WO2010029407A1 - Hydrogen store - Google Patents

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Definitions

  • the invention relates to a hydrogen storage, comprising a metal hydride and a pressure-resistant container.
  • the hydrogen can also be stored in chemical form in a hydride-forming alloy or chemical compound.
  • typical hydride-forming alloys are TiFe or C14-Laves phases hydrides, which have a storage capacity of about 1.5% by weight of hydrogen, based on the hydride-forming alloy.
  • complex metal hydrides such as NaAlH 4
  • NaAlH 4 have significantly higher hydrogen storage capacities (NaAlH 4 5.6 wt%), they also need to be significantly increased to ensure a sufficiently long range for mobile applications.
  • Patent DE 35 14 500 discloses a process for storing hydrogen under a pressure of 100-300 bar in combination with a hydride-forming alloy.
  • a hydride-forming alloy As hydridnduende alloys TiFe or C14 Lavesphasen hydrides are called, which can store a maximum of 1.9 wt.% Hydrogen.
  • the free gas volume within the storage tank should also be used for hydrogen storage. Even with this system, the achievable storage capacities are not sufficient to ensure high ranges for mobile systems (automobiles). Rather, the gravimetric storage densities of the overall system are in the order of only 1 wt .-%. That alone weighs that
  • Hydrogen storage system approx. 500 kg for the storage of approx. 5 kg of hydrogen.
  • the object of the invention was to optimize the weight-related storage capacity for hydrogen. As a result, based on the weight unit of storage, more hydrogen than previously stored.
  • the present invention is a hydrogen storage comprising a metal hydride and a pressure-resistant container, characterized in that the metal hydride is selected from low temperature of the general formula I.
  • Me 1 is selected from Sc, Ti, Zr, V 1 Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Y, Nb, Mo, La, Ce, Pr and Nd, or when x> 2, also a mixture may be of several metals, and x is a number from 1 to 3, y is a number from 1 to 2, z is a number from 4 to 7 and n is a number from 1 to 7.
  • Cryogenic hydrides are generally understood as meaning those hydrides which have an equilibrium hydrogen pressure ⁇ 1 bar at temperatures 50 ⁇ T ⁇ -30 ° C. Expanding the definition of Buchner, complex low-temperature hydrides are understood to mean those compounds whose hydrogen equilibrium pressure is significantly greater than 1 bar at room temperature, preferably between 50 and 900 bar.
  • complex aluminum metal hydrides are those compounds consisting of hydride ions, an aluminum metal (AI) and at least one electropositive metal (Me). They have the general form Me 1 x Al y H z .
  • such hydrides are not thermodynamically stable under standard conditions (298 K, 1 bar), but can only be produced in a pressure vessel under elevated hydrogen pressure (> 50 bar).
  • metal-aluminum hydrides for example metal-aluminum hydrides (metal alanates) can be used, which have a gravimetric storage densities up to 9 wt.% Hydrogen.
  • metal-aluminum hydrides with their hydrogen storage densities are shown in Figure 1. The list is exemplary and not to be considered as complete.
  • those electropositive metals are used which are selected from the metals of the subgroups of the periodic table as well as the rare earth metals.
  • alkali metal and / or alkaline-earth aluminum hydrides (alkali metal or alkaline earth metal anates) of the general formula II
  • Me 2 is selected from Li, Na, K, Mg and Ca, or when x> 2, may also be a mixture of several metals, and a is a number from 1 to 3, b is a number from 1 to 2, c is a number from 4 to 7 and m is a number from 1 to 7, may be included.
  • the complex metal-aluminum hydride compound CaAIH 5 may be mentioned here.
  • mixed complex aluminum hydrides can also be used.
  • the compound NaMg (AIH 4 J 3 is listed as an example.
  • a further increase in the storage capacity can be achieved, for example, by virtue of the fact that the pressure-tight container has a size in addition to the storage materials, such as a hydrogen-storing complex metal hydride or a hydride-forming metal or a hydride-forming alloy has free volume, which can be used in the high-pressure tank for storing hydrogen.
  • the storage materials such as a hydrogen-storing complex metal hydride or a hydride-forming metal or a hydride-forming alloy has free volume, which can be used in the high-pressure tank for storing hydrogen.
  • the remaining degree of filling can be determined towards the end of emptying (C).
  • the storage of hydrogen is carried out for the most part in a complex cryogenic metal hydride at a hydrogen pressure which is between 50 and 900 bar, in particular between 50 and 350 bar hydrogen pressure.
  • the storage takes place in a pressure vessel.
  • pressure vessels made of composite materials, for example carbon fiber wrapped metal vessels, are used.
  • the pressure-resistant container should be designed so that it can be pressurized to a pressure of 50 to 900 bar
  • such pressure vessels are used, which have an integrated heat exchanger, so that the released during loading reaction and compression heat can be dissipated.
  • such pressure vessels are used which contain a highly porous metal foam for better heat exchange.
  • a metal foam for producing such metal foams, composites of a metal and a blowing agent (often titanium hydride) are generally used. After compression to a starting material, this is heated to a temperature above the melting point of the metal used. In the process, the metal hydride decomposes, releases hydrogen and foams the mixture.
  • This metal foam may consist of aluminum, aluminum alloys or other porous metal foams.
