DE2640243C2 - Wasserstoff-Speicheranlage - Google Patents

Wasserstoff-Speicheranlage

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Brian C. 84057 Orem Utah Nielson
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Description

Die Erfindung betrifft eine Wasserstoff-Speicheranlage für Verbrennungsanlagen, insbesondere Verbrennungskraftmaschinen.
Es ist bereits eine derartige Wasserstoff-Speicheranlage bekannt mit einem Hydridmaterial enthaltenden Wasserstoffspeicher, der aus einem Gehäuse besteht, in dem mindestens ein das Hydridmaterial enthaltender Behälter angeordnet ist, wobei der mindestens eine r> Behälter von einem Heiz- oder Kühlmittel mindestens teilweise umströmt werden kann, mit Einrichtungen zum Zuführen von Abgasen undi'oder Kühlwasser als Heizmittel zum Wasserstoffspeicher, und mit einer Mischvorrichtung zum Mischen des aus dem Wasser-Stoffspeicher abgegebenen Wasserstoffgases mit Luft (US-PS 37 32 690).
Bei dieser Wasserstoff-Speicheranlage wird das als Heizmittel dienende Kühlwasser mittels der Wasserpumpe durch den Wasserstoffspeicher gepumpt, wobei angenommen wird, daß die vom Kühlwasser aufgenommene Energie in direktem Zusammenhang mit der von dem Motor abgegebenen Leistung steht, so daß der Wasserstoffspeicher auch immer eine entsprechende Energie zum Freisetzen von Wasserstoff erhält.
Es hat sich jedoch herausgestellt, daß die Betriebseigenschaften einer derartigen Wasserstoff-Speicheranlage nicht optimal sind.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Wasserstoff-Speicheranlage zu schaffen, die bessere Betriebseigenschaften der Verbrennungskraftmaschine, insbesondere in Übergangszuständen, ergibt.
Die Lösung dieser Aufgabe ist gegeben durch einen Drucksensor in der vom Wasserstoffspeicher zur Mischvorrichtung führenden Leitung und durch ein von dem Drucksensor gesteuertes Ventil zum Aufteilen des zum Wasserstoffspeicher strömenden Heizmittels in einen in das Gehäuse führenden Strömungsweg und in einen das Gehäuse umgehenden Strömungsweg.
Die Erfindung ist im folgenden anhand einer schematischen Zeichnung an einem Ausführungsbeispiel näher beschrieben. Es zeigt
Fig. 1 eine Wasserstoff-Speicheranlage, und
>o F i g. 2 eine teilweise im Schnitt dargestellte Seitenansicht eines Wasserstoffspeichers.
F i g. 1 zeigt einen zum Antrieb von Kraftfahrzeugen verwendeten herkömmlichen Verbrennungsmotor 2, der eine Mischvorrichtung 6 aufweist, welcher über eine Leitung 10 Wasserstoff gas zugeführt wird und die dieses vor dem Einführen in den Motor mit Luft vermischt. Derartige Mischvorrichtungen, die Wasserstoffgas mit Luft vermischen, sind allgemein bekannt. Der Verbrennungsmotor 2 weist ferner eine Auslaß-Sammelleitung 14 auf, welche die Abgase aus den Verbrennungsräumen des Verbrennungsmotors aufnimmt und ableitet. Zum Kühlen eines Motorkühlmittels ist nahe der Vorderseite des Verbrennungsmotors 2 ein Kühler 18 angebracht.
Die Auslaß-Sammelleitung 14 ist über ein steuerbares Ventil 22 einerseits mit einem zu einem Wasserstoffspeicher 30 führenden Rohr 26, im folgenden auch erster Strömungsweg genannt, und andererseits mit einem zu einem Schalldämpfer 38 und einem anderen Teilstück des Endrohres 42 führenden Auslaßrohr 34, im folgenden auch zweiter Strömungsweg genannt, verbunden. Das Ventil 22 kann so eingestellt sein, daß es die Abgase entweder durch das Rohr 26 in den Wasserstoffspeicher 3ö leitet oder durch das Auslaßrohr 34, den Schalldämpfer 38 und das Endrohr 42 nach draußen. Das Ventil 22 kann aber auch so eingestellt sein, daß es einen Teil der Abgase in das Rohr 26 und einen weiteren Teil der Abgase in das Auslaßrohr 34 leitet. Das Ventil kann irgendein beliebiges Standardventil sein, welches ein Strömungsmittel aus einer Leitung in bestimmtem Verhältnis an eine von zwei oder an beide Auslaßleitungen weiterleitet. Vorzugsweise ist das Ventil 22 ein Solenoidventil, das durch einen weiter unten beschriebenen Drucksensor 46 gesteuert wird.
