DE102015201802A1

DE102015201802A1 - Wasserstofferzeugungsvorrichtung und Verfahren zum Erzeugen von Wasserstoff

Info

Publication number: DE102015201802A1
Application number: DE102015201802.4A
Authority: DE
Inventors: Dietmar Steiner; Kai Weeber; Annika Utz
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2015-02-03
Filing date: 2015-02-03
Publication date: 2016-08-04

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Wasserstofferzeugungsvorrichtung mit einer ersten Elektrolyseeinrichtung (10) einer zwischen einer ersten Anodenelektrode (12) und einer ersten Kathodenelektrode (14) angeordneten Protonen-durchlässigen Membran (16), und einer zweiten Elektrolyseeinrichtung (18) mit einer zwischen einer zweiten Anodenelektrode (20) und einer zweiten Kathodenelektrode (22) angeordneten Hydroxidionen-durchlässigen Membran (24), wobei mindestens eine Betriebsspannung derart zwischen der ersten Anodenelektrode (12) und der ersten Kathodenelektrode (14) und/oder zwischen der zweiten Anodenelektrode (20) und der zweiten Kathodenelektrode (22) anlegbar ist, dass Wasser als Edukt zerlegbar ist, wobei in der Wasserstofferzeugungsvorrichtung ein sich von der ersten Kathodenelektrode (14) zu der zweiten Kathodenelektrode (22) erstreckender Dampf-Übertragungspfad (30, 40) so ausgebildet ist, dass Wasserdampft eines an der ersten Kathodenelektrode (14) freigesetzten Wasserstoff-Wasserdampf-Gemisches zumindest teilweise von der ersten Kathodenelektrode (14) an die zweite Kathodenelektrode (22) übertragbar und an der zweiten Elektrolyseeinrichtung (18) zerlegbar ist. Ebenso betrifft die Erfindung ein Brennstoffzellensystem für ein Fahrzeug und ein Verfahren zum Erzeugen von Wasserstoff.

Description

Die Erfindung betrifft eine Wasserstofferzeugungsvorrichtung. Ebenso betrifft die Erfindung ein Brennstoffzellensystem für ein Fahrzeug. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Erzeugen von Wasserstoff.
Stand der Technik
In der WO 2013/004526 A1 ist ein Energiemanagementsystem zur Erzeugung von Wasserstoff für eine Industrieanlage beschrieben. Das Energiemanagementsystem weist sowohl eine alkalische Elektrolyse-Einheit als auch eine PEM-Elektrolyse-Einheit (Polymer-Elektrolyt-Membran) auf. Je nach der Menge des aktuell benötigten Wasserstoffs und eines für diesen gewünschten Reinheitsgrads wird entweder nur die alkalische Elektrolyse-Einheit, lediglich die PEM-Elektrolyse-Einheit oder die alkalische Elektrolyse-Einheit gemeinsam mit der PEM-Elektrolyse-Einheit zum Elektrolysieren von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff aktiviert. Auf diese Weise soll eine zum Erzeugen des aktuell benötigten Wasserstoffs aufzubringende Gesamtleistung des Energiemanagementsystems optimierbar sein.
Offenbarung der Erfindung
Die Erfindung schafft eine Wasserstofferzeugungsvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1, ein Brennstoffzellensystem für ein Fahrzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 8 und ein Verfahren zum Erzeugen von Wasserstoff mit den Merkmalen des Anspruchs 9.
Vorteile der Erfindung
Die vorliegende Erfindung schafft Möglichkeiten zum „Reinigen” eines mittels einer Elektrolyse von Wasser gewonnenen Wasserstoffs von Wasserdampf bei einem relativ niedrigen Energieverbrauch. Trotz der Minimierung der zum Ausführen der vorliegenden Erfindung aufzubringenden Energie lässt sich mittels der Erfindung Wasserstoff in sehr hoher Qualität, insbesondere mit einer Reinheit von über 99,99 %, herstellen. Ein zusätzliches „Reinigen” des mittels der vorliegenden Erfindung hergestellten Wasserstoffs von Wasserdampf, was herkömmlicherweise häufig durch Abkühlung, Auskondensieren und/oder durch eine Druckwechselabsorption (PSA, Pressure Swing Absorption) erfolgt, ist nicht mehr notwendig. Deshalb kann auch der zum Ausführen dieser herkömmlichen Techniken zum „Reinigen” von Wasserstoff notwendige erhebliche Energieverbrauch eingespart werden.
Die vorliegende Erfindung ist mittels kostengünstiger Vorrichtungen realisierbar. Es wird darauf hingewiesen, dass z.B. die erfindungsgemäße Wasserstofferzeugungsvorrichtung keine beweglichen Teile, wie eine Pumpe, ein Gebläse oder ein Ventil, benötigt. Außerdem kann die erfindungsgemäße Wasserstofferzeugungsvorrichtung als verschleiß- und wartungsfreies System realisiert werden. Die vorliegende Erfindung trägt somit zur Akzeptanz von Wasserstoff als Energieträger, z.B. für eine fahrzeugeigene Brennstoffzelle, bei. Da die erfindungsgemäße Wasserstofferzeugungsvorrichtung außerdem mit einem relativ geringen Gewicht und einem niedrigen Bauraumbedarf realisierbar ist, ist sie leicht an einem Fahrzeug verbaubar.
In einer vorteilhaften Ausführungsform der Wasserstofferzeugungsvorrichtung weist ein mittels der Wasserstofferzeugungsvorrichtung an eine externe Verbraucher- und/oder Speichervorrichtung ausgebbarer Wasserstoff einen End-Wasserdampf-Gehalt auf, welcher kleiner als ein Ausgangs-Wasserdampf-Gehalt des an der ersten Kathodenelektrode freigesetzten Wasserstoff-Wasserdampf-Gemisches ist. Der mittels der Wasserstofferzeugungsvorrichtung an die externe Verbraucher- und/oder Speichervorrichtung ausgebbare Wasserstoff ist aufgrund seiner vernachlässigbaren Verunreinigung mit Wasserdampf vielseitig verwendbar. Insbesondere kann der mittels der Wasserstofferzeugungsvorrichtung erzeugte Wasserstoff von einer Brennstoffzelle, insbesondere einer fahrzeugeigenen Brennstoffzelle, zur Freisetzung von Energie verwendet werden.
