DE102022002370A1

DE102022002370A1 - Preßkörper zur Verwendung in einer Wasserstoffspeichervorrichtung

Info

Publication number: DE102022002370A1
Application number: DE102022002370.9A
Authority: DE
Inventors: Bettina Neumann; Thomas Schupp
Original assignee: GKN Powder Metallurgy Engineering GmbH
Current assignee: GKN Hydrogen GmbH
Priority date: 2022-06-30
Filing date: 2022-06-30
Publication date: 2024-01-04
Also published as: WO2024002406A1

Abstract

Ein durch Verdichten eines pulverförmigen Ausgangsmaterials gefertigter Preßkörper, der Permeabilität für Wasserstoffgas aufweist und ein Metall bzw. eine Metallverbindung zur Bildung eines Metallhydrids enthält, weist eine äußere Oberfläche mit mehreren Teilflächen auf. Eine erste Teilfläche hat die Kontur eines Zylindermantels bzw. eines Segments davon. Eine zweite Teilfläche umfaßt eine erste Stelle 3 und eine zweite Stelle 5 mit unterschiedlichen Abständen zu einer Bezugsebene 2.

Description

Die Erfindung betrifft einen Preßkörper, der in einen zylindrischen Druckbehälter eingebracht werden kann, um die Speicherung von Wasserstoff in dem Behälter zu unterstützen. Dazu ist der Preßkörper überwiegend aus Metall bzw. einer entsprechenden Legierung gefertigt, die bei Anwesenheit von Wasserstoffgas ein Metallhydrid bildet; diese Reaktion des Wasserstoffs mit dem metallischen Feststoff hat exothermen Charakter. Umgekehrt wird die Freisetzung von Gas aus dem entstandenen Metallhydrid durch Zufuhr von Wärme hervorgerufen bzw. begünstigt.
Speichervorrichtungen zur Bevorratung von Wasserstoff unter Einsatz von Metallhydrid sind grundsätzlich bekannt und werden in verschiedenen Anwendungsfällen auch eingesetzt. In Abhängigkeit von der genutzten Metalllegierung liegt das Betriebsdruckniveau der Speicherbehälter in der Größenordnung von 50 bar. Abweichend von der Kugelgestalt als Idealform für eine möglichst gleichmäßige Hüllenbeanspruchung werden entsprechende Druckbehälter zumeist zylinderförmig hergestellt. Dabei findet der Wärmetransfer, der bei der Bindung und der Freisetzung des Wasserstoffs abläuft, durch die Behälterwand hindurch statt. Für einen bestmöglichen Transfer sollte dabei das Metall bzw. Metallhydrid innenseitig an der Behälterwand unmittelbar anliegen, um über den somit bestehenden Materialkontakt Wärmeleitung zu ermöglichen.
Andererseits ist es erforderlich, Freiraum im Behälterinneren vorzuhalten, da die Bildung des Metallhydrids eine Volumenvergrößerung mit sich bringt. Die bei der Hydrierung auftretenden Kräfte sind so hoch, daß ohne entsprechenden Freiraum, in den hinein der Volumenzuwachs erfolgt, es zu einer plastischen Deformation der Behälterwand kommen kann.
Aus dem Patent DE 3223777 ist ein scheibenförmiger Preßling mit radial verlaufenden Nuten und einem mittigen, zylinderförmigen Hohlraum als Bestandteil eines Metall-Hydridspeichers zur Speicherung von Wasserstoff bekannt; durch diese Formgebung des Preßlings soll der notwendige Freiraum bereitgestellt werden.
Die Anmelderin hat aufgrund eigener Untersuchungen das dieser Formgebung zugrunde liegende Prinzip als zumindest für das in den darauf gerichteten Versuchen verwendete Material weniger geeignet ermittelt und schlägt deshalb die nachfolgend näher erläuterte Erfindung als Verbesserung gegenüber dem Stand der Technik vor.
Grundgedanke der Erfindung ist eine Formgebung des Preßkörpers, die eine Aufteilung des insgesamt für das Volumenwachstum während der Hydrierung vorzuhaltenden Freiraums erlaubt. Insbesondere kann durch eine Kombination mehrerer Preßkörper ein gemeinsamer Freiraum bereitgestellt werden, indem deren entsprechende Teilflächen nach Einpassen der Preßkörper in einen zylindrischen Druckbehälter benachbart zueinander angeordnet sind bzw. einander gegenüberliegen.
