DE2715990A1 - Standheizung durch hydride in wasserstoff-fahrzeugen - Google Patents

Standheizung durch hydride in wasserstoff-fahrzeugen

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Description

Daim 11 356/4
In jüngerer Zeit wurden erfolgreiche Versuche durchgeführt, durch mindestens teilweisen Ersatz von Benzin die Abgese von Otto-Motoren in der Zusammensetzung umweltfreundlicher zu gestalten. Die Möglichkeit, die Motoren mindestens teilweise mit Wasserstoff zu betreiben ist beispielsweise in einigen Publikationen, wie "Wasserstoff als Alternativkraftstoff für Otto-Motoren" von H. Buchner und H. Säufferer in ATZ 4/76 und "Prototype Hydrogen Automobile using a Metal Hydride" von D.L. Hendriksen, D.B. Mackay, V.R. Anderson Billings Energy Research Corporation in Conference Proceedings of the 1st World Hydrogen Energy Conference, März 1976/ Miami 7c 1-12" beschrieben.
Ein Haupthindernis für die Verwendung von wasserstoffgetriebenen Fahrzeugen war bis vor kursem die voluminöse, gefährliche und energieverbrauchende Wasserstoffspeicherung in gasförmiger oder flüssiger Form. Erst durch die Entwicklung geeigneter Metallhydridspeicher konnte der Wasserstoffantrieb Bedeutung gewinnen.
Diese Metallhydride sind grob in zwei Gruppen einzustufen, nämlich die sogenannten Niedertemperaturhydride (NT-Hydride) und Hochtemperaturhydride (HT-Hydride). Die Freisetzung des Wasserstoffs aus den Hydriden ist eine endotherme Reaktion, während die Speicherung eine exotherme Reaktion ist. Damit der Wasserstoff ohne Kompressor dem Motor zugeführt werden kann, soll sein Druck mindestens 1 bar betragen, und diese Gleichgewichtstempera tür, bei welcher dieser Druck über den. Hydridspeicher erreicht wird, liegt bei NT-Speichern bei Temperaturen unter O0C bis Temperaturen die bei Zimmertemperatur oder wenig darüber liegen, während sie bei HT-Speichern bei 2000C und darüber liegen.
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Die Freisetzungswärme für H2 kann somit bei NT-Speichern beispielsweise durch das Kühlerwasser oder die Umgebungsluft zugeführt werden, während bei HT-Speichern dafür die Abgaswärme ausgenutzt werden kann.
Gemäss einem älteren Vorschlag wird die für die Wasserstofffreisetzung von NT-Speichern benötigte ¥ärme der Umgebungsluft entzogen und dieser Wärmebedarf zur Kühlung von Innenräumen von Kraftfahrzeugen ausgenutzt.
Es wurde nun gefunden, dass die Wärmekapazität (erwärmter Hydridspeicher auch zu Heizzwecken benutzt werden kann, ohne die Funktionsfähigkeit der Speicher für den Motorbetrieb zu beeinträchtigen.
Aufgabe der Erfindung ist die Verwendung der Wärmekapazität von Hydridspeichern zu Heizzwecken, insbesondere als Standbeizung für wenigstens teilweise mit Wasserstoff betriebenen Kraftfahrzeugen, unter Erhaltung des für die Wiederbetriebnahme des Motors erforderlichen Hindestdruckes von 1 bar über dem Speicher.
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass als Hydridspeicher ein NT/HT-Hydridkombinationsspeicher verwendet und die durch den Motorbetrieb oder durch Beladen mit Wasserstoff gespeicherte .,Wärme des Speichers ausgenutzt wird.
Zu diesem Zweck wird der Speicher in wärmeübertragene Verbindung mit dem zu beheizenden Raum gebracht und die beim Abkühlen des Speichers freigesetzte Wärme oder die beim Beladen des Speichers erzeugte Wärme wenigstens teilweise dem zu beheizenden Raum zugeführt.
So lässt sich durch die Verwendung von Hochtemperaturhydriden (HT-Speicher) in Verbindung mit Niedertemperaturhydriden (NT-Speicher) in Fahrzeugen mit Wasserstoff- bzw. Wasser-
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stoff/Benzin-Mischbetrieb eine kosten- und kraftstofflose rechtleistungsfähige Standheizung für Hydridfahrzeuge verwirklichen.
