DE102004014144B4

DE102004014144B4 - Verfahren zum Herstellen eines Gasspeichertanks

Info

Publication number: DE102004014144B4
Application number: DE102004014144A
Authority: DE
Inventors: Masahiko Toyota Kimbara; Daigoro Toyota Mori; Takehiro Toyota Nito; Hidehito Kariya Kubo; Akiko Kariya Kumano; Makoto Kariya Tsuzuki; Yoshihiro Kariya Isogai
Original assignee: Toyota Industries Corp; Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Industries Corp; Toyota Motor Corp
Priority date: 2003-03-25
Filing date: 2004-03-23
Publication date: 2008-01-10
Anticipated expiration: 2024-03-24
Also published as: US20050000970A1; US7946446B2; US20080203101A1; KR100620303B1; US7418782B2; DE102004014144A1; KR20040084683A

Abstract

Verfahren zum Herstellen eines Gasspeichertanks (10; 110) zum Speichern eines Gases, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist:
Anordnen einer Wärmeaustauscheinheit (30; 130), die mit einem Absorber/Adsorber befüllbar ist, in einem Außenwandelelement (150), das zumindest an einer Seite offen ist;
Anordnen mindestens eines Unterstützungselements (45; 140; 140a; 140b; 152) zwischen der Wärmeaustauscheinheit (30; 130) und dem Außenwandelement (150), um einen Spalt, der zwischen der Wärmeaustauscheinheit (30; 130) und dem Außenwandelement (150) ausgebildet ist, zu der zumindest einen offenen Seite hin offen zu halten;
Umformen des Außenwandelements (150) an der zumindest einen offenen Seite, um die Öffnung zu verengen und einen Tankbehälter (20; 120) auszubilden; und
Wärmebehandlung des Tankbehälters (20; 120), wobei der Tankbehälter erhitzt und dann abrupt abgekühlt wird, indem Wasser durch den von dem Unterstützungselement (45; 140; 140a; 140b; 152) freigehaltenen Spalt geleitet wird.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen eines Gasspeichertanks zum Speichern eines Gases.
Verschiedene Gasspeichertanks wurden vorgeschlagen, um ein Gas zu speichern. Ein bekanntes Verfahren zum Speichern eines Gases ist die Absorption oder Adsorption eines Gases in einem ausgewählten Gas-Absorber/Adsorber. Ein Beispiel ist ein Wasserstoffspeichertank mit einer Wasserstoffspeicherlegierung. Der Wasserstoffspeichertank hat beispielsweise einen zylindrischen Behälter, der mit einer Wasserstoffspeicherlegierung gefüllt ist und ein oder zwei offene Enden hat, welche durch Flansche abgedichtet sind.
In einem solchen Gasspeichertank, der den Gas-Absorber/Adsorber enthält, beschleunigt eine Erhöhung des Gaszuführdrucks zum Gasspeichertank eine Absorption oder Adsorption des Gases. Die Erhöhung des Gaszuführdrucks zum Gasspeichertank ermöglicht, dass eine größere Quantität an Gas in einer komprimierten Form in Hohlräumen, die im Gasspeichertank ausgebildet sind, zusätzlich zur Absorption oder Adsorption des Gases in dem Gas-Absorber/Adsorber gespeichert wird. Es ist erforderlich, dass der Gasspeichertank eine ausreichende Stabilität gegen den höheren Druck im Gasspeichertank aufweist. Der höhere Innendruck des Gasspeichertanks kann Schwierigkeiten beim Abdichten der Öffnung des Behälters mit dem Flansch oder beim Aufrechterhalten einer ausreichenden Dichtigkeit des Behälters mit einer Dichtung verursachen.
Die Speicherung von Gas mittels Absorption/Adsorption an einem Absorber/Adsorber ist üblicherweise temperaturabhängig. Zur besseren Speicherung wird ein solcher Tank bei der Beladung des Absorbers gekühlt und zur Freigabe des Gases aus dem Absorber wird erwärmt.
Der einschlägige Stand der Technik zeigt Folgendes:
DE 42 01 131 A1 einen Metallhydridspeicher wobei der Innenbehälter, der zur Aufnahme des Metallhydridmaterials dient, und besondere, sternförmig angebrachte Rippen hat, die den Wärmetransport in dem Metallhydrid Tank verbessern sollen. Ob der Raum zwischen Absorberbehälter überhaupt durchströmbar ist, ist nicht zu entnehmen.
In der EP 1 286 407 A2 ist eine Anordnung beschrieben, die Rippen zwischen einem Absorberbehälter und einem äußeren Kühlmantel vorsieht. Die Rippen stehen in Presskontakt mit Absorberbehälter und Kühlmantel, bilden aber selbst keine durchströmbaren Kanäle.
In der EP 1 286 406 A2 wird ein aus einem Plattenstapel gebildeter Absorberbehälter in einem Tankmantel angeordnet und dieser wird dann geformt. Eine Kühlung ist nicht vorgesehen.
Gemäß US 6 015 065 A dienen Kristallplatten als Gasspeicher und eine Lage aus Wellmaterial umgibt den Speicherplattenbereich. Von einem umgeformten Behälter oder gar einer Wärmebehandlung ist nicht die Rede.
Ein Wellblech unterteilt in der US 4 393 924 A einen Tankinnenraum in Räume für Absorbermaterial und Kühlmittel.
US 4 045 861 A gibt nur eine Information zum Umformvorgang eines herzustellenden Tanks.
Die nachveröffentlichte US 2003/0209148 A1 und die JP 05 106792 A (abstract) zeigen ebenfalls eine Anordnung von Wasserstoffspeichermaterial an Wellplatten zum Erhalten von Wärme austauschenden Oberflächen.
Die Aufgabe der Erfindung ist es, ein vereinfachtes Verfahren der Technik zum Herstellen eines Gasspeichertanks vorzuschlagen, der in der Lage ist ein Hochdruck-Gas zu speichern und eine hohe Lebensdauer hat.
Diese Aufgabe wird mit einem Verfahren nach Anspruch 1 gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen genannt.
Beim Herstellungsverfahren des Gasspeichertanks wird ein lösbares Verschlusselement an die Wärmetauscheinheit angebracht, um die Öffnung der Wärmetauscheinheit zu versperren, die mit Absorber/Adsorber gefüllt wird und zwar vor der Wärmebehandlung. Diese Anordnung verhindert effektiv, dass Absorber/Adsorber, der in die Wärmetauscheinheit eingebracht ist, beim Wasser-Abkühlschritt der Wärmebehandlung nass wird. Es ist extrem schwierig, nassen Absorber/Adsorber nach dem Einbringen in die Wärmetauscheinheit zu trocknen. Wenn der Absorber/Adsorber einmal nass ist, kann dies sein Gas-Absorbier/Adsorbier-Vermögen verringern. Das Anbringen des lösbaren Verschlusselements an die Wärmetauscheinheit verringert effektiv solche potentiellen Probleme des Absorbers/Adsorbers. Nach der Wärmebehandlung unter Wasserabkühlung wird das Verschlusselement von der Wärmetauscheinheit entfernt, um die Öffnung der Wärmetauscheinheit wieder zu öffnen. Die Öffnung der Wärmetauscheinheit fungiert als Gaskanal zum Speichern und Freilassen des Gases in und aus dem Absorber/Adsorber, der in die Wärmetauscheinheit eingebracht ist.
Beim Herstellungsverfahren des Gasspeichertanks der Erfindung wird die Öffnung des Außenwandelements verengt, nachdem die Wärmetauscheinheit im Außenwandelement angeordnet ist. Diese Anordnung stellt die ausreichende Größe der Öffnung des Außenwandelements zum problemlosen Anordnen der Wärmetauscheinheit im Außenwandelement sicher. Nach dem Einfügen der Wärmetauscheinheit wird die Öffnung des Außenwandelements verengt, um die ausreichende Luftdichtheit des Außenwandelements gegen den inneren Gasdruck aufrechtzuerhalten. Beim Herstellungsverfahren kann vor dem Anordnen der Wärmetauscheinheit im Außenwandelement und der Verengung der Öffnung des Außenwandelements der Absorber/Adsorber in die Wärmetauscheinheit eingebracht werden. Dies stellt ein einfaches Einbringen des Absorbers/Adsorbers im Außenwandelement sicher. Die Wärmebehandlung unter Wasserabkühlung verbessert effektiv die Stabilität des Außenwandelements. Die Wärmebehandlung wird ausgeführt nachdem die Öffnung des Außenwandelements verengt wird. Diese Anordnung verhindert, dass die Effekte der Wärmebehandlung durch den Verengungsprozess der Öffnung zunichte gemacht werden.
In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel des Herstellungsverfahrens der ersten Anwendung speichert der Gasspeichertank Wasserstoff, welcher Absorber/Adsorber beinhaltet zumindest eine Wasserstoffspeicherlegierung und das Außenwandelement besteht aus Metall, welches Aluminium beinhaltet.
Aluminium hat eine exzellente thermische Leitfähigkeit und ist leicht. Ein Behälter aus Aluminium (Aluminiumlegierung) ist fähig Hochdruck-Wasserstoff ohne Entweichen zu speichern. Das heißt, Aluminium ist ein bevorzugtes Material für das Außenwandelement, welches zu einem Wasserstoffspeichertank gehört. Das Außenwandelement, welches Aluminium aufweisendes Metall beinhaltet, durchläuft eine Wärmebehandlung unter Wasserabkühlung, was die Zeitfestigkeit des Außenwandelements verbessert.
In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel des Herstellungsverfahrens der ersten Anwendung kann die Wärmetauscheinheit einen Rippenaufbau aufweisen, der in Kontakt mit dem Absorber/Adsorber kommt.
Dieser Aufbau verbessert wünschenswerter Weise die thermische Leitfähigkeit der Wärmetauscheinheit und setzt effektiv die Wärme frei, die durch den Absorber/Adsorber beim Prozess der Absorption oder Adsorption des Gases erzeugt wird, so dass die Absorption oder Adsorption des Gases in den Absorber/Adsorber beschleunigt wird.
In einem bevorzugten Aufbau weist die Wärmetauscheinheit den Rippenaufbau auf, der durch Schichten zahlreicher dünnen Plattenelemente mit Durchgangslöchern ausgebildet wird. Der Absorber/Adsorber wird in die Hohlräume eingebracht, die zwischen den zahlreichen dünnen Plattenelementen in der Wärmetauscheinheit ausgebildet sind und gegenseitig über Durchgangslöcher, die in den zahlreichen dünnen Plattenelementen ausgebildet sind, verbunden sind.
Die Schichtung der zahlreichen dünnen Plattenelemente verbessert effektiv die thermische Leitfähigkeit in der Wärmetauscheinheit und vereinfacht wünschenswerter Weise das Einsetzen des Rippenaufbaus in die Wärmetauscheinheit Der Absorber/Adsorber wird über die Durchgangslöcher, welche in den dünnen Plattenelementen ausgebildet sind, in die Hohlräume der Wärmetauscheinheit eingebracht. Die Wärmetauscheinheit dieses ziemlich komplizierten Aufbaus stellt ein einfaches Packen des Absorbers/Adsorbers sicher, da der Absorber/Adsorber in die Wärmetauscheinheit eingebracht wird, bevor die Wärmetauscheinheit im Außenwandelement angeordnet wird.
In einem anderen bevorzugten Ausführungsbeispiel des Herstellungsverfahrens weist die Wärmetauscheinheit einen Kühlmittelkanal auf, durch den ein Kühlmittel strömt. Das Herstellungsverfahren weist des Weiteren folgenden Schritt auf: Verbinden des Kühlmittelkanals mit der Außenseite des Außenwandelements über die verengte Öffnung, um Kühlmittel zum Kühlmittelkanal zuzuführen oder aus dem Kühlmittelkanal abzuführen.
