DE102018131465A1 - Hydrogen storage tank and fuel cell system and motor vehicle with such - Google Patents
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Abstract
Um einen Wasserstoffspeichertank (10) zur Bereitstellung von Wasserstoff für ein Brennstoffzellensystem, umfassend einen Speicherkörper (11) aus einem Metall und/oder einer Metalllegierung, geeignet zur reversiblen Ausbildung von Metallhydriden zur Speicherung von Wasserstoff, bereitzustellen, der eine stabile und sichere Speicherung von Wasserstoff bei gleichzeitig erhöhter Speichermenge pro Volumeneinheit ermöglicht, wird vorgeschlagen, dass auf der Oberfläche des Speicherkörpers (11) eine über metallische Bindung fest mit dem Speicherkörper (11) verbundene Schicht (12) aus einem Metall oder einer Metalllegierung, das oder die ungeeignet ist, Wasserstoff zu speichern, befindlich ist, so dass ein separates Gehäuse für den Wasserstoffspeichertank (10) eingespart werden kann.Zudem werden ein Brennstoffzellensystem und ein Kraftfahrzeug offenbart.In order to provide a hydrogen storage tank (10) for providing hydrogen for a fuel cell system, comprising a storage body (11) made of a metal and / or a metal alloy, suitable for the reversible formation of metal hydrides for the storage of hydrogen, which has a stable and safe storage of hydrogen with an increased amount of storage per unit volume at the same time, it is proposed that on the surface of the storage body (11) a layer (12) of a metal or a metal alloy, which is unsuitable, is connected to the storage body (11) and is unsuitable, hydrogen to store, so that a separate housing for the hydrogen storage tank (10) can be saved. In addition, a fuel cell system and a motor vehicle are disclosed.
Description
Die Erfindung betrifft einen Wasserstoffspeichertank zur Bereitstellung von Wasserstoff für ein Brennstoffzellensystem, umfassend einen Speicherkörper aus einem Metall und/oder einer Metalllegierung, geeignet zur reversiblen Ausbildung von Metallhydriden zur Speicherung von Wasserstoff, ein Brennstoffzellensystem und ein Kraftfahrzeug mit einem solchen.The invention relates to a hydrogen storage tank for providing hydrogen for a fuel cell system, comprising a storage body made of a metal and / or a metal alloy, suitable for the reversible formation of metal hydrides for the storage of hydrogen, a fuel cell system and a motor vehicle with such.
Brennstoffzellen sind bekannt. Sie werden auf der Suche nach immer umweltfreundlicheren Fahrzeugantrieben auch in Kraftfahrzeugen eingesetzt. Daneben wird auch der Einsatz in konventionellen Antriebssträngen untersucht. Hierbei stehen zurzeit drei Speichertechnologien für Wasserstoff zur Verfügung: Der Druckwasserstofftank, in dem bei 350 bar oder 700 bar gasförmig komprimierter Wasserstoff gespeichert wird, der Kryotank für bei -253 °C flüssig vorliegendem Wasserstoff und der sogenannte Metallhydridspeicher. In letzterem kann über einen weiten Betriebsbereich hinsichtlich Druck und Temperatur Wasserstoff gespeichert und aus dem Speicherhydrid wieder freigesetzt werden.Fuel cells are known. They are also used in motor vehicles in search of ever more environmentally friendly vehicle drives. In addition, use in conventional drive trains is also being investigated. There are currently three storage technologies available for hydrogen: the pressurized hydrogen tank, which stores gaseous compressed hydrogen at 350 bar or 700 bar, the cryogenic tank for hydrogen that is liquid at -253 ° C and the so-called metal hydride storage. In the latter, hydrogen can be stored over a wide operating range with regard to pressure and temperature and can be released again from the storage hydride.
Metallhydride sind entweder salzartig aufgebaut oder ähneln Lösungen von Wasserstoff in Metall oder Legierungen. Dabei werden Wasserstoff-Moleküle auf der Oberfläche des Metalls zunächst adsorbiert und dann als elementarer Wasserstoff in das Metallgitter eingebaut. Dadurch entsteht ein relativ sprödes Metallhydrid, das aber luft- und wasserunempfindlich ist.Metal hydrides are either salt-like or resemble solutions of hydrogen in metal or alloys. Hydrogen molecules are first adsorbed on the surface of the metal and then incorporated as elemental hydrogen in the metal lattice. This creates a relatively brittle metal hydride that is insensitive to air and water.
