WO2015169750A1 - Granules of a hydrogenable material - Google Patents
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Definitions
- the present invention relates to granules of a hydrogenatable material, a process for producing a hydrogen storage, and a hydrogen storage.
- Hydrogen can not be readily stored in a hydrogen storage and then recovered again, since hydrogen has the smallest molecules of all gases and diffuses through the hydrogen storage walls. It does not matter if the hydrogen storage walls are made of metal or plastic. The storage capacity of hydrogen storage is also limited: at a correspondingly high pressure, the diffusion through the hydrogen storage walls becomes too strong. As an alternative, it has already been proposed to store hydrogen in metal foams. Here, however, the problem is that the hydrogen storage becomes too heavy.
- the object of the invention is to provide a hydrogen storage, the production and properties is improved. This object is achieved with granules with the features of claim 1, with a method for producing a hydrogen storage with the features of claim 9 and with a hydrogen storage with the features of claim 10.
- Advantageous features, refinements and developments will become apparent from the following description, The figures as well as from the claims, wherein individual features of a design are not limited to these. Rather, one or more features of one embodiment can be linked to one or more features of another embodiment to form further embodiments. In particular, the respective independent claims can also be combined with each other. Also, the wording of the independent claims should not be construed as limiting the claimed subject matter.
- the invention relates to granules of a hydrogenatable material, in particular of a metal alloy, wherein the granules are intended for use in one in a hydrogen storage, preferably at least partially disposed in the hydrogen storage and provide a hydrogen storage capacity available.
- granules here describes a granular surface, which is composed of individual elements (particles).
- the granules may be composed of two or more particles and obtained, for example, by pressing.
- the granules may be composed as an agglomerate with the aid of a binder (binder) of at least two particles.
- binder binder
- it is preferred that the granules in the binder are in particular homogeneously distributed. As a result, a uniform linear shrinkage can be made possible in the production of granules, so that no voids occur.
- granules therefore not only describe effects on the surface but also on the particles from which the surface is formed.
- Granules can also form multiple layers or layers, so that in this case not only the surface-forming layer is meant, but all layers / layers. Layers or layers do not have to be clearly separated from each other, but can merge into one another. A clear separation of individual layers or layers of granules is not necessarily possible.
- the granules can occur as an agglomerate.
- agglomerate here describes a more or less solidified accumulation of previously loose components into a solid composite, which can be produced by technical processes.
- the agglomerate can have a uniform granule or grain size. However, it is also possible that it has different granule or particle sizes.
- press and build-up agglomeration processes are all methods for tablet production.
- there is the biologyagglomeration for example, in the production of exploding paint balls for bangers.
- agglomerates of metallic, mineral or plastic powders are prepared by drying in a mold or the application of pressing pressure and joined by heating below the melting point.
- the particles of a granule can either be the same size or have different sizes, for example
- a particle may be surrounded by several smaller particles.
- one particle has a size of 250 ⁇ m and the several smaller particles have a size of 50 ⁇ m.
- the particles can be bonded together with the aid of a binder, such as an adhesive, for example a polymer.
- the adhesive may be open to diffusion, preferably open to diffusion for hydrogen, but especially not for oxygen or air, to allow transmission of the hydrogen through the adhesive to the particles, but preferably also to form a protection against oxidation.
- the binder preferably comprises at least one polymer.
- the term polymer describes a chemical compound of chain or branched molecules, so-called macromolecules, which in turn consist of identical or similar units, the so-called constitutional repeating units or repeating units. Synthetic polymers are usually plastics.
- the hydrogen storage by the polymer may have good temperature resistance, resistance to the surrounding medium (oxidation resistance, corrosion resistance), good conductivity, good hydrogen uptake and storage ability, or other properties such as mechanical strength, which otherwise without the polymer would not be possible.
- polymers may be used which allow high elongation, such as polyamide or polyvinyl acetates.
- the polymer may be a homopolymer or a copolymer.
- Copolymers are polymers which are composed of two or more different monomer units. Copolymers consisting of three different monomers are called terpolymers.
- the polymer may also comprise a terpolymer.
- the polymer preferably has a monomer unit which, in addition to carbon and hydrogen, furthermore preferably has at least one heteroatom selected from among sulfur, oxygen, nitrogen and phosphorus, so that the polymer obtained in the For example, polyethylene is not completely non-polar.
- the polymer is preferably a copolymer and / or a terpolymer in which at least one monomer unit in addition to carbon and hydrogen further comprises at least one hetero atom selected from sulfur, oxygen, nitrogen and phosphorus. It is possible that two or more monomer units have a corresponding heteroatom.
- the polymer preferably has adhesive properties with respect to the hydrogen storage material. This means that it will adhere well to the hydrogen storage material even under loads as they occur during hydrogen storage.
- the adhesive properties of the polymer allow stable incorporation of the material into a hydrogen storage and positioning of the material at a defined location in the hydrogen storage over as long a period as possible, ie, over several cycles of hydrogen storage and hydrogen release.
- One cycle describes the process of a single hydrogenation and subsequent dehydration.
- the hydrogen storage material should preferably be stable over at least 500 cycles, in particular over at least 1000 cycles in order to be able to use the material economically.
- Stable in the sense of the present invention means that the amount of hydrogen that can be stored and the rate at which the hydrogen is stored, even after 500 or 1000 cycles, substantially corresponds to the values at the beginning of the use of the hydrogen storage.
- stable means that the hydrogenatable material is held at the position within the hydrogen storage where it was originally placed in the store.
- the hydrogenatable material of the present invention in a preferred embodiment is a low temperature hydrogen storage material.
- hydrogen storage which is an exothermic process, temperatures of up to 150 ° C occur.
- a polymer which is used for the matrix of a corresponding hydrogen storage material must be stable at these temperatures. Therefore, a preferred polymer does not decompose up to a temperature of 180 ° C, in particular up to a temperature of 165 ° C, in particular up to 145 ° C.
- the polymer is a polymer having a melting point of 100 ° C or more, especially 105 ° C or more, but less than 150 ° C, especially less than 140 ° C, especially 135 ° C or less.
- the density of the polymer determined according to ISO 1 183 at 20 ° C, 0.7 g / cm 3 or more, in particular 0.8 g / cm 3 or more, preferably 0.9 g / cm 3 or more however, not more than 1.3 g / cm 3 , preferably not more than 1.25 g / cm 3 , in particular 1.20 g / cm 3 or less.
- the tensile strength according to ISO 527 is preferably in the range from 10 MPa to 100 MPa, in particular in the range from 15 MPa to 90 MPa, particularly preferably in the range from 15 MPa to 80 MPa.
- the tensile modulus according to ISO 527 is preferably in the range from 50 MPa to 5000 MPa, in particular in the range from 55 MPa to 4500 MPa, particularly preferably in the range from 60 MPa to 4000 MPa.
- polymers with these mechanical properties are particularly stable and easy to process. In particular, they allow stable cohesion between the matrix and the hydrogenatable material embedded therein so that the hydrogenatable material remains in the same position within the hydrogen storage for many cycles for a long time. This allows a long life of the hydrogen storage.
- the polymer is selected from EVA, PMMA, EEAMA and mixtures of these polymers.
- EVA ethyl vinyl acetate
- EVA ethyl vinyl acetate
- Typical EVA are solid at room temperature and have a tensile elongation of up to 750%.
- EVA are stress cracking resistant.
- EVA has the following general formula (I):
- EVA preferably has a density of 0.9 g / cm 3 to 1.0 g / cm 3 (according to ISO 1 183).
- the yield stress according to ISO 527 is in particular from 4 to 12 MPa, preferably from 5 MPa to 10 MPa, especially from 5 to 8 MPa.
- Particularly suitable are those EVA which have a tensile strength (according to ISO 527) of more than 12 MPa, in particular more than 15 MPa, and less than 50 MPa, in particular less than 40 MPa, in particular of 25 MPa or less.
- the elongation at break (according to ISO 527) is in particular> 30% or> 35%, especially> 40% or 45%, preferably> 50%.
- the tensile modulus of elasticity is preferably in the range from 35 MPa to 120 MPA, especially from 40 MPa to 100 MPa, preferably from 45 MPa to 90 MPa, in particular from 50 MPa to 80 MPa.
- Suitable EVA are sold for example by the company axalta Coating Systems LLC under the trade name Coathylene ® CB 3547th
- Polymethyl methacrylate is a synthetic, transparent, thermoplastic material having the following general structural formula (II):
- the glass transition temperature is dependent on the molecular weight at about 45 ° C to 130 ° C.
- the softening temperature is preferably 80 ° C to 120 ° C, especially 90 ° C to 1 10 ° C.
- the thermoplastic copolymer is characterized by its resistance to weathering, light and UV radiation.
- PMMA preferably has a density of 0.9 to 1.5 g / cm 3 (according to ISO 1 183), in particular from 1.0 g / cm 3 to 1.25 g / cm 3 .
- Particularly suitable are those PMMA which have a tensile strength (according to ISO 527) of more than 30 MPa, preferably of more than 40 MPa, in particular more than 50 MPa, and less than 90 MPa, in particular less than 85 MPa, especially of 80 MPa or have less.
- the elongation at break (according to ISO 527) is in particular ⁇ 10%, especially ⁇ 8%, preferably ⁇ 5%.
- the tensile modulus of elasticity is preferably in the range from 900 MPa to 5000 MPa, preferably from 1200 to 4500 MPa, in particular from 2000 MPa to 4000 MPa.
- Suitable PMMA are offered for example by the company Ter Hell Plastics GmbH, Bochum, Germany, under the trade name 7M Plexiglas ® granules.
- EEAMA is a terpolymer of ethylene, acrylic ester and maleic anhydride monomer units.
- EEAMA has a melting point of about 102 ° C, depending on the molecular weight. It preferably has a relative density at 20 ° C. (DIN 53217 / ISO 281 1) of 1.0 g / cm 3 or less and 0.85 g / cm 3 or more.
- Suitable EEAMA be marketed under the trade name Coathylene ® TB3580 by the company axalta Coating Systems LLC.
- the composite material essentially comprises the hydrogen storage material and the matrix.
- the weight fraction of the matrix based on the total weight of the composite material is preferably 10% by weight or less, in particular 8% by weight or less, more preferably 5% by weight or less, and is preferably at least 1% by weight and in particular at least 2 wt .-% to 3 wt .-%. It is desirable to keep the proportion by weight of the matrix as low as possible. Even though the matrix is capable of storing hydrogen, the hydrogen storage capacity is nevertheless not as pronounced as that of the hydrogen storage material itself. However, the matrix is necessary in order to minimize or completely avoid any possible oxidation of the hydrogen storage material and to ensure a cohesion between the particles of the material.
- the matrix has a polymer having a low crystallinity. Due to the crystallinity of the polymer, the properties of a material can change considerably. The properties of a semi-crystalline material are determined by both the crystalline and the amorphous regions of the polymer. This shows a certain correlation with composite materials, which are also made up of several substances. For example, as the density increases, the extensibility of the matrix decreases.
- the matrix can also be in the form of prepregs.
- Prepreg is the English short form for preimpregnated fibers (in English: "pre-impregnated fibers")
- Prepregs are pre-impregnated semi-finished products which are cured under temperature and pressure to produce components
- Polymers are those with a high-viscosity, each but not polymerized thermosetting plastic matrix.
- the preferred polymers according to the present invention may also be in the form of a prepreg.
- the fibers contained in the prepreg can be in the form of a pure unidirectional layer, as a fabric or a scrim.
- the prepregs according to the invention can also be comminuted and processed as flakes or chips together with the hydrogenatable material to form a composite material.
- hydrogen storage describes a reservoir in which hydrogen can be stored.
- conventional methods for storing and storing hydrogen can be used, for example compressed gas storage, such as storage in pressure vessels by compression with compressors or liquefied natural gas storage, such as storage in liquefied form by cooling and compression.
- compressed gas storage such as storage in pressure vessels by compression with compressors or liquefied natural gas storage, such as storage in liquefied form by cooling and compression.
- Other alternative forms of storage of hydrogen are based on solids or liquids, such as metal hydride storage, such as storage as a chemical bond between hydrogen and a metal or alloy, or adsorption storage, such as adsorbed storage of hydrogen in highly porous materials.
- hydrogen storage is also possible for storage and transport of hydrogen, which temporarily bind the hydrogen to organic substances, whereby liquid, pressure-less storable compounds arise, so-called "chemically bonded hydrogen".
- Hydrogen storage may include, for example, metals or metal alloys which react with hydrogen to form hydrides (metal hydrides). This process of hydrogen storage is also referred to as hydrogenation and takes place with the release of heat. It is therefore an exothermic reaction. The hydrogen stored in the hydrogenation can be released again during the dehydrogenation. Here, the supply of heat is necessary because the dehydration is an endothermic reaction.
- a corresponding hydrogen storage can thus have two extreme states: 1) the hydrogen storage material is completely loaded with hydrogen. The material is completely in the form of its hydride; and 2) the hydrogen storage material storage is not hydrogen, so that the material is present as metal or metal alloy.
- the granules may be compressed and arranged as a composite material, in a matrix or in layers in the hydrogen storage.
- composite material here describes that in the hydrogen storage various types of components are used to arrange the hydrogenatable material.
- the composite material is formed from individual components, such as the matrix and the individual layers. Material properties and geometry of the components are important for the properties of the composite material.
- the composite material is compacted.
- the term matrix describes a composite of two or more bonded materials.
- one material preferably takes on another.
- the matrix can be porous as well as closed.
- the matrix is porous, in particular so porous that a fluid can flow through.
- material properties can complement each other, which otherwise only has the single component.
- Material properties and geometry of the components are important for the properties of the composites. In particular, size effects often play a role.
- the connection takes place, for example, by material or positive connection or a combination of both. In this way, for example, a fixed positioning of the hydrogenatable material can be made possible in the matrix.
- Other components of the matrix may be, for example, materials for heat conduction and / or gas feedthrough.
- layers describes that preferably one material, but also two or more materials are arranged in one layer and this can be delimited as a layer from a direct environment. For example, different materials can be poured one after another loosely one over the other so that adjacent layers are in direct contact.
- the hydrogenatable layer may be disposed immediately adjacent to a thermally conductive layer, so that the resulting heat in the hydrogen uptake and / or hydrogen release from the hydrogenatable material can be delivered directly to the adjacent layer.
- At least one of the following functions of primary hydrogen storage, primary heat conduction and / or primary gas feedthrough is to be understood as meaning that the respective layer perceives at least one of these as a main task in the second region of the composite material. So it is possible that a layer is used primarily for hydrogen storage, but at the same time in the Able to provide at least some thermal conductivity. However, it is provided that at least one other layer is present, which primarily assumes a heat conduction, that is, over which the largest amount of heat is derived from the compressed material composite. In this case, in turn, the primary gas-carrying layer can be used, through which, for example, the hydrogen is introduced into the composite of materials but is also conducted out, for example. In this case, however, heat can also be taken along via the fluid flowing through.
- the hydrogenatable material can take up the hydrogen and release it again if necessary.
- the material comprises particulate materials in any 3-dimensional configuration, such as particles, granules, fibers, preferably cut fibers, flakes and / or other geometries.
- the material may also be formed plate-shaped or powdery. It is not necessary that the material has a uniform configuration. Rather, the design may be regular or irregular. Particles in the sense of the present invention are, for example, approximately spherical particles as well as particles with an irregular and / or angular outer shape.
- the surface may be smooth, but it is also possible that the surface of the material is rough and / or has bumps and / or depressions and / or elevations.
- a hydrogen storage device may have the material in only one specific 3-dimensional configuration, so that all particles of the material have the same spatial extent.
- a hydrogen storage comprises the material in different configurations / geometries. By a variety of different geometries or configurations of the material, the material can be used in a variety of different hydrogen storage.
- the material comprises hollow bodies, for example particles with one or more cavities and / or with a hollow mold, for example a hollow fiber or an extrusion body with a hollow channel.
- hollow fiber describes a cylindrical fiber which has one or more continuous cavities in cross-section.
- the hydrogenatable material preferably has a bimodal size distribution. This allows a higher bulk density and thus a higher density of the hydrogenatable material be made possible in the hydrogen storage, whereby the hydrogen storage capacity, that is, the amount of hydrogen that can be stored in the memory is increased.
- the hydrogenatable material may comprise at least one hydrogenatable metal and / or at least one hydrogenatable metal alloy, preferably consisting thereof.
- Metal-Organic-Frameworks (MOF's) / Metal-Organic Frameworks, and / or Clathrates
- the material according to the invention may also comprise non-hydrogenatable metals or metal alloys.
- the hydrogenatable material according to the invention may comprise a low-temperature hydride and / or a high-temperature hydride.
- the term hydride refers to the hydrogenatable material, regardless of whether it is present in the hydrogenated form or the non-hydrogenated form.
- Low-temperature hydrides preferably store hydrogen in a temperature range between -55 ° C to 180 ° C, in particular between -20 ° C and 150 ° C, especially between 0 ° C and 140 ° C.
- High-temperature hydrides preferably store hydrogen in a temperature range from 280 ° C and more, in particular from 300 ° C and more. At the temperatures mentioned, the hydrides can not only store hydrogen but also give off, so they are functional in these temperature ranges.
- the granule can comprise both low-temperature hydrides and high-temperature hydrides.
- a granule has either only one or more high temperature hydrides or one or more low temperature hydrides.
- Hydrogenatable materials in their hydrogenated or nonhydrogenated form can be used according to the invention in the production of hydrogen storages.
- the hydrogen storage (hydrogenation) can take place at room temperature.
- the hydrogenation is an exothermic reaction.
- the resulting heat of reaction can be dissipated.
- energy must be supplied to the hydride in the form of heat for dehydration.
- Dehydration is an endothermic reaction ..
- the hydrogenatable material comprises a metal selected from magnesium, titanium, iron, nickel, manganese, nickel, lanthanum, zirconium, vanadium, chromium, or a mixture of two or more of these metals.
- the hydrogenatable material may also comprise a metal alloy comprising at least one of said metals.
- the hydrogenatable material comprises at least one metal alloy capable of at a temperature of 150 ° C or less, in particular in a temperature range of - 20 ° C to 140 ° C, in particular from 0 ° C to 100 ° C. is to store and release hydrogen.
- the at least one metal alloy is preferably selected from an alloy of the AB 5 type, the AB type and / or the AB 2 type.
- a and B denote each other different metals, wherein A and / or B are especially selected from the group comprising magnesium, titanium, iron, nickel, manganese, nickel, lanthanum, zirconium, vanadium and chromium ..
- the indices represent the stoichiometric ratio of the metals in the respective alloy.