Der Kühlmittelkanal, der in der Wärmetauscheinheit angeordnet ist, erleichtert die Kühlung und Erwärmung des Absorbers/Adsorbers und verbessert somit die Effektivität der Gas-Absorption oder -adsorption und des Gasfreilassens. Die Wärmetauscheinheit dieses ziemlich komplizierten Aufbaus stellt ein einfaches Packen des Absorbers/Adsorbers sicher, da der Absorber/Adsorber in die Wärmetauscheinheit eingebracht wird, bevor die Wärmetauscheinheit im Außenwandelement angeordnet wird.
Der Gasspeichertank hat ferner ein Unterstützungselement, das zwischen dem Außenwandelement und der Wärmetauscheinheit angeordnet ist und die Wärmetauscheinheit im Außenwandelement hält, um einen gesamten Spalt, der zwischen dem Außenwandelement und der Wärmetauscheinheit ausgebildet ist, mit der Öffnung zu verbinden.
In dem Gasspeichertank dieses Aufbaus, ist der gesamte Spalt, der zwischen dem Außenwandelement und der Wärmetauscheinheit ausgebildet ist, mit zumindest einer Öffnung verbunden, welche im Außenwandelement ausgebildet ist. Diese Anordnung stellt eine einfache Zirkulation der Wasserströmung durch das Außenwandelement sicher und ermöglicht, dass das Außenwandelement mit Wasser beim Wärmebehandlungsprozess abrupt abgekühlt wird. Die Wärmebehandlung unter Wasserabkühlung verbessert effektiv die Stabilität des Außenwandelements des Gasspeichertanks.
Der Gasspeichertank kann ferner eine Öffnung haben, die an zumindest einem der zwei Enden ausgebildet ist, wobei das Unterstützungselement, das durch zahlreiche dünne wellenartig geformte Platten ausgebildet ist, die im Wesentlichen parallel zur Längsachse des Außenwandelements angeordnet sind und zwei offene Enden haben, die entlang einer Längsachse des Unterstützungselements ausgerichtet sind. Die Außenseite des Unterstützungselements ist in Kontakt mit dem Außenwandelement und die Innenseite des Unterstützungselements ist in Kontakt mit der Wärmetauscheinheit. Das Unterstützungselement bildet den Spalt zwischen dem Außenwandelement und der Wärmetauscheinheit aus, um mit der Öffnung in Verbindung zu stehen, während es die Wärmetauscheinheit in dem Außenwandelement hält.
Bei diesem Gasspeichertank bilden die zahlreichen dünnen Platten, welche im Wesentlichen parallel zur Längsachse des Außenwandelements angeordnet sind, die Hohlräume aus. Die Wasserströmung, welche durch die Öffnung des Außenwandelements hindurchgeleitet wird, die zumindest an einem Ende des Außenwandelements ausgebildet ist, tritt schnell in diese Hohlräume ein. Diese Anordnung macht es möglich, dass das Außenwandelement mit dem Wasser beim Wärmebehandlungsprozess abrupt abgekühlt wird. Der Wärmebehandlungsprozess unter Wasserabkühlung verbessert effektiv die Stabilität des Außenwandelements im Gasspeichertank. Die zahlreichen dünnen Platten können einzelne, getrennte Elemente oder ein Gesamtelement sein, um die vorstehende Anordnung zu erreichen. Ein Beispiel des letzteren Aufbaus ist eine dünne gewellte Platte.
Erfindungsgemäß durchläuft das Außenwandelement nach dem Einfügen der Wärmetauscheinheit in das Außenwandelement und dem Verengen der Öffnung des Außenwandelements eine Wärmebehandlung unter Wasserabkühlung. Die Anwesenheit des Unterstützungselements verhindert, dass die Wärmetauscheinheit sich störend auf eine ruhige Strömung des Wassers auswirkt und stellt somit eine effiziente Wasserkühlung sicher.
In dem Gasspeichertank kann das Außenwandelement zwei Öffnungen an den zwei gegenüberliegenden Enden aufweisen.
Dieser Aufbau erleichtert die Zirkulation von Wasser, welches durch eine Öffnung in das Außenwandelement geführt wird und von der anderen Öffnung abgeführt wird, wodurch die Effektivität einer abrupten Wasserabkühlung beim Wärmebehandlungsprozess verbessert wird.
Das Außenwandelement kann eine im Wesentlichen zylindrische Form haben und das Unterstützungselement kann durch eine dünne wellenartig geformte Platte ausgebildet werden, die im Wesentlichen parallel zu einer Längsachse der im Wesentlichen zylindrischen Form angeordnet ist.
Durch diese Form erhält man einen Tankbehälter, der in der Lage ist, geeigneterweise ein Hochdruck-Gas zu speichern. Das Unterstützungselement, welches durch die dünne Platte ausgebildet ist, welche im Wesentlichen parallel zur Längsachse der im Wesentlichen zylindrischen Form ausgerichtet ist, verringert die Gesamtfläche des Unterstützungselements im Querschnitt des Gasspeichertanks und stellt einen ausreichend breiten Wasserkanal für die Wasserabkühlung sicher.
In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel speichert der Gasspeichertank Wasserstoff, der Absorber/Adsorber hat zumindest eine Wasserstoffspeicherlegierung und das Außenwandelement wird aus einem Aluminium aufweisenden Metall gebildet.
Aluminium hat eine ausgezeichnete thermische Leitfähigkeit und ist leicht. Ein Behälter aus Aluminium (Aluminiumlegierung) ist in der Lage Hochdruck-Wasserstoff ohne irgendein Entweichen zu speichern. Das heißt, Aluminium ist ein bevorzugtes Material für das Außenwandelement, das in dem Wasserstoffspeichertank enthalten ist. Das Außenwandelement, welches aus dem Aluminium aufweisenden Metall gebildet ist, durchläuft die Wärmebehandlung unter Wasserabkühlung, was die Zeitfestigkeit des Außenwandelements verbessert.
Das Unterstützungselement kann aus Metall hergestellt werden.
Das Unterstützungselement verbessert die thermische Leitfähigkeit zwischen der Wärmetauscheinheit und dem Außenwandelement. Wärme, welche durch die Wasserstoffspeicherlegierung beim Prozess der Absorption oder Adsorption von Wasserstoff erzeugt wird, wird von der Wärmetauscheinheit zum Außenwandelement übertragen, um vom Außenwandelement oder einem anderen Element absorbiert zu werden oder zur Außenseite freigesetzt zu werden. Die effiziente Absorption oder Freisetzung von Wärme, welche durch die Wasserstoffspeicherlegierung beim Prozess der Absorption oder Adsorption von Wasserstoff erzeugt wird, erhöht wünschenswerter Weise die Menge an Wasserstoff, welche im Gasspeichertank gespeichert werden kann und beschleunigt die Speicherung des Wasserstoffs im Gasspeichertank. Diese Anordnung verringert wünschenswerter Weise auch die Größe eines Kühlmittelkanals, der in der Wärmetauscheinheit ausgebildet ist, um Wärme abzuführen oder erlaubt sogar das Weglassen des Kühlmittelkanals.
Weitere Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden detaillierten Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung ersichtlich.
1 ist eine Vertikalschnittdarstellung, die schematisch den Innenaufbau des Wasserstoffspeichertanks eines ersten Ausführungsbeispiels der Erfindung veranschaulicht;
2 ist ein Flussdiagramm, welches einen Prozess zum Herstellen des Wasserstoffspeichertanks des ersten Ausführungsbeispiels darstellt;
3 ist eine Schnittdarstellung entlang der Linie 3-3 aus 1;
4 stellt einen Querschnitt einer flachen Platte und einer gewellten Platte dar;
5 ist eine Vertikalschnittdarstellung, die einen Teil eines Wärmeaustauschers darstellt;
6 ist eine Schnittdarstellung entlang der Linie 6-6 aus 1;
7 ist eine Schnittdarstellung entlang der Linie 7-7 aus 1;
8 (A, B, C) stellt einen Herstellungsprozess ab dem Schritt S130 aus dem Flussdiagramm von 2 dar;
9 stellt einen Herstellungsprozess nach Schritt S160 im Flussdiagramm aus 2 dar;
10 veranschaulicht schematisch den Aufbau eines Wasserstoffspeichertanks eines zweiten Ausführungsbeispiels der Erfindung;
11 ist eine Schnittdarstellung entlang der Linie 11-11 aus 10;
12 ist ein Flussdiagramm, welches einen Herstellungsprozess des Wasserstoffspeichertanks eines zweiten Ausführungsbeispiels darstellt;
13 (A, B, C) stellt einen Hauptteil des Herstellungsprozesses des Wasserstoffspeichertanks eines zweiten Ausführungsbeispiels dar;
14 (A, B) zeigt einen anderen Hauptteil des Herstellungsprozesses des Wasserstoffspeichertanks eines zweiten Ausführungsbeispiels; und
15 veranschaulicht schematisch den Aufbau eines Wasserstoffspeichertanks in einem modifizierten Beispiel des zweiten Ausführungsbeispiels.
Ein Wasserstoff-Speichertank und das erfindungsgemäße Verfahren zum Herstellen des Wasserstoff-Speichertanks werden nachfolgend als bevorzugte Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Einige Details der Ausführungsbeispiele werden nachfolgend zum besseren Verständnis beschrieben, aber die Erfindung erfordert nicht, dass alle hierbei beschriebenen Bestandteile enthalten sind.
Erstes Ausführungsbeispiel
Aufbau des Wasserstoff-Speichertanks 10
1 ist eine vertikale Schnittdarstellung, die schematisch den internen Aufbau eines Gas- bzw. Wasserstoff-Speichertanks 10 einer ersten Ausführung veranschaulicht. Der Wasserstoff-Speichertank 10 hat einen Tankbehälter 20 und eine Wärmeaustauscheinheit 30, die innerhalb des Tankbehälters 20 angeordnet ist.
Der Tankbehälter 20 fungiert als ein Außenwandelement des Wasserstoff-Speichertanks 10 und wird durch ein im Wesentlichen zylindrisches hohles Gefäß definiert. Der Tankbehälter 20 ist aus einer Aluminiumlegierung hergestellt. Der Tankbehälter 20 hat Anschlussöffnungen 21 und 22 an seinen beiden Enden, die kleinere, im Wesentlichen kreisförmige Querschnitte haben als der Mittelquerschnitt des Tankbehälters 20. Anschlussbaugruppen 23 und 24 werden in entsprechende Anschlussöffnungen 21 und 22 eingesetzt. Die Anschlussbaugruppen 23 und 24 bilden den Aufbau zum Aufrechterhalten einer ausreichenden Gasdichtheit des Tankbehälters 20 an den Anschlussöffnungen 21 und 22, um ein Entweichen von Wasserstoff, welches in dem Tankbehälter 20 gespeichert ist, zu verhindern. Die Anschlussbaugruppe 23 hat eine Wasserstoffzuführ-/abführöffnung 23a, welche zur Außenseite mündet, um eine Strömung von gasförmigem Wasserstoff in bzw. aus dem Tankbehälter 20 zuzuführen bzw. abzuführen. Die Anschlussbaugruppe 24 hat eine Kühlmittelzuführöffnung 24a und eine Kühlmittelabführöffnung 24b, welche zur Außenseite münden, um ein ausgewähltes Kühlmittel in den Tankbehälter 20 zuzuführen und um das Kühlmittel von dem Tankbehälter 20 abzuführen. Der Außenumfang des Tankbehälters 20 ist mit einer Verstärkungsschicht 26 bedeckt. Die Verstärkungsschicht 26 ist aus kohlefaserverstärktem Plastik (CFRP) hergestellt und verbessert die Stabilität des Tankbehälters 20, der Hochdruck-Wasserstoff darin speichert.