Der Wasserstoffspeicher 30 nimmt Hydridmaterial auf und ermöglicht die Zirkulation eines Wärmeaustauschmediums um das Hydridmaterial, so daß dieses erhitzt wird und Wasserstoffgas freisetzt.
F i g. 2 zeigt einen derartigen Wasserstoffspeicher 30, der aus einem Gehäuse 50 besteht, in dem mehrere gestrichelt dargestellte Behälter 54 angeordnet sind. Diese enthalten das Hydridmaterial und sind innerhalb des Gehäuses 50 im Abstand voneinander angeordnet, um die Strömung eines Wärmeaustauschmediums, etwa Abgase, Kühlmittel usw., zu erleichtern. Zum Einführen von Wasserstoffgas in die Behälter und zur Entnahme von Wasserstoffgas daraus ist eine Sammelleitung 58 an die Enden der Behälter 54 angeschlossen. Diese Sammelleitung 58 ist an ein Ventil 62 angeschlossen, wodurch sie entweder mit dem Einlaßrohr 66 oder der Leitung 70 verbunden werden kann.
Das Wärmeaustauschmedium wird über ein Rohr 26 in das Gehäuse 50 des Wasserstoffspeichers geleilet, welches im Boden des Gehäuses (F i g. 2), der Stirnseite des Gehäuses (F i g. 1) oder an einer anderen geeigneten Stelle im Gehäuse verankert ist. Das Wärmeaustauschmedium gelangt über ein Auslaßrohr 74 aus dem Gehäuse 50 heraus, und das Auslaßrohr 74 ist an der Stelle an dem Gehäuse angeschlossen, die der Anschlußstelle für das Rohr 26 gegenüberliegt.
Der Wasserstoffspeicher 30 ist ferner mit einem Einlaß 78 versehen, durch welchen ein Hydridkühlmittel in den Wasserstoffspeieher gelangt und um die Behälter 54 strömt. Hierdurch wird das Hydridmaterial gekühlt und durch das Einlaßrohr 66 in die Sammelleitung 58 geleiteter Wasserstoff absorbiert. Ein solches Hydridkühlmittel kann beispielsweise kaltes Wasser sein. Das Hydridkühlmittel wird dann durch das Auslaßrohr 74
und einen in dem Boden des Gehäuses 50 angeordneten Hahn 80 wieder abgezogen.
Die in F i g. 1 dargestellte Leitung 70 ist sowohl mit einem Drucksensor 46 als auch mit einem Druckregler 82 verbunden, welcher seinerseits an die Leitung 10 angeschlossen ist. Wasserstoffgas rrs den Behältern 54 innerhalb des Gehäuses 50 des Wasserstoffspeichers 30 fließt durch das Ventil 62, die Leitung 70 und den Druckregler 82 in die Mischvorrichiung 6. Der Druckregler 82 sorgt für im wesentlichen konstanten Druck drz den Regler verlassenden Wasserstoffgases und erleichtert somit eine gleichmäßige Strömung desselben. Dieser Druck liegt;;. B. bei einer Leitung mit etwa 1,8 cm Durchmesser zwischen 1,4 und 4,2 bar.
