DE10360001A1 - Vorrichtung zur Anzeige des Füllstandes eines Metallhydridspeichers - Google Patents

Vorrichtung zur Anzeige des Füllstandes eines Metallhydridspeichers Download PDF

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Anzeige des Füllstandes eines einen Behälter (2) aufweisenden Metallhydridspeichers, mit mindestens einem Sensor (12, 14) und mit dem Sensor bzw. den Sensoren (12, 14) verbundenen und gegeneinander isolierten elektrisch leitenden Kabeln (11), die zum Anschluss an eine Anzeige- und/oder Auswerteeinrichtung (18) durch midnestens eine Öffnung (9) des Behälters (2) geführt sind. Im Hinblick auf eine Verbesserung der Gasdichtigkeit des bekannten Behälters und zur Vereinfachung der Vorrichtung wird mit der vorliegenden Erfindung zum einen vorgeschlagen, dass der Sensor (12, 14) in eine Metallhydridschüttung des Metallhydridspeichers eingebracht ist. Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird zur Lösung des obigen Problems vorgeschlagen, die Kabel (11) gasdicht durch die Öffnung (9) hindurchzuführen (Fig. 1).

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Anzeige des Füllstandes eines einen Behälter aufweisenden Metallhydridspeichers, mit mindestens einem Sensor und mit dem Sensor bzw. Sensoren verbundenen und gegeneinander isolierten elektrisch leitenden Kabel, die zum Anschluss an eine Anzeige- und/oder Auswerteinrichtung durch mindestens eine Öffnung des Behälters geführt sind.
  • Eine entsprechende Vorrichtung ist aus der US-2003/0070487 A1 bekannt. Die US-2003/0070487 A1 offenbart einen Behälter, in dem ein Metallhydrid eingeschlossen ist. Derartige Metallhydridspeicher können größere Mengen Wasserstoff bei geringem Druck und verhältnismäßig kleinem Volumen speichern und eignen sich insbesondere als Kraftstofftanks für Brennstoffzellen-Fahrzeuge. Hierzu ist es erforderlich, den Füllstand des Wasserstoffs in dem Behälter zu erfassen. Beim Einlass von Wasserstoff in den Behälter wird der Wasserstoff an der Oberfläche des Metallhydrids unter leichtem Druck reversibel gespeichert. Bei diesem Speichervorgang dissoziiert das zweiatomige Gas Wasserstoff in atomaren Wasserstoff und penetriert die Zwischenplätze des Metallwirtgitters. Das in dem Behälter eingeschlossene Metallhydrid bzw. die Metallhydridschüttung erfährt infolge der Wasserstoffeinlagerung eine Volumenausdehnung. Der Ladevorgang des Metallhydridspeichers ist ein exothermer Vorgang, und die erzeugte Wärme muss abgeführt werden, da der Gleichgewichtsdruck des chemischen Gleichgewichts in dem Behälter sich mit der Temperatur verändert.
  • Bei der aus dem gattungsbildenden Stand der Technik bekannten Vorrichtung zur Anzeige des Füllstandes, die sich das Verhalten der Metallhydridschüttung zueigen macht, mit steigender Wasserstoffbeladung einen höheren elektrischen Widerstand zu zeigen, wird der elektrische Widerstand der Schüttung zwischen zwei Sensoren einer in dem Behälter eingebrachten Kammer gemessen. Die Sensoren sind mit Kabeln verbunden, die zum Anschluss an eine Anzeige- und Auswerteeinrichtung durch eine Öffnung in dem Behälter nach außen geführt werden. Die Kammer ist mit Metallhydrid gefüllt, in welches die Sensoren eingebettet sind. Die Wandungen der Kammer bestehen aus einem wasserstoffdurchlässigen Material, so dass beim Einlass von Wasserstoff in den Behälter der Wasserstoff nicht nur auf das Metallhydrid des Behälters sondern auch auf das Metallhydrid der Kammer wirkt. Die Sensoren werden an jeweils einem Ende der Kammer, gegenüberliegend voneinander angebracht.