Die Wärmeaustauscheinheit 30 hat ein Wärmeaustauschgehäuse 34, welches ein im Wesentlichen zylindrisches Gefäß ist, das einen kleineren Querschnitt als der Querschnittsbereich des Tankbehälters 20 hat. Das Wärmeaustauschgehäuse 34 ist mit einer Wasserstoffspeicherlegierung gefüllt. Dünne Plattenelemente einer Aluminiumlegierung sind in dem Wärmeaustauschgehäuse 34 aneinander gelegt und die Wasserstoffspeicherlegierung ist in die Schichtung an dünnen Plattenelementen eingebracht, wie später im Detail beschrieben wird. Zahlreiche Kühlmittelkanäle 40 sind so ausgebildet, dass sie entlang der Längsachse der Wärmeaustauscheinheit 30 führen und einen Wärmeaustausch zwischen der Wasserstoffspeicherlegierung, die dorthinein eingebracht ist und einem ausgewählten Kühlmittel ermöglichen. Die zahlreichen Kühlmittelkanäle 40 sind mit der Kühlmittelzuführöffnung 24a, die in der Anschlussbaugruppe 24 enthalten ist, verbunden. Eine Strömungsleitung des Kühlmittels, die mit der Kühlmittelzuführöffnung 24 in Verbindung steht, erstreckt sich in den Tankbehälter 20 und verzweigt sich am Ende der Anschlussöffnung 22 der Wärmeaustauscheinheit 30 in zahlreiche Kühlmittelkanäle 40. Die Kühlmittelströmung wird somit durch die zahlreichen Kühlmittelkanäle 40 geführt.
Die Wärmeaustauscheinheit 30 hat auch einen im Wesentlichen zylindrischen Filter 36, der entlang der Längsachse ungefähr im Zentrum der Wärmeaustauscheinheit 30 hindurchfährt. Der Filter 36 ist ein poröser Körper aus einem gesinterten Metall und trägt die Teilchen der Wasserstoffspeicherlegierung, die in die Wärmeaustauscheinheit 30 eingebracht ist, wobei im Wesentlichen ihr Eindringen verhindert wird. Eine Kühlmittelleitung 37, die einen Kühlmittelkanal definiert, ist innerhalb des Filters 36 angeordnet, um durch die Schicht-Richtung der dünnen Plattenelemente in der Wärmeaustauscheinheit 30 hindurchzuführen. Die zahlreichen Kühlmittelkanäle 40 sind miteinander am Ende der Anschlussöffnung 21 der Wärmeaustauscheinheit 30 verbunden und sind mit dieser Kühlmittelleitung 37 verbunden. Die Kühlmittelleitung 37 erstreckt sich zur Anschlussöffnung 22 und mündet zur Kühlmittelabführöffnung 24b, die in der Anschlussbaugruppe 24 enthalten ist. Die Strömungen an Kühlmittel, die durch die zahlreichen Kühlmittelkanäle 40 hindurchströmen, werden am Ende der Anschlussöffnung 21 zusammengeführt und werden in einer umgekehrten Richtung geführt, um durch die Kühlmittelleitung 37 und die Kühlmittelabführöffnung 24b hindurchzuführen, um zur Außenseite abgeführt zu werden.
Ein Wasserstoff-Füllraum 33 ist zwischen der Innenwandfläche des Tankbehälters 20 und der Wärmeaustauscheinheit 30 ausgebildet. Zugeführter Wasserstoff, der in den Wasserstoff-Speichertank 10 geführt wird, wird durch die Wasserstoffspeicherlegierung, die in die Wärmeaustauscheinheit 30 eingebracht ist, absorbiert und in dieser gespeichert, während er als komprimierter Wasserstoff in Spalten, welche durch die Teilchen der Wasserstoffspeicherlegierung ausgebildet wurden, und in diesem Wasserstoff-Füllraum 33 gespeichert wird.
Ein Unterstützungselement 45 ist zwischen den Tankbehälter 20 und die Wärmeaustauscheinheit 30 zwischengelegt. Das Unterstützungselement 45 ist eine dünne Metallplatte aus beispielsweise einer Aluminiumlegierung, rostfreiem Stahl oder einem Mantelmaterial aus einer Aluminiumlegierung oder rostfreiem Stahl, welches in festgesetzten Intervallen gewellt ist. Das Unterstützungselement 45 nimmt eine Expansion oder Kontraktion in der Wärmeaustauscheinheit 30 aufgrund eines Erhöhens oder eines Absenkens der Temperatur auf, während es die Wärmeaustauscheinheit 30 in dem Tankbehälter 20 hält. Das Unterstützungselement 45 erlaubt auch eine Wärmeübertragung zwischen der Wärmeaustauscheinheit 30 und der Wandfläche des Tankbehälters 20. Das Unterstützungselement 45 der gewählten Struktur hat eine Elastizitätskraft zum Halten der Wärmeaustauscheinheit 30. In einem modifizierten Aufbau kann das Unterstützungselement 45 am Tankbehälter 20 und der Wärmeaustauscheinheit 30 angebracht sein, um die Wärmeaustauscheinheit 30 zu halten.
Herstellungsprozess des Wasserstoff-Speichertanks 10
2 ist ein Flussdiagramm, welches einen Prozess zum Herstellen des Wasserstoff-Speichertanks 10 darstellt. Die Schritte S100 bis S130 bilden einen Prozess zum Herstellen der Wärmeaustauscheinheit 30. Im Herstellungsprozess der Wärmeaustauscheinheit 30 werden zuerst zahlreiche dünne Plattenelemente aneinander gelegt, um die Wärmeaustauscheinheit 30 zusammenzubauen (Schritt S100), wie nachfolgend beschrieben.
Die Wärmeaustauscheinheit 30 wird durch abwechselndes Schichten zweier unterschiedlicher Arten an scheibenförmigen dünnen Plattenelementen, flachen Platten 31 und gewellten Platten 32, in dem Wärmeaustauschgehäuse 34 ausgebildet. 3 ist eine Schnittdarstellung des Tankbehälters 20 in dem Wasserstoff-Speichertank 10, entlang der Linie 3-3 aus 1. Die Wasserstoffspeicherlegierung, die tatsächlich in die Wärmeaustauscheinheit 30 eingebracht ist, wird in der Veranschaulichung aus 3 weggelassen. 4 zeigt einen Querschnitt der flachen Platte 31 und der gewellten Platte 32, welche verwendet werden, um die Wärmeaustauscheinheit 30 auszubilden. 5 ist eine Vertikalschnittdarstellung, die einen Teil der Wärmeaustauscheinheit 30 darstellt, in der die flachen Platten 31 und die gewellten Platten 32 abwechselnd geschichtet werden. Die flache Platte 31 ist ein ebenes dünnes Plattenelement und die gewellte Platte 32 ist ein dünnes Plattenelement, das in festgesetzten Intervallen gewellt ist, um konkave und konvexe Abschnitte aufzuweisen. In 1 sind nur die dünnen Plattenelemente entsprechend der flachen Platten 31 dargestellt. 3 zeigt die gewellte Platte 32, wo die gewellten Abschnitte durch parallele Linien ausgedrückt werden. Die flache Platte 31 und die gewellte Platte 32, als zwei verschiedene Arten an scheibenförmigen dünnen Plattenelementen, haben zahlreiche Kühlmittelöffnungen 53 und zahlreiche Wasserstoffspeicherlegierungsfüllöffnungen 54 an entsprechenden Positionen (siehe 3).
Bei der Baugruppe der Wärmeaustauscheinheit 30 werden die zahlreichen flachen Platten 31 und die zahlreichen gewellten Platten 32 abwechselnd so aufeinander gelegt, dass die Kühlmittelöffnungen 53 und die Wasserstoffspeicherlegierungsfüllöffnungen 54 der entsprechenden flachen Platten 31 und der gewellten Platten 32 in einer überlappenden Art und Weise angeordnet sind. Kühlmittelrohre 55 werden in die entsprechende Aneinanderreihung von Kühlmittelöffnungen 53 eingefügt, welche an den überlappenden Positionen angeordnet sind, um durch die Wärmeaustauscheinheit 30 in der Schichtungs-Richtung hindurchzuführen (siehe 3 und 5).
Jede der flachen Platten 31 und der gewellten Platten 32 hat ein kreisförmiges Loch in seiner Mitte. Beim Prozess des Zusammenbaus der Wärmeaustauscheinheit 30, wird der Filter 36 in eine Aneinanderreihung von kreisförmigen Löchern, welche in einer überlappenden Art und Weise ausgerichtet sind, eingefügt, um durch die Wärmeaustauscheinheit in der Schichtungs-Richtung hindurchzuführen (siehe 1 und 3). Die Kühlmittelleitung 37 wird auch in den Filter 36 eingefügt, um durch die Wärmeaustauscheinheit 30 in der Schichtungs-Richtung hindurchzuführen (siehe 1 und 3).
Beim Prozess des Zusammenbaus der Wärmeaustauscheinheit 30 wird eine erste Verteilerplatte 38 an einem Ende des Schichtkörpers aus den flachen Platten 31 und den gewellten Platten 32 angeordnet, wohingegen eine zweite Verteilerplatte 39 am anderen Ende des Schichtkörpers angeordnet wird (siehe 1). 6 ist eine Schnittdarstellung des Tankbehälters 20 im Wasserstoff-Speichertank 10, entlang der Linie 6-6 aus 1. Das heißt in 6 wird die erste Verteilerplatte 38 von der Außenfläche des Schichtkörpers gezeigt. 7 ist eine Schnittdarstellung des Tankbehälters 20 in dem Wasserstoff-Speichertank 10, entlang der Linie 7-7 aus 1. Das heißt in 7 wird die zweite Verteilerplatte 39 von der Innenfläche des Schichtkörpers gezeigt.
Unter Bezugnahme auf 6 hat die erste Verteilerplatte 38 Wasserstoffspeicherlegierungsfülllöcher 56 an Positionen, entsprechend der jeweiligen Wasserstoffspeicherlegierungsfüllöffnungen 54, die in den flachen Platten 31 und den gewellten Platten 32 ausgebildet sind. Wie durch die gestrichelten Linien dargestellt, sind Aussparungen 52 auf der gegenüberliegenden Seite, zur Seite, die explizit in 6 dargestellt ist, an Positionen entsprechend zu den jeweiligen Kühlmittelöffnungen 53 ausgebildet, die in den flachen Platten 31 und den gewellten Platten 32 ausgebildet sind. Die erste Verteilerplatte 38 hat auch einen spezifischen Verteilungsraum 58 an seinem ungefähren Zentrum. Der spezifische Verteilungsraum 58 ist als ein Kühlwassereinlass 57 (siehe 1) am ungefähren Zentrum der ersten Verteilerplatte 38 auf der Seite offen, die explizit in 6 dargestellt ist. Der spezifische Verteilungsraum 58 in der ersten Verteilerplatte 38 ist mit den jeweiligen Aussparungen 52 über Verbindungskanäle 59 verbunden, die in der ersten Verteilungsplatte 38 ausgebildet sind. Die erste Verteilerplatte 38 hat auch einen Kühlwasserauslass 60, welcher durch ihr ungefähres Zentrum hindurchfährt, aber nicht mit dem Verteilerraum 58 verbunden ist. Beim Prozess des Zusammenbaus der Wärmeaustauscheinheit 30 wird die erste Verteilerplatte 38 an den Schichtkörper der flachen Platte 31 und der gewellten Platte 32 angebracht, so dass die jeweiligen Aussparungen 52 mit den entsprechenden Kühlmittelrohren 55 verbunden sind, um Kühlmittelkanäle 40 auszubilden und dass der Kühlwasserauslass 60 mit der Kühlmittelleitung 37 verbunden ist. Die Wasserstoffspeicherlegierungsfülllöcher 56, die in der ersten Verteilerplatte 38 ausgebildet sind, sind von der Veranschaulichung aus 1, zum besseren Verständnis der Abzweigströmungen des Kühlwasserkanals, weggelassen.
