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Technisches Gebiet
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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Wasserstoffspeichervorrichtung
und insbesondere eine Wasserstoffspeichervorrichtung, die zum Absorbieren
und Speichern von Wasserstoff geeignet ist.
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Stand der Technik
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Brennstoffzellen,
Motoren und dergleichen, die Wasserstoff als Brennstoff verwenden,
wurden vor kurzem realisiert und es wurden weitgehende Untersuchungen
bezüglich Verfahren und Vorrichtungen zum Absorbieren und
Speichern von Wasserstoff zum Versorgen solcher Brennstoffzellen
und Motoren unternommen.
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Bekannte
herkömmliche Verfahren zum Speichern von Wasserstoff schließen
zum Beispiel ein Wasserstoffspeicherverfahren des Unter-Druck-Setzens
und Speicherns von Wasserstoff in einem Hochdruck-Wasserstoffgasbehälter
und ein Wasserstoffspeicherverfahren des Kühlens und Speicherns
von verflüssigtem Wasserstoff in einem Niedrigtemperatur-Behälter
ein.
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Wenn
flüssiger Wasserstoff gespeichert wird, erfolgt die Speicherung
mit einem Niedrigtemperatur-Behälter und latenter Wärme.
Daher dringt im Verlauf der Zeit Wärme von außerhalb
ein und es erfolgt eine schrittweise Verdampfung des flüssigen Wasserstoffs,
was bedeutet, dass eine geeignete Langzeitlagerung nicht möglich
ist und daher eine geringe Umsetzbarkeit für eine Anwendung
bei Brennstoffanwendungen besteht. Daneben muss Wasserstoffgas,
nachdem es verdampft wurde, schnell freigesetzt werden und vom Standpunkt
des Nutzwertes aus ist die Verwendung von flüssigem Wasserstoff als
Brennstoff daher schwierig.
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Eine
weitere bekannte Technologie zum Speichern von Wasserstoff, die
sich von der vorstehend genannten unterscheidet, ist das Verwenden von
Kohlenstoffmaterialien wie Aktivkohle und Kohlenstoff-Nanoröhren
zur Wasserstoffspeicherung. Es gibt zum Beispiel eine Offenbarung,
die ein Verfahren zum Speichern von Wasserstoffgas betrifft, in
dem Wasserstoffgas mit Hilfe von an Aktivkohlepartikeln festgehaltenen
oder mit diesen in Kontakt stehenden Magnetkörpern wie
Eisenoxid an Aktivkohle absorbiert wird (siehe zum Beispiel die
offengelegte japanische Patentanmeldung (
JP-A) Nr. 2001-12693 ).
In einem solchen Verfahren ist die Verwendung von Verflüssigung
mit Magnetkörpern offenbart, die als Katalysator verwendet
und an der Aktivkohle festgehalten werden, um die Umwandlung von
ortho-Wasserstoff in den bei niedrigen Temperaturen stabilen para-Wasserstoff
zu begünstigen.
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Wasserstoff
liegt allgemein in Form von para- und ortho-Wasserstoff vor, die
sich durch den Unterschied zwischen ihren Spin-Drehimpulsen unterscheiden,
und bei Raumtemperatur liegt ein Verhältnis von ortho-Wasserstoff
zu para-Wasserstoff von 3:1 vor. Da die Energie von para-Wasserstoff
kleiner als die von ortho-Wasserstoff ist, liegt der gesamte Wasserstoff
bei niedrigen Temperaturen jedoch als para-Wasserstoff vor. Die
Umwandlungsgeschwindigkeit ist gering, die Umwandlung von ortho
zu para ist jedoch durch Kühlen möglich und obwohl
die Umwandlungsgeschwindigkeit bei niedrigen Temperaturen klein
ist, ist auch eine Umwandlung von para zu ortho möglich.
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Offenbarung der Erfindung
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Aufgabe, die von der Erfindung gelöst
werden soll
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Bei
Wasserstoffspeichervorrichtungen, die unter Verwenden von kohlenstoff-basierten
Materialien gebildet wurden, besteht, wenn Magnetkörper
in eine Vorrichtung (einen Behälter) aufgenommen sind,
infolge der relativ reduzierten Kapazität der kohlenstoff-basierten
Materialien eine Begrenzung des Ausmaßes, um das die Menge
an absorbierten Wasserstoffs erhöht werden kann. Des Weiteren
ist in einer Konfiguration, bei der Magnetkörper am Einlass des
Behälters angeordnet sind, zum Unterdrücken des
Herumfliegens des kohlenstoff-basierten Materials ein Filter vorgesehen,
wo bei der Filter und die Magnetkörper das Einströmen/Ausströmen
von Gas behindern und einen Druckverlust bewirken.
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Ferner
wird bei Eintreten einer ortho-para-Umwandlung Umwandlungsenergie
erzeugt und infolge dieser Umwandlungsenergie verdampft der Wasserstoff,
der sich im flüssigen Zustand befindet, erneut, wodurch
es in der Praxis schwierig ist, Wasserstoff lange Zeit in einem
Behälter zu halten, der mit dünnen Wänden
unter Verwenden von zum Beispiel Kohlenstofffasern oder dergleichen
gebildet wurde.
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Die
vorliegenden Erfindung wurde in Anbetracht der obigen Überlegungen
gemacht und eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine
Wasserstoffspeichervorrichtung bereitzustellen, die zum Speichern
einer großen Menge an Wasserstoff für eine lange
Zeit in der Lage ist, ohne dass damit ein erhöhter Druckverlust,
der an der Öffnung des Behälters für
den Wasserstoffstrom auftritt, einhergeht.
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Verfahren zum Lösen des Problems
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Die
vorliegende Erfindung wurde auf Basis der Feststellung gemacht,
dass, wenn die Konfiguration so vorgenommen wurde, dass bei Handhabung von
Wasserstoff para-Wasserstoff in ortho-Wasserstoff umgewandelt wird,
der Kühleffekt der absorbierten Wärme während
der Umwandlung von para zu ortho eingesetzt werden kann damit der
innere Speicherbehälter bei niedriger Temperatur gehalten wird.
