CH694443A5 - Alkalisches elektrochemisches System und Verfahren zur Erzeugung, Speicherung und Verwendung von Wasserstoff als Energieträger. - Google Patents

Description

  



   



   Alkalisches elektrochemisches System und Verfahren zur Erzeugung, Speicherung und Verwendung von Wasserstoff als Energieträger. Definitionen 



   Das Wort "System" bedeutet in dieser ganzen Patentanmeldung "Einrichtung". Die "Konzentration des Elektrolyts" bedeutet die Konzentration des Kaliumhydroxids in der Elektrolytlösung. Technisches Gebiet 



   Die Erfindung bezieht sich auf ein elektrochemisches System mit alkalischen Brennstoffzellen und mit alkalischen Elektrolysezellen. Stand der Technik 



   Wasserstoff kann als Energieträger für verschiedene Anwendungen dienen, zum Beispiel für Automobile oder Kraftwerke. Die Umsetzung des Wasserstoffs in elektrische Energie geschieht am wirkungsvollsten mit Brennstoffzellen. 



   Die Erfindung betrifft elektrochemische alkalische Brennstoffzellen, die aus Wasserstoff und Sauerstoff elektrische Energie erzeugen. Das Reaktionsprodukt ist Wasser. Der Wasserstoff kann durch Elektrolyse in einem alkalischen Elektrolysesystem erzeugt werden. 



   Sowohl die Brennstoffzellen als auch die Elektrolysezellen bestehen im Wesentlichen aus je zwei Elektroden und dazwischen liegendem Elektrolytraum, der mit Elektrolytlösung gefüllt ist. Als Elektrolyt dient meistens sowohl in den alkalischen Brennstoffzellen als auch in den alkalischen Elektrolysezellen im Wesentlichen eine wässrige Kaliumhydroxidlösung. 



   Ein Teil des Produktwassers, das im Betrieb der Brennstoffzellen entsteht, geht direkt in den Elektrolyt, und verdünnt ihn und erhöht sein Volumen. Für die Speicherung des Wassers, das den Elektrolyt verdünnt, muss man zusätzliches Volumen vorsehen, oder man trennt das entstandene Produktwasser vom Elektrolyt, was man zum Beispiel mit einem Verdampfer durchführt. 



   Ein Teil des Produktwassers der Brennstoffzellen geht nicht direkt in den Elektrolyt, sondern verdampft in den Elektroden in die Reaktionsgase (Wasserstoff und Sauerstoff), die an den Elektroden vorbei fliessen. Aus diesen Gasen kann man das Wasser kondensieren und abscheiden. 



   Durch geregelte Betriebsbedingungen kann man die Konzentration des Elektrolyts nahezu konstant halten. 



   Der Wasserstoff für das Brennstoffzellensystem kann durch Elektrolyse durch ein alkalisches Elektrolysesystem mithilfe von elektrischer Energie erzeugt werden. Dabei wird Wasser verbraucht. Damit die Konzentration des Elektrolyts des Elektrolysesystems nicht übermässig steigt, wird eine entsprechende Menge neues reines Wasser in das Elektrolysesystem zugeführt. Das Wasser muss sehr rein sein, weil Verunreinigungen sich im Elektrolyt ansammeln würden und die Lebensdauer verkürzen würden. 



   Sowohl die Trennung des Produktwassers vom Elektrolyt im Brennstoffzellensystem als auch die Zuführung des sehr reinen Wassers in das Elektrolysesystem verursachen Kosten und Systemkomplexität. Detaillierte Darstellung der Erfindung 



   Wasserstoff kann als Energieträger für verschiedene Anwendungen dienen, zum Beispiel für Automobile oder Kraftwerke. Die Umsetzung des Wasserstoffs in elektrische Energie geschieht am wirkungsvollsten mit Brennstoffzellen. Der Wasserstoff kann durch Elektrolyse erzeugt werden. 



