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.
Alkaline electrochemical system and method for generating, storing and using hydrogen as an energy source. definitions
The word "system" means "device" throughout this patent application. The "concentration of the electrolyte" means the concentration of the potassium hydroxide in the electrolyte solution. Technical area
The invention relates to an electrochemical system with alkaline fuel cells and with alkaline electrolysis cells. State of the art
Hydrogen can be used as an energy carrier for various applications, for example for automobiles or power plants. The conversion of hydrogen into electrical energy is most effective with fuel cells.
The invention relates to electrochemical alkaline fuel cells that generate electrical energy from hydrogen and oxygen. The reaction product is water. The hydrogen can be generated by electrolysis in an alkaline electrolysis system.
Both the fuel cells and the electrolysis cells essentially consist of two electrodes each and electrolyte space between them, which is filled with electrolyte solution. The electrolyte used is usually both in the alkaline fuel cells and in the alkaline electrolysis cells essentially an aqueous potassium hydroxide solution.
Part of the product water produced during operation of the fuel cells goes directly into the electrolyte, diluting it and increasing its volume. For the storage of the water that dilutes the electrolyte, you must provide additional volume, or it separates the resulting product water from the electrolyte, which is carried out for example with an evaporator.
A part of the product water of the fuel cell does not go directly into the electrolyte, but evaporates in the electrodes into the reaction gases (hydrogen and oxygen), which flow past the electrodes. These gases can be used to condense and separate the water.
Controlled operating conditions make it possible to keep the concentration of the electrolyte almost constant.
The hydrogen for the fuel cell system may be generated by electrolysis by an alkaline electrolysis system using electrical energy. This water is consumed. So that the concentration of the electrolyte of the electrolysis system does not rise excessively, a corresponding amount of new pure water is fed into the electrolysis system. The water must be very pure, because impurities would accumulate in the electrolyte and shorten the life.
Both the separation of the product water from the electrolyte in the fuel cell system and the supply of the very pure water into the electrolysis system cause costs and system complexity. Detailed illustration of the invention
Hydrogen can be used as an energy carrier for various applications, for example for automobiles or power plants. The conversion of hydrogen into electrical energy is most effective with fuel cells. The hydrogen can be generated by electrolysis.
The system of the invention is composed of at least one fuel cell subsystem and at least one electrolysis subsystem, which are described herein only insofar as essential to the invention.
A fuel cell system consists of one or more fuel cells electrically connected in series and associated ancillary units. The fuel cells essentially consist of two electrodes each and an electrolyte space in between. At the electrodes, the reaction gases are consumed hydrogen and oxygen, and it ultimately creates electrical energy, which can be derived from the electrodes.
During operation of the fuel cell electrolyte must serve as an ion conductor between two electrodes. In the alkaline fuel cell, the electrolyte is typically substantially an aqueous potassium hydroxide solution. The product water produced in the fuel cells increases the volume of the electrolyte solution, and the concentration of the electrolyte decreases.
The ancillary components include valves, tanks, heat exchangers, pumps and condensers, which are necessary for the function of the fuel cell. They allow the reaction gases to flow into the fuel cells at a desired pressure, a desired temperature and humidity and to flow out of the fuel cells in a controlled manner. The ancillaries may also include storage for gas and control electronics.
The system of the invention avoids the use of an evaporator which would keep the concentration of the electrolyte constant. Since the product water produced during operation increases the volume of the electrolyte, this additional volume must be absorbed in a container or in containers. The container may be inside or outside the actual fuel cells, and the electrolyte may circulate through the fuel cells and through an additional container by a pump to keep the concentration of the electrolyte in the system as uniform as possible. In this system, the fuel cells emit electrolyte whose concentration is only slightly lower than the concentration of the inflowing electrolyte.
So that the concentration (typically between 3 and 12 mol / L) of the electrolyte does not become too low during operation of the fuel cell, the entire volume of the electrolyte must be chosen large enough. For example, when the fuel cells power a light vehicle, up to about 20 liters of water are produced during a trip, which the container must absorb in addition to the necessary electrolyte.
Since a part of the product water of the fuel cells evaporates through the electrodes into the gases, it is favorable if this water is separated by condensation from the gases and stored.
You can store almost all the product water in the electrolyte.