Das bestimmte Verfahren, das die obige Aufgabe löst, ist
nachstehend dargelegt.
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Um
das obige Ziel zu erreichen, ist eine Wasserstoffspeichervorrichtung
eines ersten Aspekts der vorliegenden Erfindung mit einem Behälter,
an dem eine Öffnung für den Wasserstoffstrom vorgesehen ist,
und einem Wasserstoff absorbierenden Material in wenigstens einem
Teil des Behälters; und einem an der Öffnung für
den Wasserstoffstrom angeordneten, porösen Magnetkörper
gebildet.
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In
der Wasserstoffspeichervorrichtung der vorliegenden Erfindung kann
die Füllmenge des Wasserstoff absorbierenden Materials
in dem Behälter gesickert wer den, indem das Wasserstoff
absorbierende Material innerhalb des Behälters bereitgestellt
wird und der poröse Magnetkörper nicht innerhalb
des Behälters sondern in dem der poröse Magnetköper
stattdessen an der Öffnung des Behälters für
den Wasserstoffstrom angeordnet wird. Dadurch kann eine große
Menge an Wasserstoff gespeichert werden. Wenn der Wasserstoff eingespeist
oder abgelassen wird und insbesondere, wenn der Wasserstoff abgelassen
wird, wird, da der Wasserstoff, der gespeichert wurde, von para
zu ortho umgewandelt wurde und dann abgelassen wird, infolge der
bei der Umwandlung von para zu ortho absorbierten Wärme ein
Kühleffekt erhalten und der Behälter und die Atmosphäre
im Inneren des Behälters können bei einer niedrigen
Temperatur gehalten werden.
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Durch
Bereitstellen des porösen Magnetkörpers an der Öffnung
für den Wasserstoffstrom ist es ebenfalls nicht notwendig,
sowohl den porösen Magnetkörper als auch den Filter
an der Öffnung für den Wasserstoffstrom bereitzustellen,
da innerhalb des porösen Magnetkörpers eine Filtermöglichkeit
besteht und eine Zunahme des Druckverlusts an der Öffnung
für den Wasserstoffstrom kann unterdrückt werden.
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Das
Wasserstoff absorbierende Material ist in wenigstens einen Teil
des Behälterinnenraums eingefüllt und das Wasserstoff
absorbierende Material zieht den Wasserstoff (insbesondere flüssigen
Wasserstoff), der dem Wasserstoff absorbierenden Material in Form
von Wasserstoffmolekülen von außen zugeführt
wurde, physikalisch an und hält diesen fest. Flüssiger
Wasserstoff kann in den Behälter eingespeist und in diesem
gespeichert werden. In dem Behälter wird Wasserstoff im
flüssigen Zustand gehalten und wenn der Wasserstoff verdampft
und in den gasförmigen Zustand übergeht, wird
der Wasserstoff von dem Wasserstoff absorbierenden Material, das entweder
in Kontakt oder nicht in Kontakt mit dem flüssigen Wasserstoff
angeordnet ist, angezogen und festgehalten. Die Konfiguration ist
derart, dass der von dem Wasserstoff absorbierenden Material gehaltene
Wasserstoff nach Bedarf aus der Öffnung für den
Wasserstoffstrom entnommen werden kann.
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Das
Wasserstoff absorbierende Material der vorliegenden Erfindung besteht
aus einer Substanz, die in der Lage ist, Wasserstoffmoleküle
an ihre Oberfläche anzuziehen und festzuhalten und unterscheidet
sich von Wasserstoff absorbierenden Legierungen, die Wasserstoff
als Wasserstoffatome einfangen und speichern.
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Der
die Wasserstoffspeichervorrichtung der vorliegenden Erfindung bildende
Behälter kann in geeigneter Weise unter Verwenden eines
thermisch isolierenden Behälters gebildet werden. Eine
Wärmeübertragung von außen in das Innere
des Behälters kann durch Bilden des Behälters
als thermisch isolierenden Behälter unterdrückt
werden und das Verdampfen des flüssigen Wasserstoffs kann
unterdrückt werden, wenn der flüssige Wasserstoff
in der Wasserstoffspeichervorrichtung gespeichert wurde, wobei dies
zum Absichern einer Langzeitspeicherung von Wasserstoff effektiv
ist.
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Die Öffnung
für den Wasserstoffstrom kann mit einem Einlass für
den Wasserstoffstrom zum Einfüllen von gasförmigem
oder flüssigem Wasserstoff in den Behälter und
mit einem Auslass für den Wasserstoffstrom zum Ablassen
des Wasserstoffs, der in dem Behälter gespeichert wurde,
aus dem Behälter heraus, gebildet werden. In einem solchen
Fall ist ein Aufbau, in dem der poröse Magnetkörper
an dem Auslass für den Wasserstoffstrom angeordnet ist,
effektiv.
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Wenn
zum Beispiel flüssiger Wasserstoff in den Behälter
eingefüllt und in diesem gespeichert wird, wird das Innere
des Behälters bei einer niedrigen Temperatur gehalten und
der Wasserstoff wird bei der niedrigen Temperatur als para-Wasserstoff gespeichert.
Wenn der gespeicherte para-Wasserstoff aus dem Auslass für
den Wasserstoffstrom abgelassen wird, kann durch die Umwandlung
von ortho zu para unter der Wirkung des porösen Magnetkörpers,
der an dem Auslass für den Wasserstoffstrom angeordnet
wurde, eine endotherme Reaktion initiiert werden und durch die latente
Wärme der Umwandlung kann eine niedrige Temperatur des Behälters
und der Atmosphäre im Innern des Behälters (innere
Atmosphäre des Behälters) gehalten werden. Das
heißt, dass die Verdampfung des flüssigen Wasserstoffs
unterdrückt werden kann, was einen günstigen Effekt
zum Absichern einer Langzeitspeicherung von Wasserstoff bietet.
