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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein eine Vorrichtung für ein wasserstoffbetriebenes Fahrzeug und insbesondere ein wasserstoffbetriebenes Fahrzeug, das Abwärme aus dem Laden und Entladen eines Metallhydridpuffers verwendet, um den Fahrgastraum ohne Verwendung von elektrischer Energie und ohne Verlust von Wasserstoff durch Oxidation zu erwärmen. Noch genauer betrifft die vorliegende Erfindung ein wasserstoffbetriebenes Fahrzeug, das ein Brennstoffzellensystem verwendet, um elektrische Leistung für Fahrzeugvortrieb oder für Fahrzeugzubehöreinrichtungen zu erzeugen.
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Elektrochemische Umwandlungszellen, die allgemein als Brennstoffzellen bezeichnet werden, erzeugen elektrische Energie durch Verarbeitung von Reaktanden, zum Beispiel durch die Oxidation von Wasserstoff mit Sauerstoff in der Luft. Elektrische Leistung wird einem Elektromotor für den Fahrzeugvortrieb zur Verfügung gestellt. Die einzigen Nebenprodukte, die durch ein solches System hergestellt werden, sind reines Wasser und Abwärme. Die Abwärme wird im Allgemeinen an die Umgebung durch eine Flüssigkühlmittel-Schleife und einen typischen Kraftfahrzeugkühler abgewiesen. Alternativ kann der Heizerkern mit der Kühlmittelschleife verbunden sein, um die Abwärme der Brennstoffzelle zu der Kabine auf Anforderung des Fahrgasts zu liefern. Wasserstoff ist ein sehr attraktiver Brennstoff, da er rein ist und er dazu verwendet werden kann, effizient Elektrizität in einer Brennstoffzelle zu erzeugen. Die Kraftfahrzeugindustrie wendet erhebliche Ressourcen bei der Entwicklung von Wasserstoff-Brennstoffzellen als eine Energiequelle für Fahrzeuge auf. Fahrzeuge, die durch Wasserstoff-Brennstoffzellen angetrieben würden, wären effizienter und würden weniger Emissionen als heutige Fahrzeuge, die Verbrennungsmotoren verwenden, erzeugen.
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In einem typischen Brennstoffzellensystem wird Wasserstoff oder ein wasserstoffreiches Gas als Reaktand durch einen Strömungspfad der Anodenseite der Brennstoffzelle zugeführt, während Sauerstoff (wie in der Form von atmosphärischen Sauerstoff) als Reaktand durch einen separaten Strömungspfad der Kathodenseite der Brennstoffzelle zugeführt wird. Katalysatoren, die typischerweise in der Form eines Edelmetalls, wie Platin, vorliegen, sind an der Anode und der Kathode angeordnet, um die elektrochemische Umwandlung der Reaktanden in Elektronen und positiv geladene Ionen (für den Wasserstoff) und negativ geladene Ionen (für den Sauerstoff) zu unterstützen. Bei einer gut bekannten Brennstoffzellenform können die Anode und die Kathode aus einer Schicht aus elektrisch leitfähigem Gasdiffusionsmedium-(GDM-)Material bestehen, auf dem die Katalysatoren abgeschieden sind, um ein mit Katalysator beschichtetes Diffusionsmedium (CCDM) zu bilden. Eine Elektrolytschicht trennt die Anode von der Kathode, um den selektiven Durchgang von Ionen von der Anode zur Kathode zu ermöglichen, während gleichzeitig der Durchgang der erzeugten Elektronen verhindert wird, die stattdessen durch einen externen elektrisch leitenden Schaltkreis (wie eine Last) getrieben werden, um Nutzarbeit zu verrichten, bevor sie mit den geladenen Ionen an der Kathode rekombiniert werden. Die Kombination der positiv und negativ geladenen Ionen an der Kathode führt zur Erzeugung von umweltverträglichem Wasser als ein Nebenprodukt der Reaktion. Bei einer anderen gut bekannten Brennstoffzellenform können die Anode und die Kathode direkt an der Elektrolytschicht geformt sein, um eine geschichtete Struktur zu bilden, die als eine Membranelektrodenbaugruppe (MEA) bekannt ist.
