DE3448207C2

DE3448207C2 -

Info

Publication number: DE3448207C2
Application number: DE3448207A
Authority: DE
Inventors: Yutaka Kodaira Tokio/Tokyo Jp Matsubara; Hisao Chofu Tokio/Tokyo Jp Konno; Takashi Gunma Jp Sasai
Original assignee: Mitsui and Co Ltd
Current assignee: Mitsui and Co Ltd
Priority date: 1984-05-22
Filing date: 1984-11-14
Publication date: 1992-03-12
Anticipated expiration: 2004-11-15
Also published as: JPH038295B2; DE3441619C2; US4570446A; DE3441619A1; GB2159263A; GB8428242D0; JPS60248439A; GB2159263B

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Versorgen eines Brennstofftankes und eines Motors mit Brennstoff für ein mit Wasserstoff betriebenes Fahrzeug, gemäß dem Ober begriff des Patentanspruchs.

Ein derartiges Verfahren ist aus der DE-OS 26 40 243 be kannt. Bei dem dort beschriebenen Motor wird eine abgas hohe Temperatur dem Brennstofftank zugeführt. Es ist anzu nehmen, daß die Temperatur zwischen 650° und 850°C be trägt. Somit wird die Speicherlegierung übermäßig erwärmt und es gelangt zuviel Wasserstoffgas zum Motor. Die Ventilsteuereinheit ist mit einem Ventil verbunden, um den Betrieb des Ventils entsprechend dem Durck des Wasser stoffgases zu steuern. Dieses Ventil steuert die Strömung des Abgases in Abhängigkeit vom Druck. Es ist jedoch nicht vorgesehen, durch den Druck des Abgases dessen Strömung zu steuern, indem ein Drucksensor verwendet wird, der das ge nannte Ventil steuert. Wenn die Ventilsteuereinheit einer Abnahme des Druckes des Wasserstoffgases, welches einem Regler zugeführt werden soll, erfaßt, und wenn die Ventil steuereinheit das Ventil veranlaßt, Abgas zu einem Rohr zu richten, so nimmt der Druck des Wasserstoffgases im Tank ab mit der Folge, daß der Motor seinen Betrieb beendet.

Der EP-A1 00 79 736 ist ein Motor zu entnehmen, der ein Wasserstoff-Wasser-Motor ist, der gleichzeitig mit zer stäubtem Wasser und Wasserstoffgas versorgt wird. Aus dieser Druckschrift ist zu entnemen, daß durch das Ver mischen von Wasserstoffgas und Wasser in der Verbrennungs kammer die Temperatur der Verbrennungsgase herabgesetzt wird. Daraus ergibt sich aber noch nicht die Lehre, dieses Abgas geringerer Temperatur dem Brennstofftank zuzuführen im Zusammenhang mit der Verwendung eines Brennstofftankes gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, mit dem es möglich ist, bei einer einwandfreien Betriebsweise des Motors und einem einfachen, platzsparenden Aufbau desselben, eine optimale Versorgung mit Wasserstoffgas zu gewährleisten.

Diese Aufgabe wurde erfindungsgemäß durch die Merkmale des Patentanspruchs gelöst.

Der im Zusammenhang mit dem beanspruchten Verfahren ver wendete Brennstoffzylinder des Brennstofftanks setzt sich zusammen aus einem inneren Zylinderabschnitt mit einer Anzahl von ultrafeinen Poren und einem äußeren Zylinder abschnitt in Doppelkonstruktion. Eine Wasserstoffspeicher legierung zum Absorbieren und Desorbieren von Wasserstoff gas ist zwischen dem inneren Zylinderabschnitt und dem äußeren Zylinderabschnitt eingefüllt. Die Wasser stoffspeicherlegierung, die im Zusammenhang mit dem Brennstofftank der Erfindung verwendet wird, arbeitet wünschenswerterweise mit einem Wasserstoffabsorp tions- und -desorptionsdruck von 10 kg/cm² oder weniger und vorzugsweise 5 bis 3 kg/cm² in der Nähe von Umgebungstemperaturen. Diesbezüglich kann die Wasserstoffspeicherlegierung Lanthanpentanickel LaNi₅-Legierung, Mischmetall-Nickellegierungen oder Mischmetall-Legierungen, die einen hohen Anteil von Lanthan enthalten, Ti-Zn-Mn-Cr-Cu-Legierungen oder Mg-basierte Legierungen verwenden.

