DE3943581C2

DE3943581C2 -

Info

Publication number: DE3943581C2
Application number: DE3943581A
Authority: DE
Inventors: Takashi Okazaki Aichi Jp Iwaki; Kazunori Ohbu Aichi Jp Itou; Hiroshi Toyota Aichi Jp Matsumoto; Kunitoshi Fukuoka Jp Watanabe; Hiroyuki Kitakyushu Fukuoka Jp Suzuki; Juzo Aichi Jp Shibata; Nobuyuki Hoya Tokio/Tokyo Jp Uematsu; Mamoru Chiba Jp Takeda
Original assignee: Nippon Steel Corp; Toyoda Jidoshokki Seisakusho KK
Current assignee: Toyota Industries Corp; Nippon Steel Corp
Priority date: 1988-07-26
Filing date: 1989-07-26
Publication date: 1993-01-28
Anticipated expiration: 2009-07-27
Also published as: DE3924776A1; DE3924776C2; US5067447A; US5088452A; US5082048A; US5092281A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Wasserstoff tank gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Ein derartiger Wasserstoff-Tank ist aus der DE-OS 35 42 185 bekannt.

Dort wird eine Wasserstoff-Einschlußlegierung durch Form pressen hergestellt und mit Durchbohrungen versehen, in die dann Wärmetauschrohre eingesetzt werden. Die Zuführung des Wärmetauschmittels erfolgt bei diesem Wärmetauscher von der Unterseite her; die Abführung erfolgt nach oben. Die Her stellung dieses Tanks bzw. Wärmetauschers ist kompliziert und teuer. Zudem werden bei Ausdehnungserscheinungen der Wasserstoff-Einschlußlegierung die Rohre unter Druck ge setzt. Diese wechselnde Belastung der Rohre führt zu einer Verkürzung der Lebensdauer des Wärmetauschers bzw. Tanks.

Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, einen Tank gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs 1 zu schaffen, der einfach herstellbar ist und eine lange Lebensdauer aufweist.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 gelöst.

Erfindungsgemäß wird der Tank, der die Wasserstoff-Ein schlußlegierung aufnimmt, mit einem feinkörnigen, pulverför migen Metallhydrid gefüllt, und zwar so hoch, daß die zum Wärmetausch herangezogenen Rohre im wesentlichen bedeckt sind, jedoch im oberen Teil des Tanks ein Freiraum ver bleibt. Das Wärmetauschmedium wird im Betrieb von oben her zur Unterseite durch den Wärmetauscher geleitet.

Auf diese Weise ist es möglich, daß die Volumenexpansion des Metallhydrids an der Oberseite beginnt, sich in den Freiraum hin ausdehnen kann und allmählich zur Unterseite hin erstreckt. Die im Metallhydrid eingebetteten Rohre wer den auf diese Art und Weise vor übermäßiger Druckbelastung geschützt.

Zudem ist die Herstellung des Tanks relativ einfach, da sich das pulverförmige Metallhydrid leicht in die Zwischen räume zwischen den Rohren einfüllen läßt.

Die Merkmale der Erfindung werden aus der folgenden, auf die Zeichnungen Bezug nehmenden Be schreibung von bevorzugten Ausführungsformen deutlich. Es zeigen:

Fig. 1 einen Längsschnitt eines Behälters zur Aufnahme einer Wasserstoff-Einschlußlegierung;

Fig. 2 den Schnitt nach der Linie IX-IX in der Fig. 1;

Fig. 3 eine abgebrochene Darstellung einer in der obersten Etage von Fig. 2; angeordneten Rohrgruppe;

Im folgenden wird ein Behälter (MH-Tank), der eine Wasserstoff-Einschlußlegierung aufnimmt, erläutert.

Nach den Fig. 1 und 2 weist ein MH-Tank 41 einen zylindri schen Tank-Hauptkörper 42 auf, der im voraus mit feinkörni gem Metallhydrid M gefüllt wurde, welches Wasserstoffgas in umkehrbaren Reaktionen, die mit Wärmetauschvorgängen verbunden sind, freigibt und/oder einschließt. Im Hauptkör per 42 sind Rohre 43 vorgesehen, die ein Zwischenkühlmittel führen und das Innere des Hauptkörpers 42 durchlaufen sowie zum (nicht dargestellten) Wasserstoffmotor zurückkehren, um das Metallhydrid M zu erwärmen oder zu kühlen. Die Rohre 43 tragen zur Wärmetauschreaktion bei, indem in diesen Was ser mit niedriger Temperatur als Zwischenkühlmittel umge wälzt wird, wenn das Metallhydrid M das Wasserstoffgas ein schließt. Gibt das Metallhydrid M das Wasserstoffgas frei, so tragen die Rohre auch zur Wärmetauschreaktion bei, indem in diesen Wasser mit hoher Temperatur, beispielsweise das nach einer Kühlung des Wasserstoffmotors hoch erhitzte Kühl wasser, als ein Zwischenheizmittel umgewälzt wird. Das frei gegebene Wasserstoffgas wird dem Wasserstoffmotor über eine (nicht dargestellte) Wasserstoffgasleitung zugeführt.

