DE102011054317A1

DE102011054317A1 - Electrolyzer unit and energy converter

Info

Publication number: DE102011054317A1
Application number: DE102011054317A
Authority: DE
Inventors: wird später genannt werden Erfinder
Original assignee: Inmares AG
Current assignee: Inmares AG
Priority date: 2011-09-21
Filing date: 2011-10-07
Publication date: 2013-03-21
Also published as: WO2013041630A1

Abstract

Offenbart sind eine Elektrolyseureinheit und ein Energiewandler mit einer derartigen Elektrolyseureinheit. Diese hat einen Elektrolyseur, der eine bauliche Einheit mit einem Speicher bildet.Disclosed are an electrolyzer unit and an energy converter with such an electrolyzer unit. This has an electrolyzer, which forms a structural unit with a memory.

Description

Die Erfindung betrifft eine Elektrolyseureinheit gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 und einen mit einer derartigen Elektrolyseureinheit ausgeführten Energiewandler. The invention relates to an electrolyzer unit according to the preamble of claim 1 and an executed with such an electrolyzer energy converter.

Insbesondere nach dem Ausstieg bedeutender Industrieländer aus der Atomenergietechnik und mit der zunehmenden Verbreitung von Elektrofahrzeugen und der in Zukunft zu erwartenden deutlichen Verknappung von Erdöl besteht das Bestreben, erneuerbare Energien als Energiequelle zu nutzen. So sind in jüngster Zeit erhebliche Fortschritte auf den Gebieten der Windkraftanlagen, der Solartechnik, der Nutzung von Wellenenergie, etc. zu verzeichnen. Ein Nachteil elektrischer Antriebstechnik für Fahrzeuge sind die mit erheblichen Kapazitäten ausgeführten Batterien/Akkumulatoren, die den Fahrzeugpreis und das Fahrzeuggewicht ganz wesentlich bestimmen. In particular, following the withdrawal of major industrialized countries from nuclear energy technology and the increasing use of electric vehicles and the expected significant shortage of oil in the future, there is an endeavor to use renewable energies as an energy source. Significant progress has recently been made in the fields of wind turbines, solar technology, the use of wave energy, etc. A disadvantage of electric drive technology for vehicles are the batteries / accumulators, which are designed with considerable capacities and which determine the vehicle price and the vehicle weight very substantially.

Bereits seit einigen Jahren gibt es Bestrebungen, so genannte Brennstoffzellen zur Energiewandlung zu nutzen und dann einen Elektromotor anzutreiben. Andere Lösungen sehen vor, in einem Verbrennungsmotor Wasserstoff als „Kraftstoff“ einzusetzen. Diese Bestrebungen sind jedoch mit der Entwicklung der oben genannten Elektrofahrzeuge mit klassischem Akkumulator und rein elektrischer Antriebstechnik etwas in Vergessenheit geraten. Efforts have been made for some years now to use so-called fuel cells for energy conversion and then to power an electric motor. Other solutions envisage using hydrogen as "fuel" in an internal combustion engine. However, these efforts have been somewhat forgotten with the development of the above-mentioned electric vehicles with classic accumulator and purely electric drive technology.

Ein Problem bei dem Einsatz erneuerbarer Energie zur Stromversorgung ist, dass die jeweils genutzten Naturkräfte wie Sonne, Wind, Wasser zeitlich nicht konstant verfügbar sind, so dass es vorkommen kann, dass einerseits zu viel Energie bereit steht oder aber in Spitzenlastzeiten zu wenig Energie zur Verfügung steht. A problem with the use of renewable energy for power supply is that the natural forces used in each case such as sun, wind, water are not constantly available in time, so it may happen that on the one hand too much energy is available or too low energy at peak load times available stands.

Es werden daher große Anstrengungen unternommen, Energiewandler zu schaffen, mit denen die verfügbare Energie gespeichert und dann bei Bedarf abgerufen werden kann. Derartige Energiewandler können stationär oder mobil eingesetzt werden. Therefore, great efforts are being made to create energy converters that can store available energy and then retrieve it when needed. Such energy converters can be used stationary or mobile.

In der DE 10 2009 048 455 A1 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Speicherung elektrischer Energie erläutert, bei denen eine Elektrolyseureinheit verwendet wird, um Wasser in Sauerstoff und Wasserstoff aufzuspalten. Der Wasserstoff wird dann in einen Speicherbehälter geleitet und bei Bedarf einer Brennstoffzelle zur Erzeugung elektrischer Energie zugeführt. In the DE 10 2009 048 455 A1 For example, a method and apparatus for storing electrical energy using an electrolyzer unit to split water into oxygen and hydrogen are discussed. The hydrogen is then passed into a storage tank and, if necessary, supplied to a fuel cell for generating electrical energy.

