CH692879A5 - Vorrichtung zur Energieumwandlung mittels Brennstoffzellen mit integrierter Wasserstoffgas-Erzeugung. - Google Patents

Vorrichtung zur Energieumwandlung mittels Brennstoffzellen mit integrierter Wasserstoffgas-Erzeugung. Download PDF

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Description


  



  Die Erfindung betrifft, gemäss dem Oberbegriff des unabhängigen Anspruches 1, eine Vorrichtung zur Energieumwandlung mittels Brennstoffzellen mit protonenleitendem Elektrolyten und integrierter Einrichtung zur Wasserstoffgas-Erzeugung und, gemäss dem Oberbegriff des Anspruches 6, ein Verfahren zum Betrieb einer solchen Vorrichtung, wobei in einer - mit dem H2-Verteilerkanal des Brennstoffzellenstapels verbindbaren - Reaktionskammer in Feststoffen chemisch gebundener Wasserstoff durch die Reaktion dieser Feststoffe mit Wasser, welches zu den Feststoffen gegeben wird, H2-Gas freigesetzt wird. 



  Mit Brennstoffzellen kann Wasserstoff (H2) durch die Reaktion mit Sauerstoff (O2) direkt in elektrischen Strom umgewandelt werden. Der Einsatz solcher Brennstoffzellen hängt also von der Verfügbarkeit von H2-Gas ab. Brennstoffzellen mit protonenleitendem Elektrolyten werden deshalb mit gespeichertem H2 versorgt. Dieser gasförmige Brennstoff kann entweder bei Raumtemperatur unter Druck (z.B. 200 bar), bei Temperaturen um -150 DEG C in Metallhydriden adsorbiert oder bei -255 DEG C in flüssiger Form gespeichert werden. Alle drei Speichermöglichkeiten sind aufwändig, teuer, kompliziert in der Handhabung und verlangen den Einsatz von schweren und voluminösen Behältern. Ausserdem birgt H2 immer auch ein Gefahrenpotenzial, da es sehr reaktiv ist und explodieren kann. 



  H2 lässt sich, wie z.B. aus EP 206 608, EP 404 712, EP 729 196 oder US 4 642 272 bekannt, auch auf chemischem Wege aus Kohlenwasserstoffen (Methan, Methanol, Benzin etc.) herstellen. Dem Brennstoff wird bei höherer Temperatur in katalytischen Konvertern Wasserdampf beigemischt, worauf die Kohlenwasserstoffmoleküle in H2 und Kohlenmonoxyd (CO) umgewandelt werden. In einer zweiten Reaktionsstufe reagiert dann das CO unter Zugabe von Wasserdampf zu Kohlendioxyd (CO2). Dabei entsteht noch einmal H2. In einer dritten Stufe muss CO und CO2 sorgfältig vom H2 getrennt werden, um eine "Vergiftung" der Platinelektroden der Brennstoffzelle zu vermeiden. Diese Art der Erzeugung von H2 ist aufwändig, kostenintensiv und effizienzvermindernd. Die Reformierung, d.h. die Umwandlung von Kohlenwasserstoffen in H2, kann in die Brennstoffzelle integriert oder mit dieser verbunden sein. 



  Aus DE 2 728 109 bzw. aus GB 1 568 374 sind auch Verfahren bekannt, bei denen der an Metallen oder Metallverbindungen adsorbierte H2 durch Erhitzen freigesetzt wird. Zu diesem Zweck wird in DE 2 728 109 Lithiumborhydrid bzw. in GB 1 568 374 Magnesiumhydrid verwendet, welche vorher jeweils mit H2 beladen wurden. Bei dieser interessanten Form der H2-Speicherung bzw. H2-Produktion handelt es sich damit um die Umkehr eines physikalischen Effektes, der an bestimmte thermodynamische Bedingungen gebunden ist. 



  Für den Einsatz mit alkalischen Brennstoffzellen ist auch ein Verfahren vorgeschlagen worden (US 3 511 710), bei dem der in Borhydrid enthaltene H2 an der Anode direkt mit O2 zum Wasser oxidiert wird. 



  Unter bestimmten Bedingungen, wie beispielsweise durch die Verwendung einer chlorsalzhaltigen Wasserlösung (z.B. Meerwasser; CA 2 079 925), kann Magnesium mit Wasser unter Abgabe von H2 chemisch zu Magnesiumhydroxid umgewandelt werden. Diese Umwandlung verlangt aber die Anwesenheit von Katalysatoren wie Kobalt, Zink usw. und insbesondere Chlor, welches die inneren elektrischen Spannungen, welche sich bei der Reaktion mit Wasser im Material aufbauen, neutralisiert. 



