DE102012000755A1

DE102012000755A1 - Vorrichtung zur Energieumwandlung mit reversibler Energiespeicherung

Info

Publication number: DE102012000755A1
Application number: DE102012000755A
Authority: DE
Inventors: Ulrich Rost; Cristian Liviu Mutascu; Bruno Zekorn; Martin Greda; Michael Brodmann; Jeffrey Roth; Jörg Neumann; Andre Wildometz
Original assignee: PROPULS GmbH; Westfalische Hochschule Gelsenkirchen Bocholt Recklinghausen; WESTFAELISCHE HOCHSCHULE GELSENKIRCHEN BOCHOLT RECKLINGHAUSEN
Current assignee: PROPULS GmbH; Westfalische Hochschule Gelsenkirchen Bocholt Recklinghausen; WESTFAELISCHE HOCHSCHULE GELSENKIRCHEN BOCHOLT RECKLINGHAUSEN
Priority date: 2012-01-18
Filing date: 2012-01-18
Publication date: 2013-07-18
Also published as: WO2013107619A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (1) zur Umwandlung chemischer Energie in elektrische Energie und/oder elektrische Energie in chemische Energie, mit einem Gehäuse (2), in dem wenigstens eine elektrochemisch aktive Zelle (3, 4) zur Durchführung der Umwandlung zumindest teilweise einliegt. In dem Gehäuse (2) ist ein chemisches Speichermedium (5) angeordnet, in dem Wasserstoff gespeichert oder speicherbar ist, wobei das Speichermedium (5) die Zelle (3, 4) zumindest teilweise umgibt, mit ihr in Wärme übertragender Verbindung steht und unter Aufnahme von Wärme der Zelle (3, 4) Wasserstoff freigibt und/oder unter Abgabe von Wärme an die Zelle (3, 4) Wasserstoff bindet.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Umwandlung chemischer Energie in elektrische Energie und/oder elektrische Energie in chemische Energie, mit einem Gehäuse, in dem wenigstens eine elektrochemische Zelle zur Durchführung der Umwandlung zumindest teilweise einliegt.
Derartige Vorrichtungen sind als Brennstoffzelle, Elektrolyseurzelle oder ganze Einheiten mehrere derartiger Zellen bekannt, beispielsweise aus der deutschen Patentanmeldung DE 10 2009 057 494 A1 , auf deren Inhalt hiermit ausdrücklich Bezug genommen wird. Die aktive, elektrochemische Zelle ist in diesem Falle eine Brennstoffzelle, die chemische Energie in elektrische Energie umwandelt, oder eine Elektrolyseurzelle, die elektrische Energie in chemische Energie umwandelt. Die Zelle liegt in einem abgeschlossenen Gehäuse ein. Die Anordnung mehrerer plattenförmiger Zellen in einem Gehäuse nebeneinander wird als Stack, insbesondere Brennstoffzellenstack oder Elektrolyseurstack bezeichnet.
Im Falle einer Brennstoffzelle werden ein Brennstoff und ein Oxidationsmittel kontinuierlich der Zelle zugeführt. In der Regel sind dies Sauerstoff (Oxidationsmittel) und Wasserstoff (Brennstoff). Bei der Reaktion der beiden Betriebsstoffe wird ein Strom von Elektronen und damit elektrische Energie erzeugt. Konventionelle einzelne Brennstoffzellen erzeugen dabei eine geringe Spannung von ca. 1,2 V, demgegenüber jedoch einen vergleichsweise hohe Stromdichte bis zu mehreren Ampere pro Quadratzentimeter aktive Reaktionsfläche, wobei sich diese Flächenangabe auf die Größe der aktiven Flächen in einer Brennstoffzelle bezieht. Da diese aktiven Flächen bei modernen Membranbrennstoffzellen beispielsweise mit einer Polymer-Elektrolyt-Membran (PEM) und beidseitig daran anliegender Polplatten mehr als 100 Quadratzentimeter betragen kann, kann eine einzelne derartige Brennstoffzelle einen Strom von mehreren Ampere und mehr, bei einer Gleichspannung von kleiner 1,2 V liefern. Der resultierende Strom bildet sich aus dem Produkt der aktiven Fläche in cm² und der maximalen Stromdichte.
Da eine Gleichspannung kleiner 1,2 V für viele technische Anwendungen zu gering ist, werden in konventionellen Brennstoffzelleneinheiten häufig mehrere Zellen in Reihe geschaltet, so dass sich die jeweiligen Spannungen der Zellen aufaddieren. Neben der elektrischen Reihenschaltung kann dabei auch eine Reihenschaltung der Versorgungsstruktur erfolgen, so dass die Zuleitung von Brennstoff und Oxidationsmittel zu einer Zelle gleichzeitig die Ableitung von Brennstoff und Oxidationsmittel aus der vorherigen Zelle sein kann. Alternativ kann auch eine Parallelschaltung der Versorgungsstruktur realisiert sein. In derartiger Ausführung sind besonders kompakte Brennstoffzelleneinheiten herstellbar.
Üblicherweise weisen konventionelle Brennstoffzellen eine flache, planare Form mit einer im Wesentlichen rechteckigen Grundfläche auf, so dass die einzelnen Zellen parallel nebeneinander oder übereinander gestapelt werden können. Es ergibt sich dadurch eine quaderförmige Gesamtstruktur deren Abmessung von der Anzahl und Fläche der Zellen abhängig ist. Für die Funktion einer Brennstoffzelle ist es notwendig, dass die Polplatten einen Druck auf die Polymer-Elektrolyt-Membran bzw. eine zwischen dieser Membran und der Polplatte angeordnete Gasdiffusionslage ausüben. Im Wesentlichen bewirkt der Druck die notwendige elektrische Kontaktierung zwischen Polplatten und Gasdiffusionslagen, sowie den Elektroden der Membran, so dass bei der Reaktion in der Brennstoffzelle entstehenden Elektronen zu- bzw. abgeführt werden können. Daher ist im Inneren des Gehäuses für die Energieumwandlung ein Druck erforderlich, so dass das Gehäuse druckdicht verschlossen sein muss.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, den Wirkungsgrad einer Energieumwandlungsvorrichtung der vorbeschriebenen Gattung unter Beibehaltung ihrer kompakten Bauform zu erhöhen, wobei gleichzeitig deren Herstellungskosten gering sein sollen.
