WO2008055735A1 - Fluidspeicher mit wärmetauscher - Google Patents

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Jan-Michael Graehn
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Definitions

  • the present invention relates to a fluid reservoir, in particular a fluid reservoir with a sorption medium according to the preamble of claim 1.
  • sorption reservoirs e.g. based on metal hydrides or metal-organic frameworks (MOF) known.
  • MOF metal-organic frameworks
  • binding energy is released as heat and must be dissipated.
  • this differential energy must be supplied again in order to break up the previously established bond between the gas and the sorption medium and thus to be able to release the gas for removal.
  • An electric heater increases the load of the energy required for the battery or a corresponding battery, which can be particularly heavily burdened in particular during the starting process of a motor.
  • the triggering of the gas from the sorption storage by engine heat works in the start-up or start operation of a Motors due to its relatively low temperature and only unsatisfactory to bad. Such a procedure is conceivably unfavorable or even dysfunctional, especially in the case of cold outside temperatures.
  • the present invention is therefore an object of the invention to improve a fluid reservoir according to the kind set forth.
  • the present invention relates to a fluid reservoir, in particular a fluid reservoir with a sorption medium, which is characterized in that an energy absorption and / or -abgabevorides is provided.
  • the binding energy released during refueling of the sorption reservoir can be stored in the reservoir and can be absorbed via correspondingly additional components, such as e.g. a Schul. Cooling circuit, be led out of it, or for re-breaking the bond between at least a portion of the gas and the sorbent for gas removal from the tank at any time immediately available to be supplied again.
  • sorption stores based on, for example, metal hydrides or metal organic frameworks (MOF) can be used.
  • MOF metal organic frameworks
  • the binding energy is released as heat and must be dissipated.
  • a certain temperature must be exceeded, which corresponds to the activation energy for desorption of the gas.
  • latent heat accumulators by utilizing the heat of fusion during the phase change of a suitable storage material, a high energy density can be achieved with only a slight temperature increase. Due to the higher energy density, the memory can be made more compact than a conventional sensitive memory. Due to the low surface area and a lower temperature of the store, the heat losses of the store are simultaneously reduced. This material to use the latent heat of melting temperatures from 0 to 1,400 0 C are preferred proposed.
  • the use of a latent heat accumulator is therefore preferably proposed.
  • a latent heat storage is permanently enough available immediately available energy for a sufficient fluid removal from the sorption, so that at any time a perfect operation of the energy converter operated with this fluid, e.g. in the form of a fuel cell or a gas engine, is ensured, especially at low ambient temperatures.
  • a part of the energy absorption and / or dispensing device is arranged in the interior of the fluid reservoir.
  • this can be realized by a line passing through several memory areas.
  • Such storage areas can be understood, for example, to be coaxial room regions in the interior of the store, which are traversed, for example, by a tube bundle running longitudinally in the interior of the store, preferably evenly spaced. It is also conceivable, however, an arrangement one, for example along a longitudinal axis extending, spiral tube bundle, which to increase efficiency may also be arranged coaxially with one or more further, preferably equally aligned tube bundles.
  • the energy carrier medium can in this case e.g. be a suitably suitable fluid.
  • a heating element can be provided in the following, which serves to overcome at least part of the binding energy for the release of the fluid bound in the sorption medium.
  • Such heating may e.g. be an electric heater, but it can also be realized by a connection to a heating and / or cooling circuit of the energy converter to be operated, so that the thus dissipated by the energy converter waste heat through this coupling to his heating and / or cooling circuit also the energy transfer in the power take-up and / or -abgabevorraum supported.
  • Fuel cell cooling circuit, and the fluid reservoir can be done either with two separate cooling circuits, but it is also conceivable a direct, fluid-conducting connection of the two cooling or heart middle circles.
  • the heat transfer can be done for example by an additional heat exchanger.
  • the use of valves is advantageous in both cases, since this allows a corresponding circulation control for different operating states.
  • heat can be generated via the heat released by the thermal and / or mechanical energy converter Be provided exhaust.
  • a heat exchanger may be provided which provides the residual heat present in the exhaust pipe as energy for re-triggering the gas stored in the sorption medium, preferably also supported by a pump and switched on via valves or decoupled.