  • Another object of the present invention is a process for storing hydrogen in which a metal alloy capable of forming metal hydrides of general formula I is formed
  • Me is selected from Sc, Ti, Zr, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Y, Nb, Mo, La, Ce, Pr and Nd, or when x> 2, also a mixture of may be a plurality of metals, x is a number from 1 to 3, y is a number from 1 to 2, z is a number from 4 to 7 and n is a number from 1 to 7, is pressurized in a pressure vessel under pressure with hydrogen.
  • Another object is a method for releasing hydrogen, in which a metal hydride of the general formula I.
  • Me is selected from Sc, Ti, Zr, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn 1 Y, Nb, Mo, La, Ce, Pr and Nd, or when x> 2, also a mixture of a number from 1 to 3, y is a number from 1 to 2, z is a number from 4 to 7 and n is a number from 1 to 7, is kept under hydrogen pressure in a pressure vessel, and the release of the
  • Hydrogen occurs by reducing the pressure.
  • the inventive method for storing hydrogen is used.
  • aluminum metal and one or more other metals or metal hydrides are used as the solid starting compounds and H 2 is used under high pressure as the gaseous component, wherein the storage of hydrogen takes place in solid form in a complex metal aluminum hydride.
  • other complex metal hydrides eg transition metal borohydrides
  • the prerequisite is that their hydrogen equilibrium pressure is between 50 and 900 bar at room temperature.
  • metal alloys or metal mixtures are used to form the metal (mixture) aluminum hydride.
  • catalysts preferably transition metal catalysts
  • These catalysts improve the hydrogenation and dehydrogenation properties of the hydrogen storage materials.
  • the catalysts can be added to the storage material in the form of metals, metal compounds or as alloy constituents of the metals used.
  • the transition metal catalysts are selected from transition metal compounds of the group B to VB of the periodic table as well as Fe, Co, Ni and compounds of rare earth metals or combinations thereof, in particular their alkoxides, halides, hydrides, organometallic and intermetallic compounds, such as TiAl. 3

Abstract

A hydrogen store comprising a metal hydride and a pressure-rated container, wherein the metal hydride is selected from among low-temperature hydrides of the general formula Me1 x(AlyHz)n (I), Me is selected from among Sc, Ti, Zr, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Y, Nb, Mo, La, Ce, Pr and Nd or when x ≥ 2 can also be a mixture of a plurality of metals, x is from 1 to 3, y is from 1 to 2, z is from 4 to 7 and n is from 1 to 7, is claimed. The use of complex low-temperature hydrides of the formula (I) enables the storage capacity of hydrogen stores to be increased significantly, so that the range in automotive applications can be improved at a reduced weight of the store.

Description

Wasserstoffspeicher Hydrogen storage
Gegenstand der Erfindung ist ein Wasserstoffspeicher, umfassend ein Metallhydrid und einen druckfesten Behälter.The invention relates to a hydrogen storage, comprising a metal hydride and a pressure-resistant container.
Stand der TechnikState of the art
Einhergehend mit den Fortschritten in der Brennstoffzellenentwicklung für mobile und stationäre Systeme wird die Notwendigkeit zur Speicherung ausreichend großer Wasserstoff mengen, insbesondere im automotiven Bereich, immer offensichtlicher. Neben den physikalischen Methoden zur Wasserstoffspeicherung (hoher Druck, tiefe Temperatur) kann der Wasserstoff auch in chemischer Form in einer hydridbildenden Legierung oder chemischen Verbindung gespeichert werden. Als typische hydridbildende Legierungen werden z.B. TiFe- oder C14-Lavesphasen hydride verwendet, die eine Speicherkapazität von ca. 1.5 Gew.-% Wasserstoff, bezogen auf die hydridbildende Legierung besitzen. Komplexe Metallhydride wie das NaAIH4 besitzen zwar erheblich höhere Wasserstoffspeicherkapazitäten (NaAIH4 5.6 Gew.%), aber um eine ausreichend große Reichweite für mobile Anwendungen zu gewährleisten, muss auch diese beträchtlich erhöht werden. Negativ wirkt sich bei letztgenannten Systemen aus, dass zusätzlich technische Einrichtung wie Wärmetauscher zur Freisetzung des Wasserstoffs aus dem komplexen Metallhydrid notwendig sind. Dadurch wird die effektive Speicherkapazität, bezogen auf das Gesamtsystem, zusätzlich erniedrigt. Bisher kann keines dieser Verfahren eine ausreichend große Wasserstoffmenge bei akzeptabler volumetrischer und gravimetrischer Speicherdichte für automotive Anwendungen zur Verfügung stellen.Along with the advances in fuel cell development for mobile and stationary systems, the need to store sufficiently large quantities of hydrogen, especially in the automotive field, is becoming increasingly apparent. In addition to the physical methods of hydrogen storage (high pressure, low temperature), the hydrogen can also be stored in chemical form in a hydride-forming alloy or chemical compound. Examples of typical hydride-forming alloys are TiFe or C14-Laves phases hydrides, which have a storage capacity of about 1.5% by weight of hydrogen, based on the hydride-forming alloy. Although complex metal hydrides, such as NaAlH 4 , have significantly higher hydrogen storage capacities (NaAlH 4 5.6 wt%), they also need to be significantly increased to ensure a sufficiently long range for mobile applications. A negative effect of the latter systems is that additional technical equipment such as heat exchangers for releasing the hydrogen from the complex metal hydride are necessary. As a result, the effective storage capacity, based on the overall system, additionally reduced. So far, none of these methods can provide a sufficient amount of hydrogen at acceptable volumetric and gravimetric storage density for automotive applications.