Diese Aufgabe wir durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
Erfindungsgemäß wird eine Vorrichtung zur Umwandlung chemischer Energie in elektrische Energie und/oder elektrische Energie in chemische Energie vorgeschlagen, die ein Gehäuse aufweist, in dem wenigstens eine elektrochemische Zelle zur Durchführung der Umwandlung zumindest teilweise einliegt, wobei in dem Gehäuse ein chemisches Speichermedium angeordnet ist, in dem Wasserstoff gespeichert oder speicherbar ist, wobei das Speichermedium die Zelle zumindest teilweise umgibt, mit ihr in Wärme übertragender Verbindung steht und unter Aufnahme von Wärme der Zelle Wasserstoff freigibt und/oder unter Abgabe von Wärme an die Zelle Wasserstoff aufnimmt.
Die erfindungsgemäße Grundidee besteht darin, die elektrochemische Zelle von einem Wasserstoff speichernden Medium in wärmeleitender Verbindung zu umgeben, das unter Aufnahme von Wärme der Zelle Wasserstoff in einem endothermen Vorgang freigibt bzw. Wasserstoff unter Abgabe von Wärme an die Zelle durch einen exothermen Vorgang aufnimmt.
Die elektrochemische Zelle kann beispielsweise eine Brennstoffzelle, eine Elektrolyseurzelle oder eine herkömmliche Batterie sein. Die Aufnahme von Wärme unter Wasserstoffabgabe ist insbesondere für die Verwendung der elektrochemischen Zelle als Brennstoffzelle von Bedeutung, die Aufnahme von Wasserstoff unter Abgabe von Wärme für die Verwendung der elektrochemischen Zelle als Elektrolyseurzelle, weshalb die Zelle bevorzugt eine Brennstoffzelle oder eine Elektrolyseurzelle ist. Dies wird nachfolgend erläutert.
Brennstoffzellen arbeiten bei unterschiedlichen Temperaturniveaus, abhängig von dem konkreten Brennstoffzellentyp. Beispielsweise beträgt der Temperaturbereich bei Brennstoffzellen mit Polymer-Elektrolyt-Membranen (PEM), für die die vorliegende Erfindung bevorzugt geeignet ist, um 70°C (Niedertemperatur, bei sogenannten NT-PEM, bzw. rund 180°C (Hochtemperatur) bei sogenannten HT-PEM. Die bei dem Betrieb der Brennstoffzelle frei werdende Wärme wird erfindungsgemäß an das die Zelle umgebende Speichermedium abgegeben, welches in Folge dessen den in ihm gespeicherten Wasserstoff freigibt. Das Speichermedium wirkt somit als Wärmesenke, wodurch sich die zur Kühlung der Brennstoffzelle notwendige Kühlleistung reduziert und der Gesamtwirkungsgrad der Brennstoffzelle respektive der Brennstoffzelleneinheit erhöht.
Der vom Speichermedium in Folge der Wärmeaufnahme freigegebene Wasserstoff wird der Brennstoffzelle zugeführt. Auf eine zusätzliche externe Zuführung von Wasserstoff kann dadurch verzichtet werden. Der Wasserstoffbedarf für die Brennstoffzelle kann ausschließlich aus dem im Speichermedium gespeicherten Wasserstoff bereitgestellt werden. Lediglich eine Zuleitung für den Sauerstoff ist noch erforderlich.
Bei der Verwendung der elektrochemischen Zelle in der erfindungsgemäßen Vorrichtung als Elektrolyseurzelle ergeben sich dieselben physikalischen Wirkungszusammenhänge in umgekehrter Richtung. In einer Elektrolyseurzelle wird Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff aufgespalten. Hierzu wird ein elektrischer Strom benötigt, d. h. elektrische Energie, sowie ein Temperaturniveau, das im Falle der Verwendung einer Elektrolyseurzelle mit Polymer-Elektrolyt-Membran in einem ähnlichen Temperaturbereich liegt, wie dies zuvor für die Brennstoffzelle angegeben worden ist. Die benötigte Wärme entsteht in der Elektrolyseurzelle. Diese Wärme wird durch die Stromleitung innerhalb der Zelle und der damit verbunden ohmschen Verluste generiert. Hierfür wird in der Regel eine bewusst höhere Spannung an der Elektrolyseurzelle angelegt, so dass eine ”innere” Beheizung der Zelle stattfindet.
Wird Wasserstoff dem Speichermedium zugeführt, d. h. in das Gehäuse der erfindungsgemäßen Vorrichtung hinein gefördert, so nimmt das Speichermedium den Wasserstoff in einem exothermen Prozess auf. Die hierbei frei werdende Wärmeenergie wird auf die Elektrolyseurzelle übertragen, so dass weniger Energie für die Beheizung erforderlich ist. Hierdurch erhöht sich der Wirkungsgrad der Vorrichtung bei Verwendung der elektrochemischen Zelle als Elektrolyseurzelle.
Der Prozess der Wasserstoffaufnahme verläuft so lange, wie das Speichermedium Wasserstoff aufnimmt. Produzierter überschüssiger Wasserstoff kann in einen externen Speicher gefüllt werden. In entsprechender Weise verläuft der Prozess im Falle der Verwendung der elektrochemischen Zelle als Brennstoffzelle so lange, wie das Speichermedium Wasserstoff abgibt.
