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Wasserstoffliefersystem
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Die Erfindung befaßt sich mit einem System zur Lieferung von Wasserstoff
zu einer Wasserstoff verbrauchenden Vorrichtung unter Verwendung einer Rombination
eines Metallhydrid-Wasserstoffspeichers und eines Mikrokavitäten-Wasserstoffspeichers.
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Vom Umweltstandpunkt aus betrachtet kann Wasserstoff in sauberer Form
verwendet werden, da Wasserstoff eine große Energieübertragungskapazität besitzt
und da es eine reversible Lieferung von Wasserstoff in der Form von Wasser gibt,
wobei die Verwendung von Wasserstoff als Brennstoff für viele unterschiedliche Systeme
von zunehmender Bedeutung ist. Wasserstoff kann als Brennstoff in Vorrichtungen
Verwendung finden, die durch Verbrennungsmaschinen angetrieben sind, wobei der Wasserstoff
oxidiert wird und die bei dieser Oxidation erreichte Energie zum Antrieb der Maschine
verwendet wird, wobei Wasser das einzige Oxidationsprodukt ist. Darüber hinaus kann
Wasserstoff als Brennstoff zur Erzeugung von Elektroenergie verwendet werden, und
zwar unter Verwendung entweder der Verbrennungswärme zum Antrieb konventioneller
Dampfturbinen oder unter direkter Verwendung des Wasserstoffs in Brennstoffzellen.
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Mit Ausnahme der cryogenen Temperaturen existiert Wasserstoff bei
allen Temperaturen als Gas. Die Speicherung großer Wasserstoffliefermengen als Gas
erfolgt gegenwärtig unter Kompression des Wasserstoffs und Speicherung in großen
Tanks. Da der Wasserstoff jedoch unter hohem Druck steht, ist es notwendig, daß
diese Tanks sehr stark und stabil ausgebildet sind, was wiederum sehr dicke Wände
und schwere Tanks erforderlich macht.
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Wenn Wasserstoff als Flüssigkeit bei cryogenen Temperaturen gespeichert
wird, muß ebenso wie im Falle der Speicherung von Wasserstoff als Gas der cryogene
flüssige Wasserstoff in starken, schweren Tanks aufbewahrt werden, und stellt der
Verflüssigungsprozeß in energiewirts chaftli cher Hinsicht einen Nachteil dar. über
das nachteilige Gewicht der Wasserstoffspeicherung in Tanks hinausgehend, und zwar
sowohl für den Fall flüssigen als auch gasförmigen Wasserstoffs, muß der Speichertank
in Hinblick auf die Beherrschung der Permeabilität und Reaktivität von Wasserstoff
mit den meisten Metallen gestaltet und dementsprechend aus geeigneten Materialien
hergestellt sein.
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Es ist bereits vorgeschlagen worden, Wasserstoff chemisch gebunden
in einem chemischen Träger wie beispielsweise Methylcyclohexan zu speichern, das
katalytisch zu Toluol und Wasserstoff umgesetzt wird, wobei der Wasserstoff als
Brennstoff verwendet wird und das Toluol wieder zu Methylcyclohexan zurück umgesetzt
wird. Die Verwendung eines solchen Systems macht jedoch zwei Transportnetze erforderlich,
eines für die Lieferung von Methylcyclohexan an eine Servicestation zur Abgabe an
den Verbraucher und das andere zur Rückführung des Toluols an eine Rückumwandlungsanlage
zur Hydrierung in Methylcyclohexan. Dieses System befindet sich gegenwärtig jedoch
immer noch in einer halbhypothetischen Phase, wobei noch ein sehr großes technologisches
Wissen erarbeitet werden muß, bis angenommen werden kann, daß diese Systeme funktionsgerecht
zu arbeiten vermögen.
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Ein gegenwärtig zur Verwendung von Wasserstoff als Brennstoff zum
Antrieb von Automobilen im Versuch stehendes System macht
Gebrauch
von einem Metallhydrid als Träger für den als Brennstoff dienenden Wasserstoff.
Grundsätzlich macht dieses System dabei Gebrauch von einem Speichertank, der mit
einem Metall gefüllt ist, das reversibel ein Metallhydrid bildet. In Anwesenheit
von Wasserstoff und bei Wärmeentzug absorbiert das Metall den Wasserstoff unter
Bildung eines Metallhydrids. Bei Einwirkung von Wärme zerfällt das Hydrid in das
Metall und in Wasserstoff, der dann als Brennstoff verwendet werden kann.
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Die Wärme für den Zerfall des Metallhydrids stammt von den heißen
Abgasen des Motors. Gegenwärtig werden zwei Metallhydridsysteme zur Verwendung bei
Automobilen untersucht. Das eine System basiert auf einem Hydrid einer Eisentitanlegierung
und das andere System auf Hydriden von Magnesiumlegierungen.
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Der Nachteil eines vollständigen Metallhydridsystems besteht darin,
daß das System sowohl schwer als auch teuer ist. Das Gewichtsproblem ist bei mobilen
Anwendungen, wie beispielsweise in Automobilen, Bussen etc., kritisch, wo der Transport
des erhöhten Gewichts die Brennstoffwirtschaftlichkeit des Fahrzeugs reduziert.
Bei stationären Systemen, wie beispielsweise Systemen, die von Wasserstoff bei der
Erzeugung von elektrischer Energie Gebrauch machen, ist das Gewicht des Systems
kein kritischer Faktor, jedoch ist bei diesen Systemen, wo große Mengen der Metallhydride
erforderlich sind, die Wirtschaftlichkeit des Systems kritisch.
