DE102011112787A1 - Verfahren und Vorrichtung zur reversiblen katalytischen Hydration von Carbazol mittels protonenleitender Membranen - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Einspeicherung und Entspeicherung von Wasserstoff in und aus Carbazol sowie in und aus dessen Derivaten, wobei Ein- und Entspeicherung in 3 getrennten Schritten, nämlich Einspeicherung – Zwischenspeicherung des Carbazols – Entspeicherung erfolgt, und die Einspeicherung durch einen PEM-Membranelektrolyseur oder durch eine elektrochemische Wasserstoffpumpe vollzogen wird, sowie das aufgeladene Carbazol in einer Brennstoffzelle entladen und in elektrische sowie thermische Energie gewandelt wird, wobei der wasserstofferzeugende Membranelektrolyseur mit der elektrochemischen Wasserstoffpumpe in einer Einheit und die elektrochemische Wasserstoffpumpe und der Carbazolspeicher in einer Einheit verwirklicht werden.

Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur reversiblen Hydrierung von Carbazol und dessen Derivaten mit den Merkmalen des Oberbegriffs des unabhängigen Patentanspruchs 1.
  • Die kostengünstige Speicherung von Wasserstoff zur Verwendung, z. B. in Brennstoffzellen in Kraft-Wärme-Anlagen, in Heizanlagen, in stationären und mobilen Systemen, etc. ist eines der wichtigsten Probleme der Brennstoffzellentechnologie. Bisher sind etliche Verfahren bekannt: Volumenspeicherung, Druckspeicherung, Speicherung des verflüssigten Wasserstoffes, Speicherung mittels Metallhydriden, usw. Auch die Speicherung und Entspeicherung von Wasserstoff in Carbazol ist Stand der Technik, allerdings nur im Labormaßstab. Ein geschlossenes und funktionierendes Verfahren, das als System repräsentiert wird, ist nicht bekannt.
  • Aus PCT/US04/014034 ist es grundsätzlich bekannt, Wasserstoff in Carbazol einzuspeichern und zu entspeichern.
  • Aus AutoBild, Nr. 26, 01. Juli 2011, Seiten 26 und 27 geht der Einsatz von Carbazol als Energieträger in Elektroautos hervor.
  • Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde ein Verfahren aufzuzeigen, das systemtechnisch die Speicherung, wie auch die Entspeicherung von Wasserstoff in einer Flüssigkeit mittels katalytischer Hydrierung ermöglicht. Als Ausgangsflüssigkeit soll dabei vorzugsweise N-Ethyl-Carbazol (C14H13N) eingesetzt werden.
  • Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gelöst, das die Hydrierung einer Flüssigkeit (Carbazol) reversibel ermöglicht. Zur Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß eine katalysatorbeschichtete protonenleitende Membran (PEM) eingesetzt. Die verschiedenen Möglichkeiten des praktischen Einsatzes dieser Membran wird in Bild 1 dargestellt.
  • Man kann daraus entnehmen, dass durch die Verwendung einer protonenleitenden Membran vielseitige Aufgaben gelöst werden können. Der dabei jeweilig verwendete Katalysator unterstützt die erforderlichen Reaktionen und ermöglicht, dass diese auch in niedrigeren Temperatur- und Druckbereichen ablaufen können. Die 4 wichtigsten Anwendungen sind hier nochmals zusammengefasst in sogenannte „Basisprozesse” der protonenleitenden Membran:
    • • Membranelektrolyse, bei der entionisiertes Wasser elektrochemisch in Wasserstoff und Sauerstoff zerlegt wird
    • • Brennstoffzelle, bei der Wasserstoff und (Luft-)-Sauerstoff elektrochemisch zu Wasser unter Abgabe elektrischer Energie „kalt” verbrannt wird
    • • Sauerstoffgenerator, bei dem aus Wasser elektrochemisch reiner Sauerstoff erzeugt wird; der sich bildende Wasserstoff wird in status nascendi dabei in einer Halbzelle mit Luftsauerstoff rekombiniert. Dabei erreicht man energetisch einen enormen Vorteil, weil die Zersetzungsspannung der Elektrolyse von normalerweise 1,6 Volt bereits bei 0,6 Volt beginnt, da das (Luft)-Sauerstoff-Wasserstoffpotenzial genutzt werden kann
    • • Elektrochemischer Wasserstoffverdichter (H2-Pumpe), bei dem Wasserstoff über den ionalen Pfad durch die Membran bei geringsten Spannungen „gepumpt” werden kann.