Unter www.solarserver.de wird eine so genannte „Energiezelle“ beschrieben, bei der die Elektrolyseureinheit mittels einer Photovoltaik-Anlage betrieben wird. Wie erläutert, spaltet die Elektrolyseureinheit Wasser in Sauerstoff und Wasserstoff auf, wobei der Wasserstoff in einem Zwischenspeicher gespeichert wird und der Sauerstoff wieder an die Umgebung abgegeben wird. Wenn keine Sonnenenergie zur Verfügung steht, wird der Wasserstoff mit Sauerstoff aus der Umgebung oder mit dem zuvor mit der Elektrolyseureinheit gewonnenen Sauerstoff in einer Brennstoffzelle zusammengeführt, wobei Wasserstoff und Sauerstoff elektrolytsichen zu Wasser umgesetzt werden und die an den Elektroden anliegende elektrische Spannung abgegriffen. Diese Gleichspannung wird dann von einem Wechselrichter in gebrauchsfähigen Wechselstrom umgewandelt. Das in der Brennstoffzelle anfallende Wasser kann der Elektrolyseureinheit erneut zugeführt werden. Under www.solarserver.de a so-called "energy cell" is described, in which the electrolysis unit is operated by means of a photovoltaic system. As explained, the electrolysis unit splits water into oxygen and hydrogen, wherein the hydrogen is stored in a buffer and the oxygen is released back into the environment. If no solar energy is available, the hydrogen is combined with oxygen from the environment or with the previously obtained with the electrolyzer oxygen in a fuel cell, wherein hydrogen and oxygen are electrolytesichen converted to water and tapped off the voltage applied to the electrodes. This DC voltage is then converted by an inverter into serviceable AC. The resulting in the fuel cell water can be supplied to the electrolysis unit again.

Nachteil der vorbeschriebenen Lösungen ist ein relativ komplexer Aufbau, da zur Pufferung des Wasserstoffs eigene Speicher vorgesehen sein müssen. Disadvantage of the above-described solutions is a relatively complex structure, since its own memory must be provided for buffering the hydrogen.

Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Elektrolyseureinheit und einen Energiewandler mit einer derartigen Elektrolyseureinheit zu schaffen, bei denen der vorrichtungstechnische Aufwand verringert ist. In contrast, the invention has for its object to provide an electrolyzer and an energy converter with such an electrolysis unit, in which the device complexity is reduced.

Diese Aufgabe wird durch eine Elektrolyseureinheit mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 und einen Energiewandler mit den Merkmalen des nebengeordneten Patentanspruches 6 gelöst. This object is achieved by an electrolyzer with the features of claim 1 and an energy converter with the features of the independent claim 6.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche. Advantageous developments of the invention are the subject of the dependent claims.

Die erfindungsgemäße Elektrolyseureinheit zum Zerlegen von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff hat einen Speicher, der eine funktionale Baueinheit mit dem Elektrolyseur selber ausbildet. The electrolyzer unit according to the invention for decomposing water into hydrogen and oxygen has a reservoir which forms a functional unit with the electrolyzer itself.

Diese Lösung wendet sich ab von herkömmlichen Konstruktionen, bei denen Elektrolyseur und Speicher als getrennte Baueinheiten ausgeführt waren und einen dementsprechenden Platzbedarf hatten. This solution turns away from conventional constructions in which the electrolyzer and storage were designed as separate units and had a corresponding space requirement.

Durch die Integration des Elektrolyseurs in den Speicher oder des Speichers in den Elektrolyseur wird eine sehr kompakte Einheit gebildet, bei der die Leitungsführung zur Überleitung des Wasserstoffs und des Sauerstoffs in den Speicher deutlich einfacher als bei den herkömmlichen Lösungen gehalten werden kann. Es ist bekannt, dass bei derartigen Elektrolyseureinheiten erhebliche Drücke auftreten können, so dass der Speicher vorzugsweise als Druckbehälter ausgeführt ist, in dem die Elektrolyseureinheit ganz oder zumindest abschnittsweise integriert ist. Der Druckbehälter wird auf einen vergleichsweise hohen Druck, beispielsweise im Bereich von 400 bis 700 bar ausgelegt. The integration of the electrolyzer in the memory or the memory in the electrolyzer a very compact unit is formed in which the wiring for the transfer of hydrogen and oxygen into the memory can be kept much simpler than in the conventional solutions. It is known that in such electrolyzer units considerable pressures may occur, so that the memory is preferably designed as a pressure vessel in which the electrolyzer unit is fully or at least partially integrated. The pressure vessel is designed for a comparatively high pressure, for example in the range of 400 to 700 bar.

Bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung hat der Speicher zwei getrennt von einander ausgebildete Speicherabschnitte, in denen Wasserstoff bzw. Sauerstoff gespeichert ist. Der jeweilige Speicherabschnitt ist über einen Gasströmungspfad mit dem entsprechenden Auslass des Elektrolyseurs verbunden. In one embodiment of the invention, the memory has two separate storage sections in which hydrogen or oxygen is stored. The respective storage section is connected via a gas flow path to the corresponding outlet of the electrolyzer.