Bei der in Rede stehenden Ausführungsform sind die Rohre 43 im Hauptkörper 42 in mehreren Reihen parallel zueinan der, wobei sie sich in der Längsrichtung des Hauptkörpers 42 erstrecken, und in mehreren vertikalen Etagen übereinan der angeordnet.

Wie die Fig. 2 zeigt, sind aus mehreren Reihen von Rohren 43 gebildete Rohrgruppen 44A-44G im Tank-Hauptkörper 42 von dessen oberem zu dessen unterem Teil hin in mehreren Etagen angeordnet. Gemäß Fig. 3 sind in jeder Rohrgruppe 44A-44G die Rohre miteinander in der Draufsicht in einer Schlangenlinien- oder Zickzack-Ausbildung verbunden. Ferner wird gemäß Fig. 1 ein Ende einer jeden Rohrgruppe in jeder Etage in Aufeinanderfolge mit dem anderen Ende einer jeden Rohrgruppe derart verbunden, daß die Rohrgruppe 44A an die genau darunter befindliche Rohrgruppe 44B, diese Rohrgruppe 44B an die Rohrgruppe 44G angeschlossen ist, wobei dann die weiteren Rohrgruppen 44D, 44E, 44F und 44G in der untersten Etage miteinander in der gleichen Weise verbunden sind, so daß das Wasser mit niedriger Temperatur von der einen zur nächsten Rohrgruppe fließt.

Ein Niedertemperatur-Wassereinlaß 45 ist gemäß Fig. 1 am einen Ende der in der obersten Etage befindlichen Rohrgruppe 44A vorhanden, während ein Niedertemperatur-Wasserauslaß 47 am anderen Ende der untersten Rohrgruppe 44G über ein sich aufwärts erstreckendes Verbindungsrohr 46 angeschlossen ist.

Auf beiden Seiten eines jeden Rohres oder rund um dieses sind in dessen Längsrichtung und über dessen Länge scheibenförmige Rippen 48 in einer Vielzahl angebracht. Die Rippen 48 weisen zueinander einen vorbestimmten Abstand auf, und das Metallhydrid M kann in diese Abstände oder Zwi schenräume eingefüllt werden. Insofern haben die Rippen 48 keinen wesentlichen Einfluß auf die Kapazität der Fül lung mit dem Metallhydrid M.

Im Fall, daß das Metallhydrid M, das bereits Wasserstoffgas freigegeben hat, dieses Wasserstoffgas wieder einschließt, wird das Wasserstoffgas in den Hauptkörper 42 durch den (nicht dargestellten) Wasserstoffgas-Einlaß eingeführt, wie auch das Wasser niedriger Temperatur in den Hauptkörper 42 durch den Niedertemperatur-Wassereinlaß 45 eingeleitet wird. Hierbei wird das Metallhydrid M, wie in den Fig. 1 und 2 gezeigt ist, agglomeriert, und in einem Zustand einer agglo merierten Schicht verbleibt im oberen Teil innerhalb des Hauptkörpers 42 wegen des Freisetzens von Wasserstoffgas ein kleiner Raum.

Das durch den Niedertemperatur-Wassereinlaß 45 eingeführte Wasser von niedriger Temperatur wird zuerst dem einen Ende der Rohrgruppe 44A in der obersten Etage zugeführt, worauf es zur Rohrgruppe 44B in der nächst niedrigeren Etage nach einer Zickzack-Strömung längs der Rohre 43 der obersten Rohr gruppe 44A geflossen ist. Dann fließt dieses Wasser niedri ger Temperatur zickzackförmig längs der Rohre 43 in der Rohrgruppe 44B und gelangt in die Rohrgruppe 44G in der nächst niedrigeren Etage. Das aufeinanderfolgend von der Rohrgruppe 44G zur Rohrgruppe 44G in der untersten Etage geflossene Wasser niedriger Temperatur wird dann über das Verbindungsrohr 46 und den Niedertemperatur-Wasserauslaß 47 aus dem Tank-Hauptkörper 42 abgeführt. Demzufolge bewegt sich das Wasser niedriger Temperatur allmählich vom obersten zum untersten Teil des Hauptkörpers 42, wobei es in dessen Längsrichtung durch die Rohrgruppen 44A-44G strömt, wie in Fig. 2 durch Pfeile angedeutet ist.