- the alloys according to the invention may be doped with foreign atoms.
- the degree of doping can according to the invention up to atom%, in particular up to 40 atomic% or up to 35 atomic%, preferably up to 30 atomic% or up to 25 atomic%, especially up to 20 atomic% or up to 15 At%, preferably up to 10 at% or up to 5 at% of A and / or B.
- the doping can be carried out, for example, with magnesium, titanium, iron, nickel, manganese, nickel, lanthanum or other lanthanides, zirconium, vanadium and / or chromium.
- Alloys of the AB 5 type are easily activated, that is, the conditions that are necessary for activation, similar to those in the operation of the hydrogen storage. They also have a higher ductility than alloys of the AB or AB 2 type. By contrast, alloys of the AB 2 or the AB type have a higher mechanical stability and hardness compared to alloys of the AB 5 type.
- the hydrogenatable material (hydrogen storage material) comprises a mixture of at least two hydrogenatable alloys, wherein at least one AB 5 -type alloy and the second alloy is an AB-type and / or AB 2 -type alloy.
- the proportion of the alloy of the AB 5 type is in particular 1 wt .-% to 50 wt .-%, in particular 2 wt .-% to 40 wt .-%, particularly preferably 5 wt .-% to 30 wt .-% and in particular 5% by weight to 20% by weight, based on the total weight of the hydrogenatable material.
- the hydrogenatable material (hydrogen storage material) is preferably present in particulate form (particles, particles).
- the particles have, in particular, a particle size x 50 of from 20 ⁇ m to 700 ⁇ m, preferably from 25 ⁇ m to 500 ⁇ m, especially from 30 ⁇ m to 400 ⁇ m, in particular from 50 ⁇ m to 300 ⁇ m.
- x 50 means that 50% of the particles have an average particle size that is equal to or less than the stated value.
- the particle size was determined by laser diffraction, but can also be done for example by sieve analysis.
- the mean particle size here is the weight-based particle size, wherein the volume-based particle size is the same here.
- Indicated here is the particle size of the hydrogenatable material before it is subjected to hydrogenation for the first time. During hydrogen storage, stresses in the material occur, which can result in a reduction in the x 50 particle size over several cycles.
- the hydrogenatable material now has in particular a particle size of less than 25 ⁇ m, in particular of less than 30 ⁇ m and in particular of less than 50 ⁇ m, a fine powder is formed during use which can no longer effectively store hydrogen change the distribution of the material in the hydrogen storage itself, and the bulk material that has particles of very small diameters of a few nanometers can penetrate deepest Collect point of hydrogen storage.
- a loading with hydrogen hydrogenation
- the bulk material that has particles of very small diameters of a few nanometers
- a smaller particle size results in a larger number of points of contact at which the particles interact with the matrix and adhere to it, resulting in an improved stability, which is the case for particles with a size of more than 700 ⁇ , in particular of more than 500 ⁇ can not be achieved.
- the particles of the granules can be mixed by means of a flow aid before they are joined together. Furthermore, the particles and the granules can be pressed together.
- the pressing can be done by means of an upper and a lower punch by pressure. Furthermore, the pressing can be done via an isostatic pressing.
- the isostatic pressing method is based on the physical law that the pressure in liquids and gases propagates uniformly on all sides and generates forces on the applied surfaces that are directly proportional to these surfaces.
- the first and second regions can be brought, for example, in a rubber mold into the pressure vessel of a press plant. The pressure, which acts on the rubber mold on all sides via the fluid in the pressure vessel, compresses the enclosed first regions and second regions uniformly.
- the granules can be extruded or slaked after pressing, for example. Depending on the forces acting, granules can no longer be present after pressing or extrusion since they have dissolved.
- the granule particles can be sheared off or otherwise separated. For example, complete separation of the particles or at least at least a predominant separation of the granules are present in their particles. Preference is given to a possible high amount of separated particles, preferably more than 75%, in particular more than 90%. If, for example, only gently pressed, the granule can be preserved.
- extruded here describes that the granules are fed to an extrusion process.
- an extrusion preferably solid to viscous, in particular curable compositions are pressed out under pressure continuously from a shaping opening.
- the material to be extruded can be heated, for example in order to process it better.
- a heating of the extruder is necessary and the material to be extruded, for example, substantially at room temperature, which means without external heat supply can be extruded.
- the Bergriff described here describes that the granules are fed to a slip casting.
- the slip casting can be used, for example, for a mold casting process, also for a plaster mold casting process, for casting green bodies, blanks, green bodies or other castings. For example, these forms may be suitable for firing to perform drying. Drying can also be done by squeezing out the liquid or other means.
- the slip casting can also be cast in other forms, for example forms for the production of filters.
- the slip casting can also be filled into a mold which specifies the component geometry for the hydrogen storage.
- the compacts can also be fed to a sintering process.
- a granule has at least one heat-conducting particle (heat-conducting particulate material) and one hydrogenatable particle.
- heat-conducting particulate material heat-conducting particulate material
- two or more thermally conductive particles can also be attached to a hydrogenatable particle and together form a granule.
- a thermally conductive particle is a graphite particle.
- a thermally conductive particulate material according to the invention may comprise at least one thermally conductive metal and / or graphite.
- the thermally conductive material should have a good thermal conductivity on the one hand, on the other hand, but also the lowest possible weight in order to keep the total weight of the hydrogen storage as low as possible.
- the metal preferably has a thermal conductivity ⁇ of 100 W / (mK) or more, in particular of 120 W / (mK) or more, preferably of 180 W / (mK) or more, especially of 200 or more.
- the heat-conducting metal according to the invention may also be a metal alloy or a mixture of different metals.
- the thermally conductive metal is selected from silver, copper, gold, aluminum and mixtures of these metals or alloys comprising these metals. Particularly preferred is silver, as this has a very high thermal conductivity of over 400 W / (mK).
- Aluminum is also preferred since, in addition to the high heat conductivity of 236 W / (mK), it has a low density and thus a low weight.
- Graphite according to the invention comprises both expanded and unexpanded graphite.
- expanded graphite is used.
- carbon nanotubes single-walled, double-walled or multi-walled
- Graphite can also be used, since these also have a very high thermal conductivity. Due to the high cost of the nanotubes, it is preferable to use expanded graphite or blends of expanded graphite and unexpanded graphite. If mixtures are present, more unexpanded graphite is used by weight than expanded graphite.
- Natural graphite in ground form does not adhere well to the composite material and is difficult to process into a durable, stable composite. Therefore, in metal hydride-based hydrogen storage, graphite grades based on expanded graphite are preferably used. This is produced in particular from natural graphite and has a significantly lower density than unexpanded graphite, but adheres well in the composite, so that a stable composite material can be obtained. If, however, only expanded graphite were used, the volume of the hydrogen storage medium would be too large to operate economically. Therefore, mixtures of expanded and unexpanded graphite are preferably used. If the hydrogen storage is compacted by means of pressing, expanded graphite results in an oriented layer which can conduct heat particularly well.
- the Gra- Phite layers (hexagonal planes) in expanded graphite are shifted by the pressure during pressing against each other, so that lamellae or layers form. These hexagonal planes of the graphite are then transverse (approximately perpendicular to the compression direction during an axial pressing operation), so that the hydrogen can then be easily introduced into the composite material and the heat can be well in or out. As a result, not only a heat conduction but also a gas passage or a fluid passage can be made possible.
- the expanded graphite can be processed, for example, by means of calendar rolls into films. These films will then be ground again. The flakes or flakes thus obtained can then be used as a heat-conducting material. Due to the rolling, a preferred direction in the carbon grid also results here, whereby a particularly good heat and fluid transfer is made possible.
- graphite is used as the heat-conducting material when a high-temperature hydride is contained as a hydrogenatable material in the composite material.
- a heat-conducting metal in particular aluminum, is preferred.
- a lubricant can also be added to the granules, for example if it is to be introduced into a cavity, in order then to produce a hydrogen storage device therefrom.
- a wax can be used as a lubricant.
- the arrangement in the hydrogen storage is hydrogen permeable and in particular porous. In this way it can be ensured that the arrangement of the granules in the hydrogen storage by means of the hydrogenatable material are able to absorb and / or release hydrogen.
- the hydrogen can reach the hydrogenatable material of the granules.
- volumetric expansion can take place in the granules due to the uptake and / or release of the hydrogen, for example an expansion of the granules occurs when the hydrogen is taken up, so that the volume expansion is positive, and a contraction of the granules can take place when hydrogen is released, so that the volume expansion is negative and the volume of the granules decreases.
- the granules may additionally be provided with a coating.
- coating in the present application describes the layer applied to the material itself and optionally a process for applying a firmly adhering layer of shapeless material to a surface of a workpiece, in the present case granules.
- the application of the coating material is referred to as coating.
- a coating can be a thin layer or a thick layer, as well as several cohesive layers. Coating processes basically differ by the type of layer application in chemical, mechanical, thermal and thermomechanical processes.
- the granules can be assigned further properties, such as an oxidation protection layer or a gas guide.
- the coating is a polymer.
- the coating on the granules may be only partial and may not cover the entire surface of a granule.
- the coating may have an extensibility, so as not to be damaged by a change in volume of the granules. Not only the granules as a whole but also the particles which form the granules can be coated.
- the granules can take up hydrogen and release it again when needed.
- By coating the granules or the particles which form the granules it can be ensured that the hydrogen is stored in the granules, at the same time preventing or at least reducing weakening of the material of the granules, for example by oxidation.
- An oxidation of the granules would lead to the formation of a layer on the surface through which hydrogen can no longer or only very poorly diffuse through.
- the rate at which hydrogenation and dehydrogenation take place is significantly reduced. However, this speed should be as high as possible to enable economical use.
- the regions of the granules which are oxidized are no longer available for hydrogen storage, so that the amount of hydrogen that can be stored by the material, ie the hydrogen storage capacity, is reduced.
- the hydrogen storage capacity should be as large as possible in order to enable economical use.
- the oxidation-protective layer resulting from the coating now allows the granules to be used over a large number of cycles without significantly affecting the storage capacity of the granules, thereby allowing a long lifetime of the hydrogen storage.
- the coating preferably has at least one polymer.
- the coating may therefore comprise a polymer or mixtures of two or more polymers.
- the coating comprises only one polymer.
- the coating itself may be hydrogen-storing.
- ethylene polyethylene, PE
- PE polyethylene
- a titanium-ethylene compound is used. This can, according to a preferred embodiment, store up to 14% by weight of hydrogen.
- the coating can give the granules good optical, mechanical, thermal and / or chemical properties.
- the granules by the polymer may have good temperature resistance, resistance to the surrounding medium (oxidation resistance, corrosion resistance), good conductivity, good hydrogen uptake and storage ability, or other properties such as mechanical strength, which would otherwise be absent Polymer would not be possible.
- polymers which, for example, do not allow the storage of hydrogen but allow a high elongation such as, for example, polyamide or polyvinyl acetates.
- the polymer with which the granules are coated may be the same as the polymer used as binder. It is also possible to use different polymers for coating and as binders.
- the coating may be applied to the granules, and in particular to the particles forming the granules, in a manner known to those skilled in the art.
- the polymer is melted and spray applied to the particles or granules.
- particles or granules are immersed in a melt of the polymer wholly or partially (dip coating), so that a complete or partial coating is obtained.
- the hydrogen storage essentially comprises the hydrogen storage material and the coating.
- the proportion by weight of the coating based on the total weight of the coated material is preferably 10% by weight or less, in particular 8% by weight or less, more preferably 5% by weight or less, and is preferably at least 1% by weight, and in particular at least 2% to 3% by weight. It is desirable to keep the proportion by weight of the coating as low as possible. Even though the coating is capable of storing hydrogen, the hydrogen storage capacity is nevertheless not as pronounced as that of the hydrogen storage material itself. However, the coating is necessary in order to minimize or completely avoid any possible oxidation of the hydrogen storage material and to ensure a cohesion between the particles of the material.
- the granules can be subdivided into their individual particles even under the action of, for example, a shearing force. For example, after an extrusion or a compression, the bonds between the particles of the granules can be released.
- a binder can then be further, for example, at least substantially only on one of the particles, in particular if this binder has previously been applied as a coating on only one particle, preferably the hydrogenatable powder particle.
- the hydrogenatable material can be mixed in fine powder form together with a solvent and a binder, then, for example, in a countercurrent process, the drying takes place, so that a coating, preferably this binder coating, forms on each particle of the hydrogenatable material. Subsequently, for example, this coated particle can then be connected to at least one other particle via the binder coating and form the granule.
- the coating is preferably a polymer, in particular hydrogen-permeable.
- the tethered particle can have a high thermal conductivity, for example a graphite particle.
- pellets are arranged on granules one above the other and arranged separately from each other by means of an intermediate layer in the hydrogen storage.
- the granules can be spatially separated from each other.
- This can for example prevent segregation of the granules. be changed so that a deterioration of the efficiency can be counteracted.
- the intermediate layer comprises a thermally conductive material, for example a carbon material such as graphite, unexpanded and / or expanded graphite, preferably a fabric such as a carbon fabric or a nonwoven. Also other material can be used. In this way, both a fixed positioning of the granules can be made possible, as well as an improved heat conduction.
- a thermally conductive material in the intermediate layer and aluminum can be used. It is possible to use aluminum in the form of particles. The particles preferably have a small particle size x 50 , as the particles which form the granules. It can also be a foil or plate made of aluminum as a heat conductor to be used.
- a layer of aluminum (either particles or as a foil or plate or tissue) can be introduced. On these then the granules can be applied. Alternately, further heat-conducting layers and layers comprising the granules can then be arranged in the heat accumulator. A corresponding layer structure is of course also possible with graphite particles or films comprising graphite. It is further encompassed by the present invention if both graphite and aluminum are contained as heat-conducting material in one of the forms described in the hydrogen storage.
- thermoly conductive particulate metals As heat-conducting material, the already mentioned thermally conductive particulate metals and the graphite modifications explained in this regard can be used.
- the granules and / or particles of granules are portioned in a sheath, preferably in bags, wherein the sheaths are arranged in the hydrogen storage.
- a sheath preferably in bags
- the granules and / or particles of granules can be arranged in the hydrogen storage at a fixed position.
- a simple exchange can be made possible by an enclosure, preferably in solid or flexible containers, in particular a bag. It is no longer necessary to replace the entire granules and / or particles of granules, but only the bag can be replaced, in which the granules or particles of granules have a lower efficiency and / or wear and tear.
- a corresponding container is preferably made a hydrogen permeable material. However, it is also possible for a container to have gas passages to allow for hydrogen exchange.
- the granules and / or particles of granules remain separated within the wrapping by means of one or more intermediate layers. In this way, an escape of the granules within the enclosure can be avoided.
- the granules have a further material in addition to the hydrogenatable material.
- the further material may be a polymer.
- the further material can be used to assign additional properties to the granules.
- the further may have improved gas conduction or improved thermal conductivity.
- a granule may have, in addition to the hydrogenatable material, a first further material on a first part and a second further material on a second part, wherein the first material and the second material have different properties, so that the granule may have different properties.
- the first further material can provide a good gas flow, the hydrogenatable material a hydrogen absorption and the second further material a good thermal conductivity.
- the invention further relates to a process for the preparation of a hydrogen storage, wherein pourable granules are used, which are made of a hydrogenatable metal.
- a hydrogen storage with good properties can be provided.
- the invention relates to a hydrogen storage comprising the granules described above. Thereby, a hydrogen storage with good properties can be provided.
- At least the hydrogen storage material is recyclable. In this way the environment can be spared. For example, the granules can be removed from the hydrogen storage for recycling. Subsequently, the hydrogenatable material can be separated from the other components of the granules. The hydrogenatable material can be recycled to make new granules.
- Fig. 1 is a granule with two equal particles
- Fig. 2 is a granule with two different sized particles
- Fig. 3 shows a granule with a large particle surrounded by a plurality of small particles, furthermore, the granule is surrounded by a protective layer
- Fig. 4 shows a detail of a sectional view of a hydrogen storage in which the granules are arranged.
- Fig. 1 shows a Granule 10 of a hydrogenatable material 12, in particular a metal alloy, preferably FeTi and / or Mg, and another material 14, in this embodiment, a thermally conductive material.
- the hydrogenatable material 12 and the further material 14 represent particles which have the same size.
- the granule 10 is an agglomerate, which consists with the aid of a binder and by pressing from the hydrogenatable material 12 and the further material 14.
- the further material 14 is permeable to hydrogen, so that the hydrogen can pass through the further material 14 into the hydrogenatable material 12, or can be released from the hydrogenatable material 12 via the further material 14.
- Fig. 2 shows a Granule 10, with a hydrogenatable material 12 and another material 16.
- the hydrogenatable material 12 in this embodiment has a size of 10 ⁇ and the other material 16 has a size of 100 ⁇ .
- FIG. 3 shows a granule 10 with a hydrogenatable material 12.
- the hydrogenatable material 12 is surrounded by a multiplicity of further materials 18.
- the hydrogenatable material 12 and the other materials 18 are surrounded by a coating 20.
- the coating 20 can provide the granule with further properties, such as protection against oxidation or improved gas conduction.
- 4 shows a section of a hydrogen reservoir 22.
- the hydrogen reservoir 22 comprises two outer walls 24 and 26. Between the outer walls 24 and 26 a plurality of granules 28 is arranged. The granules 28 are pressed together and are arranged one above the other as compacts.
- the granules 28 are arranged by a plurality of intermediate layers 30, 32, in particular by intermediate layers of a carbon fabric in the hydrogen storage 22.
- a positioning of the granules 28 in the hydrogen storage 22 is fixed, furthermore it prevents a separation of the granules 28 from taking place in the hydrogen storage 22.
- the granules 28 are portioned in a sheath 34, preferably in bags, and arranged in the hydrogen storage. It can be seen that a plurality of envelopes 34 are arranged in the hydrogen storage 22, wherein in the sheaths 34 also have one or more intermediate layers.
- the granules 28 can be recycled in the hydrogen storage 22.
- the granules are used in a hydrogen storage, as can be seen from DE 10 2014 006 377, wherein the scope of the disclosure of the invention fully incorporated by reference.
- the present invention therefore relates to granules of a hydrogenatable material, in particular a metal alloy, preferably FeTi and / or Mg, wherein the granules are intended for use in a hydrogen storage, preferably are arranged partly in the hydrogen storage and provide a hydrogen storage capacity available.
- the granules are mixed with an additional heat-conducting material for use in the hydrogen storage are determined, preferably at least partially disposed in the hydrogen storage.
- the arrangement of granules as well as particles of granules in the hydrogen storage is porous and permeable to hydrogen.