Vorteilhafterweise können die erste Anodenelektrode, die erste Kathodenelektrode, die zweite Anodenelektrode und die zweite Kathodenelektrode in einem gemeinsamen Behälter eingetaucht sein. Eine platzsparende Anordnung der ersten Elektrolyseeinrichtung und der zweiten Elektrolyseeinrichtung ist somit möglich. Die erfindungsgemäße Wasserstofferzeugungsvorrichtung kann deshalb ein vergleichsweise niedriges Gewicht und einen relativ geringen Bauraumbedarf haben.
Beispielsweise können die zweite Anodenelektrode und die zweite Kathodenelektrode der ersten Anodenelektrode und der ersten Kathodenelektrode nachgeschaltet sein. Ebenso können jedoch auch die Protonen-durchlässige Membran, die erste Kathodenelektrode, der Dampf-Übertragungspfad, die zweite Kathodenelektrode und die Hydroxidionen-durchlässige Membran zwischen der ersten Anodenelektrode und der zweiten Anodenelektrode liegen. Somit sind verschiedene Möglichkeiten zum Ausbilden der Wasserstofferzeugungsvorrichtung gegeben.
Der Dampf-Übertragungspfad kann ein Verbindungsabschnitt zwischen einem in der ersten Kathodenelektrode ausgebildeten Flüssigkeit- und/oder Gas-Pfad und einem in der zweiten Kathodenelektrode ausgebildeten Flüssigkeit- und/oder Gas-Pfad sein. Ebenso kann der Dampf-Übertragungspfad auch ein Zwischenraum zwischen der ersten Kathodenelektrode und der zweiten Kathodenelektrode sein. Eine große Designfreiheit bei der Ausbildung des Dampf-Übertragungspfads liegt somit vor.
In einer vorteilhaften Ausführungsform der Wasserstofferzeugungsvorrichtung ist die erste Anodenelektrode mit der zweiten Anodenelektrode elektrisch verbunden ist, die ersten Kathodenelektrode ist mit der zweiten Kathodenelektrode elektrisch verbunden, und eine gemeinsame Betriebsspannung ist gleichzeitig zwischen der ersten Anodenelektrode und der ersten Kathodenelektrode und zwischen der zweiten Anodenelektrode und der zweiten Kathodenelektrode anlegbar. Für die Betreibereinrichtung können somit kostengünstige, leichte und wenig Bauraum benötigende Elektroniken eingesetzt werden.
Die vorausgehend beschriebenen Vorteile liegen auch bei einem Brennstoffzellensystem für ein Fahrzeug mit einer derartigen Wasserstofferzeugungsvorrichtung vor.
Die oben beschriebenen Vorteile sind auch mittels eines Ausführens des korrespondierenden Verfahrens zum Erzeugen von Wasserstoff realisierbar. Es wird darauf hingewiesen, dass das Verfahren entsprechend den verschiedenen Ausführungsformen der oben beschriebenen Wasserstofferzeugungsvorrichtung weiterbildbar ist.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend anhand der Figuren erläutert. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform der Wasserstofferzeugungsvorrichtung;
2 eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform der Wasserstofferzeugungsvorrichtung;
3 eine schematische Darstellung einer dritten Ausführungsform der Wasserstofferzeugungsvorrichtung; und
4 ein Blockdiagramm zum Erläutern einer Ausführungsform des Verfahrens zum Erzeugen von Wasserstoff.
Ausführungsformen der Erfindung
1 zeigt eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform der Wasserstofferzeugungsvorrichtung.
Die mittels der 1 schematisch dargestellte Wasserstofferzeugungsvorrichtung hat eine erste Elektrolyseeinrichtung 10 mit zumindest einer ersten Anodenelektrode 12, einer ersten Kathodenelektrode 14 und einer zwischen der ersten Anodenelektrode 12 und der ersten Kathodenelektrode 14 angeordneten Protonen-durchlässigen Membran 16. Unter der Protonen-durchlässigen Membran 16 ist eine Membran zu verstehen, welche für Protonen durchlässig ist. Vorzugsweise ist jedoch ein Transport von Gasen, wie beispielsweise Sauerstoff oder Wasserstoff, durch die Protonen-durchlässige Membran 16 verhindert. Z.B. kann die Protonen-durchlässige Membran 16 eine Protonen-Austausch-Membran sein. Die erste Elektrolyseeinrichtung 10 kann insbesondere eine (klassische) PEM-Elektrolyseeinrichtung (Protonen-Austausch-Membran-Elektrolyseeinrichtung, Protone Exchange Membrane Electrolysor) sein. Die Protonen-durchlässige Membran 16 kann beispielsweise aus mindestens einem Ionomer hergestellt sein. Als Alternative oder als Ergänzung zu dem mindestens einen Ionomer kann die Protonen-durchlässige Membran 16 auch mindestens ein anderes Material umfassen.
Die Wasserstofferzeugungsvorrichtung umfasst auch eine zweite Elektrolyseeinrichtung 18 mit zumindest einer zweiten Anodenelektrode 20, einer zweiten Kathodenelektrode 22 und einer zwischen der zweiten Anodenelektrode 20 und der zweiten Kathodenelektrode 22 angeordneten Hydroxidionen-durchlässigen Membran 24. Unter der Hydroxidionen-durchlässigen Membran 24 ist eine Membran zu verstehen, welche für Hydroxidionen durchlässig/leitend ist. Vorzugsweise ist jedoch ein Transport von Gasen, wie beispielsweise Wasserstoff und Sauerstoff, durch die Hydroxidionen-durchlässige Membran 24 unterbunden. Die zweite Elektrolyseeinrichtung 18 kann insbesondere eine alkalische Membran-Elektrolyseeinrichtung (AEM-Elektrolyseeinrichtung, Alcaline anion Exchange Membrane Electrolysor) sein. Es wird darauf hingewiesen, dass eine Vielzahl verschiedener Materialien für die Hydroxidionen-durchlässige Membran 24 einsetzbar ist. Die Hydroxidionen-durchlässige Membran 24 kann insbesondere eine Plastikfolie oder ein Kalilaugenfilz sein.