Gemäß 7 hat eine zweite Verteilerplatte 39 Aussparungen 64, die auf der Fläche ausgebildet sind, welche explizit in 7 dargestellt ist, und zwar an Positionen, die den jeweiligen Kühlöffnungen 53 entsprechen, welche in den flachen Platten 31 und den gewellten Platten 32 ausgebildet sind. Die zweite Verteilerplatte 39 hat auch einen spezifischen Sammelraum 32, der in ihrem ungefähren Zentrum ausgebildet ist. Der spezifische Sammelraum 62 ist als eine Kühlwasseröffnung 63 am ungefähren Zentrum der zweiten Verteilerplatte 39 auf der Fläche offen, welche explizit in 7 dargestellt ist. Der spezifizierte Sammelraum 62 in der zweiten Verteilerplatte 39 ist mit den jeweiligen Aussparungen 64 über Verbindungskanäle 65 verbunden, welche in der zweiten Verteilerplatte 39 ausgebildet sind. Die zweite Verteilerplatte 39 hat auch einen Wasserstoff-Einlass 61, welcher durch dessen ungefähres Zentrum hindurchfährt, aber nicht mit dem Sammelraum 62 verbunden ist. Beim Prozess des Zusammenbaus der Wärmeaustauscheinheit 30, wird die zweite Verteilerplatte 39 an den Schichtkörper aus flachen Platten 31 und gewellten Platten 32 angebracht, so dass die jeweiligen Aussparungen 64 mit den entsprechenden Kühlmittelrohren 55 verbunden sind, um die Kühlmittelkanäle 40 auszubilden und so dass die Kühlwasseröffnung 63 mit der Kühlmittelleitung 37 verbunden ist. Der Wasserstoff-Einlass 61 wird entsprechend durch das Ende des Filters 36 versperrt.
Unter Rückbezug auf das Flussdiagramm aus 2 werden beim Zusammenbau der Wärmeaustauscheinheit 30 die Teilchen der Wasserstoffspeicherlegierung in die Wärmeaustauscheinheit 30 eingebracht (Schritt S110). Die Zufuhr von Wasserstoffspeicherlegierung strömt durch die Wasserstoffspeicherlegierungsfülllöcher 56, die in der ersten Verteilerplatte 38 ausgebildet sind und wird in die Wärmeaustauscheinheit 30 geführt. Die abwechselnde Anordnung an flachen Platten 31 und gewellten Platten 32 in der Wärmeaustauscheinheit 30 bildet Poren zwischen den benachbarten dünnen Plattenelementen in der Schichtung, wie in 5 dargestellt, aus. Die Poren sind miteinander über die Wasserstoffspeicherlegierungsfüllöffnungen 54 verbunden, die in den flachen Platten 31 und den gewellten Platten 32 ausgebildet sind. Die Zufuhr von Wasserstoffspeicherlegierung strömt durch die Wasserstoffspeicherlegierungsfülllöcher 56, die in der ersten Verteilerplatte 38 ausgebildet sind und wird über die Wasserstoffspeicherlegierungsfüllöffnungen 54, die in den flachen Platten 31 und den gewellten Platten 32 ausgebildet sind, in die Wärmeaustauscheinheit 30 geführt, um in die Poren eingebracht zu werden.
Nach dem Füllen der Wärmeaustauscheinheit 30 mit der Wasserstoffspeicherlegierung versperrt der Herstellungsprozess die jeweiligen Wasserstoffspeicherlegierungsfülllöcher 56, die in der ersten Verteilerplatte 38 ausgebildet sind und den Wasserstoff-Einlass 61 der zweiten Verteilerplatte 39 (Schritt S120). Bei den Wasserstoffspeicherlegierungsfülllöchern 56 ist es nicht erforderlich, dass sie wieder geöffnet und somit durch beispielsweise Schweißen versiegelt werden. Beim Wasserstoff-Einlass 61 ist es jedoch erforderlich, dass er vor der Fertigstellung des Wasserstoffspeichertanks 10 wieder zu öffnen ist und wird somit in einer wieder zu öffnenden Art und Weise versperrt. Beispielsweise wird eine Schraube mit einer spezifischen Größe entsprechend zum Wasserstoff-Einlass 61 als ein Verschlusselement verwendet und in den Wasserstoff-Einlass 61 geschraubt, um den Wasserstoffeinlass 61 zu versperren. Hierbei wird der Wasserstoff-Einlass 61 versperrt, um zu verhindern, dass Wasser in die Wärmeaustauscheinheit 30 in einem nachfolgenden Wärmebehandlungsprozess (wird später beschrieben) in die Wärmeaustauscheinheit 30 eindringt. Beispielsweise kann ein O-Ring verwendet werden, um eine ausreichende Abdichteigenschaft sicherzustellen.
Nach dem Versperren der Wasserstoffspeicherlegierungsfülllöcher 56 und des Wasserstoff-Einlasses 61 werden beim Herstellungsprozess die Kühlmittelkanäle mit der Wärmeaustauscheinheit 30 verbunden, um die Wärmeaustauscheinheit 30 fertig zu stellen (Schritt S130). Die 8 und 9 stellen schematisch den Herstellungsprozess von und nach Schritt S130 dar. 8(A) stellt eine Wärmeaustauscheinheit 30 dar, die bei Schritt S130 fertig gestellt ist. Beim Herstellungsprozess werden Rohrelemente 70 und 71, welche beispielsweise aus rostfreiem Stahl hergestellt sind, mit dem Kühlwassereinlass 57 und dem Kühlwasserauslass 60 der ersten Verteilerplatte 38 verbunden und die Rohrelemente 70 und 71 werden in ein Zylinderelement 72 eingesetzt, welches beispielsweise aus rostfreiem Stahl hergestellt ist, um die Wärmeaustauscheinheit 30 bei Schritt S130 fertig zu stellen. Das Zylinderelement 72 ist im Querschnitt in der Veranschaulichung aus 8(A) dargestellt. Diese stellt klar dar, dass die Rohrelemente 70 und 71 durch das Zylinderelement 72 hindurch führen.
Nach der Fertigstellung der Wärmeaustauscheinheit 30, stellt der Herstellungsprozess den Tankbehälter 20 bereit (Schritt S140). Der Tankbehälter 20 dieses Ausführungsbeispiels besteht aus einer Aluminiumlegierung und wird bei Schritt S140 als eine Röhre, deren beide Enden offen sind, bereitgestellt, wie in 8(B) dargestellt ist.
Beim Herstellungsprozess wird bei Schritt S130 die fertig gestellte Wärmeaustauscheinheit 30 in den Tankbehälter 20 platziert, der bei Schritt S140 bereitgestellt wird (S150), siehe 8(C)). Das Unterstützungselement 45 wird zwischen den Tankbehälter 20 und die Wärmeaustauscheinheit 30 zwischengelegt, wenn die Wärmeaustauscheinheit 30 in den Tankbehälter 20 bei Schritt S140 eingesetzt wird.
Beim Herstellungsprozess werden nachfolgend beide Enden des Tankbehälters 20 umgeformt (Schritt S160), so dass die Öffnung an beiden Enden des Tankbehälters 20 verengt wird und die Anschlussöffnungen 21 und 22 ausgebildet werden (siehe 9).
Dann wird der Tankbehälter 20 wärmebehandelt (Schritt S170). Die Wärmebehandlung wird durchgeführt, um die Zeitfestigkeit der Aluminiumlegierung des Tankbehälters 20 zu verbessern. Beim Wasserstoffspeichertank 10 werden die jeweiligen Bestandteile mit einer Temperaturveränderung ausgedehnt und zusammengezogen und der Innendruck verändert sich mit dem Speichern und dem Freisetzen von Wasserstoff. Die Ausdehnung und das Zusammenziehen der Bestandteile und die Veränderung des Innendrucks verursachen eine Verzerrung der Form des Tankbehälters 20 zu einem gewissen Grad. Die wiederholte Verzerrung summiert sich kontinuierlich zur Metallermüdung der Aluminiumlegierung des Tankbehälters 20. Die Wärmebehandlung verbessert den Widerstand einer solchen Metallermüdung. Dieses Ausführungsbeispiel verwendet eine bekannte T6-Behandlung für die Aluminiumlegierung zur Wärmebehandlung. Die Wärmebehandlung erhitzt die Aluminiumlegierung auf einen Zustand einer festen Lösung in einem Temperaturbereich von 515 bis 550°C und kühlt dann die erhitzte Aluminiumlegierung mit Wasser abrupt ab. Eine Wasserströmung wird in den Tankbehälter 20 geführt, um eine abrupte Abkühlung der Aluminiumlegierung mit Wasser sicherzustellen.
Nach der Wärmebehandlung wird beim Herstellungsprozess das Verschlusselement vom Wasserstoffeinlass 61 der zweiten Verteilerplatte 69 entfernt, um den Wasserstoff-Einlass 61 wieder zu öffnen (Schritt S180). Das heißt, das Verschlusselement, welches in den Wasserstoff-Einlass 61 eingesetzt ist, wird über die Anschlussöffnung 21, welche bei Schritt S160 ausgebildet wird, entfernt.
Dann wird beim Herstellungsprozess jeweils die Anschlussbaugruppe 23 an die Anschlussöffnung 21 und die Anschlussbaugruppe 24 an die Anschlussöffnung 22 angebracht (Schritt S190). Beim Aufbau dieses Ausführungsbeispiels hat die Anschlussbaugruppe 23 ein Magnetspulen betätigtes Ein-Aus-Ventil und ein Druckminderungsventil. Die Strömung von gasförmigem Hochdruck-Wasserstoff wird über die Wasserstoffzufuhr-/-abführöffnung 23a eingeleitet, um im Wasserstoffspeichertank 10 gespeichert zu werden. Die Strömung an gasförmigem Niedrigdruck-Wasserstoff, welcher mittels des Druckminderungsventils verringert wurde, wird von dem Wasserstoffspeichertank 10 über die Wasserstoffzuführ-/-abführöffnung 23a zur Außenseite abgeführt. Das Zylinderelement 72 ist so angeordnet, dass es durch die Anschlussbaugruppe 24 hindurchfährt. Das Zylinderelement 72 weist die eindringenden Rohrelemente 70 und 71 auf, die vorstehend beschrieben wurden. Bei diesem Aufbau des Zylinderelements 72 bilden die Enden der Rohrelemente 70 und 71 jeweils die Kühlmittelzuführöffnung 24a und die Kühlmittelabführöffnung 24b.
Nachfolgend wird beim Herstellungsprozess die Verstärkungsschicht 26 am Außenumfang des Tankbehälters 20 ausgebildet (Schritt S200) und der Wasserstoffspeichertank 10 wird fertig gestellt. Die Verstärkungsschicht 26 wird beispielsweise durch Wickeln von Kohlefasern, welche mit einem Epoxydharz getränkt sind, um den Außenumfang des Tankbehälters 20 und durch Aushärten des getränkten Epoxydharzes ausgebildet.
