DE102010001760A1

DE102010001760A1 - Energiespeicher- und Stromerzeugungssystem

Info

Publication number: DE102010001760A1
Application number: DE102010001760A
Authority: DE
Inventors: Sebastian 70619 Maass; Stefan 70197 Schoenbauer
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2010-02-10
Filing date: 2010-02-10
Publication date: 2011-08-11
Also published as: US9169572B2; US20110195327A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Energiespeicher- und Stromerzeugungssystem (10) mit mindestens einer Brennstoffzelle (40), in der ein Oxidationsmittel und ein speicherbarer Brennstoff elektrochemisch umsetzbar und dabei elektrischer Strom erzeugbar ist, und mit mindestens einer Elektrolysezelle (30), die zur Erzeugung des speicherbaren Brennstoffes für die Brennstoffzelle (40) dient, wobei sich die Brennstoffzelle (40) und die Elektrolysezelle (30) eine gemeinsame Elektrode (21) teilen, die Brennstoffzelle (40) und die Elektrolysezelle (30) jeweils eine weitere Elektrode (31, 41) jeweils nur für sich nutzen. Dazu ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass der Brennstoff außerhalb der Brennstoffzelle (40) und außerhalb der Elektrolysezelle (30) in einem Speicher (13) speicherbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Energiespeicher- und Stromerzeugungssystem mit mindestens einer Brennstoffzelle, in der ein Oxidationsmittel und ein speicherbarer Brennstoff elektrochemisch umsetzbar und dabei elektrischer Strom erzeugbar ist, und mit mindestens einer Elektrolysezelle, die zur Erzeugung des speicherbaren Brennstoffes für die Brennstoffzelle dient, wobei sich die Brennstoffzelle und die Elektrolysezelle eine gemeinsame Elektrode teilen, die Brennstoffzelle und die Elektrolysezelle jeweils eine weitere Elektrode jeweils nur für sich nutzen, gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.
Stand der Technik
Durch einen zunehmenden Anteil an elektrischer Energie aus Wind- oder Sonnenenergie erhöht sich die Notwendigkeit, Energie zwischenzuspeichern. Hierzu bietet sich Wasserstoff an, der bei einem Angebot an kostengünstiger oder/und regenerativer elektrischer Energie, das über dem Bedarf liegt, durch eine Elektrolyse in einer Elektrolysezelle erzeugt werden kann und bei einem Angebot an kostengünstiger oder/und regenerativer elektrischer Energie, das unter dem Bedarf liegt, zur Stromproduktion verwendet werden kann, wobei der Wasserstoff als Brennstoff mit einem Oxidationsmittel in einer Brennstoffzelle elektrochemisch reagiert.
Die WO2005/008824 offenbart ein elektrochemisches System mit einer Elektrolyse- und einer Brennstoffzelle. Hierbei wird zunächst in der Elektrolysezelle Wasser und ein Metall in Sauerstoff und ein Metallhydrid umgewandelt. Das Metallhydrid wird durch Temperaturänderung in Wasserstoff und Metall und erster mit Sauerstoff in der Brennstoffzelle wieder in Wasser umgewandelt. Die Elektrode, an der Metall in ein Metallhydrid und umgekehrt verwandelt wird; wird von der Elektrolysezelle und der Brennstoffzelle gemeinsam benutzt. Hierbei dient das Metallhydrid als einziger Speicher für den Wasserstoff. Nachteilig hierbei ist, dass für die Produktion von elektrischem Strom nur maximal so viel Wasserstoff zur Verfügung steht, wie Metall zur Reaktion zu einem Metallhydrid vorhanden ist. Um viel Wasserstoff speichern zu können, muss eine entsprechend große und damit schwere Elektrode vorhanden sein, die das Gewicht und die Kosten des elektrochemischen Systems erhöht. Zudem muss die Temperatur der Brennstoffzelle so gewählt werden, dass das Metallhydrid Wasserstoff freisetzt. Ferner ist die Gefahr einer Wasserstoffversprödung vorhanden.
Offenbarung der Erfindung
Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Energiespeicher – und Stromerzeugungssystem zur Verfügung zu stellen, das die oben genannten Nachteile vermeidet. Insbesondere soll eine große Menge Brennstoff speicherbar sein und zugleich die Elektroden leicht und/oder platzsparend ausgestaltet werden können. Die Temperatur und der Druck in der Brennstoffzelle sollen unabhängig von einer Wasserstofferzeugung gewählt werden können.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein Energiespeicher- und Stromerzeugungssystem mit den Merkmalen des Anspruches 1, insbesondere des kennzeichnenden Teils, vorgeschlagen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben. Dabei können die in den Ansprüchen und in der Beschreibung erwähnten Merkmale jeweils einzeln für sich oder in Kombination erfindungswesentlich sein.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass der Brennstoff außerhalb der Brennstoffzelle und außerhalb der Elektrolysezelle in einem Speicher speicherbar ist. Durch die räumliche Trennung einer Grundeinheit des Energiespeicher- und Stromerzeugungssystems, die die Brennstoffzelle und die Elektrolysezelle enthält, und dem Speicher des Energiespeicher- und Stromerzeugungssystems, werden die Freiheitsgrade des erfindungsgemäßen Energiespeicher- und Stromerzeugungssystems erhöht. So kann ein entsprechend großer Speicher vorhanden sein, der die elektrische Stromproduktion über einen langen Zeitraum, z. B. für Tage oder Monate, sichergestellt, ohne dass erneut Brennstoff in der Elektrolyse erzeugt werden muss. Das erfindungsgemäße Energiespeicher- und Stromerzeugungssystem kann damit Pumpspeicherkraftwerke ersetzen oder ergänzen. Auch kann das erfindungsgemäße Energiespeicher- und Stromerzeugungssystem Energie über einen längeren Zeitraum speichern, als es heute üblich ist.
