DE102011075302A1

DE102011075302A1 - Gasspeicher mit Verdrängermittel

Info

Publication number: DE102011075302A1
Application number: DE102011075302A
Authority: DE
Inventors: Nils Kaiser; Jan-Michael Graehn
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2011-05-05
Filing date: 2011-05-05
Publication date: 2012-11-08

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Gasspeicher, insbesondere Brennstoffgasspeicher, beispielsweise für ein mobiles oder stationäres Energiewandlungssystem, mit einem Gasbehälter 1. Zur Steigerung der nutzbaren Speicherkapazität, umfasst der Gasbehälter 1 ein Gasspeichervolumen 2, ein Verdrängermittelvolumen 3, ein zwischen dem Gasspeichervolumen 2 und dem Verdrängermittelvolumen 3 angeordnetes Trennelement 4 und einen Gasein- und/oder -auslass 5 zur Gasentnahme, insbesondere Brennstoffentnahme, und/oder Gasbefüllung, insbesondere Brennstoffbefüllung, des Gasspeichervolumens 2, wobei die Größe des Gasspeichervolumens 2 und die Größe des Verdrängermittelvolumens 3 unter einer Positionsänderung des Trennelements 4 veränderbar sind, wobei die Größe des Gasspeichervolumens 2 reziprok zur Größe des Verdrängermittelvolumens 3 veränderbar ist und wobei das Verdrängermittelvolumen 3 zur Aufnahme eines Verdrängermittels ausgelegt ist, welches unter den Betriebsbedingungen innerhalb des Verdrängervolumens 3 einen flüssig/gasförmig oder fest/gasförmig Phasenwechsel vollzieht.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Gasspeicher, insbesondere Brennstoffgasspeicher, ein Betriebsverfahren hierfür sowie entsprechend ausgestattete Energiewandlungssysteme, Fahrzeuge, Gebäude oder technische Anlagen.
Stand der Technik
Es gibt neben festen und flüssigen Kraftstoffen auch gasförmige Kraftstoffe. Letztere haben im Gegensatz zu den erstgenannten die Eigenschaft, kompressibel zu sein. Das heißt, ihre vergleichsweise geringe Dichte vergrößert sich mit zunehmendem Druck. Für akzeptable Tankgrößen, insbesondere bei automobilen Anwendungen, werden sie deshalb unter erhöhtem Druck in Druckbehältern gespeichert. Zum Beispiel kann in einem Druckbehälter Erdgas mit einem nominellen Druck bis etwa 200 bar und Wasserstoff mit einem Druck bis etwa 700 bar gespeichert werden.
Ohne eine Förderpumpe kann ein Drucktank jedoch nur bis zu einem Druck oberhalb oder gleich dem Betriebsdruck des ihm nach geschalteten Verbrauchers entleert werden. Für automobile Brennstoffzellensysteme zum Beispiel, die Wasserstoff über ein Druckregelventil zugeführt bekommen, ist nach derzeitigem Stand der Technik ein Vordruck von etwa 20 bar erforderlich, um einen ausreichenden Kraftstoffmassenstrom mit vertretbaren Ventilquerschnitten darstellen zu können. Dies gilt in vergleichbarer Weise für Erdgasfahrzeuge.
Wieder befüllbare Druckbehälter werden zudem vorzugsweise nicht bis auf Normaldruck, sondern beispielsweise nur bis zu einem Mindestdruck entleert, um das Eindringen von Verunreinigungen in den Tank beim Wiederauffüllen mit Sicherheit auszuschließen.
Aus diesen Gründen verbleibt herkömmlicherweise ein nicht verwertbarer Kraftstoffrest im Drucktank.
Die Druckschrift DE 10 2004 063 071 A1 beschreibt einen Brennstoffgastank für Niederdruckanwendungen, welcher ein veränderbares Speichervolumen aufweist, um eine vollständige Entleerung von gespeichertem Brennstoff zu verwirklichen.
Offenbarung der Erfindung
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Gasspeicher, insbesondere Brennstoffgasspeicher, welcher einen Gasbehälter umfasst, wobei der Gasbehälter ein Gasspeichervolumen, insbesondere ein Brennstoffspeichervolumen, ein Verdrängermittelvolumen und ein zwischen dem Gasspeichervolumen und dem Verdrängermittelvolumen angeordnetes Trennelement und einen Gaseinund/oder -auslass zur Gasentnahme und/oder Gasbefüllung des Gasspeichervolumens, insbesondere einen Brennstoffein- und/oder -auslass zur Brennstoffentnahme und/oder Brennstoffbefüllung des Brennstoffspeichervolumens, umfasst. Dabei sind die Größe des Gasspeichervolumens und die Größe des Verdrängermittelvolumens unter einer Positionsänderung des Trennelements veränderbar, insbesondere wobei die Größe des Gasspeichervolumens reziprok zur Größe des Verdrängermittelvolumens veränderbar ist. Mit anderen Worten, die Größe des Gasspeichervolumens ist dabei unter eine Vergrößerung des Verdrängermittelvolumens verkleinerbar und unter einer Verkleinerung des Verdrängermittelvolumens vergrößerbar. Weiterhin ist erfindungsgemäß das Verdrängermittelvolumen zur Aufnahme eines Verdrängermittels ausgelegt, welches unter den Betriebsbedingungen innerhalb des Verdrängervolumens einen flüssig/gasförmig oder fest/gasförmig Phasenwechsel vollzieht.
