DE102006042456A1

DE102006042456A1 - Metallhydridspeicher

Info

Publication number: DE102006042456A1
Application number: DE102006042456A
Authority: DE
Inventors: Hartmut Maertens; Michael Dr. Kahlich; Jens Arik Dr. Almkermann
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2006-09-09
Filing date: 2006-09-09
Publication date: 2008-03-27

Abstract

Metallhydridwasserstoffspeicher, insbesondere für ein Brennstoffzellensystem (1) eines Kraftfahrzeugs (2), mit einem Speicherbehälter, der zur Wasserstoffspeicherung Metallhydrid aufweist, wobei eine teilweise Befüllung des Speicherbehälters (22) mit Metallhydrid vorgesehen ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Metallhydridspeicher zur Versorgung einer Brennstoffzelle nach Oberbegriff des Anspruchs 1.
Brennstoffzellen sind bekannt. Sie werden auf der Suche nach immer umweltfreundlicheren Fahrzeugantrieben auch in Kraftfahrzeugen eingesetzt. Daneben wird auch der Einsatz in konventionellen Antriebssträngen untersucht. Hierbei stehen zur Zeit drei Speichertechnologien für Wasserstoff zur Verfügung: Der Druckwasserstofftank, in dem bei 350 bar oder 700 bar komprimierter Wasserstoff gespeichert wird, der Kryotank für bei –253 °C flüssig vorliegenden. Wasserstoff und der sogenannte Metallhydridspeicher. In letzterem kann über einen weiten Betriebsbereich hinsichtlich Druck und Temperatur Wasserstoff gespeichert und aus dem Speicherhydrid wieder freigesetzt werden. An diesen Speichern ist allerdings nachteilig, dass sie einerseits ein hohes Gewicht aufweisen, und zum anderen die chemischen Prozesse, die zur Absorption und zur Desorption des Wasserstoffes führen, relativ langsam ablaufen und dies im Wesentlichen unter fahrzeuguntypischen Umgebungsbedingungen erreicht wird. Weiter lässt sich entweder eine hohe Speicherdichte bewirken, oder ein erträgliches Gewicht beziehungsweise eine erträgliche Betriebstemperatur. Für das Erreichen erträglicher Betriebsbedingungen, insbesondere einer fahrzeuguntypischen Betriebstemperatur, stellt sich ein Zielkonflikt zwischen hoher Speicherdichte bei gleichzeitig hoher Betriebstemperatur oder hoher Speichermasse, die keiner so starken Aufheizung bedarf. Der Druck des aus dem Speichertank zu entnehmenden Wasserstoffes ist stark abhängig von der Aufheiztemperatur. Gebräuchliche Legierungen geben bei fahrzeugüblichen Temperaturen von maximal 120 °C den Wasserstoff nur mit maximal 1 bar Druck ab, womit kein Druckgefälle zum Betrieb der Brennstoffzelle vorliegt. Legierungen wie CaNi5 erreichen zwar heute maximal notwendig Versorgungsdrücke von circa 10 bar zum Betrieb von Brennstoffzellen eines Brennstoffzellensystems, wobei jedoch unter Froststartbedingungen lediglich Desorptionsdrücke von 20 bis 50 mbar zu erreichen sind. Das Brennstoffzellensystem kann demzufolge erst bei Erreichen der Betriebstemperatur gestartet werden und bedarf einer Überbrückung. Legierungen wie TiCrO8 stellen zwar auch bei niedrigen Temperaturen den Wasserstoff bereits mit hohen Drücken zur Verfügung, müssen dann jedoch mit über 1000 bar Druck betankt werden, was wiederum eine sehr aufwendige Infrastruktur erfordert.
Ziel der Erfindung ist es, einen Wasserstoffspeicher bereitzustellen, der die genannten Nachteile vermeidet.
Hierzu wird ein Metallhydridwasserstoffspeicher, insbesondere für ein Brennstoffzellensystem eines Kraftfahrzeugs, vorgeschlagen, mit einem druckfesten Speicherbehälter, der zur Wasserstoffspeicherung Metallhydrid aufweist. Es ist vorgesehen, dass der Speicherbehälter nur teilweise mit Metallhydrid befüllt ist. Der Speicherbehälter weist folglich ein Metallhydridvolumen sowie ein freies Behältervolumen auf, in dem der Wasserstoff allein bei Desorptionsdruck vorliegt. Das Volumen wird bevorzugt so gewählt, dass der dort allein bei Desorptionsdruck vorliegende Wasserstoff ausreicht, um die Startzeit des gesamten Brennstoffzellensystems inklusive Wasserstoffspeicher zu überbrücken. Bevorzugt werden hierbei Legierungen beziehungsweise Legierungsmischungen verwendet, die Desorptionsdrücke von 10 bar und mehr haben, um das vorzuhaltende Volumen gering zu halten, wobei diese diesen Desorptionsdruck bereits bei Betriebstemperaturen von 90 bis 120 °C erreichen.