Durch den genügend großen Speicher wird zudem sichergestellt, dass Brennstoff jederzeit mit einem gewünschten Partialdruck zur Verfügung steht. Die Grundeinheit muss keinen Speicher aufweisen und kann daher platzsparend ausgestaltet sein. Dadurch, dass keine großen Metallmengen für die speicherfreien Elektroden nötig sind, kann das Gewicht der Elektroden reduziert werden. Die Grundeinheit kann dabei zusätzlich so konfiguriert und betrieben werden, wie es gewünschten Temperatur- und Druckverhältnissen in der Brennstoffzelle oder dem Transport von Elektronen, Ionen und Reaktanden am besten entspricht. So können die Temperatur- und Druckverhältnisse beispielsweise einer sensiblen Polymer-Elektrolyt-Membran, einer empfindlichen Katalysatorschicht oder einer elektrischen Leistungsanforderung angepasst werden, ohne darauf Rücksicht nehmen zu müssen, dass genügend Brennstoff freigesetzt wird.
Beispielsweise kann Wasserstoff als Brennstoff verwendet werden, der in molekularer Form, insbesondere unter Druck, in dem Speicher gespeichert wird. Als Speicher können Kavernen verwendet werden. Der Wasserstoff kann darin z. B. bei 80 bar gespeichert werden. Werden bereits vorhandene Erdgaskavernen als Speicher verwendet, so stehen diese kostengünstig bereits zur Verfügung.
Während die Brennstoffzelle der elektrischen Stromerzeugung dient und damit als Stromerzeugungssystem angesehen werden kann, so kann die Elektrolysezelle zusammen mit dem Speicher als Energiespeichersystem angesehen werden, da der in der Elektrolysezelle mit elektrischer Energie erzeugten Brennstoff gespeichert und bei Bedarf wieder elektrische Energie erzeugt werden kann. Es wird demnach in der Elektrolysezelle elektrische Energie in speicherbare, chemische Energie und in der Brennstoffzelle chemische Energie in elektrische Energie verwandelt. Die Elektrolyse findet üblicherweise immer dann statt, wenn ein Angebot an regenerativer und/oder kostengünstiger elektrischer Energieerzeugung den Bedarf an elektrischer Energie bei den Verbrauchern übersteigt. Die Brennstoffzelle hingegen wird dann betrieben, wenn der Bedarf an elektrischer Energie die Energieerzeugung aus regenerativer und/oder kostengünstiger Energie übersteigt. Ein Vorhalt konventioneller Kraftwerke kann somit entfallen.
Die DE 298 23 321 U1 offenbart, dass die Brennstoffzelle und die Elektrolysezelle beide Elektroden gemeinsam nutzen. Hierbei ist nachteilig, dass ein Katalysator einer Kathode der Brennstoffzelle, an dem ein Oxidationsmittel, insbesondere den Sauerstoff, reduziert wird, nicht stabil genug, um als Katalysator einer Anode der Elektrolysezelle eingesetzt zu werden und das Oxidationsmittel für die Brennstoffzelle erzeugen zu können. Ein solcher Einsatz würde zu einer hohen Alterung der Kathode der Brennstoffzelle führen. Daher ist erfindungsgemäß vorgesehen, insgesamt drei Elektroden zu verwenden. Es ist aus den oben genannten Gründen vorteilhaft, die Elektroden, an denen Sauerstoff entsteht oder umgesetzt wird, also die Kathode der Brennstoffzelle und die Anode der Elektrolysezelle, jeweils separat auszubilden, so dass die beiden Sauerstoffelektroden jeweils einen unterschiedlichen Katalysator aufweisen können. Die Elektrode, an der Wasserstoff entsteht oder umgesetzt wird, kann hingegen als gemeinsame Elektrode von der Brennstoffzelle und der Elektrolysezelle gemeinsam genutzt werden. Die gemeinsame Elektrode dient somit als Anode der Brennstoffzelle und als Kathode der Elektrolysezelle. Dies ist möglich, da diese Elektrode durch die wechselnde Benutzung als Anode oder Kathode nicht vorschnell altert. Eine getrennte Ausführung der Kathode der Brennstoffzelle und der Anode der Elektrolysezelle ermöglicht zudem einen dynamischen Betrieb des Energiespeicher- und Stromerzeugungssystems, in dem zwischen Elektrolyse und Brennstoffzellenbetrieb schnell gewechselt werden kann. Hierdurch kann ein elektrischer Puffer eingespart werden. Die Elektrolysezelle und die Brennstoffzelle können auch gleichzeitig betrieben werden.