Erfindungsgemäß wird es bevorzugt, wenn die Elektrolyseureinheit als galvanische Elektrolyseureinheit ausgeführt ist. Derartige Elektrolyseureinheiten zeichnen sich durch einen hohen Wirkungsgrad aus, der über 80% liegt. According to the invention, it is preferred if the electrolysis unit is designed as a galvanic electrolysis unit. Such Elektrolyseureinheiten are characterized by a high efficiency, which is over 80%.

Um die Kosten gering zu halten, werden die Elektroden aus einfach verfügbaren Materialien, beispielsweise aus Edelstahl ausgeführt. Um die abgreifbare Spannung zu erhöhen, werden mehrere Elektroden zu einer Packung parallel geschichtet, wobei zwischen den einzelnen Elektroden geeignete Kunststoffdichtungen ausgeführt sind. To keep costs down, the electrodes are made from readily available materials such as stainless steel. In order to increase the tapped voltage, a plurality of electrodes are laminated into a package in parallel, wherein between the individual electrodes suitable plastic seals are made.

Der erfindungsgemäße Energiewandler ist mit einer erfindungsgemäßen Elektrolyseureinheit ausgeführt und hat eine Energiequelle, über die die Elektrolyseureinheit betrieben wird. Der Energiewandler hat des Weiteren eine Zelle zum Erzeugen elektrischer, thermischer und/oder mechanischer Energie aus dem in der Elektrolyseureinheit generierten Wasserstoff und Sauerstoff. The energy converter according to the invention is designed with an electrolyzer unit according to the invention and has an energy source via which the electrolyzer unit is operated. The energy converter further has a cell for generating electrical, thermal and / or mechanical energy from the hydrogen and oxygen generated in the electrolyzer unit.

Diese Zelle ist kann als Brennstoffzelle ausgeführt sein und kann dazu verwendet werden, um einen Energiespitzenspeicher, beispielsweise einen Supercop oder einen Akkumulator mit elektrischen Antrieb aufzuladen. This cell may be implemented as a fuel cell and may be used to charge an energy peak storage, for example a supercope or accumulator with electric drive.

Bei einer alternativen Lösung ist die Zelle als Brenner ausgeführt, in dem die Mischung aus Wasserstoff und Sauerstoff (Knallgas) verbrannt wird. In an alternative solution, the cell is designed as a burner in which the mixture of hydrogen and oxygen (oxyhydrogen) is burned.

Ein derartiger Brenner kann mit einem Wärmetauscher ausgeführt werden, um ein Wärmeträgermedium zu erwärmen. Such a burner can be designed with a heat exchanger to heat a heat transfer medium.

Über einen derartigen Wärmetauscher kann auch die in der Brennstoffzelle frei werdende thermische Energie zum Erwärmen eines anderen Mediums benutzt werden. By means of such a heat exchanger, the thermal energy released in the fuel cell can also be used to heat another medium.

Da in der Brennstoffzelle Wasser als Reaktionsprodukt anfällt, kann dieses wieder in die Elektrolyseureinheit zurückgeführt werden. Since water is obtained as the reaction product in the fuel cell, this can be recycled back into the electrolysis unit.

Die Energiequelle kann beispielsweise mit Sonnenenergie, mit Windenergie, mit Wasserenergie oder mit kinetischer Energie eines Nutzgerätes, beispielsweise eines Aufzugs, eines Autos oder dergleichen im Rekuperationsbetrieb betrieben sein. The energy source can be operated, for example, with solar energy, with wind energy, with water energy or with kinetic energy of a utility device, for example an elevator, a car or the like in recuperation operation.

Der erfindungsgemäße Energiewandler kann einen Akkumulator eines Elektromotors oder einen Elektromotor selbst mit Energie versorgen. The energy converter according to the invention can itself supply energy to an accumulator of an electric motor or an electric motor.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand schematischer Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen: Preferred embodiments of the invention are explained in more detail below with reference to schematic drawings. Show it:

1 ein Ausführungsbeispiel eines Energiewandlers, wie er beispielsweise bei einer mobilen Anwendung verwendet werden kann und 1 an embodiment of an energy converter, as it can be used for example in a mobile application and

2 ein Schaltschema eines Energiewandlers für eine stationäre Anwendung. 2 a schematic diagram of an energy converter for a stationary application.

