DE10042245B4

DE10042245B4 - Wasserstoffspeichervorrichtung und Wasserstoffspeichersystem

Info

Publication number: DE10042245B4
Application number: DE10042245A
Authority: DE
Inventors: Kenji Toyota Nakamura; Taketoshi Toyota Minohara
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 1999-09-01
Filing date: 2000-08-28
Publication date: 2004-05-27
Anticipated expiration: 2020-08-29
Also published as: US6530233B1; DE10042245A1; JP2001065797A

Abstract

Eine Wasserstoffspeichervorrichtung (20), welche eine Wasserstoffokklusionslegierung einsetzt, dadurch gekennzeichnet, daß diese umfaßt:
einen Behälter;
ein Formstück (30), das durch ein Formen eines Pulvers aus der Wasserstoffokklusionslegierung erhalten wurde und welches innerhalb des Behälters gehalten wird;
eine Temperatursteuereinrichtung zum Steuern der Temperatur des bei Zuführung von elektrischem Strom als Heizelement arbeitenden Formstückes (30); und
Puffermittel zum Verhindern eines Kontaktes zwischen dem Formstück und einer inneren Oberfläche des Behälters, welcher aus einer Volumenänderung des Formstücks (30) resultiert.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Wasserstoffspeichervorrichtung und ein Wasserstoffspeichersystem, welche eine Wasserstoftokklusionslegierung einsetzen.

Als eine allgemeine Technik zum Entladen von Wasserstoff, welcher von einer Wasserstoffokklusionslegierung eingeschlossen ist, ist es bekannt, Wärme, die von einem Heizelement erzeugt wird, mittels Wärmeleitung über die gesamte Wasserstoffokklusionslegierung zu verteilen. Die Gesamtwärmekapazität ist bei dieser Technik die Summe der Wärmekapazität des Heizelements und der Wärmekapazität der Wasserstoffokklusionslegierung. Somit wird ein Teil der Energie, welche zur Entladung von Wasserstoff auf die Wasserstoffokklusionslegierung angewendet wird, verbraucht, um das Heizelement aufzuheizen. Daher dauert es eine lange Zeit, um die Wasserstoffokklusionslegierung aufzuheizen und es ist unmöglich, eine hohe Energieeffizienz zu erreichen.

Es ist ebenfalls eine Technik bekannt, bei welcher an ein Pulver einer Wasserstoffokklusionslegierung, welches in einem Behälter eingekapselt ist, direkt ein elektrischer Strom angelegt wird, um den Wasserstoff, welcher von der Wasserstoffokklusianslegierung eingeschlossen ist, schnell zu entladen und in welcher die Wasserstoftokklusionslegierung selbst Wärme erzeugt. Dieses ist in der Schrift US 4490348 dargestellt. Bei dieser Technik gibt es, da die Wasserstoffokklusionslegierung selbst aufgrund des elektrischen Widerstands der Wasserstoffokklusionslegierung als ein Heizelement zur Erzeugung von Wärme fungiert, keinen Bedarf, ein separates Heizelement zur Verfügung zu stellen. Die Gesamtwärmekapazität des gesamten Systems ist die Wärmekapazität der Wasserstoffokklusiansiegierung. Ebenso ist es, da die Wasserstoffokklusionslegierung selbst Wärme erzeugt, theoretisch möglich, Wasserstoff im Vergleich mit dem Fall, wo die gesamte Wasserstoffokklusionslegierung mittels Wärmeleitung erwärmt wird, schneller zu entladen.

In dem Fall jedoch, wo ein Pulver einer Wasserstoffokklusionslegierung verwendet wird, ermüdet die Wasserstoffokklusionslegierung durch die wiederholte Absorption und Entladung von Wasserstoff und kann sogar feiner werden. Dieses führt zu einer Tendenz für die (Teile der) Wasserstoffokklusionslegierung, welche feiner wurde, sich über den Behälter zu verteilen und den Bodenbereich des Behälters mit einer hohen Dichte (Kompaktierung) zu besetzen. In einem solchen Fall entsteht ein Problem mit einer ungleichmäßigen Dichteverteilung des Pulvers in dem Behälter, was zu einer Lokalisation der elektrischen Stromwege führt. Das heißt im allgemeinen, daß die Wasserstoffokklusionslegierung, welche feiner geworden ist, im Bodenbereich des Behälters angeordnet ist. Dieses führt zu einer Abnahme beim Widerstand des Bodenbereichs des Behälters und bewirkt somit eine Lokalisation der elektrischen Stromwege in dem Bodenbereich des Behälters. In einem solchen Zustand sinkt, obwohl die Wasserstoffokklusionslegierung im Bodenbereich des Behälters selbst Wärme erzeugt, die Leitfähigkeit der Wasserstoffokklusionslegierung in anderen Bereichen, und diese wird somit hauptsächlich nur durch Wärmeleitung aus den wärmeerzeugenden Bereichen erwärmt. Aus diesem Grund dauert es länger, die gesamte Wasserstoffokklusionslegierung aufzuheizen. Somit entsteht, insbesondere wenn die Wasserstoffspeichervorrichtung unter kalten Bedingungen betrieben wird, ein Problem durch die Schwierigkeit, Wasserstoff schnell zu entladen.

Da die Wasserstoffokklusionslegierung, welche feiner geworden ist, im Bodenbereich des Behälters angeordnet ist, wird zur Zeit der Wasserstoffokklusion eine unerwartete Belastung, welche aus der Volumenexpansion der Wasserstoffokklusionslegierung resultiert, auf den Bodenbereich des Behälters angewendet. Dieses führt zu einem Problem der Beschädigung des Behälters wie beispielsweise zu Rissen.

Weiterhin wird, wenn die Wasserstoffokklusionslegierung Volumenänderungen entsprechend der Absorption von Wasserstoff durch die Wasserstoffokklusionslegierung oder die Entladung von Wasserstoff aus, der Was serstoffokklusionslegierung durchgemacht hat, eine Änderung bei dem Kontaktwiderstand auftreten. Dieses beeinflußt den elektrischen Widerstand zwischen den Elektrodenanschlüssen. Somit entsteht ein Problem durch die Schwierigkeit, die Temperatur der Wasserstoffokklusionslegierung durch die Zufuhr von elektrischem Strom zu steuern. Im Fall des Pulvers ist es, da die Wasserstoffokklusionslegierung keine konstante Farm aufweist, schwierig, konstant einen physikalischen Kontakt zwischen den Elektrodenanschlüssen und der Wasserstoffokklusionslegierung aufrecht zu erhalten.

Der Innenwiderstand der Wasserstoffspeichervorrichtung, nämlich der Innenwiderstand der Wasserstoftokklusionslegierung, ist konstant. Somit ist unter den Umständen, wo der Innenwiderstand einer Stromquelle sich verändert, die Menge der durch die Wasserstoftokklusionslegierung erzeugten Wärme nicht immer maximal. Daher ist es in einigen Fällen schwierig, die Wasserstoffokklusionslegierung innerhalb einer extrem kurzen Zeitperiode aufzuheizen, und es ist unmöglich, Wasserstoff schnell zu entladen.

Das Dokument DE 35 42 185 offenbar einen Wärmetauscher mit einer Wasserstoff-Okklusions-Legierung.

Die Erfindung soll dazu dienen, die oben erwähnten Probleme zu lösen. Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Lokalisation der Wasserstoffokklusionslegierung zu verhindern und eine schnelle Entladung des Wasserstoffs zu realisieren.

