DE102018104830A1

DE102018104830A1 - Wasserstoffspeichervorrichtung sowie ein Verfahren zur Herstellung einer Wasserstoffspeichervorrichtung

Info

Publication number: DE102018104830A1
Application number: DE102018104830.0A
Authority: DE
Inventors: Bettina Neumann; Nils Bornemann
Original assignee: GKN Sinter Metals Engineering GmbH
Current assignee: GKN Hydrogen GmbH
Priority date: 2018-03-02
Filing date: 2018-03-02
Publication date: 2019-09-05
Also published as: WO2019166441A1; JP2021515158A; US20210003257A1; EP3759046A1; CN112236386A; US11988334B2

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Wasserstoffspeichervorrichtung (1), zumindest umfassend einen Behälter (2) mit einem ersten Volumen (3), wobei in dem Behälter (2) ein Schüttgut (4) angeordnet ist, wobei das Schüttgut (4) zumindest eine Vielzahl von presstechnisch hergestellten Presslingen (5) umfasst, wobei jeder Pressling (5) zumindest ein wasserstoffspeicherfähiges erstes Material (6) und ein zweites Material (7) als Bindemittel für das vor der presstechnischen Herstellung pulverförmig vorliegende erste Material (6) umfasst.

Description

Die Erfindung betrifft eine Wasserstoffspeichervorrichtung sowie ein Verfahren zur Herstellung einer Wasserstoffspeichervorrichtung.
Aus der WO 2015/169740 A1 ist ein Wasserstoffspeicherelement für einen Wasserstoffspeicher bekannt. Das Wasserstoffspeicherelement ist presstechnisch hergestellt und umfasst ein wasserstoffspeicherndes Material sowie ein wärmeleitendes Material. Derartige Wasserstoffspeicherelemente werden gestapelt oder geometrisch festgelegt zueinander angeordnet und ergeben so eine Wasserstoffspeichervorrichtung. Die einzelnen Schichten der Wasserstoffspeicherelemente werden zueinander ausgerichtet und miteinander funktional verbunden, z. B. zur Wärmeleitung, zur Durchleitung von Wasserstoff, etc.
Für derartige Wasserstoffspeichervorrichtungen gelten international zahlreiche Vorschriften, durch die z. B. die Form von Behältern, die wasserstoffspeicherndes Material aufnehmen, vorgegeben sind. Aus diesem Grund sind Wasserstoffspeicherelemente in Abhängigkeit von der Form des vorgeschriebenen Behälters herzustellen.
Hiervon ausgehend ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die mit Bezug auf den Stand der Technik geschilderten Probleme zumindest teilweise zu lösen. Insbesondere soll eine Wasserstoffspeichervorrichtung sowie ein Verfahren zur Herstellung einer Wasserstoffspeichervorrichtung vorgeschlagen werden, durch die eine Erfüllung der Regularien möglichst einfach und kostengünstig ermöglicht werden kann.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird eine Wasserstoffspeichervorrichtung gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und ein Verfahren gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 10 vorgeschlagen. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche. Die in den Patentansprüchen einzeln aufgeführten Merkmale sind in technologisch sinnvoller Weise miteinander kombinierbar und können durch erläuternde Sachverhalte aus der Beschreibung und Details aus den Figuren ergänzt werden, wobei weitere Ausführungsvarianten der Erfindung aufgezeigt werden.
Hierzu trägt eine Wasserstoffspeichervorrichtung bei, die zumindest einen Behälter mit einem ersten Volumen umfasst, wobei in dem Behälter ein Schüttgut angeordnet ist. Das Schüttgut umfasst zumindest eine Vielzahl von presstechnisch hergestellten Presslingen, wobei jeder Pressling zumindest ein wasserstoffspeicherfähiges erstes Material und ein zweites Material als Bindemittel für das vor der presstechnischen Herstellung pulverförmig vorliegende erste Material umfasst.
Der Begriff Schüttgut bezeichnet ein körniges oder auch stückiges Gemenge, das in einer schüttfähigen Form vorliegt. Bestimmt werden die Eigenschaften von Schüttgut durch die Korngröße und die Kornverteilung sowie die Schüttdichte, den Schüttwinkel, die Feuchtigkeit und die Temperatur. Eine Schüttung, insbesondere die lose Schüttung, bezeichnet Güter, die sich in einem Behältnis frei bewegen können oder nicht anderweitig in ihrer Lage gesichert sind. Eine Orientierung der Bestandteile des Schüttguts zueinander oder z. B. zu dem Behälter mit dem ersten Volumen ist nicht festgelegt.