  • Um die Wasserstoffkapazität des Behälters zu ermitteln, wird ein elektrisches Signal von der Kammer an die Anzeige- und Auswerteinrichtung weitergeleitet. Das elektrische Signal erfasst den elektrischen Widerstand zwischen den Sensoren in der Kammer. Da das Metallhydrid der Kammer und des Behälters vorzugsweise identisch sind, kann die Änderung des Widerstandes in der Kammer unmittelbar mit dem Beladungszustand des Metallhydrids in dem Behälter korreliert werden. Mittels der Auswerteinreichung lässt sich dann der aktuelle Füllstand des Behälters errechnen.
  • Die US-2003/0070487 A1 offenbart auch Ausführungsbeispiele, die anhand der Volumenausdehnung der Metallhydridschüttung deren Füllstand ermitteln. Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist in einer mit Metallhydrid gefüllten Kammer ein Kolben eingebracht, der mit einer Anzeigevorrichtung mechanisch verbunden ist, und sich abhängig von dem Druck, der sich aufgrund der Volumenausdehnung der Metallhydridschüttung einstellt, longitudinal zu der zylindrisch ausgebildeten Kammer verschiebt. Diese Verschiebung führt dazu, dass aufgrund der mechanischen Verbindung zwischen dem Kolben und der Messanzeigeeinrichtung der aktuelle Füllstand ermittelt werden kann. Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel wird eine Membran in eine Kammer eingebracht, deren Farbe sich mit dem durch Veränderung des Füllstandes ändernden Innendruck der Kammer verändert und durch ein Schauglas als Maß für den Füllstand abgelesen wird.
  • Bei den vorerwähnten Ausführungsbeispielen der US-2003/007487 A1 muss die Kammer mit einer vorbestimmten Menge von Metallhydrid in einer vorbestimmten Weise gefüllt werden. Unter anderem muss das Metallhydrid so verpackt werden, dass eine vorbestimmte Metallhydriddichte innerhalb der Kammer erreicht wird, um die Voraussetzung für eine korrekte Erfassung der Zustandsänderung des Metallhydrids bei sich änderndem Belastungszustand zu schaffen. Ferner muss bei sämtlichen Ausführungsbeispielen der in der Kammer aufgenommene Sensor kalibriert werden und mitunter ist es erforderlich, das Verhalten des Metallhydrids in der Kammer mit dem Verhalten des Me tallyhdrids in dem Behälter zu korrelieren, um auf den Beladungszustand in dem Behälter schließen zu können.
  • Der vorliegenden Erfindung liegt das Problem zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art anzugeben, die eine einfache und zuverlässige Erfassung des Füllstandes des Metallhydridspeichers ermöglicht.
  • Das der Erfindung zugrundeliegende technische Problem wird gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst, die sich dadurch vom Stand der Technik unterscheidet, dass der Sensor in eine Metallhydridschüttung des Metallhydridspeichers im Zentrum des Behälters eingebracht ist.
  • Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist einen Behälter mit vorzugsweise einer Öffnung auf, durch die die elektrisch leitenden Kabel geführt sind. Der Sensor ist in der Metallhydridschüttung des Metallhydridspeichers eingebracht, d.h. der Sensor ist von dem Metallhydrid des Speichers umgeben. Der Sensor wird also direkt in die Metallhydridschüttung des Speichers eingebettet und nicht, wie im Stand der Technik, in eine Metallhydridschüttung einer Kammer. Der Sensor im Sinne der Erfindung kann jeder beliebige Sensor sein, der anhand spezifischen Eigenschaftsänderungen der Metallhydridschüttung des Behälters mit wechselndem Beladungszustand derselben ein entsprechendes Signal erzeugt. Anhand des Signals kann dann der Füllstand des Speichers ermittelt werden.