Diese Aufgabewird durch den Gegenstand von Anspruch 1 gelöst.

Um diese Aufgabe zu lösen wird gemäß einem Aspekt der Erfindung eine Wasserstoffspeichervorrichtung zur Verfügung gestellt, welche eine Mehrzahl von Formstücken, die aus einem Pulver einer Wasserstoffokklusionsiegierung gefertigt sind, und ein Temperatursteuersystem, welches die Temperaturen der Formstücke steuert, umfaßt. Die Formstücke werden in einem Behälterbereich der Wasserstoffspeichervorrichtung gehalten.

Der oben erwähnte Aspekt der Erfindung macht es möglich, eine Lokalisation der Wasserstoffokklusionslegierung zu verhindern, indem die Formstücke verwendet werden, und eine schnelle Entladung des Wasserstoffs zu realisieren, indem die Temperaturen der Formstücke gesteuert werden.

Unter einem anderen Aspekt der Erfindung wird ein Wasserstoffspeichersystem zur Verfügung gestellt, bei welchem eine Mehrzahl von Wasserstoffspeichervorrichtungen gemäß dem oben erwähnten Aspekt verbunden wird, welches eine Stromquelle zur Versorgung der Wasserstoffspeichervorrichtungen mit elektrischem Strom und eine Widerstandssteuereinrichtung umfaßt, um den Gesamtinnenwiderstand der Formstücke, welche in die Wasserstoffspeichervorrichtungen eingebaut sind, ungefähr dem Innenwiderstand der Stromquelle anzugleichen. Dieses ermöglicht es, die Wärmemenge, welche durch die Formstücke, die aus einer Wasserstoftokklusionslegierung gefertigt sind, erzeugt wird, zu maximieren, selbst wenn der Innenwiderstand der Stromquelle schwankt.