Der Drucksensor 46 ist mit der Leitung 70 verbunden und mißt den Druck des in den Regler gelangenden Wasserstoffes. Der Drucksensor 46 ist ebenfalls mit dem Ventil 22 verbunden und steuert die Stellung des Ventils in Obereinstimmung mit dem Druck des Wasserstoffgases, derart, daß das Ventil 22 Abgase aus der Auslaß-Sammelleitung 14 in das Auslaßrohr 34 leitet und keine Abgase in das Rohr 26 und den Wasserstoffspeicher 30 gelangen, wenn der Druck des Wasserstoffgases einen vorbestimmten Wert übersteigt. Der Druck, bei dem der Drucksensor 46 wirksam wird, wird bestimmt durch den Energiebedarf der Maschine, durch die Fähigkeit des Wasserstoffspeichers 30, Wärme von den Abgasen zu dem Hydridmaterial zu befördern, und durch die strukturelle Grenze der Behälter 54 (F i g. 2), den Druck des von dem Hydridmaterial freigesetzten Wasserstoffgases auszuhalten. Wenn natürlich der Druck innerhalb sicherer Grenzen liegt, können die Abgase aus der Sammelleitung 14 sicher in den Wasserstoffspeicher 30 geleitet werden, um dort das Hydridmaterial zu erwärmen und die Freisetzung von weiterem Wasserstoffgas zu bewirken. Die verbrauchten Abgase gelangen durch das Auslaßrohr 74 nach draußen. Sobald genügend Wasserstoffgas freigesetzt ist, um den Motor 2 betriebsbereit zu halten und der Wasserstoffgasdruck seine vorbestimmte Höhe erreicht hat, soll ein weiteres Erwärmen des Hydridmaterials durch die Abgase vermieden werden; deshalb werden die Abgase dann durch den Drucksensor 46 und das Ventil 22 zu dem Auslaßrohr 34, dem Schalldämpfer 38 und dem Endrohr und von dort nach draußen geleitet.
Es kann auch eine proportionale Steuerung stattfinden, wobei der Drucksensor 46 das Ventil 22 derart betätigt, daß ein Teil der Abgase in das Rohr 26 und von dort in den Wasserstoffspeicher 30 und ein Teil in das Auslaßrohr 34 geleitet wird. Die Menge des in den Wasserstoffspeicher 30 geleiteten Teils ist umgekehrt proportional zum Druck des in den Druckregler 82 gelangenden Wasserstoffgases. Wenn also der Druck steigt, darf nur eine kleinere Menge Abgase in den Wasserstoffspeicher 30 gelangen, um das Erwärmen des Hydridmaterials zu verringern und die Erzeugung weiteren Wasserstoffgases zu verhindern. Wenn andererseits der Wasserstoffgasdruck *inkt, wird das Ventil 22 so gesteuert, daß es eine größere Abgasmenge in den Wasserstoffspeicher 30 leitet, wodurch mehr Hydridmaterial in den Behältern 54 (F i g. 2) erhitzt und mehr Wasserstoffgas aus dem Hydridmaterial freigesetzt wird.
Der Drucksensor 46 kann manuell oder automatisch betätigt werden. Wenn ein Schalter 84 in eine erste Stellung gebracht wird, betätigt der Drucksensor 46 das Ventil 22 derart, daß es auf den Druck des Wasserstoffgases anspricht, wie weiter oben bereits ausgeführt wurde. Wird der Schalter 84 in eine zweite Stellung bewegt, so spricht der Drucksensor auf die Stellung eines zweiten Schalters 88 an, der, wenn er in einer ersten Stellung ist, den Drucksensor 46 dazu bringt, Abgase aus der Sammelleitung 14 ausschließlich in das Rohr 26 und damit in den Wasserstoffspeicher 30 zu leiten. Andererseits betätigt der Drucksensor 46 dann, wenn der Schalter 88 in einer zweiten Stellung ist, das Ventil 22 derart, daß Abgase auc der Auslaß-Sam-
i\) melleitung 14 ausschließlich in das Auslaßrohr 34 geleitet werden. Die Schalter 84 und 88 liegen vorzugsweise am Armaturenbrett des Fahrzeugs, in dem die Wasserstoffkraftanlage eingebaut ist. Hierdurch kann der Fahrer die automatische oder manuelle Betätigung der Steuereinheit durch einfache Betätigung der in seinem Griffbereich liegenden Schalter 84 und 88 wählen.
