DE102008002624A1

DE102008002624A1 - Wasserstoffspeicherungssystem für Brennstoffzellenfahrzeuge

Info

Publication number: DE102008002624A1
Application number: DE102008002624A
Authority: DE
Inventors: Ki Ho Yongin Hwang; Hyung Ki Kim; Hoon Hee Lee
Original assignee: Hyundai Motor Co; Kia Motors Corp
Current assignee: Hyundai Motor Co; Kia Corp
Priority date: 2007-12-13
Filing date: 2008-06-24
Publication date: 2009-06-18
Also published as: KR101042299B1; CN101459249B; JP2009144901A; US20090155648A1; KR20090062587A; CN101459249A

Abstract

Die vorliegende Erfindung stellt ein Wasserstoffspeicherungssystem bereit, welches ein Metallhydrid (MH) verwendet, das die volumetrische Speicherungsdichte von Wasserstoff und eine Gesamtwasserstoffspeicherungskapazität erhöhen kann und den Systemeinbau verbessert. Zu diesem Zweck stellt die vorliegende Erfindung ein Wasserstoffspeicherungssystem für ein Brennstoffzellenfahrzeug bereit, wobei das Wasserstoffspeicherungssystem umfasst: Einen äußeren Raum, der mit einem ersten Speicherlegierungspulver gefüllt ist, mittels welchem der Wasserstoff bei einer hohen Temperatur freisetzbar ist; einen inneren Raum, der mit einem zweiten Speicherlegierungspulver gefüllt ist, mittels welchem der Wasserstoff nur mit der von einem Brennstoffzellenblock erzeugten Wärme freisetzbar ist; einem Metallfilter, der zwischen dem äußeren und inneren Raum angeordnet ist, so dass der äußere und innere Raum geteilt ist; ein zweites Wärmetauschrohr, das zwischen dem Brennstoffzellenblock und einem Kühler vorgesehen ist, um einen Kühlkreis zu bilden und das entlang einer längs laufenden Richtung des inneren Raums angeordnet ist; und ein unabhängiger Wärmetauschkreis, der unabhängig mit dem äußeren Raum für die Wasserstofffreisetzung des ersten Speicherlegierungspulvers verbunden ist.

Description

HINTERGRUND
(a) Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Wasserstoffspeicherungssystem für ein Brennstoffzellenfahrzeug. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung ein Wasserstoffspeicherungssystem, welches ein Metall-Hydrid (MH) verwendet, das die volumetrische Speicherdichte von Wasserstoff und das Gesamtspeicherungsvolumen des Wasserstoffs vergrößern kann und einen Einbau des Systems verbessert.
(b) Hintergrund
Eine der grundlegenden Anforderungen für die Vermarktung von Brennstoffzellenfahrzeugen ist, eine ausreichende Reichweite ohne aufzutanken zu erreichen, entsprechend der eines Fahrzeugs mit einem Verbrennungsmotor.
Um zum Beispiel eine Reichweite von bis zu 300 Meilen mit einer Tankfüllung zu erreichen, muss ein Fahrzeug mindestens etwa 5 Kg Wasserstoff speichern.
Derzeit wird ein Hochdruck-(35 MPa oder 70 MPa) Wasserstoffspeicherungssystem in Brennstoffzellenfahrzeugen verwendet; es weist jedoch eine Beschränkung auf, wenn die Menge an gespeicherten Wasserstoff aufgrund der niedrigen Dichte von gasförmigen Wasserstoff erhöht wird.
Das heißt, um 5 Kg Wasserstoff mit einem 35 MPa Wasserstoffspeicherungssystem zu speichern, wird ein Speicherbehälter mit einem inneren Volumen von ungefähr 215 Liter benötigt, was für einen kompakten Einbau eines Brennstoffspeicherungssystems unangemessen ist.
Um ferner 5 Kg Wasserstoff mit einem 70 MPa Wasserstoffspeicherungssystem zu speichern, beträgt das benötigte Volumenungefähr 125 Liter, was als vorteilhafter als das 35 MPa Wasserstoffspeicherungssystem im Hinblick auf den Fahrzeugeinbau erachtet wird; jedoch ist es nachteilig im Hinblick auf das Gewicht, den Preis und den Speicherungsgrad des Systems.
In letzter Zeit haben Entwickler von Brennstoffzellenfahrzeugen umfangreiche Forschungen durchgeführt, mit dem Ziel, neue Wasserstoffspeicherungssysteme zu entwickeln, und verschiedene Systeme, welche flüssigen Wasserstoff, Wasserstoffspeicherungsmaterial mit einer festen Phase, Wasserstoff erzeugendes Material in einer Schlammphase, etc. verwenden, wurden als Alternative für das Hochdruckwasserstoffspeicherungssystem vorgeschlagen.
Im Fall eines Flüssigwasserstoffspeicherungssystems, da die Verflüssigungstemperatur des Wasserstoffs –253°C beträgt, verbraucht die bei der Verflüssigung verwendete Energie mehr als 30% der Energie von Wasserstoff, und somit sollte die niedrige Energieeffizienz überwunden werden. Da außerdem der Wasserstoff bei extrem niedrigen Temperaturen gespeichert wird, wird der Wasserstoff kontinuierlich verdunstet, um den inneren Druck des Speichertanks zu erhöhen, und es ist notwendig das somit erzeugte Wasserstoffgas (3% pro Tag) zu der Außenseite des Speicherbehälters abzuleiten.