Speichern bzw. Ablassen von Wasserstoff in bzw. aus dem Wasserstoffspeichertank Eine Zufuhr von Hochdruck-Wasserstoff wird in den Wasserstoffspeichertank 10 über die Wasserstoffzuführ-/-abführöffnung 23a zum Speichern des Wasserstoffs in den Wasserstoffspeichertank 10 eingeleitet. Die Strömung an Wasserstoff, welche durch die Wasserstoffzuführ-/-abführöffnung 23a geleitet wird, strömt durch das Magnetventil der Anschlussbaugruppe 23 und wird in den Wasserstoff-Füllraum 33 im Wasserstoffspeichertank 10 geleitet. Die Strömung an Wasserstoff wird des Weiteren in die Wärmeaustauscheinheit 30 über den Wasserstoff-Einlass 61 und den Filter 36 geführt, so dass er von der Wasserstoffspeicherlegierung absorbiert und gespeichert wird. Die Menge an Wasserstoff, welche von der Wasserstoffspeicherlegierung absorbiert und gespeichert wird, hängt vom Druck des Wasserstoffs, der Temperatur und der Art der Wasserstoffspeicherlegierung ab. Wenn die Strömung an Wasserstoff bei einem festgesetzten Druck zugeführt wird, wird die Wasserstoffspeicherlegierung auf eine spezifische Temperatur erwärmt, während sie den Wasserstoff absorbiert.
Beim Prozess des Wasserstoffspeicherns, strömt das Kühlmittel über die Kühlmittelzuführöffnung 24a in den Wasserstoffspeichertank 10, führt durch den Wasserstoffspeichertank 10 hindurch und wird über die Kühlmittelabführöffnung 24b zur Außenseite abgeführt. Die Zufuhr von Kühlmittel, welche in den Wasserstoffspeichertank 10 eingeleitet wird, wird in der ersten Verteilerplatte 38 in entsprechende Kühlmittelkanäle 40 abgezweigt und wird in der zweiten Verteilerplatte 39 zusammengeführt, um über die Kühlmittelleitung 37 zur Außenseite abgeführt zu werden. Eine solche Zirkulation an Kühlmittel kühlt die Innenseite des Wasserstoffspeichertanks 10 ab und beschleunigt dadurch die Absorption von Wasserstoff in der Wasserstoffspeicherlegierung.
Nachdem die Wasserstoffspeicherlegierung auf die spezifische Temperatur erwärmt wurde, wird der Wasserstoff-Füllraum 33 mit gasförmigem Wasserstoff auf einen Druck gefüllt, der dem Wasserstoffzuführdruck in den Wasserstoffspeichertank 10 entspricht. Somit wird der Wasserstoffspeichertank 10 vollständig mit Wasserstoff gefüllt.
Die Strömung an Wasserstoff, welche auf einen festgesetzten Druck verringert wird, wird von dem Wasserstoffspeichertank 10 über die Wasserstoffzuführ-/-abführöffnung 23a abgelassen. Zuerst wird der komprimierte Wasserstoff von dem Wasserstoff-Füllraum 33 abgelassen. Mit einer Verringerung des Drucks wird der Wasserstoff, der von der Wasserstoffspeicherlegierung absorbiert und gespeichert wird, freigesetzt. Die Wasserstoffspeicherlegierung absorbiert mit dem Freisetzen von Wasserstoff Wärme. Die Strömung an heißem Kühlmittel, welches eine vorherbestimmte Temperatur hat, strömt durch die Kühlmittelkanäle, um die Wasserstoffspeicherlegierung zu erwärmen und ermöglicht ein fortwährendes Freisetzen von Wasserstoff aus der Wasserstoffspeicherlegierung.
Beim Prozess des Absorbierens von Wasserstoff in der Wasserstoffspeicherlegierung oder dem Freisetzen von Wasserstoff von der Wasserstoffspeicherlegierung fungieren die jeweiligen dünnen Plattenelemente, die in der Wärmeaustauscheinheit 30 geschichtet sind, als Rippen zum Beschleunigen des Wärmeaustauschs zwischen der Wasserstoffspeicherlegierung und dem Kühlmittel. Beim Wasserstoffabsorptionsprozess wird die von der Wasserstoffspeicherlegierung erzeugte Wärme über die Rippen zum Kühlmittel in den Kühlmittelkanälen 40 übertragen, um das Speichern von Wasserstoff zu beschleunigen. Beim Wasserstoff-Freisetzprozess wird andererseits die Wärme des Kühlmittels in den Kühlmittelkanälen 40 über die Rippen zur Wasserstoffspeicherlegierung übertragen, um das Freisetzen von Wasserstoff zu beschleunigen. Beim Prozess des Absorbierens von Wasserstoff in der Wasserstoffspeicherlegierung wird die Wärme, die durch die Wasserstoffspeicherlegierung mit dem Speichern von Wasserstoff erzeugt wird, über die dünnen Plattenelemente, welche als Rippen fungieren, dem Wärmeaustauschgehäuse 34 und dem Unterstützungselement 45 zum Tankbehälter 20 übertragen und aus dem Tankbehälter 20 freigesetzt.
Wie vorstehend beschrieben wird beim Herstellungsprozess des Wasserstoffspeichertanks 10 die Wärmeaustauscheinheit 30 mit Teilchen der Wasserstoffspeicherlegierung gefüllt und das lösbare Verschlusselement wird an die Wärmeaustauscheinheit 30 angebracht, um den Raum, der mit Wasserstoffspeicherlegierung gefüllt ist, zu versperren. Beim Herstellungsprozess wird die Wärmeaustauscheinheit 30 in dem Tankbehälter 20 angeordnet, die Enden des Tankbehälters 20 umgeformt, eine Wärmebehandlung durchgeführt, begleitet mit einer abrupten Wasserkühlung und das Verschlusselement entfernt. Diese Anordnung verhindert effektiv, dass die Wasserstoffspeicherlegierung, die in die Wärmeaustauscheinheit 30 eingebracht ist, beim Wasserabkühlschritt der Wärmebehandlung nass wird. Es ist extrem schwierig, die nassen Teilchen der Wasserstoffspeicherlegierung nach dem Einbringen in die Wärmeaustauscheinheit 30 zu trocknen. Wenn die Wasserstoffspeicherlegierung einmal nass ist, kann dies die Wasserstoffabsorptionskapazität absenken. Das Anbringen des lösbaren Verschlusselements an die Wärmeaustauscheinheit 30 verhindert effektiv solche potentiellen Probleme der Wasserstoffspeicherlegierung. Nach der Wärmebehandlung wird das Verschlusselement von der Wärmeaustauscheinheit 30 entfernt, um den Wasserstoff-Einlass 61 wieder zu öffnen. Dies bildet eine Öffnung auf der Fläche der Wärmeaustauscheinheit 30 aus, durch welche die Strömung an Wasserstoff zum Speichern in die Wasserstoffspeicherlegierung eingeleitet wird oder von der Wasserstoffspeicherlegierung abgelassen wird.
Wie vorstehend beschrieben, verbessert die Wärmebehandlung die Zeitfestigkeit der Aluminiumlegierung und erlaubt, dass Hochdruck-Wasserstoff, beispielsweise Wasserstoff mit einem Druck von über 1MPa, in dem Wasserstoff-Füllraum 33 im Wasserstoffspeichertank 10 gespeichert wird. Die Anwesenheit der Verstärkungsschicht 26 erlaubt ein Speichern von Hochdruck-Wasserstoff, beispielsweise Wasserstoff mit einem Druck von über 25 MPa oder sogar 35 MPa. Bevorzugterweise wird die Aluminiumlegierung als Material für den Tankbehälter 20 verwendet, da sie eine exzellente thermische Leitfähigkeit aufweist, leicht ist und effektiv ein Entweichen eines solchen Hochdruck-Wasserstoffs verhindert.
Von Verschlüssen der Öffnungen, die in dem Tankbehälter 20 ausgebildet sind, ist erforderlich, dass sie eine ausreichende Gasdichtheit des Tankbehälters 20 aufrechterhalten und einen ausreichenden Widerstand gegen den Hochdruck des darin gespeicherten Wasserstoffs aufweisen. Die Öffnung des Tankbehälters 20 muss andererseits notwendigerweise eine ausreichende Größe haben, um das Anordnen der Wärmeaustauscheinheit 30 zu erlauben. Der Vorgang dieses Ausführungsbeispiels verengt entsprechend die Enden des Tankbehälters 20 durch den Umformprozess nach dem Anordnen der Wärmeaustauscheinheit 30 in dem Tankbehälter 20. Wenn der Wärmebehandlungsprozess mit der abrupten Wasserkühlung vor dem Umformprozess ausgeführt wird, können die Effekte der Wärmebehandlung auf die Verbesserung des Ermüdungswiderstandes durch den Umformprozess zerstört werden. Der Wärmebehandlungsprozess mit der abrupten Wasserkühlung ist somit nach dem Umformprozess auszuführen. Die Wärmebehandlung ist wünschenswerter Weise nach dem Anordnen der Wärmeaustauscheinheit 30 im Tankbehälter 20 und dem Umformprozess durchzuführen. Jedoch ist es schwierig, die Wärmeaustauscheinheit 30 mit den Teilchen der Wasserstoffspeicherlegierung über die kleinen Öffnungen (die Anschlussöffnungen 21 und 22) einzufüllen, welche durch den Umformprozess verengt wurden. Der Herstellungsprozess des Wasserstoffspeichertanks 10 weist die entsprechenden Schritte in einer geeigneten Reihenfolge auf, um die Wärmeaustauscheinheit 30 einfach mit den Teilchen der Wasserstoffspeicherlegierung zu füllen, während effektiv verhindert wird, dass die Wasserstoffspeicherlegierung nass wird.
Der Wasserstoff-Einlass 61 mit dem lösbaren Verschlusselement ist so angeordnet, dass sichergestellt wird, dass ein einfaches Lösen des Verschlusselements durch die Öffnung (Anschlussöffnung 21) ausgeführt werden kann, welche durch den Umformprozess verengt wurde. Beispielsweise ist der Wasserstoff-Einlass 61 am ungefähren Zentrum der scheibenförmigen zweiten Verteilerplatte 39 angeordnet.
Aufbau des Wasserstoffspeichertanks 110
10 veranschaulicht schematisch den Aufbau eines weiteren Wasserstoffspeichertanks 110. 11 ist eine Schnittdarstellung des Wasserstoffspeichertanks 110 entlang der Linie 11-11 aus 10. Der Wasserstoffspeichertank 110 hat einen Tankbehälter 120, eine Wärmeaustauscheinheit 130, die im Tankbehälter 120 angeordnet ist und ein Unterstützungselement 140, das zwischen den Tankbehälter 120 und die Wärmeaustauscheinheit 130 zwischen gelegt ist.
Der Tankbehälter 120 ist ein im Wesentlichen zylindrisches hohles Gefäß und ist in diesem Ausführungsbeispiel aus einer Aluminiumlegierung hergestellt. Der Tankbehälter 120 hat Anschlussöffnungen 121 und 122 an dessen beide Enden haben einen kleineren im Wesentlichen kreisförmigen Querschnitt als der Mittelquerschnitt des Tankbehälters 120.
Anschlussbaugruppen 123 und 124 sind in entsprechende Anschlussöffnungen 121 und 122 eingesetzt. Die Anschlussbaugruppen 123 und 124 bilden den Aufbau zum Aufrechterhalten einer ausreichenden Gasdichtheit des Tankbehälters 120 an den Anschlussöffnungen 121 und 122, um eine Leckage des gasförmigen Wasserstoffs, der in dem Tankbehälter 120 gespeichert ist, zu verhindern. Die Anschlussbaugruppe 123 hat eine Wasserstoffzuführ-/-abführöffnung 123a, welche zur Außenseite mündet, um eine Strömung an gasförmigem Wasserstoff in oder aus den Tankbehälter 120 zuzuführen oder abzuführen.
