DE102022210662A1 - Wasserstofftank und Verfahren zum Betreiben eines Wasserstofftanks - Google Patents

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Yannick Port
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Abstract

Ein Wasserstofftank umfasst einen Tankbehälter mit einem geschlossenen Innenraum zur Speicherung eines Gemisches aus Kohlendioxid und gasförmigem Wasserstoff; und einen Tankanschluss, der dazu ausgebildet ist, in Fluidkontakt mit dem Innenraum des Tankbehälters zu stehen, wobei der Tankanschluss eine semipermeable Membran umfasst, die im Wesentlichen durchlässig für Wasserstoff und im Wesentlichen undurchlässig für Kohlendioxid ausgebildet ist, wobei die halbdurchlässige Membran derart angeordnet ist, dass sie den Tankbehälter gegen die Außenseite abdichtet, sodass Wasserstoff durch den Tankanschluss über die halbdurchlässige Membran in den Tankbehälter eintreten und diesen verlassen kann, Kohlendioxid jedoch daran gehindert wird, den Tankbehälter durch die halbdurchlässige Membran zu verlassen.

Description

  • Technisches Gebiet
  • Die vorliegende Erfindung betrifft einen Wasserstofftank und ein Verfahren zum Betreiben eines Wasserstofftanks, insbesondere einen Wasserstofftank für ein Wasserstofffahrzeug wie beispielsweise ein Kraftfahrzeug. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Wasserstofffahrzeug, insbesondere ein Kraftfahrzeug, mit einem solchen Wasserstofftank. Es versteht sich, dass die Anwendung des vorliegend beschriebenen Wasserstofftanks jedoch nicht auf Fahrzeug beschränkt ist, sondern ebenso in anderen Anwendungen genutzt werden kann, z.B. in einer stationären Anwendung.
  • Hintergrund
  • Aufgrund einer Kombination von Faktoren wie Umweltbedenken, hohen Ölpreisen und geringerer Verfügbarkeit von Rohöl hat die Entwicklung sauberer alternativer Kraftstoffe und fortschrittlicher Antriebssysteme für Fahrzeuge für viele Regierungen und Fahrzeughersteller in der ganzen Welt hohe Priorität erlangt. In den letzten Jahren wurden daher zunehmend verschiedene Lösungen für Fahrzeuge, die mit alternativen Kraftstoffen betrieben werden, in Erwägung gezogen. Ein spezielles Beispiel dafür sind Wasserstofffahrzeuge, die mit Wasserstoff als Treibstoff betrieben werden. Bei solchen Fahrzeugen wird die chemische Energie des Wasserstoffs in mechanische Energie umgewandelt, indem der Wasserstoff entweder in einem Verbrennungsmotor verbrannt wird oder in einer Brennstoffzelle mit Sauerstoff reagiert, um Elektromotoren anzutreiben.
  • Wasserstoff ist aufgrund seines günstigen gravimetrischen Energiegehalts als Energiespeicher von zunehmendem Interesse. In einer Vielzahl von industriellen Anwendungen wird Wasserstoff in Drucktanks gespeichert. Insbesondere im Verkehrswesen, wo der Platz knapp ist und der relativ niedrige spezifische volumetrische Energiegehalt von Wasserstoff ein Problem darstellen kann, wird Wasserstoff häufig als hochkomprimiertes Gas (so genannter komprimierter Wasserstoff) gespeichert.
  • Heutzutage werden für wasserstoffbetriebene Kraftfahrzeuge in der Regel sogenannte Drucktanks des Typs IV verwendet. Diese Tanks haben eine Verbundkonstruktion mit einer Polymerauskleidung (in der Regel Polyethylen hoher Dichte), die außen mit einem Kohlefaser- oder Kohle/Glasfaser-Hybridverbundstoff ummantelt ist. Die Verbundwerkstoffe tragen alle strukturellen Lasten, während die Auskleidung als Gasdiffusionssperre dient, damit der Wasserstoff nicht durch die Behälterwände entweicht.
  • Eine Grundvoraussetzung für diese Art von Drucktanks ist in der Regel, dass der Innendruck eine bestimmte Mindestdruckschwelle nicht unterschreitet, um strukturelle Defekte in den Behälterwänden zu vermeiden (z.B. durch Delaminierung der Faserschichten und Verlust des Kontakts zwischen Polymerliner und Faserverbund) und um eine ordnungsgemäße Wasserstoffverteilung entlang der Brennstoffzellenstapel zu gewährleisten (im Falle von Brennstoffzellenfahrzeugen). Außerdem ist für den Betrieb des Antriebssystems (Brennstoffzelle und Verbrennungsmotor) ein bestimmter Wasserstoffdruck im Tank erforderlich. Dies bedeutet, dass die Tanks nicht vollständig geleert werden können, da immer eine Restmenge Wasserstoff in den Tanks verbleiben muss, um den Druck über einer bestimmten Untergrenze zu halten. Diese Restwasserstoffmenge geht dann folglich für den Antrieb des Fahrzeugs verloren (sie beträgt einige Prozent der Restwasserstoffmasse, was beispielsweise einer bestimmten Reichweite von mehreren Kilometern und/oder einem bestimmten Zeitintervall für die Beheizung/Kühlung eines Fahrzeuginnenraums entspricht). Darüber hinaus geben einige Typen von Wasserstofftankstellen keinen Wasserstoff ab, wenn an dem angeschlossenen Tank, der mit Wasserstoff betankt werden soll, nicht ein bestimmter Mindestdruck festgestellt werden kann.
