SE521992C2 - Anordning för lagring av bränsle - Google Patents

Description

521 992 Vid hantering av väte som bränsle i samband med motorfordon föreligger vissa problem, främst beträffande svårigheten att åstadkomma praktiskt fungerande Iagringssystem ombord på fordon. Enligt känd teknik utnyttjas i fordon olika typer av behållare för väte, vilket då förvaras antingen i gasforrn, i flytande form, bundet i metallhydrider eller absorberat i kol.

Vid lagring av väte i gasforrn krävs enligt känd teknik ett mycket högt lagringstryck, närmare bestämt ett tryck som är av storleksordningen 300 bar.

Detta medför en förhållandevis hög vikt och volym hos de lagringstankar som utnyttjas. Dessutom utgör ett sådant system en säkerhetsrisk i samband med exempelvis personbilar.

Vid lagring av väte i flytande form krävs att en mycket låg temperatur upprätthålls vid lagringen. Detta kräver kostsamma kylsystem, vilket är en nackdel. En fördel med lagring av väte i flytande form är dock att det aktuella fordonet får en relativt stor körräckvidd.

Vid lagring av väte i ett metallhydridsystem, varvid vätemolekylema är bundna i en metallhydridstruktur och frigörs vid uppvärmning, krävs också lagrings- system som är relativt tunga. Dessutom krävs anordningar för uppvärmning av nämnda metallhydridstruktur för att väte på så vis skall kunna avges.

Vid lagring av väte absorberat i kol krävs en mycket låg lagringstemperatur för att vätet skall kunna bindas vid kol. Enligt vad som nämnts ovan är detta är en nackdel.

Vidare kan konstateras att förut kända system som baseras på vätedrivna bränsleceller medför svårigheter i samband med rördragningar, anslutningar till och distribution inom bränslecellema, vilka svårigheter är svåra att lösa ur läckage-, flödes-, krock- och säkerhetssynpunkt. Dessutom har tidigare kända 521 992 vätgasbehàllare varit utrymmeskrävande, dyra, temperaturkänsliga eller tunga och svåra att placera i det aktuella fordonet. l patentdokumentet US 5653951 beskrivs ett system för lagring av vätgas i så kallade nanostrukturer, d.v.s. mikrostrukturer som är uppbyggda som en matris av grafitlameller med dimensioner som är avpassade för upptagning av vätemolekyler. Sådana nanostrukturer kan utnyttjas för lagring av en stor mängd vätgas per volymsenhet jämfört med tidigare kända lagringssystem.

Detta innebär att ett bränslecelldrivet fordon med en vätgastank som har en volym på exempelvis 40 liter och som innefattar nanostrukturer får en körsträcka på drygt 12800 km.

Vidare är det genom dokumentet DE 19708404 förut känt ett fordonschassi med ett speciellt bränslelagringsutrymme som är inrättat i det nedre partiet av chassit. Nännare bestämt utgörs detta bränslelagringsutrymmet av ett definierat utrymme i anslutning till fordonets golv. I bränslelagringsutrymmet kan ett flertal olika typer av energibärare arrangeras och utnyttjas, varvid energibärama då monteras från sidan av fordonet. l DE-dokumentet nämns vätgasbehàllare som ett tänkbart energilagringssätt. Arrangemanget enligt DE- dokumentet är inrättat som ett Växelsystem, d.v.s. ett bränslelagringssystem som är utformat så att dess olika bränslebehållare lätt kan nås och helt enkelt bytas ut, i stället för att fyllas på med jämna mellanrum.

Mot bakgrund av ovanstående kan konstateras att det flnns behov av lagringssystem för väte som är mer kostnadseffektiva, utrymmessnåla, säkra, lätta, enkla att hantera och mer kompakta än tidigare kända lagringssystem.