Vorzugsweise kann in dem Gehäuse der Vorrichtung zu der mindestens einen benötigten Zelle eine weitere elektrochemische Zelle oder können zwei, oder mehrere weitere elektrochemische Zellen zumindest teilweise einliegen und von dem Speichermedium umgeben sein. Auf diese Weise kann eine ganze Anordnung von Zellen gebildet werden, die aus dem Speichermedium Wasserstoff beziehen oder in das Speichermedium Wasserstoff einlagern. Die Zellen können in flacher Bauform ausgebildet sein und parallel zueinander angeordnet sein, so dass die Gesamtanordnung einen Stack aus Zellen bildet. Hierdurch wird eine kompakte Bauform erreicht, bei der zudem eine weitgehend homogene Wärmeverteilung vorliegt.
In einer Ausführungsvariante können alle Zellen der Vorrichtung gleichartig ausgebildet sein. Dies bedeutet, dass alle Zellen baugleich sind und insbesondere entweder als Brennstoffzellen oder als Elektrolyseurzellen ausgelegt sind, so dass die Vorrichtung einen Brennstoffzellenstack oder ein Elektrolyseurzellenstack bildet.
Wie bereits ausgeführt, kann die erfindungsgemäße Vorrichtung nur eine einzige elektrochemische Zelle aufweisen, die als Brennstoffzelle arbeitet. Sie kann jedoch auch zwei oder mehrere solcher Zellen umfassen. Diese können beispielsweise plattenförmigen ausgeführt sein und nebeneinander liegen, so dass sie einen Brennstoffzellenstack bilden. In entsprechender Weise kann die erfindungsgemäße Vorrichtung nur eine einzige elektrochemische Zelle aufweisen, die als Elektrolyseurzelle arbeitet. Sie kann jedoch auch zwei oder mehrere solcher Zellen umfassen. Auch diese können beispielsweise plattenförmigen ausgeführt sein und nebeneinander liegen, so dass sie einen Brennstoffzellenstack bilden. Da sich eine Vorrichtung mit Brennstoffzelle(n) und eine Vorrichtung mit Elektrolyseurzelle(n) hinsichtlich ihrer Wasserstoffproduktion und ihres Wasserstoffverbrauchs vorteilhaft ergänzen, können diese technisch und funktional zusammenwirkend angeordnet werden. So können sie mit ihren separaten Gehäusen beispielsweis unmittelbar nebeneinander angeordnet und so miteinander verbunden werden oder sein, dass die Elektrolyseurzellenvorrichtung der Brennstoffzellenvorrichtung den Wasserstoffzuleitet, den sie benötigt. Die beiden Gehäuse können von einem übergeordneten ganzen Gehäuse umgeben sein.
In einer alternativen Ausführungsvariante der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist wenigstens eine der Zellen im Gehäuse eine Brennstoffzelle und wenigstens eine der weiteren Zellen eine Elektrolyseurzelle, so dass zumindest zwei in dem Gehäuse angeordnete elektrochemische Zellen vorhanden sind, die jeweils von dem Speichermedium zumindest teilweise umgeben sind, in dieser baulichen Anordnung umgibt somit das Speichermedium beide Zellen gleichzeitig. Dies hat den Vorteil, dass mit der Elektrolyseurzelle Wasserstoff in dem Speichermedium angereichert werden kann, was als „Aufladen” der Vorrichtung betrachtet werden kann, wohingegen mit der Brennstoffzelle der Verbrauch des angereicherten Wasserstoffs unter Abgabe elektrischer Energie erfolgen kann, was in entsprechender Analogie als „Entladen” der Vorrichtung betrachtet werden kann. Die Brennstoffzelle und die Elektrolyseurzelle sind damit zeitlich versetzt aktiv.
Die so erhaltene Energieumwandlungsvorrichtung kann in besonders vorteilhafter Weise dann dazu verwendet werden, elektrische Energie von der Elektrolyseurzelle in chemische Energie umzuwandeln, die dann in Gestalt des Wasserstoffs in dem Speichermedium gespeichert wird, wohingegen die Brennstoffzelle diese gespeicherte chemische Energie dann zu einem späteren Zeitpunkt wieder in elektrische Energie umwandeln kann. Die Vorrichtung ist somit eine solche zur Energieumwandlung mit reversibler Energiespeicherung.
Ein besonders vorteilhafter Nutzen dieser Vorrichtung besteht darin, dezentral erzeugte Energie, beispielsweise aus regenerativen Energiequellen dezentral zu speichern, und im Bedarfsfalle an dezentralen Standorten, beispielsweise in einem Fahrzeug, verfügbar zu machen.
Das Speichermedium muss erfindungsgemäß die Eigenschaft besitzen, in dem Temperaturbereich, in dem die Brennstoffzelle und/oder die Elektrolyseurzelle betrieben wird/werden, Wasserstoff endotherm abzugeben oder exotherm aufzunehmen. Als Speichermedium, in dem der Wasserstoff bereits gespeichert ist, kann beispielsweise ein Metallhydrid verwendet werden.
Als „Hydride” im engeren Sinne bezeichnete man die binären Verbindungen der Metalle und einiger Halbmetalle mit Wasserstoff, im weiteren Sinne auch komplexe Moleküle oder Ionenverbindungen, die eine Metall-Wasserstoff-Bindung enthalten. Ihrem Bindungscharakter und ihren Eigenschaften entsprechend, lassen sich binäre Hydride in die drei Klassen „ionische oder salzartige Hydride”, „kovalente Hydride” und „metallische Hydride” einteilen. Die hier relevanten metallischen Hydride, nachfolgende Metallhydride genannt, besitzen Metall-Valenzelektronen, die sowohl an einer Bindung mit dem Wasserstoff wie auch an einer metallischen Bindung beteiligt sind. Dabei umfassen Metallhydride jedoch nicht nur Verbindungen reiner Metalle mit Wasserstoff, sondern auch Metalllegierungen mit Wasserstoff. Diese Metalle bzw. Metalllegierungen absorbieren bei einem bestimmten Druck- und Temperaturverhältnis elementaren Wasserstoff, welche in die Kristallstruktur des Metalls eingelagert wird. Es entsteht eine spröde Verbindung, die durch Temperaturerhöhung bzw. Druckabsenkung wieder gelöst werden kann (Desorption). Als Metalllegierungen können beispielsweise Titan-Essen (TiFe) oder Lanthan-Nickel (LaNi₅) verwendet werden. Die allgemeine Reaktion verläuft dabei in beide Richtungen wie folgt: Metall/Metalllegierung + Wasserstoff ↔ Metallhydrid + Wärme.