  • FIG. 1 shows a schematic diagram of a fluid reservoir equipped with a sorption medium with an integrated energy-absorbing and / or -dispensing device and a wiring-related interconnection with further functional components.
  • Figure 1 shows a filled with a sorption medium 2 fluid reservoir 1 and an integrated therein energy intake and / or -abgabevoriques 3.
  • a heating and cooling circuit 4 With a heating and cooling circuit 4, the liberated during refueling of the sorbent 1 with gas binding energy and be temporarily stored in a latent heat storage 5 for a later re-feeding to reverse the binding process.
  • a part of the energy receiving and / or dispensing device pervades as a conduit 6 in the form of a tube bundle 7 a plurality of storage inner regions.
  • the binding energy released during refueling can be dissipated as well as possible and, in the event of the gas being taken back out of the tank, re-supplied with the most uniform possible spatial distribution, so that rapid sorption of gas is ensured for the sorption medium.
  • the filled in the line 6 heat transfer medium this may for example be a frost-resistant solution, are brought by a pump 8 to circulate.
  • a heater 13 may be provided, which is integrated here for example in the line 6 of the heating and / or cooling circuit 4.
  • the energy absorption and / or dispensing device 3 may be connected to a heating and / or cooling circuit 15 of a thermal and / or mechanical energy converter 16.
  • This connection is symbolically represented here by the connection 14, which comprises a valve 9 in the form of a control valve for fluid injection.
  • Further operating states of the fluid reservoir 1 are possible by appropriate control of the other valves 10, 11 and 12.

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Abstract

Die folgende Erfindung betrifft einen Fluidspeicher (1) mit einen Sorptionsmedium (2), der dadurch ausgezeichnet ist, dass eine Energieaufnahme- und/oder -abgabevorrichtung (3) zur Verbesserung des Energiehaushaltes und zur sofort abrufbaren Wärmebereitstellung für den Gasauslöseprozess aus dem Sorptionsmedium (2) bei der Brennstoff entnähme aus dem Fluidspeicher vorgesehen ist. Für die Zwischenspeicherung dieser so transferierten Energie in der Form der Differentzwärme zwischen Betanken und Entleeren des Fluidspeichers (1) wird daher bevorzugt die Verwendung eines Latentwärmespeichers (5), insbesondere Materialen mit Schmeltztemperaturen von O°C bis 1400°C, vorgeschlagen. Durch den Einsatz eines solchen Latentwärmespeichers (5) steht permanent genug sofort verfügbare Energie für eine ausreichende Fluidentnahme aus dem Fluispeicher zur Verfügung, so dass jederzeit ein einwandfreier Betrieb des mit diesem Fluid betriebenen Energiewandlers (16), z.B. in der Form einer Brennstoffzelle oder eines Gasmotors, gewährleistet ist, insbesondere bei tiefen Umgebungstemperaturen.

Description

Beschreibung
Titel
FLUiDSPEiCHER MIT WÄRMETAUSCHER
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Fluidspeicher, insbesondere einen Fluidspeicher mit einem Sorptionsmedium nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Stand der Technik
Zur Speicherung von Fluiden, insbesondere von gasförmigen Kraftstoffen für den Betrieb von KFZ ' s ist die Verwendung von Sorptionsspeichern, z.B. auf der Basis von Metallhydriden oder Metall-Organic-Frameworks (MOF) bekannt. Bei der Befüllung des Tanks wird die sogenannte Bindungsenergie als Wärme frei und muss abgeführt werden. Zur Entnahme des im Tank gespeicherten Gases muss diese Differenzenergie jedoch wieder zugeführt werden, um die zuvor eingegangene Bindung zwischen dem Gas und dem Sorptionsmedium wieder aufbrechen und damit das Gas zur Entnahme freisetzen zu können.
Zur Einbringung dieses Energieaufwandes für die Entnahme des Gases aus dem Sorptionstank ist derzeit das Vorsehen einer elektrischen Heizung oder die Nutzung von Motorabwärme bekannt .