REooeöRELsE FÖR UPPFINruNG-EN Ändamålet med föreliggande uppfinning är att tillhandahålla en förbättrad anordning för lagring av motorbränsle, i synnerhet väte, i farkoster, varvid de ovannämnda problemen kan lösas på ett effektivt sätt. Detta uppnås medelst en anordning, vars särdrag framgår av efterföljande patentkrav 1. 521 992 4 Uppfinningen utgör en anordning för lagring av bränsle i en motordriven farkost innefattande åtminstone ett slutet konstruktionselement som ingår som en integrerad del av farkostens kaross- eller chassistruktur och som är inrättat som en lagringsenhet för nämnda bränsle. Uppfinningen kännetecknas av att nämnda konstruktionselement är utformat så att dess inre uppbär en nanostruktur för lagring av nämnda bränsle, samt att bränslet utgörs av vätgas adsorberat i nämnda nanostruktur Genom uppfinningen uppnås ett flertal fördelar. Främst kan noteras att uppfinningen medger en säker och effektiv lagring av vätgas i en farkost. Enligt en föredragen utföringsfonn utformas dessutom befintliga strukturer i farkosten med en nanostruktur, t.ex. nanofibrer av kol, som ger möjlighet att lagra vätgas med en mycket hög packningseffektivitet. Detta medger i sin tur en stor körräckvidd hos farkosten.

Företrädesvis utnyttjas enligt uppfinningen en sådan nanostruktur integrerad i ett till farkosten hörande chassistruktur eller i något annat exteriört eller interiört konstruktionselement, t.ex. paneler, dörrar, luckor eller en golvstruktur hos farkosten.

Vidare medger uppfinningen lagring av vätgas på ett mer säkert och utrymmes- snålt sätt än kända system. Genom att uppfinningen utnyttjar befintliga strukturer i en farkost fås dessutom ingen förhöjd vikt som annars skulle följa om en separat tank användes för bränslet.

Enligt en föredragen utföringsforrn utnyttjas ett spärrskikt av metallhydrid i det ovannämnda konstruktionselementet. Pä så vis tillhandahållas en helt tät förvaring av det aktuella bränslet.

Fördelaktiga utföringsforrner av uppfinningen framgår av de efterföljande beroende patentkraven. varna 521 992 FIGURBESKRIVNING Uppfinningen kommeri det följande att förklaras närmare med hänvisning till ett föredraget utföringsexempel och de bifogade figurema, där: figur1 principiellt visar ett arrangemang i enlighet med den föreliggande uppfinningen, enligt en första utföringsform, figur2 visar en detaljförstoring av ett avsnitt av en balkstruktur som utnyttjas i enlighet med uppfinningen, figur3 principiellt visar ett arrangemang i enlighet med uppfinningen, enligt en andra utföringsform, och figur4 visar en detaljförstoring av ett avsnitt av en golvpanelstruktur som utnyttjas i enlighet med uppfinningen.

FÖREDRAGENA UTFÖRINGSFORMER I figur 1 visas i schematisk form ett arrangemang enligt den föreliggande uppfinningen. Enligt en föredragen utföringsform är uppfinningen anordnad i anslutning till en farkost i form av ett motorfordon 1, närmare bestämt en personbil. Uppfinningen är dock inte begränsad till denna typ av farkost, utan kan i princip utnyttjas vid alla typer av motordrivna farkoster, exempelvis lastfordon, bussar, flygplan, båtar och raketer.

Fordonet 1 är på konventionellt sätt uppbyggt med en yttre kaross 2 och en chassistruktur 3 som tillsammans är utformade för att ge fordonet 1 dess önskade stabilitet, styvhet och energiupptagningsförmåga. Chassistrukturen 3 är i sin tur uppbyggd av ett antal slutna, d.v.s. ihåliga, konstruktionselement i form av balkar, vilka tillsammans bildar ett balksystem med två längsgående sidobalkar 4, 5 som förbinds med hjälp av tvà tvärgáende balkar 6, 7. annan 521 992 ' 6 Figuren är starkt förenklad och visar inte samtliga de chassi- och karosskomponenter som ingår i fordonet 1. Olika arrangemang med chassistrukturer i form av balksystem för farkoster är för övrigt kända i sig, och beskrivs inte i detalj här. Förutom chassistrukturen 3 innefattar fordonet 1 dessutom på känt sätt ett antal ytterligare konstruktionselement, t.ex. dörr-, golv- och takpaneler samt luckor till motorhuv och bagagelucka. Sådana konstruktionselement visas dock ej i figur 1. Vidare innefattar fordonet 1 ytterligare (ej visade) traditionella fordonskomponenter såsom motor, hjulupphängning, motorstyrsystem etc.