  • Die zum Stand der Technik gehörende Druckschrift US 4,591,365 A beschreibt ein Gastrennsystem mit halbdurchlässiger Membran. Solche halbdurchlässigen Membranen können zur Trennung von Gasgemischen verwendet werden, die Komponenten mit unterschiedlichen Diffusionsgeschwindigkeiten enthalten. Ein unter erhöhtem Druck stehendes Gasgemisch kann einer Seite der Membran zugeführt werden, wobei eine Komponente des Gasgemischs dann bevorzugt durch die Membran diffundiert. Die weniger gut diffusionsfähige Komponente hingegen verbleibt auf der Barriereseite der Membran.
  • Die zum Stand der Technik gehörende Druckschrift Ballhorn M., „Entwicklung von Polymermembranen für die Abtrennung von Kohlendioxid aus Gasströmen“, Dissertation, RWTH Aachen, 2000, beschreibt die Abtrennung von Kohlendioxid aus Gasströmen mit Membranen auf der Basis von aminofunktionellen Polymeren. Dieser Ansatz zur selektiven Abtrennung von Kohlendioxid basiert auf der Tatsache, dass Aminogruppen in polymeren Matrizen den Transport von Kohlendioxid erleichtern. Die Kohlendioxidmoleküle reagieren reversibel mit Aminogruppen und bilden einen instabilen Carbamatkomplex, wodurch das Kohlendioxid entsprechend einem Konzentrationsgradienten von Aminogruppe zu Aminogruppe transportiert werden kann. Dieser sehr selektive Transport von Kohlendioxid kann zusätzlich zum herkömmlichen Gastransport erfolgen. Zu diesem Zweck wurden Polymethacrylate und Polyacrylate mit unterschiedlichen Aminogruppen in den Seitenketten, Polymere auf Basis von 4-Vinylpyrridin und jeweils Copolymere mit Acrylnitril synthetisiert. Neben den Vinylpolymeren wurden auch aminofunktionelle Polysulfone untersucht.
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • Somit besteht ein Bedarf, Lösungen für Wasserstofftanks mit verbessertem volumetrischem Wirkungsgrad zu finden, die bis zu dem Punkt verwendet werden können, an dem der jeweilige Tank im Wesentlichen vollständig entleert ist.
  • Zu diesem Zweck stellt die vorliegende Erfindung einen Wasserstofftank gemäß Anspruch 1, ein Wassersstofffahrzeug gemäß Anspruch 8 und ein Verfahren gemäß Anspruch 9 bereit.
  • Gemäß einem Aspekt der Erfindung umfasst ein Wasserstofftank einen Tankbehälter mit einem geschlossenen Innenraum zur Speicherung eines Gemisches aus Kohlendioxid und gasförmigem Wasserstoff; und einen Tankanschluss, der dazu ausgebildet ist, in Fluidkontakt mit dem Innenraum des Tankbehälters zu stehen, wobei der Tankanschluss eine semipermeable Membran umfasst, die im Wesentlichen durchlässig für Wasserstoff und im Wesentlichen undurchlässig für Kohlendioxid ausgebildet ist, wobei die halbdurchlässige Membran derart angeordnet ist, dass sie den Tankbehälter gegen die Außenseite abdichtet, sodass Wasserstoff durch den Tankanschluss über die halbdurchlässige Membran in den Tankbehälter eintreten und diesen verlassen kann, Kohlendioxid jedoch daran gehindert wird, den Tankbehälter durch die halbdurchlässige Membran zu verlassen.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung umfasst ein Wasserstofffahrzeug einen Wasserstofftank gemäß der Erfindung.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung umfasst ein Verfahren zum Betreiben eines Wasserstofftanks gemäß der Erfindung Bereitstellen eines Gemischs aus Kohlendioxid und gasförmigem Wasserstoff in dem Tankbehälter; und Ablassen und Einfüllen von gasförmigem Wasserstoff aus und in den Tankbehälter durch die semipermeable Membran, wodurch der Innendruck des Tankbehälters zwischen einem ersten Innendruck in einem gefüllten Zustand des Wasserstofftanks, in dem das Kohlendioxid zumindest teilweise fest und/oder flüssig ist, und einem zweiten Innendruck in einem entleerten Zustand des Wasserstofftanks variiert wird, in dem der Tankbehälter im Wesentlichen von gasförmigem Wasserstoff entleert ist und das Kohlendioxid zumindest teilweise gasförmig ist, wobei das Kohlendioxid zumindest teilweise in seine gasförmige Phase übergeht, wenn gasförmiger Wasserstoff den Tankbehälter bei einer Betriebstemperatur des Wasserstofftanks verlässt.
