DE112018003849T5

DE112018003849T5 - System zur speicherung von brenngasen

Info

Publication number: DE112018003849T5
Application number: DE112018003849.1T
Authority: DE
Inventors: Nikolaj Konstantinovich Zhevago
Original assignee: H2 Energy LLC
Current assignee: H2 Energy LLC
Priority date: 2017-07-28
Filing date: 2018-07-25
Publication date: 2020-04-09
Anticipated expiration: 2038-07-26
Also published as: US20200158285A1; RU2665564C1; US10928005B2; JP7212957B2; CN110959088A; JP2020528988A; WO2019022643A1; KR20200022458A; KR102303890B1; DE112018003849B4; CN110959088B

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf den Bereich der Gasspeicherung, vorzugsweise von Wasserstoff, und hat die Form einer Multikapillarstruktur. Die Multikapillarstruktur weist über eine bestimmte Länge einen konstanten Querschnitt auf, der sich dann stark reduziert, bis auf einen Wert, bei dem die Multikapillaren ausreichend flexibel werden. Der Flexibilitätsbereich der Multikapillaren hat eine Länge, die für den Transport von Wasserstoff zu einem Brennelement ausreicht. Auf diese Weise entsteht eine flexible, in das gespeicherte Wasserstoffvolumen integrierte, multikapillare Gasleitung, deren Funktion es ist, dem Brennelement Wasserstoff zuzuführen. Das technische Ergebnis ist, dass der Mikrokapillartank schnell mit Hochdruckgas gefüllt und der Gasaustritt vom Tank zum Kollektor geregelt wird, wobei der für den Brennstoffzellenbetrieb erforderliche moderate Druck (<1 MPa) eingehalten werden soll. Gleichzeitig werden optimale Sicherheit und massebezogene Eigenschaften des Kraftwerks, einschließlich des Systems der Gasspeicherung und seines Transports zu den Brennstoffzellen, gewährleistet.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die Erfindung bezieht sich auf den Bereich der Lagerung von Gasen unter hohem Druck. Genauer gesagt, bezieht sich die Erfindung auf die kompakte und leichte Speicherung von Gasen wie Wasserstoff und Methan. Die Erfindung findet Anwendung im Bereich der Motoren, insbesondere im Automobilbereich, wo katalytische Reaktionen von Brenngasen mit Sauerstoff in Brennstoffzellen zur Stromerzeugung genutzt werden.
STAND DER TECHNIK
Die derzeit gebräuchlichsten elektrischen Energiequellen für mobile Elektronik und unbemannte Luftfahrzeuge sind Nickel-Polymer- oder Lithium-Polymer-Batterien. Die besten Lithium-Polymer-Batterien haben eine spezifische Energiekapazität von ca. 200 W*h/kg Batteriegewicht bei einer Gesamtkapazität von 20 A*h, was die Betriebszeit des Geräts begrenzt, ohne die Batterie wieder aufzuladen. Für eine deutliche Erhöhung der Energiekapazität des mobilen Kraftwerks werden Brennstoffzellen eingesetzt. In einer Brennstoffzelle tritt der Gasstrom, der aus dem Speicher kommt, in eine katalytische Reaktion mit einem Oxidationsmittel ein, wodurch Strom erzeugt wird. Das häufigste Brenngas für Brennstoffzellen ist Wasserstoff, und Luftsauerstoff wird als Oxidationsmittel verwendet, wobei Wasser, Wärmeenergie und elektrische Energie erzeugt werden. In Brennstoffzellen können jedoch auch andere Kraftstoffe, z.B. Erdgas, eingesetzt werden.
Eines der Probleme der Wasserstoffenergie ist die sichere Speicherung und geregelte Versorgung der Brennstoffzelle mit Wasserstoffkraftstoff. Für die mobile Speicherung von Wasserstoff in Stahl- oder Verbundflaschen wurden verschiedene Methoden entwickelt, darunter physikalische Speichermethoden (als Flüssigkeit, komprimiert oder adsorbiert durch poröse Strukturen) und chemische Speichermethoden (Metallhydride). Alle diese Methoden haben erhebliche Einschränkungen des gravimetrischen und volumetrischen Gehalts an Wasserstoff im Kraftstoffspeicher- und -versorgungssystem (Gupta R., Basile A., Veziroglu T.N. (Hrsg.), Compendium of Hydrogen Energy: Hydrogen Storage, Distribution and Infrastructure - Woodhead Publishing, 2016).