Die Grundeinheit aus der Elektrolysezelle und der Brennstoffzelle kann aneinandergereiht aus Anode der Elektrolysezelle, Elektrolytschicht der Elektrolysezelle, gemeinsame Elektrode, Elektrolytschicht der Brennstoffzelle, Kathode der Brennstoffzelle aufgebaut werden. Die gemeinsame Elektrode weist eine erste Seite, die zur Anode der Elektrolysezelle hinzeigt, und eine zweite Seite, die zur Kathode der Brennstoffzelle hinzeigt, auf. Die Dicke der Elektrolytschichten ist bevorzugt kleiner als 100 μm. Die Elektrolytschichten können sauer oder alkalisch ausgebildet sein, wobei in Abhängigkeit davon die elektrochemischen Reaktionen gemäß der Tabelle 1 an den Elektroden der Grundeinheit stattfinden.

	Elektrolysezelle		Brennstoffzelle
Elektrolyt	Anode	gemeinsame Elektrode (Kathode)	gemeinsame Elektrode (Anode)	Kathode
sauer	2H₂O → O₂ + 4H⁺ + 4e^–	4H⁺ + 4e^– → 2H₂	2H₂ → 4H⁺ + 4e^–	O₂ + 4H⁺ + 4e^– → 2H₂O
alkalisch	4OH^– → O₂ + 2H₂O + 4e^–	4H₂O + 4e^– → 2H₂ + 4OH^–	2H₂ + 4OH^– → 4H₂O + 4e^–	O₂ + 2H₂O + 4e^– → 4OH^–

Tabelle 1

An der gemeinsamen Elektrode wird im Brennstoffzellenbetrieb Wasserstoff verbraucht, der einem Katalysator der gemeinsamen Elektrode zugeführt werden muss und bei der Elektrolyse Wasserstoff hergestellt, der von dem Katalysator abgeführt werden muss. Im Falle eines alkalischen Elektrolyten muss dem Katalysator Wasser zur Elektrolyse zugeführt werden und Wasser der gemeinsamen Elektrode im Brennstoffzellenbetrieb abgeführt werden. Um Material und Herstellungskosten zu sparen, ist es denkbar, dass Zufuhr- und Abfuhrwege in der gemeinsamen Brennstoffzelle sowohl bei der Elektrolyse als auch im Brennstoffzellenbetrieb gemeinsam nutzbar sind. Hierzu kann es vorgesehen sein, dass die gemeinsame Elektrode ein poröses Material, z. B. ein Schaum oder ein Geflecht, aufweist. Das poröse Material enthält Poren, durch die der Wasserstofftransport erfolgen kann. Ein Bereich der gemeinsamen Elektrode, der das poröse Material aufweist, wird im Folgenden als poröser Bereich bezeichnet. Durch das poröse Material kann der Wasserstoff sowohl von der ersten Seite als auch zur zweiten Seite gelangen. Hierbei können an der ersten und der zweiten Seite Katalysatoren angeordnet sein.
Vorzugsweise ist jedoch nur ein Katalysator der gemeinsamen Elektrode sowohl zur der Elektrolyse als auch zum Brennstoffzellenbetrieb nutzbar. Der gemeinsam nutzbare Katalysator kann sich in den porösen Bereichen, insbesondere auf einer gesamten Länge, Breite und Höhe der Bereiche verteilt, befinden. Hierbei kann das poröse Material, z. B. ein Nickelschaum, selber als Katalysator dienen. Alternativ ist der Katalysator auf dem porösen Material aufgetragen. Das poröse Material kann elektrisch leitend sein und damit die Ableitung des elektrischen Stroms aus der gemeinsamen Elektrode übernehmen. Zur Ionenleitung muss der gemeinsam nutzbare Katalysator in Kontakt mit einem Elektrolyt sein, wobei der Elektrolyt Ionen sowohl während der Elektrolyse als auch während des Brennstoffzellenbetriebes leitet. Der Elektrolyt muss daher ebenfalls in den porösen Bereichen, insbesondere auf der gesamten Länge, Breite und Höhe der Bereiche, vorhanden sein. Der Elektrolyt ist vorzugsweise als fester oder flüssiger Film auf dem Katalysator ausgestaltet und wird im Folgenden, um sich von den Elektrolytschichten zu unterscheiden, als Elektrolytfilm bezeichnet. Es sind also in dieser bevorzugten Ausführungsform sowohl gemeinsam nutzbare Zufuhr- und Abfuhrwege, eine gemeinsam nutzbarer Katalysator und ein gemeinsam nutzbarer Elektrolytfilm für die Brennstoff- und die Elektrolysezelle vorhanden. Um den Katalysator sowohl bei der Elektrolyse als auch beim Brennstoffzellenbetrieb vollständig nutzen zu können, ist die Dicke der gemeinsamen Elektrode bevorzugt klein, insbesondere kleiner als 50 μm.