Der erfindungsgemäße Gasspeicher, insbesondere Brennstoffgasspeicher, ermöglicht es vorteilhafterweise, die nutzbare Speicherkapazität, bei ansonsten gleichbleibendem Außenvolumen des Gasspeichers, insbesondere Brennstoffgasspeichers, sowie Aufrechterhaltung eines Mindesttankdrucks, deutlich zu steigern. Eine Steigerung der nutzbaren Speicherkapazität hat wiederum den Vorteil, dass wenn nötig der Bauraum verringert werden kann. Bei Beibehaltung des Bauraums kann hingegen eine Versorgung mit einer höheren Energie beziehungsweise über einen längeren Zeitraum bereitgestellt werden. Insbesondere bei der Energieversorgung von Fahrzeugen geht dies mit dem Vorteil einher, dass eine höhere Reichweite erzielt werden kann und eine geringere Tankstellenzahl benötigt wird. Zudem wird eine im Wesentlichen vollständige Tankentleerung bei voller Leistung beziehungsweise hohem Massenstrom möglich da der Druck im Gasbehälter nicht unter den durch das erfindungsgemäße Verdrängermittel einstellbaren Minimaldruck, beispielsweise von 20 bar, sinkt. Dieser Vorteil nimmt insbesondere sowohl in Richtung kleinerer Speichermaximaldrücke als auch in Richtung höherer Speicherminimaldrücke zu. Vorteilhafterweise ist es daher auch nicht nötig, den Druck auf der Entnahmeseite des Gasbehälters abzusenken.
Erfindungsgemäß basiert die Veränderung des Gasspeichervolumens, insbesondere Brennstoffspeichervolumens, dabei auf der Gasentnahme, insbesondere Brennstoffentnahme, und der Verwendung eines Verdrängermediums mit einem flüssig/gasförmigen oder fest/gasförmigen Phasenwechsel und einer damit einhergehenden sprunghaften Änderung der Dichte. Der erfindungsgemäße Gasspeicher, insbesondere Brennstoffgasspeicher, hat den Vorteil, dass dieser mit einem geringeren Platzbedarf und ohne Aktionierung der Volumenänderungen durch weitere Vorrichtungen, beispielsweise das Abgas einer Brennkraftmaschine, eingesetzt werden kann. Dies ermöglicht vorteilhafterweise ein breiteres Einsatzspektrum des erfindungsgemäßen Gasspeicher, insbesondere Brennstoffgasspeichers. Vorteilhafterweise kann der erfindungsgemäße Gasspeicher, insbesondere Brennstoffgasspeicher, daher nicht nur zur Gas- beziehungsweise Energieversorgung eines Fahrzeugs, sondern auch eines Gebäudes oder einer technischen Anlage eingesetzt werden. Zudem verbessert die Erfindung vorteilhafterweise den Einsatz als und für tragbare Anwendungen, beispielsweise in Form eines tragbaren Tanks oder Ersatztanks beziehungsweise eines tragbaren, gasbetriebenen Geräts, beispielsweise auf Brennstoffzellenbasis.
Unter einem Behälter kann im Sinn der vorliegenden Erfindung insbesondere ein in sich geschlossener Hohlkörper verstanden werden. Dabei ist es möglich, dass in die Wandung des in sich als solchen geschlossenen Hohlkörpers beispielsweise ein oder mehrere Ventile integriert sein können.
Bei dem Gasein- und/oder -auslass, insbesondere Brennstoffein- und/oder -auslass, kann es sich beispielsweise um eine Entnahme- und/oder Befüllungsarmatur für Druckgasbehälter, insbesondere auf der Basis von einem oder mehreren Ventilen, handeln. Dabei ist es möglich, dass eine Einrichtung sowohl als Gaseinlass als auch als Gasauslass fungiert. Es ist jedoch ebenso möglich, dass das Gasspeichervolumen eine Gaseinlasseinrichtung und eine separate Gasauslasseinrichtung aufweist. Insbesondere kann der Gasspeicher, insbesondere Brennstoffgasspeicher, mindestens ein Gasein- und/oder -auslassventil umfassen. Beispielsweise kann der Gasein- und/oder -auslass beziehungsweise das Gasein- und/oder -auslassventil, insbesondere automatische, öffen- und schließbar beziehungsweise einstellbar sein. Vorzugsweise ist der Gasein- und/oder -auslass ein Ventil, welches sowohl als Gaseinlassventil als auch als Brennstoffauslassventil fungieren kann.
Der Begriff eines flüssig/gasförmigen Phasenwechsels kann insbesondere sowohl einen Phasenwechsel von der flüssigen in die gasförmige als auch von der gasförmigen in die flüssige Form umfassen.
Der Begriff eines fest/gasförmigen Phasenwechsels kann insbesondere sowohl einen Phasenwechsel von der festen in die gasförmige als auch von der gasförmigen in die feste Form umfassen.
Grundsätzlich ist es möglich das Verdrängermittelvolumen, insbesondere einmalig, bei der Herstellung des Gasspeichers, insbesondere Brennstoffgasspeichers, mit dem Verdrängermittel zu befüllen. Zur Vereinfachung der Herstellung sowie zur Verbesserung der Wartbarkeit, insbesondere zum Nachfüllen von Verdrängermittel im Fall eines Verdrängermittelverlusts über die Lebensdauer des Gasspeichers, insbesondere Brennstoffgasspeichers, und damit verbunden zur Optimierung der Lebensdauer des Gasspeichers, insbesondere Brennstoffgasspeichers, wird als vorteilhaft erachtet das Verdrängermittelvolumen auch nachträglich mit dem Verdrängermittel befüllbar auszugestalten.