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Ein zusätzlicher bei mobilen Systemen, wie beispielsweise bei der
Verwendung der Metallhydridsysteme in einem Automobil, zu berücksichtigender Faktor
besteht in der Wiederfüllung des Metallhydrid-Fahrzeugspeichertanks (d. h. der Wiedererzeugung
des Metallhydrids). Bei der Wiederfüllung muß der Fahrzeugspeichertank an eine Einheit
angeschlossen werden, die Wärme aus dem Speichertank zur Ermöglichung der Wiedererzeugung
des Metallhydrids entzieht. Dies würde eine komplexe Abhängigkeit von dem Wasserstoffliefernetz
und einem Kühlnetz erforderlich machen. Im Vergleich zu dem typischen 5-Minutenaufenthalt,
der gegenwärtig zur übernahme von Fahrzeugbrennstoff erforderlich
ist,
würde die Wiedererzeugung des Metallhydrids einen verlängerten Brennstoffübernahmeaufenthalt
erforderlich machen.
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In Hinblick auf das vorstehend Gesagte ist es selbstverständlich,
daß ein Bedürfnis für neue und verbesserte Systeme zur Lieferung von Wasserstoff
an Vorrichtungen besteht, die von Wasserstoff als Brennstoff Gebrauch machen. Im
weitesten Sinne liegt der Erfindung daher die Aufgabe zugrunde, dieses Bedürfnis
zu erfüllen. Der Erfindung liegt darüber hinaus die Aufgabe zugrunde, ein Wasserstoffliefersystem
zu schaffen, das nicht so kostspielig ist wie ein ausschließliches Metallhydrid-Wasserstoffsystem.
Zusätzlich besteht die Aufgabe der Erfindung in der Angabe eines Systems, das eine
Wasserstoffkapazität ähnlich derjenigen von flüssigem Wasserstoff besitzt, das jedoch
nicht mit der gefährlichen Verwendung großer Mengen flüssigen oder gasförmigen Wasserstoffs
verbunden ist.
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Darüber hinaus soll für ein Wasserstoffliefersystem Sorge getragen
werden, das den Wasserstoff bei überatmosphärischem Druck an die Vorrichtung, die
den Wasserstoff verbraucht, liefert, das jedoch jedoch keine Gleichgewichtsspeicherdrücke
größer als etwa 50 oder 60 at erforderlich macht.
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Diese und auch noch weitergehende Aufgaben werden durch die Schaffung
eines Wasserstoffliefersystems gelöst, das Gebrauch macht von einer Metallhydrid-Wasserstofflieferkomponente
und einer Mikrokavitäten-Wasserstoffspeicher-Wasserstofflieferkomponente, wobei
beide Komponenten Wasserstoff an eine Vorrichtung, die den Wasserstoff verbraucht,
liefern und zusätzlich die Mikrokavitäten-Wasserstoffspeicher-Wasserstofflieferkomponente
Wasserstoff zur Wiederladung der Metallhydrid-Wasserstofflieferkomponente liefert
und das System vorsieht, daß die Metallhydrid-Wasserstofflieferkomponente einen
Speichertank aufweist, der mit einem Stoff gefüllt ist, der seinerseits ein Metall
enthält, das ein Metallhydrid zu bilden in der Lage ist, und das System einen Wärmetauscher
aufweist zur Regulierung der Temperatur des Metallhydrids zur Steuerung
der
Absorption/Deabsorption von Wasserstoff aus dem Hydrid und wobei die Mikrokavitäten-Was
sers toffspei cher-Was serstofflieferkomponente einen Speichertank aufweist, der
eine Mikrokavitäten-Wasserstoffspeicherung und ein Heizelement zur Aufheizung der
Mikrokavitäten-Wasserstoffspeicherung zur Freisetzung von Wasserstoff aus dem Mikrokavitäten-Wasserstoffspeicher
aufweist, und wobei des weiteren Regelventile im System zur Regelung des Wasserstoffstroms
von sowohl der Metallhydrid-Wasserstofflieferkomponente als auch der Mikrokavitäten-Wasserstoffspeicher-Wasserstofflieferkomponente
an die den Wasserstoff verbrauchende Vorrichtung und des Wasserstoffstroms von der
Mikrokavitäten-Wasserstoffspeicher-Wasserstofflieferkomponente an die Metallhydrid-Wasserstofflieferkomponente
vorgesehen sind.
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Im folgenden wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen
weiter ins einzelne gehend erläutert; in den Zeichnungen zeigen: Figur 1 eine schematische
Ansicht der Komponenten der Erfindung, Figur 2 eine schematische Ansicht zwischen
der Wasserstofferzeugung und dem Wasserstoffverbrauch, Figur 3 eine Seitenansicht
teilweise im Schnitt und teilweise schematisch unter Darstellung eines von der Erfindung
Gebrauch machenden Fahrzeugs und Figur 4 eine schematische Ansicht einer alternativen
Ausführungsform.
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Figur 1 zeigt eine generelle Ausführungsform der Erfindung, bei der
eine Wasserstoff verbrauchende Vorrichtung 10 mit Wasserstoff beliefert wird, und
zwar unter Verwendung des erfindungsgemäßen Wasserstoffliefersystems. Die Vorrichtung
10 kann eine Energieerzeugungsvorrichtung, wie beispielsweise ein Verbrennungsmotor
oder eine Brennstoffzelle, sein oder kann auch eine Verfahrensanlage sein, die Wasserstoff
als einen chemischen Reagenten verbraucht. Zu den typischen Verfahrens anlagen gehören
diejenigen
zur Erzeugung organischer Chemikalien oder Kunstdünger und Stahlwerke, die von Wasserstoff
als Reduktionsmittel Gebrauch machen.
