EP3118511A1 - Speicherelement für gase - Google Patents

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EP3118511A1
EP3118511A1 EP16175659.8A EP16175659A EP3118511A1 EP 3118511 A1 EP3118511 A1 EP 3118511A1 EP 16175659 A EP16175659 A EP 16175659A EP 3118511 A1 EP3118511 A1 EP 3118511A1
Authority
EP
European Patent Office
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elastically deformable
sorbent
storage element
housing
element according
Prior art date
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Granted
Application number
EP16175659.8A
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English (en)
French (fr)
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EP3118511B1 (de
Inventor
Carsten Pohlmann
Lars RÖNTZSCH
Bernd Kieback
Mila Dieterich
Inga Bürger
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Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Original Assignee
Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
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Publication date
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Publication of EP3118511A1 publication Critical patent/EP3118511A1/de
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Publication of EP3118511B1 publication Critical patent/EP3118511B1/de
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F17—STORING OR DISTRIBUTING GASES OR LIQUIDS
    • F17C—VESSELS FOR CONTAINING OR STORING COMPRESSED, LIQUEFIED OR SOLIDIFIED GASES; FIXED-CAPACITY GAS-HOLDERS; FILLING VESSELS WITH, OR DISCHARGING FROM VESSELS, COMPRESSED, LIQUEFIED, OR SOLIDIFIED GASES
    • F17C11/00—Use of gas-solvents or gas-sorbents in vessels
    • F17C11/005—Use of gas-solvents or gas-sorbents in vessels for hydrogen
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F17—STORING OR DISTRIBUTING GASES OR LIQUIDS
    • F17C—VESSELS FOR CONTAINING OR STORING COMPRESSED, LIQUEFIED OR SOLIDIFIED GASES; FIXED-CAPACITY GAS-HOLDERS; FILLING VESSELS WITH, OR DISCHARGING FROM VESSELS, COMPRESSED, LIQUEFIED, OR SOLIDIFIED GASES
    • F17C11/00—Use of gas-solvents or gas-sorbents in vessels

Definitions

  • the invention relates to a storage element for gases. It can be used in particular for reversible storage. Besides preferably hydrogen, with a suitable selection of a sorbent, other gases or gas mixtures can also be stored by a sorption process. By an energy input, in particular a heating and desorption is possible with which the respective temporarily stored gas can be released from the storage element again and fed to a use.
  • Another known possibility is to provide cavities in a housing. This has the disadvantage that a gas ad- or absorbent material must be fixed with special elements when such systems are moved dynamically. However, this is particularly difficult if a loose bed or a porous material with low mechanical strength is used as the sorbent.
  • a sorption agent for storing a respective gas in at least one area is accommodated in a rigid, hollow housing.
  • at least one further area is present, in which an elastically deformable body or an elastically deformable material is accommodated and no sorbent is present there.
  • the body or material is / are elastically deformable and / or its volume is dimensioned so that a volume expansion of the sorbent can be compensated for in the sorption of the respective gas.
  • At least one inlet, one outlet or an inlet and outlet for a gas is present on the housing.
  • a suitable housing may be, for example, tubular or with a polygonal or curved cross section.
  • an expansion space can be provided in at least one axial direction.
  • Material, material, porosity, density and elastic restoring force can be adapted to the various sorbents and gases to be stored.
  • the elastically deformable body or the elastically deformable material need not be gas-permeable.
  • the gas can also be axially or the like by means of a porous sintered or filter tube. within the storage element and the sorbent contained therein be distributed. The filling of a housing is very easy.
  • powder, granules, compacts or other forms of the sorbent used in each case can be filled alternately with an elastically deformable body or elastically deformable material in the form of layers in the housing.
  • the volume ratio between the elastically deformable bodies or the elastically deformable material and the volume of the sorbent can be selected according to the expected volume expansion.
  • a plurality of further regions filled with elastically deformable bodies or elastically deformable material may be provided in a housing, i. it does not exceed a maximum length of the individual areas in which sorbent is included in order to achieve a uniform volume expansion. Areas in which sorbent is included, and other areas in which elastically deformable body or elastically deformable material are included, are then arranged alternately.
  • the length of regions with sorbent is preferably longer in one axial direction than other regions.
  • the length of other areas that are filled with an elastically deformable body or an elastically deformable material should be so large in the loaded state, ie at maximum sorption of a gas on the sorbent in this axial direction that the pores in the sorbent not completely pressed together and further cavities remain in it.