In der Patentschrift DE 35 14 500 wird ein Verfahren zur Speicherung von Wasserstoff unter einem Druck von 100 - 300 bar in Kombination mit einer hydridbildenden Legierung offenbart. Als hydridbildende Legierungen werden TiFe- bzw. C14-Lavesphasen -Hydride genannt, die maximal 1.9 Gew.% Wasserstoff speichern können. Neben der hydridbildenden Legierung soll auch das freie Gasvolumen innerhalb des Speicherbehälters zur Wasserstoffspeicherung genutzt werden. Auch bei diesem System reichen die erzielbaren Speicherkapazitäten nicht aus, um hohe Reichweiten für mobile Systeme (Automobile) zu gewährleisten. Vielmehr sind die gravimetrischen Speicherdichten des Gesamtsystems in der Größenordnung von lediglich 1 Gew.-%. Damit wiegt allein dasPatent DE 35 14 500 discloses a process for storing hydrogen under a pressure of 100-300 bar in combination with a hydride-forming alloy. As hydridbildende alloys TiFe or C14 Lavesphasen hydrides are called, which can store a maximum of 1.9 wt.% Hydrogen. In addition to the hydride-forming alloy, the free gas volume within the storage tank should also be used for hydrogen storage. Even with this system, the achievable storage capacities are not sufficient to ensure high ranges for mobile systems (automobiles). Rather, the gravimetric storage densities of the overall system are in the order of only 1 wt .-%. That alone weighs that
Wasserstoffspeichersystem ca. 500 kg für die Speicherung von ca. 5 kg Wasserstoff.Hydrogen storage system approx. 500 kg for the storage of approx. 5 kg of hydrogen.
Die Aufgabe der Erfindung bestand nun darin, die gewichtsbezogene Speicherkapazität für Wasserstoff zu optimieren. Dadurch kann, bezogen auf Gewichtseinheit Speicher, mehr Wasserstoff als bisher gespeichert werden.The object of the invention was to optimize the weight-related storage capacity for hydrogen. As a result, based on the weight unit of storage, more hydrogen than previously stored.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Wasserstoffspeicher umfassend ein Metallhydrid und einen druckfesten Behälter dadurch gekennzeichnet, das Metallhydrid ausgewählt ist aus Tieftemperaturhydriden der allgemeinen Formel IThe present invention is a hydrogen storage comprising a metal hydride and a pressure-resistant container, characterized in that the metal hydride is selected from low temperature of the general formula I.
Me1 x(AlyHz)n (I) in derMe 1 x (Al y H z ) n (I) in the
Me1 ausgewählt ist aus Sc, Ti, Zr, V1 Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Y, Nb, Mo, La, Ce, Pr und Nd oder wenn x > 2 ist, auch ein Gemisch aus mehreren Metallen sein kann, und x eine Zahl von 1 bis 3, y eine Zahl von 1 bis 2, z eine Zahl von 4 bis 7 und n eine Zahl von 1 bis 7 bedeuten.Me 1 is selected from Sc, Ti, Zr, V 1 Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Y, Nb, Mo, La, Ce, Pr and Nd, or when x> 2, also a mixture may be of several metals, and x is a number from 1 to 3, y is a number from 1 to 2, z is a number from 4 to 7 and n is a number from 1 to 7.
Überraschenderweise wurde nun gefunden, dass durch Verwendung von komplexen Tieftemperaturhydriden der allgemeinen Formel Me1 xAlyHz die Speicherkapazität von Wasserstoffspeichern deutlich erhöht werden kann. Dadurch verringert sich nicht nur das Gewicht des Speichers, auch die Reichweite bei automotive Anwendungen wird erhöht.Surprisingly, it has now been found that by using complex low-temperature hydrides of the general formula Me 1 × Al y H z, the storage capacity of hydrogen stores can be significantly increased. This not only reduces the weight of the memory, but also the range in automotive applications is increased.