  Für den Betrieb kleinerer Brennstoffzellen, die z.B. im Freizeitbereich auf Campingplätzen, in Wohnwagen oder auf Segelbooten, im Schulungsbereich zu Demonstrationszwecken, im Militärbereich bzw. auf Expeditionen eingesetzt werden, sind die bisher genannten Möglichkeiten der Erzeugung von bzw. der Versorgung mit H2 nicht praktikabel. 



  Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, alternative Einrichtungen und Verfahren vorzuschlagen, welche auf einfache Weise das Erzeugen von Wasserstoffgas auch für tragbare Brennstoffzellen ermöglichen. 



  Erfindungsgemäss wird die Aufgabe gemäss einem ersten Aspekt gelöst, indem Vorrichtungen zur Energieumwandlung mittels Brennstoffzellen mit protonenleitendem Elektrolyten und integrierter Einrichtung zur Wasserstoffgas-Erzeugung vorgeschlagen werden, die einen Brennstoffzellstapel mit einem H2-Verteilkanal umfassen, und die dadurch gekennzeichnet sind, dass die Einrichtung zur Wasserstoffgas-Erzeugung eine Reaktionskammer umfasst, in welcher - durch die Reaktion von Wasser mit einem oder mehreren Hydriden - H2-Gas erzeugbar ist, welches in den H2-Verteilkanal eines Brennstoffzellstapels überführbar ist. Bevorzugte Ausbildungsformen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen 2 bis 5. 



  Gemäss einem zweiten Aspekt wird die Aufgabe gelöst, indem Verfahren zum Erzeugen von Wasserstoffgas (H2-Gas) zur Energieumwandlung mittels Brennstoffzellen mit einem protonenleitenden Elektrolyten, wobei das H2-Gas als Brenngas für die Brennstoffzellen verwendet wird, durch den Betrieb einer solchen Vorrichtung vorgeschlagen werden, die dadurch gekennzeichnet sind, dass in einer - mit dem H2-Verteilkanal des Brenstoffzellstapels verbindbaren - Reaktionskammer in Feststoffen chemisch gebundener Wasserstoff (H2), durch die Reaktion dieser Feststoffe mit Wasser, welches zu den Feststoffen gegeben wird, H2-Gas freigesetzt wird. Bevorzugte Ausbildungsformen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen 7 bis 10. 



  Die Erzeugung von H2-Gas basiert auf einer an sich bekannten chemischen Reaktion, bei der Hydride mit Wasser zu Hydroxiden umgewandelt werden. Der dabei freigesetzte H2 kann in der nachgeschalteten Brennstoffzelle mit O2, vorzugsweise in Form von Luftsauerstoff, reagieren, wodurch die Produktion von Gleichstrom erfolgt. 



  Bevorzugte Ausbildungsformen der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt, welche als beispielhafte, schematische Darstellungen zu verstehen sind und den Umfang der Erfindung in keiner Weise einschränken sollen. Dabei zeigen: 
 
   Fig. 1 einen Querschnitt durch eine Vorrichtung zur Energieumwandlung mittels Brennstoffzellen, gemäss einer ersten Ausbildungsform, mit integrierter Reaktionskammer und Ventilator; 
   Fig. 2 einen Querschnitt durch eine Vorrichtung zur Energieumwandlung mittels Brennstoffzellen, gemäss einer zweiten Ausbildungsform, mit integrierter Reaktionskammer und Kamin; 
   Fig. 3 einen Querschnitt durch eine Vorrichtung zur Energieumwandlung mittels Brennstoffzellen, gemäss einer dritten Ausbildungsform, mit in den Kamin integrierter Reaktionskammer. 
 



  Eine bevorzugte, erste Ausbildungsform ist in Fig. 1 dargestellt. Diese Ausbildungsform der Erfindung lässt einen völlig autarken - d.h. von den im Stand der Technik genannten H2-Speichern und auch von einer externen Energieversorgung unabhängigen - Betrieb der Brennstoffzellen 1 zu. Sie umfasst eine integrierte Reaktionskammer 2 und ein Lüftergebläse 3, welches so in das System integriert und mit dem elektrischen Ausgang der Brennstoffzelle verbunden ist, dass es automatisch als Fördermittel für die Luft zu arbeiten beginnt, wenn der erfindungsgemäss in der Reaktionskammer 2 produzierte H2 die Zellen 1 erreicht. Das Gebläse 3 arbeitet also bevorzugt nur dann, wenn auch tatsächlich durch die Umwandlung von H2 und O2 in Wasser, Strom produziert wird, ein Schalter oder gar eine Regelung für diesen Ventilator bzw. dieses Gebläse ist deshalb unnötig. 