- pellets of granules are arranged one above the other and arranged separately from one another by means of an intermediate layer in the hydrogen storage.
- the intermediate layer may comprise a carbonaceous material.
- the granules and / or particles of granules originating within the sheath remain separated by means of one or more intermediate layers.
- the granules may have, in addition to the hydrogenatable metal, a further material, in particular a heat-conducting material.
- the present invention relates to a process for producing a hydrogen storage using free-flowing granules made from a hydrogenatable material.
- the present invention relates to a hydrogen storage produced with granules according to the present invention.
- a granule in the hydrogen storage particles which are connected to a binder.
- the hydrogen storage medium comprises particles of granules, preferably thermally conductive particles and hydrogenatable particles.
- at least the hydrogen-storing material is recyclable.
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Abstract
Description
Granulen aus einem hydrierbaren Material Granules of a hydrogenatable material
Die vorliegende Erfindung betrifft Granulen aus einem hydrierbaren Material, ein Verfahren zur Herstellung eines Wasserstoffspeichers, sowie einen Wasserstoffspeicher. The present invention relates to granules of a hydrogenatable material, a process for producing a hydrogen storage, and a hydrogen storage.
Wasserstoff lässt sich nicht ohne weiteres in einem Wasserstoffspeicher speichern und wieder dann wiedergewinnen, da Wasserstoff die kleinsten Moleküle aller Gase aufweist und durch die Wasserstoffspeicherwände diffundiert. Dabei spielt es keine Rolle, ob die Wasserstoffspeicherwände aus Metall oder Kunststoff bestehen. Auch die Speicherfähigkeit von Wasserstoffspeichern hält sich in Grenzen: Bei entsprechend hohem Druck wird die Diffusion durch die Wasserstoffspeicherwände zu stark. Als Alternative wurde bereits vorgeschlagen, Wasserstoff in Metallschäumen zu speichern. Hierbei ist jedoch das Prob- lern, das der Wasserstoffspeicher zu schwer wird. Hydrogen can not be readily stored in a hydrogen storage and then recovered again, since hydrogen has the smallest molecules of all gases and diffuses through the hydrogen storage walls. It does not matter if the hydrogen storage walls are made of metal or plastic. The storage capacity of hydrogen storage is also limited: at a correspondingly high pressure, the diffusion through the hydrogen storage walls becomes too strong. As an alternative, it has already been proposed to store hydrogen in metal foams. Here, however, the problem is that the hydrogen storage becomes too heavy.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen Wasserstoffspeicher vorzusehen, dessen Fertigung und Eigenschaften verbessert wird. Diese Aufgabe wird gelöst mit Granulen mit den Merkmalen des Anspruchs 1 , mit einem Verfahren zur Herstellung eines Wasserstoffspeichers mit den Merkmalen des Anspruchs 9 und mit einem ein Wasserstoffspeicher mit den Merkmalen des Anspruchs 10. Vorteilhafte Merkmale, Ausgestaltungen und Weiterbildungen gehen aus der nachfolgenden Beschreibung, den Figuren wie auch aus den Ansprüchen hervor, wobei einzelne Merk- male aus einer Ausgestaltung nicht auf diese beschränkt sind. Vielmehr sind ein oder mehrere Merkmale aus einer Ausgestaltung mit einem oder mehreren Merkmalen einer anderen Ausgestaltung zu weiteren Ausgestaltungen verknüpfbar. Insbesondere sind die jeweiligen unabhängigen Ansprüche auch jeweils miteinander kombinierbar. Auch sollen die Formulierungen der unabhängigen Ansprüche nicht als Beschränkung des bean- spruchten Gegenstands verstanden werden.. Ein oder mehrere Merkmale der Anspruchsformulierungen können daher ausgetauscht wie auch weggelassen werden, ebenso aber auch zusätzlich ergänzt werden. Auch können die anhand eines speziellen Ausführungsbeispiels angeführten Merkmale auch verallgemeinert beziehungsweise bei anderen Ausführungsbeispielen, insbesondere Anwendungen ebenfalls eingesetzt werden. Die Erfindung betrifft Granulen aus einem hydrierbaren Material, insbesondere aus einer Metalllegierung wobei die Granulen zur Verwendung in einem in einem Wasserstoffspeicher bestimmt sind, vorzugsweise wenigstens zum Teil in dem Wasserstoffspeicher angeordnet sind und eine Wasserstoffspeicherungskapazität zur Verfügung stellen. The object of the invention is to provide a hydrogen storage, the production and properties is improved. This object is achieved with granules with the features of claim 1, with a method for producing a hydrogen storage with the features of claim 9 and with a hydrogen storage with the features of claim 10. Advantageous features, refinements and developments will become apparent from the following description, The figures as well as from the claims, wherein individual features of a design are not limited to these. Rather, one or more features of one embodiment can be linked to one or more features of another embodiment to form further embodiments. In particular, the respective independent claims can also be combined with each other. Also, the wording of the independent claims should not be construed as limiting the claimed subject matter. One or more features of the claims may therefore be interchanged as well as omitted, as well as additionally supplemented. Also, the features cited with reference to a specific embodiment can also be generalized or used in other embodiments, in particular applications as well. The invention relates to granules of a hydrogenatable material, in particular of a metal alloy, wherein the granules are intended for use in one in a hydrogen storage, preferably at least partially disposed in the hydrogen storage and provide a hydrogen storage capacity available.
Der Begriff Granulen beschreibt hierbei eine körnige Oberfläche, welche aus einzelnen Elementen (Partikeln) zusammengesetzt ist. Die Granulen können aus zwei oder mehreren Partikeln zusammengesetzt sein und zum Beispiel durch Pressen, erhalten werden. Weiterhin können die Granulen als ein Agglomerat mit Hilfe eines Binders (Bindemittels) aus mindestens zwei Partikeln zusammengesetzt sein. Weiterhin ist es bevorzugt, dass die Granulen im Binder insbesondere homogen verteilt sind. Dadurch kann bei der Produktion der Granulen ein einheitliches lineares Schrumpfen ermöglicht werden, so dass keine Lunker entstehen. Im Sinne der vorliegenden Anmeldung beschrieben Granulen daher nicht nur Effekte an der Oberfläche sondern auch an den Partikeln, aus denen die Oberfläche gebildet wird. Granulen können auch mehrere Schichten oder Lagen ausbilden, so dass in diesem Fall nicht nur die die Oberfläche bildende Schicht gemeint ist, sondern alle Schichten/Lagen. Schichten oder Lagen müssen dabei nicht klar voneinander getrennt sein, sondern können ineinander übergehen. Eine klare Trennung einzelner Schichten oder Lagen von Granulen ist nicht notwendigerweise möglich. The term granules here describes a granular surface, which is composed of individual elements (particles). The granules may be composed of two or more particles and obtained, for example, by pressing. Furthermore, the granules may be composed as an agglomerate with the aid of a binder (binder) of at least two particles. Furthermore, it is preferred that the granules in the binder are in particular homogeneously distributed. As a result, a uniform linear shrinkage can be made possible in the production of granules, so that no voids occur. For the purposes of the present application, granules therefore not only describe effects on the surface but also on the particles from which the surface is formed. Granules can also form multiple layers or layers, so that in this case not only the surface-forming layer is meant, but all layers / layers. Layers or layers do not have to be clearly separated from each other, but can merge into one another. A clear separation of individual layers or layers of granules is not necessarily possible.
Insbesondere können die Granulen als Agglomerat auftreten. Der Begriff Agglomerat beschreibt hierbei eine mehr oder weniger verfestigte Anhäufung von vorher losen Bestandteilen zu einem festen Verbund, die durch technische Abläufe hergestellt werden kann. Das Agglomerat kann eine gleichmäßige Granulat- beziehungsweise Korngröße aufwei- sen. Es ist jedoch auch möglich, dass es unterschiedliche Granulat- beziehungsweise Korngrößen aufweist. Bei der Herstellung unterscheidet man allgemein zwischen Press- und Aufbauagglomerationsverfahren. Beispiele für die Pressagglomeration sind alle Verfahren zur Tablettenherstellung. Im Gegensatz dazu gibt es die Aufbauagglomeration, beispielsweise bei der Herstellung von explodierenden Farbkugeln für Knallkörper. In der Metallurgie, der Herstellung von Keramik oder der Kunststoffverarbeitung werden Agglomerate aus metallischen, mineralischen oder Kunststoff-Pulvern durch Trocknung in einer Form oder die Anwendung von Pressdruck vorbereitet und durch Erhitzung unterhalb des Schmelzpunktes zusammengefügt. In einer bevorzugten Ausführungsform können die Partikel eines Granuls entweder die gleiche Größe aufweisen oder aber unterschiedliche Größen aufweisen, beispielsweise kann ein Partikel von mehreren kleineren Partikeln umgeben sein. Beispielsweise weist ein Partikel eine Größe von 250 μηη auf und die mehreren kleineren Partikel weisen eine Größe von 50 μηη auf. Die Partikel können mit Hilfe eines Bindemittels, wie einem Kleber, beispielsweise einem Polymer, miteinander verbunden werden. Der Kleber kann dabei diffusionsoffen sein, vorzugsweise diffusionsoffen für Wasserstoff, insbesondere aber nicht für Sauerstoff beziehungsweise Luft, um eine Übertragung des Wasserstoffs durch den Kleber an die Partikel zu ermöglichen, vorzugsweise aber auch, um einen Schutz gegen Oxidation zu bilden. Das Bindemittel umfasst vorzugsweise wenigstens ein Polymer. Der Begriff Polymer beschreibt eine chemische Verbindung aus Ketten- oder verzweigten Molekülen, sogenannte Makromoleküle, die wiederum aus gleichen oder gleichartigen Einheiten, den sogenannten konstitutionellen Repetiereinheiten oder Wiederholeinheiten, bestehen. Synthetische Polymere sind in der Regel Kunststoffe. In particular, the granules can occur as an agglomerate. The term agglomerate here describes a more or less solidified accumulation of previously loose components into a solid composite, which can be produced by technical processes. The agglomerate can have a uniform granule or grain size. However, it is also possible that it has different granule or particle sizes. In the manufacture, a distinction is generally made between press and build-up agglomeration processes. Examples of the press agglomeration are all methods for tablet production. In contrast, there is the Aufbauagglomeration, for example, in the production of exploding paint balls for bangers. In metallurgy, the production of ceramics or the processing of plastics, agglomerates of metallic, mineral or plastic powders are prepared by drying in a mold or the application of pressing pressure and joined by heating below the melting point. In a preferred embodiment, the particles of a granule can either be the same size or have different sizes, for example For example, a particle may be surrounded by several smaller particles. For example, one particle has a size of 250 μm and the several smaller particles have a size of 50 μm. The particles can be bonded together with the aid of a binder, such as an adhesive, for example a polymer. The adhesive may be open to diffusion, preferably open to diffusion for hydrogen, but especially not for oxygen or air, to allow transmission of the hydrogen through the adhesive to the particles, but preferably also to form a protection against oxidation. The binder preferably comprises at least one polymer. The term polymer describes a chemical compound of chain or branched molecules, so-called macromolecules, which in turn consist of identical or similar units, the so-called constitutional repeating units or repeating units. Synthetic polymers are usually plastics.
Durch die Verwendung mindestens eines Polymers können durch das Bindemittel dem Material gute optische, mechanische, thermische und/oder chemische Eigenschaften zugewiesen werden. Beispielsweise kann der Wasserstoffspeicher durch das Polymer eine gute Temperaturbeständigkeit, eine Resistenz gegenüber das umgebende Medium (Oxi- dationsbeständigkeit, Korrosionsbeständigkeit), eine gute Leitfähigkeit, eine gute Wasserstoffaufnahme- und -Speicherfähigkeit oder andere Eigenschaften, wie beispielsweise eine mechanische Festigkeit, aufweisen, welche sonst ohne das Polymer nicht möglich wären. Es können beispielsweise Polymere zum Einsatz kommen, eine hohe Dehnung ermöglichen, wie beispielsweise Polyamid oder Polyvinylacetate. By using at least one polymer, good optical, mechanical, thermal and / or chemical properties can be assigned to the material by the binder. For example, the hydrogen storage by the polymer may have good temperature resistance, resistance to the surrounding medium (oxidation resistance, corrosion resistance), good conductivity, good hydrogen uptake and storage ability, or other properties such as mechanical strength, which otherwise without the polymer would not be possible. For example, polymers may be used which allow high elongation, such as polyamide or polyvinyl acetates.
Erfindungsgemäß kann das Polymer ein Homopolymer oder ein Copolymer sein. Copoly- mere sind Polymere, die aus zwei oder mehr verschiedenartigen Monomereinheiten zu- sammengesetzt sind. Copolymere, die aus drei verschiedenen Monomeren bestehen, nennt man Terpolymere. Erfindungsgemäß kann das Polymer beispielsweise auch ein Terpolymer umfassen. In the invention, the polymer may be a homopolymer or a copolymer. Copolymers are polymers which are composed of two or more different monomer units. Copolymers consisting of three different monomers are called terpolymers. For example, according to the invention, the polymer may also comprise a terpolymer.
Bevorzugt weist das Polymer (Homopolymer) eine Monomereinheit auf, die vorzugsweise neben Kohlenstoff und Wasserstoff weiterhin wenigstens ein Heteroatom, ausgewählt aus Schwefel, Sauerstoff, Stickstoff und Phosphor aufweist, so dass das erhaltene Polymer im Gegensatz beispielsweise zu Polyethylen nicht vollständig unpolar ist. Bevorzugt ist das Polymer ein Copolymer und/oder ein Terpolymer, in welchem wenigstens eine Monomereinheit neben Kohlenstoff und Wasserstoff weiterhin wenigstens ein Hetero- atom, ausgewählt aus Schwefel, Sauerstoff, Stickstoff und Phosphor aufweist. Dabei ist es möglich, dass auch zwei oder mehr Monomereinheiten ein entsprechendes Hetero- atom aufweisen. The polymer (homopolymer) preferably has a monomer unit which, in addition to carbon and hydrogen, furthermore preferably has at least one heteroatom selected from among sulfur, oxygen, nitrogen and phosphorus, so that the polymer obtained in the For example, polyethylene is not completely non-polar. The polymer is preferably a copolymer and / or a terpolymer in which at least one monomer unit in addition to carbon and hydrogen further comprises at least one hetero atom selected from sulfur, oxygen, nitrogen and phosphorus. It is possible that two or more monomer units have a corresponding heteroatom.
Das Polymer weist bevorzugt hinsichtlich des Wasserstoffspeichermaterials adhäsive Eigenschaften auf. Dies bedeutet, dass es am Wasserstoffspeichermaterial auch unter Be- lastungen, wie sie während der Wasserstoffspeicherung auftreten, stabil am Wasserstoffspeichermaterial gut haftet. The polymer preferably has adhesive properties with respect to the hydrogen storage material. This means that it will adhere well to the hydrogen storage material even under loads as they occur during hydrogen storage.
Die adhäsiven Eigenschaften des Polymers ermöglichen ein stabiles Einbringen des Materials in einen Wasserstoffspeicher und das Positionieren des Materials an einer definier- ten Stelle im Wasserstoffspeicher über einen möglichst langen Zeitraum, also über mehrere Zyklen der Wasserstoffspeicherung und Wasserstoffabgabe hinweg. Ein Zyklus beschreibt dabei den Vorgang einer einmaligen Hydrierung und anschließenden Dehydrierung. Dabei sollte das Wasserstoffspeichermaterial bevorzugt über wenigstens 500 Zyklen, insbesondere über wenigstens 1000 Zyklen stabil sein, um das Material wirtschaftlich einsetzen zu können. Stabil im Sinne der vorliegenden Erfindung bedeutet, dass die Menge an Wasserstoff, die gespeichert werden kann, und die Geschwindigkeit, mit der der Wasserstoff gespeichert wird, auch nach 500 beziehungsweise 1000 Zyklen im Wesentlichen den Werten zu Beginn des Einsatzes des Wasserstoffspeichers entspricht. Insbesondere bedeutet stabil, dass das hydrierbare Material an der Position innerhalb des Wasserstoffspeichers gehalten wird, an der es ursprünglich in den Speicher eingebracht wurde. The adhesive properties of the polymer allow stable incorporation of the material into a hydrogen storage and positioning of the material at a defined location in the hydrogen storage over as long a period as possible, ie, over several cycles of hydrogen storage and hydrogen release. One cycle describes the process of a single hydrogenation and subsequent dehydration. The hydrogen storage material should preferably be stable over at least 500 cycles, in particular over at least 1000 cycles in order to be able to use the material economically. Stable in the sense of the present invention means that the amount of hydrogen that can be stored and the rate at which the hydrogen is stored, even after 500 or 1000 cycles, substantially corresponds to the values at the beginning of the use of the hydrogen storage. In particular, stable means that the hydrogenatable material is held at the position within the hydrogen storage where it was originally placed in the store.