Der Elektrolytfilm kann ein flüssiger Elektrolyt sein, der die Katalysatorschicht in der porösen gemeinsamen Elektrode benetzt. Alternativ kann ein Festkörperelektrolyt als Elektrolytfilm dienen. Beispiele für einen sauren, flüssigen Elektrolytfilm sind Schwefelsäure oder Phosphorsäure. Ein Beispiel für einen alkalischen, flüssigen Elektrolytfilm ist Kaliumhydroxid. Für einen sauren Festkörperelektrolyten kann eine perfluorierte Sulfonsäuremembran oder eine phosphorsäuredotierte Polybenzimidazol-Membran und für einen alkalischen Festkörperelektrolyten eine Anionenaustauschermembran verwendet werden. Besonders bevorzugt wird ein alkalischer, flüssiger Elektrolytfilm verwendet. Derselbe Elektrolyt wird vorzugsweise sowohl in dem Elektrolytfilm als auch in den Elektrolytschichten, die sich an die erste und an die zweite Seite anschließen, verwendet. Zwischen der gemeinsamen Elektrode und den Elektrolytschichten kann im Falle eines flüssigen Elektrolyten eine gasundurchlässige, aber ionendurchlässige Schicht, z. B. aus Nafion oder porösen PTFE, angeordnet sein.
Die Katalysatorschicht in dem porösen Material muss zum einen Kontakt zum Elektrolyt haben, zum anderen muss im Brennstoffzellebetrieb aber auch genügend Wasserstoff zur Katalysatorschicht gelangen. Um mehr Wasserstoff in die poröse Schicht zu leiten, kann es sein, dass die gemeinsame Elektrode Kanäle aufweist. Die Kanäle können in ihrer Grenzfläche zum porösen Material hin variieren. Je schlechter die Erreichbarkeit des Katalysators für den Wasserstoff im Vergleich zur ionischen Leitfähigkeit des Elektrolytfilms ist, desto größer kann die Grenzfläche ausgestaltet werden.
Die Kanäle können sich über die ganze Breite der gemeinsamen Elektrode erstrecken. Um eine Wasserstoffdiffusion in die Elektrolytschichten, die sich an die erste und zweite Seite anschließen zu vermeiden, können die Kanäle zur ersten und zweiten Seite gasdichte und elektrisch leitfähige Wände bevorzugt aus Metall aufweisen. Die Kanäle können beim Herstellungsverfahren in ihren räumlichen Ausmaßen als Salzstäbe, die am Ende des Herstellungsverfahren aufgelöst werden, nachgebildet werden. Alternativ können die Kanäle von dem porösen Material umschlossen sein. Bei der Herstellung dieser Kanäle können zwei Hälften der gemeinsamen Elektrode mit Vertiefungen verwendet werden. Hierbei ergeben sich die Kanäle, wenn die beiden Hälften aneinandergefügt werden und sich die Vertiefungen zu den von dem porösen Material umschlossenen Kanälen ergänzen. Die Kanäle sind zum porösen Material hin für den Wasserstoff durchlässig. Bei Verwendung eines flüssigen Elektrolytfilms kann ein gasdurchlässiger, aber flüssigkeitsundurchlässiger Film beispielsweise aus PTFE zwischen den Kanälen und dem porösen Material angeordnet sein.
Die Kathode der Brennstoffzelle kann aus einer elektrisch leitfähigen Platte, in der sich kanalartige Aussparungen zur Zuführung des Sauerstoffs zur Katalysatorschicht befinden, an die sich eine Gasdiffusionsschicht z. B. aus Kohlenstoff anschließt, hergestellt werden. Danach schließt sich die Katalysatorschicht an, die an die Elektrolytschicht der Brennstoffzelle grenzt. Die Abgrenzung der Elektrolytschicht zur Katalysatorschicht erfolgt durch eine Hydrophobierung der Katalysatorschicht oder durch eine separate Grenzschicht. Die Anode der Elektrolysezelle kann analog zur Kathode der Brennstoffzelle aufgebaut sein, wobei sich die in Tabelle 2 aufgeführten Materialien als Katalysatormaterial eignen. Hierbei bedeutet Pt/C oder IrPt/C, dass sich das Platin oder das IrPt auf einer Kohlenstoffträgerschicht befindet.