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Der
Kühleffekt infolge der oben genannten latenten Wärme
bietet zusammen mit der Reduktion des Drucks im Innern des Behälters,
die mit dem Ablassen von Wasserstoff aus dem Behälter einhergeht,
günstige Effekte zum Absichern einer Langzeitspeicherung
von Wasserstoff.
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Das
Anordnen des porösen Magnetkörpers so, dass dieser
die Wärme mit einem strukturellen Element des Behälters
austauschen kann, ist effektiv. Insbesondere ist es effektiv, dass
der Behälter unter Verwenden eines Metallmaterials in einer
Konfiguration gebildet ist, in der der Austausch von Wärme
mit dem Metallmaterial möglich ist.
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Der
poröse Magnetkörper selbst wird durch die latente
Wärme gekühlt, wenn der Wasserstoff, wie oben
beschrieben, aus dem Behälter heraus abgelassen wird. Durch
Anordnen des porösen Magnetkörpers so, dass ein
Wärmeaustausch mit einem strukturellen Element des Behälters
möglich ist, kann der Behälter selbst gekühlt
werden und die innere Atmosphäre des Behälters
kann auf einer niedrigen Temperatur gehalten werden. Das heißt,
dass ein günstiger Effekt zum Absichern einer Langzeitspeicherung
von Wasserstoff durch Unterdrücken des Verdampfens des
flüssigen Wasserstoffs besteht, wenn Wasserstoff verwendet
wird.
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Es
liegt ein günstiger Effekt durch das Verwenden eines Behälters
vor, der eine thermische isolierende Struktur einschließt,
die ein Abschirmungsmaterial enthält, das eine Metallschicht
einschließt, wobei das Abschirmungsmaterial zwischen einem thermisch
isolierenden Material angeordnet ist und der poröse Magnetkörper
so angeordnet ist, dass er, Wärme mit dem Abschirmungsmaterial
austauschen kann. Die Übertragung von Wärme in
den Behälter kann zum größten Teil durch
Bilden des Behälters mit einer thermisch isolierenden Struktur,
die das Abschirmungsmaterial enthält, welches Wärme
abschattet und sandwichartig zwischen dem thermisch isolierenden Material
angeordnet ist, unterdrückt werden und auch der Behälter
selbst kann durch den Wärmeaustausch mit dem Magnetkörper,
der gekühlt wird, wenn Wasserstoff ausgeführt
wird, effektiver gekühlt werden. Die innere Atmosphäre
im Behälter kann auch bei einer niedrigen Temperatur gehalten werden.
Das heißt, dass neben dem Erhöhen der Absorptionsmenge
die Verdampfung von flüssigem Wasserstoff unterdrückt
wird und eine längere Speicherdauer des Wasserstoffs sichergestellt
werden kann.
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Der
poröse Magnetkörper kann auch in einer Position
angeordnet sein, die mit der inneren Atmosphäre des Behälters
in Kontakt steht und das direkte Kühlen der Atmosphäre
im Inneren des Behälters kann durchgeführt werden.
Der poröse Magnetkörper ist bevorzugt so angeordnet,
dass er wie in der obigen Weise Wärme mit dem strukturellen
Element des Behälters austauschen kann, und ist auch in
einer solchen Position, dass er Wärme mit der inneren Atmosphäre
des Behälters austauschen kann. Der Behälter kann
dadurch nicht nur gekühlt, sondern der Kühleffekt
kann auch durch einen Aufbau verbessert werden, in dem die innere
Atmosphäre des Behälters, die der Bereich ist,
in dem der Wasserstoff gespeichert wird, zur gleichen Zeit gekühlt
werden kann. Indem die Absorptionsmenge weiter erhöht wird
und indem auch eine niedrige Temperatur der inneren Atmosphäre
des Behälters stabiler gehalten werden kann, kann eine
Verdampfung des flüssigen Wasserstoffs vermieden werden
und eine längere Speicherdauer des Wasserstoffs sichergestellt
werden.
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Beispiele
für Wasserstoff absorbierendes Material schließen
Aktivkohle, Kohlenstoff-Nanoröhren und MOF ein. Beispiele
für den porösen Magnetkörper schließen
Eisenoxid, eine Mischung aus Silikagel und Nickel und Aluminiumoxid
auf einem Chromoxidträger ein.
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Ein
Rohr für den Wasserstoffstrom, durch den der Wasserstoff
strömt, ist mit dem Auslass für den Wasserstoffstrom
verbunden und der poröse Magnetkörper kann an
wenigstens einem Teil der inneren Wand des Rohrs für den
Wasserstoffstrom gehalten werden und wenigstens einen Teil des Rohrs für
den Wasserstoffstrom ausfül len. Das Rohr für den Wasserstoffstrom
kann entlang einem Teil der äußeren Wand des Behälters
angeordnet sein.
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Das
Wasserstoff absorbierende Material kann in dem Behälter
an einer Seite einer oberen Wand, die in der entgegengesetzten Richtung
zu der Richtung, in der die Schwerkraft wirkt, vorgesehen sein.
Das Abschirmungsmaterial kann eine Polyesterfolie sein, die einer
nur an einer Seite ausgeführten Aluminiumabscheidung aus
der Gasphase unterzogen wurde.
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Des
Weiteren kann die thermisch isolierende Struktur eine Schichtstruktur
aufweisen, die ein thermisch isolierendes Material, eine Aluminiumplatte und
thermisch isolierendes Material umfasst.
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Eine
Wasserstoffspeichervorrichtung eines zweiten Aspekts der vorliegenden
Erfindung ist mit einem an der Öffnung eines Behälters
für den Wasserstoffstrom angeordneten, porösen
Magnetkörper gebildet.