Eine elektrische Heizung erhöht die Belastung der für die Energievorhaltung erforderlichen Batterie bzw. eines entsprechenden Akkus, welcher insbesondere beim Startvorgang eines Motors dadurch zusätzlich stark belastet werden kann. Das Auslösen des Gases aus dem Sorptionsspeicher durch Motorwärme funktioniert im Anlauf- bzw. Startbetrieb eines Motors aufgrund dessen verhältnismäßig niedriger Temperatur auch nur unbefriedigend bis schlecht. Insbesondere bei kalten Außentemperaturen ist eine solche Vorgehensweise denkbar ungünstig bzw. sogar funktionsuntüchtig.
Aufgabe und Vorteile der vorliegenden Erfindung
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde einen Fluidspeicher entsprechend der eingangs dargelegten Art zu verbessern.
Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch die Merkmale des Anspruchs 1. In den ünteransprüchen sind vorteilhafte und zweckmäßige Weiterbildungen angegeben.
Demnach betrifft die vorliegende Erfindung einen Fluidspeicher, insbesondere einen Fluidspeicher mit einem Sorptionsmedium, der sich dadurch auszeichnet, dass eine Energieaufnahme- und/oder -abgabevorrichtung vorgesehen ist. Damit kann die beim Betanken des Sorptionsspeichers frei werdende Bindungsenergie im Speicher aufgenommen und über entsprechend zusätzliche Komponenten, wie z.B. einen Heizbzw. Kühlkreislauf, aus ihm herausgeleitet werden, bzw. zum Wiederaufbrechen der Bindung zwischen wenigstens einem Teil des Gases und dem Sorptionsmedium zur Gasentnahme aus dem Tank ihm jederzeit sofort zur Verfügung stehend wieder zugeführt werden.
Zu möglichen Speicherarten und Speichereigenschaften sei hierzu folgendes angemerkt: Zur Speicherung von gasförmigen Kraftstoffen in KFZ ' s können beispielsweise Sorptionsspeicher auf Basis von z.B. Metallhydriden oder Metall-Organic- Frameworks (MOF) eingesetzt werden. Bei der Füllung des Tanks mit dem Gas wird die Bindungsenergie als Wärme frei und muss abgeführt werden. In der Regel muss hierbei eine bestimmte Temperatur überschritten werden, die der Aktivierungsenergie zu Desorption des Gases entspricht. Bei Latentwärmespeichern kann durch Nutzung der Schmelzwärme beim Phasenwechsel eines geeigneten Speichermaterials eine hohe Energiedichte bei einem nur geringen Temperaturhub realisiert werden. Durch die höhere Energiedichte kann der Speicher kompakter dimensioniert werden als ein herkömmlicher sensibler Speicher. Durch die geringe Oberfläche und eine geringere Temperatur des Speichers werden gleichzeitig die Wärmeverluste des Speichers reduziert. Bevorzugt werden hierfür Materialien zur Nutzung der Latentwärme für Schmelztemperaturen von 0-14000C vorgeschlagen.
Für die Zwischenspeicherung dieser so transferierten Energie in der Form der Differenzwärme zwischen Betanken und Entleeren des Fluidspeichers wird daher bevorzugt die Verwendung eines Latentwärmespeichers vorgeschlagen. Durch den Einsatz eines solchen Latentwärmespeichers steht permanent genug sofort verfügbare Energie für eine ausreichende Fluidentnahme aus dem Sorptionstank zur Verfügung, so dass jederzeit ein einwandfreier Betrieb des mit diesem Fluid betriebenen Energiewandlers, z.B. in der Form einer Brennstoffzelle oder eines Gasmotors, gewährleistet ist, insbesondere bei tiefen Umgebungstemperaturen .
Um eine möglichst gute Wirkung der Energieübertragung, sowohl bei der Entnahme als auch bei der Wiederzufuhr zu bewirken, wird im Weiteren vorgeschlagen, dass ein Teil der Energieaufnahme- und/oder -abgabevorrichtung im Inneren des Fluidspeichers angeordnet ist. Beispielsweise kann dies durch eine mehrere Speicherbereiche durchziehende Leitung realisiert sein.
Unter solchen Speicherbereichen können z.B. koaxial zueinander verlaufende Raumbereiche im Inneren des Speichers verstanden werden, die z.B. durch ein im Inneren des Speichers längsverlaufendes Rohrbündel, vorzugsweise gleichmäßig beabstandet, durchzogen sind. Denkbar ist aber auch eine Anordnung eins z.B. entlang einer Längsachse verlaufenden, spiralförmigen Rohrbündels, welches zur Effizienzsteigerung auch koaxial zu einem oder mehreren weiteren, vorzugsweise gleich ausgerichteten Rohrbündeln angeordnet sein kann.