1 zeigt ein Blockschaltbild eines ersten Ausführungsbeispiels eines Energiewandlers 1, der beispielsweise zum Laden eines Akkus eines Elektromobils oder aber auch als Energiequelle zur Stromversorgung eines sonstigen stationären oder mobilen Verbrauchers verwendet werden kann. Der Energiewandler 1 hat eine erfindungsgemäße Elektrolyseureinheit 2, über den Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff (H₂O₂) zerlegt wird. Die Elektrolyseureinheit besteht im Prinzip aus einer baulichen Einheit mit einem Elektrolyseur 4 und einem Speicher 6. Dieser steht in Gasverbindung mit einer Brennstoffzelle 8, an der bei einer chemischen Reaktion des vom Elektrolyseur 4 erzeugten Wasserstoffs und Sauerstoff, der entweder aus dem Speicher 6 oder aber aus der Umgebung entnommen werden kann eine Gleichspannung U abgegriffen werden kann. Wie eingangs erläutert, kann diese Gleichspannung über einen Wechselrichter in Wechselspannung umgewandelt werden. Die in der Brennstoffzelle 8 anfallende Reaktionsenthalpie wird über einen Wärmetauscher 10 genutzt, um ein Wärmeübertragungsmedium 12 oder ein sonstiges Medium zu erwärmen. Wie im Folgenden noch näher erläutert wird, entsteht in der Brennstoffzelle 8 Wasser als Reaktionsprodukt. Dieses erwärmte Wasser kann beispielsweise im Wärmetauscher 10 abgekühlt werden, um das Wärmeübertragungsmedium 12 zu erwärmen. Das abgekühlte Wasser wird dann über einen Rücklauf 13 zurück zum Elektrolyseur geführt. 1 shows a block diagram of a first embodiment of an energy converter 1 , which can be used, for example, to charge a battery of a scooter or as an energy source for powering another stationary or mobile consumer. The energy converter 1 has an electrolysis unit according to the invention 2 , through which water is decomposed into hydrogen and oxygen (H ₂ O ₂ ). The electrolyzer unit consists in principle of a structural unit with an electrolyzer 4 and a memory 6 , This is in gas communication with a fuel cell 8th , at a chemical reaction of the electrolyzer 4 generated hydrogen and oxygen, either from the store 6 or can be taken from the environment, a DC voltage U can be tapped. As explained above, this DC voltage can be converted via an inverter into AC voltage. The in the fuel cell 8th resulting reaction enthalpy is via a heat exchanger 10 used a heat transfer medium 12 or to heat another medium. As will be explained in more detail below, arises in the fuel cell 8th Water as a reaction product. This heated water, for example, in the heat exchanger 10 are cooled to the heat transfer medium 12 to warm up. The cooled water is then returned via a return 13 led back to the electrolyzer.

Der Elektrolyseur 4 ist ein alkalischer Elektrolyseur, wobei als Elektrolyt beispielsweise Kalilauge (KOH) verwendet wird. Bei einem Ausführungsbeispiel sind die Elektroden in sehr einfacher und kostengünstiger Weise aus Edelstahl hergestellt. Selbstverständlich können auch andere geeignete Elektroden aus hochwertigeren Materialien verwendet werden. The electrolyzer 4 is an alkaline electrolyzer, using, for example, potassium hydroxide (KOH) as the electrolyte. In one embodiment, the electrodes are made of stainless steel in a very simple and inexpensive manner. Of course, other suitable electrodes of higher quality materials may be used.

Wie in 1 schematisch dargestellt, sind die Elektroden 14 stapelförmig angeordnet und werden über geeignete Ringdichtungen, beispielsweise aus Viton beabstandet. Der Elektrolyt befindet sich zwischen jeweils zwei benachbarten Elektroden. Diese sind parallel geschaltet und werden über eine Spannungsquelle mit einer Arbeitsspannung U_A beaufschlagt. Die Stromversorgung kann beispielsweise über Photovoltaikelemente 16 erfolgen. Die Elektroden 14 sind parallel geschaltet, wobei die Leistung des Elektrolyseurs 4, d.h. die erzeugbare Gasmenge durch die Anzahl der Elektroden und/oder die elektrische Leistung der Stromversorgung bestimmt ist. Bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel wird Sonne als Energiequelle benutzt. Alternativ können selbstverständlich auch andere regenerierbare Energien, beispielsweise Windkraft oder Wasserkraft verwendet werden. Prinzipiell vorstellbar ist es auch, die beim Abbremsen von kinetischer Energie frei werdende Energie (Rekuperation) zu verwenden, um den Elektrolyseur 4 zu betreiben. Eine derartige Rekuperation ist beispielsweise beim Bremsen eines Fahrzeugs oder beim Absenken einer Last, bspw. eines Aufzugs denkbar.As in 1 schematically illustrated are the electrodes 14 arranged in a stack and are spaced by suitable ring seals, such as Viton. The electrolyte is located between each two adjacent electrodes. These are connected in parallel and are acted upon via a voltage source with a working voltage U _A. The power supply can, for example, via photovoltaic elements 16 respectively. The electrodes 14 are connected in parallel, the power of the electrolyzer 4 , That is, the amount of gas generated by the number of electrodes and / or the electrical power of the power supply is determined. In the described embodiment, sun is used as the energy source. Alternatively, of course, other regenerable energies, such as wind power or water power can be used. In principle, it is also conceivable to use the energy released during braking of kinetic energy (recuperation), around the electrolyzer 4 to operate. Such a recuperation is conceivable, for example, when braking a vehicle or when lowering a load, for example an elevator.