Die Wärmeübertragungsfähigkeit der Wasserstoffspei cherlegierungen wird vorzugsweise verbessert. Für diesen Zweck wird 2 bis 5 Gew.-% nadel- oder kri stallförmiges Aluminium verwendet, welches mit den Wasserstoffspeicherlegierungen gemischt ist.

Der innere und äußere Zylinderabschnitt der Brenn stoffzylinder besteht vorzugsweise aus rostfreiem Stahl unter Berücksichtigung des Wärmewiderstandes und der Lebensdauer der zylindrischen Abschnitte. Der innere zylindrische Abschnitt kann ebenso aus Metall gewebe aus rostfreiem Stahl bestehen.

Ein Ende des äußeren Zylinderabschnittes des Brenn stoffzylinders ist geschlossen. Eine Öffnung ist am anderen Ende ausgebildet, um eine Verbindung mit dem Inneren des inneren Zylinderabschnittes herzustellen. Eine Vielzahl von Brennstoffzylindern sind im Gehäuse des Brennstofftanks angeordnet. Die Öffnungen der Vielzahl von Brennstoffzylindern sind gebündelt, um mit einem Sammler in Verbindung zu stehen. Dieser Sammler ist integriert mit dem Gehäuse verbunden.

Andererseits ist im Gehäuse des Brennstofftanks eine Abgaspassage ausgebildet, die die Abgase des Fahr zeugmotors zu der Außenseite der Vielzahl von Brenn stoffzylindern führt, um diese von außen her zu er wärmen.

Wenn das Wasserstoffgas in den Brennstofftank gemäß der Erfindung gefüllt wird, werden die Brennstoff zylinder durch die Brennstoffversorgungsleitung eva kuiert, die am Sammler angebracht sind, und zwar bevor das Wasserstoffgas in die Brennstoffzylinder eingebracht wird, um die Luft in der Vielzahl von Brennstoffzylindern und dem Sammler ausreichend zu evakuieren.

Dann wird Wasserstoffgas von der Brennstoffversor gungsleitung des Sammlers zugeführt. Das Wasserstoff gas wird von der Brennstoffversorgungsleitung des Sammlers durch den Sammler in die Öffnungen der Viel zahl von Brennstoffzylindern in das Innere der inne ren Zylinderabschnitte gebracht, damit das Wasser stoffgas durch die ultrafeinen Poren des inneren Zylinderabschnittes von der Wasserstoffspeicherle gierung absorbiert werden kann.

Da die Reaktion oder Okklusion von Wasserstoffgas in der Wasserstoffspeicherlegierung exotherm ist, wird Luft oder Wasser aus der Motorabgaspassage des Gehäu ses des Brennstofftanks in das Gehäuse für den Fall der Zuführung des Wasserstoffgases in den Brennstoff tank gebracht, um eine Wasserstoffgasversorgung vor zusehen, während die Vielzahl von Brennstoffzylindern von außen gekühlt werden. Die Brennstoffversorgungs leitung des Sammlers wird dann geschlossen, nachdem eine vorbestimmte Menge von Wasserstoffgas in den Brennstofftank eingefüllt worden ist.

Da die Reaktion bei der Desorption von Wasserstoffgas im Gegensatz zur Absorption des Wasserstoffgases ein endothermer Vorgang ist, wird das Abgas durch die Motorabgasleitung der Außenseite der Vielzahl von Brennstoffzylindern zugeführt. In diesem Fall beträgt der Desorptionsdruck des Wasserstoffgases aus der Wasserstoffspeicherlegierung 10 kg/cm² oder weniger und vorzugsweise 5 bis 3 kg/cm² in Übereinstimmung mit dem Absorptionsdruck des Wasserstoffes bei der Absorption durch die Wasserstoffspeicherlegierung.

Der Grund dafür, daß der Absorptions- und Desorp tionsdruck des Wasserstoffes 10 kg/cm² oder weniger (Erfindung) beträgt, liegt daran, daß ein Druck von 10 kg/cm² oder mehr keine Anwendung finden kann infolge der Bestimmungen des japanischen Hochdruckbe grenzungsgesetzes für Materialien und die Verrohrung des Gehäuses. Außerdem müßten die Brennstoffzylinder des Brennstofftanks so sein, daß sie den hohen Druck aushalten. Es müßten also besondere Materialien ver wendet werden mit dem Ergebnis, daß die Materialien schwer und teuer und für Fahrzeuge gefährlich sind.

