DE102019001291A1

DE102019001291A1 - Method for operating a hydrogen-powered system and a hydrogen-powered system

Info

Publication number: DE102019001291A1
Application number: DE102019001291.7A
Authority: DE
Inventors: Daniel Fahrner; Johanna Leisling
Original assignee: Linde GmbH
Current assignee: Linde GmbH
Priority date: 2019-02-22
Filing date: 2019-02-22
Publication date: 2020-08-27

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines wasserstoffbetriebenen Systems , bei dem Metallhydrid einem Reaktor zugeführt und in dem Reaktor thermisch gespalten wird, wobei ein bei der thermischen Spaltung erzeugter Wasserstoff einem Wasserstoffantrieb zugeführt und darin verbrannt wird, und wobei wenigstens ein Teil eines Abgases des Wasserstoffantriebs dazu verwendet wird, den Reaktor zu erwärmen, sowie ein solches wasserstoffbetriebenes System.The invention relates to a method for operating a hydrogen-powered system in which metal hydride is fed to a reactor and thermally cleaved in the reactor, hydrogen generated in the thermal cleavage being fed to a hydrogen drive and burned therein, and at least part of an exhaust gas from the hydrogen drive is used to heat the reactor, as well as such a hydrogen powered system.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines wasserstoffbetriebenen Systems sowie ein solches wasserstoffbetriebenes System.The invention relates to a method for operating a hydrogen-powered system and to such a hydrogen-powered system.

Stand der TechnikState of the art

Aufgrund der endlichen Bestände fossiler Energieträger rückt eine Verwendung alternativer Antriebe für die Aufgabe der Energieversorgung nicht nur von Fahrzeugen des Straßenverkehrs immer mehr in den Vordergrund. Zu den wichtigen alternativen Antrieben zählen batterieelektrische Antriebe (und damit batterieelektrisch betriebene Fahrzeuge) und Wasserstoffantriebe (und damit wasserstoffbetriebene Fahrzeuge).Due to the finite stocks of fossil fuels, the use of alternative drives for the task of supplying energy not only for vehicles used in road traffic is becoming more and more important. The important alternative drives include battery-electric drives (and thus battery-electric vehicles) and hydrogen drives (and thus hydrogen-powered vehicles).

Hierbei ist auch eine entsprechende Infrastruktur nötig, um eine Versorgung von Fahrzeugen mit solchen Antrieben mit Energie sicherzustellen. Für Wasserstoffantriebe kann die Versorgung mit Wasserstoff beispielsweise unter Verwendung von Druckgasspeichern, Metallhydridspeichern oder Flüssiggasspeichern erfolgen.A corresponding infrastructure is also necessary here to ensure that vehicles with such drives are supplied with energy. For hydrogen drives, the supply of hydrogen can take place, for example, using pressurized gas storage tanks, metal hydride storage tanks or liquid gas storage tanks.

Für den Prozess der Hydrolyse, also beispielsweise die Reaktion von Metallhydrid mit Wasser, muss Wasser zur Verfügung gestellt werden. Das Wasser ist hierzu in aller Regel in einem separaten Tank vorhanden. Insbesondere für mobile Anwendungen bedeutet dies jedoch einen gewissen Aufwand und auch Nachteile.For the process of hydrolysis, for example the reaction of metal hydride with water, water must be made available. The water is usually available in a separate tank for this purpose. For mobile applications in particular, however, this means a certain amount of effort and also disadvantages.

An eine Betankung eines Fahrzeugs, das Wasserstoff als Brennstoff verwendet, sind in aller Regel hohe Ansprüche zu stellen. Bei Druckgasbetankungen ergeben sich durch hohe Speicherdrücke von bis zu 700 bar sehr hohe Ansprüche an die verwendeten Materialien. Überdies ist auch eine Einhaltung zulässiger Temperaturgrenzen der einzelnen Druckgeräte oft nur durch hohen technischen Aufwand erreichbar. Bei Flüssiggasspeichern liegt die größte Herausforderung in der thermischen Isolation, da aufgrund der Temperatur von ca. 20 K andernfalls hohe Wärmeströme in den Tank zu erwarten wären, wodurch bedingt durch Boil-Off, d.h. Verdampfen, unweigerlich ein Druckanstieg die Folge wäre.When refueling a vehicle that uses hydrogen as fuel, high demands are usually made. When refueling with pressurized gas, the high storage pressures of up to 700 bar place very high demands on the materials used. In addition, compliance with permissible temperature limits of the individual pressure devices can often only be achieved with a high level of technical effort. In the case of liquefied gas storage facilities, the greatest challenge lies in the thermal insulation, as otherwise high heat flows into the tank would be expected due to the temperature of approx. 20 K, which is due to boil-off, i.e. Evaporation, which would inevitably result in a pressure increase.

