DE112005001903T5

DE112005001903T5 - System zur Lieferung von druckbeaufschlagtem Wasserstoff für elektrochemische Zellen

Info

Publication number: DE112005001903T5
Application number: DE112005001903T
Authority: DE
Inventors: Frederick E. Shelby Pinkerton; Gregory P. Ann Arbor Meisner; Michael P. Novi Balogh; Martin S. Southfield Meyer
Original assignee: Motors Liquidation Co
Current assignee: Motors Liquidation Co
Priority date: 2004-08-03
Filing date: 2005-08-01
Publication date: 2007-08-02
Also published as: CN101068746A; WO2006017449A2; US20060029529A1; WO2006017449A3; CN101068746B

Abstract

Wasserstoffliefersystem, mit:
einem Fluidspeicherbehälter zur Aufnahme eines Wasserstoffspeichermaterials, das Wasserstoff speichert;
einem Fluidballastbehälter zum Speichern und Liefern von Wasserstoff an zumindest eine Brennstoffzelle; und
einer Druckbeaufschlagungsvorrichtung, die derart ausgebildet ist, um den von dem Speichermaterial freigesetzten Wasserstoff zur Lieferung an den Ballastbehälter druckzubeaufschlagen, wobei der Fluidspeicherbehälter einen Druck aufweist, der kleiner oder gleich dem des Ballastbehälters ist.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft Wasserstoffbrennstoffliefersysteme für elektrochemische Brennstoffzellen und insbesondere Wasserstoffspeicher- und -liefersysteme.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Elektrochemische Brennstoffzellen können auf einem breiten Gebiet von Anwendungen als eine Energiequelle verwendet werden, einschließlich als eine alternative Energiequelle für den Verbrennungsmotor für Fahrzeuganwendungen. Eine elektrochemische Brennstoffzelle enthält eine zwischen Elektroden schichtartig angeordnete Membran. Eine bevorzugte Brennstoffzelle ist als eine Protonenaustauschmembran (PEM) bekannt, bei der Wasserstoff (H₂) als eine Brennstoffquelle oder ein Reduktionsmittel an einer Anodenelektrode verwendet wird und Sauerstoff (O₂) als das Oxidationsmittel an einer Kathodenelektrode vorgesehen wird, entweder in reiner gasförmiger Form oder kombiniert mit Stickstoff und anderen inerten Verdünnungsstoffen, die in Luft vorhanden sind. Im Betrieb der Brennstoffzelle wird Elektrizität durch elektrisch leitende Elemente benachbart den Elektroden über das elektrische Potential, das während der in der Brennstoffzelle ablaufenden Reduktions-Oxidations-Reaktion erzeugt wird, erhalten.
Ein Brennstoffzellenstapel umfasst eine Vielzahl einzelner Zellen, die gemeinsam in ein Hochspannungspaket gebündelt sind. Für viele Anwendungen und insbesondere Elektrofahrzeuganwendungen ist es erwünscht, dass der Brennstoffzellenstapel schnell gestartet werden kann, um so unmittelbar zur Erzeugung der zum Antrieb des Fahrzeugs benötigten Energie ohne signifikante Verzögerung verfügbar zu sein. Ferner muss eine Wasserstoffversorgung den Brennstoffzellenstapel im Betrieb beliefern. Ein Speichern von Wasserstoff in einem massiven Material sieht eine relativ hohe volumetrische Wasserstoffdichte und ein kompaktes Speichermedium vor, was für mobile Anwendungen besonders vorteilhaft ist. Wasserstoff, der in einem Feststoff gespeichert ist, ist erwünscht, da er unter geeigneten Temperatur- und Druckbedingungen freigesetzt oder desorbiert werden kann, wodurch eine steuerbare Quelle für Wasserstoff vorgesehen wird.
Derzeit ist es erwünscht, die Wasserstoffspeicherkapazität oder den Wasserstoffspeichergehalt, der von dem Material freigesetzt wird, zu maximieren, während das Gewicht des Materials minimiert wird, um die gravimetrische Kapazität zu verbessern. Ferner absorbieren oder desorbieren viele gegenwärtige Materialien Wasserstoff nur bei sehr hohen Temperaturen und Drücken. Somit ist es erwünscht, ein Wasserstoffspeichermaterial wie auch ein Wasserstoffspeicher- und -liefersystem zu finden, das Wasserstoff bei relativ niedrigen Temperaturen und Drücken erzeugt oder freisetzt und das eine relativ hohe gravimetrische Wasserstoffspeicherdichte besitzt.
Daher besteht ein Bedarf nach einem verbesserten Wasserstoffspeicher- und -liefersystem für eine Brennstoffzelle, das die Brennstoffzellenleistung so kosteneffektiv wie möglich optimiert.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung sieht ein Wasserstoffliefersystem zur Verwendung in einer Brennstoffzelle vor, die einen Fluidspeicherbehälter zur Aufnahme eines Wasserstoffspeichermaterials umfasst. Das Wasserstoffspeichermaterial speichert Wasserstoff. Das Liefersystem umfasst auch einen Fluidballastbehälter zum Speichern und Liefern von Wasserstoff an zumindest eine Brennstoffzelle. Eine Druckbeaufschlagungsvorrichtung ist ausgebildet, um den von dem Speichermaterial freigesetzten Wasserstoff zur Lieferung an den Ballastbehälter druckzubeaufschlagen. Es ist bevorzugt, dass der Fluidspeicherbehälter einen Druck aufweist, der nicht größer als der des Ballastbehälters ist.
Bei einem anderen Aspekt sieht die vorliegende Erfindung ein Wasserstoffliefersystem vor, das einen Fluidspeicherbehälter umfasst, der ein Wasserstoffspeichermaterial enthält, das Wasserstoffgas freisetzt. Das Wasserstoffliefersystem umfasst eine Fluiddruckbeaufschlagungsvorrichtung, die in Fluidverbindung mit dem Fluidspeicherbehälter zur Druckbeaufschlagung des freigesetzten Wasserstoffgases steht. Ein Fluidballastbehälter ist derart ausgebildet, um das druckbeaufschlagte Wasserstoffgas von der Fluiddruckbeaufschlagungsvorrichtung aufzunehmen und zu speichern. Ein Wasserstoffliefersystem umfasst ferner zumindest eine Brennstoffzelle, die das Wasserstoffgas als einen Reaktand verwendet, wobei das druckbeaufschlagte Wasserstoffgas von dem Ballastbehälter an die Brennstoffzelle in einem Fluidstrom bei einem im Wesentlichen konstanten Druck geliefert wird.
Bei einem anderen Aspekt sieht die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Lieferung von Wasserstoffreaktand an eine Brennstoffzelle vor, das umfasst, dass: Wasserstoffgas von einem Wasserstoffspeichermaterial freigesetzt wird, das Wasserstoffgas druckbeaufschlagt wird, das druckbeaufschlagte Wasserstoffgas in einem Ballastbehälter gespeichert wird und das druckbeaufschlagte Wasserstoffgas von dem Ballastbehälter an die Brennstoffzelle geliefert wird. Das druckbeaufschlagte Wasserstoffgas befindet sich bevorzugt bei einem Druck, der größer oder gleich einem Betriebsdruck der Brennstoffzelle ist.
Weitere Anwendungsgebiete der vorliegenden Erfindung werden aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung offensichtlich. Es sei zu verstehen, dass die detaillierte Beschreibung und spezifische Beispiele, während sie die bevorzugte Ausführungsform der Erfindung angeben, nur zu Zwecken der Veranschaulichung und nicht dazu bestimmt sind, den Schutzumfang der Erfindung zu beschränken.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die vorliegende Erfindung wird aus der detaillierten Beschreibung und den begleitenden Zeichnungen besser verständlich, in welchen:
1 eine bevorzugte Ausführungsform eines Brennstoffliefersystems für einen Brennstoffzellenstapel gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;
2 ein Druck-Konzentrations-Temperatur-(PCT)-Diagramm für ein beispielhaftes Wasserstoffspeichermaterial ist;
3 eine alternative Ausführungsform eines Brennstoffliefersystems für einen Brennstoffzellenstapel zeigt, wobei eine Fluiddruckbeaufschlagungsvorrichtung und ein Fluidhandhabungssystem einen geteilten Antriebsmechanismus aufweisen; und
4 eine andere alternative Ausführungsform eines Brennstoffliefersystems für einen Brennstoffzellenstapel mit einer einzelnen Fluiddruckbeaufschlagungsvorrichtung zeigt, die dazu dient, Fluide in einem Brennstoffzellensystem sowohl druckzubeaufschlagen als auch zu transportieren.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Die folgende Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform(en) ist lediglich beispielhafter Natur und nicht dazu bestimmt, die Erfindung, ihre Anwendung bzw. ihren Gebrauch zu beschränken.