Elektrolyt ist ... Anode der Elektrolysezelle gemeinsame Elektrode Kathode der Brennstoffzelle

sauer IrPt/C Pt/C Pt/C

alkalisch Ni Ni Pt/C oder Ag

Tabelle 2 – mögliche Katalysatormaterialien für die Elektroden
Wird der Kathode der Brennstoffzelle Luft als Sauerstofflieferant zugeführt, so kann durch den CO₂-Gehalt der Luft, die Katalysatorschicht der Kathode der Brennstoffzelle vergiftet werden und damit nicht mehr einsatzfähig sein. Diese Gefahr besteht insbesondere bei einer Katalysatorschicht, die Nickel enthält. Um eine Vergiftung zu vermeiden, kann der Sauerstoff, der bei der Elektrolyse an der Anode der Elektrolysezelle entsteht, gespeichert werden, so dass für den Brennstoffzellenbetrieb reiner Sauerstoff zur Verfügung steht. Hierzu kann das erfindungsgemäße Energiespeicher- und Stromerzeugungssystem einen weiteren Speicher aufweisen. Auch das im Brennstoffzellenbetrieb entstehende Wasser kann gespeichert und wiederverwendet werden. Durch den Einsatz von reinem Sauerstoff anstelle von Luft kann zudem der Wirkungsgrad der Brennstoffzelle gesteigert werden.
Um die elektrische Spannung oder den elektrischen Strom beim Brennstoffzellenbetrieb oder die Wasserstoffproduktion bei der Elektrolyse zu erhöhen, kann es vorgesehen sein, dass das erfindungsgemäße Energiespeicher- und Stromerzeugungssystem mehrere Brennstoffzellen und/oder mehrere Elektrolysezellen aufweist. Insbesondere weist das Energiespeicher- und Stromerzeugungssystem gleichviel Brennstoff- und Elektrolysezellen auf. Die Grundeinheiten aus je einer Brennstoffzelle und einer Elektrolysezelle sind dabei übereinander gestapelt.
Es können die Brennstoffzellen und die Elektrolysezellen abwechselnd übereinander gestapelt werden. Die Grundeinheiten sind dabei durch eine elektrisch isolierende und gasdichte Schicht voneinander getrennt. Die Brennstoffzellen können in Reihe oder parallel miteinander verschaltet sein. Auch die Elektrolysezellen können in Reihe oder parallel miteinander verschaltet sein.
Es kann jedoch alternativ auch sein, dass die Anode der Elektrolysezelle und/oder die Kathode der Brennstoffzelle in Analogie zum Aufbau der gemeinsamen Elektrode poröses Material aufweist. Beispielsweise kann ein Metallschaum oder ein elektrisch leitendes Geflecht, z. B. eine poröse Edelstahlstruktur, verwendet werden. Eine derart ausgestaltete Kathode der Brennstoffzelle kann als Kathode zweier Brennstoffzellen dienen. Eine derart ausgestaltete Anode der Elektrolysezelle kann als Anode zweier Elektrolysezellen dienen. Hierzu sind auf einer ersten und einer gegenüberliegenden zweiten Seitenfläche der Kathode der Brennstoffzelle bzw. der Anode der Elektrolysezelle gemeinsame Elektroden angeordnet. Durch das poröse Material kann Sauerstoff den Katalysatorschichten auf beiden Seitenflächen im Fall der Brennstoffzelle zugeführt und im Fall der Elektrolysezelle abgeführt werden. Alternativ kann ein Katalysator, die in Kontakt mit einem Elektrolytfilm steht, in dem porösen Material vorhanden sein. Dadurch, dass sich in dieser Ausführungsform je zwei Brennstoffzellen eine Kathode und zwei Elektrolysezellen eine Anode teilen können, können je zwei Brennstoffzellen und zwei Elektrolysezellen abwechselnd übereinander gestapelt werden. Die Platten der Elektroden und die elektrisch isolierende und gasdichte Schicht kann hierbei vorteilhafterweise entfallen, so dass Platz eingespart wird und sich die Anzahl an Bauteilen verringert.
Bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung
Weitere die Erfindung verbessernde Maßnahmen ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung zu dem Ausführungsbeispielen der Erfindung, welche in den Figuren schematisch dargestellt ist. Sämtliche aus den Ansprüchen, der Beschreibung oder der Zeichnung hervorgehenden Merkmale und/oder Vorteile, einschließlich konstruktiver Einzelheiten, räumliche Anordnung und Verfahrensschritte, können sowohl für sich als auch in den verschiedensten Kombinationen erfindungswesentlich sein. Es zeigen:
1 schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Energiespeicher- und Stromerzeugungssystem,
2A–E ein Schnitt durch verschiedene Ausführungsbeispiele einer gemeinsame Elektrode einer Grundeinheit aus 1, und
3A–C verschieden erfindungsgemäße Stapel aus Grundeinheiten.
Elemente mit gleicher Funktion und Wirkungsweise sind in den 1 bis 3 mit denselben Bezugszeichen versehen.