Vor diesem Hintergrund stellt sich die Aufgabe, die Versorgung mit Wasserstoff, insbesondere für die Verwendung mit Wasserstoffantrieben, zu verbessern bzw. zu vereinfachen.Against this background, the task arises of improving or simplifying the supply of hydrogen, in particular for use with hydrogen drives.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zum Betreiben eines wasserstoffbetriebenen Systems sowie ein wasserstoffbetriebenes System mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Bevorzugte Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.This object is achieved by a method for operating a hydrogen-powered system and a hydrogen-powered system with the features of the independent patent claims. Preferred configurations are the subject of the dependent claims and the description below.

Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines wasserstoffbetriebenen Systems, bei dem Metallhydrid einem Reaktor zugeführt und in dem Reaktor thermisch gespalten wird. Ein bei der thermischen Spaltung, beispielsweise von Metallhydrid mit Wasser, erzeugter Wasserstoff wird dann einem Wasserstoffantrieb zugeführt und darin verbrannt. Als Wasserstoffantrieb kommt hierbei insbesondere eine Brennkraftmaschine oder eine Brennstoffzelle, die mit Wasserstoff betrieben wird, in Frage. Wenigstens ein Teil eines Abgases des Wasserstoffantriebs wird dann dazu verwendet, den Reaktor zu erwärmen. Der Reaktor kann hierzu zweckmäßigerweise in einem Abgasstrom angeordnet sein bzw. der Abgasstrom kann an dem Reaktor vorbei bzw. entlang geführt werden. Hierzu kann insbesondere eine Heizkammer vorgesehen sein, in welcher der Reaktor angeordnet ist und durch welche das Abgas geführt wird. Ein sich in einer solchen Heizkammer einstellender Druck kann dann bevorzugt zwischen 0,1 bar (über Atmosphäre) und 700 bar, besonders bevorzugt zwischen 0,1 bar und 40 bar, und weiter bevorzugt zwischen 0,1 bar und 40 bar, und noch weiter bevorzugt zwischen 0,1 bar und 10 bar liegen.The present invention relates to a method for operating a hydrogen-powered system, in which metal hydride is fed to a reactor and thermally cracked in the reactor. A hydrogen generated during thermal cracking, for example of metal hydride with water, is then fed to a hydrogen drive and burned therein. An internal combustion engine or a fuel cell that is operated with hydrogen is particularly suitable as a hydrogen drive. At least part of an exhaust gas from the hydrogen drive is then used to heat the reactor. For this purpose, the reactor can expediently be arranged in an exhaust gas stream or the exhaust gas stream can be guided past or along the reactor. For this purpose, a heating chamber in particular can be provided in which the reactor is arranged and through which the exhaust gas is passed. A pressure established in such a heating chamber can then preferably be between 0.1 bar (above atmosphere) and 700 bar, particularly preferably between 0.1 bar and 40 bar, and more preferably between 0.1 bar and 40 bar, and even further are preferably between 0.1 bar and 10 bar.

Mittels der Brennstoffzelle wird dabei zweckmäßigerweise ein Antrieb, insbesondere ein Elektromotor, angetrieben. Vorzugsweise kann der bei der Reaktion entstehende Wasserstoff für einen effizienteren Betrieb der Brennstoffzelle auch noch mittels eines Filters gefiltert und/oder mittels eines Trockners bzw. Gastrockners getrocknet werden, bevor er der Brennstoffzelle zugeführt wird.A drive, in particular an electric motor, is expediently driven by means of the fuel cell. For more efficient operation of the fuel cell, the hydrogen formed during the reaction can preferably also be filtered by means of a filter and / or dried by means of a dryer or gas dryer before it is fed to the fuel cell.

Bei einer Reaktion in der Brennstoffzelle von Wasserstoff mit Sauerstoff entstehendes Wasser wird nun erfindungsgemäß wenigstens teilweise für die Reaktion mit dem Metallhydrid verwendet. Der für die Reaktion in der Brennstoffzelle nötige Sauerstoff kann dazu zweckmäßigerweise aus Umgebungsluft entnommen werden. Durch die Verwendung des bei der Reaktion in der Brennstoffzelle entstehenden Wassers kann die extern zuzuführende Menge an Wasser deutlich reduziert werden. Auf diese Weise kann also beispielsweise der Wasserspeicher kleiner ausgebildet werden als üblich, oder aber es muss weniger Wasser zugeführt werden. Insgesamt entsteht dadurch also ein Kreislauf.In the case of a reaction in the fuel cell of hydrogen with oxygen, water produced is now at least partially used according to the invention for the reaction with the metal hydride. The oxygen required for the reaction in the fuel cell can expediently be taken from ambient air for this purpose. By using the water produced during the reaction in the fuel cell, the amount of water to be supplied externally can be significantly reduced. In this way, for example, the water reservoir can be made smaller than usual, or less water has to be supplied. Overall, this creates a cycle.