Unter Tieftemperaturhydriden werden im Allgemeinen solche Hydride verstanden, die einen Gleichgewichts-Wasserstoffdruck ≥1 bar bei Temperaturen 50 ≥T ≥ -300C besitzen. In Erweiterung der Definition von Buchner werden unter komplexen Tieftemperaturhydriden, solche Verbindungen verstanden, deren Wasserstoffgleichgewichtsdruck .bei Raumtemperatur deutlich größer als 1 bar ist, bevorzugt zwischen 50 und 900 bar liegt. Beispielsweise sind komplexe Aluminiummetallhydride solche Verbindungen, die aus Hydridionen, einem Aluminiummetall (AI) und mindestens einem elektropositiven Metall (Me) bestehen. Sie haben die allgemeine Form Me1 xAlyHz. Damit sind solche Hydride unter Standardbedingungen (298 K, 1 bar) thermodynamisch nicht stabil, sondern können nur in einem Druckgefäß unter erhöhtem Wasserstoffdruck (> 50 bar) erzeugt werden. Als komplexe Metallhydride können beispielsweise Metall-Aluminiumhydride (Metallalanate) verwendet werden, die eine gravimetrische Speicherdichten bis zu 9 Gew. % Wasserstoff besitzen. Einige Beispiele von komplexen Metall-Aluminiumhydriden mit ihren Wasserstoffspeicherdichten sind im Bild 1 dargestellt. Die Aufzählung ist exemplarisch und nicht als vollständig zu betrachten. Allgemein werden solche elektropositiven Metalle verwendet, die aus den Metallen der Nebengruppen des Periodensystems sowie den Seltenerd-Metallen ausgewählt werden.Cryogenic hydrides are generally understood as meaning those hydrides which have an equilibrium hydrogen pressure ≥ 1 bar at temperatures 50 ≥T ≥ -30 ° C. Expanding the definition of Buchner, complex low-temperature hydrides are understood to mean those compounds whose hydrogen equilibrium pressure is significantly greater than 1 bar at room temperature, preferably between 50 and 900 bar. For example, complex aluminum metal hydrides are those compounds consisting of hydride ions, an aluminum metal (AI) and at least one electropositive metal (Me). They have the general form Me 1 x Al y H z . Thus, such hydrides are not thermodynamically stable under standard conditions (298 K, 1 bar), but can only be produced in a pressure vessel under elevated hydrogen pressure (> 50 bar). As complex metal hydrides, for example metal-aluminum hydrides (metal alanates) can be used, which have a gravimetric storage densities up to 9 wt.% Hydrogen. Some examples of complex metal-aluminum hydrides with their hydrogen storage densities are shown in Figure 1. The list is exemplary and not to be considered as complete. Generally, those electropositive metals are used which are selected from the metals of the subgroups of the periodic table as well as the rare earth metals.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung können zusätzlich zu den 'komplexen Tieftemperaturhydriden auch Alkali- und/oder Erdalkalialuminumhydride (Alkali- bzw. Erdalkalialanate) der allgemeinen Formel IlIn the context of the present invention, in addition to the complex low-temperature hydrides, it is also possible to use alkali metal and / or alkaline-earth aluminum hydrides (alkali metal or alkaline earth metal anates) of the general formula II
Me2 a(AlbHc)m (II) in derMe 2 a (Al b H c ) m (II) in the
Me2 ausgewählt ist aus Li, Na, K, Mg und Ca oder wenn x > 2 ist, auch ein Gemisch aus mehreren Metallen sein kann, und a eine Zahl von 1 bis 3, b eine Zahl von 1 bis 2, c eine Zahl von 4 bis 7 und m eine Zahl von 1 bis 7 bedeuten, enthalten sein. Exemplarisch sei hier die komplexe Metall-Aluminiumhydrid Verbindung CaAIH5 genannt. Neben den einfachen komplexen Aluminiumhydriden können auch gemischte komplexe Aluminiumhydride eingesetzt werden. Exemplarisch sei die Verbindung NaMg(AIH4J3 aufgelistet. Gute Speicherkapazitäten können erhalten werden, wenn die komplexen Tieftemperaturhydride und die komplexen Alkali- und/oder Erdalkalialuminiumhydride in einem Verhältnis von 10 mol% zu 90 mol% bis 90 mol% zu 10 mol% vorliegen.Me 2 is selected from Li, Na, K, Mg and Ca, or when x> 2, may also be a mixture of several metals, and a is a number from 1 to 3, b is a number from 1 to 2, c is a number from 4 to 7 and m is a number from 1 to 7, may be included. As an example, the complex metal-aluminum hydride compound CaAIH 5 may be mentioned here. In addition to the simple complex aluminum hydrides, mixed complex aluminum hydrides can also be used. The compound NaMg (AIH 4 J 3 is listed as an example. Good storage capacities can be obtained if the complex low-temperature hydrides and the complex alkali metal and / or alkaline earth aluminum hydrides are present in a ratio of 10 mol% to 90 mol% to 90 mol% to 10 mol%. available.
Werden Tieftemperaturhydride und die Alkali- und/oder Erdalkalialuminumhydride gemeinsam im erfindungsgemäßen Wasserstoffspeicher eingesetzt, so wird angenommen, dass diese beiden Verbindungstypen gemischte Aluminiumhydride aus Gemischen von Alkali-, Erdalkali-, Übergangs- und/oder Seltenerdmetallen bilden können, d.h. nicht mehr als getrennte Verbindungen nachgewiesen werden können.When low temperature hydrides and the alkali and / or alkaline earth aluminum hydrides are used together in the hydrogen storage of the present invention, it is believed that these two types of compounds can form mixed aluminum hydrides from mixtures of alkali, alkaline earth, transition and / or rare earth metals, i. can no longer be detected as separate compounds.
Ein weitere Steigerung der Speicherkapazität kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass der druckfeste Behälter eine solche Größe aufweist, dass dieser neben den Speichermaterialien, wie einem Wasserstoff-speichernden komplexen Metallhydrid oder einem hydridbildenden Metall bzw. einer hydridbildenden Legierung auch über zusätzliches freies Volumen verfügt, welches im Hochdrucktank zur Speicherung von Wasserstoff genutzt werden kann.A further increase in the storage capacity can be achieved, for example, by virtue of the fact that the pressure-tight container has a size in addition to the storage materials, such as a hydrogen-storing complex metal hydride or a hydride-forming metal or a hydride-forming alloy has free volume, which can be used in the high-pressure tank for storing hydrogen.