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In jedem Fall wird Wasserstoff der Wasserstoff verbrauchenden Vorrichtung
10 mittels eines Liefersystems zugeführt, das eine Mikrokavitäten-Wasserstoffspeicher-Wasserstofflieferkomponente
12 und eine Metallhydrid-Wasserstoffspeicher-Wasserstoff lieferkomponente 14 aufweist.
Die Metallhydridkomponente 14 liefert Wasserstoff für kurzzeitige Wasserstoffverbrauchsbedürfnisse,
wie beispielsweise Spitzenbelastungen oder Beschleunigungen. Die Mikrokavitätenkomponente
12 liefert einen gesamten konstanten Bedarf an Wasserstoff und wird auch zur Regenerierung
oder Wiederversorgung der Metallhydridkomponente 14 verwendet.
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Zur Freisetzung von Wasserstoff aus den beiden Komponenten 12, 14
werden diese mit Wärme versorgt, die Ursache dafür ist, daß sowohl die Mikrokavitäten-Wasserstofflieferkomponente
als auch die Metallhydrid-Wasserstofflieferkomponente Wasserstoff freisetzen. Für
Energieerzeugungsvorrichtungen, wie beispielsweise Brennstoffzellen oder Verbrennungsmotoren,
ist die übliche Quelle-dieser Wärme die von der Brennstoffzelle oder dem Motor abgegebene
Abwärme.
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Die Steuerung des Ausmaßes der Abgabe von Wasserstoff von den beiden
Komponenten 12, 14 wird, wie weiter hinten noch näher erläutert werden wird, durch
die Steuerung des Ausmaßes der Heizung der Komponenten 12, 14 geregelt. Hierzu sind
die Komponenten 12, 14 mit Wärme- oder Thermosteuerungen 16 und 18 ausgestattet.
Die Thermosteuerung 16 ist eine monofunktionelle Steuerung, die die Zuführung von
Wärme zu der Mikrokavitätenkomponente 12 regelt, während die Wärmesteuerung 18 eine
bifunktionale Steuerung ist, die sowohl die Zuführung von Wärme als auch die Abführung
von Wärme zu bzw.
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von der Hydridkomponente 14 regelt. Den Wärmesteuerungen 16, 18 wird
von einer gemeinsamen Wärmequelle 20 aus Wärmeenergie zugeführt, die bei einer Energieerzeugungsvor
ichtung Abwärme
dieser sein würde. Von der Wärmequelle 20 aus wird
Wärme den Wärmesteuerungen 16, 18 über eine Wärmezuführungsleitunq 22 mit Abzweigungen
24 und 26 zugeführt, die zu den Steuerungen 16 und 18 führen. Von den Wärmesteuerungen
16, 18 wird die Wärme mittels Wärmezuführungsleitungen 28 und 30 weitergeführt.
Die Leitung 28 führt die Wärme zu einem Heizelement 32 in der Komponente 12, während
die Leitung 30 Wärme zu einem Wärmetauscher 34 in der Komponente 14 führt.
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Für eine Energie verbrauchende Vorrichtung wird die Wärme im allgemeinen
in der Form eines aufgeheizten Fluids zugeführt. Somit besitzen die Wärmezuführungsleitungen,
das Heizelement und der Wärmetauscher hohle Rohre, in denen dieses aufgeheizte Fluid
fließt.
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Sowohl bei Energie verbrauchenden Vorrichtungen als auch bei anderen
Vorrichtungen kann die Wärmeenergie als elektrische Energie zugeführt werden, und
somit die Wärmequelle 20 eine Quelle für elektrische Energie sein, und können die
Zuführungsleitungen 22, 24, 26, 28 und 30 elektrische Leitungen sein.
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Das Heizelement 32 und der Wärmetauscher 34 können dann in Widerstandselementen
bestehen, die bei Durchfluß eines elektrischen Stroms Wärme abzugeben in der Lage
sind. Wenn die Wärme über ein Fluid zugeführt wird, können das Heizelement 32 und
der Wärmetauscher 34 an Abführungsleitungen 36 und 38 zur Abführung des Fluids von
dem Heizelement 32 bzw. dem Wärmetauscher 34 angeschlossen sein. Wenn die Wärme
als elektrische Energie zugeführt wird, stellen die Leitungen 36 und 38 dann elektrische
Verbindungsleitungen dar, die einen Stromversorgungskreis vervollständigen. Der
Wärmetauscher 34 in der Komponente 14 ist auch an eine Kühlmittelzuführungsquelle
40 über Leitungen 42 und 44 angeschlossen. Zwischen die Leitungen 42 und 44 ist
die Wärmesteuerung 18 eingesetzt, die zusätzlich zu der Steuerung der Wärme zum
Wärmetauscher 34 auch den Strom des Kühlmittels zum Wärmetauscher 34 steuert.
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Die Leitung 44 ist an den Wärmetauscher 34 angeschlossen, und dieser
wiederum ist an eine Kühlmittelabführungsleitung 46
zur Abführung
des verbrauchten Kühlmittels vom Wärmetauscher 34 angeschlossen. Alternativ könnte
das verbrauchte Kühlmittel auch zu der Kühlmittelzuführungsquelle 40 über eine Leitung
48 im Umlauf wieder zurückgeführt werden.
