DE3815607C1 - Method and device for expelling hydrogen from a hydride reservoir - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung befaßt sich mit einem Verfahren und einer Vorrichtung zum Austreiben von Wasserstoff aus einem Hydridspeicher gemäß dem Gattungsbegriff des Hauptanspruches.

Aus dem SAE-Paper 6 90 235 "Metal Hydrides as a Source of Fuel for Vehicular Propulsion" (Figur 3) ist ein Verfahren und eine Vorrichtung bekannt zur Austreibung von Wasserstoff aus einem Hydridspeicher.

Das Prinzip einer reversiblen Wärmespeicherung mit Hilfe eines thermochemischen Prozesses ist auch bekannt aus dem Prospekt der Fa. Kronauer. In einem Behälter mit entsprechenden Anschlüssen für die Zu- bzw. Abfuhr von Wärme ist ein amorphes Silikat (z. B. SiO₂ + Al₂O₃) in Granulatform eingefüllt. Das Granulat kann als Perlen mit einem mittlerewn Durchmesser von 2 bis 5 mm Durchmesser ausgebildet sein und unter Abgabe von feuchter Luft zugeführte Wärme speichern. Durch Umkehrung des Prozesses wird die gespeicherte Wärme wieder freigesetzt. Die Vorteile der thermochemischen Speicherung liegen darin, daß es ein rein physikalischer Vorgang ist, bei dem keine Schadstoffe oder toxische Gase freigesetzt werden. Eine thermische Isolierung des Behälters ist nicht erforderlich und auch bei einer Langzeitspeicherung entstehen keine Wärmeverluste. Die Zu- und Abfuhr der Wärme ist problemlos und jede Art von Abwärmequelle kann zum Beladen genutzt werden.

Weiterhin ist bekannt, für die Speicherung von Wasserstoff von mit Wasserstoff betriebenen Kraftfahrzeugen Hydridspeicher in den verschiedensten Ausführungen zu verwenden (DE 27 15 990). Um den Wasserstoff aus einem Hochtemperatur-Hydridspeicher freisetzen zu können, sind Temperaturen von <80 Grad Celsius erforderlich. Um ein Kraftfahrzeug, das mit einem solchen Speicher ausgerüstet ist, starten zu können, ist entweder ein zusätzlicher Benzintank erforderlich, um das Kraftfahrzeug im sogenannten Mischbetrieb betreiben zu können oder ein weiterer Hydridspeicher, der auch bei niederen Temperaturen Wasserstoff abgeben kann. Ein Nachteil dieses Vorschlages ist der Platzbedarf für den zusätzlichen Benzintank und die dabei entstehenden giftigen Abgase bzw. das hohe Gewicht und der Platzbedarf des zusätzlichen Niedertemperatur-Hydridspeichers für nur mit Wasserstoff betriebene Kraftfahrzeuge.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren und eine platzsparende Vorrichtung zum Austreiben von Wasserstoff aus einem Hydridspeicher für mit Wasserstoff betriebene Kraftfahrzeuge zu schaffen, um durch Gewichtseinsparung im Antriebsbereich eine höhere Zuladung und eine größere Reichweite zu erreichen.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen erfaßt.

Die für das Austreiben des Wasserstoffes erforderliche Wärme wird einem an sich bekannten thermochemischen Speicher, der zuvor aufgeladen worden ist, entnommen, indem dem thermochemischen Speicher niedertemperierte feuchte Luft zugeführt wird. Die für das Aufladen des thermochemischen Speichers erforderliche Wärme wird dem Kraftfahrzeug entzogen. Der Vorteil dieses Verfahrens liegt darin, daß das reversible Be- und Entladen des thermochemischen Speichers ein rein physikalischer Vorgang ist und eine thermische Isolierung des Behälters nicht erforderlich ist. Bei Nutzung eines solchen Speichers in einem mit Wasserstoff angetriebenen Kraftfahrzeug bedeutet dies Gewichtseinsparung gegenüber dem ansonsten erforderlichen Niedertemperatur-Hydridspeicher. Zusätzlich wird auch weniger Bauraum für den thermochemischen Speicher beansprucht. Da die Zuladung des Kraftfahrzeuges durch die Installation des Hochtemperatur-Hydridspeichers eingeschränkt ist, bedeutet jedes Kilogramm Gewichtseinsparung eine bessere Beschleunigung, eine größere Reichweite sowie eine größere Zuladung. Das vorgeschlagene Verfahren ist einfach und erfordert keine besonderen Meß- und Regelgeräte und ist im Hinblick auf Umweltverträglichkeit bestens geeignet.