  • Dadurch, dass der Sensor in die Metallhydridschüttung des Behälters eingebettet wird und nicht, wie es aus dem Stand der Technik bekannt ist, in eine Metallhydridschüttung einer Kammer, wird die erfindungsgemäße Vorrichtung wesentlich vereinfacht. Der Sensor ist dabei im Zentrum des Behälters angeordnet was bedeutet, dass der Sensor umfänglich von einer Metallhydridschüttung umgeben und vorzugsweise im Mittelpunkt des Behälters vorgesehen ist, jedenfalls aber einen Abstand von einer Wandung des Behälters von wenigstens 25%, vorzugsweise von wenigstens 35% einer gegenüberliegende Behälterwandungen verbindenden geraden Linie hat. Die Anordnung des Sensors im Zentrum hat den Vorteil, dass der Sensor zum einen den Festkörperdruck in der Schüt tung repräsentativ misst und zum anderen durch die Metallhydridschüttung von Außentemperatureinflüssen an der Außenseite des Behälters geschützt ist. Folglich kann mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung der Beladungszustand des Metallhydridspeichers mit höherer Genauigkeit festgestellt werden.
  • Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird das der Erfindung zugrundeliegende technische Problem mit einer Vorrichtung mit den Merkmalen von Anspruch 2 gelöst, die sich dadurch vom Stand der Technik unterscheidet, dass die Kabel gasdicht durch die Öffnung hindurchgeführt sind. Das Kabel im Sinne der Erfindung kann jedes beliebige Kabel sein, das gasdicht durch die Öffnung hindurchgeführt ist. Eine gasdichte Durchführung der Kabel ist gewährleistet, wenn kein Wasserstoff in Längsrichtung des Kabels aus dem Behälter entweichen kann. Hierzu ist die Öffnung beispielsweise mit einer Masse gefüllt, die vorzugsweise aus einem Material gebildet ist, das ein gutes Haftvermögen aufweist und welche an der Innenumfangsfläche der Öffnung und der an den Umfangsflächen der Kabel anliegt, vorzugsweise haftet. Die Masse kann sowohl starr als auch elastisch sein. Die Masse verhindert, dass Wasserstoff aus dem Behälter entweicht, indem sie dichtend an der Innenumfangsfläche der Öffnung oder einem dichtend in die Öffnung eingesetztes Zwischenstück und an der Umfangsfläche des bzw. der Kabel anliegt. Die Kabel sind in der Masse eingebettet. Vorzugsweise ist die Masse nicht elektrisch leitend. Sofern das Kabel herkömmlich ausgebildet ist und aus mehreren zu einer Litze verdrillten Einzeldrähten besteht, wobei die Litze mit einem Isolierungsmaterial umhüllt ist, ist eine Masse zwischen die Innenumfangsfläche des Isolierungsmaterials und den Umfangsflächen der Einzeldrähte unter Ausfüllung der Zwischenräume zwischen den Einzeldrähten eingebracht, so dass kein Wasserstoff in Längsrichtung der Kabel durch die Öffnung oder das Zwischenstück entweicht. Ferner liegt Masse dichtend zwischen der äußeren Umfangsfläche des Isolierungsmaterials und der Innenumfangsfläche der Öffnung oder des Zwischenstücks dichtend an.
  • Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der vorliegenden Erfindung, bei der die Kabel zumindest im Bereich der Öffnung gasdicht sind, ist die Gasdichtigkeit der Kabel in dem vorerwähnten Sinne lediglich im Bereich der Öffnung verwirklicht, wohingegen die übrige Länge des Kabels konventionell ausgebildet sein kann. Hiernach kann zur Verwirklichung der erfindungsgemäßen Vorrichtung die Signalführung von dem Sensor zu der Anzeige- und/oder Auswerteeinrichung über weite Strecken durch ein kostengünstiges, herkömmliches Kabel erfolgen, welches lediglich im Bereich der Öffnung gasdicht modifiziert worden ist.
  • Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der vorliegenden Erfindung bestehen die Kabel zumindest im Bereich der Öffnung aus einem Vollmaterial, d.h. die im Bereich der Öffnung abzudichtende Außenumfangsfläche des Kabels wird durch die Außenumfangsfläche des Vollmaterials gebildet. Das Vollmaterial kann jedes beliebige elektrisch leitende Material sein, so wie beispielsweise Kupfer. Durch Verwendung eines Kabels, welches zumindest im Bereich der Öffnung aus einem Vollmaterial besteht, wird verhindert, dass Wasserstoff durch das Kabel nach außen gelangt. Bei Verwendung eines herkömmlichen Kabels im Bereich der Öffnung haben praktische Versuche gezeigt, dass Wasserstoff entlang der Litze und zwischen den Einzeldrähten des Kabels aus dem Behälter entweicht. In Bezug auf die Minimierung der abzudichtenden Umfangsfläche bei größtmöglichem Leitungsquerschnitt ist es zu bevorzugen, ein Vollmaterial mit runder Querschnittsfläche zu verwenden.
  • Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der vorliegenden Erfindung ist im Bereich der Öffnung eine Hülse gasdicht mit dem Behälter verbunden und mit einem Polymer gefüllt. Die Kabel sind durch die Hülse hindurchgeführt und das Polymer liegt zumindest im Bereich der Öffnung gasdicht an der Innenumfangsfläche der Hülse und an den äußeren Umfangsflächen der Kabel an. Die in die Öffnung des Behälters eingesetzte Hülse ist vorzugsweise gasdicht mit dem Behälter verschraubt. Die Länge der Hülse wird üblicherweise so gewählt, dass die Hülse innen- und außenseitig eine gewisse Länge von der Behälterwandung absteht.
  • Im Hinblick auf eine möglichst zuverlässige Positionierung des Sensors im Zentrum des Behälters wird gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung vorgeschlagen, dass zwischen der Hülse und dem Sensor ein die Sensorkabel aufnehmendes Rohr vorgesehen ist. Durch das Rohr ist der Sensor gegenüber der Behälterwandung zunächst mit einem biegesteifen Element beabstandet gehalten. Das Rohr kann mit seinem dem Sensor gegenüberliegenden Ende fest mit dem Behälter verbunden sein, wodurch die Lage des Sensors in dem Behälter fixiert wird. Das Rohr wirkt ferner stabilisierend auf die Metallhydridschüttung und verhindert ein Verrutschen derselben in dem Behälter insbesondere bei geringeren Beladungszuständen des Metallhydrids. Aus Gründen einer einfachen Herstellung wird gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung hierzu vorgeschlagen, dass die Hülse zur Ausbildung des Rohres verlängert ist und bei dieser Ausgestaltung bildet das Rohr und die Hülse ein einheitliches Bauteil aus.
  • Im Hinblick auf eine möglichst gute Haftung der Kabel mit dem Polymer und zur sicheren Isolation der Kabel gegeneinander sind die Kabel vorzugsweise mit einem Lack überzogen, insbesondere aus einem Kupferlackdraht gebildet. Gute Haftungs- und Abdichtungseigenschaften zeigt beispielsweise ein in die Hülse eingebrachter Epoxidharz.
  • Praktische Versuche haben gezeigt, dass als Sensor vorzugsweise ein Sensor in die Vorrichtung eingebaut wird, der den Innendruck der Metallhydridschüttung erfasst. Diese Innendruckmessung der Metallhydridschüttung, die sich aufgrund der Quellung der Schüttung bei steigender Beladung ergibt, stellt ein wesentlich zuverlässigeres Signal für die Ermittlung des Füllstandes bereit, als die Messung des Gasinnendruckes in dem Behälter. Letztere wird wesentlich beeinflusst von Temperaturschwankungen und insbesondere von thermodynamischen Ausgleichsvorgängen während der Be- und Entladung des Metallyhdridspeichers. Ferner steigt zwar der Druck mit zunehmender Beladung des Metallhydridspeichers zunächst an, bildet aber dann bei Erreichen eines Grenzdruckes, bei dem der Wasserstoff von dem Metall chemisch aufgenommen wird und sich mit Metallhydrid bildet, ein Plateau aus, welches erst dann mit zunehmender Beladung des Metallhydridspeichers zu einem Anstieg der Druckwerte führt, wenn das Abspeichern des Wasserstoffes in dem Metallhydridspeicher abgeschlossen ist, d.h. alle Gitterplätze des Metallwirtsgitters mit Wasserstoff besetzt sind. In diesem Plateaubereich kann allein aufgrund von Innendruckmessungen keine differenzierte Aussage über den Beladungszustand des Metallhydridspeichers gemacht werden.