In dem Fall wo das Wasserstoff erzeugende Material in einer Schlammphase in einem Wasserstoff erzeugenden System verwendet wird, da der Wasserstoff hauptsächlich durch Hydrolyse erzeugt wird, werden Nebenprodukte nach der Erzeugung von Wasserstoffgebildet und es ist schwer die Nebenprodukte von dem in einem Fahrzeug befestigten System zu entsorgen.
Im Gegenteil dazu ist es in dem Fall wo das Wasserstoffspeicherungsmaterial in einer festen Phase verwendet wird, das umkehrbar Wasserstoff absorbieren (oder adsorbieren) und freigeben kann, möglich, die mit den obigen Systemen verbundenen Problemen zu ergänzen, und somit wurde es in letzter Zeit ausführlich untersucht.
Solch ein Speicherungsmaterial einer festen Phase, das umkehrbar Wasserstoff absorbieren (oder adsorbieren) und freigeben kann umfasst eine Wasserstoffspeicherungslegierung, ein auf Kohlenstoff basiertes Nanometermaterial, eine poröse Nanostruktur und dergleichen.
Im Falle des Nanomaterials und der Nanostruktur wurden nicht viele Untersuchungen durchgeführt; lediglich eine Basisforschung ob es Wasserstoff umkehrbar speichern kann wurde untersucht.
Andererseits im Fall der Wasserstoffspeicherungslegierung wurden umfangreiche Untersuchungen gemacht, bis zu dem Umfang, dass es derzeit auf Ni-MH Batterien ange wendet wird, und die Möglichkeit der Anwendung auf ein Wasserstoffspeicherungssystem für ein Fahrzeug untersucht wurde.
Da die Wasserstoffspeicherungslegierung Wasserstoff durch reagieren mit Wasserstoff in einer festen Phase absorbiert (oder adsorbiert), während sie eine niedrige Gewichtsspeicherungsdichte von 1,5 bis 2,5 wt% aufweist, weist sie eine sehr hohe volumetrische Speicherungsdichte verglichen mit dem Hochdruckwasserstoffgas auf. Dementsprechend ist es im Hinblick auf einen Einbau sehr vorteilhaft.
Da außerdem die Wasserstoffspeicherungslegierung Wasserstoff bei einem niedrigeren Druck von ungefähr 10 MPa verglichen mit dem Hochdruck (mehr als 35 MPa) System absorbieren/adsorbieren und freigeben kann, weist sie einen Vorteil auf, der das Problem der Sicherheit löst.
Die Wasserstoffspeicherungslegierung umfasst verschiedene Typen von Legierungen wie zum Beispiel AB5, AB2, BCC, etc. Sie haben einen Vorteil, da die Wasserstofffreisetzungstemperatur sehr niedrig ist bis zu dem Umfang, dass die von der Brennstoffzelle erzeugte Wärme für die Wasserstofffreisetzung verwendet werden kann; jedoch gibt es eine Beschränkung, da die Gewichtsspeicherungsdichte 1 bis 2,5 wt% beträgt und somit das Gewicht des Systems erhöht.
Verglichen damit haben Wasserstoffspeicherungsmaterialien welche einen Mg-basierten MH oder einen Metallhydridkomplex wie z. B. NaAlH₄, LiAlH₄, etc. umfassen, eine hohe Wasserstoffspeicherungsdichte von 5 bis 10 wt% oder höher, verglichen mit den herkömmlichen MH Materialien; jedoch beträgt die Wasserstofffreisetzungstemperatur ebenfalls ungefähr 150 bis 400°C, und somit ist die Abwärme der Brennstoffzelle nicht ausreichend für eine Wasserstofffreisetzung.
Typische aus dem Stand der Technik bekannte Metalle wie die Wasserstoffspeicherungslegierungen können den Wasserstoff speichern, während sie ein MH durch eine exotherme Reaktion mit Wasserstoffunter bestimmten Druck- und Temperaturbedingungen erzeugen, und das MH kann den Wasserstoff durch Aufnahme einer zweckmäßigen Wärme freisetzen.
Während der Wasserstoffabsorption/-adsorption erzeugt die Reaktion der Speicherungslegierung mit Wasserstoff Wärme. Die somit erzeugte Wärme ist notwendig, in wirksamer Weise entnommen zu werden, um die Reaktion weiterzuführen.
Wenn eine zweckmäßige Menge an Wärme dem MH bereitgestellt wird, wird der Wasserstoff freigesetzt und zu dieser Zeit wird die Temperatur von dem MH verringert. Dementsprechend ist es notwendig, eine zweckmäßige Menge an Wärme dem MH kontinuierlich und effizient bereitzustellen.
Um so das MH dem Wasserstoffspeicherungssystem für das Brennstoffzellenfahrzeug zur Verfügung zu stellen, ist es notwendig einen Aufbau bereitzustellen, der eine effiziente Wärmeübertragung sicherstellen kann. Demzufolge haben viele Entwickler im Stand der Technik Techniken in Bezug auf einen Speicherbehälter vorgeschlagen, in dem ein Wärmetauscher vorgesehen ist.