  • the sorbent can expand evenly and there is only a small density inhomogeneity.
  • the discharge rate can be increased because the heat transfer over the length of the housing is more uniform.
  • This increases the effective usable storage capacity.
  • a minimum hydrogen pressure is necessary.
  • the desorption / discharge heat must be supplied to the storage element. If certain areas in the housing have lower densities than others (as would be the case, for example, with a free expansion space / cavity), these areas will cool down more quickly and can thus generate the defined hydrogen volume flow against a certain overpressure not as long as areas in which a higher density is present. This reduces the usable hydrogen storage capacity in this case.
  • the densities are more homogeneous inside the housing and thus can be discharged for a long time, so that higher usable storage capacities can be achieved.
  • Elastic deformable bodies usable in the invention may preferably be porous foams. These may be formed from a metal or a polymer, preferably polyurethane. As elastically deformable materials structural elements formed with fibers can be used. The fibers may consist of metal, polymer or a ceramic. A fiber structure may be, for example, a knitted fabric, a scrim, a knitted fabric or a woven fabric.
  • the elastic properties can be adapted to the respective sorbent, which may be possible for example by different porosities, pore sizes, web widths, material selection and combination for different temperatures and different elastic restoring force.
  • a region and another region should be arranged alternately so that the aspect ratio in one axial direction is contained between one region in the sorbent and another region in which an elastically deformable body or elastically deformable material is contained, at least the expected maximum volumetric expansion corresponds to the sorbent.
  • a maximum length of an area containing sorbent should not be exceeded, which depends on frictional effects in the sorbent bed and be chosen so that a high homogeneity in the density of the sorbent can be maintained upon expansion.
  • the length of an area containing sorbent should be two to a maximum of ten times in an axial direction, in which areas and other areas adjoining each other will be longer than the length of another area that is elastic deformable body or an elastically deformable material is filled.
  • the elastically deformable bodies or the elastically deformable material may have a gradient in both the axial and radial directions in terms of their elastic properties. Thus, they may be anisotropically formed with greater elasticity in an axial direction adjacent to the sorbent.
  • the elastically deformable body or elastically deformable material can be gas-permeable and at the same time act as a filter.
  • a plurality of different elastically deformable bodies or different elastically deformable material can be used to form a further area for the compensation of the volume expansion.
  • the material of the body (s) or the material should be selected so that at least 80% of the maximum elasticity can be maintained in the temperature range in which the sorption and desorption of the respective gas takes place. Due to their elasticity, the elastically deformable bodies or the elastically deformable material should be able to exert a force which results in that at least part of the volume expansion which occurs as a result of the sorption of the respective gas on / in the sorbent can be compensated for during desorption. Thus, an area in which sorbent is contained, after a complete or partial desorption again directly adjacent to another area and touch sorbent and elastically deformable body or elastically deformable material directly.
  • elastically deformable body or elastically deformable material should have a porosity of at least 50%.
  • the material or material with which the elastic body (s) are formed or an elastically deformable material should not chemically react with the sorbent and / or the housing material.
  • Another advantage is an adjustable restoring force to compensate for a cyclic volume increase and decrease. This can improve the storage bed stability.
  • Sorbent may be in the form of a loose bed, pressed body or as granules within the housing.
  • the sorbent may be selected from activated carbon, zeolites, a hydride-forming metal alloy (containing, for example, alkali metals, alkaline earth metals and / or transition metals such as in particular Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Y, Zr, Nb, Hf and /.
  • the body (s) may also be formed of a metal or a metal alloy. Preferred metals are aluminum, copper or steel or else alloys thereof. Most preferably, these are porous.
  • the effectively usable storage capacity can be increased by up to 50% in dynamic operation, which can still be reliably maintained even after several sorption and desorption cycles.
  • the storage element according to the invention for gases can in principle also be used for the storage of heat.
  • FIG. 1 schematically a possibility for forming a memory element is shown.
  • the same length and a respective equal volume having areas are filled with sorbent 2 and of other areas, which also in a state in which no gas is sorbed, have an equal length and an equal volume enclosed.
  • the other areas are each filled with an elastically deformable body 3.
  • Areas filled with sorbent 2 have a length b and the other areas have a length a in the axial direction in which the areas and the further areas are successively arranged.
  • This axial direction may in particular be the longitudinal axis of a housing 1.