Einer ersten Unterkategorie der Erfindung zugehörige Preßkörper sind scheibenförmig ausgeführt und haben ein zwischen ihrem Außenrand und der Scheibenmitte variabel verlaufendes Querschnittsprofil; dabei kann die Änderung kontinuierlich oder sprunghaft erfolgen. Beispiele zu Ausführungsformen dieser Kategorie sind in den 1 bis 10 dargestellt.
Die Preßkörper der zweiten Unterkategorie sind als Scheibensegmente ausgebildet, mit im einfachsten Fall halbkreisförmigen Seitenflächen; jedoch sind auch andere Aufteilungen möglich. Die 11 bis 13 zeigen einige mögliche Ausführungen hierzu.
In allen Fällen beinhaltet die Oberfläche des Preßkörpers eine erste Teilfläche, deren Krümmung der Wandform des Speicherbehälters entspricht, in welchem der Preßkörper verwendet wird; die Teilfläche ist also ein Zylindermantel oder aber ein Segment davon.
In allen Fällen enthält zudem ein Preßkörper gemäß der hier dargelegten Erfindung metallische Materialpartikel, die nur teilweise von einer Oxidschicht umgeben sind. Die Anmelderin hat ausgiebige Untersuchungen an Niedertemperatur-Metallhdriden auf der Grundlage von Eisen-Titan-Basislegierungen durchgeführt; diese Materialgruppe hat als Vorteil die Handhabbarkeit unter normalen Umgebungsbedingungen, ist also im Gegensatz zu anderen hydridbildenden Metallen an Luft nicht selbstentzündlich. Im pulverförmigen Ausgangsmaterial sind die Materialpartikel vollständig oder zumindest nahezu vollständig von einer Oxidschicht umgeben; sie wären damit ungeeignet für das An- bzw. Einlagern von Wasserstoff. Durch die beim Pressen auftretenden Kräfte kommt es zu Rißbildung bzw. Brüchen in der Oxidschicht und infolgedessen einer Überwindung dieses Hindernisses.
Niedertemperatur-Metallhydride sind in der Lage, eingelagerten Wasserstoff bereits bei vergleichsweise niedrigen Temperaturen, nämlich unterhalb von 150°C, zu desorbieren. Die Einlagerung des Wasserstoffs gelingt bereits bei Drücken von <50 bar. Damit sind moderate Betriebsbedingungen gegeben - gut beherrschbare Aufwände für das Wärmemanagement bzw. einen allgemein sicheren Betrieb, im Vergleich zu der Verwendung von Mittel- oder Hochtemperatur-Metallhydriden.
Optional enthält der Preßkörper ein Bindemittel. Sein Zweck besteht darin, die Absonderung von Materialpartikeln aus dem Preßkörper zu erschweren; diese Absonderungstendenz ist durch den Volumenzuwachs bei der Hydrierung begründet, der das Partikelgefüge angreift.
Die Oberfläche des Preßkörpers beinhaltet eine zweite Teilfläche, deren Verlauf ursächlich für die Bereitstellung des Freiraums ist. Ihre Eigenschaften werden nachfolgend beispielhaft anhand der beiden 1 und 2 näher erläutert.
Die 1 und 2 sind Darstellungen eines Teilbereichs desselben Preßkörpers. 1 zeigt einen Anschnitt in isometrischer Abbildung, 2 stellt einen 2D - Querschnitt dar. Jeweils zur Rechten ist die Achse für Rotationssymmetrie eingezeichnet.
In der 1 kennzeichnet der mit T1 bezeichnete Pfeil die Blickrichtung, in der sich eine Aufsicht auf die erste Teilfläche der Preßkörperoberfläche ergibt; analog dazu definiert der Pfeil T2 die Blickrichtung zur Aufsicht auf die zweite Teilfläche.
Zur ersten Teilfläche gehört eine Randlinie 1. Diese Randlinie ist zur besseren Übersicht nur in der 1 mit einem Bezugszeichen versehen - ihre Lage in der 2 ergibt sich für den kundigen Betrachter unmittelbar. Die Randlinie verläuft innerhalb einer Bezugsebene 2, welche im Sinne einer übersichtlichen Darstellung nur in 2 angedeutet wird, und zwar als punktierte Linie, nicht aber in 1.