Den prinzipiellen Druckverlauf bei der Wasserstoffentnahme wird im Bild 2 dargestellt. Bei einem Beladungsdruck von 350 bar sinkt der Druck im Hochdrucktank bis der Gleichgewichtsdruck bei 200 bar des Tieftemperaturhydrides erreicht ist (A). Während der Wasserstoffentnahme bleibt der Druck solange konstant, bis das gesamte Metallhydrid vollständig zersetzt ist (B). Nach vollständiger Zersetzung fällt der Druck bei weiterer Entnahme bis auf 0 bar ab (C).The basic pressure curve for the removal of hydrogen is shown in Figure 2. At a loading pressure of 350 bar, the pressure in the high-pressure tank decreases until the equilibrium pressure at 200 bar of the cryogenic hydride has been reached (A). During hydrogen extraction, the pressure remains constant until all of the metal hydride is completely decomposed (B). After complete decomposition, the pressure drops on further withdrawal to 0 bar (C).
Die Speicherkapazität eines solchen Tanksystems ist exemplarisch in der folgenden Beschreibung erläutert.The storage capacity of such a tank system is exemplified in the following description.
Bei einem inneren Volumen des Druckgefäßes von 100 L werden 60 kg einer bei Raumtemperatur instabilen, wasserstoffspeichernden Verbindung vom Typ Ti(AIH4J4, die einen angenommenen Gleichgewichtsdruck von 200 bar und eine Dichte von 1g/cm3 besitzt, eingesetzt. Zusätzlich sind 40 L freies Volumen, bedingt durch Zwischenräume der Partikel des Speichermaterials und weitere freie Gasvolumina innerhalb des Druckbehälters vorhanden.With an internal volume of the pressure vessel of 100 L, 60 kg of a room temperature unstable hydrogen storage compound of the type Ti (AlH 4 J 4 having an assumed equilibrium pressure of 200 bar and a density of 1 g / cm 3 are used L free volume due to interstices of the particles of the storage material and other free gas volumes within the pressure vessel available.
Bei der Wasserstoffentnahme fällt der Druck im System solange, bis der Gleichgewichtsdruck des Tieftemeperaturhydrides erreicht ist (Bereich A im Bild 2). In diesem Bereich können ca. 0.50 kg Wasserstoff gespeichert werden. Im Bereich B zersetz sich das instabile Metallhydrid bei weiterer Wasserstoffentnahme. Der Druck im System bleibt während der Zersetzung des instabilen Metallhydrides nahezu konstant. In diesem Bereich werden 5.58 kg Wasserstoff gespeichert. Bei weiterer Wasserstoffentnahme sinkt der Druck von 200 auf 0 bar (Bereich C). In diesem Bereich werden noch einmal 0.67 kg gespeichert. Die gesamte speicherbare Wasserstoffmenge für ein solches System beträgt 6.75 kg Wasserstoff.When the hydrogen is removed, the pressure in the system falls until the equilibrium pressure of the low-temperature hydride has been reached (area A in Figure 2). In this area about 0.50 kg of hydrogen can be stored. In area B, the unstable metal hydride decomposes upon further hydrogen abstraction. The pressure in the system remains almost constant during the decomposition of the unstable metal hydride. 5.58 kg of hydrogen are stored in this area. As the hydrogen is withdrawn, the pressure drops from 200 to 0 bar (range C). 0.67 kg are stored in this area. The total amount of hydrogen that can be stored for such a system is 6.75 kg of hydrogen.
In einem vergleichbaren Druckgassystem von 100 L Volumen können bei einem Druck von 350 bar lediglich 2.9 kg Wasserstoff (berechnet für ideales Verhalten) gespeichert werden. Dies ist weniger als die Hälfte, die mit einem Speichersystem der Kombination von instabilem Metallhydrid und hohem Druck erreichbar ist.In a comparable pressurized gas system of 100 L volume, at a pressure of 350 bar, only 2.9 kg of hydrogen (calculated for ideal behavior) can be stored. This is less than half achievable with a storage system of the combination of unstable metal hydride and high pressure.
Da als Speichermaterial für den Wasserstofftank lediglich Tieftemperaturhydride verwendet werden, entfällt in vielen fällen die Notwendigkeit einer äußeren Wärmezufuhr zur Zersetzung des Wasserstoffspeichermaterials, wie es bei komplexen Hydriden von Typ des NaAIH4 oder Hochtemperaturmetallhydriden wie MgH2 notwendig ist. Dadurch vereinfacht sich der konstruktive Aufbau des gesamten Speichersystems erheblich.Since only low-temperature hydrides are used as storage material for the hydrogen tank, eliminating the need for an external heat supply in many cases Decomposition of the hydrogen storage material, as is necessary with complex hydrides of the type of NaAlH 4 or high temperature metal hydrides such as MgH 2 . As a result, the structural design of the entire storage system simplified considerably.