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass das Metallhydrid als Metallhydridpackung ausgebildet ist. Das Metallhydrid bildet demzufolge im weitesten Sinne ein Paket, das den hierfür vorgesehenen Teil des Behältervolumens als kompakte Bauform ausfüllt.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Metallhydridpackung einen elektrischen Zuheizer aufweist. Durch den Zuheizer wird die zur Desorption erforderliche Betriebstemperatur schnell erreicht, so dass das vorzuhaltende Volumen des Druckspeichers (nicht mit Metallhydrid gefüllter Behälterteil) möglichst gering gehalten werden kann und eine hohe volumetrische Speicherdichte erreicht wird.
In einer anderen Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Metallhydridpackung oder ein dieser zugeordneter Speicher-Kühlkreislauf oder ein Kühlkreislauf der Brennstoffzelle einen Latentwärmespeicher aufweist. Durch den Latentwärmespeicher, der in den konventionellen, aus dem Stand der Technik bekannten Bauformen vorliegen kann, wird die zum Betrieb des Brennstoffzellensystems/Wasserstoffspeichers erforderliche Temperatur gehalten, beziehungsweise eine Temperatur gehalten, die die Temperaturdifferenz bis zum Erreichen der Betriebstemperatur des Brennstoffzeliensystems gering hält. Auf diese Weise kann das Brennstoffzellensystem mit dem Wasserstoffspeicher relativ zügig und verzögerungsfrei in Betrieb genommen werden. Der Latentwärmespeicher kann hierbei im Speicherkühlkreislauf angeordnet sein, der der Metallhydridpackung zugeordnet ist, im Kühlkreislauf der Brennstoffzelle oder in der Metallhydridpackung selbst. Wichtig ist hierbei allein, dass die im Latentwärmespeicher gespeicherte Wärmenergie zügig genutzt werden kann.
In einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass dem Speicherbehälter ein Rezirkulationsverdichter als Bypass zur Brennstoffzelle zugeordnet ist. Viele Metallhydridlegierungen erreichen bei tiefen Temperaturen nur Desorptionsdrücke im Bereich des Umgebungsdruckes beziehungsweise darunter. Um dennoch das System frühzeitig treiben zu können ist es sinnvoll, den Rezirkulationsverdichter des Anodenloops zur aktiven Ansaugung von Wasserstoff aus dem Tanksystem zu nutzen. Während der Startphase wird dazu mit Hilfe eines Dreiwegeventils der Wasserstoffstrom statt direkt auf den Brennstoffzelleneingang auf die Saugseite des Rezirkulationsverdichters geschaltet. Die im Normalbetrieb übliche Anodenwasserstoffgasrezirkulation wird dabei durch ein anderes Dreiwegeventil unterbrochen, so dass sich die Brennstoffzelle während des Starts im Dead-End-Betrieb befindet. Dadurch wird der notwendige Druckaufbau durch das Rezirkulationsgebläse im Anodenraum der Brennstoffzelle möglich. Hieraus ergibt sich eine Absenkung des Vordruckbedarfs im Gesamtsystem, wodurch für die Brennstoffzelle bereits früher die Möglichkeit besteht, den zu ihrem Betrieb erforderlichen Wasserstoff aus der Metallhydridpackung zu beziehen.
Eine weitere Ausführungsform umfasst einen Metallhydridwasserstoffspeicher, der ein Wärmemanagementsystem aufweist. Es ist hierbei vorgesehen, dass das Wärmemanagementsystem an eine externe Wärmesenke anschließbar ist. Das Wärmemanagementsystem dient zur Regulierung des Wärmehaushaltes des Metallhydridwasserstoffspeichers beziehungsweise des Brennstoffzellensystems. Durch die Anschließbarkeit an eine externe Wärmesenke, beispielsweise ein Kühlsystem oder einen als Kühler arbeitenden Wärmetauscher, lässt sich eine überschüssige Wärmenergie leicht und über das Wärmemanagementsystem geregelt abführen. Hierdurch wird ein stabiler Betrieb des Gesamtsystems erreicht.
In einer anderen Ausführungsform ist vorgesehen, dass über eine Betankungskupplung ein Kühlmedium zu- und/oder abführbar ist. Der Metallhydridwasserstoffspeicher weist demzufolge eine Betankungskupplung auf. Über diese erfolgt die Zufuhr und/oder Abfuhr eines Kühlmediums, beispielsweise über bekannte Ventile, etwa Zwei-/Drei-Wegeventile oder ähnliche, geeignete Einrichtungen. Bevorzugt kann die Betankungskupplung verwendet werden, die auch der Betankung des Metallhydridwasserstoffspeichers mit Wasserstoff dient. Die Umschaltung zum Verlauf der Befüllung in den Kühlmittelkreislauf erfolgt über ein Mehrwegeventil, soweit erforderlich.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen
1 einen Wasserstoffspeicher mit elektrischem Zuheizer und Latentwärmespeicher im Brennstoffzellenantriebssystem eines Kraftfahrzeugs und
2 einen Rezirkulationsverdichter im Anodenloop eines Brennstoffzellensystems.
1 zeigt ein Brennstoffzellensystem 1 für ein den Antrieb eines nur schematisch dargestellten Kraftfahrzeuges 2, der einen Elektromotor 3 aufweist, der über ein Getriebe 4 eine Antriebsachse 5 antreibt. Die Ansteuerung erfolgt über einen DC/DC-Konverter 6 und einen Frequenzumrichter 7, wobei das Brennstoffzellensystem 1 über den DC/DC-Konverter 6 an ein Batteriesystem 8 gekoppelt ist. Das Brennstoffzellensystem 1 weist eine Brennstoffzelle 9 sowie eine ihr vorgeschaltete Medienversorgungseinheit 10 auf. Die Brennstoffzelle 9 wird über die Medienversorgungseinheit 10 über eine Kraftstoffleitung 11, die einen Druckregler 12 sowie eine Entleerungsleitung 13 aufweist, aus einem Wasserstoffspeicher 14, der als Metallhydridspeicher 15 ausgebildet ist, mit Wasserstoff versorgt. Die Betankung des Wasserstoffspeichers 14 erfolgt über eine der Kraftstoffleitung 11 über ein Rückschlagventil 16 angekoppelte Betankungsleitung 17. Der Wasserstoffspeicher 14 weist ferner einen Kühlkreislauf 18 auf, der durch den Wasserstoffspeicher 14 verläuft und an die Medienversorgung 10 angeschlossen ist. Dem Kühlkreislauf 18 ist ein Latentwärmespeicher 19 zugeordnet. Weiter ist dem Wasserstoffspeicher 14 ein elektrischer Zuheizer 20 zugeordnet, der über Zuheizerleitungen 21 an das Batteriesystem 8 angeschlossen ist. Der Wasserstoffspeicher 14 ist als druckfester Speicherbehälter 22 ausgebildet, der einen Innenraum 23 aufweist. In dem Innenraum 23 ist eine Metallhydridpackung 24 angeordnet, wobei der Zuheizer 20 der Metallhydridpackung 24 zugeordnet, beispielsweise zumindest teilweise in sie integriert ist. Die Metallhydridpackung 24 füllt den Innenraum 23 nicht vollständig aus, so dass ein Restvolumen 25 verbleibt, in dem freier Wasserstoff vorhanden ist. In dem Restvolumen 25 liegt der bei Disorptionsdruck vorliegende Wasserstoff in einer ausreichenden Menge vor, um die Startzeit des gesamten Brennstoffzellensystems 1 zu überbrücken. Eine ausreichend schnelle Erreichung der Betriebstemperatur wird über den Latentwärmespeicher 19 sichergestellt.
2 zeigt schematisch ein Brennstoffzellensystem 1 mit einem Wasserstoffspeicher 14; dieser ist über die Kraftstoffleitung 11 an die Brennstoffzelle 9 angeschlossen. Stromabwärts des Wasserstoffspeichers 14 liegt ein erstes Dreiwegeventil 26, das die Kraftstoffleitung 11 einerseits in eine zur Brennstoffzelle 9 führende Brennstoffzellenzuleitung 27 und andererseits in einen Bypass 28 aufteilt. Die Brennstoffzellenzuleitung 27 erreicht über ein ihr zugeordnetes Regelventil 29 die Brennstoffzelle 9. Stromabwärts der Brennstoffzelle 9 wird über eine Rezirkulationsleitung 30 ein zweites Dreiwegeventil 31 beaufschlagt. In dieses zweite Dreiwegeventil 31 mündet ferner der Bypass 28. Stromabwärts des zweiten Dreiwegeventils 31 ist ein Rezirkulationsverdichter 32 angeordnet, der von einem Motor 33 angetrieben wird. Dem Rezirkulationsverdichter 32 ist stromabseitig eine Druckleitung 34 angeschlossen, die in das Regelventil 29 einmündet.
Während der Startphase der Brennstoffzelle 9 wird mit Hilfe des ersten Dreiwegeventils 26 der Wasserstoffstrom statt direkt auf die Brennstoffzelle 9 über den Bypass 28 auf eine Saugseite 35 des Rezirkulationsverdichters 32 geschaltet. Die im Normalbetrieb der Brennstoffzelle 9 übliche Anodenwasserstoffgasrezirkulation wird dabei durch das zweite Dreiwegeventil 31 unterbrochen, so dass sich die Brennstoffzelle 9 während der Startphase in Dead-End-Betrieb befindet. Der für den Betrieb der Brennstoffzelle 9 notwendige Druckaufbau wird solange durch das Rezirkulationsgebläse 32 bewirkt. Hierdurch ergibt sich im gesamten Brennstoffzellensystem 1 eine Absenkung des Vordruckbedarfs, wodurch für die Brennstoffzelle 9 bereits früher die Möglichkeit besteht, den zu ihrem Betrieb erforderlichen Wasserstoff aus dem im Wasserstoffspeicher 14 angeordneten, hier nicht dargestellten Metallhydridpackung 24 zu beziehen.