Von dieser Bezugsebene 2 ausgehend ist in der 2 ein Abstandsmaß zu erkennen, als zweiter Abstand 6 zwischen einer zweiten Stelle 5 auf der zweiten Teilfläche (eingezeichnet in 1) und der Bezugsebene.
Da die erste Stelle 3 in 1 auf Höhe der Randlinie 1 und somit der Bezugsebene liegt, hat in dieser Ausführung der Erfindung nach 1 und 2 der erste Abstand den Wert Null.
Des Weiteren enthält die 2 auch Maßhilfslinien ohne Bezugszeichen. Sie betreffen die Projektionen der beiden Stellen 3 und 5 auf die Bezugsebene 2 und verdeutlichen die Distanzen zwischen der ersten Teilfläche und jeder dieser Projektionen.
In den 3 und 4 sind lediglich erste Stellen 3 und zweite Stellen 5 eingezeichnet; auf die Darstellung weiterer Details wurde hier verzichtet. Im Unterschied zu den 1 und 2 als Ansichten desselben Preßkörpers liegen den 3 und 4 verschiedene Preßkörper zugrunde; bei 3 mit einem konkaven Querschnittsprofil bzw. einer Einstülpung, bei der 4 ist eine konvexe Kontur, also eine Ausstülpung erkennbar. Die Methode, mit welcher der notwendige Freiraum für die Volumenvergrößerung vorgehalten wird, ist also bei einem Preßkörper gemäß 4 leicht modifiziert. Bei entsprechender Bemaßung können beide Varianten des Preßkörpers miteinander kombiniert werden, indem ein Stapel abwechselnd aus der einen, dann der anderen Variante aufgeschichtet wird.
Zwei Möglichkeiten zur Stapelbildung aus Preßkörpern mit identischen Konturen sind in den 5 und 6 dargestellt. Die 5 verdeutlicht einen additiven Ansatz, bei dem sich der Freiraum insgesamt vergrößert, wohingegen eine Kombination aus Preßkörpern gemäß der 6 denselben reduziert.
Die 7 bis 10 zeigen weitere Ausführungen eines erfindungsgemäßen Preßkörpers. Durchgängig ist in den Darstellungen eine Achse zur Andeutung der Rotationssymmetrie erkennbar, wobei die Symmetrie ein Ansatz für aufwandsreduzierte Fertigung ist, aber zur Realisierung der Erfindung nicht unbedingt erforderlich.
Als weitere Möglichkeit neben dem in den 1 bis 10 dargestellten Ansatz kann ein Freiraum auch durch eine geeignete Kontur an der Randseite des Preßkörpers bereitgestellt werden. Bevorzugt kommt dafür eine hälftige Aufteilung der Zylinderscheibenform in Frage, so daß Scheibensegmente mit halbkreisförmigen Seitenflächen vorliegen; jedoch sind auch andere Unterteilungen möglich.
Die 11 bis 13 veranschaulichen einige Ausführungen, bei denen durch Kombination solcher Scheibensegmente ein dazwischenliegender Freiraum entsteht. 11 stellt links einen Preßkörper mit abgeschrägter Randseite in isometrischer Perspektivansicht dar (a), mittig eine Aufsicht sowie darunter eine Querschnittsdarstellung als Kombination von zwei Preßkörpern in einer ersten Anordnung (b), schließlich rechts eine weitere Kombination ebensolcher Preßkörper in einer zweiten Anordnung (c).
In der 12 sind zwei Anordnungen mit gestuften Randseiten gezeigt, sodaß sich bei Kombination der Preßkörper durch Einbringen in einen zylindrischen Behälter einmal ein mittig positionierter und umschlossener, im anderen Fall ein abwärts offener Freiraum ergibt.
Anstatt beide Preßkörper bzw. Scheibensegmente einzeln in den Behälter einzubringen und dort die Kombination zu vollziehen, kann dieser Schritt auch vorab, also noch außerhalb des Speicherbehälters erfolgen. Die 13 zeigt zwei Ansichten eines Preßkörpers, der nach Art einer Puzzleverbindung mit einem weiteren Segment gefügt werden kann. In gefügtem Zustand verbleibt dabei ein Spalt zwischen den randseitigen Flächen der Segmente, dessen Breite durch Maßhilfslinien in der Zeichnung angedeutet ist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 3223777 [0004]