Bei der Verwendung eines Hochdrucktanksystems mit einer instabilen Hydridverbindung in Kombination mit einem Brennstoffzellensystem ist durch den hohen Wasserstoffdruck im Tanksystem jederzeit ein ausreichend großer Vordruck für den Betrieb der Brennstoffzelle vorhanden. Dieser liegt bei PEM (PEMFC)- Brennstoffzellen im Bereich von 5 bar und damit deutlich unter dem Betriebsdruck des Wasserstoffspeichersystems.When using a high pressure tank system with an unstable hydride compound in combination with a fuel cell system, the high hydrogen pressure in the tank system at any time a sufficiently large form for the operation of the fuel cell is available. In the case of PEM (PEMFC) fuel cells, this is in the region of 5 bar and thus significantly below the operating pressure of the hydrogen storage system.
Durch einfache Druckmessung im Tanksystem kann gegen Ende der Entleerung (C) der restliche Füllgrad bestimmt werden.By simple pressure measurement in the tank system, the remaining degree of filling can be determined towards the end of emptying (C).
Erfindungsgemäß wird die Speicherung von Wasserstoff zum größten Teil in einem komplexen Tieftemperatur-Metallhydrid bei einem Wasserstoffdruck durchgeführt, der zwischen 50 und 900 bar, insbesondere zwischen 50 und 350 bar Wasserstoffdruck liegt.According to the invention, the storage of hydrogen is carried out for the most part in a complex cryogenic metal hydride at a hydrogen pressure which is between 50 and 900 bar, in particular between 50 and 350 bar hydrogen pressure.
Üblicherweise erfolgt die Speicherung in einem Druckgefäß. In einer bevorzugten Ausführungsform werden Druckgefäße, die aus Kompositmaterialien hergestellt werden,, beispielsweise mit Kohlenstofffasern umwickelte Metallbehälter, verwendet. Der druckfeste Behälter sollte derart ausgelegt sein, dass er mit einem Druck von 50 bis 900 bar beaufschlagt werden kannUsually, the storage takes place in a pressure vessel. In a preferred embodiment, pressure vessels made of composite materials, for example carbon fiber wrapped metal vessels, are used. The pressure-resistant container should be designed so that it can be pressurized to a pressure of 50 to 900 bar
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform werden solche Druckgefäße verwendet, die einen integrierten Wärmetauscher besitzen, damit die bei der Beladung freiwerdende Reaktions- und Kompressionswärme abgeführt werden kann.In a further preferred embodiment, such pressure vessels are used, which have an integrated heat exchanger, so that the released during loading reaction and compression heat can be dissipated.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform werden solche Druckgefäße eingesetzt, die zum besseren Wärmeaustausch einen hochporösen Metallschaum beinhalten. Zur Herstellung solcher Metallschäume werden im allgemeinen Komposite aus einem Metall und einem Treibmittel (häufig Titanhydrid) verwendet. Nach der Verdichtung zu einem Vormaterial wird dieses auf eine Temperatur oberhalb des Schmelzpunktes des verwendeten Metalles erhitzt. Dabei zersetzt sich das Metallhydrid, gibt Wasserstoff frei und schäumt damit das Gemenge auf. Dieser Metallschaum kann aus Aluminium, Aluminiumlegierungen oder anderen porösen Metallschäumen bestehen. Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Speicherung von Wasserstoff, in welchem eine Metalllegierung, die dazu in der Lage ist, Metallhydride der allgemeinen Formel I zu bildenIn a further preferred embodiment, such pressure vessels are used which contain a highly porous metal foam for better heat exchange. For producing such metal foams, composites of a metal and a blowing agent (often titanium hydride) are generally used. After compression to a starting material, this is heated to a temperature above the melting point of the metal used. In the process, the metal hydride decomposes, releases hydrogen and foams the mixture. This metal foam may consist of aluminum, aluminum alloys or other porous metal foams. Another object of the present invention is a process for storing hydrogen in which a metal alloy capable of forming metal hydrides of general formula I is formed
Me1 x(AlyHz)π (I)Me 1 x (Al y H z ) π (I)
in derin the
Me ausgewählt ist aus Sc, Ti, Zr, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Y, Nb, Mo, La, Ce, Pr und Nd oder wenn x > 2 ist, auch ein Gemisch aus mehreren Metallen sein kann, x eine Zahl von 1 bis 3, y eine Zahl von 1 bis 2, z eine Zahl von 4 bis 7 und n eine Zahl von 1 bis 7 bedeuten, in einem Druckbehälter unter Überdruck mit Wasserstoff beaufschlagt wird.Me is selected from Sc, Ti, Zr, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Y, Nb, Mo, La, Ce, Pr and Nd, or when x> 2, also a mixture of may be a plurality of metals, x is a number from 1 to 3, y is a number from 1 to 2, z is a number from 4 to 7 and n is a number from 1 to 7, is pressurized in a pressure vessel under pressure with hydrogen.
Ein weiterer Gegenstand ist ein Verfahren zur Freisetzung von Wasserstoff, in welchem ein Metallhydrid der allgemeinen Formel IAnother object is a method for releasing hydrogen, in which a metal hydride of the general formula I.
