AT520044B1

AT520044B1 - Verfahren und Vorrichtung zur Extraktion von Wasserstoff aus Füllstoffen in Form von Metalllegierungen

Info

Publication number: AT520044B1
Application number: ATA1/2017A
Authority: AT
Inventors: Ing Wolfgang Kummer Eur
Original assignee: Ing Wolfgang Kummer Eur
Priority date: 2017-01-04
Filing date: 2017-01-04
Publication date: 2019-03-15
Also published as: AT520044A1

Abstract

Verfahren zur Extraktion von Wasserstoff aus einem Metall, welches durch Kombination von zwei oder mehreren metallischen Elementen hergestellt wird. • Als Extraktionsmittel Temperatur und auch Druck eingesetzt werden • Der Wasserstoff im Druckbehälter nach entsprechender Erwärmung in radialer Richtung durch den Füllstoff geführt wird. • Der vom metalllegierten Füllstoff ausgetretene erwärmte Wasserstoff verlässt durch eine dafür vorgesehene Öffnung, das Gebinde. • Durch eine entsprechende wärmeisolierte Druckleitung wird der Wasserstoff vom ebenfalls wärmeisolierten Tank zur Brennstoffzelle geführt.

Description

VERFAHREN UND VORRICHTUNG ZUR EXTRAKTION VON WASSERSTOFF AUS FÜLLSTOFFEN IN FORM VON METALLLEGIERUNGEN

Beschreibung: [0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren und Vorrichtung zur Extraktion von Wasserstoff aus metalllegierten Füllstoffen.

[0002] Es sind zwei grundsätzliche Varianten für die Speicherung von Wasserstoff in metalle-gierten Füllstoffen wie Magnesium- und Lithiumhydrid bekannt.

[0003] Bei der Speicherung von Wasserstoff in Metallhydriden unterscheidet man zwei Arten von Speicherungen, mit oder ohne ECAP (Equal Channel Angular Pressing).

[0004] Ohne ECAP - Verfahren findet die Aufnahme und die Abgabe des Wasserstoffe im Metallhydrid relativ langsam statt.

[0005] Bei der Anwendung eines ECAP - Verfahrens findet die Aufnahme und die Abgabe des Wasserstoffe im Metallhydridspeicher rasch satt.

[0006] Diese Fakten führen zu einer mikrostrukturealen Verfeinerung bis hin zu ultrafeinen Körnern des Metallhydrids. Woraus die schnelle Aufnahme und Abgabe des Wasserstoffs resultiert.

[0007] Es entfällt der hohe Druck bei einer Speicherung von Wasserstoff in einem Tank (700 bar), 10 bar sind vollkommen ausreichend um den Wasserstoff aus dem Metallhydrid bei einer Temperatur im Tank von 100°C, zu entnehmen.

[0008] Es entfällt eine sehr tiefe Temperatur herzustellen (-253°C) um Wasserstoff zu speichern. Die Erhaltung dieser Temperatur macht eine ständige Energiezuführung zum Tank notwendig.

[0009] Ziel der Legierung ist es einen Körper herzustellen, welcher ohne oder zumindest mit fast keinen Warmrissen hergestellt werden kann.

[0010] Die zuvor genannte Anforderung wird erfindungsgemäß durch eine Magnesiumlegierung gelöst. Angaben in Gewichtsprozent: mehr als 0,0 bis zu 7,0 % Zink optional mehr als 0,0 bis zu 1 ,0 % Zirconium optional mehr als 0,0 bis zu 1 ,0 % Calcium optional mehr als 0,0 bis zu 1 ,0 % Mangan optional mehr als 0,0 bis zu 0,5 % Silicium optional mehr als 0,0 bis zu 1 ,0 % Silber maximal bis zu 0,5 % Aluminium und zumindest ein Element ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus mehr als 0,05 bis zu 0,6 % Yttrium mehr als 0,05 bis zu 4,0 % Ytterbium mehr als 0,05 bis zu 4,0 % Gadolinium

Rest Magnesium und herstellungsbedingte Verunreinigungen.