Metallhydride werden entsprechend ihren Anwendungsgebieten verschiedenen Temperaturbereichen zugeordnet. So sind so genannte Tieftemperaturhydride bekannt, die im Bereich von –30°C bis 80°C Wasserstoff abgeben, Mitteltemperaturhydride, bei denen dies bei 80°C bis 150°C erfolgt, sowie Hochtemperaturhydride, bei denen die Wasserstoffabgabe bei mehr als 150°C erfolgt. Für jedes Metallhydrid gibt es eine bestimmte Temperatur, bei der eine optimale Anlagerung des Wasserstoffs erfolgt (Absorption). Dies erfolgt immer mit einem Anstieg des Drucks, bis eine Sättigungskonzentration erreicht ist. Typische Druckniveaus liegen im Bereich von 1–5 MPa (10 bis 50 bar). Ein solcher Druck kann sich bei der endungsgemäßen Vorrichtung im Gehäuseinneren aufbauen und die elektrochemischen Zellen auf diese Weise verpressen, so dass die Polplatten Druck auf die Polymer-Elektrolyt-Membran bzw. auf die zwischen Membran und Polplatte angeordnete Gasdiffusionslage ausüben. Für die Abgabe von Wasserstoff aus dem Speichermedium muss die Temperatur dann nur leicht erhöht werden, d. h. eine geringe Wärmemenge dem Speichermedium zugeführt werden.
Metallhydride sind in der Regel granuliert oder pulverförmig erhältlich, so dass ihre Verarbeitung, insbesondere das Einfüllen des Metallhydrids als Speichermedium in das Gehäuse der Energieumwandlungsvorrichtung auf einfache Weise möglich ist. Ist das Speichermedium durch eine pulverartige Struktur oder ein Granulat gebildet, enthält es zwischen den Körnern viele freie Bereiche, in denen sich nicht absorbiertes Gas ansammeln kann, was zwangsläufig zu einem Druck im Gehäuseinnenraum führt. Die Verwendung eines Wasserstoff speichernden oder Wasserstoff speicherbaren Medium im Gehäuse der erfindungsgemäßen Energieumwandlungsvorrichtung bewirkt damit gleichzeitig den für den Betrieb der zumindest einen elektrochemischen Zelle notwendigen Druck.
Alternativ kann als Speichermedium, in dem Wasserstoff bereits gespeichert ist, eine heterozyklische chemische Verbindung verwendet werden. Carbazole sind heterozyklische Verbindungen, die sich formal von dem Stoff Pyrrol durch Anfügen von zwei Benzogruppen ableiten. Die Summenformel des Carbazol ist C12H9N. Geeignet ist hier beispielsweise der chemische Stoff 9-Ethylcarbazol, der bei ca. 70°C in flüssiger Form vorliegt. Die Beladung des Carbazols mit Wasserstoff erfolgt exotherm und die Entladung endotherm, analog zu Metallhydriden.
Wie bereits ausgeführt wurde, ist es für den Betrieb der erfindungsgemäßen Vorrichtung als Brennstoffzelle notwendig, dass in dem Speichermedium bereits Wasserstoff gespeichert ist, der sich während des Betriebs der Zelle herauslöst und für den Verbrennungsprozess in der Zelle verwendet wird. Sofern in der Vorrichtung nur Brennstoffzellen vorhanden sind, bzw. nur eine Brennstoffzelle vorhanden ist, kann der Wasserstoff, der in dem Speichermedium gespeichert ist bzw. gespeichert worden ist, von einer externen Quelle, beispielsweise einer externen Elektrolyseurzelle stammen. Im Falle einer Elektrolyseurzelle als elektrochemische Zelle ist es dagegen erforderlich, dass das Speichermedium ein solches Medium, in dem sich der Wasserstoff speichern lässt. In dem Zustand der Elektrolyseurzelle zu Beginn ihres Betriebs sollte somit das Speichermedium wasserstofffrei sein. Daher ist es von Vorteil, wenn das Speichermedium für diesen Fall ein Metall, eine Metalllegierung oder ein Gemisch dieser Stoffe ist und insbesondere in Pulverform oder granuliert vorliegt, so dass es zusammen mit dem Wasserstoff zu einem Metallhydrid reagiert.
Insbesondere im Falle einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit zumindest einer Zelle, die als Brennstoffzelle arbeitet und zumindest einer weiteren Zelle, die als Elektrolyseurzelle arbeitet, und mit einem Speichermedium, dass alle Zellen gleichzeitig umgibt, wird deutlich, dass dieses Speichermedium ein Stoff ist, das zwei Speicherzustände besitzen muss. Einen ersten Speicherzustand, in dem kein Wasserstoff gespeichert ist, und einen zweiten Speicherzustand, in dem Wasserstoff gespeichert ist. Diese physikalische Eigenschaft wird durch ein Metallhydrid erreicht.
Erfindungsgemäß kann daher das Speichermedium zu Beginn des Betriebs der Vorrichtung als Brennstoffzelle ein Metallhydrid sein, das im Betrieb der Brennstoffzelle unter Abspaltung von Wasserstoff (Desorption) in das das Metallhydrid bildende Metall, die entsprechende Metalllegierung oder das Gemisch aus Metall und Metalllegierung übergeht, und das Metall, die Metalllegierung oder das Gemisch aus diesen im Betrieb der Vorrichtung als Elektrolyseurzelle unter Aufnahme von Wasserstoff (Absorption) in das Metallhydrid übergeht.