Im Rahmen einer Ausführungsform umfasst der Gasspeicher daher weiterhin ein Verdrängermitteleinlassventil zum Befüllen des Verdrängermittelvolumens mit Verdrängermittel.
Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform ist der Gasbehälter ein Druckgasbehälter, insbesondere ein Hochdruckgasbehälter. Dabei kann unter einem Hochdruckgasbehälter insbesondere ein Gasbehälter verstanden werden, welcher für einen Innendruck von ≥ 50 bar, beispielsweise ≥ 100 bar oder ≥ 150 bar, zum Beispiel zur Naturgasspeicherung, oder sogar ≥ 500 bar, beispielsweise ≥ 700 bar, zum Beispiel zur Wasserstoffspeicherung, ausgelegt ist.
Während des Betriebes des Gasspeichers kann innerhalb des Verdrängermittelvolumens insbesondere ein Druck innerhalb eines Druckbereichs von ≥ 2 bar bis ≤ 800 bar, beispielsweise von ≥ 2 bar oder ≥ 10 bar oder ≥ 15 bar oder ≥ 20 bar bis ≤ 800 bar oder ≤ 200 bar oder ≤ 100 bar, und eine Temperatur innerhalb eines Temperaturbereichs von ≥ –40 °C bis ≤ 85 °C, beispielsweise von ≥ –40 °C bis ≤ 50 °C, vorliegen. Insbesondere kann das Verdrängermittel innerhalb dieses Druck- und Temperaturbereichs den flüssig/gasförmig oder fest/gasförmig Phasenwechsel vollziehen.
Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform vollzieht daher das Verdrängermittel innerhalb eines Druckbereichs von ≥ 2 bar bis ≤ 800 bar, beispielsweise von ≥ 2 bar oder ≥ 10 bar oder ≥ 15 bar oder ≥ 20 bar bis ≤ 800 bar oder ≤ 200 bar oder ≤ 100 bar, und innerhalb eines Temperaturbereichs von ≥ –40 °C bis ≤ 85 °C, insbesondere von ≥ –40 °C bis ≤ 50 °C, einen flüssig/gasförmig oder fest/gasförmig Phasenwechsel. In diesem Druck- und Temperaturbereich vollziehen beispielsweise Kohlenstoffdioxid und Krypton einen flüssig/Gasförmig Phasenwechsel.
Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform umfasst oder ist das Verdrängermittel daher Kohlenstoffdioxid (CO₂) und/oder Krypton (Kr). Vorzugsweise ist das Verdrängermittel Kohlenstoffdioxid. Für Kohlenstoffdioxid spricht, dass dieses ungefährlich und günstig zu beschaffen ist. Insbesondere kann das Verdrängermittelvolumen Kohlenstoffdioxid (CO₂) und/oder Krypton (Kr), insbesondere Kohlenstoffdioxid, umfassen.
Die Art und Menge des Verdrängermittels kann insbesondere bezüglich der nachstehenden technischen Merkmale gezielt eingestellt werden.
Vorzugsweise liegt das Verdrängermittel im Fall einer maximalen Gasbefüllung, insbesondere Brennstoffbefüllung, des Gasspeichervolumens im Verdrängermittelvolumen zumindest teilweise, gegebenenfalls im Wesentlichen vollständig, in flüssiger oder fester Form vor. Im Fall einer, insbesondere im Wesentlichen vollständigen, Gasentnahme, insbesondere Brennstoffentnahme, aus dem Gasspeichervolumen liegt das Verdrängermittel vorzugsweise im Verdrängervolumen zumindest teilweise, gegebenenfalls im Wesentlichen vollständig, in gasförmiger Form vor.
Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform liegt im Fall einer, insbesondere im Wesentlichen vollständigen, Gasentnahme, insbesondere Brennstoffentnahme, aus dem Gasspeichervolumen innerhalb des Verdrängermittelvolumens ein Druck von ≥ 2 bar, beispielsweise von ≥ 10 bar oder ≥ 15 bar oder von ≥ 20 bar, vor. So kann vorteilhafterweise ein ausreichender Kraftstoffmassenstrom mit vertretbaren Ventilquerschnitten dargestellt und insbesondere das Eindringen von Verunreinigungen in den Tank im entleerten Zustand verhindert werden.
Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform nimmt im Fall einer, insbesondere im Wesentlichen vollständigen, Gasentnahme, insbesondere Brennstoffentnahme, aus dem Gasspeichervolumen das Verdrängermittelvolumen und das Trennelement im Wesentlichen das gesamte im Inneren des Gasbehälters zur Verfügung stehende Volumen ein. So kann vorteilhafterweise eine hohe nutzbare Speicherkapazität erzielt werden.
Im Fall einer maximalen Gasbefüllung, insbesondere Brennstoffbefüllung, das Gasspeichervolumen können beispielsweise mehr als 90 Vol.-%, beispielsweise mehr als 97 Vol.-%, und/oder das Verdrängermittelvolumen weniger als 10 Vol.-%, beispielsweise weniger als 3 Vol.-%, des im Inneren des Gasbehälters insgesamt zur Verfügung stehenden Volumens einnehmen. Bei einem erfindungsgemäßen Gasspeicher, insbesondere Brennstoffgasspeicher, können somit vorteilhafterweise mehr als 90 Vol.-%, beispielsweise mehr als 97 Vol.-%, des zur Verfügung stehenden Volumens zur Gasspeicherung, insbesondere Brennstoffspeicherung, effektiv genutzt werden. Ein geringer Teil des im Inneren des Gasbehälters insgesamt zur Verfügung stehenden Volumens, wird dabei von dem Trennelement eingenommen. Das von dem Trennelement eingenommene Volumen kann jedoch, insbesondere durch eine Ausgestaltung des Trennelements als Membran gering sein, da die Membran konstruktionsbedingt nur kleine Druckgradienten aushalten muss und kann daher verhältnismäßig dünn ausgeführt werden.