Balkama 4, 5, 6, 7 enligt figur 1 kan utformas pà olika sätt. Företrädesvis tillverkas de genom s.k. hydroformning av aluminium. Hydroformning år en i sig känd metod där vattentryck utnyttjas vid formning av respektive balk.

Aluminium är lämpligt att utnyttja eftersom det är ett material med goda egenskaper vad beträffar vikt, styvhet och deformation. Altemativt kan magnesium användas för detta ändamål. Uppfinningen är dock inte begränsad till dessa två material eller till att utformas genom hydroformning, utan balkarna 4, 5, 6, 7 kan utformas av andra material och med andra tillverkningsmetoder.

Exempelvis kan balkama 4, 5, 6, 7 tillverkas av stål eller fiberarmerad plast.

Det är en grundläggande princip bakom uppfinningen att balkarna 4, 5., 6, 7 utformas slutna, och att det slutna utrymmet som därvid bildas inuti respektive balk 4, 5, 6, 7 utnyttjas som lagringsutrymme för ett bränsle till fordonets 1 motor. l detta sammanhang utgörs motorbränslet företrädesvis av gasformigt väte, som då utnyttjas som bränsle i en drivanordning för fordonet 1 som lämpligen baseras på i sig förut kända vätgasdrivna bränsleceller. Således kan sägas att balkama 4, 5, 6, 7 enligt uppfinningen utgör ett kombinerat balksystem och bränslelagringsenhet.

I figur 2 visas en något förstorad detaljvy av ett avsnitt av en sidobalk 4, enligt vad som markeras med en streckad cirkel med hänvisningsbeteckningen A i figur 1. l princip är samtliga balkar 4, 5, 6, 7 utformade på motsvarande sätt. |||o| 521 992 Enligt vad som framgår av figur 2 är balken 4 utformad med ett huvudsakligen rektangulärt tvärsnitt med något rundade hörn. Uppfinningen är dock inte begränsad till denna utformning, utan balken 4 kan i princip utformas på annat sätt, tex. med ett cirkulärt tvärsnitt.

För effektiv lagring av det aktuella bränslet är ba|ken 4 företrädesvis utformad med en inre struktur 8 i form av en nanostruktur, företrädesvis i form av nanofibrer av graflt. Sådana nanostrukturer för lagring av väte är i sig förut kända genom det amerikanska patentet US 5653951. Nanostrukturen medger kemisorption (kemisk adsorption) av vätgasmolekyler, d.v.s. den är utformad med en speciell kristallstruktur med Iamelliknande utrymmen som är så dimensionerade i förhållande till vätemolekylens storlek att nämnda kemisorption medges. På så vis fås en stark kemisk bindning mellan de vätemolekyler som adsorberas och den yta i nanostrukturen vid vilka de adsorberas. Vätemolekylerna kan dessutom genom nanostrukturens uppbyggnad packas mycket tätt.

Enligt vad som framgår av figur 2 är nanostrukturen 8 företrädesvis anordnad så att den fyller ut huvudsakligen hela det ihåliga utrymmet som bildas inuti den slutna balken 4.

Enligt vad som vidare framgår av figur 2 omges nanostrukturen 8 av ett ytterligare skikt i form av ett spärrskikt 9, vilket är avsett att förhindra läckage av vätgas ut ur balken 4, d.v.s. genom dess mantelyta. Härvid kan konstateras att det flnns önskemål att tillse att den bränslelagringsenhet som bildas av balkarna 4, 5, 6, 7 är helt tät. Spärrskiktet 9 utgörs företrädesvis av en lämplig metallhydridförening med vars hjälp den nödvändiga tätande funktionen kan erhållas. Spärrskiktet 9 omges i sin tur av balkens 4 omgivande hölje 10.