Die Wärmeaustauscheinheit 130 hat ein Wärmeaustauschgehäuse 134, welches ein im Wesentlichen zylindrisches Gefäß ist, welches einen kleineren Querschnitt hat als der Querschnitt des Tankbehälters 120. Das Wärmeaustauschgehäuse 134 ist mit einer Wasserstoffspeicherlegierung gefüllt. Drei Kühlmittelkanäle 135 sind ausgebildet, um entlang der Längsachse der Wärmeaustauscheinheit 130 hindurchzuführen und um einen Wärmeaustausch zwischen der Wasserstoffspeicherlegierung, die in die Wärmeaustauscheinheit 130 eingebracht ist und einem ausgewählten Kühlmittel zuzulassen. Jeder der drei Kühlmittelkanäle 135 ist in einer U-Form ausgebildet. Beide Enden eines jeden U-förmigen Kühlmittelkanals 135 erstrecken sich über die Anschlussbaugruppe 124, die in die Anschlussöffnung 122 eingesetzt ist, aus dem Tankbehälter 120. Jeder der U-förmigen Kühlmittelkanäle 135 hat eine U-förmige Biegung, die von dem Wärmeaustauschgehäuse 134 am Ende der Anschlussöffnung 121 hervorsteht. Eine Strömung an Kühlmittel, welche zu jedem der U-förmigen Kühlmittelkanäle 135 zugeführt wird, wird von einem Ende des Kühlmittelkanals 135 eingeleitet, das sich aus dem Tankbehälter 120 an der Anschlussbaugruppe 124 erstreckt und strömt durch den Kühlmittelkanal 135 entlang der Längsachse der Wärmeaustauscheinheit 130. Die Strömung an Kühlmittel, welche durch den Kühlmittelkanal 135 strömt, wird an der U-förmigen Biegung, die von dem Wärmeaustauschgehäuse 134 hervorsteht, umgekehrt, hin zur Anschlussbaugruppe 124 geführt und über das andere Ende des Kühlmittelkanal 135, der sich vom Tankbehälter 120 an der Anschlussbaugruppe 124 erstreckt außerhalb des Wasserstoffspeichertanks 110 abgeführt.
Das Unterstützungselement 140 wird zwischen den Tankbehälter 120 und die Wärmeaustauscheinheit 130 zwischengelegt, um den Außenumfang der Wärmeaustauscheinheit 130 zu umgeben. Das Unterstützungselement 140 ist eine dünne Metallplatte beispielsweise aus Aluminiumlegierung, rostfreiem Stahl oder einem Mantelmaterial aus Aluminiumlegierung oder rostfreiem Stahl, welches in festgesetzten Intervallen gewellt ist. Das Unterstützungselement 140 absorbiert eine Ausdehnung und ein Zusammenziehen in der Wärmeaustauscheinheit 130 aufgrund einer Erhöhung oder einer Verringerung der Temperatur, während es die Wärmeaustauscheinheit 130 im Tankbehälter 120 hält. Das Unterstützungselement 140 der gewellten Struktur hat eine Elastizitätskraft zum Halten der Wärmeaustauscheinheit 130. Das Unterstützungselement 140 gestattet auch eine Wärmeübertragung zwischen der Wärmeaustauscheinheit 130 und der Wandfläche des Tankbehälters 120. In einem modifizierten Aufbau kann das Unterstützungselement 140 an den Tankbehälter 120 und die Wärmeaustauscheinheit 130 angebracht werden, um die Wärmeaustauscheinheit 130 im Tankbehälter 120 zu halten und um die Wärmeübertragung zu verbessern.
Die gewellte Struktur des Unterstützungselements 140 bildet zahlreiche innere Hohlräume 132 entlang der Längsachse des Tankbehälters 120 zwischen der Innenwandfläche des Tankbehälters 120 und der Wärmeaustauscheinheit 130 aus (siehe 11). Endhohlräume 133, welche nicht durch das Unterstützungselement 140 gebildet werden, sind an beiden Enden der Längsachse des Tankbehälters 120 zwischen der Innenwandfläche des Tankbehälters und der Wärmeaustauscheinheit 130 ausgebildet (siehe 10). Eine Zufuhr von Wasserstoff, welcher in den Wasserstoffspeichertank 110 eingespeist wird, wird von der Wasserstoffspeicherlegierung, welche in die Wärmeaustauscheinheit 130 eingebracht ist, absorbiert und von dieser gespeichert, während er als komprimierter Wasserstoff in Spalten, die durch Teilchen der Wasserstoffspeicherlegierung ausgebildet werden, in den inneren Hohlräumen 132 und in den Endhohlräumen 133 gespeichert wird. Wie später beschrieben, wird der Tankbehälter 120 einer Wärmebehandlung mit einer abrupten Wasserabkühlung beim Herstellungsprozess des Wasserstoffspeichertanks 110 unterworfen. Die zahlreichen inneren Hohlräume 132 bilden beim Wasserabkühlschritt Wasserkanäle.
Der Außenumfang des Tankbehälters 120 ist mit einer Verstärkungsschicht 126 bedeckt. Die Verstärkungsschicht 126 ist aus Kohlefaser verstärktem Plastik (CFRP) hergestellt und verbessert die Stabilität des Tankbehälters 120, der Hochdruck-Wasserstoff darin speichert.
Herstellungsprozess des Wasserstoffspeichertanks 110
12 ist ein Flussdiagramm, welches ein Ausführungsbeispiel für einen Herstellungsprozess des Wasserstoffspeichertanks 110 darstellt. Die 13 und 14 zeigen Hauptteile des Herstellungsprozesses des Wasserstoffspeichertanks 110 des Ausführungsbeispiels.
Der Herstellungsprozess des Wasserstoffspeichertanks 110 stellt zunächst das Wärmeaustauschgehäuse 134 bereit, welches ein hohles zylindrisches Gefäß ist (Schritt S300) und setzt die drei Kühlmittelkanäle 135 in das Wärmeaustauschgehäuse 134 ein (Schritt S310, siehe 13(A)). Beim Einsetzprozess werden Löcher in das Wärmeaustauschgehäuse 134 gemacht, welche die Kühlmittelkanäle 135 darin aufnehmen, die entsprechenden zwei Enden der U-förmigen Kühlmittelkanäle 135 von einem Ende des Wärmeaustauschgehäuses 134 eingefügt und die U-förmigen Kühlmittelkanäle 135 dazu veranlasst, durch das Wärmeaustauschgehäuse 134 hindurchzuführen und von einem anderen Ende des Wärmeaustauschgehäuses 134 hervorzustehen. Die Kühlmittelkanäle 135, welche durch das Wärmeaustauschgehäuse 134 hindurchführen, sind am Wärmeaustauschgehäuse 134 durch Schweißen fixiert, was den Zwischenraum zwischen den Kühlmittelkanälen 135 und dem Wärmeaustauschgehäuse 134 auffüllt. Beim Prozess werden bei Schritt S310 des weiteren die Kühlmittelkanäle 135, welche vom anderen Ende des Wärmeaustauschgehäuses 134 hervorstehen gebogen und die sechs gebogenen Enden der Kühlmittelkanäle 135, welche vom anderen Ende entlang der Mittelachse des Wärmeaustauschgehäuses 134 hervorstehen gebündelt (siehe 13(A)). Ein Loch 131 zum Einfüllen der Wasserstoffspeicherlegierung ist am ungefähren Zentrum der Fläche des Wärmeaustauschgehäuses 134 (der Boden der Zylinderform) ausgebildet, von der sich die U-förmigen Biegungen der U-förmigen Kühlmittelkanäle 135 erstrecken. Die Position des Lochs 131 wird durch den Pfeil in 13(A) dargestellt.
Der Herstellungsprozess stellt nachfolgend ein im Wesentlichen zylindrisches Außenwandelement 150 mit zwei offenen Enden und eine gewellte Platte 152 bereit, um das Unterstützungselement 140 auszubilden (Schritt S320).
13(B) zeigt das Erscheinungsbild des Außenwandelements 150 und 13(C) zeigt das Erscheinungsbild einer gewellten Platte 152. Beim Herstellungsprozess werden die gewellte Platte 152 und das Wärmeaustauschgehäuse 134 mit den Kühlmittelkanälen 135 in das Außenwandelement 150 eingefügt (Schritt S330). Die gewellte Platte 152 ist so angeordnet, dass sie zahlreiche Hohlräume zwischen dem Außenwandelement 150 und dem Wärmeaustauschgehäuse 134 ausbildet, welche im Wesentlichen parallel zueinander sind und beide Enden des Außenwandelements 150 miteinander verbinden. Diese Anordnung der gewellten Platte 152 zwischen dem Wärmeaustauschgehäuse 134 und dem Außenwandelement 150 bildet das Unterstützungselement 140 (siehe 14(A)).
Dann werden beim Herstellungsprozess die beiden Enden des Außenwandelements 150 verengt, so dass die Öffnungen an beiden Enden des Außenwandelements 150 verengt sind und die engen Anschlussöffnungen 121 und 122 ausbilden (Schritt S340). 14(B) stellt einen Tankbehälter 120 dar, der durch Verengen der Öffnungen des Außenwandelements 150 erhalten wird. Die Öffnung, welche auf der Seite ausgebildet ist, von der die entsprechenden Enden der Kühlmittelkanäle 135 hervorstehen, ist die Anschlussöffnung 122 und die Öffnung auf der gegenüberliegenden Seite ist die Anschlussöffnung 121.
Der Tankbehälter 120 wird dann einer Wärmebehandlung unterworfen (Schritt S350). Die Wärmebehandlung wird durchgeführt, um die Zeitfestigkeit der Aluminiumlegierung des Tankbehälters 120 zu verbessern. Beim Wasserstoffspeichertank 110 werden die jeweiligen Bestandteile durch eine Temperaturveränderung ausgedehnt und ziehen sich zusammen und der Innendruck verändert sich mit dem Speichern und dem Ablassen von Wasserstoff.
Die Ausdehnung und das Zusammenziehen der Bestandteile und die Veränderung des Innendrucks verursacht eine Verzerrung der Form des Tankbehälters 120 zu einem gewissen Grad. Die wiederholte Verformung summiert sich kontinuierlich zur Metallermüdung der Aluminiumlegierung des Tankbehälters 120. Die Wärmebehandlung verbessert den Widerstand solch einer Metallermüdung. Dieses Ausführungsbeispiel verwendet eine bekannte T6-Behandlung für Aluminiumlegierungen zur Wärmebehandlung. Die Wärmebehandlung erhitzt die Aluminiumlegierung in einen Zustand einer festen Lösung in einem Temperaturbereich von 515 bis 550°C und kühlt dann die erhitzte Aluminiumlegierung abrupt mit Wasser ab. Die Strömung an Wasser wird in den Tankbehälter 120 geleitet, das heißt in die inneren Hohlräume 132, die durch die Innenwandfläche des Tankbehälters 120 und das Wärmeaustauschgehäuse 134 definiert sind, um eine abrupte Abkühlung der Aluminiumlegierung mit Wasser sicherzustellen.
Nach der Wärmebehandlung werden beim Herstellungsprozess die Teilchen der Wasserstoffspeicherlegierung in das Wärmeaustauschgehäuse 134 eingebracht (Schritt S360). Bei Schritt S360 der Prozedur werden Teilchen der Wasserstoffspeicherlegierung in das Wärmeaustauschgehäuse 134 über das Loch 131, welches in dem Wärmeaustauschgehäuse 134 ausgebildet ist, über die Anschlussöffnung 121 des Tankbehälters 120 eingeführt (siehe den Pfeil in 14(B)). Dann wird beim Herstellungsprozess das Loch 131 abgedichtet und die Wärmeaustauscheinheit 130 im Tankbehälter 120 fertig gestellt (Schritt S370). Bei Schritt S370 der Prozedur wird ein gasdurchlässiges, poröses Element 137, welches aus gesintertem Metall besteht, in das Loch 131 gesteckt, so dass es das Loch 131 verschließt (siehe 14(B)).