Als Beispiele für geeignete Hydride seien bei den NT-Speichern insbesondere TiFe-Hydride, jedoch auch LaNi,- und weitere Legierungen von seltenen Erden mit Eisen, Kobalt und Nickel und für die HT-Speicher insbesondere Mg£Ni aber auch Magnesiumhydrid genannt.
Da Technik und Ausführung von Wärmetauschern im Prinzip bekannt sind und die hier angewandten Wärmetauscher im Prinzip ebenso angelegt und ausgeführt sind, wie sie in einem älteren Vorschlag zur Kühlung von Innenräumen von Kraftfahrzeugen beschrieben sind, bedürfen sie hier keiner weiteren Erläuterung. Es ist lediglich darauf hinzuweisen, dass auch der Wärmetauscher des HT-Speichers, der zum Aufheizen für die Wasserstofffreigäbe durch den Motorbetrieb nötig ist, ergänzt ist durch einen Wärmetauscher für den Wärmeentzug aus dem Speicher und Zuführung zu dem zu beheizenden Raum.
Der NT-Speicher sowie der HT-Speicher sind jeweils wärmeisoliert und bilden gemeinsam den Hydrid-Kombinationswasserstoff tank.
Die Wirkungsweise wird im folgenden anhand von TiFe als NT-Speicher und Mg2Ni als HT-Speicher beschrieben.
Da der NT-Speicher während des Fahrbetriebes auf ca. 80 C erwärmt wird, jedoch bis auf -20°C abgekühlt werden kann bis die Grenztemperatur erreicht wird, bei welcher der Wasserstoffdruck über dem Speicher noch 1 bar beträgt, kann theoretisch diese Temperaturdifferenz ausgenutzt werden, wobei allerdings aus praktischen Gründen nur eine Temperaturdifferenz von ca. 6O°C bis Zimmertemperatur
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nutzbar ist.
Mg2Ni-Speicher dagegen werden bei etwa 300°C betrieben, so dass hier eine wesentlich höhere Temperaturdifferenz, nämlich bei Abkühlung bis auf ca. 20°C, eine Temperaturdifferenz von ca. 2800C ausgenutzt werden kann. Bei einem Mg2Ni-Speieher als HT-Speicher von ca. 100 kg Gewicht (der auf ca. JOO0C erhitzt ist) beträgt der Wärmeinhalt ca. 7 kWh. Bei Abkühlung auf z.B. 20°C kann zwar der HT-Speicher nicht zur Wiederinbetriebnahine des abgestellten Fahrzeuges verwendet werden, jedoch ist der Start aus dem NT-Speicher möglich, bei welchem der erforderliche Wasserstoff druck von mindestens 1 bar auch bei -200C vorhanden ist. Der HT-Speicher wird dann nach Anlaufenlassen des Motors mittels Abgaswärme wieder auf Reaktionstemperatur gebracht.
Es ist darüber hinaus möglich, und dies ist eine bevorzugte und für die Praxis wichtige Ausführungsform, Heizungswärme bei abgestelltem Motor zu erzeugen, wenn Wasserstoff aus dem NT-Speicher in den HT-Speicher umgefüllt wird. Hierbei erwärmt sich der HT-Speicher. Die für die Freisetzung des Wasserstoffs aus dem NT-Speicher benötigte Wärme wird aus dessen Wärmekapazität bezogen. Da HT-Speicher mindestens doppelt so grosse Bindungsenergien für Wasserstoff aufweisen als NT-Speicher wird bei diesem "Umpumpen11 des Wasserstoffs im HT-Speicher mindestens die doppelte Wärmemenge frei wie sie im NT-Speicher verbraucht wird. Z.B. beträgt die anfallende Wärmemenge im Falle eines Mg2Ni-Speichers von 100 kg Gewicht ca. 3 kWh. Wenn diese Wärmemenge für Heizzwecke ausgenützt werden soll, ist insbesondere das hohe Temperaturniveau von 200 bis 250 C, bei dem diese Wärme zur Verfügung steht, von Wichtigkeit. Wird der Wasserstoff-Umfüllvorgang in 5 bis 15 Minuten durchgeführt, so beträgt die Heizleistung des HT-Speichers 12 bis 36 kW.