  • Zur genaueren Ermittlung des Füllstandes zwischen dem Beginn und dem Ende der Speicherung von Wasserstoff an den Gitterplätzen des Metallwirtsgitters wird gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung vorgeschlagen, an der Vorrichtung einen weiteren Sensor vorzusehen, der in die Metallhydridschüttung eingebracht ist und der ein die elektrische Leitfähigkeit und/oder die optische Durchlässigkeit der Metallhydridschüttung wiedergebendes Messsignal an die Auswerte- und Anzeigeeinrichtung weiterleitet. Versuche haben gezeigt, dass der elektrische Widerstand in der Metallhydridschüttung mit zunehmender Beladung des Metallhydrids auch in dem Bereich, in dem die Gitterplätze des Metallwirtsgitters zunächst belegt werden, einen kontinuierlich degressiven Verlauf hat, so dass sich auch dieses Verhalten gut für die Bestimmung der Befüllung des Speichers eignet. Der Leitfähigkeit bzw. der optische Sensor können auch anstelle des Drucksensors als alleiniger Sensor vorgesehen sein.
  • Der Drucksensor wird gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung zum Schutz gegen Beschädigung des Speichers in einer Kunststoffumhüllung gekapselt, deren Steifigkeit so gewählt wird, dass der von der Metallhydridschüttung infolge der Volumenausdehnung der Schüttung auf den Drucksensor ausgeübten Druck ungehindert auf den Drucksensor einwirken kann. Regelmäßig wird die Kunststoffumhüllung bis über die Außenumfangsfläche eines die Kabel für den Drucksensor enthaltenden, isolierten Kabelstranges geführt und schützend an diese angelegt.
  • Etwaige Temperatureinflüsse auf die zur Ermittlung des Füllstandes herangezogenen Eigenschaftsänderungen werden in an sich bekannter Weise in der Auswerte- und/oder Anzeigeeinrichtung kompensiert. Hierzu ist vorzugsweise ein in die Metallhydridschüttung eingebrachter Temperatursensor vorgesehen, der ein temperaturabhängiges Messsignal an die Auswerte- und/oder Anzeigeeinrichtung weiterleitet. Neben dieser Messung der Innentemperatur ist es weiterhin zu bevorzugen, einen Umgebungstemperatursensor vorzusehen, der ein die Umgebungstemperatur wiedergebendes Signal an die Auswerte- und/oder Anzeigeeinrichtung weiterleitet. Durch die Kombination beider Temperatursensoren können temperaturabhängige Vorgänge im Inneren des Behälters ermittelt und durch Korrektur mit der Änderung der Außentemperatur allein diejenigen Temperaturschwankungen isoliert werden, die auf endotherme/exotherme Reaktionen in dem Metallhydridspeicher zurückzuführen sind.
  • Weitere Einzelheiten, Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der Zeichnung. In dieser zeigen:
  • 1 eine schematische Ansicht eines mit einem Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung bestückten Metallhydridspeichers;
  • 2 eine Schnittansicht entlang Linie II-II gemäß der Darstellung in 1; und
  • 3 die in den 1 und 2 dargestellte Anzeigevorrichtung.
  • 1 zeigt einen Behälter 2 aufweisenden Metallhydridspeicher 4, in dem das Metallhydrid eingeschlossen ist. An einem Ende des Behälters 2 ist als Hülse ein Metallrohr 8 im Bereich einer Öffnung 9 mit dem Behälter 2 gasdicht verschraubt. Durch das Metallrohr 8 sind mehrere Kabelstränge 10 hindurchgeführt, welche jeweils aus mehreren Einzelkabeln 11 bestehen. Die Kabelstränge 10 sind im Inneren des Behälters 2 an unterschiedlichen Sensoren 12, 14, 16 angeschlossen, und das andere Ende der Kabelstränge ist an eine Anzeige- und Auswerteeinrichtung 18 angeschlossen. Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel erstreckt sich das Metallrohr 8 von der Öffnung 9 bis zu den Sensoren 12, 14, 16, die auf diese Weise im Zentrum des Behälters 4 positioniert sind. Ferner wird durch das Metallrohr 8 die Metallhydridschüttung stabilisiert und an einer übermäßigen Verlagerung innerhalb des Behälters gehindert. Das in 1 gezeigte Ausführungsbeispiel hat ferner einen Umgebungstemperatursensor 20.
