DE102007029168A1 - Vorrichtung zum Erzeugen von Wasserstoff und diesen verwendendes Brennstoffzellensystem - Google Patents

Vorrichtung zum Erzeugen von Wasserstoff und diesen verwendendes Brennstoffzellensystem Download PDF

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Abstract

Die Vorrichtung zum Erzeugen von Wasserstoff der vorliegenden Erfindung enthält einen Elektrolyseur, welcher mit einer ammoniumchloridhaltigen, wässrigen Elektrolytlösung gefüllt ist; wobei eine erste Metallelektrode, welche im Elektrolyseur angeordnet ist, in die wässrige Elektrolytlösung eingetaucht ist und Elektronen erzeugt und eine zweite Metallelektrode, welche im Elektrolyseur angeordnet ist, in die wässrige Elektrolytlösung eingetaucht ist und durch das Aufnehmen der Elektronen Wasserstoffgas erzeugt. Die Vorrichtung zum Erzeugen von Wasserstoff nach der vorliegenden Erfindung kann die Wasserstofferzeugungszeit und eine Menge der Wasserstofferzeugung erhöhen.

Description

  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • 1. Technisches Gebiet
  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Erzeugen von Wasserstoff und insbesondere eine Vorrichtung zum Erzeugen von Wasserstoff, welche eine wässrige Elektrolytlösung enthält, welche Ammoniumchlorid (NH4Cl) enthält.
  • 2. Beschreibung der verwandten Technik
  • Eine Brennstoffzelle betrifft eine Energieumwandlungsvorrichtung, welche Sauerstoff in der Luft und Wasserstoff, welcher in Kohlenwasserstoffen, wie beispielsweise in Methanol oder Erdgas enthalten ist, durch eine elektrochemische Reaktion direkt in elektrische Energie umwandelt.
  • 1 veranschaulicht das grundsätzliche Betriebsprinzip einer Brennstoffzelle. In Bezug auf 1 kann eine Brennstoffzelle 10 eine Brennstoffelektrode 11 als Anode und eine Luftelektrode 13 als Kathode enthalten. Die Brennstoffelektrode 11 nimmt molekularen Wasserstoff (H2) auf. Der Wasserstoff wird an der Brennstoffelektrode dissoziiert, um Wasserstoffionen (H+) und Elektronen (e–) zu bilden.
  • Die Wasserstoffionen (H+) bewegen sich zur Luftelektrode 13 über eine Membran 12, welche eine Elektrolytschicht ist. Die Elektronen bewegen sich durch einen externen Schaltkreis 14, um einen elektrischen Strom zu erzeugen. Die Wasserstoffionen und Elektronen werden mit Sauerstoff der Luft an der Luftelektrode 13 verbunden, um Wasser zu erzeugen. Die Brennstoffelektrode 11 und Luftelektrode 13 sind zwischen der Elektrolytmembran angeordnet, um eine Membranelektrodenanordnung (MEA) zu bilden.
  • Das folgende Reaktionsschema 1 erläutert die oben erwähnten chemischen Reaktionen:
  • [Reaktionsschema 1]
    • Brennstoffelektrode 11: H2 → 2H+ + 2e
    • Luftelektrode 13: 1/2 O2 + 2H+ + 2e– → H2O
    • Gesamtreaktion: H2 + 1/2 O2 → H2O
  • Kurz gesagt, funktioniert die Brennstoffzelle 10 als Batterie, da die von der Brennstoffelektrode 11 dissoziierten Elektronen Strom erzeugen, welcher sich durch den externen Schaltkreis bewegt. Solch eine Brennstoffzelle 10 ist nicht nur eine schadstofffreie Leistung, da sie keine schädlichen Emissionen, wie beispielsweise SOx, NOx, etc., aufweist, sondern erzeugt auch eine geringe Menge an Kohlendioxid. Die Brennstoffzellenvorrichtung weist auch einige Vorteile auf, wie beispielsweise ein leises Geräusch, dass sie vibrationsfrei ist, usw.
  • Brennstoffzellen können abhängig vom verwendeten Elektrolyt wie folgt klassifiziert werden: Alkali-Brennstoffzellen (AFC); Phosphorsäure-Brennstoffzellen (PAFC); Karbonatschmelze-Brennstoffzellen (MCFC); und Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzellen (PEMFC). Unter denselben können die Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzellen weiter in Protonenaus tauschmembran-Brennstoffzellen (PEMFC), bei welchen Wasserstoffgas direkt als Brennstoff verwendet wird; und Direktmethanol-Brennstoffzellen (DMFC) klassifiziert werden, bei welchen das flüssige Methanol direkt als Brennstoff verwendet wird.