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Ein Typ von Brennstoffzelle, die so genannte Protonenaustauschmembran-(PEM-) Brennstoffzelle hat sich als besonders vielversprechend für Fahrzeug- und damit verbundene mobile Anwendungen herausgestellt. Die Elektrolytschicht einer PEM-Brennstoffzelle liegt in der Form einer festen protonendurchlässigen Membran vor (wie beispielsweise eine Perfluorsulfonsäuremembran, ein kommerzielles Beispiel davon ist NafionTM). Unabhängig davon, ob entweder die obige MEA-basierte Vorgehensweise oder die CCDM-basierte Vorgehensweise verwendet wird, bildet die Anwesenheit einer von einer Kathode durch eine Elektrolytschicht getrennten Anode eine einzelne PEM-Brennstoffzelle; viele solcher einzelner Zellen können kombiniert werden, um einen Brennstoffzellenstapel zu bilden, wodurch der Leistungsausgang davon erhöht wird. Mehrere Stapel können miteinander gekoppelt werden, um einen Leistungsausgang weiter zu erhöhen.
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Poröse Materialien und insbesondere bestimmte Metalllegierungen adsorbieren Wasserstoffgas unter geeigneten Temperatur- und Druckbedingungen und sind für die Verwendung bei der Wasserstoffspeicherung in Brennstoffzellensystemen untersucht worden. Der Prozess des Ladens solcher Metalllegierungen mit Wasserstoffgas, um Metallhydride zu erzeugen, ist ein reversibler Prozess. Eine Adsorption von Wasserstoffgas durch das Metallhydrid-Material erzeugt Wärme (exotherme Reaktion); wohingegen die Desorption von Wasserstoffgas aus dem Metallhydrid-Material Wärme verbraucht (endotherme Reaktion). Die Adsorption oder Desorption von Wasserstoff ist von dem Wasserstoffdruck und der Wasserstofftemperatur abhängig, und damit können der Druck und die Temperatur verwendet werden, um das Laden oder Entladen des Metallhydrid-Materials zu steuern.
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Eine praktische Herausforderung für mit Brennstoffzellen betriebene Fahrzeuge ist die Konditionierung bzw. Aufbereitung der Kabinenluftströmung. Insbesondere zu Beginn der Verwendung und während das Brennstoffzellensystem das erste Mal aufheizt, steht nicht genügend Abwärme zur Verfügung, um die Luftströmung zu der Fahrzeugkabine zu erwärmen. Es besteht ein Bedarf nach einem Brennstoffzellensystem, das eine Kabinenheizung unterstützt, sobald ein Brennstoffzellengebrauch (bei Fahrzeugstart) eingeleitet wird, und zwar mit einer minimalen zusätzlichen Belastung für den Brennstoffverbrauch und ohne Verlust von Wasserstoff durch Oxidation.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Angesichts der obigen und anderen Probleme der Systeme und Technologien ist es eine Aufgabe der Offenbarung, ein brennstoffzellenbetriebenes Fahrzeug bereitzustellen, das den Vorteil der Erzeugung von Wärme, die durch die Adsorption von Wasserstoff unter Druck durch einen Metallhydridpuffer erzeugt wird, nutzt, um eine Rückkopplung zu der Anodenschleife des Brennstoffzellensystems zu ermöglichen und eine Fahrzeugkabine ohne die Verwendung elektrischer Energie und ohne Verlust von Wasserstoff durch Oxidation zu erwärmen.
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Bei einer Ausführungsform ist ein System zum Erwärmen von Luft in einem Fahrgastraum eines brennstoffzellenbetriebenen Fahrzeugs vorgesehen, wobei das System einen Metallhydridpuffer in Fluidkommunikation mit einer Wasserstoffquelle und eine Anode einer Brennstoffzelle, wobei der Metallhydridpuffer derart konfiguriert ist, ein Wasserstoffladegas von der Wasserstoffquelle zu adsorbieren und ein Wasserstoffentladegas zu der Anode zu desorbieren; und eine Wärmeaustauschschleife in thermischer Kommunikation mit dem Metallhydridpuffer und dem Fahrgastraum umfasst, wobei Wärme, die durch Adsorption des Wasserstoffladegases durch den Metallhydridpuffer erzeugt wird, thermisch an die Wärmeaustauschschleife kommuniziert und an den Fahrgastraum übertragen wird, wodurch die Luft darin erwärmt wird.