In 1 ist ein erfindungsgemäßes Energiespeicher- und Stromerzeugungssystem 10 mit einer exemplarischen Grundeinheit 20 aus einer Elektrolysezelle 30 und einer Brennstoffzelle 40 schematisch dargestellt. Die Elektrolysezelle 30 weist eine Anode 31, eine Elektrolytschicht 32 und eine Kathode auf, die als eine gemeinsame Elektrode 21 ausgeführt und ebenfalls der Brennstoffzelle 40 zuzuordnen ist. Die gemeinsame Elektrode 21 dient der Brennstoffzelle 40 als Anode, an die sich in der Brennstoffzelle 40 eine Elektrolytschicht 42 und eine Kathode 41 anschließt. In 1 sind die Elektrolytschichten sauer und fest als perfluorierte Sulfonsäuremembran ausgeführt. Ist in einem Augenblick mehr elektrische Energie kostengünstig oder regenerativ produzierbar als Verbraucher abnehmen, so wird eine elektrische Spannung an die Elektrolysezelle angelegt und Wasser aus einem Wassertank 11 der Anode 31 der Elektrolysezelle 30 zugeführt. Wie in der Tabelle 1 angeführt, entsteht während der Elektrolyse an der gemeinsamen Elektrode 21 Wasserstoff, der über eine Wasserstoffleitung 12 in einen ersten Speicher 13 gelangt. Hierbei wird der Wasserstoff durch einen ersten Verdichter 14 auf 80 bar verdichtet. An der Anode 31 der Elektrolysezelle 30 entsteht Sauerstoff. Der Sauerstoff wird in einem zweiten Verdichter 16 verdichtet und in einem zweiten Speicher 17 gespeichert. 1 ist in den Größenverhältnissen stark verzerrt dargestellt. Durch die erfindungsgemäße Trennung von gemeinsamer Elektrode 21 und Speicher 13, kann die Grundeinheit 20 sehr klein ausgestaltet sein. Die Elektrolytschichten 32, 42 können eine Dicke kleiner als 100 μm und die gemeinsame Elektrode 21 eine Dicke kleiner als 50 μm aufweisen. Hingegen kann es sich bei den Speichern 13, 17 um Kavernen handeln, die mehrere Millionen Kubikmeter umfassen können.
Liegt der elektrische Energiebedarf über der regenerativ oder kostengünstig erzeugbaren elektrischen Energie, so wird der Betrieb der Brennstoffzelle 40 aufgenommen. Hierzu wird ein erstes Ventil 18 geöffnet und der gemeinsamen Elektrode 21 aus dem ersten Speicher 13 Wasserstoff zugeführt. Ebenfalls wird ein zweites Ventil 19 geöffnet und der Kathode 41 der Brennstoffzelle Sauerstoff aus dem zweiten Speicher 17 zugeführt. Im Brennstoffzellenbetrieb produziert die Brennstoffzelle 40 elektrische Leistung, die von einem nicht dargestellten Verbraucher abgenommen wird, und Wasser. Das an der Kathode 41 der Brennstoffzelle 40 produzierte Wasser wird in dem Wassertank 11 gespeichert. Der nicht verbrauchte Wasserstoff kann über eine Rezirkulationsleitung 16 durch einen dritten Verdichter 47 der gemeinsamen Elektrode 21 wieder zugeführt werden.
Die Anode 31 der Elektrolysezelle 30 weist eine Platte 33 auf, in der sich mindestens eine Aussparung 34 zur Zuführung des Wassers und zur Abführung von Sauerstoff befindet. An die Platte 33 schließt sich eine Katalysatorschicht 35 an, an die die Elektrolytschicht 32 grenzt. Analog weist eine Platte 43 der Kathode 41 der Brennstoffzelle 40 mindestens eine Aussparung 44 auf. An die Platte 43 schließt sich eine Katalysatorschicht 45 an, an die die Elektrolytschicht 42 grenzt.
Die gemeinsame Elektrode 21 weist mindestens einen Bereich 23 aus porösem Material aus einer aufgeschäumter Kohlenstoffpaste auf. Die Kohlenstoffpaste ist mit Platin als Katalysator und mit einer perfluorierten Sulfonsäuremembran als Elektrolytfilm beschichtet. Um die Permeabilität des Wasserstoffs durch den Elektrolytfilm zu erhöhen, können Kanäle 22 in der gemeinsamen Elektrode 21 vorgesehen sein. In 2A–E sind fünf Ausführungsbeispiele für die gemeinsame Elektrode 21 dargestellt. Hierbei ist ein Schnitt entlang der Linie A-A aus 1 gelegt. In 2A ist kein Kanal 22 vorhanden. In 2B–E sind Kanäle 22 in der gemeinsamen Elektrode 21 angeordnet. In 2B–D erstrecken sich die Kanäle 22 über die ganze Breite b der gemeinsamen Elektrode 21. Im Brennstoffzellenbetrieb wird der Wasserstoff von dem ersten Speicher 13 kommend durch die Kanäle 22 gemäß den in 2B dargestellten Pfeilen 24 geleitet. Von dort dringt der Wasserstoff gemäß den in 2B dargestellten Pfeilen 25 durch eine Grenzfläche 26, in die poröse Bereiche 23 ein und permeiert durch den Elektrolytfilm zum Katalysator. Damit der Wasserstoff in der gemeinsamen Elektrode 21 verbleibt und nicht in die Elektrolytschichten 32, 42 dringt, weisen die Kanäle 22 gasundurchlässige Wände 27 aus Metall auf, die die Kanäle 22 zu den Elektrolytschichten 32, 42 abgrenzen. Die Breite b der gemeinsamen Elektrode 21 und eine Breite b' der Kanäle 22 nimmt von 2B zu 2D zu. Durch die Zunahme der Breiten b, b' steigt die Grenzfläche 26, durch die Wasserstoff in die poröse Bereiche 23 diffundieren kann. Hierdurch wird der Katalysator zunehmend gut mit Wasserstoff versorgt. Die gemeinsame Elektrode 21 aus 2A wird in dem Fall eingesetzt, dass die Versorgung des Katalysators mit Wasserstoff auch ohne Kanäle 22 ausreicht. In 2B bis 2D würde ohne Kanäle 22 zu wenig Wasserstoff durch den Elektrolytfilm permeieren. Von 2B zu 2D steigt die Menge an Wasserstoff, die diesen von 2B zu 2D ansonsten steigenden Mangel behebt. In 2D würde ohne Kanäle 22 besonders wenig Wasserstoff durch den Elektrolyten permeieren.
