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HINTERGRUND
ZU DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ganz allgemein das Gebiet elektrochemischer
Systeme. Insbesondere betrifft die Erfindung elektrochemische Dualmodussysteme,
die in der Lage sind, Wasserstoff in Form von Hydrid und elektrischer
Energie zu erzeugen.
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Mit
Hilfe der Brennstoffzellentechnologie ist es möglich, schädliche Emissionen erheblich
zu reduzieren. Brennstoffzellen sind in der Lage, Energie effizient
umzuwandeln und lassen sich in vielfältigen Anwendungen einsetzen,
z.B. in Transportanwendungen, transportablen Spannungsquellen, zur
privaten und kommerziellen Stromerzeugung, zur Hochleistungsstromerzeugung
und in beliebigen sonstige Anwendungen, die aus der Verwendung eines
derartigen Systems Nutzen ziehen können. Was Transportanwendungen
betrifft, stellt die Verwendung von Brennstoffzellen gegenüber Fahrzeugen
mit herkömmlichen
Verbrennungsmotoren, die fossile Brennstoffe wie Benzin oder Diesel
verbrennen, eine vielversprechende Alternative dar. Verbrennungsmotoren
erzeugen Schadstoffpartikel und tragen zu Treibhausgasen in der
Atmosphäre
bei. Mit Brennstoffzellen betriebene Fahrzeuge können andererseits mit reinem
Wasserstoff betrieben werden und geben nur Wasser sowie Ener gie
in Form von elektrischem Strom und Wärme ab. In der Tat können mit
Brennstoffzellen betriebene Fahrzeuge einen doppelt so hohen Wirkungsgrad
erreichen wie herkömmliche
Fahrzeuge.
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Typischerweise
erzeugen Brennstoffzellen Energie durch ein chemisches Verfahren,
das Wasserstofftreibstoff und Sauerstoff in Wasser umwandelt, wobei
in dem Verfahren Elektrizität
und Wärme
erzeugt werden. Die Funktion von Brennstoffzellen ähnelt in
hohem Maße
einem Akkumulator, dessen Reaktionspartner ständig erneuert werden. Während Akkumulatoren
mittels Elektrizität
wiederaufgeladen werden, erfolgt das Wiederaufladen von Brennstoffzellen
unter der Verwendung von Wasserstoff und Sauerstoff. Ein Brennstoffzellenstapel
nutzt den von der Brennstoffquelle zugeführten Wasserstoff, um Elektrizität zu erzeugen,
um eine beliebige Vorrichtung, beispielsweise einen oder mehrere
dem Antrieb eines Fahrzeugs dienende Elektromotoren, elektrisch
anzutreiben. Ein Brennstoffzellenstapel kann aus Hunderten von einzelnen
Brennstoffzellen aufgebaut sein. In vielen Fälle wird ein Akkumulator verwendet,
um Elektrizität
zu speichern, die durch den Brennstoffzellenstapel und durch andere
in dem Fahrzeug vorhandene Systeme, z.B. regenerative Bremssysteme
erzeugt wird. Die in dem Akkumulator gespeicherte Energie kann ebenfalls
verwendet werden, um die Elektromotoren sowie in dem Fahrzeug zusätzlich vorhandene
elektrische Systeme mit Strom zu versorgen.
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Anders
als im Falle eines Akkumulators, der auf die darin gespeicherte
Energie beschränkt
ist, ist eine Brennstoff zelle in der Lage, solange Energie zu erzeugen,
wie ihr Brennstoff zugeführt
wird. Während
mit Akkumulatoren betriebene Fahrzeuge von einer externen Quelle
stammende Elektrizität
benutzen, die in dem Akkumulator gespeichert ist, erzeugen mit Brennstoffzellen
betriebene Fahrzeuge ihren Strom selbst. Brennstoffzellen sind ferner
in der Lage, eine größer Energiedichte
oder Stromdichte zur Verfügung
zu stellen als die in Elektrofahrzeugen verwendeten herkömmlichen
Akkumulatoren, was eine fortlaufende Erzeugung größerer Energiemengen
ermöglicht.
Dies ermöglicht
es unter Umständen
mit Brennstoffzellen betriebene Fahrzeuge mit raffinierteren und
leistungsfähigeren
elektronischen Systemen auszurüsten,
als sie in herkömmlichen,
mit Benzin betriebenen Fahrzeugen zu finden sind. Beispielsweise
kann eine Steigerung der Anzahl von Überwachungssensoren in einem
Fahrzeug Handhabungs- und Bremssysteme verbessern, was die Sicherheit
von Fahrzeugen erhöht.
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In
den Zellen als Brennstoff verwendeter Wasserstoff kann durch ein
Reformierungsverfahren aus einem fossilen Brennstoff, beispielsweise
Erdgas, Methanol usw. erzeugt sein. Der durch das Reformierungsverfahren
erzeugte Wasserstoff ist nicht rein, was den Wirkungsgrad der Brennstoffzelle
senkt. Ein Hinzufügen eines
Reformierungsmittels, um auf Kohlenwasserstoff basierenden Brennstoff
in Wasserstoff umzuwandeln, senkt den Gesamtwirkungsgrad der Brennstoffzelle
auf etwa 30 bis 40 Prozent.