Die erste Anodenelektrode 12, die erste Kathodenelektrode 14, die zweite Anodenelektrode 20 und/oder die zweite Kathodenelektrode 22 können je eine Platinelektrode sein. Anstelle oder als Ergänzung zu Platin kann jedoch auch mindestens ein anderes Material in mindestens einer der Elektroden 12, 14, 20 und 22 enthalten sein.
Vorzugsweise ist mindestens ein Flüssigkeit- und/oder Gas-Pfad 12a, 14a, 20a und 22a in und/oder an mindestens einer der Elektroden 12, 14, 20 und 22 so ausgebildet, dass mindestens eine Flüssigkeit und/oder mindestens ein Gas durch die jeweilige Elektrode 12, 14, 20 und 22 leitbar sind. Vorzugsweise ist jede der Elektroden 12, 14, 20 und 22 mit einem daran und/oder darin vorliegenden Flüssigkeit- und/oder Gas-Pfad 12a, 14a, 20a und 22a ausgebildet. Insbesondere kann jeder Flüssigkeit- und/oder Gas-Pfad 12a, 14a, 20a und 22a so ausgebildet sein, dass die dadurch geleitete Flüssigkeit und/oder das dadurch geleitete Gas möglichst großflächig entlang der jeweiligen Elektrode 12, 14, 20 oder 22 strömt. Es wird darauf hingewiesen, dass jede der Elektroden 12, 14, 20 und 22 mit einer großen Designfreiheit mit ihrem Flüssigkeit- und/oder Gas-Pfad 12a, 14a, 20a und 22a ausbildbar ist. Die Flüssigkeit- und/oder Gas-Pfade 12a, 14a, 20a und 22a sind deshalb in 1 nur beispielshaft als Abschnitte von Pfeilen wiedergegeben.
Die Wasserstofferzeugungsvorrichtung hat auch eine Betreibereinrichtung 26, mittels welcher (bei einem Betrieb der Wasserstofferzeugungsvorrichtung) mindestens eine Betriebsspannung derart zwischen der ersten Anodenelektrode 12 und der ersten Kathodenelektrode 14 und/oder zwischen der zweiten Anodenelektrode 20 und der zweiten Kathodenelektrode 22 anlegbar ist/angelegt wird, dass Wasser als Edukt durch eine mittels der ersten Elektrolyseeinrichtung 10 ausgeführte erste Wasserelektrolyse und/oder durch eine mittels der zweiten Elektrolyseeinrichtung 18 ausgeführte zweite Wasserelektrolyse zerlegbar ist/zerlegt wird. Mittels der von der ersten Elektrolyseeinrichtung 10 ausgeführten ersten Wasserelektrolyse wird das Edukt Wasser an der ersten Anodenelektrode 12 gespalten, wodurch, wie mittels des Pfeils 28 dargestellt, Protonen von der ersten Anodenelektrode 12 durch die Protonen-durchlässige Membran 16 zu der ersten Kathodenelektrode 14 wandern. An der ersten Kathodenelektrode 14 wird deshalb ein Wasserstoff-Wasserdampf-Gemisch freigesetzt. Man kann dies auch damit umschreiben, dass der mittels der von der ersten Elektrolyseeinrichtung 10 ausgeführten ersten Wasserelektrolyse erzeugte/freigesetzte Wasserstoff mit Wasserdampf gesättigt ist. Außerdem wird mittels der ersten Wasserelektrolyse Sauerstoff an der ersten Anodenelektrode 12 erzeugt/freigesetzt.
In der Wasserstofferzeugungsvorrichtung ist auch ein sich von der ersten Kathodenelektrode 14 zu der zweiten Kathodenelektrode 22 erstreckender Dampf-Übertragungspfad 30 (bzw. Dampf/Gas-Übertragungspfad 30) so ausgebildet, dass der Wasserdampf des an der ersten Kathodenelektrode 14 freigesetzten Wasserstoff-Wasserdampf-Gemisches zumindest teilweise von der ersten Kathodenelektrode 14 an die zweite Kathodenelektrode 22 übertragbar ist/weitergeleitet wird. Der Dampf-Übertragungspfad 30 kann beispielsweise ein Verbindungsabschnitt 30 zwischen einem in der ersten Kathodenelektrode 14 ausgebildeten Flüssigkeit- und/oder Gas-Pfad 14a und einem in der zweiten Kathodenelektrode 22 ausgebildeten Flüssigkeit- und/oder Gas-Pfad 22a sein. Dies gewährleistet, dass der Wasserdampf des an der ersten Kathodenelektrode 14 freigesetzten Wasserstoff-Wasserdampf-Gemisches zumindest teilweise mittels der von der zweiten Elektrolyseeinrichtung 18 ausgeführten zweiten Wasserelektrolyse zerlegbar ist/zerlegt wird. Der Wasserdampf wird deshalb an der zweiten Kathodenelektrode 22 in Wasserstoff und Hydroxidionen zerlegt. Die Hydroxidionen wandern, wie mittels des Pfeils 32 bildlich wiedergegeben ist, von der zweiten Kathodenelektrode 22 durch die Hydroxidionen-durchlässige Membran 24 zu der zweiten Anodenelektrode 20. An der zweiten Anodenelektrode 20 reagieren die Hydroxidionen zu Wasser und Sauerstoffradikalen („einzelnen Sauerstoffatomen”).