Ein wesentliches Merkmal der Erfindung liegt darin — wie bereits weiter oben ausgeführt wurde —, daß der Druck des Wasserstoffgases in den Behältern 54 so geregelt wird, daß er ausreichend hoch ist, um den Motor 2 betriebsbereit zu halten, jedoch nicht so hoch, daß die Behälter 54 beschädigt werden. Dies wird bei der Ausführungsform nach F i g. 1 durch das Ventil 22 und die Steuereinheit 46 erreicht.
Wirkungsweise der Hydridkraftstoffanlage nach Fig. 1:
Zunächst wird eine Wasserstoffgasquelle mit dem Einlaßrohr 66 verbunden, und das Ventil 62 wird so
3d betätigt, daß es Gas in die Behälter 54 in dem Wasserstoffspeicher 30 leitet. Währenddessen wird ein Hydridkühlmittel über einen Einlaß 78 eingelassen, um um die Behälter 54 herum (Fig. 2) und durch das Auslaßrohr 74 wieder herauszufließen. Das Hydridkühl-
« mittel kühlt das Hydridmaterial in den Behältern, wodurch das Hydridmaterial den Wasserstoff absorbiert, dem es ausgesetzt ist.
Wenn das Hydridmaterial genügend Wasserstoff absorbiert hat, wird das Ventil 62 betätigt, um zu
4» verhindern, daß noch mehr Wasserstoffgas in die Behälter fließt, der Einlaß 78 wird geschlossen, und der Hahn 80 (F i g. 2) wird geöffnet, damit der noch in dem Gehäuse des Wasserstoffspeichers 30 verbleibende Rest an Hydridkühimittel abfließen kann. Wenn der Wasser-
4> Stoffspeicher 30 mit Wasserstoff geladen ist, kann der Motor 2 laufen.
Zum Starten des Motors 2 wird das Ventil 62 betätigt, um Wasserstoffgas von der Sammelleitung 58 in die Leitung 70 und damit zum Druckregler 82 und zur
">" Mischvorrichtung 6 zu leiten. Der Motor wird ebenso wie herkömmliche Benzinmotoren gestartet mit der Ausnahme, daß ein Gemisch von Wasserstoffgas und Luft in die Verbrennungsräume eingeführt wird. Nach dem Starten des Motors 2 strömen Abgase durch die
"'■' Sammelleitung 14 und werden in das Rohr 26 und den Wasserstoffspeicher geleitet, wo das Hydridmaterial Wasserstoffgas freisetzt und ein Druck des Wassersloffgases in der gewünschten Höhe aufrechterhalten bleibt. Wie bereits oben erwähnt, schaltet der Drucksensor 46
ό dann, wenn der Druck einen vorbestimmten Wert übersteigt, das Ventil 22 um, so daß die Abgase zum Auslaßrohr 34 und nach draußen geleitet werden. Auf diese Weise werden die normalen Abgase eines Verbrennungsmotors dazu verwendet. Wasserstoffgas
>r> freizusetzen, das zum Antrieb des Motors benutzt wird.
In der vorstehenden Beschreibung wurden die
Abgase zum Erwärmen des Hydridmaterials verwendet; in gleicher Weise könnte hierzu aber auch das zum
Kühlen des Motors 2 benutzte Kühlmittel verwendet werden. Hierzu müßte eine Leitung 90 in das Kühlsystem des Motors 2 führen, um anstelle von Abgasen Moiorkühlmittel dem Ventil 22 zuzuführen. Vorzugsweise wird das Motorkühlmittel nach der Zirkulation durch den Motor und vor Eintritt in den Kühler 18 aus dem Motorkühlsystem abgezweigt, so daß es gerade seine höchste Temperatur aufweist. Nachdem dann das Motorkühlmittel den Wasserstoffspeicher durchströmt hat, gelangt es zur Zirkulation durch den Kühler und wieder durch den Motor 2 über ein Flohr zum Kühler 18. In diesem Fall regelt das Ventil 22 lediglich die Strömungsmenge des Kühlmittels in den Speicher 30, ist jedoch nicht mit dem Auslaßrohr 34 verbunden. Da unmittelbar nach dem Start des Motors das McUorküiiiiiiiuei noch keine hohe Temperatur besitzt, vergeht einige Zeit, bevor es zum Erwärmen des Hydridmaterials verwendet werden kann, so daß Wasserstoffgas aus diesem freigesetzt wird. Solange jedoch in den Behältern 54 (F i g. 2) ausreichender Wasserstoffgasdruck aus dem vorherigen Arbeitsgang des Motors herrscht, ist dieser Zeitverlust ohne große Bedeutung.