Das hydrierbare Material der vorliegenden Erfindung ist in einer bevorzugten Ausführungsform ein Niedertemperaturwasserstoffspeichermaterial. Bei der Wasserstoffspeiche- rung, welche ein exothermer Prozess ist, treten daher Temperaturen von bis zu 150 °C auf. Ein Polymer, welches zur Matrix eines entsprechenden Wasserstoffspeichermaterials eingesetzt wird, muss bei diesen Temperaturen stabil sein. Ein bevorzugtes Polymer zersetzt sich daher nicht bis zu einer Temperatur von 180 °C, insbesondere bis zu einer Temperatur von 165 °C, insbesondere von bis zu 145 °C. Insbesondere ist das Polymer ein Polymer, welches einen Schmelzpunkt von 100 °C oder mehr, insbesondere von 105 °C oder mehr, aber weniger als 150 °C, insbesondere von weniger als 140 °C, besonders von 135°C oder weniger aufweist. Bevorzugt beträgt die Dichte des Polymers, bestimmt gemäß ISO 1 183 bei 20 °C, 0,7 g/cm3 oder mehr, insbe- sondere 0,8 g/cm3 oder mehr, bevorzugt 0,9 g/cm3 oder mehr jedoch maximal 1 ,3 g/cm3, bevorzugt nicht mehr als 1 ,25 g/cm3, insbesondere 1 ,20 g/cm3 oder weniger. Die Zugfestigkeit nach ISO 527 liegt vorzugsweise im Bereich von 10 MPa bis 100 MPa, insbesondere im Bereich von 15 MPa bis 90 MPa, besonders bevorzugt im Bereich von 15 MPa bis 80 MPa. Das Zug-E-Modul nach ISO 527 liegt bevorzugt im Bereich von 50 MPa bis 5000 MPa, insbesondere im Beriech von 55 MPa bis 4500 MPa, besonders bevorzugt im Bereich von 60 MPa bis 4000 MPa. Überraschenderweise hat sich gezeigt, dass Polymere mit diesen mechanischen Eigenschaften besonders stabil und gut zu verarbeiten sind. Insbesondere ermöglichen sie einen stabilen Zusammenhalt zwischen der Matrix und dem darin eingebetteten hydrierbaren Material, so dass das hydrierbare Material über mehrere Zyklen hinweg lange an der gleichen Position innerhalb des Wasserstoffspeichers bleibt. Hierdurch wird eine lange Lebensdauer des Wasserstoffspeichers ermöglicht. The hydrogenatable material of the present invention in a preferred embodiment is a low temperature hydrogen storage material. In hydrogen storage, which is an exothermic process, temperatures of up to 150 ° C occur. A polymer which is used for the matrix of a corresponding hydrogen storage material must be stable at these temperatures. Therefore, a preferred polymer does not decompose up to a temperature of 180 ° C, in particular up to a temperature of 165 ° C, in particular up to 145 ° C. In particular, the polymer is a polymer having a melting point of 100 ° C or more, especially 105 ° C or more, but less than 150 ° C, especially less than 140 ° C, especially 135 ° C or less. Preferably, the density of the polymer, determined according to ISO 1 183 at 20 ° C, 0.7 g / cm 3 or more, in particular 0.8 g / cm 3 or more, preferably 0.9 g / cm 3 or more however, not more than 1.3 g / cm 3 , preferably not more than 1.25 g / cm 3 , in particular 1.20 g / cm 3 or less. The tensile strength according to ISO 527 is preferably in the range from 10 MPa to 100 MPa, in particular in the range from 15 MPa to 90 MPa, particularly preferably in the range from 15 MPa to 80 MPa. The tensile modulus according to ISO 527 is preferably in the range from 50 MPa to 5000 MPa, in particular in the range from 55 MPa to 4500 MPa, particularly preferably in the range from 60 MPa to 4000 MPa. Surprisingly, it has been found that polymers with these mechanical properties are particularly stable and easy to process. In particular, they allow stable cohesion between the matrix and the hydrogenatable material embedded therein so that the hydrogenatable material remains in the same position within the hydrogen storage for many cycles for a long time. This allows a long life of the hydrogen storage.
Besonders bevorzugt im Sinne der vorliegenden Erfindung ist das Polymer ausgewählt aus EVA, PMMA, EEAMA sowie Mischungen dieser Polymere. For the purposes of the present invention, the polymer is selected from EVA, PMMA, EEAMA and mixtures of these polymers.
Mit EVA (Ethylvinylacetat) wird eine Gruppe von Copolymeren aus Ethylen und Vinylace- tat bezeichnet, welche einen Anteil von Vinylacetat im Bereich von 2 Gew.-% bis 50 Gew.- % aufweisen. Geringere Anteile an Vinylacetat führen zur Ausbildung von harten Filmen, während höhere Anteile zu einer größeren Adhäsivität des Polymers führen. Typische EVA sind bei Raumtemperatur fest und weisen eine Zugdehnung von bis zu 750% auf. Zudem sind EVA spannungsrissbeständig. EVA weist die folgende allgemeine Formel (I) auf: EVA (ethyl vinyl acetate) refers to a group of copolymers of ethylene and vinyl acetate which have a vinyl acetate content in the range of 2% to 50% by weight. Lower levels of vinyl acetate result in the formation of hard films, while higher levels result in greater polymer adhesiveness. Typical EVA are solid at room temperature and have a tensile elongation of up to 750%. In addition, EVA are stress cracking resistant. EVA has the following general formula (I):
(Formel (I)). EVA im Sinne der vorliegenden Erfindung weist bevorzugt eine Dichte von 0,9 g/cm3 bis 1 ,0 g/cm3 (nach ISO 1 183) auf. Die Streckspannung nach ISO 527 liegt insbesondere bei 4 bis 12 MPa, bevorzugt im Bereich von 5 MPa bis 10 MPa, besonders von 5 bis 8 MPa. Insbesondere geeignet sind solche EVA, welche eine Zugfestigkeit (nach ISO 527) von mehr als 12 MPa, insbesondere mehr als 15 MPa, und weniger als 50 MPa, insbesondere weniger als 40 MPa, besonders von 25 MPa oder weniger aufweisen. Die Reißdehnung (nach ISO 527) liegt insbesondere bei >30% oder >35%, besonders bei >40% oder 45%, bevorzugt bei >50%. Dabei liegt der Zug-E-Modul bevorzugt im Bereich von 35 MPa bis 120 MPA, besonders von 40 MPa bis 100 MPa, bevorzugt von 45 MPa bis 90 MPa, insbesondere von 50 MPa bis 80 MPa. Geeignete EVA werden beispielsweise von der Firma Axalta Coating Systems LLC unter dem Handelsnamen Coathylene® CB 3547 vertrieben. (Formula (I)). For the purposes of the present invention, EVA preferably has a density of 0.9 g / cm 3 to 1.0 g / cm 3 (according to ISO 1 183). The yield stress according to ISO 527 is in particular from 4 to 12 MPa, preferably from 5 MPa to 10 MPa, especially from 5 to 8 MPa. Particularly suitable are those EVA which have a tensile strength (according to ISO 527) of more than 12 MPa, in particular more than 15 MPa, and less than 50 MPa, in particular less than 40 MPa, in particular of 25 MPa or less. The elongation at break (according to ISO 527) is in particular> 30% or> 35%, especially> 40% or 45%, preferably> 50%. In this case, the tensile modulus of elasticity is preferably in the range from 35 MPa to 120 MPA, especially from 40 MPa to 100 MPa, preferably from 45 MPa to 90 MPa, in particular from 50 MPa to 80 MPa. Suitable EVA are sold for example by the company axalta Coating Systems LLC under the trade name Coathylene ® CB 3547th
Polymethylmethacrylat (PMMA) ist ein synthetischer, transparenter, thermoplastischer Kunststoff mit der folgenden allgemeinen Strukturformel (II): Polymethyl methacrylate (PMMA) is a synthetic, transparent, thermoplastic material having the following general structural formula (II):
(Formel (II)) (Formula (II))
Die Glasübergangstemperatur liegt abhängig von der Molmasse bei etwa 45 °C bis 130°C. Die Erweichungstemperatur beträgt bevorzugt 80 °C bis 120 °C, insbesondere 90 °C bis 1 10 °C. Das thermoplastische Copolymer zeichnet sich durch seine Beständigkeit gegenüber Witterung, Licht und UV-Strahlung aus. The glass transition temperature is dependent on the molecular weight at about 45 ° C to 130 ° C. The softening temperature is preferably 80 ° C to 120 ° C, especially 90 ° C to 1 10 ° C. The thermoplastic copolymer is characterized by its resistance to weathering, light and UV radiation.
PMMA im Sinne der vorliegenden Erfindung weist bevorzugt eine Dichte von 0,9 bis 1 ,5 g/cm3 (nach ISO 1 183), insbesondere von 1 ,0 g/cm3 bis 1 ,25 g/cm3 auf. Insbesondere geeignet sind solche PMMA, welche eine Zugfestigkeit (nach ISO 527) von mehr als 30 MPa, bevorzugt von mehr als 40 MPa, insbesondere mehr als 50 MPa, und weniger als 90 MPa, insbesondere weniger als 85 MPa, besonders von 80 MPa oder weniger aufweisen. Die Reißdehnung (nach ISO 527) liegt insbesondere bei <10%, besonders bei <8%, bevorzugt bei <5%. Dabei liegt der Zug-E-Modul bevorzugt im Bereich von 900 MPa bis 5000 MPa, bevorzugt von 1200 bis 4500 MPa, insbesondere von 2000 MPa bis 4000 MPa. Geeignete PMMA werden beispielsweise von der Firma Ter Hell Plastics GmbH, Bochum, Deutschland, unter dem Handelsnamen 7M Plexiglas® Granulat angeboten. For the purposes of the present invention, PMMA preferably has a density of 0.9 to 1.5 g / cm 3 (according to ISO 1 183), in particular from 1.0 g / cm 3 to 1.25 g / cm 3 . Particularly suitable are those PMMA which have a tensile strength (according to ISO 527) of more than 30 MPa, preferably of more than 40 MPa, in particular more than 50 MPa, and less than 90 MPa, in particular less than 85 MPa, especially of 80 MPa or have less. The elongation at break (according to ISO 527) is in particular <10%, especially <8%, preferably <5%. The tensile modulus of elasticity is preferably in the range from 900 MPa to 5000 MPa, preferably from 1200 to 4500 MPa, in particular from 2000 MPa to 4000 MPa. Suitable PMMA are offered for example by the company Ter Hell Plastics GmbH, Bochum, Germany, under the trade name 7M Plexiglas ® granules.
EEAMA ist ein Terpolymer aus Ethylen-, Acrylester- und Maleinsäureanhydrid- Monomereinheiten. EEAMA weist einen Schmelzpunkt von etwa 102°C auf, in Abhängigkeit von der Molmasse. Bevorzugt weist es eine relative Dichte bei 20 °C (DIN 53217/ISO 281 1 ) von 1 ,0 g/cm3 oder weniger und 0,85 g/cm3 oder mehr auf. Geeignete EEAMA werden beispielsweise unter dem Handelsnamen Coathylene® TB3580 von der Firma Axalta Coating Systems LLC vertrieben. EEAMA is a terpolymer of ethylene, acrylic ester and maleic anhydride monomer units. EEAMA has a melting point of about 102 ° C, depending on the molecular weight. It preferably has a relative density at 20 ° C. (DIN 53217 / ISO 281 1) of 1.0 g / cm 3 or less and 0.85 g / cm 3 or more. Suitable EEAMA be marketed under the trade name Coathylene ® TB3580 by the company axalta Coating Systems LLC.
Bevorzugt umfasst das Verbundmaterial im Wesentlichen das Wasserstoffspeichermaterial sowie die Matrix. Der Gewichtsanteil der Matrix bezogen auf das Gesamtgewicht des Verbundmaterials beträgt bevorzugt 10 Gew.-% oder weniger, insbesondere 8 Gew.-% oder weniger, besonders bevorzugt 5 Gew.-% oder weniger und beträgt vorzugsweise wenigstens 1 Gew.-% und insbesondere wenigstens 2 Gew.-% bis 3 Gew.-%. Es ist wünschenswert, den Gewichtsanteil an der Matrix möglichst gering zu halten. Auch wenn die Matrix in der Lage ist, Wasserstoff zu speichern, so ist die Wasserstoffspeicherfähigkeit dennoch nicht so ausgeprägt wie die des Wasserstoffspeichermaterials selbst. Die Matrix ist jedoch notwendig, um einerseits eine gegebenenfalls auftretende Oxidation des Was- serstoffspeichermaterials gering zu halten oder vollständig zu vermeiden und einen Zusammenhalt zwischen den Partikeln des Materials zu gewährleisten. Preferably, the composite material essentially comprises the hydrogen storage material and the matrix. The weight fraction of the matrix based on the total weight of the composite material is preferably 10% by weight or less, in particular 8% by weight or less, more preferably 5% by weight or less, and is preferably at least 1% by weight and in particular at least 2 wt .-% to 3 wt .-%. It is desirable to keep the proportion by weight of the matrix as low as possible. Even though the matrix is capable of storing hydrogen, the hydrogen storage capacity is nevertheless not as pronounced as that of the hydrogen storage material itself. However, the matrix is necessary in order to minimize or completely avoid any possible oxidation of the hydrogen storage material and to ensure a cohesion between the particles of the material.
Es ist bevorzugt, dass die Matrix ein Polymer mit einer geringen Kristallinität aufweist. Durch die Kristallinität des Polymers können sich die Eigenschaften eines Materials er- heblich verändern. Die Eigenschaften eines teilkristallinen Werkstoffes werden sowohl von den kristallinen als auch von den amorphen Bereichen des Polymers bestimmt. Dadurch ist ein gewisser Zusammenhang mit Kompositmaterialien zu sehen, die ebenfalls aus mehreren Substanzen aufgebaut sind. Beispielsweise nimmt bei Zunahme der Dichte die Dehnungsfähigkeit der Matrix ab. It is preferable that the matrix has a polymer having a low crystallinity. Due to the crystallinity of the polymer, the properties of a material can change considerably. The properties of a semi-crystalline material are determined by both the crystalline and the amorphous regions of the polymer. This shows a certain correlation with composite materials, which are also made up of several substances. For example, as the density increases, the extensibility of the matrix decreases.
Die Matrix kann auch in Form von Prepregs vorliegen. Prepreg ist die englische Kurzform für preimpregnated fibres (amerikanisch: preimpregnated fibers), zu deutsch:„vorimprägnierte Fasern". Prepregs sind mit einem Polymer vorimprägnierte (englisch: preimpregnated) textile Halbzeuge, die zur Herstellung von Bauteilen unter Temperatur und Druck ausgehärtet werden. Geeignete Polymere sind solche mit einer hochviskosen, je- doch nicht polymerisierten duroplastischen Kunststoffmatrix. Die gemäß der vorliegenden Erfindung bevorzugten Polymere können auch in Form eines Prepregs vorliegen. The matrix can also be in the form of prepregs. Prepreg is the English short form for preimpregnated fibers (in English: "pre-impregnated fibers") Prepregs are pre-impregnated semi-finished products which are cured under temperature and pressure to produce components Polymers are those with a high-viscosity, each but not polymerized thermosetting plastic matrix. The preferred polymers according to the present invention may also be in the form of a prepreg.
Die im Prepreg enthaltenen Fasern können als reine unidirektionale Schicht, als Gewebe oder Gelege vorliegen. Die Prepregs können erfindungsgemäß auch zerkleinert werden und als Flakes oder Schnipsel zusammen mit dem hydrierbaren Material zu einem Verbundwerkstoff verarbeitet werden. The fibers contained in the prepreg can be in the form of a pure unidirectional layer, as a fabric or a scrim. The prepregs according to the invention can also be comminuted and processed as flakes or chips together with the hydrogenatable material to form a composite material.
Der Begriff Wasserstoffspeicher beschreibt einen Vorratsbehälter, in dem Wasserstoff gespeichert werden kann. Dabei können konventionelle Methoden zur Speicherung und Lagerung von Wasserstoff verwendet werden, beispielsweise Druckgasspeicherung, wie Speicherung in Druckbehältern durch Verdichten mit Kompressoren oder Flüssiggasspei- cherung, wie Speicherung in verflüssigter Form durch Kühlung und Verdichten. Weitere alternative Formen der Speicherung von Wasserstoff basieren auf Feststoffen oder Flüs- sigkeiten, beispielsweise Metallhydridspeicher, wie Speicherung als chemische Verbindung zwischen Wasserstoff und einem Metall beziehungsweise einer Legierung, oder Adsorptionsspeicherung, wie adsorptive Speicherung von Wasserstoff in hochporösen Materialien. Weiterhin sind für Lagerung und Transport von Wasserstoff auch Wasserstoffspeicher möglich, die den Wasserstoff temporär an organische Substanzen binden, wobei flüssige, drucklos speicherbare Verbindungen entstehen, so genannter "chemisch gebundener Wasserstoff". The term hydrogen storage describes a reservoir in which hydrogen can be stored. In this case, conventional methods for storing and storing hydrogen can be used, for example compressed gas storage, such as storage in pressure vessels by compression with compressors or liquefied natural gas storage, such as storage in liquefied form by cooling and compression. Other alternative forms of storage of hydrogen are based on solids or liquids, such as metal hydride storage, such as storage as a chemical bond between hydrogen and a metal or alloy, or adsorption storage, such as adsorbed storage of hydrogen in highly porous materials. Furthermore, hydrogen storage is also possible for storage and transport of hydrogen, which temporarily bind the hydrogen to organic substances, whereby liquid, pressure-less storable compounds arise, so-called "chemically bonded hydrogen".
Wasserstoffspeicher können beispielsweise Metalle oder Metalllegierungen aufweisen, welche mit Wasserstoff unter Ausbildung von Hydriden (Metallhydriden) reagieren. Dieser Vorgang der Wasserstoffspeicherung wird auch als Hydrierung bezeichnet und erfolgt unter Freisetzung von Wärme. Es handelt sich also um eine exotherme Reaktion. Der bei der Hydrierung gespeicherte Wasserstoff kann bei der Dehydrierung wieder abgegeben werden. Hier ist die Zufuhr von Wärme notwendig, da die Dehydrierung eine endotherme Reaktion ist. Ein entsprechender Wasserstoffspeicher kann also zwei Extremzustände aufweisen: 1 ) das Wasserstoffspeichermaterial ist vollständig mit Wasserstoff beladen. Das Material liegt vollständig in Form seines Hydrids vor; und 2) das Wasserstoffspeichermaterial Speicher keinen Wasserstoff, so dass das Material als Metall beziehungsweise Metalllegierung vorliegt. Die Granulen können verpresst werden und als Verbundmaterial, in einer Matrix oder in Schichten in dem Wasserstoffspeicher angeordnet sein. Der Begriff Verbundmaterial beschreibt hierbei, dass in dem Wasserstoffspeicher verschiedenartige Komponenten verwendet werden, um das hydrierbare Material anzuordnen. Das Verbundmaterial wird aus einzelnen Komponenten, wie die Matrix und den ein- zelnen Schichten ausgebildet. Für die Eigenschaften des Verbundmaterials sind stoffliche Eigenschaften und Geometrie der Komponenten von Bedeutung. Das Verbundmaterial ist kompaktiert. Hydrogen storage may include, for example, metals or metal alloys which react with hydrogen to form hydrides (metal hydrides). This process of hydrogen storage is also referred to as hydrogenation and takes place with the release of heat. It is therefore an exothermic reaction. The hydrogen stored in the hydrogenation can be released again during the dehydrogenation. Here, the supply of heat is necessary because the dehydration is an endothermic reaction. A corresponding hydrogen storage can thus have two extreme states: 1) the hydrogen storage material is completely loaded with hydrogen. The material is completely in the form of its hydride; and 2) the hydrogen storage material storage is not hydrogen, so that the material is present as metal or metal alloy. The granules may be compressed and arranged as a composite material, in a matrix or in layers in the hydrogen storage. The term composite material here describes that in the hydrogen storage various types of components are used to arrange the hydrogenatable material. The composite material is formed from individual components, such as the matrix and the individual layers. Material properties and geometry of the components are important for the properties of the composite material. The composite material is compacted.