Da die Vielzahl von Brennstoffzylindern des Brenn stofftanks der Erfindung durch die Abgase des Motors von außen erwärmt werden, wenn eine Desorption von Wasserstoffgas aus der Wasserstoffspeicherlegierung vorgesehen ist, wird keine besondere Wärmequelle benötigt, um diesen Desorptionsvorgang einzuleiten. Dadurch kann der Brennstofftank besonders kompakt ausgebildet sein. Weiterhin kann die vorliegende Erfindung bei einem herkömmlichen Wasserstoffgasmotor Verwendung finden. Die vorliegende Erfindung ist besonders wirksam für einen Wasserstoff-Wasser-Motor, bei dem atomisiertes Wasser, d. h. zerstäubtes Wasser, mit Wasserstoffgas vermischt ist.

Da mehr insbesondere das Abgas des Motors im Fall von Wasserstoff beträchtlich hohe Temperaturen erreicht (nahezu 1000°C), können die Brennstoffzylinder nicht so wie sie sind erwärmt werden. Das Abgas soll te so dem Brennstofftank zugeführt werden, daß es auf geeignete Weise gekühlt wird. Das Abgas des Wasser stoff-Wasser-Motors hat jedoch eine niedrigere Tem peratur als der reine Wasserstoffmotor, so daß das Wasserstoffgas unverändert dem Brennstofftank zuge führt werden kann, d. h. ohne eine Kühlung, wodurch Größe und Gewicht des Brennstofftanks reduziert wer den.

Da bei einem herkömmlichen Wasserstoffbrennstofftank der Sammler getrennt vom Brennstofftank angeordnet ist, erfährt dieser während des Fahrens des Fahrzeugs Vibrationen, so daß Wasserstoffgas auslecken kann. Da jedoch der Sammler gemäß der Erfindung integriert mit dem Brennstofftank ausgebildet und somit angebracht ist, kann der Sammler nicht vibrieren. Außerdem ist dadurch die Gesamtanordnung kompakt ausgebildet.

Entsprechend der Erfindung befinden sich die Brenn stoffzylinder, welche Wasserstoffgas bei einem Ab sorptions- und Desorptionsdruck von 10 kg/cm² oder weniger in die Wasserstoffspeicherlegierung füllen, in dem Gehäuse des Brennstofftanks. Das Wasserstoff gas kann jeweils bei einem Absorptions- und Desorp tionsdruck von 10 kg/cm² in den Brennstofftank gefüllt bzw. von diesem abgegeben werden, indem die Vielzahl von Brennstoffzylindern von außen gekühlt oder erwärmt werden. Dadurch kann das Wasserstoffgas im wesentlichen auf dieselbe einfache Weise gehand habt werden, wie in einem herkömmlichen Benzinmotor. Da der Brennstofftank der Erfindung weiterhin hin sichtlich Gewicht und Größe reduziert werden kann, eignet sich der erfindungsgemäße Brennstofftank auf ausgezeichnete Weise für den tatsächlichen Einbau in ein Fahrzeug.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Er findung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschrei bung der in den Zeichnungen rein schematisch darge stellten Ausführungsbeispiele. Es zeigt:

Fig. 1 eine Teilvorderansicht einer Ausführungs form eines Brennstofftanks für ein wasserstoffbetrie benes Fahrzeug entsprechend der Erfindung,

Fig. 2 eine Teilseitenansicht des Brennstofftanks,

Fig. 3 eine Schnittansicht eines Beispiels des beim Brennstofftank der Erfindung verwendeten Brennstoff zylinders und

Fig. 4 ein Flußdiagramm mit der Darstellung eines Beispiels für das Absorbieren und Desorbieren des Wasserstoffgases.

Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 1 und 2 befindet sich in einem Brennstofftank 1 eine Vielzahl von Brennstoffzylindern 3, welche in einem Gehäuse 2 angeordnet sind. Die Brennstoffzylinder 3 sind so angeordnet, daß eine Vielzahl von in derselben Ebene angeordneten Öffnungen 4 jeweils mit horizontal ange ordneten Leitungen 5 verbunden sind. Andererseits ist ein Verteiler oder Sammler 6 mit Torform integriert mit dem Gehäuse 2 vor dem Gehäuse 2 befestigt. Die mit den Öffnungen 4 verbundenen Leitungen 5 der Viel zahl von in derselben Ebene angeordneten Brennstoff zylindern 3 sind abwechselnd mit dem linken oder rechten Ständerabschnitt 7 des Sammlers 6 für jede Ebene verbunden.