Vielversprechender erscheint der Einsatz von Lagereinrichtungen auf Basis von Mikrokapillarstrukturen. Es ist bekannt, dass Kapillarbehälter aus hochfestem Glas eine praktische Alternative zu bestehenden Zylindern aus Stahl und Verbundwerkstoffen für die Lagerung und den Transport von komprimierten Brenngasen sind. Nach den vorliegenden experimentellen Daten (Zhevago N.K., Denisov E.I., Glebov V.I., International Journal of Hydrogen Energy, 2010, v. 35, S. 169-175) können Mikrokapillaren aus Glas zur sicheren Speicherung von Wasserstoff und anderen Gasen bei deutlich höheren Drücken (100 MPa und mehr) als bei Standard- (20-35 MPa) und Verbundflaschen (35-70 MPa) verwendet werden, wodurch ein rekordgravimetrischer Gehalt an Gasen in ihnen erreicht wird. Da das Gesamtvolumen des Gases, das in einem Mehrkapillarbehälter gespeichert ist, in viele kleine Mengen aufgeteilt ist, die der Anzahl der Mikrokapillaren entsprechen, sinkt die Wahrscheinlichkeit der sofortigen Freisetzung großer Gasmengen in die Atmosphäre bei der Notzerstörung des Teils des Behälters und erhöht somit die Sicherheit der Speicherung von Wasserstoffgas unter hohem Druck.
Mehrkapillarbehälter (Tanks) haben noch weitere Vorteile. Im Gegensatz zu herkömmlichen Hochdruckgasflaschen, die aus Festigkeitsgründen die Form eines Rundzylinders oder einer Kugel haben, können Mehrkapillargefäße eine beliebige Form (Sechseck, flach, etc.) annehmen. Dadurch können sie jeden Hohlraum einer Vorrichtung nutzen, die Brennstoffzellen zur Stromerzeugung nutzt. Eine weitere wichtige Eigenschaft von Glaskapillaren mit einem Durchmesser von weniger als 200 Mikron ist ihre hohe mechanische Flexibilität. Aus diesem Grund kann ein Bündel flexibler Kapillaren als Pipeline genutzt werden, die beispielsweise das Hauptvolumen des Hochdruck-Gasspeichers mit der Brennstoffzelle verbindet. In diesem Fall erfordert das Schalten des Gasstroms, wenn nötig, keine Verbindungsmuffen (Zhevago N.K. und andere, mikrokapillare Wasserstoffspeicher, International Scientific Journal Alternative Energy and Ecology- 2012, Nº.9, Seiten 106-115). Bündel von flexiblen Kapillaren finden viele weitere Anwendungen, nicht nur im Bereich der Lagerung und des Transports von Brenngasen. Insbesondere wurden sie für die Verteilung von Atemgasen an Passagiere von Flugzeugen in Notfällen vorgeschlagen ( DE 10343250 A1 ).
Für den praktischen Einsatz von Brenngas, das in einem Mehrkapillartank gespeichert ist, ist es notwendig, eine schnelle Befüllung des Tanks mit Gas und eine kontrollierte Freisetzung von Gas aus dem Tank in den Puffer vorzusehen, wo ein mäßiger Druck (0,1-1,0 MPa) für den nachfolgenden Gasstrom durch die Membranen der Brennstoffzelle aufrechterhalten werden sollte. In den zuvor vorgeschlagenen Konstruktionen von Mehrkapillargefäßen zur Freisetzung von Gas aus den Kapillaren wurde eine schmelzbare Metallschicht (Patente RU 2327078 C2 , RU 2339870 C1 ) oder Stopfen ( US 20090120811 A1 , EP 2062850 A3 ) verwendet, die freie (nicht abgedichtete) Kapillarenden abdecken. In ihnen kann die Freisetzung von Gas durch Zerstörung (Schmelzen) der Schicht bzw. der Stopfen erfolgen. Ein solcher Ansatz gilt nicht als der effizienteste, er ist zu kompliziert zu regulieren, und er benötigt Energie zum Erwärmen der Schichten (Stopfen), die aufgrund der unterschiedlichen volumetrischen Ausdehnungskoeffizienten von Glas und dem Material der Schichten (Stopfen) zu zusätzlichen Glasspannungen führen können. Ein weiterer Nachteil solcher Lösungen ist, dass sie keine schnelle Befüllung des Tanks mit Gas und kontrollierte Freisetzung von Gas aus dem Tank in den Puffer ermöglichen und gleichzeitig eine optimale Zuverlässigkeit und Geschwindigkeit der Gasfreisetzung aus den Kapillaren gewährleisten.