  Das Verfahren zum Erzeugen des gasförmigen H2 für den Betrieb der Brennstoffzellen 1 in einem Brennstoffzellstapel 15 umfasst die folgenden Schritte: 



  1. Der Behälter 4 der Reaktionskammer 2 wird vom Deckel 5 derselben getrennt. 



  2. Eine der beabsichtigten Dauer der Stromproduktion entsprechende Menge von Hydriden 6, z.B. Lithiumhydrid (LiH), Kaliumhydrid (KH), Natriumhydrid (NaH) oder Calciumhydrid (CaH2) bzw. Gemische von Hydriden werden in fester Form in den Behälter 4 eingefüllt. 



  3. Der Behälter 4 wird wieder mit dem Deckel 5 der Reaktionskammer 2 verbunden, was bevorzugt mittels Abschlussmitteln 7 geschieht, welche z.B. eine Überwurfmutter und geeignete Dichtungen umfassen. 



  4. Wasser 8, das in einem Reservoir 9 gespeichert ist, wird nun über eine Zuleitung 10 und ein der Reaktionskammer 2 vorgeschaltetes und zu diesem Zweck geöffnetes Einlassventil 11 in die Reaktionskammer 2 eingelassen. 



  5. Spontan reagiert nun das Wasser (H2O), gemäss der beispielhaften Formel
 



  CaH2 + 2 H2O = Ca(OH)2 + 2 H2
 



  mit dem Calciumhydrid bzw. anderen anwesenden Hydriden. 



  6. Das produzierte H2-Gas gelangt aus der Reaktionskammer 2 über einen Auslass-Stutzen 12 und eine Zuleitung 13 in den H2-Verteilkanal 14 des Brennstoffzellstapels 15. 



  7. An den Brennstoffelektroden 16 der Brennstoffzellen 1 wird nun der H2 dissoziiert und durch Abgabe von Elektronen ionisiert. Die positiv geladenen Wasserstoffionen (= Protonen) wandern durch den Elektrolyten zur Kathode, wo sie unter Aufnahme von Elektronen spontan mit dem in der Umgebungsluft vorhandenen Sauerstoff reagieren. Es entsteht eine elektrische Spannung zwischen den Polen des Brennstoffzellstapels 15. 



  8. Ein Teil des entstehenden elektrischen Potenzials wird benötigt, um den mit den elektrischen Polen verbundenen Ventilator 3 bzw. das Lüftergebläse in Funktion zu halten. Durch die so erfolgende Zwangsbelüftung (von oben nach unten oder in umgekehrter Richtung) der Luftzufuhrkanäle 17 wird aber die Versorgung des Brennstoffzell stapels 15 mit Luftsauerstoff verbessert und damit das elektrische Potenzial der Brennstoffzellen 1 erhöht. 



  9. Die Stromproduktion erfolgt solange die unter 5 genannte Reaktion abläuft und dauernd neuer Wasserstoff zu den Brennstoffzellen 1 geführt wird. 



  Abweichend von dem in Fig. 1 dargestellten Sachverhalt kann das Reservoir 9 (hier nur teilweise geschlossen dargestellt) auch aus einem komplett abschliessbaren Raum bestehen. Zudem kann das Einlassen des Wassers 8 in die Reaktionskammer 2 so geschehen, dass mittels des Ventils 11 die für die aktuell gewünschte Menge elektrischen Stroms gerade die benötigte Menge an Wasser eingelassen wird. Es können auch Gemische von zwei oder mehreren Hydriden, z.B. CaH2/NaH oder aus Hydriden und anderen mit H2O unter Abgabe von H2-Gas reagierenden Stoffen eingesetzt werden. Bei der Reaktion von Calciumhydrid mit Wasser entsteht Wärme (exotherme Reaktion). Andere Hydride hingegen reagieren mit Wasser nur endotherm, d.h. Wärme muss für diese Reaktion zur Verfügung gestellt werden.

   Durch ein geeignetes Mischverhältnis der verwendeten Hydride kann man die Reaktionswärme von CaH2 und H2O zur Spaltung der beigemischten Hydride verwenden und so eine wärmeneutrale Umsetzung erreichen. 