Mex(AlyHz)n (I)Me x (Al y H z ) n (I)
in derin the
Me ausgewählt ist aus Sc, Ti, Zr, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn1 Y, Nb, Mo, La, Ce, Pr und Nd oder wenn x > 2 ist, auch ein Gemisch aus mehreren Metallen sein kann, x eine Zahl von 1 bis 3, y eine Zahl von 1 bis 2, z eine Zahl von 4 bis 7 und n eine Zahl von 1 bis 7 bedeuten, unter Wasserstoffüberdruck in einem Druckbehälter gehalten wird, und die Freisetzung desMe is selected from Sc, Ti, Zr, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn 1 Y, Nb, Mo, La, Ce, Pr and Nd, or when x> 2, also a mixture of a number from 1 to 3, y is a number from 1 to 2, z is a number from 4 to 7 and n is a number from 1 to 7, is kept under hydrogen pressure in a pressure vessel, and the release of the
Wasserstoff erfolgt, indem der Druck verringert wird.Hydrogen occurs by reducing the pressure.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird das erfindungsgemäße Verfahren zur Speicherung von Wasserstoff eingesetzt. In dieser Ausführungsform werden als feste Ausgangsverbindungen Aluminiummetall und ein oder mehrere weitere Metalle oder Metallhydride und als gasförmige Komponente H2 unter hohem Druck eingesetzt, wobei die Speicherung von Wasserstoff in fester Form in einem komplexen Metallaluminiumhydrid erfolgt. Neben den beschriebenen komplexen Aluminiumhydridverbindungen können auch andere komplexe Metallhydride (z. B. Übergangsmetallboranate) als Wasserstoffspeichermaterial zum Einsatz kommen. Vorraussetzung ist, dass ihr Wasserstoffgleichgewichtsdruck zwischen 50 und 900 bar bei Raumtemperatur liegt.In a preferred embodiment, the inventive method for storing hydrogen is used. In this embodiment, aluminum metal and one or more other metals or metal hydrides are used as the solid starting compounds and H 2 is used under high pressure as the gaseous component, wherein the storage of hydrogen takes place in solid form in a complex metal aluminum hydride. In addition to the complex aluminum hydride compounds described, other complex metal hydrides (eg transition metal borohydrides) can also be used as the hydrogen storage material. The prerequisite is that their hydrogen equilibrium pressure is between 50 and 900 bar at room temperature.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform werden neben Aluminium und einzelnen Metallen auch Metalllegierungen oder Metallgemische zur Bildung des Metall(gemisch) Aluminiumhydrides eingesetzt.In a further preferred embodiment, in addition to aluminum and individual metals, metal alloys or metal mixtures are used to form the metal (mixture) aluminum hydride.
In einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden dem Reaktionsgemisch Katalysatoren, vorzugsweise Übergangsmetallkatalysatoren, zugesetzt. Diese Katalysatoren verbessern die Hydrier- und Dehydriereigenschaften der Wasserstoffspeichermaterialien. Die Katalysatoren können in Form von Metallen, Metallverbindungen oder auch als Legierungsbestandteile der verwendeten Metalle dem Speichermaterial zugesetzt werden.In a further embodiment of the process according to the invention, catalysts, preferably transition metal catalysts, are added to the reaction mixture. These catalysts improve the hydrogenation and dehydrogenation properties of the hydrogen storage materials. The catalysts can be added to the storage material in the form of metals, metal compounds or as alloy constituents of the metals used.
Vorzugsweise sind die Übergangsmetallkatalysatoren ausgewählt aus Übergangsmetallverbindungen der Gruppe IM B bis V B des Periodensystems sowie Fe, Co, Ni sowie Verbindungen von Seltenerdmetallen oder ihren Kombinationen, insbesondere deren Alkoholaten, Halogeniden, Hydriden, metallorganischen und intermetallischen Verbindungen, wie TiAI3. Preferably, the transition metal catalysts are selected from transition metal compounds of the group B to VB of the periodic table as well as Fe, Co, Ni and compounds of rare earth metals or combinations thereof, in particular their alkoxides, halides, hydrides, organometallic and intermetallic compounds, such as TiAl. 3

Claims

Patentansprüche claims
1. Wasserstoffspeicher umfassend Metallhydrid und einen druckfesten Behälter dadurch gekennzeichnet, dass das Metallhydrid ausgewählt ist aus Tieftemperaturhydriden der allgemeinen Formel1. hydrogen storage comprising metal hydride and a pressure-resistant container, characterized in that the metal hydride is selected from low temperature of the general formula
Me1 x(AlyHz)n (I) in derMe 1 x (Al y H z ) n (I) in the
Me1 ausgewählt ist aus Sc1 Ti, Zr, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu1 Zn, Y, Nb, Mo, La, Ce, Pr und Nd oder wenn x > 2 ist, auch ein Gemisch aus mehreren Metall sein kann, und x eine Zahl von 1 bis 3, y eine Zahl von 1 bis 2, z eine Zahl von 4 bis 7 und n eine Zahl von 1 bis 7 bedeuten.Me 1 is selected from Sc 1 Ti, Zr, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu 1 Zn, Y, Nb, Mo, La, Ce, Pr and Nd, or when x> 2, also a mixture may be of several metals, and x is a number from 1 to 3, y is a number from 1 to 2, z is a number from 4 to 7 and n is a number from 1 to 7.