  • sorbent 2 For the use of loose powder beds as sorbent 2 is a closed interface in the form of a membrane 5 between sorbent 2 and elastically deformable bodies 3 useful to prevent the penetration of particles of the sorbent 2 in the material of the body 3.
  • this can also be achieved by a correspondingly very small pore size of porous elastically deformable body 3 or, if appropriate, a corresponding formation of an elastically deformable material.
  • the membranes 5 may be formed of the same material as the elastic body or of another material which is permeable to the gas to be stored.
  • a tubular housing 1 For storage of hydrogen, a tubular housing 1 with an outside diameter of 42 mm, inside 40 mm and with a length of 500 mm can be used.
  • a total of 1.4 kg of a hydride-forming Ti-containing alloy (AB 2 type: Ti-Mn-V-Fe-Zr alloy), which is in the form of compacts having an internal porosity of about 30 vol .-%, as a sorbent 2 and thereby regions with a length of about 700 mm of the sorbent 2 alternately between other areas with a length of about 200 mm in LNicolsachsraum the tubular housing 1 made of stainless steel with an open-cell polyurethane foam (pore size about 1 mm, porosity about 95% by volume) as elastically deformable body 3 filled.
  • the filled with the sorbent 2 areas were thus separated from each other with the filled with the polyurethane foam further areas.
  • the bodies 3 are elastically compressed from the polyurethane foam.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Speicherelement für Gase, bei dem in einem starren innen hohlen Gehäuse, das mindestens eine Zu-, eine Abführung oder eine Zu- und Abführung für ein Gas aufweist, ein Sorptionsmittel für die Speicherung eines jeweiligen Gases in mindestens einem Bereich aufgenommen ist. Im Gehäuse ist mindestens ein weiterer Bereich vorhanden, in dem ein elastisch verformbarer Körper oder ein elastisch verformbares Material aufgenommen und kein Sorptionsmittel vorhanden ist. Der Körper oder das Material ist soweit elastisch verformbar und/oder sein Volumen so dimensioniert, dass eine Volumenausdehnung des Sorptionsmittels bei der Sorption des jeweiligen Gases kompensierbar ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Speicherelement für Gase. Dabei kann es insbesondere für die reversible Speicherung eingesetzt werden. Neben bevorzugt Wasserstoff können bei geeigneter Auswahl eines Sorptionsmittels auch andere Gase oder Gasgemische durch einen Sorptionsprozess gespeichert werden. Durch einen Energieeintrag, insbesondere eine Erwärmung ist auch eine Desorption möglich, mit der das jeweilige temporär gespeicherte Gas aus dem Speicherelement wieder frei gegeben und einer Nutzung zugeführt werden kann.
  • Bei der Ad- oder Absorption eines Gases zur temporären Speicherung an bzw. in einem Feststoff, als Sorptionsmittel, kommt es zur Volumenausdehnung des Feststoffs. Für technische Systeme, bei denen die Ad- oder Absorption genutzt werden soll, muss für diese Ausdehnung entsprechend Freiraum vorgehalten werden, da sonst enorme Kräfte an einem Gehäuse wirken, die die Systeme beschädigen und sogar bersten lassen können. Wie diese Freiräume erreicht werden, wirkt sich erheblich auf die Leistungsfähigkeit des Systems aus. So ist gezeigt, dass der Zerfall eines vorher verdichteten Reaktionsbettes eines Sorptionsmittels eine Verringerung der inneren Wärmeleitfähigkeit und/oder einen erhöhten Wärmewiderstand zu einem Wärmetauscherelement zur Folge hat, wodurch sich die pro Zeiteinheit austragbare Gasmenge bei der Desorption, d.h. die Rate der Entladung, deutlich reduziert.
  • So sind Möglichkeiten bekannt, bei denen ein verformbares Gehäuse eingesetzt wird. Dies hat aber zur Folge, dass unbestimmte und sich ggf. in verschiedenster Form veränderte äußere Geometrien ausbilden, die bei einem Einsatz zu Problemen führen können.
  • Eine andere bekannte Möglichkeit ist es, Hohlräume in einem Gehäuse vorzusehen. Dies hat den Nachteil, dass ein Gase ad- oder absorbierender Werkstoff mit speziellen Elementen fixiert werden muss, wenn solche Systeme dynamisch bewegt werden. Dies ist aber besonders schwierig, wenn als Sorptionsmittel eine lose Schüttung oder ein poröser Werkstoff mit geringer mechanischer Festigkeit eingesetzt wird.