  • Eine Idee der vorliegenden Erfindung besteht darin, Kohlendioxid als zusätzliches Medium in einem Wasserstoffdruckbehälter zu verwenden, um den Druck im Inneren des Behälters auf einem bestimmten Niveau zu halten, auch wenn der Wasserstoffanteil im Inneren immer knapper wird. Dies wird durch den Einbau einer halbdurchlässigen Membran in den Tankanschluss erreicht, die den gasförmigen Wasserstoff in den Druckbehälter ein- und ausströmen lässt, das Kohlendioxid jedoch unter allen Bedingungen am Entweichen hindert. Wenn der Wasserstoff den Behälter verlässt, geht festes und/oder flüssiges Kohlendioxid durch Verdampfung (im Falle von flüssigem Kohlendioxid) und/oder Sublimation (im Falle von festem Kohlendioxid) innerhalb des Behälters in seine gasförmige Phase über, wodurch ein möglicher Druckabfall aufgrund des entweichenden Wasserstoffs kompensiert wird.
  • Die Erfindung setzt also auf den (vollständig reversiblen) Phasenübergang von Kohlendioxid zwischen festem/flüssigem und gasförmigem Zustand, um den Druck im Inneren des Behälters zu kontrollieren und ihn vor einem unerwünschten Absinken zu bewahren. Dementsprechend kann der Innenraum des Tankbehälters mit einem Gemisch aus zumindest teilweise festem und/oder flüssigem Kohlendioxid und gasförmigem Wasserstoff unter einem ersten Innendruck in einem gefüllten Zustand des Wasserstofftanks gefüllt sein, sodass das Kohlendioxid zu verdampfen/sublimieren beginnt, wenn der gasförmige Wasserstoff den Tankbehälter bei einer Betriebstemperatur des Wasserstofftanks verlässt. Darüber hinaus kann die Menge an Kohlendioxid in dem Tankbehälter derart ausgelegt sein, dass der Innendruck in dem Tankbehälter aufgrund des Gasdrucks des Kohlendioxids über einem zweiten Innendruck bleibt, der kleiner als der erste Innendruck ist, wenn der Tankbehälter in einem entleerten Zustand des Wasserstofftanks im Wesentlichen von gasförmigem Wasserstoff entleert ist.
  • Die Erfindung bietet hierbei eine ausgereifte Lösung mit verbessertem volumetrischen Wirkungsgrad aufgrund einer erhöhten Entleerungsrate im Vergleich zu herkömmlichen Systemen. Die vorliegende Lösung kann somit z.B. zur Erhöhung der Reichweite von Kraftfahrzeugen mit einer einzigen Tankladung eingesetzt werden, da der Tank vollständig von Wasserstoff entleert werden kann.
  • Es versteht sich, dass der hierin verwendete Begriff „Fahrzeug“ oder ein anderer ähnlicher Begriff Kraftfahrzeuge im Allgemeinen wie beispielsweise Personenkraftwagen umfasst, einschließlich Sport Utility Vehicles (SUV), Bussen, Lastkraftwagen, verschiedenen Nutzfahrzeugen und dergleichen und auch Hybridfahrzeugen. Vorliegend wird unter einem Hybridfahrzeug ein Fahrzeug verstanden, welches zwei oder mehr Energiequellen aufweist, zum Beispiel sowohl wasserstoffbetriebene als auch elektrisch angetriebene Fahrzeuge. Die Energie kann im Allgemeinen durch Umwandlung der chemischen Energie des Wasserstoffs in mechanische Energie erzeugt werden, entweder durch Reaktion von Wasserstoff mit Sauerstoff in einer Brennstoffzelle zum Antrieb von Elektromotoren oder durch Verbrennung von Wasserstoff in einem Verbrennungsmotor. Die Erfindung kann jedoch auch allgemeiner für andere Arten von Fahrzeugen sowie für stationäre Anwendungen verwendet werden, z.B. für Flugzeuge, Wasserfahrzeuge, Schienenfahrzeuge, Stromaggregate, Gelände- und Landmaschinen usw. Schließlich kann die Erfindung nicht nur für Fahrzeuge, sondern überall dort eingesetzt werden, wo Wasserstofftanks zur problemlosen Abgabe von gasförmigem Wasserstoff unter Druck (Druckwasserstoff) verwendet werden.
  • Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
  • Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung kann die semipermeable Membran (6) ein aminofunktionelles Polymer umfassen.