Die zweite Elektrolyseeinrichtung 18 ermöglicht damit eine Trocknung des mittels der ersten Elektrolyseeinrichtung 10 erzeugten Wasserstoff-Wasserdampf-Gemisches. Man kann dies auch als eine „Reinigung” des an der ersten Kathodenelektrode 14 freigesetzten Wasserstoffs vom Wasserdampf umschreiben. Deshalb weist ein mittels der Wasserstofferzeugungsvorrichtung an eine (nicht skizzierte) externe Verbraucher- und/oder Speichervorrichtung ausgebbarer/ausgegebener Wasserstoff einen End-Wasserdampf-Gehalt auf, welcher (signifikant) kleiner als ein Ausgangs-Wasserdampf-Gehalt des an der ersten Kathodenelektrode 14 freigesetzten Wasserstoff-Wasserdampf-Gemisches ist. Der mittels der Wasserstofferzeugungsvorrichtung erzeugbare Wasserstoff hat damit einen hohen Reinheitsgrad. Insbesondere kann der Reinheitsgrad des mittels der Wasserstofferzeugungsvorrichtung erzeugten (und an die externe Verbraucher- und/oder Speichervorrichtung ausgebbare/ausgegebene) Wasserstoffs bei über 99,99 % liegen. Während ein mit herkömmlichen Vorrichtungen erzeugtes Wasserstoff-Produktgas oft mit Wasserdampf so stark gesättigt ist, dass es für viele Verwendungszwecke ohne eine Reinigung/Trocknung des Wasserstoff-Produktgases nicht einsetzbar ist, kann der mittels der Wasserstofferzeugungsvorrichtung hergestellte Wasserstoff unmittelbar und ohne eine weitere Aufbereitung/Trocknung für eine Vielzahl von Verwendungszwecken eingesetzt werden.
In der Regel ist das an der ersten Kathodenelektrode 14 freigesetzte Wasserstoff-Wasserdampf-Gemisch, bzw. der mittels der ersten Elektrolyseeinrichtung 10 erzeugte Wasserstoff, fast gesättigt mit Wasserdampf, wobei der Ausgangs-Wasserdampf-Gehalt des Wasserstoff-Wasserdampf-Gemisches temperaturabhängig ist. (Bei einer Temperatur von 50°C und 1 bar Druck, welche während eines Betriebs der Wasserstofferzeugungsvorrichtung an der ersten Elektrolyseeinrichtung 10 häufig vorliegt, liegt der Ausgangs-Wasserdampf-Gehalt des Wasserstoff-Wasserdampf-Gemisches bei ca. 80 g/Nm³.) Aufgrund der vorteilhaften Ausstattung der Wasserstofferzeugungsvorrichtung mit der zweiten Elektrolyseeinrichtung 18 ist jedoch der End-Wasserdampf-Gehalt auf einen deutlich niedrigeren Wert reduzierbar.
Vorteilhafterweise wird mittels der zweiten Elektrolyseeinrichtung 18 der Wasserdampf des an der ersten Kathodenelektrode 14 freigesetzten Wasserstoff-Wasserdampf-Gemisches außerdem in das gewünschte Produkt Wasserstoff umgewandelt, wodurch sich eine Ausbeute der Wasserstofferzeugungsvorrichtung erhöht. Die von der zweiten Elektrolyseeinrichtung 18 verbrauchte Energie trägt damit zur Steigerung der Ausbeute der Wasserstofferzeugungsvorrichtung bei. Des Weiteren wird darauf hingewiesen, dass die mittels der zweiten Elektrolyseeinrichtung 18 ausgeführte zweite Wasserelektrolyse (mittels welcher der Wasserdampf des Wasserstoff-Wasserdampf-Gemisches in Wasserstoff umgewandelt wird) einen vergleichsweise geringen Energieverbrauch hat. Insbesondere ist der Energieverbrauch der zweiten Elektrolyseeinrichtung 18 deutlich geringer als eine zum Trocknen von mit Wasserdampf gesättigten Wasserstoff auszuführende Abkühlung, Auskondensierung oder Druckwechseladsorption (PSA, Pressure Swing Absorption). Während beispielsweise eine Druckwechseladsorption (zur Regeneration des Absorbers) bis zu 10 % des erzeugten Wasserstoffs verbraucht, trägt der Betrieb der zweiten Elektrolyseeinrichtung 18 zur Steigerung der Wasserstoffausbeute bei. Bei der Wasserstofferzeugungsvorrichtung aus den beiden Elektrolyseeinrichtungen 10 und 18 ist deshalb eine Gesamteffizienz „Strom zu Wasserstoff” gesteigert.
Für die mittels der zweiten Elektrolyseeinrichtung 18 ausgeführte zweite Wasserelektrolyse des Wasserdampfs in Wasserstoff und Hydroxidionen beträgt bei einem Arbeitspunkt einer U/I-Kennlinie von 1,7 V (Volt) bei 0,4 A/cm² (Ampere/Quadratzentimeter) der Energieverbrauch für die Umwandlung von 100 g (Gramm) Wasser pro Stunde in Wasserstoff ca. 410 W (Watt).
Bei dem Eduktstrom von 100 g (Gramm) Wasser pro Stunde wird mittels der zweiten Elektrolyseeinrichtung 18 eine Wasserstoffmenge von 9 g (Gramm) stündlich erzeugt (9 g/h). Über einen Brennwert von Wasserstoff (33 kWh/kg) kann hieraus der durch die zweite Elektrolyseeinrichtung 18 zusätzlich erzeugte Brennwert mit ca. 290 W (Watt) abgeschätzt werden.
Zusammenfassend kann mittels einer an die zweite Elektrolyseeinrichtung 18 bereitgestellten elektrischen Leistung von ca. 410 W (pro Nm³ Wasserstoff) der unerwünschte Wasserdampf in dem Wasserstoff-Wasserdampf-Gemisch verlässlich in zusätzlichen Wasserstoff zerlegt werden. Dies steigert eine Ausbeute der Wasserstofferzeugungsvorrichtung auf zusätzliche 9 g (Gramm) Wasserstoff pro Stunde (9 g/h), wodurch sich ein Brennwert des an die externe Verbraucher- und/oder Speichervorrichtung ausgebbaren/ausgegebenen Wasserstoffs (bei dem Eduktstrom von 80 g Wasser pro Stunde) um zusätzliche 290 W erhöht.