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Gemäß dem
vorliegenden Aspekt kann genauso wie oben beschrieben flüssiger
Wasserstoff in den Behälter der Wasserstoffspeichervorrichtung eingespeist
und in diesem gespeichert werden. Bei einer effektiven Konfiguration
ist der Behälter so gebildet, dass er eine thermisch isolierende
Struktur einschließt, die ein Abschirmungsmaterial enthält, die
eine Metallschicht umfasst, wobei das Abschirmungsmaterial zwischen
einem thermisch isolierenden Material angeordnet ist und der poröse
Magnetkörper so angeordnet ist, dass er Wärme
mit dem Abschirmungsmaterial austauschen kann. Beispiele für den
porösen Magnetkörper schließen Eisenoxid, eine
Mischung aus Silikagel und Nickel und Aluminiumoxid auf einem Chromoxidträger
ein. Ein Rohr für den Wasserstoffstrom, durch das Wasserstoff
strömt, kann mit dem Auslass für den Wasserstoffstrom
verbunden sein und der poröse Magnetkörper kann
an wenigstens einem Teil des Rohrs für den Wasserstoffstrom
gehalten werden oder in dieses eingefüllt sein und das
Rohr für den Wasserstoffstrom kann entlang einer Seite
der äußere Wand des Behälters angeordnet
sein.
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Effekt der Erfindung
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Gemäß der
vorliegenden Erfindung wird eine Wasserstoffspeichervorrichtung
bereitgestellt, die eine große Menge an Wasserstoff für
eine Langzeitspeicherung von Wasserstoff ohne eine damit einhergehende
Zunahme des Druckverlusts an der Öffnung eines Behälters
für den Wasserstoffstrom speichern kann.
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Kurzbeschreibung der Figuren
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1 ist
eine perspektivische Ansicht, die eine Wasserstoffspeichervorrichtung
gemäß einer ersten beispielhaften Ausführungsform
der Erfindung zeigt.
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2 ist
ein Querschnitt der Wasserstoffspeichervorrichtung aus 1 entlang
der Linie A-A'.
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3A ist
ein schematisches Diagramm, das eine Weise zeigt, auf die ein Katalysator
für die Umwandlung von para zu ortho an der inneren Wandseite
eines Wasserstoff-Ablassrohrs einer Wasserstoffspeichervorrichtung
gemäß einer ersten beispielhaften Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung gehalten wird.
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3B ist
ein schematisches Diagramm, das eine Weise zeigt, auf die ein Katalysator
für die Umwandlung von para zu ortho in ein Wasserstoff-Ablassrohr
einer Wasserstoffspeichervorrichtung gemäß einer
ersten beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung eingefüllt ist.
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4 ist
ein Querschnitt, der eine Wasserstoffspeichervorrichtung gemäß einer
zweiten beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung zeigt.
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Beste Ausführungsform der Erfindung
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Eine
ausführliche Erläuterung der beispielhaften Ausführungsformen
einer Wasserstoffspeichervorrichtung der vorliegenden Erfindung
ist nachstehend, unter Bezugnahme auf die Figuren, angegeben.
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(Erste beispielhafte Ausführungsform)
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Eine
erste beispielhafte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung
wird unter Bezugnahme auf die 1 bis 3B erläutert.
Die Wasserstoffspeichervorrichtung der vorliegenden beispielhaften Ausführungsform
ist so gebildet, dass sie das Niedrighalten der Temperatur im Inneren
des Behälters und das Speichern des Wasserstoffs für
eine lange Dauer ermöglicht, wobei die Wasserstoffspeichervorrichtung
einen Behälter (Container) einschließt, der an
einer Seite einer oberen inneren Wand mit Aktivkohle (Wasserstoff
absorbierendes Material) versehen ist und der poröse Magnetkörper
als Hauptbestandteil Eisenoxid aufweist, der an einem Auslass für
den Wasserstoffstrom angeordnet ist, der an dem Behälter
(Container) und innerhalb eines Wasserstoff-Ablassrohrs vorgesehen
ist, das mit dem Auslass für den Wasserstoffstrom verbunden
ist.
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Eine
Wasserstoffspeichervorrichtung 10 der vorliegenden beispielhaften
Ausführungsform ist, wie in 1 gezeigt,
mit einem zylindrischen Behälter mit kreisförmigem
Querschnitt, dessen beide Endseiten mit im Wesentlichen halbkugelförmigen,
gebogenen Seiten verschlossen sind, gebildet. Die Wandseite desselben
ist mit einem Einlass 12 für den Wasserstoffstrom
und einem Auslass 13 für den Wasserstoffstrom
versehen, der einen porösen Magnetkörper mit Eisenoxid
als Hauptbestandteil aufweist. Der poröse Magnetkörper
ist auch in einem Wasserstoff-Ablassrohr 16 enthalten.
Eine spezielle Erläuterung desselben ist nachstehend gegeben.
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Die
vorliegende beispielhafte Ausführungsform, wie in 2 gezeigt,
ist mit einem Edelstahlbehälter 11, der aus einer
Edelstahllegierung (SUS316L) hergestellt ist, mit einem hohlen,
zylindrischen Körper mit kreisförmigem Querschnitt,
dessen beide Endseiten mit im Wesentlichen halbkreisförmigen,
gebogenen Seiten verschlossen sind, wobei der Edelstahlbehälter 11 mit
einem Einlass für den Wasserstoffstrom und einem Auslass
für den Wasserstoffstrom versehen ist; Aktivkohle (Wasserstoff
absorbierendes Material) 14, das in dem Edelstahlbehälter 11 angeordnet
ist; einer thermisch isolierenden Schicht 15, die so angeordnet
ist, dass sie die gesamte Seite der äußeren Wand
des Edelstahlbehälters 11 bedeckt; und einem Wasserstoff-Ablassrohr 16,
das so in der thermisch isolierenden Schicht 15 verborgen
ist, dass sie den Auslass 13 für den Wasserstoffstrom
und die Aktivkohle 14 verbindet, versehen ist, wobei das
Wasserstoff-Ablassrohr 16 einen porösen Magnetkörper,
der als Hauptbestandteil Eisenoxid aufweist, an der inneren Wand
des Rohrs aufweist.
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Der
Edelstahlbehälter 11 ist ein hohler Behälter,
der aus einer Edelstahllegierung (SUS316L) in eine zylindrischen
Form gestaltet wurde, wobei beide Enden in der Richtung der Länge
des Zylinders mit im Wesentlichen halbkugelförmigen gebogenen
Seiten verschlossen sind, so dass der Edelstahlbehälter 11, einem
Druck von ungefähr 0,5 bis 3,0 MPa zu widerstehen und einen
Innenvolumen von ungefähr 70 bis 200 l (Liter) besitzt.