Bei einem Aspekt sieht die vorliegende Erfindung ein verbessertes Brennstoffliefersystem für eine Brennstoffzelle vor. Bei bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung wird Wasserstoff reversibel in einem Wasserstoffspeichermaterial gespeichert. Das Wasserstoffspeichermaterial ist in einem Fluidspeicherbehälter enthalten, wie beispielsweise einem Tank. Der hier verwendete Begriff "Fluid" ist dazu bestimmt, breit sowohl Gase als auch Mischungen von Gasen, Dämpfen und Flüssigkeiten, beispielsweise Gasen mit mitgeführten Flüssigkeiten oder anderen Verdünnungsstoffen zu umfassen. Das Wasserstoffspeichermaterial ist bevorzugt ein Material im festen Aggregatszustand, das einen hydrogenierten Zustand und einen dehydrogenierten Zustand aufweist. Wenn der hydrogenierte Zustand des Wasserstoffspeichermaterials geeigneten Temperatur- und Druckbedingungen ausgesetzt wird, setzt das Wasserstoff speichermaterial gasförmigen Wasserstoff frei oder desorbiert diesen. Auf diese Weise dient das Wasserstoffspeichermaterial als eine Feststoffphasenquelle für Wasserstoffgas, das beispielsweise als ein Brennstoff (d.h. Reaktand) in einer Wasserstoff-Sauerstoff-PEM-Brennstoffzelle verwendet wird. Ferner kann bei bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, nachdem der gesamte Wasserstoff von dem hydrogenierten Zustand des Wasserstoffspeichermaterials freigesetzt worden ist, der dehydrogenierte Zustand des Materials mit Wasserstoffgas wiederbeladen werden, um einen hydrogenierten Zustand des Wasserstoffspeichermaterials zu regenerieren und somit die Wasserstoffquelle für die Brennstoffzelle wieder aufzufüllen. Bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ermöglichen eine konsistente Lieferung von Wasserstoffgas an den Brennstoffzellenstapel bei einem gewünschten und im Wesentlichen konstanten Druckniveau. Der hier verwendete Begriff "im Wesentlichen" betrifft einen ungefähren Wert, der geringe Abweichungen oder Schwankungen in dem Wert zulässt. Wenn aus irgendeinem Grund die durch "im Wesentlichen" vorgesehene Ungenauigkeit in der Technik mit dieser gewöhnlichen Bedeutung nicht anderweitig verständlich ist, dann gibt "im Wesentlichen", wie hier verwendet ist, eine mögliche Abweichung von bis zu 10 % des Wertes an.
Bisherige Brennstoffliefersysteme nach dem Stand der Technik besitzen allgemein eine Wasserstoffspeichervorrichtung, die ein Wasserstoffspeichermaterial enthält, wobei die Wasserstoffspeichervorrichtung sich in direkter Fluidverbindung mit einer Brennstoffzelle befindet. Ein derartiges Brennstoffliefersystem begrenzt allgemein den Bereich verfügbarer Materialien auf diejenigen mit spezifischen physikalischen Eigenschaften, die Wasserstoff bei Temperatur- und Druckbedingungen freisetzen, die den Betriebsbedingungen der Brennstoffzelle entsprechen. Ein Aspekt der vorliegenden Erfindung liegt darin, dass die Wasserstoffspeichermateria lien und die Betriebsbedingungen in dem Fluidspeicherbehälter relativ unabhängig von den Betriebsbedingungen der Brennstoffzelle (beispielsweise Temperatur und Druck) sind, wodurch ein effizienteres Wasserstoffliefersystem ermöglicht wird und der Bereich von Wasserstoffspeichermaterialien ausgedehnt wird, die verwendet werden können (durch Erweitern der Anforderungen an die physikalischen Eigenschaften), wie nachfolgend detaillierter beschrieben ist.
Wie in 1 gezeigt ist, besitzt eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ein Wasserstoffliefersystem 20 gemäß der vorliegenden Erfindung, das einen beispielhaften Brennstoffzellenstapel 22 umfasst, der bevorzugt eine Vielzahl von Brennstoffzellen 24 umfasst, die Wasserstoff und Sauerstoff als Reaktanden verwenden. Derartige Brennstoffzellen 24 sind bevorzugt Protonenaustauschmembran-(PEM)-Brennstoffzellen, die Wasserstoff an der Anode und Sauerstoff an der Kathode verbrauchen und die miteinander in Reihe in dem Stapel verschaltet sind, um Elektrizität zu erzeugen. Der Brennstoffzellenstapel 22 ist mit einer Sauerstoffquelle 26 verbunden, die Sauerstoff an einen kathodenseitigen Einlassdurchgang 28 als einen Reaktanden für die Brennstoffzellen 24 liefert. Der Brennstoffzellenstapel 22 besitzt ähnlicherweise einen Kathodenabflussstrom 30, der von dem Brennstoffzellenstapel 22 ausgetragen wird. Ähnlicherweise besitzt der Brennstoffzellenstapel 22 einen anodenseitigen Einlassdurchgang 32, durch den Wasserstoffreaktand in dem Brennstoffzellenstapel 22 eintritt, und einen Anodenauslassdurchgang 34 zur Entfernung von Anodenabfluss von dem Stapel 22, wie nachfolgend detaillierter beschrieben ist.
Es ist ein Fluidspeicherbehälter 40 vorgesehen, der ein im festen Aggregatszustand befindliches Wasserstoffspeichermaterial (nicht gezeigt) enthält. Das Wasserstoffspeichermaterial speichert Wasserstoff in einem festen hydrogenierten Zustand und setzt Wasserstoffgas frei, wenn es geeigneten Temperatur- und Druckbedingungen ausgesetzt wird, um einen dehydrogenierten Zustand zu bilden. Der Speicherbehälter 40 besitzt eine Einlassleitung 42, die zu einem Einlassventil 44 führt, wie auch ein Auslassventil 46, das mit einem Auslassdurchgang 48 verbunden ist. Der Auslassdurchgang 48 ist mit einem Einlass 50 zu einer Fluiddruckbeaufschlagungsvorrichtung 60 verbunden. Die Fluiddruckbeaufschlagungsvorrichtung 60 kann. eine beliebige Vorrichtung sein, die den Fluiddruck erhöht, so dass dieser den erforderlichen Betriebsbedingungen der Brennstoffzellen 24 entspricht, und kann Kompressoren, Gebläse, Pumpen und dergleichen enthalten. Eine nicht beschränkende beispielhafte Fluiddruckbeaufschlagungsvorrichtung 60, wie hier gezeigt und beschrieben ist, ist ein Kompressor. Die Fluiddruckbeaufschlagungsvorrichtung 60 kann derart ausgebildet sein, dass sie Doppelfunktionen dient, wie sowohl als eine Fluidzirkulationsvorrichtung zur Zirkulation von Fluiden in dem Brennstoffzellensystem 20 wie auch eine Fluiddruckbeaufschlagungsvorrichtung, um den Druck von Fluiden in dem Brennstoffzellensystem 20 zu erhöhen. Ein Verbindungsdurchgang 62 verbindet einen Auslass 64 der Druckbeaufschlagungsvorrichtung 60 mit einem Puffer- oder Ballastbehälter 70, wie beispielsweise einen druckbeaufschlagten Speichertank. Wasserstoffgas, das in dem Fluidspeicherbehälter 40 erzeugt wird, wird somit in der Fluiddruckbeaufschlagungsvorrichtung 60 komprimiert und druckbeaufschlagt und dann über den Verbindungsdurchgang 62 an dem Ballastbehälter 70 geliefert. Es sei angemerkt, dass ein Fluidstrom, der Wasserstoffgas umfasst, ferner Verdünnungsstoffe und andere Verbindungen oder Komponenten umfassen kann. Der Ballastbehälter 70 speichert das druckbeaufschlagte Wasserstoffgas und liefert dieses an den Brennstoffzellenstapel 22 bei einem im Wesentlichen konstanten Druck als einen Brennstoff/Reaktand während normaler stabiler Betriebsabläufe an den Anodeneinlassdurchgang 32 des Brenn stoffzellenstapels 22. Die hier verwendeten Begriffe "normale", "stabile", "Nicht-Start-" oder "Laufbetriebs-"Bedingungen betreffen die Betriebsbedingungen, wenn Temperaturen innerhalb typischer Betriebsbereiche liegen. "Übergangs-"Bedingungen für eine Brennstoffzelle betreffen allgemein Übergangsbetriebsbedingungen, wenn die Brennstoffzelle von einem kalten Zustand (d.h. während des Starts) in den erwärmten wechselt oder in Gang kommt, um stabile normale Bereiche für die Betriebstemperatur, die Brennstofflieferung und elektrische Abgabe zu erreichen, oder bei variablen Betriebsbedingungen, wenn eine mobile Anwendung einer erhöhten Leistungsanforderung ausgesetzt ist oder einen Leistungsanforderungslastausgleich für relativ kurze Zeitperioden erfordert.