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Von der Komponente 12 freigesetztes Wasserstoffgas wird der Komponente
14 und der Vorrichtung 10 zugeführt, und von der Komponente 14 freigesetztes Wasserstoffgas
wird der Vorrichtung 10 zugeführt. Diese beiden Liefersysteme sind durch eine Reihe
von Leitungen mit Strömungsregelventilen zur Regelung des Wasserstoffstroms ergänzt.
So führt eine Leitung 50 Wasserstoffgas zu Leitungen 52 und 54. Die Leitung 52 führt
zu einem Strömungsregelventil 56, von wo Wasserstoffgas über Leitungen 58 und 60
zur Vorrichtung 10 strömt. Zusätzlich wird Wasserstoffgas der Komponente 14 von
der Komponente 12 aus über die Leitung 54, ein Strömungsregelventil 62 und Leitungen
64 und 66 zugeführt. Wasserstoffgas von der Komponente 14 wird der Vorrichtung 10
über die Leitung 66, eine Leitung 68, ein Strömungsregelventil 70, eine Leitung
72 und die Leitung 60 zugeführt.
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Die Mikrokavitäten-Speicherkomponente 12 besteht aus einer Vielzahl
von Mikrokavitäten, die mit Wasserstoffgas unter Drücken bis zu etwa 700 at gefüllt
sind. Die Mikrokavitäten messen im Durchmesser im allgemeinen zwischen etwa 5 und
etwa 500 {zum. Die Wände der Mikrokavitäten messen im allgemeinen etwa 0,01 bis
0,1 des Durchmessers der Mikrokavitäten.
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Im allgemeinen bestehen die Mikrokavitäten in Mikrokügelchen.
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Mikrokügelchen können jedoch zusammengesintert sein zur Bildung porös
er Strukturen mit einander verbindenden Poren und geschlossenen Mikroporen. Die
einander verbindenden Poren bilden einen Zugang zu den geschlossenen Mikrokavitätenporen
über der gesinterten Struktur.
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Bei der Form einzelner Mikrokügelchen können die gefüllten Kügelchen
von Betrieb zu Betrieb wie ein feiner Sand oder
suspendiert in
Gasen oder Fluida zu Transportzwecken bewegt werden. Poröse Strukturen bieten jedoch
den Vorteil einer einfacheren Handhabung. Beispielsweise könnten poröse Kanister
aus gesinterten Mikrokügelchen gefüllt und später in Rohren eingesetzt werden, die
mit einem Aus laß ausgestattet sind, durch den hindurch der Wasserstroff freigesetzt
wird.
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Hohle Mikrokügelchen können aus Plastik, Kohlenstoff, Metall, Gläsern
oder Keramikmaterialien in Abhängigkeit von den gewünschten Leistungscharakteristiken
hergestellt werden. Im allgemeinen werden Mikrokügelchen aus Silikatgläsern hergestellt,
wie beispielsweise Emerson-Cuming SI-Grad, nämlich als Mikrokügelchen mit hohem
Silikatgehalt.
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Unter hohen Wasserstoffdrücken und erhöhten Temperaturen diffundiert
Wasserstoff in die Mikrokavitäten. Bei einer Speicherung unter normalen Temperaturen
und unter atmosphärischem Druck verbleibt der Wasserstoff innerhalb der Mikrokavitäten
unter hohem Druck. Bei Wiedererwärmung der Mikrokavitäten wird der Wasserstoff dazu
veranlaßt, aus der Kavität heraus zu diffundieren, und steht der Wasserstoff somit
zum Verbrauch durch die Vorrichtung 10 zur Verfügung.
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Die Permeabilität der Mikrokuqelwand kann durch ihre Beschichtung
verändert werden. Typische Beschichtungen umfassen Kunststoffe und Metalle. Metallbeschichtungen
sind von besonders gewünschter Brauchbarkeit, da sie zur Reduzierung der Wasserstoffpermeabilität
der Mikrokügelchen bei Speichertemperaturen verwendet werden können, jedoch die
Wasserstoffdiffusion in die Mikrokügelchen und aus diesen heraus bei erhöhten Temperaturen
während der Füllung der Mikrokügelchen oder der Abgabe von Wasserstoff aus denselben
nicht behindern. Metallbeschichtungen können durch stromlose und Elektroplattierungstechniken,
chemische Verdampfungszersetzung oder zentrifugale Beschichtungstechniken aufgebracht
werden. Typische Metalle, geeignet zur Beschichtung von Silikatglasmikrokügelchenl
sind Aluminium, Molybdän, Nickel,
Kupfer und deren Legierungen.
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Die Metallhydrid-Wasserstoffspeicherkomponente 14 macht Gebrauch von
einem Stoff oder einer Zusammensetzung mit mindestens einem Metall, das ein Metallhydrid
bildet, wenn es Wasserstoff ausgesetzt wird. Darüber hinaus können andere Metalle
mit dem primären Metall zur Veränderung der Charakteristiken des fertigen Metallhydrids
legiert werden.
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Das gewählte Basismetall und alle zusätzlichen, mit ihm legierten
Metalle werden durch die Vorrichtung bestimmt, der Wasserstoff zugeführt wird. Das
beherrschende Kriterium, welches Metallhydrid verwendet wird, ist die Hydridbildungswärme.
Wenn Abwärme der Vorrichtung 10 zur Bildung des Metallhydrids zur Freisetzung von
Wasserstoff verwendet wird, muß das Metallhydrid geeignet und in der Lage sein,
Wasserstoff freizusetzen in dem Temperaturbereich der Abwärme, um Energie zu sparen
und keinen zusätzlichen Energieaufwand zur Aufheizung des Metallhydrids erforderlich
zu machen.