   Das System der Erfindung setzt sich aus mindestens einem Brennstoffzellen-Teilsystem und mindestens einem Elektrolyse-Teilsystem zusammen, die hier nur sofern beschrieben werden, wie es für die Erfindung wesentlich ist. 



   Ein Brennstoffzellensystem besteht aus einer oder mehreren elektrisch in Serie geschalteten Brennstoffzellen und dazu verbundenen Nebenaggregaten. Die Brennstoffzellen bestehen im Wesentlichen aus je zwei Elektroden und einem Elektrolytraum dazwischen. An den Elektroden werden die Reaktionsgase Wasserstoff und Sauerstoff verbraucht, und es entsteht schlussendlich Elektrische Energie, die man ab den Elektroden ableiten kann. 



   Während des Betriebs der Brennstoffzellen muss zwischen zwei Elektroden Elektrolyt als Ionenleiter dienen. In der alkalischen Brennstoffzelle ist der Elektrolyt typisch im Wesentlichen eine wässrige Kaliumhydroxid-Lösung. Das in den Brennstoffzellen entstehende Produktwasser erhöht das Volumen der Elektrolytlösung, und die Konzentration des Elektrolyts sinkt. 



   Die Nebenaggregate sind unter anderem Ventile, Behälter, Wärmetauscher, Pumpen und Kondensatoren, die für die Funktion der Brennstoffzellen nötig sind. Sie ermöglichen, dass die Reaktionsgase bei einem gewünschten Druck, einer gewünschten Temperatur und Feuchte in die Brennstoffzellen fliessen und kontrolliert aus den Brennstoffzellen fliessen. Zu den Nebenaggregaten können auch Speicher für Gas und Steuerelektronik gehören. 



   Im System der Erfindung vermeidet man die Verwendung eines Verdampfers, der die Konzentration des Elektrolyts konstant halten würde. Da beim Betrieb entstehendes Produktwasser das Volumen des Elektrolyts erhöht, muss dieses Zusatzvolumen in einem Behälter oder in Behältern aufgenommen werden. Der Behälter kann innerhalb oder ausserhalb der eigentlichen Brennstoffzellen sein, und der Elektrolyt kann durch eine Pumpe durch die Brennstoffzellen und durch einen zusätzlichen Behälter zirkulieren, damit die Konzentration des Elektrolyts im System so gleichmässig wie möglich bleibt. In diesem System fliesst aus den Brennstoffzellen Elektrolyt aus, dessen Konzentration nur etwas niedriger als die Konzentration des einfliessenden Elektrolyts ist. 



   Damit die Konzentration (typisch zwischen 3 und 12 mol/L) des Elektrolyts während des Betriebs der Brennstoffzelle nicht zu niedrig wird, muss das gesamte Volumen des Elektrolyts gross genug gewählt werden. Zum Beispiel wenn die Brennstoffzellen ein leichtes Fahrzeug antreiben, entsteht während einer Fahrt bis zu ca. 20 L Wasser, das der Behälter zusätzlich zum nötigen Elektrolyt aufnehmen muss. 



   Da ein Teil des Produktwassers der Brennstoffzellen durch die Elektroden in die Gase verdampft, ist es günstig, wenn man auch dieses Wasser durch Kondensation aus den Gasen trennt und aufbewahrt. 



   Man kann nahezu das gesamte Produktwasser im Elektrolyt speichern. 



   Nach dem Betrieb der Brennstoffzellen wird der Elektrolyt (und das Produktwasser) zum grossen Teil durch ein Verbindungselement in das Elektrolysesystem transportiert. Da wird beim Betrieb (Elektrolyseprozess) Wasser verbraucht und Wasserstoff und Sauerstoff erzeugt. Der Wasserstoff wird vom Elektrolysesystem in das Brennstoffzellensystem transportiert. Man kann gleichzeitig mit Wasserstoff auch Sauerstoff in das Brennstoffzellensystem transportieren. Ein Teil des Elektrolyts, dessen Konzentration während der Elektrolyse erhöht worden ist, wird vom Elektrolysesystem in das Brennstoffzellensystem transportiert. So wird das Brennstoffzellensystem wieder betriebsbereit. 