  • Wie in der Stand der Technik Drcukschrift Ballhorn beschrieben, können aminofunktionelle Polymere besonders vorteilhafte Realisierungen einer semipermeablen Membran darstellen, die gasförmigen Wasserstoff und (gasförmiges) Kohlendioxid trennen kann. Mögliche Membranmaterialien, die in der Stand der Technik Druckschrift Ballhorn beschrieben sind, umfassen beispielsweise Polydimethylaminoethylmethacrylat, Polydimethylaminoethylacrylat-co-Acrylnitril und Poly-4-vinylpyridin. Es versteht sich jedoch von selbst, dass der Fachmann auch andere Materialien verwenden kann, die sich als Membran für die Trennung von gasförmigem Wasserstoff und gasförmigem Kohlendioxid eignen.
  • Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung kann der erste Druck über 100 bar liegen, insbesondere kann er gleich 350 bar oder 700 bar sein.
  • Für wasserstoffbetriebene Fahrzeuge gibt es im Wesentlichen zwei weltweit gebräuchliche Fülldrücke, nämlich H70 oder 700 bar einerseits und H35 oder 350 bar andererseits. Die 700-bar-Norm wird in der Regel für Personenkraftwagen verwendet, während die andere Norm typischerweise für Nutzfahrzeuge verwendet wird. Im Allgemeinen kann der Kraftstoffdruck von Region zu Region und von Land zu Land variieren.
  • Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung kann der zweite Druck unter 50 bar, insbesondere zwischen 10 bar und 20 bar liegen.
  • Der erforderliche Mindestrestdruck kann je nach Tanksystem und Hersteller variieren. So kann der zweite Druck beispielsweise 17 bar oder 20 bar betragen. Die Menge und Zusammensetzung des Kohlendioxids im Tank kann entsprechend vorbereitet werden.
  • Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung kann die semipermeable Membran in einer Leitung des Tankanschlusses, in einem Ein- und/oder Auslassstutzen des Tankanschlusses, und/oder an einem Flansch- und/oder Flaschenhals-Abschnitt des Tankbehälters angeordnet sein.
  • Abhängig von der jeweiligen Ausführungsform kann die Membran zusammen mit dem Tankanschluss in konventionelle Wasserstofftanks nachgerüstet werden. In anderen Ausführungsformen kann die Membran aber auch zusammen mit dem Tankbehälter hergestellt werden, z.B. kann sie in den Flansch und/oder den Flaschenhals des Tankbehälters integriert werden. Das Kohlendioxid kann dann einmalig während der Herstellung des Wasserstofftanks in den Tankbehälter eingefüllt werden und dann während der gesamten Lebensdauer des Tanks verwendet werden. Wenn der Wasserstofftank aus irgendeinem Grund geöffnet werden muss (z.B. zu Inspektionszwecken), muss das Kohlendioxid zunächst gemäß einer Arbeitsanweisung nachgefüllt werden, bevor der Tank wieder verschlossen wird.
  • Gemäß einer Weiterbildung des Verfahrens kann das Kohlendioxid in fester Form als Trockeneis in den Innenraum des Tankbehälters eingebracht werden, bevor der Innenraum durch die semipermeable Membran verschlossen wird.
  • So kann beispielsweise während des Herstellungsprozesses des Wasserstofftanks Trockeneis in den Innenraum eingebracht werden. In einem zweiten Schritt kann die Membran z.B. am Flansch des Tankbehälters angebracht werden. Die Kohlendioxidladung kann so während der gesamten Lebensdauer des Wasserstofftanks genutzt werden.
  • Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand der in den schematischen Figuren angegebenen Ausführungsbeispiele näher erläutert.
  • Kurze Beschreibung der Figuren
  • Die beiliegenden Figuren sollen ein weiteres Verständnis der Erfindung vermitteln und bilden einen Bestandteil der vorliegenden Offenbarung. Sie veranschaulichen Ausführungsformen der Erfindung und dienen im Zusammenhang mit der Beschreibung der Erklärung von Prinzipien und Konzepten der Erfindung. Andere Ausführungsformen der Erfindung und viele der genannten Vorteile der Erfindung ergeben sich im Hinblick auf die folgende detaillierte Beschreibung. Die Elemente der Zeichnungen sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu zueinander gezeigt. In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder funktionsgleiche Elemente, sofern nichts anderes ausgeführt ist.
    • In 1 zeigt schematisch einen Wasserstofftank gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
    • 2 zeigt ein beispielhaftes Betriebsfenster für den Wasserstofftank von 1 in einem Phasendiagramm von Kohlendioxid.
    • 3 zeigt ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Betreiben des Wasserstofftanks von 1.
    • 4 zeigt schematisch ein Kraftfahrzeug, das mit dem Wasserstofftank von 1 ausgestattet ist.
  • Obwohl hierin spezifische Ausführungsbeispiele veranschaulicht und beschrieben werden, wird dem Fachmann klar sein, dass eine Vielzahl von alternativen und/oder gleichwertigen Implementierungen die dargestellten und beschriebenen spezifischen Ausführungsbeispiele ersetzen können, ohne vom Umfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Im Allgemeinen deckt die Anmeldung sämtliche Anpassungen oder Variationen der hierin beschriebenen spezifischen Ausführungsbeispiele ab.