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Wie eingangs bereits angegeben worden ist, werden gegenwärtig zwei
Hydridsysteme zur Verwendung bei mit Wasserstoff als Brennstoff angetriebenen Automobilen
untersucht. Diese Systeme basieren auf Eisentitan- u. Magnesiumlegierungen.
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Eine Legierung mit gleichen molaren Mengen von Eisen und Titan hat
eine Bildungswärme von -5,5 kcal je Wasserstoffmol.
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Magnesiumhydrid hat eine Bildungswärme von -17,8 kcal je Wasserstoffmol.
Durch Legierung von Magnesium mit Nickel oder Kupfer kann die Bildungswärme kleiner
gemacht werden. Typischerweise besitzt eine Nickellegierung mit einer Mg2Ni-Verbindung
eine Bildungswärme von -15,a kcal je Mol. Hybride, die einen hohen Zerfalldruck
bei niedrigen Temperaturen besitzen, besitzen im allgemeinen eine kleine Bildungswärme.
Magnesiumnickelhydrid besitzt eine Zerfalltemperatur von etwa 3000C.
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Die Zerfalltemperatur kann durch Zugabe von Zink zu der Legierung
reduziert werden, was zu einer Zerfalltemperatur von etwa 2600C führt. Andere Metalle
mit brauchbaren Bildungswärmen, die zur Bildung des Metallhydrids verwendet werden
können,
sind Vanadium, Niobium, Palladium und eine als "Mischmetall" bezeichnete Legierung.
Auch sind zur Bildung von Hydriden bekannt Kalium, Uranium, Zirkonium, Calcium,
Lithium und Zer; sie besitzen jedoch eine große Bildungswärme.
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Eisentitanhydrid ist schwerer als Magnesiumnickelhydrid; da Eisentitanhydrid
eine Bildungswärme von nur -5,5 kcal besitzt, liegt die Zerfalltemperatur von Eisentitanhydrid
bei nur 25°C. Für die Verwendung in Vorrichtungen 10, die Abwärme zur Freisetzung
von Wasserstoff aus dem Metallhydrid verwenden, ist Eisentitanhydrid die bevorzugte
Metallegierung.
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Die Aufheizung dieses Hydrids bei mäßigen Temperaturen führt zu seinem
Zerfall und zur Lieferung von Wasserstoff bei Drücken von etwa 7 bis etwa 70 at.
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Die Wirksamkeit des Metallhydrids hängt auch von der Oberflächengröße
des Metalls ab. Die Oberflächengröße kann dadurch stark verbessert werden, daß das
Metall einer Reihe von Hydridbildungs/Wasserstofffreisetzungszyklen unterzogen wird.
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Somit wird die Wirksamkeit des Metallhydrids als Wasserstoffabsorber
oder Wasserstofffreisetzer mit Gebrauch verbessert.
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Anfänglich wird das Hydrid "geladen" indem es mehreren Hydridbildungs/Zerfall-Zyklen
ausgesetzt wird.
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Eine nützliche Eigenschaft der Metallhydride besteht darin, daß sie
auf Volumenbasis mehr Wasserstoff enthalten können als cryogenen flüssigen Wasserstoff.
Die Mikrokügelchen können fast soviel Volumen Wasserstoff enthalten wie cryogenen
Wasserstoff; jedoch sind die Mikrokügelchen im Vergleich zu den Metallhydriden geeignet,
diese Wasserstoffspeicherung in einer kleineren Gewichtseinheit zu ermöglichen.
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Zur weiteren Erläuterung der Erfindung im nachfolgenden Teil dieser
Beschreibung wird die Wasserstoff verbrauchende Vorrichtung 10 anhand eines Verbrennungsmotors
zum Antrieb eines Fahrzeugs, insbesondere eines Automobils erläutert; dabei bestehen
die
Mikrokavitäten-Wasserstoffspeicherkomponente 12 aus Mikrokügelchen und die Metallhydrid-Speicherkomponente
14 aus Eisentitanhydrid. Figur 2 zeigt ein Ges amts chema für die Verwendung von
Wasserstoff beginnend mit dessen Erzeugung bis zur Energieerzeugung.
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Eine Wasserstofferzeugungsanlage 74 erzeugt Wasserstoff nach einem
von mehreren Verfahren. Beispielsweise kann Wasser unter Verwendung herkömmlicher
Energiesysteme, wie beispielsweise solarer Energie, fossilen Brennstoffs oder nuklearer
Energieerzeugungen, im Wege der Elektrolyse verarbeitet werden. Andere Verfahren
können in Zukunft ebenfalls zur Verfügung stehen, wie beispielsweise radiochemische
oder thermochemische Verfahren zur Wasserstofferzeugung. In jedem Fall wird Wasser
zu Wasserstoff und Sauerstoff umgesetzt, und wird die Abwärme dieser Umsetzung zur
Einkapselung von Wasserstoff in Mikrokügelchen in einer Einkapselungsanlage 76 verwendet
die vorzugsweise in der Nähe der Wasserstofferzeugungsanlage 74 angeordnet sein
sollte. Durch Einkapselung des Wasserstoffs bei oder nahe der Wasserstofferzeugungsanlage
sind mehrere Vorteile erreicht. Zum einen ergibt sich ein potentieller wirtschaftlicher
Gewinn aus einer Erzeugung im Großstil; zum anderen wird die Abwärme der Erzeugung
zur Einkapselung des Wasserstoffs verwendet; darüber hinaus wird der Transport des
Wasserstoffs durch dessen Einschließung in Mikrokügelchen vereinfacht, und bildet
diese Transportform, wie weiter unten noch angegeben wird, einen Vorteil für die
Sicherheit.