Zur Erhöhung des Energieträgerdurchsatzes im Inneren dieser Energieaufnahme- und/oder -abgabevorrichtung wird im weiteren die Verwendung einer Pumpe vorgeschlagen. Das Energieträgermedium kann hierbei z.B. ein entsprechend geeignetes Fluid sein.
Zur Unterstützung für eine noch raschere Betriebsbereitschaft und/oder als redundante Einrichtung kann im Weiteren ein Heizelement vorgesehen sein, welches zur Überwindung von zumindest einem Teil der Bindungsenergie für die Freisetzung des in dem Sorptionsmedium gebundenen Fluides dient. Eine solche Heizung kann z.B. eine elektrische Heizung sein, sie kann aber auch durch einen Anschluss an einen Heiz- und/oder Kühlkreislauf des zu betreibenden Energiewandlers realisiert sein, so dass die damit vom Energiewandler abzuführende Abwärme durch diese Ankopplung an seinen Heiz- und/oder Kühlkreislauf ebenfalls den Energietransfer in der Energieaufnahme- und/oder -abgabevorrichtung unterstützt.
Die Wärmekopplung zwischen einem solchen Kühlkreislauf, z.B. einem Motorkühlkreislauf oder einem
Brennstoffzellenkühlkreislauf, und dem Fluidspeicher kann dabei wahlweise mit zwei voneinander getrennten Kühlkreisläufen erfolgen, denkbar ist aber auch eine direkte, Fluid leitende Verbindung der beiden Kühl- bzw. Herzmittelkreise. Bei einem getrennten Aufbau kann die Wärmeübertragung beispielsweise durch einen zusätzlichen Wärmetauscher erfolgen. Die Verwendung von Ventilen ist in beiden Fällen vorteilhaft, da damit eine entsprechende KreislaufSteuerung für verschiedene Betriebszustände möglich ist.
Alternativ zu dieser ersten Kombination, oder auch zusätzlich, kann im Weiteren eine Wärmegewinnung über das von dem thermischen und/oder mechanischen Energiewandler abgegebene Abgas vorgesehen sein. Auch hierzu kann ein Wärmetauscher vorgesehen sein, der die in der Abgasleitung vorhandene Restwärme als Energie zum Wiederauslösen des in dem Sorptionsmedium gespeicherten Gases bereitstellt, vorzugsweise ebenfalls durch eine Pumpe unterstützt und über Ventile ein- bzw. auskoppelbar.
Ausführungsbeispiel
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Figur und der darauf bezugnehmenden Beschreibung näher erläutert.
Es zeigt die
Figur 1 eine schematische Schaltbilddarstellung eines mit einem Sorptionsmedium ausgestatteten Fluidspeichers mit integrierter Energieaufnahme- und/oder -abgabevorrichtung und einer leitungstechnischen Verschaltung mit weiteren Funktionskomponenten.
Im Detail zeigt die Darstellung in der Figur 1 einen mit einem Sorptionsmedium 2 befüllten Fluidspeicher 1 und einer darin integrierten Energieaufnahme- und/oder -abgabevorrichtung 3. Mit einem Heiz- und Kühlkreislauf 4 kann die beim Betanken des Sorptionspeichers 1 mit Gas freiwerdende Bindungsenergie gewonnen und für eine spätere Wiedereinspeisung zur Umkehrung des Bindungsvorgangs in einem Latentwärmespeicher 5 zwischengespeichert werden.
Ein Teil der Energieaufnahme- und/oder -abgabevorrichtung durchzieht als Leitung 6 in der Form eines Rohrbündels 7 mehrere Speicherinnenbereiche. Dadurch kann die beim Betanken frei werdende Bindungsenergie möglichst gut abgeführt und für den Fall der Wiederentnahme des Gases aus dem Tank mit möglichst gleichmäßiger räumlicher Verteilung wieder zugeführt werden, so dass eine rasche Gasauslösung dem Sorptionsmedium gewährleistet ist. Zur Effizienzsteigerung der Energieaufnahme- und/oder -abgabevorrichtung kann das in der Leitung 6 eingefüllte Wärmeträgermedium, hierbei kann es sich z.B. um eine frostschutzsichere Lösung handeln, mittels einer Pumpe 8 zum Zirkulieren gebracht werden.