  Eine bevorzugte, zweite Ausbildungsform ist in Fig. 2 dargestellt. Diese Ausbildungsform der Erfindung lässt ebenfalls einen völlig autarken - d.h. von den im Stand der Technik genannten H2-Speichern unabhängigen - Betrieb der Brennstoffzellen 1 zu. Sie umfasst - im Unterschied zur ersten Ausbildungsform - einen Kamin 21, welcher zudem einen Brenner 22 aufweisen kann. Diese sind am einen Ende des H2-Verteilkanals 14 so platziert, dass ein Teil des erfindungsgemäss aus der Reaktion von Wasser mit Hydriden gewonnene Wasserstoffs (H2) als Brenngas für den Brenner 22 verwendet werden kann. Als Zündmittel für den Brenner dient vorzugsweise eine mit Pla tin beschichtete und damit katalytisch wirkende Keramikwolle 23, dank welcher der Brenner 22 automatisch bei dem Durchströmen mit H2 gezündet wird.

   Im Unterschied zum Gebläse 3, das einen Überdruck oder einen Sog erzeugen kann, bewirkt der Kamin 21 ausschliesslich einen Sog, dank welchem der Luftsauerstoff von der Peripherie der Brennstoffzellen her in die Brennstoffzellen, entlang der Kathoden und durch die Absaugleitung 17 nach oben befördert wird. Der Brenner 22 arbeitet nur dann, wenn auch tatsächlich H2 angeliefert wird. Ein Schalter oder eine Regelung für diesen Brenner ist ebenfalls unnötig. Es besteht auch die Möglichkeit, den Kamin 21 ohne Brenner 22 zu betreiben, indem lediglich die warme Abluft der Brennstoffzellen 1 und der damit verbundene thermische Auftrieb benutzt wird. Durch den dabei erzeugten relativen Unterdruck an der Abluftseite der Brennstoffzellen wird auf der Zuluftseite der Brennstoffzellen frischer Luftsauerstoff angesogen. 



  Eine bevorzugte dritte Ausführungsform der Erfindung ist in Fig. 3 dargestellt. Entsprechend der zweiten Ausführungsform weist diese Vorrichtung zur Energieumwandlung mittels Brennstoffzellen ebenfalls einen Kamin 21 auf, die Bezugszeichen sind entsprechend denen in Fig. 2 eingetragen. Im Unterschied zur zweiten Ausführungsform ist hier die Reaktionskammer 2 in den Kamin 21 integriert, um die bei der Wasserstofferzeugung anfallende Reaktionswärme zur Verbesserung der Sogwirkung einzusetzen. Der Luftstrom durch den Brennstoffzellstapel 15 wird gegenüber einer Ausführungsform ohne Brenner 22 im Kamin 21 verbessert. 



  Vergleicht man die Fig. 1 bis 3 miteinander, so kann man feststellen, dass die erfindungsgemässe Vorrichtung zur Energieumwandlung mit integrierter H2-Gas-Erzeugung und dem zentralen H2-Verteilkanal 14 ohne grossen Aufwand vom Betrieb mit einem Ventilator 3 und einer Luftsauerstoffversorgung mittels Unter- oder Überdruck zum Betrieb mit einem Kamin 21 (mit oder ohne Brenner 22 bzw. integrierte Reaktionskammer 2) und einer Luftsauerstoffversorgung mittels Unterdruck umgebaut werden kann. Im Falle der dritten Ausführungsform wird die Abwärme der Reaktionskammer 2 zur Erzeugung bzw. Verstärkung des Kamineffektes eingesetzt. Dies ermöglicht die wahlweise Verwendung ansonsten baugleicher Brennstoffzellstapel für alle drei Betriebsarten. 



  Die Erfindung erfasst Brennstoffzellstapel 15 mit protonenleitendem Elektrolyten sowie eine integrierte Vorrichtung zur Wasserstoffgas-Erzeugung, wie sie in den Ansprüchen 1 bis 5 gekennzeichnet ist. Das H2-Gas wird in einer im Brennstoffzellstapel 15 integrierten Reaktionskammer 2 durch die Reaktion von Wasser 8 mit einem oder mehreren Hydriden 6, insbesondere Lithiumhydrid (LiH), Kaliumhydrid (KH), Natriumhydrid (NaH) oder Calciumhydrid (CaH2), hergestellt und ist mittels geeigneter Leitungen in den H2-Verteilkanal 14 eines Brennstoffzellstapels 15 überführbar. In diese Leitungen können Absperr- und/oder Dosier-Ventile zum Einstellen bzw. Regeln des H2-Gas-Flusses integriert sein. 