Hierzu sei noch angemerkt, dass die Menge des nach der Reaktion verbleibenden Wassers geringer ist eine für die Reaktion mit dem Metallhydrid nötige Menge an Wasser. An sich wird zwar dieselbe Menge an Wasser wieder erzeugt, jedoch befindet sich das Wasser teilweise auch als Wasserdampf in verbrauchter Reaktionsluft, sodass immer noch Wasser nachgeführt werden muss - jedoch deutlich weniger als bisher.It should also be noted here that the amount of water remaining after the reaction is less than the amount of water required for the reaction with the metal hydride. In itself it will the same amount of water is generated again, but some of the water is also found as water vapor in the used reaction air, so that water still has to be replenished - but significantly less than before.

Vorzugsweise wird weiterhin in einer Luft, die bei der Reaktion in der Brennstoffzelle verbraucht wurde, vorhandenes Wasser wenigstens teilweise für die Reaktion mit dem Metallhydrid verwendet. Dies kann zweckmäßigerweise dadurch erfolgen, dass das Wasser aus der Luft in einer Leitung, die die Brennstoffzelle mit dem Wasserspeicher (aus welchem Wasser für die Reaktion mit dem Metallhydrid entnommen wird.) verbindet, ausgefällt wird. Auf diese Weise kann die insgesamt nachzuführende bzw. von extern benötigte Menge an Wasser weiter reduziert werden. Auch hier sei angemerkt, dass in aller Regel nicht die gesamte Menge an in der Luft vorhandenen Wassers ausgefällt werden kann, was durch eine Angleichung der verbrauchten Luft an Umgebungstemperatur erfolgen kann.Furthermore, water present in an air which has been consumed in the reaction in the fuel cell is at least partially used for the reaction with the metal hydride. This can expediently take place in that the water is precipitated out of the air in a line which connects the fuel cell with the water reservoir (from which water for the reaction with the metal hydride is taken). In this way, the total amount of water to be replenished or required externally can be further reduced. It should also be noted here that, as a rule, not the entire amount of water present in the air can be precipitated, which can be done by adjusting the used air to the ambient temperature.

Als Metallhydrid kommt hierbei bevorzugt Titanhydrid, Zirkonhydrid, Yttriumhydrid, Natriumhydrid und Magnesiumhydrid in Betracht, wobei Magnesiumhydrid insbesondere für großtechnische Anwendungen aufgrund der Verfügbarkeit und des geringeren Energieaufwandes besonders bevorzugt ist. Das Metallhydrid kann dabei zusammen mit einem Trägermaterial vorhanden sein, wobei ein Anteil des Metallhydrids dann bevorzugt zwischen 1 % und 100%, besonders bevorzugt zwischen 20% und 80% beträgt.The metal hydride used here is preferably titanium hydride, zirconium hydride, yttrium hydride, sodium hydride and magnesium hydride, magnesium hydride being particularly preferred in particular for large-scale applications due to its availability and the lower energy consumption. The metal hydride can be present together with a carrier material, a proportion of the metal hydride then preferably being between 1% and 100%, particularly preferably between 20% and 80%.

Vorzugsweise wird Metallhydrid in den Metallhydridspeicher, in dem zweckmäßigerweise die Reaktion mit Wasser stattfindet, nachgeführt und insbesondere ein neben Wasserstoff bei der Reaktion von Metallhydrid mit Wasser entstehendes Produkt aus dem Metallhydridspeicher abgeführt, beispielsweise in ein Sammelbehältnis. Von dort kann es dann später entnommen und recycelt werden.Metal hydride is preferably fed into the metal hydride reservoir, in which the reaction with water expediently takes place, and, in particular, a product formed in addition to hydrogen in the reaction of metal hydride with water is discharged from the metal hydride reservoir, for example into a collecting container. From there it can later be removed and recycled.

Durch die Verwendung des Abgases bzw. dessen thermischer Energie - die beim Betrieb des Wasserstoffantriebs ohnehin entsteht - zum Erwärmen des Reaktors kann die andernfalls und bislang nötige Energie zum Erwärmen des Reaktors reduziert oder sogar ganz eingespart werden. Auf diese Weise kann Energie eingespart werden bzw. das wasserstoffbetriebene System kann energieeffizienter und einfacher betrieben werden. Besonders zweckmäßig ist, wenn der Reaktor auf wenigstens 350°C erwärmt wird. Bei dieser Temperatur kann sichergestellt werden, dass die thermische Spaltung, die bei ca. 280°C einsetzt, sicher ablaufen kann. Für das Beispielspiel von Magnesiumhydrid als Metallhydrid ergibt sich hier die Reaktionsgleichung MgH₂ + Q ↔ Mg + H₂ mit Q der Wärmeenergie. Eine notwendige Energie zur Aufhebung der Bindung beträgt hier -74 kJ/mol. Bei Bedarf kann der Reaktor insofern zweckmäßigerweise zusätzlich mittels einer Heizvorrichtung erwärmt werden.By using the exhaust gas or its thermal energy - which is generated in any case when the hydrogen drive is operating - to heat the reactor, the energy previously required for heating the reactor can be reduced or even saved entirely. In this way, energy can be saved and the hydrogen-powered system can be operated in a more energy-efficient and simple manner. It is particularly useful if the reactor is heated to at least 350.degree. At this temperature it can be ensured that the thermal cleavage, which begins at approx. 280 ° C, can take place safely. For the example game of magnesium hydride as metal hydride, the reaction equation results here MgH ₂ + Q ↔ Mg + H ₂ with Q the thermal energy. The energy required to break the bond here is -74 kJ / mol. If necessary, the reactor can expediently be additionally heated by means of a heating device.