   Der Vorteil der Erfindung ist, dass die Nachteile (vor allem Kosten und Systemkomplexität) der Trennung  des  Produktwassers  vom  Elektrolyt im Brennstoffzellensystem und der Zuführung des sehr reinen Wassers in das Elektrolysesystem vermieden werden. Aufzählung der Zeichnungen 



   Fig. 1 stellt schematisch ein Beispiel eines Systems dar. Nur die für die Erfindung wesentlichen Komponenten sind sichtbar. Ausführung der Erfindung 



   Fig. 1 stellt schematisch ein Beispiel eines Systems dar. Die Erfindung kann man in mehreren Variationen ausführen, aber nur ein Beispiel wird folgend dargestellt. Nur die für das Verständnis der Erfindung wesentlichen Komponenten sind sichtbar. Das System der Erfindung setzt sich aus einem Brennstoffzellen-Teilsystem und einem Elektrolyse-Teilsystem zusammen. 



   Das System dient einer mobilen Anwendung - einem Brennstoffzellenfahrzeug - mit Wasserstoff als Energieträger. Das Brennstoffzellensystem ist in einem Fahrzeug eingebaut. Die Umsetzung des Wasserstoffs in elektrische Energie geschieht mit Brennstoffzellen. Der Wasserstoff und der Sauerstoff wird durch Elektrolyse erzeugt. Das Elektrolysesystem ist Teil einer Wasserstoff- und Sauerstofftankstelle. (Anstelle von reinem Sauerstoff kann man für das Brennstoffzellensystem auch gefilterte Luft aus der Umgebung als Sauerstoffquelle verwenden.) 



   Ein Brennstoffzeilensystem besteht aus einer oder mehreren elektrisch in Serie geschalteten Brennstoffzellen - im Raum (5) angeordnet - und dazu verbundenen Nebenaggregaten. Die Brennstoffzelle besteht im Wesentlichen aus zwei Elektroden und einem Elektrolytraum, der während des Betriebs der Brennstoffzelle im Wesentlichen eine wässrige Kaliumhydroxid-Lösung als Elektrolyt zwischen dem Elektrodenpaar beinhaltet. 



   Folgend wird der Betrieb der Brennstoffzellen zur Erzeugung elektrischer Energie beschrieben. An den Elektroden werden die Reaktionsgase Wasserstoff und Sauerstoff verbraucht, und es entsteht schluss-endlich elektrische Energie, die man ab den Elektroden ableiten kann. Der Wasserstoff ist im Tank (1) gespeichert, der Sauerstoff im Tank (2). Druckreduzierventile (3) und (4) reduzieren die Drücke der Gase, die von den Gastanks (maximal 350 bar) fliessen, auf 4-10 bar. Die Gase werden durch die Ventile (6) und (7) geleitet, um die Drücke der Gasströme in die Brennstoffzellen auf dem gewünschten Sollwert zu halten. Die Drücke werden mit Drucktransmittern (8) und (9) gemessen und in ein elektronisches Signal umgewandelt, und die Transmitter senden den Ventilen (6) und (7) die für die Druckregelung nötigen Signale.

   An Stelle von Drucktransmittern und Ventilen kann man zur Druckregelung (mechanische) Druckregler verwenden. 



   Die Reaktionsgase (Wasserstoff und Sauerstoff), die in den Brennstoffzellen (5) nicht verbraucht wurden und Feuchtigkeit (Produktwasser der Brennstoffzellen) aufgenommen haben, strömen als Abgase in die Kondensatoren (10) und (11), wovon das Wasser flüssig durch automatische Ventile (12) und (13) in den Elektrolytbehälter (15) fliesst. Die Abgase werden durch Injektoren (16) und (17) (Gasstrahlgebläse) zurück in die Brennstoffzellen geleitet. 