[0011] Eine erfindungsgemäße Magnesiumlegierung enthält Zink, damit hohe mechanische Kennwerte erhalten werden, was für diverse Anwendungen notwendig sein kann. Bevorzugt ist vorgesehen, dass die Magnesiumlegierung 1 ,0 bis 5,0 %, vorzugsweise 2,5 bis 4,5 %, Zink enthält. Eine erfindungsgemäße Legierung kann relativ hohe Gehalte an Zink von z. B. mehr als 2,5 % enthalten, was eine gewünscht hohe Festigkeit ergibt, ohne dass eine praktisch signifikante Warmrissneigung gegeben wäre.

[0012] Des Weiteren kann eine erfindungsgemäße Magnesiumlegierung Zirconium und/oder

Calcium bis zu jeweils 1 ,0 % enthalten, und zwar für die Zwecke einer Kornfeinung. Bevorzugt ist vorgesehen, dass die Magnesiumlegierung mehr als 0,1 bis 0,6 % Zirconium und/oder mehr als 0,1 bis 0,4 % Calcium enthält.

[0013] Zirconium und Calcium können grundsätzlich auch Bestandteile von intermetallischen Phasen sein, die bei der Herstellung der Magnesiumlegierung bzw. Abkühlung einer in der Zusammensetzung entsprechenden Schmelze gebildet werden. Um die Bildung gewünschter ternärer intermetallischer Phasen mit den Elementen Yttrium, Ytterbium und/oder Gadolinium auf der einen Seite nicht zu unterbinden, aber auf der anderen Seite auch eine gewünschte Kornfeinung sicherzustellen, beträgt ein Summengehalt von Zirconium und Calcium mit Vorteil 0,6 bis 1 ,0 %. Des Weiteren kann eine erfindungsgemäße Magnesiumlegierung Mangan, Silicium und/oder Silber mit den zuvor genannten Maximalgehalten umfassen. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass die Magnesiumlegierung zumindest ein Element ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: mehr als 0,1 bis zu 0,5 % Mangan mehr als 0,1 bis zu 0,5 % Silicium mehr als 0,1 bis zu 0,5 % Silber enthält Silber und Silicium tragen zu einer Feinkörnigkeit eines Gefüges der Magnesiumlegierung bei. Mangan verbessert eine Korrosionsbeständigkeit der Magnesiumlegierung. Patentzitate:

Zitiertes Patent Eingetragen Veröffentlichungsdatum WO2012003522 A2 15.06.2011 12.01.2012

Antragsteller Titel AIT Austrian Institute of Technology GmbH Magnesiumlegierung [0014] Die Flaschengröße hängt vom Einsatzprofil der Nutzung ab und kann zwischen 1 kg und 50 kg, variieren. Die Innenseite der Flache besteht aus Aluminium und ist mit einer Heizfolie beklebt, welche in der Flasche die Temperatur erzeugt, damit der Wasserstoff aus dem Metallhydrid austreten kann. Bei größeren Flaschen wird die Heizleistung der Folie über eine Steuerung in Segmente aufgeteilt, welche sich nach der Menge des entnommenen Wasserstoffes richtet.

[0015] Die äußere Form der Flasche ist als Breithals definiert. An der Oberseite befindet sich eine Abdeckung welche vor der Anwendung abgeschraubt wird. Der aus Aluminium gefertigte Inliner wird außen mit GFK verstärkt um entsprechend stabil für die Manipulation zu sein.

[0016] Die äußere Form der Flasche ist mit einer Thermoisolierung, welche abnehmbar ausgeführt, ausgestattet. Diese Isolierung ist notwendig um die Heizleistung im Inneren der Flasche so wirtschaftlich wie möglich zu gestalten.

[0017] Der Einsatz der Flaschen ist für Anwendungen als Energiespeicher in Ein- und Mehrfamilien Wohnhausanlagen, Zügen, Flugzeugen, Autos, Motor- und Fahrrädern vorgesehen.