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Bei einer anderen Ausführungsform ist ein Fahrzeug vorgesehen, wobei das Fahrzeug umfasst: eine Quelle für Antriebsleistung, die zumindest eine Brennstoffzelle umfasst; ein Brennstoffliefersystem, das mit der Quelle für Antriebsleistung gekoppelt ist, so dass der Betrieb des Brennstoffliefersystems zu einer Drehung von zumindest einem Rad des Fahrzeugs durch die Quelle von Antriebsleistung beiträgt, wobei das Brennstoffliefersystem umfasst: eine Wasserstoffquelle zur Lieferung eines Wasserstoffladegases; einen Metallhydridpuffer in Fluidkommunikation mit der Wasserstoffquelle und einer Anode der zumindest einen Brennstoffzelle, wobei der Metallhydridpuffer derart konfiguriert ist, ein Wasserstoffladegas von der Wasserstoffquelle zu adsorbieren und ein Wasserstoffentladegas an die Anode zu desorbieren; und eine Wärmeaustauschschleife in thermischer Kommunikation mit dem Metallhydridpuffer, so dass eine Änderung der Temperatur, die durch Adsorption des Wasserstoffladegases oder Desorption des Wasserstoffentladegases durch den Metallhydridpuffer erzeugt wird, thermisch an die Wärmeaustauschschleife kommuniziert und an einen Fahrgastraum des Fahrzeugs übertragen wird, wodurch die Luft darin aufbereitet wird.
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Bei einer anderen Ausführungsform ist ein Verfahren zum Liefern von Wasserstoffgas an ein Brennstoffzellensystem eines Fahrzeugs vorgesehen, wobei das Verfahren umfasst: Laden eines Metallhydridpuffers mit Wasserstoffgas von einer Wasserstoffquelle bei einem Druck, der ausreichend ist, um eine Adsorption des Wasserstoffgases durch den Metallhydridpuffer zu ermöglichen, wodurch Wärme erzeugt wird; Übertragen der Wärme von der Adsorption des Wasserstoffgases durch den Metallhydridpuffer zu einem Fahrgastraum des Fahrzeugs, wodurch der Fahrgastraum erhitzt wird; und Bereitstellen von Wasserstoffgas, das von dem Metallhydridpuffer entladen wird, an eine Anode der Brennstoffzelle, wodurch Wasserstoffgas an das Brennstoffzellensystem des Fahrzeugs geliefert wird.
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Diese und andere Aufgaben, Merkmale, Ausführungsformen und Vorteile werden dem Fachmann aus einem Lesen der folgenden detaillierten Beschreibung und der angefügten Ansprüche offensichtlich.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 ist ein schematisches Diagramm eines Systems zum Erwärmen von Luft in einem Fahrgastraum eines brennstoffzellenbetriebenen Fahrzeugs gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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2 ist ein schematisches Diagramm eines Systems zum Erwärmen von Luft in einem Fahrgastraum eines brennstoffzellenbetriebenen Fahrzeugs gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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3 ist ein schematisches Diagramm, das Konfigurationen A–D zur fluidtechnischen Verbindung des Metallhydridpuffers und des Heizerkernes über eine Luftschleife und eine Wärmeaustauschschleife zeigt.
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4 ist ein schematisches Diagramm eines brennstoffzellenbetriebenen Fahrzeugs.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Die folgende Diskussion der Ausführungsformen der Erfindung, die auf Verfahren und Systeme zum Erwärmen des Fahrgastraumes eines brennstoffzellenbetriebenen Fahrzeugs gerichtet sind, ist beispielhafter Natur und nicht dazu bestimmt, die Erfindung oder die Anwendungen oder Nutzungen derselben zu beschränken.
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Der hier verwendete Begriff ”Metallhydridpuffer” betrifft eine Festmetalllegierung, die in der Lage ist, Wasserstoffgas unter Druck reversibel zu adsorbieren, zu speichern und zu desorbieren. Metallhydridpuffer können Wasserstoffgas häufig ohne Verschlechterung der Metalllegierung adsorbieren und desorbieren. Verschiedene Puffermaterialien sind zur Verwendung in den Metallhydridpufferanwendungen, die hier vorgesehen sind, geeignet. Bei bestimmten Ausführungsformen besteht der Metallhydridpuffer aus einer Metalllegierung, die aus der Gruppe gewählt ist, die aus Übergangsmetallen, wie Kobalt, Nickel, Kupfer und Zink besteht. Bei einer anderen Ausführungsform sind eisenhaltige sowie Lanthan-Legierungen zur Verwendung in Metallhydridpufferanwendungen geeignet. Bei Ausführungsformen, die höhere Desorptionstemperaturen betreffen, sind Legierungen von Alanaten, wie Natriumaluminiumhydride, zur Verwendung geeignet. Der Metallhydridpuffer, wie hier beschrieben ist, ist eine diskrete Komponente des wasserstoffbetriebenen Fahrzeugs zusätzlich zu dem Wasserstoffspeichermittel.