Bei vielen Brennstoffzellen wird der Wasserstoffgasreaktand nur teilweise verbraucht, und der nicht verbrauchte Anteil des Wasserstoffs in dem Anodenabfluss wird von dem Anodenauslass 34 zu dem Anodeneinlass 32 in einem Fluidhandhabungssystem 72 rezirkuliert/zurückgeführt, das derart ausgebildet ist, dass es eine Rückführ-/Rezirkulationsschleife aufweist. Bei bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung umfasst das Brennstoffzellenstapelsystem 20 das Fluidhandhabungssystem 72, das eine Fluidhandhabungsvorrichtung 74 umfasst, wie beispielsweise eine Pumpe, einen Kompressor oder ein Gebläse zur Zirkulation von Fluiden durch das System 20 zu und von dem Brennstoffzellenstapel 22. Bei der in 1 gezeigten Ausführungsform umfasst das Fluidhandhabungssystem 72 mit Rezirkulationsschleife ferner eine Leitung oder Rezirkulationsdurchgänge 76 zum Transport von Fluiden. Bei der gezeigten Konfiguration ist das Fluidhandhabungssystem/die Rezirkulationsschleife 72 mit dem Ballastbehälter 70 verbunden, wo sich Fluide von der Rezirkulationsschleife 72 mit dem Wasserstoffgas kombinieren, das dem Speicherbehälter 40 entstammt. Der Druck des Wasserstoffgases von dem Fluidhandhabungssystem 72 ist allgemein ähnlich dem Druck des Stapels 22 und daher der arbeitenden Brennstoffzellen 24. Die Mischung von Fluiden in dem Ballastbehälter 70 umfasst somit sowohl das Wasserstoffgas, das von dem Wasserstoffspeichermaterial freigesetzt wird, das durch die Fluiddruckbeaufschlagungsvorrichtung 60 druckbeaufschlagt ist, als auch das rückgeführte Wasserstoffgas von der druckbeaufschlagten Rezirkulationsschleife 72, wie auch andere Verdünnungsfluide und Komponenten (beispielsweise Wasser oder Stickstoff). Somit umfasst bei bestimmten bevorzugten Ausführungsformen das Brennstoffliefersystem 20 eine anodenseitige Anordnung (bestehend aus einer Vielzahl von Anoden der Vielzahl von Brennstoffzellen 24) in dem Stapel 22, wobei der Ballastbehälter 70 Wasserstoff an einen Einlass 32 der Anodenanordnung liefert und der Ballastbehälter 70 Abfluss von einem Auslass 34 der Anordnung aufnimmt.
Es sei angemerkt, dass es innerhalb des Schutzumfangs der vorliegenden Erfindung liegt, dass der Ballastbehälter 70 zusätzliche Ventile (nicht gezeigt) und Leitungen (nicht gezeigt) umfassen kann, die mit einer externen Wasserstoffversorgungsquelle verbunden sein können, wodurch eine zusätzliche Quelle für Wasserstoff für das System 20 vorgesehen wird. Während es nicht gezeigt ist, umfasst die Rezirkulationsschleife/das Fluidhandhabungssystem 72 zusätzlich ein Spülventilsystem zur Reduzierung der Konzentration von Wasser und Stickstoff in der Rückführschleife wie auch ein optionales Befeuchtungssystem. Zusätzlich sind, wie für Fachleute bekannt ist, die Fluidliefer- 20 und Wasserstoffrezirkulationssysteme 72 bevorzugt mit Rückschlag- und/oder Trennventilen an geeigneten Orten in dem System 20 ausgestattet, die hier nicht gezeigt sind.
Bei bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung besitzt der Speicherbehälter 40 zumindest einen Drucksensor 78 und zumindest einen Temperatursensor 80. Es ist auch bevorzugt, dass ein Drucksensor 82 entweder an dem Auslass 64 der Druckbeaufschlagungsvorrichtung 60 oder innerhalb des Verbindungsdurchgangs 62 angeordnet ist (wie gezeigt ist). Es ist auch bevorzugt, dass der Ballastbehälter 70 einen Drucksensor 84 aufweist. Ähnlicherweise ist es typisch, dass der Brennstoffzellenstapel 22 einen oder mehrere Temperatur- und Druckfühler (nicht gezeigt) wie auch Strömungsmesser (nicht gezeigt) aufweist. Während es in 1 nicht gezeigt ist, kann die vorliegende Erfindung optional einen Strömungsmesser an dem Auslass des Speicherbehälters 40 oder an dem Auslass des Ballastbehälters 70 umfassen. Derartige Druck-, Temperatur- und Strömungssensoren ermöglichen eine Überwachung der Systembetriebsabläufe und eine Automatisierung des Systems durch Steuerungen, wie Fachleuten bekannt ist.
Bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung regeln einen Betrieb der Druckbeaufschlagungsvorrichtung/des Kompressors 60 durch Regelschleifen unter Verwendung des Gasdruckes, der von einem Drucksensor 82 an dem Kompressorauslass 84 gemessen wird, als einer Einstellpunktvariablen. Somit zieht bei bestimmten bevorzugten Ausführungsformen der Kompressor 60 Gas aus dem Speicherbehälter 40 bei zunehmend geringeren Drücken, um eine Gasströmung bei einem konstanten Druck beizubehalten. Auf diese Weise ermöglicht die vorliegende Erfindung die Freisetzung von Wasserstoff bei sowohl bei niedrigeren Temperaturen als auch niedrigeren Drücken und kompensiert ferner den abnehmenden Gleichgewichtsfreisetzungsdruck in dem Wasserstoffspeichermaterial durch gleiche Verringerung des Umgebungsdruckes, im Wesentlichen Ziehen von Wasserstoffgas aus dem Wasserstoffspeichermaterial.
Bei der Wiederaufladung des dehydrogenierten Wasserstoffspeichermaterials ist es bevorzugt, dass eine Hochdruckwasserstoffversorgung mit der Einlassleitung 42 verbunden ist, die mit dem Einlassventil 44 verbunden ist. Das Einlassventil 44 wird während des Wiederaufladungsprozesses geöffnet und das Auslassventil 46 geschlossen, um einen Überdruck des Wasserstoffgases innerhalb des Speicherbehälters 40 zu ermöglichen, wodurch ein größerer Differenzdruck erzeugt wird, der eine größere Treibkraft und eine Rate der Ladung oder Reabsorption von Wasserstoffgas erleichtert. Wenn Wasserstoff von dem Speichermaterial freigesetzt wird, ist das Einlassventil 44 geschlossen, wodurch ein abnehmender Druck in dem Wasserstoffspeicherbehälter 40 ermöglicht wird.
Während Wasserstoffgas durch das Wasserstoffspeichermaterial von dem Speicherbehälter 40 freigesetzt wird, gelangt das Gas durch die Druckbeaufschlagungsvorrichtung 60, die den Druck des Wasserstoffgases erhöht (d.h. dieses druckbeaufschlagt). Es ist bevorzugt, dass die Druckbeaufschlagungsvorrichtung 60 das Wasserstoffgas auf ein Niveau druckbeaufschlagt, das im Wesentlichen gleich groß oder bei einer Alternative größer als das Druckniveau des Brennstoffzellenstapels 22 im stabilen Betrieb ist. Bei stabilen Betriebsabläufen ist es bevorzugt, dass ein Druck in dem Speicherbehälter 40 kleiner als der Druck in dem Fluidballastbehälter 70 ist. Es ist auch bevorzugt, dass der Druck in dem Fluidballastbehälter 70 größer oder gleich einem Druck der Brennstoffzelle 24 ist, während sie sich im Betrieb befindet. Es sei jedoch angemerkt, dass der Bereich von Druckwerten signifikant von den Betriebsdrücken der Brennstoffzelle 24 abweichen kann. Somit umfassen bei Startbedingungen derzeit bekannte Startverfahren beispielsweise eine Zufuhr des Wasserstoffgases bis zu 30 atm absolut. Somit kann die Druckbeaufschlagungsvorrichtung 60 druckbeaufschlagtes Gas über einen breiten Bereich von Druckwerten liefern, und ferner können diese Werte sich auf Grundlage des gewählten Betriebsszenarios ändern. Das druckbeaufschlagte Wasserstoffgas wird dann in dem Ballastbehälter 70 gespeichert. Das druckbeaufschlagte Wasserstoffgas wird dann von dem Ballastbehälter 70 an den Anodeneinlassdurchgang 32 des Brennstoffzellenstapels 22 geliefert, wie bei einem vorbestimmten Druckbeaufschlagungsniveau erforderlich ist. Einer der Vorteile der vorliegenden Erfindung umfasst den Zusatz des Ballasttanks 70, der einen Puffer zum Variieren von Lastbedingungen des Brennstoffzellensystems 20 vorsieht. Beispielsweise besitzt der Ballastbehälter 70 bevorzugt eine ausreichende Kapazität, um zusätzlichen Wasserstoff bei Bedarf bei Hochlastbedingungen zu liefern. Somit ist der Speicherbehälter 40 dem Brennstoffzellenstapel 22 nicht fest zugeordnet, und die Wasserstofflieferung erfolgt nicht just-in-time, wodurch glatte kontinuierliche Betriebsabläufe und eine Betriebsflexibilität zugelassen werden.