Um thermische Einflüsse auf die Kapillaren bei der Gasfreisetzung aus dem Tank in die Brennstoffzelle zu vermeiden, wurde vorgeschlagen ( US20150236362 A1 ), eine Vielzahl von Mikrokapillaren (Kartuschen), die an einem Ende offen sind, in zylindrische Schutzzylinder zu kleben, die wiederum mit ihrem offenen Ende in einen Adapter eines Standard-Wasserstoffversorgungssystem der Brennstoffzellen integriert sind. In einem ähnlichen Lösungsschema ( US 2013186904 A1 ) wurde vorgeschlagen, ein Bündel von Kapillaren in einen geschlossenen Behälter mit hohem Druckraum anzuordnen, damit das Gas aus den Kapillaren austreten kann, und um einen Gasspeicher mit ausreichendem Volumen zu schaffen, wurde eine Gruppe von Behältern vorgeschlagen, die mit Rohrleitungen verbunden sind.
Gleichzeitig ist anzumerken, dass ein solches Wasserstoffversorgungssystem nur dann relativ sicher sein kann, wenn der Querschnitt des Schutzzylinders (Behälters) klein genug ist. Denn die Kraft des Gasdrucks an der Verbindung der Kartusche mit dem Zylinder ist proportional zur Fläche ihres Querschnitts. Zum Beispiel bei einem Druck von 100 MPa und einer Fläche von nur 1 cm² beträgt diese Kraft etwa 1000 kg, daher müssen eine große Anzahl von Kartuschen mit moderatem Querschnitt und eine große Anzahl von Verbindungselementen von Kartuschen mit Adapter verwendet werden, die das System schwerer machen. Ein weiterer Nachteil ist, dass zwischen den Kartuschen ein nutzloses Volumen entsteht und dadurch die Gesamtleistung des Kraftwerks verschlechtert.
Der Anmelderin ist daher derzeit keine Lösung bekannt, die sowohl in ihren graviometrischen und volumetrischen Eigenschaften als auch in Bezug auf die Sicherheitskriterien der Verwendung zufriedenstellend wäre.
Es bedarf einer weiteren Verbesserung der Ausrüstung für die mobile Wasserstoffspeicherung, um eine effiziente Wasserstoffversorgung von einem Multikapillarspeicher zu einer Brennstoffzelle zu gewährleisten. Die Aufgabe, die Sicherheit zu verbessern und das Gewicht und die Volumeneigenschaften eines Kraftwerks zu verbessern, ist daher heutzutage äußerst dringend.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, die Nachteile des Standes der Technik zu überwinden. Genauer gesagt, ist es Gegenstand der vorliegenden Erfindung, eine schnelle (Wieder-)befüllung eines Mikrokapillartanks mit Hochdruckgas und eine kontrollierte Freisetzung des Gases aus dem Tank in den Kollektor zu ermöglichen, wo der moderate Druck (< 1 MPa) für den Betrieb der Brennstoffzelle aufrechterhalten werden sollte. Gleichzeitig ist es notwendig, eine optimale Sicherheit und effiziente gravimetrische und volumetrische Eigenschaften eines Kraftwerks zu gewährleisten, einschließlich eines Gasspeichersystems und des Gastransports zu den Brennstoffzellen.
Die Aufgabe wird basierend auf folgendem gelöst:

Multikapillares Gasspeichersystem mit einem Bündel von Mikrokapillaren, die an einem Ende abgedichtet sind, dadurch gekennzeichnet, dass Mikrokapillaren mit Metallstopfen abgedichtet sind, der Raum zwischen den Mikrokapillaren mit Kunststoffmaterial gefüllt ist und die Mikrokapillaren zylindrisch geformt sind und einen konstanten Querschnitt in der Nähe geschlossener Enden aufweisen, der näher an den offenen Enden auf den Wert sinkt, bei dem Mikrokapillaren flexibel werden und eine flexible Gasleitung bilden.