Die vorstehenden und weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen in Bezug auf die begleitenden Zeichnungen deutlich werden, worin:
1 eine Außenvorderansicht einer Wasserstoffspeichervorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung ist;
2 eine Außenseitenansicht der Wasserstoffspeichervorrichtung ist, die in 1 gezeigt ist;
3 eine Längsansicht der Innenstruktur einer inneren Struktur eines Behälters der Wasserstoffspeichervorrichtung ist, welche in 1 gezeigt ist, wenn sie längs geschnitten wird;
4 eine seitliche Ansicht der Innenstruktur einer inneren Struktur des Behälters der Wasserstoffspeichervorrichtung ist, die in 1 gezeigt ist, entlang einem Schnitt gesehen, der in Bezug auf den Schnitt aus 3 um 90 Grad versetzt ist;
5 eine seitliche Querschnittsansicht der Wasserstoffspeichervorrichtung ist, die entlang der Schnittlinie V-V in 3 geschnitten ist;
6 eine seitliche Querschnittsansicht der Wasserstoffspeichervorrichtung ist, die entlang der Schnittlinie VI-VI in 3 geschnitten ist;
7 eine perspektivische Ansicht einiger Formstücke und leitfähiger Puffermaterialien ist, die in der Wasserstoffspeichervorrichtung angeordnet sind, und eine Anordnung dieser in Bezug aufeinander zeigt;
8 ein Blockdiagramm einer zu der Wasserstoffspeichervorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform äquivalenten Schaltung ist, welche von einer Wasserstoffokklusionslegierung und einer Stromquelle gebildet wird;
9 ein Diagramm ist, welches die entsprechenden Relationen zwischen Temperaturen und der Zeit zeigt, wenn Formstücke der Wasserstoffokklusionslegierung mit elektrischem Strom versorgt und erwärmt werden, wenn Formstücke der Wasserstoffokklusionslegierung mittels einer Heizvorrichtung erwärmt werden, wenn ein Pulver der Wasserstoffokklusionslegierung mit elektrischem Strom versorgt und erwärmt wird, und wenn ein Pulver der Wasserstoffokklusionslegierung mittels einer Heizvorrichtung erwärmt wird;
10 ein Blockdiagramm eines Betriebszustands eines Widerstandssteuermechanismus in dem Fall, wo ein Wasserstoffspeichersystem einen geringen Widerstand aufweist, ist;
11 ein Blockdiagramm eines Betriebszustands des Widerstandssteuermechanismus in dem Fall, wo das Wasserstoffspeichersystem einen hohen Widerstand aufweist, ist;
12 ein Blockdiagramm eines Beispiels einer Struktur zum Verändern des Innenwiderstands einer einzelnen Wasserstoffspeichervorrichtung ist;
13 eine Innenstrukturansicht einer inneren Struktur einer Wasserstoffspeichervorrichtung gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung ist; und
14 eine Innenstrukturansicht einer inneren Struktur einer Wasserstoffspeichervorrichtung gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist.
BESCHREIBUNG VON BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Wasserstoffspeichervorrichtungen gemäß Ausführungsformen der Erfindung werden im folgenden mit Bezug auf die Zeichnungen beschrieben.
1 ist eine Außenvorderansicht einer Wasserstoffspeichervorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung. 2 ist eine Seitenansicht der Wasserstoffspeichervorrichtung, die in 1 gezeigt ist. 3 ist eine Längsansicht der inneren Struktur der Deckel 40, 41 und eines Körpers 21 der Wasserstoffspeichervorrichtung 20, die in 1 gezeigt ist, wenn diese längs geschnitten werden.
Die Wasserstoffspeichervorrichtung 20 ist mit dem Körper 21, porösen Formstücken 30 (s. 3) und den Deckeln 40, 41 ausgestattet. Der Körper 21 ist aus einem Metall gefertigt und weist einen Querschnitt eines rechteckigen Rohres auf. Die porösen Formstücke 30 sind aus einer Wasserstoffokklusionslegierung gefertigt und sind innerhalb des Körpers 21 angeordnet. Die Deckel 40, 41 sind aus einem rechteckigen metallischen Material gefertigt und dienen dazu, die entgegengesetzten Endbereiche des Körpers 21 abzuschließen. An den entgegengesetzten Endbereichen des Körpers 21 sind Flanschbereiche 22, 23 ausgebildet, und ein Wasserstoffeingang/-ausgang 24 ist in einem oberen zentralen Bereich des Körpers 21 ausgebildet. Isolationsdichtungsringe 50, 51 (z.B. ein nicht-poröses keramisches Material) sind zwischen den Deckeln 40, 41 und den Flanschbereichen 22, 23 des Körpers 21 angeordnet, um den Körper 21 elektrisch von den Deckeln 40, 41 zu isolieren und das Innere der Wasserstoffspeichervorrichtung 20 abzudichten. Die Isolationsdichtungsringe 50, 51 sind aus einem elektrisch isolierenden Material gefertigt und müssen gegenüber Wasserstoff ein Dichtungsvermögen aufweisen. Der Körper 21 ist mit den Deckeln 40, 41 durch eine Mehrzahl von Schrauben 52 und Muttern 53 verbunden. Die Schrauben werden durch Schraubenlöcher geführt, die in den Flanschberei chen 22, 23 und den Deckeln 40, 41 ausgebildet sind. Unterlegscheibenähnliche Isolatoren 54 sind zwischen den Schrauben 52 und den Deckeln 40, 41 und zwischen den Muttern 53 und den Flanschbereichen 22, 23 zwischengelagert, um zu verhindern, daß der Körper 21 und die Deckel 40, 41 durch die Schrauben 52 und die Muttern 53 elektrisch kurzgeschlossen werden.
Als nächstes wird die innere Struktur der Wasserstoffspeichervorrichtung 20 und die Struktur der Formstücke 30 im Detail mit Bezug auf die 3 bis 6 beschrieben. 4 ist eine Ansicht der inneren Struktur des Körpers 21 der Wasserstoffspeichervorrichtung 20 und der Deckel 40, 41, die in 1 gezeigt sind, wenn diese in einem Winkel von 90° zu dem Schnitt aus 3 geschnitten werden. 5 ist eine seitliche Querschnittsansicht der Wasserstoffspeichervorrichtung 20, wenn diese entlang der Schnittlinie V-V in 3 geschnitten wird. 6 ist eine seitliche Querschnittsansicht der Wasserstoffspeichervorrichtung 20, wenn diese entlang der Schnittlinie VI-VI, welche in 3 gezeigt ist, geschnitten wird.
Die Deckel 40, 41 sind entsprechend mit Elektrodenführungsbereichen 42, 43 ausgestattet, welche sich in den Körper 21 erstrecken. Die Elektrodenführungsbereiche 42, 43 nehmen entsprechend bewegliche Quetschelektroden (urging electrodes) 60, 61 auf, welche entsprechend einer Änderung beim Volumen (Dimension) der Formstücke 30 beweglich sind und die Formstücke 30 zusammenpressen, so daß die Formstücke 30 konstant in physikalischem Kontakt mit den Deckeln 40, 41 gehalten werden. Die beweglichen Quetschelektroden 60, 61 weisen entsprechend leitfähige elastische Körper 46 (Schraubenfedern) zwischen einem Paar von Elektrodenplatten 44a, 44b und zwischen einem Paar von Elektrodenplatten 45a, 45b auf. Die leitfähigen elastischen Körper 46 pressen die Elektroden 44a, 44b voneinander weg und die Elektroden 45a, 45b voneinander weg.
Aufgrund der Preßkräfte der leitfähigen elastischen Körper 46, werden die Elektrodenplatten 44a, 45a entsprechend gegen die Formstücke 30 gepreßt. Die Elektrodenplatten 44b, 45b werden entsprechend gegen die Deckel 40, 41 gepreßt. Als Folge sind die Deckel 40, 41, die Elektrodenplatten 44a, 44b, 45a und 45b und die Formstücke 30 konstant in physikalischem Kontakt miteinander. Es ist nicht zwingend, Schraubenfedern als die leitfähigen elastischen Körper 46 zu verwenden. Es ist beispielsweise nur erforderlich, daß die leitfähigen elastischen Körper 46 Leitfähigkeit und Elastizität aufweisen, und diese können andere Formen annehmen (z.B. eine Blattfeder, ein leitendes Plastikmaterial, ein leitfähiger Gummi und dergleichen). Die beweglichen Quetschelektroden 60, 61 sind mechanisch nicht auf die in den Figuren gezeigte Struktur beschränkt. Beispielsweise können die leitfähigen elastischen Körper an einem Ende mit den Elektrodenplatten und an dem anderen Ende direkt mit den Deckeln 40, 41 verbunden werden.
Ein adiabatisches Isolationsmaterial 25 ist über die gesamte Innenwand des Körpers 21, außer an dem Wasserstoffeingang/-ausgang 24, angeordnet. Das adiabatische Isolationsmaterial 25 ist aus einem Material gefertigt, welches sowohl ein elektrischer Isolator als auch ein thermischer Isolator ist. Es verhindert, daß Wärme, die während der Zeit der Wasserstoffokklusion erzeugt wird, auf die Außenseite der Wasserstoffspeichervorrichtung 20 übertragen wird, und verhindert, daß die Innenwand des Körpers 21 über die Elektrodenführungsbereiche 42, 43 und die leitfähigen Puffermaterialien 32 elektrisch leitend wird. Beispielsweise kann ein poröses keramisches Material als das adiabatische Isolationsmaterial 25 verwendet werden.