After operation of the fuel cells, the electrolyte (and the product water) is transported to a large extent by a connecting element in the electrolysis system. During operation (electrolysis process), water is consumed and hydrogen and oxygen are generated. The hydrogen is transported by the electrolysis system into the fuel cell system. It is also possible to transport oxygen into the fuel cell system simultaneously with hydrogen. A portion of the electrolyte, the concentration of which has been increased during the electrolysis, is transported by the electrolysis system into the fuel cell system. So the fuel cell system is ready for use again.
The advantage of the invention is that the disadvantages (especially cost and system complexity) of the separation of the product water from the electrolyte in the fuel cell system and the supply of very pure water in the electrolysis system are avoided. Enumeration of the drawings
Fig. 1 schematically illustrates an example of a system. Only the components essential to the invention are visible. Embodiment of the invention
Fig. 1 schematically illustrates an example of a system. The invention can be carried out in several variations, but only one example is shown below. Only the essential components for understanding the invention are visible. The system of the invention is composed of a fuel cell subsystem and an electrolysis subsystem.
The system is a mobile application - a fuel cell vehicle - with hydrogen as an energy source. The fuel cell system is installed in a vehicle. The conversion of hydrogen into electrical energy happens with fuel cells. The hydrogen and the oxygen are produced by electrolysis. The electrolysis system is part of a hydrogen and oxygen filling station. (Instead of using pure oxygen, you can also use filtered air from the environment as the oxygen source for the fuel cell system.)
A fuel cell system consists of one or more fuel cells connected in series in series - arranged in the space (5) - and associated ancillary units. The fuel cell essentially consists of two electrodes and an electrolyte space, which during operation of the fuel cell essentially contains an aqueous potassium hydroxide solution as the electrolyte between the pair of electrodes.
Next, the operation of the fuel cells for generating electric power will be described. At the electrodes, the reaction gases are consumed hydrogen and oxygen, and it finally creates electrical energy, which can be derived from the electrodes. The hydrogen is stored in the tank (1), the oxygen in the tank (2). Pressure reducing valves (3) and (4) reduce the pressures of the gases flowing from the gas tanks (maximum 350 bar) to 4-10 bar. The gases are passed through valves (6) and (7) to maintain the pressures of the gas streams in the fuel cells at the desired set point. The pressures are measured with pressure transmitters (8) and (9) and converted into an electronic signal, and the transmitters send the valves (6) and (7) the signals necessary for pressure regulation.
Instead of pressure transmitters and valves, one can use (mechanical) pressure regulators for pressure control.
The reaction gases (hydrogen and oxygen), which have not been consumed in the fuel cells (5) and have absorbed moisture (product water of the fuel cells), flow as exhaust gases into the condensers (10) and (11), of which the water is liquid by automatic valves (5). 12) and (13) flows into the electrolyte container (15). The exhaust gases are fed back into the fuel cells through injectors (16) and (17) (gas jet blower).
The electrolyte flows through the connection (25) into the cooler (21) and through the pump (22) and through the valve (23) into the fuel cells (5). From the fuel cells, the electrolyte flows through the connection (24) back into the container (15). Since product water produced during operation increases the volume of the electrolyte, this additional volume must be absorbed in the container. The concentration of the electrolyte in the fuel cell system remains uniform. In this system, the electrolyte flows out of the fuel cells (5) whose concentration is only slightly lower than the concentration of the inflowing electrolyte. So that the concentration (typically between 3 and 12 mol / L) of the electrolyte does not become too low during operation of the fuel cell, the entire volume of the electrolyte must be chosen large enough.
When the fuel cells propel a vehicle, about 20 L of product water is produced during a long journey, part of which is dissolved in the electrolyte directly at the electrodes, part evaporates into the reaction gases, with the exhaust gases through the condensers (10) and (11 ), from which the liquid water is passed through the valves (12) and (13) into the container (15).
The valve (14) serves to reduce the build-up pressure in the container (15), wherein nitrogen can be left out of the container. The nitrogen pressure vessel (30) serves to maintain the optimum pressure in the container (15). The pressure in the container (30) is a maximum of 350 bar. The pressure reducing valve (29) reduces the pressure to approx. 4-10 bar. The valve (28) regulates the flow of nitrogen so that the pressure measured by the pressure transmitter (27) reaches the respectively desired desired value.
The valves (31) and (32) periodically release hydrogen and oxygen from the fuel cell system to allow the impurities of the circulating gases to flow away.