  • Detaillierte Beschreibung der Ausführungsbeispiele
  • 1 zeigt schematisch ein Wasserstofftank 10 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
  • Der Tank 10 dient zur Versorgung eines Fahrzeugs mit komprimiertem gasförmigem Wasserstoff 4, z.B. ein Kraftfahrzeugs 100, wie es in 4 beispielhaft dargestellt ist. Der Wasserstoff 4 kann zur Speisung eines Verbrennungsmotors des Fahrzeugs 100 (Hydrogen Internal Combustion Engine Vehicle, HICEV) verwendet werden. Alternativ kann es sich bei dem Fahrzeug 100 um ein Brennstoffzellen-Elektrofahrzeug (FCEV) handeln, und der Wasserstoff 4 kann zur Speisung von Brennstoffzellen des Fahrzeugs 100 verwendet werden, um durch Umwandlung von H2 mit O2 aus der Umwelt in H2O elektrischen Strom für einen Elektromotor zu erzeugen. Zu diesem Zweck kann der Wasserstofftank 10 dazu ausgebildet sein, den Wasserstoff 4 bei einem bestimmten Nennbetriebsdruck, z.B. bei 700 bar, bereitzustellen. Bei beiden Verfahren ist das einzige Nebenprodukt des verbrauchten Wasserstoffs Wasser, und das Verfahren ist völlig frei von CO2-Emissionen, was ein Grund ist, warum Wasserstoff ein besonders attraktiver alternativer Kraftstoff ist.
  • Der Wasserstofftank 10 umfasst einen Tankbehälter 1 mit einem geschlossenen Innenraum 2 zur Speicherung eines Gemischs aus Kohlendioxid 3 und (komprimiertem) gasförmigem Wasserstoff 4. Der Behälter 1 selbst kann im Prinzip ähnlich aufgebaut sein wie herkömmliche Wasserstoffdrucktanks, die normalerweise für diesen Zweck verwendet werden. So kann der Tankbehälter 1 eine hochdichte Polymerauskleidung 1b aufweisen, die als Diffusionsbarriere für den gasförmigen Wasserstoff 4 dient, um ein Austreten des Wasserstoffs 4 durch die Behälterwände zu verhindern. Die Polymerauskleidung 1b kann dann von einem Faserverbundmantel 1a, z.B. aus kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff, umgeben sein, der die Behälterstruktur gegen den Innendruck P des Wasserstoffs 4 verstärkt und im Allgemeinen als strukturelle Stütze für den Tank 10 dient. Der Tankbehälter 1 kann weitere Merkmale aufweisen, wie sie aus konventionellen Systemen bekannt sind, die hier der Einfachheit halber nicht dargestellt sind, z.B. einen Domschutz an beiden axialen Enden usw.
  • Bei herkömmlichen Wasserstofftanks müsste der Innendruck P über einem bestimmten Mindestdruckwert, z.B. 10-20 bar, gehalten werden, um Delaminationen und andere strukturelle Defekte im Verbundmaterial zu vermeiden und die Lebensdauer des Tanks zu maximieren. Dies hätte in der Regel den Nachteil, dass der in einem solchen Tank gespeicherte Wasserstoff nicht vollständig genutzt werden könnte. Ein kleiner Prozentsatz müsste zu jedem Zeitpunkt im Tank verbleiben, um zu gewährleisten, dass der Druck nicht unter diesen Mindestwert fällt. Mit dem vorliegenden System sollen diese Nachteile überwunden werden, wie nun unter Bezugnahme auf die Figuren erläutert wird.
  • Der hier beschriebene Wasserstofftank 10 ist nicht nur mit gasförmigem Wasserstoff 4 gefüllt, sondern enthält zusätzlich eine bestimmte Menge an Kohlendioxid 3. Das Kohlendioxid 3 kann bei der Herstellung einmalig in den Tank 10 eingefüllt werden, z.B. in fester Form als Trockeneis, und kann dann für die gesamte Lebensdauer des Tanks 10 dort verbleiben. Während des Betriebs kann das feste Kohlendioxid später je nach Betriebstemperatur des Wasserstofftanks 10 zumindest teilweise in seinen flüssigen Zustand und/oder in seinen gasförmigen Zustand übergehen. Prinzipiell wäre es auch möglich, das Kohlendioxid 3 direkt in flüssiger Form oder in einer Mischung aus festem und flüssigem (und ggf. auch gasförmigem) Phasenzustand einzufüllen.
