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EP3118511B1 - Speicherelement für gase - Google Patents

Speicherelement für gase Download PDF

Info

Publication number
EP3118511B1
EP3118511B1 EP16175659.8A EP16175659A EP3118511B1 EP 3118511 B1 EP3118511 B1 EP 3118511B1 EP 16175659 A EP16175659 A EP 16175659A EP 3118511 B1 EP3118511 B1 EP 3118511B1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
elastically deformable
sorbent
storage element
housing
bodies
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
EP16175659.8A
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP3118511A1 (de
Inventor
Carsten Pohlmann
Lars RÖNTZSCH
Bernd Kieback
Mila Dieterich
Inga Bürger
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Original Assignee
Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV filed Critical Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Publication of EP3118511A1 publication Critical patent/EP3118511A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP3118511B1 publication Critical patent/EP3118511B1/de
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

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Classifications

    • 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.
  • gases or gas mixtures can also be stored by a sorption process if a suitable sorbent is selected. By introducing energy, in particular heating, desorption is also possible, with which the respective temporarily stored gas can be released from the storage element again and put to use.
  • Another known possibility is to provide cavities in a housing. This has the disadvantage that a material that adsorbs or absorbs gases has to be fixed with special elements if 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.
  • FR 3 004 515 A1 relates to a compensator to compensate for an increase in volume a hydrogen storage medium.
  • a hydrogen storage device with a system suitable for this are made US 6,530,233 B1 as well as U.S. 2009/0107853 A1 known.
  • US 4,598,836A relates to a compressed gas tank.
  • a sorbent for storing a respective gas is accommodated in at least one area in a rigid housing which is hollow on the inside. At least one further area is present in the housing, in which an elastically deformable body or an elastically deformable material is accommodated and no sorbent is present there.
  • the body(s) or the material is/are elastically deformable and/or its volume is/are dimensioned such that a volume expansion of the sorbent during the sorption of the respective gas can be compensated.
  • At least one inlet, one outlet or one inlet and one outlet for a gas is present on the housing.
  • a suitable housing can, for example, be tubular or have a polygonal or curved cross section.
  • An expansion space in at least one axial direction can be made available with one or more region(s) in which an elastically deformable body or such a material is contained.
  • Material, material, porosity, density and elastic restoring force can be adapted to the various sorbents used and gases to be stored.
  • the elastically deformable bodies or the elastically deformable material do not have to be gas-permeable.
  • the gas can also be distributed axially within the storage element and the sorbent contained therein by means of a porous sinter or filter tube or the like. The filling of a housing is very easy.
  • powder, granules, compacts or other forms of the particular sorbent used can be filled into the housing in layers in alternation with an elastically deformable body or elastically deformable material.
  • 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 volume expansion to be expected.
  • the sorbent can expand evenly and there is little density inhomogeneity. This allows the discharge rate to be increased as the heat transfer is more even over the length of the case is. This increases the effectively usable storage capacity.
  • a minimum hydrogen pressure is required to supply a consumer (eg fuel cell).
  • 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 therefore not deliver the defined hydrogen volume flow against a certain overpressure for as long as areas in which there is a higher density. In this case, the usable hydrogen storage capacity is reduced.
  • the densities inside the housing are more homogeneous and can therefore be discharged over a longer period of time, so that higher usable storage capacities can be achieved.
  • Elastically deformable bodies that can be used in the invention can preferably be porous foams. These can be made of a metal or a polymer, preferably polyurethane. Structural elements formed with fibers can be used as elastically deformable materials.
  • the fibers can consist of metal, polymer or a ceramic.
  • a fiber structure can be, for example, a knitted fabric, a non-crimp fabric, a knitted fabric or a woven fabric.
  • the elastic properties can be adapted to the respective sorbent, which can be possible, for example, through different porosities, pore sizes, web widths, material selection and combination for different temperatures and different elastic restoring forces.
  • One area and another area should be arranged alternately, so that the length ratio in an axial direction between one area in the sorbent and another area in which an elastically deformable body or elastically deformable material is included is at least the expected maximum volume expansion of Sorbent corresponds.
  • a maximum length of a region in which sorbent is contained should not be exceeded, which depends on friction effects in the sorbent bed and should be selected such that a high degree of homogeneity in the density of the sorbent can be maintained during expansion.
  • the length of an area in which sorbent is contained should be two to a maximum of ten times longer in an axial direction in which areas and further areas adjoin one another than the length of another area which is to be covered with an elastically deformable body or an elastically deformable material is filled in.
  • the elastically deformable bodies or the elastically deformable material can have a gradient both in the axial and also in the radial direction with regard to their elastic properties. They are therefore designed anisotropically with greater elasticity in an axial direction that is 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.
  • Several different elastically deformable bodies or different elastically deformable material can be used in order to form a further area for the compensation of the volume expansion.