Cooling water is driven by a pump (18) from the radiator (19) into the condensers (10) and (11), from which the cooling water flows back into the radiator (19).
The coolers (19) and (21) are cooled by a fan (20) with ambient air. The cooler (21) is used for controlled cooling of the fuel cells (5), in order to avoid overheating.
The drainage valves (35) and (36) serve to omit the liquid water condensing in the tanks (1) and (2). The valves (26), (33) and (34) are closed during operation of the fuel cells for generating electrical energy.
To connect the fuel cell system with the electrolysis system is the triple tube (37), which is designed so that it can be quickly connected manually to the fuel cell system and separate it.
After using a large portion of the reaction gases stored in the tanks (1) and (2), the fuel cell system in the vehicle is driven to the gas station for filling with gases. The electrolysis system is part of the gas filling station (hydrogen and oxygen filling station). After connecting the hose (37), opening the valve (48) and closing the valve (23) is from the fuel cell system by means of the pump (22) through the valve (26) through the connection (45) and through the valve (46 ) a large part of the electrolyte of the fuel cell system (and the product water, which is dissolved in the electrolyte) transported in the electrolyte circuit of the electrolysis system.
The electrolyte circuit consists of the valve (48), the electrolysis cells, which are arranged in the space (38), of the connection (49), the container (50), the connection (51), the radiator (52) and the pump ( 47). The cooler (52) is cooled by the fan (53) with ambient air. The cooler (52) is used for controlled cooling of the electrolysis cells in order to avoid their overheating.
The electrolysis cells essentially consist of two electrodes and one electrolyte chamber each, which during operation of the electrolysis cells essentially contains an aqueous potassium hydroxide solution as the electrolyte between the electrode pair.
During operation (electrolysis process), electrical energy is consumed, water is consumed from the electrolyte solution and hydrogen and oxygen are generated. After the start of the electrolysis, the pressures of the hydrogen, oxygen and nitrogen in the electrolysis tank (64), which is drawn only by dashed lines for clarity. After the hydrogen pressure is higher than the pressure in the tank (1), the valve (33) opens automatically. After the oxygen pressure is higher than the pressure in the tank (2), the valve (34) automatically opens. The hydrogen flows through the connections (39, 40, 41, 37) and through the valve (33) into the hydrogen tank (1) of the fuel cell system, the oxygen through the connections (42, 43, 44, 37) and through the valve ( 34) into the oxygen tank (2).
The electrolysis system may include additional tanks (not shown) for gas caching to allow the electrolysis system to generate the reaction gases during the absence of the fuel cell vehicle.
In electrolysis operation, the pressure transmitters (56) and (57) measure the differential pressures between oxygen in the conduit (43) and nitrogen in the electrolysis vessel (64) and between hydrogen and oxygen. An electronic signal is passed through line (58) to the valve (54) to allow small amounts of hydrogen and condensed water to be released from the system as needed to keep the pressure differences between the hydrogen and oxygen gases small enough. The sizes of the tanks (1) and (2) are chosen so that their pressures rise approximately equally fast when filling. (The volume of the hydrogen tank is almost 2 times the volume of the oxygen tank).
The pressure transmitter (63) measures the pressure within the electrolysis tank (64), the valve (60) is used for pressure control in the electrolysis tank, which is filled with nitrogen in the tank (61). The valve (62) is used together with the pressure control valve (60) in the reservoir (64). The pressure difference between the pressure in the container (64) and the oxygen in the conduit (43) is kept small. For this, the line (59) gives the signal to the valves (60) and (62).
The valve (55) is used for venting and dehydration of the oxygen line (44).
After filling the gas tanks (1) and (2), the pressure in the tank (64) is reduced to atmospheric by the valve (62), at the same time the pressures of hydrogen and oxygen are controlled by the valves (54) and (55) atmospherically reduced. The valves (33) and (34) close automatically. After closing the valve (48) and after opening the valve (46), a portion of the electrolyte from the electrolysis system is transported through the connections (45, 37) into the fuel cell system. Thereafter, the valves (46) and (26) are closed and the valve for the fuel cell operation (23) is opened. The compound (37) is disconnected. The vehicle with the fuel cell system is then ready to run again after the start of the fuel cell operation.
During prolonged operation of the entire system with fuel cells and electrolysis cells small losses of hydrogen and oxygen, which can be replaced by replenishment of pure water in the electrolyte of the electrolysis system or the fuel cell system.