Bei bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung speichert das Wasserstoffspeichermaterial Wasserstoff in einer im Wesentlichen reversiblen Art und Weise. Der hier verwendete Begriff "Material" betrifft breit eine Substanz, die zumindest die bevorzugte chemische Verbindung enthält, die jedoch auch zusätzliche Substanzen oder Verbindungen, einschließlich Unreinheiten umfassen kann. Der Begriff "Zusammensetzung" betrifft ebenfalls breit einen Stoff, der die bevorzugte Verbindung oder Zusammensetzung enthält. Mit "im Wesentlichen reversibel" ist gemeint, dass während der Desorptionsumkehrreaktion (d.h. Freisetzung von Wasserstoff) das Material etwa 80 % oder mehr des Wasserstoffs freisetzt, der in der Absorptionsreaktion oder Vorwärtsreaktion absorbiert worden ist. Dieser reversible Prozess ist als eine Hydrierung bekannt. Ein Beispiel eines Hydrierungsprozesses ist in Gleichung (1) gezeigt:
wobei M(s) eine Wasserstoffabsorptionsmetalllegierung in Feststoffphase ist, MH_y(s) ein Metallhydrid in Feststoffphase ist und Wasserstoff (H₂(g)) in gasförmiger Form vorgesehen ist. Die Gleichung (1) ist ein im festen Aggregatszustand ablaufender Gasreaktionsprozess, bei dem Wasserstoff während einer exothermen Ladereaktion absorbiert wird und während einer endothermen Entladereaktion freigesetzt wird. Die Stöchiometrie ist abhängig von der Zusammensetzung und der Gesamtladung von M, womit das Ausdrücken des Hydrids als MH_y eine allgemeinere Formel darstellt, bei der y so gewählt ist, um ein Ladungsgleichgewicht vorzusehen. In einem hydrogenierten Zustand speichert das Wasserstoffspeichermaterial absorbierten Wasserstoff, der anschließend in gasförmiger Form unter geeigneten Temperatur- und Druckbedingungen freigesetzt werden kann. Wenn der Wasserstoff freigesetzt wird, bildet das Wasserstoffspeichermaterial einen dehydrogenierten Zustand. Nachdem im Wesentlichen das gesamte Wasserstoffgas von dem Wasserstoffspeichermaterial freigesetzt worden ist und im Wesentlichen das gesamte Material dehydrogeniert ist, muss das Wasserstoffspeichermaterial durch Kontakt mit Wasserstoff regeneriert werden oder bei der Alternative durch ein neues Wasserstoffspeichermaterial ersetzt werden.
Bei verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung speichert das Wasserstoffspeichermaterial Wasserstoff reversibel und gibt diesen reversibel frei, wobei das Wiederaufladen durch Kontakt mit Wasserstoffgas erfolgt, so dass das Wasserstoffspeichermaterial sich in einem hydrogenierten Zustand regeneriert. Bei bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann das Wasserstoffspeichermaterial mit Wasserstoff aus dem dehydrogenierten Zustand in den hydrogenierten Zustand wieder aufgeladen werden, indem der dehydrogenierte Zustand Wasserstoff bei industriell praktischen Temperatur- und Druckbedingungen ausgesetzt wird. Allgemein umfassen derartige Bedingungen einen Wasserstoffdruck von größer als atmosphärischem Druck und können Temperaturen mit sich bringen, die größer als Umgebungstemperaturen sind. Derartige Bedingungen werden durch die einzelnen Charakteristiken der Zusammensetzung des Wasserstoffspeichermaterials bestimmt und variieren somit demgemäß wie es Fachleuten bekannt ist.
Bei einer anderen Ausführungsform setzt das Wasserstoffspeichermaterial Wasserstoff über eine "irreversible" Reaktion frei (bei der die Wiederaufladebedingungen eine signifikante zusätzliche Bearbeitung oder extremere Temperatur- und Druckbedingungen erfordern). Sobald ein irreversibles Wasserstoffspeichermaterial seinen gesamten Wasserstoff freigesetzt hat und verbraucht ist, kann es von dem Speicherbehälter 40 entfernt und durch ein neues Wasserstoffspeichermaterial ersetzt werden, das mit Wasserstoff geladen ist.
Derzeit bekannte Speichermaterialien, die Wasserstoff reversibel speichern, besitzen eine Reaktionsthermodynamik, die einer exothermen Hydrierungsreaktion und einer endothermen Desorptions/Freisetzreaktion entspricht. Somit verläuft bei bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung auf Grundlage derzeit bekannter reversibler Wasserstoffspeichermaterialien die Hydrierungsreaktion exotherm und die Desorptions/Freisetzreaktion endotherm. Jedoch ist die vorliegende Erfindung für beliebige Wasserstoffspeichermaterialien anwendbar, die Wasserstoff speichern, und ist nicht auf ausschließlich diejenigen bekannten Reaktionssysteme begrenzt, die eine derartige Reaktionsthermodynamik besitzen. Somit betrifft bei bestimmten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, um die Wasserstofffreisetzreaktion, wenn es notwendig ist, zu erleichtern, die vorliegende Erfindung das Aufbringen von Wärme auf das Wasserstoffspeichermaterial, wie nachfolgend beschrieben ist.
Ein Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine Reduzierung der Energie, die nötig ist, um Wasserstoff von dem Wasserstoffspeichermaterial zu entfernen und freizusetzen. Die Auswahl von Wasserstoffspeichermaterialien ist allgemein auf den Gleichgewichtsdruck der verschiedenen Wasserstoffspeichermaterialien gerichtet. Wie in 2 gezeigt ist, ist der Gleichgewichtsdruck für Absorption und Desorption von Wasserstoff in ein beispielhaftes Metallhydrid eines Wasserstoffspeichermaterials über einen Bereich von Konzentrationen von Wasserstoff in der Metalllegierung (ausgedrückt als das Atomverhältnis von Wasserstoff zu Metall) bei einer konstanten Temperatur (d.h. eine Isotherme) gezeigt. Bei einer gegebenen konstanten Temperatur oder Isotherme steigt die Konzentration von Wasserstoff in der Metalllegierung (Punkt A) mit zunehmendem Wasserstoffgasdruck. Bei dem gezeigten Beispiel erreicht der Gleichgewichtsdruck einen relativ konstanten Wert über dem Bereich, der mit B angegeben ist. Ein derartig flacher Bereich des Gleichgewichtsdrucks wird allgemein als ein "Plateaudruck" bezeichnet. Über den Plateaudruckbereich B hinweg kondensiert der Wasserstoff in dem Material in eine hochkonzentrierte Feststoffphase durch Reaktion mit der Metalllegierung und Bildung des Hydrids.
Der Druck des Wasserstoffs in der Gasphase bleibt konstant, bis die Hydridphase das gesamte Volumen des Wasserstoffabsorptionsmaterials besetzt. Sobald die volle Kapazität der jeweiligen Metalllegierung erreicht ist, steigt der Wasserstoffdruck in dem Gas wiederum (Punkt C). Um den Prozess umzukehren und Wasserstoff von der Metalllegierung freizusetzen, wird der Umgebungsgasdruck des Wasserstoffs in der Umgebung, die das Wasserstoffabsorptionsmaterial umgibt, unter den Gleichgewichtsdruck abgesenkt oder die Temperatur des Materials wird so erhöht, dass sie eine Temperatur erreicht, bei der der externe Druck geringer als der Plateaudruck (Punkt B) ist, wodurch die Freisetzung von Wasserstoff begünstigt wird. Die Temperatur beeinflusst den Gleichgewichtsdruck demgemäß durch Verschieben der isothermen Kurven zu höheren oder niedrigeren Drücken.
Ein Aspekt der vorliegenden Erfindung ist die Fähigkeit, den Fluidspeicherbehälter 40, der das Wasserstoffspeichermaterial aufnimmt, bei signifikant anderen Temperatur- und Druckbedingungen zu halten, als denjenigen, die für den Brennstoffzellenstapel 22 erforderlich sind. Bisher waren Wasserstoffspeichermaterialien und Speicherbehälter 40 in direkter Fluidverbindung mit dem Brennstoffzellenstapel 22, und somit war erforderlich, dass Wasserstoff bei vergleichbaren Temperatur- und Druckbedingungen in Bezug auf die der Betriebsbedingungen der Brennstoffzelle 24 desorbiert wurde. Daher bestimmte die Auswahl des Wasserstoffspeichermaterials nach dem Stand der Technik, dass das Speichermaterial Wasserstoff bei Drücken freisetzt, die vergleichbar zu den Betriebsbedingungen der Brennstoffzelle 24 waren (beispielsweise irgendwo im Bereich derzeit bekannter Betriebsdruckbedingungen von Brennstoffzellen, die zwischen 2 bis 5 atm variieren), wodurch ein relativ hoher Gleichgewichtsdruck vorhanden war. Um derartige höhere Gleichgewichtsdrücke zu erreichen, musste das gewählte Material in der Lage sein, Wasserstoff bei einem höheren Gleichgewichtsdruck freizusetzen und musste ferner auf eine Temperatur entsprechend dem hohen Druck (zu einer relativ hohen Isotherme) erhitzt werden. Somit musste das Material allgemein auf hohe Temperaturen erhitzt werden. Wenn ferner eine Wasserstoffspeichermaterialquelle Wasserstoff direkt an den Brennstoffzellenstapel 22 lieferte, besaßen Materialien, die gewählt wurden, typischerweise ein Plateaudruck-Gleichgewichtsdruckverhalten, wie oben in 2 gezeigt ist. Der stabile Plateaugleichgewichtsdruck erlaubt eine Freisetzung von Wasserstoff von dem Material bei einem relativ konstanten Druck und einer relativ konstanten Temperatur.
Bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung erlauben die Auswahl einer wesentlich größeren Klasse von Wasserstoffspeichermaterialien, die andere Materialcharakteristiken als die Auswahl von Wasserstoffspeichermaterial nach dem Stand der Technik besitzen. Bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung erlauben, dass der Fluidspeicherbehälter 40 signifikant andere Bedingungen in Bezug auf die des Brennstoffzellenstapels 22 besitzt, was den Bereich von Wasserstoffmaterialzusammensetzungen erweitert, die zur Verwendung mit der vorliegenden Erfindung geeignet sind. Beispielsweise können Materialien stark verschiedene Absorptions/Desorptionskinetiken und Gleichgewichtswerte besitzen, die nicht auf die Brennstoffzellenanforderungen zugeschnitten werden müssen (beispielsweise muss der Wasserstoff nicht bei einem hohen Druck freigesetzt werden, der dem des Brennstoffzellenstapels entspricht). Auch muss, wie für Fachleute angemerkt sei, der Gleichgewichtsdruck des Wasserstoffspeichermaterials nicht die Plateaudruckkonfiguration aufweisen, sondern kann statt dessen eine beliebige Konfiguration aufgrund der Fähigkeit besitzen, den Druck in die Nähe von Vakuumniveaus über die Druckbeaufschlagungsvorrichtung 60 abzusenken.
Ein anderer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist, dass die Wasserstoffspeichermaterialien Wasserstoff bei niedrigen Drücken und Temperaturen freisetzen können, da die Druckbeaufschlagungsvorrichtung/der Kompressor 60 Gase aus dem Fluidspeicherbehälter 40 zieht, wobei Bedingungen nahezu eines Vakuums in dem Inneren des Speicherbehälters 40 erzeugt werden. Jedoch besitzen die Wasserstoffspeichermaterialien jeweils eine charakteristische minimale Temperatur, unterhalb der das Material keinen Wasserstoff desorbiert oder freisetzt, und zwar ungeachtet des Umgebungsdrucks. Wasserstoffliefersysteme der vorliegenden Erfin dung werden somit bei Bedingungen oberhalb einer derartigen minimalen Temperatur für jedes einzelne Wasserstoffspeichermaterial betrieben. Ferner ist die Rate, mit der Wasserstoff durch Reaktionskinetik des Wasserstoffspeichermaterials freigesetzt wird, abhängig von der Temperatur. Somit kann eine minimale Temperatur für das Wasserstoffspeichermaterial gleichermaßen der minimalen Freisetzrate entsprechen, die erforderlich ist, um den Brennstoffzellenstapel 22 mit Brennstoff zu beliefern (insbesondere bei Hochlastanforderungen). Eine derartige Temperatur ist gleichermaßen abhängig von der Auswahl des Wasserstoffspeichermaterials.
Die vorliegende Erfindung sieht die Fähigkeit vor, die Menge an Wasserstoffbrennstoff, die in dem Wasserstoffspeichermaterial verbleibt, zu justieren. Die Fluiddruckbeaufschlagungsvorrichtung 60 wird so geregelt, dass sie einen konstanten Auslassdruck besitzt (gemessen bei 82). Wenn jedoch der Kompressor 60 zusätzlichen Wasserstoff aus dem Wasserstoffspeichermaterial zieht, wodurch sein Wasserstoffgehalt verringert wird, ändern sich die Temperatur und der Innendruck in dem Speicherbehälter 40, der erforderlich ist, um zusätzlichen Wasserstoff zu entziehen, gleichermaßen. Somit kann durch Überwachung der Temperatur und des Drucks (durch Sensoren 78, 80) des Fluidspeicherbehälters 40 eine Beziehung zwischen diesen Variablen und der Wasserstoffkonzentration durch Verwendung der bekannten PCT-Daten für das Wasserstoffspeichermaterial hergestellt werden. Andere alternative Verfahren zum Überwachen der Menge an Wasserstoffreaktand, der verbleibt, können eine Quantifizierung der Durchsätze in dem Auslassdurchgang 48 und eine Überwachung der Verwendung auf Grundlage bekannter Wasserstoffspeicherkapazitäten für das Wasserstoffspeichermaterial umfassen.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird das Wasserstoffspeichermaterialhydrid durch die allgemeine Formel M^yH_y dargestellt, wobei M eine oder mehrere kationische Arten, die von Wasserstoff verschieden sind, repräsentiert und y den durchschnittlichen Valenzzustand von M repräsentiert, wobei der durchschnittliche Valenzzustand die Ladungsneutralität der Verbindung aufrechterhält. Gemäß der vorliegenden Erfindung repräsentiert M eine oder mehrere kationische Arten oder eine Mischung von kationischen Arten, die von Wasserstoff verschieden sind. Somit betreffen Wasserstoffspeichermaterialien gemäß der vorliegenden Erfindung M mit einem komplexen Kation, das zwei oder mehr getrennte kationische Arten umfasst. Kationische Arten, die für alle bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung bevorzugt sind, umfassen Metallkationen wie auch Nichtmetallkationen, wie Bor.
Bestimmte Wasserstoffspeicherhydride, die oftmals als komplexe Hydride bezeichnet werden, umfassen zwei kationische Arten, wobei jedoch eine der kationischen Arten eine anionische Gruppe mit Wasserstoff bildet, die ferner mit einer zweiten kationischen Art wechselwirkt. Dieses Konzept kann durch die folgende Formel mit einem Hydrid, das als M^yH_y ausgedrückt ist, ausgedrückt werden, wobei M zwei getrennte kationische Arten A und B umfasst, so dass M = A + B. Somit kann das Hydrid ausgedrückt werden als: Aad (BbHc)a –d , wobei (B^bH_c) eine anionische Gruppe ist, wobei d = (c – b) und a, b, c und d so gewählt sind, um ein Ladungsgleichgewicht und eine Elektroneutralität der Verbindung aufrechtzuerhalten. "A" ist eine erste kationische Art, die bevorzugt ein Seltenerdmetall oder Kalzium (Ca), Magnesium (Mg) oder Titan (Ti) ist, und "B" ist eine zweite kationische Art, die bevorzugt ein Übergangsmetall oder Aluminium ist. Seltenerdmetalle gemäß der vorliegenden Erfindung umfassen Lanthan (La), Neodym (Nd), Cer (Ce), Praseodym (Pr), und Übergangsmetalle können umfassen: Eisen (Fe), Zinn (Sn), Nickel (Ni), Aluminium (Al), Kobalt (Co) und Mangan (Mn) und ist auch bevorzugt. "A" kann auch ein Mischmetall sein (in der Technik bezeichnet als "Mm"), das eine kommerziell verfügbare Mischung von Seltenerdmetallen ist, vorwiegend Ce, La, Nd und Pr. Somit besitzen bevorzugte Beispiele komplexer Hydride die nominellen allgemeinen Formeln in einem dehydrogenierten Zustand: Ab, A₂B, AB₂ und AB₅. Nicht beschränkende Beispiele derartiger bevorzugter Verbindungen umfassen: TiFe für AB; Mg₂Ni für A₂B; CaMg₂, ScFe₂ und TiCr_1,4V_0,6 für AB₂; und LaNi₅ und MmNi₅ für AB₅. LaNi₅ ist eine besonders bevorzugte Wasserstoffabsorptionsmetalllegierung/Niedertemperaturhydridverbindung. Andere anwendbare Wasserstoffspeichermaterialien neben den oben beschriebenen umfassen magnesiumhaltige oder magnesiumbasierte Metallhydride. Anwendbare Beispiele umfassen die oben beschriebenen unter der A₂B-Kategorie (beispielsweise Mg₂Ni), wie auch Magnesiummetall (Mg) und dessen Legierungen.
Stickstoffbasierte oder stickstoffhaltige Wasserstoffspeichermaterialien sind ebenfalls kompatibel mit der vorliegenden Erfindung. Wasserstoffspeichermaterialien, die stickstoffhaltige Verbindungen umfassen, sind zur Verwendung mit der vorliegenden Erfindung beabsichtigt und umfassen beispielsweise eine Wasserstoffspeicherverbindung, die ein Imid umfasst, das durch die Formel M^c[(NH)^–2]_c/2 repräsentiert wird, wobei M zumindest eine kationische Art, die von Wasserstoff verschieden ist, repräsentiert und c den durchschnittlichen Valenzzustand von M repräsentiert und bei Hydrierung ein Amid bildet, das bevorzugt durch die allgemeine Formel M_c[(NH)^–1]_c repräsentiert ist. Derartige stickstoffhaltige Wasserstoffspeichermaterialsysteme sind mit der vorliegenden Erfindung anwendbar, einschließlich denen, die in den U.S. Patentanmeldungen Seriennummern 10/603,474, die am 25. Juni 2003 eingereicht wurde und 10/649,923, die am 26. August 2003 eingereicht wurde und die hier durch Bezugnahme eingeschlossen sind.
Andere anwendbare Wasserstoffspeichermaterialsysteme umfassen Wasserstoffspeichermaterialien, die durch die nominelle allgemeine Formel: M'_xM''_yN₂H_d repräsentiert sind, wobei (a)M' ein Kation ist, das aus der Gruppe gewählt ist, die umfasst: Li, Ca, Na, Mg, K, Be und deren Mischungen, und x größer als etwa 50 und kleiner als etwa 53 ist; (b) M'' eine Kationenzusammensetzung umfasst, die ein Element der Gruppe 13 des Periodensystems umfasst und y größer als etwa 5 und kleiner als etwa 34 ist; (c) N Stickstoff ist und z größer als etwa 16 und kleiner als etwa 45 ist; (d) H Wasserstoff ist und sich in einem vollständig hydrogenierten Zustand befindet, d größer als etwa 110 und kleiner als etwa 177 ist; und (e) wobei M', M'', x, y, z und d so gewählt sind, um eine Elektroneutralität aufrechtzuerhalten. Beispiele besonders bevorzugter Wasserstoffspeicherverbindungen, die durch die obige Formel repräsentiert werden, umfassen Lithiumbordistickstoffhydrid (Li₃BN₂H₈). Derartige Verbindungen sind in der U.S. Patentanmeldung Seriennummer 10/789,899 beschrieben, die am 27. Februar 2004 eingereicht und hier durch Bezugnahme eingeschlossen ist.