Beispiele von den Techniken umfassen einen durch Toyota vorgeschlagenen Hochdruck-MH Hybrid-Wasserstoff-Speicherbehälter (6), einen von Ovonics in den USA angebotenen MH-Wasserstoff-Speicherbehälter für einen Wasserstoffverbrennungsmotor (7), und einen kompakten MH-Wasserstoff-Speicherbehälter von Japan Steel Works (8).
Im Allgemeinen werden die oberhalb beschriebenen herkömmlichen MH-Wasserstoff-Speicherbehälter in Fahrzeugen mit einem Wasserstoffbefüllungs-/Freisetzungssystem wie in 5 gezeigt verwendet.
Das heißt, ein Kühlkreis einschließlich einer Kühlmittelpumpe 500 und einem Kühler 400 für einen Brennstoffzellenblock 300 wird verwendet, einen MH-Wasserstoff-Speicherbehälter 100 während der Wasserstoffbefüllung zu kühlen und das gleiche während der Wasserstofffreisetzung zu erwärmen.
Das MH in dem MH-Wasserstoff-Speicherbehälter 100 weist eine niedrige Wasserstofffreisetzungstemperatur auf, und es kann somit den Wasserstoffversorgungsbedingungen genügen, welche durch den Brennstoffzellenblock 300 nur mit der von dem Brennstoffzellenblock 300 erzeugten Abwärme benötigt werden; da jedoch die Gewichtsspeicherungsdichte niedrig ist wird das Gewicht des Systems zu schwer.
Im Gegensatz dazu haben die Speichermaterialien einschließlich den Mg-basierten MH oder die Metallhydridkomplexe NaAlH₄, LiAlH₄, etc. eine Wasserstoffspeicherungsdichte von 5 bis 10 wt% oder höher; da jedoch die Wasserstofffreisetzungstemperatur ungefähr 150 bis 400°C beträgt, ist es unmöglich den Wasserstoffversorgungsbedingungen zu genügen, welche durch den Brennstoffzellenblock lediglich mit der von der Brennstoffzelle erzeugten Wärme benötigt werden.
Die obige in diesem Hintergrundabschnitt offenbarte Information dient lediglich einer Verbesserung des Verständnisses des Hintergrunds der Erfindung und kann daher Informationen enthalten, die nicht zum Stand der Technik gehören, der bereits in diesem Land einem Fachmann bekannt ist.
ZUSAMMENFASSUNG
Die vorliegende Erfindung wurde in dem Bemühen gemacht, die oberhalb beschriebenen mit dem Stand der Technik verbundenen Probleme zu lösen. Die vorliegende Erfindung ist gerichtet auf ein Wasserstoffspeicherungssystem für ein Brennstoffzellensystem, in dem sowohl eine gewerblich erhältliche Wasserstoffspeicherungslegierung als auch ein Wasserstoffspeicherungsmaterial mit einer hohen Wasserstoffdichte und einer niedrigen Wasserstofffreisetzungstemperatur verwendet werden, um somit die volumetrische Speicherungsdichte und das Gesamtspeicherungsvolumen des Wasserstoffs zu erhöhen und einen vorteilhaften Aufbau für einen Einbau des Systems bereitzustellen.
In einem Aspekt stellt die vorliegende Erfindung ein Wasserstoffspeicherungssystem für ein Brennstoffzellensystem bereit, wobei das Wasserstoffspeicherungssystem aufweist: Einen äußeren Raum, gefüllt mit einem ersten Speicherlegierungspulver, der fähig ist Wasserstoff bei einer hohen Temperatur freizusetzen; einen inneren Raum, gefüllt mit einem zweiten Speicherlegierungspulver, der fähig ist Wasserstoff nur mit von einem Brennstoffzellenblock erzeugten Wärme freizusetzen; einen Metallfilter angeordnet zwischen den äußeren und inneren Räumen, damit die äußeren und inneren Flächen getrennt sind; ein zweites Wärmeaustauschrohr, das zwischen dem Brennstoffzellenblock und einem Kühler vorgesehen ist, um einen Kühlkreislauf zu bilden und entlang einer längs laufenden Richtung des inneren Raumes angeordnet ist; und einem unabhängigen Wärmetauschkreis, der an den äußeren Raum für die Wasserstofffreisetzung des ersten Speicherlegierungspulvers unabhängig verbunden ist.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist das erste Speicherlegierungspulver eines, das aus der Gruppe ausgewählt wird, welche aus Mg-basierten Hydriden, NaAlH₄, LiBH₄, LiAlH₄ und MgH₂ Legierungen besteht.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist das zweite Speicherlegierungspulver eines, welches aus der Gruppe ausgewählt wird, die aus BCC-basierten Hydriden, AB5, AB2, und BCC-basierten Legierungen besteht.
In einer noch weiteren bevorzugten Ausführungsform sind eine Vielzahl von Wärmeübertragungsrippen auf einer äußeren umlaufenden Oberfläche des Metallfilters in regelmäßigen Abständen in einer davon längs laufenden Richtung integral ausgebildet.
In einer noch weiteren bevorzugten Ausführungsform ist das erste Speicherlegierungspulver in einen Raum zwischen der äußeren umlaufenden Oberfläche des Metallfilters und der Wärmeübertragungsrippen eingefüllt.