Ohne Berücksichtigung ohmscher Verluste bei der mittels der zweiten Elektrolyseeinrichtung 18 ausgeführten zweiten Wasserelektrolyse werden für die Trocknung des Wasserstoff-Wasserdampf-Gemisches somit nur ca.120 W (pro Nm³ Wasserstoff) benötigt. Dies sind nur ca. 4 % des Brennwerts des an die externe Verbraucher- und/oder Speichervorrichtung ausgebbaren/ausgegebenen Wasserstoffs. Diese Energie verbleibt als Wärme im System und kann gegebenenfalls in einer BHKW-Anwendung (Blockheizkraftwerk-Anwendung) der Wasserstofferzeugungsvorrichtung verwendet werden. (Bei einer herkömmlichen Druckwechseladsorption gehen ungefähr 10 Vol. % des erzeugten Produktgases Wasserstoff dem System als „Abgas” verloren.)
Optionaler Weise kann eine Membranfläche der Hydroxidionen-durchlässigen Membran 24 zusätzlich gekühlt werden, so dass sie auch als Kondensationsfläche fungiert. Es wird jedoch darauf hingewiesen, dass dies für einen Betrieb der zweiten Elektrolyseeinrichtung 18 nicht notwendig ist.
Die zusätzliche Ausstattung der Wasserstofferzeugungsvorrichtung mit der zweiten Elektrolyseeinrichtung 18 steigert deren Bauraumbedarf und deren Gewicht kaum. Beispielsweise ist bei dem Arbeitspunkt der U/I-Kennlinie von 1,8 V (Volt) bei 0,4 A/cm² (Ampere/Quadratzentimeter) eine Arbeitsfläche der Elektroden 20 und 22 von 375 cm² (pro Nm³ Wasserstoff) ausreichend. Bei einem Arbeitspunkt von 2 V (Volt) bei 0,8 A/cm² (Ampere/Quadratzentimeter) und liegt die benötigte Arbeitsfläche der Elektroden 20 und 22 bei ca. 185 cm². 2Während eine Arbeitsfläche der Elektroden 12 und 14 z.B. bei 1330 cm liegen kann, sind deutlich niedrigere Werte (14–29 %) für die zweite Elektrolyseeinrichtung 18 ausreichend.
Es wird darauf hingewiesen, dass die in den vorausgehenden Absätzen zitierten Zahlen nur beispielhaft zu verstehen sind. Beispielsweise ist eine Ausbildbarkeit der Wasserstofferzeugungsvorrichtung weder auf einen bestimmten Eduktstrom, noch auf eine bestimmte elektrische Leistung der zweiten Elektrolyseeinrichtung 18, eine bestimmte Betriebstemperatur der zweiten Elektrolyseeinrichtung 18, einen bestimmten Arbeitspunkt der zweiten Elektrolyseeinrichtung 18 oder auf eine bestimmte Arbeitsfläche einer der Elektroden 12, 14, 20 und 22 beschränkt.
In der Ausführungsform der 1 sind die erste Anodenelektrode 12, die erste Kathodenelektrode 14, die zweite Anodenelektrode 20 und die zweite Kathodenelektrode 22 (zusammen mit den Membranen 16 und 24) in einem gemeinsamen Behälter 34 eingetaucht. Eine platzsparende und gewichtsreduzierende Anordnung der Elektroden 12, 14, 20 und 22 ist somit möglich. Alternativ können die erste Elektrolyseeinrichtung 10 und die zweite Elektrolyseeinrichtung 18 jedoch auch in verschiedenen Behältern angeordnet sein.
Beispielhaft sind in der Ausführungsform der 1 die zweite Anodenelektrode 20 und die zweite Kathodenelektrode 22 außerdem der ersten Anodenelektrode 12 und der zweiten Kathodenelektrode 14 nachgeschaltet. Die in 1 bildlich wiedergegebene Wasserstofferzeugungsvorrichtung ist deshalb als ein PEM (PEM-Elektrolyseur) mit einem nachgeschalteten AEM (AEM-Elektrolyseur) umschreibbar. Darunter kann verstanden werden, dass ein in der ersten Anodenelektrode 12 ausgebildeter Flüssigkeit- und/oder Gas-Pfad 12a über einen Verbindungsabschnitt 36 mit einem in der zweiten Anodenelektrode 20 ausgebildeten Flüssigkeit- und/oder Gas-Pfad 20a verbunden ist, während der in der ersten Kathodenelektrode 14 ausgebildete Flüssigkeit- und/oder Gas-Pfad 14a über den Verbindungsabschnitt 30 (als Dampf-Übertragungspfad 30) mit dem in der zweiten Kathodenelektrode 22 ausgebildeten weiteren Flüssigkeit- und/oder Gas-Pfad 22a verbunden ist. Man kann dies auch damit umschreiben, dass die Anodenelektroden 12 und 20 hydraulisch/gasseitig miteinander verbunden sind, und die Kathodenelektroden 14 und 22 ebenfalls hydraulisch/gasseitig miteinander verbunden sind.
Die erste Anodenelektrode 12, die erste Kathodenelektrode 14, die zweite Anodenelektrode 20 und die zweite Kathodenelektrode 22 können außerdem parallel zueinander ausgerichtet sein. Insbesondere können eine Innenfläche/Arbeitsfläche der ersten Anodenelektrode 12 und eine Innenfläche/Arbeitsfläche der zweiten Anodenelektrode 20 in einer ersten Ebene liegen, während eine Innenfläche/Arbeitsfläche der ersten Kathodenelektrode 14 und eine Innenfläche/Arbeitsfläche der zweiten Kathodenelektrode 22 in einer parallel zu der ersten Ebene ausgerichteten zweiten Ebene liegen.