Das Hydridkühlmittel soll während des Aufladens des Wasserstoffspeichers 30 mit Wasserstoff nicht in das Rohr 26 und damit in die Auslaß-Sammelleitung 14 (oder das Motorkühlsystem) zurückfließen. Zu diesem Zweck ist das Rohr 26 schwanenhalsförmig gestaltet, indem ein Teil des Rohrs über den Wasserstoffspeicher 30 herausragt und damit über die höchste Stelle, bis zu der das Hydridkühlmittel in dem Wasserstoffspeicher 30 steigen könnte. F i g. 2 zeigt eine Alternative zur ι-, schwanenhalsförmigen Gestaltung des Rohrs 26, bei dem das Rohrende 26a in dem Wasserstoffspeicher 30 höher liegt als das Ende 74a des Auslaßrohres 74. Dadurch fließt Hydridkühlmittel, das durch den Einlaß 78 in den Behälter gelangt ist, durch das Auslaßrohr 74
in wieder ab, bevor es eine Höhe erreicht, in der es in das Ende 26a des Rohres 26 fließen kann.
Um eine größere Zirkulation des in den Wasserstoffspeicher 30 geleiteten Wärmeaustauschmediums zu erleichtern, ist eine Umlenkeinrichtung 94 über das Ende 26a des Rohrs 26 gestülpt, um von dort das durch das Rohr 26 fließende Warrneaustauschmedium nach unten zum Boden des Gehäuses 50 zu leiten, bevor die Zirkulation um die Behälter 54 herum beginnt. Mit anderen Worten, das Wärmeaustauschmedium wird nahe am Boden des Gehäuses 50 wirksam in den Wasserstoffspeicher 30 eingefüllt und steigt von dort nach oben zum Ende 74a des Auslaßrohres 74. Das Wärmeaustauschmedium muß also nicht nur von einer Seite des Gehäuses 50 zur anderen Seite fließen,
2) sondern auch von unten nach oben. Dadurch wird eine bessere Zirkulation des Wärmeaustauschmediums um die Behälter 54 herum erreicht.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

  1. Patentanspruch:
    Wasserstoff-Speicheranlage für Verbrennungsanlagen, insbesondere Verbrennungskraftmaschinen, mit einem Hydridmaterial enthaltenden Wasser-Stoffspeicher (30), der aus einem Gehäuse (50) besteht, in dem mindestens ein das Hydridmaterial enthaltender Behälter (54) angeordnet ist, wobei der mindestens eine Behälter (54) von einem Heiz- oder Kühlmittel mindestens teilweise umströmt werden kann, mit Einrichtungen (26) zum Zuführen von Abgasen und/oder Kühlwasser als Heizmittel zum Wasserstoffspeicher (30), und mit einer Mischvorrichtung (6) zum Mischen des aus dem Wasserstoffspeicher (30) abgegebenen Wasserstoffgases mit is Luft, gekennzeichnet d».rch einen Drucksensor (46) in der vom Wasserstoffspeicher (30) zur Mischvorrichtung (6) führenden Leitung (70,10), und durch ein von dem Drucksensor (46) gesteuertes Ventil (22) zum Aufteilen des zum Wasserstoffspeieher (30) strömenden Heizmittels in einen in das Gehäuse (50) führenden Strömungsweg (26) und in einen das Gehäuse umgehenden Strömungsweg (34).
DE2640243A 1975-09-08 1976-09-07 Wasserstoff-Speicheranlage Expired DE2640243C2 (de)

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