  Durch die Integration der H2-Gas-Erzeugung mittels Einbau bzw. Verbindung der beschriebenen Reformationskammer 2 in die bzw. mit der Vorrichtung zur Energieumwandlung sowie durch die Verwendung von Luftsauerstoff für die Produktion der elektrischen Energie an den protonenleitenden Elektrolyten der einzelnen Brennstoffzellen 1 ist es möglich geworden, Brennstoffzellen herzustellen, die völlig autark, d.h. unabhängig in Bezug auf H2-Gas-Quellen oder -Speicher und jegliche Form von Fremdenergie, betrieben werden können. 



  Diese Brennstoffzellstapel mit integrierter H2-Gas-Erzeugung können dabei so kompakt gebaut werden, dass sie als tragbare Lieferanten von elektrischer Energie auf Wanderungen, im Expeditions-, Militär-, Camping- oder Unterrichtsbereich oder als einfach einbaubare Energieumwandler, z.B. in Wohnwagen oder auf Segelbooten, eingesetzt werden können.

Claims (10)

1. Vorrichtung zur Energieumwandlung mittels Brennstoffzellen (1) mit protonenleitendem Elektrolyten und integrierter Einrichtung (2, 4, 5, 6, 7) zur Wasserstoffgas-Erzeugung, wobei die Vorrichtung einen Brennstoffzellstapel (15) mit einem H2-Verteilkanal (14) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung eine Reaktionskammer (2) umfasst, in welcher - durch die Reaktion von Wasser (8) mit einem oder mehreren Hydriden (6) - H2-Gas erzeugbar ist, welches in den H2-Verteilkanal (14) eines Brennstoffzellstapels (15) überführbar ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Reaktionskammer (2) einen Behälter (4), einen Deckel (5) und Abschlussmittel (7) umfasst, welche der H2-Gas freisetzenden Reaktion der Feststoffe (6) mit dem Wasser (8) standhalten.
3.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennstoffzellstapel (15) mit Fördermitteln ausgestattet ist, welche den für die Reaktion zur Stromerzeugung notwendigen Luftstrom durch die Brennstoffzellen (1) bzw. durch den Brennstoffzellstapel (15) verbessern.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Fördermittel einen Ventilator (3) oder einen Kamin (21) - mit oder ohne einen zusätzlichen Brenner (22) - umfassen.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Reaktionskammer (2) zur H2-Gas-Erzeugung im Kamin (21) angeordnet ist.
6.
Verfahren zum Betrieb einer Vorrichtung gemäss einem der Ansprüche 1 bis 5 zum Erzeugen von Wasserstoffgas (H2-Gas) zur Energieumwandlung mittels Brennstoffzellen (1) mit einem protonenleitenden Elektrolyten, wobei das H2-Gas als Brenngas für die Brennstoffzellen (1) verwendet wird, dadurch gekennzeichnet, dass in einer - mit dem H2-Verteilkanal (14) des Brennstoffzellstapels (15) verbindbaren - Reaktionskammer (2) in Feststoffen (6) chemisch gebundener Wasserstoff (H2), durch die Reaktion dieser Feststoffe (6) mit Wasser (8), welches zu den Feststoffen gegeben wird, H2-Gas freigesetzt wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass als Feststoffe (6) zur chemischen Reaktion mit dem Wasser (8) Hydride, insbesondere Lithiumhydrid (LiH), Kaliumhydrid (KH), Natriumhydrid (NaH) oder Calciumhydrid (CaH2), verwendet werden.
8.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass zwei oder mehrere dieser Hydride als Gemisch verwendet werden bzw. dass zu einem oder mehreren dieser Hydride weitere Hydride oder andere H2-Gas abgebende Stoffe beigemischt werden, insbesondere um eine im Wesentlichen wärmeneutrale Reaktion bei der Erzeugung von H2-Gas zu erzielen.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass mittels Fördermitteln (3, 21, 22), welche einen Ventilator (3) oder einen Kamin (21) - mit oder ohne einen zusätzlichen Brenner (22) - umfassen, der Luftstrom durch die Brennstoffzellen (1) bzw. den Brennstoffzellstapel (15) verbessert wird.
10.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärme, welche bei der Reaktion zwischen dem Wasser (8) und den Feststoffen (6) freigesetzt wird, zum Erzeugen oder Verstärken der Saugwirkung des Kamins (21) verwendet wird.
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