Im Rahmen einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist das Trennelement daher eine elastisch dehnbare, insbesondere gasdichte, Membran.
Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform ist innerhalb des Gasbehälters ein in sich geschlossener, insbesondere blasen- beziehungsweise ballonförmiger, Hohlkörper mit einer Wandung aus einem elastisch dehnbaren Material angeordnet, wobei die Wandung als Trennelement und das das Innenvolumen als Verdrängermittelvolumen dient. Dabei ist es möglich, dass in die Wandung des in sich als solchen geschlossenen Hohlkörpers ein Ventil, insbesondere zum Einlassen von Verdrängermittel in das Verdrängermittelvolumen integriert sein kann. Diese Ausführungsform hat den Vorteil, dass auf einfache und kostengünstige Weise ein erfindungsgemäßer Gasspeicher, insbesondere Brennstoffgasspeicher, mit einer besonders hohen nutzbaren Speicherkapazität erzielt werden kann.
Im Rahmen einer anderen Ausführungsform ist das Trennelement ein verschiebbares Wandelement. Ein verschiebbares Wandelement, welches beispielsweise ähnlich einem Kolben geführt sein kann, stellt eine weitere Umsetzungsmöglichkeit dar.
Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform weist der Gasspeicher ein Verdrängermittelreservoir auf, wobei das Verdrängermittelreservoir fluidisch mit dem Verdrängermittelvolumen verbunden ist. Das Verdrängermittelreservoir kann insbesondere dazu ausgelegt sein, das Verdrängermittel in flüssiger oder fester Form aufzunehmen. So kann das maximale zur Gasspeicherung zur Verfügung stehende Volumen vorteilhafterweise weiter vergrößert werden. Das Verdrängermittelreservoir kann mit dem Verdrängermitteleinlassventil versehen sein.
Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform ist das Gasspeichervolumen zur Aufnahme von Naturgas und/oder Wasserstoff ausgelegt. Insbesondere kann das Gasspeichervolumen daher Naturgas und/oder Wasserstoff umfassen. Der Begriff Naturgas kann insbesondere als Obergriff für fossile sowie chemisch und/oder biologisch hergestellte Gase auf Alkanbasis, wie Erdgas, Biogas, Methan-, Ethan-, Propan- und/oder Butan enthaltende Gase verstanden werden. Insbesondere kann das Gasspeichervolumen zur Aufnahme von komprimiertem Naturgas, insbesondere Erdgas (CNG; Englisch: Compressed Natural Gas) ausgebildet sein beziehungsweise diese umfassen.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Betriebsverfahren für einen erfindungsgemäßen Gasspeicher, insbesondere Brennstoffgasspeicher, umfassend die Verfahrensschritte:

– Befüllen des Gasspeichervolumens, insbesondere Brennstoffspeichervolumens, mit dem Gas, insbesondere Brennstoff; und
– Befüllen des Verdrängermittelvolumens mit dem Verdrängermittel.

Vorzugsweise wird dabei die Art und Menge des Verdrängermittels derart ausgewählt, dass das Verdrängermittel im Fall einer maximalen Gasbefüllung, insbesondere Brennstoffbefüllung, des Gasspeichervolumens im Verdrängermittelvolumen zumindest teilweise, gegebenenfalls im Wesentlichen vollständig, in flüssiger oder fester Form vorliegt und im Fall einer, insbesondere im Wesentlichen vollständigen, Gasentnahme, insbesondere Brennstoffentnahme, aus dem Gasspeichervolumen im Verdrängervolumen zumindest teilweise, gegebenenfalls im Wesentlichen vollständig, in gasförmiger Form vorliegt.
Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform wird die Art und Menge des Verdrängermittels derart ausgewählt, dass im Fall einer, insbesondere im Wesentlichen vollständigen, Gasentnahme, insbesondere Brennstoffentnahme, aus dem Gasspeichervolumen innerhalb des Verdrängermittelvolumens ein Druck von ≥ 2 bar, beispielsweise von ≥ 10 bar oder ≥ 15 bar, insbesondere von ≥ 20 bar, vorliegt.
Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform wird die Art und Menge des Verdrängermittels derart ausgewählt, dass im Fall einer, insbesondere im Wesentlichen vollständigen, Gasentnahme, insbesondere Brennstoffentnahme, aus dem Gasspeichervolumen das Verdrängermittelvolumen und das Trennelement im Wesentlichen das gesamte im Inneren des Gasbehälters zur Verfügung stehende Volumen einnehmen.
Beispielsweise können die Art und Menge des Verdrängermittels derart ausgewählt werden, dass im Fall einer maximalen Gasbefüllung, insbesondere Brennstoffbefüllung, das Gasspeichervolumen mehr als 90 Vol.-%, beispielsweise mehr als 97 Vol.-%, und/oder das Verdrängermittelvolumen weniger als 10 Vol.-%, beispielsweise weniger als 3 Vol.-%, des im Inneren des Gasbehälters insgesamt zur Verfügung stehenden Volumens einnimmt.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein mobiles, gegebenenfalls tragbares, oder stationäres Energiewandlungssystem, welches einen erfindungsgemäßen Gasspeicher, insbesondere Brennstoffgasspeicher, umfasst und/oder ein erfindungsgemäßes Verfahren durchführt.