  • Die Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzellen können im Vergleich zu anderen Brennstoffzellen aufgrund ihrer niedrigen Betriebstemperatur und hohen Leistungsdichte eine kleiner Größe und ein leichteres Gewicht aufweisen. Aus diesen Gründen sind Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzellen insbesondere zur Verwendung in transportierfähigen Stromversorgungseinrichtungen für Fahrzeuge, einschließlich Autos; örtlichen Stromversorgungseinrichtung für interne oder öffentliche Einrichtungen und kleine Stromversorgungseinheiten für elektronische Geräte geeignet. Daher ist derzeit sehr viel Entwicklungsforschung an Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzellentechnologien im Gange.
  • Inzwischen ist die stabile Wasserstofferzeugung und Zuführung desselben das herausfordernste Problem, welche zu lösen ist, um die Brennstoffzellen zu kommerzialisieren. Ein Wasserstoffspeicherbehälter, welcher im Allgemeinen als Vorrichtung zum Erzeugen von Wasserstoff bekannt ist, wurde verwendet, um diese Probleme zu lösen. Die Behältervorrichtung nimmt jedoch einen großen Raum ein und sollte mit besonderer Sorgfalt aufbewahrt werden.
  • Um solche mit der bekannten Vorrichtung assoziierten Nachteile zu vermeiden, werden Brennstoffe, wie beispielsweise Methanol und Ameisensäure, welche durch die International Civil Aviation Organization (ICAO) zugelassen sind, in Flugzeuge gebracht zu werden, in Wasserstoff reformatiert: oder Methanol, Ethanol oder Ameisensäure wird direkt als Brennstoff in der Brennstoffzelle verwendet.
  • Der erste Fall erfordert jedoch eine hohe Umformtemperatur und ein kompliziertes System, verbraucht Antriebsleistung und enthält Fremdstoffe (CO2; CO) neben reinen Wasserstoffmolekülen. Letzterer Fall setzt die Leistungsdichte aufgrund einer niedrigen Geschwindigkeit einer chemischen Reaktion an der Anode und einer Kreuzung des Wasserstoffs durch die Membran herab.
  • Außerdem sind Verfahren zum Erzeugen von Wasserstoff für die PEMFC wie folgt: Oxidation von Aluminium, Hydrolyse von Metallborhydrid und Reaktion auf einer Metallelektrode, usw. Unter denselben erfolgt das bevorzugte Verfahren zum effektiven Steuern einer Erzeugungsgeschwindigkeit von Wasserstoff durch das Verwenden der Metallelektrode.
  • Ein Metallhydroxid wird jedoch als Nebenprodukt erzeugt, wenn die Reaktion auf der Metallelektrode kontinuierlich ausgeführt wird. Das Metallhydroxid besteht in einem Zustand einer wässrigen Masse in einem Reaktor aufgrund seiner geringen Wasserlöslichkeit, was zur Herabsetzung der Effizienz der Wasserstofferzeugung führen kann.
  • Folglich haben die vorliegenden Erfinder geforscht, um die oben beschriebenen Probleme zu bewältigen. Die vorliegenden Erfinder entwickeln folglich eine neue Vorrichtung zum Erzeugen von Wasserstoff, welche Wasserstoff mit einer hohen Effizienz bei Zimmertemperatur erzeugen kann.
  • ZUSAMMENFASSUNG
  • Die vorliegende Erfindung liefert eine Vorrichtung zum Erzeugen von Wasserstoff, welche einen mit einer ammoniumhaltigen, wässrigen Elektrolytlösung gefüllten Elektrolyseur; eine erste Metallelektrode, welche im Elektrolyseur angeordnet und in die wässrige Elektrolytlösung eingetaucht ist und Elektronen erzeugt; und eine zweite Metallelektrode enthält, welche im Elektrolyseur angeordnet und in die wässrige Elektrolytlösung eingetaucht ist und Wasserstoffgas durch das Aufnehmen der Elektronen erzeugt.
  • Das Ammoniumchlorid in der wässrigen Elektrolytlösung weist eine Konzentration auf, welche in einem Bereich von ca. 0,05 M bis ca. 2 M liegt.
