Werkstoffverbund aktivierbar, vorzugsweise verstreckbar ist zur Erzeugung einer elastischen Eigenschaft des dehnbaren Werkstoffverbundes, vorzugsweise mittels Scherung bei einem Pressen des Werkstoffverbunds. Beispielsweise umfasst der Werkstoffverbund ein Polymer und eine Aktivierung kann beim Pressen in situ erfolgen, wobei die Presskräfte über die Scherung im Preßling radial übertragen werden, so dass eine gleit- und/oder Scherwirkung auf den Werkstoffverbund einwirkt. Der Pressvorgang kann dabei beispielweise über ein Presswerkzeug mit einem Oberstempel und Unterstempel erfolgen. Weiterhin kann das Verpressen mittels einer isostatischen Presse erfolgen. Die isostatische Pressmethode beruht auf dem physikalischen Gesetz, dass sich der Druck in Flüssigkeiten und Gasen allseitig gleichmäßig fortpflanzt und auf den beaufschlagten Flächen Kräfte erzeugt, die zu diesen Flächen direkt proportional sind. Der dehnbare Werkstoffverbund mit dem eingelagerten hydrierbaren Material kann beispielsweise in einer Gummiform in den Druckbehälter einer Pressanlage gebracht werden. Der Druck, der über die Flüssigkeit im Druckbehälter allseitig auf die Gummiform wirkt, komprimiert den eingeschlossenen dehnbaren Werkstoffverbund mit dem eingelagerten hydrierbaren Material gleichmäßig. Hier tritt die Verstreckung dann mikroskopisch zwischen den Pulverpartikeln auf.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform liegt das hydrierbare Material zumindest teilweise schichtenförmig vor, wobei zwischen einzelnen Schichten des hydrierbaren Materials ein Dehnungsmaterial angeordnet ist, das vorzugsweise eine höhere Dehnung zur Verfügung stellt als das hydrierbare Material. Der Begriff Schichten beschreibt, dass vorzugsweise ein Material, aber auch zwei oder mehr Materialien in einer Lage angeordnet sind und diese sich als Lage von einer direkten Umgebung abgrenzen lässt. So können beispielweise unterschiedliche Materialien nacheinander lose übereinander aufgeschüttet werden, so dass die benachbarten Schichten sich unmittelbar berühren. In einer bevorzugten Ausgestaltung kann die hydrierbare Schicht unmittelbar benachbart zu einer dehnbaren Schicht angeordnet sein, so dass bei der Wasserstoffaufnahme und/oder Wasserstoffabgabe die Dehnung des hydrierbaren Materials kompensiert werden kann. In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung kann die hydrierbare Schicht unmittelbar benachbart zu einer wärmeleitfähigen Schicht angeordnet sein, so dass die entstehende Wärme bei der Wasserstoffaufnahme und/oder Wasserstoffabgabe von dem hydrierbaren Material direkt an die benachbarte Schicht abgegeben werden kann.
  • Weiterhin kann einer Schicht eine Primärfunktion zugeordnet sein, zumindest eine der folgenden Funktionen primäre Wasserstoffspeicherung, primäre Wärmeleitung und/oder primäre Gasdurchführung. Darunter ist zu verstehen, dass die jeweilige Schicht zumindest diese als eine Hauptaufgabe in einem Bereich des Verbundmaterials wahrnimmt. So ist es möglich, dass eine Schicht primär zur Wasserstoffspeicherung genutzt wird, gleichzeitig aber auch in der Lage ist, zumindest eine gewisse Wärmeleitfähigkeit zur Verfügung zu stellen. Dabei ist es aber vorgesehen, dass zumindest eine andere Schicht vorhanden ist, die primär eine Wärmeleitung übernimmt, das bedeutet, über die die größte Wärmemenge aus dem verpressten Materialverbund abgeleitet wird. Hierbei kann wiederum die primär gasdurchführende Schicht genutzt werden, durch die zum Beispiel der Wasserstoff in den Materialverbund hineingeleitet aber auch zum Beispiel heraus geleitet wird. Hierbei kann über das durchströmende Fluid aber auch Wärme mitgenommen werden.