  • Für die erfindungsgemäße Anwendung werden Membranelektrolyse bzw. Elektrochemischer Verdichter und Brennstoffzelle in geeigneter Form als System zusammengeschaltet.
  • Es wird vermutet, dass insbesondere die Einspeicherung von Wasserstoff in das Carbazol durch den bei der Elektrolyse, wie auch bei der elektrochemischen Pumpe kurzzeitig erzeugten atomaren Wasserstoffes in status nascendi besonders rasch und einfach von statten geht.
  • Bei dem neuen Verfahren zur Speicherung, wie zur Entspeicherung von Wasserstoff wird von den bekannten Verfahren insoweit abgewichen, als die Speicherung des Wasserstoffes durch Aufnahme des Wasserstoffes in einer Flüssigkeit und die Entspeicherung des Wasserstoffes aus der gleichen Flüssigkeit reversibel abläuft.
  • Dabei besteht die Erfindung aus 2 Verfahrensschritten, die in einem System realisiert werden:
    • a) der teilweisen oder vollständigen Einspeicherung von Wasserstoff Carbazol
    • b) der Zwischenspeicherung wasserstoffangereicherten Carbazols und
    • c) der nachfolgenden Entspeicherung des Wasserstoffes aus dem mit Wasserstoff teilweise oder ganz mit Wasserstoff aufgeladenem Carbazol. Die Verfahrensschritte a), wie auch c) werden in sogenannten elektrochemischen Zellen realisiert, die zusammen mit b) als Einzelkomponenten zu einem System gemäß dieser Erfindung kombiniert werden.
  • Einspeicherung von Wasserstoff in Carbazol Der Speichervorgang des Wasserstoffes in Carbazol wird erfindungsgemäß durch ebenfalls 2 Möglichkeiten repräsentiert:
    • • Mittels (Membran-)elektrolyse im Direktverfahren und
    • • durch eine elektrochemische Wasserstoffpumpe
  • Elektrolyseur, Membranelektrolyse
  • Als Elektrolyseur kann ein u. a. ein alkalischer Elektrolyseur oder ein Membranelektrolyseur eingesetzt werden. Beschrieben wird hier ein Membranelektrolyseur wegen seiner Systemkompatibilität in Bezug auf den Einsatz von protonenleitender Membranen (PEM).
  • Membranelektrolyseur
  • Mittels einer elektrochemischen Zelle, die beiderseits Elektroden aufweist und durch eine katalysatorbeschichtete protonenleitende Membran (PEM) geteilt ist, wird entionisiertes Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff zerlegt, wobei das Wasser auf der einen Seite (elektrischer Pluspol) und Carbazol (elektrischer Minuspol) auf der anderen Seite der Membran angeboten wird.
  • Die Temperaturverhältnisse sind so gestaltet, dass das Carbazol in flüssiger Form vorliegt und es mittels Pumpe kontinuierlich oder diskontinuierlich in der Zellenhälfte umgepumpt wird. Vorteilhaft ist ein Vorratsgefäß, aus der die Pumpe Carbazol bezieht und durch die Zellhälfte dem Vorratsgefäß wieder zuführt werden kann. Das Vorratsgefäß ermöglicht des Weiteren durch Einbringen einer Heizung die erforderlichen Temperaturverhältnisse herzustellen. Auch kann die Zelle für diesen Zweck direkt beheizt werden.