Wie bei der Ausführungsform in 1 gezeigt ist, ist der Speicherbehälter mit einer Wärmeübertragungsvorrichtung 90 (beispielsweise einem Wärmetauscher) verbunden. Eine derartige Wärmeübertragungsvorrichtung 90 zirkuliert bevorzugt ein Wärmeübertragungsmedium zum Heizen, Kühlen oder beidem über ein Wärmeübertragungszirkulationssystem (nicht gezeigt). Bei den Ausführungsformen, bei denen das Wasserstoffspeichermaterial Wasserstoff durch einen endothermen Mechanismus freisetzt und Wasserstoff durch einen exothermen Mechanismus absorbiert, überträgt das Wärmeübertragungsmedium in der Wärmeübertragungsvorrichtung 90 Wärme an den Speicherbehälter 40 während der Wasserstofffreisetzung (wenn notwendig) oder kann Wärme von dem Speicherbehälter 40 entfernen. Die Wärmeübertragungsvorrichtung 90 kann sowohl Wärme aufbringen als auch Wärme entfernen, wie es notwendig ist. Ein Aspekt der vorliegenden Erfindung ist, dass durch den Kompressor 60, der Wasserstoff aus dem Wasserstoffspeichermaterial in dem Speicherbehälter 40 zieht, der Druck in dem Speicherbehälter 40 abgesenkt wird, wodurch eine relativ geringere Gleichgewichtstemperatur erforderlich wird, um Wasserstoff freizusetzen. Die Wärmeübertragungsvorrichtung 90 kann selektiv betrieben werden, und bevorzugt ist ihr Betrieb abhängig von einer gemessenen Temperatur in dem Speicherbehälter 40.
Eine alternative bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist in 3 gezeigt. Bei der gezeigten Ausführungsform teilen sich eine Fluiddruckbeaufschlagungsvorrichtung 100 und ein Fluidhandhabungssystem 102 einen gemeinsamen Antriebsmechanismus oder Motor 104. Die Konfiguration all der anderen Elemente in dem Wasserstoffliefersystem 110 bei der vorliegenden Ausführungsform ist gleich der der Ausführungsform, die in 1 gezeigt ist. Somit arbeitet bei Betriebsbedingungen, bei denen die Druckbeaufschlagungsvorrichtung/der Kompressor 100 den Ballastbehälter 70 nicht mit druckbeaufschlagtem Wasserstoffgas lädt, das Fluidhandhabungssystem/die Pumpe 102 derart, um Fluide durch das Fluidrezirkulationssystem 72 in den Ballasttank 70 zu zirkulieren. Der Antriebsmechanismus 104 ist bevorzugt für Leistungs- und Auslastungsanforderungen bemessen, um einen gleichzeitigen Betrieb sowohl der Fluiddruckbeaufschlagungsvorrichtung 100 als auch des Fluidhandhabungssystems 102 zu ermöglichen. Wie für Fachleute angemerkt ist, kann die tatsächliche Konfiguration der Verrohrung von der, die gezeigt ist, abweichen und kann Bypassdurchgänge umfassen, einschließlich eines Bypassdurchgangs in dem Fluidhandhabungssystem 72, um den Ballastbehälter 70 zu umgehen.
Eine noch weitere alternative bevorzugte Ausführungsform ist in 4 gezeigt, bei der eine Fluiddruckbeaufschlagungsvorrichtung und eine Fluidhandhabungsvorrichtung dieselbe Fluidverarbeitungsvorrichtung 120 sind. Bei dieser Konfiguration sind alle zusätzlichen Elemente in dem Reaktandenliefersystem 122 gleich denen, die in 1 gezeigt sind, mit der Ausnahme, dass ein Fluidrezirkulationssystem 72a einen Fluidrezirkulationsdurchgang 74a umfasst, der mit der Fluidverarbeitungsvorrichtung 120 anstatt mit dem Ballastbehälter 70 wie bei den vorhergehenden Ausführungsformen verbunden ist. Unter Betriebsbedingungen, bei denen der Ballastbehälter 70 mit druckbeaufschlagtem Wasserstoffgas wieder aufgeladen werden muss, wird die Fluidverarbeitungsvorrichtung 120 zur Fluiddruckbeaufschlagung (als ein Kompressor) verwendet. Wenn jedoch die Fluidverarbeitungsvorrichtung 120 lediglich dazu benötigt wird, Fluide in dem Fluidhandhabungssystem/der Rezirkulationsschleife 72a zu zirkulieren, wird die Fluidverarbeitungsvorrichtung 120 als eine Pumpe oder ein Gebläse zum Transport von Fluiden verwendet. Eine derartige kombinierte Fluidverarbeitungsvorrichtung 120 besitzt einen Vorteil der Reduzierung des Gesamtgewichts des Reaktandenliefersystems 122 durch Kombination von Funktionen und Beseitigung von zwei separaten Vorrichtungen.
Die Integration des Ballastbehälters 70 versetzt ein System zur Lieferung von Brennstoffzellenreaktanden (beispielsweise 20, 110 oder 122) besser dazu in die Lage, auf typische Variationen in der Lastanforderung durch Bereitstellung einer zusätzlichen Kapazität von Wasserstoffgas zur Lieferung daran zu reagieren. Somit ist bei bevorzugten Ausführungsformen die Verweilzeit/Speicherkapazität des Ballastbehälters 70 für den Verbrauch des Brennstoffzellenstapels 22 unter Hochlastbedingungen ausgelegt, die ferner von der Ansprechbarkeit des Wasserstoffspeichermaterials und der Rate der Wasserstofffreisetzung von dem Wasserstoffspei chermaterial abhängig ist. Wie vorher beschrieben wurde, sieht der Ballastbehälter 70 einen besonderen Vorteil für das Brennstoffliefersystem (beispielsweise 20) vor, da es nicht erforderlich ist, dass der Fluidspeicherbehälter 40 identische Betriebsbedingungen wie die Brennstoffzellen 24 und der Stapel 22 aufweisen muss, und der Puffertank/Ballastbehälter 70 eine Lieferung einer konsistenten, unter hohem Druck stehenden Wasserstoffbrennstofflieferung ermöglicht, ohne den Brennstoffzellenstapel 22 potentiellen Schwankungen bezüglich des Druckes und des Durchsatzes in Verbindung mit dem Fluidspeicherbehälter 40 auszusetzen, da Wasserstoff von dem Wasserstoffspeichermaterial freigesetzt wird.
Übergangsbetriebsbedingungen innerhalb des Brennstoffzellensystems weisen allgemein Herausforderungen bei der Implementierung der Brennstoffzellentechnologie auf. Derartige Herausforderungen lassen sich oftmals beispielsweise auf geringe Temperaturen während des Starts wie auch eine niedrige Stöchiometrie von Reaktanden bei Niedriglastbedingungen zurückführen, was in einer signifikant geringeren Wärmefreisetzung resultiert, die den Ausgleich der Brennstoffzelle bei normalen Betriebstemperaturen verlangsamt. Bei gegenwärtigen PEM-Brennstoffzellenanwendungen liegen Temperaturen im stabilen Zustand zwischen etwa 70°C bis etwa 90°C bei typischen Betriebsdrücken zwischen etwa 1 bis etwa 5 atm absolut. Eine derartige von dem Brennstoffzellenstapel 22 freigesetzte Wärme kann an den Fluidspeicherbehälter 40 übertragen und dazu verwendet werden, eine Freisetzung von Wasserstoff von dem Wasserstoffspeichermaterial zu erleichtern. Jedoch liegen Starttemperaturen allgemein unter 60°C bei Drücken von allgemein weniger als 1 atm absolut. Für viele Brennstoffzellenanwendungen ist es erwünscht, dass die Brennstoffzellen 24 schnell gestartet werden können, um so unmittelbar zur Erzeugung der erforderlichen Energie verfügbar zu sein und somit eine mobile Anwendung ohne signifikante Verzögerung anzutreiben. Je doch sind ohne eine derartige von dem Brennstoffzellenstapel 22 erzeugte Wärme zusätzliche Mittel zum Freisetzen von Wasserstoff anwendbar.
