DE3338879C2

DE3338879C2 - Druckgasbehälter

Info

Publication number: DE3338879C2
Application number: DE3338879A
Authority: DE
Inventors: Otto Dipl.-Ing. 4100 Duisburg Wessel
Original assignee: Mannesmann AG
Current assignee: Vodafone GmbH
Priority date: 1983-10-24
Filing date: 1983-10-24
Publication date: 1986-11-13
Also published as: US4598836A; FR2553865B1; GB8426742D0; IT8422616A0; GB2148478A; DE3338879A1; IT1175700B; JPS6098294A; BR8405361A; FR2553865A1; GB2148478B

Description

Gleichzeitig muß aber der für die Volumenänderung der Speichermasse benötigte Ausdehnungsraum vorhanden sein. Sichergestellt wird dieses dadurch, daß in die Speichermasse ein oder mehrere volumenkomprimierbare Federkörper eingebettet werden. Unter einem volumenkomprimierbaren Federkörper soll ein Körper verstanden werden, der unter äußerer Druckeinwirkung sein Volumen verringert und bei Druckentlastung sein Volumen elastisch in entsprechender Weise wieder vergrößert.

Im unbeladenen Zustand nimmt die Speichermasse in dem Druckgasbehälter das Volumen Vt ein, während der Volumenanteil des oder der Federkörper V2 beträgt Der Druckgasbehälter ist vollständig mit Feststoffen gefüllt. Beim Beladen des Druckgasbehälters mit Wasserstoff wächst das Volumen der Speichermasse auf den Betrag VV, während sich das Volumen des oder der Federkörper unter dem Druck der anschwellenden Speichennasse auf den Betrag V 2' verringert Dabei gilt die Beziehung Vi + V2 = VV + V2¹. Auch im beladenen Zustand ist der Druckgasbehälter also vollständig mit Feststoffen gefüllt

Selbstverständlich gibt es für den Gasaus<ausch in jedem Ladezustand des Druckgasbehälters zwischen den Körnern der Speichermasse noch gasgefüllte Hohlräume; die jedoch bei dieser Betrachtung nicht gesondert zu berücksichtigen sind, da ihre Größe jeweils so gering ist daß auch die kleinsten Körner der Speichermasse nicht in sie eindringen können; ihr Volumen ist hier dem Volumen der Speichermasse zugerechnet.

Beim Entladen des Druckgasbehälters verringert sich das Volumen der Speichermasse wieder, so daß auch ihr Druck auf die Federkörper nachläßt und diese sich wieder ausdehnen können. Daduch wird sichergestellt daß zu keiner Zeit während des Be- und Entladens des Druckgasbehälters im Behälterinneren Hohlräume entstehen, die nicht von Feststoffen ausgefüllt sind. Damit sind unerwünschte Verlagerungen und entsprechende Konzentrationen der Speichermasse an bestimmten Stellen ebenso wie die damit verbundenen plastischen Verformungen des Druckgasbehälters ausgeschlossen.

Um eine besonders gute Kompensationswirkung für die Volumenänderung der Speichermasse zi; erzielen, ist es zweckmäßig, mehrere Federkörper in dem Druckgasbehälter anzuordnen. Die Federkörper können dabei als Hohlkörper, z. B. als Hohlkugeln, ausgebildet sein.

Von besonderem Vorteil ist die Verwendung von Federkörpern, deren Außenwände aus Metall bestehen, da Metalle durchweg gute Wärmeleiter sind und eine gute Wärmeleitung von außen in das Behälterinnere das Be- und Entladen des Druckgasbehälters erleichtert. Die Elastizität eines als Hohlkörper ausgebildeten Federkörpers kann z. B. durch eine mechanische Druckfeder im Inneren des Hohlkörpers bewirkt werden. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden die Federkörper, die als Hohlkörper ausgebildet sind, mit einem Medium (z. B. Aceton, Methanoi, Propan oder Butan) gefüllt, das bei den Drücken und Temperaturen, die bei der Beladung des Druckgasbehälters herrschen, flüssig und unter den Drücken und Temperaturen in der Phase des Entladens gasförmig ist. Gegenüber der Beladung herrschen bei der Entladung die niedrigeren Drücke und höheren Temperaturen vor. Durch die Verflüssigung des Mediums beim Beladen wird die Tendenz des Federkörpers iur Volumenverringerung unterstützt, während beim Entladen der Übergang des Mediums in die gasförmige 'Phase die erwünschte Volumenausdehnung des Federkorpers unterstützt Sofern als Speichermasse ein Material verwendet wird, bei dem weder das Beladen noch das Entladen zu hohen Temperaturen (z. B. max. 100⁰C) führt können vorteilhaft Federkorper aus einem geschäumten Kunststoff mit geschlossenen Poren im Inneren des Druckgasbehälters angeordnet werden.