Die zum Entladen erforderliche feuchte Luft wird in einfacher Weise als Umgebungsluft zugeführt. Im Falle einer Zuführung von sehr trockener oder einen sehr niedrigen Feuchtegehalt aufweisenden Umgebungsluft wird diese vor Eintritt in den thermochemischen Speicher, soweit erforderlich, befeuchtet. Die zum Aufladen erforderliche Wärme wird der während des Fahrbetriebes erzeugten Abwärme entnommen. Als Abwärme kann die Wärme des aufgeheizten Kühlwassers oder die des Abgasstromes genutzt werden.

Vorgeschlagen wird auch eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens. Dazu ist der thermochemische Speicher und der Hydridspeicher über eine Leitung miteinander verbunden, über die die für das Austreiben des Wasserstoffes erforderliche Wärmemenge dem Hydridspeicher zugeführt werden kann. Am anderen Ende weist der thermochemische Speicher ebenfalls einen Anschluß auf, der für die Zufuhr und Abfuhr der niedertemperierten feuchten Luft erforderlich ist. Im einfachsten Falle wird mittels eines kleinen, von der Batterie des Kraftfahrzeuges angetriebenen Ventilators Umgebungsluft angesaugt und in den thermochemischen Speicher hineingedrückt. Die im thermochemischen Speicher entstehende höhertemperierte trockene Luft wird über die bereits beschriebene Leitung dem Hydridspeicher zugeführt und aktiviert während des Vorbeiströmens entlang des Hydridspeichers die Austreibung des Wasserstoffes. Sobald das Kraftfahrzeug gestartet ist und ausreichend Abwärme in Form des aufgeheizten Kühlwassers oder des Abgasstromes zur Verfügung steht, kann der Ventilator abgeschaltet und die Entladung des thermochemischen Speichers gestoppt werden. Um den thermochemischen Speicher wieder aufzuladen, zweigt von der Verbindungsleitung zum Hydridspeicher eine Leitung ab, die sich zu den die Abwärme führenden Teile des Kraftfahrzeuges erstreckt. Im Abzweigungspunkt ist für die Umsteuerung ein Schalter angeordnet. Die der Abwärmekapazität entnommene Wärmemenge strömt über diese Leitung zum Schalter und wird aufgespalten in einen Strom zum Beladen des thermochemischen Speichers und in einen zweiten Strom zum Austreiben des Wasserstoffes. Sobald der thermochemische Speicher nach ca. 15 Minuten wieder aufgeladen ist, wird der volle Wärmestrom dem Hydridspeicher zugeführt. Alternativ ist es auch möglich, den Abwärmestrom sofort voll für das Austreiben des Wasserstoffes zu nutzen und die nach Abstellen des Motors noch gespeicherte Wärme im Kühlwasser für die Beladung des thermochemischen Speichers zu nutzen.

Die während des Startvorganges aus dem Hydridspeicher entweichende abgekühlte Luft kann je nach Temperaturniveau noch zum Aufwärmen des kalten Motors oder für die Beheizung des Fahrgastraumes genutzt werden. Falls keine weitere Nutzung erforderlich ist, kann diese Luft problemlos ins Freie entweichen.

In einer zweiten besonders vorteilhaften Ausführungsform bildet der thermochemische Speicher den Hydridspeicher umfassend mit diesem eine Kompakteinheit. Diese Ausführungsform, die ansonsten in ihrer Funktionsweise gleich ist wie mit der zuvor beschriebenen, ist besonders raum- und gewichtssparend.

In der Zeichnung ist die erfindungsgemäße Vorrichtung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine Prinzipskizze der Anordnung des thermochemischen Speichers zum Hydridspeicher.

Fig. 2 ein zweites Ausführungsbeispiel.