Bevorzugt ist die Zelle oder sind die Zellen vollständig von dem Speichermedium umgeben. Dies hat den Vorteil, dass ein effektiver und maximaler Wärmetransport vom Speichermedium zu der oder den Zellen und/oder von der oder den Zellen zum Speichermedium erreicht wird.
Des Weiteren ist es von Vorteil, wenn in dem Gehäuse ein Temperiermittel zur Beheizung und/oder Kühlung des Speichermediums angeordnet ist. Je nach Bedarf kann dieses Temperiermittel dann zum zusätzlichen Beheizen oder Kühlen der Zelle oder Zellen verwendet werden. Dies ist besonders bei einer erfindungsgemäßen Energieumwandlungsvorrichtung sinnvoll, bei der zumindest eine Zelle eine Brennstoffzelle ist, also ein Kühlung der Zelle erforderlich ist, und zumindest eine Zelle eine Elektrolyseurzelle ist, also eine Beheizung der Zelle notwendig ist. Je nachdem, welcher der Zellen dann in Betrieb ist (Brennstoff- oder Elektrolyseurzelle) kann die Temperiereinrichtung dann zum Heizen oder Kühlen verwendet werden. Dies ist beispielsweise mittels eines Peltierelements möglich, bei dem dafür lediglich die Polarität umgekehrt werden muss.
Die Vorrichtung kann Leitungen aufweisen, durch die der von dem Speichermedium abgegebene Wasserstoff zu der Brennstoffzelle oder den Brennstoffzellen zur Verwendung in ihrem Energiewandlungsprozess geführt ist. Alternativ oder Zusätzlich kann die Vorrichtung Leitungen aufweisen, durch die der von der Elektrolyseurzelle oder den Elektrolyseurzellen aus der Elektrolyse von Wasser gebildete Wasserstoff dem Speichermedium zugeführt ist. Des Weiteren kann die Vorrichtung Leitungen aufweisen, durch die der Sauerstoff für die Brennstoffzelle „angesaugt” wird. Über diese Leitungen kann auch das gebildete Reaktionswasser ausgeschwemmt werden. Des Weiteren kann die Vorrichtung Leitungen aufweisen, durch die das Reaktionswasser hinzugeführt wird, welches für den Elektrolyseprozess benötigt wird. Durch diese Leitung kann auch der nicht benötigte, bei der Reaktion entstehende Sauerstoff z. B. in die Umgebung außerhalb des Gehäuses, abgelassen werden.
Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung werden anhand der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren erläutert. Es zeigen:
1: schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit nur einer Elektrolyseurzelle
2: schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit nur einer Brennstoffzelle
3: schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einer Elektrolyseurzelle und einer Brennstoffzelle
4: Perspektivische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einer Vielzahl elektrochemischer Zellen
In 1 ist eine erfindungsgemäße Vorrichtung 1 zur Umwandlung elektrischer Energie in chemische Energie dargestellt, wobei die chemische Energie in Gestalt von Wasserstoff in der Vorrichtung gespeichert wird. Die Vorrichtung 1 umfasst ein Gehäuse 2, in dem eine elektrochemische Zelle 4 angeordnet ist, die hier als Elektrolyseurzelle arbeitet. Die Vorrichtung 1 bildet folglich einen Elektrolyseur 1. Bei dieser Elektrolyseurzelle 4 wird Wasserstoff durch die Elektrolyse von Wasser hergestellt. Hierfür wird elektrische Energie und Wärmeenergie benötigt. Die elektrische Energie wird der Elektrolyseurzelle 4 an den elektrischen Anschlüssen 8 durch einen elektrischen Strom bereitgestellt. Die Elektrolyseurzelle 4 besteht aus einer Anode und einer Katode, zu der jeweils eine elektrische Leitung 8 führt. Die von der Zelle 4 benötigte Energie ergibt sich aus den Reaktionsgleichungen der elektrolytischen Zerlegung von Wasser der Elektrolyseurzelle 4 bzw. des Elektrolyseurs 1, was durch folgende Implikation dargestellt werden kann: Wasser + elektrische Energie + Wärmeenergie → Wasserstoff + Sauerstoff.
Wie in 1 dargestellt ist, wird der Elektrolyseurzelle 4 Wasser (H₂O) zugeführt. Dies kann aus einem nicht dargestellten Tank erfolgen aus dem das Wasser zum Elektrolyseur 1 gepumpt wird. Es entstehen als Reaktionsprodukte Sauerstoff O₂ und Wasserstoff H₂ sowie ein Anteil nicht zerlegten Wassers H₂O, die allesamt aus der Elektrolyseurzelle 4 abgeführt werden. Der aus der Zelle 4 stammende Wasserstoff H₂ wird direkt in das Gehäuse 2 des Elektrolyseurs 1 über eine Leitung eingeleitet. Hierdurch wird in dem Gehäuse ein Druck erzeugt. Das Gehäuse ist deshalb druckdicht abgeschlossen. Eine optionale Wasserstoffaufbereitungseinheit 9, die außerhalb oder innerhalb (nicht dargestellt) des Elektrolyseurs 1 angeordnet ist und der Reinigung und/oder Trocknung des aus der Elektrolyseurzelle 4 kommenden Wasserstoffs H₂ dient, kann optional vorhanden sein.
In dem Gehäuse 2 des Elektrolyseurs 1 ist eine pulvrige oder granulierte Metalllegierung 5 angeordnet, beispielsweise Titan-Eisen (TiFe) oder Lanthan-Nickel (LaNi₅), die den in das Gehäuse 2 eingebrachten Wasserstoff H₂ unter Abgabe von Wärme und unter Bildung eines Metallhydrids aufnimmt. Die entsprechend entstehende Wärme wird dann an die Elektrolyseurzelle 4 abgegeben, so dass die Wärmeenergie, die zum Beheizen der Zelle von extern zugeführt oder aus internen Verlusten erzeugt werden muss, um etwa den vom Speichermedium 5 stammenden Betrag geringer ist.