Vorzugsweise wird unter Verwendung wenigstens eines Wärmetauschers, vorzugsweise zweier Wärmetauscher, ein Temperaturausgleich zwischen dem Wasserstoff, nachdem er den Reaktor verlassen hat und bevor er dem Wasserstoffantrieb zugeführt wird, und dem Metallhydrid, bevor es dem Reaktor zugeführt wird, vorgenommen. Auf diese Weise kann die im System vorhandene Energie noch besser ausgenutzt werden. Besonders zweckmäßig ist hierbei eine Abkühlung des Wasserstoffs auf wenigstens 80°C, da Wasserstoff dieser Temperatur für den Betrieb eines Wasserstoffantriebs völlig ausreichend ist.Preferably, using at least one heat exchanger, preferably two heat exchangers, temperature equalization between the hydrogen after it has left the reactor and before it is fed to the hydrogen drive and the metal hydride before it is fed to the reactor. In this way, the energy available in the system can be used even better. It is particularly useful to cool the hydrogen to at least 80 ° C., since hydrogen at this temperature is completely sufficient for operating a hydrogen drive.

Um die für eine bestimmte bzw. gewünschte, zu erzeugende Menge an Wasserstoff nötigen an Metallhydrid und Wasser können anhand der molaren Massen der beteiligten Stoffe und der Reaktionsgleichung ermittelt werden. Die molare Masse von Magnesiumhydrid (MgH₂, als Beispiel für ein Metallhydrid) beträgt 26,3209 g/mol, diejenige von Wasser (H₂O) beträgt 18,01528 g/mol, diejenige des atomaren Wasserstoffs (H) 1,00794 g/mol, diejenige des molekularen Wasserstoffs (H₂) beträgt 2,01588 g/mol und diejenige des Magnesiumhydroxids (Mg(OH)₂) beträgt 58,33 g/mol. Die Reaktionsgleichung für die Reaktion zwischen Magnesiumhydrid und Wasser ist dabei MgH₂ + 2 H₂O ↔ Mg(OH)₂ + 2 H₂ und diejenige der anschließenden Reaktion in der Brennstoffzelle ist 2 H₂ + O₂ ↔ 2 H₂O. The metal hydride and water required for a specific or desired amount of hydrogen to be generated can be determined using the molar masses of the substances involved and the reaction equation. The molar mass of magnesium hydride (MgH ₂ , as an example of a metal hydride) is 26.3209 g / mol, that of water (H ₂ O) is 18.01528 g / mol, that of atomic hydrogen (H) 1.00794 g / mol, that of molecular hydrogen (H ₂ ) is 2.01588 g / mol and that of magnesium hydroxide (Mg (OH) ₂ ) is 58.33 g / mol. The reaction equation for the reaction between magnesium hydride and water is included MgH ₂ + 2 H ₂ O ↔ Mg (OH) ₂ + 2 H ₂ and that of the subsequent reaction in the fuel cell 2 H ₂ + O ₂ ↔ 2 H ₂ O.

Der Bedarf an Magnesiumhydrid für 1 kg Wasserstoff ergibt sich dann aus dem Verhältnis der molaren Massen von Magnesiumhydrid und molekularem Wasserstoff zu ca. 18 kg. Der Bedarf an Wasser für 1 kg Wasserstoff ergibt sich aus dem Verhältnis der molaren Massen von Wasser und atomarem Wasserstoff zu ca. 8,9 kg. Dies ergibt bei einem Fahrzeug beispielsweise eine Reichweite von ca. 100 km.The magnesium hydride requirement for 1 kg of hydrogen then results from the ratio of the molar masses of magnesium hydride and molecular hydrogen to approx. 18 kg. The water requirement for 1 kg of hydrogen results from the ratio of the molar masses of water and atomic hydrogen to approx. 8.9 kg. In the case of a vehicle, this results in a range of approximately 100 km, for example.

Die Reaktion findet dabei im Metallhydridspeicher statt, sodass dort das nötige Volumen vorgehalten werden muss. Da aber - zumindest zum Teil - das Wasser, das bei der Reaktion in der Brennstoffzelle entsteht, verwendet wird, muss insgesamt deutlich weniger als die gemäß obigen Ausführungen ermittelte Menge an Wasser vorgehalten werden. Entsprechendes gilt für das Volumen des Metallhydridspeichers.The reaction takes place in the metal hydride reservoir, so that the necessary volume must be kept there. However, since - at least in part - the water that is produced in the reaction in the fuel cell is used, significantly less than the amount of water determined in accordance with the above statements has to be kept in reserve become. The same applies to the volume of the metal hydride reservoir.