  • Den elektrochemischen Ablauf der Reaktion kann vereinfacht so dargestellt werden:
    Auf der Wasserseite erfolgt am Katalysator und an der Elektrode die Trennung des Wassers in Wasserstoff und Sauerstoff dergestalt, dass der gebildete Wasserstoff in atomarer Form von seinem Elektron getrennt und als Wasserstoffion (Proton) durch die Membran transportiert wird. Auf der anderen Seite (Carbazolseite) wird das Wasserstoffion durch Aufnahme eines Elektrons zu atomarem/molekularem Wasserstoff rekombiniert und kann sofort und unmittelbar vom Carbazol aufgenommen werden. Eine externe Stromquelle, z. B. durch Nutzung einer Fotovoltaikanlage, Windgenerator, etc. sorgt für den erforderlichen Elektronen- und Ionentransport in und durch die Zelle, indem auf der elektrischen Plusseite (Wasserseite) die Elektronen abgesaugt und der elektrischen Minusseite zugeführt werden. Der dabei fließende Ionenstrom durch die Membran ist dabei stets im Gleichgewicht zum Elektronenstrom. Bei der Membranelektrolyse muss mindestens die Zersetzungsspannung (ca. 1,6 V =) überschritten werden, um einen Stromfluss zu erreichen. Das durch Elektroosmose und durch die Tatsache, dass Wasserstoffionen nur mit einem Hydratmantel durch die Membran wandern können, etc. muss das mitgenommene Wasser durch die Membran auf der Carbazolseite mittels Wasserabscheider abgetrennt und kann dem Prozess wieder neu zugeführt werden. Da Carbazol wasserunlöslich ist kann keine Lösung entstehen.
  • Elektrochemische Wasserstoffpumpe (Elektrolyse des Wasserstoffes)
  • Das erfindungsgemäße angewandte 2. Verfahren in einem System, stellt die Nutzung und Wirkungsweise einer elektrochemischen Wasserstoffpumpe dar, die nachfolgend kurz erläutert wird. In einer elektrochemischen Zelle, die durch eine katalysatorbeschichtete protonenleitenden Membran (PEM) geteilt ist und beidseitig Elektroden aufweist, wird auf der einen Seite Wasserstoff, und auf der anderen Membranseite Carbazol angeboten.
  • Die Temperaturverhältnisse sind so gestaltet, dass das Carbazol in flüssiger Form vorliegt und es mittels Pumpe kontinuierlich oder diskontinuierlich in der Zellenhälfte umgepumpt wird. Vorteilhaft ist ein Vorratsgefäß, aus der die Pumpe Carbazol bezieht und durch die Zellhälfte dem Vorratsgefäß wieder zuführt. Das Vorratsgefäß ermöglicht des Weiteren durch Einbringen einer Heizung die erforderlichen Temperaturverhältnisse herzustellen. Auch kann die Zelle für diesen Zweck direkt beheizt werden.
  • Durch Anbringen einer geringen Spannung an den Elektroden wird Wasserstoff elektrochemisch durch die Membran gefördert, indem zuerst der Wasserstoff auf der Wasserstoffseite am Katalysator von seiner molekularen Form (H2) in atomarer Form zerlegt und dann infolge der angelegten Spannung (externe Stromquelle, el. Pluspol) und des Konzentrationsunterschieds als Wasserstoff-Ion (Protonen) durch die protonenleitende Membran gefördert wird. Dabei werden die dabei freiwerdenden Elektronen durch die externe Stromquelle abgesaugt. Auf der Carbazolseite werden am Katalysator die Protonen unter Aufnahme von Elektronen aus der externen Stromquelle (elektrischer Minuspol) wieder in atomaren Wasserstoff überführt.
  • In den beiden alternativen, wie auch hintereinanderschaltbaren Verfahrenschritten: Elektrolyseur und elektrochemische Wasserstoffpumpe ist Carbazol in der Lage den Wasserstoff entweder atomar oder molekular sofort und unmittelbar aufzunehmen und es entsteht dabei wasserstoffangereichertes Carbazol (Perhydro-Carbazol) nach folgendem Gleichungssystem:
    Figure 00060001
  • Die Anreicherung erfolgt solange stetig, bis 100% der Lösung mit Wasserstoff gesättigt ist. Der fließende elektrische Strom im Elektrolyseur oder in der Wasserstoffpumpe, wie auch bei Reihenschaltung beider Verfahren, infolge der angelegten Spannung und des elektrischen
  • Innenwiderstandes der Zellen (Elektronenwiderstand und Ionenwiderstand) ist jeweils ein exaktes Maß für den Wasserstofftransport (Faraday), der Spiegelanstieg durch Volumenzunahme des Carbazols im Vorratsgefäß ein Maß für den Hydrierungsgrad des Carbazols.