Multikapillares Gasspeichersystem mit einem Bündel von Mikrokapillaren, die an einem Ende abgedichtet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikrokapillaren mit Metallstopfen abgedichtet sind, dass die Mikrokapillaren in Form von sechseckigen prismatischen Kapillaren mit gemeinsamen Schnittsstellen hergestellt sind, während die Außenflächen der Umfangskapillaren zylindrisch sind, wobei die Kapillaren an den geschlossenen Enden einen konstanten Querschnitt aufweisen, der dann näher an den offenen Enden auf den Wert abnimmt, bei dem die Mikrokapillaren unter Bildung einer flexiblen Gasleitung flexibel werden.
Die Multikapillarstruktur einer der oben genannten Ausführungsformen unterscheidet sich dadurch, dass die Mikrokapillaren aus Glas, Quarz oder Basalt bestehen.
Die Multikapillarstruktur nach einer der vorstehend beschriebenen Varianten ist dadurch gekennzeichnet, dass als Material der Metallstopfen eine Metalllegierung mit einem niedrigen Schmelzpunkt und einer hohen Haftung am Mikrokapillarmaterial ausgewählt wird.
Die Multikapillarstruktur einer der oben genannten Ausführungsformen unterscheidet sich dadurch, dass als Material für die Stopfen eine Indium-Zinn-Legierung gewählt wurde.
Mehrkapillarstruktur gemäß einer der obigen Optionen, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge des Stöpsels L durch die Formel bestimmt wird: $L > \frac{P \cdot r}{2 \cdot k}$
wobei r der Innendurchmesser der Kapillare ist, k die Haftkraft der Legierung mit einer Einheit der Glasoberfläche ist, P der erforderliche Gasdruck innerhalb der Kapillare ist.
Nach einer der oben beschriebenen Varianten ist die Multikapillarstruktur dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis der Wanddicke zum Radius der Mikrokapillaren im Bereich des konstanten Querschnitts von 0,1% bis 10% betragen sollte.
Nach einer der oben beschriebenen Varianten ist die Multikapillarstruktur dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis der Wanddicke zum Radius der Mikrokapillaren im Bereich des konstanten Querschnitts von 0,1% bis 2% betragen sollte.
Die Multikapillarstruktur einer der oben genannten Ausführungsformen unterscheidet sich dadurch, dass Epoxidharz oder Epoxidkleber als Kunststoffmaterial verwendet wird.
Die vorliegende Erfindung ist eine Vorrichtung zum Speichern und Transportieren von komprimiertem Wasserstoffgas zu Brennstoffzellen, einschließlich einer oder mehrerer Wasserstoffgas enthaltender Multikapillareinheiten, einer flexiblen Multikapillargasleitung, die mit den Multikapillareinheiten zum Transport von gespeichertem Wasserstoff zur Brennstoffzelle integriert ist, und eines Wasserstoff-Einlass- und -Auslasssteuerungssystem einschließlich Drucksensoren und Gasleitungsventilen.
Gemäß einer der Optionen beinhaltet die Vorrichtung eine sechseckige Mehrkapillarstruktur, die aus einem Satz dicht gepackter zylindrischer Glasmikrokapillaren besteht, deren eines Ende mit Metallstopfen verschlossen ist. Der Hauptunterschied zu Analogen besteht darin, dass der Raum zwischen den zylindrischen Mikrokapillaren mit Epoxidharz oder anderem Kunststoff gefüllt ist, was die monolithische Struktur gewährleistet, die Diffusion von Wasserstoff durch die Wände der Kapillaren in das umgebende Medium verhindert und die Festigkeit der Kapillaren durch das Füllen von Rissen in Nanometergröße an der Außenfläche der Kapillaren erhöht.
In einer weiteren Ausführungsform besteht die Multikapillarstruktur aus dicht verschweißten sechseckigen prismatischen (hexagonalen) Kapillaren. Im Gegensatz zu Analoga haben die äußeren Kapillaren jedoch eine besondere Form, so dass die flachen Kanten der Prismen durch Segmente der zylindrischen Oberfläche ersetzt werden. Dies führt dazu, dass die Außenfläche der Mehrkapillarstruktur unter Gasinnendruck gedehnt und nicht wie bei ebenen Flächen gebogen wird, was zu einer kaskadierenden Zerstörung der Struktur bei hohen Gasdrücken führt.
Die Stopfen bestehen aus einer niedrigschmelzenden Legierung mit hoher Haftung an Glas, vorzugsweise einer Indium-Zinn-Legierung, wobei die Länge der Stopfen proportional zum Durchmesser der Mikrokapillaren und umgekehrt proportional zum Grad der Haftung ist.