Der Begriff Matrix beschreibt einen Verbundwerkstoff aus zwei oder mehr verbundenen Materialien. Hierbei nimmt bevorzugt ein Material ein anderes auf. Die Matrix kann offenporig wie auch geschlossen porig sein. Bevorzugt ist die Matrix porös, insbesondere derart porös, dass ein Fluid hindurchströmen kann. Durch die Aufnahme des einen Materials durch das andere Material können beispielsweise Werkstoffeigenschaften sich ergänzen, die ansonsten jeweils nur die einzelne Komponente aufweist. Für die Eigenschaften der Verbundwerkstoffe sind stoffliche Eigenschaften und Geometrie der Komponenten von Bedeutung. Insbesondere spielen oft Größeneffekte eine Rolle. Die Verbindung erfolgt zum Beispiel durch Stoff- oder Formschluss oder eine Kombination von beidem. Auf diese Weise kann in der Matrix zum Beispiel eine feste Positionierung des hydrierbaren Materials ermöglicht werden. Weitere Komponenten der Matrix können beispielsweise Materia- lien für die Wärmeleitung und/oder die Gasdurchführung sein. The term matrix describes a composite of two or more bonded materials. In this case, one material preferably takes on another. The matrix can be porous as well as closed. Preferably, the matrix is porous, in particular so porous that a fluid can flow through. By the inclusion of one material by the other material, for example, material properties can complement each other, which otherwise only has the single component. Material properties and geometry of the components are important for the properties of the composites. In particular, size effects often play a role. The connection takes place, for example, by material or positive connection or a combination of both. In this way, for example, a fixed positioning of the hydrogenatable material can be made possible in the matrix. Other components of the matrix may be, for example, materials for heat conduction and / or gas feedthrough.
Der Begriff Schichten beschreibt, dass vorzugsweise ein Material, aber auch zwei oder mehr Materialien in einer Lage angeordnet sind und diese sich als Lage von einer direkten Umgebung abgrenzen lässt. So können beispielsweise unterschiedliche Materialien nacheinander lose übereinander aufgeschüttet werden, so dass benachbarte Schichten sich unmittelbar berühren. In einer bevorzugten Ausgestaltung kann die hydrierbare Schicht unmittelbar benachbart zu einer wärmeleitfähigen Schicht angeordnet sein, so dass die entstehende Wärme bei der Wasserstoffaufnahme und/oder Wasserstoffabgabe von dem hydrierbaren Material direkt an die benachbarte Schicht abgegeben werden kann. The term layers describes that preferably one material, but also two or more materials are arranged in one layer and this can be delimited as a layer from a direct environment. For example, different materials can be poured one after another loosely one over the other so that adjacent layers are in direct contact. In a preferred embodiment, the hydrogenatable layer may be disposed immediately adjacent to a thermally conductive layer, so that the resulting heat in the hydrogen uptake and / or hydrogen release from the hydrogenatable material can be delivered directly to the adjacent layer.
Unter der Schwerpunktmäßigkeit zumindest eine der folgenden Funktionen primäre Wasserstoffspeicherung, primäre Wärmeleitung und/ oder primäre Gasdurchführung ist zu verstehen, dass die jeweilige Schicht zumindest diese als eine Hauptaufgabe in dem zweiten Bereich des Verbundmaterials wahrnimmt. So ist es möglich, dass ein eine Schicht primär zur Wasserstoffspeicherung genutzt wird, gleichzeitig aber auch in der Lage ist, zumindest eine gewisse Wärmeleitfähigkeit zur Verfügung zu stellen. Dabei ist es aber vorgesehen, dass zumindest eine andere Schicht vorhanden ist, die primär eine Wärmeleitung übernimmt, das bedeutet, über die die größte Wärmemenge aus dem ver- pressten Materialverbund abgeleitet wird. Hierbei kann wiederum die primär gasdurchfüh- rende Schicht genutzt werden, durch die zum Beispiel der Wasserstoff in den Materialverbund hineingeleitet aber auch zum Beispiel heraus geleitet wird. Hierbei kann über das durchströmende Fluid aber auch Wärme mitgenommen werden. At least one of the following functions of primary hydrogen storage, primary heat conduction and / or primary gas feedthrough is to be understood as meaning that the respective layer perceives at least one of these as a main task in the second region of the composite material. So it is possible that a layer is used primarily for hydrogen storage, but at the same time in the Able to provide at least some thermal conductivity. However, it is provided that at least one other layer is present, which primarily assumes a heat conduction, that is, over which the largest amount of heat is derived from the compressed material composite. In this case, in turn, the primary gas-carrying layer can be used, through which, for example, the hydrogen is introduced into the composite of materials but is also conducted out, for example. In this case, however, heat can also be taken along via the fluid flowing through.
Das hydrierbare Material kann den Wasserstoff aufnehmen und bei Bedarf wieder abge- ben. In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das Material partikuläre Materialien in einer beliebigen 3-dimensionalen Ausgestaltung, wie Partikel, Granulate, Fasern, vorzugsweise geschnittene Fasern, Flakes und/oder sonstige Geometrien. Insbesondere kann das Material auch plattenformig oder pulverartig ausgebildet sein. Dabei ist es nicht notwendig, dass das Material eine gleichmäßige Ausgestaltung aufweist. Vielmehr kann die Ausgestaltung regelmäßig oder unregelmäßig sein. Partikel im Sinne der vorliegenden Erfindung sind beispielsweise annähernd sphärische Partikel ebenso wie Partikel mit einer unregelmäßigen und/oder eckigen äußeren Gestalt. Die Oberfläche kann glatt sein, es ist jedoch auch möglich, dass die Oberfläche des Materials rau ist und/oder Unebenheiten und/oder Vertiefungen und/oder Erhebungen aufweist. Erfindungsgemäß kann ein Was- serstoffspeicher das Material in nur einer spezifischen 3-dimensionalen Ausgestaltung aufweisen, so dass alle Partikel des Materials die gleiche räumliche Ausdehnung aufweisen. Es ist jedoch auch möglich, dass ein Wasserstoffspeicher das Material in unterschiedlichen Ausgestaltungen/Geometrien umfasst. Durch eine Vielzahl an unterschiedlichen Geometrien oder Ausgestaltungen des Materials kann das Material in einer Vielzahl an unterschiedlichen Wasserstoffspeichern verwendet werden. The hydrogenatable material can take up the hydrogen and release it again if necessary. In a preferred embodiment, the material comprises particulate materials in any 3-dimensional configuration, such as particles, granules, fibers, preferably cut fibers, flakes and / or other geometries. In particular, the material may also be formed plate-shaped or powdery. It is not necessary that the material has a uniform configuration. Rather, the design may be regular or irregular. Particles in the sense of the present invention are, for example, approximately spherical particles as well as particles with an irregular and / or angular outer shape. The surface may be smooth, but it is also possible that the surface of the material is rough and / or has bumps and / or depressions and / or elevations. According to the invention, a hydrogen storage device may have the material in only one specific 3-dimensional configuration, so that all particles of the material have the same spatial extent. However, it is also possible that a hydrogen storage comprises the material in different configurations / geometries. By a variety of different geometries or configurations of the material, the material can be used in a variety of different hydrogen storage.
Vorzugsweise weist das Material Hohlkörper auf, zum Beispiel Partikel mit ein oder mehreren Aushöhlungen und oder mit einer Hohlform, beispielsweise eine Hohlfaser oder einen Extrusionskörper mit Hohlkanal. Der Begriff Hohlfaser beschreibt eine zylinderförmige Faser, die im Querschnitt einen oder mehrere durchgängige Hohlräume aufweist. Durch die Verwendung einer Hohlfaser, können mehrere Hohlfasern zu einer Hohlfasermembran zusammengefasst werden, wodurch eine Aufnahme und/oder Abgabe des Wasserstoffs aus dem Material auf Grund der hohen Porosität erleichtert werden kann. Bevorzugt weist das hydrierbare Material eine bimodale Größenverteilung auf. Hierdurch kann eine höhere Schüttdichte und damit eine höhere Dichte des hydrierbaren Materials im Wasserstoffspeicher ermöglicht werden, wodurch die Wasserstoffspeicherkapazität, also die Menge an Wasserstoff, die im Speicher gespeichert werden kann, erhöht wird. Preferably, the material comprises hollow bodies, for example particles with one or more cavities and / or with a hollow mold, for example a hollow fiber or an extrusion body with a hollow channel. The term hollow fiber describes a cylindrical fiber which has one or more continuous cavities in cross-section. By using a hollow fiber, several hollow fibers can be combined to form a hollow fiber membrane, whereby absorption and / or release of the hydrogen from the material can be facilitated due to the high porosity. The hydrogenatable material preferably has a bimodal size distribution. This allows a higher bulk density and thus a higher density of the hydrogenatable material be made possible in the hydrogen storage, whereby the hydrogen storage capacity, that is, the amount of hydrogen that can be stored in the memory is increased.
Das hydrierbare Material kann erfindungsgemäß wenigstens ein hydrierbares Metall und/oder wenigstens eine hydrierbare Metalllegierung umfassen, vorzugsweise daraus bestehen. According to the invention, the hydrogenatable material may comprise at least one hydrogenatable metal and / or at least one hydrogenatable metal alloy, preferably consisting thereof.
Als hydrierbare Materialien können auch zum Einsatz kommen: As hydrogenatable materials can also be used:
Erdalkalimetall- und Alkalimetallalanate, Alkaline earth metal and alkali metal alanates,
- Erdalkalimetall- und Alkalimetallborhydride, - alkaline earth metal and alkali metal borohydrides,
Metal-Organic-Frameworks (MOF's) / Metall-organische Gerüste, und/oder Clathrate, Metal-Organic-Frameworks (MOF's) / Metal-Organic Frameworks, and / or Clathrates,
sowie natürlich jeweilige Kombinationen aus den jeweiligen Materialien. Das Material kann erfindungsgemäß auch nichthydrierbare Metalle oder Metalllegierungen umfassen. as well as of course respective combinations of the respective materials. The material according to the invention may also comprise non-hydrogenatable metals or metal alloys.
Das hydrierbare Material kann erfindungsgemäß ein Niedertemperaturhydrid und/oder ein Hochtemperaturhydrid umfassen. Der Begriff Hydrid bezeichnet dabei das hydrierbare Material, unabhängig davon, ob es in der hydrierten Form oder der nicht-hydrierten Form vorliegt. Niedertemperaturhydride speichern Wasserstoff vorzugsweise in einem Temperaturbereich zwischen -55°C bis 180°C, insbesondere zwischen -20 °C und 150 °C, besonders zwischen 0 °C und 140 °C. Hochtemperaturhydride speichern Wasserstoff vorzugsweise in einen Temperaturbereich ab 280°C und mehr, insbesondere ab 300 °C und mehr. Bei den genannten Temperaturen können die Hydride nicht nur Wasserstoff speichern sondern auch abgegeben, sind also in diesen Temperaturbereichen funktionsfähig. Erfindungsgemäß kann die Granule sowohl Niedertemperaturhydride als auch Hochtemperaturhydride umfassen. Vorzugsweise weist eine Granule entweder nur ein oder mehrere Hochtemperaturhydride oder ein oder mehrere Niedertemperaturhydride auf. The hydrogenatable material according to the invention may comprise a low-temperature hydride and / or a high-temperature hydride. The term hydride refers to the hydrogenatable material, regardless of whether it is present in the hydrogenated form or the non-hydrogenated form. Low-temperature hydrides preferably store hydrogen in a temperature range between -55 ° C to 180 ° C, in particular between -20 ° C and 150 ° C, especially between 0 ° C and 140 ° C. High-temperature hydrides preferably store hydrogen in a temperature range from 280 ° C and more, in particular from 300 ° C and more. At the temperatures mentioned, the hydrides can not only store hydrogen but also give off, so they are functional in these temperature ranges. According to the invention, the granule can comprise both low-temperature hydrides and high-temperature hydrides. Preferably, a granule has either only one or more high temperature hydrides or one or more low temperature hydrides.
Werden in diesem Zusammenhang 'Hydride' beschrieben, so ist hierunter das hydrierbare Material in seiner hydrierten Form als auch in seiner nicht-hydrierten Form zu verstehen. Erfindungsgemäß können bei der Herstellung von Wasserstoffspeichern hydrierbare Materialien in ihrer hydrierten oder nicht-hydrierten Form eingesetzt werden. Die Wasserstoffspeicherung (Hydrierung) kann bei Raumtemperatur erfolgen. Die Hydrierung ist eine exotherme Reaktion. Die entstehende Reaktionswärme kann abgeführt werden. Im Gegensatz hierzu muss für die Dehydrierung Energie in Form von Wärme dem Hydrid zugeführt werden. Die Dehydrierung ist eine endotherme Reaktion.. If "hydrides" are described in this context, this is to be understood as meaning the hydrogenatable material in its hydrogenated form as well as in its non-hydrogenated form. Hydrogenatable materials in their hydrogenated or nonhydrogenated form can be used according to the invention in the production of hydrogen storages. The hydrogen storage (hydrogenation) can take place at room temperature. The hydrogenation is an exothermic reaction. The resulting heat of reaction can be dissipated. In contrast, energy must be supplied to the hydride in the form of heat for dehydration. Dehydration is an endothermic reaction ..
Bevorzugt umfasst das hydrierbare Material ein Metall, ausgewählt aus Magnesium, Titan, Eisen, Nickel, Mangan, Nickel, Lanthan, Zirkonium, Vanadium, Chrom, oder eine Mischung aus zwei oder mehreren aus diesem Metallen. Das hydrierbare Material kann auch eine Metalllegierung aufweisen, die wenigstens eines der genannten Metalle um- fasst. Preferably, the hydrogenatable material comprises a metal selected from magnesium, titanium, iron, nickel, manganese, nickel, lanthanum, zirconium, vanadium, chromium, or a mixture of two or more of these metals. The hydrogenatable material may also comprise a metal alloy comprising at least one of said metals.
Besonders bevorzugt umfasst das hydrierbare Material (Wasserstoffspeichermaterial) wenigstens eine Metalllegierung, die bei einer Temperaturen von 150 °C oder weniger, insbesondere in einem Temperaturbereich von - 20°C bis 140°C, insbesondere von 0°C bis 100 °C in der Lage ist, Wasserstoff zu speichern und wieder abzugeben. Die wenigstens eine Metalllegierung ist dabei vorzugsweise ausgewählt aus einer Legierung des AB5-Typs, des AB-Typs und/oder des AB2-Typs. Dabei bezeichnen A und B jeweils voneinander verschiedene Metalle, wobei A und/oder B insbesondere ausgewählt sind aus der Gruppe, welche Magnesium, Titan, Eisen, Nickel, Mangan, Nickel, Lanthan, Zirkoni- um, Vanadium und Chrom aufweist.. Die Indizes stellen das stöchiometrische Verhältnis der Metalle in der jeweiligen Legierung dar. Dabei können die Legierungen erfindungsgemäß mit Fremdatomen dotiert sein. Der Dotierungsgrad kann erfindungsgemäß bis zu Atom%, insbesondere bis zu 40 Atom-% oder bis zu 35 Atom-%, vorzugsweise bis zu 30 Atom-% oder bis zu 25 Atom-%, besonders bis zu 20 Atom-% oder bis zu 15 Atom-%, bevorzugt bis zu 10 Atom-%oder bis zu 5 Atom-% von A und/oder B betragen. Die Dotierung kann beispielsweise mit Magnesium, Titan, Eisen, Nickel, Mangan, Nickel, Lanthan oder andere Lanthanide, Zirkonium, Vanadium und/oder Chrom erfolgen. Dabei kann die Dotierung mit einem oder mehreren unterschiedlichen Fremdatome erfolgen. Legierungen des AB5-Typs sind leicht aktivierbar, das heißt die Bedingungen, welche zur Aktivierung notwendig sind, ähneln denen im Betrieb des Wasserstoffspeichers. Sie weisen zudem eine höhere Duktilität auf als Legierungen des AB- oder AB2-Typs. Legierungen des AB2 beziehungsweise des AB-Typs weisen hingegen eine höhere mechanische Stabilität und Härte gegenüber Legierungen des AB5-Typs auf. Beispielhaft können hier FeTi als Legierung des AB-Typs, TiMn2 als Legierung des AB2-Typs und LaNi5 als Legierung des AB5- Typs genannt werden. Besonders bevorzugt umfasst das hydrierbare Material (Wasserstoffspeichermaterial) eine Mischung aus wenigstens zwei hydrierbaren Legierungen, wobei wenigstens eine Legierung des AB5-Typs und die zweite Legierung eine Legierung des AB-Typs und/oder des AB2-Typs ist. Der Anteil der Legierung des AB5-Typs beträgt insbesondere 1 Gew.-% bis 50 Gew.-%, insbesondere 2 Gew.-% bis 40 Gew.-%, besonders bevorzugt 5 Gew.-% bis 30 Gew.-% und besonders 5 Gew.-% bis 20 Gew.-% bezogen auf das Gesamtgewicht des hydrierbaren Materials. Particularly preferably, the hydrogenatable material (hydrogen storage material) comprises at least one metal alloy capable of at a temperature of 150 ° C or less, in particular in a temperature range of - 20 ° C to 140 ° C, in particular from 0 ° C to 100 ° C. is to store and release hydrogen. The at least one metal alloy is preferably selected from an alloy of the AB 5 type, the AB type and / or the AB 2 type. In this case, A and B denote each other different metals, wherein A and / or B are especially selected from the group comprising magnesium, titanium, iron, nickel, manganese, nickel, lanthanum, zirconium, vanadium and chromium .. The indices represent the stoichiometric ratio of the metals in the respective alloy. The alloys according to the invention may be doped with foreign atoms. The degree of doping can according to the invention up to atom%, in particular up to 40 atomic% or up to 35 atomic%, preferably up to 30 atomic% or up to 25 atomic%, especially up to 20 atomic% or up to 15 At%, preferably up to 10 at% or up to 5 at% of A and / or B. The doping can be carried out, for example, with magnesium, titanium, iron, nickel, manganese, nickel, lanthanum or other lanthanides, zirconium, vanadium and / or chromium. The doping can take place with one or more different foreign atoms. Alloys of the AB 5 type are easily activated, that is, the conditions that are necessary for activation, similar to those in the operation of the hydrogen storage. They also have a higher ductility than alloys of the AB or AB 2 type. By contrast, alloys of the AB 2 or the AB type have a higher mechanical stability and hardness compared to alloys of the AB 5 type. By way of example, mention may be made here of FeTi as the AB-type alloy, TiMn 2 as the AB 2 -type alloy, and LaNi 5 as the AB 5 -type alloy. Particularly preferably, the hydrogenatable material (hydrogen storage material) comprises a mixture of at least two hydrogenatable alloys, wherein at least one AB 5 -type alloy and the second alloy is an AB-type and / or AB 2 -type alloy. The proportion of the alloy of the AB 5 type is in particular 1 wt .-% to 50 wt .-%, in particular 2 wt .-% to 40 wt .-%, particularly preferably 5 wt .-% to 30 wt .-% and in particular 5% by weight to 20% by weight, based on the total weight of the hydrogenatable material.