Zur Unterstützung bei der Wärmerückspeisung in den Sorptionsspeicher oder auch als redundante Wärmequelle kann eine Heizung 13 vorgesehen sein, die hier beispielhaft in der Leitung 6 des Heiz- und/oder Kühlkreislauf 4 integriert ist. Zur weiteren Optimierung der Energiebilanz kann die Energieaufnahme- und/oder -abgabevorrichtung 3 mit einem Heiz- und/oder Kühlkreislauf 15 eines thermischen und/oder mechanischen Energiewandlers 16 verbunden sein. Diese Verbindung ist hier symbolisch durch den Anschluss 14 dargestellt, der zur Fluideinkopplung ein Ventil 9 in der Form eines Steuerventils umfasst. Die Wärmeeinkopplung aus dem Motorkühlkreislauf erfolgt über einen Wärmetauscher 17.
Weitere Betriebszustände des Fluidspeichers 1 sind durch entsprechende Ansteuerung der übrigen Ventile 10, 11 und 12 möglich. So ist z.B. ein weiterer Wärmeeintrag in die Energieaufnahme- und/oder -abgabevorrichtung 3 über eine Einkopplung der in einer Abgasleitung 20 ausgetragenen und über einen Wärmetauscher 18 rückgewonnenen Abgaswärme des Energiewandlers 16 über den Leitungsanschluss 19 möglich. Die Versorgung des Energiwandlers 16, z.B. in der Form eines Gasmotors oder einer Brennstoffzelle, mit Brennstoff erfolgt, gesteuert durch die beiden Ventile 22 und 23, über die Fluidleitung 21.
Somit ist durch die erfindungsgemäß vorgesehene Energie- und/oder -abgabevorrichtung 3 mit dem Heiz- bzw. Kühlkreislauf 4 und dem Latentwärmespeicher 5 eine Möglichkeit zur Optimierung des Energiehaushalts bei gleichzeitiger Verbesserung der Betriebsbereitschaft eines mit einem Sorptionsmedium ausgestatteten Fluidspeichers 1 durch ein mögliches, jedoch nicht limitiertes Ausführungsbeispiel beschrieben.

Claims

Ansprüche
1. Fluidspeicher (1), insbesondere Fluidspeicher mit einem Sorptionsmedium (2), dadurch gekennzeichnet, dass eine Energieaufnahme- und/oder -abgabevorrichtung (3) vorgesehen ist.
2. Fluidspeicher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Energieaufnahme- und/oder -abgabevorrichtung (3) einen Heiz- bzw. Kühlkreis (4) umfasst.
3. Fluidspeicher nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Energieaufnahme- und/oder - abgabevorrichtung (3) einen Latentwärmespeicher (5) umfasst.
4. Fluidspeicher nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Teil der Energieaufnahme- und/oder -abgabevorrichtung (3) im Inneren des Fluidspeichers
(1) angeordnet ist.
5. Fluidspeicher nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Energieaufnahme- und/oder - abgabevorrichtung (3) eine mehrere Speicherinnenbereiche durchziehende Leitung (6) umfasst.
6. Fluidspeicher nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Energieaufnahme- und/oder - abgabevorrichtung (3) ein Rohrbündel (7) umfasst.
7. Fluidspeicher nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Energieaufnahme- und/oder - abgabevorrichtung (3) eine Pumpe (8) umfasst.
8. Fluidspeicher nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Energieaufnahme- und/oder - abgabevorrichtung (3) ein Heizelement (13) umfasst.
9. Fluidspeicher nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Energieaufnahme- und/oder - abgabevorrichtung (3) einen Anschluss (14) zu einem Heiz- und/oder Kühlkreislauf (15) eines thermischen und/oder mechanischen Energiewandlers (16) umfasst.
10. Fluidspeicher nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Energieaufnahme- und/oder - abgabevorrichtung (3) einen Anschluss (19) zu einer Abgasleitung (20) eines thermischen und/oder mechanischen Energiewandlers (16) umfasst.
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