Der Hauptunterschied zu den Analoga besteht in der Form der Multikapillarstruktur. Eine Multikapillarstruktur hat bei einer bestimmten Länge einen konstanten Querschnitt, der dann stark abnimmt auf den Wert, bei dem die Multikapillaren sehr flexibel werden. Der Flexibilitätsbereich von Multikapillaren ist die Länge, die für den Transport von Wasserstoff zur Brennstoffzelle benötigt wird. Dadurch entsteht eine flexible, in das gespeicherte Wasserstoffvolumen integrierte, multikapillare Gasleitung, die der Wasserstoffversorgung der Brennstoffzelle dient. Eine flexible multikapillare Gasleitung kann mit einem Außenmantel versehen sein, der sie vor äußeren mechanischen Einflüssen schützt. Aus mehreren mehrkapillaren Strukturen wird durch Kombination mit Epoxidharz ein Wasserstoffspeicher mit ausreichendem Volumen und beliebiger Form erzeugt. Die Lagereinrichtung kann eine Außenhülle aus einem leichten porösen Polymer aufweisen, die sie vor Stößen schützt. Das Gerät als Ganzes beinhaltet auch ein einstellbares Auslassventil, das mit dem Ende einer flexiblen multikapillaren Gasleitung verbunden ist.
Es ist zu beachten, dass die Vorrichtung nach der vorliegenden Erfindung auch für die Lagerung und Freisetzung anderer Gase als Wasserstoff verwendet werden kann, z.B. Methan, Sauerstoff, Helium, eine Mischung aus Wasserstoff und Methan, eine Mischung aus Sauerstoff und Helium und anderen Gasen sowie deren Mischungen.
Die obigen Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung sowie die Methoden zu ihrer Verwirklichung werden durch die weitere Beschreibung von Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die Abbildungen in den Zeichnungen klarer und verständlicher.
Figurenliste

1 - Der Querschnitt der Struktur von dicht gepackten zylindrischen Glasmikrokapillaren innerhalb des Gasspeicherbereichs.
2 - Ansicht der Struktur von dicht verschweißten sechseckigen prismatischen (hexagonalen) Kapillaren von den geschlossenen Enden der Kapillaren.
3 - Die Form einer Multikapillarstruktur, bei der der Gasspeicherbereich in eine flexible multikapillare Gasleitung übergeht.
4 - Eines der möglichen Schemata für die Kombination von Multikapillarstrukturen zu einem einzigen Gasspeicher beliebiger Form.
5 - Möglicher Aufbau eines multikapillaren Gasleitungskabels.

In den Zeichnungen bezeichnen die Zahlen die folgenden Elemente:

1. Mikrokapillaren
2. Kunststoffmaterial
3. Kapillarstopfen
4. Außenflächen der Kapillaren
5. Multikapillarblöcke
6. Teile der Gasleitung
7. Gasleitung
8. Druckminderer
9. Puffervolumen für Wasserstoff bei reduziertem Druck
10. Brennstoffzellen
11. multikapillarer Leitungsträger
12. Polyethylen-Ummantelungl
13. Kevlar- oder Kohlefaserwicklung
14. stoßfeste Kabelummantelung

AUSFÜHRUNGSFORM DER ERFINDUNG
1 zeigt den schematischen Querschnitt der ersten Ausführungsform einer Multikapillareinheit zur Speicherung und zum Transport von Wasserstoff zur Brennstoffzelle. Die Struktur besteht aus einem Satz identischer zylindrischer dünnwandiger Glasmikrokapillaren (1), die dicht in eine hexagonale oder andere Matrix verpackt sind, die von den Enden mit Metallstopfen (3) mit ausreichend niedrigem Schmelzpunkt des Metalls verschlossen sind, eine ausreichend gute Haftung am Glas und chemische Beständigkeit gegen Wasserstoff aufweisen, wie beispielsweise die Indium-Zinn-Legierung In50Sn. Nachdem die Schmelze unter den Schmelzpunkt abgekühlt ist, bildet sich in den Kapillaren ein massiver Metallstopfen (3). Die Länge des Stopfen L wird gemäß der Bedingung gewählt, wonach eine Überschreitung der Haftkraft des Stopfen mit der Innenfläche der Kapillare vorliegt, die den Stopfen herausdrückt, wenn die Kapillare mit Gas mit Druck P gefüllt ist.