  • Aus DE 10 2006 010 636 A1 ist es bekannt, Partikel eines sorbierenden Werkstoffs oder Materials in einen dreidimensionalen Träger mit Schaumstruktur diskret einzulagern und/oder daran zu fixieren. Dies hat nachteilig zur Folge, dass mit der geringen thermischen Leitfähigkeit sowohl die für die Sorption, wie auch die Desorption günstigen Temperaturen über das gesamte Volumen nur nach einer entsprechend großen Zeit erreicht werden können.
  • Außerdem werden große Oberflächenbereiche der Partikel des Sorptionsmittels vom Werkstoff der Schaumstruktur abgedeckt, so dass ein Gas nicht die gesamte eigentlich zur Verfügung stehende Oberfläche des Sorptionsmittels oder erst mit sehr großer zeitlicher Verzögerung erreichen kann. Weiter ist es nachteilig, dass ein zu sorbierendes Gas erst durch den Werkstoff der Schaumstruktur hindurch zu Sorptionspartikeln gelangen muss, wenn es sorbiert werden soll. Bei der Desorption ist dies umgekehrt der Fall. Dem entsprechend ist die Sorptions- und die Desorptionsrate reduziert.
  • Ausgehend davon ist es Aufgabe der Erfindung, Möglichkeiten für ein verbessertes Verhalten bei einer Volumenausdehnung eines Sorptionsmittels, die infolge einer Änderung der Menge des am oder mit dem Sorptionsmittel sorbierten gasförmigen Sorbens auftritt, anzugeben.
  • Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einem Speicherelement, das die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist, gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung können mit in untergeordneten Ansprüchen bezeichneten Merkmalen realisiert werden.
  • Bei einem erfindungsgemäßen Speicherelement ist in einem starren innen hohlen Gehäuse ein Sorptionsmittel für die Speicherung eines jeweiligen Gases in mindestens einem Bereich aufgenommen. Im Gehäuse ist mindestens ein weiterer Bereich vorhanden, in dem ein elastisch verformbarer Körper oder ein elastisch verformbares Material aufgenommen und kein Sorptionsmittel dort vorhanden ist. Dabei ist/sind der/die Körper oder das Material soweit elastisch verformbar und/oder sein Volumen so dimensioniert, dass eine Volumenausdehnung des Sorptionsmittels bei der Sorption des jeweiligen Gases kompensierbar ist.
  • Am Gehäuse ist mindestens eine Zu-, eine Abführung oder eine Zu- und Abführung für ein Gas vorhanden.
  • Ein geeignetes Gehäuse kann beispielsweise rohrförmig oder mit einem mehreckigen oder gewölbten Querschnitt ausgebildet sein.
  • Mit einem oder mehreren Bereich(en) in dem/denen jeweils ein elastisch verformbarer Körper oder ein solches Material enthalten ist, kann ein Ausdehnungsraum in zumindest einer axialen Richtung zur Verfügung gestellt werden. Werkstoff, Material, Porosität, Dichte und elastische Rückstellkraft können an die verschiedenen jeweils eingesetzten Sorptionsmittel und zu speichernden Gase angepasst werden. Die elastisch verformbaren Körper oder das elastisch verformbare Material müssen nicht gasdurchlässig sein. Das Gas kann weiterhin axial mittels eines porösen Sinter- oder Filterrohrs o.ä. innerhalb des Speicherelements und dem darin enthaltenen Sorptionsmittel verteilt werden. Die Befüllung eines Gehäuses ist sehr einfach möglich. So können, Pulver, Granulat, Presskörper oder andere Formen des jeweils eingesetzten Sorptionsmittels alternierend mit einem elastisch verformbaren Körper oder elastisch verformbaren Material in Form von Schichten in das Gehäuse eingefüllt werden. Dabei kann das Volumenverhältnis zwischen den elastisch verformbaren Körpern oder des elastisch verformbaren Materials und dem Volumen des Sorptionsmittels entsprechend der zu erwartenden Volumenausdehnung gewählt werden.