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Eine weitere Möglichkeit ist, die beim Betanken des Hydridspeichers mit Wasserstoff vor Fahrtbeginn anfallende Wärmemenge, die normalerweise abgeführt werden muss, wenigstens teilweise im Hydridtank gespeichert zu lassen und zu einem gewünschten Zeitpunkt zur Standheizung abzurufen.
Das folgende Beispiel erläutert die Erfindung. Es zeigt die Verhältnisse für einen Mg^jNi/TiFe-Hydrid-Kombinationssp eic her.
Beispiel
Der Wasserstofftank bestand aus einem NT-Speicher mit 100 kg TiFe. Dieser Speicher kann 2 kg Wasserstoff aufnehmen.
Der HT-Speicher bestand aus 100 kg Mg2Ni und kann 4 kg Wasserstoff aufnehmen. Ein solcher Speicher von 200 kg benötigt ein Gesamtvolumen von etwa 100 1 und verleiht einem Fahrzeug von ca. 44 kW-Leistung eine Reichweite von ca. 200 km.
Der 100 kg TiFe-Speicher wird mittels Kühlwasser oder Abgas während des Fahrbetriebes auf ca. 800C erwärmt. Gleichzeitig wird der 100 kg Mg2Ni-Speieher über das Abgas auf über 200oC, normalerweise ca. 300°C erhitzt. Im vorliegenden Beispiel betrug die Endtemperatur des HT-Speichers nach Abstellen des Motors 210 bis 25O°C. Aufgrund des Temperatur/ Druck-Verhaltens liegen beim Abstellen des Fahrzeuges folgende Daten vor:
100 kg TiFe; 800C; PH = 30 bar; ^ = 7,5 kcal
100 kg Mg-Ni; 210-250°C; ρ 2 ca. 1 bar; ΔΗ2 » I5 kcal.
Der Druck im TiFe-Speicher ist also wesentlich höher als im MgpNi-Speicher. Die Bindungsenergie des Wasserstoffs (öH„ ) im MgpNi-Speicher ist wesentlich grosser als im TiFe-Speicher. Ohne äussere Wärmezufuhr zum TiFe-Speicher kann
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dieser aufgrund seiner Wärmekapazität bis auf etwa O C (maximal bis -20°C) abkühlen und dabei H^-Drucke liefern, die über dem Hp-Absorptionsdruck der MgpNi-Legierung lie gen. Die aus dem TiFe-Tank entnehmbare H~-Menge ergibt sich zu
2· % r öp * MfpiFe
ΔΗΠ = 7,5 kcal/mol TiFe0
H2
m_ = Hp-Menge in mol
c =24 cal/mol TiFe0
H = 1OOO mol (100 kg TiFe)
4T = 80°
7,5.iO5.mH = 24 . 105 . 80
mH 2 = 250 mol H2 = 5OO g
werden diese 500 g in den MgpNi-Speicher eingebaut, so folgt:
/\H„ :
H2
= 15 . 25O kcal = 325O kcal = 3,8 kWh
Ist der TiFe-Speicher nicht mehr als 1/4 gefüllt bzw. der MgpNi-Speicher zu mehr als δ/10 hydriert, so wird die frei gesetzte Wärmemenge entsprechend geringer.
Wird die anfallende Wärmemenge eus dem MgpNi-Speicher ständig abtransportiert, so bleibt die Mg2Ni-Temperatur des 100 kg-Speichers konstant bei z.B. 220 C. Beim Auskühlen dieses Speichers auf z.B. 20 C erhält man noch einmal
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4Q2 = c . M .ül
P		 I . Grad
CP ^ 20 cal/mol oo kg Mg2Ni)
M = 1000 mol (1
AT = 200° 2.1O2 = 4000 kcal
4Q2 = 20 . 105 .
= 4,6 kWh
Wenn diese Wärmemenge in 5 bis 15 Minuten entnommen wird, bedeutet dies eine Heizleistung des HT-Speichers von 55 bis 18 kW. Für die Zeit des Umfüllvorganges ist ausschliesslich der H2-Druck des TiFe-Tanks ausschlaggebend, der wiederum durch seine Temperatur bestimmt ist.