Unter einem Energieumwandlungssystem kann im Sinn der vorliegenden Erfindung insbesondere eine Vorrichtung verstanden werden, welche einen Energiewandler umfasst, der dazu ausgelegt ist, chemische Energie in mechanische und/oder elektrische Energie umzuwandeln. Insbesondere kann unter einem Energiewandlungssystem im Sinn der vorliegenden Erfindung ein Brennstoffzellensystem oder ein Verbrennungsmotor, beispielsweise eine Wasserstoffbrennstoffzelle, ein Wasserstoffverbrennungsmotor, eine Naturgasbrennstoffzelle oder einen Naturgasverbrennungsmotor, verstanden werden. Insbesondere kann es sich bei dem Energieumwandlungssystem um ein Brennstoffzellensystem handeln.
Das erfindungsgemäße Energieumwandlungssystem kann vorteilhafterweise zur Energieversorgung eines Fahrzeugs, eines Gebäudes oder einer technischen Anlage, beispielsweise einer Produktionsanlage oder informationstechnischen Anlage, zum Beispiel zur Notstromversorgung einer Telekommunikationsanlage oder eines Rechenzentrums, eingesetzt werden.
Ferner betrifft die vorliegende Erfindung ein Fahrzeug, ein Gebäude oder eine technische Anlage, welche/s einen erfindungsgemäßen Gasspeicher, insbesondere Brennstoffgasspeicher, umfasst und/oder ein erfindungsgemäßes Verfahren durchführt und/oder ein erfindungsgemäßes Energiewandlungssystem umfasst.
Zeichnungen und Beispiele
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Gegenstände werden durch die Zeichnungen veranschaulicht und in der nachfolgenden Beschreibung erläutert. Dabei ist zu beachten, dass die Zeichnungen nur beschreibenden Charakter haben und nicht dazu gedacht sind, die Erfindung in irgendeiner Form einzuschränken. Es zeigen
1a, 1b zeigen schematische Querschnitte zur Veranschaulichung der Funktionsweise einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Gasspeichers, insbesondere Brennstoffgasspeichers mit einem membranförmigen Trennelement;
2a, 2b zeigen schematische Querschnitte zur Veranschaulichung der Funktionsweise einer zweiten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Gasspeichers, insbesondere Brennstoffgasspeichers mit einem als verschiebbares Wandelement ausgestalteten Trennelement;
3 zeigt das Phasendiagramm von Kohlenstoffdioxid; und
4 zeigt einen Graphen zur Veranschaulichung der nutzbaren Speicherkapazität eines erfindungsgemäßen und eines herkömmlichen Gasspeichers, insbesondere Brennstoffgasspeichers.
Die 1a und 1b sowie 2a und 2b veranschaulichen das Verdrängerprinzip des erfindungsgemäßen Gasspeichers, insbesondere Brennstoffgasspeichers. Die Figuren zeigen, dass der Gasspeicher im Fall beider gezeigten Ausführungsformen einen Gasbehälter 1 aufweist, welcher ein Gasspeichervolumen, insbesondere Brennstoffspeichervolumen, 2 und ein Verdrängermittelvolumen 3 umfasst. Dabei ist zwischen dem Gasspeichervolumen 2 und dem Verdrängermittelvolumen 3 ein, insbesondere bewegliches, Trennelement 4 angeordnet. Dabei sind die Größe des Gasspeichervolumens 2 und die Größe des Verdrängermittelvolumens 3 unter einer Positionsänderung des Trennelements 4 veränderbar. Da sich das Gasspeichervolumen 2 und das Verdrängermittelvolumen 3 im Wesentlichen, das heißt abgesehen von dem geringen Volumen welches das Trennelement 4 einnimmt, das innerhalb des Gasbehälters 1 zur Verfügung stehende Volumen teilen, verändert sich dabei die Größe des Gasspeichervolumens 2 reziprok zur Größe des Verdrängermittelvolumens 3. Die Figuren zeigen weiterhin, dass der Gasbehälter 1 einen als Ventil ausgestalteten, insbesondere öffen- und schließbaren, Gasein- und/oder -auslass 5 zur Gasentnahme und/oder Gasbefüllung, insbesondere Brennstoffentnahme und/oder Brennstoffbefüllung, des Gasspeichervolumens 2 aufweist. Das Gasspeichervolumen 2 ist dabei insbesondere zur Aufnahme von Naturgas und/oder Wasserstoff ausgelegt.
Erfindungsgemäß ist dabei das Verdrängermittelvolumen 3 zur Aufnahme eines Verdrängermittels, welches unter den Betriebsbedingungen innerhalb des Verdrängervolumens 3 einen flüssig/gasförmig oder fest/gasförmig Phasenwechsel vollzieht, ausgelegt. Mit anderen Worten, für die Wahl des Verdrängermittels ist ausschlaggebend, dass dieses während eines Betriebszyklus einen Phasenwechsel und damit eine sprunghafte Dichteänderung erfährt. Durch ein Zusammenpressen des Verdrängermittels und eine damit einhergehende Verflüssigung des Verdrängermittels kann das Volumen des Verdrängermittels reduziert werden und so das Volumen, das für das Gas beziehungsweise den Brennstoff zur Verfügung steht, erhöht werden. Bei den typischen Einsatzbedingungen eines automobilen Gasbehälters kann dieser Phasenwechsel beispielsweise zwischen 20 und 100 bar sowie –40 °C bis 85 °C erfolgen. Mittel, welche diese Bedingungen erfüllen sind zum Beispiel Kohlenstoffdioxid (CO₂) und Krypton (Kr). Das erfindungsgemäße Prinzip erstreckt sich allerdings auf jedes Mittel, welches die erfindungsgemäßen Eigenschaften aufweist. Für Kohlenstoffdioxid spricht insbesondere, dass dieses ungefährlich und günstig zu beschaffen ist.