  • Es können mehrere mit elastisch verformbaren Körpern oder elastisch verformbarem Material ausgefüllte weitere Bereiche in einem Gehäuse vorgesehen sein, d.h. es wird eine maximale Länge der einzelnen Bereiche, in denen Sorptionsmittel enthalten ist, nicht überschritten, um eine gleichmäßige Volumenausdehnung zu erreichen. Bereiche, in denen Sorptionsmittel enthalten ist, und weitere Bereiche, in denen elastisch verformbare Körper oder elastisch verformbares Material enthalten sind, sind dann alternierend angeordnet. Die Länge von Bereichen mit Sorptionsmittel ist dabei bevorzugt in eine Achsrichtung länger als weitere Bereiche. Die Länge weiterer Bereiche, die mit einem elastisch verformbaren Körper oder einem elastisch verformbaren Material ausgefüllt sind, sollte im beladenen Zustand, also bei maximaler Sorption eines Gases am Sorptionsmittel, in dieser Achsrichtung so groß sein, dass die Poren im Sorptionsmittel nicht vollständig zusammen gepresst und weitere Hohlräume darin verbleiben.
  • Mit der Erfindung kann sich das Sorptionsmittel gleichmäßig ausdehnen und es gibt nur eine geringe Dichteinhomogenität. Dadurch kann die Entladerate erhöht werden, da der Wärmetransfer über die Länge des Gehäuses gleichmäßiger ist. Somit erhöht sich die effektiv nutzbare Speicherkapazität. So ist z.B. bei konstantem Entladevolumenstrom eines Wasserstofffeststoffspeichers für die Versorgung eines Verbrauchers (z.B. Brennstoffzelle) ein minimaler Wasserstoffdruck notwendig. Bei der Desorption/Entladung muss Wärme dem Speicherelement zugeführt werden. Weisen nun bestimmte Bereiche im Gehäuse niedrigere Dichten auf als andere (wie dies z.B. bei einem freien Ausdehnungsraum/Hohlraum der Fall wäre), werden diese Bereiche schneller abkühlen und können somit den definierten Wasserstoffvolumenstrom gegen einen bestimmten Überdruck nicht genauso lange abgeben, wie Bereiche in denen eine höhere Dichte vorhanden ist. Damit reduziert sich in diesem Fall die nutzbare Wasserstoffspeicherkapazität.
  • Mit weiteren Bereichen, die mit elastisch verformbaren Körpern oder Material ausgefüllt sind, sind die Dichten im Inneren des Gehäuses homogener und damit kann über längere Zeit entladen werden, so dass höhere nutzbare Speicherkapazitäten erreicht werden können.
  • Bei der Erfindung einsetzbare elastisch verformbare Körper können vorzugsweise poröse Schäume sein. Diese können aus einem Metall oder einem Polymer, bevorzugt Polyurethan gebildet sein. Als elastisch verformbare Materialien können mit Fasern gebildete Strukturelemente eingesetzt werden. Die Fasern können dabei aus Metall, Polymer oder einer Keramik bestehen. Eine Faserstruktur kann dabei beispielsweise ein Gestrick, ein Gelege, ein Gewirk oder ein Gewebe sein.
  • Die elastischen Eigenschaften können an das jeweilige Sorptionsmittel angepasst werden, was beispielsweise durch unterschiedliche Porositäten, Porengrößen, Stegbreiten, Materialauswahl und -kombination für unterschiedliche Temperaturen und unterschiedliche elastische Rückstellkraft möglich sein kann.
  • Ein Bereich und ein weiterer Bereich sollten abwechselnd angeordnet sein, so dass das Längenverhältnis in einer Achsrichtung zwischen einem Bereich in dem Sorptionsmittel enthalten ist und einem weiteren Bereich, in dem ein elastisch verformbarer Körper oder elastisch verformbares Material enthalten ist, mindestens der zu erwartenden maximalen Volumenausdehnung des Sorptionsmittels entspricht. Außerdem sollte eine maximale Länge eines Bereichs, in dem Sorptionsmittel enthalten ist, nicht überschritten sein, die sich nach Reibungseffekten im Sorptionsmittelbett richtet und so gewählt sein, dass beim Ausdehnen eine hohe Homogenität in der Dichte des Sorptionsmittels beibehalten werden kann. Die Länge eines Bereiches, in dem Sorptionsmittel enthalten ist, sollte zwei- bis maximal zehnfach in einer Achsrichtung, in der Bereiche und weitere Bereiche aneinandergrenzen länger sein, als die Länge eines weiteren Bereichs sein, der mit einem elastisch verformbaren Körper oder einem elastisch verformbaren Material ausgefüllt ist.
    Die elastisch verformbaren Körper oder das elastisch verformbare Material können einen Gradienten sowohl in axialer, als auch radialer Richtung hinsichtlich ihrer elastischen Eigenschaften aufweisen. Sie können also anisotrop mit größerer Elastizität in eine Achsrichtung ausgebildet sein, die an das Sorptionsmittel angrenzt.
