DE102005029563A1 - Auf Wasserstoffspeicherung basierendes wiederaufladbares Brennstoffzellensystem und Verfahren - Google Patents

Auf Wasserstoffspeicherung basierendes wiederaufladbares Brennstoffzellensystem und Verfahren Download PDF

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Abstract

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.

Description

  • HINTERGRUND ZU DER ERFINDUNG
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
    •
  • 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.
  • KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
    •
  • KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • 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:
  • 1 zeigt ein Blockschaltbild eines exemplarischen elektrochemischen Dualmodussystems;
  • 2 veranschaulicht chemische Reaktionen zum Aufladen und Entladen eines Festkörper-Wasserstoffspeicherungsanodenmaterials, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Technik;
  • 3 zeigt noch ein weiteres exemplarisches elektrochemisches Dualmodussystem; und
  • 4 veranschaulicht in einem Graph die Potentialänderung des elektrochemischen Dualmodussystems im Entladungsmodus.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Elementeliste:
    Figure 00230001
  • Figure 00240001

Claims (10)

  1. Elektrochemisches Dualmodussystem, zu dem 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; wobei das elektrochemische Dualmodussystem in einem ersten Modus auf ein Zuführen von Wasser und Elektrizität hin das Wasser in Anwesenheit des Elektrolyten elektrolytisch zersetzt und über die Membran (8) hinweg Wasserstoff und Sauerstoff erzeugt, und der Wasserstoff durch die erste Elektrode (4) gespeichert wird; und das elektrochemische Dualmodussystem in einem zweiten Modus, wenn der zweiten Elektrode (6) ein Oxidationsmittel zugeführt wird, Wasser und Elektrizität erzeugt, indem es den gespeicherten Wasserstoff und das Oxidationsmittel über die Membran hinweg (8) zur Reaktion bringt.
  2. System nach Anspruch 1, bei dem die erste Elektrode (4) eine Anode ist und die zweite Elektrode (6) eine Kathode ist.
  3. System nach Anspruch 1, bei dem die erste Elektrode Wasserstoffspeicherungsmaterial aufweist.
  4. System nach Anspruch 3, bei dem das Wasserstoffspeicherungsmaterial aus einer Gruppe ausgewählt ist, zu der ein leitendes Polymer, eine Keramik, ein Metall, ein Metallhydrid, eine Nanoröhre und Kombination davon gehören.
  5. System nach Anspruch 3, bei dem das Wasserstoffspeicherungsmaterial ein Metallhydrid ist.
  6. System nach Anspruch 5, bei dem das Metallhydrid aus einer Gruppe ausgewählt ist, zu der Alanate und Boronate gehören.
  7. System nach Anspruch 2, bei dem die Kathode ein Material aufweist, das aus einer Gruppe ausgewählt ist, zu der ein elektrisch leitendes Oxid, Perowskit, dotiertes LaMnO3, zinndotiertes Indiumoxid (In2O3), strontiumdotiertes PrMn03, La-Ferrite, La-Kobaltite, RuO2-YSZ und Kombinationen davon gehören.
  8. System nach Anspruch 1, das ferner eine katalytische Schicht aufweist, die benachbart zu der Membran angeordnet ist.
  9. System nach Anspruch 6, bei der die katalytische Schicht ein Material aufweist, das aus der Gruppe ausgewählt wird, zu der Platin, Palladium, Silber, Mangan, Ruthenium und eine Kombination davon gehören.
  10. System nach Anspruch 1, bei der der Elektrolyt dazu eingerichtet ist, um in die Membran hinein absorbiert zu werden.
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