Unterschiedliche Metalle können Wasserstoff unterschiedlich gut aufnehmen, sodass die Aufnahmefähigkeit pro Kubikzentimeter Metall von 20 bis 600 Kubikzentimeter gasförmigen Wasserstoff schwankt. Als Metallhydrid kann bei gleichem Volumen mehr Wasserstoff gespeichert werden, als Wasserstoff in flüssiger Form einnimmt. Technisch verwendet werden Metallhydride hauptsächlich in Metallhydridspeichern für Wasserstoff (Wasserstoffspeichertank). Man findet sie aber auch in Metallen, die länger Wasserstoff ausgesetzt waren, da sie sich dort ungewollt bilden.Different metals can absorb hydrogen differently well, so that the absorption capacity per cubic centimeter of metal varies from 20 to 600 cubic centimeters of gaseous hydrogen. With the same volume, more hydrogen can be stored as metal hydride than hydrogen takes up in liquid form. Technically, metal hydrides are mainly used in metal hydride storage for hydrogen (hydrogen storage tank). However, they can also be found in metals that have been exposed to hydrogen for a long time, since they form there unintentionally.
Der Mechanismus der Aufnahme von Wasserstoff war lange Zeit unbekannt, da bei den bisher bekannten Metallhydriden die Aufnahme des Wasserstoffs die Kristallstruktur veränderte und so Modellierungen und theoretische Berechnungen unmöglich machte. Die LaMg2Ni-Legierung hat jedoch eine streng geordnete Kristallstruktur, die auch nach der Wasserstoffaufnahme erhalten bleibt. Dadurch konnte festgestellt werden, dass die Wasserstoffatome über die regulären Zwischenräume in das Metallgitter eindringen und sich jeweils eines der in der Legierung frei beweglichen Elektronen aneignen. Auf diese Weise können sich die Wasserstoffatome chemisch mit den Nickelatomen verbinden: Es entstehen isolierende NiH4-Moleküle. Die Konzentration des aufgenommenen Wasserstoffs hängt streng von der Anzahl der freien Elektronen der Legierung ab.The mechanism of the uptake of hydrogen was unknown for a long time, because in the case of the metal hydrides known to date, the uptake of hydrogen changed the crystal structure, making modeling and theoretical calculations impossible. However, the LaMg 2 Ni alloy has a strictly ordered crystal structure that is retained even after the hydrogen absorption. This made it possible to determine that the hydrogen atoms penetrate into the metal lattice through the regular gaps and that one of the electrons freely moving in the alloy is acquired. In this way, the hydrogen atoms can chemically combine with the nickel atoms: insulating NiH 4 molecules are formed. The concentration of the hydrogen absorbed depends strictly on the number of free electrons in the alloy.
Aus der
In der
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine stabile und sichere Speicherung von Wasserstoff bei gleichzeitig erhöhter Speichermenge pro Volumeneinheit zu ermöglichen.The invention has for its object to enable stable and safe storage of hydrogen with an increased amount of storage per unit volume.
Die Aufgabe wird durch einen Wasserstoffspeichertank, ein Brennstoffzellensystem sowie ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst.The object is achieved by a hydrogen storage tank, a fuel cell system and a motor vehicle with the features of the independent claims.
Erfindungsgemäß wird ein Wasserstoffspeichertank zur Bereitstellung von Wasserstoff für ein Brennstoffzellensystem bereitgestellt, der einen Speicherkörper aus einem Metall oder einer Metalllegierung aufweist, der zur reversiblen Ausbildung von Metallhydriden zur Speicherung des Wasserstoffs geeignet ist, wobei auf der Oberfläche des Speicherkörpers eine Schicht aus einem Metall oder einer Metalllegierung, das oder die ungeeignet ist, Wasserstoff zu speichern, aufgebracht ist. Diese Schicht bildet eine feste Einheit mit dem Speicherkörper aus (metallische Bindung).According to the invention, a hydrogen storage tank for providing hydrogen for a fuel cell system is provided, which has a storage body made of a metal or a metal alloy, which is suitable for the reversible formation of metal hydrides for storing the hydrogen, with a layer of a metal or a on the surface of the storage body Metal alloy that is unsuitable for storing hydrogen is applied. This layer forms a solid unit with the storage body (metallic bond).