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Für
die Querschnittsform und die Größe des Edelstahlbehälters
kann eine andere Form als eine kreisförmige Form, wie ein
rechteckiger oder elliptischer Querschnitt, und die Größe
entsprechend der angestrebten Verwendung ausgewählt werden.
Der Edelstahlbehälter kann auch aus einem anderen Material
als einer Edelstahllegierung, wie einer Aluminiumlegierung, CFRP
oder GFRP gebildet sein.
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Der
Einlass 12 für den Wasserstoffstrom und der Auslass 13 für
den Wasserstoffstrom sind als Öffnungen für den
Wasserstoffstrom in einer Wandseite des Edelstahlbehälters 11 vorgesehen.
Die Konfiguration ist so, dass flüssiger Wasserstoff von
außen durch den Einlass 12 für den Wasserstoffstrom
und in den Edelstahlbehälter geführt werden kann
und der Wasserstoff, der in dem Edelstahlbehälter gespeichert
ist, bei Bedarf durch den Auslass 13 für den Wasserstoffstrom
abgeführt werden kann.
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Im
Hohlraum des Edelstahlbehälters 11 ist ein Metallnetz
an der oberen Wandseite desselben vorgesehen, das sich in der entgegengesetzten
Richtung zur Wirkung der Schwerkraft befindet und die Aktivkohle
(das Wasserstoff absorbierende Material) 14 ist in Form
einer Platte, wie in 2 gezeigt, angeordnet. Die Konfiguration
ist so, dass, wie in 2 gezeigt, flüssiger
Wasserstoff 21, der durch den Einlass 12 für
den Wasserstoffstrom eingespeist wurde, in einem anderen Raum als
dem Bereich, in dem die Aktivkohle 14 angeordnet ist, gespeichert
werden kann. Wasserstoff, der ver dampft, wenn flüssiger Wasserstoff 21 eingespeist
wird, oder Wasserstoff, der durch die Verdampfung aus dem gespeicherten flüssigen
Wasserstoff gasförmig wurde, wird in Form von Wasserstoffmolekülen
in der Aktivkohle 14 absorbiert und gehalten. In Bezug
auf diese Absorption wird der Wasserstoff nicht im atomaren Zustand
adsorbiert und gespeichert, sondern stattdessen in Form von Wasserstoffmolekülen
physikalisch angezogen.
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Neben
Aktivkohle schließt das Wasserstoff absorbierende Material
bevorzugt Kohlenstoff-Nanoröhren und MOFs (metallorganische
Gerüstmaterialien) wie Zn4O (1,4-Benzoldicarboxylatdimethyl)3 und dergleichen ein. Diese können
in jeder beliebigen Form; wie Granulaten, Pellets oder Pulvern;
oder jeder beliebigen Form, die in Taschen und Siebe, Netze oder
dergleichen gepackt ist, verwendet werden, solange der Kontakt mit
der Atmosphäre nicht behindert wird.
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Die
thermisch isolierende Schicht 15 ist so angeordnet, dass
sie die gesamte Seite der äußeren Wand an der
Außenseite des Edelstahlbehälters 11 bedeckt.
Die thermisch isolierende Schicht 15 ist aus einem thermisch
isolierenden Material 17 und einer Kühl-Abschirmung 18 gebildet,
die aus einer Aluminiumplatte mit einer Dicke von 1 mm oder weniger
hergestellt ist und in Form einer Schichtstruktur aus mehreren Schichten
gebildet ist, wobei die Kühl-Abschirmung sandwichartig
zwischen thermisch isolierenden Materialien angeordnet ist. In der
vorliegenden Erfindung sind drei Schichten des thermisch isolierenden
Materials in einer mehrschichtigen Struktur aus thermisch isolierender
Schicht/Aluminiumplatte/thermisch isolierender Schicht/Aluminiumplatte/thermisch
isolierender Schicht laminiert.
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Das
thermisch isolierende Material 17 ist ein laminiertes,
thermisch isolierendes Vakuummaterial (mehrschichtige Isolierung;
MLI), das aus abwechselnden Schichten aus einer dünnen
Folie von Strahlung abschirmendem Material, das eine Polyesterfolie
ist, auf deren beiden Seiten Aluminiumdampf abgeschieden wurde;
und Abstandsmaterial(ien) zum Halten der dünnen Folien
aus Strahlung abschirmendem Material in kontaktfreiem Zustand zueinander gebildet
ist, um so eine thermische Übertra gung zwischen diesen
zu vermeiden. Dieses laminierte, thermisch isolierende Vakuummaterial
isoliert vor äußerer Wärme und hält
den Edelstahlbehälter und dessen Inhalt für eine
lange Zeit auf einer niedrigen Temperatur, wodurch die schnelle
Verdampfung des darin gespeicherten flüssigen Wasserstoffs 21 vermieden und
eine Langzeitspeicherung des Wasserstoffs möglich wird.
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Das
Strahlung abschirmende Material kann eine Polyesterfolie sein, wobei
lediglich auf einer Seite derselben Aluminium unter Vakuum abgeschieden wurde,
oder kann aus einer Harzfolie, die anders als eine Polyesterfolie
ist, gebildet sein. Glasfasergewebe oder Papier, Nylonnetz oder
dergleichen können bevorzugt als Abstandsmaterial verwendet
werden. In der MLI kann das Ausmaß der eindringenden Wärme
infolge der Strahlung, wenn N Lagen des Abschirmungsmaterials in
diese eingeführt werden, auf 1/(N + 1) reduziert werden.