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Es
besteht daher aus dem Stand der Technik ein Bedarf, effektive und
effiziente Lösungen
zu finden, um Wasserstoff kontinuierlich zu erzeugen und in einer
Brennstoffzelle zu speichern, so dass ein kontinuierlicher Betrieb
möglich
ist. Darüber
hinaus besteht der Bedarf nach einem wiederaufladbaren Brennstoffzellensystem,
das aus einer internen Quelle Energie ableitet und diese innerhalb
des Systems speichert.
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KURZDARSTELLUNG
DER ERFINDUNG
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In
einem Aspekt gehören
zu einem elektrochemischen Dualmodussystem eine erste Elektrode,
die in der Lage ist, Wasserstoff zu speichern, eine zweite Elektrode,
eine dazwischen angeordnete weitgehend elektrisch isolierende und
im Wesentlichen ionisch leitende Membran und ein Elektrolyt. In
einem ersten Modus zersetzt das elektrochemische Dualmodussystem,
wenn Wasser und Elektrizität
zugeführt
wird, das Wasser in Anwesenheit des Elektrolyten elektrolytisch
und erzeugt über
die Membran hinweg Wasserstoff und Sauerstoff. Der Wasserstoff wird
in der ersten Elektrode gespeichert. In einem zweiten Modus erzeugt
das elektrochemische Dualmodussystem, wenn der zweiten Elektrode
ein Oxidationsmittel zugeführt
wird, Wasser und Elektrizität,
indem es den gespeicherten Wasserstoff und das Oxidationsmittel über die
Membran hinweg zur Reaktion bringt.
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In
noch einem weiteren Aspekt gehört
zu einem elektrochemischen Dualmodussystem eine Anode, die in der
Lage ist, Wasserstoff zu speichern. Die Anode basiert mindestens
entweder auf einem leitenden Polymer, einer Keramik, einem Metall,
einem Metallhydrid, einem organischen Hydrid, einem binären Verbundstoff,
einem binären-ternären Verbundstoff,
einem Na noverbundwerkstoff und/oder einer Kohlenstoff-Nanostruktur.
Das elektrochemische Dualmodussystem enthält ferner eine Kathode, eine
weitgehend elektrisch isolierende und im Wesentlichen ionisch leitende
Membran, die zwischen der Anode und der Kathode eingefügt ist,
und einen Elektrolyten. In einem Aufladungsmodus zersetzt das elektrochemische
Dualmodussystem, wenn Wasser und Elektrizität zugeführt wird, das Wasser in Anwesenheit
des Elektrolyten elektrolytisch und erzeugt über die Membran hinweg Wasserstoff
und Sauerstoff, und der Wasserstoff wird in der Anode gespeichert.
In einem Entladungsmodus erzeugt das elektrochemische Dualmodussystem,
wenn der Kathode ein Oxidationsmittel zugeführt wird, Wasser und Elektrizität, indem
es den gespeicherten Wasserstoff und das Oxidationsmittel über die
Membran hinweg zur Reaktion bringt.
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In
noch einem weiteren Aspekt gehört
zu einem elektrochemischen Dualmodussystem eine Anode, die in der
Lage ist, Wasserstoff zu speichern, eine Kathode; eine weitgehend
elektrisch isolierende und im Wesentlichen ionisch leitende Membran,
die zwischen der Anode und der Kathode eingefügt ist. Das elektrochemische
Dualmodussystem enthält
ferner einen benachbart zu der Membran angeordneten Katalysator
und einen Elektrolyten. In einem Auflademodus zersetzt das elektrochemische
Dualmodussystem, wenn Wasser und Elektrizität zugeführt wird, das Wasser in Anwesenheit
des Elektrolyten elektrolytisch und erzeugt über die Membran hinweg Wasserstoff
und Sauerstoff, und der Wasserstoff wird in der Anode gespeichert.
In einem Entladungsmodus erzeugt das elektrochemische Dualmodussystem,
wenn der Kathode ein Oxidationsmittel zugeführt wird, in Anwesenheit des
Katalysators Wasser und Elekt rizität, indem es den gespeicherten
Wasserstoff und das Oxidationsmittel über die Membran hinweg zur
Reaktion bringt.
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In
noch einem weiteren Aspekt gehören
zu einem Verfahren zum Aufladen und Entladen eines elektrochemischen
Dualmodussystems die Schritte: Einführen von Wasser und Elektrizität in das
elektrochemische Dualmodussystem und Erzeugen von Wasserstoff und
Sauerstoff über
eine elektrisch isolierende und im Wesentlichen ionisch leitende
Membran hinweg, die zwischen einer ersten Elektroden und einer zweiten
Elektrode eingefügt
ist. Das Verfahren weist ferner die Schritte auf: Speichern von
Wasserstoff in der ersten Elektrode und Einführen eines Oxidationsmittels
in die zweite Elektrode. Der Wasserstoff und das Oxidationsmittel reagieren über die
Membran hinweg und erzeugen dabei Wasser und Elektrizität.