Vorteilhafterweise wird durch eine erfindungsgemäße Ausgestaltung eines Wasserstoffspeichertanks dessen einfache und wirtschaftliche Herstellung ermöglicht. Zudem ist eine höhere Energiedichte des Wasserstoffspeichertanks im Vergleich zu Tanks mit einem separaten Gehäuse gegeben. Auch lässt sich ein erfindungsgemäßer Speichertank leichter warten und kontrollieren, da dieser frei zugänglich ist, ohne dass Bauteile demontiert werden müssen.Advantageously, an inventive design of a hydrogen storage tank enables its simple and economical manufacture. In addition, there is a higher energy density of the hydrogen storage tank compared to tanks with a separate housing. A storage tank according to the invention is also easier to maintain and control, since it is freely accessible without the need to dismantle components.
Vorzugsweise werden das Metall oder die Metalllegierung zur Speicherung von Wasserstoff und das Metall oder die Metalllegierung zur Ausbildung der Schicht derart ausgewählt, dass diese geeignet sind zu interdiffundieren, um eine möglichst feste Verbindung von Speicherkörper und Schicht zu bewirken.Preferably the metal or metal alloy is used to store hydrogen and the metal or the metal alloy for the formation of the layer is selected such that they are suitable for interdiffusing in order to bring about the strongest possible connection between the storage body and the layer.
Die Metalllegierung zur Speicherung von Wasserstoff ist vorzugsweise eine nickelhaltige Legierung, besonders bevorzugt eine La-Ni-Legierung und am meisten bevorzugt eine Lanthan-Nickel-Cobalt-Legierung. Zudem ist das Metall oder zumindest ein Metall der Legierung der Schicht vorzugsweise ausgewählt aus der Gruppe Cr, Mn und Fe. Aufgrund der ähnlichen chemischen Verhältnisse der Elemente Cr, Mn, Fe, Co und Ni und Interdiffusionsphänomenen kommt es dadurch zur Ausbildung von Übergangsbereichen, die wünschenswerte Eigenschaften, z.B. geringe Korrosionsanfälligkeit (wie von Ni-reichen sog. Nirosta-Stählen bekannt) und gute mechanische Eigenschaften (wie von Mangan-reichen Stählen bekannt). Aber auch alle anderen Metalle, die keine dezidierten Hydrid-Bildner sind, sind geeignet.The metal alloy for storing hydrogen is preferably a nickel-containing alloy, particularly preferably a La-Ni alloy and most preferably a lanthanum-nickel-cobalt alloy. In addition, the metal or at least one metal of the alloy of the layer is preferably selected from the group Cr, Mn and Fe. Due to the similar chemical relationships of the elements Cr, Mn, Fe, Co and Ni and interdiffusion phenomena, this leads to the formation of transition regions which have desirable properties, e.g. low susceptibility to corrosion (as known from Ni-rich so-called Nirosta steels) and good mechanical properties (as known from steels rich in manganese). However, all other metals that are not dedicated hydride formers are also suitable.
Die Schicht kann bevorzugt bei bestimmten Ausführungsformen eine auf der dem Speicherkörper abgewandten Seite befindliche Oxidschicht aufweisen, die die Diffusion von Wasserstoff zusätzlich stark reduziert. Dies gilt etwa für chromhaltige Schichten (Cr- bzw. Cr/Mn- bzw. Cr/Mn/Fe-Schicht auf La-Ni-Legierung als eine Ausführungsform).In certain embodiments, the layer may preferably have an oxide layer on the side facing away from the storage body, which additionally greatly reduces the diffusion of hydrogen. This applies, for example, to chromium-containing layers (Cr or Cr / Mn or Cr / Mn / Fe layer on La-Ni alloy as one embodiment).
Nach einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist zwischen der Schicht und dem Speicherkörper eine Übergangsschicht ausgebildet, die durch einen Materialgradienten verkörpert wird. Diese Übergangsschicht kann nach dem Aufbringen der Schicht auf den Speicherkörper durch geeignete, dem Fachmann bekannte Verfahren, hergestellt werden. Beispielsweise kann dies durch Tempern des beschichteten Speicherkörpers erfolgen. Damit verändern sich die Materialeigenschaften des Wasserstoffspeichertanks von ungeeignet zur Hydridbildung (Schicht) auf der Außenseite des Wasserstoffspeichertanks zu gut geeignet (Speicherkörper) bzw. die Eignung zur Speicherung von Wasserstoff nimmt vom Speicherkörper zur Schicht ab.According to a particularly preferred embodiment of the invention, a transition layer is formed between the layer and the storage body, which is embodied by a material gradient. After the layer has been applied to the storage body, this transition layer can be produced by suitable processes known to the person skilled in the art. For example, this can be done by annealing the coated storage body. The material properties of the hydrogen storage tank thus change from unsuitable for hydride formation (layer) on the outside of the hydrogen storage tank to well suited (storage body) or the suitability for storing hydrogen decreases from the storage body to the layer.