In einer noch weiteren bevorzugten Ausführungsform weist der unabhängige Wärmetauschkreis auf: Wenigstens ein erstes Wärmetauschrohr, das in dem äußeren Raum entlang einer längs laufenden Richtung davon angeordnet ist; eine Einlasskammer, die mit einem Ende (Einlass) des ersten Wärmetauschrohrs oder jedem der ersten Wärmeaustauschrohre verbunden ist; eine Auslasskammer, die mit dem anderen Ende (Auslass) des ersten Wärmetauschrohrs oder jedem der ersten Wärmetauschrohre verbunden ist; Heizmittel, die in der Einlasskammer vorgesehen sind und ein erstes Wärmeübertragungsmedium erwärmen; eine erste Einlassleitung eines Wärmeübertragungsmediums, was mit der Einlasskammer verbunden ist; eine erste Ablassleitung eines Wärmeübertragungsmediums, was mit der Auslasskammer verbunden ist; und eine Pumpe und einen Behälter zum Speichern des ersten Wärmeübertragungsmediums, das zwischen der Einlassleitung des Wärmeübertragungsmediums und der ersten Ablassleitung des Wärmeübertragungsmediums angeordnet ist.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist ein Temperatursteuerungsmittel an ein Heizmittel angeschlossen, um die Temperatur des Heizmittels basierend auf einer Information von einem Temperatursensor, der in der Einlasskammer vorgesehen ist zu steuern, um die Temperatur des ersten Speicherlegierungspulvers konstant beizubehalten.
Es ist selbstverständlich, dass der Ausdruck "Fahrzeug" oder "Fahrzeug-" oder andere ähnliche Ausdrücke welche hierin verwendet werden, Kraftfahrzeuge im allgemeinen wie zum Beispiel Personenwagen einschließlich Sports Utility Vehicles (SUV), Busse, Lastwägen, verschiedene Nutzfahrzeuge, Wasserfahrzeuge einschließlich einer Vielfalt von Booten und Schiffen, Luftfahrzeugen und dergleichen mit einschließt.
Die obigen Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden ersichtlich aus den beigefügten Zeichnungen oder werden darin ausführlich dargelegt, welche hier enthalten sind und einen Teil dieser Beschreibung bilden, und die folgende ausführliche Beschreibung, die zusammen dazu dienen als Beispiel die Grundsätze der vorliegenden Erfindung zu erläutern.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die obigen und andere Merkmale der vorliegenden Erfindung werden nun mit Bezug auf bestimmte beispielhafte Ausführungsformen hiervon ausführlich beschrieben, wobei diese in den beigefügten Zeichnungen dargestellt sind, welche lediglich zu Veranschaulichungszwecken bestimmt sind, und somit nicht für die vorliegende Erfindung einschränkend sind, und worin:
1 zeigt eine Querschnittsansicht, die einen Hauptteil eines Wasserstoff-Speicherbehälters eines Wasserstoffspeicherungssystems für ein Brennstoffzellenfahrzeug gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
2 zeigt eine perspektivische Ansicht, die die Innenseite des Wasserstoff-Speicherbehälters eines Wasserstoffspeicherungssystems für ein Brennstoffzellenfahrzeug gemäß der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
3 zeigt eine perspektivische Ansicht, die die Außenseite des Wasserstoff-Speicherbehälters eines Wasserstoffspeicherungssystems für ein Brennstoffzellenfahrzeug gemäß der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
4 zeigt eine schematische Ansicht, die das Wasserstoffspeicherungssystem für ein Brennstoffzellenfahrzeug gemäß der vorliegenden Erfindung darstellt;
5 zeigt eine schematische Ansicht, die ein herkömmliches Wasserstoffspeicherungssystem für ein Brennstoffzellenfahrzeug darstellt; und
6 bis 8 zeigen schematische Ansichten, die den Aufbau von herkömmlichen Wasserstoffspeicherungstanks für Brennstoffzellenfahrzeuge zeigen.
Die in den Zeichnungen dargelegten Bezugszeichen beziehen sich auf die folgenden Elemente, welche ferner nachfolgend behandelt werden:

10: erstes Speicherlegierungspulver
12: zweites Speicherlegierungspulver
14: Metallfilter
16: erstes Wärmetauschrohr
18: zweites Wärmetauschrohr
20: Wärmeübertragungsrippe
22: Einlasskammer
24: Auslasskammer
26: Heizmittel
28: Temperatursteuerungsmittel
30: Temperatursensor
32: Einlassleitung eines Wärmeübertragungsmediums
34: Ablassleitung eines Wärmeübertragungsmittels
36: Pumpe
38: Behälter
40: Wasserstoffgasauslass
100: Wasserstoff-Speicherbehälter
200: unabhängiger Wärmetauschkreis
300: Brennstoffzellenblock
400: Kühler
500: Kühlmittelpumpe

Es ist selbstverständlich, dass die beigefügten Zeichnungen nicht notwendigerweise maßstabsgerecht sind, und eine etwas vereinfachte Darstellung von verschiedenen bevorzugten Merkmalen darstellen, welche die Grundsätze der Erfindung veranschaulichen. Die spezifischen Konstruktionsmerkmale der vorliegenden Erfindung wie sie hierin offenbart sind, einschließlich zum Beispiel spezifischer Abmessungen, Orientierungen, Einbauorten, und Formen werden zum Teil durch die dafür eigens vorgesehene Anmeldung und der Arbeitsumgebung bestimmt.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Es wird nun ausführlich Bezug genommen auf die bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die Beispiele welche in den nachfolgend beigefügten Zeichnungen veranschaulicht sind, worin gleiche Bezugszeichen sich durchwegs auf ähnliche Elemente beziehen. Die Ausführungsformen sind nachfolgend beschrieben, um die vorliegende Erfindung durch Bezugnahme auf die Zeichnungen zu erläutern.