Ett flertal olika metallhydridföreningar kan utnyttjas för framställning av spärrskiktet 9. På så vis kommer bundet väte i spärrskiktet 9 att förhindra fria vätemolekyler från att tränga ut genom balkens 4 yttervägg.

.Jana 521 992 Väte kan lagras i chassistrukturen 3 under olika temperaturer och tryck.

Företrädesvis utnyttjas en lagringstemperatur som är av storleksordningen rumstemperatur, samt ett lagringstryck som vid ett fortvarighetstillstånd företrädesvis är av storleksordningen c:a 40 bar. Av detta följer att exempelvis balkar och anslutningar till fordonets 1 drivsystem, d.v.s. bränsleförbrukaren, måste konstrueras och dimensioneras med tanke på denna trycknivå.

Den princip som beskrivits ovan, varvid en bränslelagringsenhet bildas av befintliga balkar 4, 5, 6, 7 i en chassistruktur 3, kan även utnyttjas för lagring av andra gasformiga bränslen, t.ex. naturgas. I princip kan uppfinningen utnyttjas för lagring av alla typer av gasformiga eller flytande bränslen som är avsedda för motordrivna farkoster. Lämpligen utnyttjas dock gasformiga bränslen med en molekylstorlek som är anpassad till den aktuella nanostrukturens dimensioner, d.v.s. som medger en optimal lagringseffektivitet i nanostrukturen.

Grundprincipen bakom uppfinningen kan även utnyttjas på så vis att andra farkostkomponenter än balkar ingående i en chassistruktur utnyttjas för sådan bränslelagring. Exempelvis kan exteriöra och interiöra panelstrukturer såsom tak- och golvpaneler, luckor till motor- och bagageutrymme, sidopaneler och andra karosstrukturer utnyttjas för detta ändamål, förutsatt att de utformas så att de blir slutna, d.v.s. med ett inre, ihåligt lagringsutrymme. I figur 3 visas en utföringsforrn med ett fordon 1' som är uppbyggd på i princip samma sätt som det fordon som visas i figur 1, d.v.s. med en yttre kaross 2' och en chassistruktur 3' som i sin tur är uppbyggd av ett antal slutna konstruktionselement, närmare bestämt innefattande två längsgående sidobalkar 4', 5'. Mellan dessa sidobalkar 4', 5' (vilka kan vara förbundna med hjälp av ej visade, tvärgående balkar eller liknande strukturer) finns dessutom en struktur i form av en golvpanel 11 anordnad. l figur 4 visas en något förstorad detaljvy av ett avsnitt av golvpanelen 11, vilket avsnitt anges med en streckad cirkel med hänvisningsbeteckningen B i ions» 521 992 figur 3. Enligt vad som framgår av figur 4 är golvpanelen 11 i sin tur uppbyggd på i princip motsvarande sätt som de balkar som beskrivits med hänvisning till figur 1 och 2, d.v.s. golvpanelen 11 är utformad som en sluten struktur med ett inre utrymme i vilket en nanostruktur 8' finns anordnad. I enlighet med vad som beskrivits ovan utnyttjas detta inre utrymme som lagringsutrymme för ett bränsle som är avsett för fordonets 1 motor.

Analogt med vad som beskrivits med hänvisning till figur 1 och 2 är golvpanelen 11 enligt figur 4 vidare försedd med ett spärrskikt 9' som är anordnat mellan nanostrukturen 8' och ett omgivande hölje 10' hos golvpanelen 1 1 .