Eine andere alternative bevorzugte Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst ein zweites Wasserstoffspeichermaterial (nicht gezeigt), das in dem Ballasttank 70 zur Verwendung hauptsächlich bei Übergangsbedingungen enthalten ist. Bevorzugte sekundäre Wasserstoffspeichermaterialien umfassen diejenigen, die Niedertemperatur-Speichermaterialien sind, die Wasserstoff bei niedrigen Temperaturen, die Startbedingungen entsprechen, freisetzen. Bei einer derartigen Ausführungsform nimmt ein Abschnitt des Ballasttanks 70 das sekundäre Wasserstoffspeichermaterial auf. Das sekundäre Wasserstoffspeichermaterial speichert bevorzugt reversibel Wasserstoff und absorbiert reversibel Wasserstoff bei einem Druck und einer Temperatur, die Betriebsbedingungen im stabilen Zustand für den Ballastbehälter 70 entsprechen. Beim Start kann der Ballastbehälter 70 gespeichertes Wasserstoffgas an den Brennstoffzellenstapel 22 liefern und Wasserstoffgas von dem darin untergebrachten sekundären Wasserstoffspeichermaterial bei den Starttemperatur- und Ballastbehälterdruckbedingungen, die durch den Drucksensor 84 angegeben sind, freisetzen. Das sekundäre Wasserstoffspeichermaterial kann auch zusätzlichen Wasserstoff an den Brennstoffzellenstapel 22 bei Übergangsbetriebsbedingungen liefern, wenn die Leistungsanforderung erhöht ist.
Viele verschiedene Legierungen sind für einen derartigen Hydrierungsprozess bei relativ niedriger Temperatur geeignet. Eine Niedertemperaturwasserstoffbeladung liegt allgemein unter etwa 60°C und insbesondere unter 25°C. Bestimmte bevorzugte Metalllegierungen, die einer Wasserstoffabsorption ausgesetzt sind, um hydrogenierte Wasserstoffspeichermaterialien, wie Metallhydride, bei bevorzugten Temperatur- und Druckbedin gungen gemäß der vorliegenden Erfindung zu bilden, werden in der Technik als "Niedertemperaturhydride" bezeichnet. Wie oben beschrieben ist, können derartige Wasserstoffspeichermaterialien auch zur Verwendung als das Wasserstoffspeichermaterial in dem Fluidspeicherbehälter 40 verwendet werden, jedoch ist eine derartige Speichermaterialauswahl für den Fluidspeicherbehälter 40 auch auf andere Aspekte des Wasserstoffspeichermaterials gerichtet, so dass zusätzlich zu der Temperatur, bei der das Material Wasserstoff desorbiert (eine Hauptbetrachtung hier für den Ballastbehälter 70 während des Starts), die Auswahl der Wasserstoffspeichermaterialien des Fluidspeicherbehälters 40 eine Bewertung der Gesamtwasserstoffkapazität, der Wasserstofffreisetzrate und dem Gleichgewichtsdruckverhalten umfasst. Viele der Niedertemperaturmetallhydride, wie beispielsweise Lanthanpentanickel (LaNi₅) sind besonders als ein Wasserstoffspeichermaterial für den Ballastbehälter 70 geeignet, um Wasserstoff während des Starts an den Brennstoffzellenstapel 22 zu liefern. Allgemein gesagt besitzen Niedertemperaturhydride eine relativ niedrige Wasserstoffkapazität pro Gewichtseinheit, als andere Wasserstoffspeichermaterialien, und sind somit gut zur Bereitstellung geringerer Mengen an Wasserstoff in bestimmten Situationen, wie beim Start oder bei Übergangsbetriebssituationen, geeignet. Es ist allgemein erwünschter, ein Material mit einer höheren Wasserstoffkapazität und -dichte für den Hauptspeicherbehälter 40 zu wählen.
Ein anderer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist eine Überschussspeicherung von Wasserstoff zur Verwendung bei Startbedingungen. Bei Wasserstoffspeicherbrennstoffliefersystemen nach dem Stand der Technik muss das Wasserstoffspeichermaterial auf geeignete Temperaturen erhitzt werden, um eine Freisetzung von Wasserstoff zu erleichtern. Bei bestimmten bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung wird jedoch die Wärme, die von dem Stapel 22 bei normalen Betriebsbedingun gen im stabilen Zustand erzeugt wird, optional nach einer Abschaltung dazu verwendet, eine zusätzliche Freisetzung von Wasserstoff von dem Wasserstoffspeichermaterial in dem Fluidspeicherbehälter 40 zu erleichtern. Der Wasserstoff, der nach der Abschaltung freigesetzt wird, wird durch die Fluiddruckbeaufschlagungsvorrichtung 60 druckbeaufschlagt und in dem Ballasttank 70 bei dem geeigneten Druck zur Wasserstofflieferung gespeichert. Der gespeicherte Wasserstoff ist dann unmittelbar als eine Versorgungsquelle für den Start des Brennstoffzellenstapels 22 bei kalten Bedingungen verfügbar. Somit wird die Abwärme und der Wasserstoff, die von dem Brennstoffzellenstapel 22 und dem Speicherbehälter 40 nach der Abschaltung abgeführt werden, effizient dazu verwendet, eine Wasserstoffversorgungsquelle beim Start sicherzustellen.
Die vorliegende Erfindung sieht ferner Verfahren zum Liefern von Wasserstoffreaktand an eine Brennstoffzelle vor, umfassend, dass Wasserstoff von einem Wasserstoffspeichermaterial freigesetzt wird und das Wasserstoffgas druckbeaufschlagt wird. Das druckbeaufschlagte Wasserstoffgas wird in einem Ballastbehälter gespeichert und von dem Ballastbehälter an die Brennstoffzellen geliefert, wobei sich das druckbeaufschlagte Wasserstoffgas bei einem Druck von größer als oder gleich einem Betriebsdruck der Brennstoffzellen in dem Stapel befindet. Bei bestimmten bevorzugten Ausführungsformen wird die Freisetzung durchgeführt, während Wärme auf das Wasserstoffspeichermaterial aufgebracht wird. Bei alternativen bevorzugten Ausführungsformen wird Wasserstoff von einem zweiten Wasserstoffspeichermaterial, das in dem Ballastbehälter enthalten ist, bevorzugt beim Start der Brennstoffzellen in dem Stapel freigesetzt. Bei verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung umfassen die Verfahren ein Überwachen der Menge an Wasserstoffbrennstoff, die in dem Speicherbehälter verbleibt, um einen Bediener über Niedrigbrennstoffbedingungen vor der Verwendung des gesamten in dem Wasserstoff speichermaterial gespeicherten Wasserstoffs zu warnen. Eine derartige Überwachung kann durch eine Vielzahl von Verfahren erreicht werden, die beispielsweise umfassen, dass die Temperatur und der Druck in dem Speicherbehälter verglichen werden und diese mit der Menge an Wasserstoff in Bezug gebracht werden, die in dem Speichermaterial verbleibt, indem die Daten mit bekannten Temperatur- und Druckbedingungen für das Material über einen Bereich von Wasserstoffkonzentrationen in Bezug gebracht werden. Andere Verfahren zum Überwachen können durch Berechnen der Menge an Wasserstoff, die verbraucht wird, durch Messen der Strömung von Wasserstoffgas an einem Strömungsmesser vorbei, Messen der Stromabgabe der Brennstoffzelle, Messen und Überwachen einer Betriebsart an einem Motor einer Fluidhandhabungsvorrichtung über kurze Zeitintervalle erreicht werden.
Es ist bevorzugt, dass im Wesentlichen das gesamte Wasserstoffgas, das in dem Wasserstoffspeichermaterial in der Brennstoffzelle vorhanden ist, vor einer Wiederaufladung verbraucht wird. Somit betrifft die vorliegende Erfindung ein Laden des Wasserstoffspeichermaterials mit einer Wasserstoffversorgungsquelle, um Wasserstoffgas zur Absorption in das Wasserstoffspeichermaterial vorzusehen. Bei alternativen bevorzugten Verfahren der vorliegenden Erfindung wird Wärme zwischen dem Fluidspeicherbehälter und einer Wärmeübertragungsvorrichtung beim Freisetzen oder Laden von Wasserstoff oder beiden übertragen. Ferner betrifft die vorliegende Erfindung ein Fortsetzen der Speicherung von Wasserstoff in dem Ballastbehälter für eine Dauer nach Beendigung von Brennstoffzellenbetriebsabläufen (wenn Wasserstoff geliefert wird).
Die Beschreibung der Erfindung ist lediglich beispielhafter Natur, und somit sind Abwandlungen, die nicht von der Grundidee der Erfindung abweichen, als innerhalb des Schutzumfangs der Erfindung befindlich anzusehen. Derartige Abwandlungen werden nicht als Abweichung von dem Erfindungsgedanken und dem Schutzumfang der Erfindung betrachtet.
Zusammenfassung
Es ist ein Wasserstoffliefersystem für eine Brennstoffzelle vorgesehen, das Wasserstoff als einen Reaktand verwendet. Ein Fluidspeicherbehälter enthält ein Wasserstoffspeichermaterial, das Wasserstoffgas reversibel freisetzt und speichert. Das freigesetzte Wasserstoffgas verlässt den Fluidspeicherbehälter, wird durch eine Fluiddruckbeaufschlagungsvorrichtung druckbeaufschlagt und dann in einem Ballastbehälter gespeichert. Das Wasserstoffgas wird als ein Reaktand an die Brennstoffzelle von dem Ballastbehälter bei einem Druck geliefert, der größer oder gleich dem Betriebsdruck der Brennstoffzelle ist. Es sind ferner Variationen der oben beschriebenen Wasserstoffliefersysteme wie auch Verfahren zum Liefern von Wasserstoff an eine Brennstoffzelle offenbart.