1 zeigt eine Querschnittsansicht, die einen Hauptteil eines Wasserstoff-Speicherbehälters eines Wasserstoffspeicherungssystems für ein Brennstoffzellenfahrzeug gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
Wie in 1 gezeigt, wird ein erstes Speicherlegierungspulver 10, welches Wasserstoff bei einer relativ hohen Temperatur freisetzen kann, in einen äußeren Raum V1 von einem MH Wasserstoff-Speicherbehälter 100 mit einer zylindrischen Form eingefüllt, und ein zweites Speicherlegierungspulver 12, welches Wasserstoff lediglich mit von einem Brennstoffzellenblock 300 erzeugten Wärme freisetzen kann, das heißt, dass Wasserstoff bei einer niedrigen Temperatur freisetzen kann, wird in einen inneren Raum V2 davon eingefüllt.
Insbesondere wird das erste Speicherlegierungspulver 10 außerhalb von einem Metallfilter 14 eingefüllt und das zweite Speicherlegierungspulver 12 wird innerhalb des Metallfilters 14 eingefüllt. Der Grund für die Verwendung des Metallfilters 14 ist, den Wasserstoff zu ermöglichen durch die äußeren und inneren Raume V1 und V2 durchzuströmen und die Metallpulver vom Durchströmen hierdurch zu hindern.
Der äußere Raum V1 des MH Wasserstoff-Speicherbehälters 100 ist mit einem unabhängigen Wärmetauschkreis 200 verbunden. Der unabhängige Wärmetauschkreis 200 umfasst wenigstens ein erstes Wärmetauschrohr 16, welches durch das erste Speicherlegierungspulver 10 führt, ein Hochtemperaturspeicherungsmaterial. Es arbeitet unabhängig von einem Kühlkreis des Brennstoffzellenblocks 300.
Außerdem verlaufen eine Vielzahl von zweiten Wärmetauschrohren 18, der von dem Brennstoffzellenblock 300 kommende Kühlkreis durch das zweite Speicherungspulver 12 in dem inneren Raum V2 des MH Wasserstoffspeicherungstanks 100.
Zum Beispiel wird ein Mg-basiertes Hydrid mit einer Wasserstoffspeicherungskapazität von 7 wt% und einer Wasserstofffreisetzungstemperatur von ungefähr 300°C in den äußeren Raum V1 des MH Wasserstoffspeicherungstanks 100 eingefüllt und ein BCCbasiertes Hydrid mit einer Wasserstoffspeicherungskapazität von 2 wt% wird in den inneren Raum V2 des MH Wasserstoffspeicherbehälters 100 eingefüllt, bei welchem der Wasserstoff bei Raumtemperatur freisetzbar ist.
Vorzugsweise können zum Beispiel AB5, AB2 und BCC-basierte Legierungen mit einer Wasserstofffreisetzungstemperatur niedriger als die Betriebstemperatur des Brennstoffzellenblocks 300 in den inneren Raum V2 des MH Wasserstoffspeicherbehälters 100 eingefüllt werden. Legierungen wie zum Beispiel NaAlH₄, LiBH₄, LiAlH₄, MgH₂, Mg(BH)₂, und NH₂BH₂ mit einer Wasserstofffreisetzungstemperatur höher als die Betriebstemperatur des Brennstoffzellenblocks 300 können in den äußeren Raum V1 eingefüllt werden. Ebenso kann vorzugsweise jegliche Kombination der obigen Legierung verwendet werden.
In dem Aufbau des oberhalb beschriebenen MH Wasserstoffspeicherbehälters 100, in der Annahme dass der erste Radius R1 von dem Mittelpunkt des Behälters zu dem äußersten Teil des äußeren Raums auf V1 20 cm beträgt, der zweite Radius R2 von dem Mittelpunkt des Behälters zu dem äußersten Teil des inneren Raums V2 10 cm beträgt, und die Länge L des Zylinders 90 cm ist, sind die Volumen des äußeren Raums V1 und des inneren Raums V2 des MH Wasserstoffspeicherbehälters 100 85 L beziehungsweise 28 L, und das Gesamtvolumen des Behälters ist 113 L.
Das heißt, 80 L von Mg-basierten Hydrid können in den äußeren Raum V1 des MH Wasserstoffspeicherbehälters 100 eingefüllt werden, mit Ausnahme des Volumens (ungefähr 5 L) des inneren Wärmetauschers, das heißt die ersten Wärmetauschrohre 16 und 25 L von BCC-basierten Hydrid können in den inneren Raum V2 gefüllt werden, mit Ausnahme des Volumens (ungefähr 3 L) des inneren Wärmetauschers, das heißt den zweiten Wärmetauschrohren 18.
In diesem Fall können 96 Kg von Mg-basierter Legierung mit einer Pulverdichte von ungefähr 1,2 g/cc und 90 Kg von BCC-basierter Legierung mit einer Pulverdichte von ungefähr 3.6 g/cc in den äußeren Raum V1 beziehungsweise dem inneren Raum V2 eingefüllt werden. Die Wasserstoffspeicherungskapazität der Mg-basierten Legierung kann 6.7 Kg sein, die der BCC-basierten Legierung kann 1.8 Kg sein, und die gesamte Wasserstoffspeicherungskapazität kann 8.5 Kg sein.