Ein Pressling ist ein durch Pressen hergestelltes Element. Dafür wird ein pulverförmiges erstes Material, hier zusammen mit dem zweiten Material, das insbesondere ebenfalls pulverförmig bereitgestellt wird, in eine Pressform gefüllt und durch gegeneinander verfahrbare Stempel unter einem Druck von mindestens 50 MPa [MegaPascal], insbesondere von mindestens 100 MPa, insbesondere isostatisch zu einem Pressling verpresst.
Bevorzugt erfolgt ein Warmpressen, bei dem Temperaturen von mindestens 50 Grad Celsius, insbesondere von mindestens 70 Grad Celsius, bevorzugt von mindestens 100 Grad Celsius im Pressling erzeugt werden. Insbesondere wird bei dem Warmpressen eine Temperatur eingestellt, die im Wesentlichen der Schmelztemperatur des eingesetzten zweiten Materials entspricht oder um höchstens 20 Kelvin davon abweicht. Infolge der erhöhten Temperatur kann das zweite Material zumindest teilweise aufgeschmolzen werden, so dass eine bessere Verbindung von erstem Material und zweitem Material erfolgt.
Der Anteil des zweiten Materials beträgt insbesondere zwischen 1 und 5 Gewichts-%.
Hier wird vorgeschlagen, das wasserstoffspeicherfähige Material nicht an die Form des für die Anordnung des wasserstoffspeicherfähigen Materials vorgesehenen Behälters anzupassen, sondern es als Schüttgut bereitzustellen. Das Schüttgut wird in den nahezu beliebig geformten Behälter gefüllt und ordnet sich darin an. Dabei werden zwischen den Presslingen Zwischenräume gebildet, die bei der Einlagerung und Wiederfreisetzung von Wasserstoff zum Ausgleich der Größenänderung der Presslinge in Bezug auf ihre Größe veränderbar sind.
Das wasserstoffspeicherfähige erste Material und das zweite Material als Binder sind z. B. aus der WO 2015/169740 A1 bekannt. Als zweites Material wird insbesondere mindestens ein Polymer eingesetzt.
Durch die Verwendung mindestens eines Polymers können dem Pressling bestimmte optische, mechanische, thermische und/oder chemische Eigenschaften zugewiesen werden. Beispielsweise kann der Pressling durch das Polymer eine gute Temperaturbeständigkeit, eine Resistenz gegenüber das umgebende Medium (Oxidationsbeständigkeit, Korrosionsbeständigkeit), eine gute Leitfähigkeit, eine gute Wasserstoffaufnahme- und -speicherfähigkeit oder andere Eigenschaften, wie beispielsweise eine mechanische Festigkeit aufweisen, welche sonst ohne das Polymer nicht möglich wären. Es können auch Polymere zum Einsatz kommen, die zum Beispiel keine Speicherung von Wasserstoff aber dafür eine hohe Dehnung ermöglichen, wie beispielsweise Polyamid oder Polyvinylacetate.
Insbesondere kann das Polymer ein Homopolymer oder ein Copolymer sein. Copolymere sind Polymere, die aus zwei oder mehr verschiedenartigen Monomereinheiten zusammengesetzt sind.
Bevorzugt weist das Polymer (Homopolymer) eine Monomereinheit auf, die vorzugsweise neben Kohlenstoff und Wasserstoff weiterhin wenigstens ein Heteroatom, ausgewählt aus Schwefel, Sauerstoff, Stickstoff und Phosphor aufweist, so dass das erhaltene Polymer im Gegensatz beispielsweise zu Polyethylen nicht vollständig unpolar ist. Auch kann wenigstens ein Halogenatom, ausgewählt aus Chlor, Brom, Flour, Jod und Astat, vorhanden sein. Bevorzugt ist das Polymer ein Copolymer, in welchem wenigstens eine Monomereinheit neben Kohlenstoff und Wasserstoff weiterhin wenigstens ein Heteroatom, ausgewählt aus Schwefel, Sauerstoff, Stickstoff und Phosphor aufweist und/oder wenigstens ein Halogenatom, ausgewählt aus Chlor, Brom, Flour, Jod und Astat, vorhanden ist. Dabei ist es möglich, dass auch zwei oder mehr Monomereinheiten ein entsprechendes Heteroatom und/oder Halogenatom aufweisen.
Das Polymer weist bevorzugt hinsichtlich des ersten Materials adhäsive Eigenschaften auf. Dies bedeutet, dass es am ersten Material selbst gut haftet und damit eine Matrix ausbildet, die auch unter Belastungen, wie sie während der Wasserstoffspeicherung auftreten, stabil am ersten Material haftet.