Claims

Durch Verdichten eines pulverförmigen Ausgangsmaterials gefertigter Preßkörper, bei dem das Ausgangsmaterial zumindest ein Metall oder eine Metallverbindung zur Bildung von Metallhydrid bei Exposition gegenüber Wasserstoffgas enthält und das Ausgangsmaterial optional ein Bindemittel enthält, der eine Permeabilität für Wasserstoffgas aufweist und metallische Materialpartikel enthält, deren Oberfläche anteilig, jedoch nicht vollständig, aus einem Metalloxid besteht, der eine äußere Oberfläche aufweist, die eine erste Teilfläche mit der Kontur eines Zylindermantels oder eines Zylindermantelsegments beinhaltet, welche zur innenseitigen Anlage an die Wandung eines zylindrischen Speicherbehälters bestimmt ist, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich zu der ersten Teilfläche eine zweite Teilfläche als Bestandteil der Oberfläche des Preßkörpers vorgesehen ist, die an einer ersten Stelle (3) einen ersten Abstand (4) und an einer zweiten Stelle (5) einen zweiten Abstand (6) von einer Bezugsebene (2) aufweist, wobei diese Bezugsebene parallel zu allen der ersten Teilfläche zugeordneten Normalenvektoren ausgerichtet ist und zumindest einen gemeinsamen Punkt mit einer bogenförmigen Randlinie (1) der ersten Teilfläche aufweist und durch die Projektionen der ersten Stelle (3) und der zweite Stelle (5) auf die Bezugsebene (2) eine gemeinsame Bezugsgerade verläuft, die senkrecht zur bogenförmigen Randlinie (1) der ersten Teilfläche ausgerichtet ist, wobei die Projektion der ersten Stelle (3) eine geringere Distanz zur ersten Teilfläche aufweist als die Projektion der zweiten Stelle (5) und der zweite Abstand (6) zwischen der zweiten Teilfläche der Oberfläche des Preßkörpers und der Bezugsebene (2) an der zweiten Stelle (5) größer ist als der erste Abstand (4) an der ersten Stelle (3).
Preßkörper gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Abstand (4) das höchstens 0,96-fache, insbesondere weniger als das 0,95-fache des zweiten Abstands (6) beträgt.
Preßkörper gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Abstand (4) zwischen der ersten Stelle (3) und der Bezugsebene (2) den Wert Null hat.
Preßkörper gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß auf der zweiten Teilfläche eine Vielzahl von ersten und zweiten Stellen vorhanden sind, die auf parallel zu der bogenförmigen Randlinie (1) verlaufenden Bahnen liegen.
Preßkörper gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Bahnen Vollkreise sind.
Preßkörper gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Metallverbindung Verwendung findet, die bei Exposition gegenüber Wasserstoffgas ein Niedertemperatur-Metallhydrid ausbildet.
Preßkörper gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallverbindung eine Titan-Eisen-Basislegierung ist.
Preßkörper gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Polymer als Bindemittel enthalten ist.