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Wasserstoffadsorption und -desorption (Freisetzung) sind chemische Reaktionen mit zugeordneten Bildungswärmen, die exotherm (Adsorption) bzw. endotherm (Desorption) sind. Die Reaktion ist reversibel, und die Richtung der Reaktion hängt von dem Druck des Systems ab. Über dem Gleichgewichtsdruck adsorbiert die Metalllegierung Wasserstoff zur Bildung von Metallhydrid; unterhalb des Gleichgewichtsdrucks setzt das Metallhydrid Wasserstofffrei und führt dieses in seinen ursprünglichen Zustand zurück. Der Gleichgewichtsdruck hängt von der jeweiligen verwendeten Metalllegierung wie auch der Temperatur des Systems ab. Die vorliegenden Ausführungsformen verwenden diese endothermen und exothermen Bildungswärmen, um eine schnelle Aufbereitung der Luft in einem Fahrgastraum eines Fahrzeugs ohne Verlust von Wasserstoffgas bereitzustellen, da das Wasserstoffgas, das zum Laden des Metallhydridpuffers verwendet wird, dann zyklisch an die Brennstoffzelle zur Verwendung als Brennstoff geführt wird.
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Die vorliegenden Ausführungsformen erlauben eine schnelle Erwärmung des Fahrgastraumes eines brennstoffzellenbetriebenen Fahrzeugs während einer Systemerwärmung und vor einem Erreichen der Betriebstemperatur des Brennstoffzellensystems. Die vorliegenden Ausführungsformen sehen ein kleineres, leichteres, kosteneffektives Hydridsystem zum schnellen Erwärmen eines Fahrgastraumes vor, das allein oder als ein Zusatz zu einem herkömmlichen Heiz- oder Kühlsystem verwendet werden kann.
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1 ist ein schematisches Diagramm eines Systems 100 zum direkten Heizen oder Kühlen von Luft in einem Fahrgastraum 114 eines brennstoffzellenbetriebenen Fahrzeugs 10. Gemäß der Ausführungsform weist das System 100 eine Wasserstoffquelle 102 in Fluidkommunikation über eine Brennstoffleitung 116 mit einem Brennstoffzellenstapel 106 auf, der aus einer Mehrzahl von Brennstoffzellen 108 besteht. Der Metallhydridpuffer 104 steht in Fluidkommunikation mit der Wasserstoffquelle 102 über Abschnitte 116A und 116B der Brennstoffleitung 116. Ein Druckregler 122 liefert Wasserstoffgas als einen Brennstoff an eine Anode des Brennstoffzellenstapels 106. Ein Druckregler 122 steuert den Druck des Wasserstoffladegases, das an den Metallhydridpuffer 104 durch einen Brennstoffleitungsabschnitt 116A geliefert wird, so dass das Wasserstoffladegas an den Metallhydridpuffer 104 bei einem Druck geliefert wird, der ausreichend ist, um den Metallhydridpuffer 104 zu laden, wodurch bewirkt wird, dass der Metallhydridpuffer 104 Wasserstoffladegas adsorbiert, was Wärme erzeugt. Sobald der Metallhydridpuffer 104 Wasserstoffentladegas desorbiert, wird das Wasserstoffentladegas zurück an die Anode des Brennstoffzellenstapels 106 durch den Brennstoffleitungsabschnitt 116B geführt. Ein weiterer Druckregler 122 steuert den Druck des Wasserstoffentladegases, das dem Brennstoffzellenstapel 106 bereitgestellt wird, während ein oder mehrere Ventile 118 die Wasserstoffströmung von der Wasserstoffquelle 102 zu dem Metallhydridpuffer 104 über einen Brennstoffleitungsabschnitt 116A wie auch an den Brennstoffzellenstapel 106 durch die Brennstoffleitung 116 steuern.
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Die Wärmeaustauschschleife 120 steht in Fluidkommunikation mit dem Brennstoffzellenstapel 106 und dem Kühler 112. Die durch den Brennstoffzellenstapel 106 erzeugte Wärme wird an den Kühler 112 über Kühlmittel in der Wärmeaustauschschleife 120 geleitet. Der Kühler 112 kühlt das Kühlmittel in der Schleife 120, so dass das gekühlte Kühlmittel über die Wärmeaustauschschleife 120 zurück an den Brennstoffzellenstapel 106 geführt wird.