Nach Berechnungen muss die Länge des Rohres L die Bedingung erfüllen $L > \frac{P \cdot r}{2 \cdot k}$
wbei r der Innendurchmesser der Kapillare ist, k die Haftkraft der Legierung mit einer Einheit der Glasoberfläche ist.
Das Material der Kapillaren (1) kann aus verschiedenen Glas-, Quarz- oder Basaltarten bestehen. Aus den entsprechenden Vorformen können Multikapillaren gezogen werden, indem sie bei erhöhten Temperaturen ohne weitere Kristallisation erweichend gewonnen werden. Um die Wahrscheinlichkeit des Auftretens von Rissen in Nanometergröße mit einer kritischen Tiefe auf der Oberfläche von Mikrokapillaren zu minimieren, sollte deren Wanddicke vorzugsweise weniger als 10 Mikron, weiter vorzugsweise weniger als 2 Mikron betragen.
Um das Gewicht des Mikrokapillarsystems zu minimieren, sollte das Verhältnis der Wanddicke zum Radius der Mikrokapillaren vorzugsweise von 0,1% bis 10%, weiter vorzugsweise von 0,1% bis 2% betragen.
Der Raum zwischen den Mikrokapillaren (1) ist mit Kunststoffmaterial (2) gefüllt, z.B. Epoxidkleber, Epoxidharz (z.B. Klebstoff Colltech CT 1010), dessen flüssige Monomerphase eine ausreichend niedrige Viskosität aufweist und in der Lage ist den Raum innerhalb und zwischen den Mikrokapillaren leicht zu füllen. Es ist zu beachten, dass auch andere Klebstoffe mit ähnlichen Eigenschaften verwendet werden können.
Da die Anstiegshöhe des Monomers (die flüssige Phase des Kunststoffs) durch Kapillarkräfte umgekehrt proportional zum Durchmesser des Kanals ist, dringt das Monomer in den Zwischenkapillarraum bis zu einer Tiefe ein, die größer ist als die der Kapillare selbst. Die Polymerisation der monomeren Phase des Klebstoffs erfolgt unter dem Einfluss von ultravioletter Strahlung oder Erwärmung. Nach der Polymerisation müssen die geschlossenen Enden der Kapillaren geschnitten werden, wobei der Zwischenkapillarraum geschlossen bleibt. Das Füllen des Zwischenkapillarraums mit einem Kunststoffmaterial (2) stellt eine monolithische Struktur bereit, verhindert die Diffusion von Wasserstoff durch die Wände von Kapillaren in die Umgebung und erhöht die Festigkeit der Kapillaren durch die Abdeckung möglicher nanometergroßer Risse an der Außenfläche von Kapillaren. Zur Herstellung der Stopfen (3) werden die offenen Enden der Mikrokapillaren in die geschmolzene Metalllegierung eingetaucht und mit einer Pumpe eine gewisse Luftverarmung in den Kapillaren erzeugt.
Die zweite Ausführungsform ist in 2 schematisch dargestellt. In diesem Fall haben die inneren Mikrokapillaren (1) die Form von sechseckigen Prismen mit gemeinsamen Flächen, die im Querschnitt eine Wabenstruktur bilden, und die äußeren Mikrokapillaren haben eine besondere Form, wobei sie anstelle von flachen Flächen zylindrische Flächen (4) auf der Außenfläche aufweisen und daher keine Biegeverformung erfahren, wenn die Struktur unter dem für die Glasfestigkeit kritischen Gasinnendruck steht. Die entsprechende Form der Außenflächen kann z.B. aus ebenen Flächen durch Erwärmen einer multikapillaren Struktur von vollhexagonalen Prismen mit allen zuvor verschweißten Enden der Struktur erreicht werden. Durch den bei der Erwärmung entstehenden Innendruck aufgrund der Luftausdehnung innerhalb der Kapillaren verformt sich die Oberfläche der äußeren Kapillaren, wenn die Viskosität des Glases niedrig genug ist. Zur Herstellung der Stopfen (3) wird das zunächst offene Ende der Mikrokapillaren in die geschmolzene Metalllegierung eingetaucht und mit einer Pumpe eine gewisse Luftverarmung innerhalb der Kapillaren erzeugt.