Die adhäsiven Eigenschaften des Polymers ermöglichen eine hohe Stabilität des Presslings über einen möglichst langen Zeitraum, also über mehrere Zyklen der Wasserstoffspeicherung und Wasserstoffabgabe hinweg. Ein Zyklus beschreibt dabei den Vorgang einer einmaligen Hydrierung und anschließenden Dehydrierung. Dabei sollte der Pressling bevorzugt über wenigstens 500 Zyklen, insbesondere über wenigstens 1000 Zyklen stabil sein, um das Material wirtschaftlich einsetzen zu können. Stabil im Sinne der vorliegenden Erfindung bedeutet, dass die Menge an Wasserstoff, die gespeichert werden kann, und die Geschwindigkeit, mit der der Wasserstoff gespeichert wird, auch nach 500 beziehungsweise 1000 Zyklen im Wesentlichen den Werten zu Beginn des Einsatzes des Presslings entspricht. Insbesondere bedeutet stabil, dass das erste Material zumindest in etwa an der Position innerhalb des Presslings gehalten wird, an der es ursprünglich angeordnet war.
Stabil ist insbesondere auch dahingehend zu verstehen, dass keine Entmischungseffekte während der Zyklen auftreten, bei denen feinere Partikel sich von gröberen Partikeln (z. B. vom Pressling) abtrennen und entfernen.
Das erste Material ist insbesondere ein Niedertemperaturwasserstoffspeichermaterial. Bei der Wasserstoffspeicherung, welche ein exothermer Prozess ist, treten daher Temperaturen von bis zu 150 °C auf. Ein Polymer, welches hier als zweites Material eingesetzt wird, muss bei diesen Temperaturen stabil sein. Ein bevorzugtes Polymer zersetzt sich daher nicht bis zu einer Temperatur von 180 °C, insbesondere bis zu einer Temperatur von 165 °C, insbesondere von bis zu 145 °C. Insbesondere ist das Polymer ausgewählt aus EVA, PMMA, EEAMA sowie Mischungen dieser Polymere.
Mit EVA (Ethylvinylacetat) wird eine Gruppe von Copolymeren aus Ethylen und Vinylacetat bezeichnet, welche einen Anteil von Vinylacetat im Bereich von 2 Gew.-% bis 50 Gew.-% aufweisen. Geringere Anteile an Vinylacetat führen zur Ausbildung von harten Filmen, während höhere Anteile zu einer größeren Adhäsivität des Polymers führen. Typische EVA sind bei Raumtemperatur fest und weisen eine Reißdehnung von bis zu 750 % auf. Zudem sind EVA spannungsrissbeständig.
Polymethylmethacrylat (PMMA) ist ein synthetischer, transparenter, thermoplastischer Kunststoff. Die Glasübergangstemperatur liegt abhängig von der Molmasse bei etwa 45 °C bis 130°C. Die Erweichungstemperatur beträgt bevorzugt 80 °C bis 120 °C, insbesondere 90 °C bis 110 °C. Das thermoplastische Copolymer zeichnet sich durch seine Beständigkeit gegenüber Witterung, Licht und UV-Strahlung aus.
EEAMA ist ein Terpolymer (Copolymer) aus Ethylen-, Acrylester- und Maleinsäureanhydrid-Monomereinheiten. EEAMA weist einen Schmelzpunkt von etwa 102 °C auf, in Abhängigkeit von der Molmasse.
Bevorzugt umfasst der Pressling ausschließlich das erste Material und das zweite Material, also das wasserstoffspeicherfähige erste Material und den Binder. Der Gewichtsanteil des zweiten Materials bezogen auf das Gesamtgewicht des Presslings beträgt bevorzugt höchstens 10 Gewichts-%, insbesondere höchstens 5 Gewichts-%, bevorzugt höchstens 2 Gewichts-%. Der Gewichtsanteil des Binders an dem Pressling sollte möglichst gering sein. Auch wenn der Binder ggf. in der Lage ist, ebenfalls Wasserstoff zu speichern, so ist die Wasserstoffspeicherfähigkeit dennoch nicht so ausgeprägt wie die des ersten Materials (insbesondere höchstens 20 % der Wasserstoffspeicherfähigkeit). Der Binder kann jedoch einerseits eine gegebenenfalls auftretende Oxidation des ersten Materials reduzieren oder vollständig vermeiden und gewährleistet andererseits einen Zusammenhalt zwischen den pulverförmigen Partikeln des ersten Materials im Pressling.
Das erste Material kann wenigstens ein hydrierbares Metall und/oder wenigstens eine hydrierbare Metalllegierung umfassen, vorzugsweise daraus bestehen. Als hydrierbares erstes Material können zudem die folgenden Materialien zum Einsatz kommen: Erdalkalimetall- und Alkalimetallalanate, Erdalkalimetall- und Alkalimetallborhydride, Metal-Organic-Frameworks (MOF's)/ Metall-organische Gerüste, und/oder Clathrate, sowie natürlich jeweilige Kombinationen aus den jeweiligen Materialien. Das erste Material kann auch nichthydrierbare Metalle oder Metalllegierungen umfassen.