2. Wasserstoffspeicher nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass ein oder mehrere weitere Metallhydride ausgewählt aus Alkali- und Erdalkalihydriden der allgemeinen Formel Il2. Hydrogen storage according to claim 1, characterized in that one or more further metal hydrides selected from alkali metal and alkaline earth metal hydrides of the general formula II
Me2 a(AlbHc)m (II) in derMe 2 a (Al b H c ) m (II) in the
Me2 ausgewählt ist aus Li, Na, K, Mg und Ca oder wenn x > 2 ist, auch ein Gemisch aus mehreren Metall sein kann, und a eine Zahl von 1 bis 3, b eine Zahl von 1 bis 2, c eine Zahl von 4 bis 7 und m eine Zahl von 1 bis 7 bedeuten, enthalten sindMe 2 is selected from Li, Na, K, Mg and Ca, or when x> 2, it may also be a mixture of several metals, and a is a number from 1 to 3, b is a number from 1 to 2, c is a number from 4 to 7 and m is a number from 1 to 7, are included
3. Wasserstoffspeicher nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Tieftemperaturhydride und die Alkali- und/oder Erdalkalihydride in einem Verhältnis von 10 mol% zu 90 mol% bis 90 mol% zu 10 mol% vorliegen.3. hydrogen storage according to claim 1 or 2, characterized in that the cryogenic hydrides and the alkali and / or alkaline earth metal hydrides present in a ratio of 10 mol% to 90 mol% to 90 mol% to 10 mol%.
4. Wasserstoffspeicher nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Metallhydrid eine gravimetrische Speicherkapazität > 5 Gew.-% aufweist.4. hydrogen storage according to one of claims 1 to 3, characterized in that the metal hydride has a gravimetric storage capacity> 5 wt .-%.
5. Wasserstoffspeicher nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Wasserstoffgleichgewichtsdruck der Metallhydrids mit der allgemeinen Formel I bei Raumtemperatur zwischen 50 und 900 bar liegt 5. hydrogen storage according to one of claims 1 to 4, characterized in that the hydrogen equilibrium pressure of the metal hydrides having the general formula I at room temperature between 50 and 900 bar
6. Wasserstoffspeicher nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Behälter mit einem Druck von 50 bis 900 bar beaufschlagt werden kann.6. hydrogen storage according to one of claims 1 to 5, characterized in that the container can be acted upon with a pressure of 50 to 900 bar.
7. Wasserstoffspeicher nach einem der Ansprüche 1 bis 6, der Behälter hochporösen Metallschaum enthält.7. hydrogen storage according to one of claims 1 to 6, the container contains highly porous metal foam.
8. Verfahren zur Speicherung von Wasserstsoff, in welchem eine Metalllegierung, die dazu in der Lage ist, Metallhydride der allgemeinen Formel I zu bildenA process for storing hydrogen in which a metal alloy capable of forming metal hydrides of general formula I is provided
Me1 x(AlyHz)n (I) in derMe 1 x (Al y H z ) n (I) in the
Me1 ausgewählt ist aus Sc, Ti, Zr1 V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Y, Nb, Mo, La, Ce, Pr und Nd oder wenn x > 2 ist, auch ein Gemisch aus mehreren Metall sein kann, und x eine Zahl von 1 bis 3, y eine Zahl von 1 bis 2, z eine Zahl von 4 bis 7 und n eine Zahl von 1 bis 7 bedeuten, in einem Druckbehälter unter Überdruck mit Wasserstoff beaufschlagt wird.Me 1 is selected from Sc, Ti, Zr 1 V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Y, Nb, Mo, La, Ce, Pr and Nd, or when x> 2, also a mixture may be of several metals, and x is a number from 1 to 3, y is a number from 1 to 2, z is a number from 4 to 7 and n is a number from 1 to 7, is pressurized in a pressure vessel under pressure with hydrogen.
9. Verfahren zur Freisetzung von Wassestoff, in welchem ein Metallhydrid der allgemeinen Formel I9. A process for the release of Wassestoff, in which a metal hydride of the general formula I.
Me1 x(AlyHz)n (I) in derMe 1 x (Al y H z ) n (I) in the
Me1 ausgewählt ist aus Sc, Ti, Zr, V, Cr, Mn1 Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Y, Nb, Mo, La, Ce, Pr und Nd oder wenn x > 2 ist, auch ein Gemisch aus mehreren Metall sein kann, und x eine Zahl von 1 bis 3, y eine Zahl von 1 bis 2, z eine Zahl von 4 bis 7 und n eine Zahl von 1 bis 7 bedeuten, unter Wasserstoffüberdruck in einem Druckbehälter gehalten wird, und die Freisetzung des Wasserstoff erfolgt, indem der Druck verringert wird. Me 1 is selected, Cu of Sc, Ti, Zr, V, Cr, Mn 1 Fe Co, Ni, Zn, Y, Nb, Mo, La, Ce, Pr and Nd, or when x> 2, also a mixture may be of several metals, and x is a number from 1 to 3, y is a number from 1 to 2, z is a number from 4 to 7 and n is a number from 1 to 7, is kept under hydrogen pressure in a pressure vessel, and Release of the hydrogen takes place by reducing the pressure.
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