Das hydrierbare Material (Wasserstoffspeichermaterial) liegt vorzugsweise in partikulärer Form (Partikel, Teilchen) vor. The hydrogenatable material (hydrogen storage material) is preferably present in particulate form (particles, particles).
Die Teilchen weisen insbesondere eine Teilchengröße x50 von 20 μηη bis 700 μηη, bevorzugt von 25μηι bis 500 μηη, besonders von 30μηι bis 400 μηη, insbesondere von 50 μηη bis 300 μηη auf. Dabei bedeutet x50, dass 50% der Teilchen eine mittlere Partikelgröße aufweisen, die gleich oder kleiner dem genannten Wert ist. Die Teilchengröße wurde mittels Laserbeugung bestimmt, kann aber beispielsweise auch durch Siebanalyse erfolgen. Die mittlere Partikelgröße ist vorliegend die Gewichtsbasierte Partikelgröße, wobei die Volumenbasierte Partikelgröße vorliegend gleich ist. Angegeben ist hier die Teilchengröße des hydrierbaren Materials bevor es zum ersten Mal einer Hydrierung unterworfen wird. Während der Wasserstoffspeicherung treten Spannungen im Material auf, was dazu führen kann, dass während mehrere Zyklen eine Verringerung der x50 Teilchengröße erfolgt. The particles have, in particular, a particle size x 50 of from 20 μm to 700 μm, preferably from 25 μm to 500 μm, especially from 30 μm to 400 μm, in particular from 50 μm to 300 μm. Here, x 50 means that 50% of the particles have an average particle size that is equal to or less than the stated value. The particle size was determined by laser diffraction, but can also be done for example by sieve analysis. The mean particle size here is the weight-based particle size, wherein the volume-based particle size is the same here. Indicated here is the particle size of the hydrogenatable material before it is subjected to hydrogenation for the first time. During hydrogen storage, stresses in the material occur, which can result in a reduction in the x 50 particle size over several cycles.
Überraschenderweise hat sich gezeigt, dass Materialien dieser Größe besonders gute Eigenschaften bei der Wasserstoffspeicherung zeigen. Bei der Speicherung und Abgabe von Wasserstoff kommt es zu einer Dehnung (bei der Hydrierung) beziehungsweise Schrumpfung (bei der Dehydrierung) des Materials. Diese Volumenänderung kann bis zu 30% betragen. Hierdurch treten mechanische Belastungen an den Teilchen des hydrierbaren Materials, also am Wasserstoffspeichermaterial, auf. Bei mehrmaligen Be- und Ent- laden (Hydrieren und Dehydrieren) mit Wasserstoff hat sich gezeigt, dass die Teilchen zerbrechen. Weist das hydrierbare Material nun insbesondere eine Teilchengröße von weniger als 25μη"ΐ, besonders von weniger als 30 μηη und insbesondere von weniger als 50 μηη auf, so entsteht während der Verwendung ein feines Pulver, welches nicht mehr effektiv Wasserstoff speichern kann. Zudem kann sich die Verteilung des Materials im Wasserstoffspeicher selbst ändern. Schüttungen, welche Teilchen des Materials mit sehr kleinen Durchmessern von wenigen Nanometern aufweisen, können sich am tiefsten Punkt des Wasserstoffspeichers sammeln. Bei einer Beladung mit Wasserstoff (Hydrierung) treten an dieser Stelle auf Grund der Ausdehnung des Wasserstoffspeichermaterials hohe Mechanische Belastungen an den Wänden des Wasserstoffspeichers auf. Durch die Wahl geeigneter Teilchengrößen für das Material kann dies wenigstens teilweise ver- mieden werden. Auf der anderen Seite ergeben sich durch eine kleinere Partikelgröße eine größere Anzahl an Berührungspunkten, an denen die Partikel mit der Matrix wechselwirken und in ihr haften, so dass sich hieraus eine verbesserte Stabilität ergibt, welche bei Partikeln mit einer Größe von mehr als 700 μηη, insbesondere von mehr als 500 μηη nicht erreicht werden kann. Surprisingly, it has been found that materials of this size show particularly good properties in hydrogen storage. Storage and release of hydrogen results in expansion (during hydrogenation) or shrinkage (during dehydration) of the material. This volume change can be up to 30%. As a result, mechanical stresses occur on the particles of the hydrogenatable material, ie on the hydrogen storage material. Repeated loading and unloading (hydrogenation and dehydrogenation) with hydrogen has been shown to break the particles. If the hydrogenatable material now has in particular a particle size of less than 25 μm, in particular of less than 30 μm and in particular of less than 50 μm, a fine powder is formed during use which can no longer effectively store hydrogen change the distribution of the material in the hydrogen storage itself, and the bulk material that has particles of very small diameters of a few nanometers can penetrate deepest Collect point of hydrogen storage. At a loading with hydrogen (hydrogenation) occur at this point due to the expansion of the hydrogen storage material high mechanical loads on the walls of the hydrogen storage on. By choosing suitable particle sizes for the material, this can be at least partially avoided. On the other hand, a smaller particle size results in a larger number of points of contact at which the particles interact with the matrix and adhere to it, resulting in an improved stability, which is the case for particles with a size of more than 700 μηη, in particular of more than 500 μηη can not be achieved.
Die Begriffe„Material",„hydrierbares Material" und„Wasserstoffspeichermaterial" werden in der vorliegenden Anmeldung, soweit nicht anders definiert, synonym verwendet. The terms "material", "hydrogenatable material" and "hydrogen storage material" are used synonymously in the present application, unless otherwise defined.
Bezüglich Hydride und deren Eigenschaften wird auf die Tabellen 1 bis 4 in B.Sakietuna et.al., International Journal of Energy, 32 (2007), S.1 121 -1 140 im Rahmen der Offenbarung verwiesen. With respect to hydrides and their properties, reference is made to Tables 1 to 4 in B. Sakietuna et al., International Journal of Energy, 32 (2007), p.1121-1,140, within the scope of the disclosure.
Die Partikel der Granulen können mit Hilfe eines Fließhilfsmittels vermischt werden, bevor diese miteinander verbunden werden. Weiterhin können die Partikel und die Granulen miteinander verpresst werden. Das Verpressen kann dabei mit Hilfe eines Ober- und eines Unterstempels durch Druck erfolgen. Weiterhin kann das Verpressen über ein isostatisches Pressen erfolgen. Die isostatische Pressmethode beruht auf dem physikalischen Gesetz, dass sich der Druck in Flüssigkeiten und Gasen allseitig gleichmäßig fortpflanzt und auf den beaufschlagten Flächen Kräfte erzeugt, die zu diesen Flächen direkt proportional sind. Die ersten und zweiten Bereiche können beispielsweise in einer Gummiform in den Druckbehälter einer Pressanlage gebracht werden. Der Druck, der über die Flüssigkeit im Druckbehälter allseitig auf die Gummiform wirkt, komprimiert die eingeschlossenen ersten Bereiche und zweiten Bereiche gleichmäßig. Durch das Herstellen eines Presslings kann eine bessere Packungsdichte erhalten werden, so dass eine größere Anzahl an Granulen in dem Wasserstoffspeicher angeordnet werden kann. Weiterhin können die Granulen nach dem Verpressen beispielsweise extru- diert oder geschlickert werden. Je nach wirkenden Kräften können nach dem Pressen beziehungsweise dem Extrudieren keine Granulen mehr vorliegen, da diese sich aufge- löst haben. So können die Partikel der Granule voneinander abgeschert oder sonst wie getrennt sein. So kann zum Beispiel eine vollständige Trennung der Partikel oder zumin- dest eine überwiegende Trennung der Granulen in ihre Partikel vorliegen. Bevorzugt wird ein mögliches hohes Aufkommen an getrennten Partikeln, vorzugsweise zu mehr als 75%, insbesondere zu mehr als 90%. Wird hingegen zum Beispiel nur sanft gepresst, kann die Granule erhalten bleiben. The particles of the granules can be mixed by means of a flow aid before they are joined together. Furthermore, the particles and the granules can be pressed together. The pressing can be done by means of an upper and a lower punch by pressure. Furthermore, the pressing can be done via an isostatic pressing. The isostatic pressing method is based on the physical law that the pressure in liquids and gases propagates uniformly on all sides and generates forces on the applied surfaces that are directly proportional to these surfaces. The first and second regions can be brought, for example, in a rubber mold into the pressure vessel of a press plant. The pressure, which acts on the rubber mold on all sides via the fluid in the pressure vessel, compresses the enclosed first regions and second regions uniformly. By producing a compact, a better packing density can be obtained, so that a larger number of granules can be arranged in the hydrogen storage. Furthermore, the granules can be extruded or slaked after pressing, for example. Depending on the forces acting, granules can no longer be present after pressing or extrusion since they have dissolved. Thus, the granule particles can be sheared off or otherwise separated. For example, complete separation of the particles or at least at least a predominant separation of the granules are present in their particles. Preference is given to a possible high amount of separated particles, preferably more than 75%, in particular more than 90%. If, for example, only gently pressed, the granule can be preserved.
Der Begriff extrudiert beschreibt hierbei, dass die Granulen einem Extrusionsverfahren zugeführt werden. Bei der Extrusion, vorzugsweise einem Strangpressen, werden vorzugsweise feste bis dickflüssige, insbesondere härtbare Massen unter Druck kontinuierlich aus einer formgebenden Öffnung herausgepresst. Dabei entstehen Körper mit dem Querschnitt der Öffnung in theoretisch beliebiger Länge. Gemäß einer Ausgestaltung kann das zu extrudierende Material aufgeheizt werden, beispielweise um es besser verarbeiten zu können. Eine andere Ausgestaltung sieht hingegen vor, dass eine Beheizung des Extruders notwendig ist und das zu extrudierende Material zum Beispiel im Wesentlichen bei Raumtemperatur, das bedeutet ohne Wärmezufuhr von Außen extrudiert werden kann. The term extruded here describes that the granules are fed to an extrusion process. In the extrusion, preferably an extrusion, preferably solid to viscous, in particular curable compositions are pressed out under pressure continuously from a shaping opening. This creates bodies with the cross section of the opening in theoretically any length. According to one embodiment, the material to be extruded can be heated, for example in order to process it better. Another embodiment provides, however, that a heating of the extruder is necessary and the material to be extruded, for example, substantially at room temperature, which means without external heat supply can be extruded.
Der Bergriff geschlickert beschreibt hierbei, dass die Granulen einem Schlickerguss zugeführt werden. Der Schlickerguss kann zum Beispiel für ein Form-Gussverfahren, auch für ein Gipsform-Gussverfahren, zum Gießen von Grünkörpern, Rohlingen, Grünlingen oder anderen Gusskörpern genutzt werden. Diese Formen können zum Beispiel zum Brand geeignet sein, um eine Trocknung auszuführen. Eine Trocknung kann aber auch durch ein Herauspressen der Flüssigkeit oder andere Mittel erfolgen. Der Schlickerguss kann aber auch in andere Formen gegossen werden, zum Beispiel Formen zur Herstellung von Filter. Auch kann der Schlickerguss in eine Form gefüllt werden, die die Komponentenge- ometrie für den Wasserstoffspeicher vorgibt. The Bergriff described here describes that the granules are fed to a slip casting. The slip casting can be used, for example, for a mold casting process, also for a plaster mold casting process, for casting green bodies, blanks, green bodies or other castings. For example, these forms may be suitable for firing to perform drying. Drying can also be done by squeezing out the liquid or other means. The slip casting can also be cast in other forms, for example forms for the production of filters. The slip casting can also be filled into a mold which specifies the component geometry for the hydrogen storage.
Die Presslinge können auch einem Sinterverfahren zugeführt werden. The compacts can also be fed to a sintering process.
Es ist bevorzugt, dass die Granulen mit einem zusätzlich wärmeleitenden Material ge- mischt in dem Wasserstoffspeicher angeordnet sind. Auf diese Weise kann sichergestellt werden, dass die Granulen die entstehende Wärme bei der Hydrierung und/oder Dehydrierung schneller ableiten können. Auch kann vorgesehen sein, dass eine Granule zumindest einen wärmeleitenden Partikel (wärmeleitendes partikuläres Material) und einen hydrierbaren Partikel aufweist. Vorzugsweise können auch zwei oder mehr wärmeleitende Partikel an einem hydrierbaren Partikel angebunden und zusammen eine Granule bilden. Vorzugsweise ist ein wärmeleitendes Partikel ein Graphitpartikel. Ein wärmeleitendes partikuläres Material kann erfindungsgemäß wenigstens ein wärmeleitendes Metall und/oder Graphit umfassen. Das wärmeleitende Material soll dabei eine gute Wärmeleitfähigkeit einerseits, andererseits aber auch ein möglichst geringes Gewicht aufweisen, um das Gesamtgewicht des Wasserstoffspeichers möglichst gering zu halten. Das Metall weist bevorzugt eine Wärmeleitfähigkeit λ von 100 W/(m-K) oder mehr, insbesondere von 120 W/(m-K) oder mehr, bevorzugt von 180 W/(m-K) oder mehr, besonders von 200 oder mehr auf. Das wärmeleitende Metall kann erfindungsgemäß auch eine Metalllegierung oder eine Mischung unterschiedlicher Metalle sein. Bevorzugt ist das wärme- leitende Metall ausgewählt aus Silber, Kupfer, Gold, Aluminium sowie Mischungen aus diesen Metallen oder Legierungen, die diese Metalle umfassen. Besonders bevorzugt ist Silber, da dies eine sehr hohe Wärmeleitfähigkeit von über 400 W/(m-K) aufweist. Bevorzugt ist ebenfalls Aluminium, da dieses neben der hohen Wärmeleitfähigkeit von 236 W/(m-K) eine geringe Dichte und damit ein geringes Gewicht aufweist. It is preferred that the granules are mixed with an additional heat-conducting material in the hydrogen storage are arranged. In this way it can be ensured that the granules can dissipate the resulting heat during the hydrogenation and / or dehydrogenation faster. It can also be provided that a granule has at least one heat-conducting particle (heat-conducting particulate material) and one hydrogenatable particle. Preferably, two or more thermally conductive particles can also be attached to a hydrogenatable particle and together form a granule. Preferably, a thermally conductive particle is a graphite particle. A thermally conductive particulate material according to the invention may comprise at least one thermally conductive metal and / or graphite. The thermally conductive material should have a good thermal conductivity on the one hand, on the other hand, but also the lowest possible weight in order to keep the total weight of the hydrogen storage as low as possible. The metal preferably has a thermal conductivity λ of 100 W / (mK) or more, in particular of 120 W / (mK) or more, preferably of 180 W / (mK) or more, especially of 200 or more. The heat-conducting metal according to the invention may also be a metal alloy or a mixture of different metals. Preferably, the thermally conductive metal is selected from silver, copper, gold, aluminum and mixtures of these metals or alloys comprising these metals. Particularly preferred is silver, as this has a very high thermal conductivity of over 400 W / (mK). Aluminum is also preferred since, in addition to the high heat conductivity of 236 W / (mK), it has a low density and thus a low weight.
Graphit umfasst erfindungsgemäß sowohl expandierten als auch nicht-expandierten Graphit. Bevorzugt wird expandierter Graphit eingesetzt. Alternativ können auch Kohlenstoff- nanoröhrchen (einwandig, doppelwandig oder mehrwandig) eingesetzt werden, da diese ebenfalls eine sehr hohe Wärmeleitfähigkeit aufweisen. Auf Grund der hohen Kosten der Nanoröhrchen ist es bevorzugt expandierten Graphit oder Mischungen aus expandiertem Graphit und nicht expandiertem Graphit einzusetzen. Liegen Mischungen vor, wird gewichtsbezogen mehr nichtexpandierter Graphit als expandierter Graphit eingesetzt. Graphite according to the invention comprises both expanded and unexpanded graphite. Preferably, expanded graphite is used. Alternatively, carbon nanotubes (single-walled, double-walled or multi-walled) can also be used, since these also have a very high thermal conductivity. Due to the high cost of the nanotubes, it is preferable to use expanded graphite or blends of expanded graphite and unexpanded graphite. If mixtures are present, more unexpanded graphite is used by weight than expanded graphite.
Naturgraphit in gemahlener Form (nicht-expandierter Graphit) haftet schlecht im Ver- bundmaterial und lässt sich nur schwer zu einem dauerhaften, stabilen Verbund verarbeiten. Daher werden bei der Metallhydrid-basierten Wasserstoffspeicherung bevorzugt solche Graphitqualitäten genutzt, die auf expandiertem Graphit basieren. Dieser wird insbesondere aus Naturgraphit hergestellt und hat eine deutliche geringere Dichte als nichtexpandierter Graphit, haftet aber gut im Verbund, so dass ein stabiler Verbundwerkstoff erhalten werden kann. Würde man jedoch ausschließlich expandierten Graphit einsetzen, würde das Volumen des Wasserstoffspeichers zu groß, um diesen wirtschaftlich betreiben zu können. Daher werden vorzugsweise Mischungen aus expandiertem und nicht- expandiertem Graphit eingesetzt. Wird der Wasserstoffspeicher mittels Pressen kompaktiert, so entsteht durch expandierten Graphit eine orientierte Schicht, welche besonders gut Wärme leiten kann. Die Gra- phitschichten (hexagonale Ebenen) in expandiertem Graphit werden durch den Druck beim Verpressen gegeneinander verschoben, so dass sich Lamellen oder Schichten ausbilden. Diese hexagonalen Ebenen des Graphits liegen dann quer (annähernd senkrecht zur Druckrichtung während eines axialen Pressvorgangs), so dass der Wasserstoff an- schließend leicht in das Verbundmaterial eingebracht werden kann und die Wärme gut heraus- oder hereingeleitet werden kann. Hierdurch kann nicht nur eine Wärmeleitung sondern auch eine Gasdurchführung beziehungsweise eine Fluiddurchführung ermöglicht werden. Alternativ kann der expandierte Graphit beispielsweise mittels Kalenderwalzen zu Folien verarbeitet werden. Diese Folien werden anschließend wieder vermählen. Die so erhaltenen Flocken oder Flakes können dann als wärmeleitendes Material eingesetzt werden. Auf Grund des Walzens ergibt sich auch hier eine Vorzugsrichtung im Kohlenstoffgitter, wodurch eine besonders gute Wärme- und Fluidweiterleitung ermöglicht wird. Natural graphite in ground form (non-expanded graphite) does not adhere well to the composite material and is difficult to process into a durable, stable composite. Therefore, in metal hydride-based hydrogen storage, graphite grades based on expanded graphite are preferably used. This is produced in particular from natural graphite and has a significantly lower density than unexpanded graphite, but adheres well in the composite, so that a stable composite material can be obtained. If, however, only expanded graphite were used, the volume of the hydrogen storage medium would be too large to operate economically. Therefore, mixtures of expanded and unexpanded graphite are preferably used. If the hydrogen storage is compacted by means of pressing, expanded graphite results in an oriented layer which can conduct heat particularly well. The Gra- Phite layers (hexagonal planes) in expanded graphite are shifted by the pressure during pressing against each other, so that lamellae or layers form. These hexagonal planes of the graphite are then transverse (approximately perpendicular to the compression direction during an axial pressing operation), so that the hydrogen can then be easily introduced into the composite material and the heat can be well in or out. As a result, not only a heat conduction but also a gas passage or a fluid passage can be made possible. Alternatively, the expanded graphite can be processed, for example, by means of calendar rolls into films. These films will then be ground again. The flakes or flakes thus obtained can then be used as a heat-conducting material. Due to the rolling, a preferred direction in the carbon grid also results here, whereby a particularly good heat and fluid transfer is made possible.