Eine Reaktionsgleichung des Wasserstoffeinschlusses (H₂- Einschlusses) des Metallhydrids M kann, wie folgt, angegeben werden:

M+H₂ → MH₂+Q,

worin Q die Reaktionswärme bedeutet.

Demzufolge ist einer der wesentlichen Punkte auf Seiten des Wasserstoffgas-Einschlusses, wirksam die Reaktionswärme Q aus dem Hauptkörper 42 freizugeben, und ein Abführen der Reaktionswärme Q vom Hauptkörper 42 begünstigt in hervorra gender Weise den Wasserstoff-Einschluß des Metallhydrids M. Ein weiterer wesentlicher Punkt ist die Minderung oder Milderung der Ausdehnungsspannung am agglomerierten Metall hydrid M, das bei der Wasserstoffgas-Einschlußreaktion noch nicht zur Reaktion gebracht wurde.

Bei der in Rede stehenden Ausführungsform beginnt der Wasser stoffgas-Einschluß durch das Metallhydrid M, d. h. die Wär metauschreaktion, rund um die Rohrgruppe 44A in der obersten Etage, die das Wasser mit niedriger Temperatur zuerst durch strömt und in der die Reaktionswärme zuerst absorbiert wird. Diese Wärmetauschreaktion schreitet allmählich zu einem Be reich rund um die Rohrgruppe 44G in der untersten Etage ab wärts fort. Die kubische Expansion des Metallhydrids M, die von dem Wasserstoffgas-Einschluß begleitet wird, setzt sich vom oberen Teil zum unteren Teil der nicht-reagierten Agglo meratschicht des Metallhydrids M, das im Hauptkörper 42 ag glomeriert ist, fort. Das heißt mit anderen Worten, daß die kubische Expansion des Metallhydrids M im oberen Teil des Tank-Hauptkörpers 42, in welchem ausreichender Raum für die Expansion vorhanden ist, beginnt und sich allmählich zum unteren Teil hin fortsetzt.

Als Ergebnis dessen kann der Wasserstoffgas-Einschluß durch das Metallhydrid M mit dem Raum durchgeführt werden, von dem das nicht-reagierte agglomerierte Metallhydrid M abgeht, d. h., das Wasserstoffgas kann unter Vermeidung der Erzeu gung einer Restspannung in der Agglomeratschicht des nicht reagierten Metallhydrids M eingeschlossen werden. Die Ausdeh nungsspannung am nicht-reagierten im unteren Teil des Haupt körpers 42 agglomerierten Metallhydrid M wird gemildert, weshalb die Spannungskonzentration am Tank-Hauptkörper 42 sowie den Rohren 43 usw. herabgesetzt werden kann.

Darüber hinaus sind bei der in Rede stehenden Ausführungs form die in Vielzahl vorhandenen Rippen 48 an den Rohren 43 vorgesehen, so daß das Metallhydrid M durch diese Rippen 48 wirksam gekühlt und der Wirkungsgrad im Wärmetausch am Metallhydrid M gesteigert wird.

Ferner kann die Bewegung des Metallhydrids M beschränkt wer den, wenn der Tank-Hauptkörper 42 in seiner Längsrichtung, d. h. in Richtung der Längserstreckung der Rohre 43, Schwingungen unterliegt. Das bedeutet, daß die Bewegung des Metallhydrids M in der Längsrichtung des Hauptkörpers 42 begrenzt wird, so daß eine ungleichförmige Anordnung des Metallhydrids M im Hauptkörper 42 verhindert wird.

Wie vorstehend beschrieben wurde, kann die Ausdehnungsspan nung am Metallhydrid M allein durch die Konstruktion der Rohre 43 gemildert werden, die unmittelbar zu den Wärmetausch reaktionen des Metallhydrids M beitragen. Insofern müssen irgendwelche anderen Bauteile oder Elemente zur Milderung der Ausdehnungsspannung nicht im Tank-Hauptkörper 42 vorge sehen werden, was gegensätzlich ist zu dem MH-Tank des Standes der Technik.

Demzufolge können die Fertigungsschritte für den MH-Tank 41 vereinfacht und die Verkleinerung des Raumes des Hauptkör pers 42, in dem Metallhydrid M aufgenommen werden kann, ver hindert werden.