  • Der Innenraum 2 des Tankbehälters 1 ist also im gefüllten Zustand des Wasserstofftanks 10 mit einem Gemisch aus zumindest teilweise festem und/oder flüssigem Kohlendioxid 3 und gasförmigem Wasserstoff 4 unter einem ersten Innendruck gefüllt. H2 und CO2 sind zwei unabhängige Moleküle und CO2 selbst ist ein Inertgas. Das bedeutet, dass beide Moleküle trotz gleicher Temperatur und gleichen Drucks (Daltonsches Partialdruckgesetz) im gleichen Volumen ohne Wechselwirkung koexistieren können. Um das volle Potenzial der Lösung zu nutzen, kann daher der gesamte Innenraum 2 des Tankbehälters 1 vollständig mit beiden Stoffen gefüllt werden.
  • Um das Kohlendioxid 3 im Inneren des Tanks 10 zu halten, umfasst der Tank 10 außerdem einen Tankanschluss 5, der mit dem Innenraum 2 des Tankbehälters 1 in Fluidkontakt steht. Der Tankanschluss 5 umfasst eine semipermeable Membran 6, die für Wasserstoff 4 im Wesentlichen durchlässig und für Kohlendioxid 3 im Wesentlichen undurchlässig ist. Genauer gesagt ist die semipermeable Membran 6 derart angeordnet, dass sie den Tankbehälter 1 nach außen hin abdichtet, sodass (gasförmiger) Wasserstoff 4 durch den Tankanschluss 5 über die semipermeable Membran 6 in den Tankbehälter 1 eintreten und diesen verlassen kann, (insbesondere gasförmiges) Kohlendioxid 3 jedoch daran gehindert wird, den Tankbehälter 1 durch die semipermeable Membran 6 zu verlassen. Mit anderen Worten: Die Membran 6 fungiert als eine Art Filter, um das Kohlendioxid 3 aus dem Gasstrom, der den Tankbehälter 1 verlässt, abzutrennen.
  • Eine solche Membran 6 kann z.B. auf der Basis von aminofunktionellen Polymeren realisiert werden, wie sie in der o.g. Dissertation von M. Ballhorn beschrieben sind. Beispielhafte Materialien umfassen Dimethylaminoethylmethacrylat, PolyDimethylaminoethylacrylat-co-Acrylnitril und Poly-4-vinylpyridin.
  • Es gibt verschiedene Möglichkeiten, eine solche semipermeable Membran 6 in den Tankanschluss 5 zu integrieren. In der beispielhaften Ausführungsform von 1 ist die Membran 6 an einem Flansch- und/oder Flaschenhals-Abschnitt 9 des Tankbehälters 1 vorgesehen. In diesem Fall kann sie bereits bei der Herstellung des Tanks 10 integriert werden. In anderen Ausführungsformen könnte die Membran 6 jedoch auch in einer Leitung 7 des Tankanschlusses 5 und/oder in einem Ein- und/oder Auslassstutzen 8 des Tankanschlusses 5 vorgesehen sein. Somit kann die Membran 6 zusammen mit dem Tankanschluss 5 prinzipiell auch bei herkömmlichen Tankbehältern nachgerüstet werden, was eine sehr kostengünstige und einfache Lösung darstellen würde. Die Integration der Membran 6 am Flansch- und/oder Flaschenhals-Abschnitt 9 des Tankbehälters 1 kann besonders vorteilhaft sein im Hinblick auf mögliche Vereisungseffekte, die bei anderen Ausführungsformen bei extremen Temperaturen in der Nähe der Ein- und Ausgänge des Tanks 10 und/oder in kleinen Leitungen auftreten können.
  • Sobald im Betrieb des Tanks 10 Wasserstoff 4 aus dem Innenraum 2 abgelassen wird, beginnt das Kohlendioxid 3 aufgrund des entsprechenden Druckabfalls (abhängig von seinem spezifischen Ist-Zustand und dem aktuellen Druck und der Temperatur im Innenraum 2, vgl. Pfeile in 1) durch Verdampfung und/oder Sublimation in seine gasförmige Phase überzugehen. Der Gasdruck des Kohlendioxids 3 stabilisiert dann den Druck innerhalb des Tankbehälters 1 derart, dass der Innendruck innerhalb des Tankbehälters 1 auch dann über einem zweiten Innendruck bleibt, der kleiner als der erste Innendruck ist, wenn der Tankbehälter 1 in einem entleerten Zustand des Wasserstofftanks 10 im Wesentlichen von gasförmigem Wasserstoff 4 entleert ist.
  • Das nun gasförmige Kohlendioxid 3 geht wieder in den fest/flüssigen Zustand über, sobald der Wasserstoff 4 in den Tank 10 nachgefüllt wird, da der Druck P wieder über den jeweiligen Schwellenwert im Phasendiagramm ansteigt (vgl. 2). In diesem Zusammenhang ist zu beachten, dass das CO2 aufgrund der Dichtigkeit der Membran 6 während des Prozesses nicht verbraucht wird. Daher kann eine einzige Kohlendioxid 3 -Füllung im Prinzip über die gesamte Lebensdauer des Wasserstofftanks 10 verwendet werden.