In der Ausführungsform der 1 ist außerdem die erste Anodenelektrode 12 mit der zweiten Anodenelektrode 20 elektrisch verbunden. Dies ist beispielhaft mittels einer Berührung der beiden Anodenelektroden 12 und 20 realisiert. (Die beiden Anodenelektroden 12 und 20 können somit auch einstückig ausgebildet sein.) Ebenso kann jedoch auch über mindestens ein Leitungselement ein elektrischer Kontakt zwischen der ersten Anodenelektrode 12 und der zweiten Anodenelektrode 20 realisiert sein. Entsprechend ist die erste Kathodenelektrode 14 mit der zweiten Kathodenelektrode 22 elektrisch verbunden. Auch dies ist ausbildbar, indem sich die beiden Kathodenelektroden 14 und 22 berühren oder einstückig ausgebildet sind. Optional kann auch über mindestens ein Leitungselement ein elektrischer Kontakt zwischen der ersten Kathodenelektrode 14 und der zweiten Kathodenelektrode 22 vorliegen.
Somit ist eine gemeinsame Betriebsspannung gleichzeitig zwischen der ersten Anodenelektrode 12 und der ersten Kathodenelektrode 14 und zwischen der zweiten Anodenelektrode 20 und der zweiten Kathodenelektrode 22 anlegbar. Die Betreibereinrichtung 26 ist deshalb relativ einfach, kostengünstig, leicht und bauraumsparend ausbildbar.
2 zeigt eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform der Wasserstofferzeugungsvorrichtung.
Auch in der Ausführungsform der 2 sind die erste Anodenelektrode 12, die erste Kathodenelektrode 14, die zweite Anodenelektrode 20 und die zweite Kathodenelektrode 22 parallel zueinander ausgerichtet, wobei die Innenfläche/Arbeitsfläche der ersten Anodenelektrode 12 und die Innenfläche/Arbeitsfläche der zweiten Anodenelektrode 20 in einer ersten Ebene und die Innenfläche/Arbeitsfläche der ersten Kathodenelektrode 14 und die Innenfläche/Arbeitsfläche der zweiten Kathodenelektrode 22 in einer parallel zu der ersten Ebene ausgerichteten zweiten Ebene liegen. Allerdingt sind bei der Wasserstofferzeugungsvorrichtung der 2 die erste Anodenelektrode 12 von der zweiten Anodenelektrode 20 und die erste Kathodenelektrode 14 von der zweiten Kathodenelektrode 22 elektrisch isoliert. Deshalb ist eine getrennte Ansteuerung der beiden Elektrolyseeinrichtungen 10 und 18 mit unterschiedlichen Betriebsspannungen möglich. Dazu können auch getrennte Untereinheiten 26a und 26b der Betreibereinrichtung eingesetzt werden.
Beispielhaft ist bei der Wasserstofferzeugungsvorrichtung der 2 ein Isolator 38 zwischen der ersten Elektrolyseeinrichtung 10 und der zweiten Elektrolyseeinrichtung 18 angeordnet. Während die erste Anodenelektrode 12, die erste Kathodenelektrode 14 und die Protonen-durchlässige Membran 16 auf einer ersten Seite des Isolators 38 angeordnet sind, liegen die zweite Anodenelektrode 20, die zweite Kathodenelektrode 22 und die Hydroxidionen-durchlässige Membran 24 auf einer von der ersten Seite weg gerichteten zweiten Seite des Isolators 38.
Ansonsten weist die Wasserstofferzeugungsvorrichtung der 2 alle Merkmale der zuvor ausgeführten Ausführungsformen auf.
3 zeigt eine schematische Darstellung einer dritten Ausführungsform der Wasserstofferzeugungsvorrichtung.
Bei der in 3 schematisch dargestellten Wasserstofferzeugungsvorrichtung sind die Protonen-durchlässige Membran 16, die erste Kathodenelektrode 14, der Dampfübertragungspfad 30, die zweite Kathodenelektrode 22 und die Hydroxidionen-durchlässige Membran 24 zwischen der ersten Anodenelektrode 12 und der zweiten Anodenelektrode 20 angeordnet. Der Dampf-Übertragungspfad 40 (bzw. Dampf/Gas-Übertragungspfad 40) ist somit ein Zwischenraum zwischen der ersten Kathodenelektrode 14 und der zweiten Kathodenelektrode 22.
Somit ist es nicht notwendig, dass die Anodenelektroden 12 und 20 hydraulisch/gasseitig miteinander verbunden sind und/oder die Kathodenelektroden 14 und 22 hydraulisch/gasseitig miteinander verbunden sind. Außerdem kann die zweite Elektrolyseeinrichtung 18 im Vergleich mit der ersten Elektrolyseeinrichtung 10 mit einer anderen Druckdifferenz, insbesondere mit einer geringeren Druckdifferenz, betrieben werden. Dies bringt häufig verfahrenstechnische und materialseitige Vorteile.
Auch bei dieser Ausführungsform können unterschiedliche Betriebsspannungen gleichzeitig zwischen der ersten Kathodenelektrode und der ersten Anodenelektrode und zwischen der zweiten Kathodenelektrode und der zweiten Anodenelektrode angelegt werden. Alternativ kann jedoch auch die erste Anodenelektrode 12 mit der zweiten Anodenelektrode 20 (z.B. über ein Leitungselement) elektrisch verbunden sein, während die ersten Kathodenelektrode 14 mit der zweiten Kathodenelektrode 22 (z.B. über ein weiteres Leitungselement) elektrisch verbunden. Die Wasserstofferzeugungsvorrichtung der 3 kann somit auch mit nur einer Betriebsspannung betrieben werden.
Bezüglich weiterer Merkmale der Wasserstofferzeugungsvorrichtung der 3 wird auf die Beschreibungen der vorausgehenden Ausführungsformen verwiesen.