  • Als Zellenmembran kann für die elektrochemische Wasserstoffpumpe sowohl eine Niedertemperatur-PEM (schwefelsauere Membran), als auch eine Hochtemperatur-PEM (phosphorsauere Membran) eingesetzt werden. Letztere hat den Vorteil, dass die Prozesstemperaturen zu denen des Carbazols kompatibel sind.
  • Entspeicherung des Wasserstoffes aus Carbazol (Perhydrocarbazol)
  • Die Entspeicherung kann auf verschiedene Weise katalytisch erfolgen. Der Erfindung zufolge geschieht die Entspeicherung durch die gleiche oder einer 2. Zelle, die als PEM-Brennstoffzelle betrieben wird. Dabei wird Perhydrocarbazol wie bei der Einspeicherung des Wasserstoffes in Carbazol mittels Pumpe und Vorratsgefäß durch die Zelle umgepumpt. Am Katalysator entsteht molekularer/atomarer Wasserstoff. Falls ein elektrischer Strom durch einen äußeren Stromkreis ermöglicht wird, fließen Protonen durch die protonenleitende Membran. Die Elektrode wird dabei zum Minuspol, besitzt also einen Überschuss an Elektronen, die durch einen elektrischen Verbraucher abgezogen werden. Auf der anderen Membranseite wird ein Oxydator angeboten, also Sauerstoff, Luft oder andere (z. B. Chlor). Am Beispiel Luft, die aus ca. 20% aus Sauerstoff besteht, wird nun durch Elektronenaufnahme aus den Wasserstoff-Ionen und dem Sauerstoff als Produkt Wasser (H2O) erzeugt. Der Elektronenstromkreis ist über den externen elektrischen Verbraucher geschlossen – es wird Strom solange fließen, als Wasserstoff aus dem Perhydrocarbazol zur Verfügung steht.
  • Als Brennstoffzellenmembrane kann sowohl eine Niedertemperatur-PEM (schwefelsauere Membran), als auch eine Hochtemperatur-PEM (phosphorsauere Membran) eingesetzt werden. Letztere hat den Vorteil, dass die Prozesstemperaturen kompatibel sind.
  • Reversibler Prozess
  • Der reversible Prozess der Hydrierung und Dehydrierung von Carbazol wird in der Literatur wie folgt dargestellt: Dabei werden je Carbazol-Molekül 6 Wasserstoffmoleküle, d. h. 12H-Atome aufgenommen oder abgegeben. Aus C14H13N (N-Ethylcarbazol) wird C14H25N (Perhydrocarbazol), wie sich aus 1 ergibt.
  • Reversbetrieb
  • Systemtechnisch kann die Reversibilität durch eine Zelle im Wechselbetrieb oder durch 2 Zellen in Reihe gezeigt werden. Auch können und nicht nur im Reversbetrieb mehrere Zellen – wie in der Brennstoffzellen – Technologie üblich, zu Stacks kombiniert werden. Die dann einsetzte elektrische Schaltung bedarf, auf Grund der spezifischen Gegebenheiten der Wasserstoff-pumpe, besondere Aufmerksamkeit und technische Lösungen.
  • Im reinen Reversbetrieb wird ein- und dieselbe Zelle zuerst als elektrochemische H2-Pumpe und dann als Brennstoffzelle betrieben. Dabei wird zu Beginn nach dem Prinzip der elektrochemischen H2-Pumpe, Wasserstoff in das Carbazol, durch Anlegen einer geringen Spannung, wie durch den dadurch bedingten elektrischen Strom, eingebracht. Die Dauer des H2-Angebotes und die Menge des Carbazols im Vorratsbehälter ergibt im Umlaufbetrieb die in Carbazol gespeicherte Gesamtwasserstoffmenge.
  • Ist der Ladevorgang abgeschlossen, das kann ebenfalls nach einer Teilladung erfolgen, wird der Wasserstoff abgeschaltet und Luftsauerstoff anstelle des Wasserstoffes derselben Zelle angeboten.