  • Dieses Funktionsprinzip des vorliegenden Tanksystems ist in 2 dargestellt, die ein beispielhaftes Betriebsfenster O für den Wasserstofftank 10 aus 1 in einem Phasendiagramm von Kohlendioxid 3 zeigt. Der gestrichelte Pfeil in der Mitte der Abbildung verdeutlicht das typische Verhalten des Systems. Sobald der Wasserstoff 4 von den Fahrzeugsystemen verbraucht wird, sinkt der Füllstand des Wasserstoffs 4 im Innenraum 2 des Tanks 10. Durch den entsprechenden Abfall des Innendrucks P beginnt das CO2 zu verdampfen. Der damit verbundene Druckabfall ist also begrenzt. Die Menge des Kohlendioxids 3 im Tank 10 kann gezielt derart ausgelegt werden, dass der Innendruck P auch bei vollständiger Entleerung des Tanks 10 mit Wasserstoff 4 aufgrund des Gasdrucks des verdampften Kohlendioxids 3 nicht unter einen bestimmten Mindestwert, z.B. 15 bis 20 bar, fällt.
  • 3 zeigt ein entsprechendes Verfahren M zum Betreiben eines solchen Wasserstofftanks 10, bei dem unter M1 ein Gemisch aus Kohlendioxid 3 und gasförmigem Wasserstoff 4 innerhalb des Tankbehälters 1 bereitgestellt wird und unter M2 gasförmiger Wasserstoff 4 durch die semipermeable Membran 6 aus dem Tankbehälter 1 abgelassen und in diesen eingefüllt wird, wodurch der Innendruck des Tankbehälters 1 zwischen dem ersten Innendruck in einem gefüllten Zustand des Wasserstofftanks 10, in dem das Kohlendioxid 3 zumindest teilweise fest und/oder flüssig ist, und dem zweiten Innendruck in einem entleerten Zustand des Wasserstofftanks 10 variiert wird, in dem der Tankbehälter 1 im Wesentlichen von gasförmigem Wasserstoff 4 entleert ist und das Kohlendioxid 3 zumindest teilweise gasförmig ist.
  • Der hier beschriebene Ansatz, der auf einem Phasenübergang des Kohlendioxids vom flüssigen/festen in den gasförmigen Zustand beruht, führt somit zu einer automatischen Anpassung des Volumens und/oder des Drucks innerhalb des Tankbehälters 1, wenn der Füllstand des Wasserstoffs 4 sinkt (ein solcher Phasenübergang kann eine Volumenänderung um einen Faktor von etwa 550 bewirken). Die Lösung kann einfach dadurch realisiert werden, dass man Trockeneis in den Tank 10 einfüllt, z.B. während der Produktion, und eine für gasförmiges Kohlendioxid undurchlässige Membran einsetzt.
  • Aus dem Phasendiagramm in 2 ist ersichtlich, dass das Kohlendioxid 3 bei sehr hohen Temperaturen auch in den überkritischen Zustand übergehen kann. Dies sollte jedoch die Grundprinzipien des vorliegenden Ansatzes nicht beeinträchtigen, da das überkritische C02 immer noch den erforderlichen Phasenübergang vollzieht, wenn der Wasserstoffanteil aus dem Tankbehälter 1 evakuiert wird.
  • In der vorangegangenen detaillierten Beschreibung sind verschiedene Merkmale zur Verbesserung der Stringenz der Darstellung in einem oder mehreren Beispielen zusammengefasst worden. Es sollte dabei jedoch klar sein, dass die obige Beschreibung lediglich illustrativer, nicht jedoch beschränkender Natur ist. Sie dient der Abdeckung aller Alternativen, Modifikationen und Äquivalente. Viele andere Beispiele werden dem Fachmann aufgrund seiner fachlichen Kenntnisse in Anbetracht der obigen Beschreibung unmittelbar klar sein. Die Ausführungsbeispiele wurden ausgewählt und beschrieben, um die der Erfindung zugrundeliegenden Prinzipien und ihre Anwendungsmöglichkeiten in der Praxis darstellen zu können, sodass Fachleuten ermöglicht wird, die Erfindung und ihre verschiedenen Ausführungsbeispiele in Bezug auf den beabsichtigten Einsatzzweck optimal zu modifizieren und zu nutzen.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Tankbehälter
    1a
    Faserverbundmantel
    1b
    Polymerauskleidung
    2
    Innenraum
    3
    Kohlendioxid
    4
    Wasserstoff
    5
    Tankanschluss
    6
    semipermeable Membran
    7
    Leitung
    8
    Stutzen
    9
    Flansch- und/oder Flaschenhals-Abschnitt
    10
    Wasserstofftank
    100
    Kraftfahrzeug
    P
    Druck
    S
    fester Zustand
    L
    flüssiger Zustand
    G
    gasförmiger Zustand
    T
    Temperatur
    O
    Betriebsfenster
    M
    Verfahren
    M1, M2
    Verfahrensschritte
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • US 4591365 A [0006]

Claims (11)

  1. Wasserstofftank (10), umfassend: einen Tankbehälter (1) mit einem geschlossenen Innenraum (2) zur Speicherung eines Gemisches aus Kohlendioxid (3) und gasförmigem Wasserstoff (4); und einen Tankanschluss (5), der dazu ausgebildet ist, in Fluidkontakt mit dem Innenraum (2) des Tankbehälters (1) zu stehen, wobei der Tankanschluss (5) eine semipermeable Membran (6) umfasst, die im Wesentlichen durchlässig für Wasserstoff (4) und im Wesentlichen undurchlässig für Kohlendioxid (3) ausgebildet ist, wobei die halbdurchlässige Membran (6) derart angeordnet ist, dass sie den Tankbehälter (1) gegen die Außenseite abdichtet, sodass Wasserstoff (4) durch den Tankanschluss (5) über die halbdurchlässige Membran (6) in den Tankbehälter (1) eintreten und diesen verlassen kann, Kohlendioxid (3) jedoch daran gehindert wird, den Tankbehälter (1) durch die halbdurchlässige Membran (6) zu verlassen.