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KURZBESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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Diese
und andere Merkmale, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung
werden nach dem Lesen der nachfolgenden detaillierten Beschreibung
in Verbindung mit den beigefügten
Zeichnungen verständlicher,
in denen übereinstimmende
Teile durchgängig
mit übereinstimmenden
Bezugszeichen versehen sind:
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1 zeigt
ein Blockschaltbild eines exemplarischen elektrochemischen Dualmodussystems;
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2 veranschaulicht
chemische Reaktionen zum Aufladen und Entladen eines Festkörper-Wasserstoffspeicherungsanodenmaterials,
gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Technik;
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3 zeigt
noch ein weiteres exemplarisches elektrochemisches Dualmodussystem;
und
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4 veranschaulicht
in einem Graph die Potentialänderung
des elektrochemischen Dualmodussystems im Entladungsmodus.
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DETAILLIERTE
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Wie
vorgeschrieben sind detaillierte Ausführungsbeispiele der vorliegenden
Erfindung hier offenbart. Allerdings ist es selbstverständlich,
dass die offenbarten Ausführungsbeispiele
lediglich Beispiele der Erfindung sind, die sich in vielfältigen und
alternativen Formen verwirklichen lassen. Spezielle hier offenbarte,
die Konstruktion und Funktion betreffende Einzelheiten sind nicht
als beschränkend
zu bewerten, sondern lediglich als eine Grundlage für die Ansprüche als
eine stellvertretende Basis zu betrachten, die dazu dient, einem Fachmann
die Kenntnisse zu vermitteln, um die Erfindung in vielfältig abgewandelter
Form zu verwirklichen. In sämtlichen
Zeichnungen sind ähnliche
Elemente mit gleichartigen Bezugszeichen bezeichnet.
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1 veranschaulicht
ein exemplarisches elektrochemisches Dualmodussystem 2,
das eine erste Elektrode 4, die in der Lage ist, Wasserstoff
zu speichern, und eine zweite Elektrode 6 enthält. Eine
im Wesentlichen elektrisch isolierende und ionisch leitende Membran 8 ist
zwischen der ersten Elektrode 4 und der zweiten Elektrode 6 angeordnet.
Das elektrochemische System 2 enthält ferner einen Elektrolyten.
In dem Dualmodusbetrieb arbeitet das elektrochemische System 2 in
einem ersten Modus und in einem zweiten Modus. Im Betrieb werden
während
des ersten Modus des elektrochemischen Systems 2 diesem
Wasser 12 und Elektrizität hinzugefügt. In einigen Ausführungsbeispielen
kann die Elektrizität
durch einen externen Schaltkreis 10 zugeführt werden.
Der externe Schaltkreis weist einen Aufladungsschaltkreis 11 und
einen Verbraucher 13 auf. Das elektrochemische Dualmodussystem 2 zersetzt
in Anwesenheit des Elektrolyten Wasser 18 elektrolytisch und
erzeugt über
die Membran 8 hinweg Wasserstoff und Sauerstoff. Der in
dem Elektrolysevorgang erzeugte Wasserstoff wird in der ersten Elektrode 4 gespeichert.
Der erste Modus des elektrochemischen Dualmodussystems 2 wird
im Allgemeinen als der Aufladungsmodus bezeichnet, bei dem Wasserstoff
erzeugt und in der ersten Elektrode 4 gespeichert wird.
Im zweiten Betriebsmodus arbeitet das elektrochemische Dualmodussystem 2 als
eine Brennstoffzelle, in der der gespeicherte Wasserstoff, wenn
ein Oxidationsmittel 14 zugeführt wird, über die Membran 8 hinweg
mit dem Oxidationsmittel 14 reagiert, um in einer chemischen
Reaktion Wasser und Elektrizität
hervorzubringen. Das elektrochemische Dualmodussystem arbeitet demzufolge
in dem ersten Modus oder dem Aufladungsmodus grundsätzlich wie
eine elektrolytische Zelle, in der durch Anlegen einer elektrischen
Spannung in Anwesenheit eines Elektrolyten Wasser in Wasserstoff
und Sauerstoff aufgespalten wird. In dem zweiten Modus oder dem
Entladungsmodus hingegen arbeitet das elektrochemische Dualmodussystem
als eine Brennstoffzelle, in der Wasserstoff und Sauerstoff reagieren,
um Wasser und Elektrizität
hervorzubringen.
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In
einigen Ausführungsbeispielen
ist die erste Elektrode 4 eine Anode und die zweite Elektrode 6 eine Kathode.
In sämtlichen
der hier offenbarten Ausführungsbeispiele
ist zum Zwecke der Verdeutlichung und Erklärung die erste Elektrode 4 als
Anode und die zweite Elektrode 6 als Kathode bezeichnet.
In einem wie in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel
weist die Membran 8 zwei Seiten auf, nämlich eine Anodenseite 16 und eine
Kathodenseite 18. Der Elektrolyt wird in die Membran 8 hinein
absorbiert.