Hierzu sei angemerkt, dass das Volumen eines etwaigen Trägermaterials für das Metallhydrid bei dem Volumen des Metallhydrids berücksichtigt werden muss.It should be noted here that the volume of any carrier material for the metal hydride must be taken into account in the volume of the metal hydride.

Weiterhin sei angemerkt, dass zusätzlich auch ein Wasserstofftank vorgesehen sein kann, in dem Wasserstoff (insbesondere unter Druck von bis zu 700 bar) gespeichert werden kann. Dieser Wasserstofftank kann dann beispielsweise als Notversorgung oder auch als Zwischenspeicher verwendet werden. Bei der Reaktion dieses Wasserstoffs in der Brennstoffzelle entstehendes Wasser wäre dann zusätzlich noch vorhanden, da dies vorher - in dem brennstoffzellenbetriebenen System - nicht vorhanden war.It should also be noted that a hydrogen tank can also be provided in which hydrogen (in particular under pressure of up to 700 bar) can be stored. This hydrogen tank can then be used, for example, as an emergency supply or as a temporary storage facility. When this hydrogen reacts in the fuel cell, the water that is produced would then also still be present, since this was not previously present in the fuel cell-operated system.

Vorteilhafterweise wird als wasserstoffbetriebenes System ein mobiles System, insbesondere ein Fahrzeug, verwendet. Gerade hier kommen die Vorteile eines energieeffizienten Systems mit Wasserstoffantrieb zu Tragen, da so beispielsweise Gewicht und Volumen beim Fahrzeug eingespart werden kann.A mobile system, in particular a vehicle, is advantageously used as the hydrogen-powered system. It is precisely here that the advantages of an energy-efficient system with hydrogen drive come into play, as this can save weight and volume in the vehicle, for example.

Für den Betrieb einer wasserstoffbetriebenen Brennkraftmaschine als Wasserstoffantrieb beispielsweise wird ein Verbrauch von 1 kg Wasserstoff pro Stunde bei einer Durchschnittsgeschwindigkeit eines zugehörigen Fahrzeugs von 60 km/h zu Grunde gelegt. Die Molmasse von Magnesiumhydrid (als bevorzugtes Metallhydrid) beträgt 26,321g/mol. Durch eine Division der oben erwähnten Energie zum Lösen der Bindung von Magnesiumhydrid durch dessen molare Masse ergibt sich die Spaltenergie in kJ je Gramm Magnesiumhydrid (MgH₂). Diese beträgt ca. 2,811 kJ/g. Die molare Masse von molekularem Wasserstoff (H₂) beträgt 2,01588 g/mol. Durch das Verhältnis der molaren Massen von Magnesiumhydrid und molekularem Wasserstoff, also dessen Wasserstoffanteil, ergibt sich eine notwendige spezifische Spaltenergie von 36,7 kJ/g [H₂].For the operation of a hydrogen-powered internal combustion engine as a hydrogen drive, for example, a consumption of 1 kg of hydrogen per hour at an average speed of an associated vehicle of 60 km / h is taken as the basis. The molar mass of magnesium hydride (as the preferred metal hydride) is 26.321 g / mol. By dividing the above-mentioned energy for breaking the bond of magnesium hydride by its molar mass, the fission energy in kJ per gram of magnesium hydride (MgH ₂ ) results. This is approx. 2.811 kJ / g. The molar mass of molecular hydrogen (H ₂ ) is 2.01588 g / mol. The ratio of the molar masses of magnesium hydride and molecular hydrogen, i.e. its hydrogen content, results in a necessary specific fission energy of 36.7 kJ / g [H ₂ ].

Für den folgenden Ansatz wird hier der untere Heizwert von Wasserstoff verwendet, da bei diesen hohen Temperaturen keine nennenswerte zusätzliche Wärmeübertragung durch die Kondensationswärme vorhanden ist. Der untere Heizwert von Wasserstoff beträgt ca. 120 MJ/kg [H₂], was ca. 120 kJ/g [H₂] entspricht. Der Wirkungsgrad einer mit Wasserstoff gefeuerten Brennkraftmaschine liegt im Bestpunkt bei ca. 45%. Verluste, also die in Reibung und Wärme umgesetzte Energie, können somit mit einem Anteil von 55% an 120 kJ/g zu 66 kJ/g berechnet werden. Somit beträgt die gesamte Abwärme 66 kJ/g [H₂], die benötigte Spaltenergie für den Treibstoff beträgt 36,7 kJ/g [H₂].The lower calorific value of hydrogen is used for the following approach, since at these high temperatures there is no significant additional heat transfer due to the heat of condensation. The lower calorific value of hydrogen is approx. 120 MJ / kg [H ₂ ], which corresponds to approx. 120 kJ / g [H ₂ ]. The efficiency of an internal combustion engine fired with hydrogen is around 45% at the best point. Losses, i.e. the energy converted into friction and heat, can thus be calculated with a share of 55% of 120 kJ / g to 66 kJ / g. Thus the total waste heat is 66 kJ / g [H ₂ ], the required fission energy for the fuel is 36.7 kJ / g [H ₂ ].