  • Die elastisch verformbaren Körper oder elastisch verformbares Material können gasdurchlässig sein und gleichzeitig als Filter fungieren. Es können mehrere auch unterschiedliche elastisch verformbare Körper oder unterschiedliches elastisch verformbares Material eingesetzt werden, um einen weiteren Bereich für die Kompensation der Volumenausdehnung zu bilden.
  • Der Werkstoff der/des Körper(s) oder das Material sollte so ausgewählt sein, dass mindestens 80 % der maximalen Elastizität im Temperaturbereich, in dem die Sorption und Desorption des jeweiligen Gases erfolgt, eingehalten werden kann. Die elastisch verformbaren Körper oder das elastisch verformbare Material sollten infolge ihrer Elastizität eine Kraft ausüben können, die dazu führt, dass zumindest teilweise die Volumenausdehnung, die infolge der Sorption des jeweiligen Gases am/im Sorptionsmittel auftritt, bei einer Desorption kompensiert werden kann. So kann ein Bereich, in dem Sorptionsmittel enthalten ist, nach einer vollständigen oder teilweisen Desorption wieder direkt an einen weiteren Bereich angrenzen und sich Sorptionsmittel und elastisch verformbare Körper oder elastisch verformbares Material unmittelbar berühren.
  • Vorteilhaft sollten elastisch verformbare Körper oder elastisch verformbares Material eine Porosität von mindestens 50 % aufweisen.
    Der Werkstoff oder ein Material, mit dem der/die elastische(n) Körper gebildet ist, oder ein elastisch verformbares Material sollten chemisch nicht mit dem Sorptionsmittel und/oder dem Gehäusewerkstoff reagieren. Von Vorteil ist auch eine einstellbare Rückstellkraft, um eine zyklische Volumen Zu- und Abnahme zu kompensieren. Dadurch kann die Speicherbettstabilität verbessert werden.
  • Sorptionsmittel kann in Form einer losen Schüttung, gepresster Körper oder als Granulat innerhalb des Gehäuses vorhanden sein. Das Sorptionsmittel kann ausgewählt sein aus Aktivkohle, Zeolithen, einer hydridbildenden MetallLegierung (enthaltend beispielsweise Alkalimetalle, Erdalkalimetalle und/oder Übergangsmetalle wie insbesondere Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Y, Zr, Nb, Hf und/oder Seltenerdmetalle wie insbesondere La, Ce, Sm), Komplexhydriden, (z.B. NaAIH4-Basis, LiNH2-Basis, LiBH4-Basis) für Wasserstoff oder Salze (z.B. BaCl2-Basis, CaCl2-Basis) für Ammoniak oder Oxiden/Hydroxiden (z.B. CaO/Ca(OH)2-Basis) für Wasserdampf oder Oxiden (z.B. PbO-Basis, CaO-Basis) für Kohlendioxid und/oder der/die Körper oder das Material ausgewählt ist/sind aus einem Polymer, insbesondere Polyurethan. Der/die Körper kann/können auch aus einem Metall oder einer Metalllegierung gebildet sein. Bevorzugte Metalle sind Aluminium, Kupfer oder Stahl oder auch Legierungen davon. Ganz besonders bevorzugt sind diese porös.
  • Es besteht auch die Möglichkeit, Bereiche, in denen Sorptionsmittel und weitere Bereiche, in denen elastisch verformbare Körper oder elastisch verformbares Material vorhanden sind, mit einer Membran voneinander zu trennen. Die Membran sollte dabei bevorzugt für das jeweilige Gas permeabel sein. Dadurch kann einmal eine Vermischung der unterschiedlichen Werkstoffe und Materialien aus Bereichen und weiteren Bereichen vermieden werden. Mit einer Membran können auch die Reibverhältnisse und ggf. die infolge der Elastizität wirkenden Kräfte zwischen Sorptionsmittel, elastisch verformbaren Körpern oder elastisch verformbarem Material vorteilhaft beeinflusst werden.
  • Bei der Erfindung besteht auch die Möglichkeit, mehrere Zu- und/oder Abführungen für zu speicherndes Gas an einem Gehäuse vorzusehen. Diese können dann bevorzugt jeweils an einem Gehäuse so angeordnet sein, dass sie mit einem Bereich, in dem Sorptionsmittel vorhanden ist, kommunizieren.