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Das
hier offenbarte elektrochemische Dualmodussystem kann im Allgemeinen
zur Stromerzeugung, in Transportanwendungen, in tragbaren Spannungsquellen,
zur privaten und kommerziellen Stromerzeugung, zur Hochleistungsstromerzeugung
und in beliebigen sonstigen Anwendungen verwendet werden, die aus
dem Einsatz eines derartigen Systems Nutzen ziehen können. Das
offenbarte elektrochemische Dualmodussystem kann für kleine
tragbare Geräte
verwendet werden, zu denen, ohne auf diese beschränken zu
wollen, Laptoprechner, Mobiltelefone und andere vergleichbare Geräte gehören.
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Die
erste Elektrode 4 basiert auf einem Wasserstoffspeicherungsmaterial,
wobei die erste Elektrode 4 mehrere Funkti onen erfüllt: (1)
diejenige einer Festkörper-Wasserstoffquelle
und der Anode für
die Brennstoffzelle während
des Entladungsmodus; und (2) während
des Aufladungsmodus diejenige einer aktiven Elektrode für die elektrolytische
Zelle.
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In
dem den Dualmodus aufweisenden elektrochemischen System 2 weist
die erste Elektrode 4 Speicherungseigenschaften auf, dadurch
gekennzeichnet, dass sie in der Lage ist, elektrische Energie entgegenzunehmen,
in der Regel in Form von elektrischer Gleichstrom-(DC)-Energie,
um das Festkörpermaterial
der ersten Elektrode in einem Aufladungsmodus in eine wasserstoffreiche
Form umzuwandeln, wodurch die Energie in Form von chemischer Energie
gespeichert wird. In dem Entladungsmodus gibt das elektrochemische
Dualmodussystem 2 gespeicherte Energie auf einen Bedarf
hin frei, wobei das elektrochemische Dualmodussystem 2 als
eine Brennstoffzelle arbeitet. Das Material für die wasserstoffspeichernde
erste Elektrode ist hinsichtlich der Fähigkeit des Materials ausgewählt, diese
Betriebsmodi mit Blick auf die Wiederaufladungseigenschaften des
Materials über
eine angemessene Lebensdauer wiederholt durchzuführen. Die elektrische Energie kann
von einer externen Quelle, einem regenerativen Bremssystem sowie
jeder sonstigen Quelle geliefert werden, die in der Lage ist, elektrische
Energie bereitzustellen. Das Festkörpermaterial der ersten Elektrode 4 kann
mit Wasserstoff wiederaufgeladen werden, indem die externe Spannung
angelegt und Wasser zur Verfügung
gestellt wird. In einem Ausführungsbeispiel
kann das elektrochemische Dualmodussystem auch mittels gasförmigem Wasserstoff
aufgeladen werden. Durch ein Verwenden dieser Konstruktion ist eine
tatsächlich wiederaufladbare
Brenn stoffzelle verwirklicht, die auf keine gesonderte Wasserstoffquelle
angewiesen ist.
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Ein
Unterschied zwischen dem Aufladungsmodus und Entladungsmodus basiert
darauf, das im Aufladungsmodus eine bestimmte Menge chemischer Energie
gespeichert wird, wohingegen die elektrochemische Vorrichtung im
Entladungsmodus solange weiter elektrische Energie liefert, wie
sie mit einem Brennstoff und einem Oxidationsmittel versorgt wird.
Zu den in diesem Verfahren verwendbaren Oxidantien zählt ein
beliebiger sauerstoffhaltige Gasstrom. In einigen Ausführungsbeispielen
wird als das Oxidationsmittel Luft verwendet, um im Entladungsmodus
mit Wasserstoff zu reagieren, wobei Wasser entsteht.
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Für das elektrochemische
Dualmodussystem werden Wasserstoff und Sauerstoff benötigt, um
elektrische Energie zu erzeugen. Wasserstoff enthält mehr
chemische Energie pro Gewichtseinheit als jeder Kohlenwasserstoff-Brennstoff.
Das hier offenbarte elektrochemische System wird mit zur Wasserstoffspeicherung
fähigen
Festkörpermaterialien
betrieben, zu denen, jedoch ohne darauf beschränken zu wollen, leitende Polymere,
Keramikwerkstoffe, Metalle, Metallhydride, organische Hydride, ein
binärer
Verbundstoff oder andere Arten von binären/ternären Verbundstoffen, Nanoverbundwerkstoffe,
Kohlenstoff-Nanostrukturen, Hydridschlämme und beliebige sonstige
Materialien gehören,
die eine Wasserstoffspeicherungskapazität aufweisen. Festkörper-Wasserstoffspeicherungsmaterialien
ermöglichen
im Vergleich zu flüssigem
oder komprimiertem Gas wesentliche Verbesserungen hinsichtlich der
Energiedichte und eignen sich ideal für Transportanwendungen. Im
Betrieb lässt
sich der in den hier offenbarten elektrochemischen Dualmodussystemen
verwendete Brennstoff im Gegensatz zu herkömmlichen Brennstoffzellen,
die ein Wiederauffüllen
mit Wasserstofftreibstoff erfordern, auch durch elektrisches Wiederaufladen
zurückgewinnen.