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Die
Konfiguration der thermisch isolierenden Schichten kann in geeigneter
Weise entsprechend dem Zweck und der Anwendung ausgewählt
werden. Abgesehen von drei Schichten des thermisch isolierenden
Materials kann die Anzahl an Schichten eine einzige Schicht, eine
Doppelschicht oder vier oder mehr Schichten betragen. Das kühlende
Abschirmungsmaterial kann aus einem anderen Materials als Aluminium
gebildet sein, wobei das Abschirmungsmaterial das Erhalten eines
thermisch isolierenden Effekts ermöglicht.
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Das
Wasserstoff-Ablassrohr 16 ist in dem thermisch isolierenden
Material 17, das dem Edelstahlbehälter 11 am
nächsten liegt und entlang einer Seite der äußeren
Wand des Edelstahlbehälters 11 angeordnet ist,
an der Innenseite der thermisch isolierenden Schicht 15,
die den Edelstahlbehälter 11 bedeckt, verborgen.
Das Wasserstoff-Ablassrohr 16 verläuft durch das
Innere des Rohrs und den entlüfteten Wasserstoff und die
thermisch isolierende Schicht 15 isoliert auch das Wasserstoff-Ablassrohr 16 von
der äußeren Wärme (zum Beispiel 290 bis 310
K), während der Edelstahlbehälter gleichzeitig durch
den Wärmeaustausch mit dem Wasserstoff-Ablassrohr 16 gekühlt
wird.
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Ein
Ende des Wasserstoff-Ablassrohrs 16 ist mit einem Auslass
für den Wasserstoffstrom 19 verbunden, der in
der Aktivkohle 14 angeordnet ist, um das Ablassen des von
der Aktivkohle 14 absorbierten und in dieser gehaltenen
Wasserstoffs zu ermöglichen. Das andere Ende des Wasserstoff-Ablassrohrs 16 ist
mit dem Auslass 13 für den Wasserstoffstrom verbunden.
Die Konfiguration ist derart, dass das Ablassen oder Zuführen
des in dem Edelstahlbehälter 11 gespeicherten
Wasserstoffs nach außen durch Leiten des Wasserstoffs durch
das Wasserstoff-Ablassrohr 16 durchgeführt werden
kann. Nach Bedarf kann der von der Aktivkohle (Wasserstoff absorbierendes
Material) 14 absorbierte Wasserstoff durch Leiten durch
das Wasserstoff-Ablassrohr 16 aus dem Auslass 19 für
den Wasserstoffstrom heraus durch den Auslass 13 für
den Wasserstoffstrom abgelassen werden und der Wasserstoff kann
in eines Wasserstoff verwendenden Vorrichtung, die mit dem Auslass 13 des
Wasserstoffstroms verbunden ist, zugeführt werden.
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In
dem Wasserstoff-Ablassrohr 16 ist, wie in 3A gezeigt,
ein Magnetkörper 20 mit Eisenoxid als Hauptbestandteil
vorhanden, der einheitlich auf der gesamten Oberfläche
der inneren Wand des Wasserstoff-Ablassrohrs 16 von dem
Ende, das mit dem Auslass 19 für den Wasserstoffstrom
verbunden ist, zu dem anderen Ende, das zu dem Auslass 13 für den
Wasserstoffstrom 13 zeigt, so dass die Oberfläche
so groß wie möglich ist, gehalten wird. Der poröse
Magnetkörper 20 lässt den Wasserstoff,
der durch den Auslass 19 für den Wasserstoffstrom
eingelassen wurde, durchströmen, während die ortho-para-Umwandlung
vom para-Wasserstoff zum ortho-Wasserstoff durchgeführt
wird.
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Der
poröse Magnetkörper 20 mit Eisenoxid als
Hauptbestandteil ist in das Innere des Rohrs nahe dem Auslass 13, 19 des
Wasserstoff-Ablassrohrs 16 für den Wasserstoffstrom
eingefüllt, wie in 3B gezeigt,
so dass die relative Oberfläche so groß wie möglich
ist. Die Funktion des Filters des zum Ablassen durchströmenden
Wasserstoffs wird dadurch auch dem porösen Magnetkörper 20 verliehen.
Auf die gleiche Weise wird der poröse Magnetkörper
mit Eisenoxid als Hauptbestandteil auch in einem porösen
Zustand in Bereichen des Auslasses 13, 19 für den
Wasserstoffstrom, die den Kontakt mit dem Wasserstoff herstellten,
gehalten und angeordnet. Die Funktionen des Durchführens
der ortho-para-Umwandlung und des Filters des zum Ablassen durchströmenden
Wasserstoffs werden dadurch verliehen.
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Der
poröse Magnetkörper ist ein Katalysator für
die ortho-para-Umwandlung zur Umwandlung des Wasserstoffs von ortho
zu para und neben dem obigen, porösen Magnetkörper
mit Eisenoxid als Hauptbestandteil schließen Beispiele
für poröse Magnetkörper bevorzugt eine
Mischung aus Silikagel und Nickel, auf einem Chromoxid gehaltenes
Aluminiumoxid oder Aktivkohle, an der Sauerstoff absorbiert wurde,
oder dergleichen ein.
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Bei
der Temperatur, bei der flüssiger Wasserstoff verdampft,
oder darüber, wandelt sich para-Wasserstoff unter der Wirkung
eines Katalysators für die ortho-para-Umwandlung in ortho-Wasserstoff um.
Diese Umwandlung von para-Wasserstoff zu ortho-Wasserstoff (ortho-para-Umwandlung)
verläuft endotherm. Wenn das Innere des Rohrs durchströmt wird,
wird der Katalysator für die ortho-para-Umwandlung daher
zur gleichen Zeit selbst gekühlt und das Wasserstoff-Ablassrohr
wird ebenso gekühlt und dadurch wird der Edelstahlbehälter 11 durch
den mit dem Wasserstoff-Ablassrohr ausgeführten Wärmeaustausch
auf einer niedrigen Temperatur gehalten.