In der Regel wird bedingt durch die inneren Widerstände in der Elektrolyseurzelle die benötigte Wärmeenergie durch die Zelle selbst bereitgestellt. Ein Synergieeffekt bei der Speicherung von Wasserstoff in Metallhydriden ist die Übertragung der bei der Hybridbildung entwickelten Wärme, wodurch das Temperaturniveau angehoben und damit die im Endeffekt benötigte elektrische Energie zur Anheizung des Elektrolysevorgangs reduziert wird. In der Energiebilanz erhöht sich dadurch der elektrische Wirkungsgrad des Elektrolyseurs 1.
Für zusätzlich benötigte Wärmeenergie kann die Vorrichtung 1 optional eine Heizung 6, 7 zur Beheizung der Elektrolyseurzelle 3 enthalten, die im inneren des Gehäuses 2 neben der Zelle 3 angeordnet ist. Eine solche Heizung ist in 1 schematisch und gestrichelt dargestellt. Sie umfasst einen Wärmetauscher 6 und eine Wärmequelle 7, wobei der Wärmetauscher 6 und die Wärmequelle 7 auch als eine kombinierte Einheit ausgebildet sein können, beispielsweise in Gestalt einer Heizspirale oder eines Peltierelements, dessen Kühlseite beispielsweise an der Innenseite der Gehäusewand anliegen kann.
Der Elektrolyseur 1 respektive seine Zelle 4 können in der in DE 10 2009 057 494 A1 beschriebenen Taschenbauweise ausgeführt sein. Dadurch wird eine besonders kompakte Bauform erreicht.
2 zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung 1 zur Umwandlung chemischer Energie in elektrische Energie, wobei die chemische Energie in der Vorrichtung in Gestalt von Wasserstoff bezogen wird. Die Vorrichtung 1 umfasst ebenfalls ein unter Druck stehendes Gehäuse 2, in dem eine elektrochemische Zelle 3 angeordnet ist, die hier als Brennstoffzelle 3 arbeitet. Die Vorrichtung 1 bildet folglich eine Brennstoffzelle 1. Bei dieser Brennstoffzelle 3 werden Wasserstoff H₂ und Sauerstoff O₂ zu Wasser H₂O verbrannt. Die Brennstoffzelle 3 besteht aus einer Anode und einer Katode, zu der jeweils eine elektrische Leitung 8 führt. Diesen Leitungen kann während des Betriebes der Brennstoffzelle 3 bei vergleichsweise geringer Spannung von weniger als 1,2 V ein hoher Strom von mehreren Ampere entnommen werden. Die vollständige Umwandlung von chemisch in Wasserstoff gespeicherter Energie in elektrische Energie ist in der Brennstoffzelle praktisch nicht möglich. Es wird stets auch Wärme entwickelt, die durch den inneren ohmschen Widerstand der Zelle 3 bedingt ist. Dies wird durch folgende Implikation dargestellt: Wasserstoff + Sauerstoff → Wasser + elektrische Energie + Wärmeenergie.
Die entstehende Verlustwärme, die im Stand der Technik zur Kühlung der Zelle von dieser Abgeführt werden muss, wird erfindungsgemäß zur Entladung des Speichermediums 5 genutzt, dass die Brennstoffzelle 3 vollständig umgibt. Das Speichermedium 5 ist ein Metallhydrid, beispielsweise eine pulvrige oder granulierte, hydrierte Metalllegierung wie Titan-Eisen (TiFe) oder Lanthan-Nickel (LaNi₅). Durch die Wärme der Brennstoffzelle 3 wird der Wasserstoff H₂ aus dem Metallhydrid 5 herausgelöst. Es ist dadurch nicht weiter notwendig, die Brennstoffzelle zu kühlen. Er wird dann aus dem Gehäuse 2 über eine Zuleitung der Brennstoffzelle 3 zugeleitet. In dieser Zuleitung kann ein Ventil 10 vorhanden sein, um die Wasserstoffmenge zu steuern und/oder zu regeln. Optional kann in der Zuleitung ein Partikelfilter 9 vorhanden sein, um den Wasserstoff zu reinigen.
Für die Initiierung der Desorption zu Beginn des Prozesses, wenn die Brennstoffzelle 3 noch kalt ist, kann in dem Gehäuse eine Heizung 6, 7 neben der Zelle 3 angeordnet sein, die einen Wärmetauscher 6 und eine Wärmequelle 7 umfasst. Vorzugsweise ist diese Heizung allgemein als Temperiermittel ausgebildet, das alternativ auch Kühlen kann, so dass es in der Lage ist, die Zelle 3 bedarfsweise zu kühlen, sofern das Speichermedium 5 weniger Wärmeenergie aufnimmt, als die Brennstoffzelle 3 erzeugt. Ein solches Temperiermittel 6, 7 kann beispielsweise durch ein Peltierelement gebildet sein.
3 zeigt eine weitere erfindungsgemäße Ausführungsvariante der Vorrichtung 1, bei der in dem Gehäuse 2 eine Brennstoffzelle 3 und eine Elektrolyseurzelle 4 gemeinsam angeordnet und von dem Speichermedium 5 vollständig umgeben sind. Das Speichermedium 5 ist ein Metallhydrid, das zunächst jedoch als reines Metall oder Metalllegierung vorliegt. Um die Vorrichtung 1 aufzuladen, wird zunächst die Elektrolyseurzelle 4 betrieben, wobei der Strom zur Elektrolyse des Wassers aus regenerativen Energien stammen kann. Der sich aus dem Wasser ergebende Wasserstoff wird in das Gehäuse 2 eingeleitet und verbindet sich dort in einem exothermen Vorgang mit dem Metall bzw. der Metalllegierung zu besagtem Metallhydrid 5. Dieser Aufladevorgang ist beendet, wenn das Metallhydrid 5 keinen weiteren Wasserstoff mehr aufnehmen kann. In diesem Zustand kann dann die Brennstoffzelle betrieben werden und Strom liefern, die durch ihre Wärme den Wasserstoff aus dem Metallhydrid 5 wieder herauslöst und mit dem ihr zugeleitete Sauerstoff O₂ verbrennt. Dieser Entladevorgang erfolgt solange, bis kein Wasserstoff mehr von dem Metallhydrid 5 abgegeben wird. Dieses kann sodann wieder durch die Elektrolyseurzelle 4 aufgeladen werden.