Das erste Material kann erfindungsgemäß ein Niedertemperaturhydrid und/oder ein Hochtemperaturhydrid umfassen. Der Begriff Hydrid bezeichnet dabei das hydrierbare Material, unabhängig davon, ob es in der hydrierten Form oder der nicht-hydrierten Form vorliegt. Niedertemperaturhydride speichern Wasserstoff vorzugsweise in einem Temperaturbereich zwischen -55 °C bis 180 °C, insbesondere zwischen -20 °C und 150 °C, besonders zwischen 0 °C und 140 °C. Hochtemperaturhydride speichern Wasserstoff vorzugsweise in einen Temperaturbereich ab 280 °C und mehr, insbesondere ab 300 °C und mehr. Bei den genannten Temperaturen können die Hydride nicht nur Wasserstoff speichern, sondern auch abgegeben, sind also in diesen Temperaturbereichen funktionsfähig.
Werden in diesem Zusammenhang ‚Hydride‘ beschrieben, so ist hierunter sowohl das hydrierbare Material in seiner hydrierten Form als auch in seiner nicht-hydrierten Form zu verstehen. Insbesondere können bei der Herstellung von Wasserstoffspeichern hydrierbare Materialien in ihrer hydrierten oder nicht-hydrierten Form eingesetzt werden.
Die Wasserstoffspeicherung (Hydrierung) kann bei Raumtemperatur erfolgen. Die Hydrierung ist eine exotherme Reaktion. Die entstehende Reaktionswärme kann abgeführt werden. Im Gegensatz hierzu muss für die Dehydrierung Energie in Form von Wärme dem Hydrid zugeführt werden. Die Dehydrierung ist eine endotherme Reaktion.
In einem hydrierten ersten Zustand weist der Pressling ein größeres zweites Volumen auf als in einem dehydrierten zweiten Zustand.
Das erste Material liegt vor der Herstellung des Presslings insbesondere pulverförmig (also als Partikel, Teilchen) vor.
Die Teilchen weisen insbesondere eine Teilchengröße x50 von 20 µm [Mikrometer] bis 700 µm, insbesondere von 50 µm bis 300 µm auf. Dabei bedeutet x50, dass 50 % der Teilchen eine mittlere Partikelgröße aufweisen, die gleich oder kleiner dem genannten Wert ist. Die mittlere Partikelgröße ist vorliegend die gewichtsbasierte Partikelgröße. Angegeben ist hier die Teilchengröße (Partikelgröße) des hydrierbaren Materials bevor es zum ersten Mal einer Hydrierung unterworfen wird. Während der Wasserstoffspeicherung treten Spannungen im Material auf, was dazu führen kann, dass während mehrerer Zyklen eine Verringerung der x50 Teilchengröße erfolgt.
Diese Verringerung der Teilchengröße kann im Pressling durch das zweite Material, den Binder, insbesondere einerseits verhindert werden. Andererseits erfolgt durch das zweite Material eine Fixierung der Partikel/ Teilchen im Pressling. Insbesondere umfasst die Vielzahl von Presslingen zumindest 50 Volumen-%, insbesondere zumindest 75 Volumen-%, bevorzugt zumindest 90 Volumen-% des Schüttguts.
Das Schüttgut kann zusätzlich zumindest ein komprimierbares drittes Material umfassen, das zumindest in Zwischenräumen zwischen der Vielzahl der Presslinge angeordnet ist. Das dritte Material kann eine Volumenausdehnung der Vielzahl von Presslingen während einer Aufnahme von Wasserstoff durch eine Komprimierung kompensieren.
Insbesondere umfasst das dritte Material z. B. ein Graphit, insbesondere ein expandiertes Graphit.
Insbesondere weist zumindest das zweite Material eine Schmelztemperatur auf, die sich um höchstens 20 Kelvin, insbesondere um höchstens 10 Kelvin von einer höchsten Betriebstemperatur der Wasserstoffspeichervorrichtung unterscheidet. Werden also Betriebstemperaturen von höchstens 50 Grad Celsius erreicht, wird vorzugsweise ein zweites Material ausgewählt, das eine Schmelztemperatur von höchstens 70 Grad Celsius aufweist.
Die Schmelztemperatur des zweiten Materials kann dabei auch geringer sein als die höchste Betriebstemperatur.
Die Betriebstemperatur kann insbesondere je nach Anwendungsfall und eingesetztem ersten Material zwischen 40 und 140 Grad Celsius, insbesondere zwischen 40 und 80 Grad Celsius betragen. Bei dem Einsatz von Hochtemperaturhydriden können auch deutlich höhere Betriebstemperaturen vorgesehen sein.