  • Das mit Wasserstoff aufgeladene Carbazol gibt nun seinen Wasserstoff wieder ab und es kann elektrische Leistung, wie auch Wärme, derselben Zelle im Brennstoffzellenbetrieb, entnommen werden.
  • Der Basisprozess mit der protonenleitenden Membrane ergibt sich aus 2.
  • Die Erfindung wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert und beschrieben. Diese zeigen:
  • 1 Reversibler Prozess
  • 2 Basisprozess mit der protonenleitenden Membran
  • 3 zeigt ein Prinzipschaltbild der gesamten energetischen Kette
  • 4 zeigt die Wirkungsweise des Ladevorganges mittels (Membran-)Elektrolyseurs
  • 5 zeigt die Wirkungsweise des Ladevorganges mittels elektrochemischer Wasserstoffpumpe
  • 6 zeigt die Wirkungsweise des Entladevorganges mittels Brennstoffzellenprinzips
  • 7 zeigt eine 2-zellige Anordnung mit Ladungs- und Entladungszellen
  • 8 zeigt unterschiedliche Kombinationsmöglichkeiten der Systemeinheiten zu einem Gesamtsystem
  • Bei dem in 3 dargestellten Verfahren wird die gesamte energetische Kette dargestellt. Eine elektrische externe Stromversorgung 1 stellt die erforderliche elektrische Energie zur Verfügung. Zur katalytischen Beladung des Carbazols findet eine Zelle 2 Anwendung Diese kann sowohl als ein Elekroyseur (Direktbeladungszelle), als auch als eine elektrochemische H2-Pumpe ausgebildet werden, wenn Wasserstoff auf andere Weise verfügbar gemacht wird. Eine Carbazol-Umwälzpumpe 3 sichert den zeitlich wechselnden Kontakt des Carbazols beim Ausladevorgang um ein Überladen zu verhindern. Der Wasserabscheider 4 ermöglicht die Trennung von Wasser aus dem mit Wasserstoff angereicherten Carbazols. Das Carbazol wird in einem Vorratsbehältnis 5 bevorratet. Die Einstellung der Carbazoltemperatur erfolgt durch eine Heizung 6. Diese Heizung kann auch in der Beldungszelle 2 integriert werden. Der Carbazol-Vorratsbehälter muss be- und entlüftet werden, dies geschieht mit der Belüftung 7. Die Carbazol-Entladung erfolgt in der Zelle 8. Eine 2. Carbazol-Umwälzpumpe 9 ermöglicht eine kontinuierliche Entladung des Carbazols durch Durchströmen. Die Nutzung der durch Zelle 8 erbrachten elektrischen Leistung erfolgt durch den Verbraucher 10.
  • Die 4 stellt die Wasserstoffbereitstellung zur Hydrierung des Carbazols durch einen Membranelektrolyseur dar. Mit dem Wassereintritt wird die Zelle, die durch 2 Endplatten 13 gasdicht zusammengepresst wird, mit entsalztem Wasser 11 versorgt. Die stattfindende Elektrolyse infolge des Zusammenwirkens der Stromversorgung 17, der lektronenleitenden Elektroden 14a und 14b, des Katalysators 15 und der protonenleitenden Membran (PEM) 16, die als Feststoffelektrolyt fungiert, erzeugt stromproportionalen Wasserstoff auf der wasserabgewandten Carbazolseite der Zelle und Sauerstoff 12 auf der Wasserseite der Zelle, der im Kreislaufverfahren an die Umgebung abgegeben wird. Das Carbazol wird mit der Pumpe 18 mittels der Leitungen 22a und 22b durch die Zelle und zum Carbazolreservoir 19 gepumpt. Da das Carbazol 20 durch die Wasserstoffaufnahme eine starke Volumenzunahme erfährt ist eine Belüftungsvorrichtung 23 erforderlich. Eine geregelte Heizung 21 bringt und hält das Carbazol in den flüssigen Zustand.