Claims

Wasserstoffliefersystem, mit: einem Fluidspeicherbehälter zur Aufnahme eines Wasserstoffspeichermaterials, das Wasserstoff speichert; einem Fluidballastbehälter zum Speichern und Liefern von Wasserstoff an zumindest eine Brennstoffzelle; und einer Druckbeaufschlagungsvorrichtung, die derart ausgebildet ist, um den von dem Speichermaterial freigesetzten Wasserstoff zur Lieferung an den Ballastbehälter druckzubeaufschlagen, wobei der Fluidspeicherbehälter einen Druck aufweist, der kleiner oder gleich dem des Ballastbehälters ist.
Wasserstoffliefersystem nach Anspruch 1, wobei der druckbeaufschlagte Wasserstoff in einem Fluidstrom bei einem im Wesentlichen konstanten Druck von dem Ballastbehälter an die zumindest eine Brennstoffzelle geliefert wird.
Wasserstoffliefersystem nach Anspruch 1, wobei die Brennstoffzelle eine Anodenanordnung umfasst, der Ballastbehälter Wasserstoff an einen Einlass der Anodenanordnung liefert und der Ballastbehälter Abfluss von einem Auslass der Anodenanordnung aufnimmt.
Wasserstoffliefersystem nach Anspruch 1, ferner mit einem Fluidhandhabungssystem zum Transport von Fluiden zu und von der zumindest einen Brennstoffzelle, wobei sich die Druckbeaufschla gungsvorrichtung und das Fluidhandhabungssystem einen gemeinsamen Antriebsmechanismus teilen.
Wasserstoffliefersystem nach Anspruch 1, wobei die Fluiddruckbeaufschlagungsvorrichtung Fluide durch den Ballastbehälter und an die zumindest eine Brennstoffzelle treibt.
Wasserstoffliefersystem nach Anspruch 1, wobei der Fluidballastbehälter bei einem im Wesentlichen konstanten Druck gehalten wird.
Wasserstoffliefersystem nach Anspruch 1, wobei ein erster Druck in dem Fluidspeicherbehälter kleiner als ein zweiter Druck in dem Fluidballastbehälter ist und der zweite Druck größer oder gleich einem Druck der zumindest einen Brennstoffzelle ist, während sie in Betrieb ist.
Wasserstoffliefersystem nach Anspruch 1, wobei das Wasserstoffspeichermaterial einen Gleichgewichtsdruck aufweist, der kleiner als ein Betriebsdruck im stabilen Zustand der zumindest einen Brennstoffzelle ist.
Wasserstoffliefersystem nach Anspruch 1, wobei das Wasserstoffspeichermaterial den Wasserstoff reversibel speichert, indem der Wasserstoff über eine endotherme Reaktion freigesetzt wird und Wasserstoff über eine exotherme Reaktion rückabsorbiert wird.
Wasserstoffliefersystem nach Anspruch 1, wobei die Fluiddruckbeaufschlagungsvorrichtung Fluid durch eine Vielzahl der Brennstoffzellen treibt.
Wasserstoffliefersystem nach Anspruch 1, wobei das Wasserstoffspeichermaterial eine Zusammensetzung umfasst, die die nominelle allgemeine Formel M^yH_y aufweist, wobei M eine oder mehrere kationische Arten, die von Wasserstoff verschieden sind, repräsentiert, und y den durchschnittlichen Valenzzustand von M repräsentiert, wobei der durchschnittliche Valenzzustand die Ladungsneutralität der Verbindung aufrechterhält.
Wasserstoffliefersystem nach Anspruch 1, wobei das Wasserstoffspeichermaterial ein Hydridmaterial ist, das eine dehydrogenierte nominelle allgemeine Formel aufweist, die aus der Gruppe gewählt ist, die umfasst: AB, A₂B, AB₂ und AB₅, wobei A eine erste kationische Art und B eine zweite kationische Art ist.
Wasserstoffliefersystem nach Anspruch 1, wobei das Wasserstoffspeichermaterial eine stickstoffhaltige Verbindung umfasst.
Wasserstoffliefersystem nach Anspruch 1, wobei das Wasserstoffspeichermaterial eine magnesiumhaltige Verbindung umfasst.
Wasserstoffliefersystem nach Anspruch 1, wobei das Wasserstoffspeichermaterial eine Zusammensetzung umfasst, die aus der Gruppe gewählt ist, die umfasst: Lanthanpentanickel (LaNi₅), Magnesiumnickel (Mg₂Ni), Lithiumamid (LiNH), Lithiumbordistickstoffhydrid (Li₃BN₂H₈), Lithiumalanat (LiAlH₄), Magnesiummetall (Mg) und deren Legierungen und Mischungen derselben.
Wasserstoffliefersystem nach Anspruch 1, wobei der Ballastbehälter ferner ein zweites Wasserstoffspeichermaterial umfasst, das Wasserstoff bei Übergangsbedingungen der Brennstoffzelle freisetzt.
Wasserstoffliefersystem nach Anspruch 1, ferner mit einer Wärmeübertragungsvorrichtung in thermischer Verbindung mit dem Fluidspeicherbehälter.
Wasserstoffliefersystem nach Anspruch 1, ferner mit einer oder mehreren Überwachungsvorrichtungen, die gewählt sind aus: Temperaturüberwachungsvorrichtungen, Drucküberwachungsvorrichtungen und Fluiddurchsatzüberwachungsvorrichtungen.
Wasserstoffliefersystem, mit: einem Fluidspeicherbehälter, der ein Wasserstoffspeichermaterial enthält, das Wasserstoffgas freisetzt; einer Fluiddruckbeaufschlagungsvorrichtung in Fluidverbindung mit dem Fluidspeicherbehälter zum Druckbeaufschlagen des freigesetzten Wasserstoffgases; einem Fluidballastbehälter, der derart ausgebildet ist, um das druckbeaufschlagte Wasserstoffgas von der Fluiddruckbeaufschlagungsvorrichtung aufzunehmen und zu speichern; und zumindest einer Brennstoffzelle, die das Wasserstoffgas als einen Reaktand verwendet, wobei das druckbeaufschlagte Wasserstoffgas in einem Fluidstrom bei einem im Wesentlichen konstanten Druck von dem Ballastbehälter an die zumindest eine Brennstoffzelle geliefert wird.
Wasserstoffliefersystem nach Anspruch 19, wobei die zumindest eine Brennstoffzelle eine Anodenanordnung umfasst, der Ballastbehälter das Wasserstoffgas an einen Einlass der Anodenanordnung liefert und der Ballastbehälter Abfluss von einem Auslass in der Anordnung aufnimmt.
Wasserstoffliefersystem nach Anspruch 19, wobei die Fluiddruckbeaufschlagungsvorrichtung Fluide durch den Ballastbehälter und an die zumindest eine Brennstoffzelle treibt.
Wasserstoffliefersystem nach Anspruch 19, wobei ein erster Druck in dem Fluidspeicherbehälter kleiner als ein zweiter Druck in dem Fluidballastbehälter ist, wobei der zweite Druck im Wesentlichen konstant ist und größer als oder gleich einem Druck der zumindest einen Brennstoffzelle ist, während sie in Betrieb ist.
Verfahren zum Liefern von Wasserstoffreaktand an eine Brennstoffzelle, umfassend, dass: Wasserstoffgas von einem Wasserstoffspeichermaterial freigesetzt wird; das Wasserstoffgas druckbeaufschlagt wird; das druckbeaufschlagte Wasserstoffgas in einem Ballastbehälter gespeichert wird; und das druckbeaufschlagte Wasserstoffgas von dem Ballastbehälter an die Brennstoffzelle geliefert wird, wobei das druckbeaufschlagte Wasserstoffgas bei einem Druck vorliegt, der größer als oder gleich einem Betriebsdruck der Brennstoffzelle ist.
Verfahren nach Anspruch 23, wobei das Freisetzen durchgeführt wird, während Wärme auf das Wasserstoffspeichermaterial aufgebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 23, wobei bei Übergangsbetriebsbedingungen zusätzliches Wasserstoffgas von einem zweiten Wasserstoff speichermaterial, das in dem Ballastbehälter enthalten ist, freigesetzt wird.
Verfahren nach Anspruch 23, ferner umfassend, dass eine Menge an Wasserstoff, die in dem Wasserstoffspeichermaterial vorhanden ist, überwacht wird.
Verfahren nach Anspruch 23, ferner umfassend, dass im Wesentlichen das gesamte Wasserstoffgas von dem Wasserstoffspeichermaterial in der Brennstoffzelle verbraucht wird.
Verfahren nach Anspruch 27, ferner umfassend, dass das Wasserstoffspeichermaterial mit einer Wasserstofflieferquelle geladen wird, um für das Wasserstoffspeichermaterial Wasserstoffgas bereitzustellen.
Verfahren nach Anspruch 23, wobei Wärme zwischen dem Fluidspeicherbehälter und einer Wärmeübertragungsvorrichtung bei dem Freisetzen, dem Laden oder beidem übertragen wird.
Verfahren nach Anspruch 23, wobei nach Beendigungsbetriebsabläufen der Brennstoffzelle das Speichern für eine Dauer andauert, die länger als die Lieferung ist.
Verfahren nach Anspruch 23, wobei eine Menge an Wasserstoff, die in dem Wasserstoffspeichermaterial vorhanden ist, relativ zu einem Druck und einer Temperatur des Wasserstoffspeichermaterials in einem Wasserstoffspeicherbehälter bestimmt wird.