Die derartige Auswahl des zweiten Materials ermöglicht ein Aufweichen des zweiten Materials bei jedem Zyklus der Hydration und/oder der Dehydration. Dieses Aufweichen ermöglicht ein jeweiliges neues Ausbilden der kohäsiven Verbindung zwischen dem ersten Material und dem zweiten Material sowohl innerhalb des Presslings als insbesondere auch zwischen den Presslingen.
Insbesondere kann so auch dem Effekt der weiteren Segregation der Teilchen/Partikel des ersten Materials entgegengewirkt werden, bzw. dieser kompensiert werden. Üblicherweise würden sich die verkleinerten Teilchen von einem Pressling ablösen und innerhalb des Behälters mit der Schwerkraft nach unten wandern. Ggf. würden so Zwischenräume zwischen den Presslingen durch das erste Material aufgefüllt, so dass eine Volumenausdehnung der Vielzahl von Presslingen während einer Aufnahme von Wasserstoff nicht mehr kompensiert werden könnte, z. B. durch eine Komprimierung z. B. eines in den Zwischenräumen sonst vorgesehenen dritten Materials. Diese dann nicht (ausreichend) kompensierte Volumenausdehnung könnte lokale Spannungen in dem Behälter verursachen und so zumindest zu einer Beschädigung des Behälters führen.
Insbesondere weist das zweite Material eine Schmelztemperatur auf, die höher ist als die höchste Betriebstemperatur.
Zumindest ein Pressling der Vielzahl von Presslingen kann eine zylindrische Form aufweisen. Eine zylindrische Form ist insbesondere besonders einfach durch Pressen herstellbar.
Bevorzugt ist allerdings, dass zumindest ein Pressling, insbesondere eine möglichst große Anzahl der Vielzahl von Presslingen, bevorzugt alle Presslinge, eine Kugelform aufweisen. Die Kugelform ermöglicht eine besonders hohe Packungsdichte des Schüttguts, so dass eine besonders effektive Wasserstoffspeichervorrichtung bereitgestellt werden kann. Eine Kugelform ist aus bekannten Gründen durch Pressen jedoch schwer herstellbar.
Eine dichteste Kugelpackung (also die höchste Packungsdichte von Kugeln) ist die geometrische Anordnung unendlich vieler Kugeln gleicher Größe im 3-dimensionalen Raum in der Weise, dass diese einander nur berühren und nicht überlappen und dabei den verbleibenden Leerraum minimal lassen. Eine solche Anordnung ergibt sich, wenn viele Kugeln schichtweise gestapelt werden. Innerhalb einer Schicht berührt dabei jede Kugel sechs Nachbarkugeln. Die Packungsdichte einer dichtesten Kugelpackung beträgt ungefähr 74 %.
Vorliegend wird insbesondere eine Packungsdichte der Presslinge von mindestens 60 %, insbesondere von mindestens 65 %, bevorzugt von mindestens 67 % erreicht.
Insbesondere weist zumindest ein Pressling der Vielzahl von Presslingen, insbesondere eine möglichst große Anzahl der Vielzahl von Presslingen, bevorzugt alle Presslinge, eine Form mit einem zweiten Volumen auf, wobei jeder Punkt einer Oberfläche der Form in einem Abstand von höchstens 5 %, insbesondere höchstens 2 %, bevorzugt höchstens 1 %, eines Durchmessers einer Kugelform, die ebenfalls das zweite Volumen aufweist, von der Kugeloberfläche der Kugelform angeordnet ist.
Insbesondere weist der Pressling also eine Form auf, die möglichst weit einer Kugelform angenähert ist.
Insbesondere weist jeder Pressling des Schüttguts im nicht hydrierten Zustand ein zweites Volumen von mindestens 10 mm³ [Kubikmillimeter] und höchstens 1000 mm³ auf.
Insbesondere kann ein Schüttgut eingesetzt werden, bei dem alle Presslinge ein jeweils gleiches zweites Volumen aufweisen oder bei dem einzelne Presslinge mit unterschiedlichen zweiten Volumina ausgeführt sind.
Es wird weiter eine Verwendung eines Presslings als Schüttgut für eine (insbesondere wie vorstehend beschriebene) Wasserstoffspeichervorrichtung vorgeschlagen. Der Pressling umfasst zumindest ein wasserstoffspeicherfähiges erstes Material und ein zweites Material als Bindemittel für das vor einer presstechnischen Herstellung pulverförmig vorliegende erste Material.
Die Ausführungen zu der Wasserstoffspeichervorrichtung gelten gleichermaßen für den Pressling und umgekehrt.
Weiter wird ein Verfahren zur Herstellung einer (insbesondere vorstehend beschriebenen) Wasserstoffspeichervorrichtung vorgeschlagen. Das Verfahren umfasst zumindest die folgenden Schritte:

a) Bereitstellung eines Behälters mit einem ersten Volumen und zumindest einer Öffnung;
b) Befüllen des ersten Volumens über die zumindest eine Öffnung mit zumindest einem Schüttgut, wobei das Schüttgut zumindest eine Vielzahl von presstechnisch hergestellten Presslingen umfasst, wobei jeder Pressling zumindest ein wasserstoffspeicherfähiges erstes Material und ein zweites Material als Bindemittel für das vor der presstechnischen Herstellung pulverförmig vorliegende erste Material umfasst.

Insbesondere kann das erste Volumen in Schritt b) zusätzlich mit zumindest einem komprimierbaren dritten Material über die Öffnung befüllt werden, wobei das dritte Material sich zumindest in Zwischenräumen zwischen der Vielzahl der Presslinge anordnet. Das dritte Material kann insbesondere eine Volumenausdehnung der Vielzahl von Presslingen während einer Aufnahme von Wasserstoff durch eine Komprimierung kompensieren. Das netzartig vorliegende dritte Material kann zur Steigerung der Wärmeleitfähigkeit des Schüttguts beitragen und/oder die Kinetik zur Wasserstoffaufnahme und -abgabe beschleunigen.
Insbesondere kann eine Packungsdichte der Vielzahl von Presslingen in dem ersten Volumen über eine Änderung einer Form eines Presslings von zumindest einer Teilmenge der Vielzahl von Presslingen eingestellt werden. Insbesondere kann die Packungsdichte durch ein gezieltes Zuführen von unterschiedlich geformten Presslingen während der Schüttung (also während des Einfüllens in den Behälter) eingestellt werden.
Die Ausführungen zu dem Verfahren gelten gleichermaßen für die Wasserstoffspeichervorrichtung und den Pressling und umgekehrt.
Vorsorglich sei angemerkt, dass die hier verwendeten Zahlwörter („erste“, „zweite“,...) vorrangig (nur) zur Unterscheidung von mehreren gleichartigen Gegenständen oder Größen dienen, also insbesondere keine Abhängigkeit und/oder Reihenfolge dieser Gegenstände oder Größen zueinander zwingend vorgeben. Sollte eine Abhängigkeit und/oder Reihenfolge erforderlich sein, ist dies hier explizit angegeben oder es ergibt sich offensichtlich für den Fachmann beim Studium der konkret beschriebenen Ausgestaltung.
Die Erfindung sowie das technische Umfeld werden nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert. Es ist darauf hinzuweisen, dass die Erfindung durch die gezeigten Ausführungsbeispiele nicht beschränkt werden soll. Insbesondere ist es, soweit nicht explizit anders dargestellt, auch möglich, Teilaspekte der in den Figuren erläuterten Sachverhalte zu extrahieren und mit anderen Bestandteilen und Erkenntnissen aus der vorliegenden Beschreibung und/oder Figuren zu kombinieren. Insbesondere ist darauf hinzuweisen, dass die Figuren und insbesondere die dargestellten Größenverhältnisse nur schematisch sind. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen gleiche Gegenstände, so dass ggf. Erläuterungen aus anderen Figuren ergänzend herangezogen werden können. Es zeigen:

1: eine Schüttung mit einer Vielzahl von Presslingen;
2: ein Detail der Schüttung nach 1;
3: eine Wasserstoffspeichervorrichtung in einer Seitenansicht;
4: eine Wasserstoffspeichervorrichtung in einer perspektivischen Ansicht;
5: eine erste Ausführungsvariante einer Form eines Presslings in einer Seitenansicht im Schnitt;
6: eine zweite Ausführungsvariante einer Form eines Presslings in einer Seitenansicht im Schnitt; und
7: eine dritte Ausführungsvariante einer Form eines Presslings in einer Seitenansicht im Schnitt.

1 zeigt eine Schüttung mit einer Vielzahl von Presslingen 5. 2 zeigt ein Detail der Schüttung nach 1. Die 1 und 2 werden im Folgenden gemeinsam beschrieben.
Die Schüttung zeigt ein Schüttgut 4 bestehend aus einer Vielzahl von Presslingen 5. Jeder Pressling 5 umfasst ein wasserstoffspeicherfähiges erstes Material 6 und ein zweites Material 7 als Bindemittel für das vor der presstechnischen Herstellung pulverförmig vorliegende erste Material 6.
Erkennbar ist, dass die Presslinge 5 kohäsiv miteinander verbunden sind. Das wird dadurch erreicht, dass das zweite Material 7 eine Schmelztemperatur aufweist, die sich um höchstens 20 Kelvin von einer höchsten Betriebstemperatur der Wasserstoffspeichervorrichtung 1 unterscheidet. Die derartige Auswahl des zweiten Materials 7 ermöglicht ein Aufweichen des zweiten Materials 7 bei jedem Zyklus der Hydration und/oder der Dehydration. Dieses Aufweichen ermöglicht ein jeweiliges neues Ausbilden der kohäsiven Verbindung zwischen dem ersten Material 6 und dem zweiten Material 7 sowohl innerhalb des Presslings 5 als auch zwischen den Presslingen 5.
Die hier eingesetzten Presslinge 5 weisen alle eine zylindrische Form 10 sowie ein jeweils gleiches zweites Volumen 11 auf.
Zwischen den Presslingen 5 bilden sich Zwischenräume 9 aus, die in einer Wasserstoffspeichervorrichtung 1 durch ein komprimierbares drittes Material 8 gefüllt werden können (siehe 3 und 4).
3 zeigt eine Wasserstoffspeichervorrichtung 1 in einer Seitenansicht. 4 zeigt eine Wasserstoffspeichervorrichtung 1 in einer perspektivischen Ansicht. Die 3 und 4 werden im Folgenden gemeinsam beschrieben.
Die Wasserstoffspeichervorrichtungen 1 umfassen jeweils einen Behälter 2 mit einem ersten Volumen 3, wobei in dem Behälter 2 ein Schüttgut 4 angeordnet ist. Das Schüttgut 4 umfasst zumindest eine Vielzahl von presstechnisch hergestellten Presslingen 5, wobei jeder Pressling zumindest ein wasserstoffspeicherfähiges erstes Material 6 und ein zweites Material 7 als Bindemittel für das vor der presstechnischen Herstellung pulverförmig vorliegende erste Material 6 umfasst.
Das wasserstoffspeicherfähige erste Material 6 wird nicht an die Form des für die Anordnung des wasserstoffspeicherfähigen ersten Materials 6 vorgesehenen Behälters 2 angepasst, sondern als Schüttgut 4 bereitgestellt. Das Schüttgut wird über eine Öffnung 18 in den nahezu beliebig geformten Behälter 2 gefüllt und ordnet sich darin an. Dabei werden zwischen den Presslingen Zwischenräume 9 gebildet, die bei der Einlagerung und Wiederfreisetzung von Wasserstoff zum Ausgleich der Größenänderung der Presslinge 5 in Bezug auf ihre Größe veränderbar sind.
Das Schüttgut 4 umfasst zusätzlich zumindest ein komprimierbares drittes Material 8, das in den Zwischenräumen 9 zwischen der Vielzahl der Presslinge 5 angeordnet ist. Das dritte Material 8 kann eine Volumenausdehnung der Vielzahl von Presslingen 5 während einer Aufnahme von Wasserstoff durch eine Komprimierung kompensieren (siehe 3).
Die hier eingesetzten Presslinge 5 weisen alle eine zylindrische Form 10 sowie ein jeweils gleiches zweites Volumen 11 auf. In einem hydrierten ersten Zustand 19 weist der Pressling 5 ein größeres zweites Volumen 11 auf als in einem dehydrierten zweiten Zustand 20. Die Vergrößerung des zweiten Volumens ist in dem Behälter 2 anhand eines Presslings 5 sowie in der Legende verdeutlicht.
5 zeigt eine erste Ausführungsvariante einer Form 10 eines Presslings 5 in einer Seitenansicht im Schnitt. 6 zeigt eine zweite Ausführungsvariante einer Form 10 eines Presslings 5 in einer Seitenansicht im Schnitt. 7 zeigt eine dritte Ausführungsvariante einer Form 10 eines Presslings 5 in einer Seitenansicht im Schnitt. Die 5 und 7 werden im Folgenden gemeinsam beschrieben.
Bevorzugt ist, dass ein Pressling 5 eine Kugelform 16 aufweist. Die Kugelform 16 ermöglicht eine besonders hohe Packungsdichte des Schüttguts 4, so dass eine besonders effektive Wasserstoffspeichervorrichtung 1 bereitgestellt werden kann. Eine Kugelform 16 ist aus bekannten Gründen durch Pressen jedoch schwer herstellbar.
Es werden daher Presslinge 5 mit einer Form 10 und einem zweiten Volumen 11 hergestellt, wobei jeder Punkt 12 einer Oberfläche 13 der Form 10 in einem Abstand 14 von höchstens 5 % eines Durchmessers 15 einer Kugelform 16, die ebenfalls das zweite Volumen 11 aufweist, von der Kugeloberfläche 17 der Kugelform 16 angeordnet ist. Insbesondere weist der Pressling 5 also eine Form 10 auf, die möglichst weit einer Kugelform 16 angenähert ist (siehe 5 und 6) mit angedeuteter Kugelform 16 gleichen zweiten Volumens 11.
7 zeigt einen Pressling 5 mit einer zylindrischen Form 10 in einer Seitenansicht. Der Pressling 5 hat einen Durchmesser 15 und ein zweites Volumen 11.
Bezugszeichenliste

1: Wasserstoffspeichervorrichtung
2: Behälter
3: erstes Volumen
4: Schüttgut
5: Pressling
6: erstes Material
7: zweites Material
8: drittes Material
9: Zwischenraum
10: Form
11: zweites Volumen
12: Punkt
13: Oberfläche
14: Abstand
15: Durchmesser
16: Kugelform
17: Kugel ob erfl äche
18: Öffnung
19: erster Zustand
20: zweiter Zustand