  • 5 zeigt die Beladung des Carbazols mit Wasserstoff 24, der systemextern angeboten wird und mittels des Prinzips der elektrochemischen Wasserstoffpumpe von der Wasserstoff-Eintrittsseite auf die Carbazolseite elektrisch „gepumpt” wird. Der Wasserstoff wird an den Katalysatoren 27 von der molekularen Form in die atomare Form überführt, seine Elektronen über die Elektrode 26a und durch den Verbraucher 25 abgeführt, um auf der Carbazolseite von den durch die Membran fliesenden H-Ionen wieder aufgenommen sowie im Carbazol gebunden zu werden. Die Endplatten 29 gestatten eine gasdichte Verpressung der Zelle. Die anschließende Pumpe 30 gestattet es, das Carbazol 32 umzupumpen, um die Wasserstoffaufnahme in der Zelle zu ermöglichen. Der Behälter 33 enthält den Carbazolvorrat, eine Belüftungseinrichtung 35 gewährleistet die durch die Wasserstoffaufnahme des Carbazols sich verändernde Volumenzunahme druckneutral auszugleichen. Eine geregelte Heizung 34 bringt und hält das Carbazol in den flüssigen Zustand.
  • 6 behandelt die Wasserstoff-Entspeicherung aus dem aufgeladenen Carbazol. Für die Entspeicherung wird eine Brennstoffzelle, entweder als Niedertemperatur-PEM-Brennstoffzelle (schwefelsauere PEM) oder als Hochtemperatur-PEM-Brennstoffzelle (phosporsauere PEM) ausgelegt, eingesetzt. Die Brennstoffzelle benötigt zum Betrieb Wasserstoff und Sauerstoff. Den Sauerstoff 36 bezieht sie aus der Umgebung (Lüfter, Kompressor, etc.). Als End und Reaktionsprodukt entsteht Wasser 37 und sauerstoffabgereicherte Luft 37. Der erforderliche Wasserstoff wird durch katalytische Reaktion dem angereicherten Carbazol 45, das durch eine Pumpe 43 umgepumpt wird, in der Zelle entnommen (Entspeicherung). Für den Hin- und Rückfluss sind Leitungen 44a und 44b erforderlich. Die Zelle selbst wird durch Katalysatoren 39, an denen die Sauerstoff-Wasserstoffreaktion stattfindet
    Figure 00120001
  • Die Ionenleitung erfolgt durch die protonenleitende Membran (PEM) 40, die beidseitig angebrachten Elektroden 41a (Pluselektrode), 41b (Minuselektrode) ermöglichen den Elektronenstrom der technische Arbeit am Verbraucher 42 verrichten kann.
  • Der Carbazolvorrat 45 wird in einem Vorratsgefäß 46 bereitgestellt, eine Belüftungseinheit ermöglicht den druckneutralen Volumenschwund des aufgeladenen Carbazols infolge der Desorbtion des Wasserstoffes
  • In der 7 wird eine 2-zellige Gesamteinheit dargestellt, die aus einer Carbazol-Beladungseinheit, einem Carbazol-Zwischenspeicher und einer Carbazol-Entladeeinheit beteht.