In dieser Ausführungsform wird eine Mehrzahl poröser Formstücke 30 in Längsrichtung in vorbestimmten Abständen in der Wasserstoffspeichervorrichtung 20 angeordnet. Die porösen Formstücke 30 werden erhalten, indem ein Knetkörper, der aus dem Pulver einer Wasserstoftokklusionslegierung und einem Bindematerial zusammengesetzt ist, in eine Form gegeben wird, so daß der Knetkörper im allgemeinen die Form einer Platte annimmt, und indem der Knetkörper (ohne daß Druck angewendet wird) geformt und getrocknet wird. Alternativ können die porösen Formstücke 30 ebenfalls erhalten werden, indem der Knetkörper nach dem Verpressen in einer Form getrocknet wird. Insbesondere wird eine Legierung vom Typ AB5 (Mm-Ni-Al-Co-Mn-Mn-Typ), vom Typ BCC (Ti-Cr-V-Typ) oder dergleichen als die Wasserstoffokklusionslegierung verwendet. Materialien wie z.B. SBR (Styrol-Butadien-Gummi) und SEBS (Styrol-Ethylen-Butylen-Styrol-Blockcopolymer) werden als das Bindematerial verwendet. Als ein Verfahren zur Herstellung der Formstücke 30 ist es ebenfalls möglich, ein Verfahren zu wählen, worin ein Pulver der Wasserstoffokklusionslegierung in einen Formkasten gepreßt wird und dann gesintert wird.
Die Formstücke 30 werden beispielsweise zu einem Quadrat mit Seiten von ungefähr 45 mm oder zu einem Rechteck mit einer langen Seite von ungefähr 45 mm und einer kurzen Seite von ungefähr 35 mm geformt. Die Formstücke 30 können jede Dicke annehmen, solange wie die Summe der Dicken kleiner ist als die Länge des Körpers 21. Beispielsweise sind die Formstücke 30 ungefähr 10 mm dick. Wie später beschrieben wird, werden unter Berücksichtigung der Einschubdicke der leitfähigen Puffermaterialien 32, der veränderlichen Dimensionen der beweglichen Quetschelektroden 60, 61 und der Dimensionsänderungen der beweglichen Quetschelektroden zur Zeit der Volumenausdehnung, die Dimensionen der Formstücke 30 auf eine solche Weise bestimmt, daß verhindert wird, daß eine Belastung, die größer ist als ein zulässiger Wert, auf die Formstücke 30 zur Zeit ihrer Volumenexpansion angewendet wird.
Auf diese Weise macht es die Verwendung einer Wasserstoffokklusionslegierung in Form von Formstücken möglich, eine Verdichtung, Lokalisation der Stromwege und eine Beschädigung des Behälters zu verhindern, was in dem Fall Probleme bereitet, wo eine Wasserstoffokklusionslegierung lediglich in Form eines Pulvers vorliegt. Ebenso kann die Temperatur der Wasserstoffokklusionslegierung sehr leicht durch ein Zuführen von elektrischem Strom eingestellt werden. Zusätzlich ist es, da die Diffusionswege des Wasserstoffs durch die Verwendung von Formstücken 30, welche porös sind, geeignet sichergestellt werden, möglich, im wesentlichen dieselbe Wasserstoffokklusionseffizienz sicherzustellen wie in dem Fall eines Pulvers.
Die leitfähigen Puffermaterialien 32 werden zwischen benachbarte Formstücke 30 und zwischen die Formstücke 30 und das adiabatische Isolationsmaterial 25 eingefügt. Beispielsweise sind die leitfähigen Isolationsmaterialien 32 jeweils ein Filz aus einer Metallfaser mit einer Dicke von ungefähr 5 mm. In Anbetracht der Erhaltung der Formstücke 30 und der Dimensionsänderungen der Formstücke 30 zur Zeit einer Volumenänderung (Expansion), werden die leitfähigen Puffermaterialien 32 zwischen benach harte Formstücke 30 und zwischen die Formstücke 30 und das adiabatische Isolationsmaterial 25 eingefügt, wobei diese in einem solchen Ausmaß komprimiert sind, daß die Formstücke 30 und das adiabatische Isolationsmaterial 25 daran gehindert werden (gehemmt werden), miteinander in direkten Kontakt zu treten; zum Beispiel werden diese von 5 mm bis zu einer Dicke von ungefähr 3 mm komprimiert. Durch ein Komprimieren der leitfähigen Puffermaterialien 32 in dieser Weise, erzeugen die leitfähigen Puffermaterialien 32 eine elastische Kraft, um die Formstücke 30, welche in dem Körper 21 gehalten werden, geeignet zusammenzupressen. Ebenso wird verhindert, daß wenigstens entweder der direkte Kontakt zwischen den benachbarten Formstücken 30 oder der direkte Kontakt zwischen den Formstücken 30 und dem adiabatischen Isolationsmaterial 25 durch Volumenexpansion oder dergleichen der Formstücke 30 verursacht wird. Weiterhin werden alle Stöße auf die Formstücke 30 abgepuffert, wodurch die Formstücke 30 vor einer Schädigung geschützt werden.
Die leitfähigen Puffermaterialien 32 werden im Detail mit Bezug auf die 3 bis 6 und die 7 beschrieben. 7 ist eine perspektivische Ansicht einiger Formstücke und leitfähiger Puffermaterialien, die in der Wasserstoffspeichervorrichtung angeordnet sind, und zeigt eine Beziehung der Anordnung zwischen diesen. Wie man in den 3 bis 7 sehen kann, umfassen die leitfähigen Puffermaterialien ein erstes leitfähiges Puffermaterial 32a (ein erstes Puffermaterial) (siehe 3, 5 und 7) und ein zweites leitfähiges Puffermaterial 32b (ein zweites Puffermaterial) (siehe 4, 6 und 7). In einer Lagebeziehung, welche in den 5 bis 7 gezeigt wird, ist das erste leitfähige Puffermaterial 32a in einer ersten Position angeordnet. Das heißt, das erste leitfähige Puffermaterial 32a ist zwischen dem adiabatischen Isolationsmaterial 25, welches auf den inneren oberen und unteren Oberflächen des Körpers 21 und den oberen und unteren Endflächen der Formstücke 30 angeordnet ist, eingefügt. In ähnlicher Weise ist das zweite Puffermaterial 32b an einer zweiten Position angeordnet. Das heißt, das zweite Puffermaterial 32b ist zwischen dem adiabatischen Isolationsmaterial 25, welches auf den inneren seitlichen Oberflächen des Körpers 21 und auf den Oberflächen am linken und rechten Ende des Formstückes 30 angeordnet ist, eingefügt.
Wenn das Formstück 30 Dimensionsänderungen in vertikaler Richtung entsprechend seiner Volumenänderung durchmacht, verhindert das erste leitfähige Puffermaterial 32a aufgrund dieser Anordnung, daß das adiabatische Isolationsmaterial 25, welches auf den inneren oberen und unteren Oberflächen des Körpers angeordnet ist, direkt mit den Oberflächen an dem oberen und unteren Ende des Formstückes 30 in Kontakt kommt, es dämpft jeglichen Stoß auf das Formstück 30 und es verhindert, daß das Formstück 30 beschädigt wird. Wenn das Formstück 30 sich entsprechend seiner Volumenänderung in einer Richtung nach links oder rechts verändert, verhindert das zweite leitfähige Puffermaterial 32b, daß das adiabatische Isolationsmaterial 25, welches auf den inneren Seitenoberflächen des Körpers 21 angeordnet ist, in direkten Kontakt mit den Oberflächen am linken und rechten Ende des Formstückes 30 kommt, es dämpft jeglichen Stoß auf das Formstück 30 und es verhindert, daß das Formstück 30 beschädigt wird. In jedem Fall basiert deren Lagebeziehung auf der, die in den 5 und 6 gezeigt ist.
Die leitfähigen Isolationsmaterialien 32 müssen eine Leitfähigkeit aufweisen, um zu erlauben, daß die Formstücke 30 mit elektrischem Strom versorgt werden können, müssen den Fluß von Wasserstoff (Permeation von Wasserstoff} erlauben, müssen eine Wärmebeständigkeit bei einer Temperatur von ungefähr 150°C zur Zeit der Okklusions- und Entladungsreaktionen des Wasserstoffs aufweisen, müssen eine Elastizität aufweisen und dergleichen. Beispielsweise können als ein leitfähiges Puffermaterial, das diese Anforderungen erfüllt, Fasern aus rostfreiem Stahl oder Schaumnickel verwendet werden. Als rostfreie Stahlfasern können beispielweise Nathron- bzw. Naslon-Netz, Nathron- bzw. Naslon-Filz, Nathron- bzw. Naslon-Gewebe, Nathron- bzw. Naslon-Filter (Markenbezeichnungen) von der Nihon Seisen Corporation verwendet werden. Als Schaumnickel kann beispielsweise Cellmet (eine Markenbezeichnung) von der Sumitomo Electrical Engineering Corporation verwendet werden.