Insbesondere bei der Verwendung von Hohlkugeln als Federkörper bietet es sich an, diese regellos in dem Druckgasbehälter anzuordnen. Dadurch ergibt sich eine besonders einfache Herstellung des Druckgasbehälters. In einer bevorzugten Ausführungsform weisen die Federkörper eine länglich gestreckte Außenform auf und sind parallel zur Längsachse des Druckgasbehälters ausgerichtet Die Länge der Federkörper entspricht jeweils etwa der Länge des Druckgasbehälters. Diese Anordnung empfiehlt sich, wenn der Druckgasbehälter im Betriebszustand mit seiner Längsachse horizontal ausgerichtet ist Soll der Druckgasbehälter dagegen mit seiner Längsachse vorzugsweise senkrechi betrieben werden, so empfiehlt es sich, die Fed«" *.örper scheibenförmig auszubilden und sie entlang dei Längsachse des Druckgasbehälters im Abstand voneinander anzuordnen.

Die Federkörper sollen dabei so ausgebildet sein, daß sie die Querschnittsfläche des Druckgasbehälters jeweils vollständig ausfüllen. Dadurch wird der Druckgasbehälter in axial hintereinander angeordnete Volumenabschnitte aufgeteilt die mit Speichennasse gefüllt sind.

Damit der Wasserstofffluß duch die einzelnen VoIu menabschnitte hindurch stattfinden kann, ist koaxial im Inneren des Druckgasbehälters ein poröses Gasrohr oder aber ein entsprechender poröser stabförmiger Feststoffkörper angeordnet Zur Verbesserung des Wärmeflusses, der beim Beladen aus dem Inneren des Druckgasbehälters nach 2ußen und beim Entladen in das innere des Druckgasbehälters gerichtet ist. ist es vorteilhaft die Federkörper außen mit flächigen Ansätzen zu versehen, die an der Innenoberfläche der Eehälterwand des Druckgasbehälters anliegen. Eine weitere Verbesserung des Wärmeaustausches mit der Umgebung ergibt sich, wenn die Federkörper zumindest im Bereich ihrer Oberfläche einschließlich der flächigen Ansätze aus einem Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit gebildet sind.

In manchen Fällen wird es vorteilhaft sein, mehrere erfindungsgemäße Druckgasbehälter miteinander zu koppeln und daraus einen Wasserstoffspeicher zu bilden. Der Querschnitt des Druckgasbehälters kann im übrigen eine beliebige Form haben, z. B. Kreis. Sechseck, u. a.

Die Erfindung wird im folgenden anhand einiger Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigt
F i g J ?inen Querschnitt durch einen Druckgasbehälter mit längs angeordneten, als Hohlkörper ausgebildeten Federkörpern,

F i g. 2 einen Querschnitt durch einen Druckgasbehälter mit längs ausgerichteten, als Hohlkörper ausgebildeten und mit flächigen Ansätzen versehenen Federkörpern,

F i g. 3 einen Querschnitt durch einen Druckgasbehälter mit längs ausgerichteten, als schaumstoffg'füllte Hohlkörper ausgebildeten und mit flächigen Ansätzen versehenen Federkörpern,

Fig.4 einen Längsschnitt durch einen Druckgasbehälter mit scheibenförmigen, quer zur Behälterachse ausgerichteten, als Hohlkörper ausgebildeten Federkörpern,