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

WO 2015/169740 A1 [0002, 0012]

Claims

Wasserstoffspeichervorrichtung (1), zumindest umfassend einen Behälter (2) mit einem ersten Volumen (3), wobei in dem Behälter (2) ein Schüttgut (4) angeordnet ist, wobei das Schüttgut (4) zumindest eine Vielzahl von presstechnisch hergestellten Presslingen (5) umfasst, wobei jeder Pressling (5) zumindest ein wasserstoffspeicherfähiges erstes Material (6) und ein zweites Material (7) als Bindemittel für das vor der presstechnischen Herstellung pulverförmig vorliegende erste Material (6) umfasst.
Wasserstoffspeichervorrichtung (1) nach Patentanspruch 1, wobei die Vielzahl von Presslingen (5) zumindest 50 Volumen-% des Schüttguts (4) umfasst.
Wasserstoffspeichervorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, wobei das Schüttgut (4) zumindest ein komprimierbares drittes Material (8) umfasst, das zumindest in Zwischenräumen (9) zwischen der Vielzahl der Presslinge (5) angeordnet ist; wobei das dritte Material (8) eine Volumenausdehnung der Vielzahl von Presslingen (5) während einer Aufnahme von Wasserstoff durch eine Komprimierung kompensiert.
Wasserstoffspeichervorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, wobei zumindest das zweite Material (7) eine Schmelztemperatur aufweist, die sich um höchstens 20 Kelvin von einer höchsten Betriebstemperatur der Wasserstoffspeichervorrichtung (1) unterscheidet.
Wasserstoffspeichervorrichtung (1) nach Patentanspruch 4, wobei das zweite Material (7) eine Schmelztemperatur aufweist, die höher ist als die höchste Betriebstemperatur.
Wasserstoffspeichervorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, wobei zumindest ein Pressling (5) der Vielzahl von Presslingen (5) eine zylindrische Form (10) aufweist.
Wasserstoffspeichervorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, wobei zumindest ein Pressling (5) der Vielzahl von Presslingen (5) eine Form (10) mit einem zweiten Volumen (11) aufweist, wobei jeder Punkt (12) einer Oberfläche (13) der Form (10) in einem Abstand (14) von höchstens 5 % eines Durchmessers (15) einer Kugelform (16), die ebenfalls das zweite Volumen (11) aufweist, von der Kugeloberfläche (17) der Kugelform (16) angeordnet ist.
Wasserstoffspeichervorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, wobei jeder Pressling (5) im nicht hydrierten Zustand ein zweites Volumen (11) von mindestens 10 mm³ [Kubikmillimeter] und höchstens 1000 mm³ aufweist.
Verwendung eines Pressling (5) als Schüttgut (4) für eine Wasserstoffspeichervorrichtung (1), wobei der Pressling (5) zumindest ein wasserstoffspeicherfähiges erstes Material (6) und ein zweites Material (7) als Bindemittel für das vor einer presstechnischen Herstellung pulverförmig vorliegende erste Material (6) umfasst.
Verfahren zur Herstellung einer Wasserstoffspeichervorrichtung (1), zumindest umfassend die folgenden Schritte: c) Bereitstellung eines Behälters (2) mit einem ersten Volumen (3) und zumindest einer Öffnung (18); d) Befüllen des ersten Volumens (3) über die zumindest eine Öffnung (18) mit zumindest einem Schüttgut (4), wobei das Schüttgut (4) zumindest eine Vielzahl von presstechnisch hergestellten Presslingen (5) umfasst, wobei jeder Pressling (5) zumindest ein wasserstoffspeicherfähiges erstes Material (6) und ein zweites Material (7) als Bindemittel für das vor der presstechnischen Herstellung pulverförmig vorliegende erste Material (6) umfasst.
Verfahren nach Patentanspruch 10, wobei das erste Volumen (3) in Schritt b) zusätzlich mit zumindest einem komprimierbaren dritten Material (8) über die Öffnung (18) befüllt wird, wobei das dritte Material (8) sich zumindest in Zwischenräumen (9) zwischen der Vielzahl der Presslinge (5) anordnet; wobei das dritte Material (8) eine Volumenausdehnung der Vielzahl von Presslingen (5) während einer Aufnahme von Wasserstoff durch eine Komprimierung kompensiert.
Verfahren nach einem der Patentansprüche 10 und 11, wobei eine Packungsdichte der Vielzahl von Presslingen (5) in dem ersten Volumen (3) über eine Änderung einer Form (10) eines Presslings (5) von zumindest einer Teilmenge der Vielzahl von Presslingen (5) eingestellt wird.