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Nach seiner Einkapselung kann der Wasserstoff in einer Langzeitspeichermöglichkeit
78 vor der Abgabe an einen Verbraucher gelagert werden. Da das Wasserstoffgas in
Mikrokügelchen enthalten ist, ist der Druck in den zur Aufnahme der Mikrokügelchen
verwendeten Tanks viel kleiner als in Tanks, in denen der Wasserstoff in flüssiger
oder gasförmiger Form gespeichert würde. Hieraus ergibt sich der Vorteil der Reduzierung
der Versprödung der Speichertanks oder Speicherleitungen durch den Wasserstoff auf
ein vernachlässigbares Maß. Für eine Langzeitspeicherung
können
die Speichertanks gekühlt werden, um das Entweichen von Wasserstoff aus den Mikrokügelchen
weiter zu verhindern.
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Nach der Speicherung können die Mikrokügelchen mittels eines Transporters
80 zu den Abgabeeinheiten 82 einer regionalen Servicestation transportiert werden.
Der Transport der Mikrokügelchen kann durch Transport von Tanks mit Mikrokügelchen
auf Lastkraftwagen, Schiffen, Schienentankwagen etc. bewirkt werden, oder die Mikrokügelchen
können in einem Transportfluid, wie beispielsweise Stickstoff oder Luft1 aufgeschlämmt
und mittels dieses Fluids in einer Pipeline transportiert werden. Am abgabeseitigen
Ende der Pipeline können die Mikrokügelchen von dem Fluid unter Verwendung eines
Zyklonseparators oder dergleichen abgeschieden werden.
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An den Abgabeeinheiten 82 der Servicestation kann der Wasserstoff
der Mikrokügelchen in Hydrid-'Ladungen" verwendet werden, wie als Block 84 dargestellt
und oben erörtert worden ist. Jedoch besteht der Hauptzweck der Abgabeeinheiten
82 in der Abgabe von Wasserstoff enthaltenden Mikrokügelchen an ein Fahrzeug 86.
Dieses verfügt über einen Mikrokügelchenspeichertank 88, der mit den Mikrokügelchen
gefüllt wird.
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Der in dem Mikrokügelchenspeichertank enthaltene Wasserstoff wird
als Brennstoffquelle für den Fahrzeugmotor 90 und als eine Ladequelle für das Metallhydrid
in dem Speichertank 92 verwendet. Der Fahrzeugmotor 90 verbrennt den Wasserstoff
und verwendet die vom Wasserstoff stammende Energie zum Antrieb des Fahrzeugs. Das
Abfallprodukt dieses Prozesses ist Wasser; auf diese Weise ist der ökologische Zyklus
geschlossen.
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Es ist des weiteren erreicht, daß, die Mikrokügelchen nachdem sie
von dem Wasserstoff entleert worden sind, zur Einkapselungsanlage zwecks Wiederfüllung
zurückgeführt werden können.
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Gemäß Darstellung in Figur 3 ist ein Fahrzeug 86 mit einem Motor 90
mit einem Mikrokügelchen-Speichertank 88 und einem
Metallhydrid-Speichertank
92 ausgestattet. Der Speichertank 88 ist mit Mikrokügelchen 94 und der Speichertank
92 mit einer Metallhydrid-Zusammensetzung 96 gefüllt. Der Speichertank 88 besitzt
eine mit einem Deckel ausgestattete Öffnung 98, die einen Zugang zum Tank 88 zur
Wiederfüllung desselben durch Einfüllung einer frischen Lieferung von Mikrokügelchen
94 gestattet.
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Im Inneren des Tanks 88 ist ein heizelement 102 vorgesehen, das in
einem hohlen Rohr besteht, in dem heiße Gase strömen.
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Im Inneren des Tanks 82 befindet sich ein Wärmetauscher 104 ebenfalls
mit einem hohlen Durchlaß für heiße Gase und zusätzlich einem zweiten Durchlaß für
ein Kühlfluid. Eine Auslaßleitung 106 ist an den Auslaßverteiler des Motors 90 angeschlossen
und führt heiße Gase von dem Motor 90 weg. Eine Verzweigungsleitung 108 geht von
der Auslaßleitung 106 ab.
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Stromabwärts der Verzweigungsleitung 108 ist ein Verteilerventil 109
vorgesehen, das in geschlossenem Zustand die Abgase der Auslaßleitung in die Verzweigungsleitung
108 leitet.
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Die Verzweigungsleitung 108 steht mit zwei thermischen Steuerungen
in Verbindung, wobei die thermische Steuerung 110 den Strom der heißen Gase zum
Heizelement 102 und die thermische Steuerung 112 den Strom der heißen Gase zum Wärmetauscher
104 steuert bzw. regelt. Eine Auslaßleitung 114 führt vom Heizelement 102 weg und
in die Auslaßleitung 106 stromabwärts des Verteilerventils 109. In gleicher Weise
führt eine Auslaßleitung 116 vom Wärmetauscher 104 weg und zur Auslaßleitung 106.
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Das Fahrzeug 86 besitzt einen Radiator 118 zur Kühlung des Motors
90. In den Radiator 118 sind Wärmetauscherrohre 120 integriert, die mit einer Kühlmittelzuführungsleitung
122 und einer Kühlmittelrückführungsleitung 124 in Verbindung stehen.
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Das Kühlmittel fließt durch die Leitung 122 zur thermischen Steuereinheit
112. Von dieser aus fließt das Kühlmittel durch den Wärmetauscher 104 im Metallhydridtank
92 und zurück zu den Wärmeaustauschleitungen 120, und zwar über die Rückführungsleitung
124.