Bevorzugt wird Graphit als wärmeleitendes Material eingesetzt, wenn ein Hochtemperaturhydrid als hydrierbares Material im Werkstoffverbund enthalten ist. Bei Niedertemperaturhydriden ist ein wärmeleitendes Metall, insbesondere Aluminium, bevorzugt. Preferably, graphite is used as the heat-conducting material when a high-temperature hydride is contained as a hydrogenatable material in the composite material. In the case of low-temperature hydrides, a heat-conducting metal, in particular aluminum, is preferred.
Den Granulen kann im Übrigen auch ein Schmiermittel zugegeben werden, zum Beispiel wenn es in eine Kavität eingebracht werden soll, um dann daraus einen Wasserstoffspeicher herzustellen. Beispielsweise kann ein Wachs als Schmiermittel genutzt werden. Vorzugsweise wird etwa 0,4 Gew-% bis etwa 2 Gew-%, insbesondere etwa 0, 4 Gew-% bis 0,8 Gew-% bezogen auf das Gesamtmaterial beigegeben. Die Anordnung im Wasserstoffspeicher ist wasserstoffdurchlässig und insbesondere porös. Auf diese Weise kann sichergestellt werden, dass die Anordnung der Granulen im Wasserstoffspeicher mit Hilfe des hydrierbaren Materials in der Lage sind Wasserstoff aufzunehmen und/oder abzugeben. Durch eine poröse und wasserstoffdurchlässige Anordnung kann sichergestellt werden, dass der Wasserstoff bis zu dem hydrierbaren Mate- rial der Granulen gelangen kann. Weiterhin kann in den Granulen durch die Aufnahme und/oder Abgabe des Wasserstoffs eine Volumendehnung erfolgen, beispielsweise erfolgt eine Expansion der Granulen bei einer Aufnahme des Wasserstoffs, so dass die Volumendehnung positiv ist, und eine Kontraktion der Granulen kann bei der Abgabe von Wasserstoff erfolgen, so dass die Volumendehnung negativ ist und sich das Volumen der Granulen verkleinert. In einer bevorzugten Ausführungsform können die Granulen zusätzlich mit einer Be- schichtung versehen sein. Incidentally, a lubricant can also be added to the granules, for example if it is to be introduced into a cavity, in order then to produce a hydrogen storage device therefrom. For example, a wax can be used as a lubricant. Preferably, about 0.4% by weight to about 2% by weight, in particular about 0.4% by weight to 0.8% by weight, based on the total material, is added. The arrangement in the hydrogen storage is hydrogen permeable and in particular porous. In this way it can be ensured that the arrangement of the granules in the hydrogen storage by means of the hydrogenatable material are able to absorb and / or release hydrogen. By a porous and hydrogen-permeable arrangement can be ensured that the hydrogen can reach the hydrogenatable material of the granules. Furthermore, volumetric expansion can take place in the granules due to the uptake and / or release of the hydrogen, for example an expansion of the granules occurs when the hydrogen is taken up, so that the volume expansion is positive, and a contraction of the granules can take place when hydrogen is released, so that the volume expansion is negative and the volume of the granules decreases. In a preferred embodiment, the granules may additionally be provided with a coating.
Der Begriff Beschichtung beschreibt in der vorliegenden Anmeldung die auf das Material aufgetragene Schicht selbst sowie gegebenenfalls einen Vorgang zum Aufbringen einer festhaftenden Schicht aus formlosem Stoff auf eine Oberfläche eines Werkstücks, vorliegend der Granulen. Das Aufbringen des Beschichtungsmaterials wird als Beschichten bezeichnet. Bei einer Beschichtung kann es sich um eine dünne Schicht oder eine dicke Schicht sowie um mehrere in sich zusammenhängende Schichten handeln. Beschich- tungsverfahren unterscheiden sich grundsätzlich durch die Art der Schichtaufbringung in chemische, mechanische, thermische und thermomechanische Verfahren. The term coating in the present application describes the layer applied to the material itself and optionally a process for applying a firmly adhering layer of shapeless material to a surface of a workpiece, in the present case granules. The application of the coating material is referred to as coating. A coating can be a thin layer or a thick layer, as well as several cohesive layers. Coating processes basically differ by the type of layer application in chemical, mechanical, thermal and thermomechanical processes.
Durch die Beschichtung können den Granulen weitere Eigenschaften zugeteilt werden, wie eine Oxidationsschutzschicht oder eine Gasführung. Beispielsweise ist die Beschich- tung ein Polymer. Weiterhin kann die Beschichtung auf den Granulen nur teilweise erfolgen und nicht die ganze Oberfläche einer Granule umfassen. Die Beschichtung kann dabei eine Dehnungsfähigkeit aufweisen, um bei einer Volumenänderung der Granulen nicht beschädigt zu werden. Dabei können nicht nur die Granulen als Ganzes sondern auch die Partikel, welche die Granulen bilden, beschichtet sein. Through the coating, the granules can be assigned further properties, such as an oxidation protection layer or a gas guide. For example, the coating is a polymer. Furthermore, the coating on the granules may be only partial and may not cover the entire surface of a granule. The coating may have an extensibility, so as not to be damaged by a change in volume of the granules. Not only the granules as a whole but also the particles which form the granules can be coated.
Die Granulen können Wasserstoff aufnehmen und bei Bedarf wieder abgeben. Durch die Beschichtung der Granulen oder der Partikel, welche die Granulen bilden, kann sichergestellt werden, dass der Wasserstoff in den Granulen gespeichert wird, wobei gleichzeitig eine Schwächung des Materials der Granulen beispielsweise durch Oxidation verhindert oder zumindest reduziert wird. Eine Oxidation der Granulen würde dazu führen, dass sich an der Oberfläche eine Schicht ausbildet, durch welche Wasserstoff nicht mehr oder nur sehr schlecht hindurch diffundieren kann. Somit wird die Geschwindigkeit, mit welcher Hydrierung und Dehydrierung stattfinden, deutlich reduziert. Diese Geschwindigkeit sollte jedoch möglichst hoch sein, um eine wirtschaftliche Anwendung zu ermöglichen. Zudem stehen die Bereiche der Granulen, welche oxidiert sind, nicht mehr zur Wasserstoffspei- cherung zur Verfügung, so dass die Menge an Wasserstoff, die vom Material gespeichert werden kann, also die Wasserstoffspeicherkapazität, reduziert wird. Gerade die Wasserstoffspeicherkapazität sollte jedoch möglichst groß sein, um eine wirtschaftliche Anwendung zu ermöglichen. Die sich durch die Beschichtung ergebende Oxidationsschutzschicht ermöglicht nun, dass die Granulen über eine große Zahl von Zyklen eingesetzt werden, ohne dass die Speicherkapazität der Granulen wesentlich beeinträchtigt wird, wodurch eine lange Lebenszeit des Wasserstoffspeichers ermöglicht werden kann. The granules can take up hydrogen and release it again when needed. By coating the granules or the particles which form the granules, it can be ensured that the hydrogen is stored in the granules, at the same time preventing or at least reducing weakening of the material of the granules, for example by oxidation. An oxidation of the granules would lead to the formation of a layer on the surface through which hydrogen can no longer or only very poorly diffuse through. Thus, the rate at which hydrogenation and dehydrogenation take place is significantly reduced. However, this speed should be as high as possible to enable economical use. In addition, the regions of the granules which are oxidized are no longer available for hydrogen storage, so that the amount of hydrogen that can be stored by the material, ie the hydrogen storage capacity, is reduced. However, just the hydrogen storage capacity should be as large as possible in order to enable economical use. The oxidation-protective layer resulting from the coating now allows the granules to be used over a large number of cycles without significantly affecting the storage capacity of the granules, thereby allowing a long lifetime of the hydrogen storage.
Die Beschichtung weist bevorzugt wenigstens ein Polymer auf. Die Beschichtung kann daher ein Polymer oder Mischungen von zwei oder mehr Polymeren umfassen. Bevorzugt umfasst die Beschichtung nur ein Polymer. Insbesondere kann die Beschichtung selbst wasserstoffspeichernd sein. So kann zum Beispiel Ethylen (Polyethylen, PE) eingesetzt werden. Bevorzugt wird eine Titan-Ethylen-Verbindung genutzt. Diese kann gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung bis zu 14 Gew.-% Wasserstoff speichern. The coating preferably has at least one polymer. The coating may therefore comprise a polymer or mixtures of two or more polymers. Preferably, the coating comprises only one polymer. In particular, the coating itself may be hydrogen-storing. For example, ethylene (polyethylene, PE) can be used. Preferably, a titanium-ethylene compound is used. This can, according to a preferred embodiment, store up to 14% by weight of hydrogen.
Durch die Verwendung mindestens eines Polymers können durch die Beschichtung den Granulen gute optische, mechanische, thermische und/oder chemische Eigenschaften zugewiesen werden. Beispielsweise können die Granulen durch das Polymer eine gute Temperaturbeständigkeit, eine Resistenz gegenüber das umgebende Medium (Oxidati- onsbeständigkeit, Korrosionsbeständigkeit), eine gute Leitfähigkeit, eine gute Wasserstoffaufnahme- und -Speicherfähigkeit oder andere Eigenschaften, wie mechanische Festigkeit, aufweisen, welche sonst ohne das Polymer nicht möglich wären. Es können auch Polymere zum Einsatz kommen, die zum Beispiel keine Speicherung von Wasserstoff aber dafür eine hohe Dehnung ermöglichen, wie beispielsweise Poylamid oder Polyviny- lacetate. By using at least one polymer, the coating can give the granules good optical, mechanical, thermal and / or chemical properties. For example, the granules by the polymer may have good temperature resistance, resistance to the surrounding medium (oxidation resistance, corrosion resistance), good conductivity, good hydrogen uptake and storage ability, or other properties such as mechanical strength, which would otherwise be absent Polymer would not be possible. It is also possible to use polymers which, for example, do not allow the storage of hydrogen but allow a high elongation, such as, for example, polyamide or polyvinyl acetates.
Das Polymer, mit welchem die Granulen beschichtet werden, kann dabei das gleiche sein, wie das Polymer, welches als Bindemittel eingesetzt wird. Es ist auch möglich, das zur Beschichtung und als Bindemittel unterschiedliche Polymere eingesetzt werden. The polymer with which the granules are coated may be the same as the polymer used as binder. It is also possible to use different polymers for coating and as binders.
Die Beschichtung kann auf dem Fachmann bekannte Art und Weise auf die Granulen und insbesondere auf die Partikel, die die Granule bilden, aufgebracht werden. Bevorzugt wird das Polymer geschmolzen und im Sprühauftrag auf die Partikel oder die Granulen aufgebracht. Es ist jedoch auch denkbar, dass Partikel oder Granulen in eine Schmelze des Polymers ganz oder teilweise eingetaucht werden (Tauchbeschichtung), so dass eine vollständige oder teilweise Beschichtung erhalten wird. Zur Beschichtung ist auch möglich, das wenigstens eine Polymer in einem geeigneten Lösungsmittel zu lösen und die so erhaltene Polymerlösung mit dem hydrierbaren Material in Kontakt zu bringen. Dies kann beispielsweise durch Sprühauftrag oder Tauchbeschichtung erfolgen. Bevorzugt umfasst der Wasserstoffspeicher im Wesentlichen das Wasserstoffspeichermaterial sowie die Beschichtung. Der Gewichtsanteil der Beschichtung bezogen auf das Gesamtgewicht des beschichteten Materials beträgt bevorzugt 10 Gew.-% oder weniger, insbesondere 8 Gew.-% oder weniger, besonders bevorzugt 5 Gew.-% oder weniger und beträgt vorzugsweise wenigstens 1 Gew.-% und insbesondere wenigstens 2 Gew.-% bis 3 Gew.-%. Es ist wünschenswert, den Gewichtsanteil an der Beschichtung möglichst gering zu halten. Auch wenn die Beschichtung in der Lage ist, Wasserstoff zu speichern, so ist die Wasserstoffspeicherfähigkeit dennoch nicht so ausgeprägt wie die des Wasser- stoffspeichermaterials selbst. Die Beschichtung ist jedoch notwendig, um einerseits eine gegebenenfalls auftretende Oxidation des Wasserstoffspeichermaterials gering zu halten oder vollständig zu vermeiden und einen Zusammenhalt zwischen den Partikeln des Materials zu gewährleisten. The coating may be applied to the granules, and in particular to the particles forming the granules, in a manner known to those skilled in the art. Preferably, the polymer is melted and spray applied to the particles or granules. However, it is also conceivable that particles or granules are immersed in a melt of the polymer wholly or partially (dip coating), so that a complete or partial coating is obtained. For coating, it is also possible to dissolve the at least one polymer in a suitable solvent and to bring the polymer solution thus obtained into contact with the hydrogenatable material. This can be done for example by spray application or dip coating. Preferably, the hydrogen storage essentially comprises the hydrogen storage material and the coating. The proportion by weight of the coating based on the total weight of the coated material is preferably 10% by weight or less, in particular 8% by weight or less, more preferably 5% by weight or less, and is preferably at least 1% by weight, and in particular at least 2% to 3% by weight. It is desirable to keep the proportion by weight of the coating as low as possible. Even though the coating is capable of storing hydrogen, the hydrogen storage capacity is nevertheless not as pronounced as that of the hydrogen storage material itself. However, the coating is necessary in order to minimize or completely avoid any possible oxidation of the hydrogen storage material and to ensure a cohesion between the particles of the material.
Die Granulen können sich des Weiteren auch bei Einwirkung zum Beispiel einer Scherkraft wieder in ihre Einzelpartikel aufteilen. So können beispielwiese nach einem Extrudieren oder auch einem Verpressen die Bindungen zwischen den Partikeln der Granulen sich lösen. Insbesondere kann auch ein Binder im Anschluss dann beispielsweise zumindest im Wesentlichen nur an einem der Partikel sich noch weiter befinden, insbesondere wenn dieser Binder vorher als Beschichtung auf nur einem Partikel aufgebracht wurde, bevorzugt dem hydrierbaren Pulverpartikel. Beispielwiese kann zur Herstellung der Granulen das hydrierbare Material in feiner Pulverform zusammen mit einem Lösungsmittel und einem Binder vermengt werden, sodann zum Beispiel in einem Gegenstromverfahren die Trocknung erfolgt, so dass sich eine Beschichtung, vorzugsweise diese Binderbeschichtung, auf jedem Partikel des hydrierbaren Materials ausbildet. Anschließend kann dann beispielsweise dieses beschichtete Partikel mit zumindest einem anderen Partikel über die Binderbeschichtung verbunden werden und das Granul bilden. Die Beschichtung ist vorzugsweise ein Polymer, insbesondere wasserstoffdurchlässig. Das angebundene Partikel kann vor allem eine hohe Wärmeleitfähigkeit besitzen, beispielsweise ein Graphitpartikel sein. Furthermore, the granules can be subdivided into their individual particles even under the action of, for example, a shearing force. For example, after an extrusion or a compression, the bonds between the particles of the granules can be released. In particular, a binder can then be further, for example, at least substantially only on one of the particles, in particular if this binder has previously been applied as a coating on only one particle, preferably the hydrogenatable powder particle. For example, for the preparation of the granules, the hydrogenatable material can be mixed in fine powder form together with a solvent and a binder, then, for example, in a countercurrent process, the drying takes place, so that a coating, preferably this binder coating, forms on each particle of the hydrogenatable material. Subsequently, for example, this coated particle can then be connected to at least one other particle via the binder coating and form the granule. The coating is preferably a polymer, in particular hydrogen-permeable. Above all, the tethered particle can have a high thermal conductivity, for example a graphite particle.
Vorteilhafterweise sind mehrere Presslinge an Granulen übereinander geordnet und getrennt voneinander mittels einer Zwischenlage in dem Wasserstoffspeicher angeordnet. Mit Hilfe der Zwischenlagen, können die Granulen von einander räumlich getrennt wer- den. Dadurch kann eine fixierte Positionierung der Granulen in dem Wasserstoffspeicher ermöglicht werden. Dadurch kann beispielsweise eine Entmischung der Granulen verhin- dert werden, so dass einer Verschlechterung des Wirkungsgrades entgegengewirkt werden kann. Advantageously, several pellets are arranged on granules one above the other and arranged separately from each other by means of an intermediate layer in the hydrogen storage. With the help of the intermediate layers, the granules can be spatially separated from each other. Thereby, a fixed positioning of the granules in the hydrogen storage can be made possible. This can for example prevent segregation of the granules. be changed so that a deterioration of the efficiency can be counteracted.