Eine Abgasleitung 8 zum Zuführen von Motorabgasen ist auf einer Seitenwand des Gehäuses 2 befestigt. Ein nicht dargestellter Ausgang für das Abgas ist an der Seitenwand ausgebildet, die der Seitenwand des Gehäu ses 2 entgegengesetzt liegend angeordnet ist. In Fig. 2 bezeichnet das Bezugszeichen S eine Wasser stoffgasleitung und V ein Ventil. Fig. 3 ist eine vergrößerte Schnittansicht eines Beispiels eines beim Brennstofftank der Erfindung verwendeten Brennstoff zylinders. Der Brennstoffzylinder 3 setzt sich aus einem äußeren Zylinderabschnitt 9 und einem inneren Zylinderabschnitt 10 zusammen. Ein Deckel 11 ist abgedichtet an einem Ende des äußeren Zylinderab schnitts 9 befestigt. Die Öffnung 4 ist am anderen Ende des äußeren Zylinderabschnitts 9 ausgebildet, um eine Verbindung mit dem Inneren des inneren Zylinder abschnitts 10 herzustellen. Eine Wasserstoffspeicher legierung 12, die 2 bis 5 Gew.-% nadel- oder kri stallförmiges Aluminium enthält, ist zwischen dem äußeren Zylinderabschnitt 9 und dem inneren Zylinder abschnitt 10 eingefüllt. Eine Anzahl von ultrafeinen Poren sind am inneren Zylinderabschnitt 10 ausgebil det, um Wasserstoffgas absorbieren und desorbieren zu können.

Die Vielzahl von Brennstoffzylindern 3 im Gehäuse 2 sind notwendigerweise in einem dazwischen befindli chen Spalt angeordnet. Ein Verbinder 13 ist an der Außenfläche des Deckels 11 befestigt, welcher ein Ende jedes Brennstoffzylinders 3 hierfür schließt. Der Verbinder 13 steht in Eingriff mit einer Ausneh mung 15, die an der Wand 14 der Rückseite des Gehäu ses 2 ausgebildet ist. Das andere Ende des Brenn stoffzylinders 3 ist so aufgebaut, daß die Vielzahl von Brennstoffzylindern 3 über die Wand 16 an der Vorderseite des Gehäuses 2 geklemmt wird.

Im Betrieb des Füllens von Wasserstoffgas in den Brennstofftank 1 wird Wasserstoffgas von einer Was serstoffgasleitung 5 zugeführt, während Luft oder Wasser von der Abgasleitung 8 zugeführt werden. Das Wasserstoffgas wird durch den Sammler 6 und die Lei tung 5 in das Innere der inneren zylindrischen Ab schnitte 10 der Vielzahl von Brennstoffzylindern 3 im Gehäuse 2 zugeführt und weiter von der Legierung 12 über die ultrafeinen Poren der inneren Zylinderab schnitte 10 der Brennstoffzylinder 3 absorbiert.

Nachdem das Wasserstoffgas vom Brennstofftank absor biert worden ist, während die Brennstoffzylinder 3 im Brennstofftank auf die zuvor beschriebene Weise ge kühlt worden sind, wird das Ventil V der Wasserstoff gasleitung S geschlossen und die Luft- oder Wasser versorgung aus der Abgasleitung 8 wird beendet.

Beim Desorbieren des Wasserstoffgases aus dem Brenn stofftank 1 wird das Abgas des Motors von der Abgas leitung 8 für das externe Erwärmen der Vielzahl von Brennstoffzylindern 3 zugeführt und das Ventil V der Wasserstoffgasleitung S geöffnet. Dann wird das von der Legierung 12 desorbierte Wasserstoffgas durch die externe Heizung von der Legierung durch die ultrafei nen Poren der Innenzylinderabschnitte 10 der Brenn stoffzylinder 3 in das Innere der inneren Zylinderab schnitte 10 des Brennstofftanks desorbiert und durch die Öffnungen 4 und den Sammler 6 aus der Wasser stoffgasleitung S abgegeben. Insbesondere bei der vorliegenden Erfindung kann die Wärmeübertragungs fähigkeit der Wasserstoffspeicherlegierung 12 erheb lich verbessert werden, da das nadel- oder kristall förmige Aluminium in den Brennstoffzylindern 3 mit der Wasserstoffspeicherlegierung 12 vermischt ist.