Der Wasserstofftreibstoff wird in einem Festkörpermaterial gespeichert, was
seine Handhabung und Speicherung sicher macht. Der Festkörperbrennstoff
erfüllt
gleichzeitig zwei Funktionen, nämlich
Energiespeicherung und Energieerzeugung. In diesem Fall ist die
ausgegebene Energiedichte von der Energiespeicherungskapazität des Festkörperbrennstoffs
abhängig.
Mit anderen Worten, die Erzeugung elektrischen Stroms ist an die
Speicherung von Energie gekoppelt.
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Die
Festkörpermaterialien,
die sich als Anode verwenden lassen, sollten gewöhnlich in der Lage sein, (abhängig von
des gewünschten
Einsatzes des elektrochemische Dualmodussystem) große Mengen
von Wasserstoff zu absorbieren, und das Material sollte außerdem einen
hohen Grad struktureller Festigkeit beibehalten und über viele
Aufladungs/Entladungs-Zyklen hinweg gute Wasserstoffabsorptionseigenschaften aufweisen.
Mit anderen Worten, die strukturelle Festigkeit sollte sich nicht
nachteilig auf die Kapazität
auswirken, und das Festkörpermaterial
sollte über
viele Zyklen von Wasserstoffabsorption hohe Stabilität zeigen.
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In
einem Ausführungsbeispiel
werden in dem offenbarten elektrochemischen Dualmodussystem als eine
Anode Metallhydride verwendet. Das Metallhydridmaterial ermöglicht typischerweise
mehrere Funktionen: (1) diejenige einer Festkörper- Wasserstoffspeicherungsquelle und der
Anode für
die Brennstoffzelle während
des Entladungsmodus; und (2) während
des Aufladungsmodus diejenige einer aktiven Elektrode für die elektrolytische
Zelle. In einigen Ausführungsbeispielen
ist das Anodenmaterial aus der Gruppe ausgewählt, zu der Metallhydride basierend
auf AB5-Legierung, AB2-Legierung,
AB-Legierung, A2B-Legierung und AB3-Legierung
gehören.
Zu der AB5-Legierung gehören, jedoch ohne darauf beschränken zu
wollen, LaNi5, CaNi5,
und MAxByCz, wobei M eine Selten-Erd-Element-Komponente
ist, A eines der Elemente Ni und Co ist, B eines der Elemente Cu,
Fe und Mn ist, C eines der Elemente Al, Cr, Si, Ti, V und Sn ist,
und x, y und z den folgenden Beziehungen genügen: 2,2 ≤ x ≤ 4,8, 0,01 ≤ y ≤ 2,0, 0,01 ≤ z ≤ 0,6, 4,8 ≤ x + y + z ≤ 5,4. Zu typischen Beispielen für AB2 gehören,
jedoch ohne darauf beschränken
zu wollen, Zr-v-Ni, Zr-Mn-Ni,
Zr-Cr-Ni, TiMn und TiCr. Zu typischen Legierungen vom Typ AB gehören, jedoch
ohne darauf beschränken
zu wollen, Ti-Fe
und TiNi. Zu typischen Legierungen vom Typ A2B
gehört,
jedoch ohne darauf beschränken
zu wollen, Mg2Ni. Zu typischen Legierungen
vom Typ AB3 gehören, jedoch ohne darauf beschränken zu
wollen, LaNi3, CaNi3 und
LaMg2Ni9. In einigen
Ausführungsbeispielen
basiert das Anodenmaterial auf katalysierten komplexen Hydriden
zu denen, jedoch ohne darauf beschränken zu wollen, Boride, Karbide,
Nitride, Aluminide und Silicide gehören. Typische Beispiele für komplexe
katalysierte Hydride sind Alanate, wie NaAlH4,
Zn(AlH4)2, LiAlH4 und Ga(AlH4)3, und Boronate, wie Mg (BH4)2, Mn(BH4)2 und Zn(BH4)2. In einigen weiteren Ausführungsbeispielen
basiert das Anodenmaterial auf Nanoröhren, beispielsweise Kohlenstoffnanoröhren und
BN-Nanoröhren. In
einigen Ausführungsbeispielen
basieren die A nodenmaterialien auf elektrisch leitfähigen Polymeren,
beispielsweise Polypyrrol und Polyanilin.
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Hydride
speichern in der Regel etwa 1 bis etwa 18 Gew.-% Wasserstoff und
weisen hohe volumetrische Speicherungsdichten auf, die diejenigen
flüssigen
oder gasförmigen
Wasserstoffs übersteigen.