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Der Metallhydrid-Speichertank 92 besitzt eine öffnung 126, an die
eine Wasserstoffleitung 128 anschließt, die anderer seits mit einem Wasserstoffströmungsventil
130 in Verbindung steht. An der Auslaßseite des Strömungsventils 130 schließt eine
Leitung 132 an, die mit der Motorversorgungsleitung 134 in Verbindung steht. Der
Mikrokügelchen-Speichertank 88 besitzt eine öffnung 136, an der eine Leitung 138
anschließt.
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Diese Leitung 138 führt in zwei Verzweigungsleitungen 140 und 142.
Die Verzweigungsleitung 140 steht mit einem Strömungsventil 144 in Verbindung, an
dessen Auslaßseite eine Leitung 146 angeschlossen ist, die mit der Motorversorgungsleitung
134 in Verbindung steht. Die Verzweigungsleitung 142 steht mit einem Strömungsventil
148 in Verbindung, an dessen Auslaßseite eine zusätzliche Leitung 150 angeschlossen
ist, die andererseits mit der Leitung 128 in Verbindung steht.
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An die Leitung 138 ist des weiteren eine Leitung 152 mit einem Zweiwege-Strömungsventil
154 angeschlossen. Dieses Ventil 154 steht mit einem kleinen Wasserstoffgas-Speicher
156-in Verbindung.
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Eine Hauptsteuereinheit 158 steht mit dem Motor 90, den thermischen
Steuerungen 110 und 112, den Strömungsventilen 130, 144, 148 und 154 und dem Verteilerventil
109 über geeignete Steuerleitungen in Verbindung, die alle insgesamt mit 160 bezeichnet
sind. Druckfühlereinheiten 162, 164 und 166 sind in den Leitungen 128 und 138 und
dem Gasspeicher 156 vorgesehen. Diese Druckfühlereinheiten stehen auch mit der Hauptsteuereinheit
158 in Verbindung, und zwar über Steuerleitungen, die insgesamt mit 168 bezeichnet
sind.
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In der Praxis werden zum Starten des Motors die Strömungsventile 144
und 154 auf Befehl der Hauptsteuereinheit 158 geöffnet, wodurch es ermöglicht wird,
daß das im Tank 88 vorhandene restliche Wasserstoffgas und das Wasserstoffgas im
Speicher 156 zum Motor strömen, wo es als Brennstoff verbraucht wird. Nach einigen
Minuten erreicht der Motor 9Q seine Betriebs
temperatur, und sind
die vom Motor abgegebenen Abgase heiß. Die Hauptsteuereinheit 158 gibt dann an das
Verteilerventil 109 ein Signal zum Schließen und an die thermische Steuereinheit
112 ein Signal zur Öffnung ab, wodurch die heißen Abgase durch den Wärmetauscher
104 hindurchströmen können. Der Wärmetauscher 104 heizt das Metallhydrid im Tank
92 auf, wodurch Wasserstoff aus dem Metallhydrid freigesetzt wird. Das Strömungsventil
130 wird geöffnet, und Wasserstoff wird dem Motor 90 aus dem Metallhydrid-Tank 92
zugeführt.
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Die thermische Steuereinheit 112 wird jetzt durch die Hauptsteuereinheit
158 geöffnet, wodurch die heißen Gase durch das Heizelement 102 hindurchströmen
können, wodurch die Freisetzung von Wasserstoff aus den Mikrokügelchen 94 initiiert
wird.
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Wenn die Strömung des aus dem Tank 88 freigesetzten Wasserstoffs zunimmt,
wird die Strömung des Wasserstoffs aus dem Speicher 156 gestoppt, und wird der Speicher
156 wieder unter Druck gesetztl und zwar auf einen vorbestimmten Level, der durch
den Druckfühler 166 festgestellt wird. Dann wird das Ventil 154 geschlossen, wodurch
eine frische Wasserstoffmenge im Speicher 156 eingeschlossen gehalten wird, die
zum nächsten Start des Motors verwendet wird. In Abhängigkeit vom Kraftstoffbedarf
des Motors öffnet und schließt die Hauptsteuereinheit 158 die thermischen Steuerungen
110 und 112 und das Verteilerventil 109, wodurch die Menge der heißen Gase geregelt
wird, die durch das Heizelement 102 und den Wärmetauscher 104 hindurchströmen, wodurch
seinerseits die Freisetzung von Wasserstoff aus den Tanks 88 und 92 geregelt wird.
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Wenn das Metallhydrid im Tank 92 an Wasserstoff verarmt, wird ein
Druckabfall im Tank 92 durch die Druckfühlereinheit 162 signalisiert, und liefert
die Hauptsteuereinheit 158 ein Signal an die thermische Steuerung 112, wodurch der
Strom der heißen Gase durch den Wärmetauscher 104 gestoppt und der Strom des Kühlmittels
durch den Wärmetauscher 104 initiiert wird.
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Dies initiiert die Abfuhr von Wärme aus dem Tank 92; das Strömungsventil
130 wird geschlossen, und das Strömungsventil
148 wird geöffnet,
wodurch Wasserstoff im Tank 88 zum Tank 92 zur Regenerierung des Metallhydrids strömen
kann.