  • Vorzugsweise ist das hydrierbare Material gemäß einer weiteren Ausgestaltung in einer Matrix eingebunden, wobei die Matrix eine Elastizität zumindest im Umfange einer Dehnung des zur Verfügung stellt. Der Begriff Matrix beschreibt einen Verbundwerkstoff aus zwei oder mehr verbundenen Materialien. Hierbei nimmt bevorzugt ein Material ein anderes auf. Die Matrix kann offenporig wie auch geschlossen porig sein. Bevorzugt ist die Matrix porös. Durch die Aufnahme des einen Materials durch das andere Material können beispielsweise Werkstoffeigenschaften sich ergänzen, die ansonsten jeweils nur die einzelne Komponente aufweist. Für die Eigenschaften der Verbundwerkstoffe sind stoffliche Eigenschaften und Geometrie der Komponenten von Bedeutung. Insbesondere spielen oft Größeneffekte eine Rolle. Die Verbindung erfolgt zum Beispiel durch Stoff- oder Formschluss oder eine Kombination von beidem. Auf diese Weise kann in der Matrix zum Beispiel eine feste Positionierung des hydrierbaren Materials ermöglicht werden. Weitere Komponenten der Matrix können beispielsweise Materialien für die Wärmeleitung und/oder die Gasdurchführung sein. Beispielsweise kann die Matrix während der Ausdehnung des hydrierbaren Materials ebenfalls sich ausdehnen, allerdings geringer als das hydrierbare Material, schrumpfen oder aber in etwa ihre Größe behalten, so dass das hydrierbare Material seine Position in der Matrix und damit in dem Wasserstoffspeicher beibehält.
  • Es ist weiterhin bevorzugt, dass die Matrix zumindest annähernd eine zum hydrierbaren Material gleiche Dehnungscharakteristik aufweist. Auf diese Weise kann sichergestellt werden, dass bei einer Ausdehnung oder Schrumpf des hydrierbaren Materials sich die Matrix gemeinsam ebenfalls ausdehnt oder schrumpft.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform weist der Werkstoffverbund zumindest zum Teil ein elastisches Material auf. Das elastische Material kann beispielsweise ein Polymer sein.
  • Vorzugsweise ist zumindest im Bereich einer in einem Inneren angeordneten Stirnseite eines Behälters des Wasserstoffspeichers eine Elastizität angeordnet, die eine Längenänderung des Wasserstoffspeichers kompensiert. Die Elastizität kann beispielsweise eine Flüssigkeit sein, welche sich bei Ausdehnung des hydrierbaren Materials in dem Wasserstoffspeicher in einen Tank gedrückt wird und bei einem Schrumpf des hydrierbaren Material wieder in den Wasserstoffspeicher zurückfließt. Weiterhin kann die Elastizität auch eine Platte sein, welche über ein Federsystem an dem Wasserstoffspeicher befestigt wird.
  • Wenn sich das hydrierbare Material in dem Wasserstoffspeicher ausdehnt, dann wird die Platte von dem hydrierbaren Material derart zusammengedrückt, dass sich die Federn an dem die Platte befestigt ist komprimiert werden. Sobald sich das hydrierbare Material zusammenzieht, entspannen sich die Federn, so dass die Platte wieder eine ursprüngliche Position einnimmt, weiterhin sind auch Zwischenpositionen möglich, je nachdem wie weist sich das hydrierbare Material ausdehnt. Ein weiteres Beispiel für eine Elastizität kann auch ein dehnbares Material sein, welches durch die Ausdehnung des hybriden Materials zusammengedrückt wird und bei einem Schrumpf des hybriden Materials sich wieder ausdehnt.