1: Brennstoffzellensystem
2: Kraftfahrzeug
3: Elektromotor
4: Getriebe
5: Antriebsachse
6: DC/DC-Konverter
7: Frequenzumrichter
8: Batteriesystem
9: Brennstoffzelle
10: Medienversorgungseinheit
11: Kraftstoffleitung
12: Druckregler
13: Entleerungsleitung
14: Wasserstoffspeicher
15: Metallhydridspeicher
16: Rückschlagventil
17: Betankungsleitung
18: Kühlkreislauf
19: Latentwärmespeicher
20: Zuheizer
21: Zuheizerleitungen
22: Speicherbehälter
23: Innenraum
24: Metallhydridpackung
25: Restvolumen
26: 1. Dreiwegeventil
27: Brennstoffzellenzuleitung
28: Bypass
29: Regelventil
30: Rezirkulationsleitung
31: 2. Dreiwegeventil
32: Rezirkulationsverdichter
33: Motor
34: Druckleitung
35: Saugseite

Claims

Metallhydridwasserstoffspeicher, insbesondere für ein Brennstoffzellensystem eines Kraftfahrzeugs, mit einem druckfesten Speicherbehälter, der zur Wasserstoffspeicherung Metallhydrid aufweist, gekennzeichnet durch eine teilweise Befüllung des Speicherbehälters (22) mit Metallhydrid.
Metallhydridwasserstoffspeicher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Metallhydrid als Metallhydridpackung (24) ausgebildet ist.
Metallhydridwasserstoffspeicher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallhydridpackung (24) einen elektrischen Zuheizer (20) aufweist.
Metallhydridwasserstoffspeicher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallhydridpackung (24) oder ein dieser zugeordneter Speicher-Kühlkreislauf oder ein Kühlkreislauf (18) der Brennstoffzelle (9) einen Latentwärmespeicher (19) aufweist.
Metallhydridwasserstoffspeicher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dem Speicherbehälter (22) ein Rezirkulationsverdichter (32) als Bypass (28) zur Brennstoffzelle (9) zugeordnet ist.
Metallhydridwasserstoffspeicher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einem Wärmemanagementsystem, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmemanagementsystem an eine externe Wärmesenke anschließbar ist.
Metallhydridwasserstoffspeicher nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass über eine Betankungskupplung ein Kühlmedium zu- und/oder abführbar ist.
Metallhydridwasserstoffspeicher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein im Metallhydridwasserstoffspeicher nach teilweiser Befüllung des Speicherbehälters (22) verbleibendes Volumen derart bemessen ist, dass dieses bei Befüllung des Metallhydridwasserstoffspeichers mit Wasserstoff annähernd ausreichend ist, die Startzeit des Brennstoffzellensystems zu überblicken.