Die 1a und 2a veranschaulichen, dass im Fall einer maximalen Gasbefüllung, insbesondere Brennstoffbefüllung, das Gasspeichervolumen 2 mehr als 90 Vol.-% und das Verdrängermittelvolumen 3 weniger als 10 Vol.-% des im Inneren des Gasbehälters insgesamt zur Verfügung stehenden Volumens einnehmen. Dabei liegt das Verdrängermittel im Verdrängermittelvolumen 3 zumindest teilweise, gegebenenfalls im Wesentlichen vollständig, in flüssiger Form vor.
Die 1b und 2b illustrieren beispielhaft die veränderliche Größe des inneren Verdrängervolumens 3 und zeigen, dass das eigentliche Gasspeichervolumen 2 nahezu vollständig ausgetrieben wurde. Die 1b und 2b veranschaulichen insbesondere, dass sich bei einer Gasentnahme, insbesondere Brennstoffentnahme, das Gasspeichervolumen 2 verkleinert und gleichermaßen, dass Verdrängervolumen 3 vergrößert. Im Fall einer in den 1b und 2b gezeigten, im Wesentlichen vollständigen Gasentnahme, insbesondere Brennstoffentnahme, aus dem Gasspeichervolumen 2 nehmen das Verdrängermittelvolumen 3 und das Trennelement 4 im Wesentlichen das gesamte im Inneren des Gasbehälters 1 zur Verfügung stehende Volumen ein. Zwischen dem in den 1a und 2a einerseits gezeigten Zustand und dem in den 1b und 2b andererseits gezeigten Zustand hat das Verdrängermittel zumindest teilweise, gegebenenfalls im Wesentlichen vollständig, einen Phasenwechsel von einer flüssigen in eine gasförmige Phase vollzogen und dabei sein Volumen insbesondere unter einer sprunghaften Dichteabnahme erheblich vergrößert. Aufgrund dieses Effektes kann mit dem erfindungsgemäßen Gasspeicher selbst bei einer im Wesentlichen vollständigen Gasentnahme aus dem Gasspeichervolumen 2, ein Innendruck innerhalb des Gasbehälters 1, insbesondere innerhalb des Gasspeichervolumens 2 und innerhalb des Verdrängermittelvolumens 3, von ≥ 2 bar, insbesondere von ≥ 20 bar, erzielt werden. So kann vorteilhafterweise die Speicherkapazität des Gasbehälters 1 besser ausgenutzt werden und ein Eindringen von Verunreinigungen in den Innenraum des Gasbehälters 1 im entleerten Zustand verhindert werden.
Die in den 1a und 1b gezeigte erste Ausführungsform unterscheidet sich im Wesentlichen dadurch von der in den 2a und 2b gezeigten Ausführungsform, dass das Trennelement 4 im Rahmen der ersten Ausführungsform eine elastisch dehnbare, insbesondere gasdichte, Membran und im Rahmen der zweiten Ausführungsform ein verschiebbares Wandelement ist.
Die 1a und 1b veranschaulichen zudem, dass sowohl der Gasbehälter 1 als auch das Trennelement 4 im Rahmen dieser Ausführungsform als ein in sich geschlossener Hohlkörper ausgebildet ist, welcher keine permanent geöffneten Öffnungen aufweist. Dabei ist der Trennelementhohlkörper 4 innerhalb des Gasbehälterhohlkörpers 1 angeordnet. Dabei weist sowohl der Gasbehälterhohlkörper 1 als auch der Trennelementhohlkörper 4 ein Ventil 5, 6 auf, wobei das Ventil des Gasbehälters 1 als Gasein- und -auslass und das Ventil des Trennelementhohlkörpers 4 zum Befüllen des Verdrängermittelvolumens 3 mit Verdrängermittel dient. Die 1a und 1b illustrieren insbesondere, das der Trennelementhohlkörper 4 innerhalb des Gasbehälterhohlkörpers 1 blasen- beziehungsweise ballonförmig ausgebildet ist, wobei die Wandung des Trennelementhohlkörpers 4 aus einem elastisch dehnbaren Material ausgebildet ist und als Trennelement 4, insbesondere in Form einer elastisch dehnbare Membran dient, wobei das Innenvolumen des Trennelementhohlkörpers 4 als Verdrängermittelvolumen 3 dient.
Die 1a bis 2b veranschaulichen ferner, dass der erfindungsgemäße Gasspeicher ein Verdrängermittelreservoir 7 aufweisen kann, welches fluidisch mit dem Verdrängermittelvolumen 3 verbunden ist. Das Verdrängermittelreservoir 7 kann insbesondere dazu ausgelegt sein, das Verdrängermittel in flüssiger oder fester Form aufzunehmen. So kann das maximale zur Gasspeicherung zur Verfügung stehende Volumen vorteilhafterweise weiter vergrößert werden. Da das Verdrängermittel bei einer Vergrößerung des Gasspeichervolumens 2, insbesondere beim Befüllen des Gasspeichervolumens 2, verdrängt wird, ist es möglich dieses – wie in den Figuren gezeigt – in einer erhöhten Position anzuordnen. Natürlich ist es auch möglich, zusätzlich die Gravitation auszunutzen und das Verdrängermittelreservoir 7 in einer tieferen Position, beispielsweise an der Unterseite des Gasbehälters 1 auszubilden und/oder anzuordnen (nicht dargestellt). Wie in den 1a bis 2b gezeigt, kann dabei das Verdrängermittelreservoir 7 mit dem Verdrängermitteleinlassventil 6 versehen sein.