Es ist bevorzugt, dass die Zwischenlage ein wärmeleitendes Material, beispielweise einen Carbonwerkstoff wie Graphit, nichtexpandierten und/oder expandierten Graphit aufweist, vorzugsweise ein Gewebe wie zum Beispiel ein Carbongewebe oder ein Vlies ist. Auch anderes Material kann genutzt werden. Auf diese Weise kann sowohl eine fixierte Positionierung der Granulen ermöglicht werden, als auch eine verbessere Wärmeleitung. Als wärmeleitendes Material in der Zwischenlage kann auch Aluminium eingesetzt werden. Dabei ist es möglich, Aluminium in Form von Teilchen einzusetzen. Die Teilchen weisen bevorzugt eine kleiner Teilchengröße x50 auf, als die Partikel, welche die Granulen bilden. Es kann auch eine Folie oder eine Platte aus Aluminium als Wärmeleiter zu verwendet werden. In einem Wasserstoffspeicher kann beispielsweise eine Schicht aus Alu- minium (entweder Teilchen oder als Folie oder Platte oder Gewebe) eingebracht werden. Auf diese können dann die Granulen aufgebracht werden. Alternierend können dann weitere wärmeleitende Schichten und Schichten umfassend die Granulen im Wärmespeicher angeordnet sein. Ein entsprechender schichtaufbau ist selbstverständlich auch mit Graphitpartikeln oder Folien umfassend Graphit möglich. Es ist weiterhin von der vorliegen- den Erfindung umfasst, wenn sowohl Graphit als auch Aluminium als wärmeleitendes Material in einer der beschriebenen Formen im Wasserstoffspeicher enthalten ist. It is preferred that the intermediate layer comprises a thermally conductive material, for example a carbon material such as graphite, unexpanded and / or expanded graphite, preferably a fabric such as a carbon fabric or a nonwoven. Also other material can be used. In this way, both a fixed positioning of the granules can be made possible, as well as an improved heat conduction. As a thermally conductive material in the intermediate layer and aluminum can be used. It is possible to use aluminum in the form of particles. The particles preferably have a small particle size x 50 , as the particles which form the granules. It can also be a foil or plate made of aluminum as a heat conductor to be used. In a hydrogen storage, for example, a layer of aluminum (either particles or as a foil or plate or tissue) can be introduced. On these then the granules can be applied. Alternately, further heat-conducting layers and layers comprising the granules can then be arranged in the heat accumulator. A corresponding layer structure is of course also possible with graphite particles or films comprising graphite. It is further encompassed by the present invention if both graphite and aluminum are contained as heat-conducting material in one of the forms described in the hydrogen storage.
Als wärmeleitendes Material können die bereits angeführten wärmeleitenden partikulären Metalle sowie die diesbezüglich ebenso erläuterten Graphitmodifikationen eingesetzt wer- den. As heat-conducting material, the already mentioned thermally conductive particulate metals and the graphite modifications explained in this regard can be used.
In einer bevorzugten Ausgestaltung sind die Granulen und/oder Partikel von Granulen in einer Umhüllung, vorzugsweise in Beuteln portioniert, wobei die Umhüllungen in dem Wasserstoffspeicher angeordnet sind. Durch eine Umhüllung können die Granulen und /oder Partikel von Granulen in dem Wasserstoffspeicher an einer festen Position angeordnet werden. Weiterhin kann durch eine Umhüllung, vorzugsweise in festen oder flexiblen Behältnissen, insbesondere einem Beutel, ein einfacher Austausch ermöglicht werden. Es ist nicht mehr nötig die gesamten Granulen und/oder Partikel von Granulen auszutauschen, vielmehr kann nur der Beutel ausgetauscht werden, bei dem die Granulen beziehungsweise Partikel von Granulen einen geringeren Wirkungsgrad und/oder Abnutzungserscheinungen aufweisen. Ein entsprechendes Behältnis besteht bevorzugt aus einem wasserstoffdurchlässigen Material. Es ist jedoch auch möglich, dass ein Behälter Gasdurchlässe aufweist, um einen Wasserstoffaustausch zu ermöglichen. In a preferred embodiment, the granules and / or particles of granules are portioned in a sheath, preferably in bags, wherein the sheaths are arranged in the hydrogen storage. By means of an enclosure, the granules and / or particles of granules can be arranged in the hydrogen storage at a fixed position. Furthermore, a simple exchange can be made possible by an enclosure, preferably in solid or flexible containers, in particular a bag. It is no longer necessary to replace the entire granules and / or particles of granules, but only the bag can be replaced, in which the granules or particles of granules have a lower efficiency and / or wear and tear. A corresponding container is preferably made a hydrogen permeable material. However, it is also possible for a container to have gas passages to allow for hydrogen exchange.
Vorzugsweise bleiben die Granulen und/oder Partikel von Granulen innerhalb der Umhül- lung mittels ein oder mehrerer Zwischenlagen getrennt. Auf diese Weise kann eine Entwischung der Granulen innerhalb der Umhüllung vermieden werden. Preferably, the granules and / or particles of granules remain separated within the wrapping by means of one or more intermediate layers. In this way, an escape of the granules within the enclosure can be avoided.
Es ist bevorzugt, dass die Granulen neben dem hydrierbaren Material ein weiteres Material aufweisen. Beispielsweise kann das weitere Material ein Polymer sein. Durch das wei- tere Material kann den Granulen weitere Eigenschaften zugewiesen werden. Beispielsweise kann das weitere eine verbesserte Gasführung oder eine verbesserte Wärmeleitfähigkeit aufweisen. Insbesondere kann eine Granule neben dem hydrierbaren Material an einem ersten Teil ein erstes weiteres Material aufweisen und an einem zweiten Teil ein zweites weiteres Material, wobei das erste Material und das zweite Material unterschiedli- che Eigenschaften aufweisen, so dass die Granule verschiedene Eigenschaften aufweisen kann. Beispielsweise kann das erste weitere Material eine gute Gasführung, das hydrierbare Material eine Wasserstoffaufnahme und das zweite weitere Material eine gute Wärmeleitfähigkeit ermöglichen. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Herstellung eines Wasserstoffspeichers, wobei schüttfähige Granulen eingesetzt werden, welche aus einem hydrierbaren Metall hergestellt werden. Durch das Verfahren kann ein Wasserstoffspeicher mit guten Eigenschaften zur Verfügung gestellt werden. Weiterhin betrifft die Erfindung einen Wasserstoffspeicher aufweisend die oben beschriebenen Granulen. Dadurch kann ein Wasserstoffspeicher mit guten Eigenschaften zur Verfügung gestellt werden. It is preferred that the granules have a further material in addition to the hydrogenatable material. For example, the further material may be a polymer. The further material can be used to assign additional properties to the granules. For example, the further may have improved gas conduction or improved thermal conductivity. In particular, a granule may have, in addition to the hydrogenatable material, a first further material on a first part and a second further material on a second part, wherein the first material and the second material have different properties, so that the granule may have different properties. For example, the first further material can provide a good gas flow, the hydrogenatable material a hydrogen absorption and the second further material a good thermal conductivity. The invention further relates to a process for the preparation of a hydrogen storage, wherein pourable granules are used, which are made of a hydrogenatable metal. By the method, a hydrogen storage with good properties can be provided. Furthermore, the invention relates to a hydrogen storage comprising the granules described above. Thereby, a hydrogen storage with good properties can be provided.
Es ist bevorzugt, dass zumindest das wasserstoffspeichernde Material recyclebar ist. Auf diese Weise kann die Umwelt geschont werden. Beispielsweise können die Granulen zum recyceln aus dem Wasserstoffspeicher entnommen werden. Anschließend kann das hydrierbare Material von den anderen Bestandteilen der Granulen getrennt werden. Das hydrierbare Material kann zur Herstellung von neuen Granulen recycelt werden. It is preferred that at least the hydrogen storage material is recyclable. In this way the environment can be spared. For example, the granules can be removed from the hydrogen storage for recycling. Subsequently, the hydrogenatable material can be separated from the other components of the granules. The hydrogenatable material can be recycled to make new granules.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen wie auch Merkmale gehen aus den nachfolgenden Figuren und der dazugehörigen Beschreibung hervor. Die aus den Figuren und der Be- Schreibung hervorgehenden einzelnen Merkmale sind nur beispielhaft und nicht auf die jeweilige Ausgestaltung beschränkt. Vielmehr können aus ein oder mehrere Figuren ein oder mehrere Merkmale mit anderen Merkmalen aus anderen Figuren wie auch aus der obigen Beschreibung zu weiteren Ausgestaltungen verbunden werden. Daher sind die Merkmale nicht beschränkend sondern beispielhaft angegeben. Es zeigen: Further advantageous embodiments as well as features will become apparent from the following figures and the associated description. The figures from the figures and the Writing resulting individual features are exemplary only and are not limited to the particular embodiment. Rather, from one or more figures one or more features may be combined with other features from other figures as well as from the above description to further embodiments. Therefore, the features are not limiting but exemplified. Show it:
Fig. 1 eine Granule mit zwei gleichgroßen Partikeln Fig. 2 eine Granule mit zwei verschieden großen Partikel Fig. 1 is a granule with two equal particles Fig. 2 is a granule with two different sized particles
Fig. 3 eine Granule mit einem großen Partikel, das von einer Vielzahl von kleinen Partikeln umgeben ist, weiterhin ist die Granule von einer Schutzschicht umgeben Fig. 3 shows a granule with a large particle surrounded by a plurality of small particles, furthermore, the granule is surrounded by a protective layer
Fig. 4 einen Ausschnitt aus einer Schnittansicht eines Wasserstoffspeichers in dem die Granulen angeordnet sind. Fig. 4 shows a detail of a sectional view of a hydrogen storage in which the granules are arranged.
Fig 1 . zeigt eine Granule 10 aus einem hydrierbaren Material 12, insbesondere einer Metalllegierung, bevorzugt FeTi und/oder Mg, und einem weiteren Material 14, in diesem Ausführungsbeispiel ein wärmeleitendes Material. Es ist erkennbar, dass das hydrierbare Material 12 und das weitere Material 14 Partikel darstellen, welche eine gleiche Größe aufweisen. Die Granule 10 ist ein Agglomerat, welches mit Hilfe eines Binders und durch Pressen aus dem hydrierbaren Material 12 und dem weiteren Material 14 besteht. Weiterhin ist das weitere Material 14 wasserstoffdurchlässig, so dass der Wasserstoff durch das weitere Material 14 in das hydrierbare Material 12 gelangen kann, oder von dem hydrier- baren Material 12 über das weitere Material 14 abgegeben werden kann. Fig. 1 shows a Granule 10 of a hydrogenatable material 12, in particular a metal alloy, preferably FeTi and / or Mg, and another material 14, in this embodiment, a thermally conductive material. It can be seen that the hydrogenatable material 12 and the further material 14 represent particles which have the same size. The granule 10 is an agglomerate, which consists with the aid of a binder and by pressing from the hydrogenatable material 12 and the further material 14. Furthermore, the further material 14 is permeable to hydrogen, so that the hydrogen can pass through the further material 14 into the hydrogenatable material 12, or can be released from the hydrogenatable material 12 via the further material 14.
Fig. 2 zeigt eine Granule 10, mit einem hydrierbaren Material 12 und einem weiteren Material 16. Das hydrierbare Material 12 hat in diesem Ausführungsbeispiel eine Größe von 10 μηη und das weitere Material 16 hat eine Größe von 100 μηη. Fig. 2 shows a Granule 10, with a hydrogenatable material 12 and another material 16. The hydrogenatable material 12 in this embodiment has a size of 10 μηη and the other material 16 has a size of 100 μηη.
Fig. 3 zeigt eine Granule 10 mit einem hydrierbaren Material 12. Das hydrierbare Material 12 ist von einer Vielzahl an weiteren Materialien 18 umgeben. Zusätzlich sind das hydrierbare Material 12 und die weiteren Materialien 18 von einer Beschichtung 20 umgeben. Die Beschichtung 20 kann der Granule weitere Eigenschaften, wie einen Schutz vor Oxi- dation oder eine verbesserte Gasführung zur Verfügung stellen. Fig. 4 zeigt einen Ausschnitt aus einem Wasserstoffspeicher 22. Der Wasserstoffspeicher 22 umfasst zwei Außenwände 24 und 26. Zwischen den Außenwänden 24 und 26 ist eine Vielzahl an Granulen 28 angeordnet. Die Granulen 28 werden miteinander verpresst und werden als Presslinge übereinander angeordnet. Die Granulen 28 sind dabei durch meh- rere Zwischenlagen 30, 32, insbesondere durch Zwischenlagen aus einem Carbongewebe in dem Wasserstoffspeicher 22 angeordnet. Durch die Zwischenlagen 30, 32 wird eine Positionierung der Granulen 28 in dem Wasserstoffspeicher 22 fixiert, weiterhin wird dadurch verhindert, dass eine Entmischung der Granulen 28 in dem Wasserstoffspeicher 22 stattfindet. Weiterhin sind die Granulen 28 in einer Umhüllung 34, vor- zugsweise in Beuteln, portioniert und in dem Wasserstoffspeicher angeordnet. Es ist erkennbar, dass mehrere Umhüllungen 34 in dem Wasserstoffspeicher 22 angeordnet sind, dabei können in den Umhüllungen 34 ebenfalls ein oder mehrere Zwischenlagen aufweisen. Weiterhin können die Granulen 28 in dem Wasserstoffspeicher 22 recycelt werden. Bevorzugt werden die Granulen in einem Wasserstoffspeicher eingesetzt, wie er aus der DE 10 2014 006 377 hervorgeht, wobei im Umfang der Offenbarung der Erfindung vollumfänglich auf diese Bezug genommen wird. FIG. 3 shows a granule 10 with a hydrogenatable material 12. The hydrogenatable material 12 is surrounded by a multiplicity of further materials 18. In addition, the hydrogenatable material 12 and the other materials 18 are surrounded by a coating 20. The coating 20 can provide the granule with further properties, such as protection against oxidation or improved gas conduction. 4 shows a section of a hydrogen reservoir 22. The hydrogen reservoir 22 comprises two outer walls 24 and 26. Between the outer walls 24 and 26 a plurality of granules 28 is arranged. The granules 28 are pressed together and are arranged one above the other as compacts. The granules 28 are arranged by a plurality of intermediate layers 30, 32, in particular by intermediate layers of a carbon fabric in the hydrogen storage 22. By means of the intermediate layers 30, 32, a positioning of the granules 28 in the hydrogen storage 22 is fixed, furthermore it prevents a separation of the granules 28 from taking place in the hydrogen storage 22. Furthermore, the granules 28 are portioned in a sheath 34, preferably in bags, and arranged in the hydrogen storage. It can be seen that a plurality of envelopes 34 are arranged in the hydrogen storage 22, wherein in the sheaths 34 also have one or more intermediate layers. Furthermore, the granules 28 can be recycled in the hydrogen storage 22. Preferably, the granules are used in a hydrogen storage, as can be seen from DE 10 2014 006 377, wherein the scope of the disclosure of the invention fully incorporated by reference.
Die vorliegende Erfindung betrifft daher Granulen aus einem hydrierbaren Material, insbe- sondere einer Metalllegierung, bevorzugt FeTi und/oder Mg, wobei die Granulen zur Verwendung in einem Wasserstoffspeicher bestimmt sind, vorzugsweise zum Teil in dem Wasserstoffspeicher angeordnet sind und eine Wasserstoffspeicherungskapazität zur Verfügung stellen. Bevorzugt werden die Granulen mit einem zusätzlich wärmeleitenden Material gemischt zur Verwendung in dem Wasserstoffspeicher bestimmt sind, vorzugsweise zumindest zum Teil im Wasserstoffspeicher angeordnet sind. Insbesondere ist die Anordnung von Granulen wie auch Partikeln von Granulen im Wasserstoffspeicher porös und wasserstoffdurchlässig ist. The present invention therefore relates to granules of a hydrogenatable material, in particular a metal alloy, preferably FeTi and / or Mg, wherein the granules are intended for use in a hydrogen storage, preferably are arranged partly in the hydrogen storage and provide a hydrogen storage capacity available. Preferably, the granules are mixed with an additional heat-conducting material for use in the hydrogen storage are determined, preferably at least partially disposed in the hydrogen storage. In particular, the arrangement of granules as well as particles of granules in the hydrogen storage is porous and permeable to hydrogen.
Bevorzugt sind mehrere Presslinge aus Granulen übereinander geordnet und getrennt voneinander mittels einer Zwischenlage in dem Wasserstoffspeicher angeordnet. Die Zwischenlage kann ein kohlenstoffhaltiges Material aufweisen. Preferably, several pellets of granules are arranged one above the other and arranged separately from one another by means of an intermediate layer in the hydrogen storage. The intermediate layer may comprise a carbonaceous material.
Insbesondere sind die Granulen und/oder Partikeln von Granulen stammend in einer Um hüllung, vorzugsweise in festen oder flexiblen Behältnissen, insbesondere Beuteln portio niert, wobei die Umhüllungen in dem Wasserstoffspeicher angeordnet sind. Bevorzugt bleiben die Granulen und/oder Partikel von Granulen stammend innerhalb der Umhüllung mittels ein oder mehrerer Zwischenlagen getrennt. Die Granulen können neben dem hydrierbaren Metall ein weiteres Material, insbesondere ein wärmeleitendes Material, aufweisen. In particular, the granules and / or particles of granules originating in a order hüllung, preferably in fixed or flexible containers, in particular bags portio niert, wherein the sheaths are arranged in the hydrogen storage. Preferably, the granules and / or particles of granules originating within the sheath remain separated by means of one or more intermediate layers. The granules may have, in addition to the hydrogenatable metal, a further material, in particular a heat-conducting material.
In einer weiteren Ausführungsform betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Wasserstoffspeichers, wobei schüttfähige Granulen eingesetzt werden, welche aus einem hydrierbaren Material hergestellt werden. In noch einer weiteren Ausführungsform betrifft die vorliegende Erfindung einen Wasserstoffspeicher hergestellt mit Granulen nach der vorliegenden Erfindung. Bevorzugt weist eine Granule im Wasserstoffspeicher Partikel auf, die mit einem Binder verbunden sind. Insbesondere weist der Wasserstoffspeicher Partikel von Granulen stammend auf, vorzugsweise wärmeleitende Parti- kel und hydrierbare Partikel. Bevorzugt ist zumindest das wasserstoffspeichernde Material recyclebar ist. In a further embodiment, the present invention relates to a process for producing a hydrogen storage using free-flowing granules made from a hydrogenatable material. In yet another embodiment, the present invention relates to a hydrogen storage produced with granules according to the present invention. Preferably, a granule in the hydrogen storage particles, which are connected to a binder. In particular, the hydrogen storage medium comprises particles of granules, preferably thermally conductive particles and hydrogenatable particles. Preferably, at least the hydrogen-storing material is recyclable.
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| 121 | Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application |
Ref document number: 15720969 Country of ref document: EP Kind code of ref document: A1 |
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| NENP | Non-entry into the national phase |
Ref country code: DE |
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| 122 | Ep: pct application non-entry in european phase |
Ref document number: 15720969 Country of ref document: EP Kind code of ref document: A1 |