Um die gemeinsame Elektrode 21 aus 2B–D herzustellen, können die Kanäle 22 in ihren räumlichen Ausmaßen als Salzstab nachgebildet werden. Danach wird eine C-Paste zwischen den Salzstäben aufgeschäumt, das sich ergebende poröse Material mit Platin als Katalysator und mit dem Festkörperelektrolyten beschichtet und die Salzstäbe von außen mit einem Metall als Wände 27 umgeben. Anschließend wird das Salz aufgelöst und damit die Kanäle 22 erzeugt.
In 2E ist ein Schnitt durch eine weitere Alternative einer gemeinsamen Elektrode 21 dargestellt, in der sich die Kanäle 22 nur im Inneren des porösen Bereiches 23 befinden. Zur Verbesserung der elektrischen Leitfähigkeit sind metallische Leiter 5 vorgesehen. Die gemeinsame Elektrode 21 aus 2E kann durch das Zusammenfügen zweier Hälften 21.1, 21.2 gefertigt werden. Die Hälften 21.1, 21.2 weisen Kohlenstoffschaum auf, der mit einem Platinkatalysator und dem Festkörperelektrolyten beschichtet ist. Vertiefungen 22.1, 22.2 sind in den beiden Hälften 21.1, 21.2 vorgesehen, die beim Zusammenfügen die Kanäle 22 ergeben. Die Grenzfläche 26 kann entsprechend der gewünschten Wasserstoffpermeation in ihrer Größe angepasst werden.
Wird anstelle des Festkörperelektrolyten ein flüssiger Elektrolyt verwendet, so weisen die Grenzflächen 26 in 2B–D einen gasdurchlässigen, aber flüssigkeitsundurchlässigen Film auf. Die Grenze 28 zwischen den porösen Bereiche 23 und den angrenzenden Elektrolytschichten 32, 42 wird in diesem Fall eine gasundurchlässige, aber ionendurchlässige Schicht z. B. im Siebdruck beschichtet, um eine Diffusion des Wasserstoffs in die Elektrolytschichten 32, 42 zu verhindern, eine Ionenleitung hingegen zu ermöglichen. Eine Beschichtung des porösen Materials mit dem Festkörperelektrolyt entfällt.
In 3A bis 3C sind verschiedene Ausführungsbeispiele von Stapeln 50 aus Grundeinheiten 20 dargestellt. In 3A und 3B ist jeweils derselbe Stapel 50 dargestellt. Die Anode 31 der Elektrolysezelle 30 und die Kathode 41 der Brennstoffzelle 40 aus 1 sind dabei schematisch als eine Einheit zusammengefasst worden. Die Grundeinheiten 20 werden in 3A und 3B jeweils in derselben Richtung übereinander gestapelt und durch eine elektrisch isolierende Schicht 51 getrennt. Es ergibt sich somit eine Stapelfolge, in der sich jeweils eine Elektrolysezelle 30 und Brennstoffzelle 40 abwechseln. Die Elektroden 21, 31 der Elektrolysezelle 30 sind in 3A elektrisch parallel zu einer elektrischen Spannungsquelle 52 geschaltet, wobei die Spannung der Spannungsquelle 52 durch Schließen eines Schalters 53 an die Elektrolysezellen 30 angelegt werden kann. Ebenfalls sind die Brennstoffzellen 40 elektrisch parallel zueinander geschaltet. Durch einen Schalter 54 können die Brennstoffzelle 40 an einen Verbraucher 55 angeschlossen werden. 3B unterscheidet sich von 3A nur darin, dass die Elektrolysezellen 30 zueinander in Reihe geschaltet und auch die Brennstoffzellen 40 zueinander in Reihe geschaltet sind.