   Der Elektrolyt fliesst durch die Verbindung (25) in den Kühler (21) und durch die Pumpe (22) und durch das Ventil (23) in die Brennstoffzellen (5). Aus den Brennstoffzellen fliesst der Elektrolyt durch die Verbindung (24) zurück in den Behälter (15). Da beim Betrieb entstehendes Produktwasser das Volumen des Elektrolyts erhöht, muss dieses Zusatzvolumen im Behälter aufgenommen werden. Die Konzentration des Elektrolyts im Brennstoffzellensystem bleibt gleichmässig. In diesem System fliesst aus den Brennstoffzellen (5) Elektrolyt aus, dessen Konzentration nur wenig niedriger als die Konzentration des einfliessenden Elektrolyts ist. Damit die Konzentration (typisch zwischen 3 und 12 mol/L) des Elektrolyts während des Betriebs der Brennstoffzelle nicht zu niedrig wird, muss das gesamte Volumen des Elektrolyts gross genug gewählt werden.

   Wenn die Brennstoffzellen ein Fahrzeug antreiben, entsteht während einer langen Fahrt ca. 20 L Produktwasser, wovon ein Teil direkt an den Elektroden in den Elektrolyt gelöst wird, ein Teil in die Reaktionsgase verdampft, mit den Abgasen durch die Kondensatoren (10) und (11) fliesst, wovon das flüssige Wasser durch die Ventile (12) und (13) in den Behälter (15) geleitet wird. 



   Das Ventil (14) dient zur Reduktion des aufbauenden Drucks im Behälter (15), wobei Stickstoff aus dem Behälter gelassen werden kann. Der Stickstoff-Druckbehälter (30) dient für die Erhaltung des optimalen Druckes im Behälter (15). Der Druck im Behälter (30) ist maximal 350 bar. Das Druckreduzierventil (29) reduziert den Druck auf ca. 4-10 bar. Das Ventil (28) regelt den Stickstoffstrom so, dass der vom Drucktransmitter (27) gemessene Druck den jeweils gewünschten Sollwert erreicht. 



   Die Ventile (31) und (32) lassen periodisch Wasserstoff und Sauerstoff aus dem Brennstoffzellensystem, damit die Verunreinigungen der zirkulierenden Gase wegfliessen können. 



   Kühlwasser wird durch eine Pumpe (18) aus dem Kühler (19) in die Kondensatoren (10) und (11) getrieben, wovon das Kühlwasser zurück in den Kühler (19) fliesst. 



   Die Kühler (19) und (21) werden durch einen Ventilator (20) mit Umgebungsluft gekühlt. Der Kühler (21) dient zur geregelten Kühlung der Brennstoffzellen (5), um deren überhitzung zu vermeiden. 



   Die Entwässerungsventile (35) und (36) dienen dazu, das in den Tanks (1) und (2) kondensierende flüssige Wasser wegzulassen. Die Ventile (26), (33) und (34) sind während des Betriebs der Brennstoffzellen zur Erzeugung elektrischer Energie geschlossen. 



   Zur Verbindung des Brennstoffzellensystems mit dem Elektrolysesystem dient der dreifache Schlauch (37), der so konstruiert ist, dass man ihn schnell manuell an das Brennstoffzellensystem anschliessen und davon trennen kann. 



   Nach der Verwendung eines grossen Teils der Reaktionsgase, die in den Tanks (1) und (2) gespeichert waren, wird das Brennstoffzellensystem im Fahrzeug zur Füllung mit Gasen an die Gastank-stelle gefahren. Das Elektrolysesystem ist Teil der Gastankstelle (Wasserstoff-und Sauerstofftankstelle). Nach dem Anschliessen des Schlauchs (37), öffnen des Ventils (48) und Schliessen des Ventils (23) wird aus dem Brennstoffzellensystem mithilfe der Pumpe (22) durch das Ventil (26) durch die Verbindung (45) und durch das Ventil (46) ein grosser Teil des Elektrolyts des Brennstoffzellensystems (und das Produktwasser, das im Elektrolyt gelöst ist) in den Elektrolytkreis des Elektrolysesystems transportiert. 