Der Elektrodenstapel ist zwischen zwei Gehäuseplatten 18, 20 eingespannt. Der Elektrolyseur hat einen Zulauf 22, an den die Rücklaufleitung 13 angeschlossen ist. Über diesen Zulauf 22 strömt somit das als Reaktionsprodukt in der Brennstoffzelle 8 entstehende Wasser zurück zum Elektrolyseur 4. Dieser hat des Weiteren zwei Gasausgänge 24, 26, wobei der Gasausgang 24 an den Bereich des Elektrolyseurs angebunden ist, in dem Wasserstoff entsteht. Der andere Gasausgang 26 steht in Verbindung mit dem Bereich, in dem der Sauerstoff anfällt. The electrode stack is between two housing plates 18 . 20 clamped. The electrolyzer has an inlet 22 to which the return line 13 connected. About this inlet 22 thus flows as a reaction product in the fuel cell 8th resulting water back to the electrolyzer 4 , This also has two gas outlets 24 . 26 , where the gas outlet 24 connected to the area of the electrolyzer in which hydrogen is produced. The other gas outlet 26 is related to the area where the oxygen is produced.

Der Gasausgang 24 ist mit einem Wasserstoffspeicher 28 und der Gasausgang 26 mit einem Sauerstoffspeicher 30 verbunden, die in den Speicher 6 integriert sind und beispielsweise durch eine Speicherwandung 32 von einander getrennt sind. Wie 1 entnehmbar ist, ist der Elektrolyseur 4 in eine Behälterwandung 34 des Speichers eingesetzt und von dieser zumindest abschnittsweise umgriffen. Prinzipiell könnte der Elektrolyseur 4 auch einen Teil der Behälterwandung 34 ausbilden. Diese Behälterwandung 34 ist als Druckbehälter ausgeführt, so dass er relativ hohen Gasdrücken bis zu 700 bar standhält. In dieser Behälterwandung 34 sind die vorgenannten elektrischen Anschlüsse zum Betreiben des Elektrolyseurs 4, der Zulauf 22, ein Wasserstoffanschluss 36 und ein Sauerstoffanschluss 38 ausgebildet. Der Wasserstoffanschluss 36 ist an eine Wasserstoffleitung 40 angeschlossen. In entsprechender Weise ist der Sauerstoffanschluss 38 an eine Sauerstoffleitung 42 angeschlossen. The gas outlet 24 is with a hydrogen storage 28 and the gas outlet 26 with an oxygen storage 30 connected to the memory 6 are integrated and, for example, by a storage wall 32 are separated from each other. As 1 is removable, is the electrolyzer 4 in a container wall 34 the memory used and embraced by this at least partially. In principle, the electrolyzer 4 also a part of the container wall 34 form. This container wall 34 is designed as a pressure vessel, so that it can withstand relatively high gas pressures up to 700 bar. In this container wall 34 are the aforementioned electrical connections for operating the electrolyzer 4 , the feed 22 , a hydrogen connection 36 and an oxygen port 38 educated. The hydrogen connection 36 is to a hydrogen line 40 connected. In a similar way is the oxygen connection 38 to an oxygen line 42 connected.

Diese führen zu den entsprechenden Gasanschlüssen der Brennstoffzelle 8, deren Aufbau an sich bekannt ist, so dass weitere Erläuterungen entbehrlich sind. These lead to the corresponding gas connections of the fuel cell 8th , whose structure is known per se, so that further explanations are unnecessary.

Als Brennstoffzelle kann beispielsweise eine alkalische Brennstoffzelle verwendet werden. Prinzipiell ist es auch denkbar, den Elektrolyseur als reversible Brennstoffzelle auszubilden, so dass dieser im abschnittsweisen Elektrolysebetrieb ein Mal Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff zerlegt und dann im Brennstoffzellenbetrieb die Spannung U erzeugt, über die dann ein Verbraucher oder dergleichen angetrieben wird. Auf diesen Brennstoffzellenbetrieb kann beispielsweise dann umgeschaltet werden, wenn die Photovoltaik 16 oder die sonstige zur Verfügung stehende regenerative Energie nicht ausreicht, um den elektrischen Verbraucher direkt zu versorgen. As the fuel cell, for example, an alkaline fuel cell can be used. In principle, it is also conceivable to design the electrolyzer as a reversible fuel cell, so that it decomposes water into hydrogen and oxygen once in the sectioned electrolysis operation and then generates the voltage U in fuel cell operation, via which a consumer or the like is driven. On this fuel cell operation, for example, can be switched when the photovoltaic 16 or the other available regenerative energy is insufficient to supply the electrical load directly.

Beim Ausführungsbeispiel gemäß 1 wird jedoch eine eigene Brennstoffzelle 8 verwendet. Der Gasstrom zur Brennstoffzelle 8 wird in Abhängigkeit von der abzugreifenden elektrischen Leistung von zwei Regelventilen 44, 46 in der Wasserstoffleitung 40 bzw. der Sauerstoffleitung 42 eingestellt. According to the embodiment 1 however, it becomes a separate fuel cell 8th used. The gas flow to the fuel cell 8th becomes dependent on the electric power of two control valves 44 . 46 in the hydrogen line 40 or the oxygen line 42 set.