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Bei einer Ausführungsform erlaubt ein Ventil 124 in einer Wärmeaustauschschleife 120 eine selektive Strömung von Kühlmittel von dem Brennstoffzellenstapel 106 zu dem Metallhydridpuffer 104 und/oder Heizerkern 110. Bei einer Ausführungsform lenkt das Ventil 132 eine Kühlmittelströmung selektiv durch den Schleifenabschnitt 120A, der den Metallhydridpuffer 104 umgeht und die Wärmeaustauschschleife 120 fluidtechnisch mit dem Heizerkern 110 verbindet. Ein weiteres Ventil 134 steuert die Kühlmittelströmung von dem Bypass in Schleifenabschnitt 120A zurück zu der Wärmeaustauschschleife 120. Der Schleifenabschnitt 120C verbindet den Heizerkern 110 selektiv mit der Wärmeaustauschschleife 120 durch das Ventil 136. Die Ventile 124 (Umlenkventil, das an der Versorgungsleitung installiert ist) und 136 (Mischventil, das an der Rückführleitung installiert ist) sind redundante Ventile, und bei verschiedenen Ausführungsformen können eines oder beide der Ventile 124 und 136 vorhanden sein. Gleichermaßen sind die Ventile 132 (Umlenkventil) und 134 (Mischventil) redundante Ventile, und bei verschiedenen Ausführungsformen können eines oder beide der Ventile 132 und 134 vorhanden sein.
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Bei Situationen, bei denen es erwünscht ist, Wärme von sowohl dem Brennstoffzellenstapel 106 als auch dem Metallhydridpuffer 104 thermisch an den Heizerkern 110 zu kommunizieren, lenkt das Ventil 132 eine Kühlmittelströmung durch den Wärmeaustauschschleifenabschnitt 120B, wodurch der Metallhydridpuffer 104 und der Heizerkern 110 fluidtechnisch in Reihe mit der Wärmeaustauschschleife 120 verbunden werden. Wie zuvor verbindet der Schleifenabschnitt 120C den Heizerkern 110 fluidtechnisch durch das Ventil 136 mit der Wärmeaustauschschleife 120.
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Der Fachmann erkennt, dass der Heizerkern 110 alle standardmäßigen Wärmeaustauschmerkmale und Elektroniksteuerungen enthält, die notwendig sind, um eine Erwärmung oder Kühlung für den Fahrgastraum 114 bei Anforderung des Fahrzeugbedieners bereitzustellen.
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Eine Luftschleife 126 liefert Luft an den Metallhydridpuffer 104 und/oder Heizerkern 110. Während der Metallhydridpuffer 104 und der Heizerkern 110 in der Figur so gezeigt sind, dass sie fluidtechnisch parallel verbunden sind, sei dem Fachmann verständlich, dass eine serielle Fluidverbindung eine alternative Ausführungsform darstellt, die ebenfalls innerhalb des Schutzumfangs der vorliegenden Erfindung liegt. Das Ventil 140 lenkt selektiv die Luftströmung in der Luftschleife 126. Bei einer Ausführungsform arbeitet das Ventil 140 so, dass die Luftströmung den Metallhydridpuffer 104 umgeht und nur an den Heizerkern 110 gelenkt wird. Bei einer anderen Ausführungsform erlaubt das Ventil 140 eine Luftströmung zu sowohl dem Metallhydridpuffer 104 als auch dem Heizerkern 110 parallel (wenn parallel verbunden, wie gezeigt ist) oder seriell, wenn seriell verbunden (nicht gezeigt). Die Luftschleife 126 speist in die Leitung 128, die die Strömung aufbereiteter Luft in den Fahrgastraum 114 lenkt. Das Ventil 138 erlaubt selektiv eine Strömung von Luft von dem Heizerkern 110 und/oder Metallhydridpuffer 104 in den Fahrgastraum 114. Die Ventile 138 und 140 sind redundante Ventile, und bei verschiedenen Ausführungsformen können ein oder beide der Ventile 138 (Mischventil, das an der Rückführleitung installiert ist) und 140 (Umlenkventil, das an der Versorgungsleitung installiert ist) vorhanden sein.