F i g. 5 einen Längsschnitt durch einen Druckgasbehälter mit scheibenförmigen und mit flächigen, an der Behälterwand innen anliegenden Ansätzen versehenen Federkörpern und einer Füllung mit einem elastischen Schaumfstoff. s

Der in Fig. 1 im Querschnitt dargestellte Druckgasbehälter 3 enthält insgesamt fünf entlang der Behälterachse ausgestreckte flache Federkörper 2, die als Hohlkörper ausgebildet sind. Die Federkörper 2 erstrecken sich über die gesamte Länge des Druckgasbehälters 3 und berühren dessen zylinderförmigen Mantel S innen entlang einer Mantellinie. Ebenso berühren sie das koaxial zur Behälterachse angeordnet poröse Gasrohr 4 entlang einer Mantellinie. Hierdurch wird das Behälterinnere in fünf Teilvolumina, die jeweils zwischen zwei Federkörpern 2, der Behälterwand S und dem Gasrohr 4 gebildet sind, aufgeteilt Diese Teilvolumina sind jeweils vollständig mit Speichermasse 1 verfüllt.

Beim Beladen des Druckgasbehälter 3 nsit Wasserstoff dehnt sich die Speichermasse 1 aus und drückt dabei auf die Federkörper 2. Diese geben dem äußeren Druck nach und verringern ihr Volumen. Das Volumen der Federkörper 2 ist unter Berücksichtigung ihrer Kompressibilität so bemessen, daß sie auch im voll beladenen Zustand des Druckgasbehälters die auftretende Volumenänderung der Speichermasse 1 aufnehmen können, ohne daß die Speichermasse 1 auf die Behälterwand S einen Druck ausübt, der zu eine plastischen Verformung der Behälterwand 5 führen würde. Bei der Entladung des Druckgasbehälters 3 schrumpft die Speichermasse 1 wieder. Der Druck auf die Federkörper 2 läßt nach, so daß diese sich wieder ausdehnen. Das Schrumpfen der Speichermasse 1 führt also im Behälterinneren nicht zur Bildung von Hohlräumen. Auf diese Weise wid vermieden, daß die Speichennasse 1 evtl. durch äußere Erschütterungen des Druckgasbehälters 3 in Bewegung gerät und sich an bestimmten Stellen konzentriert, sich dort verfestigt und beim nächsten Beladevorgang plastische Verformungen der Behälterwand 5 hervorruft

Das ebenfalls im Querschnitt dargestellte Ausführungsbeispie! in F i g. 2 weist vier Federkörper 2 auf, die wiederum als Hohlkörper ausgebildet sind, im Unterschied zu dem Druckgasbehälter in F i g. 1 jedoch außen mit flächigen Ansätzen 6 versehen sind. Diese flächigen Ansätze 6 liegen auf der Innenseite des Druckgasbehälters 3 an der Behälterwand 5 an. Die Oberfläche der Federkörper 2 einschließklich der flächigen Ansätze 6 ist aus einem Material mit guter Wärmeleitfähigkeit gebildet Hierdurch wird der Wärmeaustausch mit der Speichennasse 1 wesentlich erleichtert

Eine ähnliche Ausführungsform wie in Fig.2 ist in F i g. 3 dargestellt Hier sind die ebenfalls als Hohlkörper ausgebildeten Federkörper 2 innen mit einem elastischen Schaumstoff gefüllt

Während in den Fig. 1 bis 3 Druckgasbehälter gezeigt sind, die in erster Linie für den Betrieb in horizontaler Lage geeignet sind, sind in F i g. 4 und 5 im Längsschnitt zwei Behälter dargestellt, die für den stehenden Einsatz vorgesehen sind, d. h. daß die Behälterachse vertikal ausgerichtet ist

Die Federkörper 2 in F i g. 4 sind als scheibenförmige Hohlkörper ausgebildet, die im Abstand entlang der Achse des Druckgasbehälters 3 angeordnet sind. Die Federkörper 2 erstrecken sich dabei in radialer Riehtung über den gesamten Raum zwischen dem Gasrohr 4 und der Außenwand 5 des Druckgasbehälters 3. Auf diese Weise wird jeweils zwischen zwei Federkörpern 2 ein abgeschottetes Teilvolumen im Inneren des Druckgasbehälters 3 gebildet. Jedes dieser Teilvolumina ist jeweils vollständig mit Speichermasse 1 gefüllt. Im Unterschied zu den Druckgasbehältern gemäß F i g. 1 bis 3, bei denen sich die Speichermasse 1 in Umfangsrichtung des Druckgasbehälters 3 ausdehnen kann, findet in F i g. 4 die Ausdehnung der Speichermasse 1 beim Beladen mit Wasserstoff in axialer Richtung statt.