Da die Wasserstoffspeicherlegierung, die im Zusammen hang mit der Erfindung verwendet wird, Wasserstoffgas unter Druck von 10 kg/cm² und vorzugsweise 5 bis 3 kg/cm² absorbieren oder desorbieren kann, kann der Brennstofftank unter Niedrigdruck gehandhabt werden, so daß für die Materialien für den Brenn stofftank und die Verrohrung nicht besondere Mate rialien verwendet werden müssen. Daher ist der Brenn stofftank der Erfindung preiswert herzustellen und kann hinsichtlich Gewicht und Größe im Sinne eines kompakten Aufbaus reduziert werden.

Fig. 4 zeigt ein Beispiel eines Flußdiagramms für das Absorbieren und Desorbieren von Wasserstoffgas in dem Brennstofftank der Erfindung. Das Wasserstoffgas wird durch Öffnen des Ventils V₁ und Schließen des Ven tils V₂ durch die Leitung O zugeführt und wird durch den Druckmesser PL dem Brennstofftank 1 zuge leitet.

Nachdem das Wasserstoffgas vollständig eingefüllt worden ist, wird das Wasserstoffgas dem Motor E durch Schließen des Ventils V₁ und Öffnen des Ventils V₂ zugeleitet, um das Wasserstoffgas im Motor zu verbrennen.

Andererseits wird das Abgas des Motors E über das Abgasrohr P ausgestoßen und durch Schließen des Ven tils V₁ und Öffnen des Ventils V₂ dem Brennstoff tank 1 zugeführt, um dadurch die Vielzahl von Brenn stoffzylindern von außen her zu beheizen, damit das Wasserstoffgas vom Brennstofftank desorbiert, d. h. abgegeben werden kann. In diesem Fall stellt ein Temperaturcontroller TIC, welcher am Brennstofftank 1 befestigt ist, die Abgastemperatur fest. Wenn die Abgastemperatur als geeignete Temperatur festgestellt wird, wird das Ventil V₃ geschlossen; das Ven til V₄ wird geöffnet, während, wenn die Abgastem peratur angehoben ist, der Temperaturcontroller das Ventil V₃ öffnet und das Ventil V₄ schließt, um dadurch das Abgas nach außen zu geben. Daher wird gemäß der Erfindung das Abgas nicht dem Brennstoff tank 1 zugeführt, wenn die Abgastemperatur zu hoch ist. Wenn jedoch ein Wasserstoff-Wasser-Motor verwen det wird, ist die Abgastemperatur relativ niedrig, was von besonderem Vorteil ist.

Als Beispiel kann der Brennstofftank der vorliegenden Erfindung mit Wasserstoffgas von neun Wasserstoff flaschen in 65 Brennstoffzylinder eingefüllt werden. Man erhält dadurch eine Leistungsfähigkeit in Über einstimmung mit einem herkömmlichen Brennstoffmotor für eine Fahrtdistanz von nahezu 350 km.

Claims

Verfahren zum Versorgen eines Brennstofftankes und eines Motors mit Brennstoff für ein mit Wasserstoff betriebenes Fahrzeug, durch
- - Versorgen einer Vielzahl von eine Wasserstoffspeicherlegierung enthaltenden Brennstoffzylindern aus einer Brennstoffquelle mit Wasserstoffgas, wobei die Speicherlegierung Wasserstoffgas absorbiert bzw. desorbiert, wobei die Brennstoffzylinder beim Absorbieren von außen gekühlt werden,
- - Unterbrechen der Wasserstoffgaszufuhr zu den Brennstoff zylindern,
- - Versorgen eines Motors mit dem desorbierten Wasserstoffgas und
- - Erwärmen der Brennstoffzylinder beim Desorbieren mit den Motorabgasen, dadurch gekennzeichnet, daß
- - der Motor als Wasserstoff-Wasser-Motor gleichzeitig mit zerstäubtem Wasser und Wasserstoffgas versorgt wird,
- - dem Brennstofftank zum Desorbieren des Wasserstoffgases ein Motorabgas mit relativ geringer Temperatur zugeführt wird, und
- - die Temperatur des Motor-Abgases im Brennstofftank gemessen und davon abhängig die Abgaszufuhr zum Desorbieren des Wasserstoffgases durch eine Ventilsteuerung gesteuert wird.