Mit der gleichzeitigen Verwendung von dem Mg-basierten Hydrid, welches eine Wasserstoffspeicherungslegierung mit einer hohen Wasserstofffreisetzungstemperatur ist und in den äußeren Raum V1 des MH Wasserstoffspeicherungstank 100 eingefüllt ist, und dem BCC-basierten Hydrid, welches eine Wasserstoffspeicherungslegierung ist, die in den inneren Raum V2 des MH Wasserstoffspeicherungstanks 100 eingefüllt ist, um Wasserstoff bei niedriger Temperatur (Raumtemperatur) freizusetzen, ist es als solches möglich eine Zielreichweite zu erreichen, ohne das Brennstoffzellenfahrzeug aufzutanken, selbst wenn eine Erhöhung des Gewichts des Systems (ungefähr 250 Kg) vorhanden ist.
Als nächstes werden der Aufbau und der Betrieb des MH Wasserstoffspeicherbehälters gemäß der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf die 2 bis 4 ausführlicher beschrieben.
2 und 3 zeigen perspektivische Ansichten, die die Innenseite bzw. die Außenseite des Wasserstoffspeicherbehälters eines Wasserstoffspeicherungssystems für ein Brennstoffzellenfahrzeug zeigt, und 4 zeigt eine schematische Ansicht, die das Wasserstoffspeicherungssystems für ein Brennstoffzellenfahrzeug darstellt. Zunächst werden der Aufbau des inneren Raums des MH Wasserstoffspeicherungstanks gemäß der vorliegenden Erfindung und der Wasserstoffspeicherungsfluss durch den Wärmeübertragungsbetrieb nachfolgend beschrieben.
Der innere Raum V2 des MH Wasserstoffspeicherbehälters 100 hat eine zylindrische Form und ist auf den internen Raum des Metallfilters 14 gerichtet. Das zweite Speicherlegierungspulver 12, welches Wasserstoff nur freisetzen kann mit der von dem Brennstoffzellenblock 300 erzeugten Wärme wird darin eingefüllt. Eine Vielzahl von zweiten Wärmetauschrohren 18 ist angeordnet, um durch das zweite Speicherlegierungspulver 12 zu verlaufen.
Die zweiten Wärmetauschrohre 18 bilden den Kühlkreis des Brennstoffzellenblocks 300. Ein Ende (Einlass) von jedem der zweiten Wärmetauschrohre 18 wird mit einem Auslassteil des Brennstoffzellenblocks 300 verbunden, und das andere Ende ist mit einem Kühler 400 verbunden.
Wenn demzufolge ein zweites Wärmeübertragungsmedium (Kühlmittel), das nach dem Kühlen des Brennstoffzellenblocks 300 bereitgestellt wird, in die zweiten Wärmetauschrohre 18 fließt, tauscht das zweite Wärmeübertragungsmedium Wärme mit dem zweiten Speicherlegierungspulver 12 aus, welches in dem inneren Raum V2 eingefüllt ist.
Als Folge davon setzt das zweite Speicherlegierungspulver 12, das heißt das BCC-basierte Hydrid, welches in den inneren Raum V2 eingefüllt ist, Wasserstoff nur mit der von dem Brennstoffzellenblock 300 erzeugten Wärme frei.
Das heißt, als Kühlkreis des Brennstoffzellenblocks 300 ist der Kühler 400, der zum Entfernen der während des Betriebs der Brennstoffzelle erzeugten Wärme dient, an eine Kühlmittelpumpe 500 angeschlossen, die dazu dient, die Zirkulation des Kühlmittels für den Kühlkreis mit den zweiten Wärmetauschrohren 18 zu unterstützen, welche dazwischen angeordnet sind. Wenn demzufolge der Wasserstoff in dem MH Wasserstoff- Speicherbehälter 100 eingeleitet wird, wird das Kühlmittel durch den Kühlkreis zirkuliert, der nicht durch den Brennstoffzellenblock 300 strömt, um den MH Wasserstoff-Speicherbehälter 100 zu kühlen, wobei, wenn der Brennstoffzellenblock 300 betrieben wird, das Kühlmittel in den Brennstoffzellenblock 300 in die zweiten Wärmetauschrohre 18 eingeleitet wird, so dass die zweiten Wärmetauschrohre 18 den Wasserstoff nur mit der von den Brennstoffzellenblock 300 erzeugten Wärme freisetzen.
Als nächstes werden nachfolgend der Aufbau des äußeren Raums des MH Wasserstoff-Speicherbehälters gemäß der vorliegenden Erfindung und der Fluss der Wasserstoffspeicherung durch die Wärmeübertragungsoperation beschrieben.
Der äußere Raum V1 wird bestimmt durch die äußere umlaufende Oberfläche des Metallfilters 14 und der inneren umlaufenden Oberfläche des MH Wasserstoffq-Speicherbehälters 100. Das erste Speicherlegierungspulver 10, in welchem der Wasserstoff bei hoher Temperatur freisetzbar ist, wird in den äußeren Raum V1 gefüllt, und eine Vielzahl von ersten Wärmetauschrohren 16 ist derart angeordnet, um durch das erste Speicherlegierungspulver 10 zu führen.