  • Die Einzelkabel 11 eines jeden Kabelstrangs 10 sind aus Kupferlackdraht als Vollmaterial gebildet und in einer in 2 näher dargestellten Weise gasdicht durch die Öffnung 9 des Behälters 2 hindurchgeführt. In der in 2 gezeigten Schnittdarstellung entlang der Linie II-II sind die Einzeldrähte 11 der jeweiligen Kabelstränge 10 zu erkennen, welche in den jeweiligen Kabelsträngen 10 zugeordneten Gruppe durch das Metallrohr 8 hindurchgeführt sind. Das Metallrohr 8 ist im übrigen mit einem Epoxidharz 22 ausgefüllt, welches dichtend an der Innenumfangsfläche des Metallrohres 8 anliegt. Auch liegt der Epoxidharz 22 dichtend and der jeweiligen Außenumfangsfläche der Einzelkabel 11 an, so dass der von dem Metallrohr 8 gebildete Innenraum das Hindurchführen der Kabelstränge erlaubt, jedoch in Längsrichtung vollkommen gasdicht ausgebildet ist.
  • Der in 1 lediglich schematisch dargestellte Aufbau des hier beschriebenen Ausführungsbeispiels ist im Detail in 3 zu erkennen. Das Ausführungsbeispiel zeigt eine aus dem elektrischen Leitfähigkeitssensor 12, dem Drucksensor 14 und dem Temperatursensor 16 gebildete Messsonde 24, die sich im Wesentlichen in Längsrichtung eines Kabelbaums 26 erstreckt, der die jeweiligen Kabelstränge 10 umfasst, die bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel jedenfalls über die überwiegende Länge des Kabelbaumes 26 jeweils für sich jeweils eine Kunststoffummantelung 25 gegeneinander isoliert sind und mehrere Kupferlackdrähte umfassen. Die einzelnen Kunststoffummantelungen 25 der jeweiligen Kabelstränge 10 sind wiederum von einer Außenummantelung 27 umgeben und durch diese geschützt. Im Bereich der Öffnung 9 sind diese Kunststoffummantelungen 25 und die Außenummantelung 27 entfernt.
  • Das vordere Ende der Messsonde 24 weist eine nasenförmige Verjüngung 28 auf, welche den Temperatursensor 16 trägt. Im Anschluss an die Verjüngung 28 weist die Messsonde 24 eine planare Verdickung 30 auf, die den Drucksensor 14 umschließt. Weiter in Richtung auf das hintere Anschlussende der Messsonde 24 befindet sich der Leitfähigkeitssensor 12, dessen Kontaktflächen 32 an der Außenumfangsfläche der Messsonde 24 freiliegen, welcher aber wie der Temperatursensor 16 und der Drucksensor 14 durch eine gemeinsame Umhüllung 34 aus einem flexiblen Kunststoffmaterial überzogen ist, die in Richtung der Anschlüsse dichtend an der äußeren Umfangsfläche der äußeren Ummantelung des Kabelbaumes 26 anliegt. Durch die Umhüllung 34 sind die Sensoren 12, 14, 16 vor eindringendem Metallhydridpulver geschützt. Hierzu sind die Kontaktflächen 32 des Leitfähigkeitssensors 12 zur Messung der elektrischen Leitfähigkeit dichtend in die Umhüllung 34 eingesiegelt.
  • Hinter dem anschlussseitigen Ende der Umhüllung 34 ist ferner die Schraubverbindung 36 zu dem Metallrohr 8 dargestellt, die in einer beispielsweise in EP 0 954 714 B1 beschriebenen Weise ausgebildet sein kann, um das Metallrohr 8 dichtend mit der Öffnung 9 des Behälters 2 zu verschrauben.