Zur Veranschaulichung des erfindungsgemäßen phasenwechselbasierten Verdrängerprinzips wird in 3 das Phasendiagramm von Kohlenstoffdioxid wiedergegeben. Dabei ist die kritische Temperatur mit T_k, der Tripelpunkt mit T₃, die Siedetemperatur mit T_S, die feste Phase mit s, die flüssige Phase mit l und die gasförmige Phase mit g bezeichnet. Man erkennt, dass Kohlenstoffdioxid bei einem Betankungsdruck von über 72,8 bar verflüssigt wird (kritischer Punkt). Entlang der Verdampfungskurve findet dann der Phasenwechsel stattfinden. Die Sublimationskurve bis zum Tripelpunkt kann vernachlässigt werden, da im automobilen Einsatzbereich für gewöhnlich Temperaturen von über –57 °C vorliegen. Der Bereich der superkritischen Flüssigkeit oberhalb des kritischen Punktes T_k ist ebenfalls unschädlich, da die superkritische und die normale Flüssigkeit in ihrer Dichte vergleichbar sind. Der Pfeil bei 298,15 K veranschaulicht eine Betriebskurve, welche bei der Entleerung des Gasspeichers, insbesondere Brennstoffgasspeichers, durchlaufen werden könnte.
4 veranschaulicht die Speicherkapazität eines herkömmlichen Gasspeichers und eines erfindungsgemäßen Gasspeicher während eines Betriebszyklus bei 20 °C und in einem Druckbereich von 20 bar bis 100 bar anhand von Methan 8 als Brennstoffgas sowie die Änderung des im erfindungsgemäßen Gasspeicher enthaltenen Gasspeichervolumens (Methan) 9 und Verdrängermittelvolumens (Kohlenstoffdioxid) 10 bei der Gasentnahme beziehungsweise -befüllung. 4 illustriert insbesondere, dass über die Menge an Verdrängermittel (Kohlenstoffdioxid), der Restdruck im Gasbehälter einfach eingestellt werden kann.
Für die 4 zugrundeliegende Beispielrechnung wurde ein Gasbehältervolumen von 100 Litern und ein ideales Gasverhalten angenommen. Das erfindungsgemäße Prinzip wird anhand des folgenden Beispiels veranschaulicht: Um ein Gasbehältervolumen von 100 Litern bei 20 °C mit einem Druck von 20 bar komplett mit Kohlenstoffdioxid zu füllen, werden ca. 3,6 kg Kohlenstoffdioxid benötigt. Bei 200 bar nehmen 3,6 kg Kohlenstoffdioxid, welches unter diesen Bedingungen flüssig ist, ein Volumen von 3,1 Litern ein. Ohne Kohlenstoffdioxid könnten in einem Volumen von 100 Litern bei 200 bar 13,13 kg Methan gespeichert werden. Bei einem Restdruck von 20 bar würden jedoch 1,3 kg Methan in einem herkömmlichen Gasspeicher verbleiben. Durch eine Kohlenstoffdioxidmenge von 3,6 kg würde in einem erfindungsgemäßen Gasspeicher mit einem Gasbehältervolumen von 100 Litern die maximal speicherbare Methanmenge zwar um 0,4 kg auf 12,73 kg verringert, dafür kann das Methan jedoch im Wesentlichen vollständig entnommen werden. Auf eine Restmethanmenge zur Aufrechterhaltung eines Restdrucks von 20 bar von 1,3 kg kann daher bei einem erfindungsgemäßen Gasspeicher verzichtet werden. Dabei gleichen die zusätzlich entnehmbaren 1,3 kg Methan, eine Verringerung der maximal speicherbaren Methanmenge um 0,4 kg mehr als aus, so dass insgesamt ein erfindungsgemäßer Gasspeicher eine um 0,9 kg höhere Methanspeicherkapazität aufweisen kann als ein analoger herkömmlicher Gasspeicher ohne Verdrängermittelvolumen.
4 zeigt insbesondere, dass bei bei 70 bar ein Phasenwechsel eintritt, welcher mit einer sprunghaften Dichteänderung einhergeht. Bei der Gasentnahme, insbesondere Brennstoffentnahme, verharrt der Gasbehälterdruck länger bei diesen 70 bar, bis das Verdrängermittel komplett verdampft ist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102004063071 A1 [0006]

Claims

Gasspeicher, insbesondere Brennstoffgasspeicher, insbesondere für ein mobiles oder stationäres Energiewandlungssystem; umfassend einen Gasbehälter, insbesondere einen Druckgasbehälter, wobei der Gasbehälter (1) – ein Gasspeichervolumen, insbesondere Brennstoffspeichervolumen (2), – ein Verdrängermittelvolumen (3), – ein zwischen dem Gasspeichervolumen (2) und dem Verdrängermittelvolumen (3) angeordnetes Trennelement (4) und – einen Gasein- und/oder -auslass (5) zur Gasentnahme und/oder Gasbefüllung des Gasspeichervolumens, insbesondere einen Brennstoffeinund/oder -auslass (5) zur Brennstoffentnahme und/oder Gasbefüllung, insbesondere Brennstoffbefüllung, des Brennstoffspeichervolumens (2), umfasst, wobei die Größe des Gasspeichervolumens (2) und die Größe des Verdrängermittelvolumens (3) unter einer Positionsänderung des Trennelements (4) veränderbar sind, wobei die Größe des Gasspeichervolumens (2) reziprok zur Größe des Verdrängermittelvolumens (3) veränderbar ist, wobei das Verdrängermittelvolumen (3) zur Aufnahme eines Verdrängermittels, welches unter den Betriebsbedingungen innerhalb des Verdrängervolumens (3) einen flüssig/gasförmig oder fest/gasförmig Phasenwechsel vollzieht, ausgelegt ist.