  • Es ist bevorzugt, dass der Werkstoffverbund eine Porosität aufweist, die von Innen nach Außen abnimmt.
  • Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen eines Wasserstoffspeichers, bevorzugt eines Wasserstoffspeicher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit den folgenden Schritten:
    • – Bereitstellen eines hydrierbaren Materials,
    • – Vorbereiten eines Trägermaterials
    • – Zuführen von hydrierbaren Material und Trägermaterial und Schaffen eines Werkstoffverbundes, der dehnbar ist, vorzugsweise eine elastische Eigenschaft aufweist.
  • Es ist bevorzugt, dass der Werkstoffverbund verstreckt wird, bevor er in einen Behälter des Wasserstoffspeichers eingesetzt wird. Auf diese Weise kann gewährleistet werden, dass der Werkstoffverbund nach dem Einsetzen in den Behälter des Wasserstoffspeichers sofort einsatzfähig ist.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform wird mittels Verstrecken eine elastische Eigenschaft des Werkstoffverbunds aktiviert. Insbesondere kann während eines Pressvorgangs des Werkstoffverbundes das Polymer im Werkstoffverbund verstreckt werden, wodurch eine elastische Eigenschaft des Werkstoffverbunds aktiviert wird. Der Pressvorgang kann dabei über ein Presswerkzeug mit einem Oberstempel und Unterstempel erfolgen. Weiterhin kann das Verpressen über ein isostatisches Pressen erfolgen. Die isostatische Pressmethode beruht auf dem physikalischen Gesetz, dass sich der Druck in Flüssigkeiten und Gasen allseitig gleichmäßig fortpflanzt und auf den beaufschlagten Flächen Kräfte erzeugt, die zu diesen Flächen direkt proportional sind. Der dehnbare Werkstoffverbund mit dem eingelagerten hydrierbaren Material kann beispielsweise in einer Gummiform in den Druckbehälter einer Pressanlage gebracht werden. Der Druck, der über die Flüssigkeit im Druckbehälter allseitig auf die Gummiform wirkt, komprimiert den eingeschlossenen dehnbaren Werkstoffverbund mit dem eingelagerten hydrierbaren Material gleichmäßig.
  • Vorzugsweise wird das hydrierbare Material hydriert und anschließend ein Polymer dazugegeben, was wasserstoffdurchlässig ist. Auf diese Weise kann eine Beschichtung zur Verfügung gestellt werden, welche wasserstoffdurchlässig ist und dem hydrierbaren Material weitere Eigenschaften zur Verfügung stellen. Weiterhin kann die Beschichtung das hydrierbare Material vor Oxidation schützen und beispielsweise die Wärmeleitfähigkeit verbessern, so das entstehende Wärme bei der Hydrierung und/oder Dehydrierung abgeleitetet werden kann. Weiterhin kann das Polymer sich mit dem hydrierbaren Material bei der Hydrierung und/oder Dehydrierung zusammen Ausdehnen und/oder Schrumpfen oder das Polymer lässt dem hydrierbaren Material Platz für eine Ausdehnung.
  • Es ist bevorzugt, dass das Polymer eine Matrix schafft, in der das Material eingebettet wird, vorzugsweise eine Matrix in Form von geschlossenen Porositäten. Auf diese Weise kann ein direkter Kontakt mit dem umgebenden Medium vermieden werden.
  • In einer bevorzugten Ausgestaltung wird zur Schaffung des Werkstoffverbunds zumindest ein Kohlenstoff zugegeben, vorzugsweise ein natürlich expandierter Graphit und ein nichtexpandierter Graphit. Durch Zugabe des Kohlenstoffs kann die Wärmeleitfähigkeit verbessert werden. Auch kann insbesondere der expandierte natürliche Graphit als Matrix nicht nur für das hydrierbare Material sondern auch für ein wärmeleitendes Material genutzt werden, zum Beispiel einem nichtexpandierten Graphit. Vorzugsweise sind geringere Gew.-% expandierter natürlicher Graphit zusammen mit höheren Gew.-% eines nichtexpandierten Graphits eingesetzt.
  • Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen wie auch Merkmale gehen aus den nachfolgenden Figuren und der dazugehörigen Beschreibung hervor. Die aus den Figuren und der Beschreibung hervorgehenden einzelnen Merkmale sind nur beispielhaft und nicht auf die jeweilige Ausgestaltung beschränkt. Vielmehr können aus ein oder mehrere Figuren ein oder mehrere Merkmale mit anderen Merkmalen aus der obigen Beschreibung zu weiteren Ausgestaltungen verbunden werden. Daher sind die Merkmale nicht beschränkend sondern beispielhaft angegeben.
  • Es zeigen:
  • 1 einen Ausschnitt aus einem Wasserstoffspeicher;
  • 2 eine Matrix mit angelagerter elastischer, vorzugsweise porösen Schicht, und
  • 3 eine weitere Ausgestaltung eines Wasserstoffspeichers mit stirnseitigen Puffern an einem Werkstoffverbund.
  • 1 zeigt einen Ausschnitt aus einem Wasserstoffspeicher 1, der verschiedene Schichten 2 miteinander verbunden in einem Werkstoffverbund aufweist. Die Schichten 2 weisen selbst wiederum beispielsweise Trennungen 3, zum Beispiel Spalten auf. Die Trennungen dienen vorzugsweise zum Aufnehmen einer Dehnung, die dadurch in dem Werkstoffverbund selbst aufgenommen wird. So kann sich beispielsweise eine Schicht wölben, gegebenenfalls sich leicht bewegen, bleibt aber im verpressten Werkstoffverbund. Die Striche 4 zwischen den einzelnen Schichten 2 deuten an, dass dort wie oben beschrieben, beispielweise Dehnungen, insbesondere elastische Verformungen durch beispielweise eine entsprechende Materialwahl ermöglicht ist.
  • 2 zeigt beispielhaft eine Matrix 5 mit in Poren 6 eingebettetem hydrierbaren Material 7 Das hydrierbare Material 7 ist beispielhaft in Partikelform dargestellt. Gemäß einer Ausgestaltung wird das hydrierbare Material 7 in einem hydrierten Zustand in die Matrix eingebettet bzw. zum Beispiel von einem Polymer umgeben. Dadurch hat es beispielweise seine maximale Ausdehnung zu diesem Zeitpunkt und im Laufe des nachfolgenden Betriebs im Wasserstoffspeicher wird ein Teil der Dehnung durch den verpressten Werkstoffverbund schon aufgrund der Erstvolumenausdehnung aufgefangen. Vorzugsweise weist die Matrix 5 zumindest auf einer Seite, vorzugsweise beidseitig eine elastische Schicht 8 auf. In diese kann sich das hydrierbare Material 7 bzw. die Matrix 5 ausdehnen.
  • 3 zeigt beispielhaft eine Ausgestaltung eines weiteren, zweiten Wasserstoffspeichers 9. Der zweite Wasserstoffspeicher 9 weist einen verpressten Werkstoffverbund 10 auf, der jeweils stirnseitig mit einem Puffer 11 abgefedert wird. Der Puffer kann zum Beispiel fluidgefüllt sein, insbesondere flüssigkeitsgefüllt. Dehnt sich der Werkstoffverbund in seiner Außengeometrie, kann der Puffer diese Ausdehnung kompensieren, zum Beispiel durch ein Abströmen des Fluids. Schrumpft hingegen der Werkstoffverbund, kann diese Volumenänderung durch Zugabe von Fluid wieder ausgeglichen werden. Dieses wird jeweils angedeutet durch das erste Ventil 12 bzw. zweite Ventil 13. Daneben besteht aber ebenfalls die Möglichkeit, dass auch eine Umverteilung des Fluids in dem Behälter erfolgt. Dadurch können externe Leitungen eingespart werden. Somit wird nicht nur ein dehnbarer Werkstoffverbund, sondern auch ein gepufferter Werkstoffverbund im Wasserstoffspeicher zur Verfügung gestellt.