Als nächstes wird beschrieben, wie die Wasserstoffspeichervorrichtung 20 arbeitet, wenn die Formstücke 30 Wasserstoff absorbieren und entladen. Zuerst wird, zur Zeit der Wasserstoffokklusion, Wasserstoffgas durch den Wasserstoffeingang/-ausgang 24 eingeführt, und die Wasserstoffatome des eingeführten Wasserstoffgases werden in den Formstücken 30 adsorbiert.
Diese Ausführungsform weist eine Konstruktion auf, in welcher eine Mehrzahl an porösen Formstücken 30 über die leitfähigen Puffermaterialien 32, welche für Wasserstoff durchlässig sind, angeordnet ist. Somit ist es möglich, hinreichende Diffusionswege für das eingeführte Wasserstoffgas sicherzustellen und die gesamte Kontaktfläche zwischen dem Wasserstoffgas und den Formstücken 30 zu erhöhen. Als Ergebnis kann eine Adsorption (Okklusion) von Wasserstoffatomen durch die Wasserstoffokklusionslegierung, nämlich die Formstücke 30, wirkungsvoll durchgeführt werden.
Die Formstücke 30, welche aus einer Wasserstoffokklusionslegierung gefertigt sind, erhöhen ihr Volumen entsprechend der Adsorption von Wasserstoffatomen. Eine Dimensionszunahme der Formstücke 30 in der Richtung der Dicke (in der Richtung der Längsachse der Wasserstoffspeichervorrichtung 20), welche aus der Volumenzunahme resultiert, wird durch eine Kontraktion der beweglichen Quetschelektroden 60, 61 und der leitfähigen Puffermaterialien 32, die zwischen benachbarten Formstücken 30 eingefügt sind, aufgefangen. Anders ausgedrückt wird eine Dimensionszunahme der Formstücke 30 in der Richtung der Dicke durch eine Kontraktion der leitfähigen Puffermaterialien 32 und der beweglichen Quetschelektroden 60, 61 aufgefangen. Somit ist es möglich, zu verhindern, daß die Formstücke 30 miteinander in Kontakt kommen, während jene, die an den entgegengesetzten Enden einer Reihen von Formstücken angeordnet sind, in physikalischem Kontakt mit den beweglichen Quetschelektroden 60, 61 gehalten werden, die Belastung, welche auf die Formstücke 30 wirkt, abzuschwächen und zu verhindern, daß die Formstücke 30 beschädigt werden. Eine Dimensionsänderung der Formstücke 30 in Querrichtung (in Richtung der kurzen Achse der Wasserstoffspeichervorrichtung 20), welche aus einer Volumenzunahme resultiert, wird durch die leitfähigen Puffermaterialien 32 aufgefangen, die zwischen die Formstücke 30 und das adiabatische Isolationsmaterial 25 eingefügt sind. Somit wird wenigstens entweder der direkte Kontakt der benachbarten Formstücke 30 oder der direkte Kontakt zwischen den Formstücken 30 und dem adiabatischen Isolationsmaterial 25 verhindert. Weiterhin wird jeglicher Stoß auf die Formstücke 30 abgepuffert, wodurch es möglich wird, zu verhindern, daß die Formstücke 30 beschädigt werden.
Um Wasserstoff aus der Wasserstoffspeichervorrichtung 20 zu entnehmen, werden bei dieser Ausführungsform die Formstücke 30, welche aus einer Wasserstoffokklusionslegierung gefertigt sind, direkt mit elektrischem Strom versorgt und dazu gebracht, Wärme zu erzeugen, wie anhand einer äquivalenten Schaltung dargestellt wird, die in 8 gezeigt ist. Das heißt, zur gewünschten Zeit der Wasserstoffentladung wird eine vorbestimmte Spannung aus einer externen Stromquelle 80 an die Deckel 40, 41 angelegt. Als Folge werden die Formstücke 30 durch die Deckel 40, 41 und die beweglichen Quetschelektroden 60, 61 (die Elektrodenplatten 44a, 44b, 45a und 45b) mit elektrischem Strom versorgt. Wenn diese mit elektrischem Strom versorgt werden, erzeugen die Formstücke als Heizelemente aufgrund ihres Innenwiderstands Wärme. Diese Wärmeerzeugung entlädt die Wasserstoffatome, die in den Formstücken 30 adsorbiert sind. Die entladenen Wasserstoffatome (Wasserstoffgas) fließen aus dem Wasserstoffeingang/-ausgang 24 zu einem externen Kreislauf. Die Formstücke 30, welche aus der Wasserstoffokklusionslegierung gefertigt sind, ziehen sich als Reaktion auf die Entladung der Wasserstoffatome zu ihrem ursprünglichen Volumen zusammen. Da in dieser Ausführungsform als Elektroden die beweglichen Quetschelektroden 60, 61 zum Zusammenpressen der Formstücke 30 eingesetzt werden, folgen dabei die Elektrodenplatten 44a, 45a, welche durch die Schraubenfedern 46 zusammengepreßt werden, einer Positionsänderung, die aus der Verringerung des Volumens der Formstücke 30 resultiert, und bewegen sich, während sie einen physikalischen Kontakt mit den Formstücken 30 an den Enden beibehalten. Eine Dimensionsänderung der Formstücke 30 in der seitlichen Richtung der Wasserstoffspeichervorrichtung 20 wird durch eine elastische Deformation der leitfähigen Puffermaterialien 32 ausgeglichen. Die Formstücke 30 werden so in der Wasserstoffspeichervorrichtung 20 gehalten.
Durch Verwendung einer Wasserstoftokklusionslegierung in Form von Formstücken verhindert diese Ausführungsform eine Verdichtung (ein Phänomen, bei welchem feines Pulver mit hoher Dichte gespeichert wird), welches in dem Fall ein Problem darstellt, wo eine Wasserstoftokklusionslegierung in Form eines Pulvers verwendet wird. Somit werden zur Zeit der direkten Versorgung mit elektrischem Strom innerhalb der Formstücke 30 die elektrischen Stromwege gleichmäßig verteilt. Dieses ermöglicht es, effizient Wärme zu erzeugen und die Formstücke 30 schnell aufzuwärmen. Da die Formstücke 30 weiterhin eine konstante Form aufweisen, kann ein physikalischer Kontakt zwischen den Formstücken 30 und den beweglichen Quetschelektroden 60, 61 durch Einsatz der leitfähigen Puffermaterialien 32 und der beweglichen Quetschelektroden 60, 61 konstant aufrechterhalten werden.
Ein vergleichendes Beispiel, was die Erhitzungsdauer der Wasserstoftokklusionslegierung in einem Idealzustand betrifft, wird in Bezug auf 9 beschrieben. 9 ist eine graphische Darstellung, welche entsprechend die Beziehungen zwischen den Temperaturen und der Zeit, in dem Fall A, wo Formstücke der Wasserstoffokklusionslegierung mit elektrischem Strom versorgt und erwärmt werden (direkte Erwärmung), in dem Fall B, wo Formstücke der Wasserstoffokklusionslegierung mittels einer Heizvorrichtung erwärmt werden (indirektes Erwärmen), und in dem Fall C, wo ein Pulver der Wasserstoffokklusionslegierung mittels einer Heizvorrichtung erwärmt wird (indirektes Erwärmen), zeigt.
In diesem vergleichenden Beispiel werden Temperaturänderungen miteinander verglichen, wenn die Wasserstoffokklusionslegierung für 0 bis 10 Sekunden mit elektrischem Strom versorgt wird und in diesem Zustand für 10 bis 20 Sekunden belassen wird. Wie man aus 9 sehen kann, erreichen in dem Fall (A), wo die Formstücke der Wasserstoftokklusionslegierung mit elektrischem Strom versorgt und erwärmt werden, diese schnell eine hohe Temperatur. Daher wird eine schnelle Entladung des Wasserstoffs aus der Wasserstoffokklusionslegierung erwartet. Im Gegensatz dazu steigt in den Fällen (B, C), wo die Wasserstoffokklusionslegierung mittels einer Heizvorrichtung erhitzt wird, die Temperatur langsam und erreicht nur eine niedrige Temperatur. Somit ist es unmöglich, eine schnelle Entladung des Wasserstoffs oder eine hinreichende Entladungsmenge an Wasserstoff zu realisieren.
Auf diese Weise wird es durch ein Formen der Wasserstoffokklusionslegierung aus einem Pulver zu Formstücken 30 oder durch ein Versorgen der Formstücke 30 mit elektrischem Strom, um zu bewirken, daß diese Wärme erzeugen, möglich, eine extrem schnelle Entladung einer großen Menge an Wasserstoff zu realisieren. Dieser Vorteil ist beispielsweise in dem Fall wichtig, wo die Wasserstoffspeichervorrichtung 20 in einem Fahrzeug installiert wird. Der Grund hierfür ist, daß in der Praxis nur eine kurze Zeitperiode erlaubt ist, um das Fahrzeug zu starten, und die Wasserstoffspeichervorrichtung, die in einem Fahrzeug installiert ist, muß besonders schnell aktiviert werden können. Der oben erwähnte Vorteil ist ebenfalls in einem Wasserstoffnutzungssystem wertvoll, welches mit Unterbrechungen betrieben wird, wie beispielsweise einem System, das Wasserstoff mittels eines Reformers oder einer Brennstoffzelle, die Elektrizität erzeugt, wobei Wasserstoff als Brennstoff verwendet wird, erhält.
Als nächstes wird eine zweite Ausführungsform der Erfindung beschrieben.