Genom att utnyttja exempelvis fordonets 1 balkstruktur eller en golvpanel som ett ytterhölje för en bränslelagringsenhet kan mycket stora vätgasmängder lagras, d.v.s. utan att någon särskild separat vätetank behöver inrättas i fordonet 1. Detta ger givetvis en mycket volymsnâl lagring av väte. Vid utnyttjande av uppfinningen vid en normal personbil föreligger normalt en sammanlagd volym hos de balkelement som kan utnyttjas för lagring av väte som är av storleksordningen 50-70 liter. Vid en struktur där såväl en nanostruktur 8 som nämnda tätande skikt 9 utnyttjas fås då en mycket stor körräckvidd för fordonet, åtminstone 20000 km. l sådana fall kan en påfyllning av vätgaslagret lämpligen ske vid en ordinarie service av fordonet, vilket normalt sker med ett intervall om 15000 eller 20000 km. l det fall att uppfinningen utnyttjas för bränslelagring i ett fordon av typen personbil kan noteras att det i princip finns en så stor tillgänglig volym i en normal fordonsstruktur - förutsatt att såväl chassistrukturen som tillgängliga paneler, dörrar, golv etc. utnyttjas - att fordonet aldrig skulle behöva någon påfyllning av vätgas under hela sin livslängd.

Uppfinningen är inte begränsad till den ovan beskrivna utföringsformen, utan kan varieras inom ramen för de efterföljande patentkraven. Exempelvis är |>iøo 521 992 uppfinningen inte begränsad till att användas för lagring av vätgas, utan andra gasformiga bränslen som exempelvis naturgas kan också användas.

Uppfinningen kan utnyttjas vid olika typer av farkoster, exempelvis bilar, båtar, flygplan och rymdfarkoster.

Vidare kan i princip den ovan beskrivna nanostrukturen uteslutas. Dock medges då inte den mycket höga lagringseffektiviteten som beskrivits ovan.

Dessutom kan i princip även det ovannämnda spärrskiktet uteslutas, vilket kan vara aktuellt i de fall där en fullgod tätning ändå kan erhållas i bränslelagringsenheten. l det fall väte utnyttjas som bränsle utnyttjas dock företrädesvis spärrskiktet, för att inte riskera diffusion av väte genom ytterhöljet hos den aktuella strukturen.

Claims (7)

10 15 20 25 30 u a | u ao 521 992 11 PATENTKRAV

1. Anordning för lagring av bränsle i en motordriven farkost (1; 1') innefattande åtminstone ett slutet konstruktionselement (4, 5, 6, 7; 11) som ingår som en integrerad del av farkostens (1; 1') kaross- eller chassistruktur (3; 3') och som är inrättat som en lagringsenhet för nämnda bränsle, k ä n n e t e c k n at d ä r a v , att nämnda konstruktionselement (4, 5, 6, 7; 11) är utformat så att dess inre uppbär en nanostruktur för lagring av nämnda bränsle, samt att bränslet utgörs av vätgas adsorberat i nämnda nanostruktur.

2. Anordning enligt patentkrav 1, k ä n n e t e c k n a d d ä r a v , att nämnda konstruktionselement (4, 5, 6, 7) utgörs av ett balkelement (4, 5, 6, 7) ingående i en chassistruktur (3) i farkosten (1).

3. Anordning enligt patentkrav 1 eller 2, k ä n n e t e c k n a d d ä r a v , att nämnda konstruktionselement utgörs av en panel, dörr, lucka eller en golvstruktur (11) hos nämnda farkost (1 ').

4. Anordning enligt något av föregående patentkrav, k ä n n e t e c k n a d d ä r a v , att nämnda konstruktionselement (4, 5, 6, 7; 11) innanför sin mantelyta uppbär ett spärrskikt (9; 9') inrättat att förhindra läckage av bränsle genom höljet till nämnda konstruktionselement (4, 5, 6, 7; 11).

5. Anordning enligt patentkrav 4, k ä n n e t e c k n a d d ä r a v , att nämnda spärrskikt (9; 9') utgörs av en metallhydridförening.

6. Anordning enligt något av föregående patentkrav, k ä n n e t e c k - n a d d ä r a v , att nämnda bränsle förvaras i nämnda lagringsenhet vid en lagringstemperatur som är av storleksordningen rumstemperatur samt vid ett lagringstryck som företrädesvis är av storleksordningen c:a 40 bar. 521 992 ' ' ' ' ' ' O I I I o o o us 12

7. Farkost (1; 1') innefattande anordning för lagring av bränsle i enlighet med något av föregående patentkrav.