Alle oben ausgeführten Wasserstofferzeugungsvorrichtungen können mittels ihrer zweiten Elektrolyseeinrichtung 18 den unerwünschten Wasserdampf im Produktgas Wasserstoff elektrochemisch in Wasserstoff umsetzen. Alle oben beschriebenen Wasserstofferzeugungsvorrichtungen realisieren somit eine vorteilhafte Trocknung ihres Produktgases Wasserstoff. Mittels der Umwandlung des unerwünschten Wasserdampfes in das Produktgas Wasserstoff ist eine Wasserstoff-Ausbeute der Wasserstofferzeugungsvorrichtungen gesteigert. Gleichzeitig ist der für die Trocknung des Wasserstoffs aufbringbare Energieverbrauch bei allen Wasserstofferzeugungsvorrichtungen minimiert. Dies erhöht eine Gesamteffizienz „Strom-zu-Wasserstoff” aller Wasserstofferzeugungsvorrichtungen. An der Anodenseite der zweiten Elektrolyseeinrichtung 18 entsteht zusätzlicher Wasserdampf, welcher den ebenfalls entstehenden Sauerstoff befeuchtet, bzw. das zirkulierende (ebenfalls als Kühlmittel fungierende) Edukt Wasser vermehrt.
Es wird darauf hingewiesen, dass alle oben beschriebenen Wasserstofferzeugungsvorrichtungen keine beweglichen Teile, wie z.B. mindestens eine Pumpe, mindestens ein Gebläse und/oder mindestens ein Ventil, benötigen. Jede der Wasserstofferzeugungsvorrichtungen ist somit ein verschleiß- und wartungsfreies System. Dies führt zu einer hohen Akzeptanz bei Benutzern der Wasserstofferzeugungsvorrichtungen.
Aufgrund ihres geringen Bauraumbedarfs und ihres niedrigen Gewichts kann jede der oben erläuterten Wasserstofferzeugungsvorrichtungen leicht an einem Fahrzeug verbaut werden. Deshalb schafft auch ein Brennstoffzellensystem für ein Fahrzeug mit einer derartigen Wasserstofferzeugungsvorrichtung alle oben beschriebenen Vorteile.
4 zeigt ein Blockdiagramm zum Erläutern einer Ausführungsform des Verfahrens zum Erzeugen von Wasserstoff.
Das im Weiteren beschriebene Verfahren kann beispielsweise mit einer der oben erläuterten Wasserstofferzeugungsvorrichtungen ausgeführt werden. Eine Ausführbarkeit des Verfahrens ist jedoch nicht auf eine Verwendung einer der Wasserstofferzeugungsvorrichtungen beschränkt.
In einem Verfahrensschritt S1 wird mindestens eine Betriebsspannung derart zwischen einer ersten Anodenelektrode und einer ersten Kathodenelektrode einer ersten Elektrolyseeinrichtung aus zumindest der ersten Anodenelektrode, der ersten Kathodenelektrode und einer zwischen der ersten Anodenelektrode und der ersten Kathodenelektrode angeordneten Protonen-durchlässigen Membran und/oder zwischen einer zweiten Anodenelektrode und einer zweiten Kathodenelektrode einer zweiten Elektrolyseeinrichtung aus zumindest der zweiten Anodenelektrode, der zweiten Kathodenelektrode und einer zwischen der zweiten Anodenelektrode und der zweiten Kathodenelektrode angeordneten Hydroxidionen-durchlässigen Membran angelegt. Der Verfahrensschritt 1 umfasst somit einen Teilschritt S1a zum Betreiben der ersten Elektrolyseeinrichtung und einen Teilschritt S1b zum Betreiben der zweiten Elektrolyseeinrichtung.
In dem Teilschritt S1a des Verfahrensschritts S1 wird durch das Betreiben der ersten Elektrolyseeinrichtung Wasser als Edukt durch eine mittels der ersten Elektrolyseeinrichtung ausgeführte erste Wasserelektrolyse zerlegt. Dadurch wird ein Wasserstoff-Wasserdampf-Gemisch an der ersten Kathodenelektrode freigesetzt.
In einem Verfahrensschritt S2 wird Wasserdampft des an der ersten Kathodenelektrode freigesetzten Wasserstoff-Wasserdampf-Gemisches zumindest teilweise von der ersten Kathodenelektrode an die zweite Kathodenelektrode weitergeleitet. In dem Teilschritt S1b des Verfahrensschritts S1 wird deshalb durch das Betreiben der ersten Elektrolyseeinrichtung der an die zweite Kathodenelektrode weitergeleiteten Wasserdampf zumindest teilweise durch eine mittels der zweiten Elektrolyseeinrichtung ausgeführten zweiten Wasserelektrolyse zerlegt. Auf diese Weise kann ein Ausgangs-Wasserdampf-Gehalt des an der ersten Kathodenelektrode freigesetzten Wasserstoff-Wasserdampf-Gemisches mittels der von der zweiten Elektrolyseeinrichtung ausgeführten zweiten Wasserelektrolyse auf einen End-Wasserdampf-Gehalt kleiner als der Ausgangs-Wasserdampf-Gehalt reduziert werden.