   Der Elektrolytkreis besteht aus dem Ventil (48), den Elektrolysezellen, die im Raum (38) angeordnet sind, aus der Verbindung (49), dem Behälter (50), der Verbindung (51), dem Kühler (52) und der Pumpe (47). Der Kühler (52) wird durch den Ventilator (53) mit Umgebungsluft gekühlt. Der Kühler (52) dient zur geregelten Kühlung der Elektrolysezellen, um deren überhitzung zu vermeiden. 



   Die Elektrolysezellen bestehen im Wesentlichen aus je zwei Elektroden und je einem Elektrolytraum, der während des Betriebs der Elektrolysezellen im Wesentlichen eine wässrige Kaliumhydroxid-Lösung als Elektrolyt zwischen dem Elektrodenpaar beinhaltet. 



   Beim Betrieb (Elektrolyseprozess) wird elektrische Energie verbraucht, Wasser aus der Elektrolytlösung verbraucht und Wasserstoff und Sauerstoff erzeugt. Nach dem Start der Elektrolyse erhöhen sich die Drücke der Wasserstoffs, Sauerstoffs und Stickstoffs im Elektrolysebehälter (64), der zur Klarheit nur gestrichelt gezeichnet ist. Nachdem der Wasserstoffdruck höher als der Druck im Tank (1) ist, öffnet sich automatisch das Ventil (33). Nachdem der Sauerstoffdruck höher als der Druck im Tank (2) ist, öffnet sich automatisch das Ventil (34). Der Wasserstoff fliesst durch die Verbindungen (39, 40, 41, 37) und durch das Ventil (33) in den Wasserstofftank (1) des Brennstoffzellensystems, der Sauerstoff durch die Verbindungen (42, 43, 44, 37) und durch das Ventil (34) in den Sauerstofftank (2).

   Das Elektrolysesystem kann für die Zwischenspeicherung für die Gase zusätzliche Tanks (nicht abgebildet) beinhalten, damit das Elektrolysesystem während der Abwesenheit des Brennstoffzellenfahrzeuges die Reaktionsgase erzeugen kann. 



   Beim Elektrolysebetrieb messen die Drucktransmitter (56) und (57) die Differenzdrücke zwischen Sauerstoff in der Leitung (43) und Stickstoff im Elektrolysebehälter (64) und zwischen Wasserstoff und Sauerstoff. Ein elektronisches Signal wird durch die Leitung (58) an das Ventil (54) geleitet, um nach Bedarf kleine Wasserstoffmengen und Kondenswasser aus dem System zu lassen, um die Druckdifferenzen zwischen den Gasen Wasserstoff und Sauerstoff klein genug zu halten. Die Grössen der Tanks (1) und (2) sind so gewählt, dass deren Drücke beim Füllen etwa gleich schnell steigen. (Das Volumen des Wasserstofftanks ist knapp 2 mal so gross wie das Volumen des Sauerstofftanks). 



   Der Drucktransmitter (63) misst den Druck innerhalb des Elektrolysebehälters (64), das Ventil (60) dient zur Druckregelung im Elektrolysebehälter, der mit Stickstoff im Tank (61) gefüllt wird. Das Ventil (62) wird zusammen mit dem Ventil (60) zur Druckregelung im Behälter (64) verwendet. Die Druckdifferenz zwischen dem Druck im Behälter (64) und dem Sauerstoff in der Leitung (43) wird klein gehalten. Dafür gibt die Leitung (59) das Signal den Ventilen (60) und (62). 



   Das Ventil (55) dient zur allfälligen Entlüftung und Entwässerung der Sauerstoffleitung (44). 