In 3C sind die Anode 31 der Elektrolysezelle 30 als auch die Kathode 41 der Brennstoffzelle 40 aus porösem Kohlenstoffschaum mit einem Metall Katalysator gebildet, indem sich auch ein Elektrolytfilm befinden. Hierdurch können Anode 31 der Elektrolysezelle 30 bzw. die Kathode 41 der Brennstoffzelle 40 mit zwei gemeinsamen Elektroden 21, die rechts und links von ihr angeordnet sind, zwei Elektrolysezellen 30 bzw. zwei Brennstoffzelle 40 bilden. Die derart ausgebildete Anode 31 der Elektrolysezelle 30 gehört demnach jeweils zwei Elektrolysezellen 30 an. Die derart ausgebildete Kathode 41 der Brennstoffzelle 40 gehört jeweils zwei Brennstoffzellen 40 an. Ein Stapel 56 mit derart ausgebildeten Anoden 31 der Elektrolysezellen 30 und Kathoden 41 der Brennstoffzellen 40 weist eine Stapelfolge auf, in der bis auf die Enden des Stapels 56 abwechselnd zwei Elektrolysezellen 30 und zwei Brennstoffzellen 40 abwechselnd übereinander gestapelt sind. In einem solchen Stapel 56 wechseln sich jeweils eine Grundeinheit 20 ab, in der die Elektrolysezelle 30 links von der Brennstoffzelle 40 angeordnet ist, mit einer Grundeinheit 20, in der die Elektrolysezelle 30 links von der Brennstoffzelle 40 angeordnet ist. In 3C ist derselbe Stapel 56 zweimal dargestellt, wobei in der oberen Darstellung die Stapelfolge genauer erläutert wird, während in der unteren Darstellung die elektrische Verschaltung des Stapels 56 dargestellt ist. Hierbei sind sowohl die Elektrolysezellen 30 als auch die Brennstoffzellen 40 jeweils elektrisch parallel untereinander verschaltet.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2005/008824 [0003]
DE 29823321 U1 [0010]

Claims

Energiespeicher- und Stromerzeugungssystem (10) mit mindestens einer Brennstoffzelle (40), in der ein Oxidationsmittel und ein speicherbarer Brennstoff elektrochemisch umsetzbar und dabei elektrischer Strom erzeugbar ist, und mit mindestens einer Elektrolysezelle (30), die zur Erzeugung des speicherbaren Brennstoffes für die Brennstoffzelle (40) dient, wobei sich die Brennstoffzelle (40) und die Elektrolysezelle (30) eine gemeinsame Elektrode (21) teilen, die Brennstoffzelle (40) und die Elektrolysezelle (30) jeweils eine weitere Elektrode (31, 41) jeweils nur für sich nutzen, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennstoff außerhalb der Brennstoffzelle (40) und außerhalb der Elektrolysezelle (30) in einem Speicher (13) speicherbar ist.
Energiespeicher- und Stromerzeugungssystem (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die gemeinsame Elektrode (21) als Anode der Brennstoffzelle (40) und als Kathode der Elektrolysezelle (30) dient, so dass der Brennstoff in der Elektrolysezelle (30) an der gemeinsamen Elektrode (21) bildbar und in der Brennstoffzelle (40) an der gemeinsamen Elektrode (21) umsetzbar ist.
Energiespeicher- und Stromerzeugungssystem (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die gemeinsame Elektrode (21) ein poröses Material aufweist.
Energiespeicher- und Stromerzeugungssystem (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Bereich (23) der gemeinsamen Elektrode (21) aus dem porösem Material einen Katalysator, an den ein Elektrolytfilm angrenzt, aufweist, wobei der Katalysator und der Elektrolytfilm sowohl für die Brennstofferzeugung als auch für die elektrische Stromerzeugung nutzbar sind.
Energiespeicher- und Stromerzeugungssystem (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die gemeinsame Elektrode (21) Kanäle (22) aufweist, die bevorzugt nur zum porösen Bereich (23) hin für den Brennstoff durchlässig sind.
Energiespeicher- und Stromerzeugungssystem (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektrolytfilm sauer oder alkalisch ausgeführt ist und als flüssiger oder als Festkörperelektrolyt ausgebildet ist.
Energiespeicher- und Stromerzeugungssystem (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennstoff Wasserstoff ist, der in molekularer Form, insbesondere unter Druck, speicherbar ist.
Energiespeicher- und Stromerzeugungssystem (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das in der Brennstoffzelle (40) benötigte Oxidationsmittel bei Betrieb der Elektrolysezelle (30) in der Elektrolysezelle (30) erzeugbar ist, in einem weiteren Speicher (17) speicherbar ist und bei Betrieb der Brennstoffzelle (40) der Brennstoffzelle (40) zuführbar ist.
Energiespeicher- und Stromerzeugungssystem (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Brennstoffzellen (40) und genauso viele Elektrolysezellen (30) übereinander gestapelt sind, wobei insbesondere die Brennstoffzellen (40) und die Elektrolysezellen (30) elektrisch in Reihe oder parallel geschaltet sind.
Energiespeicher- und Stromerzeugungssystem (10) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils zwei Brennstoffzellen (40) und zwei Elektrolysezellen (30) abwechselnd übereinander gestapelt sind.