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Das
heißt, dass der Zustand des para-Wasserstoffs bei der ortho-para-Umwandlung
des Wasserstoffs in niedrigen Temperaturbereichen (zum Beispiel
bei 20 K) stabiler und die para-ortho-Umwandlung langsam ist. An
der Seite nahe dem einen Ende des Wasserstoff-Ablassrohrs 16 (der
Seite des Auslasses 19 für den Wasserstoffstrom)
ist die Geschwindigkeit der Umwandlung, da Wasserstoff mit einer
niedrigen Temperatur einströmt und ein Zustand niedriger
Temperatur beibehalten wird, langsam und durch die para-ortho-Umwandlung
kann kein großer Wärme absorbierender Effekt erhalten werden.
Ein Kühlen kann jedoch daraus erhalten werden, dass Wasserstoff
mit einer niedrigen Temperatur an dem anderen Ende (bei zum Beispiel
bis zu ungefähr 100 K) einströmt und ein Wärmeaustausch mit
dem Edelstahlbehälter erhalten werden kann.
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Der
Edelstahlbehälter und die Atmosphäre in dem Behälter
können dadurch auf einer niedrigen Temperatur gehalten
werden. Dann steigt die Temperatur des Wasserstoffs, der sich in
dem Wasserstoff-Ablassrohr befindet, schrittweise weiter an, wenn
er zu der Seite des Auslasses 13 für den Wasserstoffstrom
strömt und an dem anderen Ende des Rohrs, das mit dem Auslass 13 für
den Wasserstoffstrom verbunden ist, tritt schnell eine para-ortho-Umwandlung
ein. Wenn para-Wasserstoff schrittweise zu ortho-Wasserstoff umgewandelt
wird, wird die stromabwärtige Seite des Wasserstoff-Ablassrohrs
in der Nähe des Auslasses 13 für den
Wasserstoffstrom durch die endotherme Reaktion bei der Umwandlung
auf eine niedrige Temperatur gekühlt. Da die para-ortho-Umwandlung
auch an dem Auslass 13 für den Wasserstoffstrom
auftritt, werden das Strahlung abschirmende Material (Aluminium)
des thermisch isolierenden Materials 17 und die Kühl-Abschirmung
(Aluminiumplatte) 18, die mit dem Auslass 13 für
den Wasserstoff in Kontakt stehen, durch den Wärmeaustausch
damit gekühlt.
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Das
heißt, wenn Wasserstoff abgelassen wird, wird das Wasserstoff-Ablassrohr 16 durch
die latente Wärme während der para-ortho-Umwandlung an
der stromabwärtigen Seite in der Nähe des Auslasses 13 für
den Wasserstoffstrom gekühlt. Des Weiteren können
der Edelstahlbehälter selbst und auch die Atmosphäre
innerhalb des Edelstahlbehälters durch den Wärmeaustausch
mit dem Edelstahlbehälter und auch durch den Wärmeaustausch
mit dem Strahlung abschirmenden Materials und der Kühl-Abschirmung
(Aluminiumblech) 18 auf einer niedrigen Temperatur gehalten
werden.
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Nachdem
der Wasserstoff ausreichend an der Aktivkohle 14 absorbiert
wurde, kann die Aktivkohle 14 mit dem gespeicherten flüssigen
Wasserstoff 21 in Kontakt treten. Selbst wenn der flüssige Wasserstoff
mit dem Wasserstoff absorbierenden Material, das ausreichend absorbierten
Wasserstoff aufweist, in Kontakt kommt, kocht der flüssige
Wasserstoff nicht, da keine Absorptionswärme erzeugt wird.
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In
der vorliegenden beispielhaften Ausführungsform wird der
Katalysator für die para-ortho-Umwandlung (poröser
Magnetkörper) auf der gesamten inneren Wand des Wasserstoff-Ablassrohrs gehalten.
Es besteht jedoch keine Notwendigkeit, diesen an der gesamten inneren
Wand des Rohrs zu halten und er kann an nur einem Teil desselben
gehalten werden. Da die Geschwindigkeit der para-ortho-Umwandlung
in dem Bereich niedriger Temperaturen wie oben angegeben langsamer
ist, ist es in einem solchen Fall effektiv, den Katalysator für
die para-ortho-Umwandlung an der stromabwärtigen Seite in
der Richtung des Wasserstoffstroms zu halten. Es ist insbesondere
bevorzugt, den Katalysator für die para-ortho-Umwandlung
in der Nähe des anderen Endes des Wasserstoff-Ablassrohrs 16,
das heißt, räumlich gesehen in dem Bereich der
stromabwärtigen Seite in der Nähe des Auslasses 13 für
den Wasserstoffstrom, zu halten, da dadurch ein endothermer Effekt
(Kühlen) mit einer kleinen Menge des gehaltenen Katalysators
erhalten werden kann.
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Entsprechend
den Anforderungen kann der Katalysator für die para-ortho-Umwandlung
(poröser Magnetkörper) nicht nur an dem Auslass
für den Wasserstoffstrom, sondern auch nur an dem Einlass für
den Wasserstoffstrom oder sowohl an dem Auslass für den
Wasserstoffstrom als auch an dem Einlass für den Wasserstoffstrom
angeordnet sein. Ferner kann eine Heizvorrichtung in dem Edelstahlbehälter 11 angeordnet
sein, um so leichter Wasserstoff abzunehmen.
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(Zweite beispielhafte Ausführungsform)
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Eine
zweite beispielhafte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung
wird unter Bezugnahme auf 4 beschrieben.
Die vorliegende beispielhafte Ausführungsform ist so gebildet,
dass sie das Kühlen des Edelstahlbehälters durch
Halten eines Katalysators für die para-ortho-Umwandlung
(poröser Magnetkörper) an dem Auslass für
den Wasserstoffstrom und das Austauchen von Wärme mit dem
durch Dampf abgeschiedenen Aluminium der MLI ermöglicht.
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Es
sollte beachtet werden, dass flüssiger Wasserstoff als
Wasserstoff in der gleichen Weise wie in der ersten beispielhaften
Ausführungsform verwendet werden kann und Bestandteile,
die denjenigen der ersten beispielhaften Ausführungsform ähneln,
mit den gleichen Bezugszeichen versehen sind und eine ausführliche
Beschreibung derselben weggelassen ist.