Festkörper-Spreicherungsmaterialien
können
basierend auf Gewicht, Wasserstoffspeicherungskapazität, Absorptions/Desorptionswert
für Wasserstoff,
Hydrierungs/Dehydrierungs-Temperatur, Hydrierungs/Dehydrierungsdruck
und Zyklusstabilität
ausgewählt
werden. Die Membran 8 kann auf Materialien basieren, die
in der Lage sind, die erste Elektrode 4 und die zweite
Elektrode 6 elektrisch zu isolieren. Weiter stellt die
Membran ionische Pfade für
einen Elektrolyten bereit. Darüber
hinaus sollte das Membranenmaterial mit jedem in dem elektrochemischen
Dualmodussystem 2 verwendeten Elektrolyten chemisch kompatibel
sein. Die Membran 8 kann auf Materialien basieren, zu denen,
jedoch ohne darauf beschränken
zu wollen, Polyethylen (PE) und Polypropylen (PP), Polytetrafluorethylen
(PTFE), modifiziertes PE, modifiziertes PP, PP-Derivate, PE-Derivate, Polystyrol, Polyimid,
Polyvinylidenharz und Kombinationen davon gehören. Zu den in dem elektrochemischen
Dualmodussystem einsetzbaren Elektrolyten gehören Wasser, Säure, Natriumhydroxid
(NaOH), Kaliumhydroxide (KOH), Lithiumhydroxid oder eine Mischung
davon. Außerdem
können
als Elektrolyt anorganische Salze, wie Na2SO4, K2SO4,
KNO3, NaNO3, NaCl,
KCl, CsOH, H2SO4,
HCl, CH3COOH, H3PO4, HCOOH, HClO4,
verwendet werden.
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Unter
Bezugnahme auf 2 finden in dem Aufladungsmodus
des hier beschriebenen elektrochemischen Dualmodussystems zwei mit
R1 und R2 bezeichnete elektrochemische Reaktionen (R) statt. Im
Betrieb wird während
des Aufladungsmodus über
einen externen Schaltkreis eine elektrische Spannung angelegt. M (gewöhnlich ein
Seltene-Erden-Metall) reagiert mit Wasser und den Elektronen, um
an der Anode Metallhydrid MH zu bilden, und erzeugt Hydroxyl-Ionen
OH. An der Kathode wird aus den in dem Elektrolyten vorhandenen Hydroxyl-Ionen
Sauerstoff erzeugt. Der Sauerstoff wird aus der Kathode in die Umgebung
entlassen oder alternativ in einem Gefäß gesammelt und danach im Entladungsmodus
der Kathode zur Wiederverwendung zugeführt. Das im Entladungsmodus
durch das elektrochemische Dualmodussystem erzeugte Wasser kann
zur Wiederverwendung durch einen Rückgewinnungskanal in die Anode
zurückgeleitet
werden, wo es verwendet wird, um die Festkörperanode wiederaufzuladen.
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Wie
in 2 zu sehen, wird im Entladungsmodus Wasserstoff
von dem Metallhydrid freigegeben, der mit dem Sauerstoff reagiert,
um Strom und Wasser zu erzeugen, wobei während des Entladungsprozesses
von einer sauerstoffhaltigen Quelle Sauerstoff hinzugefügt wird.
In der Reaktion R3 reagiert das Metallhydrid MH mit dem Hydroxyl-Ion,
um Wasser und Elektronen hervorzubringen. Das Wasser reagiert in
Reaktion R4 mit Sauerstoff, und es werden Elektronen verbraucht,
um Hydroxyl-Ionen zu erzeugen. In einer Gesamtreaktion R5 wird in
den elektrochemischen Dualmodussystemen ein Wassergleichgewicht
aufrecht erhalten. Es sollte beachtet werden, dass diese Reaktionen
lediglich zur Veranschaulichung der Grundzü ge vielfältiger möglicher Reaktionen dienen.
Das Aufladen und Entladen der elektrochemischen Dualmodusvorrichtung
kann auch auf anderen Reaktionswegen erreicht werden. Im Aufladungsmodus
wird dem elektrochemischen Dualmodussystem elektrische Energie zugeführt, wobei
das System ähnlich
einer elektrolytischen Zelle arbeitet. Im Entladungsmodus wird in
dem elektrochemischen Dualmodussystem elektrische Energie erzeugt,
wobei das System als eine Brennstoffzelle arbeitet.
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Im
Vorausgehenden wurde Wasser als die Quelle für Wasserstoff verwendet, jedoch
ist Wasser nicht als ein beschränkendes
Beispiel der vorliegenden Technik anzusehen. In anderen Beispielen
können
unter anderem zu den Quellen für
Wasserstoff Methanol, Natriumborhydrid, Cyclohexanol und Phenylamin,
gehören. Um
eine längere
Lebensdauer der Anode zu erzielen, kann das hinzugefügte Wasser
gefiltert werden, um zur Vermeidung einer Verunreinigung sämtliche
Feststoffpartikel zu entfernen. In dem Wiederaufladungsverfahren kann
ein beliebiges sauerstoffhaltiges Oxidationsmittel verwendet werden.
In einem Ausführungsbeispiel
wird als Oxidationsmittel Luft verwendet. In einem anderen Ausführungsbeispiel
wird als Oxidationsmittel reiner Sauerstoff verwendet.
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3 veranschaulicht
schematisch noch ein weiteres exemplarisches elektrochemisches Dualmodussystem 20 gemäß der vorliegenden
Erfindung. Zu dem exemplarischen elektrochemischen Dualmodussystem 20 gehören eine
Anode 22, die in der Lage ist, Wasserstoff zu speichern,
und eine Kathode 24. Zwischen der Anode 22 und
der Kathode 24 ist eine weitgehend elektrisch isolierende
und ionisch leitende Membran 8 angeord net. Das elektrochemische
Dualmodussystem 20 enthält
ferner einen Elektrolyten. Im Dualmodusbetrieb arbeitet das elektrochemische
Dualmodussystem 20 in einem ersten Modus und in einem zweiten
Modus. Im Betrieb werden während
des ersten Modus des elektrochemischen Dualmodussystems 20 diesem
Wasser und Elektrizität
zugeführt.