Sowohl im Elektrolyseur 4 als auch in der Brennstoffzelle 8 wird während der chemischen Reaktion Reaktionsenthalpie frei. Diese wird – wie bereits erläutert – ausgenutzt, um über den Wärmetauscher 10 ein Fluid, bspw. ein Wärmeübertragungsmedium 12 zu erwärmen. Prinzipiell kann ein derartiger Wärmetauscher 10 auch an den Elektrolyseur 4 angeschlossen werden um die dort freiwerdende Reaktionsenthalpie zu nutzen. Both in the electrolyzer 4 as well as in the fuel cell 8th During the chemical reaction enthalpy of reaction is released. This is - as already explained - exploited to the heat exchanger 10 a fluid, for example a heat transfer medium 12 to warm up. In principle, such a heat exchanger 10 also to the electrolyzer 4 be connected to use the released there reaction enthalpy.

Im Elektrolyseur laufen folgende Reaktionsgleichungen ab: 2H₂O → 4H⁺ + 4e^– + O₂ 4H⁺ + 4e^– → 2H₂ In the electrolyser the following reaction equations take place: 2H ₂ O → 4H ⁺ + 4e ^- + O ₂ 4H ⁺ + 4e ^- → 2H ₂

Dementsprechend wird an der Kathode Wasserstoff und an der Anode Sauerstoff gebildet. Die minimale Gleichspannung, die von der Spannungsquelle, beispielsweise der Photovoltaik geliefert werden muss, liegt bei 1,5 V. Accordingly, hydrogen is formed at the cathode and oxygen at the anode. The minimum DC voltage that must be supplied by the voltage source, for example photovoltaic, is 1.5 V.

Anstelle eines alkalischen Elektrolyseurs können prinzipiell auch ein saurer oder PEM-Elektrolyseur, ein Hochtemperatur-Elektrolyseur oder andere Elektrolyseurbauarten verwendet werden. Der hier erläuterte alkalische Elektrolyseur zeichnet sich jedoch durch einen äußerst einfachen Aufbau bei sehr guter verfahrenstechnischer Beherrschbarkeit aus. Derartige Elektrolyseure werden beispielsweise unter der Produktbezeichnung „Anton“ angeboten, weitere Beschreibungen des Aufbaus eines Elektrolyseurs sind somit überflüssig. In principle, instead of an alkaline electrolyzer, it is also possible to use an acidic or PEM electrolyzer, a high-temperature electrolyzer or other types of electrolyzer. However, the alkaline electrolyzer described here is characterized by an extremely simple structure with very good process control. Such electrolyzers are offered for example under the product name "Anton", further descriptions of the structure of an electrolyzer are therefore superfluous.

Selbstverständlich können anstelle der KOH auch andere Elektrolyten oder Elektrodenmaterialien eingesetzt werden. Ein weiterer Vorteil derartiger alkalischer Elektrolyseure besteht darin, dass diese den Druck im Speicher 6 praktisch selbst aufbauen, so dass keine komplexen Druckregeleinrichtungen verwendet werden müssen. Of course, other electrolytes or electrode materials can be used instead of the KOH. Another advantage of such alkaline electrolyzers is that they are the pressure in the memory 6 practically build yourself, so that no complex pressure control devices must be used.

Aus Sicherheitsüberlegungen wird es bei der Erfindung bevorzugt, wenn der Druck im Speicher, insbesondere im Wasserstoffspeicher 28 überwacht wird und bei Überschreiten eines vorbestimmten Grenzdrucks eine weitere Aufladung des Speichers 6 nicht mehr erfolgt und entweder der Elektrolyseur abgeschaltet wird oder aber das bei der Elektrolyse anfallende Gasgemisch (Knallgas) über einen nicht dargestellten Brenner oder dergleichen verwendet wird, um andere Medien oder Räume aufzuheizen. For safety reasons, it is preferred in the invention when the pressure in the memory, in particular in the hydrogen storage 28 is monitored and when a predetermined limit pressure is exceeded, a further charging of the memory 6 no longer takes place and either the electrolyser is switched off or the gas mixture produced during the electrolysis (oxyhydrogen gas) is used via a burner, not shown, or the like, to heat up other media or rooms.

Prinzipiell kann natürlich auch ein parallel geschalteter Gasspeicher (zumindest für Wasserstoff) vorhanden sein, der dann bei vollständig aufgeladenem Speicher 6 geladen wird. In principle, of course, a parallel-connected gas storage (at least for hydrogen) may be present, which then with fully charged memory 6 is loaded.

Wie in 1 angedeutet, wird der Wasservolumenstrom im Rücklauf 13 über eine Pumpe 48 und einen Regler 50 so eingestellt, dass die Elektrolytkonzentration im Elektrolyseur 4 konstant gehalten wird. Überschüssiges Wasser kann in einen Tank gefördert oder aus einem Tank nachgefördert werden. As in 1 indicated, the water volume flow in the return 13 via a pump 48 and a regulator 50 adjusted so that the electrolyte concentration in the electrolyzer 4 is kept constant. Excess water can be pumped into a tank or nachgefördert from a tank.