4 und 5 zeigt in schematischer perspektivischer Darstellung eine weitere Variante einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 mit mehreren elektrochemischen Zellen 3, 4, wie sie in der deutschen Patentanmeldung DE 10 2009 057 494 A1 beschrieben ist. 4 zeigt die Vorrichtung 1 in teilaufgeschnittener Ansicht.
Die Zellen 3, 4 sind in flacher Bauweise als Platten ausgeführt und liegen parallel äquidistant in dem quaderförmigen, insbesondere etwa würfelförmigen Gehäuse 4 nebeneinander. Die Anordnung der Zellen 3, 4 ist derart, dass abwechselnd eine Elektrolyseurzelle 4, eine Brennstoffzelle 3 und ein plattenförmiges Temperiermittel 6 in derselben Reihenfolge nebeneinander liegen. Wie in 5 zu sehen ist, umfasst die Vorrichtung drei Elektrolyseurzellen 4, drei Brennstoffzellen 3 und zwei Temperierplatten 6. Die beiden Temperierplatten 6 liegen jeweils zwischen einer Elektrolyseurzelle 4 und einer Brennstoffzelle 3. In dem unter Druck stehenden Gehäuse 2 ist das Metallhydrid als Speichermedium 5 vorhanden, das die Zellen 3, 4 respektive die Taschen, in die sie eingesteckt sind, vollständig umgibt.
Die Zellen 3, 4 werden über Versorgungsleitungen 13 in der Bodenplatte 12, an deren Enden entsprechende Anschlüsse 11a, 11b, 11c, 11d, 11e, 11h, 11i, 11j angeordnet sind, mit Luft (Sauerstoff), Wasserstoff und Wasser versorgt. Anschluss 11a bezeichnet den Lufteinlass für die Brennstoffzellen 3, Anschluss 11b den entsprechenden Luftauslass. Anschluss 11c bezeichnet den Wasserstoffeinlass für die Brennstoffzellen 3, Anschluss 11d den entsprechenden Wasserstoffauslass.
Anschluss 11e bezeichnet den Anschluss für den Wassereinlass bei den Elektrolyseurzellen 4, der entsprechende Auslass 11h für Wasser liegt auf der gegenüberliegenden Seite der gezeigten Vorrichtung 1. Ein weiterer Anschluss 11j für den Wasserstoffauslass der Elektrolyseurzellen 4 ist ebenfalls auf der anderen Seite vorhanden. In der Bodenplatte 12 ist ferner eine Leitung 11i für ein sogenanntes Dead End der Elektrolyseurzellen 4 vorhanden. Die elektrischen Anschlüsse 8a sind mit den Brennstoffzellen 3 verbunden, die elektrischen Anschlüssen 8b mit den Elektrolyseurzellen 4. Anschluss 11f bezeichnet einen Einlass für die Temperierplatte 6, durch den ein Heiz- oder Kühlmedium zugeführt werden kann. Ein entsprechender Anschluss 11g für den Auslass liegt auf der gegenüberliegenden Seite. Die Zellen 3, 4 sind modular in das Gehäuse 2 in dort ausgebildeten, nicht dargestellten Taschen eingesetzt. Die Vorrichtung 1 ist dadurch besonders kompakt und kleinbauend.
6 zeigt eine alternative Ausführungsvariante gegenüber derjenigen in 4 und 5. Sie unterscheidet sich von der Ausführung in den 4 und 5 darin, dass die Versorgungsleitungen der Brennstoffzellen 3 und der Elektrolyseurzellen 4 an gegenüberliegenden Seiten des Gehäuses 4 verlaufen. So sind die Versorgungsleitungen 11a bis 11d für die Brennstoffzelle 3, ihre elektrischen Anschlüsse 8a sowie die Versorgungsleitungen 11f, 11g für die Temperierplatten 6 im Deckel 14 des Gehäuses 2 angeordnet. Dagegen sind die Versorgungsleitungen 11e, 11h, 11i und 11j für die Elektrolyseurzellen in der Bodenplatte 12 vorgesehen. Diese Anordnung hat den Vorteil, dass baulich alle Zellen identisch ausgebildet sein können, insbesondere hinsichtlich der Lage ihrer Versorgungsanschlüsse, wohingegen bei der Ausführungsvariante in 5 die Lage der Anschlüsse für die Brennstoffzellen 3 und für die Elektrolyseurzellen 4 aus Platzgründen verschieden sein muss.
Für den Aufbau der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 in den 4 bis 6 wird ein Design gewählt, dass eine modulare Einbringung von elektrochemischen Zellen 3, 4 (Brennstoffzelle/Elektrolyseur) in das Gehäuse 2 erlaubt. Diese Zellen 3, 4 werden von außen in eine Tasche eingeführt, die sich unmittelbar im Speichermedium 5, d. h. im Metallhydrid befinden. Es entsteht eine Geometrie, bei der die elektrochemischen Zellen 3, 4 vollständig vom Metallhydrid 5 umgeben sind. Der im Wasserstoffspeicher 5 aufgebaute Druck verpresst die eingebrachten Zellen 3, 4, was sich positiv auf ihre Eigenschaften auswirkt. Durch einen angepassten Verpressungsdruck kann ein Optimum zwischen elektrischer Kontaktierung der Schichten einer elektrochemischen Zelle Polplatte, Gasdiffusionslage» Membranelektrodeneinheit) und der Beladung des Speichers erreicht werden.