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Ein zusätzlicher Vorteil der Erfindung besteht darin, daß ein großer
Teil des zur Betankung des Fahrzeugs verwendeten Wasserstoffs in dem Mikrokavitäten-Wasserstoffspeicher
gespeichert wird, was einen Sicherheitsfaktcr darstellt. Es ist bekannt, daß hochexplosive
Gase in Mikrokügelchen gespeichert werden können, da die Kügelchen wirkungsvoll
die zur Aufrechterhaltung einer Explosion erforderliche Flammenausbreitung unterdrücken
bzw. löschen. Wenn ein Fahrzeug mit einer großen Betankung an in Mikrokügelchen
eingekapseltem Wasserstoff in einen Unfall verwickelt werden sollte und der Mikrokügelchen-Speichertank
reißen sollte, wird der Wasserstoff nicht freigesetzt, sondern in sicherer Weise
innerhalb der einzelnen Mikrokügelchen zurückgehalten.
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Bei einer in Figur 4 dargestelIten alternativen Ausführungsform wird
Wasserstoff einer Vorrichtung 170 zugeführt, wobei von einer Metallhydrid-Wasserstoffspeicher-Wasserstofflieferkomponente
172 in Serienschaltung zu einer Mikrokavitäten-Wasserstoffspeicher-Wasserstofflieferkomponente
174 gemacht wird. Die Metallhydridkomponente 172 ist über eine Leitung 176 an die
Mikrokavitätenkomponente 174 angeschlossen. In die Leitung 176 ist ein Steuerventil
178 eingesetzt. Eine zweite Leitung 180 verbindet die Mikrokavitätenkomponente 174
mit der den Wasserstoff verbrauchenden Vorrichtung 170. In die Leitung 180 ist ein
zweites Steuerventil 182 eingesetzt.
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Die Komponente 172 enthält ein Metallhydrid 1X4, das identisch zu
den vorstehend beschriebenen Hydriden ist. Die Komponente 174 enthält einen Wasserstoffmikrokavitätenspeicher
186 in der Form der vorstehend beschriebenen Mikrokügelchen. Die Komponente 172
enthält des weiteren einen Wärmetauscher 188 mit einem Heizteil 190 und einem Kühlteil
192, die ebenfalls identisch zu den vorstehend beschriebenen Bauteilen sind. Die
Komponente 174 enthält des weiteren einen Heizer 194, wie ebenfalls
vorstehend
bereits beschrieben, wobei sowohl der Heizteil 190 als auch der Heizer 194 mit Wärme
von einer Wärmequelle 196, letztere wiederum ähnlich der vorstehend beschriebenen,
versorgt werden. Der Kühlteil 192 wird mit Kühlmitteln von einem Kühlmittelspeicher
198 aus versorgt, wie auch bereits vorstehend beschrieben worden ist.
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Wasserstoff kann der Vorrichtung 110 direkt von der Mikrokavitäten-Speicherkomponente
186 aus durch öffnen des Ventils 182 zugeführt werden. Alternativ kann der Wasserstoff
der Vorrichtung 110 auch von der Metallhydridkomponente 172 aus zugeführt werden,
und zwar durch Öffnen der Ventile 178 und 182.
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Die Metallhydridkomponente 184 wird von den Mikrokügelchen 186 aus
durch Öffnung des Ventils 178 wieder geladen, während gleichzeitig das Ventil 182
geschlossen ist. Das System kann auch geeignete Steuerungen benutzen, die den vorstehend
beschriebenen entsprechen, und zwar zur Uberwachung und Regelung des Wasserstoffstroms.
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Zum anfänglichen Starten der Vorrichtung 170 können dann, wenn die
Mikrokavitätenkomponente 174 mit Mikrokügelchen als Wasserstofflieferkomponente
186 geladen ist, die Toträume zwischen den einzelnen Kügelchen als Speicherreservoir
für den restlichen Wasserstoff dienen. Somit kann die Mikrokavitätenkomponente 174
Wasserstoff unter zwei unterschiedlichen Drücken enthalten, nämlich zum einen unter
hohem Druck stehenden Wasserstoff innerhalb der Mikrokavitäten und zum anderen unter
niederem Druck stehenden Wasserstoff außerhalb der Mikrokavitäten. Diese Art der
Wasserstoffspeicherung kann auch bei den anderen vorstehend beschriebenen Ausführungsformen
verwendet werden.
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Bei der gänzlich anderen Ausführungsform der Erfindung wird lediglich
ein einziger Speichertank verwendet. Innerhalb dieses Speichertanks können dann
sowohl das Metallhydrid- als auch ein Mikrokavitäten-Speichersystem enthalten sein.
Diese Ausführungsform bietet den Vorteil, daß sich das Metallhydrid
in
unmittelbarer Nähe zu den Mikrokavitäten befindet, wodurch ein direkter Wasserstoffaustausch
von den Mikrokavitäten zu dem Metallhydrid ermöglicht wird und zusätzlich die von
dem Metallhydrid freigesetzte Wärme, wenn es Wasserstoff absorbiert, direkt zur
Aufheizung der Mikrokügelchen zwecks Stimulierung derselben zur Freisetzung zusätzlichen
Wasserstoffs verwendet wird.
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Typische Gasmikrokügelchen setzen Wasserstoff frei bei etwas unter
175°C. Somit sollte bei diesem System das gewählte Metallhydrid ein solches mit
einer etwas erhöhten Dissoziationstemperatur sein. Somit findet die bei Absorption
von Wasserstoff freigesetzte Energie bei einer Temperatur statt, die etwas höher
als die Temperatur ist, die zur Freisetzung des Wasserstoffs aus dem Mikrokavitätenspeicher
erforderlich ist.
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Für diese Art des Systems werden Mallhydride auf der Basis von Magnesium
oder einer seiner Legierungen bevorzugt.
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L e e r s e i t e