Die zweite Ausführungsform weist das Merkmal auf, daß eine Mehrzahl von Wasserstoffspeichervorrichtungen 20, wie sie in der ersten Ausführungsform beschrieben sind, verbunden wird, und das Verbindungsmuster der Wasserstoffspeichervorrichtungen 20 über einen Widerstandssteuermechanismus 82 geschaltet wird, wodurch der Innenwiderstand der Wasserstoffokklusionslegierung in der Wasserstoffspeichervorrichtung 20 mit dem Innenwiderstand der Stromquelle 80 in Übereinstimmung gebracht wird. Im allgemeinen muß, um die Wasserstoffokklusionslegierung (die Formstücke 30) in den Wasserstoffspeichervorrichtungen 20 innerhalb der kürzest möglichen Zeitperiode zu erwärmen, eine maximale elektrische Leistung aus der Stromquelle 80 zu der Wasserstoffokklusionslegierung zugeführt werden. Der Wärmeerzeugungsausstoß P der Wasserstoffokklusionslegierung in der äquivalenten Schaltung der ersten Ausführungsform, welche in 8 gezeigt ist, ist durch die folgende Gleichung (1) definiert. P = IV = I2R = V2R/(r+R)2 ... (1)V ist die elektrische Spannung, die von der Stromquelle 80 geliefert wird,
I ist der elektrische Strom, welcher durch den elektrischen Kreislauf fließt,
R ist der Widerstand der Wasserstoffokklusionslegierung,
r ist der Innenwiderstand der Stromquelle.
Ein Zustand, bei welchem P seinen maximalen Wert annimmt, in dem Fall, wo R als Variable von P betrachtet wird, nämlich ein maximaler Wert der Gleichung (1) wird erhalten, wenn die Beziehung dP/dR = (R–r)V²/(r+R)³ = 0 erfüllt ist. Wenn somit der Widerstand R der Wasserstoffokklusionslegierung mit dem Innenwiderstand r der Stromquelle übereinstimmt (R = r), wird durch die Wasserstoffokklusionslegierung eine maximale Wärmemenge erzeugt. Somit wird in dem Fall, wo die Wasserstoffspeichervorrichtungen 20 immer mit einem konstanten elektrischen Strom versorgt werden können, der Widerstand der Wasserstoffokklusionslegierung in den Wasserstoffspeichervorrichtungen 20 vorab mit dem Innenwiderstand der Stromquelle 80 in Übereinstimmung gebracht, wodurch die Wasserstoffokklusionslegierung immer eine maximale Wärmemenge erzeugen kann.
Wie in den 10 und 11 gezeigt ist, setzt die zweite Ausführungsform ein Wasserstoffspeichersystem ein, das aus einer Mehrzahl von Wasserstoffspeichervorrichtungen 20 zusammengesetzt ist. Das Verbindungsmuster zwischen den Wasserstoffspeichervorrichtungen 20 wird durch den Widerstandssteuermechanismus 82 geschaltet, wodurch der Widerstand R der Wasserstoffokklusionslegierung in dem Wasserstoffspeichersystem mit dem Innenwiderstand r einer Sekundärbatterie, welche als die Stromquelle 80 fungiert, in Übereinstimmung gebracht wird. 10 zeigt ein Verbindungsmuster zwischen den Wasserstoffspeichervorrichtungen 20 in dem Fall, wo das Wasserstoffspeichersystem einen niedrigen Widerstand aufweist. 11 zeigt ein Verbindungsmuster zwischen den Wasserstoffspeichervorrichtungen 20 in dem Fall, wo das Wasserstoffspeichersystem einen hohen Widerstand aufweist.
In den 10 und 11 werden Formstücke verwendet, die aus einer Wasserstoffokklusionslegierung mit einer Querschnittsfläche S, einer Länge L und einem spezifischen Widerstand ρ gefertigt sind. Der Widerstand R₁ des Wasserstoffspeichersystems gemäß dem Verbindungsmuster, das in 10 gezeigt ist, wird durch die folgende Gleichung (2) ausgedrückt. R1 = (L/2S)ρ ... (2)
Andererseits wird der Widerstand R2 des Wasserstoffspeichersystems gemäß dem Verbindungsmuster, das in 11 gezeigt ist, durch die folgende Gleichung (3) ausgedrückt. R2 = (2L/S)ρ ... (3)
Man muß hierbei beachten, daß die Beziehung R₂ = 4R₁ erfüllt ist. Somit wird in dem Fall, wo die Stromquelle 80 einen hohen Innenwiderstand r aufweist, das Verbindungsmuster beispielsweise mittels des Widerstandssteuermechanismus 82 zu dem in 11 gezeigten umgeschaltet. Dadurch wird es möglich, den Innenwiderstand des Wasserstoftspeichersystems gleich oder ähnlich zu dem Innenwiderstand r der Stromquelle 80 zu machen. Als Folge wird eine im wesentlichen maximale elektrische Leistung aus der Stromquelle 80 zu der Wasserstoftokklusionslegierung geleitet, wodurch die Wasserstoffokklusionslegierung schnell Wärme erzeugen kann.
Im allgemeinen wird in dem Fahrzeug eine Sekundärbatterie als die Stromquelle 80 verwendet. Die Sekundärbatterie weist im allgemeinen einen Innenwiderstand auf, der von Änderungen bei der Temperatur abhängig ist. Daher gibt es, selbst wenn der Widerstand R der Wasserstoffokklusionslegierung mit einem Innenwiderstand r der Sekundärbatterie unter bestimmten Temperaturbedingungen in Übereinstimmung gebracht wird, viele Fälle, wo der Innenwiderstand r nicht mit dem Widerstand R übereinstimmt, wenn die Sekundärbatterie verwendet wird. Jedoch kann die Konstruktion dieser Ausführungsform bewirken, daß die Wasserstoffokklusionslegierung unabhängig von den Änderungen bei dem Innenwiderstand der Sekundärbatterie, selbst in dem Fall, wo die Wasserstoffspeichervorrichtungen 20 in einem Fahrzeug installiert sind, schnell Wärme erzeugt. Somit ist es möglich, Wasserstoff schnell zuzuführen (zu entladen).
In einem Wasserstoffspeichersystem, in welchem eine Mehrzahl von Wasserstoffspeichervorrichtungen 20 durch den Widerstandssteuermechanismus 82 verbunden ist, stellt die zweite Ausführungsform eine Konstruktion zur Verfügung, welche den Gesamtinnenwiderstand der Wasserstoffspeichervorrichtungen 20 gleich oder ähnlich zu dem Innenwiderstand r der Stromquelle 80 macht. Andererseits kann, wie in 12 gezeigt ist, der Innenwiderstand einer einzelnen Wasserstoffspeichervorrichtung 20 verändert werden, indem die Anzahl der Formstücke 30, welche zwischen den beweglichen Quetschelektroden 60, 61 und 62 in der Wasserstoffspeichervorrichtung 20 angeordnet werden, mittels eines variablen Innenwiderstandsmechanismus 84 eingestellt wird. Beispielsweise werden bewegliche Quetschelektrodenplatten 62 zwischen den Formstücken in vorbestimmten Abständen angeordnet, und der variable Innenwiderstandsmechanismus 84 schaltet die Elektrodenplatte, die mit der Stromquelle 80 verbunden werden soll, um. Auf diese Weise kann der Innenwiderstand der Wasserstoffspeichervorrichtung 20 verändert werden.
Als nächstes wird eine Wasserstoffspeichervorrichtung 100 gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung in Bezug auf 13 beschrieben. Die Wasserstoffspeichervorrichtung 100 der dritten Ausführungsform ist von der Wasserstoffspeichervorrichtung 20 der ersten Ausführungsform darin verschieden, daß ein integriertes poröses Formstück 110 anstelle einer Mehrzahl von porösen Formstücken 30 eingesetzt wird. In der dritten Ausführungsform werden, da die Bestandteile außer dem Formstück 110 und einem Puffermaterial 120 strukturell mit denen der ersten Ausführungsform identisch sind, diese durch dieselben Bezugsziffern bezeichnet und werden nicht beschrieben. Die Wasserstoffspeichervorrichtung 100 weist das integrierte Formstück 110, welches aus einer Wasserstoffokklusionslegierung gefertigt ist, zwischen den beweglichen Quetschelektroden 60, 61 auf. Dieses Formstück 110 wird erhalten, indem ein Knetkörper, der aus einem Pulver einer Wasserstoftokklusionslegierung und einem Bindematerial zusammengesetzt ist, zu einer vorbestimmten Form, wie beispielsweise einer Säule mit einem rechtwinkligen Querschnitt geformt wird, und der Knetkörper wie bei der ersten Ausführungsform beschrieben getrocknet wird. Das Formstück 110 wird durch die beweglichen Quetschelektroden 60, 61 zusammengepreßt. Das heißt, das Formstück 110 befindet sich konstant in physikalischem Kontakt mit den beweglichen Quetschelektroden 60, 61. Eine Dimensionszunahme des Formstückes 110 in der Richtung der Längsachse wird durch eine Kontraktion der beweglichen Quetschelektroden 60, 61 aufgefangen.