  • Die Vorrichtung zum Erzeugen von Wasserstoff kann mit einer Brennstoffzelle zum Zuführen des Wasserstoffs zur Brennstoffstelle verbunden sein.
  • Mindestens zwei von jeder der ersten Metallelektrode und zweiten Metallelektrode können im Elektrolyseur angeordnet sein.
  • Die vorliegende Erfindung kann zudem ein Brennstoffzellensystem, welches die Vorrichtung zum Erzeugen von Wasserstoff nach der Erfindung enthält; und eine Membranelektrodenanordnung (MEA) liefern, welche mit dem von der Vorrichtung zum Erzeugen von Wasserstoff erzeugten Wasserstoff versehen wird und einen elektrischen Gleichstrom durch das Umwandeln einer chemischen Energie des Wasserstoffs in eine elektrische Energie erzeugt.
  • Dies4se und andere Merkmale, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden in Bezug auf die folgende Beschreibung, anhängenden Ansprüche und beiliegenden Zeichnungen bes ser verständlich oder können durch die Praxis der Erfindung in Erfahrung gebracht werden.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • 1 veranschaulicht das grundsätzliche Betriebsprinzip einer Brennstoffzelle.
  • 2 ist eine Schnittansicht einer Vorrichtung zum Erzeugen von Wasserstoff nach einem Beispiel der vorliegenden Erfindung.
  • 3 ist ein Graph, welcher eine Menge an Wasserstoff zeigt, weiche von jeder Vorrichtung nach einem Beispiel und einem Vergleichsbeispiel der vorliegenden Erfindung erzeugt wurde.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
  • Die vorliegende Erfindung liefert eine Vorrichtung zum Erzeugen von Wasserstoff in einem Brennstoffzellensystem, welches die Zeit und Menge der Wasserstofferzeugung durch das Zufügen von Ammoniumchlorid (NH4Cl) in eine wässrige Elektrolytlösung erhöht, um die Wasserlöslichkeit des Metallhydroxids zu erhöhen, welches als Nebenprodukt erzeugt wird, wenn die wässrige Elektrolytlösung elektrolysiert wird, um Wasserstoff zu erzeugen.
  • 2 ist eine Schnittansicht einer Vorrichtung zum Erzeugen von Wasserstoff nach einem Beispiel der vorliegenden Erfindung. Die Vorrichtung 20 zum Erzeugen von Wasserstoff der vorliegenden Erfindung enthält einen Elektrolyseur 21, eine erste Elektrode 23 und eine zweite Elektrode 24.
  • Die nachstehende Beschreibung richtet sich auf einen beispielhaften Fall, in welchem die erste Elektrode 23 aus Magnesium (Mg) und die zweite Elektrode 24 aus rostfreiem Stahl besteht.
  • Wieder in Bezug auf 2, wird der Elektrolyseur 21 mit einer Elektrolytlösung 22 gefüllt. Der Elektrolyseur 21 kann die erste Elektrode 23 und zweite Elektrode 24 enthalten, welche ganz oder teilweise in die Elektrolytlösung eingetaucht werden können.
  • Die erste Elektrode 23 ist eine aktive Elektrode, an welcher Magnesium (Mg) in ein Magnesiumion (Mg2+) oxidiert wird, welches aufgrund des Unterschieds der Ionisierungsenergie zwischen dem Magnesium und Wasser (H2O) zwei Elektronen freisetzt. Die resultierenden Elektronen bewegen sich durch einen Elektrodraht 25 zur zweiten Elektrode 24.
  • Die zweite Elektrode 24 ist eine inaktive Elektrode, an welcher Wassermoleküle die von der ersten Elektrode 23 bewegten Elektronen aufnehmen und in Wasserstoffmoleküle zersetzt werden.
  • Das folgende Reaktionsschema 2 erläutert die oben erwähnten chemischen Reaktionen:
  • [Reaktionsschema 2]
    • Erste Elektrode 23: Mg → Mg2+ + 2e
    • Zweite Elektrode 24: 2H2O + 2e– → H2 + 2 (OH)
    • Gesamtreaktion: Mg + 2H2O → Mg(OH)2 + H2
  • Infolge des Reaktionsschemas 2, wird Magnesiumhydroxid (Mg(OH)2) erzeugt, dessen Wasserlöslichkeit nicht mehr als ca. 12 mg/L beträgt. Daher besteht das Magnesiumhydroxid in einem Zustand einer wässrigen Masse im Elektrolyseur, wenn die Reaktion kontinuierlich ausgeführt wird. Die wässrige Masse des Magnesiumhydroxids weist eine Wasserbewegung auf, welche zu einer Herabsetzung der effizienten Wasserstofferzeugung führen kann.