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2 ist ein schematisches Diagramm eines Systems 200, bei dem gleiche Teile auf gleiche Weise beziffert sind. Das System 200 funktioniert wie System 100, jedoch ist anstelle von Ventilen, um die Luftströmung selektiv nur an den Heizerkern zu lenken, das System derart konfiguriert, dass der Metallhydridpuffer 104 mit dem Heizerkern 110 mittels eines Wärmeaustauschschleifenabschnitts 120B fluidtechnisch verbunden ist und Wärme von dem Laden des Metallhydridpuffers 104 an den Heizerkern 110 durch das Kühlmittel in dem Schleifenabschnitt 120B übertragen wird, so dass Luft in dem Fahrgastraum 114 indirekt über das erhitzte Kühlmittel aufbereitet wird. Luft wird über den Heizerkern 110 durch die Luftschleife 126 geführt und an den Fahrgastraum über die Leitung 128 gelenkt.
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Die Systeme 100 und 200 können frische Luft von außerhalb des Fahrzeugs empfangen, die über den Metallhydridpuffer 104 und/oder den Heizerkern 110 durch die Luftschleife 126 geführt, an den Fahrgastraum 114 durch die Leitung 128 gelenkt und dann von dem Fahrzeug durch die Rückseite des Fahrgastraumes 114 ausgetragen werden. Alternativ dazu kann die Leitung 128 eine Schleife (nicht gezeigt) bilden, wodurch Luft von dem Fahrgastraum 114 zurück in das System über die Luftschleife 126 rückgeführt wird.
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Bei der einfachsten Ausführungsform wird Wärme oder eine positive Änderung der Temperatur, die durch die Adsorption von Wasserstoffladegas durch den Metallhydridpuffer 104 erzeugt wird, thermisch direkt an den Fahrgastraum 114 anhand von Luft kommuniziert, die durch die Luftschleife 126 zirkuliert, welche in thermischer Kommunikation mit dem Metallhydridpuffer 104 und dem Heizerkern 110 steht. Die Leitung 128 empfängt aufbereitete Luft von der Luftschleife 126 und lenkt die aufbereitete Luft in den Fahrgastraum 114. Das Gebläse 130 dient dazu, eine Luftströmung durch die Luftschleife 126 und die Leitung 128 zu lenken, und kann an einer beliebigen geeigneten Stelle positioniert sein, um eine Bewegung der Wärme von dem Metallhydridpuffer 104 zu dem Fahrgastraum 114 zu bewirken.
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Es sei auch angemerkt, dass der Prozess zum Entladen von Wasserstoffentladegas von dem Metallhydridpuffer 104 in einer Entfernung von Wärme von dem System oder einer negativen Änderung der Temperatur resultiert. Demgemäß kann bei einer Ausführungsform die negative Änderung der Temperatur, die durch die Desorption von Wasserstoffentladegas durch den Metallhydridpuffer 104 erzeugt wird, auch direkt an den Fahrgastraum 114 mittels der Luftschleife 126 und Leitung 128 kommuniziert werden, um den Fahrgastraum 114 zu kühlen.
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Bei einer anderen Ausführungsform wird Wärme, die durch die Adsorption von Wasserstoffladegas durch den Metallhydridpuffer 104 erzeugt wird, an das Kühlmittel in der Wärmeaustauschschleife 120 und dem Heizerkern 110 übertragen. Bei dieser Ausführungsform tauscht der Heizerkern 110 die Wärme von dem Kühlmittel in der Wärmeaustauschschleife 120 zu Luft, und die erhitzte Luft wird dann zu dem Fahrgastraum 114 auf Anforderung des Fahrzeugbedieners über die Luftschleife 126 und Leitung 128 gelenkt.
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Es sei auch angemerkt, dass der Prozess zum Entladen von Wasserstoffentladegas von dem Metallhydridpuffer 104 in einer Entfernung von Wärme von dem System oder einer negativen Änderung der Temperatur resultiert. Demgemäß kann bei dieser Ausführungsform die negative Änderung der Temperatur, die durch die Desorption von Wasserstoffentladegas durch den Metallhydridpuffer 104 erzeugt wird, auch an den Fahrgastraum 114 mittels der Wärmeaustauschschleife 120, der Luftschleife 126 und der Leitung 128 übertragen werden, um den Fahrgastraum 114 zu kühlen.