  • Die vorstehend beschriebene Ausführungsform einer Vorrichtung zur Anzeige des Füllstandes eines mit Wasserstoff zu belandenden Metallwirts wurde intensiv untersucht. Hierzu wurde – wie in 1 zu erkennen – an der Ein- bzw. Auslassöffnung 3 des Be hälters 2 zusätzlich ein den Gas-Innendruck des Behälters 2 anzeigendes Manometer 38, dem ein Ventil 40 nachgeordnet ist, montiert. Zur Verdeutlichung sei noch einmal herausgehoben, dass der an der Messsonde 24 verwirklichte Drucksensor 14 ein Drucksensor ist, welcher den Innendruck der Schüttung, d.h. den Druck der gegeneinander gepressten Schüttungskörner der pulvrigen oder granulatförmigen Metallschüttung aufgrund Schwellung bzw. Abschwellung bei zunehmender Be- bzw. Entladung des Metallhydrids ermittelt.
  • Zur Durchführung der Versuche wurde der Behälter 2 mit einer Wasserstoff speichernden Schüttung HYDRALLOY E60/0 der Firma HERA gefüllt, die aus ca. 25–35% Lanthan-Mischmetall, ca. 2–6% Zinn und ca. 60–70% Nickel besteht. Mit dieser Befüllung wurden die Änderungen spezifischer Eigenschaften der Metallhydridschüttung in Abhängigkeit von dem Füllgrad untersucht.
  • Durch die Einlagerung des Wasserstoffs in dem Metallwirtsgitter erfährt die in dem Behälter 2 aufgenommene Metallhydridschüttung eine Volumenerhöhung (ausgehend vom unbeladenen Zustand) von etwa 40%. Diese Ausdehnung des Metallhydrids wird als Messeffekt genutzt. Der in die Metallhydridschüttung eingebettete Drucksensor wird aufgrund dieser Volumenänderung einem sich ändernden Innendruck der Schüttung ausgesetzt. Der sich hierbei ändernde elektrische Widerstand des Sensors beeinflusst das an die Auswerte- und Anzeigeeinrichtung 18 abgegebene Signal. Hierbei ist zu beachten, dass der Druck in der Schüttung temperaturabhängig ist und so für eine genauere Anzeige des Füllgrades in dem Behälter 2 sowohl die Außen- als auch die Innentemperatur über die Sensoren 14, 20 ermittelt und an die Auswerteeinrichtung 18 weitergegeben werden.
  • Die Quellung der Hydridschüttung eignet sich deshalb besonders als Maß für den Füllstand, da diese Quellung der Schüttung weitaus weniger bei Temperaturschwankungen, beispielsweise aufgrund von thermodynamischen Ausgleichsvorgängen innerhalb des Behälters beim Be- und Entladen schwankt, als der Gas-Innendruck. Der bei dem Ausführungsbeispiel eingesetzte Drucksensor 14 zeigte ferner bei ansteigender normierter Kraft auf den Sensor einen logarithmisch degressiven Verlauf des Widerstandes mit steigender Beladung ohne Ausprägung eines Plateaus, welches der Gas-Innendruck in dem Behälter bei zunehmender Wasserstoff-Beladung des Behälter von Beginn der Anlagerung des Wasserstoffs an die Gitterplätze bis zur vollständigen Belegung aller Gitterplätze des Metallwirtsgitters mit Wasserstoff einnimmt und welches keine differenzierten Rückschlüsse auf den Beladungszustand zulässt. Über dem Plateau des durch das Manometer 38 angezeigten Gas-Innendrucks konnte in Versuchen vielmehr mit zunehmender Beladung ein weiter kontinuierlich abfallender elektrischer Widerstand des Drucksensors 14 gemessen werden. Die mit der Messung des Gas-Innendrucks einhergehenden Nachteile weist die Messung des Innendrucks der Schüttung damit nicht auf. Zur Erhöhung der Messgenauigkeit wird bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel zusätzlich der elektrische Widerstand in der Metallhydridschüttung gemessen, welcher mit zunehmender Beladung des Speichers sinkt. Auch dieses Signal wird an die Auswerte- und Anzeigeeinrichtung 18 weitergeleitet, um bei Belegung der Metallwirtsgitterplätze eine genauere Aussage über den Beladungszustand des Metallhydridspeichers zu erhalten.