Der in Fig. 1 skizzenhaft dargestellte an sich bekannte thermochemische Speicher 1 weist an den beiden Enden jeweils einen Anschluß 2, 3 auf. Der die höhertemperierte trockne Luft führende Anschluß 3 ist über eine Leitung 4 mit dem ebenfalls nur skizziert dargestellten Hydridspeicher 5 verbunden. Diesen bekannten Hydridspeicher 5 kann man mit Wasserstoff beladen und durch Zufuhr von Wärme wieder austreiben. Der ausgetriebene Wasserstoff wird hier durch einen Pfeil 6 gekennzeichnet. Das Ventil 7 soll die Regelung für die Entnahmemenge des Wasserstoffes symbolisieren. Nach Durchströmen der höhertemperierten trockenen Luft entlang des Hydridspeichers 5, der von einem Gehäuse 8 umgeben ist, tritt die abgekühlte Luft aus dem Gehäuse 8 - hier dargestellt durch den Pfeil 9 - aus und kann je nach Temperaturniveau anderen Verbrauchsstellen, z. B. kalter Motor, kalter Fahrgastraum zugeführt werden oder ins Freie entweichen. Für das Entladen des thermochemischen Speichers 1 muß feuchte Luft - hier dargestellt durch den Pfeil 10 - dem Speicher zugeführt werden. Während des Fahrbetriebes kann die anfallende Abwärme (z. B. Kühlwasser oder Abgasstrom) genutzt werden, um den thermochemischen Speicher 1 wieder aufzuladen. Dazu ist in der Verbindungsleitung 4 ein Abzweig 11 vorgesehen, der sich bis zu den die Abwärme führenden Teilen des Kraftfahrzeuges erstreckt. Die von diesen Teilen zugeführte höhertemperierte trockene Luft ist hier durch den Pfeil 12 angedeutet.

Ein im Abzweigungspunkt angeordneter Umschalter 13 ermöglicht die erforderliche Umsteuerung. Über diesen Weg kann auch die für das Austreiben des Wasserstoffes erforderliche Wärmemenge während des Fahrbetriebes zugeführt werden, wovon ein Teil für die Beladung des thermochemischen Speichers 1 abgezweigt wird. Die beim Beladen des thermochemischen Speichers 1 austretende feuchte Luft wird hier durch den Pfeil 14 symbolisiert.

In Fig. 2 ist ein zweites Ausführungsbeispiel erläutert. In diesem Fall bildet der thermochemische Speicher 1 den Hydridspeicher 5 umfassend zusammen mit diesem eine Kompakteinheit. An den Enden ist jeweils eine die niedertemperierte feuchte Luft zu 10 - bzw. abführender 14 Anschluß 2 und eine die höhertemperierte trockene Luft zu 12 - bzw. abführender 9 Anschluß 3 angeordnet. Die Wirkungsweise ist gleich wie in Fig. 1, nur daß durch diese Anordnung erheblich an Raum eingespart wird.

Claims (5)

1. Verfahren zum Austreiben von Wasserstoff aus einem Hydridspeicher mittels Wärmezufuhr für ein im Wasserstoff betriebenes Kraftfahrzeug mit Hydridspeicher, dadurch gekennzeichnet, daß die für das Austreiben erforderliche Wärmemenge von einem im Kraftfahrzeug angeordneten, zuvor aufgeladenen an sich bekannten thermochemischen Speicher mittels Zuführung von niedertemperierter feuchter Luft entnommen und die für das Aufladen des thermochemischen Speichers erforderliche Wärmemenge dem Kraftfahrzeug entzogen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß trockene oder einen sehr niedrigen Feuchtgehalt aufweisende Umgebungsluft während der Zuführung zum thermochemischen Speicher befeuchtet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zum Aufladen des thermochemischen Speichers Wärme in Form von während des Fahrbetriebes des Kraftfahrzeuges erzeugter bzw. nach Abstellen des Motors noch vorhandener Abwärme entnommen wird.

8. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der thermochemische Speicher (1) einen die niedertemperierte feuchte Luft und einen die höhertemperierte trockene Luft zu- bzw. abführenden Anschluß (2, 3) aufweist und der die höhertemperierte trockene Luft führende Anschluß (3) über eine Leitung (4) mit dem Hydridspeicher (5) verbunden ist und von dieser Verbindungsleitung (4) eine Leitung (11) abzweigt, die sich bis zu den Abwärme erzeugenden bzw. die Wärme speichernden Teilen des Kraftfahrzeuges erstreckt und am Verzweigungspunkt ein Umschalter (13) angeordnet ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der thermochemische Speicher (1) den Hydridspeicher (5) umfassend mit diesem eine Kompakteinheit bildet und der die trockene höhertemperierte Luft führende Anschluß (3) des thermochemischen Speichers (1) zumindest mit einer Leitung verbunden ist, die sich bis zu den Abwärme erzeugenden bzw. Wärme speichernden Teilen des Kraftfahrzeuges erstreckt.