In diesen Verlusten sind auch jene Verluste zu finden, die bei niedrigerer Temperatur als den benötigten 280°C anfallen. Es ist daher besonders Bedacht darauf zu legen, möglichst die gesamte Abgaswärme in den Reaktor einzuleiten. Ferner, sollte die im Produkt gespeicherte Wärme bedingt durch die Wärmekapazität in einem Wärmetauscher (oder mehreren) vor dem Abgasstrom in das Edukt eingeleitet werden. Insgesamt zeigt sich damit, dass durch den hier vorgeschlagenen Kreislauf durch die Nutzung der Wärmeenergie im Abgas deutlich Energie eingespart werden kann.These losses also include those losses that occur at a temperature lower than the required 280 ° C. It is therefore particularly important to ensure that the entire exhaust gas heat is introduced into the reactor. Furthermore, due to the heat capacity, the heat stored in the product should be introduced into the educt in a heat exchanger (or several) before the exhaust gas flow. Overall, this shows that the cycle proposed here can significantly save energy by using the thermal energy in the exhaust gas.

Gegenstand der Erfindung ist weiterhin ein wasserstoffbetriebenes System mit einem Reaktor, dem Metallhydrid zuführbar und darin thermisch spaltbar ist, sowie mit einem Wasserstoffantrieb, dem ein bei der thermischen Spaltung erzeugter Wasserstoff zuführbar und darin verbrennbar ist. Das wasserstoffbetriebene System ist nun dazu eingerichtet, wenigstens einen Teil eines Abgases des Wasserstoffantriebs dazu zu verwenden, den Reaktor zu erwärmen. Hierzu kann der Reaktor zweckmäßigerweise in einem Abgasstrom angeordnet sein bzw. der Abgasstrom kann an dem Reaktor vorbei bzw. entlang geführt werden. Insbesondere kann hierzu - wie bereits erwähnt - eine Heizkammer vorgesehen sein.The invention also relates to a hydrogen-powered system with a reactor to which metal hydride can be fed and thermally cleaved therein, and with a hydrogen drive to which a hydrogen generated during thermal cleavage can be fed and combusted therein. The hydrogen-powered system is now set up to use at least part of an exhaust gas from the hydrogen drive to heat the reactor. For this purpose, the reactor can expediently be arranged in an exhaust gas stream or the exhaust gas stream can be guided past or along the reactor. In particular - as already mentioned - a heating chamber can be provided for this purpose.

Weiterhin ist vorzugsweise eine Heizvorrichtung vorgesehen, die dazu eingerichtet ist, den Reaktor zu erwärmen. Zudem ist zweckmäßigerweise wenigstens ein Wärmetauscher vorgesehen, der derart angeordnet ist, dass durch ihn der Wasserstoff, nachdem er den Reaktor verlassen hat und bevor er dem Wasserstoffantrieb zugeführt wurde, und das Metallhydrid, bevor es dem Reaktor zugeführt wird, geleitet wird. Auch kann ein Sammelbehältnis für bei der thermischen Spaltung neben dem Wasserstoff entstehendes Reaktionsprodukt vorgesehen sein. Bevorzugt ist zudem auch, wenn das System dazu eingerichtet ist, ein erfindungsgemäßes Verfahren durchzuführenFurthermore, a heating device is preferably provided which is set up to heat the reactor. In addition, at least one heat exchanger is expediently provided, which is arranged such that the hydrogen is passed through it after it has left the reactor and before it has been fed to the hydrogen drive, and the metal hydride before it is fed to the reactor. A collecting container can also be provided for the reaction product formed in addition to the hydrogen during the thermal cracking. It is also preferred if the system is set up to carry out a method according to the invention

Zudem kann zweckmäßigerweise ein Antrieb, insbesondere ein Elektromotor, vorgesehen sein, der dann mittels der Brennstoffzelle angetrieben wird. Weiterhin ist das System dazu eingerichtet, bei einer Reaktion in der Brennstoffzelle von Wasserstoff mit Sauerstoff entstehendes Wasser wenigstens teilweise einem Wasserspeicher zuzuführen.In addition, a drive, in particular an electric motor, can expediently be provided, which is then driven by means of the fuel cell. Furthermore, the system is set up to at least partially feed water that is formed during a reaction in the fuel cell of hydrogen with oxygen to a water reservoir.

Vorzugsweise ist das System weiterhin dazu eingerichtet, Wasser, das in einer Luft, die bei der Reaktion in der Brennstoffzelle verbraucht wurde, vorhanden ist, wenigstens teilweise dem Wasserspeicher zuzuführen. Zweckmäßigerweise ist weiterhin ein Sammelbehältnis für ein neben Wasserstoff bei der Reaktion von Metallhydrid mit Wasser entstehendes Produkt vorgesehen.The system is preferably also set up to at least partially supply water that is present in an air that was consumed in the reaction in the fuel cell to the water reservoir. A collecting container for a product formed in addition to hydrogen during the reaction of metal hydride with water is also expediently provided.