2 zeigt eine vereinfachte Variante eines Energiewandlers 1, die beispielsweise in einem Haus oder dergleichen anstelle oder zusätzlich zu einer herkömmlichen Heizung verwendet werden kann. 2 shows a simplified variant of an energy converter 1 For example, it may be used in a house or the like instead of or in addition to a conventional heater.

Genau wie beim zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiel ist eine Elektrolyseureinheit 2 mit einem Elektrolyseur 4 und einem Speicher 6 vorgesehen, der einen Wasserstoffspeicher 28 und einen Sauerstoffspeicher 30 hat und als Druckbehälter ausgebildet ist. Elektrolyseur 2 und Speicher 6 sind wiederum als funktionale und bauliche Einheit ausgebildet. Die Arbeitsspannung U_A des Elektrolyseurs wird wiederum über eine Energiequelle, beispielsweise über ein von Sonnenlicht gespeistes Photovoltaikelement 16 bereitgestellt. Der Aufbau der Elektrolyseureinheit 2 entspricht demjenigen des vorbeschriebenen Ausführungsbeispiels, so dass weitere Erläuterungen entbehrlich sind. Just as in the embodiment described above, an electrolyzer unit 2 with an electrolyzer 4 and a memory 6 provided a hydrogen storage 28 and an oxygen storage 30 has and is designed as a pressure vessel. electrolyzer 2 and memory 6 are in turn designed as a functional and structural unit. The working voltage U _{A of} the electrolyzer is in turn via an energy source, for example via a powered by sunlight photovoltaic element 16 provided. The structure of the electrolysis unit 2 corresponds to that of the above-described embodiment, so that further explanations are unnecessary.

Ein wesentlicher Unterschied des Energiewandlers 1 gemäß 2 zum zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiel besteht darin, dass die aus dem Druckbehälter 34 herausführenden Anschlüsse 36, 38 zusammengeführt werden, wobei diese Zusammenführung beispielsweise über ein angedeutetes Mischventil 50 erfolgen kann. An dessen Ausgang ist eine Knallgasleitung 52 angeschlossen, wobei der Gasvolumenstrom in der Knallgasleitung 52 mittels eines Reglers 54 konstant gehalten wird. Die Knallgasleitung 52 ist an eine Brennereinheit 56 angeschlossen, in der das hochenergetische Knallgas „verbrannt“ wird. Diese Brennereinheit 56 hat einen integrierten Wärmetauscher, über den die bei der Knallgasreaktion frei werdende Reaktionsenthalpie verwendet wird, um das Wärmeübertragungsmedium 12, beispielsweise Heizwasser zu erwärmen. Dies kann beispielsweise über eine Pumpe 58 zum jeweiligen Verwendungsort gefördert werden. Das bei der Knallgasreaktion entstehende Wasser 56 wird entweder über den bereits erläuterten Rücklauf 13 mit Pumpe 48 und Mischventil 50 in den Speicher 6 zurückgeführt oder aber das abgekühlte Wasser über einen Kaltwasserablauf 60 abgezogen. Prinzipiell kann natürlich auch der Rücklauf 13 an den Kaltwasserablauf 60 angeschlossen werden, so dass nur bei Bedarf Wasser zum Elektrolyseur 4 zurückgeführt wird. A major difference of the energy converter 1 according to 2 to the embodiment described above is that from the pressure vessel 34 leading out connections 36 . 38 be brought together, this merger, for example, via an indicated mixing valve 50 can be done. At its output is a bang-gas 52 connected, wherein the gas volume flow in the oxy-fuel gas line 52 by means of a regulator 54 is kept constant. The oxy-fuel line 52 is to a burner unit 56 connected, in which the high-energy explosive gas is "burned". This burner unit 56 has an integrated heat exchanger, which uses the reaction enthalpy released during the oxyhydrogen reaction to form the heat transfer medium 12 to heat, for example, heating water. This can be done for example via a pump 58 be promoted to the respective place of use. The resulting in the oxyhydrogen gas water 56 is either via the already explained return 13 with pump 48 and mixing valve 50 in the store 6 returned or the cooled water over a cold water drain 60 deducted. In principle, of course, the return 13 to the cold water drain 60 be connected so that only when needed water to the electrolyzer 4 is returned.

Im Übrigen entspricht das Ausführungsbeispiel gemäß 2 dem zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiel, so dass weitere Erläuterungen entbehrlich sind. Incidentally, the embodiment corresponds to 2 the embodiment described above, so that further explanations are unnecessary.