Das elektrochemische Dualmodussystem zersetzt das Wasser elektrolytisch
in Anwesenheit des Elektrolyten und erzeugt über die Membran 8 hinweg
Wasserstoff und Sauerstoff. Der in dem Elektrolysevorgang erzeugte
Wasserstoff wird in der Anode 22 gespeichert. Der erste
Modus des elektrochemischen Dualmodussystems wird im Allgemeinen
als der Aufladungsmodus bezeichnet, in dem Wasserstoff erzeugt und
in der Anode 22 gespeichert wird. Im zweiten Betriebsmodus
arbeitet das elektrochemische Dualmodussystem 20 als eine
Brennstoffzelle, in der der gespeicherte Wasserstoff, wenn ein Oxidationsmittel
zugeführt
wird, über
die Membran 8 hinweg mit dem Oxidationsmittel reagiert,
um in einer chemischen Reaktion Wasser und Elektrizität hervorzubringen.
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Das
exemplarische elektrochemische Dualmodussystem 20 enthält ferner,
wie in 3 veranschaulicht, eine der Kathodenseite 18 der
Membran 8 benachbarte Katalysatorschicht 28. Die
Funktion der Katalysatorschicht 28 basiert darauf, Sauerstoff
zu katalysieren, um Hydroxyl-Ionen zu erzeugen. Die Katalysatorschicht 28 kann
auf Materialien basieren, zu denen, ohne auf diese beschränken zu
wollen, Platin, Palladium, Ruthenium, Silber, Mangan und Kombinationen
davon gehören.
In einigen Ausführungsbeispielen
basiert die Katalysatorschicht auf MnO2 und
LapCaqCoO3, wobei p und q als Werte definiert sind,
für die
gilt: 0,2 ≤ p ≤ 0,8 und 0,1 ≤ q ≤ 0,6. In einigen
weiteren Ausführungsbeispielen
basiert die Katalysatorschicht auf LiMn2-rCOrO4, wobei r durch
0,2 ≤ r ≤ 1,5 definiert
ist. In einigen weiteren Ausführungsbeispielen
basiert die Katalysatorschicht auf CaO, Ni(OH)2,
NiO, CoO, KMnO4 und auf Kombinationen davon.
In den Ausführungsbeispielen,
in denen Platin als die Katalysatorschicht verwendet wird, ist die
Oberfläche
des Platins geeignet gestaltet, so dass die dem Sauerstoff ausgesetzte
Oberfläche
maximal ist. Sauerstoffmoleküle
werden in Anwesenheit des Katalysators reduziert und nehmen aus
dem externen Schaltkreis Elektronen entgegen, um während ihrer
Reaktion mit Wasserstoff die Hydroxyl-Ionen zu erzeugen, wobei Wasser
entsteht. In dieser elektrochemischen Reaktion wird zwischen den
beiden Elektroden ein Spannungspotential hervorgerufen.
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Die
für die
Anode 22 verwendeten Materialien sind von der in den vorhergehenden
Abschnitten beschriebenen Art. Die Kathode kann auf einem Material
basieren, das aus einer Gruppe ausgewählt wird, zu der ein elektrisch
leitendes Oxid, Perowskit, dotiertes LaMnO3,
zinndotiertes Indiumoxid (In2O3),
strontiumdotiertes PrMnO3, La-Ferrite, La-Kobaltite, RuO2-YSZ und Kombinationen davon gehören. In
einem Ausführungsbeispiel
ist die Kathode dazu eingerichtet, um, wie in 3 gezeigt,
eine Maschenstruktur aufzuweisen, um den Wirkungsgrad des Sammelns
von Strom zu erhöhen.
Die Kathode 24 kann ferner in ihre Oberfläche geätzte Kanäle aufweisen,
die dazu dienen, Sauerstoff auf der Oberfläche des Katalysators zu verteilen.
Das elektrochemische Dualmodussystem 20 kann ferner eine
Gasdiffusionsschicht 26 aufweisen, um den Sauerstofftransfer
zu verbessern. Die Anode 22 und die Kathode 24 können konfigu riert
sein, um durch Strukturen 30 und 34 getragen zu
werden, wobei diese Strukturen elektrisch leitend sind. In einem
Ausführungsbeispiel sind
die Strukturen 30 und 34 aus Kohlenstoffplatten
gefertigt.
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Im
Betrieb stellen die Anode 22 und die Kathode 24 während des
Aufladungs- und Entladungsmodus interne Strompfade zur Verfügung, die
durch mehrere Stromkollektoren 32 führen, wobei die Stromkollektoren ihrerseits
an einen oder mehrere (nicht gezeigte) externe Verbraucher angeschlossen
sind. Während
des Entladungsmodus werden durch das elektrochemische System erzeugte
Elektronen verfügbar
und über
die Stromkollektoren 32 einem oder mehreren externen Verbrauchern
zugeführt.