  2. Wasserstofftank (10) nach Anspruch 1, wobei die semipermeable Membran (6) ein aminofunktionelles Polymer umfasst.
  3. Wasserstofftank (10) nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Innenraum (2) des Tankbehälters (1) in einem gefüllten Zustand des Wasserstofftanks (10) mit einem Gemisch aus zumindest teilweise festem und/oder flüssigem Kohlendioxid (3) und gasförmigem Wasserstoff (4) unter einem ersten Innendruck gefüllt ist, sodass das Kohlendioxid (3) bei Austritt von gasförmigem Wasserstoff (4) aus dem Tankbehälter (1) bei einer Betriebstemperatur des Wasserstofftanks (10) in seine gasförmige Phase übergeht.
  4. Wasserstofftank (10) nach Anspruch 3, wobei der erste Druck über 100 bar liegt, insbesondere gleich 350 bar oder 700 bar ist.
  5. Wasserstofftank (10) nach Anspruch 3 oder 4, wobei die Menge an Kohlendioxid (3) innerhalb des Tankbehälters (1) derart ausgelegt ist, dass der Innendruck innerhalb des Tankbehälters (1) aufgrund des Gasdrucks des Kohlendioxids (3) oberhalb eines zweiten Innendrucks bleibt, der kleiner als der erste Innendruck ist, wenn der Tankbehälter (1) in einem entleerten Zustand des Wasserstofftanks (10) im Wesentlichen von gasförmigem Wasserstoff (4) entleert ist.
  6. Wasserstofftank (10) nach Anspruch 5, wobei der zweite Druck unter 50 bar, insbesondere zwischen 10 bar und 20 bar liegt.
  7. Wasserstofftank (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die semipermeable Membran (6) angeordnet ist: in einer Leitung (7) des Tankanschlusses (5), in einer Ein- und/oder Auslassstutzen (8) des Tankanschlusses (5), und/oder an einem Flansch- und/oder Flaschenhals-Abschnitt (9) des Tankbehälters (1).
  8. Wasserstofffahrzeug, insbesondere Kraftfahrzeug (100), mit einem Wasserstofftank (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 7.
  9. Verfahren (M) zum Betreiben eines Wasserstofftanks nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei das Verfahren (M) umfasst: Bereitstellen (M1) eines Gemischs aus Kohlendioxid (3) und gasförmigem Wasserstoff (4) in dem Tankbehälter (1); und Ablassen und Einfüllen (M2) von gasförmigem Wasserstoff (4) aus und in den Tankbehälter (1) durch die semipermeable Membran (6), wodurch der Innendruck des Tankbehälters (1) zwischen einem ersten Innendruck in einem gefüllten Zustand des Wasserstofftanks (10), in dem das Kohlendioxid (3) zumindest teilweise fest und/oder flüssig ist, und einem zweiten Innendruck in einem entleerten Zustand des Wasserstofftanks (10) variiert wird, in dem der Tankbehälter (1) im Wesentlichen von gasförmigem Wasserstoff (4) entleert ist und das Kohlendioxid (3) zumindest teilweise gasförmig ist, wobei das Kohlendioxid (3) zumindest teilweise in seine gasförmige Phase übergeht, wenn gasförmiger Wasserstoff (4) den Tankbehälter (1) bei einer Betriebstemperatur des Wasserstofftanks (10) verlässt.
  10. Verfahren (M) nach Anspruch 9, wobei der erste Druck über 100 bar liegt, insbesondere gleich 350 bar oder 700 bar ist, und/oder der zweite Druck unter 50 bar, insbesondere zwischen 10 bar und 20 bar, liegt.
  11. Verfahren (M) nach Anspruch 9 oder 10, wobei das Kohlendioxid (3) in fester Form als Trockeneis in den Innenraum (2) des Tankbehälters (1) eingebracht wird, bevor der Innenraum (2) durch die semipermeable Membran (6) verschlossen wird.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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