Vergleicht man den MH-Tank nach dem Stand der Technik mit dem MH-Tank 41 nach der Erfindung, so betragen die Her stellungskosten für den erfindungsgemäßen MH-Tank die Hälfte von denjenigen für einen Tank nach dem Stand der Technik. Soweit die Aufnahmekapazität für das Metallhydrid M betrof fen ist, ist diese bei einem Tank gemäß der Erfindung 1,6mal größer als diejenige bei dem Tank nach dem Stand der Technik. Insofern zeigt der MH-Tank 41 nach der Erfindung eine bemer kenswerte Überlegenheit gegenüber dem Stand der Technik hin sichtlich der Herstellungskosten und der tatsächlichen Kapa zität oder Aufnahmefähigkeit.

Um das Wasserstoffgas aus dem Metallhydrid M, nachdem der oben erwähnte Wasserstoffgas-Einschluß abgeschlossen ist, freizusetzen, fließt Wasser mit hoher Temperatur durch die Rohre 43, wobei die Wärme dieses hochtemperierten Wassers an das Metallhydrid M als Reaktionswärme abgegeben wird. In diesem Fall wird das freigesetzte Wasserstoffgas aus dem Hauptkörper 42 durch einen (nicht dargestellten) Wasserstoff gas-Auslaß abgeführt. Da gemäß der Erfindung zahlreiche Rip pen 48 an den Rohren 43 vorhanden sind, kann der Wärmetausch mit dem Metallhydrid M wirksam durchgeführt und das Wasser stoffgas mit hoher Leistungsfähigkeit freigegeben werden.

Die beschriebene Ausführungsform kann, wie folgt, abgewandelt werden:

1) Wenngleich die Rohrgruppen 44A-44G in jeder Etage in der Draufsicht bei der erläuterten Ausführungsform zickzack- oder schlangenförmig verlaufen, so können sie auch in der Draufsicht als Gitter ausgebildet sein.
2) Wenngleich die Rohre 43 in jeder Etage als zickzackför mig verlaufende Rohrgruppen 44A-44G vorgesehen sind, so können sie auch ein Einzelrohr sein.
3) Obwohl bei der beschriebenen Ausführungsform die Rohr gruppen 44A-44G in jeder Etage miteinander an ihren einen und anderen Enden so verbunden sind, daß das niedertempe rierte Wasser von der Rohrgruppe 44A in der obersten Etage aufeinanderfolgend zur Rohrgruppe 44G in der untersten Etage fließt, so kann die Anordnung so getroffen werden, daß die Rohrgruppe 44A-44G in jeder Etage unabhängig vorgesehen ist und der Umlauf des niedertemperierten Wassers nachein ander so gelegt wird, daß das niedertemperierte Wasser 44A zuerst durch die Rohrgruppe 44A und durch die Rohrgruppe 44G zuletzt fließt.
4) Wenngleich der MH-Tank 41 bei der in Rede stehenden Aus führungsform für ein Wasserstoffmotor-Antriebssystem ver wendet wird, so kann er für alle Apparate und Vorrichtungen, die die Zufuhr von Wasserstoffgas benötigen, ebenfalls zur Anwendung kommen.

Claims

1. Wasserstoff-Tank (41, 42) mit einer Wasserstoff-Einschluß legierung, die bei Wärmeaustausch Wasserstoff freisetzt bzw. bindet, wobei der Tank eine Ober- und Unterseite sowie eine Vielzahl von sich horizontal im Tank erstreckenden Rohren (43) aufweist, die ein Wärmetauschmedium führen, wobei die Rohre in Aufeinanderfolge von der Oberseite zur Unterseite hin angeord net sind, und an der Oberseite des Tanks (41, 42) ein Freiraum ausgebildet ist, der es der Wasserstoff-Einschlußlegierung er laubt zu expandieren, wenn das Wärmetauschmedium den Rohren (43) zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß als Wasser stoff-Einschlußlegierung ein feinkörniges Metallhydrid (H) im Tank (41, 42) eingefüllt ist, so daß das Metallhydrid (H) im wesentlichen die Rohre (43) bedeckt, und daß eine Zuführein richtung das Wärmetauschmedium von der Oberseite her zuführt und durch die Rohre (43) zur Unterseite weiterleitet.

2. Wasserstoff-Tank (41, 42) nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß die Rohre (43) an der Außenseite mit einer Viel zahl von Rippen (48) versehen sind und das Metallhydrid (M) zwischen den Rippen eingefüllt ist.