Die Betriebsspannung an einem einzelnen System 20 kann
in der Größenordnung
von etwa 1 Volt liegen. Mehrere einzelne System 20 können folglich
in Reihe oder parallele geschaltet werden, um eine geeignete Ladespannung
zu erreichen.
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Die
elektrochemische Dualmodusvorrichtung kann ferner, wie in dem Ausführungsbeispiel
in 3 veranschaulicht, ein Druckregelungssystem 38 aufweisen.
Das Druckregelungssystem 38 enthält Druckmessvorrichtungen.
Die Anodenseite und die Kathodenseite sind konfiguriert, um eine
oder mehrere Druckmessvorrichtungen aufzuweisen, die an ein Druckentlastungssystem
angeschlossen sind. Die Druckmessvorrichtung kann ein Druckmesser
oder ein Transducer sein. In einigen Ausführungsbeispielen sind die Druckmessvorrichtungen
an ein Druckentlastungssystem angeschlossen, wobei das System eine
Sicherheitsfreigabevorrichtung, beispielsweise ein Ventil oder eine
Berstscheibe, enthalten kann. Wie in 3 gezeigt,
gehören zu
dem Wasserstoff-Anschlusskanal 44 in der Anodenseite und
zu dem Sauerstoff- bzw. Luftanschlusskanal 40 eine Druckmessvorrichtung
und ein Freigabesystem. Das Druckregelungssystem 38 ist
konfiguriert, um Sicherheit für
die Handhabung und den Betrieb des elektrochemischen Dualmodussystems 20 zu
gewährleisten.
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4 veranschaulicht
die Änderung
des Potentials der elektrochemischen Dualmodusvorrichtung während des
Entladungsvorgangs. Die Vorrichtung kann bei einer hohen Betriebsspannung
entladen werden. 4 zeigt an dem Punkt 50 eine
abrupte Änderung
des Potentials, die anzeigt, dass der gesamte in dem Metallhydrid
gespeicherte Wasserstoff zur Neige geht.
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In Übereinstimmung
mit der vorliegenden Technik kann das elektrochemische System 20 in
Transportanwendungen, tragbaren Spannungsquellen, in privater und
kommerzieller Stromerzeugung, zur Hochleistungsstromerzeugung und
in beliebigen sonstigen Anwendungen verwendet werden, die aus dem
Einsatz eines derartigen Systems Nutzen ziehen können. Ein mit Brennstoffzellen
betriebenes Fahrzeug kann durch eine oder mehrere Elektromotoren
angetrieben sein, die durch das offenbarte elektrochemische Dualmodussystem
mit Strom versorgt werden.
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Die
hier offenbarten elektrochemischen Dualmodussysteme sind in der
Lage, in ihrem Inneren einen Brennstoff, z.B. Wasserstoff, zu erzeugen
und zu speichern. Während
den Prozessen des Aufladens wird Wasserstoff in dem Anodenmaterial
gespeichert, der während
des Entladungsmodus, in dem das e lektrochemische Dualmodussystem
als eine Brennstoffzelle arbeitet, verwendet und verbraucht werden
kann. Die offenbarten elektrochemischen Dualmodussysteme lassen
sich wiederaufladen und sind in der Lage, ohne jede externe Wasserstoffquelle
zu arbeiten.
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Zu
einem elektrochemischen Dualmodussystem gehören: eine erste Elektrode 4,
die in der Lage ist, Wasserstoff zu speichern, eine zweite Elektrode 6,
eine dazwischen angeordnete weitgehend elektrisch isolierende und
im Wesentlichen ionisch leitende Membran 8 und ein Elektrolyt.
In einem ersten Modus zersetzt das elektrochemische Dualmodussystem,
wenn Wasser und Elektrizität
zugeführt
wird, das Wasser in Anwesenheit des Elektrolyten elektrolytisch
und erzeugt über
die Membran hinweg Wasserstoff und Sauerstoff. Der Wasserstoff wird
in der ersten Elektrode 4 gespeichert. In einem zweiten
Modus erzeugt das elektrochemische Dualmodussystem, wenn der zweiten
Elektrode 6 ein Oxidationsmittel zugeführt wird, Wasser und Elektrizität, indem
es den gespeicherten Wasserstoff und das Oxidationsmittel über die
Membran 8 hinweg zur Reaktion bringt.
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Vielfältige Ausführungsbeispiele
dieser Erfindung wurden oben beschrieben, die der Befriedigung vielfältiger im
Zusammenhang mit der Erfindung vorhandener Bedürfnisse dienen. Es sollte jedoch
beachtet werden, dass diese Ausführungsbeispiele
lediglich einer Veranschaulichung der Grundzüge unterschiedlicher Ausführungsbeispiele
der vorliegenden Erfindung dienen. Dem Fachmann werden, ohne von
dem Schutzumfang und Gegenstand der Erfindung abzuweichen, zahlreiche
Modifikatio nen und Adaptionen der Erfindung einfallen. Es ist somit
beabsichtigt, dass die vorliegende Erfindung sämtliche Abwandlungen und Variationen abdeckt,
soweit diese in den Schutzumfang der beigefügten Ansprüche und deren äquivalenten
Formen fallen.
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