Hinsichtlich der Vorteile des erfindungsgemäßen Systems sei zur Vermeidung von Wiederholungen auf obige Ausführungen zum Verfahren verwiesen, die hier entsprechend gelten.With regard to the advantages of the system according to the invention, to avoid repetitions, reference is made to the above statements on the method, which apply accordingly here.

Der Vollständigkeit halber sei angemerkt, dass durch die Erfindung nicht nur eine energieeffiziente mobile Wasserstoffversorgung, sondern auch eine stationäre Wasserstoffversorgung - dann insbesondere auch mit einer größeren Vorrichtung - zur Verfügung gestellt werden kann.For the sake of completeness, it should be noted that the invention can provide not only an energy-efficient mobile hydrogen supply, but also a stationary hydrogen supply - then in particular with a larger device.

Die Erfindung ist anhand von Ausführungsbeispielen in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben.The invention is illustrated schematically in the drawing using exemplary embodiments and is described below with reference to the drawing.

FigurenlisteFigure list

1 shows schematically a hydrogen-powered system according to the invention in a preferred embodiment, which is suitable for carrying out a method according to the invention.

Ausführliche Beschreibung der ZeichnungDetailed description of the drawing

In 1 ist ein erfindungsgemäßes wasserstoffbetriebenes System in einer bevorzugten Ausführungsform dargestellt, anhand welcher im Folgenden ein erfindungsgemäßes Verfahren in einer bevorzugten Ausführungsform erläutert werden soll. Bei dem wasserstoffbetriebenen System kann es sich beispielsweise um ein Fahrzeug handeln.In 1 a hydrogen-powered system according to the invention is shown in a preferred embodiment, on the basis of which a method according to the invention is to be explained in a preferred embodiment below. The hydrogen-powered system can be a vehicle, for example.

Das wasserstoffbetriebene System umfasst dabei einen Wasserstoffantrieb 8, bei dem es sich insbesondere um eine wasserstoffbetriebene Brennkraftmaschine oder Brennstoffzelle handeln kann. Dem Wasserstoffantrieb 8 wird Luft 9 zugeführt. Weiterhin ist nun ein Reaktor 4 vorgesehen, der innerhalb einer nicht dargestellten Heizkammer angeordnet ist. Durch die Heizkammer wird Abgas bzw. ein Abgasstrom aus dem Wasserstoffantrieb 8 geführt. Damit strömt der Abgasstrom den Reaktor 4 an. The hydrogen-powered system includes a hydrogen drive 8th , which can in particular be a hydrogen-powered internal combustion engine or fuel cell. The hydrogen drive 8th becomes air 9 fed. Furthermore there is now a reactor 4th provided, which is arranged within a heating chamber, not shown. Exhaust gas or an exhaust gas stream from the hydrogen drive is passed through the heating chamber 8th guided. The exhaust gas stream thus flows through the reactor 4th on.

Der Reaktor 4 verfügt über eine Zufuhr für Metallhydrid 1 und einen Ablauf der bei einer Reaktion in dem Reaktor 4 entstehende Produkte ableitet. Das Metallhydrid 1 wird hierbei beispielhaft aus einem Vorratsbehältnis 2 über die Zufuhr in den Reaktor 4 eingebracht.The reactor 4th has a feed for metal hydride 1 and a sequence of a reaction in the reactor 4th resulting products. The metal hydride 1 is here, for example, from a storage container 2 via the feed into the reactor 4th brought in.

Der Reaktor 4, in den dem der Zerfallsprozess abläuft, ist dabei insbesondere druck- und temperaturfest ausgebildet. Der Reaktor 4 ist dabei insbesondere so ausgelegt, dass einem Druck p1 von vorzugsweise bis zu 40 bar und einer Temperatur T1 von bis zu 350°C widerstehen kann. Druck und Temperatur können mittels geeigneter nicht dargestellter Messeinrichtungen (insbesondere ein Drucksensor und ein Temperatursensor) erfasst und auf diese Weise auch überwacht werden. Das Abgas d überträgt beim Anströmen des Reaktors 4 Energie in Form von Wärme auf den in dem Reaktor befindlichen Reaktanten, also das Metallhydrid.The reactor 4th , in which the disintegration process takes place, is designed to withstand pressure and temperature in particular. The reactor 4th is designed in particular so that a pressure p1 of preferably up to 40 bar and a temperature T1 can withstand up to 350 ° C. Pressure and temperature can be detected by means of suitable measuring devices (not shown) (in particular a pressure sensor and a temperature sensor) and also monitored in this way. The exhaust gas d transfers when it flows into the reactor 4th Energy in the form of heat on the reactants in the reactor, i.e. the metal hydride.