  • 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 Nicht-Patentliteratur
    • B. Sakietuna et. al., International Journal of Energy, 32 (2007), S. 1121–1140 [0009]

Claims (15)

  1. Wasserstoffspeicher aufweisend ein hydrierbares Material, wobei das hydrierbare Material eingelagert ist in einem dehnbaren Werkstoffverbund zum Ausgleich zumindest einer Volumendehnung, insbesondere einer Expansion, bevorzugt auch einer Kontraktion, aufgrund der Aufnahme und Abgabe von Wasserstoff durch das hydrierbare Material.
  2. Wasserstoffspeicher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Werkstoffverbund aktivierbar, vorzugsweise verstreckbar ist zur Erzeugung einer elastischen Eigenschaft des dehnbaren Werkstoffverbundes, vorzugsweise mittels Scherung bei einem Pressen des Werkstoffverbunds.
  3. Wasserstoffspeicher nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das hydrierbare Material zumindest teilweise schichtenförmig vorliegt, wobei zwischen einzelnen Schichten des hydrierbaren Materials ein Dehnungsmaterial angeordnet ist, das vorzugsweise eine höhere Dehnung zur Verfügung stellt als das hydrierbare Material.
  4. Wasserstoffspeicher nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das hydrierbare Material in einer Matrix eingebunden ist, wobei die Matrix eine Elastizität, zumindest im Umfange einer Expansion des hydriden Materials zur Verfügung stellt.
  5. Wasserstoffspeicher nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Matrix zumindest annähernd eine zum hydrierbaren Material gleiche Dehnungscharakteristik aufweist.
  6. Wasserstoffspeicher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Werkstoffverbund zumindest zum Teil ein elastisches Material aufweist.
  7. Wasserstoffspeicher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest im Bereich einer in einem Inneren angeordneten Stirnseite eines Behälters des Wasserstoffspeichers eine Elastizität angeordnet ist, die eine Längenänderung des Wasserstoffspeichers kompensiert.
  8. Wasserstoffspeicher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Werkstoffverbund eine Porosität aufweist, die von Innen nach Außen abnimmt.
  9. Verfahren zum Herstellen eines Wasserstoffspeichers, bevorzugt eines Wasserstoffspeicher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit den folgenden Schritten: – Bereitstellen eines hydrierbaren Materials, – Vorbereiten eines Trägermaterials – Zuführen von hydrierbaren Material und Trägermaterial und daraus Schaffen eines Werkstoffverbundes, der dehnbar ist, vorzugsweise eine elastische Eigenschaft aufweist.
  10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Werkstoffverbund verstreckt wird, bevor er in einen Behälter des Wasserstoffspeichers eingesetzt wird, zum Aktivieren einer elastischen Eigenschaft von zumindest einem Teil des Werkstoffverbunds.
  11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass mittels Verstrecken eine elastische Eigenschaft des Werkstoffverbunds aktiviert wird.
  12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet das hydrierbare Material hydriert wird und anschließend ein Polymer dazugegeben wird, was wasserstoffdurchlässig ist.
  13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Polymer eine Matrix schafft, in der das Material eingebettet wird, vorzugsweise eine Matrix in Form von geschlossenen Porositäten.
  14. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Schaffung des Werkstoffverbunds zumindest ein Kohlenstoff zugegeben wird, vorzugsweise ein natürlich expandierter Graphit und ein nichtexpandierter Graphit.
  15. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das hydrierbare Material mit einer Beschichtung zum Schutz vor Oxidation versehen wird, wobei vorzugsweise die Beschichtung zum Teil mit Trägermaterial verklebt und das hydrierbare Material somit fixiert.
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