Der Druckgasbehälter 3 in Fig.5 weist im Unterschied zu F i g. 4 Federkörper 2 auf, die außen mit flächigen, an der Behälterwand 5 innen anliegenden Ansätzen 6, versehen sind. Entsprechend dem Ausführungsbeispiel in F i g. 3 sind auch hier die Hohlräume der Federkörper 2 mit einem elastischen Schaumstoff 7 gefüllt.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

1 2 Die Erfindung betrifft einen Druckgasbehälter für die Patentansprüche: Speicherung von Wasserstoff auf der Basis einer Gas/ Feststoffreaktion gemäß dem Oberbegriff des Patent-

1. Druckgasbehälter für die Speicherung von Was- anspruches 1.

serstoff auf der Basis einer Gas-/Feststoffreaktion, 5 Es ist bekannt, Wasserstoff in einem Behälter, der mit

der mit Speichermasse verfüllt ist und ein volumen- einer pulverisierten Speichermasse aus einem hydridbil-

komprimierbares Federelement aus einem hinsieht- denden Metall gefüllt ist, zu speichern. Der Wasserstoff

lieh der bei der Be- und Entladung des Druckgasbe- wird in einem exothermen Vorgang bis zu einem gewis-

hälters mit Wasserstoff auftretenden Temperaturen sen Grade von der Speichennasse aufgenommen. Die

beständigen Material enthält, wobei das Federele- 10 Entladung des Behälters geschieht in der Weise, c,jß der

ment derart elastisch ist, daß auch im entladenen Speichermasse Wärme zugeführt wird, wodurch der

Zustand das Behältervolumen mit der Speichermas- Wasserstoff wieder freigesetzt wird. Die Aufnahme des

se und dem Federelement vollständig ausgefüllt ist Wasserstoffs durch die Speichennasse ist mit einer

und die gesamte Speichermasse stets unter zumin- deutlichen Volumenzunahme der Speichennasse ver-

dest einer geringen mechanischen Druckeinwirkung 15 bunden. Diese führt insbesondere bei Druckgasbehäl-

steht, dadurch gekennzeichnet, daß das lern für den mobilen Einsatz nach mehreren Be- und

Federelement in Gestalt einzelner Federkörper (2) Entladevorgängen häufig zu plastischen Verformungen

in der Speichermasse eingebettet ist der Behälterhülle. Diese Erscheinung tritt selbst dann

2. Druckgasbehälter nach Anspruch 1, dadurch auf, wenn bei der Füllung des Behälters mit der Speigekennzeichnet, daß die Federkörper als Hohlkör- 20 chermasse ein Teilvolumen des Behälters für die Ausper ausgebildet sind. dehnung der Speichennasse freigehalten wird. Der

3. Druckgasbehälter nach Anspruch 2, dadurch Grund hierfür ist, daß sich die pulverförmige Speichergekennzeichnet, daß die Außenwände der Federkör- masse nach mehreren Be- und Entladevorgängen und per (2) aus Metall bestehen. durch Rütteln so stark verfestigt, daß sie das an sich zur

4. Druckgasbehälter nach Ajispruch 2 oder 3, da- 25 Verfügung stehende Ausdehnungsvolumen nicht ausfüldurch gekennzeichnet, daß die Federkörper (2) mit len kann, sondern mit hohem Druck auf die Behältereinem Medium gefüllt sind, das unter den Druck- wand einwirkt und diese plastisch verformt. Aus Sicherund Temperaturbedingungen während der BeIa- heitsgründen sind soi Jie Verformungen, insbesondere dung des Druckgasbehälters (3) mit Wasserstoff flüi- an Druckgasspeichern für den mobilen Einsatz (Fahrsig, unter den Druck- und Temperaturbedingungen 30 zeugtank), jedoch nicht zulässig. Zur Lösung dieses Prowährend der Entladung des Druckgasbehälters je- blems wurden bereits mehrere Vorschläge gemacht doch gasförmig ist. So ist aus der DE-OS 31 50 133 ein Druckgasbehälter