Eine Gesamtansicht des sechseckigen Multikapillarblocks ist in 3 schematisch dargestellt. Der Multikapillarblock (5) kann mehrere zehn bis mehrere hunderttausend Mikrokapillaren (1) enthalten und weist im Gasspeicherbereich einen Querschnitt von mehreren Quadratmillimetern bis zu mehreren zehn Quadratzentimetern auf. Die Form des Blocks ist nicht auf das Sechseck beschränkt und kann eine andere geometrische Form aufweisen, z.B. die Form eines Quaders oder eine andere Form, die eine anschließende enge Verpackung der Blöcke in einem Mikrokapillarsystem ermöglicht.
Im Bereich des Gastransports (6) sollten die Querabmessungen des Blocks genügend Flexibilität für Multikapillaren (1) bieten, vorzugsweise sind dies Querabmessungen unter 300 Mikron. Die flexiblen Enden des Mikrokapillarblocks (5) können beispielsweise durch Erwärmen von Mehrkapillaren (1) auf eine Temperatur erreicht werden, bei der die Viskosität auf einen Wert reduziert wird, bei dem die Taillierung des Blocks möglich wird. Ein solches Verfahren wird beispielsweise bei der Herstellung von Glas-Multikapillarstrukturen mit variablem Querschnitt für Röntgenoptiken in der TOSS LLC (http://www.tegs.ru/?p=261) eingesetzt. Beim Ziehen wird die innere Struktur der Multikapillare (1) unter Beibehaltung ihrer Geometrie auf eine kleinere Größe skaliert.
Ein Mikrokapillarsystem zur mobilen Speicherung von Brenngasen und deren Transport zu Brennstoffzellen ist in 4 schematisch dargestellt. Ein solches System kann durch Sintern oder Kleben (oder einen anderen ähnlichen Vorgang) mehrerer Blöcke (5) zu einer Struktur beliebiger Form erhalten werden, während die flexiblen Enden (6) von Multikapillaren zu einem Multikapillarkabel (7) kombiniert werden. Das Kabelende ist z.B. mit Epoxidkleber mit dem Eingang eines Hochdruckregelventils (Druckregler) (8) verbunden. Dessen Ausgang (8) ist mit dem Puffervolumen (Kollektor) (9) verbunden, wobei der Gasdruck auf dem für den Normalbetrieb der Brennstoffzelle (10) erforderlichen Niveau gehalten wird. Wenn beispielsweise der Wasserstoffdruck im Mikrokapillarsystem 100 MPa erreichen kann, sollte er im Puffervolumen auf 0,1-0,5 MPa reduziert werden. Als Druckreduzierregler (8) kann jedes bekannte Hochdruckventil verwendet werden, z.B. das bekannte BuTech 316SS-Ventil, das für den Betrieb mit Wasserstoff bei einem Eingangsdruck von bis zu 100 MPa ausgelegt ist.
Der Querschnitt der Multikapillarleitung ist in 5 schematisch dargestellt. Die Multikapillarleitung (7) kann ein Trägerkabel aus Glasfaser oder Metall (11) aufweisen, das vorzugsweise mit einem Polyethylenmantel (12) ummantelt ist, der zur Zentrierung einzelner Gasleitungen (6) dient, dem Kabel (7) mechanische Steifigkeit verleiht und das Kabel im Kupplungsgetriebe (8) sichert. Das Kabel kann mit einer Schicht aus Aramid- oder Kohlefasern (13) und / oder einer weichen Ummantelung (14), z.B. aus Polyurethanschaum, beschichtet werden, um vor unbeabsichtigten äußeren Beschädigungen bei der Führung von Multikapillarblöcken an das Puffervolumen zu schützen.
GEWERBLICHE ANWENDBARKEIT
Die Erfindung kann auf der Grundlage der vorliegenden Beschreibung umgesetzt werden. Alle notwendigen Mittel und Methoden sind in der Beschreibung offenbart oder dem Fachmann bekannt.
Es ist auch zu berücksichtigen, dass die in dieser Anmeldung dargestellten Grafiken nur zur Veranschaulichung dienen und nicht als Einschränkung gedacht sind. Es ist zu beachten, dass die Zeichnungen, die verschiedene Beispiele für das Gerät gemäß der vorliegenden Erfindung veranschaulichen, aus Gründen der Übersichtlichkeit ohne Rücksicht auf Maßstab und Proportionen gegeben sind. Es ist auch zu beachten, dass die Blöcke und anderen Elemente in diesen Figuren ausschließlich funktionale Einheiten sind, so dass die funktionalen Beziehungen zwischen diesen Einheiten dargestellt ist und nicht eine physikalische Verbindungen und/oder physikalische Interaktionen. Die Erfindung kann im Rahmen der beanspruchten Formel und anderer als der beschriebenen Optionen durchgeführt werden, die für einen Fachmann auf diesem technischen Gebiet offensichtlich sind.