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In
der vorliegenden beispielhaften Ausführungsform ist ein
aus einer Edelstahllegierung (SUS316L) gebildeter Auslass 23 für
den Wasserstoffstrom in einer thermisch isolierenden Schicht 25 installiert.
Ein Ende des Wasserstoff-Ablassrohrs 26 ist mit dem Auslass 23 für
den Wasserstoffstrom verbunden, das andere Ende des Wasserstoff-Ablassrohrs 26 ist
mit der Aktivkohle (Wasserstoffabsorbierendes Material) 14 verbunden
und der Wasserstoff, der durch das Wasserstoff-Ablassrohr 26 abgelassen wurde,
kann nach außen geführt werden.
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In
dem Auslass 23 für den Wasserstoffstrom wird ein
poröser Magnetkörper mit Eisenoxid als Hauptbestandteil
in einem porösen Zustand in Bereichen, die mit dem durchströmenden
Wasserstoff in Kontakt gelangen, gehalten. Die Konfiguration ist
so, dass, wenn der Wasserstoff durch den Auslass für den
Wasserstoff, der gleichzeitig als Filter fungiert, abgelassen wird,
die para-ortho-Umwandlung von para-Wasserstoff zu ortho-Wasserstoff
durchgeführt werden kann.
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Die
thermisch isolierende Schicht 25 ist unter Verwenden einer
mehrschichtigen Isolierung (MLI) gebildet, die aus abwechselnden
Schichten aus einer dünnen Folie aus Strahlung abschirmendem
Material, die eine Polyesterfolie ist, an deren beiden Seiten durch
Aluminium-Dampf Vakuum abgeschieden ist; und Abstandsmaterial(ien)
zum Halten der dünnen Folien des Strahlung abschirmenden
Materials in einem kontaktfreien Zustand zueinander, um so eine thermische Übertragung
zwischen diesen zu vermeiden, gebildet ist. Diese mehrschichtige
Isolierung isoliert vor äußerer Wärme
und hält den Edelstahlbehälter 11 und
das Innere davon für eine lange Zeit auf einer niedrigen
Temperatur, wodurch die schnelle Verdampfung des darin gespeicherten
flüssigen Wasserstoffs 21 vermieden und eine Langzeitspeicherung des
Wasserstoffs möglich wird.
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Der
Auslass 23 für den Wasserstoffstrom ist so angeordnet,
dass er in Kontakt mit dem aus Dampf abgeschiedenen Aluminium, das
das Strahlung abschirmende Material der thermisch isolierenden Schicht 25 bildet,
gelangen und mit diesem Wärme austauschen kann. Wenn Wasserstoff
abgelassen wird, tritt eine para-ortho-Umwandlung und eine Kühlung
ein und zu diesem Zeitpunkt erfolgt ein Wärmeaustausch
mit dem aus Dampf abgeschiedenem Aluminium vor. Die Wärme
des Edelstahlbehälters wird durch das aus Dampf abgeschiedene
Aluminium abgegeben, das so angeordnet ist, dass es um den Behälter
herum gewickelt ist, und der Edelstahlbehälter 11 selbst
und die Atmosphäre innerhalb des Behälters werden
auf einer niedrigen Temperatur gehalten.
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In
dem Wasserstoff-Ablassrohr 26 kann der Katalysator für
die para-ortho-Umwandlung an einem Teil der inneren Wand des Rohrs
(bevorzugt an der stromabwärtigen Seite des Rohrs) oder über
die gesamte Fläche desselben in der gleichen Weise, wie
in der ersten beispielhaften Ausführungsform, angeordnet
sein.
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In
der vorliegenden beispielhaften Ausführungsform wurde eine
Erläuterung gegeben, die sich auf einen Fall konzentriert,
in dem der Wärmeaustausch und das Abkühlen nur
mit dem aus Dampf abgeschiedenen Aluminium erfolgt, das das Strahlung abschirmende
Material der MLI bildet. Neben dem Wärmeaustausch mit dem
aus Dampf abgeschiedenen Aluminium kann der Auslass 23 für
den Wasserstoffstrom jedoch so verbunden und angeordnet sein, dass
der Wärmeaustausch mit dem Edelstahlbehälter 11 und/oder
mit der Atmosphäre innerhalb des Behälters möglich
ist. In einem solchen Fall ist das Kühlen des Edelstahlbehälters
und/oder der Atmosphäre selbst zur gleichen Zeit möglich
und die Effizienz des Kühlens kann erhöht werden.
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Die
Erläuterung in den obigen beispielhaften Ausführungsformen
hat sich auf Fälle konzentriert, in denen ein Wasserstoff
absorbierendes Material verwendet wurde. Die Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung erfordern jedoch nicht immer die Verwendung
eines Wasserstoff absorbierenden Materials und es gibt in ähnlicher
Weise Fälle, in denen die Wasserstoffspeichervorrichtung
ohne Verwenden eines Wasserstoff absorbierenden Mittels gebildet ist.
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- 10
- Wasserstoffspeichervorrichtung
- 11
- Edelstahlbehälter
- 12
- Einlass
für den Wasserstoffstrom
- 13,
19
- Auslass
für den Wasserstoffstrom
- 14
- Aktivkohle
- 20
- poröser
Magnetkörper mit Eisenoxid als Hauptbestandteil
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Zusammenfassung
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Wasserstoffspeichervorrichtung
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Wenn
Wasserstoff entnommen wird, wird para-Wasserstoff mit niedriger
Energie in ortho-Wasserstoff mit hoher Energie umgewandelt und der
Kühleffekt infolge der endothermen para-ortho-Umwandlung
wird zum Halten einer niedrigen Temperatur innerhalb einer Wasserstoffspeichervorrichtung 10 verwendet.
Es wird eine Wasserstoffspeichervorrichtung 10 zum Speichern
von flüssigen Wasserstoff 21 bereitgestellt, um
Obiges zu erreichen, wobei ein poröser Magnetkörper,
der als Katalysator für die para-ortho-Umwandlung dient,
in einer Öffnung 13 für den Wasserstoffstrom
angeordnet ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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