Gasspeicher nach Anspruch 1, wobei der Gasspeicher ein Verdrängermitteleinlassventil (6) zum Befüllen des Verdrängermittelvolumens (3) mit Verdrängermittel umfasst.
Gasspeicher nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Gasbehälter (1) ein Hochdruckgasbehälter ist.
Gasspeicher nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei im Fall einer, insbesondere im Wesentlichen vollständigen, Gasentnahme, insbesondere Brennstoffentnahme, aus dem Gasspeichervolumen (2) innerhalb des Verdrängermittelvolumens ein Druck von ≥ 2 bar vorliegt.
Gasspeicher nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei im Fall einer, insbesondere im Wesentlichen vollständigen, Gasentnahme, insbesondere Brennstoffentnahme, aus dem Gasspeichervolumen (2) das Verdrängermittelvolumen (3) und das Trennelement (4) im Wesentlichen das gesamte im Inneren des Gasbehälters (1) zur Verfügung stehende Volumen einnehmen.
Gasspeicher nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das Verdrängermittel innerhalb eines Druckbereichs von ≥ 2 bar bis ≤ 800 bar, beispielsweise von ≥ 20 bar bis ≤ 100 bar, und innerhalb eines Temperaturbereichs von ≥ –40 °C bis ≤ 85 °C, insbesondere von ≥ –40 °C bis ≤ 50 °C, einen flüssig/gasförmig oder fest/gasförmig Phasenwechsel vollzieht.
Gasspeicher nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das Verdrängermittel Kohlenstoffdioxid (CO₂) und/oder Krypton (Kr), insbesondere Kohlenstoffdioxid, umfasst oder ist.
Gasspeicher nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei das Trennelement (4) eine elastisch dehnbare, insbesondere gasdichte, Membran ist, insbesondere wobei innerhalb des Gasbehälters (1) ein in sich geschlossener, insbesondere blasen- beziehungsweise ballonförmiger Hohlkörper mit einer Wandung aus einem elastisch dehnbaren Material angeordnet ist, wobei die Wandung als Trennelement und das Innenvolumen als Verdrängermittelvolumen dient.
Gasspeicher nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei das Trennelement (4) ein verschiebbares Wandelement ist.
Gasspeicher nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei der Gasspeicher ein Verdrängermittelreservoir (7) aufweist, wobei das Verdrängermittelreservoir (7) fluidisch mit dem Verdrängermittelvolumen (3) verbunden ist.
Gasspeicher nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei das Gasspeichervolumen (2) zur Aufnahme von Naturgas und/oder Wasserstoff ausgelegt ist.
Betriebsverfahren für einen Gasspeicher, insbesondere Brennstoffgasspeicher, nach einem der Ansprüche 1 bis 11, umfassend die Verfahrensschritte: – Befüllen des Gasspeichervolumens, insbesondere Brennstoffspeichervolumen, (2) mit dem Gas, insbesondere Brennstoff; und – Befüllen des Verdrängermittelvolumens (3) mit dem Verdrängermittel, wobei die Art und Menge des Verdrängermittels derart ausgewählt wird, dass das Verdrängermittel im Fall einer maximalen Gasbefüllung, insbesondere Brennstoffbefüllung, des Gasspeichervolumens (2) im Verdrängermittelvolumen (3) zumindest teilweise, gegebenenfalls im Wesentlichen vollständig, in flüssiger oder fester Form vorliegt und im Fall einer, insbesondere im Wesentlichen vollständigen, Gasentnahme, insbesondere Brennstoffentnahme, aus dem Gasspeichervolumen (2) im Verdrängervolumen (3) zumindest teilweise, gegebenenfalls im Wesentlichen vollständig, in gasförmiger Form vorliegt.
Betriebsverfahren nach Anspruch 12, wobei die Art und Menge des Verdrängermittels derart ausgewählt wird, dass im Fall einer, insbesondere im Wesentlichen vollständigen, Gasentnahme, insbesondere Brennstoffentnahme, aus dem Gasspeichervolumen (2) – innerhalb des Verdrängermittelvolumens (3) ein Druck von ≥ 2 bar, insbesondere von ≥ 20 bar, vorliegt, und/oder – das Verdrängermittelvolumen (3) und das Trennelement (4) im Wesentlichen das gesamte im Inneren des Gasbehälters (1) zur Verfügung stehende Volumen einnehmen.
Mobiles oder stationäres Energiewandlungssystem, beispielsweise Brennstoffzellensystem, insbesondere für ein Fahrzeug, ein Gebäude oder eine technische Anlage, umfassend einen Gasspeicher, insbesondere Brennstoffgasspeicher, nach einem der Ansprüche 1 bis 11 und/oder durchführend ein Verfahren nach Anspruch 12 oder 13.
Fahrzeug, Gebäude oder technische Anlage, umfassend einen Gasspeicher, insbesondere Brennstoffgasspeicher, nach einem der Ansprüche 1 bis 11 und/oder durchführend ein Verfahren nach Anspruch 12 oder 13 und/oder umfassend ein Energiewandlungssystem nach Anspruch 14.