5. Druckgasoehälter nach Anspruch 1, dadurch bekannt, der zwischen Matrixkörper und Behälterwand gekennzeichnet, daß «lie Fc Jerkörper (2) als eine Deformationszone aus einem elastisch verformba-Schaumstoffkörper mit gtjchlossensn Poren ausge- 35 ren porigen, wärmeleitenden Material aufweist Dabildet sind. durch, daß der Matrixkörper z. B. in diese Deforma-

6. Druckgasbehälter nach einem der Ansprüche 2 tionszone eingepreßt werden kann, wird zumindest bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung nach der ersten Behandlung ein ständiger Druck auf der Federkörper (2) regellos ist. diese Speichermasse ausgeübt

7. Druckgasbehälter nach einem der Ansprüche 1 40 Ferner ist es aus dem J P-Abstract .^8-37 396 bekannt, bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Federkörper einen volumenkomprimierbaren Federkörper wie bei-(2) eine länglich gestreckte Form aufweisen, parallel spielsweise ein schaumartiges Aluminiummaterial in die zur Längsachse des Druckgasbehälters (3) ausge- Speichermasse selbst einzubetten.

richtet sind und ihre Länge jeweils der Länge des Aufgabe der Erfindung ist es, einen Druckgasbehälter

Druckgasbehälters (3) entspricht 45 der eingangs genannten Art so auszubilden, daß plasti-

8. Druckgasbehälter nach einem der Ansprüche 2 sehe Verformungen des Speicherbehälters ohne webis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Federkörper sentliche Einschränkung hinsichtlich des zu verwenden-(2) als scheibenförmige Körper mit einer der Quer- den Speichermaterials sicher vermieden werden könschnittsfläche des Hohlraumes zwischen der Innen- nen, wobei gleichzeitig die Wiederverwendbarkeit des oberfläche der Behälterwand (5) des Druckgasbehäl- 50 Speichermaterials möglich sein soll, also seine Verunreiters (3) und der Außenoberfläche eines koaxial im nigung durch Vermischung mit anderen Stoffen, beiinneren des Druckgasbehälters (3) angeordneten spielsweise einem Matrixmaterial, vermieden werden Gasrohres (4) entsprechenden Querschnittsform soll.

ausgebildet und im Abstand voneinander entlang Gelöst wird diese Aufgabe mit einem Druckgasbehäl-

der Achse des Druckgasbehälters (3) angeordnet 55 ter, dessen Merkmale im Patentanspruch 1 gekenn-

sind (F i g. 4 und 5). zeichnet sind. Vorteilhafte Weiterbildungen des Druck-

9. Druckgasbehälter nach einem der Ansprüche 1 gasbehälters sind in den Unteransprüchen 2 bis 10 angebis 4, 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Fe- geben.

derkörper (2) zumindest im Bereich ihrer Oberfläche Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, örtliche

aus einem Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit 60 Verlagerungen der pulverförmigen Speichermasse da-

gebildei sind. durch zu verhindern, daß das Volumen des Druckgasbe-

10. Druckgasbehälter nach Anspruch 9, dadurch hälters zu jeder Zeit mit Speichefmässe gefüllt ist und gekennzeichnet, daß die Federkörper (2) außen mit auch bei der vollständigen Entladung keine Hohlräume flächigen Ansätzen (6) versehen sind, die an der In- im Behälterinneren entstehen, in die Speichermasse einnenoberfläche der Behälterwand (5) des Druckgas- 65 dringen könnte. Hierzu soll die gesamte Speichermasse behälters (3) anliegen (F i g. 5). auch im entladenen Zustand stets unter zumindest einer

geringen mechanischen Druckeinwirkung (Druckvorspannung) stehen.