Der Speicherkörper weist nach einer besonders bevorzugten Ausführungsform miteinander verbundene Hohlräume auf, die diesen dreidimensional durchdringen und ein schnelles Einlagern und Auslagern von Wasserstoff ermöglichen. Die Hohlräume münden in zumindest einen zentral angeordneten Kanal und dieser wiederum in eine Leitung außerhalb des Wasserstoffspeichertanks beispielsweise zur Anbindung an ein Brennstoffzellensystem.According to a particularly preferred embodiment, the storage body has interconnected cavities which penetrate it three-dimensionally and enable hydrogen to be stored and removed quickly. The cavities open into at least one centrally arranged channel and this in turn leads to a line outside the hydrogen storage tank, for example for connection to a fuel cell system.
Die Hohlräume können wie Blattrippen strukturiert bzw. verästelt sein, die ausgehend von dem zumindest einen Kanal immer feiner werden, um den Transportvolumina des Wasserstoffs angepasst zu sein.The cavities can be structured or branched like leaf ribs, which, starting from the at least one channel, become ever finer in order to be adapted to the transport volumes of the hydrogen.
Die Dicke der Schicht befindet sich im nm-Bereich und ist damit deutlich raumsparender als ein übliches Gehäuse. Die Dicke kann auch ausgehend von einem Volumen des Speicherkörpers von 25 I mit kugelförmiger Ausgestaltung berechnet werden, wobei die Dicke der Schicht 20 bis 50 nm, vorzugsweise 30 bis 40 nm, besonders bevorzugt 35 nm ist.The thickness of the layer is in the nm range and is therefore significantly more space-saving than a conventional housing. The thickness can also be calculated on the basis of a volume of the storage body of 25 l with a spherical configuration, the thickness of the layer being 20 to 50 nm, preferably 30 to 40 nm, particularly preferably 35 nm.
Ferner betrifft die Erfindung ein Brennstoffzellensystem aufweisend ein erfindungsgemäßen Wasserstoffspeichertank oder mit einem solchen verbunden, sowie ein Kraftfahrzeug mit einem solchen.Furthermore, the invention relates to a fuel cell system comprising a hydrogen storage tank according to the invention or connected to such, and a motor vehicle with such.
Das Brennstoffzellensystem weist zudem ein Wärmemanagementsystem auf, um das Ein- und Auslagern von Wasserstoff zu unterstützen.The fuel cell system also has a heat management system to support the storage and removal of hydrogen.
Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen in den Unteransprüchen genannten Merkmalen.Further preferred embodiments of the invention result from the other features mentioned in the subclaims.
Die verschiedenen in dieser Anmeldung genannten Ausführungsformen der Erfindung sind, sofern im Einzelfall nicht anders ausgeführt, mit Vorteil miteinander kombinierbar.Unless otherwise stated in the individual case, the various embodiments of the invention mentioned in this application can advantageously be combined with one another.
Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnung erläutert. Es zeigt:
-
1 einen erfindungsgemäßen Wasserstoffspeichertank in einer schematischen Schnittzeichnung. -
1 zeigt einenWasserstoffspeichertank 10 , der geeignet ist, eine Komponente eines nicht dargestellten Brennstoffzellensystems für beispielsweise ein Kraftfahrzeug zu sein.
-
1 a hydrogen storage tank according to the invention in a schematic sectional drawing. -
1 shows a hydrogen storage tank10th , which is suitable to be a component of a fuel cell system, not shown, for example for a motor vehicle.
Der Wasserstoffspeichertank
Der Speicherkörper
Das Metall oder die Metalllegierung des Speicherkörpers
Nach der dargestellten bevorzugten Ausführungsform des Wasserstoffspeichertanks
Weiterhin sind im Speicherkörper
Das Brennstoffzellensystem weist ansonsten übliche Komponenten auf, die zur Befüllung und Entleerung des Wasserstoffspeichertanks
BezugszeichenlisteReference symbol list
- 1010th
- WasserstoffspeichertankHydrogen storage tank
- 1111
- SpeicherkörperStorage body
- 1212
- Schichtlayer
- 1313
- ZwischenschichtIntermediate layer
- 1414
- Hohlraumcavity
- 1515
- Kanalchannel
- 1616
- Leitungmanagement
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited
- DE 102011100397 A1 [0006]DE 102011100397 A1 [0006]
- DE 112004001828 T5 [0007]DE 112004001828 T5 [0007]
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