Somit kann der schon für NT-Hydrid betriebene Fahrzeuge vorgeschlagene Hydridklimaspeicher zur Kühlung des Fahrgastraumes in Verbindung mit HT-Hydridspeiehern während der kühlen Jahreszeit auch als kosten-, gewichts-und kraft— stoffloses Standheizgerät eingesetzt werden, wobei das Hydrid-Fahrzeug jederzeit betriebsbereit bleibt, da der Start mit dem NT-Speicher erfolgen kann.
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Claims (12)

  1. 27 1 5930
    Daimler-Benz Aktiengesellschaft Daim 11 356/4
    Stuttgert-Untertürkheim
    "Standheizung durch Hydride in Wasserstoff-Fahrzeugen"
    PATENTAKSPBÜCHE r
    : Λ J Verfahren zur Standheizung von wenigstens teilweise mit Wasserstoff betriebenen Kraftfahrzeugen mit Hydridspeicher, dadurch gekennzeichnet, dass als Hydridspeicher ein NT/HT-Hydridkombinationsspeicher verwendet und die nach Abstellen des Motors vorhandene oder durch Beladen mit Wasserstoff erzeugte Wärmekapazität des Speichers mindestens teilweise dem Fahrgastraum zugeführt wird.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
    dass die durch Umfüllen vom NT- in den HT-Speicher erzeugte Wärme verwendet wird.
  3. 3· Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass solche Hydride eingesetzt v/erden, deren ÄH-Werte grosser als 2 kcal/mol H2 liegen und deren Wasserstoffdissoziationsdruck von ca. 1 bar beim NT-Speicher sich beiv'Temperaturen zwischen +3O0C und -25 C und beim HT-Speicher bei Temperaturen über 200°C einstellt.
    , 809841/0519
    ORIGINAL INSPECTED
    - 2 - Daim 11 356/'4-
  4. 4-, Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3> dadurch
    gekennzeichnet, dass als NT-Speicher solche Hydride eingesetzt werden, deren Wasserstoffdiss.oziationsdruck von ca. 1 bar sich bei Temperaturen unter +20 C, vorzugsweise unter 0 C einstellt und als HT-Speicher solche Hydride, deren Wasserstoffdissoziationsdruck von ca. 1 bar sich bei Temperaturen von 200 bis 400°C einstellt.
  5. 5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass insbesondere für leistungsschwache Motoren und solche, die im Mischbetrieb mit einem anderen Treibstoff gefahren werden, Hydride verwendet werden, deren 3H-Werte über ca. 75 vorzugsweise über 10 kcal/ mol H^ liegen.
  6. 6. Verfahren nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet, dass als HT-Speicher Hydride verwendet werden, deren AH-V/erte zweimal oder mehr höher liegen als die des NT-Speichers .
  7. 7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als NT-Speicher die Basislegierung TiFe oder AB1-, in der A ein Metall der seltenen Erden und B Eisen, Kobalt oder Nickel bedeuten, insbesondere LaNi1-, oder durch Dotierung modifizierte Legierungen hiervon verwendet werden.
  8. 8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als HT-Speicher die Basislegierung Mg£Ni oder eine durch Dotierung modifizierter Legierung hiervon verwendet wird.
  9. 9. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein NT/HT-Hydridkombinationsspeicher zur Lieferung von
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    els Kraftstoff dienenden Wasserstoff in Wärme übertragender Verbindung mit dem Innenraum des Kraftfa:hrzeuges angeordnet ist.
  10. 1Oe Vorrichtung nach Anspruch 9» dadurch gekennzeichnet, dass der NT- und der HT-Hydridspeicher jeweils von einem wärmeisolierenden Gehäuse umgeben und jeweils über Luftkanäle mit dem Raum verbunden sind.
  11. 11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Hydridspeicher zusätzlich wärmeübertragend mit dem Auspuffsystem des Motors verbunden sind.
  12. 12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der NT-Speicher statt mit dem Auspuffsystem mit dem Kühler des Motors verbunden ist.
    13· Verwendung der Wärmeenergie von über die Gleichgewi chtsteaperatur, bei welcher der !!«-Druck 1 bar beträgt, aufgeheizter Hydridspeicher zu Heizzwecken, insbesondere «ur Standheizung von wenigstens teilweise »it Wasserstoff betriebenen Kraftfahrzeugen.
    80 R a/.1/0519
    BAD ORIGINAL
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