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Signifikanterweise sind die Systeme 100 und 200, die oben diskutiert sind, als ein System mit offener Schleife (anstatt mit geschlossener Schleife) konfiguriert. Bei einem System mit offener Schleife ist der Metallhydridpuffer nur ein Zwischenpuffer für den Wasserstoff, der von dem Hauptspeichersystem zu dem Brennstoffzellensystem unter Verwendung des hohen Versorgungsdrucks für den Adsorptionsprozess geliefert wird. Der Wasserstoff wird nicht als ein Arbeitsfluid zwischen zwei oder mehr Hydridbetten in einer Anwendung mit geschlossener Schleife verwendet, die zusätzliche Pumpen erfordert, um den notwendigen Adsorptionsdruck bereitzustellen. Überdies sind, da der Druck in dem Metallhydridpuffer 104 (sogar nach dem Desorptionsschritt) ausreichend hoch ist, um den Wasserstoff zu dem Brennstoffzellenstapel 106 zu speisen, keine ergänzende Pumpen-, Kompressor- oder damit in Verbindung stehende Druckbeaufschlagungsvorrichtung zur Brennstofflieferung erforderlich; dies kann die Konfiguration der bei der Lieferung von Brennstoff zu dem Stapel 106 verwendeten Ausstattung signifikant vereinfachen. Ferner ist der Gebrauch der Systeme 100 und 200 der vorliegenden Erfindung allgemein nicht für den Normalbetrieb des Fahrzeugs 10 bestimmt, sondern stattdessen nur während diskreter Perioden (allgemein) und Erwärmung (im Besonderen), wo der Bedarf nach einer prompten Lieferung von Wärme an den Fahrgastraum 114 ohne Verbrauch von Brennstoff oder Verwendung komplexer Heizstrategien speziell sichergestellt wird.
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Es sei zu verstehen, dass der Metallhydridpuffer 104 und der Heizerkern 110 von jedem der Systeme, die hier offenbart sind, in einer Vielzahl von Wegen über die Luftschleife 126 und die Wärmeaustauschschleife 120 verbunden sein können. Beispielsweise sind in 3A der Metallhydridpuffer 104 und der Heizerkern 110 fluidtechnisch parallel über die Wärmeaustauschschleife 120 und seriell über die Luftschleife 126 verbunden. In 3B sind der Metallhydridpuffer 104 und der Heizerkern 110 seriell mit der Luftschleife 126 und der Wärmeaustauschschleife 120 fluidtechnisch verbunden. 3C zeigt eine Konfiguration, bei der der Heizerkern 110 und der Metallhydridpuffer 104 seriell über die Wärmeaustauschschleife 120 und die Luftschleife 126 fluidtechnisch verbunden sind, wobei jedoch das Kühlmittel zuerst durch den Heizerkern 110 gelangt, bevor es durch den Metallhydridpuffer 104 gelangt. Jedoch sei dem Fachmann angemerkt, dass dieselbe Konfiguration angewendet werden kann, wobei das Kühlmittel zuerst durch den Metallhydridpuffer 104 vor einem Durchgang durch den Heizerkern 110 gelangt. 3D zeigt eine Konfiguration, bei der der Heizerkern 110 und der Metallhydridpuffer 104 parallel über die Luftschleife 126 und seriell über die Wärmeaustauschschleife 120 fluidtechnisch verbunden sind. Dem Fachmann sei zu verstehen, dass genauso andere Konfigurationen, seriell und parallel, erzielbar sind, um einen Wärmeaustausch von dem Metallhydridpuffer zu dem Heizerkern und schließlich zu dem Fahrgastraum zu unterstützen. Schließlich sei dem Fachmann angemerkt, dass jede der Konfigurationen 3A–3D Ventile zum selektiven Lenken der Luftströmung oder des Kühlmittels zu einem oder beiden des Heizerkerns 110 und des Metallhydridpuffers 104 enthalten kann.
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4 ist ein schematisches Diagramm eines brennstoffzellenbetriebenen Fahrzeugs 10, das einen Fahrgastraum 114 umfasst. Als eine Quelle für Antriebsleistung umfasst das Fahrzeug 10 einen Brennstoffzellenstapel 106. Die Wasserstoffquelle 102 liefert Wasserstoffgas an eine Anode des Brennstoffzellenstapels 106 durch die Brennstoffleitung 116. Der Brennstoffzellenstapel 106 steht in Fluidkommunikation mit einem Brennstoffliefersystem. Der Brennstoffzellenstapel 106 trägt zu einer Drehung von zumindest einem Rad 12 des Fahrzeugs 10 bei. Das Fahrzeug 10 kann beliebige der Systeme und Ausführungsformen, die hier offenbart sind, umfassen, einschließlich des in 1 gezeigten Systems.