Auch das hier beschriebene Verfahren schafft somit die oben erläuterten Vorteile, auf deren erneute Aufzählung hier jedoch verzichtet wird.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2013/004526 A1 [0002]

Claims

Wasserstofferzeugungsvorrichtung mit: einer ersten Elektrolyseeinrichtung (10) mit einer ersten Anodenelektrode (12), einer ersten Kathodenelektrode (14) und einer zwischen der ersten Anodenelektrode (12) und der ersten Kathodenelektrode (14) angeordneten Protonen-durchlässigen Membran (16); einer zweiten Elektrolyseeinrichtung (18) mit einer zweiten Anodenelektrode (20), einer zweiten Kathodenelektrode (22) und einer zwischen der zweiten Anodenelektrode (20) und der zweiten Kathodenelektrode (22) angeordneten Hydroxidionen-durchlässigen Membran (24); und einer Betreibereinrichtung (26, 26a, 26b), mittels welcher mindestens eine Betriebsspannung derart zwischen der ersten Anodenelektrode (12) und der ersten Kathodenelektrode (14) und/oder zwischen der zweiten Anodenelektrode (20) und der zweiten Kathodenelektrode (22) anlegbar ist, dass Wasser als Edukt durch eine mittels der ersten Elektrolyseeinrichtung (10) ausgeführte erste Wasserelektrolyse und/oder durch eine mittels der zweiten Elektrolyseeinrichtung (18) ausgeführte zweite Wasserelektrolyse zerlegbar ist; dadurch gekennzeichnet, dass in der Wasserstofferzeugungsvorrichtung ein sich von der ersten Kathodenelektrode (14) zu der zweiten Kathodenelektrode (22) erstreckender Dampf-Übertragungspfad (30, 40) so ausgebildet ist, dass Wasserdampft eines an der ersten Kathodenelektrode (14) freigesetzten Wasserstoff-Wasserdampf-Gemisches zumindest teilweise von der ersten Kathodenelektrode (14) an die zweite Kathodenelektrode (22) übertragbar und mittels der von der zweiten Elektrolyseeinrichtung (18) ausgeführten zweiten Wasserelektrolyse zerlegbar ist.
Wasserstofferzeugungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei ein mittels der Wasserstofferzeugungsvorrichtung an eine externe Verbraucher- und/oder Speichervorrichtung ausgebbarer Wasserstoff einen End-Wasserdampf-Gehalt aufweist, welcher kleiner als ein Ausgangs-Wasserdampf-Gehalt des an der ersten Kathodenelektrode (14) freigesetzten Wasserstoff-Wasserdampf-Gemisches ist.
Wasserstofferzeugungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste Anodenelektrode (12), die erste Kathodenelektrode (14), die zweite Anodenelektrode (20) und die zweite Kathodenelektrode (22) in einem gemeinsamen Behälter (34) eingetaucht sind.
Wasserstofferzeugungsvorrichtung nach Anspruch 3, wobei die zweite Anodenelektrode (20) und die zweite Kathodenelektrode (22) der ersten Anodenelektrode (12) und der ersten Kathodenelektrode (14) nachgeschaltet sind.
Wasserstofferzeugungsvorrichtung nach Anspruch 4, wobei der Dampf-Übertragungspfad (30) ein Verbindungsabschnitt (30) zwischen einem in der ersten Kathodenelektrode (14) ausgebildeten Flüssigkeit- und/oder Gas-Pfad (14a) und einem in der zweiten Kathodenelektrode (22) ausgebildeten Flüssigkeit- und/oder Gas-Pfad (22a) ist.
Wasserstofferzeugungsvorrichtung nach Anspruch 3, wobei die Protonen-durchlässige Membran (16), die erste Kathodenelektrode (14), der Dampf-Übertragungspfad (40), die zweite Kathodenelektrode (22) und die Hydroxidionen-durchlässigen Membran (24) zwischen der ersten Anodenelektrode (12) und der zweiten Anodenelektrode (20) liegen.
Wasserstofferzeugungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste Anodenelektrode (12) mit der zweiten Anodenelektrode (20) elektrisch verbunden ist, die ersten Kathodenelektrode (14) mit der zweiten Kathodenelektrode (22) elektrisch verbunden ist, und eine gemeinsame Betriebsspannung gleichzeitig zwischen der ersten Anodenelektrode und der ersten Kathodenelektrode (14) und zwischen der zweiten Anodenelektrode (20) und der zweiten Kathodenelektrode (22) anlegbar ist.
Brennstoffzellensystem für ein Fahrzeug mit einer Wasserstofferzeugungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Verfahren zum Erzeugen von Wasserstoff mit den Schritten: Anlegen mindestens einer Betriebsspannung derart zwischen einer ersten Anodenelektrode (12) und einer ersten Kathodenelektrode (14) einer ersten Elektrolyseeinrichtung (10) aus zumindest der ersten Anodenelektrode (12), der ersten Kathodenelektrode (14) und einer zwischen der ersten Anodenelektrode (12) und der ersten Kathodenelektrode (14) angeordneten Protonen-durchlässigen Membran (16) und/oder zwischen einer zweiten Anodenelektrode (20) und einer zweiten Kathodenelektrode (22) einer zweiten Elektrolyseeinrichtung (18) aus zumindest der zweiten Anodenelektrode (20), der zweiten Kathodenelektrode (22) und einer zwischen der zweiten Anodenelektrode (20) und der zweiten Kathodenelektrode (22) angeordneten Hydroxidionen-durchlässigen Membran (24) (S1), dass Wasser als Edukt durch eine mittels der ersten Elektrolyseeinrichtung (10) ausgeführte erste Wasserelektrolyse und/oder durch eine mittels der zweiten Elektrolyseeinrichtung (18) ausgeführte zweite Wasserelektrolyse zerlegt wird; gekennzeichnet durch den Schritt, dass Weiterleiten von Wasserdampft eines an der ersten Kathodenelektrode (14) freigesetzten Wasserstoff-Wasserdampf-Gemisches zumindest teilweise von der ersten Kathodenelektrode (14) an die zweite Kathodenelektrode (22) (S2), wodurch der an die zweite Kathodenelektrode (22) weitergeleiteten Wasserdampf zumindest teilweise mittels der von der zweiten Elektrolyseeinrichtung (18) ausgeführten zweiten Wasserelektrolyse zerlegt wird.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei ein Ausgangs-Wasserdampf-Gehalt des an der ersten Kathodenelektrode (14) freigesetzten Wasserstoff-Wasserdampf-Gemisches mittels der von der zweiten Elektrolyseeinrichtung (18) ausgeführten zweiten Wasserelektrolyse auf einen End-Wasserdampf-Gehalt kleiner als der Ausgangs-Wasserdampf-Gehalt reduziert wird.