Das verwendete Metallhydrid 5 ist so gewählt, dass die aufgenommene bzw. abgegebene Wärmemenge (Absorption/Desorption) zum Elektrolyseur-Brennstoffzellensystem passend ist, um einerseits die benötigte elektrische Energie für die Wasserelektrolyse zu reduzieren bzw. die Abwärme der Brennstoffzellen 3 für die Desorption des Wasserstoffs zu nutzen. Darüber hinaus ist ein Betriebsdruck zu wählen, der eine optimale Verpressung dieser Zellen 3, 4 gewährleistet, um auftretende Temperaturdifferenzen auszugleichen, werden neben den elektrochemischen Zellen 3, 4 Wärmetauscher 6 mit einer intelligenten Temperaturregelung modular über das Taschensystem in das Gehäuse 2 der Vorrichtung eingebracht.
Mit der vorliegenden Erfindung wurde ein Energiesystem beschrieben, das elektrochemische Zellen in einen Energiespeicher mit variablem Druckniveau integriert. Elektrochemische Zellen, z. B. Elektrolyseure oder Brennstoffzellen oder Batterien, sind in der Lage reversibel chemische Energie in elektrische Energie umzuwandeln. Im Falle eines Elektrolyseur-Brennstoffzellen-Systems wird Wasser im Elektrolyseur unter Zufuhr von elektrischer Energie und Wärme in Wasserstoff und Sauerstoff zerlegt, wobei die Speicherung des Wasserstoffs z. B. in einem Metallhydridspeicher erfolgt. Aus diesem Speicher wird Wasserstoff entnommen, um mittels einer Brennstoffzelle unter Zufuhr von Luftsauerstoff elektrische Energie zurückzugewinnen.
Der Energiespeicher wird so ausgelegt, dass elektrochemische Zellen modular in das Speichergehäuse einführbar sind, wobei im beschriebenen Fall die Zellen vollständig vom Speichermedium umgeben sind. Durch den Druck im Gehäuse 2 werden die integrierten Zellen hydraulisch/pneumatisch verpresst. Zwischen den elektrochemischen Zellen und dem Speichermedium lassen sich energetisch günstige Rekuperationseffekte erzielen, die u. a. zu einer Steigerung des Systemwirkungsgrades beitragen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102009057494 A1 [0002, 0043, 0048]

Claims

Vorrichtung (1) zur Umwandlung chemischer Energie in elektrische Energie und/oder elektrische Energie in chemische Energie, mit einem Gehäuse (2), in dem wenigstens eine elektrochemische Zelle (3, 4) zur Durchführung der Umwandlung zumindest teilweise einliegt, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Gehäuse (2) ein chemisches Speichermedium (5) angeordnet ist, in dem Wasserstoff gespeichert oder speicherbar ist, wobei das Speichermedium (5) die Zelle (3, 4) zumindest teilweise umgibt, mit ihr in Wärme übertragender Verbindung steht und unter Aufnahme von Wärme der Zelle (3, 4) Wasserstoff freigibt und/oder unter Abgabe von Wärme an die Zelle (3, 4) Wasserstoff aufnimmt.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zelle (3, 4) eine Brennstoffzelle (3) ist.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zelle (3, 4) eine Elektrolyseurzelle (4) ist.
Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Gehäuse (2) eine, zwei oder mehr weitere elektrochemische Zelle(n) (3, 4) zumindest teilweise einliegt/einliegen, die von dem Speichermedium (5) umgeben ist/sind.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass alle Zellen (3, 4) gleichartig sind.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine der Zellen (3, 4) eine Brennstoffzelle (3) und wenigstens eine der weiteren Zellen (3, 4) eine Elektrolyseurzelle (4) ist.
Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche 1, 2, 4, 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Speichermedium (5) ein Metallhydrid oder eine heterocyclische chemische Verbindung ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1, 3, 4, 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Speichermedium (5) ein Metall, eine Metalllegierung oder ein Gemisch aus diesen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Speichermedium (5) zu Beginn ihres Betriebs als Brennstoffzelle (3) ein Metallhydrid ist, das im Betrieb der Brennstoffzelle (3) unter Abspaltung von Wasserstoff in das das Metallhydrid bildende Metall, die entsprechende Metalllegierung oder das Gemisch aus Metall und Metalllegierung übergeht, und das Metall, die Metalllegierung oder das Gemisch aus diesen im Betrieb der Vorrichtung als Elektrolyseurzelle (4) unter Aufnahme von Wasserstoff in das Metallhydrid übergeht.
Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zelle (3, 4) oder die Zellen (3, 4) vollständig von dem Speichermedium (5) umgeben sind.
Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Gehäuse (2) ein Temperiermittel (6, 7) zur Beheizung und/oder Kühlung des Speichermediums (5) angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche 2, 4 bis 7 oder 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der von dem Speichermedium (5) abgegebene Wasserstoff zu der Brennstoffzelle (3) oder den Brennstoffzellen (3) zur Verwendung in ihrem Energiewandlungsprozess geführt ist.
Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche 3 bis 6 oder 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der von der Elektrolyseurzelle (4) oder den Elektrolyseurzellen (4) aus der Elektrolyse von Wasser gebildete Wasserstoff dem Speichermedium (5) zugeführt ist.
Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche 6 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass in den Gehäuse (2) abwechselnd eine plattenförmige Brennstoffzelle (3) und eine plattenförmige Elektrolyseurzelle (4) nebeneinander angeordnet sind.
Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche 6 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen einer Brennstoffzelle (3) und einer Elektrolyseurzelle (4) ein insbesondere plattenförmiges Temperiermittel (6) angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche 6 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Versorgungsanschlüsse (11a, 11b, 11c, 11d) für die Brennstoffzellen (3) oder Brennstoffzellen (3) und die Versorgungsanschlüsse (11e, 11h, 11i, 11j) für die Elektrolyseurzelle (3) oder Elektrolyseurzellen (3) an gegenüberliegenden Seiten des Gehäuses (2) angeordnet sind.