  • Sämtliche der vorstehend diskutierten Merkmale können auch für sich erfindungswesentlich sein. Für sich allein erfindungswesentlich kann insbesondere der Gegenstand von Anspruch 8 sein, der auf die Kombination von zwei unterschiedlichen Sensoren gerichtet ist.
  • 2
    Behälter
    3
    Einlass- bzw. Auslassöffnung
    4
    Metallhydridspeicher
    8
    Metallrohr
    9
    Öffnung
    10
    Kabelstrang
    11
    Einzelkabel
    12
    Leitfähigkeitssensor
    14
    Drucksensor
    16
    Temperatursensor
    18
    Auswerte- und Anzeigeeinrichtung
    20
    Umgebungs-Sensor
    22
    Epoxidharz
    24
    Messsonde
    25
    Kunststoffummantelung
    26
    Kabelbaum
    27
    Außenummantelung
    28
    Verjüngung
    30
    Verdickung
    32
    Kontaktfläche
    34
    Umhüllung
    36
    Verschraubung
    38
    Manometer
    40
    Ventil

Claims (13)

  1. Vorrichtung zur Anzeige des Füllstandes eines einen Behälter (2) aufweisenden Metallhydridspeichers (4), mit mindestens einem Sensor (12, 14), und mit dem Sensor bzw. Sensoren verbundenen und gegeneinander isolierten elektrisch leitenden Kabel (11), die zum Anschluss an eine Anzeige- und/oder Auswerteeinrichtung durch mindestens eine Öffnung (9) des Behälters (2) geführt sind, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (12, 14) in eine Metallhydridschüttung des Metallhydridspeichers (4) eingebracht ist.
  2. Vorrichtung zur Anzeige des Füllstandes eines einen Behälter (2) aufweisenden Metallhydridspeichers (4), mit mindestens einem Sensor (12, 14), mit dem Sensor bzw. Sensoren verbundenen und gegeneinander isolierten elektrisch leitenden Kabel (11), die zum Anschluss an eine Anzeige- und/oder Auswerteeinrichtung durch mindestens eine Öffnung (9) des Behälters (2) geführt sind, insbesondere nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kabel (11) gasdicht durch die Öffnung (9) hindurchgeführt sind.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kabel (11) zumindest im Bereich der Öffnung (9) gasdicht sind.
  4. Vorrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kabel (11) zumindest im Bereich der Öffnung (9) aus einem Vollmaterial bestehen.
  5. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich der Öffnung (9) eine Hülse (8) gasdicht mit dem Behälter (2) verbunden ist und dass die Hülse (8) mit einem Polymer (22) gefüllt ist, wobei die Kabel (11) durch die Hülse (8) hindurchgeführt sind, und dass das Polymer (22) zumindest im Bereich der Öffnung (9) gasdicht an der Innenumfangsfläche der Hülse (8) und an den äußeren Umfangsflächen der Kabel (11) anliegt.
  6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Hülse (8) und dem Sensor (12, 14) ein die Kabel (11) des Sensors (12, 14) aufnehmendes Rohr vorgesehen ist.
  7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Hülse (8) zur Ausbildung des Rohres verlängert ist.
  8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5–7, dadurch gekennzeichnet, dass die Kabel (11) mit einem Lack überzogen sind und das Polymer (22) aus einem Epoxidharz gebildet ist.
  9. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor ein den Innendruck der Metallhydridschüttung erfassender Drucksensor (14) ist.
  10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein weiterer, in die Metallhydridschüttung eingebrachter Sensor (12) vorgesehen ist, der ein die elektrische Leitfähigkeit und/oder die optische Durchlässigkeit der Metallhydridschüttung wiedergebendes Messsignal an die Auswerte- und/oder Anzeigeeinrichtung (18) weiterleitet.
  11. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor in einer Kunststoffumhüllung (34) gekapselt ist.
  12. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, gekennzeichnet durch einen in die Metallhydridschüttung eingebrachten Temperatursensor (16), der ein temperaturabhängiges Messsignal an die Auswerte- und/oder Anzeigeeinrichtung weiterleitet.
  13. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Umgebungstemperatursensor (20), der ein die Umgebungstemperatur wiedergebendes Signal an die Auswerte- und/oder Anzeigeeinrichtung (18) weiterleitet.
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