In diesem Fall ist wie in 2 gezeigt eine Vielzahl von Wärmeübertragungsrippen 20 in der Form einer kreisförmigen Platte auf der äußeren umlaufenden Oberfläche des Metallfilters 14 in regelmäßigen Abständen in der davon längs laufenden Richtung integriert ausgebildet. Im Wesentlichen wird das erste Speicherlegierungspulver 10 zwischen die Wärmeübertragungsrippen 20 eingefüllt und die ersten Wärmetauschrohre 16 sind derart angeordnet, um die Wärmeübertragungsrippen 20 zu durchdringen.
Darüber hinaus sind eine Einlasskammer 22 und eine Auslasskammer 24 auf der äußeren umlaufenden Oberfläche von beiden Enden des Metallfilters 14 befestigt.
Demzufolge ist ein Ende (Einlass) von jedem der ersten Wärmetauschrohre 16 mit der Einlasskammer 22 verbunden und das andere Ende (Auslass) davon ist mit der Auslasskammer 24 verbunden.
Vorzugsweise ist ein Heizmittel 26 zum Heizen eines ersten Wärmeübertragungsmediums in der Einlasskammer 22 vorgesehen, und ein Temperatursteuerungsmittel 28 ist an das Heizmittel 26 angeschlossen, um die Temperatur des Heizmittels 26 zu steuern.
Insbesondere steuert das Temperatursteuerungsmittel 28 die Temperatur des Heizmittels 26 basierend auf einer Information von einem Temperatursensor 30, welcher in der Einlasskammer 22 vorgesehen ist, damit die Temperatur des ersten Speicherlegierungspulvers 10 konstant gehalten wird.
Außerdem ist eine Einlassleitung 32 des Wärmeübertragungsmediums mit der Einlasskammer 22 verbunden, und eine Ablassleitung 34 des Wärmeübertragungsmediums ist mit der Auslasskammer 24 verbunden.
Darüber hinaus sind eine Pumpe 36 und ein Behälter 38 zum Speichern des Wärmeübertragungsmediums zwischen der Einlassleitung 32 des Wärmeübertragungsmediums und der Ablassleitung 34 des Wärmeübertragungsmediums angeordnet. Der Behälter 38 speichert die Wärmeübertragungsflüssigkeit und dient als Kühler zum Kühlen des Wärmeübertragungsmediums während der Wasserstoffeinleitung.
Demzufolge zirkuliert mit dem Betrieb der Pumpe 36 das erste in dem Behälter 38 gespeicherte Wärmeübertragungsmedium in der Reihenfolge Einlassleitung des Wärmeübertragungsmediums → Einlasskammer → erste Wärmetauschrohre → Auslasskammer → Ablassleitung des Wärmeübertragungsmediums → Behälter. Während der Zirkulation wird das erste Wärmeübertragungsmedium in der Einlasskammer 22 durch das Heizmittel 26 erwärmt.
In diesem Fall, da der Gesamt-Behälter 38 zum Speichern des Wärmeübertragungsmediums nicht erwärmt wird, und das Heizmittel 26 innerhalb der Einlasskammer 22 vorgesehen ist, durch die das erste Wärmeübertragungsmedium fließt, ist es stattdessen möglich, die Wärmeübertragung an das erste Speicherlegierungspulver 10 mit weniger Energie durchzuführen gegenüber dem Fall wo das Heizmittel in dem Gesamt-Wasserstoffspeicherungstank vorgesehen ist.
Wenn demzufolge das erste Wärmeübertragungsmedium, das durch das Heizmittel 26 erwärmt wird, von der Einlasskammer 22 zu den ersten Wärmetauschrohren 26 fließt, wird das erste Speicherlegierungspulver 10 erwärmt und zur gleichen Zeit wird das erste Speicherlegierungspulver 10 ferner durch die zu den Wärmeübertragungsrippen 20 übertragene Wärme weiter erwärmt, so dass der Wasserstoff von dem ersten Speicherlegierungspulver 10 freigesetzt wird, das heißt, das Mg-basierte Hydrid, das in den äußeren Raum V1 des MH Wasserstoff-Speicherbehälters eingefüllt wird und eine hohe Wasserstofffreisetzungstemperatur aufweist.
Da das erste Speicherlegierungspulver 10, das den Wasserstoff bei einer hohen Temperatur freisetzt, den Wasserstoff nicht nur mit der von dem Brennstoffzellenblock 300 erzeugten Wärme freisetzen kann, ist der unabhängige Wärmetauschkreis 200 einschließlich des zusätzlichen Heizmittels 26, des Behälters 38 zum Steuern desselben, der Pumpe 36, und des Temperatursteuerungsmittels 28 vorgesehen, um die Wasserstofffreisetzungsoperation des ersten Speicherlegierungspulvers 10 zu ermöglichen.
Währenddessen ist wie in 3 gezeigt ein Wasserstoffgas-Auslass 40 auf einer Seite des hermetisch abgeschlossenen MH Wasserstoff-Speicherbehälters 100 vorgesehen, um den von den ersten und zweiten Speicherlegierungspulvern 10 und 12 erzeugten Wasserstoff zu beziehen.