  • Mit der Erfindung kann die effektiv nutzbare Speicherkapazität im dynamischen Betrieb um bis zu 50% erhöht werden, was auch nach mehreren Sorptions- und Desorptionszyklen noch sicher eingehalten werden kann.
  • Vorteilhaft kann Aufgrund der Wärmetönung der Sorptionsreaktion das erfindungsgemäße Speicherelement für Gase prinzipiell auch für die Speicherung von Wärme eingesetzt werden.
  • Nachfolgend soll die Erfindung beispielhaft näher erläutert werden.
  • Dabei zeigen:
    • Figur 1
    in einer schematischen Teilschnittdarstellung ein Beispiel eines erfindungsgemäßen Speicherelements;
    Figur 2
    in schematischer Form Teilschnittdarstellungen eines Speicherelements im desorbierten Zustand (links) und bei einer nahezu vollständigen Sorption (rechts) und
    Figur 3
    in schematischer Form eine weitere Teilschnittdarstellung eines weiteren Beispiels.
  • In Figur 1 ist schematisch eine Möglichkeit zur Ausbildung eines Speicherelements gezeigt. Dabei sind jeweils gleich lange und ein jeweils gleiches Volumen aufweisende Bereiche mit Sorptionsmittel 2 gefüllt und von weiteren Bereichen, die ebenfalls in einem Zustand, bei dem kein Gas sorbiert ist, eine gleiche Länge und ein gleiches Volumen aufweisen, eingefasst. Die weiteren Bereiche sind jeweils mit einem elastisch verformbaren Körper 3 ausgefüllt. Bereiche, die mit Sorptionsmittel 2 ausgefüllt sind, weisen eine Länge b und die weiteren Bereiche eine Länge a in der Achsrichtung auf, in der die Bereiche und die weiteren Bereiche nacheinander folgend angeordnet sind. Diese Achsrichtung kann insbesondere die Längsachse eines Gehäuses 1 sein.
  • Die in Figur 1 angegebene Gleichung gibt an, dass die maximale Ausdehnung, die infolge Sorption auftreten kann, kleiner als das Verhältnis a/(a+b) sein sollte.
  • Für den Einsatz von losen Pulverschüttungen als Sorptionsmittel 2 ist eine geschlossene Grenzfläche in Form einer Membran 5 zwischen Sorptionsmittel 2 und elastisch verformbaren Körpern 3 sinnvoll, um das Eindringen von Partikeln des Sorptionsmittels 2 in den Werkstoff der Körper 3 zu verhindern. Dies kann aber auch durch eine entsprechend sehr kleine Porengröße poröser elastisch verformbarer Körper 3 oder ggf. einer entsprechenden Ausbildung eines elastisch verformbaren Materials erreicht werden. Die Membranen 5 können aus dem gleichen Material wie der elastische Körper oder aus einem anderen Material, das für das zu speichernde Gas permeabel ist, gebildet sein.
  • Für eine Speicherung von Wasserstoff kann ein rohrförmiges Gehäuse 1 mit einem Durchmesser außen 42 mm, innen 40 mm und mit einer Länge von 500 mm eingesetzt werden. Es wurden insgesamt 1,4 kg einer hydridbildenden Tihaltigen Legierung (AB2-Typ: Ti-Mn-V-Fe-Zr Legierung), die in Form von Presskörpern mit einer inneren Porosität von ca. 30 Vol.-% ausgeführt ist, als Sorptionsmittel 2 eingesetzt und dabei Bereiche mit einer Länge von ca. 700 mm des Sorptionsmittels 2 alternierend zwischen weiteren Bereichen mit einer Länge von ca. 200 mm in Längsachsrichtung des rohrförmigen Gehäuses 1 aus Edelstahl mit einem offenporigen Polyurethan-Schaum (Porengröße ca. 1 mm, Porosität ca. 95 Vol.-%) als elastisch verformbare Körper 3 ausgefüllt. Die mit dem Sorptionsmittel 2 ausgefüllten Bereiche wurden so voneinander mit den mit dem Polyurethan-Schaum ausgefüllten weiteren Bereichen getrennt. Bei der Sorption des Gases am Sorptionsmittel 2 werden die Körper 3 aus dem Polyurethan-Schaum elastisch zusammengedrückt.