  • Die vorliegende Erfindung liefert eine Zugabe von Ammoniumchlorid (NH4Cl) in die wässrige Elektrolytlösung, was die Wasserlöslichkeit des Metallhydroxids erhöht. Das Magnesiumhydroxid reagiert mit dem Ammoniumchlorid derart, dass die Wasserlöslichkeit desselben auf ca. 167 g/L erhöht wird. Das folgende Reaktionsschema 3 erläutert die oben erwähnten chemischen Reaktionen:
  • [Reaktionsschema 3]
    • Mg(OH)2 + 2NH4Cl → Mg(Cl)2 + 2NH4OH
  • Das Reaktionsschema 3 zeigt, dass 2 Mol Ammoniumchlorid erfordert werden, um mit 1 Mol Magnesiumhydroxid zu reagieren. Daher kann eine Menge an Ammoniumchlorid, welche für die Vorrichtung zum Erzeugen von Wasserstoff der vorliegenden Erfindung verwendet wird, 2 Mol oder weniger basierend auf 1 Mol Magnesiumhydroxid betragen. Insbesondere kann eine Konzentration des Ammoniumchlorids nach der Erfindung in einem Bereich von ca. 0,05 M bis 2 M liegen. Wenn die Konzentration von Ammoniumchlorid weniger als 0,05 M beträgt, beeinträchtigt das Ammoniumchlorid kaum die Löslichkeit des Magnesiumhydroxids im Wasser. Andererseits kann die Geschwindigkeit der Wasserstoff erzeugung ineffizient herabgesetzt werden, wenn die Konzentration des Ammoniumchlorids 2 M überschreitet.
  • In der wässrigen Elektrolytlösung 22, kann ein Elektrolyt verwendet werden, welches LiCl; KCl; NaCl; K2SO4 oder Na2SO4; etc. enthält, aber nicht darauf beschränkt ist. Unter denselben kann bevorzugter KCl verwendet werden.
  • In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann die erste Elektrode 23 neben Magnesium aus einem Metall mit einer relativ höheren Ionisierungstendenz bestehen, wie beispielsweise Eisen (Fe) oder einem Alkalimetall, wie beispielsweise Aluminium (Al), Zink (Zn), etc. Die zweite Elektrode 24 kann neben rostfreiem Stahl aus einem Metall mit einer relativ geringeren Ionisierungstendenz im Vergleich zur ersten Elektrode 23 bestehen, wie beispielsweise Platin (Pt), Kupfer (Cu), Gold (Au), Silber (Ag), Eisen (Fe), etc.
  • Die Vorrichtung zum Erzeugen von Wasserstoff der vorliegenden Erfindung kann mindestens 2 der ersten Elektrode 23 und/oder zweiten Elektrode 24 unabhängig enthalten. Während die Anzahlen der ersten Elektrode 23 und/oder zweiten Elektrode 24 erhöht werden, wird die Menge an Wasserstoff, welches während der gleichen zeit erzeugt wird, derart höher, dass es eine kürzere Zeit erfordern kann, den Wasserstoff so viel wie erfordert zu erzeugen.
  • Die Vorrichtung zum Erzeugen von Wasserstoff kann mit einer Brennstoffzelle kombiniert werden, um Wasserstoff zur Brennstoffzelle zuzuführen. Die Brennstoffzelle der vorliegenden Erfindung ist eine Polymermembran-Brennstoffzelle, wie beispielsweise die Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzelle, aber nicht darauf beschränkt.
  • Die Vorrichtung zum Erzeugen von Wasserstoff nach der Erfindung kann auch in einem Brennstoffzellensystem verwendet werden, welches eine Membranelektrolytanordnung (MEA) enthält, welche mit Wasserstoff versehen ist, welcher von der Vorrichtung zum Erzeugen von Wasserstoff erzeugt wird, und erzeugt durch das Umwandeln einer chemischen Energie des Wasserstoffs in eine elektrische Energie einen elektrischen Gleichstrom.