Wie oberhalb beschrieben stellt die vorliegende Erfindung Effekte einschließlich der folgenden bereit: Es ist möglich, die Wasserstoffspeicherungskapazität der Wasserstoffspeicherungssysteme für Brennstoffzellenfahrzeuge durch Verwenden der Wasserstoffspeicherlegierung zu erhöhen, welche nicht für die Wasserstoff-Speicherbehälter für die Brennstoffzellenfahrzeuge angewendet werden kann, da die Wasserstofffreisetzungstemperatur hoch ist, obwohl die Wasserstoffspeicherungsdichte hoch ist, das heißt, die Wasserstoffspeicherungslegierung die den Wasserstoff bei hoher Temperatur freisetzt, zusammen mit dem Wasserstoffspeicherlegierungspulver, mittels welchem der Wasserstoff nur mit der vom Brennstoffzellenblock erzeugten Wärmereisetzbar ist. Obwohl das Gewicht des Systems mit der Verwendung der Wasserstoffspeicherungslegierung erhöht werden kann, mittels welchem der Wasserstoff bei Zimmertemperatur freisetzbar ist, ist zudem die Erhöhung beim Gewicht des Systems nicht gravierend, und es ist möglich, eine Zielreichweite mit einer einzelnen Füllung des Brennstoffzellenfahrzeugs zu erreichen, obwohl es eine Zunahme beim Gewicht des Systems gibt.
Die Erfindung wurde ausführlich mit Bezug auf bevorzugte Ausführungsformen davon beschrieben. Jedoch ist dabei zu berücksichtigen, dass durch den Fachmann Änderungen in diesen Ausführungsformen gemacht werden können ohne von den Grundsätzen und dem Geist der Erfindung abzuweichen, wobei der Umfang der Erfindung in den beigefügten Ansprüchen und ihren Äquivalenten bestimmt ist.

Claims

Wasserstoffspeicherungssystem für ein Brennstoffzellenfahrzeug, wobei das Wasserstoffspeicherungssystem aufweist: einen äußeren Raum, der mit einem ersten Speicherlegierungspulver gefüllt ist, mittels welchem der Wasserstoff bei einer hohen Temperatur freisetzbar ist; einen inneren Raum, der mit einem zweiten Speicherlegierungspulver gefüllt ist, mittels welchem der Wasserstoff nur mit der von einem Brennstoffzellenblock erzeugten Wärme freisetzbar ist; einen Metallfilter, der zwischen dem äußeren und inneren Raum angeordnet ist, so dass der äußere und innere Raum geteilt ist; ein zweites Wärmetauschrohr, das zwischen dem Brennstoffzellenblock und einem Kühler vorgesehen ist, um einen Kühlkreis zu bilden und entlang einer längs laufenden Richtung des inneren Raums angeordnet ist; und einen unabhängigen Wärmetauschkreis, der unabhängig mit dem äußeren Raum für die Wasserstofffreisetzung des ersten Speicherlegierungspulvers verbunden ist.
Wasserstoffspeicherungssystem nach Anspruch 1, wobei das erste Speicherlegierungspulver eines ist, welches von der Gruppe ausgewählt wird, welche aus Mg-basierten Hydrid, NaAlH₄, LiBH₄, LiAlH₄, und MgH₂-Legierungen besteht.
Wasserstoffspeicherungssystem nach Anspruch 1, wobei das zweite Speicherlegierungspulver eines ist, das ausgewählt wird von der Gruppe, welche aus BCC-basierten Hydrid, Ab5, AB2, und BCC-basierten Legierungen besteht.
Wasserstoffspeicherungssystem nach Anspruch 1, wobei eine Vielzahl von Wärmeübertragungsrippen auf einer äußeren umlaufenden Oberfläche des Metallfilters in regelmäßigen Abständen in einer längs laufenden Richtung davon integriert gebildet ist.
Wasserstoffspeicherungssystem nach Anspruch 1, wobei das erste Speicherlegierungspulver in einem Raum zwischen der äußeren umlaufenden Oberfläche des Metallfilters und den Wärmeübertragungsrippen eingefüllt ist.
Wasserstoffspeicherungssystem nach Anspruch 1, wobei der unabhängige Wärmetauschkreis aufweist: wenigstens ein erstes Wärmetauschrohr, das in dem äußeren Raum entlang einer längs laufenden Richtung davon angeordnet ist; eine Einlasskammer, die mit einem Ende (Einlass) des ersten Wärmetauschrohrs oder jedem der ersten Wärmetauschrohre verbunden ist; eine Auslasskammer, die mit dem andere Ende (Auslass) des ersten Wärmetauschrohrs oder jedem der ersten Wärmetauschrohre verbunden ist; ein Heizmittel, das in der Einlasskammer zum Heizen eines ersten Wärmeübertragungsmediums vorgesehen ist; eine Einlassleitung des ersten Wärmeübertragungsmediums, die mit der Einlasskammer verbunden ist; eine Ablassleitung des ersten Wärmeübertragungsmediums, die mit der Auslasskammer verbunden ist; und eine Pumpe und ein Behälter zum Speichern des ersten Wärmeübertragungsmediums, angeordnet zwischen der Einlassleitung des ersten Wärmeübertragungsmediums und der Ablassleitung des ersten Wärmeübertragungsmediums.
Wasserstoffspeicherungssystem nach Anspruch 6, wobei ein Temperatursteuerungsmittel an das Heizmittel angeschlossen ist, um die Temperatur des Heizmittels basierend auf einer Information von einem Temperatursensor zu steuern, welcher in der Einlasskammer vorgesehen ist, so dass eine konstante Temperatur des ersten Speicherlegierungspulvers beibehalten ist.