Das poröse Element 137 trägt die Teilchen der Wasserstoffspeicherlegierung, die in die Wärmeaustauscheinheit 130 eingebracht sind, wobei im Wesentlichen deren Eindringen verhindert wird. Diese Anordnung verhindert effektiv ein Entweichen der Wasserstoffspeicherlegierung, die in die Wärmeaustauscheinheit 130 gepackt ist. Das Loch 131 mit dem darin eingesteckten porösen Element 137 dient als Wasserstoffkanal, wenn die Zufuhr von Wasserstoff in der Wasserstoffspeicherlegierung absorbiert und gespeichert wird, die in die Wärmeaustauscheinheit 130 des Wasserstoffspeichertanks 110 eingebracht ist und wenn die Strömung an Wasserstoff von der Wasserstoffspeicherlegierung freigesetzt wird.
Dann wird beim Herstellungsprozess jeweils die Anschlussbaugruppe 123 an die Anschlussöffnung 121 und die Anschlussbaugruppe 124 an die Anschlussöffnung 122 angebracht (Schritt S340). Die Anschlussbaugruppe 123 hat ein magnetspulenbetätigtes Ein-Aus-Ventil und ein Druckminderungsventil. Die Strömung an gasförmigem Hochdruck-Wasserstoff wird über die Wasserstoffzuführ-/-abführöffnung 123a eingeleitet, um in dem Wasserstoffspeichertank 110 gespeichert zu werden. Die Strömung an gasförmigem Niedrigdruck-Wasserstoff, der mittels des Druckverringerungsventils verringert wird, wird vom Wasserstoffspeichertank 110 zur Außenseite über die Wasserstoffzuführ-/-abführöffnung 123 abgeführt. Die Anschlussbaugruppe 124 hält die jeweiligen Enden der drei Kühlmittelkanäle 135, die vom Tankbehälter 120 hervorstehen, während es die Luftdichtheit des Tankbehälters 120 aufrechterhält.
Nachfolgend bildet der Herstellungsprozess die Verstärkungsschicht 126 auf der Außenumfangsfläche des Tankbehälters 120 aus (Schritt S390) und stellt den Wasserstoffspeichertank 110 fertig. Die Verstärkungsschicht 126 wird beispielsweise durch Wickeln von Kohlefasern, die mit Epoxydharz getränkt sind, um die Außenumfangsfläche des Tankbehälters 120 und durch Aushärten des getränkten Epoxydharzes ausgebildet.
Speichern bzw. Ablassen von Wasserstoff in bzw. aus dem Wasserstoffspeichertank
Eine Zufuhr von Hochdruck-Wasserstoff wird in den Wasserstoffspeichertank 110 über die Wasserstoffzuführ-/-abführöffnung 123a zum Speichern von Wasserstoff in den Wasserstoffspeichertank 110 eingeleitet. Die durch die Wasserstoffzuführ-/-abführöffnung 123a zugeführte Strömung von Wasserstoff, wird in die inneren Hohlräume 132 und die Endhohlräume 133, welche in dem Wasserstoffspeichertank 110 ausgebildet sind und über das poröse Element 137 in die Wärmeaustauscheinheit 130 geleitet, das in das Loch 131 gesteckt ist, um in der Wasserstoffspeicherlegierung absorbiert und gespeichert zu werden. Die Menge an Wasserstoff, welcher in der Wasserstoffspeicherlegierung absorbiert und gespeichert wird, hängt vom Druck des Wasserstoffs, der Temperatur und der Art der Wasserstoffspeicherlegierung ab. Wenn die Strömung an Wasserstoff bei einem festgesetzten Druck zugeführt wird, wird die Wasserstoffspeicherlegierung auf eine spezifische Temperatur erwärmt, während Wasserstoff absorbiert wird. Beim Prozess der Wasserstoffspeicherung zirkuliert und strömt Kühlmittel durch die drei Kuhlmittelkanäle 135, um die Innenseite des Wasserstoffspeichertanks 110 zu kühlen und dadurch die Absorption von Wasserstoff in der Wasserstoffspeicherlegierung zu beschleunigen. Nachdem die Wasserstoffspeicherlegierung auf die spezifische Temperatur erwärmt worden ist, werden die inneren Hohlräume 132 und die Endhohlräume 133 mit gasförmigem Wasserstoff bei einem Druck gefüllt, der dem Wasserstoffzuführdruck in den Wasserstoffspeichertank 110 entspricht. Somit wird der Wasserstoffspeichertank 110 vollständig mit Wasserstoff gefüllt.
Die Strömung an Wasserstoff, der auf einen festgesetzten Druck verringert wurde, wird von dem Wasserstoffspeichertank 110 über die Wasserstoffzuführ-/-abführöffnung 123a abgelassen. Zuerst wird der komprimierte Wasserstoff von den inneren Hohlräumen 132 und den Endhohlräumen 133 abgelassen. Mit einer Verringerung des Drucks, wird Wasserstoff, der von der Wasserstoffspeicherlegierung absorbiert und gespeichert wird, freigelassen. Die Wasserstoffspeicherlegierung absorbiert Wärme mit dem Freilassen von Wasserstoff. Die Strömung an heißem Kühlmittel mit einer vorherbestimmten Temperatur strömt durch die Kühlmittelkanäle, um die Wasserstoffspeicherlegierung zu erwärmen und um ein kontinuierliches Freilassen von Wasserstoff aus der Wasserstoffspeicherlegierung zu ermöglichen.
Beim Prozess der Absorption von Wasserstoff aus der Wasserstoffspeicherlegierung wird ein Teil der Wärme, die von der Wasserstoffspeicherlegierung aufgrund des Speicherns von Wasserstoff erzeugt wird, über das Wärmeaustauschgehäuse 134 und das Unterstützungselement 140 zum Tankbehälter 120 übertragen und vom Tankbehälter 120 abgelassen.
Wie vorstehend beschrieben bildet in dem Wasserstoffspeichertank 110 des zweiten Ausführungsbeispiels die Anordnung des Unterstützungselements 140 die Hohlräume zwischen dem Tankbehälter 120 und der Wärmeaustauscheinheit 130 aus, um die Öffnungen des Tankbehälters 120, das heißt die Anschlussöffnungen 121 und 122, miteinander zu verbinden. Dieser Aufbau ermöglicht einfach die Wasserströmung durch den Tankbehälter 120 und stellt somit eine ausreichende abrupte Kühlung des Tankbehälters 120 mit Wasser sicher. Beim Aufbau dieses Ausführungsbeispiels umgibt das Unterstützungselement 140 den Außenumfang der Wärmeaustauscheinheit 130, um die gesamten Hohlräume, die zwischen dem Tankbehälter 120 und der Wärmeaustauscheinheit 130 ausgebildet sind, mit beiden Anschlussöffnungen 121 und 122 zu verbinden. Dies ermöglicht, dass die Innenseite des gesamten Tankbehälters 120 mit der Strömung an Wasser schnell abgekühlt wird.
Wie vorstehend beschrieben, verbessert die Wärmebehandlung die Zeitfestigkeit der Aluminiumlegierung und ermöglicht, dass Hochdruck-Wasserstoff, beispielsweise Wasserstoff mit einem Druck von über 1MPa in dem Wasserstoffspeichertank 110 gespeichert wird (in den inneren Hohlräumen 132 und den Endhohlräumen 133). Die Anwesenheit der Verstärkungsschicht 126 erlaubt die Speicherung von Hochdruck-Wasserstoff, beispielsweise Wasserstoff mit einem Druck von über 25 MPa oder sogar 35 MPa. Verschlüsse der Öffnungen, die in dem Tankbehälter 120 ausgebildet sind, müssen erforderlicherweise die ausreichende Luftdichtheit des Tankbehälters 120 aufrechterhalten und dem Hochdruck des darin gespeicherten Wasserstoffs einen ausreichenden Widerstand bieten. Von der Öffnung des Tankbehälters 120 wird andererseits erfordert, dass sie eine ausreichende Größe hat, um eine Anordnung der Wärmeaustauscheinheit 130 zuzulassen. Der Prozess dieses Ausführungsbeispiels verengt dementsprechend die Enden des Tankbehälters 120 durch den Verengungsprozess nach dem Anordnen der Wärmeaustauscheinheit 130 in dem Tankbehälter 120. Wenn der Wärmebehandlungsprozess mit der abrupten Wasserabkühlung vor dem Verengungsprozess ausgeführt wird, können die Effekte der Wärmebehandlung auf die Verbesserung des Ermüdungswiderstandes durch den Verengungsprozess zerstört werden. Somit ist der Wärmebehandlungsprozess mit der abrupten Wasserabkühlung nach dem Verengungsprozess durchzuführen. Die Wärmebehandlung mit der abrupten Wasserabkühlung wird wünschenswerterweise nach dem Anordnen der Wärmeaustauscheinheit 130 in dem Tankbehälter 120 und dem Verengungsprozess ausgeführt. Wenn sich die Unterstützungsstruktur zum Halten der Wärmeaustauscheinheit im Tankbehälter störend auf die ruhige Strömung von Wasser auswirkt, kann die Innenseite des Tankbehälters nicht abrupt mit Wasser abgekühlt werden. Beim Aufbau dieses Ausführungsbeispiels ist das Unterstützungselement 140 so angeordnet, dass es die Hohlräume ausbildet, die mit den Öffnungen auf beiden Seiten des Tankbehälters 120 in Verbindung stehen. Diese Hohlräume stellen eine ausreichende abrupte Wasserabkühlung sicher.
Modifizierte Beispiele
In den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen ist der Tankbehälter aus Aluminiumlegierung hergestellt. Jedoch ist die Aluminiumlegierung nicht das begrenzende Material und ihr Tankbehälter kann aus einem anderen geeigneten Material, beispielsweise rostfreiem Stahl, gebildet werden. Die Technologie der Erfindung ist auch auf einen Prozess zum Herstellen des Tankbehälters aus einem anderen Material anwendbar, welches eine Wärmebehandlung mit abrupter Wasserabkühlung beinhaltet, so wie einer Lösungs-Wärmebehandlung.
Die Wärmeaustauscheinheit, die in den vorstehenden Ausführungsbeispielen beschrieben wurde, ist nicht auf die Wärmetauscheinheit der Wasserstoffspeicherlegierung begrenzt, sondern kann auf verschiedene Weisen modifiziert werden. Ein Beispiel ist eine Wärmetauscheinheit, welche Wärmeübertragungseinrichtungen, wie z.B. Rippen, aufweist. Metallrippen, die in der Wärmetauscheinheit angeordnet sind, um mit sowohl der Wasserstoffspeicherlegierung als auch den Kühlmittelkanälen in Berührung zu kommen, verbessern die Kühl- und Erwärmungseffizienz der Wasserstoffspeicherlegierung. Die Rippen können andererseits in der Wärmetauscheinheit angeordnet sein, um mit sowohl der Wasserstoffspeicherlegierung als auch dem Tankbehälter in Kontakt zu kommen. Dies beschleunigt die Wärmeabstrahlung beim Vorgang der Speicherung des Wasserstoffs. Die Kühlmittelkanäle können vom Aufbau weggelassen werden, solange der Aufbau eine ausreichende Kühlung beim Vorgang des Speicherns des Wasserstoffs und ein ausreichendes Erwärmen beim Vorgang des Freilassens des Wasserstoffs sicherstellt. Die Technologie wird verwendet, um eine ausreichende abrupte Wasserabkühlung sicherzustellen, wenn die Wärmebehandlung mit abrupter Wasserabkühlung nach dem Anordnen der Wärmetauscheinheit (oder dem Gehäuse zum Ausbilden der Wärmetauscheinheit) in den Tankbehälter angeordnet wurde.