[0018] Bei Anwendungen in Nahverkehrszügen werden Flaschen mit einem Gewicht von ca. 40 kg zur Anwendung kommen, welche am Dach der Niederflurgarnituren untergebracht werden.

[0019] Der Tausch der Flaschen erfolgt durch örtliche Roboterarme welche auf den Bahnhöfen fix montiert, automatisch. An der Unterseite der Flaschen sind Ausbuchtungen ähnlich eines Zentralverschlusses bei einer Autofelge welche mittels Impuls Schrauber, ermöglicht, dass die Flasche schnell, heraus- oder hineingedreht werden kann.

[0020] Sitzt die Öffnung der Breithalsflasche einmal fest an der Montagehalterung kommt aus dem fahrzeugseitig fix montierten Kegel, ein Stift welcher die Kugel in der flaschenseitigen Negativform des kegelförmigen Gegenstückes hineindrückt, nachdem zuvor über die Schleifringe in den männlichen und weiblichen Kegelstücken die Heizleistung der sich im Flascheninne ren befindlichen, Heizfolien aktiviert wurde. Ein Sensor in der Heizfolie meldet, dass die entsprechende Temperatur welche im Inneren der Flasche eine Ausgasung des Wasserstoffes gewährleistet, erreicht wurde. Im Gegensatz zu herkömmlichen Metallhydrid Speichern steht der Wasserstoff auf Grund Veränderung der Molekularstruktur der Metalllegierung, durch das ECAP-Verfahren, sofort, im gasförmigen Zustand, zur Verfügung.

[0021] Durch den sich in der Flasche befindlichen Überdruck von 10 bar ist gewährleistet, dass der Wasserstoff über die wärmegedämmten Druckleitungen zur Brennstoffzelle fließen kann.

[0022] Jeweils 2 Brennstoffzellen liefern die elektrische Energie für den Elektromotor, welche über Batteriezellen gepuffert werden und für den Vortrieb sorgen.

[0023] Bei den Flugzeugen der General Aviation sind die Flaschen welche die bordseitigen Brennstoffzellen mit Wasserstoff versorgen wesentlich kleiner, und werden händisch von dem geschulten Bodenpersonal getauscht.

[0024] Auf Flugplätzen wo kein Bodenpersonal vor Ort, kauft der Pilot im hydrogen Automaten selbst die neuen Flaschen und kann auch dort die leeren zurückgeben. Aus Umweltschutzgründen werden die Wasserstoffflaschen wiederbefüllbar hergestellt.

[0025] In der Marina kann der Besitzer oder Kapitän eines Schiffes ebenfalls im Automaten die leeren gegen volle Flaschen tauschen und danach im Boot montieren. Die Flaschen welche in Flugzeugen der General Aviation, bei der Marine oder beim Auto zur Anwendung kommen werden mit einem Drück- und Drehverschluss in der bordseitigen Halterung fixiert.

[0026] Die Hydrogen Automaten haben eine Größe welche mit den zurzeit im Betrieb befindlichen Flaschenautomaten vergleichbar sind.

[0027] Anwendungen im LKW - Bereich werden ebenfalls mit 40 kg Flaschen ausgestattet für diese Art der Treibstoffversorgung ist angedacht, dass der LKW von seinem Stützpunkt zum Kunden und retour ohne Tankstopp durchfahren kann.

[0028] Von der Fahrzeugtechnik her gesehen ist eine Explosion oder ein Brand, bei dieser Art der Energiespeicherung selbst bei einem Unfall oder Zusammenstoß ausgeschlossen.