  • Die Erfindung kann in Bezug auf die folgenden Beispiele besser verstanden werden, welche zum Zweck der Illustration vorgesehen sind und nicht auszulegen sind, den Bereich der vorliegenden Erfindung auf irgendeine Weise zu beschränken, welcher in den hieran beigefügten Ansprüchen definiert ist.
  • BEISPIEL
  • Die Vorrichtung zum Erzeugen von Wasserstoff nach dieser Erfindung, wurde wie unten erzeugt:
    erste Elektrode 23: 3 g Magnesium (Mg)
    zweite Elektrode 24: rostfreier Stahl
    Abstand zwischen den Elektroden: 3 mm
    Art und Konzentration des Elektrolyts: 30 Gewichtsprozent KCL
    Menge an Ammoniumchlorid: 0,5 g
    Anzahl an verwendeten Elektroden: 3 Magnesiumelektroden, 3 Elektroden aus rostfreiem Stahl
    Elektrodenverbindungsverfahren: serielle Verbindung
    Volumen der wässrigen Elektrolytlösung: 60cc
    Größe einer Elektrode: 24 mm × 85 mm × 1 mm,
    und die elektrochemische Reaktion wurde unter Verwendung der Vorrichtung ausgeführt. Dann wurde die resultierende Menge der Wasserstofferzeugung durch ein Massedurchflussmesser (MFM) gemessen. Das Ergebnis wird in 3 gezeigt.
  • VERGLEICHSBEISPIEL
  • Das Vergleichsbeispiel wurde mit der Ausnahme, dass keine 0,5 g Ammoniumchlorid verwendet wurden, auf die gleiche Weise wie im Beispiel 1 ausgeführt. Die resultierende Menge der Wasserstofferzeugung wird in 3 gezeigt.
  • Wie in 3 gezeigt, wird angemerkt, dass beim Zufügen von Ammoniumchlorid in die wässrige Elektrolytlösung, wie im Beispiel, die Zeit und Menge der Wasserstofferzeugung im Vergleich zum Vergleichsbeispiel erhöht wurde, in welchem kein Ammoniumchlorid zugefügt wurde.
  • Die vorliegende Erfindung kann durch jemanden mit gewöhnlichen technischen Fähigkeiten ausgeführt werden. Viele Modifikationen und Veränderungen können angesehen werden, im Bereich der vorliegenden Erfindung zu liegen, der in den folgenden Ansprüchen definiert ist.

Claims (6)

  1. Vorrichtung zum Erzeugen von Wasserstoff mit: einem mit einer ammoniumchloridhaltigen, wässrigen Elektrolytlösung gefüllten Elektrolyseur; einer ersten Metallelektrode, welche im Elektrolyseur angeordnet und in die wässrige Elektrolytlösung eingetaucht ist und Elektronen erzeugt; und einer zweiten Metallelektrode, welche im Elektrolyseur angeordnet und in die wässrige Elektrolytlösung eingetaucht ist und Wasserstoffgas durch das Aufnehmen der Elektronen erzeugt.
  2. Vorrichtung zum Erzeugen von Wasserstoff nach Anspruch 1, wobei das Ammoniumchlorid in der wässrigen Elektrolytlösung eine Konzentration aufweist, welche in einem Bereich von ca. 0,05 M bis ca. 2 M liegt.
  3. Vorrichtung zum Erzeugen von Wasserstoff nach Anspruch 1, wobei die erste Metallelektrode Magnesium enthält.
  4. Vorrichtung zum Erzeugen von Wasserstoff nach Anspruch 1, wobei die Vorrichtung zum Erzeugen von Wasserstoff mit einer Brennstoffzelle kombiniert ist, um Wasserstoff zur Brennstoffzelle zuzuführen.
  5. Vorrichtung zum Erzeugen von Wasserstoff nach Anspruch 1, wobei mindestens zwei jeder der ersten Metallelektrode und zweiten Metallelektrode im Elektrolyseur angeordnet sind.
  6. Brennstoffzellensystem mit: einer Vorrichtung zum Erzeugen von Wasserstoff nach Anspruch 1; und einer Membranelektrodenanordnung (MEA), welche mit Wasserstoff versehen ist, welcher von der Vorrichtung zum Erzeugen von Wasserstoff erzeugt wurde, und elektrischen Gleichstrom durch das Umwandeln einer chemischen Energie des Wasserstoffs in eine elektrische Energie erzeugt.
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