  • Bei einer Entladung des Speicherelements infolge der Desorption des temporär gespeicherten Wasserstoffs, bei der durch eine Erwärmung die Temperatur des Sorptionsmittels 2 erhöht wird, verringert sich das Volumen des Sorptionsmittels 2 und infolge der Elastizität des Polyurethan-Schaumes, mit dem die Körper 3 gebildet sind, vergrößert sich deren Volumen wieder, so dass möglichst kein Hohlraum im Gehäuse 1 bei allen Zuständen des Speicherelements vorhanden ist.

Claims (8)

  1. Speicherelement für Gase, bei dem in einem starren innen hohlen Gehäuse (1), das mindestens eine Zu-, eine Abführung oder eine Zu- und Abführung für ein Gas aufweist,
    ein Sorptionsmittel (2) für die Speicherung eines jeweiligen Gases in mindestens einem Bereich aufgenommen ist und
    im Gehäuse (1) mindestens ein weiterer Bereich vorhanden ist, in dem ein elastisch verformbarer Körper (3) oder ein elastisch verformbares Material aufgenommen und kein Sorptionsmittel (2) vorhanden ist, wobei
    der Körper (3) oder das Material soweit elastisch verformbar und/oder sein Volumen so dimensioniert ist, dass eine Volumenausdehnung des Sorptionsmittels (2) bei der Sorption des jeweiligen Gases kompensierbar ist.
  2. Speicherelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der/die elastisch verformbare(n) Körper (3) ein poröser Körper aus Metall oder einem Polymer, bevorzugt mit einer Porosität von mindestens 50 %, ist oder
    ein elastisch verformbares Material eine mit Fasern aus Metall, einer Keramik oder Polymer gebildete offenzellige Struktur ist, wobei der Werkstoff oder ein Material mit dem der/die elastische(n) Körper gebildet ist oder ein elastisch verformbares Material bevorzugt chemisch nicht mit dem Sorptionsmittel (2) und/oder dem Gehäusewerkstoff reagiert.
  3. Speicherelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Bereiche, in denen Sorptionsmittel (2) enthalten ist und mehrere weitere Bereiche, in denen ein elastisch verformbarer Körper (3) oder ein elastisch verformbares Material vorhanden ist, in einer Achsrichtung alternierend innerhalb des Gehäuses (1) angeordnet sind.
  4. Speicherelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der elastisch verformbare Körper (3) oder das elastisch verformbare Material anisotrop mit größerer Elastizität in Bezug zu einer Achsrichtung ausgebildet ist, die an Sorptionsmittel (2) angrenzt.
  5. Speicherelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Werkstoff des Körpers (3) oder das Material so ausgewählt ist, dass mindestens 80 % der maximalen Elastizität im Temperaturbereich, in dem die Sorption und Desorption des jeweiligen Gases erfolgt, eingehalten ist.
  6. Speicherelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Sorptionsmittel (2) in Form einer losen Schüttung gepresster Körper oder als Granulat innerhalb des Gehäuses (1) vorhanden ist.
  7. Speicherelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Sorptionsmittel (2) ausgewählt ist aus Aktivkohle, Zeolithen,
    einer hydridbildenden Metalllegierung (enthaltend beispielsweise Alkalimetalle, Erdalkalimetalle und/oder Übergangsmetalle wie insbesondere Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Y, Zr, Nb, Hf und/oder Seltenerdme-talle wie insbesondere La, Ce, Sm), Komplexhydriden, (z.B. NaAlH4-Basis, LiNH2-Basis, LiBH4-Basis) für Wasserstoff oder Salze (z.B. BaCl2-Basis, CaCl2-Basis) für Ammoniak oder Oxiden/Hydroxiden (z.B. CaO/Ca(OH)2-Basis) für Wasserdampf oder Oxiden (z.B. PbO-Basis, CaO-Basis) für Kohlendioxid
    und/oder der/die elastisch verformbare(n) Körper (3) oder das elastisch verformbare Material ausgewählt ist/sind aus Polymeren, insbesondere Polyurethan, einem Metall und einer Metalllegierung, insbesondere Aluminium, Kupfer oder Stahl, wobei das Metall oder die Metalllegierung bevorzugt porös ist.
  8. Speicherelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Bereiche, in denen Sorptionsmittel (2) und weitere Bereiche, in denen elastisch verformbare Körper (3) oder elastisch verformbares Material vorhanden sind, mit einer Membran voneinander getrennt sind, wobei die Membran bevorzugt für das jeweilige Gas permeabel ist.
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