   Nach dem Füllen der Gastanks (1) und (2) wird der Druck im Behälter (64) durch das Ventil (62) auf atmosphärisch reduziert, gleichzeitig werden durch die Ventile (54) und (55) die Drücke des Wasserstoffs und Sauerstoffs kontrolliert auf atmosphärisch reduziert. Die Ventile (33) und (34) schliessen automatisch. Nach dem schliessen des Ventils (48) und nach dem öffnen des Ventils (46) wird ein Teil des Elektrolyts aus dem Elektrolysesystem durch die Verbindungen (45, 37) in das Brennstoffzellensystem transportiert. Danach werden die Ventile (46) und (26) geschlossen und das Ventil für den Brennstoffzellenbetrieb (23) geöffnet. Die Verbindung (37) wird getrennt. Das Fahrzeug mit dem Brennstoffzellensystem ist dann nach dem Start des Brennstoffzellenbetriebs wieder fahrbereit. 



   Während längerem Betrieb des gesamten Systems mit Brennstoffzellen und Elektrolysezellen entstehen kleine Verluste an Wasserstoff und Sauerstoff, die man durch Nachfüllen von reinem Wasser in den Elektrolyt des Elektrolysesystems oder des Brennstoffzellensystems ersetzen kann.

Claims (10)

1. Alkalisches elektrochemisches System bestehend aus - mindestens einem Brennstoffzellen-Teilsystem mit mindestens einem Behälter für die Speicherung des Produktwassers und des Elektrolyt - mindestens einem Elektrolyse-Teilsystem, - mindestens einem Verbindungselement, das -wenn angeschlossen - das Fliessen einer Flüssigkeit aus mindestens einem Brennstoffzellen-Teilsystem in mindestens ein Elektrolyse-Teilsystem ermöglicht, dadurch gekennzeichnet, dass ein grosser Teil des beim Betrieb der Brennstoffzellen entstandenen Produktwassers im Elektrolyt gelöst durch die genannte Verbindung in mindestens ein Elektrolyse-Teilsystem fliessen kann.

2.

System gemäss Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in mindestens einem Elektrolyse-Teilsystem Wasserstoff und Sauerstoff erzeugt werden können bei gleichzeitiger Konzentrierung des Elektrolyts des genannten Elektrolyse-Teilsystems, wobei die Elektrolyse Wasser der Elektrolytlösung verbraucht.

3. System gemäss Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Teil des genannten Elektrolyts nach der genannten Konzentrierung durch mindestens ein Verbindungselement in mindestens ein Brennstoffzellen-Teilsystem fliessen kann.

4. System gemäss Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Teil des in mindestens einem Elektrolyse-Teilsystem erzeugten Wasserstoffs durch mindestens ein Verbindungselement in mindestens ein Brennstoffzellen-Teilsystem fliessen kann.

5.

System gemäss Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Brennstoffzellen-Teilsystem und/oder mindestens ein Elektrolyse-Teilsystem stationär ist.

6. System gemäss Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Brennstoffzellen-Teilsystem und/oder mindestens ein Elektrolyse-Teilsystem mobil ist.

7. Verfahren zum Betrieb des Systems gemäss Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein grosser Teil des beim Betrieb der Brennstoffzellen entstehenden Produktwassers im genannten Behälter gespeichert wird und ein grosser Teil des gespeicherten Produktwassers im Elektrolyt gelöst durch das genannte Verbindungselement in mindestens ein Elektrolyse-Teilsystem transportiert wird.

8.

Verfahren gemäss Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Entstehen des Produktwassers Wasserstoff und Sauerstoff erzeugt werden bei gleichzeitiger Konzentrierung des Elektrolyts in mindestens einem Elektrolyse-Teilsystem, wobei die Elektrolyse Wasser der Elektrolytlösung verbraucht.

9. Verfahren gemäss Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein Teil des genannten konzentrierten Elektrolyts aus mindestens einem Elektrolyse-Teilsystem in mindestens ein Brennstoffzellen- Teilsystem durch mindestens ein Verbindungselement transportiert wird.

10. Verfahren gemäss Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein Teil des in mindestens einem Elektrolyse-Teilsystem erzeugten Wasserstoffs durch mindestens ein Verbindungselement in mindestens ein Brennstoffzellen-Teilsystem transportiert wird.