Wie eingangs bereits erwähnt, entsteht bei der Reaktion, also der thermischen Spaltung, Wasserstoff b und ein weiteres Produkt d, nämlich das entsprechende Metall. Beides wird in ein Sammelbehältnis geleitet. Während das Produkt darin gespeichert bzw. gesammelt wird und später recycelt werden kann, wird der gasförmige Wasserstoff aus dem Sammelbehältnis über eine Ableitung abgeleitet und dem Wasserstoffantrieb 8 zugeführt. Wobei der gasförmige Wasserstoff auch in Behälter 7 zwischengespeichert werden kann.As already mentioned at the beginning, the reaction, i.e. the thermal cleavage, produces hydrogen b and another product d, namely the corresponding metal. Both are directed into a collecting container. While the product is stored or collected in it and can later be recycled, the gaseous hydrogen is diverted from the collecting container via a discharge and the hydrogen drive 8th fed. The gaseous hydrogen is also in containers 7th can be cached.

Dabei durchläuft der Wasserstoff hier beispielhaft einen Filter 5 und einen Kondensator 6.Here, for example, the hydrogen passes through a filter 5 and a capacitor 6th .

Das notwendige Wasser für die Reaktion des Metallhydrids 1 in Reaktor 4 kann in dem Wasserspeicher 3 vorgehalten werden. In diesen Wasserspeicher 3 wird zudem das Wasser, welches in dem Wasserstoffantrieb 8 erzeugt wird, zurückgeführt. Dadurch kann Wasser recycelt werden. Zudem kann ebenfalls das Wasser aus dem Kondensator 6 rückgeführt werden um den Wirkungsgrad zu erhöhen. Auch das Abgas aus dem Wasserstoffantrieb 8 durchläuft einen Kondensator 10, so dass das dort zurückgewonnene Wasser ebenfalls in den Kreislauf durch Rückführung in den Wasserspeicher 3 recycelt werden kann.The water necessary for the reaction of the metal hydride 1 in reactor 4th can in the water tank 3 be held up. In this water reservoir 3 is also the water that is in the hydrogen drive 8th is generated, returned. This allows water to be recycled. In addition, the water can also come out of the condenser 6th be fed back to increase the efficiency. Also the exhaust gas from the hydrogen drive 8th passes through a capacitor 10 so that the water recovered there is also fed back into the water tank 3 can be recycled.

Die Wärme aus dem Wasserstoffantrieb 8 kann über mehrere Wärmetauscher 11, 13, 14 mit dem Reaktor 4 über das Metallhydrid ausgetauscht werden.The heat from the hydrogen drive 8th can use several heat exchangers 11 , 13 , 14th with the reactor 4th be exchanged via the metal hydride.

Zudem kann dem Metallhydrid über eine externe Wärmequelle 16 zusätzlich Wärme zugeführt werden.In addition, the metal hydride can have an external heat source 16 additional heat can be supplied.

Zusätzlich kann ein Filter 12 vorgesehen sein.In addition, a filter 12 be provided.

Auf diese Weise kann also ein besonders energieeffizientes wasserstoffbetriebenes System bereitgestellt werden, was insbesondere im Falle eines Fahrzeugs vorteilhaft ist, da nicht nur Energie, sondern ggf. auch Gewicht für etwaige weitere Heizvorrichtungen und Tankvolumen eingespart werden kann.In this way, a particularly energy-efficient hydrogen-powered system can be provided, which is particularly advantageous in the case of a vehicle, since not only energy, but possibly also weight for any further heating devices and tank volume can be saved.

Claims

Method for operating a hydrogen-powered system, in which metal hydride (1) is fed to a reactor (4) and thermally cleaved in the reactor (4), wherein a hydrogen generated during the thermal cracking is fed to a hydrogen drive (8) and burned therein, and wherein at least part of an exhaust gas of the hydrogen drive (8) is used to heat the reactor (4) and with a reaction in the hydrogen drive (8) water formed from hydrogen with oxygen (7) is at least partially used for the reaction with the metal hydride (1).

Procedure according to Claim 1 wherein water present in an air which was consumed in the reaction in the hydrogen drive (8) is at least partially used for the reaction with the metal hydride (1).

A method according to any one of the preceding claims, wherein additionally supplied water (a) is used for the reaction with the metal hydride (b).

Method according to one of the preceding claims, wherein using at least one heat exchanger (13, 14) a temperature equalization between the hydrogen, after it has left the reactor (4) and before it is fed to the hydrogen drive (8), and the metal hydride (1) before it is fed to the reactor (4).

A method according to any one of the preceding claims, wherein at least one of titanium hydride, zirconium hydride, yttrium hydride, sodium hydride and magnesium hydride is used as metal hydride (1).

Method according to one of the preceding claims, wherein a mobile system, in particular a vehicle, is used as the hydrogen-powered system.

Hydrogen-powered system with a reactor (4) to which the metal hydride (1) can be fed and thermally cleaved therein, and with a hydrogen drive (8) to which a hydrogen generated during the thermal cleavage can be fed and combusted therein, wherein the hydrogen-powered system is set up to use at least part of an exhaust gas of the hydrogen drive (8) to heat the reactor (4) and wherein the system is further set up to at least partially supply water that is produced by the hydrogen drive (8) from hydrogen with oxygen to a water reservoir (3) during a reaction.