Puffermaterialien 120 werden zwischen den Oberflächen des Formstückes 110, die dem Inneren des Körpers 21 gegenüberliegen, und dem adiabatischen Isolationsmaterial 25, welches auf den entsprechenden Oberflächen im Inneren des Körpers 21 angeordnet ist, eingefügt. Die Puffermaterialien 120 werden zwischen dem Formstück 110 und dem adiabatischen Isolationsmaterial 25 eingefügt, wobei sie in einem solchen Ausmaß komprimiert werden, daß das Formstück 110 keiner Belastung ausgesetzt wird, die größer ist als ein erlaubter Wert, selbst wenn die Puffermaterialien 120 Dimensionsänderungen in vertikalen Richtungen und in Richtungen nach links und rechts entsprechend einer Volumenexpansion des Formstückes 110 zur Zeit der Wasserstoffokklusion durchmachen (die Richtungen links und rechts sind senkrecht zu dem Blatt von 13 und die vertikalen Richtungen sind parallel zu dem Blatt von 13). Genauer gesagt weist jedes der Puffermaterialien 120 ein erstes Puffermaterial 120a, das zwischen den oberen und unteren Oberflächen des Formstückes 110 und dem entsprechenden adiabatischen Isolationsmaterial 25 angeordnet ist, und ein zweites Puffermaterial 120b, das zwischen den linken und rechten Oberflächen des Formstückes 110 und dem entsprechenden adiabatischen Isolationsmaterial 25 angeordnet ist, auf. Anders als bei der ersten Ausführungsform sind die Puffermaterialien 120 nicht in der Richtung angeordnet, in welcher das Formstück 110 mit elektrischem Strom versorgt wird. Daher müssen die Puffermaterialien 120 keine Leitfähigkeit aufweisen. Da die Puffermaterialien 120 so angeordnet sind, daß sie Diffusionswege für den Wasserstoff offenhalten, müssen sie keine Durchlässigkeit für Wasserstoff aufweisen. Jedoch ist es bevorzugt, daß die Puffermaterialien 120 eine Durchlässigkeit für Wasserstoff aufweisen. Diese Ausführungsform setzt leitfähige Puffermaterialien 32, welche beispielhaft in der ersten Ausführungsform dargestellt wurden, als die Puffermaterialien 120 ein.
In der Wasserstoffspeichervorrichtung 100 gemäß der dritten Ausführungsform wird eine Dimensionsänderung des Formstückes 110 in Richtung der Längsachse, welche aus dessen Volumenexpansion zur Zeit der Wasserstoffokklusion resultiert, durch die beweglichen Quetschelektroden 60, 61 aufgefangen, und eine Dimensionsänderung des Formstückes 110 in der seitlichen Richtung wird durch die ersten und zweiten leitfähigen Puffermaterialien 120a, 120b aufgefangen. Dieses verhindert, daß das Formstück 110 in einen direkten Kontakt mit dem adiabatischen Isolationsmaterial 25 kommt, puffert jegliche Stöße auf das Formstück 110 ab und verhindert, daß das Formstück 110 beschädigt wird. Im Gegensatz dazu wird eine Dimensionsänderung des Formstückes 110 in Richtung der Längsachse, welche aus dessen Volumenreduktion zur Zeit der Entladung von Wasserstoff resultiert, durch die beweglichen Quetschelektroden 60, 61 ausgeglichen, welche das Formstück 110 zusammenpressen und verlängern.
Somit ist es möglich, einen physikalischen Kontakt zwischen den entgegengesetzten Enden des Formstückes 110 und den beweglichen Quetschelektroden 60, 61 aufrecht zu erhalten. Eine Dimensionsänderung des Formstückes 110 in der seitlichen Richtung wird durch eine elastische Deformation der ersten und zweiten leitfähigen Puffermaterialien 120a, 120b ausgeglichen. Das Formstück 110 wird so in der Wasserstoffspeichervorrichtung 100 gehalten, so daß es nicht mit dem adiabatischen Isolationsmaterial 25 in Kontakt kommt. Auf diese Weise kann diese Ausführungsform ebenfalls Vorteile bieten, indem sie eine Wasserstoftokklusionslegierung in Form eines Formstückes verwendet.
Obwohl Wasserstoffspeichervorrichtungen gemäß den Ausführungsformen der Erfindung beschrieben wurden, sollte bedacht werden, daß die oben erwähnten Ausführungsformen zu einem leichteren Verständnis der Erfindung dienen sollen und die Erfindung nicht beschränken sollen. Es versteht sich von selbst, daß die Erfindung Veränderungen oder Modifikationen unterzogen werden kann, solange diese nicht von deren Sinn oder Umfang abweichen, und daß die Erfindung äquivalente Konstruktionen einschließen kann.
Obwohl beispielsweise die porösen Formstücke 30 in der ersten Ausführungsform in der Form einer rechtwinkligen Platte verwendet werden, ist es ebenfalls möglich, Formstücke in der Form einer Scheibe oder eines Polygons gemäß anderen Gestaltungen zu verwenden.
In der ersten Ausführungsform sind die ersten leitfähigen Puffermaterialien 32a und die zweiten leitfähigen Puffermaterialien 32b, welche zu den ersten leitfähigen Puffermaterialien 32a einen Winkel von 90° aufweisen, abwechselnd angeordnet. Jedoch kann wenigstens eins der leitfähigen Puffermaterialien anders zu den anderen leitfähigen Puffermaterialien orientiert werden. In dem Fall, wo die Formstücke in der Form einer Scheibe vorliegen, können die leitfähigen Puffermaterialien in einem vorbestimmten Winkel zuneinander versetzt werden. Auch in diesen Fällen werden jegliche Stöße auf die Formstücke 30 und das adiabatische Isolationsmaterial 25 in den entsprechenden Richtungen, die aus einer Volumenänderung (Expansion) der Formstücke 30 resultieren, abgepuffert, und die Formstücke 30 können vor einer Beschädigung geschützt werden.
Weiterhin werden in der ersten Ausführungsform die beweglichen Quetschelektroden 60, 61 so angeordnet, daß sie die Anordnungsrichtung der Formstücke 30 schneiden. Anders ausgedrückt, werden die Formstücke 30 so angeordnet, daß sie elektrisch in Reihe verbunden sind. Wie jedoch in 14 gezeigt ist, können die beweglichen Quetschelektroden 160, 161 entlang der Anordnungsrichtung der Formstücke 30 angeordnet werden. Anders ausgedrückt, können die Formstücke 30 so angeordnet werden, daß sie elektrisch parallel verbunden sind. In diesem Fall müssen die Formstücke 30 elektrisch voneinander isoliert werden. Daher werden isolierende Puffermaterialien 132 als Puffermaterial verwendet. Die radiale Richtung der Formstücke 30 wird so festgelegt, daß ein elektrischer Widerstand realisiert wird, der benötigt wird, um die Formstücke 30 mit elektrischem Strom zu versorgen und diese zu erwärmen.
Im Fall einer solchen Konstruktion ist es, selbst wenn eines oder mehrere der Formstücke 30, die angeordnet wurden, beschädigt wurde, möglich, die Funktion einer Wasserstoffspeichervorrichtung 20 aufrecht zu erhalten.
Die Form der leitfähigen Puffermaterialien 32 der ersten Ausführungsform ist nur ein Beispiel. Wie beispielsweise in 14 gezeigt ist, kann jedes der Puffermaterialien 132 sandwichartig zwischen zwei Formstücken 30 angeordnet werden, und die entgegengesetzten Endbereiche von jedem der Puffermaterialien 132 können sich bis zwischen die Endbereiche der zwei Formstücke 30 erstrecken. Das heißt, jeder Endbereich der Formstücke 30 kann T-förmig sein. In diesem Fall kann ein leitfähiges Puffermaterial 32 das benachbarte Formstück 30 wirksam davor schützen, daß es durch den Kontakt mit der inneren Oberfläche des Körpers 21 (dem adiabatischen Isolationsmaterial 25) beschädigt wird.
Obwohl das Formstück 110 in der dritten Ausführungsform in Form eines quadratischen Zylinders verwendet wird, ist es ebenfalls möglich, ein Formstück in der Form eines kreisförmigen Zylinders oder eines polygonalen Zylinders zu verwenden.
Wie in den oben erwähnten Ausführungsformen beschrieben wurde, ist die Wasserstoffspeichervorrichtung der Erfindung, da diese Wasserstoff schnell entladen kann, als eine Wasserstoffquelle bei einem Kaltstartbetrieb, zum Beispiel für ein Wasserstoffnutzungssystem, das Brennstoffzellen benutzt, oder ein Wasserstoffnutzungssystem, welches einen Methanolreformer einsetzt, nützlich. Wenn darüber hinaus die Wasserstoffspeichervorrichtung der Erfindung in Kombination mit einer großen Wasserstoffspeichervorrichtung verwendet wird, wird während des Betriebs im Gleichgewicht die maximale Wasserstoff-Flußmenge des Gesamtsystems erhöht. Als Folge wird es möglich, die maximale Ausgabe einer Brennstoffzelle oder dergleichen, zu welcher Wasserstoff zugeführt wird, zu erhöhen.
Zusätzlich ist es ebenfalls nützlich, das Kapazitätsverhältnis zwischen einer kleinen Wasserstoffspeichervorrichtung und einer großen Wasserstoffspeichervorrichtung einzustellen, wenn dieses erforderlich ist. Weiterhin ist es ebenfalls möglich, eine Konstruktion zur Verfügung zu stellen, worin die gesamte Wasserstoffspeichervorrichtung in eine Mehrzahl kleiner Kammern unterteilt ist, welche mit elektrischem Strom versorgt werden können.