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 10343250 A1 [0005]
RU 2327078 C2 [0006]
RU 2339870 C1 [0006]
US 20090120811 A1 [0006]
EP 2062850 A3 [0006]
US 20150236362 A1 [0007]
US 2013186904 A1 [0007]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Zhevago N.K., Denisov E.I., Glebov V.I., International Journal of Hydrogen Energy, 2010, v. 35, S. 169-175 [0004]

Claims

Multikapillares Gasspeichersystem mit einem Bündel von an einem Ende abgedichteten Mikrokapillaren, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikrokapillaren mit Metallstopfen abgedichtet sind, der Raum zwischen den Mikrokapillaren mit Polymermaterial gefüllt ist und die Mikrokapillaren selbst zylindrisch geformt sind und an den geschlossenen Enden einen konstanten Querschnitt aufweisen, der dann näher an den offenen Enden auf den Wert abnimmt, bei dem die Mikrokapillaren flexibel werden um eine flexible Gasleitung zu bilden.
Multikapillares Gasspeichersystem mit einem Bündel von an einem Ende abgedichteten Mikrokapillaren, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikrokapillaren mit Metallstopfen abgedichtet sind, die Mikrokapillaren in Form von sechseckigen prismatischen Kapillaren mit gemeinsamen Schnittstellen hergestellt sind, wobei die Außenflächen der Bündelumfangskapillaren zylindrisch sind, wobei die Kapillaren an den geschlossenen Enden einen konstanten Querschnitt aufweisen, der dann näher an den offenen Enden auf den Wert abnimmt, bei dem die Mikrokapillaren flexibel werden um eine flexible Gasleitung zu bilden.
Multikapillarstruktur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikrokapillaren aus Glas, Quarz oder Basalt bestehen.
Multikapillarstruktur nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikrokapillaren aus Glas, Quarz oder Basalt bestehen.
Multikapillarstruktur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Metalllegierung mit einem niedrigen Schmelzpunkt und einer hohen Haftung am Material von Mikrokapillaren als Material der Metallstopfen gewählt wird.
Multikapillarstruktur nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Metalllegierung mit einem niedrigen Schmelzpunkt als Material der Metallstopfen mit hoher Haftung an mikrokapillarem Material ausgewählt wird.
Multikapillarstruktur nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass als Material der Stopfen eine Indium-Zinn-Legierung gewählt wird.
Multikapillarstruktur nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass als Material der Stopfen eine Indium-Zinn-Legierung gewählt wird.
Multikapillarstruktur nach Anspruch 1, wobei die Länge L des Rohres durch die Formel bestimmt wird: $L > \frac{P \cdot r}{2 \cdot k}$
wobei r der Innendurchmesser der Kapillare ist, k die Haftkraft der Legierung mit einer Einheit der Glasoberfläche ist, P - der erforderliche Gasdruck innerhalb der Kapillare ist.
Multikapillarstruktur nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge L des Rohres durch die Formel bestimmt wird: $L > \frac{P \cdot r}{2 \cdot k}$
wobei r der Innendurchmesser der Kapillare ist, k die Haftkraft der Legierung mit einer Einheit der Glasoberfläche ist, P - der erforderliche Gasdruck innerhalb der Kapillare ist.
Multikapillarstruktur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis der Wanddicke zum Radius der Mikrokapillaren an einem beliebigen Kapillarquerschnitt 0,1 % bis 10% betragen sollte.
Multikapillarstruktur nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis der Wanddicke zum Radius der Mikrokapillaren an einem beliebigen Kapillarquerschnitt 0,1% bis 10% betragen sollte.
Multikapillarstruktur nach Anspruch 11, wobei das Verhältnis Wanddicke zu Radius der Mikrokapillaren an jedem Kapillarquerschnitt 0,1 % bis 2% betragen sollte.
Multikapillarstruktur nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis der Wanddicke zum Radius der Mikrokapillaren an einem beliebigen Kapillarquerschnitt 0,1 % bis 2% betragen sollte.
Multikapillarstruktur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Polymermaterial Epoxidharz oder Epoxidkleber verwendet wird.
Multikapillarstruktur nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Polymermaterial Epoxidharz oder Epoxidkleber verwendet wird.