[0029] Bildbeschreibung Fig. 1 1. Verschraubbare Abdeckung 2. Breithalsflansch abschraubbar mit Kugelkorb zur mittigen Abdichtung der Flasche in Form eines Kugelventils. 3. Breithalsflasche mit innenliegender Heizfolie und Metallhydridfüllung 4. Dichtungskugel mit Führungskorb [0030] Bildbeschreibung Fig. 2 5. Montagefuß 6. wärmegedämmte Wasserstoffleitung zur Brennstoffzelle 7. um bis zu 90° schwenkbarer Flaschenadapter 8. bewegliche Entnahmeleitung zur Entleerung der Flasche

Claims

Patentansprüche

1. Verfahren zur Extraktion von Wassersoff aus metalllegierten Füllstoff, der in einem zylindrischen Druckbehälter gelagert ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur des Füllstoffes mittels einer, die Innenwandung des Behälters auskleidenden Heizfolie auf mindestens 100° C erhitzt wird und der dadurch entweichende Wasserstoff in axialer Richtung über ein mittig angeordnetes Überdruckventil, aus dem Behälter, welcher als Breithalsflasche ausgebildet, entweicht.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der metalllegierte Füllstoff eine Magnesiumlegierung mit folgender Zusammensetzung in Gewichtsprozent: mehr als 0,0 bis zu 7,0 % Zink optional mehr als 0,0 bis zu 1,0 % Zirconium optional mehr als 0,0 bis zu 1,0 % Calcium optional mehr als 0,0 bis zu 1,0 % Mangan optional mehr als 0,0 bis zu 0,5 % Silicium optional mehr als 0,0 bis zu 1,0 % Silber maximal bis zu 0,5 % Aluminium und zumindest ein Element ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: mehr als 0,05 bis zu 0,6 % Yttrium mehr als 0,05 bis zu 4,0 % Ytterbium mehr als 0,05 bis zu 4,0 % Gadolinium Rest Magnesium und herstellungsbedingte Verunreinigungen. Um geeignete mechanische Eigenschaften für ECAP zu erreichen
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der metalllegierte Füllstoff eine Magnesiumlegierung, enthaltend 1,0 bis 5,0 %, vorzugsweise 2,5 bis 4,5 %, Zink. Um geeignete mechanische Eigenschaften für ECAP zu erreichen
4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der metalllegierte Füllstoff eine Magnesiumlegierung, enthaltend mehr als 0,1 bis 0,6 % Zirconium und/oder mehr als 0,1 bis 0,4 % Calcium. Um geeignete mechanische Eigenschaften für ECAP zu erreichen
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der metalllegierte Füllstoff eine Magnesiumlegierung, wobei ein Summengehalt von Zirconium und Calcium 0,6 bis 1,0 % beträgt. Um geeignete mechanische Eigenschaften für ECAP zu erreichen
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der metalllegierte Füllstoff eine Magnesiumlegierung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, enthaltend mehr als 0,1 bis zu 0,5 % Mangan mehr als 0,1 bis zu 0,5 % Silicium mehr als 0,1 bis zu 0,5 % Silber. Um geeignete mechanische Eigenschaften für ECAP zu erreichen
7. Verfahren nach Anspruch 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der metalllegierte Füllstoff eine Magnesiumlegierung nach einem der Ansprüche 2 bis 6, enthaltend zumindest ein Element ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: mehr als 0,05 bis weniger als 0,5 % Yttrium mehr als 0,1 bis zu 1,2 % Ytterbium mehr als 0,1 bis zu 1,2 % Gadolinium. Um geeignete mechanische Eigenschaften für ECAP zu erreichen
8. Verfahren nach Anspruch 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der metalllegierte Füllstoff eine Magnesiumlegierung nach einem der Ansprüche 2 bis 7, enthaltend zumindest zwei Elemente ausgewählt aus der Gruppe Yttrium, Ytterbium und Gadolinium, wobei ein Summengehalt dieser Elemente weniger als 2,5 % beträgt Um geeignete mechanische Eigenschaften für ECAP zu erreichen
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 8, wobei das Umformen durch ECAP (Equal Channel Angular Pressing) und/oder Schmieden durchgeführt wird. Hierzu 2 Blatt Zeichnungen