Wie bereits erwähnt, könnte ein Energiewandler gemäß 1 verwendet werden, in einem Elektrofahrzeug den Akkumulator aufzuladen. Die dem Elektrolyseur 4 zuzuführende Energie könnte dann beispielsweise durch Rekuperation beim Abbremsen des Fahrzeugs geliefert werden, so dass der Speicher 6 in derartigen Betriebszuständen aufgeladen wird, so dass immer genügend Energie zur Verfügung steht, um den Akkumulator zu laden. As already mentioned, an energy converter could work according to 1 be used in an electric vehicle to charge the accumulator. The electrolyzer 4 energy to be supplied could then be supplied, for example, by recuperation when braking the vehicle, so that the memory 6 is charged in such operating conditions, so that there is always enough energy available to charge the battery.

Die in 2 erläuterte Lösung ist eher für stationäre Verwendungen, beispielsweise als Heizung vorgesehen. Natürlich könnte eine derartige Einheit auch Teil einer Klimaanlage sein, um einen Fahrzeuginnenraum oder einen Kühlmittelkreislauf schnellstmöglich zu erwärmen. Ein derartiger Kühlmittelkreislauf ist auch bei Elektrofahrzeugen erforderlich, um die Abwärme abzuführen oder beim Kaltstart die Komponenten auf Betriebstemperatur zu bringen. In the 2 explained solution is more intended for stationary uses, such as heating. Of course, such a unit could also be part of an air conditioning system to heat a vehicle interior or a coolant circuit as quickly as possible. Such a coolant circuit is also required in electric vehicles to dissipate the waste heat or to bring the components to operating temperature during cold start.

Offenbart sind eine Elektrolyseureinheit und ein Energiewandler mit einer derartigen Elektrolyseureinheit. Diese hat einen Elektrolyseur, der eine bauliche Einheit mit einem Speicher bildet. Disclosed are an electrolyzer unit and an energy converter with such an electrolyzer unit. This has an electrolyzer, which forms a structural unit with a memory.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11: Energiewandler energy converters
22: Elektrolyseureinheit electrolyser
44: Elektrolyseur electrolyzer
66: Speicher Storage
88th: Brennstoffzelle fuel cell
1010: Wärmetauscher heat exchangers
1212: Wärmeübertragungsmedium Heat transfer medium
1313: Rücklauf returns
1414: Elektrode electrode
1616: Photovoltaik photovoltaics
1818: Gehäuseplatte housing plate
2020: Gehäuseplatte housing plate
2222: Zulauf Intake
2424: Gasausgang gas output
26 26: Gasausgang gas output
2828: Wasserstoffspeicher Hydrogen storage
3030: Sauerstoffspeicher oxygen storage
3232: Speicherwandung Speicherwandung
3434: Behälterwandung container
3636: Wasserstoffanschluss Hydrogen connection
3838: Sauerstoffanschluss oxygen connection
4040: Wasserstoffleitung Hydrogen line
4242: Sauerstoffleitung oxygen line
4444: Regelventil control valve
4646: Regelventil control valve
4848: Pumpe pump
5050: Mischventil mixing valve
5252: Knallgasleitung Detonating gas line
5454: Regler regulator
5656: Brennereinheit burner unit
5858: Pumpe pump
6060: Kaltwasserablauf Cold water drain

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

DE 102009048455 A1 [0006]

Claims

Electrolyzer unit for decomposing water into hydrogen and oxygen, with a storage tank for hydrogen and oxygen, characterized in that the storage tank ( 6 ) a structural unit with the electrolyzer ( 4 ).

Electrolyzer unit according to claim 1, wherein the memory ( 6 ) is a pressure vessel into which the electrolyzer ( 4 ) is integrated at least in sections.

An electrolyzer unit according to claim 1 or 2, wherein the hydrogen and the oxygen are each in a hydrogen storage ( 28 ) or an oxygen storage ( 30 ) arranged with a corresponding gas outlet ( 24 . 26 ) of the electrolyzer ( 4 ) connected is.

Electrolyzer unit according to one of the preceding claims, wherein the electrolyzer ( 4 ) is an alkaline electrolyzer.

Electrolysis unit according to one of the preceding claims, wherein electrodes ( 14 ) of the electrolyzer ( 4 ) Are stainless steel plates, which are spaced by means of plastic seals.

Energy converter with an electrolyzer unit according to one of the preceding claims, with an energy source for operating an electrolyzer ( 4 ) and a cell for generating electrical, thermal and / or mechanical energy from hydrogen and oxygen.

Energy converter according to claim 6, wherein the cell is a fuel cell ( 8th ).

An electrolyzer unit according to claim 6, wherein the cell is a burner unit ( 56 ).

Energy converter according to claim 8, wherein the burner unit ( 56 ) a heat exchanger for heat exchange with a heat transfer medium ( 12 ) Has.

Energy converter according to one of the claims 6 to 9, with a return ( 13 ) for water to the electrolyzer ( 4 ).

Energy converter according to one of the claims 6 to 10, wherein the energy source is operated by solar energy, wind, water energy or by kinetic energy of a utility device, such as a vehicle or an elevator.

Energy converter according to one of the preceding claims, wherein it is associated with an electric motor or a battery of an electric motor.