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Bei einer anderen Ausführungsform ist ein Verfahren zum Liefern von Wasserstoffgas an ein Brennstoffzellensystem eines Fahrzeugs vorgesehen, wo bei das Verfahren umfasst: Laden eines Metallhydridpuffers mit Wasserstoffgas von einer Wasserstoffquelle bei einem Druck, der ausreichend ist, um eine Adsorption des Wasserstoffgases durch den Metallhydridpuffer zu ermöglichen, wodurch Wärme erzeugt wird; Übertragen der Wärme aus der Adsorption des Wasserstoffgases durch den Metallhydridpuffer an einen Fahrgastraum des Fahrzeugs, wodurch der Fahrgastraum erwärmt wird; und Bereitstellen von Wasserstoffgas, das von dem Metallhydridpuffer entladen wird, an eine Anode einer Brennstoffzelle, wodurch Wasserstoffgas an das Brennstoffzellensystem des Fahrzeugs geliefert wird. Bei einer Ausführungsform umfasst ein Übertragen von Wärme an den Fahrgastraum ein Übertragen der Wärme an eine Wärmeaustauschschleife. Bei einer anderen Ausführungsform umfasst das Verfahren ferner ein Übertragen der Wärme von der Wärmeaustauschschleife an einen Heizerkern. Bei einer noch weiteren Ausführungsform umfasst das Verfahren ferner ein Entladen von Wasserstoffgas von dem Metallhydridpuffer an die Anode einer Brennstoffzelle bei einem Druck, der ausreichend ist, um die Brennstoffzelle mit Leistung zu beaufschlagen.
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Bei einer anderen Ausführungsform ist ein Verfahren zum Kühlen eines Fahrgastraums eines brennstoffzellenbetriebenen Fahrzeugs vorgesehen, wobei das Verfahren umfasst: Entladen eines Metallhydridpuffers von einem Wasserstoffgas bei einem Druck, der ausreichend ist, um eine Desorption des Wasserstoffgases durch den Metallhydridpuffer zu ermöglichen, wodurch eine negative Änderung der Temperatur erzeugt wird; Übertragen der negativen Änderung der Temperatur aus der Desorption des Wasserstoffgases durch den Metallhydridpuffer an den Fahrgastraum, wodurch der Fahrgastraum gekühlt wird, und Liefern von Wasserstoffgas, das von dem Metallhydridpuffer entladen wird, an eine Anode einer Brennstoffzelle zur Verwendung als Brennstoff. Bei einer Ausführungsform umfasst das Übertragen der negativen Änderung der Temperatur an den Fahrgastraum ein Übertragen der negativen Änderung der Temperatur an eine Wärmeaustauschschleife. Bei einer anderen Ausführungsform umfasst das Verfahren ferner ein Übertragen der negativen Änderung der Temperatur von der Wärmeaustauschschleife an einen Heizerkern.
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Dem Fachmann sei auch angemerkt, dass ein System, das Abwärme aus der Adsorption von Wasserstoffgas durch einen Metallhydridpuffer verwendet, beim Heizen eines Fahrgastraumes irgendeines Fahrzeugs, das Wasserstoffgas verwendet, nützlich ist, ungeachtet dessen, ob das Wasserstoffgas in einer Brennstoffzelle oder einem Verbrennungsmotor umgewandelt wird oder ob die Brennstoffzelle dazu verwendet wird, Zusatz- oder Nebenfunktionen des Fahrzeugs mit Leistung zu beaufschlagen. Jedes Fahrzeug, das eine Wasserstoffgasquelle umfasst, kann das hier offenbarte Metallhydridpuffersystem verwenden, um aufbereitete Luft an einen Fahrgastraum des Fahrzeugs zu liefern.
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Während bestimmte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung gezeigt und beschrieben worden sind, sei dem Fachmann offensichtlich, dass verschiedene andere Änderungen und Modifikationen ohne Abweichung von dem Schutzumfang und Erfindungsgedanken der Erfindung durchgeführt werden können. Es ist daher beabsichtigt, in den angefügten Ansprüchen alle derartigen Änderungen und Modifikationen abzudecken, die innerhalb des Schutzumfangs dieser Erfindung liegen.