  • the material of the body(s) or the material should be selected such 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.
  • the elastically deformable bodies or the elastically deformable material should be able to exert a force due to their elasticity, which means that the volume expansion that occurs as a result of the sorption of the respective gas on/in the sorbent can be compensated for at least partially during desorption.
  • an area containing sorbent can directly adjoin another area and sorbent and elastically deformable body or elastically deformable material can touch directly.
  • Elastically deformable bodies or elastically deformable material should advantageously have a porosity of at least 50%.
  • the material or material with which the elastic body(s) is/are formed, or an elastically deformable material should not chemically react with the sorbent and/or the housing material.
  • An adjustable restoring force is also advantageous in order to compensate for a cyclic increase and decrease in volume. This can improve storage bed stability.
  • Sorbent may be in the form of a loose bed, compacted body or granules within the housing.
  • the sorbent can 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/or or rare earth metals such as in particular La, Ce, Sm), complex hydrides (e.g. NaAlH4-based, LiNH2-based, LiBH4-based) for hydrogen or salts (e.g.
  • BaCl2-based, CaCl2-based) for ammonia or oxides/hydroxides e.g. CaO /Ca(OH)2 basis
  • water vapor or oxides e.g. PbO basis, CaO basis
  • carbon dioxide and/or the body or material is/are selected from a polymer, in particular polyurethane.
  • the body(s) can also be formed from a metal or metal alloy. Preferred metals are aluminum, copper or steel or alloys thereof. These are very particularly preferably porous.
  • a membrane to separate areas in which sorbents and other areas in which elastically deformable bodies or elastically deformable material are present.
  • the membrane should preferably be permeable to the respective gas. As a result, mixing of the different materials from areas and other areas can be avoided.
  • the friction conditions and possibly the forces acting as a result of the elasticity between the sorbent, elastically deformable bodies or elastically deformable material can also be advantageously influenced.
  • the effectively usable storage capacity in dynamic operation can be increased by up to 50%, 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 advantageously for the storage of heat.
  • FIG 1 a possibility for the formation of a memory element is shown schematically. Areas of the same length and each having the same volume are filled with sorbent 2 and bordered by further areas which also have the same length and the same volume in a state in which no gas is sorbed. The other areas are each filled with an elastically deformable body 3 .
  • Areas that are 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 other areas are arranged one after the other.
  • This axial direction can in particular be the longitudinal axis of a housing 1 .
  • a closed interface in the form of a membrane 5 between sorbent 2 and elastically deformable bodies 3 makes sense for the use of loose powder beds as sorbents 2 in order to prevent particles of the sorbent 2 from penetrating into the material of the bodies 3 .
  • this can also be achieved by a correspondingly very small pore size of porous, elastically deformable bodies 3 or, if appropriate, a corresponding design of an elastically deformable material.
  • the membranes 5 can be formed from the same material as the elastic body or from another material that is permeable to the gas to be stored.
  • a tubular housing 1 with an external diameter of 42 mm, an internal diameter of 40 mm and a length of 500 mm can be used for storing hydrogen.
  • a total of 1.4 kg of a hydride-forming Ti-containing alloy (AB2 type: Ti-Mn-V-Fe-Zr alloy), which is in the form of compacts with an internal porosity of approx. 30% by volume, was used as a sorbent 2 used and areas with a length of about 700 mm of the sorbent 2 alternating between other areas with a length of about 200 mm in the longitudinal direction of the tubular housing 1 made of stainless steel with an open-pore polyurethane foam (pore size about 1 mm, porosity approx. 95% by volume) as an elastically deformable body 3 .
  • the areas filled with the sorbent 2 were thus separated from one another with the other areas filled with the polyurethane foam.
  • the bodies 3 made of the polyurethane foam are elastically compressed.
  • the storage element discharges as a result of the desorption of the temporarily stored hydrogen, during which the temperature of the sorbent 2 is increased by heating, the volume of the sorbent 2 decreases and, as a result of the elasticity of the polyurethane foam with which the bodies 3 are formed, their volume increases again, so that as far as possible no cavity is present in the housing 1 in all states of the storage element.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Filling Or Discharging Of Gas Storage Vessels (AREA)

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.
  • FR 3 004 515 A1 betrifft einen Kompensator zur Ausgleichunge einer Volumenvergrößerung eines Wasserstoffspeichermediums.
  • Eine Wasserstoffspeichervorrichtung mit einem dazu geeigneten System sind aus US 6,530,233 B1 sowie US 2009/0107853 A1 bekannt.
  • US 4,598,836 A betrifft einen Druckgasbehälter.
  • Möglichkeiten zur Verfügungstellung von Wasserstoff aus einem Speicher sind aus US 2006/0065553 A1 bekannt.
  • 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 in einer erfindungsgemäßen Alternative einen Gradienten sowohl in axialer, als auch radialer Richtung hinsichtlich ihrer elastischen Eigenschaften aufweisen. Sie sind also anisotrop mit größerer Elastizität in eine Achsrichtung ausgebildet, 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 soll in einer weiteren erfindungsgemäßen Alternative 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. 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 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 (6)

  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,
    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
  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 Sorptionsmittel (2) in Form einer losen Schüttung gepresster Körper oder als Granulat innerhalb des Gehäuses (1) vorhanden ist.
  5. 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.
  6. 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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