  • In 8 sind sinnvolle Kombinationsmöglichkeiten der Systemeinheiten zu einem Gesamtsystem in einer Tabelle dargestellt.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Externe Stromversorgung
    2
    Carbazol-Beladungszelle
    3
    Carbazol Umwälzpumpe
    4
    Wasserabscheider
    5
    Carbazol-Vorratsbehälter
    6
    Heizung
    7
    Be- und Entlüftung
    8
    Carbazol-Entladungszelle
    9
    Carbazol Umwälzpumpe
    10
    Elektrischer Verbraucher
    11
    Vollentsalztes Wasser
    12
    (Luft-)Sauerstoff
    13
    Endplatten
    14, 14a, 14b
    Elektroden
    15
    Protonenleitende Membran (PEM)
    16
    Katalysatoren
    17
    Stromquelle
    18
    Umwälzpumpe
    19
    Vorratsbehälter
    20
    Carbazol
    21
    Heizung
    22, 22a, 22b
    Leitungen
    23
    Belüftungsvorrichtung
    24
    Wasserstoff
    25
    Stromversorgung
    26, 26a, 26b
    Elektroden
    27
    Katalysator
    28
    Protonenleitende Membran (PEM)
    29
    Endplatten
    30
    Pumpe
    31, 31a, 31b
    Leitungen
    32
    Carbazolvorrat
    33
    Carbazol-Behälter
    34
    Heizung
    35
    Belüftungsvorrichtung
    36
    (Luft-)Sauerstoff
    37
    Produktwasser und sauerstoff-abgereicherte Luft
    38
    Endplatten
    39
    Katalysator
    40
    Protonenleitende Membran
    41, 41a, 41b
    Elektroden
    42
    Elektrischer Verbraucher
    43
    Carbazolpumpe
    44, 44a, 44b
    Leitungen
    45
    Carbazolvorrat
    46
    Carbazol-Behälter
    47
    Heizung
    48
    Belüftungsvorrichtung
    49
    Beladeeinheit
    50
    Carbazolspeicher
    51
    Entladeeinheit
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • US 04/014034 [0003]

Claims (13)

  1. Verfahren zur Einspeicherung und Entspeicherung von Wasserstoff in und aus Carbazol sowie in und aus dessen Derivaten, wobei Ein- und Entspeicherung in 3 getrennten Schritten, nämlich: – Einspeicherung – Zwischenspeicherung des Carbazols – Entspeicherung erfolgt, und – die Einspeicherung durch einen PEM-Membranelektrolyseur oder durch eine elektrochemische Wasserstoffpumpe vollzogen wird, sowie – das aufgeladene Carbazol in einer Brennstoffzelle entladen und in elektrische sowie thermische Energie gewandelt wird, wobei der wasserstofferzeugende Membranelektrolyseur mit der elektrochemischen Wasserstoffpumpe in einer oder mehreren Einheiten und die elektrochemische Wasserstoffpumpe und der Carbazolspeicher in einer Einheit verwirklicht werden.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das mit Wasserstoff teilweise oder gesättigt aufgeladene Carbazol in einem Zwischenbehälter gespeichert wird.
  3. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrochemische Wasserstoffpumpe und die Brennstoffzelle mit angeschlossenem Carbazolspeicher im Wechselbetrieb durch ein und dieselbe Einheit nacheinander betrieben wird
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Carbazolvorratsgefäß ein zusätzlicher Katalysator zur Nachbehandlung des Carbazols vorgesehen wird.
  5. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Carbazolvorratsgefäß zur Verflüssigung des Carbazols beheizt wird.
  6. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zur Verflüssigung erforderliche Heizung auch in der elektrochemischen Wasserstoffpumpe wirkt.
  7. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der elektrochemische Wasserstoffpumpe eine schwefelsauere PEM (Niedertemperatur-PEM) vorgesehen ist.
  8. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche 1–6, dadurch gekennzeichnet, dass in der elektrochemische Wasserstoffpumpe eine phosphorsauere PEM (Hochtemperatur-PEM) vorgesehen ist.
  9. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der Brennstoffzelle eine schwefelsauere PEM (Niedertemperatur-PEM) vorgesehen wird.
  10. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüchen 1–8, dadurch gekennzeichnet, dass in der Brennstoffzelle eine phosphorsauere PEM (Hochtemperatur-PEM) vorgesehen ist.
  11. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, gekennzeichnet durch Einsatz einer Brennstoffzelle als Stack (in Reihe und/oder parallel geschaltete Zellen im Verbund).
  12. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, gekennzeichnet durch Einsatz einer elektrochemischen Pumpe als Stack (in Reihe und/oder parallel geschaltete Zellen im Verbund).
  13. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1–12, gekennzeichnet durch eine 2-zellige Gesamteinheit bestehend aus Carbazol-Beladungseinheit und Carbazol-Entladeeinheit, zwischen welchen ein Carbazol-Zwischenspeicher angeordnet ist, wobei in der Carbazol-Beladungseinheit ein PEM-Membran-Elektrolyseur eine elektrochemische Wasserstoffpumpe angeordnet ist und in der Carbazol-Entladeeinheit eine Brennstoffzelle vorgesehen ist.
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