Claims

Eine Wasserstoffspeichervorrichtung (20), welche eine Wasserstoffokklusionslegierung einsetzt, dadurch gekennzeichnet, daß diese umfaßt: einen Behälter; ein Formstück (30), das durch ein Formen eines Pulvers aus der Wasserstoffokklusionslegierung erhalten wurde und welches innerhalb des Behälters gehalten wird; eine Temperatursteuereinrichtung zum Steuern der Temperatur des bei Zuführung von elektrischem Strom als Heizelement arbeitenden Formstückes (30); und Puffermittel zum Verhindern eines Kontaktes zwischen dem Formstück und einer inneren Oberfläche des Behälters, welcher aus einer Volumenänderung des Formstücks (30) resultiert.
Wasserstoffspeichervorrichtung gemäß Anspruch 1, worin: die Temperatursteuereinrichtung ein Elektrodenmittel (42, 43, 60, 61) umfaßt, um das Formstück (30) mit elektrischem Strom zu versorgen.
Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Puffermittel (32) das Formstück (30) in dem Behälter halten.
Vorrichtung gemäß Anspruch 3, worin: eine Mehrzahl von Formstücken (30) entlang einer vorbestimmten Richtung in dem Behälter angeordnet ist, wobei die Puffermittel (32) isolierende Eigenschaften aufweisen und zwischen benachbarten Formstücken (30) angeordnet sind, und die Elektrodenmittel (42, 43, 60, 61) veränderliche Mittel umfassen, um deren Länge entsprechend den Volumenänderungen der Formstücke und Preßmittel zu verändern und einen konstanten Kontakt mit wenigstens einem Teil der Mehrzahl an Formstücken (30) aufrecht zu erhalten.
Vorrichtung gemäß Anspruch 4, worin die Elektrodenmittel (42, 43, 60, 61) einen konstanten Kontakt mit den Endbereichen der Formstücke (30) aufrecht erhalten.
Vorrichtung gemäß Anspruch 4, worin die Elektrodenmittel (42, 43, 60, 61) einen konstanten Kontakt mit – in einer vorbestimmten Richtung gesehen – entgegengesetzten Formstücken (30) aufrecht erhalten.
Vorrichtung gemäß Anspruch 6, worin die Puffermittel (32) zwischen den Formstücken (30) und der inneren Oberfläche des Behälters in einer Richtung senkrecht zu der Anordnungsrichtung der Formstücke (30) angeordnet sind und worin wenigstens eines der Puffermittel (32) zwischen den Formstücken (30) und der inneren Oberfläche des Behälters in einer Richtung angeordnet ist, die von der der anderen Puffermittel (32) verschieden ist.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 4 bis 7, worin Kontaktoberflächen der Elektrodenmittel (42, 43, 60, 61) in der Form einer Kontaktoberfläche der Formstücke (30) entsprechen.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 2 bis 8, worin die Temperatursteuereinrichtung eine Stromquelle, welche die Elektrodenmittel (42, 43, 60, 61) mit elektrischer Leistung versorgt, und eine Einrichtung zur Veränderung des Innenwiderstands, welche die Innenoberfläche der Formstücke ungefähr dem Innenwiderstand der Stromquelle angleicht, umfaßt.
Wasserstoffspeichersystem umfassend: eine Mehrzahl von Wasserstoffspeichervorrichtungen gemäß irgendeinem der Ansprüche 2 bis 8; eine Stromquelle, welche die Wasserstoffspeichervorrichtungen mit elektrischer Leistung versorgt; und eine Widerstandssteuereinrichtung, um den Gesamtinnenwiderstand der Formstücke (30), die in den Wasserstoffspeichervorrichtungen enthalten sind, ungefähr dem Innenwiderstand der Stromquelle anzugleichen.