In den vorstehend beschriebenen Beispielen wird die Wärmeaustauscheinheit mit der Wasserstoffspeicherlegierung gefüllt. Ein anderer Absorber oder Adsorber kann zusätzlich zur oder anstatt der Wasserstoffspeicherlegierung verwendet werden. Beispielsweise können Aktivkohlestoff oder Carbonnanotubes zusätzlich zur Wasserstoffspeicherlegierung verwendet werden.
Der Tankbehälter kann eine Wärmetauscheinheit ohne irgendeinen Absorber oder Absorber haben, anstatt der Wärmetauscheinheit, die mit Absorber oder Adsorber zum Absorbieren und/oder Adsorbieren von Wasserstoff gefüllt ist. Das Unterstützungselement der Erfindung wird bevorzugterweise bei irgendeinem Gasspeichertank mit einer Wärmetauscheinheit, die in einem Tankbehälter zum Halten der Wärmetauscheinheit im Tankbehälter untergebracht ist, verwendet.
Die vorstehenden Ausführungsbeispiele betreffen den Wasserstoffspeichertank zum Speichern von Wasserstoff. Die Technologie der Erfindung ist im Allgemeinen auf Gasspeichertanks zum Speichern eines Hochdruck-Gases anwendbar.
Das Unterstützungselement 140 ist durch die gewellte Platte 152 ausgebildet, die im Wesentlichen die gleiche Länge wie die Längsabmessung des Wärmeaustauschgehäuses 134 aufweist. In einem modifizierten Aufbau werden zahlreiche kurz gewellte Platten angeordnet, um den Außenumfang des Wasserstoffspeichertanks kreisförmig zu umgeben und um das Unterstützungselement auszubilden. Ein Wasserstoffspeichertank dieses modifizierten Aufbaus ist in 15 dargestellt. Der modifizierte Aufbau aus 15 hat zwei Unterstützungselemente 140a und 140b, obwohl das Unterstützungselement in eine größere Anzahl an Sektionen aufgeteilt sein kann. Das Unterstützungselement, welches angeordnet ist, um die Hohlräume, welche zwischen dem Tankbehälter und der Wärmeaustauscheinheit ausgebildet ist, mit der Öffnung des Tankbehälters zu verbinden, ermöglicht der Wasserströmung im gesamten Tankbehälter zu zirkulieren. Dies stellt eine abrupte Abkühlung des Tankbehälters mit Wasser sicher. Die Anordnung des Unterstützungselements, um die Hohlräume im Wesentlichen parallel mit der Längsachse des Tankbehälters auszubilden, ist für eine hohe Wasserkühleffizienz besonders wünschenswert.
Beim Ausführungsbeispiel hat der Tankbehälter 120 die Öffnungen an beiden Enden (die Anschlussöffnungen 121 und 122). Diese Anordnung macht eine leichte Zirkulation der Wasserströmung durch den Tankbehälter 120 möglich, um eine abrupte Abkühlung des Tankbehälters 120 mit Wasser zu erreichen. Beim Tankbehälter ist im Allgemeinen erforderlich, dass er zumindest eine Öffnung hat. Solange das Unterstützungselement so angeordnet ist, dass es den gesamten Spalt, die zwischen dem Tankbehälter und der Wärmeaustauscheinheit ausgebildet ist, mit der Öffnung verbindet, wird die Innenseite des Tankbehälters effektiv mit Wasser beim Prozess der Wärmebehandlung abgekühlt.
Beim Ausführungsbeispiel ist das Unterstützungselement 140 die dünne Metallplatte, um den ausreichend breiten Zirkulationsraum für die Wasserströmung zwischen dem Tankbehälter und der Wärmeaustauscheinheit sicherzustellen. Ein anderes Element als die dünne Metallplatte kann für das Unterstützungselement verwendet werden. Solange das Unterstützungselement so angeordnet ist, dass es die gesamte Spalte, die zwischen dem Tankbehälter und der Wärmeaustauscheinheit ausgebildet ist, mit der Öffnung verbindet, wird die Innenseite des Tankbehälters effektiv mit Wasser beim Prozess der Wärmebehandlung abgekühlt.
Beim Herstellungsprozess des Ausführungsbeispiels werden Teilchen der Wasserstoffspeicherlegierung in den Tankbehälter 120 über das Loch 131 eingebracht, das auf einem Ende des Tankbehälters 120 ausgebildet ist. Dieses Loch 131 fungiert auch als Kanal zum Speichern und Freilassen von Wasserstoff. Das Loch, welches zum Einbringen der Wasserstoffspeicherlegierung verwendet wird, kann ein anderes Loch sein, als das Loch, welches als Kanal zum Speichern und Freilassen des Wasserstoffs fungiert. Bei diesem modifizierten Aufbau, wird ein poröses Element in das Loch gesteckt, welches als Kanal zum Speichern und Freilassen von Wasserstoff dient, bevor das Wärmeaustauschgehäuse in dem Tankbehälter angeordnet wird. Das Loch, welches zum Einbringen von Wasserstoffspeicherlegierung verwendet wird, wird beispielsweise durch Schweißen nach dem Einbringen der Wasserstoffspeicherlegierung komplett geschlossen.
Beim Herstellungsprozess des Ausführungsbeispiels werden Teilchen der Wasserstoffspeicherlegierung in das Wärmeaustauschgehäuse 134 eingebracht und zwar nach dem Verengen der Öffnungen des Tankbehälters 120 mit dem darin aufgenommenen Wärmeaustauschgehäuse 134 und der Wärmebehandlung des Tankbehälters 120. In einem modifizierten Prozess können die Teilchen der Wasserstoffspeicherlegierung in das Wärmeaustauschgehäuse 134 gepackt werden, bevor das Wärmeaustauschgehäuse 134 im Tankbehälter 120 angeordnet wird. Wenn der Tankbehälter 120 mit der mit den Teilchen der Wasserstoffspeicherlegierung gefüllten Wärmeaustauscheinheit 130 der Wärmebehandlung mit abrupter Wasserabkühlung unterworfen wird, sollte die Wärmeaustauscheinheit 130 ausreichende Abdichteigenschaften aufweisen, um zu verhindern, dass die Wasserstoffspeicherlegierung durch die Wasserabkühlung nass wird. Zu diesem Zwecke verwendet ein anwendbarer Aufbau ein lösbares Verschlusselement. Das Verschlusselement wird nach dem Einbringen der Wasserstoffspeicherlegierung an die Wärmeaustauscheinheit 130 angebracht und nach der Wärmebehandlung mit abrupter Wasserabkühlung gelöst.
Die vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele beziehen sich auf einen Wasserstoffspeichertank und das Verfahren zum Herstellen des Wasserstoffspeichertanks dieser Erfindung. Diese Ausführungsbeispiele und ihre modifizierten Beispiele sind in aller Hinsicht als veranschaulichend und nicht als begrenzend zu verstehen. Es können andere zahlreiche Modifikationen und Veränderungen durchgeführt werden ohne vom Rahmen oder dem Gedanken der Haupteigenschaften der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Alle Veränderungen innerhalb der Bedeutung und dem Bereich von Äquivalenten der Ansprüche sind deshalb als darin enthalten zu verstehen.

Claims

Verfahren zum Herstellen eines Gasspeichertanks (10; 110) zum Speichern eines Gases, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist: Anordnen einer Wärmeaustauscheinheit (30; 130), die mit einem Absorber/Adsorber befüllbar ist, in einem Außenwandelelement (150), das zumindest an einer Seite offen ist; Anordnen mindestens eines Unterstützungselements (45; 140; 140a; 140b; 152) zwischen der Wärmeaustauscheinheit (30; 130) und dem Außenwandelement (150), um einen Spalt, der zwischen der Wärmeaustauscheinheit (30; 130) und dem Außenwandelement (150) ausgebildet ist, zu der zumindest einen offenen Seite hin offen zu halten; Umformen des Außenwandelements (150) an der zumindest einen offenen Seite, um die Öffnung zu verengen und einen Tankbehälter (20; 120) auszubilden; und Wärmebehandlung des Tankbehälters (20; 120), wobei der Tankbehälter erhitzt und dann abrupt abgekühlt wird, indem Wasser durch den von dem Unterstützungselement (45; 140; 140a; 140b; 152) freigehaltenen Spalt geleitet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, ferner mit folgenden Schritten: Füllen der Wärmeaustauscheinheit (30) mit dem Gas-Absorber/Adsorber zum Absorbieren und/oder Adsorbieren des Gases; Anbringen eines lösbaren Verschlusselements an der Wärmeaustauscheinheit (30), um eine Speichergasanschlussöffnung (61) der Wärmeaustauscheinheit (30) zu versperren; Platzieren der mit dem Absorber/Adsorber gefüllten Wärmeaustauscheinheit (30) in dem Außenwandelement; und Lösen des Verschlusselements von der Wärmeaustauscheinheit (30) nach der Wärmebehandlung und Verbinden des Innenraums der Wärmeaustauscheinheit (30) mit der Außenseite des Tankbehälters (20), so dass ein Speichern und Entnahme von Gas in und aus dem Absorber/Adsorber erlaubt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei das Außenwandelement (150) aus einem Metall besteht, welches Aluminium enthält und dessen Festigkeit durch die Wärmebehandlung erhöht wird.
Verfahren gemäß Anspruch 1, 2 oder 3, wobei die Wärmeaustauscheinheit (30) im Inneren einen Schichtkörper aufweist, der in Kontakt mit dem Absorber/Adsorber gelangt.
Verfahren gemäß Anspruch 4, wobei der Schichtkörper ausgebildet wird, indem zahlreiche dünne Plattenelemente (31, 32) mit Durchgangslöchern (54) geschichtet werden, und der Absorber/Adsorber in Zwischenräume gefüllt wird, die zwischen den zahlreichen dünnen Plattenelementen (31, 32) ausgebildet und über die Durchgangslöcher (54) miteinander verbunden sind.
Verfahren gemäß irgendeinem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Wärmeaustauscheinheit (130) einen Kühlmittelkanal (40, 57, 60; 135) aufweist, durch den ein Kühlmittel strömt, und das Verfahren des Weiteren folgenden Schritt aufweist: Verbinden des Kühlmittelkanals (40, 57, 60; 135) durch die verengte Öffnung mit der Außenseite des Tankbehälters (20; 120), um Kühlmittel zu und von dem Kühlmittelkanal zuzuführen und abzuführen.
Verfahren gemäß irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, wobei als der Absorber/Adsorber zumindest eine Wasserstoffspeicherlegierung einfüllbar ist, die Wasserstoff speichert.
Verfahren gemäß irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Unterstützungselement (45; 140; 140a; 140b; 152) aus einem Metall hergestellt wird.
Verfahren gemäß irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Tankbehälter (20, 120) in eine im Wesentlichen zylindrische Form geformt wird, und das Unterstützungselement (45; 140) durch eine dünne wellenartig geformte Platte (152) ausgebildet wird, die im Wesentlichen parallel zur Längsachse der im Wesentlichen zylindrischen Form angeordnet wird.
Verfahren gemäß irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Tankbehälter (20; 120) aus einem Außenwandelement (150) ausgebildet wird, das an den beiden einander gegenüberliegenden Enden offen ist.